(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁界勾配システムに用いるコイルであって、
（ａ） それぞれが電流を通すことが可能な複数の隣接した導体半ループで構成されている第１の面であって、作像容積を部分的に囲んでいる第１の面と、
（ｂ） それぞれが電流を通すことが可能な複数の隣接した導体半ループで構成されている第２の面であって、該第２の面は、前記第１の面に対して前記作像容積とは反対側に、前記第１の面からある距離離れて前記第１の面と実質的に平行に配置されている、第２の面と、
（ｃ） 前記第１の面の各々の半ループを前記第２の面の対応する半ループに接続している複数の接続導体であって、前記第１及び第２の面の対応する導体の電流が反対向きに流れるような連続的なコイルが、前記半ループから形成されている、複数の接続導体とを備え、
前記導体は、次の式
【数１】
0003711653.tif 000008
により定義された面電流を発生するように形成されており、
前記第１の面は、半径ａ1及び長さｚ1を有する円筒の一部の形状を有しており、前記第１の面の半ループに対するσφ及びσρは、次の式
σφ＝σφA、σz＝（ｚ／ａ1）σφA
により定義されており、ここで、σφAは、面の単位長さ当たりの巻線の数であって、前記第１の面に沿って変化可能であり、
前記第２の面は、半径ａ2及び長さｚ2を有する円筒の一部の形状を有しており、前記第２の面の半ループに対するσφ及びσzは、次の式
σφ＝σφC、
σφC＝−［（ｚ1／ｚ2）σφA
＋｛（ａ2−ａ1）／ｚ2ｓｉｎθ｝σφB］、及び
σzC＝（ｚ／ａ2）σφC
により定義されており、
前記接続導体は、前記第１の面と角度θを成しており、前記接続導体に対するσφ、σρ及びσzは、次の式
σφ＝σφB、
σs＝（ｚ／ρ）σφA＋｛（ρ−ａ1）／ρｓｉｎθ｝σφB、
σρ＝σsｓｉｎθ、及び
σz＝σsｃｏｓθ
により定義されており、ここでσφBは、面の単位長さ当たりの巻線の数であって、前記第２の面に沿って変化可能である、
磁界勾配システムに用いるコイル。
【請求項２】
前記第２の面の半ループは、電力を供給されたときにフリンジ磁界を遮蔽するように、前記第１の面の半ループよりも一層大きい請求項１に記載のコイル。
【請求項３】
前記半ループは、楕円形を有している請求項１に記載のコイル。
【請求項４】
前記半ループ及び導体は、第１の面、第２の面及び接続導体を形成するように折り曲げられている１つの要素上に配置されている請求項１に記載のコイル。
【請求項５】
前記第１の面及び、第２の面は、同じ数の半ループを有し、前記第１の面の各半ループは、前記第２の面の対応する半ループに接続する請求項１に記載のコイル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、磁気共鳴作像システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気共鳴作像を行うためには、磁気共鳴（ＭＲ）応答信号の源の位置を符号化するために、磁界勾配を空間的な方向に形成することが必要である。この符号化されたＭＲ応答信号を用いてＭＲ画像を作成する。従来のＭＲ作像システムには一組の勾配コイルがあり、このコイルに電流を通して、主磁石によって発生された静磁界に対して相加わるか又は減算されるような磁界を発生する。
【０００３】
ＭＲ作像に必要な磁界勾配を形成するためには、特定された電流密度の電流をある面にわたって供給しなければならない。電流は閉ループを必要とするので、戻りループがあるが、この戻りループは典型的には、所望の磁界勾配と同じではない磁界を発生する。戻りループは、所望の勾配磁界を歪め且つ弱めることが典型的である。
【０００４】
磁界勾配は、ＭＲ作像装置の内側にある作像容積内に形成しようとするものである。勾配コイルの電流によって作像容積の外側に発生される漂遊磁界は、磁石内の導電性の支持構造に、渦電流として知られる漂遊電流を誘起することがある。渦電流は、作像領域内に余分の望ましくない勾配磁界を発生する。従って、渦電流を誘起するその能力を制限するために、漂遊磁界を閉じ込めることが望ましい。
