(57)【要約】【課題】  患者の頭部のまわりのＮＭＲ撮影磁界を生成する内側の磁極片を囲んで接する中空の円錐磁石を含む円錐磁石構造を備える開いた磁石構造。【解決手段】  円錐磁石構造と内側の磁極片との間の環状の接触表面は、上記環状の接触表面が均一映像磁界を維持する等ポテンシャルの表面として維持されるように構成される。起こりうる磁界のひずみを減らす他の改良についても記載されている。１つの長所は、１部材として、種々の永久磁石部分を一体化して製作を著しく容易にする。環状の接触表面の輪郭を決定する１つの方法も含まれている。【選択図】図１
2004283596.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
注目領域内の患者の頭部のＮＭＲ撮影を実行可能な実質的に均一な磁界を生成する磁石構造であって、
注目領域をもち、かつ、患者の頭部を収容する構成の第１の空間（３２）を区画し、第１の空間に隣接して、第１の空間より大きくて、患者の頭部が第１の空間内に位置するとき患者の肩部を収容する構成の第２の空間（３４）を区画する第１および第２の磁石構造（４２、４４）を備え、上記第１および第２の磁石構造が、第１および第２の空間の対向する２つの側面に位置し、上記第１および第２の磁石構造の中心を通る共通の長軸（ｚ）を定義し、患者の頭部が第１の空間内に位置する時、手術における介入のための外側から患者の頭部への接近を提供し、
第１および第２の磁石構造の各々が、円錐の軸をもち、かつ、第１の空間に隣接した狭い端と第１の空間から離れた広い端をもつ円錐形状の永久磁石部分（１０、１７２）を備え、各上記円錐形状の永久磁石部分が、第１の空間内の注目領域内にＮＭＲ撮影を実行可能な実質的に均一な磁界（Ｈ）を生成する構成であること、
各第１および第２の磁石構造の各々が、さらに、上記円錐形状の磁石部分に各々隣接して、共通の、上記共通の長軸と一致する長軸をもつ第１の円筒状の磁石部分（１７４）を備えること、
上記円錐形状の永久磁石部分および上記第１の円筒状の磁石部分は、注目領域内の磁界の均一性がＮＭＲ撮影を実行可能である、注目領域内の実質的に均一な磁界を第２の空間へ広げる構成であること
を特徴とする
磁石構造。
【請求項２】
請求項１に記載の、注目領域内の患者の頭部のＮＭＲ撮影を実行可能な均一な磁界を生成する磁石構造であって、
第１および第２の磁石部分が、第２の空間が第１の空間を囲む構成であること、
を特徴とする磁石構造。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の、注目領域内で患者の頭部のＮＭＲ撮影を実行可能な均一な磁界を生成する磁石構造であって、
上記第１の円筒状の磁石部分が環状であること、
を特徴とする磁石構造。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の、注目領域内で患者の頭部のＮＭＲ撮影を実行可能な均一な磁界を生成する磁石構造であって、
第１および第２の磁石構造の両方が、上記共通の長軸のまわりで、円対称であること、
を特徴とする磁石構造。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の、注目領域内で患者の頭部のＮＭＲ撮影を実行可能な均一な磁界を生成する磁石構造であって、
上記円錐形状の磁石部分が中空で、上記共通の長軸と同軸な円錐の軸をもち、上記円筒状の磁石部分が上記共通の長軸と同軸な長軸をもつこと、
を特徴とする磁石構造。
【請求項６】
請求項５に記載の、注目領域内で患者の頭部のＮＭＲ撮影を実行可能な均一な磁界を生成する磁石構造であって、
各第１および第２の磁石構造が、上記円錐形状の磁石部分内で中空を埋める高透磁率の強磁性部材（１２、１２４）をさらに備え、各上記高透磁率の強磁性部材が第１の空間に隣接する平らな第１の表面（４、４８）をもつこと、
を特徴とする磁石構造。
【請求項７】
請求項６に記載の、注目領域内で患者の頭部のＮＭＲ撮影を実行可能な均一な磁界を生成する磁石構造であって、
上記円錐形状の磁石部分の上記狭い端（Ｐ０、Ｃ１０）が、上記強磁性部材の上記平らな第１の表面と同じ平面内にあること、
を特徴とする磁石構造。
【請求項８】
請求項６に記載の、注目領域内で患者の頭部のＮＭＲ撮影を実行可能な均一な磁界を生成する磁石構造であって、
上記円錐形状の磁石部分内の中空を埋める上記高透磁率の強磁性部材および上記円錐形状の磁石部分は、一緒になって、半角θ1およびθ0をもつ外側の同軸の円錐部分と、高透磁率の強磁性部材を備える内側の同軸の円錐部分とを備える端の切断された円錐部分を形成し、
上記半角θ1およびθ0は、第１および第２の空間内で、所望の実質的に均一な磁界が達成される値が選択されること、
を特徴とする磁石構造。
【請求項９】
請求項８に記載の、注目領域内で患者の頭部のＮＭＲ撮影を実行可能な均一な磁界を生成する磁石構造であって、
上記半角θ1およびθ0がそれぞれ約２０°および４５°の角度をもつこと、
を特徴とする磁石構造。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれか１つに記載の、注目領域内で患者の頭部のＮＭＲ撮影を実行可能な均一な磁界を生成する磁石構造であって、
実質的に均一な磁界が上記共通の長軸に平行な方向を向き、上記円錐形状の磁石部分および上記第１の円筒状の磁石構造の両方の残留磁化（１６、Ｊ）が、上記共通の長軸に平行な方向を向くこと、
を特徴とする磁石構造。
【請求項１１】
注目領域内の患者の頭部のＮＭＲ撮影を実行可能な均一な磁界を生成する磁石構造であって、
注目領域をもち、かつ、患者の頭部を収容する構成の、第１の空間（１３２）を区画し、第１の空間に隣接して、第１の空間より大きくて、患者の頭部が第１の空間内に位置するとき患者の肩部を収容する構成の第２の空間（１３４）を区画する第１および第２の磁石構造（１４２、１４４）を備え、上記第１および第２の磁石構造が第１および第２の空間の対向する２つの側面に位置し、上記第１および第２の磁石構造の中心を通る共通の長軸（ｚ）を定義し、患者の頭部が第１の空間内に位置する時、所望ならば、手術における介入のため外側から患者の頭部への接近を提供し、
第１および第２の磁石構造各々が
狭い端および広い端と、実質的に内側（５）および外側（８）の円錐表面と、上記共通の長軸に一致する円錐の軸と、をもつ円錐部分をもつ永久磁石材料の環状部分、上記広い端よりも注目領域のより近くに位置する上記狭い端、第１の値と残留磁化（Ｊ）の第１の方向とをもつ上記永久磁石部分、
内側の円錐表面に隣接して区切る円錐部分内に位置し、共通の長軸と一致した軸をもつ強磁性材料の磁極片部材（１２）、磁極片部材をわずかに湾曲させて区切る永久磁石部分の内側の円錐平面間の環状の接触表面（Ｃ１−Ｃ１０）、
を含む磁石構造を備えること、
第１および第２の磁石構造の永久磁石部分および磁極片部材が、第１の空間内に、ＮＭＲ撮影を支持可能な、実質的に均一な磁界を生成するのに協力すること、
上記環状の湾曲した接触表面の形状が、上記表面に、実質的に均一な磁界のひずみを最小にする等ポテンシャル表面を形成するための構成であること
を特徴とする磁石構造。
【請求項１２】
請求項１１に記載の磁石構造であって、
第１および第２の磁石構造の各永久磁石部分が、半径方向に、共通の長軸から離れる方向に存在し、円錐部分と一体化した第１の円筒状の磁石部分（１７４）をさらに備えること、
を特徴とする磁石構造。
【請求項１３】
請求項１１または請求項１２に記載の磁石構造であって、
各磁極片部材が、第１の空間と第１の空間から離れた外側表面とを区切る内側表面をもち、第１および第２の磁石構造の各永久磁石部分が、第１の円筒状の磁石部分と一体化した第２の円筒状の磁石部分をさらに備え、磁極片部材に隣接した外側表面上に存在すること、
を特徴とする磁石構造。
【請求項１４】
請求項１３に記載の磁石構造であって、
円錐部分と、各第１および第２の磁石構造の第１および第２の円筒状の磁石部分とが、一体化した永久磁石の物体を形成すること、
を特徴とする磁石構造。
【請求項１５】
請求項１４に記載の磁石構造であって、
各第１および第２の磁石構造の一体化した永久磁石の物体が、上記共通の長軸と平行な方向へ磁化（Ｊ）されること、
を特徴とする磁石構造。
【請求項１６】
請求項１３から請求項１５のいずれか１つに記載の磁石構造であって、
各第２の円筒状の磁石部分が、上記共通の長軸上に並んだ非磁性領域（１７８）を区切ること、
を特徴とする磁石構造。
【請求項１７】
請求項１６に記載の磁石構造であって、
