JP2793893B2

JP2793893B2 - 磁気共鳴走査装置の渦電流磁界の補償方法および装置

Info

Publication number: JP2793893B2
Application number: JP2213565A
Authority: JP
Inventors: ハインツ、エグロフ
Original assignee: BARIAN ASOSHEITSU Inc
Current assignee: BARIAN ASOSHEITSU Inc
Priority date: 1989-08-11
Filing date: 1990-08-10
Publication date: 1998-09-03
Anticipated expiration: 2013-09-03
Also published as: EP0412394A2; EP0412394A3; US4965521A; JPH0388309A; CA2021877A1

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕この発明は、磁気共鳴イメージャーおよびスペクトロ
メータのような磁気共鳴（MR）装置、一層詳細には、パ
ルスド磁界勾配コイルを有するMR装置内の渦電流擾乱を
実質的に減ずるための方法および装置に関するものであ
る。〔従来の技術〕 MRシステムは核磁気共鳴（NMR）の現象に基づいてい
る。対象物が磁界中に置かれている時、磁界は正味磁気
モーメント（たとえば¹H、¹³C、³¹Pおよび²³Na）を有す
る特定の形式の核のスピンベクトルを、供給された磁界
の方向に配向させる。これらの核スピンベクトルは、正
しい量のエネルギーを供給される時、与えられたエネル
ギーに従って磁界中で再配向し、またプロセス中にエネ
ルギーを放出または吸収する。核スピンベクトルを摂動
させるのに必要とされるエネルギーはラジオ周波数（R
F）範囲内にあり、また特定周波数は核が受ける磁界の
強度に関係する。供給される磁界の空間的位置決めの電
気的制御を行わないMR装置では、試料は大きい均等な静
的な磁界のなかに置かれる。MR能動材料の試料はRFコイ
ルに与えられるラジオ周波数エネルギーのパルスにより
摂動させられ、また核スピンベクトルの周波数がRFコイ
ルおよび記録された摂動の応答信号により検出される。
核における共鳴周波数または磁界の関数としての信号強
度の尺度（たとえば自由誘導崩壊（FID）信号）が、試
料に関する像または分光学的情報を導き出すべく、よく
知られている仕方で、得られかつ解析される。撮像および空間的に関係する分光分析法は上記のMR法
を、さらに静的一次背景（主）均等磁界に加えて磁界勾
配を使用することにより、１ステップ進める。MR能動核
の共鳴周波数はそれに与えられる精密な磁界強度に関係
するので、供給された磁界勾配は、空間情報を検出され
た周波数応答信号のなかへエンコードするための方法を
提供するのに使用される。MR装置は所与の周波数におけ
る信号強度と所与の位置における試料濃度および緩和パ
ラメータとの相関をとる。これは、濃度および（また
は）緩和時間の差に起因する信号強度の変化に基づい
て、対象物のマップまたは像を作るのに使用される空間
情報を提供する。スペクトロメータでは、これらの磁界
勾配は分析されるべき試料対象物の特定の部分の空間的
選択を許す。磁界勾配は勾配コイルの集合により発生さ
れる。これらのコイルはしばしば“パルスド勾配コイ
ル”と呼ばれる。なぜならば、それらは主磁界を２つま
たはそれ以上の直交方向にグレード付けするパルスによ
り付勢されるからである。患者の全身の撮像は、たとえば、典型的に定常的な高
い均等性の主磁界と、典型的に0.1〜1.0msのオーダーの
可能なかぎり短い立ち上がりおよび立ち下がり時間を有
するたとえば0.1〜1.0ガウス/cmの範囲内の高度に直線
的な勾配磁界とを必要とする。周知のように、軸線方向
（たとえば“Z"方向）の勾配は典型的にソレノイドコイ
ルにより発生され、他方において半径方向の勾配（“X"
および“Y"方向を定める）は鞍状のコイルにより発生さ
れる。静的な背景磁界がたとえば超伝導磁石システムにより
発生される仕方にかかわりなく、勾配コイルのパルス制
御の結果として変化する磁界は付近の導電性媒体のなか
に渦電流を誘導する。超伝導磁石を使用するMR装置の場
合には、渦電流のほとんどは、寒剤の蒸発を減ずるべく
設計されている放射シールドのなかに誘導される。渦電
流はシームコイルシステムおよび（または）RFコイルか
ら勾配コイルを減結合するために使用されているRFシー
ルドのなかにも誘導される。渦電流は所望の勾配磁界の空間的な質および時間的な
質の双方に不利な影響を有する。渦電流自体は勾配コイ
ルにより発生される磁界に重畳する磁界を発生し、それ
により勾配コイル磁界を空間的にも時間的にもその所望
のレベルおよび質から乱す。たとえば、勾配コイルへの
方形電流パルスの供給中および供給後のそれぞれで勾配
磁界の近似的に指数的な立ち上がりおよび崩壊が観測さ
れる。この摂動の結果として、RFコイルにより検出され
るMR信号の振幅および位相特性が歪ませられ、それによ
り分光分析の精度または発生される像の質を低下させ
る。従って、渦電流を注意深く制御し、補償し、または
有意でないレベルに減少する必要がある。 MR装置の当業者によく知られているように、基本的に
２つのアプローチが渦電流の影響を消去するのに使用さ
れている。１つのアプローチは、考え方として、主磁石
の包囲構造への勾配磁界の貫通を阻止する自己シールド
