JP2004174243A - 能動遮蔽式の高磁界開放型ｍｒｉ磁石の低温マス支持構造体及びヘリウム容器 - Google Patents

Abstract

【課題】 磁石の画像ボリューム内でより大きい磁界の均質性をもたらすＭＲＩ装置を提供する。
【解決手段】 ＭＲＩ装置（１００）は、ボリュームを画像形成するための磁界を発生する少なくとも１つの主コイル（１１０、１１５）と、少なくとも１つの整形コイル（１５０、１５２、１５３、１５４、１５５、１５６、１５７、１５８）とを備える。該少なくとも１つの整形コイル（１５０、１５２、１５３、１５４、１５５、１５６、１５７、１５８）は、ボリューム内の磁界を整形するように少なくとも１つの主コイル（１１０、１１５）に対して配置される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一般的に磁気共鳴画像形成（ＭＲＩ）装置に関し、より具体的には、ボリュームを画像形成するための磁界を整形する少なくとも１つの整形コイルを有するＭＲＩ装置に関し、また単一ユニット支持構造体を有するＭＲＩ装置に関する。

ＭＲＩ装置は、生体組織及び臓器構造のような対象を画像形成するための診断用ツールとして医学界で広く使用されている。従来型のＭＲＩ装置は、例えば米国特許第６，１７２，５８８号（以後「‘５８８特許」と呼ぶ）に記載されており、この特許の全ての事項が参考文献として本明細書に組み入れられる。「‘５８８特許」に記載されているように、公知の抵抗型及び超伝導（以後「ＳＣ」と呼ぶ）型ＭＲＩ磁石設計は、閉鎖型磁石及び開放型磁石を含む。閉鎖型磁石は一般的に、ボアを有する、単一の管形状の抵抗又はＳＣコイル組立体を有する。このコイル組立体は、幾つかの半径方向に整列されかつ縦方向に間隔を置いて配置された抵抗又はＳＣ主コイルを含み、各主コイルは、大きな同一電流を同一方向に伝送する。従って、主コイルは、画像形成しよとする対象物が配置される磁石のボア内に中心合わせされた一般的には球形の画像ボリューム内で、高度に均一性のある磁界を作りだすように設計されている。

更に、主コイルによって作りだされかつ該主コイルを取り囲んでいる高磁界が、磁石近くの電子機器に与える悪影響を防止するために、単一の管形状の遮蔽組立体を使用することができる。そのような遮蔽組立体は一般的に、主コイルの半径方向外側に配置された、幾つかの半径方向に整列されかつ縦方向に間隔を置いて配置された抵抗又はＳＣバッキングコイルを含み、このバッキングコイルが、アンペア数はほぼ等しいが主コイル内で伝送される電流と逆向きの電流を伝送する。

Ｃ字形状の磁石を含む開放型磁石は一般的に、２つの間隔を置いて配置されたコイル組立体を使用し、該コイル組立体間の空間に画像ボリュームを含むようになっている。

従って、この間隔を置いて配置されたコイル組立体は、磁気共鳴画像形成の間に、外科手術又はその他の医療処置を行うために医療関係者が接近することを可能にする。患者は、その空間内に配置されることができ、或いはトロイダル形状のコイル組立体のボア内にも配置されることができる。開放型空間は、閉鎖型磁石設計において経験する場合がある閉所恐怖症のあらゆる感情を患者が克服する上で役立つ。

遮蔽式になった公知の開放型磁石設計は、各コイル組立体が開放したボアを有し、抵抗又はＳＣ主コイルから縦方向にかつ半径方向外側に配置された抵抗又はＳＣ遮蔽コイルを含むような設計になっている。また、開放型磁石設計では、抵抗又はＳＣコイル組立体のボア内に鉄の磁極片を配置することも知られている。この鉄の磁極片は、磁界の強さを強化し、また磁極片の表面を整形することによって、磁石を磁気的にシム調整して、磁界の均質性を改善する。鉄の帰路を使用して、２つの鉄の磁極片を接続する。この鉄の磁極片もまた、磁石の遮蔽作用を果たすことに注目されたい。

しかしながら、従来型のＭＲＩ装置は、幾つかの理由で画像形成精度に限界がる。精度に限界があることの少なくとも一部は、製造したＭＲＩ装置が本来的に互いにばらつく原因になる製造許容範囲に起因する。公知のＭＲＩ装置における製造許容誤差は、製造に起因するばらつき（例えば、コイルを位置決めする場合の配置及び／又は位置合わせ誤差）を生じる可能性がある多くの数の部位を含むことになる、該装置の多重ユニット支持構造体によって更に悪化される。

