专利名称：Mri装置用磁场调整的制作方法
技术领域：
本发明涉及超导磁体装置，涉及核磁共振断层成像装置。
背景技术：
在使用核磁共振的诊断中，因为磁场强度与诊断部位相对应，所以对于磁场系统 产生的磁场强度要求的精度为存在磁场强度的百万分之一左右的变动则成为问题的精度。 在MRI装置中的磁场中大致具有三个种类。它们是(1)在时间上稳定并且在空间上也恒定的磁�。ǔＮ�0. 1至数特斯拉以上的强 度，在进行成像的空间(通常为直径30-40cm的球体或椭圆体的空间)内为数ppm左右的 变动范围。(2)以1秒左右以下的时间常数变化，在空间上倾斜的磁场。(3)基于与核磁共振对应的频率(数MHz以上)的高频的电磁波的磁场。其中，(1)的磁场在时间上恒定，并且在空间上在进行人体的断层成像的区域 中对磁场强度要求极高精度的均勻性。所谓高精度，是指例如在直径40cm的成像空间 FOV (Field of View)中，如士 1. 5ppm那样要求百万分之一的级别的精度。像这样要求极高 精度的均勻性的磁场分布，需要在制造磁体并且励磁后高精度地调整磁场。一般，由于制造 误差导致的误差磁场比均勻磁场所要求的允许误差磁场大1000倍以上。在制造后的安装 时要求的磁场调整(勻场)，将误差磁场从数百ppm降低至数ppm，要求极高精度的磁场调 整装置及其方法。作为现有的方法，具有通过使用线性规划法的方法进行的勻场。例如记载在专利 文献1和专利文献2中，适用于实际设备的调整的方法。但是，在该使用线性规划法的方法 中存在以下问题。(1)为了进行详细的磁场计算，需要大量的计算时间。(2)对于这里的铁片或电流的设置或变化，要求与高精度的磁场对应的精度。(3)在进行了错误的勻场作业时，难以确定错误的部位，恢复需要花费功夫。并且，通过如图2所示使用球面调和函数来调整磁场分布产生了问题。图2表示 现有的磁场调整方法的例子，使用了球面函数(专利文献1)。球面调和函数，在球面上正交地构成了基底，但是在磁场调整机构上或非球面的 磁场评价面上存在相互的干扰，当想要产生精度良好的球面调和函数分布的磁场时，要求 细致的磁场调整机构上的调整。例如，均勻的磁场分布是球面调和函数的次数(order)最 低的分布，但是实际上如果不是完全围绕磁场调整区域的磁场调整机构，则不可能准确地 得到该分布，在现有技术作为对象的MRI中，不存在这样的磁场调整机构。专利文献1 日本特开2001-87245号公报专利文献2 日本特开2003-167941号公报非专利文献1 :M. ABE, Τ. ΝΑΚΑΥΑΜΑ, S. OKAMURA, "A new technique to optimize coil winding path for the arbitrarily distributed magnetic fieldand application to a helical confinement system，，，Phys. Plasmas. Vol. 10 No. 4(2003) 1022.
发明内容
本发明的课题在于，使用磁场调整装置及其方法，考虑上述问题的解决，提供可以 在调整作业中确认调整的进展状况以及能够以怎样的程度降低最终的误差磁场的预测，同 时切实地完成调整的方法及装置。提供为了尽快完成调整而包含在发生错误操作时也能够 容易地自动进行修正的功能的方法、以及包含该方法，显示磁场调整作业的指针的装置。在对于目标磁场求出曲面或平面等任意面上的电流分布的方法中，具有在论文中 记载的使用电流电位(current potential)的方法(非专利文献1)。该计算方法在论文中 取名为DUCAS。应用该方法，特别是应用在该方法中使用的电流电位和奇异值分解的思路来 进行磁场调整。在非专利文献1的DUCAS中，作为应该修正的误差磁场而输入的磁场分布，是根据 由等离子体约束理论决定的目标磁场和假定的电流电位等计算出的磁场分布的差，即通过 数值计算而求出的值，但在本发明中因为以实际装置为对象，所以把目标磁场与测量磁场 的差作为误差磁�。矶喔龅愕牟饬看懦±凑莆瘴蟛畲懦》植�。此外，在非专利文献1中，求出电流电位T的分布，电流密度矢量^是电流电位:f 和面的法线的矢量积，通过(Vf) X Λ赋予电流，所以将f的等高线形成为线电流或线圈形 状，但是在本发明中设为磁矩分布或铁片密度分布。根据本发明，可以低成本制造产生高精度的磁场的MRI装置。
