JP2005192825A

JP2005192825A - 磁気共鳴イメージング装置

Info

Publication number: JP2005192825A
Application number: JP2004002627A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Nakatsu; 真幸中津
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 2004-01-08
Filing date: 2004-01-08
Publication date: 2005-07-21

Abstract

【課題】薄型であってメンテナンスの作業性がよく、磁場強度の空間分布を低次項から高次項まで広範囲に高精度に調整可能な磁場調整手段を備えたＭＲＩ装置を提供する。
【解決手段】支持体上に配置された複数のコイル２ａ，２ｂ，２ｃにより磁場を生じさせ、静磁場均一度を調整する。複数のコイルの導線は、支持体の上面領域を径方向および周方向にそれぞれ分割することにより設定した複数の領域の外形に沿って巻回され、隣り合うコイルの導線は、隣接する部分で互いに略同一形状となるように構成されている。これにより、隣り合うコイルの隣接部の導線に互いに逆向きの電流を流すことにより、その部分で発生する磁場を打ち消し合わせ、隣接するコイル同士を連結したのと同じ作用を得ることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁気共鳴現象を利用して被検体の所望箇所を画像化する磁気共鳴イメージング装置（以下、ＭＲＩ装置と記す）に関し、特に、撮像空間に所望の均一度の静磁場を供給する手段を備えたＭＲＩ装置に関する。

ＭＲＩ装置は、磁場中に配置された被検体中の核スピンの磁気共鳴現象（以下、「ＮＭＲ現象」という）から得られるＮＭＲ信号を計測し、被検体中の各スピン密度分布、緩和時間分布等を断層像として画像表示するものである。ＭＲＩ装置の磁場発生源としては、静磁場発生装置と、ＮＭＲ信号に位置情報を与えるための傾斜磁場発生コイルとが用いられる。このとき静磁場発生装置が発生する静磁場の均一度が変動すると、これに重畳される傾斜磁場発生コイルの傾斜磁場の直線性が劣化し、位置情報にずれが生じるため、静磁場の均一度を保持することが重要である。この位置情報のずれは、結果として画像上の歪みや欠損等を生じさせ、画像の正確さ、鮮明さを損なうことになり、診断上の大きな障害となる。

従来の永久磁石を用いる静磁場発生装置は、永久磁石の磁気特性の温度依存性によって磁場均一度が劣化するのを防ぐために、保温手段が用いられている。例えば、永久磁石であるNd-Fe-B磁石は、温度が１℃上昇すると1000ppm程度磁場強度が減少するため、保温手段として、磁気回路全体を断熱材とヒータで覆い、一定の温度に保温する構成が一般的に用いられている。

また、永久磁石と傾斜磁場発生コイルとの間に、静磁場均一度調整手段を配置することが行われている。静磁場均一度調整手段としては、シミング磁石を用いる手法と、シムコイルを用いる手法が知られている。シミング磁石は、一辺の長さが数ミリ程度の永久磁石片を板状の支持体上に多数個配置したものであり、その配置や個々の永久磁石片の大きさを変えることで静磁場均一度の調整を可能にするものである。

シムコイルは、支持体上に形状および配置が所定のパターンの複数のコイルを搭載したものであり、そのコイルパターン特有の磁場分布を撮像空間に与える。コイルパターンの例としては、図３（ｂ）に示したＺＹコイルや図４（ｂ）に示したＸＹコイル等、種々のパターンのコイルが設計されている。図３（ｂ）のＺＹコイルは、ＺＹ項と呼ばれる空間分布の磁場を発生させるシムコイルであり、図５に示したように撮像空間１０の上下にそれぞれ配置されることにより、撮像空間１０の中心を原点、上下方向をＺ軸、左右奥行き方向をそれぞれＸおよびＹ軸とした場合、ＺＹ平面の第１および第３象限に静磁場と同じ方向の磁場を発生して静磁場を強め、第２及び第４象限には静磁場と逆方向の磁場を発生して静磁場を弱める作用をする。図４（ｂ）のＸＹコイルは、ＸＹ項と呼ばれる空間分布の磁場を発生するものであり、ＸＹ平面の第１および第３象限に静磁場と同じ方向の磁場を発生して静磁場を強め、第２及び第４象限には静磁場と逆方向の磁場を発生して静磁場を弱める作用をする。これらのシムコイルは、１枚または２枚以上を重ねて永久磁石と傾斜磁場発生コイルとの間に配置され、供給する電流を調整することにより静磁場の均一度を補正する。

