JP2004305744A - Ｍｒｉ用磁場生成器の中心磁場を調節するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＭＲＩ用磁場生成器の中心磁場を調節する。
【解決手段】 ＭＲＩシステムの製品ラインが第１のＭＲＩシステム（１０）を含み、第１のＭＲＩシステムは、第１のヨーク（１２）と、該第１のヨーク上に配置された第１の中央組立体（３０）を形成する複数の磁石ブロック（１８）とを含んでいる。製品ラインはまた第２のＭＲＩシステム（１０）も含み、第２のＭＲＩシステムは、第２のヨーク（１２）と、該第２のヨーク上に配置され且つ前記第１の中央組立体と同じ形状を持つ第２の中央組立体（３０）を形成する複数の磁石ブロック（１８）と、第２の中央組立体の周縁で第２のヨークに取り付けられた第１組の磁石ブロック（３２，３４，３６，３８，４０）を含んでいる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、磁気共鳴像（ＭＲＩ）撮像に関するものであり、より具体的には、ＭＲＩ磁場生成器に使用される磁化された永久磁石ブロックを組み立てるための方法及び装置に関するものである。

高い一様な磁場は磁気共鳴像（ＭＲＩ）及び核磁気共鳴（ＮＭＲ）システムを医用装置又は化学／生物学用装置として使用するために有用である。少なくとも幾分人気のある、低い保守費用の現在入手可能なＭＲＩシステムは、所定の空間（撮像容積）内で中位の範囲の一様な磁場（０．２〜０．５テスラ）を生成する永久磁石システムを使用している。永久磁石システムは通常、ＮｄＦｅＢのような複数の永久磁石ブロックを使用して、単一の磁性物体を形成すると共に、撮像容積内に所望の高い一様な磁場を達成する。

永久磁石を使用するＭＲＩシステム用の磁場生成器の場合、このような装置に使用される磁石は複数の磁化されたブロックから作成されることが多い。しかしながら、最初に未だ磁化されていないブロックをヨーク板上に配置した後でこれらの各ブロックを磁化することは困難である。従って、実際の製造の際には、ブロックを製作して磁化している。次いで、これらの磁化されたブロックは、磁石ブロックの各々が上向きの同じ磁極を持つように、ヨーク板上に配列される。次いで、磁極片がこれらの磁化されたブロックの頂部に配置される。

一般に、人体組織のような物質が一様な磁場（分極用磁場Ｂ0 ）を受けたとき、組織内のスピンの個々の磁気モーメントがこの分極用磁場と整列しようとするが、それらの特性ラーモア周波数で無秩序にその周りを歳差運動する。もし物質、すなわち、組織が、ｘ−ｙ平面内にあってラーモア周波数に近い周波数を持つ磁場（励起磁場Ｂ１）を受けた場合、正味の整列したモーメント、すなわち、「縦磁化」ＭＺがｘ−ｙ平面へ向かって回転又は「傾動」して、正味の横磁気モーメントＭｔを生じ得る。励起信号Ｂ１の終了後に励起されたスピンから信号が放出され、この信号を受信して処理することにより画像を形成し得る。

画像を生成するためにこれらの信号を利用するとき、磁場勾配（Ｇｘ，Ｇｙ，Ｇｚ）が用いられる。典型的には、撮像すべき領域は、これらの勾配が特定の使用している局在化法に従って変化するような一シーケンス（系列）の測定サイクルによって走査される。その結果得られる一組の受信ＮＭＲ信号は、周知の多数の再構成手法を使用して画像を再構成するためにディジタル化され処理される。

ＭＲＩ磁石は典型的には、強い一様な磁場、典型的には４０〜５０ｃｍの球状容積内で１０ｐｐｍ未満の一様な磁場を必要とするだけでなく、正確な中心磁場の値、典型的には０．５％未満の値も必要とする。所与の設計のＲＦコイルでは、帯域幅は固定されている。従って、中心磁場の許容可能な範囲も固定されている。

