JPH0884716A

JPH0884716A - 勾配磁場コイル

Info

Publication number: JPH0884716A
Application number: JP6222270A
Authority: JP
Inventors: Masao Yui; 正生油井; Masashi Kondo; 正史近藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-09-16
Filing date: 1994-09-16
Publication date: 1996-04-02
Also published as: DE19534387A1; DE19534387C2; US5708360A

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、磁気共鳴映像装置用勾配磁場コイ
ルにおいて、従来のＡＳＧＣ並みの撮像視野と渦電流磁
場抑制効果を維持しつつ、高速な勾配磁場スイッチング
特性（または大きな勾配磁場）を有する勾配磁場コイル
を提供することを目的とする。【構成】本発明は磁気共鳴映像装置用勾配磁場コイル
において、二重円筒の内側円筒に形成され、電流リター
ン配線の少なくとも一部が切断された指紋状電流分布を
有する主コイルと、外側円筒に形成された電流分布を有
するシールドコイルと、主コイルの電流リターン配線を
除去した部位の切断点とシールドコイルとの間を接続す
る接続用コイルと、を有し、シールドコイルは、主コイ
ルと接続用コイルが前記外側円筒の外側に形成する磁場
を消去すべく設定されたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁気共鳴映像装置に係
り、特に磁場生成効率が高く、しかも渦電流に起因する
画質劣化を防止する勾配磁場コイル技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、医用診断装置の開発が進められる
中で、磁気共鳴映像装置（ＭＲＩ）の研究開発が活発に
行われている。磁気共鳴映像法はよく知られるように、
固有の磁気モーメントを持つ核スピンの集団が一様な静
磁場中に置かれた時に、特定の周波数で回転する高周波
磁場のエネルギーを共鳴的に吸収する現象を利用して、
物質の科学的および物理的な微視的情報を映像化する方
法である。同方法は、生体の形態情報をハイコントラス
トで画像化できるばかりではなく、血液等の流れ情報、
拡散情報、化学シフト情報、酸化／還元ヘモグロビンの
磁化率の差を利用した脳機能情報等のさまざまな機能情
報も画像化できる方法として、大きな注目を集めてい
る。

【０００３】この磁気共鳴映像法では、画像化用パルス
シーケンスにおいて、多種多様な勾配磁場のスイッチン
グを行う必要がある。上記パルスシーケンスとしては、
スピンエコー法やフィールドエコー法などの従来法、高
速スピンエコー法、高速フィールドエコー法、およびエ
コープラナー法等に代表される高速／超高速イメージン
グ法、さらに血流の分布や速度等を求める血管／血流イ
メージング法などがあげられる。

【０００４】これらの方法は、それぞれ固有の勾配磁場
スイッチング方式を持ち、スイッチングに伴って超電導
マグネットの熱シールド群やヘリウム容器上には渦電流
が誘起される。これらの渦電流は、勾配磁場の時間的お
よび空間的性質を変調し、これらは画像ぼけ等の重大な
画像劣化の原因となる。

【０００５】この問題を避けるため、漏洩磁場シールド
型勾配磁場コイル（アクティブシールド勾配磁場コイ
ル：ＡＳＧＣ）が提案されている。ＡＳＧＣは、円筒面
上の電流分布によって内部に勾配磁場を生成する主コイ
ルと、それを取り囲むような円筒面上の電流分布によっ
て主コイルの漏洩磁場を外部でほぼゼルとするシールド
コイルとから構成される、同軸２重円筒形状のコイルで
ある。

【０００６】図１７はＲｏｅｍａｒらの提案しているＡ
ＳＧＣのシールドパターンを示す。静磁場方向と垂直な
方向の勾配磁場を生成するＡＳＧＣでは、主コイルとシ
ールドコイルの電流分布がそれぞれ渦状で、各々が、所
望の勾配磁場を生成するための電流部（以下、磁場生成
電流という）と単に電流を帰すだけの電流部分（以下、
電流リターンという）から構成されている。しかし、Ａ
ＳＧＣの問題として、電流リターンを持つために全体の
電流路が長くなってインダクタンスや抵抗が大きくな
り、高速な勾配磁場スイッチング特性（または大きな磁
場勾配強度）が得られないばかりでなく、駆動電力が増
加するという問題があった。

【０００７】従来、これらの問題に対する方法として、
ＡＳＧＣの電流リターンの全部ないし一部を単純にカッ
トしてつないだ勾配磁場コイル（以下、単純カット型勾
配磁場コイルという）が提案されている。この公知例と
して、特開平４−１４４５４３号公報で開示されたもの
が知られている。同様のコイルをＷｏｎｇとＨｙｄｅも
提案している（11th Annual Meetings of SMRM, 1992.
p711）。これらの提案の目的とするところは、電流リタ
ーンの一部をカットすることで、インダクタンスや抵抗
を小さくし、高速な勾配磁場スイッチング特性は（また
は大きな磁場勾配強度）を得ることにある。しかしこの
方法には、勾配磁場線形性（または撮像視野）と漏洩磁
場のシールド性能が、主コイルとシールドコイルを単純
にカットしたことと両者の接続配線によって大幅に劣化
するという問題があった。このため、カット量が少ない
ところで制限され、インダクタンスや抵抗の低減効果も
小さかった。

【０００８】これまでのところ、ＡＳＧＣの渦電流磁場
抑制効果および勾配磁場線形性（または撮像視野）を維
持しつつ、高速な勾配磁場スイッチング特性（または大
きな磁場勾配強度）を有する、磁場生成効率の高い勾配
磁場コイルに関する提案は全くなされていなかった。

【０００９】また、ＡＳＧＣでは、電流リターンを持つ
ために、勾配磁場線形性の良好な領域すなわち撮像視野
が軸長に対して占める割合が小さく、頭部用などの軸長
が制限されたコイルの場合には必要な撮像視野が得られ
ないという問題があった。

