JP4350850B2 - 積層磁極片用のシムを有する磁石 - Google Patents

Description

【０００１】
【技術分野】
この発明は、広義には磁石（マグネット）に関し、特に積層磁極片および磁石の磁界不均質性を低減するためのシムを有する磁石に関する。
【０００２】
【従来技術】
互いに向かい合う第１および第２磁極面を有する第１および第２磁極片が互いに離間した磁石、たとえば（これに限らないが）Ｃ形状の磁石が知られている。代表的には、磁極片は、積層部分を非積層鉄ベースに取り付けた構成である。積層部分は、交互に積層した磁性鉄層と非磁性エポキシ層とを含む。医療診断用磁気共鳴断層撮影（ＭＲＩ）のような磁石用途では、超電導磁石を用いて、両磁極片間に配置された作像空間に高強度の磁界を発生する。高品位の作像を実現するためには、作像空間の磁界不均質性が低くなければならない。作像空間における磁界不均質性を低減する方法としては、シム調節リングを各磁極面に取り付けて軸対称な磁界不均質性を低減し、またシム調節リングに取り付けたシムトレイにシムを接着剤で結合して、三次元（３Ｄ）磁界不均質性（非軸対称不均質性および残りのあらゆる軸対称不均質性を含む）を低減する方法が知られている。代表的には磁極片の積層部分を複数の同心シム調節リングとして形成し、中心円形リングを同心の環状リングで取り囲む。この場合、環状リングを、円周方向に配列された複数の環状セグメント（互いに電気絶縁された）から形成する。磁極面上のシムの数、質量および位置を、当業者に周知のシム調節法により算定する。シムをシムトレイに接着剤で結合する工程は、接着剤が固まるまで、磁界に抗してシムを手で所定位置に保持していなければならないので、時間がかかる。磁石を再シム調節するには、取り付けたシムの接着を解除し、取り外したシムと磁極面上の取り付け区域を清浄にする必要がある。
【０００３】
シムをもっと迅速にかつ簡単に着脱できる、磁極面用の磁石設計が必要とされている。
【０００４】
【発明の概要】
本発明の磁石は、磁気共鳴作像空間と、磁極片と、非磁性第１インサートと、第１シムとを備える。磁極片は、磁性材料層と非磁性材料層とを交互に積層した構成で、かつほぼ前記作像空間に面する磁極面を有する積層部分を含む。前記磁極片は、前記磁極面から離間しておりかつ前記作像空間とはほぼ反対向きに面する裏面も有する。前記磁極片はさらに、前記磁極面にて前記積層部分に配置された正面開口を規定する第１表面穴を有する。この第１表面穴が前記磁極片の積層部分中に延在する。前記非磁性第１インサートは、前記磁極片の積層部分にあけた第１表面穴内に配置され、前記磁極片に取り付けられ、さらに前記正面開口と連通した内ねじ穴を有する。前記第１シムは外ねじボルトの形状を有し、前記正面開口付近で前記第１インサートの穴にねじ係合可能である。１実施例では、第１シムは第１インサートの穴にねじ係合され、磁極片は追加の表面穴を含み、磁石は追加の表面穴の対応するものにそれぞれ配置された追加のインサートを含み、また磁石は、追加のインサートのいくつかだけの内対応するものの穴にそれぞれねじ係合された追加のシムを含む。
【０００５】
本発明には以下のような効果と利点がある。磁極片の積層部分の表面穴に配置された非磁性インサートの穴にねじ込むことにより、シムをすばやく磁極面に取り付けることができる。当業者に明らかなように、シムの長さをシム粗調節作用に合わせて選び、シムのねじ係合位置（各シムを穴中にどの程度深くねじ挿入するか、各シムの一部が穴の外にある距離突出するか否かを含む）をシム微調節作用にふさわしく選ぶことができる。非磁性インサートは、積層部分の２つの磁性層間に、装填したシムを介して電流路が形成されるのを防止する。電流路は望ましくないうず電流を生じ、うず電流は作像空間における磁界の不均質性を増加し、したがって画像の質を劣化する。対向する磁極片を有する磁石をシム調節するのに要する時間を約４０時間から約８時間に短縮できると予測される。
【０００６】
【好適な実施態様】
以下、図面を参照しながらこの発明の好適な実施態様について説明する。図面中同一の符号は同じ部材を示す。図１〜図３に、本発明の第１実施例による磁石（マグネット）１０を示す。図１は、本発明の１実施例による磁石を示す断面図であるが、図示の便宜上、積層部分が複数のシム調節リングを画定しておらず、片方の磁極片の表面穴１つだけ（シム装填状態）を示している。図２は、図１の２−２線方向に見た磁極面の平面図で、多数の表面穴、各表面穴に配置したインサートおよびインサートのいくつかだけにねじ係合されたシムを示す。図３は、図２の３−３線方向に見た拡大断面図で、積層部分が多数の層を有し、シム調節リングを画定するものとして図示されているが、図示の便宜上非磁性層のハッチングは省略してある。
