JP2016522412A

JP2016522412A - 磁石アセンブリ

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Publication number: JP2016522412A
Application number: JP2016517102A
Authority: JP
Inventors: レスコヴィッツ，ガレット・エム
Original assignee: ナナリシスコーポレーション
Priority date: 2013-06-03
Filing date: 2014-06-02
Publication date: 2016-07-28
Anticipated expiration: 2034-06-02
Also published as: AU2014277569B2; BR112015030364B1; GB201521572D0; US20150061680A1; HK1217814A1; AU2014277569A1; JP6473142B2; EP3005379A4; BR112015030364A2; CN105408970A; US9952294B2; AU2014277569C1; GB2529785B; EP3005379A1; CN105408970B; WO2014194408A1; CA2913801A1; CA2913801C; NZ714921A; GB2529785A

Abstract

磁場を生じる磁石アレイ及び方法が開示される。実施形態では、磁石アレイは、格子構成に配置されて試験容積を少なくとも部分的に包囲する複数の多面体の磁石を含み、磁石アレイは、指定の磁場方向【数６４】を有する付随の磁場を有し、試験容積において原点から変位ベクトル【数６５】に位置する個別の多面体の磁石の磁化方向【数６６】は、【数６７】によって決まる。実施形態では、アレイは、磁気共鳴装置に含まれる。実施形態では、多面体の磁石は、切頂立方体又は菱形十二面体である。

Description

本開示は、磁石アレイの設計に関し、特に、磁気共鳴用途で用いる磁石アレイに関する。

関連する背景の文書は以下を含む。
１．Ｋ．Ｈａｌｂａｃｈ，“Ｄｅｓｉｇｎｏｆｐｅｒｍａｎｅｎｔｍｕｌｔｉｐｏｌｅｍａｇｎｅｔｓｗｉｔｈｏｒｉｅｎｔｅｄｒａｒｅｅａｒｔｈｃｏｂａｌｔｍａｔｅｒｉａｌ，” ＮｕｃｌｅａｒＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓａｎｄＭｅｔｈｏｄｓ１６９，１，１９８０．
２．Ｊ．Ｍａｌｌｉｎｓｏｎ，“Ｏｎｅ−ｓｉｄｅｄｆｌｕｘｅｓ- ａｍａｇｎｅｔｉｃｃｕｒｉｏｓｉｔｙ？” ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＭａｇｎｅｔｉｃｓ９，６７８，１９７３．
３．Ｆ．Ｂｅｒｔｏｒａ，Ａ．Ｔｒｅｑｕａｔｔｒｉｎｉ，Ｍ．Ｇ．Ａｂｅｌｅ，ａｎｄＨ．Ｒｕｓｉｎｅｋ，“Ｓｈｉｍｍｉｎｇｏｆｙｏｋｅｌｅｓｓｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｇｅｎｅｒａｔｅｕｎｉｆｏｒｍｆｉｅｌｄｓ，” ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ７３，６８６４，１９９３．
４．Ｅ．Ｄａｎｉｅｌｉ，Ｊ．Ｍａｕｌｅｒ，Ｊ．Ｐｅｒｌｏ，Ｂ．Ｂｌｕｍｉｃｈ，ａｎｄＦ．Ｃａｓａｎｏｖａ，“ＭｏｂｉｌｅｓｅｎｓｏｒｆｏｒｈｉｇｈｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎＮＭＲｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙａｎｄｉｍａｇｉｎｇ，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｓｏｎａｎｃｅ１９８，８０，２００９．
５．Ｅ．Ｌｏｒｄ，“Ｔｉｌｉｎｇｓｐａｃｅｗｉｔｈｒｅｇｕｌａｒａｎｄｓｅｍｉ−ｒｅｇｕｌａｒｐｏｌｙｈｅｄｒａ，” ｈｔｔｐ：／／ｍｅｔ．ｉｉｓｃ．ｅｒｎｅｔ．ｉｎ／〜ｌｏｒｄ／ｗｅｂｆｉｌｅｓ／ｃｌｕｓｔｅｒｓ／ａｎｄｒｅｉｎｉ．ｐｄｆ，ａｃｃｅｓｓｅｄＭａｙ２９，２０１３．
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７．Ｕ．Ｓ．Ｐａｔｅｎｔ４，８３７，５４２（米国特許第４，８３７，５４２号明細書）ｔｏＨ．Ｌｅｕｐｏｌｄ，“Ｈｏｌｌｏｗｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙｈｅｍｉｓｐｈｅｒｉｃａｌｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｈｉｇｈ−ｆｉｅｌｄｆｌｕｘｓｏｕｒｃｅｆｏｒｐｒｏｄｕｃｉｎｇａｕｎｉｆｏｒｍｈｉｇｈｆｉｅｌｄ，” １９８９．
８．Ｕ．Ｓ．ＰａｔｅｎｔＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ２０１１／０１３７５８９（米国特許出願公開第２０１１／０１３７５８９号明細書），Ｇ．Ｌｅｓｋｏｗｉｔｚ，Ｇ．ＭｃＦｅｅｔｏｒｓ，ａｎｄＳ．Ｐｅｒｎｅｃｋｅｒ，“Ｍｅｔｈｏｄａｎｄａｐｐａｒａｔｕｓｆｏｒｐｒｏｄｕｃｉｎｇｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｓ，” ２０１１．
９．Ｕ．Ｓ．ＰａｔｅｎｔＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ２０１１／０１３７５８９（米国特許出願公開第２０１１／０１３７５８９号明細書），Ｇ．Ｌｅｓｋｏｗｉｔｚ，Ｇ．ＭｃＦｅｅｔｏｒｓ，ａｎｄＳ．Ｐｅｒｎｅｃｋｅｒ，“Ｍｅｔｈｏｄａｎｄａｐｐａｒａｔｕｓｆｏｒｐｒｏｄｕｃｉｎｇｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｓ，” ２０１１．
１０．ＵＳＰａｔ７，３７３，７１６（米国特許第７，３７３，７１６号明細書）ｔｏＲａｓ“ＭｅｔｈｏｄｆｏｒＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＡｓｓｅｍｂｌｉｅｓ” ２００８．
１１．Ｈ．Ａ．Ｌｅｕｐｏｌｄｅｔａｌ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓｖｏｌ８７，ｎｏ９，ｐ．４７３０−４（２０００）
１２．Ｊ．Ｃｈｅｎ，ＹＺｈａｎｇ，ａｎｄＪＸｉａｏ，“ＤｅｓｉｇｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｎｏｖｅｌｔｅｓｔｔｕｂｅｍａｇｎｅｔｆｏｒｐｏｒｔａｂｌｅＮＭＲｄｅｖｉｃｅ，” ＰｒｏｇｒｅｓｓｉｎＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｓＲｅｓｅａｒｃｈＳｙｍｐｏｓｉｕｍ（ＰＩＥＲＳ）Ｏｎｌｉｎｅ，３（６），９００−９０４（２００７）．

米国特許第４，８３７，５４２号明細書米国特許出願公開第２０１１／０１３７５８９号明細書米国特許第７，３７３，７１６号明細書

Ｋ．Ｈａｌｂａｃｈ，"Ｄｅｓｉｇｎｏｆｐｅｒｍａｎｅｎｔｍｕｌｔｉｐｏｌｅｍａｇｎｅｔｓｗｉｔｈｏｒｉｅｎｔｅｄｒａｒｅｅａｒｔｈｃｏｂａｌｔｍａｔｅｒｉａｌ，" ＮｕｃｌｅａｒＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓａｎｄＭｅｔｈｏｄｓ１６９，１，１９８０．Ｊ．Ｍａｌｌｉｎｓｏｎ，"Ｏｎｅ−ｓｉｄｅｄｆｌｕｘｅｓ- ａｍａｇｎｅｔｉｃｃｕｒｉｏｓｉｔｙ？" ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＭａｇｎｅｔｉｃｓ９，６７８，１９７３．Ｆ．Ｂｅｒｔｏｒａ，Ａ．Ｔｒｅｑｕａｔｔｒｉｎｉ，Ｍ．Ｇ．Ａｂｅｌｅ，ａｎｄＨ．Ｒｕｓｉｎｅｋ，"Ｓｈｉｍｍｉｎｇｏｆｙｏｋｅｌｅｓｓｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｇｅｎｅｒａｔｅｕｎｉｆｏｒｍｆｉｅｌｄｓ，" ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ７３，６８６４，１９９３．Ｅ．Ｄａｎｉｅｌｉ，Ｊ．Ｍａｕｌｅｒ，Ｊ．Ｐｅｒｌｏ，Ｂ．Ｂｌｕｍｉｃｈ，ａｎｄＦ．Ｃａｓａｎｏｖａ，"ＭｏｂｉｌｅｓｅｎｓｏｒｆｏｒｈｉｇｈｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎＮＭＲｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙａｎｄｉｍａｇｉｎｇ，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｓｏｎａｎｃｅ１９８，８０，２００９．Ｅ．Ｌｏｒｄ，"Ｔｉｌｉｎｇｓｐａｃｅｗｉｔｈｒｅｇｕｌａｒａｎｄｓｅｍｉ−ｒｅｇｕｌａｒｐｏｌｙｈｅｄｒａ，" ｈｔｔｐ：／／ｍｅｔ．ｉｉｓｃ．ｅｒｎｅｔ．ｉｎ／〜ｌｏｒｄ／ｗｅｂｆｉｌｅｓ／ｃｌｕｓｔｅｒｓ／ａｎｄｒｅｉｎｉ．ｐｄｆ，ａｃｃｅｓｓｅｄＭａｙ２９，２０１３．Ｆ．Ｂｌｏｃｈ，Ｏ．Ｃｕｇａｔ，Ｇ．Ｍｅｕｎｉｅｒ，Ｊ．Ｔｏｕｓｓａｉｎｔ，"Ｉｎｎｏｖａｔｉｎｇａｐｐｒｏａｃｈｅｓｔｏｔｈｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｏｆｉｎｔｅｎｓｅｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｓ：ｄｅｓｉｇｎａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆａ４ｔｅｓｌａｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｆｌｕｘｓｏｕｒｃｅ，" ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＭａｇｎｅｔｉｃｓ３４，２４６５，１９９８．Ｈ．Ａ．Ｌｅｕｐｏｌｄｅｔａｌ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓｖｏｌ８７，ｎｏ９，ｐ．４７３０−４（２０００）Ｊ．Ｃｈｅｎ，ＹＺｈａｎｇ，ａｎｄＪＸｉａｏ，"ＤｅｓｉｇｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｎｏｖｅｌｔｅｓｔｔｕｂｅｍａｇｎｅｔｆｏｒｐｏｒｔａｂｌｅＮＭＲｄｅｖｉｃｅ，" ＰｒｏｇｒｅｓｓｉｎＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｓＲｅｓｅａｒｃｈＳｙｍｐｏｓｉｕｍ（ＰＩＥＲＳ）Ｏｎｌｉｎｅ，３（６），９００−９０４（２００７）．

小さな容積において実質的に強磁場を生じるための一つの設計がハルバッハ円柱であり、高保磁力の永久磁石材料内の磁気双極子が中心空洞の周囲に配置されている。図１は、理想的なハルバッハ円柱１０の断面図を、中心容積１２を囲む領域内で矢印１１として示される磁気双極子の配向を計算して選択するために使用される座標系と共に示す。理想的なハルバッハ円柱では、磁化方向

