JPH05503867A - 磁界発生アッセンブリ - 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】 磁界発生アッセンブリ 本発明は磁界発生アッセンブリおよびこのようなアッセンブリを使用する核磁気 共鳴（ＮＭＲ）検査を行う装置に係わる。

核磁気共鳴の磁界内では、検査すべき検査容器内の分子のＮＭＲ特性を測定可能 にする為に、検査容器内に実質的に一様な磁界を発生させることが必要である。

従来、これはコイルアッセンブリを使用しその中心に一様な磁界を持つ大略球形 の領域を発生させることにより実現されていた。このようなアッセンブリは米国 特許第４．６５６，４３２号明細書に述べられている。これは人体のＮＭＲ結像 およびＮＭＲ分光学の場合には十分であることが証明されている。しかしながら 、例えば航空機の部品の様な高分子複合体およびそれと同様な物体の様な、比較 的大きな物体にＮＭＲ検査の実施を可能にする必要があり、この様な物体を収容 できる従来の形態の磁石の製造の原価は非常に大きく実現不可能である。

サモイレンコその他の論文ｒＪＥＴＰ　Ｌｅｔｔ、　Ｖｏｌ、　４７．　Ｎｏ、 　７．１９８８．４．　ＩＯＪは従来の高解像度ＮＭＲ磁石内でいかに大きな磁 界勾配が、無線周波数のパルスのみの印加で０．１ｍｍのオーダの選択された領 域を測定可能にする十分な磁界の勾配を提供することができると述へている。し かしながら、ここでは作動領域は磁石内に制限される。

最近、一様な検査容器の位置を変更する試みがなされてきており、米国特許第４ ．７０１．７３６号明細書に述べられたこのような試みでは球形の一様な領域が 磁石の容器の外側に放射されるような磁石が述べられている。幾つかの層の逆に 巻かれたコイルが使用されている。これは第一に多くの勧が（抵抗体のシステム に於て）あるいはより多くの超伝導の材料μｓ伝導のシステムに於いて）が検査 容器内の決められた磁界強度を作るために必要であり、また第二に検査容器が球 形であり、対象とする応用に対し特に適合しないという欠点があった。

アッセンブリから放射される実質的に一様な領域を発生する為の第二のアッセン ブリは、欧州特許第０１８６．９９８号明細書に述べられており、それは幾つか のコイルの組み合わせから成り立っており、それらの軸は実質的に並行で、そし て間隔か開けられており、従ってこれは与えられた磁界強度を得る為に望ましく ない超伝導体の量■伝導磁石の場合に於て）あるいは望ましくない多くの電力唾 抗体磁石の場合に於て）を必要とする。

本発明によれば、磁界を発生するアッセンブリは、同じ方向に磁界を発生する示 すように配置され、およびそこに於てその領域内の第１に方向に対し横方向の磁 界の少なくとも２次の変動が、ＮＭＲ検査がその作動領域内のサンプルに対し実 施することができるように実質的に平衡している。

本アッセンブリに於て、２つ以上の磁界発生装置を同じ方向に磁界を発生するよ うに配置し、一つの方向に対し横方向の２次の変動を作動領域に於て平衡するよ うに配置し、それにより発生装置より離れた比較的大きな作動領域を作成するこ とが可能であることを我々は見出した磁界発生装置は永久磁石でも構成できるが 、コイルを使用した磁石が望ましく、最も望ましいのはそのコイルを第１の方向 に向かう軸と実質的に同軸とするこ七である。もし超伝導コイルが使用されると すると、これらは最近開発された高温超伝導材料より作ることができる。

後で述べるごとく、磁界の２次（および４次の）放射方向の導関数はコイルの半 径により符号を変えることを示すことができる。従って一組のコイルを使用しコ イルの半径を適当に選ぶことによる少なくとも２次（および高次の放射方向の導 ｙ猥りを消去することが可能である。

ある例では、コイルの中心は軸方向に対しオフセットされる。

作動領域の寸法および第１の方向に対し横方向の均一さの度合は実施されるＮＭ Ｒ検査方法、使用される無線周波の周波数、および希望する信号対雑音比に依存 するであろう。しかしながら、典型的には第１の方向に対し横方向の均一さは１ １００ｐｐ以下であろう。

実際には作動領域は第１の方向に長い寸法を持っているので、一つの一様な領域 が第１の方向に沿って効果的に作られる。これは勾配のある磁界は第１の方向に 沿って現れるので、空間的な情報は均一な領域を２以上の点で横切る物体から得 られる利点がある。

上に述べたように、本アッセンブリはＮＭＲ検査を行う装置で使用するのに特構 成されている。典型的には本装置は更に空間的な情報を得ることを可能にする為 に作動領域内に勾配のある磁界を作る為の勾配の磁界発生手段から成るであろう 。

