JP3451558B2 - 磁気共鳴撮像システム - Google Patents
磁気共鳴撮像システムInfo
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は磁気共鳴技術に関する。
本発明は磁気共鳴撮像装置用の磁気勾配発生用コイルに
関連した特定の用途を有するので、特にこれに関連させ
て説明する。しかしながら本発明は磁気共鳴スペクトル
システムに関連した用途および勾配磁界を必要とする他
の用途を有すると解すべきである。
本発明は磁気共鳴撮像装置用の磁気勾配発生用コイルに
関連した特定の用途を有するので、特にこれに関連させ
て説明する。しかしながら本発明は磁気共鳴スペクトル
システムに関連した用途および勾配磁界を必要とする他
の用途を有すると解すべきである。
【０００２】
【従来の技術】磁気共鳴撮像システムでは、一般に、勾
配コイルに、立ち上がり時間が短くかつデューティサイ
クルの大きい電流パルスを印加するようになっている。
勾配コイルにパルスを流すことにより撮像領域を横断す
る磁界勾配が発生するだけでなく、外部の金属構造体、
例えば超電導磁石内の低温コイルと相互作用する磁気勾
配も生じる。このような相互作用により低温シールド内
に渦電流が生じ、次にこの渦電流により渦磁界が生じ
る。この渦磁界は検査領域内の磁界の一時的かつ空間的
な質を劣化する作用があるので、この結果画質も劣化す
ることになる。
配コイルに、立ち上がり時間が短くかつデューティサイ
クルの大きい電流パルスを印加するようになっている。
勾配コイルにパルスを流すことにより撮像領域を横断す
る磁界勾配が発生するだけでなく、外部の金属構造体、
例えば超電導磁石内の低温コイルと相互作用する磁気勾
配も生じる。このような相互作用により低温シールド内
に渦電流が生じ、次にこの渦電流により渦磁界が生じ
る。この渦磁界は検査領域内の磁界の一時的かつ空間的
な質を劣化する作用があるので、この結果画質も劣化す
ることになる。
【０００３】この渦電流の問題を解消する一つの解決案
は、勾配コイルと低温シールドとの間にシールドコイル
を設けることである。このシールドコイルはシールドコ
イルの外部の磁界を実質的にゼロにし、渦電流の形成を
防止するよう設計されている。しかしながら、シールド
コイルは勾配コイルと誘導結合しているので、電力を吸
収し、勾配コイルの効率を低下する作用がある。この結
果、勾配コイルに更に電流を流さなければならないの
で、すでに駆動回路に対して必要となっている大電力量
およびコイルの電力処理容量を更に大きくしている。
は、勾配コイルと低温シールドとの間にシールドコイル
を設けることである。このシールドコイルはシールドコ
イルの外部の磁界を実質的にゼロにし、渦電流の形成を
防止するよう設計されている。しかしながら、シールド
コイルは勾配コイルと誘導結合しているので、電力を吸
収し、勾配コイルの効率を低下する作用がある。この結
果、勾配コイルに更に電流を流さなければならないの
で、すでに駆動回路に対して必要となっている大電力量
およびコイルの電力処理容量を更に大きくしている。
【０００４】更により詳細に説明すれば、勾配コイルは
一般に３層のコイルセットとなっており、このコイルセ
ットは円筒状の成形体上に形成されている。ｘ，ｙおよ
びｚ勾配を発生するためのコイルは互いに絶縁されてお
り、成形体上に層状に形成される。一般に、コイルアセ
ンブリ全体は、構造的な強度を増し、電流が流れる導線
が主磁界と相互作用するときの歪み力に耐えられるよう
外被が設けられ、かつエポキシ樹脂で含浸されている。
一般に３層のコイルセットとなっており、このコイルセ
ットは円筒状の成形体上に形成されている。ｘ，ｙおよ
びｚ勾配を発生するためのコイルは互いに絶縁されてお
り、成形体上に層状に形成される。一般に、コイルアセ
ンブリ全体は、構造的な強度を増し、電流が流れる導線
が主磁界と相互作用するときの歪み力に耐えられるよう
外被が設けられ、かつエポキシ樹脂で含浸されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】勾配コイルの導線パタ
ーンを適当なパターンとするのに、種々の技術が用いら
れている。導線が連続電流分布関数に近似するよう分布
コイル形状を採用している勾配コイルアセンブリもあれ
ば、互いに密に束状となっている導線の不連続セットで
始まっているコイルアセンブリもある。分布形コイルお
よびバンチ形コイルのいずれにおいても、指定された磁
気設計目標、特に最小のエネルギー使用量で勾配のリニ
アリティに合致するようパターン設計される。これらの
設計上の目標を達成するため各コイルの径は最小にされ
る。コイル径を最小にするには、コイル層を径方向に密
にしなければならない。ある設計では、本来最も効率的
なｚ勾配コイルを最も小さい径にしている。このよう
に、３つのコイルを接近させた状態で閉じ込めると、設
計、製造、放熱等の点で多くの問題が生じる。
ーンを適当なパターンとするのに、種々の技術が用いら
れている。導線が連続電流分布関数に近似するよう分布
コイル形状を採用している勾配コイルアセンブリもあれ
ば、互いに密に束状となっている導線の不連続セットで
始まっているコイルアセンブリもある。分布形コイルお
よびバンチ形コイルのいずれにおいても、指定された磁
気設計目標、特に最小のエネルギー使用量で勾配のリニ
アリティに合致するようパターン設計される。これらの
設計上の目標を達成するため各コイルの径は最小にされ
る。コイル径を最小にするには、コイル層を径方向に密
にしなければならない。ある設計では、本来最も効率的
なｚ勾配コイルを最も小さい径にしている。このよう
に、３つのコイルを接近させた状態で閉じ込めると、設
計、製造、放熱等の点で多くの問題が生じる。
【０００６】勾配シールドコイルのシステム設計を簡単
にするには、主コイルおよび２次コイルを直列にドライ
ブすることが有利である。この方法は、自己シールド法
と称されることが多い。自己シールドされた勾配コイル
では、一般に２つの円筒状のコイルセットが設けられ
る。直径の大きいほうのコイルセットは、その外部の磁
界を実質的に相殺するが、直径の小さいほうのコイルと
相互作用し、検査領域内の勾配磁界を減少させる作用が
ある。コイルセットを離間した状態に維持しながら、一
つの一体的構造となるように機械的手段によって接続し
ている。このタイプの自己シールド型コイルもコイルの
効率を低下し、パワーの消費を増大する。
にするには、主コイルおよび２次コイルを直列にドライ
ブすることが有利である。この方法は、自己シールド法
と称されることが多い。自己シールドされた勾配コイル
では、一般に２つの円筒状のコイルセットが設けられ
る。直径の大きいほうのコイルセットは、その外部の磁
界を実質的に相殺するが、直径の小さいほうのコイルと
相互作用し、検査領域内の勾配磁界を減少させる作用が
ある。コイルセットを離間した状態に維持しながら、一
つの一体的構造となるように機械的手段によって接続し
ている。このタイプの自己シールド型コイルもコイルの
効率を低下し、パワーの消費を増大する。
【０００７】密な層状のｘ，ｙおよびｚコイルを用いる
ことにより生じる問題の一つは、電流により小さな閉じ
込め領域内の熱量がかなりになることである。外被およ
びエポキシ含浸処理は、コイルアセンブリからの熱交換
を阻害する作用がある。ｚコイルは本来的にｘおよびｙ
コイルよりも効率がよいが、ｚコイルを最も内側の層ま
たは最も外側の層として設けると、熱的見地からこのよ
うな効率がよいという利点を生かすことができなくな
る。ｚコイルを最も内側のコイルとすると、このコイル
は被検体のボアに接近した熱源となる。一般に、ｚコイ
ルは成形体内の機械加工された溝内に層状に設けられて
いるからである。更にｚコイルを最も内側に設置する
と、既に最小効率となっているｘコイルおよびｙコイル
の径が大きくなる。ｚコイルが最も外側の層にあり、物
理的にｘコイルおよびｙコイルに接近していると、ｚコ
イルとエポキシと外被により、ｘおよびｙ勾配コイルか
らの熱を除去するための実質的な熱バリアが大きくな
る。
ことにより生じる問題の一つは、電流により小さな閉じ
