JPS62194842A - 勾配コイル装置 - 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 この発明は全般的に磁気共鳴作像及び分光法に使われる
勾配磁界を発生するコイル装置、更に特定して云えば、
コイル装置の内部に直線勾配を持つと共にコイル装置の
外部に略ゼロの値を持つ磁界を発生するコイル装置に関
する。

磁気共鳴（ＭＲ）作像装置は、人間の内部の解剖学的な
部分の断層写真像を形成する為に現在用いられている。

こういう装置では、患者を静磁界の中に配置し、無線周
波電磁パルスをかける。患者の原子核の磁気共鳴をアン
テナを用いて検出し、その情報から、患者の内、こうい
う原子核を含む部分の像を形成することが出来る。共鳴
を生じた原子核の位置を決定することが出来る様に、磁
界は、３つの空間的な次元の各々に直線勾配を持ってい
る。同じ現象は、原子核の性質を解析する為に磁気共鳴
分光法にも用いることが出来る。

典型的には、主磁石が強さが強い一様な磁界を設定し、
主磁石の内部に配置した勾配コイルにより、この磁界に
直線勾配を重畳する。主磁石は超導電コイル、抵抗性コ
イル又は−組の永久磁石で構成することが出来る。勾配
コイルは、円筒を形成する様に弯曲させた可撓性印刷配
線板にエツチングによって作った巻線で構成してもよい
し、或いは正しい位置に伜によって保持された導体で構
成してもよい。

主磁石の中孔を作像容積に、従って勾配コイルに接近さ
せると、材料の量、コスト並びに永久磁石の場合を除い
て、消費電力の点で、磁石の効率が高くなる。然し、磁
石を勾配コイルにごく接近させることは、その間の望ま
しくない１・口互作用を招く。

例えば、主磁石が導電材料（例えば、ネオジミウムの永
久磁石か、又は超導電磁石の極低温槽）を持つ場合、勾
配コイルの変化する磁界が導電材料に電流を誘起する。

こういう電流が、時間的にも空間的にも、作像容積内の
磁界を歪める。更に、永久磁石を使う時、渦電流が散逸
する電力が熱となって現われ、磁界の歪みが更に強くな
る。勾配コイルと磁石の間に導ｔｌＪＩ蔽体を配置とす
るという解決策は、単に渦電流を遮蔽体に移すだけで、
勾配磁界の歪みは相変らずである。

主磁石と勾配コイルの間の磁気的な相互作用により、引
力及び反撥力を生じ、それが気になる可聴音を生ずる。

強度並びに堅牢性のよい構造的な支持体を用いて、勾配
コイルからの可聴音を少なくする試みがあったが、それ
でうまく行く程度も限られていた。

従って、この発明の主な目的は、ＭＲ作像装置の主磁石
と勾配コイルの間の相互作用を少なくすることである。

この発明の別の目的は、こういう装置の内部に略直線的
な勾配を持つと共に、コイル装置の外部で略ゼロの値を
持つ磁界を発生する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、勾配コイルの磁界によって主磁
石に誘起される電流を実際的に除くことである。

この発明の別の目的は、核磁気共鳴作像装置の勾配コイ
ルからの可聴音を少なくすることである。

発明の要約 上記並びにその他の目的が、第１及び第２のコイルで構
成されていて磁界を発生するコイル装置によって達成さ
れる。第１のコイルは電流源に結合される様になってい
て、半径ｒｉ及び軸長ｚｉを持つ第１の円筒の表面に第
１の表面電流を生ずる。第２のコイルは電流源に結合さ
れる様になっていて、ｒｉ　より大きい半径ｒ０及び軸
長ｚＯを持つ、前記第１の円筒と略同軸の第２の円筒の
表面に第２の表面電流を生ずる。第１及び第２の表面電
流は、第１のコイルによって囲まれた容積内では、予定
の次元に沿って予定の勾配を持つと共に他の２つの次元
にわたって略一定の値を持つと共に、第２のコイルの外
側の容積では略ゼロの値を持つ磁界を発生する様になっ
ている。

