JP2006334135A - Ｍｒｉ用傾斜磁場コイル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気的絶縁性能と冷却性能の向上を図る傾斜磁場コイルを提供する。
【解決手段】ＭＲＩイメージング装置の傾斜磁場コイル１１ａ，ｂ，ｃと内部冷却装置１４を、容器１２内で絶縁油１３に浸している。ポンプ１６は内部冷却装置１４と外部冷却装置１５の間で冷媒を循環させる。絶縁油１３は傾斜磁場コイル装置のある容器１２にのみ満たされるので、絶縁油量は大幅に低減できる。また、絶縁油１３を強制循環させないので気泡の発生がなく絶縁性能の低下もない。
【選択図】図１

Description

本発明は核磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ装置）の傾斜磁場コイルに関する。

近年、診断の高速化、診断画像の高精細化等が求められるようになり、核磁気共鳴イメージング装置の高性能化の中で、傾斜磁場性能の向上も進んでいる。

傾斜磁場は任意のシーケンスに基づいてパルス状に発生させる。診断の高速化を実現するためには、所望の磁場に到達するまでの時間（立ち上がり時間と呼ばれる）の短縮が求められている。このことは傾斜磁場コイルの通電電流の立ち上がり時間を短縮することを意味するが、立ち上がり時間を短縮するためにはコイルに高電圧を印加する必要がある。また、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸傾斜磁場コイル相互間については高電圧が発生するので、絶縁性能を強化する必要がある。

また、診断画像の高精度化を実現するためには、磁場傾斜を増大することが求められている。磁場傾斜を増大するには通電電流の大電流化が必要であり、これは傾斜磁場コイルのジュール発熱量の増大を招いている。さらに、コイル形状も複雑化しており、局所的な過熱の防止するためにも、傾斜磁場コイルの冷却装置を装備したＭＲＩ装置は一般的になりつつある。

このように、傾斜磁場コイル装置はコイル電圧の高電圧化とジュール発熱の増大化が目立つようになってきた。これまで、傾斜磁場コイル装置は複数のコイルを固体絶縁体により一体モールドし、冷却が必要な場合においてはコイルを冷却する熱交換器も一体にモールドして製作している。

しかし、コイル電圧の高電圧化に対しては絶縁性能を向上させるために固体絶縁体を厚くする必要があり、ジュール発熱の増大化に対してはコイルと熱交換器の間の熱抵抗を小さくするために固体絶縁体を薄くする必要がある。すなわち、電気絶縁性能の向上と冷却性能の向上に対する解決方法は互いに矛盾している。

電気絶縁性能の向上と冷却性能の向上のための一つの方法として、特許文献１の記述がある。ここでは、傾斜磁場コイルを絶縁油に浸下させ、絶縁油は傾斜磁場コイル装置の外部にある熱交換器との間で強制循環することにより、電気絶縁性能と冷却性能の双方を向上する方法が開示されている。

特開平１１−２２５９８３号公報

特許文献１では、絶縁油を強制循環するには傾斜磁場コイル装置外部に絶縁油の循環装置、熱交換器、油送管等が必要である。強磁場を発生し、かつ、外部からの振動を遮断する必要のあるＭＲＩ装置においては、これらの循環装置等を強磁場発生部から遠ざけて配置する必要がある。このため、油送管が長くなり、ＭＲＩ装置全体での絶縁油の貯蔵量は必然的に多くなる。絶縁油は火災発生の面から危険物であり、ＭＲＩ装置を設置する病院の検査室等において大量に貯蔵することには課題がある。

一方、絶縁油を循環装置で強制循環させると、絶縁油中に気泡が混じることがある。気泡は絶縁油と比較して放電電圧が低いため、気泡が混入することにより絶縁油の性能を劣化させる怖れがある。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、絶縁油の量を大幅に低減し、かつ劣化も防止できるＭＲＩ用傾斜磁場コイルを提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明は、核磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ装置）における静磁場中に設置され、被検体に傾斜磁場を印加するための複数の傾斜磁場コイルを備えた傾斜磁場コイル装置であって、容器内の絶縁油に浸下された複数の傾斜磁場コイルと、前記傾斜磁場コイル装置の外部より供給される冷媒と前記絶縁油が熱交換することができる熱交換器を前記容器内に備えたことを特徴とする。

