JPS612048A - 補正コイル装置 - 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】 発　　明　　の　　背　　景 この発明は高度に一様な軸方向成分を持つ磁界を発生す
る為に、強度の強い磁石の調整に使われる補正コイルに
関する。更に具体的に云えば、この発明はＮＭＲによる
医療用作像診断用途に使われる主磁石コイルの調整に使
われる、円筒形巻型上に配置された軸対称補正コイルの
組に関する。

核磁気共鳴（ＮＭＲ）現象は、曾ては化学的な分析に限
られていたが、用孔では身体の内部器官の断層写真層並
びに関連した医療診断用の像を発生ずるのに使われてい
る。この技術は従来のＸ線技術に較べて幾つかの利点が
ある。第１に、ＮＭＲ作像方式は完全に非侵入型であっ
て、電離性放射を発生しない。第２にＮＭＲ作像は、普
通のＸ線では得られない軟質組織構造の図が得られる。

第３に、ＮＭＲ作像方法を成る期間にわたって反復的に
用いて、患者の身体内で起こる新陳代謝、生理学的及び
化学的な変化を観察することが出来る。従って、ＮＭＲ
作像技術は医療診断の用途にとって重要な利点をもたら
すことが判る。

然し、ＮＭＲ作像の主な条件の１つは、高度に一様な磁
界が存在することである。この一様な磁界は幾つかの異
なる手段によって発生することが出来る。例えば、永久
磁石を磁束集中ヨーク（等）と共に用いることが出来る
。別の方法は電磁石を使うことである。強度の強い一様
な磁界を発生する３番目の方法は、極低温槽の中に配置
された超導電コイルを利用することである。この超導電
コイルは、一旦設定されると、磁界が長い期間の間持続
するという利点がある。従って、その所要エネルギが比
較的小さい。然し、この発明の補正コイル装置はこれら
のどの方式にも、即ち、永久磁石、抵抗性電磁石及び特
に超導電電磁石に適用し得る。

所望の一様な磁石を発生する永久磁石装置では、使う材
料によって磁界の一様性が制限される。同様に、電磁石
の設計も製造の許容公差によって制限される。例えば、
２０　ｃｍ　Ｘ　２０　ｃｍ　Ｘ　２０　ｃｍの容積で
は、主たる超導電コイル巻線の配置に１ミルという僅か
な誤差があっても、磁界の均質性には１００１）ｌ）ｆ
ｉｌという大きな偏差が起り得る。この様な磁界の均質
性からのずれは、望ましくない人為効果（アーティファ
クト）を持つ像が発生されるので、医療診断用の作像で
は一般的に受入れることが出来ない。

従って、磁界を発生する従来の３つの方法のどれでも、
補正コイルの必要がある。一般的に、こういう補正コイ
ルが通す電流は、主巻線の電流の小さな端数にすぎない
。更に、その目的が調整用である結果として、補正コイ
ルの寸法並びにそのターン数も、主たる磁界コイルの導
体に較べて小さい。一般的に、補正コイルは、補正しな
い磁界が勾配を持つ慣れがあるあらゆる方向に磁界勾配
を発生する。こういうコイルの組を選択的に励磁して、
磁界の均質性を所望の値に高める。

補正コイルの普通の励磁方法は、磁界の特定された数多
くの揚所に於ける補正しない磁界の測定から始まる。次
に、普通のアルゴリズムを用いて補正コイルの勾配を測
定した磁界に認められる勾配と合せ、組の中の全ての補
正コイルに対する最適の電流設定値を決定する。一般的
に、必要とする補正コイルの組並びにその電流は、主コ
イルの設計並びに均質性の仕様に関係する。主コイルの
数が増えると、一般的には磁界の固有の均質性が実際に
高くなる。然し、この設計方法では、補正コイルの条件
を決定する為に、製造上及び動作−Ｆの許容公差を加え
なければならない次元の数も増加する。更に、磁石の動
作環境内に強磁性材料が存在すると、磁界の補正が必要
である。主磁界の所望の軸方向の勾配を発生する為、軸
対称のコイルの組が必要である。こういうコイルの組は
偶（即ら、中央平面に対して対称的であって、電流の流
れが平行である）であっても、奇（即ち、対称的に配置
されているが、電流が逆平行である）Ｃあってもよい。

