JP3631533B2 - 磁気共鳴イメージング磁石 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は一般に、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）診断システムの一部として高磁界を発生するために使用される超伝導磁石に関し、更に詳しくは人体の特定の部位たとえば脳を安価にイメージングするためのコンパクトな設計のこのような磁石に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超伝導磁石を用いるＭＲＩシステムは、医用診断のような種々の分野で使用される。公知の超伝導磁石には、液体ヘリウムで冷却される超伝導磁石および低温冷却器で冷却される超伝導磁石が含まれる。通常、低温冷却器で冷却される磁石の場合、超伝導コイル集合体は超伝導主コイルを含み、超伝導主コイルは熱遮蔽体によって取り囲まれ、熱遮蔽体は真空エンクロージャによって取り囲まれている。低温冷却器のコールドヘッドは外部で真空エンクロージャに取り付けられ、コールドヘッドの第１段は熱遮蔽体と熱的に接触し、第２段は超伝導主コイルと熱的に接触している。
【０００３】
超伝導磁石の場合、販売パンフレットに、シム調整前の不均一度が１０ｐｐｍである２テスラの球形のイメージング容積の直径が１０ｃｍで、内腔（ｂｏｒｅ）の直径が２０ｃｍであるＭＲＩ脳イメージング用の（眼開口付きの）ヘルメット形の設計にしたと主張されているものがある。しかし、このような設計のものはこれまで開示されていない。
【０００４】
公知の超伝導磁石には、磁石の内腔の中の球形のイメージング容積内に高磁界を発生するために第１の方向に等しい電流を通す１つ以上の縦方向に間隔を置いて配置された主コイルを持つ大きな管状の超伝導コイル集合体を有するものがある。このような全身用磁石で脳のＭＲＩイメージングを行うのは費用のかかるやり方である。
【０００５】
したがって、人間の脳のＭＲＩイメージングのために設計された比較的安価な超伝導磁石が必要とされている。
【０００６】
【発明の概要】
本発明の目的は、人間の脳のイメージングのためのコンパクトな設計の超伝導ＭＲＩ磁石を提供することである。
本発明の磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）磁石は、ほぼ環状の円筒形の真空エンクロージャ、少なくとも２つの超伝導コイル、および勾配コイルを含む。真空エンクロージャは、ほぼ縦方向に伸びる軸、縦方向の第１および第２の端、第１の内腔、ならびに第２の内腔を有する。第１の内腔は、軸とほぼ同軸にそろえられて、縦方向の第１の端から縦方向の第２の端に向かってほぼ一定の半径で伸び、かつ縦方向の第２の端から隔たっている。第２の内腔は、軸とほぼ同軸にそろえられて、縦方向の第２の端から第１の内腔に向かってほぼ一定の半径で伸びる。第２の内腔の半径は第１の内腔の半径より小さい。超伝導コイルは縦方向に間隔を置いて配置されて、軸とほぼ同軸にそろえられ、かつ真空エンクロージャの中に真空エンクロージャから隔てて配置される。超伝導コイルは第１のコイルおよび第２のコイルを含み、各コイルはほぼ同じ方向に電流を通す。第１のコイルは第１の内腔をほぼ円周方向に取り囲み、第２のコイルは第２の内腔をほぼ円周方向に取り囲む。第２のコイルは半径方向に最も内側の部分を有し、軸からこの第２のコイルの半径方向に最も内側の部分までの半径方向距離は、第１の内腔の半径より小さい。勾配コイルは、第１の内腔の中に配置され、半径方向に最も内側の部分を有する。軸から勾配コイルの半径方向に最も内側の部分までの半径方向距離は、ほぼ第２の内腔の半径以上である。
【０００７】
