(57)【要約】【課題】本発明は患者への接触が容易で、しかも患者に閉所恐怖感を与えることが少ない経済的で実用的なＭＲＩ装置を提供する。【解決手段】磁石の開口の断面積が磁石の中央部分より大きくなっている。例えば、筒状の磁石装置は一端、あるいは両端で朝顔状に広がっている、回転双曲線形状を有する。【選択図】      図３
2007203032.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁石の中心を通って延在する縦軸およびこの縦軸に直交するほぼ円形の断面を有し、第１および第２の開口を有する穿孔上に、磁場発生巻線を有する中空で細長い電磁石を具備する磁石装置であって、
磁石の穿孔のほぼ円形の断面の径が、縦軸上の磁石の穿孔の中央から、磁石の第１および第２の開口に向かって滑らかに増加しており、ここで穿孔上の巻線は磁石の中央から第１および第２の開口に向かって径が滑らかに増加するほぼ円形の断面領域を形成していることを特徴とする磁石装置。
【請求項２】
第１および第２の開口を有し、内部に被検体の配置空間を形成する穿孔上に磁場発生巻線を有する細長い電磁石を具備し、被検体の配置空間は磁石の中央部分から磁石の相対する開口端部に向かって滑らかに増加する断面領域を有することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
【請求項３】
穿孔の周りに巻かれ巻線の単位長さ当たりの数が変化する主コイル巻線をさらに具備し、電流が巻線を流れる時に磁石組立部内にほぼ均一の磁場が発生されることを特徴とする請求項２に記載の磁気共鳴イメージング装置。
【請求項４】
ほぼ均一の磁場は磁石組立部の中心を通る縦軸に沿って発生されることを特徴とする請求項３に記載の磁気共鳴イメージング装置。
【請求項５】
磁石穿孔の周りに巻かれる主コイル巻線の単位長さ当たりの巻数は磁石組立部の中心を通る縦軸に沿って変化することを特徴とする請求項４に記載の磁気共鳴イメージング装置。
【請求項６】
磁石の中央部の主コイル巻線の単位長さあたりの巻数は磁石穿孔の端部の回りに巻かれる主コイル巻線の単位長さあたりの数よりも少ないことを特徴とする請求項５に記載の磁気共鳴イメージング装置。
【請求項７】
前記主コイル巻線に直列に接続され、主コイル巻線が巻かれる向きと反対の向きに巻かれる第２のコイル巻線をさらに具備し、第２のコイル巻線を流れる電流は主コイル巻線を流れる電流によって磁石外に発生される主磁場を打ち消すキャンセル磁場を発生することを特徴とする請求項３に記載の磁気共鳴イメージング装置。
【請求項８】
第１および第２の開口および内部断面を有しそして撮影領域内でほぼ均一な静磁場を発生する筒状の磁場生成磁石と、
筒状の磁場生成磁石はこの筒状磁石の長手方向に沿った縦軸を有し、第１および第２の開口の内部断面の断面領域は、筒状の磁石組立部の内側部分における中央部の内部の断面領域より大きく、磁石の内部の断面領域は中央部分から第１および第２の開口へと滑らかに増加し、
前記筒状の磁石と組合され、被検体の撮影領域内で磁場内に制御された傾斜磁場を発生する傾斜磁場コイルと、なお各傾斜磁場コイルの断面領域は第１および第２の開口へと滑らかに増加し、
前記筒状の磁石により発生される静磁場と、傾斜磁場コイルにより発生される傾斜磁場を制御し、核磁気共鳴信号を処理して、撮影領域内に配置された被検体の内部構造の画像を発生する電子回路と
を具備することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
【請求項９】
前記傾斜磁場コイルは筒状の磁石の内側表面に隣接して配置され、筒状磁石の被検体の配置空間の形状に沿うように調整されることを特徴とする請求項８に記載の磁気共鳴イメージング装置。
【請求項１０】
前記筒状の磁石は、磁石の第１、第２の開口に向かって広がる筒状のコイル巻線サポートの周りに巻かれる主コイル巻線を具備し、主コイル巻線に電流が流れる時、ほぼ均一な磁場が撮影領域内で発生されることを特徴とする請求項８に記載の磁気共鳴イメージング装置。
