JP2017529201A - 頭部及び末端の撮像のための磁石 - Google Patents

Abstract

核磁気共鳴映像（ＭＲＩ）システムは、一次コイル構造及びシールドコイル層を有する超伝導磁石を使用する。一次コイル構造は、内径が著しく異なる、コイルの少なくとも３つのセットを備え、３ボア磁石構造を形成している。３つのボアは、長手方向軸と同軸に整列しており、最大直径の第１のボアが磁石の一方の側にあり、最小直径の第３のボアが磁石の別の側にあり、中間直径の第２のボアが軸方向に、第１のボアと第３のボアとの間に位置している。第１のボアにより、撮像のために、頭部及び肩部へのアクセスが可能になり、かつ撮像のために頭部が第２のボア内に入ることが可能になるとともに、患者の末端（手、脚部）は、末端関節の画像を生成するために、第３のボアを介してアクセスすることができるようになる。本磁石は、新生児の撮像など、全身ＭＲＩの使用が認められない、他の専門家の撮像にも使用され得る。補強プレートは、高磁界によって生じる力に耐えるために、コイルの巻型間に接続され得る。【選択図】図１

Description

本発明は、専門家の核磁気共鳴映像（ＭＲＩ）用途での使用される一様な磁界（Ｂ_０フィールド）を生成するための、コンパクトで、シールドされた、非対称の超伝導磁石に関する。本磁石は、様々なボア直径の部分を有し、患者の頭部及び末端関節の画像、ならびに新生児の画像を安価な方式で生成するように構成されている。

核磁気共鳴映像法は１９８０年代に導入され、世界的に主要な撮像様式へと発展してきた。

臨床ＭＲＩが成功するかは、強力で純粋な磁界の生成に依存する。ＭＲＩの静的磁界の主要な仕様によると、「球状撮像体積の直径（ｄｉａｍｅｔｅｒ ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｉｍａｇｉｎｇ ｖｏｌｕｍｅ）」、すなわち「ｄｓｖ」として当該技術で知られている所定の領域にわたって、その磁界がほぼ一様でなければならない。通常、ピーク間で２０百万分率（ｐｐｍ）（ｐａｒｔｓ ｐｅｒ ｍｉｌｌｉｏｎ）未満のエラー（または１０ｐｐｍのｒｍｓ）が、ｄｓｖに求められている。

ＭＲＩ設備では、第１の閉じた円筒システムの導入以来、多くの補強が行われている。特に、信号対ノイズ比の向上、ならびに、高磁界磁石及び超高磁界磁石の導入によって、画像の品質／解像度が向上してきた。画像の解像度が向上しているため、ひいては、構造的な解剖学上及び機能上の両方における人間のＭＲＩ撮像に、ＭＲＩが好適に選択されるようになっている。

人間を試験するための診察画像を生成するための、一般的な磁気共鳴システムの基本的構成要素には、主磁石（通常は、ｄｓｖにおいてほぼ一様な磁界（Ｂ_０磁界）を生成する超伝導磁石）、シムコイルの１つまたは複数のセット、傾斜コイルのセット、及び１つまたは複数のＲＦコイルが含まれている。ＭＲＩの考察は、たとえば、Ｈａａｃｋｅ ｅｔ ａｌ．，Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ：Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ Ｓｅｑｕｅｎｃｅ Ｄｅｓｉｇｎ，Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ．，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，１９９９に見出すことができる。Ｃｒｏｚｉｅｒ ｅｔ ａｌ．の米国特許第５，８１８，３１９号、同第６，１４０，９００号、及び同第６，７００，４６８号、Ｄｏｒｒｉ ｅｔ ａｌ．の米国特許第５，３９６，２０７号及び同第５，４１６，４１５号、Ｋｎｕｔｔｅｌ ｅｔ ａｌ．の米国特許第５，６４６，５３２号、ならびにＬａｓｋａｒｉｓ ｅｔ ａｌ．米国特許第５，８０１，６０９号も参照されたい。これら文献の開示は、その全体が本明細書に組み込まれる。

全身ＭＲＩ磁石は、通常長さが約１．６メートル〜２．０メートルであり、０．６メートル〜０．８メートルの範囲のアパーチャを有している。通常は、磁石は対称であり、それにより、ｄｓｖの中間点が、その主軸に沿う磁石の構造の幾何中心に位置するようになっている。驚くべきことではないが、そのような空間に置かれると、多くの人は閉所恐怖症に悩まされる。さらに、患者の体の撮像される部分と、磁気システムの端部との間の距離が離れていることは、医師は、ＭＲＩ手順の間、患者を容易に補助すること、または個人的にモニタすることができないことを意味する。

