(57)【要約】磁場生成組立体が、一般に、ほぼ同軸であり、軸と直交する面の周りにほぼ対称的に配置された１組（Ａ１−Ａ３、Ｂ１−Ｂ３、Ｃ１−Ｃ３）のコイルを備える。コイルの少なくとも幾つかは、他のコイルとは反対の方向に作動電流を通す。巻きの配列及びコイルが通す作動電流は、実質的に均質な磁場を有する第１の動作容積（１０）が、該組立体によって定められるエンベロープ内に生成され、各々が実質的に均質な磁場を有する２つの第２の動作容積（１１）が、該エンベロープの外部に生成されるようになっており、該第１及び第２の動作容積の各々の均質性は、該動作容積内のサンプルについてＮＭＲ実験を行うのに十分なものである。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁場生成組立体であって、一般にほぼ同軸であり、軸と直交する面の周りにほぼ対称的に配置された１組のコイルを備え、前記コイルの少なくとも幾つかは、他のコイルとは反対の方向に作動電流を通し、巻きの配列及び該コイルが通す作動電流は、実質的に均質な磁場を有する第１の動作容積が前記組立体によって定められるエンベロープ内に生成され、各々が実質的に均質な磁場を有する２つの第２の動作容積が前記エンベロープの外部に生成されるようになっており、前記第１及び第２の動作容積の各々の均質性は、該動作容積内のサンプルについてＮＭＲ実験を行うのに十分なものであることを特徴とする組立体。
【請求項２】
均質性が同じである場合、前記第２の動作容積のサイズが、前記第１の動作容積のサイズより小さいことを特徴とする請求項１に記載の組立体。
【請求項３】
全ての動作容積が前記軸に中心を置くことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の組立体。
【請求項４】
前記コイルがグループで配置され、各々のグループのメンバーが、直列に電気接続されていることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の組立体。
【請求項５】
各々のグループの前記メンバーが、実質的に同じ平均半径を有することを特徴とする請求項４に記載の組立体。
【請求項６】
１つのグループの平均半径が、別のグループの平均半径と異なることを特徴とする請求項５に記載の組立体。
【請求項７】
前記グループの１つが、別のものとは反対の方向に作動電流を通すことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の組立体。
【請求項８】
各々のグループが、前記第１の動作容積内に実質的に均質な磁場をそれ自身により発生させることを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれかに記載の組立体。
【請求項９】
前記グループの少なくとも１つが、中央のコイルと、前記中央コイルから分離され、該中央コイルに対して対称的に配置された少なくとも２つの端コイルとを備えることを特徴とする請求項５乃至請求項８のいずれかに記載の組立体。
【請求項１０】
磁場生成組立体の設計方法であって、前記方法が、実質的に同軸であり、各々が、各々のグループの中心に、第１の動作容積内に実質的に均質な磁場を発生させる３つのコイルのグループの配列を定め、前記コイルのグループを通して流す必要がある作動電流を決定し、前記組立体の外部にある第２の動作容積内に実質的に均質な領域を生成する段階を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁場生成組立体及びこうした組立体の設計法に関する。
本発明は、特に、動作容積内のサンプルについて核磁気共鳴（ＮＭＲ）実験を行うことができる程度まで磁場が実質的に均質である、動作容積を生成するための磁場生成組立体に関する。こうした組立体は、人体のイメージング及び化学分析などのために用いられる。
【背景技術】
【０００２】
従来より、こうした装置は、その中心に実質的に均質な動作容積が生成される同軸のコイルの組の形態であった。均質性は、（Ｂ0）磁場を定める１次又はそれ以上のゼロ次でない磁場を実質的にゼロまで平衡させることによって達成される。
上述のタイプの組立体は、人体のイメージング及び他の核共鳴イメージング機能に広く用いられるが、特に人体のイメージングの場合、ヒトを該組立体の孔の中に入れなければならず、そのことにより医者がその人にアクセスすることが困難になり、当該ヒトに望ましくない生理学的影響を有するという欠点を有する。アクセスは、磁極空間が極コイルの半径に等しい、ヘルムホルツの幾何学的形状に基づいたスプリットペアコイル配列を用いる「オープン型ＭＲＩ」システムにおいて改善される。しかしながら、この配列によって与えられる「レター・ボックス」式アクセスは、多くのインターベンショナルな処置には依然として不適切なものである。
【０００３】
