JPH0884720A

JPH0884720A - 磁気共鳴撮像装置および磁気共鳴撮像装置用の傾斜コイルの設計方法

Info

Publication number: JPH0884720A
Application number: JP7250164A
Authority: JP
Inventors: Michael A Morich; エイ．モリッチマイケル; Labros S Petropoulos; エス．ペテロパウロスラブロス
Original assignee: Picker International Inc
Current assignee: Philips Nuclear Medicine Inc
Priority date: 1994-09-09
Filing date: 1995-09-04
Publication date: 1996-04-02
Anticipated expiration: 2015-09-04
Also published as: EP0701143A1; US5545996A; EP0701143B1; JP3682627B2; DE69532101T2; DE69532101D1

Abstract

(57)【要約】【課題】検査領域内の患者の身体部分へのアクセスが
助長され、画質が改善され、傾斜コイルの設置および構
成が簡単な磁気共鳴撮像装置を提供する。【解決手段】磁気共鳴撮像装置は、穴（１２）内に一
時的に一定な磁界を生成する超伝導性の磁石（１０）を
含む。穴、故に超伝導性磁石は、長さが直径と比べて相
対的に短く、例えば、長さと直径の比率が１．５：１よ
り小さく、一般的に１：１である。装置の傾斜コイル機
構（３０）は、穴の周囲に配置されて穴を横切る傾斜磁
界を生成する。このような比較的短い穴の磁石だと、傾
斜磁界コイルが配置される領域において、主磁界は放射
状磁界成分を含む非均一性を経験する。傾斜コイル機構
の主傾斜コイル（３２）と副傾斜コイル（３４）の巻線
を通して電流パルスが供給されるとき、電流は一時的に
一定な磁界の非均一性および放射成分と不均衡に相互作
用し、それにより軸および・または横断方向の正味力を
発生させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気共鳴撮像装置
に関する。特に、「短い」穴磁石を利用した磁気共鳴撮
像装置に関し、詳細な例を用いて説明する。しかし、本
発明は、コイル上のローレンツ力成分が平衡をとらない
ように傾斜コイルが磁界に配置される磁気共鳴撮像装置
全てに適用される。

【０００２】

【従来の技術】一般に磁気共鳴撮像装置は、検査患者の
体を収容する直径９０ｃｍまたはそれ以上の穴を含む。
穴は、実質的に均一な磁界を患者収容穴に沿って縦方向
に生成する一連の環状超伝導性磁石で包囲される。環状
磁石が軸状に間隔配置されればされるほど、患者収容穴
内の主磁界はより均一となる傾向にあり、また、そのよ
うな均一な磁界が存在する軸寸法も長くなる。一般に、
穴の長さは少なくとも１．６ｍで、それ以上であること
が多い。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のような「長い」
穴磁石の欠点の１つは、医療人員がしばしば関心領域に
アクセスできないということである。画像に基づいて処
理手順を実行する場合、手順を行う前に患者を穴から移
動させなければならない。患者の移動は、画像と患者間
の位置ずれの問題を引き起こす可能性がある。

【０００４】患者へのアクセスを改善する１つの方法
は、磁石および患者収容穴の長さを短くすることであ
る。磁石および穴を約１ｍに、または口径の直径に大体
合わせて短くすると、患者へのアクセスはより改善され
る。均一な磁界領域の大きさはより円板形に圧縮される
が、実質的に均一な領域はそれでも一連の１０から２０
の隣接するスライス画像には足りる。ＮＭＲらせんまた
は連続走査方法を用いることも可能である。

【０００５】適当な撮像容量は残るが、傾斜コイルを収
容する穴の周囲の容量内の磁界は相対的に不均一とな
り、軸状のｚ成分および放射状のｘ，ｙ成分の両方をも
つ。一般に傾斜コイルは、３つの線形を生成する巻線お
よび空間分解能と核磁気共鳴信号の区別を提供する直交
磁界傾斜を含む。傾斜コイルは通常、撮像容量に対する
強度と線形度、および傾斜コイル内の蓄積エネルギーと
インダクタンスを最高活用するように設計・構成され
る。例として、MorichによるU.S.P. 5,296,810を参照さ
れたい。U.S.P. 5,296,810によれば、超電導磁気共鳴撮
像システムは、真空容器を備え、この容器は内部に超電
導状態の磁気コイルが超電導温度に維持されている、中
心ヘリウムリザーバを有する。この真空容器は内部ボア
を構成しており、このボア内に自己シールドされた勾配
コイルアセンブリおよび高周波コイルが収容されてい
る。自己シールドコイルアセンブリは撮像領域を構成す
る内側成形体を備え、この撮像領域内に被検体の撮像部
分が収容される。成形体には、巻線パターンを有するｘ
およびｙ勾配コイルが接合され、一体的な構造体を形成
している。機械補強構造体には、ｚ勾配コイルが取り付
けられ、ｘ勾配コイルとｙ勾配コイルとの間に空気ギャ
ップが形成されるよう、これらコイルから離間した状態
で保持されている。磁界傾斜を生成するため、電流パル
スがｘ，ｙおよび／またはｚ傾斜コイルに適用される。
これらの電流は主磁界と相互作用して傾斜コイル上にロ
ーレンツ力を生成する。傾斜コイル電流に含まれる対称
性により、全コイルに渡るローレンツ力は傾斜コイルが
均一な磁界内に配置されるとき相殺される。しかし、主
磁界の均一度が低い場合、特に、傾斜コイルの近くに重
要な放射成分および不均一な軸成分がある場合には、正
味スラストを発達させることができる。一般に、ｚ傾斜
コイルを振動させるとｚ方向に正味スラストが発生し、
ｘ傾斜コイルを振動させるとｘ方向に正味スラストが発
達し、ｙ傾斜コイルを振動させるとｙ方向に正味スラス
トが発生する。ｚ傾斜コイルの場合、正味軸力は２、３
００ポンド級にもなり得る。これらの正味スラストは、
傾斜コイルを軸状に穴より外に押したり、駆り立てる傾
向にある。傾斜コイルは機械的に据えつけることが可能
だが、こういった大きな力は、磁石と患者に音響雑音お
よび増大した振動を与えがちである。そのような振動
は、分解能の損失等、撮像に悪影響を及ぼす。

