WO2016013106A1 - 超電導マグネットの調整方法、これにより調整された超電導マグネット、および、これを備える磁気共鳴画像装置 - Google Patents

超電導マグネットの調整方法、これにより調整された超電導マグネット、および、これを備える磁気共鳴画像装置 Download PDF

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superconducting magnet
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static magnetic
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田邉　肇
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三菱電機株式会社
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61B5/05—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves 
    • A61B5/055—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves  involving electronic [EMR] or nuclear [NMR] magnetic resonance, e.g. magnetic resonance imaging
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils

Definitions

  • the present invention relates to a method for adjusting a superconducting magnet, a superconducting magnet adjusted thereby, and a magnetic resonance imaging apparatus including the same.
  • Patent Document 1 There is International Publication No. 2012/132911 (Patent Document 1) as a prior document disclosing a method for adjusting the static magnetic field uniformity.
  • magnetic field correction means for generating a correction magnetic field is arranged in the measurement space with respect to the static magnetic field generated by the static magnetic field generation means, and the uniformity of the static magnetic field is increased. It is a method to adjust.
  • the method for adjusting the static magnetic field uniformity described in Patent Document 1 includes a step of measuring a static magnetic field generated by the static magnetic field generating means, a step of developing a series of the spatial distribution of the measured static magnetic field, and a series expansion.
  • a first magnetic field adjustment step that corrects the irregular magnetic field component of the higher order term
  • a second magnetic field adjustment step that is performed after the first adjustment step, and that adjusts the lower order irregular magnetic field component, including.
  • a plurality of types of shims having different thicknesses that is, different thicknesses are generally used.
  • the shim may not be arranged corresponding to the measurement result of the magnetic field due to discretization of the thickness of the shim. In this case, the number of times of shimming repeated until the desired static magnetic field uniformity is obtained increases.
  • the thickness of the thinnest shim is 0.05 mm.
  • the manufacturing cost of the shim increases, and the shim becomes difficult to handle, resulting in poor shimming workability.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and it is possible to easily adjust the uniformity of the static magnetic field by suppressing the influence of the discretization of the thickness of the shim. It is an object of the present invention to provide a superconducting magnet and a magnetic resonance imaging apparatus including the same.
  • the superconducting magnet adjustment method adjusts the uniformity of the static magnetic field generated in the static magnetic field space of the superconducting magnet by shimming using a plurality of types of shims made of a ferromagnetic material and having different thicknesses.
  • This is a method for adjusting a superconducting magnet.
  • the superconducting magnet adjustment method includes a step of measuring a magnetic field in a static magnetic field space, and a plurality of shim placement positions in the superconducting magnet based on measurement results in the step of measuring the magnetic field, and each of the plurality of placement positions.
  • any one of a plurality of types of shims is imposed so that the amount of shim corresponding to the shim or equivalent to a combination of any of a plurality of types of shims is calculated.
  • the uniformity of the static magnetic field can be easily adjusted while suppressing the influence of discretization of the thickness of the shim.
  • a superconducting magnet for MRI Magnetic Resonance Imaging
  • the superconducting magnet is not limited to this and may be used for other purposes.
  • a cylindrical superconducting magnet will be described, the present invention is not necessarily limited to a cylindrical superconducting magnet, and the present invention can also be applied to an open superconducting magnet.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an appearance of an MRI apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the MRI apparatus 1 according to the first embodiment of the present invention includes a static magnetic field generation unit 10 and a bed 30.
  • the static magnetic field generator 10 includes a superconducting magnet 100 described later, and generates a static magnetic field inside the bore 20.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of the superconducting magnet according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the horizontal direction is shown as the X direction
  • the vertical direction as the Y direction
  • the direction of the static magnetic field 190 as the Z direction.
  • a hollow cylindrical vacuum chamber 110 is arranged on the outermost side.
  • a space at the center of the cylinder of the vacuum chamber 110 becomes a bore portion 160 corresponding to the bore 20.
  • the inside of the vacuum chamber 110 is decompressed by a decompression device (not shown) so as to be a vacuum.
  • the vacuum chamber 110 is supported by leg portions 170 arranged at the lower portion so that the central axis of the bore portion 160 is in the horizontal direction.
  • a hollow cylindrical heat shield 120 that is substantially similar to the vacuum chamber 110 is disposed inside the vacuum chamber 110. Inside the heat shield 120, a hollow cylindrical helium tank 130 having a shape substantially similar to the heat shield 120 is disposed inside the heat shield 120. The heat shield 120 has a function of insulating between the helium tank 130 and the vacuum tank 110.
  • a superconducting coil 140 is arranged on the circumference.
  • the helium tank 130 is filled with liquid helium 150.
  • Superconducting coil 140 is immersed in liquid helium 150 and cooled.
  • a static magnetic field 190 in the arrow direction is generated in the static magnetic field space 180 within the range indicated by the dotted line in the drawing of the bore 160. It is desired that the static magnetic field 190 is strong, uniform in the order of ppm, and stable.
