(57)【要約】  本発明の核磁気共鳴装置は、Ｚ軸を有するトンネル状の使用可能な内部空間（１０９）内で主となる強磁場Ｂ0を発生させる手段（１０１）と、使用可能な内部空間（１０９）に配置された人体（１５０）に応じて発せられた高周波信号の処理も行う高周波励起装置と、強磁場Ｂ0に付加磁場成分を重ね合わせるソレノイド型勾配コイルのセット（１１０）とを含み、当該勾配コイル（１１２〜１２２）は、円筒型環状空間（１３０）内に配置された管内に組み込まれている。外部低温筐体（１０２）と円筒型環状空間（１３０）との間には、低抵抗率かつ低磁気抵抗の導電性材料を含む、軸Ｚに沿って円筒型のスクリーン（１０４）が配置されて、外部低温筐体（１０２）において発生する誘導電流が無視できるものであるとともに、円筒型スクリーン（１０４）において生じた渦電流が、ソレノイド型勾配コイル（１１１〜１２２）によって発生した勾配を補強するのに寄与する。【選択図】図３
2009513212.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｚ軸を有するトンネル状の使用可能な内部空間（１０９）内で主となる強磁場Ｂ0を発生させるための手段（１０１）と、高周波励起のためのおよび前記使用可能な内部空間（１０９）に配置された人体（１５０）または物体に応じて発せられた高周波信号を処理するための手段と、強磁場Ｂ0に付加磁場成分を重ね合わせるためのソレノイド型勾配コイルのセット（１１０，２１０）とを含む核磁気共鳴機械であって、当該勾配コイル（１１１〜１２２；２１１〜２２２）は、強磁場Ｂ0を発生させるための前記手段（１０１）を含む外部低温筐体（１０２）と前記使用可能な内部空間（１０９）との間に位置する円筒型環状空間（１３０）内に配置された管内に組み込まれ、当該勾配コイル（１１１〜１２２；２１１〜２２２）の直径は、前記円筒型環状空間（１３０）の厚さに内接し、当該ソレノイド型勾配コイル（１１１〜１２２；２１１〜２２２）は、Ｚ軸に垂直な機械の第１の半径方向（ｘ）において第１の磁場勾配Ｘを、およびＺ軸に垂直な機械の第２の半径方向（ｙ）において第２の磁場勾配Ｙを発生するのに適合し、第１の方向（ｘ）は、第２の方向（ｙ）とは垂直であり、前記ソレノイド型コイルに２つの勾配に対応する電流の代数和を同時に印加するための増幅器（４５，５９）を有する核磁気共鳴機械において、直径が前記円筒型環状空間（１３０）に内接し、主磁場Ｂ0に平行な方向（ｚ）に磁場勾配Ｚを発生するソレノイド型コイルが、前記円筒型環状空間（１３０）の同じ管内に内接する、方向（ｚ）に垂直な方向（ｘ）に磁場勾配Ｘを発生する他のソレノイド型コイルと同軸であり、核磁気磁気共鳴機械が、前記外部低温筐体（１０２）と前記円筒型環状空間（１３０）との間に、導電性材料を含む、軸Ｚに沿って円筒型のスクリーン（１０４）をさらに有し、当該導電性材料が、７７ケルビン（Ｋ）以下の温度に冷却され、１０-8Ω．ｍ以下の抵抗率を有するように選ばれて、前記外部低温筐体低温筐体（１０２）において発生する誘導電流が無視できるものであるとともに、前記円筒型スクリーン（１０４）において生じた渦電流が、前記ソレノイド型勾配コイル（１１１〜１２２；２１１〜２２２）によって発生した勾配を補強するのに寄与することを特徴とする核磁気共鳴機械。
【請求項２】
前記円筒型スクリーン（１０４）が、アルミニウム製である請求項１に記載の機械。
【請求項３】
前記円筒型スクリーン（１０４）が、銅製である請求項１に記載の機械。
【請求項４】
前記円筒型スクリーン（１０４）が、超伝導材料製である請求項１に記載の機械。
【請求項５】
前記円筒型スクリーン（１０４）が、２０Ｋ〜４０Ｋの範囲の温度に冷却される請求項１〜４のいずれか１項に記載の機械。
【請求項６】
前記導電性材料の円筒型スクリーン（１０４）が、ガラス繊維強化エポキシ樹脂製の円筒型の第１の壁（１０４）と第２の壁（１０５）との間に設置され、当該円筒型スクリーン（１０４）は、局部的な絶縁性支持体（１０６，１０７）を用いて、第１および第２の円筒型の壁（１０３，１０５）に対する位置が維持される請求項１〜５のいずれか１項に記載の機械。
【請求項７】
前記円筒型スクリーン（１０４）が、５ｍｍ〜１５ｍｍの範囲の厚さを有する請求項１〜６のいずれか１項に記載の機械。
【請求項８】
管内に組み込まれた前記ソレノイド型勾配コイル（１１１，１１３，１１５，１１７，１１９，１２１）が、Ｘ、ＹおよびＺ磁場勾配の個別の源を構成し、当該個別の源は、前記円筒型環状空間の周囲に分配されるＮ個の隣接する個別の源のセットの一部を形成するような寸法であり、ここでＮ＝４υであり、υは２以上の整数であり、２つの個別の源のうちの１つは、２υ個の個別の源が隣接しないで維持されるように除去され、各管には、１個の個別の源が備えられている請求項１〜７のいずれか１項に記載の機械。
【請求項９】
前記ソレノイド型コイル（１１１〜１２２；２１１〜２２２）が、前記環状空間（１３０）の周囲に、同軸ソレノイド型コイルの２ｎ配列で分配され、ｎは３以上の整数である請求項１〜７のいずれか１項に記載の機械。
【請求項１０】
前記ソレノイド型コイル（１１１〜１２２；２１１〜２２２）が、前記環状空間（１３０）の周囲に、同軸ソレノイド型コイルの２ｎ配列で分配され、ｎは３以上の整数であり、組み合わさった電流が複数のコイルに同時に印加されて、Ｘおよび／またはＹおよび／またはＺ勾配を発生する請求項１〜７のいずれか１項に記載の機械。
【請求項１１】
勾配を発生するためのコイル内を流れる電流の１成分が、前記環状空間の周囲にあるコイルを特定する角度の余弦を公称電流に乗じたものに比例する請求項１０に記載の機械。
【請求項１２】
前記環状空間（１３０）が、その周囲に、隣接して分配されかつ前記ソレノイド型コイルを収容する管を有し、当該管の半径ａが、ａ＝ｒ１(ｓｉｎπ／Ｎ)／(１−ｓｉｎπ／Ｎ)＝ｒ２(ｓｉｎπ／Ｎ)／(１＋ｓｉｎπ／Ｎ)によって与えられ、式中、Ｎは、管の数を表し、ｒ１およびｒ２は、それぞれ環状空間（１３０）の内半径および外半径を表す請求項１〜７のいずれか１項に記載の機械。
【請求項１３】
前記ソレノイド型コイルには、個別の電源によって電圧が印加される請求項１〜１２のいずれか１項に記載の機械。
【請求項１４】
前記ソレノイド型コイルが、導電性の円形スリーブに沿った細長い螺旋状の巻線により形成され、好ましくは、長方形の輪郭を有し、１つのコイルについての複数のスリーブは、同心であり、一方が他方の中に嵌め込まれている請求項１〜１３のいずれか１項に記載の機械。
【請求項１５】
２つのスリーブの間に、冷却流体のための環状空間がある請求項１４に記載の機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管内に組み込まれたソレノイド型勾配コイルを有する核磁気共鳴（ＮＭＲ）機械に関し、より詳しくは、勾配コイルにより発生した渦電流を補償するＮＭＲ機械に関する。
