CN102046083B - Mri装置用磁场调整 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁场调整方法以及内置了该方法的装置。把测量到的误差磁场分布分解为通过奇异值分解而得到的固有模式成分，组合与各模式对应的铁片配置，来配置在垫片盘(5)上。根据可达到的磁场精度(均匀度)和铁片配置量的恰当性，选择要修正的固有模式。因为可以在掌握可达到的磁场精度(均匀度)的同时进行调整，所以还可以掌握错误的调整，并且在重复进行调整的过程中自动进行修正。当在本发明的方法或内置了该方法的装置的辅助下进行磁场调整时，在重复作业的过程中可靠地完成磁场调整。结果，可以提供磁场精度高的装置。此外，还具有通过调查可达到的均匀度(17)，可以早期地检测出不良的磁体的特征。

Description

MRI装置用磁场调整

技术领域

本发明涉及超导磁体装置，涉及核磁共振断层成像装置。

背景技术

在使用核磁共振的诊断中，因为磁场强度与诊断部位相对应，所以对于磁场系统产生的磁场强度要求的精度为存在磁场强度的百万分之一左右的变动则成为问题的精度。在MRI装置中的磁场中大致具有三个种类。它们是：

(1)在时间上稳定并且在空间上也恒定的磁场，通常为0.1至数特斯拉以上的强度，在进行成像的空间(通常为直径30-40cm的球体或椭圆体的空间)内为数ppm左右的变动范围。

(2)以1秒左右以下的时间常数变化，在空间上倾斜的磁场。

(3)基于与核磁共振对应的频率(数MHz以上)的高频的电磁波的磁场。

其中，(1)的磁场在时间上恒定，并且在空间上在进行人体的断层成像的区域中对磁场强度要求极高精度的均匀性。所谓高精度，是指例如在直径40cm的成像空间FOV(Field of View)中，如±1.5ppm那样要求百万分之一的级别的精度。像这样要求极高精度的均匀性的磁场分布，需要在制造磁体并且励磁后高精度地调整磁场。一般，由于制造误差导致的误差磁场比均匀磁场所要求的允许误差磁场大1000倍以上。在制造后的安装时要求的磁场调整(匀场)，将误差磁场从数百ppm降低至数ppm，要求极高精度的磁场调整装置及其方法。

作为现有的方法，具有通过使用线性规划法的方法进行的匀场。例如记载在专利文献1和专利文献2中，适用于实际设备的调整的方法。但是，在该使用线性规划法的方法中存在以下问题。

(1)为了进行详细的磁场计算，需要大量的计算时间。

(2)对于这里的铁片或电流的设置或变化，要求与高精度的磁场对应的精度。

(3)在进行了错误的匀场作业时，难以确定错误的部位，恢复需要花费功夫。

并且，通过如图2所示使用球面调和函数来调整磁场分布产生了问题。图2表示现有的磁场调整方法的例子，使用了球面函数(专利文献1)。

球面调和函数，在球面上正交地构成了基底，但是在磁场调整机构上或非球面的磁场评价面上存在相互的干扰，当想要产生精度良好的球面调和函数分布的磁场时，要求细致的磁场调整机构上的调整。例如，均匀的磁场分布是球面调和函数的次数(order)最低的分布，但是实际上如果不是完全围绕磁场调整区域的磁场调整机构，则不可能准确地得到该分布，在现有技术作为对象的MRI中，不存在这样的磁场调整机构。

专利文献1：日本特开2001-87245号公报

专利文献2：日本特开2003-167941号公报

非专利文献1：M.ABE，T.NAKAYAMA，S.OKAMURA，“A new techniqueto optimize coil winding path for the arbitrarily distributed magnetic field andapplication to a helical confinement system”，Phys.Plasmas.Vol.10 No.4(2003)1022.

发明内容

本发明的课题在于，使用磁场调整装置及其方法，考虑上述问题的解决，提供可以在调整作业中确认调整的进展状况以及能够以怎样的程度降低最终的误差磁场的预测，同时切实地完成调整的方法及装置。提供为了尽快完成调整而包含在发生错误操作时也能够容易地自动进行修正的功能的方法、以及包含该方法，显示磁场调整作业的指针的装置。

在对于目标磁场求出曲面或平面等任意面上的电流分布的方法中，具有在论文中记载的使用电流电位(current potential)的方法(非专利文献1)。该计算方法在论文中取名为DUCAS。应用该方法，特别是应用在该方法中使用的电流电位和奇异值分解的思路来进行磁场调整。

在非专利文献1的DUCAS中，作为应该修正的误差磁场而输入的磁场分布，是根据由等离子体约束理论决定的目标磁场和假定的电流电位等计算出的磁场分布的差，即通过数值计算而求出的值，但在本发明中因为以实际装置为对象，所以把目标磁场与测量磁场的差作为误差磁场，处理多个点的测量磁场来掌握误差磁场分布。

