JP2839114B2

JP2839114B2 - 核磁気共鳴映像装置用永久磁石

Info

Publication number: JP2839114B2
Application number: JP3513203A
Authority: JP
Inventors: オベール，ギィ
Original assignee: SANTORU NASHIONARU DO RA RUSHERUSHU SHIANTEIFUITSUKU
Current assignee: SANTORU NASHIONARU DO RA RUSHERUSHU SHIANTEIFUITSUKU
Priority date: 1990-07-30
Filing date: 1991-07-25
Publication date: 1998-12-16
Anticipated expiration: 2013-12-16
Also published as: JPH06505124A; US5332971A; DE69101923T2; EP0541653B1; WO1992002827A1; DE69101923D1; EP0541653A1; FR2665297A1; FR2665297B1

Description

【発明の詳細な説明】本発明の目的は、核磁気共鳴（NMR）映像装置用の永
久磁石である。問題の磁石は、関心領域に均質の強い磁
界を生成するこのような装置内で使用される磁石であ
る。医学の分野では、この関心領域に患者を配置する。
本発明は、その他の分野にも、特に、工業制御に使用で
きる。本発明は、いわゆる横断方向の磁界を形成するこ
とを目的とする。

永久磁石構造は公知であり、特に板磁石型が知られて
いる。これらの構造は、例えば、ヨーロッパ特許出願第
EP−Ａ−0,170,318号に記載されている。または、その
ような構造は、アメリカ合衆国特許第4,672,346号、第
4,679,022号及び第4,818,966号に記載されている。他の
型の永久磁石構造もまた既に公知である。特に、フラン
ス国特許出願第2,605,452号に記載のように赤道状のア
クセスを備える球形永久磁石が公知である。

いわゆる板磁石構造の欠点は、磁力線が閉じることに
ある。実際、単純に板磁石構造にすると、横断方向の磁
界は、永久的に磁化された材料の２つのプレートの間に
位置する空隙内に生成する。１つのプレートのＳ極綿
は、空隙の反対側の別のプレートのＮ極面に対向してい
る。従って、磁力線の閉じは、２つのプレートの互いに
反対側面の間に実現化されている。磁力線を閉じるため
のこの別の空隙の存在によって空隙に生成した磁界の値
に悪影響を及ぼすのを避けるために、これらの２つの離
れた面の間に、磁化可能な磁性材料によって形成された
閉構造を位置するのが通常の方法である。磁性材料の典
型的な例は軟鉄であるが、これらの軟鉄構造には複数の
欠点がある。第１に、軟鉄の費用は低いが、しかしなが
ら、磁石の価格に加えなければならない。また、これら
の軟鉄構造は、空間を占め、空気の有効領域へのアクセ
ス点を制限する。理想的な解決方法は、至る所で磁力線
を閉じることでであろう。しかし、この場合、もはや、
磁界の関心領域に入ることができない。

また、このように考案された方法では、第１に、関心
範囲内の強い磁界が均一にならず、第２に、映像化方法
で使用されるNMR信号の励磁及び測定のシーケンス中
に、渦電流が生じる恐れがある。均質性は、経験的であ
るだけなので高くない。実際、磁石プレートを保持する
ためにも使用されるこれらの軟鉄構造は、機械工学的考
察によって指示された形状を有するが、その機械工学的
な考察は、その軟鉄構造を磁界に貢献する正確なモデル
として製造するために寄与するものではない。NMRによ
って要求される磁界の均質性に対して十分な精度を有し
ていない有限の素子による計算技術を使用することしか
できない。

従って、実際に生成した磁界の実験的な有効化を実施
することが必要であるままである。この実験的な有効化
によって、軟鉄部品を特に適切な位置に位置決定して、
この位置決定の作用を測定し、少しずつ、必要な均質性
が得られるまで、その結果として生じる修正を実施する
ことが必要になる。この実験的な技術は、１つのサンプ
ルを製造するのに大掛かりの技術を必要として、しか
も、この技術は、容易には再現できないので、工業的規
模の技術ではない。

軟鉄は導体であるので、渦電流に関して、実験の際NM
R信号の励起及び測定のシーケンス中に加えられた付加
の磁化の勾配のパルス化特性はそのような方法に反対す
る。本発明では、下記に説明するように、軟鉄を含まな
い構造を使用する。この構造は、単一の磁石ブロックを
実現し、さらに解析的に計算できる。これらの磁石ブロ
ックがフェライトをベースとするブロックである時、そ
れ自体絶縁体であり、渦電流の場所はない。

