JPS60224045A - 磁気共鳴トモグラフイ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一様な定常磁界を発生させる装置ｎと、時間と
共に変化し、定常磁界の方向に延在し且つ３個の相互に
垂直な方向に線形に変化する付加的磁界を発生する電流
が流れる３個のコイル系と、定常磁界の方向に垂直に高
周波磁界を発生する高周波コイルとを具え、一様な定常
磁界の磁束密度が別の磁界を重ね合わせることにより規
定された態様で空間的及び時間的に変化する磁気共鳴ト
モグラフィ装置に関するものである。

このような磁気共鳴トモグラフィ装置は、例えば、ドイ
ツ函公開特許Ｗｉ第２８４９８５５号から既知であり、
簡明ならしめるため、これを一部切欠して第１図に示す
。この核磁気共鳴トモグラフィ装＋Ｆｌはｘｙｚ座標系
の２方向に延在する強い、一様な定常磁界を発生させる
装置を具える。この装置は中心軸線がＺ方向に延在する
４個の同心円的な環状コイル１から成る。これらのコイ
ルの内側では可成り広い区域（、険査区１或）内で磁界
が一様であり、磁束密度は０．Ｉ　Ｔと２Ｔとの間にあ
る。

これより高い磁束密度を得るには通常超伝導コイル系を
用いねばならない。検査対象の患者４を２方向に動かせ
るトップ８を具える診察台２に寝かせて検査区域内に入
れる。

核磁気共鳴トモグラフィ装置はまた２方向に延在し、空
間内でＸ、ｙ及び２方向に線形に変化する磁界を発生さ
せるための３閲のコイル系を具える。これらのコイルは
文献では一般に「勾配コイル」と呼ばれている。２方向
に延在し且つ線形に変化する磁界を発生させるコイル系
は２方向に互にジグザグに配置され、コイル１に対して
対称的な少なくとも２個の類似のコイルＧ２から成る。

これらの２個のコイルＧ２の間に４流がこわらのコイル
内に逆向きに流れる時２方向に延在し、この方向に場所
の関数として線形に変化する磁界が発生する。

これまた２方向に延在するが、空間内でＸ方向に線形に
変化するもう一つの磁界を発生させるコイル系は４個の
類似したコイル敗から成る。これらの近似的に長方形の
コイルは中心線がｙ軸に平行に延在し、環状コイル１の
中心、従って検査区域の中心を通る円筒の周上に配置す
る。４個のコイルＧｘを流ｎる電流は同じ値であるが、
これらの電流の向きは両隣りのコイル内で他方のコイル
と対面し、Ｘ方向に延在する夫々の部分が同じ向きに電
流を通すようなものとする。

２方向に延在し、Ｘ方向に場所の関数として線形に変化
する磁界を発生するコイル系Ｇｙはコイル糸数と同じ構
造を有し、Ｇｘに対して９００回転させたものである。

これはこのコイル系Ｇｙも円筒の周上に配置された４個
の長方形のコイルから成る・ことを意味する。しかし、
この円筒の中心軸線は検査区域の中心を貫ぬいてＸ軸に
平行に咄在する。

コイル系Ｇｘ及び号により生ずる磁界の磁束密度は２方
向に延在する対称軸線上ではゼロである。

最後に検査区域内に一様な高周波（ＲＦ）（−界を発生
させる高周波（ＲＦ）コイル５を設ける。この磁界の周
波数は検査区域内の核スピンの２軸を中心とする歳差運
動のラーモア周波数に対応する。

このような核磁気共鳴（ＮＭＲ）　）モグラフイ装置で
行なわれる通常の方法では、検査対象物の断層内の核ス
ピンを励起する。この目的で、高周波コイル５により核
スピンが励起されている時勾配コイルＧ２を電流により
付勢し、コイルｌとＧｚにより発生する磁界が一つのコ
イルＧ２からもう一つのコイルへ線形に変化するように
する。この結果ラーモア周波数（既知のように・ラーモ
ア周波数ハ磁界の強さに化例する）が高周波磁界の周波
数に対応するように断層内で核スピンが励起される。

