(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の円筒状ボビンに螺旋状に巻装・配置し且つ当該円筒状ボビンのボア内に所望の磁場分布を得るために通電する１次コイルと、この１次コイルの周りを囲む空間上の位置に設置した第２の円筒状ボビンに巻装・配置し且つシールド用磁場を発生させるために通電する２次コイルとを有するコイルアセンブリを備え、
前記２次コイルの導体は、当該２次コイルの電流分布を、
【数１】
0004129330.tif 000011
（ただし、Ｉは前記１次コイルに流す電流、Ｚｉ（φ’）は前記１次コイルを形成するｉ番目の導体の位置座標、ｒ１およびｒ２は円筒状に巻装された前記１次および２次コイルの半径をそれぞれ示す）
とし円柱座標系での角度φ毎のＺ軸方向の位置を巻線位置として決定することで、螺旋状に巻装される構成とすることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置における能動遮蔽型傾斜磁場コイルのＺチャンネルのシールド形コイルアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、導体をボビンに螺旋状に巻装した巻線部を備えた磁気共鳴イメージング装置における能動遮蔽型傾斜磁場コイルのＺチャンネルのシールド形コイルアセンブリに関する。とくに、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）装置における能動遮蔽型傾斜磁場コイルのＺチャンネルのコイルアセンブリに好適なコイルアセンブリに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、導体を円筒状ボビンに螺旋状に巻く、いわゆる螺旋状コイル（以下、  “ｚｏｎａｌ"コイルという）が各種の機器で使用されている。医用磁気共鳴イ メージング装置にも、この“ｚｏｎａｌ"コイルが搭載されている。磁気共鳴イ メージング装置は通常、静磁場を発生する静磁場コイル、静磁場の均一度を補正するシムコイル、静磁場に重畳する傾斜磁場を発生する傾斜磁場コイル、高周波信号の送受用のＲＦコイルなどを使用している。この内、“ｚｏｎａｌ"コイル は、傾斜磁場コイルのＺチャンネルのコイルやシムコイルのＺ2 ，Ｚ3 ，Ｚ4 ，Ｚ5 ，Ｚ6 チャンネルなどに使用されている。
【０００３】
いま、磁気共鳴イメージング装置の能動（自己）遮蔽型傾斜磁場コイル（ＡＳＧＣ：Actively Shielded Gradient Coil ）のＺチャンネルのコイルアセンブリを例にとって説明する。このＺチャンネルのコイルは、“ｚｏｎａｌ"コイルで 形成されるが、その導体の巻装方法としては大別すると２通りの方法が知られている。その一つは、図１１に示すように、空間配置上の厳密な観点からは螺旋状に巻かずに、解析的に求めたボビン軸方向の離散的な巻線位置毎にレーンチェンジをしながら巻く、いわゆるレーンチェンジ巻き法である。すなわち、導体をある巻線位置で巻き位置を変えずに略１ターン（略３６０度）させると、次のターンに入るときにその巻き始めの近傍位置で隣の巻線位置にレーンチェンジして再び巻く手法である。
【０００４】
もう一つの方法は、図１２に示す如く、文字通り連続的に螺旋状に巻く、いわゆる螺旋巻き法である。つまり、解析的に求めたボビン軸方向の離散的な巻線位置に対して、ある巻線位置に巻始め端を合わせて螺旋状に１ターンさせると、その巻き終わり端が次の巻線位置でそのターンの巻き始め端となるように螺旋状に順次巻いていく手法である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の“ｚｏｎａｌ"コイルの巻き法の内、図１１に 示すレーンチェンジ巻き法の場合、そのコイルを巻装すること自体が技術的に非常に難しく且つ複雑な作業となり、コイルの製造工程が著しく増加して、製造コストを上昇させる一方、その巻装作業の困難さから設計した通りの磁場分布が得られないことも多いという問題があった。
