JP4338166B2

JP4338166B2 - Ｍｒｉ用磁場発生装置

Info

Publication number: JP4338166B2
Application number: JP2001071135A
Authority: JP
Inventors: 大樋口
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2001-03-13
Filing date: 2001-03-13
Publication date: 2009-10-07
Anticipated expiration: 2021-03-13
Also published as: JP2002272699A

Description

【０００１】
【発明の属する分野】
磁気共鳴断層撮影装置（ＭＲＩ）は、磁気共鳴現象を利用した断層撮影装置であり、医療診断などに盛んに使用されている。従来、ＭＲＩの磁場発生用として、常伝導電磁石、超伝導電磁石等が使用されているが、最近の高特性希土類永久磁石の開発により、希土類永久磁石（以下単に永久磁石という）をＭＲＩの磁場発生用として使用することが、例えば0.5Ｔ以下の低磁場の機種では主流となってきた。
【０００２】
【従来の技術】
図７及び図８を参照して従来のＭＲＩ用磁場発生装置及びこの装置に使用する磁極片などを説明する。
【０００３】
図７はＭＲＩ用磁場発生装置の側面図である。図７において、板状継鉄１０及び１２を２本の柱状継鉄１４（図面では１本しか示されていない）で支持している。この一対の板状継鉄１０及び１２には、Nd-Fe-B系、Sm-Co系、Sm-N-Fe系から選ばれる略円盤状の永久磁石１６及び１８を対向させて設け、更に、これらの永久磁石１６及び１８の対向面には夫々ベース（基部）が円形の磁極片２０及び２２を取り付ける（ベースを夫々２０ａ及び２２ａで示す）。
【０００４】
永久磁石１６及び１８は夫々厚み方向で且つ同方向に磁化され、一方、磁極片２０及び２２の周辺部（即ちベースの周辺部）には夫々周辺突起部２０ｂ及び２２ｂが設けられている。周辺突起部２０ｂ及び２２ｂの夫々は、磁極片２０及び２２の間の空間の略々中央部に形成される磁場の強度を均一にするためのものであり、突起部の高さは一定である。ベース２０ａ，２２ａ及び周辺突起部２０ｂ，２２ｂの夫々は、例えば、低炭素鋼或いは継鉄などの軟鉄材の上にソフト磁性材料を積層したものである。
【０００５】
図８（ａ）を参照して、図７に示した下側の板状継鉄１０上に設けられた永久磁石１６及び磁極片２０を説明する。ＭＲＩ用磁場発生装置に使用する永久磁石の直径は、例えば、約１ｍ程度の略円盤状である。しかし、このような大きな直径の永久磁石を単一の磁石として製造するのは現状では不可能なため、図８（ａ）に示すように、複数の磁石ブロック２４を組み合わせて略円盤状の永久磁石１６としている。
【０００６】
磁石ブロック２４の夫々は、磁性粉末を１辺が４〜１０ｃｍ程度の略立方体状に加圧成型した後に焼結して着磁したものである。複数の磁石ブロック２４を組み合わせた永久磁石１６の上には、ベース２０ａが円形である磁極片２０が固着されている。
【０００７】
図８（ａ）は、上述したように、ＭＲＩ用磁場発生装置の下側に設けられる永久磁石１６及び磁極片２０を示しているが、上側の永久磁石１８及び磁極片２２も同様に構成される。
【０００８】
