JP6797008B2 - 超電導磁石装置およびそれを備えた磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Description

本発明は、超電導磁石装置とそれを利用した磁気共鳴撮像装置に関係する。

核磁気共鳴を利用した診断撮像では、磁場強度と診断箇所が対応しているので、マグネットシステムが発生する磁場強度に要求される精度は磁場強度の百万分の１程度の変動が問題となる。

このようなＭＲＩ装置における磁場は大別して３種類がある。それらは第一に時間的に定常で空間的にもほぼ一定で、通常０．１から数テスラ以上の強さであって、撮像を行う空間（通常直径で３０−４０ｃｍの球もしくは楕円体の空間）内で数ｐｐｍ程度の変動範囲となる磁場（静磁場）、第二に１秒程度以下の時定数で変化して、空間的に傾斜した磁場（傾斜磁場）、第三に核磁気共鳴に対応した周波数（数ＭＨｚ以上）の高周波の電磁波による磁場（高周波磁場）である。

静磁場は特に人体の断層撮影を行う領域では極めて高精度な均一性が磁場分布に要求される。高精度とは、たとえば４０ｃｍ直径の撮像空間ＦＯＶ（Ｆｉｅｌｄ ｏｆ Ｖｉｅｗ）で、±１．５ｐｐｍのように百万分の１のオーダの残差磁場の精度である。このようにきわめて高精度な均一性が要求される静磁場の磁場分布は、静磁場磁石を製作・励磁の後に磁場を精度よく調整する必要がある．なお、以降では、特に断らない限り、均一性が撮像に利用可能な精度を満たす磁場を均一磁場と呼び、この均一磁場が形成された空間を均一磁場空間と呼ぶ。またこの均一磁場空間は、撮像が実施可能な磁場が形成された空間であるため撮像空間と考えてもよい。

一般に製作誤差による誤差磁場は、均一磁場に要求される許容誤差磁場に比べて１０００倍以上大きい。したがって製作後の据え付け時に要求される磁場調整（シミングと呼ぶ）は数１００ｐｐｍオーダの誤差磁場を、数ｐｐｍオーダの誤差磁場へ低減する作業となりきわめて高精度な磁場調整装置およびその手法が使われている。このような磁場調整装置および方法は、たとえば、特許文献１に開示されている。

また全身撮像用のＭＲＩ装置は、直径が２ｍ程度の静磁場磁石を有し、均一磁場空間は、直径４０ｃｍ程度の球状の空間であることが一般的である。このようなＭＲＩ装置に対し、近年の要求として、静磁場磁石のサイズを小さくし、ＭＲＩ装置の設置条件を緩和することが挙げられる。なお従来技術では、静磁場磁石のサイズが小さくなれば、先に述べた均一磁場空間も縮小する。しかし、従前の４０ｃｍ球の空間ですら、人の体の大きさに比べると小さい空間であるため、この均一磁場空間を拡張することについても要望がある。例えば、脊柱の診断撮像は、静磁場磁石の軸方向に広く均一性を有する磁場分布が求められ、肩部分の診断撮像は水平方向に広い均一磁場空間が必要とされる。

上述するような静磁場磁石は、例えば非特許文献１にかかれているように、主に正方向の電流を持ち、強磁場を発生する主コイル（ＭＣ）と、主コイル外側に配置され、主コイルが形成する磁場を弱めるシールドコイル（ＳＣ）とを主な構成として有する。それぞれの構成については、ＭＣは、通常５から７個のコイルブロック（ＣＢ）から構成されることが多く、ＳＣは２個程度のＣＢを持つことが多い。

また静磁場磁石の大きさはＭＣおよびＳＣの配置に依存し、ＭＣのＣＢ配置が静磁場磁石の軸長の大きさ（長さ）を決め、ＳＣの大きさ（直径）が静磁場磁石全体の径の大きさに強く寄与する。なお、均一磁場空間の大きさは、静磁場磁石の軸長、すなわちＭＣの配置に強く影響され、非特許文献２に開示されるように、ＳＣの配置は磁場の均一性に与える影響は小さいことから、均一磁場空間の大きさを検討する上ではＭＣの配置や大きさが重要となる。

上述する均一磁場空間の大きさとＭＣの全体軸長、断面形状との関係を図１に示す。図１は、各ＭＣの配置関係・断面形状と、それぞれのＭＣによって構成される磁場分布を示し、左右で軸長が異なる二つの例を示している。また図１では、縦軸は静磁場磁石の中心軸方向における位置を表し、横軸は静磁場磁石の半径方向における位置を表し、グラフ中の等高線は磁場強度が等しい地点を結び示したものである。なお、図１において静磁場磁石の軸長は、縦軸方向において最も離れた二つのＣＢの端面から端面のまでの長さＬｅとしている。

まず一般的な静磁場磁石として図１の左側に示す例を説明する。この静磁場磁石は、均一磁場の強さが１．５Ｔであって、Ｌｅ＝１５００ｍｍ、ＣＢの内径が５００ｍｍの静磁場磁石である。一方、図１の右側に示す例は、均一磁場の強さが１．５Ｔであって、Ｌｅ＝１２８０ｍｍの短軸の静磁場磁石である。図１の右に示す静磁場磁石は、図１の右側に示す静磁場磁石と比較してＭＣの軸長が短いことが理解できる。また、Ｌｅを短くすると、全てのＭＣ−ＣＢにおいて中心軸方向が短い断面形状となる傾向が示され、そのうち、静磁場磁石の中心軸方向において端部に位置するＭＣ−ＣＢの断面は略正方形となっており、ＭＣの軸長が異なるとＭＣの断面形状に影響を及ぼす。