ＭＲＩ用の磁場生成装置の既知の構成の一つは、互いに対向し且つ（一つ又は複数の）支柱によって連結されたヨークと、永久磁石及び／又は超伝導／抵抗性コイルのような磁場生成要素と、磁極片のような他の磁場成形部品とを有する開放型構成である。

製造されたままの磁石の磁場は、しばしば、材料特性の偏差、製造プロセスの許容差及び環境によって影響される。超伝導及び抵抗性磁石では、中心磁場は電流を微細調整することによって容易に調節することができる。しかしながら、永久磁石では、それほど容易ではない。典型的には、磁石の組み立てを終了した後に磁石の中心磁場を調節するための機構が磁石に組み込まれる。

本発明の一面では、ＭＲＩシステムの製品ラインを提供する。本製品ラインは第１のＭＲＩシステムを含み、第１のＭＲＩシステムは、第１のヨークと、該第１のヨーク上に配置された第１の中央組立体を形成する複数の磁石ブロックとを含んでいる。本製品ラインはまた第２のＭＲＩシステムも含み、第２のＭＲＩシステムは、第２のヨークと、該第２のヨーク上に配置され且つ前記第１の中央組立体と同じ形状に作られた第２の中央組立体を形成する複数の磁石ブロックと、第２の中央組立体の周縁で第２のヨークに取り付けられた第１組の磁石ブロックを含んでいる。

別の一面では、ＭＲＩシステムを製造する方法を提供する。本方法は、ヨーク上に配置される中央組立体を形成する複数の磁石ブロックを用意する工程と、中心磁場を測定する工程と、中心磁場が所定の範囲内にないときにヨークに追加の磁石ブロックを付け加える工程とを含んでいる。

また別の一面では、磁場を変更する方法を提供する。本方法は、ＭＲＩシステムの中心磁場を測定して中心磁場値を求める工程と、ＭＲＩシステムの少なくとも１つの構成要素の温度を調整して、中心磁場を前記測定した値とは異なる値に変更する工程とを含んでいる。

更に別の一面では、磁場を変更する方法を提供する。本方法は、ＭＲＩシステムの中心磁場を測定して中心磁場値を求める工程と、Ｂ0 制御シミング(shimming)を使用して、中心磁場を前記測定した値とは異なる値に変更する工程とを含んでいる。

本明細書では、単数で表した要素又は工程は、明記していない限り、複数の要素又は工程を排除していないことを理解されたい。更に、本発明の「一実施形態」とは、その記載した特徴を含んでいる別の実施形態の存在を排除していると解釈されるべきではない。

図１はＭＲＩシステム１０のような撮像システムのブロック略図であり、ＭＲＩシステム１０は、２つの板状ヨーク１２及びこれらの板状ヨーク１２の間に延在する複数の柱状ヨーク１４を含んでいる。この代わりに、図２に示されているように、単一のＣ字形ヨーク１６を備えたＭＲＩシステム１０を使用してもよい。システム１０は、ヨーク表面に固定された磁石ブロック１８と、磁極片基部２０と、磁石１８に固定された支持リング２２とを含んでおり、磁極片２４が各々の磁極片基部２０及び支持リング２２に固定されている。ギャップ２５が磁極片２４相互間に形成されている。撮像すべき物体部分がギャップ２５内に挿入される。

ＭＲＩシステム１０はまた、電子回路２６及び表示装置２８を備えていてよい。電子回路２６は、コンピュータのような制御システム、送信器、受信器、イメージャ、及び／又はメモリを含んでいてよい。