その結果、一般に、３つ又はそれ以上のコイルが同軸上に配置され、他のものとは反対の方向に励起された少なくとも１つのコイルと実質的に同一平面上にある、いわゆる「入れ子状コイル」が開発された。この配列の目的は、コイルの軸を中心とするが、該コイルの面から少し離れた領域内に、均質な磁束密度の容積を生成し、磁場生成装置を含むエンベロープの外部にあるＮＭＲを実行するのに適した容積を生成することである。入れ子状配列は、従来のソレノイド及びヘルムホルツ配列と関連して上述された問題を克服するが、外部の動作容積の磁場強度及びサイズは、通常、ソレノイドの内部で達成し得るものより小さいものである。
【発明の開示】
【０００４】
本発明の第１の態様によると、磁場生成組立体が、一般にほぼ同軸であり、軸と直交する面の周りにほぼ対称的に配置された１組のコイルを含み、該コイルの少なくとも幾つかは、他のコイルとは反対の方向に作動電流を通し、巻きの配列及び該コイルが通す作動電流は、実質的に均質な磁場を有する第１の動作容積が、該組立体によって定められるエンベロープ内に生成され、各々が実質的に均質な磁場を有する２つの第２の動作容積が、該組立体によって定められる該エンベロープの外部に生成されるようになっており、該第１及び第２の動作容積の各々の均質性は、該動作容積内のサンプルについてＮＭＲ実験を行うのに十分なものである。
【０００５】
本発明は、高い磁場強度及び高い均質性をもつ従来型の中央の大きな動作容積と、一般的に第１の動作容積と比べて、均質性が同じ場合に磁場強度が小さく半径が小さいが、行われる実験によってサンプルを一方又は他方の動作容積内に配置できるという利点をもつ一対の外部の（第２の）動作容積と、の両方を有する組立体を提供するものである。患者のような大型のサンプルの場合には、２つの動作容積内で身体の異なる部分について２つのＮＭＲ実験を同時に行うことさえ可能である。
【０００６】
本発明は、コイル構造体内で大きく均質な磁場容積を発生させる対称的な配列のコイルと、該構造体の外部にある一対の小さな動作容積とを含む磁石について説明する。高品質の大きな視野（ＦＯＶ）のＭＲイメージングのために、患者を前者の中にアクセスできない状態で配置することができ、又は低い品質の小さなＦＯＶのイメージングのために、患者を後者の中にうまくアクセスできる状態で配置することができる。処置の種々の段階における異なるイメージング要求を満足させるために、２つの領域間で患者を行ったり来たりさせる多くの外科的処置を考えることができる。このことは、患者用テーブル又は磁石のいずれかを移動させることによって達成することができる。
例えば、脳腫瘍の摘出の場合、最初の外科的計画では、大きなＦＯＶ及び高品質の内部の動作領域を必要とするが、この段階において頭部へのアクセスは不要である。外科的切除の際、外科医は、多くの場合、リアル・タイムの画像又は準リアル・タイムの画像を見て進行状況を確認することを望み、これらは、患者への高度のアクセスをもたらす外部の動作容積の１つの中で行うことができる。
【０００７】
明らかに、手術中の患者の動きを回避するのに有益である多くの理由があるが、イメージングに関連した特定の理由は、外部の身体構造に対して内部器官を同じ位置に維持する必要性であり、そのことは、画像及び外科的計画のための通常の基準系である。身体が動くと、器官の大きな位置ずれが生じ、手術中にこれが生じた場合、画像の位置合わせ精度が損なわれる。本発明の利点は、２つの動作容積が非常に近接して配置されるので、インターベンショナル・イメージング・システムを想定する従来技術のシステムと比較すると、最小の患者の動きが必要とされることである。要求される動作容積内で画像形成される構造体を位置決めするために、静止した患者の上に磁石を移動させることが好ましい。
【０００８】
明らかに、外部の動作容積へのアクセスを保持するオープン型勾配及びＲＦコイル構造体が必要とされる。従来技術において、多くの例が説明される。本発明の１つの態様において、異なる外科的処理に適したアクセスを与えるように設計された、異なる勾配及びＲＦコイルの幾何学的形状が、外部の動作容積の各々に用いられる。内部の動作容積のための勾配及びＲＦコイルは、主として従来型のものにすることができる。内部及び外部領域を連続的に使用するものとしてシステムを使用する可能性を考慮すると、未使用領域の劣化を犠牲にしてさえも、使用中に各々の領域をシム調整することが必要である。すなわち、当該技術分野において公知のように、中央の領域は使用時にシム調整の利益を受けるはずであり、同様に、外部領域も使用時にシム調整の利益を受けることができる。高次の磁場の不均質性（例えば、Ｚ3）を除去するか又はシム調整により除き、外部の均質な容積のサイズを増大させることが必要になるであろう。
【０００９】
コイルは、通常、ほぼ同軸であるが、いつもそうであるとは限らない。
コイルは、互いとは関係なく、別個の半径で配置することができるが、該コイルをグループで配置し、各々のグループのメンバーを直列に接続することが、数学的微分及び物理的構成の両方の上で便利である。
一般に、異なるグループの平均半径は異なるものにできるが、グループの各々のメンバーは、該グループの他のメンバーと実質的に同じ平均半径を有する。例えば、このことにより、グループの各々のメンバー上にコイルを取り付けることが容易になる。