込め領域内の熱量がかなりになることである。外被およ
びエポキシ含浸処理は、コイルアセンブリからの熱交換
を阻害する作用がある。ｚコイルは本来的にｘおよびｙ
コイルよりも効率がよいが、ｚコイルを最も内側の層ま
たは最も外側の層として設けると、熱的見地からこのよ
うな効率がよいという利点を生かすことができなくな
る。ｚコイルを最も内側のコイルとすると、このコイル
は被検体のボアに接近した熱源となる。一般に、ｚコイ
ルは成形体内の機械加工された溝内に層状に設けられて
いるからである。更にｚコイルを最も内側に設置する
と、既に最小効率となっているｘコイルおよびｙコイル
の径が大きくなる。ｚコイルが最も外側の層にあり、物
理的にｘコイルおよびｙコイルに接近していると、ｚコ
イルとエポキシと外被により、ｘおよびｙ勾配コイルか
らの熱を除去するための実質的な熱バリアが大きくな
る。
【０００８】かかる２つのコイルセット形自己シールド
勾配コイルは、レーマー（Roemer）外に付与された１９
８８年４月１２日発行の米国特許第4,737,716号に開示
されている。このレーマー特許の解決案は電流密度の流
れ関数を適当なフーリエ級数で展開し、所望の磁界勾配
のリニアリティおよびスクリーニング／シールド特性を
生じさせる展開係数の組を誘導することである。上記レ
ーマー特許の設計は、性質上反復的である。すなわち、
内側コイルに対して一つの巻線パターンを直接的に設計
している。次に、内側コイルの外部磁界を相殺するよ
う、外側コイルを設計する。当然ながら、内側コイルは
磁界のリニアリティを乱している。このような設計をす
るには、リニアリティ条件を維持しながら内側コイルを
調節しなければならず、これにより更に外側コイルの形
状を調節しなければならない。
勾配コイルは、レーマー（Roemer）外に付与された１９
８８年４月１２日発行の米国特許第4,737,716号に開示
されている。このレーマー特許の解決案は電流密度の流
れ関数を適当なフーリエ級数で展開し、所望の磁界勾配
のリニアリティおよびスクリーニング／シールド特性を
生じさせる展開係数の組を誘導することである。上記レ
ーマー特許の設計は、性質上反復的である。すなわち、
内側コイルに対して一つの巻線パターンを直接的に設計
している。次に、内側コイルの外部磁界を相殺するよ
う、外側コイルを設計する。当然ながら、内側コイルは
磁界のリニアリティを乱している。このような設計をす
るには、リニアリティ条件を維持しながら内側コイルを
調節しなければならず、これにより更に外側コイルの形
状を調節しなければならない。
【０００９】レーマー特許の方法の問題の一つは、コイ
ル内のインダクタンス、すなわちコイル内に直接蓄積さ
れる磁気エネルギーを考慮していないことである。これ
により、最小エネルギーよりも大きなエネルギーが保持
されることになり、これはエネルギー上不効率であり、
受け入れられるような解決案を研究する必要がある。リ
ニアであるが、きわめて不効率なコイルが生じ、更にこ
の方法ではｚ勾配コイルが本来的により効率的であると
いう利点を生かすことができない。
ル内のインダクタンス、すなわちコイル内に直接蓄積さ
れる磁気エネルギーを考慮していないことである。これ
により、最小エネルギーよりも大きなエネルギーが保持
されることになり、これはエネルギー上不効率であり、
受け入れられるような解決案を研究する必要がある。リ
ニアであるが、きわめて不効率なコイルが生じ、更にこ
の方法ではｚ勾配コイルが本来的により効率的であると
いう利点を生かすことができない。
【００１０】１９８６年、ジャーナル・オブ・フィジッ
クス、Ｅ・サイエンス（１９号）、Ｒ．ターナー著、
「最小インダクタンスコイル」に、インダクタンスすな
わちエネルギー蓄積量を最小とする自己シールド形勾配
コイルを設計する別の技術が記載されている。それぞれ
無限長を有すると考えられる２つの円筒体は、連続電流
密度関数を支持している。スペクトル領域内で作動する
と、磁界は有限な数の点に制約され、第２円筒体は超電
導境界となるという制約が増す。すなわち、外側コイル
は周辺構造体を磁界勾配からシールドする。これら制約
により蓄積磁気エネルギーは最小となり、電流分布に対
する直接的かつ解析的な解決案が得られる。更にコイル
の有限長さを考慮して電流分布が截断され、実際上のコ
イルパターンを生じるよう、不連続化される。
クス、Ｅ・サイエンス（１９号）、Ｒ．ターナー著、
「最小インダクタンスコイル」に、インダクタンスすな
わちエネルギー蓄積量を最小とする自己シールド形勾配
コイルを設計する別の技術が記載されている。それぞれ
無限長を有すると考えられる２つの円筒体は、連続電流
密度関数を支持している。スペクトル領域内で作動する
と、磁界は有限な数の点に制約され、第２円筒体は超電
導境界となるという制約が増す。すなわち、外側コイル
は周辺構造体を磁界勾配からシールドする。これら制約
により蓄積磁気エネルギーは最小となり、電流分布に対
する直接的かつ解析的な解決案が得られる。更にコイル
の有限長さを考慮して電流分布が截断され、実際上のコ
イルパターンを生じるよう、不連続化される。
【００１１】ターナーの解決法の欠点の一つは、コイル
を無限長と見なし、次に截断することである。これによ
り合成パターンに差が生じ、シールドの有効性、特にエ
ッジに隣接する箇所におけるシールドの有効性が低下す
る。別の欠点は、あるかぎられた一組の点のみに磁界が
限定されることである。磁界が点の間で挙動する点につ
いては直接的な制御はされていない。更にこの方法は、
ｘおよびｙ勾配コイルよりもｚ勾配コイルのほうが効率
が良好であるという利点を生かすことができない。
を無限長と見なし、次に截断することである。これによ
り合成パターンに差が生じ、シールドの有効性、特にエ
ッジに隣接する箇所におけるシールドの有効性が低下す
る。別の欠点は、あるかぎられた一組の点のみに磁界が
限定されることである。磁界が点の間で挙動する点につ
いては直接的な制御はされていない。更にこの方法は、
ｘおよびｙ勾配コイルよりもｚ勾配コイルのほうが効率
が良好であるという利点を生かすことができない。
【００１２】束状コイルを設計する技術は、マンスフィ
ールド外による英国特許出願第2,180,943号およびこれ
に対応する米国特許第4,978,920号に記載されている。
上記公開特許出願は、小径シリンダーすなわち内側コイ
ル上を流れる電流セグメントのループまたはアークに起
因する超電導円筒体内の誘導電流密度を記述する関係の
組を述べている。しかしながらこの方法も、インダクタ
ンスすなわち蓄積エネルギーを考慮していない。更にこ
の方法は、ｚ勾配コイルのほうがより効率的であるとい
う利点を生かしていない。
ールド外による英国特許出願第2,180,943号およびこれ
に対応する米国特許第4,978,920号に記載されている。
上記公開特許出願は、小径シリンダーすなわち内側コイ
ル上を流れる電流セグメントのループまたはアークに起
因する超電導円筒体内の誘導電流密度を記述する関係の
組を述べている。しかしながらこの方法も、インダクタ
ンスすなわち蓄積エネルギーを考慮していない。更にこ
の方法は、ｚ勾配コイルのほうがより効率的であるとい
う利点を生かしていない。
【００１３】一般に、ｘ、ｙおよびｚ勾配コイルはパン
カード外に発行された米国特許第4,733,189号に記載さ
れているように、同心状の接合層内に取り付けられる。
コイルをラミネートする一つの欠点は、放熱性が悪いと
いうことである。これらコイルは発熱する傾向があるの
で、物理的構造およびその結果生じる勾配すなわちシー
ルド用磁界が歪むことがある。
カード外に発行された米国特許第4,733,189号に記載さ
れているように、同心状の接合層内に取り付けられる。
コイルをラミネートする一つの欠点は、放熱性が悪いと
いうことである。これらコイルは発熱する傾向があるの
で、物理的構造およびその結果生じる勾配すなわちシー
ルド用磁界が歪むことがある。
【００１４】本発明は上記問題およびその他問題を克服
したかかる自己シールドがた勾配コイルを設計するため
の新規でかつ改善された自己シールド形勾配コイルおよ
