JP4142010B2 - 磁石組立体 - Google Patents

Description

本発明は、ＮＭＲ（核磁気共鳴）法が物体に施されることを可能にするのに用いるための磁石組立体に関する。

従来型ＮＭＲは、動作（又は均質）領域において実質的に均一磁場の発生を必要とする。ＮＭＲプロセスに付されることになる物体は均質領域に位置し、物体から通常の方法で発せられるＮＭＲ信号を生起するＲＦパルスに曝され、次に、ＮＭＲ信号が検出される。傾斜磁場を用いて、ＮＭＲ信号が得られる領域内の位置にＮＭＲ信号の周波数及び位相をマッピングすることができる。
ＮＭＲプロセスは、磁気共鳴映像法（ＭＲＩ）において特定用途、具体的には、全身画像化を見出したが、分光学を含む多種多様な他の用途においてもまた、用いられる。

従来型ＮＭＲシステムの問題の１つは、均質領域がそれ自体磁石組立体内に完全に位置しており、そのため従来型人体ＭＲＩについては、患者がその組立体内に位置しなければならないことである。均質領域が磁石組立体の外側に突出されるオープンアクセスの組立体についての様々な提案が、なされてきた。これらの新規な磁石組立体にともなう問題は、ＭＲＩの分野において、ユーザが自分たちの既存装置をどちらかというと未だ試験されていない新装置に置換するのに極めて慎重であるということである。

本発明によると、それぞれの磁場を発生させるための第１組及び第２組のコイルを含む磁石組立体であって、そのコイルが、動作条件の下で、第１均質領域を磁石組立体によって定められるエンベロープ内に発生させ、第２均質領域をエンベロープの外側に発生させることができるように構成され、かつ配置され、領域の各々に結果として生じる磁場が、その領域においてＮＭＲプロセスが物体に施されることを可能にするのに十分に均質である磁石組立体が、提供される。

本発明によって、ＮＭＲプロセスのために用いられる磁石組立体がフリンジ磁場を発生させ、これまで試みられているようにフリンジ磁場を減少させようとする代わりに、これを利用して第２均質領域を生成できることが、確認された。磁石組立体の多くは、フリンジ磁場を減少させるために積極的にシールドされるが、これらを用いても、少なくとも軸方向のフリンジ磁場を利用して、外部均質領域を発生させることが依然として可能である。このことの利点は、組立体内の従来型の第１均質領域を継続して発生させるが、オープンアクセスの第２均質領域を発生させるという付帯的利点を有することでよく知られている構造を、ユーザが供与されることである。

場合によっては、第２組のコイルが装備（又は作動）されないと、第１均質領域がその形状と同じになるという利点を有する２つの均質領域を代替的に発生させることができる。或いは、第２組のコイルが動作（又は存在）しないときのその大きさに比較して、第１均質領域の大きさにわずかな減少はあるが、組立体の動作を簡略化するものである２つの均質領域を同時に発生させることもできる。

第１組のコイルは従来型形状を取ることができ、典型的にはソレノイドを定め、積極的にシールド型にすることができる。
第２組のコイルは典型的には入れ子状にされ、実質的に同一平面にしてそれらのエンベロープの体積を減少させることが好ましい。一般に、第２組の少なくとも２つのコイルは、第２均質領域を発生させるために動作電流を反対向きに運ぶ。

典型的には、第２組のコイルは少なくとも２対のコイルを備えており、好ましい配置において、第１均質領域においては、対のコイルの各々が実質的にゼロの一次傾斜磁場と反対向きの実質的に等しい二次傾斜磁場とを発生させる。
ある特定の状況では、各対からのコイルの１つが、合計で３つのコイルが必要とされる結果に併合されることを可能にすることができる。

上記で別個のコイルについて言及してきたが、コイルの各組を直列に接続することができることもまた、認識されるべきである。
コイル自体は典型的には超伝導であり、少なくとも第２組のコイルは高温超伝導体で製造されることが好ましい。或いは、組のコイルは両方とも、従来の低温超伝導体で製造され、次に、それぞれのクライオスタット内、又は好ましくは同じクライオスタット内に収容することができる。

