JPH01714A - 磁場補償装置 - 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］ この発明は、磁気共鳴装置用マグネット装置の主コイル
は発生する磁界に含まれる径方向誤差磁場成分を補償す
る磁場補償装置に関し、特に小形で安価且つ高精度な磁
場補償装置に関するものである。

［従来の技術］ 一般に、超電溝形磁気共鳴装置においては、被検体が設
置される領域の空間磁場均一性が重要な特性の１つであ
る。従って、磁場の高均一化を計るため、磁気共鳴装置
に用いられるマグネット装置の出力磁場発生用主コイル
に対しては、形状又は電流成分等に種々の工夫が施され
ている。

ところが、高均一磁場は、製作精度や温度条件等のマグ
ネット内部条件、又は、マグネットの近傍に強磁性体が
配置される等の外部周囲条件により乱され易い、このな
め、従来より、磁場共鳴装置には誤差磁場を補償するた
めの磁場補償装置が内蔵されている。

誤差磁界の成分Ｂ　（Ｘ、Ｙ、Ｚ）は、磁場中心点での
磁場出力のマクロ−リン展開で表現でき、Ｂ　　（Ｘ、
Ｙ、Ｚ＞ ＝　８．＋Ｂ、Ｘ＋Ｂ２Ｙ＋Ｂ、Ｚ ＋Ｂ、Ｘ２　＋ＢｓＹ２＋ｌ１６Ｚ２＋ＢｔＸＹ＋Ｂｓ
ＹＺ＋ＢｑＺＸ・・・■ となる。ここで、Ｂｏは必要な均一磁界成分、ＢＯＸ。

ＢＡＹ、Ｂ１２は各Ｘ、Ｙ、Ｚ方向への１次誤差磁界成
分、以下、順次高次誤差磁界成分を示す。

主コイルにより発生する主磁場がＺ方向を向いている場
合、■式において、Ｘ、Ｙを含む誤差磁界成分（例えば
、ＢＩＸ、Ｂ２Ｙ、Ｂ、Ｘ２．Ｂ５Ｙ２．Ｂ、ＸＹ、ｌ
）、ＹＺ、Ｂ、ＺＸ。

・・・）を径方向誤差磁界成分という。

従来、径方向誤差磁界成分の補償は各成分毎に行なわれ
ている。従って、例えばコイルを用いて補償する場合は
、Ｘ補償コイル（Ｘ−シムコイル）、Ｙ補償コイル（Ｙ
−シムコイル）、ＸＹ補償コイル（ＸＹ−シムコイル）
、・・・等として、各成分に対応する独立のコイル系を
それぞれ配置している。

第３図は従来の磁場補償・装置のＸ補償コイルを示す構
成図である０図において、（１１）〜（１４）は円筒状
に設置された４個の鞍形コイルであり、Ｚ方向に沿って
配Ｈされている。又、これら鞍形コイル（１１）〜（１
４）は、１ユニットのコイル系を構成し、互いに直列接
続されて１個の電源（図示せず）により励磁されるよう
になっている。矢印ｉは各鞍形コイル（１１）〜（１４
）に流れる電流、ａは各鞍形コイル（１１）〜（１４）
の円弧部の半径、θは円弧部の開き角を示している。

実際の磁場補償装置は、前述した他の径方向誤差磁界成
分（例えば、Ｚ２Ｘ成分、Ｘ３成分等）を補償するため
、第３図のコイル系に同心的に他の円筒状の補償コイル
（図示せず）を順次重ね配置した多層構造となっている
。ｚ’ｘ成分やＸ３成分等の高次の誤差磁界成分を補償
するためのコイル系はそれぞれ６〜８個の鞍形コイルを
備えているので、Ｘ成分を含む３成分の磁場補償を行な
うためには、通常、１８個以上の鞍形コイルが必要とな
る。

第４図は第３図に示したＸ補償コイルを他の補償コイル
（Ｙ、Ｚ、ＺＸ、ＸＹ、・・・）と共に実際に配置しな
超電導マグネットの一例を示す（！ｌ断面図、第５図は
第４図のＡ−Ａ断面図である。

