JP4541092B2 - 磁気共鳴イメージング装置の超伝導磁石装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁気共鳴イメージング装置の超伝導磁石装置に関する。

磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）装置は、静磁場内に置かれた被検体に高周波磁場を印加して被検体内の例えば水素原子核を励起し、核磁気共鳴（以下、ＮＭＲという）現象により水素原子核スピンが放出する電磁波を計測し、その計測信号を演算処理して、被検体内の水素原子核の密度分布を画像化して、被検体の診断に供するものである。すなわち、ＭＲＩ装置を用いて被検体の所望の位置の断層像を撮像するには、観測領域の均一静磁場に、測定空間の位置情報を付与する傾斜磁場を重畳させて、例えば１ｍｍ厚のスライス面の領域を所定の磁場強度に設定する。次いで、その領域に共鳴周波数の電磁波を照射して、スライス面にだけＮＭＲ現象を引き起こさせ、水素原子核スピンが放出する電磁波を受信して画像とする。

一般に、被検体が置かれる観測領域の静磁場は、強い静磁場強度（例えば、０．２Ｔ以上）で、かつ高い静磁場均一度（例えば、１０ｐｐｍ程度）が要求される。

従来、ＭＲＩ装置の電磁石装置としては種々のものが提案されている。例えば、特許文献１に記載された電磁石装置は、観測領域を挟んで一対の超電導主コイルを対向して設けて構成される。また、これらの一対の超電導主コイルから観測領域の反対側に形成される磁束をキャンセルするため、超電導主コイルの外径よりも大きな外径を有する超電導シールドコイルが、各超電導主コイルの軸上外側に間隔を空けて設けられている。つまり、超電導シールドコイルに超電導主コイルと逆向きの電流を流して、観測領域の反対側に形成される磁束をキャンセルするようにしている。

ところで、水素原子核スピンが放出する電磁波の強度は、静磁場強度に比例するため、画像の分解能を上げるためには静磁場強度を上げる必要がある。電磁石装置において、観測領域の静磁場強度を上げようとすると、超電導主コイルの電流を増やすとともに、超電導シールドコイルの電流を増やす必要がある。両超電導コイルの電流を増やすと両超伝導コイルに挟まれる空間を通る磁束が増えることから、超電導コイル自体に磁束が通るようになり、超電導コイルの磁場強度が上がって超電導状態を維持することが難しくなる。

そこで、従来、超電導主コイルと超電導シールドコイルの間に円盤状の強磁性体を配置し、両超伝導コイルに挟まれる空間を通る磁束を強磁性体に集中させることにより、超電導コイル自体を通る磁束を低減することが提案されている（特許文献２〜５参照）。

米国特許公報ＵＳＰ６，５７０，４７５ 特開２００１−２２４５７１号公報 特表２００３−５１２８７２号公報 特開平１１−３１８８５８号公報 特開平１１−２８３８２３号公報

しかしながら、超電導主コイルと超電導シールドコイルの間に配置する強磁性体を、従来は円盤状に形成していることから、磁束密度が飽和していない領域、すなわち未飽和の状態で用いられることになる。強磁性体が未飽和となると、材料毎の磁化特性曲線のバラツキが大きくなり、磁場均一度の調整が困難になる場合がある。

すなわち、技術文献「R．M．Bozorth：Ferromagnetism（D．van Nostrand．Princeton，NＪ，1951），p849）」によると、板厚Ｔに対する径Ｄが１０倍（Ｄ／Ｔ＝１０）程度に大きくなると、反磁界係数が０．０１（１／１００）程度になることが知られている。ここで、反磁界係数が０．０１程度ということは、強磁性体内の磁化が０．０１倍に小さくなり、強磁性体が未飽和状態となることを意味する。

