JP2022511449A - 混合相磁石リングを備える軽量の非対称磁石アレイ - Google Patents

Abstract

磁石アレイ（７００）は、複数の磁石リング（７１１～７２０）とフレームとを備える。複数の磁石リングは、長手方向軸に沿って長手方向軸と同軸に配置され、複数の磁石リングの少なくとも１つ（７１２、７１３、７１９）が、回転対称性を有し、方位角（θ）座標に沿った有限の磁化成分と、長手方向－半径方向の面における有限の磁化成分との両方を有する。複数の磁石リングは、長手方向軸に平行な方向に沿った磁場を共同で生成するように構成されている。フレームは、複数の磁石リングを所定の位置に固定して保持するように構成されている。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１８年１１月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／７７２，６３８号及び２０１９年１月２３日に出願された米国仮特許出願第６２／７９５，５７５号の利益を主張し、これらの開示内容が参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、概して磁石アセンブリ、特に永久磁石を備える軽量の磁石アセンブリ及びその設計方法に関する。

強力で均一な磁場を達成することを目的とした永久磁石アレイの設計が、以前に特許文献で報告されている。例えば、米国特許第７，４２３，４３１号には、第１の表面と、イメージング（画像化）装置のイメージングボリューム（体積）に対応するように構成された段付きの第２の表面とを有する永久磁石本体を備えるイメージング装置用の永久磁石アセンブリが記載され、段付きの第２の表面は、少なくとも４つの段部を有する。

別の例として、米国特許第６，４１１，１８７号には、医療及び他の用途で使用するための調整可能なハイブリッド磁気装置が記載され、このハイブリッド磁気装置は、イメージングボリュームにおける第１の磁場を生成するための磁束発生器と、イメージングボリューム内で向上した大きさを有する実質的に均一な磁場を提供するために第１の磁場に重ね合わされた第２の磁場を生成するための永久磁石アセンブリとを備える。永久磁石アセンブリは、複数の環状又はディスク状の同心磁石を備え、複数の同心磁石はそれらの対称軸に沿って離間し得る。ハイブリッド磁気装置は、ハイブリッド磁気装置のイメージングボリュームにおける磁場の強度を増加させるための高透磁率ヨークを備え得る。

米国特許第１０，０１８，６９４号には、磁気共鳴画像（ＭＲＩ）機器用の磁石アセンブリが記載され、磁石アセンブリは、２つ又はそれ以上のリング（環）に配置される複数の磁石セグメントを備え、磁石セグメントは、同じリングにおける隣接する磁石セグメントから等間隔に離れて配置され、隣接するリングにおける磁石セグメントから離れて配置される。一実施形態によれば、複数の磁石セグメントは、２つ又はそれ以上のリングに配置され、磁石セグメントの少なくとも一部の磁化方向は、それぞれのリングによって定義される平面に沿っておらず、結果として生じる磁場プロファイルに対するより大きな制御を提供する。

米国特許第５，９００，７９３号には、それらの対称軸に沿って離間する複数の環状同心磁石からなるアセンブリと、永久磁化される等角セグメントを使用してそのようなアセンブリを構築する方法を記載されている。

本発明の一実施形態は、複数の磁石リングとフレームとを備える磁石アレイを提供する。複数の磁石リングは、長手方向軸に沿って長手方向軸と同軸に配置される。複数の磁石リングのうち少なくとも１つが、回転対称性を有し、方位角（θ）座標に沿った有限の磁化成分と、長手方向－半径方向の面における有限の磁化成分との両方を有する。複数の磁石リングは、長手方向軸に平行な方向に沿った磁場を共同で生成するように構成されている。フレームは、複数の磁石リングを所定の位置に固定して保持するように構成されている。

幾つかの実施形態において、複数の磁石リングは、回転対称性を有して方位角（θ）座標に沿った有限の磁化成分を有する少なくとも１つの磁石リングを備え、所定の内部ボリューム内で少なくとも所与のレベルの均一性を有する磁場を共同で生成するように構成されている。

幾つかの実施形態において、複数の磁石リングは、方位角（θ）座標に沿った有限の磁化成分を有する少なくとも１つの磁石リングを備え、磁石アレイの外側のフリンジフィールドを共同で最小化するように構成されている。

一実施形態において、各磁石リングは、長手方向軸の周りの、磁石リングの面内回転に対して、回転対称性を有する。

別の実施形態において、複数の磁石リングのうち少なくとも１つが、所定の内部ボリュームを囲み、長手方向軸に沿って内部ボリュームの中心の一方の側に配置された磁石リングの最小内半径は記内部ボリュームの中心の他方の側に配置された磁石リングの最小半径とは異なる。

幾つかの実施形態において、複数の磁石リングは、長手方向軸に対して反転非対称に配置されている。

幾つかの実施形態において、内部ボリュームは、長手方向軸の周りの回転楕円体である。

一実施形態において、方位角（θ）座標に沿った有限の磁化成分を有する少なくとも１つの磁石リングは、単一の一体化した要素として作られる。別の実施形態において、方位角（θ）座標に沿った有限の磁化成分を有する少なくとも１つの磁石リングは、等間隔に配置された同一のセグメントを備えるセグメント化されたリングとして作られる。

幾つかの実施形態において、複数の磁石リングはそれぞれ、楕円、円、多角形のうちいずれかを含む形状を有する。

幾つかの実施形態において、磁石アレイは、複数の磁石リングの一又は複数の追加のアレイを備える。追加のアレイにおける複数の磁石リングが、長手方向軸から各自の角度に設定された各自の長手方向軸と同軸である。