  • FIG. 3 is a perspective view showing a shimming portion in the superconducting magnet according to the present embodiment.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view showing a shim tray and shims included in the superconducting magnet according to the present embodiment.
  • FIG. 5 is a perspective view showing three types of shims included in the superconducting magnet according to the present embodiment.
  • the superconducting magnet 100 has a shimming portion 200 formed along the inner peripheral side wall of the vacuum chamber 110.
  • the shimming portion 200 is provided with a plurality of openings 210 extending in the central axis direction of the bore portion 160 at intervals from each other in the circumferential direction of the shimming portion 200.
  • 24 openings 210 are provided, but the number of openings 210 is not limited to this.
  • a shim tray 230 is inserted into each of the 24 openings 210.
  • the shim tray 230 includes a main body portion 231 and a lid portion 232 in which a plurality of recesses 240 for accommodating a plurality of shims 250 are formed.
  • each shim tray 230 has 15 concave portions 240 of No. 1 to No. 15 provided with the same dimensions.
  • Each of the 15 concave portions 240 has a square bottom surface in a plan view and has a depth dimension D.
  • the superconducting magnet 100 includes 24 shim trays 230.
  • the total number of recesses 240 provided in the 24 shim trays 230 is 360 locations.
  • the shim 250 is disposed in a selected part or all of the 360 recesses 240.
  • the shim 250 is not disposed in the recess 240 that has not been selected.
  • the No. 8 recess located on the center C in the longitudinal direction of the shim tray 230 is located near the center of the static magnetic field space 180 in the direction of the static magnetic field 190.
  • the No. 7 recess 240 and the No. 9 recess 240 adjacent to the No. 8 recess 240 located at the center in the longitudinal direction of the shim tray 230 are static in the direction of the static magnetic field 190. Located near the center of the magnetic field space 180.
  • the shim tray 230 has 15 recesses 240 provided with the same dimensions, but the number of recesses 240 is not limited to 15. If the shim tray 230 has an even number of recesses 240, the two recesses 240 sandwiching the longitudinal center C of the shim tray 230 are positioned near the center of the static magnetic field space 180 in the direction of the static magnetic field 190. To do.
  • the structure for attaching the shim 250 to the shim tray 230 is not limited to the recess 240 of the shim tray 230.
  • a shim tray is provided with a male screw, and the shim is attached to the shim tray by screwing a male screw and a nut in a state where a shim with a through hole is inserted into the male screw. May be.
  • the shim tray does not necessarily have a bar shape.
  • the shim is formed by inserting a shim provided with a through hole into a male screw provided on the inner peripheral wall of the shimming portion 200 of the superconducting magnet 100 and fixing the shim.
  • a structure in which a shim is directly attached to the portion 200 may be used. That is, the shim tray is not particularly limited as long as the shim can be attached to the superconducting magnet 100.
  • the first shim 251 dimensions of thickness of T 1 is the dimensions of thickness of T 2
  • the thickness dimension is preparing the third shim 253 is T 3.
  • Each of the first shim 251, the second shim 252 and the third shim 253 is made of a square iron piece in a plan view of a thin plate.
  • the material of each of the first shim 251, the second shim 252 and the third shim 253 is not limited to iron, and may be a ferromagnetic material.
  • the planar view shape of each of the first shim 251, the second shim 252 and the third shim 253 is not limited to a square, and may be any shape corresponding to the shape of the bottom surface of the recess 240.
  • the amount of the shim 250 accommodated in each of the plurality of recesses 240 is adjusted to thereby adjust the static magnetic field space 180.
  • the uniformity of the static magnetic field 190 can be improved. Shimming is to improve the uniformity of the static magnetic field 190 in the static magnetic field space 180 by arranging the shim 250 in this way.
  • the amount of the shim 250 accommodated in each of the plurality of recesses 240 is determined by the stacked thickness of the shim 250.
  • the uniformity of the static magnetic field 190 generated in the static magnetic field space 180 of the superconducting magnet 100 is shimmed using three kinds of shims 250 made of ferromagnetic materials and having different thicknesses. To make adjustments.
  • FIG. 6 is a flowchart showing a method of adjusting the superconducting magnet according to the present embodiment. As shown in FIG. 6, the superconducting magnet adjustment method according to the present embodiment is based on the measurement results in the step (S100) of measuring the magnetic field in the static magnetic field space 180 and the step of measuring the magnetic field (S100).
  • a step (S110) of calculating a plurality of arrangement positions of the shim 250 in the superconducting magnet 100 and the amount of the shim 250 arranged at each of the plurality of arrangement positions, a plurality of arrangement positions of the shim 250, and the plurality of arrangement positions Based on the calculation result in the step (S110) of calculating the amount of the shim 250 to be arranged in each, at least one kind of shim among the three kinds of shims 250 is at least one in each of the plural arrangement positions of the shim 250. Placing or removing one of them and performing shimming (S120).
  • the magnetic field in the static magnetic field space 180 is measured using a magnetic field measurement probe in the magnetic field measurement step (S100).
  • the magnetic field in the static magnetic field space 180 measured in the magnetic field measuring step (S100) is decomposed into error components.
