JPH01164356A - 均一磁界の発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、磁界の発生装置に関し、さらに詳しくは、核
磁気共鳴断層撮影装置（ＭＲＩ）に用いられる磁界の発
生装置に関する。

［従来の技術］ ＭＨＩに用いられる磁界の発生装置として、永久磁石型
のものがあり、その中に、空隙を形成して対向する一対
の永久磁石を継鉄で磁気的に結合した装置が知られてい
る。本装置は、起磁力を発生するための永久磁石、磁場
を均一にするための磁極（ポールピース）、および磁気
回路を形成するための継鉄（ヨーク）の３つの部分から
構成され、一般にヨークタイプと呼ばれている。

ＭＨＩに用いられるためには、きわめて均一で広い磁界
空間を得ることが要求される。空隙の磁場を均一にする
ためには、ポールピースの形状の選定に工夫を要する。

最も単純には、ポールピースの面積をできるだけ大きく
する。しかし、この方法では、装置全体のｍ　Ｎは大き
くなってしまう。

最近、ポールピースの形状や特殊な調整手段を工夫して
、装置全体の重力を軽減する試みが提案され始めた。

たとえば、Ｐ　ＣＴ　Ｗ　Ｏ８４−００６１１号明細書
には、ポールピース上に多数の可動式磁性ビスを設けた
調整手段が記載されている。

また、特開昭６０−２５７１０９号明細書には、ポール
ピースの対向面距離を可変とする調整機構をヨークに設
ける試みが記載されている。

さらに、実開昭６２−’１１２１０６号明細書には、ポ
ールピースに環状突起を設け、かつ環状突起の所要箇所
に、１個または複数個の磁性材からなる磁界調整片を着
接する調整手段が記載されている。

［発明が解決しようとする問題点コ 一般に、ヨークタイプの磁界の発生装置においては、装
置を組立てた後、なんらかの方法で磁界調整を行なわな
いと十分な磁界均一性が得られない。発生磁界が不均一
になる要因としては、装置の部品の加工精度や組立精度
などいくつか考えられる。また、ＭＲＩ用の磁界発生装
置として用いられるためには、永久磁石部は、横方向の
寸法が１ｍを越さざるをえず、小さな永久磁石片の集合
体より構成されるため、永久磁石片毎の磁気特性の不均
一性が大きな要因となる。

磁界の不均一性を表現する方法としては、磁界空間の球
面上の多数の点の磁界を測定し、その測定値を調和関数
の集まりとして近似することがよく用いられる。この表
現でいえば、加工や組立精度の狂いは、比較的低次の調
和関数の集まりとして表現できる（以下低次の不均一性
と表現する）のに対し、磁気特性の不均一性に起因する
ものは、比較的高次に属する不均一性を惹起する。

前述のポールピースの対向面距離を可変とした調整手段
は、低次の不均一性を調整するのに適しており、環状突
起部への磁性材の調整片の取付は法は中広の不均一性を
調整するのに適している。

一方、可動性ビスによる手段は、低次より高次まで対応
できる調整手段である。

しかしながら、可動性ビスによる磁界調整手段には、次
のような２つの問題がある。

（１）磁性体ビスのサイズの大きさ、可動幅、個数には
おのずから限界があるため、高次の不均一性を調整する
には限界がある。

（２）磁性体ビスには鉄などの高透磁率材料が用いられ
るが、鉄のようなまわりの磁界によってその磁化率が著
しく変化する材料を含んだ系の発生する磁界を計算によ
って求めるためには、有限要素法のごとき反復修正法を
用いることになり、したがって、三次元空間での計算に
は膨大な時間を要することになり、計算による磁性体ビ
スの位置の最適化は困難である。そこで、実際には磁性
体ビスの位置を移動させながら試行錯誤を繰り返して最
適化するわけであるが、そのような方法では調整に多大
な時間を要し、しかも、均一性を十分に改良することは
難しい。

そこで、本発明の目的は、ヨークタイプの磁界の発生装
置の磁界の均一性を改良するにあたって、低次の不均一
性のみならず高次の不均一性も調整することができ、し
かも短時間で容易に調整できるように構成した磁界の調
整手段を具備した磁界の発生装置を提供することにある
。

