JP2005087229A - スプリット型マグネット及び核磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発生磁場を大きくしてもコイル線材に負担が少なく、かつ、磁場の高均一性を実現するスプリット型マグネットと、このスプリット型マグネットが用いられる核磁気共鳴イメージング装置を提供する。
【解決手段】スプリット型マグネット３は、第１マグネット４と、第２マグネット５と、略コの字型のヨーク７とを備え、第１マグネット４と第２マグネット５とが同極方向となるように、ヨーク７の一端と他端との間で対向して配置されているものである。第１マグネット４は、各磁極が同極方向に並列に配置される図示しない複数のコイルと、このコイルが設置される基板４ａと、コイルと基板４ａを冷却する図示しない低温容器とを備えてなる。第２マグネット５は、第１マグネット４と同様の構成となっている。
【選択図】図３

Description

本発明は、磁場発生空間が開放されているスプリット型マグネット、及び、被験者に圧迫感を与えないように、このスプリット型マグネットが用いられた核磁気共鳴イメージング装置に関するものである。

従来から、スプリット型マグネット及び核磁気共鳴イメージング装置は公知となっている。
例えば、下記特許文献１に開示されるものがある。この特許文献１のものはスプリット型マグネットを用いたＭＲＩ装置であって、この装置は被検体が置かれる空間を挟むように配置された静磁場発生磁石と、この静磁場発生磁石の内側にそれぞれ配置された傾斜磁場コイルと、さらにその内側に配置された高周波コイルと、被検体から発生するNMR信号を検出する検出コイルとを備えている。
特開２００２−２６３０８０号公報

しかし、特許文献１のものは、図１に示すように、スプリット型マグネットの磁場発生空間において磁力線が広がってしまい、この空間中心位置から離れるにつれて磁場強度は低下してしまう。披験空間の磁場を上げるには、コイル自体への通電電流を大きくすればよいが、この場合、図２（ｂ）に示すコイル線材２ａにはこの線材の許容限界応力を上回ってしまうフープ応力がかかるという不都合がある。ここで、フープ応力とは、図２に示すように、コイルの巻線半径ｒとコイル線材に流れる電流密度Ｊと磁場強度Ｂとの積から算出されるσをいう。上記の場合では、電流密度Jが大きくなるので、フープ応力σは大きくなってしまう。

また、スプリット型マグネットの場合は反対の磁極が披験空間を介して相対することになるが、コイル内を流れる電流が大きいと、これらの磁極同士は数百トン規模の強大な電磁力で引き合うこととなる。この電磁力に耐えうる構造設計が必要となるが、磁場を上げれば上げるほど、その構造設計は困難なものとなる。

さらに、通常ＭＲＩ断層撮影を行う際の必要な磁場均一度は、スプリット型マグネットの磁極に挟まれた空間のうち、測定試料空間（直径４０ｃｍ、高さ３０ｃｍの円筒空間）の領域において、５ｐｐｍ ｐｅａｋ−ｐｅａｋ程度である。このような磁場均一度を達成するには、対向磁極のそれぞれのコイル巻線半径ｒを大きくすればよいが、この場合にも上記で述べたフープ応力との関係からフープ応力Fは大きくなってしまい、コイル線材の許容限界応力を上回ってしまうことがある。

また、コイル巻線半径ｒを大きくすることによって磁極面積を大きくすると、磁極が相互に引き合う電磁力も強大なものとなる。この場合も上記同様、この電磁力に耐えうる構造設計が必要となるが、コイル巻線半径ｒを大きくすればするほど、その構造設計は困難なものとなる。

そこで、本発明の目的は、発生磁場を大きくしてもコイル線材に負担が少なく、かつ、磁場の高均一性を実現するスプリット型マグネットと、このスプリット型マグネットが用いられた核磁気共鳴イメージング装置を提供することである。