図３は、ヨーク１２上に配置された複数の磁石ブロック１８を含む中央組立体３０を示している。中央組立体３０は周縁３１を含んでいる。

使用中、中央組立体３０はヨーク１２上に配置されており、中心磁場の測定が行われる。その測定値は所望の値と比較され、もし測定値が所定の所望の値とは異なっている場合は、中心磁場値を本書で述べるように変更する。一実施形態では、完成した組立体１０の少なくとも１つの構成要素の温度を調整して、中心磁場値が所望の値にほぼ等しくなるようにする。模範的な実施形態では、少なくとも１つの加熱素子（図示していない）がヨーク１２を加熱するように配置される。別の実施形態では、中心磁場値は所望の値により一層近くなるように変更されるが、所望の値の上下の或る範囲内に入るような所望の値から数パーセント離れた値である。完成した組立体１０の少なくとも１つの構成要素を加熱することによって、中心磁場は約１．５パーセントだけより強く又はより弱くするように変更可能である。この代わりに、中心磁場はＢ0 制御シミングを使用して変更される。Ｂ0 制御シミングを使用して、中心磁場はまた約１．５パーセントだけより強く又はより弱くするように変更可能である。

この方法により、磁石組立体を組み立てた後、磁石組立体に対して機械的な変形を必要とすることなく、中央組立体３０のような磁石組立体の充分なシミングを達成し得る。この方法は、１つ又は複数のコンピュータによってコンピュータ・プログラムの一組の命令として実行してよいが、中心磁場を解析する。そこで、所望の中心磁場強度に対して比較を行って、所望の中心磁場強度を達成するために能動的及び／又は受動的シム要素を磁石組立体の相異なる場所に組み込んでよい。シミング又は重み係数を使用して、各場所で使用される「シミング材料」の量を決定する。

「シミング材料」はシム要素の種類に従って変わる。例えば、能動的シム要素、すなわち、シム・コイルでは、シミング材料は該コイルに印加される電流の量に対応する。コイルに印加される電流の量を変えることによって、磁場に寄与する量を変えることができる。結果として、シム・コイルは、磁場への寄与分が精密に制御されるように独立に制御することができる。受動的シム要素、すなわち、鉄のシム又は永久磁石の場合には、シミング材料は磁石組立体に付加される磁性要素の量に対応する。

本発明の別の一面によれば、コンピュータ読出し可能な記憶媒体に、ＭＲ撮像システムの磁石組立体用のシミング・モデルを開発するためのコンピュータ・プログラムが記憶されている。該コンピュータ・プログラムは、コンピュータによって実行されたとき、組み立てられた磁石組立体によって生成される中心磁場をコンピュータにより変更させる一組の命令を表している。該一組の命令により、コンピュータは所望の中心磁場強度が維持されるように各々の場所におけるシミングの量を決定する。

Ｂ0 制御シミングを利用する模範的な実施形態では、磁石組立体の構築時に、磁石温度を調節して安定化できるようにする。磁石温度を安定化した後、中心磁場強度を測定する。中心磁場強度が所定の範囲内にある場合、Ｂ0 制御シミング処理を実行しないが、他の後続の処理は実行してもよく、次いで磁石組立体をＭＲ組立体に組み込む。また一方、中心磁場強度が所定の範囲の外側にある場合、Ｂ0 制御シミング処理を継続して、シミング・パラメータを決定するようにプログラムされている１つ又は複数のコンピュータに、システム及びシムについての制約を入力する。

制約の入力には、所望の中心磁場強度範囲及び測定した中心磁場強度が含まれる。他の入力としては、磁石システムの幾何学的構成についての制約、並びにシミングについての制約が挙げられる。シミングについての制約には、可能性のあるシムの各々の種類及び磁石内のシムの配置位置についての物理的制限が含まれる。例えば、能動的シムの場合、制約として、シム・コイルに印加してよい最大又は最小の許容電流、或いは磁場への寄与分を制御するために各々の所定の位置で適切な極性の最大永久磁石材料を含んでいてよい。別の例では、鉄心のような受動的シムの場合、質量についての制約を入力してよい。以下により詳しく説明するように、これらの制約は、シムの配置位置、シムの種類、及び任意の特定の位置におけるシムの量を決定するためのシミング・アルゴリズムによって利用される。