各第２の円筒状の磁石部分の非磁性領域が、実質的に均一な磁界を支える静磁気ポテンシャルを作るために選択された所定の位置に位置すること、
を特徴とする磁石構造。
【請求項１８】
請求項１１に記載の磁石構造であって、
環状の湾曲した接触表面がくぼんでいて、上記共通の長軸から離れる方向をむくこと、
を特徴とする磁石構造。
【請求項１９】
請求項１１から請求項１８のいずれか１つに記載の磁石構造であって、
第１および第２の磁石構造は、第２の空間が第１の空間を囲むとともに、第１および第２の両方の磁石構造が、上記共通の長軸のまわりで円対称な構成であること、
を特徴とする磁石構造。
【請求項２０】
請求項１から請求項１９のいずれか１つに記載の磁石構造であって、
第１および第２の磁石構造に磁気的に接続されたヨークをさらに備えること、
を特徴とする磁石構造。
【請求項２１】
請求項１から請求項１９のいずれか１つに記載の磁石構造であって、
Ｃ字形で、第１の空間から離れた円筒状の永久磁石部分の横に磁気的に接続されたアームに、湾曲部により接続されたアームをもつヨークをさらに備えること、
を特徴とする磁石構造。
【請求項２２】
請求項１から請求項２１にいずれか１つに記載の磁石構造であって、
映像磁界のどのひずみも補償する構成の円錐永久磁石部分の外側表面上の補償手段（８０、１８５、１８７）をさらに備えること、
を特徴とする磁石構造。
【請求項２３】
請求項６または請求項１１に記載の磁石構造であって、
各第１および第２の磁石構造の強磁性部材が高い透磁率とほぼ円錐の形状をもつこと、
を特徴とする磁石構造。
【請求項２４】
請求項１から請求項６のいずれか１つに記載の、注目領域内で患者の頭部のＮＭＲ撮影を実行可能な均一な磁界を生成する磁石構造であって、
各第１および第２の磁石構造が、第１の空間から離れた強磁性部材の横に位置する第２の円筒状の磁石構造（１７６）をさらに備えること、
を特徴とする磁石構造。
【請求項２５】
請求項２４に記載の、注目領域内で患者の頭部のＮＭＲ撮影を実行可能な均一な磁界を生成する磁石構造であって、
各第１および第２の磁石構造の第２の円筒状の磁石構造が、実質的に磁石構造全体を横に横断して存在すること、
を特徴とする磁石構造。
【請求項２６】
請求項２２に記載の磁石構造であって、
上記補償する手段が、注目領域の中または近くで磁界のひずみを減らすためのシミング手段を備え、
上記シミング手段は、円錐部分の底で円錐部分の外側円錐表面上に位置する少なくとも１つの第１の半径方向に磁化されたリング（１８５、１８７）を備え、上記第１のリングは磁界のひずみを減らす構成であること、
を特徴とする磁石構造。
【請求項２７】
請求項２６に記載の磁石構造であって、
補償手段が、第１のリングから軸方向に空間をあけた円錐部分の外側円錐表面上に位置する、少なくとも１つの第２の半径方向に磁化されたリングをさらに備え、第１のおよび第２のリングの帯磁方向は反平行方向の関係であること、
を特徴とする磁石構造。
【請求項２８】
注目領域内の患者の頭部のＮＭＲ撮影を実行可能な均一な磁界を生成する磁石構造を設計する方法であって、上記磁石構造が、
注目領域をもち、かつ患者の頭部を収容する構成の第１の空間を区画し、第１の空間に隣接して、第１の空間より大きくて、患者の頭部が第１の空間内に位置するとき患者の肩部を収容する構成の第２の空間を区画する第１および第２の磁石構造を備え、上記第１および第２の磁石構造が第１および第２の空間の対向する２つの側面に位置し、上記第１および第２の磁石構造の中心を通る共通の長軸を定義し、患者の頭部が第１の空間内に位置する時、所望ならば、手術における介入のための外側から患者の頭部への接近を提供し、
狭い方の端と広い方の端と、実質的に内側および外側の円錐表面と、上記共通の長軸に一致する円錐の軸と、をもつ円錐部分をもつ永久磁石材料の環状部分、上記広い方の端よりも注目領域のより近くに位置する上記狭い方の端、第１の値と残留磁化の第１の方向とをもつ永久磁石部分、を含む磁石構造を備える各第１および第２の磁石構造、
内側の円錐表面に隣接して区切る円錐部分内に位置し、共通の長軸と一致した軸をもつ強磁性材料の磁極片部材、磁極片部材をわずかに湾曲させて区切る永久磁石部分の内側の円錐表面間の環状の接触表面、を含む磁石構造を備える各第１および第２の磁石構造、
第１の空間内に、ＮＭＲ撮影を支持可能な、実質的に均一な磁界を生成するのに協力する、第１および第２の磁石構造の永久磁石部分および磁極片部材、
を備え、
Ａ）一般の患者の頭部と肩部を収容する頭部と肩部の空間の寸法を選択するステップ；
Ｂ）患者の肩部を収容し、不必要に構造の全体の寸法を広げない適切な角度を選択するステップ；
Ｃ）何が典型的な値Ｋとともに、第１の空間の所望の均一な磁界の強さＨ0を決定する永久磁石材料の残留磁化Ｊを決定するかを使用する永久磁石材料を選択するステップ；
Ｄ）第１の空間に隣接した環状の接触表面上の点Ｃ１０の座標および静磁気ポテンシャルが、ステップＡ）からステップＣ）でされた選択により決定されるステップ；
Ｅ）ステップＤ）で決定された静磁気ポテンシャルΦを一定に維持し、Φ＝Ｃ0にしたときの方程式２．１からの計算により、環状の接触表面に沿った少なくともさらに数点の座標を決定し、環状の接触表面の輪郭を決定するステップ；
Ｆ）ステップＥ）で決定された輪郭を使用して永久磁石材料の環状部分を構築し、磁石構造の残りの部分を組み立てるステップ
を備える方法。
【請求項２９】
Ｈ）ステップＦ）の前にステップＥ）を繰り返して、永久磁石材料の環状部分の上側の形状を決定し、磁石構造の残りの部分に組み立てられるステップ
をさらに備える請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
Ｈ）長軸に隣接した永久磁石材料の環状部分の上側の開口部を提供し、上記開口部は注目領域内の磁界のひずみを最小にする位置に位置するステップ；
Ｉ）ステップＥ）で決定される輪郭に従う強磁性材料の磁極片部材の外側表面を形成するステップ
をさらに備える請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
注目領域内の患者の頭部のＮＭＲ撮影を実行可能な均一な磁界を生成する磁石構造を設計する方法であって、上記磁石構造が、
注目領域をもち、かつ、患者の頭部を収容する構成の、第１の空間を区画し、第１の空間に隣接して、第１の空間より大きくて、患者の頭部が第１の空間内に位置するとき患者の肩部を収容する構成の第２の空間を区画する第１および第２の磁石構造を備え、上記第１および第２の磁石構造が第１および第２の空間の対向する２つの側面に位置し、上記第１および第２の磁石構造の中心を通る共通の長軸を定義し、患者の頭部が第１の空間内に位置する時、手術における介入のため外側から患者の頭部への接近を提供し、
内側のおよび外側の実質的に円錐の表面と、上記共通の長軸と一致する円錐の軸とにより接続される狭い方の端と広い方の端をもつ永久磁石材料の環状の円錐部分、上記広い方の端よりも注目領域のより近くに位置する上記狭い方の端、第１の値と残留磁化の第１の方向とをもつ上記円錐部分、を含む磁石構造を備える各第１および第２の磁石構造、
上記共通の長軸と一致した長軸をもち、円錐部分の広い方の端に隣接して磁気で結合する永久磁石材料の内側の本質的に円筒状の磁石部分、上記共通の長軸から半径方向に離れた方向に存在する内側の円筒状の磁石部分、第２の値と残留磁化の第２の方向とをもつ上記内側の円筒状の磁石構造、を含む磁石構造を備える各第１および第２の磁石構造、
内側表面に隣接した円錐部分内に位置し、また上記共通の長軸と一致する軸をもつ強磁性材料の磁極片部材を含む磁石構造を備える各第１および第２の磁石構造、
上記共通の長軸と一致する軸をもち、内側の円筒状の磁石部分および強磁性の磁極片部材上に存在する外側の円筒状の永久磁石部分を含む磁石構造を備える各第１および第２の磁石構造、
を備え、
Ａ）磁石の性能、および円錐部分と内側および外側の円筒状の磁石部分とを含む磁石部材の形状を構成する設計係数を最初に選択するステップ、
Ｂ）最初に選択された設計係数Ｋから１０％を超えないだけ異なる値Ｋにおける、注目領域内の磁界の均一性を計測するステップ、
Ｃ）ステップＢ）の計測により得られた、最も均一性を示す上記値Ｋを使用して、磁石部材を再構成するステップ
を備える方法。
【請求項３２】
ステップＣ）で選択された値Ｋが、最初に選択された設計係数Ｋから２％から４％大きい請求項３１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石を使用して均一なＮＭＲ撮影磁界を構築するＮＭＲ頭部映像システムを対象にする。