この発明の新規と考えられる特徴は特許請求の範囲に具
体的記載しであるが、この発明自体の構成、作用及びそ
の他の目的並びに利点は、以下図面について説明する所
から更によく理解されよう。

発明の詳細な説明 次に図面について説明する。第１Ａ図は長さし及び中心
軸線Ａを持つ円筒形勾配コイル１０を示しており、その
内部に勾配磁界を発生する。３つの空間的な次元ｘ、　
　ｙ、　　ｚが原点Ｏから伸び、２座標は軸線Ａと平行
である。Ｘ座標が水平に伸び、ｙ座標が垂直に伸びる。

更に円柱座標ｒｉθ及び２も示されているが、これはｘ
、ｙ、ｚによって次の様に定義することが出来る。

’　＝　（ｘ２＋ｙ２　）　１／２ θ−ａｒｃｔａｎ　（ｙ　／　ｘ　） 座標系が円筒形コイル１０の内部並びに外部の点を定め
る。

コイル１０の巻線は、第１Ｂ図に示す様に可撓性印刷配
線板１１の上に形成することが出来る。

巻線１２ａ乃至１２ｄ（これは指紋とも呼ぶ）を配線板
１１にエツチングして作るが、その形は、配線板１１を
円筒に丸めて巻線１２ａ乃至１２ｄに電流を印加した時
、所望の勾配磁界が発生される様にする。第１Ｂ図に示
す巻線パターン（即ち、表面電流）は、１９８３年１１
月２０に出願された係属中の米国特許出願通し番号節５
４８，１７４号に記載されている勾配コイルのものであ
る。

可撓性配線板のエツチングは、１９８５年１１月４日に
出願された係属中の米国特許出願通し各号第７９５，０
２４号に記載されている。

円筒形コイル１０の横断面図が第２Ａ図に示されている
。この場合、表面電流が半径ｒｉ　を持つ円筒に制限さ
れている。領域Ｉに於けるコイル１０の内部の所望の磁
界勾配の仕様により、コイル１０の所要の表面電流分布
と領域■に於けるコイル１０の外側のゼロでない磁界が
一意的に決定される。この為、領域Ｈにある任意の構造
（例えば主磁石）は、コイル１０の時間的に変化する磁
界の作用を受け、こうして渦電流を誘起し、それが領域
Ｉの勾配を歪める。

この発明のコイル装置の断面図が第２Ｂ図に示されてい
る。半径「ｉを持つ第１のコイル２０が半径ｒｏを持つ
第２のコイル３０と同軸である。

コイル２０．３０を直列に接続して、１個の電源によっ
て各々のコイルに同じ電流を供給し得ることが好ましい
。第１の表面電流Ｊ１がコイル２０に流れ、第２の表面
電流Ｊ２がコイル３０に流れる。この場合、領域ｌの所
望の磁界勾配を特定しても、２つの電流分布は一意的に
決まらない。領域■の何処ででも磁界がゼロになるとい
う別の条件を加えることが出来る。この場合、一方の表
面電流とコイルの半径を固定すると、他方の表面電流が
決まる。次に、領域Ｉに所望の勾配を生じ、　　。

領域■にゼロの磁界を生ずる様な１対の円筒形表面電流
をみつける方法の例を説明する。然し、当業者であれば
、円筒以外の面を用いてもよいこと、並びに和の磁界が
コイル装置の内部で所望の勾配を持ち、その外側で略ゼ
ロの値を持つ限り、２つより多くのコイルを用いてもよ
いことが理解されよう。

勾配コイルの表面電流を記述する普通の方法は、流れ関
数によるもので西る。流れ関数Ｓは、流れのことごとく
の領域に源又はシンク（即ち、流れがそこで発生したり
そこで消滅する点）がない様な流れを記述する。定数Ｓ
の線が流れ（例えば、表面電流子の流れ）と平行である
。表面電流子（ｚ、　　θ）は流れ関数Ｓ　（ｚ、　　
θ）の導関数及びハ　　　　ハ ２及びθ単位ベクトルと次の様な関係を持つ。

