JP3618910B2

JP3618910B2 - 電磁石装置の磁界補正方法

Info

Publication number: JP3618910B2
Application number: JP18079496A
Authority: JP
Inventors: 昭彦有吉
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1996-07-10
Filing date: 1996-07-10
Publication date: 2005-02-09
Anticipated expiration: 2016-07-10
Also published as: JPH1027706A; US5677660A; DE19652281C2; DE19652281A1

Description

【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Ｂ_ｃｚは次式のように表すことができる。
Ｂ_ｃｚ＝Ｂ_０＋Ａ_１Ｚ^１＋Ａ_２Ｚ^２＋Ａ_３Ｚ^３＋Ａ_４Ｚ^４＋・・・（１）
ここでＢ_０は原点（０，０，０）での磁界を、Ａ_ｎＺ^ｎはｎ次の誤差磁界を表し、当該次数の誤差磁界はＺ^ｎ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、■ＳＵＰＥＲＣＯＮＤＵＣＴＩＮＧＭＡＧＮＥＴＦＯＲＭＲＩ■，ＪｏｈｎＥ．Ｃ．Ｗｉｌｌｉａｍｓ，ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｏｎＮｕｃｌｅａｒＳｃｉｅｎｃｅ，Ｖｏｌ．ＮＳ−３１，Ｎｏ．４，Ａｕｇｕｓｔ１９８４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■“ＭａｇｎｅｔＦｉｅｌｄＰｒｏｆｉｌｉｎｇ：ＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＣｏｒｒｅｃｔｉｎｇＣｏｉｌＤｅｓｉｇｎ■，Ｆ．ＲｏｍｅｏａｎｄＤ．Ｉ．Ｈｏｌｔ，ＭＡＧＮＥＴＩＣＲＥＳＯＮＡＮＣＥＩＮＭＥＤＩＣＩＮＥ１，４４−６５（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の磁界補正方法においては、同心状に巻回し主磁界を発生するとともに、誤差磁場成分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、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ぼ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特定高次成分以外の高次成分の一部が、その次数と一致する磁性体シムによる前記補正磁界の高次成分と逆極性の高次磁界成分を誤差磁場成分としてあらかじめ有するようになされた前記コイル群によって補正されるものである。
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１０００ｍｍ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０．２ａ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ｆ_ｎ（β）と記す。
図４から、磁性体シムをβ_４１からβ_４２の範囲に取付ければ、ｆ_４（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β_４１からβ_４２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ｆ_６（β）の差は逆極性、８次すなわちｆ_８（β）の差は同極性である。
【００１６】
ｆ_４（β）の差がゼロとなる位置は上記β_４１からβ_４２の範囲のみではなく、β_４３からβ_４４の範囲があり、このときｆ_２（β）の差は逆極性、ｆ_６（β）の差は同極性、ｆ_８（β）の差は逆極性となるが、この場合はβ_４１からβ_４２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β_４１からβ_４２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、β_６１からβ_６２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、ｆ_６（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。
β_６３からβ_６４の範囲に磁性体シムを取付ければｆ_６（β）の差がゼロとなるのはｆ_６（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、β_８１からβ_８２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、ｆ_８（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。
β_８３からβ_８４の範囲に磁性体シムを取付ければｆ_８（β）の差がゼロとなるのもｆ_４（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】
本発明による電磁石装置の磁界補正方法においては、同心状に巻回し主磁界を発生するとともに、誤差磁場成分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、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ぼ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特定高次成分以外の高次成分の一部が、その次数と一致する磁性体シムによる前記補正磁界の高次成分と逆極性の高次磁界成分を誤差磁場成分としてあらかじめ有するようになされた前記コイル群によって補正されるので、
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、
磁性体シムにより発生する特定高次成分以外の高次成分とは極性が逆の磁界成分をコイル群によってあらかじめ生成することができ、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

同心状に巻回し主磁界を発生するとともに、誤差磁場成分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の磁界補正方法において、
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ぼ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特定高次成分以外の高次成分の一部が、その次数と一致する磁性体シムによる前記補正磁界の高次成分と逆極性の高次磁界成分を誤差磁場成分としてあらかじめ有するようになされた前記コイル群によって補正されることを特徴とする電磁石装置の磁界補正方法。
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記載の電磁石装置の磁界補正方法。
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記載の電磁石装置の磁界補正方法。
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記載の電磁石装置の磁界補正方法。