JP4368909B2 - 超電導マグネットの磁場調整装置及び磁場調整方法 - Google Patents
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Description
MRI用超電導マグネットには、磁場中心付近に例えば3ppm以下の極めて高均一な磁場領域を発生することが求められるので、高精度な設計がなされるが、実際には、マグネットの製造過程における製作寸法誤差や、マグネットの設置した場所の周辺にある磁性体の影響などにより、実際の診断空間内の磁場均一度は悪くなってしまう。
98は磁性体シム機構であり、超電導マグネット21の内筒に固定されている。磁性体シム機構98は、磁性体シムを収納し均一磁場空間の周辺に配置するための機構である。
シムトレイ102は非磁性の材質で形成され、磁性体シム101を配置するシムポケット構造を有している。
磁性体シム101は、例えば鉄などの磁性体材料からなる薄板であり、シムポケットに収まるように縦横の寸法が一定となっており、厚さの異なる複数種類のものが用意されている。各シムポケットに配置する磁性体の量は、磁性体シムの厚さと枚数で決まる。
シムトレイ102には、はめ込み式の蓋104を固定できるように溝が切ってあり、シムポケットに磁性体シムを収納後、非磁性材料で作られたシムスペーサー103を充填して非磁性材料で作られた蓋104を閉めることによりシムポケット内部で磁性体シムを固定する。シムトレイ102は、超電導マグネット内筒に固定する機構を有しており、磁性体シム収納後、超電導マグネット内筒に固定される。このようにして、マグネット内筒に磁性体シムが配置され、磁場均一度の乱れを補正する。これらの磁性体シム機構は、MRIにおいては傾斜磁場コイルの構造の一部となっている場合がある。
初めに、磁性体シム101を取り付けない状態でマグネットを励磁し、均一磁場空間の磁場を多数点測定し、超電導マグネット21が出力する磁場の均一性を評価する。均一磁場領域における磁場強度は一般に、Legendre関数展開を用いて式(1)のように表され、(m,n)値によって成分で呼称される。(0,0)成分が必要な均一磁場成分で、他は全て撮像領域内で不均一な誤差磁場成分である。
次に、磁場の均一性を補正するために磁性体の配置を設計する。この設計は、測定された多数点の磁場を基に、誤差磁場成分ができるだけ少なくなるように各シムポケットに配置すべき磁性体の量を最適化する計算により行なう。計算結果はシムポケット毎の磁性体シム取り付け枚数のテーブルとして出力され、作業者はこのテーブルを基に磁性体シムの取り付けを行なう。磁性体シムの取り付けが完了したら、マグネットを励磁して、再度均一磁場空間の磁場測定を行ない、磁性体シム補正後の磁場の均一性を再評価する。
通常、1回の施工では磁場均一度を目標値にすることは難しいので、前記作業を数回繰り返し徐々に磁場均一度を向上させていく。
そのため、超電導マグネットそのものの出力する磁場(以下、粗磁場という)の均一性が悪い場合には、従来の磁性体シム機構では均一度補正をしきれない場合があった。また、特定の超電導マグネット機種の粗磁場特性に対して最適設計されたシムトレイは、他の粗磁場特性を持つ超電導マグネット機種の均一度調整には流用できず、超電導マグネット機種ごとに最適なシムトレイ設計をする必要があった。
これにより、工作精度が粗く製作寸法誤差が大きなマグネットでも、磁性体シム補正により磁場均一度を高めることができ、工作精度が高く粗磁場の均一性が高いマグネットに対しては、磁場均一度をより高くすることができる。
また、粗磁場特性の異なる複数機種のマグネットに対して、同一の磁性体シム機構を用いて均一度調整をすることができる。
以下、この発明の実施の形態1を図面に基づいて具体的に説明する。
図1はこの発明の実施の形態1に係わる超電導マグネットの磁場調整装置を示す切り欠き斜視図、図2は実施の形態1の超電導マグネットの磁場調整装置に用いる磁性体シム機構の斜視図を示す。
図1において、略円筒形状を有する超電導マグネット21の内部には、超電導マグネットの円筒と略同心円上に複数個の超電導コイル22があり、高均一磁場を出力すべき均一磁場空間23に静磁場を出力し、なおかつ外部への漏洩磁場を抑えている。超電導コイル22は、例えばNbTiを超電導体とする超電導線材を巻き回して作られるコイルであり、超電導コイルを超電導に保つために必要な冷媒である液体ヘリウム(図示せず)と共に、低温容器24に収納されている。低温容器24は、液体ヘリウム及び超電導コイル等を収納するヘリウム槽25、外部からの熱侵入を遮断するための熱シールド26、内部を真空状態にたもつ真空槽27からなる。図示していないが、液体ヘリウムの消費を抑えるため、低温容器24には、冷凍機が接続される。