【００１０】従来、これらの問題に対する方法として
は、ひとつのコイルの軸方向片側の電流ターンをもう一
方電流ターン部のほうへ折り返した、非対称型勾配磁場
コイルが提案されている。図１８はレーマーによって提
案された横方向勾配磁場コイルの構成図であり、特開平
５−２６９０９９において開示されている。この非対称
型勾配磁場コイルの採用により、撮像視野が軸長に対し
て占める割合が大きくなり、軸長が制限されたコイルの
場合に必要な撮像視野が得ることが可能となった。しか
しこの方法には、インダクタンスが同じ勾配磁場強度の
ＡＳＧＣのインダクタンスに対し約２倍になってしま
い、高速な勾配磁場スイッチング特性（または大きな磁
場勾配強度）が得られないのと共に、駆動電流が増加す
るという問題と、非対称な電流パスに働くローレンツ力
によってトルクが発生してしまうという問題があった。

【００１１】このトルクをキャンセルする方法として、
さらにキャンセル用の電流リターンを巻いた非対称型コ
イルが提案されている。この方法の公知例として、Ａｂ
ｄｕｌｊａｌｉｌらとＰｅｔｒｐｏｕｌｏｓｔらが提案
しているコイルがある（ともに、１９９３年のSociety
of Magnetic Resonance in Medicine で発表されてい
る）。図１９にＡｂｄｕｌｊａｌｉｌらの提案したコイ
ルを示す。しかし、この方法では、加わった電流リター
ンによって一段とインダクタンスが増加してしまうとい
う問題があった。しかも、上記２つの方法は、渦電流磁
場が全く抑制されていないという問題を抱えていた。

【００１２】また、上記２つの方法で強大な勾配磁場を
生成するとき、局所発熱が無視できないという問題があ
った。特に、コイルの外径が制限されている場合には導
体断面積を大きくすることができず、局所発熱が増大す
るという問題があった。

【００１３】これまでのところ、撮像視野が大きく、イ
ンダクタンスの増加と発生トルクが抑えられ、かつ渦電
流磁場抑制効果を有する勾配磁場コイルは提案されてい
なかった。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の２
重円筒形のＡＳＧＣにおける電流リターンの一部を単純
にカットしてつないだ勾配場コイルでは、高速な勾配磁
場スイッチング特性（または大きな磁場勾配強度）が得
られるものの、従来ＡＳＧＣ並の渦電流磁場抑制効果お
よび勾配磁場線形性（または撮像視野）が実現できない
という問題があった。

【００１５】また他方において、従来のＡＳＧＣではコ
イルの大きさに対して撮像領域が小さく、頭部などの撮
像には十分な視野を提供できないという問題があった。
また、従来の非対称型勾配磁場コイルでは、ＡＳＧＣよ
り大きな撮像視野を得るかわりに、インダクタンスが増
加するという問題と、非対称故にトルクが発生してしま
うという問題があった。

【００１６】この発明はこのような従来の課題を解決す
るためになされたもので、その第１の目的は、従来ＡＳ
ＧＣの渦電流磁場抑制効果および勾配磁場線形性（また
は撮像視野）を維持しつつ、高速な勾配磁場スイッチン
グ特性（または大きな磁場勾配強度）を有する勾配磁場
コイルを提供することである。

【００１７】また、第２の目的は、従来の非対称型勾配
磁場コイル並みの大きな撮像視野と従来のＡＳＧＣ並み
の渦電流磁場抑制効果を有し、かつインダクタンスの増
加と発生トルク及び局所発熱が抑えられた勾配磁場コイ
ルを提供することである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記第１目的を達成する
ため、本願第１の発明は、磁気共鳴映像装置に用いられ
る勾配磁場コイルにおいて、二重円筒の内側円筒に形成
され、電流リターン配線の少なくとも一部が切断された
指紋状電流分布を有するコイルと、前記二重円筒の外側
円筒に形成された電流分布を有するシールドコイルと、
前記主コイルの電流リターン配線を除去した部位の切断
点と前記シールドコイルとの間を接続する接続用コイル
と、を有し、前記シールドコイルは、前記主コイルと前
記接続用コイルが前記外側円筒の外側に形成する磁場を
消去すべく設定されたことを特徴とする。

【００１９】また、本願第２の発明は、第１の発明に記
載の勾配磁場コイルにおいて、前記主コイルの電流リタ
ーン電線が前記内側円筒の被検体挿入側とは反対側に導
かれ、この位置で電流リターン配線の少なくとも一部が
切断されたことを特徴とする。

【００２０】本願第３の発明は、磁気共鳴映像装置に用
いられる勾配磁場コイルにおいて、二重円筒の内側円筒
に形成され、該内側円筒の被検体挿入側とは反対側に電
流リターン配線が導かれた指紋状電流分布を有する主コ
イルと、前記二重円筒の外側円筒に形成され、前記主コ
イルが該外側円筒の外側に形成する磁場を消去するシー
ルドコイルと、を有することを特徴とする。

【００２１】本願第４の発明は、第１乃至第３の発明に
記載の勾配磁場コイルにおいて、当該勾配磁場コイルは
被検体の頭部撮影用であり、前記内側円筒に前記被検体
の肩部を挿入するための切り欠きを形成したことを特徴
とする。

【００２２】本願第５の発明は、第２の発明において、
前記電流リターン配線を円筒の被検体挿入側とは反対側
に導く配線は、該円筒の長軸方向に略平行に形成される
ことを特徴とする。

【００２３】本願第６の発明は、磁気共鳴映像装置に用
いられる勾配磁場コイルにおいて、二重円筒の内側円筒
に形成された電流分布を有する主コイルと、前記二重円
筒の外側円筒に形成された電流分布を有するシールドコ
イルと、前記主コイルと前記シールドコイルとに接続さ
れる接続用コイルと、を有し、前記主コイルと前記シー
ルドコイルの電流分布が、被検体挿入側の電流リターン
の少なくとも一部が切断された指紋状電流と、その切断
部で接続され、被検体挿入側とは反対側に、該円筒の長
軸方向に略平行に導かれる電流リターン配線とを有し、
被検体挿入側とは反対側において、前記主コイルと前記
シールドコイルが前記接続用コイルによって接続される
ことを特徴とする。

