JPS62224005A

JPS62224005A - 核スピン共鳴装置用磁石

Info

Publication number: JPS62224005A
Application number: JP62058687A
Authority: JP
Inventors: ホルスト、ジーボルト; フランツ、シユトラーワルト
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1986-03-19
Filing date: 1987-03-13
Publication date: 1987-10-02
Also published as: DE3764502D1; EP0238909A1; US4799017A; EP0238909B1

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】〔産業上の利用分野〕本発明は、核スピン共鳴イメージング（核スピン−トモ
グラフィ）装置用の基本磁界磁石に関する。

〔従来の技術〕

管状のコイルボビンの上に共通の軸線に沿って相前後し
て配置されている少なくとも６つのリング状の超伝導個
別コイルを含んでおり、これらの個別コイルがそれぞれ
予め定められたアンペアターン数を存し、また撮像範囲
の中心を通って軸線に対して垂直に延びている対称面に
関して対状に対称にかつ対称面から予め定められた中心
距離に配置されており、対称面からの距離の増大と共に
内側、中央および外側個別コイルの各１つの対が構成さ
れていることによって、撮像範囲内に、予め定められた
第１の磁界の強さおよび十分な均一性を有する基本磁界
を発生する核スピン共鳴イメージング（核スピン−トモ
グラフィ）装置用基本磁界磁石は米国特許第４３８５２
７７号明細書から公知である。

医学診断の分野で、検査すべき特に人間の身体またはそ
の部分の特定の元素の核の計算上または測定技術上融合
した共鳴信号が解析されるイメージング方法が開発され
ている。こうして得られた空間的なスピン密度および（
または）緩和時間分布からＸ線トモグラムに類似した１
つの像が構成される。相応の方法が“核スピン−トモグ
ラフィ”　（核磁気共鳴トモグラフィ）または“ツォイ
グマトグラフィ（Ｚｅｕｇｍａｔｏｇｒａｐｈｉｅ）”
という名称で知られている。

核スピン−トモグラフィの前提条件は、いわゆる基本磁
界磁石から発生される強い基本磁界が予め定められた広
がりの撮像または検査範囲内で可能なかぎり均一である
こと、また検査すべき身体が一般に基本磁界の方向軸線
と一致する１つの軸線に沿って基本磁界のなかに入れら
れることである。この基本磁界は定常的および（または
）パルス状のいわゆる勾配磁界により重畳される。さら
に、身体内の個々の原子核の２差運動を励起するために
は、短時間にわたり高周波の交流磁界を励起し得る特別
なアンテナ装置が必要である。高周波信号の受信のため
に特別な測定コイルを設けたくない場合には、上記のア
ンテナ装置により高周波信号が受信される。

基本磁界磁石は特に、基本磁界の方向に相前後して配置
されている６つのリング状の超伝導個別コイルを有し、
これらの個別コイルは共通のコイルボビンの上に配置さ
れている。そのために、冒頭に記載した種類の米国特許
から公知のコイルボビンは相応の溝を設けられている。

これらの溝は、撮像範囲の中心を通って方向軸線に対し
て垂直に延びている１つの対称面に関して対状に対称に
、かつこの対称面から予め定められた中心距離に配置さ
れている。溝のなかに外から個別コイルの巻線が入れら
れる。その際に、撮像範囲内の基本磁界の所望の磁界の
強さまたは磁気誘導に応じて、対称面からの溝の個々の
距離と、溝のなかに入れるべき個別コイルの導体のター
ン数と、コイルの導体を流れる電流とが予め定められて
いる。そのために相応の個々のパラメータが公知の仕方
で計算される（″ジャーナル・オブ・アプライド・フィ
ジックス（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐ
ｈｙｓｉｃｓ）　　”、第３８巻、第６号、１９６７年
５月、第２５６３〜２５８６頁参照）、すなわち、予め
定められた寸法のコイルボビンを有する基本磁界磁石に
対しては、所望の磁界の強さおよび十分な均一性を有す
る基本磁界を得るために、これらの価々のパラメータが
一義的に定められている。さらに、公知の基本磁界磁石
は一連の追加コイルを設けられている。これらの追加コ
イルは６つの個別コイルと電気的に一括接続されておら
ず、それらから分離して励磁される。従って、追加コイ
ルはシム−コイルを成している。

