JP2015505501A

JP2015505501A - Ｍｒｉ装置において用いられるナノ粒子ｒｆシールド

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Publication number: JP2015505501A
Application number: JP2014555363A
Authority: JP
Inventors: ヘルフォート，マリニュスヨハネスアドリアニュマリアファン
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2012-02-01
Filing date: 2013-01-29
Publication date: 2015-02-23
Anticipated expiration: 2033-01-29
Also published as: BR112014018601A8; EP2810092A1; US20150008924A1; WO2013114267A1; RU2014135452A; JP6122033B2; BR112014018601A2; CN104094129A

Abstract

磁気共鳴画像(MRI)スキャナにおいて用いられる高周波(RF)シールド。当該RFシールドは、キャリア(22)と該キャリア(22)に対して移動不可能なように接続する複数のナノ粒子(24)を有する。前記複数のナノ粒子(24)は、空間内のある方向に沿って整列され、かつ、空間内の前記方向において異方的な電気伝導度を有する。

Description

本発明は、動作するMRI装置において用いられるナノ粒子RFシールドにおいて用いられるナノ粒子高周波(RF)シールドに関する。

磁気共鳴(MR)画像スキャナにおいて、静磁場(B₀)が、人体中の陽子を揃えるのに用いられる。勾配コイルによって生成される勾配磁場は、静磁場に重ね合わせられて良い。その結果得られた信号は、厳密な位置に関連づけられ得る。勾配磁場は、最大数kHzの周波数f_gradに対応するパルス方法を用いることによって印加されて良い。所謂高周波(RF)コイルは、静磁場B₀及び人体中の陽子又は他の核子を励起させて、その後RF磁気共鳴信号を放出する磁場強度B₁に依存して、典型的には10MHz〜100MHzの高周波で動作する。RF主コイルは一般的に、一の装置内で受信されるRF送信信号と磁気共鳴信号とを組み合わせるのに用いられる。少なくともRF主コイル内での信号ノイズを防止する目的で、10MHz〜100MHzの高周波で勾配コイルとRF主コイルとをRFシールドによって分離することが最も望ましい。さらに勾配コイルに対する位置に関するRFコイルの感受性は維持されなければならない。物体として、RFシールドは高周波を減衰しなければならないが、勾配磁場のパルス周波数に対しては透明でなければならない。

一般的な解決法では、たとえば銅張積層板から作られる電気伝導性プレートにはスリットが備えられる。それにより渦電流が銅シールド内に誘起されうる。これらのスリットは、低周波数では高いインピーダンスを有し、かつ、高周波数では高いインピーダンスを有するキャパシタによってブリッジングされる。それにより渦電流は、勾配コイルの低周波数では誘起されないが、RF主コイルの高周波数では誘起されうる。

図1に表されている従来のRF遮蔽では、ある厚さの電気伝導層が供される。前記電気伝導層内では、RF磁場が誘起による渦電流を発生させる。その結果、発生した磁場の方向と反対方向の磁場が生じることで、電気伝導層内部でのRF磁場は減衰する。層材料の電気伝導性によって決定される周波数f₁未満の周波数では、磁場の遮蔽は起こらない（図1の領域A）。

侵入深さが層の厚さよりも短いときでさえ、渦電流が長手方向に発生することで減衰が起こる。前記減衰は、減衰したRF出力と減衰していないRF出力との比の対数に比例し、かつ、周波数f₂までは周波数に比例する。周波数f₂では、侵入深さは厚さよりも短くなる。その結果、減衰は、指数関数的に（対数スケールで）増大する。