  • Each error component satisfies the relationship of Equation 1 below.
  • Formula 1 includes a Legendre power function.
  • each error component is represented as A (n, m) or B (n, m).
  • FIG. 7 shows a coordinate system for decomposing each error component.
  • the plurality of positions of the shim 250 in the superconducting magnet 100 and the amount of the shim 250 disposed at each of the plurality of positions are set so that each error component of the magnetic field in the static magnetic field space 180 is in an optimum state.
  • a program that optimizes each error component of the magnetic field in the static magnetic field space 180 is installed in the computer in advance.
  • the computer calculates and selects the recess 240 at the position where the shim 250 should be placed from among the 360 recesses 240.
  • the computer calculates the amount of shims 250 to be placed in each of the selected recesses 240. Specifically, the computer calculates the stacking thickness of the shims 250 to be arranged in each of the selected recesses 240.
  • the laminated thickness of the shim 250 is standardized to a numerical value of 0 or more and 1 or less.
  • the laminated thickness of the shim 250 to be arranged is 0 mm
  • the laminated thickness of the shim 250 calculated by the computer is 1, the shim 250 to be arranged
  • the stacking thickness is Dmm, which is the dimension of the depth of the recess 240 described above.
  • Dmm is 10 mm.
  • second shim 252 first shim 251 dimensions of thickness of T 1
  • the dimensions of thickness of T 2 and, the thickness dimensions is preparing the third shim 253 is T 3.
  • T 1 mm is 0.25 mm
  • T 2 mm is 0.1 mm
  • T 3 mm is 0.03 mm.
  • the discretization error that occurs when no constraint is imposed on the above program will be described.
  • the computer calculates the plurality of placement positions of the shim 250 and the amount of the shim 250 to be placed at each of the plurality of placement positions in accordance with a program in which no constraint condition is imposed, for example, the stack thickness of the shim 250 calculated by the computer May be 0.54. In this case, the lamination thickness of the shim 250 to be arranged is 0.54 mm.
  • a combination of the first shim 251, the second shim 252 and the third shim 253 is considered so as to obtain a lamination thickness closest to 0.54 mm.
  • the lamination thickness of the shim 250 is 0.53 mm.
  • an error of 0.01 mm occurs between the stack thickness of the shim 250 calculated by the computer and the stack thickness of the shim 250 that is actually arranged by shimming. This error occurs because of the discretization of the thickness of the shim 250.
  • the error resulting from the discretization of the thickness of the shim 250 is referred to as a discretization error.
  • each error component of the magnetic field in the static magnetic field space 180 cannot be optimized, so that the number of shimming performed repeatedly until the desired uniformity of the static magnetic field 190 is obtained increases.
  • the plurality of shim 250 in the step (S110) of calculating the plurality of arrangement positions of the shim 250 and the amount of shims arranged at each of the plurality of arrangement positions, the plurality of shim 250 The amount of the shim 250 corresponding to any one shim among the three kinds of shims 250 or the combination of any plurality of shims among the three kinds of shims is calculated at each of the arrangement positions of To impose constraints on the program.
  • the stackable thickness of the shim 250 that can be calculated by the computer is 0.03. , 0.1 and 0.25.
  • the discretization error can be reduced to zero.
  • each error component of the magnetic field of the static magnetic field space 180 can be optimized, it is possible to reduce the number of times of shimming repeatedly performed until the desired uniformity of the static magnetic field 190 is obtained.
  • the uniformity of the static magnetic field 190 can be easily adjusted while suppressing the influence of the discretization of the thickness of the shim 250.
  • the constraint condition is imposed on the program so that the discretization error becomes 0.
  • the present invention is not limited to this, and the constraint condition may be imposed on the program so that the discretization error is within an allowable range. .
  • the tolerance of the discretization error is 0.001 mm
  • a constraint is imposed so that the stackable thickness of the shim 250 that can be calculated by the computer falls within an error range of ⁇ 0.0005.
  • the step of measuring the magnetic field in the static magnetic field space 180 is performed again to confirm the uniformity of the static magnetic field 190 generated in the static magnetic field space 180 of the superconducting magnet 100.
  • the stack thickness of the shim 250 calculated by the computer may be thinner than the stack thickness of the shim 250 already arranged in the recess 240.
  • the shimming step (S120) in the second and subsequent shimming at least one of the three types of shims 250 already arranged in the recess 240 is removed. .
  • the selected recess 240 After removing a part or all of the shim 250 that has already been arranged in the step, at least one of the three kinds of shims 250 is arranged in the recess 240.
  • the above-described stackable thickness of the shim 250 that can be calculated by the computer is 0, 0.25, 0.50, 0.75, and 1.0.
  • the types of shims 250 to be prepared can be reduced.
  • the number of parts can be reduced and the manufacturing cost of the shim 250 can be reduced.
  • the total number of shims 250 arranged in the recesses 240 can be reduced, so that the shimming operation can be simplified.
  • Embodiment 2 of the present invention a method for adjusting a superconducting magnet according to Embodiment 2 of the present invention will be described.