核スピン−トモグラフィには、寸法は同一であるが、た
とえば０．５Ｔないし２Ｔの相異なる作動磁界の強さま
たは磁気誘導を生ずる超伝導基本磁界磁石が使用される
。そのために必要な個別コイルの超伝導材料は非常に高
価であり、また物理的・技術的に予め定められた最大通
電能力を有するので、相異なる強さの基本磁界磁石はそ
の巻線パケットの相異なる断面積を必要とする。すなわ
ち、これらの個別磁石は相異なるアンペアターン数に対
して設計されていなければならない、さらに、核スピン
−トモグラフィでは基本磁界が利用可能な撮像範囲内で
非常に均一でなければならないので、作動磁界の強さの
変化の際には巻線断面積またはアンペアターン数となら
んで個別コイルの空間的位置もそれぞれ新たに調節され
なければならない、しかし、このことは一般に、相異な
る磁界の強さの磁石に対して、そのつど予め定められた
導体集合を巻くために、他の寸法を有するそれぞれ１つ
の他のコイルボディを作らなければならないことに通ず
る。その結果、費用のかかる在庫もしくは磁石の発注か
ら引渡までの長い期間が必要とされる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明の目的は、冒頭に記載した［６のコイルボビンを
、種々の磁界の強さに対する基本磁界磁石を比較的価か
な費用で提供し得るようにすることである。

〔問題点を解決するための手段〕

この目的は、本発明によれば、特許請求の範囲第１項に
記載の基本磁界磁石により達成される。

本発明による基本磁界磁石のコイルボビン上では、個別
コイルの位置は（第１の磁界の強さを発生するための）
最も強い磁石に対して正確に確定されている。その際常
に対称面に関する対称性が利用される。３つのコイル対
から成ろシステムでは、予め定められた基本磁界を発生
し、かつ球関数による公知の磁界展開式の５つの最初の
偶数項を消去するため、３つのターン数および３つのコ
イル位置、すなわち６つの自由度が設計者に与えられる
。奇数項は対称性のゆえに消滅する。いま、このコイル
ボビンによりＢいほうの（第２の）′／ＪｅＬ界の強さ
を存する磁石を構成したい場合には、最も強い磁石から
のコイル位置を引き継ぐならば、磁界誤差の消去のため
にただ２つの自由度が残されている。しかし、このこと
は受容不可能な大きい磁界誤差に通ずる。しかし、本発
明により補助コイル対を導入すれば、再び１つの追加的
な自由度が得られる点で有利である。この補助コイル対
の特別な位置およびその中心半径の選定により、また内
側コイル対および中央コイル対において本発明により行
うべきターン数の補正により、磁界誤差は全体として、
弱いほうの磁界の強さおよび十分に高い均一性を有する
磁石を構成するためにコイルボビンの使用が可能とされ
るように、小さく保たれ得る。その際に補正は、外側の
個別コイルのターン数の選定、その元来の外側半径、使
用される導体の断面積ならびに補助コイルの位置および
中心半径に関係して行われる０本発明により基本磁界磁
石を構成することによって得られる利点は、そのコイル
ボビンが相異なる磁界の強さの磁石に対して使用され得
ることである。その際に、超伝導材料の必要条件が、第
１の磁界の強さを発生するために必要な最も強いバージ
ョンにくらべて軽減される。

本発明による基本磁界磁石の有利な実施態様は特許請求
の範囲第２項以下にあげられている。

〔実施例］以下、図面に示されている実施例により本発明を一層詳
細に説明する。

第１図に部分的に示されている基本磁界磁石は核スピン
共鳴によるイメージング装置の公知の実施例から出発し
ている。全体として参照符寄主を付されている基本磁界
磁石は、ｘ−ｙ−ｚ直角座標系の水平ｚ軸に関して同心
に配置されており２方向に１つの基本磁界を発生するた
めの超伝導個別コイルの系を含んでいる。この基本磁界
は、その中心点Ｍに座標系の座標原点が位置すべき１つ
の撮像範囲内で十分に均一である。基本磁界磁石はこの
均一な撮像範囲への軸線方向の近接を許す。

