JP6173757B2 - MRI equipment - Google Patents
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Description
本発明は、MRI装置に関する。 The present invention relates to an MRI apparatus.
SQUIDセンサを用いたMRI装置として、例えば特許文献1に記載されたものが知られている。この特許文献1に記載されたMRI装置では、感知コイル及びSQUID(Supercоnducting Quantum Interface Device:超伝導量子干渉素子)センサと、これらを適切な温度に冷却するための冷却器と、が用いられている。感知コイルは、被検体からの磁気信号を感知し、SQUIDセンサは、感知コイルで感知された磁気信号に起因する電流を感知する。そして、SQUIDセンサにより感知された電流に基づいて、MRI画像が構築される。 As an MRI apparatus using a SQUID sensor, for example, an apparatus described in Patent Document 1 is known. In the MRI apparatus described in Patent Literature 1, a sensing coil, a SQUID (Superconducting Quantum Interface Device) sensor, and a cooler for cooling them to an appropriate temperature are used. . The sensing coil senses a magnetic signal from the subject, and the SQUID sensor senses a current caused by the magnetic signal sensed by the sensing coil. Then, an MRI image is constructed based on the current sensed by the SQUID sensor.
ところで、通常、MRI装置は1.5T以上の高磁場を有するものが多く、例えば手術中に利用し難い等のため、中低磁場化されたMRI装置が求められる場合がある。この場合、磁場を小さくすると検出コイルの感度が悪くなることから、MRI画像の画質が劣化する。この点、上記従来のMRI装置では、前述のようにSQUIDセンサを用いることにより、画質の維持と中低磁場化との両立を図っている。しかしながら、市販のSQUIDセンサは、いわゆる磁束トラップ(外部の弱い磁場にさらされるとセンサのある場所に磁束がトラップされ、外部に排出されずに残る現象)によって外部の磁場の影響を受けやすいおそれがあり、磁場耐性に改善の余地がある。 By the way, normally, many MRI apparatuses have a high magnetic field of 1.5 T or more. For example, an MRI apparatus with a low magnetic field may be required because it is difficult to use during surgery. In this case, if the magnetic field is reduced, the sensitivity of the detection coil is deteriorated, so that the image quality of the MRI image is deteriorated. In this regard, the conventional MRI apparatus uses the SQUID sensor as described above to achieve both the maintenance of the image quality and the low magnetic field. However, a commercially available SQUID sensor may be easily affected by an external magnetic field due to a so-called magnetic flux trap (a phenomenon in which a magnetic flux is trapped in a place where the sensor is located and exposed without being discharged to the outside). There is room for improvement in magnetic field resistance.
そこで、本発明は、画質を維持しつつ中低磁場化を実現可能であり、かつ、磁場耐性を向上させることができるMRI装置を提供することを課題とする。 Accordingly, it is an object of the present invention to provide an MRI apparatus that can realize a medium-low magnetic field while maintaining image quality and can improve magnetic field resistance.
上記課題を解決するため、本発明に係るMRI装置は、被検体における原子核の核磁気共鳴により放出される核磁気共鳴信号を検出するMRI装置であって、被検体を含む空間に、静磁場を少なくとも発生させる磁場発生手段と、核磁気共鳴信号の検出を行うための非高温超電導SNS型SQUIDセンサと、このセンサを冷却する冷却手段と、を備える。 In order to solve the above problems, an MRI apparatus according to the present invention is an MRI apparatus that detects a nuclear magnetic resonance signal emitted by nuclear magnetic resonance of a nucleus in a subject, and applies a static magnetic field to a space including the subject. It comprises at least a magnetic field generating means for generating, a non-high temperature superconducting SNS SQUID sensor for detecting a nuclear magnetic resonance signal, and a cooling means for cooling the sensor.
本発明のMRI装置では、核磁気共鳴信号の検出のために非高温超電導SNS型SQUIDセンサが用いられる。この非高温超電導SNS型SQUIDセンサは、中低磁場で高感度な性質を有するため、中低磁場においても画質を維持できる。さらに、この非高温超電導SNS型SQUIDセンサにあっては、磁束トラップが発生しにくい性質を有するため、外部の磁場からの影響を受け難くすることができる。したがって、画質を維持しつつ中低磁場化を実現可能であり、かつ、磁場耐性を向上させることができる。 In the MRI apparatus of the present invention, a non-high temperature superconducting SNS SQUID sensor is used for detection of nuclear magnetic resonance signals. Since this non-high temperature superconducting SNS SQUID sensor has a high sensitivity property in a medium and low magnetic field, it can maintain image quality even in a medium and low magnetic field. Furthermore, since this non-high temperature superconducting SNS SQUID sensor has the property that magnetic flux traps are difficult to occur, it can be made less susceptible to the influence of an external magnetic field. Therefore, it is possible to realize a medium and low magnetic field while maintaining the image quality, and to improve the magnetic field resistance.
