JPH03138912A - 高磁界強度磁石用強磁性補償リング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、高磁界直流磁石のＨ−％造に関し、更に詳し
くは、磁界の均一性を高く保持しながら、前記磁石の軸
方向の長さを短くする手段に関する。

従来技術の説明 高磁界強度磁石は粒子加速器、ＮＭＲ分光装置および磁
気共鳴イメージング装置を含む種々の用途に使用されて
いる。磁気共鳴イメージング装置においては、磁界の高
い均一性（−様性）が要求される。これは磁界強度の小
さな変動によって画像が歪んだり、または画像にアーテ
ィファクトが発生するためである。典型的なこのような
磁石は、超伝導ワイヤを巻回して作ったソレノイドコイ
ルを、低温貯蔵容器すなわち低温保持装置内に保持され
た液体ヘリウムの媒体内に漬けて構成した超伝導磁石で
ある。

このような磁石の非常に均一な磁界は多数の対のソレノ
イドコイルを使用することによって実現されるが、ソレ
ノイドコイルの数および大きさによっては磁石の中孔の
長さを長くすることが必要となる。一般に、非常に均一
な磁界は長い中孔にわたって多数のコイル対を必要とす
る。

中孔の長さが長い磁石は欠点を有している。長さが増大
するに従って、別の支持も■遺体を必要とするため磁石
の重量および価格は増大する。自己シールド型磁石の場
合、中孔の長さが増大すると必要なシールドの大きさお
よび価格も増大する。

患者が磁石の中孔の中に入れられている磁気共鳴イメー
ジング動作中においては、磁石の中孔の長さが長いと「
閉じ込められた」感じになるので、患者の居心地は悪く
なる。最後に、多くの施設においてスペースに制約があ
るため、中孔の長い磁石を使用することはできない。

発明の要約 本発明においては、中孔の長さを短くした磁石が提供さ
れ、これは中孔軸線の周りに同軸に位置付けられ、かつ
中孔軸線中心点に対して対称に配置された一対以上の磁
石コイルを存している。−対以上の強磁性補償リングが
磁石の中孔軸線の周りに同軸に位置決めされ、また各リ
ングは中孔軸線中心点に対して対称的に配置されている
。コイルの寸法、すなわち半径、軸方向の位置およびア
ンペアターン、ならびに補償リングの寸法、すなわち半
径および軸方向の位置は、磁界の不均一を減らすように
選択される。まず、コイルおよび強磁性リングの数なら
びに磁石の寸法の限界について初期値が選択される。目
標磁束密度が磁石の中孔内の関心のある容積内の複数の
点において選択され、所定の限界内のコイルおよびリン
グの寸法がこの目標磁束密度に基づいて繰り返し手法で
決定される。最適化処理においてリングが飽和磁束を有
すると仮定し、初めはシールドからの磁界の寄与分が無
視される。そこで、有限要素モデルを構成して、シール
ドおよび補償リングの実際の磁束から生じる目標磁束点
における磁界の寄与分を決定する。有限要素モデルによ
って決定された磁界の均一性が所望のレベルにない場合
には、シールドおよびリングからの磁界の寄与分を一定
に維持しながら、所望の均一性が達成されるまで、コイ
ルの寸法のみの調整を繰り返し行う。

従って、本発明の目的は、中孔の長さが短く、しかも中
孔の長さが長い場合の磁石に匹敵し得る磁界の均一性を
有する磁石を提供することにある。

強磁性リングは、中孔の長さを短くしたこと、すなわち
磁石コイル対を少なくしたことから生じる不均一を低減
するように局部的な磁界構造を変更する。

本発明の他の目的は、所与の長さの磁石における所与の
数の磁石コイルによる磁界の不均一を低減するように磁
石コイルおよび強磁性リングを位置決めする方法を提供
することにある。