本発明は多くの応用を持っており、特に従来のコイルに基づいたシステムには挿 入できない比較的大きな寸法の物体よりＮＭＲ情報を得るのに適している。例え ば、今日まで商用の寸法の高分子複合体を検査対象とすることを可能にする方法 は示されていなかっ九例えば、航空機の機体および翼はこのような高分子複合体 から作られており、製造過程およびサービス状態の両方で可能なだけ多くの情報 を持つ必要がある。ＮＭＲは特にプラスチック格子の分子構造を重合化する為に 加えた熱処理への反応を製造過程で検査する為に使用される。大きな複雑な形状 をした部品を正しく処理することの困難さは本質的であり、そして重要な航空機 の機体部品に対して信頼性を持っで克服されなければならない。例えば、水は高 分子の構造の中についには浸入し、機械的な特性に影響を与えることか示されて いる。更に、ＮＭＲは固有に溶液の浸入の範囲を量的に示す化学的な情報を提供 するのに使用される。更に、多くの高分子製造事業の製造会社は複合部品の為の 合成および組み立て技術を開発する必要がある。これは最近まで適当な非破壊検 査機器力４１用できない為に実施するの力唇灘であった。

本発明の第二の特徴によれば、構造を検査する手段は、各領域内の磁界の強度は 領域ごとに異なるが、各々に於て実質的に一様な磁界か発生させられる一組の実 質的に平面あるいは曲面の領域を発生させること、少なくとも一つの一様な作動 領域を横切るように検査すべき構造を置くこと、その構造をその中の核磁気共鳴 を励起するあらかじめ決められた周波数帯域で無線周波パスルに曝すこと、およ び結果を示す信号の反響を監視することから成る。

この手法では航空機の機体部品のような高分子複合体およびその他の同様な物体 は核磁気共鳴を使用して検査することができ、そして検査されるべき構造の部分 を規定する為に磁界の勾配を重畳する公知のＮＭＲ装置と対照的に、本発明は無 線周波の周波数を適当に選ぶことによって空間的な解像度を達成するのに使用で きることを注目すべきである。

典型的に、この手段は本発明の第１の特徴に従って磁界を発生するアッセンブリ を使用して実施されるであろう。

本発明による方法と装置の例は添付した図面を参照して以下説明される。これら の図面は下記を含んでいる。

図１は装置の概略図であり、 図２は単一コイルによる磁界のコイル半径に対する２次および４次の放射状の導 関数の変動を図式で表したものであり、図３は本発明によるコイルアッセンブリ の例を図式に表したものであり、図４は本発明によるアッセンブリの他の例を図 式に表したものであり、図５は本発明を使用する為の典型的なパルスシーケンス を表している。

図１は下記の図４に関連上でより詳細に説明するコイルアッセンブリ月を構成す るＮＭＲ装置の例を概略の形で表している。この装置は共通の軸４に沿って離し て置かれた一組の同軸形の超伝導コイル２．３から成っている。コイル２．３は 従来の低温保持装置（図示しない）に収容される。下記で説明するように、これ らのコイルは作動領域５に於て軸４に沿って直線的な勾配を示し且っ軸４に直角 の方向に実質的に一様である磁界を発生するように配置されている。更に、作動 領域５はＮＭＲ検査を行うのに適当な領域を規定する。この装置は作動領域内の 磁界の方向に直角の方向に無線周波磁界を発生し、また結果を示す信号の反響を 検出する為に置かれる無線周波コイル６を含んでいる。最後に、従来の勾配用コ イルは軸に直角の方向にあるいは作動領域５内で磁界の勾配を重畳する為に７に 示すように備えることができる。

本発明をコイル２の最も近い部分から１５ｃｍ！ｉ！れて置かれた作動領域５に 関連した例示の方法により説明する。この距離は機械的な支持と、超伝導コイル の場合、低温保持装置の構成品の為の空間となるであろう。

０、２５ｃｍ’より大きい領域を提供する為に作動領域の放射方向の範囲が約３ ０ａｍであるシステムを説明する。

問題とする点での磁界の放射方向の変動を考える必要がある。作動領域５の表面 上の点Ｒの磁界は軸４　（Ｚ軸）に対するテーラ−展開として表すことができる 。

Ｂ　（Ｒ，Ｚ）　＝Ｂ　（０，Ｚ）　＋　（Ｒ”／２　り　（ｄ”Ｂ／ｄＲ１） ＋（Ｒ’／４　り　（ｄ’Ｂ／ｄＲ’　）＋・・・対照性の為に偶数の項のみが 現れる。−組の平らな、均等に間隔を開いた表面を得る為に、放射方向の導関数 の合計が０となるコイルのシステムを探すべきである。我々が十分に小さくでき る導関数の次数が大きくなれば、検査容器の放射方向の範囲はより大きくなるで あろう。

