JP3548240B2 - 磁気共鳴画像形成装置（ｍｒｉ）磁石 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、磁気共鳴画像形成（ＭＲＩ）磁石に関する。
【０００２】
【従来の技術およびその問題点】
磁気共鳴画像形成には、画像形成されるべき物体を、１０万分の１の数倍程度にまで均一である磁界の中に、配置することが必要である。高磁界（≧０．５Ｔ）は、典型的には、円筒型の超伝導電磁石で発生される。それより低い磁界（≦０．３Ｔ）の場合には、永久磁石または「抵抗性」の電磁石で十分に発生することができる。本発明は、後者の種類の磁石に関する。この磁石は対向する磁極を有する。磁石には、いわゆる「Ｈ」型磁石と「Ｃ」型磁石と呼ばれる種類がある。これらの磁石の対向する磁極の間に、画像形成体積領域が定められる。
【０００３】
当業者にはよく知られているように、画像形成工程において、線形に傾斜した磁界がパルス的にオンおよびオフにされ、それにより、画像を発生するのに必要な空間周波数と位相符号化を得ることが必要である。これらの線形に傾斜した磁界は、傾斜磁界コイルにより発生される。これらの傾斜磁界コイルは、典型的には、導線の組立体であり、その精密な形状が、発生される傾斜磁界の方向を定める。傾斜磁界コイルがパルス動作する際、典型的には６０アンペアないし１００アンペアの間の電流変化が１ミリ秒の間に生ずる。この画像形成工程に付随する問題点の１つは、ヒステリシス効果と渦電流効果が磁極の中に生ずることである。これらの効果は、画像形成体積領域内の磁界の安定度、および／または、均一度を損い、そして、得られる画像の品質を劣化させるであろう。
【０００４】
これらの好ましくない効果を小さくするためによく知られた１つの方法は、傾斜磁界を発生するために備えられたコイルを活性的に遮蔽することである。このことを達成するために、電流が反対方向に流れるようにコイルの導電体の層が設計され、それにより対向する磁極に備えられた磁極板の中の磁界ができるだけゼロに近くすることである。この方法では、使用電力が増大するために、通常水冷または空冷が必要であり、したがって磁石全体の設置コストおよび運転コストが増大する。
【０００５】
また別の方法は、抗磁力が小さくかつ導電率が小さい磁極板材料を選定することである。磁極板材料をこのように選定することにより、ヒステリシスと渦電流の問題点を事実上回避することができるであろう。従来、磁極板の構成に対して、種々の材料および種々の形式の構成が提案されている。とりわけ、フェライトの利用、または水平方向に配置されたシリコン鉄の積層体（すなわち、磁極の縦軸に垂直な方向に層状であるシリコン鉄の円板を積層して製造された磁極板）が提案されている。従来、提案されたこれらの構成体はいずれも重大な欠点を有していた。画像を劣化させる１つの原因を抑止すると、他の問題点が発生するという欠点を有している。
【０００６】
したがって、例えば渦電流を小さくするために、もし導電率の小さなフェライトのブロック体で磁極板が製造されるならば、抗磁力が大きいのでヒステリシス効果が大きいであろう。同様に、シリコン鉄または超高純度の鉄、またはニッケルと鉄の合金、で製造された積層体を水平に配置して使用することにより、渦電流とヒステリシスの大きさが種々に変わるが、そのことは高品質の画像を生成するためには好ましいことではない。さらに、水平積層体の中にニッケル鉄のような高透磁率の材料が存在すると、半径方向に大きな磁化が生じ、したがってこの材料の磁化飽和または部分飽和が起こって非線形の磁気効果が生ずることがある。このことは、磁気的安定度を減少させおよび／または画像の品質を劣化させる。
【０００７】
また、磁極板を横断して垂直に積層された、非常に多数個の平坦なストリップ体を用いることが、従来の構成体で提案されている。けれども、相互に垂直なこのような積層体を２組用いることが必要である。このような構造体は、製造が難しく、そして、製造コストが高くなる。
【０００８】
【問題点を解決するための手段】
したがって、本発明の目的は、前記問題点が事実上解決され、それにより、高品質の画像を容易に生成することができる、ＭＲＩ磁石を得ることである。
【０００９】
