JP5278903B2 - 磁気共鳴イメージング装置及び傾斜磁場コイル - Google Patents

Description

本発明は、磁気共鳴イメージング(以下、ＭＲＩという)装置に関し、特に、被検体が配置される撮像空間を広く確保可能であって製造容易な傾斜磁場コイル及びそれを備えたＭＲＩ装置に関する。

ＭＲＩ装置は、静磁場中に置かれた被検体の核磁気共鳴(以下「ＮＭＲ」という)現象から得られる信号を計測し演算処理することにより、被検体中の核スピンの密度分布、緩和時間分布等を断層像として画像表示するものであり、人体を被検体として各種の診断等に使用されている。

ＭＲＩ装置は、磁石が形成する空間的、時間的に均一な強度と方向を持った静磁場空間(撮像空間)中に被検体を配置し、ＲＦコイルによりパルス状に電磁波を被検体に照射し、それによって発生するＮＭＲ信号をＲＦコイルにより受信する。受信の際にはＮＭＲ信号に位置情報を付与するために、３軸方向に直交する傾斜磁場コイルにより撮像空間に傾斜磁場を発生させる。

傾斜磁場コイルは、アクティブシールド型傾斜磁場コイル(Active Shield Gradient Coi1：ASGC)を採用することが可能である。ＡＳＧＣは、３軸方向のそれぞれについてメインコイルとシールドコイルとを備えることにより、磁石側へ漏洩するパルス磁場を低減することができるため、ＭＲＩ撮影に悪影響を及ぼす渦電流により過渡的に変化していく不要磁界を低減することが可能となる。

このようなＭＲＩ装置において、カバーを含めて、ＲＦコイルから傾斜磁場コイルまでの合計厚さは典型的にはおよそ１５０mm程度となる。被検体が配置される撮像空間を広く確保するために、磁石の内径をカバーから傾斜磁場コイルまでの合計厚さを加えただけ大きくすることが考えられる。しかし、この場合は静磁場の発生効率が悪くなり、多くの起磁力が必要となる。例えば、超電導磁石の場合、多くの超電導線を使用することになる。このため、磁石のコストが増大する。逆に、磁石の内径を変えずに傾斜磁場コイルの厚さを薄くすることも考えられる。しかし、この場合はメインコイルとシールドコイルの間隔が狭まるので傾斜磁場の発生効率が低下し、所望の傾斜磁場を発生させるために多くの電流を必要とする。

そこで、例えば、特許文献1では、傾斜磁場コイルの中央部に凹部を設け、そこへＲＦコイルを配置する構造を提案している。この構造により、撮像空間を広く確保出来ると共に、傾斜磁場コイルの端部領域においてメインコイルとシールドコイル間の間隔を広げられるために、少ない電流で撮像空間に所望の傾斜磁場を発生できるので、傾斜磁場の発生効率が良いという利点がある。

特表２００５−５１５０５１号公報

しかしながら、特許文献1のように傾斜磁場コイルの中央部に凹部を設ける構造は、その製造が容易ではない。例えば、傾斜磁場コイルの中央部と端部と段差部とを別々に製造し、それらの部品に形成された多数の配線を相互に位置を合わせて接続することにより傾斜磁場コイルを製造することになる。このような製造工程は複雑であるため、製造コストの上昇を招く。

そこで、本発明の目的は、被検体が配置される撮像空間を広く確保できるとともに、製造が容易な傾斜磁場コイル、及びそのような傾斜磁場コイルを備えたＭＲＩ装置を提供することである。

上記目的を達成するために本発明は以下の様に構成される。即ち、磁気共鳴イメージング装置において、撮像空間に傾斜磁場を発生するメインコイルと、このメインコイルと静磁場発生部との間に配置され、メインコイルから静磁場発生部側への漏洩磁場を打ち消す磁場を発生するシールドコイルとを備え、メインコイルと撮像空間の中心点を通過する水平軸との鉛直方向距離を、メインコイルの中央部から端部に向かうにつれて減少するように構成する。

また、磁気共鳴イメージング装置に用いられ、撮像空間に傾斜磁場を発生するメインコイルと、このメインコイルから撮像空間の反対側への漏洩磁場を打ち消す磁場を発生するシールドコイルとを備える傾斜磁場コイルにおいて、メインコイルとシールドコイルとの間隔が、メインコイルの中央部から端部に向かうにつれて増加していくように構成する。

また、磁気共鳴イメージング装置において、撮像空間に傾斜磁場を発生するメインコイルと、このメインコイルと静磁場発生部との間に配置され、メインコイルから静磁場発生部側への漏洩磁場を打ち消す磁場を発生するシールコイルとを備え、メインコイルは、撮像空間の中心点に対向する中央部と、この中央部の端部側に、この中央部と分離して配置された側方部とを備え、中央部の端部の少なくとも一部と、側方部の中央部側の端部の少なくとも一部とは、鉛直方向に重なり合い、メインコイルと撮像空間の中心点を通過する水平軸との鉛直方向距離は、中央部から側方部に階段状に減少するように構成する。

本発明の傾斜磁場コイルによれば、被検体が配置される撮像空間を広く確保できるような形状の導電板に回路パターンを形成した後にその導電板を変形させ又は加工することにより傾斜磁場コイルを製造することが可能になる。その結果、被検体が配置される撮像空間を広く確保できる傾斜磁場コイルを容易に製造することが可能になる。そして、本発明の傾斜磁場コイルを備えたＭＲＩ装置は、被検体が配置される撮像空間を広く確保できるようになる。