【０００２】
本発明は、概して、特に医療分野において磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）に使用可能なＮＭＲ機械に関する。
【背景技術】
【０００３】
ＮＭＲ機械は、患者のために用意された中央空間と環状構造体とを有するトンネル型構造を有し得るものであり、当該環状構造体は、一方で、中央観測空間内に主となる強磁場Ｂ0を発生させるための手段と、通常はクライオスタット内に設置された超伝導磁化メインコイルからなる手段または適切な場合には永久磁石とを一体化させ、他方で、高周波励起手段（伝送アンテナ）と、中央観測空間に配置された患者の身体による高周波励起のシーケンスに応じて再び発せられた高周波信号を処理する手段とを一体化させている。
【０００４】
高周波励起のシーケンスに応じて再び発せられた高周波信号を識別して画像の形成を可能にするために、勾配コイルは、一様な主となる強磁場に付加磁場を重ね合わせるが、当該付加磁場は、印加された点での３Ｄ座標の関数で表される値を有している。
【０００５】
この関数には、通常、３つの直行する軸Ｘ，Ｙ，Ｚが、Ｚ軸が強磁場Ｂ0とおおよそ同一線上にある状態で用いられる。このため、空間の各点は、異なる磁場値によりコード化することができ、再び発せられた信号の変化を活用して画像を作成することができる。
【０００６】
従って、画像を得るためには、高周波励起シーケンスを用いる間に、磁場勾配シーケンスと共同で用いることが必要である。どのようなイメージング方法を採用しても、磁場勾配の一つの特徴は、それらがパルス状であることである。
【０００７】
ＮＭＲ機械の勾配コイルシステムの様々な例が、例えば、特許文献仏国特許発明第２５８８９９７号明細書および仏国特許発明第２６２１１２５号明細書に挙げられている。ハイクオリティのＮＭＲイメージングには、真の磁場勾配が一様でなければ、すなわち、印加されるべき理論上の理想分布に許容範囲内で一致しなければならない。発生させる勾配の一様性を高めるためには、勾配コイルは、できるだけ大きくなければならないが、全体のサイズおよび出力の理由から、これら勾配コイルのサイズを極端に大きくすることはできず、このことは、勾配コイルの設計には、相反する要件が課されていることを意味する。
【０００８】
さらに、勾配パルスの時間的特徴により、パルス状の場の性質と関連した問題である、勾配コイルが発生させた磁場の線形性の問題を解決することも必要とされる。
【０００９】
従って、特に高強度の配向場のＮＭＲ機械は、検出可能な高周波数のＮＭＲ信号を有する必要があり、例えば約１０テスラで動作するＮＭＲ機械では、４２６メガヘルツ（ＭＨｚ）のオーダーの周波数の信号を有する必要がある。よって勾配コイルは、例えば、１００ミリテスラ毎メートル（ｍＴ／ｍ）〜１５０ｍＴ／ｍのオーダーの勾配傾斜を発生させることが可能でなくてはならない。
【００１０】
このようなより強力な勾配は、様々な問題を引き起こす。第一に、このような傾斜を発生させることができる勾配コイルの出力消費が、非常に大きく、数１０キロワット（ｋＷ）のオーダーである。それ故に、このような勾配が患者および超伝導磁化メインコイルを含むクライオスタットを加熱しすぎないよう、効率よく冷却する必要がある。
【００１１】
さらに、現在用いられている高速イメージングシーケンスは、持続時間が数ミリ秒（ｍｓ）のオーダーで、立ち上がりおよび立ち下がり時間が１ｍｓ以下でなければならないような勾配パルスを有している。
【００１２】
電力がかけられると、機械の配向場内に位置する勾配コイルは、電磁力によって引き起こされる非常に急激な加速を受ける。この加速は、機械を急速に劣化させ、また、検査を受ける患者に耐え難いノイズを発生する。さらに、ノイズの制約は、特に脳を調査するために、ある種の知的活動の際にストレスを受ける脳の領域を示し出すことを目的とする場合には、特に難題となる。よって、患者に、患者の集中を妨げ、脅かすようなノイズを与えると同時にある種の知的活動（例えば、足し算や掛け算の暗算）を行わせることは困難である。
【００１３】
この種の実験が人間で想定できたとしても、動物での前臨床実験は、動物がこのようなノイズによりストレスを受けた際には、実施することができない。
【００１４】
検査に使用するのに十分な大きさの体積を残すために、勾配コイルの外形寸法が制限されているという事実を考慮に入れつつ、これらすべての問題を解決しなければならない。例えば、当該分野の標準的プラクティスにおいては、約５５０ミリメートル（ｍｍ）の値が必須の直径を有する環状の断面のトンネル内に、検査に使用可能な体積があるため、勾配コイルは、この使用可能なトンネルの体積と、クライオスタットのパネルの内部の体積との間の環状空間に、取り付けられなければならないということが考慮されるべきである。このクライオスタットの内部の体積は、直径約１０００ｍｍの環状トンネルを構成している。
【００１５】
特許文献米国特許第５５３０３５５号明細書は、勾配を発生するために、主磁場の方向に一致する軸を有するシリンダーの母線が、軸となっている巻線もまた使用するＮＭＲ機械を開示する。線形性を向上させるために、当該文献は、実施形態をより複雑にするのにもかかわらず、ソレノイド型コイルとは異なる巻線の使用を教示している。
【００１６】
上記の問題を考慮しながら勾配を発生させるために、特許文献国際公開第２００５／０２９１１０号パンフレットでは、使用可能な環状空間を、円形ソレノイド型コイルが挿入された複数の管を収容するのに用いることが提案されている。これらの管は、好ましくは、相互に隣接して管の層を形成する。
【００１７】
管内にコイルを配置することにより、冷却の改善、仕様に課せられた線形性の制約の順守、ノイズの低減、および渦電流の抑制が可能になり、高強度の勾配の発生という所望の結果が得られている。
【００１８】
ノイズの除去は、主磁場に平行な軸を有する管にソレノイドコイルを挿入し、それらの構造体、すなわち電磁気の制約がゼロである結果得られるトルソ（torsor）に対して単に管を放射状に搭載した結果である。
【００１９】
基準とする勾配コイルに垂直な磁場配向がある場合、提案された構造体、特にＸおよびＹ勾配のための構造体においては、スクリーンまたはクライオスタットの種々の金属パネルに発生する渦電流は、以前の実施態様に比べてはるかに少ない。
【００２０】
しかしこの渦電流は、特定の状況下で、特にクライオスタットを加熱しすぎることによって低温流体の消費量を増加させるという問題を未だに起こし得る。
【００２１】
さらに、勾配発生器と主磁石のクライオスタットとの間に標準スクリーンを配置すると、勾配発生器によりスクリーンの外部に発生した電場が弱くなる。