【背景技術】
【０００２】
本出願に記載の磁石構造は、介入（ｉｎｔｅｒｖｅｎｔｉｏｎａｌ）処置におけるＭＲ頭部映像のために設計される。そのような構造の製作は以下の矛盾する必要条件に直面する。最適な映像法の要求は、患者の頭部用の空間を区画する閉じた磁石構造により達成されるが、外科の要求は、手術部位が外科医により容易に接近できる開放構造により達成される。他の重要な要求は、磁石の寸法および重量を最小にすること、上記ＮＭＲ撮影磁界の最大の強さで磁性材料を効率的に使用すること、および水平方向からだけでなく垂直方向からも患者の頭部への接近を可能にすることである。
【０００３】
現在、市販のＮＭＲ頭部映像システムは、超伝導電磁気コイルシステムを用いて、患者の頭部を取り囲む注目領域において必要で均一な上記ＮＭＲ撮影磁界を生成する。これはある複数の欠点をもち、それらの欠点は、超伝導支持システムおよび磁界の可能な限られた方向のために、外科医に使用可能な領域が制限されることを含む。
【特許文献１】米国特許第５，４９５，２２２号
【特許文献２】米国特許第５，７９０，００６号
【特許文献３】米国特許第６，２６５，９５９号
【特許文献４】米国特許第５，４７５，３５５号
【特許文献５】米国特許第５，０５５，８１２号
【特許文献６】米国特許第５，４２８，３３３号
【非特許文献１】永久磁石の磁極片設計の線形理論（Ｌｉｎｅａｒ  Ｔｈｅｏｒｙ  ｏｆ  Ｐｏｌｅ  Ｐｉｅｃｅ  Ｄｅｓｉｇｎ  ｉｎ  Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｓ）、ＡＢＥＬＥ，Ｍａｎｌｉｏ著（英国、バーミンガムで１９９４年９月１１日−１４日に開催された希土類磁石およびそれらの応用に関する第１３回国際ワークショップのプロシーディングで発表）
【非特許文献２】『永久磁石の構造』、エム・ジー・アベレ著、ジョンワイレイ・アンド・サンズ，インク、１９９３年
【非特許文献３】『永久磁石の磁界の計算』エム・ジー・アベレ、エイチ・ルシネク著、（ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ）、２８：９３１−９３４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の主な目的は、均一なＮＭＲ撮影磁界を生成し、少なくとも１つの側において開放された手術または他の医療目的のための医者による患者の頭部への接近を可能にする永久磁石構造で、患者の頭部を取り囲む注目領域で、ＮＭＲ映像法のための均一磁界を生成可能な永久磁石構造である。
【０００５】
本発明のもう１つの目的は、患者の頭部のＮＭＲ映像法のための永久磁石構造である。その永久磁石構造は磁石の寸法と重量を最小にし、磁性材料をＮＭＲ撮影磁界の最大強度で効率的に使用し、かつ水平方向からだけでなく垂直方向からも患者の頭部への接近を可能にする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
これらの目的は、本発明の１つの態様にしたがって、患者の頭部のまわりのＮＭＲ撮影磁界を生成することに貢献する第１の円錐磁石構造または円錐磁石の一部と、患者の肩部を取り囲むように構成された隣接する第２の磁石構造との組み合わせを備える磁石の構造により達成される。全体の外形は、手術室における磁石構造を一体化して、典型的には患者の脳の手術を含む手術手順との干渉を最小にする。
【０００７】
好ましい実施の形態では、本発明の磁石構造は、患者の頭部を囲む注目領域内に実質的に均一な磁界を生成する、第１の頭部の構造を備え、この第１の頭部の構造は、注目領域内で実質的に均一な磁界を維持することを助ける、患者の肩部を囲む第２の領域内へ、均一な磁界を広げる磁界を生成する肩部の構造と同軸上に並ぶ。
【０００８】
もう１つの好ましい実施の形態では、円錐部分は、中空で、内側の本質的に円筒状の部分へ結合されていて、円錐磁石の内側の領域は高透磁率の強磁性材料からなる。
【０００９】
更にもう１つの好ましい実施の形態では、磁石構造が、空間内で円対称な構造と、各円対称な構造の上の少なくとも一部に存在する第２のより大きい外側の円筒状の磁石との間に落ちる注目領域を伴って空間をあけて対向した円対称な構造を備えている。上記好ましい実施の形態の上記磁石構造の主な複数の永久磁石部材は、同じ方向に、好ましくは円錐部分の軸と平行に、すべて磁化されている。
【００１０】
好ましい実施の形態では、本発明の磁石構造は、均一な磁界を、患者の肩部を囲む第２のより広い領域へ広げる磁界を生成する肩部の構造と同軸上に並んで、第１および第２の領域を接続する領域の均一な磁界を維持する同軸上に並んだ変わり目構造により、頭部の構造に結合された患者の頭部を囲む注目領域内の均一な磁界を生成する、頭部の構造を備える。
【００１１】
もう１つの好ましい実施の形態は、永久磁石部分の表面に等ポテンシャルの表面が存在するように、永久磁石部分の内側の湾曲した上記表面を構成することが可能であるという驚くべき発見に基づいている。本発見の重要な結果は、磁極片の隣接する外側表面が、必要な磁気状態を乱すことなしに内側の湾曲した表面に直接接するよう配置されて、ＭＲＩ映像法の注目領域に必要な均一な磁界の種類を確実にする。さらに、これは、永久磁石部分が一体化して組み立て可能であって、全体の磁石システムの製作を単純化する。
【００１２】
本発明のもう１つの態様にしたがって、磁極片と内側の永久磁石部分にとの上にあり、内側の永久磁石部分と一体化した外側の永久磁石部分は、中央で軸上に位置合わせされ、所望の磁界の均一性を維持するために位置される非磁性部分を備える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付の図を参照して発明の実施の形態を説明する。
【００１４】
好ましい注意が、発行された特許文献１、特許文献２、および特許文献３に向けられ、ＮＭＲ映像法の均一な磁界における開放された磁石構造を製作するいくつかの問題、それらの問題に関するいくつかの解決法、および特許と出版物が参照により本明細書に組み込まれている内容を記載している。
【００１５】
また、曖昧さを避けるため、ここで使用されているいくつかの用語を定義することが役に立つ。これらの定義は以下を含む。
【００１６】
本明細書で使用されているように、「高透磁性」部材は、１０を超えるか、好ましくはできるだけ高い透磁率μをもつ軟強磁性の物体を意味する。単純化のために、ときには文献においてどおり（μ＝∞）材料、すなわち理想軟磁性の物体と呼ばれる。事実上全ての実用的な目的のために、無限の透磁率で不飽和の強磁性材料の性能は、軟鉄と同等である。
【００１７】
本明細書で使用されているように、「ヨーク磁石システム」は、磁石構造の１つの極からもう１つの極への磁束密度Ｂを運ぶヨークとして作用する、高透磁率の材料により囲まれた永久磁石構造である。飽和を避けるため、ヨークは、飽和せずに磁束を運ぶのに十分な広さの断面積をもつ。上記断面は、典型的には局所的に磁束を運ぶ要求を満たすために変化する。
【００１８】
本明細書で使用されているように、「ハイブリッド磁石システム」は、部分的にのみ高透磁率の材料により囲まれた永久磁石構造であって、存在する高透磁率の材料および上記永久磁石構造の囲まれていない部分の両方が、上記磁石構造の１つの極からもう１つの極への磁束密度Ｂを運ぶよう作用する。飽和を避けるため、ヨークとも呼ばれる高透磁率の材料は、飽和せずに磁束を運ぶのに十分な広さの断面積をもつべきである。上記ヨークの断面は、典型的には局所的に磁束を運ぶ要求を満たすために変化する。
【００１９】
本明細書で使用されているように、「均一な磁界」は、注目領域にわたって１０ｐｐｍ未満変化する強さをもつ磁界を意味する。本明細書、および補遺、および参照文献に記載の得られた磁石構造は、それら自身ではこの均一性の磁界を生成できないが、十分に、標準的なシミング技術による修正の限界内にある磁極片間のギャップ内の均一な磁界の摂動を維持する。
【００２０】
用語「実質的には」は明細書および特許請求の範囲内で何度も現れる。実用的な意味で、構造やパラメータに関連する性能における重要な変更を生じず、かつ、関連する用語の範囲内に含まれる、構造ないしはパラメータ項の小さな変化を意味する。
【００２１】
用語「本質的には」は明細書および特許請求の範囲内で何度も現れる。「本質的には」は、実用的な意味で、ある方法で、ただし厳密には使用されている意味に従わないが、主要なすなわち本質的な機能から著しくそれない構造の他の態様が存在しうる方法で機能的に特徴づけられる構造を定義する。例えば、磁石は、実は非円筒状の形状をしていてもよいとき、本質的に円筒状という。しかし、設計の目的について、磁石は円筒状がその主な機能的特性を示すとき円筒状と特徴づけられる。同じことが用語円錐状の使用に関しても当てはまる。