この超電導マグネット21の内周軸方向に、高均一磁場の乱れを補正するための磁性体シム機構28が配置される。磁性体シム機構28は、超電導マグネット円筒部に、等間隔に例えば24本設置される。
端部用分割シムトレイ11、分割シムトレイ12、シムトレイスペーサー13を図3に示す。分割シムトレイ12及びシムトレイスペーサー13には、一端部にはめ込み用爪131が、他端部にははめ込み用穴132が備わっており、はめ込み用穴132が開いている方の端部は中空になっている。組合せる際には、はめ込み用穴132側の端部(図中右側)の中空部分に、はめ込み用爪131側の端部(図中左側)を挿入し、はめ込み用爪131をはめ込み用穴132にはめ込み固定する。
端部用分割しムトレイ11には、一端がマグネット固定穴133で、他端ははめ込み用穴132になっているもの、一端がマグネット固定穴133で、他端ははめ込み用爪131になっているものの2種類がある。端部用シムトレイ11は、組合せシムトレイ14の両端に配置される。マグネットを励磁することにより、シムトレイ全体に大きな電磁力が働くので、マグネット固定穴133を用いて組合せシムトレイ14全体を超電導マグネット1の内筒端部にネジ止め固定し、シムトレイのずれ、動きを防止する。
シムトレイスペーサー13の長さは、分割シムトレイ12の全長の半分であり、組合せシムトレイ14全体では、シムトレイスペーサー13を2n個(n=1、2、・・・、10)使用し、分割シムトレイ12の個数をn個(n=1、2、・・・、10)減らすことで、組合せシムトレイ14全体の長さは一定に保たれる。
なお、本実施の形態においては、組合せシムトレイ14の構成要素間の接続・固定ははめ込み構造を利用したものであるが、ネジ止めや他の固定方法によっても同様の作用効果を奏する。また、本実施の形態においては、組合せシムトレイ14端部にはシムトレイを配置しているが、端部に取付けるのはスペーサーであっても、超電導マグネットへの固定ができれば同様の作用効果を奏する。
初めに、組合せシムトレイ14を取り付けない状態で超電導マグネット21を励磁、均一磁場空間の磁場を多数点測定し、超電導マグネット21が出力する磁場の均一性を評価する。磁場の均一性は、式(1)に示したLegendre関数展開を用いて各成分に分解する。
次に、磁場の均一性を補正するための磁性体シム101の配置を検討する。磁性体シムの配置は、各成分に分解した誤差成分を小さくして、磁場均一度を向上させるように磁性体シムの配置、量を決定する。磁性体シムの量が多くなりすぎると、周囲の温度により磁場均一度が変化する、磁性体シム出力の設計計算値の誤差が集積し磁場均一度が向上しにくい、などの弊害があるため、磁性体シムの量はできるだけ少ない方が好ましい。そのため当該設計では、磁性体シムの合計量ができるだけ少なくなり、かつ各誤差成分の合計出力値の制約条件を満たす磁性体シムの配置を最適化計算により求める。
例えば、超電導マグネット21が(0,2)誤差成分をマイナス側に多く出しており、これを補正する場合、Z座標0.15m以下の範囲に軸対象に磁性体シムを配置し、磁性体シムが当該成分をプラス側に出力することで超電導マグネットの誤差出力を打ち消す。
また、超電導マグネット21が(0,4)誤差成分をプラス側に多く出しておりこれを補正する場合は、Z座標0.14m以下の範囲に軸対象に磁性体シムを配置し、磁性体シムが当該成分をプラス側に出力することで超電導マグネットの誤差出力を打ち消す。
実際の磁性体シム配置によって前記の(0,2)及び(0,4)成分の両方を満たすためには、図4における磁性体シム機構A、Bのいずれにおいても軸方向座標が最もゼロに近いシムポケット(シムポケット31a、31b)に磁性体シムを多く配置することになる。
本実施の形態による超電導マグネットのシミングにおいては、前記のようにして(m,n)誤差成分の内、m≦12、n≦16以下の各成分について、誤差出力及び磁性体の使用量をできるだけ小さくするような磁性体シム配置を最適化計算により導き出す。
