JPS62231645A - Homogenous magnetic field forming apparatus for nmr, nmr spectroscopic apparatus and method - Google Patents

Homogenous magnetic field forming apparatus for nmr, nmr spectroscopic apparatus and method

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JPS62231645A
JPS62231645A JP62019613A JP1961387A JPS62231645A JP S62231645 A JPS62231645 A JP S62231645A JP 62019613 A JP62019613 A JP 62019613A JP 1961387 A JP1961387 A JP 1961387A JP S62231645 A JPS62231645 A JP S62231645A
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JP
Japan
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coil
magnetic field
nmr
coils
helmholtz
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Application number
JP62019613A
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Japanese (ja)
Inventor
ロジャー・ホイートリー
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FUOSUFUO ENAJIETEITSUKUSU Inc
Original Assignee
FUOSUFUO ENAJIETEITSUKUSU Inc
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Publication date
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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。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、NMR分光法における核磁気共鳴の発生のた
めに用いられる磁場形成装置に関し、特に、その装置に
充分短い縦横比(aspect ratio)を備える
ことにより、たとえば人体の頭において分光法を施す際
には、その内径寸法が人体の頭よりも僅かに大きくされ
得るようなものに関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a magnetic field forming device used for the generation of nuclear magnetic resonance in NMR spectroscopy, in particular by providing the device with a sufficiently short aspect ratio. For example, when performing spectroscopy on the human head, the inner diameter thereof can be made slightly larger than the human head.

また、そのような磁場形成装置を用いたNMR分光法お
よびNMR分光装置の使用方法に関する。
The present invention also relates to NMR spectroscopy using such a magnetic field forming device and a method of using the NMR spectrometer.

従来技術およびその問題点 従来から、物理化学あるいは分析化学の分野において核
磁気共鳴(NMR)分光法が用いられてきているが、近
年では、医学分野においても人体の組織あるいは器官の
陽子画像(proton images)を人体に損傷
を与えることなく作成するために採用されている。
Prior art and its problems Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy has traditionally been used in the fields of physical chemistry or analytical chemistry, but in recent years, proton images of human tissues or organs have also been used in the medical field. images) without causing damage to the human body.

また、たとえば水のような核磁気性物質が磁場の強さH
oの均質且つ静的な外部磁場内にある場合には、核の歳
差運動の角周波数W。は次式にて求められることが知ら
れている。
Also, for example, when a nuclear magnetic substance such as water has a magnetic field strength H
The angular frequency of precession of the nucleus W when in a homogeneous and static external magnetic field of o. is known to be calculated using the following formula.

W6 = T H。W6 = TH.

但し、Tは観察対象の核の磁石としての性質を示す固有
の定数、すなわち回転磁気比(gyro−magnet
ic ratio)である。
However, T is a specific constant that indicates the magnetic properties of the nucleus to be observed, that is, the rotational magnetic ratio (gyro-magnetic ratio).
ic ratio).

NMR分光法においては、主に、静的且つ均質な磁場お
よび周期的に変化する高周波電磁場の2種類の磁場にお
ける研究が進められてきたが、その結果、上記の式が満
たされた場合には核磁気共鳴が誘導されるということが
発見された。すなわち、ある種の核磁気共鳴の発生から
、対象物質中における特有の原子核の存在が検出される
のである。静的な磁場は安定した電流が供給される適当
なコイルによって形成されるが、強い磁場を得るには、
コイルは超伝導コイルであることが好ましい。また、高
周波電磁場は、補助コイルあるいは高周波の電流が供給
される高周波(RF)コイルにより形成される。なお、
核磁気共鳴は、対象物質の周囲に設けられた他のコイル
或いは検知コイルによって検出される一方、上記補助コ
イルは時分割駆動される。
In NMR spectroscopy, research has mainly been carried out in two types of magnetic fields: a static and homogeneous magnetic field and a periodically changing high-frequency electromagnetic field.As a result, if the above equation is satisfied, It was discovered that nuclear magnetic resonance can be induced. In other words, the presence of a unique atomic nucleus in a target substance is detected from the occurrence of a certain type of nuclear magnetic resonance. A static magnetic field is created by a suitable coil supplied with a steady current, but to obtain a strong magnetic field,
Preferably, the coil is a superconducting coil. Further, the high frequency electromagnetic field is formed by an auxiliary coil or a radio frequency (RF) coil to which a high frequency current is supplied. In addition,
Nuclear magnetic resonance is detected by other coils or detection coils provided around the target substance, while the auxiliary coils are driven in a time-division manner.

NMR分光法とNMR結像法とは、磁場強度と磁場均質
性の2点においてその要求が互いに異なるものである。
NMR spectroscopy and NMR imaging differ in their requirements in two respects: magnetic field strength and magnetic field homogeneity.

すなわち、NMR分光法が好適な分解能にてスペクトル
分析を行うために強力な磁場および均質性を必要とする
のに対して、NMR結像法は比較的弱い磁場および比較
的大容積内における適度な均質性を必要とする。なお、
以上のような各要求は、NMR結像法の能率を考慮する
上では互いに相客れないものである。
That is, whereas NMR spectroscopy requires a strong magnetic field and homogeneity to perform spectral analysis with suitable resolution, NMR imaging requires a relatively weak magnetic field and a moderate amount of heat within a relatively large volume. Requires homogeneity. In addition,
The above requirements are incompatible with each other when considering the efficiency of the NMR imaging method.