【０００５】
漂遊磁界を閉じ込める１つの方法は、磁界勾配を発生するために用いられるコイルの第１の層の外側に、この第１に層を取り囲んでいるコイルの第２の層を設けることである。このコイルの第２の層は、第１の層に比べて反対の極性を有する磁界を発生し、作像容積の外側でコイルの第１の層によって発生された磁界の大部分を相殺する。このためには、コイルの余分の層に電流を通すことを必要とする。コイルに電流を通すのに必要な電力は、所望の作像過程を実行するのに必要な所望の勾配磁界の強さに関係する。非常に短い期間にわたって電流の大きな変化を加えることが望まれているので、必要とする電力は非常に大きくなることがある。このことは、駆動しなければならないコイルの第２の層があるという事実と合わさって、ＭＲ作像装置の所要電力を大きくする結果となる。
【０００６】
ＭＲ作像の速度及び作像データの質は、勾配コイル内の電流をどのくらい素早く変化させることができるかに関係しているので、２層の又は遮蔽形の勾配コイルの設計は、同じコイルを用いた単一層の設計よりも本質的に一層遅くなる。
戻り電流が必要となるために、勾配コイルが一層長くなり、このため、ある患者にとっては、作像システム内に置かれたときに、不快で密室恐怖感を覚えさせることになる。
【０００７】
現在、漂遊勾配磁界を閉じ込め、所与の勾配増幅器の電力に対して一層速く、従来の磁気共鳴作像システムほどに閉じ込め形でないＭＲ作像システムに対する要望がある。
【０００８】
【発明の目的】
本発明の目的は、同じ勾配増幅器の電力に対して、従来の装置よりも一層速く所望の磁界勾配を形成する装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、従来のＭＲ作像装置と同じ速度で画像を作成するのに必要とする勾配増幅器の電力が一層小さくてすむ装置を提供することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、一層開放形の作像領域を有しており、こうして作像される患者に与える「密室恐怖感」を減ずる磁気共鳴作像装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、従来の磁気共鳴作像システムに比べて、発生する音響ノイズが一層少ない磁気共鳴作像装置を提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、神経刺激の可能性を低減させるために、患者のうち、大きな磁界勾配に露出される部分を減少させる磁気共鳴作像装置を提供することにある。
【００１１】
【発明の要約】
磁界勾配装置に用いられるコイルが、作像容積を部分的に囲い込んでいる第１の面を有している。第１の面は、それぞれが電流を通す複数の隣接した導体半ループを有している。
第２の面が、作像容積に関して第１の面より外側で、第１の面と実質的に平行に配置されている。第２の面も、電流を通す複数の隣接した導体半ループを有している。第２の面の導体は、実質的に第１の面の導体の鏡像である。
【００１２】
複数の接続導体が、第１の面の各々の半ループを第２の面の対応する半ループに接続しており、連続的なコイルが半ループから形成されるようにする。第１及び第２の面の導体に電流を通し、こうして作像容積から相異なる距離の所で反対向きに電流が流れるようにする。
本発明の新規な特徴は、特許請求の範囲に具体的に記載してあるが、本発明の構成及び内容は、その他の目的及び特徴と共に、以下図面について詳細に説明するところから更によく理解されよう。
【００１３】
【実施例】