また、特許文献１には、それぞれインダクタンスと抵抗が接続された複数の導電線回路を被検体に近接して配置し、インダクタンスと抵抗により各導電線に磁場強度を調整し、局所的な静磁場不均一を補正することが開示されている。
特開平１１−３４２１２１号公報

従来のシミング磁石を用いる静磁場均一度の調整方法は、シミング磁石が温度依存性を持つため、温度によって磁場分布が変化する原因となる。また、静磁場均一度を調整するためには、その都度傾斜磁場発生コイルを取り外して、永久磁石片の位置をずらしたり、大きさを変えたりする必要があり、メンテナンスの作業性が悪い。

一方、シムコイルを用いる方法は、供給電流の大きさを調整することで磁場強度を調整することができるが、磁場強度の空間分布を低次項から高次項まで広範囲に高精度に調整するためには、ＸＹコイルやＹＺコイルのような低次項のシムコイルから高次項のシムコイルまで多数枚のシムコイルを重ねて配置しておく必要がある。しかしながら、シムコイルが配置できるのは、永久磁石と傾斜磁場発生コイルとの間のわずかな厚みの空間であり、多数枚のシムコイルを積層配置することは空間的に無理である。このため、現実には配置できるシムコイルの枚数によって補正できる次数が限られ、低次項から高次項までの広範囲にわたる磁場強度分布を高精度に調整することが難しい。

また、特許文献１に記載の構成は、導電線回路を被検体に近接して局所的に配置するものであり、静磁場全体の均一度の調整はできない。

本発明は、薄型であってメンテナンスの作業性がよく、磁場強度の空間分布を低次項から高次項まで広範囲に高精度に調整可能な磁場調整手段を備えたＭＲＩ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、支持体上に配置された複数のコイルにより磁場を生じさせ、静磁場均一度を調整する。複数のコイルの導線はそれぞれ、支持体の上面領域を径方向および周方向にそれぞれ分割することにより設定された複数の領域の外形に沿って巻回されている。

分割領域における所望の静磁場均一度に対応して、分割領域のコイルに流す電流を制御することにより、所望の位置に所望の大きさの磁場を生じさせることができる。また、例えば、隣り合うコイルの隣接する部分に、互いに逆向きの電流を流すことにより、その部分で発生する磁場の一部を互いに打ち消し合わせ、発生する磁場の強度を制御することができる。

隣り合うコイルは、隣接する部分が略同一形状となるように構成することができる。また、例えば、前述の領域は、上面領域を周方向について少なくとも２の分割、径方向について少なくとも１の分割をすることにより設定することができ、周方向および径方向に並んだ複数の領域ごとにコイルが配置された構成にすることができる。

また、本発明の別の態様では、支持体上に互いに隣接するように配置された複数のコイルと、これら複数のコイルにそれぞれ所定の割合で電流を供給する電流供給手段とを用いる。複数のコイルは、隣接する部分の導線が略同一形状である。電流供給手段は、分割領域における静磁場均一度に対応して、分割領域のコイルに流す電流を制御する。

本発明の一実施の形態のＭＲＩ装置を図面を用いて説明する。
本実施の形態のＭＲＩ装置は、図１（ａ）に示したように、撮像空間１０に空間的及び時間的に一様な強度分布の静磁場を形成するための静磁場形成装置１００と、撮像空間１０に配置された被検体に対して高周波磁場パルスを照射するための照射コイル１４と、被検体から放出されるＮＭＲ信号に位置情報を付加するために撮像空間に傾斜磁場を発生する傾斜磁場コイル１３とを有している。この他に、図示していないが、被検体が発生するＮＭＲ信号を受信する受信部と、撮像動作を制御するシーケンサと、受信したＮＭＲ信号を処理する信号処理部と、被検体を搭載する寝台とを有している。

静磁場形成装置１００は、撮像空間１０を挟んで上下に対向して配置された永久磁石６と、上下の永久磁石６の撮像空間１０側にそれぞれ配置された磁極９と、永久磁石６および磁極９を機械的に支持し磁路を形成するための継鉄板７ならびに継鉄柱８とを含んでいる。磁極９は、永久磁石６が発生する磁場を撮像空間１０に集中させるために、撮像空間１０側の面の中央が窪んだ形状を有している。また、静磁場形成装置１００は、永久磁石６の磁場特性が温度によって変動するのを防ぐために、継鉄板７の外側面にヒータ１１を配置した上で静磁場形成装置１００の外周面全体を断熱材１２で覆い、温度を一定に保つように構成されている。

