磁場均一度調整装置、およびこれを用いた超伝導磁石装置、並びに磁気共鳴撮像装置
【課題】超伝導コイルの励磁電流の誤差に起因する不均一磁場を安価に効率良く補償して均一磁場を得ることのできる磁場均一度調整装置、およびこれを用いた超伝導磁石装置、並びに磁気共鳴撮像装置を得る。
【解決手段】磁場均一度調整装置２０は、少なくとも一対の超伝導コイル２Ａ，３Ａと少なくとも一対の強磁性体とからなる磁場発生源が対向して配置され、これらの間に挟まれる領域に略均一な磁場空間を形成してなる超伝導磁石装置１のためのものであって、磁場空間における磁場分布を測定する磁場分布測定装置２１と、磁場分布測定装置２１により測定された磁場分布に基づき、磁場空間の均一性を向上させるために必要な強磁性体の温度変化量を算出する温度変化量算出装置２２と、温度変化量算出装置２２により算出された温度変化量に基づいて、強磁性体の温度制御値を設定する温度制御装置１２と、を具備したことを特徴とする。
【解決手段】磁場均一度調整装置２０は、少なくとも一対の超伝導コイル２Ａ，３Ａと少なくとも一対の強磁性体とからなる磁場発生源が対向して配置され、これらの間に挟まれる領域に略均一な磁場空間を形成してなる超伝導磁石装置１のためのものであって、磁場空間における磁場分布を測定する磁場分布測定装置２１と、磁場分布測定装置２１により測定された磁場分布に基づき、磁場空間の均一性を向上させるために必要な強磁性体の温度変化量を算出する温度変化量算出装置２２と、温度変化量算出装置２２により算出された温度変化量に基づいて、強磁性体の温度制御値を設定する温度制御装置１２と、を具備したことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁場均一度調整装置、およびこれを用いた超伝導磁石装置、並びに磁気共鳴イメージング装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、超伝導磁石装置を用いて静磁場を生成する磁気共鳴撮像（Magnetic Resonance Imaging）装置は、特に、医療診断の分野で広く利用されている。磁気共鳴撮像装置は、均一な静磁場空間に置かれた被検体（検査体）に高周波パルスを照射したときに生じる核磁気共鳴現象を利用して被検体の物理的、化学的性質を表す画像を得ることができる。磁気共鳴撮像装置は、主に、被検体が搬入される撮像領域内に均一な静磁場を印加するための磁場発生源としての磁石装置、撮像領域に向けて高周波パルスを照射するＲＦコイル、撮像領域からの応答を受信する受信コイル、および撮像領域内に共鳴現象の位置情報を与えるための勾配磁場を印加する傾斜磁場コイルを備えて構成されている。
【０００３】
磁気共鳴撮像装置において、画質向上のための要件のひとつに、静磁場均一度の向上が挙げられる。このため、磁気共鳴撮像装置に用いられる磁石装置の設計、製造に際しては、磁場発生源によって撮像領域内に発生する静磁場を均一にするために、設計、組み立て、および据付の各段階において、磁場調整が行われている。
このうち、据付段階における磁場調整としては、多くの場合、製作誤差や周囲の環境などによって生じる磁場不均一成分を、磁石装置に磁性材からなる磁場均一度調整体を追加的に配置したり、あるいは取り除いたりすることで行うことが知られている（例えば、特許文献１参照）。この磁場均一度調整体は、対向する磁場発生源と、その内側（撮像領域側）に配置される傾斜磁場コイルとで挟まれる空間に、磁場均一度調整機構（手段）等を用いて配置される構成が一般的である。
一方、磁石装置は、外気温の変動のような周囲環境の変動によって、磁場均一度が長期的または短期的に変動することが知られている。ここで、このような磁場均一度の変動を再修正するために、前記のような磁場均一度調整体を用いた磁場調整を行うことも可能ではあるが、この調整作業には、通常、多くの時間を要するために、毎回実施するのは適当でない。そこで、このような磁場均一度の変動を吸収するための手法が種々考えられている。
【０００４】
その一つは、磁石装置または傾斜磁場コイルのいずれか一方または両方に複数の磁場調整用のコイルを予め内蔵しておき、磁場均一度の変動を補償する電流値を算出して、当該コイルに通電する手法である。例えば、特許文献２には、磁石装置の磁気回路を構成する磁性材の温度を測定し、この温度に基づき磁場調整用のコイルの通電電流値を算出して、当該通電電流値に基づきコイルに通電することで均一磁場を得るようにした技術が記載されている。
また、これとは逆に、磁性材の温度変化自体を抑制する手法も考えられている。例えば、特許文献３には、静磁場発生源を断熱材、伝熱材、およびヒータで覆い、ヒータによる加熱で静磁場発生源の温度を一定に保つ方法が記載されている。また、特許文献４には、加熱に加えて冷却装置を配置し、これらの装置を駆使して温度制御の精度を上げる手法が記載されている。
さらに、磁性材の温度分布により生じる磁化の分布を積極的に利用して均一磁場を実現する手法も考えられている。例えば、特許文献５には、永久磁石の温度分布を調節することで均一磁場を得る技術が記載されており、また、特許文献６には、磁石装置全体の温度分布を調節することで均一磁場を得る技術が記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特許第３７３３４４１号公報
【特許文献２】特許第３７８１１６６号公報
【特許文献３】特公平３−２８９３１号公報
【特許文献４】特開平３−１０９０４３号公報
【特許文献５】特開２００３−１１６８０７号公報
【特許文献６】特許第３５５９３６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、磁気回路の一部に少なくとも一対の強磁性体を含む超伝導磁石の場合、前記したような磁性材の温度変動だけでなく、超伝導コイルの通電電流値も磁場均一度の変動要因となる。例えば、超伝導磁石の定期的なメンテナンスに伴い超伝導磁石の消磁、励磁を行うような場合、消磁前の通電電流値と再励磁後の通電電流値とが一致しなければ、電流値の誤差に相当する不均一磁場が生じてしまう。
【０００７】
このことを図９を用いて説明すると次のようになる。図９において、横軸は、均一磁場空間の方位角（度）を示しており、縦軸は、その方位における磁場強度（均一成分を除く）を示している。少なくとも一対の超伝導コイルと、少なくとも一対の強磁性体とをそれぞれ対向させて均一磁場を得る方式の超伝導磁石では、超伝導コイルが作る磁場分布Ｊ１と、強磁性体が作る磁場分布Ｊ２との和によって均一磁場Ｊ３を形成している。
ここで、超伝導コイルの通電電流値が前記したように消磁前と再励磁後とで変化してしまうと、超伝導コイルは、電流変化量に比例する磁場変化Ｃ１を起こし、超伝導コイルが作る磁場分布Ｊ１は、この磁場変化Ｃ１を含んだ磁場分布Ｊ１’となる。一方、強磁性体が作る磁場分布Ｊ２は、一般に、外部の磁場強度（主として超伝導コイルが作る磁場）に対して非線形となる特性を示し、特に、飽和領域付近ではほとんど変化することがない。したがって、超伝導コイルへの通電電流値が変化した後は、均一磁場Ｊ３に対して超伝導コイルが起こす磁場変化Ｃ１がそのまま反映されることとなり、均一磁場Ｊ３は、不均一な磁場分布Ｊ３’となってしまう。
【０００８】
このような、通電電流値の誤差に起因する磁場均一度の変動は、消磁前の通電電流値と再励磁後の通電電流値とを厳密に一致させることで回避することが可能ではあるが、その精度は、励磁用電源の精度に依存するため高精度な励磁用電源が必要となる。しかし、高精度な励磁用電源は、高価であるという難点を有している。
ところで、前記した特許文献１に記載されたような、磁場均一度調整体の再配置を行うことで均一磁場を生成する手法では、このような磁場均一度の変動も修正可能であるが、前記したように調整作業に多くの時間を要するため、作業時間の観点から適切であるとは言えない。また、特許文献５、６に記載されたような、磁性体の温度分布を制御することにより均一磁場を生成する手法では、対象として超伝導磁石が記載されていないことからもわかるように、主たる磁気回路が永久磁石やその他の磁性体で構成されている場合でないと有効でないし、コイル電流値の誤差に起因する微小な不均一を補償するには温度分布の生成が困難であり、その構成が複雑かつ高価となる。また、特許文献２〜４に記載された技術は、超伝導コイルの電流誤差の補償に使用することができない。
【０００９】