［問題点を解決するための手段］ このような目的・を達成するために、本発明は、空隙を
形成して対向する一対の永久磁石を継鉄で磁気的に結合
して、空隙に磁界を発生させる均一磁界の発生装置にお
いて、磁界調整用末久磁石小片を配置して固定した保持
板を具え、保持板を対向する永久磁石に関連して配設し
たことを特徴とする。

［作　用］ 本発明の磁界の発生装置によれば、永久磁石小片が磁界
均一性の調整手段として配置されるので、調整すべき磁
界の不均一性に対応した永久磁石小片の最適配置が精度
よくかつ短時間で求められる。また、永久磁石小片の寸
法、残留磁束密度、さらには、取付位置を選ぶことによ
り、低次から高次までの不均一性の調整が可１ｔ’ｅと
なる。さらに、永久磁石小片の磁化方向が正にも負にも
選択できるので、寸法を小さくでき、高次の不均一性調
整に好適である。

［実施例］ 以下に図面を参照して、本発明の詳細な説明する。

第１図は、この発明による磁界の発生装置であり、第２
図はその平面である。本実施例は一対の円板状永久磁石
１の各々の一方端に軟鉄などの高透磁率材料からなるポ
ールピース２を固着して対向させ、他方端を軟鉄などの
高透磁率材料からなるヨーク３で結合し、ポールピース
２間の空隙４に磁界を発生させ、この空隙内に人体の一
部または全部を入れて診断する構成となっている。

一対のポールピース２は、その対向面の周縁に、所定の
内径、高さからなる断面が略三角形の環状突起５が突設
してあり、空隙を介して対向させることにより、均一性
の改良に役立たせている。

このポールピース対内面の凹部に、永久磁石小片６を配
置した保持板７が設けられている。

第３図は、永久磁石小片６の配置例を示す図である。永
久磁石小片６は台座９を介して保持板７に取付ける。永
久磁石小片６としては、残留磁束密度は等しく、寸法は
複数の種類のものがあり、その磁化方向８は、永久磁石
１の磁化方向と平行ではあるが、同一方向（正方向）に
加え逆方向（負方向）のものがあってもよい。このよう
に、永久磁石小片６を用いることの利点は、磁化方向が
それ自体で決まっていること、および負方向にもとれる
ことであり、前述の磁性ビスや磁性材からなる磁界調整
片とは基本的に異なる点である。

その結果、寸法も小さくでき、かつ低次の不均一性のみ
ならず高次の不均一性にも対応できることになる。

永久磁石小片６の配置場所としては、餌述のように、保
持板上に取付けた後、ポールピース２の凹部に設けるこ
とはポールピース間の間隙を有効に利用しつる点で最も
好ましいが、鉄製のポールピースとの磁気的相互作用を
避けるため、若干の距離をおいて設置することが好まし
い。しかし、場合によっては、ボールビス面を直接使用
してもよい。この場合、環状突起部５の上に設けてもよ
いが、この部分は、設置スペースが少なく、この部分の
みではあまり有効ではない。

本発明の他の実施例として、永久磁石小片６の寸法およ
び取付位置を固定しておき、残留磁束密度の異なった永
久磁石小片６を用いたり、あるいは、永久磁石小片６の
寸法を固定しておき、その取付位置の自由度を増やすよ
うにしてもよい。

この永久磁石小片６として使用可能な磁石材料には、Ｓ
ｍ−Ｇｏ系やＮｄ−Ｆｅ−８系などの希土類磁石材料、
フェライト磁石材料またはこれらの類似物がある。永久
磁石小片６の材料は、永久磁石１と同一材料でもよく異
なっていてもよい。

第４図は磁界調整用末久磁石小片６の最適配置を決める
手順の１例を示すフローチャートである。磁石小片６は
残留磁束密度が等しく、かつ寸法の異なるものを数種類
用意する。どの大きさの磁石小片６をどの位置に固定す
ればよいかという設計情報の算出は例えば次のようにす
る。

まず、磁界がどのくらい乱れているかを評価する。視野
空間（ここでは球とする）の乱れは視野球表面の乱れを
調べれば十分なことが知られている。表面の多数（ｎ個
）の点で主磁場方向の磁界（）ＩＩ、Ｈ２、Ｈ３・・・
Ｈｎ）を測定する。

ある点Ｐの乱れＣｐは次式で定義される。

Ｃｐ＝　（Ｈｐ−Ｈｏ）　ｘ　１０’　／Ｈｏ　　　　
（１）ＨＯは視野球中心の磁界である。点Ｐの乱れＣｐ
は正負の符号をもった値であり、ｎ個の点のＣをもって
磁界の乱れ（不均一性）を表現する。