本発明の第１の実施形態のＭＲＩ装置の全体構成を示すブロック図。 本発明の第１の実施形態のＭＲＩ装置の磁石４、傾斜磁場コイル１３、ＲＦコイル１１の構成を示す断面図。 図２の傾斜磁場コイル１３のシールドコイル５１およびメインコイル５２の一部構成を示す切り欠き斜視図。 図３のメインコイル５２を形成するための導体板の一部分の形状を示す説明図。 本発明の第２の実施形態のＭＲＩ装置の磁石４、傾斜磁場コイル１３、ＲＦシールド５３の構成を示す説明図。 図５の傾斜磁場コイルのメインコイル５２の一部構成を示す切り欠き斜視図。 図４のメインコイル５２を形成するための導体板の一部分の形状を示す説明図。 従来の中央を窪ませていないメインコイル２１５を流れる電流を示す説明図、 本発明の第２の実施形態のメインコイル５２を流れる電流を示す説明図。 本発明の第２の実施形態のメインコイル５２を流れる電流を示す説明図。 本発明の第３の実施形態のＭＲＩ装置の磁石４、傾斜磁場コイル１３、ＲＦコイル１１の構成を示す断面図。 図９のメインコイル５２を形成するための導体板の一部分の形状を示す説明図。 本発明の第４の実施の形態の傾斜磁場コイル１３のメインコイル５２の一部構成を示す切り欠き斜視図。 図１１のメインコイル５２を形成するための導体板の一部分の形状を示す説明図。 比較例のＭＲＩ装置の磁石４、傾斜磁場コイル３１３、ＲＦコイル１１の構成を示す断面図。 図１３の傾斜磁場コイル１３のメインコイル５３２の一部構成を示す切り欠き斜視図。 図１４のメインコイル３５２を形成するための導体板の一部分の形状を示す説明図。 本発明におけるＺ方向傾斜磁場コイルの概略構成説明図。 本発明におけるＺ方向傾斜磁場コイルの概略構成説明図。 本発明の第５の実施形態である傾斜磁場コイルの概略構成説明図。 本発明の第５の実施形態である傾斜磁場コイルの概略構成説明図。

符号の説明

１・・・中央処理装置（ＣＰＵ）、２・・・シーケンサ、３・・・送信系、４・・・静磁場発生用磁石、５・・・受信系、６・・・信号処理系、１１・・・高周波（ＲＦ）コイル、１３・・・傾斜磁場コイル、３３・・・絶縁溝、５１・・・シールドコイル、５２・・・メインコイル、５３・・・ＲＦシールド、５４・・・撮像空間。

以下、本発明の実施形態を図面に沿って具体的に説明する。本発明の実施形態では、傾斜磁場発生コイルを部分的に窪ませることにより、磁場発生効率を低下させることなく、ＲＦコイルと傾斜磁場コイルを合計した厚さを薄くする。すなわち、磁場発生効率を低下させることなく、ＲＦコイルを傾斜磁場コイル側によせて配置することが可能になり、カバーから磁石までの距離を従来よりも短縮するものである。

本発明の実施形態のＭＲＩ装置は、図１に示したように、静磁場発生用磁石４と、傾斜磁場発生系２１と、被検体７を搭載して撮像空間に配置する寝台３１と、被検体７に高周波磁場を印加するための送信系３と、被検体７が発生するＮＭＲ信号を受信する受信系５と、シーケンサ２と、信号処理系６と、中央処理装置（ＣＰＵ）１とを有している。

静磁場発生用磁石４は、撮像空間に、被検体７の体軸方向または体軸と直交する方向の均一な静磁場を発生する。例えば、永久磁石方式、常電導方式および超電導方式のうちのいずれかの磁場発生装置を用いることができる。送信系３は、高周波発振器８と、変調器９と、高周波増幅器１０と、高周波（ＲＦ）コイル１１とを含み、シーケンサ２が変調器９を制御することにより、所定の高周波磁場を被検体７に照射する。

傾斜磁場発生系２１は、Ｘ、Ｙ、Ｚの３方向に傾斜磁場Ｇｘ、Ｇｙ、Ｇｚをそれぞれ発生する傾斜磁場コイル１３およびそれらを駆動する傾斜磁場電源１２を含み、シーケンサ２による所定のパルスシーケンス制御に応じた所定の方向の傾斜磁場を発生する。傾斜磁場Ｇｘ、Ｇｙ、Ｇｚは、被検体７に対するスライス面を決定し、またＮＭＲ信号に位置情報を付与するために、シーケンサ２の制御により所定の強度およびタイミングで印加される。位置情報を付与する傾斜磁場のうち、位相エンコード用傾斜磁場は、通常は磁場強度を変えながら所定の周期でパルス状に繰り返し印加される。

受信系５は、受信コイル１４と増幅器１５と直交位相検波器１６とＡ／Ｄ変換器１７とを含み、受信コイル１４が受信したＮＭＲ信号を増幅後検出し、ＣＰＵ１に受け渡す。信号処理系６は、ＣＰＵ１とディスプレイ１８と記録装置１９と入力部２０とを含む、ＣＰＵ１は、内蔵する画像再構成プログラムを実行することにより、受信系５から受け取ったＮＭＲ信号に基づき、画像再構成を行う。再構成した画像は、ディスプレイ１８に表示される。また、必要に応じて、記録装置１９に格納する。入力部２０は、画像再構成の条件等の設定をユーザから受け付ける。

シーケンサ２は、ＣＰＵ１から受け渡されるパルスシーケンス情報に従って、送信系３、傾斜磁場発生系２１、および、受信系５を制御し、所定のパルスシーケンスを実行させることにより、スピンエコー法、グラジエントエコー法等の種々撮像方法を実現する。パルスシーケンス情報は、高周波パルス及び傾斜磁場パルスの磁場強度、磁場パルス照射及びＮＭＲ信号検出のタイミング、繰返し時間などの情報であり、入力部２０を介してユーザが設定した条件または予め定められた条件が用いられる。いずれの撮像方法の場合もＲＦコイル１１及び傾斜磁場コイル１３は、シーケンサ２からの制御信号により所定の繰返し時間で、高速でパルス状に繰返し駆動される。

