JPH051606B2

JPH051606B2 -

Info

Publication number: JPH051606B2
Application number: JP59208856A
Authority: JP
Inventors: Hideto Iwaoka; Sunao Sugyama; Juji Inoe
Original assignee: Yokogawa Medical Systems Ltd
Current assignee: GE Healthcare Japan Corp
Priority date: 1984-10-04
Filing date: 1984-10-04
Publication date: 1993-01-08
Also published as: JPS6185803A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の属する分野］本発明は、核磁気共鳴画像装置に使用される勾
配磁場発生用コイルの改良に関するものである。

［従来技術］核磁気共鳴（nuclear magetic resonance…以
下NMRと略す）は、特に物性物理、化学の分野
において物質を微視的な立場より理解できるとい
う意味において、他に見られない有力な手段とな
つている。

NMRの特徴は、一様な静磁場と弱い高周波磁
場だけを用い、測定系と弱く相互作用する分光学
の一手段であることにある。そして、NMRで通
常用いられる高周波磁場のエネルギーは10^-19〜
10^-20エルグ程度であり、Ｘ線（10^-8〜10^-9エル
グ）に比べて極めて弱い。

この特徴のため、無侵襲的な生体計測技術とし
て医用面においても注目されている。特にNMR
−CT（CTはComputer Tomograghyの略称）と
して臨床的応用が研究されているが、これは悪性
腫瘍における水分子を構成している水素原子核の
核磁気緩和時間が正常のそれに対し、数倍長いと
いう報告｛R.Damadian：Science Vol 171
p1151（1971）｝に刺激されたためである。以上の
NMR画像装置（NMR−CT）は、被検体の一部
をスライスした断層画像を映像化することがで
き、診察に役立てるものである。

このNMR画像装置においては、例えば、被検
体の特定な部位のスライス面の切出しや、所定の
スライス面に在る原子核の回転位相のコード化
や、所定のスライス面に在る原子核の回転周波数
のコード化などのため、ｘ，ｙ，ｚの３軸方向に
対して線形の勾配磁場を被検体に印加する必要が
ある。そして、この各勾配磁場の直線性は、得ら
れる画像の画質に大きな影響を与える。従つて、
勾配磁場の直線性を良くすることは、NMR画像
装置にとつて、重要な技術的課題の１つであると
言える。

第２図は、NMR画像装置に使用されている従
来の勾配磁場発生用コイルの構成例を示した図で
ある。同図に示すコイルの型は、一般に“サドル
型”と呼ばれるものである。第２図においては、
ｘ方向に勾配磁場が発生するように描いてある
が、所定の軸に沿つて配置することにより、他の
方向に関する勾配磁場を発生させることもでき
る。

同図において、１〜４はコイルであり、矩形の
コイルへ、更に湾曲を加えたような形状をしてい
る。例えば、湾曲の程度は、第２図に示すように
ｚ軸を中心として、120゜の角度である。そして、
それぞれ図に示すような向きに電流が流れる。

ここで、各コイルが置かれている空間の座標関
係を第２図と仮定する。NMR画像装置における
主磁場（静磁場）の方向は、ｚ軸方向とする。こ
こで、各コイル１〜４の内側の巻線を１ａ，２
ａ，３ａ，４ａとする。即ち、巻線１ａと３ａ，
２ａと４ａは、ｘ−ｙ平面を中心として互いに相
対する位置にある。第２図では、この巻線部１ａ
〜４ａを１ターンのように描いてあるが、１ター
ンとは限らない。巻線が、複数回巻かれていて、
これが束になつていてもよい。通常は、そのよう
になつている。

第３図は、第２図のｘ軸，ｚ軸を含む平面で切
つた時の、巻線１ａ〜４ａの付近に生ずる磁界の
状態を示した図である。同図に示すように、ｚ軸
に沿う向きの磁界が発生し、各巻線１ａ，２ａ，
…の近傍では、この磁界は強く、だんだん巻線か
ら離れるにしたがい磁界は弱くなり、ｚ軸上では
磁界は雰となる。この結果、同図に示すようなｘ
方向の勾配磁場が得られる。実際には、内側巻線
１ａ〜４ａによる磁場だけでなく、これと反対方
向の電流が流れる外側の巻線による磁場の影響も
考慮し、最も直線性が良くなるコイルの配置を選
ぶ。

しかし、このような構成の勾配磁場発生用コイ
ルで生成される磁場の直線性を350(x)・350(y)・
300(z)の楕円球体の中で評価すると、最大のエラ
ーが−12.3％になる。