均質性の仕様はその条件を充たす為に、独立に調節し得
る十分な数の電流が得られる様に、多数の偶及び奇の補
正コイルの組を使わなければならない様になっている場
合が多い。

然し、各々の偶及び奇の補正コイルの組は、正しく設計
しないと、その対称性の為に全ての磁界勾配を発生する
ので、問題が生じる。この様に勾配が重複Ｊ−る結果と
して、所望の磁界を設定する際に発生された勾配が互い
に突合さることがあるので、全てのコイルの組の電流が
一層人ぎくなる。

この為、突合せ電流が一層大きなコイル電流又は一層多
くの導体のターン数を要求するが、そのどちらも望まし
くない。従って、各々の組から成る勾配を除くことが望
ましいが、１つの勾配以外の全ての勾配を除去すること
は、形式上も不可能である。それでも、全てのコイルが
１対で構成されていて、１個の円筒の上に同じ半径の所
で配置されることが、製造上の効率から有利である。従
って、この発明で用いられる勾配の除去は、この可能性
をなくす様な設計を必要とするものであってはならない
。その目的とする所は、より多くの高調波を除く為に一
組の中のコイルの数を増やすことが、それに応じて所要
の電流が減少する場合にだけ実際的である様に、所定の
磁界を調整するのに必要な合計のアンペアターン数を最
小限に抑えることである。

発　　明　　の　　概　　要 この発明の好ましい実施例では、円柱形容積内の磁界の
軸方向成分の均質性を改善する補正コイル装置が、円筒
形コイル巻型と、その縦方向の範囲に沿った選ばれた位
置で該巻型上に配置された複数個の軸対称のコイルの対
とで構成される。これらの位置は、前記コイルの対の内
の少なくとも１つが、該コイルの対によって発生された
磁界の軸方向成分を表わす球面調和関数展開の特定の項
に寄与しない様に選ばれている。この発明の好ましい実
施例では、夫々それ自身の関連したコイル幅を持つ軸対
称のコイルの対の位置は、円筒形巻型−Ｆに存在するコ
イルが重なり合わない様に選ばれている。補正コイル巻
線は普通の抵抗材料で構成してもよいし、或いは実際に
超導電材料を用いてもよい。特に、１対のコイルが、前
述の球面調相関数展開の３次項を持たず、別の対が４次
項を持たず、別の対が５次項を持たず、更に別の対が６
次項を持たない様に配置されたコイルの対を有する補正
コイル装置を例示する。

従って、この発明の目的は、磁界の軸方向成分の均質性
を改善する補正コイル装置を提供することである。

この発明の別の目的は、ＮＭＲ作像の用途に特に役立つ
補正コイル装置を提供することである。

この発明の別の目的は、１個のコイル巻型上の選ばれた
場所に、重なり合わない様に、軸対称のコイルを配置し
た補正コイル装置を提供することである。

この発明の別の目的は、ごく少ない導体のアンペア・タ
ーン数を用いて、非均質性の磁界を調整することが出来
る、軸対称の補正コンルの組から成る装置を提供するこ
とである。

この発明の要旨は特許請求の範囲に具体的に１つ明確に
記載しであるが、この発明の構成、作用並びにその他の
目的及び利点は、以下図面について説明する所から最も
よく理解されよう。