は、中心容積１２において実質的に均一な磁場を生じる最も多くの場合の整数パラメータｋ＝１を有する円柱座標ρ、θ、ｚにおいて、以下の式

に従って、位置に依存する。その他のｋを選択すれば、異なる不均一な磁場構成を提供することになる。実際の実施においては、図１によって提示された継続的に変化する磁化に近似しているものとして、離散的コンポーネント磁石が使用される。

図２Ａ、図２Ｂ、及び図２Ｃは、ハルバッハ円柱に基づく磁石構成の先行技術の実施を示す。図２Ａは、Ｂｅｒｔｏｒａ等から採用されたものであり、空間２４を包囲する参照番号２０で示す複数の磁石の円柱状の構成を示し、空間を効率的に利用しているが、その設計において多くの斜形２１、２２、２３を採用している。図２Ｂは、Ｄａｎｉｅｌｉから採用したものであり、空間３２を包囲する単純な形状３１を使用するアレイ３０であるが、低い充填密度が問題である。中心容積を包囲する空間が区域に分割されると、そこに置かれた個々のコンポーネント磁石は、高い公差での製造が困難且つ高価である図２Ａに示すような斜形を呈する可能性がある。コンポーネント磁石内で必要とされる磁化も、中心容積内の磁場の質を保証するのに十分な精度で制御することが困難である可能性がある。その代わりに、図２Ｂのように、立方体等のより単純なコンポーネント磁石が用いられる場合、これらは簡単に高精度で製造されて磁化されることが出来るが、一部の設計に関する幾何学的な制約の結果、充填密度が低くなる可能性があり、それに付随して、生成可能な磁場強度が減少する。図２Ｃは、Ｌｅｓｋｏｗｉｔｚ等の米国特許出願公開第２０１１／０１３７５８９号明細書に開示された中心空間４２を包囲する最密六角柱４１のアレイを含むハルバッハ円柱４０の一実施形態の断面である。

ハルバッハ円柱のモデルでは、理想的な設計は、無限長の円柱である。実際には、円柱は有限長であり、アレイの一次磁場における様々な技術的課題及び望ましくない特徴につながる場合があり、これらの欠点を克服しようとする設計は複雑になる可能性がある。従って、均一な磁場を生じるための他のアプローチは、ハルバッハ球体を使用し、その実用的な実施形態は、Ｌｅｕｐｏｌｄによって提案されている。

図３Ａは、中心空洞５１を包囲し、局所的な磁気双極子の配向５２を有する球体５０を示す。所望の磁場軸、即ち、

が選択されると、アセンブリにおけるコンポーネント磁石に関する必要な磁化方向は、磁場方向に沿って余緯度θ＝０である球座標系を確立し、次に、所与の磁石の中心座標に関する磁化方向を計算することによって計算されることが出来る。

理想的な場合における均一な磁場に最大限近似するために、中心空洞を包囲する球殻内の磁化方向

は、この場合も同様に均一な磁場の場合はパラメータｋ＝１である球座標系ｒ、θ、φにおいて、以下の式、即ち

に従って位置に依存する。球体の場合の磁化は、円柱の場合の磁化とは異なることが分かる。ハルバッハ球体のモデルでは、位置

における双極子の磁化は、

及び

によって張られる子午面に存在するが、ハルバッハ円柱のモデルでは、磁化は

及び

によって張られる平面に存在し、前者の単位ベクトルは、円柱の対称軸から離れる方に向かうベクトルである。特に、理想的なハルバッハ円柱の場合、磁化方向は、（円柱の対称軸に沿って）

成分を有さず、双極子の位置のｚ座標から独立している。このような位置に依存する磁化の様々な数値表現が可能であり、当業者によって容易に特定されて理解されるだろう。

このような球状アセンブリは、一般的に、Ｌｅｕｐｏｌｄから採用された図３Ｂに示すような複雑な形状を有する磁石の組み合わせから成る。図３Ｂでは、球体６０は、選択した双極子の配向６２を有して中心空洞６３を包囲する多数のコンポーネント一次磁石６１を含む。所望の構造及び磁場を得るために、異なる形状及び磁気配向を有する多くの異なる一次磁石が必要となる。

発明の概要
実施形態によれば、一つ以上の多面体の磁石を含む磁石アレイが提供される。実施形態では、このようなアレイは、ハルバッハ球体又はその他のコンパクトな磁石構成の実用化が可能な設計コンテキストを提供する。実施形態においては、前記磁石は、高保磁力材料から作られ、格子に基づいて構成される。

第１の一連の実施形態においては、格子構成に配置されて試験容積を少なくとも部分的に包囲する複数の多面体の磁石を含む磁石アレイが開示され、該磁石アレイは、指定の磁場方向

を備える関連の磁場を有し、前記試験容積における原点からの変位ベクトル

に位置する個別の多面体の磁石の磁化方向

は、次の公式、即ち、

によって決定される。

更なる実施形態では、前記多面体の磁石の一つ一つは、切頂立方体、菱形十二面体、プラトンの立体、アルキメデスの立体、ジョンソンの立体、切稜多面体、及び切頂多面体よりなる群から選択される。

更なる実施形態では、前記格子はブラベー格子である。

更なる実施形態では、前記格子は、単純立方格子、体心立方格子、面心立方格子、又は六方格子である。

更なる実施形態では、前記多面体の磁石は、複数の第１の多面体の磁石及び複数の第２の多面体の磁石を備え、前記第２の多面体の磁石は、前記第１の多面体の磁石よりも小さく、複数の前記第２の多面体の磁石は、サンプルチャネルを少なくとも部分的に画定する。

更なる実施形態では、前記方向

は、該磁石アレイの体対角線、該磁石アレイの面法線軸、又は該磁石アレイの面対角線に対応する。

更なる実施形態では、前記サンプルチャネルは、該磁石アレイの体対角線に沿って配向される。

更なる実施形態では、前記第１の多面体の磁石の一つ一つは、前記所望の磁場方向

を有する前記アレイに対応する可能な値の有限集合から選択される磁化方向

を有する。

更なる実施形態では、該磁石アレイは、サンプル回転子を更に備える。

更なる一連の実施形態では、他の実施形態に係る前記磁石アレイを含む磁気共鳴デバイスが開示される。

更なる実施形態では、磁場方向

を有する磁場を生じる方法が開示され、該方法は、格子構成に多面体の磁石のアレイを提供することを含み、原点からの変位ベクトル

に位置する個々の前記多面体の磁石の前記磁化方向

は、次の公式、即ち、

によって決定される。

実施形態では、前記多面体の磁石は切頂立方体であり、前記方向ｖは、前記磁石アレイの体対角線又は前記磁石アレイの面法線軸又は前記磁石アレイの面対角線に対応する。

実施形態では、前記格子はブラベー格子である。

実施形態では、前記格子は、単純な立方格子、体心立方格子、面心立方格子、又は六方格子である。

実施形態では、該方法は、前記磁石アレイ内に試験容積を設けることを更に備え、前記多面体の磁石は、複数の第１の多面体の磁石及び複数の第２の多面体の磁石を備え、前記第２の多面体の磁石は、前記第１の多面体の磁石よりも小さく、複数の前記第２の多面体の磁石は、サンプルチャネルを少なくとも部分的に画定する。

更なる実施形態では、サンプルの磁気共鳴特性を決定する方法が開示され、該方法は、その他の実施形態に従って磁場に前記サンプルを配置することを備える。

更なる一連の実施形態では、実施形態に係る前記磁石アセンブリ用のシム調整アセンブリが開示され、該シム調整アセンブリは、格子構成に配置された多面体の磁石を備え、前記磁石は、前記磁石アセンブリ内で移動可能である。

更なる一連の実施形態では、実施形態に係る前記磁石アレイ用のシム調整アセンブリが開示され、該シム調整アセンブリは、前記磁石アレイ内に含まれる多面体のシム調整磁石を備え、該シム調整磁石は、前記磁石アセンブリ内で動くようにユーザによって作動させることが出来る。

更なる一連の実施形態では、前記磁石アレイは、前記格子構成内の位置を示す複数のシム調整磁石を備える。

また、実施形態では、実施形態に係る前記磁石アレイによって生じる磁場をシム調整する方法が開示され、該方法は、ａ）前記磁場上の前記複数のシム調整磁石の前記一つを移動する作用の関数的表現を得るステップ、ｂ）前記複数のシム調整磁石の一つ一つに関してステップａ）を繰り返すステップ、ｃ）ステップａ）及びｂ）の結果のＳＵＭ関数を導き出すステップ、及びｄ）前記シム調整磁石の一つ一つの位置を調整しながら前記磁場を監視するステップを備える。

実施形態では、格子構成に配置されて試験容積を少なくとも部分的に包囲する第１及び第２の多面体の磁石を含む磁石アレイを含む磁気共鳴デバイスであって、前記第１及び第２の多面体の磁石は切頂立方体であり、第２の多面体の磁石は、前記第１の多面体の磁石よりも小さく、前記磁石アレイの体対角線に沿って延在するサンプルチャネルを少なくとも部分的に画定する。

本明細書の主題の特徴及び利益は、添付の図面に示すように、選択的実施形態の以下の詳細な記述に照らして、より明らかになる。開示された主題は、全く本特許請求の範囲から逸脱することなく、様々な点における修正が可能である。従って、図面及び記述は、本質的に一例であって、制限的なものではないと見なさなくてはならない。

図６〜図９は、図１０に係る第１の実施形態の磁石アレイの一次磁石層を、該アレイを形成するために一次磁石層を組み立てるために使用される枠と共に示す。

理想的なハルバッハ円柱の断面図である。ハルバッハ円柱に基づく磁石アセンブリの実用化の断面図である。ハルバッハ円柱に基づく磁石アセンブリの実用化の断面図である。ハルバッハ円柱に基づく磁石アセンブリの実用化の断面図である。ハルバッハ球体に関する理想的な磁化スキームを描写する。ハルバッハ球体の実用的な一実施形態を示す例示的な点格子の単位セルを示す。例示的な点格子の単位セルを示す。例示的な点格子の単位セルを示す。例示的な点格子の単位セルを示す。多面体の形状の例を示す。多面体の形状の例を示す。多面体の形状の例を示す。多面体の形状の例を示す。多面体の形状の例を示す。多面体の形状の例を示す。多面体の形状の例を示す。多面体の形状の例を示す。多面体の形状の例を示す。多面体の形状の例を示す。多面体の形状の例を示す。多面体の形状の例を示す。多面体の形状の例を示す。多面体の形状の例を示す。支持枠内の第１の実施形態の一例のゼロ番目の層、即ち、中心層の平面図である。図６Ａに係る層を保持するために使用される枠の端面図である。支持枠内の第１の実施形態の第１の層の平面図である。図７Ａに係る層を保持するために使用される枠の端面図である。支持枠内の第１の実施形態の第２の層の平面図である。図８Ａに係る層を保持するために使用される枠の端面図である。支持枠内の第１の実施形態の第３の層の平面図である。図９Ａに係る層を保持するために使用される枠の端面図である。考えられるサンプルチャネルの場所を示す図６乃至図９の層から組み立てられたアレイの角の図である。個々の立方体の磁石に関する考えられる磁気双極子配向を示す。個々の立方体の磁石に関する考えられる磁気双極子配向を示す。個々の立方体の磁石に関する考えられる磁気双極子配向を示す。略立方体の磁石アレイ内の考えられる一次磁場配向を示す。略立方体の磁石アレイ内の考えられる一次磁場配向を示す。略立方体の磁石アレイ内の考えられる一次磁場配向を示す。菱形十二面体に基づく第２の実施形態の分解図である。図１３Ａに係る第２の実施形態の中心層の平面図である。第３の実施形態に係るアレイ構造である。第４の実施形態に係るアレイ構造である。第５の実施形態に係るアレイ構造である。第６の実施形態に係るアレイ構造である。更なる他の実施形態に対応する正多面体及び準正多面体の例示的な空間充填アセンブリの描写である。更なる他の実施形態に対応する正多面体及び準正多面体の例示的な空間充填アセンブリの描写である。更なる他の実施形態に対応する正多面体及び準正多面体の例示的な空間充填アセンブリの描写である。更なる他の実施形態に対応する正多面体及び準正多面体の例示的な空間充填アセンブリの描写である。

