JPH07106153A - Ｃ字形超伝導磁石 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 イメージング容積の中の磁界を均一にする磁
極面を用いるＣ字形の超伝導磁石を提供する。 【構成】 超伝導コイル手段６、上記コイル手段に動作
上結合された強磁性磁心手段５０、および上記磁心手段
に動作上結合された第１および第２の磁極片１００を含
み、上記第１および第２の磁極片がそれらの間にギャッ
プを形成するように所定の間隔だけ離して配置され、そ
して上記第１および第２の磁極片に隣接して受動シム手
段１０８が配置される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はＣ字形超伝導磁石の磁極
面の設計に関するものである。この型のこのような構造
では一般に、イメージング容積の中の磁界を均一にする
磁極面が用いられる。

【０００２】

【従来の技術】現在の超伝導磁気共鳴イメージング（Ｍ
ＲＩ）磁石では、動作するために、液体ヘリウム、もし
くは液体ヘリウムと液体窒素のような冷凍剤が必要とさ
れる。超伝導磁石では液体ヘリウムは、冷却のためだけ
でなく、動きによって誘導される不安定に対して磁石の
巻線を安定化させるためにも使用される。磁石の動作中
に冷凍剤が蒸発して失われるので、周期的な冷凍剤の放
出作業と冷凍剤の追加が必要になり，これに伴って冷凍
剤による安全性の問題が生じる。更に、冷凍剤を使用す
ることにより、低温保持装置の構造が複雑になる。磁石
のクエンチ（ｑｕｅｎｃｈ）または冷凍剤格納容器を取
り囲む容器の中の真空の喪失の結果生じる圧力サージに
耐えるように、圧力容器規準に従って冷凍剤格納容器を
作らなければならないからである。重い低温保持装置格
納容器では、低温保持装置格納容器を真空容器の中に位
置決めして、しかも真空容器を取り囲む周囲温度から格
納容器への熱伝導とふく射を最小限にするために、複雑
な支持物とシールドが必要になる。

【０００３】低温保持装置格納容器を取り囲む真空容器
内へのヘリウムの漏れは、殆どの超伝導磁石での故障の
普通の原因である。真空容器内へのヘリウムガスの漏れ
により、真空容器を取り囲む周囲温度から超伝導コイル
の入っている低温保持装置格納容器への熱伝導が大きく
なる。冷凍剤、特にヘリウムのコストは高くなりつつあ
り、また、経済的に引き合う供給は限定されている。世
界の多くの部分ではヘリウムは入手不可能であるので、
ニオブチタン（ＮｂＴｉ）超伝導磁石に基づくＭＲＩシ
ステムは動作させることができない。したがって、この
ような冷凍剤の量を大幅に削減するか、または無くすこ
とができれば、より有利な超伝導磁石が提供されること
になる。

【０００４】冷凍剤を用いず、かつ立った状態または横
になった状態で患者のイメージングを行うことができる
このような従来技術の磁石の例が米国特許第４９２４１
９８号に述べられている。しかし、患者が様々の姿勢を
取っている状態で患者のイメージングを行うことができ
るのは有益ではあるが、患者が磁石の中に入ることがで
き、かつイメージング中に閉所恐怖を経験しないように
素早くイメージングを行えるように磁石を構成しなけれ
ばならない。詳しく述べると米国特許第４９２４１９８
号では、コイル対の間にギャップを形成する支持物が用
いられる。コイル対に対して適切な構造強度を与えるた
めに、これらの支持物が必要とされる。しかし、立って
いる患者に対してイメージングを行っているときに特に
イメージング過程を迅速化できるのは、患者が支持物の
まわりを歩く必要がなくコイル対の間の開放領域に簡単
に入って行ける場合である。また、患者のイメージング
を行う直前またはイメージングを行っている間、患者が
支持物を見なければ、患者が抱くことがあり得る不安や
閉所恐怖が多分除かれる。したがって、冷凍剤の使用を
避けつつ、このようなイメージング時間と患者が抱くか
も知れない不安や閉所恐怖を軽減できれば、更に有利な
超伝導磁石が得られることになる。

【０００５】冷凍剤を用いず、しかも患者の不安や閉所
恐怖が軽減されるこのような従来技術の超伝導磁石の例
が、米国特許第５１５３５４６号に述べられている。こ
の特許に記載の磁石はある程度商業的に成功したが、こ
れは大量の超伝導テープで作ることが必要である。通
常、５００００フィートを超える超伝導テープが必要と
される。現在、超伝導テープのコストは１フィート当た
り２０セントを超える。したがって、米国特許第５１５
３５４６号のものでは超伝導テープのコストだけで極め
て高価となり得る。また、イメージング容積の中の磁界
を均一にするような磁石のシミング（ｓｈｉｍｍｉｎ
ｇ；調整）も行えることが望ましい。したがって、閉所
恐怖の影響と冷凍剤が無くなり、イメージング容積の中
の磁界が均一になるとともに超伝導テープのこのような
量が削減されれば、なお更に有利な超伝導磁石が提供さ
れることになる。

