JP2617918B2

JP2617918B2 - 均一磁界発生装置

Info

Publication number: JP2617918B2
Application number: JP61165529A
Authority: JP
Inventors: 壽紀壺田; 盛明武智
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1986-07-16
Filing date: 1986-07-16
Publication date: 1997-06-11
Anticipated expiration: 2012-06-11
Also published as: JPS6321809A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、医療機器の核磁気断層撮影装置等で使用
されている均一磁界発生装置、特にその補正コイルに関
するものである。

〔従来の技術〕

第２図は、一般的に均一磁界発生装置の構成を示した
断面図であり、（１）は主コイル、（２）はこの主コイ
ル（１）の周りに巻回されている補正コイルである。ま
た、主コイル（１）の中央部に高均一磁界領域（３）を
示すと共に、主コイル（１）の中心ｏを源点とする座標
軸Ｚ−Ｘを示した。補正コイル（２）は第３図に示すよ
うに、主コイル（１）の周りにこの主コイル（１）の中
心Ｏを対称に配置された複数対のコイル（2A）によって
構成されている。第４図には、従来の補正コイルの構成
例が示されており、ここでは一例として２次成分を発生
させる補正コイル（２）の各コイル（2A）の半径、配置
位置、および流す電流の大きさと方向等が示されてい
る。２次成分を発生する補正コイル（２）は、等しい半
径ａを有する２対のコイル（2A）より構成され、これら
のコイル（2A）は主磁界方向Ｚ上の主コイルの中心Ｏか
ら距離±Z₀₁，±Z₀₂の位置に巻回されている。この中心
Ｏからの距離は、普通、半径ａで規格化され、例えば±
β₁＝±Z₀₁/aとして示される。また、I₁，I₂は各コイル
対に流す電流を示し、また矢印はその方向を示してい
る。これらの距離±β₁，±β₂および電流I₁，I₂は以下
の原理に基づいて決定される。

第５図は原理を説明するための図である。第５図にお
いて（５）は１巻のコイル（2A）に相当する円電流ルー
プであり、半径ａで電流Ｉが矢印のように流れている。
同図にはＺ軸が示しており、円電流ループ（５）はＺ＝
−Zoの位置にＺ軸と垂直な面内に取付けられている。Ｚ
軸と垂直な面内に取付けられた１個の円電流ループ
（５）が、原点近傍の点ｑ（γ，θ）に作るＺ軸方向磁
界は、テイラー展開により次式のように表わせる。

式において、ｑ点をＺ軸上にとると、次式のようにな
る。

式において、P_n（Ｕ）はｎ次のルジャンドル多項式で
ある。ただし、Ｕ＝cosθである。従って、式は次式
のように表わせる。

ここで、B_z（0,0）は、原点におけるＺ軸方向磁界、ε_n
はn!を含めたｎ次の微係数である。B_z（0,0）とε_nは、
円電流ループ（５）の電流Ｉと位置Z₀のみによって定ま
る定数であり、第１表にまとめて示した。

第６図のような円電流ループ（５）の配置および電流
の方向を、対称構造、対称電流、また、第７図のような
場合を、対称構造、反対称電流と定義すると、第６図の
場合の１対の円電流ループ（５）の磁界出力は次式で表
わせる。

同様に、第７図の場合には次式で表わせる。

そして、ｋ対の円電流ループによる磁界出力について
考えると、第ｍ番目の対を添字ｍで表わすと、各円電流
ループ対の出力は次式で表わせる。

対称構造、対称電流の場合には次式を得る。

次に、対称構造・反対称電流の場合には次式を得る。

但し、偶数次Ｚシムコイルまず、偶数次Ｚシムコイルについて説明する。偶数次
Ｚシムコイルとは、Ｚ軸方向に対しZ^2k（ｋ＝0,1,2,・
・・）に比例して変化する主磁界方向、すなわちＺ軸方
向磁界成分を有する補正コイルである。Z^2kシムコイル
は、ｋ＋１対の円電流ループにより構成される。円電流
ループ対の数は、2k次の出力に対し、2k＋２次の出力を
除去できる全ての位置に対応する。すなわち、ε_2k+2＝
０の解β（但し、βは円電流ループの半径で規格化され
た主磁界方向の距離である）が±β₁，±β₂，・・・±
β_k+1となって、これらの２（ｋ＋１）個の位置に円電
流ループを設置する。この時の磁界出力は式を用いる
と次式のようになる。

R_m,2kはシムコイルの規定出力に対する高次誤差項であ
るが、であれば、規定出力に対する割合は十分小さいので、無
視してよい。R_2kの項を無視する時、B_z（γ，θ）を定
める要素は次の２（ｋ＋１）個である。

