電磁石装置及び磁気共鳴撮像装置
【課題】被検体の挿入方向に対し静磁場が垂直方向に発生される電磁石装置に関し、不必要な構成を極力排除することにより、小型化・軽量化した電磁石装置及び磁気共鳴撮像装置を提供する。
【解決手段】第１環状電流(J1)が順方向に循環する第１コイル(31)と、第２環状電流(J2)が逆方向に循環する第２コイル(32)と、複数の環状電流(J3-J6)が順方向及び逆方向が交互に循環するコイル群(30)と、を含み、第１コイル(31)、第２コイル(32)及びコイル群(30)は、この順番で仰角θが大きくなるように配置され(θ1＜θ2＜θ3)、仰角θ2と、仰角θ3と、を挟む角度領域には、第２コイル(32)及びコイル群(30)が含まれない空白領域(S)が存在し、中心軸(Z)と直交する面内に磁性材料を任意に分布させ均一磁場領域(U)における磁場分布を調整する磁場調整部(14)の最外側が、空白領域(S)に含まれるように配置されていることを特徴とする。
【解決手段】第１環状電流(J1)が順方向に循環する第１コイル(31)と、第２環状電流(J2)が逆方向に循環する第２コイル(32)と、複数の環状電流(J3-J6)が順方向及び逆方向が交互に循環するコイル群(30)と、を含み、第１コイル(31)、第２コイル(32)及びコイル群(30)は、この順番で仰角θが大きくなるように配置され(θ1＜θ2＜θ3)、仰角θ2と、仰角θ3と、を挟む角度領域には、第２コイル(32)及びコイル群(30)が含まれない空白領域(S)が存在し、中心軸(Z)と直交する面内に磁性材料を任意に分布させ均一磁場領域(U)における磁場分布を調整する磁場調整部(14)の最外側が、空白領域(S)に含まれるように配置されていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、環状に循環する電流により誘導される静磁場を発生させる電磁石装置に関し、特に、被検体の挿入方向に対し前記静磁場が垂直方向に発生される電磁石装置及びこの電磁石装置を適用した磁気共鳴撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気共鳴撮像装置(以下、ＭＲＩ装置；Magnetic Resonance Imagingという)は、電磁石装置によって形成される均一磁場領域を撮像領域としてそこに被検体を挿入する。そして、この撮像領域に、方向が順次切り替わる傾斜磁場を重畳させるとともに、被検体に高周波パルスを照射する。このときに発生する核磁気共鳴現象（以下、ＮＭＲ現象；Nuclear Magnetic Resonanceという）を利用し、被検体の、物理的・化学的性質を表す画像が撮像される。
【０００３】
医療用のＭＲＩ装置は、被検体の挿入方向に対し、均一磁場を水平方向に発生させる水平磁場型と、均一磁場を垂直方向に発生させる垂直磁場型と、に大きく分類される。
一般に、後者の垂直磁場型のＭＲＩ装置は、前者に対比して、被検体を挿入する空間を広く確保でき、オペレーションの自由度が向上する点において優れている。
一方で、垂直磁場型のＭＲＩ装置は、環状に電流を循環させるコイル、均一磁場を高強度化・均一化させる強磁性体等を容器に収容し、高重量となった二つの容器を垂直方向に高い寸法精度で対向させるために機械的剛性が求められる。
また、医療用のＭＲＩ装置においては、より高度の医療診断を実践するために、撮像領域において形成される均一磁場が、広範囲に亘って高強度であることが要求されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２７９３９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、広範囲に亘って高強度な均一磁場を撮像領域に形成する垂直磁場型のＭＲＩ装置は、装置の大型化・重量化が避けられない。
すなわち、均一磁場の領域を広範囲に亘って形成するためには、環状に循環させる環状電流の口径を大型化することが避けられない。このため、環状電流の口径を大型化すれば今度は、均一磁場の強度を維持するために電流値を高める必要が生じ、コイルの巻線数が増え高重量化する。もしくは、均一磁場の強度や均一性を確保するため、強磁性体の配置を増やすとしても高重量化する。
そして、これら大型化・重量化したコイル、強磁性体等の主要構成品を垂直方向に寸法精度を維持させて支持する機構も大掛かりになり、さらに外部に漏洩する磁場を遮蔽する機構を考慮するとなるとＭＲＩ装置はますます大型化・高重量化することになる。
【０００６】
本発明は、係る問題を解決することを課題とし、所定の大きさ及び磁場強度を示す均一磁場領域を形成するにあたり、不必要な構成を極力排除することにより、小型化・軽量化した電磁石装置及び磁気共鳴撮像装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記した課題を解決するために本発明は、撮像領域に均一磁場を発生させる一対の静磁場発生部を備える電磁石装置又は磁気共鳴撮像装置において、前記静磁場発生部は、第１環状電流が順方向に循環する第１コイルと、第２環状電流が逆方向に循環する第２コイルと、異径の複数の環状電流が順方向及び逆方向が交互となるように循環するコイル群と、を少なくとも含み、前記第１コイル、前記第２コイル及び前記コイル群は、この順番で前記撮像領域の中心から見込む仰角が大きくなるように配置され、前記第２コイルを見込む仰角と、前記コイル群を見込む仰角と、を挟む角度領域には、前記第２コイル及び前記コイル群が含まれない領域である空白領域が存在し、前記中心軸と直交する面内に磁性材料を任意に分布させ前記均一磁場領域における磁場分布を調整する磁場調整部の最外側が、前記空白領域に含まれるように配置されていることを特徴とする（請求項１）。
又は、前記した構成において、前記コイル群に替えて、前記第１環状電流に誘導される静磁場により磁化する第１磁化部材に置換した構成としてもよい（請求項２）。
【０００８】
係る構成を本発明が有することにより、前記領域を起点として、撮像領域の中心から放射状に分布する磁束密度の粗密のゆらぎが、前記一対の静磁場発生部が対向する空間内に形成されるようになる。このように形成される磁束密度の粗密のゆらぎは、放射状の中心に近づくに従い小さくなるので、結果的に、撮像領域には均一磁場領域が形成されることになる。このようにして均一磁場領域を形成する構成によれば、磁石装置全体の大きさを左右する第１コイルの口径を小さく構成することを可能とし、また余分な強磁性体を配置する必要もない。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、所定の範囲において所定の強度を示す均一磁場を形成するにあたり、不必要な構成を極力排除することにより、小型化・軽量化した電磁石装置及び磁気共鳴撮像装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る磁気共鳴撮像装置（ＭＲＩ装置）の実施形態を示す全体斜視図である。
【図２】本発明に係る電磁石装置の第１実施形態において、（ａ）は電磁石装置の水平面におけるコイルの配列を示し、（ｂ）は電磁石装置のＸ−Ｘ縦断面を示している。
【図３】第１実施形態に係る電磁石装置（次数ｎ＝６）において（ａ）は撮像領域の周辺の磁束の分布を示す図であり、（ｂ）はコイルの配列面に環状電流が循環する場合を仮想的に示す模式図であって、（ｃ）は（ｂ）に示す仮想的な環状電流に等価である磁化部材の配置を示す図であり、（ｄ）はコイルの配列面を循環する仮想的な環状電流を示すとともに、複数のコイルのうち一部を磁化部材に置き換えて示した図である。
【図４】本発明に係る電磁石装置の第２実施形態において、（ａ）は電磁石装置の水平面におけるコイルの配列を示し、（ｂ）は電磁石装置のＸ−Ｘ縦断面を示している。
【図５】本発明に係る電磁石装置の第３実施形態において、（ａ）は電磁石装置の水平面におけるコイルの配列を示し、（ｂ）は電磁石装置のＸ−Ｘ縦断面を示している。
【図６】本発明に係る電磁石装置の第４実施形態において、（ａ）は次数ｎ＝５である場合の撮像領域の周辺の磁束の分布を示す図であり、（ｂ）は次数ｎ＝７である場合の撮像領域の周辺の磁束の分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（第１実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態に係る磁気共鳴撮像装置（ＭＲＩ装置）を説明する。
