JP2004527282A - 横磁界を有する開放型超伝導ｍｒｉ磁石 - Google Patents

Abstract

本発明は、磁石及び磁気共鳴画像形成装置に関する。磁石は開放型であり、磁気コイルが中央平面及び反射平面の２つの互いに垂直な平面の周りに分離された象限に配置されている。巻線は、動作時電流が反射平面の周りで対称的に、また中央平面の周りで非対称的であって、反射平面に垂直な方向に正味磁界が中心に発生するように構成されている。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁石に係り、さらに詳細には（必ずしも限定されないが）磁気共鳴画像形成装置、特に、開放型磁石、即ち、患者の撮像部分が位置する画像形成空間が磁石に包囲されない磁石に係る。
【背景技術】
【０００２】
ＭＲＩに課せられる特殊な条件として、通常は直径が３０乃至５０ｃｍの球体である画像形成空間における磁界均質性が数ｐｐｍで、通常は０．２乃至２テスラの均質で強力な磁界が必要なことがある。かかる磁界は、最も典型的には、ソレノイド型電磁石により発生するが、この構成では、磁石が包囲する中央開口管内に患者を閉じ込めなければならない。この開口管の長さは通常１．６ｍまたはそれ以下であるが、一部の患者に極度のストレスがかかる閉所恐怖症の感覚を惹き起すことがある。さらに、かかる設計によると、その間に治療を実施するために、あるいは患者を落ち着かせるために随伴者がそばに居ることが必要な場合に絶対必要な、患者へのアクセスが得られない。しかしながら、開放型磁石を用いると、これらの問題が解消されるか少なくとも実質的に軽減される。
【０００３】
ＭＲＩ装置用の開放型電磁石はよく知られている。「分割対」と呼ばれることの多い開放型電磁石の一種は、一般的にソレノイド型で軸の周りに開口管を有する一対の並置コイルセットにより構成されている。これらのコイルセットは、組立体間に人間が立つことができるに十分な広さのギャップが存在するように支持構造により離隔関係に保持されるため、それらの間の画像形成空間には装置の任意の主軸に沿ってアクセスすることが可能である。通常、患者はソレノイドの軸に沿って配置される。ソレノイド組立体間のギャップは、その間に治療を実施するためのアクセスにとっては適当なものである。かかるシステムは、米国特許第5,381,122号及びにLaskaris et alよる論文”A Cryogen-Free Open Superconducting Magnet for Interventional MRI Applications”, IEEE Transactions in Applied Superconductivity, Volumn5, Number 2, June 1995に記載されている。
【０００４】
別の解決法として、２組のソレノイドコイルを垂直軸について同心的に配置した設計がある。かかる設計は、例えば、米国特許第5,874,882号に記載されている。しかしながら、かかる設計の問題点は、所与の中心磁界強度を得ようとすると大きな漂遊磁界が発生することである。漂遊磁界の大きさは、所謂遮蔽コイルのサイズを大きくすれば減少させることが可能である。しかしながら、遮蔽コイルのサイズを大きくすると中心磁界が減少する。そして、中心磁界が減少すると、駆動コイルのサイズを実質的に大きくしなければならない。その結果、患者へのアクセスを改善するために同心コイルを軸方向に離隔させた磁石により所与の中心磁界を発生させ、漂遊磁界を適当な大きさに抑えるには、実質的な量の導体が必要になる。
【０００５】
Huson et alのＰＣＴ ＷＯ93/15514公報には、反対極性の一対の並置磁極間に画像形成空間が画定され、これらの磁極が磁束の帰還路を与える鉄ヨークまたは超伝導ソレノイドによりリンクされ支持される電磁石が記載されている。鉄ヨークは、主として、ほぼＣ字形の鉄フレームより成る。多量の鉄が必要であるため、これら公知のＣ字形磁石は非常に重く、特に、高磁界磁石では磁束の帰還路を画定するために何トンもの鉄を必要とする。Huson et al公報はさらに、帰還磁束を制限する遮蔽コイルの使用が開示されているが、使用する導体の量、従ってそのコストが大きい。