用語の定義
本開示では、特定の数の要素の記載は、その要素がその数よりも多い可能性を含むと理解される。従って、例えば、磁石アレイ又は磁石アレイの一つの層が二つの磁石を含むという記述は、そのアレイ又は層は、少なくとも二つの磁石を含むが、二つよりも多い三つ、四つ、五つ、又は任意の数の磁石を含んでもよいことを示す。同様に、要素群の一つ一つへの言及は、その要素の任意の一つ又は二つ以上がその特定の性質又は特徴を有することを示す。「又は」という用語は、排他的ではなく包含的であり、ある特徴「又は」他の特徴を示す記述は、両方の特徴が存在する可能性を含むと理解される。言い換えれば、「Ａ又はＢ」という表現は、特徴Ａ及びＢの両方の存在を考慮していると理解される。

本開示では、「磁気共鳴」又は「ＭＲ」は、一つの磁場又は複数の磁場におけるサンプルの磁気モーメントの共鳴再配向を意味し、核磁気共鳴（ＮＭＲ）、電子スピン共鳴（ＥＳＲ）、磁気共鳴映像法（ＭＲＩ）、及び強磁性共鳴（ＦＭＲ）を含む。実施形態は、イオンサイクロトロン共鳴（ＩＣＲ）において適用されてもよい。特定の用途及び実施形態では、開示の装置及び方法は、ＮＭＲに適用され、実施形態では、それらは、ＮＭＲ分光計又はＮＭＲ撮像装置に適用される。磁場に曝された時に磁気共鳴を示す材料は、磁気共鳴即ちＭＲ活性核種又は材料と呼ばれる。

本開示では、「シム調整」という用語は、磁場の不均一を抑制する或いは磁場の一態様を変調する任意の方法を指す。特定の実施形態では、磁場は、一次磁場であり、磁気共鳴デバイス内で発生又は維持される。実施形態では、これは、ＮＭＲ機械、分光計、又はコンパクトなＮＭＲ機械である。特定の実施形態では、シム調整は、磁気アレイ内又は磁気アレイの格子構成内の選択された磁石又は選択された位置に配置されたシム調整要素の移動によって達成される。シム調整は、この目的のために設計に含まれる電子電流路を含む実施形態では、シム調整アルゴリズムの制御下で電子電流路上の電流を変調することによって達成されてもよい。このようなシム調整と、選択された磁石を移動することによって達成される前記シム調整とを特に区別するために、「電子シム調整」という用語を使用して、変調された電子電流の使用を示す。

本開示では、「一次磁石」という用語は、磁石アレイの一部を形成する磁石の内の一つ、又は磁気共鳴用途のための一次磁場に寄与する磁石の内の一つを指す。実施形態では、磁石アレイに含まれる二つ以上のこのような一次磁石が存在し、それらの間の磁石アレイによって生じる磁場（「一次磁場」と呼ぶ）全体の均一性は、シム調整技術を使用することによって変調又は向上されてもよい。磁石アレイ及びそれらのコンポーネントの一次磁石の実施形態に関する考えられる構成及び磁石の幾何学的形状が本明細書において更に記述される。限定ではなく一例として、図６乃至図１０は、第１の一連の実施形態の一例に係る磁石の考えられる配置を示し、実施形態では、磁石は切頂立方体でもよい。

本開示では、「シム調整磁石」又は「シム調整ブロック」という用語は、磁石アレイ内の磁石又はその他の構造体又は磁石アレイに関連する磁石又はその他の構造体であって、アレイに関する磁場をシム調整するのに有用な磁石又はその他の構造体を指す。例えば、図６乃至図１０に示す磁石アレイでは、特定の層が、多数のシム調整磁石又はシム位置１２０を含むことが分かる。他の実施形態では、異なる数のこのようなシム調整磁石が使用されてもよく、それらの位置は調整されてもよく、それらは、磁石アレイ内又はその外に配置されてもよいことが分かる。例示の実施形態では、シム調整磁石は、磁場を変調するために制御可能に移動されてもよく、従って、このような場合、シム調整磁石は、そのような移動を可能にするサイズを有していると理解される。

本開示では、「磁極片」という用語は、一次磁場に寄与する又は一次磁場を整形するための一次磁石の近傍に設置された透磁性材料片を指す。実施形態では、磁極片は、任意の適切な材料及び設計から成り、その全ては、当業者によって容易に理解され、当業者から選択され、実施される。限定ではなく一例として、実施形態では、磁極片は、Ｈｉｐｅｒｃｏ（商標）又は軟鉄材料から成る。実施形態では、磁極片は、多数の対向する磁石面の対に適用されてもよいこと、及び、実施形態では、磁極片は、ユーザによって制御可能なシム調整電流を搬送するシム調整路を備えていてもよいことが分かる。

本開示では、「一次磁場（ｐｒｉｍａｒｙｆｉｅｌｄ）」、「主な磁場（ｍａｉｎｆｉｅｌｄ）」、「一次磁場（ｐｒｉｍａｒｙｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄ）」、及び「主な磁場（ｍａｉｎｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄ）」という用語は、磁石アレイによって生じる磁場を意味する。実施形態では、アレイは、磁気共鳴装置に含まれる。一連の実施形態では、１．０乃至２．５テスラの範囲の磁場強度が達成されるが、磁場強度は、格子サイトの層の数、個別のコンポーネント磁石の強度、磁極片の有無及び種類、使用される構成材料及びその他の変数によって決まる。当業者は、全てのこのような変数及びそれらの因果を理解し、それらに関して適切な許容値を設定する。

他の実施形態では、０．１以下、０．１未満、約０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１．０、１．１、１．２、１．３、１．４、１．５、１．６、１．７、１．８、１．９、２．０、２．１、２．２、２．３、２．４、２．５、又は２．５より大きい磁場強度が生じる。試験容積における磁場は、使用される格子層の数、一次磁石の性質、使用される任意の磁極片材料、及びその他の変数を含む多くの変数によって決まり、それらは全て、当業者によって容易に特定される。特定の実施形態では、一次磁場は、約１．０と２．５テスラの間になる。特定の実施形態では、アレイの磁気一次磁場又は試験容積内の磁場は、約０．１と２．５テスラの間、１．０と２．５テスラの間、約１．２と２．３テスラの間、又は約１．５と２．０テスラの間である。

本開示では、「試験容積」とは、試験下でサンプルを保持するように指定された磁石アレイ内の空洞を指す。実施形態では、試験容積は、格子構成内の格子点に位置し、実施形態では、その内部に、シム調整手段、サンプルを保持する又は回転する又はその温度又はその他の物理的特性を変調又は維持する手段、磁場勾配を印加する手段、又はパルス磁場又は過渡磁場を印加又は検出する手段等の磁石アセンブリに関連する装置内に含まれるその他の材料又はサブシステムを含有する。その他の考えられる適応は、当業者には明らかである。

本開示では、磁場又は磁場に含まれる場合がある不均一性を「変調すること」への言及は、空間内の任意の点における磁場の構成に対して一つ以上の所望の制約事項を課すことを指す。従って、変調することとは、一般的に、所望の変化の達成を指す。

本開示では、不均一性を「抑制すること」とは、磁場における望ましくない不整又は歪みを補正又は円滑化又は除去するための磁場の幾何学的コンポーネントに対する任意の調整を指す。

本開示では、シム路、シム電流、又は磁場等を参照しながら用いられる時の「幾何学的形状」とは、コンポーネントの空間的配置と、考察している構造体の全体的な位置の両方を指す。

本開示では、「格子」という用語は、空間における点の規則的なアレイを意味し、その各点は、ベクトルの整数倍の和だけ原点から変位し、それらのベクトルは、共に三次元基底を構成する。本開示では、「三次元基底」という用語は、

が、ａ、ｂ、及びｃが全て一様にゼロであるような三つのベクトル

の集合を意味する。当該技術において、このようなベクトルの集合は、一次独立であると言われる。

格子は、その単位セルの繰り返し、即ち、格子全体を構成するために使用されることが出来る繰り返しパターンの最小容積に関して可視化されることが出来る。考えられる格子の説明のための一例は、単純な立方格子、面心立方格子、体心立方格子、及び、単純な六方格子又は六方最密格子等の六方格子である。上記は、図４Ａ乃至図４Ｄに示されており、即ち、（４Ａ）単純な立方格子、（４Ｂ）面心立方格子、（４Ｃ）体心立方格子、（４Ｄ）単純な六方格子である。

更なる実施形態では、格子は、一つの方向に沿って長くした又は短くした単純な立方格子である単純な正方格子等の上述の格子の種類のうちの一つが歪んだものでもよい。更なる実施形態は、二つ以上の相互貫入格子を組み込み、上述の特定の種類の相互貫入格子を非制限的に含む。

本開示では、「格子構成」又は「格子配置」という用語は、個々の物体が、その中心が格子の点の有限集合と実質的に一致するように配置された物体の配置を指す。より具体的には、磁石群又は磁石アレイ又はその一部を参照する際に使用される場合、「格子構成」又は「格子配置」という用語は、個別のコンポーネントの磁石が、それらの中心が格子によって画定される点の有限集合と実質的に一致するように設置された配置を指す。疑義を回避するため、且つ分かり易いように、格子構成への言及は、例えば、ブラベー格子構成が、下層のブラベー格子に基づく格子構成を示すように、下層の格子構造を必ず反映することが分かる。他の実施形態では、磁石アレイは、ユーザが望むだけ下層の格子パターンに係る更なる磁石を追加することによって拡張されてもよいことが分かる。更に、実施形態では、第１の多面体の磁石によって占有される格子構成内の一つの場所が、任意で、特定の目的に叶うようにユーザが望むように、適当に修正された第１の多面体の磁石によって又は複数の第２の多面体の磁石によって占有されてもよいことが分かる。

実施形態では、格子サイトの幾つかは、より小さい第２の多面体の磁石から成る複合磁石によって占有され、実施形態では、このような複合磁石に含まれる一部の個別の第２の磁石は、サンプル管入口、一つ以上のサンプルチャネル、又はアセンブリの内部、特に試験容積へのその他のアクセスポートを収容出来るように除かれる。実施形態では、この配置により、一次磁場は、磁石アレイに関する理論的に理想的な磁場に出来るだけ近付けた状態に維持されることが出来ることが分かる。

本開示では、「磁石アレイ」又は「磁石アセンブリ」という用語は、本明細書で考慮される用途に有用な集合的な磁場を生じるように構成された一次磁石の配置を指す。実施形態では、磁石アレイは、格子構成に配置された個別の一次磁石を含む。選択された実施形態では、個別のコンポーネントの磁石に関する形状及び場所は、指定の中心容積又は試験容積を包囲する容積を実質的に充填する。実施形態では、磁石アレイを形成する一次磁石は、単一磁石であり、又は複合磁石であり、又は単一磁石と複合磁石の両方を含み、実施形態では、磁石アレイの内部へのアクセスを可能にするように成形又は配置される。実施形態では、一次磁石の形状、サイズ、及び配置は、斜めの磁化軸を備える多くの歪んだ又は非対称な形状を避ける。実施形態では、一次磁石は多面体である。磁石アレイは、格子構成の一次磁石を備えるため、アレイのサイズは、適当な磁石によって占有される格子の一部を単純に引き延ばすことによって拡大されてもよいことが分かる。実施形態では、格子構成の多数の単位セルは、単一の一次磁石によって占有されてもよいこと、及び、他の実施形態では、単一の単位セルは、多数の小さい方の第２の多面体の磁石を備える複合一次磁石によって占有されてもよいことが分かる。