課題を解決するための手段及び効果

本発明のスプリット型マグネットは、それぞれの磁極が同極方向に並列に配置される複数のコイルを有する第１マグネットと、それぞれの磁極が同極方向に並列に配置される複数のコイルを有する第２マグネットとを備え、前記第１マグネットの発生磁場方向と前記第２マグネットの発生磁場方向とが同方向となるように対向して配置されている。
上記構成により、発生磁場を大きくしてもコイル線材に負担が少なく、かつ、磁場の高均一性を実現するスプリット型マグネットを提供できる。

本発明のスプリット型マグネットは、前記第１マグネットのコイル及び前記第２マグネットのコイルが、超伝導線材からなり、かつ、さらに備えられる低温容器内に配置されていることが好ましい。
上記構成により、高磁場を発生できるスプリット型マグネットを提供できる。

本発明のスプリット型マグネットは、前記第１マグネットのコイル及び前記第２マグネットのコイルのそれぞれが超伝導線材で直列接続され、該超伝導線材が前記低温容器内に配置されていることが好ましい。
上記構成により、コイルの励磁及び磁場発生空間の磁場均一度の調整が容易にできる。

本発明のスプリット型マグネットは、前記第１マグネットのコイルが巻回される第１コイル巻枠と、前記第２マグネットのコイルが巻回される第２コイル巻枠とが、非磁性材料であることが好ましい。
上記構成により、被験空間における磁場を厳密に解析的に計算することができ、必要な磁場均一度を実現しやすくなる。

本発明のスプリット型マグネットは、前記第１マグネットのコイルが巻回される第１コイル巻枠と、前記第２マグネットのコイルが巻回される第２コイル巻枠とが、磁性材料中実柱であることが好ましい。さらに、この磁性材料中実柱の一端と他端とが平面形状であることが好ましい。
上記構成により、磁性材料中実柱内において磁束密度が平準化され、披験空間の磁場均一度を高めることができる。

本発明のスプリット型マグネットは、前記磁性材料中実柱がであることが好ましい。
上記構成により、磁性材料中実円柱内において磁束密度がさらに平準化され、披験空間の磁場均一度をさらに高めることができる。

本発明のスプリット型マグネットは、前記第１マグネットと前記第２マグネットとが対向する側において、前記第１コイル巻枠の各平面部分に平面が接するようにさらに第1磁性体板が配置され、かつ、前記第２コイル巻枠の各平面部分に平面が接するようにさらに第２磁性体板が配置されていることが好ましい。
上記構成により、第１及び第２磁性体板内において磁束密度が平準化され、披験空間の磁場均一度をさらに高めることができる。

本発明のスプリット型マグネットは、前記第１コイル巻枠と前記第１磁性体板、及び、前記第２コイル巻枠と前記第２磁性体板がそれぞれ低温容器内に配置されていることが好ましい。
上記構成により、第１コイル巻枠と第１磁性体板、及び、第２コイル巻枠と第２磁性体板が一定温度に保持されるため、磁化率が変化しないので、披験空間の磁場均一度をさらに高めることができる。

本発明のスプリット型マグネットは、前記第１マグネットと前記第２マグネットとが対向する側の背面同士が磁性体により連結されていることが好ましい。
上記構成により、コイルから発生する磁力線を磁性体中に集中させて、磁気ループを形成できるので、スプリット型マグネットからの漏れ磁場を抑制できる。

本発明の核磁気共鳴イメージング装置は、上記いずれかに記載のスプリット型マグネットを備えるものである。
上記構成により、発生磁場を大きくしてもコイル線材に負担が少なく、かつ、磁場の高均一性を実現するスプリット型マグネットを備えるので、被験者の精神的負担を低減させ、しかも高分解能の核磁気共鳴イメージング装置を提供できる。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照して説明する。
図３は、本発明に係るスプリット型マグネットの第１実施形態を示す図である。このスプリット型マグネット３は、第１マグネット４と、第２マグネット５と、略コの字型のヨーク７とを備え、前記第１マグネットの発生磁場方向と前記第２マグネットの発生磁場方向とが同方向となるように、ヨーク７の一端と他端との間で対向して配置されているものである。