以下、磁石４、傾斜磁場コイル１３およびＲＦコイル１１の構造について、図２を用いて具体的に説明する。

静磁場発生用磁石４は、円筒形状であり、その軸方向は被検体７の体軸方向と一致するように配置されている。よって、磁石４は、被検体７の体軸方向の静磁場を発生する。

傾斜磁場コイル１３は、図２に示すように、メインコイル５２、シールドコイル５１を備えたアクティブシールド型傾斜磁場コイル（ＡＳＧＣ）である。シールドコイル５１は、メインコイル５２と静磁場発生用磁石４との間に配置されている。

メインコイル５２およびシールドコイル５１は、図２には示していないが、それぞれ３つのコイルを積層配置した構成である。メインコイル５２は、ＸＹＺ方向の傾斜磁場をそれぞれ発生するＸ方向メインコイル、Ｙ方向メインコイル、Ｚ方向メインコイルを積層配置した構成である。３つのメインコイルの積層順は、例えば、撮像空間５４側から順にＸ方向メインコイル、Ｙ方向メインコイル、Ｚ方向メインコイルの順にすることができる。シールドコイル５１は、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向メインコイルの静磁場発生用磁石４側への漏洩磁場と逆向きの磁場をそれぞれ発生するＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向シールドコイルを積層した構成である。これにより、シールドコイル５１は、静磁場発生用磁石４への漏洩磁場を打ち消し、静磁場発生用磁石４の容器に漏洩磁場に起因する渦電流が発生するのを抑制する。Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向シールドコイルの積層順は、例えば、撮像空間５４側からＺ方向シールドコイル、Ｘ方向シールドコイル、Ｙ方向シールドコイルの順にすることができる。

Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向シールドコイルは、いずれも円筒形状であり、これらを積層したシールドコイル５１の全体形状は、円筒形状である。一方、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向メインコイルを積層したメインコイル５２の外形は、図２に示したように、撮像空間５４の中央部（Ｚ＝０）における半径（内径）ｒ１が、メインコイル５２の両端部（Ｚ＝Ｌ１、Ｚ＝−Ｌ１）の半径（内径）ｒ２よりも大きくなる（ｒ２＜ｒ１）ように構成された筒型である。

つまり、傾斜磁場発生コイルであるメインコイル５２は、撮像空間５４の中心点を通過する水平軸（Ｚ軸）に対する垂直方向に撮像空間５４と対向する中央部５２−２と、この中央部から延びる側方部５２−１とを備え、中央部５２−２と水平軸との垂直方向距離ｒ１は、側方部５２−１と水平軸との垂直方向距離より大であり、中央部５２−２から側方部５２−１の端部に向かうにつれて減少し、端部でｒ２となっている。

Ｚ＝０とＺ＝Ｌ１との間、ならびに、Ｚ＝０とＺ＝−Ｌ１との間の半径は、メインコイル５２の両端部（Ｚ＝Ｌ１、−Ｌ１）に近づくにつれて小さくなっている。よって、メインコイル５２は、２つの部分円錐（円錐の側面の一部）を、Ｚ＝０において接続した形状となっており、撮像空間５４側から見ると、中央部（Ｚ＝０）において窪んだ形状となっている。Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向メインコイルは、それぞれが図２に示した中央部が窪んだ同形状に構成されており、これらを積層することにより、メインコイル５２の全体形状を図２の形状にしている。

なお、図２に示した例においては、中央部５２−２は２つの平面が交差する形状（断面では２つの直線が交差する形状）としたが、この中央部５２−２は、なだらかに変化する形状、例えば曲面状としてもよい。

図３にメインコイル５２のＸ方向メインコイルおよびシールドコイル５１のＸ方向シールドコイルの切り欠き斜視図を示す。

図３のコイルは、所定の筒型の導体（例えば２〜４ｍｍ厚さ）に所望の流線に沿った絶縁溝３２、３３を切ることにより、メインコイル（Ｘ方向）５２およびシールドコイル（Ｘ方向）を形成したものである。絶縁溝３２、３３は、ウォータージェット加工や機械加工等により形成することができ、板状導体を筒型にする前または筒型にした後に形成することができる。図３にはＸ方向メインコイルおよびＸ方向シールドコイルのみ示したが、ＹおよびＺ方向メインコイル、ならびに、ＹおよびＺ方向シールドコイルについても絶縁溝の流線形状が異なるのみで、外形は同様である。すなわち、Ｘ方向メインコイルおよびＸ方向シールドコイルについてＺ軸を軸として９０°回転させた形状の絶縁溝を導体に形成することにより、Ｙ方向メインコイルおよびＹ方向シールドコイルを得ることができる。また、Ｚ軸を中心とする同心円状の絶縁溝を導体に形成することによりＺ方向メインコイルおよびＺ方向シールドコイルを形成することができる。

ＲＦシールド５３は、メインコイル５２と同様の形状であって、メインコイル５２のすぐ内側に配置されている。ＲＦシールド５３の材質は、銅やステンレス等の非磁性金属であり、薄い箔や細線を編んだメッシュにより形成されている。ＲＦシールド５３は、傾斜磁場コイル１３から放出される傾斜磁場電源のノイズを抑制し、また、傾斜磁場コイル１３とＲＦコイル１１との電磁結合を遮蔽して誘導損失を減らすことによりＲＦコイル１１のＱを高くする作用をする。

ＲＦシールド５３の内側には、半径ｒ３の円筒形状のＲＦコイル１１が配置されている。ＲＦコイル１１の端部は、Ｚ＝Ｌ２、−Ｌ２（ただし、Ｌ２＜Ｌ１）に位置している。ＲＦコイル１１は、線材を所望のパターンに巻いた構成のものや、筒状の導体板に絶縁溝を切った構成のもの等を用いることができる。

図２では図示していないが、さらに、ＲＦコイル１１から磁石４までを樹脂製のカバーで覆うことにより、患者の入る空間であるボアが構成されている。

このように、本発明の実施形態では、撮像中央部（Ｚ＝０）の位置に対応する部分で撮像空間５４側からみるとメインコイル５２が中央で窪んでいる。このため、メインコイル５２が窪んでいない場合よりも大きな径のＲＦコイル１１を配置することが可能になり、ボア径を大きくすることができる。なお、ＲＦコイル１１の半径ｒ３は、メインコイル５２の端部の半径ｒ２より大きくても良いし、小さくても良い。

