JP2712490B2 - 局所傾斜磁場コイル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 この発明は、MRI装置（核磁場共鳴を利用したイメー
ジング装置）において、傾斜磁場を発生させるためのコ
イルに関する。

B.従来技術 MRIにおいては、原子核スピンの３次元的な位置を知
るために、直交３軸x,y,zの３方向に線型勾配磁場（傾
斜磁場） をかける必要がある。ここで、x,y,z各方向の勾配をG_x,
G_y,G_zとすると、 B_z(x)＝G_x×ｘ B_z(y)＝G_y×ｙ B_z(z)＝G_z×ｚ で表すことができる。

主磁石による静磁場 の方向をｚ方向とすると、各傾斜磁場 の傾斜の方向はそれぞれｘ方向,y方向,z方向であるが、
磁場自体の方向はいずれの傾斜磁場 も静磁場 の方向（ｚ方向）となり、各傾斜磁場 は静磁場 に重畳される。すなわち、例えば、傾斜磁場 をかけると、この傾斜磁場 と静磁場 とが重畳された磁場は、方向はすべてｚ方向であるが、
その大きさがｙ方向座標値によって変化し、この変化に
伴うNMR信号の周波数あるいは位相が変化し、この変化
を検出することで、個々のｙ方向座標値におけるNMR信
号強度を弁別することができる。

従来のMRI装置においては、ｘ方向,y方向の傾斜磁場
コイルは４つのサドル形コイルで構成され、ｚ方向の傾
斜磁場コイルは一対の平行コイルで構成され、いずれも
主磁石のマグネットボアの内側で、RF送受信コイル（体
部アンテナコイル）の外側の位置に配置してある。

C.発明が解決しようとする課題 しかし、上記従来の傾斜磁場コイルは、主磁石の全長
にほぼ匹敵する長さをもつサイズの大きいものであるた
め、傾斜磁場のリニアリティ特性が良くなり、また、高
出力の傾斜磁場の発生がむずかしい。すなわち、傾斜磁
場によって、主磁石における熱シールド板（例えばAl
製）に渦電流が発生し、その渦電流が傾斜磁場を打ち消
す方向の磁場を発生するが、傾斜磁場コイルが大サイズ
であると、磁場打ち消しの効果（渦電流損）が大きく、
その結果、傾斜磁場のリニアリティ特性に悪影響を及ぼ
すとともに、高傾斜磁場を発生するのが困難となる。

また、主磁石ユニットの全体を覆うマグネットボアは
常温であり、ここで発生する渦電流の時定数は極く短い
ので、傾斜磁場パルスの立ち上がり時間の延長化が生
じ、高速イメージングに支障を来すことになる。

そこで、渦電流損を理論的にゼロにするアクティブシ
ールド方式が提案された。これは、傾斜磁場コイルの外
側に別のコイルを配置し、傾斜磁場コイルと反対方向の
電流を流すことにより、渦電流によって発生する磁場を
相殺し、傾斜磁場に与える影響をなくすものである。

しかし、このアクティブシールド方式では、コイルを
二重にすること、および、シールドコイルに大電流を流
すことから、構造の複雑化、設備費，運転費の高騰を招
くとともに、大きな音が発生するという問題がある。

この発明は、このような事情に鑑みてなされたもので
あって、渦電流の影響をなくして高傾斜磁場の発生およ
び高速イメージングを可能にするとともに、設備費，運
転費の削減および発生音の抑制を図りながらも、傾斜磁
場のリニアリティ特性を向上することを目的とする。

D.課題を解決するための手段 この発明は、このような目的を達成するために、次の
ような構成をとる。

すなわち、この発明の局所傾斜磁場コイルは、体部ア
ンテナコイルの内側において被検体の関心部位に限った
局所で被検体を挟んで対向する平行平面上に形成される
傾斜磁場コイルであって、前記互いに平行な第1,第２の
コイル平面間の磁場スカラーポテンシャルをφ_０、第１
コイル平面外の磁場スカラーポテンシャルをφ_１、第２
コイル平面外の磁場スカラーポテンシャルをφ_２とし、
第１コイル平面上での電流分布関数をψ_Ｐ＝（φ_１−φ
_０）／μ、第２コイル平面上での電流分布関数をψ_Ｑ＝
（φ_０−φ_２）／μと定義し（μは透磁率）、ある電流
分布関数ψ^refから求められた仮想の傾斜磁場B_z ^refと理
想のリニアな傾斜磁場B_z ^idealとの差についての前記局
所領域内での三次元方向のすべての座標点における自乗
和Dif＝Σ（B_z ^ref−B_z ^ideal）^２が順次小さくなるよう
に前記電流分布関数ψ^refを変化させる繰り返し法によ
って最小極限の自乗和Dif^minを求め、この自乗和Dif^min
に対応する電流分布関数ψ^refを最終電流分布関数ψ
^ref(min)とし、この最終電流分布関数ψ^ref(min)に基づ
いて求められた配線パターンに従って前記両コイル平面
上に導体を配列して構成したことを特徴とするものであ
る。