また、ＭＣの軸長の違いは均一磁場空間の大きさにも影響を及ぼす。図１では縦軸方向の中心付近に二つの半円（内側の半円は直径４００ｍｍ、外側の半円は５００ｍｍ）を表示して、この均一磁場空間の大きさの相違を分かりやすくしている。具体的に説明すると、図２の左に示す静磁場磁石は、３．０ｐｐｍ（ＰＰ： Ｐｅａｋ−ｔｏ−ｐｅａｋ）均一度を満たす領域、すなわち均一磁場空間の大きさが直径４２ｃｍ程度（４２ｃｍＤＳＶ領域， ＤＳＶ： Ｄｉａｍｅｔｅｒ Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ｖｏｌｕｍｅ）である。しかし、Ｌｅ＝１２８０ｍｍに短軸化した図２の右側に示す静磁場磁石は、その均一磁場空間が中心軸方向における差渡しが３０ｃｍ程度に限られている。すなわち図２の右側に示す静磁場磁石は、中心軸方向において最も外側に配置されるＣＢを起点とする磁場が、内側の半円の内部にまで入り込んだ状態で、他のＣＢを起点とする磁場と強度が一致するため、磁場が均一となる空間が小さくなっている。

以上のことから、中心軸方向の軸長が短い静磁場磁石では、例えば、均一磁場空間が中心軸方向において３０ｃｍ程度となるため、脊柱など体軸方向に長い部位を撮像するには、均一磁場空間の大きさが十分でないことが発生しうると理解される。

これを解決するために、特許文献２の技術が提案されている。特許文献２は、静磁場磁石が均一磁場を作っている時に、他の磁場発生源を使うことで、均一磁場空間をトーラス状に変形させる機能を追加した超電導磁石装置を開示している。具体的には、静磁場磁石と比較して弱い磁場を発生できるシムコイルによって、通常の均一磁場空間に対してシムコイルの磁場を追加し、均一磁場空間をトーラス状の領域に変形させる提案である。この従来案ではトーラス状領域では磁場の均一度が良くなり、半径の大きな領域のトーラス空間の均一度を向上させるとか、また軸方向位置を中心から遠い領域に置くと、軸方向にはずれた位置での均一度を向上させることが出来る。

特許第４９０２７８７号公報 特開２００８−２６４５４３号公報

Ｍ．Ａｂｅ，Ｋ．Ｓｈｉｂａｔａ，"Ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ ｏｎ Ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ Ｃｏｉｌ Ｂｌｏｃｋ Ｐｌａｃｅｍｅｎｔｓ ｗｉｔｈ Ｇｏｏｄ Ｈｏｍｏｇｅｎｅｉｔｙ ｆｏｒ ＭＲＩ Ｍａｇｎｅｔｓ ｕｓｉｎｇ Ｔｒｕｎｃａｔｅｄ ＳＶＤ"，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｍａｇｎ．， Ｖｏｌ． ４９， ｎｏ． ６， ＰＰ． ２８７３−２８８０， Ｊｕｎｅ． ２０１３． Ｍ．Ａｂｅ，Ｋ．Ｓｈｉｂａｔａ，"Ｃｏｉｌ Ｂｌｏｃｋ Ｄｅｓｉｇｎｓ ｗｉｔｈ ｇｏｏｄ Ｈｏｍｏｇｅｎｅｉｔｙ ｆｏｒ ＭＲＩ Ｍａｇｎｅｔｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＶＤ Ｅｉｇｅｎｍｏｄｅ Ｓｔｒｅｎｇｔｈｓ’，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ Ｍａｇｎ，ＶＯｌ．５１，ｎｏ． １０，Ｐａｐｅｒ ｎｏ． ７００２７１３，Ｏｃｔ．２０１５．

しかし、特許文献２に開示された発明は、均一磁場空間をトーラス状に変形させる結果として本来最も重要であるＭＲＩ装置の中心位置付近の均一度の維持が難しく、ＭＲＩ装置の中心位置付近の空間は撮像に適した状態ではなくなってしまう可能性がある。結果、脊柱などを効率的に撮影しようとしても、ＭＲＩ装置の中心位置近傍の均一度が十分でないため、適切な撮影が実施しにくいことが考えられた。

そこで本発明は、必要に応じて均一磁場空間を変形させつつもＭＲＩ装置の中心位置近傍における均一度を維持した磁場を発生しうる超電導磁石装置、およびこれを備えた磁気共鳴イメージング装置を提供することを課題とする。

本発明は上記課題を解決するにあたって様々な実施形態を有するが、その一例の超電導磁石装置は「所定の軸上に配置された複数の超電導コイルと、前記超電導コイルと同軸上に巻き回された導線から構成されるシムコイルと、を備え、前記複数の超電導コイルはいずれも同方向に通電され、前記複数の超電導コイルの軸方向の中心を含む領域に、予め定められた均一性を有する静磁場を形成し、前記シムコイルは、前記軸に沿って、前記超電導コイルと同方向に通電される順方向部と、前記超電導コイルと反対方向に通電される逆方向部と、を交互に有し、前記軸方向における前記順方向部と前記逆方向部との切り替えが、少なくとも４回以上現れ、かつ前記軸方向における前記静磁場の両端よりも外側に少なくとも一つは配置されるように構成された」ことを特徴とする。

本発明は、必要に応じて均一磁場空間を変形させつつもＭＲＩ装置の中心位置近傍における均一度を維持した磁場を発生しうる超電導磁石装置、およびこれを備えた磁気共鳴イメージング装置を提供できる。

従来の１．５Ｔ静磁場磁石におけるＣＢの配置を示す図であって、左図がＬｅ＝１５００ｍｍ、右図がＬｅ＝１２８０ｍｍの場合を示す。 本実施例のＭＲＩ装置１００の構造の概略を示す図。 第一の実施形態のＭＲＩ装置における磁場空間の状態を示す図。 第一の実施形態における超電導磁石装置が作る均一磁場空間の磁場強度分布を示す図。 第一の実施形態におけるシムコイルと対応する電流分布を計算する計算モデル図 シムコイルの配置を計算するために用いる固有モードを示した図 ７番目固有モードを使用して設計されたシムコイルを適用したＭＲＩ装置が形成する磁場空間の状態を示す図 ９番目固有モードを使用して設計されたシムコイルを適用したＭＲＩ装置が形成する磁場空間の状態を示す図 ５番目固有モードを使用して設計されたシムコイルの通電方向を対称にした場合に作られる磁場空間の磁場強度について等高線を示す図 シムコイルを構成する導線の配置間隔の例を示す図 シムコイルを正負電流のコイルブロックで表した例を示す図 均一磁場空間を軸方向に拡張する場合と、半径方向に拡張する場合の固有モードを示す。