メインコイル５２とシールドコイル５１との間の空間は、撮像空間５４に傾斜磁場の磁束を発生させるためにも、静磁場発生用磁石４への漏洩磁束を低減するためにも、多くの磁束を流す必要がある。そのため、この空間を狭くするとメインコイル５２傾斜磁場の発生効率が悪くなる。すなわち、メインコイル５２とシールドコイル５１の間の空間を狭くして、同じ電流で同じ傾斜磁場を発生させようとしたならば、コイルの巻き数を増加させる必要があり、巻き数の２乗でインダクタンスが増大する。しかしながら、本発明の実施形態では、シールドコイル５１に対してメインコイル５２を傾斜させているため、中央部（Ｚ＝０）においてはメインコイル５２とシールドコイル５１が接近するが、端部（Ｚ＝Ｌ１、−Ｌ１）に近い部分では、逆にメインコイル５２とシールドコイル５１の間隔が広がるため、全体として見ると傾斜磁場の発生効率は低下せず、コイル巻き数を増加させる必要がなく、インダクタンスも増大しない。よって、本発明の実施形態では、傾斜磁場コイル１３のインダクタンスを増加させることなく、大きな径のＲＦコイル１１を配置することが可能になる。

また、ＲＦコイル１１とＲＦシールド５３との間には、ある程度以上の空間を確保する必要がある。その理由は、ＲＦコイル１１とＲＦシールド５３とを接近させると、高周波渦電流が増えるために高周波磁場の発生効率が悪くなり、同じＲＦ磁場を照射するためにより強力な高周波増幅器１０が必要となるためである。また、ＲＦコイル１１近傍での磁場分布が急激に変化することになり、撮影領域におけるＲＦパワーの不均一性が大きくなるという問題も生じる。しかしながら、本発明の実施形態では、ＲＦシールド５３がメインコイル５２と同形状に傾斜しているため、ＲＦコイル１１の両端部（Ｚ＝Ｌ２、Ｚ＝−Ｌ２）においてＲＦシールド５３をメインコイル５２に接近させても、Ｚ＝０においては、両端部より間隔が開く。よって、全体としては、ＲＦコイル１１の高周波磁場の発生効率は低下しないため、ＲＦコイル１１の両端部（Ｚ＝Ｌ２、Ｚ＝−Ｌ２）においてはＲＦシールド５３をメインコイル５２に接近させることができ、大きな半径のＲＦコイル１１を配置することが可能になる。

例えば、メインコイル５２の中心軸方向長さの半分（Ｌ１）＝５００ｍｍ、中央部おける内径（ｒ１）＝４００ｍｍ、両端部における内径（ｒ２）＝３５０ｍｍとし、メインコイル５２にＲＦシールド５３を密着させ、中心軸方向長さの半分（Ｌ２）＝２５０ｍｍ、内径（ｒ３）＝３５０ｍｍのＲＦコイル１１の両端部をＲＦシールド５３からおよそ２５ｍｍ離して配置することが可能になる。

本発明の実施形態の構造により、同じ磁場発生効率およびインダクタンスの条件であれば、ＲＦコイル１１から磁石４までの厚さを２０ｍｍ程度低減することが可能になる。すなわち、円筒型のメインコイルを用いた場合よりも、ＲＦコイル１１の内径ｒ３を２０ｍｍ程度大きくし、メインコイル５２の内径ｒ２はｒ３よりも小さくならない範囲に設定しても、ほぼ同等の磁場発生効率およびインダクタンス性能が得られることを意味する。また、ＲＦコイル１１から磁石４までの厚さを同じにした場合には、インダクタンスを２割程度低減することができる。

このように、本発明の実施形態では、メインコイル５２をＺ＝０で径が最大値をとり端部に向かうにつれて傾斜した形状にすることにより、傾斜磁場コイル１３およびＲＦコイル１１の磁場発生効率をいずれも低下させることなく、ＲＦコイル１１の径を大きくすることができる。

また、本発明の実施形態のメインコイル５２は、内側から見るとＺ＝０で窪んだ形状であるが、中心から端部に向かって傾斜する直線をＺ軸を軸に３６０度回転した軌跡で描かれる部分円錐を２つ合わせた形状であるため、一つのコイル（例えばＸ方向メインコイル）は、片側の部分円錐毎に１枚の展開図から製造可能であり、容易に製造することができる。なお、部分円錐を周方向に２つに分割することにより、さらに容易に製造でき、ここでは分割して製造する方法について以下説明する。

この部分円錐を構成する為の導体板の一部形状を図４に示す。例えば、Ｌ１＝５００ｍｍ、ｒ１＝４００ｍｍ、ｒ２＝３５０ｍｍとすると、幾何計算からθ＝１８°、曲率半径Ｌo＝４０００ｍｍ、長い弧が（（２πｒ１）／２）、短い弧が（（２πｒ２）／２）の扇型となる。この導体板を部分円錐の形状に曲げるとメインコイル５２の周方向の２分の１が形成される。絶縁溝３３は、導体板の状態で形成することも可能であるし、部分円錐の形状に曲げてから形成することも可能である。全部で４ピースのメインコイル５２の部品を形成した後、これらを接続して、Ｘ方向メインコイルを製造する。同様に、Ｙ方向およびＺ方向メインコイルの部品を形成し、３つのコイルを積層するように組み立てていく。

このとき、本発明の実施形態では、それぞれの導体板（部分円錐の周方向の２分の１）ごとに閉じた（独立した）コイルを構成するように絶縁溝３３を形成する。よって、同様に構成したもう片側の部分円錐の端部と接続する際に、接合部を電気的に接続する必要はなく、それぞれの部分円錐のコイルの端部にリード線等を接続してそれを直列に接続するのみでよい。なお、片側の部分円錐を一つの導体板で形成する場合も、それぞれの導体板ごとに閉じたコイルを構成するように絶縁溝を形成する。

