JP2009261747A - 磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
磁気共鳴イメージング装置を大型化することなく、特に、撮影空間のギャップを狭めることなく、撮影時の騒音を低減する
【解決手段】
外装カバー及び外装カバー取付部材の少なくとも何れかに圧電素子を取り付け、外装カバーの振動で圧電素子から発生した電流を抵抗により熱に変換する電気回路を設けることにより、振動エネルギを電気エネルギから熱エネルギに変換して外装カバーの振動を減衰させ、外装カバーから発生する騒音を低減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気共鳴を利用した磁気共鳴イメージング装置に係わり、特に、撮影時に発生する騒音の低減を図ることができる磁気共鳴イメージング装置に関する。

磁気共鳴イメージング装置は、原子核の核磁気共鳴現象を利用して撮影空間内に置かれた被検体の物理的性質を表す磁気共鳴画像を得るものである。一般に、磁気共鳴イメージング装置は、撮影空間に均一な静磁場を発生させる静磁場発生手段と、被検体の生体組織の原子核に核磁気共鳴を生じさせるための高周波の電磁波を発生させる照射コイルと、核磁気共鳴により発生する核磁気共鳴信号を検出する受信コイルと、さらに、核磁気共鳴信号に位置情報を付与するために静磁場に重ねて線形な傾斜磁場を発生させる傾斜磁場発生手段等を備えている。

撮影時には、所望のパルスシーケンスに従い、均一な静磁場中に置かれた被検体にＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に線形傾斜磁場が重ねられ、被検体の原子スピンがラーモア周波数で磁気的に励起される。この励起に伴い、磁気共鳴信号が検出され、被検体の、例えば、２次元断層像が再構成される。

上述のように撮影時には線形傾斜磁場を生成するために、傾斜磁場発生手段にパルス的な電流が流される。静磁場中に配置された傾斜磁場発生手段にパルス電流を流すと、静磁場と電流のカップリングによりローレンツ力が作用し、傾斜磁場発生手段が振動して騒音を発生する。また、傾斜磁場発生手段は傾斜磁場発生手段近傍にある静磁場発生手段にボルト等の傾斜磁場発生手段取付部材によって取り付けられるが、傾斜磁場発生手段の振動がこの取付部材を介して静磁場発生手段に伝搬し、静磁場発生手段が振動して静磁場発生手段から騒音が発生する。撮影する画像の画質を向上させるために、静磁場強度や傾斜磁場強度（傾斜磁場発生手段に流す電流）を大きくすると、ローレンツ力が増大し、傾斜磁場発生手段及び静磁場発生手段の振動による騒音が増大する。この騒音は、撮影空間内に横になっている被検体に非常な不快感・不安感を与える。

この騒音を軽減するために、下記特許文献１では、スキャナガントリの外装カバーを遮音カバーとして利用し、静磁場発生手段及び傾斜磁場発生手段を外装カバーと非接触で密閉する構造にすることにより、静磁場発生源手段及び傾斜磁場発生手段から発生した騒音を遮蔽し、騒音を低減する。

特開２００７−１３５９４８号公報

特許文献１において、外装カバーは、外装カバーと静磁場発生手段の間に設けられた補強部材により、静磁場発生手段とは非接触で支持される。そのため、静磁場発生手段の振動が直接ではないが、この補強部材を介し外装カバーに伝搬し、外装カバーの振動により外装カバーから騒音が発生する。また、傾斜磁場発生手段及び静磁場発生手段の振動が空気を介して外装カバーを振動させ、外装カバーから騒音が発生する。このように外装カバーから発生する騒音は、補強部材を介した振動伝搬に起因する固体伝搬音と、空気を介した振動伝搬に起因する気体伝搬音からなる。

固体伝搬音に関しては、例えば、防振ゴムで支持するように補強部材の支持剛性を小さくすることにより外装カバーへの振動伝搬を低減することができる。この支持剛性が小さいほど振動伝搬は低減するが、補強部材の剛性が小さすぎると外装カバーを保持できない、もしくは、据付精度が悪化する等不具合が生じるため、補強部材の剛性を小さくして固体伝搬音を大幅に低減することは困難である。

