勾配コイル（７）

さて，前々号に書いたように，Maxwell pairや平行４線コイルは，座標原点付近における磁場の直線性に従って設計されたものでした．

ところが，この設計法には，以下に示す，いくつかの問題点があります．

（１）中心から離れるに従って磁場の直線性が悪くなり，勾配磁場が均一な領域が狭い．

（２）Maxwell pairや平行４線条件に従ったコイルを巻くことは，事実上困難で，電流分布には，空間的な広がり（厚みや幅）が生じてしまう．

（３）目標とする仕様を満たす勾配磁場コイルの設計が困難．特に，アクティブシールド型勾配コイルの設計は不可能．

これらの問題を解決するため，１９８０年代の半ば頃に，ターゲットフィールド法という，目標とする磁場分布から，それを発生する電流分布を求める逆問題的手法が開発されました．

上に示すのは，その方法に従って，Ｈ君が設計し，Ｏさんが製作した平面型Ｇｘコイルです．

勾配コイル（６）

上に示すのは，平行４線コイルです．これは，直線状の導線を，それらに垂直な断面で切ったものです．

内側の４本の導線（内側が黒丸となった白丸）が，ｚ軸に垂直な方向（ｘまたはｙ）に変化する勾配磁場を発生し，外側の４本の導線は，符号が逆（ただし，大きさは小さい）の勾配コイルを発生します．

これらの原理にしたがって巻いたのが，勾配コイル（２）で示したコイルです．

勾配コイル（５）

しばらく時間が空きましたが，また勾配コイルの話をします．

これまでに紹介した勾配コイルは，Maxwell pairと平行４線コイルが基礎となっていました．

これらの勾配コイルでは，勾配コイルによって発生する磁場を，座標原点に関して，座標（ｘ，ｙ，ｚ）でテイラー級数展開したときに，三次の項がゼロとなる条件で，コイルの幾何学的配置が決定されていました．

いきなり，難しい話になって恐縮ですが，勾配コイルの発生する磁場は，勾配コイルによる電流分布が，座標原点に関して反対称な場合，テイラー展開したときには，奇数次の項しかありませんので，三次の項が消えれば，一次の項だけで，磁場を表現することができます．これが，勾配磁場発生の原理になっています．

上に示すのは，円形電流に関して，上の原理にしたがって設計された，Maxwell Pairコイルです．

ＮＭＲ６０年（続）

前回の画像の説明をするのを忘れていました．

あの画像は，１９８２年８月５日，東芝入社２年目に，自作のボディコイル（楕円形）で撮像した体部サジタル像です．

これは，東芝の最初のＭＲＩ（ＮＭＲ－ＣＴ：国産第一号機）のパンフレットにも掲載され，その年のＲＳＮＡ（北米放射線学会）の企業ブースでも展示された，歴史的画像です．

被験者は，もちろん，私です．撮像法は，フーリエ法でなく，プロジェクション法です．これも，今や歴史的なことになりました．

ＮＭＲ生誕６０年（還暦？）

そういえば，先日，ＮＭＲ（核磁気共鳴：Nuclear Magnetic Resonance）が発見されてから，ちょうど６０年経ったという知らせが来ました．

ＮＭＲの発見は，１９４６年１月２９日だったということでした（後で確認してみます）．

さて，ここからが本題．

私がＭＲＩを始めたのは，１９８１年ですが，その頃は，ＭＲＩという言葉はもちろんなく，ＮＭＲ－ＣＴなどと呼ばれていました．医用機器業界では，ＮＭＲという言葉自体が珍しかったので，ＮＭＲに，色々な「だじゃれ（当て意？）」（英語ではacronymの逆）が作られました．

Nuclear Magnetic Resonance　（核磁気共鳴：正解）

New Modality in Radiology　（放射線医学における新しい診断手法）

New Money Resource　（新規事業：会社にとって）

No Money Research　（お金のない研究：予算くれ！）

No More Research　（ＮＭＲ以外は（？）もうやることはないよ！）

New Mexico Resonance　（これを知っている人は，かなりの通）

当時，他にも，だじゃれが色々と作られましたが，みなさんにとってのＮＭＲは，何でしょうか？

中華まんの画像（続）

中華まんの３Ｄ画像の処理を工夫してみました．

２方向からのＭＩＰ（最大値投影です）．

最大値投影というのは，視線方向に最大値を投影する方法で，ＭＲＩでは，ＭＲアンジオグラフィー（血管造影法）で使用されています．

具の三次元的位置が，手にとるように分かります．

勾配コイル（４）

上に示すのは，前回示した，コイルエレメントを組み合わせて作成した，勾配コイルプローブです．

コイルの厚さは，Ｇｘ，Ｇｙ，Ｇｚの３チャンネル合わせても，２－３ｍｍ程度になっています．

ギャップが６０ｍｍくらいの永久磁石向けに，数年前に開発したものです．ＲＦコイルは，交換可能となっています．

勾配コイル（３）

これまでにもお話しましたように，コンパクトＭＲＩでは，永久磁石を使いますが，永久磁石で磁場が発生するギャップ（空隙）は，大変貴重なものです．

「貴重」，というのは，同じ静磁場強度で，ギャップを広げるには，より多くの磁性材料を必要とします（磁性材料は高価！！）．よって，決められた静磁場空間を効率的に利用するためには，勾配コイルが占める体積を小さくしなければなりません．