磁石組立体を２組のコイルを有するものと定めることによって、内蔵型ユニットとして第２組のコイルを形成することが可能になるため、それらを、第１組のコイルの動作的完全性を損なうことなく第１の組のコイルから分離することができる。このように、第２組のコイルは従来型磁気共鳴磁石組立体に「ボルトオン」を提供する。ちなみに、これは、第１組のコイルを内蔵するクライオスタットを取り除かなければならないこともなく、第２組のコイルは第１組のコイルから引き離すことができることを意味する。
しかしながら、実際には、第１組及び第２組のコイルを一緒に組み立てることは、通常、特にそれらが同じクライオスタット内に収容されていると、さらに効率的である。

典型的には、均質領域は実質的に球形になるが、第２均質領域が実質的にディスク形状であり、軸方向に傾斜磁場を有するように、第２組のコイルを組み立てることもまた可能である。このことは、突出した傾斜コイルによるオープンアクセスを損なうことなく、スライス選択がより簡単に達成されることを可能にする。
磁石組立体内の力を均衡させるために、第２コイルの追加の組が、第２コイルの１つの組に対して第１組のコイルの反対側に隣接して位置することが好ましい。
ここで、添付図面を参照して本発明による磁石組立体の実施例の幾つかを説明する。

図１は、本発明による磁石組立体の一般構造を示す。このように、典型的にはソレノイドの主磁石１は、磁石１と同軸上にある入れ子状の補助コイル２の組に隣接して位置する。以下で説明されるように、磁石１及びコイル２は、その磁石１内の中心にある第１均質領域３と組立体全体のエンベロープの外部に位置する第２均質領域４とを（必ずしも同時ではないが）発生させるための様々な方法で、作動することができる。

主磁石１及び補助コイル２は超伝導材料で製造される。両方ともに低温超伝導体で製造することができ、かつ、同じか又はそれぞれの（明確にするために、図１に示さない）クライオスタット内に位置することができる。代わりに補助コイル２を高温超伝導体で製造することができ、さらに主磁石１と同じか又は異なるクライオスタット内に位置することができる。主磁石１及び補助コイル２は、継続して動作することを許容することができる主磁石１の完全性を損なうことなく、２つとも内蔵型にするように分離可能にすることができる。しかしながら、主磁石１と補助コイル２とは、普通一緒に位置する。

１ 非均質磁石の中心磁場領域３
従来型ＭＲＩ磁石の２つの実施例によって、１組の補助コイルを用いたことが調査された。
１．非シールド型の１．５Ｔ磁石（軸長１．７５ｍ）
２．自己シールド型の短い１．０Ｔ磁石（軸長０．９７５ｍ）
補助巻線２は、厚さ１００ｍｍの空間を占め、磁石巻線の終端から７５ｍｍの間隔をあけるように想定される。動作すなわち均質体積４は補助巻線２から２５０ｍｍのところにあるように想定される。
両方の場合において、補助コイルは、それが動作体積における一次及び二次の軸方向傾斜を取り消したことが分かり、フリンジ磁場の側面に平坦領域を産生していた。より高次の傾斜を取り消すための追加のコイルは可能なことであり、磁場の強度及び力についての判定に大きく影響することはない。
非シールド型の１．５磁石
軸方向磁場のプロファイル及び磁場輪郭のマップが図２及び図３に示される。図２において、第２均質領域４の中心が５で示される。Ｚ＝０は磁石１の軸中心に相当する。図３において、線６から線８は、２．０Ｅ‐０４テスラ、１．０Ｅ‐０４テスラ、２．０Ｅ‐０５テスラにおける輪郭を、それぞれ示す。
領域４における磁場の強度は０．２テスラ（磁石の中心磁場の１３％）であり、補助コイル２と磁石１との間の軸方向の力は８１．７５メートルトンである。補助コイル２は、４４４ｍｍの平均半径で６１８６００のアンペア回数を有する。
自己シールド型の短い１．０Ｔ磁石
図４及び５は、図２及び３に相当するグラフを示す。領域４の磁場の強度は０．１テスラ（磁石の中心磁場の１０％）であり、補助コイル２と磁石１との間の軸方向の力は１４１．７４メートルトンである。補助コイル２は、５１５ｍｍの平均半径で６１３７６０のアンペア回数を有する。図５において、線９から線１１は、１．０Ｅ‐０４テスラ、５．０Ｅ‐０５テスラ、１．０Ｅ‐０５テスラにおける輪郭を、それぞれ示す。

