JP2022512410A - 勾配コイルシステム - Google Patents

Abstract

ＭＲＩシステムでの使用に適した勾配コイルシステム。勾配コイルシステムは、それを通って延びるボアを有する勾配本体と、ボアの周りに配置された少なくとも１つの円錐台部とを有する。ボアの第１の端部の直径は、ボアの第２の端部の直径よりも大きい。勾配コイルシステムはまた、本体の少なくとも１つの円錐台部に実質的に適合する少なくとも１つの円錐台部を有するボアの周りに配置された勾配コイルアセンブリを含み、勾配コイルアセンブリは、医用撮像のための球状体積（ＤＳＶ）の直径に勾配磁場を生成する。【選択図】図１

Description

本発明は、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）デバイス及び装置において使用するための勾配コイルシステムに関する。特に、本発明は、イメージングを改善するためにシミングを使用する円錐台形勾配コイルシステムに関する。

先行技術の方法、装置又は文書への言及は、それらが共通の一般的知識の一部を形成し又は形成する証拠又は自白を構成するものとはみなされない。

磁気共鳴イメージングは１９８０年代に導入され、主要な医学イメージング法に発展した。

臨床ＭＲＩの成功は、強力で均一な磁場の発生にかかっている。ＭＲＩ装置は、当技術分野において「直径球面イメージング体積」又は「ＤＳＶ」として知られる所定の領域にわたって実質的に均一であることが要求される静磁場を生成するように設計される。ＤＳＶ上の静磁場の均一性からの偏差は、典型的には、２０ｐｐｍピークツーピーク（又は１ｐｐｍ ｒｍｓ）未満であることが要求される。

ＭＲＩ装置は最初の閉鎖円筒システムの導入以来、多くの改良を受けてきた。特に、信号対雑音比を改善し、高磁場磁石及び超高磁場磁石を導入することにより、画像の品質／解像度が改善された。画像の解像度の向上により、構造解剖学的及び機能的なヒトＭＲＩ画像の両方のための専門家の数が増加しており、ＭＲＩが選択されるモダリティとなっている。

ヒトの研究のための診断画像を生成するための典型的な磁気共鳴システムの基本的な構成要素は、メイン磁石（通常、ＤＳＶに実質的に均一な静磁場（Ｂ_０フィールド）を作り出す超伝導磁石）、１つ又は複数のシムコイルのセット、１つの勾配コイルのセット、及び１つ又は複数のＲＦコイルを含む。ＭＲＩの議論は、例えば、Haackeら、Magnetic Resonance Imaging: Physical Principles and Sequence Design, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1999に見出すことができる。Crozierら、米国特許第５８１８３１９号明細書、Crozierら、米国特許第６１４０９００号明細書、Crozierら、米国特許第６７００４６８号明細書、Dorriら、米国特許第５３９６２０７号明細書、Dorriら、米国特許第５４１６４１５号明細書、Knuttelら、米国特許第５６４６５３２号明細書、及びLaskarisら、米国特許第５８０１６０９号明細書も参照されたい。

全身ＭＲＩ磁石は、典型的には、長さ約１．６～２．０メートルの円筒形であり、０．６～０．８メートルの範囲の軸方向開口を有する。通常、磁石は、ＤＳＶの中点が磁石の主軸に沿って磁石構造の幾何学的中心に位置するように対称である。当然のことながら、多くの人がこのような空間に置かれると閉所恐怖症に苦しむ。また、撮像される対象の身体の部分と磁石システムの端部との間の距離が大きいことは、医師がＭＲＩ処置中に対象を容易に補助したり、個人的に監視したりすることができないことを意味する。

対象に対するその効果に加えて、磁石のサイズは、ＭＲＩ装置のコスト及びそのような装置の設置に伴うコストを決定する主要な要因である。他の重要な考慮事項は、システムを極低温に維持するために必要なヘリウムの体積である。そのような全身磁石は、その大きなサイズのために、頭部、四肢、新生児などの小さなサイズの物体の画像を生成する際に使用するには高価である。

上述したように、勾配コイルは、走査中に核磁気共鳴（ＮＭＲ）信号の空間的符号化を提供する磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）スキャナにおける必須のシステム構成要素である。強力な線形磁場勾配は、拡散強調イメージングやエコープラナーイメージング（ＥＰＩ）などの高速イメージングモダリティに必要である。全身勾配強度の改善はコイルにより多くのワイヤ巻数を加えることによって簡単に達成できるが、このアプローチはインダクタンスと抵抗の増加をもたらす。

より強力な勾配増幅器を使用することによって勾配強度を改善することもできるが、この方法はコスト効率が悪い。より大きな勾配電力／電流を用いることはまた、人体に誘導されるより大きな電場をもたらし、末梢神経刺激（ＰＮＳ）を引き起こす可能性がある。

勾配強度を増加させる別の実際的な方法は、全身ＭＲＩシステム内に挿入可能なヘッドコイルなどの局所勾配コイルを適用することである。挿入可能な勾配コイルは、勾配強度を高め、インダクタンスを最小にするなどの利点を示し、高いスイッチング速度と潜在的により高いＰＮＳ限界を示す。

幾何学的には、コイルへのヘッドアクセスは、肩の寸法によって制限されるので、ヘッド勾配コイルは、通常、非対称構成を使用する。

したがって、ＭＲＩシステムで使用するための改良されたコイルシステムが必要である。

米国特許第５８１８３１９号明細書 米国特許第６１４０９００号明細書 米国特許第６７００４６８号明細書 米国特許第５３９６２０７号明細書 米国特許第５４１６４１５号明細書 米国特許第５６４６５３２号明細書 米国特許第５８０１６０９号明細書

Haacke et al., Magnetic Resonance Imaging: Physical Principles and Sequence Design, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1999

本発明の目的は、上記の欠点又は問題の１つ以上を克服又は改善するか、又は少なくとも有用な商業的代替を提供する勾配コイルシステムを提供することである。

本発明の他の好ましい目的は、以下の説明から明らかになる。

第１の態様において、本発明は、１つ以上の円錐台形状の部分、異なる半径を有する１つ以上の円筒部、又は１つ以上の円錐台形状の部分と１つ以上の円筒部の組み合わせを有する勾配コイルシステムに存在する。