また、NMR分光法においては、静的且つ均質な磁場が
周期的に変化する高周波電磁場と共に用いられているが
、分子中の原子核を囲む電子が局部的な磁場を形成する
ことによって、同じ原子核が異なる環境においては微妙
に異なる周波数で共鳴させられる。このような現象は、
第1図に示すようなものであり、所謂化学シフトと呼ば
れる。
In addition, in NMR spectroscopy, a static and homogeneous magnetic field is used together with a periodically changing high-frequency electromagnetic field. In different environments, it resonates at slightly different frequencies. Such a phenomenon is
This is as shown in FIG. 1, and is called a chemical shift.

この第1図には脳内のある領域中のリン(燐)のスペク
トルが示されており、図において、7種類のリン化合物
の存在が周波数差約30ppm毎に表されている。各リ
ン化合物に対応するピーク曲線はその半値幅(HMLW
)が約1〜2 ppm程度であることから、i ppm
程度よりも一層均質な磁場でなくてはならず、磁場が強
くなるに伴って各ピーク間の距離が大きくなるとともに
、スペクトル分解能が拡大される。ここで、上記特有の
スペクトルは60回の検出データの平均信号値とされて
いる。なお、良く知られているように、NMRの信号雑
音比(S/N比)は2のn倍(nは検出回数)ずつ増加
する。また、生体組織に対して用いられるNMR分光法
では、均質性が対象物質の容積より大きい範囲内にわた
って0.1〜0.2 ppmであることが適当とされて
おり、NMR感度が低く且つ生体内濃度の低いリン化合
物を好適に分析するためには、少なくとも2T(テスラ
)の磁場強度が必要とされ、また、用いられる水も数モ
ルである(NMR結像法において用いられる水は数百モ
ル程度)。
This FIG. 1 shows a spectrum of phosphorus in a certain region of the brain, and in the figure, the presence of seven types of phosphorus compounds is expressed at a frequency difference of about 30 ppm. The peak curve corresponding to each phosphorus compound is its half-width (HMLW)
) is about 1 to 2 ppm, i ppm
The magnetic field must be more homogeneous than the magnetic field, and as the field becomes stronger, the distance between each peak increases and the spectral resolution expands. Here, the above-mentioned unique spectrum is an average signal value of 60 detection data. Note that, as is well known, the signal-to-noise ratio (S/N ratio) of NMR increases by n times 2 (n is the number of detections). In addition, in NMR spectroscopy used for biological tissues, it is considered appropriate that the homogeneity is 0.1 to 0.2 ppm over a range larger than the volume of the target substance, and NMR sensitivity is low and In order to suitably analyze phosphorus compounds that have low concentrations in the body, a magnetic field strength of at least 2 T (Tesla) is required, and the amount of water used is several moles (the amount of water used in NMR imaging is several hundred). moles).

また、NMR分光分析法においてはリン化合物に7つの
頂点が形成されるのに対して、NMR結像法では好適に
は単一のピークが形成されることであり、また脂肪環境
下にある場合のピークは組織水内の可動性陽子を示すピ
ーク位置から数ppmシフトした位置となる。したがっ
て、脂肪に起因するアーチファクトノイズを除去するた
めには、10〜100 ppmの比較的低い均質性を有
することが望ましいことになるが、この低い均質性の結
果得られる幅広いスペクトルでは、空間的解像度を得る
ためのスペクトル分析が困難となる。
Also, in NMR spectroscopy, seven peaks are formed for phosphorus compounds, whereas in NMR imaging, a single peak is preferably formed, and in a fatty environment. The peak is shifted several ppm from the peak position indicating mobile protons in tissue water. It would therefore be desirable to have a relatively low homogeneity of 10-100 ppm in order to remove fat-induced artifact noise, but the broad spectrum that results from this low homogeneity does not allow for spatial resolution. It becomes difficult to perform spectral analysis to obtain .

さらに、各リン化合物は、たとえば乳塩酸やADP(ア
デノシンニリン酸またはリン酸二水素アンモニウム)の
ようなリンの核磁気共鳴によって観察され得ない他の信
号と、陽子を観察可能な信号とをそれぞれ呈することか
ら、近年においては、スペクトル上の各共鳴部分(ピー
ク部分)は生体中の陽子の核磁気共鳴と考えられるよう
になった。
Additionally, each phosphorus compound has a proton observable signal and other signals that cannot be observed by nuclear magnetic resonance of phosphorus, such as lactate or ADP (adenosine diphosphate or ammonium dihydrogen phosphate), respectively. Therefore, in recent years, each resonance part (peak part) on the spectrum has come to be considered to be the nuclear magnetic resonance of protons in the living body.

したがって、リンや上記陽子を識別できるようにする高
度な分解能を得るために高均質性磁場形成装置が要求さ
れている。
Therefore, a highly homogeneous magnetic field generating device is required to obtain a high resolution that allows discrimination of phosphorus and the protons mentioned above.

また、NMR分光用磁石は、液体あるいは溶液の対象物
質を分光解析するためのものから進歩して、NMR結像
のための磁石となるに至っている。
Further, magnets for NMR spectroscopy have evolved from those for spectroscopic analysis of target substances in liquids or solutions, and have now become magnets for NMR imaging.