【００２２】
この種の磁石システムは、よく０と１の間を変化するシンボルＫで特定されるいわゆる無次元数を使用して設計される。典型的には、設計者は、大きさ、可能な磁性材料および所望の磁界の強さに依存するＫの値を選択して設計を始め、この値Ｋは不変である。残留磁化を含む最高の磁性性能をもつ永久磁石材料が好ましい。今日、これらはＮｄ、Ｂ，Ｆｅなどの希土類磁石の族である。そのような磁石の主な成分の相対的比率の変化は、当業者にはよく知られているように、典型的には、合金の主な磁気性能の変化を生じる。
【００２３】
本出願で磁石構造を「構成する」と記載する時、これが、本文献および参照文献の文脈内で、選択された設計パラメータＫおよび、所望の使用する磁界の強さ、磁界の均一性の維持、および迷磁界の減少などの追加の制約の観点で、上記構造の種々の部材の外形、寸法、材料、および／または磁化を選択する設計法を意味する。
【００２４】
ＮＭＲ撮影を実行するために使用された開放磁石構造は、所望の構造の側部、上部および底部の構成を形成し、患者を収容する磁石構造の内側の空間を区画するために、組み立てられた永久磁石材料の複数のブロックからしばしば組み立てられる。１つの方向に均一に磁化された規則的形状のブロックが、通常の粉末冶金工程および研削工程によりより簡単に製作できるので、これは典型的にはそのようなシステムを製作するより簡単な方法である。それ故、明細書および特許請求の範囲が、例えば、円錐または円筒形状の磁石構造というとき、これは、上記形状を備える１つの部材、または磁力により保持され、上記構成を備える複合部材を形成する数個の部材を含む。なぜなら、磁気的観点からすれば、性能は実質的に同じだからである。さらに、本発明を説明するために使用される磁石の形状は、典型的にはなめらかな表面で示されるが、多くの場合、構造の形状は一体として機能的に同等なものを生じる結合された磁石部材により実現されてもよい。例えば、円錐または円筒状の形状の円い表面は、時には、わずかに段のある外表面を形成する永久磁石材料の薄くて円いスラブからできた複合構造を用いて、より容易に得られる。この複合構造は、全体として、なお、円錐または円筒状として分類され、場合によっては、結果として得られる磁界の方向がまだ１本の矢で表示できる。利便性のために、任意の長方形座標系または球座標系を使用する系を定義することもより簡単であることがある。ここで、参考文献に示されているように、長方形座標系の線形寸法は、ｘ、ｙまたはｚの次元で計測されて、球座標系の対応する次元は、半径に沿って、および任意の線または任意の平面からの角度により計測される。また、説明の利便性のため、球座標系内で解析される好ましい実施の形態では、均一な磁界の方向はｚ軸に平行に選択される。ｚ軸は上記円錐の軸でもあり、患者の方向は、患者の長軸がｚ軸に対して垂直であるように選択されて、患者が、仰向けの通常の位置における頭部映像法のため磁石構造内にある時、患者の体は、ｚ方向に対して垂直な方向に伸びていて、それ故体の平面における均一な磁界の方向に対して垂直である。患者は、通常、上記システム内の非磁性テーブルの上に横たわるが、磁石性能に影響を及ぼさないので、利便性のためにテーブルは図中に示されていない。球座標系は図の中で示されている。本発明の説明は、患者の頭部および肩部の周囲の磁石構造を中心に扱う。実際の場合、寸法および磁石ブロックの磁気性能の通常の製造許容誤差は、軽微な磁界のひずみやばらつきを持ち込む。このひずみやばらつきは、磁石部材の位置および磁界不均一性のためのフィルタを調整する補正を使用して、「調整」や「シミング」と呼ばれる既知の処理で一般的に補償される。また、図中では、ＪまたはＨが付された矢印が存在している。ここでＪは残留磁化を表す標準の記号、Ｈは磁界の強さを表す標準の記号、そしてμは透磁率を表す標準の記号である。
【００２５】
本発明の発展の下にある概念は、下記のアメリカ合衆国特許に添付された補遺と同様に、添付の補遺に記載のさらなる発展型により最もよく理解される。ここで、上記特許は参照文献により本明細書に完全に組み込まれている。これらは以下により完全に記載されているが、以下の認識をもつことにより短く記載可能である。
【００２６】
１．空間に隣接して空間の境界に位置した対向した内側および外側の円錐部分を区画し、選択された円錐の角度をもつ円錐構造により、ＮＭＲ撮影を実行可能な均一な磁界が空間内で生成可能である。
【００２７】
２．円錐構造の形状は、隣接したより大きな空間につながった小さな空間を備え、上記小さな空間は患者の頭部を収容可能な構成であって、隣接するより大きな空間は患者の肩部を収容可能な構成である。
【００２８】
３．上記外側の円錐部分は永久磁石材料からなり、上記内側の円錐部分は高透磁性磁性材料からなる。
【００２９】
４．以下に説明されるように、円錐磁石部分の内側表面と高透磁性磁性材料の外側表面との間の環状の接触表面の好ましい構成により、永久磁石部分の異なる複数の箇所を１つの永久磁石部分に一体化可能である。これは、参照文献に示された実施の形態と比較して、磁石構造全体の構成と製作を著しく単純化する。
【００３０】
上記の原理を実行することにおいて、磁化された材料および軟強磁性材料の多くの異なる構成が可能である。好ましい構成は以下で説明するが、当業者により理解されるように、本発明が、示された特定の磁性材料と寸法に限定されるのではない他の異なる複数の組み合わせが、本発明の利益を達成するために下記の原理に従って使用可能である。
【００３１】
以下は本発明が基づく原理のより正確な数学的説明であって、その正確な数学的証明は以下の明細書部分において、もし必要ならば参照文献の内容を心にとめて、さらに詳しく述べる。
【００３２】
本発明の１つの目的は、頭部のＭＲＩ映像法用に設計されて、約０．５テスラの磁界レベルをもつ新規な永久磁石である。上記のように、この磁石は、永久磁化材料の円錐構造を強磁性磁極片と組み合わせる。
【００３３】
図１は、半角θ1とθ0の２つの同軸の円錐の間に含まれる磁性材料の基本的な円錐構造１０を示す。上記材料は円錐の軸ｚ（長軸１４）と平行な均一な残留磁化Ｊ0で磁化１６されている。外側の円錐を囲む媒体は非磁性であり、内側の円錐１２は無限透磁率の強磁性円錐の表面である。球座標ρ、θ、Ψの系を仮定する。無限の半径次元の極限では、上記の磁性材料内の残留磁化Ｊ0により生成される静磁気ポテンシャルΦは以下のように表される。
【数１】
2004283596.tif 000003
ここでｕ＝ｃｏｓθ、ｕ0＝ｃｏｓθ0、ｕ1＝ｃｏｓθ1、μ0は真空透磁率である。静磁気ポテンシャルはｚ軸と平行な均一な以下の大きさの磁界の強さＨ0のポテンシャルである。
μ0Ｈ0＝ＫＪ0
ここで、
【数２】
2004283596.tif 000004
である。
【００３４】
８で示される表面は磁化された円錐部分の外側表面であり、５で示される表面は円錐部分の内側表面である。
【００３５】
図１の基本的な概略図は図２の構造に変形できる。これにより−ｚ0＜ｚ＜＋ｚ0の範囲の磁化された材料は、無限透磁率の２つの円形の表面４の間に挟まれた非磁性材料３（ギャップ）により置き換えられる。円形の境界から発生する上記等ポテンシャルの表面５も無限透磁率の表面になる。
【００３６】
また、図２に示されているように、ｚ＝±ｚ1である平面を含む等ポテンシャルの表面７は、無限透磁率の表面に変換可能である。図２で定義される変換は、元の円錐構造により生成される磁界に影響しない。それ故、図２は、映像法に必要な中央のギャップ３を生成し、体の残りの部分を収容するのに必要な磁石のｚ次元を拡大する。
【００３７】
図２の構造を単純化した変形が図３に示されていて、ｚ＝±ｚ1におけるμ＝∞の材料の正確な変換が、円錐の同じ磁化された材料により軸ｚに平行な均一な残留磁化Ｊ0で置き換えられる。この単純化された変形は、ギャップ３の映像領域からｚ＝±ｚ1における変化の距離を利用する。図３の単純化された概略図の図４の例は、標準的なシミング技術で十分な修正限度内の磁極片間の空間内における均一な磁界の摂動を維持するの磁石の寸法に対応する。図４に示された磁石部材の基本的な寸法は、円錐の角度θ1＝２０°、θ0＝４５°の選択に対応する。図４の上側の二重線１６２は磁気誘導の磁束を閉じる磁石ヨークを表す。理想的には映像領域は、磁極片１２間の空間の中央を中心とする半径ｚ0の球であると仮定可能である。
【００３８】
