JPH1027706A - 電磁石装置 - Google Patents

電磁石装置

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JPH1027706A
JPH1027706A JP8180794A JP18079496A JPH1027706A JP H1027706 A JPH1027706 A JP H1027706A JP 8180794 A JP8180794 A JP 8180794A JP 18079496 A JP18079496 A JP 18079496A JP H1027706 A JPH1027706 A JP H1027706A
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magnetic
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shim
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昭彦 有吉
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/28Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
    • G01R33/38Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field
    • G01R33/387Compensation of inhomogeneities
    • G01R33/3875Compensation of inhomogeneities using correction coil assemblies, e.g. active shimming

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 MRI用電磁石装置の磁界補正をより少量の
磁性体シムで実現する。 【解決手段】 同心状に巻回し主磁界を発生するコイル
群と、このコイル群の中央部近傍に設定する均一磁界領
域における主磁界の均一性を補正するための磁性体シム
を備え、磁性体シムの一部をそれによって生成する補正
磁界を多項式で表示したときの均一磁界領域における特
定高次成分がほヾゼロとなる位置に配設するとともに、
主磁界を多項式で表示したときの高次成分の一部がその
次数と一致する補正磁界の高次成分と逆極性の高次磁界
成分を有するようになすコイル群を備えた。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば核磁気共鳴
断層撮影装置(以下、MRIと呼ぶ)などの一様磁界を
必要とする電磁石装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】MRI用の電磁石装置では同心状に巻回
したコイル群を配置し、中央部に所要の均一度をもつ磁
界領域(以下、均一磁界領域と呼ぶ)を形成させてい
る。同心状に配置したコイル群が均一磁界領域内に作る
磁界のZ軸成分Bczは次式のように表すことができる。 Bcz=B0+A11+A22+A33+A44+・・・ (1) ここでB0 は原点(0,0,0)での磁界を、Ann
n次の誤差磁界を表し、当該次数の誤差磁界はZn に比
例することを示している。一般に、磁界の高い均一性を
求める電磁石装置においては、1式の第2項以下を各コ
イルで互いに打消し合い、誤差磁界が小さくなるように
コイル群を配置している。具体的には、各コイルを原点
に対して対称に配置することにより、1式における奇数
次項を打ち消している。また、次数が大きくなるに従っ
て誤差成分は小さくなるので、MRI等に用いられる電
磁石装置では8次項程度までを打ち消す様に、コイル群
の位置および起磁力が決められる。コイル群の設計方法
については、■SUPER CONDUCTING MAGNET FOR MRI■,Jo
hn E.C. Williams,IEEE Transaction on Nuclear Scie
nce,Vol.NS-31,No.4,August 1984 等に詳しい。
【0003】しかし、電磁石装置には工作上の誤差や設
置場所周囲の磁界環境により誤差磁界が生じる。従っ
て、均一磁界領域内の磁界均一性を高めるためにこれら
の誤差磁界を打ち消すような磁界補正装置が必要であ
る。磁界補正装置として、磁界補正用シムコイルや磁性
体シムが用いられている。近年、低コストおよびメンテ
ナンスを容易にする等の点から磁性体シムを用いること
が多い。磁性体シムを磁界補正手段として用いることは
■“Magnet Field Profiling:Analysis and Correcting
Coil Design■,F.Romeo and D.I.Holt,MAGNETIC RESON
ANCE IN MEDICINE 1,44-65(1984)に詳しい。主磁界方向
(Z軸方向)に沿って、断面積Aを有する磁性体シムを
取付位半径a、取付角Φで配置したとき、均一磁界領域