上述の目的を実現するため、勾配磁場の周波数では、遮蔽は図1の減衰曲線の領域A内部で起こり、かつ、RF周波数では、遮蔽は領域C内部で起こらることが必要である。

換言すると、f_grad≦f₁かつf_RF≧f₂である。残念なことに、f₁とf₂は、異方性伝導性材料−たとえば金属−内では、f₁=(μ₀・σ・d・w)^-1とf₂=(μ₀・μ_r・σ・d²)^-1=(f₁・w)/(μ_r・d)に従って相関する。
ここで、dは電気伝導性材料の厚さを表し、wはRFシールドの最大寸法で、σは異方性材料の電気伝導度で、μ₀は真空中での透磁率で、かつ、μ_rは異方性材料の相対透磁率である。MR画像スキャナ用途では、静磁場B₀の歪みを防止するためにμ_r =1であることが求められる。よってf₂/f₁=w/d(1)であることが求められる。

比f₂/f₁が、上述のMR画像スキャナ用途においては要求されるので、遮蔽されるべき物体によって与えられる寸法wと、電気伝導性材料の厚さdとの比は一定である。

従って本発明の目的は、MR画像スキャナの動作中に人体内の原子の陽子又は核子を励起する高周波を減衰させ、かつ、同時に勾配磁場パルスに対して透明なRFシールドを供することである。本願において「透明」とは具体的に、電磁場が、出力にして6dB未満で好適には3dB未満しかRFシールドによって減衰されないことを意味すると解される。

本発明の一の態様では、上記目的は、キャリアと複数のナノ粒子を有する、磁気共鳴(MR)画像スキャナにおいて用いられるRFシールドによって実現される。動作状態では、前記複数のナノ粒子は、前記キャリアに対して移動不可能なように接続され、かつ、空間内のある方向に沿って整列される。前記複数のナノ粒子は、空間内の前記方向において異方的な電気伝導度を有する。

少なくとも一方向において異方的な電気伝導度を有する複数のナノ粒子を用いることによって、当該RFシールドの設計に関してより多くの設計自由度が与えられる。その理由は、f₁=(μ₀・σ_w・d・w)^-1(2)（σ_wはRFシールドの最大寸法の方向における電気伝導度（異方的な電気伝導度と一致して良い）を表す）と、f₂=(μ₀・μ_r・σ_d・d²)^-1（σ_dはRFシールドの厚さの方向における電気伝導度を表し、μ_r=1である（上記参照））によって、f₂=f₁・(w/d)/(σ_w/σ_d)(3)となるからである。

比σ_w/σ_dは、2つの方向における異方性の程度を表しうる。比σ_w/σ_dが大きければ大きいほど、所与の厚さdで供されるRFシールドは大きくなりうる。

本発明の他の態様では、前記キャリアは基本的に前記複数のナノ粒子を含む。そのため、電気伝導性の前記複数のナノ粒子には、機械的に安定な装置内で保護環境が供される。

本発明の他の態様では、前記キャリアは、前記複数のナノ粒子の異方的な電気伝導度よりも実質的に低い電気伝導度を有する。前記キャリアの電気伝導度は、前記複数のナノ粒子の異方的な電気伝導度と比較して無視できるので、当該RFシールドに供される設計上の選択肢は影響を受けない。

好適実施例では、少なくとも1つの連続する部分における空間内の方向は、基本的には完全に面内に位置する曲線である。このような整列によって、前記曲線に対して垂直な方向を向くRF磁場の実効的な減衰が可能となると同時に、当該RFシールドは他のRF磁場の方向に対して透明であり得る。前記曲線は、円弧の少なくとも一部又は完全な円を表して良い。前記曲線はまた、前記面内の他の閉じた図形−たとえば楕円−を表しても良い。「曲線」という語句は、角の丸まった閉じた多角形をも含んで良い。

本発明の他の態様では、前記キャリアは基本的にプラスチックポリマーから作られる。プラスチックポリマー製キャリアは、軽量設計で、かつ、前記ナノ粒子の保護環境を低コストで供することができる。好適には前記プラスチックポリマーは、当業者に馴染みのある熱可塑性材料からなる群のうちの一である。それにより熱可塑性材料に適用可能な多数の周知製造方法−たとえば注入又は圧縮鋳型成形法−は、当該RFシールドの製造に利用可能となりうる。