された勾配コイルを設けることである。こうして、渦電
流を発生する磁界が全体的に避けられる。1988年３月22
日付けの米国特許第4,733,189号はこの方法の例であ
り、また能動シールドを開示している。このアプローチ
には、いくつかの欠点がある。第一に、勾配コイルの直
径が能動シールドの存在のために減ぜられる。このこと
は検渣され得る対象物の寸法を制限する。第二に、勾配
コイルの電力消費が勾配コイルへの能動シールドの密な
近接のために増される。さらに、能動シールドと勾配コ
イルとの間の偏心が存在すると、勾配パルスの供給中に
ベース磁界シフトが生ずる。磁石および勾配増幅器の双
方の設計はそれらの関連テクノロジーのエッジへ押し進
められてきたので、これらの欠点は全くシビアであり、
また能動的にシールドされた勾配コイルの広く普及した
実施を制限してきた。第２のアプローチは、渦電流の影響を減少または消去
するような仕方で勾配パルスの変更を行うことである。
この変更は典型的に、モノ指数関数の集合により所望の
勾配パルス形状を重畳することにより達成される。重畳
を達成するのに使用されるハードウェアはよく知られて
いる（たとえば米国特許第4,703,275号明細書を見よ。
参照によりここに組み入れたものとする）が、回路構成
要素の値の計算が非常に困難であることが判明してい
る。米国特許第4,698,591号（参照によりここに組み入
れたものとする）は、自由誘導崩壊（FID）の位相特性
を解析することにより所望の勾配パルス形状のデコンボ
リューションを行うため指数関数を計算するための方法
に関するものである。指数関数の初期推定が行われた後
に初期推定点のまわりのテーラー級数展開のカイ二乗最
小化法がマルチ指数関数を決定するために使用される。
FID信号の位相の取得および解析はMR装置内に通常見い
出される技術ではないので、FID信号の位相のこのよう
な取得および解析はMR装置内で特別に取得されかつ処理
されなければならない。追加的に、カイ二乗最小化法お
よびテーラー級数展開もMR装置内に見い出されない信号
処理法であり、従って特別に供給されなければならな
い。従って、本発明は、渦電流の影響を測定し、また渦電
流の影響を相殺または補償するのに使用され得る係数を
正確に計算するための方法および装置を指向している。
これらの係数は米国特許第4,703,275号（上記）で使用
される形式のプレエンファシスフィルタの時定数および
振幅特性をセットするのに使用され得るし、または正し
い“予め歪ませられた”前縁および後縁を有する勾配電
流パルスを最初に発生するためにMR計算機システムのソ
フトウェアにより使用され得る。勾配コイルおよび渦電
流により発生される複合磁界の過渡的な性質が、周波数
領域でFID信号を調べることによりMR装置の内在的な高
い感度により評価され、また、特別なプログラミングパ
ッケージがFID信号の位相を決定するのにも、振幅およ
び時定数補正係数を計算するために位相応答を解析する
のにも必要とされない点で、米国特許第4,698,591号の
方法にくらべて有意義な改善を提供する。本発明では、
MR装置に既に組み入れられている標準的な信号処理法、
すなわち一次元フーリエ変換処理が渦電流の影響の定量
化のために利用される。〔発明の概要〕パルスド磁界勾配に起因する渦電流の定量化および補
償を許す新規な方法が開発された。MR能動物質を入れた
小さい試料が勾配コイルの電気的中心からずらして置か
れる。複数個の磁界勾配パルスが順次に与えられ、各々
は相い続いて増される可変の遅れ、90゜RFパルスおよび
結果としての自由誘導崩壊の取得により続かれる。渦電
流の崩壊により影響される順次に取得された自由誘導崩
壊は周波数領域へフーリエ変換され、またそれらのピー
ク周波数が、渦電流の指数的崩壊を定量化しかつそれに
より渦電流の補償のための適切な補正係数を求めるため
に、勾配パルスおよびRFパルスの端の間の時間遅れの関
数として評価される。本発明の上記の特徴および利点は以下の好ましい実施
例の説明および特許請求の範囲から明らかになろう。本発明の完全な理解のためには、本発明の好ましい実
施例の以下の説明および添付図面を参照されたい。〔実施例〕第1a図には超伝導磁石組立体２の断面図と、磁石２と
組み合わされており、磁石２を作動させまたそのなかに
置かれた検査対象物（図示せず）の解析（画像的または
分光的）を行う電子システム４のブロック図とが示され
ている。第1b図には磁石２の斜視図がその超伝導磁界巻
線を示すため部分的に切欠いて示されている。超伝導磁
石２は円筒状のハウジング６と、検査対象物が磁石２の
円筒状の孔10のなかに置かれることを許すために中央に
孔を有する端板８とを含んでいる。ハウジング６のなか
の円筒状の容器12は、孔10のなかで軸線方向に一直線上
のベース磁界H₀を発生するためのベース（主）磁界巻線
14を含んでいる。たとえば１〜10テスラのオーダーの高い磁界を得るた
めに、巻線14は容器12の壁のなかに入れられた液体ヘリ
ウム中に浸漬することにより過冷されている。詳細には
示されていないが、容器12は典型的に、液体窒素を入れ
た金属チャンバを含んでおり、これが液体ヘリウムを入
れた追加的な金属チャンバを囲んでいる。さらに、少な
くとも１組の放射シールドが典型的に、液化された気体
の間の絶縁を行いかつ熱放射に起因するそれらの蒸発率
を減少させるために、チャンバ12のなかに含まれてい
る。第1b図中に示されているように、勾配コイルフォーマ
ー16はＸ、ＹおよびＺ勾配コイルを有する勾配コイル組
