JP3702047B2 - 勾配磁場コイル - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、頭部を撮影するための磁気共鳴映像装置に係り、特に、駆動時に発生するトルクが十分に小さく、かつ、頭部全体にわたって良好な勾配磁場線形性を有する勾配磁場コイルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、医用診断装置の開発が進められるなかで、磁気共鳴映像装置（ＭＲＩ）の研究開発が活発に行われている。磁気共鳴映像法はよく知られているように、固有の磁気モーメントを持つ核スピンの集団が一様な静磁場中に置かれた時に、特定の周波数で回転する高周波磁場のエネルギーを共鳴的に吸収する現象を利用して、物質の化学的および物理的な微視的情報を映像化する方法である。同方法は、生体の形態情報をハイコントラストで画像化できるばかりではなく、血液等の流れ情報、拡散情報、化学シフト情報、酸化／還元ヘモグロビンの磁化率の差を利用した脳機能情報等のさまざまな機能情報も画像化できる方法として、大きな注目を集めている。
【０００３】
特に、エコープラナー法（ＥＰＩ）に代表される超高速ＭＲＩ、ＦａｓｔＳＥ(Spin Echo) やＧＲＡＳＥ(Gradient Echo And Spin Echo) などの高速撮像法の発展かめざましい。これらの撮像法の画質向上と撮像時間短縮のためには、勾配磁場性能の大幅な向上（磁場勾配強度の大幅アップとスイッチング時間の大幅短縮）が要求される。最近になって、アクセラレータ等の勾配磁場電源技術の進歩によって、勾配磁場性能の大幅な向上が実現されつつある。
【０００４】
ただし、超高速スキャンを実施するにあたっては、騒音レベルの大幅アップ、勾配磁場時間変化率（ｄＢ／ｄｔ）の増大による磁気刺激の発生、抵抗発熱の大幅アップによるリアルタイム性の制約、などの深刻な問題が生じる。これらの問題の抜本的な解決なしには、臨床の場のルーチン検査として超高速スキャンなどが広く普及する可能性は少ない。
【０００５】
近年、頭部撮像に限って上記の問題を打開する方法として、全身用ＭＲＩシステムに搭載可能な各種の頭部用小型勾配磁場コイルが提案されている。これは、口径を小さくすることで単位電流の生成する磁場の大きさが大きくなり、全身用勾配磁場コイルと比較してインダクタンスや抵抗が数分のーであり、より大きな勾配磁場強度が得られるためである。また、撮像領域（頭部）以外に大きな強度の勾配磁場が患者にかからないので、ｄＢ／ｄｔも全身用の勾配磁場コイルと比べて（同一磁場勾配強度のとき）小さくなり、磁気刺激が問題にならないレベルが実現できる。
【０００６】
しかし、従来の小型勾配磁場コイルには以下に述ベるような問題があった。 まず、短軸型ＡＳＧＣ（アクティブシールド型勾配磁場コイル）は主コイルとシールドコイルの２重円筒からなり、従来問題であった渦電流磁場強度が大幅に抑制される特長を持つ。同Ｇコイルは所望の勾配磁場を形成するための磁場形成電流部分と単にそれらの電流を帰すだけのリターン電流部分とから構成されており、頭部のように肩までの軸長（２０ｃｍ以下）が制限されている場合には、リターン電流部の影響が深刻で頭部撮像領域が大幅に制限（大脳がやっとで小脳や脳幹までは撮像不可）されてしまうという問題があった。
【０００７】
また、他の従来例として、Ｇコイルの頭部挿入側の電流リターン部をもう一方の電流リターンの方へ集中配置した非対称型勾配磁場コイルが提案されている。図９はレーマーによって提案された横方向勾配磁場コイルの図であり、特開平５−２６９０９９号にて開示されている。この非対称型勾配磁場コイルの採用により、撮像視野が軸長に対して占める割合が大きくなり、肩までの軸長が制限されたＧコイルの場合に必要な頭部撮像領域を得ることが可能になった。しかし、同コイルは、非対称な電流バターンに働くローレンツ力によってトルクが発生するという深刻な問題があった。また、アクティブシールド型でないため漏洩磁場が全く抑制されておらず、残留渦電流磁場も問題となる。
【０００８】
さらに他の従来例として、非対称＆トルクキャンセルＧコイルが提案されている。この方法の公知例として、ＡｂｄｕｌｊａｌｉｌらとＰｅｔｒｏｐｏｕｌｏｓｔらがそれぞれ提案しているコイルがある（いずれも１９９３年のＳｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｉｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅで発表されている）。前者は、非対称Ｇコイルと同一の半径の円筒上にトルクキャンセルコイル部を付加したもので、電流パターンを図１０に示す。図１０に示されるように、付加されたトルクキャンセルコイル部のパターンは基本的には非対称Ｇコイル側のパターンとほぼ同じ数・サイズを有するので、トルクキャンセルコイル部のインダクタンスは、非対称Ｇコイル部のそれと同じであり、したがつて（それらの相互インダクタンスは小さいので）合計のインダクタンスは、本来の磁場コイルのほぼ２倍になる。これは、同一のアンプでコイルを駆動する際のスイッチング時間が２倍要するという欠点をもたらす。しかも、漏洩磁場は全くシールドされていない。
【０００９】
一方、後者は非対称Ｇコイル部とトルクキャンセルコイル部が２重円筒をなすように構成される。これはＡＳＧＣのそれと似ていることから分かるように、漏洩磁場を打ち消す効果も合わせ持つことが期待される。この方式の欠点は、第１に、コイルの半径のサイズが制限される場合にはトルクキャンセルコイルによる勾配磁場打ち消し効果が大きくなるため、所定の磁場勾配強度を得るにはターン数が増加してインダクタンスが大幅に大きくなるという点である。同時に、これは導体断面面積の減少・抵抗発熱の増大をもたらした。第２の欠点は、２重円筒の軸長が制限されていることから生じている。つまり、インダクタンスの増大をさけるために外半径を大きくした場合、トルクキャンセルと漏洩磁場シールド効果を両立できないという点である。つまり、非対称Ｇコイル部の生成する磁束は外部へ向かって広がっていくため、それを抑えるトルクキャンセル部の電流分布も当然広がる必要があるが、肩で軸長が制限されているので必要な電流分布を実現できなかった。逆に、漏洩磁場をシールドする電流パターンは非対称Ｇコイル部から１対１で決まり、軸長の制限から残留トルクが発生する。これは、Ｇコイルの移動、振動、寝台との共振などの問題を発生させる危険性があった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、漏洩磁場シールド効果を維持し、しかもトルクキャンセルを実現し得る勾配磁場コイルを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、主コイルとシールドコイルとが接合部材により１つの構造体として接合されてなる勾配磁場コイルにおいて、前記主コイルと前記シールドコイルは同軸二重円筒コイルを構成し、静磁場中に置かれた前記主コイルに電流を流した際に生じるローレンツ力により前記構造体に働くトルクと、前記シールドコイルに電流を流した際に生じるローレンツ力により前記構造体に働くトルクとが釣合うように、前記主コイルと前記シールドコイルそれぞれの電流分布の大きさの比が、前記主コイルと前記シールドコイルとの半径比に基づいて決定され、かつ前記主コイルの電流分布をフーリエ変換して得られるＦＫ１（ｍ，ｋ）のｋに関する微分と、前記シールドコイルの電流分布をフーリエ変換して得られるＦＫ２（ｍ，ｋ）のｋに関する微分との比が、ｋ＝０において半径比×（−１）に等しくなるように、前記主コイルの電流分布と前記シールドコイルの電流分布各々の大きさが決定されている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る勾配磁場コイルの具体的実施形態について、詳細な説明を行う。