【０００６】
これら公知の開放型磁石において、磁界の方向はコイルの軸に沿う方向、従ってギャップの平面に垂直な方向である。これら公知の開放型磁石の並置磁極間の磁力は非常に大きく、ギャップを閉じる方向に作用する。これが磁極支持構造に大きな圧縮力を及ぼすため、この構造はこれらの力に耐えるだけの十分な強度及び安定性を備える必要がある。従って、この構造は実質的なものであり、画像形成空間への自由なアクセスにとって有意な障害となる。
【発明の目的】
【０００７】
本発明は、改良形磁石の提供しようとするものである。本発明はさらに、磁気共鳴画像形成に適した磁石を提供しようとするものである。
【０００８】
本発明はまた、均質性が改善された強力な磁界が得られるが患者へのアクセスは妨げられない磁石構造を提供しようとするものである。本発明はまた、漂遊磁界が小さく、磁気コイルの構成に必要な導体量が少ない磁石構造を提供しようとするものである。
【発明の概要】
【０００９】
本発明の第１の局面によると、導電材料の巻線より成る複数の磁気コイルにより構成された磁石組立体であって、磁気コイルは、中央平面及び反射平面の２つの互いに垂直な平面の周りに分離された象限に配置され、巻線は、動作時、電流の流れが反射平面の周りで対称的であるが中央平面の周りで非対称的であるため、中心または組立体において反射平面に垂直な方向に正味の磁界を発生させる磁石組立体が提供される。
【００１０】
磁気コイルは入れ子構造のサブコイルでよい。磁気コイルはオーバーラッピングしたサブコイルまたは差し込み構成のサブコイルでよい。磁気コイルは種々の平面内のサブコイルでよい。磁気コイルはＤ字形コイルまたはバナナコイル（当業者に知られている）若しくは他のタイプのサブコイルでよい。磁気コイルは入れ子構造か、他のコイルとオーバーラップするＤ字形コイルまたはバナナコイルでよい。
【００１１】
好ましくは、磁気コイルを、銅またはアルミニウムのような導電材料で形成する。磁気コイルは、好ましくは、超伝導材料でよく、それはよく知られているように低温超伝導体または高温超伝導体でよい。発生する磁界は０．１テスラより大きく、通常は１テスラより大きい磁界が磁気共鳴画像形成装置のような装置に使用される。
【００１２】
従って、磁気コイルは、磁石組立体の各象限についてほぼ同一のコイル副組立体より成り、それにより、磁石組立体の製造が簡単になる。本発明の最も単純な例では、４つのコイル副組立体を用いる。
【００１３】
本発明の別の局面によると、一次磁石組立体、クライオスタットユニット、ＲＦ組立体及び勾配磁石組立体とより成り、一次磁石組立体は導電材料の巻線より成り、磁気コイルは、中央平面及び反射平面の２つの互いに垂直な平面の周りに分離された象限に配置され、巻線は、動作時、電流の流れが反射平面の周りで対称的であるが中央平面の周りで非対称的であり、一次磁石組立体は超伝導が可能な動作温度を与えるクライオスタットユニット内に配置され、勾配磁石組立体は磁気共鳴画像形成を可能にする磁界を所定の平面にわたって発生させるよう作動可能である磁気共鳴画像形成装置が提供される。
【００１４】
本発明のこの局面では、導体の配置構成により、従来のソレノイドコイル磁石の配置構成と比べて閉所恐怖症の感覚を与える度合いが少ない画像形成装置が得られる。
【００１５】
画像形成の対象となる患者の身体部分の内方且つ中心に向いたクライオスタットに対する中央部分または対応部分に凹部を形成することにより、勾配コイルまたはＲＦコイルのための空間にすることができる。かかる空間は、一次磁石のシムを配置するために適宜使用できる。
【００１６】
本発明のさらに別の局面として、導電材料の巻線より成る複数の磁気コイルが、中央平面及び反射平面の２つの互いに垂直な平面の周りに分離された象限に配置された磁石組立体をクライオスタット内で作動する方法であって、磁石組立体を超伝導が可能な温度に冷却し、電流の方向が反射平面の周りで対称的であるが中央平面の周りで非対称的となるように磁気コイルに電流を流すステップより成る方法が提供される。
