JP2001218751A - 磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】開放型の超電導磁石を採用したMRI装置におい
て、ヘリウム冷凍機による機械的振動による磁場変動を
排除して、均一で時間的に安定な磁場を有するMRI装置
を提供する。 【解決手段】ヘリウム冷凍機20の圧縮機21の動作信号を
補正磁場電源13に入力して、ヘリウム冷凍機20の機械振
動と同期した電流を発生する。補正磁場電源が発生する
電流は、静磁場発生磁石2に組込まれた補正磁場コイル1
4を駆動して、ヘリウム冷凍機20の機械振動による磁場
変動と振幅が等しく、かつ、位相が正反対の補正磁場を
発生する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は磁気共鳴イメージン
グ(以下MRIと称する)装置に係わり、特に、被検者に圧
迫感を与えない開放型の超電導磁石を採用し、かつ、そ
の検査空間の磁場安定度を改善したMRI装置と手法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】核磁気共鳴（NMR）現象を利用して人体
の断層画像を得るMRIは広く医療機関で利用されてい
る。このMRIは正確に被検体の検査部位の内部構造を反
映する必要から、検査部位を含む空間に均一な磁場強度
を発生する磁石を必要としている。原理的に、均一な磁
場空間は無限長のソレノイドコイル内で得られることか
ら、MRI装置に用いられる磁石の多くは細長い筒状のソ
レノイドコイルと磁場均一度を改善するシム機構が組込
まれた構造となっている。

【０００３】細長い空間に被検者を配設する磁石構造の
MRI装置は被検者に対して圧迫感を与えるので閉所恐怖
症者や小児の検査に対しては適当ではなかった。そこ
で、比較的発生磁場の低い磁石において、その側面に開
口部を設けたり、磁石前面の被検者搬入部を広くした磁
石構造を採用したMRI装置が開発され近年普及してい
る。

【０００４】開放型構造の磁石で、その発生磁場強度を
向上する技術として、従来の永久磁石や常電導コイルを
用いたものから、超電導コイルを組込んだ磁石の開発が
進められている。これに関連した技術として、特開平10
-179546号公報、特開平11-155831号公報や特開平11-197
132号公報がある。

【０００５】上述の超電導コイルを組込んだ開放型磁石
の発生磁場強度は1.0テスラを達成することが可能であ
る。これは従来の永久磁石や常電導コイルを用いた磁石
の5倍の磁場強度である。この結果、NMR信号強度も磁場
強度比とほほ同じ 5倍の値が得られ、リアルタイム計測
で十分な画質を確保することができた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、超電導コイル
を配置したクライオを開放的な構造とすることで、クラ
イオが振動に影響を受けやすい問題が発生した。即ち、
開放型の超電導磁石では、被検者が配設される空間を挟
んで二つに分割したクライオ(それぞれに超電導コイル
が封じ込められている)を配置した構造のため、それぞ
れのクライオの振動に差異を生じることになる。この振
動の差異が、その発生磁場を変化させる。

【０００７】クライオを振動させる原因には、磁石を設
置した建屋からの振動とパルス駆動する傾斜磁場発生手
段やへリウム冷凍機などの装置自身の振動があり、例え
ばへリウム冷凍機では所定の動作周期で圧縮機から又圧
縮機へヘリウムが移動するため、この動作周期に対応し
た一定の周期の振動が発生する。このような周期的な振
動は画像に擬像を生じ、画質に与える影響が大きい。

【０００８】即ち、規則正しい間隔(1/ω)で振動した場
合は、計測されたNMR信号が振動周波数ωで変調され
る。変調された信号を画像やスペクトルに変換処理する
と、本来の画像とは別にω毎にシフトした位置に擬像が
現出したり、本来のスペクトルの両脇に側帯波として擬
似ピークが出現する。磁場変動は微少であっても、変動
が規則正しいことにより、明確に擬像や擬似ピークとし
て現われる。

【０００９】この周期的な振動はクライオにへリウム冷
凍機を取付けた場合に発生する。これを防止するため
に、米国特許公報5,363,077号に記載されているよう
に、ヘリウム冷凍機の振動がクライオ内に伝わらないよ
うに機械的なたわみ構造材(ベローズ)を挿入することも
試みられている。