ｋ＋１対ある全ての円電流ループの磁界出力中に、2k＋
２次の項を含ませないためには、コイルの取付け位置を
±β₁，・・・，±β_k+1とすることが必須である。従っ
て、コイル取付け位置βに関する自由度は全くない。し
かし、コイル電流にはｋ＋１の自由度があり、磁界出力
を定めるために以後利用する。シムコイルの出力は磁界
の補正用として利用されるため、異なる種類の磁界出力
は各々独立していなければならない。ε_2k+2＝０とし、
R_2kを無視したシムコイルの磁界出力は次式で表わせ
る。

Z_2kシムコイルを実現する場合には、2k次以外の項は
全て不要であり、０次から（2k−２）次の項までを全て
消去しなければならない。そのためには、式で示すコ
イル電流（第１表参照）のみを変数として任意の位置γ において次式が成立せねばならない。

上式は、ｋ個の連立方程式であるが、変数ＩはI₁〜I
_k+1でｋ＋１個ある。従って、ｋ個の変数に対して成立する。すなわち、各コイル間の電流比を定
めることにより、所定の次数2kのみを有する磁界出力を
得ることができ、かつ磁界出力の大きさはコイル電流I₁
の絶対値を変化させることにより任意に選び得る。な
お、ここに述べた一般論から、同一配置で他の独立した
磁界が出せることがわかる。この点について続いて説明
する。

式より、任意の位置（γ，θ）に対して B_z（γ，θ）≡０が成立するためには、（l:任意の整数）でなければならないから、任意の位置
（γ，θ）の次数別の各係数和が０でなければならな
い。

上式はｋ＋１個の連立方程式であり、ｋ＋１個の解I₁
〜I_k+1により一意的に定まるが、任意の１つの式を除い
たｋ個の連立方程式として成立させることも可能であ
り、この時の解は次式のｋ個となる。

あるいは、次のｋ個の解でもよい。

すなわち、以上の結果をまとめると、Z^2kシムコイル出力を得る
ために取付けたｋ＋１対の円電流ループを用いることに
より、2k次以内の任意の偶数次出力を唯一得ることがで
きる。また、電流を重ねあわせることにより、０次から
2k次までのｋ＋１種のシムコイル出力を独立に発生させ
ることができる。これらの磁界出力中に含まれる最低
次数の誤差項は2k＋４次である。

奇数次Ｚシムコイル次に奇数次Ｚシムコイルについて説明する。奇数次Ｚ
シムコイルとは、Ｚ軸方向に対しZ^2k+1（ｋ＝0,1,2,・
・・）に比例して変化するＺ軸方向磁界成分を有する補
正コイルである。奇数次Ｚシムコイルについては、偶数
次Ｚシムコイルと同様の考え方でよい。偶数次のZ^2kシ
ムコイルのべき数をZ^2k+1に変更し、ｋ＋１対の円電流
ループにより構成される。同一コイル数に対し、奇数次
シムコイルの次数が１次高いのは、ε_2k+2＝０（ｋ＝0,
1,2,・・・）を満す解の中に、必要磁界出力を０にする
解β＝０が含まれ、従ってコイル取付位置を決める解と
してこの解を含まないためである。磁界出力の一般式は
次式となる。

任意の一類の次数出力を定める連立方程式は次の通りで
ある。

ｋ＋１個の方程式中、必要とする磁界出力に対応する１
つの式以外のｋ個の方程式を、ｋ個の変数により成立させる。

以上の原理に基づき、第４図に示した２次成分を発生
する補正コイル（２）の場合、２対の等しい半径ａを有
するコイル（2A）は、４次誤差を発生させないように４
次成分の係数ε₄＝０、すなわちを満す±β₁≒±0.2976,±β₂≒±1.188の位置に設置さ
れる。この場合、０次および２次成分は次式で示され
る。

そして、Ｂ（０次）＝0,B（２次）を所定の２次成分の
大きさとするように電流I₁，I₂を定めて流すようにす
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の均一磁界発生装置の補正コイルは以上のよう
に、各コイル対の半径を等しくするという前提のもとに
構成されていたので、従って構造上最大径を要するコイ
ル対の半径に全てのコイル対の半径を合わせる必要があ
り、コイル配置設計上、自由度がなく、場合によっては
コイル重量が不必要に大きくなってしまうという問題点
があった。さらにまた、数種の次数のコイルを同一径で
配置すると、コイル対の軸方向位置が近接し、全てのコ
イル対を前項の原理に基いて配置することが困難になる
場合が生ずるなどの問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになさ
れたもので、補正コイルの各コイル対の半径を自由に選
択できるようにすることにより、コイル重量が不必要に
大きくならないようにした均一磁界発生装置を提供する
ことを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る均一磁界発生装置の補正コイルは、そ
れぞれ構造上の制約等で定まる所望の半径を有するｋ＋
１対のコイルを、2k＋２もしくは2k＋１次の磁界成分の
係数ε_2k+2もしくはε_2k+1が０となる位置±β₁，±
β₂，・・・±β_k+1に配置し、低次の次数磁界成分につ
いては不要な次数磁界成分は０になるように、また必要
な次数磁界成分は所定の値になるように、各コイル対に
電流I₁，I₂，・・・I_k+1を流すようにしたものである。