２ 均質磁石の中心磁場領域３
上で示したことは、従来型ＭＲＩ磁石１の終端を越える「外部磁場」領域４を産生することが可能であることである。外部均質領域４を産生するが単一コイル２を用いた実施例は、磁石の中心３における磁場の均一性を破壊した。このことは、同時に２つの領域３、４を用いることができなかったことを意味する。補助的組２を主磁石１に結合するので、補助的組２の通電には、その電源上に主磁石１もまた置かれることが必要とされる。
さらなる改良は同時に利用可能な領域３、４の両方を有することであり、それにより、組み合わせられたシステムは一度通電することだけで間に合うことになる。
このことは、
１．外部均質領域４を産生するために磁石１の終端における傾斜を取り消し、一方、
２．ＭＲＩシステムに提供される際に、磁石の中心に標準シムの組が補正することができない非均質性を産生しない、
そうした補助コイル２のシステムを見出すことによって、達成することができる。

実施例として、先に記載した非シールド型の１．５テスラ磁石を用いる。目標は、本質的に同一平面上にあり、磁石の中心から１メートルに位置付けられており、領域３の中心においてか又は磁石の中心から約１．３メートルにある外部磁場体積４において、一切の一次又は二次の傾斜を有しない磁場を産生する補助コイル２の組を見出すことである。より高次の傾斜は、シムコイルによって処理しやすいほどに十分に小型であるべきである。配置は、ｂ₁＝１．０ｍ及びｂ₂＝０．３ｍで、図１に表される。
したがって、ｂ１における一次又は二次の傾斜（Ｂ１、Ｂ２）を一切産生しないが、ｂ₂における一次傾斜に対する二次傾斜の固有比率（Ｂ２／Ｂ１）を産生するシステムが、求められる。この実施例において、比率は、ｂ₂＝０．３ｍで約−１．８５７７であり、そのマイナスの最高値はｂ₂＝１．６５ｍで約−２．４１である。図６を参照されたい。
これを達成するためには、補助コイルシステム２は４個のコイルから成る。これらは２つの対にグループ分される。対の各々は、ｂ₁でゼロの一次傾斜（Ｂ１）を産生し、対によって産生される二次傾斜（Ｂ２）は等しくかつ反対向きである。次に、ｂ₂におけるＢ₂／Ｂ₁の補正比率と、ここで磁石傾斜を取り消すように調整される強度とを産生すべく、寸法が選択される。

（相対的に）簡単に算出させるために、コイルは、半径ａ₁、ａ₂、ａ₃、ａ₄、と相対強度ｎ₁、ｎ₂、ｎ₃、ｎ₄とによって特徴づけられる単一巻数として表される。単一巻数コイルは、その効果的中心が単一巻数コイルによって占められる位置にある分散型電流密度のコイルに置換することができる。
コイル１及びコイル２は一方の対の部材であり、コイル３及びコイル４は他方の対の部材である。また、比率ａ₁＝ａ₂／ａ₁とａ₂＝ａ₄／ａ₃とを用いる。
単一巻数について、Ａ／ｍ^order+1のユニットにおける傾斜が方程式１から４によって与えられる。
次に、方程式５が満足される場合には、一対のコイルが軸線上の位置ｂにおける一次傾斜を一切産生しない。
その対の二次傾斜全体が方程式６によって与えられる。
図７において、これらのｂ＝１ｍについてのα及びａに対する関数がグラフ化して示される。

αの異なる値を備える２対のコイルを選択し、二次傾斜が取り消すようにそれらの相対強度を選択することが可能であることを、ここで理解することができる。これが可能である対については無数の対があり、そのため、なされる必要があることの全ては、ｂ₂におけるＢ₂／Ｂ₁の補正比率も有するいくつかの対を見出すことである。磁石中心においてゼロＢ₁及びゼロＢ₂の条件は、ｍが第１対に比例する第２対の強度である場合の方程式７によって与えられる。
図８から図１２は、ａ₁とα₁及びα₂との様々な値について、この条件を満足するシステムについてのａ₂に対するｂ₂のＢ₂／Ｂ₁をグラフ化したものである。
ａ₁及びａ₂のより小さい値についてのこの領域における曲線の急勾配は、ａの高精度が要求されていることを意味するが、これらの曲線の大部分に所要値−１．８５７７が存在していることを認識することができる。