此外，在非专利文献1中，求出电流电位T的分布，电流密度矢量

是电流电位

和面的法线的矢量积，通过赋予电流，所以将

的等高线形成为线电流或线圈形状，但是在本发明中设为磁矩分布或铁片密度分布。

根据本发明，可以低成本制造产生高精度的磁场的MRI装置。

附图说明

图1表示作为本发明的一个优选实施例的磁场调整流程图。

图2表示现有方法的匀场流程图。

图3表示本发明的一个优选实施例的磁场修正所需要的电流电位和磁场调整用磁化铁片量的换算的想法。

图4是在本发明的一个优选实施例中使用的计算体系的一般的体系例子的图。

图5表示作为本发明的一个优选实施例的磁场调整中使用的MRI用磁体的磁场调整机构的配置图。

图6表示将本发明用于图5的磁场调整机构的计算模型的图。

图7将本发明的磁场分布的磁谱与通过匀场可达到的均匀度一同表示，(a)表示匀场前的谱图，(b)表示匀场后的谱图。

图8将本发明的向垫片盘(shim tray)配置磁场修正用铁片量的显示例与电流电位等高线一同显示。

图9为了本发明的铁片显示，表示网格内磁矩计算以及铁片量换算的想法。

图10表示将本发明用于磁动势配置设计方法时的流程图。

图11是使用铁片执行了匀场的垫片盘面的示意图。

图12是使用永磁体执行了匀场的垫片盘面的示意图。

图13是关于通过电流环进行的磁矩调整法的示意图。

符号说明

1电流；2磁化电流；3小线圈；4铁片；4P永磁体；4C电流环；5垫片盘；6磁场测量评价区域；7网格；8等高线的峰；9等高线的谷；10直流电源；11接点；12有限元；13电流电位评价面；14磁场测量评价点的集合；15所选择的固有模式；16非选择的固有模式；17可达到的均匀度；18在网格中配置的铁体积；19电流电位等高线；21基于电流电位的电流；22表示固有模式选择的次数上限的线；23在固有模式选择中表示强度下限的线；1B预备计算部分；2B磁场测量部分；3B磁场调整计算部分；11S磁场调整开始步骤；12S磁场测量步骤；13S测量磁场保存步骤；14S磁场数据读出步骤；15S均匀度判断步骤；16S奇异值分解结果读出步骤；17S固有模式选择和目标磁场决定步骤；18S固有模式强度、修正电流电位、铁片量、修正磁场分布以及可达到的均匀度计算步骤；19S磁谱图、可达到的均匀度以及铁片配置量计算步骤；20S可否实施匀场的判断步骤；21S品质良否判断步骤；22S铁片配置作业步骤；31S计算网生成步骤；32S奇异值分解计算步骤；33S奇异值分解结果保存步骤；40S磁场调整结束步骤；41S修理、调整步骤；51S磁动势配置研究开始步骤；52S磁动势配置假定步骤；53S磁场计算步骤；54S磁场计算结果保存步骤；55S是否需要变更垫片盘的判断步骤；56S磁动势配置改善判断步骤

具体实施方式

以下使用附图说明本发明的实施方式。

图3表示电流电位和小线圈的电流环、以及磁化铁片的等价性。

图3(a)表示计算时的有限元12和接点11以及基于电流电位T的电流21，图3(b)表示通过流过小线圈3的电流1产生磁矩，图3(c)表示由于磁化的铁片4导致的磁化电流2而产生的磁矩。如图3(a)那样，当假定电流电位T在某个接点11存在值时，可以解释为在与围绕它的接点之间回旋地流过由大小为T的电流电位引起的电流21。即，与在图3(b)的小线圈3的电流环中流过电流1的状况等价。此外，这与在磁化的铁片4的表面流过j_m(A/m)的磁化电流2的右侧的状况等同。即，在DUCAS中为了表现电流分布而使用的电流电位值T，作为单位具有“A”的维度，这也可以认为在磁矩[Am²]的密度[1/m²]中具有“A”的维度。

另一方面，充分磁化后的铁片4，磁矩与磁化电流包围的面积和磁力线方向的长度的乘积成比例，所以具有与体积成比例的磁矩。即，在调整磁场时，电流电位T是与铁片4的密度[单位面积的重量g/m²或体积cc/cm²]成比例的量。利用该性质，此外不利用现有方法的球面调和函数，而是利用通过在DUCAS中使用的奇异值分解而得到的固有分布函数和奇异值。

由此提供一种装置，该装置利用DUCAS，以磁场产生装置为对象，进行调整磁场的辅助计算，显示为了该调整而配置的铁片或磁矩的配置。操作者按照显示来进行调整，由此可以调整为目标磁场分布。

本发明可以将任意磁场分布作为目标磁场，但以下主要讨论目标磁场为一样均匀的磁场的情况。但是，目标磁场是否具有分布，不对以下的讨论产生影响。只是为了能够容易地理解说明。

误差磁场

是位置的函数，但在本发明中考虑为固有分布函数的组合。即，通过式(1)来表示。

$B_{\mathrm{err}}\left(\stackrel{\→}{r}\right)=\mathrm{\Σ}{C}_m{\mathrm{\ψ}}_m\left(\stackrel{\→}{r}\right)---\left(1\right)$

在现有方法中使用了勒让德多项式或球面调和函数。在本发明中使用基于奇异值分解的分布函数。具体地说明要相加的函数ψ_m及其系数C_m的决定方法。

本发明的说明，作为一般的体系而考虑图4的体系。图4表示本实施例的计算体系。由电流电位评价面13和磁场测量评价点的集合14构成。一般，电流电位评价面13可以有多个面，但在此作为各一个面来进行说明。此外，磁场评价点未必构成面，但是在此表示为面上的点。

在测量点j存在三维的磁场成分B_xj、B_yj、B_zj，一点的测量通过测量位置以及在该位置定义的单位矢量p来表示测量磁场成分。作为空间的点即使是1点，在本发明中有时也称为三个数据。

此外，在像MRI装置那样想要得到均匀磁场时，仅使磁场的轴向的主成分恒定。这是因为在MRI中磁场强度恒定是重要的，但是主成分以外的磁场非常弱，所以主成分的磁场大体等于磁场强度。

在测量值与目标磁场的差、即误差磁场中，测量数据有多个，全体成为列矢量，表示为

误差磁场B_e是测量磁场B_m与调整为均匀磁场时进行调整的磁场强度B_tg的差。

与测量点j对应的误差磁场是成分为B_ej的矢量

如式(2)那样表示。

B_ej＝B_tg-B_mj    (2)

应用奇异值分解的一般的体系如图4所示。具有磁场评价点的区域，在此位置测量磁场。在CCS面上配置磁场调整用的铁片。在MRI中将该面称为垫片盘面。

说明该面上的铁片密度与误差磁场修正的关系。用三角元素划分面，对其接点分配电流电位。这与在非专利文献1中记载的一样。在元素中具有磁场评价点的测量数据的磁场矢量、与在元素中具有CCS面上的电流电位的电流电位矢量之间的关系如式(3)那样。

$\stackrel{\→}{B}=\stackrel{\↔}{A}\·\stackrel{\→}{T}---\left(3\right)$

该式(3)是根据在元素中具有电流面上的接点的电流电位值的矢量

表示磁场评价点的磁场的响应的式子，矩阵

为m(磁场测量点数量)行n(接点数量)列。

对该矩阵A添加接点的约束条件，根据独立的接点的电流电位，对作为向磁场评价点的响应矩阵A’的矩阵进行奇异值分解，得到磁场分布和电流电位的固有分布函数的组。即，是作为磁场分布的基底的固有分布

