JPS6263409A - 静磁場発生用コイル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ＮＭＲ（核磁気共鳴）イメージング装置の静
ｔａ場を常伝導で作成するコイルに関し、更に詳しくは
、コイルの径、コイルの断面形状及びアンペア・ターン
を所定の構成にした３個のコイルを同一軸上に設冒し、
コイル中心に８Ｇノる軸方向磁界のテーラ展間の２次、
４次、６次及び８次の各項を最小にした静磁場発生用コ
イルに関する。

（従来の技術） ＮＭＩ（イメージング装置における静磁場の均−性及び
安定性や均一磁場の広さ番よ、画像の解像力に大きく影
ＩＪることが知られている。一方、第７図に示すように
（Ｚ軸は磁場のブ）向で×Ｙ面に垂直な方向にある）、
コイルしを球状に巻いた構成によって、コイルＬ内の空
間に完全４１均一磁場を形成し１ｑることが理論的に解
明されている。しかし、コイルＬを球状に巻いた構成で
は、被検体を静！ａ場内に設置することができないので
実際の装置には適用できない。そこで、実際の静１１場
発°　　　牛用コイルにあっては、第８図に示すように
、断面半径Ｒの内側コイルＬ　及びＬ２と、断面半！Ｊ
１ 径Ｒ（＜Ｒ）の外側コイルＬ３及びＬ４とをｓ　　　　
　　　１ 対称に配置して、４賜のコイルが球形を構成するように
なっている（図の点線が球形の輪郭を示す。

この球形コイルをダブルへルムホルツ型コイルと言う）
。この構成によって、被検体の設置が可能となると共に
、所定の１１Ｗ特性、即ち、所定の領域で均一度の高い
磁場が形成される。

従来から、この種の静磁場発生用コイルとして種々のも
のが発表されている。例えば、核磁気共鳴医学研究金線
による刊行物ｒＮＭＲ医学Ｊ　（１９８４年１月２０日
発行）の第７８頁乃至第１９頁に、以下（１）乃至（３
）に示す静磁場発生用コイルが開示されている。

尚、８次式に用いる記号は、第９図（第９図の各記号ぐ
第８図と同一の６のは同一意味で用いられている）で定
義される。

（１）集中電流ループに近似できる場合には、各コイル
の間隔及びコイルのアンペアターン比（Ａ王、／、へ−
、）を下記の通りにツると、磁ＪＪｊのアーラ展開にお
ける２次、４次及び６次の各誤差項はいずれも零となっ
て８次補償コイルが得られる（２次、４次及び６次の各
項を零にして均一磁場を得る点については後述する）。

ｃｏｓθ、　＝　ｚ　、　／Ｒｏ＝　　０．７６５０６
ｃｏｓθ２＝　７２／Ｒｏ＝　　０．２８５２３ＡＴ２
／ＡＴ１＝　　ｔ、４ｅａ。

（２）有限な寸法の矩形断面コイルを組合せたダブルへ
ルムホルツ型コイルの場合には、各コイルの間隔、コイ
ルのアンペアターン比及びコイルの断面比（ａ／ａ２及
びｂ１／ｂ２゜但し、ａｌ、ａ　　、ｂ　　、ｂ２＜Ｒ
ｏ）を下記の通りにすると、磁場のテーラ展間における
２次及び４次の各誤差項が零となり６次補償コイルとな
る。

ｃｏｓθ　＝　７　’　／Ｒｏ＝　０．７６５０６ｃｏ
ｓ　θ　−ｚ　　／Ｒｏ＝　　０．２８５２３△”ｒ２
／ＡＴ１＝　　１．４６６０ ａ１／ａ２＝　　０．６７１８８ ｂ１／ｂ２＝　　１．０１５２３ 但し、各コイルの電流密度が同じ。

（３）有限な寸法の矩形断面のコイルの組合せたダブル
へルムホルツコイルの場合には、第１表に示ずように各
寸法を選定すると８次補償コイルとなる。

第１表 但し、Ｎａ昌Ｎｂｌ、　Ｎａ２及びＮ１１ｚは、ａ７．
　ｂ７゜ａ２及び１）２の最適寸法に対する相対的巻数
を表わす。

第１表のように構成された８次補償コイル系における磁
場Ｂ７は、（１）式となる。

Ｂｚ（７，０）＝Ｂｏ（１＋ｒ８（７／Ｒｏ）　　十−
）　　（１）但し、ｒ８・・・第１表に記載 上記の各構成において、各コイルが所定の均一度をもっ
た磁場を形成する点について第１０図及び第１１図を参
照して以下説明する。