図１に全体斜視図が示されているようにＭＲＩ装置１０は、電磁石装置１１に撮像領域Ｕを挟むようにして一対の傾斜磁場発生部１３，１３及び磁場調整部１４，１４が配置され、この撮像領域Ｕに被検体（図示せず）を挿入するためのベッド台Ｄが設けられている。さらに、ＭＲＩ装置１０は、図示されない構成要素として、被検体にＮＭＲ現象を発現させる共鳴周波数（数ＭＨｚ以上）の電磁波を撮像領域Ｕに向けて照射するＲＦ発振部（ＲＦ；Radio Frequency）と、ＮＭＲ現象が発現し水素原子核のスピンの状態が変化する際に放出される応答信号を受信する受信コイルと、これら構成要素を制御する制御装置、受信した信号を処理して解析を行う解析装置とを備えている。
【００１２】
電磁石装置１１は、中心軸Ｚを回転対称軸として、一対の対向する静磁場発生部１５，１５が、支持部材１２によって、撮像領域Ｕを挟むように垂直方向に支持されている。
静磁場発生部１５，１５は、中心軸Ｚの周りを循環する環状電流により誘導される静磁場により撮像領域Ｕに均一磁場領域を形成する。この均一磁場領域における磁場の均一性は、磁場の変動（ゆらぎ）が百万分の１の程度（数ｐｐｍ）の精度が要求される。この均一磁場領域は、時間的に変動しない定常な静磁場で、通常０．１から数テスラ以上の強度を有するものであり、通常、直径で３０〜４０ｃｍの球状もしくは楕円状を示す。
【００１３】
傾斜磁場発生部１３,１３は、撮像領域Ｕにおける磁場強度が傾斜するように前記均一磁場に対して傾斜磁場を重畳させる。この重畳される傾斜磁場は、ＭＲＩ装置１０の動作時に撮像領域Ｕの直交する三方向に対し、それぞれ順番に切り替えて、重畳される。このように撮像領域Ｕにおける磁場の強度が、直交する三方向に順番に切り替わって傾斜することにより、ＮＭＲ現象が発現する三次元位置が特定される。
【００１４】
磁場調整部１４は、中心軸Ｚと直交する面内に磁性材料からなる無数の螺子部材を任意に分布させ撮像領域Ｕにおける磁場分布の均一性が向上するように調整する。つまり、電磁石装置１１は、組み立て誤差や設置環境の影響により、撮像領域Ｕに形成される磁場の均一性に誤差が発生する。そこで、磁場調整部１４により誤差成分を矯正（調整）する。
【００１５】
このように構成されることによりＭＲＩ装置１０は、撮像領域Ｕの関心領域（通常１ｍｍ厚のスライス面）だけにＮＭＲ現象を発現させて、被検体の断層を画像化する。
【００１６】
静磁場発生部１５は、図２に示されるように、複数のコイル（符号２９−３６）を内部に固定して収容する容器２０が設けられている。ここで、図２（ａ）は電磁石装置１１の水平面における複数コイル（符号２９−３６）の配列を示し、図２（ｂ）は電磁石装置１１のＸ−Ｘ縦断面を示している。
【００１７】
容器２０は、外端面２１、側筒面２２、円錐面２３、内端面２４及び窪み面２５により周囲が構成される。
この容器２０は、ステンレス材質などの非磁性体でかつ弾性率の高い材質で構成されており、支持部材１２の一端に接続して、垂直方向に配置される静磁場発生部１５，１５を支持する基盤となる。また容器２０の内部は、図示しない固定手段により前記した複数のコイル（符号２９−３６）が剛に固定され、コイルに電磁力が作用してもその位置が変位しないように構成されている。
【００１８】
さらに容器２０は、前記した複数のコイル（符号２９−３６）のうち少なくとも一つに超電導コイルが採用されていれば、この超電導コイルを冷却する冷媒とともに収容する冷媒容器（図示せず）も含む。
この場合、容器２０は、内部の密閉空間が真空状態に保持される真空容器であって、熱が伝導および対流によりコイル及びその冷媒に伝達するのを防止する。
ここで、超電導コイルとは、冷媒（例えば、液体ヘリウム）によって、臨界温度よりも低温に冷却されると常電導状態から超電導状態に転移して電気抵抗がゼロとなるものであって、環状の電流が減衰することなく永久に循環するものである。
【００１９】
窪み面２５は、撮像領域Ｕに対向する部位において内端面２４の延長面に対し段差するように、中心軸Ｚに対し略直交するように設けられている。
このように窪み面２５が形成されたことは、後記するようにドーム状に配列する複数のコイル（符号３０−３２）に対し、何ら構成上の干渉を及ぼすものでない。さらに、窪み面２５により形成される空間に傾斜磁場発生部１３及び磁場調整部１４を配置させることが可能になることにより、被検体が挿入される空間（静磁場発生部１５，１５に挟まれる空間）を広く確保できる。つまり、撮像領域Ｕの大きさに対比して電磁石装置１１を小型化することに寄与することになる。
【００２０】
円錐面２３は、容器２０の側筒面２２から内端面２４にわたる部分において形成されている。これにより、仮に、容器２０の縁端部分を、円錐面２３によらず、側筒面２２及び内端面２４のみで形成した場合よりも、重量削減に大きく貢献し、電磁石装置１１の軽量化に寄与することになる。
【００２１】
第１コイル３１は、図２（ｂ）に示されるように、半径Ｒ１の円環形状を有し、撮像領域Ｕの中心から中心軸Ｚの方向に高さＨ１の位置に配置されている。そして、この第１コイル３１には、中心軸Ｚの周りを順方向に第１環状電流Ｊ１が循環している。この順方向に循環する第１環状電流Ｊ１は、撮像領域Ｕに、均一磁場と同一方向の磁場を形成するとともにこの均一磁場の形成に関与する。
なお、図中、環状電流の順方向を示す矢印を左回りに、逆方向を示す矢印を右回りに、示しているがその方向に限定されるものではない。
【００２２】
第２コイル３２は、半径Ｒ２（＜Ｒ１）の円環形状を有し、撮像領域Ｕの中心から中心軸Ｚの方向に高さＨ２（＞Ｈ１）の位置に配置されている。そして、この第２コイル３２には、中心軸Ｚの周りを逆方向に第２環状電流Ｊ２が循環している。この逆方向に循環する第２環状電流Ｊ２は、撮像領域Ｕに、均一磁場と逆方向の磁場を形成するとともにこの均一磁場の形成に関与する。
【００２３】
コイル群３０は、第３コイル３３、第４コイル３４、第５コイル３５及び第６コイル３６が中心軸Ｚを共有して同心状に配列して構成されている。
第３コイル３３は、コイル群３０のうち最外郭に位置するものであって、半径Ｒ３（＜Ｒ２）の円環形状を有し、撮像領域Ｕの中心から中心軸Ｚの方向に高さＨ３（＞Ｈ２）の位置に配置されている。そして、この第３コイル３３には、中心軸Ｚの周りを順方向に第３環状電流Ｊ３が循環している。この順方向に循環する第３環状電流Ｊ３は、撮像領域Ｕに、均一磁場と同一方向の磁場を形成するとともにこの均一磁場の形成に関与する。
【００２４】
第４コイル３４、第５コイル３５及び第６コイル３６は、この順番で、それぞれ半径が小さくなる円環形状を有し（Ｒ４＞Ｒ５＞Ｒ６）、撮像領域Ｕの中心から中心軸Ｚの方向に高さがそれぞれＨ４、Ｈ５、Ｈ６（≧Ｈ３）の位置に配置されている。そして、第４コイル３４、第５コイル３５及び第６コイル３６には、それぞれ中心軸Ｚの周りを環状電流Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６が、中心軸Ｚの周りを逆方向及び順方向が交互となるように循環している。それぞれ順方向又は逆方向に循環する環状電流Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６は、均一磁場と同一方向又は逆方向の磁場を形成するとともにこの均一磁場の形成に関与する。
【００２５】
前記したように第１コイル３１、第２コイル３２及びコイル群３０が構成されることにより、均一磁場の形成に関与するコイル（符号３１−３６）は、半径Ｒが小さくなるに従い、撮像領域Ｕの中心から見込む仰角θm（m＝１〜６；式（１）参照）が大きくなるように配置されるようになる(θ1＜θ2＜θ3)。
このように均一磁場の形成に関与するコイル（符号３１−３６）が配置されることにより、撮像領域Ｕの中心からその配置を見込むと、撮像領域Ｕに均一磁場領域を形成するのに関与する全ての部材が、ドーム状の面上に配列していることになる。
【００２６】
θm＝ｔａｎ−１（Ｈm／Ｒm）…（１）
Ｒ6 ＜ Ｒ5 ＜ Ｒ4 ＜ Ｒ3 ＜ Ｒ2 ＜ Ｒ1 …（２）
Ｈ6 ≧ Ｈ5 ≧ Ｈ4 ≧ Ｈ3 ＞ Ｈ2 ＞ Ｈ1 …（３）
【００２７】
さらに、第２コイル３２及びコイル群３０の位置関係は、第２コイル３２を見込む仰角θ2と、第３コイル３３（コイル群３０）を見込む仰角θ3と、を挟む角度領域に、第２コイル３２及びコイル群３０が含まれない領域（以下、空白領域Ｓという）が存在するようにする。
【００２８】