更に、ＭＲＩ磁石自体にも、その巻き線の位置決めにおける僅かなばらつきのような製造のばらつきがある可能性がある。従って、これらの問題を補償するために、ＭＲＩ装置を製造する従来の技術は、ＭＲＩ装置の構成部品を支持構造体上に取付けるのを位置決めし調整するための、複雑かつ入組んだ方式を伴っている。このことは、より高い製造コスト、より長期の製造リードタイム、及び全体的により複雑なＭＲＩ装置の原因になり得る。
米国特許第６，１７２，５８８号

従って、磁石の画像ボリューム内でより大きい磁界の均質性をもたらすＭＲＩ装置と、厳密な許容範囲にＭＲＩ装置を製造する方法とに対する必要性が存在する。

本発明は、上に述べた問題及び従来技術に見られるその他の問題の１つ又はそれ以上を減少又は排除することを目的とする。

本発明の１つの実施形態によると、開放型磁気共鳴画像形成（ＭＲＩ）装置が提供され、該ＭＲＩ装置は、ボリュームを画像形成するための磁界を発生する少なくとも１つの主コイルと、少なくとも１つの整形コイルとを備える。少なくとも１つの整形コイルは、ボリューム内の磁界を整形するように少なくとも１つの主コイルに対して配置される。

開放型ＭＲＩ装置は、単一ユニット支持構造体を含むことができ、少なくとも１つの主コイルは、単一ユニット支持構造体の外面上に配置され、また少なくとも１つの整形コイルは、単一ユニット支持構造体の内面上に配置される。

単一ユニット支持構造体は、ほぼ円筒形のシェルと、該円筒形シェルのほぼ中心軸線に沿って配置されたハブと、各々がハブから半径方向外向きに延びる、円筒形シェル内に配置された複数のガセットとを含むのが好ましい。単一ユニット支持構造体は更に、円筒形シェルの第１の半体と第２の半体との間に配置された少なくとも１つの支持ポストを含むのがより好ましい。

本発明の別の実施形態によると、ボリュームを画像形成するための磁気共鳴画像形成（ＭＲＩ）装置が提供され、該ＭＲＩ装置は、磁界を発生するように構成された少なくとも１つの主コイルと、少なくとも１つの主コイルを遮蔽するように構成された少なくとも１つのバッキングコイルと、ボリューム内の磁界を整形する複数の整形コイルと、その少なくとも１つが少なくとも１つの主コイルと少なくとも１つのバッキングコイルとの間に配置された、逆極性のコイル間の相互作用を遮蔽するための複数の鉄リングとを含む。

本発明の別の実施形態によると、ボリュームを画像形成するための磁気共鳴画像形成（ＭＲＩ）装置が提供され、該ＭＲＩ装置は、ボリュームを画像形成するための磁界を発生するための手段と、該発生するための手段を遮蔽するための手段と、磁界を整形するための手段とを含む。

本発明の現時点で好ましい実施形態を、詳細に参照する。可能である限り、図全体を通して同一の参照符号を使用して、同一又は類似の部品を表すことにする。

本発明の第１の実施形態による開放型ＭＲＩが、図１に示される。ＭＲＩ装置は、０．５テスラ又はそれより高い（例えば、約０．５テスラから約１．５テスラまでの）磁石を含むのが好ましい。一例として、しかしそれに限定するのではないが、１．２テスラ構成が図１に示されており、これを以下詳細に説明することにする。本開示を読んだ後に当業者には容易に明らかになるように、他の構成もまた可能である。

図１に示すように、この第１実施形態によるＭＲＩ装置１００は、ボリュームを画像形成するための磁界を発生する主コイル１１０、１１５を含む。典型的な構成は、図示するように２つの主コイル１１０、１１５を使用し、該主コイルは、ＭＲＩ装置１００の２つの「半体」１０１、１０２の各々上に１つづつ配置される。主コイル１１０、１１５は、電源（図示せず）に接続されて、該主コイル１１０、１１５を通して電流を流し、それによってボリュームを画像形成するための磁界を急速に立ち上げる。典型的には、ＭＲＩ磁石は、該磁石に磁界を立ち上げるために電源に接続されるだけである。その後、電源は接続を切り離しても（又は切り離さなくても）かまわない。

