JP2002291717A - 磁場発生装置およびそれを備えた磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】傾斜磁場コイルの径をできるだけ大きく保ちな
がら、磁場発生装置の小型化を図り、且つ空隙間隔を十
分に大きくとることが可能な磁場発生装置を提供する。
被検体へのアクセス性に優れ、且つ診断に有効な高品質
画像を得ることができるMRI装置を提供することを目的
とする。 【解決手段】磁極４aをベース部８とリング部７に分離
し、それらの間に傾斜磁場コイル６aを挿入する構成を
とる。これにより磁極の外径は、傾斜磁場コイルの外径
Ｒまで縮小することが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、均一性の良好な磁
場を発生させる磁場発生装置に関し、特に核磁気共鳴
（以下、NMRという）現象を利用して物体の画像を得る
核磁気共鳴イメージング（以下、MRIという）装置に適
した磁場発生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】MRIは、均一な磁場に置かれた被検体に
高周波磁場を印加し、その際被検体の組織を構成する原
子の原子核から発生するNMR信号を検出して、被検体の
断層像を得るというものであり、NMR信号に位置情報を
付加するために、傾斜磁場が利用される。このためMRI
装置は、磁場発生装置として、均一な磁場を発生する静
磁場磁石と傾斜磁場磁石を組合わせたものを用いる。

【０００３】図１４は、典型的なMRI装置の対向型磁場
発生装置を示すものである。この磁場発生装置は、空間
６を挟んで配置された一対のバックプレート１a，１b
と、バックプレート１a，１bを接続するヨーク２と、バ
ックプレート１a，１bにそれぞれ固定された一対の磁石
３および磁極４a，４bと、磁極４a，４bに固定された傾
斜磁場コイル５a，５bから構成されている。磁石３に
は、永久磁石、常電導コイル、超電導コイル等が用いら
れるが、図1４ではコイル３を使用した場合を示してい
る。磁石３より発生した磁力線は、磁極４b→空隙６→
磁極４a→バックプレート１a→左右のヨーク２→バック
プレート１ｂ→磁極４bへと至る回路を形成する。これ
により、磁極間の空隙６に均一な磁場が得られる。

【０００４】磁極４a，４bには、空隙６に発生する磁場
の均一性を得るため、外周部に環状突起（リング部）7
が設けられており、このリング部7の内側の凹部９に、
傾斜磁場コイル５a，５bが固定される。傾斜磁場コイル
５a，５bは、磁石３によって形成された磁場に、Ｘ，
Ｙ，Ｚ軸各方向の磁場強度変化を与え、空隙６に勾配磁
場を形成する。この傾斜磁場によってMR画像の位置情報
が得られる。

【０００５】このような磁場発生装置を用いたMRI装置
では、検査の操作性や患者へのアクセス性を向上するた
めに、被検体が置かれる空間、即ち磁場発生装置の磁場
発生空間は広いことが望ましい。このためには、磁場発
生装置の外径をできるだけ小さく抑えて、且つ磁極間の
距離を大きくすることが望ましいが、磁極間の距離を広
げると、漏洩磁場が大きくなり、また磁場の高い均一性
を保つために起磁力が増大する。

【０００６】これによって、更に、磁気回路が大きくな
り、磁場発生装置の重量が増す、超電導コイルの場合に
は、寒剤の蒸発量が増え、冷凍機の負担が大きくなる、
などの二次的な問題が生じる。

【０００７】これに対し、従来の磁場発生装置では、図
１５にその詳細を示すように磁極の凹部９に傾斜磁場コ
イルを収納するという配置を採用することにより、空隙
部分を有効に使い、装置の小型化を図っている（特開平
O9−56692号公報、特開平O9−313458号公報、米国特許5
864275号など）。