そこでこの発明の実施の形態1では、組合せシムトレイ14の分割シムトレイ12の間にシムトレイスペーサー13を挿入して、磁性体シムの配置範囲を微調整する。このようにして組み合わされた磁性体シム機構Bによれば、シムポケット2に磁性体シムを多く配置することにより、(0,2)成分の出力はゼロ、(0,4)成分の出力はプラスに出力され超電導マグネットの発生誤差を打ち消すことができるようになる。
これにより、工作精度が粗く製作寸法誤差が大きなマグネットでも、磁性体シム補正により磁場均一度を高めることができ、工作精度が高く粗磁場の均一性が高いマグネットに対しては、磁場均一度をより高くすることができる。また、粗磁場特性の異なる複数機種のマグネットに対して、同一の磁性体シム機構を用いて均一度調整をすることができる。
また、シムトレイスペーサーの長さは分割シムトレイの長さの2分の1とし、シムトレイスペーサーを2n個入れたときに分割シムトレイをn個(nは整数)取り去るとしているが、この長さ比は2分の1以外でもよい。
図5はこの発明の実施の形態2を示す組合せシムトレイ44の断面図である。
本実施の形態2における組合せシムトレイ44は、端部用分割シムトレイ41a、41b、分割シムトレイ42a〜42c、及びシムトレイスペーサー43a、43bのそれぞれに、軸方向の長さ寸法が異なる複数種類のものを用意し、これらの分割シムトレイに合わせた寸法の磁性体シム45a〜45cをセットする。組合せシムトレイ44及び磁性体シム45a〜45cの構成要素以外は実施の形態1と同様である。
前記実施の形態1においては、端部用分割シムトレイ11、分割シムトレイ12、及びシムトレイスペーサー13の寸法はそれぞれ1種類ずつであったのを、この実施の形態2において分割シムトレイ及びシムトレイスペーサーの寸法種類を増やし、最もシミングを行ないやすい組合せのシムトレイを選んで磁性体シムの最適化を行なう。
こうすることにより、実施の形態1による効果よりも更に磁性体シムの軸方向位置の自由度をさらに高めることができ、パッシブシミング法による磁場均一度の補正可能範囲を広げることができる。
図6はこの発明の実施の形態3を示す組合せシムトレイ54の断面図である。
本実施の形態3における組合せシムトレイ54は、端部用分割シムトレイ41a、41b、分割シムトレイ42a〜42cのそれぞれそれぞれに軸方向の長さ寸法が異なる複数種類のものを用意し、これらのシムトレイに合わせた寸法の磁性体シム45a〜45cをセットする。組合せシムトレイ44及び磁性体シム45a〜45cの構成要素以外は実施の形態1及び2と同様であるが、スペーサーを使用しない点で実施の形態1及び2と異なっている。
本実施の形態3においては、数種類の端部用分割シムトレイ41a、41b及び分割シムトレイ42a〜42cを組合せ、最もシミングが行ないやすい組合せのシムトレイを選んで磁性体シムの最適化を行なう。
こうすることにより、磁性体シムの軸方向位置の自由度をさらに高めることができ、パッシブシミング法による磁場均一度の補正可能範囲を広げることができる。また、実施の形態1及び2に比べ、シムトレイスペーサーの分だけ部品点数が減るため、実作業の効率化が図られる。
図7はこの発明の実施の形態4を示すフロー図である。
前記実施の形態1乃至3においては、組合せシムトレイ14、44、54の組合せを一つ決め、しかる後に各シムポケットへの磁性体シムの配置を最適化計算するものである。しかし組合せシムトレイは多数の部品からなるので組合せ数は膨大な数になり、全てを網羅して検討するのは困難である。例えば、軸方向寸法120mmの分割シムトレイ及び軸方向寸法60mmのシムトレイスペーサーの組合せにより軸長1200mmの組合せシムトレイを構成する場合、考えられる組合せ数は10945通りにも及ぶ。これらの組合せ全てにおける磁性体シム設計計算を手計算で行うのは事実上不可能であり、計算機によるループ計算を行っても長時間の計算が必要になるため現実的でない。そのため実施の形態1乃至3においては、それまでの経験・実績からシミング解を見つけ出しやすい組合せを数通り選び出し、各シムポッケトに対する磁性体シムの配置量のみを計算する。しかしこの方法は、シムトレイの組合せは最適化されていないので、厳密な意味で最も効率の良い磁性体シム配置ではない。
1.使用する分割シムトレイ及びシムトレイスペーサーが決まったら、組合せシムトレイの全ての組合せで有り得るシムポケットの位置について、単位体積当たりの磁場出力表を予め作成しておく。