第１マグネット４は、それぞれの磁極が同極方向に並列に配置される図示しない複数のコイルと、このコイルが設置される基板４ａと、コイルと基板４ａを冷却する図示しない低温容器とを備えてなる。
第２マグネット５は、それぞれの磁極が同極方向に並列に配置される複数のコイル６と、このコイル６が設置される基板５ａと、コイル６と基板５ａを冷却する図示しない低温容器とを備えてなる。

基板４ａ、５ａは、鉄からなる。なお、鉄の代わりに、鉄以外の金属や強化樹脂を用いてもよい。

コイル６は、図１の大口径コイルの代わりに用いられる小口径のソレノイドコイルである。なお、各コイル６は全て同じ巻線半径で巻回される必要はなく、巻線半径の異なるコイルを用いてもよい。第１マグネットに用いられる図示しないコイルにおいても同様である。

また、コイル６の線材は、超電導体からなる。このコイル６を超電導状態にするために、コイル６は図示しない低温容器内で冷却される。第１マグネットに用いられる図示しないコイルにおいても同様である。

さらに、各コイル６は、同一電源からの通電が好ましい。異なる電源で通電すると、スプリット型マグネット３全体の励磁が煩雑になるばかりでなく、磁場均一度の調整も困難となるからである。また、コイル６に超伝導体が用いられている場合には、励磁や磁場均一度の調整の観点から、各コイル６が図示しない超伝導体からなる線材で直列接続されていることが好ましい。なお、このときも、超電導体からなる線材を超電導状態にするために、図示しない低温容器内で冷却する必要がある。第１マグネットに用いられる図示しないコイルにおいても同様である。

ヨーク７は、磁性体である鉄等からなり、第１マグネット４及び第２マグネット５を固定支持するものである。このヨーク７は、運転時の第１マグネット４と第２マグネット５との間で発生する磁場による引力に耐え得るように設計されている。

このスプリット型マグネット３の各コイルに通電すると、第１マグネット４と第２マグネット５間に図１と同様の磁力線分布を示す磁場が発生する。また、第１マグネット４側の各コイルによって、第１マグネット４の背面側（第１マグネット４と第２マグネット５との間の反対側）から発生した磁力線が、ヨーク７内を通過して第２マグネット５の背面側（第１マグネット４と第２マグネット５との間の反対側）に流れる磁気ループを形成する。

上記実施形態により、磁場発生空間における磁場を大きくしてもコイル線材に負担が少なく、かつ、磁場の高均一性を実現するスプリット型マグネット３を提供できる。
また、コイル６に超伝導線材を用いているので、高磁場を容易に発生できる。
さらに、各コイル６が超伝導体からなる線材によって同一電源に直列接続されているので、コイル６の励磁及び披験空間の磁場均一度の調整が容易にできる。
加えて、磁性体からなるヨーク７により各コイルから発生する磁力線をヨーク７中に集中させて、磁気ループを形成できるので、スプリット型マグネットからの漏れ磁場を抑制できる。

図４は、本発明に係るスプリット型マグネットの第２実施形態を示す図である。なお、上記第１実施形態と同様の部分については、説明を省略することがある。
このスプリット型マグネット８は、第１マグネット９と、第２マグネット１０と、略コの字型のヨーク７とを備え、第１マグネット９と第２マグネット１０とが同極方向となるように、ヨーク７の一端と他端との間で対向して配置されているものである。

第１マグネット９は、それぞれの磁極が同極方向に並列に配置される図示しない複数のコイルと、このコイルが巻回される巻枠１１と、この巻枠１１の磁場発生側に配置される磁性体円盤１２と、図示しないコイルと巻枠１１と磁性体円盤１２とを冷却する図示しない低温容器を備えてなる。

第２マグネット１０は、それぞれの磁極が同極方向に並列に配置される図示しない複数のコイルと、このコイルが巻回される巻枠１３と、この巻枠１３の磁場発生側に配置される磁性体円盤１４と、図示しないコイルと巻枠１３と磁性体円盤１４とを冷却する図示しない低温容器を備えてなる。