立体18およびラジオ周波数（RF）コイル20を取付ける役
割をする。勾配コイル組立体はRFコイルと共に次いで磁
石２の孔10の内側に置かれる。電子システム４は（少なくとも最初に）主巻線14に電
流を供給するための主電源22と、勾配巻線組立体18（お
よびシムコイル、図示せず）に電流を供給するための勾
配／シム電源24と、RFエネルギーをRFコイルに送り、ま
た検査対象物中の陽子の歳差運動の結果としてコイル20
によりピックアップされた磁気共鳴信号を受信する送信
および受信（T/R）モジュール26とを含んでいる。ホス
ト計算機28は勾配コイル組立体18への勾配信号の供給を
制御し、またT/Rモジュール26への接続を介してRFコイ
ルへのまたそれからの送受信信号の処理を制御する。T/
Rモジュール26およびホスト計算機28は受信された信号
を、検査対象物の像信号（またはスペクトル分析）を得
るために、一次元または二次元フーリエ変換法を使用し
てよく知られている仕方で処理する。処理された信号は
次いで表示／記録ユニット30を介して情報を表示かつ
（または）記録するのに使用される。上記の装置は、当
業者によく知られておりまた種々のメーカーから商業的
に入手可能である形式の通常のMR装置として構成されて
おり、かつ作動する。作動中、勾配コイル18は主磁界と同一の方向に実質的
に一定の磁界勾配G_x、G_yおよびG_zを発生し、勾配は直交
座標系の互いに直交するＸ、ＹおよびＺ軸方向に向けら
れている。すなわち、もし主磁石14により発生される磁
界がＺ方向に向けられており、また参照符号B_oを付さ
れ、またＺ方向の全磁界が参照符号B_zを付されるなら
ば、G_x＝δB_z/δｘ、G_y＝δB_z/δｙかつG_z＝δB_z/δｚ
であり、また任意の点（x,y,z）における磁界のＺ成分
はＢ（x,y,z）＝B_o＋G_xX＋G_yY＋G_zZにより与えられてい
る。G_x勾配はＸ軸の中心点に置かれている平面ｘ＝０に
影響しない。同様に、G_yおよびG_zはそれぞれＹおよびＺ
軸の中心点に置かれている平面ｙ＝０およびｚ＝０に影
響しない。点（0,0,0）は“アイソセンター”と呼ば
れ、勾配のいずれも影響しない空間内の点である。アイ
ソセンターは通常実質的に静的磁界体積の中心に置かれ
ている。よく知られているように、勾配磁界は、空間情報を検
査中の検査対象物の領域から発するMR信号にエンコード
するべく、T/Rモジュール26から供給されるRF磁界と組
み合わせて利用される。作動中、RFコイル20は検査対象
物のなかの特定の陽子を選択的に励起し、またその後
に、励起された陽子がベース主磁界および勾配磁界によ
り確立された平衡位置へ戻る（歳動する）につれて、励
起された陽子からMR信号を受信する。不幸なことに、検査対象物に影響する複合磁界（主磁
界＋勾配磁界）はチャンバ12（一般にコールドまたは放
射シールドと呼ばれる）の最も近い放射シールドの金属
壁のような勾配コイルを囲む１つまたはそれ以上の導電
性媒体中に誘導される渦電流からの磁界影響により摂動
される。勾配コイルに供給されるパルスにより１つまた
はそれ以上のコールドシールドのなかへ誘導された渦電
流はそれぞれ、所望の供給された勾配磁界と反対向き
の、またその特定のコールドシールドの特性である時定
数で崩壊する固有の磁界を発生する。渦電流により惹起
される摂動はMR信号の位相および振幅を歪ませ、またそ
れによりそれぞれイメージャー／スペクトロメータの像
質／分光分析精度を減ずる。本発明の好ましい実施例の局面によれば、渦電流は実
質的に単一の導電性媒体に局限される。もしいくつかの
導電性媒体が存在するならば、それらの１つ、典型的に
勾配コイルに最も近いものが支配的にされなければなら
ない。これは、磁石の内側の第１の導電性シリンダ（放
射シールド）を非常に抵抗の低いものとして設計するこ
とにより達成され得る。完全な局限は、もしシリンダの
壁の厚みが特定の勾配スイッチングシーケンスの最低周
波数成分の表皮効果深さよりもはるかに大きいならば、
達成され得る。いま第２図を参照すると、G_x勾配を発生するべく勾配
コイル18Xを付勢するための（第１図中に示されている
勾配／シム電源24のなかに含まれている）勾配増幅器40
が示されている。理想的な作動条件のもとに、増幅器40
に供給された方形電流パルス42が、波形44に示されてい
るように増幅され、また、勾配コイルを付勢するのに使
用される時、実質的に方形の勾配磁界パルス46を発生す
る。しかし、先に説明したように、損失のある構造（た
とえば放射シールド）への結合および渦電流の誘導に起
因するスプリアスな成分のために、実際には、結果とし
て得られる磁界勾配は、それぞれ48および50で示されて
いるように、有限の立ち上がりおよび立ち下がり時間を
有する。先に述べたように、このような勾配歪みは、信
号の喪失および核スピンベクトルの意図しない位相歪み
に通じ得る。本発明の１つの実施例では、勾配歪みは、波形54によ
り示されているように電流パルスを予め歪ませるべく本
発明に従って増幅および時定数係数集合を有するプレエ
ンファシスフィルタに、第３図中に示されているよう
に、電流パルス42を供給することにより減ぜられる。増
幅された電流パルス56は次いで、所望の方形の勾配パル
ス46を発生するべく勾配コイルに供給される。典型的な
MR応用では、勾配パルスは直交座標系の軸の少なくとも
各々に供給されるので、本発明を実施するためのMRシス
テムは一般にすべての３つの軸に沿う補正を達成するべ
く第３図中に示されているものと機能的に類似の手段を