上記の赤道方向アクセスを有する球形永久磁石に関す
るフランス国特許出願では、通常、横断方向の磁界を生
成する半球形を有するリングに基づいて、対称構造を形
成する。この構造の欠点は、１つには、半球形のリング
をもう１つのリングに対して保持し、調整するのが、物
理的に単純なことではないことである。また、結局、磁
界が均一である関心領域は、この区域へのアクセス点の
サイズよりはるかに大きい。すなわち、２つの中空の半
球形構造は、その内部の均一性が高い大きい関心領域を
形成する。

反対に、内側へのアクセスは狭く、これらの構造間の
間隔はその内部での滑動を可能にするのに十分ではない
と考えられる程である。実際、この発明によって形成し
た医学機器は、成人患者の検査にはあまり適さない。ま
た、この球形構造のリングを製造するのに使用される磁
性ブロックの磁化は、これらのブロックの位置に応じた
配向を備えていなければならない。この位置は、この磁
石の赤道方向アクセスの平面に垂直な直径の１つを有す
る円上で参照される。これは、また、これらのブッロク
の磁化値についても同様である。従って、ブロックの製
造が困難になる。

本発明では、これらの欠点は、赤道方向のアクセスを
有する球形構造より単純で、且つ、その関心領域に完全
にアクセスできる構造提案することによって、解消され
る。この構造は、また、磁力線の戻りを保証するために
軟鉄の存在を必要としないものである。発明した方法で
は、磁化した、Ｎ極とＳ極を有する単一ブロックのプレ
ートを製造する代わりに、これらのプレートを互いに同
心のリングに置き換えると、そのリングの内部での磁化
の不均一な分布は、それ自体、生じる磁界の均一性を高
くする。そのリングによって、局部的に極めて高い均一
性を生じさせることができる。このため、第１に、均一
性を生じさせるために、第２に、より容易に磁力線の閉
じを得るために、好ましい実施例で、計算した形状、位
置及び磁化によってブロックを使用する。

従って、本発明の目的は、空間領域に強い均一磁界を
生じさせる１組の磁気ブロックリングを備える核磁気共
鳴映像装置用の永久磁石であって、これらのリングは、
２組の相補的なリングに分割されており、１つの組のリ
ングは全て実質的に同心であり、１つの組の各リング
は、空間領域の高さだけ、もう１つの対向する組のその
相補的なリングから隔てられており、この高さは相補的
なリングの全ての組についてほぼ同じであることを特徴
とする永久磁石である。

本発明は、添付図面を参照して行う以下の説明から明
らかになろう。ただし、これらの図面を例として示した
ものであり、本発明を何等限定するものではない。

第1A図、第1B図、第２図及び第３図は、本発明による
磁石の実施例を示したものである。

第４図、第５図及び第６図は、上記の実施例で、リン
グ内の磁性ブロックに割り当てられるサイズ及び間隔を
示したものである。

下記に説明するように、本発明による構造が満たさな
ければならない均一生の程度は高い。実際、大きい磁気
構造を使用するという事実は、その直接の結果として、
この磁気構造の関心領域の所定の小さいサイズの内で、
磁界の変化、すなわち、不均一性が、磁界構造がより小
さい場合や同一の所定の小さいサイズで得られた結果を
考察した場合に得られたものより低いということであ
る。従って、従来技術による超伝導体型まはた抵抗性磁
石の場合、機械の内部で患者を滑動させ、各種の勾配コ
イルやトランシーバーアンテナを配置するのに必要な空
間を考慮すると、円筒形磁石の有効な内径は約1mであ
る。これらの条件下では、磁界の第８位の均一性（０で
はない最初の位が、第10位にある）を実現すればよい。
関心領域の有効な30cm内では、これらの不均一性は、単
純化すれば、因子（0.3/1.00）¹⁰＝5.9・10^-6によって
乗算される。従って、不均一性は、かなり小さくなる。