この分光用磁石は、「磁場或いはそのグラディエンド(
勾配)が第6次乃至第20次の均質性を備えた強力磁場
発生用厚肉円筒形コイル機構」 (応用物理学ジャーナ
ル1967年第38巻第6号二M、W、ガレット著)に
記載されているような、所謂第6次ソレノイドに基づい
たものである。
This spectroscopic magnet is a magnetic field or its gradient end (
A thick-walled cylindrical coil mechanism for generating a strong magnetic field with homogeneity of the 6th to 20th orders (gradient)" (Journal of Applied Physics, 1967, Vol. 38, No. 6, written by M.W. and Garrett). It is based on the so-called 6th order solenoid.

幾何学的に対称な円筒コイルによって形成された磁場H
(r、  θ)については、円柱座標の原点まわりのテ
ィラーの展開式によって説明される。
The magnetic field H formed by a geometrically symmetrical cylindrical coil
(r, θ) is explained by Tiller's expansion formula around the origin of cylindrical coordinates.

・ ・ ・(1) 但し、H(r、  θ)はく半径r、角度θ)点におけ
る磁場、Pfi(cosθ)はn次のルジャンドルの多
項式、β7はコイルの形状寸法および電流によって定義
される数である。
・ ・ ・(1) However, H(r, θ) is the magnetic field at the point with radius r, angle θ), Pfi(cos θ) is the n-th order Legendre polynomial, and β7 is defined by the shape and current of the coil. It is a number.

円筒コイルの中心軸上の磁場H2は、n次の磁場勾配お
よび、原点まわりのコイルの対称性に基づいて奇数項が
零となるので、次式に示す如くとなる。
The magnetic field H2 on the central axis of the cylindrical coil is as shown in the following equation because the odd terms are zero based on the n-th order magnetic field gradient and the symmetry of the coil around the origin.

6!   8! 従来は、上記2次項の磁場勾配H2および4次項の磁場
勾配H4を消去するために、本来的に低い磁場勾配を有
する長いソレノイドが内部あるいは外部ノ・ノチ(no
tches )によって調整され、これにより極く小さ
な値である残りの6次項のHbが除去されていた。この
ような長いソレノイドは、装置の製造を簡単とするため
、そして、短い寸法のコイルを用いた場合よりも互いに
同軸にあるコイルを、容易に且つ正確に位置できるため
、選択されていた。
6! 8! Conventionally, in order to cancel the magnetic field gradient H2 of the second-order term and the magnetic field gradient H4 of the fourth-order term, a long solenoid with an inherently low magnetic field gradient is used with an internal or external nozzle.
tches ), thereby removing the remaining sixth-order term Hb, which is an extremely small value. Such long solenoids were chosen to simplify the manufacturing of the device and to allow easier and more accurate positioning of the coils coaxially with each other than would be possible with shorter sized coils.

前述したように、NMR結像用磁石には、比較的大きな
容積内にて適当な均質性が必要であるとともに、その形
状としては、完全な球面に近似したものあるいは略完全
な球面が備えられることが必要である。この磁石の形状
は、前記ガレットの記述に示されるように、4.6ある
いは8個などの同軸コイル対を包含するものであって、
同軸上に位置するコイル同士が理論上では20次の項ま
での前記(2)式の高次の項の磁場勾配を消去するよう
になっている。しかし、磁石穴の径に近い径の比較的大
きな容積内においては、高次項の磁場勾配が大きく影響
するようになる。たとえば、均質性が2倍となると、2
1Z倍または4096倍だけ12次の項が増加する。
As mentioned above, an NMR imaging magnet needs to have a suitable homogeneity within a relatively large volume, and its shape should be an approximation of a perfect sphere or a nearly perfect sphere. It is necessary. The shape of this magnet includes 4.6 or 8 coaxial coil pairs, as shown in the description by Garrett,
Theoretically, the coils located on the same axis cancel out the magnetic field gradient of the higher-order terms in equation (2) up to the 20th-order term. However, within a relatively large volume with a diameter close to the diameter of the magnet hole, the magnetic field gradient of higher-order terms comes to have a large influence. For example, if the homogeneity is doubled, 2
The 12th order term increases by 1Z times or 4096 times.

また、従来の装置においてNMR分光法を人体頭部に施
す際には、前記磁石穴内に人間の胴体全部かあるいは少
なくとも両肩部を挿入させて、磁石内で均質性が最も高
い中央部に頭部が到達するようにしなければならないた
め、磁石の縦横比が大きくなっていた。したがって、N
MR分光装置のコストが、磁石の径寸法を二乗した値に
略比例して変化してしまうという不都合が生じていた。
In addition, when applying NMR spectroscopy to a human head using conventional equipment, the entire torso or at least both shoulders of the human body is inserted into the magnet hole, and the head is placed in the center of the magnet where the homogeneity is highest. The aspect ratio of the magnet had to be large because the magnet had to be able to reach the target area. Therefore, N
There has been a problem in that the cost of the MR spectrometer changes approximately in proportion to the square of the diameter of the magnet.

発明の目的 本発明は、以上のような従来の装置における問題点を解
決することを目的として為されたものである。
OBJECT OF THE INVENTION The present invention has been made with the aim of solving the problems in conventional devices as described above.

