JP2006320395A

JP2006320395A - 磁石装置及びそれを用いた磁気共鳴イメージング装置

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Publication number: JP2006320395A
Application number: JP2005144163A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Ariyoshi; 昭彦有吉
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-05-17
Filing date: 2005-05-17
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2025-05-17
Also published as: US20060261812A1; JP4639948B2; US7253624B2

Abstract

【課題】円筒状空洞を有する一対の磁石体を用いた磁石装置において、この磁石体の空洞空間を有効利用することで、磁性体シムによる均一静磁場空間領域の磁場均一度の調整能力を高める。
【解決手段】超電導コイル群が内蔵されるとともに円筒状空洞を有する二つの磁石体を対向配置し、一方の磁石体の円筒状空洞に超電導コイル群と同心状の第一のリング状磁性体シムを配置し、第一のリング状磁性体シムの内径側に超電導コイル群と同心状の第二のリング状磁性体シムを配置した。さらに、他方の磁石体の円筒状空洞に超電導コイル群と同心状かつ第一のリング状磁性体シムと対向配置される第三のリング状磁性体シムを配置し、第三のリング状磁性体シムの内径側に第二の超電導コイル群と同心状かつ第二のリング状磁性体シムと対向配置される第四のリング状磁性体シムを配置した。
【選択図】図２

Description

この発明は、生体の画像診断に利用される磁気共鳴イメ−ジング装置の技術分野に属し、磁気共鳴イメ−ジング装置に用いられる磁石装置に関するものである。とくに、磁石装置が発生する均一静磁場空間領域の磁場均一度の向上に関するものである。

磁気共鳴イメ−ジング装置は、磁石装置の形状により大別して円筒形と対向形があり、近年では対向形が主流になりつつある。対向形は、一対の磁石体の間に球状の均一静磁場空間領域を形成するものであり、被検者に対する開放性や診断関係者の診断時における立ち回りの利便性の観点で優れている。この対向形の磁気共鳴イメ−ジング装置における均一静磁場空間領域の磁界強さは、０．２〜１．０テスラ前後であり、その仮想球体内での許容誤差は通常は数ｐｐｍである。なお、対向形の磁気共鳴イメ−ジング装置の大きさは、例えば高さは２〜３ｍ前後で、平面における最大径は２ｍ前後である。その重さは、磁気シールド方式によって異なるが、例えば磁性体を用いない場合で１０トン前後である。

このような対向形の磁気共鳴イメ−ジング装置においては、小型化、軽量化を図りつつ、均一静磁場空間領域の磁場均一性を確保することが重要である。従来の磁石装置では、円筒状空洞を有する一対の磁石体の対向面に細片状強磁性体シムを配置するとともに、これらの磁石体の対向面と空洞部表面とにリング状強磁性体シムを配置している（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００２−３３６２１５号公報

しかしながら、従来の磁石装置では、磁石体の空洞空間には磁性体シムを配置しておらず、均一静磁場領域に近い空洞空間を有効利用していないので、均一静磁場空間領域の磁場均一度の調整能力が比較的低いといった問題があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、円筒状空洞を有する一対の磁石体を用いた磁石装置において、この磁石体の空洞空間を有効利用することで、磁性体シムによる均一静磁場空間領域の磁場均一度の調整能力を高め、磁石装置が発生する均一静磁場空間領域の磁場均一度を向上させることを目的とする。

この発明における磁石装置は、第一の超電導コイル群が内蔵されるとともに円筒状空洞を有する第一の磁石体と、第二の超電導コイル群が内蔵されるとともに円筒状空洞を有しかつ前記第一の磁石体と対向配置される第二の磁石体と、前記第一の磁石体と前記第二の磁石体との間に形成される均一静磁場空間領域の磁場均一度を調整するための磁性体シムとを備える磁石装置において、前記第一の磁石体の前記円筒状空洞に前記第一の超電導コイル群と同心状の第一のリング状磁性体シムを配置し、前記第一のリング状磁性体シムの内径側に前記第一の超電導コイル群と同心状の第二のリング状磁性体シムを配置し、前記第二の磁石体の前記円筒状空洞に前記第二の超電導コイル群と同心状かつ前記第一のリング状磁性体シムと対向配置される第三のリング状磁性体シムを配置し、前記第三のリング状磁性体シムの内径側に前記第二の超電導コイル群と同心状かつ前記第二のリング状磁性体シムと対向配置される第四のリング状磁性体シムを配置したものである。