ここで、強磁性体が未飽和状態となると、磁場均一度の調整が困難になることについて説明する。磁性体の磁化特性曲線（ＢＨカーブ）は、一般的に図３に示される。図３において、横軸は磁界Ｈであり、縦軸は磁束密度Ｂであり、磁束密度Ｂは実質的に磁化Ｍに相関する。図３から明らかなように、磁化が飽和していない点ａ〜点ｄ、および点ｄ〜点ｆの範囲では、磁界Ｈの変化に磁化（磁束密度Ｂ）が変動する。この磁化特性曲線は材料毎にバラツキがあるから、磁場均一度の調整を製品毎に行わなければならず、同一の調整法を適用できないことがあるから、調整に時間がかかったり、調整不能になる等の問題がある。一方、磁界Ｈの変化に対して磁束密度Ｂがほぼ一定になる飽和領域において、磁界Ｈを調整して磁場均一度を調整する場合は、材料毎のバラツキが少ないことから、磁場均一度の調整が容易になる。

本発明は、超電導主コイルと超電導シールドコイルの間に配置する強磁性体の磁化特性のバラツキの影響を小さくすることを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明は、観測領域を挟んで対向して設けられた一対の超電導主コイルと、前記一対の超電導主コイルの同軸状に各超電導主コイルから離して前記観測領域の反対側に設けられた一対の超電導シールドコイルと、前記超電導主コイルの空心部から前記超電導シールドコイルの空心部に至る空間の一部に配置された強磁性体とを備え、前記超電導シールドコイルは前記超電導主コイルの外径よりも大きな外径を有し、前記強磁性体は、複数の軸対称の強磁性体部材を同軸に配置して形成され、かつ軸心部を除く径方向の少なくとも一部に軸方向に抜ける空間部を有してなり、該強磁性体の最大外径が前記超電導シールドコイルの内径よりも小さく形成されてなることを特徴とする。言い換えれば、本発明に係る強磁性体を超電導コイルの中心軸に垂直な平面に投影したとき、その投影図の中心軸の近傍を除く領域に、強磁性体部材が存在しない領域を有することを特徴とする。

すなわち、本発明は、超電導主コイルから超電導シールドコイルに至る空間の一部に配置される強磁性体を複数の強磁性体部材に分割し、かつ径方向の少なくとも一部に空間を形成したことから、分割数および径方向に設ける空間の寸法を調整することにより、各強磁性体部材の板厚Ｔに対する径Ｄの比Ｄ／Ｔを小さくすることができる。その結果、強磁性体部材の磁化を大きくして飽和させることが可能になるから、強磁性体の磁化特性のバラツキの影響を小さくすることができ、磁場均一度の調整作業が簡単になる。

また、一般に、超電導主コイルと超電導シールドコイル間に設けられる強磁性体には、観測領域の反対側に形成される磁束が集中して通るから、その強磁性体内の磁束の向きは径方向が主成分になる。その結果、強磁性体の観測領域側に作用する軸方向の磁気圧に対して、反対側に作用する軸方向の磁気圧が小さくなるから、対向する一対の強磁性体間に強力な吸引磁力が作用することになる。この点、本発明に係る強磁性体は、磁気飽和することから、強磁性体の観測領域側に作用する軸方向の磁力と反対側に作用する軸方向の磁力との差が小さくなり、一対の強磁性体間に作用する吸引磁力もその分小さくなる。したがって、強磁性体の支持部材を簡素化できる。また、部材を小さくできるので、作業効率を向上させることができる。

上記の場合において、本発明の強磁性体の最大外径は、超電導主コイルの外径より大きく、超電導シールドコイルの外径より小さく形成することができる。また、本発明の強磁性体は、軸心部に配置される円盤状の強磁性体部材と、この円盤状の強磁性体部材の外周側に空間を置いて配置された少なくとも１つの円環状の強磁性体部材とにより形成することができる。また、これに代えて、複数の円環状の強磁性体部材を互いに径方向に空間を置いて同軸に配置して形成することができる。

さらに、本発明の強磁性体は、超電導主コイルの空心部に配置された円環状の第１の強磁性体部材と、第１の強磁性体部材の内径よりも小さい外径を有し、超電導主コイルと超電導シールドコイルとの間に配置された円板状と円環状のいずれか一方の第２の強磁性体部材と、第２の強磁性体部材の外径よりも大きい内径を有し、超電導シールドコイルの内径よりも小さい外径を有する円環状の第３の強磁性体部材から構成することができる。この場合において、第２の強磁性体部材の観測領域側の面に、同心状の凹凸を形成することができる。これによれば、凹凸の形状を調整することにより、観測領域の磁場の均一度を一層調整しやすくなる。