気体伝搬音に関しては、外装カバーの遮音材としての遮音性能を大きくすることにより低減できる。遮音材の遮音性能は、一般に、特許文献１の（数１）に示す質量則で定められる。

ＴＬ＝１８×log（ｆ×ρ×ｔ）−４４ …（数１）

ここで、ＴＬは遮音効果を表す透過損失［ｄＢ］、ｆは音の周波数［Ｈｚ］、ρは遮音カバー材料密度［kg／ｍ³］、ｔは遮音カバー材料厚さ［ｍ］である。この式は、遮音カバー材料の質量が大きくなると遮音性能が高まることを意味する。従って、遮音効果を高めるには、外装カバーには密度ρが大きい材料を用いて、板厚ｔを大きくすることが望ましい。しかしながら、板厚ｔを大きくする場合、板厚を外表面側に大きくすることになるため装置が大型化する。特に、装置の被検者が入る撮影空間側が大型化するということは撮影空間のギャップが狭まることになり、装置の開放性の観点から板厚ｔを大きくすることは好ましくない。また、外装カバーの材料は、特に、撮影空間側の外装カバーは磁気共鳴画像への悪影響を避けるために非磁性かつ非導電性の繊維強化樹脂等を使用せざる得なく、選択の余地は少ない。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決するためになされたものであり、磁気共鳴イメージング装置を大型化することなく、特に、撮影空間のギャップを狭めることなく、撮影時の騒音を低減することにある。

外装カバー及び／もしくは外装カバー取付部材に圧電素子を取り付け、外装カバーの振動により圧電素子から発生した電流を抵抗により熱に変換する電気回路を設けることにより、振動エネルギを電気エネルギから熱エネルギに変換して外装カバーの振動を減衰させ、外装カバーから発生する騒音を低減する。

また、外装カバーより厚さの小さい圧電素子を外装カバーの内部に配置することにより、外装カバーの厚さを大きくすることなく、つまり、撮影空間のギャップを確保したまま、騒音を低減することができる。

また、この電気回路の共振周波数を外装カバー，外装カバー取付部材，静磁場発生手段のいずれかの共振周波数と一致させることにより、問題となる特定の周波数における振動減衰効果を大きくし、騒音を低減することができる。

また、この電気回路の共振周波数を撮影時のシーケンスの卓越周波数に一致させることにより加振力が大きい周波数での振動減衰効果を大きくし、騒音を低減することができる。

本発明によれば、外装カバー及び外装カバー取付部材の振動によって圧電素子から発生する電流を熱に変換し散逸させることにより、外装カバー及び外装カバー取付部材の振動を減衰させ、外装カバーからの騒音を低減できる。また、外装カバーに圧電素子を埋設することにより外装カバーの厚さを大きくすることなく、つまりは、撮影空間のギャップを狭めることなく、騒音低減を図ることができる。

本発明に係る磁気共鳴イメージング装置の実施例を、静磁場発生手段として超電導コイルを用い、水平方向に均一な静磁場を発生させる超電導磁石を採用した例において説明する。図１及び図２は磁気共鳴イメージング装置の断面図であり、図１は被検者の体軸に垂直な方向、図２は被検者の体軸方向の断面図である。

本実施例における磁気共鳴イメージング装置は、被検体１を覆うように配置された静磁場発生手段２と、被検体の生体組織を構成する原子核に核磁気共鳴を起こさせるために高周波信号を照射する照射コイル３と、被検体から発せられる各々の信号に位置情報を与えるための傾斜磁場コイル４と、これらを覆うように配置される外装カバー５と、被検体から発せられる信号を受信するために受信コイル（図示せず）と、被検体を積載する寝台６等で構成されている。

静磁場発生手段は、被検体を覆うように被検者の体軸方向に複数個配置されたリング状の超電導コイルと、超電導コイルを収納する冷却容器と、輻射熱をシールドする輻射シールド板と、これらを真空環境下に収納する真空容器と、真空容器を設置床面に支持する真空容器支持脚と、冷却容器及び輻射シールド板を真空容器内に断熱支持する荷重支持体等からなる。図１及び図２には円筒状の真空容器７と、真空容器支持脚８のみ図示している。

