WO2013128607A1

WO2013128607A1 - 超電導マグネットの調整方法

Info

Publication number: WO2013128607A1
Application number: PCT/JP2012/055173
Authority: WO
Inventors: 田邉　肇
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2012-03-01
Filing date: 2012-03-01
Publication date: 2013-09-06
Also published as: JP5122029B1; US20140329689A1; CN104135922A; JPWO2013128607A1; US9046587B2

Abstract

　所定の空間(１８０)における磁場を測定する工程(Ｓ１００)と、超電導マグネット(１００)内に強磁性体の複数のシム(２５０)を配置してシミングする工程(Ｓ１１０)とを備える。シミングする工程(Ｓ１１０)において、磁場を測定する工程(Ｓ１００)での測定結果に基づいて磁場を均一にする位置、かつ、磁場により複数のシム(２５０)に作用する電磁力(４１０，４２０，５００)を所定の値にする位置に、複数のシム(２５０)を配置する。

Description

超電導マグネットの調整方法

　本発明は、超電導マグネットの調整方法に関する。

　ＭＲＩ(Magnetic　Resonance　Imaging)装置において高精度な磁場調整を支援する手法を開示した先行文献として、特開２０１１－１１００６５号公報(特許文献１)がある。

　特許文献１に記載された磁場調整法においては、磁場発生装置に目標の磁場分布が与えられた領域があり、その領域の磁場分布の誤差磁場成分を低減し、目標の磁場分布に近づける。調整手段として、電流ループ、および受動的に磁化する鉄片などの磁性体または外部磁場に依存しない永久磁石を配置する局面を有している。

　具体的には、所定数の点において磁場計測を行ない、目標磁場との差である誤差磁場を算出し、その誤差を近似的に補正できる磁場調整機構面上の電流ポテンシャル分布を求めている。その電流ポテンシャル分布を磁気モーメントに換算し、その磁気モーメントに相当するループ電流もしくは磁性体片を配置する磁場調整作業を行なっている。

特開２０１１－１１００６５号公報

　磁場調整を行なうためにシミングが行なわれるが、シミングするためのシムに作用する電磁力により、超電導マグネットに反力が作用する。この電磁力および反力を考慮してシミングを行なわなければ、超電導マグネットの磁場均一性を安定させることができない。

　本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、磁場均一性を安定させることができる超電導マグネットの調整方法を提供することを目的とする。

　本発明に基づく超電導マグネットの調整方法は、超電導マグネットにより所定の空間に発生する磁場の均一性を調整する方法である。超電導マグネットの調整方法は、所定の空間における磁場を測定する工程と、超電導マグネット内に強磁性体の複数のシムを配置してシミングする工程とを備える。シミングする工程において、磁場を測定する工程での測定結果に基づいて磁場を均一にする位置、かつ、磁場により前記複数のシムに作用する電磁力を所定の値にする位置に、複数のシムを配置する。

　本発明によれば、磁場均一性を安定させることができる。

ＭＲＩ装置の外観を示す斜視図である。本発明の実施形態１に係る超電導マグネットの構造を示す断面図である。同実施形態の超電導マグネットが使用場所に設置された状態を示す側面図である。図３のＩＶ－ＩＶ線矢印方向から見た図である。同実施形態の超電導マグネットにおけるシミング部を示す斜視図である。同実施形態のシムトレイおよび鉄片を示す分解斜視図である。同実施形態に係る超電導マグネットの調整方法を示すフローチャートである。同実施形態に係る超電導マグネットにおいて複数の鉄片を配置した状態を示す断面図である。図８の超電導マグネットを矢印ＩＸ方向から見た側面図である。磁場均一性のみを考慮して配置された比較形態の鉄片に作用する電磁力、および、磁場均一性と電磁力とを考慮して配置された本実施形態の鉄片に作用する電磁力を示す図である。同実施形態において複数の鉄片に電磁力が作用している状態を模式的に示す一部断面図である。本発明の実施形態２において複数の鉄片に電磁力が作用している状態を模式的に示す一部断面図である。同実施形態の変形例において複数の鉄片に電磁力が作用している状態を模式的に示す一部断面図である。本発明の実施形態３において複数の鉄片に電磁力が作用している状態を模式的に示す一部断面図である。