後述する本発明に係る実施の形態との比較のために、永久磁石１６を、例えば、図８（ｂ）に示すように、複数の磁石ブロックを直径が約１ｍの円内に収まるように構成したものと想定し、磁極片２０のベース２０ａの直径を約６５ｃｍと仮定し、更に、磁石ブロック２４の１辺が6.5ｃｍの立方体と仮定すると、磁石ブロック２４の総数は148個（=（14×14）-(12×4)）となる。１辺が6.5ｃｍの立方体の磁石ブロックの重量は、例えば約2.1ｋｇなので、上述の場合の永久磁石１６の総重量は約313ｋｇとなる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ＭＲＩ用磁場発生装置は、勿論その規模によるが、総重量が約10ｔにも達するので、可能な限り装置重量を減らすことが非常に重要である。更に、磁石ブロック２４は極めて強い磁力を有し、夫々の磁石ブロックと板状継鉄間の吸引力は例えば約0.5ｔにも達する。従って、このような磁石ブロックを板状継鉄１０（或いは１２）の表面に設置するためには大掛かりな組立装置を必要とすると共に長時間に亘る慎重な組立作業が要求される。従って、必要とされる磁石ブロックの数を減少させることができれば、装置重量の軽減と共に永久磁石の組立作業時間を短縮できるので非常に好ましいと言える。
【００１０】
従って、本発明の目的は、ＭＲＩ用磁場発生装置に組み込まれている磁極片の形状を工夫して磁石ブロックの使用数を減らすことにより、磁気特性を損なうことなく、永久磁石自体の重量軽減と共に磁石ブロック設置の作業時間を短縮できるＭＲＩ用磁場発生装置を提供することである。
【００１１】
更に、後述するように磁極片のベースの形状を非円形とした場合、磁場強度の均一性を損なわないために磁極片の周辺突起部の高さを異ならせる必要がある。従って、本発明の他の目的は、周辺突起部が低い部分をＭＲＩ用磁場発生装置に搬入される被験者側の搬入側（搬出側でもある）とすることによって被験者の搬入・搬出を従来例に比べて容易にすることである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、厚み方向に磁化された１対の永久磁石を対向させて配置し、該１対の永久磁石の対向する面の夫々に周辺突起部を有する磁極片を設け、該磁極片間の空隙に磁場を発生させるＭＲＩ用磁場発生装置において、前記磁極片のベースの形状を磁極片間空隙から見て非円形としたことを特徴とするＭＲＩ用磁場発生装置である。
【００１３】
更に、前記磁極片のベースは、該磁極片の中心部を要（かなめ）とする複数の扇状部から構成され、隣接する扇状部の周辺突起部の高さが異なることを特徴とし、更に又、本発明は、周辺突起部の高さが低い扇状部を被験者搬入側としたことを特徴としている。
【００１４】
更に、前記磁極片のベースは略楕円形であり、周辺突起部の高さが連続的に又は段階的に変化するようにしたことを特徴とし、更に又、周辺突起部の高さが低い部分を被験者搬入側としたことを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本願の発明者は、例えば図７に示したＭＲＩ用磁場発生装置で形成される磁場の均一性及び領域を損なうことなく、永久磁石を構成する磁石ブロックの使用数を減らすために、磁極片のベース（基部）の形状を種々検討した結果、本発明に到達したものである。
【００１６】
上述したように、本発明は例えば図７に示した従来のＭＲＩ磁場発生装置に適用される。図７は既に説明したので、本発明に直接関係しないＭＲＩ用磁場発生装置の構成部については説明を省略するか或いは簡単な説明に止める。
【００１７】
図１及び図２を参照して本発明の第1の実施の形態を説明する。図1は本実施の形態に係る磁極片（３０で示す）の上面図である。図１に示すように、磁極片３０は、その中心３１を要（かなめ）とする４個の扇状部３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄを有し、これらの扇状部の周辺部には突起部３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄが設けられている。扇状部３２ａと３２ｃは夫々同一形状であり、一方、扇状部３２ｂと３２ｄも夫々同一形状である。つまり、図１の場合には、２種類の扇状部（即ち、夫々曲率半径が異なる扇状部）が存在することになる。尚、本明細書では、説明の便宜上、扇状部とは周辺突起部の下部を含む部分を言い、従って、周辺突起部は扇状部の上部に設けられているとする。更に、複数の扇状部を合体したものを磁極片のベースと称する。