バッキングコイル１２０、１２５（遮蔽コイルとしても知られている）が、主コイル１１０、１１５に対して設けられて、主コイル１１０、１１５によって発生されたフリンジ磁界から外部装置を遮蔽する。図示するように、２つのバッキングコイル１２０、１２５は、１つのバッキングコイル１２０、１２５が各主コイル１１０、１１５それぞれに対して配置されるように設けられるのが好ましい。バッキングコイル１２０、１２５もまた、電源（図示せず）に接続されて、該バッキングコイル１２０、１２５を通して電流を流し、それによって各主コイル１１０、１１５を遮蔽するための遮蔽磁界を発生する。本発明の１つの態様によると、バッキングコイル１２０、１２５は、所定のバッキングコイル１２０、１２５の極性が、それぞれの主コイル１１０、１１５の極性と逆になるように、すなわちバッキングコイル１２０、１２５内の電流が、該バッキングコイルのそれぞれの主コイル１１０、１１５の電流の方向と逆になるように、それぞれの主コイル１１０、１１５と比べて逆方向に巻かれる。このことにより、主コイル１１０、１１５のフリンジ磁界を制限する「遮蔽」効果が得られる。典型的には、バッキングコイル１２０、１２５は、主コイル１１０、１１５の双極子モーメントに比較的等価な大きさの双極子モーメントを有する。

鉄リング１３０、１３５が、主コイル１１０、１１５と、対応するバッキングコイル１２０、１２５との間に設けられて、該主コイル１１０、１１５を該対応するバッキングコイル１２０、１２５から磁気的に隔離し（つまり「遮蔽」し）、かつＭＲＩ装置１００に対して付加的な構造的支持を与える。鉄リング１３０、１３５の別の機能は、主コイル１１０、１１５とバッキングコイル１２０、１２５との磁力を制御する点にある。

圧力容器１４０、１４５を設けて、主コイル１１０、１１５を少なくとも部分的に封入するのが好ましく、更に鉄リング１３０、１３５及び／又はバッキングコイル１２０、１２５（設けられている場合）を封入するのは一層好ましい。圧力容器１４０、１４５を、液体ヘリウムで充満させて、該圧力容器１４０、１４５内での電気的及び熱的結合／接続を可能にすることができる。更に、様々な構成部品（例えば、主コイル１１０、１１５のようなＳＣコイル）を冷却装置（図示せず）に連結して、所定の構成部品を作動レベルに冷却することができる。従って、圧力容器１４０、１４５は、必要な冷却ラインなどに採用されることになる。

様々なＭＲＩ装置構成部品（例えば、主コイル１１０、１１５、バッキングコイル１２０、１２５、鉄リング１３０、１３５、圧力容器１４０、１４５など）を支持するための単一ユニット支持構造体を設けることができる。単一ユニット支持構造体は、その中に縦方向中心軸線３０５を定めるほぼ円筒形のシェルを含む。この単一ユニット支持構造体は、ほぼ円筒形のシェルを２つのほぼ同一の半体１０１及び１０２に二等分する平面ＩＩ−ＩＩに関してほぼ対称であるのが好ましい。このことにより、各半体１０１、１０２上の主コイル１１０、１１５によって発生される磁界に相対的均質性がもたらされる。

単一ユニット支持構造体は、ステンレス鋼で作られるのが好ましい。それに代えて、単一ユニット支持構造体は、アルミニウム又は繊維強化複合材で作られることができる。円筒形のシェル、ハブ部分（後で説明する）、ガセット（後で説明する）、及びポスト３３０、３３５（後で説明する）は、全て同一材料で作られて、作動の間に同一の熱収縮を生じ、また溶接技術が使用される場合にこれらの部品の製造を簡単化するようにされるのが好ましいことが分かるであろう。このことにより、ＭＲＩ装置１００の製造及び作動におけるより大きい均一性が可能になり、従って該ＭＲＩ装置による画像形成において、より高い精度が可能になる。それに代えて、互いに異なる材料で作られた個々の構成部品、又はそれ自体が幾つかの異なる材料で作られた所定の構成部品のように、必要に応じて、異なる構成部品を異なる材料で作ることができる。

ＭＲＩ装置１００の各半体１０１、１０２は、対応するハブ部分を含む。ハブ部分は、中心ハブ５２０、５２５と、該ハブ５２０、５２５から半径方向外向きに延びる複数のガセット５３０、５３５とを含む。ガセット５３０、５３５は、図示するように、必要な場合には板部材内に形成されたウォータジェットによる切削孔を含むことができる。複数のガセット５３０、５３５は、一端部で中心ハブ５２０、５２５に溶接され、他端部で円筒形のシェルに溶接されるのが好ましい。それに代えて、それに限定するのではないが、固着及びボルト止めのような他の結合技術を、特により低い磁界設計において使用することができる。単一ユニット支持構造体は、振動による移動及び磁力による歪みを制限するのに十分な剛性を有するように設計される。

