JP3662220B2 - 改良型磁石 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、改良型磁石に関し、さらに詳細には、磁石の磁場の均質性を制御するための飽和強磁性構造に関する。本発明はさらに、改良型磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）装置、特に、患者空間の閉塞感が少ない装置に関する。
【０００２】
ＭＲＩ装置は、一次磁場を発生する磁石、時間の関数で線形変化する磁場を一次磁場上に重畳する一組の勾配コイル、及びイメージを形成するための信号を受けるＲＦコイル送受信システムより成るものである。この装置にとって、一次磁場の高い均質性は、良好な品質のイメージを得る上で非常に重要である。これらの磁場は、コイル型磁石または永久磁石もしくはこれら２つの組合わせのような多数の装置により発生することができる。強磁性材料は、上記の磁場発生器としてだけでなく、磁場の強さを増加させ、均質性を改善し、漂遊磁場を制限するために使用することが知られている。
【０００３】
０．５テスラまたはそれ以上の磁気誘導を得るために強い磁場が必要とされる場合、超伝導コイルが用いられる。超伝導ＭＲＩ磁石の大部分は、超伝導コイルが同軸的に配置された組立体よりなる。これらのコイルは、所要の磁場強さ及び均質性が得られるように配置されている。これらのタイプの磁石では、患者は、頭と足を結ぶ軸がコイルの軸と一直線になるように配置される。かかる構成の問題点は、患者を管状構造内に配置しなければならず、これが患者に閉塞感及びストレスを与えることになる。
【０００４】
図１は、電流が互いに反対方向に流れる、複数対の同軸超伝導コイル１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ よりなる公知の磁石組立体１０である。当該技術分野では、大きな直径のコイル１ａ、１ｂが知られており、一次磁場Ｂの大部分を発生する。複数対のコイル１ａ、２ａ及び１ｂ、２ｂは、本質的に互いに平行な平面内に配置されている。患者１２は、コイル間の空間において、コイルに平行な平面内に配置される。一次磁場Ｂは、本質的に、コイルの中心軸１３に平行である。複数対のコイル間の空間は、患者を心地よく収容するに十分な大きさでなければならない。ＭＲＩ装置の全体サイズを制限するために、駆動コイル１ａ、１ｂの直径を制限する。空間を制限するこれらの措置を講じると、駆動コイルが発生する一次磁場Ｂの均質性が減少する。これに対処するために、駆動コイルの内部に、それらと同軸的に、第２の対のコイル２ａ、２ｂを配置して、電流を、駆動コイルを流れる電流とは反対方向に流す。各対の補償コイルは、一次磁場の均質性に悪影響を与える高次汚染磁場を導入する。さらに、ＭＲＩ装置の動作時、患者を配置する閉鎖空間により、患者にストレスが生じることがある。
【０００５】
０．４テスラ未満の弱い磁場で十分なＭＲＩ装置は、開放性の高い磁石構造を採用していることが知られている。これは、患者が受ける閉塞感を減少する効果がある。
しかしながら、患者の閉塞感を減少しようとするＭＲＩ磁石の設計は、コイル配置の自由度を制限する傾向がある。一次磁場の均質性を改善するために別のコイルを設けようとしても、これら空間の制約により制限される。
【０００６】
理論上は、反対方向に電流が流れる一連の同軸コイル対を挿入することにより、高次汚染磁場に対する補償を行って、一次磁場の均質性が改善することができる。
【０００７】
ＥＰ０２８４４３９Ａは、各極板の周辺部分が極板の側部に垂直な方向に積層されて磁場の強さを事実上増加させる磁場発生装置を開示している。ＥＰ０６４５６４１Ａは、軟磁性材料の極片を有するＭＲＩ磁石を開示している。これは、磁場を改善し、飽和効果をなくする。ＥＰ０４０７２２７Ａは、発生する磁場の均質性を改善するためにＭＲＩ磁石の極片上に配置される多数の永久磁石または磁性材料片の使用を記載している。
図２は、一対の駆動コイル１ａ、１ｂと、数対の互いに同軸配置された補償コイル２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂとよりなる公知の磁気コイル構造２０を示す。補償コイル対は、超伝導コイルが巻回されたものである。
