JPH10216102A

JPH10216102A - 勾配磁場コイル装置

Info

Publication number: JPH10216102A
Application number: JP9020473A
Authority: JP
Inventors: Masao Yui; 正生油井; Masaaki Umeda; 匡朗梅田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-02-03
Filing date: 1997-02-03
Publication date: 1998-08-18

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明の目的は、Ｇｚコイル駆動時に発生す
る渦電流磁場の偶数次成分を低減し得る勾配磁場コイル
装置を提供することにある。【解決手段】本発明は、被検体を挿入可能な空隙を有す
る勾配磁場コイル装置において、空隙内に勾配磁場を形
成するコイル導体２３と、勾配磁場の時間的変動により
誘導される渦電流による渦電流磁場を発生する少なくと
も１つの導電体リング２４とを有し、空隙内の所定の位
置において勾配磁場の偶数次成分が渦電流磁場によって
略０になるように導電体リング２４が配置されたことを
特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気共鳴映像装置
の勾配磁場コイル装置に係り、特に、駆動時に発生する
渦電流磁場の低減に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、医用診断装置の開発が進められる
なかで、磁気共鳴映像装置（ＭＲＩ）の研究開発が活発
に行われている。磁気共鳴映像法はよく知られているよ
うに、固有の磁気モーメントを持つ核スピンの集団が一
様な静磁場中に置かれた時に、特定の周波数で回転する
高周波磁場のエネルギーを共鳴的に吸収する現象を利用
して、物質の化学的および物理的な微視的情報を映像化
する方法である。同方法は、生体の形態情報をハイコン
トラストで画像化できるばかりではなく、血液等の流れ
情報、拡散情報、化学シフト情報、酸化／還元ヘモグロ
ビンの磁化率の差を利用した脳機能情報等のさまざまな
機能情報も画像化できる方法として、大きな注目を集め
ている。

【０００３】特に、エコープラナー法（ＥＰＩ）に代表
される超高速ＭＲＩ、あるいは高速撮像法の発展がめざ
ましい。これらの撮像法の画質向上と撮像時間短縮のた
めにには、勾配磁場性能の大幅な向上（磁場勾配強度の
大幅アップとスイッチング時間の大幅短縮）が要求され
る。最近になって、アクセラレータ等の勾配磁場電源技
術の進歩によって、勾配磁場性能の大幅な向上が実現さ
れつつある。

【０００４】ただし、超高速スキャンを実施するにあた
っては、騒音レベルの大幅アップ、勾配磁場時間変化率
（ｄＢ／ｄｔ）の増大による磁気刺激の発生、抵抗発熱
の大幅アップによるリアルタイム性の制約、などの深刻
な問題が生じる。これらの問題の抜本的な解決なしに
は、臨床の場のルーチン検査として超高速スキャンなど
が広く普及する可能性は少ない。

【０００５】近年、頭部撮像に限って上記の問題を打開
する方法として、全身用ＭＲＩシステムに搭載可能な各
種の頭部用小型勾配磁場コイルが提案されている。これ
は、口径を小さくすることで単位電流の生成する磁場の
大きさが大きくなることを利用して、全身用勾配磁場コ
イルと比較してインダクタンスや抵抗が数分の一であり
（勾配磁場強度が同程度のとき）、あるいは、より大き
な勾配磁場強度が得られる（インダクタンスないし抵抗
が同程度のとき）ためである。また、撮像領域（頭部）
以外に大きな強度の勾配磁場が患者にかからないので、
ｄＢ／ｄｔも全身用の勾配磁場コイルと比べて（同一磁
場勾配強度のとき）小さくなり、磁気刺激が問題になら
ないレベルが実現できる。

【０００６】しかし、従来の小型勾配磁場コイルには以
下に述べるような問題があった。まず、従来の対称型横
勾配磁場コイルは、所望の勾配磁場を形成するための磁
場形成電流部と単にそれらの電流を電源に帰すだけのリ
ターン電流部とから構成されており、頭部のように肩ま
での軸長（〜２０ｃｍ以下）が制限されている場合に
は、リターン電流部の影響が深刻で頭部撮像領域が大幅
に制限（大脳がやっとで小脳や脳幹までは撮像不可）さ
れてしまうという問題があった。

【０００７】このような狭い撮像視野を解決する方法と
して、勾配磁場コイルの頭部挿入側の電流リターン部を
もう一方の電流リターンの方へ集中配置した非対称型横
勾配磁場コイルが提案されており、特開平５−２６９０
９９号公報などにて開示されている。この非対称型横勾
配磁場コイルの採用により、撮像視野が軸長に対して占
める割合が大きくなり、肩までの軸長が制限された勾配
磁場コイルの場合に必要な頭部撮像領域を得ることが可
能になった。

【０００８】実際には、縦勾配磁場コイル（以下、Ｚコ
イルとする）も横勾配磁場コイル（以下、Ｘ又はＹコイ
ルとする）と同程度の半径で構成するのが、磁場性能の
点で望ましく、これにより頭部全体においてＥＰＩなど
の超高速撮像を実施することが可能なコイルが得られた
ことになる。

【０００９】実際にこのようにコイルを製造する場合に
は、発熱やコスト等の点、エッチングなどでパターン形
成された電流パターンや平角銅線を使用して巻き線をお
こなうことが多い。このような線材を使用すると、コイ
ル駆動時に時定数が数１０μｓｅｃ程度の渦電流が発生
し、補正不可能な渦磁場分布を生成する。特にＺコイル
を駆動したとき深刻である。

【００１０】図９（ａ）に示すように、ＺコイルはＸ／
Ｙコイル（Ｚコイル起動時に渦電流が誘導される導体）
に対して異なる位置に配置されており、このため、Ｚコ
イル駆動時に発生する渦電流は軸方向（Ｚ軸方向）に非
対称な分布を有する。したがって、図９（ｂ）のよう
に、この渦電流による渦磁場の分布（点線）は、Ｚの奇
数次成分（特に１次成分）だけでなく偶数次成分（特に
０次成分）を持つことになる。勾配磁場の分布（実線）
は偶数次成分を持たないので、渦磁場の偶数次成分は駆
動電流波形の制御による渦補償では補正することはでき
ない。このため画像劣化が起こるという問題があった。