【０００６】上記の説明から明らかなように、冷凍剤が
無く、囲いをされた超伝導磁石に伴う閉所恐怖の影響を
無くすことができ、しかも少量の超伝導テープだけを使
用するとともに、イメージング容積の中の磁界を均一に
することができるような超伝導磁石が当業で必要とされ
ている。本発明の目的は当業でのこの要求や他の要求を
満たすことであり、その方法は熟練した当業者には以下
の開示により更に明らかとなる筈である。

【０００７】

【発明の概要】一般的に言えば、本発明ではこれらの要
求を満たすため、超伝導コイル手段、上記コイル手段に
動作上結合された強磁性磁心手段、および上記磁心手段
に動作上結合された第１および第２の磁極片を含み、上
記第１および第２の磁極片がそれらの間にギャップを形
成するように所定の間隔だけ離して配置され、そして上
記第１および第２の磁極片に隣接して受動シム手段が配
置されているＣ字形超伝導磁石を設ける。

【０００８】いくつかの実施例では、超伝導コイル手段
は超伝導巻線、熱シールド、真空エンベロープ、および
低温冷却器を含む。また、強磁性磁心手段は鉄で作られ
る。最後に、シム手段は、シミング用トレイおよび受動
シムを含む。更にもう一つの実施例では、超伝導材料の
使用量を削減するとともにイメージング容積の中の磁界
を均一にすることにより、従来の超伝導磁石に比べてＣ
字形磁石は出入りが容易になり、コストが低減される。

【０００９】本発明による好ましい超伝導磁石では次の
ような利点が得られる。すなわち、超伝導材料の使用量
の削減、優れたイメージング特性、優れた経済性、イメ
ージング容積の中の均一化された磁界、良好な耐久性、
および高い安全性である。実際、多くの実施例では、こ
れらの超伝導材料の使用量の削減、イメージング特性、
均一化された磁界、および経済性の要素が最適化され、
その程度は従来の公知の超伝導磁石でこれまで達成され
た程度に比べてかなり高い。

【００１０】説明が進むにつれてより明らかとなる本発
明の上記の特徴および他の特徴は、付図を参照した以下
の詳細な説明により最も良く理解することができる。付
図のいくつかの図を通じて同一の参照番号は同一の部品
を表す。

【００１１】

【実施例の記載】まず図１には、Ｃ字形超伝導磁石２が
示されている。磁石２の一部には、超伝導コイル集合体
６、強磁性磁心集合体５０、磁極片集合体１００、およ
びイメージング容積１５０が含まれている。詳しく述べ
ると、超伝導コイル集合体６の一部には、通常の超伝導
巻線１０、コイル型枠１１、通常の超伝導スイッチ１
２、通常の熱シールド１４、通常の真空エンベロープ１
６、および通常の低温冷却器１８が含まれている。コイ
ル型枠１１は、繊維強化エポキシ（ＦＲＥ）複合材で作
ることが好ましい。またスイッチ１２は、銅積層超伝導
テープで作ることが好ましい。真空エンベロープ１６は
非磁性ステンレス鋼（ＮＭＳＳ）で作ることが好まし
い。最後に、低温冷却器１８は通常のギフォド・マクマ
ホン（Ｇｉｆｆｏｒｄ−ＭｃＭａｈｏｎ）低温冷却器で
作ることが好ましい。

【００１２】超伝導コイル集合体６は、通常の溶接によ
って磁心集合体５０に取り付けることが好ましい。磁心
集合体５０の一部には、強磁性磁心５２および５８が含
まれる。磁心５２および５８は、鉄のような任意の適当
な強磁性材料で作ることが好ましい。磁心５８は通常の
締め具５４により磁心５２に取り付けられる。超伝導コ
イル集合体６から離れたところに、磁極片集合体１００
が配置される。磁極片集合体１００は通常の締め具５６
によって磁心集合体５０に取り付けることが好ましい。
磁極片集合体１００に隣接して、イメージング容積１５
０が配置される。容積１５０は、直径が約１０ｃｍの球
のイメージング容積とすることが好ましい。

【００１３】図２は、Ｃ字形超伝導磁石２の平面図であ
る。詳しく述べると、図２に示すように、コイル型枠１
１はつり棒２０によって真空エンベロープ１６の中につ
るされる。棒２０はインコネル（ｉｎｃｏｎｅｌ）で作
ることが好ましい。つり棒２０の数は３個とし、真空エ
ンベロープ１６の中でコイル型枠１１の最大支持が行わ
れるようにコイル型枠１１のまわりに等距離に配置する
ことが好ましい。図２には、超伝導リード線２２も示さ
れている。リード線２２は銅で作り、通常の締め具（図
示しない）によってコイル型枠１１に取り付けることが
好ましい。

