JP2003517734A - 磁気遮蔽室内の干渉を弱める方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、強磁性体の遮蔽体を備えた試験室（１，２，８，９）内の磁気干渉を弱める方法に関し、干渉磁場を測定して、その測定結果に基づいて補償磁場を発生させる方法に関する。 【解決手段】 本発明によれば、測定対象の干渉磁場を異なる方向に向いた三つの磁場成分に分解し、前記磁場成分（ｘ，ｙ，ｚ）の一つと平行に向けられた前記強磁性体からできた壁要素（１，２，８，９）の少なくとも一つを通る磁束成分を前記壁要素の周りに捲回されたコイルの助けを借りて測定するというようにして、前記磁場成分（ｘ，ｙ，ｚ）のそれぞれを、前記強磁性体からできた壁要素（１，２，８，９）の周りに捲回されたコイル（３，４，５，６）の助けを借りて測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は磁気遮蔽された部屋における磁気的な干渉を弱める（減衰させる）た
めにクレーム１の前文に従った方法に関するものである。

【０００２】 高感度の生体磁気測定のため、試験室は外部の干渉に対して遮蔽されていなけ
ればならない。最初のポイントとして、最新の超伝導量子干渉素子磁力計（SQUI
D magnetometer）の感度限界は１fT/Hz程度であり、実験室の通常のノイズレベ
ルは1 Hzで10^６fT、0.01 Hzでおよそ10⁹fTである。従来、磁気傾度計(gradiomet
er)が測定に用いられてるが、外部干渉磁界のレベルを弱めることが必要である
。一般的に、ミューメタルからなる二つ以上の遮蔽体の助けにより減衰が達成さ
れる。また、遮蔽体を改良すべく能動手段が用いられていた。外部磁場は、例え
ば、磁束磁力計の助けを借りて試験室の外で測定され、試験室の外に配置された
コイルを用いて試験室の減衰効果を改良していた。試験室の外に配置されたヘ室
ホルツコイルが磁力計としてかつ検出された磁場を補償する手段として用いられ
ている方法の記載がある。

【０００３】 本発明の目的は、上述した技術の欠点を克服し、磁気的に遮蔽された部屋に入
り込む磁気的干渉を弱める全体として新規なタイプの方法を提供せんとするもの
である。

【０００４】 本発明の目的は、強磁性体からなる試験室の壁要素周りに、干渉を生じさせる
磁場を測定できる一組の測定コイルを配することにより達成される。これらの要
素により干渉磁場が既知となった後で、試験室の外で適用された補償コイルの手
段によって反対の大きさの補償磁場を確立することができる。

【０００５】 より具体的には、本発明に従った方法はクレーム１の特徴部に記載されたこと
により特徴づけられている。

【０００６】 本発明は著しい利点を提供するものである。

【０００７】 本発明に従ったコイルの配置は、遮蔽された試験室自体を磁力計として機能さ
せることにより干渉の磁場を非常に高精度に測定可能ならしめる。そして、試験
室の外側に配置されたコイルの助けを借りて実際の補償を行うことができる。

【０００８】 本発明の好適実施例は、また、磁場パターンを分解できるようにする。

【０００９】 必要な場合には、多重捲回（multiturn）補償コイルに適用するフィードバッ
ク信号により強い干渉磁場であっても弱めることができる。

【００１０】 以下においては、添付された図面において明瞭化された例示的実施例を参照し
て本発明を詳細に記載する。

【００１１】 図面を参照すると、遮蔽室はミューメタルから作られた二つの囲繞され、重ね
られたシート壁からなっている場合を想定している。外壁の構成は図１に示して
ある。説明をより分かりやすくするため、部屋の二つの壁、すなわちその前後壁
は省略してある。外部緩衝源は、図示していない前後壁と同様に底部及び天井壁
要素１，２及び側壁要素８，９とによって形成された外壁上に磁場を印加する。
平面状の壁要素１または２に多重捲回のコイルが捲かれると、壁内を循環する磁
場の磁束はコイル中に電圧を誘導する。平行に配向された壁要素１及び２に印加
された磁場の同一ベクトル成分を測定するコイルの直列接続によって、印加され
た磁場の選択されたベクトル成分の大きさに比例した測定信号が得られる。従っ
て、信号壁１は、それぞれ壁の各端部において二つの異なる方向の磁場を測定す
る四つのコイル５，６及び１０，１１を備えることができる。図示の実施例にお
いては、コイル１０及び１１がｙ−方向の磁力を測定する一方で、コイル５及び
６はｘ−方向の磁力を測定するように配置されている。すなわち、ｘ−方向の磁
場成分は、合計で４個の壁要素上に載置されたコイル、すなわちコイル３，４，
５及び６、更にほぼ図示の平面状に配置された不図示の壁の他の４組のコイルを
用いて測定される。磁場の三つのベクトル成分（ｘ、ｙ、ｚ軸に沿った方向の）
をすべて測定する同様な技術を用いることで、試験室に「入る」外部磁場の性質
に関する情報が得られる。逆に、試験室外に配置されたコイル内に誘導される電
圧に対して逆の相でフィードバック電圧を印加することで、例えば、コイル７が
ｘ−方向磁場成分の補償コイルとして作用できるので、試験室内部に達する外部
磁場の大きさを減少することができる。コイル７を補うため、装置はｙ−および
ｚ−方向の磁場成分に対する補償コイルを有する。補償器を設計するに当たって
は、誘導された電圧は変動する磁場の時導関数に比例することをはっきりと理解
することが必要である。