本発明は、医療診断用に用いる核磁気共鳴断層写真装置（ＭＲＩ）などのように、超電導コイルや鉄などの磁性体等を配置して磁場を発生する磁石装置において、所望の磁場強度の分布に磁場を調整する方法と装置に関する。特にＭＲＩ装置等のように核磁気共鳴現象を応用する装置は、被計測領域において、極めて高精度に均一化される磁場を必要とする。この実現のためには、磁石本体に加えて、鉄片、磁石やコイル群（シムコイル）などの磁気モーメントを配置することで、磁場を微調整し、磁場強度を均一化するシミングと言われる作業も設置時に行われる。より広い均一磁場空間（例えば、磁場変動の振幅が３ｐｐｍ以内とする）に調整した場合もあるが、この空間の広さは、磁石設計に依存して限られた空間の大きさである。

はじめに本発明者の考案の要点について説明する。

本発明者は、均一磁場空間のすぐ外側（中心から離れていく領域）では、均一磁場との誤差が小さい領域があることに着目した。本発明者は、この領域についてわずかな磁場の補正を施すことによって、静磁場磁石によって作られた均一磁場と略等しい磁場を作り、その領域を均一磁場空間に組み込むことができることを発見した。以降では、上述した誤差が小さい領域（弱残差磁場領域）の誤差磁場を局所的に補正して、撮像に必要な均一磁場空間を確保する方法、およびその方法を実現するにあたって必要な磁場分調整シムコイルとそれに通電する電流について説明する。なお、本実施例によれば、そのような電流は傾斜磁場コイルなどが配置される狭い空間に配置できる程度の導線（すなわち小電流）で実現できる。

また、以降では特に断らない限り、ＭＲＩ装置１００とは、後述する磁場分布調整シムコイルを適用したＭＲＩ装置とする。なお、本実施形態のＭＲＩ装置１００は、磁場強度の変動が±１．５ｐｐｍの領域を磁場均一空間として形成し、トンネル型の筐体を有し、横方向に開口した水平型のＭＲＩ装置であるものとする。

本発明の第一の実施形態のＭＲＩ装置について、図２から図１３を参照しながら説明する。以下、まず各図の簡単な概要を示す。

図２は、本実施例のＭＲＩ装置１００の構造の概略を示す図である。図３は第一の実施形態のＭＲＩ装置における磁場空間の状態を示す図である。図４は第一の実施形態における超電導磁石装置が作る均一磁場空間の磁場強度分布を示す図であり、図５は第一の実施形態におけるシムコイルと対応する電流分布を計算する計算モデル図である。図６はシムコイルの配置を計算するために用いる固有モードを示した図であり、図７は７番目固有モードを使用して設計されたシムコイルを適用したＭＲＩ装置が形成する磁場空間の状態を示す図である。図８は９番目固有モードを使用して設計されたシムコイルを適用したＭＲＩ装置が形成する磁場空間の状態を示す図であり、図９は５番目固有モードを使用して設計されたシムコイルの通電方向を対称にした場合に作られる磁場空間の磁場強度について等高線を示す図である。図１０は、シムコイルを構成する導線の配置間隔の例であり、図１１はシムコイルを正負電流のコイルブロックで表した例である。図１２は均一磁場空間を軸方向に拡張する場合と、半径方向に拡張する場合の固有モードを示している。

図２を用いてＭＲＩ装置１００について説明する。図２はＭＲＩ装置１００の主な構成を図示している。ＭＲＩ装置１００は図２に示すように、静磁場磁石４、傾斜磁場コイル格納部８、高周波照射コイル（図示せず）、被検体を乗せる寝台９、寝台を均一磁場空間２に対して挿入するように駆動する駆動機構（図示せず）などを有する。このうち均一磁場空間２は静磁場磁石４によって形成される。また均一磁場（静磁場）６は静磁場磁石４の一部であるメインコイル４ａによって形成される。メインコイル４ａは超電導コイルであって、所定の軸（Ｚ軸）上に複数個が設置され、一方向に電流が通電されている、この複数のメインコイル４ａが生じる磁場によって均一磁場２が形成される。なお、静磁場磁石４が小型である場合、特にＺ軸方向の軸長が短くなると、Ｚ軸方向において均一磁場空間２が短くなることは先に述べたとおりである。

本実施例に特徴的なシムコイル５は、主コイルに比べて撮像領域と対応する均一磁場空間２に近い位置に配置することが望ましい。このシムコイル５についての詳細は後述するものとし、ここでは配置について説明する。また本実施例における超電導磁石装置１０は、静磁場磁石４とシムコイル５とを含む構成を指すものとする。また、均一磁場空間２は、静磁場磁石４と、図示しない従来シムコイル（後述する低次シムコイル）とによって、予め定められた均一性を満たす磁場（均一磁場６）が生成された空間を言う。なお、以降では特に断らない限り、従来シムコイルは静磁場磁石４の一部であるとみなして説明する。

シムコイル５を望ましい位置に配置するためには、傾斜磁場コイル格納部８の中に配置することが有効である。なお傾斜磁場コイル格納部８は３組の傾斜磁場コイル（それぞれ、主に傾斜磁場コイルをつくる主コイルと磁石側に磁場をシールドするシールドコイルを持つ）が納められる。傾斜磁場コイル格納部８には、従来から利用されていたシムコイル、静磁場をシミングする鉄片とそれを配置するシムトレイなどが配置されてもよい。なお従来シムコイルは、均一磁場空間２にわずかな誤差磁場が発生したときに補正する機能を有し、均一磁場空間２の拡張に用いられるものではない。従来シムコイルは低次（後述）のシムコイルが用いられる。本実施例においては、後述する特徴的なシムコイル５（高次の固有モードを反映したシムコイル）を用い、これが傾斜磁場コイル格納部８の中に配置されている。このような配置の実施例によれば、従来のＭＲＩ装置内の機器配置であってもシムコイル５を配置できる。