本発明の一実施形態によれば、磁石アレイを製造する方法がさらに提供される。該方法は、複数の磁石リングを長手方向軸に沿って長手方向軸と同軸に配置することを含む。複数の磁石リングのうち少なくとも１つが、回転対称性を有し、方位角（θ）座標に沿った有限の磁化成分と、長手方向－半径方向の面における有限の磁化成分との両方を有し、複数の磁石リングは、長手方向軸に平行な方向に沿った磁場を共同で生成するように構成されている。フレームを使用して、複数の磁石リングが所定の位置に固定して保持される。

本発明は、その実施形態の以下の詳細な説明から、以下の図面と併せて、より十分に理解される。

本発明の一実施形態による、第１の磁石アセンブリと第２の磁石アセンブリとを備える非対称磁石アレイの斜視図である。 図２Ａ及び図２Ｂ～２Ｄはそれぞれ、本発明の別の実施形態による、非対称磁石アレイの斜視図、並びに、アセンブリによって別個に生成された磁力線のプロット（図）及びアセンブリによって共同で生成された磁力線のプロットである。 本発明の一実施形態による、図１及び図２の磁石アレイにおけるリングのいずれかであり得るセグメント化（分割）された磁石リングの斜視図である。 本発明の一実施形態による、３つのシータ磁石リングを備える非対称磁石アレイの斜視図である。 本発明の一実施形態による、図４の磁石アレイによって生成された磁力線のプロットである。 本発明の一実施形態による、図４の磁石アレイにおけるリングのいずれか１つであり得るシータ磁石リングの斜視図である。

概要
医療、航空宇宙、電子、自動車産業など様々な領域で、強力で均一な磁場が必要とされる。一例として、人間の脳の磁気共鳴画像法（ＭＲＩ）で使用される磁石は、通常、０．１～３テスラの強度の磁場を提供する。これは、約３０００立方センチメートル（例えば、半径９ｃｍの球の内部）のイメージングボリューム（体積）内で数百万分率（ｐａｒｔｓ ｐｅｒ ｍｉｌｌｉｏｎ：ｐｐｍ）まで均一である。しかし、そのような磁石は、かなりのサイズ及び重量を有するために、用途が限られる。さらに、一般に磁石の設計では、重量、磁場の均一性、及び所定の均一性を達成できるボリュームのサイズの間には、厳しく制限されたトレードオフがある。

以下に記載される本発明の実施形態は、強力で均一な磁場（例えば、０．１～１テスラの範囲内）を生成する軽量の永久磁石アレイを提供する。開示される磁石アレイの幾つかは、例えば救急車内の頭部ＭＲＩシステムなどの救急医療脳移動ＭＲＩシステム用に構成されている。しかし、一般に、開示された技術は、任意の他の適切なシステムに適用され得る。

本明細書では、内部ボリューム（体積）が、長手方向（軸方向）（Ｚ）、半径方向（ｒ）、及び方位角（θ）の座標からなる円筒座標系（基準系）を使用して、長手方向軸の周りの回転楕円体の体積として定義される。内部ボリュームの例は、長軸が長手方向軸に沿う長球、短軸が長手方向軸に沿う扁球である。横方向の平面は、任意のｒ－θ平面（つまり、長手方向のｚ軸に直交する平面）としてさらに定義される。内部ボリュームの特定の定義は、磁場が少なくとも所与のレベルの均一性を有するＭＲＩシステムのイメージングボリュームである。

本発明の幾つかの実施形態において、フレームを備える磁石アレイが提供され、該フレームは、所定の位置に固定されて、中心の長手方向軸に沿った異なる位置で、中心の長手方向軸と同軸の複数の磁石リングを保持するように構成されている。磁石リングは側面にあり、少なくとも１つのリングが、長手方向軸が通過する（つまり、リングが内部ボリュームと交差する）内部ボリュームに含まれる領域を囲む。本明細書では、フレームは、リングを所定の位置に保持するその機械的機能によって定義され、これは、様々な方法で、例えば、ヨークを使用するか、又はリングを周囲の材料（例えば、エポキシ）に埋め込むことによって、作られ得る。

複数の磁石リングは、長手方向軸に対して反転非対称に配置される。本開示の文脈及び特許請求の範囲において、「長手方向軸に対して反転非対称」という用語は、長手方向軸に垂直な平面が磁石アレイの対称面ではないことを意味する。つまり、磁石アレイは、軸に沿った任意の点で、長手方向軸に対して反転下で対称ではない。反転非対称は、点非対称又は鏡像非対称ともいう。簡潔さのために、以下の説明において磁石アレイの「非対称」という場合、上記で定義された反転非対称を意味する。

複数の磁石リングは、内部ボリューム内で少なくとも所与のレベルの均一性の長手方向軸に平行な方向に沿って磁場を共同で生成するように構成される。磁石アレイは、各磁石リングに、長手方向軸の周りのリングの面内回転に対して回転対称性（連続的又は離散的）を有する磁場を生成させる。

幾つかの実施形態では、開示された磁石アレイのいずれかの磁石リングのそれぞれは、楕円、最も一般的には円、又は多角形のうちの１つを含む形状を有する。磁石リングはそれぞれ、単一の一体化した要素又は個別の磁石セグメントのアセンブリからなる。磁石リングは、内部ボリューム内の磁場の均一性を最大化し任意選択で磁場が５ガウスを超える磁石の周りの領域によって定義される安全ゾーンを最小化するように設計された磁化方向で予め磁化される。