【０００８】しかしながら、傾斜磁場コイルの特性とし
て、空隙に線形性の良好な傾斜磁場を発生するために
は、傾斜磁場コイルの外径は大きいほどよく、前述した
従来の方法では、磁場発生装置の小径化に伴い、磁極の
外径が小さくなると、リング部7に内の凹部９に傾斜磁
場コイル５を収納できなくなるという問題がある。従っ
て、所望の特性が得られる傾斜磁場コイルを使用するた
めには、磁場発生装置の小型化に限界があった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は、傾斜
磁場コイルの径をできるだけ大きく保ちながら、磁場発
生装置の小型化を図ることができ、且つ空隙間隔を十分
に大きくとることが可能な磁場発生装置を提供すること
を目的とする。また本発明は、小型でありながら、漏洩
磁場が極力抑えられ、且つ優れた傾斜磁場特性を有する
磁場発生装置を提供することを目的とする。さらに本発
明は、このような磁場発生装置を採用することにより、
被検体への圧迫感を低減し、被検体へのアクセス性に優
れ、且つ診断に有効な高品質画像を得ることができるMR
I装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の磁場発生装置は、所定の空間に均一な磁場を発生す
る磁場発生源と、前記磁場発生源が発生する磁場の均一
性を補正する磁極と、前記磁極に固定された傾斜磁場発
生手段とを備えた磁場発生装置において、前記磁極は、
平板状の第１の部材と、環状の第２の部材とを有し、前
記第１の部材と前記第２の部材との間に前記傾斜磁場発
生手段を固定するようにしたものである。典型的には、
前記磁場発生源、磁極および傾斜磁場発生手段は、それ
ぞれ前記空間を挟んで一対備えられる。

【００１１】この磁場発生装置によれば、傾斜磁場発生
手段を固定する磁極（第１の部材）と、漏洩磁場を防止
し、均一な磁場を形成するための環状の磁極（第２の部
材）とを別部材とし、それらの間に傾斜磁場発生手段を
固定したことにより、環状の磁極の大きさによって制限
されることなく、所望の特性を得るに必要な径の傾斜磁
場発生手段を設けることができる。これにより磁極およ
びそれに付随する構成要素の小型化を実現でき、且つ良
好な線形磁場特性を得ることができる。また一対の傾斜
磁場発生手段間の距離は、従来のリング部内の凹部に収
納する場合と同様に保つことができるので、被検体への
良好なアクセス性が得られる。

【００１２】また本発明のMRI装置は、被検体が置かれ
る空間に静磁場および傾斜磁場を発生する磁場発生手段
と、前記磁場発生手段の内部の空間に設置され、前記被
検体の組織を構成する原子の原子核にNMRを起こさせる
高周波磁場を発生するとともに前記原子核からの応答の
NMR信号を検出する高周波コイルと、検出したNMR信号を
用いて前記被検体の画像を再構成し、表示する画像再構
成手段とを備えたMRI装置において、磁場発生手段とし
て本発明の磁場発生手段を用いたものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。まず本発明のMRI装置について説明
する。図１３は、一般的なMRI装置の全体構成を示す図
である。

【００１４】このMRI装置は、静磁場を発生する静磁場
磁石102と、傾斜磁場を発生する傾斜磁場コイル103と、
高周波パルスを発生する送信コイル104と、被検体101か
ら発生するNMR信号を検出する受信コイル105と、NMR信
号を処理し被検体101の断面画像を再構成する信号処理
部107と、画像を表示するディスプレイ108と、制御系11
1を備えている。被検体101はベッド112に寝かされた状
態で、一対の静磁場磁石102間に形成された測定空間に
搬送される。

【００１５】傾斜磁場コイル103は傾斜磁場電源109に、
送信コイル104は高周波電源110に、それぞれ接続され、
制御系111からの制御シーケンス（パルスシーケンス）
に従って駆動され、撮像に必要な高周波パルスおよび傾
斜磁場パルスを被検体101に印加するようになってい
る。

【００１６】また受信コイル105が検出したNMR信号は、
受信系106を介してデジタル信号として信号処理系107に
送られ、ここで画像再構成に必要な各種演算や補正を行
ない、MR画像としてディスプレイ108に表示される。こ
こで、静磁場磁石102および傾斜磁場コイル103は、組み
合わされた磁場発生装置を形成している。

【００１７】図１は、本発明の磁場発生装置の第１の実
施形態を示す図で、この磁場発生装置は、図１４の対向
型磁場発生装置と同様のバックプレート１a，１b及びヨ
ーク２を採用したものであり、このバックプレート１
a，１bに固定される磁極４および傾斜磁場コイル５の構
成が異なっている。なお、図１の磁場発生装置でも磁石
３として、磁場コイルを例示したが、これは常電導コイ
ル、超電導コイルでもよく、或いは永久磁石でもよい。