【０００６】本発明は、上記問題を軽減する傾斜コイル
を含む磁気共鳴撮像装置を提供する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、患者収
容穴内に一時的に一定な磁界を生成する主磁石、傾斜磁
界コイル機構および穴の周りのＲＦコイルを含み、前記
一時的に一定な磁界は、前記傾斜磁界コイル機構の主巻
線に適用された電流パルスと相互作用する成分をもち、
前記傾斜磁界コイル機構が正味力を経験するように磁界
傾斜を生成する磁気共鳴撮像装置において、前記正味力
が実質的に相殺されるように前記主巻線とは逆向きに電
流を運ぶ前記傾斜磁界コイル機構の端の部分に隣接して
設置された力補正巻線を特徴とする磁気共鳴撮像装置が
提供される。

【０００８】本発明による装置では、一般に患者収容穴
は、例えば実質的に１：１等、長さと直径の比率が１．
５：１よりも小さい。

【０００９】本発明の一実施例によれば、前記傾斜コイ
ル機構は主コイルおよびシールドコイルを有するセルフ
シールド傾斜コイルで、電流パルスは、前記傾斜コイル
機構内に結合されて線形磁界傾斜を形成し、前記傾斜コ
イル機構の外では相殺される傾向にある磁界を生成する
前記主コイルおよびシールドコイル内を通り、前記シー
ルドコイル内を通る前記電流パルスは放射磁界成分と相
互作用して第１の力を生成し、前記主傾斜コイルは、該
主傾斜コイル内を通る前記電流パルスが前記第１の力と
実質的に同等だが逆の第２の力を生成するために前記放
射磁界成分と相互作用するように巻かれる。

【００１０】本発明の別の実施例によれば、前記傾斜コ
イル機構は、前記穴の縦軸を横切る磁界傾斜を生成する
４つの対称的に配置された拇印コイルをそれぞれ含む主
傾斜コイルおよび副傾斜コイルを有し、前記拇印コイル
はさらに正味横断力を生成し、前記力補正巻線は、最も
隣接する拇印コイルに対して反対方向に循環する電流フ
ローを運び、横方向に沿って前記正味横断力をオフセッ
トするために前記主傾斜コイルおよび副傾斜コイルの内
の少なくとも１つの端に隣接して配置された力オフセッ
ト電流ループを含む。

【００１１】さらに別の実施例によれば、前記傾斜コイ
ル機構は、シリンダ状成形具の周囲に設置されてｚ傾斜
磁界を生成する一連のループコイルを含む主ｚ傾斜コイ
ルを有し、前記力補正巻線は、前記シリンダ状成形具の
端あたりに延び、前記ｚ傾斜ループコイルと直列に接続
されることで逆方向だが共通の電流パルスを運ぶループ
を有する。

【００１２】またさらに別の実施例によれば、前記傾斜
コイル機構は、主ｚ傾斜コイルおよび副シールドｚ傾斜
コイルを含み、該副シールドｚ傾斜コイルは前記主ｚ傾
斜コイルを取り囲むように配置され、前記主および副ｚ
傾斜コイルに適用された電流パルスは、前記傾斜コイル
機構内に結合されて線形傾斜を前記コイル機構に沿って
軸状に生成し、コイル機構外では通常相殺される磁界を
発生させる。

【００１３】さらに本発明によると、コイルの巻線パタ
ーンは、予め選択された傾斜磁界強度、少なくとも予め
選択された傾斜磁界線形、および少なくとも予め選択さ
れた傾斜磁界の均一性をもつように限定される磁気共鳴
撮像装置用の傾斜コイルの設計方法において、前記傾斜
コイル巻線内を流れる電流パルスが、前記傾斜コイルが
配置される主磁界の放射成分および軸成分と相互作用す
るときに、前記傾斜コイル機構が軸力または横断力を実
質的に全く経験しないように前記コイル巻線を限定する
ことを特徴とする磁気共鳴撮像装置用の傾斜コイルの設
計方法が提供される。

【００１４】本発明の１つの利点は、検査領域内の患者
の身体部分へのアクセスが助長されることである。

【００１５】本発明の別の利点は、画質が改善されるこ
とである。

【００１６】本発明のまた別の利点は、傾斜コイルの設
置および構成が簡単になることである。

【００１７】

【実施例】次に、本発明による磁気共鳴撮像装置および
傾斜コイル機構の設計方法について、添付図面を参照し
ながら実施例に基づいて説明する。

【００１８】図１を参照すると、装置は、中央穴１２の
縦軸、またはｚ軸に沿って一時的に一定の磁界を生成す
る複数の主磁石コイル１０を含む。主磁石コイルは成形
具１４にサポートされ、トロイダルヘリウム管または缶
１６に収容される。缶１６は液状ヘリウムで満たされ、
主磁石コイルを超伝導温度に保つ。缶１６はジュワー真
空体２０にサポートされた１つ以上の冷却シールド１８
により包囲されている。

【００１９】全身傾斜コイル機構３０は、穴１２の周囲
に設置されたｘ，ｙおよびｚコイルを有する。傾斜コイ
ル機構は、誘電性の成形具３４に入った主ｘ，ｙおよび
ｚコイル機構と、ジュワー真空体２０の穴決定シリンダ
３８上にサポートされた副またはシールド型の傾斜コイ
ル機構３６とを含むセルフシールド傾斜コイル機構であ
ることが好ましい。傾斜コイル入りの誘電成形具３４は
穴ライナとして機能でき、また、装飾穴ライナを挿入し
ての整列も可能である。DeMeester他によるU.S.P. 5,34
9,297で示されるように、主成形具とシールドコイル誘
電成形具との間に磁界調整用のシム（図示せず）を必要
に応じて配置することが好ましい。全身ＲＦコイル４０
は、傾斜コイル機構３０内に装備される。全身ＲＦシー
ルド４２、例えば銅メッシュ層は、ＲＦコイル４０と傾
斜コイル機構３０との間に設置される。