そこで、本発明は、超伝導コイルの励磁電流の誤差に起因する不均一磁場を安価に効率良く補償して均一磁場を得ることのできる磁場均一度調整装置、およびこれを用いた超伝導磁石装置、並びに磁気共鳴撮像装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願発明者らは、前記課題を解決するため鋭意検討した結果、超伝導コイルの通電電流値の誤差に起因する磁場均一度の変動が強磁性体の温度を変化させることで十分に補正可能であることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、磁場空間における磁場分布を測定する磁場分布測定装置と、磁場分布測定装置により測定された磁場分布に基づき、磁場空間の均一性を向上させるのに必要な強磁性体の温度変化量を算出する温度変化量算出装置と、温度変化量算出装置により算出された温度変化量に基づいて、強磁性体の温度制御値を設定する温度制御装置と、を具備したことを特徴とする。かかる構成を採用することによって、温度変化量算出装置により、磁場分布測定装置で測定された磁場分布に基づき、磁場空間の均一性を向上させるために必要な強磁性体の温度変化量が算出され、この算出された温度変化量に基づいて温度制御装置が強磁性体の温度制御値を設定する。つまり、超伝導コイルの通電電流値の誤差により生じる不均一な磁場を、強磁性体の略一様な温度分布を実現するためだけの（すなわち、強磁性体に温度分布を与える必要がない）簡素な温度制御装置を用いて補償し、均一磁場を得ることができるから、超伝導磁石装置の磁場均一度調整装置を従来よりも効率良くかつ安価な装置とすることができる。したがって、この磁場均一度調整装置を備えた超伝導磁石装置や磁気共鳴撮像装置を安価に提供することができ、かつ、磁場調整を効率良く行うことができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、超伝導コイルの励磁電流の誤差に起因する不均一磁場を安価に効率良く補償して均一磁場を得ることのできる磁場均一度調整装置、およびこれを用いた超伝導磁石装置、並びに磁気共鳴撮像装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、本発明の磁場均一度調整装置を備えた超伝導磁石装置による磁気共鳴撮像装置（以下、ＭＲＩ装置という）の一実施形態を図面を参照して詳細に説明する。ＭＲＩ装置は、図１に示すように、超伝導磁石装置１と、被検体（不図示、以下同様）を乗せるベッドＢＤと、このベッドＢＤに乗せられた被検体を磁場空間において均一磁場空間となる撮像領域Ｆへ搬送する、図示しない駆動機構が設けられた搬送手段ＢＤ１と、この搬送手段ＢＤ１によって撮像領域Ｆに搬送された被検体からの核磁気共鳴信号を解析するコンピュータ等の機器からなる解析手段３０とから構成され、ベッドＢＤに乗った被検体を通して断層撮影を行うものである。超伝導磁石装置１には、本発明の特徴的構成である磁場均一度調整装置２０（図３，図４参照）が設けられている。
【００１３】
超伝導磁石装置１は、磁場発生源として、内部を真空に保持された一対のコイル容器１Ａ，１Ｂが磁場空間を形成するように連結柱１Ｃ，１Ｃを介して上下に対向配置されて構成されている。図２に示すように、上側のコイル容器１Ａには、円環状に形成された超伝導コイル２Ａ，３Ａが設けられ、また、円環状あるいは円柱状に形成された強磁性体としての鉄４Ａ，５Ａが設けられている。下側のコイル容器１Ｂには、側のコイル容器１Ａの超伝導コイル２Ａ，３Ａと対をなす、超伝導コイル２Ｂ，３Ｂが設けられ、さらに、上側のコイル容器１Ａの鉄４Ａ，５Ａと対をなす、強磁性体としての鉄４Ｂ，５Ｂが設けられている。なお、各超伝導コイル２Ａ，３Ａ、２Ｂ，３Ｂのコイル線材としては、例えば、ＮｂＴｉ線材が用いられている。
本実施形態では、上側のコイル容器１Ａおよび下側のコイル容器１Ｂは、同様の構成としてあるので、以下では上側のコイル容器１Ａについて説明する。
【００１４】
上側のコイル容器１Ａは、略円筒状を呈する真空容器であり、容器内には輻射シールド６を介設してヘリウム容器７が収納されている。ヘリウム容器７内には、超伝導コイル２Ａ，３Ａが、超伝導用冷媒としての液体ヘリウム（図示しない）と共に収納されている。
上側のコイル容器１Ａの径方向内側に配置される超伝導コイル２Ａは主コイルであり、また、径方向外側に配置される超伝導コイル３Ａは遮へいコイルである。
【００１５】
鉄４Ａ，５Ａは、ヘリウム容器７の径方向の内側にあってコイル容器１Ａ内の真空領域に配置されている。鉄４Ａ，５Ａ間には、複数の伝熱管８が配設されており、この伝熱管８を介して鉄４Ａ，５Ａの温度が略一様に保持されるようになっている。本実施形態では、伝熱管８が、鉄４Ａ，５Ａの周方向に略所定の間隔を置いて平面視で略放射状に複数設けられており、鉄４Ａ，５Ａの温度が略一様となるように、その材質や径寸法等が適宜選択されて設定されている。伝熱管８としては、熱伝導率の良い材料、例えば、銅が用いられている。なお、伝熱管８を例えばメッシュ状の素材で形成することによって、超伝導磁石装置１の振動等にも柔軟に対応することが可能となる。
【００１６】
上側のコイル容器１Ａの外部上面には、電気ヒータ１０が配置されており、この電気ヒータ１０と鉄４Ａ，５Ａとの間が複数の伝熱管９で接続されている。また、この電気ヒータ１０と下側のコイル容器１Ｂの鉄４Ｂ，５Ｂとの間も図示しない伝熱管９（連結柱１Ｃ，１Ｃ内を挿通して配索されている）で接続されている。したがって、電気ヒータ１０が通電されて熱を発すると、その熱は、伝熱管９を通じて鉄４Ａ，５Ａ（鉄４Ｂ，５Ｂ）に伝わり、これらの鉄４Ａ，５Ａ（鉄４Ｂ，５Ｂ）が加熱されるように構成されている。また、鉄４Ａ，５Ａ（鉄４Ｂ，５Ｂ）は、ともに、複数の伝熱管８によって、温度が略一様となるように加熱されるようになっている。
ここで、「温度が略一様」には、鉄４Ａ，５Ａ（鉄４Ｂ，５Ｂ）の全体が略同じ温度にされることを含むほか、鉄４Ａ，５Ａ（鉄４Ｂ，５Ｂ）がある程度の温度差を当初から有しつつ、同じ温度だけ上昇されるような場合（鉄４Ａ，５Ａ（鉄４Ｂ，５Ｂ）がある程度の温度差を有している状態で磁場均一度が得られているような場合）を含む。
【００１７】
このような電気ヒータ１０の加熱制御は、連絡線１１を介して接続された後記する温度制御装置１２によって行われるようになっている。
ところで、鉄４Ａ，５Ａ（鉄４Ｂ，５Ｂ）は、電気ヒータ１０によって加熱される一方、その側方に配置された輻射シールド６への輻射によって冷却されることとなるため、鉄４Ａ，５Ａ（鉄４Ｂ，５Ｂ）の温度は、電気ヒータ１０による加熱と輻射シールド６による冷却とのバランスによって決定されることとなる。
【００１８】
鉄４Ａ，５Ａには、温度センサ２６が取り付けられており、鉄４Ａ，５Ａの温度が測定可能となっている。温度センサ２６によって測定された温度は、後記する温度制御装置１２にフィードバックされるようになっている。なお、温度センサ２６は、鉄４Ａ，５Ａに対してそれぞれ複数個設置して、各設置位置における温度を測定するようにしてもよい。
本実施形態では、ひとつの温度制御装置１２で、上側のコイル容器１Ａの鉄４Ａ，５Ａと下側のコイル容器１Ｂの鉄４Ｂ，５Ｂとの両方の温度が制御されるように構成されている。つまり、温度制御装置１２は上側のコイル容器１Ａの鉄４Ａ，５Ａと下側のコイル容器１Ｂの鉄４Ｂ，５Ｂとで共用されるようになっており、この例では、上側のコイル容器１Ａの鉄４Ａ，５Ａの温度制御に基づいて、下側のコイル容器１Ｂの鉄４Ｂ，５Ｂが温度制御されるように構成されている。
【００１９】
磁場均一度調整装置２０は、図４に示すように、磁場分布測定装置２１と、温度変化量算出装置２２と、温度制御装置１２とを備えて構成されている。
磁場分布測定装置２１は、磁場空間における磁場分布を測定するための装置であり、超伝導磁石装置１の励磁後に磁場空間に配置される（図２参照）。
磁場分布測定装置２１としては、均一磁場空間Ｆ（図２参照、以下同じ）の磁場分布を測定できるものであれば良く、例えば、均一磁場空間Ｆ上の各点に図示しない磁気センサを逐一配置して測定するようなものでもよいし、半円弧上に複数の磁気センサを取り付け、同時に複数点の磁場強度を測定できるようなものであってもよい。このような磁場分布測定装置２１は、均一磁場を得るための磁場調整が完了した後は撤去される。なお、このような磁気センサによる直接測定を用いずに、水ファントムなどの磁気共鳴スペクトルから磁場分布を測定するような手法を用いて磁場分布を測定しても差し支えない。
磁場分布測定装置２１により得られた磁場分布データは、温度変化量算出装置２２へ入力される。
【００２０】
