JPH07508857A - 磁気共鳴映像法用構造型コイル電磁石 - 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】 磁気共鳴映像法用構造型コイル電磁石 （技術分野） 本発明は、電磁石の分野に関し、特に磁気共鳴映像法において使用される遮蔽超 伝導電磁石に関する。

（背景技術） 高磁界電磁石は、最近数年間に色々な形式の装置において重要な要素となってき た。このような装置の１つの重要な形式は、磁気共鳴像形成（ＭＨＩ　）装置と 一般に呼ばれる形式の如き医療用の像形成装置である。この装置は、核磁気共鳴 （ＮＭＲ）の機構を用いてイメージを生じるもので、従ってこの機構により動作 する像形成システムもまた一般にＮＭＲ像形成システムと呼ばれている。

ＭＨＩ分野でよく知られるように、主題において像形成されるべき体積内に含ま れる問題の磁気回転原子核（即ち、非ゼロ角運動量、あるいは非ゼロ磁気モーメ ント）を偏光するため高いＤＣ磁界が生成される。このＤＣ磁界の大きさは、今 日では０．１５テスラ乃至２，０テスラの大きさの範囲にわたり、４．０乃至６ ．０テスラもの高さに及ぶ更に大きな磁界も、特に分光法ならびに断層撮影法の 実施に対して将来において有効である。像形成されるべき主題の体積（即ち、問 題となる体積、即ち、ｒＶＯＩＪ）は、高いＤＣ磁界を受取りその内部でＤＣ磁 界が実質的に均一である体積である。

像形成は、内部に含まれる磁気回転原子核における核磁気共鳴の機構を用いてＶ ＯＩにおいて得られる。このため、大磁界のＤＣ磁石に加えて、ＭＲＩ装置は、 ＤＣ磁界に対しである角度で、かつ選択された体積内の問題となる原子の共振周 波数と整合する周波数で配向された振動磁界を生じる発振コイルを含み、最近の ＭＨＩにおいて問題となる周波数は無線周波（ＲＦ）範囲内にある。規定された 体積内の磁気回転原子核がこの体積の外側の原子核とは異なる共通した共振周波 数を持つので、（勾配コイルにより生成される）勾配磁界の変調により小さな体 積の逐次の像形成を可能にする。次にこの小さな体積からの像を用いて、問題と なる内部の臓器または部位の如きより大きな体積の複合像を形成する。一連の像 を生じるには、ＭＲＩ装置はまた、像形成される体積内の核磁気双極子により電 流を誘起し得る検出コイルをも含んでいる。

動作において、周知のように、振動磁界の周波数で磁気回転すると共に共振する 体積内のこれら原子の磁気双極子モーメントは、既知の角度、例えば９０°だけ 共振ＲＦ捩振動よりその偏波された方位から回転させられる。このＲＦ励起は次 に除去され、検出コイルに誘起された電流が、像形成される体積内の問題となる 原子量と対応する減衰率を決定するため時間的に測定される。勾配磁界における 変調による選択体積内の像形成プロセスの増分的な順序付けが、主題の組成と対 応する主題の一連の像を生じ得る。従来のＭＲＩは、Ｘ線には透過する内部のＩ ｊｉＥなどの柔軟な組織の像形成では成功してきた。

当技術において、得られる磁界強さが増すのに伴ってＭＨＩ断層撮影法の空間的 分解能が改善することは周知である。診断医療の像形成において有効な従来のＭ ＨＩ装置は、５にガウス以上の如き高いＤＣ磁界を必要とする。

このような高い磁界を生じるのに必要なアンペア−巻線数が大きくなるため、従 来のＭＲＩシステムは現在では一般にそのＤＣコイルに超伝導ワイヤを用いる。

これらのコイルに送られる電流の大きさが非常に高いが、このような磁石に要求 される超伝導材料およびこれに伴う低温システムは非常に高価であり、またＭＲ Ｉ装漬における磁石の大きさおよび重量を著しく増す。極端な場合には、ある従 来のＭＲＩ磁石は、地下あるいは地上の研究室へのＭＲＩ装置の据付けを制限す るほど重い（例えば、２０トン程度）。このような磁石により生じるフリンジ磁 界を遮蔽するため要求される必要なコイルおよび鉄材の増加は、ＭＲＩ装工の大 きさ、重量および製造コストを更に増すものである。

背景として、共に参考のため本文に援用される、本願と共に譲渡された米国特許 第４，７８３．６２８号（１９８８年１１月８日発行）および同第４．８２２゜ ７７２号（１９８９年４月１８日発行）が、超磁性体遮蔽の超伝導磁石について 記載している。これらの米国特許に記載されたこれら磁石は、鉄の如き強磁性体 の受動的遮蔽を用いている。超伝導ループにおいて伝導される電流の関数として 磁界強さを考慮し、かつ４テスラ程度の如き非常に強い磁界でさえ磁石の内孔に おける非常に均一な磁界を用いて、これらの特許に記載された磁石の構造は非常 に有効な磁石を提供し、内孔の外側壁部から５０乃至１００ｃｍの５ガウス線に よりこの遮蔽はまたこのような磁石において非常に良好である。

能動的超伝導遮蔽ループに実質的に依存するものであるが従来の超伝導磁石の別 の事例は、米国特許第４，５９５，８９９号に記載されている。この文献に開示 された磁石は、３つのシールド・コイルにより囲まれた１セツトの３つの駆動コ イルを持ち、このシールド・コイルに流れる電流は磁石の外側の双極子を正確に 打消すように調整される。外側の強磁性遮蔽もまた、更に別の遮蔽を補佐するよ うにシールド・コイルの周囲に配置されている。ＭＨＩにおいて使用される他の 従来の磁石の事例については、米国特許第４，６１２，５０５号に遮蔽が磁性の 軟鉄ロッドと導電コイル、あるいはその両方によって得られることが記載され、 １９９２年４月３０日発行の米国特許第５．０１２．２１７号が能動的および受 動的な遮蔽の組合わせを用いる更に他の従来の超伝導磁石について記載している 。

能動的している磁石は強磁性している磁石に比して磁石重量を著しく減じるが、 これら磁石の重量は、依然として非常に大きく、例えば２０トン程度である。そ の結果、ＮＭＲステーションの如き医療装置において用いられる時は、磁石が強 磁性タイプ、能動遮蔽タイプあるいはその２つの組合わせのいずれで構成される かに拘わらず、磁石の据付けのため要求される「フットプリント（ｆｏｏｔｐｒ ｉｎｔ）Ｊと部屋の床の重量支持能力とは共に重要である。その結果、コストの 観点からは、ＮＭＲ研究所のコストを低減するため物理的な大きさおよび重量を 低減することが望ましい。

米国特許第４．５９５，８９９号に示される通り、また他の従来の電気的に遮蔽 された磁石に対しても当てはまるように、磁石において使用される強磁性遮蔽は 、一般に磁石の内孔からある距離だけ離れて配置される。このような配置は、当 技術においては周知のように、内孔付近の鉄または他の強磁性体が内孔内の磁界 、特に約１．０乃至１．３テスラにおける鉄に対する磁気飽和閾値より高い磁界 において非線形的な影響を及ぼす故に、内孔内の磁界の形状および均一性に対す る鉄の影響を制限するために意図される。その結果、これらの従来の磁石におけ る鉄の全効果は、内孔内の磁界に対する影響を最小限にすることを意図して、磁 石からある距離におけるフリンジ磁界を生じることである。ある場合には、強磁 性遮蔽は、磁石（あるいは、磁石を含むＭＲＩ装置）を囲む空間の壁部以内にあ るように内孔から離れて配置される。内孔から強磁性体を隔てることは、磁石お よびその遮蔽に対する大きな「フットプリント」を必要とするか、あるいは磁石 またはＮＭＲ装置を収容する特に構成された空間を必要とするかの磁石および装 置の使用における大きな問題を生じ、いずれの方法も高いコストとまずい空間利 用を生じる結果となる。

ＭＨＩにおいて用いられる他の従来の磁石の事例は米国特許第４．６１２．　５ ０５号に記載され、これにおいては遮蔽が磁性の軟鉄ロッド、導電コイル、また はその両方によって得られる。特に、米国特許第４．６１２．５０５号の図３は 、磁石の外側に配置された比較的大きな１対の超伝導遮蔽コイルの使用を開示し ている。更に、この文献の図４は、磁性軟鉄の遮蔽スリーブを持つ磁石とその外 側に配置されたシールド・コイルとを示している。この文献に開示された磁石は 、０゜２５乃至０．３テスラ程度の比較的低い磁界強さと、磁石の軸心から３メ ートルの距離で１０ガウス以上の如きやや高いフリンジ磁界とを持っている。

１９９２年４月３０日発行の米国特許第５，０１２，２１７号は能動的および受 動的な遮蔽の組合わせを用いる更に他の従来の超伝導磁石を記載している。この 文献は、主駆動ソレノイドの周囲であるが遮蔽ソレノイド内部（対向する磁界を 生じる）に受動的な強磁性遮蔽を配置することを開示している。この構成は、明 らかに、大量の強磁性遮蔽が低温自動装置ｔ（ｃｒｙｏｓｔａｔ）内部に配置さ れることを必要とし、低温負荷を実質的に増し、従って超伝導コイルを超伝導温 度に維持するコストを実質的に増す。

単独あるいは強磁性遮蔽と組合わせる電気的遮蔽を用いる従来の磁石においては 、外側コイルに対する超伝導材料のコストは、内部の駆動コイルに対するコスト と同じ程度である。低温負荷もまた、超伝導の能動的遮蔽磁石では更に多くの超 伝導体によって非常に大きくなる。更にまた、特に所要の磁界が１．５テスラ以 上である場合に、対向磁界の打消しによって遮蔽が行われる磁石の内孔内の磁界 の均一性を達成することが困難であると信じられる。

磁石内孔内の磁界に対する鉄の影響についての更なる論議が、５ｉｅｂｏｌｄ等 の「鉄による磁石を最適化するためのコンピュータ・プログラムの性能および結 果（Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｄ　Ｒｅ５ｕｌｔｓ　ｏｆ　ａ　Ｃｏｍｐｕ ｔｃｒ　Ｐｒｏｇｒａｍ　ｆｏｒ　Ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ　Ｍａｇｎｅｔｓｗｉ ｔｈ　Ｉｒｏｎ）Ｊ　（ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ、Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ１第２４巻 、第１部、４１９〜４２２ページ、１９８８年１月）に記載されている。特にこ の論文の図３に示されるように、このコイル−システムは、内孔内に均一な磁界 を生じるために鉄ヨークと関連して設計され用いられねばならない。

しかし、米国特許第４，７８３，６２８号および同第４，８２２，７７２号に記 載された強磁性遮蔽磁石の重量および大きさは、（２０トン程度の重さの能動的 遮蔽磁石と比較して）３５乃至１３０トン程度と非常に大きくなり得る。その結 果、ＮＭＲステーションの如き医療装置において使用される時、このような磁石 の据付けに必要な「フットプリント」、ならびに空間の床の荷重支持能力が共に 重要である。無油、ＮＭＲ装置の物理的大きさと重量とを減じることが望ましく 、これによりＮＭＲ研究所のコ不トを低減する。従来のＮＭＲ磁石の大きいフッ トプリントの他に、患者の全身が像形成過程の大部分においてこのような長さの 磁石内部に配置される時に多くの患者が不快であることが判った。実際に、従来 の円筒状ＮＭＲ磁石は「トンネル」磁石と呼ばれ、像形成過程において内部に厘 かれた時対象の人間が感じる恐慌を表わしている。従って、良好な磁界の均一性 を持つＮＭＲを目的とする高磁界の磁石を提供することもまた望ましい。

更なる背景として、上記の米国特許第４，７８３．６２８号および同第４，８２ ２．７７２号に記載された如き磁石用の駆動コイルが形状において円筒状であり 、その結果均一な磁界が内孔の軸方向長さの一部にわたって提供されるようにす ることを知るべきである。例えば、米国特許第４，５８７，４９０号および同第 ４，５９０，４２８号に、またＥｖｃｒｅｔｔ等の「均一な磁界のための球状コ イル（Ｓｐｅｒｉｃａｌ　ｃｏｉｌｓ　ｆｏｒ　ｕｎｉｆｏｒｍ　ｍａｇｎｅｔ ｉｃ　ｆｉｅｌｄｓ）Ｊ　（Ｊ、Ｓｃｉ、Ｉｎｓｔｒｕｍ、第４３巻、４７０〜 ４７４ページ、１９６６年）に記載されるように、均一な磁界を内孔内に生じる ため球状コイルあるいは疑似球状コイルの構成を提供することもまた公知である 。

更に、内孔内の磁界の均一性の調整を提供するため従来の鉄遮蔽磁石に誤差コイ ル即ちトリム・コイルを提供することもまた公知である。このような磁石の一例 は米国特許第４．４９０，６７５号に記載され、これにおいては誤差コイルが軟 鉄の円筒状遮蔽内にある如くに開示されている。米国特許第４，５９０，４２８ 号および同第４．５８７，４９０号もまた、鉄のシリンダ内部に主コイルと誤差 コイルとを含むＮＭＲまたはＭＲＩ磁石を開示している。

更なる背景として、米国特許第４，９２４，１８５号は、別の円筒状超伝導磁石 について記載している。同特許に開示されるように、内孔の直径に対する内孔の 長さの比が１．９０より小さくなるに伴い患者側の圧迫感が減少する。

更なる背景として、米国特許第４．６８９．５９１号は、細心に沿って非対称的 に配置された複数の同軸コイルを有し、磁石の中間面から外れされた問題となる 体積を結果としてもたらす超伝導磁石を開示している。しかし、この磁石におけ る問題の体積は、偏ってはいるが円筒状内孔内に充分に収まり、ＭＲＩ処置のた め患者の全身を挿入することを必要とする。

別のタイプの従来のＭＲＩ磁石は、熱的に絶縁されたニオブ／錫の超伝導体を用 いる如き磁石を含むヘルムホルツ・コイル形式のものである。しかし、この磁石 もまた、ヘルムホルツ・コイル間に患者の全身を挿入することを必要とする。

更なる背景として、１９９１年９月１７日発行の米国特許第５．０４９．８４８ 号は、マンモグラフィ　（ｍａｍｍｏｇｒａｐｈｙ）におけるＭＨＩに適する磁 石形態を開示している。この磁石形態は、矩形状であって、像形成が行われるべ き間隙ｇにおける２つの面内に磁束を生じるための永久磁石を含んでいる。前方 縁部のフリンジ磁界を低減するため患者の背後に配置される如き微調整用（Ｓｈ ｉｍｍｉｎｇ）電磁石が開示されている。

更なる背後として、強い磁界を提供するための円筒状コイルは、Ｍ、　Ｗ、　Ｇ ａｒｒｅＬｔ著「６乃至２０次位の磁界即ち勾配のある均一性を持つ強磁界のた めの厚い円筒状コイル・システム（Ｔｂｉｃｋ　Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ　Ｃｏ １Ｉ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　ｔａｒ　Ｓｔｒｏｎｇ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｆｉｅｌｄ ｓｗｉｔｈ　Ｆｉｅｌｄ　ｏｒ　Ｇｒａｄｉｃｎｔ　ＨｏｍｏｇｃｎｃｉＬｉｃ ｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　５ｔｈ　ｔｏ　２０Ｌｂ　０ｒｄｅｒ）Ｊ　（Ｊ、Ａｐｐｌ 。

Ｐｈｙｓ、第３８巻、第６部、２５６３〜２５８６ページ、１９６７年）に記載 される如く公知である。この文献の２５７８〜２５８３ページに記載される如く 、Ｌｙｌｅの原理に従って縁返して形状を修正することによる理想的な磁石要素 のより大きな断面積への拡大は、他の円筒状の正のコイル内部に負の電流極性の ノツチ即ち空洞のコイルを有する磁石になるまで用いることができ、このノツチ は内部または外部の半径方向面（文献の図２参照）のいずれかにあるか、あるい は完全に正のコイル内部にある。

前掲のＧａｒｒｅＬｔの論文に記載された方法において、また円筒状磁石を設計 するための他の周知の方法により、設計者は、内孔内の磁界の軸方向成分が問題 となる体積（ＶＯＩ　）内の調和関数でありこれを一連の球の調和関数へ拡張す ることができることの特性に依存する。このような拡張の係数は、原点（ＶＯＩ の中心）における軸方向磁界の軸方向の導関数として表わすことができる。各磁 気コイルの断面におけるその時の密度が一定であるものとすれば、これらの軸方 向導関数は、ビオ−サバール（Ｂ　ｉ　ｏ　ｔ−３ａ　ｖａ　ｒ　ｔ）の法則の 積分を必要とすることな（、コイルの形状から直接計算することができ、ＶＯＩ における軸方向磁界の望ましくない調和関数が消滅するように磁石の形状を調整 することを可能にする。このような−殺生された手法によって、（前掲のＧａｒ ｒｅｔｔの論文参照）管形状の設計条件によりコンピュータ支援方法が開発され 、このような磁石の設計を容易にする１、シかし、このような一般的方法は、こ の計算を容易に行うためには、ＶＯＩの場所を高度に拘束し、このためこのよう な一般的方法は円筒状磁石の中間面に集中するＶＯＩの場合に実際に適用し得る 。

更なる背後として、磁石を設計するため広く用いられる従来の方法については、 図２１に関して次に述べる。図２１は、関心のあるＶＯＩの体積における所要の 大きさ、方向および均一性の磁界を生成するため意図される磁石の断面図である 。

図２１の表示は、ρ＝０軸周囲の軸方向に対称であると共に２＝０軸周囲の中間 面対称である従来の磁石の場合に対する２−０面の１つの象限（ｑｕａｄｒａｎ 【）である。従来の手法によれば、磁石の設計者は、磁石におけるコイルの数お よび各コイルの断面形状を選択する。例えば、図２１の磁石においては、矩形状 の断面の３つのコイル７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃが、それらの初期の場所およびそ れらのその時の大きさおよび極性と共に仮定される。

従来の設計方法論においては、問題となるＶＯＩの体積内の磁界は、一般に、米 国フロリダ州のＪａｃｋｓｏｎｖｉ　Ｉ　ｌｅのＦｅｒｒａｒｔ　Ａｓ５ｏｃｉ ａＬｅｓ社から入手可能な０ＰＵＳコンピユータ・プログラムの如き周知のシミ ュレーション・プログラムの使用によって決定される。次いで、コイル７０Ａ乃 至７０Ｃにおける大きさ、場所および電流の反復的な調整の後に続く、各増分的 な調整の後の磁界の推定によって、設計の目標に近づく磁界のパラメータの最適 化が行われる。問題となるｖＯＩの体積に関する最適条件にシミュレートされた 磁界が達すると同時に、各コイルの位置、電流および大きさが決定される。例え ば、図２１における磁石の場合は、最良の磁界（即ち、最小化された誤差）の条 件は、図示の如き位置におけるコイル７０Ａ′、７０Ｂ′、７００′に対するも のである。

図２１における最初のコイル７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃに対する最適化されたコイ ル７０Ａ′、７０Ｂ′、７０Ｃ′の比較は、周知の磁石設計手法により与えられ る設計の自由度を示している。コイルの個数（即ち、象限当たり３つ）およびそ の形状（例えば、矩形状）は、このような周知の方法論においては固定されたま まである。このため、磁石の設計は、所要の固定を得る際にコイルの大きさ、縦 横比、電流および場所を調整するだけでよい１．このような自由度数は、問題と なる体積が内孔内の中心に置かれる中程度の磁界の大きさおよび均一性の要件の 円筒状磁石の設計においてはしばしば充分であるが、このような周知の方法論は 、問題の体積が内孔内で中心にない場合、特に磁界の強さおよび均一性の要求が 非常に厳しい場合に磁石を成功裏に設計するためには不充分であることが判った 。

