JPH0532883B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、均一な勾配磁場を発生する核磁気共
鳴断層撮影装置の横勾配磁場発生コイルに関す
る。

（従来の技術） 核磁気共鳴（以下NMRという）現象を用いて
特定原子核に注目した被検体の断層像を得る核磁
気共鳴断層撮影装置（以下NMR−CTという）
は従来から知られている。このNMR−CTの原
理の概要を簡単に説明する。

原子核は磁気を帯びた回転している独楽と見る
ことができるが、それを例えばｚ軸方向の静磁場
H₀の中におくと、前記の原子核は次式で示す角
速度ω₀で歳差運動をする。これをラーモアの歳
差運動という。

ω₀＝γH₀ 但し、γ：核磁気回転比 今、静磁場のあるｚ軸に垂直な軸、例えばｘ軸
に高周波コイルを配置し、xy面内で回転する前
記の角周波数ω₀の高周波回転磁場を印加すると
磁気共鳴が起り、静磁場H₀のもとでゼーマン分
裂をしていた原子核の集団は共鳴条件を満足する
高周波磁場によつて準位間の遷移を生じ、エネル
ギー準位の高い方の準位に遷移する。ここで、核
磁気回転比γは原子核の種類によつて異なるので
共鳴周波数によつて当該原子核を特定することが
できる。更にその共鳴の強さを測定すれば、その
原子核の存在量を知ることができる。共鳴後緩和
時間と呼ばれる時定数で定まる時間の間に高い準
位へ励起された原子核は低い準位へ戻つてエネル
ギーの放射を行う。

このNMRの現象の観測方法の中パルス法につ
いて第６図を参照しながら説明する。

前述のように共鳴条件を満足する高周波パルス
（H₁）を静磁場（ｚ軸）に垂直な（ｘ軸）方向に
印加すると、第６図イに示すように磁化ベクトル
Ｍは回転座標系でω′＝γH₁の角周波数でzy面内で
回転を始める。今パルス幅をt_DとするとH₀から
の回転角θは次式で表わされる。

θ＝γH₁t_D …(1) 磁化ベクトルをＺ軸から倒す動きをするパルス
を励起パルスと呼び、特に、(1)式においてθ＝
90゜となるようなH₁t_Dをもつパルスを90゜パルスと
呼ぶ。この励起パルス直後では磁化ベクトルＭは
第６図ロのようにxy面をω₀で回転していること
になり、例えばｘ軸においたコイルに誘導起電力
を生じる。しかし、この信号は時間と共に減衰し
ていくので、この信号を自由誘導減衰信号（FID
信号）と呼ぶ。FID信号をフーリエ変換すれば周
波数領域での信号が得られる。次に第６図ハに示
すように励起パルスからτ時間後θ＝180゜になる
ようなパルス幅の第２のパルス（反転パルス）を
加えるとばらばらになつていた磁気モーメントが
τ時間後−ｙ方向で再び焦点を合せて信号が観測
される。この信号をエコー信号と呼んでいる。こ
のエコー信号の強度を測定して所望の像を得るこ
とができる。NMRの共鳴条件は ν＝γH₀／２〓 …(2) で与えられる。ここで、νは共鳴周波数、H₀は
静磁場の強さである。従つて共鳴周波数は静磁場
の強さに比例することが分る。このため静磁場に
線形の磁場勾配を重畳させて、位置によつて異な
る強さの磁場を与え、共鳴周波数を変化させて位
置情報を得ている。従つて、正確な位置を得るた
めにはリニヤリテイの良い磁場勾配を重畳させる
ことが必要である。

勾配磁場を与えるための横勾配(X)磁場発生コイ
ルの一般形状を第２図に示す。図において、イは
ゴーレイ型コイル、ロは電流分布型コイルの図で
ある。イ図のゴーレイ型コイルは４個の鞍状単巻
きコイルの１Ｅ−１Ｆ，２Ｅ−２Ｆ，３Ｅ−３Ｆ
及び４Ｅ−４Ｆで構成されている。このコイルは
円筒の長手方向をＺ軸とすると、Ｚ方向の磁界を
作り、磁界の強さがＸに依存するＸ勾配磁場を作
つている。このコイルでＸ勾配磁場発生に寄与し
ているのは１Ｅ，２Ｅ，３Ｅ及び４Ｅの部分であ
つて、１Ｆ，２Ｆ，３Ｆ及び４Ｆは１Ｅ〜４Ｅに
電流を流すためのリターンパス部である。ロ図の
電流分布型は、ゴーレイ型とは異なり単巻きコイ
ルではなく、分布巻きの線によるコイルではある
が、全体の構成としてはゴーレイ型と同様に鞍状
をしていてＸ勾配磁場発生に寄与しているのは、
１Ｅ〜４Ｅの部分で、１Ｆ〜４Ｆは電流を流すた
めのリターンパス部である。