患者に対するそのような影響に加え、磁石のサイズは、ＭＲＩマシンのコスト、及びそのようなマシンの据え付けに関連するコストの決定における主要な要素である。別の重要な考慮事項は、システムを極低温に維持するのに必要なヘリウムの体積である。ヘリウムの体積のサイズが大きいため、そのような全身の磁石は、頭部、末端、及び新生児などのサイズの小さい対象の画像を生成するのに使用するには高価である。

既知の頭部用超伝導磁石には、Ｄｏｒｒｉ ｅｔ ａｌ．に発行された米国特許第５,３９６,２０７号及び同第５,４１６,４１５号、ならびにＬａｓｋａｒｉｓ ｅｔ ａｌ．に発行された米国特許第５,８０１,６０９号に開示のものが含まれる。これら磁石は、用途が限定されており、また、主に脳の撮像に適している。これら磁石は、膝の関節の撮像などの末端の撮像には有用ではないが、これは、たとえば、端部からｄｓｖまでの距離が長く、かつ他方の足を配置及び収容するのが困難であることに起因して、ほとんどの患者の関節が撮像ゾーンに到達することができないためである。

ＭＲＩ用の円錐台状の磁石が米国特許第５,３０７,０３９号及び同第７,４９８,８１０号に開示されている。しかし、米国特許第５,３０７,０３９号の磁石は依然として、比較的大型の磁石であるが、約０．５Ｔの磁界強度しか生成しないという欠点を有している。一方、米国特許第７,４９８,８１０号はより小さく、両端からアクセスすることができ、その構成は、人間の頭部の撮像よりむしろ末端の撮像に特に適している。

本発明は、人間の頭部、末端、及び新生児などの撮像のための、比較的小型であり、したがって安価である磁石及び磁気共鳴システムを提供することを目的としている。

一形態では、本発明は、人間の頭部、末端、及び新生児などの撮像のためのＭＲＩシステムにおける使用に適切であるコンパクトな超伝導磁石を提供する。

本磁石は、磁石の軸に沿って延びるボアを有し、ボア内の撮像領域において少なくとも１．５テスラの磁界を生成することが可能である。

本磁石は、軸に沿って配置され、かつ軸に沿って同軸に整列されている、コイルの少なくとも第１、第２、及び第３のセットを有する一次コイル構造または構成を備えている。各セットは、ボア周りに配置された１つまたは複数の一次コイルを有し、コイルの各セットは、他のセットとは異なる内径を有する。

第１のセットの一次コイルは、磁石の第１の軸方向端部に隣接して配置され、第３のセットの一次コイルは、第１の軸方向端部とは反対側の磁石の第２の軸方向端部に隣接して配置されており、第２のセットは、一次コイルの第１のセットと第３のセットとの間に配置されている。第２のセットのコイルまたは各コイルの内径は、第１のセットのコイルまたは各コイルの内径より小さいが、第３のセットのコイルまたは各コイルの内径より大きい。

ステップ状の直径、または「マルチボア」の磁石構成を有することの利点は、末端にアクセスするために、ｄｓｖが小さいボア側に十分に近くにありながら、他方側からの肩部への適切なアクセスが維持されていることである。したがって、本発明の多用途のステップ状の直径の磁石システムにより、頭部及び肩部が、より大きいボアの側からｄｓｖへアクセスすることができるようになり、かつ末端／手足が、より小さいボアの側からｄｓｖへアクセスすることができるようになる。

第２のセットのコイルまたは各コイルの外径は、第１のセットのコイルまたは各コイルより小さいが、第３のセットのコイルまたは各コイルより大きいことが好ましい。

軸に沿うコイルの第２のセット及び第３のセットの全長は、軸に沿うコイルの第１のセットの全長の半分よりも小さく、軸に沿うコイルの第３のセットの長さは、軸に沿うコイルの第２のセットの長さより小さいことが好ましい。