この図では、組み込まれた先行文献のように、実際の磁石構造の４分の１のみが示されていて、残りの４分の３は本質的に鏡像である。特に、上記４分の１の鏡像は垂直軸の反対側に存在して、もし存在すれば磁石構造全体の上半分を示す。また、同様に、上記上半分の鏡像が水平軸の反対側に存在して、もし存在すれば上半分と下半分の両方を示し、それ故本発明による磁石構造全体を示す。本発明による構造全体の１つの実施の形態は図６および図７に示されている。各々が構造全体の一部のみを示すことは図から明らかである。
【００３９】
図５は、部分の数Ｎを増加して式（１）により与えられる、磁極片の正確に等ポテンシャルの表面の近似値を見積もることにより得られる赤道面の軸ｚおよび半径座標ｒに沿った磁界をプロットしたものを示す。計算が図４のＣ１からＣ１０の間の直線上で実行されたことを意味するＮ＝１（図の左上部を参照）の場合、ギャップ内の均一性は比較的悪い。線Ｃ１−Ｃ１０で表される表面の長さにわたって計算される部分の数Ｎが増加するにつれて、磁界の均一性が改善される（Ｎ＝２は右上のグラフ、Ｎ＝４は左下のグラフ）。図４に現れたわずかにくぼんだ曲線Ｃ１−Ｃ１０は、Ｎ＝９部分（右下部参照）で実行される計算に対応する。上記特定の例の実際の座標は、図４に示された寸法の表で下に示される。図５のプロットは、磁石の製造において、正確な外形を使用することがいかに重要かを示す。図４の例は０．４５テスラの磁界が、約２．９トンの希土類磁石材料の残留磁化（＝１．３８テスラ）の磁極片１２の間のギャップ３において得られることをさらに示す。それ故、この新しい磁石構造は、介入用途と同様に臨床用途で効果的で有力な映像法ツールを提供する。
【００４０】
以下の表は図４の線Ｃ１−Ｃ１０で表される表面に沿った１０点の座標を表す。１例だけだが、図４で示された仮定の寸法と上記の仮定の角度を用いて、円錐磁石部分１７２は、ギャップ内で所望の均一な磁界のひずみを、標準的なシミング技術で修正可能な十分に小さい値に維持するよう構成される。
【００４１】
境界の形状を決定する以下の表で与えられる値は、適切な構成の１つの例だけを表している。当業者が、理解するように空間のための他の初期寸法、他の角度および他の磁性材料を選択することは、参照文献にも説明されているように、改善された均一性を得るためには、第１象限の線Ｃ１−Ｃ１０で表される境界表面の構成の再計算が必要となる。
【００４２】
境界表面５の構成を計算する方法の１つの例は以下の通りであるが、本発明は必ずしもこの好ましい方法に限定されない。
【００４３】
１．１つの可能で適切な開始点は、一般成人の頭部と肩部を収容する頭部と肩部の空間の選択である。与えられた例では、頭部の空間は、３００ｍｍの半径の寸法（図４では１つの象限のみが示されていることを忘れないように）および、磁極片間の垂直の間隔である３００ｍｍの高さをもつ。
【００４４】
２．適切な角度は患者の肩部を収容するよう選択され、上記角度の例である上記構造の全体寸法を不要に広げないよう選択される。
【００４５】
３．最強の永久磁石材料が好ましくは使用されて、Ｋの典型的な値を用いて、頭部の空間すなわち空間３内の所望の均一な磁界の強さＨ0を決定する永久磁石材料の残留磁化Ｊを決定する。
【００４６】
４．こうして、点Ｃ１０の座標および静磁気ポテンシャルΦの値は上記の複数の選択により決定される。
【００４７】
５．線Ｃ１−Ｃ１０により表される全境界表面にそって静磁気ポテンシャルΦは一定に維持される。
【００４８】
６．境界表面の残りの９点（どの番号の部分が選ばれても）の座標は、Φ＝Ｃ0として式（１）から計算されて、こうしてｒ座標およびｚ座標が残りの点Ｃ９−Ｃ１の各々で決定されて、所望の等ポテンシャル表面を生成する線Ｃ１−Ｃ１０により表される表面の外形となる。
【００４９】
７．上側の永久磁石部分１７６の内側表面と、隣接する非磁性領域１７８との間の境界２の位置を決定するため、同様な処理が実行される。上記非磁性領域は、また決定する要素が注目領域における磁界のひずみを最小にする一定値に維持された静磁気ポテンシャルであるので、例えば空気であり得る。こうして、上記の例では、上記境界はｚ軸から６５ｍｍのところに位置する。
[表１]表
2004283596.tif 000005
【００５０】
図７は４つの象限に拡大された図４の構造の斜視図であって、図６は分解図である。参照数字１２４は高透磁性の芯を示している。１７０は、互いに間隔なしに一体化された３つの部分からなるか、高透磁率の芯と磁石部分との間に存在する他の材料からなる永久磁石を示している。円錐部分は１７２で示され、横に存在する円筒状の部分１７４と一体化され、次に長軸１４上に並んだ非磁性部分１７８を囲む外側の円筒状の部分１７６と一体化されている。ヨークは、湾曲部１６０により接続されたアーム１６２、１６４を備えるＣ字形の軟磁石構造である。図６は、全体構造がヨークの湾曲部１６０から持ち出され、次に分解されたように描かれている。図７の実施の形態は、切り出されて取り除かれて、内側構造を見せるようになった、図４に対応する１つの象限を示す。観察されるように、ヨークの湾曲部１６０により表されるベースの上にある構造を用いて、その円形の対称性のため、肩部の空間１３４は磁極片の表面４により区切られるより小さい頭部の空間１３２を囲むので、患者は上方からと同様に両横側からも上記空間に入ることができる。患者は頭部が空間１３２に入り、肩部が空間１３４に入るように頭部ＮＭＲ映像法のために位置される。上記の磁石構成は、患者の頭部を囲む注目領域内の均一映像磁界、すなわち図６のｚ軸に沿って磁界の強さＨ0をもつ磁界を生成する。図８は図４に示された構造を示す。原点０で始まる垂直軸および水平軸のまわりを回転されるとき、上記構造は右上部（図４に示されている）と左上部の象限を含むように拡大されて、右下部および左下部の象限に対応する同一の構造４４に対して空間をあけて対向した円対称の磁石構造４２を形成する。内側の強磁性芯１２（図４）の底面４８により境界のあるものの間の、ここで、空洞空間３２は、永久磁石部材（図４の１７２、１７４に対応）の内側表面６６、６８により区切られるより大きな肩部の空間３４によりすべての側面が区切られる頭部の空間である。仰向けに寝た患者の頭部５４および肩部５６は破線で示されｙ軸に平行である。肩部は図の存在する面の後方にある。図４で示された象限を回転して作られる対向された対称的構造に、底面のそのヨークの湾曲部６０および追加された円筒状の磁石１７４、１７６の対応する後部を囲む２つのアーム６２、６４を備える通常の軟強磁性Ｕ字型ヨークが、加えられている。
【００５１】
他の実施の形態に、図４の実施の形態は上記構造の１つの象限のみを表す。上記全体構造は、図６および図７に示されているように、上記象限を原点０から始まる上記垂直軸および水平軸の周りを回転させて、それ故、象限の右上部（図４で示される）および左上部の象限を含むよう拡大することにより得られ、右下部および左下部の象限に対応する同一の磁石構造１４４に対して空間をあけて対向した、円対称の磁石構造１４２を形成する。
【００５２】
当業者にとって本発明が図に示された寸法の構造に必ずしも限定されないのは当然である。それらの図はある実施の形態の大きさを示すのみである。描かれた好ましい形状は、本明細書に記載の原理に従った他の形状により置き換え可能である。特に、上記半角θ0および半角θ1は、好ましい実施の形態で与えられた２つの値に限定されない。それらの値は、ユニットの全体の大きさ、必要とされる磁性材料の体積、磁界の強さ、および患者の収容などの要素の中の実用的な妥協を表すので好ましい。例えば、θ0を増やすこと（例えば、Ｋ＝０．５５で、θ1＝２０°θ0＝５０°）は、構造の大きさを増し、より多くの磁性材料を必要とし、所望しないが患者のための空間を減らす可能性があるが、増やした磁性材料でより高い磁界の強さを可能にもする。例えば、θ0を５０°に維持して、θ1を３０°に増やすと、同様により多くの磁性材料を必要とする可能性があるが、より小さいＫでより小さい磁界の強さとなる。両角度を減らすことは、実用的には狭すぎる構造をつくり、不十分な患者の空間を生じる。これらの他の形状も本発明の範囲内と考えられる。脳の異なる側への接近を可能にするために、磁石が磁石構造内でｙ軸のまわりを回転可能である。
【００５３】
図４−図８に示される具体化において、磁石構造は、ヨークのベースの側をのぞく全ての側から開いていて、手術の部位への接近を可能にする。この開放部分は、通常、映像領域内の均一な磁界のひずみを生じ、このひずみは、典型的には１０ｐｐｍ以内の許容限度内の磁界の変化をもたらすように部分的に修正されなければならない。この修正は、開放によってだけではなく、磁化および製作の許容誤差によっても生じるひずみを補償する磁石の調整およびシミングの一部である。