図１は、本実施形態による勾配磁場コイルが組み込まれる磁気共鳴映像装置の構成を示すブロック図である。同図において、静磁場磁石１０１は励磁用電源１０２に駆動され、撮像領域内に静磁場を発生する。なお、説明の便宜上、撮像領域の中心を原点として、静磁場の向きと平行にＺ軸を規定し、直交３軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を定義する。撮影時には、被検体１０６は図示しない寝台により撮像領域にその体軸がＺ軸に略平行になるように載置される。
【００２０】
アクティブシールド型勾配磁場コイルセットは、勾配コイル用電源１０５により駆動され、外部への漏洩磁場を抑えながら、撮像領域内にＸＹＺ各軸に関する勾配磁場を個別に形成することができるように、ＸＹＺ各軸に対応する３組の勾配磁場コイルを有している。各勾配コイルは、主コイル１０３とシールドコイル１０４とを有する。主コイル１０３とシールドコイル１０４とは、直列接続され、共通の勾配コイル用電源１０５で単一駆動されてもよいし、複数の勾配コイル用電源１０５で分割駆動されてもよい。
【００２１】
渦補償回路１０７は、システムコントローラ１１６からの矩形信号（又は台形信号）を入力し、これを渦磁場時間応答補償のために整形する。シムコイル１０８は、シムコイル用電源１０９に駆動され、静磁場の均一性を向上させるための磁場を発生する。
【００２２】
プローブ（高周波コイル又はＲＦコイルとも呼ばれる）１１１は、送信部１１０から高周波信号の供給を受けて、撮像領域内に高周波磁場を発生する。高周波磁場により、被検体１０６の撮影対象とされる原子核のスピンの回転軸が倒され（励起され）、また位相の進み遅れが反転される。スピンが初期状態に戻る緩和過程で磁気共鳴信号が発生し、この磁気共鳴信号はプローブ１１１を介して受信部１１３で受信される。なお、ここではプローブ１１１は送受信兼用としているが、送信専用プローブと受信専用プローブとに分離してもよい。
【００２３】
このプローブ１１１と勾配磁場コイルの主コイル１０３との間には、高周波シールド１１２が配設されている。
プローブ１１１を介して受信された磁気共鳴信号は、受信部１１３で検波され、さらにデータ収集部１１４でディジタル信号に変換された後、データ処理部１１５に送られる。データ処理部１１５は、データ収集部１１４から送られたデータに対してフーリエ変換等の処理を施し、被検体内部の所望原子核の密度分布や脳機能画像等の画像データを再構成する。再構成された画像データは、画像ディスプレイ１１８に表示される。
【００２４】
システムコントローラ１１６は、コンソール１１７からの指令を受けて、励磁用電源１０２、勾配コイル用電源１０５、シムコイル用電源１０９、送信部１１０、受信部１１３、データ収集部１１４を制御する。
【００２５】
図２は勾配磁場コイルセットのうちのＸ軸に対応する勾配磁場コイルの概略的なＸ×Ｚ面断面図を示す。ＦＯＶは撮像領域を示す。図２において斜線部は順方向に電流が流れる部分（磁場形成電流部分）を表し、網線部は逆方向に電流が流れる部分（リターン電流部分）を表している。図３（ａ）は図２の主コイル１０３の展開図を示し、図３（ｂ）は図２のシールドコイル１０４の展開図を示している。
【００２６】
なお、Ｙ軸に対応する勾配磁場コイルについては、Ｘ軸に対応する勾配磁場コイルをＺ軸に関して略９０°回転したものと同一であるので、ここでは省略する。
【００２７】
主コイル１０３は、少なくとも一対の指紋状パターンコイルがＺ軸を中心として対向した状態で円弧状に設けられる。シールドコイル１０４は、少なくとも一対の指紋状パターンコイルがＺ軸を中心として対向した状態で、主コイル１０３の外側に、同じＺ軸を中心として円弧状に設けられる。主コイル１０３とシールドコイル１０４とは、軸心が同一の２重円筒コイルとして、円筒状の接合部材１２０に含浸され、また適宜、接合ネジ等を併用して強固に接合され、物理的に１つの構造体として形成される。
【００２８】
主コイル１０３は、磁場形成電流部分のコイルパターンとリターン電流部分のコイルパターンとが非対称な、いわゆる非対称Ｇコイルとして構成される。半径方向に関して、主コイル１０３とシールドコイル１０４とには逆向きに電流がながれるように、主コイル１０３とシールドコイル１０４とは直列接続され、又は勾配コイル用電源１０５からそれぞれ電流が供給される。これにより主コイル１０３からの漏洩磁場の少なくとも一部は、シールドコイル１０４からの磁場により打ち消される。
（第１の実施形態）
第１の実施形態では、シールドコイル１０４の電流分布は、以下のように決定されることにより、シールド効果と共に、接合部材１２０にかかるトルクをキャンセルする又は少なくとも低減するという効果を獲得することができる。なお、Ｚ軸まわりの円周方向の角度をφで表すものとする。なお、ここではＸ軸に対応する勾配磁場コイルを対象に説明するが、Ｙ軸に対応する勾配磁場コイルにおけるシールドコイルの電流分布の設計方法については、以下に説明するＸ軸に対応する勾配磁場コイルのシールドコイルの電流分布の設計方法と同様であるので、ここでは省略する。
【００２９】
まず、静磁場中の円筒状コイルに働くトルクＮｔｑは、式（１）で与えられる。なお、電流密度の円周方向成分のＺ軸に関する空間的分布（以下、「電流分布」を略称する）をｋφ（φ，ｚ）、ρを円筒の半径、Ｂ0 を静磁場強度とする。
【００３０】
【数１】
ここで、ｋφ（φ，ｚ）のフーリエ変換ＦＫ（ｍ．ｋ）は式（２）で定義される。
【００３１】
【数２】
式（２）を式（１）に代入すると、式（１）は式（３）に変形される。
【００３２】
【数３】
【００３３】
なお、Im｛｝は虚部を表す。この式（３）は円筒面上の電流分布に応じて働くトルクの一般式であり、導出に際してはフーリエ変換が収束すること以外に仮定をしていない。したがって、静磁場中に置かれた主コイル１０３に電流を流した際に生じるローレンツ力により円筒状の接合部材１２０に働くトルクに対して、静磁場中に置かれたシールドコイル１０４に電流を流した際に生じるローレンツ力により円筒状の接合部材１２０に働くトルクが、逆向きに同強度でかかり、これらの合成トルクが実質的にゼロになるための条件式を、以下の式（４）として表すことができる。ここで、ρ１は主コイル１０３の半径、ρ２はシールドコイル１０４の半径、ｋ1 （φ，ｚ）は主コイル１０３の電流分布であり、ｋ2 （φ，ｚ）はシールドコイル１０４の電流分布である。図４（ａ）にｋ1 （φ，ｚ）、図４（ｂ）にｋ2 （φ，ｚ）の一例を示す。