また、本発明の目的は、人体におけるNMR分光法の実
行に際して充分な磁場強度および均質性を有し且つ縦横
比の小さい磁場形成装置を提供することにある。
Another object of the present invention is to provide a magnetic field forming device that has sufficient magnetic field strength and homogeneity and has a small aspect ratio when performing NMR spectroscopy on a human body.

また、本発明の他の目的は、平均的な人体の脳よりも僅
かに大きい径寸法を有し、且つ、その長さく軸方向)寸
法が充分に短くされることにより、被測定者の頭部が開
口部内に挿入されて脳に対してNMR分光法が適用され
得るようにしたNMR分光装置を提供することにある。
Another object of the present invention is to have a diameter slightly larger than that of an average human brain, and to sufficiently shorten the length (in the axial direction) of the head of the subject. An object of the present invention is to provide an NMR spectroscopic device which is inserted into an opening so that NMR spectroscopy can be applied to the brain.

また、本発明の他の目的は、少なくとも2テスラの強度
を有する磁場および少なくとも0.2 ppmの均質性
を形成し得る磁場形成装置を提供することにある。
Another object of the present invention is to provide a magnetic field forming device capable of forming a magnetic field having an intensity of at least 2 Tesla and a homogeneity of at least 0.2 ppm.

また、本発明の他の目的は、前記磁場形成装置を用いる
ことにより、NMR分光装置のコストを低減させること
にある。
Another object of the present invention is to reduce the cost of an NMR spectrometer by using the magnetic field forming device.

また、本発明の他の目的は、寸法が小さくされており、
しかも内部における均質性を増加させるNMR分光装置
を提供することにある。
Another object of the invention is that the dimensions are reduced;
Moreover, it is an object of the present invention to provide an NMR spectrometer that increases internal homogeneity.

また、上述した本発明の目的およびさらに他の目的は、
主コイルとして、互いに同じ巻回数且つ同径であり、ま
た同軸に配置されて直列に接続された一対の環状のコイ
ルであるヘルムホルツコイルを用いるとともに、ヘルム
ホルツコイルに残留する特有の第4次高調波を除去する
ために巻回された5個IMiの補正コイルを用いること
により、達成される。
In addition, the above-mentioned objects and other objects of the present invention are:
As the main coil, we use Helmholtz coils, which are a pair of annular coils that have the same number of turns and the same diameter, are coaxially connected, and are connected in series. This is achieved by using a correction coil of 5 IMi wound to eliminate .

実施例 以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。
EXAMPLE Hereinafter, an example of the present invention will be described in detail based on the drawings.

第2図は、本発明の一実施例であるNMR分光装置を示
す横断面概略図である。良く知られた低温保持装置10
は、主磁石として機能する後述の超伝導磁気コイル18
a、18bを収容するものである。この低温保持装置l
Oは、液体ヘリウム容器12が真空容器16内の液体窒
素容器14内に配設されることにより構成されている。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an NMR spectrometer that is an embodiment of the present invention. 10 well-known cryostats
is a superconducting magnetic coil 18, which will be described later, which functions as a main magnet.
a and 18b. This low temperature holding device
O is constructed by disposing a liquid helium container 12 within a liquid nitrogen container 14 within a vacuum container 16.

低温保持装置10内には、超伝導磁気コイル18a、1
8bと共に、後述の一組の補正コイル22,24a、2
4b、26aおよび26b、および、一組の超伝導矩形
補正コイル21が設けられている。
Inside the low temperature holding device 10, superconducting magnetic coils 18a, 1
8b, a set of correction coils 22, 24a, 2, which will be described later.
4b, 26a and 26b, and a set of superconducting rectangular correction coils 21 are provided.

この補正コイル21は、たとえば米国特許第3,622
.869号(ゴーレイ)、米国特許第4.500,86
0号。
This correction coil 21 is described in US Pat. No. 3,622, for example.
.. No. 869 (Golay), U.S. Patent No. 4.500,86
No. 0.

および米国特許第4.506,247号(バーミリ−)
に記載されているように、製造誤差および使用環境によ
る影響を消去するという良く知られた効果を得るために
設けられている。また、低温保持装置10内に形成され
た大径の穴29内には、その穴29の直径寸法の範囲内
において、高周波プローブとして機能する蝶型のRFコ
イル30が設けられている。図中のNMR分光装置は人
体の脳に対してNMR分光法を施すために用いられてお
り、被験者の頭部28は、低温保持装置10の穴29内
にRFコイル30に対向し且つ隣接して安置される。R
Fコイル30は、共鳴を検出し、図示しない高周波送/
受信回路およびA/D変換器を介して適当な種類のコン
ピュータ31へ電気的に受信信号を供給する。
and U.S. Patent No. 4,506,247 (Vermilly)
This is provided to achieve the well-known effect of eliminating manufacturing tolerances and the effects of the environment of use, as described in . Furthermore, a butterfly-shaped RF coil 30 that functions as a high-frequency probe is provided within the large diameter hole 29 formed in the cryostat 10 within the diameter of the hole 29 . The NMR spectrometer shown in the figure is used to perform NMR spectroscopy on a human brain, and the subject's head 28 is located within the hole 29 of the cryostat 10, facing and adjacent to the RF coil 30. It will be enshrined there. R
The F coil 30 detects resonance and transmits a high frequency signal (not shown).
The received signal is electrically supplied to a suitable type of computer 31 via a receiving circuit and an A/D converter.

