JP3524607B2 - 磁気共鳴イメージング装置用磁場発生コイル及びこれを用いた磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は磁気共鳴イメージング装
置（以下、ＭＲＩ装置という）に用いる磁場発生コイル
に関し、特にコイルをパルス状の電流で駆動したとき、
印加した電流強度とコイルで発生する磁場強度が正確に
対応するように構成された傾斜磁場発生コイルに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ＭＲＩ装置は、核磁気共鳴（以下、ＮＭ
Ｒという）現象を利用して被検体である人体の内部組織
の断層像や局所的なスペクトルを測定し、被検体を無侵
襲的に検査する装置である。一般に、水素等、奇数個の
陽子または中性子を持つ原子核は磁気モーメントを有
し、このような原子核スピンが均質な磁場界（静磁場）
の中に配置されたときに、ラーモア周波数ωで歳差運動
を行う。そしてラーモア周波数ωに一致する高周波磁界
を印加すると原子核スピンは共鳴吸収を行い、高周波磁
界の印加を止めたときに熱平衡状態に戻る。この原子核
の振る舞い、すなわち、磁化Ｍの変化は周辺に配置され
たコイルに電磁気誘導により起電力を発生し、ＮＭＲ信
号として検出される。ＭＲＩ装置では、この電気信号を
検出して診断のための画像化処理を行う。この際ＮＭＲ
信号が人体のどの位置から得られた信号であるかを識別
するために、空間によって強度の異なる傾斜磁場を静磁
場に重畳している。傾斜磁場は通常互いに直交する３方
向の軸（ｘｙｚ、通常ｚ軸は静磁場の方向と一致させ
る）の座標位置によって強度の異なる磁場を発生させ
る。このような磁場を核スピンに印加することで核スピ
ンを選択的に共鳴励起したり共鳴励起後の信号に位置情
報をエンコードする。そしてエンコードされた信号をフ
ーリエ変換処理することにより、傾斜磁場の値に対応し
たＮＭＲ信号を得ることができる。

【０００３】ＭＲＩ装置を用いた撮影手法には二次元フ
ーリエ変換法や三次元フーリエ変換法などがあるが（例
えば米国特許4,654,594号、米国特許4,431,968号）、こ
れらの撮影法でマトリクスデータを得るために傾斜磁場
の印加量を変化させて例えば６４回、１２８回の繰返し
で信号計測が行われる。このため傾斜磁場コイルは約数
ｍ秒の繰返し時間で、その立上がり、立ち下がり時間は
数百マイクロ秒の高速スイッチングで駆動される。

【０００４】このようなＭＲＩ装置において、傾斜磁場
コイルは例えば図５に示すようにＺ方向（図面に平行な
方向）に均一な磁界を発生する磁石５０内の空間に設置
される。静磁場発生装置としては永久磁石方式、常電導
磁石方式、超伝導磁石方式があるが、図示するＭＲＩ装
置では超伝導磁石方式の静磁場発生装置が示されてい
る。超伝導磁石５０はコイル状５１のものが液体ヘリウ
ムが充填されたクライオ容器５６内に収納され、このク
ライオ容器５６の周囲にはＡｌ、Ｃｕ等の良導体から成
る４０゜Ｋの熱シールド板５２及び同じ材料から成る８
０゜Ｋ熱シールド板５３が設けられ、外界（約３００゜
Ｋ）とコイル５１の空間（４゜Ｋ）とを熱遮蔽してい
る。

【０００５】傾斜磁場コイル５５は３軸方向のコイル導
体を組合せたものが円筒状のボビン（図示せず）に固定
されており、検査対象である被検体５７は傾斜磁場コイ
ルのボビン内の測定空間に置かれる。図ではＹ軸方向の
コイル導体のみが示されている。尚、５８は被検体５７
の組織を構成する原子核の核スピンを励起するための照
射コイルである。

【０００６】このような構成において、傾斜磁場コイル
５５は、装置をコンパクトに設計するため、また被検体
の置かれる空間を確保するため、超伝導磁石５０の構造
体に接近して組込まれているので、傾斜磁場が変化する
際に超伝導磁石５０の熱シールド板５２、５３やＳＵＳ
から成る外壁５４の導体内に渦電流を発生する。一度、
渦電流が発生するとその減衰過程は制御することができ
ず、傾斜磁場の空間的、時間的な値を変化させることに
なる。この渦電流は、それによる磁束が、被検体の配置
される空間において、傾斜磁場コイルが発生する磁束に
対して逆の作用をするため、画像の質や局所的なスペク
トルの性能を劣化させる。即ち、図６に示すように本来
印加しようとする磁場パルスの形状（ａ）は、立上がり
及び立ち下がりの部分においてなまるという現象が生じ
る（ｂ）。また渦電流が発生する特定の時定数により、
渦電流による磁束は時間的変化をするので、本来必要と
する傾斜磁場の強度を乱すことになり、正確に核スピン
に位置情報をエンコードすることができなくなる。これ
は画像歪となって現れる。