温度変化量算出装置２２は、磁場分布測定装置２１により測定された磁場分布データに基づき、磁場空間の均一性を向上させるために必要な上側のコイル容器１Ａの鉄４Ａ，５Ａおよび下側のコイル容器１Ｂの鉄４Ｂ，５Ｂの温度変化量ΔＴを算出するようになっている。
【００２１】
温度制御装置１２は、温度変化量算出装置２２により算出された温度変化量ΔＴに基づいて、鉄４Ａ，５Ａ（鉄４Ｂ，５Ｂ）の温度制御値を設定し、この設定した温度制御値に基づいて鉄４Ａ，５Ａ（鉄４Ｂ，５Ｂ）の温度を制御するようになっている。なお、温度制御装置１２には、温度センサ２６により測定された温度データが入力されるようになっている。
【００２２】
次に、超伝導コイル２Ａ，３Ａの通電電流値の誤差に起因する磁場不均一が、鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）の一様な温度変化により十分に補正されることについて、数式および図５を参照して説明する。
図５において、横軸は、均一磁場空間の方位角（度）を示しており、縦軸は、その方位における磁場強度（均一成分を除く）を示している。前記したように、超伝導コイル２Ａ，３Ａ（２Ｂ，３Ｂ）が作る磁場分布Ｊ１と、鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）が作る磁場分布Ｊ２との和によって均一磁場Ｊ３を形成している。
【００２３】
超伝導コイル２Ａ，３Ａ（２Ｂ，３Ｂ）の通電電流値の誤差ΔＩ（不図示）により、超伝導コイル２Ａ，３Ａ（２Ｂ，３Ｂ）が作る磁場分布は、磁場分布Ｊ１’となり、磁場分布Ｊ１から磁場分布Ｊ１’への磁場変化Ｃ１が生じる。磁場分布Ｊ１および磁場分布Ｊ１’は、超伝導コイル２Ａ，３Ａ（２Ｂ，３Ｂ）の通電電流値に比例するのだから、磁場変化Ｃ１もまた、超伝導コイル２Ａ，３Ａ（２Ｂ，３Ｂ）の通電電流値に比例する。ここで、磁場分布Ｊ１および磁場変化Ｃ１をそれぞれ、
【００２４】
【数１】
【００２５】
【数２】
【００２６】
というようなベクトル表記で表すと、超伝導コイル２Ａ，３Ａ（２Ｂ，３Ｂ）の作る磁場分布は、超伝導コイル２Ａ，３Ａ（２Ｂ，３Ｂ）の通電電流値に比例することから、次式（１）で表すことができる。
【００２７】
【数３】
【００２８】
ここで、αは比例定数である。
一方、鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）は、温度の上昇とともに飽和磁化の大きさが減少する温度依存性を持っている。この磁化変化は、通常、磁気共鳴撮像装置が運用される常温近傍の温度範囲、つまり、鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）の温度範囲に比べて微小となる温度範囲では、温度変化に対して線形に近似できる。したがって、磁場分布Ｊ２を作っている鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）の温度を一様にΔＴだけ上昇させると、鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）は、ΔＴに比例する量だけ一様に磁化を失い、鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）の作る磁場分布は、磁場変化Ｃ１’を生じて磁場分布Ｊ２’となる。ここで、磁場分布Ｊ２と磁場変化Ｃ１’をそれぞれ
【００２９】
【数４】
【００３０】
【数５】
【００３１】
というようなベクトル表記で表すと、鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）の作る磁場分布は鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）の磁化に比例する、すなわち、温度変化に比例するから、次式（２）で表すことができる。
【００３２】
【数６】
【００３３】
ここで、βは比例定数である。
ところで、超伝導コイル２Ａ，３Ａ（２Ｂ，３Ｂ）が作る磁場分布Ｊ１と鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）が作る磁場分布Ｊ２との和は均一磁場Ｊ３を形成するように構成されているから、磁場分布Ｊ１と磁場分布Ｊ２とは、均一磁場成分を除けば、向きが逆で大きさが同じ磁場分布になっている。すなわち、これらの関係は、次式（３）となる。
【００３４】
【数７】
【００３５】
これにより、前記式（１）、式（２）および式（３）から、次式（４）を得ることができる。
【００３６】
【数８】
【００３７】
この式（４）は、適切な温度変化量ΔＴを選ぶことにより、コイル通電電流値の誤差に起因する磁場変化Ｃ１と、鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）の温度変化により生じる磁場変化Ｃ１’とを、向きが逆で大きさが同じ分布にすることが可能であることを示している。すなわち、ΔＴにより発生する磁場変化Ｃ１’によって、ΔＩに起因する磁場変化Ｃ１を打ち消し、磁場分布Ｊ３’を得ることが可能であることを示している。
【００３８】
この演算に際しては、前記式（４）をそのまま用いても良いが、磁場変化Ｃ１や磁場変化Ｃ１’の表現方法を工夫することで計算を単純にすることができる。例えば、磁場変化Ｃ１のうちで最大の磁場変化Ｂｍａｘと、最小の磁場変化Ｂｍｉｎとから、次式（５）として算出されるＢｕを用いれば、
【００３９】
【数９】
【００４０】
温度変化量ΔＴは、比例定数γを用いて、次式（６）と表現することができる。
【００４１】
【数１０】
【００４２】
また、直交展開の展開係数を用いることも考えられる。磁場変化Ｃ１を、前記のようなベクトル形式ではなく、
【００４３】
【数１１】
【００４４】
というような極座標を用いた関数表現とした場合、一例として、次式（７）のような直交展開が可能である。
【００４５】
【数１２】
【００４６】
ただし、
【００４７】
【数１３】
【００４８】
はルジャンドル陪関数である。このような直交展開の係数Ａ（ｌ，ｍ）およびＢ（ｌ，ｍ）によって磁場変化Ｃ１を表現することにすれば、磁場変化Ｃ１は超伝導コイル２Ａ，３Ａ（２Ｂ，３Ｂ）の通電電流値に比例した分だけ変化するのであるから、ひとつの展開係数を参照しさえすれば、残りの展開係数は全て確定するようになる。したがって、例えば、Ａ（２，０）で表される展開係数を参照することにより、比例係数γ’（温度と磁界の変化は比例する。すなわち前記式（４）が成り立っていることを前提として）を用いて、ΔＴを次式（８）で示すように算出することができる。
【００４９】
【数１４】
【００５０】
本実施形態ではΔＴの算出方法として前記式（４）、式（６）、式（８）による方法を例示したが、これに限られることはなく、測定された磁場変化Ｃ１から、適切な温度変化量ΔＴが算出されるものであれば、温度変化量算出装置２２はどのようなものであってもよい。算出されたΔＴは、温度制御装置１２の入力データとなる。
【００５１】
温度制御装置１２は、温度変化量算出装置２２で算出されたΔＴと鉄４Ａ，５Ａに設置された温度センサ２６により測定された温度データとを入力として受け取り、鉄４Ａ，５Ａの温度をΔＴだけ変化させるために必要な電気ヒータ１０の駆動電流値を決定し、出力する。この駆動電流値の決定方法は、例えば、比例制御、積分制御、微分制御など良く知られた制御法あるいはその組み合わせを用いることができる。もちろん、これらの方法に限る必要はなく、温度センサ２６を不要とするセンサレス制御を用いてもよい。
【００５２】
以下では、本実施形態において得られる効果を説明する。
（１）本実施形態の磁場均一度調整装置２０は、磁場分布を測定するための磁場分布測定装置２１と、磁場分布測定装置２１により得られた磁場分布から必要な温度変化量ΔＴを算出する温度変化量算出装置２２と、温度変化量算出装置２２が算出した温度変化量ΔＴを入力として鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）の温度を制御する温度制御装置１２と、を備えているので、超伝導コイル２Ａ，３Ａ（２Ｂ，３Ｂ）の通電電流値に誤差が生じた場合でも、磁場変化Ｃ１に対応する適切な温度に鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）を制御することができ、効率良く磁場均一度調整を行うことができる。また、鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）の温度に分布を持たせる必要が無いので、電気ヒータ１０の数や温度制御装置１２の台数を最小限に減らした構成とすることができ、簡素で安価な磁場均一度調整装置２０を得ることができる。
