CN100573182C - 磁铁装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁铁装置，它能有效地抑制进入由相面对地配置的一对主线圈形成的静磁场的摄像空间的外部磁场。本发明的磁铁装置，具备相面对地配置并形成静磁场空间(3)的一对主线圈(9)、(10)和与主线圈同轴地配置的外部磁场屏蔽线圈，该外部磁场屏蔽线圈具有线圈耦合系数较小的第一线圈组(11)和线圈耦合系数比第一线圈组更大的第二线圈组(12)，并串连连接上述第一线圈组和上述第二线圈组。

Description

磁铁装置

技术领域

本发明涉及磁铁装置，例如，涉及在相对配置的一对主线圈之间形成静磁场空间的磁共振成像装置用的磁铁装置。

背景技术

磁共振成像装置(Magnetic Resonance Imaging)，利用将高频脉冲照射到置于静磁场空间里的被检体(检查体)上时所产生的核磁共振现象，能够得到表示被检体的物理、化学性质的图像，尤其应用于医疗方面。磁共振成像装置(以下简称MRI)，一般由以下部件构成：作为用于将静磁场加在送入被检体的摄像区域内的磁场发生源的磁铁装置，对摄像区域照射高频脉冲的RF线圈，接收来自摄像区域的信号的接收线圈，用于对摄像区域内提供共振现象的位置信息的梯度磁场的倾斜磁场线圈。

为了提高MRI装置的图像质量，要求提高摄像空间的静磁场的均匀度。例如，在MRI装置的磁铁装置中，若在摄像区域内进入由其它磁场发生源产生的外部磁场，则有损静磁场均匀度，因此，有必要抑制外部磁场的进入。

为了抑制这种外部磁场的进入，对于圆筒状的磁铁上产生水平方向磁场的方式的磁铁装置，研究了各种各样的解决方法。例如，在专利文献1-欧洲特许0299325B1号公报中记载有将产生与静磁场同方向的磁场的线圈和产生与静磁场相反方向的磁场的线圈之间用桥接线短路，以抑制外部磁场的方法。还有，在专利文献2-日本特许第3447090号公报中记载有将桥接线从线圈组线的中间部位引出并进行短路，以使外部磁场抑制性能最优化的方法。但，从线圈系统，尤其是从绕组的中间部位引出桥接线的结构在磁铁制造上是不容易做到的。

另一方面，在专利文献3-美国专利第4931735号公报和专利文献4-日本特开2001-196219号公报中记载有通过内置与作为静磁场发生源的主线圈不同的其它屏蔽线圈来抑制外部磁场的方法。专利文献3中记载有将螺旋管状的屏蔽线圈置于磁铁装置内的方法，专利文献4中记载有将圆筒状的屏蔽线圈与主线圈同心状地配置，并使各自的恒定电流开关控制用电源共用的结构。这些方法存在的问题是，磁铁装置的轴长度具有加长的倾向。于是，在专利文献5-美国专利第5329266号公报上记载有在主线圈附近配置匝数少的屏蔽线圈，并全部串连连接，使其产生相同方向的磁场的方法，在专利文献6-日本特许第3043494号公报上记载有内置多个不同直径的屏蔽线圈的方法。

可是，内置上述屏蔽线圈的方法，虽然对产生水平方向的磁场的圆筒状的磁铁装置都是有效的，但存在的问题是，对于磁场发生源相对的并在其间形成静磁场的摄像空间的所谓敞开式MRI装置的磁铁装置，得不到充分的屏蔽效果。

还有，对于敞开式MRI装置的磁铁装置，由于摄像空间和屏蔽线圈之间的距离不得不拉开，因此，存在摄像空间的对外部磁场的抑制能力降低的问题。还有，为了加强外部磁场屏蔽线圈所发生的磁场，通过单纯地只增加外部磁场屏蔽线圈的匝数，由于线圈的电感增加，由外部磁场引起的感应电流减小，因此，提高不了外部磁场的抑制能力。

发明内容

本发明的任务就是有效地抑制进入由互相面对地配置的一对主线圈形成的静磁场的摄像空间的外部磁场。

为了解决上述课题，本发明的磁铁装置，其特征是，具备相面对地配置的形成静磁场空间的一对主线圈和与上述主线圈同轴地配置的外部磁场屏蔽线圈，该外部磁场屏蔽线圈具有线圈耦合系数较小的第一线圈组和线圈耦合系数比第一线圈组更大的第二线圈组，并串连连接上述第一线圈组和上述第二线圈组。