【００２４】本願第７の発明は、第６の発明において、
主コイルおよびシールドコイルの前記指紋状電流分布と
電流リターン配線が別の層上にて形成され、主コイルの
より半径の小さい層とシールドコイルのより半径の大き
い層とが接続用コイルを介して接続されたことを特徴と
する。

【００２５】本願第８の発明は、第１，第２，第６の発
明に記載の勾配磁場コイルにおいて、２チャンネルの前
記勾配磁場コイルが同一の対称軸を共有するように配置
されるとともに、一方のチャンネルの主コイル、シール
ドコイルおよび接続用コイルがもう一方のチャンネルの
主コイル、シールドコイルおよび接続用コイルに囲まれ
ていることを特徴とする。

【００２６】

【作用】上述の如く構成された本発明によれば主コイル
の発生する漏洩磁場、及び主コイルとシールドコイルと
を接続する接続用コイル（余りリターン、渡り線）の発
生する漏洩磁場を消去するようにシールドコイルの配線
が設計される。従って、単に主コイルの発生する漏洩磁
場を消去する従来の方法よりも確実に漏洩磁場を消去す
ることが可能となる。

【００２７】また、本発明では、内側円筒の被検体を挿
入する開口とは反対側に電流リターン配線が配線され、
この電流リターン配線は接続用コイルを介して外側円筒
のシールドコイルに渡り線として接続される。また、電
流リターン配線の一部は余りリターンとしてループを形
成する。そして、この際主コイルとシールドコイルとで
電流の向きが逆となるので勾配磁場コイルに発生するト
ルクを抑制することができる。また、電流リターン配線
が主コイルでカットされるので、インダクタンスの増加
及び局所発熱を抑えることができるようになる。

【００２８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１は、本発明に係る磁気共鳴映像装置の構成を
示すブロック図である。同図において、静磁場磁石１０
１は励磁用電源１０２に駆動され、主勾配コイル群１０
３およびシールドコイル群１０４は勾配コイル用電源１
０５にて駆動される。これらにより、被検体１０６には
一様な静磁場とそれと同一方向で互いに直交する３方向
に線形磁場勾配を持つ勾配磁場が印加される。主勾配コ
イル群１０３とシールドコイル群１０４は直列接続され
共通の勾配コイル用電源１０５に接続されてもよいし、
上下左右の各コイルエレメントごとに複数の勾配コイル
用電源１０５に接続され分割駆動されてもよい。渦磁場
時間応答補償用入力信号は、渦補償回路部１０７にて生
成される。シムコイル群１０８は、シムコイル用電源１
０９に駆動され、静磁場の均一性が調整される。

【００２９】送信部１１０は高周波信号を出力するもの
であり、この高周波信号はプローブ１１１に送られ、被
検体１０６に高周波磁場が印加される。この時、プロー
ブ１１１は送受両用でも送受信別々に設けてもよい。ま
た、プローブ１１１と主勾配コイル群１０３の間には、
高周波シールド１１２が配設されている。

【００３０】プローブ１１１で受信された磁気共鳴信号
は、受信部１１３で検波された後、収集部１１１に転送
されＡ／Ｄ変換後、データ処理部１１５に送られる。そ
して、上述した励磁用電源１０２、勾配コイル用電源１
０５、シムコイル用電源１０９、送信部１１０、受信部
１１３、データ収集部１１４は全てシステムコントロー
ラ１１６、及びデータ処理部１１５は、コンソール１１
７により制御されており、データ処理部１１５ではデー
タ収集部１１４から送られたデータのフーリエ変換等が
行われ、被検体内部の所望原子核の密度分布などが計算
される。そして、得られた画像は画像ディスプレイ１１
８に表示される。

【００３１】次に、本発明に係る具体的実施例につい
て、詳細に説明する。図２（ａ）は本発明の第１の実施
例に係る勾配磁場コイル、同図（ｂ）は従来の勾配磁場
コイルの構成図であり、平面上に展開した、静磁場方向
と垂直な方向に勾配磁場を生成するコイルパターンの１
／２領域を示している。同図（ａ）に示すコイルは、静
磁場生成電流を主体とした電流分布を有する主コイル１
１と、主コイル１１からシールドコイル１２へつながる
複数の接続面１３と、主コイル１１および接続面１３の
電流分布がつくる磁場を外部でほぼゼロにするような電
流分布を有するシールドコイル１２とから構成されてい
る。接続面１３では、主コイル１１とシールドコイル１
２をつなぐ電流成分（以下、渡り線という）１４と、主
コイル１１上で蹄形状を成す電流パターン同士をつなぐ
電流成分（以下、余りパターンという）１５が存在す
る。以上の電流分布はエッチング等でパターン形成され
た導体や矩形断面銅線等で実現される。ここで、本実施
例のシールドコイルは主コイル１１および接続面１３の
電流分布がつくる磁場をシールドしているのに対し、単
純カット型のシールドコイル（図２（ｂ））は主コイル
や接続配線の漏洩磁場をシールドするパターンではな
い。また本発明では、主コイル、シールドコイル、およ
び接続面のすべての電流分布が存在するときに勾配磁場
線形性を確保しているのに対し、従来の単純カット型で
は、単純カットによる勾配磁場線形性の劣化が改善され
ていない。