【００２２】
しかし、このようにして生じた電流が減少することにより、勾配の効率が低くなり、主となる強磁場において高速でスイッチングする強い勾配を発生させることがよりさらに難しくなる。
【００２３】
特許文献欧州特許第０６８１１９９号明細書および米国特許出願公開２００２／０１０５３２９号明細書は、超伝導主磁石が勾配発生器の磁場を変化させるのを防止するために、銅、アルミニウムなどの良導体の材料から作製された受動スクリーンを使用することを開示するが、これには、勾配の強度が弱くなり、勾配の線形性および勾配パルスの波形が顕著に損なわれるという欠点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
よって本発明の目的は、上述の欠点を克服することにあり、特に、勾配発生器による渦電流の発生に関連する欠点を減らすことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明によれば、当該目的は、Ｚ軸を有するトンネル状の使用可能な内部空間内で主となる強磁場Ｂ0を発生させるための手段と、高周波励起のためのおよび前記使用可能な内部空間に配置された人体または物体に応じて発せられた高周波信号を処理するための手段と、強磁場Ｂ0に付加磁場成分を重ね合わせるためのソレノイド型勾配コイルのセットとを含む核磁気共鳴機械であって、当該勾配コイルは、強磁場Ｂ0を発生させるための前記手段を含む外部低温筐体と前記使用可能な内部空間との間に位置する円筒型環状空間内に配置された管内に組み込まれ、当該勾配コイルの直径は、前記円筒型環状空間の厚さに内接し、当該ソレノイド型勾配コイルは、Ｚ軸に垂直な機械の第１の半径方向ｘにおいて第１の磁場勾配Ｘを、およびＺ軸に垂直な機械の第２の半径方向ｙにおいて第２の磁場勾配Ｙを発生するのに適合し、第１の方向ｘは、第２の方向ｙとは垂直であり、前記ソレノイド型コイルに２つの勾配に対応する電流の代数和を同時に印加するための増幅器を有する核磁気共鳴機械において、直径が前記円筒型環状空間に内接し、主磁場Ｂ0に平行な方向ｚに磁場勾配Ｚを発生するソレノイド型コイルが、前記円筒型環状空間の同じ管内に内接する、方向ｚに垂直な方向ｘに磁場勾配Ｘを発生する他のソレノイド型コイルと同軸であり、核磁気磁気共鳴機械が、前記外部低温筐体と前記円筒型環状空間との間に、導電性材料を含む、軸Ｚに沿って円筒型のスクリーンをさらに有し、当該導電性材料が、７７Ｋ以下の温度に冷却され、１０-8Ω．ｍ以下の抵抗率を有するように選ばれて、前記外部低温筐体低温筐体において発生する誘導電流が無視できるものであるとともに、前記円筒型スクリーンにおいて生じた渦電流が、前記ソレノイド型勾配コイルによって発生した勾配を補強するのに寄与することを特徴とする核磁気共鳴機械によって達成される。
【００２６】
従来のスクリーンとは対照的に、本発明の円筒型スクリーンは、発生した電流を減衰させず、当該電流を、良導体であり、主磁場Ｂ0の軸Ｚと同一線上にある軸を有し、長さおよび厚さがある円筒型スクリーンにおいて、制御され正確に計算可能な様式で発生させる。
【００２７】
当該円筒型スクリーンは、アルミニウム製、銅製、または超伝導材料製であってよい。
【００２８】
導電性円筒型スクリーンは、７７Ｋ（液体窒素温度）以下の温度に冷却され、好ましくは、２０Ｋ〜４０Ｋの範囲の温度に冷却される。この温度範囲は、例えば、クライオスタット中で用いられるヘリウム蒸気をリサイクルすることによって得ることができる。
【００２９】
特定の一実施態様では、導電性材料の円筒型スクリーンは、ガラス繊維強化エポキシ樹脂製の円筒型の第１の壁と第２の壁との間に設置され、円筒型スクリーンは、局部的な絶縁性支持体を用いて、第１および第２の円筒型の壁に対する位置が維持される。
【００３０】
円筒型スクリーンは、５ｍｍ〜１５ｍｍの範囲の厚さを有することが有利であり、好ましい。
【００３１】
特に患者の肩部または器機類にさらなる空間を与える有利な特徴によれば、管内に組み込まれたソレノイド型勾配コイルは、Ｘ、ＹおよびＺ磁場勾配の個別の源を構成し、当該個別の源は、前記円筒型環状空間の周囲に分配されるＮ個の隣接する個別の源のセットの一部を形成するような寸法であり、ここでＮ＝４υであり、υは２以上の整数であり、２つの個別の源のうちの１つは、２υ個の個別の源が隣接しないで維持されるように除去され、各管には、１個の個別の源が備えられている。
【００３２】
患者の肩部の空間をさらに提供する必要がない場合には、可能な一実施態様では、ソレノイド型コイルは、前記環状空間の周囲に、同軸ソレノイド型コイルの２ｎ配列で分配され、ｎは３以上の整数であり、好ましくは、４〜９の範囲である。
【００３３】
可能な別の実施態様では、円形ソレノイド型コイルは、前記環状空間の周囲に、同軸ソレノイド型コイルの２ｎ配列で分配され、組み合わさった電流が複数のコイルに同時に印加されて、Ｘおよび／またはＹおよび／またはＺ勾配を発生し、ｎは３以上の整数であり、好ましくは、４〜９の範囲である。
【００３４】
一実施態様では、勾配を発生するためのコイル内を流れる電流の１成分が、前記環状空間の周囲にあるコイルを特定する角度の余弦（cosine）を公称電流に乗じたものに比例する。
【００３５】
別の実施態様では、勾配を発生するためのコイル内を流れる電流の１成分が、前記環状空間の周囲にあるコイルを特定する角度の関数として、係数１，０．７３２または０．２６８を公称電流に乗じたものに比例する。
【００３６】
特定の一実施態様では、前記環状空間は、その周囲に、隣接して分配されかつ当該ソレノイド型コイルを収容する管を有し、当該管の半径ａは、ａ＝ｒ１(ｓｉｎπ／Ｎ)／(１−ｓｉｎπ／Ｎ)＝ｒ２(ｓｉｎπ／Ｎ)／(１＋ｓｉｎπ／Ｎ)によって与えられ、Ｎは、管の数を表し、ｒ１およびｒ２は、それぞれ環状空間の内半径および外半径を表す。
【００３７】
ソレノイド型コイルには、個別の電源によって電圧が印加される。
【００３８】
ソレノイド型コイルは、有利には、導電性の円形スリーブに沿った細長い螺旋状の巻線により形成され、好ましくは、長方形の輪郭を有し、１つのコイルについての複数のスリーブは、同心であり、一方が他方の中に嵌め込まれている。
【００３９】
また、２つのスリーブの間に、冷却流体のための環状空間があることが好ましい。
【００４０】
特定の一実施態様では、円筒型スクリーンで生じた渦電流によって、軸ｚに垂直な方向（ｘ，ｙ）に発生した勾配の一部が、有限要素法などの電磁計算法によって求まる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
本発明のその他の特徴および利点を、例を挙げ、添付図面を参照して、以下の特定の実施態様を説明することにより明らかにする。