上述した以外の他の目的ならびに利点は以下の好適実施
例の説明から当業者には明らかとなろう。

以下の説明においては、添付図面を参照して行う。

しかしながら、図示例は本発明の種々の形態を網羅する
ものでないので、本発明の範囲は特許請求の範囲により
決められる。

好適実施例の説明 第１図を参照すると、ＭＲ磁石組立体１０が真空円筒体
容器１２内に設けられ、エンドプレート１６および内径
円筒体１４が中孔軸線３６を中心にしてそのまわりに設
けられている。真空円筒体１２およびエンドプレート１
６はシールド型磁石の場合には圧延軟鋼板のような強磁
性材料で形成され、またシールドされない磁石の場合に
は非磁性材料で形成される。内径円筒体１４は非磁性ス
テンレス鋼で形成されている。これらの構成要素は互い
に溶接され、真空密封型環状室１５を形成している。シ
ールド型磁石の場合には、エンドプレート１６は真空円
筒体容器１２に対してぴったりと適合し、両者間の磁束
を導いて、本技術分野において一般に知られているよう
に内径円筒体１４の外側の磁界を減らすようになってい
る。内径円筒体１４は、ＮＭＲ走査中に患者の位置する
磁石の中孔を磁界が貫通できるようにしている。磁石組
立体１０の主な目的はこの磁石の中孔内に高強度で均一
な磁界を形成することである。

第２図を参照すると、真空密閉型環状室１５は中孔軸線
３６の周りに配設された同心の円筒形外側および内側壁
部２δおよび２４からなる第１の熱遮蔽部を囲んでいる
。外側壁部２６および内側壁部２４の端部の間のスペー
スはエンドプレート２８で閉じられている。

中孔軸線３６の周りに設けられている同心の円筒形外側
および内側壁部３２および３０からなる第２の熱遮蔽部
は、前記第１の熱遮蔽部内に囲まれている。外側壁部３
２および内側壁部３０の端部間のスペースはエンドプレ
ート３４で閉じられている。

第２の熱遮蔽部の外側および内側壁部３２および３０に
よって囲まれたスペース内には、中孔軸線３６と同軸で
ある同心の円筒形外側および内側壁部２０および１８か
らなる液体ヘリウム容器がある。外側壁部２０および内
側壁部１８の端部間のスペースはエンドプレート２２で
閉じられている。

第１および第２の熱遮蔽部およびヘリウム容器はアルミ
ニウムのような非磁性材料で構成されている。

ヘリウム容器により囲まれたスペース内には円筒形コイ
ル巻枠３８があり、この巻枠３８はまた中孔軸線３６と
同軸である。このコイル巻枠３８は、中孔軸線３６に沿
って間隔をあけて配置された一連の磁石コイル４０を保
持している。コイル４０は中孔軸線３６と同軸に位置決
めされるとともに、中孔軸線３６に沿った中心点４４に
対して対称に対をなして設けられている。本発明に使用
するのに適切なこのようなコイル巻枠の例が１９８８年
１１月３０日出願の米国特許出願節２７８゜１２４号明
細書に記載されている。

磁石１０の動作中、液体ヘリウム容器は液体ヘリウム４
６で充填されて、磁石コイル４０を超伝導状態に冷却す
る。コイル４０によって発生される磁界によってコイル
４０は互いに反発または引き合うので、コイル４０はコ
イル巻枠３８の周面に設けられた一連の保持面３９によ
って軸方向の動きを抑えなければならない。また、これ
らの保持面３９は磁石コイル４０を互いに正確に位置決
めする作用も持つ。

本発明を使用するのに適した超伝導磁石の構造について
は米国特許箱４，７７１，２５６号明細書、同第４，７
２４，４１２号明細書、同第４゜８００．３５４号明細
書、同第４，７２１，９３４号明細書に更に詳細に説明
されている。

一対の強磁性補償リング５２が中孔軸線３６と同軸に、
かつ中孔軸線の中心点４４に対して対称に配設されて、
内径円筒体１４の外側面に溶接されている。この補償リ
ング５２は低炭素鋼またはインゴット鉄または高飽和磁
束密度を有する他の材料で形成される。

それぞれアンペアターン２１６８３４．８および９０６
５（ＬＯおよび５１４８９．２を有する３つのコイル対
ＡおよびＢおよびＣを設けた０゜５テスラの磁石の場合
、中孔の中心点４４に中心をおいた直径４０’ｃｍの球
体内での不均一を１８ｐｐｍ以下に首尾よ＜低減できた
寸法を次に示す。

