JP3711653B2 - 磁界勾配システムに用いるコイル - Google Patents

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Description

【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】
Figure 0003711653
【0024】
【数3】
Figure 0003711653
【0025】
【数4】
Figure 0003711653
【0026】
【数5】
Figure 0003711653
【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】
Figure 0003711653
【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】
Figure 0003711653
【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
x 、Gy 、Gz 磁界勾配

Claims (5)

  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
    Figure 0003711653
    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a 1 及び長さz 1 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σ φ 及びσ ρ は、次の式
    σ φ =σ φ A 、σ z =(z/a 1 )σ φ A
    により定義されており、ここで、σ φ A 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a 2 及び長さz 2 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σ φ 及びσ z は、次の式
    σ φ =σ φ C
    σ φ C =−[(z 1 /z 2 )σ φ A
    +{(a 2 −a 1 )/z 2 sinθ}σ φ B ]、及び
    σ z C =(z/a 2 )σ φ C
    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σ φ 、σ ρ 及びσ z は、次の式
    σ φ =σ φ B
    σ s =(z/ρ)σ φ A +{(ρ−a 1 )/ρsinθ}σ φ B
    σ ρ =σ s sinθ、及び
    σ z =σ s cosθ
    により定義されており、ここでσ φ B 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。
  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。
  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。
  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。
  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。
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