JPH0529454B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、核磁気共鳴現象により被測定体内部
の情報を映像化して測定する核磁気共鳴映像法に
おける特徴磁場の発生方法、すなわち、核磁気共
鳴現象（NMR）を応用して被測定体内部の核磁
気性物質、例えば、Ｈ，Ｆ，Na，Ｋ，Mg，Ｃ，
Ｐなどに関する情報を外部に取出して画像化する
ために被測定部位に周囲とは異なる静磁場よりな
る特徴磁場を印加し、共鳴周波数の相違により被
測定部位のみの情報を得るための特徴磁場の発生
方法に関し、特に、小型軽量の装置により低消費
電力をもつて特徴磁場を発生させ得るようにした
ものである。

ここで、本発明を適用すべき核磁気共鳴映像化
装置の概略構成の例を第１図に示す。図示の構成
による核磁気共鳴映像化装置は４ユニツトからな
つており、そのうち、ユニツト１は、ユニツト２
内のトランスミツタコイルb₁、レシーバコイルb₂
および静磁場発生用マグネツトb₅とともに基本的
なパルスNMR装置を構成している。トランスミ
ツタコイルb₁およびレシーバコイルb₂の各軸は静
磁場発生用マグネツトb₅による均一静磁場H_pに
直交する方向に配設され、その内部に被測定体が
置かれる。被測定体内のプロトンなどの核磁気性
物質は、静磁場強度によつて一義的に決るラーモ
ア周波数を有しており、そのラーモア周波数に等
しい周波数のRF磁場がトランスミツタコイルb₁
により被測定体に印加されると、被測定体内に核
磁気共鳴現象が起り、レシーバコイルb₂にその周
波数の信号が誘起する。しかして、ラーモア周波
数は磁場強度によつて一義的に決るのであるか
ら、大きい被測定体内のある限られた測定領域
（Measuring Target：MT）のみのNMR情報を
得るために、領域MT内における磁場強度の変化
が極めて小さく、その外側においては磁場強度が
急激に変化するような非線形の特徴磁場を特徴磁
場発生コイルb₄によつて印加する。かかる特徴磁
場の印加によつて領域MTとその外側とで核磁気
共鳴周波数の相違が生ずるので、その相違によつ
て領域MTのみの情報をその外側の情報とは分離
して選択的に測定することができる。この特徴磁
場は、ユニツト２内の走査コイルb₃により、その
形状を殆ど変えることなく電気的に走査され、そ
の結果、被測定体内のスピン密度分布、核磁気緩
和時間などのNMRパラメータをマツピングする
ことができ、映像化して表示することが可能とな
る。

ここで、さらに、各ユニツトの構成および動作
について詳述すると、ユニツト１は基本的なパル
スNMR装置の回路系をなしており、ユニツト２
は、静磁場発生用マグネツトb₅とその静磁場内に
配設した特徴磁場発生・走査コイルb₃，b₄および
トランスミツタ・レシーバコイルb₁，b₂とからな
つている。なお、特徴磁場発生・走査コイルb₃，
b₄はその構成上の都合によつては、静磁場発生用
マグネツトb₅の外に配置する場合もあり得る。

また、ユニツト３はユニツト２の駆動源であ
り、ユニツト４は、装置全体を制御し、照射パル
ス磁界の制御、測定データのサンプリング、周波
数分析、画像表示の制御等を行なう計算機d₁とそ
の周辺装置d₂とからなつている。

上述のような構成配置において、ユニツト２に
より与えられる特徴磁場の中心磁場強度に対応す
るラーモア周波数に等しい周波数のRF発振器a₁
からのRF信号は、波形整形およびゲート回路a₃
に入り、計算機d₁によつて制御されたプログラム
パルス発生器a₂の出力パルスによつてゲートされ
て所定の周波数スペクトルを有するRFパルスと
なり、RFパワー増幅器a₄により増幅された後に
トランスミツタコイルb₁に供給される。このよう
にしてトランスミツタコイルb₁により被測定体に
RF磁場が照射され、被測定体に印加された所定
の周波数スペクトルを有するRF磁場によつて被
測定体内における特徴磁場の中心を囲む所定領域
の核磁化が選択的に励起される。その励起された
核磁化は静磁場に直交する方向の磁化成分を生
じ、その磁化成分は、励起RFパルスがいわゆる
90°パルスの条件を満したときに最大となる。つ
いで、励起RFパルスが終息すると、静磁場に直
交する方向の核磁化成分は、特徴磁場のそれぞれ
の位置における磁場強度に対応するラーモア周波
数にて自由才差運動を行ない、レシーバコイルb₂
に微小なRF電圧を誘起する。そのRF電圧を、前
置および主の各増幅器a₅およびa₆により増幅した
うえで、位相敏感検波器a₇により、RF発振器a₁
の発振出力を参照信号にして検波すると、いわゆ
る自由減衰信号（Free Induction Decay：FID）
が得られる。このFID信号は、Ａ／Ｄ変換器a₈に
よりデイジタル量に変換した後に計算機d₁により
いわゆるFFT法などを用いて周波数分析され、
特徴磁場の中心磁場強度に対応する周波数成分が
取出される。