【００１４】磁心５２について説明すると、磁心５２が
真空エンベロープ１６から磁極片集合体１００に向かっ
て伸びるにつれて磁心５２が先細になっていることがわ
かる。磁心集合体５０の重量を減らすために、磁心５２
が先細になっている。図３は超伝導コイル集合体６の更
に詳細な図である。前に説明したように、超伝導コイル
集合体６の一部には、巻線１０、コイル型枠１１、超伝
導スイッチ１２、熱シールド１４、真空エンクロージャ
１６、および低温冷却器１８が含まれている。図３でよ
りはっきりとわかるように、コイル型枠１１が通常の締
め具３０によってスイッチ１２に結合される。また、コ
イル型枠１１はブラケット３２および通常の締め具３３
によってつり棒２０に結合される。超伝導リード線２２
はコイル型枠１１に取り付けられる。リード線２２を使
用して、コイル型枠１１に電力が供給される。通常のリ
ングプレート３４を使用して、真空エンクロージャ１６
がプレート３７に取り付けられる。通常の締め具３６を
使用して、プレート３４が真空エンクロージャ１６に取
り付けられる。また、通常の締め具３８を使用して、真
空エンクロージャ１６の種々の部品が一緒に取り付けら
れる。締め具３８に隣接して、通常のエラストマーのＯ
リング３９が配置されている。Ｏリング３９は、ガスが
超伝導コイル集合体６の中に漏れないようにするために
使用される。通常の締め具４４およびブロック４２を使
用して、低温冷却器１８を真空エンクロージャ１６に取
り付ける。最後に、通常の締め具４４を使用して、熱シ
ールド１４の種々の要素を一緒に取り付ける。

【００１５】図４は磁極片集合体１００の端面図を示
す。集合体１００の一部には、通常の磁極板１０２、磁
極板リング１０４、シミング用トレイ１０６、受動シミ
ング位置１０７、および受動シム１０８が含まれる。リ
ング１０４は、鉄のような適当な強磁性材料で作ること
が好ましい。トレイ１０６は、ガラスエポキシのような
適当な非強磁性材料で作ることが好ましい。最後に、受
動シム１０８は、鉄のような適当な強磁性材料で作るこ
とが好ましい。

【００１６】次に、リング１０４の正しいリング心合わ
せを行うための手順について説明する。最初に、リング
１０４のベース厚さに対する校正を行う。この校正は、
二通りのやり方で行うことができる。第１のやり方で
は、すべてのリング１０４に対して、またどのリング１
０４も無い状態で通常の三次元有限要素規準を実行し、
解を減算する（以後、数値校正と呼ぶ）。第２のやり方
では、一度すべてのリング１０４が存在する状態で通常
の三次元有限要素規準を実行し、それらの影響を解析的
に計算することにより計算された磁化を使用する（以
後、解析校正と呼ぶ）。一旦、校正が行われれば、最良
の均一度を達成するためにリング１０４の厚さを最適化
する最適化プログラムが実行される。好ましい最適化プ
ログラムは、米国特許第５０４５７９４号に述べられて
いるものである。このプログラムは受動シミング最適化
手法を使用し、リング１０４の正しい厚さ（正または
負）を求める。リング１０４の配列が作成されると、リ
ング１０４の有効性を評価するためにもう一つの三次元
有限要素解析が遂行される。適正な収束値に達するま
で、反復して行われる。

【００１７】通常の締結手法によって、円形の受動シミ
ング用トレイ１０６がリング１０４に取り付けられる。
イメージング容積１５０の中の磁界を均一にするため
に、ほぼ３×３ｃｍ² で、厚さが０．００１から１．０
インチの範囲にある受動シム１０８が各トレイ１０６上
のシミング位置１０７に配置される。位置１０７および
シム１０８の厚さを決めるために、米国特許第５０４５
７９４号に述べられているような最適化手順が使用され
る。 磁石２の受動シミングは、２つの相次ぐアプロー
チで行われる。第１に、設計サイクルの間に、受動シミ
ング補正のために、磁極片集合体１００の形状によって
補正できない均一度を試験する。製造後、イメージング
容積１５０の中のどんな磁界不均一度も受動シミングに
よって補正される。前に述べた三次元有限要素コンピュ
ータプログラムを繰り返し遂行することにより、または
通常の解析的閉形式の手法により、シムの有効性に対す
る校正がまず行われる。磁石２が作られた後、各位置１
０７に基準厚さのシム１０８を配置し、イメージング容
積１５０に対するすべてのマッピング点でシム１０８の
影響を測定することにより、更に精密な校正が行われ
る。

