JPS6180808A

JPS6180808A - 静磁場発生用コイル

Info

Publication number: JPS6180808A
Application number: JP59202450A
Authority: JP
Inventors: Sunao Sugiyama; 直杉山; Hideto Iwaoka; 秀人岩岡; Yuji Inoue; 井上　勇二
Original assignee: Yokogawa Medical Systems Ltd; Yokogawa Hokushin Electric Corp
Current assignee: GE Healthcare Japan Corp; Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1984-09-27
Filing date: 1984-09-27
Publication date: 1986-04-24
Also published as: DE3534383A1; JPH0315802B2; US4716370A; GB8523330D0; GB2165095B; DE3534383C2; GB2165095A

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】Ｃ発明の属する分野］本発明は、核磁気共鳴イメージング装買の磁場発生用コ
イルに関するものである。

［従来技術］核磁気共鳴（ｎｕｃｌｅａｒ　ｍａｇｃｔｉｃ　ｒｅｓ
ｏｎａｎｃｅ　−・・以下ＮＭＲと略記する）は、特に
物性物理、化学の分野において物質を微視的な立場より
理解できるという怠味において、他に見られない有力な
手段となっている。

ＮＭＲの特徴は、ただ一様な静磁場と弱い高周波磁場だ
けを用い、測定系と弱く相互作用する分光学の一手段で
あることにある。そして、Ｎ　Ｍ　Ｒで通常用いられる
＾周波磁場の１ネルギーはｉ　ｏ”〜１０　　Ｉルグ程
度であり、Ｘ線（１０−８〜１０−９エルグ）に比べて
極めて弱い。

この特徴のため、無侵？σ的な生体π１測技術として医
用面においても注目されている。特にＮＭＲ−ＣＴ（Ｃ
ＴはＣｏｍｐｕｔｅｒ　’Ｆｏｍｏｇｒａｇｈｙの略称
）として臨床的応用が研究されいているが、これは悪性
腫瘍にお【プる水分子を構成している水素原子核の核磁
気緩和時間が正常のそれに対し、数侶長いという報告（
Ｒ、Ｄ　ａｍａｄｉａｎ　　：　Ｓ　ｃｉｅｎｃｅ　　
Ｖ　ｏｆ１７１　　ｐ　１１５１　（１９７１）　）に
刺激されたためである。

さて、この様なＮＭＲ現象を用いて被検体の断層像を得
るＮ　Ｍ　Ｒイメージング装置における静磁場発生用の
コイルとして、通常第２図に示づような構造の常伝導マ
グネットが、人体用で性能が良いという理由から、広く
用いられている。

良い画象を１りるには、画像領域で１０ｐｐｍ程度の烏
い磁揚均一度にＪる必要がある。従来よりそのための各
種設計法が提案されており、核磁気共鳴医学研究会福に
よる刊行物ｒＮＭＲ医学Ｊ　　（１９８４年１月２０日
発行）の第７８頁ないし第７９頁には次のような設計法
が記載されている。

第２図に示すように４個のコイルを対称に配首すること
によって、磁場の２次、４次男には６次の誤差項を総べ
てＯにし、消去することが可能である。これをダブルへ
ルムホルツコイルとｎ　／υでおり、常伝導のＮＭＲイ
メージング用のマグネットに多用されている。

このコイル系の従来の設Ｓ１条件は次の通りである。

１）　集中電流ループと近似できる場合には、各コイル
の間隔を次のように選定する。

ＣＯＳθ＋　＝　Ｚ　＋　／　ＲＯ＝　０．７６５０６
ＣＯＳθ２−　Ｚ　２　／　Ｒ６−０，２８５２３コイ
ルのアンペアターン比：Ａ　Ｔ　２　／　Ａ　Ｔ　＋　＝　　１．４６６０この
とき、！１ｗＪの２次、４次、６次の誤差項はいずれも
Ｏとなって８次補償コイルが得られる。　　　　　　１
２）　有限な寸法の矩形断面コイルを組合せたダブルへ
ルムホルツコイルに関して、次のように選定する。