別の態様では、本発明は、ＭＲＩシステムでの使用に適した勾配コイルシステムであって、
この勾配コイルシステムは、
貫通して延びるボアと、ボアの周りに配置された少なくとも１つの円錐台部とを有する勾配本体であって、ボアの第１の端部の直径がボアの第２の端部の直径より大きい勾配本体と、
本体の少なくとも１つの円錐台部に実質的に適合する少なくとも１つの円錐台部を有する勾配コイルアセンブリ、
を含む。

好ましくは、使用時に、システムに関連する球状体積の直径（ＤＳＶ）をシステムの幾何学的中心からシフトさせて、頭部及び四肢の両方のより容易な画像化を可能にする。

いくつかの実施形態では、勾配コイルアセンブリの基本断面の高効率（すなわち、高いスルーレートと勾配強度）は、より高い最大走査速度（すなわち、高速イメージング）を提供する。

いくつかの実施形態では、システムの勾配本体は、第１の端部と第２の端部との間のボアの長さに沿って延びる１つの（又はシングル）円錐台部を含む。

好ましくは、本体は、ボアの周りに配置された少なくとも１つの円筒部を含む。好ましくは、円筒部が円錐台形部に隣接する。代替的に、又は追加的に、直径を有する第１の円筒部は、直径を有する第２の円筒部に隣接し、第１の円筒部の直径は、第２の円筒部の直径より大きい。好ましくは、複数の円錐台部及び／又は円筒部は、階段状直径ボアを画定する。

いくつかの実施形態では、勾配コイルアセンブリは、少なくとも１つの実質的な円錐台部を有する一次コイル構造を含む。

勾配コイルアセンブリは、少なくとも１つの実質的な円錐台部を有するシールド層構造をさらに含んでもよい。

好ましくは、勾配本体は、磁石のチャンバ内に配置される。

好ましくは、一次コイル構造は、ＤＳＶ領域内に３つの直交する線形一次勾配磁場を生成する第１、第２及び第３の一次コイルセグメントを含む。好ましくは、第１の一次コイルセグメントは、長手軸（ｚ軸）に沿って第１の一次勾配磁場を生成する軸方向コイルを含む。好ましくは、第２及び第３の一次コイルセグメントは、互いに９０度回転し、それによって互いに直交する第２及び第３の一次勾配磁場及び第１の一次勾配磁場を生成する横方向コイルをそれぞれ含む。好ましくは、第２の一次コイルセグメントは、第１の一次コイルセグメントと第３の一次コイルセグメントとの間に配置される。

好ましくは、シールド層構造は、第１、第２及び第３のシールドコイルセグメントを含む。好ましくは、シールド層構造の各コイルセグメントは、一次コイル構造の対応するセグメントによって生成される勾配磁場とは反対の直交勾配磁場を生成するように配置され、それによって、一次勾配磁場を能動的に遮蔽し、磁石及びＤＳＶ内の渦電流を低減する。好ましくは、シールド層構造は、一次コイル構造の周囲に設けられ、ボアの軸方向の長さ全体に実質的に沿って延びる。好ましくは、各シールドコイルセグメントの直径は、一次コイルセグメントのいずれか１つの直径よりも大きい。シールド層構造及び関連するコイルは、磁気コイルによって生成される磁界から環境をシールドするように作用する。

好ましくは、ボアの第１の端部の直径は、肩アクセスを可能にするために５００ｍｍより大きい。好ましくは、ボアの第２の端部の直径は、約１００ｍｍ～５００ｍｍである。これは、四肢へのアクセスを依然として提供しながら、磁場のより短い勾配長（Ｂ_０）に加えて、磁場勾配のより高い効率及び直線性を提供する。

好ましくは、シールドコイルは、一次コイルから離れて配置される。好ましくは、シールドコイルは円錐台形及び／又は円筒形である。

好ましくは、勾配コイルシステムは、ヘッド撮像のための高効率、勾配強度及びスルーレートの増加、及び短い勾配長のための磁場勾配の良好な直線性を提供し、ヘッド及び四肢アクセスに適している。

好ましくは、一次コイル構造のコイルの極性は、シールド層構造の各コイルの極性と反対である（すなわち、それらは反対方向に電流を運ぶ）。

好ましくは、システムは、１つ以上のシムポケットをさらに含む。好ましくは、シムポケットは円錐台形及び／又は円筒形である。好ましくは、シム部は、各シムポケット内に配置される。好ましくは、シム部分は、強磁性又は強磁性材料を含む。好ましくは、勾配コイルアセンブリの各一次コイルセグメントは、勾配コイルの形状に適合する形状を有する関連するシムポケット及びシム部分を有する。好ましくは、シム部分は、ＤＳＶを受動的にシミングして、好ましい磁場（Ｂ_０）均一性レベルを達成する。好ましくは、シム部は、一次コイル構造とシールド層構造との間に配置される。いくつかの実施態様において、シム部分は、シールド層構造の外側に配置される。好ましくは、シム部分は、磁石と勾配コイルとの間に配置される。

好ましくは、システムは、１つ以上のアクティブ磁気シム装置をさらに含む。

好ましい実施形態では、ＤＳＶは３００ｍｍ（ｘ－）×３００ｍｍ（ｙ－）×３００ｍｍ（ｚ－）の寸法を有する。好ましくは、勾配コイルアセンブリは、２つの円錐台部を含む。好ましくは、２つの切頭円錐部のうちの第１の切頭円錐部の角度は、本体の長手軸に対して０度から１０度の間であり、２つの切頭円錐部のうちの第２の切頭円錐部の角度は、５度から３０度の間である。より好ましくは、２つの円錐台部のうちの第１の部分の角度は５度であり、２つの円錐台部のうちの第２の部分の角度は、本体の縦軸に対して１６度である。

好ましくは、ボアの第１端の直径は５００ｍｍ～６００ｍｍであり、ボアの第２端の直径は１００ｍｍ～５００ｍｍである。より好ましくは、ボアの第１の端部の直径は６００ｍｍであり、ボアの第２の端部の直径は１２０ｍｍである。

