JP2011194179A - 磁気シールド装置および磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁場が発生している空間内において、磁場の影響を受ける回路を安定に動作させる。
【解決手段】磁場の影響を受ける回路５０が配置されている所定の空間４５の近傍に設けられる１個以上のコイルを有するコイル部４１と、所定の磁場発生源により空間４５に発生している磁場Ｍｇを打ち消すような磁場Ｍｓが発生するよう、コイル部４１に電流を供給する電流供給部４３とを備えている磁気シールド装置４０を用いる。電流供給部４３は、空間４５内に配置された磁気センサ４３の出力を基に、コイル部４１に供給する電流を制御してもよい。
【選択図】図３

Description

本発明は、磁気シールド（shield）装置およびこの装置を備えている磁気共鳴イメージング（imaging）装置に関する。

磁気回路を含む電気・電子回路など、磁場の影響を受ける回路は非常に多く存在する。このような回路を、磁場が発生している空間に持ち込むと、磁気飽和を起こすなどして正常に動作しない場合がある。そのため、磁場の影響を受ける回路については、本来はある所定の場所に設置する方が好都合であるにもかかわらず、磁場が発生しているためにその所定の場所に設置できないものがある。

例えば、磁気共鳴イメージング装置の場合、磁気回路や磁気回路を含む電源・基板など一部の電気モジュール（module）は、スペース（space）の有効利用、送電ロス（loss）の低減、コスト（cost）削減等の観点から、マグネットシステムや撮影テーブルの近くに配置することが好ましい。しかし、磁気共鳴イメージング装置のマグネットシステムは、高磁場を発生する磁場発生源であり、マグネットシステム（magnet system）の周辺では、数百から数千〔Ｇ（ガウス（gauss））〕の高磁場が発生している。そのため、上記磁気回路や電気モジュールをマグネットシステム等の近くに配置することができない。

従来、このような問題を解決するため、鋼板、純鉄、珪素鋼板など透磁性の高い材料で構成される磁気シールド箱の中に、磁気の影響を受ける回路を入れ、箱内の磁場を低下させる方法が提案されている（例えば特許文献１，要約参照）。

特開２００２−２７２７０３号公報

しかし、このような磁気シールド箱は、シールド効果が十分でなかったり、箱そのものが時間の経過とともに磁化してしまい、シールド効果が徐々に弱くなったりする。つまり、このような磁気シールド箱を用いても、磁場が発生している空間内で、磁場の影響を受ける回路を安定に動作させることができない。

このような事情により、磁場が発生している空間内において、磁場の影響を受ける回路を安定に動作させることができる磁気シールド装置、およびその装置を備えている磁気共鳴イメージング装置が望まれている。

第１の観点の発明は、磁場の影響を受ける回路が配置されている所定の空間の近傍に設けられる１個以上のコイル（coil）を有するコイル部と、所定の磁場発生源により前記所定の空間に発生している磁場を打ち消すような磁場が発生するよう、前記コイル部に電流を供給する電流供給部とを備えている磁気シールド装置を提供する。

第２の観点の発明は、前記所定の空間に配置される磁気センサ（sensor）をさらに備えており、前記電流供給部は、前記磁気センサの出力に基づいて前記コイル部に供給する電流を制御する上記第１の観点の磁気シールド装置を提供する。

第３の観点の発明は、前記磁気センサが、前記回路の一部として組み込まれている上記第２の観点の磁気シールド装置を提供する。

第４の観点の発明は、前記コイル部が、前記所定の空間を挟むように設けられる一対のコイルを有している上記第１の観点から第３の観点のいずれか一つの観点の磁気シールド装置を提供する。

第５の観点の発明は、前記コイル部が、前記所定の空間を挟むように互いに直交する３軸方向の各々に一対ずつ設けられる３対のコイルを有している上記第１の観点から第３の観点のいずれか一つの観点の磁気シールド装置を提供する。

第６の観点の発明は、前記回路が、磁性体のコアを含むコイルまたはトランス（trans）を有している上記第１の観点から第５の観点のいずれか一つの観点の磁気シールド装置を提供する。