磁石には通常、それぞれのコイルのセットのための、少なくとも３つの巻型の部分またはセグメントを有する一次コイルの巻型が設けられている。コイルの第１のセット、第２のセット、及び第３のセットの各々は、ボアを囲む第１の、第２の、及び第３の巻型の部分またはセグメントにそれぞれ配置されている。第１の巻型セグメント（その上に第１のコイルのセットを有する）の内径は、第２の巻型セグメント（その上に第２のコイルのセットを有する）の平均内径よりも大きく、この第２の巻型セグメントの平均内径は、第３の巻型セグメント（その上に第３のコイルのセットを有する）の内径よりも大きい。第１の巻型セグメントの外径は、第２の巻型セグメントの平均外径よりも大きく、かつこの第２の巻型セグメントの平均外径は、第３の巻型セグメントの外径よりも大きいことが好ましい。

第１のセットの２つのコイルは、第１の巻型セグメントの２つの両側の軸方向端部の部分の周りにそれぞれ巻かれるこが好ましく、一方、第２のセットの２つのコイルは、第２の巻型セグメントの２つの両側の軸方向端部の部分の周りに巻かれ、かつ第３のセットの少なくとも１つのコイルは、第３の巻型セグメントに巻かれることが好ましい。

第１の巻型セグメント及び第３の巻型セグメントは、円筒形状であることが好ましい。第２の巻型は、円筒形状であるか、円錐または円錐台形状であってよい。

巻型により、ステップ状の直径のボアが規定される。２つの部分の傾斜コイルは、磁石に設けることができ、傾斜コイルの第１の部分は第１の直径のものであり、第１の巻型部分内に位置し、傾斜コイルの第２の部分は第２の直径のものであり、第２の巻型部分内に位置しており、第１の直径は第２の直径より大きい。

一実施形態では、第１のコイルのセットの内径は、８０ｃｍ超かつ１１０ｃｍ未満であり、第３のコイルのセットの内径は４０ｃｍ未満である。第１のコイルのセットの内径対第３のコイルのセットの内径比は、２を超え、好ましくは３を超える内径比である。

本磁石は、１００ｃｍ未満のコールドボア軸方向長さを有することが好ましく、軸方向に沿う撮像領域の寸法は、少なくとも２０ｃｍであることが好ましい。

シールドコイル構造は、一次コイル構造の周りに径方向に設けられ、ほぼ磁石の第１の巻型部分の軸方向長さに延びることが好ましい。シールドコイル構造は、それ自体の巻型を有し得、また、一次コイルよりも直径が大きい少なくとも１つのシールドコイルを有する。通常は、シールドコイルは、一次コイルの多くに対し逆の電流極性を有する。

力の平衡化が、コイルへの合力を最小化するために、磁石の設計に使用されることが好ましい。力の平衡化のステップの実施において、マクスウェルの力が、最小化される誤差関数に含まれる。

一実施形態では、プレート部材などの、周方向に離間した複数の第１の補強部分が第２の巻型セグメントに取り付けられており、第１の巻型セグメントの右端部の頂部に延び、プレート部材などの、周方向に離間した複数の第２の補強部分が第３の巻型セグメントに取り付けられており、第２の巻型セグメントの右端部の頂部に延びている。プレート部材は、三角形の形状のものであってよく、第２の巻型セグメント及び第３の巻型セグメントのコイルによって作用する軸方向の電磁力及び曲げモーメントに耐えるように使用される。離間した各プレートも、磁石の設計時の要請に応じて、第１の巻型セグメントに取り付けられ、シールド巻型に延び得る。

磁石には、より大きな直径の円筒形状部分と、より小さな直径の円錐または円錐台形状の部分との間に形成された外側真空チャンバが設けられ得る。

本磁石は、大人の体の部位（頭部、末端など）及び体、動物、ならびに他の小さなサイズの対象の撮像における使用に特に適している。

別の形態では、本発明は、上述の磁石を有する核磁気共鳴映像システムを提供する。

上述の本発明の概要及び特定の実施形態は、単に読み手に対する便宜的なものであり、本発明の範囲を限定することは意図しておらず、限定するものと解釈されるべきではない。より概略的には、上述の概略的記載及び以下の詳細な説明はいずれも、単に本発明を例示するものであり、特許請求される本発明の性質及び特徴を理解するための要旨またはフレームワークを提供することを意図するものであることを理解されたい。

本発明のさらなる特徴及び利点は、以下の詳細な説明において説明される。本発明のこれらさらなる特徴及び上述の特徴の両方は、別々に使用されるか、任意でまたはすべて組み合わせて使用され得る。