図６乃至図９から分かるように、磁石アレイは、一般的に、その磁石アレイのコンポーネントの磁石を所定の位置に保持するために構造体枠の補助によって組み立てられる。実施形態では、磁石アレイの各層は、枠内に組み立てられ、枠は、それに付随する磁石と共に、磁石アレイを形成するように組み立てられる。特定の実施形態におけるこのような枠に適した材料は、一般的に、非磁性であり、一例として、実施形態では、このような枠は、アルミニウム、真鍮、又はＰＥＥＫ（商標）又はＤｅｌｒｉｎ（商標）等の強度の高いプラスチック、又はＭａｃｏｒ（商標）等のセラミック材料から成る。当業者は、様々な考えられる代替材料を容易に特定して実施する。

便宜上、少数の異なる種類の一次磁石を有することが望ましい場合があり、各一次磁石は、厳密且つ経済的な品質管理手順の対象となり易い方法で（例えば、平らな面に垂直に）磁化される。実施形態では、磁石アレイ内の中心容積即ち試験容積への一つ以上のサンプルチャネル又はアクセスポイントの組み込みを可能にする設計原理を有することが望ましい場合もある。従って、実施形態では、磁石は、組み合わせて使用されると、中心容積を包囲する空間を実質的に充填する特定の多面体に構成され、単純な立方格子、面心立方格子、体心立方格子、又は六方格子等の正の点格子又は僅かに歪んだ点格子の一部の上に配置される。実施形態では、別々のコンポーネントの部品の種類の数を最小限に抑えるために、対称性が利用される。

立方格子構成に基づく磁石アレイ内では、磁場に関する三つの好適な軸又は方向は、このような方向の無限の可能性の間に存在する。これらは、図１２Ａ、図１２Ｂ、及び図１２Ｃに示されており、概略的に図示されている。磁石アレイがほぼ立方体である本開示では、「体対角線」という用語は、磁石アレイの幾何学的に対向する角部の間であってアレイの中心点を通って延在する直線、即ち磁石アレイの対称軸を指す。この方向は、図１２Ｃにおいて単純な立方格子９０の一部の中で矢印９２によって示されている。「面法線軸」という用語は、図１２Ａにおいて単純な立方格子の側面図９４に示すように、磁石アレイの対向する面の中心を通り且つアレイの中心点を通る直線、即ち対称軸を指す。「面対角線」という用語は、図１２Ｂにおいて単純な立方格子の側面図９６に示すように、磁石アレイの対向する縁の中央を通り且つアレイの中心点を通る直線、即ち対称軸を指す。立方格子に関する正式な専門用語では、例えば、結晶学及び固体物理学において、体対角線、面法線、及び面対角線方向は、夫々、（１１１）、（１００）、及び（１１０）軸と呼ばれる。

本開示では、「サンプル回転子」は、試験容積内で試験されるサンプルを回転するためのデバイス又は手段を意味する。当業者は、あらゆる種類のサンプルを導入、除去、及び回転するための様々な従来の手段を認識し、特定の目的に叶うように、このような手段を容易に実施して調整する。

本開示では、「多面体」という用語は、実質的に平坦な面を含む立体を意味し、「多面体の磁石」という用語は、多面体形状を有する磁石を指す。実施形態では、複数の個々の多面体の磁石は、磁石アレイを形成するように配置されることが分かる。実施形態では、多面体形状は、限定ではなく一例として、正方形の平行六面体等、歪んでいてもよい。特定の実施形態では、多面体は、以下の候補、即ち、切稜多面体、切頂多面体（好適な実施形態では、切頂立方体を含む）、菱形十二面体、プラトンの立体、アルキメデスの立体、又はジョンソンの立体から選択される。プラトンの立体―一般的には正多面体とも呼ばれる―は、同一の頂点を有し、合同な面を有し、各面は、正多角形である。アルキメデスの立体―一般的には準正多面体とも呼ばれる―は、同一の頂点を有する多面体である。ジョンソンの立体は、正多角形の面を有するが、不等の頂点を有する。実施形態では、磁石は、球状又は円柱状の磁石も含み、実施形態では、これらは、格子点に位置する。

実施形態では、磁石アレイは、複数の多面体の磁石から組み立てられる。実施形態では、アレイに含まれる多面体の磁石は全て同一形状である。実施形態では、アレイを形成する多面体の磁石は、同一サイズである。他の実施形態では、アレイを形成する多面体の磁石は、異なるサイズのもの、又は異なる形状のもの、又は異なる形状且つ異なるサイズのものである。実施形態では、磁石は、単一磁石、又は複合磁石、又は単一磁石と複合磁石の両方を含む。

図５は、幾つかの多面体形状を示し、これらは全て、多面体の磁石の他の実施形態、即ち、（Ａ）立方体、（Ｂ）四面体、（Ｃ）八面体、（Ｄ）立方八面体、（Ｅ）切頂立方体、（Ｆ）切頂四面体、（Ｇ）切頂八面体、（Ｈ）切頂立方八面体（大菱形立方八面体）、（Ｉ）小菱形立方八面体、（Ｊ）六角柱、（Ｋ）正四角反柱、（Ｌ）正方形の平行六面体（正四角柱）、（Ｍ）切稜立方体、（Ｎ）菱形十二面体にて検討されることがわかる。これらの候補は、もっと多くの考え得る多面体形状の一例に過ぎず、限定的なものではない。あらゆる多面体への言及は、その多面体から、縁の丸み付け又は切稜によって、穿孔によって、又は軸に沿って次元を歪めることによって、又は当業者によって容易に理解される様々なその他の方法によって導き出される形状も考慮して含むことが分かる。実施形態では、充填した多面体の磁石の切頂又は切稜又は全体の形状により、チャネル又は開口を形成又は部分的に形成するのに有用な空間が残されることが分かる。

本開示では、「第１の多面体の磁石」及び「第２の多面体の磁石」は、形状又はサイズが異なる又は形状及びサイズが異なる多面体の磁石の集合を意味する。一般的に、磁石アレイの全体的な幾何学的形状は、一般的に一次磁石となるこのような第１の磁石のアセンブリに関して最も良く記述されて理解される。第２の多面体の磁石という用語は、第１の多面体の磁石よりも実質的に小さい多面体の磁石を示すために使用され、実施形態では、このような第２の磁石は、磁石アレイにサンプルチャネルを形成するために、又は磁石アレイにおける空間を充填する又は磁石アレイを拡張するために使用される。限定ではなく一例として、磁石アレイが切頂立方体のアレイである場合、実施形態では、磁石アレイの第２の多面体の磁石は、複数のこのような第２の多面体の磁石が、第１の磁石と実質的に同等の空間を専有するように充填されることが出来る直径を有する。当業者は、実施形態では、このような配置により、多数の第２の磁石が、欠落した第１の磁石によって残された空間に充填されることが出来、磁石アレイ内にサンプルチャネル等の開口の設置が可能になる一方で、格子構成の連続性を実質的に維持する。従って、実施形態では、複数の第２の磁石が、より大きな第１の磁石の一つ一つとサイズが略等しい複合磁石を形成するように充填され、実施形態では、このような第２の磁石は、その間に空間を残すように配置される。

特定の実施形態に係る磁石は、任意の適切な材料から成り、又はその材料で構成され、その材料は全て、当業者によって容易に特定されて使用される。限定ではなく一例として、実施形態では、磁石は、高保磁力材料である又は高保磁性材料を含む。実施形態では、磁石は、希土類系磁石である。この場合も同様に、限定ではなく一例として、候補は、ネオジム鉄ボロン及びサマリウムコバルト合金である。当業者は、様々な考えられる代替物を容易に特定して実施する。

特定の実施形態では、個々の一次磁石は、０．１インチ以下、０．１インチ未満、約０．１インチ、０．２インチ、０．３インチ、０．４インチ、０．５インチ、０．６インチ、０．７インチ、０．８インチ、０．９インチ、１．０インチ、１．１インチ、１．２インチ、１．３インチ、１．４インチ、１．５インチ、１．６インチ、１．７インチ、１．８インチ、１．９インチ、２．０インチ、２．１インチ、２．２インチ、２．３インチ、２．４インチ、２．５インチ、２．６インチ、２．７インチ、２．８インチ、２．９インチ、３．０インチ、３．１インチ、３．２インチ、３．３インチ、３．４インチ、３．５インチ、３．６インチ、３．７インチ、３．８インチ、３．９インチ、４．０インチ、又は４．０インチより長い直径を有する。アレイが、大きい方の第１の磁石と小さい方の第２の磁石を混在して含む場合、磁石アレイに含まれる複合磁石を形成する構成要素の第２の磁石は、アレイを成す大きい方の第１の磁石のサイズの適切な増加分、即ち、その一部であることが分かる。特定の実施形態では、切頂立方体の一次磁石、即ち第１の磁石は、面と面の間が約１．２５インチである。実施形態では、このようなアレイの複合磁石を含む第２の磁石は、面と面の間が約０．５０インチである。

本開示では、磁石アレイを参照して使用される場合の「磁場軸（ｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄａｘｉｓ）」又は「磁場軸（ｆｉｅｌｄａｘｉｓ）」又は「磁場方向（ｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）」又は「磁場方向（ｆｉｅｌｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）」という用語は、磁石アレイの中心空洞、即ち試験容積内の均一な磁場の所望の配向として機能する磁石の格子構成の座標枠に関する軸、即ち方向を意味する。この方向は、原則として任意に選択されることが出来るが、実際には、格子及び磁石の対称性を利用すること、及び、立方体の単位セルの四回又は三回対称軸等の対称要素に関係するある特定の方向を選択することが望ましい場合が多い。文脈が示す場合は、上記用語は、アレイに含まれる一つの磁石又は一つの複合磁石によって生じる磁場を表すために使用される場合があることが分かる。所望の磁場構成が明らかに磁場勾配を含む場合は、「勾配軸」という用語は、所望の磁場構成を画定する勾配テンソル成分、又は主成分、又はその他の方向量を示すために使用される。

実施形態では、本明細書に開示された磁石アレイの一次磁場は、ハルバッハ球体によって生じる磁場に近似する。略立方体の磁石アレイに関して考えられる磁場方向は、本明細書の他の箇所で更に説明されるように、格子の単位セルの一つの面に垂直な方向、格子の単位セルの中心を縁の中間点につなぐ線に沿う方向、図１２に概略的に示され、格子の単位セルの体対角線に沿う方向を含む。

本開示では、「サンプルチャネル」という用語は、例えばサンプルを試験容積に導入するために、又はサンプルをそこから除去するために、試験容積にアクセスするのに有用な磁石アレイにおける開口を意味する。特定の実施形態では、サンプルチャネルは、任意の所望の配向を有し、限定ではなく一例として、実施形態では、サンプルチャネルは、図１０に示すように、磁石アレイの一つの面、角、又は縁から延出してもよい。実施形態では、サンプルチャネルは、アレイを形成する他方の第１の磁石よりも小さくしたサイズ又はそれとは異なる幾何学的形状を有する第２の磁石を配置することによって少なくとも部分的に画定される。実施形態では、サンプルは、適当なサンプル管に導入されてもよい。限定ではなく一例として、サンプル管は、液体サンプルを含有する長いガラス管、流管、又は固体核磁気共鳴（ＮＭＲ）において一般的な小さな「ローター」型の管とすることが出来る。様々な候補が当業者によって容易に認識されて実施される。