好ましい実施の態様では、超伝導コイルは、真空エンクロージャの縦方向の第１の端よりも縦方向の第２の端の近くに位置する磁気共鳴イメージング容積を発生し、該イメージング容積は共通のほぼ円形の底面に沿って半球体と円錐体を合わせた形状を持つ。
本発明からいくつかの利益および利点が得られる。本発明に従って超伝導コイルを半径方向内側に位置決めし、イメージング容積を縦方向の一方の側へ移動させ、更に半球体−円錐体組合せ形状のイメージング容積を作ることにより、患者の肩が真空エンクロージャの縦方向の第２の端に当たるように患者の頭を第２の内腔を通って第１の内腔の中に入れたときに人間の脳の医用イメージングを行えるようにした、コンパクトな設計のＭＲＩ磁石が得られる。
【０００８】
【発明の詳しい説明】
図１は本発明の好ましい実施態様の磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）磁石１０を示す。磁石１０は、ほぼ縦方向に伸びる軸１４、縦方向の第１の端１６、縦方向の第２の端１８、第１の内腔２０および第２の内腔２２を持つ、ほぼ環状で円筒形の真空エンクロージャ１２を含む。第１の内腔２０は、軸１４とほぼ同軸にそろえられて、縦方向の第１の端１６から縦方向の第２の端１８に向かってほぼ一定の半径で伸び、かつ縦方向の第２の端１８から隔たっている。第２の内腔２２は、軸１４とほぼ同軸にそろえられて、縦方向の第２の端１８から第１の内腔２０に向かってほぼ一定の半径で伸びる。第２の内腔２２の半径は第１の内腔２０の半径より小さい。典型的には、縦方向の第１の端１６から伸びる第１の内腔２０の縦方向の距離は、縦方向の第２の端１８から第１の内腔２０までの縦方向の距離より大きく、好ましくは第１の内腔２０が縦方向の第２の端１８の近くまで伸びるようにする。
【０００９】
磁石１０はまた、縦方向に間隔を置いて配置された複数の超伝導コイル２４ａ乃至２４ｅを含む。超伝導コイル２４ａ乃至２４ｅは、軸１４とほぼ同軸にそろえられて、真空エンクロージャ１２の中に真空エンクロージャ１２から隔てて配置されている。第１のコイル２４ａおよび第２のコイル２４ｂを含む超伝導コイル２４ａ乃至２４ｅは各々、ほぼ同じ方向に電流を通す（電流方向の僅かな縦方向の成分を無視すると、これは軸１４を中心とした円周方向で時計周りまたは反時計周りの方向である）。第１のコイル２４ａは第１の内腔２０をほぼ円周方向に取り囲み、第２のコイル２４ｂは第２の内腔２２をほぼ円周方向に取り囲む。第２のコイル２４ｂは半径方向に最も内側の部分２６を有する。軸１４から第２のコイル２４ｂの半径方向に最も内側の部分２６までの半径方向距離は、第１の内腔２０の半径より小さい。
【００１０】
典型的には、第１のコイル２４ａは縦方向の第２の端１８よりも縦方向の第１の端１６により近く配置され、第２のコイル２４ｂは縦方向の第１の端１６よりも縦方向の第２の端１８により近く配置される。好ましくは、第１のコイル２４ａは縦方向の第１の端１６にほぼ隣接して配置し、第２のコイル２４ｂは縦方向の第２の端１８にほぼ隣接して配置する。好ましい実施態様では、第１のコイル２４ａおよび第２のコイル２４ｂの各々の縦方向の長さおよび半径方向の長さは、第１のコイル２４ａの縦方向の長さが第１のコイル２４ａの半径方向の長さより大きく、第２のコイル２４ｂの半径方向の長さが第２のコイル２４ｂの縦方向の長さより大きくなるようにされる。好ましい実施態様では、軸１４から第２のコイル２４ｂの半径方向に最も外側の部分３０までの半径方向距離が、軸１４から第１のコイル２４ａの半径方向に最も外側の部分２８までの半径方向距離にほぼ等しい。
【００１１】
