WO1999033398A1

WO1999033398A1 - Generateur de champ magnetique pour irm

Info

Publication number: WO1999033398A1
Application number: PCT/JP1997/004868
Authority: WO
Inventors: Hideya Sakurai; Masaaki Aoki
Original assignee: Sumitomo Special Metals Co., Ltd.
Priority date: 1996-11-19
Filing date: 1997-12-26
Publication date: 1999-07-08
Also published as: EP0965304A1

Description

明細書

MRI用磁界発生装置

技術分野

この発明は、医療用磁気共鳴断層撮影装置 (以下 MRIという)等に用いられる磁界発生装置の改良に係り、空隙を形成して対向する一対の磁極片の周縁部に磁界調整用コイルを巻着することにより、空隙内に強力かつ高精度で均一な磁界を発生させる MRI用磁界発生装置に関する。

背景技術

MRIは、強力な磁界を形成する磁界発生装置の空隙内に、被検者の一部または全部を挿入して、対象物の断層イメージを得てその組織の性質まで描き出すことができる装置である。上記 MRI用の磁界発生装置において、空隙は被検者の一部又は全部が揷入できるだけの広さが必要であリ、かつ鮮明な断層ィメ一ジを得るために、通常、空隙内の撮像視野内には、 0.02~2,0Tでかつ 1X 10-⁴ 以下の精度を有する安定した強力な均一磁界を形成することが要求される。

MRIに用いる磁界発生装置として、図 7Α、図 7Βに示すように、磁界発生源として R-Fe-B系磁石を用いた一対の永久磁石構成体 1,1の各々の一方端に磁極片 2,2を固着して対向させ、他方端を継鉄 3にて連結し、磁極片 2,2間の空隙 4内に、静磁界を発生させる構成が知られている (特公平 2-23010号公報)。磁極片 2,2には、空隙 4内における磁界分布の均一度を向上させるために、周辺部に環状突起 5を設けたり、さらに中央部に凸状突起 (図示せず)を設けた構成 (実公平 5-37446)等が採用され、通常、電磁軟鉄、純鉄等の磁性材料を削りだした板状のバルク (一体物)から構成される。図において、符号 6は傾斜磁界コイルである。

しかし、上記の磁界発生装置において、磁極からの磁束は空隙内に漏洩しやすく、空隙中心垂直線上では、磁極面に近い程磁界強度が高くなる性質があるため、使用磁界空間で所望の高い均一磁界を得るためには、高価な永久磁石を大量に使用する、磁極間距離や磁極面積を大きくするなど、使用磁界空間の数倍以上の空隙を要し、磁気回路が大型となってしまい、しかもコストが高いという問題があった。

そこで出願人は、磁界発生源として R (但し Rは Yを含む希土類元素のうち少なくとも 1種) 8原子％~30原子％、 B2原子％~28原子％、 Fe42原子％~90原子％を主成分とし主相が正方晶からなる永久磁石を配置し、該永久磁石を磁界発生装置に適用することにより、磁界発生装置の小型化が達成でき、さらに、該永久磁石の温度特性より、該永久磁石を冷却保持することにより、著しく高い最大エネルギー積が得られ、磁石重量をさらに軽量化できることを知見した (特公平 4-22009号)。

また、一対の永久磁石構成体の磁極面が、空隙に対して凹状湾曲面を形成するように、平板状の永久磁石構成体の周囲に別途の永久磁石構成体を配置することにより、磁気回路空隙内の磁界均一度及び磁界強度が向上して、高精度で均一な磁界城を拡大できることを知見した (特公平 3-20053号)。

