JP4486277B2

JP4486277B2 - Ｍｒｉ用磁場発生装置

Info

Publication number: JP4486277B2
Application number: JP2001200639A
Authority: JP
Inventors: 大樋口
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2001-07-02
Filing date: 2001-07-02
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2021-07-02
Also published as: JP2003010152A

Description

【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は、磁気共鳴断層撮影装置（ＭＲＩ）に用いられる磁場発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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ている。
【０００３】
図９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。
図９は、ＭＲＩ用磁場発生装置の側面図である。図９において、板状継鉄１０１及び板状継鉄１０２を２本の柱状継鉄１０３で支持している。この一対の板状継１０１及び１０２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１０４及び永久磁石１０５を対向させて設け、更に、これらの永久磁石１０４及び１０５の対向面には夫々ベース（基部）が円形の磁極片１０６及び１０７を取り付けている。
【０００４】
永久磁石１０４及び１０５は夫々厚み方向で且つ同方向に磁化され、一方、磁極片１０６及び１０７の周辺部（即ちベースの周辺部）には夫々周辺突起部１０６ｂ及び１０７ｂが設けられている。周辺突起部１０６ｂ及び１０７ｂの夫々は、磁極片１０６及び１０７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１０６ａとベース１０７ａ及び周辺突起部１０６ｂ、１０７ｂ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１０を参照して、図９に示した下側の板状継鉄１０２上に設けられた永久磁石１０５及び磁極片１０７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。この磁極片は、空隙を介して対向するもう一方の磁極片との間に、球状の磁場均一空間を発生させるために、最も磁気効率の良い形状である円盤状で設計されている。また、永久磁石１０５も磁極片に合せるように、略円盤状に配置されている。
【０００６】
永久磁石１０５を構成する磁石ブロックの夫々は、磁性粉末を一辺が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を組み合わせた永久磁石１０５の上には、ベース１０７ａが円形である磁極片１０７が固着されている。
【０００７】
図１０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１０５及び磁極片１０７を示しているが、上側の永久磁石１０４及び磁極片１０６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、磁極片１０７を、例えば直径が約１ｍの円となるように構成したものと想定し、磁極片１０７と対向する上側の磁極片１０６の空隙に得られる磁場均一空間領域の大きさを直径３５０ｍｍの球と仮定する。これは、該円筒形磁極片から得られる最も効率の良い磁場均一空間の形状の一つである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ＭＲＩ用磁場発生装置は、勿論その目的にもよるが、被験者の撮像・診断が容易であることが非常に重要である。そのためには、対向する磁極片によって得られる磁場均一空間をできる限り大きくすることが好ましい。しかし、磁場均一空間の領域を広げることは、例えば円筒形磁極片の場合、径および対向する磁極片間の距離を広げる他ならず、しかも、該磁極片から得られる均一空間は楕円球もしくは正円球であり、被験者の撮像には使用しない磁場領域が増えるために磁場均一空間としては非効率である。従って、該磁場均一空間を、被験者撮像領域に合せて広げることができれば、効率良く撮像・診断が可能とな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、磁場均一空間を広げることによって、磁気特性を損なうことなく、より被験者の撮像を行いやすい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、磁場均一空間に合せて、磁場強度の均一性を損なわないために磁極片のベースの形状を最適化する必要がある。