（２）温度変化量算出装置２２における温度変化量ΔＴの算出を、測定された磁場分布の最大値と最小値との差分に比例する量として算出する構成としたときには、計算を単純にすることができ、簡素で安価な磁場均一度調整装置２０を得ることができる。
（３）温度変化量算出装置２２における温度変化量ΔＴの算出を、磁場分布の直交展開の係数の大きさに比例する量として算出する構成としたときには、磁場変化Ｃ１が、超伝導コイル２Ａ，３Ａ（２Ｂ，３Ｂ）の通電電流値に比例した分だけ変化するのであるから、高々ひとつの展開係数を参照しさえすれば、残りの展開係数は全て確定するようになり、計算が簡単になって、簡素で安価な磁場均一度調整装置２０を得ることができる。
（４）温度制御装置１２は、超伝導コイル２Ａ，３Ａ（２Ｂ，３Ｂ）の通電電流値の誤差により生じる不均一な磁場を、鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）の略一様な温度分布を実現するためだけの（すなわち、鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）に温度分布を与える必要がない）簡素な温度制御によって補償し、均一磁場を得るものであるので、超伝導磁石装置１の磁場均一度調整装置２０を従来よりも効率良くかつ安価な構成で得ることができる。
（５）温度制御装置１２は、鉄４Ａ，５Ａ用および鉄４Ｂ，５Ｂ用の共用であるので、簡素で安価な磁場均一度調整装置２０を得ることができる。
（６）電気ヒータ１０が上側のコイル容器１Ａの外部上面に配置されているので、電気ヒータ１０の点検整備や不具合による交換が簡単であり、メンテナンス性に優れているという利点が得られる。
（７）簡素で安価な磁場均一度調整装置２０を得ることができるので、この磁場均一度調整装置２０を備えた超伝導磁石装置１や磁気共鳴撮像装置を安価に提供することができ、かつ、磁場調整を効率良く行うことができる。
【００５３】
図６は超伝導磁石装置１の変形例であり、この例では、電気ヒータ１０が、鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ、不図示、以下同じ）に直接取り付けられている。このような構成とすることによって、鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）を電気ヒータ１０で直接加熱することができ、電気ヒータ１０の熱損失を低減して、電気ヒータ１０における必要な発熱量を低減させることができる。
【００５４】
図７は超伝導磁石装置１のその他の変形例であり、この例では、電気ヒータ１０が、上側のコイル容器１Ａの内部に設けられている。コイル容器１Ａの内部は、真空断熱されているので、電気ヒータ１０をコイル容器１Ａの内部に設けることによって、電気ヒータ１０の熱を逃げ難くすることができる。その分、電気ヒータ１０における必要な発熱量を低減させることができる。
【００５５】
図８は超伝導磁石装置１のその他の変形例であり、この例では、鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）が輻射シールド６の内側に配置されており、また、電気ヒータ１０が鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）に直接取り付けられている。このような構成とすることによって、鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）の温度は輻射シールド６の温度近傍まで下がることとなるが、温度制御装置１２によって温度変化量ΔＴの温度変化が可能な構成とすることにより、鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）の略一様な温度分布を実現することができる。
なお、鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）の配置や電気ヒータ１０の設置位置は、これらの例に限られることはなく、適宜の位置に設定することができる。
【００５６】
また、前記実施形態では、温度制御装置１２が上側のコイル容器１Ａと下側のコイル容器１Ｂとで共用される構成としたが、これに限られることはなく、上側のコイル容器１Ａと下側のコイル容器１Ｂとでそれぞれ個別に設けて制御を行うように構成してもよい。超伝導磁石装置１を設置する環境によっては、上側のコイル容器１Ａの近傍の温度と下側のコイル容器１Ｂの近傍の温度とが異なり、かつ、温度が時間の経過とともに変化する場合があるため、温度制御装置１２を個別に設けることによって、このような影響を排除することができ、磁場均一度の高精度化に寄与する。なお、下側のコイル容器１Ｂに対応する電気ヒータ１０（不図示）は、下側のコイル容器１Ｂの外部側面等を利用して設置してもよいし、下側のコイル容器１Ｂの下部に電気ヒータ１０の設置用のスペースを設けてこれに収納するように設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の超伝導磁石装置を備えた磁気共鳴撮像装置を示す説明図である。
【図２】超伝導磁石装置の構造を示す模式断面図である。
【図３】超伝導磁石装置の要部の模式断面図である。
【図４】磁場均一度調整装置を示すブロック図である。
【図５】超伝導コイルの電流値の誤差に起因する不均一磁場が、鉄の温度で補償可能である原理を示した図である。
【図６】超伝導磁石装置の変形例を示す模式断面図である。
【図７】超伝導磁石装置の変形例を示す模式断面図である。
【図８】超伝導磁石装置の変形例を示す模式断面図である。
【図９】超伝導コイルの通電電流値に誤差が生じると磁場均一度が変化する原理を示した図である。
【符号の説明】
【００５８】
１ 超伝導磁石装置
１Ａ，１Ｂ コイル容器
２Ａ，３Ａ 超伝導コイル
２Ｂ，３Ｂ 超伝導コイル
４Ａ，５Ａ 鉄
４Ｂ，５Ｂ 鉄
８ 伝熱管
９ 伝熱管
１０ 電気ヒータ
１２ 温度制御装置
２０ 磁場均一度調整装置
２１ 磁場分布測定装置
２２ 温度変化量算出装置
２６ 温度センサ
３０ 解析手段
ＢＤ ベッド
Ｂｍａｘ，Ｂｍｉｎ 磁場変化
Ｃ１，Ｃ１’ 磁場変化
Ｆ 均一磁場空間
Ｊ１，Ｊ１’ 磁場分布
Ｊ２，Ｊ２’ 磁場分布
Ｊ３ 均一磁場
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁場均一度調整装置、およびこれを用いた超伝導磁石装置、並びに磁気共鳴イメージング装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、超伝導磁石装置を用いて静磁場を生成する磁気共鳴撮像（Magnetic Resonance Imaging）装置は、特に、医療診断の分野で広く利用されている。磁気共鳴撮像装置は、均一な静磁場空間に置かれた被検体（検査体）に高周波パルスを照射したときに生じる核磁気共鳴現象を利用して被検体の物理的、化学的性質を表す画像を得ることができる。磁気共鳴撮像装置は、主に、被検体が搬入される撮像領域内に均一な静磁場を印加するための磁場発生源としての磁石装置、撮像領域に向けて高周波パルスを照射するＲＦコイル、撮像領域からの応答を受信する受信コイル、および撮像領域内に共鳴現象の位置情報を与えるための勾配磁場を印加する傾斜磁場コイルを備えて構成されている。
【０００３】
磁気共鳴撮像装置において、画質向上のための要件のひとつに、静磁場均一度の向上が挙げられる。このため、磁気共鳴撮像装置に用いられる磁石装置の設計、製造に際しては、磁場発生源によって撮像領域内に発生する静磁場を均一にするために、設計、組み立て、および据付の各段階において、磁場調整が行われている。
このうち、据付段階における磁場調整としては、多くの場合、製作誤差や周囲の環境などによって生じる磁場不均一成分を、磁石装置に磁性材からなる磁場均一度調整体を追加的に配置したり、あるいは取り除いたりすることで行うことが知られている（例えば、特許文献１参照）。この磁場均一度調整体は、対向する磁場発生源と、その内側（撮像領域側）に配置される傾斜磁場コイルとで挟まれる空間に、磁場均一度調整機構（手段）等を用いて配置される構成が一般的である。
一方、磁石装置は、外気温の変動のような周囲環境の変動によって、磁場均一度が長期的または短期的に変動することが知られている。ここで、このような磁場均一度の変動を再修正するために、前記のような磁場均一度調整体を用いた磁場調整を行うことも可能ではあるが、この調整作業には、通常、多くの時間を要するために、毎回実施するのは適当でない。そこで、このような磁場均一度の変動を吸収するための手法が種々考えられている。