添付図面は、本発明のさらなる理解を提供するために含まれており、本明細書に組み込まれて、本明細書の一部を成す。図面は例として、本発明の様々な実施形態を示しており、詳細な説明とともに、本発明の原理及び動作を説明する役割を果たす。図面及び明細書において、関連する図における同様の部位は、同様の参照符号によって識別される。

本発明の第１の実施形態の概略断面図である。 本発明の第２の実施形態の概略断面図である。 本発明の一実施形態の頭部−末端用磁石と、既知の頭部用磁石との間の差異を示す図である。 図１及び図２の磁石を設計するのに適切なプロセスを示すフローチャートである。 第１の実施形態の３Ｔの磁石の例のコイル構成及びｄｓｖサイズを概略的に示す。 図５の全身磁石の外側の漂遊磁界、特に、５ガウス（５×１０^−４テスラ）の輪郭を示す。 図５の全身磁石のコイル内の全磁界の計算された大きさを示すプロットである。テスラでの磁界強度が示されている。 図５の全身磁石のコイル内の全電磁力の計算された大きさを示すプロットである。ニュートンでの力の強度が示されている。 第１の実施形態の巻型構造の概略図である。 第２の実施形態の１．５Ｔの磁石の例のコイル構成及びｄｓｖサイズを概略的に示す。 図１０の全身磁石の外側の漂遊磁界、特に、５ガウス（５×１０^−４テスラ）の輪郭を示す。 図１０の全身磁石のコイル内の全磁界の計算された大きさを示すプロットである。テスラでの磁界強度が示されている。 図１０の全身磁石のコイル内の全電磁力の計算された大きさを示すプロットである。ニュートンでの力の強度が示されている。 第２の実施形態の巻型構造の概略図である。

超伝導磁石は通常、各コイルの構成を備えた一次コイル構造を有する。一次コイル構造は、シールドコイル構造または層によって囲まれており、また１つまたは複数のコイルの構成によって形成されている。一次コイル構造の好ましい実施形態では、本発明は、内径が著しく異なる、コイルの少なくとも３つのセットまたはステップを備えた一次コイル構造を有する磁気共鳴システムを提供する。各コイルは図面に概略的に示されている。

図１及び図２の実施形態に示すように、磁石の一次コイル構造では、内径またはボアが異なる３つの巻型セグメントが存在し、これら巻型セグメント上にコイルが巻かれている。これら３つの巻型セグメントは、それぞれ続けて接続されて、長手方向と同軸に整列された３ボア磁石構造を構成している。最大直径を有するボアは、磁石の一方の側にあり、人間の頭部及び肩部のアクセスを可能にしている。一方、最小直径を有するボアは、磁石の別の側にあり、人間の末端（手及び脚部）のアクセスを可能にしている。中間サイズのボアは、最大ボアと最小ボアとの間に位置している。３つの巻型セグメントの材料は、限定されないが、非磁性のステンレス鋼などの金属、または、ガラス繊維強化ポリマ（ＧＦＲＰ）などの非金属のいずれかであってよい。

図１は、本発明の磁石０１の第１の好ましい実施形態を示している。同じまたは同様の内径を有する２つ（しかし２つに限定されない）の超伝導一次コイル１０５ａ及び１０５ｂは、円筒形状の第１の巻型セグメント１０１周りに巻かれており、コイルは、セグメント１０１の両側または両端部にあり、巻型セグメント１０１の中間部１１２によって区切られている。同様に、同じまたは同様の内径を有する２つ（しかし２つに限定されない）の他の超伝導一次コイル１０６ａ及び１０６ｂは、円筒形状の第２の巻型セグメント１０２周りに巻かれており、コイルは、巻型セグメント１０２の中間部１１３によって区切られたセグメントの両側または両端部にある。単一の超伝導一次コイル１０７は、円筒形状の第３の巻型セグメント１０３周りに巻かれている。

多くの一次コイルに対して逆向きの電流極性を有する２つ（しかし２つに限定されない）の超伝導シールドコイル１０８ａ及び１０８ｂは、漂遊磁界を低減するように、シールド巻型１０４周りに巻かれている。シールドコイルの全長は、第１の巻型セグメント１０１の軸方向長さとほぼ等しい。

