JP2001000413A - 勾配コイルの製造方法、勾配コイル単位、勾配コイルおよびmri装置 - Google Patents
勾配コイルの製造方法、勾配コイル単位、勾配コイルおよびmri装置Info
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Abstract
アリティを得る。 【解決手段】 1個の半円形渦巻からなる巻線パターン
を仮定し、x軸上の電流分布曲線が正負両極に跨らない
ような連続関数Jx(x)により電流分布を表し、所望のリ
ニアリティが得られるように連続関数Jx(x)のパラメー
タを最適化し、その最適化した連続関数Jx(x)により与
えられる電流分布曲線を実現するように半円形渦巻の直
線部1Xt1Lの位置を決める。それを対称に複写して勾
配コイル単位1Xtとし、その勾配コイル単位1Xtを
複数組み合わせて勾配コイルとする。 【効果】 良好なリニアリティが得られる。磁場発生効
率の低下を回避できる。
Description
方法、勾配コイル単位、勾配コイルおよびMRI(Mag
netic Resonance Imaging)装置に関し、さらに詳し
くは、磁場発生効率を低下させないで良好なリニアリテ
ィが得られる勾配コイルの製造方法、勾配コイル単位、
勾配コイルおよびMRI装置に関する。
た「勾配コイルの製造方法及び勾配コイル単位並びに勾
配コイル」では、次のようにして勾配コイルの巻線パタ
ーンを基本的に決定している。 (1)図11に示す如き複数の弓形渦巻からなる巻線パ
ターンを仮定し、そのr方向電流分布を次の(数2)式
で表し、φ方向の電流分布を次の(数3)式で表す。な
お、rは半径方向位置、φは角度方向位置を表し、Ro
は最大半径であり、Sn,n,Cm及びmは最適化のた
めに操作するパラメータである。
mの最適値を求める。すなわち、Sn,n,Cm及びm
を適当に仮定し、必要領域内での磁場のリニアリティエ
ラーを計算し、そのリニアリティエラーが許容値に収ま
るようにSn,n,Cm及びmを操作して、最適値を求
める。 (3)求めたSn,n,Cm及びmを入れた(数3)式
よりφ=0の直線上の電流分布曲線を得る。この電流分
布曲線のJφ=0の線より正側の部分とJφ=0の線と
で囲まれる各小領域の面積の和Apを、勾配コイルの巻
線がφ=0の直線を切る位置の数Nで割った値をΔAp
とする。 (4)Jφ=0の線より正側の電流分布曲線とJφ=0
の線とで囲まれる全領域をΔApごとに分割する。各分
割領域の中央のr位置を、巻線がφ=0の直線を切る位
置とする。
上記(3)〜(4)を繰り返して、図12に示す如き第
1象限における巻線パターンを得る。 (6)得た第1象限の巻線パターンをx軸(φ=0の直
線)対称に複写し、電流方向を逆にして、第4象限の巻
線パターンとする。さらに、電流方向を考慮し且つ全体
で1つのコイルとなるように、第1象限の巻線パターン
と第4象限の巻線パターンを接続するパターンを付加す
る。これにより片側の巻線パターンを得る。 (7)前記片側の巻線パターンをy軸(x軸に直交する
軸)対称に複写する。これにより勾配コイル単位の巻線
パターンが得られる。 (8)前記勾配コイル単位を複数個組み合わせる。
の巻線パターン(図11または図12)では、隣接する
パスに逆方向に電流が流れる箇所が存在する(図12で
は4カ所)。このため、良好なリニアリティを得られる
ものの、磁場発生効率が低下してしまう問題点がある。
そこで、本発明の目的は、磁場発生効率を低下させない
で良好なリニアリティが得られる勾配コイルの製造方
法、勾配コイル単位、勾配コイルおよびMRI装置を提
供することにある。
は、次の(1)〜(7)の段階を有することを特徴とす
る勾配コイルの製造方法を提供する。 (1)1個の半円形渦巻からなる巻線パターンを仮定
し、そのx軸上電流分布を次の電流分布式で表す。な