好ましくは、２つの円錐台部のうちの第２の部分の長さは、２つの円錐台部のうちの第１の部分の長さよりも大きく、磁場勾配の効率及び直線性を増大させる。好ましくは、一次コイル構造のコイルセグメントは、内側（ボアに隣接）から外側（シールド層構造に隣接）に向かって、ｚ一次コイル、ｘ一次コイル、ｙ一次コイルの順に配置される。好ましくは、シールドコイル層のコイルセグメントは、内側（一次コイル層に隣接）から外側（磁石に隣接）に向かって、ｘシールドコイル、ｙシールドコイル、ｚシールドコイルの順に配置される。好ましくは、ボアは、勾配コイルアセンブリの２つの円錐台部に適合する２つの円錐台部を含む。

別の好ましい実施形態では、ＤＳＶは、３００ｍｍ（ｘ－）×３００ｍｍ（ｙ－）×３００ｍｍ（ｚ－）の寸法を有する。好ましくは、勾配コイルアセンブリは、３段の円筒部を含み、各円筒部は異なる直径を有する。好ましくは、勾配コイル組立体は、２つの円筒部の間に延びる切頭形部分を含む。好ましくは、ボアの第１端の直径は５００ｍｍ～６００ｍｍであり、ボアの第２端の直径は１５０ｍｍ～３００ｍｍである。より好ましくは、ボアの第１の端部の直径は５６０ｍｍであり、ボアの第２の端部の直径は２１０ｍｍである。好ましくは、ボアは、勾配コイルアセンブリの３段に円筒部に適合する３段の円筒部を備える。

好ましくは、勾配コイルシステムは、勾配コイルアセンブリとボアとの間に配置された１つ以上の無線周波数（Radio Frequency, ＲＦ）コイルをさらに含む。好ましくは、ＲＦコイルは、ボアの形状に適合する円錐台形及び／又は円筒形である。好ましくは、ＲＦコイルは、ボアを取り囲む本体の内面に配置される。

ＭＲＩシステムでの使用に適した勾配コイルシステムであって、
前記勾配コイルシステムは、貫通して延びるボアと、ボアの周りに配置された少なくとも１つの円錐台部とを有する勾配本体であって、ボアの第１の端部の直径がボアの第２の端部の直径より大きい勾配本体と、
前記ボアの周りに配置された勾配コイルアセンブリであって、前記勾配コイルアセンブリは、前記本体の前記少なくとも１つの円錐台部に実質的に適合する少なくとも１つの円錐台部を有し、前記勾配コイルアセンブリは、医用画像用の球状体積の直径（ＤＳＶ）内に勾配磁場を生成する、勾配コイルアセンブリと、
を含む。

本発明のさらなる特徴及び利点は、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

一例に過ぎないが、本発明の好ましい実施形態を添付の図面を参照してより詳細に説明する。
本発明の第１の実施形態による磁石本体内の円錐台形勾配コイルシステムの概略断面図である。 本発明の第２の実施形態による、円錐台部及び円筒部を有する階段状勾配コイルシステムの概略断面図である。 本発明の第３の実施形態による、円錐台のラジオ周波数（ＲＦ）コイルを磁石本体内に有する円錐台勾配コイルシステムの概略断面図である。 本発明の第４の実施形態による円筒形ＲＦコイルを有する階段状勾配コイルシステムの概略断面図である。 本発明の第５の実施形態による２つの円錐台部を有する円錐台形勾配コイルシステムの概略断面図である。 図５に示す円錐台形勾配コイルシステムの軸方向（ｚ）コイル一次パターン及びシールドパターンを示す。 図５の円錐台形勾配コイルシステムの横断（ｘとｙ）コイル一次及びシールドパターンを示す。 図５の円錐台形勾配コイルシステムの横断（ｘとｙ）コイル一次及びシールドパターンを示す。 図２に示す階段状勾配コイルシステムの断面図である。 図８に示す階段状勾配コイルシステムの軸方向（ｚ）コイル一次パターン及びシールドパターンを示す図である。 図８の階段状勾配コイルシステムの横断（ｘとｙ）コイル一次及びシールドパターンを示す。

本発明は、１つ以上の円錐形状（又は原始的な形をした）部分と、いくつかの実施形態では、１つ以上の円筒形状部分とを有する勾配コイルシステムを提供する。本発明は、磁気共鳴画像の信号符号化及びＤＳＶ内の静磁場均一性の向上を容易にし、特に、ヒトの頭部、四肢及び／又は新生児画像などに有用である。

勾配コイルシステムは、２つの端部を有し、一方の端部はショルダーアクセスを可能にするための大きなボア直径を有し、他方の端部は、勾配効率及び磁場勾配の直線性を改善し、勾配長を短くするために、著しく小さいボア直径を有する。

より小さい勾配ボアはまた、整形外科的イメージングのための四肢アクセスを可能にする。

いくつかの実施形態では、円錐台形又は円筒形のパッシブ／能動シミングは、球状体積の直径（ＤＳＶ）の領域内の磁場（Ｂ_０）をシミング（すなわち均質化）するための勾配システムに含まれる。

勾配コイルシステムは、複数の円錐台及び／又は円筒部を有する一次層構造を有する勾配コイルアセンブリと、磁石構成に応じて円錐台又は円筒形のいずれかであり得るシールド層構造とを含む。

一次層構造は、ＤＳＶ領域に３つの直交する線形勾配磁場を生成する３つのコイルセグメントを含み、そのうちの１つは、縦軸（ｚ軸）に沿って勾配磁場を生成する軸コイルと呼ばれ、他の２つは、互いに９０度回転する横コイルと呼ばれる。

シールド層構造はまた、関連する一次コイルによって生成される勾配磁場とは反対の３つの直交勾配磁場を生成する３つのコイルセグメントを含み、これにより、一次勾配磁場を能動的にシールドし、磁石及びＤＳＶ内の渦電流を低減する。