好適実施例では、前記複数のナノ粒子の異方的な電気伝導度は、少なくとも50倍異なる複数の固有値を有するテンソルによって表現されて良い。かかる電気伝導度における異方性の程度は、当該RFシールドについて多数の設計上の選択肢を生じさせることができる。

本発明のさらに他の態様では、前記ナノ粒子は、カーボンナノチューブ、カーボンファイバ、及びグラフェンからなる材料の群から選ばれる。本願において用いられる「グラフェン」という語句は具体的には、蜂の巣状結晶格子をなすように配列する複数の炭素原子からなる一原子厚さの平面状シートによって構成される炭素の同素体と解される。当業者にとって馴染みのあるカーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ(SWNT)と多層カーボンナノチューブ(MWNT)を含むものと解される。この材料群から選ばれるナノ粒子は、本質的に異方的な電気伝導度を示し、かつ、少なくとも一方向において異方的な電気伝導度を有するRFシールドに用いられ得る可能性を有し得る。

好適実施例では、前記ナノ粒子には、永久電気双極子を生成する少なくとも1つの電気双極子部が備えられる。ナノ粒子が永久双極子部を備えることで、外部電場を印加することによるRFシールド製造の硬化段階中に前記ナノ粒子の整列を維持することによって、少なくとも1つの方向での異方的な電気伝導度の生成が可能となる。好適には窒素又はホウ素のようなヘテロ原子が、電気双極子部として用いられて良い。

さらに他の好適実施例では、前記ナノ粒子には、RFシールドの製造中に外部磁場を印加することによる前記ナノ粒子の整列にとって有利な選択肢を供することができる永久磁気双極子を生成する永久磁気双極子部が備えられて良い。好適な永久磁気双極子部は、鉄酸化物Fe_xO_y又はフェライト酸化物−たとえばバリウムフェライトBaO・6Fe_xO_y−であって良い。

シールド減衰曲線の単純化された図を示している。 MRスキャナのコイル装置内に配置された本発明によるRFシールドを表す。図2によるRFシールドの単純化された断面である。本発明によるRFシールドの別な実施例を表している。

本発明の上記及び他の態様は、以降で説明される実施例から明らかになる。しかし係る実施例は必ずしも、本発明の全範囲を表す訳ではない。それゆえ本発明の技術的範囲を解釈するためには、請求項の記載を参照すべきである。

図1は、「背景技術」において部分的には既に論じられたシールド減衰曲線の単純化された図を示している。式(3)が適用されるRFシールドのカットオフ周波数f₂とf₁との比の典型的な値は、f₂/f₁=100MHz/1kHz=10⁵である。これはまた、式(1)によるRFシールドの寸法wと厚さdとの比でもある。

しかし異方的な電気伝導度を有する材料では、式(3)より、カットオフ周波数f₂とf₁との比が、RFシールドの寸法wと厚さdの比と、RFシールドの寸法wと厚さdに対してそれぞれ整列する方向（図2）でのRFシールドの電気伝導度σ_wとσ_dとの比との積に等しいという事実によって、実現可能な設計上の選択肢についての制約が与えられる。式(3)が、RFシールドの寸法wと厚さdに対する比だけが重要であることを示唆するが、式(3)を満足するように厚さdを任意に小さくすることはできないので、式(2)によってf₁の所望の絶対値を得るには、ある絶対的な厚さdが必要であることに留意して欲しい。

よって電気伝導度σ_wとσ_dとの比を50に実現することができるとき、RF寸法wは、厚さdの2000倍である必要がある。要求される厚さdが0.5mmである場合、結果としてRFシールドの寸法wは1000mmとなる。