図１は、ここで説明する本発明に用いるのに適した磁気共鳴（ＭＲ）作像システムの主要な構成部品の簡略ブロック図である。このシステムは汎用ミニコンピュータ２を有しており、汎用ミニコンピュータ２は、ディスク記憶ユニット２ａ及びインタフェース・ユニット２ｂに機能的に結合されている。無線周波（ＲＦ）発信器３、信号平均装置４、並びに勾配電源５ａ、５ｂ及び５ｃが、いずれもインタフェース・ユニット２ｂを介してコンピュータ２に結合されている。勾配電源５ａ、５ｂ及び５ｃが勾配コイル１２−１、１２−２及び１２−３に電力を供給して、作像しようとする被検体にわたって、それぞれＸ、Ｙ及びＺ方向に磁界勾配Ｇx 、Ｇy 及びＧz を発生する。ＲＦ発信器３にコンピュータ２からパルス・エンベロープがゲートされて、被検体からのＭＲ応答信号を励振するのに必要な変調を有するＲＦパルスを発生する。ＲＦパルスはＲＦ電力増幅器６において、作像方法によるが、１００ワットから数キロワットまで変化するレベルまで増幅されて、ＲＦ発信コイル１４−１に印加される。全身作像のように大きなサンプル容積に対して、及び一層大きなＭＲ周波数帯域幅を励振するために持続時間の短いパルスを必要とする場合には、一層高い電力レベルが必要である。
【００１４】
ＭＲ応答信号が受信コイル１４−２によって感知され、低雑音前置増幅器９で増幅されて、受信器１０に送られ、更に増幅、検波及びフィルタ作用を受ける。その後、信号は信号平均装置４による平均化のためにディジタル化され、コンピュータ２によって処理される。前置増幅器９及び受信器１０は、発信の間、能動形ゲート作用又は受動形フィルタ作用により、ＲＦパルスから保護される。
【００１５】
コンピュータ２は、ＭＲパルスに対するゲート作用及びエンベロープ変調、前置増幅器及びＲＦ電力増幅器に対するブランキング、並びに勾配電源に対する電圧波形を供給する。コンピュータは又、フーリエ変換、画像の再生、データのフィルタ作用、作像表示及び記憶作用（これらすべては、通常のものであって、本発明の範囲外である。）のようなデータ処理を行う。
【００１６】
所望によっては、ＲＦ発信コイル１４−１及び受信コイル１４−２は単一のコイルで構成することができる。この代わりに、電気的に直交する２つの別個のコイルを用いてもよい。この後者の構成は、パルス発信の際に、受信器へのＲＦパルスの通り抜けを減少させるという利点がある。いずれの場合にも、コイルは磁石手段１１によって発生された静磁界Ｂ0 の方向と直交している。コイルは、ＲＦ遮蔽ケージ内に封入することにより、システムの他の部分から隔離することができる。
【００１７】
磁界勾配コイル１２−１、１２−２及び１２−３は、サンプル容積にわたって単調で線形的な勾配Ｇx 、Ｇy 及びＧz をそれぞれ発生するために必要である。いくつかの値を有する勾配磁界は、ＭＲ応答信号データにエーリアシングと呼ばれる劣化を招き、これは画像の著しいアーティファクトを招く。非線形の勾配は、画像の幾何学的な歪みの原因になる。
【００１８】
従来のＭＲ作像用の横方向勾配磁界の身体コイル、即ち図１の１２−１及び１２−２が図２に示されている。典型的には、これはそれぞれ４つの象限を有しており、これは、図３に示すのと同様な「指紋」巻線パターン２２、２４、２６及び２８を有している。電流が矢印２１ａ、２３ａ、２５ａ及び２７ａの向き又はその反対向きに流れる。これらの象限は、電気的には互いに直列に接続されている。
【００１９】
図３の各々の「指紋」コイルで、面電流が領域３１をＡからＢまで流れて磁界を発生させるように設計されている。この電流通路は、所望の磁界勾配を形成するように設計されている。ＢからＣまでの領域３３は、電流の戻り通路を形成しており、回路を閉じるために必要である。しかしながら、領域３３の戻り通路は、有用な作像用の勾配を発生せずに、発生された磁界に蓄積されるエネルギを増加させる。
【００２０】
図４は、図２の身体コイルのそれぞれのコイルに定常的な電流が通されたときの、図３の巻線パターンに対する主磁界に平行な一定磁界成分の線を示す。図４の点Ａ、Ｂ及びＣが図３のＡ、Ｂ及びＣに対応する。図４から明らかなように、戻り電流通路によって発生された勾配磁界は、点Ｃでは、印加された磁界勾配をゼロに減少し、実際に点Ｃの右側では勾配を反転させる。従って、勾配は点Ａでは全く直線的であるが、点Ｂでは使用できないレベルまで減少し、実際に点Ｃより先では反転する。
【００２１】