また、冷却手段は、極低温冷凍機であることが好ましい。このように構成することで、例えば冷却のために液体ヘリウムを用いる必要性を抑制することができる。 The cooling means is preferably a cryogenic refrigerator. With this configuration, it is possible to suppress the necessity of using liquid helium for cooling, for example.
また、MRI装置は、手術中に用いられることが好ましい。このように、本発明では、MRI装置を用いて手術を行うことができる。 The MRI apparatus is preferably used during surgery. Thus, in the present invention, surgery can be performed using the MRI apparatus.
本発明によれば、画質を維持しつつ中低磁場化を実現可能であり、かつ、磁場耐性を向上させることができるMRI装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an MRI apparatus that can realize a medium-low magnetic field while maintaining image quality and can improve magnetic field resistance.
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, the same or equivalent elements will be denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.
まず、一実施形態に係るMRI装置の概略構成について説明する。図1は、一実施形態に係るMRI装置の構成を示す概略模式図である。図1に示すように、MRI装置1は、被検体2が配置される撮像空間5が開放された開放型の構造をなしている。このMRI装置1は、磁場発生手段3と、非高温超電導SNS型SQUIDセンサ6と、極低温冷凍機7と、を備える。
First, a schematic configuration of an MRI apparatus according to an embodiment will be described. FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of an MRI apparatus according to an embodiment. As shown in FIG. 1, the MRI apparatus 1 has an open structure in which an
磁場発生手段3は、撮像空間5を挟んで配置されており、撮像空間5に静磁場を発生させる静磁場磁石、撮像空間5に傾斜磁場を発生させる傾斜場コイル、及び撮像空間5に高周波磁場を発生させる高周波コイル等を少なくとも含んでいる。磁場発生手段3の静磁場磁石は、被検体2の体軸に対し垂直方向に静磁場を発生させる。この静磁場磁石は、主に常伝導磁石又は永久磁石であり、例えば地磁気(50μT)より高くて手術中に使い易い0.2T以下の中低磁場を撮像空間5に発生させる。
The magnetic field generation means 3 is disposed with the
磁場発生手段3の傾斜磁場コイルは、互いに直交する3軸方向のコイル(不図示)によって3軸方向に磁場勾配を生じさせる。この傾斜磁場コイルとしては、例えば開放型の構造を妨げないよう平板状のコイルが用いられている。磁場発生手段3の高周波コイルは、撮像空間5の被検体2に高周波磁場を照射し、水素原子の核スピンをほぼ一様に共鳴励起させる。この高周波コイルとしては、例えば開放型の構造を妨げないよう平板状のコイルが用いられている。
The gradient magnetic field coil of the magnetic field generating means 3 generates a magnetic field gradient in three axial directions by means of coils (not shown) orthogonal to each other. As this gradient magnetic field coil, for example, a flat coil is used so as not to disturb the open structure. The high-frequency coil of the magnetic field generating unit 3 irradiates the subject 2 in the
非高温超電導SNS型SQUIDセンサ6は、被検体2の近傍に配置され、被検体2における原子核の核磁気共鳴信号を検出する。具体的には、被検体2における原子核の核磁気共鳴により放出される核磁気共鳴信号を受信し、電気信号に変換する。非高温超電導SNS型SQUIDセンサ6が検出した信号は、MRI画像の構築に利用され、例えば、電磁遮蔽壁8に覆われているディスプレイ9に被検体2の断層像や三次元画像等として表示される。非高温超電導SNS型SQUIDセンサ6は、9K未満の低温において動作が可能である。なお、非高温超電導SNS型SQUIDセンサ6の詳細については、後述する。
The non-high temperature superconducting SNS
極低温冷凍機7は、非高温超電導SNS型SQUIDセンサ6を冷却するための冷却手段であり、例えばGM(ギフォード・マクマホン)冷凍機等が用いられている。極低温冷凍機7は、圧縮された冷媒ガスを膨張空間に供給して膨張させることによって、4K程度の極低温まで冷却でき、これにより非高温超電導SNS型SQUIDセンサ6を動作可能に冷却する。すなわち、極低温冷凍機7は、液体ヘリウムを用いることなく、冷媒ガスを循環させることにより冷却を行っている。
The cryogenic refrigerator 7 is a cooling means for cooling the non-high temperature superconducting SNS