頭部ＭＲＩ用途のために典型的に構成される幾つかの実施形態では、開示される非対称永久磁石アレイが、第１の内径を有する２つ又はそれ以上の磁石リングを備える第１の磁石アセンブリと、第２の内径を有する２つ又はそれ以上の磁石リングを備える第２の磁石アセンブリとを備えるとして説明され得る。第１の内径は、イメージングボリュームの最大横径よりも大きく、第２の内径は、イメージングボリュームの最大横径よりも小さいか、又はイメージングボリュームの最大横径と等しい。

通常、複数の磁石リングは、異なる長手方向軸の位置にある。第２の磁石アセンブリは、イメージングボリュームに対して非対称に配置されている。したがって、開示される磁石アレイの非対称構造は、人間の頭部に合うように最適化され、脳を含む内部ボリューム（イメージングボリュームと同じ）への物理的アクセスが、第２のアセンブリではなく第１のアセンブリによって行われる。第１の磁石アセンブリ及び第２の磁石アセンブリは、内部ボリューム内に少なくとも所与のレベルの均一性の長手方向軸に平行な磁場を共同で生成するように構成される。

幾つかの実施形態では、少なくとも１つの磁石リングを備える磁石アレイが提供され、少なくとも１つの磁石リングは、回転対称であり、磁化成分Ｍ＝（Ｍ_ｒ，Ｍ_θ，Ｍ_ｚ）によって特徴付けられ、長手方向－半径（放射）方向の面における有限の磁化成分（即ち、磁化の非ゼロ投影）を有することに加えて、方位（θ）座標に沿った有限の磁化成分（即ち、磁化の非ゼロ方位投影）を有する。このような磁石リングを、以下「シータ磁石リング」という。非対称アレイにそのようなシータ磁石リングを少なくとも１つ含めると、長手方向－半径方向の面においてのみ磁化を有する回転対称の一体化した又はセグメント化されたリングのみからなる同じ重量の磁石アレイによって達成されるものと比較して、内部ボリューム内の均一性を向上させ得る。

上記の様々な種類の磁石リングは、通常、例えばネオジム、鉄、及びホウ素の合金（ＮｄＦｅＢ）などの強強磁性材料からなり、そのキュリー温度は最大周囲動作温度をはるかに上回る。他の材料オプションには、フェライト、サマリウムコバルト（ＳｍＣｏ）磁石、又は任意の他の永久磁石材料が含まれる。リングの設計及び種類に応じて、リングセグメントは、球、円柱、楕円体、又は例えば直方体、くさび形、角のあるセグメントなどの形状の多角柱の形状を有し得る。

磁石アレイを実現するための２つの開示される技術（例えば、非対称形状を使用、シータ磁石リングを使用）は、別個に又は組み合わせて、特に軽量の磁石ソリューションを必要とする用途において強力で均一な磁石アレイの使用を可能にする。

頭部ＭＲＩ用途のための非対称磁石アレイ
図１は、本発明の一実施形態による、第１の磁石アセンブリ１１０と第２の磁石アセンブリ１２０とを備える非対称磁石アレイ１００の斜視図である。示されるように、第１の磁石アセンブリ１１０及び第２の磁石アセンブリ１２０はそれぞれ、内部ボリューム１３０を通過する「Ｚ軸」で表す中心の長手方向軸と同軸である少なくとも２つの磁石リングを備える。多数の磁石リングは、Ｚ軸に沿って可変の横断方向の寸法及び可変の変位を有する。図１では、例として、第１のアセンブリ１１０は、４つの磁石リング１１１～１１４からなるものとして示され、第２のアセンブリ１２０は、４つの磁石リング１２１～１２４からなるものとして示されている。第１の磁石アセンブリ１１０及び第２の磁石アセンブリ１２０における各リングは、一体化したリング、又はセグメント化されたリング、即ち、個別のセグメントを備えるリングである。セグメントは、球、円柱、楕円体、又は多角柱、好ましくは直方体の形状を有し得る。リングは、不規則な形状の断面を含む任意の断面を有し得ることが理解される。単一のリングに属する全てのセグメントは、共通の形状及び材料組成、並びに長手方向（Ｚ）、半径方向、及び方位角方向において同じ磁気モーメント成分を共有する。しかし、これらの特性の一又は複数が、リング毎に異なり得る。

セグメント化されたリングの場合、セグメントの磁気モーメントに言及することは、セグメントが空間における特定の方向に均一に磁化されることを意味し、その半径方向、長手方向、及び方位角方向がセグメントの重心で計算される。

一体化したリングの場合、Ｍは、方位角座標に依存しない方位角、半径方向、及び長手方向の成分を有する空間で連続的に変化する。複雑な形状を有する一体化した磁石部分は、Ｍ_ｒ、Ｍ_θ、又はＭ_ｚがＺ又はＲに応じて徐々に又は段階的に変化するように磁化され、機械的には１つの連続した部分で構成されるが、磁化の観点から効果的に幾つかのリングを作り得ることが理解される。ここでの文脈において、この種の実施は、リングの境界が機械的セグメンテーションではなく磁化の観点によって決定される複数のリングを有すると見なされる。