お、x軸は前記半円形渦巻を2等分する軸であり、Ro
は最大半径であり、An,n,Bm及びmは最適化のた
めに操作するパラメータである。
電流分布式で表されるx軸上の電流分布曲線が正負両極
にまたがらないようにAn,n,Bm及びmを適当に仮
定し、複数の磁界測定点での磁場のリニアリティエラー
を計算し、そのリニアリティエラーが許容値に収まるよ
うにAn,n,Bm及びmを操作して、An,n,Bm
及びmの最適値を求める。 (3)電流分布曲線とJx=0の線で囲まれる領域の面
積Apを、半円形渦巻の直線部がx軸を切る位置の数N
で割った値をΔApとする。 (4)電流分布曲線とJφ=0の線とで囲まれる領域を
ΔApごとに分割する。各分割領域の中央のx位置を、
半円形渦巻の直線部がx軸を切る位置とする。 (5)半円形渦巻の円弧部は半径Roの半円とし、片側
の巻線パターンとする。 (6)前記片側の巻線パターンを、直線部を隣接させ
て、対称に複写し、勾配コイル単位の巻線パターンとす
る。 (7)前記勾配コイル単位を複数個組み合わせる。 上記第1の観点による勾配コイルの製造方法では、1個
の半円形渦巻からなる巻線パターンを仮定し、x軸上の
電流分布曲線が正負両極にまたがらないような連続関数
により電流分布を表し、所望のリニアリティが得られる
ように前記連続関数のパラメータを最適化し、その最適
化した連続関数により与えられる電流分布曲線を実現す
るように半円形渦巻の直線部の位置を決める。そして、
それを対称に複写して勾配コイル単位とし、その勾配コ
イル単位を複数組み合わせて勾配コイルとする。これに
より、良好なリニアリティが得られると共に、半円形渦
巻の巻線パターンを用いるため、隣接するパスに逆方向
に電流が流れる箇所が2カ所になり、しかもパス間が十
分離れているので、磁場発生効率の低下を回避できる。
点の勾配コイルの製造方法において、前記複数の磁界測
定点が、電流要素を含まない球面上の複数の点であるこ
とを特徴とする勾配コイルの製造方法を提供する。上記
第2の観点による勾配コイルの製造方法では、電流要素
を含まない球面上の複数の点を磁界測定点としてリニア
リティを検証するため、前記球面内においてもリニアリ
ティが保証される。従って、前記球面上の数少ない磁界
測定点で計算が済むため、計算時間を短縮できる。
渦巻からなる巻線パターンを1対、それらの直線部を隣
接させて、対称に配置した全体構造を有し、半円形渦巻
を2等分する軸をx軸とするとき、1個の半円形渦巻に
電流を流すことにより形成されるx軸上電流分布が、正
負両極にまたがらない連続関数で基本的に表されること
を特徴とする勾配コイル単位を提供する。上記第3の観
点による勾配コイル単位では、半円形渦巻の巻線パター
ンを用い、正負両極にまたがらない連続関数で基本的に
表される電流分布を有するため、隣接するパスに逆方向
に電流が流れる箇所が2カ所になり、しかもパス間が十
分離れているので、磁場発生効率の低下を回避できる。
また、所望のリニアリティが得られるように前記連続関
数のパラメータを最適化することにより、良好なリニア
リティが得られる。
点の勾配コイル単位において、前記連続関数が、直交関
数の組み合わせからなることを特徴とする勾配コイル単
位を提供する。上記第4の観点による勾配コイル単位で
は、直交関数の組み合わせからなる連続関数を用いるた
め、部分に分けて計算でき、計算処理が容易になる。
は第4の観点の勾配コイル単位を複数個組み合わせたこ
とを特徴とする勾配コイルを提供する。上記第5の観点
による勾配コイルでは、半円形渦巻の巻線パターンを用
い、正負両極にまたがらない連続関数で基本的に表され
る電流分布を有するため、隣接するパスに逆方向に電流
が流れる箇所が2カ所になり、しかもパス間が十分離れ
ているので、磁場発生効率の低下を回避できる。また、
所望のリニアリティが得られるように前記連続関数のパ
