JP2000166893A - シールド形コイルアセンブリ - Google Patents

シールド形コイルアセンブリ

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JP2000166893A
JP2000166893A JP10345765A JP34576598A JP2000166893A JP 2000166893 A JP2000166893 A JP 2000166893A JP 10345765 A JP10345765 A JP 10345765A JP 34576598 A JP34576598 A JP 34576598A JP 2000166893 A JP2000166893 A JP 2000166893A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】シールドコイルを螺旋巻き法により巻装するこ
とで製造作業の容易性を保持し、かつ、その巻き位置を
解析的に特定してシールド性能を確保する。 【解決手段】第1の円筒状ボビンBに螺旋状に巻装・配
置し且つそのボビンのボア内に所望の磁場分布を得るた
めに通電するメインコイル12Zmと、メインコイル1
2Zmの周りを囲む空間上の位置に設置した第2の円筒
状ボビンBに巻装・配置し且つシールド用磁場を発生さ
せるために通電するシールドコイル12Zsとを有する
コイルアセンブリ12Zを備える。コイルアセンブリ1
2Zによって発生される磁場が第2の円筒状ボビンBの
外周面側にて実質的に零となるようにシールドコイル1
2Zsの巻線位置を解析的に設定する。コイルアセンブ
リ12Zは、例えば、MRI装置における能動遮蔽型傾
斜磁場コイルのZチャンネルのコイルアセンブリであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、導体をボビンに螺
旋状に巻装した巻線部を備えたシールド形コイルアセン
ブリに関する。とくに、磁気共鳴イメージング(MR
I)装置における能動遮蔽型傾斜磁場コイルのZチャン
ネルのコイルアセンブリに好適なコイルアセンブリに関
する。
【0002】
【従来の技術】従来、導体を円筒状ボビンに螺旋状に巻
く、いわゆる螺旋状コイル(以下、“zonal"コイ
ルという)が各種の機器で使用されている。医用磁気共
鳴イメージング装置にも、この“zonal"コイルが
搭載されている。磁気共鳴イメージング装置は通常、静
磁場を発生する静磁場コイル、静磁場の均一度を補正す
るシムコイル、静磁場に重畳する傾斜磁場を発生する傾
斜磁場コイル、高周波信号の送受用のRFコイルなどを
使用している。この内、“zonal"コイルは、傾斜
磁場コイルのZチャンネルのコイルやシムコイルのZ2
,Z3 ,Z4 ,Z5 ,Z6 チャンネルなどに使用され
ている。
【0003】いま、磁気共鳴イメージング装置の能動
(自己)遮蔽型傾斜磁場コイル(ASGC:Actively S
hielded Gradient Coil )のZチャンネルのコイルアセ
ンブリを例にとって説明する。このZチャンネルのコイ
ルは、“zonal"コイルで形成されるが、その導体
の巻装方法としては大別すると2通りの方法が知られて
いる。その一つは、図11に示すように、空間配置上の
厳密な観点からは螺旋状に巻かずに、解析的に求めたボ
ビン軸方向の離散的な巻線位置毎にレーンチェンジをし
ながら巻く、いわゆるレーンチェンジ巻き法である。す
なわち、導体をある巻線位置で巻き位置を変えずに略1
ターン(略360度)させると、次のターンに入るとき
にその巻き始めの近傍位置で隣の巻線位置にレーンチェ
ンジして再び巻く手法である。
【0004】もう一つの方法は、図12に示す如く、文
字通り連続的に螺旋状に巻く、いわゆる螺旋巻き法であ
る。つまり、解析的に求めたボビン軸方向の離散的な巻
線位置に対して、ある巻線位置に巻始め端を合わせて螺
旋状に1ターンさせると、その巻き終わり端が次の巻線
位置でそのターンの巻き始め端となるように螺旋状に順
次巻いていく手法である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の“zonal"コイルの巻き法の内、図11に
