JPH0315802B2 - - Google Patents
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- JPH0315802B2 JPH0315802B2 JP59202450A JP20245084A JPH0315802B2 JP H0315802 B2 JPH0315802 B2 JP H0315802B2 JP 59202450 A JP59202450 A JP 59202450A JP 20245084 A JP20245084 A JP 20245084A JP H0315802 B2 JPH0315802 B2 JP H0315802B2
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- coil
- magnetic field
- coils
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- central
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F7/00—Magnets
- H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
- H01F7/20—Electromagnets; Actuators including electromagnets without armatures
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
- G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
- G01R33/38—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field
- G01R33/387—Compensation of inhomogeneities
- G01R33/3875—Compensation of inhomogeneities using correction coil assemblies, e.g. active shimming
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- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)
- Particle Accelerators (AREA)
Description
［発明の属する分野］
本発明は、核磁気共鳴イメージング装置の磁場
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 magetic resonance…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
という意味において、他に見られない有力な手段
となつている。 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、NMR
で通常用いられる高周波磁場のエネルギーは
10-19〜10-20エルグ程度であり、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、無侵襲的な生体計測技術とし
て医用面においても注目されている。特にNMR
−CT（CTはComputer Tomograghyの略称）と
して臨床的応用が研究されているが、これは悪性
腫瘍における水分子を構成している水素原子核の
各磁気緩和時間が正常のそれに対し、数倍長いと
いう報告（R.Damadian：Science Vol171p1151
（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NMR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図に示すよう
な構造の常伝導マグネツトが、人体的で性能が良
いという理由から、広く用いられている。 良い画像を得るには、撮像領域で10ppm程度の
高い磁場均一度にする必要がある。従来よりその
ための各種設計法が提案されており、該磁気共鳴
医学研究会編による刊行物「NMR医学」（1984
年１月20日発行）の第78項ないし第79項には次の
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置
することによつて、磁場の２次、４次更には６次
の誤差項を総べて０にし、消去することが可能で
ある。これをダブルヘルムホルツコイルと呼んで
おり、常伝導のNMRイメージング用のマグネツ
トに多用されている。 このコイル系の従来の設計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。 cosθ1＝z1／R0＝0.76506 cosθ2＝z2／R0＝0.28523 コイルのアンペアターン比：AT2／AT1＝
1.4660 このとき、磁場の２次、４次、６次の誤差項
はいずれも０となつて８次補償コイルが得られ
る。 (2) 有限な寸法の短形断面コイルを組合せたダブ
ルヘルムホルツコイルに関して、次のように選
定する。 cosθ1＝z1／R0＝0.76506 cosθ2＝z2／R0＝0.28523 アンペアターン比：AT2／AT1＝1.46608 a1／a2＝0.67188 なお、各コイルの電流密度が同じであるとす
れば、 b1／b2＝1.01523 となる。ただし、a1、a2、b1、b2〓R0とする。
このように寸法を選定すれば、磁場は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) 有限な寸法の短形断面のコイルを組合せたダ
ブルヘルムホルツコイルに関して、８次補償コ
イルを得る寸法を第１表のように選定する。第