【００１０】また米国特許公報5,952,734号に記載され
ているように、誤差磁場を検出するセンサーを組込み、
センサーの信号の誤差成分がゼロになるようフィードバ
ック・ループ制御を組込んだMRI装置も提案されてい
る。

【００１１】しかし、ヘリウム冷凍機の機械振動の変位
振動は、たわみ構造材(ベローズ)で大幅に除去できる
が、慣性による力変位に対しては効果がない。また、磁
場センサーには本来MRI検査に用いる傾斜磁場のパルス
動作や高周波磁場による信号が誘起することにより、ヘ
リウム冷凍機の機械振動による微弱な磁場(0.05ppm程
度)を検出することが困難であった。

【００１２】本発明は上記観点に鑑みてなされたもの
で、特に開放型の高磁場MRI装置の振動による磁場変化
を防止して、得られる検査結果の信頼性を向上するMRI
装置を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明のMRI装置は、一定の磁場強度を発生する静磁場発生
手段と、磁場強度勾配を発生する傾斜磁場発生手段と、
高周波磁場を発生する手段と、被検体から発生する核磁
気共鳴信号を検出する手段と、前記核磁気共鳴信号を処
理し、その結果を表示する手段とを備えたMRI装置であ
って、前記静磁場発生手段は振動による磁場変動を補正
する磁場補正手段を備え、前記磁場補正手段は前記振動
の周波数に対応する周波数の補正磁場を発生する手段を
備えている。

【００１４】振動の周波数に対応する周波数の補正磁場
を発生することにより、磁場変動自体を検出しなくて
も、周期的振動に起因する磁場変動を効果的にキャンセ
ルすることができる。これにより振動による擬像や擬似
ピークの発生をなくすことができる。

【００１５】本発明のMRI装置において、具体的には磁
場補正手段は、補正磁場を発生する磁場発生コイルと、
磁場発生コイルに駆動する電源とを備え、電源は振動の
発生源の動作信号を入力し、その信号に基づき前記磁場
発生コイルを駆動する。

【００１６】また本発明のMRI装置の一態様において、
静磁場発生手段は、静磁場を発生する超電導コイルと、
超電導コイルを組込む冷凍機付のクライオを有し、補正
磁場発生手段は、冷凍機の発生する振動によって生じる
磁場変動を補正する。

【００１７】この態様のMRI装置によれば、冷凍機駆動
の動作信号を直接、冷凍機の駆動源から取り出し、それ
を補正磁場発生手段に与えることにより、振動の周波数
に対応する周波数の補正磁場を発生し、冷凍機の発生す
る振動に起因する磁場変動をキャンセルすることができ
る。

【００１８】本発明のMRI装置は、静磁場発生手段とし
て、被検者の配設空間を挟んで、少なくとも一対からな
る超電導コイルを配する構造を備えたものに、好適に適
用することができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施例につ
いて図面を参照して説明する。図1は本発明を適用したM
RI装置の全体構成図である。このMRI装置は被検体1が置
かれる空間を挟むように配置された静磁場発生磁石2
と、この静磁場発生磁石2の内側にそれぞれ配置された
傾斜磁場コイル3と、さらにその内側に配置された高周
波コイル5と、被検体1から発生するNMR信号を検出する
検出コイル7とを備えている。さらに各コイルの動作タ
イミングを制御するシーケンサ9と装置の制御を行うと
ともにNMR信号を処理し画像やスペクトルとする計算機1
0を備えている。

【００２０】静磁場発生磁石2は、図示する実施例では
超電導コイルを収めた上部クライオ16と下部クライオ17
と、上部クライオ16と下部クライオ17を連結するクライ
オ連結管18から構成され、被検体1の周りにその体軸と
直交する方向に均一な静磁場を発生させる。その静磁場
の磁束の方向は矢印19に示すように床から天井に向って
おり、その磁場均一度は被検体1が配設される球空間で
例えば約5ppm以下になるように調整されている。この磁
場均一度の調整は、本実施例のMRI装置では上部クライ
オ16と下部クライオ17の表面に複数の磁性体小片(図で
は記載されていない)を貼り付けるパッシブシミング方
式が用られている。補正磁場コイルに電流を流して、不
均一を解消するアクティブシミング方式も採用すること
が可能である。