この発明によれば、円筒状空洞を有する一対の磁石体を用いた磁石装置において、この磁石体の空洞空間を有効利用することで、磁性体シムによる均一静磁場空間領域の磁場均一度の調整能力を高め、磁石装置が発生する均一静磁場空間領域の磁場均一度を向上できる。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１を図１〜図４により説明する。図１は、対向形の磁気共鳴イメ−ジング装置に用いられる磁石装置の構成を示す斜視図であり、図２は図１の縦断面図である。図３は極座標系を示す図であり、図４はリング状磁性体シムが発生する磁場の磁束方向偶数次成分の分布を示す特性図である。なお、各図中、同一符号は同一部分を示す。

図１において、磁石装置１００は第一の磁石体１と第二の磁石体２とを有し、第一の磁石体１と第二の磁石体２は対向配置されている。第一の磁石体１と第二の磁石体２の外周部は、連結柱３、４によって連結されている。第一の磁石体１は、環状の第一の超電導コイル群３１が内蔵され、円筒状空洞１０を有する。第二の磁石体２は、環状の第二の超電導コイル群３２が内蔵され、円筒状空洞１０を有する。ここでは、円筒状空洞１０として貫通穴を例示しているが、凹部であってもよい。

第一の磁石体１と第二の磁石体２との間には、第一の超電導コイル群３１及び第二の超電導コイル群３２によって均一静磁場空間領域３０が形成されている。均一静磁場空間領域３０の磁場均一度は、第一の磁石体１と第二の磁石体２のそれぞれ対向面に配置された磁性体シム３０１によって調整される。

第一の磁石体１の円筒状空洞１０には、第一のリング状磁性体シム１０１及び第二のリング状磁性体シム１１１が配置されている。第一のリング状磁性体シム１０１及び第二のリング状磁性体シム１１１は第一の超電導コイル群３１と同心状であり、第一のリング状磁性体シム１０１の内径側に第二のリング状磁性体シム１１１がある。ここで、第一及び第二のリング状磁性体シム１０１、１１１は、例えば、非磁性素材からなり位置調整可能な支持材を介して、円筒状空間１０の内壁から支持固定されている。

第二の磁石体２の円筒状空洞１０には、第三のリング状磁性体シム２０１及び第四のリング状磁性体シム２１１が配置されている。第三のリング状磁性体シム２０１及び第四のリング状磁性体シム２１１は第二の超電導コイル群３２と同心状であり、第三のリング状磁性体シム２０１の内径側に第四のリング状磁性体シム２１１がある。ここで、第三のリング状磁性体シム２０１は第一のリング状磁性体シム１０１と対向配置され、第四のリング状磁性体シム２１１は第二のリング状磁性体シム１１１と対向配置される。

以下、磁石装置１００の構成について詳細に説明する。第一の磁石体１は、周知のように、アルミニウムやステンレス鋼等の非磁性金属製の真空容器内に冷媒容器４１を配設している。この冷媒容器４１と真空容器との間には、図示しない熱シ−ルドを配設している。第一の超電導コイル群３１は、冷媒容器４１に内蔵されている。第二の磁石体２は、第一の磁石体１と対称に構成されており、真空容器内に冷媒容器４１を、この冷媒容器４１と真空容器との間に熱シ−ルドを配設している。第二の超電導コイル群３２は、冷媒容器４２に内蔵されている。第一の超電導コイル群３１と第二の超電導コイル群３２とは、同一の中心線２０を有するように同心状に配置されている。