１票で、Na1、Nb1、Na2、Nb2は各々a1、b1、
a2、b2の最適寸法に対する相対的巻数を表わ
している。
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 magetic resonance…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
という意味において、他に見られない有力な手段
となつている。 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、NMR
で通常用いられる高周波磁場のエネルギーは
10-19〜10-20エルグ程度であり、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、無侵襲的な生体計測技術とし
て医用面においても注目されている。特にNMR
−CT（CTはComputer Tomograghyの略称）と
して臨床的応用が研究されているが、これは悪性
腫瘍における水分子を構成している水素原子核の
各磁気緩和時間が正常のそれに対し、数倍長いと
いう報告（R.Damadian：Science Vol171p1151
（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NMR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図に示すよう
な構造の常伝導マグネツトが、人体的で性能が良
いという理由から、広く用いられている。 良い画像を得るには、撮像領域で10ppm程度の
高い磁場均一度にする必要がある。従来よりその
ための各種設計法が提案されており、該磁気共鳴
医学研究会編による刊行物「NMR医学」（1984
年１月20日発行）の第78項ないし第79項には次の
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置
することによつて、磁場の２次、４次更には６次
の誤差項を総べて０にし、消去することが可能で
ある。これをダブルヘルムホルツコイルと呼んで
おり、常伝導のNMRイメージング用のマグネツ
トに多用されている。 このコイル系の従来の設計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。 cosθ1＝z1／R0＝0.76506 cosθ2＝z2／R0＝0.28523 コイルのアンペアターン比：AT2／AT1＝
1.4660 このとき、磁場の２次、４次、６次の誤差項
はいずれも０となつて８次補償コイルが得られ
る。 (2) 有限な寸法の短形断面コイルを組合せたダブ
ルヘルムホルツコイルに関して、次のように選
定する。 cosθ1＝z1／R0＝0.76506 cosθ2＝z2／R0＝0.28523 アンペアターン比：AT2／AT1＝1.46608 a1／a2＝0.67188 なお、各コイルの電流密度が同じであるとす
れば、 b1／b2＝1.01523 となる。ただし、a1、a2、b1、b2〓R0とする。
このように寸法を選定すれば、磁場は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) 有限な寸法の短形断面のコイルを組合せたダ
ブルヘルムホルツコイルに関して、８次補償コ
イルを得る寸法を第１表のように選定する。第
１票で、Na1、Nb1、Na2、Nb2は各々a1、b1、
a2、b2の最適寸法に対する相対的巻数を表わ
している。
【表】
８次補正コイル系では、磁場は
Bz（ｚ、Ｏ）＝B0［１＋Υ8（ｚ／R0）8＋…］ …(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。この様なコイルでは、寸法（コ
イルの最大外形1600mm）や消費電力（約60〓）、
重量（約2000Kg）等が大きく、またその割りには
クリアボア径Ｃ（小さい方のコイル径で制限され
る）が小さい（約700mm）という欠点があつた。 ［発明の目的］ 本発明の目的は、この様な欠点を解消し、一挙
に、小型、軽量、低消費電力、低価格化を図り得
る静磁場発生用のコイルを提供することにある。 ［発明の概要］ この様な目的を達成するために本発明では、高
均一静磁場発生コイルにおいて、中央に配置した
１つのコイルと、これの両端に配置した一対の外
側コイルからなる３つのコイルを備え、各コイル
中心におけるｚ軸方向磁界のテイラー展開の各項
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、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。 ［実施例］ 以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。ま
ず、均一な磁場を得る原理から説明を始める。 ＜＞ 第３図に示す円環電流によるｚ軸上の磁
場Ｈ（ｚ）のｚ方向成分は、ビオ・サバールの
法則によつて次のようになる。 dH（Ｚ）＝ｄ〓sin＝Ｉ／4πr2・Ｒ／ｒ・ds 故に、 Ｈ（Ｚ）＝∫d〓＝IR2／２（R2＋Z2）3/2 …(2) ここに、Ｒ：円環の半径 ｓ：円環に沿つた長さ Ｈ：磁場のベクトル表現 ψ：ｚ軸上の任意の点でのdsとｚ軸との開き
角 ｒ：ｚ軸上の任意の点からdsまでの距離 Ｉ：電流 ＜＞ 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＝
０として各コイルによる磁界H1、H2は、 H1（ｚ）＝Ｈ（ｚ−ｄ）
…(3) H2（ｚ）＝Ｈ（ｚ＋ｄ）
…(4) である。(3)、(4)式をｚ＝０でテイラー
（Taylor）展開し、Ｈ（ｚ）を用いて表わすと、
それぞれ(5)式と(6)式になる。 H1（Ｚ）＝H1（０）＋∂H1（０）／∂Z・Ｚ＋１／２∂H
1（０）／∂Z2・Z2＋… ＝Ｈ(d)−∂H(d)／∂Z・Ｚ＋１／２∂2H(d)／∂Z2・Z