【００２１】更に、液体ヘリウムの蒸発量を低減するた
め、上部クライオ16にはへリウム冷凍機20が組込まれい
る。冷凍機20は、ヘリウムガスを供給する圧縮機21と高
圧パイプ22で接続されている。

【００２２】傾斜磁場コイル3は、互いに直交するx、
y、zの3軸方向に磁束密度を変化させるように巻かれた3
組の傾斜磁場コイル3からなり、それぞれ傾斜磁場電源4
に接続され、傾斜磁場発生手段を構成する。シーケンサ
9からの制御信号に従って傾斜磁場電源4を駆動して傾斜
磁場コイル3に流れる電流値を変化させることにより3軸
からなる傾斜磁場Gx、Gy、Gz を被検体1に印加するよう
になっている。この傾斜磁場は、被検体1の検査部位か
ら得られるNMR信号の空間的な分布を把握するのに用い
られる。

【００２３】高周波コイル5は、高周波コイル5に高周波
電流を流すための高周波電力アンプ6に接続され、被検
体1の検査部位の原子核(通常、水素原子核が用いられて
いる)を共鳴励起するための高周波磁場を発生する。高
周波電力アンプ6もシーケンサ9の制御信号で制御されて
いる。

【００２４】検出コイル7は受信器8に接続されており、
被検体１が発生するNMR信号を検出する手段を構成す
る。受信器8は検出コイル7で検出したNMR信号を増幅・
検波するとともに、計算機10による処理が可能なディジ
タル信号に変換する。受信器8もシーケンサ9でその動作
タイミングが制御されている。計算機10はディジタルに
変換されたNMR信号を用いて画像再構成、スペクトル計
算等の演算を行うとともに、シーケンサ9を介してMRI装
置の各ユニットの動作を定められたタイミングで制御す
る。計算機10とデータを記憶する記憶装置11と処理後の
データを表示するディスプレイ装置12とで演算処理系が
構成される。

【００２５】さらにこのMRI装置は、上述した各要素に
加え、静磁場発生磁石2の発生する磁場強度を維持する
ための磁場補正系が設けられている。磁場補正系は磁場
強度の変化（磁場変動）に対応した補正電流を出力する
磁場補正電源13と、その出力電流を流して補正磁場(付
加的磁場)を発生する補正磁場コイル14とからなる。こ
の実施例では磁場変動として上部クライオ16に組込まれ
たへリウム冷凍機20の振動に伴う周期的磁場変動を補正
するように構成されている。このため、補正磁場電源13
はへリウム冷凍機20に圧縮ヘリウムを供給する駆動する
圧縮機21と信号ケーブル15で接続されている。これによ
り圧縮機21からの動作信号を取り出し、補正磁場コイル
14の駆動に利用する。また補正磁場電源13はシーケンサ
9を介して計算機10に接続されており、その動作が制御
される。計算機10は検査と同期して補正磁場を発生する
ように補正磁場電源13の駆動の開始・終了を制御する。

【００２６】図2に図1で用いられている静磁場発生磁石
2の内部構造を示す。上部クライオ16と下部クライオ17
はクライオ連結管18で接続されている。上部クライオ1
6、下部クライオ17とクライオ連結管18の内部には連続
したアルミニウム板で構成された熱シールドケース23と
連続したアルミニウム板で構成されたへリウム槽24が組
込まれている。ヘリウム槽24内には上部超電導コイル25
と下部超電導コイル26が配置されている。図では一対の
コイルの場合を示したが、磁場均一度を向上するため複
数のコイル対が組込まれる場合もある。ヘリウム槽24内
は上部超電導コイル25と下部超電導コイル26の超電導状
態を維持するため、4.2kの温度の液体ヘリウム27が満た
されている。

