JP4610449B2 - 磁石装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁石装置に係り、例えば、対向配置された一対の主コイル間に静磁場空間を形成する磁気共鳴撮像装置用の磁石装置に関する。

磁気共鳴撮像装置（Magnetic Resonance Imaging）は、静磁場空間に置かれた被検体（検査体）に高周波パルスを照射したときに生じる核磁気共鳴現象を利用して被検体の物理的、化学的性質を表す画像を得ることができ、特に、医療用に用いられている。磁気共鳴撮像装置（以下、ＭＲＩ装置という。）は、一般に、被検体が搬入される撮像領域内に静磁場を印加するための磁場発生源としての磁石装置と、撮像領域に向けて高周波パルスを照射するＲＦコイルと、撮像領域からの応答を受信する受信コイルと、撮像領域内に共鳴現象の位置情報を与えるための勾配磁場を印加する傾斜磁場コイルで構成される。

ＭＲＩ装置の画質を向上するためには、撮像空間の静磁場均一度を向上させることが要求される。例えば、ＭＲＩ装置の磁石装置においては、撮像領域内に別の磁場発生源により発生された外部磁場が侵入すると、静磁場均一度が損なわれることから、外部磁場の侵入を抑制する必要がある。

このような外部磁場の侵入を抑制するために、円筒状の磁石に水平方向の磁場を発生する方式の磁石装置において、様々な解決法が検討されている。例えば、特許文献１には、静磁場と同方向の磁場を発生するコイルと、静磁場と逆方向の磁場を発生するコイルとの間をブリッジ線により短絡し、外部磁場を抑制する方法が記載されている。また、特許文献２には、ブリッジ線をコイル巻線の途中から引き出して短絡し、外部磁場抑制性能を最適化する方法が記載されている。しかし、コイル系、特に巻線途中からブリッジ線を引き出す構成は磁石製作上容易ではない。

一方、静磁場発生源である主コイルとは別の遮蔽コイルを内蔵することで外部磁場を抑制する方法が、特許文献３と特許文献４に記載されている。特許文献３には、磁石装置にソレノイド状の遮蔽コイルを内蔵する方法が、特許文献４には、円筒状の遮蔽コイルを主コイルと同心状に配置し、それぞれの永久電流スイッチ制御用電源を共有させた構成が記載されている。これらの方法は磁石装置の軸長を長くしてしまう傾向をもつという問題がある。そこで、特許文献５には、主コイル近傍に少数ターンの遮蔽コイルを配置し、全て同じ向きに磁場を発生するように直列接続する方法が、特許文献６には、径の異なる遮蔽コイルを複数内蔵する方法が記載されている。

欧州特許０２９９３２５Ｂ１号公報 特許第３４４７０９０号公報 米国特許４９３１７３５号公報 特開２００１―１９６２１９号公報 米国特許５３２９２６６号公報 特許第３０４３４９４号公報

ところで、上記遮蔽コイルを内蔵する方法は、いずれも水平方向の磁場を発生する円筒状の磁石装置には有効であるが、磁場発生源が対向してその間に静磁場の撮像空間を形成する、いわゆるオープン型ＭＲＩ装置の磁石装置では十分な遮蔽効果が得られないという問題がある。

また、オープン型ＭＲＩ装置の磁石装置では、撮像空間と遮蔽コイルとの距離が離れざるを得ないため、撮像空間における外部磁場の抑制能力は低くなってしまうという問題がある。また、外部磁場遮蔽コイルの発生する磁場を強くする目的で、単純に外部磁場遮蔽コイルの巻数を増すだけでは、コイルのインダクタンスが増してしまい、外部磁場により誘起される電流が減少するため、外部磁場の抑制能力は上がらない。
本発明の課題は、対向して配置された一対の主コイルにより形成される静磁場の撮像空間に侵入する外部磁場を効果的に抑制することである。

上記課題を解決するために、本発明の磁石装置は、対向して配置され静磁場空間を形成する一対の主コイルと、外部磁場を抑制するために主コイルと同軸に配置された外部磁場遮蔽コイルとを備え、外部磁場遮蔽コイルは、コイルの結合係数が小さい第１のコイル群と、コイルの結合係数が第１のコイル群よりも大きい第２のコイル群を有し、第１のコイル群と第２のコイル群を直列に接続することを特徴とする。