ラメータを最適化することにより、良好なリニアリティ
が得られる。
点の勾配コイルを具備したことを特徴とするMRI装置
を提供する。上記第6の観点によるMRI装置では、半
円形渦巻の巻線パターンを用い且つ正負両極にまたがら
ない連続関数で基本的に表される電流分布を有する勾配
コイルを用いるため、隣接するパスに逆方向に電流が流
れる箇所が2カ所になり、しかもパス間が十分離れてい
るので、磁場発生効率の低下を回避でき、消費電力を低
減できる。また、所望のリニアリティが得られるように
前記連続関数のパラメータを最適化することにより、良
好なリニアリティが得られるため、画質を向上できる。
態により本発明をさらに詳しく説明する。なお、これに
より本発明が限定されるものではない。図1は、本発明
の一実施形態にかかるMRI装置を示す構成ブロック図
である。このMRI装置100において、マグネット1
は、内部に被検体を挿入するためのボア(空間部分)を
有し、このボアを取りまくようにして、X軸勾配磁場を
形成するX軸勾配コイル1Xと,Y軸勾配磁場を形成す
るY軸勾配コイル1Yと,Z軸勾配磁場を形成するZ軸
勾配コイル1Zと、被検体内の原子核のスピンを励起す
るためのRFパルスを印加する送信コイル1Tと、被検
体からのNMR信号を検出する受信コイル1Rと、静磁
場を形成する永久磁石対1Mとを具備して構成されてい
る。なお、永久磁石対1Mの代わりに超電導マグネット
を用いても良い。
ル駆動回路3Xに接続されている。また、前記Y軸勾配
コイル1Yは、Y軸勾配コイル駆動回路3Yに接続され
ている。また、前記Z軸勾配コイル1Zは、Z軸勾配コ
イル駆動回路3Zに接続されている。さらに、前記送信
コイル1Tは、RF電力増幅器4に接続されている。ま
た、前記受信コイル1Rは、前置増幅器5に接続されて
いる。
指令に従い、スピンエコー法等のパルスシーケンスに基
づいて、前記X軸勾配コイル駆動回路3X,前記Y軸勾
配コイル駆動回路3Yおよび前記Z軸勾配コイル駆動回
路3Zを操作し、前記X軸勾配コイル1X,前記Y軸勾
配コイル1Yおよび前記Z軸勾配コイル1ZによりX軸
勾配磁場,Y軸勾配磁場およびZ軸勾配磁場を形成させ
ると共に、ゲート変調回路9を操作し、RF発振回路1
0からの高周波出力信号を所定タイミング・所定包絡線
のパルス状信号に変調し、それを励起パルスとしてRF
電力増幅器4に加え、RF電力増幅器4でパワー増幅し
た後、前記マグネット1の送信コイル1Tに印加し、目
的のスライス領域を選択励起する。
受信コイル1Rで検出された被検体からのNMR信号を
増幅し、位相検波器12に入力する。位相検波器12
は、前記RF発振回路10の出力を参照信号とし、前記
前置増幅器5からのNMR信号を位相検波して、A/D
変換器11に与える。前記A/D変換器11は、位相検
波後のアナログ信号をデジタル信号のMRデータに変換
して、計算機7に入力する。
成演算を行い、目的のスライス領域のイメージを生成す
る。このイメージは、表示装置6にて表示される。ま
た、計算機7は、操作卓13からの入力された情報を受
け取るなどの全体的制御を受け持つ。
に関わりのある部分)を示す模式図である。このマグネ
ット1は、ヨーク20と、そのヨーク20に取り付けら
れ静磁場を形成するべく対向する1対の永久磁石1M
t,1Mbと、それら永久磁石1Mt,1Mbの対向面
にそれぞれ設置され静磁場の均一性を上げる整磁板2
4,25と、それら整磁板24,25の対向面にそれぞ
れ設置されX軸勾配磁場を発生する上側X軸勾配コイル
単位1Xtおよび下側X軸勾配コイル単位1Xbとを具
備している。前記上側X軸勾配コイル単位1Xtと前記
下側X軸勾配コイル単位1XbとをZ方向に対向させて
組み合わせた構成が、X軸勾配コイル1Xである。
Yおよび前記Z軸勾配コイル1Zも、前記整磁板24,
25の対向面に、それぞれ設置されている。