图1表示作为本发明的一个优选实施例的磁场调整流程图。图2表示现有方法的勻场流程图。图3表示本发明的一个优选实施例的磁场修正所需要的电流电位和磁场调整用 磁化铁片量的换算的想法。图4是在本发明的一个优选实施例中使用的计算体系的一般的体系例子的图。图5表示作为本发明的一个优选实施例的磁场调整中使用的MRI用磁体的磁场调 整机构的配置图。图6表示将本发明用于图5的磁场调整机构的计算模型的图。图7将本发明的磁场分布的磁谱与通过勻场可达到的均勻度一同表示，(a)表示 勻场前的谱图，(b)表示勻场后的谱图。图8将本发明的向垫片盘(shim tray)配置磁场修正用铁片量的显示例与电流电 位等高线一同显示。图9为了本发明的铁片显示，表示网格内磁矩计算以及铁片量 换算的想法。图10表示将本发明用于磁动势配置设计方法时的流程图。图11是使用铁片执行了勻场的垫片盘面的示意图。图12是使用永磁体执行了勻场的垫片盘面的示意图。图13是关于通过电流环进行的磁矩调整法的示意图。
符号说明1电流；2磁化电流；3小线圈；4铁片；4P永磁体；4C电流环；5垫片盘；6磁场测 量评价区域；7网格；8等高线的峰；9等高线的谷；10直流电源；11接点；12有限元；13电 流电位评价面；14磁场测量评价点的集合；15所选择的固有模式；16非选择的固有模式； 17可达到的均勻度；18在网格中配置的铁体积；19电流电位等高线；21基于 电流电位的电 流；22表示固有模式选择的次数上限的线；23在固有模式选择中表示强度下限的线；IB预 备计算部分；2B磁场测量部分；3B磁场调整计算部分；IlS磁场调整开始步骤；12S磁场测 量步骤；13S测量磁场保存步骤；14S磁场数据读出步骤；15S均勻度判断步骤；16S奇异值 分解结果读出步骤；17S固有模式选择和目标磁场决定步骤；18S固有模式强度、修正电流 电位、铁片量、修正磁场分布以及可达到的均勻度计算步骤；19S磁谱图、可达到的均勻度 以及铁片配置量计算步骤；20S可否实施勻场的判断步骤；21S品质良否判断步骤；22S铁 片配置作业步骤；31S计算网生成步骤；32S奇异值分解计算步骤；33S奇异值分解结果保 存步骤；40S磁场调整结束步骤；41S修理、调整步骤；51S磁动势配置研究开始步骤；52S磁 动势配置假定步骤；53S磁场计算步骤；54S磁场计算结果保存步骤；55S是否需要变更垫 片盘的判断步骤；56S磁动势配置改善判断步骤
具体实施例方式以下使用
本发明的实施方式。图3表示电流电位和小线圈的电流环、以及磁化铁片的等价性。图3 (a)表示计算时的有限元12和接点11以及基于电流电位T的电流21，图3 (b) 表示通过流过小线圈3的电流1产生磁矩，图3 (c)表示由于磁化的铁片4导致的磁化电流2 而产生的磁矩。如图3(a)那样，当假定电流电位T在某个接点11存在值时，可以解释为在 与围绕它的接点之间回旋地流过由大小为T的电流电位引起的电流21。S卩，与在图3(b)的 小线圈3的电流环中流过电流1的状况等价。此外，这与在磁化的铁片4的表面流过jm(A/ m)的磁化电流2的右侧的状况等同。即，在DUCAS中为了表现电流分布而使用的电流电位 值T，作为单位具有“A”的维度，这也可以认为在磁矩[Am2]的密度[1/m2]中具有“Α”的维 度。另一方面，充分磁化后的铁片4，磁矩与磁化电流包围的面积和磁力线方向的长度 的乘积成比例，所以具有与体积成比例的磁矩。即，在调整磁场时，电流电位T是与铁片4 的密度[单位面积的重量g/m2或体积cc/cm2]成比例的量。利用该性质，此外不利用现有 方法的球面调和函数，而是利用通过在DUCAS中使用的奇异值分解而得到的固有分布函数 和奇异值。由此提供一种装置，该装置利用DUCAS，以磁场产生装置为对象，进行调整磁场的 辅助计算，显示为了该调整而配置的铁片或磁矩的配置。操作者按照显示来进行调整，由此 可以调整为目标磁场分布。本发明可以将任意磁场分布作为目标磁�。