第3図の実施例には、磁場形成装置に用いられているコ
イル配置が詳しく示されている。図において、一対の超
伝導磁気コイル18a、18bはギャップ20によって
分離されており、それらの長さ寸法は、超伝導磁気コイ
ル18a、18bの2次項のH2が消去されるように設
定されている。
The embodiment of FIG. 3 shows in detail the coil arrangement used in the magnetic field forming device. In the figure, a pair of superconducting magnetic coils 18a, 18b are separated by a gap 20, and their length dimensions are set so that H2 of the second-order term of superconducting magnetic coils 18a, 18b is canceled. .

これら超伝導磁気コイル18a、18bおよびギャップ
(第3図の81 ×2の空間)20は、一般にヘルムホ
ルツコイルとして知られているものであって、互いに同
じ巻数且つ同径であり、また同軸に配置されて直列に接
続された環状のコイル対である。概念的には、コイル1
8aおよび18b間のギャップ20は、前記(2)式の
1次項の磁場H6および2次項の磁場勾配H2,4次項
の磁場勾配H4,6次項の磁場勾配H6等を減する方向
の逆巻きコイルであると考えられる。磁場勾配H2が消
去されると、ギャップ20による逆方向の磁場勾配H4
はコイル18aおよび18bのH4よりも大きくなって
、無視できない磁場勾配を残存させる。なお、超伝導磁
気コイル18a、18bによる磁場勾配H6とギャップ
20による逆向きのH4との合成磁場勾配は小さいので
、NMR分光法における均質性領域を損なうには至らな
い。
These superconducting magnetic coils 18a, 18b and the gap (81×2 space in FIG. 3) 20 are generally known as Helmholtz coils, have the same number of turns and the same diameter, and are coaxially arranged. It is a pair of annular coils connected in series. Conceptually, coil 1
The gap 20 between 8a and 18b is a reversely wound coil in the direction of reducing the magnetic field H6 of the first-order term, the magnetic field gradient H2 of the second-order term, the magnetic field gradient H4 of the fourth-order term, the magnetic field gradient H6 of the sixth-order term, etc. in the equation (2). It is believed that there is. When the magnetic field gradient H2 is canceled, the magnetic field gradient H4 in the opposite direction due to the gap 20
is larger than H4 of coils 18a and 18b, leaving a non-negligible magnetic field gradient. Note that the composite magnetic field gradient of the magnetic field gradient H6 caused by the superconducting magnetic coils 18a and 18b and the opposite direction H4 caused by the gap 20 is small, so that it does not impair the homogeneity region in NMR spectroscopy.

上記のようにギャップ20による逆方向の残存磁場勾配
H4は相当大きなものであるので、必要とされる0、 
1 ppm程度の磁場均質性が形成される容積(スペー
ス)はたとえば直径2cm程度の小さいものとなる。こ
のため、4次項の磁場勾配H4の強度は半径の5乗に反
比例して増加するという法則に基づいて、上記残存磁場
勾配H4が補正コイルにより消去される。したがって、
5つの同軸上の補正コイルを設けることにより、以下の
■〜■の事項が得られる。
As mentioned above, the residual magnetic field gradient H4 in the opposite direction due to the gap 20 is quite large, so the required 0,
The volume (space) in which magnetic field homogeneity of about 1 ppm is formed is small, for example, about 2 cm in diameter. Therefore, based on the law that the strength of the fourth-order term magnetic field gradient H4 increases in inverse proportion to the fifth power of the radius, the residual magnetic field gradient H4 is eliminated by the correction coil. therefore,
By providing five coaxial correction coils, the following items 1 to 2 can be obtained.

■ Hoの最小値 ■ 零〇Hz ■ 主要磁場に対して互いに等しく且つ逆向きのH4 ■ H8の最小値 4次項の磁場勾配H4を補正するための補正コイル22
.24a、24b、26a、26bは、超伝導磁気コイ
ル18a、18bの内周側に配設されているとともに、
それらコイル18a、18bと同様に超伝導コイルであ
り、且つ第2図に示すように低温保持装置10内に収容
されているか、或いは第3図に示すように従来と同様に
低温保持装置10の外部に設けられている。さらに、補
正コイル22. 24 a、  24 b、  26 
a、  26 bは、主磁石と連動させられたりあるい
は独立に作動させられたりすることが可能である。また
、通常、コイルはその半径寸法が小さくなる程磁力が大
きくなることから、補正コイル22.24a、24b、
26a、26bの径寸法は、被験者である人体の頭部あ
るいは末端部の径寸法の平均値を考慮して可能な限り小
さく設定されることが望ましい。
■ Minimum value of Ho ■ Zero Hz ■ H4 equal and opposite to the main magnetic field ■ Minimum value of H8 Correction coil 22 for correcting the magnetic field gradient H4 of the 4th order term
.. 24a, 24b, 26a, 26b are arranged on the inner circumferential side of the superconducting magnetic coils 18a, 18b, and
Like the coils 18a and 18b, they are superconducting coils, and are housed in the cryostat 10 as shown in FIG. 2, or as shown in FIG. It is located outside. Further, a correction coil 22. 24 a, 24 b, 26
a, 26 b can be operated in conjunction with the main magnet or independently. In addition, since the magnetic force of a coil usually becomes larger as its radius dimension becomes smaller, the correction coils 22.24a, 24b,
It is desirable that the diameters of 26a and 26b be set as small as possible in consideration of the average diameter of the head or end of the human body being tested.