【００５４】
磁石の調整を達成する１つの方法は、内側の磁石構造の表面８の上に組み立てられたフィルタ構造を用いるものであって、その表面と同様な形態が非特許文献１で詳細に説明されている。非特許文献１の内容は本出願内で参照により組み込まれている。この論文は、適切なフィルタ構造の設計が著者により作成された磁極片の線形理論の結果であることを説明する。その論文では、映像領域は、映像法中心を含む軸をもち、複数の磁極片に対して垂直な円筒内に制限されると仮定される。上記円筒は、静磁気ポテンシャルの参照平面のようにふるまう２つの磁極片の表面により閉じられる。円筒内の磁石により生成されるこのポテンシャルは、参照論文内の式（２２）により示されるように、円筒の調和関数で展開される。ここで記号が上記文献内で示された意味をもつのでここでは繰り返す必要はない。上記方程式では右辺の第１項は均一磁界であり、他の複数の項は、上記文献に記載のフィルタ構造により修正される磁界のひずみの調和関数である。もしフィルタの複数部分が上記文献の式（２４）を満たす双極子モーメントで分極化されると、これらの調和関数は除去される。文献からわかるように、磁界のひずみの級数は急速に収束し、結果として低次の調和関数のみが補償されねばならない。図４−図８のシステムは、空間３２、３４（図８）の境界となる構造の内側表面８上に、磁石内の双極子モーメントを修正する適切な分布を集中させることにより補償できる。この用途に適したフィルタ設計の特定の複数の例は、上記論文および特許文献１および特許文献４に見出され、その内容はこの出願に参照により組み込まれている。アクティブフィルタ構造の１つの形は、上記空間の境界となる外側の軟強磁性プレートの薄いサンドイッチであって、上記プレートは、プレート間に１つまたは複数の永久磁石を挿入して支持磁石構造からは磁気的に孤立される。それらのプレートは、上記文献で公表された原理に従って、空間の境界となる内側表面に沿って位置し、磁界のひずみを減らすか最小にする。フィルタ構造は、注目領域の周囲に典型的に位置する傾向があり、注目領域は典型的には頭部の空間を囲む。図９は、上記構造（図４の８）の円錐表面上の１つの可能なフィルタ構造８０を図式的に示す。そのフィルタ構造は、強磁性材料と磁化された材料でできた数個の分離した部材または環状の部材で示される。上記数個の分離した部材または環状の部材は、参照文献および特許文献に記載されているように、必要な磁石性能を持ち、磁界のひずみを補償するように分布されている。図９では、参照番号３０は図４の円筒状の磁石部分１７４、１７６を表す。
【００５５】
以上に説明したように、均一な磁界のひずみの問題は、実際の磁石の有限の寸法から、および形状の製作許容誤差と磁化の分布により発生する。また、注目領域の磁界の強さおよび種々の値Ｋでの注目領域上の磁界の強さの変化の一連の計算が実行された時、Ｋの小さな調整が、１つの実施の形態について図１０で示されている磁界の均一性の改良を生じうることを予期せずに発見した。上記磁界の強さの変化がｐｐｍでＫの値に対してプロットされたとき、Ｋの値をわずかに増加したときに頂点を有する１６０と同様な曲線が生じる。上記Ｋの値に関して「磁界」と記された線により示される、テスラの単位の磁界の値は、名目上の値に関するものより著しく小さくはない。最もよい結果は約３％増加したＫの値で達成される。上記数字は他の名目上のＫの値である程度異なることもあり得るが、おもしろいことに、典型的には数パーセント高い。
【００５６】
本発明の１つの特徴はこの現象を利用する設計方法である。通常、Ｋの名目上の値は、使用される磁性材料および注目領域内で必要とされる磁界の強さにより選択されて決定される。例えばおおよそ１．３ＴのＪ0が選択され、選択されたＫの名目上の値が約０．４９であるとすると、μ0Ｈ0＝０．６４Ｔである。次のステップは、Ｋが例えば１〜１．６の範囲で変化するときの、磁界の均一さと磁界の強さを評価する一連の計算を実行することである。図１０のグラフと同様なグラフが生じ、次に設計者は、所望の磁界の均一性と強さを提供する上記増加されたＫの値を選択できる。一般的にこれは、名目上の値より数パーセント高いＫの値になる。この設計の特徴を具体化することは、磁石構造のわずかな再構成を必要とする。例えば、円筒状の磁石１７４、１７６の厚みを増すことなどにより、上記構造で存在する磁性材料の量を増加することにより得られる、Ｈの増加により、Ｋは増加できる。加えて、同じ族からであるが、より大きな残留磁化のある磁性材料は、同じ磁界の強さＨを維持するために選択可能である。Ｋの必要な増化は小さいので、本発明のこの態様の利点を得るために構成の小さな変化のみが必要である。Ｋを増化する他の方法は当業者には明らかである。
【００５７】
有限の寸法の影響による上記ひずみは、上に説明したように外側磁石構造のＫの値を変更することにより、設計段階で少なくとも部分的に補償できるが、製作許容誤差によるひずみは設計段階で補償することは困難であることがあり、もう１つのアプローチを必要とするかもしれない。本発明者の過去の特許のいくつかは、上記磁石構造のまわりで、磁気双極子の思慮深い配置を含む、異なる磁石構造外形を補償する方法を提案した。例えば、特許文献５はヨークレス永久磁石構造のための補償する手段を記載し、特許文献６もヨークレス永久磁石構造のための異なる補償手段を記載している。しかし、上記補償方法は、本発明を特徴づける円錐の外形にもっとも適しているものではないかもしれない。
【００５８】
本発明のもう１つの特徴によれば、本明細書に記載の円錐磁石構造の外形を補償する改良方法は、参照した特許で使用された原理とは異なる原理に基づいた構造についての磁気双極子の思慮深い配置を備える。補償するシミングは、外側円錐表面１３１（図１１参照）上の磁気双極子の分布により実行される。好ましくは、磁気双極子は、軸の方向に分離されたシミングリングまたは環状の部材の形である。磁気双極子の配置および磁気双極子の大きさと方向は、以下のように決定可能である。手短に言えば、本発明のシミング方法は以下のステップを必要とする。
【００５９】
１．上記のように円錐磁石構造全体を組み立てる。必ずではないが、好ましくは、上記磁石構造は、有限の寸法の影響を補償するため、Ｋの調整を組み込むように設計される。
【００６０】
２．上記構造の中心に原点をもち、好ましくは、頭部の空間３２を区切る表面１９８をもつ、対向する中央部材の底まで達し、かつ、注目領域を含む参考の球１９５（図１１）の上の磁界の均一性を測定する。この測定は、磁界の強さを本質的に基準の球の表面上に位置させる。所望の均一性のひずみを表す非均一性は、典型的には存在する。
【００６１】
３．使用される補償するリングの数を選択する。その数は典型的には少なくとも２つないしは３つである。永久磁石材料のリングは、円錐表面１３１を囲んで接する大きさにされる。上記リングは、もし１つよりも多いと、平行な複数の平面内に位置し、ｚ軸方向に間隔をあけて配置され、それ故異なる半径を必ずもつ。リングの平面は好ましくはｚ軸に対して垂直である。もし２つより多いリングが選択されると、リングの軸方向の間隔は好ましくは等しい。複数のリングの効果は、リングの注目領域への近さに依存する。それ故、好ましくは第１のリングが、外側円錐表面１３１上に、空間を区切る表面１９８にほぼ一致した最下部の表面をもつ円錐表面の下側の頂点１３３に、配置される。もし第２のリングが使用されると、第２のリングは好ましくは外側円錐表面上に短い距離だけ上か下に配置される。これらの磁化は以下に説明されるように決定される。
【００６２】
４．リングが円錐磁石上に配置されたとき、残留磁化の方向が半径方向でありｚ軸に垂直な、すなわち図中のｒ軸に平行なようにリングを磁化する。複数の対のリングが、好ましくは、上側の円錐部分上のリングが、下側の円錐部分上のリングと合わせられて、互いに対称的に配置されるように使用される。上側の円錐上の第１のすなわち最も下のリングが半径方向に内向き（水平の矢印で示される）に磁化されたとき、反対側の円錐（図の下の円錐）の対応するリングは半径方向に外向きに磁化され、上側の円錐の次のすなわち第２のリングも半径方向に外向きに磁化される。以下同様である。このように、上記リングは好ましくは反平行の関係で常に磁化される。こうして、逆転した磁化の関係がリング間で維持される。
【００６３】