遮蔽コイル２９は、中心軸Ｚを共有するようにかつ第１コイル３１よりも大径で構成されて、容器２０に収容されている。そして、遮蔽コイル２９は、環状電流が逆方向に循環することにより、均一磁場領域の生成に関与するコイル（符号３１−３６）により発生された静磁場のうち電磁石装置１１の外部に漏洩する静磁場を遮蔽する。
【００２９】
次に図３（ａ）を参照して、撮像領域Ｕに均一磁場領域を発生させる原理について説明を行う。
図中、撮像領域Ｕの中心から放射状に示される濃淡(点を打った領域と打たない領域)は、複数のコイル（符号２９−３６）により形成された静磁場の磁束の分布に対応している。すなわち、環状電流が順方向に循環するコイル（例えば第１コイル３１）と撮像領域Ｕの中心（以下、原点という）とを結ぶ面と、これに隣接し環状電流が逆方向に循環するコイル（例えば第２コイル３２）と原点とを結ぶ面と、に囲まれる領域は、コイルの配列面Ｐから撮像領域Ｕの中心に向かうに従い磁束の分布が密になる領域となっている。
【００３０】
一方、この領域に隣接する部分には、相対的に磁束の分布が疎になっている領域が形成され、原点の周回方向において、交互に疎密が繰り返される磁束密度のゆらぎが形成される。この原点の周回方向における磁束密度の粗密のゆらぎは、コイルの配列面Ｐから原点に近づくに従い小さくなるので、そのゆらぎが数ｐｐｍ程度未満となった領域を均一磁場領域とみなし撮像領域Ｕとなる。
【００３１】
このように、コイルの配列面Ｐに、環状電流が、順方向・逆方向に交互に流れる複数のコイルを同心状に配列することにより、このコイル配列のピッチに対応した磁束密度の粗密のゆらぎが原点の周回方向に形成されることになる。
このような、原点の周回方向における磁束密度のゆらぎは、第２コイル３２を見込む仰角θ2と、コイル群３０を見込む仰角θ3と、を挟む角度領域に、第２コイル３２及びコイル群３０が含まれない空白領域Ｓが存在することがきっかけとなって発生する。
【００３２】
なお、原点の周回方向における磁束密度のゆらぎのピッチを定義するものとして、そのようなゆらぎのピッチを実現する平面座標第１象限の配列面Ｐ上に配置されるコイルの数の対応させた次数ｎをもってすることとする。
但し、逆方向の電流が循環するコイルは省略できる場合もある。この場合、次数は磁場の揺らぎの強くなった領域(図中で点を打っている領域)の数と考える。さらにこの考えで中心軸が磁場の強い領域となった場合(次数が奇数の場合に相当)には上下合わせて１と数える。
図３で示される第１実施形態においては、次数ｎ＝６のものが例示されている。
一般に高い次数ｎにより実現される均一磁場領域は、環状電流の方向が相違するコイルが近接して配置されることになるので、同じ電流でも低い次数のものに比べて弱い磁場強度になる。一方、低い次数ｎにより実現される場合は、原点の周回方向における磁束密度のゆらぎのピッチが大きくなるので、同じ電流でも高い次数のものに比べて均一磁場領域が小さくなる。
【００３３】
（第２実施形態）
次に、図４を参照して本発明の第２実施形態に係る電磁石装置を説明する。
第２実施形態に係る電磁石装置１１は、第１環状電流Ｊ１に誘導される静磁場により磁化する第１磁化部材４１が、第１実施形態におけるコイル群３０に替えて置換された構成となっている。
【００３４】
ここで、第２実施形態に係る電磁石装置１１の説明に先立って、図３に戻って補足説明を行う。
図３（ｂ）は、仮想的に、コイルの配列面Ｐに環状電流Ｊが循環する場合を模式的に示す図であって、上向きの矢印は順方向に循環する環状電流Ｊを示し、下向きの矢印は逆方向に循環する環状電流Ｊを示している。また矢印の長さは電流値に対応している。
図３（ｃ）は、図３（ｂ）に示すように循環する仮想環状電流Ｊは、図示するように配置され中心軸方向に磁化している磁化部材４０と等価であって置換可能であることを示している。
図３（ｄ）は、図３（ａ）に示される複数のコイル（符号３１−３６）を配列面Ｐを循環する仮想的な環状電流Ｊに置き換えて示すとともに、複数のコイル（符号３１−３６）のうち一部を磁化部材４１，４２に置き換えて示した図である。
【００３５】
この図３（ｄ）に示されるように、磁化部材４１は、配列面Ｐ上の周回方向の磁束密度の粗密のゆらぎ中、次数ｎに対応して磁束の分布が密になっている領域に重点配置すればよいことになっている。
この図３（ｄ）の平面座標の第１象限（上側）に示される構成について、第２実施形態として、図４に戻って、説明を続ける。
なお、図４に示される構成のうち、すでに説明を行ったものについては、図２と同じ符号を付して、それに該当する説明を援用することとして、作用・効果に関連した記載を省略することとする。
【００３６】
第１磁化部材４１は、例えば、純鉄等の強磁性体から成り、第２コイル３２よりも小径でかつ第１環状電流Ｊ１に誘導される静磁場と同じ方向に磁化する。
第１磁化部材４１は、第１環状体４３と第２環状体４４とが、円板形状の連結板４９により連結されている。そして、第１磁化部材４１は、図示しない固定部材より容器２０の内部に固定されている。
この連結板４９は、存在することで、第１コイル３１から誘導される磁束が増加して、撮像領域Ｕにおける磁場強度を向上させる効果が得られる。一方、連結板４９を用いずに、第１環状体４３及び第２環状体４４はそれぞれ別個に容器２０の内部に固定されていてもよい。
【００３７】
第１環状体４３、第２環状体４４は、この順番で、それぞれ半径が小さくなる円環形状を有し（Ｒ４＜Ｒ３）、撮像領域Ｕの中心から中心軸Ｚの方向に高さがそれぞれＨ３、Ｈ４（≧Ｈ２）の位置に配置されている。そして、第１環状体４３、第２環状体４４は、中心軸Ｚ方向に磁化することにより、均一磁場と同一方向の磁場を形成するとともにこの均一磁場の形成に関与する。
【００３８】
また第１コイル３１、第２コイル３２及び第１磁化部材４１は、この順番で撮像領域Ｕの中心から見込む仰角θm（m＝１〜３；前記式（１）参照）が大きくなるように配置されるようになる(θ1＜θ2＜θ3)。
さらに、第２コイル３２及び第１磁化部材４１の位置関係は、第２コイル３２を見込む仰角θ2と、第１磁化部材４１を見込む仰角θ3と、を挟む角度領域に、第２コイル３２及び第１磁化部材４１が含まれない空白領域Ｓが存在するようにする。
このように第１コイル３１、第２コイル３２及び第１磁化部材４１が配置されることにより、撮像領域Ｕの中心からその配置を見込むと、撮像領域Ｕに均一磁場領域を形成するのに関与する全ての部材が、ドーム状の面上に配列していることになる。
【００３９】
（第３実施形態）
次に、図５を参照して本発明の第３実施形態に係る電磁石装置を説明する。
第３実施形態に係る電磁石装置１１は、第１環状電流Ｊ１に誘導される静磁場により磁化する第２磁化部材４２が、第２実施形態における第２コイル３２に替えて置換された構成となっている。
【００４０】
ここで、第３実施形態に係る電磁石装置１１の説明に先立って、図３（ｄ）に戻って補足説明を行うと、この平面座標の第４象限（下側）に示される構成が、第３実施形態に該当する。
なお、図５に示される構成のうち、すでに説明を行ったものについては、図２又は図４と同じ符号を付して、それに該当する説明を援用することとして、作用・効果に関連した記載を省略することとする。
【００４１】
第１磁化部材４１は、例えば、純鉄等の強磁性体から成り、第１コイル３１よりも小径でかつ第１環状電流Ｊ１に誘導される静磁場と同じ方向に磁化する。
第２磁化部材４２は、第１コイル３１よりも小径でかつ第１磁化部材４１よりも大径でかつ第１環状電流Ｊ１に誘導される静磁場と同じ方向に磁化する。
【００４２】
第２磁化部材４２は、図示しない固定部材より容器２０の内部に固定されている。そして第２磁化部材４２は、第１コイル３１と協同して、配列面Ｐから撮像領域Ｕの中心に向かう磁束密度が密である領域を形成し均一磁場の形成に関与する（図３（ｄ）下側参照）。
【００４３】
第１コイル３１、第２磁化部材４２及び第１磁化部材４１は、この順番で撮像領域Ｕの中心から見込む仰角θm（m＝１〜３；前記式（１）参照）が大きくなるように配置されている(θ1＜θ2＜θ3)。
【００４４】
さらに、第１磁化部材４１及び第２磁化部材４２の位置関係は、第２磁化部材４２を見込む仰角θ2と、第１磁化部材４１を見込む仰角θ3と、を挟む角度領域に、第１磁化部材４１及び第２磁化部材４２が含まれない空白領域Ｓが存在するようにする。
このように第１コイル３１、第１磁化部材４１及び第２磁化部材４２が配置されることにより、撮像領域Ｕの中心からその配置を見込むと、撮像領域Ｕに均一磁場領域を形成するのに関与する全ての部材が、ドーム状の面上に配列していることになる。
【００４５】
（第４実施形態）