１つ又は複数のコンピュータによって実行される一手法は、システム及びシムについての制約の入力を受け取ったときに開始する。システム及びシムについての制約から、目的関数を決定する。目的関数は多数の形式のうちの一つを取ることができ、該目的関数は、所望の中心磁場強度が達成されるように、或いは現場での点検保守手順の際に適用可能である場合には所望の中心磁場強度が維持されるように、磁石組立体全体にわたって必要とされるシミングの最少量を決定するように定義される。

目的関数に対する制約から、理想的な解決策が決定される。理想的な解決策は、磁石組立体内の多数の位置又は目標点で必要とされるシミングの量を示す。しかしながら、各位置で特定されたシミングの量が精密に起こり得ないことがあることを考慮する必要がある。例えば、鉄のシムは製造されたときに質量が変化していることがある。このため、鉄のシムが「理想的な」ものとして確認されるような正確な特定のシム値を持っていないことがある。従って、「理想的な」シム値と入手可能なシム値との間の変動に対処するために理想的な解決策を離散化する(discretize)ことが必要である。離散化処理から、シム位置及びシム量が出力される。

前に述べたように、シミング・アルゴリズムは、磁場不均一性及び磁場強度を同時に取り扱うように設計されている多数の目的関数のうちの１つを利用してよい。例えば、線形プログラミング（ＬＰ）方策又は手段を用いてもよく、或いは最小自乗法を用いてもよい。一つのＬＰ方策では、目的関数は次式のように定義され得る。

最小化Ｏbj＝ΣＶi（Ｉi⁺ −Ｉi^- ）＋ΣＷj＊Ｙj 式（１）
但し、以下の制約を受ける：
−Ｉmax ≦Ｉi^- ≦０ 式（２）
０≦Ｉi⁺ ≦Ｉmax 式（３）
Ｙ_L ≦Ｙj ≦Ｙ_U 式（４）
Ｂ_L ≦ＡＸ≦Ｂ_U 式（５）。

ここで、Ｉi^-，Ｉi⁺は抵抗性、超伝導又は永久磁石シムのような能動的シムについての状態変数である。シミング・コイルでは、これらはコイルで必要とされる適切な符号の電流の量である。永久磁石シムでは、これらは適切な極性の永久磁石材料の量である。Ｙj は受動的シムについての状態変数である。これらは各位置に配置される受動的シムの量である。Ｖi は能動的シムについての重み係数である。Ｗj は受動的シムについての重み係数である。Ａは各シム位置における能動的及び受動的シムのシム強度マトリクスであり、各シミング点に対する磁場寄与分又はＢ0 寄与分を含む球面調和関数のいずれかで表される。Ｘは全ての状態変数のベクトルである。Ｂ_L 及びＢ_U は磁場（ガウス、テスラ）又は調和関数（ｐｐｍ）で表した上側及び下側束縛ベクトルである。これらは、所望の中心磁場強度を定義する実際の制約である。ここで、式（５）は｜ＡＸ−Ｂ_target｜≦εとして特徴付けることができることに留意されたい。この式で、Ｂ_targetは目標磁場又は調和関数であり、またεは許容公差ベクトルである。

図４は、ヨーク１２に取り付けられた複数組の磁石ブロック１８を示している。一組は番号３２を付した磁石ブロック１８を含み、別の一組は番号３４を付した磁石ブロック１８を含み、また別の一組は番号３６を付した磁石ブロック１８を含んでいる。図４で、更に別の一組は番号３８を付した磁石ブロック１８を含み、また更に別の一組は番号４０を付した磁石ブロック１８を含んでいる。模範的な実施形態では、ブロック３２及び３４は半ブロックである、すなわち、大きさが他の全てのブロック１８の半分である。