次にこの磁界の乱れに対応して調整情報を得なければな
らない。今、磁石小片６の取り付は可能な各位置（ここ
では保持板７上の予め定められた位置）に通し番号をつ
け、磁石小片６の大きさをｉ番目の位置についてΔＲｉ
で表わす。磁石小片６の磁化方向は永久磁石！の磁化方
向８と平行であり正負をもたせる。ある乱れに対して各
位置にどの大きさの磁石小片６を配置固定したかをこの
番号順に並べると、これは（△Ｒ１、△Ｒ２、△Ｒ３、
・・・、６８ｍ）　　というベクトルになる。このベク
トルのことを調整ベクトルまたはシミングベクトルと呼
ぶ。

調整を行なうにはこのシミングベクトル△Ｒを求めなけ
ればならない。基礎方程式として、次式を考える。

−Ｃ＝Ｇ・△Ｒ（２） ｎ：乱れの展開係数の総数 ｍ：調整機構の総数 ここで、Ｃは磁界測定から得れる「磁界の乱れ」の列ベ
クトル、Ｇは各位置の磁石小片の大きさの微小変化に対
して各測定点の磁界がどのように変化するかを表わす（
ｎｘｍ）の行列である。このＧは感度行列とも呼ばれる
。

△Ｒはパラメーターの変化量、すなわち各位置に固定す
る磁石小片６の大きさを指示するｍ次の列ベクトルで（
２）式の解として求まる。磁場の乱れＣを打ち消す新た
な乱れ（−〇）を作り出す訳である。

（２）式を次のようにして解く。

Ｇは（ｎｘｍ）の長方行列で、−組の直交度ｔｉ　ｓ、
Ｔでつぎのような形に変換することができる（特異値分
解）。

Ｇ＝Ｓ−Ｄ−Ｔ”、（Ｄ）　１ｊ＝ｄｉｊ−５ｉｊ　　
　　（３）従って −Ｃ＝ＳＤＴ＋・△Ｒ（４） Ｓ”　（−（：）　＝　Ｄ　−Ｔ”・△Ｒ（５）これを −Ｃ“＝Ｄ・△Ｒ’　　　　　　　　　　　　（６）と
書くと、（２）式は という形に変形されたことになる。△Ｒベクトルの各要
素は、△Ｒ’ｊ　＝　（−Ｃ：’ｊ／ｄｉ）　　　　　
（８）として求まる。

（１／ｄｉ）を対角要素にもつ行列をＤ−１で表わせば
（Ｄ””）　ｉｊ−（１／ｄｉｊ）　　・５ｉｊＤ−’
　Ｓ”　（−Ｃ）−Ｔ”・△Ｒ（９）△Ｒ−ＴＤ−’Ｓ
責−Ｃ）−Ｇ＋・（−Ｃ）　　　　　　　（１０）とな
る。つまり（ＴＤ−’Ｓ”）の部分がＧの逆行列Ｇ＋ど
なっているわけである。このようにしてＧ＋が求まれば
ある磁界の乱れＣを打消すシミングベクトル△Ｒが直ち
に求まる。

第４図に従って具体的手順を示す。まずステップＳ１に
おいて磁石小片６の取り付は可能位置を決める。取り付
は可能位置は、例えば保持板７上に一定間隔で規定され
た格子点とする。

次にステップＳ２において、単位量の磁石小片６が各位
置に配置されたときの視野球表面上の各測定点におよぼ
す磁界変化の情報を計算によって求め、０行列として用
意する。次にステップＳ３において、０行列から前述し
た方法で一般化逆行列Ｇ＋を求めておく。装置の組立て
後、ステップＳ４において視野球表面上の各測定点（ｎ
個）の磁界をＮＭＲブーロブを用いて精密に測定し、ス
テップＳ５において磁界の乱れＣを求める。

磁界の均一性は、磁界測定の結果により、その最も大き
い値と最も小さい値との差を絶対磁界（平均値）で割算
し、ｐｐｍで表現する。ステップＳ６においてこの値が
目標値（例えば、中心磁界が３０００ガウスのユニット
では３０ｐｐｍ以下が要求される）に達していない時は
ステップＳ７に移り、Ｇ＋とＣによって（１０）式を用
いて各位置に配置する磁石の大きさ（シミングベクトル
）△Ｒを求める。