和作为电流电位的基底的固有分布

在

和

中存在式(4)的关系。

${\mathrm{\λ}}_j{\stackrel{\→}{u}}_j=\stackrel{\↔}{A}\·{\stackrel{\→}{v}}_j---\left(4\right)$

在此，λ_j是奇异值。此外，指数j是按照奇异值的大小的顺序对固有分布附加了序号的顺序数值。对于一个序号，表示电流电位分布与磁场分布的基底矢量分别对应一个。把该与一个序号相关联的两个基底矢量和一个奇异值综合在一起，称为一个固有模式。此外，顺序的序号j是固有模式的次数。

每单位电流电位分布v_j的磁场强度为λ_ju_j，因此可以理解，奇异值大的低次的固有模式可以产生大的磁场。另一方面，在奇异值小的固有模式下，即使改变电流电位，磁场的分布也很小。该性质将在后面进行说明，这对本磁场调整方法起到重要的作用。作为式(1)的分布函数，使用通过奇异值分解而得到的固有矢量的分布。

在本发明中，说明与第j次数的固有模式对应的误差磁场的修正法或调整法(通过匀场来减小误差磁场)。可以根据误差磁场分布求出应该进行基底电流电位分布

的几倍修正的系数D_j。根据式(5)以及式(6)求出其大小。

$C_j={\stackrel{\→}{B}}_e\·{\stackrel{\→}{u}}_j---\left(5\right)$

D_j＝-C_j/λ_j                (6)

即，通过赋予电流电位分布

能够完全修正第j固有分布的误差磁场。

以下叙述电流电位和铁片密度的关系。铁片考虑到表面的磁化电流，可以置换为磁矩。铁片表面的磁化电流j_m(A/m)如式(7)那样。

j_m＝M/μ₀            (7)

在此，M为磁化(T)。如果铁片处于饱和状态，则M大体为2.1T左右。因此，j_m约为1.7×10⁶A/m。因此，1立方米体积的铁大约具有1.7×10⁶Am²(170Acm²/1cc)的磁矩。该值取决于磁体的种类，特别是取决于磁场强度，所以需要分别进行研究。但是，在磁体的磁场强度超过1T左右的磁体中，可以认为铁片磁化为近似饱和的状态。此时，铁的磁矩与体积成比例。

为了在该换算中抵消第j固有模式的误差磁场，以与式(8)表示的的成分d_jk(与第j固有分布函数对应的第k铁片修正点的铁片量)相当的体积密度(m＝m³/m²)配置铁片。此外，在通过电流进行磁场修正时，电流密度矢量

是电流电位

和面的法线的矢量积，配置通过

赋予的电流。

${\stackrel{\→}{d}}_j=-{\stackrel{\→}{v}}_j{C}_j/\left({\mathrm{\λ}}_j{j}_m\right)---\left(8\right)$

以上是基本的修正方法。是基于一个误差磁场的固有分布

的成分的修正。在本发明的修正中特征在于，磁场分布的磁场调整手段的分布函数分别是基底并且一一对应，为了修正一个固有分布成分，仅对一个调整手段的分布函数进行调整。

在本发明的方法中，存在若干个应该修正的误差磁场的固有分布函数。把上述方法扩展为从多个固有模式中选择应该修正的固有模式的选择方法和修正方法。与其相关的基本想法为以下的项目。

(1)从能够使用小电流电位(即较少的铁片量)修正大磁场的固有模式中进行选择。该指标为奇异值λ_j。奇异值在本计算体系中是每个固有分布的单位电流电位的磁场强度，因此不选择该奇异值小的固有分布。此外，换句话说，可以说奇异值是与每单位铁片量的磁场强度成比例的值。一般为了通过尽可能小的物量产生均匀磁场，在调整中使用奇异值大的固有分布。

(2)可以忽略在测量磁场中包含的固有磁场分布的成分强度小的磁场。如果通过内积(式(5))计算的成分强度与成为目标的均匀磁场水平所允许的误差磁场相比为足够小的强度，则并不需要进行修正。即使是奇异值大的固有分布，在成分强度小时也不需要将其用于匀场，不选择该固有分布。

(3)特别是分别选择需要修正和作业者判断的固有分布函数，以通过内积求出的强度或者人为决定的强度来进行修正。例如，在误差磁场分布的峰值重叠，局部地产生大的误差磁场时，通过适当的固有分布函数的选择和大小，人为地进行降低峰值的修正。

(4)求出对所选择的固有分布函数的电流电位成分进行修正后的均匀度(达到均匀度)，判定固有分布函数的选择是否恰当。如果达到均匀度不足，则再研究固有分布函数的选择。在此，均匀度是在磁场评价区域的多个测量点中，磁场强度的最大、最小的差，换句话说，关于误差磁场的从最大峰值到最小峰值的差，表示了相对于平均磁场的比例，所以在MRI中通常以百万分之一(ppm)的数量级来讨论。

(5)当变更目标磁场时，因为误差磁场中包含的各固有分布的强度和作为残差而残留的磁场的强度、即达到均匀度也变化，所以在选择固有分布时还需要考虑目标磁场。

(6)重复几次到几十次来进行调整。这是因为调整机构的精度通常低于作为目标的磁场精度，因此重复进行操作来提高磁场精度。例如在MRI的磁场调整(匀场)中，需要以1微T的精度进行磁场调整，但是调整之前的误差磁场为数毫T左右。在一口气地调整磁场时，为了进行调整而配置的铁片要求以比1/1000更精细的精度进行物量的管理，但是在实际作业中不容易管理该精度。因此，根据本发明，在一次调整中以1/10左右以下的精度进行物量管理，每次遵循回数，降低误差磁场，降低与最终的磁场精度的相对比，即使通过1/10以下的物量管理也能够得到足够的最终磁场精度。

然后，考虑使用铁片进行磁场调整的情况，叙述铁片配置与此前所作说明的关系。与所选择的固有分布对应的修正量

是基于各个固有分布函数的修正量

之和，通过式(9)来表示。

$\stackrel{\→}{D}=\mathrm{\Σ}{\stackrel{\→}{d}}_j=\mathrm{\Σ}-{\stackrel{\→}{v}}_j{C}_j/\left({\mathrm{\λ}}_j{j}_m\right)---\left(9\right)$