リングの周囲形状は、例えば円、楕円、多角形などの任意の閉じた曲線であり得る。場合によっては、周囲形状の選択は、内部ボリューム１３０の断面形状に依存する。リングの回転対称性は、とりわけ、その周囲形状も回転対称であること（例えば、円又は等角等辺の多角形の形状）を意味することが理解される。全てのリングが円形である特別な場合において、第１の磁石アセンブリ１１０のリング１１１～１１４の最小内半径はＲ１で示され、第２の磁石アセンブリ１２０のリング１２１～１２４の最小内半径はＲ２で示される。所与のターゲット半径Ｒｉについて、ターゲット半径Ｒｉは、例として、画像化（イメージング）に使用される回転楕円体の内部ボリュームの最大半径を定義する内部ボリューム１３０の横方向半径１４０を有し、磁場が少なくとも所与のレベルの均一性を有する場合、Ｒ１及びＲ２の値は、Ｒｉ＜Ｒ１及び０≦Ｒ２≦Ｒｉの関係を満たす。Ｒ２＝０の場合、第２の磁石アセンブリ１２０のリングの少なくとも１つは一体化した円盤状である。第２の磁石アセンブリ１２０は、Ｒ２よりも大きくさらにＲ１よりも大きい内半径を有するリングを含み得ることが理解される。磁石アセンブリは、通常０～１０ｃｍ（ただし、これに限定されない）の間隙（ギャップ）でＺ方向に離れて配置される。ここでの目的では、リングが両方の磁石アセンブリに対してＺ方向に延在する場合、リングの一部は第１の磁石アセンブリに含まれ、他の部分は第２の磁石アセンブリに含まれていると見なされる。この場合、アレイ間の間隙は０になる。

一実施形態では、非対称アレイにおいて、内部ボリュームの中心の一方の側に配置されたリングの最小半径は、内部ボリュームの中心の他方の側に配置されたリングの最小半径とは異なる。内部ボリュームの中心は、任意の適切な方法で定義され、例えば、内部ボリューム内にある長手方向軸のセクションの中心である。さらに、内部イメージングボリュームがアレイによって部分的にのみ囲まれている場合、中心は、内部ボリューム内及びアレイ内にある長手方向軸のセクションの中心と見なされる。前者の実施形態に従うアレイは、上記のように異なる最小内半径を有する２つのサブアセンブリから構成されるものとして説明され得る。

内部ボリューム１３０は、アセンブリ１１０によって少なくとも部分的に囲まれた単連結領域であり、これは、典型的には、楕円体又は球である。示されるように、内部ボリューム１３０は、磁石アレイ１１０によって囲まれ、リング１１２～１１３が内部ボリューム１３０を囲んでいる。一実施形態では、内部ボリューム１３０は、半軸が約０．５Ｒ１、０．５Ｒ１、及び０．３Ｒ１に等しい扁球楕円体である。このようなリングのパラメータは、リングの内側及び外側の半径、そのＺ変位、又はＺ軸方向の厚さに限定されない。さらに、磁気モーメント角度は全て、例えば有限要素、有限差分、分析アプローチなどの計算方法を使用して最適化され、勾配降下最適化アルゴリズムと組み合わせて、イメージングボリュームにおける特定の磁界強度について、最小重量で、最高の均一性を実現する。これは、各アセンブリが多数のリングを含み、その全てが最適化されているために、可能である。

磁石アレイ１００の非対称性の一態様は、異なるリングが異なる横断方向寸法及び磁気モーメント方向を有し、リングが長手方向軸に対して反転非対称性を有するアレイに配置される（つまり、Ｚ軸反転に関して非対称である）ことである。本開示の文脈及び特許請求の範囲において、「長手方向軸に対して反転非対称」という用語は、長手方向軸に垂直な平面が磁石アレイの対称面ではないことを意味する。つまり、磁石アレイは、軸に沿った任意の点で、長手方向軸に対して反転下で対称ではない。反転非対称は、点非対称又は鏡像非対称ともいう。簡潔さのために、以下の説明において磁石アレイの「非対称」という場合、上記で定義された反転非対称を意味する。

設計における非対称性は、例えば人間の頭部などの本質的に非対称な標本をイメージングする場合に特に有利である。例えば、そのような１つの場合において、アセンブリ１１０に属するリングは、主に第１の所定の方向（例えば、ｒ方向）に磁化され得るが、アセンブリ１２０に属するリングは、主に別の方向（例えば、ｚ方向）に磁化され得ることが分かっている。

最後に、個々のリングの磁化の方向を最適化して、内部ボリュームにおける均一性及びフリンジフィールドの低減の両方を得て、磁石リングに近い磁力線を閉じる磁気回路を作り得る。一実施形態では、個別の磁石セグメントはそれぞれ、磁石アレイの外側のフリンジフィールドを最小化するそれぞれの磁化方向で予め磁化されている。

図２Ａ及び図２Ｂ～２Ｄは、本発明の別の実施形態による、非対称磁石アレイ２００の斜視図、並びに、アセンブリによって別個に生成された磁力線のプロット及び共同で生成された磁力線のプロットである。均一性は、（より詳細について磁力線がイメージングゾーンでより密に描かれているため）磁力線の均一な密度によっては明らかではなく、むしろ磁力線のz軸方向の位置合わせ（整列）によって明らかである。