【０００８】
理論上、電流の大きさ及び軸方向寸法は同一であるが、電流が反対方向に流れる、一対の同軸コイルを、リングの回転軸の方向に磁化された強磁性材料の環状リングで置き換えることが可能である。或いは、同様に磁化された任意の永久磁石材料を用いてもよい。
【０００９】
本発明の目的は、磁場の均質性を改善するために、リングの回転軸の方向に磁化させた強磁性材料の一連の環状リングよりなる磁石を提供することにある。
【００１０】
本発明の別の目的は、最小数の超伝導コイルを用いるＭＲＩ装置に使用するものとして好適な改良型磁石を発生することにある。
【００１１】
さらに、本発明の目的は、公知のＭＲＩ装置と比べて患者空間の閉塞感が少ないＭＲＩ装置に適した磁石を提供することにある。
【００１２】
本発明によると、中心軸の周りに同軸配置された複数の層より成り、中心軸に平行な磁場を発生する、磁石組立体に用いる強磁性構造が提供される。
【００１３】
本発明の１つの局面によると、強磁性構造は磁気飽和状態にある。
【００１４】
本発明の別の局面によると、強磁性構造はＭＲＩ装置用の磁石組立体に使用される。この組立体は、中心軸に平行な方向に一次磁場を発生するように配置された一対の駆動コイルと、一対の駆動コイルに近接して配置され、発生する磁場が一次磁場に平行であって、一次磁場の均質性を改善するように作用する一対の強磁性構造とより成る。
【００１５】
本発明のさらに別の局面によると、磁石組立体は、ＭＲＩ装置に使用される。
【００１６】
本発明のさらに別の局面によると、一次磁場の均質性を改善する方法であって、構造の中心軸の周りに複数の強磁性の層を同軸配置し、一対の前記構造を一対の同軸駆動コイルに近接して配置し、駆動コイルにより中心軸に平行な一次磁場を発生させ、一対の前記構造により、一次磁場に実質的に平行な磁場を発生させて、一次磁場の均質性を改善するステップよりなる方法が提供される。
【００１７】
本発明の主要な利点及び特徴について述べたが、添付図面を参照して好ましい実施例についての以下の詳細な説明を読めば、本発明をさらによく理解できるであろう。
【００１８】
図３において、本発明の実施例による磁石組立体３０は、一対の駆動コイル１ａ、１ｂ、一対の補償コイル２ａ、２ｂ及び一対の強磁性構造３２ａ、３２ｂよりなる。駆動コイル１ａ、１ｂを流れる電流はそれぞれ、補償コイル２ａ、２ｂを流れる電流と方向が反対である。この実施例の強磁性構造は、鉄で作られている。当業者であれば分かるように、コバルト、ニッケルまたはホルミウムまたはそれらの合金のような他の強磁性材料の使用も、本発明の範囲内に含まれる。
【００１９】
強磁性構造３２ａ、３２ｂは、一連の同軸リング３３ａ、３４ａ、３５ａ、３３ｂ、３４ｂ、３５ｂよりなる。当該技術分野でよく知られているように、補償コイル ２ａ、２ｂは、駆動コイル１ａ、１ｂが発生させる一次磁場の２次の非均質性を実質的に補償する作用がある。強磁性構造３２ａ、３２ｂは、一次磁場の高次の非均質性を補償する作用がある。これらの構造３２ａ、３２ｂによりこの補償を行うためには、それらの構造が、磁気的に飽和状態で、構造の中心軸３１と同じ方向に磁化される必要がある。一次磁場の均質性を１２次まで得るためには、３個のリングよりなる強磁性構造が必要である。
【００２０】
当業者であれば分かるように、図３で示す強磁性構造はいくつかの形態をとることができる。
【００２１】
図４において、強磁性構造４０は、スチールのような強磁性材料のストリップ４２と、ＰＴＦＥのような非強磁性材料のストリップ４４とよりなる。スチール４２及びＰＴＦＥ４４は、中心軸の周りに一緒に巻回されて、２層の螺旋構造を形成する。この構造は、図３に示す構造と同様な働きをする。しかしながら、このタイプの強磁性構造は製造が容易でなく、高コストある。
【００２２】