【００１１】このような渦磁場を補正する方式は提案さ
れていないが、同様の技術として、マグネットで発生す
る渦電流磁場を補正する方法が提案されている。補正用
アンプにて駆動される渦磁場補正用コイルを付加する方
法（特開昭６３−８２６３８号公報、特開昭６３−８４
５３７号公報）、主勾配磁場コイルの電流とシールドコ
イルの電流を別々に制御する方法（特開平７−１７８０
６９号公報）などが提案されている。これらの方法は、
ともに勾配磁場コイルを駆動するアンプの他に、別のア
ンプや制御回路を必要とするため、システム構成を煩雑
にし、コストアップをもたらす、という問題があった。
また、アンプで駆動しないコイル状閉回路を用いて漏洩
磁束を打ち消す方法も提案されているが（特開平２−８
２９４３号公報）、配置がｚ＝０の面（ｘｙ面）に対し
て対称であるため、偶数次成分の渦磁場を消すことはで
きない。以上が従来の小型勾配磁場コイルの問題の１つ
である。

【００１２】また、上述したように、Ｇｚコイルおよび
Ｇｘ／Ｇｙコイル共に非対称型とした、非対称型ＡＳＧ
Ｃが、提案されている。図１３が、Ｗｅｓｔｐｈａｌに
よって提案された、非対称型ＡＳＧＣの縦断面図であ
り、特開平５−３４３１４８号公報にて開示されてい
る。主コイル３２０およびシールドコイルの電流密度分
布の設計は、例えば、Ｍａｎｓｆｉｅｌｄが提案した
（特開平２−２８０９４３号公報で開示されている）方
法により、求められる。この方法では、無限の軸長を持
つシールドコイル外部の漏洩磁場が０となることを境界
条件として、シールド電流密度分布と主コイル３２０の
電流分布の関係式を次のように求めている。すなわち、
ｋφ（φ，ｚ），Ｋφ（φ，ｚ）をそれぞれ、主コイル
３２０、シールドコイルの円筒面上の電流密度分布の円
周方向成分とし、Ｆｋφ（ｍ，ｋ），ＦＫφ（ｍ，ｋ）
をそれぞれ式（１）、（２）で定義された主コイル３２
０、シールドコイルの電流密度円周方向成分のフーリエ
変換とする。

【００１３】

【数１】

【００１４】

【数２】ただし、ｍは、任意の整数、ｋは、任意の実数である。
ここで、境界条件を入れると、Ｆｋφ（ｍ，ｋ），ＦＫ
φ（ｍ，ｋ）は、式（３）の関係で表される。

【００１５】

【数３】

【００１６】ここで、Ｉm （）は、第１種変形ベッセ
ル関数であり、Ｉm ′（）は、その微分である。ま
た、ρ1 ，ρ2 は、それぞれ、主コイル３２０、および
シールドコイルの半径であり、０＜ρ1 ＜ρ2 である。
拘束条件として、勾配磁場線形性、磁場強度、インダク
タンス、抵抗などを所望の値に設定することで、主コイ
ル３２０の電流密度の円周方向成分が、図１５（ｂ）の
ように求められる。次に、式（３）から、シールドコイ
ルの電流密度円周方向成分が、図１５（ａ）のように求
められる。

【００１７】主コイル３２０部がつくる漏洩磁場の磁束
は、主コイル３２０部のコイル面から離れるほど、外部
に広がり、シールドコイル軸長は、必然的に主コイル３
２０部の軸長よりも長くなる。このことは頭部用Ｇコイ
ルの場合には製作上困難が生じる。肩があるため、ある
いは寝台などの他の構造物があるために、シールドコイ
ルの長さが十分にとれないからである。このため、シー
ルド電流密度分布を制限された軸長の中で実現する必要
がある。図中の点線は、コイルの軸端部を表すが、シー
ルド電流密度分布の一部４１０は、コイル端部から、は
み出してしまう。つまり、シールドコイルは、−ｚe か
らｚf までの領域での電流密度関数を実現するように、
ターンを置く。あるいは、４１０の部分を考慮して、円
筒内に収まるように、電流路を変えて、ターンを置く方
法もあるが、いずれにしても、厳密解からのずれがあ
り、また、連続で求められた解を、離散化されたターン
で実現しようとするために、漏洩磁場を完全にシールド
することは、出来ない。

【００１８】ゆえに、Ｇｚコイルが作る勾配磁場３７０
に対して、渦電流磁場３８０が生じる。この場合、Ｇｚ
コイルは、非対称型であるため、図１４に示すように、
勾配磁場（３７０）が０となる点（ｚ＝−ｚ0 とする）
と、渦電流磁場（３８０）が０となる点は、一致せず、
渦電流磁場の０次成分３９０が生じる。ここで、勾配磁
場が０となる点は、上記の設計で、任意に設定すること
ができる。

【００１９】上記Ｍａｎｓｆｉｅｌｄの方法では、「無
限の軸長を持つシールドコイルの外部で、漏洩磁場が０
となること」をシールド条件として、コイルの電流密度
分布を設計したが、シールドコイルの軸長を有限とし、
「シールドコイルの軸長の範囲内かつ、シールドコイル
の外径より大きい位置での、漏洩磁場が０となること」
をシールド条件として、有限要素法等により、電流密度
分布を設計する方法もある。

【００２０】しかし、この場合も、ターンの離散化の効
果と、シールド軸長の範囲外では、漏洩磁場をシールド
することが出来ず、マグネットからの渦が生じ、Ｇｚコ
イルは、非対称型であるため、渦電流磁場の０次成分が
生じることになる。渦電流磁場の１次成分は、電流波形
調整による簡単な補償で、渦補償可能であるが、０次成
分は、渦補償不可能であり、画像劣化の原因となる。