図において、（３０）は超電導マグネットの開口部、（
３１）は超電導主コイル、（３２）は超電導コイルとし
て製作され且つ超電導主コイル（３１）と同心的に設け
られた補償コイル、（３３）は超電導主コイル（３１）
及び補償コイル（３２）を内蔵して熱シールドとなる液
体ヘリウム槽、（３５）は液体ヘリウム槽（３４）を被
覆する真空槽、（３６）は常電導コイルとして製作され
且つ開口部（３０）内に配置された補償コイルである。

尚、補償コイル（３２）及び（３６）は、併設される場
合もあり、一方のみ設置される場合もある。

次に、第３図に示したＸ補償コイルによる２方向の誤差
磁界補償動作にづいて説明する。Ｚ方向の誤差磁界を補
償する磁界成分は、各鞍形コイル（１１）〜（１４）を
形成する円弧部及び直線部のうちの円弧部のみにより発
生する。このときの磁界出力Ｂｚ（ｘ、ｙ＋ｚ）を表わ
す式は、 Ｂｚ（Ｘ、ｙ、Ｚ） ＝にθＢ、／θｘ＋（ｘ３／８）θ３ＢＪｔｌｘ”＋（
ｘｙ”／２）８３Ｂｚｌａｘａｙ２＋（ｘｚ２／２）θ
３Ｂ２／θｘ＋？ｚ２＋（ｘ’／１２０）Ｊ’Ｂ−／θ
ｘｓ”（ｘ３ｙ２／１２）ａ’Ｂｚ／Ｊｘ３Ｊｙ２＋（
ｘｙ’／２４）Ｊ５Ｂｚ／θ×θｙ４”（ｘ’ｚ２／１
２）ａ’Ｂｚ／θｘ″θｚ２＋（ｘｙ２ｚ２／４）Ｊ’
Ｂｚ／ＪｘＪｙ２＃ｚ””（ｘｚ’／２４）８５Ｂｚｌ
ａｘａｚ’＋＝−・・・■ で表わされる。■式は１次、３次及び５次までの出力を
表わしており、更に高次の出力については無視している
。

Ｘ補償コイルの場合、■式中の１次の第１項が有効な項
であり、３次及び５次以上は補償の誤差となる。又、■
式中の偏微分を具体的に表わせば、円弧部の半径ａ、開
き角θ及び円弧部が配置されるＺ方向の位置により表現
できる。このため、Ｘ補償コイルにおいては、Ｚ方向位
置及び開き角θを適当な値に選択し、各鞍形コイル（１
１）〜（１４）の８個の円弧部の全体の和として、■式
の３次の項（又は５次以上）を消去している。

従って、他の成分を小さくするためには、Ｚ方向の位置
が制限されると共に、開き角θも制限されて大きくとれ
ず、アンペアターン当りの補償磁界成分が小さくなって
しまう。

［発明が解決しようとする問題点］ 従来の磁場補償装置は以上のように、１つの成分（例え
ばＸ成分）のみについて径方向誤差磁界補償を行なって
いるため、他の成分を零又は十分小さくするために補償
コイルの円弧部のＺ方向位置及び開き角θ等が限定され
るので、アンペアターン当りの補償磁界成分が小さくな
って精度が悪くなり、又、主コイルの高次誤差成分に対
する補償コイルにおいては、鞍形コイルの個数や暦数が
増加して装置が大形化すると共に不経済であるという問
題点があった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、鞍形コイルの個数及び層数を少なくして小形
且つ安価にすると共に、少ないアンペアターンで所定の
補償磁界成分を発生することのできる高精度な磁場補償
装置を得ることを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ この発明に係る磁気共鳴装置は、それぞれが主磁場に沿
って同心的且つ主磁場と垂直な平面に関して対称に配置
された複数の直列コイルからなる複数の補償ユニットと
、これら補償ユニットに対し個別に電流を供給するため
の複数の電源とを備えたものである。

［作用］ この発明においては、各補償ユニットが径方向誤差磁場
のうちの複数の成分を含み、これらの成分を複数の補償
ユニット全体で同時に補償すると共に、各補償ユニット
の構成に応じて各電流を決定し、各補償ユニットについ
ての電流調整を行なう。

［実施例］ 以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図はこの発明の一実施例を示す構成図、第２図は第１図
のコイル系に対する電源構成を示すブロック図である。

尚、第１図のコイル系が配置１される超電導マグネット
の構成は第４図及び第５図に示した通りである。又、こ
こでは、主コイル誤差磁界成分のうち、Ｘ、Ｚ２ｘ及び
Ｘ３成分を補償する場合を示している。