【００４２】
図１は、ＮＭＲ機械の縦方向の断面を示す図である。
図２は、本発明を適用したＮＭＲ機械のトンネルの軸および主磁場に垂直な断面を示す図である。
図３は、本発明のＮＭＲ機械のトンネルの軸に垂直な断面を示す図である。
図４は、局部的に空間を解放するために適用された本発明のＮＭＲ機械の一部の、トンネルの軸に垂直な断面を示す図である。
図５は、“頭部勾配”検査への適用を示す斜視図である。
図６Ａは、軸Ｏｚを有するマックスウェル位置での２つの先行技術の巻線での渦電流の影響を示す図である。
図６Ｂは、軸Ｏｚと平行であるが一定距離離れている軸を有する本発明の巻線のセットでの渦電流の影響を示す図である。
【００４３】
図１は、患者５が配置されるトンネル４の軸Ｚに本質的に平行な、主となる一様な強磁場Ｂ0を発生させるための装置１を有するＮＭＲ機械７の理論を概略的に示す。
【００４４】
図１に示す主となる強磁場Ｂ0を発生するための装置は、永久磁石を有していてよい。しかし、当該装置は、好ましくは、極低温に維持するためにクライオスタット内に設置された超伝導磁石を有していてもよい。いずれにしても、強磁場を発生するための装置１は、円筒型の環状の外部筐体内に設置され、当該外部筐体は、この外部筐体の内壁と検査される患者５が配置されるトンネル４との間に環状空間を提供する。円筒型の環状の外部筐体は、通常、金属製の壁、例えば、ステンレス鋼製の壁を有する。
【００４５】
主となる強磁場を発生するための装置１の内部に位置する当該環状空間には、トンネル４のＺ軸の方向と、Ｚ軸に垂直および互いに垂直な方向ＸおよびＹに磁場勾配を発生させるための勾配コイル２が配置されている。
【００４６】
上述のように、勾配コイル２は、パルス状の付加磁場を印加することにより、患者５が配置される空間をコード化する方法を提供するものである。
【００４７】
これらの磁場の配向磁場Ｂ0のように配向していない成分は、使用可能なＮＭＲ信号の変化に２次的に寄与するのみである（よってここで考慮されるＢ0の値と勾配の寄与は無視できる）。従って、勾配コイルにより発生した磁場の有益かつ有用な成分は、磁場Ｂ0に沿って配向している成分のみである。この有用な成分は、通常、ＢｚまたはＢz成分と呼ばれる。機械内部の座標点は、デカルト軸系に対して定められ、軸ｚは、一様な磁場Ｂ0の方向と同一線上にあり、トンネル状の機械の母線とは平行である。電圧が印加される勾配コイルのセットに応じて、ある位置での有用な成分Ｂｚは、Ｘ勾配については、当該位置を含み平面ｙＯｚに平行な平面の横座標ｘの関数として、Ｙ勾配については、当該位置を含み平面ｘＯｚに平行な平面の縦座標ｙの関数として、Ｚ勾配については、当該位置を含み平面ｘＯｙに平行な平面の次元ｚの関数として、強度を増大させる。
【００４８】
高周波伝送アンテナ３のシステムは、患者が配置されるトンネル４の近傍に配置されるか、直接トンネル内に挿入される。高周波伝送アンテナまたはコイルは、通常、検査する患者５の身体または他の物体、例えば動物、に応じて発せられた高周波信号を受信し処理する装置と結合している。
【００４９】
図２は、円形ソレノイド型コイルを含む円筒型環状空間６を示し、２aの値を有する当該コイルの直径９は、半径ｒ１およびｒ２をそれぞれ有する円筒型の壁５３，５４により規定される当該環状空間６の厚み１０に内接している。環状空間６の厚み１０は、当該空間の総厚みに等しい、と初期では仮定することができる。従って、示した例では、環状空間６は、プラスチック製の材料または他の電気絶縁材料でできたパネル１１からなる１２本の管で占められている。管１１の内部には、勾配磁場を発生するためのコイルがあり、当該コイルは、国際公開ＷＯ２００５／０２９１１０号パンフレットに記載に従い製造することができる。当該管は、好ましくは、互いに隣接している。
【００５０】
各管には、他の管のセットと完全に同一なコイルのセットが取り付けらる。このコイルのセットは、有利には、Ｚ勾配と、Ｚ軸に垂直に選択された方向の勾配とを発生する能力を有する。コイルを、ＸまたはＹ配向した勾配を発生するように制御することができる。
【００５１】
示した例では、管の数は、ＸまたはＹ勾配とＺ勾配を発生させるように、偶数（２ｎ）であってよい。ただし、特定の一実施態様では、ＸまたはＹ勾配を発生させるためのソレノイド型コイルを含む偶数本の第１の管と、Ｚ勾配を発生させるコイルを含む奇数本の第２の管を有していてもよい。
【００５２】
本発明の理解に役立つ基本概念を、以下いくつか説明する。
【００５３】
まず、空間内の任意の点Ｍは、デカルト座標（ｘ、ｙ、ｚ）または極座標（ｒ，υ，φ）により特定することができる。
【００５４】
【数１】
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【００５５】
原点Ｏの周りの関心体積内においては、主磁場Ｂ0のベクトルは、実質的に一様であり、以下の軸Ｏｚに沿う方向を向いている。
【００５６】
【数２】
2009513212.tif 000004
【００５７】
空間の磁気のない領域（すなわち、電流も無視できない磁化率の材料もない領域）においては、各成分Ｂx、ＢyおよびＢzは、ゼロのラプラス演算子を有する。例えば、磁場源がどうあれ、ΔＢz＝０であって、Ｂz（ベクトルｒ）は、次の式の球面調和関数において、単一の展開を示す。
【００５８】
【数３】
2009513212.tif 000005
【００５９】
上記の等式において、Ｗnmは、｜ＷnmＰnm（ｃｏｓθ）｜≦１となる、例えば｜Ｐn（ｃｏｓθ）｜などの数値的重み係数である。
【００６０】
この展開は、ｒ＜ｒmax、中心Ｏを有する磁気のない球の最大半径、に対してのみ有効である。次数ｎの係数（ｍは階数と呼ばれる）は、αｒmax-n（αは磁場の次元を有し、展開の収束速度は、ｒおよびｒmaxとの差に比例する）の形である。
【００６１】
ＮＭＲ信号から画像を形成するには、理想的にはｂz＝ｇxｘ，ｂz＝ｇyｙおよびｂz＝ｇzｚ（ｇx，ｇyおよびｇzは、その各源の励磁電流に比例する）であるべき成分ｂzの特定の磁場源によって、３次元空間がコード化されることが必要である。これらを略して、それぞれｘ勾配、ｙ勾配、およびｚ勾配と呼ぶ。
【００６２】
実際には、このような線形性は、ゼロでない成分ｂxおよびｂyとともに磁場ベクトルｂを発生させる源によってのみ、おおよそ達成できる。幸いにも、｜ベクトルｂ｜＜＜Ｂ0の場合であっても（実際は常にこうなるが）、問題はない。共鳴周波数は、以下に比例する。
【００６３】
【数４】
2009513212.tif 000006
【００６４】
従って、成分ｂzのみが、ｂ／Ｂ0≦〜１０-3という条件で、ｐｐｍレベルで有効である。
【００６５】