発生された磁界は円筒内及び円筒外の両方に拡がるので、漂遊磁界が近くの装置及び物体に影響を与える。このような磁界は、高速でターンオン及びターンオフされ、時間的に変化する磁界の擾乱の原因になる。従って、漂遊磁界を閉じ込めようとするのが普通である。
二重層勾配コイルの設計は、勾配コイルの外側の漂遊磁界を閉じ込めのために用いられることが通常である。同様な「指紋」コイルを有している半径ａ1 の内側円筒の外側に、半径ａ2 の第２の円筒を追加するが、各々の「指紋」コイル内の電流は、内側円筒にある対応するコイルとは反対向きに流れる。外側コイルは、内側の勾配コイルによって発生されたものとは反対の極性の磁界勾配を形成する。これにより、円筒の外側に発生される勾配磁界が減少するが、作像容積である内側円筒の内側の磁界も減少し、内側の勾配コイルの効率を低下させる。
【００２２】
発生される磁界の大きさは、電流を通す素子からの半径方向の距離に反比例するので、作像容積に対する内側円筒の影響は、外側円筒のそれよりもかなり大きい。
勾配コイルによって発生される磁界は、ビオ・サバールの法則によって決定される。
【００２３】
【数２】
0003711653.tif 000002
【００２４】
【数３】
0003711653.tif 000003
【００２５】
【数４】
0003711653.tif 000004
【００２６】
【数５】
0003711653.tif 000005
【００２７】
半径ａ1 を有する円筒には戻り電流通路を設ける必要がなく、一層大きな距離の所では、その効果が一層小さいので、戻り電流通路は作像容積から一層大きい距離の所にある面の上に設けることができ、作像容積内の磁界に対してそれを減少させる効果を一層小さくすることができる。戻り電流は、完全な第２の組のコイルを必要とすることなく、漂遊磁界を閉じ込めるための遮蔽という第２の目的にも役立ち得る。
【００２８】
図５には、本発明による単一層の連続的な勾配コイル５０が示されている。この勾配コイルは、電流を通す複数の半ループ５７を有している第１の領域５１と、やはり電流を通す複数の半ループ５９を有している第２の領域５３と、各々の半ループ５７を対応する半ループ５０と接続して単一のコイル５０を形成する導体を有している第３の領域５５とを有している。コイル５０は線ＢＢ及びＢ′Ｂ′に沿って折り曲げ又は曲げて、図６に示すように、半径ａ1 及びａ2 を有する２つの円筒の上に配置されるような形状にしようとするものである。部分５１は半径ａ1 を有する円筒の上に配置されており、これに対し、部分５３は半径ａ2 を有する円筒の上に配置されている。部分５５は、部分５１及び５３の個別の電流通路を結ぶために用いられる中間部分であり、半径ａ1 の所にある部分５１の各ターンを半径ａ2 の所にある部分５３の対応するターンに接続している。このようなことは、半径ａ1 の所にあるコイルの各ターンと半径ａ2 の所にあるコイルの各ターンのと間に接続ワイヤを適当にはんだ付けして支持することにより処理することができる。
【００２９】
１つの平面上で図５に示すようにパターンをエッチングし、その後、線ＢＢ及びＢ′Ｂ′に沿ってほぼ折り曲げることができる。しかしながら、（ａ2 −ａ1 ）／ａ1 ＜＜１でないと、図５に示すようなパターンは、座屈を起こさずに、折り返して２つの円筒面上に配置することができない。この折り返しを満足に完了することができる程度のしわ寄せができるように、厳密に線形（直線的）でないパターンを用いて、ＢＢからＢ′Ｂ′の領域を設計することが可能であることがある。この代わりに、前に述べたような他の一組のはんだ付けしたジャンパ線を用いて、ＢＢからＢ′Ｂ′の領域を完成することが可能である。いずれの場合でも、このようなワイヤ又は線は、静磁界とのその相互作用によって生ずる力に耐えるくらいに十分強力に支持しなければならない。
【００３０】
部分５３は２つの目的に、即ち、必要な戻り電流通路を形成することと、フリンジ磁界を閉じ込めることとに役立つ。このような目的を最も効果的に達成するために、２つのパターンが精密に相手の裏返しではなく、外側通路、即ち部分５３は、若干内側部分５１を越えて伸びて末端で磁束を効果的に捕捉するようにすることができる。