図において、（１０１）〜（１１２）はそれぞれＺ方向
に沿って配置された１２個の鞍形コイルであり、（１’
０１）〜（１０４）は第１補償ユニットＵ１、（１０５
）〜（１０８）は第２補償ユニットＵ　２、（１０９）
〜（１１２）は第３補償ユニットＵ３を構成しており、
各補償ユニットＵ１〜Ｕ３毎にそれぞれ直列接続されて
３つの直列コイルとなっている。

第２補償ユニットＵ２の鞍形コイル（１０５）〜（１０
８）は、第１補償ユニットｕ１の鞍形コイル（１０１）
〜（１０４）の両側に一対ずつ配置されている。又、便
宜的に下段に示した第３補償ユニットυ３の各鞍形コイ
ル（１０９）　〜（１１２）！ｉ　、実際ニハ、第１補
償ユニットＵｌｆ７）各鞍形コイル（１０１）〜（１０
４）に対し、Ｘ、Ｙ及びＺ方向が一致するように同心的
に重ね配置されている。

従って、鞍形コイル（１０１）〜（１１２）は、それぞ
れ各補償ユニットＵ１〜Ｕ３毎に、Ｚ（主磁場）方向に
垂直なＸＹ平面に関して対称となるように配置されてい
る。

矢印１１〜ｉ３は各補償ユニットｕ１〜ｕ３内の鞍形コ
イル（１０１）〜（１１２）に流れる電流、り２１）〜
（２３）は各補償ユニットｕ１〜ｕ３に対して個別に電
流を供給するための３個の電源である。

次に、第１図及び第２図に示したこの発明の一実施例の
動作について説明する。

電源（２１）〜（２３）により鞍形コイル（１０１）〜
（１１２）が励磁されると、各補償ユニットυ１〜ｕ３
から磁界出力が発生する。これら磁界出力の和からなる
軸方向発生磁界出力は、３つの補償磁界成分Ｂ、（Ｘ成
分）、Ｂ、（Ｚ２Ｘ成分）及びＢ２（Ｘ３式分）となり
、それぞれ前述の０式より、 Ｂ、（Ｘ成分） ＝　ｘ　ＣａＢｚ／Ｊｘ）　＋（＾Ｔｌ）＋ｘ（＋？Ｂ
ｚ／Ｊｘ）２（Ａｒ２）＋ｘ（ＪＢｚ＃ｘ）ｓ（Ａｒ３
） Ｂ２（Ｚ”Ｘ成分） ＝（ｚ”ｘ／２）（Ｊ’Ｂｔ／ＪｘＪｚ２）、（＾Ｔ、
）＋（ｚ２ｘ／２）（＃’Ｂ、／ＪｘＪｚ”）、（Ａｒ
２）＋（ｚ”ｘ／２）（＃３Ｂ−／ＪｘＪｚ”）ｚ（Ａ
ｒ３）Ｂ、（Ｘ３式分） −（ｘ３／６）＜ａ”Ｂｚｌａｘコ）、（＾Ｔｌ）＋（
ｘ’／６）（＃コ８２／ＪＸ’）２　（Ａｒ１）”（ｘ
３／６）（ａ’Ｂｚ／ａｘ３＞＊（八Ｔ３）で表わされ
る。ここで、下付き添字１〜３は各補償ユニットＵ１〜
ｕ３毎の成分を示し、八Ｔ１〜ΔＴ３は補償ユニットＵ
１〜ｕ３内の鞍形コイルのアンペアターンを示す、これ
らの式をまとめると、必要とする磁場は、 となり、コイル系の構造で決定する行列と、アンペアタ
ーンで決定する行列との積で表わされる。

０式の右辺第１項の行列の逆行列をとることにより、３
個の主コイル誤差磁界に対応した、補償用の各電源（２
１）〜（２３）の電流値を設定することができる。

このように、１つの補償ユニットで複数の主コイル磁界
誤差成分を補償する方式を採用し、他の補償ユニットと
合わせて所定の主コイル磁界誤差の補償を行なうと共に
、補償ユニット全体について電流値の調整を行なうよう
にすれば、円弧部のＺ方向の位置や開き角θを最適に設
定することができ、構造上の制限は緩和される。