従って１本発明の目的は、最適化においてより大きな自由度数を持つ方法により 構成される電磁石の提供にある。

本発明の更に別の目的は、コイルの個数およびその断面形状（即ち、コイルの境 界および境界数の両方）が設計パラメータであり、かつ問題となる選択された体 積における磁界の強さおよび均一性の最適化において選択される如き電磁石の提 供にある。

本発明の更に他の目的は、円筒状磁石および平坦磁石を含む色々な対称性の磁石 に対して適用し得る磁石の製造方法の提供にある。

本発明の更に他の［１的は、内孔から突起するように内孔の中心からのオフセッ トを含む内孔に対する任意の位置における問題となる体積に対する設計の最適化 を可能にする如き磁石の提供にある。

本発明の他の目的は、問題となる体積の中心を磁石の内孔の外側に置（ことを可 能にする如き方法の提供にある。

本発明の他の目的は、磁石の内孔への患者の全身の挿入を必要としないＮＭＲ装 置において使用される超伝導磁石の提供にある。

本発明の他の目的は、人間の内蔵の生体内のＮＭＲ断層写真法を可能にするに充 分な磁界強さを持つ如き磁石の提供にある。

本発明の他の目的は、頭脳、女性の胸部などの如き特定臓器の像に適する如き磁 石の提供にある。

本発明の他の目的は、ＮＭＲ断層写真装置を実質的に携帯可能にする如き磁石の 提供にある。

本発明の他の目的は、高度の有効遮蔽を備えた非常にコンパクトな超伝導磁石の 提供にある。

本発明の他の目的は、患者が配置される大きな開口を備える如き磁石の提供にあ る。

本発明の他の目的は、比較的軽い重量と低いコストを有する如き磁石の提供にあ る。

本発明の他の目的は、単一の低温自動装置を用いて製造することができる如き磁 石の提供にある。

本発明の他の目的および利点については、当業者が以降の記述を図面と共に参照 すれば明らかになるであろう。

（発明の概要） 本発明は、人間の臓器のＮＭＲ断層写真法において有効な超伝導磁石に盛込むこ とができ、またこれを製造する方法に盛込むことができる。本発明の方法によれ ば、内部で所与の範囲の電流が存在することを許容される対称面の１つの領域が 選択され、このような領域は「タイリング（ｔｉｌｉｎｇ）Ｊと呼ばれる。ＮＭ Ｒ断層写真法において問題となる体積の如き目標点の場所および属性もまた選択 される。次に、前記タイリング内の種々の場所における電流を決定するために、 シミュレートされる磁界と所要の値との間の誤差形態の拘束される２次の最適化 の如ぎ最適化手順が実施される。このような最適化において集積（ｃｌｕｓｔｅ ｒｉｎｇ）の現象が生じて、一般に許容放射線の限界における共通の電流の大き さと棲性を持つタイリングの隣接領域の定義を結果として生じ、これが実際の磁 界を従来の技法によって容易に作ることを可能にする。

このように、本発明は、問題となる体積が、問題となる体積中心が内孔から突出 しあるいは更に完全にこの内孔の外側にある場所を含む、磁石の内孔中心からオ フセットされた場所に置くことができる磁石の構成を可能にする。このことは、 患者の全身を磁石の内孔へ挿入することを必要とせずに、女性の胸部、頭部など を含む人体のＷａ器または付属器官のＮＭＲ断層写真法のため磁石を特に設計す ることを可能にする。このように、断層写真手順の間の患者の不快度が低減され 、コンパクトな大きさおよび重量の断層写真装置を結果として得ることができる 。

本発明はまた、能動型シールド・コイルと強磁性差蔽との組合わせを用いて円筒 状の超伝導磁石に実現することもできる。シールド・コイルは、超強磁性遮蔽の 外側であるが超強磁性遮蔽の半径内の内孔からの半径でかつ超強磁性遮蔽の端部 に置かれ、従来の超伝導磁石の鉄の端板を置換する。その結果、超強磁性遮蔽が 内孔に非常に接近してシールド・コイルの間隙内に配置される。シールド・コイ ルは、生コイルと共に単一の低温自動装置内部に配置することができ、またこの 主コイルは一定半径のボビン上に形成することができ、これにより磁石の製造コ ストを著しく低減する。このため、結果として得る磁石は鉄の飽和閾値より高い 磁界をＭＲＩに適する如き内孔内の高い均一性にあって低いフリンジ磁界と小さ い総重量で生成することができる。

（図面の簡単な説明） 図１は、水平方向に指向された本発明の第１の実施例による磁石の立面図、図２ は、垂直方向に指向された図１の磁石の立面図、図３ａおよび図３ｂは、それぞ れコイルおよび低温自動装置に対する問題となる体積の位置を示す図１の磁石の 断面立面図および平面図、図４は、立面図における図１の磁石におけるコイルの 断面概略図、図５は、図１の磁石により生成される均一なフリンジ磁界の磁力線 図、図６は、本発明の第２の実施例による磁石の断面立面図、図７は、図６の磁 石の断面立面図、 図８は、図６の磁石の断面平面図、 図９は、！蔽されないバージョンによる図６の磁石におけるコイルの概略断面図 、 図１０は、図６の遮蔽されない磁石により生成される磁力線を示す図、図１１は 、能動遮蔽バージョンによる図６の磁石におけるコイルの概略断面図、 図１２は、図１０の遮蔽されたバージョンによる図６の磁石により生成される磁 力線を示す図、 ′Ａ１３は、本発明の第３の実施例による磁石の斜視図、図１４は、図１２の磁 石の概略断面図、図１５は、遮蔽されないバージョンによる図１２の磁石におけ るコイルの断面立面図、 図１６は、図１４の遮蔽されない磁石により生成される磁力線を示す図、図１７ は、能動遮蔽バージョンによる図１２の磁石におけるコイルの概略断面図、 図１８は、図１６の遮蔽バージョンによる図１２の磁石により生成される磁力線 を示す図、 図１９ａおよび図１９ｂは、本発明の望ましい実施例による磁石設計に対する方 法論を示すフローチャート、 図２０は、図１９ａおよび図１９ｂの方法論により設計された超伝導コイルの概 略断面図、 図２１は、従来の設計方法論を示す従来の磁石の１つの象限の概略断面図、図２ ２は、鉄の磁束の帰還線を含むバージョンによる図１２の磁石におけるコイルの 概略断面図、 図２３は、図２２のバージョンによる図１２の磁石により生成される磁力線を示 す図、 図２４は、複数のコイル組立体を含むバージョンによる図１２の磁石におけるコ イルの概略断面図、 図２５は、図２４のバージョンによる図１２の磁石により生成される磁力線を示 す図、 図２６は、種々の超伝導体のケンチング閾値を示すプロット図、図２７は、本発 明の望ましい実施例による超伝導磁石のブロック形態における軸方向断面図、 図２８は、磁気共鳴映像のコンテキストにおいて用いられる如き人体に対する関 係を示す図２７の磁石の軸方向断面図、図２９は、図２７の磁石に対する鉄の遮 蔽の半径方向の断面図、図３０は、シミュレートされた図２７の磁石の磁力線を 示すプロット、図３１は、シミュレートされた図２７の磁石の磁力線を示すプロ ット、図３２は、本発明の代替例による超伝導磁石の半部の軸方向断面図、図３ ３は、図３２の磁石の磁力線を示すプロットである。

（実施例） 先に述べたように、本発明は、磁気共鳴映像法（ＭＲＩ　）において有効なもの として問題となる体積内部の高い均一性の磁界を提供することができる超伝導磁 石、およびこの超伝導磁石を製造する方法に関するものである。以下の記述は、 以下本文に個々に述べる３つの実施例により本発明の詳細な記述を示すことを意 図するものである。

以下に述べるように、本発明による磁石を製造する方法が円筒状磁石に適用し得 るのみならず他の対称型の磁石に対しても用いることができることを知るべきで ある。例えば、粒子加速器において用いられる形式の長形磁石においては、磁石 の（長手方向における）端部は、内孔内の中心位置における磁界に影響を及ぼす ことがないため、内部の諸点から有効に無限に離れている。このため、内孔の軸 方向と直角をなす面内の各断面は他の全ての断面と同じである。従って、円筒状 磁石に対して以下に述べる方法は、内部の断面の１つを考えれば、長形磁石の設 計において適用し得る。

本文において用いられるある用語の定義については、以降の記述を明瞭にする目 的のため次に述べる。用語「タイリングｊとは、本文の記述においては、電流が 許容される、即ち電流値が最適化手順において設定される磁石の設計面内の１つ の領域を識別するために用いられる。１つのタイリング内の基本的な断面積は「 コイル要素Ｊと呼ばれ、各タイリングが多数のコイル要素からなるようにする。

「コイル」とは、同じ電流極性を持ち、一般に類似した電流の大きさを持つ１つ のタイリング内のコイル要素の連続的な区分を指し、これらのコイルが以下本文 に述べる設計手法により作られる電磁石内部の実際の物理的な超伝導コイルと対 応している。

まず図１において、本発明の第１の望ましい実施例により構成され、ＮＭＲ断層 写真法において、従ってＭＲＴ装♂において有効である高いＤＣ磁界を生じる超 伝導磁石２について、最初に述べる。本発明の第１の実施態様によれば、超伝導 磁石２は、床Ｆのレベルより上方に延長するように研究室の床Ｆ内に部分的に配 置される。磁石２の頂面の高さは、床Ｆの表面より１メ一トル程度高いこと、即 ち、略々テーブルの頂面にあることが望ましい。ＤＣ磁石２が図１に示されるが 、勾配コイル、ＲＦコイルおよび検出コイルが磁石２の頂面あるいはその付近に 設けられて、ＮＭＲ断層写真法において必要な振動磁界および勾配磁界、および 検出能力を提供する。磁石２の筐体もまた、以下に述べるように、磁界を生成す るための超伝導コイルと要求される遮蔽とを含む低温自動装置の諸次元と略々対 応している。

ＮＭＲ断層写真手順を行うためには、関心のあるｒＱ器（この場合、頭部）が磁 石２の内孔４の位置に重なるまで患者Ｐが磁石２の中心部分で側方に移動させら れる。以下に述べる磁石２におけるコイルの構成は、磁石２の表面より上方で問 題となる体積（ＶＯＩ）全体にわたり非常に均一な磁界Ｂを生じる。本例におい ては、ＶＯＩは、その中心が磁石２の表面より略々１５ｃｍ上方で直径が２０ｃ ｍの球である。磁石２の内孔４の外側の問題となる体積の提供は、患者Ｐがトン ネルまたは他の筐体内へ挿入されることを必要とすることなく、患者Ｐの臓器の 像形成を可能にする。このため、妥当な大きさのＶＯＩに勝る充分な解決法を提 供しながら、患者の不安は非常に減少する。

図２において、磁石２′の別の構成が示される。本例においては、以下に述べる 方法で図１の磁石２と似た構成の磁石２′が、その活性を有する外面が床Ｆに対 して略々直角になるように、かつ壁部Ｗの表面と平坦になるように垂直方向に向 けられている。本例では、内孔４は水平に指向され、磁石２の内部のコイルが床 Ｆと平行な方向に、かつ磁石２の外側のＶＯＩにわたって略々均一な磁界Ｂを生 成する。生成された磁界Ｂもまた、患者Ｐの選定された臓器（例えば、図２に示 される如く頭脳）が容易に像形成されるように、頂面の高さで床Ｆの表面の上方 ｌこ約１メートルにあることが望ましい。本例においては、患者Ｐは内孔４の位 置と対応する高さを持つベッド６上に配置される。図１の磁石２の場合と同様に 、内孔４の外側の問題となる体積における均一な磁界Ｂの生成が、患者を磁石の 内孔へ挿入することなく患者の臓器のＮＭＲ像形成を可能にし、これにより患者 の観点から非常に少ない圧迫感で高い分解能の像形成を可能にする。

図１および図２の各々において、磁石２が個々に示されていることを知るべきで ある。無油、全ＭＲＩンステ１１の残部が磁石２との組合わせにおいて設けられ 、これが大きなりＣ１６界を生じることが理解されよう。例えば、磁石２の外に は、従来のＭＲＩシステムは、それぞれ共に従来のＭＨＩに必要である、ＶＯＩ 内の勾配磁界を生じる勾配コイルと、無線周波の磁界励起を生じるＲＦコイルと を含んでいる。更に、ＶＯＩにおける磁気回転原子核の応答からこれに印加され る磁界まで電流が誘起される検出コイルもまた設けられ、従来のコンピュータ制 御および像記ｔｆ２装置もまた設けられる。これらの特定の付加的要素の設計は 、勾配コイル、ＲＦコイルおよび検出コイルが磁石２のテーブル高さより下方に （図１）かつ壁部Ｗの背後に（図２）配置されることが非常に望ましいが、無油 、要求される特定のＭＲＩシステｔ・設計に依存する。当業者が従来の手法を用 いて本発明の実施例に従って磁石２．２′に対してこのような付加的な特徴を与 えることができると考えられる。例えば、勾配コイルの設計のための従来の手法 については、Ｐｉｓｓａｎｅｔｚｋｙの「一般的形状の最小エネルギＭＲＩ勾配 コイル（Ｍｉｎｉｍｕｍ　ｅｎｅｒｇｙ　ＭＲＩ　ｇ　ｒａｄｉｅｎｔ　ｃｏｉ ｌｓ　ｏｆ　ｇｃｎｅｒａｌ　ｇｅｉｏｍｅｔｒｙ）Ｊ　（Ｍｅａｓ、Ｓｃｉ、 Ｔｅｃｈｎｏｌ。

第３巻、６６７〜６７３ページ；ＩＯＰ　Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ　Ｌｔｄ、１９ ９２年）に記載されている。

次に、図３ａおよび図３ｂにおいて、図１のテーブル下方の磁石２の構造につい て次に述べる。本例においては、磁石２は、２０ｃｍ程度の直径の球状ＶＯ！に わたって高い均一性（１０ｐｐｍ以下の偏差）をもち、かつ磁石２のコイルの頂 面より約１０ｃｍ上方に中心をなす５にガウス程度の適当に高いＤＣ磁界を生じ ることができる。

図３８は、断面立面図における磁石２の構造を示し、Ｉ、Ｅ１３ｂは、断面図で 磁石２を示している。本発明のこの実施例によれば、磁石２は低温自動装置９の 内部に配置されたコイル組立体１０を含む。コイル組立体１０は、各々が内孔４ の周囲の従来のボビン構造内に配置された超伝導ワイヤの複数の巻線数を有する 複数のコイルＩＯＡ乃至１０Ｆを含み、内孔４の軸心と平行な方向に磁界を生成 する。

超伝導コイルＩＯＡ乃至１０Ｆの構成、およびこれにより通される電流の大きさ については、以下において更に詳細に述べることにする。

従来の超伝導ワイヤが、本発明の当該実施例に従ってコイルＩＯＡ乃至１０Ｆに おいて用いられる。このような従来の超伝導ワイヤの一例は、米国イリノイ州の に１ｃｎｄａｌｃ　ＨｃｉｇｈｔｓのＯｕｔｏｋｕｍｐｕ　Ｃｏｐｐｅｒ（ＵＳ Ａ）Ｉｎｃ、により製造され販売される５ＣＯＫ超伝導ワイヤである。この５Ｃ ＯＫワイヤは、６テスラの磁界で５７０Ａの定格を持つ１．０５ｍｍ（外径）の ２．３２：Ｉ　Ｃｕ／ＮｂＴｉワイヤからなっており、従ってこのワイヤの容量 は従来からの根強いスイッチの５０ＯＡの電流定格を越える。このコイルは、従 来の方法で相互に絶縁されており、低温自動装置内部の各所の従来のボビン内部 に配置されてワイヤ間に充分な間隙を残してかなりの量の銅製スタビライザ、機 械的帯止めおよび溝を許容して、低温流体の循環を許す。

低温自動装置９は、超伝導温度まで冷却される時内部が所要の真空まで減圧する ことを許容する充分な強さの、超伝導コイルのワイヤが配置されるボビンに対す る所要の構造的支持部を提供しかつ低温冷媒の流通を許容する３０４Ｌステンレ ス鋼の如き周知の非磁性ステンレス鋼シェルである。従来の低温圧縮装置（図示 せず）が、低温自動装置９の内部を超伝導温度まで冷却する従来の配管により低 温自動装置９に接続されている。例えば、超伝導ワイヤがニオブチタン合金から 形成される場合、超伝導温度の上限は９．２°にである。このような温度を維持 することができる低温装置の一例は、冷媒液体として液体ヘリウムを使用するＣ ＶＴ　Ｉｎｃ、により製造販売されるモデルＣＧＲ５１１−４，５である。

また本発明の当該実施例によれば、鉄製シールド１２がコイル組立体１０および 低温自動装置９の外側に配置される。鉄製シールド１２は、磁界の周知の方向に おける遮蔽を行い、これにより磁石２からのフリンジ磁界を低減する。更に、鉄 製シールド１２はまた、前掲の米国特許第４，７８３，６２８号および同第４゜ ８２２，７７２号に記載された如き磁石２により生じる磁界を強化するように働 く。

製造コストを最小限に抑えるため、また特に鉄製シールド１２が要求されねばな らない公差を最小化するため、鉄製シールド１２がコイル組立体１０の周囲に配 置された一連の鉄板１２ａを含み、鉄板１２ａとコイル組立体１ｏの両方が下部 の鉄の遮蔽装−１１２ｂに重なっている。図３ｂに示されるように、板１２ａは 内孔４の軸心と平行な方向に相互に平行に隣接して、かつコイル組立体１ｏの円 形断面の周囲に多数のセグメント状に配置されることが望ましい（図３ｂ参照） 。

各板１２ａは、磁石の円形断面において弦を描き、磁石２の表面と下部の鉄製シ ールドの部分１２ｂとの間の高さまで延長している。板１９の望ましい材料は、 周知のように強磁性体である１００８鋼である。板１２ａの幅は内孔４からその 半径方向距離だけ増加して、そのセグメントにより画成される円弧内の容積を略 々埋める。本例においては、鉄板１２ａの１５枚のセグメントが内孔４とコイル 組立体１０を囲繞している。

コイル組立体１０の下側の下部鉄製シールド部分１２ｂは、１つの鉄スラブから 形成されるか、あるいは内孔４の軸心がこれに直角となるように配向された円形 の断面の複数の鉄板から形成される。

鉄製シールド１２の内部に低温自動装置９を設ける代わりに、低温自動装置の体 積はまた鉄製シールド１２をも含み得る。低温負荷がこの代替的な構造に対して 実質的に増えるが、コイル組立体１０に対して鉄製シールド１２が更に接近する ことで改善された遮蔽を生じる結果となり得る。

本発明のこのような実施例により構成される磁石２は、その実現のために大きな 体積を必要とするのではなく２０Ｃｍの直径になるように構成することができる 。本発明のこの実施例により作られることを意図する磁石２の事例においては、 磁石２の（鉄製シールド１２を含む）全直径は３７０ｃｍ程度であり、下部の鉄 製シールド１２ｂの底部から鉄製シールド板１２ａの頂縁部（およびコイル組立 体１０の頂面）まで測定された磁石２の高さは、１４０ｃｍ程度である。組立て られた時の鉄製シールド板１２ａの各セグメントの半径方向厚さは６０ｃｍ程度 であり、下部の鉄製シールド部分の厚さもまた５Ｑｃｍ程度である。本例におけ る内孔４の直径は約４ｃｍであり、（内孔４の軸心からその外周部まで測定され た）コイル組立体１０の半径は１８５Ｃｍ程度である。コイル組立体１０の厚さ は８０ｃｍ程度である。

