JP2700506B2 - 対向型マグネット用勾配磁場コイル及びｍｒｉ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明はMRI（核磁気共鳴画像撮影装置）に用いる対
向型マグネット用勾配磁場コイルに関する。

背景技術 核磁気共鳴現象を用いて特定原子核に注目して被検体
の断層像を得る装置にMRIがある。

H,F,Na,C,P等の原子核は、それぞれ個別の磁気モーメ
ントμを持っており、これらを磁場の方向がｚ軸方向で
ある静磁場H0中に置くとこれらの原子核は歳差運動を行
う。この歳差運動の角周波数ω０は次式で与えられる。

ω０＝γH0 γは核磁気回転比と呼ばれ、原子に固有の定数であ
る。磁気モーメントμは種々の方向を向いているが、μ
の平均をＭ′とすると、Ｍ′はｚ軸方向を向く。この状
態でｘ軸方向からω０と同じ角周波数を持つ電磁場を印
加すると、Ｍ′はｙ軸方向に倒れ始める。この時、ｙ軸
方向に受信コイルを配置すると、コイルにはＭ′に比例
した高周波電流が誘起される。このようにMRIでは、静
磁場中の被検体に角周波数ω０の電磁波を印加すると、
受信コイルに高周波電流が流れ、生体からの信号を得る
ことができる。

MRIでは生体内の断層像を得るために、断層像のスラ
イス位置決め及び断面内の位置情報を得るため勾配磁場
を用いる。

静磁場の方向であるｚ軸方向の勾配磁場を発生させる
手法として、向きの異なる電流を流す２個のコイルをｚ
軸方向に配置した勾配磁場コイルを用いている。

従来、この磁場を構成する磁石装置には、静磁場用の
磁石として図８に示す永久磁石による対向型磁石が多く
用いられている。図は対向型磁石の断層面を示し、磁界
H0はｚ軸方向に掛けられている。図において、１は静磁
場を形成する永久磁石で、図の上下に対向して設けられ
ている。２は上下に対向している永久磁石１を磁気的に
接続して磁気回路を構成するヨーク、３は永久磁石１の
上，下部間に設けた整磁板である。被検体は上下の永久
磁石の間に紙面に垂直な方向に挿入される。

図９はこの対向型永久磁石を用いた磁石装置に用いら
れる１組のマクスウエル型の勾配磁場コイルの図であ
る。４は勾配磁場を作るための半径R0のコイルＣ、５は
コイル４に対向して平行に配置した半径R0のコイルＤで
ある。これらコイルC4とコイルD5は、一定の距離2Z0を
隔てて平行に設置され、両コイルに互いに逆向きの電流
が供給される。これらのコイルは中心よりR0の円周上に
電流分布が集中している。そこで、１つの仮想的なコイ
ルによって形成される中心軸上の磁場をＨ（Ｚ）で表す
と、Ｚ＝±Z0に位置する１組のマクスウェル型の勾配磁
場コイルによるｚ軸上の磁界Hm（Ｚ）は、次のようにな
る。

Hm（Ｚ）＝Ｈ（Ｚ−Z0）−Ｈ（Ｚ＋Z0） このHm（Ｚ）をＺ＝０でテーラー展開すると、Ｚの奇
数次項のみのべき級数となる。そこで、Ｚに対して直線
的な勾配磁界を得るため、Ｚの３次項の係数が０になる
ようにすると、次のようなコイル間隔Z0と半径R0の最適
な関係が求められる。

Z0＝0.866R0 このようなマクスウエル型コイルにおいては、計算の
過程において、Ｚの５次以上の高次項が残るため、直線
性が良くない。

本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、その目的
は、駆動電源の容量増加を避けるためにコイルのインダ
クタンスを大きくしないで、勾配磁場のリニアリティの
良い勾配磁場コイルを得るための勾配磁場コイルを提供
することにある。

発明の開示 前記の課題を解決する第１の発明は、互いに逆向きの
略円状の電流が流され勾配磁場発生領域を挾んで対向設
置された２つのコイルからなる対向型マグネット用勾配
磁場コイルにおいて、対向設置されたそれぞれのコイル
は複数の略円状で略同心の電流路を備え、該電流路は、
コイルの中央付近の電流密度が低い領域とコイルの縁部
付近の電流密度が高い領域を含んだ電流分布を持つもの
であることを特徴とするものである。

第２の発明は、上記に加え、それぞれのコイルにおけ
る複数の略円状で略同心の電流路は、電流分布にほぼ反
比例したピッチで配設されたものであることを特徴とす
るものである。