第７の観点の発明は、前記所定の磁場発生源が、磁気共鳴イメージング装置のマグネットシステムである上記第１の観点から第６の観点のいずれか一つの観点の磁気シールド装置を提供する。

第８の観点の発明は、前記回路が、前記磁気共鳴イメージング装置の一部を構成している上記第７の観点の磁気シールド装置を提供する。

第９の観点の発明は、前記回路が、磁性体のコアを含み、電源電圧を変圧して前記磁気共鳴イメージング装置のマグネットシステムおよび／または撮影テーブル（table）に電力を供給するトランスを有している上記第８の観点の磁気シールド装置を提供する。

第１０の観点の発明は、上記第７の観点から第９の観点のいずれか一つの観点の磁気シールド装置を備えている磁気共鳴イメージング装置を提供する。

上記観点の発明によれば、磁場の影響を受ける回路が配置されている空間に発生している磁場を打ち消すように磁場を発生させて、その空間内の磁場を低減させることができ、磁場が発生している空間内において、磁場の影響を受ける回路を安定に動作させることができる。

第１実施形態の磁気共鳴イメージング装置の構成を概略的に示す斜視図である。 第１実施形態の磁気共鳴イメージング装置の構成を概略的に示す平面図である。 第１実施形態による磁気シールド装置の外観図である。 第１実施形態による磁気シールド装置の概略構成図である。 ヘルムホルツコイル（Helmholtz coil）のモデルを示す図である。 第２実施形態による磁気シールド装置の概略構成図である。

以下、発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１および図２は、本実施形態の磁気共鳴イメージング装置の構成を概略的に示す図であり、図１は斜視図、図２は平面図である。

図１および図２に示すように、磁気共鳴イメージング装置１は、マグネットシステム１０、撮影テーブル２０、操作コンソール（console）３１、システム電源部３２、磁気シールド装置４０、およびトロイダルトランス（toroidal trans）５０を有している。

マグネットシステム１０、撮影テーブル２０、磁気シールド装置４０、およびトロイダルトランス５０は、磁気シールドルーム（shield room）であるスキャンルーム（scan room）２に設置されている。一方、操作コンソール３１およびシステム電源部３２は、操作ルーム３に設置されている。

マグネットシステム１０は、図示しない静磁場発生部、ＲＦコイル部、勾配コイル部、マグネット制御部等を有している。マグネット制御部は、マグネットシステム１０を構成する各部の動作を制御したり、監視したりする。スキャンルーム２内には、マグネットシステム１０の主に静磁場発生部により発生した磁場が存在しており、その磁場の強度は、マグネットシステム１０の周辺で、数百から数千〔Ｇ〕である。

撮影テーブル２０は、図示しないクレードル、テーブル制御部等を有している。テーブル制御部は、撮影テーブル２０を構成する各部を制御したり、監視したりする。

操作コンソール３１は、システム電源部３２と接続されており、操作者による操作に応じてシステム電源部３２に制御信号を送る。

システム電源部３２は、施設電源８０と接続されており、施設電源（商用電源）８０から電力が供給される。施設電源８０は、一例として、三相交流電源を想定する。また、システム電源部３２は、図示しないＲＦコイル駆動部、勾配コイル駆動部等を有しており、マグネットシステム１０と接続されている。システム電源部３２は、操作コンソール３１から受信した制御信号を基に、ＲＦコイル駆動部や勾配コイル駆動部を制御して、ＲＦコイル部や勾配コイル部に電流を供給し、ＲＦ磁場や勾配磁場を発生させる。

トロイダルトランス５０は、システム電源部３２を介して施設電源８０と接続されており、また、マグネットシステム１０および撮影テーブル２０と接続されている。トロイダルトランス５０は、フェライト（ferrite）などの磁性体で構成されるリング（ring）状のコア（core）を用いたトランスである。トロイダルトランス５０は、施設電源８０の電圧を変圧して、マグネットシステム１０のマグネット制御部等と、撮影テーブル２０のテーブル制御部等とに電力を供給する。トロイダルトランス５０は、スペースの有効利用、送電ロスの低減、コスト削減等の観点から、マグネットシステム１０や撮影テーブル２０の近くに配置することが好ましい。しかし、トロイダルトランス５０は、コアが強磁場中で磁気飽和を起こし、正常に動作しない場合がある。そのため、トロイダルトランス５０は、通常、マグネットシステム１０や撮影テーブル２０の近くに配置することができず、システム電源部３２内、もしくはその近傍に設置されることが多い。なお、トロイダルトランス５０は、発明における、磁場の影響を受ける回路の一例である。