照射コイル１４および傾斜磁場コイル１３は、撮像空間１０の被検体に対して圧迫感の少ない空間を与えるために、磁極９の中央の窪みの内側に配置されている。このため、照射コイル１４と傾斜磁場コイル１３とは互いに密着して配置され、傾斜磁場コイル１３と磁極９の表面との間隔は、図１（ｂ）に示したように、数mm〜十数ミリである。本実施の形態では、この傾斜磁場コイル１３と磁極９との間の空間に、１枚のマルチプルシムコイル１５を配置している。

マルチプルシムコイル１５は、図２（ａ）にＸＹ面から見た正面図を示したように、円形の支持体１上に、２５ｃｈのサブコイルを搭載したシムコイルである。具体的には、厚さ１mm〜数mm程度の樹脂製の円形の支持体１の上面領域を、半径方向に２カ所で分割して３つの領域に分け、最も外側の環状の領域を中心から等角度に分割して１２個の扇型の領域に分け、各領域の外形に沿って導線を扇形に巻回した巻き数４のサブコイル２ａを１２個配置している。同様にその内側の環状の領域も、中心から等角度に分割して１２個の扇型の領域に分け、各領域の外形に沿って導線を扇形に巻回した巻き数４の扇型のサブコイル２ｂを１２個配置している。支持体１の中心を含む円形領域には、円形領域の外形に沿って導線を巻回した巻き数６の円形のサブコイル２ｃを１つ配置している。このように支持体１の上面領域を２５の領域に分割し、それぞれ領域の外形に沿って導線を巻回したサブコイル２ａ、２ｂ、２ｃを配置している。２５個のサブコイル２ａ、２ｂ、２ｃは、互いに隣接する部分の形状がほぼ同一であり、互いに平行に走っている。なお、支持体１上の導線は、導体層を線状にパターニングすることにより形成することができる。

２５個のサブコイル２ａ、２ｂ、２ｃは、いずれも導線の端部が、支持体１の外側に引き出され、図２（ｂ）に示した回路構成の電流制御ユニット３に接続されている。電流制御ユニット３は、静磁場形成装置１００の外側のユーザが操作可能な位置に配置されている。電流制御ユニット３は、２５個のサブコイル２ａ、２ｂ、２ｃのそれぞれに対して直列に抵抗された可変抵抗４を含み、可変抵抗４およびサブコイル２ａ、２ｂ、２ｃは、単一の直流電源５に並列に接続されている。したがって、２５個の可変抵抗４の調整用つまみを操作して抵抗値をユーザが調整することにより、２５個のサブコイル２ａ、２ｂ、２ｃに供給する電流の配分を自由に制御することができる。また、サブコイル２ａ、２ｂ、２ｃを並列結合したことにより、単一の直流電源５で全てのサブコイル２ａ、２ｂ、２ｃに電流を供給することができる。

このような構成のマルチプルシムコイル１５では、上述したように２５個のサブコイル２ａ、２ｂ、２ｃの互いに隣接する部分の導線が同一形状で平行に走っている。このため、隣り合うサブコイルの隣接部の導線に、互いに逆向きで、かつ、同じ大きさの電流が流れるように制御した場合には、それぞれの導線から生じる磁場が互いに打ち消し合い、結果的にその部分から磁場が発生しない。これにより、磁場の発生という観点で見ると、その部分には電流が流れていないのと同じであり、あたかも隣り合う複数のコイルの境界が存在せず、隣接するコイルが連結され、連結されたコイルの外周部分にのみ導線が存在するのと同じ効果が得られる。また、隣り合うサブコイルの隣接部の導線に、互いに逆向きで、かつ、大きさの異なる電流が流れるように制御した場合には、それぞれの導線から生じる磁場が互いに打ち消しあい、逆向きの電流の差分に応じた大きさの磁場だけが生じる。よって、その部分には、逆向きの電流を差分した電流が流れているのと同じ効果が得られる。さらに、隣り合うサブコイルの隣接部の導線に、互いに同じ向きで、所定の大きさの電流が流れるように制御した場合には、それぞれの導線で生じる磁場を合算した大きさの磁場が発生される。