也就是说，由于耦合系数小的第一线圈组电感小，因此，由外部磁场引起的感应电流较大。这里，感应电流的方向是产生抑制外部磁场的磁场的方向。若将该感应电流通入耦合系数较大的第二线圈组时，则产生抑制外部磁场的强磁场。由此，能够有效地抑制进入静磁场的摄像空间的外部磁场。还有，由于能够减小第一线圈组的电感，因此，能够在发挥第二线圈组的外部磁场抑制效果的同时，整体上能够减小外部磁场屏蔽线圈的电感。

在这种情况下，优选将第二线圈组配置在比第一线圈组更靠近静磁场空间的位置上。由于外部磁场屏蔽线圈所发生的抑制外部磁场的磁场强度与距离成反比，因此，通过将线圈的耦合系数较大且产生更强的磁场的第二线圈组配置在靠近静磁场的位置上，能够进一步有效地抑制进入静磁场空间的外部磁场。

这里，更优选的是，外部磁场屏蔽线圈为超导线圈。由此，当一旦产生的外部磁场依旧持续产生时，由于一时产生的感应电流不衰减地持续流过，因此，外部磁场屏蔽线圈所产生的磁场也能不衰减地、持续有效地抑制进入静磁场的摄像空间的外部磁场。

还有，本发明的磁铁装置，即使做成具备相面对地配置以形成静磁场空间的一对主线圈，容纳上述主线圈的圆环状的线圈容器以及在该线圈容器的容器壁的内侧及外侧的至少一方与上述主线圈同轴地配置的外部磁场屏蔽线圈，该外部磁场屏蔽线圈具有隔着间隔卷绕多个单匝线圈而成的第一线圈组和比第一线圈组的间隔更密地卷绕多个单匝线圈而成的第二线圈组，并串连连接上述第一线圈组和上述第二线圈组的结构，也能与上所述同样地有效地抑制进入静磁场空间的外部磁场。

此时，第一线圈组可以做成沿线圈容器的容器壁的内侧及外侧的至少一方卷绕的结构。若线圈容器的温度充分低，即使沿线圈容器外壁配置，也可维持第一线圈组的超导状态。

根据本发明，能够有效地抑制进入由相面对地配置的一对主线圈形成的静磁场的摄像空间的外部磁场。

附图说明

图1是作为本发明的一个实施例的磁铁装置的立体图。

图2是图1所示的磁铁装置的纵剖视图。

图3是本发明的实施例1的磁铁装置的上侧磁场发生源的纵剖面的放大图。

图4是外部磁场屏蔽线圈的简图。

图5是本发明的实施例2的磁铁装置的上侧磁场发生源的纵剖面的放大图。

图6是本发明的实施例3的磁铁装置的上侧磁场发生源的纵剖面的放大图。

图7是用公式11描画的曲线图。

图8是用公式11描画的曲线图。

其中：

1、2-磁场发生源、3-静磁场空间、 4、5-连结柱、    6-辐射护罩、

7-线圈容器、     8-线圈架、     9-主磁场发生线圈、

10-屏蔽线圈、    11-第一线圈组、12-第二线圈组

具体实施方式

下面，参照附图对应用了本发明的磁铁装置的实施例进行说明。

实施例1

图1是作为本发明的实施例1的磁共振成像装置的磁铁装置的立体图，图2是图1所示的磁铁装置的纵剖视图。

图1所示的磁铁装置，其包含一对主线圈构成的磁场发生源1、2通过连结柱4、5相面对地配置。磁场发生源1、2及连结柱5做成装于真空容器内的结构，在真空容器内装有辐射护罩6，在辐射护罩6内装有线圈容器7。在线圈容器7内，与液体氦等冷媒一起装有主线圈和外部磁场屏蔽线圈。

主线圈由主磁场发生线圈9和为了防止磁通向外部泄漏而产生与主磁场相反方向的磁场的屏蔽线圈10形成，且通过互相面对地配置一对主线圈形成静磁场空间3。

根据图3说明外部磁场屏蔽线圈的实施例。图3是上侧磁场发生源1的纵剖视图的放大图。

外部磁场屏蔽线圈的第一线圈组11，将多个单匝线圈隔着间隔沿线圈容器7的内壁卷绕；第二线圈组12，将2个单匝线圈以比第一线圈组的间隔更密的间隔、沿与第一线圈组11相同的方向卷绕在最靠近静磁场空间的线圈架8的靠近静磁场空间的内侧角部上，且串连连接第一线圈组11和第二线圈组12。第一线圈组11的圈数，考虑线圈容器的大小和其它设计条件决定。

这里，为解决本发明的任务的基本概念如图4所示，通过由第一线圈组11加大外部磁场所引起的感应电流，并将其电流通入位于更靠近静磁场空间的位置上的线圈的耦合系数较大的第二线圈组12中，从而使之产生抑制外部磁场的强磁场。下面详细叙述其概念。