磁気シールド装置４０は、所定の空間に発生している磁場を打ち消すような磁場を発生させて、その所定の空間における磁場を低減させ、その所定の空間内に配置された回路への磁場による影響を抑え、その回路の安定動作を可能にする装置である。磁気シールド装置４０は、磁気センサを備えており、本装置４０が発生する磁場の向きが、その磁気センサで検出された磁場の向きと略逆向きになるよう配置される。磁気シールド装置４０は、システム電源部３２と接続されている。システム電源部３２は、図示しない直流電源を有しており、ここから磁気シールド装置４０に電力を供給する。ここでは、その所定の空間内にトロイダルトランス５０が配置されている。

これにより、トロイダルトランス５０は、本来、強磁場が発生していて設置が難しいマグネットシステム１０の近くに設置することができ、その空間内で安定な動作が可能となる。

磁気シールド装置４０の構成および動作について説明する。

図３は、磁気シールド装置４０の外観図、図４は、磁気シールド装置４０の概略構成図である。

磁気シールド装置４０は、図３に示すように、コイル部４１、支持部４２、磁気センサ４３、および電流供給部４４を有している。

コイル部４１は、いわゆるヘルムホルツコイルであり、２つのコイル４１ａ，４１ｂを平行に一定距離だけ隔てて同軸的に配置したものである。これらのコイルに電流が流れると、２つのコイル４１ａ，４１ｂの間の空間４５に、略均一な磁場がコイルの同軸方向に形成される。

支持部４２は、コイル部４１および電流供給部４４を支持するものであり、例えば、図３に示すように、ステンレスなどの非磁性体で構成された直方形状のフレーム（frame）を有しており、コイル部４１および電流供給部４４をそのフレームに固定して支持する。なお、支持部４２は、コイル４１ａ，４１ｂの同軸方向が、マグネットシステム１０により空間４５に発生する磁場Ｍｇの方向と略同じ方向となるような向きで保持される。

磁気センサ４３は、磁場の強度と向きを検出するセンサであり、図３に示すように、空間４５内に配置されているトロイダルトランス５０に近接して配置されている。磁気センサ４３は、電流供給部４４に接続されている。

電流供給部４４は、図４に示すように、電流アンプ４４１およびアンプ制御部４４２を有している。

電流アンプ（amplifier）４４１は、システム電源部３２の直流電源３２１から電力の供給を受け、コイル部４１に電流を供給する。なお、コイル４１ａとコイル４１ｂとを切り離して設ける場合には、電流アンプ４４１は、各コイルの経路に別々に電流を供給する。一方、コイル４１ａとコイル４１ｂとを直列に接続して設ける場合には、電流アンプ４４１は、一つの経路に電流を供給することでコイル４１ａとコイル４１ｂとに同じ電流を供給する。

アンプ制御部４４２は、磁気センサ４３の出力を基に、マグネットシステム１０により空間４５内に発生している磁場Ｍｇを打ち消すような磁場Ｍｓを発生させるべく、電流アンプ４４１を制御して、コイル部４１に供給する電流を制御する。

ここで、コイル部４１の仕様の検討例を示す。

図５は、ヘルムホルツコイルのモデルを示す図である。

まず、トロイダルトランスなど、磁場中で動作させたい目的の磁気回路等を、安定に動作させるために許容できる最大の環境磁場の強度（以下、最大許容磁場強度という）を求める。

これは、実際に実験をすれば容易に求めることができる。本発明者は、一例として、所定のトロイダルコイルを用いて実験したところ、環境磁場が４００〔Ｇ〕であるときに、通常環境と同様な動作を確認することができた。また、トランスやチョーク（choke）用コアの平均飽和磁束密度は、４５００〔Ｇ〕であり、それらに電流を流すときの磁場のエンハンス（enhance）を考慮しても、４００〔Ｇ〕は妥当であると考えられる。そこで、ここでは、その最大許容磁場強度を、４００〔Ｇ〕以下に設定する。