【００１８】磁極４は、その上部の詳細を図２に示すよ
うに、ベース部（第１の部材）８と、ベース部８とは分
離したリング部（第２の部材）７からなり、ベース部８
およびリング部７は所定の間隔を保つように支持材１０
で固定されており、これら部材の間に傾斜磁場コイル５
aを挿入し固定した構造になっている。傾斜磁場コイル
５aは、図示していないが、好適にはアクティブシール
ドを備えており、傾斜磁場コイルからの漏洩磁場が最小
になるように押えられている。

【００１９】また、図示するようにベース部８、傾斜磁
場コイル５aおよびリング部７の外径は、同じ外径Rであ
り、図１４に示す従来装置と比較すると、磁極４の外径
を傾斜磁場コイル５aの外径Rまで縮小できている。

【００２０】ベース部８およびリング部７は、ともに磁
性材料、通常鉄が用いられるが、リング部７の材料とし
ては、飽和磁束密度が、できるだけ高い材料、例えば
２．０T以上である強磁性体を用いることが好ましい。
リング部７は、空隙６に発生する磁場均一度の低次成分
を制御する役割を持ち、均一性に大きく関与する。本発
明の構造では、傾斜磁場コイル５aをベース部８との間
に配置した分だけ、リング部７の体積が減少するので、
図１４の装置に比べ均一度成分の制御を行ないにくくな
る可能性があるが、このような強磁性体を用いることに
より、空隙６に発生する磁場の均一性を得ることができ
る。

【００２１】支持材１０は、傾斜磁場コイルが発生する
磁場パルスによる渦電流が生じにくい材料で、好適に
は、例えば、ステンレス、アルミ、セラミック等の非磁
性材料からなる。但し、支持材１０が磁場均一度に与え
る影響が補正できるほど少ない場合には、磁性材の使用
も可能である。

【００２２】支持材１０は、図３および図４に示すよう
に、ベース部８とリング部７の外周に沿ったテーパを形
成した固定部２２を有する断面コの字状の部材で、上下
の固定部２２に、例えばボルト１５によってベース部８
およびリング部７がそれぞれ固定される。このような支
持材１０を用いることにより、ベース部８とリング部７
とを一定の間隔に保つことができ、これらの組合わせ誤
差による均一度への影響を最小にすることができる。

【００２３】このような構成の磁極４に傾斜磁場コイル
５を取り付けるには、まず二つの支持材１０を、ベース
部８の外縁部１１に、それぞれ対称の位置に来るように
配置し、外縁部１１とリング部７の外縁部にボルト１５
等で固定する。これによりベース部８とリング部７との
間には一定の間隔の隙間ができるので、傾斜磁場コイル
５aをこの隙間の高さまで、専用冶具等で垂直に持上
げ、開口１４a―１側または１４a―２側から、水平に移
動しながら挿入する。傾斜磁場コイル５aをリング部７
とベース部８の間に挿入した後、ボルト等で一体化固定
する。

【００２４】このように予めリング部７とベース部８を
予め固定することで、ベース部８とリング部７との位置
関係を高精度に保つことができ、組立て誤差による均一
度への影響を極小化することができる。この場合、傾斜
磁場コイル５とベース部８およびリング部７との固定を
強化するために、支持材１０の傾斜磁場コイルとの接触
部に補助材１８を取り付けておいてもよい。

【００２５】補助材１８を取り付けた状態を図５および
図６に示す。このような補助材１８を取り付けることに
より、傾斜磁場コイル５と支持材１０との間にすきまが
できるのを防止し、固定を強化できる。また補助材１８
として、制振、防音機能のある材料を用いることによ
り、傾斜磁場駆動によって生じる振動や騒音を最小限に
することができる。また補助材１８を入れることにより
生じる傾斜磁場コイル５とベース部８の隙間には、ベー
ス部８に侵入するパルス磁場を低減するため、導体板１
９を挿入することが好ましい。

【００２６】以上、本発明の一実施形態を説明したが、
上記実施形態に限定されることなく、種々の変更が可能
である。例えば、図４には、ベース部８とリング７とを
支持材１０により２箇所で結合した例を示したが、図７
に示すように３箇所で結合してもよい。この場合、磁場
発生装置を組み立てるには、まず、リング部７とベース
部８を、三つの支持材のうちの二つの支持材１０−１と
１０−２で固定しておき、傾斜磁場コイル５aを専用冶
具等で持上げ、開口１４a―２から、リング部７とベー
ス部８の間に挿入する。挿入後に、残る一つの支持材１
０―３をリング部７及びベース部８に固定する。