E.作 用 この発明の構成による作用は、次のとおりである。

すなわち、この局所傾斜磁場コイルは、体部アンテナ
コイルの内側において被検体の関心部位に限った局所で
被検体を挟んで対向する平行平面上に形成されるもので
あって、そのサイズが小さく、かつ、マグネットボアか
ら離れているので、渦電流損が小さくなり、したがっ
て、高出力の傾斜磁場を発生するとともに、傾斜磁場パ
ルスの立ち上がり時間の延長化を抑制して高速イメージ
ングが可能となる。

そして、アクティブシールド方式のような構造の複雑
化、設備費，運転費の高騰、大きな音の発生を招かずに
すむ。

加えて、上記のような繰り返し法によって求められた
最終電流分布関数ψ^ref(min)に基づく配線パターンで形
成された局所傾斜磁場コイルによって発生される傾斜磁
場は、理想のリニアな傾斜磁場B_z ^idealに充分に近似し
たものとなり、そのリニアリティ特性が大幅に改善され
る。

F.実施例 以下、この発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明
する。

第１図は、MRI装置のガントリ内の構造を示す正面図
である。

主磁石のマグネットボア１の内部に、従来型の傾斜磁
場コイル２、体部アンテナコイル（RF送受信コイル）
３、および、平行平板型の局所傾斜磁場コイル４が、外
側から内側にかけてこの順番に配置されている。この実
施例は、本発明の局所傾斜磁場コイル４と従来型傾斜磁
場コイル２とを併用した場合を示している。例えば、従
来型傾斜磁場コイル２でｚ方向の傾斜磁場 とｘ方向の傾斜磁場 とを発生させ、局所傾斜磁場コイル４でｙ方向の傾斜磁
場 を発生させるといった具合である。

ただし、従来型傾斜磁場コイル２を除き、 の３つの局所傾斜磁場コイル４を積層して実施すること
も可能である。また、併用タイプの場合でも、１方向の
みを従来型傾斜磁場コイル２とし、残る２方向を局所傾
斜磁場コイル４とすることも可能である。なお、局所傾
斜磁場コイル４を上下で対向させているが、これに代え
て、左右で対向させてもよい。

局所傾斜磁場コイル４は、従来型傾斜磁場コイル２と
の対比において、従来型傾斜磁場コイル２が体部アンテ
ナコイル３の外側に存在するのに対し、局所傾斜磁場コ
イル４が内側に存在している点においてまず異なってい
る。また、従来型傾斜磁場コイル２がマグネットボア１
のほぼ全長にわたる大サイズであるのに対し、局所傾斜
磁場コイル４は、例えば、頭部のみ、心臓部のみといっ
た具合に被検体５における関心部位に限った局所で被検
体５を挟んで対向する小サイズである点で異なってい
る。

以下、ｙ方向の傾斜磁場 の局所傾斜磁場コイル４の設計手法について説明する。

第２図は、平行平板型の局所傾斜磁場コイル４を形成
すべき互いに平行な第1,第２のコイル平面S_P,S_Qの座標
系を示す。ｚ方向が静磁場 の方向である。コイル平面S_P,S_Qは、ｘ−ｚ平面に平行
であり、ｙ軸に垂直である。第1,第２のコイル平面S_P,S
_Qで挟まれた空間をΩ_０（−ｄ＜ｙ＜ｄ）、第１コイル
平面S_Pの外側（上側）の空間をΩ_１（ｙ＞ｄ）、第２コ
イル平面S_Qの外側（下側）の空間をΩ_２（ｙ＜−ｄ）と
し、各領域Ω₀,Ω₁,Ω_２の磁場スカラーポテンシャルを
それぞれφ₀,φ₁,φ_２とする。

マックスウェルの電磁方程式は、 なお、μは透磁率、εは誘電率、ρは電荷の体積密度
である。

ここで、定常状態の解を考え、電荷が存在しないこと
から、 であり、また、 は時間的変化がないとすると、〜式は、静磁場に関
するマックスウェルの方程式 となる。すなわち、磁場のみの方程式となる。

