JPH0838458A - 極板磁石用アクティブシールド形平板状勾配コイル - Google Patents
極板磁石用アクティブシールド形平板状勾配コイルInfo
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- JPH0838458A JPH0838458A JP7164315A JP16431595A JPH0838458A JP H0838458 A JPH0838458 A JP H0838458A JP 7164315 A JP7164315 A JP 7164315A JP 16431595 A JP16431595 A JP 16431595A JP H0838458 A JPH0838458 A JP H0838458A
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Abstract
コイルの部分コイル(11,12)が対応して設けられ
ている。各部分コイル(11,12)は、1次コイル及
び2次コイル(11a,11b,12a,12b)から
成り、1次コイル及び2次コイルは、夫々楕円錐台(1
3)の側面(錐面)上に位置している。夫々の部分コイ
ル(11,12)の巻回曲線部は、楕円錐台(13)の
側面(錐面)に亘って、一方の側面から他方の側面へ至
る、多様に変(替)わる部分を有する。 【効果】 磁場勾配コイルは、所要最大面電流密度が、
従来のアクティブシールド形装置に比して明らかに小さ
くなるようにして、最適化することができる。
Description
の各磁石の横磁化勾配磁場の形成用のアクティブシール
ド形平板状勾配コイルであって、被検体積部(ボリュー
ム)を取り囲む対向し合った2つの極板を有しており、
前記各極板には、1次及び2次コイルから構成された、
前記勾配コイルの部分コイルが対応して設けられてお
り、前記各部分コイルの前記1次及び2次コイルは、夫
々楕円錐台(截頭体)の底面に位置しており、前記1次
及び2次コイルは、形成された前記磁場が前記極板の方
に向かって大幅に引き上げられているように形成され、
かつ電流通電される、アクティブシールド形平板状勾配
コイルに関する。
る低周波領域内核スピン断層撮影装置の場合、大抵、各
極板構成が使用されている。この各極板が開放空間を有
しているような構成に設計する際、有利には、患者の快
適性及び利便性に関して考慮されている。
ば、米国特許第5166619号明細書に記載されてお
り、本発明の対象発明技術の説明のために、当該公知技
術の関連個所を図1に略示した。C型磁石として構成さ
れた基底磁場磁石1を有する核スピン断層撮影装置の、
この実施例の場合、基底静磁場は、軸線x,y,zの直
交座標系のz軸に平行である。この核スピン断層撮影装
置は、測定対象、例えば、人体の検査用である。その
際、人体の軸線は、座標系のx軸方向であり、人体の被
検領域は、基底磁場磁石1の各円形極板3及び4間の撮
像空間2内に位置している。座標系のz軸方向の基底磁
場B0は、電気コイル5及び6によって形成される。座
標系(見易くするために、撮像空間2の外側だけしか図
示していない)のゼロ点は、各極板3及び4間の中心点
に位置しており、従って、z軸は、各極板3及び4の回
転軸になる。各極板3及び4間の間隔Hは、例えば、4
5cmの大きさにすることができる。基底磁場B0は、
磁気ヨーク9を介して閉じられている。
トコイルとして構成された各勾配コイルの、夫々一つの
部分コイル11,12が収容されている。各勾配方向
x,y,zには、個別の部分コイル対が設けられてい
る。
て、パルスにより作動される各勾配コイルの相互作用
は、各磁石をヘルムホルツコイル構成にした装置の場合
よりも、ずっと複雑である。つまり、前者の際、典型的
な渦電流の他に拡散過程が生じ、各極片内でのヒステリ
シス作用によって過度的に障害磁場が生じる。この障害
磁場は、一般的に非直線特性であり、更に、装置系の磁
気的な履歴(前歴)に依存する。従って、この障害磁場
は、画質に不利に作用する。特に、最新の高速画像形成