【００１７】
かくして、１つの局面において、本発明は、高い均質性を有する強力な磁界と小さい漂遊磁界とを発生し、必要な導体の量が少ない磁気共鳴画像形成装置に好適な磁石を提供する。この導体がＮｂＴｉのような超伝導体より成る磁石では、導体の量が減少することにより重量及びコストが実質的に節減される。
【実施例】
【００１８】
発明者が企図する本発明の実施のための最適モードを、以下において例示的に説明する。以下の説明において、多数の詳細事項は本発明の完全な理解を期するために提供される。しかしながら、当業者にとって、本発明はこれら特定の詳細事項によらずに実施可能であることが明らかであろう。他の例では、よく知られた方法及び構造については本発明を不必要に不明瞭にするため詳説しない。例えば、添付図面は患者アクセス平面または中央平面が水平な平面内にあるとして示すが、患者アクセス平面を垂直に向けることも可能である。
【００１９】
図１は、４つのコイル１１０、１１２、１１４、１１６より成る構成と、以下の説明において言及するＸＹＺ座標基準フレームとを示す。図１に示すコイル１１０−１１６は、中央平面と呼ぶＸＹ平面及び反射平面と呼ぶＹＺ平面に関して対称的に配置されている。これらのコイルは、ＺＸ平面に関して対称的な平面を有する。コイル上の矢印１１８は、互いの電流の方向を示すためのものである。中央平面（ＸＹ平面）の上方にあるコイル１１０の電流は、中央平面の下方にあるコイル１１４の電流とは反対（非対称）である。さらに、正のＸ空間にあるコイル１１２及び１１４の電流の回転方向は、負のＸ空間にあるコイル１１０及び１１４の電流の方向と反対である。「バナナコイル」と呼ぶことがある図１に示す各コイルの形状は、反射平面に最も近いコイルの側で曲率半径が逆転するため、従来型巻線方法では簡単に製造できない。
【００２０】
図２及び３はバナナコイルの２つの構成を示すが、各バナナコイルにより発生させる磁界は同一である。図２に示す入れ子型バナナコイルでは、第１の方向に１００アンペアの電流を運ぶ１２０度アークのバナナコイル２１０の内部に６０度アークのバナナコイル２１２が入れ子になっている。６０度アークのコイルは、第１の方向とは反対の方向に２００アンペアの電流を運ぶため、全体で１２０度アークのうち中央の６０度アークでは第２の方向に合計１００アンペアの電流が流れる。これは、第２の方向に１００アンペアの電流を運ぶ中央の６０度アークのバナナコイル２１４と、第１の方向に１００アンペアの電流を運ぶ２つの周辺の３０度アークのバナナコイル２１６、２１８とより成る図３に示す構造と等価である。
【００２１】
かかるバナナコイルの製造方法はよく知られているが、図４に示すようなＤ字形コイルを重畳することによりほぼ同じ磁界を発生させる方が容易である。これはまた、Ｄ字形コイルのまっすぐな辺を位置決めする自由度を増加させるため、磁界の均質性の改善に役立つ。Ｄ字形コイルは挟み込み及び／またはオーバーラッピング型でよい。下方のコイルを参照して、コイル４１０、４１２及び４１４は形状及びそれぞれの電流方向が共にコイル４１６、４１８、４２０と鏡像関係にあることがわかるが、その理由は、図４が各Ｄ字形コイルにおける電流の方向４２２を示すからである。各Ｄ字形コイルは、動作時Ｚ軸に平行に整列される軸の周りに巻回される。コイルは非円形であるが、巻線は、その曲率半径が逆転しないため巻回は簡単である。Ｄ字形は通常、一方にまっすぐな辺があると予想されるが、実際は、その辺は完全にまっすぐである必要はなく、ただ極端に大きい半径をもつものでよいため、ワイヤーの巻回作業が容易になる。同じ理由により、まっすぐな部分の端部のコーナーを、尖ったコーナーでなくて丸みを付けるのが好ましい。このようにすると、ほぼＤ字形のコイルを従来のワイヤー巻回法により、円形コイル用の一定半径でなくて可変曲率半径を有するように容易に巻回できる。個々のコイルの巻回軸はＺ軸に平行であるが、異なるコイルに電流が流れる構成により、Ｚ軸に垂直なシステムの中心に合成磁界が発生する。同様に、システムの外部領域では、個々のコイルの磁界が互いに相殺されるためにシステムの外部の漂遊磁界が非常に小さくなり、別のコイルによる遮蔽手段が不要になる。