び方法を提供することにある。
したかかる自己シールドがた勾配コイルを設計するため
の新規でかつ改善された自己シールド形勾配コイルおよ
び方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明の一態様によれ
ば、撮像ボア内に自己シールドされた勾配コイルアセン
ブリを含む超電導磁気共鳴撮像システムが提供される。
この自己シールドされた勾配コイルアセンブリは、勾配
磁界からの周辺部品をシールドしながら撮像領域を横断
する勾配磁界を発生する。自己シールドされた勾配コイ
ルアセンブリは、ｘ、ｙおよびｚ２次シールドコイルが
取り付けられた外側成形体と、主ｘおよびｙ勾配コイル
が取り付けられた内側成形体とを含む。内側成形体は被
撮像対象の一部を内部に収容するよう充分に大きい直径
を有する。ｚ勾配コイルは内側成形体および主ｘおよび
ｙ勾配コイルから外側に離間しており、ｚ勾配コイルは
主ｘおよびｙ勾配コイルから充分に離間し、両者の間に
空気の通路が構成される。
ば、撮像ボア内に自己シールドされた勾配コイルアセン
ブリを含む超電導磁気共鳴撮像システムが提供される。
この自己シールドされた勾配コイルアセンブリは、勾配
磁界からの周辺部品をシールドしながら撮像領域を横断
する勾配磁界を発生する。自己シールドされた勾配コイ
ルアセンブリは、ｘ、ｙおよびｚ２次シールドコイルが
取り付けられた外側成形体と、主ｘおよびｙ勾配コイル
が取り付けられた内側成形体とを含む。内側成形体は被
撮像対象の一部を内部に収容するよう充分に大きい直径
を有する。ｚ勾配コイルは内側成形体および主ｘおよび
ｙ勾配コイルから外側に離間しており、ｚ勾配コイルは
主ｘおよびｙ勾配コイルから充分に離間し、両者の間に
空気の通路が構成される。
【００１６】本発明の別の態様によれば、自己シールド
された勾配コイルが設けられる。内側の円筒形成形体が
内部に検査領域を構成し、この内側成形体にｘ勾配コイ
ルおよびｙ勾配コイルが一体的に接合される。内側接合
体およびｘおよびｙ勾配コイルから離間した状態でそれ
らの回りにｚ勾配コイルが延び、これらの間にほぼ環状
の冷却通路が構成される。ｚ勾配コイルの回りに配置さ
れた外側成形体はこれに固定されたｘ、ｙおよびｚシー
ルドコイルを有する。
された勾配コイルが設けられる。内側の円筒形成形体が
内部に検査領域を構成し、この内側成形体にｘ勾配コイ
ルおよびｙ勾配コイルが一体的に接合される。内側接合
体およびｘおよびｙ勾配コイルから離間した状態でそれ
らの回りにｚ勾配コイルが延び、これらの間にほぼ環状
の冷却通路が構成される。ｚ勾配コイルの回りに配置さ
れた外側成形体はこれに固定されたｘ、ｙおよびｚシー
ルドコイルを有する。
【００１７】本発明の別の態様によれば、自己シールド
勾配コイルを設計する方法が提供される。主ｘ、ｙ勾配
コイルと２次ｘ、ｙ勾配コイルとの巻回数比が巻線パタ
ーン内で整数比となるまで、これらコイルの相対的長さ
が調節される。
勾配コイルを設計する方法が提供される。主ｘ、ｙ勾配
コイルと２次ｘ、ｙ勾配コイルとの巻回数比が巻線パタ
ーン内で整数比となるまで、これらコイルの相対的長さ
が調節される。
【００１８】本発明のより限定された態様によれば、自
己シールドされた勾配コイルのｚ勾配巻線を設計する方
法が提供される。主ｚ勾配コイル巻線パターンと、２次
ｚ勾配コイル巻線パターンとの巻回数比が整数となるま
で、ｘ、ｙ主勾配コイルよりも少なくとも半径が常に１
０mm大きいｚ勾配コイルの半径が反復的に調節される。
己シールドされた勾配コイルのｚ勾配巻線を設計する方
法が提供される。主ｚ勾配コイル巻線パターンと、２次
ｚ勾配コイル巻線パターンとの巻回数比が整数となるま
で、ｘ、ｙ主勾配コイルよりも少なくとも半径が常に１
０mm大きいｚ勾配コイルの半径が反復的に調節される。
【００１９】好ましい実施例をより詳細に説明すれば、
ｘ、ｙ主勾配コイルに対して半径および長さが選択さ
れ、２次ｘ、ｙ勾配コイルに対してはこれよりも大きい
半径が選択される。主および２次勾配コイルの巻せんパ
ターンが決定される。これらコイルの巻回数比を比較し
た後、主ｘ、ｙ勾配コイルの長さを調節し、巻線パター
ンを再設計する。整数の巻回数比が得られるまで、この
方法を繰り返す。同じように、主および２次ｚ勾配コイ
ルの半径および長さを選択し、主および２次ｚ勾配コイ
ルの巻線パターンを決定した後、それらコイルの巻回数
比を比較する。巻回数比が整数となるまで主ｚ勾配コイ
ルの半径を調節し、ｚコイルを再設計する。
ｘ、ｙ主勾配コイルに対して半径および長さが選択さ
れ、２次ｘ、ｙ勾配コイルに対してはこれよりも大きい
半径が選択される。主および２次勾配コイルの巻せんパ
ターンが決定される。これらコイルの巻回数比を比較し
た後、主ｘ、ｙ勾配コイルの長さを調節し、巻線パター
ンを再設計する。整数の巻回数比が得られるまで、この
方法を繰り返す。同じように、主および２次ｚ勾配コイ
ルの半径および長さを選択し、主および２次ｚ勾配コイ
ルの巻線パターンを決定した後、それらコイルの巻回数
比を比較する。巻回数比が整数となるまで主ｚ勾配コイ
ルの半径を調節し、ｚコイルを再設計する。
【００２０】本発明の別の態様によれば、勾配コイルは
主コイルとシールドコイルの巻回数比が整数となるよう
な長さおよび半径を有する。
主コイルとシールドコイルの巻回数比が整数となるよう
な長さおよび半径を有する。
【００２１】本発明のより限定された態様によれば、自
己シールドされた勾配コイルを設計する方法が提供され
る。まず、コイルの内径、厚さおよび最大長さを決め
る。第２にｘおよびｙ主勾配コイルの最小平均導線径
を、厚さおよび外径とともに決定する。ｘおよびｙコイ
ルの物理的パラメータを決めた後、ｚコイルの内径と
ｘ、ｙ主コイルの外径との間に少なくとも１０mmの空気
流用のギャップが残されるよう、ｚ主コイルの平均導線
半径を定める。その後、この第２コイルアセンブリの最
大外径およびその他の物理的寸法を定める。ｘ、ｙおよ
びｚ２次コイルの平均導線半径を定める。厚さ、内径お
よび最大長さが定められた１つの成形体にｚ２次コイル
を取り付ける。成形体の内径は、ｚ主コイルの外径より
も大きく、エネルギー蓄積量が最小となり、かつシール
ドおよびリニアリティが最大となるよう、ｘおよびｙコ
イルの形状を最適化する。この最適化方法は、エネルギ
ーを最小にした電流分布を決定しシールドを最適化する
よう、主コイルの長さを調節し、リニアリティを制御す
るよう、磁界の導関数を限定することから成る。一旦ｘ
およびｙ勾配コイルを最適化した後、シールドおよびリ
ニアリティのためにｚ勾配コイルを最適化する。ｚコイ
ルの効率のほうが高くなっているので最小化は不要であ
る。しかしながら、最適化を行うには主ｚコイルの半径
を調節し、シールドおよび導関数の制約を最適化し、リ
ニアリティを制御することを含む。このようにして、
ｘ、ｙおよびｚ勾配コイルアセンブリの形状が得られ
る。
己シールドされた勾配コイルを設計する方法が提供され
る。まず、コイルの内径、厚さおよび最大長さを決め
る。第２にｘおよびｙ主勾配コイルの最小平均導線径
を、厚さおよび外径とともに決定する。ｘおよびｙコイ
ルの物理的パラメータを決めた後、ｚコイルの内径と
ｘ、ｙ主コイルの外径との間に少なくとも１０mmの空気
流用のギャップが残されるよう、ｚ主コイルの平均導線
半径を定める。その後、この第２コイルアセンブリの最
大外径およびその他の物理的寸法を定める。ｘ、ｙおよ
びｚ２次コイルの平均導線半径を定める。厚さ、内径お
よび最大長さが定められた１つの成形体にｚ２次コイル
を取り付ける。成形体の内径は、ｚ主コイルの外径より
も大きく、エネルギー蓄積量が最小となり、かつシール
ドおよびリニアリティが最大となるよう、ｘおよびｙコ
イルの形状を最適化する。この最適化方法は、エネルギ
ーを最小にした電流分布を決定しシールドを最適化する
よう、主コイルの長さを調節し、リニアリティを制御す
るよう、磁界の導関数を限定することから成る。一旦ｘ
およびｙ勾配コイルを最適化した後、シールドおよびリ
ニアリティのためにｚ勾配コイルを最適化する。ｚコイ
ルの効率のほうが高くなっているので最小化は不要であ