図２Ａに示すように、内部ボリューム２３０は、第１の磁石アセンブリ２１０によって少なくとも部分的に囲まれた単連結領域であり、これは、典型的には、楕円体又は球体である。非対称アレイの第２の磁石アセンブリ２２０は、内部ボリューム２３０を「キャップ」（蓋を）する。上記のように、異なるリングは、磁石アレイの均一性及びフリンジフィールドを最適化するために異なる磁化方向を有し得る。例えば、あるリングは、別のリングとは実質的に異なる方向（例えば、４５度を超える）の磁化ベクトルを有し得る。例えば、永久磁石セグメントの磁化ベクトルは、あるリングでは主にｒ方向を指し、別のリングでは主にＺ方向を指し得る。さらに、同じアセンブリに属する２つのリングは、実質的に異なる磁化方向を有し得る。例えば、第１のアセンブリのあるリングは、主にｒ方向に磁化を有し、第１のアセンブリの別のリングは、主に－ｚ方向に磁化を有し、第１のアセンブリの第３のリングは、ｒ－ｚ平面において－４５度に磁化を有し得る。一実施形態では、２つ又はそれ以上のリングが、互いに４５度を超えて異なる方向に磁化ベクトルを有する。

特定の場合（図示せず）において、アセンブリ２１０の複数のリングは、１５ｃｍから３０ｃｍの間のそれらの内半径に分散され、２５ｃｍの長さでそれらのＺ位置に分散され、一方、アセンブリ２２０の複数のリングは、内半径が０．０５ｃｍから３０ｃｍの間に分散され、１２ｃｍの長さでＺ位置に分散され、２つのアセンブリ間のＺ方向における変位は０ｃｍから１０ｃｍの間である。

図２Ｂは、内部ボリューム２３０の内側及び外側の第１の磁石アセンブリ２１０（それぞれがｒ－ｚ平面におけるリングの磁化の方向を有する正方形によって断面図で示されるリング）によって生成される磁場の磁力線を示す。示されるように、内側ボリューム２３０内の磁力線は、大部分はｚ軸に沿って整列するが、磁場が非常に不均一になる内部ボリューム２３０の上部で鋭く曲がる。

図２Ｃは、内部ボリューム２３０の内側及び外側の第２の磁石アセンブリ２２０によって生成される磁場の磁力線を示す。ここでも見られるように、内部ボリューム２３０の内側の磁力線は、大部分はｚ軸に沿って整列する。しかし、内部ボリューム２３０の内側の磁力線は、ｚ軸に対して図２Ｂの磁力線とは反対側に傾斜し、内部ボリューム２３０の底部で非常に不均一になる。

図２Ｄに示すように、磁石アセンブリ２１０及び２２０は、組み合わされて完全なアレイ２００になると、互いの磁場の不均一性を補償して、所定の閾値よりも良好な程度でｚ軸に沿って均一な磁場を達成する。

図２Ａ～２Ｄは、１０個のリングを含む例示的なアレイを示す。アレイは、全てが上記のように最適化されたより多くのリング（例えば、数十又は数百のリング）を含み得ることが理解される。アレイに含まれるリングが多いほど、より優れた磁石性能が実現され得る（例えば、より高い均一性レベル、より大きな磁場、より大きなイメージングボリュームなど）。性能の向上には、要素の数が多いためにアレイの複雑さ及び製造コストが増加するという難点がある。したがって、当業者は、特定の用途に応じて必要な数のリングを検討する必要がある。

図３は、本発明の一実施形態による、図１及び図２の磁石アレイ１００及び２００のリングのいずれかであり得る１つのセグメント化された磁石リング３００の斜視図である。図３では、各磁石セグメント３１０は、同様の長手方向（Ｚ）成分及び半径方向（ｒ）成分を有する、ｒ－Ｚ平面にある磁化ベクトル３２０を有する。さらに、セグメント化された各リングは、３６０／Ｎ度に等しい方位角周期を有する回転対称性を有する。ここで、Ｎは、リングにおけるセグメントの数である。（一体化したリングの場合、つまり、Ｎ→∞の場合、回転対称性は連続的である）。幾つかの実施形態では、開示されるリングは、Ｎ≧８次の回転対称性を有する。開示されるアレイは回転対称性を有するリングを含み、したがって、結果として生じる磁場は長手方向軸に沿うことが理解される。しかし、内部ボリュームにおける均一性及びフリンジフィールドを最適化する方法で非回転対称である非対称アレイリングに組み込むことが可能である。そのような場合、磁場は任意の軸に沿ってもよい。そのようなアレイは回転対称アレイよりも実質的に悪い可能性があるが、開示されるようなリングを伴う非対称性の使用は、対称アレイと比較してアレイの均一性を実質的に向上させ得る。

個別のセグメント３１０は、等間隔に配置され、例えば、好ましくは非導電性である接着剤を使用して互いに取り付けられるか、又は好ましくは絶縁材料で満たされた（ただし、これに限定されない）隣接するセグメント間の間隙３３０と機械的に一緒に保持される。また、回転対称のセグメント化されたリングは複数の種類のセグメントの組み合わせを含み得ることが理解されよう。リング３００の全体の熱安定性のために、接着剤又は間隙は、例えば酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウムなどの熱伝導性でもある材料からなることが好ましい。個々の磁石セグメント３１０は、上述の高強磁性材料からなるものであり、そのキュリー温度は、例えばアレイ２００などの要素を含む関連システム、例えばモバイルＭＲＩシステムなどの動作温度よりもはるかに高い。