【００１０】
上述のように、均質性を達成するために、動作容積内でゼロ次でない磁場を平衡させることが必要である。全組立体が作動可能な時にだけ、実質的に均質な磁場の第１及び第２の動作容積が発生するように、コイル及び動作容積を定めることが可能である。しかしながら、コイルがグループで配置された時に、各々のグループが第１の動作容積内で実質的に均質な磁場をそれ自身により発生させる場合には、このことは特に便利である。
どんな電流がそのコイルのグループ内を通っても、各々のグループは第１の動作容積内で実質的に均質な磁場を生成し続けるので、このことにより、組立体をより容易に設計することが可能になる。
次に、第２の動作容積、及び該第２の動作容積内で均質性を達成するのに必要とされるグループ内の電流（大きさ及び方向）の組み合わせに注目することができる。
【００１１】
各々の動作容積のサイズは、イメージング手順によって求められる所定の量より少ない量だけ、磁場が変化する領域によって定められる。一般に、ＲＦ帯域幅は、動作容積にわたる最大磁場変化を２〜３ガウス又はそれより少ないオーダーまで制限する。高速、高品質のイメージングは、一般に、磁場のシム調整後、１００ｐｐｍより優れた、より厳格な仕様を必要とする。
少なくとも１つのグループ内の電流が、他のグループ内の電流に対して逆方向に流れることが必要になるであろう。したがって、１つのグループ内の電流を逆にすることを可能にするスイッチを含むことが好ましい。これは、第２の動作容積内の均質性を破壊することになるが、各々のグループが第１の動作容積内に均質な領域をそれ自身により生成する場合には、１つのグループ内の電流を逆にすることにより、第１の動作容積内の磁場の強度が増大する。
【００１２】
したがって、要約すると、本発明は、２つのクラスの装置を考えることができる、すなわち、
１）各々のグループが、分離して内部の均質な容積を生成できる、３つ又はそれ以上のグループ（サブセット）のコイルからなる装置。これらは、２つのモード、すなわち、
・強い内部の均質な磁場のみ（全てのコイルを付加する、逆に流れるコイルはない）
・弱い内部の均質な磁場に２つの外部の均質な磁場領域を加えたもの、
の間で切り換えることができる。
２）コイルのサブセットが、構造体の内部にも外部にも、何らの均質な磁場領域を生成しない装置。内部動作容積及び２つの外部動作容積を生成することが、全てのコイルに求められる。
【００１３】
本発明の第２の態様によると、磁場生成組立体の設計方法が、実質的に同軸であり、各々が、各々のグループの中心に、第１の動作容積内に実質的に均質な磁場を発生させる３つのコイルのグループの配列を定め、該コイルのグループを通して流す必要がある作動電流を決定し、該組立体の外部にある第２の動作容積内に実質的に均質な領域を生成する段階を含む。
この方法は、コイルを併合して磁石構造体を簡単化し、実質的に同じ内部及び外部動作容積を依然として生成しながら、冗長性を除去する第２の設計段階をさらに含む。
【００１４】
一般に、大部分のＮＭＲ実験に必要とされる磁場強度を達成するために、コイルは、超伝導体、従来の低温ワイヤ又は高温材料のいずれかで形成される。いずれの場合も、超伝導条件を達成するために、コイルは、液体窒素又は液体ヘリウムの温度のような比較的低い温度で維持される。
ここで、本発明による磁場生成組立体及び方法の幾つかの例が、添付の図面に関連して説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
中心平面の周りに対称配置された、半径ａ1、ａ2、ａ3等及び軸方向位置ｂ1、ｂ2、ｂ3等を有する非常に薄いフープからなる同軸コイルの対のシステムを考える。従来技術から周知のように、コイル構造体の内部の領域にわたる磁場の変化は、一般に、ルジャンドルの多項式を用いて、調和級数で表すことができる。コイルの対称的な配列により、内部の動作容積内の奇数次の磁場高調波が相殺され、偶数次のものが相殺されるように、アンペア回数ｎ1、ｎ2、ｎ3などを選択することができる。この概念を実際の断面を有するコイルに拡げることは容易である。
【００１６】
３つ又はそれ以上のこうした磁石（すなわち、コイルグループ）が同軸上に入れ子状にされた場合には、内部磁界が重ね合わせられ、結果として生じる磁場も均質なものになる。本発明によると、次に、外部の２つの（又はそれ以上の）コイルグループのアンペア回数を拡大縮小し、内部磁場の均質性に影響を与えることなく（もちろん、内部磁場の強度は変えられるが）、コイルの空間エンベロープの外部領域（該コイルの軸方向に沿った位置Ｚを中心とする）における１次及び２次高調波をヌルにすることができる。３つの入れ子状コイルグループ・システムにより、１次及び２次高調波が相殺されることが可能になり、４つのコイルグループにより、１次、２次、及び３次高調波が相殺されることなどが可能になる。