図３ｂは、相互に異なる全電流の大きさおよび極性を持つコイルＩＯＡ、１０Ｂ 、ＩＯＣ，１０Ｄ、ＩＯＥおよびＩＯＦを含んでいる。図３ｂに示される矢印は 、紙面から出てくる方向を持つ磁界Ｂと対応する電流方向を示している。コイル ＩＯＡ、ＩＯＢ、ＩＯＣ，ＩＯＤ、ＩＯＥおよびＩＯＦの各々における断面の大 きさ、場所、電流の大きさおよび電流の極性は、共に参考のため本文に援用され るＰｉｓｓａｎｅｔｚｋｙ著ｒＮＭＲ用の構造的コイル（Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ 　ｃｏｉｌｓ　ｆｏｒ　ＮＭＲａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）Ｊ　（ＩＥＥＥＴｒ ａｎｓ、　Ｍａｇｎｅ　ｔ　ｉｃｓ、第２８巻、第４部、１９６１〜１９６８ペ ージ、１９９２年７月）、および米国カルフォルニア州のＣｌａｒｃｍｏｎｔの Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔ　Ｆｉｅｌｄ　Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎにおける第 ５凹陥年会議に提出されたＰｉｓｓａｎｃｔｚｋｙ著「構造的コイルおよび非リ ニア鉄（Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ　Ｃｏ１１ｓ　ａｎｄ　Ｍｏｎ１ｉｎｅａｒ　Ｉ ｒｏｎ）ｊ　（１９９２年８月３〜５日）に記載される如く、「構造的コイル」 に従って定まることが望ましい。

先に述べたように、従来の設計方法論は、コイルの断面における均一な電流密度 を仮定しており、望ましくない磁界調和関数を減じるようにコイル形状を調整す る。対照的に、前記の構造的コイルの方法論は、コイル組立体内部の電流密度が 場所の関数として、即ち、目標法からの軸方向および半径方向の両距離の関数と して変化することを許容する。このような方法における基本的な相違は、必ずし も磁石の内孔の中心にないＶＯＩに対する磁石の設計をフリンジ磁界および鉄遮 蔽の効果の最小化を容易に達成する方法における可能にする。

本発明によれば、磁石構造のモデリングが個々に一定の方法で電流密度を定義し 、コイルは各々がそれ自体の電流の大きさを持つ等しい矩形状の断面の小さな部 分（即ち、コイル要素）に分けられる。ＶＯＩ内部の目標場所における所要の磁 界の大きさおよび方向が選択され、磁石２を囲む空間における目標場所における 磁界の方向および大きさもまたコイル電流の設定時に磁石２の外側のフリンジ磁 界の最小化を最適化の過程に考慮させるように選択することができる。目標場所 における磁界強さが定義されると、コイル要素の電流は目標場所における磁界が 既知である間層の未知要因となり、この場合コイル要素内部の電流密度における ある制限が、超伝導材料の電流容量および他の物理的制限を考慮して予め設定さ れる。典型的な場合には、コイル要素における電流密度制限は、未知の電流の多 次元空間における単体を定義して、数学的な２次プログラミングの周知の単体法 により電流を解明させる。このように、構造的コイル方法論の使用は、従来のデ ィジタル・コンピュータ、例えばＳｕｎ　ＭｉＣｒＯｓｙＳｔｅｍＳ社により製 造販売される５ＰＡＲＣ５ＴＡＴＩＯＮワークステーシヨンにおける実施に適す る。

コイル要素における大部分の電流をその上限または下限に設定させる点において 、構造的コイル方法論が特にイＩ効であることが判った。コイル組立体１０内部 の変化する極性の電流を許容する本発明のこの実施例による磁石２においては、 下限は府の電流密度値である。更に、構造的コイルの試みが「コイル」に対する 類似の電流強さの［集積（ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ）Ｊを生じ、これは不規則な形 状であるが磁石２の場合における如く一定電流密度を持つコイルのセットとして のコイルの物理的構成を提供するため有利であることが判った。最適化プロセス は、仮に全てでなくとも電流の大半をしてその上限または下限にさせる。更にま た、石似する電流の「集積」は、コイルの断面が不規則な形状の、即ち「構造的 コイル」の幾つかのコンパクトな一体化された領域に分けられる結果となる。こ のような構造的コイルは、電流密度が各々の一体化領域内で均一となる故に、均 一な巻線の僅かな部分から容易に構成することができる。

参考のため本文に援用されるＰｉｓｓａｎｃｔｚｋｙのＩ　ＥＥＥ論文に述べた ように、目枦値が各目標場所毎に選択される場合、および実際の磁界値と目標の 磁界値との間の差が誤った形態の制限された象限の最適化により最小化される場 合に、「接近する目標」方策を用いることにより構造的コイル方法論を用いるこ とが望ましい。このような最小化法は、コイル要素数が目標場所の数よりはるか に大きい場合に、本発明の磁石２における如き円筒状コイルにおいて容易化され る。先に述べたように、電流密度の最大限度および最小限度が各コイル要素毎に 設定され、空でない単体を規定する。従って、参考のため本文に援用される英国 ０ｘｆｏｒｄｓｈｉｒｅのＨａｒｗｃ　Ｉ　ＩのＡｔｏｍｉｃ　Ｅｎｅｒｇｙ　 Ｒｅ５ｅａｒｃｈ　Ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔのコンピュータ科学およびシス テム事業部のＩｌａｒｗｃｌｌサブルーチン研究所の報告書ＡＥＲＥ−Ｒ９１８ ５゜ＴＰ　４０１．Ｒ６３７０およびＴＰ　５２８　（１９８４）に記載される 容易に得られるコンピュータ・ソフトウェアなどによって、象限誤差形態の最小 化が行われる。この最小化法は、これ以上の低減を防止する電流密度制限が識別 されるまで継続し、これらの制限は調整され、最小化が再び行われる。

ｆＮ１９ａは、図２０における４半分の断面に示される内部に多数のコイル要素 ４５、を持つ事例のコイル４５に対して本発明の望ましい実施例による磁石２を 設計するための方法論のフローチャートを示している。先に述べたように、この ような方法論は、５ＰＡＲＣ３ＴＡＴ［）Ｎワークステーションの如き周知のデ ィジタル・コンピュータにおいて実施することができる。

ステップ５０において、本例ではタイリング場所および目標場所が２−ρ面内で 規定される。先に述べたように、本発明の当該実施例による方法論は変化する対 称性の磁石に対して適用し得る。ＭＨＩシステムにおいて有効な磁石２は円筒タ イプであり、このため、タイリングの位置および大きさは２−ρ面の１つの象限 における不規則な断面を持つように選定され、ここでタイリングは内部で非ゼロ の電流値が許容される断面領域であり、コイル要素４５１はタイリング内部の内 孔２４の周囲の中実のソレノイド・ループと対応している。この方法はまた、Ｖ ＯＩにおける磁界に対する磁石の端部の影響がそれほど著しくない粒子加速器に おいて用いられる形式の如き長形磁石に対しても適用され、この場合、図２０に 示される磁石の断面は円筒状磁石に対する断面と同じであるが、コイル要素４５ 、は図２０の紙面内にあるいは紙面から延長する無限に長いバーまたはワイヤと 対応することになる。このように、磁界の計算が異なる対称性の磁石に対して異 なるため、磁石の対称性もまた図１９８のプロセス５０において定義される。

図２０に示された事例においては、ＶＯＩはその中心を２−９面の原点に有しか つ半径ｒであり、タイリング４５は２−ρ面内に指定された矩形状の領域である 。目標場所Ｔは、前記原点から距１１ｒのＶＯＩの表面像規定され、磁界がｖＯ Ｉにおける調和関数であるため、磁界はＶＯＩの内部で少な（ともそのパラメー タにおいて均一になるように保証される。タイリング４５の場所は、最小および 最大の２およびρの場所に関して規定される。図２０の事例においては、コイル 要素４５．は、２−９面の限度ＺＡ、ｚ１、ρえ、ρ、によって規定された矩形 状のタイリング４５で配列される。個々のコイル要素４５．の大きさ、およびタ イリング４５内のそれらの配置もまた、ステップ５０において規定される。更に 、先に述べたように、コイル要素４５１の数ｊは目標場所Ｔの数よりはるかに大 きいことが望ましく、その結果大きさ、電流および磁界の制限により規定される 空でない単体の分解能に対してかなりの自由度数が与えられる。

ステップ５２において、目標場所Ｔにおける見かけの望ましい磁界の大きさが、 見かけの大きさから受入れられる範囲と共に規定される。以下に述べるように、 能動的に遮蔽された磁石の場合は、磁石の外側（即ち、２＞２．およびρ〉ρ、 ）の目標場所もまた規定され、ここで漂遊磁界が最大値より低く低減されること になる。ステップ５４において、タイリング４５におけるコイル要素４５１の各 々に対する電流密度の範囲が設定される。磁界を最適化するため反対の極性の電 流を有するコイルを使用できるように、あるいはまたゼロの電流密度の下限を用 いてコイル要素４５、が同じ極性の電流を含むかあるいは電流を含まないように 、電流密度の下限は負の値であることが望ましい。これらの電流密度制限は、超 伝導コイルに対する臨界的な電流の考慮の如き物理的な制限に従って、あるいは 非超伝導コイルに対する冷却要件から選定されることが望ましい。またステップ ５４において各コイル要素４５．に対する電流密度の初期値が確立される。

ステップ５６において、電流密度の初期値によりｒｌｌａ場所Ｔに生じた磁界と コイル要素４５．の各々に対する所要の公称値との間の差の加重和を計算するこ とにより、目標場所Ｔのそれぞれに対して誤差項が計算される。この誤差項は、 下式と対応する。即ち、 但し、Ｗ、は目標場所Ｔ、に対する加重係数、Ｂ８．は目標場所Ｔの１つの磁界 、ｎは目標場所Ｔの数、およびＢｏは目標場所における所要の磁界強さである。

各磁界の値Ｂ、、、は、（円筒状磁石２の）中実ソレノイドであるものとして、 参考のため本文に援用されるＵｒａｎｋａｒのＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ、Ｍａｇｎ ｅｔｉｃＳ、第ＭＡＧ−１８号の１８６０〜１８６７ページ「解析形態における 有限数の弧線骨を運ぶ電流のベクトル電位および磁界：矩形状断面に対する正確 な計算（Ｖｅｃｔｏｒ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ａｎｄ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｆｉ ｅｌｄオリフィス　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｃａｒｒｙｉｎｇ　ｆｉｎｉｔｅ　ａｒｃ 　ｓｅｇｍｃｎｔ　ｉｎ　ａｎａｌｙｔｉｃａｌ　ｆｏｒｍ　ｐａｒｔ　ＩＩＩ ：ｅｘａｃｔ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ　Ｆｏｒ　ｒｃｃＬａｎｇｕｌａｒ　ｃ ｒｏｓｓｓｅｃ　Ｌ　１ｏｎ）Ｊ　（［ＥＥＥ、１９８２年）に記載される各コ イル要素４５、により送られる電流の線形結合として計算されることが望ましい 。

判断ブロック５５が、誤差項に対してより小さい値を乙単体の１点が存在するか どうかを決定することにより、誤差項が大域的最小にあるかどうかを判定する。

本テキストは、電流値における調整が得られるかどうかを実際に決定し、これが 更に誤差項Ｚを低減する。このような調整が得られるならば、即ち、誤差項がそ の大域的最小になければ、コイル要素における電流が調整されるプロセス５８が 実施され、誤差項の計算再び行われる。このような電流密度の調整、従って誤差 このようなの最小化は、周知の２次プログラミングに従って行われる。

誤差項がその大域的最小に達すると（判断ブロック５５の結果は正）、判断ブロ ック５７が実施されることにより、目標場所Ｔにおける磁界の誤差の値（誤差項 Ｚに対する大域的最小）がプロセス５２で設定された公差限界と比較される。

誤差の最小値がこの公差限界を越えるならば、プロセス５０において定義された 形状は所要の磁界の均一性要件を満たすことができない。従って、タイリング４ ５の大きさは、一般にタイリング４５を大きくすることにより（即ち、電流が許 容される２−９面における面積を増すことにより）プロセス５９において調整さ れ、新しいコイル形態に対してプロセス５４から本方法が反復される。誤差項の 最小値が公差限界を満たすように減少するまでこのプロセスが継続し、この減少 と同時に設計が完了し、所要の磁界の大きさおよび均等性に達すると、集積した コイルの大きさ、形状および場所、およびそれらの電流値が決定される。プロセ ス５９においてコイル形状のこのような反復的な調整が所与の公差限界に対して タイリング４５の大きさを最適化することを知るべきである。

先に述べたように、本発明の当該実施例による方法は、通常は電流限度の１つに おける同じ電流密度を持つコイル要素４５　＋の「集積」を結果として生じ、類 似の電流を持つコイル要素４５．の各集積した連続的グループが「コイル」と呼 ばれる。最適化プロセスにより決定される２−９面のコイルが実際の磁石におけ る超伝導（あるいは、場合によっては非超伝導）コイルと対応するため、このよ うな集積現象が磁石の構成を容易にする。個々のコイルの電流密度、大きさ、形 状および場所の決定と同時に、これによる磁石の構造が周知の方法で得られる。

所要の公称磁界に関して計算された磁界の誤差項の最小化の代わりに、最小化ル ーチンが、例えば、参考のため本文に援用されるＧａｒｒｅｔｔおよびＰｉｓＳ ａｎｅＬＺｋｙ著「４位乃至８位の均一性の磁界に対する多角形コイル・システ ム（Ｐｏｌｙｇｏｎａｌ　ｃｏｉｌ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｆｏｒ　ｍａｎｅｔｉｃ 　ｆｉｅｌｄｓ　ｗｉｔｈ　ｈｏｍｏｇｃｎｅｉＬｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｏｕｒ Ｌｈ　ｔｏ　ｅｉｇｈｔｈ　ｏｒｄｅｒ）Ｊ　（Ｒｅｖ、　Ｓｃ、　Ｉｎ５ｔｒ 、第４２巻、８４０〜８５７ページ、１９７１年）におけるコンピュータ調製式 によって通電される電流により生じるものの線形結合としてＶＯＩにおける磁界 の区間係数を表わすことができる。電流密度限度に従うこれらの区間の調和係数 の最小化また、構造的コイルの設計を結果としてもたらす。一般に、区間の調和 係数のこのような最小化に従って集積もまた生じる。

超伝導コイルの方法論のイψ用は、従来の方法の最適化に勝る磁石設計の最適化 に得ることができる自由度数を著しく増大する。先に述べたように、従来の磁石 設計手法は、コイルの数およびその形状を指定し、大きさ、場所およびコイルに より運ばれる電流が所要の磁界を得るために修正される設計パラメータである。

しかし、本発明の望ましい実施例による方法論では、コイルの数およびその形状 （即ち、境界の数）もまた、最適化プロセスにおいて調整することができる設計 パラメータである。これらの付加的な自由度の提供は、設計基準（即ち、目標場 所における所要の磁界）に対するより迅速かつより完全な集束を結果として得る 。

更に、従来の磁石設計方法論において得られる制限された自由度は充分な磁界の 均一性を得るために高度の対称性を要求することが判った。対照的に、構造的コ イルの方法論は、最適化における更に多くの自由度を許容する上で、比較的大き な問題となる体積内で高い磁界強さと高い均一性を得ながら、問題となる体積が 必ずしも内孔の中心にない（即ち、必ずしも中間面対称ではない）磁石構造を可 能にする。

先に述べた実施例に加えて、鉄が磁界に対して著しい非線形効果を生じることが あっても、以下に述べる方法によるコイルの設計に鉄製シールドを考慮すること もできる。例えば、図３８および図３ｂの磁石２は鉄の磁束帰還路１２を含む。

鉄の磁束帰還路のない内孔の磁界強さに対して最初にコイル形状を最適化するこ とにより、次いで図１９ｂに示される別の磁石設計法により磁気ループに鉄を使 用することから予期される磁界の強化を加えることによって、鉄の磁束帰還路の 効果を考慮することができる。

従来の場合におけるように、図１９ｂのこの方法におけるプロセス６ｏが、タイ リング（即ち、その形状および場所）および目標場所を規定し、プロセス６２が 、目標場所Ｔにおける所要の磁界および公差限界を規定する。しかし、この代署 的方法では、鉄の磁束帰還路による磁化１ｘＭがゼロに初期設定されるプロセス ６４が最初に行われる。次いで、プロセス６６が図１９ｂのプロセス５６．５８ ．３５および判断ブロック５５と同様に行われて、コイル要素における電流密度 を最適化する。しかし、プロセス６６の計算において、鉄似夜磁界（Ｂ、ｅ）が 、見かけの所要の磁界Ｂ。との比較に先立ち、電流により生じた磁界（Ｂ１）に 加算される。２次プログラミング手法によるこのような最適化の後、有限の要素 のモデリングを用いて、例えば従来の有限の要素法（例えば、周知の０ＰＵＳコ ンピユータ・プログラム）によって、鉄における新たな磁化ｆｆ１Ｍを計算する （プロセス６８）。次に、集束条件が調べられる判断ブロック６５が実施され、 （誤差項か磁化ＱＭのいずれかの）集束が存在しなければ、新たな磁界Ｂ１．が 鉄における新たな磁化ＱＭに基（プロセス６７が実施され、プロセス６６の誤差 項の最小化が再び行われる。完了と同時に（判定の結果が肯定）、磁界がＶＯＩ において最適化され、大きさ、形状、場所およびコイル要素により運ばれる電流 が規定され、集積もまた、非遮蔽磁石の場合におけるように、本発明による鉄遮 蔽磁石の設計において生じようとする。

このように、磁化量Ｍ即ち磁界強調係数は、ＶＯＩにおける磁界の均一性の最適 化を可能にする。コイル形状の最適化が損なわれるほど電流の調整方法きくない 限り、結果は良好である。以下に述べるコイル電流の設計は、鉄製シールド１２ の存在を想定し、本方法によって構成された。

次に図４において、本発明の当該実施例による磁石２の本例におけるコイル１０ Ａ乃至１０Ｆの形状および電流について、鉄製シールド１２の外側の低いフリン ジ磁界と組合わされる内孔４の外側に配置された２０ｃｍの直径の球状ＶＯＩに 対して最適化されたものとして記述することにする。図４は、内孔４の存在によ り示される如き図３に示されたコイル組立体１ｏの断面立面図の右半分を示して いる。図４におけるＺ軸の大きさは、ＶＯＩの中心（コイル組立体１ｏの頂面の １５ｃｍ上）から測定され、ρ軸の大きさは、内孔４の軸心から測定される（即 ち、図４に示されたコイル組立体の右半分の左側縁部の左に２ｃｍ）。

図４におけるコイルＩＯＡ乃至１０Ｆの配置は、ＶＯＩないの磁界の均一性の最 適化の結果である。コイルＩＯＡ乃至１０Ｆの各々の内部の電流の極性は、紙面 に対する電流に対しては円内の十字により、また＋２軸方向（図１における如く 、図４の上方向）に磁界を生じるため紙面から出てくる電流の場合は円内の十字 によって示される。ＶＯＩ内に５にガウスの磁界を生じるには、本例のコイル１ ０Ａ乃至１０Ｆのそれぞれにおける総電流（電流密度×コイルの断面積）は下記 の如くである。即ち、 三ｍ次　電流（ｋＡ） １０Ａ　２６．６３ １０Ｂ　−３７，９５ １０ｃ　−１１８，７５ １０Ｄ　１５４４．６２ １０Ｅ　−７３７７，０１ １０Ｆ　７３５７．７０ 当誼構成において、米国Ｆｌｏｒｉｄａ州ＪａｃｋｓｏｎｖｉｌｌｅのＦｅｒｒ ａｒｉ　Ａｓ５ｏｃｉａｔｅｓ、Ｉｎｃ−から入手可能な０ＰＵＳコンピユータ ・プログラムによる磁界の有限要素のシミュレーションにより行われる磁界の大 きさのシミュレーションは、磁石２内部のピークの磁界がコイルＩＯＥと１０Ｆ との間の場所ＰＫで約７０にガウスであったことを示した。約１７００Ａ／ｃｍ ２のコイルＩＯＡ乃至１０Ｆの各々に対する略々一定の電流密度に対して上記の 総電流が得られ（コイルＩＯＡ乃至１０Ｆの各々と、個々のコイルＩＯＡ乃至１ ０Ｆ相互間の両方に対して）、このため、先に述べた従来の超伝導ワイヤは、銅 製スタビライザ、低温液体を伝達するｔ：４．および機械的強度を提供する金属 帯止めに対してコイル組立体１０内部に充分な空間を残しながら、１０ｐｐｍ以 上の均一性のＶＯＩ内部の５にガウスの磁界を生じることができる。