第３の発明は、上記に加え、それぞれのコイルにおけ
る複数の略円状で略同心の電流路は、略渦巻状の連続し
た電流路であることを特徴とするものである。

図面の簡単な説明 図１は本発明の一実施例の勾配磁場コイルの概略構成
図である。

図２は本発明の一実施例の勾配磁場コイルのパタンを
示す図である。

図３はコイルパタン設計のための外形を示す図であ
る。

図４はファイルを基にしたコイルパタン設計のための
手順のフローチャートである。

図５は電流密度曲線からコイルの巻線位置を求める方
法の説明図である。

図６は従来のコイルのリニアリティエラーを示す特性
曲線図である。

図７は本発明によるコイルのリニアリティエラーを示
す特性曲線図である。

図８はMRIの対向型マグネットの概略構造を示す断面
図である。

図９はマクスウエルコイルの概略図である。

発明を実施するための最良の形態 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明す
る。

図１は本発明の一実施例の概略構成図である。図中、
11はｚ軸に垂直な平面上に複数の略円状で略同心状のパ
タンを形成したコイルＡ、12はコイルA11の平面に平行
な平面にコイルA11と同一のパタンを形成したコイルＢ
で、コイルA11とコイルB12の同心円の中心はｚ軸上若し
くはｚ軸に平行な直線上に位置しており、その距離を2Z
0とすると、通常、設備の関係等からこの2Z0を一定の
値、例えば450mmに選ぶ。

図２はコイルA11,B12の実際の詳細なパタンの図で、2
mm程度の径の銅線で構成してあり、リードの取り出しは
C1,C2で行う。このコイルA11,B12の双方の電流路のパタ
ンは、電流を流した時の電流分布が、図５に示すよう
に、半径が０〜r2のコイルの中央付近の電流密度が低い
領域と半径がr3〜R0のコイルの縁部付近の電流密度が高
い領域を含んだ電流分布になるように設定されている。
この電流分布は、Z0とR0の大小関係によって、央付近の
小さな極大や極小の数や位置、縁部付近の増加の割合等
が多少変化する。更に、複数の略円状で略同心の電流路
のピッチは、電流密度にほぼ反比例するように設定され
ているため、それぞれの略円状の電流路に流す電流値は
同一でよい。そのため、図２に示されるように、複数の
略円状で略同心の電流路は、略渦巻状の連続したパタン
が形成されることが可能となる。尚、図２に示したコイ
ルは巻数が少ないので、中央付近の小さな電流密度の極
大が電流路のパタン間隔に隠れているが、巻数を多くし
て電流密度の極大が明確に現れるようにすると精度がよ
くなる。

このコイルは、具体的には、円盤に図２のコイルパタ
ン状に溝を作って、その溝に銅線を埋め込んで作るもの
である。

次に、このコイルA11,B12（以下単にコイルA11で代表
させる）のパタンの設計法を説明する。図３はコイルA1
1の外形を示す図で、横軸にｒを取ってあって、コイルA
11の半径はR0である。このコイルA11において、コイル
平面上の各点における電流分布の誤差を最小にするパタ
ンを求めるため、次式により電流分布Ｊ（ｒ）を求め
る。

この計算の手順を以下に説明する。

（１）式に含まれる各項単独の電流分布をもつコイル
に単位電流を流した時に作られる磁場をビオ・サバール
の法則により計算し、磁場データファイルＡを作成す
る。例えば、a1以外の項の係数a2〜a6,b1〜b6を零とし
たＪ（ｒ）＝a1・sin｛（π/2）（r/R0）｝の電流分布
をもつコイルに単位電流を印加したものと想定し、リニ
アな勾配磁場が必要な領域内の各点での磁場を計算す
る。以下、同様にa2の項,a3の項と次々に計算すれば、
ファイルＡが作成できる。

上記の手順はファイルＡ作成の手順で、予め作ってお
くものである。

次に、上記のように作成されたファイルＡを用いて行
うコイルA11のパタン設定の手順の一例を図４のフロー
チャートを用いて説明する。

ステップ１ 勾配磁場のリニアリティエラーを所望の限度例えば２
％以下に設定する。

ステップ２ ファイルＡを参照してn,mを選定し、勾配磁場がリニ
アになるように各a1〜an,b1〜bmについて線型計画法若
しくは最小二乗法により最適解を求める。即ち、各係数
a1〜an,b1〜bmに基づいてビオサバールの法則により演
算した勾配磁場が、勾配磁場が必要な領域内の各点でリ
ニアリティエラーが２％以下になるように、線型計画法
若しくは最小二乗法により最適解を求める演算を行う。

ステップ３ 最適解が得られたかチェックする。得られていなけれ
ばステップ４に進む。得られていればステップ７に進
む。

ステップ４ 最適解を得るために、ステップ１で設定したリニアリ
ティエラーの許容値を弛めるかどうか検討する。弛める
場合は許容値を増やしてステップ２に戻る。弛めない場
合はステップ５に進む。