次に、図６を参照して本発明の第４実施形態に係る電磁石装置を説明する。
第４実施形態に係る電磁石装置は、次数ｎを可変して例示したものである。図６（ａ）にはｎ＝５のものが示され、図６（ｂ）にはｎ＝７のものが示されている。そして、図６（ａ）（ｂ）のそれぞれの平面座標第１象限（上側）には、第１実施形態に対応させた複数のコイル（符号３０〜３２）のみで実現したものを示し、平面座標第４象限(下側)には、第３実施形態に対応させた第１コイル３１、磁化部材４１，４２で実現したものを示している。
実際に実用に供する磁石は、当然上下で同じ構造をとることは言うまでもないが、ここでは例示のために２種類の構成を一つの図に示している。
なお、図６に示される構成のうち、すでに説明を行ったものについては、図２，４，５と同じ符号を付して、それに該当する説明を援用することとして、作用・効果に関連した記載を省略することとする。
【００４６】
図６（ａ）（ｂ）中、複数のコイル（符号３０〜３２）のみで実現したもの（平面座標第１象限側）については、次数ｎに対応した数のコイルが配列面Ｐに配列されることになる。また、第１コイル３１、磁化部材４１，４２で実現したもの（平面座標第４象限側）については、特に、次数ｎが奇数のものについては、第１磁化部材４１の中心軸Ｚが貫通する部位には、環状ではなく、突起状の突起部材４８が配置されることになる（次数ｎが偶数のものについては環状）。
【００４７】
第４実施形態においても、撮像領域Ｕの中心から見込む角度領域において、コイル（符号３０〜３２）や磁化部材４１，４２が含まれない空白領域が存在する。これにより、この空白領域を起点として、撮像領域の中心から放射状に分布する磁束密度の粗密のゆらぎが形成されるようになる。このように形成される磁束密度の粗密のゆらぎは、放射状の中心に近づくに従い小さくなるので、結果的に、撮像領域には均一磁場が形成されることになる。
かかる作用・効果が得られるのは、以上の説明で例示された次数ｎが５，６，７の場合に限定されるものではなく、当然に、それより大きい又は小さい範囲の次数ｎにおいても次数の違いによる均一磁場領域の大きさが異なるが、同様に均一磁場の構成が構成される。
【００４８】
このような、空白領域Ｓが設定される好ましい角度範囲は以下の通りである。
次数ｎ＝５で構成されている場合は、撮像領域Ｕの中心から見込む仰角θが４０°を基準にして−１２．５％から＋３７．５％の範囲（下限35°から上限55°）で設定されることが好ましい。
次数ｎ＝６で構成されている場合は、撮像領域Ｕの中心から見込む仰角θが３５°を基準にして−１２．５％から＋３７．５％の範囲（下限30.625°から上限48.125°）で設定されることが好ましい。
次数ｎ＝７で構成されている場合は、撮像領域Ｕの中心から見込む仰角θが３０°を基準にして−１２．５％から＋３７．５％の範囲（下限26.25°から上限41.25°）で設定されることが好ましい。
【００４９】
また、複数のコイル（符号３０〜３２）や磁化部材４１，４２が配列されるドーム形状の配列面Ｐは、球面の一部のような面にした方が、同一の大きさの磁場強度の撮像領域Ｕを形成するうえで、やや均一度が良くなる傾向にある。しかし、その反面、配列面Ｐを球面に近づけるとMRI装置全体が大きくなる。その結果として、装置全体の大きさを限ると、被検体を挿入させる空間が狭くなるという関係がある。
従って、電磁石装置１１は、その被検体が挿入される空間の広さと、全体の大きさ（要請される小型化・軽量化の程度）との兼ね合いにおいて、前記したような好ましく設定される空白領域Ｓの範囲に特に拘泥されることなく、配列面Ｐの形状が適宜決定されるべきである。
【００５０】
また、磁場調整部１４（図２（ｂ）参照）は、その最外側に近い磁束密度の密な領域の磁場の強さに合わせて、その内側の磁場分布(磁束密度の粗密の分布)を調整する。従って、磁場調整部１４は、空白領域Ｓよりも外側の領域(θm；m=1,2を含む領域で、角度の浅い領域)に配置する必要性がない。
これより、磁場調整部１４は、その最外側が空白領域Ｓに含まれるように配置されこの空白領域Ｓから内側(θ3を含む領域で半径小の領域)にわたるように配置されることが、電磁石装置１１の軽量化、被検体が挿入される有効空間の拡張の観点から好ましいといえる。
【００５１】
また、図２に円錐面２３として示した円錐台の面は、被検者には、装置を開放的に見せる効果がある。この円錐面２３の配置及び水平面となす角度は、電磁石装置１１の内部構造に依存して決定され、特に、第１コイル３１及び遮蔽コイル２９の配置に依存する。
本実施形態における円錐面２３が水平面となす角度は、原点から領域Ｓを見込む仰角と同程度であることが望ましく、具体的には、２６°から４０°程度の範囲で設定されることが望ましい。
【符号の説明】
【００５２】
１０ ＭＲＩ装置
１１ 電磁石装置
１３ 傾斜磁場発生部
１４ 磁場調整部
１５ 静磁場発生部
２０ 真空容器（容器）
２２ 側筒面
２３ 円錐面
２４ 内端面
２５ 窪み面
３０ コイル群
３１ 第１コイル
３２ 第２コイル
４１ 第１磁化部材
４２ 第２磁化部材
４３ 第１環状体
４４ 第２環状体
Ｊ１ 第１環状電流（環状電流）
Ｊ２ 第２環状電流（環状電流）
Ｊ３ 第３環状電流（環状電流）
Ｊ４ 第４環状電流（環状電流）
Ｊ５ 第５環状電流（環状電流）
Ｊ６ 第６環状電流（環状電流）
Ｐ 配列面
Ｓ 空白領域（領域）
Ｕ 撮像領域（均一磁場領域）
Ｚ 中心軸
ｎ 次数
θ（θ1,θ2,θ3） 仰角
【技術分野】
【０００１】
本発明は、環状に循環する電流により誘導される静磁場を発生させる電磁石装置に関し、特に、被検体の挿入方向に対し前記静磁場が垂直方向に発生される電磁石装置及びこの電磁石装置を適用した磁気共鳴撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気共鳴撮像装置(以下、ＭＲＩ装置；Magnetic Resonance Imagingという)は、電磁石装置によって形成される均一磁場領域を撮像領域としてそこに被検体を挿入する。そして、この撮像領域に、方向が順次切り替わる傾斜磁場を重畳させるとともに、被検体に高周波パルスを照射する。このときに発生する核磁気共鳴現象（以下、ＮＭＲ現象；Nuclear Magnetic Resonanceという）を利用し、被検体の、物理的・化学的性質を表す画像が撮像される。
【０００３】
医療用のＭＲＩ装置は、被検体の挿入方向に対し、均一磁場を水平方向に発生させる水平磁場型と、均一磁場を垂直方向に発生させる垂直磁場型と、に大きく分類される。
一般に、後者の垂直磁場型のＭＲＩ装置は、前者に対比して、被検体を挿入する空間を広く確保でき、オペレーションの自由度が向上する点において優れている。
一方で、垂直磁場型のＭＲＩ装置は、環状に電流を循環させるコイル、均一磁場を高強度化・均一化させる強磁性体等を容器に収容し、高重量となった二つの容器を垂直方向に高い寸法精度で対向させるために機械的剛性が求められる。
また、医療用のＭＲＩ装置においては、より高度の医療診断を実践するために、撮像領域において形成される均一磁場が、広範囲に亘って高強度であることが要求されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２７９３９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、広範囲に亘って高強度な均一磁場を撮像領域に形成する垂直磁場型のＭＲＩ装置は、装置の大型化・重量化が避けられない。
すなわち、均一磁場の領域を広範囲に亘って形成するためには、環状に循環させる環状電流の口径を大型化することが避けられない。このため、環状電流の口径を大型化すれば今度は、均一磁場の強度を維持するために電流値を高める必要が生じ、コイルの巻線数が増え高重量化する。もしくは、均一磁場の強度や均一性を確保するため、強磁性体の配置を増やすとしても高重量化する。
そして、これら大型化・重量化したコイル、強磁性体等の主要構成品を垂直方向に寸法精度を維持させて支持する機構も大掛かりになり、さらに外部に漏洩する磁場を遮蔽する機構を考慮するとなるとＭＲＩ装置はますます大型化・高重量化することになる。
【０００６】