実施例の詳しい記載 第１図は、偶及び奇の組のコイル対の間の違いを説明す
るものである。第１図はこの発明の全体的な構造をも例
示しているが、この構造が第３図に更に詳しく示されて
いる。第３図は実際に第１図の特定の断面図であるが、
第３図に示した特定の断面が、第１図に示した断面で切
ることによって生ずる正確な断面ではないことを念頭に
おかれたい。第１図に切断平面を示したのは、断面を切
る場所を表わす為である。然し、第３図は第１図につい
て説明すること以上に詳しい細部を示している。第１図
並びにこういう目的について説明すると、円筒形コイル
巻型１０上に２組のコイルの対が巻装されている。多対
の全てのコイルは軸対称コイルと呼ぶ。これは、コイル
巻線構造がコイルを型１０の中心軸線に対して対称的で
あるからである。更に、コイル巻線は、円筒の軸線と垂
直に、その中心を通る仮想の中心平面に対して対称的に
配置されている。この中心平面が円筒を切る円を第１図
に破線で示しである。座標系はそのＺ軸が円筒の軸線に
沿っていて、中心平面が式２＝０で表わされる様に選ば
れている。２組のコイル対が第１図に示されている（こ
れと対照的に第３図では何対かが示されている）。特に
コイル対しｅは偶のコイル対である。これは電流の流れ
を矢印で示す様に、各々の巻線に同じ方向の電流が通る
からぐある。更に具体的に云うと、コイル対しｅは、こ
の対の内の一方のコイルが平面Ｚ＝−Ｚ＋にあり、コイ
ル対の残り半分が平面２＝＋２．にある様に位置ぎめさ
れていることが判る。この発明の重要な一部分を構成す
るのが、この様なコイルの位置の選択である。同様に、
奇のコイル対しｏが位置ｚ＝−Ｚ、２及びＺ＝＋Ｚ２に
配置されている。コイル対しｏに関連する電流の流れを
示す矢印は、これらの２つのコイルに流れる電流が反対
向き又は逆平行であることを示している。所定の軸対称
のコイル対が偶のコイル対又は奇のコイル対のどちらに
なるかを決定するのは、電流の流れの方向（そして間接
的には巻装の方向）である。第１図は偶のコイル対及び
奇のコイル対の意味する所を示しているが、第１図はコ
イル対の配置を例示する為の略図とだけ考えられたい。

実際のコイル設計では、各々のコイル巻線の幅を考慮に
入れなければならない。各々のコイル巻線の幅は実質的
に１方向の範囲である。電気導体自体が有限の直径を持
ち、これらのコイルの所要アンペアターン数により、複
数個のターンが必要とされるのが典型的であるから、８
対にある各々のコイルは必然的に有限の幅を持つことが
判る。従って、円筒形コイル巻型上に軸対称のコイルを
配置するには、コイルの縦方向の配置に対する８癒だ（
プでなく、重なり合いが起らない様に保証する為に、各
々のコイルの幅並びに他の隣接コイルに対するその関係
の考慮も必要とする。

ＮＭＲ作像用の磁石コイル、補正コイル及び勾配コイル
を設計するのに使われる主な数学的な手段の１つは、磁
界の軸方向成分を球面調和関数展開によって展開するこ
とである。この展開が次の式で示されている。この式で
ｒ及びθの関数としての磁界の２癒分く即ち軸方向成分
）が、−組の係数ａｎ及び変数ＣＯＳθを持つ一組のル
ジャンドル多項式Ｐ。によって表わされている。

Ｂｚ（ｒ、θ）−Σａｎ　　ｒ’　Ｐｎ　　（ＣＯ３θ
）ｎ−〇 この式でｒ及びθは第２図に示す様な磁界の１点の座標
を表わす。第２図の座標系が実際には第１図に示すコイ
ルの中心にあることを承知されたい。