メインコイル５２を組み立てたならば、シールドコイル５１と位置合わせをしながら組み合わせ、樹脂モールド等で固化させて傾斜磁場コイルとする。部分円錐の形状のＲＦシールド５３は、製作時にメインコイル５２の内側に積層して積み上げても良いし、傾斜磁場コイルを製作した後に、内側に貼付けても良い。

ＲＦシールド５３とＲＦコイル１１の間は、ＲＦコイル１１にとって誘導性の物質が埋まっていなければ、空間として空いていても良いし、樹脂等でモールドしても構わない。

また、ＲＦコイル１１の径ｒ３は、メインコイル５２の狭い部分の径ｒ２より大きくても小さくても良いが、ｒ３がｒ２より大きい場合には、傾斜磁場コイル１３を組み立てるときに予めＲＦコイル１１を配置するか、もしくは、ＲＦコイル１１を分割できる構造とし、傾斜磁場コイル１３を組み立てた後に、分割した状態でメインコイル５２の内側に挿入してから組み立てることができる。

上述のように、本発明の第１の実施形態では、部分円錐を２つ組み合わせることにより、傾斜面により構成された構造でありながら、メインコイル５２の中央部を窪ませた構造である。このため、上述したように、メインコイル５２を構成する２つの部分円錐ごと、または、それを構成する部品ごとに独立したコイルを成すように絶縁溝３３を形成することができる。

比較例として、図１３のように、段差を設けてメインコイル３５２を窪ませた場合について説明する。段差を設けたメインコイル３５２は、段差部分で多数の導体を接続する必要が生じ、製造上の間題から容易には製作できない。具体的には、図１３のような段差を有するメインコイル３５２は、切り欠き斜視図を図１４に示すように、絶縁溝３３３を段差部分で連続させて設ける必要がある。このため、製造時には、図１５に示したように、部分Ａ、Ｂ、Ｃの３つの板状部材に分割して、それぞれに絶縁溝３３３を設ける必要がある。その後、部分Ａ、Ｃを円筒状に曲げた後、部分Ｂと接続して図１４の形状にする手順になる。部分Ａと部分Ｂと部分Ｃとを接続する際、図１５中の○と△の部分を電気的に接続することにより図１４のコイルが得られる。通常のコイルパターンでは、図１４の傾斜磁場コイル２１３を作る場合、接続すべき点（○と△の部分）は数百にも及ぶ。このため、これらを接続しながら傾斜磁場コイル２１３を製造することは容易ではない。

この比較例と対比すると、本発明の実施形態のメインコイル５２は、比較例と同様に中央部を窪ませた構造でありながら、容易に製造することができるというメリットがある。

なお、本発明の実施形態では、ＲＦコイル１１を円筒形状にした場合を説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、他の形状にすることも可能である。

なお、第１の実施形態においては、照射用のＲＦコイル１１と受信コイル１４とが別々の場合について説明したが、本発明の実施形態のＲＦコイル１１に受信コイル１４を兼用させることも可能である。

また、第１の実施形態においては、導体板に絶縁溝を形成することにより、メインコイルおよびシールドコイルを構成する各方向のコイルを製造する構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、外形が上記形状であれば、銅の線材や、板、パイプを巻き廻すことによりメインコイルおよびシールドコイルを形成することも可能である。

上述した傾斜磁場発生コイル５２は、磁気共鳴イメージング装置に組み込まれた状態で説明したが、傾斜磁場発生コイル５２単体としても、磁気共鳴イメージング装置の部品として、成立できる。

本発明による傾斜磁場発生コイルは、中央空間領域を形成する中央部と、この中央部から延び、側方空間領域（上記中央空間領域の両側に位置する空間領域）を形成する側方部とを備え、中央空間領域の中心を通過する中心軸（図２の例ではＺ軸）に対して直交する方向の中央空間領域の寸法（ｒ１）は、中心軸（Ｚ軸）に対して直交する方向の側方空間領域の寸法（ｒ２）より大であり、中央部の中心から側方部の外側端部に向かうにつれて連続的に減少する。

（第２の実施の形態）
図５〜図８を用いて、本発明の第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態では、メインコイル５２の中央部５２−２（Ｚ＝０）を窪ませ、中央部５２−２の半径ｒ２が端部の半径ｒ１よりも大きいという点では第１の実施形態と同じであるが、図５のように、メインコイル５２が半径ｒ１の円筒部材５２−１（側方部）と半径ｒ２の円筒部材５２−２（中央部）とに分割されている点が第１の実施形態と異なっている。よって、メインコイル５２の半径は、中心部Ｚ＝０から端部Ｚ＝Ｌ１に近づくにつれて、段階的（階段状）に小さくなっている。

つまり、撮像空間に傾斜磁場を発生するメインコイル５２と、メインコイル５２から撮像空間の反対側への漏洩磁場を打ち消す磁場を発生するシールドコイル５１とを備えて成る傾斜磁場コイルにおいて、メインコイル５２は、中央部５２−２と、中央部５２−２の端部側にこの中央部５２−２と分離して配置された側方部５２−１とを備え、中央部５２−２の端部の少なくとも一部と、側方部５２−１の中央部５２−２側の端部の少なくとも一部とは重なり合い、メインコイル５２と撮像空間の中心点を通過する水平軸との鉛直方向距離は、中央部５２−２から側方部５２−１に階段状に滅少する。

ＲＦシールド５３は、図５のようにメインコイル５２の中央部５２−２の凹部の内壁に沿うように配置する。図５では示していないが、ＲＦコイル１１は、メインコイル５２の窪んだ部分（中央部５２−２の部分）に配置する。他の構成は、第１の実施形態と同様である。