【請求項１１】
前記巻線サポートの周りに巻かれる主コイル巻線の単位長さ当たりの巻数は磁石の長手方向に沿って変化することを特徴とする請求項１０に記載の磁気共鳴イメージング装置。
【請求項１２】
前記巻線サポートの中央部に巻かれる主コイル巻線の単位長さあたりの巻数は巻線サポートの磁石開口における部分に巻かれる主コイル巻線の単位長さあたりの巻数より少ないことを特徴とする請求項１１に記載の磁気共鳴イメージング装置。
【請求項１３】
前記主コイル巻線に直列に接続され、主コイル巻線が巻かれる向きと反対の向きに巻かれる第２のコイル巻線をさらに具備し、
第２のコイル巻線を流れる電流は主コイル巻線を流れる電流によって磁石外に発生される主磁場を打ち消すキャンセル磁場を発生することを特徴とする請求項１０に記載の磁気共鳴イメージング装置。
【請求項１４】
前記筒状の磁石は、コイル縦軸に沿い、かつ縦軸を中心とし、垂直に取り付けられ電気的に接続された複数のコイルからなり、各コイルは円形リングを構成するように積層された部材に巻かれた導電性材料からなる絶縁されたストライプから構成され、円形リングは開口部で中央部よりも大きい径を有し、複数の垂直に取付けられ電気的に接続されたコイルは単位長さあたりの個々の巻線の平均の数が中心位置から第１および第２の開口に向かって滑らかに増加するように配置されていることを特徴とする請求項８に記載の磁気共鳴イメージング装置。
【請求項１５】
前記円形リングは第１、第２の断面開口領域において中央部よりも大きい断面開口領域を有することを特徴とする請求項１４に記載の磁気共鳴イメージング装置。
【請求項１６】
ほぼ均一の磁界が撮影領域内で縦軸に沿って発生されることを特徴とする請求項８に記載の磁気共鳴イメージング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は核磁気共鳴（ＮＭＲ）現象を利用する磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）装置に関し、特に、患者が閉所恐怖感を感じることがなく、しかも患者への接触が容易なＭＲＩ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＲＩ装置は患者の組織に対し非侵襲なイメージング手法として、現在、よく用いられている。現在利用可能なＭＲＩ装置には、いくつかのタイプがある。全てのタイプにおいて、所定の撮影領域（イメージングボリューム）内でほぼ均一の特性を有する非常に強力な静磁場Ｈｏを発生するためには、大型の分極磁石を必要とする。予めプログラムされたシーケンスで、特定の周波数分布のＲＦパルスを撮影領域内の被検体に印加することで、特定の原子の磁気モーメントを周知のＮＭＲ原理に従って所定量だけ選択的に回転させる。
【０００３】
ＲＦパルスの印加が終了すると、回転していたＮＭＲ原子は緩和状態になり、静磁場Ｈｏの磁気モーメントと同じ向きの状態に戻る。この緩和の過程において、特徴的なＮＭＲ信号が発生し、検出され、処理される。多数の周知の処理（例えば、マルチフーリエ変換処理）によって撮影領域内の被検体のＮＭＲ核の分布を表す所望のＭＲＩ画像が得られる。
【０００４】
常電導磁石、超電導磁石、そして永久磁石の３つの種類（及びこれらの組み合せもある）の磁石がある。現在、一般的なＭＲＩ装置は静的な分極磁場を発生するために超低温、ソレノイド型の超電導磁石を利用する。このような装置において、磁石と穿孔は筒状であり、撮影期間中に穿孔内部に患者の全身が完全に搬送できるように十分な長さと直径を有する。しかしながら、筒状の穿孔には、前処理、あるいは最終的な撮影処理において、患者へ接触する隙間がほとんどない。さらに、このような閉鎖的な、あるいは狭いトンネルのような穿孔内に患者を横たえることは、患者に密室、あるいは閉所恐怖感を与える。そのため、時としてＭＲＩ診断を行う患者に対して鎮静剤を投与する必要がある。実際、磁石の制限的な形状は、医療担当者が撮影領域内の患者に対して行おうとする大部分の処置に対して妨げとなる。この閉所恐怖感は大きな筒状の穿孔を使用することにより改善することができる。しかし、磁石や、ＭＲＩ装置の他の要素、すなわち傾斜磁場コイル、傾斜磁場電源、ＲＦ送信器のコストが増加するとともに、磁石の長さ、音響ノイズも増加する。磁石の重量も増加し、装置の十分な基礎サポートが必要であり、設置する場所の制限も出てくる。