第１０図に示す１つの円環電流によるＺ＠Ｌの磁場Ｈ（
ｚ）の７方向成分は、ビオ・リバールの法則によって次
のようになる。

ｄｔｌ（２）＝ｄＨｓｉｎ　ａ　＝Ｉ／４πｒ　　−１
ｔ／ｒ　−ｄｓ、’、ＩＩ（Ｚ）＝　　ｆ　ｄ剰　利Ｒ
２／２（Ｒ２＋７２　）　３／２　　　　　　　（２）
但し、Ｒ・・・Ｉｌｌ環の半径 Ｓ・・・円環に沿った長さ Ｈ・・・！ａｉｌ！のベクトル表現 α・・・Ｚ軸上の任意の点でのｄｓと２軸との開き角 ｒ・・・ｌ軸上の任意の点からｄｓまでの距離 Ｉ・・・電流 又、第１１図に示す２つの円環電流を２ｄ隔てて平行に
設置したときの名コイルによる磁界１−１１及びＨ２は
（３）式及び（４）式となる（但し、２つのコイルの中
心をｚ＝０としている）。

Ｈ１（ｚ）＝ｌ−ｉ　（ｚ−ｄ）　　　　　　　（３）
ト１２（Ｚ）・ト（（ｚ＋ａ）　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　（４）（３）式及
び（４）式を２＝０でテーラ展開し、Ｈ（ｚ）を用いて
表わすと、夫々（５）式と（６）式に４Ｔる。

つｌ　　　２　　つＺ２ つ２　　　２　　９Ｚ２ □（５） ９１＋２（０）　　　　　１　　３　Ｈ（０）１１２（
１）　”　＋１２（０）　＋−−−−−−−−一・１（
＝−−−−−−−−＝−−−−・１２＋・・・７２ａ２
２ ９＋１（ｄ）　　　　１　　ａ２１１（ｄ）＝　ＩＩ（
ｄ）　＋　−−−−一一一・ｌ＋−−−−−−・１２　
＋、、。

ｅ１２；ａ１２ 一−−−−（６） ２つの円環電流による磁場は、ｌ−４１＋　ｔ−１２で
あるから（５）式及び（６）式から（７）式が導かれる
。

９２１１（ｄ）　　　　　　　２ ＋１．（２）　＋　ＩＩ□（Ｚ）＝２ｔｌ（ｄ）＋−−
−−ｍ＝・１２　　◆−−−−−−−−−−ａ　１２４
　ｊ ２１１２４ｎ！　　９ｚ’ 一一−−−（７） 但し、［）・・・偶数 （７）式から明らかなように、７の奇数べさ項が消える
。叩ら、Ｚ＝Ｑで対称に］−イルを配置し、Ｚ−０でテ
ーラ展開づると７の偶数項のみが現われる。

（７）式におりる各係数（２次の係数Ｋ　、４次の係数
Ｋ　、６次の係数に６とする）を２式から具体的に針線
すると（８）式、（９）式及び（１０）式となる。尚、
各式にＪ３いて、＋７．２の項及び１／ｎ！は省略され
ている。

Ｋ６＝３１５／Ｒ＼（，６４Ｘ　−２１１０Ｘ　＋１２
０Ｘ　−５）×（１→Ｘ２）２（１０） 但し、ｘ　＝　ｚ／Ｒ 上記は、線電流の場合について説明したものであるが、
有限な断面積をもつ４個のコイルの場合も、２個のコイ
ルの場合と同様に考２ることかできる。即ち、有限な断
面積をもつ４個の−」イルのＺ軸のｚ＝Ｑでの磁場ｈ　
（ｚ）のテーラ展間は（１１）式に示ずように７の偶数
次の項のみを右づるものとなる。各係数は、断面内の線
電流が分布していると考えて、断面全体で加え合せる（
積分づ−る）ことにより求められる。

ｈ（ｚ）＝ｋｏ＋に２ｚ２　＋に４ｚ４十ｋｚ６＋・・
・・・・ ６ｔｉｉ＋ 但し、ｋｏ・・・定数 に、に、に６・・・２次、４次及び ６次の各項の係数 （１１）式におイテ、　ｌｚｌ　　＜　１−Ｃ：は、　
１ｚ１＜ｌｚｌ　　　（ｎ＞ｒｎ）となるため、次数の
低い係数はど！ｉ場の均−亀に大きく影響づ゛ることが
分る。

従って、コイル内の空間の磁場が所定の領域で均一とな
っている。

（発明が解決しようとづる問題点） しかし、従来の静磁場発生用コイルにあっ−Ｃは、内側
コイル及び外側＝」イルの６径並びに中心からの各コイ
ルの設置距離を選定して、即ち、３パラメータを操作し
て磁場特性を決定覆るようになっているため、Ｔ−ラ展
開にＪ５ける更に高次の偵の係数を最小にづることがで
きない。従って、」イル内の１ｉｆｔ場の均一度を高め
るにも限界があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的
は、Ｉｉ場の均一度を高め得る静磁場発生用コイルを提
供するにある。