有する。しかし、説明を簡単にするため、以下の説明は
軸の１つに沿う補正に関してのみ行い、もし他の軸に沿
う補正も必要とされるならば、それが繰り返されるもの
とする。第３図中の電流パルス42がどのように予め歪ませされ
るべきか（従ってまた所望の予歪みを達成するのに必要
とされるプレエンファシスフィルタ52に対する振幅およ
び時定数係数）を決定するためには、消去されるべき勾
配歪みの特性が先ず測定され、また解析されなければな
らない。これを本発明に従って成就する仕方を次に説明
する。第４図には本発明のフローチャートが示されている。
このフローチャートを先ず簡単に説明し、次いで一層詳
細に説明する。ステップ60では、勾配コイルの電気的ア
イソセンターが見い出される。これが完了されると、ス
テップ62で、MR能動試料がアイソセンターから距離Ｘの
ところに置かれる。この距離は、まだ勾配コイルの直接
範囲内にあり、また有意な振幅が発生されるのを許す距
離Ｘ、たとえば4cmである。次に、ステップ64で、渦電
流を補償するための補正係数を計算するために後のステ
ップで使用され得るように、局部的な勾配磁界強度が決
定される。次に、ステップ66で、未補償の勾配磁界の存
在中に得られるFID−MR信号の周波数シフト特性を記録
しかつ解析することにより、渦電流に起因する勾配磁界
減衰が決定される。その後に、ステップ68で、ステップ
66から集められた周波数シフトデータが渦電流の影響を
補償するために必要とされる結合および時定数係数を計
算するために使用される。もし放射シールドの１つが完
全に支配的に作られていないならば、マルチ指数的に崩
壊する渦電流が存在し、また最も長い時定数を有する渦
電流の影響がこのステップで特徴付けられる。次に、ス
テップ70で、ステップ68で計算された係数がプレエンフ
ァシスフィルタ52に対する補償回路値に翻訳される。そ
の後に、ステップ72で、もし渦電流効果を生ずる１つの
放射シールドしか存在しないことが知られているなら
ば、これが（Ｘ軸に対する）補償手順の終端である。し
かし、もし渦電流効果がマルチ指数的であれば、ステッ
プ66ないし70が先の補償の後に残留する最も遅い（最も
長い時定数の）崩壊の各々に対して一回繰り返される。上記の手順はプレエンファシスフィルタの時定数特性
をセットするべく計算された結合および時定数係数を供
給するが、本発明の１つの代替的な実施例では、結合お
よび時定数係数が能動フィルタのような他のフィルタの
実施例で利用され得るし、または適切な予歪みを有する
ように最初に電流パルス42を発生するためにMR装置の計
算機システムにより利用され得る。次に第４図のフローチャートを詳細に説明する。ステ
ップ60に対しては、勾配コイル組立体18の内側の磁界勾
配を検出するのに誘導ピックアップコイルが使用され得
るが、簡単のために、本発明を実行するためMR装置内で
標準的な構成要素のみを使用することは好ましい。従っ
て、勾配コイルのアイソセンターを見い出すために、MR
能動物質から成る小さい試料、通常は約1ccの水を入れ
た小さい瓶が勾配コイル組立体18のなかのアイソセンタ
ー（0,0,0）の最良の推定である位置（x,y,z）に置かれ
る。第５図の波形80〜86により示されているように、最
も長い継続時間の磁界勾配パルス80が供給され、時間遅
れT_dにより続かれる。続いて短い90゜RFパルス82が供給
される。結果としての自由誘導崩壊（FID）信号84がサ
ンプルされ、ディジタル化され、フーリエ変換され、ま
た解析される。勾配パルスの前縁に続く共鳴角周波数は
一般に下式より表され得る：ここで： ω_ｘ（ｔ）＝位置ｘにおける時間に関係する共鳴角周波
数 γ＝磁気回転比 B₀＝主磁界遅れ周期t_dの後に、すべての時間に関係する渦電流効
果は崩壊しており、式１は下式となる： ω_ｘ（ｔ）＝γ（B₀＋G_xX）〔２〕さらに、変位ｘ＝０において、ω_ｘ＝γB_o。従って、
勾配パルスが供給されていない時に検出されるFID信号
に比較して、勾配パルスが供給されている時に検出され
るFID信号は周波数領域内で解析される時に周波数シフ
トを有していない。従って、上記の条件（ω_ｘ＝γB_o）
が到達されるまで、MR能動試料は反復して再び置かれ、
またFID信号が解析される。代替的に、B_oは計算され得
るので、ω_ｘが既知の距離を有する２つの点で測定さ
れ、またどの変位ω_ｘでγB_oに対する計算された値が等
しいかを計算するべく解析され得る。ステップ62に対しては、MR試料が勾配磁界の原点を除
いて検査下の座標軸に沿う任意の位置に置かれ得る。高
い信号感度を与えかつ典型的な勾配コイルの直線範囲内
にある典型的な変位は4cmである。第６図には勾配コイ
ル18のアイソセンターから距離“x"のMR能動試料90の位
置決めが示されている。試料90は、渦電流により惹起さ
れる勾配歪みを調べるのに使用されるMR信号の源として
の役割をする。ステップ64に対しては、前記のように、局部勾配強度
の測定が勾配コイルと放射シールドとの間の結合定数の
計算のための前提条件である。MR試料がセンターからず
らして置かれた状態で、またすべての渦電流効果の崩壊
を許すのに十分に長い遅れ周期の後に、局部勾配強度の
測定のための第５図のシーケンスを使用して、FID信号
の共鳴角周波数ω_ｘが式２に従って決定される。γB_oは
勾配磁界の不存在時の共鳴角周波数であるから、局部勾
配に起因する周波数シフトω_ｇは ω_ｇ＝γG_xX＝W_x−γB_o 〔３〕として計算され得る。こうして、γB_oは勾配磁界の不存在時のω_ｇとして測