図１～３の説明は例としてのみ役立つことを意図しており本発明の範囲内で多くの他の実施形態が可能であると理解される。例えば、ｒ－ｚ－θ平面における磁石モーメントベクトルの回転は、代替的な実施形態では、異なるリングについて異なりうる別個の回転角で個々の磁石セグメント３１０を回転させることによって達成され得る。さらに、磁石アレイ１００及び２００はそれぞれ、静的又は動的シミングシステムのいずれかと組み合わせられて、内部ボリューム１３０及び２３０内の磁場の均一性をさらに向上させ得る。動的シミング又は勾配パルス磁場が使用される場合、隣接する磁石セグメント３１０間に電気絶縁性接着剤又は空の間隙が存在することは、磁場の均一性に対する渦電流の悪影響を最小限に抑えるのに役立つ。さらに、磁石アレイ１００及び２００は、内部ボリューム１３０及び２３０内の磁場強度を増強するために、ｚ軸と同心に配置される抵抗コイルと組み合わせられ得る。

シータ磁石リングを備える磁石アレイ
図４は、本発明の一実施形態による、３つのシータ磁石リング（７１２、７１３、７１９）を備える非対称磁石アレイ７００の斜視図である。
例として、磁石アレイ７００は、内部ボリューム７３０を通過する軸Ｚを囲む１０個の磁石リング７１１～７２０を備える。磁石リングの一部は、一体化したものであり得、一部はセグメント化されものであり得、任意選択で隣接する磁石セグメント間に間隙（ギャップ）を有し得る。複数のリングは、Ｚ軸に沿った異なる位置に配置され、一般に、横断方向の寸法、半径方向の厚さ、及び軸方向の厚さが異なる。

上記に示したアレイのように、磁石アレイ７００は、基準の円筒座標系を定義する。各磁石リングは、回転対称であって磁化成分Ｍ＝（Ｍ_ｒ，Ｍ_θ，Ｍ_ｚ）によって特徴付けられる磁化を有する。所定のセグメント化されたリング内の全てのセグメントが、上述の円筒座標系において、磁気モーメントの３つの成分Ｍ＝（Ｍ_ｒ，Ｍ_θ，Ｍ_ｚ）によって表される同じ磁化成分を有する。結果として、セグメント化された各リングは、３６０／Ｎ度に等しい方位角周期を有する回転対称性を有する。ここで、Ｎは、リングにおけるセグメントの数である。

セグメント化されたリングの場合、セグメントの磁気モーメントに言及することは、セグメントが空間における特定の方向に均一に磁化されることを意味し、その半径方向、長手方向、及び方位角方向がセグメントの重心で計算される。一体化したリングの場合、Ｍは空間で連続的に変化し、シータに依存しない方位角、半径方向、及び長手方向の成分を有する。

磁化Ｍは、一般に、リング毎に異なる。磁石アレイにおける複数の磁石リングのうち少なくとも１つは、「シータ磁石リング」であり、つまり、ｒ－Ｚ平面における磁化の非ゼロ投影に加えて、シータ方向（Ｍ_θ≠０）における磁化の非ゼロ投影を有する。方位角磁化のみの磁石リングは実質的な磁場を生成しないので、ｒ－Ｚ平面上の非ゼロ投影は不可欠である。

基本的に、特定のリングにゼロ以外のシータ成分を導入すると、イメージングボリューム内の全磁場に対するそのリングの相対的な寄与が減少するという影響があるため、リングの形状とは関係のない追加の自由度が提供される。このようは追加の自由度は、アレイが様々な幾何学的制約（例えば、リングの位置、半径方向／軸方向の厚さなど）の影響を受ける場合に最も有利であり、このような制約は、通常、機械的又は製造上の制限から生じる。コンピュータ化された磁場シミュレーションツールを使用して、設計者は、シータ磁石リングにおける非ゼロシータ成分の大きさを、全ての磁石リングの幾何学的特性（例えば、高さ、外半径、内半径、厚さ、ｚ軸位置）と共に、調整又は「チューニング」して、例えばポータブル頭部ＭＲＩシステムについて、必要に応じて、高レベルの磁場の均一性、又は大きな内部ボリュームを実現することができる。

例えば、リング７１２、７１３、７１９はそれぞれ、（０，√３／２，－１／２）、（１√３，１／√３，－１√３）、（１／√２，１／√２，０）で与えられる円筒座標（Ｍ_ｒ、Ｍ_θ、Ｍ_ｚ）における磁化方向を有するシータ磁石リングであり得る。一実施形態では、方位角（θ）座標に沿った有限の磁化成分を有する一又は複数の磁石リングと残りのリングとが、内部ボリューム内に少なくとも所与のレベルの均一性を有する磁場を共同で生成するように構成される。

磁石リング７１１～７１５の磁石セグメントは、上述の強磁性材料でからなり得る。セグメントは通常、磁気モーメントの成分の特定の値で予め磁化されている。セグメントの形状は、上述のセグメントの形状（例えば、くさび型、角のあるセグメントなど）のいずれかであり得る。

開示されている、磁気リングのアレイにおける少なくとも１つのリングの磁化ベクトル（Ｍ_θ≠０）におけるゼロ以外のシータ成分の導入により、アレイの内部ボリューム内の磁場の均一性を大幅に向上させるか、或いは、所与のレベルの均一性について内部ボリュームを大幅に拡大させることができる。この利点は、空間的に連続した磁化を有する固体磁石部分（ピース）を備える固体リングに適用される。また、間隙のない連続したセグメントを有する、セグメント化された磁石リング、及びセグメントが空隙によって又は非磁性材料で満たされた間隙によって分離されているリングにも適用される。間隙はまた、永久磁石ではないが、例えば常磁性体、反強磁性体、反磁性体、強磁性体、フェリ磁性体などの（ただし、これらに限定されない）かなりの透磁率を有する材料で満たされ得ることが理解される。

