JP4852091B2 - 傾斜磁場コイル装置、核磁気共鳴撮像装置、および、コイルパターンの設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、核磁気共鳴撮像(以下、ＭＲＩと称す)装置と、前記ＭＲＩ装置に用いられる傾斜磁場コイル装置と、前記傾斜磁場コイル装置に備えられたコイルのコイルパターンの設計方法に関する。

ＭＲＩ装置は、均一な静磁場中に置かれた被検体に高周波パルスを照射したときに生じる核磁気共鳴現象を利用して、被検体の物理的、化学的性質を表す断面画像を得る装置であり、特に、医療用として用いられている。ＭＲＩ装置は、主に、被検体が挿入される撮像領域に均一な静磁場を生成する静磁場コイル装置と、撮像領域に位置情報を付与するために空間的に磁場強度が傾斜勾配した傾斜磁場をパルス状に発生させる傾斜磁場コイル装置と、被検体に高周波パルスを照射するＲＦコイルと、被検体からの磁気共鳴信号を受信する受信コイルと、受信した磁気共鳴信号を処理して前記断面画像を表示するコンピュータシステムとを有している。

そして、ＭＲＩ装置の性能向上のために、線形に磁場強度が傾斜勾配した傾斜磁場を発生させる傾斜磁場コイル装置が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００１−３５３１３７号公報（図１）

従来の傾斜磁場コイル装置には、複雑なコイルパターンのコイルが設けられている。そのコイルパターンには、１つの面上に、複数の一箇所開いたループ形状の本線が、隣接する前記本線の内側になるように多重に配置され、隣接する前記本線間を接続する渡り線と、内側の前記本線から外側の前記本線の外側に引き出される戻り線とが、互いに、一部重なるように設けられている。

複数の本線を、一箇所開いたループ形状にして多重に配置し、隣接する前記本線間を渡り線で接続することで、多重の本線が連結した渦状のコイルパターンを形成している。そして、戻り線を設けることで、複数の本線に電流を流すことを可能にしている。しかし、従来の傾斜磁場コイル装置では、複数の本線にのみ電流が流れた場合に、線形の傾斜磁場が形成されるように設計されているので、電流が渡り線と戻り線に流れると、これにより誤差磁場が発生する。この誤差磁場は、静磁場コイル装置において渦電流を発生させ、この渦電流は断面画像を乱す磁場を撮像領域に形成する場合があった。

そこで、本発明の目的は、誤差磁場さらには渦電流の発生を抑制し、断面画像の画質を向上できる傾斜磁場コイル装置、ＭＲＩ装置、および、コイルパターンの設計方法を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、ＭＲＩ装置の撮像領域に線形な磁場分布を作る第１コイルと、前記第１コイルから前記撮像領域に均一な磁場分布を作る静磁場コイル装置への漏れ磁場を抑制する第２コイルとを備え、前記第１コイルと前記第２コイルの少なくともどちらか一方では、渦状のコイルパターンからの戻り線と交差する渡り線が前記コイルパターンとして谷と山を連ねたように下がって上がって又下がるように蛇行している傾斜磁場コイル装置であること、さらに、これを備えたＭＲＩ装置であることを特徴としている。

また、本発明では、前記コイルパターンへの給電線と前記戻り線とに交差する前記コイルパターンの一区間が凸形状に折り曲げられるように迂回していることが好ましい。

また、本発明は、ＭＲＩ装置の撮像領域に線形な磁場分布を作る第１コイルと、前記第１コイルから前記撮像領域に均一な磁場分布を作る静磁場コイル装置への漏れ磁場を抑制する第２コイルの少なくともどちらか一方のコイルパターンの設計方法であって、予め用意された初期コイルパターンに基づいて、前記静磁場コイル装置へ入り込む誤差磁場を計算し、前記初期コイルパターンの渦状のコイルパターンからの戻り線と交差する渡り線上を流れ前記誤差磁場を打ち消す谷と山を連ねたような補正電流成分を計算し、前記補正電流成分に基づいて前記初期コイルパターンの前記渡り線を谷と山を連ねたように下がって上がって又下がり蛇行するように変形するコイルパターンの設計方法であることを特徴としている。さらに、このコイルパターンの設計方法を用いて設計され製造された前記第１コイルと前記第２コイルの少なくともどちらか一方を有する傾斜磁場コイル装置およびＭＲＩ装置であることを特徴としている。