【００３４】
【数４】
【００３５】
式（４）は、つまり主コイル１０３の電流分布をフーリエ変換して得られるＦＫ１（ｍ，ｋ）と、シールドコイル１０４の電流分布をフーリエ変換して得られるＦＫ２（ｍ，ｋ）とのｋについての微分の比が、ｋ＝Ｏにおいて半径比×（−１）に等しくなるように、主コイル１０３の電流分布とシールドコイル１０４の電流分布各々の大きさが決定されることを意味する。
【００３６】
実際的には、必要な撮像領域ＦＯＶに応じて決定されている主コイル１０３の電流分布ｋ1 （φ，ｚ）に対して、主コイル１０３の半径ρ１とシールドコイル１０４の半径ρ２とに基づいて、上記式（４）を満たすように、シールドコイル１０４の電流分布ｋ2 （φ，ｚ）を決定することににより、シールド効果を維持しながら、トルクキャンセルを実現できる。
【００３７】
次に、より実際的なトルクキャンセルのためのシールドコイル１０４の電流分布ｋ2 （φ，ｚ）の決定方法について説明する。被検体１０６の頭部全体にわたって良好な線形性を実現するように主コイル１０３の電流分布が決定され、シールドコイル１０４の電流分布の関数形を定めると、上記式（４）より、シールドコイル１０４の電流分布関数の重みが決定されることになる。このとき、シールドコイル１０４が勾配磁場線形性に与える影響を無視したが、この影響を考虜することも可能であり、主コイル１０３の電流分布を設定する際に予めシールドコイル１０４による磁場非線形性（これは関数形で決まる）を打ち消すようにすれば良い。これは、主コイル１０３の全アンペア・ターンとシールドコイル１０４の全アンペア・ターンとが式（４）を介して比例関係にあることから可能となる。
【００３８】
さて、式（４）はさらに重要な情報を提供する。すなわち、トルクを発生させるのは、Ｘコイルの場合、ｋ （φ，ｚ）のcos(φ）成分のみであるという点である。このことから、任意の非対称な主コイル１０３に働くトルクをキャンセルするためには、ｋ2 （φ，ｚ）はcos(φ）成分のみを有するように設定してもよい。あるいは、cos(φ）以外の成分を積極的に利用して、ｋ2 （φ，ｚ）を次の式（５）のようにcos(ｍ・φ）（ｍ＝１、３、５、・・・）の和として表現し、各ｍ成分の重みｗｔ（ｍ）は全インダクタンスを最小にする、などの拘束条件（評価関数）から決定してもよい。
【００３９】
【数５】
【００４０】
拘束条件としては、インダクタンスの他に勾配磁場線形性・抵抗などを設定することもできる。重みを決定するには、ラグランジュの未定定数法などの各種最適化手法を用いることができる。以上説明した方法により、シールドコイル１０４の電流分布を設定できるとともに、勾配磁場線形性・インダクタンスなどを最適に設定することが可能となる。
【００４１】
以上の説明は、ρ１＝ρ２の場合、つまり主コイル１０３とシールドコイル１０４とが中心軸が同じで且つ半径が同じ場合にも有効である。
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態によるシールドコイル１０４の電流分布の決定方法について説明する。電流分布の最も単純かつ理想的な設定は、ｋ1 （φ，ｚ）、ｋ2 （φ，ｚ）がともにcos(φ）成分のみを有する場合で、さらに望ましい設定は、シールドコイル１０４が主コイル１０３のつくる漏洩磁場をその外部でゼロにするように設定することである。このことは次に示すように可能である。即ち、Ｍａｎｓｆｉｅｌｄらの特許（ＵＫ Ｐａｔｅｎｔ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ＧＢ ２１８０９４３Ａ）にも記述されているとおり、漏洩磁場を完全にシールドする条件は式（６）で与えられる。
【００４２】
【数６】
Im（）は第１種の変形ベッセル関数である。これがトルクキャンセル条件を表す式（４）を満たすことを確認しよう。数学公式集によれば、
【００４３】
【数７】
である。したがって、式４と式６は両立する。すなわち、理想的、つまり無限の軸長を有する非対称ＡＳＧＣは、トルクを発生しないということがいえる。このとき、インダクタンスは、
【００４４】
【数８】
と近似的に求められる。ここで、Ｌは同一勾配磁場強度を有する非対称アクティブシールド勾配磁場コイルのインダクタンスを表し、Ｌ0 は非シールド型非対称勾配磁場コイル（半径ρ１）のインダクタンスである。したがって、
【００４５】
【数９】
ならば、Ｌは、２×Ｌ0 より小さく、上述のように、Ａｂｄｕｌｊａｌｉｌらの非対称でトルクキャンセルの勾配磁場コィル（インダクタンスはＬ〜２・Ｌ0 ）に対してインダクタンスの面でも有利となる。
【００４６】
主コイル１０３がつくる漏洩磁場の磁束は、主コイル１０３のコイル面から離れるほど広がるので、シールドコイル１０４の軸長は、必然的に主コイル１０３の軸長よりも長くなり、シールドコイル１０４は主コイル１０３の端部より突出した構造になってしまう。
【００４７】
このことは頭部用勾配磁場コイルの場合には次のような問題を生じさせてしまう。つまり、撮像領域ＦＯＶが接合部材１２０の円筒端面から深い所に形成されてしまい、当該端面と被検体１０６の肩が干渉して、小脳や頸部が、撮像領域ＦＯＶに届かないという事態が生じる。
【００４８】
この問題を解決して、接合部材１２０の円筒端面から撮像領域ＦＯＶまでの距離を短縮して（浅くして）、小脳や頸部が、撮像領域ＦＯＶに届くようにするためには、シールドコイル１０４の当該端の部分を主コイル１０３の端に合わせて切除することが必要になる。
【００４９】
このため、シールドコイル１０４の電流分布を、上述のように制限された軸長の中で実現する他なかった。これはシールド性能の点では大きな影響を与えないと思われるが、本来打ち消しているはずのトルクが残留していることを意味する。
【００５０】
この残留トルクの量は主コイル１０３に働くトルクの数％、すなわち数１０［Ｎ−ｍ］（勾配磁場強度＝２０［ｍＴ／ｍ］のとき）に達する。この残留トルクの発生により、勾配磁場コイルの移動や設置面での振動・共振が起こるという問題が生ずる。また、シールドコイル１０４の電流分布が円筒内におさまるように主コイル１０３の電流分布のＺ範囲を軸方向に狭くすることが考えられるが、このとき頭部撮影に十分な撮像領域ＦＯＶを得ることが難しい。
【００５１】
このように、シールドコイル１０４の端部分を切除すると、トルクが残留するという問題があり、第２の実施形態はこの問題を有効に解決する。具体的には以下のようにシールドコイル１０４の電流分布を決定する。
【００５２】
図５に第２の実施形態による勾配磁場コイルセットのうちのＸ軸に対応する勾配磁場コイルの概略的なＸ×Ｚ面断面図を示す。図５において、斜線部は順方向に電流が流れる部分（磁場形成電流部分）を表し、網線部は逆方向に電流が流れる部分（リターン電流部分）を表している。図６（ａ）は図５の主コイル１０３’の展開図を示し、図６（ｂ）は図５のシールドコイル１０４’の展開図を示している。図７（ａ）は図５の主コイル１０３’の電流分布を示し、図７（ｂ）は図５のシールドコイル１０４’の電流分布を示している。なお、図７（ｂ）の点線は、第１の実施形態の方法でトルクキャンセルするものとして決定された図４（ｂ）と同じシールドコイル１０４の電流分布を表している。