しかし、前者では冷却装置が必要であり、後者では複数の永久磁石構成体が必要でぁリ、構造力 ^複雑となって組立に手間もかかり、また価格も高くなるなどの問題があった。

また、空隙内の磁界の均一度の向上を目的として、出願人は、永久磁石と同一磁化方向を有した少なくとも 1の補助永久磁石を、永久磁石の内部および/または外部に、該永久磁石の磁化方向に移動自在に装着し、空隙への磁束発生量を調整可能にした構成 (特公平 3-7124号)、および磁性体からなる磁力調節棒を、少なくとも空隙内への突出量可変に,継鉄に設けて、磁束短絡量を加減できる構成 (実公平 2-41841号)を提案した。しかし、これら補助永久磁石や磁力調節棒による磁束の短絡量をあまりに大きくすると、磁界強度の低下を招く恐れがある。さらに、高均一度、高安定性の静磁場を形成するために、一対の永久磁石及び該磁石を磁気的に結合するとともに、ほぼ密閉された空間を形成する磁気ヨークからなる静磁界発生手段において、該一対の永久磁石の夫々に近接する配置で、上記静磁界の一様性を補正するための複数の補助コイルを具備し、該補助コィルへの印加電流は、永久磁石の静磁界分布及び補助コィルが形成する磁場への上記磁気ヨークの影響を打ち消す様に決定される構成の核磁気共鳴装置が提案されている (特開昭 61-17053号)。

しかし、上記の構成では一対の補助コイル力 ^各磁極片の空隙対向面に配置されており、該補助コイルを配置するために空隙が狭くなる。被検者に圧迫感を与えないよう空隙を広げると、静磁場の強度が弱まリ良質な画像が得られないという問題がある。

しかも、上述の MRI用磁界発生装置を使用した撮像途中で、建屋の近隣での自動車や電車等の移動や装置が設置された建物のエレベーター等の移動、さらに、磁石温度の変化によって、磁界強度が突然動的に変化した場合、従来のメ力二力ルな磁界調整方法では対応できないという問題があつた。

発明の開示

この発明は、 MRI用磁界発生装置の所望の磁界強度における上記現状に鑑み提案するもので、被検者に圧迫感を与えることなく、小型で低コストの構成でありながら、撮像空間に安定的に均一な静磁場を得ることが可能で、高感度で鮮明な画像が得られる構成の MRI用磁界発生装置の提供を目的としている。発明者らは、上記目的を達成するために種々検討した結果、空隙を形成して対向する一対の磁極を継鉄で磁気的に結合し、該空隙に磁界を発生させる MRI 用磁界発生装置において、前記磁極に配置した磁極片の周縁部に磁界調整用コィルを巻着して、該コイルに導電することにより、磁界強度の増減が可能となリ、しかも電流の方向を調整することによって、磁界分布の調整が可能となリ、磁界均一性が向上することを知見し、この発明を完成した。また、発明者らは、上記構成からなる MRI用磁界発生装置において、磁極片が環状突起を含み、該環状突起周縁部に磁界調整用コイルを巻着する構成、並びに高精度の磁界分布の調整が可能な構成として、環状突起が複数の弓型の環状突起部材からなり、該環状突起部材各々に磁界調整用コィルが巻着する構成を併せて提案する。

図面の説明

図 1は、この発明による磁界発生装置の一実施例を示す説明図であり、図 1A、図 IBは縦断面説明図と斜視説明図である。

図 2は、この発明による磁界発生装置の他の実施例を示す縦断面説明図である。

図 3は、この発明による磁界発生装置の分割型環状突起の実施例を示す斜視説明図である。

図 4は、球体空間を水平面で 15分割した際の各プレーンにおける磁界分布図であり、図 4Aは従来の磁界発生装置の場合、図 4Bはこの発明による磁界発生装置の場合を示す。

図 5は、この発明による磁界発生装置の分割型環状突起の実施例を示す上面説明図である。

図 6は、 X軸方向の磁界分布図であり、図 6Aは従来の磁界発生装置の場合、図 6Bはこの発明による磁界発生装置の場合を示す。

図 7は、従来の MRI用磁界発生装置の構成を示す説明図であり、図 7Aは正面説明図であり、図 7Bはその横断説明図である。

図 8は、従来の MRI用磁界発生装置に用いられる磁極片の構成を示す説明図であり、図 8Aは正面説明図であり、図 8Bはその横断説明図である。

図 9は、従来の MRI用磁界発生装置の構成を示す説明図であり、図 9Aは正面説明図であり、図 SBはその横断説明図である。発明を実施するための最良の形態

図 1A、図 IBは、この発明による磁界発生装置の一実施例を示す縦断面説明図と斜視説明図である。例えば純鉄などからなる磁性材ベース 11の空隙対向面に断面五角形型の積層け、素鋼板からなる環状突起 12が配置され、その内側に内部磁極片 13が配置され、環状突起 12の周縁部には、磁界調整用コイル 14が巻回される。なお、内部磁極片 13を配置せず、磁性材ベース 11上に環状突起 12を直接配置し、その周縁部に磁界調整用コイル 14を巻着した構成でもこの発明の目的が達成できる。また、図 2に示すように、磁性材ベース 11および磁極片を構成する環状突起 12周縁に、または磁性材ベース 11と環状突起 12及び永久磁石構成体周縁に磁界調整用コイル 14を巻回した構成でも上記の構成と同様な作用効果が得られる。