【００２７】上部クライオ16にはへリウム冷凍機20が取
付けられている。ヘリウム冷凍機20は多段のステージか
らなる。図示する例では第1ステージ28及び第2ステージ
29からなり、第1ステージ28が熱シールドケース23と、
第2ステージ29がへリウム槽24とそれぞれ熱接触してい
る。一方、ヘリウム冷凍機20には圧縮機21より圧縮され
たへリウムガスが高圧パイプ22を経て供給され、断熱膨
張後再び圧縮機21に戻る動作が例えば1秒周期で繰返さ
れる。これにより、ヘリウム冷凍機20の第1ステージ28
と熱シールドケース23は50Kの温度に、第2ステージ29と
へリウム槽24は4.2kに冷却される。この結果、ヘリウム
槽24内の液体ヘリウム 27の蒸発量をほぼゼロで維持す
ることができる。

【００２８】この高圧縮ヘリウムガスの移動により、ヘ
リウム冷凍機20内の圧力は圧縮機の動作周期、即ち1秒
周期で変化し、第1ステージ28と熱シールドケース23の
熱接触部位および第2ステージ29とへリウム槽24の熱接
触部位で振動運動が発生する。この振動により、被検者
1を配設する空間30で発生する磁場は図3に示すように1
秒周期で規則正しく変化する。

【００２９】磁場補正系は、このような変動磁場をキャ
ンセルする磁場、即ち大きさが同じで位相が逆である磁
場を発生する。このため前述のように補正磁場電源は、
振動の発生原因である圧縮機21の動作信号を取り込み、
これを用いて補正磁場コイル14を駆動する。

【００３０】補正磁場電源回路の一例を図４に示す。図
示するように補正磁場電源回路は、圧縮機21からの動作
信号S1を入力する端子41、信号S1の位相をシフトするた
めの位相回路42、矩形波である動作信号S1を正弦波形に
成形する波形成形回路43、波形成形回路43からの信号の
振幅を適切な振幅に調整するための振幅制御回路44、振
幅制御回路44からの信号レベルに対応した定電流を発生
する定電流回路45、及びシーケンサ９からの制御信号を
入力し、各回路を制御する制御回路46を備えている。定
電流回路45が発生する電流は出力端子47を介して補正磁
場コイル14に印加される。

【００３１】位相回路42は、信号S1の位相を180°シフ
トし、圧縮機21からの信号S1と逆位相の信号を発生す
る。振幅制御回路44は、振動によって生じる磁場と同じ
大きさの磁場を補正磁場コイル14が発生するように信号
の振幅を調整する。振幅の調整は、例えば、予め調整用
の均一な物質(ファントム)を用いて画像を計測し、その
画像の擬像が目視判定で最少になるように振幅制御回路
44の調整をしておくことにより実現できる。通常、ヘリ
ウム冷凍機20の振動は被験者毎に変化することがないの
で、装置の初期設定時にこのような調整を行っておくこ
とができ、簡便である。振幅調整法としてはさらに検査
毎に精度の高い調整を行うことも可能である。これにつ
いては後述する。

【００３２】制御回路46は、各回路に制御信号を送り、
補正磁場電源が、検査を行っているときに動作するよう
に制御する。また位相回路42、波形成形回路43、振幅制
御回路44は、実際の検査によって得た画像やスペクトル
信号の誤差成分を判定しながら調整することが可能であ
る。この場合、制御回路46には動作制御信号による制御
の他、これら自動調整に必要な制御を行う機能をもたせ
ることも可能である。

【００３３】補正磁場コイル14は、図１に示すような上
下に一対の超電導コイルを配置した構造のMRI装置の場
合、図３に示す磁場変動は静磁場の方向（Z方向）であ
るので、Z方向の線形磁場を発生するコイルが用いられ
る。図１に示す実施例では、上下一対のクライオに対応
して一対の補正磁場コイル14が配置されているが、補正
磁場コイルは一方、例えば上部クライオ16のみに設けら
れていてもよい。