示すレーンチェンジ巻き法の場合、そのコイルを巻装す
ること自体が技術的に非常に難しく且つ複雑な作業とな
り、コイルの製造工程が著しく増加して、製造コストを
上昇させる一方、その巻装作業の困難さから設計した通
りの磁場分布が得られないことも多いという問題があっ
た。
【0006】この問題の発生状況を詳述する。巻線のレ
ーンチェンジは、通常、ボビン円周方向の比較的狭い範
囲(例えば10cm程度)で行う必要があるため、ボビ
ンの軸方向中心寄りの撮影領域付近におけるレーンチェ
ンジはとくに巻線が混んで作業が困難であった。巻線の
密度が高くなると、十分なレーンチェンジのスペースが
取りにくくなる。また、実際の巻装作業は導体にテンシ
ョンを掛けながら行われるので、導体を曲げることが難
しく、レーンチェンジの曲げ位置で、より大きな弧を描
く傾向にある。このため、どうしてもレーンチェンジに
要する円周方向の距離範囲が拡大する傾向にあり、所望
の磁場分布にも影響するという不都合もあった。
【0007】そこで、図12のように、解析的に求めた
巻線位置から次の巻線位置に掛けて巻き始めおよび巻き
終わりを合わせながら螺旋状に巻く螺旋巻き法が重宝に
なっている。この螺旋巻き法の場合には、巻装作業自体
は図11の方法よりは遥かに簡単であるが、磁場発生の
性能面で問題がある。すなわち、導体を離散化して巻装
する場合、理想的には解析的に求めた巻線位置それぞれ
に1ターンずつ巻くことである。しかし、図12のよう
に、求めた巻線位置から隣の巻線位置に掛けて文字通り
の螺旋状に巻いてしまうと、1ターンのコイルに拠る等
価的な磁場発生位置が、“zonal"コイルの軸(中
心軸)方向において、解析的な巻線位置からずれてしま
う。
【0008】このため、この螺旋巻き法をASGCのZ
チャンネルのシールドコイルに適用した場合、レーンチ
ェンジ巻き法に比べて、“zonal"コイル全体から
発生される空間磁場分布が設計値から大きくずれたり、
メインコイルが発生する磁場がコイルアセンブリの外部
に漏れる、いわゆる漏れ磁場が大きくなってシールド性
能(効率)が低下するなどの問題がある。
【0009】シールドコイルの巻き位置について従来は
特定の解析法が提案されていないので、このシールド性
能の低下は、メインコイルの解析的な巻き位置に対応し
て螺旋巻きしていたことに起因するところが多い。
【0010】そこで、本発明は、磁気共鳴イメージング
装置における能動(自己)遮蔽型傾斜磁場コイル(AS
GC)のZチャンネルのシールドコイルに伴う従来技術
が直面している困難を打破すべくなされたもので、その
シールドコイルの導体をボビンに螺旋巻き法により巻装
することで製造作業の容易性を保持し、かつ、その導体
の巻き位置を解析的に特定してシールド性能を少なくと
もレーンチェンジ巻き法に比肩できる程度まで向上させ
ることを、その目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
ため、本発明のシールド形コイルアセンブリは、第1の
円筒状ボビンに螺旋状に巻装・配置し且つ当該円筒状ボ
ビンのボア内に所望の磁場分布を得るために通電する1
次コイルと、この1次コイルの周りを囲む空間上の位置
に設置した第2の円筒状ボビンに巻装・配置し且つシー
ルド用磁場を発生させるために通電する2次コイルとを
有するコイルアセンブリを備え、この1次コイルおよび
2次コイルから成る1組のコイルアセンブリによって発
生される磁場が前記第2の円筒状ボビンの外周面側にて
実質的に零となるように前記2次コイルの巻線位置を解
析的に設定したことを特徴とする。
【0012】好適な一例として、前記コイルアセンブリ
は、磁気共鳴イメージング装置における能動遮蔽型傾斜
磁場コイルのZチャンネルのコイルアセンブリとして形
成されていることである。
【0013】これにより、巻装作業が比較的容易な螺旋
巻き法でメインコイルおよびシールドコイルを巻装する
場合、シールドコイルの導体の巻き位置が解析的に設定
されているので、シールド性能も向上する。
【0014】例えば、前記2次コイルは、当該2次コイ