　以下、本発明の実施形態１に係る超電導マグネットの調整方法について図面を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。

　なお、以下の実施形態においては、ＭＲＩ用超電導マグネットについて説明するが、超電導マグネットはこれに限られず、他の用途に用いられるものであってもよい。また、円筒型の超電導マグネットについて説明するが、必ずしも円筒型の超電導マグネットに限定されるものではなく、開放型の超電導マグネットにも本発明を適用できる。

　(実施形態１)
　図１は、ＭＲＩ装置の外観を示す斜視図である。図１に示すように、ＭＲＩ装置１は、静磁場発生部１０と寝台３０とを含む。静磁場発生部１０は、後述する超電導マグネットを含み、ボア２０内部に静磁場を発生する。

　図２は、本発明の実施形態１に係る超電導マグネットの構造を示す断面図である。図２に示すように、本発明の実施形態１に係る超電導マグネット１００においては、最も外側に、中空円筒状の真空槽１１０が配置されている。真空槽１１０の円筒中心部の空間が、ボア２０に対応したボア部１６０となる。真空槽１１０の内部は、真空になるように図示しない減圧装置により減圧されている。真空槽１１０は、下部に配置された脚部１７０によりボア部１６０の中心軸が水平方向になるように支えられている。

　真空槽１１０の内部には、真空槽１１０と略相似形の中空円筒状の熱シールド１２０が配置されている。熱シールド１２０の内部には、熱シールド１２０と略相似形の中空円筒状のヘリウム槽１３０が配置されている。熱シールド１２０は、ヘリウム槽１３０と真空槽１１０との間を断熱する機能を有している。

　ヘリウム槽１３０の内部には、超電導コイル１４０が円周上に配置されている。ヘリウム槽１３０の内部には、液体ヘリウム１５０が充填されている。超電導コイル１４０は、液体ヘリウム１５０中に浸漬されて冷却されている。

　超電導マグネット１００が稼動すると、ボア部１６０の図中の点線で示す範囲内の静磁場領域１８０において、矢印方向の静磁場１９０が発生する。この静磁場１９０が、強く、均一で、安定していることが望まれる。

　図３は、本実施形態の超電導マグネットが使用場所に設置された状態を示す側面図である。図４は、図３のＩＶ－ＩＶ線矢印方向から見た図である。

　図３，４に示すように、本実施形態の超電導マグネット１００は、使用場所である部屋３００内に設置される。本実施形態においては、部屋３００は、超電導マグネット１００が発生する強い磁場が部屋３００の外部に漏れる磁場を低減するために、磁気シールドで覆われている。

　磁気シールドは、床部に配置された床シールド３１０、図３の右側の側壁部に配置された第１側壁シールド３２０、図３の左側の側壁部に配置された第２側壁シールド３３０、図４の右側の側壁部に配置された第３側壁シールド３５０、図４の左側の側壁部に配置された第４側壁シールド３６０、および、天井部に天井シールド３４０を含む。本実施形態においては、磁気シールドを鉄板で形成したが、磁気シールドは磁性体で形成されていればよく、特に材料は限定されない。

　床シールド３１０は、超電導マグネット１００からの距離が近いため、および、超電導マグネット１００の重量を支えるために、第１側壁シールド３２０、第２側壁シールド３３０、第３側壁シールド３５０、第４側壁シールド３６０および天井シールド３４０に比較して厚く形成されている。

　図２においては簡略に示していたが、図４に示すように、静磁場１９０は、ボア部１６０の中心軸上に発生する中心磁場１９１、および、ボア部１６０の径方向の端部側に発生する端部磁場１９２を含む。端部磁場１９２は、静磁場領域１８０においては、直線状に発生するが、ボア部１６０の中心軸方向の端部においては曲線状に発生する。