2−…(5) H2（Ｚ）＝H2（０）＋∂H2（０）／∂Z・Ｚ＋１／２∂2
H2（０）／∂Z2・Z2＋… ＝Ｈ(d)＋∂H(d)／∂Z・Ｚ＋１／２∂2H(d)／∂Z2・Z
2＋…(6) ２つの円環電流による磁場は、H1＋H2である
から、(5)、(6)式を加えて、 H1（Ｚ）＋H2（Ｚ）＝2H(d)＋∂2H／∂Z2(d)・Z2
＋２／４！∂4H(d)／∂Z4Z4＋ …＋２／ｎ！∂nＨ(d)／∂ZnZn＋…（ｎは偶数
）…(7) となり、ｚの奇数べきの項が消える。 この様に、ｚ＝０で対称にコイルを配置する
場合、ｚ＝０でのテイラー展開には、ｚの偶数
次の項のみが現れることが分る。 ここで、各係数を(2)式から具体的に計算する
と(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Ｉ／２の項
および１／ｎ！は省略してある。 （２次の係数）＝３／R3（4X2−１）（１＋X2）-7/2 …(8) （４次の係数）＝45／R5（8X4−12X2＋１）（１＋X
2）-11/2…(9) （６次の係数）＝315／R7（64X6−240X4＋120X2−
５）（１＋X2）-15/2…(10) ＜＞ 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＝
０での磁場のテイラー展開にはｚ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、断面全体で加え合わ
せる（積分する）ことで得られる。 ＜＞ 以上のようにして、ｚ＝０での磁場のテ
イラー展開が得られる。仮に、有限な断面積を
持つ４コイルのｚ軸上の磁場ｈ（ｚ）がｚ＝０
で(11)式のように展開できるとすると、 ｈ（ｚ）＝a0＋a2z2＋a4z4＋a6z6＋…(11) となる。ここで｜Ｚ｜＜１と仮定すると、 ｜Ｚ｜n＜｜Ｚ｜m （ｎ＞ｍ） であるから、次数の低い係数ほど磁場の均一度
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、｜a2｜、｜a4｜、｜a6｜の３つの項がそれ
ぞれ最小となるように、または（｜a2｜2＋｜
a4｜2＋｜a6｜2）1/2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の明細書でも記載した
が、静磁場マグネツトの評価基準について述べて
おく。 (A) マグネツ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、を軽くするとが大きくな
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関数で
あるため、〜のデータからマグネツトの性
能を評価することは単純でない。 ただし、静磁場マグネツトであるから、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10ppm以下）で、同じ磁場強
度」が得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。コ
イ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。 消費電力＝Ｐ＝I2（2πR／Ｓ）ρ・Ｎ 重量＝Ｗ＝Ｓ・2πR・Ｎ・δ 故に、 Ｐ×Ｗ＝I2（2πR）2・N2・ρ・δ ＝（アンペアターン）2・（2πR）2・ρ・δ ここで、Ｉ：電流 Ｓ：ワイヤ一本の断面積 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
コイルであると評価できる。 そこで、（消費電力）×（コイル重量）＝Ｐ×Ｗ
を重要な評価関数とする。 既述した均一磁場を得る原理に加えて、上記し
た静磁場マグネツ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。 本出願人はこの特願昭59−84765静磁場発生用
コイルの研究を更に進めた結果、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、本発明に係る静磁場発生用コイルの
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l1と、その左右に配置された１対の外側コ
イルl2，l3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l1の中央部Ｐの電流密
度が高く設定されている点である。なお、中央部
Ｐのｚ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l1の半径RIの値を変化させた
場合を考える。このとき、磁場のｘ＝ｙ＝ｚ＝０
におけるテイラー展開の２、４、６次の項が、そ
れぞれ最小となるように既述した数式により、コ
イルl1，l2，l3の位置、外側コイルl2，l3の径、及
び中央コイルl1の電流密度が高い部分の幅ｗを定
めることができる。 例えば、中央部のコイルl1は、２つの同形のコ
イルが部分的に重ね合わさつていると考えること
ができる。重ね合わさつた部分がコイルl1のＰで
ある。重ね合わさつた部分だけ電流密度が２倍に
なつていると考えれば、既述したダブルヘルムホ
ルツ型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l1の半径RI
を変えた場合に、半径方向の均一領域（例えば
10ppm以下）の広さがどのように変化するかを第
５図に示す。この第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l1の或る値
の半径RIを選択すると均一領域が大幅に拡大す
る所があることが分る。つまり、コイル断面は、
余り差がなくても、均一領域を際立つて広くでき
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