【００３２】図２０はＸコイルとＹコイルともに、接続
面１３の電流分布を、エッチング等でパターン形成され
た導体群を主コイル導体およびシールドコイル導体にネ
ジ等で接続することによって構成した場合の層構造を軸
方向の断面で示している。図２０のように、Ｘコイルの
主コイル導体層１３５とシールドコイルの導体層１３７
は渡り線１３１で接続され、Ｙコイルの主コイル導体層
１３６とシールドコイルの導体層１３８は渡り線１３２
で接続される。Ｘコイル，Ｙコイルはそれぞれこのよう
に、Ｘコイルの主コイル／シールドコイルのペアと、Ｙ
コイルの主コイル／シールドコイルのペアとが“入れ
子”になっている。すなわち、Ｘコイルの主コイル１３
５はＹコイルの主コイル１３６の半径方向内側に位置
し、Ｘコイルのシールドコイル１３７はＹコイルのシー
ルドコイル１３８の半径方向外側に位置する。図２０の
ように、各導体層はＦＲＰ等の絶縁層１３９を挟んで円
筒ボビン１３０に固定用テープ１４０を使って固定され
る。スペーサ１４１はＧコイル全体を一体化するための
樹脂が浸入しやすいように設けられている。図２０のＸ
コイルとＹコイルの層順は逆にすることも可能である。
接続のためのネジ穴はエッチングによって形成すること
ができ、接続時にその都度穴開け加工をする必要がな
い。このように接続面１３の電流分布を図２０の方法で
実現することで、矩形断面銅線や被覆銅線等で接続する
場合に対し、多数の接続を容易に実施することができる
とともに、接続するターンを間違える等の製造ミスを防
ぐことができる。

【００３３】本実施例は具体的には図３に示す如くの設
計アルゴリズムで設計される。

【００３４】まずはじめに、図３のステップ２１におい
て、主コイルとシールドコイルの半径等の構造を設定
し、主コイルに磁場生成電流を主体とした電流分布を仮
定する。電流分布ｊのつくる磁場Ｂは、例えばカールソ
ン（Carlson)ら（Magnetic Resonance in Medicine. 2
6. pp191. 1992 ）によると、一般に次の（１）式の関
係式から求めることができる。

【００３５】

【数１】ここで、 μ₀：真空の透磁率 ρ＜、ρ＞：ρとρ’の小さい方および大きい方Ｉ_m、Ｋ_m：第１種および第２種変形ベッセル関数主コイル電流分布ｊ_pとシールドコイル電流分布ｊ_sは
一般に以下のように書ける。

【００３６】

【数２】ここで、Ｒ、Ｒ’：主コイルおよびシールドコイルの半径 σ_φ、σ_z：面電流密度のφ成分、ｚ成分磁場生成電流を主体とした主コイルの電流分布は以下の
関係式を満たす。

【００３７】

【数３】ｌ：主コイル軸長図４（ａ）はφ方向電流成分の典型的な基底関数のｚ方
向分布を図示したものである。正の部分３１の面積は負
の部分３２の面積より大きくなっており、その差が接続
電流成分に対応する。一方、従来のＡＳＧＣでは、図４
（ｂ）のように、正の部分３３の面積は負の部分３４の
面積と等しくなっている。電流密度ρ_φとして例えば、

【数４】と仮定すると、（４）式は満たされる。βを本発明で初
めて導入することで、磁場生成電流を扱うことが可能と
なった。

【００３８】次のステップ２２ではシールドコイルの電
流分布を求める。これはシールドコイルの外部で磁場が
ゼロという条件から求められる。詳細は省くが、例えば
磁場のｚ成分＝０から、

【数５】が得られる。ここで、

【数６】である。

【００３９】係数ａ_nmは、磁場勾配強度Ｇ_xを所定値Ｇ
にするという条件、

【数７】および、勾配磁場の高次項をゼロにするという条件、

【数８】さらに、インダクタンスＬ、

【数９】を最小にするという条件の、計３つの条件から決定され
る。ここで、

【数１０】こうして、図５（ａ）のように、主コイル部分４１のみ
に対応したシールド電流パターン４２が求められる。

【００４０】つづいて、図３のステップ２３において、
シールド電流のリターン部分をカットし接続電流分布を
決定する。そして図５（ｂ）のように、電流リターンの
一部ないし全部をカットし、シールドコイルの電流ター
ンと主コイルの電流ターンを渡り線４３で接続する。一
般に、シールドコイルの電流ターン数は主コイルターン
数より小さいので、主コイルの電流ターンのなかにはシ
ールドコイルとつながらないターン（以下、余りターン
という）が存在する。図５（ｃ）のように、この余りタ
ーンは、主円筒面上ないし主コイルとシールドコイルの
つなぐ接続面上で余りリターン４５によって接続され
る。

【００４１】ステップ２４では、渡り線と余りリターン
に対するシールドパターン（４４と４６）を決定する。
例えば、ρ方向の渡り線の電流分布ｊ_lは、

【数１１】と、余りリターンの電流分布ｊ_aは、

【数１２】と記述でき、（１）式を使って同様に磁場分布が得られ
る。ここで、ρ₀、φ₀、ｚ₀は渡り線ないし余りリタ
ーンの位置である。この磁場をシールドコイルの外部で
打ち消すようなシールドパターンが求められる。

【００４２】そして、つぎのステップ２５では、ステッ
プ２１で求めた主コイルシールドパターン４２とステッ
プ２４で止めた接続電流分布対応シールドパターン（４
４と４６）とを重ね合わせて合成シールドパターン４７
が決定される。

【００４３】ステップ２６では、まず、合成シールドパ
ターン４７をカットして（ステップ２３と同じ位置
で）、そのカットによる勾配磁場線形性の劣化成分を求
める。これはシールドパターンをカットすることで新た
に生じる磁場に相当し、（１）式を使って

【数１３】と書ける。ここで、

【数１４】ｚ_cutはパターンカットのｚ座標である。また、接続電
流成分による劣化は、（１２）式および（１３）式と
（１）式とから容易に計算できる。このようにして、シ
ールドパターン４７のカットおよび接続電流とによる勾
配磁場劣化成分が抽出される。

