JP2016116804A - 磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】渦電流による誤差磁場が小さく、かつ超電導コイルの発熱が小さい磁気共鳴イメージング装置を提供する。【解決手段】撮像領域を間にして対向する一対の磁極と、前記磁極に設けられた環状の磁極突起部と、前記磁極突起部の外周に設けられた環状の静磁場発生手段と、前記磁極突起部の内周に設けられた傾斜磁場発生用の傾斜磁場発生源とを有し、前記磁極突起部は内周側インピーダンスが外周側インピーダンスより高くなるように抵抗領域が設けられることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。【選択図】図２

Description

本発明は、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（以下、MRI装置という）は撮像領域に位置する被検体内から磁気共鳴信号を検出し、その磁気共鳴信号に基づいて画像再構成を行い、被検体内の特定原子核の空間分布を画像化する装置である。一般にMRI装置の撮像時には、被検体に一様な静磁場を印加すると共に、非検体に位置情報を付与する傾斜磁場パルスおよび生体組織の原子核の核磁気共鳴を励起する高周波磁場パルスを印加する。MRI装置の静磁場には、0.2T以上の高い磁場強度と10ppm程度の高い磁場均一度が求められ、その発生手段としては例えば超電導コイルを用いる。

従来技術として、静磁場の発生源として超電導コイルを使用し、これに撮像領域を間にして対向する一対の略円形状の鉄製の磁極とそれらの端部を連結したリターンヨークを組み合わせ磁気回路を形成し、0.5T程度の磁場強度を実現するMRI装置がある。磁極には撮像領域に均一な静磁場を形成することを目的として、円環状の磁極突起部が磁極の撮像領域側面に磁極と同軸に設けられる。撮像の際に傾斜磁場発生源に電流が流れると、撮像領域には傾斜磁場が形成されるが、それと同時に磁場が磁極や磁極突起部等の導体部材に達し、磁場の時間変化に伴い導体部材に渦電流が生じる。渦電流がつくる磁場（誤差磁場）は静磁場の均一性を乱し、取得する画像を劣化させる。

一方、超電導コイルは真空容器に格納され、冷凍機器によって超電導状態を維持できる温度以下に保たれる。超電導コイルは超電導線材をコイルボビンに巻きつけた構造であり、コイルボビンの材質は例えばステンレスである。超電導コイルの冷却方式には、液体ヘリウム等の冷媒を使用する浸漬冷却方式や無冷媒の伝導冷却方式がある。浸漬冷却方式では、超電導コイルは冷媒とともに冷却容器に格納される。この冷却容器と超電導コイルの間には輻射熱を抑制するためにアルミニウム等の輻射シールドが配置される。伝導冷却方式では、超電導コイルと熱伝導性のよい銅、アルミニウム等の冷却部材を接触させ、この冷却部材が冷凍機器と接続されることにより超電導コイルを除熱する。

傾斜磁場発生源からの磁場は、超電導コイル、並びに超電導コイルの周囲の真空容器や輻射シールド、冷却部材等の導体部材にまで及び、これらの部材においてジュール損失による発熱が生じる。超電導コイル、コイルボビン、冷却部材等の低温部材の発熱の総量が冷凍機器の吸熱能力を上回ると、導体部材の温度が上昇し、接触する超電導コイルの温度も上昇する。超電導コイルが昇温し臨界温度を超えると、クエンチ（コイル全体が常電導転移し、磁場が消失すること）が起こる。クエンチが起こると再度超電導コイルを臨界温度以下に冷却し励磁をやり直す必要があり、その間は装置を使用できなくなるため、低温部材の発熱量を冷凍機器の冷凍能力以下とし、クエンチを起こさない設計とする必要がある。

誤差磁場の抑制方法に関する従来技術として、特許文献１に記載されるように、磁極突起部の渦電流を低減するため、磁性材と絶縁材を複数ラミネート積層し、磁極突起部を形成する方法がある。

傾斜磁場発生源による超電導コイルの発熱の抑制方法に関する従来技術として、特許文献２に記載されるように、傾斜磁場発生源の生成する変動磁場が超電導コイルに達しないように、非磁性良導体を超電導コイルと磁極突起部の間に配置する方法がある。