布であつて、巻線部にあまり近くない中央部で
は、コイル径RI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つて磁場Ｈは“下
がる”方向に分布する。この状態を第６図に示
す。 一方、コイル径RIが小さい場合では、逆にコ
イル中心から直径方向に遠ざかるにしたがつて磁
場Ｈ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、均一領域が広がる。これは、解析的には、(1)
の式のΥ8が充分、零に近くなつていることを示
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L1，L2を部分的に重なり合わせたもの
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l1とし、か
つ、中央コイルl1の中央部Ｐ（重なり合つた部分）
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だけ、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コイルであつて、前記した（Ｐ×Ｗ）の評価
関数値を最小となるようにすると、内側コイル
L1，L2同士が接触する。従つて、この接触を避
けるため内側コイルL1，L2の形状に限界を設け
た。このような限界の下で得られたのが特願昭59
−84765の静磁場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
の一部が重なつた場合まで考慮した結果、上述の
ような３つのコイルで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、磁場均一領域が大きく、しかも
小型、軽量、低消費電力のマグネツトを得ること
ができたことが分る。 この場合、コイル断面の遍平度ａ／ｂ、外側コ
イルl2，l3に対する中央コイルl1の電流と巻数の
積の比r′、外側コイルl2，l3に対する中央コイルl1
のコイル半径比RL／Rsは、それぞれ次の通りで
ある。 中央コイルのl1のａ／ｂ0.08 外側コイルl2，l3のａ／ｂ0.5 RL／Rs1.3 r′0.6
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。この様なコイルでは、寸法（コ
イルの最大外形1600mm）や消費電力（約60〓）、
重量（約2000Kg）等が大きく、またその割りには
クリアボア径Ｃ（小さい方のコイル径で制限され
る）が小さい（約700mm）という欠点があつた。 ［発明の目的］ 本発明の目的は、この様な欠点を解消し、一挙
に、小型、軽量、低消費電力、低価格化を図り得
る静磁場発生用のコイルを提供することにある。 ［発明の概要］ この様な目的を達成するために本発明では、高
均一静磁場発生コイルにおいて、中央に配置した
１つのコイルと、これの両端に配置した一対の外
側コイルからなる３つのコイルを備え、各コイル
中心におけるｚ軸方向磁界のテイラー展開の各項
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、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。 ［実施例］ 以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。ま
ず、均一な磁場を得る原理から説明を始める。 ＜＞ 第３図に示す円環電流によるｚ軸上の磁
場Ｈ（ｚ）のｚ方向成分は、ビオ・サバールの
法則によつて次のようになる。 dH（Ｚ）＝ｄ〓sin＝Ｉ／4πr2・Ｒ／ｒ・ds 故に、 Ｈ（Ｚ）＝∫d〓＝IR2／２（R2＋Z2）3/2 …(2) ここに、Ｒ：円環の半径 ｓ：円環に沿つた長さ Ｈ：磁場のベクトル表現 ψ：ｚ軸上の任意の点でのdsとｚ軸との開き
角 ｒ：ｚ軸上の任意の点からdsまでの距離 Ｉ：電流 ＜＞ 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＝
０として各コイルによる磁界H1、H2は、 H1（ｚ）＝Ｈ（ｚ−ｄ）
…(3) H2（ｚ）＝Ｈ（ｚ＋ｄ）
…(4) である。(3)、(4)式をｚ＝０でテイラー
（Taylor）展開し、Ｈ（ｚ）を用いて表わすと、
それぞれ(5)式と(6)式になる。 H1（Ｚ）＝H1（０）＋∂H1（０）／∂Z・Ｚ＋１／２∂H
1（０）／∂Z2・Z2＋… ＝Ｈ(d)−∂H(d)／∂Z・Ｚ＋１／２∂2H(d)／∂Z2・Z
2−…(5) H2（Ｚ）＝H2（０）＋∂H2（０）／∂Z・Ｚ＋１／２∂2
H2（０）／∂Z2・Z2＋… ＝Ｈ(d)＋∂H(d)／∂Z・Ｚ＋１／２∂2H(d)／∂Z2・Z
2＋…(6) ２つの円環電流による磁場は、H1＋H2である
から、(5)、(6)式を加えて、 H1（Ｚ）＋H2（Ｚ）＝2H(d)＋∂2H／∂Z2(d)・Z2
＋２／４！∂4H(d)／∂Z4Z4＋ …＋２／ｎ！∂nＨ(d)／∂ZnZn＋…（ｎは偶数
）…(7) となり、ｚの奇数べきの項が消える。 この様に、ｚ＝０で対称にコイルを配置する
場合、ｚ＝０でのテイラー展開には、ｚの偶数
次の項のみが現れることが分る。 ここで、各係数を(2)式から具体的に計算する
と(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Ｉ／２の項
および１／ｎ！は省略してある。 （２次の係数）＝３／R3（4X2−１）（１＋X2）-7/2 …(8) （４次の係数）＝45／R5（8X4−12X2＋１）（１＋X
2）-11/2…(9) （６次の係数）＝315／R7（64X6−240X4＋120X2−
５）（１＋X2）-15/2…(10) ＜＞ 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＝