電流分布は第1,第２のコイル平面S_P,S_Q上に限られて
おり、前記の各領域Ω₀,Ω₁,Ω_２ではそれぞれ電流密
度、 であるから、，式より、 が成立する。

式のrot より、 に対して、磁場スカラーポテンシャルφ₀,φ₁,φ_２を次
のように定義することができる。

式で であるから、φ_０のラプラシアン をとると、 φ₁,φ_２も同様であり、 のラプラスの方程式が成立する。

今、第１コイル平面S_Pを考える（第３図参照）。式
より、 ストークス定理より、 これより、ｘ方向の電流密度J_xPは、 いま、第１コイル平面S_P上での電流分布関数ψ_Ｐとし
て、 を定義すると、式は、 となる。

同様にして、ｚ方向の電流密度J_zPを求めると、 となる。

また、第２コイル平面S_Qでの電流分布関数ψ_Ｑとし
て、 を定義し、第２コイル平面S_Qでのｘ方向およびｚ方向の
電流密度J_xQ,J_zQを同様にして求めると、 となる。

以上の，，，式をまとめて表現すると、サフ
ィクスＫをＫ＝ＰまたはＱとして、電流密度は、 で表すことができる。

この式は、ψ_Ｋ＝constという等高線に沿って電流
が流れることを意味している。

いま、磁場スカラーポテンシャルφ₀,φ₁,φ_２を経験
に基づいてある値に決めると、それに対応した電流分布
関数ψ_P,ψ_Ｑが決まり（，式）、式に基づいて電
流密度J_xP,J_zP,J_xQ,J_zQを求めることができる。

ここで、理想のリニアな傾斜磁場B_z ^idealを考える。
今、考察しているのは、ｙ方向の傾斜磁場 の局所傾斜磁場コイル４についての設計手法であるか
ら、 B_z(y) ^ideal＝G_y×ｙ …… と置くことができる。ここでG_yは、傾斜磁場 についての比例定数（勾配）である。

ある初期値としての電流分布関数ψ^ref(0)を考え、こ
の電流分布関数ψ^ref(0)から、，，式に従って、
仮想の傾斜磁場B_z(y) ^ref(0)を求める。電流分布関数ψ
^ref(0)としては、仮想の傾斜磁場B_z(y) ^ref(0)が理想の
傾斜磁場B_z(y) ^idealに近いものとなると思われるものと
して決定される。

そして、仮想の傾斜磁場B_z(y) ^ref(0)と理想の傾斜磁
場B_z(y) ^idealとの差の自乗和Dif⁽⁰⁾をとる。すなわち、
局所領域内での三次元方向のすべての座標点（x₁,y₁,
z₁），（x₂,y₂,z₂）…（x_n,y_n,z_n）についての自乗和
は、 Dif⁽⁰⁾＝Σ（B_z(y) ^ref(0)−B_z(y) ^ideal）^２ …… となる。この自乗和は、傾斜磁場について仮想のものが
理想のものに比べてどの程度の差をもっているかを示
す。

次に、電流分布関数ψ^ref(0)を微小量δψ₍₀₎だけ変
化させて、２回目の電流分布関数ψ^ref(1)とする。

ψ^ref(1)＝ψ^ref(0)＋δψ₍₀₎ …… そして、この電流分布関数ψ^ref(1)に基づいた仮想の
傾斜磁場B_z(y) ^ref(1)と理想の傾斜磁場B_z(y) ^idealとの
差の自乗和Dif⁽¹⁾をとる。

Dif⁽¹⁾＝Σ（B_z(y) ^ref(1)−B_z(y) ^ideal）^２ …… さらに、１回目の自乗和Dif⁽⁰⁾から２回目の自乗和Di
f⁽¹⁾への変化をみる。すなわち、 δDif＝Dif⁽¹⁾−Dif⁽⁰⁾ …… このδDifは、仮想傾斜磁場と理想傾斜磁場との差Dif
⁽¹⁾,Dif⁽⁰⁾のどちらが小さいかを示す指標となり、δDi
f＞０（Dif⁽¹⁾＞Dif⁽⁰⁾）であれば、仮想傾斜磁場と理
想傾斜磁場の差が拡大したことを意味し、これは電流分
布関数ψ^ref(1)の設定（微小量δψ₍₀₎の設定）が良く
なかったわけであり、その設定をし直して、上記と同様
の計算を行う。δDif＜０（Dif⁽¹⁾＜Dif⁽⁰⁾）であれ
ば、仮想傾斜磁場と理想傾斜磁場の差が縮まったことを
意味するから、次の段階に移る。

