CN1758068A - 磁共振成像装置的超导电磁铁装置 - Google Patents

Abstract

本发明的磁共振成像装置的超导电磁铁装置能减小配置在超导主线圈和超导屏蔽线圈间的强磁性体磁化特性的偏差影响。磁共振成像装置的超导电磁铁装置具备：一对超导主线圈(7)，在一对超导主线圈的轴上离开超导主线圈并设于与观察区域相反侧的一对超导屏蔽线圈(8)，在从超导主线圈的空心部至超导屏蔽线圈的空心部的空间的一部分上配置的强磁性体(14)，上述超导屏蔽线圈的外径做成比上述超导主线圈的外径大，上述强磁性体同轴配置形成多个轴对称的强磁性体构件(15、16、17)，而且，除了轴心部外，由于在径向的至少一部分具有空间部，因而易于使强磁性体构件(15、16、17)磁饱和，使强磁性体磁化特性的偏差的影响变小。

Description

磁共振成像装置的超导电磁铁装置

技术区域

本发明涉及磁共振成像装置的超导电磁铁装置。

背景技术

磁共振成像(MRI)装置，对置于静磁场内的被检测体施加高频磁场，激励被检测体内的例如氢原子核，用核磁共振(以下，称为NMR)现象计测氢原子核自旋放出的电磁波，对其计测信号进行演算处理，使被检测体内的氢原子核的密度分布图像化，以供被检测体的诊断。即，为了用MRI装置拍摄被检测体的所希望位置的断层像，在观察区域的均匀静磁场上重叠给予测定空间位置信息的倾斜磁场，将例如1mm厚的切片面的区域设定为规定的磁场强度。接着，向该区域照射共振频率的电磁波，仅在切片面引起NMR现象，接收氢原子核自旋放出的电磁波并制成图像。

一般，放置被检测体的观察区域的静磁场要求具有强的静磁场强度(例如，0.2T以上)，及高的静磁场均匀度(例如，10ppm程度)。

以前，作为MRI装置的电磁铁装置，提出了各种方案。例如，专利文献1一美国专利公报USP6,570,475号记载的电磁铁装置，由相对设置的夹住观察区域的一对超导主线圈构成。另外，为了消去由这一对超导主线圈在观察区域的相反一侧形成的磁通，具有外径比超导主线圈的大的超导屏蔽线圈，以一定间隔设置在各超导主线圈的轴向外侧。即，在超导屏蔽线圈上有与超导主线圈反向的电流流过，以消除在观察区域的相反一侧所形成的磁通。

可是，氢原子核自旋所放出的电磁波强度由于和静磁场强度成比例，所以为了提高图象的分辨率必须提高静磁场强度。在电磁铁装置中，若要提高观察区域的静磁场强度，则必须增加超导主线圈的电流，同时增加超导屏蔽线圈的电流。当增加两超导线圈的电流时，由于通过被两超导线圈夹住的空间的磁通也增加，因而磁通在超导线圈本身通过，超导线圈的磁场强度上升，则难以维持超导状态。

因此，以前提出了以下方案，即，在超导主线圈和超导屏蔽线圈之间配置圆盘状的强磁性体，通过使通过被两超导线圈夹住的空间的磁通集中在强磁性体，从而可降低通过超导线圈本身的磁通(专利文献2-日本特开2001-224571号公报，专利文献3-日本特表2003-512872号公报，专利文献4-日本特开平11-318858号公报，专利文献5-日本特开平11-283823号公报)。

但是，由于以前将配置在超导主线圈和超导屏蔽线圈之间的强磁性体作成圆盘状，因而等于在磁通密度不饱和的区域、即在未饱和状态下使用。当强磁性体处于未饱和状态时，每个材料的磁化特性曲线的偏差变大，有时磁场均匀度则难以调整。

即，若根据技术文献<R.M.Bozorth：Ferromagnetism(D.Van Nostrand.Princeton，NJ，1951)，p849>，则知道，直径D对板厚T增大10倍(D/T＝10)时，去磁系数达到0.01(1/100)。这里，去磁系数为0.01意味着强磁体内的磁化小于0.01倍，强磁体处于未饱和状态。

