(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気共鳴結像装置に使用するための電磁石にして、内部に磁場を発生させるために電圧を印加することができる環状巻線が冷鉄と呼ぶ鉄構成部分と一緒に収容された環状の容器を備え、前記鉄構成部分は巻線に対して機械的に固定され、前記冷鉄が環状巻線に極めて接近して磁石の各々の端部に１個づつ配置された鉄リングの対を備え、前記鉄リングは磁石の内部の円筒形のスペースの各々の端部にフレア開口部を規定するように形成され、前記フレア開口部が磁気共鳴結像の目的のための磁石に使用される際に患者により占有される電磁石。
【請求項２】
請求項１に記載の電磁石にして、フレア開口部が前記円筒形のスペースの各々の端部に鋭いテーパー効果を発生するように鉄リングを好適に形成することにより製造されている電磁石。
【請求項３】
請求項２に記載の電磁石にして、鉄リングが前記テーパー効果を発生するために面取りされている電磁石。
【請求項４】
磁気共鳴結像装置に使用するための電磁石にして、内部に磁場を発生させるために電圧を印加することができる環状巻線が冷鉄と呼ぶ鉄構成部分と一緒に収容された環状の容器を備え、前記鉄構成部分は巻線に対して機械的に固定され、前記冷鉄は環状巻線に極めて接近して磁石の各々の端部に１個づつ配置された鉄リングの対を備え、前記鉄リングは磁石の内部の円筒形のスペースの各々の端部にフレア開口部を規定するように形成され、前記フレア開口部は磁気共鳴結像の目的のための磁石に使用される際に患者により占有され、さらに、以下に温鉄と呼ぶその環状の穴の内部の容器の外部に配置された鉄シムリングを備え、該シムリングのサイズおよび相対位置が振動または温度変化のために１個のシムリングにより導入された磁場の不安定性が１個またはそれ以上のその他のシムリングにより発生された等しくかつ反対の作用により実質的に補償されるように選択される電磁石。
【請求項５】
請求項４に記載の電磁石にして、温鉄がゼロの次数に補正されたシムリングの組を備えている電磁石。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載の電磁石にして、温鉄がｎ次数に補償されたシムリングの組を備えている電磁石。
【請求項７】
請求項４に記載の電磁石にして、シムリングの組がゼロの次数に補償されかつｎ次数に補償され、ｎ＝２である電磁石。
【請求項８】
請求項４から請求項７までのいずれか一項に記載の電磁石にして、温鉄が１対のシムリングを含むシムリングの組を備えている電磁石。
【請求項９】
請求項８に記載の電磁石にして、前記の１対をなすシムリングが中央に配置されたシムリングの両側に１個づつ配置されている電磁石。
【請求項１０】
請求項４から請求項７までのいずれか一項に記載の電磁石にして、温鉄が２対のシムリングを含むシムリングの組を備えている電磁石。
【請求項１１】
請求項４から請求項１０までのいずれか一項に記載の電磁石にして、シムリングが磁石の長手方向の軸線と直角をなす中心軸線のまわりに対称に配置されている電磁石。
【請求項１２】
請求項４から請求項１０までのいずれか一項に記載の電磁石にして、少なくとも１対のシムリングが磁石の長手方向の軸線と直角をなす中心軸線に関して偏位している電磁石。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は電磁石に関し、そしてさらに特定すると、本発明は磁気共鳴結像（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  ｉｍａｇｉｎｇ）（ＭＲＩ）装置に使用するための極低温電磁石に関する。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