磁場勾配の発生に適用するにあたり、対称原理は、どのようにして磁場勾配を発生させたかに係らず、関与する磁場源の対称な性質が、上記の球面調和関数の展開の特定の係数の値をゼロにすることを示している。
【００６６】
ＭＲＩ用の磁場勾配の発生については、多数の刊行物および特許に示されており、未だに精力的に研究が行われているテーマである。最新のイメージング方法、特に機能イメージングは、作用する主磁場がよりはるかに強いのと同時に、できるだけ線形性が高く、よりはるかに強く、超高速でスイッチ可能である勾配を必要としている。冷却、アイソレーション、および音響ノイズに付随する問題のため、有効電力と無効電力は、かなりの大きさが必要となる。
【００６７】
勾配発生器の近傍の導体内で生じる電流がもたらす問題もまた、その解決はさらに困難である。
【００６８】
もちろん、あらゆる公知のシステムにおいて、対称原理の適用結果が活用されている。しかし、適切な比例関係が関わる電流が印加された個別の源を組み合わせることにより、球面調和関数の展開の特定の係数を約分して、さらに活用することが可能である。
【００６９】
平面ｘＯｚに対して非対称であり、平面ｘＯｙに対して非対称（ＡＡ）または対称（ＡＳ）のいずれかである電流分布について検討する。
【００７０】
この種の単純な分布は、例えば、軸Ｏｚに平行で距離ｄ離れた同軸Ｏ’ｚ’を有するソレノイド型コイルのセットからなる。平面ｘＯｙに対して非対称または対称であるこのセットの中心Ｏ’のデカルト座標は、（ｄ，０，０）であり、以下の２つのいずれかの構成を有している。
・セット（ＡＡ）は、平面ｘＯｙのいずれかの側に偶数個のソレノイド型コイルを有し、当該ソレノイド型コイルは、幾何学的に対称であり、軸Ｏ’ｚ’の周りを逆方向に回転する電流を伝える（よって、最も簡単なケースでは、２つの非対称ソレノイド型コイルを有する）。
・セット（ＡＳ）は、任意の個数のソレノイド型コイルを有し、ソレノイド型コイルは、ｘＯｙ平面に対して幾何学的に対称であり、軸Ｏ’ｚ’の周りを順方向に回転する電流を伝える（よって、最も簡単なケースでは、対称面としてｘＯｙを有する単一のソレノイド型コイルを有する）。
【００７１】
ただし、例えば、非円形の断面を有し、複数の軸Ｏ’ｚ’を囲うコイルのような、より複雑な構造も考えられる。従うべき唯一の条件は、（ＡＡ）または（ＡＳ）で記号化された対称についての特性である。
【００７２】
電流Ｉを伝えるこれらのセットのいずれかを考慮し、Ｐを対応する消費電力とする。
【００７３】
対称原理を直接適用すると、セット（ＡＡ）は、関心空間において磁場を発生し、磁場の非ゼロの展開項は次のようになる。
【００７４】
【数５】
2009513212.tif 000007
【００７５】
同様にして、電流Ｉを伝えるセット（ＡＳ）は、関心空間において磁場を発生し、磁場の非ゼロの展開項は次のようになる。
【００７６】
【数６】
2009513212.tif 000008
【００７７】
以下の原理は、Ｚ勾配発生器の作製に用いることができる。
【００７８】
同じ電流Ｉを伝え、軸Ｏｚの周りに規則的に分配されたタイプＡＡのＮ個の同一の個別の源について考える。平面ｘＯｙ上の軸のＯ’jのトレース座標は、よって、Φ0を任意の原点方位角とすると、次のようになる。
【００７９】
【数７】
2009513212.tif 000009
【００８０】
発生した全磁場の成分ｚの球面調和関数の項の展開は、適切に方位角Φ変位したタイプＡＡの展開の和である。
【００８１】
【数８】
2009513212.tif 000010
【００８２】
角括弧の中の和は、次のようにして計算される。
【００８３】
【数９】
2009513212.tif 000011
【００８４】
よって全磁場の展開は、ＮＰと等しい全消費電力に対し、次のように単純化される。
【００８５】
【数１０】
2009513212.tif 000012
【００８６】
実際には、ｒkN+2l+1ＸkN+2l+1kNの項の寄与を完全に無視することができるように、Ｎをかなり大きくする、例えばＮ＝１２以上にすることを満足しており、展開は、次のように単純化される。
【００８７】
【数１１】
2009513212.tif 000013
【００８８】
このようにして得られるｚ勾配の発生器の線形性は、展開の次数２ｐ＋１，ｐ＝１，２などの項をより多く約分するほど向上する。これは、対称性の考慮にもはや依存しておらず、個別の源での実際の電流の分配に依存している。
【００８９】
同軸のソレノイド型コイルに基づく個別の源の単純な実施態様では、平面ｘＯｙに対して幾何学的に対称で、逆方向に電流を伝える最小限の２つのソレノイド型コイルについて、その寸法と位置は、Ｚ3を約分するように選んでよく、よって線形性の欠如を規定する最初の項は、Ｚ5である。寸法と位置が適切に選ばれた４つのソレノイド型コイルについて、Ｚ3およびＺ5は、約分することができ、よって線形性の欠如を規定する最初の項は、Ｚ7になり、以後同様である。
【００９０】
この種の発生器を最適化しようとするとき、所定の永久勾配を得るために必要な常時電力を最小化すること、所定の最大電圧またはさらに利用可能な電源もしくは増幅器によって立ち上がり時間をより短くできるようにインダクタンスを最小化すること等を他に考慮してもよい。この発生原理によって複数の電源または増幅器の使用がかなり容易になり、これにより単位電力を低減できることに留意することが重要である。
【００９１】
ｘ勾配発生器と同じ原理に従った実施（ｙ勾配ジェネレータについても、理論は、Ｏｚの周りのπ／２の回転に同じ）が、同様に可能であり、要求される線形性を得るのに効果的であることは明らかである。
【００９２】
軸Ｏｚの周りに規則的に配列されたタイプ（ＡＳ）の、偶数個Ｎ＝２ｎの個別の源を、使用する必要があり、平面ｘＯｚは全体の対称面となる。この後者の対称要素により、原点方位角Φ0が０またはπ／２ｎであることが強いられる。
【００９３】
平面ｘＯｙ上の軸のＯ’jのトレース座標は、従って、次のようになる。
【００９４】
【数１２】
2009513212.tif 000014
【００９５】
次に、個別の源は、電流Ｉj＝ＩｃｏｓΦjが印加される場合、ｎＰに等しい合計消費電力に対して発生した全磁場の成分ｚの球面調和関数の展開は、次のように単純化される。
【００９６】
【数１３】
2009513212.tif 000015
【００９７】
この計算を、以下の計算されるべき和を用いて上記と同様に行う。
【００９８】
【数１４】
2009513212.tif 000016
【００９９】
原点方位角に対応するファクター（−１）kは、π／２ｎである。
【０１００】
ｚ勾配に関し、ｒ2kn±1+2lＸ2kn±1+2l2kn±1の項の寄与を完全に無視することができるように、Ｎ＝２ｎ（ｎは整数である）を十分に大きく選ぶことが満足され、展開は、次のように単純化される。