この周波数成分抽出と同時に、計算機d₁から特
徴磁場走査信号が送出され、Ｄ／Ａ変換器c₁を介
して特徴磁場走査コイルb₃に走査電流を供給し、
特徴磁場が、その形状を殆ど変えることなく空間
的に走査される。かかる走査に伴い、ある種の特
徴磁場においては中心磁場強度にオフセツトが生
ずるが、このオフセツトは走査コイルb₃内に併置
された補償コイルによつて補償され、特徴磁場の
中心にけるラーモア周波数がつねに一定になるよ
うに保たれる。なお、この補償コイルに供給する
駆動電流も計算機d₁によつて与えられる。

上述の特徴磁場走査を行ないつつ特徴磁場の中
心磁場強度に対応するラーモア周波数磁化成分の
強度をマツピングすれば、直接的にスピン密度像
を得ることができ、さらに、パルス列を適切に設
定すれば、T₁，T₂の直接測定も可能であり、映
像化も可能となる。なお、特徴磁場の中心磁場強
度に対応するラーモア周波数磁化成分を取出すた
めには、上述したような計算機によるデイジタル
的な演算処理の他に、狭帯域の選択増幅器、ロツ
クイン増幅器などを用いた直接的なアナログ回路
処理をも用い得ることは明らかである。

本発明は、上述したような構成配置の核磁気共
鳴映像化装置における特徴磁場発生コイルによる
特徴磁場発生の具体的な方法を提供するものであ
る。

従来のこの種特徴磁場の発生方法、例えば、本
発明者らの提案に係る特開昭54−133192号公報に
記載の特徴磁場発生法においては、被測定体内部
の棒状領域における核磁気共鳴情報を得るために
平行線条群を用いて棒状の特徴磁場、すなわち、
棒状焦点磁場を発生させていたが、この従来方法
においては、長さ方向には磁場成分を有しない平
行的線条群による磁場とその長さ方向の大きい均
一静磁場との合成により棒状の特徴磁場を発生さ
せていたので、相互間隔に比して極めて長い平行
線条群を必要とし、したがつて、棒状焦点磁場発
生用コイルは、共鳴磁場検出用コイルに比して格
段に大型のものとならざるを得ず、また、所要の
特徴磁場を形成するには大電力の駆動系が必要で
あり、多くのコイル資材を必要とするので、装置
が重量化するなどの種々の欠点があつた。

また、上述した従来の特徴磁場発生方法におい
ては、静磁場に直交する平面内にて磁場等高線が
その内部に電流を含むことなく閉曲線状に閉じ、
静磁場の方向には所要の範囲内においては磁場等
高線が平行となるような棒状の特徴磁場を、静磁
場の方向にほぼ平行に配置した線条の群に、空間
的なある一点にてそれらの線条群による磁場が互
いに打消し合うような電流を供給することによつ
て発生させていた。かかる態様の特徴磁場発生
は、さらにこれを発展させて、均一な静磁場と、
その均一静磁場に直交する磁場成分のみを有し、
しかも、空間的なある線上にてその磁場成分が零
となり、その他の領域においては零とならないよ
うな磁場とを合成することに帰着させることがで
きる。

しかして、一般に、複数個の閉ループコイル
に、それぞれのコイルによる磁場が空間的なある
一点にて互いに打消し合う向きに電流を供給して
差動コイル群を構成した場合には、そのコイル群
による磁場は、上述した一点にて零となり、その
他の領域においては、いずれの方向にもその一点
から離れるに従つて大きくなる磁場成分を有する
ので、単に均一静磁場を重畳するだけで、いずれ
の方向にその均一静磁場を重畳しても、両者の合
成磁場の強度変化には、重畳した静磁場の方向の
磁場成分が支配的な影響を及ぼすので、重畳印加
した静磁場の方向に磁場強度の勾配を有する勾配
磁場しか実現し得ない。

しかしながら、上述した場合に、差動コイル群
による磁場における重畳印加した静磁場の方向の
磁場成分を必要な範囲に亘つて何らかの手段によ
り打消すことができれば、重畳印加した静磁場の
方向と直交する方向の磁場成分が支配的となるの
で、棒状の特徴磁場、すなわち、棒状特徴磁場を
実現することができる。

本発明の目的は、上述した従来の平行線条群に
よる棒状特徴磁場発生方法の欠点を除去し、小型
軽量の装置により低消費電力をもつて棒状の特徴
磁場を発生させるようにした核磁気共鳴映像法に
おける特徴磁場発生方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、核磁気共鳴現象を応用し
たスピン密度分布イメージング装置、緩和時間分
布イメージング装置等に適用し得る特徴磁場の発
生方法を提供することにある。

すなわち、本発明特徴磁場発生方法は、それぞ
れ複数個のコイルもしくは磁石からなり、それら
のコイルもしくは磁石の相互間における所定の位
置にてそれらのコイルもしくは磁石による磁場の
零次項成分が互いに打消し合つて零乃至ほぼ零と
なるように調整した磁場をそれぞれ呈する第１お
よび第２のコイル群もしくは磁石群を設け、それ
ら第１と第２とのコイル群もしくは磁石群による
所定の方向の磁場成分が所要の範囲に亘り互いに
打消し合つて零乃至ほぼ零となる領域が当該所定
の方向に延在するとともに当該所定の方向と直交
する方向の磁場成分が当該延在する領域の中心線
近傍においてのみ零乃至ほぼ零となるように前記
第１と前記第２のコイル群もしくは磁石群を互い
に組合わせて所要の強度分布特性を呈する前記所
定の方向の静磁場を重畳することにより、所要形
状の特徴磁場を発生させるようにしたことを特徴
とするものである。