ステップ５ an,bmのn,mの数を増やして最適解を求めるかどうか検
討する。増やさない場合、ステップ２に戻る。増やす場
合、ステップ６に進む。

ステップ６ n,m数を増やして設定し、増やしたan,bmについて計算
するためステップ２に戻る。ステップ７ 電流分布Ｊ（ｒ）の最適解による曲線を求め、コイル
のパタンを以下に示す方法で設定する。

上記の手順により、図３に示す領域において、横軸の
各ｒの値、即ち各半径の円周上における電流分布Ｊ
（ｒ）を求め、図５の電流分布曲線21を得る。この曲線
は１つの例である。電流分布曲線21とｒ軸が挟む面積を
Ｓとし、求めようとするコイルの巻数をｎとすれば、面
積Ｓをｎで割って得た面積をΔＳとする。図に置けるr
1,r2,…,rn,R0は電流分布曲線21による面積Ｓを等面積
ΔＳに分割する点で、巻線位置をそれぞれΔＳを２等分
割する位置に選ぶ。

上記のようにして選定した各巻線の位置は図２に示す
通りであり、同心円状のパタンをφ２程度の銅線で構成
する。リードの取り出し口はC1,C2である。

具体的な製法はFRPで形作った厚さ5mm程度の直径800m
mの円盤にNCマシン等で上記コイルパタンに相当する溝
を機械加工して、その溝に銅線を埋め込んで作る。

以上のようにして得られた本実施例の勾配磁場コイル
の特性を従来のマクスウエル型の勾配磁場コイルと比較
する。

図６はマクスウエルコイルの特性曲線である。この曲
線図は、横軸に図１に示すｚ軸上の０点を基準としたｚ
軸の座標を取ってあり、縦軸に勾配磁場のリニアリティ
エラーを取ってある。各曲線のパラメータＸはコイルA1
1の半径方向の距離である。図で明らかなようにコイル
面に近付く程各半径方向の位置におけるリニアリティエ
ラーは大きくばらついている。

図７は本実施例によって求められたパタンの勾配磁場
コイルによる特性曲線で、縦軸と横軸とは図６と同じで
ある。この図に明らかなように、各半径位置におけるリ
ニアリティエラーは極めて小さく、±３％以内に納まっ
ている。

次にマクスウエル型の勾配磁場コイルと本実施例のパ
タンの勾配磁場コイルとのインダクタンスと抵抗を比較
する。

70Aの電流を流し、1gauss/cmの勾配磁場強度を得るの
に必要なコイルのインダクタンスと抵抗を求めると次の
表１のようになる。

表から明らかなように本実施例の勾配磁場コイルはマ
クスウエル型の勾配磁場コイルに比べて、ターン数は多
くなっているがインダクタンスは少ない。

以上説明したように本実施例によれば、リニアリティ
が良いため、勾配磁場に起因したイメージ歪を従来に比
べて改善できる。従来ではイメージ歪みを画像処理にお
いて補正することが行われていて、処理時間が長くなっ
たり、アーティファクトが発生するなどの問題があった
が、リニアリティエラーを許容範囲に入れられるので、
画像処理段階での歪補正は不要になった。

一方、インダクタンスは従来と略同程度か、むしろ少
なくなっているので、電源容量の増加は不必要である。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものではない。
本実施例では銅線でコイルパタンを形成する例を示した
が、銅板のエッチングにより形成してもよい。

産業上の利用可能性 以上詳細に説明したように本発明によれば、コイルの
インダクタンスを大きくすることなく、勾配磁場のリニ
アリティの良い勾配磁場コイルを実現することができ
て、実用上の効果は大きい。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】対向設置されるマグネットに対応して勾配
   磁場発生領域を挾んで対向設置されており互いに反対向
   きの電流が流される対向型マグネット用勾配磁場コイル
   であって、 前記対向設置されたコイルは、同心円状である複数の電
   流路を備えており、 前記電流路は、径方向におけるコイルの中央付近におけ
   る電流密度が低い領域及び径方向におけるコイルの縁部
   付近における電流密度が高い領域を含んだ電流分布を形
   成していることを特徴とする対向型マグネット用勾配磁
   場コイル。
2. 【請求項２】前記電流路は、前記電流分布を形成する電
   流密度に反比例したピッチで配設されていることを特徴
   とする請求項１記載の対向型マグネット用勾配磁場コイ
   ル。
3. 【請求項３】被検体が載置される領域を挾んで対向配置
   されたマグネットと、 請求項１又は請求項２に記載された対向型マグネット用
   勾配磁場コイルとを備えたことを特徴とするMRI装置。