【０００５】
現在一般的な他のＭＲＩ装置は、撮影領域の上、または下に配置され、ほぼ水平な磁極に関連して電磁石、あるいは永久磁石を有する。戻り磁束は、磁極の周囲に９０°間隔で配置された複数の垂直サポート部材（フォーポストベッドに似た形状）を通って２つの磁極の間を通る。他の関連する変形としては、筒状の超電導磁石を円筒の縦軸に沿って２つの部分に分割するものがある。これにより、患者への接触、アクセスが円筒のどの側からも可能となる。
【０００６】
このような開放型（あるいは分離型）ＭＲＩ磁石構造は患者へ接触しやすくし、患者の閉所恐怖感を少なくするが、コストが高いという欠点がある。さらに、開放型磁石は従来の円筒磁石よりかなり重い。さらに、互いに近接している２つの大きな磁石によって引き起こされ、未だ十分に解決されていない多くの技術的困難点がある。例えば、両磁石を支えるためのサスペンションが必要である。磁石が超電導磁石を利用している場合、両磁石を冷却するために別々の超低温構造が必要である。別々の超低温構造を繋ぐ満足のいくブリッジも必要である。開放型ＭＲＩ磁石は、閉鎖的円筒型のＭＲＩ磁石に比べて重量が大きく、複雑さも増している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記した従来のＭＲＩ装置には、患者への接触が困難、あるいは患者に閉所恐怖感を与えることがあるという欠点がある。
【０００８】
本発明の目的は、患者への接触が容易で、しかも患者に閉所恐怖感を与えることが少ない経済的で実用的なＭＲＩ磁石構造を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
課題を解決し目的を達成するために、本発明は以下に示す手段を用いている。
【００１０】
（１）本発明の磁石装置は、その中心を通る縦軸に直交するほぼ円形の断面形状を有し、磁場を発生するのに使われる中空で細長い磁石を具備し、縦軸から磁石表面までの円形断面の径が縦軸上の中央部から少なくとも一端部に向かって増加している。
【００１１】
（２）本発明の磁石装置は、上記（１）に記載した構成であって、かつ磁石は回転双曲面である。
【００１２】
（３）本発明の磁石装置は、上記（１）に記載した構成であって、かつ磁石の一端は双曲線ホーンのように外側に向かって広がっている。
【００１３】
（４）本発明の磁石装置は、上記（１）に記載した構成であって、かつ磁石は回転放物面である。
【００１４】
（５）本発明の磁気共鳴イメージング装置は、磁石の開口の断面積は磁石の中央部の断面積より大きい。
【００１５】
（６）本発明の磁気共鳴イメージング装置は、上記（５）に記載した構成であって、かつ磁石の周りに巻かれる主コイル巻線をさらに具備し、電流が巻線を流れる時に磁石内にほぼ均一の磁場が発生される。
【００１６】
（７）本発明の磁気共鳴イメージング装置は、上記（６）に記載した構成であって、かつほぼ均一の磁場は磁石の中心を通る縦軸に沿って発生される。
【００１７】
（８）本発明の磁気共鳴イメージング装置は、上記（７）に記載した構成であって、かつ磁石の周りに巻かれる主コイル巻線の単位長さ当たりの巻数は表面に沿って変化する。
【００１８】
（９）本発明の磁気共鳴イメージング装置は、上記（８）に記載した構成であって、かつ磁石の中央部の主コイル巻線の巻数は磁石の一端に巻かれる主コイル巻線の数よりも少ない。
【００１９】
（１０）本発明の磁気共鳴イメージング装置は、上記（６）に記載した構成であって、かつ主コイル巻線に直列に接続され、主コイル巻線が巻かれる向きと反対の向きに巻かれる第２のコイル巻線をさらに具備し、第２のコイル巻線を流れる電流は主コイル巻線を流れる電流によって磁石外に発生される主磁場を打ち消すキャンセル磁場を発生する。