図５は、本発明の実施形態による、図４の磁石アレイ７００によって生成された磁力線のプロットである。均一性は、（より詳細について磁力線がイメージングゾーンでより密に描かれているため）磁力線の均一な密度によっては明らかではなく、むしろ磁力線のz軸方向の位置合わせ（整列）によって明らかである。示されるように、アレイ７００は、ほぼリングまで延びるｚ軸方向の整列により、ｚ軸に沿って均一な磁場を達成する。図示されないが、シータ磁石リングは均一性を向上させる。したがって、リング磁石の非対称アレイに幾つかのシータ磁石リングを含めることは、ＭＲＩ救急車などのモバイルＭＲＩの用途に特に役立ち得る。

図４及び図５は、合計１０個のリングを含む例示的なアレイ４００を示し、そのうち３個はシータ磁石リングである。アレイは、より多くのシータ磁石リング（例えば、数十又は数百のリング）を含むことが可能で、それらは全て上記のように最適化されることが理解される。アレイに含まれるシータ磁石リングが多いほど、より優れた磁石性能が実現され得る（例えば、より高い均一性レベル、より大きな磁場、より大きなイメージングボリュームなど）。性能の向上には、要素の数が多いためにアレイの複雑さ及び製造コストが増加するという難点がある。したがって、当業者は、特定の用途に応じて必要な数のリングを検討する必要がある。

図６は、本発明の実施形態による、図４の磁石アレイ７００におけるリングのいずれか１つであり得るシータ磁石リングの斜視図である。

図６（Ｉ）は、第１の例示的なシータ磁石リング９００ａの斜視図を示す。図６（Ｉ）において、シータ磁石リングは、２０個の直方体の磁石セグメント９１０を備える。矢印９２０で示すように、各セグメント９２０の磁気モーメントは、ゼロの軸方向（Ｚ）成分と、ゼロ以外の半径方向（ｒ）成分及びシータ（θ）成分とを有する。

図６（ＩＩ）は、２０個の直方体の磁石セグメント９３０を備える第２の例示的なシータ磁石リング９００ｂの斜視図を示す。矢印９４０で示すように、各セグメント９３０の磁気モーメントは、ゼロの半径方向（ｒ）成分と、ゼロ以外の軸方向（Ｚ）の成分及びシータ（θ）方向の成分とを有する。

図６（ＩＩＩ）は、２０個の直方体の磁石セグメント９５０を備える第３の例示的なシータ磁石リング９００ｃの斜視図を示す。矢印９６０で示すように、各セグメント９５０の磁気モーメントは、ゼロ以外の半径方向（ｒ）成分、シータ方向（θ）成分、及び軸方向（Ｚ）成分を有する。

上記の説明は例として役立つことのみを意図しており本発明の範囲内で多くの他の実施形態が可能であると理解される。例えば、磁石アレイ７００は、静的又は動的シミングシステムのいずれかと組み合わせられて、イメージングボリューム７３０内の磁場の均一性をさらに向上させ得る。さらに、提示される磁石アレイは非対称であるが、シータ磁石リングは、それらの均一性を高めるためにヨークの有無に関わらず、対称アレイ又は任意の他の種類の磁石アレイでも使用され得る。

さらに、記載のアレイ（共通の軸と同軸の複数のリングを有する）を、リングが第１の共通の長手方向軸からある角度にある一又は複数の異なる軸と同軸である一又は複数の追加のリングアレイと組み合わせることが可能である。アレイの組み合わせにより、空間内の任意の方向に磁場が共同で生成される。追加のリングアレイはシータ相リングも含み得るが、このようなリングは、ｚ’軸が独自の共通で同軸の軸として定義された独自の円筒座標系に従って定義される。

例えば、同軸の軸が互いに４５度異なるリングの２つのアレイを設けることが可能である。各アレイは、一又は複数のシータ磁石リングを含み、アレイ軸のそれぞれに沿って内部ボリュームに実質的に均一な磁場を得るように最適化され得る。２つのアレイの組み合わせにより、第１の長手方向軸と第２の長手方向軸との間にある方向に均一な磁場が生じる。

動的シミング又は勾配パルス磁場が使用される場合、磁場の均一性に対する渦電流の悪影響を最小限に抑えるために、隣接する磁石要素間の間隙に電気絶縁材料が存在するセグメント化されたリングが好ましい。さらに、磁石アレイ７００は、それぞれ定義された内部ボリューム内の磁場強度を増強するために、Ｚ軸と同心に配置された抵抗コイルと組み合わせられ得る。

本明細書に記載の実施形態は主にモバイルＭＲＩの用途に対応するが、本明細書に記載の方法及びシステムは、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）などの強力で均一で軽量の磁石を必要とする航空宇宙用途などの他の用途にも使用され得る。

したがって、上記の実施形態は例として引用されており、本発明は、上記で詳細に示され説明されたものに限定されないことが理解される。むしろ、本発明の範囲は、上記の様々な特徴の組み合わせ及びサブコンビネーションの両方、並びに上述の説明を読んだときに当業者に思い付くであろう、先行技術に開示されていないその変形及び修正を含む。本特許出願に参照により組み込まれる文書は、本明細書において明示的又は黙示的になされた定義と矛盾する方法でこれらの組み込まれた文書に用語が定義されている場合を除いて、本出願と一体化した部分と見なされるべきであり、本明細書における定義のみが考慮されるべきである。