使用の際には、中央組立体３０がヨーク１２上に配置されて、中心磁場が測定される。模範的な実施形態では、中心磁場はテスラ・メータ又はガウス・メータ等によって測定される。測定された値は所望の値と比較され、一組のブロックが中央組立体３０の周縁でヨーク１２上に配置される。従って、相異なるＭＲＩシステムは実質的に同じ中心磁場強度を有するが、磁石ブロックの配置構成が異なることにより様々なブロック１８相互間で製造上の差異が生じる。また、一つのＭＲＩで、中心磁場の調節のために頂部ヨーク５０と底部ヨーク５２（図１に示す）で異なるブロック構成を有することができる。ここで、半ブロック及び全ブロック(full block)を中央組立体３０に付加して使用することが典型的にはＭＲＩシステム１０の最初の製造の際になされるのに対して、前に説明したようなＢ0 シミング及び磁石ブロック温度調整が典型的には現場で、又は磁石組立体を完成した後で工場で、中心磁場及び磁場均一性を再較正するために行われるが、それらの効果は累積的であるので、様々な順序の組合せの全てで共に用いることができることに留意されたい。半ブロック３２及び３４を使用すると、中心磁場を約１パーセントだけ強め又は弱めるように変更できる。３組のブロック３６，３８，４０を使用すると、中心磁場を約３．５パーセントだけ強め又は弱めるように変更できる。

本書で述べた方法及び装置は中心磁場を変更する新規な方策を提供する。本書で述べた方法及び装置はＭＲＩシステムの組み立て中及び組み立て後に使用可能である方法及び装置を提供する。

中心磁場を変更する方法及び装置の模範的な実施形態について本書で詳しく説明した。これらの方法及び装置は本書に記載した特定の実施形態に限定されず、むしろ各々の方法及び装置の構成要素を本書に記載した他の構成要素とは独立に且つ別々に利用してもよい。更に、各々の方法及び装置の構成要素は本書に記載した他の構成要素と組み合わせて使用することもできる。

本発明を様々な特定の実施形態について説明したが、当業者には本発明が特許請求の範囲に記載の精神および範囲内で変更して実施できることが認められよう。

撮像システムのブロック略図である。 撮像システムのブロック略図である。 図１に示したヨーク上に配置された中央磁石組立体を示す略図である。 図３に示した中央組立体の周縁に配置された複数組の磁石ブロックを示す略図である。

符号の説明

１０ ＭＲＩシステム
１２ 板状ヨーク
１４ 柱状ヨーク
１６ Ｃ字形ヨーク
１８ 磁石ブロック
２０ 磁極片基部
２２ 支持リング
２４ 磁極片
２５ ギャップ
２６ 電子回路
２８ 表示装置

Claims (4)

1. ＭＲＩシステムの製品ラインであって、
   第１のヨーク（１２）と、該第１のヨーク上に配置された第１の中央組立体（３０）を形成する複数の磁石ブロック（１８）とを含んでいる第１のＭＲＩシステム（１０）と、
   第２のヨーク（１２）と、該第２のヨーク上に配置され且つ前記第１の中央組立体と同じ形状を持つ第２の中央組立体（３０）を形成する複数の磁石ブロック（１８）と、前記第２の中央組立体の周縁で前記第２のヨークに取り付けられた第１組の磁石ブロック（３２，３４，３６，３８，４０）とを含んでいる第２のＭＲＩシステム（１０）と、
   を有している製品ライン。
2. 前記第１のＭＲＩシステム（１０）は更に、前記第１の中央組立体（３０）の周縁で前記第１のヨーク（１２）に取り付けられた第２組の磁石ブロック（３２，３４，３６，３８，４０）を含んでおり、該第２組の磁石ブロックは前記第１組の磁石ブロックとは異なる配置構成である、請求項１記載の製品ライン。
3. 前記第１組の磁石ブロック（３２，３４，３６，３８，４０）は一組の半ブロック（３２，３４）を含んでいる、請求項１記載の製品ライン。
4. 前記第２のＭＲＩシステム（１０）は更に、前記第１組に隣接して前記第２のヨーク（１２）上に配置された第２組の半ブロック（３２，３４）を含んでいる、請求項３記載の製品ライン。

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