以下に図面を参照して本発明を幾多の実施例に
つき詳細に説明する。

まず、第１の実施例として、上述したように互
いに直交する２組の差動コイル対を使用する場合
について説明するに、便宜上、第２図ａおよびｂ
に１，１′および３，３′としてそれぞれ示す第１
の差動コイル対は、ｘ軸上にて原点に対し対称で
あつて、しかも、各コイル面がｘ軸に垂直になる
ように配置してあるものとし、また、各コイル
は、円形コイルであつて、その半径および巻数が
互いに等しいものとする。

しかして、ｘ軸上に配置した第１の差動コイル
対による磁場成分は、各座標軸につきそれぞれ次
式によつて与えられる。

ここに、 なお、a_x，b_xおよびN_xは、それぞれ、コイル
半径、原点からコイル面までの距離およびコイル
巻数であり、また、I_xはコイル電流であつて、各
コイルにつき大きさが等しく、各コイルによる磁
場が互いに打消し合う向きに供給されるものとす
る。

かかる第１の差動コイル対による磁場は、上述
の式(1)〜(3)から明らかなように、すべての方向の
磁場成分を有しているので、静磁場H_pをいずれ
の方向に重畳しても棒状特徴磁場は形成されな
い。これに対し、本発明においては、上述したよ
うに、積極的にある方向の磁場成分を打消してお
き、その方向に静磁場を重畳印加することによつ
て棒状焦点磁場を発生させる。

いま、ｘ軸上の第１の差動コイル対に対して、
第２図ａおよびｂに２，２′および４，４′として
それぞれ示すようにｙ軸上に第２の差動コイル対
を配置した場合には、そのｙ軸上に配置した第２
の差動コイル対による磁場は、ｘ軸上に配置した
第１の差動コイル対におけると全く同様にして、
各座標軸につきそれぞれ次式によつて与えられ
る。

ここに、 なお、各記号の定義は、ｘ軸上の第１の差動コ
イル対におけると同様とする。

上述のように互いに直交する２組の差動コイル
対による合成磁場は、簡単のために a_x＝a_y＝ａ，b_x＝b_y＝ｂ，ρ₁＝ρ₂＝ρ とすると、上述の式(1)〜(3)および式(7)〜(9)を合成
した次式によつて与えられる。

したがつて、H_x，H_y，H_zのうちのいずれかの
磁場成分を表わす式の一次項が零となるように
C_1x，C_1yを選定し、その零成分の方向に静磁場
H_pを重畳印加すれば、その方向に延在する棒状
特徴磁場を得ることができる。

しかして、かかる零成分方向の静磁場重畳には
つぎの三様の場合が存在する。

(i) H_x≒０として、静磁場H_pをｘ方向に重畳す
る。したがつてC_1y＝2C_1xに選定する。

(ii) H_y≒０として、静磁場H_pをｙ方向に重畳す
る。したがつて、C_1x＝2C_1yに選定する。

(iii) H_z≒０として、静磁場H_pをｚ方向に重畳す
る。したがつてC_1x＝−C_1yに選定する。

上述した三様の静磁場重畳のうち、（）ｘ方
向静磁場重畳の態様におけるコイル配置および電
流の向きを第２図ａに模式的に示す。図におい
て、ｘ軸上の差動コイル対１，１′およびｙ軸上
の差動コイル対２，２′のコイル半径およびコイ
ル間隔が等しいとすると、ｙ軸上差動コイル対
２，２′の各コイル巻数または電流値をｘ軸上差
動コイル対１，１′に対してそれぞれ２倍に選定
すれば、ｘの値のある範囲に亘つてH_x≒０とな
り、ｘ方向に静磁場H_pを重畳すれば、ｘ方向に
延在する棒状特徴磁場が得られる。なお、上述の
式(13)〜(15)における高次項の影響については、
高次項の存在により特徴磁場の形状がくずれて歪
んだ形状となるので、高次項はなるべく小さいこ
とが望ましい。しかして、かかる高次項のうちで
も、５次項以上の高次項はその絶対値が極めて小
さいので、主として問題になるのは３次項であ
る。しかしながら、上式(13)〜(15)における３次
項の係数C_3x，C_3yは、a_x，b_xおよびa_y，b_yの値に
対してそれぞれ零にし得るので、設計に際しては
３次項を零にする値の近傍にコイル半径およびコ
イル間隔を選定することが望ましい。なお、上式
（１３）〜(15)における３次項およびｘ方向のH_xの式
（１３）における１次項は、いずれも、完全に零にな
らなくても、その存在の影響が現われない程度に
小さくし得れば充分であり、また、説明の便宜
上、ｘ軸上およびｙ軸上の差動コイル対のコイル
半径およびコイル間隔等を等しいとしたが、ｘ軸
上とｙ軸上とにてコイル半径、あるいは、コイル
間隔が相違しても、さらには、それらの差動コイ
ル対が、円形コイルではなく、他の形状、例えば
楕円形等のコイルであつても、それらのコイル対
がそれぞれ差動的に組合わせ配置されており、さ
らに、双方のコイル対による磁場のｘ方向磁場成
分が互いに打消し合うように構成してあれば充分
であることは勿論である。