【００２１】また、従来の小型勾配磁場コイルには、次
のような問題もあった。小型勾配磁場コイルは、全身用
ＭＲＩのガントリ内部に置かれるため、コイル外径に上
限がある。また、コイル内部のＲＦコイルとＲＦシール
ドとの距離差が小さくなると、Ｓ／Ｎ比の低下になるた
め、コイル内径には下限が存在する。したがって、小型
勾配磁場コイルの半径方向の厚みは小さくなり、その中
にＸ／Ｙ／Ｚの３チャンネルの勾配磁場コイルを巻く必
要がある。図１０に示すように、例えばＺコイルの巻き
線には、アンプに電流を戻すための導線（以下、引き出
し線とする）１００１が必要であるが、コイル全体の厚
さが小さいために、引き出し線が通るスペースを出来る
だけ薄くすることが求められる。

【００２２】従来は、別の層（ＸないしＹコイルの層）
に引き出し線を這わせることができたが、勾配磁場強度
の大きいコイルにするために、引き出し線を通すべき別
の層のターン数が増加して、そのスペースが取れないと
いう問題があった。この解決方法として、引き出し線を
厚さの薄い導体板で構成することが考えられる。しか
し、引き出し線の厚さを薄いしているため、引き出し線
の幅は必然的に広くなってしまう。このため、この幅広
の導体板上に長い時定数の渦電流が発生してしまうとい
う問題があった。Ｚコイルで説明したが、Ｘ／Ｙコイル
の引き出し線でも同様の問題が起こっていた。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、Ｇｚ
コイル駆動時に発生する渦電流磁場の偶数次成分を低減
し得る勾配磁場コイル装置を提供することにある。ま
た、本発明の他の目的は、アンプに電流を戻すための引
き出し線のスペースを薄くしながらも引き出し線に流れ
る渦電流を低減し得る勾配磁場コイル装置を提供するこ
とにある。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本発明は、被検体を挿入
可能な空隙を有する勾配磁場コイル装置において、前記
空隙内に勾配磁場を形成するコイル導体と、前記勾配磁
場の時間的変動により誘導される渦電流による渦電流磁
場を発生する少なくとも１つの導電体リングとを有し、
前記空隙内の所定の位置において前記勾配磁場の偶数次
成分が前記渦電流磁場によって略０になるように前記導
電体リングが配置されたことを特徴とする勾配磁場コイ
ル装置である。

【００２５】導電体リングは、前記所定の位置を含む面
に関して非対称に配置されている。導電体リングは、複
数の導電体片がリング状に配列されてなる。導電体リン
グは、円周方向に複数箇所で電気的な切れ目が形成され
ており、この切れ目の数と前記導電体リングの幅との少
なくとも一方は、前記導電体リングの渦電流磁場の時定
数が、前記導電体リング以外から生じた渦電流磁場の時
定数と実質的に同じになるように決定されている。

【００２６】また、本発明は、被検体を挿入可能な空隙
を有する勾配磁場コイル装置において、前記空隙内に勾
配磁場を形成するコイル導体と、このコイル導体の引き
出し線とを有し、前記引き出し線は複数の直線状導体を
有することを特徴とする。

【００２７】引き出し線は前記コイル導体とは別体であ
る。複数の直線状導体は並列され、前記複数の直線状導
体それぞれは厚さが前記コイル導体よりも薄く、断面積
が前記コイル導体よりも小さい。

【００２８】複数の直線状導体は途中で折り返されてい
る。また、本発明は、静磁場の方向と平行な勾配磁場を
形成する第１のコイルと、前記第１のコイルと共に前記
勾配磁場を形成し、かつ前記第１のコイルからの漏洩磁
場を低減するための第２のコイルとを有し、前記第１の
コイルと前記第２のコイルはそれぞれの電流密度分布が
前記勾配磁場の原点に関して非対称な分布を持ち、前記
勾配磁場の変動時に生じる渦電流磁場の０次成分が少な
くとも前記原点において略０になるように設けられてい
る。

【００２９】第１のコイルと第２のコイルとの少なくと
も一方の少なくとも１つのターンが、漏洩磁場を略０と
するように設計された電流密度分布に基づく位置から、
前記渦電流磁場の０次成分を少なくとも前記原点におい
て略０になる位置に移動される。

【００３０】さらに本発明は、静磁場の方向と平行な勾
配磁場を形成する第１のコイルと、前記第１のコイルと
共に前記勾配磁場を形成し、かつ前記第１のコイルから
の漏洩磁場を低減するための第２のコイルとを有し、第
１のコイルと前記静磁場を作るマグネットそれぞれの前
記静磁場方向の幾何学的中心の位置が互いにずれてい
て、前記第１のコイルと前記第２のコイルは電流密度分
布が前記勾配磁場の原点に関して対称な分布を持ち、前
記勾配磁場の変動時に生じる渦電流磁場の０次成分が少
なくとも前記原点において略０になるように設けられて
いる。

【００３１】第１のコイルと前記第２のコイルとの少な
くとも一方の少なくとも１つのターンが、前記漏洩磁場
を略０とするように設計された電流密度分布に基づく位
置から、前記渦電流磁場の０次成分を少なくとも前記原
点において略０になる位置に移動される。

【００３２】さらに本発明は、電流密度分布が複数の正
弦波関数および余弦波関数の重み付け加算で表され、前
記正弦波関数の高次項の定義域が前記正弦波関数の低次
項の定義域よりも短い。