内の任意の点P(r,θ,φ)に作る磁界のZ方向成分
は次式によって求めることができる。
【0004】
【数1】
【0005】磁性体シムが作る磁界成分は無数の次数成
分からなるが、一般にa>rであるから、nの大きい磁
界成分、すなわち次数の大きい項は(r/a)n が小さ
くなり、その磁界成分は無視することができる。2式は
極座標表示であるが、通常用いられる直交座標系との対
応は表1の通りである。
【0006】
【表1】
【0007】表1に示すm=0の場合が1式のZ項に対
応する。2式において、
【0008】
【数2】
【0009】とする。角度αにおける磁性体のZ軸方向
の位置を取付位置の半径aで規格化してβとおけば、角
度αは、α=tan-1(1/β)となり、3式より
【0010】
【数3】
【0011】を得る。4式から、均一磁界領域での磁性
体シムの取付位置と当該磁界成分の関係が求められる。
図1に示したように、コイル収納容器の長さ2Lとする
と、磁性体シムの取付位置は、β<L/aという制約を
受ける。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、ある
磁気特性をもつ磁性体シムは、その取付位置と断面積に
よって発生する磁界成分が決まる。磁界の均一度補正装
置として磁性体シムを用いる場合、一般に入手が容易で
かつ安価な鉄が用いられる。また、例えばMRI用の電
磁石装置では、小型で短尺、かつ大きな均一磁界領域を
要求されるため、磁性体シムの取付位置には多くの制約
を受け、磁性体シムにより発生しうる磁界成分は大き
さ、極性ともに制限が生じる。このため、磁界の均一度
補正に必要な磁界を得るための磁性体シムの必要量が増
加することになり、条件によっては所望の磁界補正が不
可能になる等の問題があった。本発明は、より少量の磁
性体シムで磁界補正を実現することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明による電磁石装置
においては、同心状に巻回し主磁界を発生するコイル群
と、このコイル群の中央部近傍に設定する均一磁界領域
における主磁界の均一性を補正するための磁性体シムを
備え、磁性体シムの一部をそれによって生成する補正磁
界を多項式で表示したときの均一磁界領域における特定
高次成分がほヾゼロとなる位置に配設するとともに、主
磁界を多項式で表示したときの高次成分の一部がその次
数と一致する補正磁界の高次成分と逆極性の高次磁界成
分を有するようになすコイル群を備えた。また、補正磁
界の特定高次成分が4次成分、6次成分あるいは8次成
分であるとき、補正磁界の一部の高次成分とは逆極性の
高次磁界成分をそれぞれ2次成分および8次成分、2次
成分および8次成分、2次成分および6次成分とした。
【0014】
【発明の実施の形態】
実施形態1.以下、図を用いてこの発明による電磁石装
置の実施形態を説明する。第1図はこの発明による電磁
石装置を示す断面図であり、1はコイル群、2は均一磁
界領域、3は磁性体シム、4はコイル群を収納する容器
である。図2および図3は磁性体シムの配置を模式的に
示したものである。MRI用電磁石装置は、開口径が1
000mm前後、長さが2000mm前後であり、磁性
体シムには長さが10〜200mm程度の鉄片を用いて
いる。実際には、同一形状の鉄片を多数組合せて、鉄片
の組合せ個数と取付位置を適当に選び必要な磁場を得て
いる。
【0015】磁性体シムによる磁界は、2式によって説
明したように関数f(β)の差により決まる。図4は上述
の4式に示した関数f(β)を2次、4次、6次および8
次について求めたグラフに、磁性体シムの長さを0.2
aとしたとき、2次、4次、6次および8次のそれぞれ
について関数f(β)の差が0となるβの2点を書込んだ
ものである。以下、関数f(β)のn次成分をfn(β) と
記す。図4から、磁性体シムをβ41からβ42の範囲に取
付ければ、f4(β) の差がゼロとなり、磁性体シムによ
る4次の磁界がゼロとなることがわかる。便宜上、上記
β41からβ42の範囲に取付ける磁性体シムを磁性体シム
4と呼ぶ。このとき他の次数の磁界は、2次すなわちf
2(β) の差は同極性、6次すなわちf6(β) の差は逆極
性、8次すなわちf8(β) の差は同極性である。
【0016】f4(β) の差がゼロとなる位置は上記β41
からβ42の範囲のみではなく、β43からβ44の範囲があ
り、このときf2(β) の差は逆極性、f6(β) の差は同
極性、f8(β) の差は逆極性となるが、この場合はβ41
からβ42の範囲に取付けた場合に比べて他の次数の磁界
は小さくなり補正効果が減少するのでβ41からβ42の範
囲に取付けるのがもっとも効果的である。
【0017】磁性体シム4による2次、6次および8次
の成分とは極性が逆の誤差磁場成分をコイル群によって
生成するようにしておくことにより、磁界補正に用いる
磁性体シムの量を少なくすることができる。
【0018】誤差磁界の補正は電磁石装置における開口
内部の数箇所に取り付けた磁性体シム群により行われる
のが一般的である。磁性体シム4による4次の磁界はゼ
ロとなるので、4次の磁界は他の位置に取付ける磁性体