韵轮饕致勰勘甏懦∥谎鶆� 的磁场的情况。但是，目标磁场是否具有分布，不对以下的讨论产生影响。只是为了能够容 易地理解说明。误差磁场及 ·(0是位置的函数，但在本发明中考虑为固有分布函数的组合。g卩，通过式⑴来表示。Berr (F) =ICjJa (F)(1)在现有方法中使用了勒让德多项式或球面调和函数。在本发明中使用基于奇异值 分解的分布函数。具体地说明要相加的函数Ψω及其系数Cm的决定方法。本发明的说明，作为一般的体系而考虑图4的体系。图4表示本实施例的计算体 系。由电流电位评价面13和磁场测量评价点的集合14构成。一般，电流电位评价面13可 以有多个面，但在此作为各一个面来进行说明。此外，磁场评价点未必构成面，但是在此表 示为面上的点。在测量点j存在三维的磁场成分Bxj、Byj、Bzj，一点的测量通过测量位置以及在该位 置定义的单位矢量P来表示测量磁场成分。作为空间的点即使是1点，在本发明中有时也 称为三个数据。此外，在像MRI装置那样想要得到均勻磁场时，仅使磁场的轴向的主成分恒定。这 是因为在MRI中磁场强度恒定是重要的，但是主成分以外的磁场非常弱，所以主成分的磁 场大体等于磁场强度。在测量值与目标磁场的差、即误差磁场中，测量数据有多个，全体成为列矢量，表 示为云e。误差磁场B6是测量磁场Bm与调整为均勻磁场时进行调整的磁场强度Btg的差。与测量点j对应的误差磁场是成分为Bej的矢量5 e ,如式(2)那样表示。Bej = Btg-Bmj (2)应用奇异值分解的一般的体系如图4所示。具有磁场评价点的区域，在此位置测 量磁场。在CCS面上配置磁场调整用的铁片。在MRI中将该面称为垫片盘面。说明该面上的铁片密度与误差磁场修正的关系。用三角元素划分面，对其接点分 配电流电位。这与在非专利文献1中记载的一样。在元素中具有磁场评价点的测量数据的 磁场矢量、与在元素中具有CCS面上的电流电位的电流电位矢量之间的关系如式(3)那样。B = A ‘ f(3)该式(3)是根据在元素中具有电流面上的接点的电流电位值的矢量:f ,表示磁场 评价点的磁场的响应的式子，矩阵J5为m(磁场测量点数量)行η(接点数量)列。对该矩阵A添加接点的约束条件，根据独立的接点的电流电位，对作为向磁场评 价点的响应矩阵Α’的矩阵进行奇异值分解，得到磁场分布和电流电位的固有分布函数的 组。即，是作为磁场分布的基底的固有分布辽U2y作为电流电位的基底的固有 分布P1, V2, V3,在Mj和中存在式(4)的关系。X J-Mj= A ‘ Vj(4)在此，λ j是奇异值。此外，指数j是按照奇异值的大小的顺序对固有分布附加了 序号的顺序数值。对于一个序号，表示电流电位分布与磁场分布的基底矢量分别对应一个。 把该与一个序号相关联的两个基底矢量和一个奇异值综合在一起，称为一个固有模式。此 夕卜，顺序的序号j是固有模式的次数。 每单位电流电位分布\的磁场强度为λ jUj,因此可以理解，奇异值大的低次的固 有模式可以产生大的磁场。另一方面，在奇异值小的固有模式下，即使改变电流电位，磁场的分布也很小。该性质将在后面进行说明，这对本磁场调整方法起到重要的作用。作为式 (1)的分布函数，使用通过奇异值分解而得到的固有矢量的分布。在本发明中，说明与 第j次数的固有模式对应的误差磁场的修正法或调整法(通 过勻场来减小误差磁场)。可以根据误差磁场分布求出应该进行基底电流电位分布"Pj的几 倍修正的系 数D」。根据式(5)以及式(6)求出其大小。
权利要求
1.一种磁场调整方法，在磁场产生装置中存在被赋予了目标磁场分布的区域，该磁场 调整方法用于减小该区域的磁场分布的误差磁场成分，使磁场分布接近目标，该磁场调整 方法的特征在于，作为调整单元，具有配置电流环以及被动地磁化的铁片等磁性体或不依赖于外部磁场 的永磁体的曲面或平面状的磁场调整机构，进行以下的磁场调整作业在预定数量的点进行磁场测量，计算与目标磁场的差即误 差磁�。蟪瞿芄唤频匦拚梦蟛畹拇懦〉髡姑嫔系牡缌鞯缥环植迹玫缌鞯缥� 分布换算成磁矩，配置与该磁矩相当的环电流、永磁体或磁性片。
2.根据权利要求1所述的磁场调整方法，其特征在于，从作为通过奇异值分解而得到的基底的固有分布函数中选择分布函数，通过该分布函 数的组合表现近似地修正误差磁场的电流电位的分布。