なお、第一の磁石体１の冷媒容器４１と第二の磁石体２の冷媒容器４２とは、連結柱３、４の少なくとも一方に設けられた冷媒連通管を介して連通されている。冷媒が液化ヘリウムの場合、図示上方にある冷媒容器４１に冷媒を供給すると、冷媒はその自重により冷媒連通管を経由して冷媒容器４２内へ流入する。

第一の磁石体１と第二の磁石体２の対向面間には、中心部近傍に被検者の画像診断に必要な球状の均一静磁場空間領域３０が存在する。第一の磁石体１及び第二の磁石体２は、均一静磁場空間領域３０及びその近傍に、中心線２０に平行な磁束方向を有する磁場を発生する。ここで、第一の磁石体１と第二の磁石体２が発生する磁場の計算について説明する。均一静磁場空間領域３０における磁場の強さは、一般にＬｅｇｅｎｄｒｅ関数展開を用いて式（１）により表される。式（１）におけるｒ、θ、φは図３に示す。なお、中心線２０に平行な磁束方向をＺ方向とする。

磁場は、Ｌｅｇｅｎｄｒｅ関数展開の（ｍ、ｎ）値によって成分で呼称される。（０、０）成分が必要な一様磁場成分で、他は全て均一静磁場空間領域３０内で不均一な誤差磁場成分である。これらの誤差磁場成分の内、ｍ＝０すなわち（０、ｎ）成分を総称してＺ成分（中心線２０の軸方向成分）、ｍ≠０成分を総称してＲ成分と呼称する。一般にｎの次数が高い誤差成分（高次成分）を補正することは、ｎの次数が低い誤差成分（低次成分）を補正することよりも困難である。

対向形の磁気共鳴イメ−ジング装置に用いられる磁石装置１００は、外径がおおよそ１．８〜２．５ｍ程度である。磁気共鳴イメージング装置の被検者が載置される空間として対向面の間隔４００〜５００ｍｍ程度を確保するために、第一及び第二の磁石体１、２の対向面の間隔としてその約１．５倍（６００〜７５０ｍｍ程度）の空間を要求される。この実施の形態では、均一静磁場空間領域３０として約４００ｍｍの仮想球体を設定し、円筒状空洞１０の半径は約３００ｍｍ程度とする。

このような磁石装置１００を設計するために、まず、第一及び第二の超電導コイル群３１、３２の超電導コイル数を設定する。そして、第一及び第二の超電導コイル群３１、３２によって形成される均一静磁場空間領域３０について、全ての誤差磁場成分がほぼ零になるように、各超電導コイルの寸法、配置、巻数、電流密度等を厳密に設定する。一般に磁気共鳴イメ−ジング装置の場合、超電導コイルの寸法や配置が１ｍｍずれると、全体の誤差磁場成分として数十ｐｐｍ程度の影響が出てくる。

このように全ての誤差磁場成分がほぼ零になるように厳密な最適化を行っているが、製作された磁石装置１００を実際に励磁した場合、数百ｐｐｍ以上に低下した磁場均一度になるのが通常である。これは、磁石装置１００の製作段階において、例えば、超電導コイルの寸法公差や使用材料のわずかな磁性が影響して、磁場均一度を低下されるためである。特に上下分割型磁気共鳴イメ−ジング装置は、円筒ソレノイド型磁気共鳴イメ−ジング装置に比し、上下に配置された第一の磁石体１と第２の磁石体２との間の位置誤差が加わる分だけ磁場均一度が低下しやすい。このような位置誤差は、主に組立段階における位置ずれや溶接による歪みによって生じる。

数百ｐｐｍ以上に低下した磁場均一度を補正するために、従来から細片状の磁性体シム３０１が用いられている。図１において、第一及び第二の磁石体１、２の均一静磁場空間領域３０側の表面に、磁性体シム３０１が取り付けられる。第一の磁石体１と第二の磁石体２のうち、片側のみに磁性体シム３０１を取り付ければ、（０、ｎ）のＺ成分の中でｎが奇数の成分を発生する。また、第一の磁石体１と第二の磁石体２の同部位に同量のシムを取り付ければ、ｎが偶数の成分を発生する。