【００３３】

【発明の実施の形態】次に、本発明に係る具体的実施形
態について、詳細な説明を行う。図１は、本発明に係る
磁気共鳴映像装置の構成を示すブロック図である。同図
において、静磁場磁石１０１は励磁用電源１０２に駆動
され、勾配磁場コイル装置１０３は勾配コイル用電源１
０５にて駆動される。これらにより、被検体１０６には
一様な静磁場とそれと同一方向で互いに直交する３方向
に線形磁場勾配を持つ勾配磁場とが印加される。なお、
説明の便宜上、勾配磁場ゼロの撮影中心を原点として直
交３軸（ｘｙｚ軸）を定義する。なお、ｚ軸は、静磁場
と平行であるとする。

【００３４】渦補償回路１０７は、渦磁場時間応答補償
用入力信号を生成する。シムコイル群１０８は、シムコ
イル用電源１０９に駆動され、静磁場の均一性を向上す
るために必要な磁場を発生する。

【００３５】送信部１１０は高周波信号を出力するもの
であり、この高周波信号はプローブ（ＲＦコイルともい
う）１１１に送られ、被検体１０６に高周波磁場が印加
される。このとき、プローブ１１１は送受両用でも送受
信別々に設けてもよい。また、プローブ１１１と勾配磁
場コイル装置１０３との間には、高周波シールド１１２
が配設されている。

【００３６】プローブ１１１で受信された磁気共鳴信号
は、受信部１１３で検波された後、データ収集部１１４
に転送されＡ／Ｄ変換後、データ収集部１１５に送られ
る。そして、上述した励磁用電源１０２、勾配コイル用
電源１０５、シムコイル用電源１０９、送信部１１０、
受信部１１３、データ収集部１１４は全てシステムコン
トローラ１１６、およびデータ処理部１１５は、コンソ
ール１１７により制御されており、データ処理部１１５
では、データ収集部１１４から送られたデータのフーリ
エ変換等が行われ、被検体内部の所望原子核の密度分布
や脳機能画像などが計算される。そして、得られた画像
は画像ディスプレイ１１８に表示される。（第１実施形態）図２は本発明の第１実施形態の勾配磁
場コイル装置２１の構成図である。被検体２２が挿入さ
れる空隙内に所定の勾配磁場を生成するコイル導体２３
があり、このコイル導体２３の近傍、実際にはコイル導
体２３のコイルボビンの内壁に、少なくとも１つの渦磁
場補正用コイル２４が取付けられている。渦磁場補正用
コイル２４は、複数の導電体片２４elがリング状に配列
されてなる。

【００３７】複数の導電体片２４elの幅W 、長さL 、厚
さは、コイル導体２３の駆動時に、この導電体片２４el
上で発生する渦電流磁場（第１の渦電流磁場という）の
時定数が、導電体片２４el以外の導体（例えば静磁場磁
石１０１の輻射シールドや外部の磁性体）上で発生する
渦電流磁場（第２の渦電流磁場という）の時定数とほぼ
等しくなるように決定される。

【００３８】また、渦磁場補正用コイル２４が配置され
る「ｚ軸方向の位置」は、Gzコイル駆動時に発生する渦
電流磁場が勾配磁場の原点（勾配磁場をゼロとすべき位
置）付近においてほぼゼロとなるように、つまり第１の
渦電流磁場と第２の渦電流磁場とが勾配磁場の原点付近
においてほぼ打ち消しあうように決定される。

【００３９】図３は渦電流磁場が勾配磁場の原点におい
てほぼゼロに補正される様子を示す。同図（ａ）は、原
点における第２の渦電流磁場の減衰を示している。同図
（ｂ）は原点における第１の渦電流磁場の減衰を点線で
示している。図３に示すように、第１の渦電流磁場（点
線）は、第２の渦電流磁場（実線）と同じ時定数で、減
衰し、しかも原点において逆極性で発生して原点におい
て互いに打ち消しあうように、渦磁場補正用コイル２４
の数、位置、導電体片２４elの幅、長さ、厚さが決定さ
れている。

【００４０】図４は渦磁場補正用コイルの具体的構成例
を示す。同図（ａ）は、円周方向に導電体片２４elが連
続的につながっており、電気的なの切れ目がない渦磁場
補正用コイル２４である。同図（ｂ）は、円周方向に複
数箇所、例えば４箇所に電気的な切れ目２４ａが形成さ
れた渦磁場補正用コイル２４である。同図（ｃ）は複
数、例えば２つの渦磁場補正用コイル２４がｚ軸方向に
並べられている。もちろん、これ以外の構成も可能であ
り、切れ目２４ａの数は４箇所でなくとも良いし、渦磁
場補正用コイル２４は３個以上あってもよい。また、図
４（ａ）〜（ｃ）を適当に組み合わせてもよい。

【００４１】渦磁場補正用コイル２４の数、その切れ目
の数、位置、導電体片２４elの幅、長さ、厚さは以下の
ようなプロセスで決定される。第２の渦電流磁場のｚ軸
方向の分布は次式で表される。Ｂｚ(z)=Ａ0 ＋Ａ1 ×ｚ＋Ａ2 ×ｚ² （＋Ａ3 ×ｚ³ ＋
…）ここで、Ａ３以降の項は小さいとして無視する。図５の
ように、ｚ軸方向にｎ個の渦磁場補正用コイル２４が並
んでいて、ｉ番目の渦磁場補正用コイル２４では、軸方
向の中心座標がＺi 、導体幅がＷi 、円周方向の切れ目
の数がＮi であるとする。上述したように渦磁場補正用
コイル２４で発生する第１の渦電流磁場が第２の渦電流
磁場の時定数と同じ時定数になるように、切れ目の数Ｎ
i と、幅Ｗi とが決定される。ｉ番目の渦磁場補正用コ
イル２４で発生する渦電流磁場の分布が、Ｂｚ(Zi) ＝Ｂ０(i) ＋Ｂ１(i) ×ｚ＋Ｂ２(i) ×ｚ²
（＋Ｂ３(i) ×ｚ³ ＋…）と表されるとする。ここで、ｚ＝０は勾配磁場がゼロと
なるべき原点である。ｉ番目の渦磁場補正用コイル２４
の位置Ｚi は、第１、第２の渦電流磁場の合計磁場の偶
数分布をゼロとする条件、すなわち ΣＢ０(i) ＝−Ａ０ ΣＢ２(i) ＝−Ａ２をほぼ満足するように決定される。