次に、コイルの巻き数と定格電流を求める。

図５に示すように、ヘルムホルツコイルのコイル半径およびコイル間の距離をＲ、コイルの同軸方向であるｘ方向での磁場の強度をＢ、コイルの巻き数をＮ、コイルに流す電流をＩとすると、磁場の強度Ｂは、次式で求めることができる。

マグネットシステム１０によりその周囲で発生している磁場は、およそ１０００〔Ｇ〕である。これを、上記で求めた許容磁場強度の４００〔Ｇ〕まで下げるため、ヘルムホルツコイルを用いて逆向きに６００〔Ｇ〕の磁場を発生させるケース（case）を考える。

仮に、Ｒ＝１０〔ｃｍ〕、Ｉ＝２〔Ａ〕とすると、Ｎ≒６７００〔turn〕となる。つまり、コイルの仕様の例として、定格電流２〔Ａ〕の導線を半径１０〔ｃｍ〕で６７００回巻いたコイルを考えることができる。

また仮に、Ｒ＝１０〔ｃｍ〕、Ｉ＝１０〔Ａ〕とすると、Ｎ≒１３５０〔turn〕となる。つまり、コイルの仕様の例として、定格電流１０〔Ａ〕の導線を半径１０〔ｃｍ〕で１３５０回巻いたコイルも考えることができる。

以上、このような第１実施形態によれば、磁場の影響を受ける回路であるトロイダルトランス５０が配置されている空間４５に発生している磁場Ｍｇを打ち消すように磁場Ｍｓを発生させて、その空間４５内の磁場を低減させることができ、磁場が発生している空間内において、トロイダルコイル５０を安定に動作させることができる。その結果、トロイダルトランス５０を、スキャンルーム２の外側に配置する必要がなくなり、スペースの有効利用、送電ロスの低減、コスト削減等が可能になる。

また、第１実施形態では、磁気センサ４３の出力を基に、コイル部４１に供給する電流を制御して、打ち消し磁場を発生させているので、マグネットシステム１０により発生する磁場が変動しても、その磁場変動に追従して打ち消し磁場を的確に発生させることができ、空間４５内の磁場を常に低減させておくことができる。

（第２実施形態）
図６は、第２の実施形態による磁気シールド装置４０の概略構成図である。

コイル部４１は、図６に示すように、空間４５を挟むように互いに直交する３軸方向、すなわちｘ方向、ｙ方向、およびｚ方向の各々に一対ずつ設けられる３対のコイル４１ｘａ，４１ｘｂ，４１ｙａ，４１ｙｂ，４１ｚａ，４１ｚｂを有している。

電流供給部４４は、上記３軸方向の各々におけるコイルの対ごとに電流アンプ４４１ｘ，４４１ｙ，４４１ｚを有しており、コイルの対別に電流を供給する。

また、アンプ制御部４４２は、磁気センサ４３の出力を基に、これらの電流アンプ４４１ｘ，４４１ｙ，４４１ｚをそれぞれ制御して、各対のコイルへ供給する電流をそれぞれ制御する。

このような第２実施形態によれば、マグネットシステム１０によりその周辺で発生している磁場を、ｘ，ｙ，ｚの３軸方向で打ち消すように動作させることができ、より的確に磁場を打ち消すことができる。また、マグネットシステム１０により発生している磁場の向きに応じて、磁気シールド装置４０の向きを変更する必要もない。

以上、発明の実施形態について説明したが、発明の実施形態は、上記したものに限定されず、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の追加・変更が可能である。

例えば、上記の各実施形態では、コイル部４１は、２つのコイルを平行に配置したヘルムホルツコイルであるが、単一のコイルだけであってもよい。磁場中で動作させたいが比較的小さい場合には、磁場を均一に打ち消す必要がないので、このようにしても磁気回路や電気・電子回路を安定に動作させることが可能である。

また例えば、上記の各実施形態では、コイル部４１が有するコイルを円形としているが、四角形等の多角形であってもよい。このようにすれば、支持部４２への取り付けを容易にすることもできる。