【０００４】
その一つは、磁石装置または傾斜磁場コイルのいずれか一方または両方に複数の磁場調整用のコイルを予め内蔵しておき、磁場均一度の変動を補償する電流値を算出して、当該コイルに通電する手法である。例えば、特許文献２には、磁石装置の磁気回路を構成する磁性材の温度を測定し、この温度に基づき磁場調整用のコイルの通電電流値を算出して、当該通電電流値に基づきコイルに通電することで均一磁場を得るようにした技術が記載されている。
また、これとは逆に、磁性材の温度変化自体を抑制する手法も考えられている。例えば、特許文献３には、静磁場発生源を断熱材、伝熱材、およびヒータで覆い、ヒータによる加熱で静磁場発生源の温度を一定に保つ方法が記載されている。また、特許文献４には、加熱に加えて冷却装置を配置し、これらの装置を駆使して温度制御の精度を上げる手法が記載されている。
さらに、磁性材の温度分布により生じる磁化の分布を積極的に利用して均一磁場を実現する手法も考えられている。例えば、特許文献５には、永久磁石の温度分布を調節することで均一磁場を得る技術が記載されており、また、特許文献６には、磁石装置全体の温度分布を調節することで均一磁場を得る技術が記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特許第３７３３４４１号公報
【特許文献２】特許第３７８１１６６号公報
【特許文献３】特公平３−２８９３１号公報
【特許文献４】特開平３−１０９０４３号公報
【特許文献５】特開２００３−１１６８０７号公報
【特許文献６】特許第３５５９３６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、磁気回路の一部に少なくとも一対の強磁性体を含む超伝導磁石の場合、前記したような磁性材の温度変動だけでなく、超伝導コイルの通電電流値も磁場均一度の変動要因となる。例えば、超伝導磁石の定期的なメンテナンスに伴い超伝導磁石の消磁、励磁を行うような場合、消磁前の通電電流値と再励磁後の通電電流値とが一致しなければ、電流値の誤差に相当する不均一磁場が生じてしまう。
【０００７】
このことを図９を用いて説明すると次のようになる。図９において、横軸は、均一磁場空間の方位角（度）を示しており、縦軸は、その方位における磁場強度（均一成分を除く）を示している。少なくとも一対の超伝導コイルと、少なくとも一対の強磁性体とをそれぞれ対向させて均一磁場を得る方式の超伝導磁石では、超伝導コイルが作る磁場分布Ｊ１と、強磁性体が作る磁場分布Ｊ２との和によって均一磁場Ｊ３を形成している。
ここで、超伝導コイルの通電電流値が前記したように消磁前と再励磁後とで変化してしまうと、超伝導コイルは、電流変化量に比例する磁場変化Ｃ１を起こし、超伝導コイルが作る磁場分布Ｊ１は、この磁場変化Ｃ１を含んだ磁場分布Ｊ１’となる。一方、強磁性体が作る磁場分布Ｊ２は、一般に、外部の磁場強度（主として超伝導コイルが作る磁場）に対して非線形となる特性を示し、特に、飽和領域付近ではほとんど変化することがない。したがって、超伝導コイルへの通電電流値が変化した後は、均一磁場Ｊ３に対して超伝導コイルが起こす磁場変化Ｃ１がそのまま反映されることとなり、均一磁場Ｊ３は、不均一な磁場分布Ｊ３’となってしまう。
【０００８】
このような、通電電流値の誤差に起因する磁場均一度の変動は、消磁前の通電電流値と再励磁後の通電電流値とを厳密に一致させることで回避することが可能ではあるが、その精度は、励磁用電源の精度に依存するため高精度な励磁用電源が必要となる。しかし、高精度な励磁用電源は、高価であるという難点を有している。
ところで、前記した特許文献１に記載されたような、磁場均一度調整体の再配置を行うことで均一磁場を生成する手法では、このような磁場均一度の変動も修正可能であるが、前記したように調整作業に多くの時間を要するため、作業時間の観点から適切であるとは言えない。また、特許文献５、６に記載されたような、磁性体の温度分布を制御することにより均一磁場を生成する手法では、対象として超伝導磁石が記載されていないことからもわかるように、主たる磁気回路が永久磁石やその他の磁性体で構成されている場合でないと有効でないし、コイル電流値の誤差に起因する微小な不均一を補償するには温度分布の生成が困難であり、その構成が複雑かつ高価となる。また、特許文献２〜４に記載された技術は、超伝導コイルの電流誤差の補償に使用することができない。
【０００９】
そこで、本発明は、超伝導コイルの励磁電流の誤差に起因する不均一磁場を安価に効率良く補償して均一磁場を得ることのできる磁場均一度調整装置、およびこれを用いた超伝導磁石装置、並びに磁気共鳴撮像装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願発明者らは、前記課題を解決するため鋭意検討した結果、超伝導コイルの通電電流値の誤差に起因する磁場均一度の変動が強磁性体の温度を変化させることで十分に補正可能であることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、磁場空間における磁場分布を測定する磁場分布測定装置と、磁場分布測定装置により測定された磁場分布に基づき、磁場空間の均一性を向上させるのに必要な強磁性体の温度変化量を算出する温度変化量算出装置と、温度変化量算出装置により算出された温度変化量に基づいて、強磁性体の温度制御値を設定する温度制御装置と、を具備したことを特徴とする。かかる構成を採用することによって、温度変化量算出装置により、磁場分布測定装置で測定された磁場分布に基づき、磁場空間の均一性を向上させるために必要な強磁性体の温度変化量が算出され、この算出された温度変化量に基づいて温度制御装置が強磁性体の温度制御値を設定する。つまり、超伝導コイルの通電電流値の誤差により生じる不均一な磁場を、強磁性体の略一様な温度分布を実現するためだけの（すなわち、強磁性体に温度分布を与える必要がない）簡素な温度制御装置を用いて補償し、均一磁場を得ることができるから、超伝導磁石装置の磁場均一度調整装置を従来よりも効率良くかつ安価な装置とすることができる。したがって、この磁場均一度調整装置を備えた超伝導磁石装置や磁気共鳴撮像装置を安価に提供することができ、かつ、磁場調整を効率良く行うことができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、超伝導コイルの励磁電流の誤差に起因する不均一磁場を安価に効率良く補償して均一磁場を得ることのできる磁場均一度調整装置、およびこれを用いた超伝導磁石装置、並びに磁気共鳴撮像装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、本発明の磁場均一度調整装置を備えた超伝導磁石装置による磁気共鳴撮像装置（以下、ＭＲＩ装置という）の一実施形態を図面を参照して詳細に説明する。ＭＲＩ装置は、図１に示すように、超伝導磁石装置１と、被検体（不図示、以下同様）を乗せるベッドＢＤと、このベッドＢＤに乗せられた被検体を磁場空間において均一磁場空間となる撮像領域Ｆへ搬送する、図示しない駆動機構が設けられた搬送手段ＢＤ１と、この搬送手段ＢＤ１によって撮像領域Ｆに搬送された被検体からの核磁気共鳴信号を解析するコンピュータ等の機器からなる解析手段３０とから構成され、ベッドＢＤに乗った被検体を通して断層撮影を行うものである。超伝導磁石装置１には、本発明の特徴的構成である磁場均一度調整装置２０（図３，図４参照）が設けられている。
【００１３】
超伝導磁石装置１は、磁場発生源として、内部を真空に保持された一対のコイル容器１Ａ，１Ｂが磁場空間を形成するように連結柱１Ｃ，１Ｃを介して上下に対向配置されて構成されている。図２に示すように、上側のコイル容器１Ａには、円環状に形成された超伝導コイル２Ａ，３Ａが設けられ、また、円環状あるいは円柱状に形成された強磁性体としての鉄４Ａ，５Ａが設けられている。下側のコイル容器１Ｂには、側のコイル容器１Ａの超伝導コイル２Ａ，３Ａと対をなす、超伝導コイル２Ｂ，３Ｂが設けられ、さらに、上側のコイル容器１Ａの鉄４Ａ，５Ａと対をなす、強磁性体としての鉄４Ｂ，５Ｂが設けられている。なお、各超伝導コイル２Ａ，３Ａ、２Ｂ，３Ｂのコイル線材としては、例えば、ＮｂＴｉ線材が用いられている。
本実施形態では、上側のコイル容器１Ａおよび下側のコイル容器１Ｂは、同様の構成としてあるので、以下では上側のコイル容器１Ａについて説明する。
【００１４】