ルの電流分布が
【数3】 (ただし、Iは前記1次コイルに流す電流、Zi
(φ’)は前記1次コイルを形成するi番目の導体の位
置座標、r1 およびr2 は円筒状に巻装された前記1次
および2次コイルの半径をそれぞれ示す)で記述される
解析的な巻線位置に巻装されることが望ましい。
【0015】これにより、シールドコイルの導体を螺旋
状に巻装するときの各ターンの巻き位置が解析的に且つ
厳密に決められる。
【0016】また例えば、前記2次コイルは、当該2次
コイルの電流分布が
【数4】 (ただし、Iは前記1次コイルに流す電流、Ziは前記
1次コイルを形成するi番目の導体の位置座標、r1
よびr2 は円筒状に巻装された前記1次および2次コイ
ルの半径をそれぞれ示す)で記述される解析的な巻線位
置に巻装されることも望ましい。
【0017】これにより、シールドコイルの導体を螺旋
状に巻装するときの各ターンの巻き位置が解析的に且つ
近似的に決められる。この近似設定によっても、螺旋状
に巻装されたメインコイルの各ターンのZ軸方向の間隔
が狭い場合には有効に作用する。近似演算で済む分、そ
の演算量も少なくて済む。
【0018】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づき説明する。
【0019】第1の実施形態 第1の実施形態に係るシールド形コイルアセンブリを図
1〜図8に基づき説明する。
【0020】この実施形態で説明する磁気共鳴イメージ
ング装置は、能動(自己)遮蔽型傾斜磁場コイル(AS
GC:Actively Shielded Gradient Coil )を備えたタ
イプの装置であって、本発明を実施するMRI用シール
ドコイルは、そのZチャンネルのコイルアセンブリの一
方を成すシールドコイルである。
【0021】図1には、この種の磁気共鳴イメージング
装置におけるガントリ1の概略断面を示す。このガント
リ1はその全体が円筒状に形成されており、中心部のボ
アが診断用空間として機能し、診断時にはそのボア内に
被検体Pが挿入可能になっている。
【0022】ガントリ1は、略円筒状の静磁場用磁石1
1、この磁石11のボア内に配置された略円筒状の傾斜
磁場コイル12、この傾斜磁場コイル12の例えば外周
面に取り付けられたシムコイル13、および傾斜磁場コ
イル12のボア内に配置されたRFコイル14を備え
る。被検体Pは図示しない寝台天板に載せられて、RF
コイル14が形成するボア(診断用空間)内に遊挿され
る。
【0023】静磁場用磁石11は超伝導磁石で形成され
ている。つまり、外側の真空容器の中に、複数個の熱輻
射シールド容器および単独の液体ヘリウム容器が収めら
れ、液体ヘリウム容器の内部に超伝導コイルが巻装・設
置されている。
【0024】傾斜磁場コイル12は、ここでは能動遮蔽
(アクティブシールド)型に形成されている。このコイ
ル12はX軸方向、Y軸方向、Z軸方向毎にパルス状の
傾斜磁場を発生させるため、X,Y,Zチャンネル別々
にコイルアセンブリを有し、しかも、そのコイルアセン
ブリは各チャンネル毎に傾斜磁場を外界には殆ど洩らさ
ないシールド構造になっている。
【0025】具体的には、能動遮蔽型傾斜磁場コイル
(ASGC)12は図2に示すように、X,Y,Zチャ
ンネルのXコイルアセンブリ12X,Yコイルアセンブ
リ12Y,Zコイルアセンブリ12Zがコイル層毎に絶
縁されながら積層され、全体として略円筒状を成してい
る。Xコイルアセンブリ12X,Yコイルアセンブリ1
2YおよびZコイルアセンブリ12Zの各々は、各軸方
向の傾斜磁場を発生する複数の巻線部を有するメインコ
イルと、このメインコイルの巻線部が発生する傾斜磁場
(パルス)を磁気的に外界には洩らさないようにシール
ドする複数の巻線部を有するシールドコイルとを備え
る。なお、各コイルアセンブリ12X,12Y,12Z
は各チャンネル毎に傾斜磁場電源に接続されている。
【0026】この内、Yコイルアセンブリ12Yはメイ
ンコイル側およびシールドコイル側ともに、ボビンBに
巻装された4個のサドル型巻線部を備える。つまり、各
側のコイルは、Z軸方向に並置され且つ直列接続される
2つのサドル型の巻線部を有するコイル素子を、2組対