磁石１０はまた勾配コイル３２も含む。勾配コイル３２は第１の内腔２０の中に配置され、半径方向に最も内側の部分３４を有する。軸１４から勾配コイル３２の半径方向に最も内側の部分３４までの半径方向距離は、ほぼ第２の内腔２２の半径以上である。磁石１０は、勾配コイル３２の半径方向内側で第１の内腔２０の中に配置された無線周波（ＲＦ）コイル３６を更に含むことが好ましい。無線周波コイル３６は半径方向に最も内側の部分３８を有する。軸１４から無線周波コイル３６の半径方向に最も内側の部分３８までの半径方向距離は、ほぼ第２の内腔２２の半径以上である。図１では、勾配コイル３２は真空エンクロージャ１２に接触するものとして概略図示されており、無線周波コイル３６は勾配コイル３２に接触するものとして概略図示されている。しかし熟練した当業者には知られているように、ＭＲＩ磁石は通常、受動シムおよび勾配遮蔽体を含み、真空エンクロージャ１２と勾配コイル３２との間にギャップがあり、さらにまた無線周波遮蔽体を含み、勾配コイル３２と無線周波コイル３６との間にギャップがある（このようなシム、遮蔽体、およびギャップは説明の便宜のために図を簡単にするため図示していない）。真空エンクロージャ１２上および真空エンクロージャの中に連続した金属経路が生じないことにより渦電流の無い磁石１０が得られる場合には、勾配遮蔽体は省略してもよい。
【００１２】
磁石１０は手足のような人体の種々の部位のイメージングに使用することができるが、磁石１０はとりわけ人間の脳のＭＲＩイメージング用に設計されることが好ましい。したがって、患者の頭４２が第２の内腔２２を通って第１の内腔２０の中に入って、縦方向の第２の端１８が患者の肩４０に合わさるように、第１の内腔２０および第２の内腔２２の大きさを定めることが好ましい。「患者」という用語は、熟練した当業者には決められるように男と女について平均したサイズをそなえた平均サイズの成人患者を意味する。当業者に知られている従来の磁界解析と共に、前に説明した本発明の原理を使用して、超伝導コイル２４ａ乃至２４ｅは、真空エンクロージャ１２の縦方向の第２の端１８が患者の肩４０に合わさるように（すなわち患者の肩４０に当接するように）患者の頭４２を第２の内腔２２を通して第１の内腔２０の中に入れたとき、第１の内腔２０の中の患者の脳の領域内に（点線で示された）磁気共鳴イメージング容積４４が生じるように設計することが好ましい。好ましい超伝導コイル２４ａ乃至２４ｅの設計では、磁気共鳴イメージング容積４４は、軸１４とほぼ同軸にそろえられ、各々が（破線で示された）共通のほぼ円形の底面５０を持つ円錐体４６と半球体４８とを組み合わせた形状を有し、この組合せの円錐体４６がほぼ第２の内腔２２の方を向いている頂点５２を持ち、円形の底面５０が縦方向において縦方向の第１の端１６よりも縦方向の第２の端１８に近く配置されるように発生される。このような半球体−円錐体組合せのイメージング容積４４は従来の球形のイメージング容積に比べて人間の脳の形状に一層正確に適合する。半球体４８は脳の主要領域を包含し、円錐体４６は脳幹を包含する。
【００１３】
当業者に知られている従来の磁界解析と共に、前に説明した本発明の原理を使用して、本発明者は、半球体４８の半径がほぼ７．５ｃｍで、円形の底面５０の半径がほぼ７．５ｃｍで、円錐体４６の頂点５２から円形の底面５０までの高さがほぼ７．５ｃｍである半球体−円錐体組合せのイメージング容積４４内に、設計上のピークピーク磁界不均一度が１０ｐｐｍ未満であるほぼ０．５テスラの磁界を発生する上記のような磁石１０を設計した。第１の内腔２０は直径がほぼ３１ｃｍとなるように設計され、第２の内腔２２は直径がほぼ２５ｃｍとなるように設計された。真空エンクロージャ１２の縦方向の長さはほぼ４９ｃｍであり、外径はほぼ５０ｃｍであり、円形の底面５０は真空エンクロージャ１２の縦方向の第２の端１８からほぼ２２ｃｍのところに配置された。
【００１４】