特開平２−１８４００２ 特開２００３−１５３８７５

MRI装置の撮像時には傾斜磁場発生源から時間変化する磁場が発生する。この磁場はMRI装置を構成する導体部材に渦電流を誘起する。渦電流は撮像領域に誤差磁場を生じさせるので、良好な画像を取得するためには渦電流を低減する必要がある。特許文献１のように磁極突起部を高抵抗領域によって径方向、周方向に分割すれば、渦電流が磁極突起部を周回するのを抑制できる。渦電流の周回面積が小さいほど渦電流のつくる磁場は小さいので、この構造によって誤差磁場を低減できる。しかし、径方向に伸びた高抵抗領域から磁極突起部の外側に漏れる磁場が増大し、超電導コイルの発熱が増大する課題が生じる。

特許文献２のように磁極突起部と超電導コイルの間に非磁性良導体を配置すれば、非磁性良導体に流れる渦電流によって磁場が遮蔽され、磁極突起部の高抵抗領域から漏れる磁場を低減できる。しかし、非磁性良導体を介在して渦電流が磁極突起部を周回して流れるため、誤差磁場が増大するという課題が生じる。

本発明は渦電流による誤差磁場が小さく、かつ超電導コイルの発熱が小さいMRI装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、撮像領域を間にして対向する一対の磁極と、前記磁極に設けられた環状の磁極突起部と、前記磁極突起部の外周に設けられた環状の静磁場発生手段と、前記磁極突起部の内周に設けられた傾斜磁場発生用の傾斜磁場発生源とを有し、前記磁極突起部は内周側インピーダンスが外周側インピーダンスより高くなるように抵抗領域が設けられることである。

本発明により、渦電流による誤差磁場が小さく、かつ超電導コイルの発熱が小さいMRI装置を提供することが可能となる。

本発明の第１実施例を示すもので、MRI装置用超電導磁石の縦断面の模式図である。 本発明の第１実施例を示すもので、MRI装置用超電導磁石の部分上面図である。 本発明の第２実施例を示すもので、MRI装置用超電導磁石の部分上面図である。 本発明の第３実施例を示すもので、MRI装置用超電導磁石の部分上面図である。 比較例におけるMRI装置用超電導磁石の部分斜視図である。 比較例における磁極突起部の高抵抗領域を貫く磁束のイメージ図である。 本発明の第１実施例におけるMRI装置用超電導磁石の部分斜視図である。 本発明の第１実施例における磁極突起部の高抵抗領域を貫く磁束のイメージ図である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

図１は、本発明の第１の実施例に係る超電導コイルを用いた垂直磁場型MRI装置用超電導磁石の断面図である。MRI装置は観測領域である撮像領域７を間にして対向する一対の略円形状の磁極１を有する。磁極１は共に磁気回路を形成するコの字型のリターンヨーク３によって連結されている。磁極１には撮像領域７に均一な静磁場を形成するために円環状の磁極突起部２が磁極１と同軸に設けられている。撮像領域７の中心を原点に取り、磁極１設置面と水平な面内であって原点からリターンヨーク３への方向をx軸方向、鉛直方向上向きをz軸方向、x及びz軸と直行する方向をy軸方向とする。

磁極突起部２の外周には静磁場発生手段として、超電導コイル５が配置されている。超電導コイル５に定常電流を流すことで、撮像領域７に強度が時空間的に定常な磁場を形成する。超電導コイル５は超電導線材をコイルボビンに巻きつけた構造であり、コイルボビンの材質は例えばステンレスである。冷凍機器によって超電導コイル５の温度は超電導線材の常電導転移温度以下に保たれている。超電導コイル５の外側には真空容器４が配置され、真空容器４内は高真空状態に保たれ、超電導コイル５は断熱性を高められる。

また、傾斜磁場発生手段として、傾斜磁場発生源６が配置されている。この傾斜磁場発生源６に電流を流すことで、生体内に位置情報を付与する空間的に変化した磁場（傾斜磁場）を形成する。この傾斜磁場は直行するx軸、y軸、z軸のそれぞれに沿って、磁場強度が線形的に変化している必要があり、三種類のコイルを用いて形成する。

図２は、本実施例で説明するMRI装置の部分平面図である。磁極突起部２は、傾斜磁場印加時に周回方向に流れる渦電流を低減するために、磁極突起部２が磁極突起部内周側にのみ開口部を有する略径方向に伸びた高抵抗領域８と、始端と終端に開口部を有する略径方向に伸びた高抵抗領域９によって分割されている。