磁気共鳴結像の用途のための磁石が非常に高い均質性の磁場を有する所定の領域を提供すべきであることはよく理解された要求条件である。結像容積（ｉｍａｇｉｎｇ  ｖｏｌｕｍｅ）として知られているこの領域は診察をうける患者のその部分が配置される領域である。比較的に長い軸線方向の長さを有する磁石により高い均質性を得ることは比較的に容易である。しかしながら、長い磁石の穴は閉所恐怖症の作用のために患者に有害な反応をひき起こす傾向がある。従って、磁石の軸線方向の長さを減らし、それにより閉所恐怖症の作用をも低減し、そのうえ、患者の接近が容易になるように磁石の設計を適合させることは大いに望ましい。
【０００３】
十分により短い磁石を製造するために、鉄を磁石内に使用し、それにより均質性をいかなる有意な程度まで犠牲にすることなく場を集中することができるようにすることは知られている。注意を払うべきである本出願人の共に懸案中の英国特許出願ＧＢ９４２４０６９．４号明細書に記載されているように、鉄を磁石内に使用して短い磁石における均質性を改良するための種々の技術を使用することができる。しかしながら、多数の磁気共鳴結像の用途のために、磁石をさらに効果的に短縮することが有利であろう。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
それゆえに、本発明の一つの目的は比較的に短い軸線方向の長さが得られかつ患者の接近を容易にした磁石を提供することにある。
【０００５】
本発明の一つの局面によれば、磁気共鳴結像装置に使用するための電磁石は内部に磁界を発生させるために電圧を印加することができる環状巻線が以下に冷鉄（ｃｏｌｄ  ｉｒｏｎ）と呼ぶ鉄構成部分と一緒に収容された環状容器を備え、前記鉄構成部分は巻線に対して機械的に固定され、前記冷鉄は環状巻線に極めて接近して磁石の各々の端部に１個づつ配置された１対の鉄リングを備え、前記鉄リングは磁石の内部の円筒形のスペースの各々の端部にフレア開口部を規定するように形成され、前記フレア開口部は磁気共鳴結像の目的のための磁石に使用される際に患者により占有される。
【０００６】
フレア開口部は前記円筒形のスペースの各々の端部において鋭いテーパー効果を発生するように鉄リングを、例えば、面取りにより好適に形成することにより製造されている。
【０００７】
フレア開口部は磁石の軸線方向の長さを効果的に短縮し、または少なくとも患者の視野から効果的な短縮を生ずる作用をする。
【０００８】
いくつかの磁石の設計では、必要な鉄の質量およびその他の寸法に関する設計上の考慮事項のために鉄のすべてを容器の内部に収容することができるけれども（すなわち、すべての鉄は「冷鉄」であってもよい）、またいくつかの短い磁石の設計においては、本出願人の共に懸案中の英国特許出願ＧＢ９４２４０６９．４号明細書に十分に論議されているように温度および／または振動に対する感度に関するその他の問題を導入することなく最適の性能のために必要な鉄のすべてを収容することが不可能であるかもしれない。
【０００９】
それゆえに、本発明のさらに一つの目的は振動に対する高い許容限度と温度変化に対する低い感度とを有する比較的に短い磁石を提供し、またはこれらの望ましい特徴の間の良好な折衷案である磁石を提供し、それにより磁気共鳴結像の用途のために必要であるような容認可能な高度の均質性を有する磁場が提供される。
【００１０】
本発明のさらに一つの局面によれば、磁気共鳴結像装置に使用するための電磁石は内部に磁場を発生させるために電圧を印加することができる環状巻線が以下に冷鉄と呼ぶ鉄構成部分と一緒に収容された環状容器を備え、前記鉄構成部分は巻線に対して機械的に固定され、前記冷鉄は環状巻線に極めて接近して磁石の各々の端部に１個づつ配置された１対の鉄リングを備え、前記鉄リングは磁石の内部の円筒形のスペースの各々の端部のフレア開口部を規定するように形成され、前記フレア開口部は磁気共鳴結像の目的のための磁石に使用する際に患者により占有され、さらに、以下に温鉄（ｗａｒｍ  ｉｒｏｎ）と呼ぶその環状の穴の内部の容器の外部に配置された鉄シムリングを備え、前記シムリングのサイズおよび相対位置は振動または温度変化のために１個のシムリングにより導入された磁場の不安定性が１個またはそれ以上のシムリングにより発生された等しくかつ反対の作用により実質的に補償されるように選択されている。