ここで、第一及び第二の磁石体１、２には、多数のシム取付穴が配設された板状のシム取付部材が設けられている。これらのシム取付穴のうち必要な位置のシム取付穴には、軟磁性材（例えば、鉄、珪素鋼板、パーマロイ）からなる磁性体シム３０１が着脱可能に螺着されている。この際、磁気共鳴イメ−ジング装置の設置環境の影響も補正できる。

このようにして、第一及び第二の磁石体１、２に配置する磁性体シム３０１の位置及び個数を調整して、磁場均一度を許容範囲である数ｐｐｍまで向上させる。一般的には、各磁性体シムの位置によって異なる磁性体シム毎の磁気モーメントや、磁気モーメントが均一静磁場空間領域３０に作る磁場成分を詳細に解析しておき、数百ｐｐｍの磁場均一度における誤差磁場成分の分析結果に基づいて誤差磁場成分毎の補償量を設定し、磁性体シム３０１の位置や個数を最適化して配置する。

さらに、この実施の形態では、第一の磁石体１の円筒状空洞１０には第一及び第二のリング状磁性体シム１０１、１１１を、第二の磁石体２の円筒状空洞１０には第三及び第四のリング状磁性体シム２０１、２１１が配置されている。磁性体シムをリング状とし、超電導コイルと同心状に配置することで、ｍ≠０成分の発生を抑制できる。

図４は、リング状磁性体シムが発生する磁場のＺ偶数次成分の分布を示す特性図である。ここでは、第一及び第二の磁石体１、２の両方の円筒状空洞１０に、高さ５ｍｍの鉄製リング状磁性体シムを配置した場合の一例とする。横軸は第一の磁石体１及び第二の磁石体２の中心線からの半径方向距離（ｍｍ）を表し、縦軸は磁場出力（ガウス）を表す。図４では、リング状磁性体シムの半径と（０、２）〜（０、１０）成分すなわちＺ２次成分からＺ１０次成分までの偶数次成分の磁場出力との関係を示している。

図４から、リング状磁性体シムの半径が小さい領域では、各Ｚ偶数次成分の磁場出力が大きく、しかも正の値を取りやすいことがわかる。また、リング状磁性体シムの半径が大きい領域では、各Ｚ偶数次成分の磁場出力は小さくなり、負の値又は零付近の値を取りやすいことがわかる。なお、図４に示す磁場出力分布は、第一及び第二の超電導コイル群３１、３２により変化するため、厳密には、実際の設計に対応した磁場出力分布の補正を行う必要がある。

ここで、第一及び第二の磁石体１、２の円筒状空洞１０は、リング状磁性体シムの半径が小さい領域に存在する。これらの円筒状空洞１０にリング状磁性体シムを配置することで、正の値で磁場出力が大きいＺ偶数次成分を得やすくなる。このように、均一静磁場領域に近い円筒状空洞１０を有効利用して大きな磁場出力を得ることで、均一静磁場空間領域３０の磁場均一度の調整能力が高まり、磁石装置１００が発生する均一静磁場空間領域３０の磁場均一度を向上できる。

また、リング状磁性体シムによって大きな磁場出力が得られれば、超電導コイルの出力の一部を補うことができ、第一及び第二の超電導コイル群３１、３２の起磁力を大幅に減じることができる。リング状磁性体の半径、高さを適切に選択することより、超電導コイル配置や超電導コイル数を変えたり、超電導コイル形状を製作効率のよい形状にしたりできる。したがって、製作コストが安い磁石装置１００を設計できる。

実施の形態２．
この実施の形態は、実施の形態１におけるリング状磁性体シムの配置を変更した変形例であって、リング状磁性体シムによってＺ１０次成分を補正するものである。前述のように、一般に高次成分を補正することは、低次成分を補正することよりも困難である。特に超電導コイル群によって発生されるＺ１０次成分は、最終的な補正が難しい。そこで、予めＺ１０次成分の磁場出力を抑えるように制約して設計されると、超電導コイル数が増えたり、磁石装置の起磁力が増加したりする傾向がある。