本発明によれば、誤差磁場さらには渦電流の発生を抑制し、断面画像の画質を向上できる傾斜磁場コイル装置、ＭＲＩ装置、および、コイルパターンの設計方法を提供することができる。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１に、本発明の第１の実施形態に係るＭＲＩ（核磁気共鳴撮像）装置１の斜視図を示す。ＭＲＩ装置１は静磁場７の向きが垂直方向である垂直磁場型ＭＲＩ装置である。ＭＲＩ装置１は、ベッド６に横たわった被検体５が挿入される撮像領域８に対して上下から挟むように配置され撮像領域８に均一な静磁場７を生成する上下一対の静磁場コイル装置２と、この上下一対の静磁場コイル装置２を離間して支持する連結柱１７と、撮像領域８に位置情報を付与するために空間的に磁場強度が傾斜勾配した傾斜磁場をパルス状に発生させる傾斜磁場コイル装置３と、撮像領域８に挿入された被検体５に高周波パルスを照射するＲＦコイル４と、被検体５からの磁気共鳴信号を受信する受信コイル（図示省略）と、受信した磁気共鳴信号を処理して被検体５の断面画像を表示するコンピュータシステム（図示省略）とを有している。上下一対の静磁場コイル装置２と、傾斜磁場コイル装置３と、ＲＦコイル４とは、対称軸１０を共通の軸とする円板（円柱）形状をしている。被検体５は可動式のベッド６によって撮像領域８まで運ばれるが、上下一対の静磁場コイル装置２をつなぐのは細い連結柱１７のみであるので、被検体５は周囲を見渡せ閉所感を軽減することができる。また、後記する説明の理解を容易にするために対称軸１０と平行さらには一致する鉛直方向にｚ軸を設定し、水平方向で互いに直角になるようにｘ軸とｙ軸とを設定している。

図２に、本発明の第１の実施形態に係るＭＲＩ装置１を対称軸１０（ｚ軸）を含むｙ−ｚ平面で切断した断面図を示す。上下一対の静磁場コイル装置２には、上下一対の静磁場メインコイル２ａと、上下一対の静磁場シールドコイル２ｂとが用いられている。上下一対の静磁場メインコイル２ａと上下一対の静磁場シールドコイル２ｂはそれぞれ、前記対称軸１０を共通の中心軸とする円環形状をしている。また、上下一対の静磁場メインコイル２ａと上下一対の静磁場シールドコイル２ｂは、３層構造の容器内に収納されている。まず、一対の静磁場メインコイル２ａと一対の静磁場シールドコイル２ｂは、冷媒の液体ヘリウム（Ｈｅ）と共に冷媒容器２ｅ内に収容されている。冷媒容器２ｅは内部への熱輻射を遮断する熱輻射シールド２ｄに内包されている。そして、真空容器２ｃは、冷媒容器２ｅ及び熱輻射シールド２ｄを収容しつつ、内部を真空に保持している。真空容器２ｃは、普通の室温の室内に配置されても、真空容器２ｃ内が真空になっているので、室内の熱が伝導や対流で、冷媒容器２ｅに伝わることはない。また、熱輻射シールド２ｄは、室内の熱が輻射によって真空容器２ｃから冷媒容器２ｅに伝わることを抑制している。このため、一対の静磁場メインコイル２ａと一対の静磁場シールドコイル２ｂは、冷媒の温度である極低温に安定して設定することができ、超伝導電磁石として機能させることができる。冷媒容器２ｅと、熱輻射シールド２ｄと、真空容器２ｃには、磁場による力が作用しないように非磁性の部材が用いられ、さらに、加工の容易性から非磁性の金属が用いられる。このため、冷媒容器２ｅと、熱輻射シールド２ｄと、真空容器２ｃには、電流、特に、渦電流が流れうる状況にある。

傾斜磁場コイル装置３も上下一対有し、上下一対の傾斜磁場コイル装置３は、撮像領域８を挟んで上下に配置されている。ＲＦコイル４も上下一対有し、上下一対のＲＦコイル４は、撮像領域８を挟んで上下に配置されている。上下一対の上側の傾斜磁場コイル装置３は、上下一対の上側の静磁場コイル装置２と、上下一対の上側のＲＦコイル４の間で両者に近接して配置されている。同様に、上下一対の下側の傾斜磁場コイル装置３は、上下一対の下側の静磁場コイル装置２と、上下一対の下側のＲＦコイル４の間で両者に近接して配置されている。上下一対の傾斜磁場コイル装置３は、任意の方向に静磁場７と同じ方向の磁場強度が傾斜した傾斜磁場９をパルス状に発生させる。傾斜磁場コイル装置３は、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の３方向に独立な傾斜磁場９を、静磁場７に重ねて発生できるような機能を持っている。図２ではｙ方向に傾斜した傾斜磁場９を示している。

図３に、上下一対の傾斜磁場コイル装置３の断面図を示す。傾斜磁場コイル装置３は、撮像領域８を挟んで上下に配置される上下一対の傾斜磁場コイルＧＣを有している。上下一対の傾斜磁場コイルＧＣは、撮像領域８を挟んで上下に配置される上下一対の傾斜磁場メインコイル（第１コイル）ＧＭＣと、撮像領域８を挟んで上下に配置される上下一対の傾斜磁場シールドコイル（第２コイル）ＧＳＣとを有している。上下一対の傾斜磁場シールドコイル（第２コイル）ＧＳＣの間に、上下一対で撮像領域８を挟ん状態の傾斜磁場メインコイルＧＭＣが配置されている。上下一対の上側の傾斜磁場メインコイルＧＭＣと、上下一対の上側の傾斜磁場シールドコイルＧＳＣとは、支持部材３ａを介して、互いに支持し合っている。同様に、上下一対の下側の傾斜磁場メインコイルＧＭＣと、上下一対の下側の傾斜磁場シールドコイルＧＳＣとは、支持部材３ａを介して、互いに支持し合っている。そして、上下一対の上側の傾斜磁場コイル装置３、特に、上下一対の上側の傾斜磁場シールドコイルＧＳＣは、上下一対の上側の静磁場コイル装置２、特に、上下一対の上側の真空容器２ｃに近接して配置されている。同様に、上下一対の下側の傾斜磁場コイル装置３、特に、上下一対の下側の傾斜磁場シールドコイルＧＳＣは、上下一対の下側の静磁場コイル装置２、特に、上下一対の下側の真空容器２ｃに近接して配置されている。