在此，对于所选择的固有分布函数执行求和∑。可以容易地计算预测在执行该修正后成像区域的磁场分布变为怎样。

一个方法是根据固有分布函数的磁场分布的函数来求得的方法。成为式(10)。

${\stackrel{\→}{B}}_{\mathrm{shim}}={\stackrel{\→}{B}}_e-\mathrm{\Σ}{C}_j{\stackrel{\→}{u}}_j---\left(10\right)$

在此，对于所选择的固有分布函数执行求和∑。

另一方法是通过再次构成的电流电位再次构成的方法。在式(10)中电流电位的修正量

成为式(11)，修正后的误差磁场分布

通过式(12)来给出。

$\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{T}=\mathrm{\Σ}-{\stackrel{\→}{v}}_j{C}_j/{\mathrm{\λ}}_j---\left(11\right)$

${\stackrel{\→}{B}}_{\mathrm{shim}}={\stackrel{\→}{B}}_e-\stackrel{\↔}{A}\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{T}---\left(12\right)$

这两个方法给出相同的计算结果。在此，也对于所选择的固有分布函数执行求和∑。在该计算方法中，预测磁场调整后的达到均匀度，判定磁场调整是否以目标精度进行。

在判定中不仅参考达到均匀度，还参考匀场所需要的铁片物量，如果需要过大的铁片，则再次研究固有分布函数的选择。无论进行怎样的选择，在计算出需要过大的铁片量时，可以判断为磁体的设计或制造不良。该功能可以用于：

(a)产品完成时的品质管理

(b)在线圈或磁性体配置的设计时，研究磁动势配置的设计的合理性、是否需要对配置再次进行研究。

按顺序叙述上述本发明中的改良项目的作用。

项目(1)的固有模式的选择，特别是关于低次侧的固有分布函数，为了修正误差磁场而进行选择。在能够使用比较少量的铁片修正磁场的范围中，选择低次的分布函数。虽然仅提到低次侧，但通常选择数十至数百个固有分布函数。通过按照固有分布函数的铁片(电流电位)配置来修正磁场，可以不对没有选择的固有分布造成大的影响，不赋予新的误差磁场地进行修正。这特别是在不对没有选择的高次(大序号的固有分布)造成影响这一点上有利。即，在进行磁场调整时，不会影响没有选择的高次固有分布，作业不会变得复杂。

可以通过少量的铁片修正通过奇异值分解而选择的低次固有分布函数，但是为了使高次变化，需要较多的铁量。在不影响高次部分的理由中，除了分布正交之外，还具有在高次需要大量的铁片的理由。即，在配置少量铁片的低次分布函数的修正中，即使由于误差影响了配置，也不会致使高次成分的强度变化。在该含义下，从低次侧的固有分布进行选择来进行修正。

此外，在低次可以修正的磁场与奇异值成比例地较大，所以可以高效地，即使用少量的铁片执行磁场调整即匀场。

项目(2)不需要修正的固有分布函数成分不进行修正。但是，即使选择而包含在修正量中，由于修正量小，所以如上所述不会影响高次成分，所以不会产生问题。

项目(3)为了调整铁片配置量和磁场分布，调整选择。

在仅通过铁片修正磁场时，有时难以通过去除铁片的负的铁片量进行调整。另一方面，高次分布即使设置铁片也仅产生小的磁场。即，配置高次成分的铁片，留出在低次的修正时去除铁片的余地。此外，在从正的峰值到负的峰值的范围内定义均匀度时，特别还存在仅峰值部分集中，均匀度的显示恶化的情况。此时，人为地添加适当的修正成分。由此容易达到目标均匀度。

在项目(4)中，可以检查是否能够以目标精度调整磁场。在对所选择的固有分布函数修正了磁场时，若重复进行修正，则最终需要达到目标均匀度。通过在本方法中已经叙述的计算方法，可以推定得到怎样程度的均匀度。按照该推定，在无法确认是否变更固有分布函数的选择，或者仅可以得到均匀度非常差的值时，可以判断为存在制造上的问题，品质存在问题。在难以执行修正的高次成分容易产生品质上的问题，但在本发明的方法中通过奇异值分解来划分成分，所以可以容易地发现在高次的固有模式下产生的问题。

项目(5)是使要变得均匀的磁场强度成为多大强度的选择。在变更目标磁场的同时进行固有分布函数的选择，检测达到均匀度和铁片量，选择均匀度好、铁片配置也容易的目标磁场。铁片配置容易，不是简单的配置量少，而是需要的比较低次的分布函数能够充分修正，不存在通过负的铁量的计算值无法配置铁片的区域的配置。

项目(6)根据测量重复进行铁片配置作业，来完成磁场调整。还依赖于执行磁场调整的几何学配置，但在选择的奇异值的大小在低次和高次较大时，存在4位左右的差。即，在磁场调整中从处理100cc左右的物量的调整到处理0.01cc物量的调整，在固有分布函数的选择中产生变化。另一方面，以低于1/10的精度管理铁片的大小，实际上需要花费工夫。因此，重复执行调整来修正磁场的残差，即使每次的调整精度为1/10左右，通过重复进行修正也能得到良好的均匀度。在重复中，初期直到高次为止，选择固有分布来进行磁场调整，进行物量大的调整，缓缓地降低次数的上限。在降低次数时，确认充分修正了高次部分。此外，随着降低次数，作为修正，计算结果要求的物量也减少。因此，物量的1/10左右的调整精度也提高。