【００４２】ここではゼロ次成分と２次成分とを打ち消
すことを考慮したが、もちろん、ゼロ次成分のみをゼロ
とすれば十分な場合もある。ここで特徴的なことは、偶
数次の成分を効率よく生成するには、Ｚi がすべて同一
符号であること、つまり渦磁場補正用コイル２４のすべ
てを原点に対してプラス側又はマイナス側に偏って配置
させることが望ましい。なぜなら、Ｚi の符号の異なる
渦磁場補正用コイル２４が含まれる場合にはその渦磁場
補正用コイル２４によって生成される偶数次成分の一部
は打ち消されてしまうからである。

【００４３】このように本実施形態によれば渦電流磁場
の偶数次成分を低減することができる。（第２実施形態）本実施形態は、従来技術で述べたアン
プに電流を戻すための引き出し線のスペースを薄くしな
がらも引き出し線に流れる渦電流を低減し得る技術に関
する。

【００４４】図６は本実施形態の勾配磁場コイル装置の
引き出し線の構造を示す図である。図６はGzコイル６２
の引き出し線６１に適用した場合を示しているが、もち
ろん、本実施形態をGxコイルやGyコイルにも適用可能で
ある。図６のように、引き出し線６１を、複数の導体
（例えば金属）細線６３で構成し、これら１本１本をコ
イル導体６４の末端部分において電気的に接続する。

【００４５】これら複数の導体細線６３の本数は、断面
積合計が所定面積以上になり、電流密度が所定値以下に
なるように決定されている。そしてこれら複数の導体細
線６３を、画像化に影響しないｚ軸方向の電流が流れる
ようにｚ軸方向と平行に配置する。さらに、複数の導体
細線６３を、それらが互いに重なり合わないように円周
方向に沿って平行に並列する。図６では、Gzコイル６２
のコイル導体６４の上に引き出し線６１を絶縁層を挟ん
で重ねている。

【００４６】ところで、従来では、コイル導体６４をそ
のまま引き出し線６１に使っていたのが一般的である。
これに対して本実施形態では、コイル導体６４とは別な
専用の細線６３で引き出し線６１を構成している。つま
り、この細線６３は１本１本の半径方向の厚さ及び断面
積が、コイル導体６４よりも薄く及び小さいものが用い
られる。これによりコイル導体６４をそのまま引き出し
線６１に使うよりも、引き出し線６１のスペースを薄く
することができる。

【００４７】なお、引き出し線６１を、複数の導体細線
６３で構成する代わりに、図７に示すように、金属でで
きた平板６６上に、複数本のスリット６５を並列に形成
したものを使っても、同様な効果をあげることことがで
きる。もちろん、平板６６はスリット６５がｚ軸と平行
になるように配置される。

【００４８】このように引き出し線６１を複数の導体細
線６３で構成し又は複数本のスリット６５が並列に形成
された平板６６で構成することで、半径方向に狭いスペ
ースで電流を軸方向に戻すことが出来るとともに、コイ
ル駆動時に引き出し線の中に発生する渦電流ループの時
定数を、金属平板の場合と比べて短くすることが可能と
なった。例えば、幅３０ｍｍ程度、厚さ０．６ｍｍ、長
さ１ｍ程度の金属平板で引き出し線６１を形成する場
合、その渦電流の時定数が２００μｓｅｃ程度であるの
に対し、これを直径０．７ｍｍの銅線を３０本程度並列
に並べて引き出し線６１を構成した場合には、その時定
数を２０μｓｅｃ程度に減少することができる。

【００４９】このように本実施形態によって、例えば厚
さ１ｍｍ程度のなかに引き出し線を構成することがで
き、しかも時定数は十分に小さくすることができる。（第３実施形態）図８に第３の実施形態による勾配磁場
コイル装置の引き出し線の構造を示している。図８にお
いて図６と同じ部分には同じ符号を付している。本実施
形態は、図６の引き出し線６１の複数の導体細線６３を
原点付近にて斜めに折り返したものである。折り返した
部分では導体細線６３の上下の接触面は絶縁されてい
る。

【００５０】このように構成することで、引き出し線６
１とコイル導体６４とのカップリングが小さくなり、し
たがって引き出し線６１に流れる渦電流の大きさも小さ
くなる。この実施形態ではすべての細線を折り返した
が、一部の細線を、特に渦電流ループのサイズが大きい
（＝時定数が長い）細線のペアを折り返すのみでも良
い。折り返す位置は、駆動されたコイルの生成する磁束
と渦電流ループとのカップリングが小さくなるように決
められる。本実施形態により、渦磁場の強度を小さくす
ることが可能になる。（第４実施形態）図１１は、第４実施形態による勾配磁
場コイル装置の縦断面図である。所望の勾配磁場線形性
を撮像領域内２１０で実現するため、および漏洩磁場性
能実現のため、内側円筒に非対称型主コイル２２０を設
置し、外側円筒に非対称型シールドコイル部２３０を配
置する。Ｇｚコイル駆動時に、シールド性能の不完全性
（有限軸長の効果、ターンの離散化）を原因とするマグ
ネット（静磁場磁石）２４０からの渦電流磁場の０次成
分をほぼ０にするため、Ｇｚシールドコイル２３０の少
なくとも１つのターン（２５０，２６０）のｚ軸位置
を、上述した所望の勾配磁場線形性を撮像領域内２１０
で実現するように一旦決められたｚ軸位置から修正（移
動）している。

【００５１】どのような位置から修正するか、またどの
ように修正するかについては後述する。なお、このター
ンの位置の修正は、撮像領域から遠い位置で行い、勾配
磁場線形性に対する影響を、小さくする必要がある。