ところで、図４で示されたリング状磁性体の磁場出力傾向を見ると、Ｚ１０次成分の磁場出力の極性（正負）が変化する半径があることがわかる。そこで、この実施の形態では、第一のリング状磁性体１０１と第三のリング状磁性体シム２０１の半径を図４で示すＲ２とし、第二のリング状磁性体１１１と第四のリング状磁性体シム２１１の半径を図４で示すＲ１とする。このとき、第一及び第三のリング状磁性体シム１０１、２０１のＺ１０次成分の磁場出力は正であり、第二及び第四のリング状磁性体シム１１１、２１１のＺ１０次成分の磁場出力は負である。

このように、第一及び第三のリング状磁性体シム１０１、２０１が発生する磁場のＺ１０次成分と第二及び第四のリング状磁性体シム１１１、２１１が発生する磁場のＺ１０次成分との極性を反対にすることで、Ｚ１０次成分の補正が容易になる。よって、超電導コイル数が増えたり、磁石装置１００の起磁力が増加したりすることなく、均一静磁場空間領域３０の特にＺ１０次成分に関する磁場均一度を向上できる。

実施の形態３．
図５は、実施の形態３における磁石装置の主要部の縦断面図である。この実施の形態は、実施の形態１におけるリング状磁性体シムの形状を変更した変形例である。実施の形態１と相違する点を説明する。

図５において、第一の磁石体１の円筒状空洞１０にリング状磁性体シム１２１が配置されている。リング状磁性体シム１２１は、第一のリング状磁性体シム１０１の内径と第二のリング状磁性体シム１１１の外径とを同等としたものである。このとき、第一のリング状磁性体シム１０１と第二のリング状磁性体シム１１１とを同一部材で構成する例を示すが、別部材を嵌合させてもよい。

さらに、リング状磁性体シム１２１において、第一のリング状磁性体シム１０１部分のリング高さと第二のリング状磁性体シム１１１部分のリング高さとが異なる。ここでは、第二のリング状磁性体シム１１１部分のリング高さを第一のリング状磁性体シム１０１部分のリング高さよりも高くしているが、具体的にどちらをどの程度高くするかは、補正すべき磁場均一度に応じて適切に選択される。
なお、図示していないが、第二の磁石体２の円筒状空洞１０にも、リング状磁性体シム１２１と同様のリング状磁性体シムが配置されている。また、第一のリング状磁性体シム１０１と第二のリング状磁性体シム１１１の２つを一体化した例を示したが、３つ以上のリング状磁性体シムを一体化させることもできる。

リング状磁性体シムの磁場出力特性は、そのリング高さにも依存する。図５に示すようなリング状磁性体シム１２１を使用することで、特定のＺ偶数次成分の磁場出力を調整することができる。ここで、リング状磁性体シム１２１では、単純な円筒とは異なり端面が増える。磁性体シムの磁場出力は端部に現れた磁化に依存するものであるから、リング状磁性体シム１２１のように端面が増えた形状とすると、磁場出力を様々に調整することが可能となる。また、径の異なるリング状磁性体シムを一体化することで、複数のリング状磁性体シムを同心状に配置する手間を省略できる。

実施の形態４．
図６は、実施の形態４における磁石装置の主要部の縦断面図である。この実施の形態は、実施の形態３におけるリング状磁性体シムの数を変更した変形例である。実施の形態３と相違する点は、リング状磁性体シム１２１の内径側にリング状磁性体シム１２２を配置した点である。図６に示すように、リング状磁性体シム１２１、１２２を使用することで、Ｚ偶数次成分の磁場出力を細かく調整できる。

この発明は、生体の画像診断に利用される磁気共鳴イメ−ジング装置に使用される磁石装置に適用して好適である。

実施の形態１における磁石装置の構成を示す斜視図である。図１の縦断面図である。式（１）における極座標系を示す図である。実施の形態１におけるリング状磁性体シムが発生する磁場のＺ偶数次成分の分布を示す特性図である。実施の形態３における磁石装置の主要部の縦断面図である。実施の形態４における磁石装置の主要部の縦断面図である。