将空间内配置单匝线圈时的自感设为L，将与L交链的外部磁场的磁通设为

这里，为了简化说明，在下面的说明中假定全部单匝线圈的自感均相同。

由外部磁场在自感为L的线圈中产生的感应电流I，可表示如下。

(公式1)

若自感为L的单匝线圈，其线圈耦合系数为0且有Na个，并分别将它们串连连接形成弱耦合线圈系统a(第一线圈组11)时，则弱耦合线圈系统a的自感La和交链磁通Φa可表示如下。

(公式2)

La＝Na×L

(公式3)

若自感为L的单匝线圈，其线圈耦合系数为1且有Nb个，并分别将它们串连连接形成强耦合线圈系统b(第二线圈组12)时，则强耦合线圈系统b的自感Lb和交链磁通Φb可表示如下。

(公式4)

Lb＝Nb×Nb×L

(公式5)

弱耦合线圈系统a和强耦合线圈系统b互相较松地串连连接的整个线圈系统c的自感Lc和交链磁通Φc可表示如下。

(公式6)

Lc＝La+Lb＝(Na+Nb×Nb)×L

(公式7)

通过上述关系，由外部磁场在整个线圈系统c上产生的感应电流Ic，可由下式求得。

(公式8)

这里，本发明的特征之一在于，更加大在整个线圈系统c上产生的感应电流Ic，为此需要尽量减小整个线圈系统c的自感Lc，且尽量加大交链磁通Φc。根据公式6可知，为了减小自感Lc，需要减小Na及Nb，尤其需要减小Nb；根据公式7可知，为了加大交链磁通，需要加大Na及Nb。

本发明的另一特征在于，使在整个线圈系统c上产生的感应电流Ic通入在更靠近静磁场空间的位置的强耦合线圈系统b中。换句话说，将强耦合线圈系统b配置在更靠近静磁场空间的位置上，而将弱耦合线圈系统a配置在其它区域上。这根据的原理是，由外部磁场在线圈上产生感应电流，线圈因该感应电流所产生的磁场强度，与线圈圈数成正比，与距离成反比。

若将弱耦合线圈系统a相对强耦合线圈系统b的在静磁场空间所产生的磁场强度之比设为α(＜1.0)，则由于整个线圈系统c在静磁场空间所产生的磁场强度Be与线圈圈数成正比，因此，可表示如下。

(公式9)

若将强耦合线圈系统b的圈数Nb和弱耦合线圈系统a的圈数Na之比设为x，则x可表示如下。

(公式10)

x＝Nb/Na

从公式9及公式10，可得下式。

(公式11)

公式11是具有最大值的函数，若求得给出最大值的x，就能定出弱耦合线圈系统a的圈数Na和强耦合线圈系统b的圈数Nb之间的最佳比。

图7表示，设Na为100，并使α在0.3～0.7范围内变化时的用公式11描画的曲线图，图8表示，设Na为100，并同样地使α在0.3～0.7范围内变化时的用公式11描画的曲线图。该曲线图的X轴为强耦合线圈系统b的圈数Nb，Y轴为整个线圈系统c在静磁场空间所产生的磁场强度Be，是本发明的性能指标。

从这两个曲线图可知，与弱耦合线圈系统a的圈数Na无关，当α为0.5以上时，作为强耦合线圈系统b的圈数Nb，线圈圈数以选择1匝或2匝为宜，当α不足0.5时，线圈匝数以2匝或3匝为宜。还有，若匝数至多不在10匝以内，则与Nb＝0时相比，也意味着不能得到同等以上的性能。

为了简化上述说明，虽然将弱耦合线圈系统a的线圈的耦合系数设为0，将强耦合线圈系统b的线圈的耦合系数设为1，但线圈的耦合系数实际上取0到1之间的值。弱耦合与强耦合的边界随定义而不同，还有，虽然无论怎样定义也无妨，但作为一个例子，也可以将中间值0.5作为边界，即使不界定边界，保持如弱耦合线圈系统a的线圈耦合系数比强耦合线圈系统b的线圈耦合系数小的相对关系，也不失上述说明的合理性。

根据上述说明，能够实现本实施例的外部磁场屏蔽线圈。

根据本实施例，当由外部磁场引起的感应电流增大，并使该感应电流通入比第一线圈组11更靠近静磁场空间设置的线圈的耦合系数大的第二线圈组12中时，由于可以产生抑制外部磁场的强磁场，因此，能够有效地抑制进入由相面对地配置的一对主线圈形成的静磁场的摄像空间的外部磁场。