重复进行磁场调整，但是像与项目(2)相关联地说明的那样，不会影响没有选择的高次的固有模式。因此，预知的均匀度不会在重复的过程中发生变化。

如上所述，本发明的方法以固有分布函数为基础，所述固有分布函数，通过从垫片盘面的电流电位向在成像区域放置的磁场评价点的磁场强度的响应矩阵的奇异值分解而得到，根据本发明的方法，预知对误差磁场以较少的修正量调整后的磁场，同时得到作为目标的磁场均匀度。需要重复进行匀场作业。此外，在重复作业过程中，特别是在进行高次分布的匀场时，有时与低次分布函数对应的误差磁场成分增大，均匀度看起来恶化，但在该方法中，通过确认固有分布函数的成分强度，所选择的固有分布的高次侧成分被修正，减弱，还具有可以确认磁场调整进展的优点。这也有利于确认作业者的作业恰当性。此外，还具有以下的优点：为了掌握在调整结束时可以达到的均匀度，还可以在确认不会因为制造上的误差导致无法实现达到目标精度的磁场调整的同时，安心地进行调整。

(实施例1)

说明实施例1。作为实施例1，说明向具有垂直磁场的开放型MRI装置的磁场调整(匀场)的应用。图5是对MRI装置的磁体产生的磁场进行匀场(磁场调整)的体系。具有成像区域的空间(磁场测量评价区域)6，均匀地调整(匀场)包含其表面或内部的面的磁场评价点的磁场分布。图1表示在本实施例中调整磁场分布的匀场的流程。是用于图5这样的垂直磁场型开放型MRI的成像区域的磁场调整的实施例。以相对于地面垂直方向的磁场成分的强度，在成像区域的上下存在磁场调整机构的面(垫片盘5)，在该面上配置铁片4。

图6表示在MRI装置的匀场中应用本实施例时的网生成例子。在该实施例中，球体面上是磁场测量评价点的集合14，配置有数百个磁场测量点。球体的上下的圆盘面是在执行匀场时配置铁片4的面的计算模型，即电流电位评价面13。如在图的右侧由有限元表示概要那样，在该面上构成由具有接点的三角元素构成的有限元计算的体系。

包含在进行匀场作业之前对图1的虚线内的预备计算部分1B进行预先计算的奇异值分解计算步骤32S，包含计算网生成步骤31S、作为奇异值分解的结果的固有分布函数和奇异值的保存步骤33S。该部分是把从与数千点的电流电位值对应的接点到成像区域的数百点左右的磁场测量点的响应矩阵A的奇异值分解包含在内的预备计算部分1B，需要比较长的计算时间。因此，预先在与磁体的体系匹配的计算体系中计算用于匀场的固有分布函数，缩短匀场作业中的计算时间。

通过保存步骤33S把预先计算出的数据保存在计算机的存储区域中，必要时读出(奇异值分解结果的读出步骤16S)来进行使用。即，在计算机中，作为磁场分布的基底矢量组的固有分布函数为数个以上，此外，作为电流面的分布函数的基底矢量组为相同数量，并且，以相同数量的组合保存作为两者大小的变换信息的奇异值。

在对磁体进行励磁后，在经过一段时间后，成为磁场调整(匀场)开始步骤11S。按照图1的流程进行作业。执行磁场测量步骤12S，在磁场分布数据保存步骤13S和磁场数据读出步骤14S之后，在磁场均匀度判断步骤15S中判断均匀度是否良好。如果均匀度足够则不需要进行匀场，成为磁场调整结束步骤40S的步骤。这种情况有可能在以足够的均匀度使用的装置在维护时等消磁后再次进行励磁时得到，但是在新的磁体中由于制造误差，均匀度为数百至千ppm左右，判断为需要进行磁场调整(匀场)。

因此，转移至固有模式选择和目标磁场决定步骤17S。在下一步骤18S中，选择固有模式针对其进行各固有模式的强度C_j、修正电流电位

修正铁片配置和修正磁场分布、以及可达到的均匀度计算等式(1)至(12)的计算。

下一步骤是用于判断固有模式选择恰当性的显示步骤19S。对步骤18S的计算结果进行显示来判断固有模式选择的恰当性。显示主要有两个，一个在图7中表示，另一个在图8中表示。

图7是以纵轴表示通过式(5)所示的式子求出的包含在误差磁场中的磁场的固有分布的强度，以横轴表示固有模式的次数的图，被称为谱图。纵轴以对数刻度进行表示。此外，在图7中还表示固有模式选择的范围、可达到的均匀度。此外，图8把用于匀场作业的铁片配置量的显示例子与电流电位等高线一同表示。

本例所示的计算内容是图5、图6的体系，但是是以把磁场评价点设为在直径40cm的面上，把该表面的误差磁场设为均匀度20ppm以下的均匀磁场为目标。

把该图7的谱图显示作为参考，选择要修正的固有分布函数。在图中，×与各个固有模式对应，由○包围的固有模式是所选择的固有模式15。没有由○包围的固有模式是非选择的固有模式16。通过已记述的方法进行该选择。当选择要进行修正的分布函数时，通过从测量误差磁场中除去该误差磁场成分，可以计算并预测可达到的均匀度。在图7中，在上部由椭圆包围的地方表示为可达到的均匀度17。

表示了两个磁谱，图7(a)是匀场之前，图7(b)是匀场之后。在匀场之前，在该例子中为726ppm，在磁谱图中可知低次模式的误差磁场成分大。○是次数为80以下、作为测量精度的大体下限以上的强度的误差磁场成分而选择的固有模式。在该例子中，如果修正所选择的固有模式，可以预测为15.25ppm。在作为磁谱的图的图7上显示表示固有模式选择的次数上限的线22和表示固有模式选择的强度下限的线23，来选择固有模式。

如果预测的可达到的均匀度不足，则再次研究固有分布函数的选择。调整固有分布函数的数量，即调整固有分布函数选择范围的编号上下限或固有模式强度C_j的下限。此外，还具有对各个选择的固有分布函数的修正比例进行调整等选项。

步骤19S中的另一个显示，是图8的铁片配置量的指示图，用于检查是否能够进行匀场。图的圆形表示图5所示的垫片盘5。有上下两片，但在该图中是下侧的垫片盘。图中的网格7是在垫片盘5上配置的区段，对各个区段分配了地址。在图7中，在左右方向上通过A、B、C...指定地址，在上下方向上通过1、2、3...指定地址。网格7内的数值表示在网格中配置的铁体积18。在图8中，为0.1cc单位。在网格中5cc左右的铁片是能够充分配置的构造，显示的量足够少，能够进行配置。在重复的调整中，处理的铁片量缓缓地减少，以最初的1/10、1/100、1/1000这样小的单位来显示。