【００２０】操作者インタフェース・制御端末５０に
は、ビデオモニタ５２等の人が読み取り可能なディスプ
レイ、およびキーボード５４とマウス５６を含む操作者
の入力手段が含まれる。また、コントロールボール、ラ
イトペンおよびその他の操作者入力機器も考えられてい
る。コンピュータラック５８は、磁気共鳴シーケンスメ
モリ・制御器、再構成プロセッサ、および、反響平面、
反響容量、スピン反響等の撮像シーケンスを含む従来の
多くの磁気共鳴撮像シーケンスを実行するために無線周
波コイル４０と傾斜コイル３０を制御する他のコンピュ
ータ・ハードウェアおよびソフトウェアを有する。反響
平面および反響容量撮像シーケンスは、データ取得時間
の短さと、傾斜強度の強さおよび高速な旋回速度により
特徴づけられる。ラック５８はまた、ＲＦコイルにＲＦ
励起信号と磁気操作信号を供給するデジタル送信機、お
よび磁気共鳴信号を受信・復調するデジタル受信機を有
する。アレイプロセッサおよび関連のソフトウェアは、
受信された磁気共鳴信号を、コンピュータメモリ、ディ
スク等の記憶媒体に記憶される画像表示に再構成する。
ビデオプロセッサは、記憶された再構成画像表示の部分
を選択的に抜粋し、データをビデオモニタ５２表示用に
フォーマットする。選択画像の紙コピーを作成するため
に、画像プリンタを提供することも可能である。

【００２１】好ましい実施例では、穴１２の直径と長さ
の比は約１：１である。しかし、本発明は他の磁石にも
適用可能であり、特に、主磁界の均一性が制限される磁
石にも適用できることを認識されたい。一般に本発明で
は、穴の長さと直径の比が１．５：１までである磁石が
予期されるかもしれない。しかし、本発明は、傾斜コイ
ル領域内に振動による画質の低下を引き起こすかなりの
主磁界不均一、特に放射磁界成分がある、より長い穴を
もつ磁気共鳴撮像装置、または傾斜コイルの機械的設置
が困難になるほどのかなりの正味力をもつより長い穴の
磁気共鳴撮像装置にも適用可能である。

【００２２】主磁界磁石１０は、撮像容量に対して主磁
界Ｂ0を生成する。短い穴の磁石では、磁気アイソセン
タにおけるｘ，ｙ平面の直径約４０〜４５ｃｍの中央撮
像領域に対して主磁界ＢZ0のｚ成分は一定であり続け
る。撮像領域は、ｚ軸に沿って４０ｃｍより短い。楕円
形で均一な撮像領域外においては、Ｂ磁界は、アイソセ
ンタからの軸上またはｚ方向の大きなずれにより、およ
び、穴の中心軸からの放射状またはρずれによりかなり
変化する。軸および放射状の位置に対するＢZ0の依存度
は、傾斜コイルとＲＦコイルの位置周囲、通常３０ｃｍ
≦ρ≦４０ｃｍと−６０ｃｍ≦ｚ≦６０ｃｍで区切ら
れ、全角位置を包囲する領域においてより大きくなる。
撮像領域内では、総Ｂ0磁界値に対する主磁界Ｂρ0の放
射状成分の影響は無視できるものであるが、これは傾斜
コイルセットの位置に関してはより重要であり、特に、
短い穴の磁石設計では重要である。

【００２３】空間的に変化する磁界の成分とコイルセッ
トの電流密度との相互作用は、２つのはっきりとした問
題を引き起こす。第１に、ｚ傾斜コイルの方位角方向の
電流とＢρ0との間に相互作用がある。この２つの量
は、磁石および傾斜装置の幾何学的中心の周りの奇対称
要因であるため、ローレンツ力式によりｚ方向のスラス
ト力を生成する。スラスト力値は、Ｂρ0の軸またはｚ
における作用、特に、ｚ傾斜コイルの導体位置における
Ｂρ0値によっては、数百ポンドまたは２、３千ニュー
トンにまで及びかねない。

【００２４】第２の問題は、横断ｘまたはｙ傾斜コイル
の電流密度と、主磁界のＢρ0およびＢz0両成分間の相
互作用に係わる。この相互作用の結果もまた、ローレン
ツ力式より確定されるが、今度は放射方向の正味力であ
る。横断傾斜コイルの電流密度の方位角依存により、放
射方向の力は、ｘまたはｙ傾斜コイルに対してそれぞれ
ｘまたはｙ方向に沿って現れる。ここでも、力の大きさ
は、ｘおよびｙ傾斜コイルの電線位置における静電磁界
Ｂρ0およびＢz0成分値に左右される。ｘおよびｙ傾斜
コイルの半径は異なるため、それに対応する力の値も違
ってくる。Ｂ0の成分値は、放射状位置により変化す
る。

【００２５】ｚ傾斜コイルとＢρ0との相互作用の結果
として起こるｚ方向のスラスト力の分析的評価について
まず見てみると、正味スラスト力が零のｚ傾斜コイルを
設計するにあたり最小限化技術が提供される。従来のｚ
傾斜コイルでは、電流はコイルの幾何学的中心の周りで
奇対称であり、また、磁界Ｂρ0も磁石の幾何学的中心
で奇対称である。これら２つの中心は通常一致するた
め、電流とＢρ0磁界成分との相互作用の結果として生
じるのは、傾斜コイル上のｚ方向スラスト力となる。