这里，对于当强磁体处于未饱和状态时，磁场均匀度的调整变得困难的情况进行说明。强磁体的磁化特性曲线(BH曲线)一般如图3所示。图3中，横轴是磁场H，纵轴是磁通密度B，磁通密度B实质上与磁化M相关。从图3可知，在磁化未饱和的点a-点d和点d-点f的范围，磁化(磁通密度B)随磁场H的变化而变动。由于该磁化特性曲线在每个材料有偏差，因而必须对每个制品进行磁场均匀度的调整，由于不能采用相同的调整方法，因而存在有调整花费时间，甚至不能调整等问题。另一方面，在磁通密度B对磁场H的变化为大致一定的饱和区域，在用调整磁场H来调整磁场均匀度时，由于每个材料的偏差少，磁场均匀度的调整变得容易。

发明内容

本发明的目的是减小配置在超导主线圈和超导屏蔽线圈之间的强磁性体磁化特性的偏差的影响。

为了完成上述课题，本发明具有：夹住观察区域相对设置的一对超导主线圈；以上述一对超导主线圈的同轴状从各超导主线圈离开，设置在上述观察区域相反侧的一对超导屏蔽线圈；在从上述超导主线圈空心部至上述超导屏蔽线圈空心部的空间一部配置的强磁性体，上述超导屏蔽线圈有比上述超导主线圈外径大的外径，其特征是，上述强磁性体，同轴配置多个轴对称的强磁性体构件而形成，而且，除了轴心部外，在径方向的至少一部有脱离轴向的空间部而构成。换句话说，其特征是在将本发明的强磁性体投影在与超导线圈的中心轴垂直的平面时，在除去该投影图中心轴附近的区域有强磁性体构件不存在的区域。

即，本发明，由于将配置在从超导主线圈至超导屏蔽线圈的空间一部的强磁性体分割成多个强磁性体构件，而且在径方向的至少一部形成空间，通过调整分割数和设置在径方向的空间尺寸，能使直径D对各强磁性体构件的板厚T的比D/T变小。其结果，由于能使强磁性体构件的磁化变大而饱和，能减小强磁性体磁化特性的偏差影响，磁场均匀度的调整作业简单。

一般在设置于超导主线圈和超导屏蔽线圈之间的强磁性体，由于在观察区域相反侧形成的磁通集中通过，其强磁性体内磁通的方向，径方向是主要成分。其结果，对于作用在强磁性体观察区域侧的轴向磁压，由于作用在相反侧的轴向的磁压变小，等于强吸引磁力作用在对向的一对强磁性体间。该点，本发明的强磁性体，由于磁饱和，作用在强磁性体观察区域侧的轴向的磁力和作用在相反侧作用的轴向的磁力的差变小，一对强磁性体间作用的吸引磁力也变小。因而，能使强磁性体的支持构件简单化。由于能使构件小，所以能提高加工效率。

在上述情况，本发明的强磁性体的最大直径，能形成得比超导主线圈的外径大，比超导屏蔽线圈的外径小。本发明的强磁性体能由配置在轴心部的圆盘状强磁性体构件、和设置空间地配置在该圆盘状强磁性体构件的外周侧的至少1个圆环状强磁性体构件形成。代替其，也能设置空间地相互在径方向同轴配置多个圆环状强磁性体构件形成。

本发明的强磁性体能由配置在超导主线圈的空心部的圆环状第1强磁性体构件、有比第1强磁性体构件内径小的外径的配置在超导主线圈和超导屏蔽线圈之间的圆板状和圆环状之中一个的第2强磁性体构件、和有比第2强磁性体构件外径大的内径的有比超导屏蔽线圈内径小的外径的圆环状第3强磁性体构件构成。在该情况，能在第2强磁性体构件的观察区域侧的面形成同心状的凹凸。若使用其，通过调整凹凸的形状，能易于进一步调整观察区域磁场的均匀度。

若使用本发明，可减小配置在超导主线圈和超导屏蔽线圈之间的强磁性体的磁化特性偏差的影响。

附图说明

图1是本发明一个实施例的超导电磁铁装置的断面结构图。

图2是采用超导电磁铁装置构成的一个实施例的MRI装置的总体外观图。

图3是表示强磁性体的磁化特性曲线图。

图4是本发明另一实施例的超导电磁铁装置的断面结构图。

图5是本发明再一实施例的超导电磁铁装置的断面结构图。

图6是本发明又一实施例的超导电磁铁装置的断面结构图。

图7是本发明又一实施例的超导电磁铁装置的断面结构图。

具体实施方式

以下，根据的实施例说明本发明。

实施例1

图1表示本发明一个实施例的超导电磁铁装置的断面结构图，图2表示采用该超导电磁铁装置而构成的一实施例的MRI装置的总体外观图。

如图2所示，MRI装置，在夹住观察区域4的相对设置的一对真空容器3内，分别收放着由超导主线圈等构成的静磁场发生源，一对真空容器3由支柱5连接起来。本发明的超导电磁铁装置，在相当于支柱5的上下真空容器中未配置强磁性体。对于这样构成的MRI装置，被检测体1以横卧在床2的状态搬送到一对相对的真空容器3之间并进行定位，以使摄像区域与预定的观察区域4一致。图2的MRI装置，由于被检测体1的周围空间被敞开，因而一般称为开放型MRI装置。