本発明により、磁気共鳴画像形成（ＭＲＩ）磁石は、対向する磁極を有する。これらの対向する磁極の間に、画像形成体積領域が定められる。これらの磁極は、磁極板を有する。これらの磁極板は、透磁率が大きくかつ抗磁力が小さい材料を、半径方向に積層して作成される。このことにより、渦電流とヒステリシスの効果が大幅に減少し、したがって、画像形成体積領域の中の磁界の安定度が保持され、かつ、画像の高い品質が保持される。
【００１０】
前記積層体のおのおのを、相互に、絶縁することができる。
【００１１】
必要とされる絶縁度の程度は、普通の変圧器の積層体の程度のようには特に大きくないが、通常は、隣接する積層体の間の半径方向の抵抗と円周方向の抵抗との比が有意である、すなわち、約１より大きい程度である。
【００１２】
このような材料体を巻くことによって実効的に積層体が作成される。このように、磁極板を巻かれた材料で製造することは、好都合である。
【００１３】
巻いて製造することは、非常に便利な製造法であるが、他の製造法もまた可能である。例えば、相互に絶縁された適切な材料の同心円のリングを用いて、製造することもまたできる。例えば、メッキ技術を用いて、この同心円のリングの適切な材料を製造することができる。
【００１４】
前記材料体は、磁極板を作成するために巻かれたストリップ体材料で構成されることが、便利である。磁極板の厚さは、ストリップ材料体の幅に対応する。けれども、その代わりに、絶縁された線を用いることができる。この線の横断面は、正方形または長方形であることが好ましい。
【００１５】
透磁率が大きくかつ抗磁力が小さい材料としては、シリコン鉄（ＳｉＦｅ）、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）、パーメンデュア（ＦｅＣｏＶ）、または、抗磁力の小さな他の材料がある。
【００１６】
磁極板は、市販されている任意の厚さのストリップ材料から製造することができるが、厚さが０．０２５ｍｍないし１．０ｍｍのストリップ材料から製造されることが好ましい。
【００１７】
磁極板は、それぞれ、磁極シューおよび傾斜磁界コイル組立体を有することができる。磁極シューは、磁性材料の鉄心に連結される。鉄心は、磁束の復路である。それぞれの磁極の磁極板は、画像形成領域が傾斜磁界コイル組立体の間に隣接して存在するように、付随する磁極シューと傾斜磁界コイル組立体との間に配置される。
【００１８】
鉄心の形状は、「Ｃ」型磁石であることができる、または、「Ｈ」型磁石であることができる、または、他の構成の複数個の平行な磁束復路を有する型の磁石であることができる。
【００１９】
磁石は、鉄心が永久磁化した永久磁石であることができる、または、磁化電流が流れるように構成されたコイルが鉄心を取り巻いている、抵抗性の電磁石であることができる。
【００２０】
磁界を整形するために、磁極のおのおのの磁極板と磁極シューとの間に、磁性材料のシムを配置することができる。
【００２１】
これらのシムは、非磁性材料のキャリアの上に保持された、または、このキャリアの中に保持された、平坦な鉄の環状体であることができる。この非磁性材料は、例えば、パースペックスのような非導電性のプラスチックであることができる。
【００２２】
磁界の整形は、それとは異なって、または、それにさらに付加して、磁極のおのおのの磁極板と傾斜磁界コイル組立体との間に配置された複数個の比較的小さな永久磁石により、および／または、磁極板のおのおのの少なくとも１つの表面を整形することにより、達成することができる。
【００２３】
磁石の傾斜磁界コイルは、従来の技術において開示されているように、活性的な遮蔽を行うように製造することができる。
【００２４】
磁極板を作成しているストリップ材料は、その長さ方向に配向した粒子を有して構成されることがある。それにより、ストリップ体に沿って、および、磁極板の厚さの方位角方向に、増強された透磁率を得ることができる。
【００２５】
ストリップ体を巻いて作成された磁極板において、それぞれのストリップ体の間の絶縁体の厚さは、約７０％またはそれ以上のパッキング密度が得られるように選定される。
【００２６】
【実施例】
本発明の１つの実施例を、例示のためだけの目的で、添付図面を参照しながら下記で説明する。
【００２７】