上側のコイル容器１Ａは、略円筒状を呈する真空容器であり、容器内には輻射シールド６を介設してヘリウム容器７が収納されている。ヘリウム容器７内には、超伝導コイル２Ａ，３Ａが、超伝導用冷媒としての液体ヘリウム（図示しない）と共に収納されている。
上側のコイル容器１Ａの径方向内側に配置される超伝導コイル２Ａは主コイルであり、また、径方向外側に配置される超伝導コイル３Ａは遮へいコイルである。
【００１５】
鉄４Ａ，５Ａは、ヘリウム容器７の径方向の内側にあってコイル容器１Ａ内の真空領域に配置されている。鉄４Ａ，５Ａ間には、複数の伝熱管８が配設されており、この伝熱管８を介して鉄４Ａ，５Ａの温度が略一様に保持されるようになっている。本実施形態では、伝熱管８が、鉄４Ａ，５Ａの周方向に略所定の間隔を置いて平面視で略放射状に複数設けられており、鉄４Ａ，５Ａの温度が略一様となるように、その材質や径寸法等が適宜選択されて設定されている。伝熱管８としては、熱伝導率の良い材料、例えば、銅が用いられている。なお、伝熱管８を例えばメッシュ状の素材で形成することによって、超伝導磁石装置１の振動等にも柔軟に対応することが可能となる。
【００１６】
上側のコイル容器１Ａの外部上面には、電気ヒータ１０が配置されており、この電気ヒータ１０と鉄４Ａ，５Ａとの間が複数の伝熱管９で接続されている。また、この電気ヒータ１０と下側のコイル容器１Ｂの鉄４Ｂ，５Ｂとの間も図示しない伝熱管９（連結柱１Ｃ，１Ｃ内を挿通して配索されている）で接続されている。したがって、電気ヒータ１０が通電されて熱を発すると、その熱は、伝熱管９を通じて鉄４Ａ，５Ａ（鉄４Ｂ，５Ｂ）に伝わり、これらの鉄４Ａ，５Ａ（鉄４Ｂ，５Ｂ）が加熱されるように構成されている。また、鉄４Ａ，５Ａ（鉄４Ｂ，５Ｂ）は、ともに、複数の伝熱管８によって、温度が略一様となるように加熱されるようになっている。
ここで、「温度が略一様」には、鉄４Ａ，５Ａ（鉄４Ｂ，５Ｂ）の全体が略同じ温度にされることを含むほか、鉄４Ａ，５Ａ（鉄４Ｂ，５Ｂ）がある程度の温度差を当初から有しつつ、同じ温度だけ上昇されるような場合（鉄４Ａ，５Ａ（鉄４Ｂ，５Ｂ）がある程度の温度差を有している状態で磁場均一度が得られているような場合）を含む。
【００１７】
このような電気ヒータ１０の加熱制御は、連絡線１１を介して接続された後記する温度制御装置１２によって行われるようになっている。
ところで、鉄４Ａ，５Ａ（鉄４Ｂ，５Ｂ）は、電気ヒータ１０によって加熱される一方、その側方に配置された輻射シールド６への輻射によって冷却されることとなるため、鉄４Ａ，５Ａ（鉄４Ｂ，５Ｂ）の温度は、電気ヒータ１０による加熱と輻射シールド６による冷却とのバランスによって決定されることとなる。
【００１８】
鉄４Ａ，５Ａには、温度センサ２６が取り付けられており、鉄４Ａ，５Ａの温度が測定可能となっている。温度センサ２６によって測定された温度は、後記する温度制御装置１２にフィードバックされるようになっている。なお、温度センサ２６は、鉄４Ａ，５Ａに対してそれぞれ複数個設置して、各設置位置における温度を測定するようにしてもよい。
本実施形態では、ひとつの温度制御装置１２で、上側のコイル容器１Ａの鉄４Ａ，５Ａと下側のコイル容器１Ｂの鉄４Ｂ，５Ｂとの両方の温度が制御されるように構成されている。つまり、温度制御装置１２は上側のコイル容器１Ａの鉄４Ａ，５Ａと下側のコイル容器１Ｂの鉄４Ｂ，５Ｂとで共用されるようになっており、この例では、上側のコイル容器１Ａの鉄４Ａ，５Ａの温度制御に基づいて、下側のコイル容器１Ｂの鉄４Ｂ，５Ｂが温度制御されるように構成されている。
【００１９】
磁場均一度調整装置２０は、図４に示すように、磁場分布測定装置２１と、温度変化量算出装置２２と、温度制御装置１２とを備えて構成されている。
磁場分布測定装置２１は、磁場空間における磁場分布を測定するための装置であり、超伝導磁石装置１の励磁後に磁場空間に配置される（図２参照）。
磁場分布測定装置２１としては、均一磁場空間Ｆ（図２参照、以下同じ）の磁場分布を測定できるものであれば良く、例えば、均一磁場空間Ｆ上の各点に図示しない磁気センサを逐一配置して測定するようなものでもよいし、半円弧上に複数の磁気センサを取り付け、同時に複数点の磁場強度を測定できるようなものであってもよい。このような磁場分布測定装置２１は、均一磁場を得るための磁場調整が完了した後は撤去される。なお、このような磁気センサによる直接測定を用いずに、水ファントムなどの磁気共鳴スペクトルから磁場分布を測定するような手法を用いて磁場分布を測定しても差し支えない。
磁場分布測定装置２１により得られた磁場分布データは、温度変化量算出装置２２へ入力される。
【００２０】
温度変化量算出装置２２は、磁場分布測定装置２１により測定された磁場分布データに基づき、磁場空間の均一性を向上させるために必要な上側のコイル容器１Ａの鉄４Ａ，５Ａおよび下側のコイル容器１Ｂの鉄４Ｂ，５Ｂの温度変化量ΔＴを算出するようになっている。
【００２１】
温度制御装置１２は、温度変化量算出装置２２により算出された温度変化量ΔＴに基づいて、鉄４Ａ，５Ａ（鉄４Ｂ，５Ｂ）の温度制御値を設定し、この設定した温度制御値に基づいて鉄４Ａ，５Ａ（鉄４Ｂ，５Ｂ）の温度を制御するようになっている。なお、温度制御装置１２には、温度センサ２６により測定された温度データが入力されるようになっている。
【００２２】
次に、超伝導コイル２Ａ，３Ａの通電電流値の誤差に起因する磁場不均一が、鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）の一様な温度変化により十分に補正されることについて、数式および図５を参照して説明する。
図５において、横軸は、均一磁場空間の方位角（度）を示しており、縦軸は、その方位における磁場強度（均一成分を除く）を示している。前記したように、超伝導コイル２Ａ，３Ａ（２Ｂ，３Ｂ）が作る磁場分布Ｊ１と、鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）が作る磁場分布Ｊ２との和によって均一磁場Ｊ３を形成している。
【００２３】
超伝導コイル２Ａ，３Ａ（２Ｂ，３Ｂ）の通電電流値の誤差ΔＩ（不図示）により、超伝導コイル２Ａ，３Ａ（２Ｂ，３Ｂ）が作る磁場分布は、磁場分布Ｊ１’となり、磁場分布Ｊ１から磁場分布Ｊ１’への磁場変化Ｃ１が生じる。磁場分布Ｊ１および磁場分布Ｊ１’は、超伝導コイル２Ａ，３Ａ（２Ｂ，３Ｂ）の通電電流値に比例するのだから、磁場変化Ｃ１もまた、超伝導コイル２Ａ，３Ａ（２Ｂ，３Ｂ）の通電電流値に比例する。ここで、磁場分布Ｊ１および磁場変化Ｃ１をそれぞれ、
【００２４】
【数１】
【００２５】
【数２】
【００２６】
というようなベクトル表記で表すと、超伝導コイル２Ａ，３Ａ（２Ｂ，３Ｂ）の作る磁場分布は、超伝導コイル２Ａ，３Ａ（２Ｂ，３Ｂ）の通電電流値に比例することから、次式（１）で表すことができる。
【００２７】
【数３】
【００２８】
ここで、αは比例定数である。
一方、鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）は、温度の上昇とともに飽和磁化の大きさが減少する温度依存性を持っている。この磁化変化は、通常、磁気共鳴撮像装置が運用される常温近傍の温度範囲、つまり、鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）の温度範囲に比べて微小となる温度範囲では、温度変化に対して線形に近似できる。したがって、磁場分布Ｊ２を作っている鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）の温度を一様にΔＴだけ上昇させると、鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）は、ΔＴに比例する量だけ一様に磁化を失い、鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）の作る磁場分布は、磁場変化Ｃ１’を生じて磁場分布Ｊ２’となる。ここで、磁場分布Ｊ２と磁場変化Ｃ１’をそれぞれ
【００２９】
【数４】
【００３０】
【数５】
【００３１】
というようなベクトル表記で表すと、鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）の作る磁場分布は鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）の磁化に比例する、すなわち、温度変化に比例するから、次式（２）で表すことができる。
【００３２】
【数６】