一次コイルでは、幅の広いボアの直径は、ショルダーアクセスを可能にするのに十分な大きさであり、好ましくは５００ｍｍよりも大きく、一方、幅の狭いボアの直径は、より短い勾配長さ（純粋に円筒形のシステムと比較して）だけでなく、磁場勾配の高い効率性及び直線性を有するのに十分な小ささであると想定され、依然として四肢へのアクセスを提供する。この点に関して、狭いボアは、直径が１００ｍｍから５００ｍｍであると想定される。

シールド性能を改善又は最適化するために、シールドコイルは、一次コイルから可能な限り離れて配置される。その結果、シールドコイルは、円筒形磁石ボアに対して円筒形とすることができる。

ここで図１を参照すると、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システムで使用する円錐台形勾配コイルシステム０１が示されている。円錐台形勾配コイルシステム０１は、関連する球状体積（ＤＳＶ）１１１の直径を有する磁石１０１のチャンバ、すなわち軸方向開口内に挿入された円錐台形勾配本体１０２を含む。

勾配本体１０２は、勾配１０２の長さに沿って軸方向に延びる実質的に円錐台形のボア１０４を画定する。図から分かるように、ボア１０４は、第１の開口部１０４ａ及び第２の開口部１０４ｂを含む。第１の開口部１０４ａは、画像化のために患者の肩へのアクセスを可能にするように意図されており、したがって、それに応じたサイズにしなければならない。

簡単に上述したように、第１の開口部１０４ａ（すなわち、より大きな開口部）は、患者の肩にアクセスできるように適切なサイズにされることが期待される。従って、第１の開口部１０４ａは５００ｍｍ以上の直径Ｄ１１を有し、一方、第２の開口部１０４ｂ（すなわち、より小さい開口部）の直径Ｄ１３は、より短い勾配長さだけでなく、勾配磁場の高効率及び勾配線形性を提供するのに十分に小さくなければならず、例えば、手及び腕などの四肢へのアクセスを提供することが想定される。

勾配本体１０２内には、勾配コイルアセンブリ１２０が配置されている。勾配コイルアセンブリ１２０は、一次コイル１２１を構成する３つの円錐台部１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃと、シールドコイル１２２を構成するシールドコイル１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃの３つの円錐台部とを含む。一以上のシム部分を収容するシムポケットを含む円錐台形パッシブシム装置１２３もある。シム部分は、磁界のパッシブシミングを提供し、強磁性材料を含む。

各一次コイル部１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃは、磁石１０１の長手軸１０５に対して異なる角度θ１ａ，θ１ｂ，θ１ｃを有し、異なる平均径Ｄ１１、Ｄ１２、Ｄ１３を有する。但し、各シールドコイル部１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃの角度θ２ａ、θ２ｂ、θ２ｃは、同一であっても異なっていてもよい。有利には、一次コイル部１２１ａ～ｃ及びシールドコイル部１２２ａ～ｃの異なる角度によって提供される様々な構成は、ＤＳＶ内に最適かつ所望の磁場を生成し、浮遊磁場を最小にする。

ボア１０４の第１の開口部１０４ａに関して説明したように、最も内側の一次コイル部、一次コイル１２１ａの直径は、患者の肩部にアクセスできるように十分広い間隔で配置されている。従って、第１の開口部１０４ａと同様に、一次コイル１２１ａの最大径は５００ｍｍ以上であることが好ましいが、一次コイル１２１ａの大きさは任意であると考えられる。

一次コイル１２１及び二次コイル１２２のそれぞれは、３つの直交するｚ、ｘ及びｙ軸において３つの直交する勾配磁場を生成する３つのコイルセグメント（ｚ、ｘ、ｙコイル）を含む。

シールドコイル１２２の電流方向は、各一次コイル１２１の電流方向と逆方向である。これは、さらなる実施形態に関する後の図でより明確に示される。

図示されるように、一次コイル１２１とシールドコイル１２２とは、パッシブシムポケット１２３が勾配本体１０２の狭い端部（第２の開口部１０４ｂに隣接）から勾配本体１０２の広い部分（第１の開口部１０４ａに隣接）まで延びるように十分に離間されている。

パッシブシムポケット１２３を一次コイル１２１とシールドコイル１２２との間に配置することによって、シム部分をシムポケット１２３内に配置し、それによって磁石ＤＳＶ１１１を所望の磁場均一性レベルにシミングすることができる。

図２に示す勾配コイルシステム０２は、関連する球状体積（ＤＳＶ）２１１の直径を有する磁石２０１のチャンバ（すなわち軸方向の開口部）内に挿入される三段の勾配本体２０２を含む。

勾配本体２０２は、勾配本体２０２の長さに沿って軸方向に延びる階段状ボア２０４を画定する。図から分かるように、ボア２０４は、第１の開口部２０４ａ及び第２の開口部２０４ｂを含む。

第１の開口部２０４ａは、画像化のために患者の肩へのアクセスを可能にするように意図されており、したがって、それに応じたサイズにしなければならない。関係システム０１に関して上述したように、第１の開口部２０４ａ（すなわち、より大きな開口部）は、直径が５００ｍｍ以上であり、一方、第２の開口部２０４ｂ（すなわち、より小さい開口部）は、勾配磁場の高効率及び勾配線形性、並びに、より短い勾配長さを提供し、さらに、例えば、手及び腕のような四肢へのアクセスを提供するのに十分に小さくなければならない。

勾配本体２０２内には、一次コイル２２１を構成する三段の円筒状一次コイル部２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃ及び円錐台形一次コイル部２２１ｄと、シールドコイル２２２を構成する三段の円筒状シールドコイル部２２２ａ、２２２ｂ、２２２ｃ及び円錐台形シールドコイル部２２２ｄが配置されている。

また、２段の円筒状のパッシブシム装置２２３ａ、２２３ｂが設けられている。各シム装置２２３ａ、２２３ｂは、強磁性材料の１つ以上のシム片を収容するシムポケットを有する上述のシム装置１２３と実質的に同様である。

図から分かるように、一次コイル部２２１ａとシールドコイル部２２２ａ、及び、一次コイル部２２１ｃとシールドコイル部２２２ｃの部分は、径方向に分離され、ボア２０４の周りに間隔を置いて配置されており、シム装置２２３ａ、２２３ｂがそれらの間にそれぞれ配置されるための空間を提供している。上述したように、シム装置２２３ａ及び２２３ｂのシムポケット内に位置するシム片は、協働して、磁石ＤＳＶ２１１を所要の磁場均一性レベル（例：３００ｍｍＤＳＶで１０ｐｐｍ）までシミングする。