【０１０１】
【数１５】
2009513212.tif 000017
【０１０２】
このようにして得られるｘ勾配発生器の線形性は、展開の次数２ｐ＋１，ｐ＝１，２などの項をより多く約分するほど向上する。これは、対称性の考慮にもはや依存しておらず、個別の源での実際の電流の分配に依存している。
【０１０３】
同軸のソレノイド型コイルに基づく個別の源の単純な実施態様では、最小限であるソレノイド型コイル１個のみでは、Ｘ2p+11∀ｐ≧１の係数はいずれも約分することができない。平面ｘＯｙに対して対称な少なくとも２個のソレノイド型コイル、その寸法および位置は、Ｘ31を約分するように選ぶことができ、線形性の欠如を規定する最初の項は、Ｘ51である。適切に寸法と位置が選ばれた３個のソレノイド型コイルについては、Ｘ31とＸ51とを約分することができ、線形性の欠如を規定する最初の項は、Ｘ71となり、以後同様である。
【０１０４】
ｚ勾配発生器に関しては、システムの最適化には、常時消費電力とインダクタンスが考慮される。前者については、一連の個別の源のすべてに対して電源が１つだけであってよいが、電流は、そのすべてにおいて等しいため、少なくとも（絶対値で）異なる電流値の数だけ電源が必要である。
【０１０５】
この種の装置の非常に重要な別の側面は、先行技術のシステム、特に米国特許第５５３０３５５号明細書に記載されたシステムのように、物理的に分離された２つのセットを設置する必要なくして、同じ個別の源が、ｘ勾配およびｙ勾配を発生できることである。
【０１０６】
従って、個別の源にはそれぞれ、上記式を用い、要求される２つの勾配を同時に発生させるのに必要な値の電流の代数和が印加される。ただし、電流と勾配は、代数的に加算されるが、消費電力には同じことは当てはまらず、それぞれの個別の源について、発生する勾配のシーケンスの関数として計算することが重要である。
【０１０７】
ｘおよびｙ勾配の値を別々に制御しなければならないため、結局は、少なくともｎ個の分離した電源が必要である。すなわち、Ｏｚに対して非対称の個別の源の各対に対し１個の電源が必要である。
【０１０８】
最後に、利用可能な限られた空間を勾配発生器に最大限に活用するために、個別の源（ＡＳ）および（ＡＡ）の複合体を製造することにより、同数個の個別の源の、一部がｘおよびｙ勾配用に、残りがｚ勾配用に選んでよい。同軸のソレノイド型コイルに基づくこの種の個別の源の単純な実施態様では、例えば、平面ｘＯｙに対して対称であり、Ｘ31を約分するように適切に選ばれた寸法および位置を有する２個のソレノイド型コイルと、平面ｘＯｙに対して２個ずつが非対称であって、それぞれが前記２個のソレノイド型コイルの一方の側にあり、Ｚ3およびＺ5を約分するように適切に選ばれた寸法および位置を有する４個のソレノイド型コイルとを組み合わせることが可能である。
【０１０９】
図２は、Ｘ勾配について、勾配コイルに電圧を印加するために、電子回路４３が、ＮＭＲ機械に用いられるイメージングシーケンスに必要な形状（立ち上がり時間および立ち下がり時間）および持続時間を有する時間的パルス４４を発生させる。パルスを描く信号４４は、可変利得制御増幅器４５に導かれる。
【０１１０】
シーケンスを管理するデータ処理システムによって、増幅器４５が、平面ｘＯｚ内に位置する管４６内に位置するコイルに対し、値１を有する係数を乗じた公称電流を印加する。
【０１１１】
管４６に隣接する管であって、軸（ここでは軸１２）が、軸ｚが貫通する平面に位置しかつ平面ｘＯｚに対してπ／６傾斜している管４７に、値√３／２を有する係数を乗じた電流が印加される。管４７に隣接し、π／６だけ再び変位した管４８については、電流には、１／２が乗じられる。管４８に隣接し、平面ｙＯｚ内に位置する管４９については、係数の値は０である。管４８と対称な管５０については、係数は、値−１／２を有し、管４７と対称な管５１については、係数は値−√３／２を有し、軸Ｚに対して管４６と対称な管５２は、係数は値−１を有する。図の左側にあり、平面ｘＯｚに対して管４６〜５２と対称な管については、係数の値は同じである（軸Ｙより下は負、軸Ｙより上は正）。
【０１１２】
コイル中の電流は、従って、コイルを含む環状空間の周囲にある管を特定する角度の余弦に比例する。一実施態様では、この電流の分布を、１５°ごとに等しく変位させることができる。
【０１１３】
図３は、主磁場Ｂ0を発生させるための装置１０１を内蔵する外部低温筐体１０２の例えばステンレス鋼製の内壁と、患者を収容するための、軸Ｚを有するトンネル状の使用可能な内部空間１０９を規定する壁９９との間に、軸ｚに平行な軸を有する管に含まれた、上述のようにして作製可能なソレノイド型勾配コイル１１１〜１２２のセット１１０を収容するための円筒型環状空間１３０と、ｚ軸を有し、機械に沿って長距離伸長する、低抵抗率および低磁気抵抗である導電性材料を含む円筒型スクリーン１０４とがある、本発明の特定の一実施態様を示す。
【０１１４】
より詳しくは、円筒型スクリーン１０４の導電率、長さおよび厚さは、外部低温筐体低温筐体１０２において発生する誘導電流が無視できるものであるとともに、円筒型スクリーン１０４自体において生じた渦電流が、制御されて正確に計算でき、円形勾配コイル１１１〜１２２によって発生した勾配を補強するのに寄与するように、選択される。
【０１１５】
平面ｘＯｙに対して対称な軸Ｏｚを有する円筒型スクリーン１０４は、低温パネル１０２において完全に無視できる誘導電流のみを発生するように、十分な長さおよび厚さを有し、その外部の残留電場に対して十分な良導体でなければならない。使用する材料の導電率もまた、特に、上り勾配によって確立される渦電流が、下る際にほぼ完全に消失するように、特有の勾配変動時間の間のスクリーンにおける誘導電流の拡散が無視できるように、比較的高くなくてはならない。
【０１１６】
実際には、このことによって、少なくとも液体窒素温度（７７Ｋ）まで冷却された、または、より良くは、さらに低温（例えば、２０Ｋ〜４０Ｋ）まで冷却された、超伝導材料製、銅製またはアルミニウム製のスクリーンを選択することが課されている。アルミニウムは、より低い磁気抵抗を有するために、銅よりも良い選択であることが見出されている。スクリーンの必要な最小厚さは、特有の勾配変動時間に対応する表皮厚さと関連している。実際は、この表皮厚さは、機械強度が、スクリーンの厚さの選択の決定事項となる程に小さい。当該厚さは、例えば、５ｍｍ〜１５ｍｍの範囲にあってよい。
【０１１７】
特定の一実施態様では、導電性材料製の円筒型スクリーン１０４は、ガラス繊維強化エポキシ樹脂製の円筒型の第１の壁１０３および第２の壁１０５との間に設置される。スクリーン１０４は、局部的な絶縁性支持体１０６，１０７により、第１および第２の円筒型の壁１０３，１０５に対するその位置が維持される。