る。しかしながら、最適化を行うには主ｚコイルの半径
を調節し、シールドおよび導関数の制約を最適化し、リ
ニアリティを制御することを含む。このようにして、
ｘ、ｙおよびｚ勾配コイルアセンブリの形状が得られ
る。
【００２２】
【発明の効果】本発明の効果の一つは、勾配コイル特に
ｘおよびｙ勾配コイルの熱冷却が改善されたことにあ
る。
ｘおよびｙ勾配コイルの熱冷却が改善されたことにあ
る。
【００２３】本発明の別の効果は、シールド特性が改善
されたことにある。
されたことにある。
【００２４】本発明の更に別の効果は、リニアリティが
改善されたより短い勾配コイルが得られたことにある。
改善されたより短い勾配コイルが得られたことにある。
【００２５】本発明の更に別の効果は、エネルギー効率
が改善されたことにある。
が改善されたことにある。
【００２６】当業者が下記の好ましい実施例の詳細な説
明を読んで理解すれば、本発明の更に別の効果が明らか
となろう。
明を読んで理解すれば、本発明の更に別の効果が明らか
となろう。
【００２７】
【実施例】本発明は、種々の部品および部品配列、およ
び種々の工程および工程の配列を変えることができる。
図面は好ましい実施例を例示するものにすぎず、本発明
を限定するものと考えてはならない。
び種々の工程および工程の配列を変えることができる。
図面は好ましい実施例を例示するものにすぎず、本発明
を限定するものと考えてはならない。
【００２８】図１を参照する。超電導主磁界コイルアセ
ンブリ１０は検査領域１２を長手方向に横断する実質的
に均一な磁界を発生する。自己シールド勾配磁界コイル
アセンブリ１４は、検査領域１２を横断するよう勾配磁
界を選択的に発生する。勾配磁界制御手段１６は、所定
特性を有する電流パルスを勾配磁界コイルに印加して、
所望の磁界パルスを発生するよう電流パルス発生器１８
を制御する。
ンブリ１０は検査領域１２を長手方向に横断する実質的
に均一な磁界を発生する。自己シールド勾配磁界コイル
アセンブリ１４は、検査領域１２を横断するよう勾配磁
界を選択的に発生する。勾配磁界制御手段１６は、所定
特性を有する電流パルスを勾配磁界コイルに印加して、
所望の磁界パルスを発生するよう電流パルス発生器１８
を制御する。
【００２９】共鳴励磁および操作手段は適当な周波数お
よびスペクトラムの高周波パルスを発生して、検査領域
１２内で所定の双極子の共鳴を誘導するための高周波送
信機２０を含む。この高周波送信機は検査領域内の回り
および勾配磁界コイルアセンブリ１４内に配置された高
周波アンテナ２２に接続され、高周波コイルは当該領域
に高周波パルスを送信すると共に、当該領域から生じた
高周波表面信号を受信する。これとは異なり、別個の受
信用コイルを設けてもよい。受信された磁気共鳴信号は
デジタル式高周波受信機２４へ送られ、復調される。こ
の復調されたデジタル高周波信号は、アレイプロセッサ
または他の像再構成手段２６により磁気共鳴像に再構成
される。この再構成された像は、イメージメモリ２８に
格納される。この像は、ビデオモニタ３０上にディスプ
レイしてもよいし、更に処理したりテープまたはディス
ク上に記録してもよい。
よびスペクトラムの高周波パルスを発生して、検査領域
１２内で所定の双極子の共鳴を誘導するための高周波送
信機２０を含む。この高周波送信機は検査領域内の回り
および勾配磁界コイルアセンブリ１４内に配置された高
周波アンテナ２２に接続され、高周波コイルは当該領域
に高周波パルスを送信すると共に、当該領域から生じた
高周波表面信号を受信する。これとは異なり、別個の受
信用コイルを設けてもよい。受信された磁気共鳴信号は
デジタル式高周波受信機２４へ送られ、復調される。こ
の復調されたデジタル高周波信号は、アレイプロセッサ
または他の像再構成手段２６により磁気共鳴像に再構成
される。この再構成された像は、イメージメモリ２８に
格納される。この像は、ビデオモニタ３０上にディスプ
レイしてもよいし、更に処理したりテープまたはディス
ク上に記録してもよい。
【００３０】超電導磁気アセンブリ１０は、外側の真空
容器４０を含み、この真空容器４０は、内側の円筒形の
室温ボア４２を構成し、このボア４２内に勾配コイルア
センブリ１４が収納されている。誘電体の成形体４６に
は一連の超電導磁気環状コイル４４が取り付けられてお
り、これらコイルは環状のヘリウムリザーバ４８内に配
置されている。ヘリウムポート５０は、液体ヘリウムが
蒸発してヘリウム容器内の温度を約４.２゜Ｋに保持す
る際に、液体ヘリウムによってリザーバ４８が満たされ
続けるのを可能にする。好ましくはヘリウムポート５０
には、ヘリウム回収および循環システム（図示せず）が
相互接続されており、ヘリウムリザーバの回りには約２
０゜Ｋ以下まで冷却された第１低温シールド５２が配置
されている。内側低温シールドアセンブリと真空容器４
０との間には、約６０〜７０゜Ｋ以下まで冷却された第
２低温シールドアセンブリ５４が配置されている。この
ようにヘリウムの蒸発を最小にするように一連の熱勾配
が維持されている。超電導磁気コイル４４の外側の回り
には、超電導主磁界シールドコイルアセンブリ５６が取
り付けられており、更に、このコイルアセンブリ５６は
超電導磁気コイル４４と直列に電気的に接続されてい
る。主磁界シールドコイルアセンブリ５６は、クライオ
スタットの外部に設けられた主磁石４４に発生された磁
界と逆の磁界を発生するが、ボア４２に沿って強力かつ
均一な磁界を発生する。
容器４０を含み、この真空容器４０は、内側の円筒形の
室温ボア４２を構成し、このボア４２内に勾配コイルア
センブリ１４が収納されている。誘電体の成形体４６に
は一連の超電導磁気環状コイル４４が取り付けられてお
り、これらコイルは環状のヘリウムリザーバ４８内に配
置されている。ヘリウムポート５０は、液体ヘリウムが
蒸発してヘリウム容器内の温度を約４.２゜Ｋに保持す
る際に、液体ヘリウムによってリザーバ４８が満たされ
続けるのを可能にする。好ましくはヘリウムポート５０
には、ヘリウム回収および循環システム（図示せず）が
相互接続されており、ヘリウムリザーバの回りには約２
０゜Ｋ以下まで冷却された第１低温シールド５２が配置
されている。内側低温シールドアセンブリと真空容器４
０との間には、約６０〜７０゜Ｋ以下まで冷却された第
２低温シールドアセンブリ５４が配置されている。この
ようにヘリウムの蒸発を最小にするように一連の熱勾配
が維持されている。超電導磁気コイル４４の外側の回り
には、超電導主磁界シールドコイルアセンブリ５６が取
り付けられており、更に、このコイルアセンブリ５６は
超電導磁気コイル４４と直列に電気的に接続されてい
る。主磁界シールドコイルアセンブリ５６は、クライオ
スタットの外部に設けられた主磁石４４に発生された磁
界と逆の磁界を発生するが、ボア４２に沿って強力かつ
均一な磁界を発生する。
【００３１】次に図２を参照する。勾配コイルアセンブ
リ１４は、径ａの内側誘電体の成形体６０を含む。図３
に示すパターンの４つのｘ勾配コイルが内側成形体６０
の円筒形表面に積層されている。より詳細には、ｘ勾配
コイルに対しては第３図の４分円巻線６２（ｘ）はエッ
ジ６４に沿う同様な４分円巻線に接続されており、この
同様な４分円巻線は４分円巻線６２と鏡像関係になって
いる。巻線アセンブリ６２（ｘ）の対は、成形体６０の
長手方向中心にあり、その周辺に沿って伸びるエッジ６
４により積層されている。長手方向中心線に対向して、
かつコイル６２（ｘ）の対と鏡像関係となるように、同
様なコイル対が取り付けられている。ｙ勾配コイルも４
つのコイルセグメント６２（ｙ）を含み、これらコイル
セグメントは同一の構造となっている。ｙ勾配コイル６
２（ｙ）は、成形体６０に取り付けられており、ｘ勾配
コイルに対して成形体の中心軸線６４を中心として９０
度回転されている。ｘおよびｙ勾配巻線は、互いに電気
的に絶縁されており、好ましくはエポキシ樹脂内にポッ
ティングすることが好ましい。これら巻線は、銅または
アルミニウムの比較的薄い導電性シートから製造でき
る。シートは成形体にラミネートする前に水ジェットに
よるカッティング等により切断でき、次に薄い絶縁性基