【００２０】
（１１）本発明の筒状磁石装置は、一端、あるいは両端が外側へ向かって広がっていて、患者を囲むほぼ筒状を有し、患者の閉所恐怖感を和らげ、患者への接触を容易にする。
【００２１】
（１２）本発明の磁石装置は、上記（１１）に記載した構成であって、かつ筒状形状はほぼ双曲面である。
【００２２】
（１３）本発明の磁気共鳴イメージング装置は、長手方向に沿った縦軸を有し、撮影領域内でほぼ均一な静磁場を発生し、開口の断面積は中央部の断面積より大きいほぼ筒状の磁石と、筒状の磁石と連動し、撮影領域内で傾斜磁場を発生する傾斜磁場コイルと、筒状の磁石により発生される静磁場と、傾斜磁場コイルにより発生される傾斜磁場を制御し、核磁気共鳴信号を処理して、撮影領域内に配置された被検体の内部構造の画像を発生する電子回路とを具備する。
【００２３】
（１４）本発明の磁気共鳴イメージング装置は、上記（１３）に記載した構成であって、かつ傾斜磁場コイルは筒状の磁石の内側表面に隣接し、筒状磁石の輪郭に沿って配置される。
【００２４】
（１５）本発明の磁気共鳴イメージング装置は、上記（１４）に記載した構成であって、かつ筒状の磁石の形状は双曲面である。
【００２５】
（１６）本発明の磁気共鳴イメージング装置は、上記（１３）に記載した構成であって、かつ筒状の磁石は、磁石の開口に向かって広がる筒状のコイル巻線サポートの周りに巻かれる主コイル巻線を具備し、主コイル巻線に電流が流れる時、ほぼ均一な磁場が撮影領域内で発生される。
【００２６】
（１７）本発明の磁気共鳴イメージング装置は、上記（１６）に記載した構成であって、かつ巻線サポートの周りに巻かれる主コイル巻線の単位長さ当たりの巻数は磁石の長手方向に沿って変化する。
【００２７】
（１８）本発明の磁気共鳴イメージング装置は、上記（１７）に記載した構成であって、かつ巻線サポートの中央部に巻かれる主コイル巻線の巻数は巻線サポートの磁石開口における部分に巻かれる主コイル巻線の巻数より少ない。
【００２８】
（１９）本発明の磁気共鳴イメージング装置は、上記（１６）に記載した構成であって、かつ主コイル巻線に直列に接続され、主コイル巻線が巻かれる向きと反対の向きに巻かれる第２のコイル巻線をさらに具備し、第２のコイル巻線を流れる電流は主コイル巻線を流れる電流によって磁石外に発生される主磁場を打ち消すキャンセル磁場を発生する。
【００２９】
（２０）本発明の磁気共鳴イメージング装置は、上記（１３）に記載した構成であって、かつ筒状の磁石は、コイル縦軸に沿い、かつ縦軸を中心とし、垂直に取り付けられ電気的に接続された複数のコイルからなり、各コイルは円形リングを構成するように積層された部材に巻かれた導電性材料からなる絶縁されたストライプから構成され、円形リングは開口部で中央部よりも大きい径を有する。
【００３０】
（２１）本発明の磁気共鳴イメージング装置は、上記（２０）に記載した構成であって、かつ円形リングは開口部で中央部よりも大きい断面積を有する。
【００３１】
（２２）本発明の磁気共鳴イメージング装置は、上記（１３）に記載した構成であって、かつほぼ均一の磁界が撮影領域内で縦軸に沿って発生される。
【００３２】
（２３）本発明の磁気共鳴イメージング装置は、上記（１３）に記載した構成であって、かつ筒状の磁石は中央部で発生される磁場より大きい磁場を開口部で発生し、撮影領域内で縦軸に沿ってほぼ均一な磁場を発生する。
【００３３】
本発明によれば、患者への接触が容易で、しかも患者に閉所恐怖感を与えることが少ない経済的で実用的なＭＲＩ磁石構造が実現する。
【００３４】
本発明の他の利点、効果は図面を参照する以下の詳細な説明からより明白に理解できるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、図面を参照して本発明によるＭＲＩ装置の第１の実施形態を説明する。ここでは、本発明全体を理解するために、特定の構造と手法を説明するが、これは説明のためのみであり、本発明はこの説明に限定されるものではない。さらに、当業者であれば、本発明はこれらの特定の構造から容易に変形できることがわかる。また、説明が不必要に詳しくならないように、周知の方法、装置、構造、回路は説明を省略している。