１．５テスラ以上の磁界強度においては、極めて大きい軸方向の電磁力が一次超伝導コイルに生成され、このため、この電磁力によって、セグメント１０１上の最も左のコイルを右に押され、他方のコイル、特に、直径がより小さな巻型セグメント１０２及び１０３上のコイルが左に押されることから、極めて大きい曲げモーメントが生じる。軸方向の力及び曲げモーメントを支持するかまたはそれに耐えるために、周方向に離間した複数の補強部分、通常は三角形のプレート部材１０９が、第３の巻型セグメント１０３に取り付けられて、第２の巻型セグメント１０２の右端部１２８の頂部に径方向に延び、周方向に離間した複数の補強部分、通常は三角形のプレート部材１１０が、第２の巻型セグメント１０２に取り付けられて、第１の巻型セグメント１０１の右端部１２９の頂部に径方向に延びている。一次コイル１０５ａ及び１０５ｂの軸方向の力の値、ならびにシールドコイル１０８ａ及び１０８ｂの軸方向の力の値に応じて、周方向に離間した複数の補強部分、通常はプレート部材１１１が、両端部と、第１の巻型セグメント１０１の中間部１１２とを接続するために、または右端部１２９と、第１の巻型セグメント１０１の中間部１１２とを接続するために適用され得、シールド巻型１０４を支持するために径方向に延びることが好ましい。

磁石０１は、第１の巻型セグメント１０１に近位の内側真空チャンバ１１７の直径によって規定された最大直径の第１のボア１１４と、第２の巻型セグメント１０２に近位の内側真空チャンバ１１８の直径によって規定された中間直径の第２のボア１１５と、さらに第３の巻型セグメント１０３に近位の内側真空チャンバ１１９の直径によって規定された最小直径の第３のボア１１６と、を有する。磁石０１には、円筒形状部分１２０ａと、円錐または円錐台形状の部分１２０ｂとを有する外側真空チャンバが含まれている。磁石０１は、第１のボア１１４内に配置された第１のステップの傾斜コイル１２１ａ、及び第２のボア１１５内に配置された第２のステップの傾斜コイル１２１ｂを有する２ステップの傾斜コイルをも含んでいる。

磁石０１が、新生児の撮像などの他の用途に使用され得るが、磁石０１は、特に人間の頭部及び末端の撮像のために設計されており、球状体積の直径（「ｄｓｖ」）１２６内に少なくとも１．５テスラの磁界強度を生成する。ｄｓｖ１２６は、第１のボア１１４及び第２のボア１１５内に位置し、長手方向に延びる軸１２７に沿って中心付けられている。第１のボア１１４及び第２のボア１１５は、患者の頭部１２３が部分的に第２のボア１１５内に延びた状態で、患者の肩１２２が第１のボア１１４の内側に適合するように、かつ第２のボア１１５の直径が患者の肩１２２の幅よりも小さくなるようにサイズが決定されていることが好ましい。第３のボア１１６は、脚部などの患者の末端１２４が第３のボア１１６の内側に適合するようにサイズが決定されていることが好ましい。第２のボア１１５の長さ及び第３のボア１１６の長さは、患者の末端の関節１２５がｄｓｖ１２６内にあるように適切に設計されている。外側真空チャンバの円錐または円錐台状の部分１２０ｂは、患者の一方の脚部に、他方の脚部が撮像されている際、快適な位置または休息位置を提供するように設計されていることが好ましい。

図２は、本発明の磁石０２の第２の好ましい実施形態を示している。同じまたは同様の内径を有する２つ（しかし２つに限定されない）の超伝導一次コイル２０５ａ及び２０５ｂは、円筒形状の第１の巻型セグメント２０１周りに巻かれており、コイルは、巻型セグメント２０１の中間部２１２によって区切られたセグメントの両側または両端部にある。一方が別のコイルの内径よりも大きい内径を有する２つ（しかし２つに限定されない）の他の超伝導コイル２０６ａ及び２０６ｂは、円錐または円錐台形状の第２の巻型セグメント２０２の周りに巻かれており、コイルの１つは巻型セグメント２０２の頂端部上にあり、別のコイルは巻型セグメント２０２の底端部上にある。単一の超伝導コイル２０７は、円筒形状の第３の巻型セグメント２０３周りに巻かれている。