すなわち、検査すべきたとえば人間の身体が２軸に沿っ
て磁界範囲内に入れられる。

基本磁界磁石主は好ましくは、ｚ軸に沿って相前後して
並べられている６つのリング状の個別コイルを含んでい
る。これらの個別コイルのそれぞれ２つは、座標系のｘ
−ｙ軸を含む面Ｓに関して対称に配置されており、個別
コイルの３つの対ＰＬ　Ｐ２およびＰ４が生じている０
図面には、この対称面Ｓの１つの側に位置する基本磁界
磁石の２軸の上側にある部分のみが詳細に示されている
。

すなわち、対称面Ｓのほうを向いた内側のコイル対ＰＩ
はその個別コイル１１により、外側のコイル対Ｐ４はそ
の個別コイル１４により、またそれらの間に位置する中
央の個別コイル対Ｐ２はその個別コイル１２により示さ
れている。

本発明によれば、外側コイル対Ｐ４の個別コイル１４の
付近に配置される補助コイルのもう１つの対Ｐ３がさら
に設けられており、この補助コイル対は図面中にそのコ
イル１３により示されている。これらの補助コイル１３
は別個の電源から電流を供給されずに、個別コイル１１
．１２および１４と直列に接続されており、従って追加
的な電流供給を必要としない、好ましくは統一的な超伝
導体から製造されているコイル対Ｐ１ないしＰ４のすべ
てのコイル１１ないし１４は、中空シリンダ状のコイル
ボビン１工の相応の溝２１ないし２４のなかに外から入
れられる。対称面Ｓに関してのこれらのＲ２１ないし２
４またはそのなかに配置されたコイル１１ないし１４の
中心距離は図面中に２軸上に２１ないしＲ４で示されて
いる。

本発明によれば、コイルボビン１工は、それにより種々
の磁界の強さまたは磁気誘導の基本磁界磁石を構成する
ように設計されていなければならない、コイル対のコイ
ルの個々のアンペアターン数および対称面に関するそれ
らの位置を定めるため、最大の磁界の強さまたは磁気誘
導を発生すべき１つの基本磁界磁石が基礎とされている
。この最大の磁界の強さを以下では第１の磁界の強さと
呼ぶ。この第１の磁界の強さは公知の仕方で個別コイル
１１または１２または１４の３つの対Ｐ１、Ｒ２および
Ｒ４によってのみ発生されなければならない。対称面Ｓ
に関するそれらの中心路１ｉ１１ｚ＋、Ｒ２および２４
ならびに所与の電流におけるそれらのアンペアターン数
は公知の仕方で求められる（前記の文献“ジャーナル・
オプ・アプライド・フィジックス”参照）、相応の個別
コイルの中心路１１ｚ＋、Ｒ２およびＲ４ならびにアン
ペアターン数Ｎ、、Ｎ２およびＮ４の値および外側個別
コイル１４の導体断面［ｑ４の値は第１の磁界の強さに
関係して予め定められている０図面中には、この第１の
磁界の強さの相応の基本磁界磁石がその個別コイルによ
り示されており、それらの外側３１または３２または３
４はそれぞれ破線により示されている。最も外側の個別
コイル３４のこうして生ずる外側半径はＲ４で示されて
いる。

さて本発明によれば、同一のコイルボビン１１により、
第１の磁界の強さにくらべて弱い第２の磁界の強さが発
生され、その際に同一の溝２１．２２および２４のなか
に少ないほうのターン数Ｎ　、　／、Ｎ２′およびＮ４
′を有する個別コイル１１．１２および１４が巻かれて
いる。対称面Ｓからの個別コイル１１．１２および１４
の中心距離ｚ１、Ｒ２およびＲ４ならびにそれらの内側
半径はこうして不変である。さらにこれらの個別コイル
の材料である超伝導導体の通電能力はその断面積および
技術的実施態様（超伝導材料対安定化材料比、製造テク
ノロジー）に関係するので、低いほうの（第２の）作動
磁界の強さに対しては外側個別コイル１４に対して他の
導体断面積Ｑ４’が選定され得る。