【００２２】
図５は、４０ｃｍの球体上に予想ピーク対ピーク値が６ｐｐｍである均質性を有する磁界を発生する１組の平板コイルを示す上面図である。コイル５１０及び５１２は同一であり、電流の方向（図示せず）はＸ＝Ｏ平面において鏡像関係にある。これらのコイルは、公知のように、平板または勾配コイルと同じ構造を有する。完全なＭＲＩ装置の中心にゼロ磁界を発生するように構成された勾配コイルとは対照的に、電流の接続は、各象限のコイルを直列に接続して動作時にＭＲＩ装置の中心に高い均質な磁界が得られるようにした点で異なる。
【００２３】
図６は、極グリッド型の導体６１０、６１２、６１４、６１６より成る構成を遠近法で示す。中央の導体６１０、６１４間の中央ギャップ６１８は、勾配コイル及びシムを有するＲＦコイルにとって十分な空間を提供するが、外側コイル６１２と６１６との間のギャップ６２０はそれより小さい。これにより、磁界の均質性が改善され、所与の中心磁界を発生するに必要な導体の量が減少する。計算の目的で、コイルをセグメント化して示すが、これはそれらの実際の構成を正確に反映するものではない。
【００２４】
図７は、図４に示すものと同じ導体構成を有するＭＲＩスキャナーのＺＸ平面における断面図である。これらの導体は、２つの群７１０、７１２を形成するよう構成されている。群７１０は、大きなギャップを有する導体に対応する。これらの導体は、超伝導態様で動作するのが知られている。導体の外側部分を７１２で示す。現在の超伝導体は低温で動作させる必要があり、この例の導体は熱放射遮蔽体として働くエンクロージャー７１４により包囲されている。さらに、このエンクロージャーは低温液体を容れるものとして使用できる。導体７１０、７１２及びエンクロージャー７１４は、空気が漏洩しないエンクロージャー７１６により包囲されている。このエンクロージャーの内部を排気して、エンクロージャー７１６の内側表面から導体へ対流により熱が伝わるのを最小限に抑える。エンクロージャー７２０は、勾配コイル組立体を収容する部分と、ＲＦコイル（両方図示しない）とを有する。中心磁界は、３５メガアンペア−メートルの導体で１テスラとして計算されており均質性は直径４０ｃｍの球体で１４３ｐｐｍである。導体の外径は１．９ｍであり、導体間のギャップは０．７ｍ、内側導体間のギャップは０．９ｍである。
【００２５】
図８は、図７の実施例のＸＺ（ｙ＝０）平面における磁束線８１０を示す。これらの磁束線は磁界強度を示していないが、本発明により発生される（磁気共鳴画像形成用として）非常に望ましい平行磁界を示している。図８ａ乃至８ｃは、ＸＺ（ｙ＝０）平面における|Ｂ|、ｙ＝０．１ｍの平面及びｙ＝０．２ｍ平面を示す一定磁界の磁力線をそれぞれ示す。従って、本発明は半径０．２ｍの診断空間を得るのを可能にする実施例を提供するため有利である。
【００２６】
図９は、ＺＸ平面における、図７に示した導体組立体について計算した５ガウスの曲線９１０を示す。＋Ｘ＋Ｙ象限における５ガウス線だけを示す。これは、本発明の漂遊磁界が小さい特性を明示する。
【００２７】
図１０は、１つの実施例１０００の全ての一次磁石を斜視図で示す。各象限は、並置関係の３つのコイル１０１０、１０１０、１０１４．．．１０３２より成り、中央のコイルはｙ＝０平面内にある。１つの象限の各コイルの電流方向１０３４−１０４０は同一である。図１１は、各象限に６つのコイル１１１０−１１２０が存在する点を除き図１０と同じ構成を示す。ある特定の用途では画像形成領域を広くとるのが望ましいことがわかるであろう。あるいは、多数の小型サブコイルを用いて製造コストを減少することができる。図１２は、各バナナコイル１２１０、１２１４、１２１８、１２２２の内側アークに補助的な矩形コイル１２１２、１２１６、１２２０、１２２４を設け、象限のそれぞれのコイルの電流方向を互いに反対にした点で図１に対応する。