　図５は、本実施形態の超電導マグネットにおけるシミング部を示す斜視図である。図６は、本実施形態のシムトレイおよび鉄片を示す分解斜視図である。

　図２においては図示していないが、図３，５に示すように、超電導マグネット１００は、真空槽１１０の内周側の側壁に沿うように形成されたシミング部２００を有する。シミング部２００には、シミング部２００の周方向に互いに間隔を置いて、ボア部１６０の中心軸方向に延在する複数の開口部２１０が設けられている。

　図４，５，６に示すように、開口部２１０には、シムトレイ２３０が挿入される。図６に示すように、シムトレイ２３０は、矩形状の薄板からなる複数の鉄片２５０を収容する凹部２４０が形成された本体部２３１と蓋部２３２とを含む。本実施形態においては、シムとして鉄片２５０を用いたが、シムはこれに限られず、強磁性体の板またはブロックであればよい。

　各開口部２１０に挿入される複数のシムトレイ２３０のそれぞれにおいて、複数の凹部２４０のそれぞれに収容される鉄片２５０の枚数を調節することにより、静磁場領域１８０の静磁場１９０の均一性を向上することができる。このように鉄片２５０を配置することにより、静磁場領域１８０における静磁場１９０の均一性の向上を図ることがシミングである。

　図７は、本実施形態に係る超電導マグネットの調整方法を示すフローチャートである。図７に示すように、本実施形態に係る超電導マグネットの調整方法においては、まず、静磁場領域１８０における磁場を測定する(Ｓ１００)。次に、超電導マグネット１００内に鉄片２５０を配置してシミングする(Ｓ１１０)。

　図８は、本実施形態に係る超電導マグネットにおいて複数の鉄片を配置した状態を示す断面図である。図９は、図８の超電導マグネットを矢印ＩＸ方向から見た側面図である。なお、図８においては、複数の鉄片のうちのシミング部２００の最上部に配置された鉄片のみ図示している。また、シミング部２００のうち鉄片２５０のみを図示している。

　図８，９に示すように、複数の鉄片２５０の各々には、超電導マグネット１００の発生する静磁場により電磁力が作用する。一般に、超電導コイル１４０においては、図８に示すように、端部に位置する超電導コイル１４１，１４５が最も大きく、次に、その隣の超電導コイル１４２，１４４が大きく、中央部に位置する超電導コイル１４３が最も小さい。そのため、各超電動コイルの周囲に発生する磁力の大きさが異なる。

　複数の鉄片２５０の各々に発生する電磁力は、複数の鉄片２５０の配置によって、向きおよび数値が非線形的に変化して互いに異なる。図８，９に示すように、複数の鉄片２５０の各々には、超電導マグネット１００の軸方向(Ｚ方向)に作用する電磁力４００、および、超電導マグネット１００の径方向(Ｒ方向)に作用する電磁力５００が作用する。なお、径方向(Ｒ方向)に作用する電磁力５００は、図９に示す水平方向(Ｘ方向)と鉛直方向(Ｙ方向)との成分から構成されている。

　従来の超電導マグネットの調整方法においては、静磁場領域１８０での磁場を均一にする鉄片２５０の位置を専用のソフトウェアによるシミュレーションの算出結果に基づいて決定していた。具体的には、複数の鉄片２５０を配置可能な複数の位置のうちのいずれに鉄片２５０を配置した場合に最も磁場を均一にすることができるかを、仮想的に計算して求めていた。

　このようなシミュレーションの場合、最も磁場を均一にできる鉄片２５０の配置は、複数パターン存在することが普通である。本実施形態においては、これらの複数のパターンの中から、複数の鉄片２５０に作用する電磁力を所定の値にする配置を選択する。

　図１０は、磁場均一性のみを考慮して配置された比較形態の鉄片に作用する電磁力、および、磁場均一性と電磁力とを考慮して配置された本実施形態の鉄片に作用する電磁力を示す図である。