体に接合される。このようにして、径方向の厚みが最小
とされる。
リ１４は、径ａの内側誘電体の成形体６０を含む。図３
に示すパターンの４つのｘ勾配コイルが内側成形体６０
の円筒形表面に積層されている。より詳細には、ｘ勾配
コイルに対しては第３図の４分円巻線６２（ｘ）はエッ
ジ６４に沿う同様な４分円巻線に接続されており、この
同様な４分円巻線は４分円巻線６２と鏡像関係になって
いる。巻線アセンブリ６２（ｘ）の対は、成形体６０の
長手方向中心にあり、その周辺に沿って伸びるエッジ６
４により積層されている。長手方向中心線に対向して、
かつコイル６２（ｘ）の対と鏡像関係となるように、同
様なコイル対が取り付けられている。ｙ勾配コイルも４
つのコイルセグメント６２（ｙ）を含み、これらコイル
セグメントは同一の構造となっている。ｙ勾配コイル６
２（ｙ）は、成形体６０に取り付けられており、ｘ勾配
コイルに対して成形体の中心軸線６４を中心として９０
度回転されている。ｘおよびｙ勾配巻線は、互いに電気
的に絶縁されており、好ましくはエポキシ樹脂内にポッ
ティングすることが好ましい。これら巻線は、銅または
アルミニウムの比較的薄い導電性シートから製造でき
る。シートは成形体にラミネートする前に水ジェットに
よるカッティング等により切断でき、次に薄い絶縁性基
体に接合される。このようにして、径方向の厚みが最小
とされる。
【００３２】図４に示す構造の主ｚ勾配コイル７０は、
比較的剛性の導電性材料から製造され、一連の機械式位
置決めストリップ７２に接続される。成形体４０の回り
には、機械式位置決めストリップ７２が周期的に配置さ
れ、絶縁ポスト等により成形体に接続され、主ｚ勾配コ
イル７０をｘ勾配コイルに対して離間した状態に保持す
るようになっている。このように主ｚ勾配コイルと、主
ｘおよびｙ勾配コイルとの間には、空気通路７４が構成
さ、更に、ｚ勾配コイルを貫通する空気通路が構成され
ている。
比較的剛性の導電性材料から製造され、一連の機械式位
置決めストリップ７２に接続される。成形体４０の回り
には、機械式位置決めストリップ７２が周期的に配置さ
れ、絶縁ポスト等により成形体に接続され、主ｚ勾配コ
イル７０をｘ勾配コイルに対して離間した状態に保持す
るようになっている。このように主ｚ勾配コイルと、主
ｘおよびｙ勾配コイルとの間には、空気通路７４が構成
さ、更に、ｚ勾配コイルを貫通する空気通路が構成され
ている。
【００３３】成形体６０は、機械式支持手段例えばポス
トまたは翼により大径シールドコイル８０に取り付けら
れている。シールド勾配コイル８０は、その表面に積層
された一連のシールドコイルを有する。これらシールド
コイルは、主ｘ勾配コイルの巻線６２と実質的に整合す
るよう取り付けられた、図５に示された構造の４つの対
称的ｘ勾配シールドコイルアセンブリ８２（ｘ）を含
む。このシールドコイルは更に中心軸線６６に対しｘ勾
配シールドコイルアセンブリから９０度ずれて取り付け
られ、４つの主ｙ勾配４分円巻線６２と実質的に整合す
るよう取り付けられた４分円の、図５の構造の４つのｙ
勾配シールドコイルアセンブリ８２（ｙ）を含む。図６
に示す構造のｚ勾配コイル構造体８４は成形体８０内の
対応する溝内に取り付けられている。成形体８０上に巻
かれたこれらシールドコイルは、主勾配コイルの巻線回
数よりも巻線回数が少ないので、成形体４０に巻かれた
主勾配コイルよりも抵抗が小さく、このため放熱は重大
なことではない。従って、空間効率のためｘ、ｙおよび
ｚ勾配コイルのすべてが成形体８０に積層されている。
トまたは翼により大径シールドコイル８０に取り付けら
れている。シールド勾配コイル８０は、その表面に積層
された一連のシールドコイルを有する。これらシールド
コイルは、主ｘ勾配コイルの巻線６２と実質的に整合す
るよう取り付けられた、図５に示された構造の４つの対
称的ｘ勾配シールドコイルアセンブリ８２（ｘ）を含
む。このシールドコイルは更に中心軸線６６に対しｘ勾
配シールドコイルアセンブリから９０度ずれて取り付け
られ、４つの主ｙ勾配４分円巻線６２と実質的に整合す
るよう取り付けられた４分円の、図５の構造の４つのｙ
勾配シールドコイルアセンブリ８２（ｙ）を含む。図６
に示す構造のｚ勾配コイル構造体８４は成形体８０内の
対応する溝内に取り付けられている。成形体８０上に巻
かれたこれらシールドコイルは、主勾配コイルの巻線回
数よりも巻線回数が少ないので、成形体４０に巻かれた
主勾配コイルよりも抵抗が小さく、このため放熱は重大
なことではない。従って、空間効率のためｘ、ｙおよび
ｚ勾配コイルのすべてが成形体８０に積層されている。
【００３４】図７を参照する。まず、主コイル成形体の
内径厚みおよび長さＬ１を選択する（１００）。主コイ
ル成形体６０の寸法から最小の径ａをセットする（１０
２）。適当な寸法上の安定性を生じさせ、かつ支持体と
しながら、好ましくはできるだけ薄くなるように重ねお
よび含浸樹脂の厚みを選択する（１０４）。主ｘおよび
ｙ勾配コイルアセンブリの最終外径を決定する（１０
６）。最終主ｘおよびｙコイルアセンブリの外径に１０
mmの最小値を加えることにより、主ｚコイルの径を決定
する（１０８）。
内径厚みおよび長さＬ１を選択する（１００）。主コイ
ル成形体６０の寸法から最小の径ａをセットする（１０
２）。適当な寸法上の安定性を生じさせ、かつ支持体と
しながら、好ましくはできるだけ薄くなるように重ねお
よび含浸樹脂の厚みを選択する（１０４）。主ｘおよび
ｙ勾配コイルアセンブリの最終外径を決定する（１０
６）。最終主ｘおよびｙコイルアセンブリの外径に１０
mmの最小値を加えることにより、主ｚコイルの径を決定
する（１０８）。
【００３５】２次コイルがボア４２に嵌合することを条
件に、２次コイルアセンブリの外径をできるだけ大きく
選択する（１１０）。２次コイルの強度および安定性を
適当な値にするのに必要な、外被および含浸樹脂の厚み
を決定する（１１２）。外被の寸法から、２次ｘ、ｙお
よびｚコイルに対する最大径を決定する（１１４）。２
次ｘ、ｙおよびｚコイルの寸法から、厚み（内径）およ
び長さを含む２次コイル成形体８０の寸法を決定する
（１１６）。
件に、２次コイルアセンブリの外径をできるだけ大きく
選択する（１１０）。２次コイルの強度および安定性を
適当な値にするのに必要な、外被および含浸樹脂の厚み
を決定する（１１２）。外被の寸法から、２次ｘ、ｙお
よびｚコイルに対する最大径を決定する（１１４）。２
次ｘ、ｙおよびｚコイルの寸法から、厚み（内径）およ
び長さを含む２次コイル成形体８０の寸法を決定する
（１１６）。
【００３６】主ｘおよびｙコイル、および２次ｘ、ｙお
よびｚコイルの径は、ボアの径およびコイル内の最小許
容被検体収容領域の径に従って設定されるが、コイルパ
ターンはまだ最適化されていない。ｘおよびｙ勾配およ
び２次コイルの形状は、下記のように、式（１）〜（２
３）を使用して決定される。一旦コイルの半径を選択す
れば、離散フーリエ変換係数ｊφaを識別し、下記の式
（１）および（２）から主電流分布Ｊφaを決定でき
る。主巻線パターンは数学的な意味において内側の成形
体の長さＬ１に制約されているが、２次電流は最初は無
限長さの円筒体上を流れると見なす。次に主ｘおよび２
次ｘ勾配コイルの形状の全システムを最適化する。同様
にして、ｙ勾配コイル形状に対しては、下記のように式
（１２）に従って磁気エネルギーＷｍを決定する。式
（１３）から蓄積エネルギーおよび磁束密度の軸方向成
分の種々の導関数の線形な組み合わせＦを決定する。導
関数の多くは対称性に起因してゼロに設定できる。好ま
しくは、式（１０）および（１４）に示されているよう
に、ＢＺに対するフーリエ−ベッセル積分を使用するこ
とにより、導関数の項を展開する。必要な特性に合致す
るような導関数の組を用いることにより、最終的に主お
よび２次ｘおよびｙ勾配コイルの双方の巻線パターンを
定める係数ｊφaに関して関数Ｆを最小にする。
よびｚコイルの径は、ボアの径およびコイル内の最小許
容被検体収容領域の径に従って設定されるが、コイルパ
ターンはまだ最適化されていない。ｘおよびｙ勾配およ
び２次コイルの形状は、下記のように、式（１）〜（２
