JPH0580125B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

発明の背景 本発明は、高磁界直流磁石の構造に関し、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（一様性）が要求
される。これは磁界強度の小さな変動によつて画
像が歪んだり、または画像にアーテイフアクトが
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つたソレノイドコ
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つて実現
されるが、ソレノイドコイルの数および大きさに
よつ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
わたつ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
さが増大するに従つて、別の支持構造体を必要と
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
イメージソ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、中孔の互
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有している。一
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つて決定され
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を行う。 従つて、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はないので、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１６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に対してぴつた
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１
４の外側の磁界を減らすようになつている。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２６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３２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によつ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に沿つ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に沿つた中心点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第278124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４６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によつて発生され
る磁界によつてコイル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によつて軸方向の
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第4771256号明細書、同第
4724412号明細書、同第4800354号明細書、同第
4721934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
インゴツ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
90650.0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40cmの
球体内での不均一を18ppm以下に首尾よく低減で
きた寸法を次に示す。

【表】 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″の厚さを有する。 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つて異なる。 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つて複雑になつてい
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、処理ブロツク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
コイルの軸方向および半径方向の寸法、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、処理ブロツク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。 処理ブロツク６２において、コイルおよびリン
グの寸法は繰り返しニユートン・ラフソン
（Newton−Raphson）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。この手順はデイジタル・エクイツプメ
ント社（Digital Equipment Corp.）によつて製
造されるVAXコンピユータのような高速コンピ
ユータで実行される。変更できる変数、従つて反
復の自由度は、各コイルに対する軸方向および半
径方向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方向および半径方向の位置で
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。 処理ブロツク６２で選択された変数は上記のコ
ンピユータで実行される有限要素磁気モデル・プ
ログラムに入力される。この有限要素プログラム
は、処理ブロツク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
定ブロツク６４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
ツク６６から出て、コイルは処理ブロツク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ツク６８において繰
り返しニユートン・ラフソン手順で一定に維持さ
れ、コイル位置が処理ブロツク７０において繰り
返しニユートン・ラフソン手順によつて再計算さ
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ツク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つて発生さ
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・シユウエンドラー社
（Macneal−Schwendler Corporation）およびマ
グナス・ソフトウエア社（Magnus Software
Corporation）などのコンピユータ支援エンジニ
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
る者にとつて明らかであろう。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つ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共鳴イメージング用
磁石の斜視図である。第２図は第１図の線２−２
に沿つて取つた第１図の磁石の断面図である。
第３図は第２図の線３−３に沿つて取つた第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ヤートである。 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、２６……外側壁部、３６……中孔軸線、３
８……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。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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、前記中孔軸線に沿つて磁界を
   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 中孔軸線と同軸に位置決めされて、該中孔軸
   線に沿つ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つ
   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
   計算することによつ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ツプ
   ｄ−ｆを繰り返すステツプを含むことを特徴と
   する方法。