本発明は、係る問題を解決することを課題とし、所定の大きさ及び磁場強度を示す均一磁場領域を形成するにあたり、不必要な構成を極力排除することにより、小型化・軽量化した電磁石装置及び磁気共鳴撮像装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記した課題を解決するために本発明は、撮像領域に均一磁場を発生させる一対の静磁場発生部を備える電磁石装置又は磁気共鳴撮像装置において、前記静磁場発生部は、第１環状電流が順方向に循環する第１コイルと、第２環状電流が逆方向に循環する第２コイルと、異径の複数の環状電流が順方向及び逆方向が交互となるように循環するコイル群と、を少なくとも含み、前記第１コイル、前記第２コイル及び前記コイル群は、この順番で前記撮像領域の中心から見込む仰角が大きくなるように配置され、前記第２コイルを見込む仰角と、前記コイル群を見込む仰角と、を挟む角度領域には、前記第２コイル及び前記コイル群が含まれない領域である空白領域が存在し、前記中心軸と直交する面内に磁性材料を任意に分布させ前記均一磁場領域における磁場分布を調整する磁場調整部の最外側が、前記空白領域に含まれるように配置されていることを特徴とする（請求項１）。
又は、前記した構成において、前記コイル群に替えて、前記第１環状電流に誘導される静磁場により磁化する第１磁化部材に置換した構成としてもよい（請求項２）。
【０００８】
係る構成を本発明が有することにより、前記領域を起点として、撮像領域の中心から放射状に分布する磁束密度の粗密のゆらぎが、前記一対の静磁場発生部が対向する空間内に形成されるようになる。このように形成される磁束密度の粗密のゆらぎは、放射状の中心に近づくに従い小さくなるので、結果的に、撮像領域には均一磁場領域が形成されることになる。このようにして均一磁場領域を形成する構成によれば、磁石装置全体の大きさを左右する第１コイルの口径を小さく構成することを可能とし、また余分な強磁性体を配置する必要もない。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、所定の範囲において所定の強度を示す均一磁場を形成するにあたり、不必要な構成を極力排除することにより、小型化・軽量化した電磁石装置及び磁気共鳴撮像装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る磁気共鳴撮像装置（ＭＲＩ装置）の実施形態を示す全体斜視図である。
【図２】本発明に係る電磁石装置の第１実施形態において、（ａ）は電磁石装置の水平面におけるコイルの配列を示し、（ｂ）は電磁石装置のＸ−Ｘ縦断面を示している。
【図３】第１実施形態に係る電磁石装置（次数ｎ＝６）において（ａ）は撮像領域の周辺の磁束の分布を示す図であり、（ｂ）はコイルの配列面に環状電流が循環する場合を仮想的に示す模式図であって、（ｃ）は（ｂ）に示す仮想的な環状電流に等価である磁化部材の配置を示す図であり、（ｄ）はコイルの配列面を循環する仮想的な環状電流を示すとともに、複数のコイルのうち一部を磁化部材に置き換えて示した図である。
【図４】本発明に係る電磁石装置の第２実施形態において、（ａ）は電磁石装置の水平面におけるコイルの配列を示し、（ｂ）は電磁石装置のＸ−Ｘ縦断面を示している。
【図５】本発明に係る電磁石装置の第３実施形態において、（ａ）は電磁石装置の水平面におけるコイルの配列を示し、（ｂ）は電磁石装置のＸ−Ｘ縦断面を示している。
【図６】本発明に係る電磁石装置の第４実施形態において、（ａ）は次数ｎ＝５である場合の撮像領域の周辺の磁束の分布を示す図であり、（ｂ）は次数ｎ＝７である場合の撮像領域の周辺の磁束の分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（第１実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態に係る磁気共鳴撮像装置（ＭＲＩ装置）を説明する。
図１に全体斜視図が示されているようにＭＲＩ装置１０は、電磁石装置１１に撮像領域Ｕを挟むようにして一対の傾斜磁場発生部１３，１３及び磁場調整部１４，１４が配置され、この撮像領域Ｕに被検体（図示せず）を挿入するためのベッド台Ｄが設けられている。さらに、ＭＲＩ装置１０は、図示されない構成要素として、被検体にＮＭＲ現象を発現させる共鳴周波数（数ＭＨｚ以上）の電磁波を撮像領域Ｕに向けて照射するＲＦ発振部（ＲＦ；Radio Frequency）と、ＮＭＲ現象が発現し水素原子核のスピンの状態が変化する際に放出される応答信号を受信する受信コイルと、これら構成要素を制御する制御装置、受信した信号を処理して解析を行う解析装置とを備えている。
【００１２】
電磁石装置１１は、中心軸Ｚを回転対称軸として、一対の対向する静磁場発生部１５，１５が、支持部材１２によって、撮像領域Ｕを挟むように垂直方向に支持されている。
静磁場発生部１５，１５は、中心軸Ｚの周りを循環する環状電流により誘導される静磁場により撮像領域Ｕに均一磁場領域を形成する。この均一磁場領域における磁場の均一性は、磁場の変動（ゆらぎ）が百万分の１の程度（数ｐｐｍ）の精度が要求される。この均一磁場領域は、時間的に変動しない定常な静磁場で、通常０．１から数テスラ以上の強度を有するものであり、通常、直径で３０〜４０ｃｍの球状もしくは楕円状を示す。
【００１３】
傾斜磁場発生部１３,１３は、撮像領域Ｕにおける磁場強度が傾斜するように前記均一磁場に対して傾斜磁場を重畳させる。この重畳される傾斜磁場は、ＭＲＩ装置１０の動作時に撮像領域Ｕの直交する三方向に対し、それぞれ順番に切り替えて、重畳される。このように撮像領域Ｕにおける磁場の強度が、直交する三方向に順番に切り替わって傾斜することにより、ＮＭＲ現象が発現する三次元位置が特定される。
【００１４】
磁場調整部１４は、中心軸Ｚと直交する面内に磁性材料からなる無数の螺子部材を任意に分布させ撮像領域Ｕにおける磁場分布の均一性が向上するように調整する。つまり、電磁石装置１１は、組み立て誤差や設置環境の影響により、撮像領域Ｕに形成される磁場の均一性に誤差が発生する。そこで、磁場調整部１４により誤差成分を矯正（調整）する。
【００１５】
このように構成されることによりＭＲＩ装置１０は、撮像領域Ｕの関心領域（通常１ｍｍ厚のスライス面）だけにＮＭＲ現象を発現させて、被検体の断層を画像化する。
【００１６】
静磁場発生部１５は、図２に示されるように、複数のコイル（符号２９−３６）を内部に固定して収容する容器２０が設けられている。ここで、図２（ａ）は電磁石装置１１の水平面における複数コイル（符号２９−３６）の配列を示し、図２（ｂ）は電磁石装置１１のＸ−Ｘ縦断面を示している。
【００１７】
容器２０は、外端面２１、側筒面２２、円錐面２３、内端面２４及び窪み面２５により周囲が構成される。
この容器２０は、ステンレス材質などの非磁性体でかつ弾性率の高い材質で構成されており、支持部材１２の一端に接続して、垂直方向に配置される静磁場発生部１５，１５を支持する基盤となる。また容器２０の内部は、図示しない固定手段により前記した複数のコイル（符号２９−３６）が剛に固定され、コイルに電磁力が作用してもその位置が変位しないように構成されている。
【００１８】
さらに容器２０は、前記した複数のコイル（符号２９−３６）のうち少なくとも一つに超電導コイルが採用されていれば、この超電導コイルを冷却する冷媒とともに収容する冷媒容器（図示せず）も含む。
この場合、容器２０は、内部の密閉空間が真空状態に保持される真空容器であって、熱が伝導および対流によりコイル及びその冷媒に伝達するのを防止する。
ここで、超電導コイルとは、冷媒（例えば、液体ヘリウム）によって、臨界温度よりも低温に冷却されると常電導状態から超電導状態に転移して電気抵抗がゼロとなるものであって、環状の電流が減衰することなく永久に循環するものである。
【００１９】
窪み面２５は、撮像領域Ｕに対向する部位において内端面２４の延長面に対し段差するように、中心軸Ｚに対し略直交するように設けられている。
このように窪み面２５が形成されたことは、後記するようにドーム状に配列する複数のコイル（符号３０−３２）に対し、何ら構成上の干渉を及ぼすものでない。さらに、窪み面２５により形成される空間に傾斜磁場発生部１３及び磁場調整部１４を配置させることが可能になることにより、被検体が挿入される空間（静磁場発生部１５，１５に挟まれる空間）を広く確保できる。つまり、撮像領域Ｕの大きさに対比して電磁石装置１１を小型化することに寄与することになる。
【００２０】
円錐面２３は、容器２０の側筒面２２から内端面２４にわたる部分において形成されている。これにより、仮に、容器２０の縁端部分を、円錐面２３によらず、側筒面２２及び内端面２４のみで形成した場合よりも、重量削減に大きく貢献し、電磁石装置１１の軽量化に寄与することになる。