【００１８】磁石２の動作中、磁界は超伝導コイル集合
体６によって作成され、Ｃ字形磁心集合体５０および磁
極片集合体１００によって伝えられ、増強される。これ
により、磁極片集合体１００の磁極片相互の間に比較的
強い磁界が作られ、その結果、イメージング容積１５０
が作られる。磁極板１０２相互の間に、所望の磁界、た
とえば０．３テスラの磁界を作るために、Ｃ字形の磁心
５２および磁極片集合体１００の寸法および形状、なら
びに超伝導コイル集合体６のアンペア回数が同時に設計
される。イメージング容積１５０の中で所望の不均一度
となるように磁石２を正しく設計するために、前に述べ
た三次元の非線形電磁有限要素解析が反復して使用され
る。

【００１９】イメージング容積１５０の中の磁界を均一
にするために、いくつかの手法が使用される。この場
合、容積１５０の中の初期不均一度は約１５０００ｐｐ
ｍとなるように計算される。設計磁界許容差補正のため
に、次の２つのアプローチが使用される。第１のアプロ
ーチでは、超伝導コイル集合体６の存在によって生じる
不均一度を、磁極板１０２の角度を変えることによって
補正することができる。これは、上記の三次元有限要素
規準の多重実行によって行われる。更に詳しく述べる
と、基本的な場合（磁極板１０２の傾斜が無い場合）、
および磁極板１０２の角度が小さい、すなわち０．１度
であるもう一つの場合を解析し、イメージング容積１５
０の中の均一度の改善を評価する。均一度が最適となる
ように、この角度が（解析を介して）繰り返し調整され
る。小さな傾斜角が超伝導コイル集合体６の存在によっ
て生じる非対称を相殺することができるということが解
析的に確かめられた。

【００２０】第２に、磁極板１０２によって、軸対称な
型の不均一度が存在する。この不均一度は、磁極板１０
２の上にリング１０４を形成することによって補正する
ことができる。これらのリング１０４は半径方向の幅が
２．５センチメートルであることが好ましい。各リング
１０４は、磁界の不均一度を補正するために異なる厚さ
とすることができる。更に、不均一度をより一層補正す
るために、リング１０４の代わりに磁極板１０２にみぞ
１０５を機械で形成することができる。その結果として
イメージング容積１５０の中に生じる不均一度はこのと
き、リング１０４を使用することにより１５０００ｐｐ
ｍから約２０００ｐｐｍに低下する。リング１０４の上
にシム１０８を配置した後、不均一度が２０００ｐｐｍ
から約１０乃至２０ｐｐｍに低下する。

【００２１】上記の開示により、熟練した当業者には多
くの特徴、変形、または改良が明らかとなる。したがっ
て、このような特徴、変形、または改良は本発明の一部
と考えられる。本発明の範囲は特許請求の範囲により判
定されるべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるＣ字形超伝導磁石の概略正面図で
ある。

【図２】本発明によるＣ字形超伝導磁石の概略平面図で
ある。

【図３】破線領域３に沿って図１から抜き出した、本発
明によるＣ字形超伝導磁石の超伝導コイルの詳細図であ
る。

【図４】本発明によるＣ字形超伝導磁石の磁極片の、図
１の線４−４に沿って見た端面図である。

【符号の説明】 ２ Ｃ字形超伝導磁石 ６ 超伝導コイル集合体 ５０ 磁心集合体 １００ 磁極片集合体 １０４ 磁極板リング １０８ 受動シム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ギャリー・ベッドロジアン アメリカ合衆国、ニューヨーク州、デルマ ー、ウエストチェスター・ドライブ、245 番 (72)発明者 バシン・スー アメリカ合衆国、サウスカロライナ州、フ ローレンス、ブリアール・レイス・ロー ド、708番

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超伝導コイル手段、上記コイル手段に動
   作上結合された強磁性磁心手段、および上記磁心手段に
   動作上結合された第１および第２の磁極片を含み、上記
   第１および第２の磁極片がそれらの間にギャップを形成
   するように所定の間隔だけ離して配置され、そして上記
   第１および第２の磁極片に隣接して受動シム手段が配置
   されているＣ字形の超伝導磁石。
2. 【請求項２】 上記受動シム手段が更にリング手段を含
   んでいる請求項１記載のＣ字形超伝導磁石。
3. 【請求項３】 上記受動シムが更に少なくとも２つの同
   心リングを含んでいる請求項２記載のＣ字形超伝導磁
   石。
4. 【請求項４】 上記リング手段が鉄で構成されている請
   求項２記載のＣ字形超伝導磁石。