図2には、磁気共鳴(MR)スキャナ10のコイル装置の単純化された横方向断面図が表されている。MRスキャナ10は、静磁場B₀を生成する主磁石12を有する。主磁石12は、患者用の画像体積14を供する。画像体積14内では、静磁場B₀が、基本的には均一で、かつ、z軸28として共通に参照される直線方向に沿って向けられる。MRスキャナ10はさらに、勾配磁場を生成する勾配コイル16を有する。勾配コイル16は、主磁石12と画像体積14との間に配置され、かつ、3kHzの帯域を有する電流パルスによって動作するように供される。さらRF磁場強度B₁のRF波を送信し、それに続いて画像体積14内で励起された核子からのRF信号を受信するように、にRF主コイル18が供される。RF主コイル18は、勾配コイル16と画像体積14との間に設けられる。

勾配コイル16とRF主コイル18とを電磁的に分離するため、中空シリンダ20として形成されるRFシールドが、勾配コイル16に対して同心円状で、かつ、勾配コイル16とRF主コイル18との間に配置される。RFシールドは、熱可塑性ポリマーポリアミドから作られるキャリア22を有する（図3）。MRスキャナ10内部での動作状態では、中空シリンダ20は、キャリア22に対して移動不可能なように接続する複数のナノ粒子24を有する。それによりキャリア22は、複数のナノ粒子の各々を完全に含む。よって機械的保護及び安定性が供される。

複数のナノ粒子24は、画像体積14の中心を通るz軸28に対して平行な直線である、空間内の方向26に沿って整列している。z軸28は静磁場B₀に対して平行に配置される。

複数のナノ粒子24は、（単層）カーボンナノチューブによって生成される。これらのカーボンナノチューブは、整列方向26と一致する方向に沿って金属のような電気伝導度を有する。整列方向26に対して垂直な方向では、複数のカーボンナノチューブの電気伝導度は少なくとも1000倍小さい。整列方向26に沿って、個々のナノ粒子は、重なり、かつ、隣接するナノ粒子と接触しうる。その結果、整列方向26での電気伝導度は高くなる。そのため、複数のナノ粒子24は、この方向26において異方的な電気伝導度を有する。

複数のナノ粒子を適切に整列させるため、個々のカーボンナノチューブの各々には、電気双極子モーメントを生成する電気双極子部30が備えられる。プラスチックポリマーが柔らかい状態又はさらには液体状態であるRFシールドの製造中にある位相で外部電場を印加し、かつ、プラスチックポリマーが硬化するまで外部電場Eを維持することによって、図3に図示されているような均一な整列を得ることができる。電気双極子部は、ナノチューブの各々にドーピングされたヘテロ原子であるホウ素によって構成される。炭素原子と比較してホウ素原子の電気陰性度は低いため、結合電子の電荷中心は、炭素原子へ向かってシフトする。その結果、ナノチューブの永久電気双極子配置が生じる。

複数のナノチューブの電気伝導度の数学的な表記は、3×3のテンソルによって与えられて良い。適切に選ばれた座標系では、このテンソルは対角行列である。前記対角行列では、対角要素が選ばれた座標系の方向における電気伝導度の固有値である。RFシールドの複数のカーボンナノチューブの異方的な電気伝導度を表すテンソルは、約1000倍異なる複数の固有値を有する。

キャリアの電気伝導度は、複数のナノチューブの電気伝導度よりも数桁小さい。そのため中空シリンダ20の電気伝導度は実際、整列したナノチューブの電気伝導度によって完全に支配される。

RF主コイルによって放出されるRF波は、磁場強度B₁を有し、かつ、静磁場B₀と勾配磁場に対して基本的に垂直な方向を向く。それにより渦電流が、RFシールド内でナノチューブの整列方向26に誘起される。それにより発生源としての磁場強度B₁が減衰する。整列方向26に対して垂直な方向での複数のナノ粒子24の電気伝導度が低いので、勾配磁場パルスによって渦電流は誘起されない。