【００５３】
なお、ここでも、Ｙ軸に対応する勾配磁場コイルについては、Ｘ軸に対応する勾配磁場コイルをＺ軸に関して略９０°回転したものと同一であるので、ここでは省略する。
【００５４】
第１ステップでは、主コイル１０３’の電流分布が、所定の勾配磁場線形性が得られるように決定される。この方法自体は前述のＭａｎｓｆｉｅｌｄらの手法を改良することで実現できる。この主コイル１０３’の電流分布に基づいて、第１の実施形態で説明した方法でシールドコイル１０４’の電流分布を決定すると、そのコイルパターンは図６（ｂ）に点線で示したもの（第１の実施形態での図３（ｂ）と同じ）となり、また電流分布は図７（ｂ）に点線で示したもの（図４（ｂ）と同じ）となる。
【００５５】
ここで、上述の撮像領域ＦＯＶが深くなるという問題を解決するために、シールドコイル１０４’における主コイル１０３’の端部Ｚend より突出する部分（図６（ｂ）の点線部分）を切除すると、当該切除部分に相当する電流成分が実質的に円筒中心Ｃに近くなり、シールドコイル１０４’のトルクは、切除前バランスのとれていた主コイル１０３’のトルクより小さくなり、バランスは失われる。
【００５６】
そこで、本実施形態においては、この減少したトルクを補償して、主コイル１０３’のトルクとバランスをとってトルクキャンセルを達成するように、シールドコイル１０４’の電流分布を変更する。本実施形態では、この変更の方法を幾つか提供する。
【００５７】
１つの方法として、図６（ｂ）に示すように、被検体１０６の頭部挿入側とは反対側の撮像領域ＦＯＶから離れた部分に、電流分布を付加する方法である。付加する電流分布をｋadd(φ，ｚ）とおくと、式（１０）を満たすように、電流分布を付加する。Ｚｅは撮像領域ＦＯＶの中心０から、接合部材１２０の頭部挿入側端面までの距離である。
【００５８】
【数１０】
【００５９】
このような変更により被検体１０６から最も遠いターン群が被検体１０６から若干離れることになる。以上のような電流分布付加は、主コイル１０３’とシールドコイル１０４’の合成トルクをゼロに維持したまま、パターンの渦巻きの外側から１ターンないし数ターンの位置を若干遠ざけることに相当しており、勾配磁場線形性とシールド性能に与える影響は小さいと考えられる。
【００６０】
以上のようにすることで、シールド効果を維持しながら、頭部全体を覆う程度の広い撮像領域を獲得し、しかも、トルクキャンセルを同時に実現できる。
別の方法は、図８のようにMansfield らの方法で得られたシールドコイル１０４’のターン位置を、シールドコイル１０４’の重心を中心にして軸方向に数パーセント程度拡大させる方法である。こうすることで、シールドコイル１０４’のトルクを大きくでき、主コイル１０３’のトルクを等しくすることができる。拡大させるターンは、全てのターンでもよいし、一部のターンに限定してもよい。また、図８のように撮像領域ＦＯＶ内のターンを拡大してもよいし、電流リターン部分を拡大させてもよい。
【００６１】
これまでMansfield らのＡＳＧＣ設計方法により理想的なシールド電流分布を実現するときに、残留トルクが発生することを説明し、その解決方法を説明してきた。当然のことながら、残留トルクの発生は、他のＡＳＧＣ設計方法や、トルクキャンセルコイルの設計方法（特に連続電流分布を扱う場合）を使って設計される勾配磁場コイルにおいても同様に起こる。上記の設計方法は、この場合にも適用可能である。
【００６２】
以上は、シールドコイルの電流分布を調整し、シールドコイルから発生するトルクを増加させて主コイルから発生するトルクと相殺させてトルクキャンセルを実現した例であるが、逆に主コイルから発生するトルクを減少させて同様の効果を得るようにすることも可能である。この場合、主コイルの少なくとも一部のターン位置（軸方法）をコイル重心に近付けることになる。
【００６３】
なお、以上は頭部用横（ＸＹ）勾配磁場コイルを例に説明したものだが、頭部と同様に軸長が制限される部位（四肢など）でも同様のＧコイルを利用することが有益なことは言うまでもない。このような勾配磁場コイルの構造上の特徴は、２重円筒状コイルのそれぞれの導体の位置が、コイル両端で異なるという点である。図３はその典型的な例である。
本発明は上述した実施形態に限定されず種々変形して実施可能である。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明により、漏洩磁場シールド性能を維持しながら、トルクキャンセルを実現できる。同コイルを例えば頭部撮影に使用したとき、同一勾配磁場性能を持つ全身用勾配磁場コイルと比べて、騒音等が数分の１以下になることが予想される。このように、大幅に向上した勾配磁場性能をペースとして、高精細ＭＲＡ、脳機能ィメージング、Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ＆Ｐｅｒｆｕｓｉｏｎイメージングなどの次世代撮像法が、頭部ルーチン臨床検査として広く応用されていく可能性が高まる。また、音の静かな従来撮像法や、全身用勾配磁場コイルでも実現不可能な全く新しい頭部パルスシーケンス等の実現も期待出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る磁気共鳴映像装置の構成を示すブロック図。
【図２】第１の実施形態による勾配磁場コイルの縦断面図。
【図３】図２の主コイルとシールドコイル各々の円周方向に関する展開図。
【図４】図２の主コイルとシールドコイル各々の電流分布の一例を示す図。
【図５】第２の実施形態による勾配磁場コイルの縦断面図。
【図６】図５の主コイルとシールドコイル各々の円周方向に関する展開図。
【図７】図５の主コイルとシールドコイル各々の電流分布の一例を示す図。
【図８】図５のシールドコイルの電流ターンの拡大を示す図。
【図９】従来の非対称傾斜磁場コイルのコイルパターンを示す図。
【図１０】従来の非対称且つトルクキャンセルのコイルパターンを示す図。
【符号の説明】
１０１…静磁場磁石、
１０２…励磁用電源、
１０３…主コイル、
１０４…シールドコイル、
１０５…勾配コイル用電源、
１０６…被検体、
１０７…渦補償回路、
１０８…シムコイル、
１０９…シムコイル用電源、
１１０…送信部、
１１１…プローブ、
１１２…高周波シールド、
１１３…受信部、
１１４…データ収集部、
１１５…データ処理部、
１１６…システムコントローラ、
１１７…コンソール、
１１８…画像ディスプレイ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、頭部を撮影するための磁気共鳴映像装置に係り、特に、駆動時に発生するトルクが十分に小さく、かつ、頭部全体にわたって良好な勾配磁場線形性を有する勾配磁場コイルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、医用診断装置の開発が進められるなかで、磁気共鳴映像装置（ＭＲＩ）の研究開発が活発に行われている。磁気共鳴映像法はよく知られているように、固有の磁気モーメントを持つ核スピンの集団が一様な静磁場中に置かれた時に、特定の周波数で回転する高周波磁場のエネルギーを共鳴的に吸収する現象を利用して、物質の化学的および物理的な微視的情報を映像化する方法である。同方法は、生体の形態情報をハイコントラストで画像化できるばかりではなく、血液等の流れ情報、拡散情報、化学シフト情報、酸化／還元ヘモグロビンの磁化率の差を利用した脳機能情報等のさまざまな機能情報も画像化できる方法として、大きな注目を集めている。