  • the adjustment method of the superconducting magnet according to the present embodiment is different from the adjustment method of the superconducting magnet according to the first embodiment only in the constraints imposed on the program, the description of the other configurations will not be repeated.
  • FIG. 8 is a graph showing the relationship between the shim arrangement position and the shim output in the direction of the static magnetic field.
  • the vertical axis indicates shim output (ppm)
  • the horizontal axis indicates shim placement positions (No. 1 to No. 15 recesses 240) in the direction of the static magnetic field.
  • data of A (1, 0) to A (6, 0) is illustrated.
  • the recesses 240 of No. 7 to No. 9 which are the positions of shims located near the center of the static magnetic field space 180 in the direction of the static magnetic field, No.
  • the shim output tends to be higher than the recesses 240 of No. 1 to No. 6 and the recesses 240 of No. 10 to No. 15.
  • each error component in the magnetic field of the static magnetic field space 180 depends on factors such as the mounting position accuracy of the shim 250 located near the center of the static magnetic field space 180 in the direction of the static magnetic field or the variation in the magnetization characteristics of the shim 250 itself. Is present, the uniformity of the static magnetic field in the static magnetic field space 180 is likely to be impaired.
  • the plurality of arrangement positions are further constrained on the program so that each of them is outside the position near the center of the static magnetic field space (180) in the direction of the static magnetic field.
  • the above constraint condition may be further imposed from the first shimming or from the second and subsequent shimming.
  • no shim 250 is arranged in the recesses 240 of No. 7 to No. 9 in each shim tray 230.
  • the shim 250 disposed in the No. 7 to No. 9 recesses 240 is stacked in each shim tray 230 in the second and subsequent shimming. The thickness will not be changed.
  • MRI apparatus 10 static magnetic field generator, 20 bore, 30 bed, 100 superconducting magnet, 110 vacuum tank, 120 heat shield, 130 helium tank, 140 superconducting coil, 150 liquid helium, 160 bore, 170 legs, 180 static Magnetic field space, 190 static magnetic field, 200 shimming part, 210 opening part, 230 shim tray, 231 main body part, 232 lid part, 240 concave part, 250 shim, 251 first shim, 252 second shim, 253 third shim.

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Abstract