2.使用する分割シムトレイ及びシムトレイスペーサーの寸法から有り得ない組合せを排除するような制約条件を設定する。例えば図8において、AとB、又はAとCには同時に磁性体シムが配置され得るが、BとCの両方に同時には磁性体シムは配置され得ない。このことは下記の式(2)のように定式化できる。式(2)中のXA,XB,XCはそれぞれA,B,Cに配置される磁性体シムの量である。このような定式化を、考えられる全ての組合せについて予め設定しておく。
XA×XB ≧ 0
XA×XC ≧ 0
XB×XC = 0 ・・・・(2)
3.磁場均一空間における磁場を多数点測定する。
4.式(1)によりフィッティングし、各誤差成分を求める。
5.線形計画法等の数理計画法を用いて、以下の条件で最適化計算を行なう。
最適化の目標:磁性体シム量の最少化
最適化する変数:各シムポケットへの磁性体シム取り付け量
最適化のパラメータ:(1)磁性体シムの単位体積当たり磁場出力
(2)分割シムトレイ、シムトレイスペーサーの寸法
制約条件:(1)磁場均一度(各誤差成分)、漏洩磁場
(2)磁性体シムの設置範囲
(3)有り得ない組合せの排除条件
最適化計算の結果、例えば図9のようにシムトレイの組合せ及び磁性体シム配置が出力される。図9は、1組の磁性体シム機構に関するものであり、実際には1台の超電導マグネット1に装着される24組全ての磁性体シム機構に対して、同様のシムトレイ組合せ及び磁性体シム配置の計算結果が出力される。
6.図9の結果に従って、シムトレイを組立て、シムトレイを配置する。
7.磁場均一度を再測定し、仕様値との比較を行う。磁場均一度が仕様値を満たしていれば、磁場均一度調整は終了するが、満たしていなければ、4.に戻って再度磁場均一度調整を行う。
なお、作業時間の短縮、磁性体シムの位置再現性確保のため、2回目以降の磁性体シム取り付けにおいては、1回目でのシムトレイ組合せをそのまま使用して磁性体シムの配置量のみを変更することもある。また、作業時間短縮のため、24本の磁性体シム機構は全て同じものを使用することもある。
このような手順を踏み、磁性体シムの配置だけでなく、組合せシムトレイをも最適化することにより、膨大な数に及ぶシムトレイの組合せを最適化計算において網羅することができ、パッシブシミング法による磁場均一度の補正可能範囲の拡大、シミング設計時間の短縮を図ることができる。
図10はこの発明の実施の形態5を示すシムトレイ64a〜64cの断面図である。
本実施の形態5におけるシムトレイ64a〜64cは、いずれも従来型と同じく一体構造の形成品であるが、これらの3種類のシムトレイは、お互いにシムポケットの軸方向位置が異なっている。
前記実施の形態1〜4においては、シムトレイは端部用分割シムトレイ、分割シムトレイ、及びシムトレイスペーサーの3種類の部品を組合せて1本のシムトレイを構成するものであるが、本実施の形態おいては、図10に示すように一体成形されたシムトレイを複数種類用意しておき、どの一体型シムトレイを使用するかも含めて最適化計算を行うものである。
図10において、シムトレイ64aは従来のシムトレイである。1/3ずらしシムトレイ64bは、従来のシムトレイの磁性体シム取り付け位置を磁性体シムの幅の3分の1だけずらしたものであり、同様に、1/2ずらしシムトレイ64cは、磁性体シムトレイの位置を磁性体シムの幅の2分の1ずらしたものである。
磁性体シム最適化の際には、どのシムトレイを使用するかを最適化の変数に含めることにより、磁性体シムの軸方向位置の自由度をさらに高めることができ、パッシブシミング法による磁場均一度の補正可能範囲を広げることができる。また、前記実施の形態1〜4に比べ、シムトレイを組合せ製作する必要がなく、シミングの作業時間を短縮することができる。なお、使用するシムトレイを最適化せず、予め決めたシムトレイを使用して磁性体シムの配置のみの最適化を行なってもよい。
図11はこの発明の実施の形態6を示す磁性体シム機構の断面図である。図11において、84はシムトレイ、85は磁性体シム、86はシムポケット内スペーサーである。本実施の形態においては、各シムポケットよりも小さな磁性体シムを使用し、シムポケット内スペーサー86を用いることによりシムポケット内の任意の位置に磁性体シム85を固定している。
これにより、磁性体シムの配置を従来よりも細かく設定することができ、シム設計の最適化の自由度が高くなり、パッシブシミング法による磁場均一度の補正可能範囲が広がる。
なお本実施の形態においては、一体型シムトレイに対してこの構成を適用しているが、実施の形態1〜3、5及び6に示した組合せシムトレイ及び一体成形型シムトレイに対してこの構成を適用しても同様の作用効果を得られる。