方法(例えば、エコープラナーイメージング)では尚の
ことである。と言うのは、その高速画像形成方法の場
合、各磁場勾配は、比較的高振幅で超高速スイッチング
(反転)が行なわれるからである。
とができる一連の技術思想が提案されている。それによ
ると、一般的に、極板表面を特別に構成することにより
渦電流を抑圧することができると共に、極板を適切な透
磁率を持った材料に選定することにより、所定の層内の
勾配コイルの漏れ磁束が公知の特性となるように構成す
ることができる。例えば、各極板の、各勾配コイル側の
部分を、間に絶縁層を備えた鉄バンドとして構成して、
この鉄バンドに巻線を巻付けるようにすることが公知で
ある。しかし、その種の手段では、比較的簡単な系列タ
イプ(例えば、スピンエコー系列)でしか、十分な画質
を維持できない。
合と同様に、コイルの作用を変化させる際の変化による
障害となる作用を、アクティブシールドされた各勾配コ
イルを使用して著しく低減することができる。即ち、各
勾配コイルを、1次コイル及び当該1次コイルに平行な
2次コイルから成る各部分コイルとして構成して、1次
及び2次コイルには、相互に逆方向に電流が流される。
その際、各勾配コイルの磁場が、各極片の方向では顕著
に補償されるように回路定数が選定される。
を相互に平行に配置して、相互に逆方向に電流を流すよ
うな解決手段は、技術的にあまり実用的でない。この点
について、以下、図2〜5を用いて説明する。
化磁場勾配コイル(この場合、x方向での磁場勾配用)
の原理構造斜視図が示されており、図3には、相応の磁
力線経過特性が断面表示されている。x方向用の磁場勾
配コイルは、上側及び下側の1次コイル(11a,12
a)及び下側及び上側の2次コイル(12b,11b)
から構成されている。個別部分コイルは、夫々米国特許
第51661号明細書に相応して構成されている。
での作用を無視して、先ず、電流密度をx=0にのみ制
限する場合、磁束Φは、次のように推定することができ
る。
1次コイルのz座標であり、Gxは、x方向での磁場勾
配であり、Hxは、x方向での磁界強度であり、Δz
は、1次及び2次コイル間の間隔である。
の、位置zsのx=0での面電流密度Jysは、以下のよう
に算出される。
いないコイルの面電流密度を算出する場合、1次コイル
11a,12aの位置zpにおける所要面電流密度に
は、次の式が当て嵌まる。
得られる。
えば、r=0.48m,Δz=0.03m)、Jys/J0=-
8及びJyp/J0=9が得られる。従って、この例では、
一つのアクティブシールド形磁場勾配コイルに対して、
シールドされていないコイルの場合に比して、全部で約
17倍の電流密度が必要であることが分かる。
66619号明細書に相応する(シールドされていな
い)コイル装置が示されており、その際、対称的に構成
された部分コイルの半部しか示していない。この図から
一目瞭然に明らかなように、コイルの外縁部での巻回密
度は、コイルの内側(例えば、x=0の場合)での巻回密
度の数倍である。つまり、コイルの内側領域内の巻回密
度を高くすると、所定電流下での面電流密度が顕著に高
くなることがあるのである。コイルの縁部では、導体の
横断面部のコストの点で巻回密度を高めざるを得ないと
言っても差し支えない。
勾配コイルに対して、面電流密度は、ファクタ9だけ高
いので、所定電流の場合に、ファクタ9だけ高い巻回数
(ターン数)にすること、又は、所定巻回数の場合に、
ファクタ9だけ高い電流を流すことが前提となる。この
ように、比較的高い電流で各磁場勾配コイルを作動した
場合も、やむを得ず比較的小さな導体横断面部で比較的
大きな巻回数にした場合も、磁場勾配コイルの、散逸的
損失は、著しく大きくなる。特に、各磁場勾配コイルの
外側領域内では、局所的に非常に高い損失になる。
コイル用のコイルの形状様式が示されており、1次コイ
ル11a及び2次コイル11bに対して、対称に構成さ
れた部分コイルの夫々一つの半部が示されている。図2
のコイル形状との違いは、図5の場合には、所謂「指
紋」形状の構成であるという点であり、例えば、米国特