０での磁場のテイラー展開にはｚ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、断面全体で加え合わ
せる（積分する）ことで得られる。 ＜＞ 以上のようにして、ｚ＝０での磁場のテ
イラー展開が得られる。仮に、有限な断面積を
持つ４コイルのｚ軸上の磁場ｈ（ｚ）がｚ＝０
で(11)式のように展開できるとすると、 ｈ（ｚ）＝a0＋a2z2＋a4z4＋a6z6＋…(11) となる。ここで｜Ｚ｜＜１と仮定すると、 ｜Ｚ｜n＜｜Ｚ｜m （ｎ＞ｍ） であるから、次数の低い係数ほど磁場の均一度
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、｜a2｜、｜a4｜、｜a6｜の３つの項がそれ
ぞれ最小となるように、または（｜a2｜2＋｜
a4｜2＋｜a6｜2）1/2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の明細書でも記載した
が、静磁場マグネツトの評価基準について述べて
おく。 (A) マグネツ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、を軽くするとが大きくな
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関数で
あるため、〜のデータからマグネツトの性
能を評価することは単純でない。 ただし、静磁場マグネツトであるから、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10ppm以下）で、同じ磁場強
度」が得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。コ
イ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。 消費電力＝Ｐ＝I2（2πR／Ｓ）ρ・Ｎ 重量＝Ｗ＝Ｓ・2πR・Ｎ・δ 故に、 Ｐ×Ｗ＝I2（2πR）2・N2・ρ・δ ＝（アンペアターン）2・（2πR）2・ρ・δ ここで、Ｉ：電流 Ｓ：ワイヤ一本の断面積 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
コイルであると評価できる。 そこで、（消費電力）×（コイル重量）＝Ｐ×Ｗ
を重要な評価関数とする。 既述した均一磁場を得る原理に加えて、上記し
た静磁場マグネツ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。 本出願人はこの特願昭59−84765静磁場発生用
コイルの研究を更に進めた結果、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、本発明に係る静磁場発生用コイルの
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l1と、その左右に配置された１対の外側コ
イルl2，l3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l1の中央部Ｐの電流密
度が高く設定されている点である。なお、中央部
Ｐのｚ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l1の半径RIの値を変化させた
場合を考える。このとき、磁場のｘ＝ｙ＝ｚ＝０
におけるテイラー展開の２、４、６次の項が、そ
れぞれ最小となるように既述した数式により、コ
イルl1，l2，l3の位置、外側コイルl2，l3の径、及
び中央コイルl1の電流密度が高い部分の幅ｗを定
めることができる。 例えば、中央部のコイルl1は、２つの同形のコ
イルが部分的に重ね合わさつていると考えること
ができる。重ね合わさつた部分がコイルl1のＰで
ある。重ね合わさつた部分だけ電流密度が２倍に
なつていると考えれば、既述したダブルヘルムホ
ルツ型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l1の半径RI
を変えた場合に、半径方向の均一領域（例えば
10ppm以下）の広さがどのように変化するかを第
５図に示す。この第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l1の或る値
の半径RIを選択すると均一領域が大幅に拡大す
る所があることが分る。つまり、コイル断面は、
余り差がなくても、均一領域を際立つて広くでき
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
布であつて、巻線部にあまり近くない中央部で
は、コイル径RI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つて磁場Ｈは“下
がる”方向に分布する。この状態を第６図に示
す。 一方、コイル径RIが小さい場合では、逆にコ
イル中心から直径方向に遠ざかるにしたがつて磁
場Ｈ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、均一領域が広がる。これは、解析的には、(1)
の式のΥ8が充分、零に近くなつていることを示
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L1，L2を部分的に重なり合わせたもの
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l1とし、か
つ、中央コイルl1の中央部Ｐ（重なり合つた部分）
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だけ、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コイルであつて、前記した（Ｐ×Ｗ）の評価
関数値を最小となるようにすると、内側コイル
L1，L2同士が接触する。従つて、この接触を避
けるため内側コイルL1，L2の形状に限界を設け