图1表示沿图2的线I-I的断面图。床2的方向虽与图2不同，但为了参考一并记录。如图1所示，在真空容器3的内部，设置着产生箭头6方向磁场的超导主线圈7和为抑制泄漏磁场而流过与超导主线圈7反向的电流的超导屏蔽线圈8。这些超导主线圈7和超导屏蔽线圈8设置在冷却容器9内。在冷却容器9内充填着将超导线圈保持在极低温度用的液体氦。另外，冷却容器9通过绝热支持构件10支持在真空容器3上，因此能减少从真空容器壁来的热侵入。真空容器3内的构造物相对于轴11大致呈轴对称而且夹住观察区域4大致呈上下对称地配置。另外，真空容器3和冷却容器9用例如不锈钢制成，绝热支持构件10用例如纤维强化塑料(FRP)制成。

此外，为了给NMR信号赋予空间位置信息，对被检测体1施加正交3轴向的倾斜磁场的倾斜磁场线圈12配置在真空容器3的观察区域4一侧。进而，施加引起NMR现象用的共振频率电磁波的高频照射线圈13设置在倾斜磁场线圈12的观察区域4一侧。

本实施例的超导电磁铁装置在中心轴11的周围大致轴对称地形成。如图示那样，相对地配置夹住观察区域4的一对超导主线圈7，在一对超导主线圈7的轴上与各自的超导主线圈7离开并在观察区域4的相反一侧设置着一对超导屏蔽线圈8。超导屏蔽线圈8的外径形成得比超导主线圈7的外径更大。另外，在本实施例中，超导屏蔽线圈8的内径也形成得比超导主线圈7的外径更大。

特别是，在本实施例中，在从超导主线圈7至超导屏蔽线圈8的空间的一部分上，设置着由对轴11轴对称地形成的第1强磁性体构件15和第2强磁性体构件16及第3强磁性体构件17构成的强磁性体14。第1强磁性体构件15，形成为具有比超导主线圈7的内径小的外径的圆环状，并配置在接近超导主线圈7内面的空心部。第2强磁性体构件16，形成为具有比第1强磁性体构件15的内径小的外径的圆盘状，并配置在超导主线圈7和超导屏蔽线圈8之间。第3强磁性体构件17形成为圆环状，其内径形成得比第2强磁性体构件16的外径大，外径形成得比超导屏蔽线圈8的内径小。这些第1～第3强磁性体构件15、16、17最好由纯铁构成，并与超导主线圈7和超导屏蔽线圈8一起存储在冷却容器9中。

由于这样构成，若使用本实施例，用一对超导主线圈7在观察区域4形成希望的静磁场。另外，在一对超导主线圈7的观察区域相反一侧所形成的磁通，被由一对超导屏蔽线圈8所形成的反向磁通隔断，并在与轴11正交的方向弯曲。该弯曲的磁通主要呈辐射状穿过第2强磁性体构件16和第3强磁性体构件17，并通过从被超导主线圈7和超导屏蔽线圈8夹住的空间至冷却容器9和真空容器3的路径。通过被超导主线圈7和超导屏蔽线圈8夹住的空间的磁通，由于穿过磁性强的第3强磁性体构件17，所以能抑制穿过超导主线圈7和超导屏蔽线圈8的磁通，能维持那些超导线圈的超导状态。

特别是，本实施例的特征是，将设置在从超导主线圈7至超导屏蔽线圈8的空间的一部分上的强磁性体14分割成圆盘状的第2强磁性体构件16和圆环状的第3强磁性体构件17的2个构件，而且，将第2强磁性体构件16的外径形成得比第3强磁性体构件17的内径小，在那些构件间设置空间。

这样，第一，直径D对圆盘状的第2强磁性体构件16的板厚T的比D/T，由于比以前小，所以能加大磁化，易于达到磁饱和。因而，能避免因材料偏差引起的磁场均匀度调整时间大幅增大。