【０００３】
特に、エコープラナー法（ＥＰＩ）に代表される超高速ＭＲＩ、ＦａｓｔＳＥ(Spin Echo) やＧＲＡＳＥ(Gradient Echo And Spin Echo) などの高速撮像法の発展かめざましい。これらの撮像法の画質向上と撮像時間短縮のためには、勾配磁場性能の大幅な向上（磁場勾配強度の大幅アップとスイッチング時間の大幅短縮）が要求される。最近になって、アクセラレータ等の勾配磁場電源技術の進歩によって、勾配磁場性能の大幅な向上が実現されつつある。
【０００４】
ただし、超高速スキャンを実施するにあたっては、騒音レベルの大幅アップ、勾配磁場時間変化率（ｄＢ／ｄｔ）の増大による磁気刺激の発生、抵抗発熱の大幅アップによるリアルタイム性の制約、などの深刻な問題が生じる。これらの問題の抜本的な解決なしには、臨床の場のルーチン検査として超高速スキャンなどが広く普及する可能性は少ない。
【０００５】
近年、頭部撮像に限って上記の問題を打開する方法として、全身用ＭＲＩシステムに搭載可能な各種の頭部用小型勾配磁場コイルが提案されている。これは、口径を小さくすることで単位電流の生成する磁場の大きさが大きくなり、全身用勾配磁場コイルと比較してインダクタンスや抵抗が数分のーであり、より大きな勾配磁場強度が得られるためである。また、撮像領域（頭部）以外に大きな強度の勾配磁場が患者にかからないので、ｄＢ／ｄｔも全身用の勾配磁場コイルと比べて（同一磁場勾配強度のとき）小さくなり、磁気刺激が問題にならないレベルが実現できる。
【０００６】
しかし、従来の小型勾配磁場コイルには以下に述ベるような問題があった。 まず、短軸型ＡＳＧＣ（アクティブシールド型勾配磁場コイル）は主コイルとシールドコイルの２重円筒からなり、従来問題であった渦電流磁場強度が大幅に抑制される特長を持つ。同Ｇコイルは所望の勾配磁場を形成するための磁場形成電流部分と単にそれらの電流を帰すだけのリターン電流部分とから構成されており、頭部のように肩までの軸長（２０ｃｍ以下）が制限されている場合には、リターン電流部の影響が深刻で頭部撮像領域が大幅に制限（大脳がやっとで小脳や脳幹までは撮像不可）されてしまうという問題があった。
【０００７】
また、他の従来例として、Ｇコイルの頭部挿入側の電流リターン部をもう一方の電流リターンの方へ集中配置した非対称型勾配磁場コイルが提案されている。図９はレーマーによって提案された横方向勾配磁場コイルの図であり、特開平５−２６９０９９号にて開示されている。この非対称型勾配磁場コイルの採用により、撮像視野が軸長に対して占める割合が大きくなり、肩までの軸長が制限されたＧコイルの場合に必要な頭部撮像領域を得ることが可能になった。しかし、同コイルは、非対称な電流バターンに働くローレンツ力によってトルクが発生するという深刻な問題があった。また、アクティブシールド型でないため漏洩磁場が全く抑制されておらず、残留渦電流磁場も問題となる。
【０００８】
さらに他の従来例として、非対称＆トルクキャンセルＧコイルが提案されている。この方法の公知例として、ＡｂｄｕｌｊａｌｉｌらとＰｅｔｒｏｐｏｕｌｏｓｔらがそれぞれ提案しているコイルがある（いずれも１９９３年のＳｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｉｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅで発表されている）。前者は、非対称Ｇコイルと同一の半径の円筒上にトルクキャンセルコイル部を付加したもので、電流パターンを図１０に示す。図１０に示されるように、付加されたトルクキャンセルコイル部のパターンは基本的には非対称Ｇコイル側のパターンとほぼ同じ数・サイズを有するので、トルクキャンセルコイル部のインダクタンスは、非対称Ｇコイル部のそれと同じであり、したがつて（それらの相互インダクタンスは小さいので）合計のインダクタンスは、本来の磁場コイルのほぼ２倍になる。これは、同一のアンプでコイルを駆動する際のスイッチング時間が２倍要するという欠点をもたらす。しかも、漏洩磁場は全くシールドされていない。
【０００９】
一方、後者は非対称Ｇコイル部とトルクキャンセルコイル部が２重円筒をなすように構成される。これはＡＳＧＣのそれと似ていることから分かるように、漏洩磁場を打ち消す効果も合わせ持つことが期待される。この方式の欠点は、第１に、コイルの半径のサイズが制限される場合にはトルクキャンセルコイルによる勾配磁場打ち消し効果が大きくなるため、所定の磁場勾配強度を得るにはターン数が増加してインダクタンスが大幅に大きくなるという点である。同時に、これは導体断面面積の減少・抵抗発熱の増大をもたらした。第２の欠点は、２重円筒の軸長が制限されていることから生じている。つまり、インダクタンスの増大をさけるために外半径を大きくした場合、トルクキャンセルと漏洩磁場シールド効果を両立できないという点である。つまり、非対称Ｇコイル部の生成する磁束は外部へ向かって広がっていくため、それを抑えるトルクキャンセル部の電流分布も当然広がる必要があるが、肩で軸長が制限されているので必要な電流分布を実現できなかった。逆に、漏洩磁場をシールドする電流パターンは非対称Ｇコイル部から１対１で決まり、軸長の制限から残留トルクが発生する。これは、Ｇコイルの移動、振動、寝台との共振などの問題を発生させる危険性があった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、漏洩磁場シールド効果を維持し、しかもトルクキャンセルを実現し得る勾配磁場コイルを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、主コイルとシールドコイルとが接合部材により１つの構造体として接合されてなる勾配磁場コイルにおいて、前記主コイルと前記シールドコイルは同軸二重円筒コイルを構成し、静磁場中に置かれた前記主コイルに電流を流した際に生じるローレンツ力により前記構造体に働くトルクと、前記シールドコイルに電流を流した際に生じるローレンツ力により前記構造体に働くトルクとが釣合うように、前記主コイルと前記シールドコイルそれぞれの電流分布の大きさの比が、前記主コイルと前記シールドコイルとの半径比に基づいて決定され、かつ前記主コイルの電流分布をフーリエ変換して得られるＦＫ１（ｍ，ｋ）のｋに関する微分と、前記シールドコイルの電流分布をフーリエ変換して得られるＦＫ２（ｍ，ｋ）のｋに関する微分との比が、ｋ＝０において半径比×（−１）に等しくなるように、前記主コイルの電流分布と前記シールドコイルの電流分布各々の大きさが決定されている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る勾配磁場コイルの具体的実施形態について、詳細な説明を行う。図１は、本実施形態による勾配磁場コイルが組み込まれる磁気共鳴映像装置の構成を示すブロック図である。同図において、静磁場磁石１０１は励磁用電源１０２に駆動され、撮像領域内に静磁場を発生する。なお、説明の便宜上、撮像領域の中心を原点として、静磁場の向きと平行にＺ軸を規定し、直交３軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を定義する。撮影時には、被検体１０６は図示しない寝台により撮像領域にその体軸がＺ軸に略平行になるように載置される。