〔作用〕

この発明においては、補正コイルの構成するｋ＋１対
のコイルの半径をそれぞれ所望の大きさとし、2k＋２次
もしくは2k＋１次の磁界成分の係数ε_2k+2もしくはε
_2k+1が０となる位置に各コイル対を配置するようにした
ので、各コイル対の半径を全てが同一でない大きさにし
ても、所要の次数磁界成分の所要の値の補正磁界が得ら
れる。

〔実施例〕

第１図はこの発明による均一磁界発生装置の補正コイ
ルの一実施例を示している。第１図に示された補正コイ
ル（20）もやはり、２次成分を発生させるものであり、
それぞれ半径a₁，a₂の２対のコイル（20A）より構成さ
れ、主磁界方向Ｚ上のそれぞれ半径a₁，a₂で規格化され
た距離±β₁，±β₂（実際には、±Z₀₁＝±β₁a₁，±Z
₀₂＝±β₂a₂）に配置されている。I₁，I₂はそれぞれ半
径a₁，a₂のコイル対に流す電流を示し、また矢印はその
方向を示している。

４次磁界成分の係数ε₄＝０の解は±β₁≒±0.2976,
±β₂≒±1.188であり、これに対応する位置に各コイル
対（20A）を配置する。また、電流I₁，I₂は０次磁界成
分を０に、２次磁界成分を所要の値となるように、次式
の０次磁界成分と２次磁界成分の連立方程式の解として
得られる値である。

なお、上記実施例では２次磁界成分のみを発生する補
正コイルについて説明したが、構成は全く同じで、各コ
イル対に流す電流I₁，I₂を次式の連立方程式を満足する
ように流せば、４次磁界成分が０で、所要の０次磁界成
分および２次磁界成分を発生できる、多出力補正コイル
とすることができる。

〔発明の効果〕以上のようにこの発明によれば、均一磁界発生装置の
補正コイルにおいて、この補正コイルを構成する各コイ
ル対の半径を、それぞれ構造上の制約等で定まる所望の
値にしても、所望の値の所望の次数磁界成分が得られる
ので、コイル配置上の自由度が向上し、均一磁界発生装
置の設計が容易になるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による均一磁界発生装置の補正コイル
の一実施例を示す構成図、第２図は均一磁界発生装置の
断面図、第３図は均一磁界発生装置の構成図、第４図は
従来の均一磁界発生装置の補正コイルの構成図、第５
図、第６図、第７図は補正コイルの原理を説明するため
の説明図である。図において、（１）は主コイル、（20）は補正コイル、
（20A）はコイルである。なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】主磁界発生用の主コイルと、この主コイル
と同軸に、主コイルの中心点から主磁界方向に互いに等
距離にそれぞれ配置されたｋ＋１対（ｋ＝1,2,3,・・
・）のコイルからなる補正コイルとを備え、上記補正コ
イルの各コイル対の少なくとも１つは、他のコイル対と
異なる半径を有し、各コイル対の電流比および電流の方
向を変えることにより特定次数の磁界成分の少なくとも
１種類を発生することを特徴とする均一磁界発生装置。
【請求項２】ｋ＋１対（ｋ＝1,2,3,・・・）のコイル発
生磁界中の2k＋２次の係数ε_2k+2＝０の解±β₁，±β₂
・・・±β_k+1の位置に配置され、高次誤差磁界以外の
主磁界方向発生磁界の2n次項である次式において、０≦lj≦ｋの範囲にある任意の整数lj（ｊ＝
1,2,3,・・・）に対してとなるようなI₁，I₂，I₃・・・I_k+1を各コイル対に流す
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の均一磁界
発生装置。
【請求項３】ｋ＋１対（ｋ＝1,2,3,・・・）のコイルが
発生磁界中の2k＋１次の係数ε_2k+1＝０の解±β₁，±
β₂・・・±β_k+1の位置に配置され、高次誤差磁界以外
の主磁界方向発生磁界の2n＋１次項である次式において、０≦lj≦ｋの範囲にある任意の整数lj（ｊ＝
1,2,3,・・・）に対してとなるようなI₁，I₂，I₃・・・I_k+1を各コイル対に流す
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の均一磁界
発生装置。