【００１１】
必要な鉄の大部分を容器の内部に収容することにより、振動および温度に対する感度に関する問題がある程度まで克服され、かつ必要なその他の鉄が事実上自己補償性を発揮するように構成することにより、温度および／または振動に起因する場の不安定性を本質的になくし、または少なくとも有意に低減させることができる。
【００１２】
もしも本発明による磁石の中央の磁場を球形調和を基準とする組（ｓｐｈｅｒｉｃａｌ  ｈａｒｍｏｎｉｃ  ｂａｓｉｓ  ｓｅｔ）に関して定義すれば、方位対称性を示す円筒形の磁石においては、場は次式により与えられる。
【００１３】
【数１】
0003583528.tif 000002
式中、        Ａｎ＝ｎ次調和振幅
Ｒｏ＝正規化半径
Ｐｎ＝次数ｎのルジャンドル多項式
【００１４】
もしも全体の場（ｔｏｔａｌ  ｆｉｅｌｄ）（冷鉄構成部分＋温鉄構成部分）を振幅ＢｏＴ  およびＡｎＴ  に関して定義すれば、ＢｏＣ  およびＡｎＣ  に関する冷磁石の場とＢｏｉ  およびＡｎｉ  に関するｉ番目の温鉄リングの組に起因する場との関数により構成される。全体の場は次式により表された冷場および温場に関する。
【００１５】
【数２】
0003583528.tif 000003
【００１６】
【数３】
0003583528.tif 000004
【００１７】
通常、磁石の設計においては、ＢｏＴ  およびＡｎＴ  が所定の場の大きさおよび均質性を得るために最適化されるが、本発明の場合には付加的な制約が
【外１】
0003583528.tif 000005
および／または
【外２】
0003583528.tif 000006
に関して導入される。
【００１８】
さて、リングが飽和状態まで軸線方向に磁化されると仮定すると、Ｂｏｉ  およびＡｎｉ  がリングの飽和磁化に正比例する。しかしながら、鉄の飽和磁化は所定の温度に対する感度を有している。それゆえに、Ｂｏｉ  およびＡｎｉ  もまた同じサイズの温度に対する感度を有し、この感度は磁石ＤＣの場（ＢｏＴ  ）および均質性（ＡｎＴ  ）のそれぞれにおける温度に対する感度に変換される。
【００１９】
さて、Ｂｏｉ  またはＡｎｉ  の感度を変更することは不可能であるが、次式によりシムの組の配置（ｇｅｏｍｅｔｒｙ）を得ることが可能であるかもしれない。
【００２０】
【数４】
0003583528.tif 000007
【００２１】
【数５】
0003583528.tif 000008
【００２２】
このような組はゼロの次数に補償されかつｎ次数に補償されるシムの組のそれぞれとして記載されている。
【００２３】
この場合には、もしも任意の温度変化がすべてのｉ成分に対して同じであれば、補正された次数の熱感度はゼロである。また、シムの温度が発散するときに重要になる補償された次数の感度に差異が生ずることを理解することが非常に重要である。それにより得られる利点はシムの絶対温度を安定させるよりもシムの相対温度を安定させることが容易であることである。
【００２４】
従って、本発明の一実施例によれば、温鉄はゼロの次数に補償されたシムリングの組を備えている。
【００２５】
本発明の別の一つの局面によれば、シムリングの組はｎ次数に補償されている。
【００２６】
本発明のさらに一つの局面によれば、シムリングの組はゼロの次数に補償され（すなわち、直流（ＤＣ）の場が補償されている）かつｎ次数に補償され、ｎ＝２である。
【００２７】
上述したように補償を達成するためには、１対またはそれ以上の対のシムリングを予想している特定の用途により提供することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