本発明の磁石の設計では、超伝導コイル２４ａ乃至２４ｅは、ほぼ１０ケルビンの温度に維持されて、アンペア数がほぼ２１０アンペアの電流を通すように、幅がほぼ０．１２インチで、厚さがほぼ０．０１インチで、長さ方向に連続した（一体のまたは接合された）Ｎｂ−Ｓｎの超伝導テープで構成された。第１のコイル２４ａは、真空エンクロージャ１２の縦方向の第１の端１６から縦方向にほぼ２．５ｃｍのところで、かつ軸１４から半径方向にほぼ１７．５ｃｍのところに配置され、縦方向の長さがほぼ４．２ｃｍであり、半径方向の長さがほぼ１．１ｃｍであり、ほぼ４３０ｍの超伝導テープで構成される。第２のコイル２４ｂは、真空エンクロージャ１２の縦方向の第２の端１８から縦方向にほぼ２．０ｃｍのところで、かつ軸１４から半径方向にほぼ１４．０ｃｍのところに配置され、縦方向の長さがほぼ０．９ｃｍであり、半径方向の長さがほぼ４．３ｃｍであり、ほぼ３３０ｍの超伝導テープで構成される。第３のコイル２４ｃは、第２のコイル２４ｂから縦方向にほぼ９．２ｃｍのところで、かつ軸１４から半径方向にほぼ１７．５ｃｍのところに配置され、縦方向の長さがほぼ１．９ｃｍであり、半径方向の長さがほぼ０．９ｃｍであり、ほぼ１６０ｍの超伝導テープで構成される。第４のコイル２４ｄは、第３のコイル２４ｃから縦方向にほぼ５．４ｃｍのところに配置され、軸１４から半径方向にほぼ２１．１ｃｍのところに配置され、縦方向の長さがほぼ３．５ｃｍであり、半径方向の長さがほぼ０．９ｃｍであり、ほぼ３５０ｍの超伝導テープで構成される。第５のコイル２４ｅは、第４のコイル２４ｄから縦方向にほぼ６．８ｃｍで第１のコイル２４ａから縦方向にほぼ９．３ｃｍのところに配置され、軸１４から半径方向にほぼ２１．１ｃｍのところに位置し、縦方向の長さがほぼ３．６ｃｍであり、半径方向の長さがほぼ０．９ｃｍであり、ほぼ３８０ｍの超伝導テープで構成される。磁石１０は、超伝導コイル２４ａ乃至２４ｅを支持するコイル枠５４を含んでいることが好ましい。
【００１５】
典型的には、磁石１０は、真空エンクロージャ１２の中に真空エンクロージャ１２から隔てて配置された熱遮蔽体５６を含み、超伝導コイル２４ａ乃至２４ｅは熱遮蔽体５６の中に熱遮蔽体５６から隔てて配置されている。通常のスペーサ（簡明にするため図１では省略されている）が、コイル枠５４を熱遮蔽体５６から隔てて支持し、また熱遮蔽体５６を真空エンクロージャ１２から隔てて支持する。磁石１０は、第１段６０および第１段６０（温度がほぼ４０ケルビン）に比べて低温の第２段６２（温度がほぼ１０ケルビン）を有する低温冷却器のコールドヘッド５８、たとえばギフォードマクマホン（Ｇｉｆｆｏｒｄ−ＭｃＭａｈｏｎ）低温冷却器のコールドヘッドをそなえることが好ましい。図１からわかるように、第２段６２は（コイル枠５４と熱接触することにより）超伝導コイル２４ａ乃至２４ｅと熱接触し、第１段６０は熱遮蔽体５６と熱接触している。コイル枠５４および熱遮蔽体５６は各々、銅（または他の高熱伝導率の材料）のワイヤまたは条片を有するガラス強化エポキシ合成物で構成され、そして真空エンクロージャ１２は、その中に（ステンレス鋼の箔のような）蒸気障壁構造が埋め込まれたガラス強化エポキシ合成物で構成されるのが好ましい。
【００１６】
本発明のオンショルダ（ｏｎ−ｓｈｏｕｌｄｅｒ）形の脳イメージング用のＭＲＩ磁石１０のコンパクトな設計では、コイルの位置決めおよびイメージング容積の配置と形状によって低い磁界不均一度で高磁界強度が達成される。オンショルダ形の磁石１０によるＭＲＩ脳イメージングでは、イメージング容積４４を真空エンクロージャ１２の縦方向の第２の端１８から縦方向に正しく配置することが必要になる。これは一部は、人間の脳の形状をより正確に近似する半球体−円錐体組合せ形状を持つイメージング容積４４を発生するように超伝導コイル２４ａ乃至２４ｅを設計することにより、またイメージング容積４４の中心（すなわち円形の底面５０）が真空エンクロージャ１２の縦方向の第１の端１６からよりも縦方向の第２の端１８からの距離が小さくなるように超伝導コイル２４ａ乃至２４ｅを設計することにより、達成される。