図５は、コイルＩＯＡ乃至１０Ｆのこのような構成と、０ＰＵＳコンピユータ・ プログラムによりモデル化される如き上記の指定電流との結果として生じる磁力 線を示している。表示（およびシミュレーション）を簡単にするため、図５の磁 力線は図４の半分の断面に対して示され、本発明の当該実施例による磁石２の軸 方向の対称性がこの表示をして磁石２の完全円の囲りの磁界の挙動を正確に伝え させる。図５に示されるように、コイル組立体１０により生じる磁束の対流（ｂ ｕｌｋ）は鉄製シールド板１２ａと下方の鉄製シールド１２ｂとからなる磁気回 路の部分を戻り、鉄製シールド１２の外側に最小限のフリンジ磁界を生じるに過 ぎない１゜ このような磁石構成の０ＰＵＳシミユレーシヨンは、５ガウス線が磁石２の前方 の僅か９．２メートル（即ち、Ｚ＝＋９２０ｃｍにおいてコイル組立体１０のＶ ＯＩと同じ側）に位置され、鉄製シールド１２の外径から僅かに２．０メ一トル 離れていることを示す。このような低漂遊磁界が、ＶＯＩが内孔の外側にある磁 石に対して極めて良好であるものと信じられる。

このようなモデル例においては、鉄製シールドの総重量は約８５トンであり、鉄 製シールドの大きさを増すことにより、５ガウス線が先に述べた場合よりも更に 密になり得る。このようなモデル例による磁石２は、非常に有効な約６７．００ ０に八−メートルの超伝導体により上記の性能を提供する。磁石におけるモデル 化された磁気エネルギは約２４．９Ｍモジュールである。

本発明の当該実施例による磁石２．２′の構造の結果として、磁石の内孔の外側 に問題となる体積の人間の＠器を収めるＮＭＲ断層写真法が可能になることが考 えられる。その結果、患者はトンネルまたは他のシリンダ内に配置される必要が なく、その代わり、単にテーブル上に載せる（図１における如く）か、あるいは 研究室のＩＷ部に隣接して置（（図２における如く）だけでよい。このように、 本発明の本実施例によってＭＲ１手順の間の医療人員による患者への完全な接近 が行われ、患者の不安の程度は従来技術の磁石よりもはるかに少なくなる。更に 、磁石２のフリンジ磁界はこのような構造によって許容でき、鉄製シールドを含 む磁石２の大きさおよび重全は、研究室サイズのＭＲＩ装置に対して妥当なもの である。

人間の臓器のＭＲｒ用のベーゲル（ｂａｇｅｌ）形磁石次に図６において、本発 明の第２の実施例による磁石２０について詳細に記述することにする。当技術に おいて周知のように、腕部、脚部および頭部を含む人間の患者の体外部のＮＭＲ 断層写真法が種々の肉体的苦痛の診断のためにしばしば必要となる。ＮＭＲ断層 写真法の特に重要な用途は、癌性のＭ瘍に対する周期的なスクリーン表示におけ る女性の胸部の像形成である。このような体外部のＮＭＲ断層写真法は、従来は 、像形成のための充分な均一性の充分に高いＤＣ磁界を生成するために同じ全身 の「トンネル」即ち円筒型ＭＨＩシステム内で実施され、これらの磁石は先に述 べた患者の非常な不安と医療人員による接近の制限という著しい欠点が伴うもの である。本発明の第２の望ましい実施例は、このような像形成のため必要な制限 された問題となる体積（ＶＯＩ　）と像形成される臓器または付属物の外的な性 質を利用して、従来の円筒磁石に置いて必要とされた如き患者の全身を内部に挿 入することを必要とせずに、制限されたＶＯＩにわたり非常に均一な高ＤＣ磁界 を提供する磁石２０を提供する。

図６に示されるように、脚部用ＭＲＩの事例では、本発明の当該実施例による磁 石２０は、その中心に直径２０ｃｍ程度の円筒状内孔２４を有する比較的小さな （外径が１．１メ一トル程度の）環形状の磁石である。磁石２０の磁界強さは、 直径が１０ｃｍ程度のＶＯＩにわたり実質的に均一（＜１０ｐｐｍ）なＩＯＫガ ウス（１，０テスラ）程度であると考えられる。磁石２０のこのような形状およ び構造は、像形成される胸部をＶＯＩ以内に配置させながら、磁石２０の内孔の 外側に患者Ｗを留めることを可能にする。図６に示唆されるように、ＶＯＩは磁 石２０の内孔２４内の中心に置かれる代わりに、従来の円筒ｍＭＲＩシステムが 要求する如き磁石内孔へ全身を挿入することを必要とせずに、患者Ｗの胸部の像 形成を容易にするように垂直方向に偏在されている。

磁石２０の全厚さは１５ｃｍ程度であると考えられ、その全重量は約４５３Ｋｇ 　（１０００ボンド）程度であると考えられる。このため、本発明の本実施例に よる磁石２０の構造は、磁石２０が組込まれるＭＨＩシステムが移動車両（移動 ＭＲＴスクリーニングートラックの如き）、船舶、航空機などによる展開を可能 にする可能性を持つことになろう。

あるいは、磁石２０は、患者の全身の挿入を必要とせずに内孔２４内へ挿入する ことができる腕部、脚部および頭部の如き他の体外部の像形成に適している。

このような他の体外部の像形成のためには、ＶＯＩは偏在させる必要がなく、中 間面（磁石２０の直径）に対して中心がくるようにすることができ、無油、ＶＯ Ｉは図６に示されるように偏在状態に止まることもでき、またこのような他の体 り本部の像形成にも依恭として有効である。

磁石２０に関して先に述べたように、磁石２０がＮＭＲ断層写真法に必要な大き なりＣ磁界を提供することを意図するため、ＭＲＩシステム全体が磁石２０と組 合わせて提供されることは熱論理解されよう。このため、ＶＯＩ内にそれぞれ勾 配磁界と振動磁界とを生成するための勾配コイルとＲＦコイルとが、印加される 磁界に対するｖＯＩにおける磁気回転原子核の応答を検出するための検出コイル と共に、磁石２０と組合わせて提供されてＭＨＩ装匝を完成することが考えられ る。当技術において周知のように、これらの別のコイルに対して要求される体積 は比較的小さく、このため、図６に示される表示は、コイル１０に対する、従っ てＶＯＩに対する患者Ｗの相対的位置を示す際に実質的に正確になるように考え られている。これらの特定の付加的要素の設計は、無油、要求される特定のＭＲ Ｉシステム設計に依存しており、当業者が従来の手法を用いることにより、磁石 ２０の付加的な特徴に従ってこのような付加的な特徴を磁石２０に提供できるよ うに考えられる。先に触れたＰｉｓｓａｎｅｔｚｋｙの論文ｒＭｅ　ａ　ｓ、Ｓ 　ｃ　ｉ。

Ｔｅｃｈｎｏｌ、Ｊは、勾配コイル設計の分野におけるこのような従来の手法を 示している。

次に図７および図８に関して磁石２０の構造について更に詳細に記述しよう。

図７および図８に示されるように、磁石２０は超伝導タイプであることが望まし く、このため、低温自動装置２２の内部に配置されたコイル組立体２５を含む。

磁石２０における電流の流れる方向は、内孔２４の軸心の周囲に円形方向を呈す る。本例においては、正味電流は（図８に対して）反時計方向であり、このため 、磁界Ｂの方位は図７における上方向となる。

低温自動装置２２は、超伝導温度まで冷却された時に所要の真空状態まで内部が 減圧されることを許容し、かつ超伝導コイルのワイヤが配置されるボビンおよび 低温冷媒の導管に対する所要の構造的支持を提供するに充分な強さの３０４Ｌス テンレス鋼の如き従来の構造のものである。従来の低温圧縮装置（図示せず）が 、従来の導管によって低温自動装置２２に接続されて、磁石２に関して先に述べ たようにその内部を超伝導温度に維持する。更に、磁石２０のコイル組立体２５ における超伝導ワイヤは、キャブトン（ｋａｐＬｏｎ）絶縁を有する編まれた５ ＣＯＫ超伝導ワイヤからなる先に述べた矩形状の断面のルターフオード（Ｒｕｔ ｈｃｒｆｏｒｄ）タイプのケーブルの如き周知のニオブ・チタン合金タイプとさ れる。このため、低温自動装置２２がコイル組立体２５を維持しなければならな い温度は４．２°に程度である。

あるいはまた、従来のワイヤ導体（即ち、非超伝導型）を磁石２０の内部に用い ることができ、その結果広範囲の使用に適する非常に安価なシステムをもたらす ことが考えられる。無油、非超伝導ワイヤの電流容量は、超伝導ワイヤのそれに 比してかなり制限されるが、このことが磁石２０に対して得られる磁界強さを制 限することになろう。このため、磁石２０が超伝導タイプえあることが望ましい 。

次に図９に関して、コイル組立体２５の内部のコイル２５Ａ乃至２５Ｆの配置に ついて、磁石２０の非遮蔽バージョンに関して詳細に述べる。磁石２．２′に関 して先に述べたように、コイル組立体２５は複数のコイル２５Ａ乃至２５Ｆを含 み、その各々が磁石２０における総電流の異なる値と変化する極性を呈し、ＶＯ Ｉ内部の非常に均一な磁界Ｂを提供することを目的とする。図９の表示は、図７ における如き磁石２０の右半分に対するものであり、無油、この構造は内孔２４ の軸心周囲に対称であるため、図９は磁石２０におけるコイル組立体２５の全構 造を表わしている。

コイル２５Ａ乃至２５Ｆの設計は、先に述べた構造的コイルの方法論により達成 されることが望ましく、これにおいては（図９に示した如き２−ρ面内の）コイ ル組立体２５の位置および大きさと対応するタイリングの離散的な位置のコイル 要素に対する電流の極性と大きさが所要の大きさでＶＯＩにおける磁界の均一性 を最大化するように調整される。先に述べたように、幸いなことに、この構造的 コイルの方法論は、しばしばその最大または最小の電流密度を運ぶコイル要素を もたらす結果となり、同じ極性の要素が一緒にコイルに対して「集積」しようと し、結果として得る集積コイルの形状は一般にやや不規則的である。コイル２５ Ａ乃至２５Ｆの数および不規則的な形状は、設計パラメータがコイルの数と各コ イルに対する境界数の両方を含み、コイル・サイズ、位置および電流（強さと極 性）の従来の設計パラメータに加えて、構造的コイルの方法論によって提供され る付加的な自由度の結果である。これらの付加的な自由度は、最適化プロセスを 容易にするのみならず、問題となる体積が必ずしも中間面に対して対称ではない 場合の磁石の設計をも可能にする。

先に述べた直径を持ちＶＯＩが中間面の（ｚ＝ｏ）軸から２ｃｍだけ偏って設け られる先に述べた大きさを持つ磁石２０によって生成されるＶＯＩにおける１０ にガウスの磁界の事例として、図９に示された形状を持つコイル２５Ａ乃至２５ Ｆは、構造的コイル方法論に従う最適化の結果得られた。コイル２５Ａ乃至２５ Ｆの各々の内部の電流の極性は、紙面に向かう電流（コイル２５Ｂおよび２５Ｆ ）の場合は円内の十字により、また紙面から出てくる電流（コイル２５Ａ、２５ Ｃ１２５Ｄ、２５Ｅ）の場合は円内の点によって示されて＋２方向（図７におけ る如く、図９における上方向）の磁界を生じる。このような方法論から結果とし て得るコイル２５Ａ乃至２５Ｆの各々における電流密度の大きさは約８．ＯＫＡ ／ｃｍ２であり、これはニオブ・チタン合金の超伝導ワイヤの場合には、銅製ス タビライザ、低温冷媒伝達溝、構造的鋼製帯止め、および従来のケンチング保護 要素に対する多（の余地を許容する。先に述べたように、このような電流密度は 、コイル２５Ａ乃至２５Ｆの各４間で実質的に一定である。ＶＯＩ内のＩＯＫガ ウスの磁界を生じるためには、本例におけるコイル２５Ａ乃至２５Ｆの各々にお ける総電流（電流密度×コイルの断面積）は下記の如くである。即ち、三り四　 電流（ＫＡ） ２５Ａ　−２４，００ ２５Ｂ　２２３．４２ ２５Ｃ−２８，３５ ２５Ｄ　−１３，１７ ２５Ｅ　−６１８，４６ ２５Ｆ　１３０４．００ 図１０は、図９に関して尤に述べた磁石２０の構造に対して、先に述べた０ＰＵ Ｓのイｊ−限“及素モデリ〉・グ・プロゲラ１、によりモデル化された如き磁力 線を示している。磁石２０の非遮蔽バージョンの場合は、（微調整前に）約７ｐ ｐｍの均一性を持つＩＯＫガウスの磁界がｖＯＩの内部に生成される。５ガウス の線は磁石２０の側面から約４メートル（即ち、低温自動装置２２の外径から直 角）であり、前後の表面から約５．５メートル（即ち、内孔２４の軸心と平行） である。

磁石２０に対して要求される全超伝導体は４１９５ＫＡ−メートルになるように モデル化され、これは従来のＩＯＫガウスの全身用の円筒状超伝導ＭＨＩ磁石よ りも著しく小さく、これは１２，０ＯＯＫＡ−メートル程度の超伝導体を必要と する。

図９の磁石２０はこれから離れた比較的低レベルのフリンジ磁界を生じるが、こ のフリンジ磁界は、能動型シールド・コイルを提供することにより更に低減され 、このようなシールド・コイルもまた先に述べた構造的コイル方法論に従って設 計されることが望ましい。図１１は、シールド・コイル２８Ａを内部に含むシー ルド・コイル組立体２８と組合わせて、コイル２７Ａ乃至２７Ｈを内部に持つ一 次コイル組立体２７を含むこのような能動型遮蔽磁石の構成を示す。シールド・ コイル組立体２８は、その中間面に沿って例えば１０ｃｍの距離だけ一次コイル 組立体２７から隔てられている。−次コイル組立体２７とシールド・コイル２８ の双方は、同様に構成された超伝導ワイヤを各々が含むように１つの低温自動装 置（図示せず）の内部に含まれることが望ましい。

理論においては、シールド・コイル２８Ａの提供が４重磁石を有効に生成し、こ の場合−次コイル２７Ａ乃至２７ＨがＶＯＩにおける高い均一性の磁界を生じる 役割を担い、また−次コイル２７Ａ乃至２７Ｈの正味電流とは反対の極性の電流 を運ぶシールド・コイル２８ＡはＶＯＩの外側（少なくとも、−次コイル組立体 ２７の直径の外側）の磁気双極子モーメントを打消すことを意図する。４重極磁 石の場合に周知のように、漂遊磁界がρ−４（ρは内孔２４の軸心からの距離で ある）の関数として減衰する、。

先に述べた構造的コイルの方法論は、最適なコイルのサイズ、形状および場所、 ならびにこれに流れる総電流量に達するように、−次コイル組立体２７およびシ ールド−コイル組立体２８におけるＺ−９面のコイル要素に対しても適用される 。

ＶＯＩにおける磁界の均一性の最適化に加えて、構造的コイル方法論による能動 型遮蔽磁石の設計は、ＶＯＩの外側の目標点の使用を含み、ＶＯＩの内部の磁界 の均一性に影響を及ぼすことなく、ＶＯＩの外側の目標点における磁界を低減す るシールド・コイルの電流、サイズおよび形状を最適化する。構造的コイルの方 法論による能動型遮蔽磁石の設計は、内孔Ｂにおける高い均一性の磁界と低いフ リンジ磁界の効果との間の妥協を把握するため誤差形態の加重係数を用いること により容易化される。従って、本発明の当該実施例による能動型遮蔽磁石２０の 設計において最小化される誤差の形態Ｑは、下記の如くである。即ち、但し、Ｗ 、のセットは内孔２４内のｊ個の目標場所の効果を加重するための１組の加重係 数であり、差（Ｂ、ＩＩｌ’＋）は内孔２４におけるｉ番目の目４Ｆｌ場所にお ける計算された磁界と所要の磁界との間の差であり、（Ｂ２．、＋８２．、）は フリンジ磁界が決定される内孔２４の外側の［ｋ−（ｊ＋１）］個の目標場所に おける磁界の振幅（半径方向および軸方向の成分）の２乗である。加重係数ｐは 、最高の内孔磁界品質（ｐ＝０）と最良の遮蔽（ｐが大）との間の妥協を示す。

実験研究によれば、１０−６乃至ｌｏ−５の値がＭＨＩ用途において用いられる 磁石に対して好適であることが示された。

本発明の当該実施例による能動型遮蔽磁石２０のこのような設計の一例が図１１ に示される。図１１に示された円内の十字と円内の点は、先に述べた事例におい ては同じである。本例における遮蔽磁石２０の一次コイル２７Ａ乃至２７Ｈ１お よびシールド・コイル２８Ａに対する総電流値は下記の如（である。即ち、２７ Ｂ　−７４２，３８ ２７Ｃ８０，３４ ２７Ｄ　４０．０３ ２７Ｅ　−１７７８ ２７Ｆ　５３．３４ ２７Ｇ　１８７９．４８ ２７Ｈ−２８４，４８ ２８Ａ　−４９３，３６ コイル２７Ａ乃至２７Ｈに対する電流密度は約８．００ｋａ／ｃｍ”であり、シ ールド・コイル２８Ａに対する電流密度は約１（１００ｋａ／ｃｍ”であり、各 電流密度は従来のニオブ／チタン合金の超伝導ワイヤによって容易に通電され、 各々が当技術において周知である銅製スタビライザ、低温液伝達溝、およびケン チング保護要素に対する充分な余地を有する。先に述べた場合におけるように、 コイル２７Ａ乃至２７Ｈの電流密度は全体的に略々一定である。

０ＰＵＳ有限要素コンピユータ・モデル化プログラムによりモデル化されるよう に、図１１に示される如き遮蔽磁石２０の構造は、図１２に示された如き磁力線 を提供する。このモデリングは、５ガウスの線がシールド・コイル組立体２８ぐ それ自体が内孔２４の軸心から約７５ｃｍである）の外径から僅かに２．５メー トルであり、かつ磁石２０の前面および背面から僅かに２．２メートルであるこ とを示している。この遮蔽磁石２０に対して要求される超伝導体の総量は約５９ ８０ＫＡ−メートルであり、これは依然としてＩＯＫガウスの磁界強さに対して 非常に有効である。遮蔽磁石２０の全体寸法は、直径が約１．５メートル、厚さ が１５ｃｍ、予定重量が約４５３Ｋｇ　（１０００ポンド）であって、再びＭＲ Ｉシステムに対する比較的携帯可能な高出力ＤＣ磁石を提供する。

やや小さな遮蔽が得られるが要求される超伝導体量と低温部材において著しく節 減が可能であるため、超伝導体の量と遮蔽効果との間の妥協は無油可能である。

従って、当業者は特定の用途に適する超伝導体量とフリンジ磁界遮蔽を有するベ ーゲル型の磁石を設計することができると考えられる。

更に別の代暑例においては、本発明の当該実施例のベーゲル型の磁石２０に対す る鉄の遮蔽を用いることができる。このような鉄の遮蔽は有効であっても本発明 の本実施例による磁石２０に対して他の方法で利用し得る可能性の利点を減じる 傾向を強く有し、このため、一般にこの意味で少し望ましくなく、このような磁 石は無油、患者の全身を従来の円筒磁石における如く磁石の内孔内へ挿入するこ とを必要とせずに、人間の体外部の像形成を可能にする重要な利点を依然として 提供する。