さて、本発明のいくつかの実施例を添付図面を参照して以下に説明する。
図１について述べると、図から理解できるように、磁石は環状に構成されかつその長手方向の軸線１のまわりに実質的に対称に構成されている。この磁石は内部に容器３が収容された外側ハウジング２を備えている。容器３内には、使用中に液体ヘリウムが満たされている。熱絶縁を改良するために、熱遮蔽４が容器３とハウジング２との間に配置されている。この磁石は磁化巻線５ａ、５ｂおよび６ａ、６ｂと、磁化巻線５ａ、５ｂおよび６ａ、６ｂにより発生した場を収容する役目をする遮蔽巻線７ａ、７ｂとを備えている。巻線７は巻型８上に支持され、かつ巻線５および６が巻型９および１０上にそれぞれ支持されている。
【００２９】
磁気共鳴結像操作を容易にするために、グラディエントコイル１１が環状容器３の穴１２の内部に設けられている。巻線５ａおよび５ｂと並んで、冷鉄シムリング１３ａおよび１３ｂがそれぞれ設けられている。シムリング１３ａおよび１３ｂは穴１２にフレアが付けられた開口部を提供する役目をする面取り（ｃｈａｍｆｅｒｓ）１３ｃおよび１３ｄを含む。面取り１３ａおよび１３ｂによるこのフレア作用を提供することにより、磁石の長さが患者の視野から効果的に短縮され、それにより閉所恐怖症の作用が低減しかつ患者の接近が改良される。
【００３０】
シムリング１３ａおよび１３ｂを容器３の内部に収容することにより、前記シムリングの温度が効果的に安定し、かつ前記シムリングが巻線５ａおよび５ｂに関して位置的に固定されるように構成することにより、前記シムリングが振動に対して実質的に反応しなくなり、またそうしないと、振動がシムリング１３ａおよび１３ｂとそれらと組み合わされた巻線５ａおよび５ｂとの間に移動の差異を生ずることがある。
【００３１】
従って、鉄が容器の内部に閉じ込められている上記の装置を提供することが大いに望ましいが、ある用途においては、課せられた寸法上の制約によりすべての鉄を容器内に収容することは不可能である。
【００３２】
従って、付加的な鉄製シムリング１４、１５および１６がグラディエントコイル１１に隣接した穴１２内に配置される温鉄の形態で提供される。前述したように、穴１２内のシムリング１４、１５および１６は実質的に自己補償性を発揮するように配置され、すなわち、１個のシムにおける温度変化および／または振動により発生した不安定性がその他の１個または複数個のシムに起因した等しくかつ反対の不安定性により補償されるように構成されている。この補償に関する理論については前述してある。
【００３３】
図１に示した装置においては、単一対のシムリング１４、１６が中央に配置されたシムリング１５に対して対称に配置されるように設けられている。
【００３４】
しかしながら、図１に相当する図面の部分に同じ数値の符号を付けた図２に示した別の一つの装置においては、２対のシムリング１７ａ、１７ｂおよび１８ａ、１８ｂが長手方向の軸線１と直交した中央軸線１９のまわりに対称に配置されるように設けられている。温シムリング構成部分の選択は予想している用途により決定され、従って、必要な特徴により決定される。
【００３５】
図１の装置は安定した均等性を提供する役目をなし、一方、図２においては、シムリングの配列が最適な直流の場の安定化を提供するように選択されている。
【００３６】
熱感度安定化のための基準は包含された理論について既に前述してある。しかしながら、振動感度を最小限度にするための基準は考慮されるべき経験に基づいて決定された関数になる傾向がある。
【００３７】
磁石の中央部のまわりに対称に配置された温鉄シムリングおよびコイルの装置においては、奇数の次数（方程式１参照）がゼロである。さて、もしも温鉄シムリングが冷磁石（ｃｏｌｄ  ｍａｇｎｅｔ）に対して軸線方向に配置されるとすれば、シムリングは冷磁石に対して依然として同心を有するが、長手方向の軸線と直交した中央平面のまわりに対称に配置されず、温鉄シムリングがいくつかの奇数の次数の振幅を方程式１に示した関数の中に導入する。もしも変位が十分に小さければ、偶数の次数は変化しない。