【００４４】そしてステップ２７において、上記劣化成
分をキャンセルするように主コイル４１とおよびそれに
対応したシールドパターン４２の計算する。これはステ
ップ２１と２２とほぼ同じ作業であるが、（８）式と
（９）式に劣化成分の逆符号を加えることが必要とな
る。求められたシールドパターン４２をカットして、ス
テップ２３へもどり、以降、ループを繰り返して最適な
コイル電流パターンを見つけだす。

【００４５】こうして、主コイルと接続面の電流分布が
つくる漏洩磁場がシールドコイル外部においてほぼゼロ
になり、所望の撮像視野において良好な線形性を有した
勾配磁場を生成することができる。

【００４６】ここで、従来の単純カット型勾配磁場コイ
ルの設計手順を図６に示すフローチャートを用いて説明
する。まず、図６のステップ２８において従来のＡＳＧ
Ｃと同じ電流分布基底関数を仮定し、ステップ２９にお
いて所望撮像視野とシールド性能を得るようにシールド
パターン設計を行う。図７（ａ）はその一例である。そ
して、主コイルとシールドコイルのパターンカットを行
い、接続配線を決定する。こうして、設計は終了する。
この際、図７（ｂ），（ｃ）に示したように、渡り線お
よび余りリターンによる勾配磁場劣化も残ったままであ
る。

【００４７】すなわち、従来の単純カット型コイルは、
撮像視野とシールド性能を犠牲にして磁場生成効率を高
くしているのに対し、本発明では、従来のＡＳＧＣ並の
撮像視野とシールド性能を維持しつつ、磁場生成効率の
高い勾配磁場コイルが実現可能となる。

【００４８】したがって、提案するコイルは、従来のＡ
ＳＧＣ並の撮像視野とシールド性能を維持しつつ、磁場
生成電流をメインにして勾配磁場コイルを構成したこと
により電流リターンが従来より少なく、同一の磁場勾配
強度のＡＳＧＣと比べてインダクタンス、コイルの抵抗
すなわち発熱、および駆動電力を低減することが可能と
なるとともに、軸長を短くできる。軸長が短いことによ
って、勾配磁場スイッチング時の騒音／振動が小さくな
り、重量／製造コストも低減することができる。

【００４９】以上は従来のＡＳＧＣとほぼ同じ勾配磁場
強度と撮像視野を有する場合である。この他、従来のＡ
ＳＧＣとほぼ同じインダクタンスと撮像視野を有する変
形例が考えられる。この場合は、（８）式の勾配磁場強
度の設定値を大きくして上記パターン設計を行い、イン
ダクタンスの最小値が従来のＡＳＧＣとほぼ同じになっ
たことに対応する。

【００５０】また他の変形例として、従来のＡＳＧＣと
同じ半径と軸長を有する勾配磁場コイルがある。この場
合には、（９）式においてさらに高次の項をゼロとする
ことにより、ＡＳＧＣと同じ構造（半径、軸長等）を持
つコイルでより撮像視野を大きくすることが可能とな
る。

【００５１】次に、本発明の第２の実施例を図８に示
す。本実施例は、円筒状主コイル（ｘコイル）５１の軸
方向端の片側２ケ所、計４ケ所に矩形状の切れ込み（以
下、切り欠きという）５２を有している。主コイルの電
流分布５３は切り欠き５２を取り囲むように配置されて
いる。従来の円筒状の頭部用勾配磁場コイルではコイル
軸長が被検体５４の肩で制限されていたが、これらの切
り欠き５２により、軸長のより大きいコイルにすること
ができる。例えば前述のＣａｒｌｓｏｎの論文にも示さ
れているように、コイル軸長が長いほど磁場生成効率が
高くなる傾向があるので、本実施例によってさらに磁場
生成効率を高くすることが可能となる。本実施例を実現
するには、（５）式を次のように変更して第１の実施例
の場合と同様なアルゴリズムで設計を行う。

【００５２】

【数１５】ここで、

【数１６】図９は第２実施例の変形例を示す説明であり、ｙコイル
について第２の実施例と同様の切り欠きを導入したもの
である。

【００５３】上記の実施例はともに矩形状の切り欠きを
有する場合であるが、他の形状の切り欠きであっても同
様の効果をもつことは当然である。切り欠きの形状とし
て、半円形、半楕円形、放物線形、台形等が考えられ
る。

【００５４】図１０は本発明の第３の実施例に係る勾配
磁場コイルを示す説明図である。同図は平面上に展開し
た、静磁場方向と垂直な方向に勾配磁場を生成するコイ
ルパターンの全領域の図である。同実施例は、磁場生成
電流を主体とした電流分布を有するコイル９１と、主コ
イル９１からシールドコイル９２へつながる複数の接続
面９３と、主コイル９１および接続面９３の電流分布が
つくる磁場の一部ないし全部をコイル外部で打ち消すよ
うな電流分布を有するシールドコイル９２とから構成さ
れている。接続面９３では、主コイル９１とシールドコ
イル９２をつなぐ電流成分（以下、渡り線という）９４
と、主コイル９１上でほぼ同心の蹄形状を成す電流ター
ン同士をつなぐ電流成分（以下余りリターン）９５が存
在する。以上すべての電流分布によりコイル内部の所望
の撮像視野において線形性の高い勾配磁場が生成され
る。また、シールドコイル９２の電流パターンは、主コ
イル９１と接続面９３の電流分布が生成する漏洩磁場の
ほぼ全て打ち消すように設定されている。以上の電流分
布はエッチング等でパターン形成された矩形断面銅線等
で実現される。

【００５５】この実施例は具体的には第１実施例で説明
した図３に示したフローチャートに従って設計されるの
で、以下、同図に従って設計の流れを説明する。

【００５６】ますはじめに、図３のステップ２１におい
て、主コイルとシールドコイルの半径等の構造を設定
し、主コイルに磁場生成電流を主体とした電流分布を仮
定する。電流分布ｊのつくる磁場Ｂは既に示したように
（１）式で示される。