【０００７】
図１に示すように、磁石１０は、内部に超電導コイル１４を収容し、磁極片１６を包囲する真空エンクロージャ１２を備え、また内部に第２超電導コイル２０を収容し、第２磁極片２２を包囲する第２真空エンクロージャ１８を備える。コイル支持部、追加の超電導コイル（主コイル、バッキングコイルおよび遮蔽コイルを含む）および１個または複数個の熱シールドは、図示の便宜上すべて図面から省略してあるが、当業者によく知られているように、これらを真空エンクロージャ１２および１８内に配置することができる。超電導コイルは低温液体（クライオジェン）、たとえば液体ヘリウムまたはクライオクーラのコールドヘッドにより冷却されるが、このような冷却は当業者に周知であるので図面には示していない。非磁性支持部材２４（たとえば非磁性ステンレス鋼支持部材）により、磁極片１６および真空エンクロージャ１２を第２磁極片２２および第２真空エンクロージャ１８と連結する。磁石１０は、磁界を有する磁気共鳴作像空間２６（図１に破線で表示）を含み、この磁界は主として超電導コイル１４および２０により発生され、主として磁極片１６および２２により増強される。作像空間２６は磁極片１６および２２間に位置する。
【０００８】
なお、図示しないが、磁石１０には追加の離間した支持部材を設けることもできる。また本発明の磁石は、磁極面を１つしかもたないテーブル型ＭＲＩ（磁気共鳴断層撮影）磁石設計（図示せず）とすることもできる。他の周知の磁石設計（図示せず）として、当業者に明らかなように、複数の追加の磁極片を有するものや、複数の支持部材により離間された２つの磁極片を有するものが挙げられる。さらに、本発明の磁石は、超電導磁石に限定されず、作像空間の磁界を主として抵抗コイルおよび／または永久磁石により発生することができる。
【０００９】
本発明の磁石は、磁気共鳴作像空間２６、磁極片１６、非磁性（非磁化性）第１インサート２８および第１シム３０を有する磁石１０である。磁極片１６は積層部分３２を有し、この積層部分３２は、磁性材料（たとえば鉄）の層３４と非磁性材料（たとえばエポキシ）の層３６とを交互に積層した構成で、ほぼ作像空間２６に面する磁極面３８を含む。磁極片１６は、磁極面３８から離間しておりかつ作像空間２６とはほぼ反対向きに面する裏面４０も有する。磁極片１６はさらに、磁極面３８にて積層部分３２に配置された正面開口４４付きの第１表面穴４２を有する。この第１表面穴４２は磁極片１６の積層部分３２中に延在（貫入）する。第１インサート２８は磁極片１６の積層部分３２にあけた第１表面穴４２に配置され、磁極片１６に取り付けられている。第１インサート２８には正面開口４４と連通した内ねじ穴４６が設けられている。第１シム３０は外ねじボルトの形状であり、したがって第１シム３０を、磁極片１６の表面穴４２の正面開口４４付近で、第１インサート２８の穴４６にねじ係合することができる。ここで「正面開口付近でねじ係合できる」とは、第１シム３０を、磁極片１６の正面開口側から穴４６にねじ挿入できることを意味する。
【００１０】
本発明の磁石１０の第１実施例のそのほかの細部を以下の段落で説明する。第１シム３０は、完全に第１インサート２８の穴４６内に配置することができる。当業者には明らかなように、第１シム３０の長さをシム粗調節作用にふさわしく選び、第１シム３０のねじ係合位置（第１シム３０を穴４６中にどの程度深くねじ挿入するか、第１シム３０の一部が穴４６の外にある距離突出するか否かを含む）をシム微調節作用にふさわしく選ぶことができる。
【００１１】
磁極片１６の第１表面穴４２は、磁極片１６の裏面４０に位置する裏面開口４８を有する。第１表面穴４２は、必須ではないが、代表的には、ほぼ円筒形状を有する。第１インサート２８の穴４６は裏面開口４８と連通している。第１シム３０を第１インサート２８の穴４６にねじ係合するとき、第１シム３０は裏面開口４８を通してアクセスして回転することが可能である。このことから、適当なスロット付きの第１シム３０を、ねじ回しやレンチのような工具（図示せず）により、磁極片１６の正面３８、裏面４０いずれからも回転することができる。
【００１２】