図５は、本発明による強磁性構造の好ましい実施例を示す。図５において、この強磁性構造５０は、３つの同軸クラスタ５２、５４、５６よりなる。各クラスタは、一連の同軸層状体を有する。例えば、最も外側のクラスタ５２には、１５の層６１−７５がある。層の数は、構造の特定の設計により異なることが分かるであろう。この構造は、磁気的飽和状態にあり、これらの層は、その構造により発生される磁場が駆動コイルが発生する一次磁場Ｂと平行であるように構成されている。これは、各層の半径方向厚さがその軸方向高さより小さくなるようにすると、達成される。好ましい実施例では、半径方向厚さに対する軸方向高さの比率は、３より大きい。
【００２３】
図６は、図５に示す構造の一部の断面図であり、図５に示す部分と同じ参照番号を付してある。層６１−６７のうちの幾つかを、構造体５０の中心軸５１の周りに半径方向に配置した状態で示す。層６１−６７は、空間６１ａ−６７ａにより分離されている。好ましい実施例では、２つの連続する層間の空間の半径方向厚さは、その空間を囲む２つの連続する層の各々の半径方向厚さより小さい。例えば、空間６１ａの半径方向厚さは、層６１、６２の半径方向厚さより小さい。構造５０が発生する磁場は、駆動コイルが発生する一次磁場Ｂと平行である。
【００２４】
図７は、図６に示す構造５０に類似の強磁性構造５７を示す。図７において、層６１−８７は、深い同軸リングを強磁性材料のディスク５８にすることにより得られる。図６と同様に、これらの層６１−６７は、構造体５７の中心軸５１から直径が増加するように示してある。
【００２５】
図６及び７に示す構造において、これらの層の少なくとも１つの軸は、一次磁場Ｂの方向と垂直である。Ｚ方向の軸方向高さと、各層のＲ方向の半径方向厚さとの比率が３より大きくすると、構造の磁化方向が、構造の中心軸５１に平行に、従って一次磁場Ｂに平行になる。
【００２６】
当業者であれば分かるように、これらの層は、強磁性材料の中実ブロックに溝またはチャンネルを研削することにより製造できる。層６１−６７間の空間６１ａ−６７ａには、非強磁性材料を充填するか、または空の状態にする。層間から除去する材料の量は、構造の磁気的飽和に影響を与える。
【００２７】
本発明のさらに別の実施例では、空間６１ａ−６７ａに、シム材料を充填する。当該技術分野において、シムプレートを用いることにより、一次磁場の均質性をさらに改善できることが知られている。強磁性構造内にシムプレートを組み込むと、患者空間が増加する点で有利である。
【００２８】
図８において、強磁性構造８０は、ロッド８１、８２、８３．．．により構成されている。これらのロッドは、基板（図示せず）に固着され、図５に示すものと同じ層クラスタのような所望のリングを形成するパターンに配列されている。基板は、鉄のような強磁性材料で作ることができる。或いは、基板をステンレススチールのような非強磁性材料で製作してもよい。
【００２９】
図９において、強磁性構造９０は、一連のリング状クラスタ９１、９２、９３を形成するように配列した複数のロッドよりなる。各クラスタは、一連の層より成る。例えば、クラスタ９１は、層９４、９５、９６、９７を有する。各クラスタのロッドの直径を変えることにより、一次磁場の均質性を高い次元で改善することができる。例えば、クラスタ９１のロッド９１ａの直径はクラスタ９２のロッド９２ｂの直径と異なり、このクラスタのロッドの直径はクラスタ９３のロッド９３ａの直径と異なる。
【００３０】
同様に、図３−７に示す層の間隔及び厚さを変えることにより、一次磁場の均質性を高い次元で改善することができる。これは、駆動コイルの直径を減少して、ＭＲＩ装置の全体サイズの減少を可能にする有利な効果をもたらす。さらに、磁場の均質性が改善されるため、イメージングプロセスが早くなり、患者がＭＲＩ装置内で過ごさなければならない時間が減少する点で有利である。
【００３１】
図１０は、本発明のさらに別の実施例による強磁性構造１００を示す。この構造１００は、３つの連続するリング状クラスタの層１０２、１０４、１０６より成り、一部の層及び空間の半径方向の寸法が変化している。有利なことに、これにより、一次磁場の均質性がさらに改善される。当業者であれば分かるように、層及び空間の半径方向寸法及び空間の深さは、その構造により形成される磁場に影響を与える。数学的及び数値的モデルを用いることにより、一次磁場の非均質性の補償を最適化するためのこれらのパラメータの最適値を得ることができる。
【００３２】