第２図の１軸が第１図の２軸と整合し、第２図の×、ｙ
平面が前に第１図について説明した中心平面に対応する
。従って、座標系の原点は、コイル巻型１０によって限
定された円柱形容積の中心にある。変数ｒは原点から円
筒上の１点までの距離と定義されることが判る。この点
は必ずしも×−ｙ平面内にない。角度θはｌ軸と、原点
から点ｒのＸ−Ｚ平面に対する垂直な投影の点に引いた
線との間の角度と定義されることが判る。第２図には、
座標系の原点から、円筒に対して垂直な方向に伸び、円
筒の半径を表わす変数ρも示されている。同様に、変数
φは、ｙ軸の正の方向と、原点から円筒面に垂直に伸び
る線との間で測った角度であることが判る。従って、φ
は円筒上の円周方向の位置の目安である。従って、円筒
面上の位置は、ρ及びｌを特定することにより、又はｒ
及びθを特定することにより、同じ様に定めることが出
来ることが判る。

コイルの励磁の普通の設計方法は、最初に既知の数多く
の空間的な座標に於ける磁界の補正してない軸方向成分
を測定することから始まる。次にアルゴリズムを用いて
、補正コイルの勾配を磁界の勾配と合せ、各々の補正コ
イルの相に対する最適の電流設定値を決定する。必要と
する相異なる補正コイルの組並びにそれらの最大の磁界
強度は、主コイルの設計と均質性の仕様とに関係する。

主コイルの数を増やすと、主磁界に固有の均質性も高く
なるが、必要な補正コイルの条件を決定する為に製造上
及び動作上の許容公ｌを加えなければならない次元の数
も増加する。更に、磁石の動作環境内に強磁性材料が存
在すると、磁界の補正を必要とする傾向がある。主磁界
に対する所望の軸方向の勾配の補正を行う為、上に述べ
た様な軸対称コイルを用いる。これらのコイルの組は偶
であっても奇であってもよい。均質性の仕様は、条件に
合せる為の十分な独立に調節し得る電流を持たせる為に
、多数の偶及び奇の組を用いる様になっている場合が多
い。各々の偶及び奇の組は、正しく設計しないと、その
対称性によって全ての磁界勾配を発生するので、問題が
起る。この様に勾配が重複する結果、発生された磁界が
補正磁界を設定する際に互いに突合せになるので、全て
の補正コイルの組の電流が一層大きくなる。この為、突
合ぽ電流がコイルの電流を一層人きくすること、又はコ
イルの導体のターン数を一層多くすることを要求するが
、その何れも望ましくない。従って、各々のコイルの組
から成る勾配を除去づることが望ましい。更に、全ての
コイルが１対で構成されていて、１個の円形円筒上に配
置されることが有利である。第３図に示す補正コイルの
設計では、所定の磁界を調整する為に必要な合計のアン
ペアターン数を最小限に抑えるという目的が実現される
。

この発明の目的を達成する為、各々のコイルの組の磁界
の球面調和関数解析を用いる。関心のある容積内で、各
組の軸方向磁界が前に示したＢＺ（ｒ、θ）で表わされ
る。この表式の幾つかの属性を念頭におかれたい。第１
に、奇のコイルの組では、展開式の偶数次の項が消え、
共通の高調波を発生しないので、偶及び奇の組が減結合
になる。これに対応して、偶のコイルの組では、展開式
の奇数次の項が消え、共通の高調波は発生しない。更に
各項の因数ｒ０に対する依存性を各々の高調波に対して
注目する。その為、係数ａ。が一層小さい高次の高調波
（即ち、ｎの一層大きな値）は、半径が大きくなると一
層重要になる。ＮＭＲ作像で関心の持たれる半径では、
ｎ−１６より高い高調波は一般的に無視し得る。低次（
ｎ＝０又は０−１）の項に対して特にそうである。

ｎ≦１０では、高調波の係数は、最低次の項の係数の１
％未満である。従って、この発明では、補正コイルの電
流を決定する為に使われるアルゴリズムに関係なく、低
次の高調波には所望の容積内で最も大きな重みをかけ、
これらの高調波が成るコイル対から除去すべきものとな
る様にすることが判る。