3.根据权利要求2所述的磁场调整方法，其特征在于，根据近似地进行修正的电流电位，计算赋予了目标磁场的区域以及磁场测量点的修正 磁场量，求出磁场调整作业后与目标磁场的残留误差磁�。啡瞎逃蟹植己难≡竦那� 当性，并且进行达到目标残留误差磁场以内的选择。
4.根据权利要求1所述的磁场调整方法，其特征在于，使电流电位成为与磁矩成比例的量，将其换算成铁片量密度，按照该换算出的分布，配 置铁片或永磁体。
5.根据权利要求1所述的磁场调整方法，其特征在于，在按照奇异值的大小顺序附加的序号(次数)和在误差磁场中包含的固有分布的强度 的相关图(磁谱图)上，选择用于求出误差磁场的修正所需要的电流电位分布的固有分布 函数。
6.根据权利要求1所述的磁场调整方法，其特征在于，关于电流电位、或磁矩的大小或铁片量或永磁体量，在配置铁片的磁场调整机构面上 包含等高线来进行密度分布的显示，按照该显示来配置铁片。
7.根据权利要求6所述的磁场调整方法，其特征在于，通过多角形对等高线和配置铁片的面一同进行划分，在划分后的每个区域中，通过面 积积分值，与等高线一起或者没有等高线地表示磁矩的大小或铁片量或永磁体量。
8.根据权利要求6所述的磁场调整方法，其特征在于，汇总由等高线表示的峰或谷来进行累计，将该累计量配置在峰或谷内的一处或者分散 配置在多个部位。
9.根据权利要求1所述的磁场调整方法，其特征在于，重复执行从磁场测量到磁矩大小或铁片量或永磁体量的配置为止的计算和作业。
10.根据权利要求9所述的磁场调整方法，其特征在于，通过重复计算和作业，关于误差磁场的大小以及通过奇异值分解而得到的表示磁场分 布的基底即固有分布函数，调查各个强度的大�。莆沾懦〉髡慕�。
11.一种磁场调整方法，其特征在于，与权利要求5所述的相关图，或者在权利要求6、7或8的磁场修正作业中配置的磁性 体的量、永磁体的量或电流环的大小一起，显示权利要求3所述的残留误差磁场的代表值，例如将最小最大值的差除以目标或测量磁场的平均磁场强度而得到的值。
12.一种磁体品质掌握方法，其特征在于，通过包含磁场产生用线圈或磁性体的磁动势源在内的电磁体的权利要求3所述的磁 场调整方法，在磁场调整作业开始时能够判断在设为目标误差磁场以下的条件下，由于能 够配置权利要求6或7所述的磁矩的大小、铁片量或永磁体量，因此能够正常地执行磁场调整。
13.—种磁体磁动势配置设计方法，其特征在于，在包含磁场产生用线圈或磁性体的磁动势源在内的电磁体的设计中，赋予目标磁场 分布，根据磁动势配置计算磁场分布，输入代替权利要求12所述的磁场测量值的磁场计算 值，确认配置后的磁动势源配置的恰当性，如果不恰当，则直到能够调整磁场为止变更磁动 势配置，求出能够调整磁场的磁动势配置。
14.一种装置，其内置了权利要求1至权利要求11中的一项所述的磁场调整方法。
15.一种装置，其内置了权利要求12所述的磁体品质掌握方法。
16.一种装置，其内置了权利要求13所述的磁体磁动势配置设计方法。
全文摘要
本发明提供一种磁场调整方法以及内置了该方法的装置。把测量到的误差磁场分布分解为通过奇异值分解而得到的固有模式成分，组合与各模式对应的铁片配置，来配置在垫片盘(5)上。根据可达到的磁场精度(均匀度)和铁片配置量的恰当性，选择要修正的固有模式。因为可以在掌握可达到的磁场精度(均匀度)的同时进行调整，所以还可以掌握错误的调整，并且在重复进行调整的过程中自动进行修正。当在本发明的方法或内置了该方法的装置的辅助下进行磁场调整时，在重复作业的过程中可靠地完成磁场调整。结果，可以提供磁场精度高的装置。此外，还具有通过调查可达到的均匀度(17)，可以早期地检测出不良的磁体的特征。
文档编号G01R33/387GK102046083SQ200980116540
公开日2011年5月4日 申请日期2009年5月8日 优先权日2008年5月9日
发明者中山武, 安藤龙弥, 阿部充志 申请人:株式会社日立制作所, 株式会社日立医药
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