一次コイル部２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃ、２２１ｄの各段は、それぞれ平均径Ｄ２１、Ｄ２２、Ｄ２３、Ｄ２４が異なる部分を有する。

部分２２１ａの直径Ｄ２１は、患者の肩へのアクセスを可能にするのに十分な大きさであるべきであり、部分２２１ｃの直径Ｄ２４は、四肢へのアクセスを可能にするのに十分な大きさであるべきである。

一次コイル部２２１ａ～ｃの各ステップの直径Ｄ２１～Ｄ２４は異なるが、各シールドコイル部２２２ａ～ｃの直径は、任意に異なるか、又は実質的に等しい。

一次コイル２２１及びシールドコイル２２２の両方を含む勾配コイル２２０の各部分は、ｚ、ｘ及びｙコイルと呼ばれる３つのコイルセグメントを含み、３つの直交ｚ、ｘ及びｙ軸において３つの直交勾配磁場を生成する。

シールドコイル２２２ａ～ｃの電流方向は、各一次コイル２２１ａ～ｃの電流方向と逆向きである。

図３を参照すると、円錐台勾配コイルシステム０３の形態の本発明のさらなる実施形態がある。円錐台勾配コイルシステム０３は、上述した円錐台勾配コイルシステム０１と実質的に同様である。しかしながら、一次コイル部３２１ａは、勾配したシステム０１の一次コイル部１２１ａとは対照的に、磁石３０１の長手軸３０５に平行である。

円錐台形勾配コイルシステム０３は、関連する球状体積（ＤＳＶ）３１１の直径を有する磁石３０１のチャンバ内に挿入された円錐台形勾配本体３０２、すなわち軸方向開口を含む。

勾配本体３０２は、勾配３０２の長さに沿って軸方向に延びる実質的に円錐台形のボア３０４を画定する。図から分かるように、ボア３０４は、第１の開口部３０４ａ及び第２の開口部３０４ｂを含む。第１の開口部３０４ａは、画像化のために患者の肩へのアクセスを可能にするように意図されており、したがって、それに応じたサイズにしなければならない。

簡単に上述したように、第１の開口部３０４ａ（すなわち、より大きな開口部）は、患者の肩にアクセスできるように適切なサイズにされることが期待される。従って、第１の開口部３０４ａは５００ｍｍ以上の直径Ｄ３１を有し、一方、第２の開口部３０４ｂ（すなわち、より小さい開口部）の直径Ｄ３３は、より短い勾配長さだけでなく、勾配磁場の高効率及び勾配線形性を提供するのに十分に小さくなければならず、さらに、例えば、手及び腕などの四肢へのアクセスを提供することが想定される。

勾配本体３０２内には、勾配コイルアセンブリ３２０が配置されている。勾配コイルアセンブリ３２０は、一次コイル３２１を構成する３つの円錐台部３２１ａ、３２１ｂ、３２１ｃと、シールドコイル３２２を構成するシールドコイル３２２ａ、３２２ｂ、３２２ｃの３つの円錐台部とを含む。一以上のシム部を収容するシムポケットを含む円錐台形パッシブシム装置３２３もある。シム部は、磁界のパッシブシミングを提供し、強磁性材料を含む。

一次コイル部３２２ｃ，３２２ｂは、それぞれ磁石３０１の長手軸３０５に対する角度θ３ａ、θ３ｂが異なり、平均径Ｄ３１、Ｄ３２、Ｄ３３が異なる。但し、各シールドコイル部３２２ｃ、３２２ｂの角度θ３ｃ，θ３ｄは、同一であっても異なっていてもよい。有利には、一次コイル部３２１ａ～ｃ及びシールドコイル部３２２ａ～ｃの異なる角度によって提供される様々な構成は、ＤＳＶ内に最適かつ所望の磁場を生成し、浮遊磁場を最小化する。

ボア３０４の第１の開口部３０４ａに関して説明したように、最も内側の一次コイル部、一次コイル３２１ａの直径は、患者の肩部にアクセスできるように十分広い間隔で配置されている。従って、第１の開口部３０４ａと同様に、一次コイル３２１ａの最大径は５００ｍｍ以上であることが好ましいが、一次コイル３２１ａの大きさは任意であると考えられる。

一次コイル３２１及びシールドコイル３２２の各々は、３つの直交するｚ、ｘ及びｙ軸において３つの直交する勾配磁場を生成する３つのコイルセグメント（ｚ、ｘ、ｙコイル）を含む。

シールドコイル３２２の電流方向は、各一次コイル３２１の電流方向と逆方向である。
これは、さらなる実施形態に関する後の図でより明確に示される。

図示されるように、一次コイル３２１とシールドコイル３２２とは、パッシブシムポケット３２３が勾配本体３０２の狭い端部（第２の開口部３０４ｂに隣接）から勾配本体１０２の広い部分（第１の開口部３０４ａに隣接）まで延びるように十分に離間されている。

パッシブシムポケット３２３を一次コイル３２１とシールドコイル３２２との間に配置することによって、シム部をシムポケット３２３内に配置し、それによって磁石ＤＳＶ３１１を所望の磁場均一性レベルにシミングすることができる。

さらに、円錐台形勾配コイルシステム０３は、勾配本体３０２を貫通して延びるボア３０４の内面に配置された円錐台形無線周波数（ＲＦ）コイル３０３も含む。ＲＦコイルは、体積コイル、表面コイル、又はこれら２つの組み合わせのいずれであってもよいことが理解されよう。

これらの円錐台状ＲＦコイル３０３は、磁気共鳴撮像システムの無線周波数信号を受信するように構成された受信機として構成される。

システム０１と同様に、各一次コイル３２１及びシールドコイル３２２は、それぞれ、３つの直交ｚ、ｘ及びｙ軸において３つの直交勾配磁場を生成する３つのコイルセグメント（ｚ、ｘ、ｙコイル）を含む。シールドコイル３２２ａ～ｃの電流方向は、各一次コイル３２１ａ～ｃの電流方向と逆向きである。