次に図３を用いてＭＲＩ装置１００が形成可能な磁場空間について説明する。なお、図３に示す例は、特徴的なシムコイル５によって、均一磁場空間２がＺ軸方向に拡張されている。拡張される前の均一磁場空間２は図４に示される。

図３に戻り説明を続ける。ＭＲＩ装置等に用いられる静磁場磁石４は、強磁場を発生させる主コイル（ＭＣ）４ａと、磁石外部で磁場を弱めるシールドコイル（ＳＣ）から構成される。なお、図３に示すようにブロック状に表されたコイルのことをコイルブロック（ＣＢ）と呼び、主コイルブロックはＭＣ−ＣＢ、シールドコイルブロックはＳＣ−ＣＢと表記する。通常、ＭＣ−ＣＢ数は５から７個、ＳＣ−ＳＢ数は２個程度である。図３に示す静磁場磁石４は、図１（ｂ）の短軸型の磁石と同じく６個のＭＣ−ＣＢおよび２個のＳＣ―ＣＢを有する。均一磁場空間では±１．５ｐｐｍ以内の強弱の磁場変動を持ち、中心（Ｚ＝０、Ｒ＝０）から離れると、この磁場変動が大きな振幅となり均一性を失っていく。この静磁場磁石４による均一磁場空間２の大きさについて、より詳細に説明する。

図３はＭＲＩ装置１００の均一磁場空間２およびその周辺の磁場分布を表している。なお、磁場の強度分布と空間的な位置関係を分かりやすくするため、中心に対して直径４０ｃｍ（半径２０ｃｍ）および５０ｃｍ（半径２５ｃｍ）の球面を実線で示している。図３において縦に走っている線は磁力線である。打点領域は目標磁場１．５Ｔより磁場の強い領域であり、打点されていない領域は磁場が１．５Ｔより小さい領域である。また各ＭＣ−ＣＢによる磁場の強度分布は、それぞれの方向から進展している凸状の実線で示した等高線で示している。これらの等高線のうち最も中心に向かって張り出している等高線の各頂点を結ぶ曲線が磁場均一空間２の外縁面２ａとなる。

また図４より、図１（ｂ）の体系における均一磁場空間２は、外縁面２ａがＺ軸方向において３０ｃｍ程度であり、Ｚ軸に直交する方向（Ｒ方向）において４０ｃｍ以上に達し、楕円体様の形状となる。また、図中には、１．５Ｔ±１．５ｐｐｍの磁場均一空間の外縁面２ａに対して、±０．２ガウス、±１．０ガウスの磁場等高線を示している。この±０．２ガウス、±１．０ガウスの磁場等高線は、おおむね直径４０ｃｍ球、直径５０ｃｍ球の実線と一致している。このことから、磁場均一空間２の外縁面２ａからＺ＝±４０ｃｍ位置までの領域は、目標磁場の１．５Ｔに対してわずか０．２ガウスのみ磁場強度が弱いだけであるため、この領域に微小な磁場（例えば０．２ガウス）の補正を施すことで、この領域を均一磁場空間に組み込むことが可能と考えられた。

以降では均一磁場空間２の外縁面２ａの外側であって、磁場を補正することで均一磁場空間２に組み込むことができる領域を弱残差磁場領域と呼び、この弱残差磁場領域の誤差磁場を補正に関する考え、手順等を説明する。

弱残差磁場領域の誤差磁場を局所的に補正して、撮像に必要な均一磁場空間２を確保するような磁場分布調整シムコイル（以下、単にシムコイルと呼ぶ）は、次のような計算によって実現できる。

一般にＭＲＩ磁石の均一磁場は、コイルが作る磁場Ｂｃｂ（シミングに利用した鉄片による磁場も含む）とシムコイルがつくる磁場Ｂｓｍから構成される。Ｂｓｍを作るシムコイルの電流分布を計算することがここでの議論の対象である。

一般に均一磁場空間２の磁場は、Ｚ軸方向の磁場成分以外はきわめて弱いので、図２に示した均一磁場６の方向に沿ったＺ軸方向成分のみを考えてよい。つまり、Ｂｃｂ，Ｂｓｍ共にＺ軸方向成分のみについて検討したとしても磁場の均一性を解決できる。このような考えに基づく磁場設計は、例えば図１（ａ）の静磁場磁石４であれば、直径４０ｃｍ球面を想定し、この球面上でＢｔｇに近い値をとるように、ＭＣ−ＣＢの配置や形状を検討するということになる。具体的な計算方法については、例えば特異値分解を応用し、Ｒ方向、Ｚ方向の２次元（２Ｄ）の変数を有する状態でＢｔｇを固有モードに展開し、得られた固有モードの強度が強いものからＭＣ−ＣＢの配置や断面形状へ反映させることで効率的な起磁力配置を実現できる。図１（ａ）に示す設計例であれば、６番目までの固有モード強度を、１．５Ｔ一様磁場を生成するように決め、７番目の固有モード強度を均一磁場空間とコイル経験磁界のトレードオフで決めている。このようなＭＣ−ＣＢの位置や形状を決める計算方法を応用することで、目的のシムコイルを実現できる。

具体的な計算体系は、数十点の磁場評価点（ＭＦＥＰ： Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｉｅｌｄ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ Ｐｏｉｎｔ）を配置し、磁場評価面上に配置する。その位置で作る磁場Ｂは、
Ｂｉ ＝ Ｂｃｂｉ ＋ Ｂｓｍｉ （１）
の加算で求められる。これらの磁場は位置ｉに依存している。