【００５２】マグネット２４０からの渦電流磁場の０次
成分をほぼ０とするための、Ｇｚコイル（主コイル２２
０およびシールドコイル２３０）の電流密度分布の決定
およびＧｚコイルのターンの移動を、以下のように行
う。

【００５３】ここでは円周方向の位置をｘ軸からのｚ軸
のまわりの角度φで表すものとする。また、撮像領域の
原点をｚ＝０とし、頭部挿入側をｚ＞０の領域とする
と、主コイル２２０に流れる円周方向電流成分のｚ軸に
関する空間的な電流密度分布は、

【００５４】

【数４】のように書ける。ただし、ｚa ，ｚb は、主コイル２２
０内に収まるような正の値を取る。また、各項の係数ａ
q ，ｂq 、および、項数Ｎの決定法に関しては、後で述
べる。

【００５５】またｚ＜０の領域で、ｑが低次の場合の定
義域を式（２）と同じとし、ｑが高次の場合の定義域を
短くするという方法もある。このように、電流密度分布
の定義域を短縮することで、無駄なターン数を減らし、
インダクタンスを減少させるという長所がある。すなわ
ち

【００５６】

【数５】ただし、０＜ｚc ＜ｚb であり、ｎは、Ｎより小さい任
意の自然数である。

【００５７】式（４）および（５）（または（５）′）
の電流密度分布から、勾配磁場には１次以外の０次、２
次、３次、４次の成分が生じることがわかる。これらの
中の偶数次成分を消去するために、式（４）および
（５）（または（５）′）に、余弦波の成分を加えても
良い。すなわち

【００５８】

【数６】と書ける。ただし、ｚd は、任意の正の値を取る。項数
Ｍ，係数ｃq の決定法は、後で述べる。

【００５９】主コイル２２０の電流密度分布の円周方向
の成分は式（４），（５）（または（５）′）および
（６）からなる。以上は、非対称Ｚ勾配磁場コイルの電
流密度分布の表現法であるが、対称Ｚ勾配磁場コイル、
あるいはＸ、Ｙ勾配磁場コイルの電流密度分布も同様に
複数の正弦波関数と余弦波関数の重み付け加算で表され
る。それらの場合でも、正弦波関数あるいは余弦波関数
の高次項の定義域を低次項の定義域よりも短くし、電流
密度分布を表現することができる。

【００６０】式（４），（５），（６）の項数（Ｎ，
Ｍ）、および各係数（ａq ，ｂq ，ｃq ）および、シー
ルドコイル２３０の電流密度分布は、従来例と同様に漏
れ磁場をゼロ化するように境界条件を設定し、拘束条件
として、勾配磁場線形性、磁場強度、インダクタンス、
抵抗などを所望の値に設定することで、ひとまず決定す
ることができる。

【００６１】しかし、前述したように、Ｇｚコイルが、
非対称型であるため、勾配磁場の原点（ｚ＝−ｚ0 ）
で、渦電流磁場の０次成分３９０（図１４参照）が生じ
るため、この成分を低減するように設計を修正する必要
がある。上記の仮設計により求められた電流密度分布
は、離散化されたターンで実現され、

【００６２】

【数７】のように書ける。ただし、ｚc ，ｚs は、それぞれ主コ
イル２２０、シールドコイルのターンの位置を表し、Ｉ
c ，Ｉs は、それぞれ主コイル２２０、シールドコイル
２３０に流れる電流量を、Ｐc ，Ｐs は、それぞれ主コ
イル２２０、シールドコイル２３０の総ターン数を表
す。

【００６３】マグネット２４０の半径をρ3 とし、マグ
ネットは、Ｇｚコイル（半径ρ1 の主コイル２２０、半
径ρ2 のシールドコイル２３０）に比べて、十分長いと
仮定する。ｚ＝−ｚ0 での渦電流磁場成分をＢoffsetと
すると、

【００６４】

【数８】と書ける。

【００６５】ここで、Ｆｋφ（ｍ，ｋ）、ＦＫφ（ｍ，
ｋ）は、式（７），（８）を式（１），（２）に代入す
ることによって得られた、円周方向成分の電流密度分布
のフーリエ変換である。式（９）は、マグネットの軸長
を無限と仮定した場合の勾配磁場原点での渦電流磁場成
分を表すが、マグネット２４０の実際の軸長でも、有限
要素法等により、勾配磁場原点での渦電流磁場成分を求
めることができる。

【００６６】この渦電流磁場の０次成分を０とするため
に、以下のように、シールドコイル２３０のターンの移
動および電流密度分布の再設計を行う。シールドコイル
２３０で、ｚ＝ｚ1 の位置にあるターンをΔだけ移動さ
せた場合、ターンを移動させる前と後での電流密度円周
方向成分の差を、Ｋmove（φ，ｚ）とすると、

【００６７】

【数９】と表される。ここで、Ｉ1 は、コイルに流れる電流であ
る。Ｋmove（φ，ｚ）をフーリエ変換したものをＦＫmo
ve（ｍ，ｋ）とする。ターンを移動させたことによるｚ
＝−ｚ0 での渦磁場の変化量をＢmoveとすると、

【００６８】

【数１０】と表される。式（１１）もマグネットの軸長を無限と仮
定して、求められているが、マグネットの実際の軸長で
も、有限要素法等により、Ｂmoveを求めることができ
る。渦電流磁場の０次成分が０となることの条件は、

【００６９】

【数１１】である。実際にターンを動かすときには、式（１２）を
満たすように、撮像領域内の磁場に影響が小さいターン
（図１３の３５０あるいは３６０）を移動させる。図１
４のように、ｚ＞０で、勾配磁場３７０が正の値を持つ
ときに、Ｂoffset３９０が負の場合は、このターン３５
０をｚ＝０に近づけるように動かすか、あるいは、他端
のターン３６０をｚ＝０から遠ざけるように、移動（修
正）すれば良い。Ｂoffset３９０の符号が、負の場合
は、逆に動かす。