しかして、上述の（）ｘ方向静磁場重畳にお
いては、ｙ軸上の差動コイル対とｘ軸上の差動コ
イル対とに関する１次項係数の関係を次式のよう
に選定すればよい。

C_1y＝2C_1x (16) したがつて、ｙ軸上差動コイル対とｘ軸上差動
コイル対とのコイル半径およびコイル間隔がそれ
ぞれ等しい場合には、前者のアンペア回数を後者
に対して２倍に選定すればよいことになる。しか
して、その際に発生する棒状特徴磁場の磁場強度
変化は、 C_1x＝C₁ (17) として、次式により表わされる。

ΔH_(y,z)＝9C₁ ²／8H_pρ²（y²＋z²） (18) なお、外部から重畳印加する均一静磁場H_pの
方向はｘ方向となる。また、以上の説明において
は、ｘ軸上差動コイル対とｙ軸上差動コイル対と
による磁場がそれぞれ零となる点を一致させるこ
とを暗黙のうちに前提としているが、双方の零磁
場点が一致しない場合、すなわち、双方の差動コ
イル対による磁場の対称軸が交叉しない場合であ
つても、その結果、生成した棒状特徴磁場の中心
位置が多少ずれるだけであり、所望の棒状特徴磁
場形成には大きい支障とはならないばかりでな
く、逆に、かかる零磁場点不一致の余裕の事実を
特徴磁場の走査等に利用することもできる。

つぎに、前述した三様の静磁場重畳のうち、
（）ｙ方向静磁場重畳の態様においては、ｘ軸
上差動コイル対とｙ軸上差動コイル対との作用効
果を上述した（）ｘ方向静磁場重畳の態様にお
けるそれぞれの作用効果と交換したに過ぎず、特
に説明する要はないものと認められる。

つぎに、前述した三様の静磁場重畳のうち、上
述した（）および（）の態様とは格段に相違
する（）ｚ方向静磁場重畳、すなわち、第１お
よび第２の差動コイル対に対してともに直交する
ｚ方向の磁場成分が互いに打消し合うようにして
静磁場を重畳印加する場合における電流の向きな
どの態様を第２図ｂに模式的に示す。図示の態様
においては、 C_1x＝−C_1y＝C₁ (19) なる関係を選定し、ｚ方向に均一静磁場H_pを重
畳印加したときにおける磁場強度変化は、次式に
よつて表わされ、前述した（）ｘ方向静磁場重
畳の態様における式(18)と同一形式によつて表わ
し得ることとなる。

ΔH_(x,y)＝9C₁ ²／8H_pρ²（x²＋y²） (20) なお、各差動コイル対に関する各式における３
次項の係数が１次項の係数に比して充分に小さく
なるようにコイル半径およびコイル間隔の関係を
選定してあるものとする。

しかして、上述の（）ｚ方向静磁場重畳の態
様においては、ｘ軸上差動コイル対３，３′とｙ
軸上差動コイル対４，４′とのアンペア回数を、
コイル半径およびコイル間隔がそれぞれ等しい場
合には、等しく選定すればよく、製作上において
も極めて好都合である。なお、かかる（）ｚ方
向静磁場重畳の態様においても、コイルの形状、
配置等の構成条件の変化に関する事項は（）ｘ
方向静磁場重畳の態様につき前述したところと全
く同様となる。

なお、ここで、かかる磁場強度変化の形態を数
式的に取扱つた公知文献と本願発明との関係につ
いて付言すると、本発明者らによる文献「核磁気
共鳴現象による生体計測用磁場焦点法の研究」計
測自動制御学会論文集、第14巻、pp163〜170
（1978）においては、軸対称磁場の羃級数展開に
より静磁場との合成磁場における特徴磁場の均一
領域形状を論じている。しかしながら、この文献
における磁場強度変化の解析は単一組のコイル対
による磁場についてのものであり、一般的な三次
元の非軸対称磁場については、羃級数展開によつ
て解析することは極めて困難と考えられるが故
に、かかる解析を全く行なつておらず、その代わ
りに、幾つかの具体的コイルの組合わせについて
数値解析によりその等磁場強度線分布を求めてい
るに過ぎない。しかして、一般に、コイルの組合
わせによつて発生した磁場は、三次元空間におけ
るすべての方向の磁場成分を有するので、その等
磁場強度面の形状は、外部静磁場を重畳した場合
には、コイル群のみによる磁場の等磁場強度面形
状から大幅に変化し、さらに、静磁場を重畳する
方向によつてもその変化の様相に大幅の相違が生
ずる。したがつて、多数のコイルの三次元的な組
合わせについて数値計算により等磁場強度面を求
め、数値計算のパラメータを変えていくことによ
つて棒状などの単純な形状の等磁場強度面を有す
る特徴磁場発生コイル群を設計することは、上記
文献の記載以外にその指針が与えられない限り、
ほとんど不可能に近く、また単にかかる手法を発
展させることによつて実現し得るものであるか否
かさえ不明といわざるを得ない。すなわち、上述
の文献の記載に基づき数値計算によつて棒状特徴
磁場などの発生条件を明らかにすることは不可能
に近いと認められ、棒状特徴磁場の発生は、前述
したように、本発明によるコイル対の特別な組合
わせによつて前述した複数の所要条件を満した場
合に初めて可能となるものである。