したがって、例えば、図３（ａ）に示したように、ＸＹ平面に平行にマルチプルシムコイル１５を配置し、外側の１２個のサブコイル２ａのうち、Ｘ軸に隣接する４個のサブコイル２ａに流す電流の大きさを１とした場合、Ｙ軸に隣接する４個のサブコイル２ａには３倍の電流が、それらの間のサブコイル２ａには２倍の電流がそれぞれ流れるように制御し、さらに内側の１２個のサブコイル２ｂのうちＸ軸に隣接する４個のサブコイル２ｂには１倍の電流が、それ以外のサブコイル２ｂには２倍の電流が流れるように制御し、しかもそれら電流の向きは、ＸＹ平面で第１及び第２象限に位置するコイル２ａ、２ｂでは時計回り、第３及び第４象限に位置するコイル２ａ、２ｂでは反時計回りとなるように制御することにより、図３（ｂ）に示したＺＹコイルと同じ磁場分布を生じさせることができる。これにより、図５に示したように撮像空間１０のＺＹ平面の第１および第３象限に静磁場と同じ方向の磁場を発生して静磁場を強め、第２及び第４象限には静磁場と逆方向の磁場を発生して静磁場を弱める作用を生じさせることができる。なお、図５に示したように上側のマルチプルシムコイル１５と下側のマルチプルシムコイル１５は、流す電流の向きを逆向きにする。また、上述の電流の割合を保ったまま、マルチプルシムコイル１５の全体の電流量を調整することにより、強める（弱める）磁場の大きさを調節できる。

また、図３（ａ）の電流配分をＸＹ面内で原点を中心に９０度ずらすことにより、ＺＸコイルと同じ磁場分布を生じさせることができる。すなわち、撮像空間１０のＺＸ平面の第１および第３象限に静磁場と同じ方向の磁場を発生して静磁場を強め、第２及び第４象限には静磁場と逆方向の磁場を発生して静磁場を弱める作用を生じさせることができる

また、図４（ａ）に示したように外側の１２個のサブコイル２ａのうち、Ｘ軸およびＹ軸に隣接する８個のサブコイル２ａに流す電流の大きさを１とした場合、それらの間のサブコイル２ａには２倍の電流が流れるように制御し、内側の１２個のサブコイル２ｂにはすべて１倍の電流が流れるように制御し、しかもそれら電流の向きは、ＸＹ平面で第１及び第３象限に位置するコイル２ａ、２ｂでは時計回り、第２及び第４象限に位置するコイル２ａ、２ｂでは反時計回りとなるように制御することにより、図４（ｂ）に示したＸＹコイルと同じ磁場分布を生じさせることができる。これにより、撮像空間１０のＸＹ平面の第１および第３象限に静磁場と同じ方向の磁場を発生して静磁場を強め、第２及び第４象限には静磁場と逆方向の磁場を発生して静磁場を弱める作用を生じさせることができる。

さらに、２５個のサブコイル２ａ、２ｂ、２ｃのうち、どれか１個だけを選択し、これに多量の電流が流れるようにすれば、選んだサブコイルの位置に対応した撮像空間１０の局所部分における磁場強度を調整することができる。

上述してきたように、本実施の形態のマルチプルシムコイル１５は、１つのシムコイルでありながら、ＺＹ項やＸＹ項等で代表される低次項の磁場分布から、撮像空間の局所部分での磁場分布に代表される高次項の磁場分布まで、広範囲に高精度に静磁場の均一度調整が可能である。しかも、複数枚のシムコイルを重ねて配置する必要がなく、薄型の磁場均一度調整手段が提供できる。また、発生する磁場の制御は、可変抵抗４の調整用つまみ（トリマ）を操作するだけで行うことができ、シミング磁石のように磁場調整の変更のために傾斜磁場コイル１３を取り外す必要がなく、メンテナンス性に優れている。さらに照射コイル１４や傾斜磁場コイル１３の発熱の影響も受けないため、常に安定した磁場を提供できる。これにより、画像歪みや欠損等のない高画質な画像が得られるＭＲＩ装置を提供することができる。

なお、マルチプルシムコイル１５上に配置するサブコイル２ａ，２ｂ，２ｃの形状、配置および個数は、図２（ａ）に示した形状、配置および個数に限られるものではなく、永久磁石６等の形状や構造に合わせて自由に形状及び配置を定めることができる。サブコイルの数がいくつであっても、隣り合うサブコイルの隣接する導線に流れる電流の向きと大きさを制御することで一定の効果は得られる。また、隣り合うサブコイルの隣接する導線は、平行であることが好ましいが、完全な平行でなくとも平行な電流成分の生じる磁場同士が打ち消し合うことにより一定の効果が得られる。周方向については図２（ａ）に示したように１２個以上の領域に分割することが望ましく、これにより従来のＸＹコイル、ＹＺコイル等の同じ効果を得ることができる。