磁石組立体１０は磁気シールドとして作用する鉄からな
る真空円筒体容器１２を有する。この円筒体１２の外側
半径は３２．９６７”であり、厚さは１．８６５”であ
る。エンドプレート１６は１６゜７３２゛の内側半径お
よび１．８６５″の厚さを存する。

補償リングの正確な寸法および構成は磁石コイルのアン
ペアターン、半径および軸方向の間隔を含む磁石の特定
の構成によって異なる。

磁石の所望の長さ、コイル対の数および補償リングの数
は磁石の用途およびシステムの物理的および価格的制約
に基づいて予め決定される。一般に、磁石の長さ、コイ
ルの数、均一性および価格の間には兼ね合いがある。上
述したように、磁石を使用する施設におけるスペースの
利用可能性が磁石の大きさを制限する。

磁石の強磁性補償リングおよびコイルの位置の決定は強
磁性補償リングおよび磁界に対する磁気シールドの非線
形的影響によって復雑になっている。これは磁石の中孔
内の磁界を決定するのに各コイルおよびリングの作用を
単純に重畳させることを妨げている。代わりに、第４図
に示すように２つの部分からなる繰り返し手順が使用さ
れる。

第４図を参照すると、処理ブロック６０において、コイ
ル４０および補償リング５２の数が選択され、またコイ
ルおよびリング変数、具体的にはコイルの軸くの磁界の
点において所望の寸法、アンペアターン、ならびにリン
グの軸くの磁界の点において所望の寸法の限界値が選択
される。この限界値は変数が逸脱しない外側を制限する
ものである。例えば、コイルおよびリングの軸方向の最
も外側の位置を制限する磁石の最大長が特定される。同
様な限界は最小および最大コイルおよびリング半径なら
びに最大および最小コイルアンペアターンについて設定
される。これらの限界は上述した兼ね合いに基づいて予
め決定される。また、磁気シールドの寸法も必要により
選択される。

また、処理ブロック６０において、関心のある容積５４
内の一連の磁界点における磁束密度の値を表す目標磁束
が設定される。この初期目標磁束値は所望レベルの磁界
均一性を達成するように選択される。目標磁束の磁界点
の数は以下に説明するコイル構造における自由度の数に
等しい。

処理ブロック６２において、コイルおよびリングの寸法
は繰り返しニュートン・ラフソン（Ｎｅｗｔｏｎ−Ｒａ
ｐｈｓｏｎ）手順を使用して決定されて、特定の磁界点
において特定される目標磁束を発生する。

この手順はディジタル・エクイップメント社（ＤＩｇｌ
ｔａ！　Ｅｑｕｌｐｓｅｎｔ　Ｃｏｒｐ、　）によって
製造されるＶＡＸコンピュータのような高速コンピュー
タで実行される。変更できる変数、従って反復の自由度
は、各コイルに対する軸くの磁界の点において所望の位
置およびコイルのアンペアターン、ならびに各リングの
軸くの磁界の点において所望の位置である。リングの磁
束密度は飽和レベルにあるものと仮定され、各磁界点に
おける各リングおよびコイルの磁界に対する寄与分はビ
オサバールの法則を使用して計算される。

処理ブロック６２で選択された変数は上記のコンピュー
タで実行される有限要素磁気モデル・プログラムに人力
される。このを限要素プログラムは、処理ブロック６３
において、関心のある容積内の磁界点における磁界に対
するリングと磁気シールドの実際の影響を計算する。

関心のある容積内の軸方向の磁界の均一性が判定ブロッ
クδ４でチエツクされ、所望の均一性が達成されている
場合には、プログラムは処理ブロック６６から出て、コ
イルは処理ブロック６２で決定された変数で形成される
。

所望の均一性が達成されていない場合には、磁界点にお
ける磁界に対する磁気シールドおよび補償リングの寄与
分が処理ブロック６８において繰り返しニュートン・ラ
フソン手順で一定に維持され、コイル位置が処理ブロッ
ク７０において繰り返しニュートン・ラフソン手順によ
って再計算される。この場合リング変数は固定され、コ
イル変数のみが変更される。処理および判定ブロック６
３−７０で構成されるループは所望の均一性が得られる
まで繰り返えされる。