【０００６】
この問題の発生状況を詳述する。巻線のレーンチェンジは、通常、ボビン円周方向の比較的狭い範囲（例えば１０ｃｍ程度）で行う必要があるため、ボビンの軸方向中心寄りの撮影領域付近におけるレーンチェンジはとくに巻線が混んで作業が困難であった。巻線の密度が高くなると、十分なレーンチェンジのスペースが取りにくくなる。また、実際の巻装作業は導体にテンションを掛けながら行われるので、導体を曲げることが難しく、レーンチェンジの曲げ位置で、より大きな弧を描く傾向にある。このため、どうしてもレーンチェンジに要する円周方向の距離範囲が拡大する傾向にあり、所望の磁場分布にも影響するという不都合もあった。
【０００７】
そこで、図１２のように、解析的に求めた巻線位置から次の巻線位置に掛けて巻き始めおよび巻き終わりを合わせながら螺旋状に巻く螺旋巻き法が重宝になっている。この螺旋巻き法の場合には、巻装作業自体は図１１の方法よりは遥かに簡単であるが、磁場発生の性能面で問題がある。すなわち、導体を離散化して巻装する場合、理想的には解析的に求めた巻線位置それぞれに１ターンずつ巻くことである。しかし、図１２のように、求めた巻線位置から隣の巻線位置に掛けて文字通りの螺旋状に巻いてしまうと、１ターンのコイルに拠る等価的な磁場発生位置が、“ｚｏｎａｌ"コイルの軸（中心軸）方向において、解析的な巻線位置 からずれてしまう。
【０００８】
このため、この螺旋巻き法をＡＳＧＣのＺチャンネルのシールドコイルに適用した場合、レーンチェンジ巻き法に比べて、“ｚｏｎａｌ"コイル全体から発生 される空間磁場分布が設計値から大きくずれたり、メインコイルが発生する磁場がコイルアセンブリの外部に漏れる、いわゆる漏れ磁場が大きくなってシールド性能（効率）が低下するなどの問題がある。
【０００９】
シールドコイルの巻き位置について従来は特定の解析法が提案されていないので、このシールド性能の低下は、メインコイルの解析的な巻き位置に対応して螺旋巻きしていたことに起因するところが多い。
【００１０】
そこで、本発明は、磁気共鳴イメージング装置における能動（自己）遮蔽型傾斜磁場コイル（ＡＳＧＣ）のＺチャンネルのシールドコイルに伴う従来技術が直面している困難を打破すべくなされたもので、そのシールドコイルの導体をボビンに螺旋巻き法により巻装することで製造作業の容易性を保持し、かつ、その導体の巻き位置を解析的に特定してシールド性能を少なくともレーンチェンジ巻き法に比肩できる程度まで向上させることを、その目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するために、本発明に係る磁気共鳴イメージング装置における能動遮蔽型傾斜磁場コイルのＺチャンネルのシールド形コイルアセンブリは、第１の円筒状ボビンに螺旋状に巻装・配置し且つ当該円筒状ボビンのボア内に所望の磁場分布を得るために通電する１次コイルと、この１次コイルの周りを囲む空間上の位置に設置した第２の円筒状ボビンに巻装・配置し且つシールド用磁場を発生させるために通電する２次コイルとを有するコイルアセンブリを備え、前記２次コイルの導体は、当該２次コイルの電流分布を、
【数３】
0004129330.tif 000002
（ただし、Ｉは前記１次コイルに流す電流、Ｚｉ（φ’）は前記１次コイルを形成するｉ番目の導体の位置座標、ｒ１およびｒ２は円筒状に巻装された前記１次および２次コイルの半径をそれぞれ示す）とし円柱座標系での角度φ毎のＺ軸方向の位置を巻線位置として決定することで、螺旋状に巻装される構成とする。
【００１５】