【００１２】 一方、磁界のベクトル方向ｘ、ｙ及びｚ毎に一の壁要素に捲回される基本的に
唯一の多重捲回コイルを有する本発明の概念を履行することが可能である。しか
しながら、図に示されるように一の壁要素２に捲回される二つのコイル５及び６
を使用して、コイルの直列接続からより強い信号を得ること、或いは、コイル５
及び６に独立して誘導される電圧を計測する方法によって対向する壁２の端部間
における磁界の変化度を評価すること、の何れも可能である。同じ方策は、これ
らコイルを、より強い全体計測信号を得るために、或いは、上部と下部間或いは
「管状」空間要素の前面壁と背面壁間における磁界分布の決定のために、使用す
ることによって、対向する壁１及び２の間にも適用できる。一般に、計測信号は
、干渉磁場のセンシングを配置して四つの壁により形成される管状の助けを介し
て生じさせることで、かつ、計測される磁界に平行に配設される軸を持つことに
よって、最大にされ、そのために各壁要素は壁要素に捲回される１又はそれより
多いコイルを有し、全てのコイルは相互に直列に接続され、それによってコイル
内に誘導される電圧は相互に、壁を通過する干渉磁場の全体磁束に比例した計測
信号を与えることを増加させる。同様の配置は、三つの磁界成分すべてに適用可
能であり、図に示す場合において、磁界のｘ成分が磁界に直交する管状空間要素
の助けで計測され、ｙ成分が長手方向管状空間要素（図形の平面に直交する配置
で描かれている）の助けで計測され、ｚ成分が垂直に配置される管状空間要素の
助けで計測されることを意味する。計測誤差を除去するために、個々のコイルの
助けで、管状空間要素の端で磁束を計測することができる。

【００１３】 人為の磁界干渉は、約２０ｄB／decade の比率で低周波数に向けて増加する。
極めて低周波数において、或いは低干渉環境において、外部干渉が、地磁気によ
り引き起こされる。これらは、干渉レベルが周波数スペクトルの低い側の端に向
かって約３０dB／decade の比率で増加することを特徴とする。これらに加え、
５０Hzコンセント周波数（50Hz mains frequency）とそれのハーモニクスは、生
体磁気計測において重大な干渉源として働く。誘導的に結合された現象における
電圧信号が磁界の周波数に比例することに留意すべきである。高周波数において
、雑音レベルは一般にアンテナの損失成分である熱雑音によって決定されるが、
低周波数では、雑音信号は増幅器の所謂１／f雑音から生じる。より詳細には、
試験室の磁気遮蔽体と一体化されるアンテナの信号−雑音比率（signal-to-nois
e ratio）は、約0.１Hzから1ｋHzの周波数レンジに対して約２０dB／decadeの比
率で低下し、その一方、極めて低周波数（0.001Hzから0.1Hz）に向かってその比
率は約３０dB／decadeである。このことは、試験室の壁に一体化された多重捲回
コイルの電圧分解能は広い周波数レンジ（0.001Hzから1ｋHz）に対して、壁上の
外部干渉磁場により引き起こされる電圧のレベルを超えることを意味する。ゆえ
に、試験室の壁に取り付けられた誘導コイルに基づく能動遮蔽配置は、試験室を
通る磁界を大幅に減少させることができる。

【００１４】 本方法を実施する上で、干渉磁場の異なった成分を除去するためには、図１に
おけるコイル７と同様の様式にて試験室の外側に載置されたコイルを使用するこ
とが求められる。通常は、このシステムは本線の周波数と同期された５０Hzの発
振器を用い、且つ当該発振器において１００〜１５０Hzの高調波信号が発生され
ており、その結果、これら全ての信号を適当な位相にてコイルに印可することで
、試験室の干渉レベルは低減される。試験室の壁に載置されたアンテナは、５０
、１００、１５０Hzおよび更なる高高調波での干渉信号のレベルを測定するため
に使用可能であり、さらに発振器からの信号の振幅および位相および当該信号の
高調波を制御して干渉磁場を最小化するために使用することが可能である。