定され、またω_ｘは上記のように決定され、また式３が
次いでω_ｇに対して解かれる。第７図には、渦電流に起因する勾配磁界減衰の測定の
ために使用されるパルスシーケンスが示されている（第
４図のステップ66に対応する）。そこに示されているよ
うに、長い継続時間t_g、典型的に1000msの勾配パルス92
が供給され、その後に時間遅れt_dおよび典型的に10μｓ
の短い非選択的な90゜RFパルス94が続く。崩壊する渦電
流により周波数変調されている自由誘導崩壊信号96（勾
配パルスへのそれらの影響は破線98により示されてい
る）が次いでA/D取得間隔100の間に取得される。上記の
手順は勾配パルスの終端と90゜RFパルスの供給との間に
可変の時間遅れt_dを有するRFパルスにより続かれる複数
個（ｎ）の長い継続時間の勾配パルスで繰り返される。
取得された複数個のFID信号は次いで、第８図中に示さ
れているように、周波数領域へフーリエ変換される。第
８図中に示されている手順では、t_dはｎ＝15ステップで
0.001sから5sまで変化し、また対数目盛で垂直にプロッ
トされている。水平軸はFID信号の周波数シフトを表す
（すなわち局部勾配強度ω_ｇに関して正規化されてい
る）。フーリエ変換されたFID信号のピーク周波数のシ
フトの解析により時間遅れt_dの関数として渦電流の所望
の測定が行われ得る。結合および時定数補正係数の計算（ステップ68）のた
めには、勾配コイルに対して同心の放射シールドの集合
と共に超伝導磁石を含んでいるMR装置が相互に結合され
た集中されたインダクタおよび抵抗器の系としてモデル
化されている。第９図には放射シールドを有するこのよ
うなMR装置の磁気的等価モデルが示されている。このモ
デルは結合および時定数補正係数の計算のために使用さ
れる。各シールドは抵抗器（Ｒ）、インダクタ（Ｌ）、
相互結合係数（Ｍ）および電流（ｉ）を有するループ回
路としてモデル化されており、勾配コイルは定電流源に
より駆動される。放射シールドのなかで発生される渦電流の影響は、も
し全磁束φ（ｔ）が勾配パルスの供給中には一定であ
り、また勾配パルスの後では零であれば、完全に補償さ
れる。本発明の１つの局面（および１つの放射シールドが支
配的にされているMR装置の好ましい実施例）によれば、
第９図の一般化モデルは、一度に１つの放射シールドを
考察することのみにより大幅に簡単化されており、従っ
て実際的に有用にされている。発明者は、MR装置の構造
的性質に起因して、渦電流に関係して各々が種々の時定
数で崩壊するいくつかの指数的崩壊があり得るけれど
も、ただ１つの時定数、最も長い時定数のみを一度に考
察する簡単化が可能であることを見い出した。こうして、第９図を参照すると、単一の放射シールド
に対して、シールド１および勾配コイルにキルヒホフの
電圧法則を適用すると、下式が得られる： −M12 di1/dt＋R2 i2＋L2 di2/dt＝０〔４〕計算を容易にするため、式４はｓ領域へ変換される： −M12 s I1（ｓ）＋R2 I2（ｓ）＋L2 s I2（ｓ）＝０
〔５〕シールド内の電流に対して式５を解くと、 −I2（ｓ）＝（M12 S I1（ｓ））／（R2＋L2 s）＝０
〔６〕となる。磁石は磁束（φ）が電流（ｉ）に比例している線形装
置とみなされ得るので、ｓ領域で Ф２（ｓ）＝（M12 s Ф１（ｓ））／（R2＋L2 s）
〔７〕と書くことができる。レンツの法則に従って、全磁束はφｔ＝φ１−φ２で
ある（φ１＝勾配コイルにより発生される磁束、φ２＝
シールド１により発生される磁束）。従って、式７を使
用して Φｔ（ｓ）＝Φ１（ｓ）｛１−(M12 s)/(R2+L2 s)｝〔８〕が得られる。シールド１に対する時定数をT2＝L2/R2として置換し
た後、磁石伝達関数Ｈ（ｓ）＝Фｔ（ｓ）／Ф１（ｓ）
はＨ（ｓ）＝１−（M12 s）／（ｓ＋1/T2）

〔９〕となる。正規化電流ステップI1u（ｔ）に続く渦電流を補償す
るには、条件 Φｔ（ｓ）＝Ｈ（ｓ） Φ１（ｓ）＝1/s 〔10〕が満足されていなければならない。I1（ｓ）に比例して
いるΦ１（ｓ）に対して解き、また式９で置換すると、逆ラプラス変換L^-1（Φ１（ｓ））により、i1（ｔ）
に比例しており、上記の正規化電流パルスを補償するた
めの必要な時間領域関数であるφ１（ｔ）の所望の時間
領域関数 L^-1（Φ１（Ｓ））＝｛M12/（１−M12）｝ｅ
^{−t/T2（１−M12）} 〔12〕が得られる。こうして、振幅補正係数はM12/（１−M12）に等し
く、また時定数補正係数はT2/（１−M12）に等しい。M1
2およびT2に対する値は未補償の渦電流の測定から、第
８図中に示されているFID信号への渦電流の影響を参照
することにより、指数フィットを使用して抽出され得
る。 T2＝{td(n)-td(n-1)}/1n{ω_ｅ(n)/ω_ｅ(n-1)} 〔13〕および M12＝（ω_ｅ（ｎ）/e^−t/T2｝／ω_ｇ〔14〕ここで、ω_ｅ（ｎ）はインデックスｎ（ｎは１から15ま
で変化する）の時間遅れt_dにおける渦電流に起因する周
波数シフト、またｇは（先に計算された）局部勾配に起
因する周波数シフトである。適切な補正係数、すなわち時定数（TC）および振幅
（AMP）は第８図の測定データに式13および14を適用す
ることにより計算される。前記のように、もし支配的な
放射シールドが存在しないならば、先ず崩壊する渦電流
の最も長い時定数の成分を考察することにより補償計算
を開始するのが本発明の１つの局面である。こうして、