また磁界不均一度を小さくするためには、イメージング容積４４の円形の底面５０の平面と第１のコイル２４ａおよび第２のコイル２４ｂの各々との間の立体角を大きくしなければならない。これは一部は、縦方向において第１のコイル２４ａを真空エンクロージャ１２の縦方向の第１の端１６に隣接して位置決めし、縦方向において第２のコイル２４ｂを真空エンクロージャ１２の縦方向の第２の端１８に隣接して位置決めし、第２のコイル２４ｂの半径方向に最も内側の部分２６が第１のコイル２４ａの半径方向に最も内側の部分６４よりも半径方向内側に配置されるようにすることにより、達成される。このような設計手法により、真空エンクロージャ１２の縦方向の第２の端１８が患者の肩４０に当接するように患者の頭を第２の内腔２２を通過して第１の内腔２０の中に入れたとき、イメージング容積４４が患者の脳と重なって患者の脳の形状にぴったり合うようなＭＲＩ磁石が得られる。真空エンクロージャ１２の縦方向の第２の端１８が患者の肩４０に当たるようにＭＲＩ磁石１０に近づけることが出来るように、医用検査台（図１に示さない）上に患者を仰向けに寝かせることが好ましい。本発明の好適実施態様についての上記の説明は、例示のためのものであって、全てを網羅したものは無く、また開示された細部に本発明を限定するものでもない。上記の教示を参考にして多数の変形および変更を行えることは明らかである。たとえば、本発明の磁石１０の超伝導コイル２４ａ乃至２４ｅは低温冷却器により冷却されるものに限定されず、液体ヘリウム（または他の液体冷却剤）で冷却されるものあってもよい。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載により規定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】簡明にするため陰影線を省略した本発明のＭＲＩ磁石の概略断面図である。
【符号の説明】
１０ 磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）磁石
１２ 真空エンクロージャ
１４ 真空エンクロージャの軸
１６ 真空エンクロージャの縦方向の第１の端
１８ 真空エンクロージャの縦方向の第２の端
２０ 真空エンクロージャの第１の内腔
２２ 真空エンクロージャの第２の内腔
２４ａ−２４ｅ 超伝導コイル
２６ 第２のコイルの半径方向に最も内側の部分
２８ 第１のコイルの半径方向に最も外側の部分
３０ 第２のコイルの半径方向に最も外側の部分
３２ 勾配コイル
３４ 勾配コイルの半径方向に最も内側の部分
３６ 無線周波コイル
３８ 無線周波コイルの半径方向に最も内側の部分
４０ 患者の肩
４２ 患者の頭
４４ イメージング容積
４６ 円錐体
４８ 半球体
５０ 円形の底面
５２ 円錐体の頂点
５４ コイル枠
５６ 熱遮蔽体
５８ コールドヘッド
６０ コールドヘッドの第１段
６２ コールドヘッドの第２段

Claims (11)

1. （ａ）ほぼ縦方向に伸びる軸、（ｂ）縦方向の第１および第２の端、（ｃ）上記軸とほぼ同軸にそろえられて、上記縦方向の第１の端から上記縦方向の第２の端に向かってほぼ一定の半径で伸び、かつ上記縦方向の第２の端から隔たっている第１の内腔、および（ｄ）上記軸とほぼ同軸にそろえられて、上記縦方向の第２の端から上記第１の内腔に向かってほぼ一定の半径で伸び、かつ半径が上記第１の内腔の半径より小さい第２の内腔を有するほぼ環状の円筒形の真空エンクロージャ、