【００３４】次にこのような構成の補正磁場電源の動作
を説明する。まず検査が開始されるとシーケンサ９から
の信号によって制御回路46が動作し、補正磁場電源をス
タートさせる。これにより補正磁場電源は、圧縮機21か
らその動作に同期した動作信号S1を入力し、位相回路42
でその位相を反転した後、波形成形し正弦波にする。こ
の正弦波の振幅値を予め設定された所定値に変換した
後、定電流に変換して出力端子47を介して電流を一対の
補正磁場コイル14に流す。これによって補正磁場コイル
14には周期的に磁場の強度が反転する磁場が発生する。
この磁場の変動の周波数は圧縮機21の動作信号S1の周波
数と同じであり、位相は逆転している。また最大磁場強
度は図３に示す変動磁場の振幅と同じになるように調整
されている。即ち、補正磁場コイル14は図３に示す変動
磁場を打ち消すような補正磁場を発生する。その結果、
静磁場発生磁石2の磁場の変動分は図５に示すグラフの
ようにヘリウム冷凍機20の振動の影響が除去される。

【００３５】このような補正磁場の発生は、検査が行わ
れている間、継続し、検査が終了するとシーケンサ９か
らの制御信号により補正磁場発生電源は非駆動となる。
このようにして得られるMR画像は、静磁場発生磁石２
（クライオ）の振動による磁場変動が補正されているの
で、振動に伴う擬像や擬似ピークのない画質の改善され
た画像となる。

【００３６】次に補正磁場発生電源の振幅調整の他の方
法を図６を参照して説明する。この方法では、振幅調整
回路44において、変動磁場を打ち消す磁場を発生させる
のに適切な振幅を、検査毎に自動的に設定する。

【００３７】まず図６のフローチャートに示すように、
振幅制御回路44には初期値としてAが設定されている(ス
テップ61)。この値は、例えば前述したようにファント
ムを用いた計測によって経験的に求めたものを用いるこ
とができる。補正磁場発生電源は、振幅制御回路44の設
定値の「A」に対応した電流を定電流回路45より補正磁
場コイル14に供給する。この状態で、調整のための撮像
シーケンスを開始する。このシーケンスは静磁場不均一
の影響を受けにくいシーケンスが好ましく、例えば図７
に示すようなスピンエコー型のシーケンスを用いること
ができる。

【００３８】即ち、スライス傾斜磁場71を印加した状態
でπ/2高周波磁界パルス72を被検体1に加える。これに
より、被検体1の特定部位(通常は磁石の中心部位)の核
スピンを励起する。τ時間経過した時点で、スライス傾
斜磁場73を印加した状態でπ高周波磁界パルス74を被検
体1に加える。これにより、先に励起された核スピンを
反転させることになり、τ時間経過した時点で、スピン
エコー信号75として検出される。信号の検出は例えば、
256点のサンプリングデータとして、計算機10に記録さ
れる。繰返し時間TR後に同様にしてスピンエコー信号76
を検出する（62）。

【００３９】図７の計測を例えば256回繰返すことによ
り、図８Ａに示す256×256マトリクスデータが計算機10
のメモリーに記録される。このデータをフーリエ変換等
の処理を行って図８Ｂに示す位相マトリクス図を得る
(ステップ63)。

【００４０】この位相マトリクス図の中心線81上の位相
値82は、静磁場強度の変化が皆無であれば、すべてのス
ピンエコー信号75、76、………について全く同じ値の信
号が得られることになり、その位相値82も同じ値とな
る。ここで磁場の変動があると、位相値も変動する。変
動が周期的な変動であれば、同図に拡大して示すよう
に、位相値も周期的に変動する。

【００４１】そこで計算機10は、すべての信号について
各位相値の平均からのずれ（変化量）を計算し、この変
化量が所定値以下であるかを判定する(ステップ64)。所
定値は、画像にした場合に擬像が問題とならない範囲で
あり、例えば±3度とする。

【００４２】この判定によって位相値82の変化量が±3
度以下であった場合は、振幅制御回路44の調整法は終了
する(ステップ65)。一方、位相値82の変化量が±3度以
上であった場合は、ステップ61に戻り、振幅制御回路44
の設定値を「A+ΔA」に変更して再び調整を行う。この
ように微調整を繰り返すことにより最終的に位相の変化
量を±3度以内に収斂させることができる。通常は、位
相と振幅制御回路44の調整値「A」との関係が予め調べ
られていることから、2回の調整でほぼ±3度以内に収斂
させることが可能である。