つまり、コイルの結合係数が小さい第１のコイル群はインダクタンスが小さいことから、外部磁場により誘起される電流は大きい。ここで、誘起される電流の向きは、外部磁場を抑制する磁場を発生する方向である。この誘起電流がコイルの結合係数が大きい第２のコイル群に流れると、外部磁場を抑制する強い磁場が発生する。これによって、静磁場の撮像空間に侵入する外部磁場を効果的に抑制することができる。また、第１のコイル群のインダクタンスを小さくできるから、第２のコイル群の外部磁場の抑制効果を発揮しつつ、外部磁場遮蔽コイルのインダクタンスを全体として小さくできる。

この場合において、第２のコイル群は第１のコイル群よりも静磁場空間に近い位置に配置することが好ましい。外部磁場遮蔽コイルが発生する外部磁場を抑制する磁場の強さは距離に反比例するので、コイルの結合係数が大きく、より強い磁場を発生する第２のコイル群を静磁場に近い位置に配置することで、静磁場空間に侵入する外部磁場をさらに効果的に抑制することができる。

ここで、外部磁場遮蔽コイルは超電導コイルであればさらに好ましい。これによれば、一旦発生した外部磁場がそのまま継続して発生し続ける場合に、一旦誘起された電流が減衰せずに流れ続けることで、外部磁場遮蔽コイルが発生する磁場も減衰せず継続して静磁場空間に侵入する外部磁場を効果的に抑制することができる。

また、本発明の磁石装置は、静磁場空間を形成するように対向配置された一対の主コイルと、主コイルを収容する円環状のコイル容器と、コイル容器の容器壁の内側及び外側の少なくとも一方に、主コイルと同軸に配置された外部磁場遮蔽コイルとを備え、外部磁場遮蔽コイルは、複数の１ターンコイルを間隔をあけて巻回してなる第１のコイル群と、複数の１ターンコイルを第１のコイル群の間隔よりも密に巻回してなる第２のコイル群とを有し、第１のコイル群と第２のコイル群を直列に接続するという構成にしても、上記と同様に、静磁場空間に侵入する外部磁場を効果的に抑制することができる。

この場合、第１のコイル群は、コイル容器の容器壁の内側及び外側の少なくとも一方に沿って巻回して構成することができる。コイル容器の温度が十分に低ければ、コイル容器外壁に沿って配置しても、第１のコイル群の超電導状態を維持することが可能である。

本発明によれば、対向して配置された一対の主コイルにより形成される静磁場の撮像空間に侵入する外部磁場を効果的に抑制することができる。

以下、本発明を適用した磁石装置の実施例について図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の第１の実施例である磁気共鳴撮像装置の磁石装置の斜視図であり、図２は図１に示す磁石装置の縦断面図である。

図１に示す磁石装置は、一対の主コイルを含んでなる磁場発生源１、２が連結柱４、５を介して対向して配置される。磁場発生源１、２及び連結柱５は、真空容器内に格納して構成されており、真空容器内には輻射シールド６が格納され、輻射シールド６内にはコイル容器７が格納される。コイル容器７内は、液体ヘリウムなどの冷媒とともに、主コイルと、外部磁場遮蔽コイルが格納される。

主コイルは、主磁場発生コイル９と、磁束が外部へ漏洩するのを防ぐために、主磁場と逆向きの磁場を発生するシールドコイル１０とで形成されており、一対の主コイルを対向して配置することで静磁場空間３を形成する。

外部磁場遮蔽コイルの実施例について、図３に基づいて説明する。図３は、上側磁場発生源１の縦断面図の拡大図である。

外部磁場遮蔽コイルの第１のコイル群１１は、複数の１ターンコイルを間隔をあけてコイル容器７の内壁に沿って巻回し、第２のコイル群１２は、２個の１ターンコイルを第１のコイル群の間隔よりも密に、静磁場空間に最も近いコイルの巻枠８の静磁場空間に近い内側角部に、第１のコイル群１１と同一方向に巻回しており、第１のコイル群１１と第２のコイル群１２は直列に接続する。第１のコイル群１１の巻数は、コイル容器の大きさや、その他設計条件を考慮して決定される。