５．リングの構成、すなわちリングの磁化と方向は、ステップ２で、すなわちリングの存在なしで、得られた磁界のマップを使用して連立方程式を計算することにより、決定されるこれらの方程式は、添付の補遺などで与えられた解析から導き出せる。代わりに試行錯誤法も使用可能である。
【００６４】
６．第１のリングを、外側円錐表面１３１上の外側円錐表面の好ましい位置に底部の頂点１３３に配置する。
【００６５】
７．構造の中心に原点をもち、かつ、注目領域と共通の球状である同じ基準球上で磁界の均一性を再計測する。典型的には、比較的粗い補償は補償するリングの存在により生じる。
【００６６】
８．存在するリングを用いてステップ７で得られた新しい磁界のマップを使用して、連立方程式を再計算する。
【００６７】
１つリングまたは複数のリングを、ステップ５で得られる計算に比べて、ステップ８で得られる新しい計算にしたがって再構成して、双極子の分布を調整して、ひずみを減らし、再組み立てをするか、または、もう１つのリング構成を試す。典型的には、均一性が、再構成されたリングを置いて再計測されるとき、補償が改良された、均一性の所望の値が得られるまでこの処理が繰り返される。
【００６８】
均一性を改良するリングの再構成は数個の方法で行える。
【００６９】
ａ）磁化を増やすか減らすために、より大きいまたはより小さい残留磁化の材料を使用して、第１のおよび他のリングを再構成し磁化して、再組み立てして、この影響が、より良いかまたはより悪いかを決定するために再計測をする。
【００７０】
ｂ）第２、第３、またはより多くのリングを加え、この影響が、より良いかまたはより悪いかを決定する再計測をする。一般的に、より多くのリングが使用されると、磁界の均一性がより良くなるが、磁界の強さのわずかな減少という犠牲をともなう。さらなる調整は、いずれかのまたは両方のリングを再配置することにより、または、リングの半径方向または垂直方向の厚みを増減することにより得られる。しかし、リングは、好ましくはいつも互いに垂直方向に間隔をあけられているとよい。
【００７１】
１つまたは複数のリングの寸法は重要でない。典型的な半径方向または垂直方向の厚みは、約１ｃｍから５ｃｍの間で変化可能である。１つより多いリングが使用されたとき、リングは必ず異なる内側のおよび外側の半径をもつ。全ての場合、リングの平面は円錐の軸に垂直であり、内側の強磁性芯の底面に平行である。
【００７２】
一般的に、磁界のひずみを修正することを要約すると、標準的なシミング技術が使用でき、または図９に関連して記載したフィルタプレートが使用でき、または図１０に関連して記載したＫの調整が使用可能である。または、最後に、上側および下側の両方の円錐部分の対応する位置に好ましくは配置されたシミングリングとともに、リングの対応する位置でのリングの磁化の方向が反平行方向になるように選択される。１つ以上のこれらの技術がこの目的のために使用可能である。さらに好ましくは、図１１の好ましい実施の形態では、上記上側円錐の上記外側円錐表面の底に位置する第１のリング１８５は、半径方向に内向きに磁化されている。すなわちＮ極が内に向きでＳ極が外に向く。反対に、下側の円錐の外側円錐平面の底に位置する対応する第１のリング１８７は、半径方向に外向きに磁化されている。この文脈では、「底」は空間３２を区切る表面を意味する。また、好ましくは、円錐上の複数のリングは、反平行方向に磁化されている。それ故図１１のように、下側の円錐上で、第１のリング１８７が外向きに磁化されて、また、上側の円錐の第２のリング１９１と反平行方向の関係で、第２のリング１８９が内向きに磁化されている。
【００７３】
図４の実施の形態の１つの変形は補遺の図３．３、および本出願の図の図１２にも示され、記載されている。ここで、２１０で参照される外側の磁極片は円筒状の部分１７４の下側の表面上に配置（図３．３においてＰ1から横方向に存在する）されてもよい。１つの好ましい形状は、図に示されているように円筒状の部分１７４にはめ込まれた外側の磁極片２１０を提供する。補遺の表Iの計算では、外側の磁極片２１０は２０ｍｍの厚みをもつと仮定する。上記厚みを変化させる効果は、６５ｍｍの穴の半径において、補遺の表IIに示されている。
【００７４】
以下の補遺は、この問題のより正確な数学的解析およびその解の導出に関して記載している。
【００７５】
補遺
１章．序
高度に均一な磁界の生成は、医療用ＮＭＲ映像法の磁石設計の第一の目標である。本補遺に記載の磁石は、十分に実用的な大きさと重量とに一致した設計アプローチで、磁界の範囲を、市販の永久磁石の現在の限界をはるかに超えた０．５テスラまで伸ばす永久的に磁化された材料の新しい構造である。
【００７６】
上記磁石は、永久的に磁化された材料の円錐構造を、強磁性の磁極片と組み合わせる。磁石の基本外形は、２章で計算されていて、操作の原理と特性を与えている。開いた磁石の実用的な実現の影響は３章に記載されている。
【００７７】
２章．円錐磁石
図２．１は、半角θ1、θ0の２つの同軸の円錐の間に存在する磁化された材料の基本円錐構造を示す。上記材料は、円錐の軸ｚに対して平行な均一残留磁化Ｊ0で磁化されていると仮定する。外側円錐を囲む媒体は非磁性であると仮定し、内側円錐の内側の媒体は無限透磁率の強磁性材料であると仮定する。
【００７８】
球座標系ρ、θ、Ψを仮定する。ここで、ρは円錐の中心Ｏからの距離、θはρと円錐の軸ｚの角度、Ψは点Ｐおよびｚ軸で形成される平面とｚ軸を含む任意の平面との間の角度である。
【００７９】
図２．１の構造はすでに詳細に解析されている。円錐の無限の半径の寸法の限度を仮定し、角度の座標Ψに依存しない磁界の構成の特別な場合を考える。
【００８０】
ｕ＝ｃｏｓθ（２．１）
とし、磁化された材料内で残留磁化Ｊ0により生成される静磁気ポテンシャルΦ（ρ，θ）は、境界条件
Φ（ρ，θ1）＝０（２．２）
を満たすラプラス方程式の特別な解により与えられる。
θ1＜θ＜θ0かつπ−θ0＜θ＜π−θ1において、
【数３】
2004283596.tif 000006
ここに、μ0は真空透磁率であり、また、
ｕ0＝ｃｏｓθ0、ｕ1＝ｃｏｓθ1（２．４）
θ0＜θ＜π−θ0の領域で、静磁気ポテンシャルは次のとおりである。
【数４】
2004283596.tif 000007
方程式（２．５）は、ｚ軸に対して平行な方向の均一な磁界の強さＨ0の、
μ0Ｈ0＝ＫＪ0（２．６）
の大きさのポテンシャルであり、
ここで
【数５】
2004283596.tif 000008
等ポテンシャル表面はθ0＜θ＜π−θ0の領域のｚに対して垂直な平面であり、磁化された材料内で等ポテンシャルの表面は以下の方程式により与えられる。
【数６】
2004283596.tif 000009
ここで
【数７】
2004283596.tif 000010
方程式（２．８）により与えられる等ポテンシャル線の例は円錐の角度θ1＝２０°、θ0＝４５°として図２．２で示される。この例ではθ0＜θ＜π−θ0の領域における均一な磁界は、方程式（２．７）により与えられるＫの値
Ｋ＝０．４２６（２．１０）
に対応する。それ故もし
Ｊ0〜１．３テスラ（２．１１）
と仮定すると、円錐は
μ0Ｈ0〜．５５テスラ（２．１２）
の均一な磁界の強さＨ0を生成する。図２．１の基本的概略図は、頭部映像法に適した磁石構成を提供する図２．３の構造に変形可能である。円錐構造と外側の非磁性媒体との間の接触面は以下の区間に限定される。
ｚ0＜ｚ＜＋ｚ1，−ｚ1＜ｚ＜ｚ0（２．１３）
もし以下の領域
−ｚ0＜ｚ＜＋ｚ0（２．１４）
の媒体が非磁性媒体により置き換えられ、半径
ｒ0＝ｚ0ｔａｎθ0（２．１５）
の２つの円が無限透磁率の表面になり、かつ、半径ｒ0の２つの円から始まる磁化された材料内の等ポテンシャルの表面も無限透磁率の表面に変形されると、円錐の先を切って円錐台とすることは磁界をかき乱さない。
【００８１】
同様に、磁化された材料内の等ポテンシャルの表面、および半径
ｒ1＝ｚ1ｔａｎθ0（２．１６）
の円を含む外側の媒体も、分限透磁率媒体の表面と仮定される。それ故、図２．３で定義される変形は、元々の円錐構造により生成される磁界に影響せず、頭部映像法のために必要で、体の残りの部分を収容するために必要な磁石のｚの寸法を拡大して、中央のギャップを生成する。
【００８２】
３章．磁石の例
図２．３で定義された設計アプローチの実際の実現において、注目領域内の磁界の均一性は、磁石の外寸により、特に磁石部材の境界により影響される。図２．３で示された外寸ρeの選択された最小値は、映像領域内の磁界の結果として生じるひずみが標準的なシミング技術により補償できるように決定される。
【００８３】