メインコイル５２の構造を具体的に説明する。図５のように、メインコイル５２の中央部５２−２の端部はＺ＝−Ｌ５、Ｌ５に位置している。その両外側にそれぞれ側方部５２−１が配置されている。Ｚが正の側に配置されている側方部５２−１の端部はＺ＝Ｌ６とＺ＝Ｌ１に位置している。Ｚが負の側に配置されている側方部５２−１の端部は、その対称な位置にある。このとき、｜Ｌ５｜＞｜Ｌ６｜となるように設定され、中央部５２−２は、両側の側方部５２−１とＬ６〜Ｌ５（−Ｌ６〜−Ｌ５）の間で重なり合っている。つまり、中央部の端部と側方部の中央部側の端部とは、垂直方向に一部分重なり合っている。

２つの側方部５２−１および１つの中央部５２−２は、図６および図７に示したように、それぞれ独立した（閉じた）コイルを形成するように絶縁溝３３が形成されている。よって、側方部５２−１および中央部５２−２のコイルの端部にリード線等を接続し、それを直列に接続するのみでよい。

側方部５２−１および中央部５２−２は、図７のような形状の導体板を湾曲させて製造することができる（ただし、図７では、導体板の一部分のみを示している）。

図５のような構成のメインコイル５２に流れる電流と磁束について図８Ｂを用いて説明する。なお、図８Ａは、比較例として中央を窪ませていない形状のメインコイル２１５の断面を表しており、Ｘ印は、紙面の手前から奥へ、黒丸印は紙面の奥から手前にコイル電流が流れていることを示している。本実施形態の図５のメインコイル５２は、側方部５２−１および中央部５２−２に分割されているため、電流を流すと、図８Ｂのようになり、分割されたＺ＝Ｌ５、Ｌ６付近の分割された部分近傍で電流が増えるが、中央部５２−２の紙面の手前から奥へ流れる電流が形成する磁束と、側方部５２−１の紙面の奥から手前に流れる電流が形成する磁束が相殺するので、図８Ａのメインコイル２１５に近い磁場分布を得ることができる。ただし、図８Ｂからわかるように、本実施形態の構成の場合は、Ｚ＝Ｌ５、Ｌ６付近の電流密度が、分割しないメインコイル２１５より増加するので、Ｚ＝Ｌ５〜Ｌ６付近の側方部５２−１、中央部５２−２の間に水冷等の冷却管５５を配置し、電流による発熱を冷却することが望ましい。

この実施例の場含、Ｌ５−Ｌ６の付近において、側方部５２−１、中央部５２−２の双方の電流密度が増す。電流密度の増大に対しては冷却能力の向上が必要であるが、併せて単位断面積当たりの電磁力が増大するのでより強固な導体固定構造も必要である。ただし、一般的に使用可能な範囲のエポキシ接着剤を使用する限りは極端な接着力向上は期待できないので、接着力の面から電流密度の上限は定められる。こうして定めた電流密度の上限を満たすように、Ｌ５−Ｌ６の幅を設定するのが良い。

例えば、１００Ａ／ｍｍを電流密度の上限とし、５００Ａ／ターン、１０ターンとすると、Ｌ５−Ｌ６の幅は少なくとも５０ｍｍ＋絶縁溝幅だけの幅が必要となる。

また、Ｌ５−Ｌ６付近に流れる電流は、元の電流パターンの何処で分断するかによって電流総量が変わる。つまり、分断線をまたぐ電流については、側方部５２−１、中央部５２−２のＬ５、Ｌ６付近の電流とする必要がある。よって、図１４における渦巻きの中心付近で分断しようとした場合は、多くの電流をＬ５、Ｌ６付近に流す必要があり、逆に中心から離れた場所で分断しようとすれば、それぞれの領域で閉じている電流は分断によっても変わらないので、Ｌ５−Ｌ６付近の電流はあまり増加しない。

側方部５２−１、中央部５２−２との半径の差、すなわち、ｒ１とｒ２の差は、そこへＲＦコイルとＲＦシールドを配置することを考えると、３０ｍｍ程度あることが望ましい。しかし、この間隔が広いと、図８ＢにおけるＬ５付近の電流とＬ６付近の電流が完全にキャンセルしない。この影響を低減する為には、ｒ１とｒ２を小さくするか、Ｌ５、Ｌ６付近の電流を少なくする必要がある。

また、図５の構成において、図８Ｃに示すように、中央部５２−２が、側方部５２−１を覆う延長部を有し、｜Ｌ５｜＞｜Ｌ１｜に設定することにより、円筒部材（中央部）５２−２の端部（Ｚ＝Ｌ５、−Ｌ５）が、円筒部材（側方部）５２−１の外側端部（Ｚ＝｜Ｌ１｜）よりもさらに外側に位置するように構成することもできる。これにより、半径ｒ２の円筒部材中央部５２−２が、半径ｒ１の側方部５２−１の外側全体を覆う構成となる。

このような構成のメインコイル５２に流れる電流と磁束について図８Ｃを用いて説明する。図８Ｃの場合には、図８Ｂとは異なり、側方部５２−１と中央部５２−２とで近接して逆向きに流れる電流が生じない。よって、電流密度は減り、発熱が減少するというメリットがある。

第２の実施形態では、メインコイル５２を複数の部材５２−１、５２−２に分割することにより中央部を窪ませた構成である。よって、第１の実施形態と同様に、磁場発生効率を低下させることなく、ＲＦコイル１１を傾斜磁場コイル側によせて配置することが可能になり、ＲＦコイル１１から磁石４までの距離を従来よりも短縮することができる。

また、第２の実施形態では、メインコイル５２を複数の円筒に分割したことにより、第１の実施形態では必要とされる部分円錐を形成するためのテーパー形状の曲げを行う必要がないという利点がある。その一方で、図８Ｂの様に電流密度が増大する場合もあり得るため、この付近での冷却能力を増大させる必要がある。例えば、図５に示すようにメインコイル５２−１、５２−２の間に冷却水を流す冷却管５５を重点的に配置し近傍を冷却する、つまり、重なり合う中央部５２−２の端部と側方部５２−１の中央部５２−２側の端部との間に、傾斜磁場発生部であるメインコイル５２を冷却する冷却管（冷却手段）５５を配置する。もしくは、Ｚ方向傾斜磁場コイルの線材として中に水を通すことのできるホローコンダクターで構成し、冷却管５５の代わりに配置することで冷却を行うことができる。