階段状勾配コイルシステム０４の形態の本発明の別の実施形態を図４に示す。

階段状勾配コイルシステム０４は、図２に示した上述の勾配コイルシステム０２と実質的に同様である。しかし、階段状勾配コイルシステム０４は、勾配本体２０２を貫通して延びるボア２０４の内面上に配置された円錐台形無線周波数（ＲＦ）コイル２０３をさらに含む。

これらの円錐台状ＲＦコイル２０３は、磁気共鳴撮像システムの無線周波数信号を受信するように構成された受信機として構成される。

本明細書に記載する実施形態と同様に、シールドコイル２２２ａ～ｃにおける電流方向は、それぞれの一次コイル２２１ａ～ｃにおける電流方向と逆である。

図５に示す特に好ましい実施形態では、基本勾配コイルシステム０５のＤＳＶ５１１は、勾配コイルシステム０１と実質的に同様であり、３００ｍｍ（ｘ－）×３００ｍｍ（ｙ－）×３００ｍｍ（ｚ－）の寸法を有する。

勾配コイルシステム０５は、勾配本体５０２に形成された広い部分５０２ａと狭い部分５０２ｂの２つの円錐台部を含む。

勾配コイルアセンブリ５２０は、一次コイル５２１を含む２つの円錐台部５２１ａ及び５２１ｂと、シールドコイル５２２を含むシールドコイル５２２ａ及び５２２ｂの２つの円錐台部とを含む。

勾配の軸方向（線５０５で表される）に対して、広い部分５０２ａの角度θ５ａは５度、狭い部分５０２ｂの角度θ５ｂは１６度である。

最も広い勾配ボア５０４ａの最大半径Ｒ５１は３００ｍｍ（直径６００ｍｍに等しい）であり、最も狭いボア５０４ｂの最小半径Ｒ５２は６０ｍｍ（直径１２０ｍｍに等しい）である。

この特に好ましい実施形態では、狭い部分５０２ｂの長さは広い部分５０２ａの長さよりもかなり長く、システム０５の磁場の効率と直線性の両方を高める。

図示された図に示すように、一次コイル５２１及びシールドコイル５２２は、内側から順にｚ一次コイル、ｘ一次コイル、ｙ一次コイル、ｘシールドコイル、ｙシールドコイル、ｚシールドコイルの順に配置されている。

シム装置５２３は、上述したシム装置１２３と実質的に同様であり、一次コイル５２１とシールドコイル５２２との間に配置される。

シールドコイル５２２の電流方向（図６、図７ａ及び図７ｂに示す）は、各一次コイル５２１の電流方向と逆方向である。

使用に際して、上述の実施形態は、磁場勾配の高効率及び直線性を提供する。さらに、システム０５は、第１端で５度の小さい角度を使用し、第２端で１６度の大きい角度を使用して、患者の肩に対する適切なアクセスを提供する。

図８による別の特に好ましい実施形態では、三段勾配コイルシステム０６は、三段勾配コイルシステム０２と実質的に同様であり、多くの同様に番号が付された部品を使用し、３００ｍｍ（ｘ－）×３００ｍｍ（ｙ－）×３００ｍｍ（ｚ－）の寸法を有するＤＳＶ６１１を有する。

上述したように、勾配コイルアセンブリ２２０は、三段の円筒部２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃと、円筒部２０２ｂと２０２ｃとの間に位置する円錐台形部２０２ｄとを含む。各部分２０２ａ～ｄは、それぞれ異なる半径Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ２３、Ｒ２４を有する。

最も幅の広い勾配ボア２０４ａの半径Ｒ２１は２８０ｍｍ（直径５６０ｍｍ相当）であり、最も狭いボア２０４ｂの半径Ｒ２４は１０５ｍｍ（直径２１０ｍｍ相当）である。

一次コイル２２１及びシールドコイル２２２は、内側（ボア２０４に隣接）から外側（ボア２０４から半径方向外方に移動）に向かってｚ一次コイル、ｘ一次コイル、ｙ一次コイル、ｘシールドコイル、ｙシールドコイル、ｚシールドコイルの順に配置されている。

シールドコイル２２２の電流方向（図９及び１０に示す）は、各一次コイル２２１の電流方向と逆方向である。

使用時には、上述のシステム０６は、磁場の高効率及び直線性を維持しながら、最も広い勾配ボア２０４ａにおける患者の両肩及び最も狭いボア２０４ｂにおける四肢へのアクセスを提供する。

いくつかの実施形態では、円錐台ボアによって提供される大きな開口部（円筒座標系に関連）は、システムに必要な磁石の全長を短くすることができる。

本明細書に記載する実施形態は、パッシブ磁気シム装置を含むが、代替実施形態は、アクティブ磁気シム装置も含むことができる。

本明細書に記載される本発明の実施形態は、高効率、高勾配強度を提供することを目的とし、したがって、ヘッドイメージングのための改良されたスルーレート、短縮された勾配長のための改良された直線性、及びヘッド及び四肢アクセスに適したシステムを提供する。理解されるように、増加した勾配強度及び高いスルーレートは、心臓及び頭部（すなわち脳）のイメージングにとって特に重要であり得る（しばしば必要である）。

さらに、本発明の実施形態は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）信号の効率的かつ高速な空間符号化を提供するシミング、肩部及び四肢部の両方のＭＲＩシステムへの容易なアクセスを含む、異なる角度及び直径を有する円錐台勾配コイルの複数の部分を有する。

異なる角度に配置された一次コイル部を有する本発明の実施形態は、ＤＳＶに最適な磁界を生成し、漂遊磁界を最小化する。

有利には、本発明の様々な実施形態に関連して上述した構成要素の円錐台形の性質は、ＤＳＶをボアの中心からシフトさせることを可能にする。これは、ＤＳＶが中心に配置される典型的な円筒形設計のＤＳＶとは対照的である。本明細書に記載する本発明の実施形態では、これにより、撮像ゾーン内での頭部撮像（広い端部から）及び四肢撮像（狭い端部から）のための患者の位置決めが容易になる。