図示しないコイルは上記第１実施形態と同様のものであって、超電導体が用いられている。
巻枠１１、１３は、鉄からなる一端と他端とが平面の中実円柱であって、コイルが円周方向に巻回されるものである。なお、巻枠１１、１３は鉄以外の磁性体であってもよいし、非磁性体であってもよい。また、巻枠１１、１３それぞれの一端はヨーク７に取り付けられ、それぞれの他端には磁性体円盤１２、１４の平面が取り付けられている。
磁性体円盤１２、１４は、鉄からなる。なお、磁性体円盤１２、１４には、鉄以外の磁性体を用いてもよい。

このスプリット型マグネット８のコイルに通電すると、第１マグネット９と第２マグネット１０間に図４に示す磁力線分布を有する磁場が発生する。図４の点線で示すように、第１マグネット９と第２マグネット１０間では水平線に対し垂直な磁力線分布となり、第１マグネット９と第２マグネット１０間外では外側へ向かって膨らみのある磁力線分布となる。また、各コイルによって、第１マグネット９の背面側（第１マグネット９と第２マグネット１０との間の反対側）から発生した磁力線が、ヨーク７内を通過して第２マグネット１０の背面側（第１マグネット９と第２マグネット１０との間の反対側）に流れる磁気ループを形成する。

上記第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られる。
また、巻枠１１、１３が磁性体であるときは、磁性材料内において磁束密度が平準化されるので、披験空間の磁場均一度を高めることができる。
さらに、磁性体円盤１２、１４内においても磁束密度が平準化されるので、披験空間の磁場均一度をさらに高めることができる。
磁性体である巻枠１１と磁性体円盤１２、及び、磁性体である巻枠１３と磁性体円盤１４が一定温度に保持されるため、磁化率が変化しないので、磁場発生空間の磁場均一度をさらに高めることができる。

なお、上記第１、第２実施形態のスプリット型マグネットについて、ヨーク７は、磁性体の代わりに非磁性体であってもよいが、この場合磁気ループを形成できないので、漏れ磁場の抑制はできない。
また、上記第１、第２実施形態の各スプリット型マグネットに別途磁場均一度補正コイルを設けてもよい。

また、図示しないが、本発明によれば、上記第１、第２実施形態のスプリット型マグネットを有する核磁気共鳴イメージング装置を作製することができる。このような核磁気共鳴イメージング装置によれば、発生磁場を大きくしてもコイル線材に負担が少なく、かつ、磁場の高均一性を実現するスプリット型マグネットを備えるため、広い空間を見通せるので、被験者の精神的負担を低減させ、しかも高分解能の核磁気共鳴イメージング装置を提供できる。

Ｎｂ−Ｔｉ超電導線材からなるコイルにかかるフープ応力σについて計算した。コイルの巻き線半径ｒを５ｃｍにし、通電する電流密度Ｊを３×１０^８Ａ／ｍ^２、磁場Ｂを５Ｔとしたとき、σ＝Ｂ・Ｊ・ｒからσは７５ＭＰａとなる。

次に、上記第２実施形態のスプリット型マグネットに磁場均一度補正コイルを別途設けた場合の被験空間（直径４０ｃｍ、高さ３０ｃｍの円筒空間）の磁場均一度を側定した。被験空間の発生磁場をほぼ１Ｔとした後、磁場均一度補正コイルの通電電流を調整したときの磁場均一度は３．３ｐｐｍ ｐｅａｋ−ｐｅａｋであった。
また、このとき、被験空間の中心位置から２．５ｍ離れた地点において磁場強度を測定したところ１３０ガウスとなった。

比較例１

次に、Ｎｂ−Ｔｉ超電導線材からなる典型的なコイルにかかるフープ応力σについて計算した。コイルの巻線半径を４０ｃｍ、通電における平均的な電流密度を３×１０^８Ａ／ｍ^２、磁場Ｂを３Ｔとしたとき、σ＝Ｂ・Ｊ・ｒからσは３６０ＭＰａとなる。