１つの正の磁石Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３及び別の正の磁石を形成するコイルＡ１、Ａ２、Ａ３、並びに負の磁石を形成するコイルＢ１、Ｂ２、Ｂ３を有する、こうしたシステムが、図１に示される。
この第１の実施形態が、以下に詳細に定められる。
【００１７】
第１の実施形態
各々のコイルは、寸法
ａ1  内部巻線の半径
ａ2  外部巻線の半径
ｂ1及びｂ2  両端部の軸方向の位置
Ｊ  電流密度
によって特徴付けられる。この例において、単位は、メートル、平方メートルあたりのアンペア、及びテスラである。
寸法
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勾配
単位は、テスラ・ｍ-nである。
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【００１８】
図２は、磁場が図１の例のｚ軸に沿って変わる方法を示す磁場プロットである。見られるように、実質的に均質な磁場を有する中央の動作容積１０が、該組立体の中央に生成され、上述されたように、実質的に相殺された１次及び２次勾配を有する一対の第２の動作容積１１が、中心から約１．２７ｍのところに、すなわち該組立体のエンベロープの外部に生成される。
【００１９】
第２の実施形態
コイルＢ２及びＣ２を組み合わせ、これらを新しいコイルＢ２´と置き換えることによって、第２の例を得ることができる。同様に、Ｂ３及びＣ３を新しいＢ３´と置き換えることができる。このことは、関数
2006500985.tif 000005
を最小限にすることによって達成される。
ここで、プライム符号は、新しいコイルによる勾配を示し、こうした手順の結果は、
寸法
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勾配
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となる。
高次の相殺は、完全なものではないが、システム内の１つ又はそれ以上の他のコイルに調整を施すことによって、又は局所的シムコイルを用いて訂正することができることが分かる。外部の均質な領域における磁場が、今や異極性からなることも分かる。これは、Ｂ0の項が、最小化手順に含まれなかったからである。
【００２０】
縮小された導関数
縮小された導関数
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は、距離ｒ0にわたる磁場エクスカーション、均質な容積の特性の尺度である。
この場合、ｒ0＝０．１ｍであり、単位はテスラである。
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ｚ＝１．２７５ｍにおいて１次及び２次勾配が実質的に相殺され、ｚ＝０において均質性が保持されることが分かる。
【００２１】
図３は、動作容積１０´、１１´を示す第２の実施形態の磁場プロットを示す。
ここで、こうした組立体の設計方法について説明する。
電流を含まない空間の容積において、磁気スカラー・ポテンシャルは、ラプラス方程式
2006500985.tif 000010
によって説明することができ、円筒対称性の場合に、磁場
2006500985.tif 000011
について解き、軸方向の成分
2006500985.tif 000012
を与え得ることが公知である。
ここで、Ｐn（μ）は、ルジャンドルの多項式である。
【００２２】
軸（Ｚ）方向の磁場の変化だけを考える場合、テイラー展開：
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を用いて、軸上のいずれかの点におけるＨzの値を書き留めることができる。
ここで、Ｈ0は、起点における磁場であり、
2006500985.tif 000014
である。
θ＝０及びｐ＝ｚを入れた場合、これは、ルジャンドルの多項式を用いる前の方程式と同じでなければならない。
したがって、
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であるので、
2006500985.tif 000016
及び
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となる。
【００２３】
Ｈnは、磁場のｎ次勾配と呼ばれ、このｎ次勾配のために、距離ｒ0における磁場エクスカーションは、
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となる。磁場強度Ｈの代わりに、束密度又は磁気誘導Ｂが用いられることが多い。磁性材料がない場合、Ｂ＝μ0Ｈである。
同軸コイルの集合からなる磁石を考える場合、各々のコイルが、磁場及び勾配にそれ自身の貢献をする。
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【００２４】