この式（１）から、求めるシムコイルは、Ｂｃｂと組み合わせされることによってＢｉと位置ｉにおけるＢｔｇとが一致するような磁場Ｂｓｍを発生するものと定めることができる。なお位置ｉはＭＦＥＰに含まれる上に設定される地点であり、ＭＦＥＰはＢｔｇを実現したい領域の表面もしくはそれを内包する閉空間の表面に存在する地点と考えてよい。したがって、図２に示す静磁場磁石の体系であれば、Ｚ軸方向と一致するような長軸を持つ縦長の楕円体の表面にＭＦＥＰを設定する。

以上のような前提に基づき、ＭＦＥＰでＢｔｇ一様となるようにＢｓｍを発生するシムコイルの配置・電流の大きさ等を計算した結果が、図１において矢印記号を用いて表現している線輪電流１である。なお、図１に示す例では、制約条件としてシムコイル５を構成する導線１２が、Ｒ＝４０ｃｍ地点においてＺ軸方向にわたって複数位置に配置されるものとしている。また、線輪電流１を表す矢印記号については、長さが電流の大きさを示し、向きは通電の方向としている。

また図２に示す静磁場磁石の体系は図１（ｂ）と同様であるため、静磁場磁石４による均一磁場空間２は図４に示すように、Ｚ軸方向の大きさは３０ｃｍ程度に過ぎない。しかし、図３に示すような線輪電流１の分布を与えることによって、換言するとそのような電流分布を実現するシムコイル５を用いることによって、図１（ｂ）に示すような短軸の静磁場磁石４であっても中心軸に沿って±２０ｃｍの範囲で±１．５ｐｐｍの均一磁場空間２を発生できることがわかる。なお図中に記載するように、線輪電流１の電流値のスケールは１０Ａ程度であって、同一符号の領域を合算しても、ＭＣ−ＣＢに流れる電流（おおよそ１０００ｋＡ程度）よりも５桁以上小さいものとなり、通電に必要な導線は小型でよいことも理解される。この電流値については以降で詳細に説明する。

また、図４に示されるように、本実施例におけるシムコイル５は、Ｚ軸に沿って、超電導コイル４と同方向に通電される順方向部５ａと、超電導コイル４と反対方向に通電される逆方向部５ｂと、を交互に有する。またＺ軸方向における順方向部５ａと逆方向部５ｂとの切り替えが、少なくとも４回以上現れ、かつＺ軸方向における静磁場の両端位置よりも外側に少なくとも一つは配置されるように構成されている。望ましくは、均一磁場空間２の中心（Ｚ＝０、Ｒ＝０）に対してＺ軸方向において対称の分布であるとよい。また、順方向部５ａは均一磁場６と同方向の磁場を生じ、逆方向部６ｂは均一磁場６と反対方向の磁場を生じ、それぞれの磁場が均一磁場６に重なることによって、均一磁場空間２の形状が変化する。これについても詳細は後述する。

図５を用いて線輪電流１の配置、大きさを求める計算体系について説明する。

図５は線輪電流１の配置例を示す。線輪電流１はＺ軸に対してＲ＝４０ｃｍ、Ｚ軸方向の長さが８０ｃｍの円筒状の領域に存在するものとしている。またこの円筒状の領域の内部には均一磁場空間２が存在し、ＭＦＥＰは均一磁場空間の外縁付近に配置される。また電流分布３は、８１本の線輪電流１を配置した体系を想定している。これらの条件の下、線輪電流１の各電流値Ｉｊから撮像領域表面（ここでは球面）上の磁場評価点の磁場Ｂｉへの応答行列Ａ、つまり
Ｂ ＝ ＡＩ （２）
の行列Ａの特異値分解（ＳＶＤ）を解くことにより、Ｂｓｍの固有モードを得ることができる。

図６は図５の計算体系において取得される固有モードを表している。本図においては、固有モードの特異値の大きなものから１，２，３と番号を付け、９番目までの固有モードを示した。これらの固有モードを重ね合わせて、目的のシムコイルを設計する。

なお、従来のＭＲＩ装置でもシムコイルは付加されている。傾斜磁場コイル格納部の構造体中に納められていることが多い。これらのシムコイルと本実施例で求めるべきシムコイルとの違いは次のように説明できる。

従来のシムコイルは、撮像領域に入る人体などが、わずかに均一磁場を乱すためそれを補正するためのものであり、一様磁場、Ｘ，Ｙ，Ｚの軸方向に線形な分布、Ｘ^２，ＸＹ，Ｚ^２などの２乗成分、さらにＺ^α等の３乗成分までの補正として機能する。一方、これから議論する本実施例におけるシムコイル５は、静磁場磁石４による均一磁場空間２の外での磁場を補正するものであって、より高次成分の補正する機能を果たすものである。この意味で、図６の３次までのシムコイルを低次シムコイル、これ以上の次数に対応するシムコイルを高次シムコイルとすると、本実施例のシムコイル５はこの高次シムコイルに相当する。特異値分解の固有モードで５番目であるため、５次のシムコイルと呼ぶことにする。低次シムコイルに相当する磁場成分を調整するシムコイルは通常のＭＲＩ装置で既設置である
図６に戻り、より詳細に見ると、３番目固有モードの磁場分布はＣＯＳ（２θ）を反転させたような磁場分布であり、５番目はＣＯＳ（４θ）を反転させたような磁場分布を持つ。なお、これらの磁場分布は特異値分解に基づく分布であり、その理解を容易にするために三角関数の例を提示したが、正確に三角関数と一致するということ意味するものではない。山谷数が一致するという意味で、「ような」と言う表現とした。以降の議論では高次の固有モードに関しシムコイルの成立性を取り扱う。なおこれらの磁場分布は、特異値分解ＳＶＤによる固有モードで議論しているので、球面調和関数に基礎を置く１乗、２乗、３乗のシムコイルとは、それぞれＣＯＳ（θ）、ＣＯＳ（２θ）、ＣＯＳ（３θ）磁場の成分を持つ磁場分布で有り、図６の５番目固有モードは、高次であると言える。そのため、磁場及び電流分布のピーク数も多くなっている。