次にコイルＧｘ及び号を付勢し、断層内の磁界が夫々Ｘ
方向又はＸ方向で変化するようにする（通常は順次に行
うか又は時間的に位相をずらせて行なう〕。この結果、
励起後コイル５内に誘起される信号の位相と振幅は励起
された断層内の核スピン分布が再生されるように影響さ
れる。

再生品質は勾配磁界が予じめ定められた空間的変化を正
確に呈しない、例えば、場所の関数として正確に線形に
変化しないことにより影響される。

また、この予じめ定められた変化からのずれは時間に依
存する。この現象は勾配コイルを流れる電流がスイッチ
オンされている時生ずるうず電流に・よシ起こるもので
、このうず電流は空間依存性の点でコイルの磁界からず
れている磁界を生ずる。

こｎらの欠点を緩和するために、磁界の時間的に所望の
分布からずれている勾配コイルを流れる電流に時間的な
変化を課することが知られている。

例えば、勾配コイルの磁界を突然所定の値にスイッチす
べき時、この勾配コイルにスイッチオン成上の定常値を
越える電流をかける。それ故、この方法の成功率は限ら
れている。

本発明の目的は勾配コイルを付勢した時生ずる・うず′
Ｉｄ流の作用及び磁界の空間分布の他の不正確さの作用
を小さくするにある。

本発明によればこの目的を達成するためこしまた定常磁
界の方向に延在し、空間内で非線形的に変化する磁界を
発生する少なくとも１個の別のコイル系（Ｇ２２．・・
・・・・Ｇ８．−８　）を設け、このコイル系を流れる
電流の時間変化が全てのコイル系の磁界を重ね合わせる
ことにより磁束密度の規定された時間及び空間変化が得
られるようなものであることを特徴とする。

所望の時間及び空間変化からのずれは単一の他のコイル
系を用いたのでは部分的にしか除去できないのが普通で
ある。これらのずれは一方では核磁気共鳴装置の実際の
構造に依存し、他方では所望の変化からのずれの程度と
原因にも依存する。

例えば、うず電流の発生により生ずるずれはそれ自体勾
配コイルの付勢の時間変化により定まる。

勾配コイルの付勢電流が高い周波数成分を含む程うず電
流も顕著になる。

本発明の好適な実施例は空間変化が毎回１個の２次の球
関数の空間変化に対応する磁界を発生する５個迄の付加
的コイル系を設けたことを特徴とする。

この実施例は下記の考察に基づいている。即ち、任意の
磁界、就中、勾配コイルにより発生する磁界及び関連す
るうず電流により生ずる磁界は０次。

１次、２次、３次・・・・・・　（次数は原理的には無
限である）の球関数の重み付は和とじＣ表わせる。しか
し、高次の球関数に従って変化する磁界成分は一般には
無視できる。而して勾配コイルの磁界は時間と共に変化
するから、上記の重み付は和に加ねる個々の球関数の重
み付は因子も時間と共に変化する。各々が５個の２次の
球関数の一つに対応する５個の付加的コイル系と、各々
が一次の球関故に対応する勾配コイルｃ　Ｃ，Ｉ　Ｇｙ
ｌ　Ｇｚ　）と、定常磁界用のコイル系（１）は個々の
コイルによる寄与に適当に重み付けした時空間内で任意
の変化を呈　゛する磁界を発生できる（８次以上の球１
３コ数に対応する成分は無視する）。こうして個々のコ
イルの結果の磁界、即ち、これらのコイルを流れる電流
・への寄与に対する重み付は因子を適当に変えることに
より所望の時間変化が得られる。

もう一つの実施例も同じような考察に基づくが、これは
空間変化が毎回１個の８次の球関数の空間変化に対応す
る磁界を発生する７個迄の別のコイル系を設けたことを
特徴とする。こうすると所望の時間及び空間変化からの
ずれは一層よく補正される。蓋し、３次のずれも補正さ
れるからである。

注意すべきことは磁界の所望の空間及び時間変化は本発
明によっても正確には得られないことである。しかし、
この所望の変化からのずれは１個又は複数個の付加的コ
イル系によシ小さくなる。

