JPH09223620A - 開放型電磁石 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 重量が小さく、漂遊磁界が少ない開放型電磁
石を提供して、低温維持装置内に実質的な支持構造体を
設けないで済むようにする。 【解決手段】 電磁石磁極１，２の間には実質的に均質
な磁界を有する撮像体積部５が画成される。前記電磁石
はさらに１つの支持構造体２２を有しており、該構造体
は前記磁界コイル３，４を隔置関係にて剛固に支持する
作用を果している。ここに前記支持構造体２２は２枚の
鉄プレート２０，２１を有しており、該プレート間に磁
界コイル３，４が配置されている。これら磁界コイル
３，４とプレート２０，２１の相対位置は、電磁石の磁
界強度を考慮し、磁界コイル３，４間の磁気吸引力が少
なくとも部分的に前記プレート２０，２１と磁界コイル
３，４との間の吸引力によって相殺され、磁極間の吸引
力に帰因して磁界コイルおよび関連する支持構造体上に
作用する力が顕著に減少するかまたはゼロになるよう選
択されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）システム
に用いる電磁石に関するものであり、特に開放型である
磁石（ｏｐｅｎ ｍａｇｎｅｔ）に関するものである。
すなわち撮像しようとする患者の部分が置かれる体積部
分が磁石によって囲まれていない磁石に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】ＭＲＩに特に要求される条件は典型的に
は０．２〜２テスラである強く、一様な磁界であり、典
型的には直径が３０ｃｍ〜５０ｃｍである撮像体積内に
おいて数ｐｐｍ（ｓｅｖｅｒａｌ ｐａｒｔｓ ｐｅｒ
ｍｉｌｌｉｏｎ）の磁界均一性を有していることであ
る。最も普通の場合、そのような磁界はソレノイド構造
を有する電磁石によって生成されるが、このことは必然
的に患者が磁石によって取囲まれ、チューブ内に封入さ
れることを意味し、患者に閉所恐怖症感覚を生じさせる
ことになる。しかしながら、本発明の主題とされている
開放型磁石（ｏｐｅｎ ｍａｇｎｅｔｓ）を用いれば、
この問題は克服することが出来る。

【０００３】ＭＲＩシステムにおいて用いる開放型電磁
石は周知のものである。既知の一形態によれば前記電磁
石は相対する極性を有する一対の並設磁極を含んでお
り、これらの磁極間において撮像体積（ｉｍａｇｉｎｇ
ｖｏｌｕｍｅ）が画成されている。前記磁極は１本の
ヨークによって連結され、支持されており、該ヨークは
磁束帰還路を提供するとともに、基本的には全体とてＣ
字形状の鉄フレームを形成している。大量の鉄が必要と
されるので、これらの既知のＣ字形状の磁石は極めて重
く、特に強磁界磁石の場合には磁束帰還路を画成するた
めに何トンもの鉄が必要とされる。

【０００４】しばしば「スプリット・ペア（ｓｐｌｉｔ
−ｐａｉｒ）」と記述される別の形態の既知の開放型電
磁石は一対の並設されたコイル対を有しており、該コイ
ル対は一般的にはソレノイド構造をしており、軸線のま
わりに有孔チューブ（ｂｏｒｅ ｔｕｂｅ）を含むこと
が出来る。前記コイルのセットは１つの支持体によって
分離保持されており、撮像体積へのアクセス（ａｃｃｅ
ｓｓ）は前記コイル間においてシステムの主軸線のいず
れかに沿って確保することが出来る。そのようなシステ
ムは米国特許出願第５３８１１２２号およびＬａｓｋａ
ｉｒｓ氏他による論文「干渉式ＭＲＩ応用のための冷媒
不要開口式超電導磁石」＜ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔ
ｉｏｎｓのＡｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔ
ｉｖｉｔｙ部門の第５巻第２号（１９９５年６月号）に
記載＞において説明されている。

【０００５】既知の開放型磁石の並設磁極間に作用する
磁力は極めて大きいため、当該磁極を支持するのに用い
る構造体には大きな力が作用する。更には、磁極を画成
する磁界巻線が低温維持装置内に収納される超電導電磁
石においては、前述の極めて大きな磁力にさらされる巻
線を低温維持装置内で支持する必要があるため、機械的
設計の問題が生ずる。既知の「スプリット・ペア」シス
テムにおいては、この問題を克服するために、磁力に抵
抗する支持構造体を直接巻線間に接続し、したがって巻
線と同一の低温度に維持するという方策がとられてい
る。しかしながら、こうするためには並設磁極間の間隙
を横切って大型の構造部品を設置せざるを得ず、このこ
とはシステムの開口性を著しく阻害するとともに、低温
維持装置の配列を極めて複雑かつ高価なものにせしめ
る。