【００２０】
アクティブシールド型勾配磁場コイルセットは、勾配コイル用電源１０５により駆動され、外部への漏洩磁場を抑えながら、撮像領域内にＸＹＺ各軸に関する勾配磁場を個別に形成することができるように、ＸＹＺ各軸に対応する３組の勾配磁場コイルを有している。各勾配コイルは、主コイル１０３とシールドコイル１０４とを有する。主コイル１０３とシールドコイル１０４とは、直列接続され、共通の勾配コイル用電源１０５で単一駆動されてもよいし、複数の勾配コイル用電源１０５で分割駆動されてもよい。
【００２１】
渦補償回路１０７は、システムコントローラ１１６からの矩形信号（又は台形信号）を入力し、これを渦磁場時間応答補償のために整形する。シムコイル１０８は、シムコイル用電源１０９に駆動され、静磁場の均一性を向上させるための磁場を発生する。
【００２２】
プローブ（高周波コイル又はＲＦコイルとも呼ばれる）１１１は、送信部１１０から高周波信号の供給を受けて、撮像領域内に高周波磁場を発生する。高周波磁場により、被検体１０６の撮影対象とされる原子核のスピンの回転軸が倒され（励起され）、また位相の進み遅れが反転される。スピンが初期状態に戻る緩和過程で磁気共鳴信号が発生し、この磁気共鳴信号はプローブ１１１を介して受信部１１３で受信される。なお、ここではプローブ１１１は送受信兼用としているが、送信専用プローブと受信専用プローブとに分離してもよい。
【００２３】
このプローブ１１１と勾配磁場コイルの主コイル１０３との間には、高周波シールド１１２が配設されている。
プローブ１１１を介して受信された磁気共鳴信号は、受信部１１３で検波され、さらにデータ収集部１１４でディジタル信号に変換された後、データ処理部１１５に送られる。データ処理部１１５は、データ収集部１１４から送られたデータに対してフーリエ変換等の処理を施し、被検体内部の所望原子核の密度分布や脳機能画像等の画像データを再構成する。再構成された画像データは、画像ディスプレイ１１８に表示される。
【００２４】
システムコントローラ１１６は、コンソール１１７からの指令を受けて、励磁用電源１０２、勾配コイル用電源１０５、シムコイル用電源１０９、送信部１１０、受信部１１３、データ収集部１１４を制御する。
【００２５】
図２は勾配磁場コイルセットのうちのＸ軸に対応する勾配磁場コイルの概略的なＸ×Ｚ面断面図を示す。ＦＯＶは撮像領域を示す。図２において斜線部は順方向に電流が流れる部分（磁場形成電流部分）を表し、網線部は逆方向に電流が流れる部分（リターン電流部分）を表している。図３（ａ）は図２の主コイル１０３の展開図を示し、図３（ｂ）は図２のシールドコイル１０４の展開図を示している。
【００２６】
なお、Ｙ軸に対応する勾配磁場コイルについては、Ｘ軸に対応する勾配磁場コイルをＺ軸に関して略９０°回転したものと同一であるので、ここでは省略する。
【００２７】
主コイル１０３は、少なくとも一対の指紋状パターンコイルがＺ軸を中心として対向した状態で円弧状に設けられる。シールドコイル１０４は、少なくとも一対の指紋状パターンコイルがＺ軸を中心として対向した状態で、主コイル１０３の外側に、同じＺ軸を中心として円弧状に設けられる。主コイル１０３とシールドコイル１０４とは、軸心が同一の２重円筒コイルとして、円筒状の接合部材１２０に含浸され、また適宜、接合ネジ等を併用して強固に接合され、物理的に１つの構造体として形成される。
【００２８】
主コイル１０３は、磁場形成電流部分のコイルパターンとリターン電流部分のコイルパターンとが非対称な、いわゆる非対称Ｇコイルとして構成される。半径方向に関して、主コイル１０３とシールドコイル１０４とには逆向きに電流がながれるように、主コイル１０３とシールドコイル１０４とは直列接続され、又は勾配コイル用電源１０５からそれぞれ電流が供給される。これにより主コイル１０３からの漏洩磁場の少なくとも一部は、シールドコイル１０４からの磁場により打ち消される。
（第１の実施形態）
第１の実施形態では、シールドコイル１０４の電流分布は、以下のように決定されることにより、シールド効果と共に、接合部材１２０にかかるトルクをキャンセルする又は少なくとも低減するという効果を獲得することができる。なお、Ｚ軸まわりの円周方向の角度をφで表すものとする。なお、ここではＸ軸に対応する勾配磁場コイルを対象に説明するが、Ｙ軸に対応する勾配磁場コイルにおけるシールドコイルの電流分布の設計方法については、以下に説明するＸ軸に対応する勾配磁場コイルのシールドコイルの電流分布の設計方法と同様であるので、ここでは省略する。
【００２９】
まず、静磁場中の円筒状コイルに働くトルクＮｔｑは、式（１）で与えられる。なお、電流密度の円周方向成分のＺ軸に関する空間的分布（以下、「電流分布」を略称する）をｋφ（φ，ｚ）、ρを円筒の半径、Ｂ0 を静磁場強度とする。
【００３０】
【数１】
【００３１】
【数２】
【００３２】
【数３】
なお、Im｛｝は虚部を表す。この式（３）は円筒面上の電流分布に応じて働くトルクの一般式であり、導出に際してはフーリエ変換が収束すること以外に仮定をしていない。したがって、静磁場中に置かれた主コイル１０３に電流を流した際に生じるローレンツ力により円筒状の接合部材１２０に働くトルクに対して、静磁場中に置かれたシールドコイル１０４に電流を流した際に生じるローレンツ力により円筒状の接合部材１２０に働くトルクが、逆向きに同強度でかかり、これらの合成トルクが実質的にゼロになるための条件式を、以下の式（４）として表すことができる。ここで、ρ１は主コイル１０３の半径、ρ２はシールドコイル１０４の半径、ｋ1 （φ，ｚ）は主コイル１０３の電流分布であり、ｋ2 （φ，ｚ）はシールドコイル１０４の電流分布である。図４（ａ）にｋ1 （φ，ｚ）、図４（ｂ）にｋ2 （φ，ｚ）の一例を示す。
【００３４】
【数４】
式（４）は、つまり主コイル１０３の電流分布をフーリエ変換して得られるＦＫ１（ｍ，ｋ）と、シールドコイル１０４の電流分布をフーリエ変換して得られるＦＫ２（ｍ，ｋ）とのｋについての微分の比が、ｋ＝Ｏにおいて半径比×（−１）に等しくなるように、主コイル１０３の電流分布とシールドコイル１０４の電流分布各々の大きさが決定されることを意味する。
【００３６】
実際的には、必要な撮像領域ＦＯＶに応じて決定されている主コイル１０３の電流分布ｋ1 （φ，ｚ）に対して、主コイル１０３の半径ρ１とシールドコイル１０４の半径ρ２とに基づいて、上記式（４）を満たすように、シールドコイル１０４の電流分布ｋ2 （φ，ｚ）を決定することににより、シールド効果を維持しながら、トルクキャンセルを実現できる。
【００３７】