測定データは時間遅れの最も長いもので開始して解析さ
れる。勾配パルスの終端と90゜RFパルスとの間の5sの遅
れを表すインデックス（ｎ）＝15において、周波数シフ
トは零であることが見られる。インデックス（ｎ）＝14
においては、TCおよびAMP係数はインデックス15からの
零周波数シフトに起因して非決定的である。しかし、残
りのインデックスに対しては、TCおよびAMP係数が式13
および14を使用して計算され、このような計算の結果が
表形式で下記の第１表に示されている。第１表インデックス遅れ周波数 TC AMP 15 5.000 0 0 14 3.000 2 XXX XXX 13 1.000 12 −1.243 27 12 0.700 29 −0.343 226 11 0.500 59 −0.289 332 10 0.300 125 −0.265 386 9 0.100 305 −0.223 478 8 0.070 359 −0.185 524 7 0.050 403 −0.173 538 6 0.030 459 −0.153 558 5 0.010 550 −0.111 601 4 0.007 562 −0.136 591 3 0.005 576 −0.078 615 2 0.003 596 −0.060 627 1 0.001 611 −0.082 618 いまの例では、ω_ｇは18.733Hzであった。第１表を参照すると、TCおよびAMPデータがインデッ
クス12で出発する良好な特性の関数を記述することが見
られる。これは、インデックス15および14におけるデー
タが確実であるにはあまりに小さく、従ってインデック
ス14および13に対するTCおよびAMPの計算に誤差を導入
するからである。従って、第１表、インデックス12か
ら、−0.343sの時定数および226Hzの結合係数が最も長
い指数的に崩壊する渦電流成分を記述する。これらの値
は式12に与えられ、ここでT2＝−0.343およびM12＝226
であり、TC＝−0.336sおよびAMP＝１％の計算された補
正係数を生ずる（すなわち、18,733Hzの局部勾配強度
（ω_ｇ）の１％＝187Hz）。これらの計算された値は次
いで第３図のプレエンファシスフィルタ52を調節するの
に使用される。プレエンファシスフィルタの典型的な実施例が第10図
に回路図で示されている。このフィルタは演算増幅器11
0およびフィルタ回路網112、114および116を含んでい
る。図示されてはいないが、絶縁増幅器も回路網112〜1
16を互いに絶縁するべく含まれている。予め歪ませられ
た出力が、勾配コイルを付勢するため勾配増幅器（たと
えば第３図の40）に与えられる。その入力端で、演算増
幅器110は入力抵抗器R_oおよび１つまたはそれ以上の並
列接続されたRC回路網112〜116を通じて電流パルス42に
より付勢される。RC回路網の数は、放射シールドのただ
１つ支配的にするMR装置設計者の成功に依存する。破線
118aおよび118bは、追加的なRC回路網が必要に応じて追
加され得ることを示唆している。各RC回路網は出力可変
抵抗器（たとえばR1）と直列に接続されている入力キャ
パシタ（たとえばC1）を含んでおり、これらのキャパシ
タおよび可変抵抗器の間の共通点は第２の可変抵抗器
（たとえばR2）を通じて接地点に接続されている。第10
図に示されている回路は、３つのRC回路網が存在するの
で、３つの指数的補正を行う。好ましくは、ただ１つの
RC回路網が必要とされる。こうして、C1、R1およびR2が、−0.343sのTCおよび１
％のAMPを生ずるべく、いくつかの周知の仕方のいずれ
かで調節される。本実施例では、発明者は、出力パルス
が１％オーバーシュート（すなわち、その未補償振幅の
101％）を有する前縁および−0.343sの崩壊時定数を有
するまで、オシロスコープを使用してRC回路網を調節し
た。これは渦電流磁界の最も長い崩壊成分に対する補償
を完了する。次に、もし放射シールドの１つが支配的でなかったな
らば、上記の手順が、崩壊する過電流の新しい最も長い
残りの時定数を補償するべく繰り返され得る。第11図に
は、上記の補償の後に第８図に示されている仕方と類似
の仕方で取得されるFID信号が示されている、注目すべ
きこととして、周波数シフトは、上記の補償による改善
を示すインデックス（ｎ）＝10まで、認め得るようにな
らない。第11図を参照し、また式13および14を第８図に
関して先に説明した仕方と類似の仕方で適用すると、い
ま部分的に補償された勾配磁界の尺度である下記の第２
表が得られる。第２表を参照すると、TCおよびAMPデータがインデッ
クス８で良好に挙動するようになることが見られ、従っ
て、崩壊する渦電流の次の指数成分の補償のために、−
0.113sのTCおよび331HzのAMPが使用される。これらの値
を式12に与えると、計算された補正係数はTC＝−0.111
およびAMP＝２％である。こうして、第10図のフィルタ
部分114の抵抗器設定が、プレエンファシスフィルタ52
に対してこれらの値を確立するべく調節される。第２表インデックス遅れ周波数 TC AMP 15 5.000 0 0 14 3.000 0 XXX XXX 13 1.000 −５ XXX XXX 12 0.700 −５ XXX XXX 11 0.500 −２ XXX XXX 10 0.300 27 XXX XXX 9 0.100 137 −0.123 309 8 0.070 178 −0.113 331 7 0.050 215 −0.107 343 6 0.030 264 −0.098 359 5 0.010 332 −0.087 373 4 0.007 349 −0.060 393 3 0.005 362 −0.058 394 2 0.003 376 −0.050 399 1 0.001 391 −0.052 398 次に、上記の手順が３回目に繰り返される。第12図に