これにより、シールドコイルの導体を螺旋状に巻装するときの各ターンの巻き位置が解析的に且つ厳密に決められる。
【００１６】
また例えば、前記２次コイルは、当該２次コイルの電流分布が
【数４】
0004129330.tif 000003
（ただし、Ｉは前記１次コイルに流す電流、Ｚｉは前記１次コイルを形成するｉ番目の導体の位置座標、ｒ1 およびｒ2 は円筒状に巻装された前記１次および２次コイルの半径をそれぞれ示す）
で記述される解析的な巻線位置に巻装されることも望ましい。
【００１７】
これにより、シールドコイルの導体を螺旋状に巻装するときの各ターンの巻き位置が解析的に且つ近似的に決められる。この近似設定によっても、螺旋状に巻装されたメインコイルの各ターンのＺ軸方向の間隔が狭い場合には有効に作用する。近似演算で済む分、その演算量も少なくて済む。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づき説明する。
【００１９】
第１の実施形態
第１の実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置における能動遮蔽型傾斜磁場コイルのＺチャンネルのシールド形コイルアセンブリを図１〜図８に基づき説明する。
【００２０】
この実施形態で説明する磁気共鳴イメージング装置は、能動（自己）遮蔽型傾斜磁場コイル（ＡＳＧＣ：Actively Shielded Gradient Coil ）を備えたタイプの装置であって、本発明を実施するＭＲＩ用シールドコイルは、そのＺチャンネルのコイルアセンブリの一方を成すシールドコイルである。
【００２１】
図１には、この種の磁気共鳴イメージング装置におけるガントリ１の概略断面を示す。このガントリ１はその全体が円筒状に形成されており、中心部のボアが診断用空間として機能し、診断時にはそのボア内に被検体Ｐが挿入可能になっている。
【００２２】
ガントリ１は、略円筒状の静磁場用磁石１１、この磁石１１のボア内に配置された略円筒状の傾斜磁場コイル１２、この傾斜磁場コイル１２の例えば外周面に取り付けられたシムコイル１３、および傾斜磁場コイル１２のボア内に配置されたＲＦコイル１４を備える。被検体Ｐは図示しない寝台天板に載せられて、ＲＦコイル１４が形成するボア（診断用空間）内に遊挿される。
【００２３】
静磁場用磁石１１は超伝導磁石で形成されている。つまり、外側の真空容器の中に、複数個の熱輻射シールド容器および単独の液体ヘリウム容器が収められ、液体ヘリウム容器の内部に超伝導コイルが巻装・設置されている。
【００２４】
傾斜磁場コイル１２は、ここでは能動遮蔽（アクティブシールド）型に形成されている。このコイル１２はＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向毎にパルス状の傾斜磁場を発生させるため、Ｘ，Ｙ，Ｚチャンネル別々にコイルアセンブリを有し、しかも、そのコイルアセンブリは各チャンネル毎に傾斜磁場を外界には殆ど洩らさないシールド構造になっている。
【００２５】
具体的には、能動遮蔽型傾斜磁場コイル（ＡＳＧＣ）１２は図２に示すように、Ｘ，Ｙ，ＺチャンネルのＸコイルアセンブリ１２Ｘ，Ｙコイルアセンブリ１２Ｙ，Ｚコイルアセンブリ１２Ｚがコイル層毎に絶縁されながら積層され、全体として略円筒状を成している。Ｘコイルアセンブリ１２Ｘ，Ｙコイルアセンブリ１２ＹおよびＺコイルアセンブリ１２Ｚの各々は、各軸方向の傾斜磁場を発生する複数の巻線部を有するメインコイルと、このメインコイルの巻線部が発生する傾斜磁場（パルス）を磁気的に外界には洩らさないようにシールドする複数の巻線部を有するシールドコイルとを備える。なお、各コイルアセンブリ１２Ｘ，１２Ｙ，１２Ｚは各チャンネル毎に傾斜磁場電源に接続されている。
【００２６】