ここで、本発明の課題を解決するための基本的な概念は、図４に示すように第１のコイル群１１によって外部磁場による誘起電流を大きくし、その電流を静磁場空間により近い位置に配置するコイルの結合係数が大きい第２のコイル群１２に流すことにより、外部磁場を抑制する強い磁場を発生させることである。以下、その概念について詳細に説明する。

空間中に１ターンのコイルを配置したときの自己インダクタンスをＬ、Ｌに鎖交する外部磁場の磁束をφとおく。ここで、説明を簡単にするため、以下の説明では全ての１ターンコイルのインダクタンスは同じであることを仮定する。

外部磁場φによってインダクタンスＬのコイルに誘起される電流Ｉは、以下のように表される。

（数１式）
Ｉ＝φ／Ｌ
インダクタンスＬの１ターンコイルがコイルの結合係数が０でＮａ個存在し、それぞれが直列接続されて疎結合コイル系ａ（第１のコイル群１１）が形成されたとすると、疎結合コイル系ａの自己インダクタンスＬａと鎖交磁束Φａは、以下のように表される。

（数２式）
Ｌａ＝Ｎａ×Ｌ
（数３式）
Φａ＝Ｎａ×φ
インダクタンスＬの１ターンコイルがコイルの結合係数が１でＮｂ個存在し、それぞれが直列接続されて密結合コイル系ｂ（第２のコイル群１２）が形成されたとすると、密結合コイル系ｂの自己インダクタンスＬｂと鎖交磁束Φｂは、以下のように表される。

（数４式）
Ｌｂ＝Ｎｂ×Ｎｂ×Ｌ
（数５式）
Φｂ＝Ｎｂ×φ
疎結合コイル系ａと、密結合コイル系ｂとが互いに疎に直列に接続された全体コイル系ｃの自己インダクタンスＬｃと鎖交磁束Φｃは、以下のように表される。

（数６式）
Ｌｃ＝Ｌａ+Ｌｂ＝（Ｎａ+Ｎｂ×Ｎｂ）×Ｌ
（数７式）
Φｃ＝Φａ+Φｂ＝（Ｎａ+Ｎｂ）×φ
以上から、外部磁場によって全体コイル系ｃに誘起される電流Ｉｃは、以下のように求められる。

（数８式）
Ｉｃ＝Φｃ／Ｌｃ＝（Ｎａ+Ｎｂ）×φ／（Ｎａ+Ｎｂ×Ｎｂ）×Ｌ

ここで、本発明の特徴の一つは、全体コイル系ｃに誘起される電流Ｉｃをより大きくすることであり、そのためには全体コイル系ｃの自己インダクタンスＬｃをなるべく小さく、かつ、鎖交磁束Φｃをなるべく大きくすることが必要である。数６式によれば、インダクタンスＬｃを小さくするためには、Ｎａ及びＮｂを小さく、とりわけＮｂをより小さくすることが必要であり、数７式によれば、鎖交磁束を大きくするためには、Ｎａ及びＮｂを大きくする必要があることがわかる。

本発明の他の特徴は、全体コイル系ｃに誘起された電流Ｉｃを、静磁場空間により近い位置で密結合コイル系ｂに流すことである。言い換えれば、密結合コイル系ｂを静磁場空間により近い位置に配置し、疎結合コイル系ａはその他の領域に配置するということである。これは、外部磁場によりコイルに電流が誘起され、この誘起電流によりコイルが発生する磁場強度は、コイル巻数に比例し、距離に反比例するという原理からである。

密結合コイル系ｂに対する疎結合コイル系ａの、静磁場空間に発生する磁場強度の比をα（＜１．０）とすると、全体コイル系ｃが静磁場空間に発生する磁場強度Ｂｅは、コイル巻数に比例するから、以下のように表される。

（数９式）
Ｂｅ∝（α×Ｎａ+Ｎｂ）×（Ｎａ+Ｎｂ）×φ／（Ｎａ+Ｎｂ×Ｎｂ）×Ｌ
密結合コイル系ｂの巻数Ｎｂと、疎結合コイル系ａの巻数Ｎａとの比をｘとおくと、ｘは以下のように表される。