上下一対の傾斜磁場メインコイルＧＭＣは、ｘ方向に線形に変化する傾斜磁場を作り撮像領域８を挟んで上下に配置される上下一対のｘ方向傾斜磁場メインコイルｘＧＭＣと、ｙ方向に線形に変化する傾斜磁場を作り撮像領域８を挟んで上下に配置される上下一対のｙ方向傾斜磁場メインコイルｙＧＭＣと、ｚ方向に線形に変化する傾斜磁場を作り撮像領域８を挟んで上下に配置される上下一対のｚ方向傾斜磁場メインコイルｚＧＭＣとを有している。ｘ方向傾斜磁場メインコイルｘＧＭＣと、ｙ方向傾斜磁場メインコイルｙＧＭＣと、ｚ方向傾斜磁場メインコイルｚＧＭＣとは、それぞれが、１対の傾斜磁場コイル装置３毎に層（３層）をなし、この３層の傾斜磁場メインコイルｘＧＭＣ、ｙＧＭＣ、ｚＧＭＣが１対となり、対毎にこの３層がｚ方向に支持部材３ａの絶縁層を挟んで積層されている。

上下一対の傾斜磁場シールドコイルＧＳＣは、ｘ方向傾斜磁場メインコイルｘＧＭＣの形成する磁場が周囲に漏れるのを抑制し撮像領域８を挟んで上下に配置される上下一対のｘ方向傾斜磁場シールドコイルｘＧＳＣと、ｙ方向傾斜磁場メインコイルｙＧＭＣの形成する磁場が周囲に漏れるのを抑制し撮像領域８を挟んで上下に配置される上下一対のｙ方向傾斜磁場シールドコイルｙＧＳＣと、ｚ方向傾斜磁場メインコイルｚＧＭＣの形成する磁場が周囲に漏れるのを抑制し撮像領域８を挟んで上下に配置される上下一対のｚ方向傾斜磁場シールドコイルｚＧＳＣとを有している。ｘ方向傾斜磁場シールドコイルｘＧＳＣと、ｙ方向傾斜磁場シールドコイルｙＧＳＣと、ｚ方向傾斜磁場シールドコイルｚＧＳＣとは、それぞれが、１対の傾斜磁場コイル装置３毎に層（３層）をなし、この３層の傾斜磁場シールドコイルｘＧＳＣ、ｙＧＳＣ、ｚＧＳＣが１対となり、対毎にこの３層がｚ方向に支持部材３ａの絶縁層を挟んで積層されている。

図４（ａ）に、ｙ方向傾斜磁場メインコイルｙＧＭＣと、ｙ方向傾斜磁場シールドコイルｙＧＳＣの配置図を示す。ｙ方向傾斜磁場メインコイルｙＧＭＣは、ｚ軸を中心軸とする２つ円板形状の層（図示省略）に、２つずつ計４つ配置されている。４つのｙ方向傾斜磁場メインコイルｙＧＭＣはそれぞれ、略半円形で渦巻状の扇型コイルであるが、渦巻きの形状の図示は省略し大まかな電流の方向のみを示している。４つのｙ方向傾斜磁場メインコイルｙＧＭＣは、２つずつに、ｘ軸−ｙ軸平面で分けられるとともにその平面に面対称の構造をしている。また、４つのｙ方向傾斜磁場メインコイルｙＧＭＣは、２つずつに、ｚ軸−ｘ軸平面で分けられるとともにその平面に面対称の構造をしている。なお、矢印は、コイルに流れる電流の向きを示しており、後記も同様である。

ｙ方向傾斜磁場シールドコイルｙＧＳＣは、ｚ軸を中心軸とする２つの円板形状の層（図示省略）に、２つずつ計４つ配置されている。４つのｙ方向傾斜磁場シールドコイルｙＧＳＣはそれぞれ、略半円形で渦巻状の扇型コイルであり、対応するｙ方向傾斜磁場メインコイルｙＧＭＣを覆うように配置されている。なお、渦巻きの形状の図示は省略し大まかな電流の方向のみを示している。４つのｙ方向傾斜磁場シールドコイルｙＧＳＣは、２つずつに、ｘ軸−ｙ軸平面で分けられるとともにその平面に面対称の構造をしている。また、４つのｙ方向傾斜磁場シールドコイルｙＧＳＣは、２つずつに、ｚ軸−ｘ軸平面で分けられるとともにその平面に面対称の構造をしている。