【００２７】このように三点で支持することにより、耐
荷重を強化することができ、リング部７と傾斜磁場コイ
ル５aに働く電磁力を支持することができる。三点で支
持する場合にも、支持材１０には、図５、図６に示すよ
うに傾斜磁場コイルと接触する部分に補助材１８を設け
てもよく、また傾斜磁場コイルとベース部８との間に導
体板１９を挿入してもよい。

【００２８】また上記実施形態では、ベース部８、リン
グ部７および傾斜磁場コイル５を複数の支持材１０で固
定する場合を説明したが、支持材１０に代えて、或いは
支持材１０とともに連結ボルト２０で固定することも可
能である。３つの支持材１０と連結ボルト２０を併用し
た場合の実施形態を図８および図９に示す。

【００２９】連結ボルト２０は、磁極４が互いに対向す
る面に垂直に、リング部７からベース部８まで貫通し、
リング部７とベース部８を固定する。固定後に傾斜磁場
コイル５aを挿入可能にするために、連結ボルト２０
は、開口部１４a―１、１４a―２側に対称的に配置され
る。一方、傾斜磁場コイル５aには、図９に示すよう
に、連結ボルト２０の貫通を許容するための切欠け２１
が設けられてる。

【００３０】このような構成において、磁場発生装置を
組み立てるには、まず二つの支持材１０−１および１０
−２と開口部１４a―１側の連結ボルト２０を固定して
おき、傾斜磁場コイル５aを、リング部７とベース部８
の間に挿入後、開口部１４a―２側の連結ボルト２０を
固定する。

【００３１】ボルトによる固定は、図４に示すような支
持材が二つの場合にも適用される。また支持材を使用す
ることなくボルトのみで固定することも可能である。但
し、組み立て誤差等による均一度への影響を最小にする
ためには、支持材を用いることが有効である。

【００３２】また上記の実施形態では、バックプレート
とヨークを組合わせてリターンパスを有する磁気回路に
適用した場合を説明したが、本発明は、図１０に示すよ
うに、磁性体によるリターンパスを有さない対向型磁場
発生装置にも適用される。この磁場発生装置では、磁極
４a、４bは、非磁性フレーム１６に支持されており、主
磁場を発生するメインコイル３とは別に、漏洩磁場を抑
制するシールドコイル１７を備えている点が、図１の装
置とは異なるが、それ以外は上記実施例と全く同様にし
て磁場発生装置を構成することができ、同様の効果を得
ることができる。

【００３３】次に本発明の第２の実施形態について説明
する。この実施形態では、傾斜磁場コイルから漏洩する
磁場パルスを効果的に遮断する磁極の構成を採用してい
る。

【００３４】一般に、磁場パルスによる渦電流の発生や
磁性体の非線形特性などにより空間磁場分布が影響を受
けるのを低減するために、傾斜磁場コイル５a，５bは、
アクティブシールドを備えたものを使用することが公知
である。このようなアクティブシールドにより、メイン
傾斜磁場コイルから磁極側へ漏洩するパルス磁場を完全
に遮断することが理想であるが、傾斜磁場コイルの負担
が大きくなり効率が悪くなる。

【００３５】そこで本実施形態では、磁性体が、飽和状
態では未飽和状態より、パルス磁場が印加されたときに
B−H特性の非線形性やヒステリシスの影響が現れにくい
ということを利用し、磁極ベース部外周部とリング部を
飽和しやすい材料とするか、飽和しやすい構造とする。
飽和しやすい材料としては、純鉄やケイ素鋼板等が挙げ
られる。このような構成によって空隙６の磁場（中心磁
場）への磁性体の特性による悪影響を低減することがで
きる。

【００３６】このような構造の一例を図１１および図１
２に示す。図示するように、リング部７は、断面のアス
ペクト比が大きい、複数（図では三つ）のリング群７−
１〜７−３をそれぞれギャップ１３を介して配列した構
造を有している。リング群７−１〜７−３間のギャップ
１３は空気でもよく、或いはギャップ１３に例えば樹脂
等の非磁性材を挿入した構成でもよい。このように断面
アスペクト比が大きい形状とすることにより、飽和しや
すく、またギャップを介して配置することにより飽和領
域を十分利用できるようなる。