本発明によるRFシールドの別な実施例が図4に表されている。図4は、MRスキャナ10のRF主コイル18（又は局所RF送信コイル）によって発生するRF送信磁場からのRFコイル電子機器ユニット34の遮蔽、及び、逆にRFコイル電子機器ユニット34によって発生する偽信号からのRF主コイル18（及び他のRF受信コイル）の遮蔽を行うための遮蔽ボックス32として構成されるRFシールドを示している。動作状態では、RFコイル電子機器ユニット34は、遮蔽ボックス32内部に設けられる。この用途では、遮蔽の実効性は第1実施例のRFシールドよりもはるかに大きい一方で、勾配磁場周波数f_gradについては、遮蔽ボックス32は依然として透明でなければならない。

遮蔽ボックス32は、注入による鋳型成形可能な熱可塑性アクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)で作られるキャリア38、及び、銀コーティングされたカーボンナノチューブ40によって構成される複数のナノ粒子を有する。注入鋳型成形プロセスによって、複数のナノ粒子は、ABSの硬化後に、移動不可能なようにキャリア38に接続される。銀コーティングされたカーボンナノチューブ40はそれぞれ、遮蔽ボックスの6つの面の各々の短辺に対して平行に整列する。整列方向36でのナノ粒子の電気伝導度が異方的であるため、RF磁場を減衰させる渦電流が遮蔽ボックス32内に発生しうると同時に、遮蔽ボックス32は、数kHzの領域では勾配磁場周波数f_gradに対して透明である。

たとえ本発明が、図面及び上述の説明によって詳細に説明されているとしても、係る図面及び上述の説明は、例示であって限定ではないと解されるべきである。本発明は開示された実施例に限定されない。開示されている実施例の変化型及び修正型は、図面、開示事項、及び請求項の検討から、当業者によって理解可能であり、かつ、実現可能である。本発明の技術的範囲は「特許請求の範囲」の請求項に示されている。

10 磁気共鳴(MR)スキャナ
12 主磁石
14 画像体積
16 勾配コイル
18 RF主コイル
20 中空シリンダ
22 キャリア
24 ナノ粒子
26 整列方向
28 z軸
30 電気双極子部
32 遮蔽ボックス
34 RFコイル電子機器ユニット
36 整列方向
38 キャリア
40 銀コーティングされたカーボンナノチューブ
d 厚さ
f₁ カットオフ周波数
f₂ カットオフ周波数
f_grad 勾配磁場周波数
f_RF 高周波数
σ_d 電気伝導度
σ_w 電気伝導度
w シールド寸法
B₀ 静磁場
B₁ RF磁
E 外部電場

Claims

キャリアと複数のナノ粒子を有する、磁気共鳴(MR)画像スキャナにおいて用いられる高周波(RF)シールドであって、
動作状態では、前記複数のナノ粒子は、前記キャリアに対して移動不可能なように接続され、かつ、空間内のある方向に沿って整列され、
前記複数のナノ粒子は、空間内の前記方向において異方的な電気伝導度を有する、
RFシールド。
前記キャリアが基本的に前記複数のナノ粒子を含む、請求項1に記載のRFシールド。
前記キャリアが、前記複数のナノ粒子の異方的な電気伝導度よりも実質的に低い電気伝導度を有する、請求項1に記載のRFシールド。
少なくとも1つの連続する部分における空間内の前記方向が、基本的には完全に面内に位置する曲線である、請求項1に記載のRFシールド。
前記キャリアが基本的にプラスチックポリマーから作られる、請求項1に記載のRFシールド。
前記複数のナノ粒子の異方的な電気伝導度が、少なくとも50倍異なる複数の固有値を有するテンソルによって表現される、請求項1に記載のRFシールド。
前記ナノ粒子が、カーボンナノチューブ、カーボンファイバ、及びグラフェンからなる材料の群から選ばれる、請求項1に記載のRFシールド。
前記ナノ粒子には、永久電気双極子を生成する少なくとも1つの電気双極子部が備えられる、請求項7に記載のRFシールド。