NMR画像装置のアルゴリズムにもよるが、こ
の−12.3％のエラーは、一般に得られるNMR画
像に劣化を与える。従つて、勾配磁場の直線性の
改善が望まれる。

そこで、コイル全体を大きくすると、見掛け上
エラーは減少するが、消費電力が増大する。更
に、コイルのインダクタンスが増大し、応答速度
が遅くなる等の点で好ましくない。

［発明の目的］本発明は以上のような点に鑑みて成されたもの
であり、消費電力の増加を伴うことなく、ｘ＝ｙ
＝ｚ＝０を中心とする一定の体積内部で、直線性
の秀れた勾配磁場発生用のコイルを提供すること
を目的とする。

［発明の概要］このような目的を達成するために本発明では、
各コイルの内側の巻線１ａ，２ａ，３ａ，４ａを
サドル面に沿つて偏平な形状の単一の導電体で構
成したことを特徴とする。これにより、生成され
た勾配磁場のｘ＝ｙ＝ｚ＝０におけるテイラー展
開の３次項の絶対値を最小又は０にすることがで
きる。更に、勾配方向以外で、磁場の均一性を向
上させることが可能となり、ｘ＝ｙ＝ｚ＝０を中
心とする一定体積内部での磁場の直線性が向上す
る。

［実施例］以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。第
１図は、本発明に係る勾配磁場発生用コイルの構
成例を示した図である。第１図に表わした勾配磁
場発生用コイルが、従来例（第２図）と異なる点
は、内側の巻線（第２図の１ａ，２ａ，…）の構
成が違う点である。これ以外は、従来のものと、
ほぼ同様である。従来の勾配磁場発生用コイルで
得られる磁場の状態は、第２図、３図を用いて、
定性的に説明したが、ここでは、本発明の勾配磁
場の状態を定量的に説明する。

まず、直線勾配磁場を生成する原理は以下の通
りである。ここでは、ｘ軸方向の勾配磁場を発生
する場合を説明するが、ｙ軸、ｚ軸についても同
様である。

コイルによつて生じるｘ軸上のｚ軸方向の磁場
をＨ(x)とするＨ(x)をｘ＝０でテイラー（Taylor）
展開し、(1)式のように表わす。

Ｈ(x)＝a₀＋a₁x＋a₂x²＋ …(1) ここで、勾配磁場コイル５と７，６と８はｘ−ｙ
平面を中心として対称に配置され、かつコイルを
流れる電流の向きが逆極性であるから、a₀＝a₂＝
a₄…＝０である。従つて(1)式は、奇数次の項だけ
が残つて、(2)式のようになる。

Ｈ(x)＝a₁x＋a₃x³＋a₅x⁵＋ …(2) ここで、a₁≠０，a₃＝０，a₅＝０，…となればｘ
の１次項だけに比例する理想的なｘ勾配磁場用コ
イルとなる。

しかし、実際には、a₃，a₅，…の総べてを消去
することは困難であるから、a₃だけを０とするよ
うな構成を求めるのが実用的である。

一方、この場合、ｙ及びｚ軸方向の磁場の均一
性は、必ずしも保証されない。従つて、ｘ＝ｙ＝
ｚ＝０を中心とする一定な体積内で、磁場のｘ軸
方向の直線性を評価すると、エラーが大きい。

そこで、上述したように内側の巻線を分割した
構成の勾配磁場用コイル（第１図のコイル）を製
作した。第１図において、５，６，７，８はサド
ル型コイルであり、各コイルの内側の巻線５ａ，
６ａ，…は、３以上に分割された構成になつてい
る。言替えると、各コイルの内側の巻線が複数回
に巻かれた構成にあつては、この巻線を１束に束
ねるのではなく、３以上の束に分離するように構
成したものである。もつとも、１束を１本の巻線
としても良い。ただし、後述するが、内側巻線が
１ターンで形成されるものにあつては、この１タ
ーンの巻線を偏平の形状に構成する。