次に、より実際的なトルクキャンセルのためのシールドコイル１０４の電流分布ｋ2 （φ，ｚ）の決定方法について説明する。被検体１０６の頭部全体にわたって良好な線形性を実現するように主コイル１０３の電流分布が決定され、シールドコイル１０４の電流分布の関数形を定めると、上記式（４）より、シールドコイル１０４の電流分布関数の重みが決定されることになる。このとき、シールドコイル１０４が勾配磁場線形性に与える影響を無視したが、この影響を考虜することも可能であり、主コイル１０３の電流分布を設定する際に予めシールドコイル１０４による磁場非線形性（これは関数形で決まる）を打ち消すようにすれば良い。これは、主コイル１０３の全アンペア・ターンとシールドコイル１０４の全アンペア・ターンとが式（４）を介して比例関係にあることから可能となる。
【００３８】
さて、式（４）はさらに重要な情報を提供する。すなわち、トルクを発生させるのは、Ｘコイルの場合、ｋ （φ，ｚ）のcos(φ）成分のみであるという点である。このことから、任意の非対称な主コイル１０３に働くトルクをキャンセルするためには、ｋ2 （φ，ｚ）はcos(φ）成分のみを有するように設定してもよい。あるいは、cos(φ）以外の成分を積極的に利用して、ｋ2 （φ，ｚ）を次の式（５）のようにcos(ｍ・φ）（ｍ＝１、３、５、・・・）の和として表現し、各ｍ成分の重みｗｔ（ｍ）は全インダクタンスを最小にする、などの拘束条件（評価関数）から決定してもよい。
【００３９】
【数５】
拘束条件としては、インダクタンスの他に勾配磁場線形性・抵抗などを設定することもできる。重みを決定するには、ラグランジュの未定定数法などの各種最適化手法を用いることができる。以上説明した方法により、シールドコイル１０４の電流分布を設定できるとともに、勾配磁場線形性・インダクタンスなどを最適に設定することが可能となる。
【００４１】
以上の説明は、ρ１＝ρ２の場合、つまり主コイル１０３とシールドコイル１０４とが中心軸が同じで且つ半径が同じ場合にも有効である。
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態によるシールドコイル１０４の電流分布の決定方法について説明する。電流分布の最も単純かつ理想的な設定は、ｋ1 （φ，ｚ）、ｋ2 （φ，ｚ）がともにcos(φ）成分のみを有する場合で、さらに望ましい設定は、シールドコイル１０４が主コイル１０３のつくる漏洩磁場をその外部でゼロにするように設定することである。このことは次に示すように可能である。即ち、Ｍａｎｓｆｉｅｌｄらの特許（ＵＫ Ｐａｔｅｎｔ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ＧＢ ２１８０９４３Ａ）にも記述されているとおり、漏洩磁場を完全にシールドする条件は式（６）で与えられる。
【００４２】
【数６】
【００４３】
【数７】
【００４４】
【数８】
【００４５】
【数９】
【００４６】
主コイル１０３がつくる漏洩磁場の磁束は、主コイル１０３のコイル面から離れるほど広がるので、シールドコイル１０４の軸長は、必然的に主コイル１０３の軸長よりも長くなり、シールドコイル１０４は主コイル１０３の端部より突出した構造になってしまう。
【００４７】
このことは頭部用勾配磁場コイルの場合には次のような問題を生じさせてしまう。つまり、撮像領域ＦＯＶが接合部材１２０の円筒端面から深い所に形成されてしまい、当該端面と被検体１０６の肩が干渉して、小脳や頸部が、撮像領域ＦＯＶに届かないという事態が生じる。
【００４８】
この問題を解決して、接合部材１２０の円筒端面から撮像領域ＦＯＶまでの距離を短縮して（浅くして）、小脳や頸部が、撮像領域ＦＯＶに届くようにするためには、シールドコイル１０４の当該端の部分を主コイル１０３の端に合わせて切除することが必要になる。
【００４９】
このため、シールドコイル１０４の電流分布を、上述のように制限された軸長の中で実現する他なかった。これはシールド性能の点では大きな影響を与えないと思われるが、本来打ち消しているはずのトルクが残留していることを意味する。
【００５０】
この残留トルクの量は主コイル１０３に働くトルクの数％、すなわち数１０［Ｎ−ｍ］（勾配磁場強度＝２０［ｍＴ／ｍ］のとき）に達する。この残留トルクの発生により、勾配磁場コイルの移動や設置面での振動・共振が起こるという問題が生ずる。また、シールドコイル１０４の電流分布が円筒内におさまるように主コイル１０３の電流分布のＺ範囲を軸方向に狭くすることが考えられるが、このとき頭部撮影に十分な撮像領域ＦＯＶを得ることが難しい。
【００５１】
このように、シールドコイル１０４の端部分を切除すると、トルクが残留するという問題があり、第２の実施形態はこの問題を有効に解決する。具体的には以下のようにシールドコイル１０４の電流分布を決定する。
【００５２】
図５に第２の実施形態による勾配磁場コイルセットのうちのＸ軸に対応する勾配磁場コイルの概略的なＸ×Ｚ面断面図を示す。図５において、斜線部は順方向に電流が流れる部分（磁場形成電流部分）を表し、網線部は逆方向に電流が流れる部分（リターン電流部分）を表している。図６（ａ）は図５の主コイル１０３’の展開図を示し、図６（ｂ）は図５のシールドコイル１０４’の展開図を示している。図７（ａ）は図５の主コイル１０３’の電流分布を示し、図７（ｂ）は図５のシールドコイル１０４’の電流分布を示している。なお、図７（ｂ）の点線は、第１の実施形態の方法でトルクキャンセルするものとして決定された図４（ｂ）と同じシールドコイル１０４の電流分布を表している。
【００５３】
なお、ここでも、Ｙ軸に対応する勾配磁場コイルについては、Ｘ軸に対応する勾配磁場コイルをＺ軸に関して略９０°回転したものと同一であるので、ここでは省略する。
【００５４】
第１ステップでは、主コイル１０３’の電流分布が、所定の勾配磁場線形性が得られるように決定される。この方法自体は前述のＭａｎｓｆｉｅｌｄらの手法を改良することで実現できる。この主コイル１０３’の電流分布に基づいて、第１の実施形態で説明した方法でシールドコイル１０４’の電流分布を決定すると、そのコイルパターンは図６（ｂ）に点線で示したもの（第１の実施形態での図３（ｂ）と同じ）となり、また電流分布は図７（ｂ）に点線で示したもの（図４（ｂ）と同じ）となる。
【００５５】
ここで、上述の撮像領域ＦＯＶが深くなるという問題を解決するために、シールドコイル１０４’における主コイル１０３’の端部Ｚend より突出する部分（図６（ｂ）の点線部分）を切除すると、当該切除部分に相当する電流成分が実質的に円筒中心Ｃに近くなり、シールドコイル１０４’のトルクは、切除前バランスのとれていた主コイル１０３’のトルクより小さくなり、バランスは失われる。
【００５６】
そこで、本実施形態においては、この減少したトルクを補償して、主コイル１０３’のトルクとバランスをとってトルクキャンセルを達成するように、シールドコイル１０４’の電流分布を変更する。本実施形態では、この変更の方法を幾つか提供する。
【００５７】
１つの方法として、図６（ｂ）に示すように、被検体１０６の頭部挿入側とは反対側の撮像領域ＦＯＶから離れた部分に、電流分布を付加する方法である。付加する電流分布をｋadd(φ，ｚ）とおくと、式（１０）を満たすように、電流分布を付加する。Ｚｅは撮像領域ＦＯＶの中心０から、接合部材１２０の頭部挿入側端面までの距離である。