略径方向に伸びた高抵抗領域８、９は、周回方向に複数箇所設けられるが、高抵抗領域８の数が内周側よりも外周側で少なくなっている。このような構造とすることで、撮像領域７に近い磁極突起部２の内周側で渦電流が流れにくく、外周側で渦電流が流れやすくなる。渦電流の発生場所が撮像領域７から遠いほど誤差磁場は小さくなるので、誤差磁場を低減出来る。

また、磁極突起部２に設けられた高抵抗領域８の始端と終端のいずれか一方は開口部を有しておらず、高抵抗領域８から漏れる磁場は渦電流によって遮蔽されるため、磁極突起部２の外側に漏れる磁場も小さくなる。

図５は比較例として、磁極突起部２にその内周側から外周側まで貫通する高抵抗領域９のみが設けられた場合の、MRI装置用超電導磁石の部分斜視図である。図６は図５の構成における、磁極突起部の高抵抗領域を貫く磁束のイメージ図である。傾斜磁場発生源６により発生した磁束１０１は磁気遮蔽が弱い高抵抗領域９を通って磁極突起部２の反対側まで貫き、超電導コイル５が配置された真空容器４等の伝導部材にまで達してしまう恐れがある。これにより、傾斜磁場発生源６から生じる磁場の時間変化に伴い真空容器４等の導体部材に制御されない渦電流が生じる。渦電流がつくる磁場（誤差磁場）は静磁場の均一性を乱し、取得する画像を劣化させ、ジュール損失による発熱が超電導コイル５の温度を上昇させる恐れがある。

図７は実施例１のMRI装置用超電導磁石の部分斜視図である。本実施例の磁極突起部２は内周側から外周側まで貫通する高抵抗領域９の代わりに、一部に高抵抗領域８が設けられている。高抵抗領域８は磁極突起部２の内周側に設けられ、外周側には達していないため、磁極突起部２の外周側に小さな渦電流が生じる。図８は実施例１における、磁極突起部の高抵抗領域を貫く磁束のイメージ図である。磁極突起部２の外周側を流れる渦電流１０２が形成する磁場により、傾斜磁場発生源６による磁束１０１は高抵抗領域に侵入したとしても磁極突起部２の外周側まで突き抜けることなく曲げられるため、磁束１０１が磁極突起部２のさらに外側にある他の導体部材に到達し、渦電流が発生するのを抑制することができる。

高抵抗領域８、９によって分割された磁極突起部２はボルトや接着剤で磁極１に連結される。高抵抗領域８、９は、磁極突起部２を取り除き空隙とした構造としても、磁極突起部２に溝を掘る、穴を開けるなどして磁極突起部２の一部を取り除いた構造としてもよい。また、磁極突起部２を取り除いた空間に高抵抗部材や絶縁体を嵌め込んでもよい。

高抵抗領域８は、例えば、磁極突起部２の径方向の厚みを内周側から半分までを遮断するように設置することができる。しかし、高抵抗領域８が、内周側から外周側まで直線的に繋がっておらず、外周側に開口部を有していなければ本実施例の効果は得られる。また、磁束１０１の貫通を遮蔽するのに十分な渦電流が生じる導体が高抵抗領域８の外周側にあれば、本実施例の効果は得られる。

本実施例１においては、傾斜磁場発生源６から遠い磁極突起部２の外周側は、高抵抗領域による分割個所をあえて低減し、磁極突起部２の渦電流の流長を長くし、内周側のインダクタンスを高くすると特に効果が大きい。言い換えると、磁極突起部の内周側インピーダンスが外周側インピーダンスより高くなるように抵抗領域が設けられると尚よい。その方法として例えば、磁極突起部２の略径方向に伸びたスリット状の高抵抗領域の数が、磁極突起部２の内周側よりも外周側で少ないように、等間隔で高抵抗領域を設けることができる。

外周側に所定の渦電流を発生させることで、磁気遮蔽が弱い高抵抗領域を通って磁極突起部２を貫通する磁束を抑制する効果が得られる。

次に、図３を用いて、本発明の第２の実施例を説明する。

実施例１との違いは、図３に示すように磁極突起部２が略周回方向に伸びた高抵抗領域１０によって内周側と外周側に２分割される点である。磁極突起部内周側にのみ開口部を有する略径方向に伸びた高抵抗領域８は高抵抗領域１０に接触するように設けられる。それにより、傾斜磁場発生源６に近い磁極突起部２の内周側を流れ、高抵抗領域８の外周側を迂回して渦電流が流れる経路が遮断されるので、渦電流の周回が実施例１の場合と比較して更に抑制される。渦電流がつくる磁場は、周回面積が小さい程小さくなるので、渦電流が磁極突起部を周回しにくいことで誤差磁場は減少する。図３のように高抵抗領域１０は略周回方向に一周つながっている必要はなく、部分的に不連続になっていてもよい。