Ｊ　（ｚ、　　θ）　＝　−（ａ　Ｓ　／　ａ　ｚ　）
θ＋（１／ｒ）（δＳ／δθ）２ 流れ関数によって出来る流線（即ち定数Ｓの線）は一連
の同心閉曲線であり、それが表面電流Ｊの理想化した表
示である。実際の表面電流は、Ｓの予定の階段形の寸法
だけ隔たる多数の流線をグラフに描き、各々の閉曲線を
成る点で切り、各々の曲線を隣りの曲線と結合して渦巻
形巻線パターンを形成することによって導き出される。

切る点が略同−直線上にあって、渦巻形巻線パターンの
一番内側の部分に結合する為にコイルの外側から持込む
導線を、流線を切る影響を実質的に相殺する様な平行配
置にすることが出来る様にするのが好ましい。

第３図はＸ方向又はｙ方向の勾配を発生する為に商業的
なＮＭＲ装置で現在使われている勾配コイル巻線パター
ンと同様な巻線パターンである。

このグラフは指紋に対応しており、勾配コイルでは４回
繰返される。勾配コイルが長さし及び半径「、を持って
いる。各々の指紋が電流Ｉを通し、Ｎターンを持ち、２
方向にＬ／２の長さを持ち、θ方向にπラジアンの高さ
を持っている。

第３図の巻線パターンを用いたコイルを第２Ｂ図の内側
コイル２０として使うことが出来る。その場合、内側及
び外側コイルの磁界の和が、領域■では略直線的な勾配
磁界になり、領域■では略ゼロの値になる様な、外側コ
イルに対する巻線パターンを決定することが出来る。

所望の巻線パターンをみつける最初の工程は、内側コイ
ルの予め限定された表面電流を流れ関数で書くことであ
る。第３図の例では、流れ関数Ｓ１は次の通りである。

内側コイルの流れ関数８１をフーリエ分解すると 内側及び外側コイルによって発生された磁界を解析する
と、領域■で磁界がゼロになる様に選ばれた、外側コイ
ルの流れ関数８２に対する次の式％式％ こ＼で１１は第１種の変形ベッセル関数であり、“′”
は引数全体に対する導関数である。流れ関数８２が無限
の長さのパターンを定めるが、内側コイルの長さより大
きな２の値に於ける電流の重要性が、２の増加と共に急
速に低下する。有限の長さのコイルを求める為に考えら
れる１つの方法は、このパターンを単に打切ることであ
る。打切りの影響を部分的に補償する別の方法は、外側
コイルに対して法線方向の磁界をコイルの長さにわたっ
て強制的にゼロにすることである。コイルの長さが長く
なるにつれて、この条件により、Ｓ２に近づく巻線パタ
ーンが得られる。然し、任意の所定の有限の長さのコイ
ルに対し、この条件により、Ｓ２の打切りよりも遮蔽特
性がよいコイルが得られる。

外側コイルに対して法線方向の磁界をコイルの長さにわ
たって強制的にゼロにするという条件によって修正した
関数８２に対応する巻線パターンが第４図に示されてい
る。外側コイルの半径ｒＯと内側コイルの半径「、の比
は約１．３である。

この発明の別の１面では、内側及び外側コイルの巻線パ
ターンは、表面電流を記述する他の流れ関数を選択する
ことによって、平行して設計することが出来る。Ｘ勾配
はｙ勾配の内側コイルに対する１例としての流れ関数８
１は ニーで係数Ａｎは最適化パラメータであり、ｚＩはコイ
ルの長さの半分である。同様に、外側コイルの流れ関数
８２は次の通りである。

こ＼でＢｌｎは最適化係数であり、ｚＯは外側コイルの
打切った長さの半分である。更に一般的な形のこういう
流れ関数を用いて、所望の磁界を発生する表面電流を記
述する流れ関数の係数をみつけることが出来る。