磁気共鳴信号の位置情報を付与するために静磁場中に傾斜した磁場を形成する円筒状の傾斜磁場コイルが真空容器の内径側に配置される。この傾斜磁場コイルは傾斜磁場コイル取付部材（図示せず）を介して真空容器に取り付けられる。

被検体の生体組織を構成する原子の原子核に核磁気共鳴を起こさせるために高周波信号を照射する円筒状の照射コイルが傾斜磁場コイルの内径側に配置される。この照射コイルは照射コイル取付部材（図示せず）を介して寝台に取り付けられる。

照射コイル，傾斜磁場コイル及び真空容器は、被検体側から照射コイル，傾斜磁場コイル，真空容器という順で同心円状に配置される。

デザイン，安全性等の観点から照射コイル，傾斜磁場コイル，真空容器を覆うように外装カバーが配置される。外装カバーは、外装カバー取付部材１０を介して真空容器に取り付けられ、真空容器とは非接触で配置される。この外装カバーにより装置の寸法が規定される。

被検者は寝台に搭載され、外装カバーで構成された円筒状の空間内に挿入される。この空間が狭いと被検者は閉塞感等を感じ、心理的，肉体的に悪影響を受け、検査に支障が生じる危険性がある。また、検査者が被検者に受信コイルを設置する時等のアクセス性がよくない。そのため、この空間を大きく確保することが製品のセールスポイントの１つとなる。

外装カバーは磁気共鳴画像への悪影響を避けるために、非磁性及び非金属材料、例えば、繊維強化樹脂で構成される。主に、デザインの観点で設置されているため、外装カバーの厚さは２〜５mm程度とカバー形状を維持できる最低限の強度を有する程度に小さい。真空容器への取り付けは、外装カバーの据付精度を確保するために、ボルト等の外装カバー取付部材で剛に複数箇所取り付けられる。

外装カバーは真空容器から外装カバー取付部材を介して真空容器に取り付けるが、外装カバーの外筒部５ａ，側面部５ｂは真空容器７と非接触で、外装カバーの内筒部５ｃは照射コイル３と非接触で配置される。このように外装カバーで振動源である傾斜磁場コイルと真空容器を覆う密閉空間を構成することにより、外装カバーは遮音カバーの役割も担う。

外装カバーの真空容器への取付作業を容易にするために、外装カバーを複数に分割して、分割された部分カバーを継ぎ合わせて外装カバーを構成する。このように構成された部分カバーの継ぎ目の隙間はシリコンゴムやパッキン等で充填する構造とし、密閉性を確保することにより遮音性能を向上させる。

撮影空間（被検者の挿入される空間）のギャップを大きくするためには、外装カバーと照射コイルのギャップは小さいほどよい。外装カバーと照射コイルのギャップは、外装カバーの変形，据付精度を考慮して２，３mm程度である。

撮影空間ギャップは１mmでも大きくすることが要求されるため、外装カバーの設計では遮音性能を向上させるより、外装カバーの厚さ，外装カバーと照射コイルのギャップを最小化することに重点が置かれる。

装置外形寸法は小さいほど装置は小型化されるが、装置外形寸法に対する要求は撮影空間のギャップほど厳しくなく、また、装置外周部は静磁場発生源，傾斜磁場コイル等の配線，配管があるため、外装カバーと真空容器のギャップは外装カバーと照射コイルのギャップより大きく、５〜２０mm程度である。この空間に外装カバー取付部材が配置される。

上述のように配置された外装カバー及び／もしくは外装カバー取付部材に圧電素子９を取り付け、外装カバー及び外装カバー取付部材の振動により圧電素子から発生した電流を抵抗により熱に変換する電気回路（図示せず）を設ける。

その他、図示していないが、本磁気共鳴イメージング装置には、超電導コイルや傾斜磁場コイル，照射コイル等に電源を供給する電源装置，磁気共鳴イメージング装置全体を制御する制御装置，核磁気共鳴信号に基づき磁気共鳴画像を得る画像再構築装置等が付属している。