【０００７】この対策として、図６（ｃ）に示すような
渦電流成分を予め補償した電流波形を用い図６（ｄ）に
示すような希望パルス形状（ａ）と同じ形状の傾斜磁場
パルスを得るようにしてきたが、この電流波形で補償す
る位置、即ち傾斜磁場コイルの設置位置と渦電流の発生
する位置（超伝導磁石の熱シールド板など）とが異なる
ことにより、ある一点では補償することができるが、比
較的広い空間では補償することができないという問題が
あった。さらに渦電流発生が複数の材料に及ぶ場合は単
純な減衰波形として扱うことができず電子回路による補
償波形では完全に一致させることができないなどの問題
が解決されなかった。

【０００８】また近年益々高速で画像を得る手法が開発
され、傾斜磁場の時間変化率は増加する方向であり、こ
の傾斜磁場の渦電流の発生が高速化と画質向上の大きな
障害となっていた。この渦電流による問題の根本的な対
策として、アクティブシールド形の傾斜磁場コイルが開
発されている（米国特許第4,737,716号等）。これは図
７に示すように、傾斜磁場コイル５５の周囲に傾斜磁場
コイル（メインコイル）自身が発生する磁界をその外側
でキャンセルするためのキャンセルコイル５６を配置す
る。このキャンセルコイル５６は、メインコイルと類似
した３軸方向のコイル導体を組合せたものをボビンに固
定したもので、渦電流が発生する超伝導磁石５１の熱シ
ールド板（通常、良導体から成る内側の熱シールド板５
３）の存在する位置で、メインコイルとキャンセルコイ
ルの各々が発生する磁束がほぼゼロになるように組合せ
て配置され、これにより渦電流の原因を排除する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところでこのようなア
クティブシールド形傾斜磁場コイルにおいて、画像の質
に影響しない程度に渦電流の発生を抑制するには、メイ
ンコイルに対するキャンセルコイルの位置精度が高いこ
とが要求され、例えばメインコイルの径７０cmに対して
キャンセルコイルの半径方向の位置偏位が１mm以下であ
ることが必要である。このため、アクティブシールド形
傾斜磁場コイルの組み立てには多くの調整作業と時間を
要していた。そしてこのように調整して超伝導磁石内に
組込んでも、メインコイルとキャンセルコイルが各々の
自重で、また駆動による電磁力でたわむことにより互い
のコイル位置がずれる問題があった。

【００１０】本発明の目的はアクティブシールド形傾斜
磁場コイルにおいてメインコイルとキャンセルコイルの
偏心を防ぎ、高い位置精度を維持する構造を提供するこ
とである。本発明の他の目的は組み立て時の調整作業を
不要とし、製造工程の短縮と製造原価の低減を図ること
にある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】これら目的を達成する本
発明のＭＲＩ装置用磁場発生コイルは、第１及び第２の
面を有する構造体の各面に、それぞれメインコイルとキ
ャンセルコイルとを固定したものである。即ち本発明の
磁場発生用コイルは、互に直交する三軸の方向に第１の
傾斜磁界を発生する第１のコイル導体と、前記第１の傾
斜磁界を打ち消すように作用する第２の傾斜磁界を発生
する第２のコイル導体とを備えた磁気共鳴イメージング
装置用磁場発生コイルにおいて、前記第１のコイル導体
と前記第２のコイル導体とを、第１及び第２の面を有す
る単一の構造体の各面に固定したものであり、本発明の
好適な態様において、構造体は、第１のコイルと前記第
２のコイルとの間に空洞を有するものである。

【００１２】また本発明の磁気共鳴イメージング装置用
磁場発生コイルの製造方法は、絶縁体からなる管状構造
体の内面及び外面を切削加工して、内周面と外周面とが
同心円筒となるボビンを形成し、該ボビンの内周面に、
互に直交する三軸の方向に第１の傾斜磁界を発生する第
１のコイル導体を固定し、外周面に、第１の傾斜磁界を
前記ボビンの外側の空間において打消すように作用する
第２の傾斜磁界を発生する第２のコイル導体を固定する
ものである。