ｃｏｓ　　θ＋　　＝　Ｚ　＋　　／　Ｒｏ　　＝　　
０．７６５０６ｃｏｓ　　θ２　　＝　Ｚ　２　／　Ｒ
ｏ　　−０，２８５２３アンペアターン比：ＡＴ２７／△ｒ　＋　＝　　１．４６６０８ａ　、　／
　ａ、　＝　０．６７１８８なＪ３、各コイルの゛市流
密磨が同じであると覆れ（ｆｌｂ　＋　／　ｔ）２　＝
　　１．０１５２３となる。ただし、ａ＋　、ａ２＋　
ｔ）＋　＋　ｂ２（Ｒ。

どする。このように４７人を選定すれば、磁場番よ２次
と４次の誤差項が０となり、６次補償コイルとなる。

３）　有限な寸法の矩形断面のコイルを組合せたダブル
へルムホルツコイルに関して、８次補償コイルを４０る
寸法を第１表のように選定する。第１表で、Ｎａ＋、Ｎ
ｂ＋、Ｎａｚ＋Ｎｂｚ４よ各々ａ１．ｂｌ、ａ２．ｂ２
の最適寸法に対する相対的巻数を表わしている。

第１表８次補正コイル系では、磁場はＢｚ　（Ｚ、０）＝Ｂｏ　　［１＋７［１（Ｚ／ＲＯ）
”＋・・・・１・・・（１）となる。

このような従来の静磁場発生用コイルは、所定の高い均
一度の磁場を得ることはできるが、１）、２）、３）の
いずれの場合も内側コイルは、ａ２／ｂ２≧１で縦長で
ある。この様む」イルＣは、寸法（コイルの最大外形１
６００ｍｍ）や消費電力（約［１０ＫＷ）、重訂（約２
０００Ｋ　Ｑ　）等が大きく、またぞの割りにはり１ノ
アボア仔Ｃ（小さい方のコイル？Ｙで制限される）が小
さい（約７００ｍｍ　）という欠点があった。

［発明の目的］本発明のＬ１的は、この様な欠点を解消し、−挙に、小
型、軽量、低？ｌ！４費電力、低価格化を図り得る５？
’　Ｗｌ　楊発生用のコイルを提供することにある。

［発明のＩｌｌ要Ｊこの［１な目的を達成するために本発明では、高均−静
ｆｔｉ場発生コイルにおいて、中央に配置した１つのコ
イルと、これの両側に配置した一対の外側コイルｈ日ら
なる３つのコイルを備え、各コイル中心にＪ３ける２＠
方向磁界のティラー展開の各項をそれぞれ最小とするよ
うに配置すると共に、中央コイルの中央部の電流密度を
部分的に、伯の部分よりも凸めるように構成したことを
特徴とする［実施例１以下図面を用いて本発明の詳細な説明する。まず、均一
な磁場を（ｑる原理から説明を始める。

（１）　　第３図に示す円環電流によるＺ軸１−のＥｅ
ｌ　Ｊｎ　ｌ′、（２）のｌ方向成分は、ビイ・ザバー
ルの法ｎｌＪによって次のようになる。

ここに、Ｒ：円環の半径Ｓ二円環に沿った長さＨ二磁場のベクトル表現 ψ：２軸上の任意の点でのｄｓと２軸との開き角ｒ：ｚ軸上の任意の点からｄｓまでの距離 ■＝雷電流１１）　　次に、第４図に示すように、２つの円環電
流を２ｄ隔てて平行に配置した場合の磁場は下記の通り
である。２つのコイルの中心をＺ＝Ｑとして各コイルに
よる磁界ト１１．１′、２は、　　　　　　　　　　　
　！Ｈ＋　　（Ｚ）＝Ｈ（Ｚ−ｄ）　　　　、、、　　
（３）Ｈ２（Ｚ）＝Ｈ（ｚ＋ｄ）　　　　、、、　　（
４ンである。、（３）、（４）式を２＝０でティラー（
Ｔａｙｌｏｒ　）展開し、ト１（Ｚ）を用いて表わづと
、それぞれ（５）式と（６）式になる。