【００２６】図２および図３を参照すると、ｚ傾斜コイ
ルはセルフシールドで、半径ａの内巻線または主巻線６
０、および半径ｂの外シールドコイルまたは副シールド
コイル６２をもつ。構成を単純化するため、主ｚ傾斜コ
イルは、誘電成形具３４に円ループで巻かれてエポキシ
等の樹脂内に入っていることが好ましい。シールド型ｚ
傾斜コイルは、ジュワー真空体内に内蔵された誘電成形
具３８に円状に巻かれることが好ましい。もちろん、コ
イルがジュワー真空体と一体となっていない他の実施例
も可能である。内傾斜コイルの電流密度Ｊφa(z)は方位
角的に方向づけられ、コイルの軸方向に沿ってのみ変化
する。同様に、外傾斜コイルの電流密度Ｊφb(z)も方位
角的に方向づけられ、コイルの軸方向に沿って変化す
る。この２つの電流密度間の相互作用は、コイルの放射
位置にある主磁界の放射成分、すなわち、Ｂρ0aおよび
Ｂρ0bと共に、ｚ方向に沿って向けられるローレンツ力
を生成する。

【００２７】一般にローレンツ式では、磁界Ｂρ0a,bに
おいて電流素子Ｊφa,b(z)ｄｚ(ａ，ｂ)ｄφαφの受け
た素子力は次のように説明される。

【００２８】

【数１】

【００２９】この２つのコイルから生成された正味力は
ｚ方向に沿っており、次の形態を取る。

【００３０】

【数２】

【００３１】ここで、Ｂρ0a,b(z)は(z)の既知の実関数
である。Ｊφa,bおよびＢρ0a,bのフーリエ変換対は次
の通りである。

【００３２】

【数３】

【００３３】

【数４】

【００３４】

【数５】

【００３５】

【数６】

【００３６】上記の式を利用して、次のように正味スラ
スト力のフーリエまたはｋ空間表示を得ることができ
る。

【００３７】

【数７】

【００３８】Ｂρ0a,b(z)は純粋な（ｚ）の実奇対称関
数であるため、次の通り表される。

【００３９】

【数８】

【００４０】それぞれ半径ａ，ｂをもつｚ傾斜コイルセ
ットに対して、傾斜コイルＢZによる磁界の軸ｚ成分の
式は、電流密度の性質により、２つのコイルにより限定
される３つの領域において単純化することができる。よ
り明確に言えば、シリンダ状傾斜コイルの周囲で均一な
電流については、角依存は全く考慮されない。ｚ傾斜コ
イルの電流は、ｚ方向に沿って変化するように制限され
る。このような限定のもと、３つの領域におけるＢZの
式は次のようになる。

【００４１】

【数９】

【００４２】

【数１０】

【００４３】

【数１１】

【００４４】ここで、ｊφa(k)，ｊφb(k)はそれぞれ、
半径ａの内コイルの電流密度および半径ｂの外コイルの
電流密度である。ｚ傾斜コイルの生成した磁界ＢZは、
両コイルの内領域においては線形であり、コイル外では
零であることが理想的である。両コイルの外側では磁界
が零であるという制約を満たすため、ｂ＜ρの領域内の
ＢZは零に設定される。つまり、式（１１）は零に設定
される。式（１１）を零に設定する方法の１つとして
は、次のように、内外のコイルの電流密度のフーリエ成
分の合計が零となるような関係をつくることである。

【００４５】ａｊφa(k)Ｋ0(kρ)Ｉ1(ka) + ｂｊφb(k)Ｋ0(kρ)Ｉ1(kb) = 0 …（１２）または、

【００４６】ｊφb(k) = - [ａＩ1(ka)/ｂＩ1(kb)]ｊφa(k) …（１３）

【００４７】式（１３）を式（９）に置き換えると、２
つのコイル内の領域の磁界の式ρ＜ａは次に示すように
なる。

【００４８】

【数１２】

【００４９】式（１３）より、正味力の式も次のように
単純化することができる。

【００５０】

【数１３】

【００５１】式（１３）を用いてコイルＷ内の蓄積エネ
ルギーを表すと、次の通りである。

【００５２】

【数１４】

【００５３】長さＬの傾斜コイルにおいては、セルフシ
ールド設計の内コイルの電流の幾何学的中心あたりのフ
ーリエ膨張は次の通りである。

【００５４】

【数１５】

【００５５】ｊφa(z) = 0 ここで、｜ｚ｜＞ L/2 …（１８）

【００５６】ここで、ｊnaはフーリエ膨張係数のであ
り、sin knzは原点周囲の電流の非対称状態を表わす。
長さＬのコイルにおいては、電流が制限されてコイルの
両端で零となることが好ましく、それによりｋnが取り
得る値が制限される。従って、ｋnの許容値は次のよう
になる。

【００５７】ｊφa(z) = 0 ここで、｜ｚ｜= L/2 → kn = 2nπ/L …（１９）

【００５８】ｊφa(z)のフーリエ変換は次の通りであ
る。

【００５９】

【数１６】

【００６０】

【数１７】

【００６１】対称性の必要条件により、可変ｋに対する
Ψn(k)の依存関係は次で表される。

【００６２】Ψn(-k) = -Ψn(k) …（２２）

【００６３】電流のフーリエ成分の式より、傾斜磁界Ｂ
z、傾斜コイル内の蓄積磁気エネルギーＷおよびｚ方向
スラスト力Ｆzの式はそれぞれ以下の通りである。

【００６４】

【数１８】

【００６５】

【数１９】

【００６６】

【数２０】

【００６７】Ｂρ0a,b(z)はｚに対して奇対称関数であ
るため、フーリエ変換は次のように定義される。

【００６８】

【数２１】および、

【００６９】

【数２２】

【００７０】すると、式（２５）は次の形態をとる。

【００７１】

【数２３】

【００７２】磁界、蓄積エネルギーおよびｚ方向スラス
トの各式より、関数Ｅは次のように定義される。

【００７３】

【数２４】

【００７４】ここで、ＢzSCとＦzSCnetはそれぞれ、限
定点における磁界の予め指定された限定値およびｚ方向
のスラスト力である。

【００７５】ｊnaに対してＥを最小限化すると、次に示
すｊn'aの行列式が得られる。

【００７６】

【数２５】または、

【００７７】

【数２６】

【００７８】Ｄjn行列は、ｊの値により磁界式またはｚ
方向スラスト力式のどちらかに一致することがある。

【００７９】明確にすると、Ｄjn行列の転化は次の通り
である。

【００８０】

【数２７】

【００８１】Ｂρ0a,b(z)の式では、データは実際の主
磁石１０から得られる。Ｂρ0a,b(z)の非対称性のた
め、ｚ値は正の値のみ生成される。磁界の放射成分の生
成データを式（３０）に組み入れるためには、次が考慮
される。