【００５７】また、主コイル電流分布ｊ_pとシールドコ
イル電流分布ｊ_sは一般に次の（２）式、（１８）式の
ように書ける。

【００５８】

【数１７】Ｒ、Ｒ’：主コイルおよびシールドコイルの半径 σ_φ、σ_z：面電流密度のφ成分、ｚ成分磁場生成電流を主体とした主コイルの電流分布は以下の
関係式を満たす。

【００５９】

【数１８】ｚ₁、ｚ₂：主コイル両端のｚ座標いま、ａ_φとして例えば

【数１９】と仮定すると、（１９）式は満たされる。β_cおよびβ
_sを本発明で初めて導入することで、磁場生成電流を扱
うことが可能となった。

【００６０】次のステップ２２ではシールドコイルの電
流分布を求める。

【００６１】この手順は、前記した第１の実施例で示し
たように、（６）式〜（１１）式で求めることができ
る。

【００６２】こうして、図１１（ａ）のように、主コイ
ル部分１２１のみに対応したシールド電流パターン１２
２が求められる。

【００６３】つづいて、図３のステップ２３において、
シールド電流のリターン部分をカットし接続電流分布を
決定する。電流リターン１２３の一部ないし全部をカッ
トし、図１１（ｂ）のように、シールドコイルの電流タ
ーンと主コイルの電流ターンを渡り線１２４で接続す
る。一般に、シールドコイルの電流ターン数は主コイル
ターン数より小さいので、主コイルの電流ターンのなか
にはシールドコイルとつながらないターン（以下、余り
ターンという）が存在する。図１１（ｃ）のように、こ
の余りターンは、主コイル円筒面上ないし主コイルとシ
ールドコイルのつなぐ接続面上で余りターン１２６によ
って接続される。

【００６４】ステップ２４では、渡り線と余りリターン
に対するシールドパターン（４５と４７）を決定する。
この決定方法は第１の実施例同様である。

【００６５】そして、つぎのステップ２５では、ステッ
プ２１で求めた主コイル対応シールドパターン１９２と
ステップ１２４で求めた接続電流分布対応シールドパタ
ーン（４５と４７）とを重ね合わせて合成シールドパタ
ーン１２８が決定される。

【００６６】ステップ２６では、まず、合成シールドパ
ターン１２８をカットして（ステップ２３と同じ位置
で）、そのカットによる勾配磁場線形性の劣化成分を求
める。そしてステップ２７において、上記劣化成分をキ
ャンセルするように、主コイル１２１とおよびそれに対
応したシールドパターン１４２を計算する。求められた
シールドパターン１２２をカットして、ステップ２３へ
もどり、以降、ループを繰り返して最適なコイル電流パ
ターンを見つけだす。

【００６７】こうして、漏洩磁場がほぼゼロであり、か
つ所望の撮像視野において高線形性を有した勾配磁場を
生成することができる。シールドコイルの磁場打ち消し
効果のために、主コイルのターン数は非シールドタイプ
のターン数に比べて多くなっているが、電流リターンの
カットによりインダクタンスの増加が抑えられている。

【００６８】また、主コイルとシールドコイルでは電流
の向きが逆なので、電流ターンに働くローレンツ力が打
ち消しあい、コイル全体が受けるトルクは小さくでき
る。渡り線に働くローレンツ力は図１２に示したように
なる。図１２は静磁場方向へ勾配磁場コイルをみた場合
の図であり、符号５７が主コイル、符号５８がシールド
コイルを示している。各渡り線に対してローレンツ力５
５は静磁場と電流方向５６に直角であり、渡り線全体と
してｘの負の方向にローレンツ力を受ける。余りリター
ンに働くローレンツ力６１は、図１３に示すように、ｘ
の正の方向に向く。つまり、渡り線と余りリターン働く
ローレンツ力は打ち消しあい、発生するトルクは小さ
い。したがって、本発明の勾配磁場コイルのトルクは従
来の非対称型勾配磁場コイルのトルクより大幅に小さく
できる。

【００６９】さらに、従来のＡＳＧＣおよび非対称型勾
配磁場コイルに比べてコイル軸長が短くなり、かつコイ
ルに働くローレンツ力が小さくなることで、勾配磁場ス
イッチング時の騒音／振動を低減できる。また、コイル
軸長が短くなることにより重量／製造コストを避けるこ
とが可能となる。

【００７０】図１４は本発明の第４の実施例を示したも
ので、主コイル７１（同図（ａ））、シールドコイル７
２（同図（ｂ））それぞれの電流ターンの平面展開図の
１／２である。本実施例は、従来のＡＳＧＣの電流リタ
ーンの一部ないし全部をカットし、コイルの一方の片側
の各ターンの端点７３からｚ方向にほぼ平行となる電流
路（以下、ｚ方向電流路という。図１４の一点鎖線に対
応）７４によりコイルの一方の端７５に電流ターンを寄
せて、各ターンを余りリターン７６で接続することで構
成される。同図（ａ），（ｂ）の点線を含めた渦状パタ
ーン７７は従来のＡＳＧＣと同じであり、点線部はカッ
トされた電流パターンである。ｚ方向電流路７４は、磁
場のｚ方向成分を生成しないので勾配磁場線形性に影響
を与えないし、ローレンツ力も加わらない。即ち、主コ
イルおよびシールドコイルは、勾配磁場を生成する指紋
状電流分布と、勾配磁場を生成しないｚ方向流路とで構
成される。図２１の領域１５４は主コイルないしシール
ドコイルの指紋状電流分布とｚ方向電流路との接続を表
しており、両者間は各電流ターン毎に接続される。