【００１８】
図１に示すＲa, Ｒb, Ｈa, Ｈbについて説明する。Ｒaは、磁極片３０の中心３１を通る中心軸（図面に垂直）から水平方向（図面上）に測った“扇状部３２aの外縁までの距離（扇状部３２ａの半径）”を示し、同様に、Ｒbは、磁極片３０の中心３１を通る中心軸（図面に垂直）から水平方向（図面上）に測った“扇状部３２bの外縁までの距離（扇状部３２ｂの半径）”を示す。更に、Ｈa及びＨbは、夫々、“扇状部３２aの周辺突起部３４aの高さ”及び“扇状部３２bの周辺突起部３４bの高さ”を示す。
【００１９】
第１の実施の形態では、対向する非円形の磁極片間の中央部に均一性の良好な磁場を発生させるため、上述のＲa, Ｒb, Ｈa, Ｈbを
Ｒb＝Ｒa×ｋ(Ｈa/Ｈb) （1）
を満足するように決める。ここで、ｋは係数（磁極片間の間隔、発生磁場の強度等に依存する正の実数）である。
【００２０】
図１に示した第１の実施の形態では、隣接する扇状部（例えば３２ａと３２ｂ）の周辺突起部の高さが異なるために境界部に段差が生ずる。しかし、Ｈb（周辺突起部３４bの高さ）に対するＨa（周辺突起部３４ａの高さ（但しＨa（＜Ｈb））の比（Ｈa／Ｈb）が約0.95以上の場合には磁場の均一性及び領域には実用上支障を来たすことはない。
【００２１】
更に、図１に示すように、異なる種類の扇状部（即ち隣接する扇状部）の外周境界部に、磁極片３０の径方向に突起３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄが存在する。しかし、この突起自体は、上述の比（Ｈa／Ｈb）が約0.95以上の場合には、ＭＲＩ用磁場発生装置に設けた1対の磁極片間の中央部に形成される磁場の均一性及び領域に悪影響を及ぼすことはない。
【００２２】
図２は、図１に示した磁極片３０を図８（ｂ）と同一の永久磁石の上に配置した状態を示す図である（従ってこの永久磁石を図８と同様に参照番号１６で示している）。第１の実施の形態によれば、磁極片３０の横方向（図面上）の長さを短くできるので、図２に示すように、図８（ｂ）の場合に比較して、斜線部分の磁石ブロック（合計８個）を省略することが可能である。更に、磁極片３０の縦方向（図面上）の周辺突起部の低い部分を被験者の搬入部（搬出部でもある）とすれば、ＭＲＩ用磁場発生装置への被験者の搬入・搬出に好都合である。
【００２３】
磁極片３０のベースの厚み、中心点３１を通る中心軸から周辺突起部（３４ａ〜３４ｄ）の外縁までの距離（Ｒa, Ｒb）は、形成される均一磁場の領域及び強度、ＭＲＩ磁場発生装置の規模及び機械的強度などの種々の要因を考慮して決められる。
【００２４】
第１の実施の形態で述べたように、ある扇状部の周辺突起部の高さ（Ｈb）に対する隣接する扇状部の周辺突起部の高さ（Ｈa（＜Ｈb））の比（即ちＨa／Ｈb）が約0.95以上であれば、隣接する周辺突起部の高さに段差があっても磁場の均一性は実用上問題がない。しかし、この周辺突起部の高さの比(Ｈa/Ｈb)が約0.95以下の場合には（即ち高さが約５％以上異なれば）、磁極片の周辺突起部の高さが局所的に大きく変化するために良好な磁場均一性を得ることが困難になる。
【００２５】