この設計基準を取入れた６組のコイルの設計を説明する
。然し、６組のコイル対の設計の場合を例示する為にこ
の設計基準を用いるが、この設計基準が、相異なる半径
並びに相異なるコイル数を持つこの他のコイルの設計に
も適用し得ることは云うまでもない。３つの奇の組及び
３つの偶の組が装置を構成する。第３図では、成る高調
波を除去する奇の２組のコイル対、即ちコイルＬ　５ａ
　ＮＬｓｂと、コイル対１−３ａｑＬ３ｂとが設けられ
ている。コイルの１［Ｌ３ａ、Ｌｓｂは、３次高調波を
発生しない様に軸方向に配置されている。同様にコイル
対１−ｓａｑＬｓｂは５次高調波を発生しない様に位置
ぎめされている。０次及び１次高調波を除去するには、
偶及び奇の組に夫々２つのコイル対を用いるしかない。

然し、これは設計として経済的な選択ではない。同様に
、２つのコイル対し４　ａ　、Ｌ４　ｂと１−６ａ、Ｌ
ｓｂは、夫々４次及び６次高調波を発生しない。こ１に
例示する設泪では、どの組でも、２次高調波は除去され
ていないが、これは重なり合わずに、円筒上にコイルを
配置するという限られた選択の為である。次数ｎの高調
波を除去するには、（ｎ＋１）次のルジャンドル多項式
（変数ＣＯＳθを持つ）の１次微係数が消える様な極座
標の角度θ（第２図参照）にコイルを配置することを必
要とする。所定の半径では、これによってコイルの軸方
向の位置が決まる。（ｒｌ−１）次の高調波を除去する
為のルジャンドル多項式の微係数のゼロ、即ちＰｎのゼ
ロが、半径５０■のコイルの中心に対する近似的な軸方
向の位置と共に、下記の表Ｔに示されている。

表１ Ｐｒｌ（θ）の　　ρ−５０ｃｍに於ける（ｎ−１）　
　−ザ」ジ」二区Ω−対応するＺｌ　　　　　　　　　
　−一　　　　　　　　　　　　−〜２　　　　　６３
．４　　　　　２５．０３　　　　　４９．１　　　　
　４３．３４　　　　　４０．１　　　　　５９．４７
３．４　　　　　１４．９ ５　　　　　３３．９　　　　　７４．５６２．０　　
　　　２６．５ ６　　　　　２９．３　　　　　８９．０５３．７　　
　　　３６．７ ７７．９　　　　　１０．７ ７　　　　　２５．９　　　　１０３．１４７．４　　
　　　４６．０ ６８．７　　　　　１９．．５ これらの内の成る位置は、容積の中心から実用的には遠
く離れており、他の位置は、特にコイル幅を考慮に入れ
ると互いに直接的に干渉する。この場合、５次高調波を
除去する必要がある時、採り得る唯一の選択は、ｌ−±
２６．５ｃｍの位置であり、こうして２つの別々のコイ
ル円筒を使わずに、２次高調波を除去することは出来な
くなる。

然し、これに関連して言うと、多数のコイル巻型を使う
ことは一般的には望ましくない。上に選んだ状況の場合
の最適として選んだ設計（特にρ＝５０−）が第３図に
示されている。偶及び奇の組の夫々１つが全ての高調波
を発生し、物理的に便利な場所に配置されている。偶の
組で１個の中心のコイルＬｏを使っていることに注意さ
れたい。

更に、第１図で奇のコイル対を表わすのに使った記号Ｌ
ｏを、・第・３＼図・の１個の中心にあるコイルを表わ
す記号Ｌ　、ｏ：：と混同しない様に注意されたい。

半径５５．９４’ｃｆｎを持つコイルで、種々のコイル
の特定の位置とその幅が第３図に示されている。

゛コイル装置は、硝子エポキシ複合体に加工した溝に取
付けることが好ましい。第３図のコイルが、前に述べた
中心平面を表わす鎖線の垂直中心線に対してＩＱＦＪの
対称性を持つことにも注意されたい。