この方法を用いて実施例の幾つかが算出された。表１は、コイル１からコイル４についての半径（ａ）及び相対強度（ｎ）と、（初期中心磁場が１．５テスラであった）２つの均質領域３、４における磁場の強度とを示す。最後列の２つは均質体積の半径を示しており、三次傾斜が、領域内の物体にＮＭＲプロセスが施されることを可能にするほどに十分に均質である１００ｐｐｍすなわち体積をもたらす半径である。

図１３は表の実施例２の配置を示す。図１４から図１７は、１、３、５、６のそれぞれで参照されたシステムについての軸方向のプロファイルを示す。
上記分析によって、磁場均質性の近似球形体積を産生するシステムが詳述された。外部磁場領域４については、固定された一次Ｚ傾斜を有し、スライス選択において用いられることが有利になり得る。このことは、均質領域へのアクセスに突出するＺ傾斜コイルを用いることを回避する。このことにおいて、三次傾斜によって求められたディスク半径を備える均質体積は、ディスク形状である。
計算は以下のように進行する。
ｂ₂における所要のＺ傾斜がＧ_zであると、コイルのシステムは、次に、Ｂ₂／（Ｂ₁‐Ｇ_z）の一次傾斜に対する二次傾斜の比率を有するように選択される。次に、強度がＧ_zの所要値を与えるように選択される。実施例が表２に設定される。

図１８及び１９は、このシステムについての軸方向磁場のプロファイルであり、このシステムと非傾斜システムとの間の差を示すものである。
図２０は、磁石１及び補助コイル２が位置する回路を表す。図２０Ａに見ることができるように、各々がそれ自体の電源２０、２１をそれぞれに有する。磁石１の場合に、これはスイッチ２２と並列に接続される。通電中に、２つの電源２０、２１はスイッチがオンに入り、一方、スイッチ２２は開状態になる。次に、スイッチ２２が閉状態になり、磁石１が持続モードで継続して動作し、一方、電力は電源２１からコイル２に継続して供給される（図２０Ｂ）。

実際には、補助コイル２に通電することは、
‐主磁石１をその電源上に戻すのか、又は、
‐磁石に結合する正味の数量がゼロとなるように磁石の他方の終端に第２補助コイルを持たせるのか（しかしながら、これは力の問題を倍にすることになり、以下を参照されたい）、又は、
‐主磁石１と補助コイル２とを共に用いることができるようにし、それにより、両方とも永続的に通電されたままにすることができるようなシステムを設計し、かつ組み立てるのか、その何れかが要求されることになる。

補助コイル２と主磁石１との間の力が実質的なものであることに注目すべきである。両方の終端における補助コイルの対称配置によって、磁石のクライオスタットに働く力を除去することができる。