向配置させている。これにより、Y軸方向に線形に傾斜
した磁場を発生可能になっている。
【0027】Xコイルアセンブリ12Xも、Yコイルア
センブリ12YをZ軸に関して90度回転させた状態で
同様に配置される。
【0028】さらに、ZチャンネルのZコイルアセンブ
リ12Zは、図3にその概略を示す形状のメインコイル
12Zmおよびシールドコイル12Zsを備える。これ
らのメインコイル12Zmおよびシールドコイル12Z
sは、図2に示すように、それぞれ層状に形成され且つ
Z軸方向に互いに所定距離を離して配置される。
【0029】メインコイル12Zmおよびシールドコイ
ル12Zsのそれぞれは図3に示す如く、中空円筒状の
ボビンBと、平板状の導体Cとを備える。導体Cは螺旋
巻き法に基づいてボビンB上に巻装され、Z軸方向の左
右両側で対称に巻線部CRa,CRbが形成されてい
る。巻線部CRa,CRbはボビンBのZ軸方向中心部
で一方から他方の巻線部に渡すことで、電気的には互い
に直列に接続されている。この巻線部CRa,CRbを
流れる電流によってZチャンネルの傾斜磁場が形成され
る。
【0030】この内、メインコイル12Zmの巻線部C
Ra,CRbを形成するするには、まず導体Cを離散的
に巻くためのZ軸方向の巻線位置を解析的に求める。例
えば、傾斜磁場のZチャンネルに対して所望の磁場分布
を決め、この磁場分布を反映させた磁場分布の流線関数
を求め、さらに、この流線関数とコイル電流値に基づき
離散的なZ軸方向の巻線位置が決められる。
【0031】またシールドコイル12Zsの巻線部CR
a,CRbを形成する導体Cも、本発明の解析法によっ
て特定された巻き位置に巻装されている。
【0032】以下、このシールドコイル12Zsの巻き
位置の解析法を図4〜図8を参照して説明する。
【0033】いま、図4に示す如く、螺旋状に巻装され
たメインコイル(1次コイル)12Zmの面電流密度の
φ成分Fφは、
【数5】 である。ここで、Zi(φ)は円柱座標系での角度φに
おけるi番目の導体のZ座標(図5参照)(すなわち、
角度φに依存させた導体位置に相当する)、Iはメイン
コイルに流す電流値、Nはメインコイルのターン数であ
る(図5参照)。
【0034】このφ成分Fφ(φ,Z)のフーリエ変換
である
【数6】
【数7】 となる。ここで、r1 およびr2 はメインコイル12Z
mおよびシールドコイル12Zsの半径を(図6参
照)、Im′はベッセル関数の微分を、kは周波数空間
を各々表す。
【0035】したがって、シールドコイルの面電流密度
のφ成分fφ
【数8】 となる。
【0036】このφ成分fφからシールドコイルの導体
の螺旋巻き位置を求めるには流れ関数(流線関数)NI
(φ,Z)を求めればよい。この流れ関数は
【数9】 となる。この流れ関数は例えば図7のように表される。
この流れ関数からそれぞれの角度φにおけるシールドコ
イルの螺旋巻き位置が求められる。つまり、同図におい
て、縦軸上のアンペアターンNIに交差する流れ関数値
に対応したZ軸上の位置が個別に求められ、この位置が
角度φにおけるシールドコイルの導体巻き位置として決
定される。角度φの値それぞれについて巻き位置が決定
されるので、螺旋巻き法に従うシールドコイル導体の螺
旋状の位置が所望の磁場分布に対して一義的に決まる。
【0037】シールドコイル12Zsはこのように解析
的に求められた螺旋状の位置に沿って図8に示す如く巻
装される。
【0038】このように形成された能動遮蔽型傾斜磁場
コイルは通電によって所定の傾斜磁場パルスを生成する
ことができる。とくに、そのZチャンネルのコイルアセ
ンブリ12Zのシールドコイル12Zsは、本発明に係
わるコイル巻装法を採用して製造されたものであるた
め、種々の利点がある。
【0039】第1に、従来のレーンチェンジを行う巻装
方法(図11参照)に比べて、巻装作業が簡単であり、
製造コスト低減に寄与する。つまり、本実施形態の場
合、従来のように、レーンチェンジが不要であるから、
前述したレーンチェンジに伴う不都合が無くなり、巻装
作業が容易である。
【0040】第2に、シールドコイルを螺旋巻き法で巻