さて、減ぜられた磁界の強さを有する磁石１を構成する
ためには、先ず少ないほうのターン数Ｎ斗′がコイル対
Ｐ４の外側個別コイル１４に対する溝２４のなかに設け
られる。こうして予め定めるべき比Ｎ４’／Ｎ斗をαで
表すことにする。さらに、偏差する導体断面積ｑ＋’を
選定すると、外側個別コイル１４の巻線パケットの半径
方向の高さは係数 β−Ｎ　４１・ｑ斗’／（Ｎ４・ｑ４）＝α・ｑ斗’／
ｑ斗で減少する０個別コイル３４の元来の外側半径Ｒ４の代
わりに、相応の減ぜられたＲ４′をとる必要がある０図
示されている実施例によればβは約０゜５である。しか
し、高磁界バージラン（第１の作動磁界の強さ）に対す
る導体と同一の導体を使用すれば、α−βである。

さらに、減ぜられた磁界の強さを有する基本磁界磁石１
のバージランに対しては、個別コイル対Ｐ１、Ｒ２およ
びＲ４に対する位置ｚ１、Ｒ２および２４の位置の保持
と結び付けられる磁界誤差を補正し得るように、補助コ
イル対Ｐ３を設ける必要がある。その際に相応の補助コ
イル１３を受は入れるための溝２３は溝２４の付近に構
成されるのが有利であり、その際に個々の巻線を溝のな
かに十分に固定して支えるという観点が考慮に入れられ
なければならない、すなわち、溝２３と２４との間の隔
壁２６は、軸線方向に見て、個別コイル１４の狂いのな
い位置が保証されているように延長されていなければな
らない、それにもかかわらず補助コイル１３の中心位Ｗ
ｚｓおよびその中心半径Ｒ３の選定の際に成る自由度が
存在する。

それによってコイルボビンに関する個別的な構造上の希
望も考慮に入れられ得る。距離ｚ３および（または）半
径Ｒ３の選定の際に下記の関係が少なくとも近似的に基
礎とされることは特に有利である。

Ｚ　３／Ｚ　４＝０．８３１、Ｒ３／　Ｒ斗＝１．０距離ｚ１ないしｚ４とならんで大きさＮ１ないしＮ４、
Ｒ３、Ｒ◆およびＮ　４１ならびにｑ４およびｑ４’も
予め定められている。いま、これらの大きさから出発し
て、コイル対Ｐ３の補助コイル１３のターン数Ｎ３’を
定めるため、第２図のグラフが参照される。このグラフ
には横軸に減少係数β−（Ｎ斗’　／　Ｎ　４　）　　
・　（Ｑｌ’／ｑ４）−α・　（ｑ＋’／ｑ＋）が、ま
た縦軸には比Ｎ３′／　Ｎ　、　ｒがとられている。こ
のグラフは２３　／　２４の相異なる比に対する２つの
曲線が示されている。

この曲線を用いてターン数Ｎ３’に対して下記の、変更
された導体断面積Ｑ＋’に対しても一般的に成り立つ関
係式が得られる。

Ｎ３　’／Ｎ４　’　＝ＨＩ　・Ｋ１・Ｋ２ここで、Ｈ
Ｉ＝’（１−β）・０．０６６、Ｋ１＝１＋　（Ｚ３／
２４　０．８３１）　　・９．０８、Ｋ２謬Ｒ３／　Ｒ◆ その際に項Ｈ１により補正の主効果が記述され、他方に
おいてに１およびに２は第１または第２の微補正を行う
、第２の微補正は小さいほうの補助コイル半径Ｒ３にお
ける必要なアンペアターン数Ｎ３’の低下から生ずる。

さらに、第３図のグラフに示されている曲線に相応して
最も内側のコイル対Ｐ１の個別コイルエ１のターン数は
外側個別コイル１４における減少係数αまたはβに相応
するものよりも若干大きく選定されなければならない。