【００２１】
第１コイル３１は、図２（ｂ）に示されるように、半径Ｒ１の円環形状を有し、撮像領域Ｕの中心から中心軸Ｚの方向に高さＨ１の位置に配置されている。そして、この第１コイル３１には、中心軸Ｚの周りを順方向に第１環状電流Ｊ１が循環している。この順方向に循環する第１環状電流Ｊ１は、撮像領域Ｕに、均一磁場と同一方向の磁場を形成するとともにこの均一磁場の形成に関与する。
なお、図中、環状電流の順方向を示す矢印を左回りに、逆方向を示す矢印を右回りに、示しているがその方向に限定されるものではない。
【００２２】
第２コイル３２は、半径Ｒ２（＜Ｒ１）の円環形状を有し、撮像領域Ｕの中心から中心軸Ｚの方向に高さＨ２（＞Ｈ１）の位置に配置されている。そして、この第２コイル３２には、中心軸Ｚの周りを逆方向に第２環状電流Ｊ２が循環している。この逆方向に循環する第２環状電流Ｊ２は、撮像領域Ｕに、均一磁場と逆方向の磁場を形成するとともにこの均一磁場の形成に関与する。
【００２３】
コイル群３０は、第３コイル３３、第４コイル３４、第５コイル３５及び第６コイル３６が中心軸Ｚを共有して同心状に配列して構成されている。
第３コイル３３は、コイル群３０のうち最外郭に位置するものであって、半径Ｒ３（＜Ｒ２）の円環形状を有し、撮像領域Ｕの中心から中心軸Ｚの方向に高さＨ３（＞Ｈ２）の位置に配置されている。そして、この第３コイル３３には、中心軸Ｚの周りを順方向に第３環状電流Ｊ３が循環している。この順方向に循環する第３環状電流Ｊ３は、撮像領域Ｕに、均一磁場と同一方向の磁場を形成するとともにこの均一磁場の形成に関与する。
【００２４】
第４コイル３４、第５コイル３５及び第６コイル３６は、この順番で、それぞれ半径が小さくなる円環形状を有し（Ｒ４＞Ｒ５＞Ｒ６）、撮像領域Ｕの中心から中心軸Ｚの方向に高さがそれぞれＨ４、Ｈ５、Ｈ６（≧Ｈ３）の位置に配置されている。そして、第４コイル３４、第５コイル３５及び第６コイル３６には、それぞれ中心軸Ｚの周りを環状電流Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６が、中心軸Ｚの周りを逆方向及び順方向が交互となるように循環している。それぞれ順方向又は逆方向に循環する環状電流Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６は、均一磁場と同一方向又は逆方向の磁場を形成するとともにこの均一磁場の形成に関与する。
【００２５】
前記したように第１コイル３１、第２コイル３２及びコイル群３０が構成されることにより、均一磁場の形成に関与するコイル（符号３１−３６）は、半径Ｒが小さくなるに従い、撮像領域Ｕの中心から見込む仰角θm（m＝１〜６；式（１）参照）が大きくなるように配置されるようになる(θ1＜θ2＜θ3)。
このように均一磁場の形成に関与するコイル（符号３１−３６）が配置されることにより、撮像領域Ｕの中心からその配置を見込むと、撮像領域Ｕに均一磁場領域を形成するのに関与する全ての部材が、ドーム状の面上に配列していることになる。
【００２６】
θm＝ｔａｎ−１（Ｈm／Ｒm）…（１）
Ｒ6 ＜ Ｒ5 ＜ Ｒ4 ＜ Ｒ3 ＜ Ｒ2 ＜ Ｒ1 …（２）
Ｈ6 ≧ Ｈ5 ≧ Ｈ4 ≧ Ｈ3 ＞ Ｈ2 ＞ Ｈ1 …（３）
【００２７】
さらに、第２コイル３２及びコイル群３０の位置関係は、第２コイル３２を見込む仰角θ2と、第３コイル３３（コイル群３０）を見込む仰角θ3と、を挟む角度領域に、第２コイル３２及びコイル群３０が含まれない領域（以下、空白領域Ｓという）が存在するようにする。
【００２８】
遮蔽コイル２９は、中心軸Ｚを共有するようにかつ第１コイル３１よりも大径で構成されて、容器２０に収容されている。そして、遮蔽コイル２９は、環状電流が逆方向に循環することにより、均一磁場領域の生成に関与するコイル（符号３１−３６）により発生された静磁場のうち電磁石装置１１の外部に漏洩する静磁場を遮蔽する。
【００２９】
次に図３（ａ）を参照して、撮像領域Ｕに均一磁場領域を発生させる原理について説明を行う。
図中、撮像領域Ｕの中心から放射状に示される濃淡(点を打った領域と打たない領域)は、複数のコイル（符号２９−３６）により形成された静磁場の磁束の分布に対応している。すなわち、環状電流が順方向に循環するコイル（例えば第１コイル３１）と撮像領域Ｕの中心（以下、原点という）とを結ぶ面と、これに隣接し環状電流が逆方向に循環するコイル（例えば第２コイル３２）と原点とを結ぶ面と、に囲まれる領域は、コイルの配列面Ｐから撮像領域Ｕの中心に向かうに従い磁束の分布が密になる領域となっている。
【００３０】
一方、この領域に隣接する部分には、相対的に磁束の分布が疎になっている領域が形成され、原点の周回方向において、交互に疎密が繰り返される磁束密度のゆらぎが形成される。この原点の周回方向における磁束密度の粗密のゆらぎは、コイルの配列面Ｐから原点に近づくに従い小さくなるので、そのゆらぎが数ｐｐｍ程度未満となった領域を均一磁場領域とみなし撮像領域Ｕとなる。
【００３１】
このように、コイルの配列面Ｐに、環状電流が、順方向・逆方向に交互に流れる複数のコイルを同心状に配列することにより、このコイル配列のピッチに対応した磁束密度の粗密のゆらぎが原点の周回方向に形成されることになる。
このような、原点の周回方向における磁束密度のゆらぎは、第２コイル３２を見込む仰角θ2と、コイル群３０を見込む仰角θ3と、を挟む角度領域に、第２コイル３２及びコイル群３０が含まれない空白領域Ｓが存在することがきっかけとなって発生する。
【００３２】
なお、原点の周回方向における磁束密度のゆらぎのピッチを定義するものとして、そのようなゆらぎのピッチを実現する平面座標第１象限の配列面Ｐ上に配置されるコイルの数の対応させた次数ｎをもってすることとする。
但し、逆方向の電流が循環するコイルは省略できる場合もある。この場合、次数は磁場の揺らぎの強くなった領域(図中で点を打っている領域)の数と考える。さらにこの考えで中心軸が磁場の強い領域となった場合(次数が奇数の場合に相当)には上下合わせて１と数える。
図３で示される第１実施形態においては、次数ｎ＝６のものが例示されている。
一般に高い次数ｎにより実現される均一磁場領域は、環状電流の方向が相違するコイルが近接して配置されることになるので、同じ電流でも低い次数のものに比べて弱い磁場強度になる。一方、低い次数ｎにより実現される場合は、原点の周回方向における磁束密度のゆらぎのピッチが大きくなるので、同じ電流でも高い次数のものに比べて均一磁場領域が小さくなる。
【００３３】
（第２実施形態）
次に、図４を参照して本発明の第２実施形態に係る電磁石装置を説明する。
第２実施形態に係る電磁石装置１１は、第１環状電流Ｊ１に誘導される静磁場により磁化する第１磁化部材４１が、第１実施形態におけるコイル群３０に替えて置換された構成となっている。
【００３４】
ここで、第２実施形態に係る電磁石装置１１の説明に先立って、図３に戻って補足説明を行う。
図３（ｂ）は、仮想的に、コイルの配列面Ｐに環状電流Ｊが循環する場合を模式的に示す図であって、上向きの矢印は順方向に循環する環状電流Ｊを示し、下向きの矢印は逆方向に循環する環状電流Ｊを示している。また矢印の長さは電流値に対応している。
図３（ｃ）は、図３（ｂ）に示すように循環する仮想環状電流Ｊは、図示するように配置され中心軸方向に磁化している磁化部材４０と等価であって置換可能であることを示している。
図３（ｄ）は、図３（ａ）に示される複数のコイル（符号３１−３６）を配列面Ｐを循環する仮想的な環状電流Ｊに置き換えて示すとともに、複数のコイル（符号３１−３６）のうち一部を磁化部材４１，４２に置き換えて示した図である。
【００３５】
この図３（ｄ）に示されるように、磁化部材４１は、配列面Ｐ上の周回方向の磁束密度の粗密のゆらぎ中、次数ｎに対応して磁束の分布が密になっている領域に重点配置すればよいことになっている。
この図３（ｄ）の平面座標の第１象限（上側）に示される構成について、第２実施形態として、図４に戻って、説明を続ける。
なお、図４に示される構成のうち、すでに説明を行ったものについては、図２と同じ符号を付して、それに該当する説明を援用することとして、作用・効果に関連した記載を省略することとする。
【００３６】
第１磁化部材４１は、例えば、純鉄等の強磁性体から成り、第２コイル３２よりも小径でかつ第１環状電流Ｊ１に誘導される静磁場と同じ方向に磁化する。
第１磁化部材４１は、第１環状体４３と第２環状体４４とが、円板形状の連結板４９により連結されている。そして、第１磁化部材４１は、図示しない固定部材より容器２０の内部に固定されている。