　図１０においては、図中の左向きに作用する電磁力を負の値で、右向きに作用する電磁力を正の値で表示している。また、図１０においては、複数の鉄片のうちのシミング部２００の最上部に配置された鉄片のみ図示している。

　図１０に示すように、たとえば、超電導マグネット１００の軸方向(Ｚ方向)に複数の鉄片２５０を１５列で配置する。この場合、８列目の位置がＺ方向の中心位置となる。比較形態および本実施形態のいずれの鉄片配置においても、静磁場領域１８０での磁場を均一にすることはできている。

　本実施形態においては、超電導マグネット１００の軸方向にて複数の鉄片２５０に作用する電磁力を最も低減できる位置に、鉄片２５０を配置している。すなわち、本実施形態に係る超電導マグネット１００の調整方法においては、シミングする工程(Ｓ１１０)において、磁場を測定する工程(Ｓ１００)での測定結果に基づいて静磁場領域１８０での磁場を均一にする位置、かつ、磁場により複数の鉄片２５０に作用する電磁力を最も低減できる位置に、複数の鉄片２５０を配置する。

　図１０に示すように、複数の鉄片２５０に作用する電磁力の合計の絶対値が、比較形態においては２６０６.８Ｎであるのに対して、本実施形態においては４９０Ｎになっている。

　図１１は、本実施形態において複数の鉄片に電磁力が作用している状態を模式的に示す一部断面図である。図１１においては、シミング部２００の最上部のみ図示している。また、図１１においては、熱シールド１２０を図示していない。

　図１１に示すように、複数の鉄片２５０に電磁力４１０が作用すると、その反力６１０が超電導コイル１４０に作用する。なお、電磁力４１０および反力６１０のそれぞれは、図１０に示すような合計値とする。超電導コイル１４０に作用する反力６１０は、ヘリウム槽１３０を支持する支持部材１３１に負荷される。

　支持部材１３１は、ヘリウム槽１３０と真空槽１１０とを連結する部材である。支持部材１３１としては、熱伝導率が低く、かつ、高強度の材料が用いられ、たとえば、ＧＦＲＰ(Glass　fiber　reinforced　plastics)が用いられる。支持部材１３１は、ヘリウム槽１３０との接触面積が少なくなるように、ヘリウム槽１３０の角部近傍とのみ接触している。

　上記の比較形態のように大きな電磁力４１０が鉄片２５０に作用する場合、発生する反力６１０も大きくなり、支持部材１３１が経時的に変形することがある。この場合、ヘリウム槽１３０の位置がずれることにより、ヘリウム槽１３０と真空槽１１０との間の断熱スペースが狭くなってヘリウム槽１３０内の温度が上昇する、または、真空槽１１０に結露が生じることがある。この場合、超電導コイル１４０の冷却が不安定になって、静磁場領域１８０での磁場均一性が低下することがある。

　本実施形態のように、鉄片２５０に作用する電磁力を低減して反力６１０を小さくし、支持部材１３１の変形を抑制することにより、超電導コイル１４０の冷却を経時的に安定させることができる。その結果、静磁場領域１８０での磁場均一性を安定させることができる。

　また、複数の鉄片２５０に作用する電磁力４１０は、複数の鉄片２５０を収容しているシムトレイ２３０を位置決めしている防振ゴム２６０に負荷される。本実施形態においては、超電導マグネット１００の軸方向における両端部に防振ゴム２６０が設けられている。すなわち、防振ゴム２６０は、シミング部２００の両端に位置して蓋の役割を担っている。

　上記の比較形態のように大きな電磁力が鉄片２５０に作用する場合、防振ゴム２６０に高荷重が負荷されて、防振ゴム２６０が経時的に変形することがある。この場合、シムトレイ２３０の位置がずれることにより、その中の複数の鉄片２５０の位置が変化し、静磁場領域１８０での磁場均一性が低下することがある。

　本実施形態のように、鉄片２５０に作用する電磁力を低減して防振ゴム２６０の変形を抑制することにより、複数の鉄片２５０の位置を経時的に安定させることができる。その結果、静磁場領域１８０での磁場均一性を安定させることができる。