た。このような限界の下で得られたのが特願昭59
−84765の静磁場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
の一部が重なつた場合まで考慮した結果、上述の
ような３つのコイルで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、磁場均一領域が大きく、しかも
小型、軽量、低消費電力のマグネツトを得ること
ができたことが分る。 この場合、コイル断面の遍平度ａ／ｂ、外側コ
イルl2，l3に対する中央コイルl1の電流と巻数の
積の比r′、外側コイルl2，l3に対する中央コイルl1
のコイル半径比RL／Rsは、それぞれ次の通りで
ある。 中央コイルのl1のａ／ｂ0.08 外側コイルl2，l3のａ／ｂ0.5 RL／Rs1.3 r′0.6
【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
ル型式の静磁場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、低消費電力のものを得ることができ
る。
ル型式の静磁場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、低消費電力のものを得ることができ
る。
第１図は本発明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
ルの一例を示す構成図、第３図および第４図は円
環電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RIと均一領域との関係を示
した図、第６図はヘ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図はヘルムホルツコイルのコイル径が大きい場
合の磁界の強さの分布を示した図である。 l1……中央コイル、l2，l3……外側コイル。
成例の断面図、第２図は従来の静磁場発生用コイ
ルの一例を示す構成図、第３図および第４図は円
環電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RIと均一領域との関係を示
した図、第６図はヘ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図はヘルムホルツコイルのコイル径が大きい場
合の磁界の強さの分布を示した図である。 l1……中央コイル、l2，l3……外側コイル。
Claims (1)
- 【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l1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l2，l3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
l1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Rsに対する中央コイルのコイル断面中心
の半径RLの比RL／Rs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／ｂ0.08 外側コイルのａ／ｂ0.5 r′0.6 RL／Rs1.3
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59202450A JPS6180808A (ja) | 1984-09-27 | 1984-09-27 | 静磁場発生用コイル |
| GB08523330A GB2165095B (en) | 1984-09-27 | 1985-09-20 | Coil arrangement for producing static magnetic field |
| US06/778,368 US4716370A (en) | 1984-09-27 | 1985-09-20 | Coil arrangement for producing static magnetic field |
| DE19853534383 DE3534383A1 (de) | 1984-09-27 | 1985-09-26 | Spulenanordnung zur erzeugung eines statischen magnetfelds |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59202450A JPS6180808A (ja) | 1984-09-27 | 1984-09-27 | 静磁場発生用コイル |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6180808A JPS6180808A (ja) | 1986-04-24 |
| JPH0315802B2 true JPH0315802B2 (ja) | 1991-03-04 |
Family
ID=16457724
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59202450A Granted JPS6180808A (ja) | 1984-09-27 | 1984-09-27 | 静磁場発生用コイル |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4716370A (ja) |
| JP (1) | JPS6180808A (ja) |
| DE (1) | DE3534383A1 (ja) |
| GB (1) | GB2165095B (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5045826A (en) * | 1990-04-05 | 1991-09-03 | General Electric Company | Actively shielded magnetic resonance magnet without cryogens |