原点近くの作像容積内の勾配磁界の表示として、空間の
一連の点を選ぶ。内側コイルの初期の長さ２・ｚｉ及び
それに対する初期の一組の係数を選択した後、各々の係
数に対し、作像容積内の各点の磁界を計算する。その後
、所望の勾配と計算された勾配の間の差の自乗の和を最
小にすると共に、コイル装置の外側の磁界が実質的にゼ
ロになる遮蔽効果が得られる様に、係数を修正する。内
側コイルの長さを増減すると共に、含める係数の数を少
なくしたり多くすることにより、直線性、電流密度、所
要電力及び全長の妥当な組合せが得られるまで、繰返し
を行なう。

一般的に、出来るだけ小さな一組の係数並びに出来るだ
け短い長さを使うことが望ましい。長さが短くなると、
直線性が狂うが、磁界の貯蔵エネルギが低下する。一層
大きな一組の係数を使うと、直線性は改善されるが、貯
蔵エネルギも増加し、電流密度に大きな変動を生ずる。

第５図及び第６図は、この別の方法によって得られた巻
線パターンを示しており、これはＸ勾配又はｙ勾配のコ
イル装置に対する内側及び外側コイルの巻線を夫々エツ
チングする為に使われた。

２勾配に対するコイルも同様に用いることが出来、その
形は、解に使われるベッセル関数の次数を０次に変える
ことにより、上に述べた方法に従って導き出すことが出
来る。この様な２勾配コイル装置の内側及び外側コイル
に対する流線のグラフの例が夫々第８図及び第９図に示
されている。流線を結合して、前に述べた例に示す様な
連続的な通路を形成し、所望の巻線パターンを形成する
。

第１０図乃至第１３図は、これまで説明した種々の勾配
コイルに電流を供給した時に発生される磁界の一定の大
きさの線のグラフである。これらのグラフは、磁気遮蔽
を行なう上でのこの発明のコイル装置の有効性を示して
いる。

第１０図は第３図の巻線パターンを持つ１個のＸ勾配又
はｙ勾配コイルの磁界のグラフである。

０．３３ｍのコイル半径の２倍にわたって、かなりの磁
界が拡がっていることは明らかである。０゜４４ｍの半
径の所に、第４図の巻線パターンを持つ第２のコイルを
追加すると、第１１図の磁界の様になる。比較の為、内
側及び外側コイルの電流は、原点の近くで第１０図に示
す場合と同じ勾配磁界になる様に調節しである。内側コ
イルの内部の磁界は同様であるが、外側コイルの外側の
磁界は、コイル装置から半径方向に遠ざかる時に、急速
にゼロに減少する。

第１２図及び第１３図は２勾配コイル装置に対する同様
な結果を示す。従来の巻線パターンを持ち、０．３３ｍ
の半径を持つ１個の２勾配コイルが発生する磁界が第１
２図のグラフに示されている。第１３図は、第８図及び
第９図の流線のグラフから導き出した巻線パターンを持
ち、夫々０゜３３ｍ及び０゜４４ｍの半径を持つ内側及
び外側の２勾配コイルを用いた時の磁界のグラフである
。

第７図は主磁石４０を持つ磁気共鳴装置の断面図である
。この発明の勾配コイル装置４１が主磁石４０の中に配
置される。ＲＦコイル４２が作像容積４５内に配置され
た被検体４４の共鳴を刺激する電磁パルスを発生する。

被検体４４の磁気共鳴をアンテナ４３によって検出する
。アンテナ４３からの信号を使って、被検体の像を構成
する。

以上、主磁石との相互作用を減少した勾配コイル装置を
説明した。コイル装置が発生する磁界は、コイル装置の
内部で直線的な勾配を持つと共に、コイル装置の外側で
略ゼロの値を持っている。誘起される渦電流を除いたこ
とにより、勾配磁界の安定性が改善される。勾配コイル
装置の内側及び外側コイルをしっかりと結合すると、勾
配コイル装置と主磁石の間の力が実質的に相殺されて、
可聴音が減少する。