在图8中，在作为垫片盘5的计算模型的电流电位评价面13上，除了网格7、网格的铁片量10之外，还表示了电流电位的等高线19。当把电流电位等高线19考虑为线圈形状时，可以通过该形状的线圈对误差磁场进行修正。这已经记载在之前叙述的已经公开发表的论文中。在本发明的等高线显示中还有其他的优点。通过奇异值分解而求出的分布函数在面上具有广阔分布，要求铁片或磁矩的配置。但是，在等高线的峰8或等高线的谷9附近要求最多的配置(或者去除)。使用这两个性质，灵活地考虑用于调整磁场的铁片配置位置。如果没有配置或去除的限制，则通过等高线的峰周围的相同符号，相加封闭的电流电位等高线19的铁片量，在等高线的峰8位置附近进行配置(去除)。此外，假设该附近例如具有用于固定垫片盘的支撑物等，在无法配置的情况下，可以在封闭的等高线区域内在其他部分配置(去除)相同的量的铁片。图7的等高线的峰8在L-M之间的线和7-8之间的线上具有峰，但是在其周围的L、M与7、8的交叉部分的网格中需要进行铁片量总计为5+3+2+1＝11的量的配置。因此，在本发明中，在L-M之间的线和7-8之间的线上，在等高线的峰8的位置配置铁片量为11的铁片。通过进行这样的配置，降低了作业量并缓和了配置位置精度，由此作业变得容易。

参照图9叙述网格内的磁矩或铁片量的计算方法。图9表示在本实施例的磁场调整用计算中，从接点电位值向磁矩、铁片量的换算概念。已经在式(7)之后的记述中叙述了铁的体积与磁矩成比例的情况。此外，电流电位可以解释为表示每单位面积的磁距。因此，为了求出某个区域的铁片量，在该区域中对电流电位T进行面积积分，作为该区域所需要的磁矩，并且如所叙述的那样换算为铁片量。图9示意地表示图8所示的网格7与接点的关系。×表示的点是接点。因为不是连续的分布函数，所以例如像图中的式子那样，把接点和与该接点对应的面积的乘积相加作为网格7内的磁矩。具有例如把与接点对应的面积设为接点所属元素的1/3(Δ元素时)等方法。

对网格7的大小以及计算时的元素尺寸进行讨论。关于网格7的大小，要求具有图8所示的铁量配置分布分辨率的程度的细度。在为得到均匀度所需要的固有模式的次数的上限附近确认等高线分布，设为比该等高线的峰或谷部分的尺寸小。另一方面，当设为细的网格时需要花费工夫。在图8中，设为与等高线的峰8和等高线的谷9部分的最小的大小相比大体相同的程度。因为是相同的程度，所以有时在细的等高线的部分，仅在网格7中不具有足够的分辨率。此时，把等高线的峰和谷的位置作为参考，对进行配置的位置进行调整来配置铁片。根据在网格内存在几个接点来决定有限元的大小。如已经叙述的那样，铁片配置量的精度可以为1/10左右，通过重复来提高均匀度。如果接点的个数为5个左右以上，即使在对应的面积中产生若干误差，也认为是足够的精度。在图8的例子中，单面为1500左右的接点。如图6所示，把上下的垫片盘作为电流评价面，认为两个面总共具有3000个接点以上。

通过基于图7(a)和图8的铁片量显示所进行的确认，预测能够充分进行匀场，所以在该例子中转移到铁片配置作业步骤22S。该预测的根据是可达到的均匀度17与目标值相比足够好，是能够进行铁片配置的量。

当在可否匀场的判断步骤20S中判断为可达到的均匀度或铁片量不佳时，再次返回固有模式选择和目标磁场决定步骤17S。但是，当在判断能否调整为目标磁场的磁场可调整判断步骤21S中判断为即使变更各种条件也不能调整磁场时，磁体不良，进入修理、调整的步骤41S。

图7(b)是匀场结束时的磁谱。可以进行匀场，直到17ppm的均匀度。这是与最初预测的15ppm相比没有很大差异的均匀度，可以说以良好的精度预测了均匀度。按照图1的流程进行重复作业，直至达到图7(a)的磁谱的均匀度。关于该重复的必要性已经进行了说明，在后面通过实施例进行说明。

在步骤21S中判断磁场调整可能性，说明该内容。有时经由步骤21S返回步骤17S，即使再次研究固有模式的选择，也无法通过恰当的修正量(垫片铁片量)得到足够的均匀度。即，该情况为磁体的制造精度等不足，磁场不良，为了得到目标均匀度需要配置大量的铁片，实际上无法实现。通过该评价，可以不必进行磁场调整就能够检测出磁场的不良。如果不良则进行恰当的修正，还可以根据修正量的分布推定问题部位。此外，在本发明中还包含以下优点：如果不能修正，则可以判断为产品不良，不必花费人力重复调整磁场。

如果能够达到的均匀度的预测具有足够的均匀度，则通过纸面打印或基于投影仪的放大显示等输出修正所需要的铁片分布计算结果，按照该分布进行配置匀场用铁片的作业。在匀场作业中配置的铁片量中，在该量或位置中存在误差，此外，铁片磁化的程度还依赖于铁片的材料性质和磁体内的磁场分布，所以在从电流电位进行的铁片换算中也存在误差。因此，在一次的作业中不会达到可达到的均匀度。因此，如图1那样重复进行作业，使磁场接近均匀。

(实施例2)

说明实施例2。虽然已经叙述了可将该方法用于制造后的产品的检查，但该方法通过同样的判定可以用于磁体的设计。图10表示此时的流程。在本实施例中，通过在计算上进行磁场调整，确认能够达到目标磁场精度，来用于磁动势配置设计。在磁动势配置研究开始51S之后，进行假定磁动势配置的步骤52S。根据该磁动势配置进行磁场计算步骤53S。此外，磁动势配置基于垫片盘的配置执行奇异值分解，并保存其结果。该预备计算部分1B与实施例1相同。根据磁动势配置假定步骤52S，仅在磁动势配置改善判断步骤56S中判断为需要变更垫片盘时执行1B的部分。该预备计算部1B与图1相同。在步骤56S中判断是否能够利用已有的奇异值分解数据，根据其结果，仅执行只是读出奇异值分解结果的数据组的步骤16S。