この内、Ｙコイルアセンブリ１２Ｙはメインコイル側およびシールドコイル側ともに、ボビンＢに巻装された４個のサドル型巻線部を備える。つまり、各側のコイルは、Ｚ軸方向に並置され且つ直列接続される２つのサドル型の巻線部を有するコイル素子を、２組対向配置させている。これにより、Ｙ軸方向に線形に傾斜した磁場を発生可能になっている。
【００２７】
Ｘコイルアセンブリ１２Ｘも、Ｙコイルアセンブリ１２ＹをＺ軸に関して９０度回転させた状態で同様に配置される。
【００２８】
さらに、ＺチャンネルのＺコイルアセンブリ１２Ｚは、図３にその概略を示す形状のメインコイル１２Ｚｍおよびシールドコイル１２Ｚｓを備える。これらのメインコイル１２Ｚｍおよびシールドコイル１２Ｚｓは、図２に示すように、それぞれ層状に形成され且つＺ軸方向に互いに所定距離を離して配置される。
【００２９】
メインコイル１２Ｚｍおよびシールドコイル１２Ｚｓのそれぞれは図３に示す如く、中空円筒状のボビンＢと、平板状の導体Ｃとを備える。導体Ｃは螺旋巻き法に基づいてボビンＢ上に巻装され、Ｚ軸方向の左右両側で対称に巻線部ＣＲａ，ＣＲｂが形成されている。巻線部ＣＲａ，ＣＲｂはボビンＢのＺ軸方向中心部で一方から他方の巻線部に渡すことで、電気的には互いに直列に接続されている。この巻線部ＣＲａ，ＣＲｂを流れる電流によってＺチャンネルの傾斜磁場が形成される。
【００３０】
この内、メインコイル１２Ｚｍの巻線部ＣＲａ，ＣＲｂを形成するには、まず導体Ｃを離散的に巻くためのＺ軸方向の巻線位置を解析的に求める。例えば、傾斜磁場のＺチャンネルに対して所望の磁場分布を決め、この磁場分布を反映させた磁場分布の流線関数を求め、さらに、この流線関数とコイル電流値に基づき離散的なＺ軸方向の巻線位置が決められる。
【００３１】
またシールドコイル１２Ｚｓの巻線部ＣＲａ，ＣＲｂを形成する導体Ｃも、本発明の解析法によって特定された巻き位置に巻装されている。
【００３２】
以下、このシールドコイル１２Ｚｓの巻き位置の解析法を図４〜図８を参照して説明する。
【００３３】
いま、図４に示す如く、螺旋状に巻装されたメインコイル（１次コイル）１２Ｚｍの面電流密度のφ成分Ｆφは、
【数５】
0004129330.tif 000004
である。ここで、Ｚｉ（φ）は円柱座標系での角度φにおけるｉ番目の導体のＺ座標（図５参照）（すなわち、角度φに依存させた導体位置に相当する）、Ｉはメインコイルに流す電流値、Ｎはメインコイルのターン数である（図５参照）。
【００３４】
このφ成分Ｆφ（φ，Ｚ）のフーリエ変換である
【数６】
0004129330.tif 000005
【数７】
0004129330.tif 000006
となる。ここで、ｒ1 およびｒ2 はメインコイル１２Ｚｍおよびシールドコイル１２Ｚｓの半径を（図６参照）、Ｉｍ′はベッセル関数の微分を、ｋは周波数空間を各々表す。
【００３５】
したがって、シールドコイルの面電流密度のφ成分ｆφは
【数８】
0004129330.tif 000007
となる。
【００３６】
このφ成分ｆφからシールドコイルの導体の螺旋巻き位置を求めるには流れ関数（流線関数）ＮＩ（φ，Ｚ）を求めればよい。この流れ関数は
【数９】
0004129330.tif 000008
となる。この流れ関数は例えば図７のように表される。この流れ関数からそれぞれの角度φにおけるシールドコイルの螺旋巻き位置が求められる。つまり、同図において、縦軸上のアンペアターンＮＩに交差する流れ関数値に対応したＺ軸上の位置が個別に求められ、この位置が角度φにおけるシールドコイルの導体巻き位置として決定される。角度φの値それぞれについて巻き位置が決定されるので、螺旋巻き法に従うシールドコイル導体の螺旋状の位置が所望の磁場分布に対して一義的に決まる。
【００３７】
シールドコイル１２Ｚｓはこのように解析的に求められた螺旋状の位置に沿って図８に示す如く巻装される。