（問題点を解決するための手段） 上記問題点を解決する本発明の静磁場発生用コイルは、
コイルの径、コイルの断面形状及びアンペア・ターンを
所定の構成にした３個のコイルを同一軸上に設置し、コ
イル中心における軸方向磁界のテーラ展開の２次、４次
、６次及び８次の各項を最小にする構成となっている。

（実施例） 以下、本発明について詳細に説明する。

本発明は、前記ダブルへルムホルツ型コイルの磁場特性
について検討する過程でなされたものなので、その検討
結果について先ず説明する。

（１）内側コイルＬ　とＬ２の間隔と磁場の均−領域の
関係。

外側コイルＬ　及びＬ４をそのままにして、内側コイル
Ｌ１と１−２の間隔を近付けてゆくと、均一磁場は第２
図に示すようになるく理論的に求められる）。第２図に
おいて、縦軸は均一領域を、又、横軸は内側ＳコイルＬ
１とＬ２の距離を示し、距離−〇は、内側コ２イルＬ　
とＬ２が接合した状態を示す。第２図の特性の場合、内
側コイル１−１とＬ２を重ね合せた状態にて均一領域が
大幅に拡大することを示ず。

（２）コイルの断面積比（内側コイルの断面積２／外側
コイルの断面積）と磁場の均一領域の関係。

外側コイル［及び１−４の断面形状を一定にし、内側コ
イルＬ　及びＬ２の断面形状を等しく変えでゆくと、均
一領域は第３図に示すようになる（理論的に求められる
）、第３図にａ３いて、縦軸は均一領域、横軸は内側コ
イルの断面積と外側コイルの断面積の比を示す。第３図
の特性から、］コイの断面積比をある値に選定したとき
、均一領域が大幅に拡大することが分る。

これらの検討結果から以下のことが言える。

内側コイルＬ　とＬ２の間隔を零にした状態で（２個の
コイルを突き合せて一体化した構成）、コイル断面形状
を最適値に選定することにより、均一＃ｉＲを大幅に拡
大させることが可能である。

第１図は、上記結論に基づい−Ｃなされた本発明の一実
施例を示す構成図でおる。静磁場発生用コイルは、１個
の内側コイルＬ５と２個の外側コイルＬ　及びＬ　とで
構成される。内側コイルＬ５並びに外側コイル１−　及
びＬ４は、コイルの軸を同一にすると共に（］コイの軸
がＺ軸となっている）、外側コイルし　とＬ４は、Ｘ＠
又はＹ＠（Ｘ憎及びＹ　Ｎｌは内側コイルＬ５の中心に
てＺ軸と直交している）に対して対称に配置されている
。

又、各コイルの形状は次の通りである。

内側コイルの偏平度　ａ　２　／　Ｉ）　２辱　０．１
８外側コイルの偏平度　ａ１／ｂ１特０．５６内側コイ
ルの半径と外側コイルの半径の比Ｒ，！／Ｒｓキ０，９
２ 内側コイルのアンペアターンと外側コイルのアベアター
ンの比　ＡＴｆＪ／ＡＴＳ辱　１，１３次に上記構成の
根拠について第４図及び第５図を参照し説明する。

第４図及び第５図は、第２表に示す構成のコイルａ、ｂ
及びＣによるものであり（特性へ、Ｂ及びＣは、コイル
Ｅｘ、ｂ及びＧ夫々に対応）、第４図は、Ｚ方向におけ
る均一度を、又、第５図は、半径方向（Ｙ方向又はＹ方
向）における均一度を夫々示ず。

第２表 但し、コイルａ、ｂ及びＣの外側コイルの半径Ｒ−４５
，８７：ＩＩである 従って、第４図及び第５図から以下のことが言える。

（１）第４図において、均一領域が最大を示すのは、特
性Ｃである。特性Ｃでは均一度士ｔＯｐｐｍ内の領域が
約２６．１ｃ、に達する。

（２）第５図において、均一領域が最大を示すのは、や
はり特性Ｃである。特性Ｃでは均一度±１０ｐｐｍ内の
領域が約１９．２ｆｆｉに達する。

一方、各静磁場発生用コイルａ、ｂ及びＣの磁場の７−
０のテーラ展間の８次及び１０次の各項の係数は第３表
の通りである。

上記のように、静磁場発生用コイルＣ１即ち、前記本発
明の一実施例による静磁場発生用コイルは、テーラ展開
の２次、４次、６次及び８次の項の各係数を最小にして
コイル内の磁場の均一度を高めている。

第４表は、本発明の他の実施例を示したものである。本
発明者等は、第４表の各コイルｄ、ｅ、ｆ及び９による
静磁場の均一領域特性も、第４図及び第５図における特
性Ｃとほとんど同じであること及びテーラ展開の２次、
４次、６次及び８次の各項の係数が最小であることを確
認している。