反対に、関心領域の有効サイズ（0.30m）が、範囲0.5
0mの磁石「プレート」間の算定（logistical）空間とほ
ぼ同じ程度である本発明の構造では、解析的な均一性は
より大きくなければならない。例えば、第14位に達する
必要がある。算定空間は最小限に小さくする必要性は、
磁気材料の容量がこの算定空間の立方体につれて大きく
なるということによる。本発明では、算定空間は大きく
ならず、反対に、「プレート」内の異なる磁化分布を使
用する方法によって、均一性の程度が大きくなる。従っ
て、磁性プレートは、公知の板磁石に匹敵する容積の材
料で形成され、同時に極めて高い均一性を有する。

斜めに下方に見た第1A図及びほぼ水平な平面内の第1B
図の各斜視図に示した同一構造体は、その空隙に0.2テ
スラの磁界を形成することができる。この構造体は、好
ましい例では、鉄−ネオジウム−ボロン（FeNB）製であ
る参照番号１に示すような磁気ブロックによって形成さ
れている。Brがこのような飽和磁化された磁気材料の内
部の残留磁気を示す時、このようにして形成された構造
は、生じた値B_oが（0.2テスラ）が0.17Brにほぼ等しい
ようになる。また、絶対値がこの材料の保持力の0.7倍
より大きい材料では、消磁励磁は起こらない。従って、
消磁作用はない。実際、第1A図及び第1B図の構造の重量
は、約３トンである。

このように記載した永久磁石は、１組のリング、例え
ば、リング２、３、４、５を備える。これらのリング
は、各々、相補的なリングからなる２つの組６及び７に
分割されている。例えば、組７のリング８は、組６のリ
ング２と相補的である。同一組のリング、例えば、組６
のリング２、３、４、５は全てほぼ同心である。これ
は、第１に、リングが同じ回転軸線15を有し、第２に、
互いに完全に重なり合わせることが可能であることを意
味する。さらに、本発明では、組の各リングは、他の組
のその相補的なリングから、例えば、リング２及び８
は、そのリング間の空間領域９の高さ10だけ離れてい
る。その空間では、強い均一の磁界が支配している。

２つの相補的なリングを隔てる高さは、磁石のリング
の組の全ての相補的なリングの組についてほぼ同じであ
る。これらのサイズの特性は、いずれにせよ第４図に明
らかに示されている。この図面は、第1A図または第1B図
の全リングを半径方向に横断する平面に沿った断面図で
ある。

高さは、リング８からリング２を分離する高さであ
る。この高さ10は、リング12からリング３を分離する高
さ11にほぼ等しく、これは、リング４と５、及び、それ
らの相補的なリング13と14についても同様である。第1B
図は、同じ部品と回転軸線15を図示している。高さは、
空隙に対向する面の間の間隔を測定する。

1984年12月14日にフランス国特許出願84/19191号が出
願されてから、必要な均一性が得られる有効容積の境界
を決定する半径r_oによって標準化された極座標系で、誘
導磁界の値を相対値で表示する公知の方法である。

この表示では、多項式P_n（cosθ）及びP_n ^m（cosθ）
は、各々、第１及び第２の型のルジャンドル（Legendr
e）の多項式である。B_z／B_oの値１に対する不均一性を
示す差は、係数H_n、I_n ^m及びJ_n ^mによって与えられる。関
心領域の中心からの距離ｒでの磁界B_zは、これらの係数
がｎの高い値まで０であると均一である。その時、ｎ以
下の位の一連の項が全て０であると、磁界は、ｎ位まで
均一である。ｎは、均一性の位を示す。

示した構造は、第14位まで均一な構造である。この構
造は、有効容積内で1ppmより大きい均一性を示し、その
高さは、高さ10の半分より大きい。1ppm以上の均一性を
有することは、開口部６の有効領域の全ての場所で、磁
界値が相対的に、0.2テスラの値から百万分の１も離れ
ていないことを意味する。

生じた磁界B_oは、横断方向の配向を有する。その磁界
は、軸線15と同一軸線上にある。図示した方法では、リ
ング３、４及び５の磁化は、また、横断方向である。対
称的に、リング２内の磁化は半径方向である。リング1
2、13及び14では同様に、磁化は横断方向である。さら
に、その磁化は、対応するリング３、４及び５の磁化と
各々と同一方向に配向されている。しかしながら、リン
グ８では、磁化は半径方向であるが、求心方向であり、
リング２は半径方向であり、遠心方向である。従って、
第1A図、第1B図及び第４図の構造は、複合磁化の構造で
ある。