装するための、各角度φに対応する螺旋状の位置が解析
的に求められた所望位置であるため、従来のように単に
メインコイルに対向させて螺旋巻きする場合に比べて、
導体の位置ずれが少なくなり、所望のシールド性能を発
揮することができる。シールドコイルの各角度φに相当
する位置が、メインコイルの所望の磁場分布に拠る面電
流密度を基礎として解析的に求められているので、少な
くともレーンチェンジ巻き法と比肩できる程度のシール
ド性能は確実に発揮される。
【0041】図12に示す従来の螺旋巻き法の場合、そ
のような1ターンの等価的なコイル位置は、解析値同士
間に在り、解析値自身の位置から外れていた。しかし、
本発明に拠る手法の場合、かかる1ターンの等価的なコ
イル位置を最も理想的とする解析値に設定でき、磁場シ
ールド性能を向上させることができる。
【0042】第2の実施形態 本発明の第2の実施形態を図9〜10に基づき説明す
る。この実施形態においても、本発明に係るシールド形
コイルアセンブリを、磁気共鳴イメージング装置の能動
(自己)遮蔽型傾斜磁場コイル(ASGC:Actively S
hielded GradientCoil )のZチャンネルのコイルアセ
ンブリに実施している。
【0043】なお、傾斜磁場コイル自体は、Zチャンネ
ルアセンブリのシールドコイルの巻装法を除いて、上述
した第1の実施形態のものと同等に構成されているの
で、傾斜磁場コイル自体の説明は省略する。
【0044】本実施形態に係る、傾斜磁場コイルにおけ
るZチャンネルアセンブリのシールドコイルは、その導
体の巻線位置を近似的な解析法で算出していることを特
徴とする。
【0045】以下、この近似的な巻線位置の解析法を説
明する。
【0046】図9に模式的に示すように、螺旋状に巻装
されたメインコイル12Zmに流れる電流のφ成分がZ
成分に比べて十分に大きい場合、すなわちターンのZ軸
方向の間隔が狭い場合、上述した第1の実施形態におけ
る解の近似解が有効である。この場合、メインコイル1
2Zmの面電流密度のφ成分は、
【数10】 で与えられる。このφ成分に関して第1の実施形態と同
様の解析を行なうことで、流れ関数は
【数11】 として求められる。ここで、I1 はベッセル関数を表わ
す。
【0047】この流れ関数を用いて第1の実施形態のと
きと同様にシールドコイル12Zsの導体の巻き位置が
決められる。この場合、図10に示す如く、ある角度φ
におけるメインコイル12Zmの導体の巻き位置Ziを
用いて、同じ角度φ上のシールドコイル12Zsの導体
位置が求められる。
【0048】このようにメインコイル12Zmの導体の
巻き位置Ziのみに依存させた近似的な解析法であって
も、メインコイル12Zmに流れる電流Iのφ成分がそ
のZ成分に比べて十分に大きい場合には有効に機能し、
第1の実施形態のときと同等の作用効果を発揮すること
ができる。
【0049】なお、上述した第1および第2の実施形態
にあっては、Z軸方向中心位置Z=0の面に関してZ軸
方向左右のコイル配置が対称になる構造のZチャンネル
コイルアセンブリについて説明してきたが、本発明の適
用範囲は必ずしもこの対称構造に限定されるものではな
い。Z=0の面に関してZ軸方向左右のコイルの巻き方
が非対象を成し、MR撮像に使用する均一磁場空間を磁
石内でZ軸方向のいずれかにシフトさせる方式のZチャ
ンネルコイルアセンブリであっても同様に実施できる。
【0050】本発明に係るシールド形コイルアセンブリ
は、螺旋状に巻き且つシールドするタイプのコイルアセ
ンブリに広く適用でき、例えば、磁気共鳴イメージング
装置における静磁場補正用のシムコイルについても好適
に実施でき、同様の作用効果を得ることができる。
【0051】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のシールド
形コイルアセンブリによれば、シールドコイル(および
メインコイル)は螺旋巻き法で巻装されるため、レーン
チェンジ巻き法に比べて作業が容易で、製造コストの低
減に寄与できるとともに、磁場的な観点については、巻
線の各ターン円周方向の角度位置をも考慮した解析的な
導体位置に設定できるので、レーンチェンジ巻き法と同