従って、本発明の目的は、さらに磁場均一空間を、被験者の撮像・診断に適した形状に変更することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、空隙を隔てて対向する一対の永久磁石と、該永久磁石の対向面の上に配され、周辺突起部を有する一対の磁極片と、該磁極片間に被験者を搬入するための搬入口とを有し、該磁極片間に磁場空間を発生させるＭＲＩ用磁場発生装置において、該磁場空間が、被験者の搬入方向を高さ方向とし、基底面を正円もしくは楕円とする円筒形であり、該磁極片の対向面が、該被験者の搬入方向を一辺とする四角形又は擬似四角形であり、該磁極片の該周辺突起部が、該四角形又は擬四角形の四辺上に設けられていることを特徴とするＭＲＩ用磁場発生装置を提供する。
更に、本発明は、好ましくは、上記磁場空間を利用し、ＭＲＩ磁場発生装置で診断を受ける被験者に対して容易に医療行為が行えるように、搬入された被験者の上方に開口部を配置したことを特徴とするＭＲＩ磁界発生装置を提供する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本願の発明者は、例えば図９に示したＭＲＩ用磁場発生装置で形成される磁場の均一領域を、より被験者の撮像・診断に適した形状に変更した結果、被験者の搬入方向を高さ方向とした正円もしくは楕円を基底面とする円筒形の磁場領域が、撮像・診断に最も適していることを知見し、本発明に到達したものである。
【００１４】
本発明の基本構成および原理は、例えば図９に示した従来のＭＲＩ磁場発生装置に順ずるものである。図９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。
【００１５】
図１及び図２を参照して本発明の実施形態を説明する。図１は本実施の形態に係る磁極片７の下面図である。図１に示すように、磁極片７は、被験者の搬入方向（即ち、人体の頭部から頚椎の方向）を一辺とする、四角形となるように構成されている。尚、本明細書では、説明の便宜上、四角形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７ｂは四角形の辺上に設けられているとする。更に、磁極片の下部（周辺突起部を含まない）を磁極片のベースと称する。四角形には、正方形と長方形が含まれ、四角形の短い辺と長い辺の比を１：（３．５以下）にすることが好ましい。また、本発明では、擬似四角形も含まれ、例えば図８に示すように磁極片の角部近辺の周辺突起部形状を外側に広げる構成もとりうる。磁極内形状（内側底面）も好ましくは四角形又は擬似四角形である。
【００１６】
図２は、図１に示した下面図を、柱状継鉄を除いて立体的に表現したものである。このように、磁極片が被験者搬入方向（図２の矢印方向）を一辺とする長方形となるように構成された場合、対向する該磁極片空隙側の磁場均一空間は、被験者の挿入方向を高さ方向とし、正円もしくは楕円が基底面である円筒形となるように構成することが可能である。このような形状の磁場均一空間では、被験者の撮像領域（特に頚椎から脊髄にかけての胴体部）が広がるために、球形の磁場空間に比べて大幅に診断が容易になる。また、一回の撮像により、多くの断層写真を得ることができるため、被験者への負担も軽減される。
【００１７】
このような、被験者の搬入方向を高さ方向とし、基底面を正円または楕円とした円筒形均一空間の形状は、本発明が属するような永久磁石式ＭＲＩ磁場発生装置を含む開放領域の広いＭＲＩ磁場発生装置（オープンタイプと称する）では実現されていない。すなわち本発明は、永久磁石式ＭＲＩ磁場発生装置に限らず、その他のオープンタイプＭＲＩ磁場発生装置に適応できるものである。
【００１８】
本発明で発生する磁場は、好ましくは円筒形であり、具体的には、被験者の被験者の挿入方向を高さ方向とし、正円もしくは楕円が基底面である円筒形である。円筒形磁場の大きさは、磁極片間の距離と磁極片の対向面大きさに依存するが、好ましくは、磁極片間の距離の８５％未満、そして磁極片の対向面の大きさの４５％未満がよい。
【００１９】
本発明に用いる磁極片は、ベース部と該ベース部の周縁に設けられた周辺突起部とを有する。磁極片は、主に、軟磁性材料である低炭素鋼や純鉄等の軟鉄材又はその他の飽和磁束密度の高い材料から形成される。軟磁性材料とは、ヒステリシス面積が小さく、かつ透磁率の高い材料をいう。場合により、磁極片の空隙側に面する部位には、磁化に方向性があるケイ素鋼板等の軟磁性性材料を用いたり、置いたりすることができる。これは、該磁極片に組み込まれる傾斜磁場発生手段より発生した鋼板磁界による渦電流及び残留磁化等をできる限り抑制するためである。磁極片の厚みや径方向の寸法等の諸条件は、磁気回路の発生する磁界強度や機械強度、および磁場均一性等によって制約されるため、このような条件に応じて適宜決定することができる。磁極片に付加する鉄片等により磁場の均一度を調整することもできる。
【００２０】
周辺突起部は、磁場空間の均一性を保持するために設けられたものである。円筒形磁場を均一とするためには、周辺突起部の形状や組成が重要であり、従来の球状均一磁場空間に用いられるものと比較して、磁極片角部幅が厚くなるように構成するもしくは、角部の周辺突起部に対しては、より高透磁率の材料を他の周辺突起部に比べて多く利用することが必要である。なお、均一磁場とは、ＭＲＩ用磁場発生装置として許容できる範囲の均一性を有する磁場であり、通常最低値と最高値とが、磁場平均値に対して±５０ｐｐｍの範囲に入れば良いとされている。