この連結板４９は、存在することで、第１コイル３１から誘導される磁束が増加して、撮像領域Ｕにおける磁場強度を向上させる効果が得られる。一方、連結板４９を用いずに、第１環状体４３及び第２環状体４４はそれぞれ別個に容器２０の内部に固定されていてもよい。
【００３７】
第１環状体４３、第２環状体４４は、この順番で、それぞれ半径が小さくなる円環形状を有し（Ｒ４＜Ｒ３）、撮像領域Ｕの中心から中心軸Ｚの方向に高さがそれぞれＨ３、Ｈ４（≧Ｈ２）の位置に配置されている。そして、第１環状体４３、第２環状体４４は、中心軸Ｚ方向に磁化することにより、均一磁場と同一方向の磁場を形成するとともにこの均一磁場の形成に関与する。
【００３８】
また第１コイル３１、第２コイル３２及び第１磁化部材４１は、この順番で撮像領域Ｕの中心から見込む仰角θm（m＝１〜３；前記式（１）参照）が大きくなるように配置されるようになる(θ1＜θ2＜θ3)。
さらに、第２コイル３２及び第１磁化部材４１の位置関係は、第２コイル３２を見込む仰角θ2と、第１磁化部材４１を見込む仰角θ3と、を挟む角度領域に、第２コイル３２及び第１磁化部材４１が含まれない空白領域Ｓが存在するようにする。
このように第１コイル３１、第２コイル３２及び第１磁化部材４１が配置されることにより、撮像領域Ｕの中心からその配置を見込むと、撮像領域Ｕに均一磁場領域を形成するのに関与する全ての部材が、ドーム状の面上に配列していることになる。
【００３９】
（第３実施形態）
次に、図５を参照して本発明の第３実施形態に係る電磁石装置を説明する。
第３実施形態に係る電磁石装置１１は、第１環状電流Ｊ１に誘導される静磁場により磁化する第２磁化部材４２が、第２実施形態における第２コイル３２に替えて置換された構成となっている。
【００４０】
ここで、第３実施形態に係る電磁石装置１１の説明に先立って、図３（ｄ）に戻って補足説明を行うと、この平面座標の第４象限（下側）に示される構成が、第３実施形態に該当する。
なお、図５に示される構成のうち、すでに説明を行ったものについては、図２又は図４と同じ符号を付して、それに該当する説明を援用することとして、作用・効果に関連した記載を省略することとする。
【００４１】
第１磁化部材４１は、例えば、純鉄等の強磁性体から成り、第１コイル３１よりも小径でかつ第１環状電流Ｊ１に誘導される静磁場と同じ方向に磁化する。
第２磁化部材４２は、第１コイル３１よりも小径でかつ第１磁化部材４１よりも大径でかつ第１環状電流Ｊ１に誘導される静磁場と同じ方向に磁化する。
【００４２】
第２磁化部材４２は、図示しない固定部材より容器２０の内部に固定されている。そして第２磁化部材４２は、第１コイル３１と協同して、配列面Ｐから撮像領域Ｕの中心に向かう磁束密度が密である領域を形成し均一磁場の形成に関与する（図３（ｄ）下側参照）。
【００４３】
第１コイル３１、第２磁化部材４２及び第１磁化部材４１は、この順番で撮像領域Ｕの中心から見込む仰角θm（m＝１〜３；前記式（１）参照）が大きくなるように配置されている(θ1＜θ2＜θ3)。
【００４４】
さらに、第１磁化部材４１及び第２磁化部材４２の位置関係は、第２磁化部材４２を見込む仰角θ2と、第１磁化部材４１を見込む仰角θ3と、を挟む角度領域に、第１磁化部材４１及び第２磁化部材４２が含まれない空白領域Ｓが存在するようにする。
このように第１コイル３１、第１磁化部材４１及び第２磁化部材４２が配置されることにより、撮像領域Ｕの中心からその配置を見込むと、撮像領域Ｕに均一磁場領域を形成するのに関与する全ての部材が、ドーム状の面上に配列していることになる。
【００４５】
（第４実施形態）
次に、図６を参照して本発明の第４実施形態に係る電磁石装置を説明する。
第４実施形態に係る電磁石装置は、次数ｎを可変して例示したものである。図６（ａ）にはｎ＝５のものが示され、図６（ｂ）にはｎ＝７のものが示されている。そして、図６（ａ）（ｂ）のそれぞれの平面座標第１象限（上側）には、第１実施形態に対応させた複数のコイル（符号３０〜３２）のみで実現したものを示し、平面座標第４象限(下側)には、第３実施形態に対応させた第１コイル３１、磁化部材４１，４２で実現したものを示している。
実際に実用に供する磁石は、当然上下で同じ構造をとることは言うまでもないが、ここでは例示のために２種類の構成を一つの図に示している。
なお、図６に示される構成のうち、すでに説明を行ったものについては、図２，４，５と同じ符号を付して、それに該当する説明を援用することとして、作用・効果に関連した記載を省略することとする。
【００４６】
図６（ａ）（ｂ）中、複数のコイル（符号３０〜３２）のみで実現したもの（平面座標第１象限側）については、次数ｎに対応した数のコイルが配列面Ｐに配列されることになる。また、第１コイル３１、磁化部材４１，４２で実現したもの（平面座標第４象限側）については、特に、次数ｎが奇数のものについては、第１磁化部材４１の中心軸Ｚが貫通する部位には、環状ではなく、突起状の突起部材４８が配置されることになる（次数ｎが偶数のものについては環状）。
【００４７】
第４実施形態においても、撮像領域Ｕの中心から見込む角度領域において、コイル（符号３０〜３２）や磁化部材４１，４２が含まれない空白領域が存在する。これにより、この空白領域を起点として、撮像領域の中心から放射状に分布する磁束密度の粗密のゆらぎが形成されるようになる。このように形成される磁束密度の粗密のゆらぎは、放射状の中心に近づくに従い小さくなるので、結果的に、撮像領域には均一磁場が形成されることになる。
かかる作用・効果が得られるのは、以上の説明で例示された次数ｎが５，６，７の場合に限定されるものではなく、当然に、それより大きい又は小さい範囲の次数ｎにおいても次数の違いによる均一磁場領域の大きさが異なるが、同様に均一磁場の構成が構成される。
【００４８】
このような、空白領域Ｓが設定される好ましい角度範囲は以下の通りである。
次数ｎ＝５で構成されている場合は、撮像領域Ｕの中心から見込む仰角θが４０°を基準にして−１２．５％から＋３７．５％の範囲（下限35°から上限55°）で設定されることが好ましい。
次数ｎ＝６で構成されている場合は、撮像領域Ｕの中心から見込む仰角θが３５°を基準にして−１２．５％から＋３７．５％の範囲（下限30.625°から上限48.125°）で設定されることが好ましい。
次数ｎ＝７で構成されている場合は、撮像領域Ｕの中心から見込む仰角θが３０°を基準にして−１２．５％から＋３７．５％の範囲（下限26.25°から上限41.25°）で設定されることが好ましい。
【００４９】
また、複数のコイル（符号３０〜３２）や磁化部材４１，４２が配列されるドーム形状の配列面Ｐは、球面の一部のような面にした方が、同一の大きさの磁場強度の撮像領域Ｕを形成するうえで、やや均一度が良くなる傾向にある。しかし、その反面、配列面Ｐを球面に近づけるとMRI装置全体が大きくなる。その結果として、装置全体の大きさを限ると、被検体を挿入させる空間が狭くなるという関係がある。
従って、電磁石装置１１は、その被検体が挿入される空間の広さと、全体の大きさ（要請される小型化・軽量化の程度）との兼ね合いにおいて、前記したような好ましく設定される空白領域Ｓの範囲に特に拘泥されることなく、配列面Ｐの形状が適宜決定されるべきである。
【００５０】
また、磁場調整部１４（図２（ｂ）参照）は、その最外側に近い磁束密度の密な領域の磁場の強さに合わせて、その内側の磁場分布(磁束密度の粗密の分布)を調整する。従って、磁場調整部１４は、空白領域Ｓよりも外側の領域(θm；m=1,2を含む領域で、角度の浅い領域)に配置する必要性がない。
これより、磁場調整部１４は、その最外側が空白領域Ｓに含まれるように配置されこの空白領域Ｓから内側(θ3を含む領域で半径小の領域)にわたるように配置されることが、電磁石装置１１の軽量化、被検体が挿入される有効空間の拡張の観点から好ましいといえる。
【００５１】
また、図２に円錐面２３として示した円錐台の面は、被検者には、装置を開放的に見せる効果がある。この円錐面２３の配置及び水平面となす角度は、電磁石装置１１の内部構造に依存して決定され、特に、第１コイル３１及び遮蔽コイル２９の配置に依存する。
本実施形態における円錐面２３が水平面となす角度は、原点から領域Ｓを見込む仰角と同程度であることが望ましく、具体的には、２６°から４０°程度の範囲で設定されることが望ましい。
【符号の説明】
【００５２】
１０ ＭＲＩ装置
１１ 電磁石装置
１３ 傾斜磁場発生部