   上記軸とほぼ同軸にそろえられて、上記真空エンクロージャの中に上記真空エンクロージャから隔てて配置された、縦方向に間隔を置いて配置された複数の超伝導コイルであって、各々がほぼ同じ方向に電流を通す第１のコイルおよび第２のコイルを含み、上記第１のコイルはがほぼ円周方向に上記第１の内腔を取り囲み、上記第２のコイルはほぼ円周方向に上記第２の内腔を取り囲み、上記第２のコイルが半径方向に最も内側の部分を持ち、上記軸から上記第２のコイルの上記の半径方向に最も内側の部分までの半径方向距離が上記第１の内腔の半径より小さい複数の超伝導コイル、ならびに
   上記第１の内腔の中に配置された勾配コイルであって、半径方向に最も内側の部分を持ち、上記軸から当該勾配コイルの上記の半径方向に最も内側の部分までの半径方向距離がほぼ上記第２の内腔の上記半径以上である勾配コイル
   を含むことを特徴とする磁気共鳴イメージング磁石。
2. 更に、上記勾配コイルより半径方向内側で上記第１の内腔の中に配置された無線周波コイルを含み、上記無線周波コイルは半径方向に最も内側の部分を持ち、上記軸から上記無線周波コイルの上記の半径方向に最も内側の部分までの半径方向距離がほぼ上記第２の内腔の上記半径以上である請求項１記載の磁気共鳴イメージング磁石。
3. 上記第１の内腔がほぼ上記縦方向の第２の端に隣接して伸び、上記第１のコイルが上記縦方向の第１の端にほぼ隣接して配置され、上記第２のコイルが上記縦方向の第２の端にほぼ隣接して配置されている請求項１記載の磁気共鳴イメージング磁石。
4. 上記第１のコイルの縦方向の長さが上記第１のコイルの半径方向の長さより大きく、上記第２のコイルの半径方向の長さが上記第２のコイルの縦方向の長さより大きい請求項３記載の磁気共鳴イメージング磁石。
5. 上記第１のコイルが半径方向に最も外側の部分を持ち、上記第２のコイルが半径方向に最も外側の部分を持ち、上記軸から上記第２のコイルの上記の半径方向に最も外側の部分までの半径方向距離が、上記軸から上記第１のコイルの上記の半径方向に最も外側の部分までの半径方向距離にほぼ等しい請求項４記載の磁気共鳴イメージング磁石。
6. 患者の頭が上記第２の内腔を通過して上記第１の内腔の中に入れられたときに上記縦方向の第２の端が患者の肩に当接するように、上記第１の内腔および上記第２の内腔の大きさが定められている請求項１記載の磁気共鳴イメージング磁石。
7. 上記縦方向の第２の端が患者の肩に当接するように患者の頭を上記第２の内腔を通過して上記第１の内腔の中に入れたとき、上記超伝導コイルにより発生される磁気共鳴イメージング容積が上記第１の内腔の中の患者の脳の領域に位置している請求項６記載の磁気共鳴イメージング磁石。
8. 上記磁気共鳴イメージング容積は、上記軸とほぼ同軸にそろえられ、各々が共通のほぼ円形の底面を持つように円錐体と半球体とを組み合わせた形状を有し、上記円錐体はほぼ上記第２の内腔の方を向いている頂点を持ち、上記円形の底面が縦方向において上記縦方向の第１の端よりも上記縦方向の第２の端に近く配置されている請求項７記載の磁気共鳴イメージング磁石。
9. 更に、上記真空エンクロージャの中に上記真空エンクロージャから隔てて配置された熱遮蔽体、ならびに第１段および上記第１段に比べて低温の第２段を持つ低温冷却器のコールドヘッドを含み、上記超伝導コイルは上記熱遮蔽体の中に上記熱遮蔽体から隔てて配置され、上記第２段は上記超伝導コイルと熱接触し、上記第１段は上記熱遮蔽体と熱接触している請求項１記載の磁気共鳴イメージング磁石。
10. 更に、上記超伝導コイルを支持するコイル枠を含み、上記の低温冷却器のコールドヘッドの上記第２段が上記コイル枠と熱接触している請求項９記載の磁気共鳴イメージング磁石。
11. 上記第１の内腔の直径がほぼ３１ｃｍであり、上記第２の内腔の直径がほぼ２５ｃｍである請求項１記載の磁気共鳴イメージング磁石。

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