また、図２の３２aおよび３２cの中心角をθ₃（被験者の搬入部に関連する中心角）、３２bおよび３２ｄの中心角をθ₄（被験者の搬入部とは無関係の中心角）とした場合、例えば、θ₃を９０〜１２０°、θ₄を６０〜９０°の範囲に設定するのが好ましい。しかし、被験者の搬入搬出部の磁極片の高さを特に低くすることを目的としないのであれば、特に中心角を限定しなくても本実施の形態にかかる磁極片を実現することは可能である。
【００２６】
次に、第２の実施の形態を説明する。第２の実施の形態は、隣接する扇状部の周辺突起部の高さが大きく異なる場合（例えば約５％以上）に関するものであり、一対の磁極片間の中心部に発生する磁場の均一性を良好に維持するために、磁極片の周辺突起部の高さを連続的に（或いは段階的に）変化させると共に、図１で示した突起部３６ａ〜３６ｄが存在しないようにこの部分も連続的に変化させている。
【００２７】
第２の実施の形態を、図３及び図４を参照して説明する。本実施の形態に係る磁極片（４０で示す）は、上述したように、磁極片の周辺突起部の高さが異なる部分（及びその付近）を連続的に変化させると共に、図１で示した突起部３６ａ〜３６ｄが存在しないようにこの部分（及びその付近）も連続的に変化させている。従って、図３に示す磁極片４０のベースの形状は略楕円形となっている。図３の（ａ）及び（ｂ）は夫々磁極片４０の概略側面図である。図３において、中心角θ_１及びθ_２は夫々突起部の高さが一定の部分であり、この中心角は、発生する均一磁場強度、磁極片の大きさ、一対の磁極片間の距離などを考慮して決定される。このときθ_１を２０〜６０°、θ_２を５〜３０°の範囲に設定することが好ましいが、第1の実施の形態と同様、θ_１、θ_２の範囲を限定しなくても磁場強度等への影響はない。
【００２８】
図４は、図３に示した磁極片４０を図８（ｂ）と同一の永久磁石の上に配置した状態を示す図である（従ってこの永久磁石を図８の同様に参照番号１６で示している）。図４に示すように、図８（ｂ）の場合に比較して、斜線部分の磁石ブロック（合計２４個）をなくすことができる。更に、突起部の低い部分を被験者の搬入部（搬出部でもある）とすれば、ＭＲＩ用磁場発生装置への被験者の搬入・搬出に好都合である。
【００２９】
上述したように、図２及び図４の磁石ブロック２４は、一辺が6.5ｃｍの立方体としたが、永久磁石１６の周辺部を構成する磁石ブロックを直方体（例えば3.25×6.5×6.5ｃｍ）とすれば、磁場の均一性及び領域の調整を容易にすることができる。
【００３０】
図５は第１の実施の形態の一具体例を示す図である。この図を用いて、第１の実施の形態に係わる一具体例の永久磁石の重量と、図８に示した従来の円筒状の周辺突起部２０ｂを有する磁極片を用いた場合の永久磁石２０の重量とを比較した。
【００３１】
図５は図１に対応するので同一の参照番号（符号）を使用している。図５に示すように、扇状部３２ａ（及び３２ｃ）の曲率半径Ｒ１を５００ｍｍ、扇状部３２ｄ（及び３２ｂ）の曲率半径Ｒ２を４５０ｍｍ、扇状部３２ａ（及び３２ｃ）の周辺突起部３４ａ（及び３４ｃ）の高さＨ１を１２０ｍｍ、扇状部３２ｄ（及び３２ｂ）の周辺突起部３４ｄ（及び３４ｂ）の高さＨ２を１２８ｍｍ、θ_３＝θ_４＝４５°とした場合の永久磁石の重量と、半径５００ｍｍの円筒形の周辺突起を有する磁極片（図８の２０）であって周辺突起部の高さが１２８ｍｍの場合の永久磁石１６（図８）の重量とを比較した。比較に用いた永久磁石を構成する磁石ブロックの最大エネルギー積は４７MGOe（47M×100μT×79A/m）であった。比較の結果、従来の円筒形の周辺突起部を有する磁極片を用いた場合の永久磁石（図８の１６）の重量を１００とすると、図５に示す第１の実施の形態に係る永久磁石（図２の１６）は９５となり、永久磁石の重量を従来例に比べて５％軽くすることができた。特に、上述した最大エネルギー積を有する磁石ブロックは高価なので、磁石重量の軽減によって装置製造費を低く押さえることができるという顕著な効果を有する。