【００８２】

【数２８】

【００８３】ここで、Ωはｚ沿いの点の総数に対応し、
ＢYa,bは位置ｚYにおけるＢρ0a,b(z)の対応値である。
フーリエ変換Ｂρ0a,b(k)は、次の通りである。

【００８４】

【数２９】

【００８５】さらに、Ｂρ0a,b(z)の生成値は、傾斜コ
イルの長さの半分よりも大きく、傾斜コイルの電流密度
と主磁界の放射成分との間に有効作用が存在しない点に
まで及ぶの軸上の距離のためのものである。無限合計を
Ｍ項で打切るとすると、式（２８）の行列表示は次のよ
うになる。

【００８６】Ｊ aＣ = λＤまたはＪa = λＤＣ-1 …（３５）

【００８７】ここで、Ｊaは１×Ｍ行列、ＣはＭ×Ｍ行
列、λは１×Ｎ1+１行列、ＤはＮ1+１×Ｍ行列である。

【００８８】傾斜磁界Ｂzおよびｚ方向スラスト力に対
して限定式を使用すると、ラグランジュ乗数が求められ
る。主傾斜または内傾斜コイルの電流密度のフーリエ成
分のマトリクス形状は、次で表される。

【００８９】Ｊ a = ＢZ [ＤＣ-1Ｄt]-1ＤＣ-1 …（３６）

【００９０】内コイルの電流のフーリエ成分の式を求
め、かつ式（１９）を使うと、内コイルの電流密度の連
続分布が生成される。外コイルの電流を決定するには、
式（１３）の両電流密度のフーリエ変換間のシールド関
係が用いられる。次に、外コイルの連続電流分布を得る
ために逆フーリエ変換が用いられる。

【００９１】次の段階として、両コイルの連続電流分布
の離散処理を行う。連続電流分布は、正および負の２つ
の電流領域に分けられる。各領域下のエリアを統合する
と、各領域内に含まれる総電流が得られる。シリンダの
全領域の電流が計算されると、不連続電流ループが連続
電流パターンの動きを模倣するために誘電成形具上に配
置される。各領域は、規定量の電流を有する不連続線で
満たされている。好ましい実施例においては、電流量は
各線ループ共同じである。各領域で、連続電流密度はよ
り小さいセグメントに分割され、このセグメントは選択
された同等の電流量に対応する。選択された電流量は、
繰り返し調整することで選択された電流領域内の連続電
流密度にもっと一致させてもよい。各線は、セグメント
の両側から同等の配電を得るために対応セグメントの中
間点に配置される。次に、この電流分布は生成された磁
界を計算するために分析され、所望の磁界が実際に得ら
れたことを確実にする。この他に、先に言及したU.S.P.
5,296,810で示される質量構成の中心を利用することも
可能である。

【００９２】引き続き図２および図３を参照すると、好
ましい実施例において、内コイルまたは主コイルの半径
は約３４０ｍｍ、長さは約７００〜９００ｍｍである。
外コイルまたはシールドコイルの直径は約３８５ｍｍで
ある。フーリエ級数展開において、電流密度の適切な限
定は１０個の点により提供されるが、それよりも大き
い、または小さい数が選択されてもよい。磁界およびス
ラスト力の特徴の限定にあたっては、５つの限定点が選
択されることが好ましい。磁界は、４０ｃｍ〜５０ｃｍ
の一般に楕円形の撮像容量内で限定される。第１の限定
点は、例えば、約１３．５ｍＴ／ｍの傾斜磁界強度を確
立する。第２の限定点は、傾斜軸に沿った磁界の線形を
限定する。磁界は、容量の２５ｃｍ面の端において５％
を超えて変化しないように制限されることが好ましい。
残った２つの限定点は、傾斜軸に対して垂直な平面を横
切る磁界の均一度を限定する。磁界は、コイルの中心か
ら約２２ｃｍの半径距離において、その実値の７％内に
とどまるように限定されることが好ましい。

【００９３】最後の限定点はｚ方向のスラスト力値を限
定し、この値は-1.0e-08ニュートンよりも小さいことが
好ましい。図２は、このような限定点を満たす適切な主
傾斜コイルを示し、図３は、このような条件を満たす適
切な外コイルまたはシールド傾斜コイルを示す。主傾斜
コイルは、その端に逆極性の力補正巻線をいくつかもつ
ことが分かる。この逆極性巻線が除去されると、傾斜コ
イルは、上記限定点の超過から正味縦力成分の損害を受
けることになる。

【００９４】上記方法によると理想的な電流分布が算定
されるが、軸力を相殺する力補正電流は反復的に決定す
ることができる。より明確に言えば、主コイルまたは副
コイル（主コイルが好ましい）の両端にコイル巻線がい
くつか配置される。傾斜電流パルス時の傾斜コイル機構
上の正味力が測定される。力補正巻線を通る電流フロー
（または力補正ループの数）は、軸力が実質的に零にな
るまで反復的に調整される。

【００９５】図４および図５を参照すると、傾斜コイル
機構はさらにｘ傾斜コイルおよびｙ傾斜コイルを含む。
ｘおよびｙ傾斜コイルは実質的に同じ構成だが、９０°
回転している。もちろん、一方がもう一方に対して積層
されていることから、両コイルの半径は多少異なる。ｘ
およびｙ傾斜コイルはそれぞれ、アイソセンタの両側に
対称的に配列された実質的に同一な４つの巻線を含む。
主ｘまたはｙ傾斜コイルの各４分儀は、図４に示すよう
な巻線を実質的に含む。シールドｘまたはｙ傾斜コイル
各４分儀は、図５に示すような巻線を実質的に含む。こ
こで再度電流分布が計算されることにより、選択傾斜強
度が生成され、蓄積エネルギーが最小限化され、正味側
ローレンツ力が零となる。