【００３１】
【数６】
0003711653.tif 000006
【００３２】
寸法及び曲げの角度を調節することができるので、コイルが正しく作用するための電流密度に対する関係を次に説明する。
図８は、本発明と両立し得る第２の実施例の勾配コイル・パターンを示す。この実施例では、若干の戻り電流通路は部分５５上にのみ配設されており、部分５３に到達していなくてもよい。部分５３は、電流密度が下記の式に見合っていれば、部分５１よりも戻りループが一層少なくてもよい。これらの式は、式（１）に従う所望の磁界を発生するのに必要な面電流を決定するための関数である。
【００３３】
【数７】
0003711653.tif 000007
【００３４】
所望によっては、磁界の線形性を一層高度にするために、シム・コイルの設計で普通行われているように、精密な巻線の密度を若干調節することができる。
本発明は、従来の横方向勾配コイルの設計に比べていくつかの重要な利点がある。
第１に、所与の勾配を達成するのに必要な合計の蓄積エネルギが、従来の設計よりも大幅に減少する。これにより、設計の実現性にとって重要な観点である電源条件が大幅に緩和される。
【００３５】
第２に、戻り電流が実効的な磁界の強さを減少させる傾向がなくなり、これにより、ｚ軸（円筒の長さ）に沿った有効な勾配の領域が拡がる。
第３に、勾配コイルが配置される管の長さを一層短くして、患者が経験する密室恐怖感を減ずることができる。
第４に、勾配コイルの管が一層短いことにより、患者のうち、大きな磁界勾配にさらされる部分が減少し、大きな磁界勾配で起こり得る神経刺激効果の可能性が少なくなる。
【００３６】
第５に、勾配コイルの管が一層短くなることにより、ＭＲ作像に伴うリンギング及びノイズが減少する。
本発明の現在好ましいと思われるいくつかの実施例を図面に示して説明したが、当業者には種々の改変及び変更が考えられよう。従って、特許請求の範囲は、本発明の要旨の範囲内に含まれるこのようなすべての改変及び変更を包括するものであることを承知されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を利用することが可能な磁気共鳴作像装置の簡略ブロック図である。
【図２】ＭＲ作像装置の普通の横方向勾配身体コイル及び主磁石内に配置された患者を示す見取り図である。
【図３】図２の横方向磁界勾配身体コイルの１つの「指紋」コイルを示す図である。
【図４】図２の横方向磁界勾配身体コイルによって発生された磁束の磁力線を示す図である。
【図５】本発明による第１の実施例の横方向勾配コイルの設計を示す図である。
【図６】半径ａ1 及びａ2 を有する２つの円筒の上に配設された本発明の一実施例のコイルの斜視図である。
【図７】電流の流れを説明するための本発明の場合の勾配コイルの側面図である。
【図８】本発明による第２の実施例の横方向勾配コイルの設計を示す図である。
【符号の説明】
２  汎用ミニコンピュータ
２ａ  ディスク記憶ユニット
２ｂ  インタフェース・ユニット
３  ＲＦ発信器
４  信号平均装置
５ａ、５ｂ、５ｃ  勾配電源
６  ＲＦ電力増幅器
９  低雑音前置増幅器
１０  受信器
１１  磁石手段
１２−１、１２−２、１２−３、５０  勾配コイル
１４−１  ＲＦ発信コイル
１４−２  受信コイル
２２、２４、２６、２８  巻線パターン
３１、３３  領域
５１  第１の部分（第１の面）
５３  第２の部分（第２の面）
５５  第３の部分（接続導体）
５７、５９  半ループ
６１、６３、６５  面
Ｇx 、Ｇy 、Ｇz   磁界勾配
【図１】
0003711653.tif 000009
【図２】
0003711653.tif 000010
【図３】
0003711653.tif 000011
【図４】
0003711653.tif 000012
【図５】
0003711653.tif 000013
【図６】
0003711653.tif 000014
【図７】
0003711653.tif 000015
【図８】
0003711653.tif 000016