磁場方向が確立され、個別のコンポーネントの磁石の磁化軸が計算されると、サンプル管が挿入される際に沿う軸が選択されることが出来る。磁場軸と同様に、対称性を十分に利用して、サンプル管進入軸の無限の候補の中から好ましい方向として特定の方向を選択することが出来、その一部は以下に挙げられる。サンプルチャネル軸の選択に対するその他の考慮すべき事項は材料であるかもしれない。例えば、磁場方向とサンプル管進入軸の特に有用な組み合わせは、磁場方向が立方体の格子の単位セルの一つの面に対して垂直であり、且つサンプル管の進入軸が体対角線に沿うものである。この場合、これらの軸の間の角度は、

であり、固体ＮＭＲの専門家に知られている所謂「マジック角」である。この軸周りのサンプルの高速回転は、特定の非常に有用な実験技術の使用を可能にすることで知られる。

サンプルチャネルに関する軸が選択されると、サンプル又はサンプル管が磁石アレイの中心空洞即ち試験容積に導入されることを可能にする少なくとも三つの構成方法が検討される。他の実施形態では、その候補は、限定ではないが、コンポーネントの磁石間に空間を設けるために格子を拡張すること、これは任意で対称的なパターンで行われてもよいが、磁石に孔を開けること、及び対称的に配置された磁石の部分集合、又は複合磁石を一つ以上形成するコンポーネントの第２の磁石の部分集合を除くことを含む。実施形態では、上記の候補は、当業者によって容易に理解される方法で組み合わされてもよい。

第１の実施形態
第１の一連の実施形態が、図６乃至図１０を一般的に参照して記述され、第１の一連の実施形態の一例のより詳細な説明が以下に提示される。

広い見地から、格子構成に配置される複数の多面体の磁石を含む磁石アレイが開示される。実施形態では、この磁石アレイは、指定の磁場方向

を有する付随の磁場を有する。実施形態では、この磁石アレイは、試験容積を少なくとも部分的に包囲し、実施形態では、試験容積を完全に又は略完全に包囲する。実施形態では、試験容積における原点からの変位ベクトル

に位置する個別の多面体の磁石の磁化方向

は、以下の式、即ち、

によって決定される。

実施形態では、図１０に示すように、多面体の磁石１０１は、切頂立方体であり、磁石アレイは、単純な立方格子に基づいている。

第１の実施形態は、磁場方向

を有する磁場を生じる方法も含む。この方法は、格子構成の多面体の磁石のアレイを提供することを含み、原点からの変位ベクトル

に位置する個別の多面体の磁石の磁化方向

は、以下の式、即ち、

によって決定される。

当業者には、上記式は、以下の式、即ち、

の座標から独立した表現であることが分かり、ｋ＝１の場合、中心容積内で実質的に均一な磁場を生成するのに適しており、余緯度角

が、選択した磁場方向

に対して定義される。

第１の実施形態の変形例では、多面体の磁石の一つ一つが、切頂立方体、菱形十二面体、プラトンの立体、アルキメデスの立体、ジョンソンの立体、切稜多面体、及び切頂多面体からなる群から選択される。更なる考えられる変形形状は、本明細書の他の箇所で説明され、当業者は、更なる考えられる形状を容易に特定し、それらの形状は全て、本明細書に開示されて請求される主題の一つ以上の考えられる実施形態において考慮されている。

実施形態では、アレイが基づく格子は、ブラベー格子であり、従って、アレイの磁石は、ブラベー格子構成を有する。更なる実施形態では、格子は、単純な立方格子、体心立方格子、面心立方格子、又は六方格子であり、アレイの磁石の格子構成は、このような下層の格子構造に従う。

第１の実施形態の一例では、特に図６乃至図１０に示すように、アレイを成す多面体の磁石は、複数の第１の多面体の磁石１０１及び複数の第２の多面体の磁石１０６を含み、第２の多面体の磁石は、第１の多面体の磁石よりも小さい。この構成の一実施形態では、図１０の斜視図に示すように、複数の第２の多面体の磁石は、サンプルチャネル１０７を少なくとも部分的に画定する。後に明らかになるように、図示の実施形態では、サンプルチャネルは、磁石アレイを画定する格子の体対角線に沿って配向している。この配向は、切頂立方体から成るアレイに特に適している。適切な調整により、その他の配向が可能であり、その他の配向は、アレイを構成するために使用される格子の種類に応じて変わることが分かる。

第１の実施形態の実施形態では、磁場の方向

は、磁石アレイの体対角線、磁石アレイの面法線、又は磁石アレイの面対角線に対応する。これらの一般的な配向は、図１２の概略図に見られる。

実施形態では、第１の多面体の磁石の一つ一つは、所望の磁場方向

を有するアレイに対応する可能な値の有限集合から選択される磁化方向ｍを有することが分かる。従って、適切な計算に従い、ユーザは、

に関する一連の可能な値を特定し、それらの中から、これらの値のいずれが所望の磁場方向

に最適であるかを容易に決定し、それに応じて適当な値を選択する。実施形態では、本明細書で考慮される構成により、比較的少数の代替的な構成要素の一次磁石の種類だけを使用して適当な一次磁場の生成が可能になることが分かる。例えば、必要な磁化方向は、磁石の集合を使用して効率的に近似されることが出来、各磁石自体は、図１１に描かれた三つの磁化配向のうちの一つを有する。図１１Ａでは、立方体の磁石が、側面図において、「面法線」状の磁化と共に描かれている。図１１Ｂでは、立方体の磁石は、側面図において、「面対角線」状の磁化と共に描かれている。図１１Ｃでは、立方体の磁石は、斜視図において「体対角線」磁化と共に描かれている。これらの磁化用語は、図１０の格子構成で使用されるもののような切頂の立方体の磁石にそのまま当てはまり、複合磁石、又は多数の構成要素の磁石を含むアレイにも略当てはまる。

個別の多面体の磁石は、充填アレイ内に有限数の可能な配向を有する。品質管理手順を容易にする又は改善するため、又はそれらの手順をよりコスト効率のよいものにするために、個々の磁石が、有限数の可能な双極子配向のみを有するように可能な磁化の選択を限定することが望ましい場合がある。磁石アレイを組み立てる時、ユーザは、可能な配向の集合から、アレイにおいて他の磁石と組み合わせると所望の一次磁場の最良近似を与える配向を選択してもよい。例えば、一つの一次磁石は、図１１に示す三つの方向のいずれに配向される双極子を有してもよく、立方体の六つの面に対応する六つの方向のいずれかに沿う所与の面法線を有する格子内で配向されてもよく、次に、その面法線の周りの回転によって四つの候補のいずれかに更に配向され、磁化方向の有限だが大きな候補の集合を与えてもよい。従って、立方アレイに関して、アレイは、三つの構成要素のみ、即ち、図１１に示す三つの双極子配向のうちのひとつを有する個々の磁石を使用して組み立てられてもよい。同じ原理が、様々なその他の多面体形状に適用されてもよいことが分かる。また、実施形態又は実施形態の一部において、一つの磁石は、単一磁石でもよく、又は複合磁石でもよいことが分かる。分かり易いように、一つの磁石に関する磁場は、双極子と呼ばれてもよい。

磁石アレイの特定の実施形態では、アレイは、サンプル回転子を更に含む。更に他の実施形態では、第１の実施形態のアレイは、磁気共鳴デバイスに含まれる。

実施形態では、多面体の形状は、格子上に配置された時に、多面体同士が連結し、容積を実質的に充填するように選択される。実施形態では、これらの形状は、アセンブリが全体として高い対称性を示すように、且つ、特に、限られた数の個別の磁石設計がアレイを組み立てる必要があるように選択されて配置される。比較的限られた数の個別の磁石設計が十分であれば、異なる種類のコンポーネント部品の数は、各磁石がその設計において固有である場合に存在する部品の種類の数と比べて少ないことが分かる。

第１の実施形態及びその他の実施形態の実施形態では、アレイはシムを含み、アレイに関連する一次磁場をシム調整する方法が提供される。実施形態では、シム調整は、アレイ内又はその周りに配置されたシム調整磁石を使用する。実施形態では、シム調整は、電子シム調整構造を使用して達成される。実施形態では、適当な磁極片が、磁場の微細なシム調整を行うために設けられる。

図１０から分かるように、磁石アレイ１０２を成す格子構成に含まれる磁石１０１の内の幾つかは、大きい第１の磁石１０３であり、他は小さい第２の磁石１０６である。小さい方の第２の磁石は、アレイにおける特定の点に複合磁石１０４を形成する。図１０から分かるように、このような小さい方の第２の磁石１０６の使用は、この場合は体対角線に沿って配向されるサンプルチャネル１０７を設けるために利用される。

個々の一次磁石１０１が切頂立方体の形状であり、格子構成が単純な立方格子に基づくことにより、本実施形態の磁石アレイ１０２は、個別の磁石１０１の個別の層を形成して配置することによって形成されてもよいことが分かる。

概して、中心層は、指定層０であり、その中心に、試験容積を形成する空き空間１１０を備える。図６は、第１の実施形態の実施例１の磁石アレイの層０の平面図を示す。これらの磁石は、一次磁石であり、本開示の定義セクションにおいて説明された「第１の磁石」であることが分かる。層０は、図６Ｂにおける断面にて概略的に示す面１５１、１５２及び端１５３、１５４を有する支持体枠１５０内に組み立てられる。配線及びその他の構造体を提供するためにユーザによって必要に応じて更なる開口が組み入れられることが分かる。

層０は、第１の側面が層１に隣接し、層２、及び最後に層３と続く。層０の反対側には、層−１、層−２、及び層−３によって、同一の配置が反対方向に延在する。アレイは、略対称である。各層は、枠内に組み立てられ、それらの枠は、組み立てられたアレイ１０２を形成するために互いに固定される。層１は図７に示され、中心容積即ち試験容積は、全ての側面に隣接し、略立方体であることが分かる。

実施形態では、磁石アレイは、アレイに関連する複数のシム調整磁石１２０を備える。実施形態では、シム調整磁石は、格子構成内の位置を占有し、実施形態では、アレイ内で移動可能な大きさを有する。実施形態では、シム調整磁石１２０は、多面体であり、磁石アレイ内に含まれる。実施形態では、シム調整磁石は、アレイ内の格子点に配置され、実施形態では、磁石アレイ外に配置される。実施形態では、シム調整磁石は、磁石アセンブリ内を移動するようにユーザによって作動可能である。

磁石アレイを含む個別の磁石１０１は、規則的な配置に形成され、その配置は、シム調整磁石１２０と、小さい方の第２の磁石１０６を含む複合磁石１０４とを含む。シム調整磁石１２０は、他の一次磁石１０３等よりも僅かに小さく、試験容積における磁場を効果的に調整するために、ユーザが望むように移動されることが出来る。実施形態では、これらの磁石は、別々に移動可能であり、又は対になって又は複数になって接続される。実施形態では、シム調整磁石は、枠の平面内で移動される。実施形態における考えられる移動パスは、矢印１２５によって指定されている。磁石は、枠１６０内に取り付けられる。枠１６０内のチャネル１６８は、シム調整磁石１２０を収容出来、且つシム調整磁石１２０が移動されることが出来るような大きさを有する。