図２に示すように、２つの半体１０１、１０２（図１）は、ポスト３３０、３３５を介して結合される。

ポスト３３０、３３５は、縦方向中心軸線３０５のほぼ向かい合った側に沿って配置されることができる（図２）。しかしながら、ポスト３３０、３３５は、より開いた環境の外観を患者に与え、また患者に対して一層近づきやすくするのを助けるために、僅かに（例えば、約６７°）オフセットされるのが好ましい（図３）。ポスト３３０、３３５は、該ポスト上に作用する（例えば、発生する磁力及びＭＲＩ装置構成部品の重量による）軸方向圧縮力に耐えると同時に、画像形成作動の間に発生する可能性のあるあらゆる振動を制限するのに十分な剛性を有することが好ましい。例えば、ポスト３３０、３３５は、１．２テスラの磁石の場合に少なくとも百万ニュートンの軸方向圧縮力に耐えるのに十分な剛性を有することが好ましい。２つの半体１０１、１０２は、様々なコイル／リング、及び／又はポスト３３０、３３５の取り付けを容易にするフランジ付き部分を含むことができる。

上述のように、ボリュームを画像形成するための磁界を発生する主コイル１１０、１１５が、設けられる。主コイル１１０、１１５は、図示（図１）するように単一ユニット支持構造体の外面上に、好ましくは二つの半体１０１、１０２の各々の内部大半部分を形成するフランジ部分に近接又は当接させて配置されることができる。このような構成により、主コイル１１０、１１５と、画像形成されるボリュームとの間に緊密な近接状態をもたらし、そのことにより該ボリュームを通る磁界の均一性を増大させる。主コイル１１０、１１５は、当該技術においてよく知られているような、数多くの従来型技術のいずれか１つによって製造することができる。

バッキングコイル１２０、１２５もまた、単一ユニット支持構造体の外面上において、主コイル１１０、１１５に対して（前に説明したように）配置されて、該主コイル１１０、１１５によって発生される磁界から外部装置を遮蔽する。従って、ＭＲＩ装置１００を適当に遮蔽するために、バッキングコイル１２０、１２５は、主コイル１１０、１１５それぞれの極性とは逆の極性を有するように構成される。バッキングコイル１２０、１２５は、当該技術においてよく知られているような、数多くの従来型技術のいずれか１つによって製造することができる。

鉄リング１３０、１３５は、主コイル１１０、１１５と対応するバッキングコイル１２０、１２５との間で単一ユニット支持構造体の外面上に配置されて、主コイル１１０、１１５と対応するバッキングコイル１２０、１２５との間の磁界の相互作用を減少させるようになっている。更に、図１に示すように、付加的な鉄リング１３２、１３７を設けて、主コイル１１０、１１５と整形コイル１５０、１５２、１５３、１５４、１５５、１５６、１５７、１５８との間の磁界の相互作用を減少させることができる。本開示を読んだ後に当業者には容易に明らかになるように、他の構成もまた可能である。

前述の構成は、ＭＲＩ装置を用いてボリュームを画像形成するのに十分である。発明者たちは、上述の構成が、機械加工のばらつきを減少及び/又は排除することによる改善された精度を有し、また比較的簡単な設計により製造がより簡単である（従って、より費用がかからない）ことを見出した。

しかしながら、ＭＲＩ装置の精度を更に改善するためには、磁界整形コイル１５０、１５２、１５３、１５４、１５５、１５６、１５７、１５８が、単一ユニット支持構造体の内面に設けられる（図１）のが好ましい。磁界整形コイル１５０、１５２、１５３、１５４、１５５、１５６、１５７、１５８は、主コイル１１０、１１５に比べて比較的小さい寸法であり、主コイル１１０、１１５によって発生された、画像形成しようとするボリューム内における磁界を整形する機能を果たす。多くの小型の整形コイル１５０、１５２、１５３、１５４、１５５、１５６、１５７、１５８を使用することにより、設計者が、従来型のＭＲＩ装置を凌駕する磁界における改善された均一性を得ることを可能にする。整形コイル１５０、１５２、１５３、１５４、１５５、１５６、１５７、１５８は、互いに同一極性を有する必要はないことが分かるであろう。