このような計算を繰り返すと、最終的には、δDif＝
０またはδDif０となる。すなわち、仮想傾斜磁場が
理想傾斜磁場に一致または非常に接近したことになる。
この最終極限の自乗和Dif^minに対応する電流分布関数ψ
^ref(i)を最終電流分布関数ψ^ref(min)として決定する。

そして、最終電流分布関数ψ^ref(min)に基づいてｙ方
向の傾斜磁場 についての配線パターンを式より求め、その配線パタ
ーンに従って第1,第２のコイル平面S_P,S_Q上に導体を配
列する。この導体の配列は、プリント配線とすることが
できる。

なお、最終電流分布関数ψ^ref(min)の一例を第４図
に、決定された配線パターンすなわちｙ方向の傾斜磁場 の局所傾斜磁場コイル４のパターンを第５図に示す。第
５図はコイル平面の1/2の範囲に対応している。

以上はｙ方向の傾斜磁場 の局所傾斜磁場コイル４の設計手法についての説明があ
ったが、ｘ方向の傾斜磁場 の局所傾斜磁場コイル４の場合には、 B_z(x) ^ideal＝G_x×ｘ と置いて、また、ｚ方向の傾斜磁場 の局所傾斜磁場コイル４の場合には、 B_z(z) ^ideal＝G_z×ｚ と置いて、前述同様の計算を行えばよい。

なお、以上のようにして得た局所傾斜磁場コイルを用
いてMRIを行うと、500Gauss/mの高傾斜磁場が得られ、
立ち上がりも0.1msecの高速イメージングが可能とな
る。

G.発明の効果 この発明によれば、次の効果が発揮される。

局所傾斜磁場コイルは、体部アンテナコイルの内側
において被検体の関心部位に限った局所で被検体を挟ん
で対向するもので、サイズが小さいこと、および、マグ
ネットボアからの距離が大きいことから、渦電流損を極
力減少でき、高傾斜磁場の発生および高速イメージング
を達成することができる。

渦電流損の減少をアクティブシールド方式によらず
に達成するから、構造の複雑化を招くことなく、設備
費，運転費の削減および発生音の抑制を図ることができ
る。

局所傾斜磁場コイルは、繰り返し法による最終電流
分布関数ψ^ref(min)に基づく配線パターンに従っている
から、発生傾斜磁場を理想のリニアな傾斜磁場B_z ^ideal
に充分に近似したものとでき、リニアリティ特性を向上
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図はこの発明の一実施例に係り、第１
図はMRI装置のガントリ内の構造を示す正面図、第２図
は局所傾斜磁場コイルを形成すべきコイル平面の座標系
を示す図、第３図はストークスの定理を適用した説明
図、第４図はｙ方向の傾斜磁場を考察した場合の最終電
流分布関数の一例を示す説明図、第５図は第４図に対応
した局所傾斜磁場コイルのパターン図である。 ３……体部アンテナコイル ４……局所傾斜磁場コイル ５……被検体 S_P……第１コイル平面 S_Q……第２コイル平面

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】体部アンテナコイルの内側において被検体
   の関心部位に限った局所で被検体を挟んで対向する平行
   平面上に形成される傾斜磁場コイルであって、前記互い
   に平行な第1,第２のコイル平面間の磁場スカラーポテン
   シャルをφ_０、第１コイル平面外の磁場スカラーポテン
   シャルをφ_１、第２コイル平面外の磁場スカラーポテン
   シャルをφ_２とし、第１コイル平面上での電流分布関数
   をψ_Ｐ＝（φ_１−φ_０）／μ、第２コイル平面上での電
   流分布関数をψ_Ｑ＝（φ_０−φ_２）／μと定義し（μは
   透磁率）、ある電流分布関数ψ^refから求められた仮想
   の傾斜磁場B_z ^refと理想のリニアな傾斜磁場B_z ^idealとの
   差についての前記局所領域内での三次元方向のすべての
   座標点における自乗和Dif＝Σ（B_z ^ref−B_z ^ideal）^２が
   順次小さくなるように前記電流分布関数ψ^refを変化さ
   せる繰り返し法によって最小極限の自乗和Dif^minを求
   め、この自乗和Dif^minに対応する電流分布関数ψ^refを
   最終電流分布関数ψ^ref(min)とし、この最終電流分布関
   数ψ^ref(min)に基づいて求められた配線パターンに従っ
   て前記両コイル平面上に導体を配列して構成したことを
   特徴とする局所傾斜磁場コイル。