このグラフには、第２図に相応して、２　ｓ　／　Ｚ　
４の２種類の値に対して生ずる曲線（Ｎ＋’／Ｎ＋）−
αが示されており、ここでα−βに選定されている。こ
の曲線とαとの二乗関係はもっともらしい、すなわち、
粗い近似で補助コイル１３のターン数Ｎｉ’は外側　゛
個別コイル１４の隣接するターンに加算され、従ってそ
れぞれターン数の和Ｎ３’＋Ｎ斗′は内側個別コイル１
１のターン数に比較して考察されている。第３図のグラ
フに示されている両曲線の経過による精密な計算から下
記の関係式が得られる。

（Ｎ＋’／Ｎ＋）−α−Ｈ２・Ｋ３・Ｎ４ここで、Ｎ２
謂α・　（１−β）・０．１０４、Ｋ３−１＋　Ｃｚ３
／ｚ４−０．８３１）　　・５．９２、Ｎ４−に２その際にＮ２はこの関係式の主補正項を表し、他方にお
いてに３は第１の補正係数を、またに、は第２の補正係
数を意味する。

中央のコイル対Ｐ２のコイル１２のターン数Ｎ２’に対
しては、Ｎ　、　ｌを定めるための補正法則と同一の補
正法則が当てはまる。

ターン数Ｎ、’、Ｎ２　’およびＮ３’を定めるための
前記の関係式に基礎をおいて、次いで核スピン−トモグ
ラフィに対して十分に均一な１つの磁界が措像範囲内で
第８次の受容可能な残留誤差で得られる。一般に、弱い
ほうの磁界の強さにおける磁界均一性への要求はそれほ
ど極端に高くはない、すなわち、これらの磁界の強さに
おいてはイメージングはプロトンの核スピン共鳴により
可能であるが、たとえば燐のような他の核の分光は可焼
でない。

図面の基礎となっている実施例は、外側の個別コイル１
４が高い磁界（第１の磁界の強さ）の発生の基礎とされ
たものと同一の超伝導体から巻かれていること、すなわ
ちｑ斗””ｑ＋が成り立っていることから出発している
。このことは一般に好ましい、しかし、場合によっては
、たとえば類似または同一の作動電流が高いほうの中央
有効電流密度において望まれる場合には、小さいほうの
断面積ｑ４’を選択することもできる。その際には捕捉
すべき擾乱は幾何学的な半径方向の厚みまたは外側コイ
ル対Ｐ４の個別コイルの外側半径の減少により惹起され
る。その際、 β−ΔＲ斗′／ΔＲ４が成り立つ。

類似の巻線技術でこのことはターン数Ｎの減少および（
または）導体断面積ｑの減少により達成され得る。すな
わち β＝　（Ｎ斗’　／　Ｎ　４　）　　・　（ｑ斗’　／
　ｑ　＋　）＝α・　（Ｑ４’／ｑ４）ここで、α−Ｎ＋’／Ｎ＋が成り立つ０図示されている実施例によれば、さらに、
コイルボビン１工が単一片から成り、その際に溝２１な
いし２４がその外側に加工されていることが前提とされ
た。しかし、場合によっては、相応の多部品から成るコ
イルボビンを使用することもできる。すなわち、たとえ
ば溝は１つのリング状の保持体の外側に配置されている
りジグ伏のフランジの間に構成されていてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による基本磁界磁石の一部分の縦断面図
、第２図および第３ＴＩ！Ｊはそれぞれこの磁石のいく
つかのコイルのターン数を変更するための補正量のグラ
フである。ｌ・・・基本磁界磁石、１１．１２．１４・・・個別コ
イル１．１３・・・補助コイル、２１〜２４・・・溝、
ｌ工・・・コイルボビン、３１．３２．３４・・・コイ
ル外側。