【００１５】 仮に試験室がその周囲を囲むように複数の遮蔽体を各々重ね合わせて構成され
ているとすると、磁場測定用のコイルを伴った中間部での囲いの内壁を加えるこ
とも可能となる。多くの場合、そのような部屋には消磁に用いられるコイルがど
のようにか与えられているため、新たなコイルを組み込む必要はない。しかしな
がら、誘導される電圧がアンテナの熱雑音の電圧と同じ桁となる大きさとなるた
め、内部遮蔽体は能動的に遮蔽体として働くには不適当となる。

【００１６】 実用的なフィードバック配置は、その実行が困難である。これは、実際の試験
室が非対称的となりがちであることと、補償用コイルに流される電流と囲いにお
けるコイルに誘導される電圧との間の伝達関数が遅い応答と複雑な特性を示すこ
ととによる。最適化された制御のためには、外部から作用する磁場によって試験
室の最も内側の空間に誘導された磁場は、SQUID磁力計を用いて測定されるべき
であり、このようにして得られた情報は補償用コントローラの操作を最適化する
ために用いられるべきである。

【００１７】 本発明に係る配置は、強磁性体からなる単一壁のみから構成されたような遮蔽
体された部屋においても使用され得るであろう。ここで、強磁性体という用語は
、高い比透磁率を有する何れかの材料をさすものとする。そのような材料として
は、例えば鉄やミューメタルがある。通常、これら材料は、およそ１００〜３０
０００の比透磁率を示す。

【００１８】 本発明の一実施例によれば、試験室の外側および内側の遮蔽体壁からの誘導手
段によって磁場が測定され、この情報は、通常はフードバック配置を介して部屋
の外に配置されたコイルを制御するために用いられる。しかしながら、この部屋
における応答は遅く、これは、コイルを流れる電流が変えられた際に、それによ
って誘導された磁場が壁を通り抜けて試験室内部に達する以前に数ミリ秒要する
ことを意味している。システムの伝達関数においては、この遅れた応答は単に関
数における一つあるいは二つの極によって生ずるのではなく、むしろ遅延回路に
よって生ずるものと類似している。制御技術という観点からは、このことは、試
験室の壁において重ね合わされた干渉磁場は、基本的に制御信号の振幅に対して
補償のための充分な大きさを与えることが可能であったとしても、フィードバッ
クという方法では補償ができないということを意味している。課題は、フィード
フォワード制御によりシステムを補完することにより解決することができる。よ
って、本発明の好ましい実施例においては、（約１Ｈｚ〜１０Ｈｚの「より高い
」周波数における）残留磁場の大きさが測定され、上述の方法により室内の異な
るコイル（ｘ、ｙおよびｚ）に適用されるフィードバック制御により削除される
ことのない成分を検出し、その測定に基づいて、短い時間の後に室内にあるべき
磁場で予測評価がなされる。さらに具体的には、試験室の点ｘ、ｙ、ｚにおける
磁界のｘ−方向の成分の予測評価が、式 Bx(x,y,z,t) = a(xyz,0)Bx(t) + a(xyz
,dt)Bx(t-dt) + a(xyz,2dt)Bx(t-2dt) ... b(xyz,dt)By(t-dt) ... c(xyz,dt1)B
z(t-dt) ...によりなされる。係数a(xyz,dt)、a(xyz,2dt)、a(xyz,3dt)...、b(xyz
,dt)、...を解くために、壁における磁界が最初に測定され、試験室内の異なる点
において測定結果の相関関数が計算される。明らかに、このモデルの磁場の作用
は、生体磁気学の画像装置、典型的には脳の画像装置、のセンサー、が配置され
ている試験室のそれらの点のみについて計算される必要がある。しかしながら、
モデルが磁界のすべての成分及び傾斜のための値を予測できるように、相関関数
は、実際には、脳の画像装置の画像中心における全方向の磁場について計算され
なければならない。別の技術は室空間の３つの軸のそれぞれについての６点（ま
たは、実際には７点）における磁界を評価するものである。これにより、予測評
価のために処理されるべき変数の数は１８（または、それぞれ２１）である。シ
ステムがその最小構成で組み立てられる場合、室における均一の磁場成分のため
の推定値Bx、ByおよびBzが得られるように、試験室のすべてのコイルが使用され
、そこから得られる信号は結合される。これらの結果はその後、フィードバック
制御により、残留磁場用の通常の方法に用いられる。残留磁場の成分の測定信号
は例えば１ｍｓごとにサンプリングされ、こうして得られた測定値のマトリック
スは、すべての方向、例えば試験室の６（または７）点、における磁界の大きさ
を予測するため、例えば１秒まで用いられる。この情報は、例えば画像データを
処理するときの磁場情報を利用する脳の画像装置のコンピュータに渡される。別
の代わりの配置では、計算された予測評価に基づいて残留磁場を後に補償するよ
うに試験室内部にコイルを配置している。前者の信号処理技術がおそらくより正
確な最終結果を与えていた一方、後者は遮蔽された室および磁力計の両方のため
の異なる製造により伝えられる成分の構成の使用を促進する利益を有する。