【００９６】横のｘまたはｙ傾斜コイルについて、総電
流密度は次のように表すことができる。

【００９７】

【数３０】

【００９８】ここで、δ（ρ-ρ0）は、電流が半径ρ0
のシリンダ表面上に限定される制限となる。ここでも、
ｘおよびｙ傾斜コイルはセルフシールドされる。つま
り、半径ａの内コイルまたは主コイル、および半径ｂの
副外コイルまたはシールドコイルを有するということで
ある。半径ｂの外コイルの電流密度は、式３７に類似し
ている。電流密度成分とそれに対応する主磁界成分間の
相互作用は、セルフシールドｘ傾斜コイルに対してｘ方
向のローレンツ力を生成し、セルフシールドｙ傾斜コイ
ルに対してｙ方向の力を生成する。次にｘ傾斜コイルに
ついて説明するが、この説明は、同構成の９０°回転し
た半径がわずかに異なるｙ傾斜コイルについても同様に
適用されることを認識されたい。

【００９９】ローレンツ式は、磁界Ｂ0において電流素
子Idlが受ける素子力を表わす。

【０１００】

【数３１】または、

【０１０１】

【数３２】

【０１０２】ここで、Ｂρ0a,b(z)およびＢz0a,b(z)
は、半径位置（ａ，ｂ）における主磁界Ｂ0の放射成分
および軸成分である。式３９を積分すると、ｘ軸に沿っ
た正味力が得られる。

【０１０３】

【数３３】

【０１０４】

【数３４】

【０１０５】ここで、Ｂρ0a,b(z)およびＢz0a,b(z) は
ｚの既知の実関数である。ｊφa,b、ｊza,b、Ｂρ0a,b
およびＢz0a,bのフーリエ変換対は次の通りである。

【０１０６】

【数３５】

【０１０７】

【数３６】

【０１０８】

【数３７】

【０１０９】

【数３８】

【０１１０】

【数３９】

【０１１１】

【数４０】

【０１１２】

【数４１】

【０１１３】

【数４２】

【０１１４】次の限定、

【０１１５】

【数４３】

【０１１６】およびシールド条件を用いると、以下に示
す関係が得られる。

【０１１６】ｊza,b(k) = - ｊφa,b(k) / k(a,b) …（５１）

【０１１７】

【数４４】

【０１１８】式（４１）からのＦxnetの式は、次のよう
に書き換えられる。

【０１１９】

【数４５】

【０１２０】ここで、＊は主磁界の２成分のフーリエ変
換の複素共役を表わす。

【０１２１】実磁石設計では、Ｂz0a,b(z) とＢρ0a,b
(z)の有効な分解式はない。数的に生成されたデータを
磁石の中央ｚ軸に沿った磁界の両成分に対して分解的に
組み入れるためには、次の表現が考慮される。

【０１２２】

【数４６】

【０１２３】

【数４７】

【０１２４】ここで、Ｂz0a,b(z) はｚの周りで対称的
で、Ｂρ0a,b(z)はｚの周りで非対称的である。

【０１２５】内コイルの長さに対する限定、シリンダ表
面に対する電流密度の制限、ｊφaとｊzaの方位角的お
よび軸的対称性、および電流密度は連続式に従うという
必要性から、コイルの幾何学的中心の周りの両成分に対
してフーリエ級数展開が提供される。

【０１２６】

【数４８】

【０１２７】

【数４９】

【０１２８】ここで、ｊφnaはフーリエ係数、Ｌは内コ
イルの全長、電流はシリンダの端から外へ流れることは
できないため、ｋn = 2nπ/Lである。さらに、両電流成
分は｜ｚ｜＞ L/2で零である。

【０１２９】電流密度のフーリエ変換によるセルフシー
ルド傾斜コイルの磁界の一般式は、次の通りである。

【０１３０】

【数５０】

【０１３１】ここで、ｊφa(m,k)はＪφa(φ,z)の２重
フーリエ変換である。ｊφaの方位角依存はcos(φ)に比
例するため、ｊφaのフーリエ変換は m=±1 のときには
零ではなくなる。この場合の電流密度の２次元フーリエ
変換は、次の通りである。

【０１３２】

【数５１】

【０１３３】

【数５２】

【０１３４】ここで、Ψn(k)はｋの偶関数で、ｊφa(+
1,k) =ｊφa(-1,k)である。従って、傾斜磁界の式は次
の形を取る。

【０１３５】

【数５３】

【０１３６】同形式で、装置内の蓄積磁界エネルギーは
次の通りである。

【０１３７】

【数５４】

【０１３８】そして、ｘ方向のローレンツ力の式は次の
ように表される。

【０１３９】

【数５５】

【０１４０】関数Ｅが構成され、式（２８）と同一形式
を取る。しかし、この場合、Ｅの依存はｊφnaに対して
であり、力はｚ軸ではなくｘ軸に沿って向けられる。従
って、ｊφnaに対してＥを最小限化すると、次のような
ｊφn'aの行列式が得られる。

【０１４１】

【数５６】

【０１４２】無限合計をＭ項で打切り、簡潔記法を用い
ると、式（５８）は次のように簡易化する。

【０１４３】

【数５７】または、

【０１４４】Ｊ aＣ = λＤまたはＪa = λＤＣ-1 …（６６）

【０１４５】ここで、Ｊaは１×Ｍ行列、ＣはＭ×Ｍ行
列、λは１×Ｎ1+１行列、ＤはＮ1+１×Ｍ行列であり、
また、次の通りである。

【０１４６】

【数５８】

【０１４７】式（６６）は式（３５）と同じであるた
め、両コイルの連続電流分布式は、先に記載の方法に従
うことにより得られる。両電流密度を離散させるために
は、まず電流密度の連続式が検討される。