【００３６】
図１に本発明が応用される磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）装置１０の一般的な構成を示す。ＭＲＩ装置１０はデータ収集・表示コンピュータ５０、マイクロコードで制御されるシーケンサ５２、ＭＲＩサブシステム５４からなる。ＭＲＩサブシステム５４はシーケンサ５２によりリアルタイムで制御され、撮影対象物、例えば人間１２内に核磁気共鳴（ＮＭＲ）現象を引き起こす静磁場、高周波磁場を発生する。表示部５８上の画像はＸ線、超音波、その他の医用画像撮影法によっては見ることができない特徴と構造を示す。
【００３７】
磁気共鳴イメージングのための基本的な手法は周知であるので、ここでは一般的な説明にとどめる。患者は筒状のソレノイド型の超低温電磁石装置１４内に挿入される。磁石装置１４はシールドされた筒状穿孔を有し、穿孔の周りには、静磁場コイル１６と、典型的にはｘ，ｙ，ｚ軸の傾斜磁場コイルが巻かれている。送受信コイルも電磁石装置１４内に設けられ、検査対象物に高周波ＮＭＲ励起信号を送信し、ＮＭＲ応答信号を受信する。
【００３８】
静磁場磁石１４により生成される静磁場は撮影対象物１２内の回転する原子（水素原子の陽子）のスピン軸の向きを揃える。ＲＦ送信器６２はラーモア周波数と呼ばれる特定の周波数の高周波（ＲＦ）パルスを発生させる。ＲＦパルスは送受信スイッチ６４によってＲＦコイル６６に供給される。ＲＦコイル６６はＲＦパルスに対応するＲＦ磁場を被検体１２に印加する。ＲＦ磁場は一時的に被検体１２内の原子を励起し、それらのスピン軸を静磁場の方向から再び離れさせる。ＲＦ磁場がスイッチオフされると、緩和現象により原子が非励起、あるいは弱励起状態に戻る。その結果、スピン軸は静磁場の方向に再び揃う。原子が非励起、あるいは弱励起状態に戻る過程において、ＮＭＲエコー信号と呼ばれる自身のＲＦ磁場が発生する。
【００３９】
ＮＭＲエコー信号はＲＦコイル６６に電圧を誘起する。ＲＦディジタル受信器１５０は送受信スイッチ６４によりＲＦパルス送信のインターバルの間にＲＦコイル６６に接続され、誘起電圧を受信し、増幅し、フィルタ処理し、検出する。そして、一対の時間変動のある出力信号を発生する。ディジタル受信器１５０は、これらの出力信号をディジタル形式の２の補数表現に変換するアナログ／ディジタル変換器を含む。ディジタル受信器１５０は一定の時間間隔で信号をサンプルし、サンプル結果をデータ収集・表示コンピュータ５０にディジタル数値データとして供給する。このようにして求められた数値データのセット、または行列はコンピュータ５０に格納され、解析される。コンピュータ５０は被検体の異なる空間領域内の原子の分布に対応した振幅情報を複雑な、しかし通常の数学的手法を用いて再構成する。このような再構成振幅情報は被検体１２の内部構造に関する高品質の画像を生成するために使われる。生成された画像は表示部５８で表示され、後の観察のためにフィルムに出力される。
【００４０】
一般的なＭＲＩ装置では、磁石装置１４は閉鎖的な筒状形状であるが、本発明は異なる形状を採用する。磁石装置の開口はその中心・中間部分に比べて大きい。例えば、磁石装置は一端、または両端で朝顔（じょうご）のように外側に向かって広がっている筒状形状である。この広がっている端部は患者の閉所恐怖感を軽減し、術者、またはその他の医学スタッフの患者への接触、接近を容易にする。磁石の幾何学形状の一例としては、回転双曲面（以下、単に双曲面と称する）がある。以下の説明では双曲面型磁石を一例として説明するが、上述したように、本発明は磁石の中央部分の断面より大きい入り口を有する他のどのような形状の磁石も含む。円形の断面を有する磁石の場合、これは円形断面の半径が一端、または両端になるにつれて増加することを意味する。ただし、増加は線形的、一定である必要はない。
【００４１】