Claims (22)

1. 長手方向軸に沿って前記長手方向軸と同軸に配置された複数の磁石リングと、
   前記複数の磁石リングを所定の位置に固定して保持するように構成されたフレームと、
   を備え、
   前記複数の磁石リングのうち少なくとも１つが、回転対称性を有し、方位角（θ）座標に沿った有限の磁化成分と、長手方向－半径方向の面における有限の磁化成分との両方を有し、
   前記複数の磁石リングは、前記長手方向軸に平行な方向に沿った磁場を共同で生成するように構成されていることを特徴とする磁石アレイ。
2. 前記複数の磁石リングは、回転対称性を有して方位角（θ）座標に沿った有限の磁化成分を有する少なくとも１つの磁石リングを備え、所定の内部ボリューム内で少なくとも所与のレベルの均一性を有する磁場を共同で生成するように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の磁石アレイ。
3. 前記複数の磁石リングは、方位角（θ）座標に沿った有限の磁化成分を有する少なくとも１つの磁石リングを備え、前記磁石アレイの外側のフリンジフィールドを共同で最小化するように構成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の磁石アレイ。
4. 各磁石リングは、長手方向軸の周りの、磁石リングの面内回転に対して、回転対称性を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の磁石アレイ。
5. 前記複数の磁石リングのうち少なくとも１つが、所定の内部ボリュームを囲み、
   前記長手方向軸に沿って前記内部ボリュームの中心の一方の側に配置された磁石リングの最小内半径は、前記内部ボリュームの中心の他方の側に配置された磁石リングの最小半径とは異なることを特徴とする、請求項１又は２に記載の磁石アレイ。
6. 前記複数の磁石リングは、前記長手方向軸に対して反転非対称に配置されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の磁石アレイ。
7. 前記内部ボリュームは、前記長手方向軸の周りの回転楕円体であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の磁石アレイ。
8. 方位角（θ）座標に沿った有限の磁化成分を有する少なくとも１つの磁石リングは、単一の一体化した要素として作られることを特徴とする、請求項１又は２に記載の磁石アレイ。
9. 方位角（θ）座標に沿った有限の磁化成分を有する少なくとも１つの磁石リングは、等間隔に配置された同一のセグメントを備えるセグメント化されたリングとして作られることを特徴とする、請求項１又は２に記載の磁石アレイ。
10. 前記複数の磁石リングはそれぞれ、楕円、円、多角形のうちいずれかを含む形状を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の磁石アレイ。
11. 複数の磁石リングの一又は複数の追加のアレイを備え、
    前記追加のアレイにおける複数の磁石リングが、前記長手方向軸から各自の角度に設定された各自の長手方向軸と同軸であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の磁石アレイ。
12. 磁石アレイを製造する方法であって、
    前記方法は、
    複数の磁石リングを長手方向軸に沿って前記長手方向軸と同軸に配置することと、
    フレームを使用して前記複数の磁石リングを所定の位置に固定して保持することと、
    を含み、
    前記複数の磁石リングのうち少なくとも１つが、回転対称性を有し、方位角（θ）座標に沿った有限の磁化成分と、長手方向－半径方向の面における有限の磁化成分との両方を有し、
    前記複数の磁石リングは、前記長手方向軸に平行な方向に沿った磁場を共同で生成するように構成されていることを特徴とする方法。
13. 前記複数の磁石リングは、方位角（θ）座標に沿った有限の磁化成分を有する少なくとも１つの磁石リングを備え、所定の内部ボリューム内で少なくとも所与のレベルの均一性を有する磁場を共同で生成するように構成されていることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. 前記複数の磁石リングは、回転対称性を有して方位角（θ）座標に沿った有限の磁化成分を有する少なくとも１つの磁石リングを備え、前記磁石アレイの外側のフリンジフィールドを共同で最小化するように構成されていることを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の方法。
15. 各磁石リングは、長手方向軸の周りの、磁石リングの面内回転に対して、回転対称性を有することを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の方法。
16. 前記複数の磁石リングのうち少なくとも１つが、所定の内部ボリュームを囲み、
    前記長手方向軸に沿って前記内部ボリュームの中心の一方の側に配置された磁石リングの最小内半径は、前記内部ボリュームの中心の他方の側に配置された磁石リングの最小半径とは異なることを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の方法。
17. 前記複数の磁石リングは、前記長手方向軸に対して反転非対称に配置されていることを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の方法。
18. 前記内部ボリュームは、前記長手方向軸の周りの回転楕円体であることを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の方法。
19. 方位角（θ）座標に沿った有限の磁化成分を有する少なくとも１つの磁石リングは、単一の一体化した要素として作られることを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の方法。
20. 方位角（θ）座標に沿った有限の磁化成分を有する少なくとも１つの磁石リングは、等間隔に配置された同一のセグメントを備えるセグメント化されたリングとして作られることを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の方法。
21. 前記複数の磁石リングはそれぞれ、楕円、円、多角形のうちいずれかを含む形状を有することを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の方法。
22. 前記方法は、
    複数の磁石リングの一又は複数の追加のアレイを配置すること、
    を含み、
    前記追加のアレイにおける複数の磁石リングが、前記長手方向軸から各自の角度に設定された各自の長手方向軸と同軸であることを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の方法。

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