【００７０】移動後のターンは、図１１の２５０，２６
０である。このとき、渦電流磁場波形は、図１４の３８
０から図１２の２８０へとシフトし、ｚ＝−ｚ0 での渦
電流磁場は、０となるが、勾配磁場波形も、これと共に
３７０から、２７１に距離δだけシフトする。つまり、
勾配磁場の原点が、ｚ＝−ｚ0 ＋δとなり、勾配磁場の
原点と渦電流磁場の原点がずれてしまう。

【００７１】ここで、上記の、主コイル２２０およびシ
ールドコイル２３０の電流密度分布の設計に戻り、ｚ＝
−ｚ0 −δで、勾配磁場が０となるように式（４），
（５），（６）の項数および係数の決定をし直す。再決
定による勾配磁場波形は、２７２である。そこで、再
び、ｚ＝−ｚ0 での、渦電流磁場成分Ｂoffsetを求め、
先ほど、移動させたｚ＝ｚ1 のターンの位置に最も近い
ターンを移動させ、式（１２）が、満たされるように、
ターンの移動量を決める。

【００７２】こうして、再びターン移動後のｚ＝−ｚ0
の渦電流磁場は０となるが、勾配磁場の原点が、ｚ＝−
ｚ0 からずれている場合は、上記の電流密度分布の設計
およびターンの移動の操作をさらに繰り返し、勾配磁場
の原点を渦電流磁場の原点に一致させる。

【００７３】１ターンの移動量Δが、ターン間の距離よ
りも大きい場合、あるいはシールドコイル２３０の端ま
での距離よりも大きい場合には、１ターンの移動・電流
密度分布の再設計では、渦電流磁場を０とすることはで
きない。

【００７４】その場合には、複数のターンを移動・電流
密度分布の再設計を行い、渦電流磁場０次成分を低減す
る。複数ターンを移動させる場合、Ｋmove（φ，ｚ）
は、

【００７５】

【数１２】と表される。ただし、ｚi は基のターンの位置を表し、
Δi はｚ＝ｚi の位置にあるターンの移動量を表し、ｐ
は、移動するターンの本数を表す。また、Ｉi は流れる
電流量を表す。

【００７６】式（１０）′を用いて、式（１２）が成立
するように、移動させるターンの本数および、移動量を
決めてやれば良いが、この場合も上記、電流密度分布の
再設計およびターンの移動、を繰り返すことで、勾配磁
場の原点と渦電流磁場の原点を一致させる。

【００７７】このようにして、電流密度分布の設計およ
び、シールドコイル２３０のターンの移動を繰り返し行
うことで、最終的に、勾配磁場２７０は、撮像領域内
で、３７０とほぼ同じプロファイルを持つようになり、
かつ、マグネット２４０からの渦電流磁場成分は、３８
０から２８０へと変化し、渦電流磁場の０次成分３９０
を消去することが出来る。

【００７８】また、シールドコイル２３０のターンの移
動と電流密度分布の設計を繰り返すのと同様に、主コイ
ル２２０のターンの移動と電流密度分布の設計を繰り返
すことでも、マグネットからの渦電流磁場０次成分をほ
ぼ０にすることも可能である。

【００７９】このときは、式（１０）′のｚi が、主コ
イル２２０のターンの位置を表すと考え、式（１１）の
ρ2 をρ1 に置き換えて、式（１２）が、満たされるよ
うに、ターンの移動本数および、ターンの移動量を決め
てやれば良い。

【００８０】なお、以上は非対称型Ｇｚコイルを例に説
明したものだが、対称型Ｇｚコイルでも、軸長が制限さ
れる部位（四肢など）で、マグネット２４０と、Ｇｚコ
イルのｚ方向での幾何学的中心がずれている場合は、同
様の設計により、渦電流磁場の０次成分をほぼ０とする
ことが、可能である。この場合の、Ｂoffset，Ｂmoveの
見積もりは、マグネット２４０の軸長を有限として、有
限要素法等で見積もり、式（１２）が満たされるよう
に、ターンの移動量を決めれば良い。

【００８１】以上説明したように、本実施形態により、
勾配磁場線形性／低インダクタンスなどの条件を満た
し、かつ、マグネットからの渦電流磁場の０次成分をほ
ぼ０とする、磁気共鳴用勾配磁場コイル装置が実現可能
となる。なお本発明は、上述した実施形態に限定される
ことなく種々変形して実施可能である。

【００８２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
勾配磁場コイル装置内で発生する渦電流による磁場を効
果的に低減することが可能となる。また、本発明によれ
ば、引き出し線を薄く省スペースで構成することがで
き、しかも時定数を十分に小さくすることができる。

【００８３】さらに、本発明によれば、勾配磁場線形性
／低インダクタンスなどの条件を満たし、かつ、マグネ
ットからの渦電流磁場の０次成分をほぼ０とすることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る磁気共鳴映像装置の構成を示すブ
ロック図。