【００３８】
このように形成された能動遮蔽型傾斜磁場コイルは通電によって所定の傾斜磁場パルスを生成することができる。とくに、そのＺチャンネルのコイルアセンブリ１２Ｚのシールドコイル１２Ｚｓは、本発明に係わるコイル巻装法を採用して製造されたものであるため、種々の利点がある。
【００３９】
第１に、従来のレーンチェンジを行う巻装方法（図１１参照）に比べて、巻装作業が簡単であり、製造コスト低減に寄与する。つまり、本実施形態の場合、従来のように、レーンチェンジが不要であるから、前述したレーンチェンジに伴う不都合が無くなり、巻装作業が容易である。
【００４０】
第２に、シールドコイルを螺旋巻き法で巻装するための、各角度φに対応する螺旋状の位置が解析的に求められた所望位置であるため、従来のように単にメインコイルに対向させて螺旋巻きする場合に比べて、導体の位置ずれが少なくなり、所望のシールド性能を発揮することができる。シールドコイルの各角度φに相当する位置が、メインコイルの所望の磁場分布に拠る面電流密度を基礎として解析的に求められているので、少なくともレーンチェンジ巻き法と比肩できる程度のシールド性能は確実に発揮される。
【００４１】
図１２に示す従来の螺旋巻き法の場合、そのような１ターンの等価的なコイル位置は、解析値同士間に在り、解析値自身の位置から外れていた。しかし、本発明に拠る手法の場合、かかる１ターンの等価的なコイル位置を最も理想的とする解析値に設定でき、磁場シールド性能を向上させることができる。
【００４２】
第２の実施形態
本発明の第2の実施形態を図９〜１０に基づき説明する。この実施形態においても、シールド形コイルアセンブリを、磁気共鳴イメージング装置の能動（自己）遮蔽型傾斜磁場コイル（ＡＳＧＣ：Actively  Shielded  GradientCoil  ）のＺチャンネルのコイルアセンブリに実施している。
【００４３】
なお、傾斜磁場コイル自体は、Ｚチャンネルアセンブリのシールドコイルの巻装法を除いて、上述した第１の実施形態のものと同等に構成されているので、傾斜磁場コイル自体の説明は省略する。
【００４４】
本実施形態に係る、傾斜磁場コイルにおけるＺチャンネルアセンブリのシールドコイルは、その導体の巻線位置を近似的な解析法で算出していることを特徴とする。
【００４５】
以下、この近似的な巻線位置の解析法を説明する。
【００４６】
図９に模式的に示すように、螺旋状に巻装されたメインコイル１２Ｚｍに流れる電流のφ成分がＺ成分に比べて十分に大きい場合、すなわちターンのＺ軸方向の間隔が狭い場合、上述した第１の実施形態における解の近似解が有効である。この場合、メインコイル１２Ｚｍの面電流密度のφ成分は、
【数１０】
0004129330.tif 000009
で与えられる。このφ成分に関して第１の実施形態と同様の解析を行なうことで、流れ関数は
【数１１】
0004129330.tif 000010
として求められる。ここで、Ｉ1 はベッセル関数を表わす。
【００４７】
この流れ関数を用いて第１の実施形態のときと同様にシールドコイル１２Ｚｓの導体の巻き位置が決められる。この場合、図１０に示す如く、ある角度φにおけるメインコイル１２Ｚｍの導体の巻き位置Ｚｉを用いて、同じ角度φ上のシールドコイル１２Ｚｓの導体位置が求められる。
【００４８】
このようにメインコイル１２Ｚｍの導体の巻き位置Ｚｉのみに依存させた近似的な解析法であっても、メインコイル１２Ｚｍに流れる電流Ｉのφ成分がそのＺ成分に比べて十分に大きい場合には有効に機能し、第１の実施形態のときと同等の作用効果を発揮することができる。
【００４９】