コイルの位置は吋数で表わしである。更に第３図は座標
軸ρ及びｌをも示していることに注意されたい。然し、
これらの軸線は便宜上図示の位置に示したものであり、
相対的な方向を示している。

前にのべた様に、それらは円筒形コイル巻型の中心にあ
るのが正しい。コイルの幅は一般的に係数ａｎの大きさ
に関係する。この係数の大きさは、磁界の測定から実験
的に決定される。然し、実際的な観点からは、代表的な
一組のコイル幅を選択し、その電流をそれに応じて調節
することが好ましい。

この発明の補正コイル装置は超導電磁石コイルを調整す
るのに特に役立つ。然し、この発明の装置は抵抗性コイ
ルを用いる磁石装置又は永久磁石を用いる磁石装置にも
適用し得る。然し、その時間的な安定性が高い為、この
発明のコイルは、特に複数個の超導電巻線で構成された
主磁石に用いる時、超導電材料で構成することが好まし
い。

以上の説明から、この発明の補正コイル装置が、磁界の
軸方向の成分に対し、磁界の均質性を高める手段になる
ことが理解されよう。この発明の設計が、定められた程
度の補正を達成するのに必要な導体の合計アンペアター
ン数を減少することも理解されよう。

この発明の成る好ましい実施例を詳しく説明したが、当
業者であれば、種々の変更を加えることが出来よう。従
って、特許請求の範囲の記載は、この発明の範囲内に含
まれるこの様な全ての変更を包括するものであることを
承知されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図は円筒形コイル巻型と２対の軸対称巻線の簡略斜
視図で、奇及び偶のコイル巻線の対の違いを示している
。第２図はコイルの位置を表わすのに使われる座標系を
示す簡略図であり、円柱形容積内の磁界成分の球面調和
関数展開に用いられる座標変数を例示している。第３図
は第１図に示す様な装置の部分的な断面図で、特に図示
の様に円筒の長さに沿っで配置され且つ図示の様なコイ
ル幅を持つ６対の軸対称のコイルを用いたこの発明の実
施例を例示している。 主な符号の説明 １０：コイル巻型 Ｌ：コイル

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）円柱形容積内の磁界の軸方向成分の均質性を改善す
   る補正コイル装置に於て、前期容積の少なくとも一部分
   を限定する円筒形巻型と、該巻型の縦方向範囲に沿つた
   選ばれた位置で前記巻型上に配置された複数個の軸対称
   コイルの対とを有し、少なくとも１対の軸対称コイルが
   、該コイルの対によって発生された磁界の軸方向成分を
   表わす球面調和関数展開の０及び１でないｎ次項に寄与
   しない様に前記位置が選ばれている補正コイル装置。 ２）特許請求の範囲１）に記載した補正コイル装置に於
   て、前記コイルの対が超導電材料で構成されている補正
   コイル装置。 ３）特許請求の範囲１）に記載した補正コイル装置に於
   て、少なくとも１対のコイルが奇の組である補正コイル
   装置。 ４）特許請求の範囲１）に記載した補正コイル装置に於
   て、少なくとも１対のコイルが偶の組である補正コイル
   装置。 ５）特許請求の範囲１）に記載した補正コイル装置に於
   て、隣合って配置されたコイル巻線が重なり合わない補
   正コイル装置。 ６）特許請求の範囲１）に記載した補正コイル装置に於
   て、６対の軸対称コイルが設けられている補正コイル装
   置。 ７）特許請求の範囲６）に記載した補正コイル装置に於
   て、１対の軸対称コイルが前記展開の３次項に寄与せず
   、別の１対が前記展開の４次項に寄与せず、更に別の１
   対のコイルが前記展開の５次項に寄与せず、更に別の１
   対のコイルが前記展開の６次項に寄与しない様にした補
   正コイル装置。