の計算に多項式を適用するか、あるいは数値微分のいづれかによって得ることが できる。これらの技術は当業者には公知であり、詳細間１己ホしない。図２はコ イルの半径の関数として描いたコイル８（８０００ターン／ａｎ”　）に対する ２次および４次の放射方向の導関数を示している。この場合半径的３５ｃｍに於 て２次の導関数が０を横切り符号が負から正に変わることがわかる。４次の導関 数は約１２ｃｍと６５ｃｍの２回符号を変える。これは我々に一組のコイルで２ 次の導関数を領域５で消去するかあるいは３つのコイルのシステムで２次と４次 の両方の導関数を同しに消去する十分な自由度を与える。図２を作成するのに使 用したデータは下記の表１に与えられている。この表で次元ａｌ、ｂｌ、ａ２． およびｂ２は図２に示される通りであり、−刃軸方向の磁界の０次ないし４次の 導関数は各々ＨＯ−Ｈ４により示されている。

表　１ コイル位置ｌ 三Ω頒虜呈 三り挫頂ユ コイル位置５ 三Ω頒」亙 コイル位置７ コイル位置８ コイル位置９ 三Ω頒１Ｌユ 図３はコイル９．１０で構成される２コイルシステムの簡単な例を示している。

図３は２つの部分を持っており、主の部分は各々磁界の価１０００１．８７８４ 、および７５４５に対応し１１−１３と番号が付けられた一定の磁界の等値線を 示しており、一方図３の第二の部分は異なった半径に於けるアッセンブリの軸に 沿った全磁界強変の変動を示している。各コイルは８０００Ａ（アンペア）　１ ０ｎ”の巻数密度を持っている。図３を作成するのに使用したデータは下記の表 ２に示されている。この表ではＨｍｏｄの値が描かれており、ここでＨｍｏｄ” ＝Ｈｒ”＋Ｈｚ”、そしてＨｒ、Ｈｚは各々放射方向および軸方向の磁界成分で ある。磁界の点の一部のみが図３に示されていることが分かるであろう。

放射方向の導関数 磁界の測定 図３から理解することができるように、作動領域５は１０００１と７５４５ガウ スの等値線により効果的に規定される平らな表面を持っている。このシステムは 第３のコイルを使用することによって消去することができる４次の導関数により 支配されている。しかしながら、第３のコイルを必要とせずにこれを実現する為 のコイルの軸方向の位置の放射方向の勾配の変動を描くことが可能である。これ は図４に描かれており、これは図３と同様であるが、しかしこれはコイル１１． １２が共通の軸に沿ってオフセットされるような図１に概略を示したようなシス テムに対するものである。これは図３のような２次の放射方向の勾配を同様に消 去できるが、しかし作動領域から内部コイルの軸方向の距離による下位の４次の 導関数は残っている。

図４を作成するのに使用したデータは１己の表３に示されている。

磁界の測定 等値線の測定 作動領域５内でＮＭＲ検査を行う為に、軸方向に存在する静的磁界勾配を動的に 削除することが望ましい。これはスピン反響の結像に関連して図５を参照した例 示の方法によって示されたと同様な種々の方法で行うことができる。示された特 定の例では、薄片を選択する方向は主の磁界に対して軸方向になるように選ばれ る。このシーケンスは周波数で（従って空間的に）選択される９０度無線周波パ ルスＰ１、とそれに続く反響Ｅ】を作る非選択の位相再指定の１８０度パルスＰ ２から成る。動的に加えられた勾配シーケンスは「印加された呼出し勾配」、「 印加された位相符号化勾配Ｊ、および「印加された薄片の勾配」と表示される。

これらを順次加えることにより呼出し勾配は放射方向に加えられ、そして実質的 に従来の結像磁石の穴内で必要とされると同じものになる。この方向に於てスピ ンシステムは選択パルスＰ１の後、位相を戻し、そして正常に検出されディジタ ル化される反響を作る為に非選択パルスＰ２の後で位相が再指定される。同様に 位相符号化勾配は二つのパルス、ＰｌとＰ２、の間に印加され、そしてその振幅 は、空間的符号化の第２の次元を与えそして完全な２次元の像を作る為に、順次 印加される各ステップで変化させられる。印加された薄片の勾配は静的な磁界の 勾配と組み合わされ希望の薄片勾配を作成する。その静的な勾配は主の磁界シス テムに固有のものである。