上記の実施例では、メインコイルを３つ、すなわち、１つの中央部と２つの側方部に分割する例を説明した。さらに、公知の技術を組み合わせて分割数を増やすと別の効果を生じさせる。参考として、特開２００２−１１２９７７号公報を引用する。

上記公報によれば、傾斜磁場コイル端部からの漏洩磁場を低減する為に、メインコイル、シールドコイルの間に第３のコイルを設置する効果が開示してある。アクティブシールド型の傾斜磁場コイルでは、距離の２乗に反比例する磁束密度がシールドしたい面で互いに打ち消されるように、メインコイルとシールドコイルの電流密度が決定される。しかし、実際には傾斜磁場コイルの電流は単位素線毎に離散化するので、傾斜磁場コイルの端部において消しきれない漏洩磁場が生じる。特に本実施例では、中央部におけるメインコイルとシールドコイルの間隔を狭くする一方で、側方部でのメインコイルとシールドコイルの間隔は大きくなっているので、その影響は端部の漏洩磁場に大きく反映される。

上記公報記載の技術では、垂直型ＭＲＩ装置用の円盤型傾斜磁場コイルを対象としているが、本実施例のような円筒型の傾斜磁場コイルであっても同様な考えは成り立つ。上記公報記載の技術を本実施例に適用する場合、メインコイル５２は、側方部５２−１の中央部５２−２と反対側の端部側に、上述した水平軸との鉛直方向距離が側方部５２−１より小さいコイル部をさらに有する。例えば、メインコイル側方部５２−１よりもさらにZ方向端部側に２つの分割されたコイルを配置し、メインコイル５２を合計５つに分割する。最端部のコイルは数ターンであり、コイル全体のインダクタンスを増加させてしまうデメリットを小さくすることが出来る。

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施形態として、磁石４、傾斜磁場コイル１３およびＲＦコイル１１を撮像空間５４を挟んでそれぞれ一対配置する垂直（または水平）磁場方式のＭＲＩ装置について図９を用いて説明する。なお、図９において、第１の実施形態の図２の構成の部材と同じ作用をする部材には、同じ符号を付している。

本発明の第３の実施形態では、図９に示すように、磁石４、シールドコイル５１、ＲＦコイル１１は、それぞれ一対の円板形状である。また、一対のメインコイル５２は、撮像空間を間にして互いに対向し、それぞれ円錐面（円錐の側面）形状である。よつて、一対のメインコイル５２の互いの間隔は、撮像空間の中央部５２−２（Ｚ＝０）において最も広く、メインコイル５２の側方部５２−１の端部（Ｚ＝Ｌ１、−Ｌ１）に近づくにつれて連続的に狭くなっている。ＲＦシールド５３は、メインコイル５２と同形状であり、メインコイル５２のすぐ内側に配置されている。メインコイル５２およびシールドコイル５１がそれぞれ、各方向の３つのコイルの積層構造である点については第１の実施形態と同じである。

このような構成であるため、一対のメインコイル５２は傾斜して中央部が窪んでおり、第１の実施形態と同様に、磁場発生効率を低下させることなく、ＲＦコイル１１を傾斜磁場コイル１３側によせて配置することが可能になり、ＲＦコイル１１から磁石４までの距離を従来よりも短縮することができる。

図９のようなメインコイル５２は、図１０に示したような扇形の導体板を曲げて製作することができる（ただし、図１０は、扇形の導体板の一部のみを示している）。各部の寸法関係は次のようになる。

ｒ４^２＝Ｌ１^２＋ｄＺ^２
θ＝３６０・Ｌ１／ｒ４
ただし、ｄＺは、メインコイル５２の窪み量であり、θは扇形の中心角である。そして、Ｌ１＝４００ｍｍ、ｄＺ＝５０ｍｍの場合、扇形の中心角θは８９．３°程度になる。

なお、メインコイル５２およびＲＦシールド５３は、円錐の頂点において曲げ半径が無限小になってしまうので、これを回避するために、頂点部分には穴１００を設けた構成にすることができる。他の構成については、第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。

（第４の実施の形態）
上述した第３の実施の形態では、垂直（または水平）磁場方式のＭＲＩ装置のメインコイル５２を円錐面形状にした場合について説明したが、本発明の第４の実施形態では、メインコイル５２を第２の実施形態のように複数の部材に分割する。具体的には、図１１に示したように、メインコイル５２を半径Ｌ５の円板状部材５２−３と、内径Ｌ６、外径Ｌ１のリング状部材５２−４に分割する。ただし、第２の実施形態と同様に｜Ｌ５｜＞｜Ｌ６｜に設定し、円板状部材５２−３とリング状部材５２−４は一部重なっている。重なる部分には、第２の実施形態のように冷却管を配置することができる。

また、図１２に示したように、円板状部材５２−３に設けられた絶縁溝３３により円板状部材５２−３が形成するコイルと、リング状部材５２−４に設けられた絶縁溝３３により部材５２−４が形成するコイルとは相互に独立している。

また、｜Ｌ５｜＞｜Ｌ１｜に設定し、円板状部材５２−３がリング状部材５２−４の外側全体を覆うように構成することも可能である。

第４の実施形態のメインコイル５２は、第３の実施形態のメインコイル５２のように曲げる必要がないので比較的容易に製造することが可能である。また、第３の実施形態と同様に、磁場発生効率を低下させることなく、ＲＦコイル１１を傾斜磁場コイル側によせて配置することが可能になり、ＲＦコイル１１から磁石４までの距離を従来よりも短縮することができる。