３）を使用して決定される。一旦コイルの半径を選択す
れば、離散フーリエ変換係数ｊφaを識別し、下記の式
（１）および（２）から主電流分布Ｊφaを決定でき
る。主巻線パターンは数学的な意味において内側の成形
体の長さＬ１に制約されているが、２次電流は最初は無
限長さの円筒体上を流れると見なす。次に主ｘおよび２
次ｘ勾配コイルの形状の全システムを最適化する。同様
にして、ｙ勾配コイル形状に対しては、下記のように式
（１２）に従って磁気エネルギーＷｍを決定する。式
（１３）から蓄積エネルギーおよび磁束密度の軸方向成
分の種々の導関数の線形な組み合わせＦを決定する。導
関数の多くは対称性に起因してゼロに設定できる。好ま
しくは、式（１０）および（１４）に示されているよう
に、ＢＺに対するフーリエ−ベッセル積分を使用するこ
とにより、導関数の項を展開する。必要な特性に合致す
るような導関数の組を用いることにより、最終的に主お
よび２次ｘおよびｙ勾配コイルの双方の巻線パターンを
定める係数ｊφaに関して関数Ｆを最小にする。
【００３７】主および２次ｘおよびｙ勾配コイルの特性
を定めた後、主、ｘおよびｙ勾配コイルと２次ｘおよび
ｙ勾配コイルとの巻回数比を決定し、直列に駆動したと
き巻回数比が整数となるかどうか判別するよう比較する
（１２２）。巻回数比が整数でなければ、主ｘおよびｙ
勾配コイルの長さＬ１を調節し（１２４）、ｘおよびｙ
勾配コイルを再度設計する（１２０）。整数の巻線回数
比が得られるまでこの方法を繰り返す。整数の巻回数比
が得られれば、２次コイルの長さＬ２を截断し、コイル
を不連続化した時ステップ１１６で選択した２次成形体
の長さに合致するようにする。この長さは一般的にはボ
ア４２の長さとなっている。２次コイルの長さＬ２は、
主コイルの選択長さＬ１よりも長いこと、好ましくは少
なくとも２０％長いことが好ましい。
を定めた後、主、ｘおよびｙ勾配コイルと２次ｘおよび
ｙ勾配コイルとの巻回数比を決定し、直列に駆動したと
き巻回数比が整数となるかどうか判別するよう比較する
（１２２）。巻回数比が整数でなければ、主ｘおよびｙ
勾配コイルの長さＬ１を調節し（１２４）、ｘおよびｙ
勾配コイルを再度設計する（１２０）。整数の巻線回数
比が得られるまでこの方法を繰り返す。整数の巻回数比
が得られれば、２次コイルの長さＬ２を截断し、コイル
を不連続化した時ステップ１１６で選択した２次成形体
の長さに合致するようにする。この長さは一般的にはボ
ア４２の長さとなっている。２次コイルの長さＬ２は、
主コイルの選択長さＬ１よりも長いこと、好ましくは少
なくとも２０％長いことが好ましい。
【００３８】主および２次ｘおよびｙ勾配コイルの形状
を固定すると、主および２次ｚ勾配コイルを下記の式
（２４）〜（３２）を使用して設計する（１３０）。ｚ
勾配コイルを設計する際、可変変数は主ｚ勾配コイルの
長さでなくて、その半径となる。ステップ１０８に示す
ように、主ｚ勾配コイルはｘおよびｙ主コイルよりも十
分大きくて、双方の間に冷却用空隙が形成されることを
条件に所定の範囲の直径を有する。より詳細に説明すれ
ば、ｚ勾配コイルはｘおよびｙ勾配コイルよりも蓄積エ
ネルギーが少ないので、実際にはｚ勾配コイルの最小エ
ネルギー蓄積特性を決定する必要はない。しかしなが
ら、このことはｚコイルを設計するのに、式（１）〜
（２３）の同じタイプの方法を使用することを排除する
ものではない。磁束密度Ｂｘは式（２６）に従って決定
される。ｚ方向への微分は式（２８）に従って決定され
る。種々の導関数は、０または所定のｚ勾配の均一性を
得る他の値に設定される。好ましい実施例では、１次導
関数は所望のｚ勾配である。より高次の導関数は好まし
くないと考えられ、０に設定される。２次のｚ電流ｊφ
bは、式（２９）に従って決定される。好ましい実施例
における２次ｚ勾配はバンチ状のコイルであるので、巻
線は式（３０）に従って不連続化される。主ｚコイルと
２次ｚコイルとの巻回数比を決定する（１３２）。主ｚ
コイルの半径を調節し（１３４）、ｚ勾配コイルの設計
工程（１３０）を繰り返す。整数の巻回数比が得られる
までこの方法を繰り返す。
を固定すると、主および２次ｚ勾配コイルを下記の式
（２４）〜（３２）を使用して設計する（１３０）。ｚ
勾配コイルを設計する際、可変変数は主ｚ勾配コイルの
長さでなくて、その半径となる。ステップ１０８に示す
ように、主ｚ勾配コイルはｘおよびｙ主コイルよりも十
分大きくて、双方の間に冷却用空隙が形成されることを
条件に所定の範囲の直径を有する。より詳細に説明すれ
ば、ｚ勾配コイルはｘおよびｙ勾配コイルよりも蓄積エ
ネルギーが少ないので、実際にはｚ勾配コイルの最小エ
ネルギー蓄積特性を決定する必要はない。しかしなが
ら、このことはｚコイルを設計するのに、式（１）〜
（２３）の同じタイプの方法を使用することを排除する
ものではない。磁束密度Ｂｘは式（２６）に従って決定
される。ｚ方向への微分は式（２８）に従って決定され
る。種々の導関数は、０または所定のｚ勾配の均一性を
得る他の値に設定される。好ましい実施例では、１次導
関数は所望のｚ勾配である。より高次の導関数は好まし
くないと考えられ、０に設定される。２次のｚ電流ｊφ
bは、式（２９）に従って決定される。好ましい実施例
における２次ｚ勾配はバンチ状のコイルであるので、巻
線は式（３０）に従って不連続化される。主ｚコイルと
２次ｚコイルとの巻回数比を決定する（１３２）。主ｚ
コイルの半径を調節し（１３４）、ｚ勾配コイルの設計
工程（１３０）を繰り返す。整数の巻回数比が得られる
までこの方法を繰り返す。
【００３９】数学的により詳細に説明すれば、半径ρ＝
ａの連続ベクトル表面電流密度関数は、次のように定義
される。
ａの連続ベクトル表面電流密度関数は、次のように定義
される。
【００４０】
【数１】
である。
【００４１】それぞれの空間フーリエ変換係数である
【００４２】
【数２】
【００４３】は次のように定義される。
【００４４】
【数３】
【００４５】さらに次のように表される。
【００４６】
【数４】
【００４７】半径ｂ＞ａに設定した超電導円筒表面で
は、次の電流密度により磁束密度Ｂｚの軸方向すなわち
ｚ成分が生じる。
は、次の電流密度により磁束密度Ｂｚの軸方向すなわち
ｚ成分が生じる。
【００４８】
【数５】
【００４９】円筒表面ρ＝ａでは、次のようになる。
【００５０】
【数６】
【００５１】磁気蓄積エネルギーＷｍは、次のようにな
る。
る。
【００５２】
【数７】
【００５３】これらの式は、ｘ勾配に適用されので、ｙ
勾配に対する式を表すには９０度回転するだけでよい。
磁界の方位角の挙動は、単純であるので、φは任意に０
に設定できる。次のステップとして、磁気蓄積エネルギ
ーおよび磁束密度の軸方向成分の種々の導関数に関連し
た関数Ｆを作成する。
勾配に対する式を表すには９０度回転するだけでよい。
磁界の方位角の挙動は、単純であるので、φは任意に０
に設定できる。次のステップとして、磁気蓄積エネルギ
ーおよび磁束密度の軸方向成分の種々の導関数に関連し
た関数Ｆを作成する。
【００５４】
【数８】
【００５５】対称性のため、偶数のｊおよび奇数のｐの
導関数は当然０となる。従って、これらの導関数はＦの
上記式には含まれない。この式内の定数Ｇｊｐは、磁界
Ｂｚのｚ成分の対応する導関数の所望のまたは限定値を
示し、λ's は、不定のラグランジュ乗数を示す。次の
ように示すことができる。
導関数は当然０となる。従って、これらの導関数はＦの
上記式には含まれない。この式内の定数Ｇｊｐは、磁界
Ｂｚのｚ成分の対応する導関数の所望のまたは限定値を
示し、λ's は、不定のラグランジュ乗数を示す。次の
ように示すことができる。
【００５６】
【数９】
【００５７】例えば、ｐ＝０，ｊ＝５の導関数をゼロに
制限すると、５の大きさに合算されるｐおよびｊのすべ
ての組み合わせは内在的にゼロとなる（すなわち［ｐ，
ｊ］＝［２，３］、［４，１］である）。この理由か
ら、任意にｐ＝０と設定し、奇数のｊの導関数だけを制
限する。当然ながらｊ＝１の導関数は、まさに所望して
いる（非ゼロの）勾配強度となる。これを背景として、
コイル設計法の最終工程を述べる。関数Ｆは、未知の係