一般に、勾配の大きさ、及びゼロより大きい次数の場合の符号は、コイルの強度（例えば、アンペア回数で表される）のみならず、起点に対する位置（半径及び軸方向の変位）によって決まる。したがって、高次の勾配の一部を相殺しながら、正味磁場（ゼロ次の勾配）を生成するように、コイルのシステムを配置することが可能である。一般に、実質的に均質な磁場は、４次を含む４次まで又は６次を含む６次までの全ての勾配が相殺される場合に、ＮＭＲイメージングに適した容積にわたって生成される。一般に、４次を含む４次までの勾配は、３つのコイルの対称的な配列によって相殺することができる。さらに別のコイルを追加することにより、より多くの自由度が可能になり、より高次のものを相殺することができる。
【００２５】
起点の周りに対称的な磁石の場合は、奇数次のものが自動的に相殺し、３つのコイル・システムの場合は、方程式：
2006500985.tif 000020
を解くことができる。
ここで、Ｎ1、Ｎ2、Ｎ3は、コイル強度である。図４に示されるように、Ｎ2＝Ｎ3である対称的なシステムの場合には、コイル１を中央に配置し、コイル２及びコイル３を該コイル１の両側に対称的に配置することができる。
３つ又はそれ以上のコイルを含む他の構成も可能である。
【００２６】
この種類のシステムは、中心に均質な領域を生成するが、中心から離れると、特に磁石の端部を超えると、磁場強度が急速に減少する。軸に沿ったある時点ｚ＝ｗにおいて、一連の勾配に関して、空間にわたる磁場の変化を同様に表すことができる。この時、勾配は、ｚ＝ｗの周りの磁場強度のテイラー展開における係数である。例えば図５に示されるように、同心円状に配置された、多数の、一般的には３つ又はそれ以上のこうした均質な磁石からなるシステムを有することが可能である。
【００２７】
ｎ＝１、２、３、４である場合、ＨnA（０）＝０、Ｈns（０）＝０、Ｈnc（０）＝０であるので、中心における全体の磁場は依然として均質であるが、それらのサイズが異なるために、磁石は、ｚ＝ｗにおいて互いに異なる値の勾配を有する。他のものと反対に励起される１つ又はそれ以上の磁石を配置することにより、３つの磁石のシステムにおいて１次及び２次勾配を、又は４つの磁石のシステムについて１次、２次、及び３次勾配を相殺することなどが可能である。個々の磁石の強度Ｍは、方程式
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を満たすように選択される。
３つの未知数の２つの方程式は、第３のものが２つの強度をもたらし、次に、必要とされる全体の磁場強度
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を与えるように選択される。
【００２８】
本発明の背景にある推論を示すために含む、各々が３つのコイルを有する３つの磁石のこの例において、６つの個々のコイル強度（各磁石について２つ）が選択されるので、勾配Ｈ2（０）、Ｈ4（０）、Ｈ1（ｗ）、及びＨ2（ｗ）の個々の成分が互いに相殺し合う。さらに、絶対磁場強度Ｈ0（ｗ）又はＨ0（０）を求めることが必要である。両方の均質な場所において磁場の絶対値を固定することが必要な場合を除いて、５つのパラメータ及び６つの未知数が存在するため、システムは冗長性をもつ。このことにより、コイルの一部を組み合わせることが可能になる。例えば、磁石Ａ及び磁石Ｂ上のコイル２及びコイル３は、各々が該磁石Ａと該磁石Ｂとの間で共有される単一のコイルに置き換えることができる。このことは、磁石Ａ及びＢが、もはや個々には均質でないことを意味するが、全体的なシステムがその均質性を保持している場合には、このことは重要でない。全体の相殺を保持しながら、さらにこのプロセスを利用して、他のコイルの強度を変えることが望ましい。これには、電磁応力の最良の分布又は導線の最小の使用を得るといった理由が必要である。個々に均質な多数の磁石内で分析することができないこのようなシステムは、反復法を用いて設計することができる。一般に、
2006500985.tif 000023
のように、誤差関数を最小限にするために、コンピュータ化された手順が用いられる。
ここで、Ｈreqは、必要とされる中央の磁場であり、ｒ0は、均質な容積の寸法特性である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】第１の例の概略図である。
【図２】図１に示される例のＺ軸に沿った磁場の磁場プロットである。
【図３】第２の例がなかった場合の、図２に類似した磁場プロットである。
【図４】設計プロセスにおける異なる段階を示す。
【図５】設計プロセスにおける異なる段階を示す。
【図１】
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【図２】
2006500985.tif 000025
【図３】
2006500985.tif 000026
【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
2006500985.tif 000029
2006500985.tif 000030
2006500985.tif 000031