各固有モードについて説明する。図６おいては、縦軸がＺ方向位置と対応し、横軸はＲ方向位置と対応している。また各固有モードの図において、中心（Ｚ＝０、Ｒ＝０）から放射方向の矢印で示しされたものはそれぞれの固有モードにおける磁場の分布である。なお、各固有モードによる実際の磁場は全て軸方向を向いているが、理解を容易にするため放射状にしており、矢印の方向は、外側がＢｚと同方向（正）、内側が逆方向（負）で有ることを示している。

また各固有モードにおいてＲ＝０．４ｍの位置にＺ軸方向に沿って配置された矢印は線輪電流１の電流分布（電流分布パターン）を示し、矢印の向きは電流の向きと、矢印の長さは電流の大きさを示す。例えば固有モード番号が１番の場合は、電流の向きはＭＣ−ＣＢ４ａと同方向（正方向）であって、電流はＺ＝０ｍの周辺が大きく、軸方向端部（±０．６ｍ付近）に向かうほど小さくなる分布を示している。

また各固有モードの図中の数値は、上側の整数は固有モード番号で、奇数である。偶数番号は軸方向に非対称であるため省略している。固有モード番号は、電流分布および磁場のピーク数（正負の両方数を数える）と一致する。

また各固有モードの図中には固有モード番号の下方に数値が記されている。この数値は特異値であり、Ｔ／Ａの次元を持ち、単位電流あたりに発生できる磁場強度を表す。つまり、固有モード番号が５番であれば、おおむねＴ／Ａが１０のマイナス６乗程度のオーダとなり、１００Ａ（ノルムであり各矢印の線電流は２乗平均）で１ガウス程度の磁場が発生できることを示している。

なお、ここで考慮すべき電流の大きさは、図５で示す８１個の線輪電流１に通電される電流のノルムである。したがって１本の線輪電流あたりに通電される電流値は、１００Ａであればその二乗平均値から求められ、１００／９＝１０（Ａ／本）であり、シムコイルとして十分作成できる電流の大きさと言える。以降では固有モード番号を７番まで利用するケースと、９番までを利用するケースについて例を示す。

図７は７番目固有モードを使ってシムコイル５を設計した場合の線輪電流１の電流分布と、磁場強度の分布とを示している。また図７は、得られた電流分布の働きによって、図４に示す均一磁場空間２をＺ軸方向に拡大するように変形させている。固有モード番号が７番の場合、図６に示ようにＴ／Ａが１０のマイナス７乗程度のオーダとなるため、１ガウス程度の磁場を発生させるためには１０００Ａ以上の電流が必要となり、二乗平均を取ると、図７に示すように１００Ａ以上の電流が１本の線輪電流１あたり必要となる。また図７には、参考として電流値の基準値１１として、１００Ａを示す矢印を基準の矢印長さとして併記している。

また、このことから固有モード番号（特異値の大きなものから順番をつけている）が大きくなり、特異値が小さくなると必要な電流も大きくなると理解される。この意味において更に次数の大きな９番目固有モードに相当するシムコイルは、更に大きな電流が必要であり、より製作が難しくなる。具体的には図８により説明する。

図８は９番目固有モードを使いシムコイル５を設計する場合の線輪電流１の電流分布と磁場強度分布とを示している。また図８は、図７と同様に得られた電流分布の働きによって、図４に示す均一磁場空間２をＺ軸方向に向かって拡大するように変形させている。この例において、シムコイル５は１０００Ａ以上の電流を持つ線輪電流１の集合になっており、超伝導化するかもしくは常伝導コイルで製作するとしても大規模な冷却を検討することになり、均一磁場空間２を変形させることは現実的に困難となる。

ところで、均一磁場空間２の変形はＺ軸方向に長くするだけでなく、Ｒ方向に広く変形させることもある。この場合を図９に示す。図９（ａ）は均一磁場空間２をＺ軸方向へ拡大した場合を示し、図９（ｂ）は、均一磁場空間２をＲ方向に拡大した場合を示す。それぞれ図において、均一磁場空間２をＺ軸方向に拡張する場合は、順方向部５ａがＺ軸方向の両端に現れるようにシムコイル５の電流分布が制御され、Ｒ方向に拡張する場合は、逆方向部５ｂがＺ軸方向の両端に現れるようにシムコイル５の電流分布が制御される。なお、いずれも５番目（５次）までの固有モードを使ってシムコイル５を設計している。

また図９（ａ）（ｂ）は、均一磁場空間２を変形させるために必要な線輪電流１の電流分布も図上に示した。二つの図を比較すると、Ｚ軸方向に均一磁場空間２を拡大する場合に対してＲ方向に均一磁場空間２を拡大する場合、電流分布が反対向となることが示された。これは、シムコイル５の設計に利用した固有モードのなかで、比較的大きな磁場を発生させることができ、かつ必要な電流が二つの変形間で反転するものが存在することを示している。これについて図１２の表１および表２を確認する。図１２は、均一磁場空間２を拡張する場合に必要なＢｓｍの固有モードを列挙しており、表１がＺ軸方向に均一磁場空間を拡張する場合、表２がＲ方向に拡張する場合を示している。なお表１および表２ともに９番目までの固有モードを挙げている。

図１２の表１および表２によれば、５番目の固有モードが比較的強度が強く、かつ、両ケースにおける磁場の向きに関する変更の度合いが大きい。つまり、均一磁場空間２のＺ軸方向およびＲ方向の変形は、主に５番目の固有モードの磁場分布に起因すると考えられる。なおこのことは１，３、７、９番目の固有モードの寄与が相対的に小さいことからも妥当と言える。すなわち、１，３番目の固有モードは磁場強度および電流がきわめて弱いため、変形に寄与するところが小さい。７番目固有モードは電流の方向は変化せず、ただ強度が弱まっているのみであるため両ケースにおいて作る磁場の向きは同じであって変形の主要因とはならない。９番目の固有モードも、電流は大きいものの発生する磁場は極めて弱く半径方向に均一磁場空間２を拡大する上ではほぼ機能していない。