よって，１月３０日のブログで示したような，Maxwell pairと平行４線コイルに忠実に従った勾配コイルを巻くのは，あまり得策ではありません．どうしても，ぶ厚くなってしまいます．

また，後でお話しますが，このような巻き方が，ベストだという保証はどこにもありません．

ということで，狭いギャップを有効に活かす，薄型の勾配コイルを作ってみました．上に示すのは，勾配コイルを構成する，コイルエレメントです．厚さは０．５ｍｍです．これらを組み合わせて，勾配コイルを作成します．

あんまんＭＲ画像

上に示すのは，３Ｄ画像から作成した，あんまんのＭＩＰ（最大値投影）像です．

撮像条件は，中華まんと同様です．

あんこが，ハイコントラストに描出されていますが，短いＴ１のためか，プロトン密度のためかは，いまのところ不明です．両方の影響があると思います．「こしあん」と，「つぶあん」の区別がつくかどうか，近日中に試してみようと思います．

中華まんのＭＲ画像

ここでしばらく，休憩．

外部より，中華まんの撮像の依頼があり，今朝，柏の葉キャンパス駅のａｍｐｍで，中華まん，あんまん，ピザまんを買い，撮像を行いました．

上に示すのは，３Ｄ画像から作成した中華まんのＭＩＰ（最大値投影）像です．

撮像条件は，３Ｄ勾配エコー法，ＴＲ＝２００ｍｓ，ＴＥ＝１０ｍｓ，１２８×１２８×１２８画素，画素サイズ１ｍｍ×１ｍｍ×１ｍｍです．

具が見えています．

勾配コイル（２）

勾配コイルは，ＭＲＩの歴史の中で，最も本質的な進歩のあったハードウェアと言ってもいいかも知れません．

現在では，「技術の粋を凝らした」勾配コイルが使われていますが，一番シンプルな勾配コイルは，ｚ方向に関しては，Maxwell pair（マクスウェル・ペア），ｘとｙ方向に関しては，平行４線コイルというものです．

上に示すのは，その原則に忠実に巻いた勾配コイルです．

勾配コイル（１）

さて，ＭＲＩでは，試料（人体）内の位置を識別するために，勾配磁場を使います．

勾配磁場というのは，静磁場方向の磁場が，位置（ｘ，ｙ，ｚ）と共に変化するものです．ＭＲＩでは，その中でも，位置の変化に対して比例して磁場強度が変化する，線形勾配磁場を使います．

ＭＲＩでは，わざわざ「線形」勾配磁場とは言いませんが，勾配磁場と言えば，線形勾配磁場のことです．

勾配磁場（gradient field）は，傾斜磁場とも言われますが，勾配磁場の反転によるエコー信号は，勾配エコー（gradient echo）といわれ，決して傾斜エコーとは言われません．ですから，傾斜磁場という言葉は，あまり感心しません．

なお，特許庁の特許用語には，勾配エコーという言葉は，きちんと定義されていますが（傾斜エコーという言葉は存在しない），国内では，グラジエントエコーという，奇妙な外来語が使われています．

ＭＲＩにおける永久磁石と超伝導磁石の比較

これまで，ＭＲＩにおける永久磁石と超伝導磁石の話をしてきました．

これを読まれた方は，いったい，どちらが良いのだろうと，疑問に思われたかも知れません．

そこで，それらの比較を表にしてみました．

これから，静磁場強度（画像のＳＮＲに直結します）と時間的安定性（空間分解能に影響を与えます）に関しては，超伝導磁石が優れていることが分かります．

いっぽう，それ以外の項目，すなわち，開放性，移動可能性，サイズ，維持コストにおいては，永久磁石が優れています．

ですから，多種多様な用途のＭＲＩ（コンパクトＭＲＩ）を考えた場合には，永久磁石の方が，遙かに優れていると言えると，私は考えています．

常伝導磁石！

初期の全身用ＭＲＩには，かつては超伝導線を使わない電磁石がかなり使われました．これらは「常伝導電磁石」，あるいは，resistive electromagnetと呼ばれています． 日本で最初に臨床検査が行われた東芝のＭＲＩも，常伝導電磁石でした（上記参照：国産第一号機，東芝のパンフレットより）．

「常伝導」電磁石という言葉は，超伝導という言葉に対して使われる言葉なので，ある意味，非常に不思議な言葉です．

常伝導電磁石では，銅線に大きな電流を流しますので，電気代がかかるばかりでなく，銅線の発熱を冷却する必要があります．

また，あまり強い磁場強度が実現できないこと（全身用で０．２Ｔ程度），短期的（ハム），長期的な電流の変動による磁場のドリフトが大きいことから，現在では，まず，ＭＲＩでは使われていないと思います．

でも，Lauterburの最初の実験，Mansfieldの実験，Ernstの実験など，ＭＲＩの歴史的実験においては，鉄芯（常伝導）電磁石が使われていましたし，国内の初期のＭＲＩも，ほとんどは常伝導電磁石が使われていましたので，忘れてはならない磁石です．

私も，ＭＲＩ用の永久磁石を導入する１９９９年までは，さまざまな実験に使っていました．

超伝導磁石（２）

ここに示すのは，さきほどの磁石の２倍の静磁場強度を持つ超伝導磁石です．静磁場強度は９．４テスラ，プロトンの共鳴が４００ＭＨｚです．

昨年，私の研究室に導入しました．ヒト胚子標本の撮像などに使っています．