図面につき本発明の詳細な説明する。

第２図に示す装置は制御装置９を具えるが、この制御装
置ｔ　９は就中変調器１１を制御する。変調器１１は搬
送波の変調を生ずるが、これは電力増幅器１２を介して
高周波（ＲＦ）コイル５に加えられる。変調波の周波数
とコイル５により発生させらｎる磁界の強さとは被検体
４の断層内で核スピン共鳴が励起されるように互に適応
させる。この励起後コイル５内に誘起される信号は増幅
器１８を介して位相に感応する復調器１４に加えられる
。

この復調器の出力信号はアナログ−ディジタル変換器１
５によシデイジタルデータワードに変えられ、再生装置
１６に加えられる。この再生装置１６は受け取ったデー
タに基づいて予じめ定められたアルゴリズムにより励起
された断層内の核スピンの空間分布をめる。そしてこの
空間分布は、例えば、モニタ１７により表示される。

制御装置９はまた勾配コイル敗１号及びＧ２を流れる電
流を制御する。これらの勾配コイルは２方向に延在し、
夫々、Ｘ、ｙ及び２方向に線形に変化する磁界を発生さ
せる。上述した装置はここ迄は既知である。しかし、本
発明によれば付加的コイル系を設ける。各コイル系はい
くつかの個々のコイルから成るが、これらのコイルは検
査区域の中心に対して対称的に配置されており、これら
によ多発生させられ、２方向に延在する磁界はこの中心
に対して対称的に、即ち、この中心からの距離の２乗則
又は球関数として変わる。１２個の・コイル系のうちの
５個、即ち、コイル系Ｇ２８．・・・・・・Ｇ２．−２
が発生する磁束密度は５個の２次の球関数の一つに比例
し、他の７つのコイル（Ｇ８，８・・・Ｇ８．−８）は
毎回７個の３次の球関数の一つに比例して変わる。この
時コイルＧｌ、ｍにより発生させらｎた磁界−・の空間
での変化は少なくともほぼ球関数ｆ、　、ｍに比例し、
ここで本例ではｌは２と８の間にあシ、ｍは＋８と−８
の間にある。球関数は次のように定義される。

ここでｒは検査区域の中心と一致する座標原点から一点
迄の距離であり、ａは座標原点とその点を結ぶ直線と２
軸とがはさむ角であり、ｂはこの直線が２＝−足の面上
に突出するものがＸ軸に対してなす角度であり、Ｐ、９
ｍ（・・・）は（・・・）を偏角とする直線ｌのルジャ
ンドル多項式のｍ次微分である。Ｐ、　（・・・）はｍ
　−ｏの場合の直線ｔのルジャンドル多項式に対応する
。その偏角によればルジャ・ンドル多項式は！微分だけ
がゼロと異なシ、ｓｉｎｍｂはｍ　−ｏの場合ゼロにな
るから、２次の球関数は２１＋１個しかない。即ち、２
次の球関数は５個（２Ｘ２　＋１　）だけであシ、８次
の球関数は７個（２Ｘ８　＋１　）だけである。

米国特許第８５６６２５５号は磁界が本質的に球関数に
比例して変化するコイル系の構造を詳細に説明しており
、コイルＧ２，２・・・・・・Ｇ２．−ｊｌはその第３
図ないし第７図に示すコイルに対応する。他方コイルＧ
　・・・・・・Ｇ　の構造は第９図ないし第１５８．８
　８．−８ 図に示されている。このようなコイルの計算と設計は「
ザ　レビュー　オブ　サイエンティフィック　インスト
ルメンツＪ　（Ｔｈｅ　Ｒｅｖｉｅｗ　ｏｆ　Ｓｃｉｅ
ｍｔｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｍｔｓ　）第８２巻、第
３号、第２４１〜２５０頁にも記載されている。