この発明の好ましい実施例を図面に示して説明したが、
この実施例が例にすぎないことは云うまでもない。当業
者には、この発明の範囲内で種々の変更を加えることが
出来よう。従って、特許請求の範囲は、この発明の範囲
内に属す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１Ａ図は勾配コイルを発生する為に印刷配線板に設け
られた１個のコイルの斜視図、第１Ｂ図は第１Ａ図のコ
イルを巻解いて巻線の形を示す略図、 第２Ａ図は第１Ａ図のコイルの断面図、第２Ｂ図はこの
発明のコイル装置の断面図、第３図は普通の勾配コイル
の巻線パターンを示すグラフ、 第４図は第３図のパターンと共に使うのに適した遮蔽コ
イルの巻線パターンを示すグラフ、第５図は第２Ｂ図の
内側コイルの一部分の巻線の１例の形を示すグラフ、 第６図は第５図の巻線の形と共に用いた時、外側の磁界
がゼロになる様な、第２Ｂ図の外側コイルの一部分の巻
線の形を示すグラフ、 第７図はこの発明を用いた磁気共鳴装置の断面図、 第８図は２勾配コイル装置の内側コイルの流線を示すグ
ラフ、 第９図は第８図の内側コイルのグラフに対応する外側コ
イルの流線のグラフ、 第１０図乃至第１３図は遮蔽コイルを使うことによって
達成される改良を例示する、勾配コイルの磁界を示すグ
ラフである。 主な符号の説明 ２０：内側コイル ３０二外側コイル ス（メート１り 令で ２（メートｔリ ウ／〕 ｚ（、ｃ−ト＋リ ス（ｌ−ト一〇