図１１は、図１０に示す実施例の変形例である。図１１において、強磁性構造１１０は、３つのリング状クラスタ１１１、１１２、１１３を有する。各クラスタは、方位長さが変化する一連の層より成る。例えば、クラスタ１１１は、方位長さが異なる層１１４−１１９を有する。層の方位長さを変化すると、一次磁場の均質性をさらに改善できる。
【００３３】
当業者であれば分かるように、強磁性構造の上述した実施例の種々の組み合わせの使用は、本発明の範囲内である。
【００３４】
図１２は、ＭＲＩ装置に用いる磁石組立体１２０を示し、この組立体は、図１０の一対の強磁性構造１００を有する。磁気組立体１２０は、一次磁場Ｂを発生させる一対の駆動コイル１ａ、１ｂと、磁場Ｂの２次の非均質性を実質的に補償する一対の補償コイル２ａ、２ｂとを有する。駆動コイル１ａ及び補償コイル２ａは、駆動コイル１ｂ及び補償コイル２ｂと実質的に同じ平面内に配置されている。コイル１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂは、中心軸１２５の周りで同軸配置されている。コイル１ａ、２ａの平面は、コイル１ｂ、２ｂの平面及び患者１２の平面と平行である。この装置はさらに、線形変化する磁場を一次磁場上に重畳する一対の勾配コイル１２２ａ、１２２ｂと、イメージを形成する信号のためのトランシーバシステムの一部を形成する一対のＲＦコイル１２３ａ、１２３ｂとを有する。この装置はさらに、一対の遮蔽コイル１３０ａ、１３０ｂを有する。遮蔽コイルは、周辺領域内への磁場の漏洩を減少する働きがある。コイル１ａ、２ａ、１３０ａ及び１ｂ、２ｂ、１３０ｂはそれぞれ、成形器２００ａ、２００ｂの上に配列される。
【００３５】
この装置はまた、中心軸１２５の周りで同軸配置された一対の強磁性構造１００ａ、１００ｂを有する。この構造は、磁場Ｂの高次の非均質性を補償する働きがある。強磁性構造は、好ましくは、駆動コイルと同じ平面内に配置され、各磁石組立体に必要とされる全体空間を減少する。この構成はまた、装置の温度制御ユニットの製造を容易にする。
【００３６】
上述したように、強磁性構造は、好ましくは、磁気飽和状態にあり、この構造により発生する磁場が一次磁場Ｂの方向に平行となるように構成されている。
【００３７】
当業者であれば分かるように、図１２に示す強磁性構造１００ａ、１００ｂを、図２−１１を参照して上述した強磁性構造の任意の実施例で置き換えることが可能である。
【００３８】
磁石組立体の内部温度が変化すると、ＭＲＩ装置に悪い影響が及ぶことがよく知られている。本発明の別の実施例では、この強磁性構造を温度制御する。これは、ペルチェ装置または温度制御手段により行うことが可能である。強磁性構造を別個に温度制御してもよい。或いは、強磁性構造を駆動コイルに用いる温度冷却装置内に組み込んでもよい。これはクライオスタット構造であろう。強磁性構造をクライオスタット内に組み込むと、温度安定性がさらに改善される。
【００３９】
さらに別の実施例では、この磁気組立体にさらに別の対の強磁性構造が含まれている。これにより、一次磁場の均質性がさらに改善される。
【００４０】
ＭＲＩ装置を収容する建物は、一次磁場の均質性に悪影響を及ぼす場合があることがよく知られている。さらに別の実施例では、強磁性構造１００ａ、１００ｂは、軸方向及び半径方向の平面の両方で調整可能である。強磁性構造の位置を調整することにより、これらの影響を減少させる最適位置を発見することが可能である。チップ及び傾きのような他の自由度を調整手段に組み込むことができる。
【００４１】
図１２に示す開放性のある磁石組立体はさらに、一次磁場の均質性をさらに改善する作用のある一対のシムプレート１２１ａ、１２１ｂを有する。或いは、シムプレートを強磁性構造１００ａ、１００ｂに組み込んでもよい。有利なことに、これは患者１２を囲む空間を増大させる。
【００４２】
当業者であれば分かるように、上述した本発明の強磁性構造は、図１２に示すような開放性のあるＭＲＩ装置に組み込むことが可能である。或いは、強磁性構造をＣタイプのＭＲＩ装置に組み込んでもよい。
【００４３】
当業者であれば分かるように、本発明の範囲から逸脱することなしに、上述した実施例について種々の変形例及び設計変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、公知の磁石組立体を示す。