次に、一実施形態に係るMRI装置が備える非高温超電導SNS型SQUIDセンサ6について、更に詳細に説明する。
Next, the non-high temperature superconducting SNS
非高温超電導SNS型SQUIDセンサ6は、一般的なMRI装置におけるRF検出コイルの代わりに用いられている。図2は、従来のRF検出コイルとSQUIDセンサとの感度を比較するグラフである。図2の横軸は静磁場強度β0(T)を示し、縦軸はSNR(Signal tо Noise Ratiо:信号雑音比)を示している。SNRは、その値が高ければ伝送におけるノイズの影響が小さく、その値が低ければノイズの影響が大きいことを意味する。
The non-high temperature superconducting SNS
図2の曲線aは従来のRF検出コイルを用いた場合の静磁場強度β0に対するSNR値、図2の直線bはSQUIDセンサを用いた場合の静磁場強度β0に対するSNR値を示している。図2の曲線aに示すように、従来のRFコイルを用いた場合には、静磁場強度β0に対しSNRは指数関数的に増加している。この場合、静磁場強度β0とSNRとの関係は、以下の数式(1)で示される。
SNR∝42.6・β0 2 …(1)
すなわち、従来のRFコイルを用いた場合、SNRは静磁場強度β0が小さくなるにつれてその二乗に比例して減少し、静磁場強度β0が中低磁場(ここでは、0.64T以下)の範囲では、高いSNRを得ることが困難とされている。
A curve a in FIG. 2 indicates an SNR value with respect to the static magnetic field intensity β 0 when the conventional RF detection coil is used, and a straight line b in FIG. 2 indicates an SNR value with respect to the static magnetic field intensity β 0 when the SQUID sensor is used. . As shown by the curve a in FIG. 2, when the conventional RF coil is used, the SNR increases exponentially with respect to the static magnetic field strength β 0 . In this case, the relationship between the static magnetic field strength β 0 and the SNR is expressed by the following formula (1).
SNR∝42.6 · β 0 2 (1)
That is, when a conventional RF coil, SNR decreases in proportion to the square as the static magnetic field strength beta 0 decreases (here, 0.64T or less) static magnetic field strength beta 0 is a medium downfield In the range, it is difficult to obtain a high SNR.
一方、図2の直線bに示すように、SQUIDセンサを用いた場合には、静磁場強度β0に対しSNRは直線的に増加している。この場合、静磁場強度β0とSNRとの関係は、以下の数式(2)で示される。
SNR∝β0 …(2)
すなわち、低温SNS型SQUIDセンサを用いた場合、SNRは静磁場強度β0に比例する。よって、SQUIDセンサは、従来のRF検出コイルと比べて、中低磁場の範囲における静磁場強度β0に対するSNRの変化が小さく、当該範囲におけるSNRの値が高い。換言すると、静磁場強度β0が中低磁場の場合には、従来のRF検出コイルよりもSQUIDセンサの方がノイズの影響が小さく、得た画質が高い。
On the other hand, as shown in line b of FIG. 2, in the case of using the SQUID sensor, SNR relative to the static magnetic field strength beta 0 is increased linearly. In this case, the relationship between the static magnetic field strength β 0 and the SNR is expressed by the following formula (2).
SNR∝β 0 (2)
That is, when the low temperature SNS type SQUID sensor is used, the SNR is proportional to the static magnetic field strength β 0 . Therefore, the SQUID sensor has a small change in SNR with respect to the static magnetic field intensity β 0 in the range of medium and low magnetic fields and a high SNR value in the range compared to the conventional RF detection coil. In other words, when the static magnetic field strength β 0 is a medium to low magnetic field, the SQUID sensor is less affected by noise than the conventional RF detection coil, and the obtained image quality is high.