本発明によれば、超電導主コイルと超電導シールドコイルの間に配置する強磁性体の磁化特性のバラツキの影響を小さくすることができる。

以下、本発明を実施形態に基づいて説明する。

図１に本発明の一実施例の超電導電磁石装置の断面構成図を示し、図２にその超電導電磁石装置を適用してなる一実施例のＭＲＩ装置の全体外観図を示す。

図２に示すように、ＭＲＩ装置は、観測領域４を挟んで対向して設けられた一対の真空容器３内に、それぞれ超電導主コイル等からなる静磁場発生源が収納され、一対の真空容器３は支柱５により連結されている。本発明の超電導電磁石装置では、支柱５に相当する上下の真空容器には強磁性体を配置しない。このように構成されるＭＲＩ装置に対し、被検体１はベッド２に横臥された状態で、一対の対向する真空容器３の間に搬送され、予め定められた観測領域４に撮像する領域が一致するように位置決めされる。なお、図２のＭＲＩ装置は、被検体１の周囲空間が開放されていることから、一般に、開放型ＭＲＩ装置と称されている。

図１は、図２の線Ｉ−Ｉにおける断面図を示している。なお、ベッド２の向きは図２と異なるが、参考のために併記している。図１に示すように、真空容器３の内部には、矢印６の向きの磁場を発生する超電導主コイル７と、漏洩磁場を抑えるため超電導主コイル７と逆向きの電流を流す超電導シールドコイル8が設けられている。これら超電導主コイル７と超電導シールドコイル8は冷却容器９内に設置されている。冷却容器９内には、超電導コイルを極低温に保つための液体ヘリウムが充填されている。また、冷却容器９は、断熱支持部材１０を介して真空容器３に支持され、これによって真空容器壁からの熱侵入を減らすようにしている。また、真空容器３内の構造物は、軸１１に対して概ね軸対称に、かつ観測領域４を挟んで概ね上下対称に配置されている。また、真空容器３と冷却容器９は例えばステンレス鋼で形成され、断熱支持部材１０は例えば繊維強化プラスティック（ＦＲＰ）で形成されている。

また、ＮＭＲ信号に空間位置情報を付与するため、被検体１に対して直交３軸方向の傾斜磁場を印加する傾斜磁場コイル１２が、真空容器３の観測領域４側に配置されている。さらに、ＮＭＲ現象を引起すための共鳴周波数の電磁波を印加する高周波照射コイル１３が傾斜磁場コイル１２の観測領域４側に設置されている。

本実施例の超電導電磁石装置は、中心軸１１の周りに概ね軸対称に形成されている。図示のように、観測領域４を挟んで一対の超電導主コイル７が対向して配置され、一対の超電導主コイル７の軸上にそれぞれの超電導主コイル７から離して観測領域４の反対側に一対の超電導シールドコイル８が設けられている。超電導シールドコイル８の外径は、超電導主コイル７の外径よりも大きく形成されている。また、本実施例では、超電導シールドコイル８の内径も、超電導主コイル７の外径よりも大きく形成されている。

特に、本実施例では、超電導主コイル７から超電導シールドコイル８に至る空間の一部に、軸１１に対して軸対称に形成された第１の強磁性体部材１５と第２の強磁性体部材１６と第３の強磁性体部材１７とからなる強磁性体１４が設けられている。第１の強磁性体部材１５は、超電導主コイル７の内径よりも小さい外径を有する円環状に形成され、超電導主コイル７の内面に近い空心部に配置されている。第２の強磁性体部材１６は、第１の強磁性体部材１５の内径よりも小さい外径を有する円盤状に形成され、超電導主コイル７と超電導シールドコイル８との間に配置されている。第３の強磁性体部材１７は、円環状に形成され、内径は第２の強磁性体部材１６の外径よりも大きく形成され、外径は超電導シールドコイル８の内径よりも小さく形成されている。これら第１〜第３の強磁性体部材１５、１６、１７は、好ましくは純鉄で構成され、超電導主コイル７および超電導シールドコイル８とともに、冷却容器９に格納されている。