　超電導マグネットの調整方法は、静磁場空間における磁場を測定する工程(Ｓ１００)と、上記磁場を測定する工程での測定結果に基づいて、超電導マグネット内におけるシムの複数の配置位置およびこの複数の配置位置の各々に配置するシムの量を算出する工程(Ｓ１１０)と、シムの上記複数の配置位置およびこの複数の配置位置の各々に配置するシムの量を算出する工程での算出結果に基づいて、シムの上記複数の配置位置の各々において、複数種類のシムのうちの少なくとも１種類のシムを少なくとも１つ配置または除去してシミングする工程(Ｓ１２０)とを備える。シムの複数の配置位置の各々に配置するシムの量を算出する工程にて、シムの上記複数の配置位置の各々において、複数種類のシムのなかの任意の１つのシムに相当する、または、複数種類のシムのなかの任意の複数のシムの組み合わせに相当する、シムの量が算出されるように制約条件を課する。

Description

超電導マグネットの調整方法、これにより調整された超電導マグネット、および、これを備える磁気共鳴画像装置
　本発明は、超電導マグネットの調整方法、これにより調整された超電導マグネット、および、これを備える磁気共鳴画像装置に関する。
　静磁場均一度の調整方法を開示した先行文献として、国際公開第２０１２／１３２９１１号(特許文献１)がある。特許文献１に記載された静磁場均一度の調整方法は、計測空間に静磁場発生手段により発生した静磁場に対し、補正磁場を発生する磁場補正手段を配置して、静磁場の均一度を調整する方法である。特許文献１に記載された静磁場均一度の調整方法は、静磁場発生手段が発生した静磁場を測定するステップと、測定された静磁場の空間分布を級数展開するステップと、級数展開された不整磁場成分のうち、高次項の不整磁場成分を補正する第一の磁場調整ステップと、第一の調整ステップの後に行われ、低次の不整磁場成分を調整する第二の磁場調整ステップと、を含む。
国際公開第２０１２／１３２９１１号
　超電導マグネットにおける静磁場の均一性の調整には、互いに厚さの異なるすなわち厚さが離散化した複数種類のシムが、一般的に用いられる。磁場の測定結果に基づいてシムを配置しようとした場合、シムの厚さの離散化のために、磁場の測定結果に対応してシムを配置することができない場合がある。この場合、所望の静磁場の均一性を得るまでに繰り返し行なわれるシミングの回数が増加する。
　超電導マグネットが磁場を発生している状態においては、シムに大きな電磁力が作用している。そのため、超電導マグネットが磁場を発生している状態にてシミングすることは困難である。通常、シミングする際には、超電導マグネットが発生する磁場を低下させて、シムを取り付け直した後、再度、超電導マグネットが発生する磁場を増加させる。このとき、超電導マグネットを冷却保持している液体ヘリウムの一部が蒸発して消失する。シミングの回数が増加することにより、作業工数および液体ヘリウムの消失量が増加する。
　シムの厚さの離散化の影響を緩和するために、可能な限り薄いシムを用いてシミングすることが考えられる。現在においては、最も薄いシムの厚さは、０．０５ｍｍであり、これ以上薄いシムを用いる場合、シムの製造コストが高くなるとともに、シムの取り扱いが困難となりシミングの作業性が悪くなる。
　本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、シムの厚さの離散化の影響を抑制して静磁場の均一性を簡易に調整できる、超電導マグネットの調整方法、これにより調整された超電導マグネット、および、これを備える磁気共鳴画像装置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、超電導マグネットの静磁場空間に発生する静磁場の均一性を、強磁性体からなり厚さが互いに異なる複数種類のシムを用いてシミングすることにより調整する、超電導マグネットの調整方法である。超電導マグネットの調整方法は、静磁場空間における磁場を測定する工程と、上記磁場を測定する工程での測定結果に基づいて、超電導マグネット内におけるシムの複数の配置位置およびこの複数の配置位置の各々に配置するシムの量を算出する工程と、シムの上記複数の配置位置およびこの複数の配置位置の各々に配置するシムの量を算出する工程での算出結果に基づいて、シムの上記複数の配置位置の各々において、複数種類のシムのうちの少なくとも１種類のシムを少なくとも１つ配置または除去してシミングする工程とを備える。シムの上記複数の配置位置およびこの複数の配置位置の各々に配置するシムの量を算出する工程にて、シムの上記複数の配置位置の各々において、複数種類のシムのなかの任意の１つのシムに相当する、または、複数種類のシムのなかの任意の複数のシムの組み合わせに相当する、シムの量が算出されるように制約条件を課する。
　本発明によれば、シムの厚さの離散化の影響を抑制して静磁場の均一性を簡易に調整できる。
本発明の実施形態１に係る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。 本発明の実施形態１に係る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。 本発明の実施形態１に係る超電導マグネットが備えるシムトレイおよびシムを示す分解斜視図である。 本発明の実施形態１に係る超電導マグネットが備える３種類のシム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調整方法を示すフローチャートである。 各誤差成分を分解するための座標系である。 静磁場の向きにおけるシムの配置位置とシムの出力との関係を示すグラフである。
　以下、本発明の各実施形態に係る超電導マグネットの調整方法、これにより調整された超電導マグネット、および、これを備える磁気共鳴画像装置について図面を参照して説明する。以下の実施形態および比較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(Magnetic　Resonance　Imaging)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、本発明の実施形態１に係るＭＲＩ装置の外観を示す斜視図である。図１に示すように、本発明の実施形態１に係る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１００を含み、ボア２０の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においては、水平方向をＸ方向、垂直方向をＹ方向、静磁場１９０の向きをＺ方向として図示している。