磁極片１６は非積層ベース５０を含み、磁極片１６の裏面４０がこのベース５０の表面を画定し、また積層部分３２がこの非積層ベース５０に取り付けられている。第１インサート２８は、磁極片１６の積層部分３２の磁極面３８から磁極片１６の非積層ベース５０まで延在する。非磁性第１インサート２８は、積層部分３２の２つの磁性層３４間に、装填した第１シム３０を介して電流路が形成されるのを防止する。電流路は望ましくないうず電流を生じ、うず電流は作像空間における磁界の不均質性を増加し、したがって画像の質を劣化する。
【００１３】
磁極片１６の積層部分３２は複数個のシム調節リング５２，５４，５６（図２および図３参照）を画定する。詳しくは、円形シム調節リング５２およびこれを囲む複数個の同心の環状シム調節リング５４および５６が含まれ、これらのシム調節リング５２，５４，５６は磁極片１６のベース５０に取り付けられている。当業界で周知のように、シム調節リング５２，５４，５６を用いて、作像空間２６の磁界の軸対称な不均質性を補正する。これらのうちシム調節リング５６は、図２に示すように、円周方向に配列された環状セグメント５８および６０からなり、前述した第１表面穴４２はこれらセグメントの一方５８に配置されている。別の構成（図示せず）では、環状セグメント毎に１つの穴を設ける。セグメント５８および６０は、介在する適当な絶縁物により互いに電気的に絶縁されている。
【００１４】
磁極片１６の積層部分３２には、第１表面穴４２とほぼ同一である複数の追加の表面穴６２が設けられている。磁石１０は、第１インサート２８とほぼ同一である複数の追加のインサート６４も含む。追加のインサート６４はそれぞれ対応する追加の表面穴６２に配置され、磁極片１６に取り付けられている。磁極面３８は長さ方向軸線６５を有し、第１表面穴４２および追加の表面穴６２はこの長さ方向軸線６５とほぼ同軸に心合わせされ、かつ長さ方向軸線６５のまわりにほぼ軸対称に配列されている。
【００１５】
第１シム３０が第１長さを有するとして、磁石１０は、第１シム３０とほぼ同一であるが、長さが第１長さとは異なる第２シム６６も含む。第１シム３０が本質的に第１材料から形成されるとして、磁石１０は、第１シム３０とほぼ同一であるが、本質的に第１材料とは異なる材料から形成される第３シム６８も含む。
【００１６】
第１シム３０は第１インサート２８の穴４６にねじ係合され、磁石１０は、外ねじボルトの形状の複数の追加のシム７０，７２，７４も含む。これらの追加のシム７０，７２，７４はそれぞれ、追加のインサート６４のいくつかだけの中の対応するインサートの穴にねじ係合される。第１および追加のシム３０，７０，７２，７４は、磁極面３８の長さ方向軸線６５のまわりに非軸対称に配列されている。第１シム３０は第１インサート２８の穴４６内に第１深さに配置され、一方追加のシムの少なくとも１つ７０は、対応する追加のインサート６４の穴４６内に第１深さとは異なる深さに配置されている。
【００１７】
１設計例では、磁極片１６のベース５０は中心領域７６および隣接する環状周囲領域７８を有する。円形の中心領域７６は、隣接する環状周囲領域７８に対して長さ方向に陥没している。磁極片１６の積層部分３２はこの中心円形領域７６に取り付けられる。なお、磁極片１６のベース５０は中実な鉄製とすることができ、積層部分３２はアモルファス鋼層３４およびエポキシ層３６の交互積層物とすることができるが、これらに限定されない。１構成例では、第１インサート２８は本質的にＦＲＰ（繊維強化プラスチック、たとえばガラス繊維強化エポキシ樹脂）から構成し、この場合、当業者に明らかなように、たとえばねじ切りプラグを用い、エポキシの硬化後にプラグを引き抜くことにより穴４６を形成する。別の構成例では、第１シム３０は、本質的に低炭素鋼からなる鋳造シムであるか、本質的に永久磁石からなるシムである。第１シム３０は止めねじの形状を有する。実際のシム調節を行うには、当業者の知見の範囲内で、シム３０，６６，６８，７０，７２，７４の必要重量を算定し、適切なシム長さおよび挿入深さを選ぶ。具体的な方法として、各インサート位置での必要な磁化をコンピュータで計算し、校正フィールドマップに基づいて線形計画法によりシム重量の最適化を行う。
【００１８】
シム３０，６６，６８，７０，７２，７４を用いて、三次元（３Ｄ）磁界不均質性（非軸対称不均質性およびシム調節リング５２，５４，５６により補正できない残りのあらゆる軸対称不均質性を含む）を低減する。対向する磁極片１６および２２を有する磁石１０をシム３０，６６，６８，７０，７２，７４で調節するのに要する時間を、約４０時間から約８時間に短縮することができると予測される。