この手段では、絶縁油を強制循環せずに代わりに冷媒を循環させ、傾斜磁場コイル装置内に設けた熱交換器により冷媒と絶縁油を熱交換するため、絶縁油は傾斜磁場コイル装置内のみとなり絶縁油の貯蔵量は大幅に削減できる特長がある。また、絶縁油を強制循環させないため、気泡の発生がなく、絶縁性能の低下も発生しないという特長もある。

また、本発明は、核磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ装置）における静磁場中に設置され、被検体に傾斜磁場を印加するための複数の傾斜磁場コイルを備えた傾斜磁場コイル装置であって、容器内の絶縁油に浸下された複数の傾斜磁場コイルと、前記複数の傾斜磁場コイルのうち少なくとも一つの傾斜磁場コイルは金属管で構成され、前記容器の外部より供給される冷媒が前記金属管の内部を流れて前記絶縁油と熱交換できるように構成されたことを特徴とする。

この手段では、上記の特長の他に、熱交換器と傾斜磁場コイルを一体化することにより、傾斜磁場コイル装置を小型化できる特長がある。

また、本発明は、被検体の位置において静磁場方向と傾斜磁場方向が直交する複数の傾斜磁場コイルは固体絶縁体により一体モールドする。

この手段では、第一および第二の手段における特長の他に、例えば、形状が類似しており、コイルが中心軸に対して９０°回転して配置されるＸ軸およびＹ軸傾斜磁場コイルについて、強固な固体絶縁体による絶縁を施した上で双方を近接して設置することができるため、傾斜磁場コイル装置を小型化できる特長がある。また、双方の傾斜磁場コイルを近接して設置できるため、発生する磁場分布を同等とみなすことができ、コイル形状決定のための磁場計算をそれぞれのコイルで実施する必要がなく、設計時間を短縮できるという特長もある。

本発明によれば、核磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ装置）の傾斜磁場コイル装置において、絶縁油は傾斜磁場コイル装置内に貯留するので油量を大幅に低減できる。また、絶縁油を強制循環させないため気泡の発生がなく、絶縁性能の低下も発生しない効果がある。これにより、絶縁性能と冷却性能を両立することができる。

以下に本発明の複数の実施形態を説明する。まず、核磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ装置）の磁場発生装置の構造について共通的な事項を説明する。本実施形態では被検体と静磁場の方向が同一の水平磁場タイプで説明するが、本発明は被検体と静磁場方向が直交する垂直磁場タイプにも適用可能である。

図２はＭＲＩ装置における磁場発生装置の配置図である。静磁場発生装置１０１は被検体２０１の所望の位置に静磁場を発生する。静磁場の発生源としては永久磁石、超電導コイルまたは常電導コイルのいずれか、またはこれらの組み合わせである。静磁場は被検体２０１に核磁気共鳴を発生させる。共鳴周波数は静磁場の強度に比例する。比例定数は原子により異なるが、例えば、水素原子の場合では、磁場強度２．３４Ｔにおいて共鳴周波数１００ＭＨｚとなる。静磁場は被検体２０１の任意の領域において均一な磁場が要求され、許容される誤差は直径３０ｃｍの球内において１００万分の１程度である。

傾斜磁場コイル装置１は静磁場発生装置１０１と被検体２０１の間に設置され、被検体２０１の所望の位置に傾斜磁場を発生する。傾斜磁場は核磁気共鳴を発生する部位を特定したり、共鳴状態を消去したりすることに使用される。

ＭＲＩ装置による診断においては、励起範囲の限定、磁気共鳴信号に空間的な位置情報取得等のために静磁場に傾斜磁場が重畳される。この傾斜磁場は傾斜の空間的方向が静磁場と平行なＺ軸傾斜磁場と、磁場傾斜の向きが静磁場と直交なＸ軸傾斜磁場と、磁場傾斜の向きが静磁場及びＸ軸と直交なＹ軸傾斜磁場との３種類が使い分けられている。これら３軸に対応する３種の傾斜磁場コイルのセットが固体絶縁体によりモールドされ、傾斜磁場コイル装置としてＭＲＩ装置に組み込まれている。

図６は水平磁場タイプのＭＲＩ装置におけるＺ軸傾斜磁場コイルの代表例を、図７はＸ軸傾斜磁場コイルの代表例を、図８はＹ軸傾斜磁場コイルの代表例を示す。これらの図ではコイルを１ターンの円形コイルまたは鞍型コイルとして示しているが、実際には複数ターンのコイルや、形状が異なる場合もある。