強磁性シールドおよび強磁性リングが存在する場合にお
いて電流が流れるコイルによって発生される磁界の均一
性を計算するのに適した有限要素プログラムは、マクニ
ール・シュウエントラ−社（Ｍａｃａａａｌ−８ｃｈｖ
ｃｎｄｌｃｒ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）およびマグナ
ス・ソフトウェア社（Ｍａｇｎｕｓ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ
　Ｃｏｒｐｏｒａｔｌｏｎ　）などのコンピュータ支援
エンジニアリング製品の多くの供給者から市販されてい
る。前記両会社はこの反復処理に適した有限要素磁気モ
デル・プログラムを作成している。

中孔の中心点４４に対する円筒形磁石の対称構成ならび
にコイルおよびリングの対称配置が計算を容易にするこ
とは本技術分野に専門知識を有する者にとって明らかで
あろう。この場合、中孔軸線を含む二次元平面のみを考
察すればよく、特に中孔軸線３６に直角に中心点４４で
交差する横軸と該中孔軸線とによって定められる前記平
面の４゛分の１のみを考察すればよい。

以上、本発明の好適実施例について説明したが、本技術
分野に従事した者には本発明の精神および範囲から逸脱
することなく多くの変更を行うことができるであろう。

例えば、モンテカルロ、最急降下または線形プログラミ
ング技術を使用して、磁石の寸法およびアンペアターン
に適当な制限を加えて最適なコイルおよびリングの位置
を決定することができる。リングおよびコイルの位置お
よび寸法を適切に調整して、追加のリングを使用しても
よい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による磁気ノを鳴イメージング用磁石の
斜視図である。 第２図は第１図の線２−２に沿って取った第１図の磁石
の断面図である。 第３図は第２図の線３−３に沿って取った第１図の磁石
の断面図である。 第４図は第１図の磁石内におけるコイル対および補償リ
ングの位置を選定する方法を示すフローチャートである
。 １０・・・ＭＲ磁石組立体、１２・・・真空円筒体容器
、１４・・・内径円筒体、１５・・・真空密閉型環状室
、１６・・・エンドプレート、２４・・・内側壁部、２
６・・・外側壁部、３６・・・中孔軸線、３８・・・円
筒形コイル巻枠、４０・・・磁石コイル、４４・・・中
心点、４６・・・液体ヘリウム、５２・・・補償リング
。 ＦＩＧ、４

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．中孔の長さの範囲内に配置されて、中孔軸線の周り
   に同軸に位置決めされ、かつ中孔軸線中心点に対して対
   称に位置決めされた一対以上の磁石コイル手段を有し、
   前記中孔軸線に沿って磁界を発生する、中孔の長を短く
   した磁石組立体において、 一対以上の強磁性補償リングを、前記中孔の長さの範囲
   内に前記中孔軸線と同軸に前記中孔軸線中心点に対して
   対称に位置決めして、磁界の不均一を低減するようにし
   たことを特徴とする磁石組立体。
2. ２．中孔軸線と同軸に位置決めされて、該中孔軸線に沿
   って磁界を発生する一対以上の磁石コイル手段と、磁気
   シールドと、前記中孔軸線の周りに同軸的に位置決めさ
   れて、磁界の不均一を低減する１つ以上の強磁性補償リ
   ングとを有する円筒形磁石組立体で、中孔の長さを短く
   する方法であって、 ａ）コイルとリングの数、コイルの軸方向 および半径方向の寸法の限界、ならびにリングの軸方向
   および半径方向の寸法の限界を選択し、ｂ）磁石の中孔
   内の関心のある容積内の多 くの磁界の点において所望の均一性レベルを有する目標
   磁束を設定し、 ｃ）前記目標磁束に基づいて、コイルの軸 方向および半径方向の位置、アンペアターン、ならびに
   リングの軸方向および半径方向の位置を計算し、 ｄ）シールドおよびリングからの磁界の寄 与分を計算することによって前記関心のある容積内の均
   一性を決定し、 ｅ）シールドおよびリングからの磁界の寄 与分を一定に保持し、 ｆ）新しい目標磁束に基づいてコイルの軸 方向および半径方向の位置を再計算し、 ｇ）所望の均一性が達成されるまで前記ス テップｄ−ｆを繰り返すステップを含むことを特徴とす
   る方法。