【０００６】別の解決方法は低温維持されて収納された
並設巻線上に作用する力を、低温維持装置構造体の「ウ
ォーム（Ｗａｒｍ）」部材に機械的に伝達し、以って２
つの低温維持装置を隔離して保持する役目を果す支持フ
レームを提供する方法である。慣用的には、低温維持装
置内の「低温」部品はガラス繊維補強プラスチック材の
ような低熱伝導度および高強度を有する材料から作られ
たロッド（ｒｏｄｓ）またはバンド（ｂａｎｄｓ）によ
って支持されている。しかしながら、磁極間に作用する
磁力は磁極自身の重力の数倍もの大きさなため、これら
の力を伝達する支持バンドまたはロッドはずっと大きな
横断面を備える必要が生じ、したがってシステムの「低
温」部品内にはずっと大きな熱流が流入するという結果
が生ずる。液体ヘリウムによって冷却されたシステムに
おいては、このことは液体の蒸発量が多くなることに通
じ、低温冷凍機によって冷却されるシステムにおいては
電力の消費が過度になることに通ずる。

【０００７】コイルに近接して大量の鉄を配することは
同コイルに作用する力を実質的に変更させるものである
ということは既知である。例えばＰＣＴ ＷＯ８８／０
４０５７号（Ｄａｎｂｙ氏他）においては、鉄シールド
磁石内のコイルに作用する力はコイルを鉄に対して適正
に配置することにより一ケタ以上小さくすることが出来
ることが示されている。しかしながらこのＰＣＴ特許は
重量の問題については言及しておらず、この場合の重量
を見積るとシステムの重量は漂遊磁界（ｓｔｎａｙ ｆ
ｉｅｌｄ）を適当な値迄制限するために１００トンを超
えてしまう。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】したがって本発明の１
つの目的は低重量および低減された漂遊磁界を有する開
放型電磁石（ｏｐｅｎ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔ）
であって、低温維持装置内に実質的な支持部材を設ける
必要の無い開放型電磁石を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、開放型
電磁石は一対の磁界コイルにして、それぞれが並設電磁
石磁極を有し、それら磁極間において実質的に均一な磁
界を有する撮像体積（ｉｍａｇｉｎｇ ｖｏｌｕｍｅ）
が画成される磁界コイルと、該コイルを隔置された関係
で剛固に支持する作用を行なう支持構造体を有してお
り、前記支持構造体は磁気材料からなる２枚のプレート
（ｐｌａｔｅｓ）を含み、これらプレート間において前
記磁界コイルが配置されており、磁界コイルとプレート
の相対位置は、電磁石の磁界の強度と関連し、磁界コイ
ル間の磁気吸引力がプレートと磁界コイル間の吸引力に
よって少なくとも部分的に釣り合うようにされ、以って
前記磁極間の吸引力が前記プレートを介して前記支持構
造体へと磁気的に伝達されるように選ばれており、更に
開放型電磁石は一対のシールドコイル（ｓｈｉｅｄｉｎ
ｇ ｃｏｉｌｓ）を有しており、互いに対立する極性の
前記プレート及び磁界コイルの間に該シールドコイルは
配置されており、且つ該シールドコイルは磁界コイルと
は反対方向に付勢されている。

【００１０】前述の釣り合い作用は磁力のみを釣り合わ
せるように磁気的に調節してやることも出来る。しかし
ながら、磁界コイル部品の重量に帰因する力をも相殺す
るために、プレートと磁界コイル間の吸引力が２つ磁極
の上側の方で対応する磁極の下側の方よりも大きくなる
ようにしてやることが可能なることを理解されたい。上
側および下側磁極間のこの違いは重量による力を考慮し
た釣り合わせ作用を実現するために必要である。何故な
らば、上側磁極においては重量は磁極間の吸引力と同一
方向に作用する一方、下側磁極においては重量は反対方
向に作用するからである。

【００１１】かくして、両磁極間に作用する正味の力
は、実質的には変更されないものの、室温にある部品に
限定することが可能となるので、低温維持装置内に実質
的な構造支持部材を設ける必要性が解消される。

【００１２】前記電磁石は一対のシールドコイルを含む
ことが可能であり、該シールドコイルはそれぞれプレー
ト及び磁界コイル（プレートと磁界コイルとは互いに対
立する極性を有する）との間に配置され、且つ該シール
ドコイルは磁界コイルとは反対方向に付勢されている。

【００１３】少なくとも一対のシムコイル（ｓｈｉｍｍ
ｉｎｇ ｃｏｉｌｓ）をそれぞれ撮像体積部の各側上に
おいて磁界コイル間に配置してやることが可能である。

【００１４】前記支持構造体非磁性フレームを有し、こ
れに前記プレートを取付けることが可能である。別法と
して、前記プレートは磁気ヨークの一部を形成せしめ、
該ヨークが少なくとも部分的に支持構造体を画成するよ
うにすることが出来る。