層２の構造体を図８に示す。切頂立方体である一次磁石を含む一実施形態におけるこの層の配置は、各側面に沿って五つの一次磁石１０１を有する略正方形であることが分かる。層２は、四つの位置に、シム調整磁石１２０も備えることが分かる。実施形態では、シム調整磁石１２０は、対になって、隣接する層における対応する磁石に結び付けられる。従って、図示の実施形態では、層２における四つのシム調整磁石は、対になって、図９の層３における対応する磁石に接続される。これらの実施形態では、シム調整磁石の対は、図の平面の内外へ共に移動する。図示の実施形態では、アレイは、七つの層を含み、従って、シム調整のために使用される２４対の磁石を含むことが分かるだろう。実施形態では、シム調整磁石又は電子シムは、任意の適当な数だけ設けられる。実施形態では、シム調整磁石又は電子シムは、試験容積の周囲に略対称的に配置される。実施形態では、１個、２個、３個、４個、５個、６個、７個、８個、９個、１０個、１１個、１２個、１３個、１４個、１５個、１６個、１７個、１８個、１９個、２０個、２１個、２２個、２３個、２４個、２５個、２６個、２７個、２８個、２９個、３０個、３１個、３２個、３３個、３４個、３５個、３６個、３７個、３８個、３９個、４０個、４１個、４２個、４３個、４４個、４５個、４６個、４７個、４８個又はそれを越えるシム又はシム調整磁石が設けられる。実施形態では、シム調整磁石の移動は、１個、２個、３個、４個、５個、６個、７個、８個、９個又はそれを越えるシム調整磁石の群になって連係させる。

実施形態では、実施形態に係る磁石アレイによって生じる磁場をシム調整する方法も開示される。一般的に、この方法は、一つ以上のステップを含む。実施形態では、これらのステップは、ａ）磁場上の複数のシム調整磁石の内の一つを移動させる作用の関数的表現を得ること、ｂ）複数のシム調整磁石の一つ一つに関してステップａ）を繰り返すこと、ｃ）ステップａ）及びｂ）の結果のＳＵＭ関数を導き出すこと、及びｄ）一つ一つのシム調整磁石の位置を調整しながら磁場を監視することを含む。

シム調整磁石は、試験容積内の磁場を「粗く」シム調整するための一つの手段として設けられる。実施形態では、シム調整手順は、以下のステップのうちの一つ以上又はそれらを全て含む。

１）試験容積における磁場に対して、移動可能な磁石の指定の対のうちの所与の一つを移動させる作用の関数的表現を得る。適当な関数的表現は、

の形を取り、ｘ、ｙ、及びｚは、磁場が推定されるべき試験容積内の位置座標を示し、η_ｉは座標変数であり、この座標変数に沿って、シム磁石ｉは、制御可能に移動することが可能である。この関数的表現は、静磁場シミュレーションによって、又は、磁石ｉが座標η_ｉに沿って移動される時に、例えばガウスメータプローブによって生じる磁場変化をマッピングすることによって様々に得ることが出来る。これらを決定するための他の関数的表現及び手段は、当業者によって容易に理解される。

２）関数

を結合してＳＵＭ関数にする。実施形態では、このＳＵＭ関数の実用性は、主な磁場に対する作用の代表として、部分的には、個別の作用が独立している度合によって、即ち、シム磁石及びその他の磁石の磁化が、これらの運動によって生じる変化に抵抗する度合によって決まる。実施形態では、この抵抗を左右する重要な物理的要因は、アレイにおけるシム磁石とその他の構成要素の磁石の両方を製造するために使用される磁性材料の保磁力である。従って、実施形態では、高保磁力の磁性材料の使用が好ましいことが分かる。

３）実施形態では、次に、ＳＵＭ関数は、空間変数ｘ、ｙ、ｚと磁石座標変数η_ｉの両方に関して、成分関数に分解される。或いは、実施形態では、磁石座標変数η_ｉは、恐らくシム調整磁石の配置の対称性に適応させた新たな変数ξ_ｊに線形結合され、ＳＵＭ関数は、空間変数ｘ、ｙ、ｚとこの対称性に適応した変数の両方に関して表される。シム調整の当業者は、特定の用途に適合するように空間変数ｘ、ｙ、ｚにおける関数形式（例えば、多項式）を選択する。

４）実施形態では、試験容積内の磁場の応答関数が決定される。実施形態では、この応答関数は、磁場マップ、又は共鳴線幅等のＮＭＲパラメータである可能性があり、又は当業者によって容易に特定されて選択されるその他の関数でもよい。

５）実施形態では、ユーザは、所望の磁場構成が得られるまで、シム磁石の位置を調整又は反復的に調整し、応答関数における変化を監視する。シム調整の当業者は、用途において望ましいように主な磁場を変調するために、各反復変化とともに磁場又は線幅データにおいて注目される向上を使用する。シム調整磁石は、ユーザの要望に応じて協調的に又は別々に移動されてもよいことが分かる。当業者は、シム調整磁石に対する上述の調整を最適化するために必要又は望ましい調整を容易に理解する。

当業者は、上述の各ステップを達成する様々な方法を認識して実施する。

ここで、図８における部品の構成を参照すると、この層の各角には、一連の小さい方の磁石即ち第２の磁石１０６を含む複合磁石１０４が置かれていることが更に分かる。

層２は、外面１７１及び内面１７２、及び傾斜縁１７３、１７４を有する枠１７０に取り付けられる。中心領域１７５は、内面１７２に凹部１７８を備え、枠の外縁は厚くなっている１７６。凹部１７８は、隣接する層１を保持する枠１６０の厚くなった中心部１６５とぴったり嵌合する。隣接する枠同士が例えばボルトによって互いに対して固定されることが出来るように、開口１７７が設けられる。

図９の平面図には、層３が示されている。層３は、中心の一次磁石１０１を含む各側面に沿う三つの磁石と、角部の位置に、この場合も同様に１２０で示す四つのシム調整磁石とを有する正方形であることが分かる。この場合も同様に、これらのシム調整磁石は、他の一次磁石よりも僅かに小さく、一次磁場をシム調整するために移動させることが出来る。この層は、隣接する枠１７０にぴったりと嵌合する、傾斜縁１８３、１８４、外面１８１、及び内面１８２を有する枠１８０内に組み立てられる。この場合も同様に、隣接する枠同士が互いに固定されることが出来るように、開口１８７が設けられる。

図１０から分かるように、二次磁石１０６から成る複合磁石１０４を含む複合磁石位置により、アレイの角からアクセス可能なサンプルチャネル１０７の形成が可能になる。

上述の通り、図６Ａ、図７Ａ、図８Ａ、及び図９Ａは、平面図において示す枠によって制約された位置における磁石を示す。図６Ｂ、図７Ｂ、図８Ｂ、及び図９Ｂは、図示の層のための各枠の断面的な端面図を夫々示す。枠材料は、様々な適当な材料からユーザによって選択され、例示的実施形態では、任意の適当な材料から成る。

ワイヤ、取付物、ボルト、ねじ等を収容できるように、且つユーザの必要に応じてアレイへのアクセスが可能になるように、必要に応じて又は要望通りに枠には開口が設けられる。実施形態では、一次磁石とシム調整磁石は両方とも単一磁石であり、他の実施形態では複合磁石であることが分かる。

第１の一連の実施形態の一実施形態では、切頂立方体の一次磁石即ち第１の磁石は、面と面の間が約１．２５０インチである。第２の磁石は、複合磁石を含むが、面と面の間が約０．５００インチである。その結果、このような小さい方の磁石間の空間は、主な磁石アレイの体対角線に沿って空間又は孔の中へ５ｍｍのＮＭＲ管を収容することが出来る。アレイの試験容積は、大きい方の第１の磁石、即ち一次磁石の内の一つとほぼ同じサイズである。様々なサイズが使用されてもよいこと、及び第１及び第２の磁石のサイズの具体的な比率は、特定の目的に叶うようにユーザによって調整されることが分かる。

切頂立方体である一次磁石と、単純な立方格子である格子とを一般的に参照して、第１の一連の実施形態が図示されて説明されたが、様々なその他の考えられる構造は、当業者によって容易に理解される。異なる多面体形状を使用する実施形態の一部の例を以下に提示する。

様々な他の実施形態が可能であり、変形例が以下に提示される。これらは、本明細書の主題を限定するものではないことが分かる。

選択された磁場勾配関数に対して対称性に適応した制御を行うために、磁石の部分集合、又は複合磁石の構成要素の部分集合を選択的に取り除くこと、切稜すること、磁石の部分集合を可動構造に固定すること、及びシム調整することを考慮することは、あらゆる他の実施形態及び変形実施形態に当てはまる。考えられる変形例及びそれらの実施は、特定の要求事項を満足するように、例示的な変形例等から選択して実施する当業者にはすぐに明らかになる。

当業者は、枠の幾何学的形状、シム調整磁石の移動パターン、使用される任意のアルゴリズム及び計算、及び、アレイの幾何学的形状、格子構造、磁石及びその他の要求事項における変化に対応出来るように調整を必要とする任意のその他の変数に対する変更を認識して実施する。また、当業者は、磁極片を組み込むための実施形態の変更、及び試験容積における磁場を更に調整するためのその他の微調整を容易に理解して実施する。

第１の実施形態の実施例１は、特に図６乃至図１０を参照して説明され、実施形態の一例に過ぎず、本明細書で請求される主題を限定するものではない。

一般的に１０２で示し、図１０の斜視図に示す第１の実施形態のこの例示的形態では、一次磁石１０１は、切頂立方体の形状である。幾つかは、本明細書において一般的に第１の磁石と呼ばれる単一磁石１０３であり、他は、多数の小さい方の第２の磁石１０６を含む複合磁石１０４である。これらの切頂立方体は、図４Ａに示すように、その中心が単純な立方格子の点に設置されるように配置される。格子サイトが、三つ組の整数、例えば、［＋１、０、０］、［１、−２、０］等で標識され、その三つ組の夫々の要素が、三つの互いに直交するデカルト座標軸に係る格子位置の座標に対応する場合、中心の格子サイト、即ち、［０、０、０］をサンプル位置として指定する。この位置は空であり、磁石を含まず、試験容積を構成し、検討中のサンプル、検出コイル、温度安定化又は磁場均一化手段、サンプルを回転させるための回転デバイス及び／又はユーザの要望に応じたその他のコンポーネントを含むことが出来る。

サイト［ｘ、ｙ、ｚ］における磁石の磁化は、理想的な磁化方向

に最も近い単位ベクトルとして選択されてもよく、その選択と一致して、格子への磁石の挿入によって可能になるいくつかの配向のうちの一つへコンポーネント磁石を回転することによって利用可能になるベクトルの有限集合内である。位置ベクトル

は、格子及び格子間隔、即ち、αを画定するデカルト軸に沿ってサイト指数ｘ、ｙ、ｚから計算可能であることが分かる。これらの幾つかの配向の集合は、コンポーネントの磁石が楔形又はその他の斜形ではなく高い対称性の多面体であることによって、もっと多くなることが分かる。従って、アレイは、限られた数のコンポーネントの磁石構成を使用して構成されることが出来る。磁石アレイを組み立てる時、ユーザは、可能な配向の集合から、アレイにおいてその他の磁石と組み合わせて、所望の一次磁場の最良近似を与える配向を選択してもよい。例えば、一つの一次磁石は、図１１に示す三つの方向のいずれに配向される双極子を有してもよく、立方格子内で幾つかの異なる方向に配向されてもよい。従って、立方アレイに関しては、アレイは、三つのコンポーネントのみ、即ち、図１１に示す三つの双極子配向のうちの一つを有する個別の磁石を使用して組み立てられてもよい。同じ原理は、様々なその他の多面体形状にも当てはまることが分かる。また、実施形態又は実施形態の一部では、一つの磁石は、単一磁石でもよく、又は複合磁石でもよいことが分かる。