【００１９】
以上、本発明の具体的な説明として、いくつかの好適な実施例を提示した。これらの実施例は本発明を網羅するものでも、本発明を開示形態に限定するものでもなく、以上の教示内容に鑑みて種々の変更や改変が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例による磁石を示す断面図である。
【図２】図１の２−２線方向に見た図１の磁極面の平面図である。
【図３】図２の３−３線方向に見た拡大断面図である。
【符号の説明】
１０ 磁石
１６ 磁極片
２２ 磁極片
２６ 作像空間
２８ 第１インサート
３０ 第１シム
３２ 積層部分
３４ 磁性材料層
３６ 非磁性材料層
３８ 磁極面
４０ 裏面
４２ 第１表面穴
４４ 正面開口
４６ インサートの内ねじ穴
４８ 裏面開口
５０ ベース
５２，５４，５６ シム調節リング
５８，６０ セグメント
６２ 追加の表面穴
６４ 追加のインサート
６６ 第２シム
６８ 第３シム
７０，７２，７４ 追加のシム

Claims (10)

1. （ａ）磁気共鳴作像空間と、（ｂ）磁極片と、（ｃ）非磁性第１インサートと、（ｄ）第１シムとを備え、前記磁極片は、磁性材料層と非磁性材料層とを交互に積層した構成で、かつほぼ前記作像空間に面する磁極面を有する積層部分を含み、前記磁極片は、前記磁極面から離間しておりかつ前記作像空間とはほぼ反対向きに面する裏面も有し、前記磁極片はさらに、前記磁極面にて前記積層部分に配置された正面開口を規定する第１表面穴を有し、前記第１表面穴が前記磁極片の積層部分中に延在し、前記非磁性第１インサートは、前記磁極片の積層部分にあけた前記第１表面穴内に配置され、前記磁極片に取り付けられ、さらに前記正面開口と連通した内ねじ穴を有し、前記第１シムは外ねじボルトの形状を有し、前記正面開口付近で前記第１インサートの穴にねじ係合可能であり、前記第１インサートが前記積層部分の２つの磁性層間に、装填した前記第１シムを介して電流路が形成されるのを防止する材料で作られている、ことを特徴とする磁石。
2. 前記第１シムは完全に前記第１インサートの穴内に配置できる、請求項１に記載の磁石。
3. 前記第１表面穴は前記裏面に位置する裏面開口を有し、前記第１インサートの穴が前記裏面開口と連通しており、そして前記第１シムを前記第１インサートの穴にねじ係合するとき、前記第１シムは前記裏面開口を通してアクセスして、回転することができる、請求項１に記載の磁石。
4. 前記磁極片は非積層ベースを含み、前記磁極片の裏面が前記ベースの表面を画定し、前記積層部分が複数の同心シム調節リングを画定し、これらシム調節リングは前記ベースに取り付けられた、請求項１に記載の磁石。
5. 前記シム調節リングの一つは、円周方向に配列された複数の環状セグメントを含み、前記第１表面穴が前記セグメントの一つに配置された、請求項４に記載の磁石。
6. 前記磁極面が長さ方向軸線を有し、前記積層部分は前記第１表面穴とほぼ同一である複数の追加の表面穴を含み、前記磁石は前記第１インサートとほぼ同一である複数の追加のインサートを含み、これらの追加のインサートはそれぞれ前記追加の表面穴の対応するものに配置され、前記磁極片に取り付けられ、さらに前記第１表面穴および追加の表面穴は前記長さ方向軸線とほぼ同軸的に心合わせされかつこの長さ方向軸線のまわりにほぼ軸対称に配列されている、請求項１に記載の磁石。
7. 前記第１シムが第１長さを有し、前記磁石はさらに、前記第１シムとほぼ同一であるが、第１長さとは異なる長さを有する第２シムを含む、請求項６に記載の磁石。
8. 前記第１シムが本質的に第１材料から形成され、前記磁石はさらに、前記第１シムとほぼ同一であるが、本質的に第１材料とは異なる材料から形成された第３シムを含む、請求項６に記載の磁石。
9. 前記第１シムは前記第１インサートの穴にねじ係合され、前記磁石はさらに、外ねじボルトの形状を有する複数の追加のシムを含み、これらの追加のシムはそれぞれ前記追加のインサートのいくつかだけの内対応するものの穴にねじ係合され、さらに前記第１シムおよび追加のシムは前記長さ方向軸線のまわりに非軸対称に配列された、請求項６に記載の磁石。
10. 前記第１シムは前記第１インサートの穴内に第１深さに配置され、前記追加のシムの少なくとも一つは前記対応する追加のインサートの穴に第１深さとは異なる深さに配置された、請求項９に記載の磁石。

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