図１および図２において、対応する部品には同じ番号が付されている。図１および図２に示された磁石は、１対の対向した磁極１および磁極２を有する。これらの磁極の間に、画像作成体積領域３が定められる。鉄心４により、磁極１と磁極２は磁気的に連結される。図１に示された「Ｈ」型磁石の場合には、鉄心４は並列に磁気的に連結された２個のリム４ａおよび４ｂを有し、そして、図２に示された「Ｃ」型磁石の場合には、１個のリム４ａだけを有する。
【００２８】
磁束は鉄心４の中を通るが、この磁束は環状の巻線５および６により発生される。巻線５および６は、それぞれ、鉄心の芯部分７および８を取り巻いている。磁極１および２は、それぞれ、鉄心の芯部分７および８に取り付けられる。磁極１は、磁極シュー１ａと、傾斜磁界コイル組立体１ｂと、磁極板１ｃとを有する。磁極板１ｃは、磁極シュー１ａと傾斜磁界コイル組立体１ｂとの間に挟まれて配置される。磁極シュー１ａは、磁極端部シム１ｄにより、実効的に、周縁部で軸方向に延長され、それにより、通常、円柱型の空間ができる。この円柱型の空間の中に、磁極板１ｃと傾斜磁界コイル組立体１ｂとがちょうど入る。対向する磁極２が同様に構成され、磁極シュー２ａと、傾斜磁界コイル組立体２ｂと、磁極板２ｃと、磁極端部シム２ｄとを有する。
【００２９】
ヒステリシスと渦電流の効果を最小にするために、図１および図２に示された磁極板１ｃおよび２ｃは、シリコン鉄のストリップ体で作成される。このシリコン鉄のストリップ体の粒子は、その長さ方向に配向していることが好ましい。このシリコン鉄のストリップ体は、図３ａ、図３ｂ、および、図３ｃに示されているように、心棒９のまわりに巻き付けられ、それにより、磁極板が作成される。したがって、磁極板は半径方向に複数個の層１０を有する。これらの層のおのおのは、１巻きのシリコン鉄のストリップ体で構成される。渦電流効果を最小にするために、巻かれたシリコン鉄のストリップ体は、このストリップ体に備えられた絶縁性被覆体により、相互に絶縁されることができる。そして、完成した巻かれたストリップ体は、エポキシ樹脂または他の適切な含浸剤を用いて、含浸することができる。この構成方法を用いて、約９５％の積層因子（すなわち、半径方向における、絶縁体の厚さに対する金属の厚さの比）を達成することができ、そして実際には、もし積層因子が約７０％以上であるならば、満足する結果が得られることが分かっている。
【００３０】
磁極板の半径方向に切断面を入れることにより、また渦電流効果を最小にすることができる。この磁極板は、磁極板の直径を横断する方向に、連続していることも可能であり、または、連続していないことも可能である。これらの切断面の数は、磁極板の積層因子を損なうことなく、１個ないし８個であることができる。
【００３１】
厚さが０．０２５ｍｍないし１．０ｍｍの間にあることが好ましいシリコン鉄のストリップ体を巻いて磁極板を作成することにより、図３ａに示されているように、ｘ方向およびｙ方向の傾斜磁界による渦電流とヒステリシスの問題点は、最小になる。ストリップ体を巻いて作成された磁極板１ｃおよび２ｃの特性を理解する際の要点は、その透磁率と導電率の両方が、極めて異方的であることである。軸方向（ｚ方向）と方位角方向（φ方向）では、磁束に対する透磁率は、同じ粒子方位を有するおおきな体積のシリコン鉄の透磁率と同じである。けれども、半径方向では、層状構造になっているために、その透磁率は、大きな体積を有するシリコン鉄の透磁率の何分の１にも減少する。このことは、磁極板の中の主磁石による半径方向の磁束を減少させ、それにより、磁気飽和効果が起こらないようにする。
【００３２】
ｘ方向およびｙ方向の傾斜磁界のための傾斜磁束は、巻かれて作成された磁極板の個々のストリップ体の中を、方位角方向に進む。傾斜磁束パルスの最高周波数に対する表皮効果の深さよりも、もしストリップ体の厚さが小さいならば、渦電流は検出できない位に小さいであろう。実験的には、幅が３０ｍｍで厚さが０．３５ｍｍのシリコン鉄のストリップ体で作成された磁極板は、ｘ方向とｙ方向の傾斜磁界に対し、生ずる渦電流は１％以下であることが分かった。これは、同じ材料で作成されているが、磁極シューの面内に層状になっている、すなわち、通常、水平面内に層状になっている、磁極板に対して生ずる渦電流が、１０％以上であることと対比される。軸方向（ｚ方向）の傾斜磁界による渦電流は、横方向の傾斜磁界により誘起される渦電流の大きさにまでは小さくはならない。それは、軸方向の傾斜磁界による磁束は磁極板を通るからであり、そして、下にある磁極シューの中に渦電流を発生するからである。