【０１１８】
幾何学的対称性および個別の源からの電流の間での関係のためにゼロとなる球体調和関数の展開の係数を利用可能なままにしておくために、上述の結論のすべてに必要な対称特性を、得られるスクリーン１０４が有することに留意することが重要である。従って、これらの源の数が十分に多いと、勾配の線形性は、ｚ勾配については係数Ｚ2p+1のみに依存し、ｘまたはｙ勾配については（ｐ≧１）係数Ｘ2p+11に依存する。これらの係数は、当然、渦電流によって発生する磁場を考慮に入れて計算しなければならない。誘導電流の幾何学が先験的に知られているため、これらの電流は、ｚ勾配についての計算は容易である。ｘまたはｙ勾配については、このことは当てはまらず、公知の電磁計算法（有限差分法、有限要素法、スペクトル法など）が用いられる。
【０１１９】
本願明細書または国際公開第２００５／０２９１１０号パンフレットに記載されているように、同軸ソレノイド型コイルに基づく個別の源の単純な実施態様、すなわち、直径が円筒型環状空間の厚さに内接し、軸が主磁場に平行な円形ソレノイド型コイルからなる実施態様では、スクリーン１０４に生じた電流は、発生した勾配を補強し、システムの効率を非常に顕著に向上させるよう寄与する。対照的に、管内に配置したソレノイド型勾配コイル１１１〜１２２に代えて、例えば特許文献仏国特許第２５８８９９７号明細書に記載のように標準の勾配コイルを用いてＸまたはＹ勾配を発生する従来の実施態様では、スクリーン１０４などのスクリーンで生じる電流は、発生した勾配を減少させる傾向にある。
【０１２０】
これを比較して図示するために、Ｚ勾配および、従来の実施態様の軸Ｏｚの周りのマックスウェル位置にある図６Ａに示された２つの巻線６１，６２、本発明の方法に従った図６Ｂに示された２つのセットの巻線８１〜８４および８５〜８８について考える。当該２つのセットの巻線は、Ｏｚの周りに規則的に配置されているが、それぞれが、Ｏｚと平行な軸を有し、軸Ｏｚからは距離ｄ離れて位置して、Ｚ勾配を発生する。
【０１２１】
図６Ａにおいて、参照符号７１，７２は、マックスウェル巻線６１，６２の周りに設置された標準的な導電性スクリーンにおいて生じた誘導電流の力線を指す。
【０１２２】
図６Ｂにおいて、参照符号９１，９２は、本発明に従った巻線８１〜８４および８５〜９９の周りに設置された導電性スクリーンにおいて生じた誘導電流の力線を指す。
【０１２３】
図６Ａおよび６Ｂの矢印は、勾配コイルを流れる電流と誘導電流の力線の向きを示す。
【０１２４】
先行技術とは対照的に、本発明の装置のスクリーン１０４などのスクリーンの誘導電流９１，９２は、その力線９１，９２が追加のマックスウェルコイルのように作用するため、勾配巻線８１〜８８によって発生した勾配を補強する傾向にある。
【０１２５】
より具体的には、図６Ａは、マックスウェル位置にある軸Ｏｚを有する２つの巻線６１，６２を示し、ｚ＞０側に位置する巻線６２は、Ｏｚについて順方向に回転し、時間とともに増加する電流を伝え、一方、ｚ＜０側に位置する巻線６１は、同じ絶対値を有する電流を逆方向に伝える。これらの条件下では、これら２つの巻線６１，６２は、中心Ｏの近傍で時間と共に増加する勾配∂βｚ／∂ｚ＞０を発生する。軸Ｏｚを有し、マックウェル巻線６１，６２よりも大きな直径の円７１，７２は、誘導電流の力線を示し、ファラデーの法則ｅ＝−ｄΦ／ｄｔを閉路７１，７２のそれぞれに適用すると、当然、レンツの法則のように、最も近い発生器の巻線６１，６２の渦電流と逆方向に渦電流を発生し、よって、当該電流は、２つのマックスウェル巻線６１，６２自身が発生した勾配を減少させる。
【０１２６】
本発明を適用したシステムを示す図６Ｂでは、発生器の巻線８１〜８８は、上記マックスウェル巻線６１，６２よりも小さい直径を有し、それらの軸は、軸Ｏｚに平行であるが、軸Ｏｚよりも一定距離ｄ離れており、上述のように、規則的に分配されている。明確にするために、４つの巻線８１〜８４と８５〜８８を各側に示す。すでに述べたように、勾配∂βｚ／∂ｚ＞０を得るために、発生器の電流は、ｚ＞０側では逆方向に、ｚ＜０側では順方向に回転しなければならない。それらの絶対値が増加していく場合、レンツの法則は、渦電流を示す図式的な閉路９１，９２において、ｚ＞０側での順方向の電流およびｚ＜０側での逆方向の電流を予言し、これらの電流が勾配にプラスに寄与すること、すなわち源の勾配を補強することを予言している。
【０１２７】
本発明の機械では、勾配を減少させるよりもむしろ補強する渦電流を用いる受動スクリーンを、軸Ｏｚに対して中心を外れたソレノイド型コイルと組み合わせて用いる。
【０１２８】
導電性スクリーンは、渦電流が、勾配パルスの立ち上がりエッジと立ち下がりエッジとの間で実質的に減衰を受けることがないよう、十分に低い温度に冷却される。
【０１２９】
最終的に、発生した全勾配に対する渦電流の寄与は、極めて正確に計算することができ、当該勾配について優れた線形性を達成することができる。
【０１３０】
上述のように、システムが使用条件下で正確に機能するためには、半径ａを有する円筒型スクリーンの材料の抵抗率ρは、時間間隔Δｔに対する渦電流の減衰を無視することができるように、十分に低くなければならず、この時間間隔Δｔにおいては、考慮する勾配が、画像シーケンスの間に確立される（当該間隔は、変化するが、通常は、１００マイクロ秒のオーダーの立ち上がり時間および立ち下がり時間では、数ミリ秒のオーダーである）。要件ρ＜＜μ0ａ2／Δｔを適用する必要があり、これにより、抵抗率は、１０-9Ω．ｍのオーダーとなることが示される。室温では、アルミニウムの抵抗率は、実質的に１００％ＩＡＣＳ（１．７２４１×１０-8Ω．ｍ）に等しい、銅の抵抗率よりも高いが、温度と共に急激に低くなり、５０Ｋでは、銅とアルミニウムの抵抗率は、０．５×１０-9Ω．ｍと等しくなり、この値は要求されている値である。ただし、当該スクリーンは、高磁場機械では数テスラの強度に達する主磁場Ｂ0を受け、金属の抵抗率は、磁場と共に上昇する。この磁気抵抗の現象は、銅の方に強く現れ、その抵抗率は、磁場に対し実質的に直線的に増加する（従って、磁力計に用いられる）。一方、アルミニウムに関しては、当該現象は、この範囲では飽和するため、提案する用途においては有益である。
【０１３１】
超伝導材料（ρ≡０）製のスクリーンはまた、高主磁場および磁場勾配の高速変動に耐えるように設計される場合には、理想的な解決手段を構成する。
【０１３２】
上述のように、勾配コイル１１１〜１２２が、直径が円筒型環状空間１３０に内接し、第１の方向ｚに磁場勾配ｚを発生する円形ソレノイド型コイルが、この円筒型環状空間１３０の同じ管に内接し、方向ｚに対して傾斜した方向ｘにおいて磁場勾配Ｘを発生させる他のソレノイド型コイルと同軸である本発明は、ＮＭＲ機械に適用することができる。