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）ＭＲ装置に対する勾配コイル装置に於て、複数個の
   コイルを有し、各々のコイルは夫々の表面電流分布を持
   つ様になっており、該表面電流分布によって生ずる磁界
   はコイル装置の内部の予定の区域で予定の勾配を持つと
   共にコイル装置の外側では略ゼロの値を持つ勾配コイル
   装置。 ２）特許請求の範囲１）に記載した勾配コイル装置に於
   て、各々のコイルが円筒形である勾配コイル装置。 ３）特許請求の範囲２）に記載した勾配コイル装置に於
   て、各々のコイルが夫々の印刷配線板にエッチングによ
   って作った巻線で構成される勾配コイル装置。 ４）特許請求の範囲１）に記載した勾配コイル装置に於
   て、前記コイルが直列に接続され、コイル装置が１個の
   電源から動作電流を受ける様になっている勾配コイル装
   置。 ５）磁界を発生するコイル装置に於て、 電流源に結合される様になっていて、半径ｒ＿ｉ及び軸
   長ｚ＿ｉを持つ第１の円筒の表面に第１の表面電流を生
   ずる第１のコイルと、 電流源に結合される様になっていて、ｒ＿ｉより大きい
   半径ｒ＿０及び軸長ｚ＿０を持つ、前記第１の円筒と略
   同軸の第２の円筒の表面に第２の表面電流を生ずる第２
   のコイルとを有し、 前記第１及び第２の表面電流が相互に発生する磁界は、
   前記第１のコイルによって囲まれた容積内では、予定の
   次元に沿って予定の勾配を持つと共に他の２つの次元に
   わたって略一定の値を持ち、且つ前記第２のコイルの外
   側の容積では略ゼロの値を持つコイル装置。 ６）特許請求の範囲５）に記載したコイル装置に於て、
   前記軸長ｚ＿０が前記軸長ｚ＿ｉより大きいコイル装置
   。 ７）特許請求の範囲６）に記載したコイル装置に於て、
   前記第１及び第２のコイルが夫々第１及び第２の印刷配
   線板にエッチングによって作った巻線で構成されており
   、各々の印刷配線板が円筒を形成する様に弯曲している
   コイル装置。 ８）特許請求の範囲５）に記載したコイル装置に於て、
   前記コイルが直列に接続されているコイル装置。 ９）磁界を発生するコイル装置に於て、 電流源に結合される様になっていると共に、半径ｒ＿ｉ
   及び軸長２・ｚ＿ｉを持ち、第１の流れ関数の導関数に
   略等しい内側表面電流分布を発生する内側コイルを有し
   、前記第１の流れ関数は、ｚを−ｚ＿ｉから＋ｚ＿ｉま
   で変化する軸方向の座標、θを０から２πまで変化する
   円周方向の座標として、変数ｚ及びθに対して定義され
   ていて、該第１の流れ関数は、ｎを１から予定の数Ｎま
   での整数として複数個の係数Ａ＿ｎを持ち、前記第１の
   流れ関数が次の式 ▲数式、化学式、表等があります▼ によって定義され、更に、 電流源に結合される様になっていて、前記内側コイルと
   略同軸で半径ｒ＿０及び軸長２・ｚ＿０を持っていて、
   ｚが−ｚ＿０から＋ｚ＿０まで変化するものとして、第
   ２の流れ関数に略等しい外側表面電流分布を生ずる外側
   コイルを有し、前記第２の流れ関数は、ｍを１から予定
   の数Ｍまでの整数として、複数個の係数Ｂ＿ｍを持ち、
   前記第２の流れ関数が次の式 ▲数式、化学式、表等があります▼ によって定義されており、 前記内側及び外側表面電流分布は、前記内側コイルによ
   って囲まれた容積内では、予定の次元の勾配及び他の２
   つの次元にわたる略一定の値を持つと共に、前記外側コ
   イルの外側の容積では略ゼロの値を持つ磁界を発生する
   様になっており、前記係数の値は前記磁界の所望の勾配
   と発生された勾配の間の差の自乗の和を予定の限界内に
   最小にする様になっているコイル装置。 １０）特許請求の範囲９）に記載したコイル装置に於て
   、前記内側及び外側コイルは夫々第１及び第２の印刷配
   線板にエッチングによって作られた巻線で構成され、各
   々の第１及び第２の印刷配線板が円筒を形成する様に弯
   曲しているコイル装置。 １１）当該主磁石の内部にある作像容積内に一様な磁界
   を設定する主磁石と、 前記作像容積内にある原子核の核磁気共鳴を刺激する為
   に前記作像容積を電磁エネルギでパルス駆動する無線周
   波手段と、 前記作像容積内にある原子核の核磁気共鳴を感知する検
   出手段と、 前記主磁石の一様な磁界の中に配置された第１の勾配コ
   イル装置とを有し、該第１の勾配コイル装置は内側及び
   外側コイルで構成されており、前記内側コイルは電流源
   に結合される様になっていて、半径ｒ＿ｉ及び軸長ｚ＿
   ｉを持つ第１の円筒の表面に第１の表面電流分布を生じ
   、前記外側コイルは電流源に結合される様になっていて
   、前記第１の円筒と略同軸で、ｒ＿ｉより大きい半径ｒ
   ＿０及び軸長ｚ＿０を持つ第２の円筒の表面に第２の表
   面電流分布を生ずる様になっており、前記第１及び第２
   の表面電流が、前記第１のコイル装置内の第１の次元に
   沿って勾配を持つと共に他の２つの次元にわたって一定
   の値を持つと共に、前記第１の勾配コイル装置の外側で
   略ゼロの値を持つ磁界を発生する様になっている磁気共
   鳴装置。 １２）特許請求の範囲１１）に記載した磁気共鳴装置に
   於て、更に第２及び第３の勾配コイル装置が、夫々のコ
   イル装置内の残りの２つの次元の各々に沿って勾配を持
   つ磁界を設定し、該磁界が夫々のコイル装置の外側で略
   ゼロの値を持つ様にした磁気共鳴装置。