一次コイルに加え、多くの一次コイルに対して逆向きの電流極性を有する２つ（しかし２つに限定されない）の超伝導シールドコイル２０８ａ及び２０８ｂが、漂遊磁界を低減するように、シールド巻型２０４周りに巻かれている。シールドコイルの全長は、第１の巻型セグメント２０１の軸方向長さとほぼ等しい。

１．５テスラ以上の磁界強度においては、極めて大きい軸方向の電磁力が、一次超伝導コイルに生成され、このため、この電磁力によって、セグメント２０１上の最も左のコイルが右に押され、かつ他方のコイル、特に、より直径が小さい巻型セグメント２０２及び２０３上のコイルが左に押されるために、極めて大きい曲げモーメントが生じる。軸方向の力及び曲げモーメントを支持するかまたはそれに耐えるために、周方向に離間した複数の三角形のプレート部材２１０は、第２の巻型セグメント２０２の部分に取り付けられて、第２の巻型セグメント２０２の部分上には、コイル２０６ａが巻かれて、第１の巻型セグメント２０１の右端部２２９の頂部に径方向に延びている。一次コイル２０５ａ及び２０５ｂの軸方向の力の値、ならびにシールドコイル２０８ａ及び２０８ｂの軸方向の力の値に応じて、周方向に離間した複数のプレート部材２１１が、両端部と、第１の巻型セグメント２０１の中間部２１２とを接続するために、または右端部２２９と、第１の巻型セグメント２０１の中間部２１２とを接続するために適用され得、シールド巻型２０４を支持するために径方向に延びることが好ましい。

磁石０２は、第１の巻型セグメント２０１に近位の内側真空チャンバ２１７の直径によって規定された最大直径の円筒形状の第１のボア２１４と、円錐または円錐台形状の第２の巻型セグメント２０２に近位の内側真空チャンバ２１８の２つの端部の直径によって規定された中間の平均直径の円錐または円錐台形状の第２のボア２１５と、さらに第３の巻型セグメント２０３に近位の内側真空チャンバ２１９の直径によって規定された最小直径の第３のボア２１６と、を有する。磁石０２は、円筒形状の部分２２０ａ及び、円錐または円錐台形状の部分２２０ｂを有する外側真空チャンバを含み、外側真空チャンバは、患者の一方の脚部に、他方の脚部が撮像されている際、快適な位置または休息位置を提供するように設計されていることが好ましい。磁石０２は、第１のボア２１４内に配置された第１のステップの円筒形状の傾斜コイル２２１ａ、及び第２のボア２１５内に配置された第２のステップの円錐または円錐台形状の傾斜コイル２２１ｂを有する２ステップの傾斜コイルをも含む。

既知の頭部用超伝導磁石（図３参照）と比較すると、本発明の図示の実施形態は、
（１）３ボア磁石に、撮像のための人間の頭部及び肩が最大のボアからのアクセスするのを、かつ撮像のための末端が最小のボアからのアクセスするのを可能にする、新規のコイル及び支持構造を設け、
（２）必要とされる傾斜磁界を生成するために２ステップの傾斜コイルを使用し、かつ
（３）２つの部分、すなわち、より大きな直径の円筒形状部分、及びより小さな直径の円錐または円錐台形状の部分を備えた外側真空チャンバを有する。

本発明の好ましい実施形態では、本磁石は、以下の性能の規準のいくつか、最も好ましくはすべてを達成する。
（１）８５ｃｍ以下、好ましくは７５ｃｍ以下の外側シールドコイルの半径。
（２）１００ｃｍ以下のコールドボア全体の長さ。
（３シミング後の均質性が＋／−１０ｐｐｍである、少なくとも３０ｃｍ（ｄ）×３０ｃｍ（ｚ）の十分大きいｄｓｖサイズ。
（３）効果的な極低温の冷却を可能にするためのコイル間の十分な空間。
（４）低価格の超伝導ワイヤの使用を可能にするための、コイル内の低いピーク磁界（たとえば、大きさが約７．５テスラ未満の複数の電流搬送コイルのいずれかの中の計算されたピーク磁界）。
（５）低い漂遊磁界（たとえば、ｄｓｖ幾何中心から４メートルを超えるすべての位置における、５×１０^−４テスラ未満の磁石の外部の計算された漂遊磁界）。
（６）１００Ｍｐａ以下の周方向応力の低い応力値。