【００２８】
磁気共鳴画像形成装置にとって好適な磁気コイルの新しい配置構成について説明した。その設計により得られる利点は以下に述べるように多数ある：開放型設計により患者への高レベルのアクセスが可能となる；正味の磁界がその構成に垂直に発生するため、画像形成空間の各側の対向コイル間の磁気誘引力が減少し、コイル群間の支持構造を従来の開放型またはＣ字形磁石で知られているよりも実質的に小さくすることが可能となる；患者を頭からつま先に磁界に沿って任意の角度で整列させることが可能である；磁石が小型化されるため、それに応じて導体ワイヤーの使用量が減少し、製造コストが削減される。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１の局面による４つの磁気コイルの配置構成を示す斜視図である。
【図２】１つのバナナコイルの配置構成を示す。
【図３】別のバナナコイルの配置構成を示す。
【図４】本発明の別の局面による４つの磁気コイルの配置構成を示す斜視図である。
【図５】本発明のさらに別の局面による導体の配置構成の断面図である。
【図６】凹部を有する１組の扇形コイルの斜視図である。
【図７】本発明の一実施例のＸＺ平面における断面図であり、コイルの配置構成をＭＲＩ装置の他のコンポーネントに関連して示す。
【図８】図７に示すコイル配置構成のＸＺ平面における磁界の方向を示す。
【図９】図７による装置のＸＺ平面における５ガウス磁力線を示す。
【図１０】別の実施例を示す。
【図１１】別の実施例を示す。
【図２１】別の実施例を示す。

Claims (14)

1. 導電材料の巻線より成る複数の磁気コイルにより構成された磁石組立体であって、磁気コイルは、中央平面及び反射平面の２つの互いに垂直な平面の周りに分離された象限に配置され、巻線は、動作時、電流の流れが反射平面の周りで対称的であるが中央平面の周りで非対称的であるため、中心または組立体において反射平面に垂直な方向に正味の磁界を発生させる磁石組立体。
2. 磁気コイルはＤ字形コイルより成る請求項１の磁石。
3. 磁気コイルはバナナコイルより成る請求項１の磁石。
4. 磁気コイルはサブコイルより成る請求項１乃至３のうち任意の請求項の磁石。
5. サブコイルが入れ子及び／またはオーバーラップ構成である請求項４の磁石。
6. コイルは平板でない請求項１乃至５の任意の請求項の磁石。
7. 磁気共鳴画像装置に使用される請求項１乃至６の任意の請求項の磁石。
8. 一次磁石組立体、クライオスタットユニット及び勾配磁石組立体とより成り、一次磁石組立体は導電材料の巻線より成り、磁気コイルは、中央平面及び反射平面の２つの互いに垂直な平面の周りに分離された象限に配置され、巻線は、動作時、電流の流れが反射平面の周りで対称的であるが中央平面の周りで非対称的であり、一次磁石組立体は超伝導が可能な動作温度を与えるクライオスタットユニット内に配置され、勾配磁石組立体は磁気共鳴画像形成を可能にする磁界を所定の平面にわたって発生させるよう作動可能である磁気共鳴画像形成装置。
9. 磁気コイルはＤ字形コイルより成る請求項８の装置。
10. 磁気コイルはバナナコイルより成る請求項８の装置。
11. 磁気コイルはサブコイルより成る請求項８乃至１０のうち任意の請求項の装置。
12. サブコイルが入れ子及び／またはオーバーラップ構成である請求項１１の装置。
13. コイルは平板でない請求項８乃至１２の任意の請求項の装置。
14. 導電材料の巻線より成る複数の磁気コイルが、中央平面及び反射平面の２つの互いに垂直な平面の周りに分離された象限に配置された磁石組立体をクライオスタット内で作動する方法であって、
    磁石組立体を超伝導が可能な温度に冷却し、
    電流の方向が反射平面の周りで対称的であるが中央平面の周りで非対称的となるように磁気コイルに電流を流すステップより成る方法。