１４ 磁場調整部
１５ 静磁場発生部
２０ 真空容器（容器）
２２ 側筒面
２３ 円錐面
２４ 内端面
２５ 窪み面
３０ コイル群
３１ 第１コイル
３２ 第２コイル
４１ 第１磁化部材
４２ 第２磁化部材
４３ 第１環状体
４４ 第２環状体
Ｊ１ 第１環状電流（環状電流）
Ｊ２ 第２環状電流（環状電流）
Ｊ３ 第３環状電流（環状電流）
Ｊ４ 第４環状電流（環状電流）
Ｊ５ 第５環状電流（環状電流）
Ｊ６ 第６環状電流（環状電流）
Ｐ 配列面
Ｓ 空白領域（領域）
Ｕ 撮像領域（均一磁場領域）
Ｚ 中心軸
ｎ 次数
θ（θ1,θ2,θ3） 仰角
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸の周りを循環する環状電流により誘導される静磁場を発生する一対の静磁場発生部を備え、
この一対の静磁場発生部が対向する空間に均一磁場領域を形成する電磁石装置において、
前記静磁場発生部は、
第１環状電流が前記中心軸の周りを順方向に循環する第１コイルと、
前記第１環状電流よりも小径の第２環状電流が前記中心軸の周りを逆方向に循環する第２コイルと、
前記第２環状電流よりも小径の複数の環状電流が前記中心軸の周りを順方向及び逆方向が交互に配列するよう循環するコイル群と、を少なくとも含み、
前記第１コイル、前記第２コイル及び前記コイル群は、この順番で前記均一磁場領域の中心から見込む仰角が大きくなるように配置され、
前記第２コイルを見込む仰角と、前記コイル群を見込む仰角と、が挟む角度領域には、前記第２コイル及び前記コイル群が含まれない領域である空白領域が存在し、
前記中心軸と直交する面内に磁性材料を任意に分布させ前記均一磁場領域における磁場分布を調整する磁場調整部の最外側が、前記空白領域に含まれるように配置されている
ことを特徴とする電磁石装置。
【請求項２】
中心軸の周りを循環する環状電流により誘導される静磁場を発生する一対の静磁場発生部を備え、
この一対の静磁場発生部が対向する空間に均一磁場領域を形成する電磁石装置において、
前記静磁場発生部は、
第１環状電流が前記中心軸の周りを順方向に循環する第１コイルと、
前記第１環状電流よりも小径の第２環状電流が前記中心軸の周りを逆方向に循環する第２コイルと、
前記第２コイルよりも小径でかつ前記第１環状電流に誘導される静磁場により磁化する第１磁化部材と、を少なくとも含み、
前記第１コイル、前記第２コイル及び前記第１磁化部材は、この順番で前記均一磁場領域の中心から見込む仰角が大きくなるように配置され、
前記第２コイルを見込む仰角と、前記第１磁化部材を見込む仰角と、が挟む角度領域には、前記第２コイル及び前記第１磁化部材が含まれない領域である空白領域が存在し、
前記中心軸と直交する面内に磁性材料を任意に分布させ前記均一磁場領域における磁場分布を調整する磁場調整部の最外側が、前記空白領域に含まれるように配置されている
ことを特徴とする電磁石装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の電磁石装置において、
前記静磁場発生部に含まれる構成品を収容する容器が設けられ、
前記容器の、前記均一磁場領域に対向する内端面には、前記中心軸に略直交する窪み面が設けられていることを特徴とする電磁石装置。
【請求項４】
請求項３に記載の電磁石装置において、
前記容器には、外部に漏洩する静磁場を遮蔽するために、前記第１コイルよりも大径でかつ環状電流が逆方向に循環する遮蔽コイルがさらに収容され、
前記容器は、前記内端面から前記遮蔽コイルに隣接する側筒面にわたる部分において円錐面が形成されていることを特徴とする電磁石装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電磁石装置を適用し、
前記均一磁場領域に傾斜磁場を発生する傾斜磁場発生部を備え、
前記均一磁場領域を撮像領域として磁気共鳴現象を利用した被検体の画像を撮像することを特徴とする磁気共鳴撮像装置。
【請求項１】
中心軸の周りを循環する環状電流により誘導される静磁場を発生する一対の静磁場発生部を備え、
この一対の静磁場発生部が対向する空間に均一磁場領域を形成する電磁石装置において、
前記静磁場発生部は、
第１環状電流が前記中心軸の周りを順方向に循環する第１コイルと、
前記第１環状電流よりも小径の第２環状電流が前記中心軸の周りを逆方向に循環する第２コイルと、
前記第２環状電流よりも小径の複数の環状電流が前記中心軸の周りを順方向及び逆方向が交互に配列するよう循環するコイル群と、を少なくとも含み、
前記第１コイル、前記第２コイル及び前記コイル群は、この順番で前記均一磁場領域の中心から見込む仰角が大きくなるように配置され、
前記第２コイルを見込む仰角と、前記コイル群を見込む仰角と、が挟む角度領域には、前記第２コイル及び前記コイル群が含まれない領域である空白領域が存在し、
前記中心軸と直交する面内に磁性材料を任意に分布させ前記均一磁場領域における磁場分布を調整する磁場調整部の最外側が、前記空白領域に含まれるように配置されている
ことを特徴とする電磁石装置。
【請求項２】
中心軸の周りを循環する環状電流により誘導される静磁場を発生する一対の静磁場発生部を備え、
この一対の静磁場発生部が対向する空間に均一磁場領域を形成する電磁石装置において、
前記静磁場発生部は、
第１環状電流が前記中心軸の周りを順方向に循環する第１コイルと、
前記第１環状電流よりも小径の第２環状電流が前記中心軸の周りを逆方向に循環する第２コイルと、
前記第２コイルよりも小径でかつ前記第１環状電流に誘導される静磁場により磁化する第１磁化部材と、を少なくとも含み、
前記第１コイル、前記第２コイル及び前記第１磁化部材は、この順番で前記均一磁場領域の中心から見込む仰角が大きくなるように配置され、
前記第２コイルを見込む仰角と、前記第１磁化部材を見込む仰角と、が挟む角度領域には、前記第２コイル及び前記第１磁化部材が含まれない領域である空白領域が存在し、
前記中心軸と直交する面内に磁性材料を任意に分布させ前記均一磁場領域における磁場分布を調整する磁場調整部の最外側が、前記空白領域に含まれるように配置されている
ことを特徴とする電磁石装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の電磁石装置において、
前記静磁場発生部に含まれる構成品を収容する容器が設けられ、
前記容器の、前記均一磁場領域に対向する内端面には、前記中心軸に略直交する窪み面が設けられていることを特徴とする電磁石装置。
【請求項４】
請求項３に記載の電磁石装置において、
前記容器には、外部に漏洩する静磁場を遮蔽するために、前記第１コイルよりも大径でかつ環状電流が逆方向に循環する遮蔽コイルがさらに収容され、
前記容器は、前記内端面から前記遮蔽コイルに隣接する側筒面にわたる部分において円錐面が形成されていることを特徴とする電磁石装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電磁石装置を適用し、
前記均一磁場領域に傾斜磁場を発生する傾斜磁場発生部を備え、
前記均一磁場領域を撮像領域として磁気共鳴現象を利用した被検体の画像を撮像する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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−２４０１８２（Ｐ２０１１−２４０１８２Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９３２１２（Ｐ２０１１−１９３２１２）
【出願日】平成２３年９月５日（２０１１．９．５）
【分割の表示】特願２００６−３１５９０７（Ｐ２００６−３１５９０７）の分割
【原出願日】平成１８年１１月２２日（２００６．１１．２２）
【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２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月５日（２０１１．９．５）
【分割の表示】特願２００６−３１５９０７（Ｐ２００６−３１５９０７）の分割
【原出願日】平成１８年１１月２２日（２００６．１１．２２）
【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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