【００１９】 実際には、残留磁場の時間依存は「数学的に」定式化でき、これにより計算が
実質的に低減される。残留磁場の「予測」評価もまた帰納的な方法を用いて実行
される。効果的なアルゴリズムを用いることにより、ＰＣは作業をたやすく成し
遂げうる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 干渉磁場を弱めるための構成の斜視図である。

【符号の説明】

１ 底部壁要素 ２ 天井壁要素 ３，４，５，６，１０，１１，１２，１３ 測定コイル ７ 補償コイル ８、９ 側壁要素

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ， ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 ペンッティネン，アウヴォ フィンランド国．エフアイエヌ−00200 ヘルシンキ，ラウッタサーレンティエ 24 −26 エー 15 Ｆターム(参考） 2E001 DH03 EA01 FA03 5E321 AA42 GG07

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 強磁性体の遮蔽室を備えた試験室（１,２,８,９）内の磁気
   干渉を弱める方法であって、干渉磁場を測定して、その測定結果に基づいて補償
   磁場を発生させる方法において、 測定されるべき干渉磁場を、異なる方向に向いた三つの磁場成分に分解し、 前記強磁性体からできた壁要素（１,２,８,９）の周りに捲回されたコイル（
   ３,４,５,６）の助けを借りて、前記磁場成分（ｘ,ｙ,ｚ）のそれぞれを測定し
   、 もって、前記壁要素の周りに捲回されたコイルの助けを借りて、前記磁場成分
   （ｘ,ｙ,ｚ）のうちの一つと平行に向けられた前記強磁性体からできた壁要素（
   １,２,８,９）のうちの少なくとも一つを通る磁束成分を測定することを特徴と
   する方法。
2. 【請求項２】 壁要素の各要素（１）が、磁場の一つの成分（ｘ）の測定用
   の二つのコイル（３,４）を、前記壁要素（１）の端部に有していることを特徴
   とする請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 前記コイル（３,４）が、検出された信号を最大にするため
   に、直列に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 【請求項４】 前記コイル（３,４）が、傾斜磁場を検出するために、別々
   の回路に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の方法。
5. 【請求項５】 四つの壁要素によって形成された管状構造体であって、その
   軸線が測定されつつある磁場成分と平行に向けられている管状構造体の助けを借
   りて、磁場成分のうちの一つの成分(ｘ,ｙ又はｚ)を測定し、壁要素（１,２）の
   各要素に少なくとも１つの測定コイルを設けられていることを特徴とする請求項
   １乃至４のいずれかに記載の方法。
6. 【請求項６】 補償コイルのうちの少なくとも１つのコイル（７）が、試験
   室の壁要素の外側に配置されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか
   に記載の方法。
7. 【請求項７】 それぞれの補償コイル（７）へのフィードバック信号の振幅
   及び位相偏移を、それぞれの測定コイル（３,４,５,６）から得られる測定信号
   に基づいて調節するフィードバック手段を具備している装置を使用することを特
   徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の方法。
8. 【請求項８】 ＳＱＵＩＤ磁力計の助けを借りて干渉磁場を測定することを
   特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の方法。
9. 【請求項９】 フィードバック信号の処理が、強制磁場の時間微分に対する
   誘導電圧の依存性を考慮することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載
   の方法。
10. 【請求項１０】 試験室内の残留磁場を測定し、それに基づいて、短期間後
    に試験室の内部にあるべき磁場について予測推定値を計算することを特徴とする
    請求項１乃至９のいずれかに記載の方法。
11. 【請求項１１】 測定される試験室の容積の中心点における磁場の全ての方
    向に関して測定結果の相関関数を計算し、それによって、特に、計算に使用され
    るモデルが、磁場と全ての方向におけるその傾斜磁場との両方についての予測推
    定値を与えることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の方法。
12. 【請求項１２】 試験室内の同質な磁場成分についての推定値Ｂｘ,Ｂｙ及
    びＢｚを得るべく、試験室の全てのコイルが、それらから得られる信号を結合す
    るために利用され、そして、それらの結果が、試験室内の残留磁場をフィードバ
    ック構成によって最小化するために使用されることを特徴とする請求項１乃至１
    １のいずれかに記載の方法。