水平磁場タイプのＭＲＩ装置では静磁場Ｂ０はＺ軸の方向である。Ｚ軸傾斜磁場コイルに通電すると、それぞれのコイルが磁場方向３１の方向に磁場を発生し、それらの合成により傾斜磁場方向３２の方向（Ｚ軸方向）に対して磁場強度が傾斜する傾斜磁場Ｇｚが発生する。同様に、Ｘ軸傾斜磁場コイルに通電すると、傾斜磁場方向３２の方向（Ｘ軸方向）に傾斜磁場Ｇｘが発生、Ｙ軸傾斜磁場コイル３５に通電すると、傾斜磁場方向３２の方向（Ｙ軸方向）に傾斜磁場Ｇｙが発生する。これらの傾斜磁場３２を用いることにより、励起範囲の限定、磁気共鳴信号に空間的な位置情報取得等を行う。

ＭＲＩ装置には上述のように垂直磁場タイプも存在し、静磁場を発生する磁石と被検体の配置は異なる。このため、傾斜磁場コイルの形状も異なるが、基本的にＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に傾斜磁場を発生することは水平磁場タイプと同様である。

本発明における第１の実施例による傾斜磁場コイルを説明する。図１は傾斜磁場コイル装置の内部構造の概略を示す。Ｘ軸傾斜磁場コイル１１ａ、Ｙ軸傾斜磁場コイル１１ｂ、Ｚ軸傾斜磁場コイル１１ｃは傾斜磁場コイル容器１２内に収納される。傾斜磁場コイル１１はそれぞれの軸方向に傾斜磁場を発生する。ここでＺ軸は静磁場と平行の方向、Ｘ軸はＺ軸に対し直交する方向、Ｙ軸はＺ軸およびＸ軸に直交する方向である。各傾斜磁場コイルは電源と接続されており、任意のシーケンスにより通電される際にジュール熱を発生する。

各傾斜磁場コイルは絶縁油１３に浸されている。絶縁油１３としては電気抵抗が高いこと、使用する温度帯域において十分な流動性を持つこと気化しにくいこと等から、鉱油、シリコーン油等が望ましい。傾斜磁場コイル容器１２は絶縁油１３が漏れない気密構造であり、非磁性の金属または樹脂等の材料で構成される。

内部熱交換器１４は傾斜磁場コイル装置外部に設置される外部熱交換器１５、循環ポンプ１６と配管１８を用いて接続され、循環方向１７の方向に冷媒が循環される。冷媒としては水、代替フロン等の液体が望ましい。なお、外部熱交換器１５と循環ポンプ１６は冷媒が流れる順番が入れ替わっていても差し支えない。

内部熱交換器１４では絶縁油１２と冷媒が熱交換をする。内部熱交換器１４の構造の一例としては、屈曲した金属製パイプ内を冷媒が流れる形態である。この形態では傾斜磁場コイル１１ａ、１１ｂ、１１ｃに通電された場合に内部熱交換器に誘導起電力が発生する可能性がある。このため、誘導が発生しないような形状とすること、パイプの材料に高抵抗材料を用いること、パイプの任意の箇所に絶縁箇所を設ける等の工夫を行っている。

外部熱交換器１５は内部熱交換器１４にて絶縁油１２と熱交換することにより温度が上昇した冷媒を大気と熱交換することにより冷却する。循環ポンプ１６は冷媒を循環する。

上記のような構造とすることにより、傾斜磁場コイル１１ａ、１１ｂ、１１ｃで発生したジュール熱は自然対流により絶縁油１２に伝わり、内部熱交換器１４により冷媒に熱交換され、外部熱交換器１５により大気に熱交換される。このため、傾斜磁場コイルは過熱することなく一定の温度となり、絶縁油１２も過熱することがなく、絶縁体として樹脂等の固体絶縁体を用いた場合に比べて、絶縁抵抗を高く維持できる。

また、絶縁油１２を自然対流させて内部熱交換器により１４熱交換しており、外部の循環ポンプで強制循環する必要がないので、外部熱交換器、循環ポンプおよび配管に絶縁油が充填されている必要がなく、絶縁油量を少量とすることができた。また、絶縁油を強制循環させないので、絶縁油内に気泡が混入することがなく、絶縁耐圧を向上させることができた。