この実施例では、対称性が利用され、

は、好ましくは体対角線に沿って、面対角線に平行に、又は面に垂直に配向される。特定の実施形態では、磁場方向

は、磁石アレイの体対角線に沿って配向され、特定の実施形態では、磁石アレイの面に垂直に配向される。

この場合も同様に、最大限の対称性のために、磁石は、一つのクラスの全ての部材が含まれるようにアセンブリに含まれる。例えば、クラス

は、六つの磁石サイト、即ち、［１、０、０］、［０、１、０］、［０、０、１］、［−１、０、０］、［０、−１、０］及び［０、０、−１］を含む。クラス

は、数の並べ替え及び符号の変化に対応して２４個の磁石を含む。

図１０から分かるように、磁石アレイ１０２を成す格子構成に含まれる磁石１０１の幾つかは、大きい方の第１の磁石１０３であり、他は、小さい方の第２の磁石１０６である。小さい方の第２の磁石は、アレイにおける特定の点で複合磁石１０４を形成する。図１０から分かるように、このような小さい方の第２の磁石１０６の使用は、この場合は体対角線に沿って配向されるサンプルチャネル１０７を設けるために利用される。

個別の一次磁石１０１が切頂立方体の形状であり、格子構成が単純な立方格子に基づくことにより、本実施形態の磁石アレイ１０２は、個別の磁石１０１の個別の層を形成及び配置することによって形成されてもよいことが分かる。

概して、中心層は、指定層０であり、その中心に空き空間１１０を備え、試験容積を形成する。図６は、第１の実施形態の実施例１の磁石アレイの層０の平面図を示す。これらの磁石は、一次磁石であり、本開示の定義セクションで説明した「第１の磁石」であることが分かる。層０は、図６Ｂにおける断面図に概略的に示す面１５１、１５２及び端１５３、１５４を有する支持体枠１５０に組み立てられる。後に分かるように、枠は、薄くなった中心部１５５及び厚くなった外縁１５６を含み、略八角形である。ボルト、螺子、又はその他の支持構造体又は固定構造体の挿入を可能にするために、枠には孔１５７が含まれる。配線及びその他の構造を設けるために、ユーザの必要に応じて、更なる開口が組み込まれることが分かる。

層０は、第１の側面が層１に隣接し、層２、及び最後に層３が続く。層０の反対側には、層−１、層−２、及び層−３によって、同一の配置が反対方向に延在する。本実施形態の本実施例のアレイは、略対称であることが分かる。各層は、枠内に組み立てられ、それらの枠は、組み立てられたアレイ１０２を形成するために互いに固定される。

層１が図７に示されており、内側層１及び−１は、中心層０と整列しているが、中心空洞が無く、従って、中心容積即ち試験容積が全ての側面に隣接し、略立方体であることが分かる。

個別の磁石１０１は、規則的な配置に形成され、この配置は、点描で区別されるシム調整磁石１２０と、小さい方の第２の磁石１０６を備える複合磁石１０４とを含む。シム調整磁石１２０は、他の一次磁石１０３等よりも僅かに小さく、試験容積における磁場を効果的に調整するために、ユーザが望むようにそれらを移動させることを可能にする。本実施形態では、これらの磁石は、対になって接続され、矢印１２５によって示すパスに沿って枠の平面内で移動させることが出来る。

磁石は、縁１６３、１６４、頂面及び底面１６１、１６２、厚くした中心部１６５、及び薄くした外縁１６６を有する枠１６０に取り付けられる。チャネル１６８は、組み立てられたアレイの一次磁場をシム調整するために、シム調整磁石１２０を収容でき且つシム調整磁石を本明細書に記述したように移動させることが出来るようなサイズを有する。隣接し合う枠が互いに固定されることが出来るように、枠には孔１６７が含まれること、及びワイヤ等を収容することが出来るようにユーザによって更なる開口が導入されることが分かる。

層２の構造が図８に示されている。この層の配置は、各側面に沿って五つの一次磁石１０１を有する略正方形であることが分かる。層２は、四つの位置に、シム調整磁石１２０も含むことが分かる。これらのシム調整磁石は、その他の一次磁石１０１よりも僅かに小さく、試験容積における磁場を効果的に調整するために、シム調整磁石をユーザが望むように移動させることを可能にする。これらの四つの磁石は、図９の層３における対応する磁石に対して対になって接続され、これらの対は、図面の平面の内外へ一緒に移動する。組み立てられたアレイの七つの層は、シム調整に使用される２４対の磁石を共に含むことが分かる。

この第１の実施形態における２４対の可動磁石は、試験容積内の磁場を「粗く」シム調整する潜在能力を説明する。前記シム調整の代表的な手順は、以下のステップで進行する。

の形を取り、ｘ、ｙ、及びｚは、磁場が推定されるべき試験容積内の位置座標を示し、η_ｉは座標変数であり、この座標変数に沿って、シム磁石ｉは、制御可能に移動することが可能である。この関数的表現は、静磁場シミュレーションによって、又は、磁石ｉが座標η_ｉに沿って移動される時に、例えばガウスメータプローブによって生じる磁場変化をマッピングすることによって様々に得ることが出来る。

２）関数

を結合してＳＵＭ関数にする。このＳＵＭ関数の実用性は、主な磁場に対する作用の代表として、部分的には、個別の作用が独立する度合によって、即ち、シム磁石及びその他の磁石の磁化が、これらの運動によって生じる変化に抵抗する度合によって決まる。この抵抗を左右する主な物理的要因は、アレイにおけるシム磁石とその他の構成要素の磁石の両方を製造するために使用される磁性材料の保磁力である。従って、高保磁力の磁性材料の使用が好ましいことが分かる。

３）次に、ＳＵＭ関数は、空間変数ｘ、ｙ、ｚと磁石座標変数η_ｉの両方に関して、成分関数に分解されることが出来る。或いは、磁石座標変数η_ｉは、恐らくシム磁石の配置の対称性に適応させた新たな変数ξ_ｊに線形結合されることが出来、ＳＵＭ関数は、空間変数ｘ、ｙ、ｚとこの対称性に適応した変数の両方に関して表される。シム調整の当業者は、特定の用途に適合するように空間変数ｘ、ｙ、ｚにおける関数形式（例えば、多項式）を選択する。

４）試験容積内でシム調整されるべき磁場の応答関数を測定する。この応答関数は、磁場マップ、又は共鳴線幅等のＮＭＲパラメータである可能性がある。

５）所望の磁場形状が達成されるまで、シム磁石の位置を反復的に調整し、応答関数における変化を監視する。シム調整の当業者は、用途において望ましいように主な磁場を変調するために、各反復変化と共に磁場又は線幅データにおいて注目される向上を使用する。シム調整磁石は、ユーザの要望に応じて協調的に又は別々に移動されてもよいことが分かる。

ここで、図８における部品の構成に戻ると、この層の各角には、一連の小さい方の磁石即ち第２の磁石１０６を含む複合磁石１０４が位置していることが更に分かる。

層２は、外面１７１及び内面１７２、及び傾斜縁１７３、１７４を有する枠１７０に取り付けられる。中心領域１７５は、内面１７２に凹部１７８を含み、枠の外縁は厚くなっている１７６。凹部１７８は、隣接する層１を保持する枠１６０の厚くなった中心部１６５とぴったり嵌合する。隣接する枠が例えばボルトによって互いに対して固定されることが出来るように、開口１７７が設けられる。

図９の平面図には、層３が示されている。層３は、中心の一次磁石１０１を含む各側面に沿う三つの磁石と、角の位置に、この場合も同様に１２０で示す四つのシム調整磁石とを有する正方形であることが分かる。この場合も同様に、これらのシム調整磁石は、他の一次磁石よりも僅かに小さく、一次磁場をシム調整するために移動させることが出来る。この層は、隣接する枠１７０にぴったりと嵌合する、傾斜縁１８３、１８４、外面１８１、及び内面１８２を有する枠１８０内に組み立てられる。この場合も同様に、隣接する枠が互いに固定されることが出来るように、開口１８７が設けられる。

図１０から分かるように、二次磁石１０６から成る複合磁石１０４を備える複合磁石位置により、アレイの角からアクセス可能なサンプルチャネル１０７の形成が可能になる。

上述の通り、図６Ａ、図７Ａ、図８Ａ、及び図９Ａは、平面図において示す枠によって制約された位置における磁石を示す。図６Ｂ、図７Ｂ、図８Ｂ、及び図９Ｂは、図示の層のための各枠の断面的な端面図を夫々示す。枠材料は、様々な適当な材料からユーザによって選択され、例示的実施形態では、任意の適切な材料から成る。

ワイヤ、取付物、ボルト、ねじ等を収容できるように、及びユーザの必要に応じてアレイへのアクセスが可能になるように、必要に応じて又は要望通りに枠には開口が設けられる。本実施例では、一次磁石とシム調整磁石は両方とも単一磁石である。他の実施形態では、複合磁石が使用されることも出来ることが分かる。

第１の実施形態の本実施例では、切頂立方体の一次磁石、即ち第１の磁石は、面と面の間が約１．２５０インチである。第２の磁石は、複合磁石を含むが、面と面の間が約０．５００インチである。その結果、このような小さい方の磁石間の空間は、主な磁石アレイの体対角線に沿って空間又は孔の中へ５ｍｍのＮＭＲ管を収容することが出来る。アレイの試験容積は、大きい方の第１の磁石、即ち一次磁石の内の一つとほぼ同じサイズである。

本実施例では、コンポーネントの磁石を支持して構造化するために使用される枠は、任意の適切な材料から成る。特定の用途において適当な材料は、アルミニウム、真鍮、又はＰＥＥＫ（商標）又はＤｅｌｒｉｎ（商標）等の強度の高いプラスチック、又はＭａｃｏｒ（商標）等のセラミック材料を含む。当業者は、様々な考えられる代替材料を容易に特定して実施する。

本実施例では、磁石自体は、任意の適切な材料から成る。高保磁力の材料が適しており、強力な希土類系磁石も同様である。例示的な候補は、ネオジム鉄ボロン及びサマリウムコバルト合金である。当業者は、様々な考えられる代替物を容易に特定して実施する。

本実施例の実施形態では、１．０から２．５テスラまでの範囲の磁場を得ることが出来るが、任意の特定の実施形態の磁場強度は、格子サイトの層の数、個別のコンポーネントの磁石の強度、磁極片の存在及び種類、使用される構成材料、及びその他の変数によって決まる。当業者は、全てのこのような変数を理解し、従って、適当な許容差を設定する。

磁極片は、説明されておらず、当該技術における一般的な知識の一部である。当業者が、磁場を更に変更するために本実施例のアレイに磁極片を組み込みたい場合があることが分かる。試験容積における磁場をシム調整するためにアレイに組み込まれた磁極片を含む本実施例の変更において、このような磁極片の適切な材料は、Ｈｉｐｅｒｃｏ（商標）、軟鉄材料、又はその他の適当な材料を含み、それらは全て、当業者によって容易に特定されて利用されるだろう。

第２の実施形態
一般的に１３０で示し、図１３に示す他の一実施形態において、磁石アレイ１３０の一次磁石１３１は、菱形十二面体であり、その形状は、図５Ｎに示されている。

図１３Ａは、分解図においてこの構成に基づくアレイを示し、図１３Ｂは、このようなアレイの中心層を示す。この菱形十二面体は、層５２０、５４０、５６０に構成され、各層は、点の三角形の二次元格子に基づく。中心層５２０は、第１の層５４０及び５４０’に隣接し、次に第２の層５６０及び５６０’に隣接する。二次元格子は、共に面心立方格子を含む。この場合も同様に、中心層は、試験容積１３２として指定された中心に位置する格子サイトを含む。実施形態では、菱形十二面体は、中心の試験容積へのアクセスを可能にするために、切稜されてもよく、又は拡張された格子でもよい。