このように構成されることから、本実施例によれば、一対の超電導主コイル７により観測領域４に所望の静磁場が形成される。また、一対の超電導主コイル７の反観測領域側に形成される磁束は、一対の超電導シールドコイル８により形成される逆向きの磁束に遮られて軸１１に直交する方向に曲げられる。この曲げられた磁束は、主として第２の強磁性体部材１６と第３の強磁性体部材１７を放射状に通って、超電導主コイル７と超電導シールドコイル８とに挟まれる空間から冷却容器９と真空容器３に至る経路を通ることになる。超電導主コイル７と超電導シールドコイル８とに挟まれる空間を通る磁束は、磁性が強い第３の強磁性体部材１７を通過することから、超電導主コイル７と超電導シールドコイル８を通る磁束を抑えることができ、それら超電導コイルの超電導状態を維持することができる。

特に、本実施例は、超電導主コイル７から超電導シールドコイル８に至る空間の一部に設ける強磁性体１４を、円盤状の第２の強磁性体部材１６と、円環状の第３の強磁性体部材１７の２つに分割し、かつ第２の強磁性体部材１６の外径を第３の強磁性体部材１７の内径より小さく形成して、それらの間に空間を設けたことを特徴とする。
これにより、第一に、円盤状の第２の強磁性体部材１６の板厚Ｔに対する径Ｄの比Ｄ／Ｔが、従来よりも小さくなるので磁化を大きくでき、磁気飽和し易くなる。したがって、材料のバラツキに起因する磁場の均一度調整時間の大幅な増大を回避できる。

また、第二に、第２の強磁性体部材１６が磁気飽和することにより、強磁性体部材１６の観測領域側と反観測領域側の磁束密度の差（磁力）を小さくすることができる。その結果、一対の強磁性体部材１６間に作用する吸引磁力がその分だけ小さくなるので、強磁性体部材１６の支持部材を簡素化できる。

また、第三に、円環状の第３の強磁性体部材１７を第２の強磁性体部材１６の外側のほぼ同一面に配置したことから、第２の強磁性体部材１６により集中された磁束が円滑に第３の強磁性体部材１７を通ることになり、超電導主コイル７と超電導シールドコイル８を通る磁束を抑えて、それら超電導コイルの超電導状態を維持する。なお、円環状の第３の強磁性体部材１７のＤ／Ｔの考え方は、径方向（放射方向）に多数に分割して、積分することにより等価的に求める。いずれにしても、第３の強磁性体部材１７のＤ／Ｔは、従来の円盤状の強磁性体に比べて十分に小さいことから、磁気飽和し易くなることは明らかである。

上述したように、本実施例によれば、強磁性体１４を円盤状の第２の強磁性体部材１６と円環状の第３の強磁性体部材１７の２つに分割し、かつ第２の強磁性体部材１６の外径を第３の強磁性体部材１７の内径より小さく形成したことから、強磁性体部材１６、１７を磁気飽和させることができる。その結果、磁化特性曲線の材料毎のバラツキが少ない磁束密度Ｂがほぼ一定になる飽和領域において、磁場均一度を調整することができる。そのため、磁場均一度の調整作業が簡単になり、調整時間を短縮でき、かつ調整不能になる等の問題を解決できる。

次に、第四の特徴である超電導主コイル７の内面に近い空心部に配置した第１の強磁性体部材１５の作用効果について説明する。超電導主コイル７の空心部を通る磁束は、第１の強磁性体部材１５に集中して通るから、磁場強度の増大に伴って超電導主コイル７を通る磁力線が増えるのを抑えることができる。

また、第２と第３の強磁性体部材１６、１７の間に空間部を設けたことにより、超電導主コイル７の空心部から超電導主コイル７を通って第３の強磁性体部材１７に向かう磁力線が増加するおそれがあるが、その部位に第１の強磁性体部材１５を配置しているから、超電導主コイル７を通る磁力線の増大を抑えることができる。

さらに、第１の強磁性体部材１５の位置に対応する観測領域４の周辺部の磁場強度を高くできる。その結果、観測領域４の磁場強度分布の偏りを改善して磁場均一度を高めることができるから、観測領域４の所望の磁場強度に対応する超電導主コイル７の電流を低減することができる。