第２図に示すように、コイルＧ２．０に対する電流は出
力抵抗が十分高い電力増幅器１８により供給される。こ
の電力増幅器の入力信号はメモリ１９から成シ、後段に
ディジタル−アナログ変換器２０が続く、関数発生器か
ら供給される。メモリ１９、は系列がコイ／ｌ／ｅ、、
ｏを流ｎる電流の時間変化に対１応する多数のデータワ
ードを蓄わえる。メモ１ノ１９内のデータワードは制御
装置９の制御の下Ｇ二読出され、ディジタル−アナログ
変換器２０によシアナログ信号に変換され、適当な低域
フィルタを介して増幅器１８の入力端子に加えられる。

増幅器１８は時間に対する変化がメモリ１９に蓄わえら
れているデータワードの系列に対応する電流を発生する
。コイルＧｚ　ｒ　Ｇｙ　ｒ　Ｇｚを含む他の全てのコ
イル系に対する電流も、第２図には示していなし）が同
じように構成された装置により供給される。

唯一つの差違は個々のコイル系に関連するメモリ内に蓄
わえられているデータワードの系列が異なることである
。蓋し、これらのコイルを流れる電流の時間変化が異な
るからである。個々のコイルを流れる電流の時間変化、
即ち、メモリ１９内のデータワードの系列は個々のコイ
ル系によｐ発生させられた磁界を線形に重ね合わせたも
のが磁界の正確に所望の時間及び空間分布を生ずるよう
に選ぶ。

この時間と空間の変化が含みうる第１の相では予じめ定
めらｎた期間磁界が空間内で２方向に線形に変化する（
従って核スピン分布を次に測定すべき断層の位置を固定
する）。次の相では、時間及び空間において一定の磁界
の勾配が予じめ定められた期間、例えば、Ｘ方向に発生
させられる。

第８の相では時間及び空間において一定の磁束密度の勾
配を予じめ定められた期間Ｘ方向に発生させる。８個の
相の各々において関連する勾配コイル系が付勢される（
例えば、第２の相においてコイル系Ｇｙ）だけでなく、
通常は他の勾配コイル系（ＧＸ　Ｉ　Ｇｚ　）を含めて
他の全てのコイル系も付勢される。

今度は種々のコイル内の電流の時間変化、即ち、これら
のコイルに関連する種々のメモリ内のデータワードの系
列をめる方法を説明する。この方法は下記の諸ステップ
を具える。

１）毎回１個のコイルに正弦電流を加える。コイル系内
で座標原点、即ち、検査区域の中心からの距離ｒにある
点に生じた磁界の強さと（コイル内の交流の位相に対す
る〕位相とを測定する。

この測定は種々の周波数につき繰シ返す。これらの周波
数は勾配コイル系の付勢から生ずるスペクトル範囲に対
応するように選ぶ。上述した測定は半径ｒの球面上のＮ
点につき行なうが、このＮは次式で表わされる。

２（２） Ｎ−（１０＋１） ここでｌ。はコイル系によシ完全に且つ互に独立に発生
させることのできる球関数の最高次の次数である。斯く
して、第２図に示した実施例では、ｔｏは８に等しく、
球面上の全ての１６個の異なる点で測定を行なわねばな
らない。全てのコイル系につき種々の測定を繰り返す。

一つのコイル、一つの周波数につき一点で測定される磁
束密度Ｂは次式に従う球関数の重み付は和として表わす
ことができる。

ここで、ｆ、１ｍは式（１）に基づいて関連する点て定
まる球関数であり、即ち、計算されるなり、数表から導
ひかれる数値である。他方ａ１　’、ｍは関連する重み
付は因子であり、一般に実数成分と虚数成分とを具える
。蓋し、変数Ｂは一般に実数成分と虚数成分とを具える
からである。０次と３次（ｊｏ）との間には全部で１６
個ＯＪ）の球関数が存在するから式（８）に従って１６
個の重み付は因子ａ□１ｍがある。同じコイル系、同じ
周波数につき球面上の１６個（Ｎ）の異なる点で磁束密
度が測定されたから、１６個の未知のａｌ、ｍにつき１
６個の一次方程式が得られ、これから既知の方法で１６
個の重み付は因子を計算できる。種々の測定周波数につ
きこの計算を繰り返す。各周波数毎に前に計算された重
み付は因子とは異なる重み付は因子ａｚ、ｍが得られる
。こうして−組の多分に周波数に依存する因子ａｔ、ｍ
が得られる。そしてこれらの因子は第８高調波迄、即ち
、３次の球関数迄フィル系の特性を完全に記述する。こ
の−組の重み付は因子は個々の成分（ａ、　、、）が周
波数に依存するＮ次元のベクトルを・表わす。