【図２】 図２は、一対の駆動コイルを有する磁気コイルの公知の構成を示す。
【図３】 図３は、本発明のさらに別の局面による一対の強磁性構造を示す。
【図４】 図４は、本発明のさらに別の局面による強磁性構造を示す。
【図５】 図５は、本発明のさらに別の局面による強磁性構造を示す。
【図６】 図６は、図５に示す強磁性構造の断面図である。
【図７】 図７は、図６に示す強磁性構造の変形例である。
【図８】 図８は、本発明のさらに別の局面による強磁性構造を示す。
【図９】 図９は、図８に示す強磁性構造の平面図である。
【図１０】 図１０は、本発明のさらに別の局面による強磁性構造を示す。
【図１１】 図１１は、本発明のさらに別の局面による強磁性構造を示す。
【図１２】 図１２は、図１０に示す強磁性構造を組み込んだ開放性のある磁石組立体を備えたＭＲＩ装置を示す。

Claims (20)

1. 中心軸の周りに同軸配置された複数の層より成り、中心軸に平行な磁場を発生する、磁石組立体に用いる強磁性構造であって、
   複数の層のうち少なくとも１つの層の半径方向厚さ、深さ及び方位方向長さのうちの少なくとも１つが、複数の層のうちの少なくとも１つの他の層の対応寸法と異なることを特徴とする磁石組立体に用いる強磁性構造。
2. 中心軸の周りに同軸配置された複数の層より成り、中心軸に平行な磁場を発生する、磁石組立体に用いる強磁性構造であって、
   同軸配置された一対の層間の間隔が、同軸配置された別の対の層間の間隔と異なることを特徴とする磁石組立体に用いる強磁性構造。
3. 強磁性構造は磁気飽和状態にある請求項１または２の強磁性構造。
4. 複数の層はそれぞれ、軸方向高さより小さい半径方向厚さを有する請求項１−３のうち任意の請求項の強磁性構造。
5. 各層の半径方向厚さに対する軸方向高さの比率は３より大きい請求項４の強磁性構造。
6. 複数の層のうち２つの連続する層間の空間の半径方向厚さは、２つの連続する層の各々の半径方向厚さより小さい上記請求項のうち任意の請求項の強磁性構造。
7. ２つの連続する層間の空間には非強磁性材料が実質的に充填されている請求項６の強磁性構造。
8. 強磁性材料と、非強磁性材料のストリップが中心軸の周りに共に巻回されている上記請求項のうち任意の請求項の強磁性構造。
9. 複数の強磁性ロッドよりなる請求項１−７のうち任意の請求項の強磁性構造。
10. 複数の強磁性ロッドはプレート上に配置されている請求項９の強磁性構造。
11. 強磁性ロッドは、クラスタのような一連の同軸リング状に配置されている請求項９または１０の強磁性構造。
12. プレートは非強磁性材料である請求項１０または１１の強磁性構造。
13. 強磁性材料は鉄である上記請求項のうち任意の強磁性構造。
14. 中心軸に平行な方向に一次磁場を発生するように配置された一対の駆動コイルと、一対の駆動コイルに近接して配置され、発生する磁場が一次磁場に平行であって、一次磁場の均質性を改善するように作用する、上記請求項のうち任意の請求項に記載された一対の強磁性構造とより成る、ＭＲＩ装置に用いる磁石組立体。
15. 一対の駆動コイルに近接して配置された、請求項１−１３のうち任意の請求項の少なくとも別の対の強磁性構造をさらに備えた請求項１４の磁石組立体。
16. 少なくとも１つの強磁性構造は調整可能である請求項１４または１５の磁石組立体。
17. 少なくとも１つの強磁性構造は温度により制御される請求項１４-１６の磁石組立体。
18. 請求項１４−１７のうち任意の請求項に記載された磁石組立体を備えたＭＲＩ装置。
19. 磁場の漏洩を防止する一対の遮蔽コイルを有する請求項１８の磁石組立体。
20. 一次磁場の均質性を改善する方法であって、
    請求項１−１３のうち任意の請求項に記載された一対の構造を一対の同軸駆動コイルに近接して配置し、
    駆動コイルにより中心軸に平行な一次磁場を発生させ、
    一対の前記構造により、一次磁場に実質的に平行な磁場を発生させて、一次磁場の均質性を改善するステップよりなる方法。

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