２つの円環電流による磁場は、Ｈ＋　＋　Ｈ２である６
日５、（５）、（６）式を加えて、となり、２の奇２シ
ベきのＪｎが消える。

この様に、ｚ＝Ｑで対称にコイルを配置する場合、Ｚ　
−＝　Ｑでのティラー展間には、ｌの偶数次のＪ＋１の
みが現れることが分る。

ここで、各係数を（２）式から具体的にｉ１亦するど（
８＞、　　（９）、　　＜１０＞式の通りである。なお
、見易くするために、Ｘ＝Ｚ／Ｒとおき、また１／２の
項ｄ３よび１／ｎ！は省略しである。

（２次Φ係莞わ＝−言”：ａ　（４−Ｘ２−ＩＸＩ＋Ｘ
２）−””　　　　　　自・（８）（１ｉ）　　ここま
では線電流について述べたが、有限な断面積を持つ４箇
のコイルについても同様に解析できる。２箇のコイルの
場合と同様ｚ−Ｑでの磁場のティラー展開には２の偶数
次の項のみが現れる。また、各係数は断面内に線電流が
分布していると考えて、断面仝休で加え合わせる（積分
する）ことで１ｑられる。

＋＋Ｖ）　　以上のようにして、Ｚ＝Ｑでの磁場のティ
ラー展間が得られる。仮に、有限な断面積を持っ４コイ
ルの２軸上の磁場ｈ（ｚ）がｚ＝ｏｒ（１１）式のよう
に展開できるとすると、ｈ　（Ｚ　）　Ｉ＝８６　＋ａ２　Ｚ２＋ａ４　　Ｚ’
←ａ６ｚ６＋・・・　　　　（１１）となる。ここで１２１＜１と仮定すると、＋２１”　　
　・ぐ　　１２１”　　　　　　　　　　　　（ｎ＞ｍ
）であるから、次数の低い係数はど磁場の均一度に大き
く影響することが分る。

４つのコイルでは自由度が３つある。すなわち、各コイ
ル径と、中心からの距離である。そこで、ｌａ２１．１
ａ４１．ｌａｓ　ｌの３つの項がそれぞれ最小となるよ
うに、または（ｌａ２１’＋１ａ４１２＋１ａ６１２）
＋７２が最小となるように、４コイルの形状を決めれば
、高均一な静磁場コイルを得ることができる。以上が均
一な磁場を得る原理である。

次に、特願昭５９−８４７６５の明ｌｌｌ書でも記載し
たが、静磁場マグネットの評価基準について述べておく
。

（Ａ）　　マグネットの評価関数として、一般に次の４
点を上げることができる。

■磁場の均一度とその領域 ■コイル重量 ■消費電力 ■クリアボア径実用上、■、■は大きい程良く、■、■は小さいほど良
い。

しかしながら、■を軽くづると■が大きくなり、■を大
きくすると、■、■、■が大きくなり、■を大きくする
と■、■が大きくなるというように、■〜■は互いに相
反する評価ｒ’Ａ＠であるため、■〜■のデータからマ
グネッ！〜の性能を評価づることは単純でない。

ただし、静磁場マグネットであるから、均一度が要求さ
れ、磁場強度も限定されるから、■、■。

■の各項目は「同じ広さの均一領域（例えば均一度が１
０ｐｐ−以下）で、同じ磁場強度」が１ｒ７られる条件
の下で比較するのが適切である。

（Ｂ）　　そこで、次のような評価関数を導入する。

フィルの形状を大きく変えない範囲で、コイル重量と消
費電力の積は一定である。

消′！！電力＝Ｐ−ｒ２　（２πＲ／Ｓ）ρ・Ｎ重量−
Ｗ＝Ｓ・２πＲ−Ｎ・δ　　　　　　　　　　１故に、ＰＸＷ′、２（２πＲ）２　・Ｎ２　・ρ・δ−（アン
ペアターン）２・（２πＲ）２　・ρ・δここで、ｆ：
電流Ｓ：ワイヤ１木の断面積 ρ：ワイヤの抵抗率Ｎ：ワイヤの巻数 δ：ワイヤの単位体積当りの重量Ｒ：コイル径つまり、消費電力とコイル重量との積が小さく、クリア
ボア径が広い程、良い静磁場発生用コイルであると計画
できる。