他の全てのコイルについても同じ計算を行なう。従って
各コイル毎にＮ次元ベクトルが得られ、全てのベクトル
で種々の因子ａ１　、ｍが同じ順序で配列される。この
ようなベクトルは空間的に一定で、普通は時間的にも一
定な磁界を発生するコイル系についても形成される。こ
の時２個の可能性が存在する。

ａ）コイル１の場合は、任意の周波数に独立な値に固定
されている成分ａ。０を除いて他の全ての成分の値がＯ
であるベクトルが定まる。

しかし、この場合は核スピン分布の測定について補正が
必要となる。

ｂ）第２図には示していないが、２方向に延在し、空間
的に一定である磁界を発生する第２のコイル系を用いる
。しかし、この磁界は定常磁界より相当に弱く、こｎら
のコイルを流れる電流は時間と共に変動し、他の全ての
コイルを流ｎる電流と同じようにして発生させられる。

こうして全部で１６個（Ｎ）のコイル系に対し、毎回１
６個（Ｎ）の成分ａ、、Ｉ］１を具えるベクトルが得ら
れる。これらのベクトルは列ベクトルとして結合され、
行列を形成する。個々の列ベクトルは主成分が行列の主
対角線上に位置するように配列される。こうして得られ
る行列を以後Ａ（Ｗ）と表わすが、Ｗは行列の元の周波
数依存性を示す。

２）行列Ａ　（Ｗ’）を反転し、行列Ａ−”（ｗ）を作
る。既知のように行列とその逆行列の積は単位行列、既
ち、主対角線の全ての元の値が１であり、他の全ての元
は０である行列を表わす。逆行列のもう一つの特徴は列
の表示と行の表示とが交換されることである。それ故、
行列Ａ内の第７番目の列ベクトルがコイルＧ２，０に関
連していたならば、逆行列Ａ−１の第７行目のベクトル
がこれと関連する。

３）磁界Ｂｇの所望の時間及び空間分布を検査区域で多
数の異なる瞬時につきめる。そして各瞬時毎に次式に従
って重み付は和を形成する。

ここでＣｔｌｍは重み付は和に加わる球関数ｆｔ、Ｉｎ
の重み付は因子である。この結果、再びＮ次元ベクトル
が得られるが、これは時間に依存する成分Ｃ，２ｍを具
える。磁界が空間内で、例えば、線形に変わる時、この
ベクトルの１−１となる成分だけが０と異なる。

４）個々の時間に依存する成分Ｏ／、ｍ　（ｔ）をフー
リエ変換によシ時間領域から周波数領域に変換し、Ｎ個
の周波数に依存する成分ｄ、１ｍ（ｗ）を具えるベクト
ルＤ　（ｗ）を形成する。

５）得られたベクトルＤ　（Ｗ）に逆行列Ａ　（ｗ）を
乗算する。この結果Ｎ次元ベクトルＩ　（ｗ）ができる
。

６）ベクトルエ（Ｗ）のＮ個の成分を時間領域に変換す
る。この時時間領域に変換されたベクトルの成分ｉ、（
ｔ）（ｊ＝１・・・・・・Ｎ）は行列Ａの第ｊ番目の列
ベクトル、即ち、行列Ａ−１の第ｊ番目の行ベクトルに
関連するコイル系を流れねばならない電流の時間変化を
表わす。