更にまた、本文に述べた磁石２０はそのＶＯＩが磁石の中間面から偏在している が、内孔２４の軸心に沿ったＶＯＩの場所の選択が本文の記述に関する当業者に より構造的コイルの設計が可能であると考えられる。この軸心に沿ったＶＯＩの 場所の選択が本発明の当該実施例による磁石の設計において行うことが可能であ る。

次に図２２に関して、本発明によるベーゲル型磁石の別の実施例について詳細に 記述する。先に述べたように、強磁性体、即ち鉄の使用は、フリンジ磁界の遮蔽 、磁界の強化のための超伝導磁石において、また磁束の帰還路として一般的であ る。本発明の当該実施例による磁石７５は、図２２に示されるように、問題とな る体積ＶＯＩからコイル組立体７４の反対側に配置され、従って患者からコイル 組立体７４の反対側に配置される鉄の磁束帰還路７２を含んでいる。鉄の磁束帰 還路７２はディスク形状の要素であり、本例においては、約１５ｃｍの厚さと約 ６０ｃｍの半径とを有する。鉄の磁束帰還路７２は、多数の平行なディスク状の 鉄板からなることが望ましいが、無油鉄の一体のブロックとして形成することも できる。

先に述べたように、構造的コイルの方法論は、例えば図１９ｂに関して述べた方 法を用いることにより、その内部に鉄の要素を含む超伝導磁石を設計することが 可能である。図２２の事例においては、タイリングは２次元における＋２ｃｍと 一３ｃｍとの間、およびρ次元におけるｌＱｃｍと５０ｃｍとの間で２−９面の 半面内の領域と対応しており、このタイリングは無油ρ−０軸の周囲で対称であ る。

本例では、磁石７５は（ｚ＝０）軸を中心とする５ｃｍの半径の問題となる体積 ＶＯＩにＩＯＫガウスの磁界を生じるように設計され、この問題となる体積はコ イル組立体７４の中間面（ｚ＝−３ｃｍ）から３ｃｍだけ偏在されている。先に 述べた構造的コイルの方法論による最適化の結果として、また鉄の磁束帰還路７ ２の存在を勘案して、図２２に示された形状を持つコイル７１Ａ乃至７１Ｇがコ イル組立体７４と対応するタイリング内に規定された。先に述べた実施例におけ るように、コイル７１Ａ乃至７１Ｇの各々の内部の電流の極性は、＋２方向（図 ２２における上方向）に正味の磁界を生成するために、紙面に向う電流（コイル ７１Ｂおよび７１Ｄ）の場合は円内の十字により、また紙面から出る電流０の場 合は円内の点によって示される。磁石７５におけるコイル７１Ａ乃至７１Ｇの各 々における大域的な最大電流密度の大きさが約８．ＯＫＡ／ｃｍ２であり、これ はニオブ／チタン合金の超伝導ワイヤの場合には、銅製のスタビライザ、低温霊 媒伝達溝、構造鋼の帯止め、および従来のケンチング保護要素に対して充分な余 地を許容する。前の場合におけるように、この電流密度は、コイル７１Ａ乃至７ １Ｇの各々の間で実質的に一定である。ＶＯＩ内部にＩＯＫガウスの磁界を生じ るためには、本例におけるコイル７１Ａ乃至７１Ｇのそれぞれの内部の総電流（ 電流密度×コイルの断面積）は下記の如（である。即ち、７１Ｂ　６１．４３　 ４４４．１０ ７１Ｃ１３４，２９−１０３７，０１ ７１Ｄ　１８１．４３　１４５１．６１図２３は、図２２に関して先に述べた磁 石７５の構造に対して、先に述べた０ＰＵＳ有限要素モデリング・プログラムに よってモデル化される如き磁力線を示す。鉄の磁束帰還路７２を含む磁石７５の 当該バージョンの場合は、（微調整前で）約１３ｐｐｍの均一性を持っＶＯＩの 内部にＩＯＫガウスの磁界が生成される。磁石７５に対して要求される全超伝導 体は５９４８．７ＫＡ−メートルとしてモデル化され、これは１２．０ＯＯＫＡ −メートル程度の超伝導体を必要とする従来のＩＯＫガウスの全身用円筒状超伝 導ＭＲＩ磁石よりも著しく少ない。

図２３から明らかなように、鉄の磁束ｍＡ路７２は、コイル組立体７４における コイル７１Ａ乃至７１Ｇにより生じる磁束線に非常に影響を及ぼす。実際に、鉄 の磁束帰還路７２は帰還磁束を「捕捉」するように働き、その結果コイル組立体 ７４に与えられる磁束が２軸に対して略々平行となる。コイル組立体７４に対し て磁束をこのように与えることは、本発明の当該実施例におけるＶＯ■内部の均 一な磁界の生成を著しく助ける。

次に図２４および図２５に関して、本発明によるベーゲル型磁石の別の代署例が 示される。当技術において周知のように、ＮＭＲｒＩｒｒ層写真法の分野におけ る電流制御の調整は、２テスラ（２０にガウス）を越える磁界に曝され得る。本 発明の当該実施例による磁石８０は、問題となる体積ｖＯ■内部の充分な磁界の 強さおよび均一性を依然として提供しなが呟患者に最も近い磁石の表面における ピーク磁界を減じるように設計される。

次に図２４および図２５において、本発明の更に別の実施例による磁石９０につ いて次に述べることにする。各超伝導材料が所与の電流密度に対するピーク磁界 に対する上限を有し、この電流密度より高いと前記材料はもはや超伝導状態にな い（即ち、「ケンチング」が生じる）＃ことが超伝導電磁石の技術において周知 である。このケンチング（ピーク磁界に対する）は、図２６のプロットに示され るように、増加する電流密度と共に低減する。しかし、先に述べたように、構造 的コイル方法論（ならびに、従来の磁石設計技術）によれば、コイル組立体内の 全てのコイルに対する比較的均一な電流密度を結果として生じ、コイル組立体内 部のピーク磁界がコイル組立体の１つの領域に略々集中する。その結果、コイル 組立体の多くの領域において、電流密度は、依然としてケンチングを避けながら 安全に伝達することが可能であるレベルよりはるかに低く制限される。

本発明の別の代替例によれば、構造的コイル最適化プロセスにおいて各タイリン グにおける電流密度を他のタイリングにおける電流密度とは独立的にさせるため 多数のタイリングが用いられる。ピーク磁界が予期される場所から離れて置かれ たタイリングの場合は、電流密度は高くしてこれによりより少ない超伝導材料で 更に多（の磁界を生じるようにさせられる。多数のタイリングを用いることは、 このように磁石の効率を更に改善して、必要とされる超伝導材料のコストを減じ ることによりその製造コストを低減する。

図２４に示されるように、本発明の当該実施例による磁石９０は、６つのコイル 組立体９４乃至９９を含み、これらは先に述べた構造的コイル最適化方法論にお けるにおける６つの対応するタイリングの使用の結果である。電流値が許容され るこれら６つのタイリングの各々においては電流密度が一定であるが、他のタイ リングを結果として生じるものとは異なり得る。磁石９０の製造において、これ らの変化する電流密度が１つの電流経路が依然として使用できるように異なる超 伝導ケーブル構造の使用によって実現される。例えば、電流密度がより高いコ　 ゛イル組立体においては、更に多くの超伝導ワイヤが体積内に存在するように絶 縁体、銅スタビライザおよび侵入型空間の量が低減され、反対に、低い電流密度 は、侵入型空間および絶縁体の量を増すことにより実現され、その結果単位体積 当たり少ない超伝導ワイヤをもたらする。

図２４の事例では、各タイリングは、２次元におけるＯｃｍと一１２ｃｍとの間 で２−９面の半分において１つの領域と対応して、その結果ρ次元における変化 する位置に６つのコイル組立体９４乃至９９を生じることになる。コイル組立体 ９４は、ρ次元において１５ｃｍと２５ｃｍの間に置かれ、コイル組立体９５は ρ次元において２７ｃｍと３１ｃｍの間に置かれ、コイル組立体９６はρ次元に おいて３３ｃｍと３７ｃｍの間に置かれ、コイル組立体９７はρ次元において３ ９ｃｍと４３ｃｍの間に置かれ、コイル組立体９８はρ次元において４５ｃｍと ４９ｃｍの間に置かれ、コイル組立体９９はρ次元において５１ｃｍと５５ｃｍ の間に置かれている。従前の事例における如（、これらタイリングの各々は無油 ρ−０軸の周囲で対称的である。

本例においては、磁石９０は、ｚ＝０軸を中心とする半径７．５ｃｍの問題とな る体積ＶＯＩに５にガウスの磁界（即ち、０．５テスラ）を生じるように設計さ れ、コイル組立体の中間面がＺ次元において−６゜Ｑｃｍにあるため、問題とな る体積Ｖ（Ｎは５ｃｍだけ磁石の中間面から偏在している。先に述べた構造的コ イル方法論に従った最適化の結果として、コイル組立体９４乃至９９は、図２４ に示されるように、コイル組立体７４と対応するタイリング内部に画成された種 々の形状の１つ乃至６つのコイルを含む。先に述べた実施例における如く、コイ ル組立体９４乃至９９およびその内部のコイルにおける電流の極性は、紙面に入 る電流の場合は円内の十字により、また紙面から出てくる電流の場合は円内の点 によって示される。これら電流の結果として、正味の磁界が問題となる体積ＶＯ ｆ内で＋２方向（図２４における上方向）に生成される。

磁石９０に対して先に述べた構造的コイル最適化法により決定される断面積およ び電流は、下記の如（である。即ち、三４ｋ　面！ｒｉ（Ｃｍ２）　電流（ＫＡ ）９４Ａ　２．　４５　６１．　２２ ９４Ｂ　１１．００　−２４９．４７ ９４Ｃ３６，７３８５２，１９ ！Ｊ４Ｄ　４６．５３　−１１３９．５７９４Ｅ　２０．８２　４６１．００ ９４Ｆ　２．４４　−６１．２２ ９５Ａ　４４．５７　−５２４．８７ ９５Ｂ　３．４３　４１．１３ ９６Ａ　２７．４３　−１２３．４３ ９６Ｂ　２０．５７　９：？、５７ ９７　４８．００　２１５．８８ ９８　４８．００　４７９．９２ ９９　４８．００　４７９．９２ 以上のことから明らかなように、また先に述べたように、コイル組立体９４乃至 ９９の各々における大域的最大電流密度の大きさはそれぞれにおいて変化するが 、コイル組立体９４乃至９９の各々においては略々一定となる。本例においては 、コイル組立体９４乃至９９における大域的最大電流密度は下記の如くである。

即ち、 コイル組立体　電流密度（ＫＡ／ｃｍ”）９４　２５．０ ９５　１２．０ ９８　１０．０ ９９　１０．０ 以上のことから明らかなように、コイル組立体９６乃至９７における電流密度は コイル組立体９４乃至９９の残りにおけるよりも低い。これは、本例においては 、先に述べた単一タイリング例における如く均一な電流密度の最大値が用いられ るならば、ピーク磁界がコイル組立体９６．９７の内部に存在すると予期される 。

しかし、各タイリングにおける電流密度が他のタイリングに関して変化する本発 明の当該実施例によれば、ピーク磁界の場所は問題となる体積ＶＯＩに向って近 づくように移動される。本例では、ＰＯＵＳプログラムにより行われる有限要素 モデリングを用いて、コイル組立体９４乃至９９の各々におけるピーク磁界値は 下記の如くである。即ち、 ９８　３．６６ ９９　２．７５ このため、複数のタイリングの提供により大域的電流密度を変化させ、またコイ ル組立体において最も高い電流密度を問題となる体積Ｖ（Ｈに最も近づける。。

このような複数のタイリングの使用が、先に述べた事例において要求された全超 伝導材料が８６７４．４ＫＡ−メートルであるため、電磁石構造において改善さ れた効率を可能にする。

更にまた、タイリング数を増すことで、構造的コイルの最適化における更に別の 自由度を提供する。このため、電磁石の構成における更に大きな柔軟性が与えら れる。このため、更に大きな問題となる体積、即ち図２４の事例において１５ｃ ｍの直径のＶＯＩが提供される。

図２５は、図２４に関して先に述べた磁石９０の構造に対して、先に述べた０Ｐ ＵＳ有限ＭＺモデリング・プログラムによってモデル化される如き磁力線を示す 。このような複数のタイリング磁石の場合、（微調整前に）約７ｐｐｍの均一性 を持つ５にガウスの磁界が生成される。

要約すると、本発明の当誹実施例による均一な高磁界ＤＣ磁石の各々の設計は、 女性の胸部の如き像形成されるべき体外部の体積に問題となる体積を合わせる。

結果として、かつ特に先に述べた構造的コイル方法論を用いる時、磁石はＤＣ磁 石のコスト、重量および寸法を著しく改善する方法で制限されたＶＯＩ内に非常 に均一な磁界を提供するように最適化することができる。本発明の当該実施例に よる磁石もまた、磁石内孔の外側に患者を止めることを可能にし、患者の不安を 大幅に減少しかつ医療要員による患者に対する接近を最大化する。更に、磁石の 内孔の外側に患者の頭部を保持することにより、患者に対する勾配コイル・ノイ ズの影響が非常に減じられ、従来の円筒状の全身磁石において経験される不安か ら患者の不安を更に減少する。

更にまた、本発明の当該実施例によるものの如き小さな磁石の場合でも、過剰量 の超伝導体を必要とすることなく漂遊磁界は非常に良好に保持され、実に設計者 が漂遊磁界の管理と超伝導体のコストとの間の妥協を許容する。

頭部ＭＲｌ用のヘルメット型磁石 次に図１３に関して、本発明の第３の実施例による磁石３０について詳細に記述 する。先に述べたように、人間の頭部頭載、特に頭Ｉ悩のＮＭＲ断層写真法が、 頭脳の傷害および内部の腫瘍の程度を決定するためにしばしば必要である。頭脳 ＭＲＩの別の重要な用途は精神療法の処置の間にあり、ここで精神科医が患者に 対して視覚的な刺激を与えてＭＲＩによるこの刺激に対する頭脳の活動応答を観 察する。

ソレノイド型のｍｇｔを内蔵する従来のＭＲＩシステムは、内部の臓器の充分な ＭＲＩのため必要な５にガウス以上の磁界の生成において使用される主要な設計 であったが、円筒状磁石の内孔内への患者の全身の挿入を必要とした。このよう な挿入は、患者の比較的高度な不安を生じる結果となり得る。更に、特に頭部が 像形成される場合に、勾配コイルの切換えにより生じるノイズは多くの患者にと って非常に驚かせるものであり、磁石の「トンネル」によって既に与えられた不 安から不安のレベルを増すものである。更にまた、円筒状磁石は患者の視覚を妨 げて、精神医療の前後関係における視覚的な刺激に応答して頭脳の活動のＭＲｌ のための使用を不可能ではなくとも厄介なものにする。

本発明のこの第３の望ましい実施例によれば、特に頭部および頭脳のＭＲＩのた めに設計され、かつこのような像形成のため必要な制限された問題となる体積（ ＶＯＩ）を利用する磁石３０が提供される。従来の円筒状磁石の全身挿入を必要 とすることなく、人間の頭部の大きさと対応する制限されたｖＯＩにわたり非常 に均一な非常に高いＤＣ磁界（２０にガウス程度）が提供される。

図１３において、本発明の当該実施例による磁石３０内部に患者Ｈが示される。

磁石３０は、患者Ｈにとって患者の頭部を下方から挿入するのに充分な大きさく 例えば、２０Ｃｍ）の内孔３４が貫通した低温自動装置３２を含む。磁石３０は 支持部３１により背後から支持され、その結果磁石３０は相互に固定された場所 に止まり、磁石３０の高さを患者Ｈの座高と一致させるウオームギアまたはチェ ーン駆動部の如き調整機構（図示せず）を支持部３１に設けることができる。ま た、磁石３０には視野の間隙３３が設けられ、その結果患者Ｈの視野が妨げられ ず、先に述べた精神医療の前後関係における患者Ｈと磁石３０の外部の人員との 間の視覚的接触を可能にする。更にまた、精神医療用途の外では、ある程度の患 者の不安が患者の視野の妨げによるものであるため、間隙３３はこのような不安 を著しく低減するように働く。

磁石３０の大きさは、外径で６０ｃｍ、また高さが３５ｃｍの程度である。その 磁界強さは、磁石３０の内孔３４を略々中心とする直径が２０ｃｍ程度のｖｏｌ にわたり実質的に均一（＜１０ｐｐｍ）な２０にガウス（２，０テスラ）の程度 であることが考えられる。全高は、約４５３Ｋｇ　（１０００ポンド）程度であ ることが考えられる。このため、本発明の当該実施例による磁石３０の構造はま た実質的に携帯可能な磁石を提供し、このため磁石３０が組込まれるＭＲＩシス テムは、空間移動を含む自動車（移動ＭＲＩスクリーニング・トラック）、船舶 などによって展開することができる。

構造的コイルの方法論により設計された他の磁石に関して先に述べたように、磁 石３０がＮＭＲ断層写真法に必要な大きなりＣ磁界を生じるように意図されるた め、全ＭＲＩシステトの残部は磁石３０との組合わせにおいて提供されることが 無油理解されよう。このため、ＶＯＩ内でそれぞれ勾配磁界および振動磁界を生 成するだめの勾配コイルおよびＲＦコイル、および印加される磁界に対するＶＯ Ｉ内の磁気回転原子核の応答を検出するための検出コイルが、磁石３０との組合 わせで提供されてＭＲＩ装置を完成する。当技術において周知のように、これら の付加的なコイルに必要な体積は比較的小さく、このため図１３に示される表示 は、磁石３０に対する患者Ｈの相対的位置を示す上で略々正確になるように考え られている。これらの特定の付加的要素の設計は、無油要求される特定のＭＲＩ システム設計に依存することになり、当業者が、従来の技術を用いることにより 本発明の当該実施例に従って磁石２０に対するこのような付加的特徴を提供でき ることが考えられる。参考のため先に本文に援用されたＰｉｓｓａｎｅｔｚｋｙ の論文ｒＭｃａｓ、Ｓｃｉ、Ｔｃｃｈｎｏ１．Ｊは、勾配コイル設計の分野にお けるこのような周知の技術を示している。

次に図１４に関して磁石３０の構造について更に詳細に述べることにする。図１ ４に示されるように、磁石３０は超伝導タイプであることが望ましく、このため 、低温自動装置３２内部に配置されたコイル組立体対３５Ａおよび３５Ｂを含む 、、コイル組立体対３５Ａ、３５Ｂにおける正味電流の伝達は、内孔２４の軸心 周囲で円形方向にあり、また相互に同じ方向にあって、その結果反時計方向の正 味電流に対する磁界Ｂの方位は図１４に示される如（上方向である。

低温自動装置３２は、超伝導温度まで冷却される時、その内部を所要の真空まで 減圧させ、かつ超伝導コイルのワイヤが配置されるボビンおよび低温霊媒の配管 に充分な強さの３０４Ｌステンレス鋼の如き周知の構造を有する。従来の低温圧 縮装置（図示せず）が、従来の配管により低温自動装置３２に接続されて、その 内部を超伝導温度に維持する。更に、磁石２０のコイル組立体２５における超伝 導ワイヤは、カプトン絶縁を持つ矩形状断面の公知のルータフォード・タイプで ある先に述べた５ＣＯＫケーブルの如き周知のニオブ・チタン合金タイプのもの である。このため、低温自動装置２２がコイル組立体２５を維持しなければ°な らない温度は、４．２°に程度である。