図４（ｂ）に、ｘ方向傾斜磁場メインコイルｘＧＭＣと、ｘ方向傾斜磁場シールドコイルｘＧＳＣの配置図を示す。ｘ方向傾斜磁場メインコイルｘＧＭＣは、ｚ軸を中心軸とする２つの円板形状の層（図示省略）に、２つずつ計４つ配置されている。４つのｘ方向傾斜磁場メインコイルｘＧＭＣはそれぞれ、略半円形で渦巻状の扇型コイルであるが、渦巻きの形状の図示は省略し大まかな電流の方向のみを示している。４つのｘ方向傾斜磁場メインコイルｘＧＭＣは、２つずつに、ｘ軸−ｙ軸平面で分けられるとともにその平面に面対称の構造をしている。また、４つのｘ方向傾斜磁場メインコイルｘＧＭＣは、２つずつに、ｙ軸−ｚ軸平面で分けられるとともにその平面に面対称の構造をしている。

ｘ方向傾斜磁場シールドコイルｘＧＳＣは、ｚ軸を中心軸とする２つの円板形状の層（図示省略）に、２つずつ計４つ配置されている。４つのｘ方向傾斜磁場シールドコイルｘＧＳＣはそれぞれ、略半円形で渦巻状の扇型コイルであり、対応するｘ方向傾斜磁場メインコイルｘＧＭＣを覆うように配置されている。なお、渦巻きの形状の図示は省略し大まかな電流の方向のみを示している。４つのｘ方向傾斜磁場シールドコイルｘＧＳＣは、２つずつに、ｘ軸−ｙ軸平面で分けられるとともにその平面に面対称の構造をしている。また、４つのｘ方向傾斜磁場シールドコイルｘＧＳＣは、２つずつに、ｙ軸−ｚ軸平面で分けられとともにその平面に面対称の構造をしている。

図４（ｃ）に、ｚ方向傾斜磁場メインコイルｚＧＭＣと、ｚ方向傾斜磁場シールドコイルｚＧＳＣの配置図を示す。ｚ方向傾斜磁場メインコイルｚＧＭＣは、ｚ軸を中心軸とする２つの円板形状の層（図示省略）に、１つずつ計２つ配置されている。２つのｚ方向傾斜磁場メインコイルｚＧＭＣは、円形状で渦巻状の円型コイルであるが、渦巻の図示は省略し大まかな電流の方向のみを示している。２つのｚ方向傾斜磁場メインコイルｚＧＭＣは、１つずつに、ｘ軸−ｙ軸平面で分けられるとともにその平面に面対称の構造をしている。

ｚ方向傾斜磁場シールドコイルｚＧＳＣは、ｚ軸を中心軸とする２つの円板形状の層（図示省略）に、１つずつ計２つ配置されている。２つのｚ方向傾斜磁場シールドコイルｚＧＳＣは、円形状で渦巻状の円型コイルであり、対応するｚ方向傾斜磁場メインコイルｚＧＭＣを覆うように配置されている。なお、渦巻の図示は省略し大まかな電流の方向のみを示している。２つのｚ方向傾斜磁場シールドコイルｚＧＳＣは、１つずつに、ｘ軸−ｙ軸平面で分けられるとともにその平面に面対称の構造をしている。

図５（ａ）に、ｙ方向傾斜磁場シールドコイルｙＧＳＣのパターン図を示す。また、図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ａ方向の断面図であり、図５（ｃ）は図５（ａ）のＢ−Ｂ方向の断面図である。ｙ方向傾斜磁場シールドコイルｙＧＳＣのコイルパターンに対して、ｙ方向傾斜磁場メインコイルｙＧＭＣは、少し大きさの小さい相似形のコイルパターンとなる。ｘ方向傾斜磁場シールドコイルｘＧＳＣは、ｙ方向傾斜磁場シールドコイルｙＧＳＣのコイルパターンを９０度回転しただけの合同形のコイルパターンになる。ｙ方向傾斜磁場メインコイルｙＧＭＣは、ｙ方向傾斜磁場シールドコイルｙＧＳＣのコイルパターンを９０度回転して少し大きさの小さい相似形のコイルパターンになる。

図５（ａ）に示すように、ｙ方向傾斜磁場シールドコイルｙＧＳＣは、１平面（コイル面）上に複数本の本線１２を有している。複数本の本線１２は、複数（図５（ａ）では３つずつ）の領域に分かれて配置されている。第１の領域では、本線１２は、隣接する本線１２の内側になるように４重（多重）に配置されている。第２の領域では、本線１２は、隣接する本線１２の内側になるように２重（多重）に配置されている。第３の領域では、本線１２は、１重に配置されている。そして、各領域の本線１２に給電する給電線１１と、給電線１１に沿って配置され給電線１１で給電された本線１２から電流を戻す戻り線１３とが設けられている。給電線１１と戻り線１３が本線１２を跨ぐ箇所を、本線１２における補正区間１５とし、この補正区間１５では、本線１２が前記コイル面上で凸形状に折り曲げられることで迂回している。これによれば、給電線１１と戻り線１３によって誤差磁場が発生しても、給電線１１と戻り線１３の近傍の補正区間１５において凸形状に折り曲げられることで迂回した本線１２によって発生する磁場によって、誤差磁場をキャンセルできるので、静磁場コイル装置２の真空容器２ｃ等に生じる渦電流を抑制でき、断面画像の画質を向上できる。なお、補正区間１５の幅Ｗ２は、給電線１１と戻り線１３の間隔より大きく設定されている。