【００２１】
磁極片の組成は、好ましくは、低炭素鋼、純鉄等の軟鉄からなるベース部とさらに空隙側にケイ素鋼板等のソフト磁性材料を積層した部位から構成され、周辺突起部面積は、好ましくは磁極片全面積の１０〜３０％である。
【００２２】
本発明に用いる永久磁石は、従来の永久磁石と同様のものを使用でき、フェライト磁石、希土類（Ｎｄ、Ｓｍ系等）の磁石等が挙げられるがこれに限定されない。好ましくは、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系、Ｓｍ−Ｃｏ系、Ｓｍ−Ｎ−Ｆｅ系から選ぶことができる。永久磁石の形状は、円、四角形等であり、特に限定しないが、形成される磁極片と同様な四角形状がよく、それぞれの重量、体積、材質にもよるが、磁極片の底面積に対し、磁石の底面積を１０２〜１０５％とすることが、磁気効率や磁場均一性の確保の点から好ましい。磁化の方向は、互いに向き合う永久磁石の面に垂直な方向（厚さ方向）が好ましい。
【００２３】
永久磁石と軟磁性材料の設置は、エポキシ、フェノール樹脂等の公知の方法を用いて接着することにより行うことができる。
【００２４】
本発明の磁界発生装置は、磁極片間に被験者を搬入するための搬入口とを有する。また、本発明の磁界発生装置は、永久磁石の組合せの外側にあって永久磁石を支持するベース継鉄（例えば、板状継鉄）と、永久磁石間の距離を一定に保つように、該ベース継鉄間を結び、該ベース継鉄の片側に設けられた継鉄（例えば、柱状継鉄）を有してもよい。継鉄の材質は、主に軟鉄である。
【００２５】
図３と図４は、球形磁場均一空間１１０ａにおける撮像領域１０９と、円筒形磁場均一空間１０における撮像領域９の大きさを比較する。図３（Ａ）と図４（Ａ）は、円形磁極片の場合を示し、図３（Ｂ）と図４（Ｂ）は、長方形磁石片の場合を示す。球形磁場均一空間１１０ａの場合、頭部脳内断層撮像のように、比較的狭い領域での診断の際には、領域の大きさはあまり大きな問題ではないが、例えば被験者の胴体部の全体にわたる断層撮像のように、比較的大きな領域での診断の場合、撮像に使用できる磁場均一領域は、図３（Ａ）と図４（Ａ）の撮像領域１０９に示すように、僅かな部位のみに限定される。そのため、胴体部全体を撮像する際は、被験者自体を撮像領域に合せて移動しなければならず、その結果、実際の診断時間が大幅に増えるため、被験者の大きな負担となる。なお、円筒形の均一空間を示す図３（Ｂ）と図４（Ｂ）には、比較のため、円筒形均一空間と同等の磁場領域を得ようとした場合の球形の均一空間１０１ｂを示す。
【００２６】
通常、比較的低磁場で使用することが多いＭＲＩ磁場発生装置、例えば永久磁石タイプでは、信号対ノイズの比率、即ちＳ／Ｎ比が低いために、超伝導ＭＲＩ磁場発生装置等の高磁場タイプに比べて撮像時間が長くなる。そのため、磁場均一空間の形状を被験者の診断に使用しやすい形状に変える事によって、トータルでの撮像時間を短縮することも本発明の意図するところである。
【００２７】
また、本発明によるＭＲＩ磁場発生装置は、円形磁極片を使用する通常のオープンタイプＭＲＩ磁場発生装置と比べて磁場均一空間が広いために、被験者の診断や精密検査等の医療行為をしやすいことも大きな特徴である。
特に、被験者胴体部の細胞採取等の検査を行う場合では、診断者ができる限り被験者の近傍に居ることが望ましい。本発明の磁場発生装置は通常は横置き（該磁界発生装置の開口部が側面となる）を基準としているが、図５のように縦置き（該磁界発生装置の開口部が上側となる）にした場合、被験者１１の診断の容易さにおいてより顕著な効果を有するのである。
【００２８】
以下、本発明を実施例を用いて説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【実施例】
図６と図７は、円筒形磁場均一空間及び、球形磁場均一空間を有する磁場発生装置の夫々の実施具体例を示す図である。また、使用した装置の構成を明らかにするために、対称面によって分割されている。ここで、図６の長方形磁極片から得られる円筒形磁場均一空間８と、図７の磁場発生装置によって、円筒形磁場均一空間８で撮像可能な領域に匹敵する磁場空間を球形磁場空間で得ようとした場合の、夫々の永久磁石の重量を比較した。尚、ここで比較する該均一空間の大きさの比較は、図４（Ｂ）に記載された球形均一空間１１０ｂと、円筒形均一空間１０の比較の定義と同一である。
【００２９】
また、本実施例で使用された永久磁石は、磁性粉末を一辺が例えば４〜１０ｃｍ程度の略立方体状に加圧成型して焼結したＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石を、複数個組み合わせることによって構成されており、個々の磁石ブロックの最大エネルギー積は約３５０ｋＪ／ｍ³である。また、板状継鉄・柱状継鉄および磁極片ベース・周辺突起部は低炭素鋼によって構成されている。また、磁極片ベース部の空隙側には、ケイ素鋼板等のソフト磁性材料を積層している。
【００３０】
図６と図７の両装置において、対向する磁極片のギャップ幅および発生磁界は、共に約０．２Ｔであり、しかも磁場均一空間内の磁場均一度を１００ｐｐｍ以内とした場合の、それぞれの磁場発生装置に使用する磁石重量比を表１に示す。
【００３１】
【表１】