本発明の磁石の例、ならびにコイルの構成及び磁石の電流の分配機能を判定する際に使用される手順は、ここで本発明の範囲を制限することなく、より完全に記載される。

コイルの位置は、最適化プロセスで決定した（図４参照）。最適化は、非線形最小二乗アルゴリズムに基づく拘束された数値上の最適化技術を使用して実施した（たとえば、Ｍａｔｌａｂ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｔｏｏｌｂｏｘ，ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍａｔｈｗｏｒｋｓ．ｃｏｍ参照）。ルーチンは、磁界生成要素の幾何学的形状及び位置を、上述のパラメータ及び誤差項として使用して、磁石のための最終的なコイルの幾何学的形状を計算した。

実施例１（３．０Ｔの磁石）
図５は、本発明の第１の実施形態に係る超伝導磁石を概略的に示している。本磁石は、５つの一次コイル（第１の巻型セグメントの２つのコイル、第２の巻型セグメントの他の２つのコイル、及び第３の巻型セグメントの１つのコイル）ならびに１つのシールドコイルを採用している。広範な全体像では、本磁石は、約０．９２メートルのコールドボア長さ、ならびにそれぞれ約０．４６メートル及び約０．１３メートルのコールドボアの最大内側半径及び最小内側半径を有している。本磁石は、直径が約２７センチメートルである、ほぼ球状のｄｓｖを有している。

図５は、磁石及びｄｓｖ内の磁界を示している。図６は、本磁石によって生成された、計算された外部の漂遊磁界及び軸方向の磁界を示している。図７は、本磁石の様々なコイル内の、本磁石によって生成された磁界全体の、計算された大きさを示している。図８は、本磁石の様々なコイル内の、本磁石によって生成された電磁力全体の、計算された大きさを示している。図９は、本磁石に適用可能な、概略的な巻型構造を示している。

図６に示すように、本磁石は、軸方向に約４．４ｍ、径方向に２．９ｍである、ｄｓｖの中心の約４．４メートル内にある５ガウスの線をも有している。図７に示すように、ピークの計算された磁界は約６テスラであり、これにより、容易に利用可能な超伝導ワイヤを使用して磁石を構成することが可能になる。

実施例２（１．５Ｔの磁石）
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る構造を使用した１．５Ｔの超伝導磁石の設計を示している。

本磁石は、５つの一次コイル（第１の巻型セグメントの２つのコイル、第２の巻型セグメントの他の２つのコイル、及び第３の巻型セグメントの１つのコイル）ならびに２つのシールドコイルを採用している。広範な全体像では、本磁石は、約０．７８メートルのコールドボア長さ、ならびにそれぞれ約０．４５メートル及び約０．１６メートルのコールドボアの最大内側半径及び最小内側半径を有している。本磁石は、軸方向の直径が約２０センチメートルであり、径方向の直径が約３０センチメートルである、ほぼ楕円形のｄｓｖを有している。

図１０は、磁石及びｄｓｖ内の磁界を示している。図１１は、本磁石によって生成された、計算された外部の漂遊磁界及び軸方向の磁界を示している。図１２は、本磁石の様々なコイル内の、本磁石によって生成された磁界全体の、計算された大きさを示している。図１３は、本磁石の様々なコイル内の、本磁石によって生成された電磁力全体の、計算された大きさを示している。図１４は、本磁石に適用可能な、概略的な巻型構造を示している。

図１１に示すように、本磁石は、軸方向に約３．２５ｍ、径方向２．４ｍである、ｄｓｖの中心の約３．２５メートル内にある５ガウスの線を有している。図１２に示すように、ピークの計算された磁界は約４．２テスラであり、これにより、容易に利用可能な超伝導ワイヤを使用して本磁石を構成することが可能になる。

前述の各実施形態は、本発明の範囲を限定することなく、本発明を説明することを意図するものである。本発明は、当業者に容易に想起されるような様々な変更及び追加を伴って実施することが可能である。

適切であるか妥当である場合、一実施形態の１つまたは複数の特徴は、別の実施形態の１つまたは複数の特徴と組み合わせて使用され得る。

Claims (20)