従って、この発明の構成によれば、従来の方式と比較し
て、以下の（ｉ）〜（ｉｉｉ＞にあげた利点を有する。

（ｉ＞１２個の鞍形コイル（１０１）〜（１１２）のみ
で、上記３式分の磁場補償ができ、鞍形コイル個数及び
層数の低減が可能となる。

＜１ｉ）Ｚ方向位置及び開き角θに対する条件が緩和さ
れるので、磁界出力感度の大きい鞍形コイルの製作が可
能となり、装置の軽量化又は電源の電圧及び電流の低減
を計ることができる。

（ｉｉｉ）複数補償ユニット０１〜ｕ３の全体で磁界補
正を行なうので、磁界特性が向上し、補償ユニット０１
〜ｕ３の組み合わせ方法により出力精度の高い装置を得
ることができる。

尚、上記実施例では、Ｘ成分、Ｚ２Ｘ成分及びＸ３式分
を発生させるコイル系を例にとって説明したが、Ｙ成分
、Ｚ２Ｙ成分及びＹ３３式についても同様の構成により
実施できることは言うまでもない。

又、コイル方式及び補償ユニットの組み合わせ方法によ
り、その他の磁界成分と組み合わせてもよい。

更に、第３補償ユニットＵ３を他層として２層構造とし
たが、第１補償ユニットＵ１を含む層をＺ方向に延長し
て同一層に形成し、１層構造としてもよい。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば、それぞれが主磁場に沿
って同心的且つ主磁場と垂直な平面に関して対称に配置
された複数の直列コイルからなる複数の補償ユニットと
、これら補償ユニットに対し個別に電流を供給するため
の複数の電源とを備え、各補償ユニットが複数の誤差磁
界成分を発生して複数の補償ユニット全体で所定の補償
磁界を得ると共に、各補償ユニットの構成に応じて各電
流を決定するようにしたので、コイルの個数及び層数が
節減でき、又、少ないアンペアターンで所定の補償磁界
成分を発生することができ、小形軽量で安価且つ出力精
度の高い磁場補償装置が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す構成図、第２図は第
１図のコイル系に対する電源構成を示すブロック図、第
３図は従来の磁場補償装置を示す構成図、第４図は一般
的な超電導マグネットの構造を示す側断面図、第５図は
第４図のＡ−Ａ線による断面図である。 （２１）〜（２３）・・・電源 （１０１）〜（１１２）・・・鞍形コイルｉ１〜ｉ３・
・・電流　　　　　Ｚ・・・主磁場Ｕ１・・・第１補償
ユニット Ｕ２・・・第２補償ユニット Ｕ３・・・第３補償ユニット 尚、図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）磁気共鳴装置に用いられるマグネット装置の径方
   向誤差磁場を補償する磁場補償装置において、それぞれ
   が主磁場に沿って同心的且つ前記主磁場に垂直な平面に
   関して対称に配置された複数の直列コイルからなる複数
   の補償ユニットと、これら補償ユニットに対し個別に電
   流を供給するための複数の電源とを備え、前記各補償ユ
   ニットが前記径方向誤差磁場のうちの複数の成分を含み
   、前記複数の補償ユニット全体で前記複数の成分を同時
   に補償すると共に、前記各補償ユニットの構成に応じて
   前記各電流を決定するようにしたことを特徴とする磁場
   補償装置。
2. （２）複数の補償ユニットは、円筒状に配置された４個
   の鞍形コイルからなる第１補償ユニットと、この第１補
   償ユニットの両側に一対ずつ円筒状に配置された４個の
   鞍形コイルからなる第２補償ユニットと、前記第１補償
   ユニットの前記各鞍形コイルに同心的に重ね配置された
   ４個の鞍形コイルからなる第３補償ユニットとから構成
   されたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の磁
   場補償装置。
3. （３）複数の補償ユニットは、円筒状に配置された４個
   の鞍形コイルからなる第１補償ユニットと、この第１補
   償ユニットの両側に一対ずつ円筒状に配置された４個の
   鞍形コイルからなる第２補償ユニット及び第３補償ユニ
   ットとから構成されたことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の磁場補償装置。
4. （４）各補償ユニット内のコイルは、超電導コイルであ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第３項の
   いずれかに記載の磁場補償装置。
5. （５）各補償ユニット内のコイルは、常電導コイルであ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第３項の
   いずれかに記載の磁場補償装置。