はフーリエ変換されたFID信号が示されており、また第
３表には計算されたTCおよびAMP値が示されている。第３表インデックス遅れ周波数 TC AMP 15 5.000 0 0 14 3.000 0 XXX XXX 13 1.000 −５ XXX XXX 12 0.700 −７ XXX XXX 11 0.500 −５ XXX XXX 10 0.300 2 XXX XXX 9 0.100 15 −0.112 36 8 0.070 15 XXX XXX 7 0.050 15 XXX XXX 6 0.030 17 −0.130 22 5 0.010 34 −0.029 48 4 0.007 42 −0.016 65 3 0.005 46 −0.018 61 2 0.003 56 −0.011 75 1 0.001 66 −0.013 71 第３表を参照すると、まだいくらかの未補償の渦電流
が残されていることが見られる。インデックス４におけ
るデータは、TCおよびAMP値が良好に挙動するようにな
る最も長い遅れである。従って、次の補正手順に対して
は、−0.016sのTCおよび65HzのAMPが使用される。これ
らの値を式12に与えると、−0.016のTCおよび０％のAMP
が得られ、これが、第10図中に示されているプレエンフ
ァシスフィルタの回路網116のなかの構成要素の値を調
節するのに使用される。代替的に、第３表のTCおよびAM
Pの値はインデックス１〜４に対しては近い値なので、
これらの値の平均が使用され得る。最後に、第13図および第４表には、崩壊する渦電流に
関して勾配パルスがいま実質的に補償されていることが
示されている。なぜならば、フーリエ変換されたFID信
号が時間遅れt_dの関数として認め得る周波数シフトをも
はや示さないからである。第４表インデックス遅れ周波数 TC AMP 15 5.000 0.000 ０ 14 3.000 −2.443 X.XXX XX.X 13 1.000 −4.885 X.XXX XX.X 12 0.700 −4.885 X.XXX XX.X 11 0.500 −2.443 X.XXX XX.X 10 0.300 2.443 X.XXX XX.X 9 0.100 9.770 −0.144 19.5 8 0.070 9.770 X.XXX XX.X 7 0.050 12.213 −0.090 21.3 6 0.030 9.770 0.090 7.0 5 0.010 4.885 0.029 3.5 4 0.007 4.885 X.XXX XX.X 3 0.005 2.443 0.003 0.4 2 0.003 2.443 X.XXX XX.X 1 0.001 2.443 X.XXX XX.X これでＸ軸に対する補償が終了し、また、もし必要で
あれば、ＹおよびＺ軸に対する補償が繰り返され得る。本発明を特定の実施例を参照して説明してきたが、上
記の開示を参考にして他の変更が当業者により行われ得
る。言及すべきこととして、伝達関数Ｈ（ｓ）の計算は
一回に１つの放射シールドに基づいて行われたが、式10
はあらゆる場合に真を保ち、また、もしＨ（ｓ）が多重
の放射シールドに対して導き出されたならば、i1（ｔ）
を記述するすべての係数が同時に計算され得る。本発明
の思想から逸脱しないすべてのこのような変更および他
の使用および応用は、特許請求の範囲によってのみ限定
される本発明の範囲に属するものとする。

【図面の簡単な説明】

第１図は典型的な磁気共鳴装置（イメージャーまたはス
ペクトロメータ）を一部はブロック図で、また一部は断
面図および斜視図で示す図、第２図は通常の勾配増幅器
および勾配コイルの連鎖を示す図、第３図は本発明の方
法および装置に従って渦電流を補償するためプレエンフ
ァシスフィルタを含むものとして変更された第２図の連
鎖を示す図、第４図は本発明のフローチャートを示す
図、第５図は局部的勾配強度を測定するために使用され
る典型的なパルスシーケンスを示す図、第６図はMRシス
テムのアイソセンターから離して置かれたMR能動試料を
示す図、第７図は渦電流に起因する勾配磁界減衰を測定
するために使用されるFID信号を取得するための本発明
による典型的なパルスケーシンスを示す図、第８図は第
７図のパルスシーケンスを使用して取得されたFID信号
の周波数領域表現を示す図、第９図はｎ放射シールドを
有する勾配コイルから成る超伝導磁石のモデルを示す
図、第10図はプレエンファシスフィルタの典型的な実施
例を示す図、第11図、第12図および第13図はマルチ指数
的に崩壊する渦電流の相い続く補償の後に取得されたFI
D信号の周波数領域表現を示す図である。２……超伝導磁石組立体４……電子システム６……円筒状ハウジング８……端板 10……円筒状孔 12……円筒状容器 14……ベース（主）磁界巻線 16……勾配コイルフォーマー 18……勾配コイル組立体 20……ラジオ周波数（RF）コイル 22……主電源 24……勾配／シム電源 26……送信および受信（T/R）モジュール 28……ホストコンピュータ 30……表示／記録ユニット 110……演算増幅器 112,114,116……フィルタ回路網

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】磁気共鳴（MR）走査装置のパルス勾配コイ