高抵抗領域８、９、１０によって分割された磁極突起部２はボルトや接着剤で磁極円盤部１に連結される。また、略周回方向に伸びた磁極突起部２同士はガラエポ樹脂等の絶縁体を挟んで連結してもよく、この場合、高抵抗領域１０のギャップ管理が容易となる。

本実施例２においても実施例１と同様に、傾斜磁場発生源６から遠い磁極突起部２の外周側は、高抵抗領域による分割個所をあえて低減し、磁気遮蔽が弱い高抵抗領域を通って磁極突起部２を貫通する磁束を抑制する効果が得られる。

本実施例では、高抵抗領域１０により内周側と外周側で２分割にしたが、３分割以上にしても同様の効果を得られる。

次に、図４を用いて、本発明の第３の実施例を説明する。

高抵抗領域８は、磁極突起部２の内周側にのみ開口部を有する略径方向に伸びた領域であり、高抵抗領域１１は、磁極突起部２の外周側にのみ開口部を有する略径方向に伸びた領域である。

実施例２との違いは、略径方向に伸びた高抵抗領域８、１１の周方向の位置が、略周回方向に伸びた高抵抗領域１０の内周側と外周側で異なる点である。高抵抗領域８近傍では磁気遮蔽が弱いため、磁極突起部２の外周側に漏れる磁場が大きい。図４に示すように高抵抗領域１１を略周回方向に伸びた高抵抗領域１０の内周側と外周側で位置が異なるように、つまり高抵抗領域８とは異なる周方向の位置に配置すれば、高抵抗領域８から漏れる磁場は隣接する外周側の層に発生する渦電流によって遮蔽されるので、超電導コイル５の発熱を低減できる。

１ 磁極
２ 磁極突起部
３ リターンヨーク
４ 真空容器
５ 超電導コイル
６ 傾斜磁場発生源
７ 撮像領域
８ 磁極突起部内周側にのみ開口部を有する略径方向に伸びた高抵抗領域
９ 始端と終端に開口部を有する略径方向に伸びた高抵抗領域
１０ 略周回方向に伸びた高抵抗領域
１１ 略周回方向に伸びた高抵抗領域の外周側にある略径方向に伸びた高抵抗領域

Claims (6)

1. 撮像領域を間にして対向する一対の磁極と、
   前記磁極に設けられた環状の磁極突起部と、
   前記磁極突起部の外周に設けられた環状の静磁場発生手段と、
   前記磁極突起部の内周に設けられた傾斜磁場発生用の傾斜磁場発生源とを有し、
   前記磁極突起部は内周側インピーダンスが外周側インピーダンスより高くなるように抵抗領域が設けられることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
   
2. 撮像領域を間にして対向する一対の磁極と、
   前記磁極に設けられた環状の磁極突起部と、
   前記磁極突起部の外周に設けられた環状の静磁場発生手段と、
   前記磁極突起部の内周に設けられた傾斜磁場発生用の傾斜磁場発生源とを有し、
   前記磁極突起部は略径方向に伸びた高抵抗領域を備え、
   前記高抵抗領域の数が、前記磁極突出部の内周側よりも外周側で少ないことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
   
3. 撮像領域を間にして対向する一対の磁極と、
   前記磁極に設けられた環状の磁極突起部と、
   前記磁極突起部の外周に設けられた環状の静磁場発生手段と、
   前記磁極突起部の内周に設けられた傾斜磁場発生用の傾斜磁場発生源とを有し、
   前記磁極突起部は略径方向に伸びた高抵抗領域を備え、
   前記高抵抗領域の一部が、前記磁極突出部の内周側から外周側まで直線的に繋がっていないことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
   
4. 前記磁極突起部が略周回方向に伸びた高抵抗領域を有することを特徴とする請求項１に記載の磁気共鳴イメージング装置。
   
5. 前記略径方向に伸びた高抵抗領域は、前記略周回方向に伸びた高抵抗領域の外周側と内周側で周方向の位置が異なることを特徴とする請求項４に記載の磁気共鳴イメージング装置。
   
6. 前記高抵抗領域は、絶縁体を前記磁極突起部を構成する部材で挟むことにより形成されることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一つに記載の磁気共鳴イメージング装置。