第１の領域や、第２の領域で、２重や４重の多重に配置されている複数本の本線１２は、それぞれ、Ｕ文字形状のような一箇所開いたループ形状をしている。このループ形状（Ｕ文字形状）内の開いた箇所は、一列に並べられ、この箇所において、渡り線１４は、隣接する本線１２間を接続している。この接続により、多重の本線１２が連結した渦状のコイルパターンを構成している。なお、この箇所の幅、すなわち、後記する渡り線１４が設置される幅（渡り幅）Ｗ１は、戻り線１３の配線の線幅より広く設定されている。渡り線１４は、戻り線１３となす９０度以下の角度が、隣接する本線１２間を直線で結んだ場合の戻り線１３となす９０度以下の角度より小さくなるように蛇行している。戻り線１３は、前記領域間を接続するだけでなく、多重に配置された内側の本線１２から外側の本線１２の外側に配線を引き出すためにも接続され、渡り線１３に重なるように配置されている。これによれば、戻り線１３によって誤差磁場が発生しても、戻り線１３の近傍の大きな傾きを持った渡り線１４によって発生する磁場によって、誤差磁場をキャンセルできるので、静磁場コイル装置２の真空容器２ｃ等に生じる渦電流を抑制でき、断面画像の画質を向上できる。

図５（ｂ）に示すように、戻り線１３は、渡り線１４と静磁場コイル装置２の真空容器２ｃの間に配置されている。すなわち、真空容器２ｃに対して、戻り線１３の方が、渡り線１４より近い位置に配置されている。真空容器２ｃの近くにある戻り線１３によって真空容器２ｃに生じる誤差磁場の強度は大きくなりやすく、この大きな誤差磁場をキャンセルするために、真空容器２ｃから遠い渡り線１４によって真空容器２ｃに大きな磁場を発生させるべく、渡り線１４を、戻り線１３となす９０度以下の角度が、隣接する本線１２間を直線で結んだ場合の戻り線１３となす９０度以下の角度より小さくなるように蛇行させている。

図５（ｃ）に示すように、給電線１１と戻り線１３とは、本線１２の補正区間１５と、静磁場コイル装置２の真空容器２ｃの間に配置されている。すなわち、真空容器２ｃに対して、給電線１１と戻り線１３の方が、本線１２の補正区間１５より近い位置に配置されている。真空容器２ｃの近くにある給電線１１と戻り線１３によって真空容器２ｃに生じる誤差磁場の強度は大きくなりやすく、この大きな誤差磁場をキャンセルするために、真空容器２ｃから遠い本線１２の補正区間１５では、応じて真空容器２ｃに大きな磁場を発生させるべく、補正区間１５での凸形状に折り曲げる程度を加減することになる。

図６に、本発明の第１の実施形態に係る傾斜磁場コイル装置３のｙ方向傾斜磁場シールドコイルｙＧＳＣ等のコイルパターンの設計方法のフローチャートを示す。

まず、ステップＳ１で、ｙ方向傾斜磁場シールドコイルｙＧＳＣ等の、特に、本線１２の形状（配置位置を含む）を計算し、図７（ａ）に示すように、渡り線１４を直線形状として本線１２に配線（接続）し、初期ＧＣコイルパターンを決定する。

ステップＳ２で、初期ＧＣコイルパターンを形成しているコイル面２０を、図８に示すように、３角メッシュの有限要素で分割し、３角メッシュの有限要素で生成した傾斜磁場コイル補正電流計算モデルを作成する。なお、図８は参考のために示す図であり、実際の計算に用いる場合より大きな三角要素を描いている。

ステップＳ３で、ステップＳ１で用意された初期ＧＣコイルパターンに基づいて、静磁場コイル装置２等における誤差磁場を計算する。誤差磁場は、図７（ｂ）に示すような、静磁場コイル装置２の真空容器２ｃ等の導体面を貫通するような磁力線１６を発生させるので、図１０に示すように真空容器２ｃ等の導体面に入る磁場の方向と大きさ（強度）１９の分布を算出することで、誤差磁場を計算することができる。

ステップＳ４で、誤差磁場を打ち消す補正電流成分を、コイル面上に存在するように計算する。これにより、図９（ａ）に示すような初期ＧＣコイルパターンの戻り線１３と渡り線１４に対して、渡り線１４の存在するコイル面上に存在する、図９（ｂ）に示すような補正電流成分１８ａ、１８ｂを算出することができる。

より具体的には、まず、有限面要素の接点に電流ポテンシャルを与え、その電流ポテンシャルを要素に持つ電流ポテンシャル分布を示すベクトルＴにより表現される電流が、導体面上の誤差磁場Ｂを打ち消すように電流ポテンシャル分布Ｔを決める。電流ポテンシャルの勾配と電流（コイル）面の法線のベクトル積で電流密度ベクトルが表現される。そして、この近似的な解法に特異値分解を応用する手法を利用することで、複雑でなく、また渦電流の発生を抑え磁場の精度を改善することができる打消電流成分の電流ポテンシャルＴを求めることができる。