　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空間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、ｐｐｍのオーダーで均一であり、安定していることが望まれる。
　図３は、本実施形態に係る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４は、本実施形態に係る超電導マグネットが備えるシムトレイおよびシムを示す分解斜視図である。図５は、本実施形態に係る超電導マグネットが備える３種類のシムを示す斜視図である。
　図２においては図示していないが、図３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。本実施形態においては、２４箇所の開口部２１０が設けられているが、開口部２１０の数はこれに限られない。
　図３，４に示すように、２４箇所の開口部２１０の各々には、シムトレイ２３０が挿入される。図４に示すように、シムトレイ２３０は、複数のシム２５０を収容する複数の凹部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、各シムトレイ２３０は、同一寸法で設けられたＮｏ.１～Ｎｏ.１５までの１５箇所の凹部２４０を有する。１５箇所の凹部２４０の各々は、平面視にて、正方形の底面を有し、深さの寸法がＤである。
　本実施形態に係る超電導マグネット１００は、２４本のシムトレイ２３０を備える。２４本のシムトレイ２３０に設けられた凹部２４０の数の合計は、３６０箇所である。シミングする際には、この３６０箇所の凹部２４０のうちの選択された一部または全部の凹部２４０に、シム２５０が配置される。選択されなかった凹部２４０には、シム２５０は配置されない。
　開口部２１０にシムトレイ２３０が挿入された状態において、シムトレイ２３０の長手方向の中心Ｃ上に位置するＮｏ.８の凹部は、静磁場１９０の向きにおける静磁場空間１８０の中央近傍に位置する。本実施形態においては、シムトレイ２３０の長手方向の中心に位置するＮｏ.８の凹部２４０にそれぞれ隣接する、Ｎｏ.７の凹部２４０およびＮｏ.９の凹部２４０までが、静磁場１９０の向きにおける静磁場空間１８０の中央近傍に位置する。
　本実施形態においては、シムトレイ２３０は、同一寸法で設けられた１５箇所の凹部２４０を有しているが、凹部２４０の数は１５個に限られない。仮に、シムトレイ２３０が偶数箇所の凹部２４０を有する場合、シムトレイ２３０の長手方向の中心Ｃを互いの間に挟む２つの凹部２４０までが、静磁場１９０の向きにおける静磁場空間１８０の中央近傍に位置する。
　シムトレイ２３０にシム２５０を取り付けるための構造は、シムトレイ２３０の凹部２４０に限られない。たとえば、シムトレイに雄ネジが設けられ、この雄ネジに、貫通孔が設けられたシムが挿通された状態で、雄ネジとナットとを螺合させることにより、シムトレイにシムが取り付けられる構造であってもよい。
　シムトレイは、必ずしも棒状の形状でなくてもよく、たとえば、超電導マグネット１００のシミング部２００の内周壁に設けた雄ネジに、貫通孔が設けられたシムが挿通されて固定されることにより、シミング部２００にシムが直接取り付けられる構造であってもよい。すなわち、シムトレイは、超電導マグネット１００にシムが取り付けられる構造であれば特に限定されない。
　図５に示すように、本実施形態においては、３種類のシム２５０として、厚さの寸法がＴ1である第１シム２５１、厚さの寸法がＴ2である第２シム２５２、および、厚さの寸法がＴ3である第３シム２５３を準備している。
　第１シム２５１、第２シム２５２および第３シム２５３の各々は、薄板状の平面視にて正方形の鉄片からなる。ただし、第１シム２５１、第２シム２５２および第３シム２５３の各々の材料は、鉄に限られず、強磁性体であればよい。第１シム２５１、第２シム２５２および第３シム２５３の各々の平面視形状は、正方形に限られず、凹部２４０の底面の形状に対応する形状であればよい。
　図３～５に示すように、各開口部２１０に挿入される複数のシムトレイ２３０の各々において、複数の凹部２４０の各々に収容されるシム２５０の量を調節することにより、静磁場空間１８０の静磁場１９０の均一性を向上することができる。このようにシム２５０を配置することにより、静磁場空間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。なお、本実施形態においては、複数の凹部２４０の各々に収容されるシム２５０の量は、シム２５０の積層厚さによって決まる。
　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の静磁場空間１８０に発生する静磁場１９０の均一性を、強磁性体からなり厚さが互いに異なる３種類のシム２５０を用いてシミングすることにより調整する。
　図６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６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は、静磁場空間１８０における磁場を測定する工程(Ｓ１００)と、磁場を測定する工程(Ｓ１００)での測定結果に基づいて、超電導マグネット１００内におけるシム２５０の複数の配置位置およびこの複数の配置位置の各々に配置するシム２５０の量を算出する工程(Ｓ１１０)と、シム２５０の複数の配置位置およびこの複数の配置位置の各々に配置するシム２５０の量を算出する工程(Ｓ１１０)での算出結果に基づいて、シム２５０の複数の配置位置の各々において、３種類のシム２５０のうちの少なくとも１種類のシムを少なくとも１つ配置または除去してシミングする工程(Ｓ１２０)とを備える。
　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、磁場を測定する工程(Ｓ１００)にて、磁場計測プローブを用いて静磁場空間１８０の磁場を測定する。次に、磁場を測定する工程(Ｓ１００)にて測定された静磁場空間１８０の磁場を各誤差成分に分解する。各誤差成分は、下記の数式１の関係を満たす。数式１は、ルジャンドル陪関数を含んでいる。以下、各誤差成分を、Ａ(ｎ，ｍ)またはＢ(ｎ，ｍ)と表記する。図７は、各誤差成分を分解するための座標系である。