以上に詳述した第１の実施例においては、各差
動コイル対について、磁場強度変化を表わす式の
３次項がほぼ零となるようにしてコイル半径およ
びコイル間隔の関係を選定するものとし、具体的
には、円形コイルからなる差動コイル対の場合に
は、前述した式(5)により、磁場強度変化を表わす
各式の３次項の係数を零とするコイル半径ａとコ
イル間隔ｂとの関係を求めると次式が得られ、こ
の式によつて設計上の最適条件を設定することが
できる。

ｂ＝√３／２ａ (21) しかして、上述した最適条件のもとにおいて
は、差動コイル対におけるコイル間隔がコイル直
径より大きくなるので、互いに組合わせ配置する
２組の差動コイル対のコイル径を等しくする場合
には、双方の差動コイル対のコイルが互いに衝突
することになる。かかる場合には、一方の差動コ
イル対におけるコイル間隔ｂおよびコイル径ａ
を、その比ｂ／ａを一定値に保持したまで増大さ
せるなど、適切な変更を施して、双方の差動コイ
ル対のコイルが衝突しないようにすることができ
る。しかしながら、一般には、つねに３次項の係
数を零になし得る条件のもとにコイル配置を行な
い得るとは限らず、また、円形コイル以外の形状
のコイル、例えば、方形乃至長方形のコイル等を
使用する場合には、３次項の係数を零とする上述
の最適条件とは異なる他の条件に基づいてコイル
間隔等を選定すべき状態も十分に起こり得ると考
えられる。

つぎに、第２の実施例として、上述のように磁
場強度変化を表わす式の３次項の係数を零にする
最適条件を満たし得ない場合にも、所要の棒状特
徴磁場を発生させ得るようにした磁場形成コイル
の構成配置について説明するに、説明の便宜上、
前述の場合におけると同様に円形コイルよりなる
差動コイル対を使用するものとする。

しかして、一般に、前述した第１の実施例にお
ける三様の静磁場重畳の態様（）〜（）によ
る特徴磁場の磁場強度変化は、次式にて表わすこ
とができる。

ΔH＝9C₁ ²／8H_pρ²r²＋C₃／H_{p (x2,y2,z2)}（Ｘ／ρ
）(22) ここに、ｒは静磁場H_pの方向と直交する平面
内における原点からの距離であり、Ｘは静磁場
H_pの方向の座標軸であつて、前述した第１の実
施例における態様（）にてはＸ≡ｘ、態様
（）にてはＸ≡ｙ、態様（）にてはＸ≡ｚで
あり、さらに、_(x2,y2,z2)は各変数x²，y²，z²の線
形結合式であつて、前述した各態様（）〜
（）によつてそれぞれ異なる式となる。

しかして、上述の式(22)における第２項は、差
動コイル対による磁場の磁場強度変化を表わす式
の３次項に基づく歪み項乃至誤差項を表わし、式
（２２）が表わす特徴磁場を棒状特徴磁場として使用
し得るようにするためには、変数Ｘの必要な値の
範囲に亘つて、この第２項が第１項に比して十分
に小さくなる必要がある。なお、係数C₁，C₃は
式(4)，(5)もしくは式(10)，(11)にて与えられるよう
に、それぞれ、差動コイル対のアンペア回数に比
例するものであるから、式(22)における第１項の
係数はアンペア回数の自乗に比例し、また、第２
項の係数はアンペア回数の１乗に比例することに
なる。したがつて、任意の間隔に対向配置した差
動コイル対を用いる場合には、十分に大きい値の
アンペア回数を与えるように設計すれば、必要な
範囲に亘つて棒状特徴磁場を形成することがで
き、差動コイル対のコイル間隔に関する条件を大
幅に緩和することができる。また、以上の説明に
おいても、円形コイルを用いた差動コイル対の場
合について述べたが、他の形状のコイルを用いた
差動コイル対についても上述したと同様に本発明
を実施することができる。

ここで、以上に述べた本発明による特徴磁場発
生方法と、例えば、冒頭に述べた本発明者らの提
案に係る特開昭54−133192号公報に記載の従来の
特徴磁場発生方法との優劣について若干述べてお
くと、従来の棒状特徴磁場発生用の平行線条群に
おいては、その長さ方向には最初から磁場成分を
有しないのであるから、それらの平行線条群に供
給する電流値を精密に設定する必要はないのに対
して、本発明による上述した差動コイル対の組合
わせにおいては、ある方向の磁場成分が互いに打
消し合つてその方向には磁場成分を有しないよう
にするのであるから、差動コイル対に供給する電
流値は精密に設定する必要があり、供給電流値の
設定に関しては、本発明による方が従来より劣る
ことになる。しかしながら、その反面、平行線条
群は、その幅に比して長さを十分に大きく設定し
なければならず、したがつて、大型とならざるを
得ないのに対し、本発明によれば、棒状特徴磁場
発生手段の縦横ともにコイル直径程度の大きさと
することができるので、従来の平行線条群による
場合に比して、特徴磁場発生手段を格段に小型に
し得るという顕著な利点を有している。さらに、
本発明によれば、特徴磁場発生手段の線条本数乃
至巻回数を従来と同一にした場合に、所要銅線長
が遥かに短かくて足り、したがつて、駆動用電力
も大幅に削減することができ、しかも、軽量にな
し得る優れた利点も備えており、かかる利点の効
果は実用上極めて顕著となる。