また例えば、上記の各実施形態では、磁気センサ４３は、磁場中で動作させたい磁気回路であるトロイダルトランスに近接して配置しているが、磁気回路を含む電気・電子回路の一部として組み込むようにしてもよい。このようにすれば、磁気センサ４３を別途配置する手間がなく、設計上、最適な位置に配置することも可能である。

また例えば、上記の各実施形態では、磁気センサ４３の出力を基に、コイル部４１に供給する電流を制御しているが、磁気センサ４３を用いず、コイル部４１に供給する電流を半固定にしてもよい。マグネットシステム１０により発生する磁場の変動が少ない場合には、このようにしても十分に磁気シールド効果が得られる。

また例えば、上記の各実施形態では、打ち消す磁場として静磁場を想定しているが、時間的に変化する動的な磁場を想定することもできる。

また例えば、上記各実施形態では、発生している磁場と逆向きに略同じ強さの磁場を発生させて、発生している磁場を略完全に打ち消すようにしているが、磁気シールド装置４０内の磁場の影響を受ける回路が正常に動作する程度まで磁場の強度を低減するために、発生している磁場の主要な成分に対して、逆向きに略同じ強さで磁場を発生させるようにしてもよい。例えば、ｚ方向の磁場の成分が大きく、ｘ方向およびｙ方向の磁場の成分が小さい場合には、ｚ方向にその成分の略同じ強さの磁場を逆向きに発生させるようにしてもよい。

また例えば、上記の各実施形態では、磁気シールド装置４０により環境磁場の強度を下げて動作させる磁気回路または磁気回路を含む電気・電子回路として、トロイダルトランス５０を想定している。しかし、磁性体のコアを有するコイルを含むＬＣフィルタ（filter）などの磁気フィルタ回路や、磁性体のＥＩコアを有するトランスを含む電源や基板など、磁場により動作が影響を受けるすべての電気・電子回路を想定することができる。

また、上記の各実施形態は、磁場発生源として、磁気共鳴イメージング装置のマグネットシステムを想定しているが、他のすべての磁場発生源を想定することができる。

１ 磁気共鳴イメージング装置
２ スキャンルーム
３ 操作ルーム
１０ マグネットシステム
２０ 撮影テーブル
３１ 操作コンソール
３２ システム電源部
４０ 磁気シールド装置
４１ コイル部
４２ 支持部
４３ 磁気センサ
４４ 電流供給部
４４１ 電流アンプ
４４２ アンプ制御部
５０ トロイダルトランス
８０ 施設電源

Claims (10)

1. 磁場の影響を受ける回路が配置されている所定の空間の近傍に設けられる１個以上のコイルを有するコイル部と、
   所定の磁場発生源により前記所定の空間に発生している磁場を打ち消すような磁場が発生するよう、前記コイル部に電流を供給する電流供給部とを備えている磁気シールド装置。
2. 前記所定の空間に配置される磁気センサをさらに備えており、
   前記電流供給部は、前記磁気センサの出力に基づいて前記コイル部に供給する電流を制御する請求項１に記載の磁気シールド装置。
3. 前記磁気センサは、前記回路の一部として組み込まれている請求項２に記載の磁気シールド装置。
4. 前記コイル部は、前記所定の空間を挟むように設けられる一対のコイルを有している請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の磁気シールド装置。
5. 前記コイル部は、前記所定の空間を挟むように互いに直交する３軸方向の各々に一対ずつ設けられる３対のコイルを有している請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の磁気シールド装置。
6. 前記回路は、磁性体のコアを含むコイルまたはトランスを有している請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の磁気シールド装置。
7. 前記所定の磁場発生源は、磁気共鳴イメージング装置のマグネットシステムである請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の磁気シールド装置。
8. 前記回路は、前記磁気共鳴イメージング装置の一部を構成している請求項７に記載の磁気シールド装置。
9. 前記回路は、磁性体のコアを含み、電源電圧を変圧して前記磁気共鳴イメージング装置のマグネットシステムおよび／または撮影テーブルに電力を供給するトランスを有している請求項８に記載の磁気シールド装置。
10. 請求項７から請求項９のいずれか一項に記載の磁気シールド装置を備えている磁気共鳴イメージング装置。

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