この発明において、磁極片を構成する磁性材ベースは、電磁軟鉄、純鉄などの従来から磁極片として公知の材料を使用することができる。磁性材べ一スは、磁界強度の均等化とともに磁極片全体の機械的強度を確保し、磁界発生装置の組立作業性を良好にする。

この発明において、磁極片を構成する材料は、実施例の材料に限定されるものでなく、純鉄あるいは軟磁性粉を電気絶縁性材料で成型したもの等が採用できるが、保磁力が小さく電気抵抗の高い Mn-Zn系、 Ni-Zn系等種々のソフトフエフィトやけい素鋼板の積層体を採用することにより、パルス磁界印加時に磁性材ベースに発生する渦電流や残留磁気の発生を低減できる。また、積層けい素鋼板とソフトフェライトを併用することによって、これらの材料が有する長所を有効に活用することもできる。積層けい素鋼板はソフトフェライトに比ベ安価であることから経済的メリットが大きい。

また、図 8に示す磁極片 20のように、上記の材料を磁性材ベース 21上に配置する際には、材料を複数のブロック状磁極片部材 23，24とすれば、渦電流や残磁現象の低減効果も大きく、作業性良く取付けできる。上記の磁極片部材 23,24の厚みや磁性材ベースの厚み比を最適化することにより、磁極片 20の機械的強度を確保し、磁極片 20に要求される磁界強度の均等化と渦電流および残磁現象の防止効果が得られる。

さらに、この発明において、空隙内の磁界均一度を向上させるために、円板状磁性材ベース 21の周縁部に電磁軟鉄、純鉄等の磁性材リング 22からなる突起を形成することが望ましい。これらの磁性材リングは、渦電流の影響を軽減する目的で磁性材ベースとの間を電気的に絶縁することが望ましい。特に、周方向に 1つ以上のスリットを設けて分割すれば、一層渦電流の軽減効果が得られる。

環状突起の断面は略三角形や台形等、適宜選定される。また、磁極片の対向面の全面に単一あるいは複合曲率半径のなだらかな曲面を有する凹状湾曲面としても同様の効果力得られる。

この発明において、上記環状突起を含む磁極片に磁界調整用コイルを巻着し、通電することによって、磁界発生源の磁界を補強し、磁界強度の増減が可能となり、特に磁極片に環状突起を有する構成であれば、磁極片の周緣部に磁界調整用コイルを巻着することにより環状突起の磁界均等化効果とあいまって良好な均一磁界が得られる。

さらに、環状突起が周方向に複数のスリットが設けられて複数個に分割された構成である場合、図 3に示すように分割された環状突起 12^22,123の各々に磁界調整用コィル 14を巻着し、それぞれに通電する電流の量を調整することによリ、磁界分布の微調整が可能になるという長所もある。

また、図 5に示すように撮像空間の磁界分布が X軸を介して Y軸のブラス、マィナス方向で非対称である場合、一方の磁界調整用コイル 14₃，14₄を増磁側に、他方の磁界調整用コイル 14^142を滅磁側に通電することにより、磁界分布の調整が可能となって、磁界均一性が向上する。この発明による上記構成の MRI用磁界発生装置を用いると、磁気回路形状を大きく変更したり、磁石重量や面積を増やすことなく、従来から使用される磁極片の周緑部に磁界調整用コィルを巻着することによって、磁界強度の増減が可能となる。また、一対の磁極片にそれぞれ巻着する磁界調整用コイルの各々の電流の方向を調整することによって、空隙の磁界分布の調整が簡単に行なえるようになり、磁界均一性が向上する。