本発明の双曲面型磁石構造の一例を以下に詳細に説明する。双曲面表面を例にあげた理由は、双曲線幾何学形状と双曲線関数はこの表面を数学的に表現することができ、双曲面形状の穿孔内で静的なほぼ均一の磁場を発生することを数学的に明示できるからである。繰り返すが、当業者であれば、本発明は双曲面構造に限定されないことを容易に理解するであろう。事実、幾何学関数、あるいは他の数学関数によって簡単には定義できない他の幾何学的形状も同様に使用することができる。
【００４２】
図２は双曲線と回転軸を示す。双曲面は回転軸の周りを双曲線を回転することにより得られた二次曲面である。さらに、ＭＲＩ装置の磁石構造を定義するのに使われる双曲面は、立体双曲面ではなく、むしろ双曲面孔、双曲面シェルを意味する。
【００４３】
図３はｘ、ｙ、ｚの３つの軸に関する双曲面を示す。双曲面磁石を使う場合、患者が挿入される穿孔内で均一の磁場を発生するためには、双曲面表面で発生される電流密度は変えなければならない。双曲面の広がっている開口では、縦軸ｚからの径方向の距離は大きい。そのため、径方向の距離が小さい双曲面の中心（図３R>３の座標系の垂直軸に沿った部位）に比べて電流密度をより高くする必要がある。以下に、双曲面磁石の表面に沿った電流密度を変えることにより磁石穿孔内でｚ軸に沿った均一な磁場を発生することができることを示す公知の数学的手法を説明する。
【００４４】
図４を参照して、双曲面穿孔のまわりに巻かれた多重コイルを使うソレノイド型電磁石について、この電流密度を可変にする方法を説明する。図４は概念的なレベルでコイル巻線の構造を示すハイレベルの図である。双曲面が広がっている穿孔の端部には多数のコイル巻線が巻かれており、双曲線穿孔の中心には少ない数のコイル巻線が巻かれている。例えば、穿孔の広がっている端部では１ミリメートル当たり数１００本の巻線が巻かれ、穿孔の中心部では１ミリメートル当たり数１０本の巻線が巻かれている。この例では、双曲線穿孔の軸に沿った単位長さ当たりのコイル巻線が増えると、その単位長さ当たりの電流密度も増え、その結果、発生する磁束も増える。この原理は、より広い断面に分布するより多い磁束は、より狭い断面に分布するより少ない磁束と同じ磁場を発生するというものである。
【００４５】
図５は、他の例を示す。上述の例では双曲面穿孔の周りに連続だが可変のピッチの巻線を巻いているが、図５では物理的には別個で、電気的には接続されている複数のコイルを垂直に重ねている。各コイルは積層、積み重ねられた状態で円形状に巻かれた導電性材料の絶縁ワイヤ、またはリボン（薄板）から形成される。磁石装置の端部の大径コイルのための導電性層の数は、磁石装置の中央部分の小径コイルのための導電性層の数より多い。その結果、外側コイルは内側コイルよりも厚い。
【００４６】
さらに別の例として、コイル巻線にアクティブシールド構造を採用する例がある。ＭＲＩ磁石により外部に発生する二次磁場を最小化するためにはシールド構造が必要である。図４に示すように、一点鎖線で示される巻線７１、７５からなる第２の巻線セット（シールド巻線）は双曲面穿孔の周りを巻かれている主コイル巻線と直列に接続される。しかしながら、シールド巻線７１、７５はこれらとは反対向きに巻かれている。すなわち、これらの巻線は主巻線が巻かれている方向と反対の方向に巻かれている。参照数字７０、７４は紙面から流れ出て来る電流の向きを示し、参照数字７２、７６は紙面に流れ込む電流の向きを示す。主巻線を流れる電流は反対の方向ではあるが、シールド巻線をも流れる。その結果、シールド巻線から発生する磁場は、主巻線を流れる電流によって双曲面穿孔の外側に発生する磁場と同じ強度を有し、反対の向きを有する。シールドコイルのサイズと巻線数を適当に選ぶことにより、主巻線とシールド巻線との磁気ダイポールのモーメントは打ち消される。当業者にとっては容易に理解できるように、磁石の外側の磁場の主要な成分はほぼ打ち消される。
【００４７】