以上では、Ｘ又はＹ傾斜磁場コイルについて説明してきたが、傾斜磁場コイルを構成するもう一つのチャンネル、つまり、Ｚ傾斜磁場コイルにおいても、本発明を実施可能である。以下、図１６、図１７を参照してＺ傾斜磁場コイルについて説明する。図１６はＺ傾斜磁場コイルの概略構成説明図、図１７はＺ傾斜磁場コイルの概略断面斜視図である。

図１６、図１７において、Ｚ傾斜磁場コイルを構成するメインコイル、シールドコイルは、Ｘ、Ｙ傾斜磁場コイルと異なり、指紋状のパターンではなく、同心円状の導体から構成される。一般的には、矩形断面を有する銅条、銅のワイヤを用いたり、冷却水を流して傾斜磁場コイルを冷却する手段も兼ねた穴あき導体を巻いてコイルを構成する。

Ｘ、Ｙ傾斜磁場コイルと比べると、Ｚ傾斜磁場コイルは、磁場発生効率が高いため、Ｚ傾斜磁場コイルのメインコイル５７とシールドコイル５８との間隔は、相対的に狭くとも成立し、多くの場合は、Ｘ、Ｙのメインコイル５２、シールドコイル５１の内側に配置される。図示はしていないが、導体の位置を決める治具若しくはスペーサを用いて規定の位置に導体を配置する。

なお、上述したＺ傾斜磁場コイルは、円筒状であっても、円錐状であっても、大きな変更を施すことなく実施可能である。

（第５の実施形態）
上述した例は、傾斜磁場コイルを中央部から端部方向に向かって直線的に傾斜する又は階段状に構成する例であるが、本発明の第５の実施形態は、傾斜磁場コイルを曲線的に傾斜させる例である。

傾斜磁場コイル導体については、曲げることは可能であっても、伸び縮みしない非伸縮性の薄板を使用することが前提となっている。しかし、今日製造されている工作機械を用いれば、傾斜磁場コイルを構成する数ｍｍの導体を伸縮させて曲面を形成するように加工することは困難ではない。

このため、数ｍｍの導体を伸縮させて曲面を形成し、図１８、図１９に示すような曲面状の傾斜磁場コイルを構成する。図１８、図１９において、直線状のシールドコイル６０と直線状のＲＦコイル１１との間に、曲面状のメインコイル５９とＲＦシールド６１が構成される。曲面状のメインコイル５９は、中央部から端部に向かって、シールドコイル６０からの距離が次第に大となっている。

傾斜磁場コイルのメインコイルを上述した形状にすることにより、ＲＦシールド６１とＲＦコイル１１との間隔若しくはメインコイル５９とシールドコイル６０との間隔について、上述した第１〜第４の実施形態に比較して自由度が増し、双方の効率を劣化させない適正な値とすることができる。

Claims (14)

1. 被検体が配置される撮像空間に近い側から順に配置された、傾斜磁場発生部と静磁場発生部を有し、
   前記傾斜磁場発生部は、前記撮像空間に傾斜磁場を発生するメインコイルと、前記メインコイルと前記静磁場発生部との間に配置されて、前記メインコイルから前記静磁場発生部側への漏洩磁場を打ち消す磁場を発生する筒型形状のシールドコイルとを備え、
   前記メインコイルと前記撮像空間の中心点を通過する水平軸との鉛直方向距離は、該メインコイルの中央部から端部に向かうにつれて減少することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
2. 請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
   前記メインコイルと前記水平軸との前記鉛直方向距離が、該メインコイルの中央部から端部に向かうにつれて直線的に減少することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
3. 請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
   前記メインコイルと前記水平軸との前記鉛置方向距離が、該メインコイルの中央部から端部に向かうにつれて曲線的に減少することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
4. 請求項3に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
   前記メインコイルの中央部はなだらかに変化することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
5. 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
   前記メインコイルは、前記撮像空間の中心点を含む静磁場方向に垂直な面に関して対称な形状を有していることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
6. 請求項1または2に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
   前記メインコイルは、所定の角度で交差する2つの直線部と半径の異なる2つの円弧部とで規定される扇型を有し回路パターンが形成された導体板を、前記2つの直線部を互いに接続して構成された部分円錐を有して成ることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
7. 請求項6に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
   前記部分円錐は、鉛直方向に伸縮されて、水平軸方向の少なくとも一部に曲線部が形成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。
8. 請求項1乃至7のいずれか一項に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
   前記メインコイルの前記撮像空間側に、該メインコイルの形状に適合してRFシールドが配置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。
9. 請求項1乃至8のいずれか一項に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
   前記メインコイルの前記撮像空間側の中央部にRFコイルが配置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。
10. 請求項1乃至9のいずれか一項に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
    前記傾斜磁場発生部は、筒型形状を有し、前記撮像空間側に前記メインコイルが配置され、前記静磁場発生部側に前記シールドコイルが配置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。
11. 請求項1または2に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
    前記メインコイルは、前記撮像空間の中心点側の内径が静磁場方向端部側の内径よりも大きい円錐形状を有していることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
12. 磁気共鳴イメージング装置に用いられて、撮像空間を内部に有する傾斜磁場コイルであって、
    前記撮像空間に傾斜磁場を発生するメインコイルと、前記メインコイルから前記撮像空間の反対側への漏洩磁場を打ち消す磁場を発生する筒型形状のシールドコイルと
    を備えて成る傾斜磁場コイルにおいて、
    前記メインコイルと前記シールドコイルとの間隔が、該メインコイルの中央部から端部に向かうにつれて増加していくことを特徴とする傾斜磁場コイル。
13. 請求項12に記載の傾斜磁場コイルにおいて、
    前記メインコイルと前記シールドコイルとの間隔が、該メインコイルの中央部から端部に向かうにつれて直線的に増加していくことを特徴とする傾斜磁場コイル。
14. 請求項12に記載の傾斜磁場コイルにおいて、
    前記メインコイルと前記シールドコイルとの間隔が、該メインコイルの中央部から端部に向かうにつれて曲線的に増加していくことを特徴とする傾斜磁場コイル。

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