【０１４８】

【数５９】

【０１４９】磁界と類似して、ベクトルポテンシャルが
導入されたところでは、電流密度は流れ関数ｓの回転と
して次のように表される。

【０１５０】

【数６０】

【０１５１】電流は、半径ａ = ρaのシリンダ表面を流
れるように制限され、また角および軸にのみ依存するた
め、シリンダ座標における電流密度と流れ関数との関係
は次の通りである。

【０１５２】

【数６１】

【０１５３】そして、Ｓρは次の式より得られる。

【０１５４】

【数６２】

【０１５５】電流密度の等高線表示は次により決定され
る。

【０１５６】Ｓρ(x,z) = [n-(1/2)] Ｓinc + Ｓmin ここで、n = 1,...,N …（７２）

【０１５７】ここで、Ｎは電流等高線の数、Ｓminは電
流密度の最小値、Ｓincは２つの等高線間電流量を表わ
す。Ｓincの決定は次による。

【０１５８】Ｓinc = (Ｓmax - Ｓmin) / Ｎ …（７３）

【０１５９】ここで、Ｓmaxは電流密度の最大値を表わ
す。この方法で生成された等高線は電流の流れに追従
し、また等高線間の距離はアンペアでのＳinc量の電流
に対応する。離散導線は、これらの等高線と一致するよ
うに配置される。

【０１６０】好ましい実施例において、セルフシールド
力のないｘ傾斜コイルの内コイルの半径は約１／３メー
トルで、長さは約−１００〜９００ｍｍである。外コイ
ルの半径は約０．４メートルである。このセルフシール
ドコイルの設計において、使用されるフーリエ係数の数
は限定点の総数に１を足したものと等しい。さらに、４
０〜５０ｃｍ対２５ｃｍの楕円容量内の磁界の質を特定
するため、また傾斜コイル装置全体の正味ローレンツ力
を除去するために４つの限定点が選択される。第１の限
定点は、傾斜磁界強度を例えば１３．５ｍＴ／ｍに設定
する。第２の限定点は、ｘ軸に沿って傾斜磁界のアイソ
センタから２５ｃｍの距離まで、例えば５％に、傾斜磁
界の線形度を特定する。第３の限定点は、ｚ軸に沿って
傾斜磁界のアイソセンタから±６ｃｍの距離まで、例え
ば１２％に、傾斜磁界の均一度を特定する。第４の限定
点は、傾斜コイルセットの位置における正味ｘ方向力の
値を、例えば１×１０-7ニュートンと特定する。

【０１６１】上記限定点のセットにより内外コイル両方
に対して連続電流分布が生成され、この両コイルは離散
されたとき、図４および図５に示す形態を取る。より明
確に言えば、この設計条件を適用することで、連続電流
分布ｊzaおよびｊzbが生成される。離散電流パターンを
生成するのに必要なのは、電流密度のｚ成分のみであ
る。限定点はまた、ループ毎に一定の電流量をもつ内外
コイルの巻数（整数）が得られるように選択される。流
れ関数技術を用いると、図４で示すように側力なしの構
成のための内コイルの離散電流分布が得られる。内コイ
ルまたは主コイルは、拇印型巻線７０および付加的巻線
または力オフセット巻線７２をもつことが分かる。力補
正巻線内の電流は、有効的に逆らせん方向で主コイル部
分７０に流れていく。図４の主コイル部分７０により生
成された正味ｘまたはｙ方向力を零にするため、電流分
布および力相殺コイル部分７２の巻数が選択される。特
定の設計におけるＢ0磁界成分の性質によっては、副ｘ
またはｙ傾斜コイルとは逆向きの巻線をコイルの外端近
くに配置することで、同様に力を相殺することができ
る。力オフセット巻線を通るアンペア数または巻線の数
は、他のｘまたはｙ傾斜コイルにより生成された力成分
と同等で逆のｘまたはｙ力成分を生成する電流密度が得
られるまで調整される。

【０１６２】好ましい実施例においては、シールド傾斜
コイルの主巻線にのみ力平衡コイルが適用されるが、主
コイルおよび副コイルの力平衡をそれぞれ別々に行うこ
とも可能であることを認識されたい。さらに、セルフシ
ールドされていない傾斜コイル、すなわち、主巻線のみ
で副シールド巻線をもたないコイルについてもスラスト
力平衡の適用が可能であることも認識されたい。

【０１６３】

【発明の効果】本発明によれば、検査領域内の患者の身
体部分へのアクセスが助長され、画質が改善され、傾斜
コイルの設置および構成が簡単な磁気共鳴撮像装置が提
供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による磁気共鳴撮像装置の概略図であ
る。

【図２】本装置のｚ主傾斜コイルの典型的な電流分布を
示す図である。

【図３】本装置のｚシールド傾斜コイルの典型的な電流
分布を示す図である。

【図４】本装置の主ｘまたはｙ傾斜コイル巻線を示す図
である。

【図５】本装置のシールド（副）ｘまたはｙ傾斜コイル
巻線を示す図である。

【符号の説明】

１０主磁石コイル１２中央穴１４成形具１６トロイダルヘリウム管１８冷却シールド２０ジュワー真空体３０全身傾斜コイル機構３２主ｘ、ｙまたはｚコイル機構３４誘電性成形具３６副またはシールド傾斜コイル機構３８穴決定シリンダ４０全身ＲＦコイル４２全身ＲＦシールド５０制御端末５２ビデオモニタ５４キーボード５６マウス５８コンピュータラック６０主巻線６２副巻線６４力補正巻線７０拇印巻線７２力オフセット巻線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ラブロスエス．ペテロパウロスアメリカ合衆国オハイオ州 44139，ソウロン，ブルックランドアヴェニュ 6559