シールド巻線の半径を主コイル巻線のそれよりも大きくすると、主巻線のモーメントを打ち消すために必要な巻線の数は少なくて済む。言い換えると、大径コイルを流れる電流は大きい磁場モーメントを発生させるが、コイルの中心では、小径コイルを流れる場合より少ない磁場モーメントを発生する。当業者が理解できるように、主コイルセット、第２のコイルセットの巻線によって生成される外部磁場ダイポールモーメントは局部に集中しない。したがって、トータルの磁場ダイポールモーメントは、シールド巻線を磁石穿孔の全長にわたって巻くことなく打ち消される。双曲面の端部に配置される第２のシールド巻線の位置は、患者の頭部等の撮影対象のうちで最も感度の必要とされる部分を囲む双曲面磁石の中央部分での電磁場に与える影響を最小にする意味で好ましい。
【００４８】
上述した双曲面磁石装置は、双曲面穿孔内で均一な磁場を発生するために、双曲面表面の特定の部分に沿って適当な電流密度が得られることを保証するために公知の数学的手法を用いて設計することができる。
【００４９】
双曲面表面は偏平楕円座標に関して説明できる。通常のデカルト座標は新しい変数α、φ、βを用いて次のように表すことができる。
【００５０】
ｘ＝ｃ  ｃｏｓｈβ  ｓｉｎα  ｃｏｓφ        （１）
ｙ＝ｃ  ｃｏｓｈβ  ｓｉｎα  ｓｉｎφ        （２）
ｚ＝ｃ  ｓｉｎｈβ  ｃｏｓα                  （３）
変数φは通常の方位角である。定数βの表面は偏平の回転楕円（短軸を中心として回転された偏平な表面）であり、定数αの表面は回転双曲線である。変数ｃは原点から双曲線の焦点までの距離である。有限長の双曲線はαが一定で、０＜φ＜２π；−βo＜β＜βoである。
【００５１】
この双曲線表面の電流密度により発生する磁場の表現は周知のルジャンドル（Ｌｅｇｅｎｄｒｅ）関数Ｐμνにより表すことができる。ルジャンドル関数の対称、非対称の２つの成分は特に有益である。
【数１】
2007203032.tif 000003
【００５２】
双曲線表面の電流密度は異なるＣあるいはＳ関数の重畳により記述できる。この操作はラインインターバル上の関数のフーリエ分解に共通なｓｉｎ、ｃｏｓの重畳に似ている。インターバルにわたって非対称関数を展開する場合には、ｓｉｎ成分が選択される。ｃｏｓ成分は対称関数の場合に選択される。電流密度関数は変数βの対称関数であり、したがってＣ関数が選択される。Ｓｔｕｒｍ−Ｌｉｏｕｖｕｌｌｅ演算子の解のセットにおける関数展開の一般的な原理から周知のように、基底関数を選択する必要がある。基底関数、あるいはそれらの導関数は、境界±βｏで消滅するように選択される。前者の条件が一般に使われ、これを満足するために、複素数Ｋｍが次のように計算されなければならない。
【数２】
2007203032.tif 000004
【００５３】
（６）式の解が離散的な数値セットであるＫｍを与え、これらは純虚数である。電流密度の特定の形式は次のように表される。
【数３】
2007203032.tif 000005
【００５４】
アクティブシールド磁石の場合、電流密度展開の各項の電流密度への寄与は含まれている。それば、シールドループの位置（径方向、および長さ方向）でのデルタ関数分布である。シールドループ内の電流の相対的な振幅は、双曲線電流の磁気ダイポールモーメントは一対のシールドループのダイポールモーメントの負の値に等しいという制約によって固定される。
【００５５】
最終の計算は電流分布により発生される磁場を表す。磁場と、全てのｚに関する偶数次の導関数が最初に計算される。均一の磁場を発生する電流分布について、磁石の中心の磁場の値が指定され、磁場のいくつかの導関数は消滅する。この手法は周知である。双曲線表面上の電流によって発生される磁場の導関数の一般的な表現は次の通りである。
【数４】
2007203032.tif 000006
【００５６】
Γはガンマ関数である。−０．５〜２．５の間で実数軸と交差する虚数軸μに平行な輪郭に沿った複素変数μについての積分が実行される。
【００５７】