つぎに、第３の実施例として、上述のように差
動磁場発生手段として用いる電流コイルを永久磁
石に置換した場合における本発明による特徴磁場
発生について説明すると、一般に、閉ループ電流
は、その外周の形状と相似の形状を有する板状磁
石に置換することができる。したがつて、前述し
た２組の差動コイル対のうちの幾つかの電流コイ
ル、あるいは、すべての電流コイルを板状磁石に
置換しても、第１の実施例におけると同様に棒状
特徴磁場を発生させることができる。かかる場合
における特徴磁場発生手段の具体的構成配置の例
を第３図に模式的に示す。図示の構成配置は、第
２図ｂに示した差動コイル対の構成配置における
各電流コイル３，３′および４，４′をすべて円板
状磁石５，５′および６，６′にそれぞれ置換した
ものであり、ｘ軸上に対向配置した２枚の円板状
磁石５，５′はそれぞれのＳ極を向い合わせにし、
また、ｙ軸上に対向配置した２枚の円板状磁石
６，６′はそれぞれのＮ極を向い合わせにすれば、
それらの磁石対の組合わせによる合成磁場の磁力
線形状は第２図ｂの構成配置におけると同様にな
り、ｚ軸方向には、ｘ軸上およびｙ軸上の磁石対
によるｚ軸方向の磁場成分が互いに打消し合うの
で、ほとんど零磁場となる。したがつて、ｚ軸方
向に均一静磁場H_pを重畳印加すれば、前述した
場合と全く同様に棒状特徴磁場を発生させること
ができる。

ここで、上述した磁石対の組合わせによる特徴
磁場発生の利点について検討すると、簡単のため
に、ρａｂとした場合には、式(4)もしくは式
(10)よりC₁（３／ρ）NIとなるのであるから、
式(18)もしくは式(20)においてy²＋z²もしくはx²
＋y²をr²に置換して上述のC₁に代入すると、 ΔH／r²＝9C₁ ²／8H_pρ281（NI）²／8H_pρ⁴ (23) となり、したがつて、この式(23)に基づき、同一
の磁場強度変化のプロフイールΔH／r²を与える
場合、すなわち、磁場強度変化が等しい棒状特徴
磁場を発生させるために必要な第１の実施例にお
ける差動コイル対のアンペア回数とは次式の関係
にあることが判る。

NI∝H_pρ² (24) したがつて、コイル寸法が大きくなる特徴磁場
発生系や静磁場H_pの強い特徴磁場発生系におい
ては、差動コイル対に必要とするアンペア回数が
急速に増大して、巻線や励磁電源等に対する困難
性が急速に増大して実施困難となるおそれが生ず
る。これに対して、かかる場合に、それら実施困
難な状態の電流コイルに換えて良好な特性を有す
る強い磁石を用いれば、かかる磁石は比較的容易
に得られるのであるから、磁石対の組合わせによ
る第３の実施例により、極めてコンパクトに棒状
特徴磁場発生装置を構成し得るという顕著な利点
が得られる。

最後に、第４の実施例として、棒状磁場形成の
ために重畳印加する静磁場H_pを、上述したよう
な均一静磁場とはせず、棒状磁場の軸方向には、
中心からいずれの方向にも磁場強度が増大するよ
うな静磁場とすることにより磁場等高面が球状も
しくは楕円体状をなして完全に閉じた特徴磁場を
発生させるようにした場合における本発明による
特徴磁場発生について説明すると、第４図に示す
ように、第２図ｂに示したと同様に構成配置した
２組の差動コイル対７，７′および８，８′に組合
わせて、ｚ軸上に、2b＝ａとするヘルムホルツ
条件よりコイル間隔を広くして2b＞ａなる状態
にて対向配置したコイル対に同一の向きの電流を
流した和動コイル対９，９′を設ける。かかるｚ
軸上の和動コイル対９，９′による磁場は、ほぼ
ｚ方向に向いており、その軸方向においてはコイ
ルに近づくに従つて強くなり、また、コイル半径
方向には、反対に、径方向に離れるに従つて弱く
なる性質を有している。一方、ｘ軸上およびｙ軸
上にそれぞれ対向配置した差動コイル対７，７′
および８，８′による合成磁場は、第１の実施例
につき前述したように、適切なアンペア回数を与
えれば、ｚ軸方向には磁場成分を有せず、しか
も、ｚ軸に直交する平面上にては、軸上で零とな
り、ｚ軸から半径方向に距るに従つて強くなる性
質のものとなつている。したがつて、和動および
差動双方のコイル対による合成磁場は、ｚ軸上の
和動コイル対に与えるアンペア回数の適切な値の
範囲において、上述したｘ，ｙ軸上の２組の差動
コイル対の合成磁場が呈するｚ軸半径方向に強く
なる傾向により、ｚ軸上の和動コイル対の磁場が
呈するｚ軸半径方向に弱くなる傾向が相殺除去さ
れ、したがつて、第４図示の構成配置による合成
磁場においては、３次元的に、原点からいずれの
方向に向つても磁場強度が増大する傾向を呈する
ことになる。かかる傾向の磁場強度を呈する磁場
においては、その磁場等高線が原点の周りに閉曲
面状を呈して、前述したように球状もしくは楕円
体状の磁場等高面が得られることは容易に理解さ
れる。