【００３８】
これは次の議論により説明することができる。先ず、共通の直径に対する軸線方向の離隔の比であるパラメーターβに関して小さい横断面積を有する１対のフィラメント状の鉄リングを限定する。次に、１対の薄い鉄リングを小さい距離（ｄｚ）にわたって変位させる効果を考究する。図３に例示したように、もしもリングの軸線方向の範囲をβＬ  およびβＵ  により定義すれば、これはβＬ  およびβＵ  において厚さｄｚの２対のリングを形成することに相当する。これらのリングの素子は反対方向に磁化され、それゆえに、奇数の次数のみを中央の場に導入する。
【００３９】
この効果により冷磁石（非軸線方向の振動は考慮されない）に対するシムの組の軸線方向の振動に対する均等性の感度が得られる。この感度はシムの組のｍｍの変位当たりに導入された奇数の次数の振幅に関して定量化することができる。また、これは結像容積に関するｐｋ−ｐｋ均質性移動（ｈｏｍｏｇｅｎｅｉｔｙ
ｓｈｉｆｔ）に変換することができる。
【００４０】
しかし、所定のシムの形状の振動に対する感度をどのように評価しかつ最適化することができるか。図４においては、反対に磁化された１対のフィラメント状の鉄リングにより導入された１次数および３次数の調和振幅がβの関数として曲線で表示されている。これらの振幅は磁化ベクトルが磁石の中央平面から離れる方向に向いている場合について曲線で表示されている。反対のモードについては、振幅の符号が逆になる。図３から、変位により形成されたフィラメント状の対が反対の磁化モードを有していることに気付かれよう。それゆえに、図２に示したようなシムの形状が変位したときに極めて小さい１次数の振幅を導入する。また、図４はシムの組の振動に対する感度が図２に示したように１対よりも多数のシムの組において低い次数の項を補償するためのはるかに大きい範囲が得られるので大いに改良されていることを証明している。
【００４１】
本発明による磁石が磁石の「冷」構成部分に起因する場の高度の不均等性を容認し、その後、通常、温鉄シムリングに付随する温度および／または振動に関する感度が補償されるように設定された「自己補償された」シムリングの組としての役目をする温穴（ｗａｒｍ  ｂｏｒｅ）内の鉄シムを使用してこの不均等性を修正することにより短くすることができることが理解されよう。鑑定家には容易に明らかであるように、すべての要素を同時に補償することができず、従って、均質性と直流の場との間の選択を行うことが必要であり、それにより振動に対する十分な感度を予想された用途により決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】磁気共鳴結像装置の一部を構成する極低温磁石組立体の断面を示した側面図。
【図２】磁気共鳴結像に適用するための別の極低温磁石の断面を示した側面図。
【図３】図２に示した中心軸線１９からのシムリングの変位の効果を例示した図。
【図４】１対のフィラメント状リングにより導入された振幅Ｚ１およびＺ３のグラフ。
【符号の説明】
１  長手方向軸線
２  外側ハウジング
３  容器
５ａ  磁化巻線
５ｂ  磁化巻線
６ａ  磁化巻線
６ｂ  磁化巻線
７ａ  遮蔽巻線
７ｂ  遮蔽巻線
１１  グラディエントコイル
１２  容器の穴
１３ａ  シムリング
１３ｂ  シムリング
１３ｃ  面取り
１３ｄ  面取り
１４  シムリング
１５  シムリング
１６  シムリング
１７ａ  シムリング
１７ｂ  シムリング
１８ａ  シムリング
１８ｂ  シムリング
１９  中心軸線
【図１】
0003583528.tif 000009
【図２】
0003583528.tif 000010
【図３】
0003583528.tif 000011
【図４】
0003583528.tif 000012