【００１３】

【作用】ボビンは外周面と内周面を同一の切削加工の工
程で行うことにより、真円度の高い、且つ偏心率の低い
同心円筒を有することができる。このようなボビンの内
周面を基準に第１のコイル導体を組合せ、ボビンの外周
面を基準に第２のコイル導体を組合せることにより、ボ
イビンの寸法精度で第１及び第２のコイル導体の相互位
置精度が決められる。尚、２つのコイルの周方向の位置
合せについては、ボビンに位置合せのためのガイドピ
ン、切り欠け或いはマーク等を設けておくことにより、
容易に行うことができる。

【００１４】また第１及び第２のコイルはそれぞれ単一
のボビンに固定されているので、自重或いはコイル駆動
に伴う振動によりボビンが撓むことがあっても、コイル
導体間に位置ずれを生じるおそれがない。

【００１５】

【実施例】以下に、本発明の好適な実施例を図面を参照
して説明する。図１は、本発明によるアクティブシール
ド形傾斜磁場コイル１０の１実施例の右側面を示す図
で、図２は図１の傾斜磁場コイルのＡ−Ａ線に沿った断
面を示す。

【００１６】この傾斜磁場コイル１０は、管状構造体で
あるボビン１と、このボビン１の内周面８に固定された
第１のコイル導体であるメインコイル２、３、４及び外
周面９に固定されたキャンセルコイル５、６、７とから
成り、ボビン１はＦＲＰ（繊維強化プラスチック）材等
の耐熱性及び機械的強度の優れた絶縁性材料から成る。

【００１７】ボビンの大きさ及び厚さは、それが置かれ
る静磁場発生磁石内の空間における他の要素、即ちクラ
イオ容器、熱シールド板及び傾斜磁場コイル内に置かれ
る被検体との位置関係により決り、被検体の置かれる空
間に撮影に必要な傾斜磁場を形成でき、しかも渦電流が
発生する熱シールド板の存在する位置で、メインコイル
とキャンセルコイルの各々が発生する磁束がほぼゼロと
なる位置関係に配置されるような厚さを有している。典
型的には長さ１４０cm、外径８６cm、内径７０cmの大き
さを有し、８cmの厚さを有している。

【００１８】メインコイルはＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向に傾
斜磁場を発生する３つのコイルから成り、Ｘメインコイ
ル２及びＹメインコイル３はそれぞれ図３に示すように
平面状に渦巻きに巻かれた４つの部分から構成されてい
る。このようなコイル導体は、Ｃｕ等の薄板をウォータ
ジェット等の切削器で渦巻き状に切削することにより形
成することができる。尚、図中、θは円周方向を、Ｌは
長さ方向を示す。Ｘメインコイル２は、ボビン１の内周
面に密着して固定されており、Ｙメインコイル３は、Ｘ
メインコイル２に対し円周方向に９０度に回転して配置
される。またＺメインコイル４は、図示しないがソレノ
イド形で２つの部分より構成され、Ｙメインコイル３の
内側に固定されている。これら３組のコイル間は絶縁シ
ートが挟み込まれており、かつエポキシ樹脂接着剤で完
全に固定されている。これらメインコイルのコイル導体
に電流を流すことにより、ボビン内の計測空間にＸ方
向、Ｙ方向及びＺ方向の磁場勾配を形成する。

【００１９】キャンセルコイルは、メインコイルの発生
する傾斜磁界を傾斜磁場コイル１０の外側の空間におい
て打ち消すように作用する傾斜磁界を発生するもので、
メインコイルと同様にＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向に傾斜磁場
を発生する３つのコイルから成る。Ｘキャンセルコイル
５及びＹキャンセルコイル６は、図３に示すコイル導体
パターンと類似した４つの渦巻き部分から構成されてお
り、Ｘキャンセルコイル５はボビン１の外周面に密着し
て固定され、その外側の９０度回転した位置にＹキャン
セルコイル６が固定されている。Ｚキャンセルコイル７
はソレノイド形で２つの部分より構成され、Ｙキャンセ
ルコイル６の外側に固定されている。これら３組のコイ
ル間は絶縁シートが挟み込まれており、かつエポキシ樹
脂接着剤で完全に固定されている。

【００２０】次に、以上のように構成される傾斜磁場コ
イル１０の製造方法を典型的な大きさのコイルについて
説明する。まずマンデレルと称する直径６８cm、長さ１
５０cmの金属円柱に加熱して半硬化の状態にしたシート
状のＦＲＰ材（プリプレグ）を肉厚１０cmになるまで巻
きつけた後、ＦＲＰの樹脂を熱硬化させる。ＦＲＰ材の
固化後、マンデレルを引抜き内径６８cm、外径８８cm、
長さ１５０cmのＦＲＰの管状構造体（パイプ）をボビン
素材として形成する。