なお、上述した態様の特徴磁場発生において、
ｚ軸上の和動コイル対による磁場の磁場強度変化
を表わす式における零次項と同一方向の均一静磁
場は、その均一静磁場を重畳印加しても、全体と
しての合成磁場の位相幾何学的な性質は変らない
ので、かかる均一静磁場は任意に重畳印加するこ
とができる。また、かかる場合に必要とする各電
流コイルのアンペア回数については、かかる均一
静磁場の重畳印加によつて変化が生ずるので、そ
の点についてはかかる均一静磁場印加の際に考慮
する必要がある。

さらに、以上の説明においては、ｚ軸上に対向
配置した和動コイル対の間隔を、ヘルムホルツ条
件より広くした場合について述べたが、ヘルムホ
ルツ条件より狭くした場合には、ｚ軸方向および
半径方向における磁場強度変化の傾向が、ヘルム
ホルツ条件より広くした場合の傾向とは全く逆に
なるので、かかる傾向を呈する和動コイル対を差
動コイル対と組合わせても、得られる合成磁場の
磁場強度が、ｚ軸方向には弱くなり、半径方向に
は強くなる傾向を呈することには変りがないの
で、磁場等高面は、上述したように３次元的に閉
じた形状とはならない。しかしながら、かかる場
合においても、均一静磁場H_pをｚ軸上和動コイ
ル対の零次項とは逆の向きに重畳印加すれば、か
かる均一静磁場H_pとｚ軸上和動コイル対による
磁場との合成磁場においては、ｚ軸上原点にて最
も弱くなり、ｚ軸方向に両側に距るに従つて強く
なり、さらに、半径方向には逆に弱くなる傾向の
磁場強度が得られる。したがつて、ｚ軸上和動コ
イル対のコイル間隔をヘルムホルツ条件より狭く
した場合にも、球状もしくは楕円体状に閉じた磁
場等高面を有する特徴磁場を発生させることがで
きる。

なお、上述したところは、ｚ軸方向和動コイル
対を、円形コイルとはせず、ｘ軸方向乃至ｙ軸方
向に十分な長さを有する長方形状の方形コイルと
することにより、さらに他の形態の特徴磁場発生
にも適用することができる。

いま、第５図に示すようにｘ軸方向の幅に比し
てｙ軸方向に十分に長い方形和動コイル対１２，
１２′を使用する場合には、かかる方形コイル対
１２，１２′におけるｚ軸方向のコイル間隔とｘ
軸方向のコイル幅との関係を適切に設定すれば、
かかる方形コイル対１２，１２′により発生した
磁場は、ｚ軸方向には中心点から離れるに従つて
強くなり、また、ｘ軸方向には中心点から離れる
に従つて弱くなる性質のものとなつており、その
磁場強度の変化の態様はｘ，ｚ両軸方向における
２次関数的になる。また、方形コイル対１２，１
２′がｙ軸方向に十分に長ければ、その磁場強度
はｙ軸方向には殆ど変化しない。しかして、第５
図示のコイル系全体の磁場強度の変化の態様につ
いては、差動コイル対１０，１０′および１１，
１１′による磁場が、コイル系全体の合成磁場に
対して、ｘ，ｙ両軸方向ともに２次関数的に磁場
強度を増大させ、ｚ軸方向には磁場強度を変化さ
せないような作用効果をもたらすのに反し、方形
和動コイル対１２，１２′による磁場は、ｚ軸方
向には２次関数的に磁場強度を増大させ、ｘ軸方
向には２次関数的に磁場強度を減少させるような
作用効果をもたらす。したがつて、差動コイル対
１０，１０′および１１，１１′による作用効果と
方形和動コイル対１２，１２′による作用効果と
は、ｘ軸方向については互いに逆となるので、方
形和動コイル対１２，１２′に供給する駆動電流
値を適切に設定すれば、双方の作用効果が相殺さ
れ、ｘ軸方向には磁場強度が殆ど変化しないよう
にすることができる。一方、ｙ軸方向およびｚ軸
方向においては、差動コイル対１０，１０′およ
び１１，１１′並びに方形和動コイル対１２，１
２′による磁場全体の合成磁場強度に及ぼす作用
効果には変わりがないのであるから、全体の合成
磁場強度の変化はｙ軸方向およびｚ軸方向には２
次関数的に増大するものとなり、磁場等高線はｘ
軸の周りに円形乃至楕円形に閉じ、ｘ軸方向に延
在する棒状形状となる。したがつて、第５図示の
コイル系により、静磁場H_pとは直交する方向の
棒状特徴磁場を発生させることができる。なお、
ｘ軸方向に延在する方形コイル対を使用すれば、
上述したと同様にして、ｙ軸方向に延在する棒状
特徴磁場を発生させ得ること勿論である。