【００３３】
軸方向の傾斜磁界コイルによる磁束は、ストリップ体を巻いて作成された磁極板の、巻かれた隣接するストリップ体の間に、電圧を誘起する。この場合、磁極板と傾斜磁界コイルは、変圧器とちょうど同じ様に動作する。変圧器との類似により、磁極板の１つの部分から他の部分に向かって、数万ボルト程度の非常に高い電圧が誘起され得ることが明らかにされた。このことにより、磁極板と磁石の他の部分との間に、電圧のブレークダウンが起こることがある。この問題点は、磁極板を非誘導的に巻いて作成することにより、大幅に軽減することができる。例えば、ストリップ体を巻く工程において、巻く方向を多数回反転する、または、磁極板の隣接するストリップ体の間にいくらかの導電率が残るようにする、ことにより、この問題点を大幅に軽減することができる。実際には、特別に厚い接着剤が用いられなくても、または、隣接するストリップ体の間に絶縁体層が挿入されなくても、このことは自然に起こる。これらの短絡路が存在しても、ｘ方向またはｙ方向の特性に影響を与えることはないが、しかし、ｚ軸方向の傾斜磁界のパルス動作に応答して、大きな「渦電流」を生ずる。多数個の多重巻きストリップ体の組立体で磁極板を作成することにより、磁極板の１つの部分から他の部分に向かって誘起する最大電圧を小さくすることができる。
【００３４】
渦電流と電圧の問題点との両方を解決する１つの方法は、軸方向の傾斜磁界だけを活性的に遮蔽することである。その結果、「混成活性遮蔽」傾斜磁界装置が得られるが、その場合には、ｘ方向の傾斜磁界とｙ方向の傾斜磁界とは遮蔽されないまま残る。
【００３５】
磁極板１ｃ／２ｃの隣接する巻かれたストリップ体の間に起こることがある短絡をなくするために、および、軸方向に大きな渦電流が流れることを許容するために、シリコン鉄の巻かれたストリップ体の間に、厚さが約５０ミクロンの絶縁体層を備えることができる。しかし、この絶縁層の絶縁度は、市販されていて容易に入手することができる被覆されたストリップ体材料を用いて作成される、従来の変圧器の薄板積層体の間の絶縁度に比べて、さらによい必要はない。
【００３６】
ストリップ体の透磁率が軸方向では大きく、そして、半径方向では小さいことは、磁束が、軸方向には磁極板の中に深く侵入するが、異方的である磁極板、すなわち、水平方向に積層された磁極板には、あまり侵入しないことを意味する。このことは、磁極板の中の傾斜磁界による磁束密度を減少させるのに役立ち、それにより、傾斜磁界パルスが加えられている期間中に、経験するＢ−Ｈループの大きさが小さくなる。その結果、磁極板の中の測定されたヒステリシス効果は、等方的である磁極板、すなわち、水平方向に積層された磁極板、で測定されるものの１０分の１以下に小さくなる。シリコン鉄の磁極板の厚さが増加すると、ヒステリシスが減少することが、実験の結果分かった。もし磁極板１ｃ／２ｃが、ニッケル鉄合金（パーマロイ）のような、抗磁力の小さな材料で作成されるならば、磁極板の厚さを小さくしても、ヒステリシスが増大することはないであろう。
【００３７】
磁極板１ｃおよび２ｃの半径方向の透磁率が小さいことは、ストリップ体を巻いて作成された磁極板は、それに入射する磁束の大部分を損なうことなく容易に透過させることを意味し、したがって、磁極板と磁極シューとの間に、この空間の中に鉄のシムを入れることにより、または、隣接する磁極シューに対面する磁極板の表面を成形することにより、磁束の整形またはシミングを実行することができる。もし等方的磁極板、すなわち、水平方向に積層された磁極板が用いられるならば、入射する磁束の方向および大きさは、磁極板により大幅に変えられる。このことは、磁界の整形は、画像作成体積領域に最も近い磁極板の表面上で実行されるべきであることを意味する。一方、ストリップ体を巻いて作成された磁極板の場合には、シミングは磁極板のこの側面上で実行するのが便利であるけれども、満足な結果は両方の側面上でシミングすることにより達成されることを意味する。けれども、傾斜磁界コイルに隣接する磁極板の表面は多分シミングされた磁石の取り付けに最も便利である。

【００３８】