許第5309107号明細書に示された方法によって得
られる。図4に示されているものと比較して、図5の場
合には、3倍の大きさのコイル電流が選定されており、
その結果、所定の面電流密度の場合に、巻回数は、1/
3に低減されている。1次コイルの中心構造では、約1
7本の導体エレメント(主に、z方向に配向されてい
る)であることがわかる。それとは逆に、図4の典型的
な(シールドされていない)構造の場合、6つの、その
ような各エレメントから形成されている。コイル電流を
3倍に大きくして、面電流密度を相応にスケーリングす
ると、シールドされたコイルの等価面電流密度とシール
ドされていないコイルの等価面電流密度の比は、以下の
ようになる。即ち: (17・3)/ 6 = 5.5 この図5の場合では、前述の推定式でのファクタ9と比
較して、等価面電流密度の比を僅かに5.5にすること
ができるという事実により、エネルギを最小にするとい
う設計仕様での効果を奏することができる。
線の密度が高いことが分かり、この巻回曲線は、高い面
電流密度に基づいて得られる。従って、この縁部領域内
では、高い熱負荷が生じる。このような装置構成では、
熱除去のために技術的コストが必要になり、そのため、
従来技術を以ってしては、各極板磁石でのアクティブシ
ールド形横磁場勾配コイル用の実際的な解決手段は提供
できなかった。
磁石用のアクティブシールド形横磁場勾配コイルにおい
て、最大面電流密度を著しく低減することができるよう
にすることにある。
ると、冒頭に記載したアクティブシールド形平板状磁場
勾配コイルにおいて、各部分コイルの巻回曲線部は、楕
円錐台の側面(錐面)に亘って、当該楕円錐台の一方の
底面から他方の底面へ至る、多様に変(替)わる部分を
有するようにしたことにより解決される。本発明の有利
な実施例は、従属請求項に記載されている。
を用いて詳細に説明する。
図6及び7を用いて説明する。図6には、上側部分コイ
ルの1次コイル(11a)及び2次コイル(11b)の
夫々一つの半部が略示されている(従来の装置構成の場
合に示されるのと同様である)。公知のように、1次コ
イル及び当該1次コイルに対応して設けられている2次
コイルには、夫々逆方向に電流が流されている。容易に
分かるように、図示の実施例の場合、1次コイル11a
の円弧形の帰還導体を省くことができる。即ち、この帰
還導体を、外側に位置している円弧体によって構成され
るのではなく、2次コイル11bの帰還シールドエレメ
ントに直接接続するのである(このことは、図7に示さ
れている)。図6及び7を用いて示されていることから
更に分かるように、各極板磁石用のアクティブシールド
形横磁場勾配コイルの場合、一般の巻線巻回数の節減
と、面電流密度の低減を、1次コイルの平面と2次コイ
ルの平面との間で巻回曲線を切り替える(変化させる)
ようにして達成することができる。
が、図6のような、元のコイル形状を目的磁場が形成さ
れるように最適化した場合、別の手段を用いない限り、
前述のように事後的に変更することによって、目的磁場
(勾配磁場)の質を劣化させてしまう。
ル平面から他方のコイル平面への入替えを(即ち、1次
コイル11aの平面と2次コイル11bの平面との間で
の)、本来のコイル最適化の際に付加的な自由度として
許容することができる。
網目柱体を示す。
配コイルの部分コイルの1次コイル及び2次コイル用の
支持体としての円形板体(柱体)13が示されている。
この実施例の巻回曲線は、導体が、この円形板体13の
両底面上に延在していて、側面(円柱面)13aを介し
て、一方の底面から他方の底面へと入れ替わることがで
きるように決められている。
に、米国特許第5309107号明細書に記載されてい
る方法を一般的に変形して使用することができる。その
ために、以下のステップを実行する。即ち: 第1ステップ:先ず、図8に示されているように、コイ
ル支持体の表面上に、網目が決定される。そのようにし
て決定した網目は、いずれにせよ、直角同一形状編目か
ら形成されているのみならず、例えば、円形板体(柱
体)底面上に台形状の編目も形成されている。その様に