最後にステップＳ８において、以上のようにして決めら
れた永久磁石小片６の位置、サイズ、磁化方向および磁
石の材料によって決まる残留磁束密度等のデータに従っ
て、永久磁石小片６を準備し、これら小片６を非磁性材
の台座９を介して保持板７に配置して固定する。取り付
は後、永久磁石小片６の位置がずれると磁界の均一性を
悪くする原因となるので、かかる固定は確実にしっかり
と行う必要がある。

ついで保持板７を、ポールピース２上に取付ける。固定
させるために、ポールピース２から、あるいは外部から
非磁性材の保持具を用いて取付ける。−例を第５図に示
す。本例では、保持板７はポールピース２の環状突起部
５に対し非磁性材のボルト１０を用いて取付けられてい
る。他の例では、ポールピース２の環状突起部内に取付
けることも可能である。接着材を用いて保持板とポール
ピースを接着してもよい。

第６図に示すように、永久磁石小片６は、非磁性材の台
座９の上に接着され、非磁性のビス１１で非磁性材の保
持板７に確実に固定される。

保持板７を取付けた後、さらに均一性を改良したいとき
は、前述の操作を繰り返す。

以上の例では保持板７が磁束に垂直に、つまりポールピ
ース２に対しては平行に取り付けられた場合であったが
、本発明はこれに限定されるものではない。第７図に示
すように磁束に平行に空隙４を左右から挟むように保持
板７を取り付けてもよい。第８図は第７図の例の横断面
図である。永久磁石小片６の磁化方向は第１図に示した
例と同様に磁束の方向と平行とし、正負をもうける。

なお、本発明では、永久磁石小片６による調整手段に加
えて、他の調整手段、例えば、ポールピースの対向面距
離を可変となす調整手段、シムコイルの併用も可能であ
る。

［発明の効果］ 以上に述べたように、本発明の磁界の発生装置によれば
、永久磁石小片が磁界均一性の調整手段として配置され
るので、調整すべき磁界の不均一性に対応した永久磁石
小片の最適配置が精度よくかつ短時間で求められる。ま
た、永久磁石小片の寸法、残留磁束密度、さらには、取
付位置を選ぶことにより、低次から高次までの不均一性
の調整が可能となる。さらに、永久磁石小片の磁化方向
が正にも負にも選択できるので、寸法を小さくでき、高
次の不均一性調整に好適である。また、ポールピース面
状全面を利用して永久磁石小片を配置することができ、
均一性改良に有効である。さらに永久磁石小片の取付は
容易である。したかつて、ＭＲＩのような装置の磁界の
発生装置として最適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による均一磁界の発生装置の一実施例を
示す縦断面図、 第２図は第１図磁界発明装置の横断面図、第３図は磁界
調整用末久磁石小片の配置例を示す部分側面図、 第４図は磁界調整用末久磁石小片の設計手順の一例のフ
ローチャート、 第５図は磁界調整用末久磁石小片の具体的取り付は例を
示す部分側面図、 第６図は磁界調整用末久磁石小片の保持板への固定例を
示す断面図、 第７図は本発明による磁界発生装置の他の実施例を示す
縦断面図、 第８図は第７図磁界発生装置の横断面図である。 １・・・永久磁石、 ２・・・ポールピース、 ３・・・ヨーク、 ４・・・空隙、 ５・・・環状突起、 ６・・・永久磁石小片、 ７・・・保持板、 ８・・・磁化方向、 ９・・・台座、 ｌＯ・・・ボルト、 １１・・・ビス。 ｄ ＃を日月１−：Ｊ″る均−石数」Ｆの発生数置の〈施イ
列の断′面図第　Ｉ　Ｎ 第２図 永久磁石ホへの配這設計ヰ）・酒の一イ列右示すフロー
＋−ヤード第４図 永久石哀石小片の具惨的取付はイ列Σ示す図第５図 第６図 不発日月１−よる６１番先玉采−１のイ氾の曵力色イ列
の断面図第７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　空隙を形成して対向する一対の永久磁石を継鉄で磁気
   的に結合し、該空隙に磁界を発生させる均一磁界の発生
   装置において、磁界調整用末久磁石小片を配置して固定
   した保持板を具え、該保持板を前記対向する永久磁石に
   関連して配設したことを特徴とする均一磁界の発生装置
   。