【図２】本発明の第１の実施形態による勾配磁場コイル
装置の渦磁場補正用コイルを示す図。

【図３】第１の実施形態による渦電流磁場が低減する様
子を示した図。

【図４】第１の実施形態による勾配磁場コイル装置の渦
磁場補正用コイルの他の構成を示す図。

【図５】第１の実施形態による渦磁場補正用コイルの
数、位置、幅、切れ目の数の対応を示す図。

【図６】本発明の第２の実施形態による勾配磁場コイル
装置の引き出し線を示す図。

【図７】第２の実施形態の引き出し線の別の構成例を示
した図。

【図８】本発明の第３の実施形態による勾配磁場コイル
装置の引き出し線を示す図。

【図９】Ｇｚコイル起動時に起こる非対称な渦電流磁場
のｚ軸分布を示す図。

【図１０】従来のGzコイルと引き出し線の位置関係を説
明する図。

【図１１】本発明の第４実施形態による勾配磁場コイル
装置の縦断面図。

【図１２】図１１のシールドコイルの端のターンを移動
による勾配磁場への影響を示す図。

【図１３】従来の非対称型Ｇコイルの縦断面図。

【図１４】図１３の主コイルとシールドコイルが作る勾
配磁場と渦電流磁場のｚ軸分布示す図。

【図１５】非対称型Ｇコイルの主コイルとシールドコイ
ルそれぞれによる電流密度分布を示す図。

【図１６】対称型Ｇコイルの縦断面図。

【符号の説明】

２４…渦磁場補正用コイル、６１…引き出し線、６３…金属細線、１０１…静磁場磁石、１０２…励磁用電源、１０３…勾配磁場コイル装置、１０５…勾配磁場コイル用電源、１０６…被検体、１０７…渦補償回路、１０８…シムコイル、１０９…シムコイル用電源、１１０…送信部、１１１…プローブ、１１２…高周波シールド、１１３…受信部、１１４…データ収集部、１１５…データ処理部、１１６…システムコントローラ、１１７…コンソール、１１８…画像ディスプレイ。２１０，３１０…撮像領域、２２０，３２０…勾配磁場主コイル２３０，３３０…勾配磁場シールドコイル、２４０，３４０…静磁場磁石、２５０，２６０，３５０，３６０…Ｇｚシールドコイル
ターン、２７０，２７１，２７２，３７０…勾配磁場波形、２８０，３８０…渦電流磁場波形、３９０…渦電流磁場０次成分、４１０…シールド電流密度分布のシールド円筒外の部
分。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被検体を挿入可能な空隙を有する勾配磁
場コイル装置において、前記空隙内に勾配磁場を形成
するコイル導体と、前記勾配磁場の時間的変動により誘
導される渦電流による渦電流磁場を発生する少なくとも
１つの導電体リングとを有し、前記空隙内の所定の位置
において前記勾配磁場の偶数次成分が前記渦電流磁場に
よって略０になるように前記導電体リングが配置された
ことを特徴とする勾配磁場コイル装置。
【請求項２】前記導電体リングは、前記所定の位置を
含む面に関して非対称に配置されたことを特徴とする請
求項１記載の勾配磁場コイル装置。
【請求項３】前記導電体リングは、複数の導電体片が
リング状に配列されてなることを特徴とする請求項１記
載の勾配磁場コイル装置。
【請求項４】前記導電体リングは、円周方向に複数箇
所で電気的な切れ目が形成されており、この切れ目の数
と前記導電体リングの幅との少なくとも一方は、前記導
電体リングの渦電流磁場の時定数が、前記導電体リング
以外から生じた渦電流磁場の時定数と実質的に同じにな
るように決定されていることを特徴とする請求項１記載
の勾配磁場コイル装置。
【請求項５】被検体を挿入可能な空隙を有する勾配磁
場コイル装置において、前記空隙内に勾配磁場を形成す
るコイル導体と、このコイル導体の引き出し線とを有
し、前記引き出し線は複数の直線状導体を有することを
特徴とする勾配磁場コイル装置。
【請求項６】前記引き出し線は前記コイル導体とは別
体であることを特徴とする請求項５記載の勾配磁場コイ
ル装置。
【請求項７】前記複数の直線状導体は並列され、前記
複数の直線状導体それぞれは厚さが前記コイル導体より
も薄く、断面積が前記コイル導体よりも小さいことを特
徴とする請求項５記載の勾配磁場コイル装置。
【請求項８】前記複数の直線状導体は途中で折り返さ
れていることを特徴とする請求項５記載の勾配磁場コイ
ル装置。
【請求項９】静磁場の方向と平行な勾配磁場を形成す
る第１のコイルと、前記第１のコイルと共に前記勾配磁場を形成し、かつ前
記第１のコイルからの漏洩磁場を低減するための第２の
コイルとを有し、前記第１のコイルと前記第２のコイルはそれぞれの電流
密度分布が前記勾配磁場の原点に関して非対称な分布を
持ち、前記勾配磁場の変動時に生じる渦電流磁場の０次
成分が少なくとも前記原点において略０になるように設
けられていることを特徴とする勾配磁場コイル装置。
【請求項１０】前記第１のコイルと前記第２のコイル
との少なくとも一方の少なくとも１つのターンが、前記
漏洩磁場を略０とするように設計された電流密度分布に
基づく位置から、前記渦電流磁場の０次成分を少なくと
も前記原点において略０になる位置に移動されることを
特徴とする請求項９記載の勾配磁場コイル装置。
【請求項１１】静磁場の方向と平行な勾配磁場を形成
する第１のコイルと、前記第１のコイルと共に前記勾配
磁場を形成し、かつ前記第１のコイルからの漏洩磁場を
低減するための第２のコイルとを有し、前記第１のコイ
ルと前記静磁場を作るマグネットそれぞれの前記静磁場
方向の幾何学的中心の位置が互いにずれていて、前記第１のコイルと前記第２のコイルは電流密度分布が
前記勾配磁場の原点に関して対称な分布を持ち、前記勾
配磁場の変動時に生じる渦電流磁場の０次成分が少なく
とも前記原点において略０になるように設けられている
ことを特徴とする勾配磁場コイル装置。
【請求項１２】前記第１のコイルと前記第２のコイル
との少なくとも一方の少なくとも１つのターンが、前記
漏洩磁場を略０とするように設計された電流密度分布に
基づく位置から、前記渦電流磁場の０次成分を少なくと
も前記原点において略０になる位置に移動されることを
特徴とする請求項１１記載の勾配磁場コイル装置。
【請求項１３】電流密度分布が複数の正弦波関数およ
び余弦波関数の重み付け加算で表され、前記正弦波関数
の高次項の定義域が前記正弦波関数の低次項の定義域よ
りも短いことを特徴とする勾配磁場コイル装置。