ルの磁界中の渦電流磁界を補償するための方法におい
て、（ａ）前記勾配コイルの磁界中の所与の座標軸に沿って
原点からある距離にMR能動試料を置く過程と、（ｂ）前記の所与の座標軸に沿って対応する複数個の勾
配磁界パルスを発生するため前記勾配コイルに複数個の
タイムシーケンシャルな勾配コイルパルスを供給する過
程と、（ｃ）複数個のタイムシーケンシャルなMR信号を発生す
るように、前記勾配コイルパルスの各々の印加に続いて
増される所与の時間遅れをもってラジオ周波数励起パル
スにより前記試料を照射する過程と、（ｄ）蓄積されたデータにより前記渦電流磁界の尺度を
表すように、前記のタイムシーケンシャルなMR信号の各
々のフーリエ変換をデータとして測定しかつ蓄積する過
程と、（ｅ）フーリエ変換された前記MR信号の相い続く１つの
蓄積されたデータから決定されたピーク周波数シフトデ
ータを使用して前記渦電流磁界に関して前記勾配コイル
の磁界を補償するため補正係数を計算する過程と、（ｆ）前記勾配コイル磁界への前記渦電流磁界の影響を
補償する予め歪ませられた勾配コイルパルスを発生する
ように前記補正係数を供給する過程とを含んでいることを特徴とする磁気共鳴走査装置の渦電
流磁界の補償方法。
【請求項２】前記の所与の時間遅れが零に実質的に等し
い最小周期で開始し、また前記渦電流磁界がもはや前記
勾配コイル磁界に影響しないと期待される時間に実質的
に対応する最大時間遅れに増大することを特徴とする請
求項１記載の方法。
【請求項３】前記供給過程が、前記勾配コイルと共に使
用されているプレエンファシスフィルタを調節するのに
前記補正係数を使用する過程を含んでいることを特徴と
する請求項１記載の方法。
【請求項４】前記供給過程が、計算機システムに前記勾
配コイルパルスの発生を制御させるのに前記補正係数を
使用する過程を含んでいることを特徴とする請求項１記
載の方法。
【請求項５】前記照射過程が前記MR信号として自由誘導
崩壊（FID）信号を発生することを特徴とする請求項１
記載の方法。
【請求項６】前記計算過程が、それにより確実に表され
る前記渦電流磁界の最も長い時定数に対応するピーク周
波数シフトデータから時定数および結合係数を計算する
過程を含んでいることを特徴とする請求項１記載の方
法。
【請求項７】過程（ａ）〜（ｅ）が前記渦電流磁界のモ
ノ指数成分を補償するための補正係数を決定し、また過
程（ａ）〜（ｅ）が補正係数の相い続く集合を発生する
ように複数回繰り返され、各集合が前記渦電流磁界の異
なったモノ指数成分を実質的に補償することを特徴とす
る請求項１記載の方法。
【請求項８】前記計算過程が、それにより確実に表され
る前記渦電流磁界の最も長い時定数に対応するピーク周
波数シフトデータから時定数および結合係数を計算する
過程を含んでいることを特徴とする請求項５記載の方
法。
【請求項９】過程（ａ）〜（ｅ）が前記渦電流磁界のモ
ノ指数成分を補償するための補正係数を決定し、また過
程（ａ）〜（ｅ）が補正係数の相い続く集合を発生する
ように複数回繰り返され、各集合が前記渦電流磁界の異
なったモノ指数成分を実質的に補償することを特徴とす
る請求項８記載の方法。
【請求項１０】磁気共鳴（MR）走査装置の渦電流磁界の
補償装置において、ベース磁界が形成される軸線方向の貫通孔を有する主磁
石と、前記主磁石の前記孔の内側に置かれており、前記孔の内
側の所与の座標軸に沿って複数個の勾配磁界パルスを与
えるため勾配コイルパルスに応答する勾配コイル手段
と、前記の所与の座標軸の原点から距離をおいて前記孔の内
側に置かれたMR能動試料と、前記の所与の軸線に沿って少なくとも１つの擾乱磁界を
発生する前記勾配コイル手段の付近に置かれた導電性の
媒体と、対応する複数個の相い続くRFパルスによる前記試料の照
射の後に前記MR能動試料により発生される複数個の相い
続くMR信号を検出するため前記磁石の前記孔の内側に置
かれた信号検出手段と、データとして前記の検出されたMR信号の各々のフーリエ
変換を測定しかつ蓄積するため、フーリエ変換されてい
る前記MR信号の相い続く信号の蓄積されたデータから決
定されたピーク周波数シフトデータを使用して前記渦電
流磁界に関して前記勾配コイルの磁界を補償するための
補正係数を計算するため、また前記勾配コイル磁界への
前記渦電流磁界の影響を補償する予め歪んだ勾配コイル
パルスを発生するように前記補正係数を施すため、前記
信号検出手段および前記勾配コイル手段と接続されてい
る計算機手段とを含んでいることを特徴とする磁気共鳴走査装置の渦電
流磁界の補償装置。
【請求項１１】前記勾配コイル手段が、複数個のタイム
シーケンシャルな勾配コイルパルスを発生するように前
記計算機手段により制御され、また前記信号検出手段
が、前記MR信号の複数個のタイムシーケンシャルな信号
を発生するように、前記勾配コイルパルスの各々の印加
に続いて増される所与の時間遅れでラジオ周波数励起パ
ルスにより前記試料を照射するべく、前記計算機手段に
より制御されることを特徴とする請求項10記載の装置。
【請求項１２】前記計算機手段により計算された補正係
数に従って前記勾配コイルパルスにプレエンファシスを
与えるため前記勾配コイルパルスに結合されたプレエン
ファシスフィルタ手段を含んでいることを特徴とする請
求項11記載の装置。
【請求項１３】前記計算機手段がそれにより確実に表さ
れる擾乱磁界の最も長い時定数に対応する蓄積されたデ
ータを解析することにより時定数および結合係数を計算
することを特徴とする請求項11記載の装置。