【００３３】
ここで、βは比例定数である。
ところで、超伝導コイル２Ａ，３Ａ（２Ｂ，３Ｂ）が作る磁場分布Ｊ１と鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）が作る磁場分布Ｊ２との和は均一磁場Ｊ３を形成するように構成されているから、磁場分布Ｊ１と磁場分布Ｊ２とは、均一磁場成分を除けば、向きが逆で大きさが同じ磁場分布になっている。すなわち、これらの関係は、次式（３）となる。
【００３４】
【数７】
【００３５】
これにより、前記式（１）、式（２）および式（３）から、次式（４）を得ることができる。
【００３６】
【数８】
【００３７】
この式（４）は、適切な温度変化量ΔＴを選ぶことにより、コイル通電電流値の誤差に起因する磁場変化Ｃ１と、鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）の温度変化により生じる磁場変化Ｃ１’とを、向きが逆で大きさが同じ分布にすることが可能であることを示している。すなわち、ΔＴにより発生する磁場変化Ｃ１’によって、ΔＩに起因する磁場変化Ｃ１を打ち消し、磁場分布Ｊ３’を得ることが可能であることを示している。
【００３８】
この演算に際しては、前記式（４）をそのまま用いても良いが、磁場変化Ｃ１や磁場変化Ｃ１’の表現方法を工夫することで計算を単純にすることができる。例えば、磁場変化Ｃ１のうちで最大の磁場変化Ｂｍａｘと、最小の磁場変化Ｂｍｉｎとから、次式（５）として算出されるＢｕを用いれば、
【００３９】
【数９】
【００４０】
温度変化量ΔＴは、比例定数γを用いて、次式（６）と表現することができる。
【００４１】
【数１０】
【００４２】
また、直交展開の展開係数を用いることも考えられる。磁場変化Ｃ１を、前記のようなベクトル形式ではなく、
【００４３】
【数１１】
【００４４】
というような極座標を用いた関数表現とした場合、一例として、次式（７）のような直交展開が可能である。
【００４５】
【数１２】
【００４６】
ただし、
【００４７】
【数１３】
【００４８】
はルジャンドル陪関数である。このような直交展開の係数Ａ（ｌ，ｍ）およびＢ（ｌ，ｍ）によって磁場変化Ｃ１を表現することにすれば、磁場変化Ｃ１は超伝導コイル２Ａ，３Ａ（２Ｂ，３Ｂ）の通電電流値に比例した分だけ変化するのであるから、ひとつの展開係数を参照しさえすれば、残りの展開係数は全て確定するようになる。したがって、例えば、Ａ（２，０）で表される展開係数を参照することにより、比例係数γ’（温度と磁界の変化は比例する。すなわち前記式（４）が成り立っていることを前提として）を用いて、ΔＴを次式（８）で示すように算出することができる。
【００４９】
【数１４】
【００５０】
本実施形態ではΔＴの算出方法として前記式（４）、式（６）、式（８）による方法を例示したが、これに限られることはなく、測定された磁場変化Ｃ１から、適切な温度変化量ΔＴが算出されるものであれば、温度変化量算出装置２２はどのようなものであってもよい。算出されたΔＴは、温度制御装置１２の入力データとなる。
【００５１】
温度制御装置１２は、温度変化量算出装置２２で算出されたΔＴと鉄４Ａ，５Ａに設置された温度センサ２６により測定された温度データとを入力として受け取り、鉄４Ａ，５Ａの温度をΔＴだけ変化させるために必要な電気ヒータ１０の駆動電流値を決定し、出力する。この駆動電流値の決定方法は、例えば、比例制御、積分制御、微分制御など良く知られた制御法あるいはその組み合わせを用いることができる。もちろん、これらの方法に限る必要はなく、温度センサ２６を不要とするセンサレス制御を用いてもよい。
【００５２】
以下では、本実施形態において得られる効果を説明する。
（１）本実施形態の磁場均一度調整装置２０は、磁場分布を測定するための磁場分布測定装置２１と、磁場分布測定装置２１により得られた磁場分布から必要な温度変化量ΔＴを算出する温度変化量算出装置２２と、温度変化量算出装置２２が算出した温度変化量ΔＴを入力として鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）の温度を制御する温度制御装置１２と、を備えているので、超伝導コイル２Ａ，３Ａ（２Ｂ，３Ｂ）の通電電流値に誤差が生じた場合でも、磁場変化Ｃ１に対応する適切な温度に鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）を制御することができ、効率良く磁場均一度調整を行うことができる。また、鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）の温度に分布を持たせる必要が無いので、電気ヒータ１０の数や温度制御装置１２の台数を最小限に減らした構成とすることができ、簡素で安価な磁場均一度調整装置２０を得ることができる。
（２）温度変化量算出装置２２における温度変化量ΔＴの算出を、測定された磁場分布の最大値と最小値との差分に比例する量として算出する構成としたときには、計算を単純にすることができ、簡素で安価な磁場均一度調整装置２０を得ることができる。
（３）温度変化量算出装置２２における温度変化量ΔＴの算出を、磁場分布の直交展開の係数の大きさに比例する量として算出する構成としたときには、磁場変化Ｃ１が、超伝導コイル２Ａ，３Ａ（２Ｂ，３Ｂ）の通電電流値に比例した分だけ変化するのであるから、高々ひとつの展開係数を参照しさえすれば、残りの展開係数は全て確定するようになり、計算が簡単になって、簡素で安価な磁場均一度調整装置２０を得ることができる。
（４）温度制御装置１２は、超伝導コイル２Ａ，３Ａ（２Ｂ，３Ｂ）の通電電流値の誤差により生じる不均一な磁場を、鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）の略一様な温度分布を実現するためだけの（すなわち、鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）に温度分布を与える必要がない）簡素な温度制御によって補償し、均一磁場を得るものであるので、超伝導磁石装置１の磁場均一度調整装置２０を従来よりも効率良くかつ安価な構成で得ることができる。
（５）温度制御装置１２は、鉄４Ａ，５Ａ用および鉄４Ｂ，５Ｂ用の共用であるので、簡素で安価な磁場均一度調整装置２０を得ることができる。
（６）電気ヒータ１０が上側のコイル容器１Ａの外部上面に配置されているので、電気ヒータ１０の点検整備や不具合による交換が簡単であり、メンテナンス性に優れているという利点が得られる。
（７）簡素で安価な磁場均一度調整装置２０を得ることができるので、この磁場均一度調整装置２０を備えた超伝導磁石装置１や磁気共鳴撮像装置を安価に提供することができ、かつ、磁場調整を効率良く行うことができる。
【００５３】
図６は超伝導磁石装置１の変形例であり、この例では、電気ヒータ１０が、鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ、不図示、以下同じ）に直接取り付けられている。このような構成とすることによって、鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）を電気ヒータ１０で直接加熱することができ、電気ヒータ１０の熱損失を低減して、電気ヒータ１０における必要な発熱量を低減させることができる。
【００５４】
図７は超伝導磁石装置１のその他の変形例であり、この例では、電気ヒータ１０が、上側のコイル容器１Ａの内部に設けられている。コイル容器１Ａの内部は、真空断熱されているので、電気ヒータ１０をコイル容器１Ａの内部に設けることによって、電気ヒータ１０の熱を逃げ難くすることができる。その分、電気ヒータ１０における必要な発熱量を低減させることができる。
【００５５】
図８は超伝導磁石装置１のその他の変形例であり、この例では、鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）が輻射シールド６の内側に配置されており、また、電気ヒータ１０が鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）に直接取り付けられている。このような構成とすることによって、鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）の温度は輻射シールド６の温度近傍まで下がることとなるが、温度制御装置１２によって温度変化量ΔＴの温度変化が可能な構成とすることにより、鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）の略一様な温度分布を実現することができる。