本実施例においては、ヘルムホルツコイル18a。In this embodiment, the Helmholtz coil 18a.

18bおよび補正コイル22.24a、24b。18b and correction coils 22.24a, 24b.

26a、26bの各々についての形状寸法、電流。Geometry and current for each of 26a and 26b.

および磁場関係のデータは、次の第1表において示され
ている。なお、第1表で用いられた記号および符号は第
3図中のものと対応している。第3図において、34は
各磁気コイルの中心軸であり、また36は中心軸34に
対してギャップ20の中心を通過して直交する平面、或
いはギャップ20を二等分する二等分線である。各コイ
ル18a。
and magnetic field related data are shown in Table 1 below. Note that the symbols and symbols used in Table 1 correspond to those in FIG. 3. In FIG. 3, 34 is the central axis of each magnetic coil, and 36 is a plane that passes through the center of the gap 20 and is perpendicular to the central axis 34, or a bisector line that bisects the gap 20. be. Each coil 18a.

18b、22.24および26a、26bは平面36を
中心に対称形状若しくは対称位置に配置されている。第
1表において、A1およびA2はそれぞれ各コイルの内
周側半径および外周側半径を示し、またB、およびB2
はそれぞれ、平面36から最短距離にある各コイルの一
端および最長距離にある他端を示す。なお、これら記号
A+、A2、Bl、B2は、各コイルにもあるが、説明
を簡略化するために第3図においてはコイル18aにの
み付されている。また、第3図の中心軸34および平面
を示す線36は、それぞれデカルト(平行)座標のY軸
およびY軸とされる。また、第1表の負数はコイルが逆
方向に巻回されていることを表している。
18b, 22.24 and 26a, 26b are arranged in symmetrical shapes or positions with respect to plane 36. In Table 1, A1 and A2 indicate the inner radius and outer radius of each coil, respectively, and B and B2
represent one end of each coil that is the shortest distance from the plane 36 and the other end that is the longest distance from the plane 36, respectively. Although these symbols A+, A2, Bl, and B2 are also present in each coil, in order to simplify the explanation, they are attached only to the coil 18a in FIG. 3. Further, the central axis 34 and the line 36 indicating the plane in FIG. 3 are the Y-axis and the Y-axis of Cartesian (parallel) coordinates, respectively. Further, negative numbers in Table 1 indicate that the coils are wound in the opposite direction.

本実施例のNMR分光装置は、深度パルス手法(dep
th pulsing )および水抑圧手法(wate
r 5upression)によって作動されるもので
あり、成人の脳皮質において、第1図に示すように、リ
ン代謝物質および高感度陽子共鳴が分離される。したが
って、脳エネルギーの新陳代謝の全体的な状況が特定さ
れて、その測定結果が生体の治療に有効に用いられる。
The NMR spectrometer of this example uses the depth pulse method (dep
th pulsing) and water suppression techniques (wate
In the adult brain cortex, phosphorus metabolites and sensitive proton resonances are separated, as shown in Figure 1. Therefore, the overall status of brain energy metabolism can be identified, and the measurement results can be effectively used for treatment of the living body.

なお、本発明は他の態様においても好適に実施され得る
Note that the present invention can be suitably implemented in other embodiments as well.

たとえば、Nb−Ti  にオブーチタン)超電導合金
を材質とする超伝導コイルを適当な電流にて駆動するこ
とにより、コイル内中心部の磁場において2.5テスラ
程度、最高磁場において4.8テスラ程度を得ることが
できる。なお、Nb、Snにオブースズ)超電導合金あ
るいはV、、Ga(バナジウム−ガリウム)超電導合金
を材質とする同形状のコイルを用いると中心磁場を5.
0テスラの強度とすることができる。
For example, by driving a superconducting coil made of a superconducting alloy (Nb-Ti, obu-titanium) with an appropriate current, the magnetic field at the center of the coil can generate about 2.5 Tesla, and the maximum magnetic field can generate about 4.8 Tesla. Obtainable. Note that if a coil of the same shape is made of a superconducting alloy (Nb, Sn, oboustin) or a superconducting alloy (V, Ga) (vanadium-gallium), the central magnetic field will be 5.
It can have an intensity of 0 tesla.