従来の電流分布型横勾配磁場コイルの電流パタ
ーンを第３図に示す。イ図は電流分布型コイルの
１／４領域を示した説明図で、図中、１２は横勾配
コイルの1/4の１単位のコイルの巻線で、磁場形
成部１３とリターンパス部１４とで構成されてい
る。１５は巻線１２を巻き付けているボビンであ
る。ボビン１５の半径をＲとし、ボビン１５の長
手方向の中心をＯとしてＺ座標を半径Ｒに対する
割合で表している。又、Ｚ軸に直角な面におい
て、Ｘ軸を起点とする中心角をθとする。

ロ図は電流パターンの平面展開図で、横軸に中
心角θを取り、縦軸にＺ軸上の座標を取つてあ
る。縦軸のＯからZ₀までがイ図の磁場形成部１
３、Z₀からZfまではリターンパス部１４である。
図の磁場形成部１３のｉ番目のパターンのＺ座標
は次式で表される。

Ｚ＝Zi・（１／cosθ） 第４図に電流密度の円周方向成分であるσ〓(Z)の
分布図を示す。実線が磁場形成部１３の電流密度
を表わし、点線はリターンパス部１４による電流
密度を表わす図である。リターンパス部１４は磁
場形成部１３に対して逆方向に電流を流すので、
図では負の電流密度になつている。

このリターンパス部１４の影響による磁場の不
均一性を調べて見る。

横勾配磁場コイル、例えばＸ勾配磁場コイルに
よる磁場をＢ(X)とすると、 Ｂ(X)＝Ａ・Ｘ＋Ａ・Ｘ・（γ₃／R₂） ｛4Z²−（X²−Y²）｝＋ …(3) ここで、Ａ；１次項係数 Ｒ；ボビン半径 γ₃；３次項係数 ５次項係数は小さいので省略してある。

(3)式において、γ₃以降の高次項が零であれば、
理想的な磁場勾配が得られる。

ここで、第３図ロにおけるZ₀を変化させた時の
γ₃の変化をプロツトしたグラフを第５図に示す。
イ図はリターンパス部の全く無いコイルについて
のグラフである。横軸はZ₀が0.5Rから2.0Rまで
変化した時のγ₃の値をプロツトしてある。ロ図は
横軸に第３図のリターンパス部１４の長さZf−Z₀
を取り、磁場形成部１３の長さZ₀をパラメータに
してγ₃の値をプロツトしたグラフである。イ図に
おいて、Z₀＝1.0Rの場合にγ₃＝0.095（リニアリテ
イ誤差：約10％）であるが、ロ図において、Z₀＝
1.0Rの場合で、Zf−Z₀＝0.5Rの場合γ₃＝0.265（リ
ニアリテイ誤差：約30％）となり2.8倍にもなつ
てリターンパス部１４の影響が大きいことが分
る。

（発明が解決しようとする問題点） 以上のように第２図の横勾配コイルにおいて、
リターンパス部の１Ｆ〜４Ｆは勾配磁場に対して
逆向きの電流を流しており、第５図のグラフでも
明らかなように勾配磁場のリニアリテイを劣化さ
せる一要因となつている。Z₀を大きくすれば、リ
ターンパス部の存在がγ₃に対して余り影響しなく
なるが、Z₀が大きいということはボビン長を長く
することであつて好ましくない。

又、コイル外に漏洩磁場があると、勾配磁場の
切り替え時に例えば超電導型磁石のヘリウム槽等
高電導率材に渦電流を発生し、この渦電流によつ
て生ずる磁束により勾配磁場が打ち消されて弱く
なるという現象を生ずる。渦電流は周波数の高い
場合に影響が大きく、従つて、立上りの急峻な波
形に対して立上りを純らせ良好なNMR像を得る
ことを妨げている。このため、一般に勾配電源に
CR微分補償回路に入れる方法が取られるが、電
源の尖頭電力に対する要求が約10％〜20％も高く
なるため、好ましい方法とは言えない。又、CR
微分補償回路だけでは十分な補償とはならず、画
質の劣化を招いている。

本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、そ
の目的は、リニアリテイが良好で、且つ漏洩磁束
が少なく、特に超導電型マグネツトのヘリウム槽
等の高電導材に誘起される渦電流の発生を低減す
る横勾配磁場発生コイルを実現することにある。

（問題点を解決するための手段） 前記の問題を解決する本発明は、均一な勾配磁
場を発生する核磁気共鳴断層撮影装置の横勾配磁
場発生コイルにおいて、同心円筒状に設置した大
小半径の異なる２個のコイルボビンと、小半径の
前記コイルボビンに巻き付けた磁場形成部と、大
半径の前記コイルボビンに巻き付けたリターンパ
ス部とを具備することを特徴とするものである。

（作用） 磁場形成部を内層に巻き、リターンパス部を外
層に巻いた２層のコイルにしてコイル内部には均
一磁場を与え、コイル外部には漏洩磁場を減少さ
せる。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に
説明する。