还有，由于第一线圈组11和第二线圈组12一起卷绕在线圈容器7的容器壁的内侧，因此，外部磁场屏蔽线圈由液体氦等冷媒冷却而成为超导线圈。因此，当一旦产生的外部磁场依旧持续产生时，则由于一时产生的感应电流不衰减地持续流过，致使外部磁场屏蔽线圈所产生的磁场也不衰减，能够持续有效地抑制进入静磁场的摄像空间的外部磁场。

实施例2

下面，根据图5对应用了本发明的磁铁装置的实施例2进行说明。图5是上侧磁场发生源的纵剖面的放大图。至于立体图，因与实施例1相同而省略。

在本实施例中，外部磁场屏蔽线圈的第一线圈组11，将多个单匝线圈隔着间隔卷绕在线圈容器7的容器壁内部的空间整个区域；第二线圈组12，将3个单匝线圈比第一线圈组的间隔更密地沿与第一线圈组11相同的方向卷绕在最靠近静磁场空间的线圈架8的靠近静磁场空间的内侧角部上，且串连连接第一线圈组11和第二线圈组12。

如上所述，第一线圈组11不仅沿线圈容器7的内壁卷绕，也可以卷绕在容器内的整个区域，作为第二线圈组12即使采用3匝线圈，也能有效地抑制进入静磁场的摄像空间的外部磁场。

实施例3

下面，根据图6对应用了本发明的磁铁装置的实施例3进行说明。图6是上侧磁场发生源的纵剖面的放大图。至于立体图，因与实施例1相同而省略。

在本实施例中，外部磁场屏蔽线圈的第一线圈组11，将多个单匝线圈隔着间隔沿线圈容器7的外壁卷绕；第二线圈组12，将3个单匝线圈比第一线圈组11的间隔更密地沿与第一线圈组11相同的方向卷绕在最靠近线圈容器7的静磁场空间的外侧角部上，且串连连接第一线圈组11和第二线圈组12。由于线圈容器7在其容器壁的内部具有液体氦等冷媒，其外壁的温度达到充分低是可以期待的，因此，不仅沿线圈容器7的容器壁的内侧，即使沿外壁配置外部磁场屏蔽线圈，也可维持外部磁场屏蔽线圈的超导状态。

若为这样的实施例，由于线圈的耦合系数大的第二线圈组12配置成更靠近静磁场空间，因此，可以预期能更有效地抑制进入静磁场的摄像空间的外部磁场。

Claims (9)

1.一种磁铁装置，其特征在于，

具备相面对地配置的形成静磁场空间的一对主线圈和与上述主线圈同轴地配置的外部磁场屏蔽线圈，该外部磁场屏蔽线圈具有线圈耦合系数较小的第一线圈组和线圈耦合系数比第一线圈组更大的第二线圈组，并串连连接上述第一线圈组和上述第二线圈组。

2.根据权利要求1所述的磁铁装置，其特征在于，

上述第二线圈组配置于比上述第一线圈组更靠近上述静磁场空间的位置上。

3.根据权利要求2所述的磁铁装置，其特征在于，

上述第二线圈组在上述主线圈内部，卷绕在最靠近上述静磁场空间的线圈架的靠近上述静磁场空间的内侧角部上。

4.根据权利要求1所述的磁铁装置，其特征在于，

上述第二线圈组由2匝以上10匝以下卷绕而成。

5.根据权利要求1所述的磁铁装置，其特征在于，

上述第一线圈组，其线圈耦合系数小于0.5，上述第二线圈组，其线圈耦合系数为0.5以上。

6.一种磁铁装置，其特征在于，

具备相面对地配置以形成静磁场空间的一对主线圈，容纳上述主线圈的圆环状的线圈容器以及在该线圈容器的容器壁的内侧及外侧的至少一方与上述主线圈同轴地配置的外部磁场屏蔽线圈，该外部磁场屏蔽线圈具有隔着间隔卷绕多个单匝线圈而成的第一线圈组和比第一线圈组的间隔更密地卷绕多个单匝线圈而成的第二线圈组，并串连连接上述第一线圈组和上述第二线圈组。

7.根据权利要求6所述的磁铁装置，其特征在于，

上述第二线圈组配置于比上述第一线圈组更靠近上述静磁场空间的位置。

8.根据权利要求7所述的磁铁装置，其特征在于，

上述第二线圈组在容纳于上述线圈容器里的上述主线圈内部，卷绕在最靠近上述静磁场空间的线圈架的靠近上述静磁场空间的内侧角部上。

9.根据权利要求7所述的磁铁装置，其特征在于，

上述第二线圈组卷绕在最靠近上述线圈容器的上述静磁场空间的外侧角部上。

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