以上からいえることは、５番目の固有モードを利用したシムコイルを設計し、正負で電流方向を変えることで、均一磁場空間２の拡張方向を変更することが可能である。また、弱残差磁場領域とシムコイル５との位置関係で、シムコイル５に通電すべき電流は向き（正負）だけでなく、その大きさも異なる。そのため、電流値の調整も必要であるが、一度あらかじめ決めておけば、撮像毎に均一磁場空間２の拡大のために電流値を調整することは不要である。したがって撮像時に必要な均一磁場空間２の形状にしたがって、シムコイル５における電流の正負切り替え制御を実施すればよい。また、均一磁場空間２の形状について、Ｚ軸方向の拡張モード、Ｒ方向の拡張モード、拡張しないデフォルトモードなどを設定しておき、それぞれに対応するよう電流の正負反転、電流のオンオフ制御をできるように構成してもよい。また必要ならば電流値を調整してもよい。

また、本実施例で説明したシムコイル５は５番目（５次）の固有モードを利用して設計している。低次の固有モードに対応する低次シムコイルはすでに傾斜磁場コイル格納部８の内部に設置されている。これらの低次の固有モードは、静磁場磁石４が形成する本来の均一磁場空間２の均一性に寄与している。そこで更に本実施例のシムコイル５が設けられ、低次シムコイルと協調して用いることによって、中心（Ｚ＝０、Ｒ＝０）における磁場の均一性を保ちつつ均一磁場空間２の形状をＺ軸方向あるいはＲ方向へ拡張することが可能である。この点は図９（ａ）（ｂ）に示すとおりである。

ところで、ここまでは各固有モードの特徴から均一磁場空間２の拡張に対する適否を議論したが、５番目（５次）の固有モードの意味を異なる見方で説明する。

まず図４を確認する。この図によれば、静磁場磁石４による磁場は、Ｒ＝０ｍ、Ｚ＝０．１５〜０．２ｍ（及びＺ＝−０．１５〜−０．２０）の領域で均一磁場に対してわずかに弱く、撮像に適した均一性を保てなくなっている。一方、Ｒ＝０ｍ、Ｚ＝−０．１３ｍ〜＋０．１３ｍではわずかに中心磁場１．５Ｔよりわずかに強くなっている。この意味で、軸方向の磁場分布を補正するには、Ｚ＝０．１５〜０．２ｍ（及びＺ＝−０．１５〜−０．２０）の領域で磁場をわずかに強め、その間であるＲ＝０ｍ、Ｚ＝−０．１３ｍ〜＋０．１３ｍで磁場をわずかに弱めるような磁場調整を行うシムコイルが必要である。このような磁場分布は、図６の５番目の固有モードが持っている磁場分布である。

ただし、図６の５番目の固有モードでは、Ｚ＝０ｍで磁場を強める電流分布となっているが、これは、Ｚ＝０ｍ、Ｒ＝０．２０−０．２５ｍ領域の磁場を補正し、半径方向の均一磁場を広げる役を持たせることが出来る。これが、電流方向を逆にした場合である。この意味でも電流方向が軸方向に変化し、正負で５カ所に電流ピークを持つ高次シムコイルの役割を理解できる。

表１、２からわかるように７番目（７次）の固有モードの電流方向は変わらない。つまり、７番目（７次）シムコイルの電流方向変更は不要であり、電流値のみの調整で良い。また、無くても均一磁場空間の補正が出来ることが、これまでの議論から解る。

このように、正負で５カ所の電流ピークを持ち、円筒状に配置した高次のシムコイル５を用いると、均一磁場空間を変形させることが出来る。

より具体的には、図１０に示すように、本実施例の超電導磁石装置は、Ｚ軸上同軸に配置された複数の超電導コイル４と、超電導コイル４と同軸上に巻き回された導線１２から構成されるシムコイル５とを主な構成として有し、超電導の主コイル４ａはいずれも同方向に通電され、予め定められた均一性を有する静磁場を形成する。そしてシムコイル５は、Ｚ軸に沿って、超電導コイル４と同方向に通電される順方向部５ａと、超電導主コイル４ａと反対方向に通電される逆方向部５ｂと、を交互に有する。またＺ軸方向における順方向部５ａと逆方向部５ｂとの切り替えが、少なくとも４回以上現れ、かつＺ軸方向における均一磁場空間の両端位置よりも外側に少なくとも一つは配置されるように構成され，主コイルの両端より短い範囲で配置されている。このようなシムコイルの設計は特異値分解に依らなくても可能であろうが、しかし、特異値分解によるシムコイルとすることで、機能に対して小電流によるシムコイルが設計でき、拡張したい領域に対して最適な電流配置を提供できる。

また、本実施例のシムコイル５における順方向部５ａおよび逆方向部５ｂは、このような有限個の固有モード、すなわち有限個の異なる電流分布パターンの組み合わせとして得られる電流分布と対応し、それぞれの電流分布パターンは、Ｚ軸を中心軸とする仮想的な円筒面上に分布する線輪電流１の群と、線輪電流１の群によって形成される磁場分布Ｂｓｍとの応答行列との関係から求めることが可能である。

このような超電導磁石装置を利用すれば、短軸型の静磁場磁石４を採用するような小型のＭＲＩ用磁石でも、静磁場磁石４の本来の静磁場の大きさを拡張し、より軸長の長い静磁場磁石と同様に、撮像部位に合わせた形状の均一磁場空間２を確保することができる。

なお以上の議論の中では高次シムコイルに流れるべき電流について、各線輪電流の電流値が矢印の大きさに沿って異なるものとして磁場計算をしているが、実際にはそのような配線・コイル化は難しい。そこで採り得る対応として、電流値は一定として、導線の配置間隔を調整し、かつ電流方向を制御するとよい。以下、配置間隔の考え方については図１０および図１１の二つがあるため、それぞれ説明する。

図１０を用いて導線の配置間隔を調整する考え方について説明する。図１０は、５番目の固有モードを使った場合に求められる線輪電流１の電流分布と、導線の配置間隔との関係を模式的に示している。図中では、太い矢印が電流方向７を示し、細い実線が導線１２を示している。また、この図に示す線輪電流１の電流分布は、図９（ａ）に示す軸方向に均一磁場空間を拡大する場合に対応している。