また、本実施例によれば、強磁性体１４を複数の強磁性体部材に分割して形成したことから、各強磁性体部材の重量を減らすとともに、強磁性体１４の総重量も減らすことができ、組立作業の効率を向上させることができる。

図４に、本発明の他の実施例の超電導電磁石装置の断面構成図を示す。なお、図４では、図１において点線１８で囲った部分に対応する部分を拡大して示している。本実施例が図１の実施例と異なる点は、第２の強磁性体部材１６に代えて第２の強磁性体部材２０を設け、かつ超電導シールドコイル８の大きさおよび軸方向位置をずらして、超電導シールドコイル８の空心部に第２の強磁性体部材２０と第３の強磁性体１７を内包するようにしたことにある。その他の構成は図１の実施例と同一であることから、同一の符号を付して説明を省略する。

図示のように、第２の強磁性体部材２０は、第１の強磁性体部材１５の内径よりも小さい外径を有する円盤状に好ましくは純鉄を用いて形成され、超電導シールドコイル８の空心部に配置されている。特に、第２の強磁性体部材２０の観測領域４側の円盤面に、同心条の凹凸２１が設けられている。

本実施例によれば、図１実施例と同一の効果が得られるとともに、強磁性体部材２０の観測領域４側に凹凸２１を付けたことにより、均一磁場の調整が一層容易になる。

図５に、本発明のさらに他の実施例の超電導電磁石装置の断面構成図を示す。なお、図４と同様に、図１において点線１８で囲った部分に対応する部分を拡大して示している。本実施例が図１の実施例と異なる点は、図１の実施例の第１の強磁性体部材１５と第３の強磁性体部材１７を接合して１つの強磁性体部材２２を形成したことになる。つまり、強磁性体部材２２は、超電導主コイル７の空心部に配置された円筒部を有し、この円筒部の超伝導シールドコイル８側の端部から超電導主コイル７と超電導シールドコイル８との間に張り出され、超電導シールドコイル７の内径よりも小さい外径の円環状の鍔部とを有して形成されている。その他の構成は図１の実施例と同一であることから、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施例によれば、図１実施例と同一の効果が得られる。また、図１の第１の強磁性体部材１５と第３の強磁性体部材１７が配置される位置は、超電導主コイル７と超電導シールドコイル８に近接していることから、元々磁気飽和しやすい場所である。したがって、それらを結合して大きな強磁性体部材２２を形成しても、本発明の狙いである強磁性体部材２２を飽和させることができる。

図６に、本発明のさらに他の実施例の超電導電磁石装置の断面構成図を示す。なお、図４と同様に、図１において点線１８で囲った部分に対応する部分を拡大して示している。本実施例が図１の実施例と異なる点は、第２の強磁性体部材１６と同心の超電導コイル２３を第２の強磁性体部材１６の外側に配置している点にある。

本実施例によれば、図１実施例と同一の効果が得られる。また、第２の強磁性体部材１６の外側に超電導コイル２３を配置したことから、他の実施例に比べて一層磁気飽和させ易くなるという効果がある。特に、第２の強磁性体部材１６の観測領域側と反観測領域側の磁束密度の差を小さくできるから、一対の強磁性体部材１６間に作用する吸引磁力を小さくすることができる。

なお、超電導コイル２３の位置は、図６の例に限られるものではなく、第２の強磁性体部材１６の磁気飽和を促進させる狙いから、強磁性体部材１６の円環部を挟んで、上下面に一対の超電導コイルを対向させて配置し、それらに逆向きの電流を通ずるようにしても同一の効果が得られる。

図７に、本発明のさらに他の実施例の超電導電磁石装置の断面構成図を示す。なお、図４と同様に、図１において点線１８で囲った部分に対応する部分を拡大して示している。本実施例が図１の実施例と異なる点は、冷却容器９を円環状に形成し、超電導主コイル７と超電導シールドコイル８と第３の強磁性体部材１７を冷却容器９内に収納し、第１と第２の強磁性体部材１５、１６を冷却容器９から外に出したことにある。このように、第１と第２の強磁性体部材１５、１６を極低温の冷却容器９の外側に配置しても、強磁性体部材１５、１６の磁化特性に影響を与えないから、図１の実施例と同一の効果が得られる。