【０１３３】
また、本発明は、同様にして、方向ｚに垂直な方向に磁場勾配Ｘ，Ｙを発生するソレノイド型勾配コイルのみが、環状の円筒型空間１３０の厚み内にある管内に配置されており、磁場勾配Ｚを発生させるために、より従来的な手段を採用し、それにより、機械の母線に沿って配向した磁場勾配を発生させるための環状コイルが、この環状空間１３０の内部よりもむしろ、外壁１０８に配置されているＮＭＲ機械に適用することができる。磁場勾配Ｚを発生させるための一般的な手段は、磁場勾配Ｘ，Ｙを発生させるための手段よりも、不利な点は少ない。
【０１３４】
定常状態条件下での勾配発生器の効率Ｇ／√Ｐは（ここで、Ｇは消費電力Ｐに対して発生する磁場勾配）、源の電流が関心空間に近づくにつれ、増加する。発生器の寸法が小さくなる場合には、インダクタンスもまた減少する。これが、「全身勾配」のための装置よりもはるかに小さい寸法を有する「頭部勾配」として知られるある種のシステムが、脳のイメージングのために作製される理由である。図５は、患者の頭部１５３のみが、勾配コイルのセット１１０が動作する関心空間に挿入されている、患者１５０での例を図式的に示す。被験者の肩部１５１，１５２の通路のために空間を解放した際に、マックスウェル方程式と人体の形態から生じる幾何学的な制約にある矛盾が解消し得る。当該被験者は、Ｏｚ軸に沿って身体を伸ばし、肩部の軸が、平面ｘＯｚ内にあってＯｘに平行となるように、配置されると仮定する。
【０１３５】
肩部１５１，１５２が自由に通過できるようするためには、Φj＝０およびΦj＝πに対応する２つの個別の源を除去した、原点方位角Φ0＝０のＮ＝２ｎ個の個別の源を有する勾配発生器の構造が考えられる。効率の減少が許容できる中で最大限の線形性を与える個別の源の電流の組み合わせを見つけることもなお可能である。
【０１３６】
ｚ勾配発生器が、環状空間１３０に配置された円形ソレノイド型コイルからなる場合、Φ0＝０のＮ＝２ｎ個の個別の源の構造を出発点として、２つのうちの１個の源を除くことができる。
【０１３７】
整数ｎが十分に大きい場合には、線形性は常に個別の源の構造により定まる。効率Ｇ／√Ｐは、単に√２で割り算される。
【０１３８】
このため、患者の肩部１５１，１５２のためだけでなく、他の源が除去される方向であって、アクセスの容易さおよび付属物の収容に関して有益な方向においても空間を提供することができる。
【０１３９】
環状空間１３０に配置された円形ソレノイド型コイルからなるｘおよびｙ勾配発生器に関し、ｎが偶数か奇数かによる２つの場合を区別する必要がある。
【０１４０】
ｎ偶数
ｎ＝２υの場合、解法は、ｚ勾配の場合と同じである。υが十分に大きい場合には、線形性は常に個別の源の構造により定まり、効率Ｇ／√Ｐは、単に√２で割り算される。
【０１４１】
ｎ奇数
ｎ＝２υ＋１は、肩部の通路に対応する２つの個別の源のみを効果的に除去することを示し、残りの源からの電流の間で新たな関係を確立する必要がある。しかし、ｙ勾配については、除去される２つの個別の源は、そのときには電圧が印加されていないため、源を除去しない状況と比べて変更はない。当該ｙ勾配の線形性および効率は、よって維持される。
【０１４２】
ｘ勾配については、以下の側面を考慮に入れなければならない。ｘＯｙ平面内の付加の源の軸のＯ’jのトレース座標は、
【０１４３】
【数１６】
2009513212.tif 000018
【０１４４】
であり、可能な最大の線形性が、次の電流により得られる。
【０１４５】
【数１７】
2009513212.tif 000019
【０１４６】
除去される個別の源に対応するｊ＝０およびｊ＝２υ＋１では、ｃｏｓΦj−（−１）j＝０となるため、ｊについての和が、０から２ｎ−１＝４υ＋１まで拡張可能であるという事実を考慮に入れ、計算は、計算される和において、ｃｏｓΦjをｃｏｓΦj−（−１）jと置き換える。
【０１４７】
従って、消費電力が３ｎＰと等しい状態では、
【０１４８】
【数１８】
2009513212.tif 000020
【０１４９】
よって線形性は、Ｘ(2k-1)n+2l(2k-1)nの新たな非ゼロの項によって、ｙ勾配のもの、特に最も低い次数Ｘnnのものより悪くなるが、ｎが、必要な質を保証するのに十分な大きさとなることを満足する。永続的な状態では、効率は、単に√３で割り算される。
【０１５０】
従って、患者の肩部１５１，１５２の高さでアクセスの容易さを提供する２つの構造の選択がある。
【０１５１】
個別の源は、４の倍数Ｎ＝４υの個数を与えるような寸法とすることができ、実際は、２つに１つ、すなわち２υのみが設置される。この手段は、３つの方向の勾配に対して有効であり、勾配のそれぞれについて、Ｎ＝４υ個の源が設置された場合に適用される状況と比べて、因数√２だけ効率を減少させ、軸ｘ、ｙおよびｚについて個別の源を組み合わせて用いることもできる。
【０１５２】
個別の源はまた、Ｎ＝４υ＋２の個数を与えるような寸法とすることができ、実際は、平面ｘＯｚの肩部１５１，１５２の通路に対応する２つの個別の源を除去することによって、４υ個（図４の参照符号２１１〜２２２）のみが設置される。ｙ勾配は、すべての源により得られるものと同一であり、一方、ｘ勾配の効率は、因数√３だけ減少する。ｚ勾配については、この種の手段はなく、このような条件下で前記源のセット２１０によって占められた外部空間に設置されなければならず、従って、肩部の通路の特定の配置をさらには必要としない。
【０１５３】
明確にするために、円筒型スクリーン１０６とその関連部品を図４に示していないが、図３に示したのと同様にして作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１５４】
【図１】ＮＭＲ機械の縦方向の断面を示す図である。
【図２】本発明を適用したＮＭＲ機械のトンネルの軸および主磁場に垂直な断面を示す図である。
【図３】本発明のＮＭＲ機械のトンネルの軸に垂直な断面を示す図である。
【図４】局部的に空間を解放するために適用された本発明のＮＭＲ機械の一部の、トンネルの軸に垂直な断面を示す図である。
【図５】“頭部勾配”検査への適用を示す斜視図である。
【図６Ａ】軸Ｏｚを有するマックスウェル位置での２つの先行技術の巻線での渦電流の影響を示す図である。
【図６Ｂ】軸Ｏｚと平行であるが一定距離離れている軸を有する本発明の巻線のセットでの渦電流の影響を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【国際調査報告】
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