本発明における第二の実施の形態を説明する。ＭＲＩイメージング装置における磁場発生装置の配置は図２と同じである。

図３は実施例２における傾斜磁場コイル装置の内部構造の概略を示す。Ｘ軸傾斜磁場コイル１１ａ、Ｙ軸傾斜磁場コイル１１ｂ、Ｚ軸傾斜磁場コイル１１ｄは傾斜磁場コイル容器１２内に収納される。各傾斜磁場コイルは絶縁油１３に浸されている。傾斜磁場コイルはそれぞれの軸方向に傾斜磁場を発生する。ここでＺ軸は静磁場と平行の方向、Ｘ軸はＺ軸に対し直交する方向、Ｙ軸はＺ軸およびＹ軸に直交する方向である。ここではＺ軸コイル１１ｄが実施例１の内部熱交換器１４を兼ねている。

Ｚ軸コイル１１ｄは屈曲した金属製パイプ内を冷媒が流れる形態である。図４にＺ軸コイル導体の形態の一例を示す。Ｚ軸コイルは導体２０を巻回して構成され、内部に冷媒１９が流れる構造である。導体断面は円形のパイプであるが内部に冷媒が流れる構造であれば、矩形等の形態でもかまわない。導体２０は金属製であるが表面を絶縁体で覆っていてもよい。

Ｚ軸傾斜磁場コイル１１ｄは傾斜磁場コイル装置外部に設置される外部熱交換器１５、循環ポンプ１６と配管１８を用いて接続され、循環方向１７の方向に冷媒が循環される。Ｚ軸傾斜磁場コイル１１ｄではコイル自身と冷媒、絶縁油１２と冷媒が熱交換をする。外部熱交換器１５はＺ軸傾斜磁場コイル１１ｄにて絶縁油１２と熱交換することにより温度が上昇した冷媒を大気と熱交換することにより冷却する。その他の構造は実施例１と同じである。なお、金属製パイプで構成される傾斜磁場コイルは、被検体２０１の位置において、磁場傾斜の向きが静磁場Ｂと平行の傾斜磁場を発生するコイルとするのがよい。本例では図６より静磁場Ｂの方向と平行となるＺ軸コイル３３によるのが最も容易である。

上記のような構造とすることにより、傾斜磁場コイル１１ａ、１１ｂ、で発生したジュール熱は自然対流により絶縁油１２に伝わった後、内部熱交換器を兼ねる傾斜磁場コイル１１ｄを介して冷媒と熱交換され、冷媒は外部熱交換器１５により大気に熱交換される。このため、傾斜磁場コイルは過熱することなく一定の温度となり、絶縁油１２も過熱することがなく、絶縁体として樹脂等の固体絶縁体を用いた場合に比べて、絶縁抵抗を高く維持できる。

ここではＺ軸傾斜磁場コイル１１ｄの導体内部に冷媒を通す構造について示したが、Ｘ軸またはＹ軸傾斜磁場コイルも同様の構造であってもよいし、複数のコイルの内部に冷媒を流してもよい。複数のコイルに冷媒を流す場合には、冷媒の流れが直列または並列でもよいが、それぞれは電気的に絶縁されている必要がある。

上記のような構造とすることにより、実施例１に示した特長に加え、実施例１におけるＺ軸傾斜磁場コイル１１ｄに内部熱交換器１４の機能を兼ねさせることより、傾斜磁場コイル装置の小型化が可能になる。

本発明における第三の実施の形態を説明する。図５は実施例３における傾斜磁場コイル装置の内部構造の概略を示す。Ｘ軸傾斜磁場コイル１１ａとＹ軸傾斜磁場コイル１１ｂは樹脂等の固体絶縁体により一体モールド１１ｅされ、Ｚ軸傾斜磁場コイル１１ｃとともに傾斜磁場コイル容器１２内に収納される。傾斜磁場コイルはそれぞれの軸方向に傾斜磁場を発生する。ここでＺ軸は静磁場と平行の方向、Ｘ軸はＺ軸に対し直交する方向、Ｙ軸はＺ軸およびＹ軸に直交する方向である。