また、前述の実施例において、磁石の長さおよび穴など
の形状やその大きさは、人体の頭および頚部の平均直径
寸法(9,5>’)と平均長さ寸法(10!ン)とに従
って決定されている。なお、低温保持装置10の長さ寸
法は、各コイルが所定の磁場強度および均質性を形成し
て、低温保持装置10の穴29内に被験者の肩部を挿入
しなくても被験者の脳に対してNMR分光法を実行する
ことができることを前提として、各コイルを収容し得る
範囲で短縮可能である。ここで、NMR分光装置の価格
はその直径の二乗に略比例するものであるから、NMR
分光装置が安価なものとなるという顕著な効果が得られ
る。
In addition, in the above embodiment, the length of the magnet and the shape and size of the hole etc. are based on the average diameter dimension (9,5>') and average length dimension (10!n) of the head and neck of the human body. determined according to. The length dimension of the cryostat 10 is such that each coil forms a predetermined magnetic field strength and homogeneity so that the subject's brain can be accessed without inserting the subject's shoulder into the hole 29 of the cryostat 10. On the premise that NMR spectroscopy can be performed on the coils, the length can be shortened to the extent that each coil can be accommodated. Here, since the price of an NMR spectrometer is approximately proportional to the square of its diameter, the NMR
A remarkable effect is obtained in that the spectroscopic device becomes inexpensive.

また、前記超伝導コイルに好適な寸法が選択された場合
には、低温保持装置10の長さ寸法はある程度短くされ
得る。一方、磁場形成装置として抵抗性(resist
ive )の磁石、水冷磁石、あるいは永久磁石を用い
ても良く、そのような磁石は幾分小さくすることができ
るという利点がある。
Furthermore, if suitable dimensions are selected for the superconducting coil, the length of the cryostat 10 can be shortened to some extent. On the other hand, as a magnetic field forming device, resistive
ive) magnets, water-cooled magnets, or permanent magnets, with the advantage that such magnets can be made somewhat smaller.

また、前記実施例では、人体の脳に対して用いられるN
MR分光法について説明されていたが、本発明のNMR
分光装置は手足などの人体の末端部に対しても適用され
るものである。従来のNMR分光装置においては、胴体
部に最も近い位置にある手足の一部を観察する場合には
、磁場形成装置の寸法に制限されて手足を磁石内に充分
な位置まで挿入することができないという不都合があっ
たが、前記実施例の磁場形成装置によれば、径寸法およ
び縦横比が小さくされているので、そのような従来の問
題点が解決されるのである。
Further, in the above embodiment, N
Although MR spectroscopy was explained, NMR spectroscopy of the present invention
Spectroscopic devices are also applicable to the extremities of the human body, such as limbs. With conventional NMR spectrometers, when observing the part of the limb closest to the torso, it is not possible to insert the limb to a sufficient position within the magnet due to the size of the magnetic field forming device. However, according to the magnetic field forming device of the above-mentioned embodiment, since the diameter dimension and the aspect ratio are reduced, such conventional problems can be solved.

また、前記実施例において、NMR分光装置は主にNM
R分光法を実行するために用いられていたが、この装置
をNMR結像法において用いることにより、たとえば、
腫瘍などの比較的小さな対象物の画像などを得ることも
できる。このような場合には、RFコイル30に替えて
結像コイル32を用いても良い(共に第2図に示す)。
Further, in the above embodiment, the NMR spectrometer mainly uses NM
Although previously used to perform R spectroscopy, the use of this device in NMR imaging allows e.g.
It is also possible to obtain images of relatively small objects such as tumors. In such a case, an imaging coil 32 may be used instead of the RF coil 30 (both shown in FIG. 2).

NMR結像法においては、脂肪からのアーチファクトは
コンピュータによって除去されるので、前記実施例にお
いて形成される最も極端に均質な磁場であっても結像の
障害とはならない。
In NMR imaging, artifacts from fat are removed by the computer, so that even the most extremely homogeneous magnetic field produced in the embodiment described does not interfere with imaging.

なお、上述したのはあくまでも本発明の一実施例であり
、本発明はその精神を逸脱しない範囲で種々変更が加え
られ得るものである。
Note that the above-mentioned embodiment is merely one embodiment of the present invention, and various modifications may be made to the present invention without departing from the spirit thereof.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は、周波数すなわち磁場において略3゜ppmの
差異により7つに区分されるリン化合物が表された脳内
のある領域におけるリンスベクトル例を示して化学シフ
トを説明する図であって、縦軸は吸収エネルギ、横軸は
RF周波数である。第2図は本発明の一実施例であるN
MR分光装置を横断面から見た概略図である。第3図は
本発明の他の実施例の第2図に相当する概略図である。 18a、18b:超伝導磁気コイル (ヘルムホルツコイル)
FIG. 1 is a diagram illustrating chemical shift by showing an example of a rinse vector in a certain region of the brain in which phosphorus compounds are classified into seven categories with a difference of about 3°ppm in frequency, that is, in a magnetic field, The vertical axis is absorbed energy and the horizontal axis is RF frequency. FIG. 2 shows an embodiment of the present invention.
1 is a schematic cross-sectional view of an MR spectrometer. FIG. 3 is a schematic diagram corresponding to FIG. 2 of another embodiment of the present invention. 18a, 18b: Superconducting magnetic coil (Helmholtz coil)