詳細には、Ａと記した時刻には選択されたスピンを唯回転するために設計された 選択無線周波パルスＰ１が働いている間、勾配は動的には加えられない。パルス Ｐｉが終了した後、勾配パルスが連続した信号を作る為にスピンの位相を再指定 する為にＢとＣと記した点間で勾配パルスが加えられる。典型的には、当業者に 良く知られているように、この勾配はパルスの開に存在するものとは逆の方向で なくてはならない。もしパルスＰ１が振幅あるいは位相あるいはその両方で変調 されていると、回転スピンは尚それに続く無線周波励起の位相に合っているかも 知れない。その場合Ｂと０間の勾配はＣと０間の振幅と変える必要はないであろ う。０点の後は勾配磁界かそのシーケンスの残りの開、反響が０点でサンプルさ れるまで加えられ、そしてその後火のシーケンスまで除くことができる。

従来の結像と同しように選択パルスはＰ２の位相で使用することができ、また選 択１８０度無線周波の位相再指定の処理の間は適当なオフセット磁界が従来の薄 片の勾配に加えられる。このようにして複数の薄片の結像方法を各薄片に対する 無線周波の周波数を変える従来の技術によって実施することができる。

同し原理が呼出しおよび位相符号化勾配へ適用することができる。静的なすフセ ット磁界を加える同し様式を軸方向に加えられるいかなる勾配パルスにも適用す べきである。

軸方向の位置〔ｍ 軸方向の位置〔ｍ Ａ　ＢＣＤ 炙」Ｌｌ 磁界発生アッセンブリであって、少なくとも２個の同一方向の磁界を発生する電 気コイル（２，３）を有している。これらのコイルは、コイルの外部の作動領域 （５）に、第１の方向に勾配を有する磁界を生じるように配置されている。

少なくとも、第１の方向に対して横方向の２次の変動が実質的に平衡して、前記 領域におかれたサンプルに対してＮＭＲ検査を実施できるようになっている。

国際調査報告 ｍｍ＠ａ＠４ａ＠ｆｉ＋ｗ”　ＰＣＴ／ＧＢ　９１１００１９４国際調査報告

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．磁界発生アッセンブリにおいて、少なくとも２個の同一方向の磁界を発生す る磁界発生装置を有し、前記磁界発生装置は、磁界発生装置の外部の作動領域に 、第１の方向に勾配を有する磁界を生じるように配置され、且つそこにおいて、 少なくとも、第１の方向に対して横方向の２次の変動が実質的に平衡して、前記 領域におかれたサンプルに対してＮＭＲ検査を実施できるようになっていること を特徴とする磁界発生アッセンブリ。
2. ２．前記磁界発生装置が電気コイルを有することを特徴とする請求の範囲第１項 に記載のアッセンブリ。
3. ３．前記コイルは実質的に同軸でありその軸は第１の方向を向いていることを特 徴とする請求の範囲第２項に記載のアッセンブリ。
4. ４．前記コイルの中心はその軸に沿ってオフセットされていることを特徴とする 請求の範囲第３項に記載のアッセンブリ。
5. ５．前記作動領域は実質的に平面であることを特徴とする上記の請求の範囲各項 のいづれかに記載のアッセンブリ。
6. ６．前記作動領域は実質的に皿状の形状をしていることを特徴とする請求の範囲 第１項ないし第４項のいづれかに記載のアッセンブリ。
7. ７．前記作動領域に於て第１の方向に対し横方向に於ける磁界の一様性が１００ ｐｐｍよりも良好であることを特徴とする上記の請求の範囲各項のいづれかに記 載のアッセンブリ。
8. ８．第１の方向に対し横方向に於ける磁界に於けるすくなくとも２次および４次 の変動が前記作動領域に於て実質的に平衡していることを特徴とする上記の請求 の範囲各項のいづれかに記載のアッセンブリ。
9. ９．上記の請求の範囲各項のいづれかによるアッセンブリ、前記作動領域に於て 無線周波磁界を発生する為の無線周波磁界発生手段、および結果を示す信号の反 響を検出する選出手段を有することを特徴とするＮＭＲ検査を行う為の装置。
10. １０．更に第１の方向に対し横方向に前記作動領域内の磁界勾配を発生する為の 勾配磁界発生手段を有することを特徴とする請求の範囲第９項に記載の装置。
11. １１．各領域内の磁界の強さは領域ごとに異なるところの、実質的に一様な磁界 を各領域内に発生し、実質的に平面あるいは曲面の領域の組み合せを発生するこ と、検査すべき構造をそれが少なくとも一つの一様な領域に交差するように配置 すること、前記構造を前記構造内の核磁気共鳴を励起するためにあらかじめ決め られた周波数帯域の無線周波パルスに曝すこと、および結果を示す信号の反響を 監視することから成ることを特徴とする構造を検査する方法。
12. １２．請求の範囲第９項あるいは第１０項に記載の装置により正しく実施される 請求の範囲第１１項に記載の方法。