なお、鉄４Ａ，５Ａ（４Ｂ，５Ｂ）の配置や電気ヒータ１０の設置位置は、これらの例に限られることはなく、適宜の位置に設定することができる。
【００５６】
また、前記実施形態では、温度制御装置１２が上側のコイル容器１Ａと下側のコイル容器１Ｂとで共用される構成としたが、これに限られることはなく、上側のコイル容器１Ａと下側のコイル容器１Ｂとでそれぞれ個別に設けて制御を行うように構成してもよい。超伝導磁石装置１を設置する環境によっては、上側のコイル容器１Ａの近傍の温度と下側のコイル容器１Ｂの近傍の温度とが異なり、かつ、温度が時間の経過とともに変化する場合があるため、温度制御装置１２を個別に設けることによって、このような影響を排除することができ、磁場均一度の高精度化に寄与する。なお、下側のコイル容器１Ｂに対応する電気ヒータ１０（不図示）は、下側のコイル容器１Ｂの外部側面等を利用して設置してもよいし、下側のコイル容器１Ｂの下部に電気ヒータ１０の設置用のスペースを設けてこれに収納するように設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の超伝導磁石装置を備えた磁気共鳴撮像装置を示す説明図である。
【図２】超伝導磁石装置の構造を示す模式断面図である。
【図３】超伝導磁石装置の要部の模式断面図である。
【図４】磁場均一度調整装置を示すブロック図である。
【図５】超伝導コイルの電流値の誤差に起因する不均一磁場が、鉄の温度で補償可能である原理を示した図である。
【図６】超伝導磁石装置の変形例を示す模式断面図である。
【図７】超伝導磁石装置の変形例を示す模式断面図である。
【図８】超伝導磁石装置の変形例を示す模式断面図である。
【図９】超伝導コイルの通電電流値に誤差が生じると磁場均一度が変化する原理を示した図である。
【符号の説明】
【００５８】
１ 超伝導磁石装置
１Ａ，１Ｂ コイル容器
２Ａ，３Ａ 超伝導コイル
２Ｂ，３Ｂ 超伝導コイル
４Ａ，５Ａ 鉄
４Ｂ，５Ｂ 鉄
８ 伝熱管
９ 伝熱管
１０ 電気ヒータ
１２ 温度制御装置
２０ 磁場均一度調整装置
２１ 磁場分布測定装置
２２ 温度変化量算出装置
２６ 温度センサ
３０ 解析手段
ＢＤ ベッド
Ｂｍａｘ，Ｂｍｉｎ 磁場変化
Ｃ１，Ｃ１’ 磁場変化
Ｆ 均一磁場空間
Ｊ１，Ｊ１’ 磁場分布
Ｊ２，Ｊ２’ 磁場分布
Ｊ３ 均一磁場
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一対の超伝導コイルと少なくとも一対の強磁性体とからなる磁場発生源が対向して配置されてなり、これらの間に挟まれる領域に略均一な磁場空間を形成してなる超伝導磁石装置のための磁場均一度調整装置であって、
前記磁場空間における磁場分布を測定する磁場分布測定装置と、
前記磁場分布測定装置により測定された磁場分布に基づき、前記磁場空間の均一性を向上させるのに必要な前記強磁性体の温度変化量を算出する温度変化量算出装置と、
前記温度変化量算出装置により算出された温度変化量に基づいて、前記強磁性体の温度制御値を設定する温度制御装置と、
を具備したことを特徴とする磁場均一度調整装置。
【請求項２】
前記温度変化量算出装置は、温度変化量を、測定された磁場分布の最大値と最小値との差分に比例する量として算出することを特徴とする請求項１に記載の磁場均一度調整装置。
【請求項３】
前記温度変化量算出装置は、温度変化量を、磁場分布の直交展開の係数の大きさに比例する量として算出することを特徴とする請求項１に記載の磁場均一度調整装置。
【請求項４】
前記温度制御装置は、前記強磁性体の温度を略一様な温度に保持するように制御することを特徴とする請求項１に記載の磁場均一度調整装置。
【請求項５】
前記温度制御装置は、一方の前記磁場発生源内に配置された前記強磁性体用のものと、他方の前記磁場発生源内に配置された前記強磁性体用のものとが共用されていることを特徴とする請求項１に記載の磁場均一度調整装置。
【請求項６】
前記温度制御装置は、複数設けられており、一方の前記磁場発生源内に配置された前記強磁性体、および他方の前記磁場発生源内に配置された前記強磁性体の温度制御値の両方を設定するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁場均一度調整装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の磁場均一度調整装置を備えたことを特徴とする超伝導磁石装置。
【請求項８】
請求項７に記載の超伝導磁石装置を備えた磁気共鳴撮像装置であって、
被検体を乗せるベッドと、このベッドに乗せられた前記被検体を前記領域へ搬送する搬送手段と、この搬送手段によって前記領域に搬送された前記被検体からの核磁気共鳴信号を解析する解析手段とを備えたことを特徴とする磁気共鳴撮像装置。
【請求項１】
少なくとも一対の超伝導コイルと少なくとも一対の強磁性体とからなる磁場発生源が対向して配置されてなり、これらの間に挟まれる領域に略均一な磁場空間を形成してなる超伝導磁石装置のための磁場均一度調整装置であって、
前記磁場空間における磁場分布を測定する磁場分布測定装置と、
前記磁場分布測定装置により測定された磁場分布に基づき、前記磁場空間の均一性を向上させるのに必要な前記強磁性体の温度変化量を算出する温度変化量算出装置と、
前記温度変化量算出装置により算出された温度変化量に基づいて、前記強磁性体の温度制御値を設定する温度制御装置と、
を具備したことを特徴とする磁場均一度調整装置。
【請求項２】
前記温度変化量算出装置は、温度変化量を、測定された磁場分布の最大値と最小値との差分に比例する量として算出することを特徴とする請求項１に記載の磁場均一度調整装置。
【請求項３】
前記温度変化量算出装置は、温度変化量を、磁場分布の直交展開の係数の大きさに比例する量として算出することを特徴とする請求項１に記載の磁場均一度調整装置。
【請求項４】
前記温度制御装置は、前記強磁性体の温度を略一様な温度に保持するように制御することを特徴とする請求項１に記載の磁場均一度調整装置。
【請求項５】
前記温度制御装置は、一方の前記磁場発生源内に配置された前記強磁性体用のものと、他方の前記磁場発生源内に配置された前記強磁性体用のものとが共用されていることを特徴とする請求項１に記載の磁場均一度調整装置。
【請求項６】
前記温度制御装置は、複数設けられており、一方の前記磁場発生源内に配置された前記強磁性体、および他方の前記磁場発生源内に配置された前記強磁性体の温度制御値の両方を設定するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁場均一度調整装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の磁場均一度調整装置を備えたことを特徴とする超伝導磁石装置。
【請求項８】
請求項７に記載の超伝導磁石装置を備えた磁気共鳴撮像装置であって、
被検体を乗せるベッドと、このベッドに乗せられた前記被検体を前記領域へ搬送する搬送手段と、この搬送手段によって前記領域に搬送された前記被検体からの核磁気共鳴信号を解析する解析手段とを備えたことを特徴とする磁気共鳴撮像装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−２５９５５８（Ｐ２００８−２５９５５８Ａ）
【公開日】平成２０年１０月３０日（２００８．１０．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１０２５６０（Ｐ２００７−１０２５６０）
【出願日】平成１９年４月１０日（２００７．４．１０）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【出願人】（０００１５３４９８）株式会社日立メディコ (1,613)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月３０日（２００８．１０．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年４月１０日（２００７．４．１０）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【出願人】（０００１５３４９８）株式会社日立メディコ (1,613)
【Ｆターム（参考）】
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