図２．３の概略図において、磁化された材料が、μ＝∞材料の中央と横のブロック間の正確なポテンシャル差｜Φ1−Φ0｜を作り出すことを認識することは重要である。しかし、磁化された材料の境界は、中央のブロックのポテンシャルがｚ＝０の対称面に対して値｜Φ0｜をもたなければならないという追加の境界条件を満たさなければならない。
【００８４】
図２．３の概略図を実現する１つの方法は図３．１に示されていて、図３．１は、ポテンシャル｜Φ0｜を生成する磁化された材料の構造を、ポテンシャル差｜Φ1−Φ0｜を生成する構造から分離する。ｚ＝ｚ5の太線は、磁化された材料と磁石のヨークとの間の接触面を表し、そこでは定義により静磁気ポテンシャルはゼロである。
【００８５】
上記材料がｚ軸に対して平行な残留磁化Ｊ0で均一に磁化されると仮定すると、材料の厚みｚ5−ｚ4は以下の方程式による中央のギャップの座標ｚ0に関係する。
【数８】
2004283596.tif 000011
ｚ＝ｚ2、ｚ＝ｚ3の平面の間に含まれる磁化された材料の円筒状の領域も、残留磁化Ｊ0で磁化されて、その厚みは
【数９】
2004283596.tif 000012
上記円筒状の領域は、磁化された材料の円錐とは直接には接点をもてなくて、Ｊ0と異なる残留磁化の転移領域（ＡＢＣ）は図３．１に示された円筒状と円錐状との領域の間に挿入されねばならない。領域（ＡＢＣ）の外形およびその磁化の計算は、磁石の円筒状の構成により複雑にされる。しかし、図３．１の平面に対し垂直な座標に依存しない外形の２次元の近似においてさえ、図３．２のベクトル図により示されるように、変わり目の領域は、ｚ座標に沿った方向で大きさが
Ｊ1＝２Ｊ0（３．３）
の均一残留磁化Ｊ1を必要とし（非特許文献３）、ここで、ＨとＢは円錐内の磁界の強さと磁束密度を示し、Ｈ’とＢ’は円筒状の構造内の磁界の強さと磁束密度を示す。転移領域の磁界の強さは、磁界の強さＨ’と一致し、結果として、円錐と転移領域の間の接触面（ＡＢ）は、円錐内の等ポテンシャル線Φの交差点の線ｗ、および領域（ＡＢＣ）の同じ等ポテンシャル線である。
【００８６】
方程式（２．８）および方程式（２．９）に基づいて、円錐内の等ポテンシャル線の方程式は以下の形で書ける。
【数１０】
2004283596.tif 000013
ここで
【数１１】
2004283596.tif 000014
はポテンシャルΦの角度幅θ0の円錐の点Ｏからの距離を示す。
【００８７】
座標ρ、θにおいて、領域（ＡＢＣ）の等ポテンシャル線の方程式は次のとおりである。
【数１２】
2004283596.tif 000015
それ故、連立方程式（３．４）（３．５）は次の線ｗの方程式を与える。
【数１３】
2004283596.tif 000016
図３．１の構成は、残留磁化２Ｊ0が転移領域に適用可能な限り可能である。もし設計が可能な最も強い磁界を生成可能な磁石を開発するねらいがあるとすると、どの永久磁石も転移領域の実現に適用不可能である。転移領域が中央の磁極片間のギャップ内の注目領域の十分に外である事実を利用して、おおよその解決法が採用される。領域（ＡＢＣ）は、それを囲む材料の同じ残留磁化Ｊ0により磁化されていると仮定できて、結果として生じる注目領域内の磁界のひずみは磁化された材料の外形の変更により補償できる。同じ理由で、平面ｚ＝ｚ3、およびｚ＝ｚ4の間の薄い強磁性層は省略できる。
【００８８】
これらの変形の結果、および円筒構造の外側半径ｒ2の与えられた値における磁石外形の最適化は図３．３に示される。
【００８９】
概略図３．３は角度θ0＝４５°、θ1＝２０°に対応する。ｚ軸と同軸の磁化された材料内の円筒状の穴の半径ｒ3はパラメータであって、そのパラメータの値が、中央の磁極片間のギャップ内の磁界の均一性を最適化するのに使用可能である。表Iは、ｒ3の値の範囲において、図３．３に示された寸法とともに軸ｒおよびｚに沿った磁束密度の値を示す。表Iの磁界の値は境界要素法（非特許文献４）を使用して計算されている。外側の磁極片の厚みはＤ＝２０ｍｍとして選択されている。磁束密度の値は残留磁化
Ｊ0＝１．３８Ｔ（３．７）
を仮定してテスラで与えられる。値ｒ3＝７０．０ｍｍは、ギャップの寸法ｒ0、ｚ0の１００ｍｍの全領域にわたって〜１％の均一性となる。
【００９０】
外側の磁極片の厚みＤの影響は表IIに示されている。ここで、穴の半径ｒ3はｒ3＝６５．０ｍｍに維持されている。概略図３．４に示される外側の磁極片の欠損は、磁束密度の値Ｂ0＞０．４５Ｔとともに、ギャップの寸法の領域全てにわたって〜０．５％の均一性となる。
【００９１】
４章．結び
３章の数値例は、この文献で与えられた設計アプローチに従って、強力な永久磁石が開発可能なことを示している。映像領域内で達成された磁界の均一性は、十分に標準シミング技術の許容限度内である。完璧な円錐状の磁石は図４．１に示されていて、図３．４の例で選択された寸法とともに０．４５Ｔの磁界は２．８５トンの磁性材料により達成される。上記磁石構成は、その磁石構成を頭部の臨床および介入映像法に適するようにする。
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【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の基づくいくつかの原理を説明する円錐磁石構造の図
【図２】磁極片間における最後には注目領域を含むことになる空間の確保を示す図
【図３】図２を簡略化した図
【図４】本発明による磁石構造の１つの形の部分の断面図
【図５】図４内で線Ｃ１−Ｃ１０で表される等ポテンシャルの表面に近い、Ｎで示される増加する部分の数の４つのｒ軸およびｚ軸領域プロット
【図６】４つの象限の図４の拡大から生じる磁石構造の展開図
【図７】内側を一部分示すために４分の１切り取られた図６の実施の形態の斜視図
【図８】図７の部品の側面図
【図９】磁界の均一性を改良した改良型を示す図
【図１０】磁界の均一性を改良するためのもう一つの改良型を示すグラフ
【図１１】磁界の均一性を改良するもう１つの改良型の部分組み立て図
【図１２】もう１つの改良型の断面図
【符号の説明】
【００９３】
２  上側の永久磁石部分１７６の内側表面と隣接する非磁性領域１７８との間の境界
３  無限透磁率の２つの円形の表面４の間に挟まれた非磁性材料（ギャップ）
４  無限透磁率の円形の表面
５  実質的に内側の円錐表面
７  ｚ＝±ｚ１である平面を含む等ポテンシャルの表面
８  磁化された円錐部分の外側表面
１０  半角θ1とθ0の２つの同軸の円錐間に含まれる磁性材料の基本的な円錐構造
１２  各第１および第２の磁石構造が円錐形状の磁石部分内で中空を埋める高透磁率の強磁性部材（磁極片）
１４  長軸
１６  材料は円錐の軸ｚ（長軸１４）と平行な均一な残留磁化Ｊ0で磁化されている
３０  円筒状の磁石部分
３２  患者の頭部を収容する構成の第１の空間３２
３４  第１の空間に隣接して、第１の空間より大きくて、患者の頭部が第１の空間内に位置するとき患者の肩部を収容する構成の第２の空間
４２  第１の磁石構造
４４  第２の磁石構造
４８  高透磁率の強磁性部材が第１の空間に隣接する平らな第１の表面（底面）
５４  仰向けに寝た患者の頭部
５６  仰向けに寝た患者の肩部
６０  ヨークの湾曲部
６２  アーム
６４  アーム
６６  永久磁石部材の内側表面
６８  永久磁石部材の内側表面
８０  円錐表面上の１つの可能なフィルタ構造
１２４  高透磁性の芯
１３１  外側円錐表面
１３２  注目領域をもち、患者の頭部を収容する構成の、第１の空間
１３３  外側円錐表面１３１上の下側の頂点
１３４  第１の空間に隣接して、第１の空間より大きくて、患者の頭部が第１の空間内に位置するとき患者の肩部を収容する構成の第２の空間
１４２  第１の磁石構造
１４４  第２の磁石構造
１６０  ヨークの湾曲部
１６２  アーム
１６４  アーム
１７０  互いに間隔なしに一体化された３つの部分からなるか、高透磁率の芯と磁石部分との間に存在する他の材料からなる永久磁石
１７２  円錐形状の永久磁石部分
１７４  上側の円筒状の永久磁石部分
１７６  上側の円筒状の永久磁石部分
１７８  非磁性領域
１８５  上側の円錐の第１のリング
１８７  下側の円錐の第１のリング
１８９  下側の円錐の第２のリング
１９１  上側の円錐の第２のリング
１９５  注目領域を含む参考の球体
１９８  頭部の空間３２を区切る表面
２１０  外側の磁極片
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【外国語明細書】
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