この方法で打消電流成分に対応する電流ポテンシャル分布Ｔが決まれば、次に導体（コイル）位置の変位分を計算する。導体間の距離ｄと導体の電流Ｉｃから、Ｉｃ／ｄは電流ポテンシャルの勾配と等価である。従って、補正電流成分の電流ポテンシャルＴはＴ／(勾配)で導体位置の変位に換算できる。また、初期ＧＣコイルパターンが電流ポテンシャル計算値Ｔ０を元に決まっていれば、導体（コイル）位置の変位分は、式Ｔ／▽Ｔ０で計算できる。

なお、補正電流成分の計算には、後記の文献で報告されている手法を用いることができる。その文献は、M. ABE, T. NAKAYAMA, S. OKAMURA, K. MATSUOKA , “A new technique to optimize coil winding path for the arbitrarily distributed magnetic field and application to a helical confinement system”, Phys. Plasmas. Vol.10 No.4 (2003)1022.である。

ステップＳ５で、補正電流成分に基づいて初期ＧＣコイルパターンを変形する。補正電流成分を初期ＧＣコイルパターンに沿う電流成分に追加し、変形された電流成分を、図５（ａ）に示すようにｙ方向傾斜磁場シールドコイルｙＧＳＣのコイルパターンとして、修正ＧＣコイルパターンを完成させることができる。具体的には、図９（ａ）に示す渡り線１４に沿う電流成分に対して、図９（ｂ）に示す補正電流成分１８ａ、１８ｂを追加・合成し、図９（ｃ）に示すように戻り線１３となす９０度以下の角度が、隣接する本線１２間を直線で結んだ場合の戻り線１３となす９０度以下の角度より小さくなるように蛇行した渡り線１４に変更している。

図１１に、初期ＧＣコイルパターンの渡り線１４ａと、修正ＧＣコイルパターンの渡り線１４とを重ねて示している。これより、渡り線１４は、戻り線１３と重なっている領域において、戻り線１３となす９０度以下の角度が、隣接する本線１２間を直線で結んだ場合（１４ａ）の戻り線１３となす９０度以下の角度より小さくなるように蛇行している。なお、初期ＧＣコイルパターンと修正ＧＣコイルパターンの渡り線１４と本線１２として、電流重心の流れを表示している。修正前後で電流（コイル）パターンは、図１１の中央の戻り線１３の図下側では、磁気モーメントが小さくなるように補正(渡り線１４と渡り線１４ａで囲む面積が小さく補正)され、上側では磁気モーメントが大きくなるように補正されている。

前記では、導体幅から、また元になる電流ポテンシャル計算結果から、電流ポテンシャルの勾配を求め、補正電流成分に相当する導体（コイル）位置の変位量を計算する方法を述べたが、これに限らず、図１１に関連して述べたように、磁気モーメントを考えて補正する方法もある。電流ポテンシャルの面積積分値が磁気モーメントであるので、この積分をコイル面の１ターンもしくは数ターンを代表する領域毎に行い、該当のターンが囲む領域の面積と電流積が、変更すべき磁気モーメントの大きさになるように導体（コイル）位置の変位量の大きさを決めていく。いずれの補正方法でも効果は同じであり、修正ＧＣコイルパターンは近接導電面の渦電流発生を極小とするコイルパターンとなる。

次に、図１２を用いて、渡り線１４が無くて、給電線１１と戻り線１３が往復電流を流しているところを、本線１２が横切っている場合の、本線１２の修正例について説明する。コイルパターンの設計方法のフローチャートに沿って説明すると、ステップＳ２までは、前記と同様に実施することができる。

ステップＳ３で、ステップＳ１で用意された初期ＧＣコイルパターンに基づいて、静磁場コイル装置２等における誤差磁場を計算する。初期ＧＣコイルパターンでは、図１２（ａ）に示すように、給電線１１と戻り線１３が往復電流を流しているところを、本線１２が横切っている。

ステップＳ４で、誤差磁場を打ち消す補正電流成分を、コイル面上に存在するように計算する。これにより、図１２（ａ）に示すような初期ＧＣコイルパターンの給電線１１と戻り線１３と本線１２に対して、本線１２の存在するコイル面上に、図１２（ｂ）に示すような補正電流成分２１を算出することができる。

ステップＳ５で、図１２（ａ）に示す本線１２に対して、図１２（ｂ）に示す補正電流成分２１を追加・合成し、図１２（ｃ）に示すように補正区間１５において凸形状に折り曲げられることで迂回する本線１２に変更している。このような修正ＧＣコイルパターンによっても、渦電流を発生させる誤差磁場を小さくすることができる。

このように、第１の実施形態によれば、傾斜磁場コイルの設計において、真空容器２ｃ等の近接導電面を貫く誤差磁場を弱くでき、渦電流の発生を抑制できるので、鮮明な診断画像を提供できる。また渦電流の発生を抑えることで、渦電流によって発生する振動も軽減できる。