执行读出磁场计算结果的步骤14S、判断磁场均匀度的步骤15S，如果已经是良好的均匀度，则执行MRI磁体用磁动势配置候补方案步骤56S。一般，根据磁场分布通过已经说明的本发明的方法判断均匀度是否通过匀场而变得良好。在通过匀场没有充分改善均匀度的情况下，或者在匀场所需要的铁片量过大，判断为无法进行匀场的情况下，再次返回磁动势配置假定步骤52S。该判断部分3B与图1的17～21S的步骤相同。磁场调整计算部分3B也和图1的3B相同。

如果能够进行匀场，则以匀场所需要的铁片量作为参考，此外以整个磁体的构造设计作为参考，进一步研究是否在步骤55S中进行磁动势配置修正来进行改善。如果不进行磁动势配置的再研究，则执行候补的MRI磁体用磁动势配置候补方案56S。此外，在修正磁动势配置时，再次返回磁动势配置假定步骤52S。在再次研究磁动势配置时，例如考虑超导线圈的经验磁场过大、是支撑结构困难的电磁力等情况。

如此，在计算上虚拟地进行本发明的匀场，得到磁动势配置的候补。在磁动势配置的设计中，关于判定为得到足够的均匀度的磁动势配置，进行磁动势量、电磁力，还有应力等的全体设计，进一步判断磁体可否成立。如果认为难以成立，则再次从假定磁动势配置的地方开始。

在图1中作为磁场调整方法，通过使用磁化后的铁片4的磁矩的方法来进行叙述，设为铁片配置作业步骤22S。但是，如在图3中说明的那样，磁化后的铁片与基于小线圈3的电流等价。因此，还能够把小线圈排列成图8的网格状，按照在本方法中计算出的磁矩分布来调整其电流1，作为铁片配置作业步骤22S的替代。

在本发明的方法中有时需要进行要求负的量的磁场调整。在通过基于小线圈的电流调整来进行磁场调整时，可以通过改变电流极性，此外在使用永磁体时可以通过改变方向来进行应对，但是铁片的磁化由周围的磁场环境决定，无法变更极性。关于此时的负的量，如下进行考虑。在直到高次部分进行选择时，不配置负的量的部分。通过仅配置正的物量部分，误差磁场的凹凸振动空间的波长成为1/2左右，由于没有配置负的物量从而没有被抵消的误差磁场成分的固有模式次数转移到约2倍的次数的高次侧，由于奇异值的减小，磁场强度也减弱，在磁场调整上可以忽略。但是，在选择比较低次的固有模式进行了磁场调整时，负的量的要求通常可以采用削减已经在直到高次的磁场调整中配置的铁片的量的方法来进行调整。但是，此时在网格内铁片量成为零的情况下，从其附近去除。所谓附近，是指从等高线封闭的线的区域起。在不存在应该选取的铁片时，人为地使特定的固有模式偏离修正所需要的大小，使负的量消失。通过从高次的模式中选择特定的固有模式，可以减小对磁场造成的影响。

在图1或图10的实施例中，特别是通过使磁场调整计算部分3B成为综合后的软件，在执行磁场调整时，与奇异值分解结果的保存数据一起成为机动性良好的磁场调整的辅助工具。

(实施例3)

在实施例1和实施例2中表示了按照产生所需要的磁矩的物量配置铁片的例子，但是如所述那样，还出现作为配置的铁片的物量要求负的量，在网格7中要去除的铁量不足或者已经为零的情况。在产生即使像上述那样进行应对也未达到足够的均匀度的情况下，代替铁而使用永磁体4P或电流环4C。它们即使适用于正的铁物量也不会产生问题，但是在可以通过铁的磁化来应对的情况下，优选使用能够低价地进行匀场的铁片。

作为实施例说明实际的匀场中的网格内的样子。如图11所示，设想在实际的网格内，在实施例1和实施例2的情况下，配置若干个体积不同的铁片4。其磁矩的大小为Mf1～Mf4而不同。图9所示的必要的磁矩，对于各个Mfi如式(13)那样。为了能够产生根据式(13)求出的磁矩，通过体积不同的铁片的组合来调整框内的铁的体积。

Mfi＝∑Ti×Si(Am²)                        (13)

在式(13)中，Ti是框内的接点i的电流电位值(A)，Si是附属于该接点的面积。因为接点附属于多个元素，所以在此处所示的三角元素中，认为各元素的1/3属于各个接点不会有问题。铁片的体积和磁矩的换算方法已经通过图3进行了说明，还能够以式9作为参考，饱和后的铁片的磁矩按照每1cc为170Acm²/cc左右进行换算。把在网格中需要的磁矩换算为铁片的体积，在网格内配置需要的体积的铁片。在磁场弱、铁片没有磁饱和时，磁化M与饱和磁化不同，其换算系数也不同，但是此时，以材料的磁化曲线(M-H曲线、M＝磁化强度T、H＝磁场强度A/m或T)作为参考来决定。

然后，叙述与永磁体4P以及电流环4C有关的实施例。

在使用永磁体4P时，与铁片4不同的点仅在于磁矩的换算方法。如图12所示，永磁体4P即使在与周围的磁场相反的方向上也能够配置磁矩Mp。即，可以配置负的铁片物量。因此，可以使Mp的方向与所需要的体积的符号相匹配，在磁场方向或相反方向上配置物量的正负。磁矩与体积的换算从M-H曲线中读取。即，从进行配置的位置的磁场H读取磁化M，在反方向配置永磁体时，从M-H曲线中读取磁化M。如果读取了磁化，则可以通过与已经说明的铁的磁化相同的方法进行换算。通过式(14)大致求出需要的永磁体体积。在式(14)中有时磁化M成为负。

永磁体体积(cc)＝2.1(需要的磁矩)/(170M)            (14)

在图13所示的电流环中，根据原理式，当把环内的面积设为Sl时，通过式(15)求出基于在环中流过的电流而产生的磁矩Mc。

Mc＝电流×Sl                                    (15)