この考え方では、導線１２の間隔を図３などで示してきた電流値に反比例させることで、電流値の大小を実現する。具体的には、図１０の上部に示す線輪電流１の電流値が大きいところは導線１２の間隔を狭めて密集した配置とし、電流値が小さいところは導線１２の配置間隔を広げ疎な配置とする。この配置は、おおむね順方向部５ａと逆方向部５ｂに含まれる箇所を密とし、切り替えの箇所を疎となるように巻線することで実現され、図中では点線矢印を使って、線輪電流１の分布に関するピークと導線１２の巻き線密度との対応を示している。これまで議論のしたように５番目の固有モードを利用しているため、正負併せて５個の電流ピーク位置が存在し、その分布が反映されたシムコイル５は電流ピーク位置で巻き線密度も濃い。また各ピーク部分に１００Ａ程度の電流が必要なので、ピークに対応する位置に配置された各導線１２に通電すべき電流は２０Ａ程度である。巻き線数を増やせば、それに応じて電流値は按分されるため、各導線１２に通電すべき電流値は下がる。したがって使用する電源を考慮して巻き線数は決めればよい。また図１０の上部に示した線輪電流１の電流分布にしたがって制御すればよい。また図１０に示すシムコイル５について、通電する電流の方向を逆にすると、図９（ｂ）に示すようにＲ方向に均一磁場空間２を拡張できる。

図１１は先に述べた導線１２の配置間隔に関するもう一つの考え方を図示している。このもう一つの考え方とは、シムコイル５をＣＢ群として捉えて構成する場合である。図１１の上部は図１０と同様に線輪電流１の電流値分布を示し、下側に対応するシムコイルＣＢを示している。この方法では、線輪電流で均一磁場空間の拡張に必要であった固有モード強度と同じ固有モード強度をＣＢ群で実現するような計算を実行する。この計算方法で、図１１のＣＢ群が、図３と同じような磁場分布を実現できる。なおＣＢ群への置き換えにより、図１１の例であれば５番目の固有モード番号以下の固有モードは同じ強さが実現でき、ＣＢ群に置き換えた設計（例えば非特許文献１及び２の方法）とすることで、製作は容易になる。

以上の議論のように、本発明を適用すれば、正負の電流方向の５個のピークを持つ、円筒状に配置されたシムコイルを用いることで、ＭＲＩ用磁石の軸方向もしくは半径方向の均一磁場空間２を撮像対象にあわせて拡張することが可能である。

１ 線輪電流
２ 均一磁場空間
２ａ 外縁部
３ 電流分布
４ 静磁場磁石（超電導磁石装置）
４ａ 主コイルブロック（超電導コイル）
５ シムコイル
５ａ 順方向部
５ｂ 逆方向部
６ 均一磁場（静磁場）
７ 電流方向
８ 傾斜磁場コイル格納部
９ ベッド
１１ 電流値の基準値
１２ 導線
Ｚ 中心軸
Ｒ 半径方向

Claims (6)

1. 所定の軸上に配置された複数の超電導コイルと、
   前記超電導コイルと同軸上に巻き回された導線から構成されるシムコイルと、を備え、
   前記複数の超電導コイルはいずれも同方向に通電され、該複数の超電導コイルの軸方向の中心を含む領域に、予め定められた均一性を有する静磁場を形成し、
   前記シムコイルは、
   前記軸に沿って、前記超電導コイルと同方向に通電される順方向部と、前記超電導コイルと反対方向に通電される逆方向部と、を交互に有し、
   前記軸方向における前記順方向部と前記逆方向部が５個配置され、かつ前記軸方向における前記静磁場の両端よりも外側に少なくとも一つは前記順方向部又は前記逆方向部が配置されるように構成され、
   前記順方向部および前記逆方向部は、前記軸を中心軸とする仮想的な円筒面上に分布する線輪電流群と前記線輪電流群によって形成される磁場分布との応答行列を特異値分解によって得られる、電流ピークが正負合計して５個のピーク数である５次の固有モードに対応した電流分布パターンを含み、前記５次の固有モードに対応した電流分布パターンによる磁場分布が前記静磁場の軸方向において５個のピークを持つことが反映された
   ことを特徴とする超電導磁石装置。
2. 請求項１に記載の超電導磁石装置であって、
   前記シムコイルは、前記軸方向における両端に前記順方向部が配置されるように構成された
   ことを特徴とする超電導磁石装置。
3. 請求項２に記載の超電導磁石装置であって、
   前記複数の超電導コイルは、前記軸方向の中心からの該軸方向の幅が±０．１５ｍとなるように前記静磁場を発生し、
   前記シムコイルは、前記軸方向の中心から該軸方向に±（０．１５ｍから０．２ｍ）の位置で前記静磁場と同方向の磁場を発生する
   ことを特徴とする超電導磁石装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超電導磁石装置であって、
   前記シムコイルを構成する導線の巻線間隔が、前記順方向部と前記逆方向部に含まれる箇所において前記順方向部と前記逆方向部との間に存在する導線の巻線間隔よりも密となるよう構成された
   ことを特徴とする超電導磁石装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超電導磁石装置であって、
   前記静磁場は、前記軸方向における幅に対して、前記軸に直交する方向における幅が大きい
   ことを特徴とする超電導磁石装置。
6. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超電導磁石装置と、
   前記静磁場に対して傾斜磁場を重畳する傾斜磁場コイルと、
   前記静磁場が形成された空間に高周波磁場を印加する高周波コイルと、
   前記静磁場が形成された空間に被検体を挿入するカウチと、
   を備えた磁気共鳴イメージング装置であって、
   前記シムコイルおよび前記傾斜磁場コイルが格納される傾斜磁場コイル格納部を更に有し、
   前記傾斜磁場コイル格納部が前記複数の超電導コイルのいずれよりも内径側に配置される
   ことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。

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