第二，由于第2强磁性体构件16磁饱和，所以能减小强磁性体构件16的观察区域一侧和观察区域相反一侧的磁通密度差(磁力)。其结果，由于仅有作用在一对强磁性体构件16间是吸引磁力那部分变小，因而能使强磁性体构件16的支持构件简化。

第三，由于将圆环状的第3强磁性体构件17配置在第2强磁性体构件16外侧的大致相同面，因而由第2强磁性体构件16集中的磁通就顺利地穿过第3强磁性体构件17，可抑制穿过超导主线圈7和超导屏蔽线圈8的磁通，维持这些超导线圈的超导状态。还有，圆环状的第3强磁性体构件17的D/T可以考虑将其在径向(放射方向)分割成多个，通过积分求出等效地求出。无论如何，很明显，第3强磁性体构件17的D/T，由于与以前的圆盘状磁性体比较十分小，易于达到磁饱和。

如上述所示，若使用本实施例，由于将强磁性体14分割成圆盘状的第2强磁性体构件16和圆环状的第3强磁性体构件17的2个构件，而且，由于第2强磁性体构件16的外径形成得比第3强磁性体构件17的内径小，因而能使强磁性体构件16、17磁饱和。其结果，在磁化特性曲线的每种材料的偏差少的磁通密度B大致为一定的饱和区域，能调整磁场均匀度。因此，磁场均匀度的调整作业变得简单，能缩短调整时间，而且，能解决不能调整等的问题。

接着，对作为第四特征的配置在接近超导主线圈7的内面的空心部第1强磁性体构件15的作用效果进行说明。穿过超导主线圈7的空心部的磁通由于集中穿过第1强磁性体构件15，因而能抑制随着磁场强度的增大而穿过超导主线圈7的磁力线的增加。

另外，由于在第2和第3强磁性体构件16、17之间设置了空间部，因而虽有从超导主线圈7的空心部通过超导主线圈7向第3强磁性体构件17的磁力线增加的危险，但由于在该部位配置了第1强磁性体构件15，所以能抑制通过超导主线圈7的磁力线的增大。

而且，能提高对应于第1强磁性体构件15的观察区域4的周围部分的磁场强度。其结果，由于能改善观察区域4的磁场强度分布的偏差，提高磁场均匀度，所以能降低对应于观察区域4的希望磁场强度的超导主线圈7的电流。

另外，若使用本发明，由于将强磁性体14分割形成多个强磁性体构件，因而能减轻各强磁性体构件的重量，同时能减轻强磁性体14的总重量，并提高装配作业的效率。

实施例2

图4表示本发明另一实施例的超导电磁铁装置的断面结构图。此外，图4放大表示了在图1中由虚线18包围的部分所对应的部分。本实施例和图1实施例的不同之点在于，设置第2强磁性体构件20来代替第2强磁性体构件16，而且，改变超导屏蔽线圈8的尺寸和错开轴向位置，从而将第2强磁性体构件20和第3强磁性体构件17包围在超导屏蔽线圈8的空心部内。由于其他结构和图1的实施例相同，标上相同的符号而省略其说明。

如图所示，第2强磁性体构件20，最好用纯铁形成具有外径比第1强磁性体构件15的内径小的圆盘状，并配置在超导屏蔽线圈8的空心部。特别是，在第2强磁性体构件20的观察区域4一侧的圆盘面上设置着同心条状的凹凸21。

若使用本发明，能得到和图1的实施例相同的效果的同时，由于在强磁性体构件20的观察区域4一侧附加了凹凸21，均匀磁场的调整变得更容易。

实施例3

图5表示本发明再一个实施例的超导电磁铁装置的断面结构图。与图4同样，放大表示了图1中由虚线18包围的部分所对应的部分。本实施例和图1的实施例不同之点在于，将图1实施例的第1强磁性体构件15和第3强磁性体构件17接合形成1个强磁性体构件22。即，强磁性体构件22做成，具有配置在超导主线圈7的空心部配置的圆筒部，和从该圆筒部的超导屏蔽线圈8一侧的端部突出到超导主线圈7和超导屏蔽线圈8之间的、外径比超导主线圈7的内径小的圆环状的凸缘部。由于其他结构与图1的实施例相同，所以标上相同的符号而省略其说明。