为了使该磁矩与需要的磁矩相同，根据电流10还考虑符号来调整电流。

在图11、12、13中表示了用于实际的匀场的磁矩的产生方法及其材料，但除此之外，可以不使用铁，还可以考虑镍、钴等其他磁性体。此时，如在永磁体中叙述的那样，调查磁化曲线，求出其换算磁矩，在此基础上求出需要的体积，与图11、图12相同地配置在网格内。

还存在无法通过磁化曲线求出磁化的情况。例如是用于匀场的磁性体的磁场与基础磁场不同的情况。此时，希望测量磁性体的磁化的程度。例如，在实际配置磁化不明的磁性片的前后，测量周围的磁场，与已知磁化时的配置导致的磁场变化进行比较。或者与计算上的磁场变化进行比较。此外，如果仅是已知的材料具有磁化曲线，则进行详细的非线性磁场计算，作为根据该计算结果配置的铁片的磁化4计算值来使用。

根据实施例1至实施例3，在预测最终的达到均匀度的同时，还确认磁体的品质，自动地修正错误，重复进行测量、修正铁配置计算、配置，由此可以进行可靠的磁场调整。此外，还可以用于要求高的磁场精度的磁体的磁动势配置设计。

本发明提供在像在医疗诊断中使用的核磁共振断层成像装置(MRI)等装置那样，配置线圈和铁等磁性体来产生磁场的磁体装置中，将磁场调整为希望的磁场强度的分布的方法和装置。特别是提供在MRI等那样的核磁共振应用装置中，在被测量区域中使磁场强度以极高的精度均匀化的方法和装置。特别是在通过配置铁片来修正误差磁场，使磁场强度均匀化的被称为匀场的作业中，通过各个正交基底的组合，将误差磁场分布和铁片配置分布修正为均匀磁场分布。

Claims (13)

1.一种磁场调整方法，在磁场产生装置中存在被赋予了目标磁场分布的区域，该磁场调整方法用于减小该区域的磁场分布的误差磁场成分，使磁场分布接近目标，该磁场调整方法的特征在于，

作为调整单元，具有配置电流环、被动地磁化的磁性体或不依赖于外部磁场的永磁体的曲面或平面状的磁场调整机构，

进行以下的磁场调整作业：在预定数量的磁场测量评价点进行磁场测量，计算测量出的磁场与目标磁场的差即误差磁场，求出能够将该误差磁场修正为可允许的范围内的误差磁场的磁场调整机构面上的电流电位分布，将该电流电位分布换算成磁矩，配置与该磁矩相当的电流环、被动地磁化的磁性体或不依赖于外部磁场的永磁体。

2.根据权利要求1所述的磁场调整方法，其特征在于，

从作为通过奇异值分解而得到的基底的固有分布函数中选择分布函数，通过该分布函数的组合表现修正误差磁场的电流电位的分布。

3.根据权利要求2所述的磁场调整方法，其特征在于，

根据进行修正的电流电位，计算赋予了目标磁场的区域以及磁场测量点的修正磁场量，求出进行磁场调整作业后的磁场与目标磁场的差、即残留误差磁场，确认固有分布函数的选择的恰当性，并且选择使所述残留误差磁场成为可允许的范围内的误差磁场的固有分布函数。

4.根据权利要求1所述的磁场调整方法，其特征在于，

使电流电位成为与磁矩成比例的量，将其换算成铁片量密度，按照该换算出的铁片量密度，配置铁片或永磁体。

5.根据权利要求1所述的磁场调整方法，其特征在于，

在按照奇异值的大小顺序附加的序号和在误差磁场中包含的固有分布的强度的相关图上，选择用于求出误差磁场的修正所需要的电流电位分布的固有分布函数。

6.根据权利要求1所述的磁场调整方法，其特征在于，

关于电流电位、或磁矩的大小或铁片量或永磁体量，在配置铁片的磁场调整机构面上包含等高线来进行密度分布的显示，按照该显示来配置铁片。

7.根据权利要求6所述的磁场调整方法，其特征在于，

通过多角形对等高线和配置铁片的面一同进行划分，在划分后的每个区域中，通过面积积分值，与等高线一起或者没有等高线地表示磁矩的大小或铁片量或永磁体量。

8.根据权利要求6所述的磁场调整方法，其特征在于，

汇总由等高线表示的峰或谷来进行累计，将该累计量配置在峰或谷内的一处或者分散配置在多个部位。

9.根据权利要求1所述的磁场调整方法，其特征在于，

重复执行从磁场测量到磁矩大小或铁片量或永磁体量的配置为止的计算和作业。

10.根据权利要求9所述的磁场调整方法，其特征在于，

通过重复计算和作业，调查误差磁场的大小，并且针对通过奇异值分解而得到的表示磁场分布的基底即固有分布函数，调查各固有分布的强度的大小，掌握磁场调整的进展。

11.一种磁场调整方法，其特征在于，

与权利要求5所述的相关图，或者在权利要求6、7或8的磁场调整作业中配置的磁性体的量、永磁体的量或电流环的大小一起，显示权利要求3所述的残留误差磁场的代表值，即将残留误差磁场的最小值和最大值的差除以目标或测量磁场的平均磁场强度而得到的值。

12.一种磁体品质掌握方法，其特征在于，

通过包含磁场产生用线圈或磁性体的磁动势源在内的电磁体的权利要求3所述的磁场调整方法，在磁场调整作业开始时能够判断：在设为可允许的范围内的误差磁场以下的条件下，由于能够配置权利要求6或7所述的磁矩的大小、铁片量或永磁体量，因此能够正常地执行磁场调整。

13.一种磁体磁动势配置设计方法，其特征在于，

在包含磁场产生用线圈或磁性体的磁动势源在内的电磁体的设计中，

赋予目标磁场分布，根据磁动势配置计算磁场分布，

计算所述磁场分布与目标磁场的差、即误差磁场，

求出能够将该误差磁场修正为可允许的范围内的误差磁场的磁场调整机构面上的电流电位分布，

将该电流电位分布换算成磁矩，

配置与该磁矩相当的电流环或磁性体片，

确认所述磁动势配置的恰当性，

如果不恰当，则变更磁动势配置直到能够调整磁场为止，求出能够调整磁场的磁动势配置。

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