（第２の実施形態）
図１３（ａ）に、本発明の第２の実施形態に係る傾斜磁場コイル装置のｙ方向傾斜磁場シールドコイル等の戻り線１３と渡り線１４の周辺のパターン図を示し、図１３（ｂ）にその周辺の戻り線１３と渡り線１４の断面図を示す。第２の実施形態が、第１の実施形態と異なる点は、図１３（ｂ）に示すように、戻り線１３が、渡り線１４を挟んで真空容器２ｃ等の反対側に配置されている点である。これにより、真空容器２ｃ等に対して、戻り線１３の方が、渡り線１４より遠い位置に配置されている。真空容器２ｃの遠くにある戻り線１３によって真空容器２ｃに生じる誤差磁場の強度は小さく、この小さな誤差磁場をキャンセルするために、真空容器２ｃから近い渡り線１４によって真空容器２ｃに応じた小さな磁場を発生させればよいので、渡り線１４を、戻り線１３となす９０度以下の角度が、隣接する本線１２間を直線で結んだ場合の戻り線１３となす９０度以下の角度より小さくなるように蛇行させる必要は無い。そして、第２の実施形態では、小さな誤差磁場をキャンセルするために、隣接する本線１２間を直線状の渡り線１４で接続し、渡り幅Ｗ３を可変にすることで、渡り線１４の傾きを調整している。

図１４に、第１の実施形態で説明したコイルパターンの設計方法を、第２の実施形態でも同様に実施した結果を示す。図１４の（ａ）〜（ｄ）は、戻り線１３と渡り線１４によって発生する真空容器（導体物）２ｃ上の誤差磁場の方向と大きさの分布図であり、図１４（ａ）は戻り線１３の幅Ｗ４に対する渡り幅Ｗ３の比が４倍の場合であり、図１４（ｂ）は幅Ｗ４に対する渡り幅Ｗ３の比が６倍の場合であり、図１４（ｃ）は幅Ｗ４に対する渡り幅Ｗ３の比が８倍の場合であり、図１４（ｄ）は幅Ｗ４に対する渡り幅Ｗ３の比が１０倍の場合である。誤差磁場のｚ方向の大きさが、真空容器（導体物）２ｃ上の全領域にわたって小さい程、渦電流は発生し難いと考えられる。誤差磁場のｚ方向の大きさが全領域にわたって最も小さくなるのは、比が８倍前後の場合であり、その比より大きくなる程誤差磁場のｚ方向の大きさは大きくなり、その比より小さくなる程誤差磁場のｚ方向の大きさは大きくなった。そこで、比が４倍以上１０倍以下であれば、概ね誤差磁場のｚ方向の大きさは全領域にわたって小さく抑えられることがわかった。これによれば、渦電流の発生も抑制できるので、断面画像の画質を向上することができる。

本発明の第１の実施形態に係るＭＲＩ（核磁気共鳴撮像装置）装置の斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係るＭＲＩ装置を対称軸（ｚ軸）を含むｙ−ｚ平面で切断した断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る傾斜磁場コイル装置の断面図である。 （ａ）は本発明の第１の実施形態に係る傾斜磁場コイル装置のｙ方向傾斜磁場メインコイルとｙ方向傾斜磁場シールドコイルの配置図であり、（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る傾斜磁場コイル装置のｘ方向傾斜磁場メインコイルとｘ方向傾斜磁場シールドコイルの配置図であり、（ｃ）は本発明の第１の実施形態に係る傾斜磁場コイル装置のｚ方向傾斜磁場メインコイルとｚ方向傾斜磁場シールドコイルの配置図である。 （ａ）は本発明の第１の実施形態に係る傾斜磁場コイル装置のｙ方向傾斜磁場シールドコイルのパターン図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ方向の断面図であり、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ方向の断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る傾斜磁場コイル装置のｙ方向傾斜磁場シールドコイル等のコイルパターンの設計方法のフローチャートである。 （ａ）はコイルパターンの設計方法のステップＳ１で用意された初期ＧＣコイルパターンの１例であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ方向の断面図である。 コイルパターンの設計方法のステップＳ２において３角メッシュの有限要素で分割したコイル面の１例である。 （ａ）はコイルパターンの設計方法のステップＳ１で用意された初期ＧＣコイルパターンの戻り線と第１渡り線の周辺の拡大図であり、（ｂ）はステップＳ４で計算された補正電流（成分）の概念図であり、（ｃ）はステップＳ５で補正電流成分が追加された修正ＧＣコイルパターンの戻り線と第１渡り線の周辺の拡大図である。 戻り線と第１渡り線によって発生する真空容器（導体物）上の誤差磁場成分の分布図である。 ステップＳ５の補正電流成分の追加前後のＧＣコイルパターンの電流重心の流れの変化を示す図である。 （ａ）はコイルパターンの設計方法のステップＳ１で用意された初期ＧＣコイルパターンの給電線と戻り線と本線の周辺の拡大図であり、（ｂ）はステップＳ４で計算された補正電流（成分）の概念図であり、（ｃ）はステップＳ５で補正電流成分が追加された修正ＧＣコイルパターンの給電線と戻り線と第２渡り線の周辺の拡大図である。 （ａ）は本発明の第２の実施形態に係る傾斜磁場コイル装置のｙ方向傾斜磁場シールドコイルの戻り線と第１渡り線の周辺のパターン図であり、（ｂ）は戻り線と第１渡り線の周辺の断面図である。 戻り線と第１渡り線によって発生する真空容器（導体物）上の誤差磁場成分の分布図であり、（ａ）は戻り線の幅Ｗ４に対する第１渡り幅Ｗ３の比が４倍の場合であり、（ｂ）は戻り線の幅Ｗ４に対する第１渡り幅Ｗ３の比が６倍の場合であり、（ｃ）は戻り線の幅Ｗ４に対する第１渡り幅Ｗ３の比が８倍の場合であり、（ｄ）は戻り線の幅Ｗ４に対する第１渡り幅Ｗ３の比が１０倍の場合である。