また、ここでは、非高温超電導SNS型SQUIDセンサ6を利用する。この非高温超電導SNS型SQUIDセンサ6は、ジョセフソン接合素子によって構成される。図3は非高温超電導SNS型SQUIDセンサを構成するジョセフソン接合素子を示す斜視図、図4は図3に示すジョセフソン接合素子の縦断面図である。
Here, the non-high temperature superconducting SNS
図3及び図4に示すように、ジョセフソン接合素子10は、矩形膜状の第1の超伝導膜12と、第1の超伝導膜12に対しその長手方向を直交して跨ぐように重ね合わされた矩形膜状の第2の超伝導膜13と、を備えている。第1の超伝導膜12と第2の超伝導膜13とが重なる部分には、これら2つの超伝導膜12,13を互いに電気的に絶縁するための絶縁膜14が設けられている。第2の超伝導膜13は、第1の超伝導膜12を跨ぐことから、第1の超伝導膜12の形状に沿って曲げられている。このため、ジョセフソン接合素子10の縦断面は、凸型をなしている(図4参照)。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
第1の超伝導膜12及び第2の超伝導膜13は、9Kよりも低い温度で超伝導現象を起こす非高温超伝導物質により構成されている。非高温超伝導物質としては、例えば、Nbが挙げられる。第1の超伝導膜12及び第2の超伝導膜13の寸法は、幅が4000nm程度であり、厚さが100nm〜250nmの薄膜である。絶縁膜14は絶縁性を有する物質により構成され、例えばNb2O5等のNbの酸化物が挙げられる。絶縁膜14の厚さは、10nm程度である。ジョセフソン接合素子10は、第1の超伝導膜12、絶縁膜14及び第2の超伝導膜13の順で積層されている。最上位に積層された第2の超伝導膜13には断面円形の有底穴15が設けられている。この有底穴15は、第2の超伝導膜13の面のうち絶縁膜14が設けられている側とは反対側の表面(以下、単に「上面」という)13aから第1の超伝導膜12側へ向かって延びており、絶縁膜14に達する手前において第2の超伝導膜13の内部に底部15aを形成している。ここで、有底穴15の径は20〜200nmであり、有底穴15のアスペクト比(穴の径に対する穴の深さの比)は6以下とされている。
The
絶縁膜14は、上記有底穴15の底部15aから更に所定の深さに位置する部分(有底穴15の底部15aに対向する部分)に、イオンビームの照射によるイオン注入により形成された弱接合部14aを有している。この弱接合部14aは、第1の超伝導膜12及び第2の超伝導膜13の間を導電化し、電子対が通過できるようにしたものである。つまり、2つの超伝導膜12,13の間における弱接合部14aにおいて、超伝導電子対のトンネル効果が発揮される。注入されているイオンとしては、Nb、Au、Cu、Al、P、N等のイオンが挙げられる。
The insulating
ここで、上述したように、本実施形態に係る非高温超電導SNS型SQUIDセンサ6を構成するジョセフソン接合素子10は、低温SNS型の接合とされている。低温とは、液体窒素で冷却できる温度(77K)未満をいう。SNS型とは、二つの超伝導(S)の電極に挟まれた接合層が導電性(N)を有する接合種類である。
Here, as described above, the
SNS型の接合の場合、接合部分が導電性を有しているため、当該接合部分の電気抵抗率ρの値は非常に小さい。よって、SNS型の接合の場合、数式(3)に示すように、理論的には電気抵抗Rをほとんど有していない。しかし、電気抵抗Rが小さすぎると電圧の測定ができなくなり実用性に乏しい。
R=ρ・(L/S)…(3)
ただし、R:電気抵抗[Ω]、ρ:電気抵抗率[Ω・m]、L:物体の長さ[m]、S:物体の断面積[m2]
In the case of an SNS type junction, since the junction portion has conductivity, the value of the electrical resistivity ρ of the junction portion is very small. Therefore, in the case of an SNS type junction, theoretically, it has almost no electrical resistance R as shown in Equation (3). However, if the electric resistance R is too small, the voltage cannot be measured and the practicality is poor.
R = ρ · (L / S) (3)
Where R: electrical resistance [Ω], ρ: electrical resistivity [Ω · m], L: object length [m], S: object cross-sectional area [m 2 ]
そこで、非高温超電導SNS型SQUIDセンサ6としてのジョセフソン接合素子10にあっては、前述のようにイオン注入によって接合部分を形成することにより、当該接合部分の断面積Sを小さくしている。すなわち、接合部分の断面積Sを小さくすることで、一定の電気抵抗Rを持たせている(数式(3)参照)。これにより、実用可能な非高温超電導SNS型SQUIDセンサ6を実現している。
Therefore, in the
以上、本実施形態のMRI装置1によれば、核磁気共鳴信号の検出のために非高温超電導SNS型SQUIDセンサ6が用いられる。この非高温超電導SNS型SQUIDセンサ6は、従来のRF検出コイルと比較して中低磁場で高感度な性質を有するため、中低磁場においても画質を維持できる。さらに、非高温超電導SNS型SQUIDセンサ6にあっては、接合の断面及び周りの面積が小さく、かつ、高温超電導材料に比べ結晶欠陥が少なく均一性の高いものとなっており、すなわち、磁束トラップが発生しにくい性質を有するジョセフソン接合素子10により構成されている。このため、外部の磁場からの影響を受け難くすることができる。したがって、画質を維持しつつ中低磁場化を実現可能であり、かつ、磁場耐性を向上させることができる。
As described above, according to the MRI apparatus 1 of the present embodiment, the non-high temperature superconducting
また、本実施形態は、上述したように、冷却手段として極低温冷凍機7を備えている。この極低温冷凍機7は、冷媒ガスを循環させているため、例えば冷却のために液体ヘリウムを用いる必要性を抑制することができる。よって、液体ヘリウムを維持するためのコストを減らし、低コスト化を図ることができる。 Further, as described above, this embodiment includes the cryogenic refrigerator 7 as a cooling means. Since the cryogenic refrigerator 7 circulates the refrigerant gas, it is possible to suppress the necessity of using liquid helium for cooling, for example. Therefore, the cost for maintaining liquid helium can be reduced and the cost can be reduced.