あるいはまた、従来のワイヤ導体（即ち、非超伝導）を磁石３０の内部に用いる ことができ、その結果広い用途の非常に安価なシステムをもたらすことが考えら れる。痛論、非超伝導ワイヤの電流容量は超伝導ワイヤのそれに比して実質的に 制限され、これが磁石３０に得られる磁界強さを制限することが多い。従って、 磁石３０は超伝導であることが望ましい。

次に図１５に関して、上部コイル組立体３５Ａの内部のコイル３６Ａ乃至３６Ｃ の構成について磁石３０の非遮蔽バージョンに関して詳細に述べることにする。

磁石２．２′、２０に関して先に述べたように、コイル組立体３５は複数のコイ ル３５Ａ乃至３５Ｃを含み、その各々がＶＯＩの内部の非常に均一な磁界Ｂを生 じるように磁石３０における変化する極性の全電流の異なる値を呈する。図１５ の表示は、図１４に示される如き磁石３０の右上の象限に対するものである。コ イル３６Ａ乃至３６Ｃは、内孔３４の軸心の周囲およびｚ＝０中間面の周囲の両 方において対称となる。従って、図１５は、磁石３０における両方のコイル組立 体３５Ａ、３５Ｂの全体構造を表わしている。

コイル３６Ａ乃至３６Ｃの設計は、先に述べた実施例における如く構造的コイル の方法論により行われる望ましく、この場合（図１５に示される如きｚ−ｐ面に おける）コイル組立体３５Ａ、３５Ｂと対応するタイリング内の離散的位置のコ イル要素に対する電流の極性および大きさは、所要の大きさにおけるＶＯＩの磁 界の均一性を最大化することに関して調整される。先に述べたように、構造的コ イルの方法論は、（極性に従って）コイル要素がその最大あるいは最小の電流密 度をしばしば運ぶ結果になり、著しい集積度がコイルの画成に生じる結果となり 、あるいはコイル要素が実質的に同じ電流の大きさおよび極性を伝達することに なる。

先に述べた次元を有する磁石３０により生じるＶＯＩにおける２０にガウスの磁 界の事例においては、コイル３６Ａ乃至３６Ｃは、構造的コイル方法論により最 適化される如き図１５に示される形状を有する。コイル３６Ａ乃至３６Ｃの各々 における電流の極性は、紙面に入る電流の場合は円内の十字により（コイル３６ Ａおよび３６Ｃ）、また紙面から出る電流の場合は円内の点によって（コイル３ ６Ｂ）示され、＋２方向（図１５における上方向）に磁界を生成する。この方法 論の結果として得る電流密度の大きさは、約１６．ＯＫＡ／ｃｍ２であり、コイ ル３６Ａ乃至３６Ｃの各々に跨がって略々一定である。この低電流密度は、銅ス タビライザ、低温霊媒の伝達溝、構造的鋼帯１１−めおよび従来のケンチ保護要 素に対する大きな余地をコイル組立体３５Ａ、３５Ｂ内に提供しながら、従来の ニオブ−チタン合金の超伝導ワイヤの使用を許容する。ＶＯＩ内に２０にガウス の磁界を生じるためには、本例におけるコイル３６Ａ乃至３６Ｃの各々において 全電流（電流密度×コイルの断面積）は下記の如くである。即ち、ユニ火　電流 （ＫＡ） ３６Ａ　１９．２０ ３６Ｂ　−２９７，４０ ３６Ｃ８２５，６０ 図１６は、図１５に関して先に述べた磁石３０の構造に対して、先に述べた０Ｆ ＵＳの有限要素モデリング・プログラムによりモデル化された如き磁力線を示し ている。磁石３０のこのような非遮蔽バージョンの場合は、（Ｗｌ−ａ整前に） 約７ｐｐｍの均一性を有する２０にガウスの磁界がＶ（Ｎ内に生成される１、５ ガウスの線は、磁石３０の側面から（即ち、低温自動装置３２の外径から直角に ）約２．５メートルであり、その頂面および底面から（即ち、内孔３４の軸心と 平行に）約４．３メートルである。磁石３０に対して要求される全超伝導体は、 約２７３２ＫＡ−メートルとなるようにモデル化され、これは少なくとも２４． 　００ＱＫＡ−メートルの超伝導体を必要とする従来の２０にガウスの円筒状超 伝導全身ＭＨＩ磁石よりも著しく少ない。

図１５の磁石３０により生じる漂遊磁界は比較的低レベルであるが、この漂遊磁 界は能動型遮蔽コイルを提供することにより更に低減することができ、この遮蔽 コイルもまた先に述べた構造的コイル方法論により設計されることが望ましい。

図１７は、遮蔽コイル３８Ａと組合わせたコイル３９Ａ乃至３９Ｃを内蔵する一 次コイル組立体３７Ａを含む能動型遮蔽磁石（ρ−０の軸心およびｚ＝Ｑの面の 周囲で対称である４半部磁石に比して）の如き構成を示している。遮蔽コイル３ ８Ａは、例えば、１０ｃｍの距離だけ一次コイル組立体３７Ａからその中間面と 平行な方向に分けられる。−次コイル組立体３７Ａと遮蔽コイル３８Ａの両方は 、それぞれが同様な構造の超伝導ワイヤを含むものと同じ低温自動装＠（図１７ には示さず）の内部に含まれることが望ましい。

先に述べた磁石２０の遮蔽型の場合における如く、遮蔽コイル３８Ａの提供は４ 重極磁石を有効に生成し、−次コイル３９Ａ乃至３９ＣがｖＯＩにおける高い均 一性の磁界を生成し、磁界が低温自動装置３２の外側のρ−４の関数として減衰 するように遮蔽コイル３８Ａが一次コイル組立体３７Ａの外側の磁気双極子モー メントを打消す。−次コイル３９Ａ乃至３９Ｃの各々における形状、大きさおよ び陽所、およびコイル３９Ａ乃至３９Ｃおよび３８Ａにおける電流の設計は、先 に述べた構造的コイルの方法論によって得られることが望ましく、再び加重係数 を用いて最も高い内孔磁界の品質と最良の遮蔽との間の妥協を生じる。

本発明のこのような実施例による能動型遮蔽磁石３０のこのような設計の一例が 図１７に示される。図１７に示される円内の十字および円内の点の極性規則は、 尤に述べた事例と同じである。遮蔽型磁石３０の本例における、−次コイル３９ Ａ乃至３９Ｃ１および遮蔽コイル３８Ａに対する全電流値は下記の如（である。

即ち、 ３９Ｆ＋　−２５６，０４ ３９Ｃ８８３，２０ ３８Ａ　−１５１，４２ コイル３９Ａ乃至３９Ｃ１遮蔽コイル３８Ａに対する電流密度もまた約１６．。

ＫＡ／ｃｍ２であり、再び従来の方法で構成される従来のニオブ−チタン合金の 超伝導ワイヤにより容易に伝達され、銅スタビライザ、低温液体伝達溝、構造的 金属帯止め、およびケンチング保護要素に対する充分な余地を有する。

０ＰＵＳ有限要素コンピユータ・モデリング・プログラムによりモデル化される 如く、図１７に示される如き遮蔽磁石３０の構造は、図１８に示される如き磁力 線を提供する。このモデリングは、５ガウスの線が（それ自体が内孔３４の軸心 から約４５　ｃ　ｍにある）シールド・コイル組立体２８の外径から僅かに７０ ｃｍであり、頂部および底面から僅かに２．　０メートルである。この遮蔽磁石 ３゜に対して要求される超伝導体の全県は約３５５６ＫＡ−メートルであり、こ れは依然として２０にガウスの磁界強さに対して全く有効である。遮蔽磁石２ｏ の全寸法は、直径で約１４０メートルであり厚さで３５ｃｍであり、計画重量は 約４５３Ｋｇ　（１０００ポンド）より小さく、この場合もＭＨＩシステム用の 比較的小さく安価な高ＤＣ磁石を提供する。

ヘーゲル型磁石３０の場合において如く、超伝導体量と遮蔽効率との間の妥協を することができ、より劣った漂遊磁界の遮蔽を犠牲にして超伝導体および低温コ ストを節減する。また、磁石２ｏの場合における如（、鉄製シールドもまた、磁 石３０の他の利点を依然として得なが呟付加された重量および大きさを犠牲にし て本発明の本例による磁石３ｏに対して用いることもできる。

このように、従来の円筒状磁石により与えられる視覚の妨げを排除しながら、本 発明の本例による均一な高磁界ＤＣ磁石３ｏもまた問題となる体積を頭部領域の 問題となる体積になるよう調整する。全身を磁石の内孔へ挿入する必要がないと いう利点との組合わせにおいて、本発明はこのように、最小の患者の不快と医療 人口による患者への最大限の接近をもたらすＮＭＲ断層写真法用の高ＤＣ磁界を 提供する。患者に対する勾配コイルのノイズの影響は、本発明の当該実施例によ る磁石によって非常に低減され、従来の円筒状の全身用磁石において経験される 不安から患者の不安を更に減じるものである。

更にまた、これらのヘルメット型の磁石のそれぞれにおいて、構造的コイル方法 論は、比較的大きな問題となる体積にわたって実質的に均一である比較的大きな 磁界、およびヘルムホルツ・コイル対の如き従来の磁石の設計に全て対比して比 較的少量の超伝導体による電磁石を提供する。

極部小円筒状内孔磁石 図２７に関して、本発明の別の実施例による超伝導磁石１が断面で示される。

磁石ｌは、円筒形状のＭＨＩ装置において使用される２、０テスラ程度の如き高 いＤＣｌａＷを生成するためのものである。このため、図２７の断面は、軸心Ｚ を持つ円筒状内孔Ｂの周囲に配置され、軸心Ｚならびに中間面ＭＰの双方に関し て対称である円筒の２つの断面部分を示している。内孔Ｂの内部の範囲５は、本 発明の超伝導磁石１により生成されるＤＣ磁界が非常に均一となり内部で２５ｐ ｐｍ以下の程度に偏向する体積を示している。このため、範囲５は、装置による ＭＲＩによって像形成される電圧を示し、本例においては半径が約２５ｃｍであ る。

図２８は、内部に配置された人間主体ＨのＭＲＩのため用いられる如き磁石１を 示している。図２８に示されるように、範囲５は、体内の臓器の如き人体Ｈの有 意義部分の像形成を可能にするのに充分な寸法となるように意図される。本発明 の当該実施例によれば、内孔Ｂの長さは１．５メ一トル程度であり、また内孔Ｂ の直径は１．０メ一トル程度である。以下において更に詳細に述べるように、こ のような寸法は人体Ｈに対する比較的高い快感レベルを許容し、かつ生命維持７ ステｔ１、計器および監視システム、ならびに医療人口による人間の介在により 人体Ｈの連続的な接近を可能にする。

磁石ｌは、内部に内孔Ｂにおける軸方向のＤＣ磁界を生成しかつ遮蔽機能をも提 供する超伝導コイルの組が配置される低温自動装置１０２を含む。以下においテ 更ニ詳細ニ述ヘルヨうに、駆動コイル１０６．１０８ａ、１０８ｂ１１１０ａ。

１１０ｂ、１１２ａおよび１１２ｂが、内孔Ｂ内部に軸方向のＤＣ磁界を生成す るために内孔Ｂの付近で低温自動装置１０２の内部に配置されている。遮蔽コイ ルｌ　１４ａ、１１４ｂが、それぞれ駆動コイル１１２ａ、１１２ｂから軸Ｚか らの大きな半径方向距離で磁石１の端部に配置されており、各搬送電流は駆動コ イル１０６．１０８．１１０．１１２における方向とは反対の方向である。低温 自動装置１０２は、超伝導温度まで冷却された時にその内部を所要の真空まで減 圧させ、かつ超伝導コイルならびに低温霊媒の配管が配置されるボビンに対する 所要の構造的支持部を提供するのに充分な強さの３０４Ｌステンレス鋼の如きス テンレス鋼から形成されることが望ましい。本発明の当該実施例によれば、以下 に更に詳細に述べるように、単一の低温自動装置１０２がこの超伝導磁石の駆動 コイル１０６．１０８．１１０．１１２および遮蔽コイル１１４の両方を含む。

低温装置（図示せず）には、駆動コイル１０６．１０８．１１０．１１２および 遮蔽コイル１１４をワイヤ材料を超伝導状態に維持するに必要な温度まで冷却す るための磁石１が設けられている。例えば、超伝導ワイヤがニオブ−チタン合金 から形成される場合、超伝導温度に対する上限は９．２°にである。このような 温度を維持することができる。低温装置の一例は、ＣＶＩ社により製造され販売 されるモデルＣＧＲ５１１−４，５であり、冷却液体として液体ヘリウムを使用 する。

超伝導磁石１のコイル１０８．１１０．１１２．１１４に対する詳細な構造およ び電流については、以下に更に詳細に述べることにする。

図２７および図２９を組合わせて、本発明の当該実施例による超伝導磁石１は更 に、遮蔽コイル１１４ａ、１１４ｂ間で低温自動装置１０２の間隔内に円筒状に 配置された低温自動装置１０２における磁束帰還路１０４を含む。図２９に示さ れるように５磁束帰還路１０４は円筒状内孔Ｂを包囲する複数のセグメント１２ ０に構成され、各セグメント２０は磁石の円筒状断面の円弧を画成する。それぞ れが軸Ｚと平行に磁束帰還路１０４の全長だけ延長する複数の平行な隣接した鋼 板１１９を含む。板１１９の望ましい材料は１００８鋼であり、これは周知の如 （強磁性体であり、このため本発明の当該実施例による磁束帰還路１０４は実質 的に鉄の磁束帰還路である。板１１９の幅は、軸２からの半径方向距離で増加し てセグメント２０により画成される円弧内の体積を実質的に充填する。本例にお いては、平行板１１９の１２のセグメント２０が内孔Ｂを包囲している。

セグメント２０内の板１１９が相互に、また磁石のいずれかの端部におけるリン グ１１６ａ、１１６ｂに例えばボルトによって固定されている。リング１１６ａ 、１１６ｂは、１００８鋼または他の高張力強磁性体の加工されたリングであり 、各セグメント２０の板１１９をこれにボルト止めさせる適当な穴を含む。各セ グメント２０毎に、別の鋼板１１８がその間に配置されたリング１１６ａ、１１ ６ｂにボルト止めされ、これによりリング１１６ａ、１１６ｂの距離に等しい軸 Ｚからの半径方向距離を持ち、板１１８はこれにより構造的な強度を付加すると 共に、板１１９の磁束経路に加えてリング１１６ａ、１１６ｂ間に磁束帰還路１ ０４における磁束経路を付加する。リング１１６ａ、１１６ｂが精密加工によっ て形成されることが望ましいが、本発明は、板１１訳１１９を炎切断の如きコス トの安いより低い精度の方法により作ることを可能にする。

例えば、本発明の当該実施例による鉄の磁束帰還路１０４が、軸Ｚから約６８Ｃ ｍの半径方向距離に配置された半径方向の内縁部（即ち、板１１８の内側）を有 する。磁束帰還路１０４の外縁部（即ち、頂部板１１９の外側）は、軸Ｚから約 ９９ｃｍの半径方向距離に配置される。磁束帰還路の全長は約１３０ｃｍである 。１００８鋼の場合は、本例によれば、鉄の磁束帰還路１０４の全重量は約１６ ．６トンである。

図２７に戻って、駆動コイル１０６．１０８．１１０．１１２および遮蔽コイル １１４の構造および場所について詳細に記述することにする。先に述べたように 、駆動コイル１０６．１０８．１１０．１１２はそれぞれ磁束帰還路１０４の内 径以内で内孔Ｂ付近に配置され、全てが所要の磁界を生じるように同じ方向に電 流を流し、例えば、駆動コイル１０６．１０８．１１０．１１２に流れる電流の 方向は図２７の頂面の紙面から出て図２７の裏面で紙面へ入る（あるいは、図２ ９の断面における時計方向に）。このため、駆動コイル１０６．１０８．１１０ ．１１２は一緒に、内孔Ｂの軸Ｚに平行に指向された磁力線（即ち、磁束線）を もつ内孔Ｂに磁界を生成するための駆動ソレノイドを形成する。

遮蔽コイル１１４ａ、１１４ｂはそれぞれ磁束帰還路１０４の外側で磁石の端部 に配置され、その結果磁束帰還路１０４が遮蔽コイル１１４ａ、１１４ｂ間の軸 方向間隙内に配置される。遮蔽コイル１１４ａ、ｌｌ４ｂに流れる電流の方向は 、駆動コイル１０６．１０８．１１０．１１２のそれとは逆（即ち、図２７の表 面で紙面に入り、図２７の裏面で紙面から出る方向、即ち、図２９の断面におけ る反時計方向）であって、そのため遮蔽コイル１１４ａ、１１４ｂが内孔Ｂ内に 生成されたものと反対の極性の磁界を生じる。

従来の設計手法を用いて、図２７および図２９の磁石１の駆動コイル１０６．１ ０８．１１０，１１２および遮蔽コイル１１４の各々における電流の大きさを決 定する。最も広く用いられる設計方法によれば、駆動コイル（および、必要なら ば遮蔽コイル）の組の場所が最初に決定され、次いでコンピュータ支援モデリン グ法により電流が規定される。このような設計の望ましい場合は、軸方向に対称 でありかつそのｒＰ　ｌｉｄ面の周囲に対称である磁石に対するものであり、こ れにより偶数の区間的な調和関数のみが生じることを保証する。各コイルにおけ る電流で度は同じものであると仮定され、場所の関数ではない（即ち、電流密度 は目標の範囲から半径方向または軸方向の距離とは独立的である）。コイルの場 所がこの従来の方法で一旦決定されると、設計者は、より高次の区間調和関数（ Ｃ２、Ｃ４以上）が消滅するまで各組のコイルに流れる電流を調整して、ゼロ次 の区間調和関数Ｃ８のみが内孔内の所要の磁界を決定するようにする。この従来 の設計法に対する改善が、鉄の遮蔽磁石の場合に対する有限要素（Ｆ　Ｅ）モデ リングおよび設計と能動型遮蔽磁石に対するモンテカルロ−ランダム探索法（Ｍ ｏｎｔｅＣａｒｌｏ　ｒａｎｄａｍ　５ｅａｒｃｈ　Ｌｃｃｈｎｉｑｕｃｓ）を 含んでおり、それぞれ規定されたコイル場所における電流を決定するため用いら れる。

本発明の望ましい実施例による磁石１の駆動コイル１０６．１０８．１１０．１ １２および遮蔽コイル１１４における電流の大きさを設定するためにこの従来技 術が用いられることを知るべきである。しかし、駆動コイル１０６．１０８．１ １０．１１２の各々および遮蔽コイル１１４における場所および電流の大きさは 、先に述べたように、「構造的コイル」の方法論に従って決定されることが望ま しい。

従って、磁石ｌの詳細な設計は、構造的コイルの方法論により決定されたもので 、設計の目標は直径が１．０メートルの内孔Ｂ内で２．０テスラのＤＣ磁界を生 じ、半径が２５ｃｍの範囲５内で２５ｐｐｍ以下の均一性を有する磁石である。

フリンジ磁界の設計目標は、いずれかの端部における内孔Ｂの開口から５メート ル以下の５ガウス線であった。更に、本発明の当該実施例における磁石１の如き 円筒磁石の場合は、軸方向および中間面の対称性が４半部磁石に基いて構造的コ イルの最小化を行わせる。

このような磁石の事例の設計のため用いられる構造的コイルの方法によれば、２ １の目ｅ＜所が範囲５の表面上に選定された。更に、適当な遮蔽の設計のために は、当例において１５の目標場所が、内孔Ｂの外側において、軸方向に範囲５の 中心からのその半軸の４．８メートルを有し、かつ（軸Ｚと直角をなす）半径方 向に範囲５の中心から２．５メートルを有する４半部の楕円に沿って選定された 。フリンジ磁界に対する目標場所のこのような４半部の楕円の規定は、これが円 筒状ＭＲＩ磁石に対する従来の５ガウスの形状に類似するため選定された。