本発明の範囲内において、前記で説明された構成体を種々に変更した実施例を考案することは容易である。例えば、鉄心４は永久磁石材料で構成することが可能であり、その場合には付勢用巻線５および６は必要でない。さらに、図１および図２において、それぞれ「Ｈ」型鉄心構造体および「Ｃ」型鉄心構造体が示されたけれども、磁束が適切に復帰する磁束経路を有する他の構造体もまた可能であることは十分に理解されるであろう。さらに、磁極板はストリップ体を巻いた材料で作成するのが最も好都合であるが、応用によっては良好な積層因子を達成するために、正方形／長方形の横断面を有することが好ましい導線を使用することが考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】「Ｈ」型磁石の側面横断面図。
【図２】「Ｃ」型磁石の側面横断面図。
【図３】図１および図２に示された磁石の一部分を構成する磁極板の図であって、ａは平面図、ｂは側面図、ｃは側面図の一部分の拡大図。
【符号の説明】
１，２ 磁極
１ｃ，２ｃ 磁極板

Claims (16)

1. それらの間に画像形成体積領域が定められる磁極を有し、かつ前記磁極が半径方向に積層されかつ透磁率が高くかつ抗磁力が小さい磁石材料で作成された磁極板を有し、
   前記磁極のおのおのが磁極シューおよび傾斜磁界コイル組立体を有し、かつ、前記磁極シューが磁束の復路となる磁性材料の鉄心により連結され、かつ付随する磁極シューと付随する傾斜磁界コイル組立体との間に前記磁極のおのおのの前記磁極板が配置され、それにより前記画像形成体積領域が前記傾斜磁界コイル組立体に隣接して配置され、
   軸方向の傾斜磁界のみの活性的遮蔽を実行しかつ横方向の傾斜磁界を遮蔽しないままに残すように各傾斜磁界コイル組立体が製造されている前記磁石。
2. 請求項１記載の磁石において、前記積層体が相互に絶縁された前記磁石。
3. 請求項１または２記載の磁石において、それらの間に画像形成体積領域が定められる対向した磁極を有し、かつ前記磁極が透磁率が高くかつ抗磁力が小さい磁石材料を巻いて作成され、かつ前記材料の一巻き一巻きが絶縁された前記磁石。
4. 請求項３記載の磁石において、前記材料がストリップ体材料を有し、かつ前記ストリップ体材料を巻いて磁極板が作成され、かつ前記磁極板の厚さが前記ストリップ体の幅に対応する前記磁石。
5. 請求項３または４記載の磁石において、透磁率が高くかつ抗磁力が小さい前記磁石材料がシリコン鉄（ＳｉＦｅ）である前記磁石。
6. 請求項３または４記載の磁石において、透磁率が高くかつ抗磁力が小さい前記磁石材料がニッケル鉄合金である前記磁石。
7. 請求項４または５記載の磁石において、厚さが０．０２５ｍｍないし１．０ｍｍのストリップ体材料で前記磁極板が製造される前記磁石。
8. 請求項４ないし７のいずれかに記載の磁石において、２重巻き構成を用いることによりストリップ体間の絶縁が容易に実行され、かつ高性能の誘電的性質を有する材料が前記ストリップ体材料と一緒に巻かれた前記磁石。
9. 請求項１ないし８のいずれかに記載の磁石において、前記磁極板が事実上半径方向に配置された複数個の切断面を有して構成され、かつ前記切断面が前記磁極板を貫通して延長され、それにより渦電流効果が小さくなる前記磁石。
10. 請求項１ないし９記載の磁石において、前記磁石が抵抗性磁石であり、かつ磁化電流を流すように構成されたコイルが前記鉄心を取り巻いている前記磁石。
11. 請求項１ないし９項記載の磁石において、前記磁石が永久磁石である前記磁石。
12. 請求項１ないし１１のいずれかに記載の磁石において、前記磁極のおのおのの前記磁極板と前記磁極シューとの間に配置された磁性材料のシムを有する前記磁石。
13. 請求項１ないし１２のいずれかに記載の磁石において、前記磁極板の少なくとも１つの表面の上に強磁性材料を有する前記磁石。
14. 請求項１ないし１３のいずれかに記載の磁石において、前記磁極のおのおのの前記磁極板と前記傾斜磁界コイル組立体との間に配置された複数個の比較的小さな永久磁石を有する前記磁石。
15. 請求項１ないし１４のいずれかに記載の磁石において、前記磁極板の少なくとも１つの表面が整形された前記磁石。
16. 請求項４ないし１５のいずれかに記載の磁石において、前記磁極板が作成される前記ストリップ体材料が粒子配向状態を有する前記磁石。

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