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】患者収容穴（１２）内に一時的に一定な
磁界を生成する主磁石（１０）、傾斜磁界コイル機構
（３０）および穴（１２）の周りのＲＦコイル（４０）
を含み、前記一時的に一定な磁界は、前記傾斜磁界コイ
ル機構（３０）の主巻線（３２、３６）に適用された電
流パルスと相互作用する成分をもち、前記傾斜磁界コイ
ル機構（３０）が正味力を経験するように磁界傾斜を生
成する磁気共鳴撮像装置において、前記正味力が実質的に相殺されるように前記主巻線（３
２、３６）とは逆向きに電流を運ぶ前記傾斜磁界コイル
機構（３０）の端の部分に隣接して設置された力補正巻
線（６４、７２）を特徴とする磁気共鳴撮像装置。
【請求項２】前記患者収容穴（１２）の長さと直径の
比率は１．５：１よりも小さい請求項１記載の磁気共鳴
撮像装置。
【請求項３】前記患者収容穴（１２）の長さと直径の
比率は実質的に１：１である請求項１記載の磁気共鳴撮
像装置。
【請求項４】前記傾斜コイル機構（３０）は主コイル
（３２）およびシールドコイル（３６）を有するセルフ
シールド傾斜コイルで、電流パルスは、前記傾斜コイル機構（３０）内に結合さ
れて線形磁界傾斜を形成し、前記傾斜コイル機構（３
０）の外では相殺される傾向にある磁界を生成する前記
主コイルおよびシールドコイル（３２、３６）内を通
り、前記シールドコイル（３６）内を通る前記電流パルスは
放射磁界成分と相互作用して第１の力を生成し、前記主傾斜コイル（３２）は、該主傾斜コイル（３２）
内を通る前記電流パルスが前記第１の力と実質的に同等
だが逆の第２の力を生成するために前記放射磁界成分と
相互作用するように巻かれる請求項１から３のいずれか
に記載の磁気共鳴撮像装置。
【請求項５】前記傾斜コイル機構（３０）は、前記穴
（１２）の縦軸を横切る磁界傾斜を生成する４つの対称
的に配置された拇印コイル（７０）をそれぞれ含む主傾
斜コイルおよび副傾斜コイル（３２、３６）を有し、前記拇印コイル（７０）はさらに正味横断力を生成し、前記力補正巻線は、最も隣接する拇印コイル（７０）に
対して反対方向に循環する電流フローを運び、横方向に
沿って前記正味横断力をオフセットするために前記主傾
斜コイルおよび副傾斜コイル（３２、３６）の内の少な
くとも１つの端に隣接して配置された力オフセット電流
ループ（７２）を含む請求項１から３のいずれかに記載
の磁気共鳴撮像方法。
【請求項６】前記傾斜コイル機構（３０）は、シリン
ダ状成形具（３４）の周囲に設置されてｚ傾斜磁界を生
成する一連のループコイル（６０）を含む主ｚ傾斜コイ
ル（３２）を有し、前記力補正巻線は、前記シリンダ状成形具（３４）の端
あたりに延び、前記ｚ傾斜ループコイル（６０）と直列
に接続されることで逆方向だが共通の電流パルスを運ぶ
ループ（６４）を有する請求項１から３のいずれかに記
載の磁気共鳴撮像装置。
【請求項７】前記傾斜コイル機構（３０）は、主ｚ傾
斜コイル（３２）および副シールドｚ傾斜コイル（３
６）を含み、該副シールドｚ傾斜コイル（３６）は前記主ｚ傾斜コイ
ル（３２）を取り囲むように配置され、前記主および副ｚ傾斜コイル（３２、３６）に適用され
た電流パルスは、前記傾斜コイル機構（３０）内に結合
されて線形傾斜を前記コイル機構（３０）に沿って軸状
に生成し、コイル機構（３０）外では通常相殺される磁
界を発生させる請求項１から３のいずれかに記載の磁気
共鳴撮像装置。
【請求項８】前記主および副傾斜コイル（３２、３
６）は環状ループ（６０、６２）を有し、前記力補正巻線は、前記主および副コイル（３２、３
６）の内の少なくとも１つの端に配置されたループ（６
４）を有する請求項７記載の磁気共鳴撮像装置。
【請求項９】前記傾斜コイル機構（３０）は、シリン
ダ状成形具（３４）、前記一時的に一定な磁界のアイソ
センタの第１の側上の前記成形具（３４）のあたりに延
び、主として前記成形具（３４）の周囲上に第１の方向
で電流パルスを運ぶ第１の複数ループ（６０）、および
前記第１の複数ループ（６０）とアイソセンタにおいて
対称的なアイソセンタミラー画像の第２の側上の前記成
形具（３４）のあたりに延び、主として前記成形具（３
４）の周囲上に第２の方向で電流パルスを運ぶ第２の複
数ループ（６０）を含むｚ傾斜コイルを有し、その際、前記電流パルスは前記一時的に一定な磁界の前
記放射成分と相互作用する前記第１および第２の複数ル
ープ（６０）内を通ることにより正味軸力を発生させ、前記ｚ傾斜コイルはさらに、前記アイソセンタから転置
したアイソセンタの前記第１の側上の前記成形具（３
４）のあたりに延び、前記電流パルスを前記第２の方向
で運ぶ第１の力オフセットコイル（６４）、および前記
アイソセンタから転置したアイソセンタの前記第２の側
上の前記成形具（３４）のあたりに延び、前記電流パル
スを前記１２の方向で運ぶ第２の力オフセットコイル
（６４）を含み、前記電流パルスは前記一時的に一定な磁界の前記放射成
分と相互作用する前記第１および第２の力オフセットコ
イル（６４）内を通ることにより前記正味軸力をオフセ
ットする軸力を発生させる請求項１から３のいずれかに
記載の磁気共鳴撮像装置。
【請求項１０】コイルの巻線パターンは、予め選択さ
れた傾斜磁界強度、少なくとも予め選択された傾斜磁界
線形、および少なくとも予め選択された傾斜磁界の均一
性をもつように限定される磁気共鳴撮像装置用の傾斜コ
イルの設計方法において、前記傾斜コイル巻線内を流れる電流パルスが、前記傾斜
コイルが配置される主磁界の放射成分および軸成分と相
互作用するときに、前記傾斜コイル機構が軸力または横
断力を実質的に全く経験しないように前記コイル巻線を
限定することを特徴とする磁気共鳴撮像装置用の傾斜コ
イルの設計方法。