図12はこの発明の実施の形態7を示す組合せシムトレイ74の上面図である。
本実施の形態7は、図12に示した端部用分割シムトレイ71を使用してシムトレイを組み立てることを特徴とする。前記実施の形態1〜4においては、磁性体シム機構を超電導マグネットに固定するために、磁性体シム機構の全長が超電導マグネット側の取り付け機構と同じ長さになるように、組み合わされるスペーサーや分割シムトレイの長さを調節する必要があるが、本実施の形態によれば、このような調節が不要な磁性体シム機構とすることができる。
以下、図12を用いて本実施の形態における磁性体シム機構を説明する。図12において、組合せシムトレイ74は、端部用分割シムトレイ71、分割シムトレイ72、及びシムトレイスペーサー73を直線状に接続して構成される。磁性体シム機構の端部には、磁性体シム機構全体を超電導マグネットに固定するための丸ネジ穴がついているが、本実施の形態においては、このネジ穴が、長さ方向の取り付け位置が調整可能な長穴75となっているため、磁性体シム機構の全長が±50mmの範囲で変動しても、超電導マグネットに取り付けることができる。
これにより、磁性体シム機構の全長を一定にしなければならないという制約が大幅に緩められ、また、磁性体シムの軸方向位置を連続的に変化させることができるようになるため、シム設計の最適化の自由度が高くなり、パッシブシミング法による磁場均一度の補正可能範囲が広がる。
なお、本実施の形態においては、端部用分割シムトレイ71及び分割シムトレイ72のシムポケットの長さは全て同じものであるが、実施の形態1〜3のように、シムポケットの長さの異なる分割シムトレイを採用してもよいし、実施の形態5、6のように、一体形成品のシムトレイに適用してもよい。
12 分割シムトレイ 64a〜64c シムトレイ
13 シムトレイスペーサー 71端部用分割シムトレイ
14 組合せシムトレイ 72 分割シムトレイ
15 シムポケット 73 シムトレイスペーサー
21 超電導マグネット 74 組合せシムトレイ
22 超電導コイル 75 長穴
23 均一磁場空間 84 シムトレイ
24 低温容器 85 磁性体シム
25 ヘリウム槽 86 シムポケット内スペーサー
26 熱シールド 98 磁性体シム機構
27 真空槽 101 磁性体シム
28 磁性体シム機構 102 シムトレイ
31a〜36a シムポケット 103 シムスペーサー
31b〜35b シムポケット 104 蓋
41a〜41c 端部用分割シムトレイ 131 はめ込み用爪
42a〜42c 分割シムトレイ 132 はめ込み用穴
43a〜43c シムトレイスペーサー 133 マグネット固定穴133
44 組合せシムトレイ
45a〜45c 磁性体シム
Claims (5)
- 円筒状の超電導マグネットの内周軸方向に磁性体シム機構を配置した超電導マグネットの磁場調整装置において、
前記磁性体シム機構は、軸方向に分割された複数の分割シムトレイとこれらのシムトレイ間に挿入されたシムトレイスペーサーとを直線状に結合した組合せシムトレイを備え、前記分割シムトレイに磁場調整用の磁性体シムを収納したことを特徴とする超電導マグネットの磁場調整装置。 - 前記組合せシムトレイは、軸方向の長さ寸法が異なる複数種類の分割シムトレイ及びシムトレイスペーサーが組み合わされていることを特徴とする請求項1記載の超電導マグネットの磁場調整装置。
- 前記組合せシムトレイは、長さ方向の取り付け位置が調整可能な端部用分割シムトレイを備えたことを特徴とする請求項1または2記載の超電導マグネットの磁場調整装置。
- 請求項1ないし3のいずれか1つの超電導マグネットの磁場調整装置を備えたMRI装置。
- 円筒状の超電導マグネットの内周軸方向に磁性体シム機構を配置した超電導マグネットの磁場調整方法において、
前記磁性体シム機構として、軸方向に分割された複数の分割シムトレイとこれらのシムトレイ間に挿入されたシムトレイスペーサーとを直線状に結合した組合せシムトレイを用い、
使用する前記組合せシムトレイの種類に応じて上記分割シムトレイの組合せ方と、各シムトレイに収納する磁性体シムの取り付け量とを同時に最適化して前記磁性体シムの配置を決定することを特徴とする超電導マグネットの磁場調整方法。
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