配置の全体的な性質及び任意の構造支持体、即ち枠の形状は、第１の実施形態の実施例と同じ原理を用いて、当業者によって容易に理解される。

第３の実施形態
第３の他の実施形態が図１４に示され、一般的に６００で指定される。図１４に示す磁石アレイ６００は、単純な立方格子の一部において立方体６０１のみから構成される空間充填構造に基づく。中心の立方体は、中心空洞即ち試験容積６０４を設けるために取り除かれている。格子は拡張され、構造の角上の立方体（８個）は、図示されていないサンプル管を収容出来るように取り除かれている。このブロックの一面に対して垂直なベクトルが、球座標系の（余緯度）θ＝０軸として選択され、磁化が上記に説明した式に従って選択される場合、サンプル管進入軸は、中心空洞内の均一な磁場軸に対して「マジック角」にある。

第４の実施形態
第４の他の実施形態が図１５に示され、一般的に６２０で指定される。この実施形態では、図１４の設計６００に正方形の平行六面体６２１が追加されている。実施形態では、これにより、可動構造体に外部要素が固定される場合に、中心空洞内におけるより高い磁場強度と、粗シム調整能力とが提供される。当業者は、所望の目的を達成するために、磁石を枠に嵌めて繋げる方法を容易に理解する。

第５の実施形態
第５の他の実施形態が図１６に示され、一般的に７１で指定される。図１７の設計のように、本実施形態の磁石ブロック７１１は、四つの相互貫入の面心立方体（ｆｃｃ）格子の一部によって構成されるが異なる多面体を備える空間充填構造体に基づく。切頂立方八面体が、磁石ブロック７１１の角７１２及び面心７１３を占有し、切頂立方体が縁心７１４に設置され、中心の切頂立方体は、中心空洞を設けるために取り除かれている。これらの二つの格子には、二つの他のｆｃｃ格子が追加され、その格子サイトの夫々は、二つの異なる配向に存在する切頂四面体７１５によって占有される。

縁心切頂立方体７１４が取り除かれ、格子が必要な程度だけ拡張される場合、及び最も内側の切頂四面体を小さくする又は切稜する場合、流路が形成され、この流路は、構造内部へのアクセスポートとして使用されることが出来る。或いは、サンプル管の挿入に対応することが出来るように、切頂立方八面体又は切頂立方体のいずれかには孔が開けられることが出来る。この場合、切頂立方体が、アセンブリの中心に向かう移動及びそこから離れる移動を可能にする構造に固定されれば、粗シム調整能力を実現することが出来る。この粗シム調整能力は、１２自由度を有し、これらの１２の個別の運動は、組み合わされて、全１２の磁石の協調的な運動にすることが出来、対称性の考慮に基づいてシム調整対象の磁場勾配の特定の関数成分（例えば、ｘ、ｙｚ、ｙ^２−ｚ^２等）への運動の割り当てを容易にすることが出来る。

第６の実施形態
更なる実施形態が図１７に示されており、一般的に８００で指定される。
図１７Ａは、四つの相互貫入面心立方格子の一部によって構成される空間充填構造に基づく磁石アレイ８０１に関する一般的に８００で指定される一実施形態を示す。切頂八面体８０２は、図示の磁石ブロックの角８０３及び面心８０４を占有する。立方八面体８０５は、縁心に設置され、次に中心の立方八面体は、サンプル、ＮＭＲ検出コイル、電子磁場シム調整測定、サンプルスピナー、又はその他の装置のための中心空洞を設けるために取り除かれている８０８。これらの二つの格子には、二つのその他の格子が追加され、その格子サイトの夫々は、切頂四面体８０９によって（二つの異なる配向に）占有されている。

図１７Ｂは、縁心立方八面体８０５が取り除かれて格子が必要な分だけ拡張される場合に、又は最も内側の切頂四面体８１０を小さくする又は切稜する場合に、サンプルチャネルがどのようにアレイに組み込まれているかを示す。或いは、サンプル管の挿入に対応出来るように、立方八面体には孔が開けられることが出来る。この場合、立方八面体が、アセンブリの中心に向かう及びそこから離れる移動を可能にする構造に固定される場合に、粗シム調整能力を実現することが出来る。この粗シム調整能力は、１２自由度を有し、これら１２の個別の運動は、組み合わされて、全１２個の磁石の協調的な運動にすることが出来、対称性の考慮に基づいてシム調整されるべき磁場勾配の特定の関数成分（例えば、ｘ、ｙｚ、ｙ^２−ｚ^２等）への運動の割り当てを容易にすることが出来る。

更なる実施形態
更なる他の実施形態が図１８に示されている。分かり易いように、格子構成は一部だけ図示する。第１の実施形態と同様に、格子構成は、下層の格子を画定する無限の点集合から、最大半径によって画定される周辺内の指定の「原」点、即ち、［０、０、０］に最も近い点を選択することによって画定されることが出来ることが分かる。格子構成に関して選択された点は、一般的に、対称性の考慮によって所与の点から生じた点を全て含む。即ち、例えば、格子点［３、２、０］を含むことにより、数の順番を変えて記号を変えることによって得られる集合

の全体における対称性に関連する点、即ち、［３、−２、０］、［３、０、２］、［３、０、−２］、［２、３、０］、［２、−３、０］等の合計で２４個の点を含むことになる。点のこれらの集合の一部は、試験容積へのアクセスを容易にするために格子構成から取り除かれることが更に分かる。

図１８Ａは、一つは切頂立方体７３１により、一つは八面体７３２による二つの相互貫入の単純な立方格子を含む一般的に７３で指定される磁石アレイの一実施形態を示す。

図１８Ｂは、一つは菱形立方八面体７５１により、一つは立方体７５２により、二つは、二つの配向の夫々における四面体７５３による四つの相互貫入の面心立方格子を含む一般的に７５で指定される磁石アレイの一実施形態を示す。後者のコンポーネントはこの図に示されていない。

図１８Ｃは、一つは切頂立方八面体７２１により、一つは切頂八面体７２３により、三つは、三つの配向の夫々における立方体７２２による五つの相互貫入の単純な立方格子を含む一般的に７２で指定される磁石アレイの一実施形態を示す。

図１８Ｄは、一つは立方八面体７４１により、一つは菱形立方八面体７４２により、三つは、三つの配向の夫々における立方体７４３による五つの相互貫入の単純な立方格子を含む一般的に７４で指定される磁石アレイの一実施形態を示す。

本明細書に提示された実施形態及び実施例は、開示及び請求された主題の一般的な性質の一例であって、限定的なものではない。これらの実施形態が、如何にして、請求される主題の精神及び範囲から逸脱することなく、様々な用途に対して、且つ様々な方法で、容易に修正及び／又は適応がなされることが出来るかは、当業者によって理解される。本明細書で採用された表現、言葉及び用語は一例であって、限定的なものではない。法が許す場合、本明細書で引用された全ての参照文献は、参照によってそのまま援用される。本明細書に開示された様々な実施形態の任意の態様は、様々な考えられる他の実施形態及び特徴の他の組み合わせにおいて組み合わされてもよく、その特徴の様々な組み合わせは全て、請求された主題の一部を形成すると理解されるべきであることが分かる。或いは、特定の実施形態は、開示された要素の任意の一つ以上を含み、又はそれから構成され、又はそれを排除してもよい。

Claims

磁石アレイであって、
格子構成に配置され、試験容積を少なくとも部分的に包囲する複数の多面体の磁石を含み、
該磁石アレイは、指定の磁場方向

を備える付随の磁場を有し、
前記試験容積において原点から変位ベクトル

に位置する個別の多面体の磁石の磁化方向

は、以下の式

によって決まる磁石アレイ。
前記多面体の磁石の一つ一つは、
切頂立方体、菱形十二面体、プラトンの立体、アルキメデスの立体、ジョンソンの立体、切稜多面体、及び切頂多面体よりなる群から選択される請求項１に記載の磁石アレイ。
前記格子はブラベー格子である請求項１に記載の磁石アレイ。
前記格子は、単純な立方格子、体心立方格子、面心立方格子、又は六方格子である請求項３に記載の磁石アレイ。
前記多面体の磁石は、複数の第１の多面体の磁石及び複数の第２の多面体の磁石を備え、前記第２の多面体の磁石は、前記第１の多面体の磁石よりも小さく、複数の前記第２の多面体の磁石が、サンプルチャネルを少なくとも部分的に画定する請求項１に記載の磁石アレイ。
前記方向

は、該磁石アレイの体対角線、該磁石アレイの面法線軸、又は該磁石アレイの面対角線に対応する請求項２に記載の磁石アレイ。
前記サンプルチャネルは、該磁石アレイの体対角線に沿って配向される請求項５に記載の磁石アレイ。
前記第１の多面体の磁石の一つ一つは、前記所望の磁場方向

を有する該アレイに対応する可能な値の有限集合から選択される磁化方向

を有する請求項３に記載の磁石アレイ。
サンプル回転装置を更に含む請求項５に記載の磁石アレイ。
請求項１に記載の磁石アセンブリを含む磁気共鳴デバイス。
磁場方向

を有する磁場を生じる方法であって、格子構成の多面体の磁石のアレイを提供することを含む方法であって、原点からの変位ベクトル

に位置する個別の前記多面体の磁石の前記磁化方向

は、以下の式

によって決定する方法。
前記多面体の磁石の一つ一つは、切頂立方体、菱形十二面体、プラトンの立体、アルキメデスの立体、ジョンソンの立体、切稜多面体、及び切頂多面体よりなる群から選択される請求項１１に記載の方法。
前記多面体の磁石は、切頂立方体であり、前記方向

は、前記磁石アレイの体対角線又は前記磁石アレイの面法線軸又は前記磁石アレイの面対角線に対応する請求項１２に記載の方法。
前記格子はブラベー格子である請求項１１に記載の方法。
前記格子は、単純な立方格子、体心立方格子、面心立方格子、又は六方格子である請求項１２に記載の方法。
前記磁石アレイ内に試験容積を設けることを更に備え、前記多面体の磁石は、複数の第１の多面体の磁石及び複数の第２の多面体の磁石を備え、前記第２の多面体の磁石は、前記第１の多面体の磁石よりも小さく、複数の前記第２の多面体の磁石が、サンプルチャネルを少なくとも部分的に画定する請求項１１に記載の方法。
サンプルの磁気共鳴特性を決定する方法であって、請求項１１に従って磁場に前記サンプルを配置することを含む方法。
請求項１に記載の前記磁石アレイのためのシム調整アセンブリであって、前記シム調整アセンブリは、前記磁石アレイ内に含まれる多面体のシム調整磁石を含み、前記シム調整磁石は、前記磁石アセンブリ内で移動するようにユーザによって作動させることが出来るシム調整アセンブリ。
前記格子構成内の位置を占有する複数のシム調整磁石を更に備える請求項１に記載の磁石アレイ。
請求項１８に記載の磁石アレイによって生じる磁場をシム調整する方法であって、前記方法は、
ａ）前記磁場上の前記複数のシム調整磁石の前記一つを移動する作用の関数的表現を得るステップ、
ｂ）前記複数のシム調整磁石の一つ一つに関してステップａ）を繰り返すステップ、
ｃ）ステップａ）及びｂ）の結果のＳＵＭ関数を導き出すステップ、及び
ｄ）前記シム調整磁石の一つ一つの位置を調整しながら前記磁場を監視するステップを備える方法。
格子構成に配置され、試験容積を少なくとも部分的に包囲する第１及び第２の多面体の磁石を含む磁石アレイを含む磁気共鳴デバイスであって、
前記第１及び第２の多面体の磁石は切頂立方体であり、前記第２の多面体の磁石は、前記第１の多面体の磁石よりも小さく、前記磁石アレイの体対角線に沿って延在するサンプルチャネルを少なくとも部分的に画定する磁気共鳴デバイス。