また、本実施形態に係るMRI装置1は、手術中に用いることにより、上記作用効果を好適に発揮することができる。具体的には、高磁場のMRI装置を手術中に用いると、医療器具等が磁力によって強く引っ張られる等の悪影響が生じ得る。これに対し、本実施形態に係るMRI装置1は、非高温超電導SNS型SQUIDセンサ6を用いているため、地磁気(50μT)より高くて手術中に使い易い0.2T以下の磁場範囲として、好適に利用可能となる。よって、高磁場のMRI装置を用いた場合に想定される悪影響を抑制し、安全に手術を行うことができる。
Moreover, the MRI apparatus 1 according to the present embodiment can exert the above-described effects effectively when used during surgery. Specifically, when a high magnetic field MRI apparatus is used during surgery, adverse effects such as a medical instrument being strongly pulled by a magnetic force may occur. On the other hand, since the MRI apparatus 1 according to the present embodiment uses the non-high temperature superconducting SNS
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。 As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, It changed within the range which does not change the summary described in each claim, or applied to the other thing It may be a thing.
例えば、上記実施形態では、開放型のMRI装置1としたが、これに限られず、閉鎖型のMRI装置としてもよい。また、必要に応じて、磁場発生手段3の冷却にも極低温冷凍機7を用いる構成としてもよい。 For example, in the above embodiment, the open type MRI apparatus 1 is used. However, the present invention is not limited to this, and a closed type MRI apparatus may be used. Moreover, it is good also as a structure which uses the cryogenic refrigerator 7 for cooling of the magnetic field generation means 3 as needed.
また、上記実施形態のジョセフソン接合素子10は、図3及び図4に示すような積層構造に限られない。例えば、第1の超伝導膜12、絶縁膜14及び第2の超伝導膜13がこれらの積層方向から見たときに同一形状となるように単純に積層されていてもよい。また、ジョセフソン接合素子10の有底穴15が積層部分の中央部に設けられていなくてもよく、例えば、有底穴15は、積層部分の中央部からずれた位置に設けられていてもよい。
Further, the
また、非高温超電導SNS型SQUIDセンサ6に含まれる非高温超伝導物質としては、Nbに限られず、77Kよりも遥かに低い温度で超伝導現象を起こす限り、その他の金属又はNbN等であってもよい。
Further, the non-high temperature superconducting material included in the non-high temperature superconducting SNS
1…MRI装置、2…被検体、3…磁場発生手段、6…非高温超電導SNS型SQUIDセンサ、7…極低温冷凍機(冷却手段)。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... MRI apparatus, 2 ... Subject, 3 ... Magnetic field generation means, 6 ... Non-high temperature superconducting SNS type SQUID sensor, 7 ... Cryogenic refrigerator (cooling means).
Claims (1)
前記被検体を含む空間に、静磁場を少なくとも発生させる磁場発生手段と、
前記核磁気共鳴信号の検出を行うための非高温超電導SNS型SQUIDセンサと、
前記非高温超電導SNS型SQUIDセンサを冷却する冷却手段と、を備える、MRI装置。 An MRI apparatus for detecting a nuclear magnetic resonance signal emitted by nuclear magnetic resonance of a nucleus in a subject,
Magnetic field generating means for generating at least a static magnetic field in a space including the subject;
A non-high temperature superconducting SNS SQUID sensor for detecting the nuclear magnetic resonance signal;
And a cooling means for cooling the non-high temperature superconducting SNS type SQUID sensor.
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