【００３７】この実施形態によれば、磁極中央部（ベー
ス部８中央部）では、傾斜磁場コイル５aから漏洩する
パルス磁場を遮断し磁極４a外周部付近（図１１の領域
Ａ）では、傾斜磁場コイル５aから発生するパルス磁場
の漏洩をある程度許容する。これにより、傾斜磁場コイ
ル５aに備えられたアクティブシールド（図示せず）
は、傾斜磁場コイル５aから磁極４への漏洩磁場を部分
的に遮蔽すればよく、傾斜磁場コイル５aの負担が軽減
される。更に、アクティブシールドの負担軽減に伴い、
傾斜磁場コイル用電源を小さくでき、傾斜磁場コイルの
効率を向上できる。

【００３８】以上、本発明の磁場発生装置の第２の実施
形態を説明したが、この実施形態における構成は、第１
の実施形態およびその変更例と任意に組み合わせて実施
することが可能である。なお、図１３に示す送信コイル
104は、その種類や形状にもよるが、それが全身用の平
板状コイルの場合には、リング部７の内側凹部に配置、
固定され、磁場発生装置内に一体化することもできる。

【００３９】このような磁場発生装置を採用したMRI装
置では、傾斜磁場コイルとして良好な線形磁場が得られ
る大きさのものを用い且つ磁場発生装置を小型化できる
ので、検査室への設置が容易であり、また測定空間に置
かれた被検体101へのアクセスが良好である。また静磁
場の均一度を良好に保つことができるので、小型である
にも拘わらず、信頼性の高い画像を得ることができる。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば、対向型磁場発生装置に
おいて、傾斜磁場コイルの性能を従来と同等に維持した
まま、計測空間の開放性を増すと共に、磁場発生装置の
小型化、重量低減でき、かつ均一な磁場を発生させるMR
I用磁気発生装置を形成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の磁場発生装置の第１の実施形態を示す
図。

【図２】図1の磁場発生装置の磁極部分の断面図。

【図３】磁極のリング部とベース部を固定する支持材の
一例を示す斜視図。

【図４】図１の磁場発生装置を上面から見た図。

【図５】磁極のリング部とベース部を固定する支持材の
他の例を示す斜視図。

【図６】図５の支持材を用いた、リング部とベース部の
支持構造を示す図。

【図７】図１の磁場発生装置の変更例を示す図。

【図８】リング部とベース部の支持構造の他の実施形態
を示す図。

【図９】図８の支持構造に用いる傾斜磁場コイルを示す
図。

【図１０】本発明の磁場発生装置を他の適用例を示す
図。

【図１１】本発明の磁場発生装置の第２の実施形態の要
部を示す図。

【図１２】図１１の磁場発生装置を空隙側から見た図。

【図１３】本発明が適用されるMRI装置の全体構成図。

【図１４】従来の磁場発生装置を示す断面図。

【図１５】図１４の磁場発生装置の磁極部分の断面図。

【符号の説明】

１a，１b・・・バックプレート ２・・・ヨーク ３・・・コイル ４a，４b・・・磁極 ５a，５b・・・傾斜磁場コイル ６・・・計測空間（空隙） ７・・・リング部 ８・・・ベース部 １０・・・支持材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０１Ｎ 24/06 ５２０Ｙ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の空間に均一な磁場を発生する磁場
   発生源と、前記磁場発生源が発生する磁場の均一性を補
   正する磁極と、前記磁極に固定された傾斜磁場発生手段
   とを備えた磁場発生装置において、 前記磁極は、平板状の第１の部材と、環状の第２の部材
   とを有し、前記第１の部材と前記第２の部材との間に前
   記傾斜磁場発生手段を固定したことを特徴とする磁場発
   生装置。
2. 【請求項２】前記磁場発生源、磁極および傾斜磁場発生
   手段は、前記空間を挟んでそれぞれ一対備えられたこと
   を特徴とする磁場発生装置。
3. 【請求項３】被検体が置かれる空間に静磁場および傾斜
   磁場を発生する磁場発生手段と、前記磁場発生手段の内
   部の空間に設置され、前記被検体の組織を構成する原子
   の原子核に核磁気共鳴を起こさせる高周波磁場を発生す
   るとともに前記原子核からの応答の核磁気共鳴信号を検
   出する高周波コイルと、検出した核磁気共鳴信号を用い
   て前記被検体の画像を再構成し、表示する画像再構成手
   段とを備えた核磁気共鳴イメージング装置において、 前記磁場発生手段として請求項１または２に記載の磁場
   発生装置を備えたことを特徴とする磁気共鳴イメージン
   グ装置。