内孔以内と内孔の外側の両方の目標場所を用いて磁界誤差の２次の最小化を行う 際、誤差の形態に加重係数を含めることが有効である。この加重係数は、内孔Ｂ における高い均一性の磁界と小さなフリンジ磁界の効果との間の妥協を包含して いる。往って、本発明の当該実施例による磁石１の設計において最小化される誤 差の形＠Ｑは下記の如（である。即ち、惧し、Ｗ、の組は、内孔Ｂの内部の１１ 枕場所（Ｉ−１乃至２１）の影響を加重するだめの１組の加重係数であり、差（ Ｂ、、−Ｂ”１）は内孔Ｂにおけるｉ番目の目標場所における計算された磁界と 所要の磁界との間の差であり、（Ｂ２＃汁Ｂ２．、）は、フリンジ磁界が決定さ れる内孔Ｂの外側の目標場所（＋＝２２乃至３６）における磁界の大きさく半径 方向および軸方向の成分）の２乗である。加重係数ｐは、最も高い内孔の磁界品 質（ｐ＝ｏ）と最良の遮蔽（ｐが大）との間の妥協を示す。実験的研究によれば 、値１０−６乃至１０−５がＭＨＩの用途に使用される磁石に対して適当である 。

本発明のこの第１の実施例で用いられる如き鉄の磁束帰還路１０４は、鉄が磁界 に対して著しい非線形効果を及ぼす場合であっても、コイルの設計において考慮 される。このような考慮は、鉄が磁束帰還路のない内孔の磁界に対してコイル形 状を最初に最適化することにより、次いで磁気ループにおける鉄の使用から予期 される磁界の強化を加えることによって行われる。磁界の強化要因を加えた後、 周知の有限要素法（例えば、週の０ＰＵＳコンピユータ・プログラム）を用いて 、規定されるコイル形状における電流が磁界の均一性に対して最適化される。そ の結果は、コイル形状の最適化が無効になるほど著しいものではない限り、電流 の調整は成功する。

再び図２７に戻り、コイル１０６．１０８．１１０．１１２．１１４の場所、大 きさおよび電流について、先に述べた構造的コイルの方法論により、またＰｉｓ ｓａｎｅＬｚｋｙの文献において定義された如き本発明の当該実施例による磁石 ｌに対して詳細に述べることにする。コイル１０６．１０８．１１０．１１２． １１４の各々についてはこの特定例に対して先に述べたが、磁石の寸法あるいは 磁界の強さが変化するか、あるいは特定の設計基準（例えば、高品質の磁界と最 小限のフリンジ磁界との間の妥協）が変更されるので、大きさ、個数、場所およ び電流における変更が本発明の実施において生じることが予期される。このため 、以降の記述は単に例示に過ぎず、限定する意図において解釈されるべきもので はない、７ 当例における超伝導コイル１０６．１０８．１１０．１１２．１１４は、従来の 設計に従って構成されている３１例えば、米国イリノイ州Ｇｌｃｎｄａｌｅ　Ｈ ｅｉｇｈｔｓのＯｕｔｏｋｕｍｐｕ　Ｃｏｐｐｅｒ　（ＵＳＡ）社により製造販 売される５ＣＯＫ超伝導ワイヤが、当例における如き比較的短い長さの高磁界超 伝導磁石において特に有効であると信じられる。この５ＣＯＫワイヤは、６テス ラの磁界において５７０Ａの定格を有する１、０５ｍｍ（外径）の２．３２：Ｉ Ｃｕ／ＮｂＴｉワイヤからなり、このためこのワイヤの容量は従来の一貫したス イッチの５０ＯＡの電流定格を越える。更に、コイル１０６．１０８．１１０． １１２．１１４は同じ構成のより小さな直径のワイヤを全く成功裏に使用するこ とができる。これらのコイルは、相互に従来の方法で絶縁され、図２７に示され る低温自動装置１０２内部の場所で従来のボビン内に配置される。

当例においては、２．０テスラの磁石の場合は、中心の駆動コイル１０６が略々 ７．２ｃｍ（軸方向）ｘｉ、８ｃｍ　（半径方向）の矩形状断面を有し、その内 縁部が軸Ｚから約５１．９ｃｍに配置される。当例における中心の駆動コイル１ ０６に流れる電流は、約４０１，３６０アンペアである。

外側の中間コイル１０８ａ、１０８ｂは軸Ｚから約６１．０ｃｍにそれらの内径 縁部を有し、内孔Ｂの中間面ＭＰから約２１．６ｃｍの軸方向距離にそれらの軸 方向の内縁部を有する。外側の中間コイル１０８ａ、１０８ｂはそれぞれ断面が 不規則であり、約３．６ｃｍ（軸方向）Ｘ２ｃｍ　（半径方向）の主要な矩形状 部分と、これから内孔Ｂの中間面ＭＰから離れる軸方向に伸びる約３−６ｃｍｘ １．３ｃｍの矩形状延長部とを持っている。外側の中間コイル１０８ａ、１０８ ｂの不規則な走査の方位は、内孔Ｂの中間面ＭＰに対して対称である。外側の中 間コイル１０８ａ、１０８ｂの各々は、当例では約２３８，４１９アンペアの電 流を運ぶ。

内側の中間コイル１１０ａ、１１０ｂは、それぞれ外側の中間コイル１０８ａ、 １０８ｂの半径方向内方に配置され、軸２から約５８ｃｍの半径方向距離でその 半径方向の内縁部を持つ約７．２ｃｍ（軸方向）ｘＱ、５ｃｍ　（半径方向）の 矩形状断面を有する。内側の中間コイル１１０ａ、１１０ｂの各々の軸方向の内 縁部は、内孔Ｂの中間面ＭＰから約２１．６ｃｍである。内側の中間コイル１１ ０ａ、１１０ｂの各々により運ばれる電流は、約２００，０００アンペアであ端 部の駆動コイル１１２ａ、１１２ｂは、内孔Ｂの中間面ＭＰから低温自動装置１ ０２の外端部付近に配置されている。端部駆動コイル１１２ａ、１１２ｂの各々 は、約１０．８ｃｍ（軸方向）Ｘ５ｃｍ（半径方向）の矩形状断面を持ち、軸Ｚ から約５８ｃｍの半径方向距離にそれらの半径方向の内縁部を持つ。端部駆動コ イル１１２ａ、１１２ｂの軸方向の内縁部は、内孔Ｂの中間面ＭＰから約６１． ２ｃｍにある。本発明の当例においては、端部駆動コイル１１２ａ、１１２ｂが 、内孔Ｂ内でＤＣ磁界を生成するための電流の大部分を運び、当例においては、 端部駆動コイル１１２ａ、１１２ｂの各々に流れる電流は約１．６２４百万アン ペアである。

先に述べたように、駆動コイル１０６．１０８．１１０．１１２の各々に流れる 電流の極性は同じである。その結果、これに流れる大きな電流により、端部駆動 コイル１１２ａ、１１２ｂは内孔Ｂにおける磁束の大部分に寄与する。内側コイ ル１０６．１０８．１１０は、無油更に多くの磁束に寄与し、最適な均一性を生 じるように内孔Ｂ内の磁界を調整する。

また、中心の駆動コイル１０６、内側の駆動コイル１１０ａ、１１０ｂ、外側の 中間駆動コイル１０８ａ、１０８ｂ、および端部の駆動コイル１１２ａ、１１２ ｂの半径方向の内縁部の軸Ｚからの距離が実質的に同じであることを知るべきで ある。その結果、超伝導ワイヤが、適正距離にワイヤを正確に配置するのに必要 である如（補正された単一のパイプの周囲に巻かれたボビンの内部に配置するこ とができる。このような構成は、中心コイルが端部のコイルよりも内孔の軸心か らの著しく大きな半径方向距離にある球状または疑似球状タイプの多くの従来の 超伝導磁石とは対照的である。このような球状磁石の事例は、米国特許第４゜５ ８７．４９０号、同第４．５９５．８９９号、およびＥｖｅｒｅＬｔ等の論文「 均一な磁界のための球状コイル（Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ　ｃｏｉｌｓ　Ｃａｒｕｎ ｉｆｏｒｍ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｆｉｅｌｄｓ）Ｊ　（Ｊ、Ｓｃｉ、Ｉｎｓｔｒ ｕｍ、第４３巻、４７０−４７４ページ、１９６６年）に記載されている。

本定明の当譲゛（施例において１ｉｔ−径のパイプを用いることができる故に、 磁石における鉄の重量および体積は、他の場合に必要なものから低減することが できる。更に、超伝導材料の量を最小限に抑えることができ、磁石のコストを更 に減じる。更にまた、ボビンの構造およびその周囲に超伝導体を巻付けるための 手順は、共に単−径のパイプを使用する時には簡素化される。

遮蔽コイル１１４ａ、１１４ｂはまた、駆動コイル１０６．１０８．１１０．１ １２における極性とは逆の極性の電流を運び、これにより帰還磁束を磁束帰還路 １０４へ注入するための本発明の本例において提供される。遮蔽コイル１１４ａ 、１１４ｂは、それぞれ端部駆動コイル１１２ａ、１１２ｂから半径方向外方に 配置され、かつ内孔Ｂの中間面ＭＰに対して磁束帰還路１０４から軸方向外方に 配置される。遮蔽コイル１１４ａ、１１４ｂの各々の半径方向の内縁部が、約８ ０ｃｍの軸２からの半径方向距離にある。当例における遮蔽コイル１１４ａ。

１１４ｂはそれぞれ、相互に対称的に指向される不規則な断面を有する。遮蔽コ イル１１４ａ、１１４ｂの各々の断面は、約２ｃｍ（軸方向）ｘ３ｃｍ　（半径 方向）の主要な矩形状部分含み、１．６ｃｍ（軸方向）Ｘ２ｃｍ　（半径方向） の第１の矩形状の延長部が主要部分から半径方向に延長し、約０．８ｃｍ（軸方 向）Ｘ２ｃｍ（半径方向）の第２の矩形状延長部が前記第１の矩形状延長部から 離れるように半径方向に延長している。前記延長部の対称的な配向は、コイル１ １４ａ、１１４ｂの軸方向の外縁部が同一直線上にある如きものである。

遮蔽コイル１１４ａ、１１４ｂの各々により通される電流は、約６３３．０００ アンペアであり、先に述べたように、駆動コイル１０６．１０８．１１０．１１ ２における電流の極性と反対である。このため、能動的な遮蔽が遮蔽コイル１１ ４ａ、１１４ｂにより与えられ、その結果内孔Ｂの軸方向開口から出る磁束は磁 束帰還路１０４に向けてこれに入るように注入され、このＳ遠路から離れたフリ ンジ磁界を最小化する。

次に図１０において、図２７に関して先に述べた如く構成される磁石１に対する 磁力線は、米国フロリダ州Ｊａｃｋｓｏｎｖｉ　ｌ　ＩｅのＦｅｒｒａｒｉ　Ａ ｓ５ｏｃｉａＬｅｓ社から入手可能な０ＰＵＳコンピユータ・プログラムによる 磁界の有限要素シミュレーションに基いて示される。表示（および、シミュレー ション）を簡単にするために、図３０の磁力線は４半部磁石に対して示され、本 発明の本例による磁石１の軸方向および中間面の対称性が、この４半部磁石の表 示が磁界の挙動を正確に伝達することを可能にする。

図３０に示されるように、それぞれ端部駆動コイル１１２ａ、１１２ｂの半径方 向外方に配置され、かつ磁束帰還路１０４の軸方向外方に配置された遮蔽コイル １１４ａ、１１４ｂは、帰還磁束を非常に有効な方法で磁束帰還路１０４に対し て注入する。更に、内孔Ｂ内の磁界は、相互に平行な直線的の磁力線により示さ れるように非常に均一であり、軸Ｚからのそれらの半径方向距離に反比例するよ うに相互から隔てられ、球５内のシミュレートされた磁界の均一性は約２５ｐｐ ｍである。この特定のシミュレーションは、高分解能を持つ進歩したＭＲＩに適 するように、内孔Ｂ内の２．０テスラの磁界のためのものである。

次に図３１において、本発明の当藷実施例による磁石１によって生成され、るフ リンジ磁界は、先に述べた０ＰＵＳコンピユータ・プログラムによりシミュレー トされる如（に示される。図３１は、超伝導磁石の遮蔽のための従来の手段であ る５ガウス線の配置を示している。図３１に示されるように、この５ガウス線は 内孔Ｂの中間面ＭＰから約４メートルであり、あるいは低温自動装２１０２の端 部から３．２５メートルである。５ガウス線の軸Ｚからの最大半径方向距離は、 低温自動装置１０２の軸方向端部から略々半径方向外方の点において約４．４メ ートルである。

従って、本発明はコンパクトな寸法でありながら、問題となる体積にわたり非常 に均一な方法で円筒状の内孔に非常に高い磁界（２，０テスラ程度）を生じ、か つ最小限のフリンジ磁界（４，０乃至４，５メートルで５にガウス線）を生じる 、超伝導磁石を作るために適している。この磁石は非常にコンパクトであり、長 さが約１．５メートルの低温自動装置と、１．０メートルの内孔とを持ち、この ため良好な患者への接近と少ない患者の不安を許容する。従って、本発明の当例 による磁石１において得られた内孔径に対する内孔長さの比は、前掲の米国特許 第４，９２４，１８５号に記載された如きかかる磁石における１、００乃至２゜ ９０の所定範囲の上限を充分に下回る。

更にまた、このように作られた磁石のコストおよび重量は、他の磁石に対比して 比較的小さい。本発明によれば、駆動コイルおよび遮蔽コイルが単一の低温自動 装置の内部に含められ、これにより磁石の機械的要件および低温要件を減じる。

更に、磁束帰還路の外側に配置される能動型遮蔽コイルの使用は、特にこのよう な注入のための加工された鋼の端板に偏倚した超伝導磁石に対比して、帰還磁束 の鉄の磁束帰還路への非常に有効な注入をもたらす結果となる。

更に、本発明は、鉄の磁束帰還路を低コストで作ることを可能にする。これは、 本発明の本例による精密加工を要求する鉄部品がリング１１６ａ、１１６ｂであ るに過ぎない故である。板１１８．１１９は、炎切断の如きコストの安い低精度 の技術によって形成することができる。

更にまた、本発明の当例における内孔付近の鉄の磁束帰還路１０４の使用および 配置が他の著しい利点をもたらす。第１に、磁束帰還路１０４から軸方向外方に 配置される遮蔽コイルによって従来の磁石よりも帰還路の効率が著しく改善され 、このため、要求される鉄の量は従来の超伝導磁石よりもはるかに減少し、この ことが磁石全体の重量とその使用の柔軟性を著しく低減する。例えば、本発明の 当例における鉄の磁束帰還路１０４の加重は１６．６１−ン程度であり、１．０ メートルの内孔寸法の従来の鉄で遮蔽された円筒状磁石のそれをはるかに下回る 。

更に、鉄の磁束帰還路１０４は、低温自動装置１０２の外側に配置される。この ため、この帰還路は、輸送のために容易に分解し到着と同時に再組立てることが でき、低温自動装置の内部に配置される鉄の舛蔽を有するか、あるいは高精度の 組立ておよび組立て時の鉄材の調整を必要とする従来の磁石に比して、磁石の高 度の移動性を提供する。

更にまた、駆動コイル１０６．１０８．１１０．１１２は、鉄の磁束帰還路１０ ４が近くに存在する故に、本発明の本例によって相互に弱く結合されるのみであ る。このような弱い結合は、コイルの１つがケンチング条件に入る場合における 如く、著しいケンチング保護を提供し、他の方法ではケンチングに対してエネル ギを付加する近くのコイルから非常に僅かな磁束を受取る。ケンチングの損傷の 受け易さが本発明によって低減されるため、コイルに流れる電流はその最大値近 くまで増加することができ、少量の超伝導体を用いて高い磁界を生成する際の磁 石の効率を更に改善する。

更にまた、従来の超伝導磁石および他の鉄遮蔽磁石における如き端部の強磁性体 部品の代わりに、磁束ＯＡ路の端部に遮蔽コイルが存在することは、生成される 磁界の均一性を改善する。強磁性体の端部材または電極を有する従来のＭＨＩシ ステムでは、勾配コイルによって端部材に渦電流が誘起される。これらの渦電流 は更に、勾配磁界の均一性および安定性を乱す磁束を誘起する。本発明により構 成された磁石１における端部材がなければ、このような渦電流と結果として生じ る摂動を排除する。

このように、本発明は、従来の鉄遮蔽磁石に起因する過剰な重量およびコストな しに鉄遮蔽磁石の他の利点の多くを提供する。本発明の当該実施例においては、 鉄の磁束帰還路１０４が内孔の磁界を外部に生じた磁界から分離する。更に、鉄 の磁束帰還路１０４は内孔内の磁界を強化するように働き、駆動コイルに対する 電流要件を低減する。これらの利点は、本発明において比較的軽い重量を持ちか つ比較的安いコストで製造される磁石によって得られる。

７つの駆動コイル１０６．１０８．１１０．１１２、および２つの遮蔽コイル１ １４が本発明の当例において提供されるが、痛論、本発明の範囲および趣旨から 逸脱することなく構成される対応する磁石に対する特定の設計上の拘束に従って 多数または少数のコイルを代著的に提供することができることが当業者には明ら かであろう。

上記の実施例は、能動型遮蔽コイル１１４ａ、１１４ｂを用いて帰還磁束を鉄の 磁束帰還路１０４へ指向即ち注入する。他のタイプの磁束帰還路が本発明に関し て使用されることが考えられる。例えば、能動型磁束帰還路、例えば超伝導ソレ ノイドが先に述べた鉄の磁束帰還路１０４の代わりに使用され、この場合このよ うな代言において得られる磁石の重量の減少が超伝導材料の付加的なコストを」 皿回ることが考えられる。更に、能動型磁束帰還路を含む受動的な強磁性磁束帰 還路の組合わせもまた本発明と関連して使用され、磁石の重量および超伝導体の コストの最適化を可能にする。

次に図３２に関して、本発明の別の実施例による磁石２００について次に記述し 、これにおいては先に述べた実施例における鉄の磁束帰還路１０４の代わりに能 動型磁束帰還路が提供される。図３２の断面図は磁石２００の半分であり、図２ ７に関して先に述べたように、磁石２００は軸２の周囲に対称な円筒状タイプで あり、更に、磁石２００におけるコイルの場所、大きさおよび形状もまた図３２ に示される如く中間面ＭＰの周囲に対称である。

図３２の磁石２００における低温自動装置２０２は、中空の円筒形状でありあつ その内部体積を超伝導温度に維持するための従来の構造および形状である。

低温自動装置２０２の内部において、各々が同じ極性の電流を伝達する超伝導ワ イヤからなる、磁石２００が中心の駆動コイル２０６と、中間の駆動コイル２０ ８ａ、２０８ｂ、および端部の駆動コイル２１２ａ、２１２ｂとを含む。端部遮 蔽コイル２１４ａ、２１４ｂもまた、その対向端部において端部の駆動コイル２ １２ａ、２１２ｂの外側の軸Ｚからの半径方向距離で低温自動装置１２０２の内 部に含まれ、先に述べた磁石１の場合において如く、端部遮蔽コイル２１４ａ、 ２１４ｂもまた超伝導ワイヤからなり、駆動コイル２０６．２０訳２１２により 伝達される極性と逆の極性の電流を伝達する。

本発明のこの代替例による磁石２００において、能動型磁束帰還路２０４が鉄の 磁束帰還路１０４（図２７参照）の代わりに設けられる。能動型磁束帰還路２０ ４は、中間面ＭＰの周囲に対称的に、中心の駆動コイル２０６の外側で軸２から の半径方向距離において配置された超伝導ワイヤのコイルからなっている。能動 型磁束帰還路２０４は、端部遮蔽コイル２１４ａ、２１４ｂと同じ方向に、従っ て駆動コイル２０６．２０８．２１２と反対の極性でに電流を伝達する。