内部熱交換器１４では絶縁油１２と冷媒が熱交換をする。内部熱交換器１４の構造の一例としては、屈曲した金属製パイプ内を冷媒が流れる形態である。この形態では傾斜磁場コイル１１ｅ、１１ｃに通電された場合に内部熱交換器に誘導起電力が発生する可能性があるため、誘導が発生しないような形状とすること、パイプの材料に高抵抗材料を用いること、パイプの任意の箇所に絶縁箇所を設ける等の工夫を行っている。その他は実施例１の構造と同じである。

ここでは実施例１に示したように内部熱交換器１４を備えた構造を示したが、実施例２に示したようなＺ軸の傾斜磁場コイル内に冷媒を流す構造とし、内部熱交換器と任意の傾斜磁場コイルの機能を兼ねてもよい。

なお、モールドにより一体化する傾斜磁場コイルは、被検体２０１の位置において、静磁場Ｂと直交方向に傾斜磁場を発生するコイル同士によると、組合せ容易になる。本例では図７のＸ軸傾斜磁場コイル３４と、図８のＹ軸傾斜磁場コイル３５を組み合わせている。

上記のような構造とすることにより、実施例１および２に示した特長に加え、Ｘ軸傾斜磁場コイルとＹ軸傾斜磁場コイルを強固な固体絶縁体による絶縁を施した上で双方を近接して設置することができる。このため、傾斜磁場コイル装置全体を小型化できた。また、双方のＸ軸およびＹ軸傾斜磁場コイルを近接して設置できるため、発生する磁場分布を同等とみなすことができ、コイル形状決定のための磁場計算をそれぞれのコイルで実施する必要がなく、設計時間を短縮できた。

本発明の実施例１における傾斜磁場コイルの内部構造の概略図。 ＭＲＩ装置における磁場発生装置の配置図。 実施例２における傾斜磁場コイルの内部構造の概略図。 実施例２のＺ軸コイル導体の構成図。 実施例３における傾斜磁場コイルの内部構造の概略図。 ＭＲＩ装置におけるＺ軸傾斜磁場コイルの模試図。 Ｘ軸傾斜磁場コイルの模試図。 Ｙ軸傾斜磁場コイルの模試図。

符号の説明

１…傾斜磁場コイル装置、１１ａ…Ｘ軸傾斜磁場コイル、１１ｂ…Ｙ軸傾斜磁場コイル、１１ｃ…Ｚ軸傾斜磁場コイル、１１ｄ…内部熱交換器を兼ねるＺ軸傾斜磁場コイル、１１ｅ…ＸＹ軸傾斜磁場コイル、１２…傾斜磁場コイル容器、１３…絶縁油、１４…内部熱交換器、１５…外部熱交換器、１６…循環ポンプ、１７…循環方向、１８…配管、１９…冷媒、２０…コイル導体、３０…電流、３１…磁場方向、３２…傾斜磁場方向、３３…Ｚ軸傾斜磁場コイル、３４…Ｘ軸傾斜磁場コイル、３５…Ｙ軸傾斜磁場コイル。

Claims (5)

1. 核磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ装置）における静磁場中に設置され、被検体に傾斜磁場を印加するための複数の傾斜磁場コイルを備えた傾斜磁場コイル装置であって、
   容器内の絶縁油に浸下された複数の傾斜磁場コイルと、前記傾斜磁場コイル装置の外部より供給される冷媒と前記絶縁油が熱交換することができる熱交換器を前記容器内に備えたことを特徴とする傾斜磁場コイル装置。
2. 核磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ装置）における静磁場中に設置され、被検体に傾斜磁場を印加するための複数の傾斜磁場コイルを備えた傾斜磁場コイル装置であって、
   容器内の絶縁油に浸下された複数の傾斜磁場コイルと、前記複数の傾斜磁場コイルのうち少なくとも一つの傾斜磁場コイルは金属管で構成され、前記容器の外部より供給される冷媒が前記金属管の内部を流れて前記絶縁油と熱交換できるように構成されたことを特徴とする傾斜磁場コイル装置。
3. 請求項２において、少なくとも１つの傾斜磁場コイルは前記金属管で構成されたことを特徴とする傾斜磁場コイル装置。
4. 請求項２において、少なくとも２つの傾斜磁場コイルは固体絶縁体により一体モールドされたことを特徴とする傾斜磁場コイル装置。
5. 請求項１または２において、１以上の傾斜磁場コイルは、そのコイル巻き線が固体絶縁体により一体モールドされて形成されたことを特徴とする傾斜磁場コイル装置。

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