符号の説明

１ 磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）装置
２ 静磁場コイル装置
２ａ 静磁場コイル（静磁場メインコイル）
２ｂ 静磁場コイル（静磁場シールドコイル）
２ｃ 容器（真空容器、導体物）
２ｄ 熱輻射シールド
２ｅ 冷媒容器
３ 傾斜磁場コイル装置
４ ＲＦコイル
５ 被検体(患者)
６ ベッド
７ 静磁場の向き
８ 撮像領域（中央領域）
９ 傾斜磁場
１０ 対称軸
１１ 給電線
１２ 本線
１３ 戻り線
１４ 渡り線
１５ 補正線
１６ 磁力線
１７ 連結柱
１８ａ、１８ｂ 補正電流
１９ 磁場の方向と大きさ
２０ コイル面
２１ 補正電流
ＧＭＣ 傾斜磁場メインコイル
ｘＧＭＣ ｘ方向傾斜磁場メインコイル
ｙＧＭＣ ｙ方向傾斜磁場メインコイル
ｚＧＭＣ ｚ方向傾斜磁場メインコイル
ＧＳＣ 傾斜磁場シールドコイル
ｘＧＳＣ ｘ方向傾斜磁場シールドコイル
ｙＧＳＣ ｙ方向傾斜磁場シールドコイル
ｚＧＳＣ ｚ方向傾斜磁場シールドコイル
Ｗ１、Ｗ３ 渡り幅
Ｗ２ 戻り線幅

Claims (9)

1. 核磁気共鳴撮像装置の撮像領域に線形な磁場分布を作る第１コイルと、
   前記第１コイルから前記撮像領域に均一な磁場分布を作る静磁場コイル装置への漏れ磁場を抑制する第２コイルとを備え、
   前記第１コイルと前記第２コイルの少なくともどちらか一方では、渦状のコイルパターンからの戻り線と交差する渡り線が前記コイルパターンとして谷と山を連ねたように下がって上がって又下がるように蛇行していることを特徴とする傾斜磁場コイル装置。
2. 前記コイルパターンへの給電線と前記戻り線とに交差する前記コイルパターンの一区間が凸形状に折り曲げられるように迂回していることを特徴とする請求項１に記載の傾斜磁場コイル装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の傾斜磁場コイル装置と、
   前記傾斜磁場コイル装置に近接して配置され、前記撮像領域に均一な静磁場を生成する静磁場コイル装置とを備えたことを特徴とする核磁気共鳴撮像装置。
4. 前記戻り線は、前記渡り線と前記静磁場コイル装置の間に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の核磁気共鳴撮像装置。
5. 核磁気共鳴撮像装置の撮像領域に線形な磁場分布を作る第１コイルと、前記第１コイルから前記撮像領域に均一な磁場分布を作る静磁場コイル装置への漏れ磁場を抑制する第２コイルの少なくともどちらか一方のコイルパターンの設計方法であって、
   予め用意された初期コイルパターンに基づいて、前記静磁場コイル装置における誤差磁場を計算し、
   前記初期コイルパターンの渦状のコイルパターンからの戻り線と交差する渡り線上を流れ前記誤差磁場を打ち消す谷と山を連ねたような補正電流成分を計算し、
   前記補正電流成分に基づいて前記初期コイルパターンの前記渡り線を谷と山を連ねたように下がって上がって又下がり蛇行するように変形することを特徴とするコイルパターンの設計方法。
6. 前記補正電流成分の計算では、
   前記初期コイルパターンと同一面上の電流ポテンシャル分布を計算することを特徴とする請求項５に記載のコイルパターンの設計方法。
7. 請求項５又は請求項６に記載されたコイルパターンの設計方法を用いて設計され製造された前記第１コイルと前記第２コイルの少なくともどちらか一方を有することを特徴とする傾斜磁場コイル装置。
8. 請求項５又は請求項６に記載されたコイルパターンの設計方法を用いて設計され製造された前記第１コイルと前記第２コイルの少なくともどちらか一方を有することを特徴とする核磁気共鳴撮像装置。
9. 核磁気共鳴撮像装置の撮像領域に線形な磁場分布を作る第１コイルと、
   前記第１コイルから前記撮像領域に均一な磁場分布を作る静磁場コイル装置への漏れ磁場を抑制する第２コイルとを備え、
   前記第１コイルと前記第２コイルの少なくともどちらか一方では、渦状のコイルパターンからの戻り線と交差する渡り線が前記渡り線の両端の間で前記両端を結ぶ線分と交差するように蛇行していることを特徴とする傾斜磁場コイル装置。

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