（数１０式）
ｘ＝Ｎｂ／Ｎａ
数９式及び数１０式から、以下が得られる。

（数１１式）
Ｂｅ∝（ｘ＋α）×（ｘ+１）×φ／（ｘ×ｘ+１／Ｎａ）×Ｌ
数１１式は、最大値をもつ関数となっており、最大値を与えるｘを求めれば、疎結合コイル系ａの巻数Ｎａと、密結合コイル系ｂの巻数Ｎｂとの最適な比が決定する。

図７にＮａ＝１００とし、α＝０．３〜０．７に変化させた場合に数１１式を描いたグラフを、図８にＮａ＝１０とし、同様にα＝０．３〜０．７に変化させた場合のグラフを示す。このグラフのＸ軸は、密結合コイル系ｂの巻数Ｎｂであり、Ｙ軸は全体コイル系ｃが静磁場空間に発生する磁場強度Ｂｅであり、本発明の性能指標である。

この２つのグラフから、疎結合コイル系ａの巻数Ｎａによらず、αが０．５以上のときは、密結合コイル系ｂの巻数Ｎｂとして１又は２ターンの巻数を選ぶことが適切であり、αが０．５未満のときは、２又は３ターンの巻数が適切であることがわかる。また、多くとも１０ターン以内でなければ、Ｎｂ＝０の場合と比較して同等以上の性能は得られないことも意味し
ている。

上記の説明は簡単のため、疎結合コイル系ａのコイルの結合係数を０、密結合コイル系ｂのコイルの結合係数を１としたが、現実のコイルの結合係数は０から１の間の値をとる。疎結合と密結合の境界は定義により異なり、またどう定義しても構わないが、１つの例として中間の値０．５を境界としても良いし、境界を定めず、疎結合コイル系ａのコイルの結合係数が密結合コイル系ｂのそれより小さいというような、相対的な関係であっても、上記説明の合理性は失わない。
上記説明をふまえた上で、本実施例の外部磁場遮蔽コイルは実現される。

本実施例によれば、外部磁場により誘起される電流は大きくなり、この誘起電流を第１のコイル群１１よりも静磁場空間の近くに配置したコイルの結合係数の大きい第２のコイル群１２に流すと、外部磁場を抑制する強い磁場を発生することができるので、対向して配置された一対の主コイルにより形成される静磁場の撮像空間に侵入する外部磁場を効果的に抑制することができる。

また、第１のコイル群１１と第２のコイル群１２は、共にコイル容器７の容器壁の内側に巻回しているので、外部磁場遮蔽コイルは、液体ヘリウムなどの冷媒により冷却され超電導コイルとなる。したがって、一旦発生した外部磁場がそのまま継続して発生し続ける場合に、一旦誘起された電流が減衰せずに流れ続けることで、外部磁場遮蔽コイルが発生する磁場も減衰せず、継続して静磁場の撮像空間に侵入する外部磁場を効果的に抑制することができる。

本発明を適用した磁石装置の第２の実施例について、図５に基づいて説明する。図５は、上側磁場発生源の縦断面の拡大図である。斜視図については実施例１と同様であるので省略する。

本実施例では、外部磁場遮蔽コイルの第１のコイル群１１は、複数の１ターンコイルを互いに間隔をあけてコイル容器７の容器内部の空間全域にわたって配置し、第２のコイル群１２は、３個の１ターンコイルを第１のコイル群の間隔よりも密に、静磁場空間に最も近いコイルの巻枠８の静磁場空間に近い内側角部に、第１のコイル群１１と同一方向に巻回しており、第１のコイル群１１と第２のコイル群１２は直列に接続する。

以上のように、第１のコイル群１１は、コイル容器７の内壁に沿って巻回するだけでなく、容器内全域にわたって巻回してもよいし、第２のコイル群として３ターンコイルを採用しても、静磁場の撮像空間に侵入する外部磁場を効果的に抑制することができる。

本発明を適用した磁石装置の第３の実施例について、図６に基づいて説明する。図６は、上側磁場発生源の縦断面の拡大図である。斜視図については実施例１と同様であるので省略する。