複合磁化のこれらの構造は、参照番号17及び18等の磁
力線の閉じが可能な限り近傍で実施されるという点で重
要であ。特に第４図の構造の外側に生じた磁界は、そこ
から離れると急速に減少する。言い換えれば、過度に大
きい漏れ磁界の存在によって心臓刺激装置の支持部材を
その刺激装置のスイッチが切れることを心配せずに、こ
の磁石に接近させることが可能である。このように示し
た複合構造は、本発明による好ましい方法である。従っ
て、磁石から3mの距離で、受ける磁界を２ガウスの範囲
内にするように、すなわち、地球の磁界のほぼ４倍の磁
界であるように計算することが可能である。

第２図及び第３図は、各々、対応する断面図である第
５図及び第６図と共に、本発明による磁石の構造の別の
実施例を各々示している。第２図の構造では、図示した
磁石は、また、４つのリングを有するが、特に、軸線15
が通過する位置で孔を完全に塞ぐ中心リングを有すると
いう利点がある。第３図の構造は、それとは異なり、３
つのリングだけを有する構造であり、その中心リング16
自体も中空である。

下記に説明するように、上記の表記に応じて、この構
造が３つのリングだけを有するという事実の結果は、そ
れがあまり均一ではない磁界を生成するということであ
る。しかしながら、磁性材料の量に関しては、少なくて
よい。第２図の構造は、全ての磁性ブロックが従来技術
の板磁石で公知である方法で横断方向の磁化を有する構
造である。しかしながら、従来技術で公知のこととは反
対に、磁界B_oの均一性は、各リングの特定のサイズによ
る空間９内で得られる。極部品及び軟鉄性でる磁界を閉
じる部品にの均一な磁化によって、均一性は生じない。
第３図の構造では、配向は半径方向であり、図示した部
分では遠心方向である。図示していない相補的な部分で
は、求心性である。ここでは、また、均一性は異なるサ
イズのブロックによって得られる。

第３図は、また、非磁性材料製のベルト17を示し、従
って、生成した磁界の均一性を変形しない。軽合金、木
材、好ましくはガラス繊維で強化したプラスチックまた
はコンクリートを使用して、リング19のブロック18等の
全てのブロックを固定する。半径方向の磁化は、また、
ブロック18内に示されている。ベルト17は、さらに、参
照番号20及び21等の楕円形の孔を備える。これらの孔に
よって、参照番号22等のねじ溝を形成した頭部と支持部
品23を共に装着することができる。磁石の有効領域９が
水平に示されている位置では、リングは床面にほぼ平行
である。磁石の下方のリングに関する部品23は、床面に
固定されている。上方の相補的なリング用の相補的な部
分は、この構造が設置されている室の天井に固定され
る。孔20及び21の形が楕円形なので、参照番号19等のリ
ングをそ平面内で、どの方向でもよいとうわけではない
が、僅かに並進または回転移動させることができ、これ
らのリングの動きにいくらかの自由を与え、そによっ
て、必要ならば、均一性を良好に調節することができ
る。また、ねじ溝を形成した頭部22は、その下部にねじ
溝ナットを備え、そのナット上にベルトが位置する。こ
れらのテットは、リングの平行性を調節するために使用
される。

外側リングに対して、ベルト17は、さらに容易に計算
できる大きな磁力に耐えるサイズでなければならない。
その大きいリングの内側の小さい同心リングに関して
は、磁力はより小さい。これらの内側リングの保持のた
めには、個々にリングを製造するよりむしろ、毎回、鋳
型の内部で、これらの全てのリング、例えば、12〜14と
３〜５を各々、例えば、重合可能な樹脂で形成されてい
るコーティング材料中に埋めることができる。これらの
組は、また、独立した調節可能な装置によって保持でき
る。リング間の空間によって、容易に算定アクセスする
ことができる。

下記の第１表は、所定の位の均一性２p_oに必要なリン
グの数、２（p_o＋１）に等しい第１の非零項の位、及び
規則的な多角形である各リング内での、このリングが備
え、従って、所望の均一性が得られる多角形の辺の最小
限の数を示す。

第１番目の欄は、均一性の大きさを占めている。第２
番目の欄は、この均一性に達するのに必要なリングの最
小限の数を示している。第４番目の欄は、この均一性に
達するための多角形リングの辺の最小限の数を示す。ブ
ロック内の残留磁化は、同じであることがある。ブロッ
クのサイズは、上記の解析的表記の応用例として、以下
に示す。