1. ＭＲＩシステムでの使用に適切な超伝導磁石であって、前記磁石が、前記磁石の軸に沿って延びるボアを有し、前記ボア内の撮像領域内に少なくとも１．５テスラの磁界を生成することが可能であり、前記磁石は、前記軸に沿って配置され、かつ前記軸に沿って同軸に整列されている、少なくともコイルの第１、第２、及び第３のセットを有する一次コイル構造を備え、各セットが、前記ボア周りに配置された１つまたは複数の一次コイルを有し、かつ他のセットとは異なる内径を有し、
   前記第１のセットの一次コイルが、前記磁石の第１の軸方向端部に隣接して配置され、前記第３のセットの一次コイルが、前記第１の軸方向端部とは反対側の前記磁石の第２の軸方向端部に隣接して配置され、コイルの前記第２のセットが、コイルの前記第１のセットと前記第３のセットとの間に配置されており、
   前記第２のセットの前記コイルまたは各コイルの内径が、前記第１のセットの前記コイルまたは各コイルの内径より小さいがが、前記第３のセットの前記コイルまたは各コイルの内径より大きく、
   コイルの前記第１のセット、前記第２のセット、及び前記第３のセットの各々が、前記ボアを囲む、第１の巻型部分、第２の巻型部分、及び第３の巻型部分にそれぞれ配置され、
   前記第２の巻型部分が、前記第１の巻型部分の内径より小さいが、前記第３の巻型部分の内径よりも大きい平均内径を有する、超伝導磁石。
2. 前記軸に沿うコイルの前記第２のセット及び前記第３のセットの全長が、前記軸に沿うコイルの第１のセットの長さの半分よりも小さい、請求項１に記載の磁石。
3. 各々が前記第１の巻型部分と前記第２の巻型部分との間に接続された、周方向に離間した複数の第１の補強部分をさらに備える、請求項１または２に記載の磁石。
4. 各々が前記第２の巻型部分と前記第３の巻型部分との間に接続された、周方向に離間した複数の第２の補強部分をさらに備える、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁石。
5. 前記補強部分が三角形のプレートの形態である、請求項３または４に記載の磁石。
6. すべての前記一次コイルよりも直径が大きい少なくとも１つのシールドコイルを有するシールドコイル構造であって、前記一次コイルの径方向外側に位置しており、かつほぼ前記磁石の前記第１の巻型部分の前記軸方向の長さで延びている、前記シールドコイル構造をさらに備える、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の磁石。
7. 前記シールドコイルが、前記一次コイルの多くとは逆の電流極性を有する、請求項６に記載の磁石。
8. 各々が前記第１の巻型部分と前記シールドコイル構造との間に接続された、周方向に離間した複数の第１の補強部分をさらに備える、請求項６または７に記載の磁石。
9. 前記一次コイル構造の径方向外側に位置する外側真空チャンバであって、より大きな直径の円筒形状部分と、より小さな直径の円錐のまたは円錐台形状の部分との間に形成されている、前記外側真空チャンバをさらに備える、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の磁石。
10. 前記第１のセットの前記コイルまたは各コイルの内径の、前記第３のセットの前記コイルまたは各コイルの内径に対する比率が、２を超える比率である、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の磁石。
11. 前記第３のセットの前記コイルまたは各コイルの前記内径が４０ｃｍ未満である、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の磁石。
12. 前記第１のセットの前記コイルまたは各コイルの前記内径が、８０ｃｍ〜１１０ｃｍである、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の磁石。
13. 少なくとも前記第１の巻型部分が円筒形状である、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の磁石。
14. 前記第２の巻型部分が円錐または円錐台形状である、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の磁石。
15. 前記磁石が１００ｃｍ未満のコールドボア軸方向長さを有する、請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の磁石。
16. 前記軸方向の前記撮像領域の寸法が少なくとも２０ｃｍである、請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の磁石。
17. ２ステップの傾斜コイル構造であって、前記第１の巻型部分内に位置する第１の直径の第１の傾斜コイルと、前記第２の巻型部分内に位置する第２の直径の第２の傾斜コイルと、を有し、前記第１の直径が前記第２の直径よりも大きい、前記２ステップの傾斜コイル構造をさらに備える、請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の磁石。
18. 請求項１乃至１７のいずれかに記載の磁石を有する核磁気共鳴映像システム。
19. 前記一次コイル構造の少なくとも前記軸方向端部コイル上の合力を最小化するための、力の平衡化のステップを含む、請求項１乃至１７のいずれかに記載の磁石の設計方法。
20. 前記力の平衡化ステップが、最小化される誤差関数内にマクスウェルの力を含む、請求項１９に記載の磁石の設計方法。

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