第４図は、従来例（第２図）と同じ条件の下
で、この内側の巻線を２分割、３分割、10分割し
た場合に、勾配磁場の直線性のエラーが、ｘ＝ｙ
＝ｚ＝０を中心とする一定な体積内で、どのよう
に推移するかを計算して求めた図である。即ち、
第４図は、既述した(2)式においてa₁≠０，a₃＝０
となるようにシミユレーシヨンして得られた結果
を示したものである。ここで、３分割、10分割し
た時の内側の巻線（つまり、分離した３束で１
組、分離した10束で１組の巻線の意味）の位置と
幅は、第６図で示す２分割した内側の巻線の位
置・幅と近似的に同じである。近似的にと述べた
のは、このシミユレーシヨンでは、(2)式におい
て、a₁≠０，a₃＝０となることを最優先して求め
たものであるため、その結果、内側巻線の位置と
幅は、２分割の場合と比較して、３分割と10分割
とでは差が発生する。しかしこの差は設計的なも
のであり近似的には同じであると言える。ここで
第４図の横軸は、1G／cmに必要なアンペア・タ
ーンであり、縦軸はエラーである。この図におい
ては、縦軸も横軸も小さな値になる程、好ましい
勾配磁場用コイルと言える。第４図より、本発明
に係る勾配磁場用コイルによれば、勾配磁場の直
線性のエラーは、−7.52％（２分割）、−5.30％
（10分割）に減少する。そして、分割数が多い程
エラーを少なくできることが分る。なお、分割し
た内側巻線の束のそれぞれは、それぞれ等しい巻
数である。

第４図では図示しないが、100分割した場合の
データ曲線は、10分割のデータより僅かにエラー
が少ないデータ曲線である。即ち、10分割より更
に多い分割では、ほぼ似たようなデータとなる。
ここで、100分割のデータは、シミユレーシヨン
の精度から判断して無数に分割したのと等価と見
ることができる。従つて、100分割のデータは、
特許請求の範囲に記載した板状導電体の場合のデ
ータと見なすことができる。

この第４図のデータから分かるように、１枚の
板状導電体を用いると、等価的に10分割以上と同
等の効果を得られるので、コイルの製作上有利で
ある。

第５図は、コイルの開き角度と、エラー、アン
ペア・ターン（1G／cmに必要な値）の関係を示
した図である。同図の場合、内側の巻線の分割
は、２分割である。第５図より、エラーは開き角
度αがα＝120゜〜135゜で最小となることが分る。

なお、上述では、内側の巻線を複数の束に分割
するとして説明したが、内側の巻線を単一の板状
の導電体で構成しても本発明は成立する。この場
合は、電流がこの板状の導電体中を自由に流れる
ことができるので、無数に分割したのと同じにな
るからである。

つまり、電流はこの板状の導電体中を平行で且
つ均一な電流分布で流れる。

また、２分割した場合であつて、(2)式の３次の
項（a₃）を雰とする定数例を第６図に示す。即ち
第６図に示す半径ｒ＝1.00とするとき開き角度＝120゜外側コイル位置＝1.33 ２分割した内側の巻線の位置＝0.34，0.80 である。

また、以上では、内側の巻線を等分割する例で
説明したが、これは、厳密に等分割をすることを
意味しない。

［発明の効果］以上説明したように本発明によれば、偏平な形
状の導体を使用しているので、サドル型コイルの
内側の巻線を無数に分割したのと同じになる。つ
まり、第４図から明らかなように最も勾配磁場の
直線性を善くすることができる。しかも単なる偏
平の導体を使用するので無数に分割することと比
較し、サドル型コイルの製作上も容易である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る勾配磁場発生用コイルの
構成例を示す図、第２図は従来の勾配磁場発生用
コイルの一例を示す構成図、第３図は勾配磁場が
得られる旨を説明するための図、第４図は内側の
巻線を２分割、３分割、10分割した場合に勾配磁
場の直線性のエラーがどのように推移するかを計
算して求めた図、第５図はコイルの開き角度と、
エラー、アンペア・ターンの関係を示した図、第
６図は内側の巻線を２分割した場合であつて、(2)
式の３次の項（a₃）を雰とする定数例を示した図
である。５，６，７，８…コイル、５ａ，６ａ，７ａ，
８ａ…内側の巻線。

Claims

【特許請求の範囲】１Ｘ，Ｙ，Ｚの直角座標系を構成するＺ軸を中
心として矩形を湾曲させた形状の４個のサドル型
コイル１，２，３，４を備え、且つこの４個のサドル型コイルがＺ軸を挟んで
２個ずつ対向するように配置されるとともに、
Ｘ，Ｙ平面を挟んでも２個ずつ対称の位置となる
ように配置され、且つ前記直角座標系の原点を中心とする一定体
積内部に発生する勾配磁場の直線性が良くなる位
置に前記４個のサドル型コイルを配置した勾配磁
場を発生させる手段において、前記各サドル型コイルの４辺を構成する巻線の
内、Ｘ，Ｙ平面に近い側の１辺を構成する各巻線
１ａ，２ａ，３ａ，４ａとして、この各巻線１ａ，２ａ，３ａ，４ａを流れる電
流経路が、湾曲したサドル面上に沿つて無数とな
るように板状の１枚の導電体で構成したこと特徴
とする勾配磁場発生用コイル。