Claims

【特許請求の範囲】１）管状のコイルボビンの上に共通の軸線に沿って相前
後して配置されている少なくとも６つのリング状の超伝
導個別コイルを含んでおり、これらの個別コイルがそれ
ぞれ予め定められたアンペアターン数を有し、また撮像
範囲の中心を通って軸線に対して垂直に延びている対称
面に関して対状に対称にかつ対称面から予め定められた
中心距離に配置されており、対称面からの距離の増大と
共に内側、中央および外側個別コイルの各１つの対が構
成されていることによって、撮像範囲内に、予め定めら
れた第１の磁界の強さおよび十分な均一性を有する１つ
の基本磁界を発生する核スピン共鳴イメージング（核ス
ピン−トモグラフィ）装置用の基本磁界磁石において、
予め定められた電流において第１の磁界の強さにくらべ
て弱くかつ十分に均一な第２の磁界の強さを発生するた
め、コイルボビン（２５）上にコイル対（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ４
）の個別コイル（１１、１２、１４）が対称面（Ｓ）に
関して同一の中心距離（ｚ＿１、ｚ＿２、ｚ＿４）にあ
り、かつ減ぜられたターン数（Ｎ＿１’、Ｎ＿２’、Ｎ
＿４’）を有するものとして取付けられており、さらに、それぞれ個別コイル（１１、１２、１４）と直
列に接続されており、また中央個別コイル（１２）と外
側個別コイル（１４）との間に外側個別コイル（１４）
の付近においてコイルボビン（２５）上に配置されてい
る補助コイル（１３）の１つの対（Ｐ３）が設けられて
おり、補助コイル（１３）または中央個別コイル（１２）また
は内側個別コイル（１１）の減ぜられたターン数Ｎ＿３
’、Ｎ＿２’およびＮ＿１’に対して関係式ａ）Ｎ＿３’／Ｎ＿４’＝０．０６６・（１−β）・〔
１＋　９．０８（ｚ＿３／ｚ＿４−０．８３１）〕・（
Ｒ＿３／Ｒ＿４）ｂ）Ｎ＿２’／Ｎ＿２−α＝Ｎ＿１’／Ｎ＿１−α＝０
．１０４・α・（１−β）・〔１＋５．９２（ｚ＿３／
ｚ＿４−０．８３１）〕・（Ｒ＿３／Ｒ＿４）ｃ）β＝
（Ｎ＿４’／Ｎ＿４）・（ｑ＿４’／ｑ＿４）＝α・（
ｑ＿４’／ｑ＿４）ここで、ｑ＿４およびｑ４’は第１または第２の磁界の強さに対
して選定された、外側個別コイル（３４または１４）の
導体の断面積、ｚ＿３およびＲ＿３は対称面（Ｓ）からの各補助コイル
（１３）の予め定めるべき中心距離またはその予め定め
るべき中心半径、ｚ＿４は対称面（Ｓ）からの各外側個別コイル（１４）
の中心距離、Ｒ＿４は第１の磁界の強さに対して予め定められた外側
個別コイル（３４）の本来の外側半径、Ｎ＿４’は第１
の磁界の強さに対して予め定められた外側個別コイル（
１４）のターン数、Ｎ＿１、Ｎ＿２およびＮ＿４は第１の磁界の強さに対し
て生ずる、内側個別コイル（３１）、中央個別コイル（
３２）または外側個別コイル（３４）のターン数が当てはまることを特徴とする核スピン共鳴装置用磁石
。２）個別コイル（１１、１２、１４）および補助コイル
（１３）が溝（２１、２２、２４または２３）のなかに
配置されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項
記載の磁石。３）補助コイル（１３）の中心距離（ｚ＿３）が少なく
とも近似的に外側個別コイル（１４）の中心距離（ｚ＿
４）の０．８３１倍であることを特徴とする特許請求の
範囲第１項または第２項記載の磁石。４）補助コイル（１３）の中心半径（Ｒ＿３）が少なく
とも近似的に、第１の磁界の強さに対して生ずる、外側
個別コイル（３４）の本来の外側半径（Ｒ＿４）に等し
く選定されていることを特徴とする特許請求の範囲第１
項ないし第３項のいずれか１項に記載の磁石。５）個別コイル（１１、１２、１４）および補助コイル
（１３）が１つの統一的な超伝導体から巻かれているこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第４項のい
ずれか１項に記載の磁石。６）個別コイル（１１、１２、１４）および補助コイル
（１３）が、第１の磁界の強さに対して基礎とされてい
る超伝導体から巻かれていることを特徴とする特許請求
の範囲第５項記載の磁石。