そこで、（消′Ｉ！電力）×（コイル！Ｉ！吊）＝Ｐ×
Ｗを重要な評価Ｉ３１］＠どする。

既述した均一磁場を得る原理に加えて、上記した静磁場
マグネットの新しい評価基準を基にして、４つのコイル
の形状を定めた結果、得られた静磁場発生用コイルが、
本出願人がした特願昭５９−８４７６５に係る発明であ
る。

本出願人はこの特ｍ　ｎＥ　５９　８４７６５の静磁場
発生用コイルの研究を史に進めた結果、以下に説明する
新しい静磁場発生用コイルの発明をした。

第１図は、本発明に係る静１４１’ｆＡ発生用コイルの
要点を表示した断面図である。本発明に係る静磁場発生
用コイルの特徴は、中央に配置された中央コイル１１と
、その左右に配置された１対の外側コイル！２．１ｚの
、計３つのコイルから構成されていること。および中央
コイル！、の中央ＲＩＳ　Ｐの電流密度が高く設定され
ている点である。なＪ３、中央部Ｐの２軸方向の幅をＷ
とする。

ここで、コイル断面の形状（大きさ、形）を固定して、
中央コイル１１の半径Ｒ１の値を変化させた場合を考え
る。このとき、６ｔｉ楊のｘ　＝＝　ｙ　＝　ｚ＝Ｏに
おけるティラー展間の２．４．６次のＪｒｉが、それぞ
れ最小どなるように既述した数式により、コイル＜１．
．１２．１３　）の位ｒ、外側コイル１２．１ｖの径、
及び中央コイル１１の電流密度が高い部分の幅Ｗを定め
ることかでさる。

例えば、中央部のコイルｌ＋は、２つの同形のコイルが
部分的に重ね合わさっていると考えることができる。重
ね合わさった部分がコイル１．のＰである。重ね合わさ
った部分だけ電流密度が２イ８になっているとδえれば
、既述したダブルへルムホルツヘ１ノコイルの場合と全
く同様に、各コイルの位置、径を求めることができる。

このような条件の下で、中央コイル１１の半径ＲＩを変
えた場合に、半径方向の均一領域〈例えばｉｏｐｐｍ以
下）の広さがどのように変化するかを第５図に示す−６
この”４”ｒ　５図は理論的に求めた図である。

第５図から分るように、中央コイルｌ嘗の成る値の半径
ＲＩを選択すると均一領域が大幅に拡大づる所があるこ
とが分る。つまり、コイル断面は、余り差がなくて６、
均一領域を際立って広くできる場合がある。

これを定性的に説明する。コイル内部の磁場分布であっ
て、巻線部にあまり近くない中央部では、コイル径Ｒｆ
が大きい場合は、コイル中心から直径方向に遠ざかるに
したがって磁場Ｈは下がる″プノ向に分布する。この状
態を第６図に示す。

一方、口、イルｉ￥Ｒｒか小さい場合では、逆にコイル
中心から直径方向に遠ざかるにしたがって磁場１」は“
上がる″方向に分布する。この状態を第７図に示す。つ
まり、第５図のように、磁場分布の変曲点に相当する所
で磁場分布が“水平″になり、弁誉嚇キテ均一領域が広
がる。これは、解析的には、（１）式のγ８が充分、零
に近くなっていることを示している。

このようなコイルの配置は、第２図の２つの内側コイル
Ｌ＋　、Ｌ２を部分的に重なり合わせたちのである。つ
まり、第２図に示した内側コイルＬ１、Ｌ２を一体化し
て第１図の中央コイルＩｔ　とし、かつ、中央コイル！
、の中央部Ｐ（重なり合った部分）の電流密度を他の部
分の２倍とした構成である。このような構成は、例えば
、中央部Ｐたけ、巻線を密に巻くとか、この部分だけ電
流を多く流す等で実現できる。