比較例２

次に、半径が４０ｃｍの超電動コイルを使用する一般的なスプリット型マグネットに磁場均一度補正コイルを別途設けた場合の被験空間（直径４０ｃｍ、高さ３０ｃｍの円筒空間）の磁場均一度を側定した。被験空間の発生磁場をほぼ１Ｔとした後、磁場均一度補正コイルの通電電流を調整したときの磁場均一度は１８ｐｐｍ ｐｅａｋ−ｐｅａｋであった。
また、このとき、被験空間の中心位置から２．５ｍ離れた地点において磁場強度を測定したところ７８０ガウスとなった。

よって、実施例１は、コイルにかかるフープ応力σが許容応力の２００ＭＰａに対し十分に余裕があることがわかる。これに対し、比較例１の場合は、許容応力の２００ＭＰａに対し限度外であることがわかる。
また、実施例２と比較例２とを比べると、超電動コイルを使用する一般的なスプリット型マグネットに比べ、被験空間の磁場均一度及び漏れ磁場において、良好な結果が得られた。

したがって、本実施例のコイルの発生磁場方向を合わせて複数並列に配置すれば、磁場発生空間における磁場を大きくしてもコイル線材に負担が少なくて、被験空間の磁場均一度が高く、しかも漏れ磁場の少ないスプリット型マグネットを提供できる。

なお、本発明は、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で設計変更できるものであり、上記実施形態や実施例に限定されるものではない。

従来のスプリット型マグネットを示す図。 コイルの巻線半径ｒ、電流密度Ｊ、磁場強度Ｂ及び力Ｆの関係を示す図。 本発明に係るスプリット型マグネットの第１実施形態を示す図。 本発明に係るスプリット型マグネットの第２実施形態を示す図。

符号の説明

１、３、８ スプリット型マグネット
２、６ コイル
４ 第１マグネット（第１実施形態）
４ａ、５ａ 基板
５ 第２マグネット（第１実施形態）
７ ヨーク
９ 第１マグネット（第２実施形態）
１０ 第２マグネット（第２実施形態）
１１、１３ 巻枠
１２、１４ 磁性体円盤

Claims (10)

1. それぞれの磁極が同極方向に並列に配置される複数のコイルを有する第１マグネットと、それぞれの磁極が同極方向に並列に配置される複数のコイルを有する第２マグネットとを備え、前記第１マグネットの発生磁場方向と前記第２マグネットの発生磁場方向とが同方向となるように対向して配置されているスプリット型マグネット。
2. 前記第１マグネットのコイル及び前記第２マグネットのコイルが、超伝導線材からなり、かつ、さらに備えられる低温容器内に配置されている請求項１記載のスプリット型マグネット。
3. 前記第１マグネットのコイル及び前記第２マグネットのコイルのそれぞれが超伝導線材で直列接続され、該超伝導線材が前記低温容器内に配置されている請求項２記載のスプリット型マグネット。
4. 前記第１マグネットのコイルが巻回される第１コイル巻枠と、前記第２マグネットのコイルが巻回される第２コイル巻枠とが、非磁性材料である請求項１〜３のいずれかに記載のスプリット型マグネット。
5. 前記第１マグネットのコイルが巻回される第１コイル巻枠と、前記第２マグネットのコイルが巻回される第２コイル巻枠とが、一端と他端とが平面形状をした磁性材料中実柱である請求項１〜３のいずれかに記載のスプリット型マグネット。
6. 前記磁性材料中実柱が磁性材料中実円柱である請求項５記載のスプリット型マグネット。
7. 前記第１マグネットと前記第２マグネットとが対向する側において、前記第１コイル巻枠の各平面形状部分に平面が接するようにさらに第1磁性体板が配置され、かつ、前記第２コイル巻枠の各平面形状部分に平面が接するようにさらに第２磁性体板が配置されている請求項５又は６に記載のスプリット型マグネット。
8. 前記第１コイル巻枠と前記第１磁性体板、及び、前記第２コイル巻枠と前記第２磁性体板がそれぞれ低温容器内に配置されている請求項７記載のスプリット型マグネット。
9. 前記第１マグネットと前記第２マグネットとが対向する側の背面同士が磁性体により連結されている請求項１〜８のいずれかに記載のスプリット型マグネット。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載のスプリット型マグネットを備える核磁気共鳴イメージング装置。

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