【００２１】次の工程で、このボビン素材の中心がスラ
イス旋盤の主軸と一致するように固定し、内周面８と外
周面９をそれぞれ切削加工して、内径７０cm、外径８６
cmとする。このときの切削加工は、旋盤にボビン素材を
一度セットすると、セットし直すことなく内周面８と外
周面９を加工している。これにより表面がなめらかにな
るだけでなく、内筒と外筒の真円度が飛躍的に高まる。
更に内筒と外筒の軸が旋盤の回転中心軸に完全に一致す
ることにより、ボビン４の肉厚が全周にわたって均一な
８cmとすることができる。このような切削加工のための
旋盤装置としては公知のＮＣスライス旋盤を採用するこ
とができる。

【００２２】このようにボビン１を製造した後、ボビン
１に各メインコイル及び各キャンセルコイルの取り付け
位置をマークするか、ガイドピンを取り付け、このマー
ク或いはガイドピンに合せて、メインコイル及びキャン
セルコイルを固定する。またボビンの外周面と内周面に
それぞれコイルをセットするための浅い凹部を形成して
もよい。このような凹部が内周面と外周面の切削加工時
に形成することができる。

【００２３】これらコイルの固定方法は予め３軸方向の
コイルを所定の位置関係の組合せたものをボビン１の内
周面にエポキシ樹脂系接着剤で固定してもよいし、Ｘメ
インコイル２、Ｙメインコイル３、Ｚメインコイル４を
順次絶縁シートを介して固定し、最後に樹脂モールドす
るようにしてもよい。本実施例によればこのように高真
円度且つ低偏心率で内面及び外面が形成された管状のボ
ビンにメインコイルとキャンセルコイルを固定すればよ
いので、コイル間の間隔が精度高く組立ることができ
る。しかもこの精度はボビンの加工寸法精度に関連する
ので、アクティブシールド形傾斜磁場コイルの品質管理
を容易に行うことができる。

【００２４】次に本発明のアクティブシールド形傾斜磁
場コイルの他の実施例について説明する。図４はこのア
クティブシールド形傾斜磁場コイルの右側面図で、この
傾斜磁場コイルが図１に示す実施例と異なるところは、
ボビン１’の内部に空洞１１を設けたことである。ボビ
ン１’の内側に配置されるＸ、Ｙ、Ｚ軸方向のメインコ
イル及び外側に配置されるＸ、Ｙ、Ｚ軸方向のキャンセ
ルコイルの構成は図１の実施例と全く同様であるので説
明を省略する。

【００２５】この実施例において空洞１１は、冷気等の
冷媒を送風することによりコイルの放熱効果を高めるこ
とができ、またコイルの軽量化を図ることができる。冷
媒としては冷却された空気、窒素等を用いてもよいが、
静磁場発生用の超伝導コイルの冷却用に用いた後の排出
ヘリウムを利用することができる。クライオ容器のヘリ
ウムの排出口とこの空洞の端部とを連結することによ
り、冷却気体の供給源を新たに設けることなく、傾斜磁
場コイルの放熱を図ることができる。

【００２６】図４の傾斜磁場コイルを製造する方法を典
型的な大きさのコイルについて説明する。直径６８cm、
長さ１５０cmのマンデレルにボビン材料である半硬化の
シート状ＦＲＰ材を肉厚４cmになるまで巻きつける。こ
のＦＲＰ材の上に、空洞１１用の直径３cmの細長いパイ
プを全周に均等に配置する。本実施例では２４本のパイ
プを配置しているが、パイプの数がこれに限定されな
い。空洞用のパイプの材料としてはＦＲＰのマトリック
ス樹脂であるエポキシ樹脂や、塩ビ系樹脂など耐熱性に
優れた樹脂を適宜用いることができる。パイプを配置し
た後、更にシート状ＦＲＰ材を巻きつけ全体の肉厚が１
０cmになるように仕上げ、マトリックス樹脂を熱硬化さ
せる。樹脂が固化した後マンデレルを引抜き、内径６８
cm、外径８８cm、長さ１５０cmのＦＲＰの管状構造体を
形成する。