以上の説明から明らかなように、本発明によれ
ば、２組の差動コイル対もしくは差動磁石対を直
交配置し、あるいは、それらの差動対に円形乃至
長方形の和動コイル対を直交配置することによ
り、均一静磁場の重畳印加により所望の方向の棒
状特徴磁場を形成し得るように、所望の方向の磁
場強度に補償を施して、核磁気共鳴映像法に必要
な特徴磁場を極めて小型、軽量の磁場形成装置に
より発生させ、被測定体に関する良好な内部情報
が容易確実に得られる、という顕著な効果を挙げ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用すべき核磁気共鳴映像化
装置の概略構成の例を示すブロツク線図、第２図
ａおよびｂは本発明による特徴磁場発生用の電流
コイルの構成配置の例をそれぞれ模式的に示す斜
視図、第３図は同じくその特徴磁場発生用の磁石
板の構成配置の例を模式的に示す斜視図、第４図
及び第５図は同じく特徴磁場発生用の電流コイル
の構成配置の他の例を模式的に示す斜視図であ
る。 a₁……RF発振器、a₂……プログラムパルス発
生器、a₃……波形整形およびゲート回路、a₄……
RFパワー増幅器、a₅……前置増幅器、a₆……主
増幅器、a₇……位相敏感検波器、a₈……Ａ／Ｄ変
換器、b₁……トランスミツタコイル、b₂……レシ
ーバコイル、b₃……特徴磁場走査コイル、b₄……
特徴磁場発生コイル、b₅……均一静磁場発生用マ
グネツト、c₁，c₃……Ｄ／Ａ変換器、c₂，c₄……
直流パワー増幅器、c₅……高安定直流パワー増幅
器、d₁……制御用計算機、d₂……周辺装置、１，
１′，２，２′，３，３′４，４′，７，７′，８，
８′，１０，１０′，１１，１１′……差動コイル
対、５，５′，６，６′……差動磁石対、９，９′
……和動コイル対、１２，１２′……方形和動コ
イル対。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ それぞれ複数個のコイルもしくは磁石からな
   り、それらのコイルもしくは磁石の相互間におけ
   る所定の位置にてそれらのコイルもしくは磁石に
   よる磁場の零次項成分が互いに打消し合つて零乃
   至ほぼ零となるように調整した磁場をそれぞれ呈
   する第１および第２のコイル群もしくは磁石群を
   設け、それら第１と第２とのコイル群もしくは磁
   石群による所定の方向の磁場成分が所要の範囲に
   亘り互いに打消し合つて零乃至ほぼ零となる領域
   が当該所定の方向に延在するとともに当該所定の
   方向と直交する方向の磁場成分が当該延在する領
   域の中心線近傍においてのみ零乃至ほぼ零となる
   ように前記第１と前記第２とのコイル群もしくは
   磁石群を互いに組合わせて所要の強度分布特性を
   呈する前記所定の方向の静磁場を重畳することに
   より、所要形状の特徴磁場を発生させるようにし
   たことを特徴とする核磁気共鳴映像法における特
   徴磁場発生方法。 ２ 前記特徴磁場の磁場強度等高線が、前記第１
   および前記第２のコイル群による磁場の磁場成分
   の存在しない方向にほぼ平行となるとともに、そ
   の方向と直交する面内においては閉曲線となるよ
   うにして前記合成磁場に前記ほぼ均一な静磁場を
   重畳したことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の核磁気共鳴映像法における特徴磁場発生方
   法。 ３ それぞれ、同一軸上に２個のコイルを、それ
   らのコイルにより磁場が互いに打消し合うように
   差動的に組合わせるとともに、磁場強度変化の３
   次項を極小にするコイル間隔を設定して実質的に
   所要の範囲内において磁場強度変化が一次式によ
   り表わされるようにした第１および第２の差動コ
   イル対をもつて前記第１および前記第２のコイル
   群を構成し、前記第１および前記第２の差動コイ
   ル対の軸を互いに直交させて配置するとともに、
   前記第１および前記第２の差動コイル対により磁
   場の前記所定の方向の磁場成分が互いに打消す大
   きさおよび向きの電流を前記第１および前記第２
   の差動コイル対にそれぞれ供給するようにしたこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の核磁
   気共鳴映像法における特徴磁場発生方法。 ４ 前記第１および前記第２の差動コイル対によ
   る合成磁場の磁場成分が存在しない方向にほぼ均
   一の静磁場を重畳するようにしたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第３項記載の核磁気共鳴映像法
   における特徴磁場発生方法。 ５ 前記第１および前記第２の差動コイル対のア
   ンペア回数を任意のコイル間隔をとり得るように
   それぞれ設定したことを特徴とする特許請求の範
   囲第３項または第４項記載の核磁気共鳴映像法に
   おける特徴磁場発生方法。 ６ 軸方向の磁場成分が所定の位置にて極小とな
   るとともに当該軸方向が均一な静磁場と平行にな
   るように配置したコイルもしくは磁石の組合わせ
   からなる磁場発生手段による磁場と当該均一な静
   磁場との重畳による前記ほぼ均一な静磁場を形成
   し、当該ほぼ均一な静磁場と前記第１および前記
   第２のコイル群による合成磁場とをさらに合成す
   ることにより、球面状、楕円面状もしくは前記ほ
   ぼ均一な静磁場にほぼ直交する方向に延在する円
   筒面状の等磁場強度面を有する前記特徴磁場を発
   生させるようにしたことを特徴とする特許請求の
   範囲第４項記載の核磁気共鳴映像法における特徴
   磁場発生方法。