数式１
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
　次に、静磁場空間１８０の磁場の各誤差成分が最適な状態になるように、超電導マグネット１００内におけるシム２５０の複数の配置位置およびこの複数の配置位置の各々に配置するシム２５０の量をコンピュータを用いて算出する。コンピュータには、静磁場空間１８０の磁場の各誤差成分を最適化するプログラムが予めインストールされている。
　コンピュータは、３６０箇所の凹部２４０の中から、シム２５０を配置すべき位置にある凹部２４０を算出して選択する。コンピュータは、選択した凹部２４０の各々において、配置するシム２５０の量を算出する。具体的には、コンピュータは、選択した凹部２４０の各々において、配置するシム２５０の積層厚さを算出する。
　上記のプログラムにおいては、シム２５０の積層厚さは、０以上１以下の数値に規格化されている。コンピュータの算出したシム２５０の積層厚さが０の場合、配置すべきシム２５０の積層厚さは０ｍｍであり、コンピュータの算出したシム２５０の積層厚さが１の場合、配置すべきシム２５０の積層厚さは、上記の凹部２４０の深さの寸法であるＤｍｍである。たとえば、Ｄｍｍは、１０ｍｍである。
　本実施形態においては、上記のように、３種類のシム２５０として、厚さの寸法がＴ1である第１シム２５１、厚さの寸法がＴ2である第２シム２５２、および、厚さの寸法がＴ3である第３シム２５３を準備している。たとえば、Ｔ1ｍｍは０．２５ｍｍ、Ｔ2ｍｍは０．１ｍｍ、Ｔ3ｍｍは０．０３ｍｍである。
　ここで、上記のプログラムに制約条件を課していない場合に生ずる離散化誤差について説明する。制約条件を課されていないプログラムに従って、コンピュータがシム２５０の複数の配置位置およびこの複数の配置位置の各々に配置するシム２５０の量を算出した場合、たとえば、コンピュータの算出したシム２５０の積層厚さが０．５４となることがある。この場合、配置すべきシム２５０の積層厚さは０.５４ｍｍである。
　この算出結果に基づいて、０．５４ｍｍに最も近い積層厚さになるように、第１シム２５１、第２シム２５２および第３シム２５３の組み合わせを考える。その結果、１つの第１シム２５１と２つの第３シム２５３を組み合わせて、シム２５０の積層厚さを０．５３ｍｍとする。このように、コンピュータの算出したシム２５０の積層厚さと、実際にシミングにより配置されるシム２５０の積層厚さとの間に、０．０１ｍｍの誤差が生じる。この誤差は、シム２５０の厚さの離散化のために生ずる。以下、このようにシム２５０の厚さの離散化に起因する誤差を離散化誤差と称する。
　離散化誤差が生ずる場合、静磁場空間１８０の磁場の各誤差成分を最適化することができないため、所望の静磁場１９０の均一性を得るまでに繰り返し行なわれるシミングの回数が増加する。
　そこで、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、シム２５０の複数の配置位置およびこの複数の配置位置の各々に配置するシムの量を算出する工程(Ｓ１１０)にて、シム２５０の複数の配置位置の各々において、３種類のシム２５０のなかの任意の１つのシムに相当する、または、３種類のシムのなかの任意の複数のシムの組み合わせに相当する、シム２５０の量が算出されるように、上記プログラムに制約条件を課する。
　３種類のシム２５０のなかの任意の１つのシムに相当するシム２５０の量が算出されるように制約条件を課す場合には、コンピュータの算出可能なシム２５０の積層厚さは、０．０３、０．１および０．２５である。
　３種類のシムのなかの任意の複数のシムの組み合わせに相当するシム２５０の量が算出されるように制約条件を課す場合には、コンピュータの算出可能なシム２５０の積層厚さは、たとえば、０．０３＋０．２５＝０．２８、０．０３＋０．０３＝０．０６、および、０．０３＋０．１＋０．２５＝０．３８などである。
　上記の制約条件を課したプログラムに従ってコンピュータがシム２５０の複数の配置位置およびこの複数の配置位置の各々に配置するシム２５０の量を算出した場合、離散化誤差を０にすることができる。これにより、静磁場空間１８０の磁場の各誤差成分を最適化することができるため、所望の静磁場１９０の均一性を得るまでに繰り返し行なわれるシミングの回数を低減できる。その結果、シム２５０の厚さの離散化の影響を抑制して静磁場１９０の均一性を簡易に調整できる。
　本実施形態においては、離散化誤差が０になるようにプログラムに制約条件を課したが、これに限られず、離散化誤差が許容範囲内になるようにプログラムに制約条件を課してもよい。たとえば、離散化誤差の許容範囲が０．００１ｍｍである場合には、コンピュータの算出可能なシム２５０の積層厚さが、±０．０００５の誤差範囲に収まるように制約条件を課する。
　上記のシミングする工程(Ｓ１２０)の後、静磁場空間１８０における磁場を測定する工程(Ｓ１００)を再度行なって、超電導マグネット１００の静磁場空間１８０に発生する静磁場１９０の均一性を確認する。
　１回目のシミングを行なった後においても、シム２５０の取付位置精度、または、シム２５０そのものの磁化特性のバラつきなどの要因によって、静磁場空間１８０の磁場には各誤差成分が存在することがある。この場合、再度、シム２５０の複数の配置位置およびこの複数の配置位置の各々に配置するシム２５０の量を算出する工程(Ｓ１１０)およびシミングする工程(Ｓ１２０)を行なう。すなわち、２回目以降のシミングを繰り返し行なう。
　２回目以降のシミングにおいては、超電導マグネット１００内にすでにシム２５０が配置されている。そのため、２回目以降のシミングにおける、シム２５０の複数の配置位置およびこの複数の配置位置の各々に配置するシム２５０の量を算出する工程(Ｓ１１０)にて、コンピュータが算出して選択した凹部２４０のなかのいずれかの凹部２４０において、コンピュータが算出したシム２５０の積層厚さが、すでにその凹部２４０に配置されているシム２５０の積層厚さより薄い場合がありうる。この場合には、２回目以降のシミングにおけるシミングする工程(Ｓ１２０)において、すでに凹部２４０に配置されている、３種類のシム２５０のうちの少なくとも１種類のシムを少なくとも１つ除去することになる。