第１図は本発明の一実施例のコイルの構成図で
ある。第１図イは平面上に展開したコイルの1/4
の領域をエツチング等の方法で製作するコイルパ
ターンの図で、ロはイ図のコイルパターンで作つ
たたコイルの1/4領域の図である。図において、
１はエツチング又は銅線を絶縁物平面上に貼り付
け等して作つた複数の巻線からなるパターンＡ２
とパターンＢ３をそれぞれの開放端で接続して渦
巻状にしたコイルパターンである。各コイルパタ
ーンは、例えば第３図のコイルの磁場形成部のパ
ターンに準じて形成される。パターンＡ２とパタ
ーンＢ３とは開放端から見て奥行の長さは等し
く、間口の長さはパターンＢ３の方が大きく作ら
れている。ロ図において、４はコイルパターン１
のパターンＡ２を巻き付け貼付するための半径が
R_SのボビンＡ、５はパターンＢ３を巻き付け貼
付するための半径がR_LのボビンＢで、６はそれ
ぞれパターンＡ２とパターンＢ３とを巻き付け貼
付して、ボビンＢ５の中にボビンＡ４を同心に保
持している勾配磁場コイル半部である。

完成した勾配磁場コイルを第７図に示す。図は
勾配磁場コイル７の正面図で、ボビンＢ５にパタ
ーンＢ３を４個取り付けてある。４個のパターン
Ａ２を取り付けたボビンＡ４はボビンＢ５の内部
に同心に保持されている。

次に上記のように構成された勾配磁場コイルの
動作を説明する。コイルパターン１においては、
第１図イに示すように、パターンＡ２とパターン
Ｂ３とは接続した開放端から見た間口の長さが異
なつていて、線間の間隔がパターンＢ３の方が広
くなつている。これを直径の異なる同心に保持さ
れたボビンＡ４とボビンＢ５に巻くと、線間の間
隔を適当に選べば円筒の長手方向に平行する巻線
の部分は円筒の中心から見て同一半径上に存在す
るようにすることができる。長手方向に直角な部
分はパターンＡ２とパターンＢ３の開放端からの
距離が等しいため同様に同一半径上に存在させる
ことができ、このように配置すれば、勾配磁場コ
イル７を円筒中心に向かつて透視すると、略重な
つている。従つて、勾配磁場コイル６の内部にお
ける磁場はパターンＡ２がパターンＢ３に比べて
距離的に近いのでパターンＡ２の影響を大きく受
けた磁場を構成している。リターンパス部のパタ
ーンＢ３には逆向きの電流が流れていてコイル内
部に対してはパターンＡ２の磁場を打ち消すが、
距離が遠いので影響は小さく、又、均一に重なつ
ているため影響も均一でリターンパス部のパター
ンＢ３によつて生ずる不均一磁場の発生は極めて
少ない。又、外部に対してはパターンＡ２による
漏洩磁場をパターンＢ３の逆電流によつて生ずる
磁場が打ち消す方向に働く。従つて半径R_LとR_S
との比を適当に定めることによつて渦電流を発生
する場所である超電導コイルのヘリウム槽におけ
る勾配磁場を従来の単一ボビンだけの場合に比べ
て小さくすることができる。

以上説明したように、本発明によれば、第５図
におけるZ₀が小さい場合でもリニアリテイが良い
ためボビン長の短いものが実現できる。従つて、
ボビン長を短かくしないで従来と同じ長さであれ
ばリニアリテイは一層良いものが得られる。

漏洩磁場が低減されているため、静磁場用磁石
に用いられている高電導率材（例えば超導電磁石
のヘリウム槽等）に誘起される渦電流を大幅に低
減でき、渦電流に起因する種々の画質劣化を効果
的に防ぐことができる。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものでは
なく、次のような変形が一例として上げられる。

(1) 第１図イのように磁場形成部とリターンパス
部とを同時に作るのではなく、別々のボビンに
パターンを形成して組み込んだ後、対応する電
流路を後で接続しても良い。

(2) 電流分布型について説明したが、ゴーレイ型
であつても良い。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように、本発明によれば、
均一な磁場で、しかも漏洩磁場が少ないため渦電
流の発生の少ない横勾配磁場コイルが実現でき
て、実用上の効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のコイルパターンの
説明図、第２図は従来の横勾配コイルの一般的形
状を示す図、第３図は電流分布型コイルの電流パ
ターンの平面展開図、第４図は電流密度の円周方
向成分の分布図、第５図はパターンの長さに対す
るγ₃のグラフ、第６図はNMRのパルス法の説明
図、第７図は本発明の一実施例の勾配磁場コイル
の図である。 １…コイルパターン、２…パターンＡ、３…パ
ターンＢ、４…ボビンＡ、５…ボビンＢ、６…勾
配磁場コイル半部、７…勾配磁場コイル、１２…
巻線、１３…磁場形成部、１４…リターンパス
部、１５…ボビン。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 均一な勾配磁場を発生する核磁気共鳴断層撮
   影装置の横勾配磁場発生コイルにおいて、同心円
   筒状に設置した大小半径の異なる２個のコイルボ
   ビンと、小半径の前記コイルボビンに巻き付けた
   磁場形成部と、大半径の前記コイルボビンに巻き
   付けたリターンパス部とを具備することを特徴と
   する核磁気共鳴断層撮影装置の横勾配磁場発生コ
   イル。