本発明の一実施例の超電導電磁石装置の断面構成図である。 超電導電磁石装置を適用してなる一実施例のＭＲＩ装置の全体外観図である。 強磁性体の磁化特性曲線を示す図である。 本発明の他の一実施例の超電導電磁石装置の断面構成図である。 本発明のさらに他の一実施例の超電導電磁石装置の断面構成図である 本発明のさらに他の一実施例の超電導電磁石装置の断面構成図である。 本発明のさらに他の一実施例の超電導電磁石装置の断面構成図である。

符号の説明

１ 被検体
２ ベッド
３ 真空容器
４ 観測領域
５ 支柱
７ 超電導主コイル
８ 超電導シールドコイル
９ 冷却容器
１０ 断熱支持部材
１２ 傾斜磁場コイル
１３ 高周波照射コイル
１４ 強磁性体
１５ 第１の強磁性体部材
１６ 第２の強磁性体部材
１７ 第３の強磁性体部材
２０ 第２の強磁性体部材
２１ 凹凸
２２ 強磁性体部材
２３ 超電導コイル

Claims (7)

1. 観測領域を挟んで対向して設けられた一対の超電導主コイルと、前記一対の超電導主コイルの同軸状に各超電導主コイルから離して前記観測領域の反対側に設けられた一対の超電導シールドコイルと、前記超電導主コイルの空心部から前記超電導シールドコイルの空心部に至る空間の一部に配置された強磁性体とを備え、前記超電導シールドコイルは前記超電導主コイルの外径よりも大きな外径を有し、
   前記強磁性体は、複数の軸対称の強磁性体部材を同軸に配置して形成され、かつ軸心部を除く径方向の少なくとも一部に軸方向に抜ける空間部を有してなり、該強磁性体の最大外径が前記超電導シールドコイルの内径よりも小さく形成されてなる磁気共鳴イメージング装置の超電導電磁石装置。
2. 前記強磁性体は、最大外径が前記超電導主コイルの外径より大きく形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の磁気共鳴イメージング装置の超電導電磁石装置。
3. 前記強磁性体は、軸心部に配置される円盤状の強磁性体部材と、該円盤状の強磁性体部材の外周側に空間を置いて配置された少なくとも１つの円環状の強磁性体部材とにより形成されてなることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気共鳴イメージング装置の超電導電磁石装置。
4. 前記強磁性体は、複数の円環状の強磁性体部材を互いに径方向に空間を置いて同軸に配置して形成されてなることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気共鳴イメージング装置の超電導電磁石装置。
5. 前記強磁性体は、前記超電導主コイルの空心部に配置された円環状の第１の強磁性体部材と、該第１の強磁性体部材の内径よりも小さい外径を有し、前記超電導主コイルと前記超電導シールドコイルとの間に配置された円板状と円環状のいずれか一方の第２の強磁性体部材と、第２の強磁性体部材の外径よりも大きい内径を有し、前記超電導シールドコイルの内径よりも小さい外径を有する円環状の第３の強磁性体部材から構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気共鳴イメージング装置の超電導電磁石装置。
6. 前記第２の強磁性体部材は、前記観測領域側の面に同心状の凹凸が形成されてなることを特徴とする請求項５に記載の磁気共鳴イメージング装置の超電導電磁石装置。
7. 前記強磁性体は、前記超電導主コイルの空心部に配置された円筒部を有し、該円筒部の前記超伝導シールドコイル側の端部から前記超電導主コイルと前記超電導シールドコイルとの間に張り出され、前記超電導シールドコイルの内径よりも小さい外径の円環状の鍔部とを有する第１の強磁性体部材と、該第１の強磁性体部材の内径よりも小さい外径を有し、前記超電導主コイルと前記超電導シールドコイルとの間に配置された円板状と円環状のいずれか一方の第２の強磁性体部材とから構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気共鳴イメージング装置の超電導電磁石装置。

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