等な優れたシールド性能を発揮できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のシールド形コイルアセンブリを搭載し
た、実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置のガント
リの概略断面図。
【図2】能動遮蔽型傾斜磁場コイルのZ軸方向に直交す
る面(図1中のII−II線に沿った破断した面)の概
略断面図。
【図3】能動遮蔽型傾斜磁場コイルのZチャンネルのコ
イルアセンブリの巻線状態を説明する模式図。
【図4】第1の実施形態に係るZチャンネルのコイルア
センブリのコイル導体の巻装法を説明する模式図。
【図5】シールドコイルの解析的な巻線位置設定を説明
する図。
【図6】メインコイルおよびシールドコイルの配置状況
を示す図。
【図7】シールドコイルの解析的な巻線位置設定を説明
するための流線関数の一例を示す図。
【図8】解析値に基づくシールドコイルの各巻線位置を
説明する図。
【図9】本発明の第2の実施形態におけるメインコイル
の電流の前提条件を説明する図。
【図10】第2の実施形態におけるメインコイルおよび
シールドコイルの巻線位置を説明する図。
【図11】従来のレーンチェンジ巻き法を説明する図。
【図12】従来の螺旋巻き法を説明する図。
【符号の説明】
12 能動遮蔽型傾斜磁場コイル 12Z Zチャンネルの傾斜磁場コイルアセンブリ 12Zm メインコイル(1次コイル) 12Zs シールドコイル(2次コイル) CRa,CRb 巻線部 C 導体 B ボビン

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1の円筒状ボビンに螺旋状に巻装・配
    置し且つ当該円筒状ボビンのボア内に所望の磁場分布を
    得るために通電する1次コイルと、この1次コイルの周
    りを囲む空間上の位置に設置した第2の円筒状ボビンに
    巻装・配置し且つシールド用磁場を発生させるために通
    電する2次コイルとを有するコイルアセンブリを備え、
    この1次コイルおよび2次コイルから成る1組のコイル
    アセンブリによって発生される磁場が前記第2の円筒状
    ボビンの外周面側にて実質的に零となるように前記2次
    コイルの巻線位置を解析的に設定したことを特徴とする
    シールド形コイルアセンブリ。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の発明において、前記コイ
    ルアセンブリは、磁気共鳴イメージング装置における能
    動遮蔽型傾斜磁場コイルのZチャンネルのコイルアセン
    ブリとして形成されていることを特徴としたシールド形
    コイルアセンブリ。
  3. 【請求項3】 請求項2記載の発明において、 前記2次コイルは、当該2次コイルの電流分布が 【数1】 (ただし、Iは前記1次コイルに流す電流、Zi
    (φ’)は前記1次コイルを形成するi番目の導体の位
    置座標、r1およびr2は円筒状に巻装された前記1次
    および2次コイルの半径をそれぞれ示す)で記述される
    解析的な巻線位置に巻装したことを特徴とするシールド
    形コイルアセンブリ。
  4. 【請求項4】 請求項2記載の発明において、 前記2次コイルは、当該2次コイルの電流分布が 【数2】 (ただし、Iは前記1次コイルに流す電流、Ziは前記
    1次コイルを形成するi番目の導体の位置座標、r1
    よびr2 は円筒状に巻装された前記1次および2次コイ
    ルの半径をそれぞれ示す)で記述される解析的な巻線位
    置に巻装したことを特徴とするシールド形コイルアセン
    ブリ。
JP34576598A 1998-12-04 1998-12-04 磁気共鳴イメージング装置における能動遮蔽型傾斜磁場コイルのzチャンネルのシールド形コイルアセンブリ Expired - Lifetime JP4129330B2 (ja)

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