【００１５】前記電磁石は超電導電磁石とすることが出
来、その際電磁石のコイルは液体ヘリウム内に低温収納
されるか、直接冷凍される。

【００１６】

【発明の実施の形態および実施例】次に付図を参照して
本発明の一実施例について説明する。

【００１７】図１を参照すると、「Ｃ」電磁石はそれぞ
れ一対の磁界コイル３および４を有する一対の磁極１お
よび２を有しており、これら磁極は撮像体積部（ｉｍａ
ｇｉｎｇ ｖｏｌｕｍｅ）５内に実質的に均質一様な磁
界を提供している。磁界コイル３および４は一対のシー
ルドコイル（ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ ｃｏｉｌｓ）６およ
び７間に配置されており、コイル６および７は磁界コイ
ル３および４が付勢されている向きと反対向きに付勢さ
れている。良好な撮像を行うために必要な撮像体積部５
内における均質化された磁界を得るために、２対のシム
コイル８，９および１０，１１が設けられており、これ
らのコイルは撮像体積部５と磁界コイル３および４の間
に配置されている。

【００１８】前記コイルはコイル間力に耐えるよう巻型
１２および１３上に支持されており、巻型１２および１
３はそれぞれ強固点１２ａおよび１３ａを介して取付け
られている。コイル３，６，８，１０および４，７，
９，１１はそれぞれ低温維持容器１４および１５内に収
納された巻型１２および１３上に装着されている。巻型
１２および１３は（図示せぬ）２段式低温冷凍機の低温
度段に接続して低温度に冷却されており、コイル３，
４，６，７，８，９，１０および１１は超電導化されて
いる。前記低温冷凍機の第１段はコイル上に放射される
熱量を最小にすべく放射シールド１６および１７に接続
され、これらのシールドを６０Ｋ前後の温度へと冷却し
ている。低温維持容器１４および１５内のそれぞれのス
ペース１８および１９は排気されている。

【００１９】巻型１２および１３によって支持されてい
るコイル３，６，８および１０とコイル４，７，９およ
び１１の間には極めて大きな磁力が作用している。巻型
１２を巻型１３に向けて引き寄せようとしているこれら
の力の合力はそれぞれコイル３，６，８，１０および
４，７，９，１１をして、低温維持容器１４，１５の部
分を形成する鉄プレート２０および２１に向けて引付け
ている力によって相殺されている。これらの鉄プレート
２０，２１および低温維持容器１４，１５は構造体２２
によって支持されている。コイル群３，６，８，１０お
よび鉄プレート２０間の力がコイルを反対磁極に向けて
引付けている力を相殺する程度はこれらのコイルとプレ
ート２０の間の間隔を変更することによって調節するこ
とが可能である。プレートがコイルにより近接される
と、コイル群３，６，８，１０とプレート２０間の吸引
力は増大する一方、これらコイル群を反対磁極に向けて
吸引する力はほとんど一定のままに保持される。市販の
有限要素コンピュータプログラム（ｆｉｎｉｔｅ ｅｌ
ｅｍｅｎｔ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｐｒｏｇｕｒａｍｓ）
を用いれば、これらの力がバランスしてコイル群３，
６，８，１０とそれらの巻型１２上に正味の磁力が作用
しなくなる点の存在を計算することが出来る。

【００２０】この平衡点は鉄プレートの寸法に依存する
間隔距離によって達成される。すなわち厚味寸法が大き
くなればなる程前記距離は大きくなる。

【００２１】巻型１２および１３上に作用する合計磁力
はかなり低減されるものの、ゼロではない。何故ならば
重量を支えることも必要だからである。しかしながら、
上記のように、必要とあらば重量の故に発生する力を補
償することも可能である。支持目的のために慣用の支持
ロッドが設けられており、これらの内の幾つか２３ａ，
２３ｂ，２３ｃ，２３ｄのみが簡明さのために図示され
ている。これらのロッドの寸法、したがってそれらがシ
ステムの低温部品に伝達する熱量は慣用の超電導磁石に
おいて用いられるロッドのそれと実質的に等しい。とい
うのは、（もしも重量を補償しないとして）それらのロ
ッドは既知のスプリット・ペアおよび開放型磁石の場合
のように多数トンという磁力を支える代りに、システム
の重力のみを支持すれば良いからである。もしも重量を
も補償しているのであれば、更に小さな寸法のロッドを
用いることが可能である。

【００２２】前述の記載はコイルが直接低温冷凍機によ
って冷却されているシステムに関してのものである。し
かしながら、別法としてコイルおよび巻型をして低温維
持容器内に設けた液体ヘリウムを充満した容器内に収納
する構造を採用することが出来る。