数ｊn a に関して極値化される。マトリックス方程式
は、次のように表される。
制限すると、５の大きさに合算されるｐおよびｊのすべ
ての組み合わせは内在的にゼロとなる（すなわち［ｐ，
ｊ］＝［２，３］、［４，１］である）。この理由か
ら、任意にｐ＝０と設定し、奇数のｊの導関数だけを制
限する。当然ながらｊ＝１の導関数は、まさに所望して
いる（非ゼロの）勾配強度となる。これを背景として、
コイル設計法の最終工程を述べる。関数Ｆは、未知の係
数ｊn a に関して極値化される。マトリックス方程式
は、次のように表される。
【００５８】
【数１０】
【００５９】この式は次のようにコンパクトな形式に表
示できる。
示できる。
【００６０】
【数１１】
【００６１】種々の導関数に対して、上記制限を実行す
ると、次のように表示できる追加の関係が得られる。
ると、次のように表示できる追加の関係が得られる。
【００６２】
【数１２】
【００６３】式（１７）および（１９）の関数を組み合
わせると、次のフォームのΛの解が得られる。
わせると、次のフォームのΛの解が得られる。
【００６４】
【数１３】
【００６５】半径ｂの円筒体を流れるシールド電流は、
次のように表される。
次のように表される。
【００６６】
【数１４】
【００６７】連続電流密度の解が一旦得られると、次の
ような流れ関数Ｓa,b の離散化によりこれら関数に実質
的に近似する不連続な導線配置を選択する。
ような流れ関数Ｓa,b の離散化によりこれら関数に実質
的に近似する不連続な導線配置を選択する。
【００６８】
【数１５】
【００６９】好ましい実施例では、Ｓa,b の整数の数の
輪郭が得られるまで主コイルの長さＬ１を調節すること
により、解Ｊa,b を得る。この方法は、良好なシールド
特性を保証する。実際には、シールド電流は、主電流分
布よりもさらに遠くに延びているので、実際のコイル長
さを生じるように截断される。
輪郭が得られるまで主コイルの長さＬ１を調節すること
により、解Ｊa,b を得る。この方法は、良好なシールド
特性を保証する。実際には、シールド電流は、主電流分
布よりもさらに遠くに延びているので、実際のコイル長
さを生じるように截断される。
【００７０】好ましい実施例では、電流の展開式中にＮ
＝４の項があり、ｊ＝３およびｊ＝５の導関数はゼロに
セットされている。ｊ＝１の導関数は、所望の勾配強度
に制限される。
＝４の項があり、ｊ＝３およびｊ＝５の導関数はゼロに
セットされている。ｊ＝１の導関数は、所望の勾配強度
に制限される。
【００７１】主すなわち内側のｚ勾配コイルは束状にす
ることが好ましく、半径ａの円筒体上を流れる一連のパ
ルス表面電流としてモデル化される。
ることが好ましく、半径ａの円筒体上を流れる一連のパ
ルス表面電流としてモデル化される。
【００７２】
【数１６】
【００７３】ここでＫｑはリニア電流密度であり、Ｗｑ
はｑ番目の方位角シート電流の幅であり、＋／−Ｚｑ
は、その軸方向位置である。Ｕ（ ）は、通常の単位ヘ
ビサイド階段関数である。シート電流は非対称対から生
じることに留意されたい。この電流分布の空間フーリエ
変換係数ｊａは、次のように表される。
はｑ番目の方位角シート電流の幅であり、＋／−Ｚｑ
は、その軸方向位置である。Ｕ（ ）は、通常の単位ヘ
ビサイド階段関数である。シート電流は非対称対から生
じることに留意されたい。この電流分布の空間フーリエ
変換係数ｊａは、次のように表される。
【００７４】
【数１７】
【００７５】ＫｑＷｑは、全体でｑ番目の電流Ｉｑであ
ることに留意されたい。半径ｂ＞ａにおける超電導円筒
形表面に対し、磁束Ｂｚ（ρ．ｚ）の密度の軸方向すな
わちｚ成分の式は、次のとうりである。
ることに留意されたい。半径ｂ＞ａにおける超電導円筒
形表面に対し、磁束Ｂｚ（ρ．ｚ）の密度の軸方向すな
わちｚ成分の式は、次のとうりである。
【００７６】
【数１８】
【００７７】Ｂｚに対する式（２６）から、原点での磁
界のｊ番目の軸方向導関数は、次のようになる（対称性
により、奇数のｊ番目の導関数だけ非ゼロとなる）
界のｊ番目の軸方向導関数は、次のようになる（対称性
により、奇数のｊ番目の導関数だけ非ゼロとなる）
【００７８】
【数１９】
【００７９】ｊ＝１の導関数は、所望の勾配であり、ｊ
＞１の導関数は、汚染物を示す。好ましい実施例では、
Ｉ２／Ｉ１＝Ｗ２／Ｗ１＝７、Ｋ２＝Ｋ１およびＺ２お
よびＺ１が選択されて実質的にゼロのｊ＝３およびｊ＝
５の導関数を示すよう２対の非対称の電流シートがあ
る。半径ｂにおける円筒体上のシールド電流は、次の式
で表される。
＞１の導関数は、汚染物を示す。好ましい実施例では、
Ｉ２／Ｉ１＝Ｗ２／Ｗ１＝７、Ｋ２＝Ｋ１およびＺ２お
よびＺ１が選択されて実質的にゼロのｊ＝３およびｊ＝
５の導関数を示すよう２対の非対称の電流シートがあ
る。半径ｂにおける円筒体上のシールド電流は、次の式
で表される。
【００８０】
【数２０】
【００８１】この式は、逆フーリエ変換されて、空間領
域内、すなわち物理的コイル巻線パターン内の電流分布
Ｊｂを示す。
域内、すなわち物理的コイル巻線パターン内の電流分布
Ｊｂを示す。
【００８２】好ましい実施例では、一定横断面積の導線
を使用してシールド電流分布が離散化され、主コイルと
直列にドライブされる。質量体の中心定義法を用いて、
次のようにＺ＞０に対する位置を決定する。
を使用してシールド電流分布が離散化され、主コイルと
直列にドライブされる。質量体の中心定義法を用いて、
次のようにＺ＞０に対する位置を決定する。
【００８３】
【数２１】
【００８４】Ｍの値は、その量に最も近い整数に設定さ
れる。
れる。
【００８５】
【数２２】
【００８６】Ｊ（ｚ）の値がこの点を越えてほぼ０とな
るよう、十分大きくなるように、上限をセットする。好
ましい実施例ではシールド特性を最適とするため、半径
ａ（またはｂ、もしくはその双方）を式（３２）の量が
整数値となるように調節する。
るよう、十分大きくなるように、上限をセットする。好
ましい実施例ではシールド特性を最適とするため、半径
ａ（またはｂ、もしくはその双方）を式（３２）の量が
整数値となるように調節する。
【００８７】別の実施例ではｚ主電流では一連のパルス
シート電流とは考えられないが、その代わりにＹ／Ｘの
ケースと同様なフーリエ級数形の関数とすることができ
る。次にｚ勾配を設計するのに同じ制限エネルギー最小
化法に従う。この別の実施例では、ｚ主電流が分布さ
れ、上記の電流に対する離散化に対する同様な関係を開
発している。再度主コイルおよびシールドコイルの巻回
数を整数とし、シールドを最適化するように半径ａおよ
びｂを調節することが好ましい。
シート電流とは考えられないが、その代わりにＹ／Ｘの
ケースと同様なフーリエ級数形の関数とすることができ
る。次にｚ勾配を設計するのに同じ制限エネルギー最小
化法に従う。この別の実施例では、ｚ主電流が分布さ
れ、上記の電流に対する離散化に対する同様な関係を開
発している。再度主コイルおよびシールドコイルの巻回
数を整数とし、シールドを最適化するように半径ａおよ
びｂを調節することが好ましい。
【００８８】以上で好ましい実施例を参照して本発明を
説明したが、これまでの詳細な説明を読んで理解すれ
ば、変形例および変更例を思いつくことができることが
明らかである。本発明は特許請求の範囲内のかかる変形
例および変更例のすべてを服務物と解すべきである。
説明したが、これまでの詳細な説明を読んで理解すれ
ば、変形例および変更例を思いつくことができることが
明らかである。本発明は特許請求の範囲内のかかる変形
例および変更例のすべてを服務物と解すべきである。
【図１】真空容器および超電導磁石の種々の内部の層を
通る磁気共鳴撮像装置の垂直横断面図。
通る磁気共鳴撮像装置の垂直横断面図。
【図２】図１の勾配コイルアセンブリの拡大詳細図。
【図３】平らに付設された主ｘまたはｙ勾配コイルの４
つの対称的な４分円のうちの一つの図。
つの対称的な４分円のうちの一つの図。
【図４】図２の主ｚ勾配コイルの平面図。
【図５】平らに付設された好ましいｘまたはｙ勾配シー
ルドコイルの４つの対称的な４分円のうちの一つの図。
ルドコイルの４つの対称的な４分円のうちの一つの図。