【００７１】図１５は本発明第５の実施例であり、同図
（ａ）は主コイル、同図（ｂ）はシールドコイルを示し
ている。本実施例は、第４の実施例における主コイルと
シールドコイルを渡り線８１で接続するとともに、主コ
イル、渡り線８１、および余りリターン８２とによる漏
洩磁場を打ち消すように合成シールドパターンが形成さ
れている。合成シールドパターンの片側はｚ方向電流路
によりもう一方の側で接続される。渡り線８１を導入す
ることで、主コイルおよひシールドコイルの余りリター
ン８２の本数が少なくなり、インダクタンスを第４の実
施例より小さくすることが可能となる。

【００７２】図２１は本実施例の軸方向断面の具体的な
例を示す説明図である。図２１のようにＸコイル，Ｙコ
イルはそれぞれ４層の導体層から成り、各導体層の間に
は絶縁層が挟まれている。渡り線１４２はＸコイルの主
コイルの指紋状電流分布層１４３とＸコイルのシールド
コイルの指紋状電流分布１４４との間を接続し、渡り線
１４５はＸコイルの主コイルのｚ方向電流路層１４６と
Ｘコイルのシールドコイルのｚ方向電流路層１４７との
間を接続する。Ｙコイルの主コイルシールドコイル間の
接続はＸコイルと同様である。すなわち、渡り線１４８
はＹコイルの主コイル指紋状電流分布層１４９とＹコイ
ルのシールドコイルの指紋状電流分布層１５０との間を
接続し、渡り線１５１はＹコイルの主コイルのｚ方向電
流路層１５２とＹコイルのシールドコイルのｚ方向電流
路層１５３との間を接続する。主コイルないしシールド
コイルのｚ方向電流路層と指紋状電流分布層は図２１の
領域１５４で接続される。このように構成することで、
各電流層の導体断面積を大きくすることができ、２０ｍ
Ｔ／ｍを越えるような強大な勾配磁場を生成する際の局
所発熱を低減することができる。図２１では、主コイル
およびシールドコイルの指紋状電流分布層と両者を接続
する渡り線が主コイルおよびシールドコイルのｚ方向電
流路層と両者を接続する渡り線を囲むように構成されて
いるが、後者が前者を囲むように層順を変更して接続す
るような構成とすることもできる。

【００７３】図１６は、本発明の第６の実施例であり、
同図（ａ）は主コイル、同図（ｂ）はシールドコイルを
示している。本実施例は、第５の実施例におけるｚ方向
電流路による漏洩磁場もシールドするように合成シール
ドパターンを形成している。主コイル上のｚ方向電流路
の電流密度はｊ_lzは、

【数２０】と書けるので、渡り線、余りリターンと同様に、図３の
ステップ２４において主コイル上のｚ方向電流路８３に
対応するシールドパターンを求め、ステップ２６におい
て合成シールドパターンのカットによる勾配磁場劣化成
分を抽出し、第３の実施例と同じアルゴリズムで劣化を
キャンセルできる。したがって、本実施例は、第５の実
施例よりシールド性能を高めた勾配磁場コイルである。

【００７４】同時に、本実施例は、第３の実施例の主コ
イル電流分布を２層で構成し、かつそのうち１つの層が
ｚ方向電流路層になっており、もう１つの層が指紋状電
流分布層になっている場合に相当する。図２２は本実施
例の軸方向断面を示している。主コイルは２層の導体層
で、シールドコイルは１層の導体層でそれぞれ構成され
る。Ｘコイルの主コイルの１の指紋状電流分布層１５６
とｚ方向電流層１５９はともにＸコイルのシールドコイ
ル１５７に渡り線１５５と１５８で接続される。Ｙコイ
ルの主コイルの指紋状電流分布層１６１とｚ方向電流層
１６４はともにＹコイルのシールドコイル１６２に渡り
線１６０と１６３で接続される。主コイル電流分布を２
層で構成することで、渡り線や余りリターンを接続する
位置に近い領域において、１層当りの円周方向のターン
数を小さくすることができ、１ターン当りの導体断面積
が大きくなって、局所発熱を小さくすることができる。
したがって、本実施例は、第５の実施例よりシールド性
能が高まっていて、第３の実施例と同等の磁場性能を有
するとともに、第３実施例より局所発熱が小さくなって
いる。

【００７５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明により、従
来のＡＳＧＣの渦電流磁場抑制効果および勾配磁場線形
性（または撮像視野）を維持しつつ、高速な勾配磁場ス
イッチング特性（または大きな磁場勾配強度）を有する
勾配磁場コイルが実現できる。また、従来のＡＳＧＣと
ほぼ同じ構造と渦電流磁場抑制効果を持ち、しかもＡＳ
ＧＣより優れた勾配磁場線形性（またはより大きな撮像
視野）を有する勾配磁場コイルが実現できる。

【００７６】また、本願発明により、従来のＡＳＧＣと
比べてコイル軸長に対して撮像視野の占める割合を大き
くでき、頭部等において線形性の高い勾配磁場を形成す
ることが可能となる。また、従来の非対称型勾配磁場コ
イルと比べて、漏洩磁場が大幅に低減され、しかもトル
クを小さくすることが可能となる。また、電流分布を、
勾配磁場を生成しない軸方向電流分布と、勾配磁場を生
成する指紋状電流分布とに分割することで、局所の導体
断面積を大きくすることができ、局所発熱を小さくする
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る頭部撮影用勾配磁場コイルが適用
される磁気共鳴映像装置の構成を示すブロック図であ
る。