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)小さな縦横比を有するとともに、NMR分光法に
おいて人体内部を観察するのに充分な高磁場および均質
性を形成し得る磁場形成装置であって、一対のヘルムホ
ルツコイルを含み、該一対のヘルムホルツコイル間に設
けられたギャップが、該ヘルムホルツコイルの磁場勾配
よりも大きい磁場勾配を形成して負方向の4次項の磁場
勾配を発生させる主磁石と、 正方向の4次項の磁場勾配を形成して前記主磁石におけ
る負方向の4次項の磁場勾配を消去する一組の補正コイ
ルと、 を含むことを特徴とするNMR用均質性磁場形成装置。
(1) A magnetic field forming device having a small aspect ratio and capable of forming a high enough magnetic field and homogeneity to observe the inside of a human body in NMR spectroscopy, the device including a pair of Helmholtz coils; A main magnet in which a gap provided between the coils forms a magnetic field gradient larger than the magnetic field gradient of the Helmholtz coil to generate a fourth-order term magnetic field gradient in a negative direction; a set of correction coils for erasing the magnetic field gradient of the fourth-order term in the negative direction in the main magnet.
(2)前記一組の補正コイルは、観察すべき生体の一部
の半径に基づいて可及的に小さく決定された半径と可及
的に大きい強度とを備えて同軸に配設された5個のコイ
ルであるとともに、前記一対のヘルムホルツコイルは、
前記一組の補正コイルの外側から該補正コイルに可及的
に接近した位置に同軸に配設されるものである特許請求
の範囲第1項に記載のNMR用均質性磁場形成装置。
(2) The set of correction coils are coaxially arranged with a radius determined to be as small as possible based on the radius of the part of the living body to be observed, and an intensity as large as possible. coils, and the pair of Helmholtz coils are
2. The homogeneous magnetic field forming device for NMR according to claim 1, which is coaxially disposed at a position as close as possible to the set of correction coils from the outside.
(3)前記一組の補正コイルは、 前記ヘルムホルツコイルの内側において同軸に配置され
且つ前記ギャップを二等分する二等分線を中心にして対
称となるように配置されて該ヘルムホルツコイルと同様
の方向に巻回される中央コイルと、 互いに同軸上に位置し、前記二等分線を中心にして対称
にそれぞれ配置されるとともに、前記中央コイルと同様
の電流を有し且つ該中央コイルと反対方向にそれぞれ巻
回される第2コイルおよび第3コイルと、 互いに同軸上に位置し、前記二等分線を中心にして対称
にそれぞれ配置されるとともに、前記中央コイルと同様
の電流を有し且つ該中央コイルと同一方向に巻回される
第4コイルおよび第5コイルと、 を含むものである特許請求の範囲第1項に記載のNMR
用均質性磁場形成装置。
(3) The set of correction coils are arranged coaxially inside the Helmholtz coil and are arranged symmetrically about a bisector that bisects the gap, and are similar to the Helmholtz coil. a central coil that is wound in the direction of the central coil, and a central coil that is located coaxially with each other and is arranged symmetrically about the bisector, has the same current as the central coil, and has a current similar to that of the central coil; A second coil and a third coil are wound in opposite directions, and the second coil and third coil are coaxial with each other, are arranged symmetrically about the bisector, and have the same current as the central coil. and a fourth coil and a fifth coil wound in the same direction as the central coil.
homogeneous magnetic field forming device.
(4)前記一対のヘルムホルツコイルは、超伝導磁石で
ある特許請求の範囲第1項に記載のNMR用均質性磁場
形成装置。
(4) The homogeneous magnetic field forming device for NMR according to claim 1, wherein the pair of Helmholtz coils are superconducting magnets.
(5)磁石と、高周波プローブと、誘導される核磁気共
鳴を検出する検出手段と、該磁石、該高周波プローブ、
および該検出手段をそれぞれ駆動するコンピュータとを
含み、前記磁石が特許請求の範囲第1項に記載の磁場形
成装置であることを特徴とするNMR分光装置。
(5) a magnet, a high-frequency probe, a detection means for detecting induced nuclear magnetic resonance, the magnet, the high-frequency probe,
and a computer that drives each of the detection means, wherein the magnet is the magnetic field forming device according to claim 1.
(6)対象となる生体をNMR分光装置内へ挿入した後
に装置を駆動することにより、生体内の所定の原子核あ
るいは陽子のNMRスペクトル上の共鳴を判定する方法
であって、前記NMR分光装置は特許請求の範囲第5項
に記載の装置である一方、該対象における観察個所が、
該NMR分光装置内において、前記一対のヘルムホルツ
コイルの中心軸と、該中心軸と直交し且つ該一対のヘル
ムホルツコイル間の前記ギャップを二等分する平面とが
交差する点に位置されることを特徴とするNMR分光法
(6) A method for determining the resonance on the NMR spectrum of a predetermined atomic nucleus or proton in the living body by inserting the target living body into an NMR spectrometer and then driving the device, wherein the NMR spectrometer is The apparatus according to claim 5, wherein the observation point in the object is
The NMR spectrometer is located at a point where the central axes of the pair of Helmholtz coils intersect with a plane that is orthogonal to the central axis and bisects the gap between the pair of Helmholtz coils. Features of NMR spectroscopy.
(7)前記観察個所は前記対象の脳内部に位置し、前記
NMR分光装置の開口部の径寸法は、該対象の頭部の径
寸法より僅かに大きく、且つ該対象の肩部が挿入され得
ないように設定されていることを特徴とする特許請求の
範囲第6項に記載のNM分光法。
(7) The observation point is located inside the subject's brain, and the diameter of the opening of the NMR spectrometer is slightly larger than the diameter of the subject's head, and the shoulder of the subject is inserted. NM spectroscopy according to claim 6, characterized in that the NM spectroscopy is set so that no NM spectroscopy is obtained.
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