さらなる利点として、本発明の実施形態の円錐台形状の設計は、より小さい磁石を使用することを可能にし、それによって、材料及び設置に関連するものを含む、電力消費及び全体的なコストを低減する。さらに、より小さいサイズのスキャナは、設置のためのより少ないスペースを必要とし、それによってスキャナのフットプリントを最小にする。これは、現代の病院にスキャナを設置する際に重要な考慮事項となり得る。

本明細書において、第１及び第２、左及び右、上及び下などの形容詞は、必ずしも実際のそのような関係又は順序を必要とせず又は暗示することなく、単に１つの要素又は動作を別の要素又は動作から区別するために使用され得る。コンテキストが許容する場合、整数又はコンポーネント又はステップ（その他）への参照は、その整数、コンポーネント又はステップの１つだけに限定されると解釈されるべきではなく、むしろその整数、コンポーネント又はステップなどの１つ以上であり得る。

本発明の様々な実施形態の上記の詳細な説明は、関連技術の当業者に説明の目的で提供される。本発明を単一の開示された実施形態に限定することも意図しない。上述したように、本発明の多数の代替及び変形が、上記教示の当業者には明らかであろう。したがって、いくつかの代替の実施形態が具体的に議論されてきたが、他の実施形態は、当業者によって明らかであるか、又は比較的容易に開発されるであろう。本発明は、本明細書で議論されてきた本発明のすべての代替、修正、及び変形、ならびに上記の本発明の精神及び範囲に入る他の実施形態を包含することを意図している。

本明細書において、用語「含む（comprises）」、「含む（comprising）」、「含む（includes）」、「含む（including）」、又は同様の用語は、非排他的包含を意味することを意図しており、要素のリストを含む方法、システム又は装置は、それらの要素のみを含まず、リストされていない他の要素を含んでもよい。

明細書及び特許請求の範囲（存在する場合）全体を通じて、文脈上他に要求されない限り、「実質的に」又は「約」という用語は、その用語によって限定される特定の値又は範囲に限定されないと理解される。

Claims (39)