第４表 ここでコイルａ及びｂをグループＡ１コイルＣ１ｄ、ｅ
、ｆ及び９をグループＣと称し、第２表及び第４表を参
照して各グループの形状について比較してみると以下の
ことが言える。

（１）偏平度ａ　　／ｂ、はグループＡとＣとでは顕著
な相違がない。

（２）半径比Ｒ１／Ｒ３はグループＡとＣとでは相違し
、前者が０．８８で後者の平均値が略０．９４である。

（３）偏平度ａ２／ｂ２はグループＡとＣとでは相違し
、その境界を略０．２０とみることができる。

（４）アンペアターン比Ａ　Ｔ　ｊ／　Ａ　Ｔ　ｓ　−
ｒはグループＡとＣとでは相違し、その境界を略０．１
０とみることができる。

（５）ａ　　／ｂ　　−ｒはグループＣの方がグループ
Ａより大きい値を示す傾向がある。

以上の考察から静磁場発生用コイルは、ａ　　／ｂ　　
＜０．２　　　　ｒ＞１．０Ｒ，／Ｒ３＝０．９４ の構成のとき、均一度の高い静磁場を発生することがで
きる。

ところで、夫々の静磁場発生用コイルにおいて、同じ広
さの均一磁場領域で同じ磁場強度が得られるならば、コ
イル重量×消費電力が小さジノれば小さいほど良い、即
ち、コストパフォーマンスが良いことが知られている（
詳しくは特願昭５９−８４７６５号、特願昭５９−２０
２４５０号参照）。通常、コイル重量×消費電力はａ　
／ｂ１に対して第６図の特性を示す。図から明らかなよ
うに、０．３＜ａ１／ｂ１＜０．６において静磁場発生
用コイルとしての評価が高いと言える。

上記実施例の各コイルｃ、ｄ、ｅ及びｆのａ１／ｂ１は
ともに上記範囲にあり、ロス＋−パフォーマンスの点に
おいても優れていることになる。

（発明の効果） 以上、説明の通り、本発明の静磁場発生用コイルによれ
ば、コイルの径、コイルの断面形状及びアンペア・ター
ンを所定の構成にした３個のコイルを同一軸上に設置し
、コイル中心に１３Ｇノる軸方向磁界のテーラ展間の２
次、４次、６次及び８次の各項を最小にしているため、
磁場の均一度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示す構成図、第２図は、
ダブルへルムホルツ型コイルにＪ３ける内側コイル同士
の間隔と磁場の均一領域の関係を示す図、第３図は、ダ
ブルへルムホルツ型コイルにおりるコイル断面積比とｖ
Ａ場の均一領域の関係を示ず図、第４図及び第５図は、
本発明の一実施例による静磁場発生用コイルの特性を示
す図、第６図は、静磁場発生用コイルにＪ３けるコイル
重づ×消費電力の特性を示す図、第７図は、球状コイル
による磁場の説明図、第８図及び第９図は、従来例（ダ
ブルへルムホルツ型コイル）を示１１１！成図、第１０
図及び第１１図は、円環電流による磁場の説明図である
。 Ｌ、Ｌ、Ｌ　　・・・内側コイル、Ｌ　　、Ｌ　　・・
・外側コイル。 第２図 第３図 第４図 ２方向のｍ−４＠ｙ或（ｃｍｌ−＋ 第５図 生得方向の均一４ｅ域七ｍ）→ 第７図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）核磁気共鳴現象を用いて被検体中に存在する特定
   の原子核のスピン密度及び緩和時定数の反映された画像
   を得るＮＭＲイメージング装置に使用する静磁場発生用
   コイルにおいて、 内側コイルを間にして２個の外側コイルを同一軸上に設
   置すると共に、該各コイルの断面形状、アンペア・ター
   ン及びコイル断面中心の径を前記コイルの中心における
   軸方向磁界のテーラ展開の２次、４次、６次及び８次を
   最小にするように構成したことを特徴とする静磁場発生
   用コイル。
2. （２）前記内側コイルの偏平度ａ＿２／ｂ＿２、前記外
   側コイルのアンペア・ターンＡＴ＿ｓに対する前記内側
   コイルのアンペア・ターンＡＴ＿ｌの比ｒ及び前記外側
   コイルのコイル断面中心の半径Ｒ＿ｓに対する前記内側
   コイルのコイル断面中心の半径Ｒ＿ｌの比Ｒ＿ｌ／Ｒ＿
   ｓを下記のように構成したことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項の静磁場発生用コイル。 ａ＿２／ｂ＿２＜０．２　ｒ＞１．０ Ｒ＿ｌ／Ｒ＿ｓ≒０．９４