【００２３】図２を参照すると、図１と対応する部品に
は適宜同一の符号が付されている。磁石支持構造体は鉄
製磁束帰還ヨーク２６を有しており、該ヨークは鉄リン
グ２４および２５に接続されている。これらのリングは
一方の極において磁界コイル３とシールドコイル６の間
に配置され、電磁石の他方の磁極においては磁界コイル
４とシールドコイル７の間に配置されている。図２に示
すように、リング２４および２５は低温維持装置１４お
よび１５の部分を形成するように配設されている。

【００２４】図１および図２において、シールドコイル
６および７の役目は磁束帰還を拘束することにあること
が理解されよう。この磁束拘束（ｆｌｕｘ ｃｏｎｓｔ
ｒａｉｎｔ）は鉄製磁束帰還ヨーク２６を設けた図２の
構造によって実質的に助成されている。

【００２５】前記のごとく、本発明の両実施例におい
て、「Ｃ」形状電磁石の磁極内のコイルを支持する構造
体上に作用する力は磁石の磁界コイルをして間にそれら
が同軸状に配置される鉄プレートに関して適当に配置し
てやることにより、実質的にゼロとするかまたは顕著に
減少してやることが出来る。容易に理解されるように、
磁界コイルの精確な配置は磁石の強度および磁極の寸法
を考慮して、所要の程度の力の釣り合いが実現されるよ
う実施される。また「Ｃ」字形状の磁石がここでは説明
されてきたが、本発明は例えば「Ｈ」字またはテンプル
（ｔｅｍｐｌｅ）のような形状の他の開放型磁石にも等
しく適用可能であることが理解されよう。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＭＲＩ（磁気共鳴撮像）システムのための
「Ｃ」字形状電磁石の幾分図式的な側面図。

【図２】ＭＲＩシステムに用いる別の「Ｃ」字形状磁石
の幾分図式的な側面図。

【符号の説明】 １，２ 一対の磁極 ３，４ 磁界コイル ５ 撮像体積部 ６，７ シールドコイル ８，９，１０，１１ シムコイル １２，１３ 巻型 １４，１５ 低温維持容器 ２０，２１ 鉄プレート ２２ 支持構造体

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電磁石磁極であって該磁極の間に実質的
   に均質な磁界を有し且つ撮像体積部を画成する並設され
   た電磁石磁極を備えた一対の磁界コイルと、前記磁界コ
   イルを隔置された関係にて剛固に支持する役目を果す支
   持構造体とを有し、該支持構造体は磁気材料からなる２
   枚のプレートを有し、該プレート間には前記磁界コイル
   が配置されており、前記磁界コイルとプレートの相対的
   位置は、電磁石の磁界強度を考慮し、磁界コイル間の磁
   気吸引力が少なくとも部分的に前記プレートおよび磁界
   コイル間の吸引力によって相殺され、以って前記磁極間
   の吸引力が前記プレートを介して磁気的に前記支持構造
   体に伝達されるように選ばれており、更に前記開放型電
   磁石は一対のシールドコイルを有しており、該シールド
   コイル対は、互いに対立する極性の前記プレート及び磁
   界コイルの間にそれぞれ配置されており、前記シールド
   コイルは前記磁界コイルとは反対向きに不勢されている
   開放型電磁石。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の開口電磁石において、
   撮像体積部の各側上において磁界コイル間にそれぞれ配
   置された少なくとも一対のシムコイルが設けられている
   ことを特徴とする開放型電磁石。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の開放型
   電磁石において、前記支持構造体が１つの非磁性フレー
   ムを有しており、該フレームに対して前記プレートが取
   付けられていることを特徴とする開放型電磁石。
4. 【請求項４】 請求項１または請求項２に記載の開放型
   電磁石において、前記プレートは磁気ヨークの一部を形
   成しており、該ヨークは少なくとも部分的に前記支持構
   造体を画成していることを特徴とする開放型電磁石。
5. 【請求項５】 請求項１から請求項４のいずれか１項に
   記載の開放型電磁石において、該電磁石は超電導電磁石
   であり、前記コイルは低温維持装置内に置かれ、冷媒を
   用いることにより絶対ゼロに近い温度に保持されている
   ことを特徴とする開放型電磁石。
6. 【請求項６】 請求項１から請求項５のいずれか１項に
   記載の開放型電磁石において、前記電磁石は超電導電磁
   石であり、前記コイルは液体ヘリウム内において低温維
   持状態で収納されていることを特徴とする開放型電磁
   石。
7. 【請求項７】 請求項１から請求項６のいずれか１項に
   記載の開放型電磁石において、該磁石が「Ｃ」字形状を
   していることを特徴とする開放型電磁石。
8. 【請求項８】 請求項１から請求項７のいずれか１項に
   記載された開放型電磁石を含んでなる磁気共鳴撮像シス
   テム。