　なお、２回目以降のシミングにおいて、コンピュータが算出したシム２５０の積層厚さが、選択された凹部２４０にすでに配置されているシム２５０の組み合わせの積層厚さと異なる場合には、選択された凹部２４０にすでに配置されているシム２５０の一部または全部を除去した後、その凹部２４０に、３種類のシム２５０のうちの少なくとも１種類のシムを少なくとも１つ配置する。
　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、たとえば、コンピュータの算出可能なシム２５０の積層厚さが、０、０．２５、０．５０、０．７５および１．０となるように、上記プログラムに制約条件を課す場合、第３シム２５３だけを準備すればよくなる。このように、制約条件によっては、準備するシム２５０の種類を削減することができる。その結果、部品点数を削減して、シム２５０の製造コストを低減できる。特に、準備するシム２５０を可能な限り厚いシムに集約することにより、凹部２４０に配置するシム２５０の合計数量を低減できるため、シミングの作業を簡易にすることができる。
　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、プログラムに課す制約条件のみ実施形態１に係る超電導マグネットの調整方法と異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。
　(実施形態２)
　まず、静磁場の向きにおけるシムの配置位置と、静磁場空間の静磁場の均一性に対するシムの調整能力であるシムの出力との関係について説明する。図８は、静磁場の向きにおけるシムの配置位置とシムの出力との関係を示すグラフである。図８においては、縦軸にシム出力(ｐｐｍ)、横軸に静磁場の向きにおけるシムの配置位置(Ｎｏ.１～Ｎｏ.１５の凹部２４０)を示している。また、図８においては、Ａ(１，０)～Ａ(６，０)のデータを図示している。
　図８に示すように、静磁場の向きにおける静磁場空間１８０の中央近傍に位置するシムの配置位置であるＮｏ.７～Ｎｏ.９の凹部２４０においては、他のシムの配置位置であるＮｏ.１～Ｎｏ.６の凹部２４０およびＮｏ.１０～Ｎｏ.１５の凹部２４０に比較して、シム出力が高くなる傾向にある。
　そのため、静磁場の向きにおける静磁場空間１８０の中央近傍に位置する、シム２５０の取付位置精度、または、シム２５０そのものの磁化特性のバラつきなどの要因によって、静磁場空間１８０の磁場に各誤差成分が存在した場合、静磁場空間１８０の静磁場の均一性が損なわれやすい。
　そこで、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、シム２５０の複数の配置位置およびこの複数の配置位置の各々に配置するシムの量を算出する工程(Ｓ１１０)にて、複数の配置位置の各々が、静磁場の向きにおける前記静磁場空間(１８０)の中央近傍の位置以外となるように上記プログラムに制約条件をさらに課する。
　なお、上記の制約条件をさらに課するのは、１回目のシミング時からでもよいし、２回目以降のシミング時からでもよい。１回目のシミング時から上記の制約条件をさらに課した場合には、各シムトレイ２３０において、Ｎｏ.７～Ｎｏ.９の凹部２４０に１つもシム２５０が配置されないことになる。２回目以降のシミング時から上記の制約条件をさらに課した場合には、２回目以降のシミングにて、各シムトレイ２３０において、Ｎｏ.７～Ｎｏ.９の凹部２４０に配置されたシム２５０の積層厚さは変更されないことになる。
　上記のようにシミングすることにより、静磁場の向きにおける静磁場空間１８０の中央近傍にシムを配置することによって静磁場空間１８０の静磁場の均一性が損なわれることを抑制して、所望の静磁場１９０の均一性を得るまでに繰り返し行なわれるシミングの回数を低減できる。その結果、シム２５０の厚さの離散化の影響を抑制して静磁場１９０の均一性を簡易に調整できる。
　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、１４０　超電導コイル、１５０　液体ヘリウム、１６０　ボア部、１７０　脚部、１８０　静磁場空間、１９０　静磁場、２００　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　シム、２５１　第１シム、２５２　第２シム、２５３　第３シム。

Claims (4)

  1. 　超電導マグネットの静磁場空間に発生する静磁場の均一性を、強磁性体からなり厚さが互いに異なる複数種類のシムを用いてシミングすることにより調整する、超電導マグネットの調整方法であって、
    　前記静磁場空間における磁場を測定する工程と、
    　前記磁場を測定する工程での測定結果に基づいて、前記超電導マグネット内におけるシムの複数の配置位置および該複数の配置位置の各々に配置するシムの量を算出する工程と、
    　シムの前記複数の配置位置および該複数の配置位置の各々に配置するシムの量を算出する工程での算出結果に基づいて、シムの前記複数の配置位置の各々において、前記複数種類のシムのうちの少なくとも１種類のシムを少なくとも１つ配置または除去してシミングする工程とを備え、
    　シムの前記複数の配置位置および該複数の配置位置の各々に配置するシムの量を算出する工程にて、シムの前記複数の配置位置の各々において、前記複数種類のシムのなかの任意の１つのシムに相当する、または、前記複数種類のシムのなかの任意の複数のシムの組み合わせに相当する、シムの量が算出されるように制約条件を課する、超電導マグネットの調整方法。
  2. 　シムの前記複数の配置位置および該複数の配置位置の各々に配置するシムの量を算出する工程にて、前記複数の配置位置の各々が、静磁場の向きにおける前記静磁場空間の中央近傍の位置以外となるように制約条件をさらに課する、請求項１に記載の超電導マグネットの調整方法。
  3. 　請求項１または２に記載の超電導マグネットの調整方法により、静磁場空間に発生する静磁場の均一性を調整された、超電導マグネット。
  4. 　請求項３に記載の超電導マグネットを備える、磁気共鳴画像装置。
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