【００３２】
図６は第２の実施の形態の一具体例を示す図である。この図を用いて、第２の実施の形態に係わる一具体例の永久磁石の重量と、図８に示した従来の円筒状の周辺突起部２０ｂを有する磁極片を用いた場合の永久磁石２０の重量とを比較した。
【００３３】
図６は図３に対応する。図６に示すように、磁極片の長軸方向の曲率半径Ｒ１を５００ｍｍ、短軸方向の曲率半径Ｒ２を４５０ｍｍ、長軸方向の高さが一定の周辺突起部の高さＨ１を１２０ｍｍ、短軸方向の高さが一定の周辺突起部の高さＨ２を１２８ｍｍ、θ_１＝θ_２＝２２．５°とした場合の永久磁石（図４の１６）の重量と、半径５００ｍｍの円筒形の周辺突起を有する磁極片（図８の２０）であって周辺突起部の高さが１２８ｍｍの場合の永久磁石１６（図８）の重量とを比較した。比較に用いた永久磁石を構成する磁石ブロックの最大エネルギー積は４７MGOe（47M×100μT×79A/m）であった。比較の結果、従来の円筒形の周辺突起部を有する磁極片を用いた場合の永久磁石（図８の１６）の重量を１００とすると、図５に示す第１の実施の形態に係る永久磁石（図２の１６）は９３となり、永久磁石の重量を従来例に比べて７％軽くすることができた。この理由は、第２の実施の形態のように、磁極片の周辺突起部が連続して変化するようにすると、第１の実施の形態に比べて磁気効率が高まるためである。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、磁極片の形状を非円形とすることによって、従来例に比較して永久磁石の重量を軽減できると共に、磁極片の被験者搬入・搬出部の高さを低くすることによってＭＲＩ用磁場発生装置への被験者の搬入・搬出を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る磁極片の上面図。
【図２】図１に示した磁極片を永久磁石の上に設置した様子、及び、磁極片の被験者搬入・搬出部を示す図。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る磁極片の上面図。
【図４】図３に示した磁極片を永久磁石の上に設置した様子、及び、磁極片の被験者搬入・搬出部を示す図。
【図５】第１の実施の形態の具体例を示す図。
【図６】第２の実施の形態の具体例を示す図。
【図７】本発明が応用される従来のＭＲＩ用磁場発生装置の概略を示す側面図。
【図８】従来の磁極片を説明するための図。
【符号の説明】
１０,１２：板状継鉄
２０,２２：磁極片
２０ａ，２２ａ：磁極片のベース
２０ａ，２２ｂ：磁極片の周辺突起部
２４：磁石ブロック
３０：第１の実施の形態で使用する磁極片
３２ａ〜３２ｄ：扇状部
３４ａ〜３４ｄ：周辺突起部
３６ａ〜３６ｄ：磁極片の径方向の突起部
４０：第２の実施の形態で使用する磁極片

Claims

厚み方向に磁化された１対の永久磁石を対向させて配置し、該１対の永久磁石の対向する面の夫々に周辺突起部を有する磁極片を設け、該磁極片間の空隙に磁場を発生させるＭＲＩ用磁場発生装置において、前記磁極片のベースの形状を磁極片間空隙から見て非円形とし、前記磁極片のベースを該ベースの中心を要とする４個の扇状部から構成し、該扇状部の周辺突起部の高さを隣接する扇状部で異ならせ、周辺突起部の高さが低い扇状部を被験者が搬入・搬出される側としたことを特徴とするＭＲＩ用磁場発生装置。
前記磁極片のベースは略楕円形であり、周辺突起部の高さが連続的に又は段階的に変化するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のＭＲＩ用磁場発生装置。