さらに、渦電流対策のため環状突起をその周方向に複数のスリットを設け、弓型の環状突起構成体の集合体とした構成とし、該環状突起構成体の各々に磁界調整用コイルを巻いて、それぞれに通電する電流量を調整することにより、磁界分布の微調整が可能となる。

しかも、磁界発生源として R-Fe-B系永久磁石を用いた場合、この希土類磁石は温度係数- 0.1% Cを有するが、磁極片または磁極片及び永久磁石周縁部に巻回した磁界調整用コィルが、通電され続けると発熱して永久磁石を保温することから、磁石の温度が一定に保たれ、磁界強度が安定化される。

従って、磁界中にセンサーを配置すれば、温度変化によって磁界強度が変化した場合、磁界調整用コイルを通電して磁界を安定に維持することができる。また、撮像途中に自動車やエレベータ一に移動によって磁界に妨害を受けることがあっても、この発明の磁界調整用コイルを配置することにより、ダイナミックな磁界の変化の補正が可能となる。

この発明において、対象とする MRI用磁界発生装置は、空隙を形成して対向する一対の磁極力継鉄で磁気的に結合された構成であれば、前述する実施例に限定されることなく、いかなる構成にも適用できる。さらに、磁路形成用の継鉄の形状寸法等も要求される空隙の大きさ、磁界強度、磁界均一度等、種々の諸特性に応じて適宜選定すればよ t、。

前述した図 7A、図 7Bに示す空隙を介して対向する一対の継鉄 3，3を 4本の円柱状継鉄 7で接続した構成のほか、図 9A、図 9Bに示すごとく、一対の永久磁石構成体 1,1の各々の一方端に磁極片 2,2を固着して対向させ、他方端に固着した継鉄 3，3を板状の接続用継鉄 8にて連結する構成力採用できる。

図 9A、図 9Bの構成では、 1つの接続用継鉄 8で継鉄 3，3の一端を接続してあリ、磁極片 2,2間の空隙 4は接続用継鉄 8を除く三方が開放されているため、被検者に圧迫感を与えることなく、開放的である。

磁界発生源となる磁石構成体としては常電導磁石、超電導磁石または永久磁石等が使用できるが、永久磁石を採用する場合、フェライト磁石、希土類コバルト系磁石等の公知の磁石材料が使用できる。特に、 Rとして Ndや Prを中心とする資源的に豊富な軽希土類を用い、 B，Feを主成分として 30MG0e以上の極めて高いエネルギー積を示す Fe-B-R系永久磁石を使用することにより、著しく小型化することができる。また、これらの公知の永久磁石を組み合わせて配置することにより、装置の小型化を著しく阻害することなく、経済的に優れた磁界発生装置を提供することができる。

実施例

実施例 1

図 1A、図 IBと同様構成の磁界発生装置に、外径 1300mmX内径 190mmX高さ 150mm寸法の BHmax40MG0eを有する Nd-Fe-B系永久磁石を用い、永久磁石の空隙側に外径 1200mm X高さ 40mm寸法の純鉄からなる磁性材ベースの上に、外径 1200mm X内径 lOOOmmX高さ 70mm寸法の低炭素鋼からなる環状突起を周配置し、環状突起内に外径 lOOOmmX高さ（中央部) 25mm寸法の、ブロック状けレ、素鋼板を磁極片の対向方向に積層一体化したけ、素鋼板積層体を着設した。

なお、上下一対の環状突起の対向面間距離を 500πιπιに設置し、環状突起周縁部に電気用銅線からなる磁界調整用コィルを 1000タ一ン巻回し、 10Aの電流を、一方のコイルを静磁場と同方向の増磁側に通電し、片方のコイルにも静磁場と同方向の増磁側に通電した。この構成で中心磁界強度を約 120Gauss増加することができた。

この場合は空隙中心部の磁界補強が目的であるが、自動車やエレベーターの移動による磁界の変化を補正することが目的である場合は、これよりも少ない導線の巻数あるいは電流値で磁界を補正することができる。この場合、磁界発生装置の外側に置いた磁気センサーにより、外部からの磁界を検知し、その情報によリ磁界調整用のコイルに通電する電流を加減すれば、空隙内の磁界均一性を保持することができる。導線の巻線及び電流値は補正すべき部分や所望の磁界強度に合わせて適宜選定される。