次に、上述した本実施例に係る磁気共鳴イメージング装置の動作を、以下に説明する。

撮影時には静磁場中に配置された傾斜磁場コイルにパルス状の電流が流れ、静磁場と電流がカップリングしてローレンツ力が作用して傾斜磁場コイルに振動が発生する。また、傾斜磁場コイルの振動は傾斜磁場コイル取付部材を介し真空容器に伝搬して、真空容器が振動する。傾斜磁場コイル及び真空容器の振動は、外装カバー取付部材及び空気を介して外装カバーに伝搬し、外装カバーが振動することにより外装カバーから騒音が発生する。

外装カバー及び／もしくは外装カバー取付部材に取り付けられた圧電素子は、外装カバーが振動することにより慣性力や変形による圧縮及びせん断力を受けて電流を発生する。
そして、発生した電流は、設けられた電気回路の抵抗により熱に変換される。このように、外装カバーの振動エネルギを電気エネルギ、そして熱エネルギに変換して消失させることにより外装カバーの振動を減衰させる。外装カバーの振動が低減することにより外装カバーから発生する騒音が低減する。つまり、撮影時に発生する騒音を低減できる。

圧電素子は外装カバーの静磁場発生手段側（内表面側）に配置する。圧電素子の厚さは、外装カバーと照射コイルもしくは真空容器のギャップより小さいものにする。圧電素子の厚さが外装カバーと照射コイルもしくは真空容器のギャップより小さいと、外装カバーの配置位置を変えずに外装カバー上に圧電素子を取り付けることができる。ただし、圧電素子の厚さ分、外装カバーと照射コイルもしくは真空容器のギャップに余裕がなくなることが懸念される場合は、外装カバーを削る等により外装カバーの厚さを一部小さくして、そこに圧電素子を配置する。

圧電素子の厚さが外装カバーより小さい方場合は、外装カバーの厚さを圧電素子厚さ分小さくして、外装カバー内部に圧電素子を配置することにより、外装カバーの厚さ自体は変わらないため、外装カバーと照射コイルもしくは真空容器のギャップは従来どおりの寸法を確保できる。つまり、装置を大型化することなく、特に、撮影空間のギャップを狭めることなく、外装カバーに減衰を付与して、撮影時の騒音を低減できる。

デザイン及び装置外形寸法仕様に影響がない場合は、圧電素子を外装カバーの外表面側に取り付けてもよい。外表面側に取り付ける場合は、内表面側に取り付ける場合より圧電素子の厚さの制約がなくなり、大きな圧電素子を配置できるため大きな減衰効果を得ることができる。また、外装カバー内に吸音材，減衰材を配置するときに圧電素子による制約を受けることなく配置できる。

外装カバー取付部材への圧電素子取り付け及びその作用について図３及び図４を用いて説明する。外装カバー取付部材１０の振動が横振動（曲げ振動）が主であれば、図３に示すように外装カバー取付部材に圧電素子９を取り付ける。また、外装カバー取付部材の振動が縦振動（取付方向への振動）が主であれば、外装カバー取付部材１０に圧電素子９を介し付加マス１１と取り付ける。

外装カバー取付部材が横振動（曲げ振動）の場合は、図３のように圧電素子を取り付けることにより外装カバー取付部材の曲げ変形により圧電素子が伸縮して圧縮力及びせん断力を受け、電流を発生する。外装カバー取付部材が縦振動の場合は、図４のように圧電素子を取り付けることにより付加マスが受ける慣性力により圧電素子にせん断変形を生じさせ、電流を発生する。このように外装カバー取付部材に圧電素子による減衰を付与することにより、外装カバー取付部材を介して外装カバーに伝播する振動を低減することができる。つまりは、外装カバーからの固体伝搬音を低減できる。

圧電素子から発生した電流を熱として散逸させる電気回路は、シャント回路のような簡単な回路を組むことで実現できる。回路の抵抗等のパラメータは、目的に応じた最適なものを選ぶ。外装カバーや外装カバー取付部材，真空容器の振動に起因する卓越した騒音ピークがある場合、回路の共振周波数を外装カバーや外装カバー取付部材，真空容器の共振周波数に一致させることにより、問題となる周波数での減衰効果を大きくすることができ、撮影時の騒音を低減できる。