７）個々のコイルに関連する電流変化を対応するデータ
ワードの系列に変換し、これをそのコイル系に関連する
メモリ１９に書込む。

このようにして個々のコイルを流れる電流の時間変化が
められたら、メモリ１９に蓄わえられているデータワー
ドを再び毎回取り出し、２方向に延在し、位置と時間の
予じめ定められた場所と時間の関数として変化する。核
磁気共鳴（ＮＭＲ）装置の製造と組立がこれにより発生
させられる磁界に影響しない限シ、これは同じタイプの
他のＮＭＲトモグラフィ装置にもよくあてはまる。

時間と空間の異なる変化が望まれる時は、単に前述した
ステップ３）ないし７）を再び行なうだけで足シる。ド
イツ国特許願第Ｐ　８４００８６１．６号に記載されて
いるように磁束密度が、例えば、場所の関数として二乗
側で変化するように変化を生ずることもできる。その場
合因子０．、ｎｌはｔ　−２の場合だけゼロと異なる。

計算の結果コイル系の一つを流れる電流が時間と空間の
異なる変化に対してもほぼゼロに等しいことが判ったら
そのコイル系を省くことができる。

コイル系により発生させられる磁界の磁束密度の空間で
の変化が少なくとも近似的に唯一つの球関数の空間変化
に対応することは絶対的に必要という訳ではない。本発
明は磁界の変化が球関数の一次結合に対応する時にも著
しく有効である。しかも、その場合は必要なコイルの数
を変えないかもしれない。しかし、−個のコイルの磁界
が変化のタイプ（例えば、線形、二乗側、球関数）及び
この変化が起る方向又はそのいずれか一方に関して任意
の他のコイルの磁界と明瞭に異なることが特に重要であ
る。さもないと行列Ａをめる際に小さな誤りが入るだけ
で種々のコイル系につき計算される電流変化を相当程度
に誤ることになる。

前述した計算方法から結論されることは、付加的コイル
Ｇ２，２・・・・・・Ｇ１１．−８だけでなく、全部の
コイル系を流れる電流が計算された時間変化を呈さねば
ならないということである。斯くして、これは、例えば
、ｙ方向に磁界の一定な勾配を発生するコイルＧｙが通
常Ｘ方向だけ一定の勾配が望まれる電流も流すことを意
味する。これはコイル系Ｇｘを流れる電流がスイッチオ
ンされている時生ずるうず電流がｙ方向に線形に変わる
磁界も発生させるためである。計算はまた２方向に延在
し、空間的には一定であるが時間的には変わる磁界を発
生させることも必要なことを明らかにする。付加的コイ
ルをこｎらの目的に使える時は、このような磁界を発生
させることは問題を生じない。しかし、このようなコイ
ルを使えない場合は、これがないことにより生ずる誤差
が受け容れ難い詩人のような対処をとれる。

高周波（ＲＦ）コイルにより励起される核スピンの周波
数は計算された電流変化に比例して変わる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｌ　一様な定常磁界を発生させる装置と、時間と共に変
   化し、定常磁界の方向に延在し且つ３個の相互に垂直な
   方向に線形に変化する付加的磁界を発生ずる電流が流れ
   る３個のコイル系と、定常磁界の方向に垂直に高周波磁
   界を発生する高周波コイルとを具え、一様な定常磁界の
   磁束２ｄ度が別の磁界を暇ね合わせることにより規定さ
   れた態様で空間的及び時間的に変化する磁気共鳴トモグ
   ラフィ装置において、これまた定常磁界の方向に延在し
   、空間内で非線形的に変化する磁界を発生する少なくと
   も１個の別のコイル系（Ｇ２，２・・・Ｇ８．−８）。 を設け、このコイル系を流れる電流の時間変化が全ての
   コイル系の磁界を重ね合わせることにより磁束密度の規
   定された時間及び空間変化が得られるようなものである
   ことを特徴とする磁気共鳴トモグラフィ装置。 ２　空間変化が毎回１個の２次の球関数の空間変化に対
   応する磁界を発生する５個迄の付加的コイル系を設けた
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の磁気共鳴
   トモグラフィ装置。 ＆　空間変化が毎回１個の３次の球関数の空間変化に対
   応する磁界を発生する７個迄の別のコイル系を設けたこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の磁気トモグ
   ラフィ装置。