して形成されたm個の編目は、数学的な整列順序で可付
番である(1,2,…m)。
ーム)内で、個数n個の区分点Piが選定され、その
際、(i=1,…n)、n>mである。この区分点Pi
で、所望の目的磁場Ziが定義される。
目を除いて、夫々2つの隣接網目に属しているので、そ
のような各分岐に対して、合成電流は、両網目電流の重
畳により決めなければならない(このことは、図9に示
されている)。従って、例えば、網目kと網目k+mと
の間に位置している網目分岐に対して、Ik - Ik+mの
電流が生じる。網目kと網目k+1との間に位置してい
る網目分岐に対しては、Ik - Ik+1の網目電流が生じ
る。
分布が形成され、この電流分布は、一方では、所望の目
的磁場を形成し、他方では、連続性の方程式が満たされ
る。後者のことが妥当するのは、各網目がそれ自体で閉
じているからである。この条件を保持することは、非常
に重要である。と言うのは、その様に連続性の方程式が
満たされている場合でしか、1閉電流回路による空間的
電流分布の形成は出来ないからである。
標電流が流されている個別導体を用いて形成される。こ
のために、種々の解法式が公知である。例えば、先ず、
各網目分岐に対して、所定の1面を割り当て(網目幅・
網目長さ)、その所定面の網目分岐に、算出電流を流
す。その後、側面(円柱面)での電流分布全体から、面
電流密度分布が算出されて、目標電流により更に除算し
て、所定の側面(円柱面)での巻回密度分布が算出され
る。その巻回密度分布から、夫々の導体の空間曲線が、
適切な積分経路(例えば、巻回密度分布の停滞点を通る
直線束の、側面(円柱面)への投射)に沿って決められ
る。このために、この経路に沿って、巻回密度関数は、
積分値が整数になるまで積分される。そのようにして決
定した積分限界値内で、導体の位置が、両側の巻回成分
が同じ大きさになるようにして決められる。
法の、更に詳細な点に関しては、再度米国特許第530
9107号明細書を指摘しておくに留める。
て立てられている最適化は、散逸的損失の最小化にこ
そ、その重心がある。この付加的な要求は、実効体積部
(ボリューム)内で要求されている磁場経過と若干矛盾
している。つまり、最も簡単には、散逸的損失の最小化
という課題は、単に、電流を流さないようにすると達成
できるが、その場合には、当然何等有効磁場も存在しな
いということからも分かる。
最適化の課題の下で、相互に重み付けファクタを用いて
相互に関係付けることができる。その際、最小化すべき
関数は、例えば、次のようにして決定することができ
る。即ち:1網目の夫々の側には(所謂分岐)、相対抵
抗Ri(i = 1,…,v)を対応付けることができ
る。この相対抵抗は、分岐の長さLiに比例し、その幅
Biに逆比例する。即ち: Ri = Li/Bi そのため、この網目分岐が、熱負荷全体に及ぼす散逸的
損失への寄与分は、RiJi 2に比例し、その際、Ji =
(Ik-Im)が、i番目の分岐を介して流れる電流(k
番目及びm番目の網目に共通である)に対して成り立
つ。
合、最適化の課題は以下の通りである。即ち:
するための境界条件は、更に、その他の物理的な条件、
例えば、コイルエネルギの最小化条件と組み合わせるこ
とができる。このために、網目の全ての自己インダクタ
ンス及び結合インダクタンスが算出される。Lk1で、k
番目の網目の結合インダクタンスを示し、Lkkで、k番
目の網目の自己インダクタンスを示す場合、コイルエネ
ルギWは、次の式から得られる。即ち:
に相応して拡張できる。即ち: Qw = Q + ω・w その際、ωは、コイルエネルギの最小化条件を上述の条
件に関係付ける別の重み付けファクタである。
イルによると、所望の質を持った磁場の他に、短い立上
り時間も達成することができ、それと同時に、散逸的損
失を最小にすることもできる。最大面電流密度は、アク
ティブシールド形磁場勾配コイル用の従来のコイル形状
の設計仕様を使用した場合よりも明らかに小さい。従っ
て、平面アクティブシールド形磁場勾配コイル用の実際
的な解決手段が可能である。
の設計仕様の巻回曲線の斜視図を示し、その際、分かり