実施例 1の構成におレヽて撮像空間を球体と想定し、該球体空間を水平面で 15 分割した各プレーンにおける磁界分布を図 4Bに示す。さらに、実施例 1と同様の構成で、磁界調整用コィルが配置されない構成の従来の磁気回路を作成し、実施例 1と同様に磁界分布を調べた結果を図 4Aに示す。図 4に明らかなごとく、この発明による構成はわずかな電流値で磁界の均一性が大幅に向上できたことが分かる。

実施例 2

図 3、図 5に示すように、環状突起をその周方向に複数のスリットを設けて複数の弓型の環状突起部材の集合体とし、該環状突起部材各々に磁界調整用コィルを巻回した。図 6Bに示すように、磁界調整用コイルを配置しない場合の図 6Aょリも、磁界均一度が向上していることが分かる。

産業上の利用可能性

この発明は、空隙を形成して対向する一対の磁極片の周縁部に、磁界調整用コイルが巻着されることにより、磁気回路形状を変更したリ、磁石重量や面積を増加させることなく、単純な構造で磁界強度の増減が可能となった。また、コィルに導電する電流の方向を調整することによって、撮像空間の磁界分布が X軸を介して上下で非対称である場合、一方のコィルに他方のコイルとは逆向きに導電することによって、磁界分布の調整が可能となり、磁界均一性が向上した。

さらに、渦電流低減のために磁極片の環状突起をその周方向に複数のスリットを設け、複数の分割された環状突起部材の集合体となす場合は、該環状突起部材の各々に磁界調整用コイルを巻回し、それぞれのコィルの電流量を調整することによって、磁界分布の微調整が可能となった。

また、雰囲気の温度の影響を受けやすい希土類磁石を主要な磁界発生源として採用する場合は、磁界調整用コイルへの通電による発熱によって、永久磁石の保温が可能となり、安定した均一磁界を得ることができる。加えて、撮像途中に自動車やエレベーターの移動等、何らかの原因によリ磁界強度が動的に変化した場合でも磁界分布の調整が即座に可能となつた。

Claims

請求の範囲

1. 空隙を形成して対向する一対の磁極を継鉄で磁気的に結合し、該空隙に磁界を発生させる MRI用磁界発生装置において、前記磁極に配置された磁極片の周縁部に磁界調整用コィルが巻着された MRI用磁界発生装置。

2. 請求項 1において、磁極片が環状突起を含み、該環状突起周縁部に磁界調整用コィルが巻着された MRI用磁界発生装置。

3. 請求項 1において、磁極片が環状突起及び磁性材ベースを含み、該磁性材ベース周縁部に磁界調整用コィルが巻着された MRI用磁界発生装置。

4. 請求項 1において、磁極片が環状突起及び磁性材ベースを含み、該環状突起周縁部及び該磁性材ベース周縁部に磁界調整用コイルが巻着された MRI 用磁界発生装置。

5. 請求項 1において、磁極片が環状突起、磁性材ベース並びに内部磁極片を含み、該環状突起周縁部及び該磁性材ベース周縁部に磁界調整用コィルが巻着された MRI用磁界発生装置。

6. 請求項 5において、内部磁極片がけい素鋼板からなる MRI用磁界発生

7. 請求項 2において、環状突起が複数の弓型環状突起部材からなリ、該環状突起部材の各々に磁界調整用コィルが巻着された MRI用磁界発生装置。

8. 請求項 7において、環状突起力個の弓型環状突起部材からなる MRI 用磁界発生装置。

9. 請求項 2から請求項 8のいずれかにおいて、環状突起の少なくとも一部分をけ、素鋼板にて形成した MRI用磁界発生装置。

10. 請求項 1から請求項 9のいずれかにおいて、一対の磁極片が上側継鉄と下側継鉄に着設され、上下糸鉄力つの接続用継鉄で磁気的に結合される

MRI用磁界発生装置。

11. 請求項 1から請求項 9のいずれかにおいて、一対の磁極片が上側継鉄と下側継鉄に着設され、上下継鉄が複数の接続用継鉄で磁気的に結合される MRI用磁界発生装置。

12. 請求項 1から請求項 9のいずれかにおいて、一対の磁極片カ筒条継鉄内に対向配置され、該継鉄で磁気的に結合される MRI用磁界発生装置。