1. ＭＲＩシステムでの使用に適した勾配コイルシステムであって、
   前記勾配コイルシステムは、
   貫通して延びるボアと、前記ボアの周りに配置された少なくとも１つの円錐台部とを有する勾配本体であって、前記ボアの第１の端部の直径が前記ボアの第２の端部の直径より大きい勾配本体と、
   前記ボアの周りに配置された勾配コイルアセンブリであって、前記勾配コイルアセンブリは、前記本体の前記少なくとも１つの円錐台部に実質的に適合する少なくとも１つの円錐台部を有し、前記勾配コイルアセンブリは、医用画像用の球状体積の直径（ＤＳＶ）内に勾配磁場を生成する、勾配コイルシステム。
2. 前記勾配本体は、前記ボアの周りに配置された１つ以上の円筒部を備え、前記１つ以上の円筒部のうちの少なくとも１つは、前記少なくとも１つの円錐台形部のうちの１つ以上に隣接する、
   請求項１に記載の勾配コイルシステム。
3. 直径を有する第１の円筒部は、直径を有する第２の円筒部に隣接し、前記第１の円筒部の直径は、前記第２の円筒部の直径よりも大きいことを特徴とする、
   請求項２記載の勾配コイルシステム。
4. 前記勾配本体は、階段状直径ボアを画定する、複数の円錐台部及び／又は複数の円筒部を備える、
   請求項１に記載の勾配コイルシステム。
5. 前記勾配コイルアセンブリは、少なくとも１つの実質的な円錐台部を有する一次コイル構造を備える、
   請求項１～４のいずれか一項に記載の勾配コイルシステム。
6. 前記勾配コイルアセンブリは、前記一次コイル構造の前記少なくとも１つの円錐台部に対応する少なくとも１つの実質的な円錐台部を有するシールド層構造をさらに備える、
   請求項５に記載の勾配コイルシステム。
7. 前記一次コイル構造は、前記ＤＳＶ領域内に３つの直交する線形一次勾配磁場を生成する第１、第２及び第３の一次コイルセグメントを含み、
   前記第１の一次コイルセグメントは、ｚ軸に沿って勾配磁場を生成し、
   前記第２の一次コイルセグメントは、ｘ軸に沿って勾配磁場を生成し、
   前記第３の一次コイルセグメントは、ｙ軸に沿って勾配磁場を生成する、
   請求項６に記載の勾配コイルシステム。
8. 前記第１の一次コイルセグメントは、ｚ軸に対応する長手軸に沿って第１の一次勾配磁場を生成する軸方向コイルを含み、前記第２及び前記第３の一次コイルセグメントは、互いに９０度回転し、それによって互いに直交する第２及び第３の一次勾配磁場及び前記第１の一次勾配磁場を生成する横方向コイルをそれぞれ含む、
   請求項７に記載の勾配コイルシステム。
9. 前記シールド層構造は、第１、第２及び第３のシールドコイルセグメントを含み、
   前記シールド層構造の前記コイルセグメントの各々が、前記一次コイル構造の対応するセグメントによって生成される前記勾配磁場と反対の直交勾配磁場を生成するように構成され、前記一次勾配磁場を能動的に遮蔽し、磁石及びＤＳＶにおける渦電流を低減し、
   前記第１のシールドコイルセグメントがｘ軸に沿った勾配磁場を生成し、
   前記第２の一次コイルセグメントがｙ軸に沿った勾配磁場を生成し、
   前記第３の一次コイルセグメントがｚ軸に沿った勾配磁場を生成する、
   請求項６～８のいずれか一項に記載の勾配コイルシステム。
10. 前記シールド層構造は、前記一次コイル構造の周囲に設けられ、前記ボアの軸方向の長さに実質的に沿って延び、前記シールドコイルセグメントの各々の直径は、前記一次コイルセグメントのいずれかの直径よりも大きい、
    請求項６～９のいずれか一項に記載の勾配コイルシステム。
11. 前記シールドコイルセグメントは、対応する前記一次コイルセグメントの形状に対応する円錐台形及び／又は円筒形である、
    請求項６～１０のいずれか一項に記載の勾配コイルシステム。
12. 前記一次コイル構造のコイルの極性は、前記シールド層構造のそれぞれのコイルの極性と反対である、
    請求項６～１１のいずれか一項に記載の勾配コイルシステム。
13. 前記システムは、１つ以上のシムポケットと、各シムポケット内に配置されたシム部とをさらに含み、使用時に、前記シム部がＤＳＶを受動的にシミングして所定の磁場（Ｂ_０）均一性レベルを達成する、
    請求項１～１２のいずれか一項に記載の勾配コイルシステム。
14. 前記シム部は、強磁性材料又は強磁性材料を含む、
    請求項１３に記載の勾配コイルシステム。
15. 前記勾配コイルアセンブリの各一次コイルセグメントは、前記一次コイルセグメントの形状に適合する形状を有する関連するシムポケット及び前記シム部を有する、
    請求項１３又は１４に記載の勾配コイルシステム。
16. 前記シム部は、前記一次コイル構造と前記シールド層構造との間に配置される、
    請求項１３～１５のいずれか一項に記載の勾配コイルシステム。
17. 前記シム部は前記シールド層構造の外側に位置する、
    請求項１３～１５のいずれか一項に記載の勾配コイルシステム。
18. 前記シム部は、前記勾配コイルアセンブリを囲むマグネットチャンバと前記勾配コイルアセンブリとの間に配置される、
    請求項１３～１５のいずれか一項に記載の勾配コイルシステム。
19. 前記システムは、１つ以上のアクティブ磁気シム装置をさらに備える、
    請求項１３～１５のいずれか一項に記載の勾配コイルシステム。
20. 前記勾配コイルアセンブリは、２つの円錐台部を含む、
    請求項１～１９のいずれか一項に記載の勾配コイルシステム。
21. 前記２つの円錐台部のうちの第1の部分の角度は０°～１０°であり、
    前記２つの円錐台部のうちの第２の部分の角度は、前記本体の長手軸に対して５°～３０°である、
    請求項２０に記載の勾配コイルシステム。
22. 前記２つの円錐台部のうちの第１の部分の角度は５度であり、前記２つの円錐台部のうちの第２の部分の角度は前記本体の長手軸に対して１６度である、
    請求項２１に記載の勾配コイルシステム。
23. 前記２つの円錐台部のうちの第２の部分の長さが、前記２つの円錐台部のうちの第１の部分の長さよりも大きく、磁場勾配の効率及び線形性を増大させる、
    請求項２２に記載の勾配コイルシステム。
24. 前記一次コイル構造の前記コイルセグメントは、隣接する前記ボアから隣接する前記シールド層構造に向かって、前記第１の一次コイルセグメント、前記第２の一次コイルセグメント及び前記第３の一次コイルセグメントの順に配置されていることを特徴とする、
    請求項１に記載の勾配コイルシステム。
25. 前記シールド層構造のコイルセグメントは、隣接する前記一次コイル層から隣接する前記勾配コイルアセンブリを取り囲む磁石に向かって、前記第１のシールドコイルセグメント、前記第２のシールドコイルセグメント及び前記第３のシールドコイルセグメントの順に配置される、
    請求項２４に記載の勾配コイルシステム。
26. 前記ボアは、前記勾配コイルアセンブリの前記２つの円錐台部に対応する２つの円錐台部を含む、
    請求項２０に記載の勾配コイルシステム。
27. 前記勾配コイルアセンブリは、３段の円筒部を備え、各円筒部は異なる直径を有し、前記ボアは、前記勾配コイルアセンブリの３段の円筒部に適合する３段の円筒部を備える、
    請求項１に記載の勾配コイルシステム。
28. 前記勾配コイルアセンブリは、前記円筒部の２つの間に延びる円錐台部を備える、
    請求項２７に記載の勾配コイルシステム。
29. 前記勾配本体は、前記第１の端部と前記第２の端部との間の前記ボアの長さに沿って延びる単一の円錐台部をさらに含む、
    請求項１に記載の勾配コイルシステム。
30. 前記勾配コイルシステムは、前記勾配コイルアセンブリと前記ボアとの間に配置された１つ以上の無線周波数（ＲＦ）コイルをさらに含む、
    請求項１～２９のいずれか一項に記載の勾配コイルシステム。
31. 前記ＲＦコイルは、前記ボアの形状に適合する円錐台形及び／又は円筒形である、
    請求項３０に記載の勾配コイルシステム。
32. 前記ＲＦコイルは、前記ボアを囲む前記本体の内面に配置される、
    請求項３０又は請求項３１に記載の勾配コイルシステム。
33. 前記ボアの前記第１の端部の直径は、肩アクセスを可能にするために５００ｍｍより大きく、
    前記ボアの前記第２の端部の直径は、約１００ｍｍ～５００ｍｍである、
    請求項１～３２のいずれか一項に記載の勾配コイルシステム。
34. 前記ボアの前記第１の端部の直径は５００ｍｍから６００ｍｍであり、
    前記ボアの前記第２の端部の直径は１００ｍｍから５００ｍｍである、
    請求項３３に記載の勾配コイルシステム。
35. 前記ボアの前記第１の端部の直径は６００ｍｍであり、
    前記ボアの前記第２の端部の直径は１２０ｍｍである、
    請求項３４に記載の勾配コイルシステム。
36. 前記ボアの前記第１の端部の直径が５００ｍｍ～６００ｍｍであり、
    前記ボアの前記第２の端部の直径が１５０ｍｍ～３００ｍｍである、
    請求項３３に記載の勾配コイルシステム。
37. 前記ボアの前記第１の端部の直径は５６０ｍｍであり、
    前記ボアの前記第２の端部の直径は２１０ｍｍである、
    請求項３６に記載の勾配コイルシステム。
38. 前記ＤＳＶが３００ｍｍ（ｘ－）×３００ｍｍ（ｙ－）×３００ｍｍ（ｚ－）の寸法を有する、
    請求項１～３７のいずれか一項に記載の勾配コイルシステム。
39. 前記勾配本体は、磁石のチャンバ内に配置されている、
    請求項１～３８のいずれか一項に記載の勾配コイルシステム。

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