やすくするために、内側の巻回しか図示していない。一
目瞭然に分かるように、各巻線巻回は、1次コイルの平
面と2次コイルの平面との間のコイル境界縁部に亘って
変化する。
明した柱体構造にすることができるのみならず、例え
ば、楕円錐台(図11乃至12の横断面図に示されてい
るような)か、又は、被検空間から離れるにつれてテー
パ状にするか、又は、被検空間に向かうにつれてテーパ
状にすることができる。コイル支持体の底面も、図14
に示されているように、円形にする必要はなく、例え
ば、図13に相応して、楕円形にすることもできる。
が、従来のアクティブシールド形装置に比して明らかに
小さくなるようにして、最適化することができる。
技術の関連個所を示す図である。
ル(この場合、x方向での磁場勾配用)の原理構造斜視
図を示す図である。
る。
(シールドされていない)コイル装置の、対称的に構成
された部分コイルの半部を示す図である。
ルの形状様式を示す図である。
夫々一つの半部を略示した(従来の装置構成と同様)本
発明の技術思想の説明に供する略図である。
ールドエレメントに直接接続した、本発明の技術思想の
説明に供する略図である。
である。
図である。
図である。
る。
ある。
る。
5、6 電気コイル、 9 磁気ヨーク、 11,1
2 部分コイル、 13 楕円錐台
Claims (7)
- 【請求項1】 核スピン断層撮影装置の各磁石の横磁化
勾配磁場の形成用のアクティブシールド形平板状勾配コ
イルであって、被検体積部を取り囲む対向し合った2つ
の極板を有しており、前記各極板には、1次及び2次コ
イル(11a,11b,12a,12b)から構成され
た、前記勾配コイルの部分コイル(11,12)が対応
して設けられており、前記各部分コイルの前記1次及び
2次コイル(11a,11b,12a,12b)は、夫
々楕円錐台(13)の一方の底面に位置しており、前記
1次及び2次コイル(11a,11b,12a,12
b)は、形成される前記磁場のうち前記極板の方に向か
う磁場を実質的に無効化するように構成され、かつ電流
通電される、アクティブシールド形平板状勾配コイルに
おいて、各部分コイル(11,12)の巻回曲線部は、
楕円錐台(13)の側面(錐面)に亘って、当該楕円錐
台(13)の一方の底面から他方の底面へ至る、多様に
変(替)わる部分を有するようにしたことを特徴とす
る、極板磁石用アクティブシールド形平板状勾配コイ
ル。 - 【請求項2】 楕円錐台(13)は、柱体である請求項
1記載の勾配コイル。 - 【請求項3】 楕円錐台(13)の各底面は、楕円形で
ある請求項1又は2記載の勾配コイル。 - 【請求項4】 楕円錐台(13)の各底面は、円形であ
る請求項1又は2記載の勾配コイル。 - 【請求項5】 各巻線巻回は、所定経路上を経過し、前
記所定経路は、以下のプロセスにより決められており、
即ち: a) 楕円錐台(13)上に、格子網目がセッティング
されており、 b) 前記各格子網目に、1エレメントコイルが、1閉
巻回の形式となるように施設されており、 c) 前記各エレメントコイルによって合成される磁場
が算出されており、 d) フィットアルゴリズムを用いて、所定の目的磁場
分布に基づいて、前記各エレメントコイルに対して所定
のアンペアターン数が決定されており、 e) 各網目分枝に対して、隣接網目分枝の付加によ
り、所定アンペアターン数が求められており、 f) 適切な1経路に沿って、所定電流下で、夫々全ア
ンペアターン数に至るまで積分され、それにより、個別
各導体位置が求められ、該個別各導体位置は、導体経路
の各支持点として使用されるようにした請求項1〜4ま
でのいずれか1項記載の勾配コイル。 - 【請求項6】 勾配コイルのオーム抵抗損失は最小にさ
れている請求項1〜5までのいずれか1記載の勾配コイ
ル。 - 【請求項7】 コイルの、散逸的損失の最小化の際、付
加的に、コイルエネルギの最小化が行われる請求項6記
載の勾配コイル。
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