なお、上述した第１および第２の実施形態にあっては、Ｚ軸方向中心位置Ｚ＝０の面に関してＺ軸方向左右のコイル配置が対称になる構造のＺチャンネルコイルアセンブリについて説明してきたが、本発明の適用範囲は必ずしもこの対称構造に限定されるものではない。Ｚ＝０の面に関してＺ軸方向左右のコイルの巻き方が非対象を成し、ＭＲ撮像に使用する均一磁場空間を磁石内でＺ軸方向のいずれかにシフトさせる方式のＺチャンネルコイルアセンブリであっても同様に実施できる。
【００５０】
本発明に係る磁気共鳴イメージング装置における能動遮蔽型傾斜磁場コイルのＺチャンネルのシールド形コイルアセンブリは、螺旋状に巻き且つシールドするタイプのコイルアセンブリに広く適用でき、例えば、磁気共鳴イメージング装置における静磁場補正用のシムコイルについても好適に実施でき、同様の作用効果を得ることができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る磁気共鳴イメージング装置における能動遮蔽型傾斜磁場コイルのＺチャンネルのシールド形コイルアセンブリによれば、シールドコイル（およびメインコイル）は螺旋巻き法で巻装されるため、レーンチェンジ巻き法に比べて作業が容易で、製造コストの低減に寄与できるとともに、磁場的な観点については、巻線の各ターン円周方向の角度位置をも考慮した解析的な導体位置に設定できるので、レーンチェンジ巻き法と同等な優れたシールド性能を発揮できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る磁気共鳴イメージング装置における能動遮蔽型傾斜磁場コイルのＺチャンネルのシールド形コイルアセンブリを搭載した、実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置のガントリの概略断面図。
【図２】  能動遮蔽型傾斜磁場コイルのＺ軸方向に直交する面（図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿った破断した面）の概略断面図。
【図３】  能動遮蔽型傾斜磁場コイルのＺチャンネルのコイルアセンブリの巻線状態を説明する模式図。
【図４】  第1の実施形態に係るＺチャンネルのコイルアセンブリのコイル導体の巻装法を説明する模式図。
【図５】  シールドコイルの解析的な巻線位置設定を説明する図。
【図６】  メインコイルおよびシールドコイルの配置状況を示す図。
【図７】  シールドコイルの解析的な巻線位置設定を説明するための流線関数の一例を示す図。
【図８】  解析値に基づくシールドコイルの各巻線位置を説明する図。
【図９】  本発明の第２の実施形態におけるメインコイルの電流の前提条件を説明する図。
【図１０】  第２の実施形態におけるメインコイルおよびシールドコイルの巻線位置を説明する図。
【図１１】  従来のレーンチェンジ巻き法を説明する図。
【図１２】  従来の螺旋巻き法を説明する図。
【符号の説明】
１２  能動遮蔽型傾斜磁場コイル
１２Ｚ  Ｚチャンネルの傾斜磁場コイルアセンブリ
１２Ｚｍ  メインコイル（１次コイル）
１２Ｚｓ  シールドコイル（２次コイル）
ＣＲａ，ＣＲｂ  巻線部
Ｃ  導体
Ｂ  ボビン
【図１】
0004129330.tif 000012
【図２】
0004129330.tif 000013
【図３】
0004129330.tif 000014
【図４】
0004129330.tif 000015
【図５】
0004129330.tif 000016
【図６】
0004129330.tif 000017
【図７】
0004129330.tif 000018
【図８】
0004129330.tif 000019
【図９】
0004129330.tif 000020
【図１０】
0004129330.tif 000021
【図１１】
0004129330.tif 000022
【図１２】
0004129330.tif 000023