若使用本实施例，能得到和图1实施例相同的效果。另外，配置了图1的第1强磁性体构件15和第3强磁性体构件17的位置由于接近超导主线圈7和超导屏蔽线圈8，因而本来就是易于磁饱和的场所。因而，即使将它们结合形成大的强磁性体构件22，也能使作为本发明的目的强磁性体构件22磁饱和。

实施例4

图6表示本发明又一实施例的超导电磁铁装置的断面结构图。此外，与图4同样地放大表示图1中由虚线18包围的部分所对应的部分。本实施例和图1实施例不同之点在于，将和第2强磁性体构件16同心的超导线圈23配置在第2强磁性体构件16的外侧。

若使用本实施例，能得到和图1实施例相同的效果。另外，由于在第2强磁性体构件16的外侧配置超导线圈23，因而与其他实施例相比，有更容易达到磁饱和的效果。特别是，由于能减小第2强磁性体构件16的观察区域一侧和观察区域相反一侧的磁通密度，因此能使作用在一对强磁性体构件16间的吸引磁力变小。

此外，超导线圈23的位置，不受图6的例子的限制，根据促进第2强磁性体构件16的磁饱和的目的，夹住强磁性体构件16的圆环部并在上下面相对地配置一对超导线圈，即使通过与它们反向的电流，也能得到相同的效果。

实施例5

图7表示本发明又一实施例的超导电磁铁装置的断面结构图。此外，与图4同样地放大表示图1中由虚线18包围的部分所对应的部分。本实施例和图1实施例不同之点在于，将冷却容器9形成圆环状，将超导主线圈7和超导屏蔽线圈8和第3强磁性体构件17收放在冷却容器9内，将第1和第2强磁性体构件15、16从冷却容器9向外伸出。这样，即使在极低温度的冷却容器9的外侧配置第1和第2强磁性体构件15、16，也不影响强磁性体构件15、16的磁化特性，所以能得到和图1的实施例相同的效果。

Claims (7)

1.一种磁共振成像装置的超导电磁铁装置，具有：夹住观察区域相对地设置的一对超导主线圈，以与上述一对超导主线圈同轴状从各超导主线圈离开设置在与上述观察区域相反一侧的一对超导屏蔽线圈，配置在从上述超导主线圈的空心部至上述超导屏蔽线圈的空心部的空间的一部分上的强磁性体，上述超导屏蔽线圈具有比上述超导主线圈外径大的外径，其特征是，

上述强磁性体由同轴配置形成多个轴对称的强磁性体构件，而且，除了轴心部外，在径向的至少一部分具有轴向离开的空间部构成。

2.如权利要求1记载的磁共振成像装置的超导电磁铁装置，其特征是，上述强磁性体做成最大外径比上述超导主线圈的外径大、比上述超导屏蔽线圈的外径小。

3.如权利要求1记载的磁共振成像装置的超导电磁铁装置，其特征是，上述强磁性体由做成配置在轴心部的圆盘状的强磁性体构件和设有空间地配置在该圆盘状的强磁性体构件的外周侧的至少1个圆环状的强磁性体构件构成。

4.如权利要求1记载的磁共振成像装置的超导电磁铁装置，其特征是，上述强磁性体做成相互在径向设有空间地同轴配置多个圆环状的强磁性体构件。

5.如权利要求1记载的磁共振成像装置的超导电磁铁装置，其特征是，上述强磁性体由配置在上述超导主线圈的空心部的圆环状的第1强磁性体构件，具有比第1强磁性体构件内径小的外径的、配置在上述超导主线圈和上述超导屏蔽线圈之间的圆板状和圆环状之中任何一个的第2强磁性体构件和具有比第2强磁性体构件外径大的内径、具有比上述超导屏蔽线圈内径小的外径的圆环状的第3强磁性体构件构成。

6.如权利要求5记载的磁共振成像装置的超导电磁铁装置，其特征是，上述第2强磁性体构件在上述观察区域一侧的面上形成同心状的凹凸。

7.如权利要求1记载的磁共振成像装置的超导电磁铁装置，其特征是，上述强磁性体由第1强磁性体构件和第2强磁性体构件构成；第1强磁性体构件具有配置在上述超导主线圈的空心部的圆筒部和从该圆筒部的上述超导屏蔽线圈一侧的端部向上述超导主线圈和上述超导屏蔽线圈之间伸出的、外径比上述超导屏蔽线圈的内径小的圆环状突缘部；第2强磁性体构件具有比该第1强磁性体构件的内径小的外径，配置在上述超导主线圈和上述超导屏蔽线圈之间的圆板状和圆环状中任何一种形状。

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