第１図に対応する１実施例では、このようにして、
「プレート」の各リングの高さ24、厚さ25及び内径26を
決定することができる。半分の開口部に関するこれらの
サイズ（従って、高さ10は２に等しい）は、下記の第２
表に示した：、磁化27の強さは、全ブロックで同じである。これらの
結果は、前記の特許出願の記載から演繹される。評価
は、理論的に円筒形リングの計算から実施され、これら
のリングは互いに密着した１続きのブロックの多角形の
形態で製造されているので、この近似値は、それ自体、
必ず不均一性の原因となっていることが分かっている。
しかしながら、円筒形のリングを模倣するために選択さ
れたブロックの数が十分ならば、その時、実際の平面上
で理論的に予想される結果が実際に得られる。この均一
性の大きさは、ブロックの数が上記のようにリングの数
に相関しているのと同様に、リング数に相関している。

しかしながら、リングのブロックの高さ、厚さ及び内
径を作用させることにより、上記の解析的な説明を適用
することによって、必要な品質を備える磁石を得ること
ができる。上記の磁石は、最適な磁石、すなわち、毎
回、その可能性の最大限の飽和まで磁化される磁性材料
を使用する磁石である。上記の実施例では、ブロック
は、台形である。その小さい辺は、リングの中心に向い
ており、その大きい辺は、リングの外側を向いている。
しかしながら、台形ブロックを、製造がより容易な長方
形平行六面体のブロックに置き換えることができる。し
かし同じ全体のサイズで得られる磁界はより弱い。

リングでは、相補的なブロックは、もちろん、相補的
な磁化を有する。実際、設計及び製造を単純化するため
に、リングは、２つの組の各々が、同じ種類の材料で形
成されており、各リングは、同じ形状の磁性ブロックを
備える。しかしながら、異なる形状のブロックを備え、
異なる磁化の場合でも、同様の結果を得ることができ
る。

所定の磁化を有するブロックの製造は、様々な方法で
実施される。例えば、これらのブロックのようなブロッ
クを飽和するまで磁化して、その磁化曲線のヒステリシ
スサイクルを、この残留磁化が飽和から由来する直線と
は異なる逆方向の直線を辿るように辿ることによって、
それらの残留磁化を減少させることができる。好ましく
は、フランス国特許第2,574,980号に記載のような複合
材料製のブロックを製造する。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】空間領域に強い均一の磁界を生じさせる磁
化ブロックのリング（２〜５）の組（６、７）を備える
核磁気共鳴映像装置用の永久磁石であって、これらのリ
ングは２つの組（６、７）の相補的なリングに分割さ
れ、１つの組のリングは全てほとんど同心（15）であ
り、１つの組の各リング（８）は、空間領域の高さ（1
0）だけ、もう１つの対向する組のその相補的なリング
（２）から隔てられており、この高さは相補的なリング
の全ての組についてほぼ同じ（11）であることを特徴と
する磁石。
【請求項２】リングのブロックによって生じた磁界は、
このリングに対して相補的なリングの直接対向するブロ
ックによって生じた磁界の方向に平行であることを特徴
とする請求項１に記載の磁石。
【請求項３】上記リングの各組の直径が大きいリング
は、磁化方向がこのリングに対して半径方向（27）であ
るブロックを備えることを特徴とする請求項１または２
に記載の磁石。
【請求項４】上記リングの各組の内側のリングは、磁化
方向がこれらのリングの面に対して横断方向であるブロ
ックを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか
１項に記載の磁石。
【請求項５】上記リングの各組の内側のリングは、各
々、中心孔を備えることを特徴とする請求項１〜４のい
ずれか１項に記載の磁石。
【請求項６】２p_o次の均一の磁界を生じさせる、すなわ
ち、その解析学的表示が２p_o以下の項を備えない磁界を
生じさせる磁石であって、リングは、各々、少なくとも
２（p_o＋１）個のブロックを備えるブロックの組によっ
て形成された規則的な多角形構造を有することを特徴と
する請求項１〜５のいずれか１項に記載の磁石。
【請求項７】上記リングは、複数のブロックを備え、該
リング内のブロック数は組内のリング数のほぼ４倍に等
しいかそれ以上であることを特徴とする請求項１〜５の
いずれ１項に記載の磁石。