符号の説明

１第一の磁石体、２第二の磁石体、３、４連結柱、１０円筒状空洞、２０中心線、３０均一静磁場空間領域、３１第一の超電導コイル群、３２第二の超電導コイル群、４１〜４２冷媒容器、１００磁石装置、１０１第一のリング状磁性体シム、１１１第二のリング状磁性体シム、１２１〜１２２リング状磁性体シム、２０１第三のリング状磁性体シム、２１１第四のリング状磁性体シム、３０１細片状の磁性体シム。

Claims

第一の超電導コイル群が内蔵されるとともに円筒状空洞を有する第一の磁石体と、第二の超電導コイル群が内蔵されるとともに円筒状空洞を有しかつ前記第一の磁石体と対向配置される第二の磁石体と、前記第一の磁石体と前記第二の磁石体との間に形成される均一静磁場空間領域の磁場均一度を調整するための磁性体シムとを備える磁石装置において、
前記第一の磁石体の前記円筒状空洞に前記第一の超電導コイル群と同心状の第一のリング状磁性体シムを配置し、前記第一のリング状磁性体シムの内径側に前記第一の超電導コイル群と同心状の第二のリング状磁性体シムを配置し、前記第二の磁石体の前記円筒状空洞に前記第二の超電導コイル群と同心状かつ前記第一のリング状磁性体シムと対向配置される第三のリング状磁性体シムを配置し、前記第三のリング状磁性体シムの内径側に前記第二の超電導コイル群と同心状かつ前記第二のリング状磁性体シムと対向配置される第四のリング状磁性体シムを配置したことを特徴とする磁石装置。
前記均一静磁場空間領域において、前記第一のリング状磁性体シムと前記第三のリング状磁性体シムとが発生する磁場の磁束方向１０次成分は、前記第二のリング状磁性体シムと前記第四のリング状磁性体シムとが発生する磁場の磁束方向１０次成分に対して反対極性であることを特徴とする請求項１記載の磁石装置。
前記第一のリング状磁性体シムのリング高さは前記第二のリング状磁性体シムのリング高さと異なり、前記第一のリング状磁性体シムの内径と前記第二のリング状磁性体シムの外径とが同等であり、前記第三のリング状磁性体シムのリング高さは前記第一のリング状磁性体シムのリング高さと同等であり、前記第四のリング状磁性体シムのリング高さは前記第二のリング状磁性体シムのリング高さと同等であり、前記第三のリング状磁性体シムの内径と前記第四のリング状磁性体シムの外径とが同等であることを特徴とする請求項１記載の磁石装置。
前記第一のリング状磁性体シムと前記第二のリング状磁性体シムとが同一部材からなり、前記第三のリング状磁性体シムと前記第四のリング状磁性体シムとが同一部材からなることを特徴とする請求項３記載の磁石装置。
生体の画像診断に利用される磁気共鳴イメ−ジング装置であって、
第一の超電導コイル群が内蔵されるとともに円筒状空洞を有する第一の磁石体と、第二の超電導コイル群が内蔵されるとともに円筒状空洞を有しかつ前記第一の磁石体と対向配置される第二の磁石体と、前記第一の磁石体と前記第二の磁石体との間に形成される均一静磁場空間領域の磁場均一度を調整するための磁性体シムとを備える磁石装置を用い、
前記磁石装置が、前記第一の磁石体の前記円筒状空洞に前記第一の超電導コイル群と同心状の第一のリング状磁性体シムを配置し、前記第一のリング状磁性体シムの内径側に前記第一の超電導コイル群と同心状の第二のリング状磁性体シムを配置し、前記第二の磁石体の前記円筒状空洞に前記第二の超電導コイル群と同心状かつ前記第一のリング状磁性体シムと対向配置される第三のリング状磁性体シムを配置し、前記第三のリング状磁性体シムの内径側に前記第二の超電導コイル群と同心状かつ前記第二のリング状磁性体シムと対向配置される第四のリング状磁性体シムを配置したことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。