この計算は線形システムの解法のための周知の手法のどの手法でも使うことができる。５つの電流モードを選択し、中心の磁場の値（例えば、０．５テスラ）と４つの消滅する導関数に対して線形方程式を作ることにより、４つの導関数により磁石を設計することができる。その結果、５つの線型方程式の組が計算され、５つの電流モード振幅についての唯一の解が得られる。あるいは、より多くの数の電流モードを選び、ラグランジュの乗算法により課される均一性に対する補助的な制約を有する二次関数を最小化することもできる。
【００５８】
以上説明したように、本実施形態によれば、患者を囲む筒状の磁石ハウジングは一端、または両端が外側に広がっているほぼ円筒形状を有し、患者の閉所恐怖感を和らげ、広がっている端部を介して患者への接触を容易にしている。磁石装置の形状の一例は、回転双曲面（以下、単に双曲面とも称する）がある。双曲面表面は、軸（ｚ軸）を中心として双曲線を回転して得られ、広がっている端部はほぼ円形開口となる。形状の他の例として回転放物面がある。しかし、特定の幾何学形状は要求されない。磁石の一端、または両端の断面積が中央部の断面積よりも大きければよい。
【００５９】
磁石の端部の開口が大きいことにより、医者、または他の医療スタッフが患者に接近しやすく、麻酔薬や静脈注射剤を投与しやすく、プローブを遠隔操作しやすい。さらに、磁石の広がっている端部は、患者に開放感を与え、閉所恐怖感を和らげることができる。両効果は、特別な磁石サスペンションや、分割磁石構造の傾斜磁場／ＲＦコイルを必要としないで達成できる。超電導磁石については、通常使われる単一の超低温システムをＭＲＩ磁石を冷却するために使用することができる。したがって、本発明は、ＭＲＩ装置のコストを増加することなく、患者への接触が容易で、しかも患者に閉所恐怖感を与えることが少ないＭＲＩ装置を実現できる。
【００６０】
実施形態では、可変の断面積を有する磁石装置の一例としての双曲面磁石について、磁石ハウジング／撮影領域内でほぼ均一な磁場がどのようにして発生されるかを説明した。双曲面電磁石の場合、磁石の広がっている開口部では、磁石の中央部の狭い部分より電流密度を高くなければならない。したがって、筒状磁石の端部のコイルには、中央部よりも大きい電流が流れなければならない。これを実現するための一手法は、中央部よりも端部で単位長さ当たりのコイル巻線数を増やすことである。
【００６１】
以上、本発明を最も実用的で、最も好ましい実施形態について説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限定されず、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施可能である。例えば、患者への接触をより容易にするとともに、患者の閉所恐怖感をより少なくするために、傾斜磁場コイル、送受信コイルは磁石の内面に近接して、しかも輪郭に沿って配置してもよい。
【００６２】
以上説明したように本発明によれば、患者への接触が容易で、しかも患者に閉所恐怖感を与えることが少ない経済的で実用的なＭＲＩ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明が適用されるＭＲＩ装置の全体を示すブロック図。
【図２】双曲線関数と、回転双曲面を得るために双曲線関数が回転される軸を示す図。
【図３】双曲面を示す図。
【図４】本発明の一実施形態に従った双曲面形状を有するＭＲＩ静磁場磁石を示す図。
【図５】本発明の他の実施形態に従った双曲面形状を有するＭＲＩ静磁場磁石を示す図。
【符号の説明】
【００６４】
１０・・・ＭＲＩ装置、  １２・・・撮影対象物、  １４・・・超低温電磁石装置、  １６・・・静磁場コイル、  ５０・・・データ収集・表示コンピュータ、  ５２・・・シーケンサ、  ５４・・・ＭＲＩサブシステム、  ５８・・・表示部、  ６２・・・ＲＦ送信器、  ６４・・・送受信スイッチ、  ６６・・・ＲＦコイル、  １５０・・・ＲＦディジタル受信器
【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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