磁石組立体の実施例の略断面図である。 非シールド型ベースの実施例のそれぞれの軸方向磁場のプロファイル及び磁場輪郭を示す。 非シールド型ベースの実施例のそれぞれの軸方向磁場のプロファイル及び磁場輪郭を示す。 図２及び３のそれぞれに類似するが、自己シールド型の実施例である。 図２及び３のそれぞれに類似するが、自己シールド型の実施例である。 二重の均質領域システムについてのＢ１及びＢ２の変化を表す。 Ｒ及びＳのグラフである。 ａ₁とα₁及びα₂との様々な値について、この条件を満足するシステムのためのａ₂に対するｂ₂におけるＢ₂／Ｂ₁をグラフ化したものである。 ａ₁とα₁及びα₂との様々な値について、この条件を満足するシステムのためのａ₂に対するｂ₂におけるＢ₂／Ｂ₁をグラフ化したものである。 ａ₁とα₁及びα₂との様々な値について、この条件を満足するシステムのためのａ₂に対するｂ₂におけるＢ₂／Ｂ₁をグラフ化したものである。 ａ₁とα₁及びα₂との様々な値について、この条件を満足するシステムのためのａ₂に対するｂ₂におけるＢ₂／Ｂ₁をグラフ化したものである。 ａ₁とα₁及びα₂との様々な値について、この条件を満足するシステムのためのａ₂に対するｂ₂におけるＢ₂／Ｂ₁をグラフ化したものである。 図１に類似するが、上の表１に示されたシステムの１つについての断面図である。 １、３、５、６のそれぞれで参照されたシステムについての軸方向のプロファイルを示す。 １、３、５、６のそれぞれで参照されたシステムについての軸方向のプロファイルを示す。 １、３、５、６のそれぞれで参照されたシステムについての軸方向のプロファイルを示す。 １、３、５、６のそれぞれで参照されたシステムについての軸方向のプロファイルを示す。 このシステムについての軸方向磁場のプロファイル、及びこのシステムと非傾斜システムとの間の差を示す。 このシステムについての軸方向磁場のプロファイル、及びこのシステムと非傾斜システムとの間の差を示す。 それぞれに通電中又は通電後の主磁石と補助コイルとを含む回路を示す。 それぞれに通電中又は通電後の主磁石と補助コイルとを含む回路を示す。

Claims (21)

1. それぞれの磁場を発生させるための第１組及び第２組のコイルを含む磁石組立体であって、前記コイルが、動作条件の下で、前記磁石組立体によって定められるエンベロープ内に第１均質領域を発生させ、前記エンベロープの外側に第２均質領域を発生させることができるように構成及び配置され、前記領域の各々に結果として生じる磁場が、前記領域においてＮＭＲプロセスが物体に施されることを可能にするのに十分に均質であることを特徴とする組立体。
2. 前記コイルが、前記第１及び前記第２の均質領域を同時に発生させるように動作可能であることを特徴とする請求項１に記載の組立体。
3. 前記第１組のコイルがソレノイドを定めることを特徴とする請求項１及び２に記載の組立体。
4. 前記第１組のコイルが積極的にシールドされることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の組立体。
5. 前記第２組のコイルが入れ子状にされていることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の組立体。
6. 前記入れ子状にされているコイルが実質的に同一平面状にあることを特徴とする請求項５に記載の組立体。
7. 前記第２組の少なくとも２つのコイルが動作電流を反対向きに運ぶように配置されていることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の組立体。
8. 前記第２組のコイルが少なくとも２対のコイルを含むことを特徴とする請求項５から請求項７のいずれかに記載の組立体。
9. 請求項２に従属するときに、前記第１均質領域において、前記対のコイルの各々が、実質的にゼロの一次傾斜磁場と反対向きの実質的に等しい二次傾斜磁場とを発生させることを特徴とする請求項８に記載の組立体。
10. 前記第１組のコイルが超伝導であることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の組立体。
11. 前記第２組のコイルが超伝導であることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の組立体。
12. 前記第２組のコイルが高温超伝導体で製造されることを特徴とする請求項１１に記載の組立体。
13. 前記第２組のコイルがクライオスタット内に位置することを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載の組立体。
14. 請求項１０に従属するときに、前記第１組及び前記第２組のコイルが同じクライオスタット内に位置することを特徴とする請求項１３に記載の組立体。
15. 前記第１組のコイルの動作的完全性を損なうことなく前記第２組のコイルを前記第１組のコイルから分離することができるように、前記第２組のコイルが内蔵型であることを特徴する請求項１から請求項１３のいずれかに記載の組立体。
16. 前記第２均質領域が実質的に球形であることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の組立体。
17. 前記第２均質領域が実質的にディスク形状であり、軸方向に傾斜磁場を有することを特徴とする請求項１から請求項１５のいずれかに記載の組立体。
18. 前記第１均質領域が前記第１組のコイル内に位置することを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の組立体。
19. 前記均質領域の各々の磁場の強度が１００ｐｐｍを越えない程度にまで変化することを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の組立体。
20. 前記コイルに継続的に通電するために前記コイルに結合された電源をさらに含む前記請求項のいずれかに記載の組立体。
21. 第２コイルの追加の組をさらに含み、該追加の組が前記第２コイルの１つの組に対して前記第１組のコイルの反対側に隣接して位置することを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の組立体。

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