ル単位1Xtは、直線部1Xt1Lと円弧部1Xt1Cとを
有する1個の半円形渦巻1Xt1と、直線部1Xt2Lと円
弧部1Xt2Cとを有する1個の半円形渦巻1Xt2とを、
それらの直線部1Xt1L,1Xt2Lを隣接させて、対称
に配置した全体構造を有する。前記下側X軸勾配コイル
単位1Xbは、前記上側X軸勾配コイル単位1Xtと同
一構造である。
ル単位1Xtに勾配電流Iを流したときに形成されるx
軸(半円形渦巻1Xt1,1Xt2を2等分する軸)上電流
分布Jxは、正負両極にまたがらない連続関数で基本的
に表される。換言すれば、そのx軸上電流分布Jxが得
られるように、直線部1Xt1L,1Xt2Lの巻線分布
(巻線位置)を決めてある。
るための勾配コイル設計手順を示すフロー図である。ス
テップS1では、図6に示すような1個の半円形渦巻か
らなる巻線パターンを仮定し、そのx軸上電流分布を次
の電流分布式で表す。なお、x軸は前記半円形渦巻を2
等分する軸であり、Roは最大半径であり、An,n,
Bm及びmは最適化のために操作するパラメータであ
る。
を適当に仮定し(但し、仮定したAn,n,Bm及びm
を入れた前記電流分布式で表されるx軸上の電流分布曲
線が正負両極にまたがらないように仮定する)、複数の
磁界測定点での磁場のリニアリティエラーを計算し、そ
のリニアリティエラーが許容値に収まるようにAn,
n,Bm及びmを操作して、An,n,Bm及びmの最
適値を求める。この最適化処理については、図10を参
照して後述する。
適化したAn,n,Bm及びmを入れた前記電流分布式
で表されるx軸上電流分布曲線Jx(x)とJx=0の線で
囲まれる領域の面積Apを求め、その面積Apを直線部
の巻線がx軸を切る位置の数N(すなわち、巻線数)で
割った値をΔApとする。
流分布曲線Jx(x)とJx=0の線とで囲まれる領域をΔ
Apごとに分割し、各分割領域の中央のx位置を直線部
の巻線がx軸を切る位置(巻線位置)とする。
円形渦巻の円弧部は、半径Roの半円とする。これによ
り、片側の半円形渦巻の巻線パターンが得られた。
記片側の半円形渦巻を、直線部を隣接させて、対称に複
写し、上側X軸勾配コイル単位1Xtの巻線パターンと
する。下側X軸勾配コイル単位1Xbも同し巻線パター
ンとする。
記上側X軸勾配コイル単位1Xtと下側X軸勾配コイル
単位1XbとをZ方向に対向するように組み合わせて、
X軸勾配コイル1Xとする。なお、Y軸勾配コイル1Y
は、前記X軸勾配コイル1Xと同構造であり、配置が9
0°異なっている。
のフロー図である。ステップV1では、リニアリティエ
ラーの許容値を設定する。ステップV2では、An,
n,Bm,mを適当に仮定する。但し、仮定したAn,
n,Bm及びmを入れた電流分布式で表されるx軸上の
電流分布曲線が正負両極にまたがらないように、適当な
制約条件(例えば、n,mの値を制限する)を付ける。
ける半円形渦巻によるZ方向磁場Bztを計算する。ここ
で、複数の磁界測定点は、電流要素を含まない球面上の
点とする。また、Z方向磁場Bztは次式により計算す
る。なお、t(1,2,…,T)は、磁界測定点の番号
である。 (数5)式は、ビオ・サバールの法則により導かれる、
磁界測定点tにおける、直線部による磁界ベクトルであ
る。rは、磁界測定点tの位置ベクトルである。(数
6)式は、ビオ・サバールの法則により導かれる、磁界
測定点tにおける、円弧部による磁界ベクトルである。
Jaは、電流密度であり、一定である。
る理想のZ方向磁場Bt=α・x(αは勾配の傾き)を
計算する。
n,Bmを、最小二乗法または線形計画法または非線形
計画法により求める。
めたAn,Bmを入れた電流分布式Jx(x)を用いて、適
当な直線上の検証点での磁界を計算し、リニアリティエ
ラーを求める。ステップV7では、リニアリティエラー