【図２】本発明の第１実施例に係る勾配磁場コイルの配
線パターン、及び従来の単純カット型勾配磁場コイルの
配線パターンを示す説明図である。

【図３】本発明の第１実施例に係る勾配磁場コイルを設
計する手順を示すフローチャートである。

【図４】主コイルの直径方向の電流成分の基底関数を示
す説明図であり、（ａ）が第１実施例、（ｂ）が従来例
である。

【図５】第１実施例に係るシールドパターンを作成する
手順を示す説明図である。

【図６】従来例に係る勾配磁場コイルを設計する手順を
示すフローチャートである。

【図７】従来例におけるシールドパターンを作成する手
順を示す説明図である。

【図８】本発明の第２実施例に係る勾配磁場コイルを示
す構成図である。

【図９】第２実施例に係る勾配磁場コイルの変形例を示
す構成図である。

【図１０】本発明の第３実施例に係る勾配磁場コイルの
配線パターンを示す説明図である。

【図１１】第３実施例に係るシールドパターンを作成す
る手順を示す説明図である。

【図１２】渡り線に働くローレンツ力を示す説明図であ
る。

【図１３】余りリターンに働くローレンツ力を示す説明
図である。

【図１４】本発明の第４実施例に係る勾配磁場コイルの
配線パターンを示す説明図である。

【図１５】本発明の第５実施例に係る勾配磁場コイルの
配線パターンを示す説明図である。

【図１６】第５実施例の変形例に係る勾配磁場コイルの
配線パターンを示す説明図である。

【図１７】従来のＡＳＧＣのｘコイルの導線パターンを
示す説明図である。

【図１８】従来の非対称型勾配磁場コイルの構成を示す
説明である。

【図１９】従来のトルクキャンセル非対象型勾配磁場コ
イルの構成を示す説明図である。

【図２０】本発明の第４の実施例の軸方向断面を示す図
である。

【図２１】本発明の第５の実施例の軸方向断面を示す図
である。

【図２２】本発明の第６の実施例の軸方向断面を示す図
である。

【符号の説明】

１１，９１主コイル１２，９２シールドコイル１３，９３接続面１４，９４渡り線１５，
９５余りリターン５１円筒状主コイル５２切り欠き５３電流
分布５４被検体５５ローレンツ力５６電流方
向５７，６３，７１主コイル５８，６４，７２シ
ールドコイル６１ローレンツ力６２渡り線７３カット
後のターン端点７４，８３ｚ方向電流路７５カット後の接続側
ターン端点７６，８２余りリターン７７ＡＳＧＣパターン
８１渡り線１０１静磁場磁石、１０２励磁用電源１０３
主コイル１０４シールドコイル１０５勾配コイル用電源
１０６被検体１０７渦補償回路１０８シムコイル１０９
シムコイル用電源１１０送信部１１１プローブ１１２高周
波シールド１１３受信部１１４データ収集部１１５
データ処理部１１６システムコントローラ１１７コンソール１１８画像ディスプレイ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所 9307−2ＧＧ０１Ｒ 33/22

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】磁気共鳴映像装置に用いられる勾配磁場
コイルにおいて、二重円筒の内側円筒に形成され、電流リターン配線の少
なくとも一部が切断された指紋状電流分布を有するコイ
ルと、前記二重円筒の外側円筒に形成された電流分布を有する
シールドコイルと、前記主コイルの電流リターン配線を除去した部位の切断
点と前記シールドコイルとの間を接続する接続用コイル
と、を有し、前記シールドコイルは、前記主コイルと前記接続用コイ
ルが前記外側円筒の外側に形成する磁場を消去すべく設
定されたことを特徴とする勾配磁場コイル。
【請求項２】請求項１記載の勾配磁場コイルにおい
て、前記主コイルの電流リターン電線が前記内側円筒の被検
体挿入側とは反対側に導かれ、この位置で電流リターン
配線の少なくとも一部が切断されたことを特徴とする勾
配磁場コイル。
【請求項３】磁気共鳴映像装置に用いられる勾配磁場
コイルにおいて、二重円筒の内側円筒に形成され、該内側円筒の被検体挿
入側とは反対側に電流リターン配線が導かれた指紋状電
流分布を有する主コイルと、前記二重円筒の外側円筒に形成され、前記主コイルが該
外側円筒の外側に形成する磁場を消去するシールドコイ
ルと、を有する勾配磁場コイル。
【請求項４】請求項１または２または３のいずれかに
記載の勾配磁場コイルにおいて、当該勾配磁場コイルは
被検体の頭部撮影用であり、前記内側円筒に前記被検体
の肩部を挿入するための切り欠きを形成したことを特徴
とする勾配磁場コイル。
【請求項５】請求項２記載の勾配磁場コイルにおい
て、前記電流リターン配線を円筒の被検体挿入側とは反
対側に導く配線は、該円筒の長軸方向に略平行に形成さ
れることを特徴とする勾配磁場コイル。
【請求項６】磁気共鳴映像装置に用いられる勾配磁場
コイルにおいて、二重円筒の内側円筒に形成された電流分布を有する主コ
イルと、前記二重円筒の外側円筒に形成された電流分布を有する
シールドコイルと、前記主コイルと前記シールドコイルとに接続される接続
用コイルと、を有し、前記主コイルと前記シールドコイルの電流分布が、被検
体挿入側の電流リターンの少なくとも一部が切断された
指紋状電流と、その切断部で接続され、被検体挿入側と
は反対側に、該円筒の長軸方向に略平行に導かれる電流
リターン配線とを有し、被検体挿入側とは反対側において、前記主コイルと前記
シールドコイルが前記接続用コイルによって接続される
ことを特徴とする勾配磁場コイル。
【請求項７】請求項６記載の勾配磁場コイルにおい
て、主コイルおよびシールドコイルの前記指紋状電流分
布と電流リターン配線が別の層上にて形成され、主コイ
ルのより半径の小さい層とシールドコイルのより半径の
大きい層とが接続用コイルを介して接続されたことを特
徴とする勾配磁場コイル。
【請求項８】請求項１または２または６のいずれかに
記載の勾配磁場コイルにおいて、２チャンネルの前記勾
配磁場コイルが同一の対称軸を共有するように配置され
るとともに、一方のチャンネルの主コイル、シールドコ
イルおよび接続用コイルがもう一方のチャンネルの主コ
イル、シールドコイルおよび接続用コイルに囲まれてい
ることを特徴とする勾配磁場コイル。