【００５８】
【数１０】
このような変更により被検体１０６から最も遠いターン群が被検体１０６から若干離れることになる。以上のような電流分布付加は、主コイル１０３’とシールドコイル１０４’の合成トルクをゼロに維持したまま、パターンの渦巻きの外側から１ターンないし数ターンの位置を若干遠ざけることに相当しており、勾配磁場線形性とシールド性能に与える影響は小さいと考えられる。
【００６０】
以上のようにすることで、シールド効果を維持しながら、頭部全体を覆う程度の広い撮像領域を獲得し、しかも、トルクキャンセルを同時に実現できる。
別の方法は、図８のようにMansfield らの方法で得られたシールドコイル１０４’のターン位置を、シールドコイル１０４’の重心を中心にして軸方向に数パーセント程度拡大させる方法である。こうすることで、シールドコイル１０４’のトルクを大きくでき、主コイル１０３’のトルクを等しくすることができる。拡大させるターンは、全てのターンでもよいし、一部のターンに限定してもよい。また、図８のように撮像領域ＦＯＶ内のターンを拡大してもよいし、電流リターン部分を拡大させてもよい。
【００６１】
これまでMansfield らのＡＳＧＣ設計方法により理想的なシールド電流分布を実現するときに、残留トルクが発生することを説明し、その解決方法を説明してきた。当然のことながら、残留トルクの発生は、他のＡＳＧＣ設計方法や、トルクキャンセルコイルの設計方法（特に連続電流分布を扱う場合）を使って設計される勾配磁場コイルにおいても同様に起こる。上記の設計方法は、この場合にも適用可能である。
【００６２】
以上は、シールドコイルの電流分布を調整し、シールドコイルから発生するトルクを増加させて主コイルから発生するトルクと相殺させてトルクキャンセルを実現した例であるが、逆に主コイルから発生するトルクを減少させて同様の効果を得るようにすることも可能である。この場合、主コイルの少なくとも一部のターン位置（軸方法）をコイル重心に近付けることになる。
【００６３】
なお、以上は頭部用横（ＸＹ）勾配磁場コイルを例に説明したものだが、頭部と同様に軸長が制限される部位（四肢など）でも同様のＧコイルを利用することが有益なことは言うまでもない。このような勾配磁場コイルの構造上の特徴は、２重円筒状コイルのそれぞれの導体の位置が、コイル両端で異なるという点である。図３はその典型的な例である。
本発明は上述した実施形態に限定されず種々変形して実施可能である。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明により、漏洩磁場シールド性能を維持しながら、トルクキャンセルを実現できる。同コイルを例えば頭部撮影に使用したとき、同一勾配磁場性能を持つ全身用勾配磁場コイルと比べて、騒音等が数分の１以下になることが予想される。このように、大幅に向上した勾配磁場性能をペースとして、高精細ＭＲＡ、脳機能ィメージング、Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ＆Ｐｅｒｆｕｓｉｏｎイメージングなどの次世代撮像法が、頭部ルーチン臨床検査として広く応用されていく可能性が高まる。また、音の静かな従来撮像法や、全身用勾配磁場コイルでも実現不可能な全く新しい頭部パルスシーケンス等の実現も期待出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る磁気共鳴映像装置の構成を示すブロック図。
【図２】第１の実施形態による勾配磁場コイルの縦断面図。
【図３】図２の主コイルとシールドコイル各々の円周方向に関する展開図。
【図４】図２の主コイルとシールドコイル各々の電流分布の一例を示す図。
【図５】第２の実施形態による勾配磁場コイルの縦断面図。
【図６】図５の主コイルとシールドコイル各々の円周方向に関する展開図。
【図７】図５の主コイルとシールドコイル各々の電流分布の一例を示す図。
【図８】図５のシールドコイルの電流ターンの拡大を示す図。
【図９】従来の非対称傾斜磁場コイルのコイルパターンを示す図。
【図１０】従来の非対称且つトルクキャンセルのコイルパターンを示す図。
【符号の説明】
１０１…静磁場磁石、
１０２…励磁用電源、
１０３…主コイル、
１０４…シールドコイル、
１０５…勾配コイル用電源、
１０６…被検体、
１０７…渦補償回路、
１０８…シムコイル、
１０９…シムコイル用電源、
１１０…送信部、
１１１…プローブ、
１１２…高周波シールド、
１１３…受信部、
１１４…データ収集部、
１１５…データ処理部、
１１６…システムコントローラ、
１１７…コンソール、
１１８…画像ディスプレイ。
Claims (4)
- 主コイルとシールドコイルとが接合部材により１つの構造体として接合されてなる勾配磁場コイルにおいて、
前記主コイルと前記シールドコイルは同軸二重円筒コイルを構成し、
静磁場中に置かれた前記主コイルに電流を流した際に生じるローレンツ力により前記構造体に働くトルクと、前記シールドコイルに電流を流した際に生じるローレンツ力により前記構造体に働くトルクとが釣合うように、前記主コイルと前記シールドコイルそれぞれの電流分布の大きさの比が、前記主コイルと前記シールドコイルとの半径比に基づいて決定され、かつ前記主コイルの電流分布をフーリエ変換して得られるＦＫ１（ｍ，ｋ）のｋに関する微分と、前記シールドコイルの電流分布をフーリエ変換して得られるＦＫ２（ｍ，ｋ）のｋに関する微分との比が、ｋ＝０において半径比×（−１）に等しくなるように、前記主コイルの電流分布と前記シールドコイルの電流分布各々の大きさが決定されていることを特徴とする勾配磁場コイル。 - 前記主コイルと前記シールドコイルとの少なくとも一方の電流分布の円周方向成分が、φを静磁場方向回りの円周角としてｃｏｓφ又はｓｉｎφに比例することを特徴とする請求項１記載の勾配磁場コイル。
- 前記シールドコイルの電流分布における撮像中心から被検体挿入側の端までの距離は、前記主コイルからの磁場を磁気的に外部に対して遮蔽することのみを考慮して決定されるシールドコイルの電流分布より短く、この短いことによる前記シールドコイルのトルクの減少を補償するために、前記シールドコイルの電流分布における撮像中心から前記被検体挿入側と反対側の端までの距離は、前記主コイルからの磁場を磁気的に外部に対して遮蔽することのみを考慮して決定されるシールドコイルの電流分布より長く構成されることを特徴とする請求項１記載の勾配磁場コイル。
- 前記シールドコイルは指紋状コイルパターンで形成され、前記シールドコイルの電流分布における撮像中心から被検体挿入側の端までの距離は、前記主コイルからの磁場を磁気的に外部に対して遮蔽することのみを考慮して決定されるシールドコイルの電流分布より短く、この短いことによる前記シールドコイルのトルクの減少を補償するために、前記指紋状コイルパターンの少なくとも１つの電流ループの囲む面積が、前記主コイルからの磁場を磁気的に外部に対して遮蔽することのみを考慮して決定されるシールドコイルの対応する電流ループの囲む面積より大きく構成されることを特徴とする請求項１記載の勾配磁場コイル。
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