本発明の当該実施例においては、先に述べた磁石１における如く、駆動コイル２ ０６．２０８．２１２．２１４．２０４の各々の場所、形状、大きさおよび電流 密度が先に述べた構造的コイルの方法論に従って、また参考のため本文に援用さ れたＰｉｓｓａｎｅＬｚｋｙの論文において決定される。その結果、特に集積効 果の結果として、不規則的な断面であって一定の電流密度を持つ比較的小さなコ イルが同様に結果的に得られ、内孔Ｂの外側のフリンジ磁界を最小限に抑えなが ら、内孔Ｂにおける磁界の均一性を最適化する。

磁石２００の本例においては、駆動コイル２０６．２０８．２１２の各々の半径 方向の内縁部が軸Ｚから実質的に同じ半径方向比１！ｌ（約５８ｃｍ）にある。

このため、単一のパイプが低温自動装置２０２の内部に使用され、その周囲にコ イル２０６．２０８．２１２を支持するためのボビンが巻付けられ、場所を微同 調するのに必要なだけ補充される。中心の駆動コイル２０６は、（半径方向に） ３つの厚さ、即ち、中間面ＭＰの中心において約０．７１ｃｍ、最も厚い点で２ ．８６ｃｍ、およびその端部位置において１．３ｃｍを有する。本例における中 心の駆動コイル２０６の軸方向の全幅は約２１．５ｃｍであり、このコイルが伝 達する電流は約１５，０００アンペアである。

中間の駆動コイル２０８ａ、２０８ｂはそれぞれ、それらの軸方向の内縁部が中 間面ＭＰから２１．６ｃｍの軸方向距離に置かれ、各々が約１０．８ｃｍの軸方 向幅を有する。中間の駆動コイル２０８ａ、２０８ｂもまた（本例における）３ つの半径方向厚さを持ち、最も薄い部分のＦｌ、さが約０．７ｃｍであり、最も 厚い部分は約３．６ｃｍの厚さであり、中間面ＭＰにその最も近い部分は約２． ５ｃｍの厚さである。中間の駆動コイル２０８ａ、２０８ｂにより伝達される電 流はそれぞれ約７３２，３００アンペアである。

端部遮蔽コイル２１４ａ、２１４ｂは、先に述べた実施例における如く、内孔Ｂ に直接的な磁界のバルクを提供する。端部遮蔽コイル２１４ａ、２１４ｂの各々 はその軸方向の内縁部が中間面ＭＰから約５７．６ｃｍに配置され、かつ各々が 約１４．４ｃｍの軸方向幅を有する。端部遮蔽コイル２１４ａ、２１４ｂの（半 径方向に）比較的厚い部分は厚さが約５．０ｃｍであり、中間面ＭＰに近い比較 的薄い部分は厚さが約４．５ｃｍである。端部遮蔽コイル２１４ａ、２１４ｂに より伝達される電流は、約２．１０４百万アンペアである。

端部遮蔽コイル２１４ａ、２１４ｂは、図２７における磁石１の端部遮蔽コイル １４ａ、１４ｂに類似する階段状の断面を持つ。端部遮蔽コイル２１４ａ、２１ ４ｂの半径方向の内縁部は軸Ｚから約７６ｃｍの半径方向距離にあるが、その軸 方向の内縁部は中間面ＭＰから約６８ｃｍの軸方向距離にあり、端部遮蔽コイル ２１４ａ、２１４ｂの各々の軸方向幅は約４．０ｃｍである。端部遮蔽コイル２ １４ａ、２１４ｂの最も厚い部分（中間面ＭＰから最も遠い）の半径方向厚さは 約１２．６ｃｍであり、各コイ／Ｉｚ２１４ａ、２１４ｂは、端部遮蔽コイル２ １４ａ、２１４ｂの最も薄い部分（中間面ＭＰに最も近い）が約７．０ｃｍとな るように約１．４ｃｍの厚さが与えられている。端部遮蔽コイル２１４ａ１２１ ４ｂの各々により伝達される電流は、駆動コイル２０６．２０８．２１２により 伝達されるものと反対の極性の約１．１９７百万アンペアである。

本発明の当該実施例における能動型磁束帰還コイル２０４は、中間面ＭＰにおい て対称的に軸Ｚから約８５ｃｍの半径方向距離で配置された矩形状断面のコイル である。能動型磁束帰還コイル２０４は、約３．２８ｃｍの半径方向厚さ×ｌＯ ，５ｃｍの軸方向幅であり、端部遮蔽コイル２１４ａ、２１４ｂと同じ極性であ りかつ駆動コイル２０６．２０８．２１２により伝達される極性とは反対の極性 の約５１６，１３０アンペアの電流を運ぶ。

本発明の当詰代替例による磁石２００の構造は、内孔Ｂから離れた比較的低いフ リンジ磁界を持つ高い均一性の内孔Ｂ内に比較的高い磁界を生じる。先に述べた ０ＰＵＳプログラムによりシミュレートされる如（、内孔Ｂ内部の磁界強さは約 ２，０テスラであり、軸Ｚと中間面ＭＰとの交点を中心とする２５ｃｍの球にお いて約１４ｐｐｍの均一性を有する。０ＰＵＳプログラムによりシミュレートさ れた磁力線が図３３に示される。この０ＰＵＳプログラムはまた、軸Ｚに沿って 中間面ＭＰから５．７メートルにおいて、かつ磁石２００の側面に沿って軸Ｚか ら最大２．５メートルにおいて５ガウスの線を有する如き本発明の当該実施例か らフリンジ磁界をシミュレートした。

特に先に述べ、かつ前掲のＰｉｓｓａｎｃｔｚｋｙの論文における構造的コイル の方法論により、磁石２００の長さく低温自動装置を蒼む）は、先に述べた実施 例における如く約１．５メートルである。しかし、鉄の磁束帰還路４を有する先 に述べた磁石１とは対照的に、磁石２００の重量は非常に小さく、これにより高 度の移動性および可搬性を許容する。痛論、全ての能動的に遮蔽された（即ち、 強磁性遮蔽を持たない）磁石の場合における如く、内孔Ｂにおける磁界は外部に 生成された磁界による影響を受け易い。更に、超伝導材料のコストは、痛論先に 述べた磁石１における超伝導材料より高い。

完全に能動的に遮蔽された磁石２００は、ある用途において鉄の磁束帰還路４を 持つ磁石１と比して望ましく、また他の用途においてはその逆である。小さい重 量と低い超伝導体のコストとの間の妥協は、要求される特定の用途に従って行わ れことになろう。

しかし、このような妥協の最適化のためには、部分的な能動型磁石帰還路と組合 わせた部分的な鉄の遮蔽または磁束帰還路を有することを欲することが更に考え られる。例えば、おそらく更に他の能動型遮蔽コイルを鉄の遮蔽の外側であるが この中間面に対して対称的に置いて、部分的な能動型磁束帰還コイルは鉄の遮蔽 の外側の磁石の中間面に配置することもできる。しかし、このような組合わせ磁 石においては、鉄の遮蔽は必ずしも低温自動装置の内側にある必要がなく、低温 の体積内では低温システムに負荷を付加する。低温自動装置内部に鉄の遮蔽を置 くこともまたその分解を妨げ、かつ磁石の可搬性を減じることになる。しかし、 特に構造的コイルの方法論を用いる本発明によるこのような組合わせ磁石の構造 は、高い磁界強さ、高い磁界の均一性および弱いフリンジ磁界の非常に短い磁石 を許容し得、これにより本発明の幾つかの重要な利点を得る。

緒論 先に述べた構造的コイルの方法論は、従来の円筒磁石と比較して、著しく減少し たコスト、重量および寸法を持つ問題となる体積内に非常に均一な磁界を有する 超伝導磁石の設計における最適化を更に可能にする。特に、この構造的コイル方 法論は、磁石の中心から偏在した、ある場合には磁石の内孔から突出する高い磁 界の均一性の領域を有する磁石の設計を可能にする。前記の問題となる体積の配 置のこのような容易性は、磁石の内孔内へ人間の全身を挿入することを要求する ことなく、人間の臓器の生体内のＮＭＲ断層写真法のための磁石の設計を可能に する。このような磁石設計により、鉄の遮蔽または能動型遮蔽のいずれかによっ て大量の超伝導材料を必要とすることなく、優れた漂遊磁界の拘束もまた提供さ れる。

これらの利点は、設計の最適化プロセスにおける自由度数を増すことにより得ら れ、これにより所要の解に対する設計パラメータの集束を容易にし、かつまたこ のような問題となる体積のオフセットの可能性を提供する。

更に、上記の磁石は円筒タイプであるが、先に述べた本発明による磁石を製造す る方法もまた他の対称性の磁石に対しても適用することができる。先に述べたよ うに、端部が内孔内の磁界に影響を及ぼさない故に（長手方向における）磁石の 端部が内孔内の諸点から有効に無限に離れる粒子加速器において使用される形式 の長形磁石もまた、本発明によって設計することができる。これは、内孔の軸心 と直角をなす面内の各断面がこのような長形磁石における他の全ての断面と同じ である故であり、面の断面の１つを考慮することによりこの方法を設計において 適用することを可能にする。

本文では本発明についてその望ましい実施例に関して記述したが、本発明の利点 を獲得する修正例および代替例の如きかがる実施例の修正およびその代替例が本 明細書およびその図面を参照する当業者にとって明らかであろうことが無論考え られる。

Ｐ＝八へへ Ｚ ＦＩＣ；、５ （Ｃｍ） ｅ（Ｃｍ） ＦＩＣ；、１０ （Ｃｍ） ＦＩＣ；、　ブ２ Ｚ （Ｃｍ） ＦＩＣ９１５ｅ（ｃｍ） （Ｃｍ） ｅ（Ｃｍ） ＦＩＣ；、７６ ＦＩＣ；、７（５’ Ｚ　（ｃｍ） ｅ　（ｃｍ） ＦＩＣ；、２３ Ｅ Ｚ　（ｃｍ） ｅ（Ｃｍ） ＦＩＧ、２５ 磁界（テスラ） ＦＩＧ、２６ ＦＩＣ；、３２ 補ｉ１：　！！の翻訳文提出書 （特ン１法第１８４条の８） 特１；′［庁長官　高　島　章　殿 １、特δ′１出願の表示 ＰＣＴ／ＵＳ９３１０３４９３ ２、発明の名称 磁気共鳴りに作法用（背造型コイル電磁石′３．特１；′１出願人 住　所　アメリカ合衆国テキサス用７７３８１．、ザ・ウッドラング１リサーチ ・フォーレスト・ドライブ　４８０２名　称　ヒユーストン・アドバンスト・リ サーチ・センター４代理人 住　所　東Ｇ（都千代Ｔ１．Ｉ区人丁町二丁目２番１号新人丁町ビル　２０６区 ０）　補１１書の翻訳文　１通 １９９３年１１月１２日付３４条補正 （請求の範囲　第１６項〜第１９項） １６、前記複数のコイルの前記体積とは反対側における前記複数のコイルに隣接 して配置された強磁性体を含む磁束＋ＴＩ遠路を更に備える請求の範囲第１５項 記載の電磁石。

１７、超伝導磁石において、 電流を第１の方向に伝達して実質的に軸方向の配向を有する前記内孔内に磁束を 生じる、各々が超伝導ケーブルからなる円筒状内孔を囲繞する複数の駆動コイル を備え、該複数のコイルは前記内孔を囲む変化する軸方向距離に配置され、各々 が超伝導ケーブルからなり、各々が前記駆動コイルの半径より大きな半径を持ち 、それぞれ前記電磁石の第１および第２の端部に配置された第１および第２の遮 蔽コイルとを備え、該第１および第２の遮蔽コイルが前記第１の方向と反対の第 ２の方向に電流を伝達し、 強磁性体を含み、前記複数の駆動コイルの少なくとも１つを半径方向に囲繞する ように前記駆動コイルの最も外側の半径より大きな最も内側の半径を有する磁束 帰還路を備え、該磁束帰還路が、前記駆動コイルにより生成される磁束に対する 帰Ａ経路を提供するように、前記第１と第２の遮蔽コイル間で軸方向に配置され 、 前記磁束帰還路の軸方向長さが、前記複数の駆動コイルの軸方向に最も外側のコ イル間の距離より小さく、その結果磁束が前記第１と第２の遮蔽コイルにより前 記磁束帰還路の軸方向端部へ注入されるようにする磁石。

１８、前記複数の駆動コイルの少なくとも１つが不規則な形状の断面を有する請 求の範囲第１７項記載の磁石。

１９、前記第１および第２の遮蔽コイルがそれぞれ不規則な形状の断面を有する 請求の範囲第１７項記載の磁石。

フロントページの続き （５１）　Ｉｎｔ、　Ｃ１，６識別記号　庁内整理番号ＧＯＩＲ３３／４２１ ＨＯＩＦ　５１００　Ｃ４２３１−５Ｅ８８２５−４Ｃ （３１）指定国　ＥＰ（ＡＴ、ＢＥ、ＣＨ，ＤＥ。

ＤＫ、ＥＳ、ＦＲ，ＧＢ、ＧＲ，ＩＥ、ＩＴ、ＬＵ、ＭＣ，ＮＬ、　ＰＴ、ＳＥ ）、　ＣＡ、ＪＰ、　ＵＳＩ Ａ６１Ｂ　５１０５　３３１

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. １．１つの体積内にＤＣ磁界を生成する電磁石において、各々が内孔の長手方向 の周囲に電流を伝達するための複数のワイヤの巻きを有する円筒状内孔を囲続す る複数のコイルを備え、前記複数のコイルの少なくとも１つが円筒状に対称であ り、かつ前記内孔の長手方向軸と一致する面内に不規則な形状の断面を持ち、 前記複数のコイルの各々の断面の形状が、これにより生じた磁界が前記内孔から 突出する問題となる体積にわたって実質的に均一であるように選択される電磁石 。
2. ２．前記コイルにより生じる磁界が、前記複数のコイルの中間面軸心に対して非 対称的である請求の範囲第１項記載の電磁石。
3. ３．前記複数のコイルが単一のコイル組立体の内部に配置され、前記コイル組立 体内部の電流密度が実質的に一定である請求の範囲第２項記載の電磁石。
4. ４．前記複数のコイルが複数のコイル組立体の内部に配置され、前記複数のコイ ルの各々内の電流密度が比較的一定であり、前記複数のコイル組立体の第１の組 立体の内部の電流密度が前記複数のコイル組立体の第２の組立体の内部の電流密 度と異なる請求の範囲第２項記載の電磁石。
5. ５．前記問題となる体積が突出する側面とは反対側におけろ前記複数のコイル付 近に配置された強磁性体を含む磁束帰還路を更に備える請求の範囲第１項記載の 電磁石。
6. ６．前記複数のコイルから漂遊磁界を遮蔽する手段を更に備え、該遮蔽手段が前 記内孔から前記複数のコイルの外側に配置される請求の範囲第１項記載の電磁石 。
7. ７．前記コイルの各々が超伝導ワイヤを含み、前記複数のコイルを包囲して前記 複数のコイルを超伝導温度まで冷却する低温自動装置を更に備え、 前記遮蔽手段が、前記複数のコイルが前記遮蔽コイルより前記内孔の近くに配置 されるように前記低温自動装置の内部に配置された超伝導ワイヤを含む遮蔽コイ ルを含む請求の範囲第１項記載の電磁石。
8. ８．前記磁界が、前記内孔の長手方向軸心に平行な方向に配向される請求の範囲 第１項記載の電磁石。
9. ９．電磁石を製造する方法において、 列状に配置された複数のコイル要素を有するタイリングをＺ−ρ面内に規定し、 前記タイリングの外側であって前記面内に配置された複数の目標場所と、該目標 場所の各々における所要の磁界ベクトルとを規定し、前記目標場所に所要の磁界 ベクトルを生じるように、前記Ｚ−ρ面と直角をなす方向に前記コイル要素の各 々により伝達される電流の大きさと極性とを決定し、 前記超伝導ワイヤを含むコイルを構成するステップを含み、前記コイルが、前記 決定ステップの組果と対応する電流を伝達する方法。
10. １０．前記目標場所の少なくとも幾つかが問題となる体積を規定する請求の範囲 第９項記載の方法。
11. １１．前記問題となる体積が、前記構成されたコイルの中間面からＺ−ρ面に沿 って突出する請求の範囲第１０項記載の方法。
12. １２．人間の頭部のＮＭＲ像を生じる電磁石において、長手方向軸心を持つ円筒 状内孔をそれぞれ包囲する第１および第２の円筒状に対称的なコイル組立体を備 え、該第２のコイル組立体が前記長手方向軸心に沿って前記第１のコイル組立体 から隔てられ、前記内孔と対応する中心開口を有しかつ前記第１のコイル組立体 と第２のコイル組立体との間に開口を有する、前記第１および第２のコイル組立 体を包囲する低温自動装置を備え、 前記第１および第２のコイル組立体の各々が、前記内孔の周囲に電流を伝達する 複数の巻線を有する円筒状に対称的な第１の一次コイルを含み、該第１の一次コ イルが前記内孔の長手方向軸心と一致する面内に不規則な形状の断面を有し、 前記第１の一次コイルの各々の断面の形状が、これにより生じた磁界が前記低温 自動装置の中心開口内の問題となる体積にわたり実質的に均一であるように選択 されろ 電磁石。
13. １３．前記第１および第２のコイル組立体が相互にその間に配置された中間面の 周囲で対称である請求の範囲第１２項記載の電磁石。
14. １４．前記第１および第２のコイル組立体の各々が更に、前記第１の一次コイル の半径より大きな半径を持ち、前記第１の一次コイルにより伝達される電流の反 対の極性の電流を伝達する、円筒状に対称的な遮蔽コイルを含む請求の範囲第１ ２項記載の電磁石。
15. １５．１つの体積内にＤＣ磁界を生じる電磁石において、各々が内孔の長手方向 軸心の周囲に電流を伝達する複数の巻線を有し、該複数のコイルの少なくとも１ つが円筒状に対称でありかつ前記内孔の長手方向軸心と一致する面内に不規則な 形状の断面を持つ円筒形状の内孔を囲続する複数のコイルを備え、 前記複数のコイルの各々の断面の形状が、これにより生じた磁界が前記内孔の完 全に外側に配置された問題となる体積にわたって実質的に均一であるように選択 され、前記コイルにより生じる磁界が、前記複数のコイルの中間面に対して非対 称的である 電磁石。
16. １６．前記複数のコイルの前記体積とは反対側における前記複数のコイルに隣接 して配置された強磁性体を含む磁束帰還路を更に備える請求の範囲第１５項記載 の電磁石。
17. １７．超伝導磁石において、 電流を第１の方向に伝達して実質的に軸方向の配向を有する前記内孔内に磁束を 生じる、各々が超伝導ケーブルからなる円筒状内孔を囲続する複数の駆動コイル と、 各々が超伝導ケーブルからなり、各々が前記駆動コイルの半径より大きな半径を 持ち、それぞれ前記電磁石の第１および第２の端部に配置された第１および第２ の遮蔽コイルとを備え、該第１および第２の遮蔽コイルが前記第１の方向と反対 の第２の方向に電流を伝達し、 前記駆動コイルを包囲し、前記第１の遮蔽コイルと第２の遮蔽コイルとの間に配 置されて、前記駆動コイルにより生成されかつその内部に前記第１および第２の 遮蔽コイルにより注入される磁束に対する帰還経路を提供する磁束帰還路を備え る磁石。
18. １８．前記複数の駆動コイルの少なくとも１つが不規則な形状の断面を有する請 求の範囲第１７項記載の磁石。
19. １９．前記第１および第２の遮蔽コイルがそれぞれ不規則な形状の断面を有する 請求の範囲第１７項記載の磁石。