図１は８つの整形コイルを示しているが、本発明はそのように限定されるものではないことに注目されたい。整形コイルの数は、８つを超えてもよいし、８つより少なくてもよい。

本発明の好ましい実施形態の前述の記載は、例示及び説明の目的で行った。網羅的であること、又は、開示した厳密な形態に本発明を限定することは意図しておらず、多くの修正及び変更を上記の教示に照らして行うことが可能であり、或いは本発明を実施することから得ることが可能である。本発明の原理及びその実際的応用を説明し、当業者が様々な実施形態で、また意図する特定の用途に合うような様々な修正形態で、本発明を利用できるようにするために、実施形態を選択しかつ説明した。本発明の技術的範囲は、同時に提出した特許請求の範囲及びその均等範囲によって定められるべきであることを意図している。

本発明の実施形態によるＭＲＩ装置の断面図。 図１の平面ＩＩ−ＩＩにおいて下向きに見た断面図。 本発明の実施形態による単一ユニット支持構造体の断面図。

符号の説明

１００ ＭＲＩ装置
１０１、１０２ 半体
１１０、１１５ 主コイル
１２０、１２５ バッキングコイル
１３０、１３５ 強磁性体リング
１３２、１３７ 鉄リング
１５０、１５２〜１５８ 整形コイル
５２０、５２５ ハブ
５３０、５３５ ガセット

Claims (6)

1. ボリュームを画像形成するための磁界を発生する少なくとも１つの主コイル（１１０、１１５）と、
   少なくとも１つの整形コイル（１５０、１５２、１５３、１５４、１５５、１５６、１５７、１５８）と、を含み、
   前記少なくとも１つの整形コイル（１５０、１５２、１５３、１５４、１５５、１５６、１５７、１５８）が、前記ボリューム内の前記磁界を整形するように前記少なくとも１つの主コイル（１１０、１１５）に対して配置されている、
   ことを特徴とする開放型磁気共鳴画像形成（ＭＲＩ）装置（１００）。
2. 単一ユニット支持構造体を更に含み、
   前記少なくとも１つの主コイル（１１０、１１５）が、前記単一ユニット支持構造体の外面上に配置され、
   前記少なくとも１つの整形コイル（１５０、１５２、１５３、１５４、１５５、１５６、１５７、１５８）が、前記単一ユニット支持構造体の内面上に配置されている、
   ことを特徴とする、請求項１に記載の開放型ＭＲＩ装置（１００）。
3. 前記単一ユニット支持構造体が、
   ほぼ円筒形のシェルと、
   前記円筒形シェルのほぼ中心軸線に沿って配置されたハブ（５２０、５２５）と、
   各々が前記ハブ（５２０、５２５）から半径方向外向きに延びる、前記円筒形シェル内に配置された複数のガセット（５３０、５３５）と、
   を含むことを特徴とする、請求項２に記載の開放型ＭＲＩ装置（１００）。
4. 該ＭＲＩ装置（１００）が、少なくとも８つの整形コイル（１５０、１５２、１５３、１５４、１５５、１５６、１５７、１５８）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の開放型ＭＲＩ装置（１００）。
5. ボリュームを画像形成するための磁気共鳴画像形成（ＭＲＩ）装置（１００）であって、
   磁界を発生するように構成された少なくとも１つの主コイル（１１０、１１５）と、
   前記少なくとも１つの主コイル（１１０、１１５）を遮蔽するように構成された少なくとも１つのバッキングコイル（１２０、１２５）と、
   前記ボリューム内の前記磁界を整形する複数の整形コイル（１５０、１５２、１５３、１５４、１５５、１５６、１５７、１５８）と、
   その少なくとも１つが前記少なくとも１つの主コイル（１１０、１１５）と前記少なくとも１つのバッキングコイル（１２０、１２５）との間に配置された、逆極性のコイル間の相互作用を遮蔽するための複数の強磁性体リング（１３０、１３５）と、
   を含むことを特徴とするＭＲＩ装置（１００）。
6. 前記少なくとも１つの主コイル（１１０、１１５）と、前記少なくとも１つのバッキングコイル（１２０、１２５）と、前記複数の整形コイル（１５０、１５２、１５３、１５４、１５５、１５６、１５７、１５８）と、前記複数の強磁性体リング（１３０、１３５）とを支持するための単一ユニット支持構造体を更に含むことを特徴とする、請求項５に記載のＭＲＩ装置（１００）。

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