【００２７】次の工程では、図１の実施例と同様にこの
ボビン素材をスライス旋盤に取り付けて内周面８と外周
面９をそれぞれ切削加工して、内径７０cm、外径８６cm
とする。これにより、内筒と外筒の真円度が高く、全周
にわたって均一な８cmの肉厚とすることができる。更に
第１の実施例と同様にメインコイル２、３、４及びキャ
ンセルコイル５、６、７を旋盤後のボビンの内周面８及
び外周面９に固定し、傾斜磁場コイルを製造する。

【００２８】尚、以上の説明ではボビン素材の製造工程
中で、半硬化ＦＲＰの周囲に直線状のパイプを複数本配
置して空洞１１を形成する構成としたが、１本或いは数
本のパイプをスパイラル状に巻きつけて空洞を形成して
もよく、この場合にも図４の実施例と同様の効果が得ら
れる。また以上の説明において例示したボビンの寸法は
単なる例示であって、本発明の磁場発生用コイルは静磁
場発生磁石のボア径や熱シールド板の位置等のＭＲＩ装
置の他の要素との関係で最適に決められる。

【００２９】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように本発明
の磁場発生コイルによれば、メインコイルと、このメイ
ンコイルの発生する磁場をコイルの外側において打消す
ような磁場を発生するキャンセルコイルとを組合せたア
クティブシールド形傾斜磁場コイルにおいて、メインコ
イルとキャンセルコイルとを、単一の構造体に固定する
ようにしたので、メインコイルとキャンセルコイルの位
置精度を高めることができ、渦電流の発生を効果的に抑
え、精度の高い傾斜磁場を発生することが可能となる。
これにより空間分解能の高い画像や質の高い局所スペク
トルが得られる。

【００３０】また本発明の磁場発生コイルによれば、メ
インコイルとキャンセルコイルを固定する構造体に冷媒
を通す空洞を設けたことにより、コイルの放熱効果を高
めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施例によるアクティブシー
ルド形傾斜磁場コイルの軸断面図。

【図２】 図１の傾斜磁場コイルのＡ−Ａ断面図。

【図３】 メインコイルのパターンの１実施例を示す
図。

【図４】 本発明の第２の実施例によるアクティブシー
ルド形傾斜磁場コイルの軸断面図。

【図５】 従来のＭＲＩ装置用磁場発生コイルの全体構
成図。

【図６】 渦電流の発生とその抑制を示す図で、（ａ）
は希望するパルス磁場、（ｂ）は渦電流がある場合のパ
ルス磁場、（ｃ）は渦電流を補償する電流波形、（ｄ）
は（ｃ）により形成されるパルス磁場を示す。

【図７】 従来のＭＲＩ装置用磁場発生コイルの全体構
成図。

【符号の説明】

１、１’・・・・・・ボビン（管状構造体） ２・・・・・・Ｘメインコイル（第１のコイル導体） ３・・・・・・Ｙメインコイル（第１のコイル導体） ４・・・・・・Ｚメインコイル（第１のコイル導体） ５・・・・・・Ｘメインコイル（第２のコイル導体） ６・・・・・・Ｙメインコイル（第２のコイル導体） ７・・・・・・Ｚメインコイル（第２のコイル導体） ８・・・・・・内周面 ９・・・・・・外周面 １０・・・・・・傾斜磁場コイル １１・・・・・・空洞

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】互いに直交する三軸の方向に第１の傾斜磁
   界を発生する第１のコイル導体と、前記第１の傾斜磁界
   を打ち消すように作用する第２の傾斜磁界を発生する第
   ２のコイル導体と、前記第１及び第２のコイル導体を支
   持する構造体とを有し、 前記構造体は、単一部材を加工して形成したものであっ
   て、被検体の配置される空間に面する第１の面と、外側
   の空間に面する第２の面とを備え、 前記第１のコイル導体は、前記構造体の前記第１の面に
   固定され、前記第２のコイル導体は、前記構造体の前記
   第２の面に固定されている ことを特徴とする磁気共鳴イ
   メージング装置用磁場発生コイル。
2. 【請求項２】前記構造体は、前記第１のコイルと前記第
   ２のコイルとの間に空洞を有することを特徴とする請求
   項１記載の磁気共鳴イメージング装置用磁場発生コイ
   ル。
3. 【請求項３】被検体の置かれる空間に静磁場を発生する
   静磁場発生手段と、前記空間に傾斜磁場を発生する傾斜
   磁場発生手段とを備え、核磁気共鳴を利用して被検体の
   断層像やスペクトルを測定する磁気共鳴イメージング装
   置において、前記傾斜磁場発生手段として、請求項１又
   は２に記載の磁場発生コイルを用いたことを特徴とする
   磁気共鳴イメージング装置。