【図６】２次ｚ勾配コイルを長手方向に切断し、平らに
開いた状態の図２の２次ｚ勾配コイルの図２の。
開いた状態の図２の２次ｚ勾配コイルの図２の。
【図７】主および２次すなわちシールド用ｘ、ｙおよび
ｚコイル特性を決定するための好ましい方法のブロック
図。
ｚコイル特性を決定するための好ましい方法のブロック
図。
１２ 撮像領域
１４ 自己シールド勾配コイルアセンブリ
２２ ＲＦコイル
４０ 真空容器
４２ 内側ボア
４４ 超電導コイル
４８ ヘリウムリザーバ
６０ 内側成形体
６２ ｘおよびｙ勾配コイル
８０ 外側成形体
８２、８４ ｘ、ｙ、ｚ勾配２次すなわちシールドコ
イル
イル
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
A61B 5/055
Claims (8)
- 【請求項１】内部に円筒形の内側ボアを構成する環状真
空チャンバと、 中心ボアを囲み、これより変位した真空チャンバ内に配
置された環状ヘリウムリザーバと、 中心ボアを長手方向に貫通する実質的に均一な磁界を発
生するようヘリウムチャンバ内に配置された超電導磁界
コイルと、 中心領域を横断するよう勾配磁界を発生すると共に、中
心ボア内にスプリアス磁界を発生させる性質のある渦電
流が、真空チャンバまたはそれに収容された関連構造体
内で誘導されないように、発生した勾配磁界から真空チ
ャンバ、ヘリウムリザーバおよび真空チャンバ内の他の
部品をシールドするよう中心ボア内に配置された自己シ
ールドされた勾配コイルアセンブリとを備え、 上記自己シールドされた勾配コイルアセンブリは、 ｘ、ｙおよびｚ２次シールドコイルが取り付けられ、ボ
アに近接した状態でボア内に収納された外側成形体と、 上記外側成形体から離間した状態でこの内部に収容され
ており、撮像すべき対象の一部を内部に収容するための
対象収容領域を構成する内側成形体と、 真空チャンバの内側ボアの中心軸線に直交する内側成形
体内の検査領域を横断する勾配を発生するように内側成
形体に取り付けられた主ｘおよびｙ勾配コイルと、内側
成形体および主ｘおよびｙ勾配コイルから外側に離間
し、外側成形体から内側に取り付けられており、真空チ
ャンバの内側ボアの中心軸線に沿って磁界勾配を発生す
るようになっており、主ｘおよびｙ勾配コイルから変位
し、両者の間に通路を構成するようになっているｚ勾配
コイルとを備え、 本システムは更に真空チャンバの内側成形体内に配置さ
れた高周波コイルと、 ｘ、ｙおよびｚ主勾配コイルに電気パルスを選択的に印
加し、検査領域にわたって磁気勾配パルスを誘導するた
めの勾配制御手段と、 高周波コイルに高周波パルスを印加し、検査領域内で所
定の双極子の磁気共鳴を励起し、操作するための高周波
送信機と、 検査領域から生じる磁気共鳴信号を受信し、復調するた
めの受信手段と、 復調した磁気共鳴信号を像に再構成するための再構成手
段とを備えた磁気共鳴撮像システム。 - 【請求項２】 内部に検査領域を構成する内側の管状成
形体と、 内側成形体に一体的に接合されたｘ勾配コイルおよびｙ
勾配コイルと、 間にほぼ環状の冷却用通路が構成されるよう、内側成形
体およびｘおよびｙ勾配コイルから離間し、これらの回
りに延びたｚ勾配コイルと、 ｚ勾配コイルの回りに配置された外側の管状成形体と、 外側成形体に固定されたｘ、ｙおよびｚシールドコイル
とを備えた磁気共鳴撮像システム用自己シールド勾配コ
イル。 - 【請求項３】 主および２次ｚ勾配巻線は、束状の巻線
パターンである請求項２記載の自己シールド勾配コイル
アセンブリ。 - 【請求項４】 内側成形体はｘおよびｙ勾配コイルが整
数の巻回数で所定のｘおよびｙ勾配磁界を生じるよう選
択された長さおよび直径を有する請求項２記載の自己シ
ールドコイルアセンブリ。 - 【請求項５】 ｘおよびｙ２次コイル巻線は、主ｘおよ
びｙ勾配コイルと同じ大きさの電流で駆動される際、整
数の巻線回数を有する主ｘおよびｙ勾配コイルからｘお
よびｙ勾配磁界をシールドするよう外側成形体の直径を
選択した請求項４記載の自己シールドコイルアセンブ
リ。 - 【請求項６】 少なくともｚ勾配コイルおよびｚシール
ドコイルはそれらの巻回数比が整数となるような直径を
有する請求項２記載の自己シールドコイルアセンブリ。 - 【請求項７】 磁気共鳴撮像装置用の自己シールド用勾
配コイルを設計する方法であって、 自己シールド用勾配コイルの内径、厚さおよび最大長さ
を選択し、 ｘ主コイルおよびｙ主コイルの平均導線の半径を選択
し、 ｘおよびｙ主コイルの外径およびこれに関連する支持構
造体を指定し、 前記外径よりも少なくとも１０ｍｍ大きい平均ｚ勾配コ
イルの半径を選択し、 ２次コイルアセンブリの最大外径、厚さおよび長さを設
定し、 ｘ、ｙおよびｚ２次コイルの平均導線半径を決定し、 ｘおよびｙコイルパターンのエネルギー最小電流分布を
決定すると共に、リニアリティを制御するよう磁界の導
関数を制約しながらシールドを最適化するように主コイ
ルアセンブリの長さを調節し、 最小のエネルギー蓄積量および最大のシールドおよびリ
ニアリティが得られるまで、ｘおよびｙコイルパターン
を反復的に調節し、主コイルの長さを調節し、 リニアリティを制御するよう磁界の導関数を制約しなが
らシールドを最適化するよう主ｚ勾配コイルの半径を調
節することを備えた方法。 - 【請求項８】 磁気共鳴撮像装置用の自己シールド用勾
配コイルを設計する方法において、 内部の検査領域の所定の直径に従って、主ｘ、ｙ勾配コ
イルの直径および長さを選択し、 磁気共鳴装置のボアの内径に従って２次シールドｘ、ｙ
勾配コイルの径を選択し、 主および２次勾配コイルの巻回数比が整数となるまで主
コイルの長さを反復して調節し、主勾配コイル内で所定
の電流密度を生じる、不連続巻線パターンを再計算し、 間に冷却用空気ギャップが得られるよう、主ｘ、ｙ勾配
コイルよりも少なくとも１０ｍｍ大きい半径を有する主
ｚ勾配コイルの直径および長さを選択し、 ２次シールドｚ勾配コイルの半径および長さ、２次ｘ、
ｙ勾配コイルの半径および長さにほぼ対応する２次ｚ勾
配コイルの長さおよび直径を選択し、 主ｚ勾配コイルの巻線パターンと２次ｚ勾配コイルの巻
線パターンの巻回数比が整数となるまで主ｚ勾配コイル
の半径を反復して調節し、不連続ｚ勾配主および２次コ
イル巻線パターンを決定することを備えた方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/942,521 US5296810A (en) | 1992-03-27 | 1992-09-09 | MRI self-shielded gradient coils |
| US07/942,521 | 1992-09-09 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06277193A JPH06277193A (ja) | 1994-10-04 |
| JP3451558B2 true JP3451558B2 (ja) | 2003-09-29 |
Family
ID=25478203
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP24627893A Expired - Fee Related JP3451558B2 (ja) | 1992-09-09 | 1993-09-07 | 磁気共鳴撮像システム |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5296810A (ja) |
| EP (1) | EP0587423B1 (ja) |
| JP (1) | JP3451558B2 (ja) |
| DE (1) | DE69325486T2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101281240B (zh) * | 2007-04-06 | 2012-07-04 | 株式会社东芝 | 磁共振成像装置及其驱动方法、屏蔽线圈及其制造方法 |
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