【００３２】
図８は、磁極片の形状が、磁界発生装置の空隙から見て、磁極片角部の周辺が、磁極片外縁部に広がるように構成されている場合を示す。この場合には、更に円筒形磁場均一空間の均一性を向上させることが可能である。従って、磁極片角部の周辺突起を外側に広げるように構成すれば、単純な四角形磁極片を使用した場合よりも、使用する永久磁石重量を軽減できる。なお、図８は、四つの角Ｃ１〜Ｃ４が広がるように構成される磁極片を示す。２本の仮想線（二点鎖線）のうち、外側の仮想線枠は、磁極片角部の周辺が磁極片外縁部に広がるように構成されていない四角形の磁極片で同じ均一性を得ようとしたときの大きさを示し、外側の仮想線枠と内側の仮想線枠との間は、周辺突起部を示す。
【００３３】
同じ大きさの円筒形磁場均一空間で評価した場合の、四角形磁極片での永久磁石重量と、周辺突起部を広げた場合の磁石重量の比較結果を表２に示す。
【００３４】
【表２】

【００３５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、被験者の搬入方向を高さ方向とし、かつ底面が楕円もしくは正円であるような磁場均一空間を、被験者搬入方向を一辺とする、長方形磁極片を用いることによって発生させた場合、従来例に比較して撮像領域に対する永久磁石の重量効率が良くなり、かつ、被験者の診断に適した磁界発生装置を提供できる。
また、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。また、被験者の撮像領域が広がるために、診断領域が広がり、診断が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁界発生装置に係る磁極片の一態様の下面図である。
【図２】図１に示した下面図を、柱状継鉄を除いて立体的に表現した図である。
【図３】（Ａ）円筒形磁極片の場合と、（Ｂ）長方形磁石片の場合との撮像領域を示す図である。
【図４】（Ａ）円筒形磁極片の場合と、（Ｂ）長方形磁石片の場合との撮像領域を示す図である。
【図５】縦置き（開口部が上側となる）の磁界発生装置の一例を示す図である。
【図６】円筒形磁場均一空間を有する磁場発生装置の実施具体例を示す図である。
【図７】球形磁場均一空間を有する磁場発生装置の実施具体例を示す図である。
【図８】空隙から見て、磁極片角部の周辺が磁極片外縁部に広がるように構成される磁極片を示す図である。
【図９】従来のＭＲＩ用磁場発生装置の側面図を示す。
【図１０】図９のＭＲＩ用磁場発生装置において、下側の板状継鉄の周辺を示す図である。
【符号の説明】
１０１板状継鉄
１０２板状継鉄
１０３柱状継鉄
１０４永久磁石
１０５永久磁石
１０６円形の磁極片
１０６ａベース
１０６ｂ周辺突起部
１０７円形の磁石片
１０７ａベース
１０７ｂ周辺突起部
１０８磁場均一空間
１０９撮像可能領域
１１０ａ球形の磁場均一空間
１１０ｂ円筒形均一空間と同等の磁場領域を得ようとした場合の球形の均一空間
１板状継鉄
２板状継鉄
３柱状継鉄
４永久磁石
５永久磁石
７長方形の磁石片
７ａベース
７ｂ周辺突起部
８磁場均一空間
９撮像可能領域
１０円筒形の磁場均一空間
１１被験者
Ｃ１〜Ｃ４角

Claims

空隙を隔てて対向する一対の永久磁石と、該永久磁石の対向面の上に配され、周辺突起部を有する一対の磁極片と、該磁極片間に被験者を搬入するための搬入口とを有し、該磁極片間に磁場空間を発生させるＭＲＩ用磁場発生装置において、該磁場空間が、被験者の搬入方向を高さ方向とする円筒形であり、該磁極片の対向面が、該被験者の搬入方向を一辺とする四角形又は擬似四角形であり、該磁極片の該周辺突起部が、該四角形又は擬四角形の四辺上に設けられていることを特徴とするＭＲＩ用磁場発生装置。
上記磁極片の形状が、上記磁場空間から見て、上記磁極片の角部の周辺が、該磁極片の外縁部に広がるように構成される形状である請求項１に記載のＭＲＩ磁場発生装置。
上記永久磁石が、希土類磁石である請求項１又は請求項２に記載のＭＲＩ磁場発生装置。
上記永久磁石の底面積が、上記磁極片の底面積に対し、１０２〜１０５％である請求項１〜３に記載のＭＲＩ磁場発生装置。
搬入された被験者の上方に開口部を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のＭＲＩ用磁場発生装置。