上述静磁場形成装置１００は、静磁場の発生源として永久磁石６を用いる構成であったが、本実施の形態のマルチプルシムコイル１５は、超電導磁石など他の磁場発生源に用いることも可能である。

（ａ）本発明の一実施の形態のＭＲＩ装置の静磁場形成装置１００の構造を示す断面図であり、（ｂ）そのＡ部の拡大断面図である。（ａ）図１の静磁場形成装置１００に配置されたマルチプルシムコイル１５のＸＹ方向の正面図であり、（ｂ）マルチプルシムコイル１５に接続される電流制御ユニット３の回路構成を示す説明図である。（ａ）図２のマルチプルシムコイル１５をＺＹコイルとして動作させる場合にサブコイル２ａ、２ｂ、２ｃに流す電流量と向きを示す説明図であり、（ｂ）従来のＺＹコイルのコイルパターンと電流および向きを示す説明図である。（ａ）図２のマルチプルシムコイル１５をＸＹコイルとして動作させる場合にサブコイル２ａ、２ｂ、２ｃに流す電流量と向きを示す説明図であり、（ｂ）従来のＺＹコイルのコイルパターンと電流および向きを示す説明図である。従来のＺＹコイルを用いて、撮像空間１０のＺＹ平面の第１及び第３象限の磁場を強め、第２及び第４象限の磁場を弱めて均一度を向上させる原理を示す説明図である。

符号の説明

１…支持体、２ａ，２ｂ，２ｃ…サブコイル、３…電流制御ユニット、４…可変抵抗、５…直流電源、６…永久磁石、７…継鉄板、８…継鉄柱、９…磁極、１０…撮像空間、１１…ヒータ、１２…断熱材、１３…傾斜磁場コイル、１４…照射コイル、１５…マルチプルシムコイル、１００…静磁場形成装置。

Claims

撮像空間に静磁場を形成する静磁場形成手段と、前記静磁場の均一度を調整するための磁場を発生する静磁場均一度調整手段とを有し、
該静磁場均一度調整手段は、支持体と、該支持体上に配置された複数のコイルとを含み、
前記複数のコイルは、前記支持体の上面領域を径方向および周方向にそれぞれ分割することにより設定した複数の領域の外形に沿ってそれぞれ導線を巻回したものであることを特徴とするＭＲＩ装置。
請求項１に記載のＭＲＩ装置において、前記複数のコイルのうち隣り合うコイルは、隣接する部分が略同一形状であることを特徴とするＭＲＩ装置。
請求項１または２に記載のＭＲＩ装置において、前記上面領域の前記周方向の分割は、少なくとも２の分割であり、前記径方向の分割は少なくとも１の分割であり、前記周方向および径方向に並んだ複数の領域ごとに前記コイルが配置されていることを特徴とするＭＲＩ装置。
請求項１ないし３のいずれか１項に記載のＭＲＩ装置において、前記複数のコイルにそれぞれ所定の割合で電流を供給する電流供給手段を含み、該電流供給手段は、前記各分割領域における前記静磁場均一度に対応して、該分割領域のコイルに流す電流を制御することを特徴とするＭＲＩ装置。
撮像空間に静磁場を形成する静磁場形成手段と、前記静磁場の均一度を調整するための磁場を発生する静磁場均一度調整手段とを有し、
該静磁場均一度調整手段は、支持体と、該支持体上に互いに隣接するように配置された複数のコイルと、該複数のコイルにそれぞれ所定の割合で電流を供給する電流供給手段とを含み、前記複数のコイルのうち隣り合うコイルは、隣接する部分の導線が略同一形状であり、前記電流供給手段は、前記各分割領域における前記静磁場均一度に対応して、該分割領域のコイルに流す電流を制御することを特徴とするＭＲＩ装置。
請求項４または５に記載のＭＲＩ装置において、前記電流供給手段は、前記複数のコイルにそれぞれ直列に接続された電流配分調整部と、該電流配分調整部に任意の配分量を設定するための設定部と、該電流配分調整部が接続された前記複数のコイルを単一の電流供給源に並列に接続する回路とを有することを特徴とするＭＲＩ装置。