が許容値に収まったか判定し、収まっておれば現在のA
n,n,Bm,mを返し値として処理を終了し、収まっ
ていなければステップV8へ進む。ステップV8では、
現状のリニアリティエラーで許容するか判定し、許容す
る(許容値に収まったと見なす)なら現在のAn,n,
Bm,mを返し値として処理を終了し、許容しないなら
ばステップV9へ進む。
すか判定し、減らすならステップV10へ進み、減らさ
ないならステップV11へ進む。ステップV10では、
磁界測定点の数を減らし、前記ステップV5に戻る。
か判定し、増やすならステップV12へ進み、増やさな
いならステップV13へ進む。ステップV12では、
n,mの値を増やし、前記ステップV2に戻る。
を報告する。そして、処理を終了する。
渦巻の巻線パターンを用い且つ正負両極にまたがらない
連続関数で基本的に表される電流分布を有する勾配コイ
ル1X,1Yを用いるため、隣接するパスに逆方向に電
流が流れる箇所がそれぞれ2カ所になり、しかもパス間
が十分離れているので、磁場発生効率の低下を回避で
き、消費電力を低減できる。また、所望のリニアリティ
が得られるように最適化しているため、良好なリニアリ
ティが得られ、画質を向上できる。
イル単位、勾配コイルおよびMRI装置によれば、磁場
発生効率を低下させないで、良好なリニアリティが得ら
れるようになる。
構成ブロック図である。
部を示す模式図である。
る。
図である。
ある。
Claims (6)
- 【請求項1】 次の(1)〜(7)の段階を有すること
を特徴とする勾配コイルの製造方法。 (1)1個の半円形渦巻からなる巻線パターンを仮定
し、そのx軸上電流分布を次の電流分布式で表す。な
お、x軸は前記半円形渦巻を2等分する軸であり、Ro
は最大半径であり、An,n,Bm及びmは最適化のた
めに操作するパラメータである。 (2)An,n,Bm及びmを入れた前記電流分布式で
表されるx軸上の電流分布曲線が正負両極にまたがらな
いようにAn,n,Bm及びmを適当に仮定し、複数の
磁界測定点での磁場のリニアリティエラーを計算し、そ
のリニアリティエラーが許容値に収まるようにAn,
n,Bm及びmを操作して、An,n,Bm及びmの最
適値を求める。 (3)電流分布曲線とJx=0の線で囲まれる領域の面
積Apを、半円形渦巻の直線部がx軸を切る位置の数N
で割った値をΔApとする。 (4)電流分布曲線とJφ=0の線とで囲まれる領域を
ΔApごとに分割する。各分割領域の中央のx位置を、
半円形渦巻の直線部がx軸を切る位置とする。 (5)半円形渦巻の円弧部は半径Roの半円とし、片側
の半円形渦巻の巻線パターンとする。 (6)前記片側の半円形渦巻を、直線部を隣接させて、
対称に複写し、勾配コイル単位の巻線パターンとする。 (7)前記勾配コイル単位を複数個組み合わせる。 - 【請求項2】 請求項1に記載の勾配コイルの製造方法
において、前記複数の磁界測定点が、電流要素を含まな
い球面上の複数の点であることを特徴とする勾配コイル
の製造方法。 - 【請求項3】 1個の半円形渦巻からなる巻線パターン
を1対、それらの直線部を隣接させて、対称に配置した
全体構造を有し、半円形渦巻を2等分する軸をx軸とす
るとき、1個の半円形渦巻に電流を流すことにより形成
されるx軸上電流分布が、正負両極にまたがらない連続
関数で基本的に表されることを特徴とする勾配コイル単
位。 - 【請求項4】 請求項3に記載の勾配コイル単位におい
て、前記連続関数が、直交関数の組み合わせからなるこ
とを特徴とする勾配コイル単位。 - 【請求項5】 請求項3または請求項4に記載の勾配コ
イル単位を複数個組み合わせたことを特徴とする勾配コ
イル。 - 【請求項6】 請求項5に記載の勾配コイルを具備した
ことを特徴とするMRI装置。
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