本実施例では、外部磁場遮蔽コイルの第１のコイル群１１は、複数の１ターンコイルを間隔をあけてコイル容器７の外壁に沿って巻回し、第２のコイル群１２は、３個の１ターンコイルを第１のコイル群の間隔よりも密に、コイル容器７の静磁場空間に最も近い外側角部に、第１のコイル群１１と同一方向に巻回しており、第１のコイル群１１と第２のコイル群１２は直列に接続する。コイル容器７は容器壁の内部に液体ヘリウムなどの冷媒をもち、その外壁は十分に低温であることが期待されるから、コイル容器７の容器壁の内側のみならず、外壁に沿って外部磁場遮蔽コイルを配置しても、外部磁場遮蔽コイルの超伝導状態を維持することが可能である。

このような実施例とすると、コイルの結合係数の大きい第２のコイル群１２は、より静磁場空間の近くに配置することになるので、静磁場の撮像空間に侵入する外部磁場をより効果的に抑制することが期待できる。

本発明の一実施例である磁石装置の斜視図である。 図１に示す磁石装置の縦断面図である。 本発明の第１の実施例における磁石装置の、上側磁場発生源の縦断面の拡大図である。 外部磁場遮蔽コイルの概略図である。 本発明の第２の実施例における磁石装置の、上側磁場発生源の縦断面の拡大図である。 本発明の第３の実施例における磁石装置の、上側磁場発生源の縦断面の拡大図である。 数式１１をプロットしたグラフである。 数式１１をプロットしたグラフである。

符号の説明

１、２ 磁場発生源
３ 静磁場空間
４、５ 連結柱
６ 輻射シールド
７ コイル容器
８ コイルの巻枠
９ 主磁場発生コイル
１０ シールドコイル
１１ 第１のコイル群
１２ 第２のコイル群

Claims (8)

1. 対向して配置され静磁場空間を形成する一対の主コイルと、前記主コイルと同軸に配置された外部磁場遮蔽コイルとを備え、該外部磁場遮蔽コイルは、コイルの結合係数が小さい第１のコイル群と、コイルの結合係数が第１のコイル群よりも大きい第２のコイル群を有し、前記第２のコイル群は前記第１のコイル群よりも前記静磁場空間に近い位置に配置され、前記第１のコイル群と前記第２のコイル群が直列に接続されている磁石装置。
2. 前記第２のコイル群は、前記主コイルのうち、前記静磁場空間に最も近いコイルの巻枠の前記静磁場空間に近い内側角部に巻回されていることを特徴とする請求項１に記載の磁石装置。
3. 前記第２のコイル群は、少なくとも２ターン以上１０ターン以下で巻回されていることを特徴とする請求項１に記載の磁石装置。
4. 前記第１のコイル群は、コイルの結合係数が０．５未満であり、前記第２のコイル群は、コイルの結合係数が０．５以上であることを特徴とする請求項１に記載の磁石装置。
5. 静磁場空間を形成するように対向配置された一対の主コイルと、前記主コイルを収容する円環状のコイル容器と、該コイル容器の容器壁の内側及び外側の少なくとも一方に、前記主コイルと同軸に配置された外部磁場遮蔽コイルとを備え、該外部磁場遮蔽コイルは、複数の１ターンコイルを間隔をあけて巻回してなる第１のコイル群と、複数の１ターンコイルを第１のコイル群の間隔よりも密に巻回してなる第２のコイル群とを有し、前記第２のコイル群は前記第１のコイル群よりも前記静磁場空間に近い位置に配置され、前記第１のコイル群と前記第２のコイル群が直列に接続されている磁石装置。
6. 前記第１のコイル群は、前記コイル容器の容器壁の内側及び外側の少なくとも一方に沿って巻回されていることを特徴とする請求項５に記載の磁石装置。
7. 前記第２のコイル群は、前記コイル容器に収容された前記主コイルのうち、前記静磁場空間に最も近いコイルの巻枠の前記静磁場空間に近い内側角部に巻回されていることを特徴とする請求項５に記載の磁石装置。
8. 前記第２のコイル群は、前記コイル容器の前記静磁場空間に最も近い外側角部に巻回されていることを特徴とする請求項５に記載の磁石装置。

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