つまり、特願昭５９−８４７６５の磁場発生用コイルは
４コイルであって、前記した（ＰＸＷ）の護衛関数（ａ
、、あ７１１．！、、ヶ。よう、ヶう８、内。、ヨイ１
．，１１、Ｌ２２図が接触する。従って、この接触を避
けるため内側コイルＬｌ、’Ｌ２の形状に限界を設けた
。このような限界の下で１ｑられたのが特願昭５９−８
４７６５の静ｆ１１楊発生用コイルである。一方、本発
明では、この内側コイル同士が接触し、更にその一部が
重なった場合まで考慮した結果、上述のような３つのコ
イル？ｌ−構成した静磁場発生用コイルとしたのである
。

第２表は従来例との比較においてその特性を示したもの
であり、磁楊均−領域が大きく、しかも小型、！Ｉｌ　
ｉｆｌ、低消費電力のマグネットをｉｆｆることができ
たことが分る。

この場合、コイル断面の偏平度ａ／ｂ、外側コｆルｌｉ
、１コに対りる中央コイル１．の電流と５　Ｐ！ｌの１
１ｔの比ｒ′、外側コイル１２．１３に対する中央コイ
ル＋２＋のコイル半径比ＲＬ　／　ＲＳは、それぞれ次
の通りである。

中央コイル１１の　ａ／ｂｂｏ、０８外側コイルｆ１２．１３の　ａ　／　ｂ　”ｗ　０．５
Ｆ＜　＋、　／　ＲＳり１．３ｒ−七〇、Ｇ第２表［発明の効果］以上説明したように、本発明によれば、３コイル型式の
静磁用発生用常伝導コイルにおいて、中央と外側の各コ
イルについて、コイル断面の偏平度、電流比、コイル半
径比がそれぞれ所定の条件を満足する値となるように形
成することにより、小型、軽量１低消τｌ電力のものを
ｊｑることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は木兄Ｆ！Ｉｊに係る静磁場発生用コイルの構成
例の断面図、第２図は従来の静磁場発生用コイルの一例
を示ず４を成因、第３図Ｊ３よび第４図は円環′Ｉ￥ｉ
流と磁場との関係を説明するための図、第５図は中央コ
イルの径Ｒ１と均一領域との関係を示した図、第６図は
へルムホルツコイルのコイル径が小さい場合の磁界の強
さの分布を示した図、第７図はへルムホルツコイルのコ
イル径が大きい場合のべ１界の強さの分布を示した図で
ある。１、・・・中央コイル、！２．１ｓ・・・外側コイル。第！図第２図第３図ｓｚ＃０第５図（４ｔｈＬ日り≧１）Ｊ（７４０００（イ丘ｙ埒り目イ＝ト）中央コイル径（
ＲＩ）第６図　　　第７図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ＮＭＲイメージング装置に使用する静磁場発生用
コイルにおいて、中央コイル（ｌ＿１）と、この中央コイルの左右に配置
される一対の外側コイル（ｌ＿２、ｌ＿３）とを備え、
コイル中心における軸方向磁界のテイラー展開の２次、
４次および６次の各項をそれぞれ最小とするように前記
３つのコイルを構成し、かつ、中央コイル（ｌ＿１）の
中央部の電流密度を部分的に他の部分よりも高めるよう
に構成したことを特徴とする静磁場発生用コイル。
（２）各コイルの断面の偏平度ａ／ｂ、外側コイルの電
流と巻数の積に対する中央コイルの電流と巻数の積の比
ｒ′、及び外側コイルのコイル断面中心の半径Ｒ＿Ｓに
対する中央コイルのコイル断面中心の半径Ｒ＿Ｌの比Ｒ
＿Ｌ／Ｒ＿Ｓについてそれぞれ下記の条件が満たされる
ように構成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項
記載の静磁場発生用コイル。記中央コイルのａ／ｂ≒０．０８外側コイルのａ／ｂ≒０．５ｒ′≒０．６Ｒ＿Ｌ／Ｒ＿Ｓ≒１．３