| DE4324021C2 (de) * | 1993-07-17 | 1996-05-30 | Bruker Analytische Messtechnik | Therapietomograph |
| US5483163A (en) * | 1993-08-12 | 1996-01-09 | The United States Of America As Represented By The Department Of Health And Human Services | MRI coil using inductively coupled individually tuned elements arranged as free-pivoting components |
| JP3959489B2 (ja) * | 1998-05-19 | 2007-08-15 | 独立行政法人科学技術振興機構 | 均一磁気力発生磁石 |
| JP4990194B2 (ja) * | 2008-03-07 | 2012-08-01 | 株式会社神戸製鋼所 | 磁石位置測定方法 |
| JP2012500080A (ja) * | 2008-08-20 | 2012-01-05 | コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ | 磁気誘導トモグラフィのための方法及び装置 |
Family Cites Families (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3140432A (en) * | 1959-12-23 | 1964-07-07 | Matsushita Electric Industrial Co Ltd | Deflecting coils for cathode ray tubes |
| FI373874A7 (ja) * | 1974-12-20 | 1976-06-21 | Nils Allan Danielsson | |
| US4385277A (en) * | 1980-01-21 | 1983-05-24 | The Oxford Instruments Group Limited | Topical nuclear magnetic resonance spectrometer and method |
| DE3123493A1 (de) * | 1981-06-13 | 1982-12-30 | Bruker Analytische Meßtechnik GmbH, 7512 Rheinstetten | Elektromagnet fuer die nmr-tomographie |
| NL8203756A (nl) * | 1982-09-28 | 1984-04-16 | Holec Nv | Magneetspoeleninrichting. |
| FI70751C (fi) * | 1983-05-20 | 1986-10-06 | Instrumentarium Oy | Spolanordning foer nmr-undersoekningsutrustning |
| FI70752C (fi) * | 1983-05-20 | 1986-10-06 | Instrumentarium Oy | Spolsystem foer aostadkommande av homogent magnetfaelt |
| JPS60229311A (ja) * | 1984-04-26 | 1985-11-14 | Yokogawa Hokushin Electric Corp | 磁場発生用コイル |
| US4656447A (en) * | 1984-06-27 | 1987-04-07 | General Electric Company | Superconducting filter coils for high homogeneity magnetic field |
| US4595899A (en) * | 1984-07-06 | 1986-06-17 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Magnetic structure for NMR applications and the like |
-
1984
- 1984-09-27 JP JP59202450A patent/JPS6180808A/ja active Granted
-
1985
- 1985-09-20 US US06/778,368 patent/US4716370A/en not_active Expired - Fee Related
- 1985-09-20 GB GB08523330A patent/GB2165095B/en not_active Expired
- 1985-09-26 DE DE19853534383 patent/DE3534383A1/de active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| GB8523330D0 (en) | 1985-10-23 |
| GB2165095A (en) | 1986-04-03 |
| DE3534383A1 (de) | 1986-03-27 |
| US4716370A (en) | 1987-12-29 |
| GB2165095B (en) | 1988-10-12 |
| JPS6180808A (ja) | 1986-04-24 |
| DE3534383C2 (ja) | 1992-12-24 |
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