シム群により補正する必要がある。これらの磁性体シム
群は4次以外の磁界を発生するので、それらを打ち消す
必要がある。磁性体シム4による4次以外の磁場も含め
て、磁性体の量を決めればよい。
【0019】同様の観点から、β61からβ62の範囲に磁
性体シム(この磁性体シムを磁性体シム6と呼ぶ)を取
付ければ、f6(β) の差がゼロとなり、6次の磁界がゼ
ロとなる。このとき他の次数の磁界は、2次については
逆極性、4次については同極性、8次については逆極性
である。磁性体シム6による2次、4次および8次の成
分とは極性が逆の誤差磁場成分をコイル群によって生成
するようにしておくことにより、磁界補正に用いる磁性
体シムの量を少なくすることが可能である。β63からβ
64の範囲に磁性体シムを取付ければf6(β) の差がゼロ
となるのはf6(β) と同様であり、このとき2次につい
ては逆極性、4次については同極性、8次については逆
極性である。
【0020】さらに、β81からβ82の範囲に磁性体シム
(この磁性体シムを磁性体シム8と呼ぶ)を取付けれ
ば、f8(β) の差がゼロとなり、8次の磁界がゼロとな
る。このとき他の次数の磁界は、2次については同極
性、4次については逆極性、6次については同極性であ
る。磁性体シム8による2次、4次および6次の成分と
は極性が逆の誤差磁場成分をあらかじめコイル群によっ
て生成するようにしておくことにより、磁界補正に用い
る磁性体シムの量を少なくすることが可能である。β83
からβ84の範囲に磁性体シムを取付ければf8(β) の差
がゼロとなるのもf4(β) と同様であり、このとき2次
については逆極性、4次については同極性、6次につい
ては逆極性である。
【0021】磁性体シム4、6および8を単独で用いる
ものとして説明したが、磁性体シム4、6および8を組
合せて用いることも可能である。もちろん、磁性体シム
の長さを0.2aに限定する必要はなく、任意の長さの
磁性体シムを用いた場合もこの発明の範囲を逸脱するも
のではない。
【0022】
【発明の効果】本発明による電磁石装置においては、同
心状に巻回し主磁界を発生するコイル群と、このコイル
群の中央部近傍に設定する均一磁界領域における主磁界
の均一性を補正するための磁性体シムを備え、磁性体シ
ムの一部をそれによって生成する補正磁界を多項式で表
示したときの均一磁界領域における特定高次成分がほヾ
ゼロとなる位置に配設するとともに、主磁界を多項式で
表示したときの高次成分の一部がその次数と一致する補
正磁界の高次成分と逆極性の高次磁界成分を有するよう
になすコイル群を備え、あるいは、補正磁界の特定高次
成分が4次成分、6次成分あるいは8次成分であると
き、補正磁界の一部の高次成分とは逆極性の高次磁界成
分をそれぞれ2次成分および8次成分、2次成分および
8次成分、2次成分および6次成分としたので、磁界補
正に用いる磁性体シムの量を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による電磁石装置を示す断面図であ
る。
【図2】 本発明による電磁石装置の磁性体シムの配置
を説明するための模式図である。
【図3】 本発明による電磁石装置の磁性体シムの配置
を説明するための模式図である。
【図4】 本発明による電磁石装置の磁性体シムの取付
位置を決定するための関数f(β)における2次、4次、
6次および8次のグラフである。
【符号の説明】
1 コイル群 2 均一磁界領域 3 磁性体シム
4 容器

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 同心状に巻回し主磁界を発生するコイル
    群と、このコイル群の中央部近傍に設定する均一磁界領
    域における前記主磁界の均一性を補正するための磁性体
    シムを備える電磁石装置において、 前記磁性体シムの一部をそれによって生成する補正磁界
    を多項式で表示したときの前記均一磁界領域における特
    定高次成分がほヾゼロとなる位置に配設するとともに、
    前記主磁界を多項式で表示したときの高次成分の一部が
    その次数と一致する前記補正磁界の高次成分と逆極性の
    高次磁界成分を有するようになす前記コイル群を備えた
    ことを特徴とする電磁石装置。
  2. 【請求項2】 前記補正磁界の特定高次成分が4次成分
    であって、前記補正磁界の一部の高次成分とは逆極性の
    高次磁界成分が2次成分および8次成分であることを特
    徴とする請求項1に記載の電磁石装置。
  3. 【請求項3】 前記補正磁界の特定高次成分が6次成分
    であって、前記補正磁界の一部の高次成分とは逆極性の
    高次磁界成分が2次成分および8次成分であることを特
    徴とする請求項1に記載の電磁石装置。
  4. 【請求項4】 前記補正磁界の特定高次成分が8次成分
    であって、前記補正磁界の一部の高次成分とは逆極性の
    高次磁界成分が2次成分および6次成分であることを特
    徴とする請求項1に記載の電磁石装置。
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