　なお、本実施形態においては、超電導マグネット１００の軸方向(Ｚ方向)に作用する電磁力が低減するように、複数の鉄片２５０を配置しているが、径方向(Ｒ方向)に作用する電磁力が低減するように、複数の鉄片２５０を配置してもよい。

　以下、本発明の実施形態２に係る超電導マグネットの調整方法について説明する。なお、本実施形態に係る超電導マグネットの調整方法は、複数の鉄片２５０に作用させる電磁力の所定の値のみ実施形態１と異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。

　(実施形態２)
　図１２は、本発明の実施形態２において複数の鉄片に電磁力が作用している状態を模式的に示す一部断面図である。図１２においては、シミング部２００の最上部のみ図示している。また、図１２においては、熱シールド１２０を図示していない。

　図１２に示すように、本実施形態においては、複数の鉄片２５０に作用する電磁力の向きを実施形態１と比較して、超電導マグネット１００の軸方向において反対向きにしている。なお、図１２においては、図１１と同様の位置に鉄片２５０を図示しているが、実際には異なる位置に鉄片２５０を配置している。

　超電導マグネット１００を組み立てた際に、部品の寸法誤差および組立誤差の積み重ねにより、たとえば、ヘリウム槽１３０と真空槽１１０との距離Ｌが設定値より短くなることがある。この場合、上述したように、ヘリウム槽１３０と真空槽１１０との間の断熱スペースが狭くなってヘリウム槽１３０内の温度が上昇する、または、真空槽１１０に結露が生じることがある。

　そこで、本実施形態においては、複数の鉄片２５０に作用する電磁力４２０により発生する反力６２０が、ヘリウム槽１３０に負荷するように、複数の鉄片２５０を配置している。その結果、ヘリウム槽１３０と真空槽１１０との距離Ｌを長くすることができる。なお、電磁力４２０および反力６２０のそれぞれは、図１０に示すような合計値とする。

　このようにすることにより、超電導マグネット１００の組み立て時におけるヘリウム槽１３０の位置ずれを改善することができる。これは、ヘリウム槽１３０の位置ずれに限られず、他の構成部品にも適用できる。

　ただし、反力６２０を大きくするために電磁力４２０を大きくしすぎると、防振ゴム２６０が変形するため、その点を考慮して電磁力４２０の所定の値を設定しなければならない。

　図１３は、本実施形態の変形例において複数の鉄片に電磁力が作用している状態を模式的に示す一部断面図である。図１３においては、シミング部２０１の最上部のみ図示している。また、図１３においては、熱シールド１２０を図示していない。

　図１３に示すように、本実施形態の変形例においては、シミング部２０１が、超電導マグネット１００の軸方向の一端に閉塞端を有している。超電導マグネット１００の軸方向におけるシミング部２０１の他端には、防振ゴム２６１が配置されている。

　複数の鉄片２５０を収容するシムトレイ２３０をシミング部２０１の閉塞端に接触させることにより、超電導マグネット１００の軸方向において複数の鉄片２５０の位置決めを行なうことができる。

　そこで、本実施形態の変形例においては、複数の鉄片２５０に電磁力４２０を上記閉塞端側に向けて所定の値で作用させて、シムトレイ２３０をシミング部２０１の閉塞端に接触させる。

　このようにすることにより、複数の鉄片２５０の位置精度を向上しつつ、防振ゴム２６１に負荷がかかることを防止することができる。その結果、静磁場領域１８０での磁場均一性を安定させることができる。

　なお、電磁力４２０および反力６２０の向きは上記に限られず、たとえば、圧縮応力に耐性を有する部材、または、所定の応力を受けることにより形状が安定する部材などに荷重が負荷するように、電磁力４２０および反力６２０の向きを調整してもよい。

　以下、本発明の実施形態３に係る超電導マグネットの調整方法について説明する。なお、本実施形態に係る超電導マグネットの調整方法は、超電導マグネット１００の径方向に作用する電磁力を所定の値にする点のみ実施形態２と異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。