【００４３】この調整法は予め計算機10のプログラムに
組込むことができるので、実際の検査において自動的に
かつ高精度に調整することができる。以上、ヘリウム圧
縮機による周期振動を補正する磁場補正系を備えたMRI
装置について説明した。

【００４４】本実施例によれば、検査に伴なう傾斜磁場
や高周波磁場の変化に影響されることなく、へリウム冷
凍機による振動周期を正確に補正磁場に同期させること
ができる。また補正磁場電源13の動作をシーケンサ9を
介して計算機10の制御信号で制御するように構成してい
るので、MRI検査時のみ補正磁場を発生することができ
る。さらに、これらの調整を計算機により自動調整する
ことも可能であり、常に安定した検査磁場を提供するこ
とができる。

【００４５】尚、以上の実施例では周期的振動としてヘ
リウム冷凍機の圧縮機の振動を例に説明したが、本発明
のMRI装置はこのような装置自体が発生する周期的振動
のみならず、MRI装置が設置される建屋に置かれた他の
装置等において生じる振動であってMRI装置の静磁場に
磁場変動を与えるような振動に対し有効である。

【００４６】また、上下に静磁場発生磁石を配置した構
造のMRI装置に限定されず、例えば被検体の体軸方向左
右に静磁場発生磁石を配置した構造のものにも適用する
ことができる。

【００４７】

【発明の効果】本発明によれば、開放型で高磁場を発生
する磁石を用いたMRI装置で、振動に影響されることな
く安定な磁場強度を被験者の配設空間に発生することが
できる。これにより、精度の高い検査結果を得ることが
できる。

【００４８】また本発明によれば、振動やそれによる磁
場変動を検出するための機構が不要であり、またそのよ
うな機構による検出誤差の影響を受けることなく振動に
よる磁場変動補正を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用されるMRI装置の全体構成を示す
図。

【図２】図1の静磁場発生磁石の内部構造図。

【図３】磁場強度の時間変化を示す図。

【図４】磁場補正電源の詳細図。

【図５】補正後の磁場強度の時間変化を示す図。

【図６】補正磁場の振幅調整法の一実施例を示すフロー
図。

【図７】補正磁場の振幅自動調整に用いるパルスシーケ
ンスの一例を示す図。

【図８】補正磁場の振幅調整を説明する図。

【符号の説明】

1……被検体 2……静磁場発生磁石 3……傾斜磁場コイル 5……高周波コイル 7……検出コイル 9……シーケンサ 10……計算機 13……補正磁場電源 14……補正磁場コイル 20……ヘリウム冷凍機 21……圧縮機

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一定の磁場強度を発生する静磁場発生手段
   と、磁場強度勾配を発生する傾斜磁場発生手段と、高周
   波磁場を発生する手段と、被検体から発生する核磁気共
   鳴信号を検出する手段と、前記核磁気共鳴信号を処理
   し、その結果を表示する手段とを備えた磁気共鳴イメー
   ジング装置において、 前記静磁場発生手段は振動による磁場変動を補正する磁
   場補正手段を備え、前記磁場補正手段は前記振動の周波
   数に対応する周波数の補正磁場を発生する手段を備えた
   ことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
2. 【請求項２】前記磁場補正手段は、補正磁場を発生する
   磁場発生コイルと、前記磁場発生コイルに駆動する電源
   とを備え、前記電源は前記振動の発生源の動作信号を入
   力し、その信号に基づき前記磁場発生コイルを駆動する
   ことを特徴とする請求項１記載の磁気共鳴イメージング
   装置。
3. 【請求項３】前記静磁場発生手段は、静磁場を発生する
   超電導コイルと、前記超電導コイルを組込む冷凍機付の
   クライオを有し、前記振動は、前記冷凍機の発生する振
   動であることを特徴とする請求項１または２に記載の磁
   気共鳴イメージング装置。
4. 【請求項４】前記静磁場発生手段は被検者の配設空間を
   挟んで、少なくとも一対からなる超電導コイルを配する
   構造を備えたことを特徴とする請求項３記載の磁気共鳴
   イメージング装置。