減衰効果を大きくするためには、圧電素子から発生する電流を多くすることが必要である。そのためには、圧電素子に大きな力が作用する必要がある。振動による慣性力を大きく得るためには振動振幅の大きなところに圧電素子を配置する。変形による圧縮及びせん断力を大きく得るためには変形の大きなところに圧電素子を配置する。前者の場合は、振動の腹となる位置、一般には、外装カバー取付部材から離れた位置に、後者の場合は、外装カバー取付部材の近傍が好ましい。

圧電素子から発生した電流を熱として散逸させる電気回路は１個とした方が安価であるが、必要に応じて複数個設けてもよい。外装カバーや外装カバー取付部材，真空容器の振動に起因する騒音ピークが複数個ある場合は、回路を複数個配置し、各部材の共振振動数に回路の共振周波数をそれぞれ一致させることにより、広周波数帯域で騒音低減効果を得ることができる。

圧電素子以外の抵抗等の電気回路を構成する部材は画像への影響がない位置及び抵抗で発する熱の影響がない位置に配置する。

撮影時のシーケンスはパルス的な波形がある時間間隔Ｔ［sec］で繰り返し入力されるパターンであり、このシーケンス波形をフーリエ変換すると基本周波数ｆ＝１／Ｔ［Ｈｚ］とその高調波成分を有する。この周波数成分が傾斜磁場コイルを加振する加振周波数成分となる。

この傾斜磁場コイルを加振する加振周波数成分は、騒音ピークと関係する。騒音ピークに関係する加振周波数成分として、加振力をスペクトル解析したときにスペクトルが最も大きな周波数を卓越周波数と呼ぶ。そこで、加振周波数成分に起因する騒音ピークがある場合、加振力の卓越周波数に回路の共振周波数を一致させる、つまり、加振力となる傾斜磁場のパターンである撮影シーケンスの卓越周波数に回路の共振周波数を一致させることにより、騒音に寄与する周波数での減衰効果を大きくすることができ、撮影時の騒音を低減できる。

本実施例では、静磁場発生手段として、超電導コイルを用いた超電導磁石を採用したが、永久磁石方式や常電動コイルを用いた常電動磁石を採用しても可能である。また、静磁場方向を被検体の体軸方向とした磁石を採用したが、体軸と直交する方向の磁石を採用しても可能である。

本発明の一実施例に係る磁気共鳴イメージング装置の実施例の体軸直交方向断面図である。 本発明の一実施例に係る磁気共鳴イメージング装置の実施例の体軸方向断面図である。 本発明の一実施例に係る外装カバー取付部材への圧電素子の取り付け図（横振動が主の場合）である。 本発明の一実施例に係る外装カバー取付部材への圧電素子の取り付け図（縦振動が主の場合）である。

符号の説明

１ 被検体
２ 静磁場発生手段
３ 照射コイル
４ 傾斜磁場コイル
５ 外装カバー
６ 寝台
７ 真空容器
８ 真空容器支持脚
９ 圧電素子
１０ 外装カバー取付部材
１１ 付加マス

Claims (5)

1. 空間に均一な静磁場を発生させる静磁場発生手段と、
   前記均一な静磁場である空間に傾斜した磁場を発生させる傾斜磁場コイルと、
   核磁気共鳴現象を生じさせるために高周波信号を照射する照射コイルと、
   前記静磁場発生手段，前記傾斜磁場コイル及び前記照射コイルとを覆うように配置された外装カバーと、
   前記外装カバーを前記静磁場発生手段に支持する外装カバー取付部材と、
   前記外装カバー及び前記外装カバー取付部材の少なくとも何れかに取り付けられた圧電素子と、
   前記圧電素子から発生する電流を抵抗にて熱に変換する電気回路とを備えたことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
2. 請求項１に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
   前記圧電素子は、前記外装カバーの内部に配置されたことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
3. 請求項１又は２に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
   前記外装カバー取付部材に、前記圧電素子を介して付加マスを取り付けたことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
4. 請求項１から３の何れかに記載の磁気共鳴イメージング装置において、
   前記電気回路の共振周波数を、前記静磁場発生手段，前記外装カバー，前記外装カバー取付部材の何れかの共振周波数と一致させることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
5. 請求項１から４の何れかに記載の磁気共鳴イメージング装置において、
   前記電気回路の共振周波数を、撮影時のシーケンスの卓越周波数に一致させることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。

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