　(実施形態３)
　図１４は、本発明の実施形態３において複数の鉄片に電磁力が作用している状態を模式的に示す一部断面図である。図１４においては、複数の超電導コイル１４０のうちの一つ、および、複数の鉄片２５０のうちの一つを例示的に示している。

　超電導コイル１４０には、鉄片２５０が取り付けられていない状態において、超電導マグネット１００の径方向外側に、拡張力７００(フープ力)が作用している。拡張力７００の影響により超電導マグネット１００に許容量以上のじょう乱が生じた場合には、超電導状態が破壊される現象であるクエンチが起きる。

　本実施形態においては、図１４に示すように、超電導マグネット１００の径方向において複数の鉄片２５０に作用する電磁力５００により発生する反力７５０が、超電導コイル１４０に負荷するように、複数の鉄片２５０を配置している。なお、電磁力５００および反力７５０のそれぞれは、図１０に示すような合計値とする。

　反力７５０の向きは、拡張力７００とは反対向きであるため、反力７５０と拡張力７００とは互いに重畳されて打ち消しあう。すると、拡張力７００が小さくなり、クエンチが起きにくくなって超電導コイル１４０の冷却を経時的に安定させることができる。その結果、静磁場領域１８０での磁場均一性を安定させることができる。

　なお、今回開示した上記実施形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

　１　ＭＲＩ装置、１０　静磁場発生部、２０　ボア、３０　寝台、１００　超電導マグネット、１１０　真空槽、１２０　熱シールド、１３０　ヘリウム槽、１３１　支持部材、１４０，１４１，１４２，１４３，１４４，１４５　超電導コイル、１５０　液体ヘリウム、１６０　ボア部、１７０　脚部、１８０　静磁場領域、１９０　静磁場、１９１　中心磁場、１９２　端部磁場、２００，２０１　シミング部、２１０　開口部、２３０　シムトレイ、２３１　本体部、２３２　蓋部、２４０　凹部、２５０　鉄片、２６０，２６１　防振ゴム、３００　部屋、３１０　床シールド、３２０　第１側壁シールド、３３０　第２側壁シールド、３４０　天井シールド、３５０　第３側壁シールド、３６０　第４側壁シールド、４００，４１０，４２０，５００　電磁力、６１０，６２０，７５０　反力、７００　拡張力。

Claims

　超電導マグネット(１００)により所定の空間(１８０)に発生する磁場の均一性を調整する超電導マグネットの調整方法であって、
　前記所定の空間(１８０)における磁場を測定する工程(Ｓ１００)と、
　超電導マグネット(１００)内に強磁性体の複数のシム(２５０)を配置してシミングする工程(Ｓ１１０)と
を備え、
　前記シミングする工程(Ｓ１１０)において、前記磁場を測定する工程(Ｓ１００)での測定結果に基づいて磁場を均一にする位置、かつ、磁場により前記複数のシム(２５０)に作用する電磁力(４１０，４２０，５００)を所定の値にする位置に、前記複数のシム(２５０)を配置する、超電導マグネットの調整方法。
　前記シミングする工程(Ｓ１１０)において、前記複数のシム(２５０)に発生する前記電磁力のうちの前記超電導マグネット(１００)の軸方向に作用する電磁力(４１０，４２０)を所定の値にする位置に、前記複数のシム(２５０)を配置する、請求項１に記載の超電導マグネットの調整方法。
　前記シミングする工程(Ｓ１１０)において、前記複数のシムに発生する前記電磁力のうちの前記超電導マグネット(１００)の径方向に作用する電磁力(５００)を所定の値にする位置に、前記複数のシム(２５０)を配置する、請求項１に記載の超電導マグネットの調整方法。
　前記シミングする工程(Ｓ１１０)において、前記シムとして鉄製のシム(２５０)を用いる、請求項１から３のいずれかに記載の超電導マグネットの調整方法。