JP4393234B2

JP4393234B2 - 磁気共鳴イメージング装置

Info

Publication number: JP4393234B2
Application number: JP2004072037A
Authority: JP
Inventors: 武八尾; 明黒目
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 2004-03-15
Filing date: 2004-03-15
Publication date: 2010-01-06
Anticipated expiration: 2024-03-15
Also published as: JP2005253820A

Description

本発明は、磁気共鳴イメージング装置（以下、MRI装置という。）に係り、特に、傾斜磁場コイルの駆動により発生する渦電流を好適に抑制する技術に関する。

MRI装置は、均一な静磁場内に置かれた被検体に電磁波を照射したときに、被検体を構成する原子の原子核に生じる核磁気共鳴現象を利用し、被検体からの核磁気共鳴信号（以下、NMR信号という。）を検出し、このNMR信号を使って画像を再構成することにより、被検体の物理的性質をあらわす磁気共鳴画像（以下、NMR画像という。）を得るものである。このイメージングの位置情報を与えるために、静磁場に重畳して傾斜磁場が印加される。

従来のMRI装置は、装置を設置した検査室内に、被検体の水素原子核（プロトン）のスピンの向きを整列させるための静磁場を計測空間内に発生するための静磁場発生源と、被検体の位置情報を与えるために、X，Y，Zの3軸方向に位置エンコーディングを行う3チャンネルの傾斜磁場コイルと、プロトンの共鳴周波数をもつ電磁波を放射する送信用高周波コイルと、プロトンからのNMR信号を受信する受信用高周波コイルと、更に、発生する静磁場および傾斜磁場を補正するためのシムコイルなどを備えている。ただし、静磁場発生の方法としては、超電導コイルによる方法、常電導コイルによる方法、永久磁石による方法等が知られている。

近年、静磁場方向が被検体の体軸方向と直交する垂直磁場方式のMRI装置において、上下対向して配置されるコイル収容容器の上下対向面に凹状配置スペースを設け、該スペースに平板の傾斜磁場コイルが収容されるようにしたものが提案されており、所要起磁力を小さくするためにこの構成が望ましいとされている（例えば、特許文献1参照。）。
特許第3469436号公報

一方、静磁場発生用の磁石容器表面に傾斜磁場コイルの駆動に伴う渦電流が発生すると、傾斜磁場波形が本来の形状（例えば、矩形波）から歪んでしまうため、画質が劣化する。これを防ぐためにX，Y，Zの3軸方向の傾斜磁場の主コイルの外側に、傾斜磁場のシールドコイルをX，Y，Zの3軸方向にそれぞれ設け、主コイルによって発生する磁場を磁石容器表面において打ち消すようにしたものがある。これは、アクティブシールド方式の傾斜磁場コイルと呼ばれている。

特許文献2では特に、垂直磁場方式のMRI装置用の平板型アクティブシールド方式の傾斜磁場コイルにおいて、磁石容器表面の端部領域に発生する磁場を好適に打ち消す技術が開示されている。
特開2002−112977号公報

特許文献2記載の従来技術では、傾斜磁場の平板状の主コイルと、撮像空間に対して前記主コイルの背面に配置され、電流の向きが主コイルとほぼ反対方向の傾斜磁場の平板状のシールドコイルとを備えたアクティブシールド方式の傾斜磁場コイルにおいて、傾斜磁場の主コイル配列面と傾斜磁場のシールドコイル配列面の中間に第3のコイル配列面を設け、そこにシールドコイルと同じ方向の電流を流すことによって磁石容器表面の端部領域に発生する磁場を好適に打ち消し、渦電流を抑制している。

本発明者は、上記従来技術を検討した結果、以下の問題点を見い出した。
すなわち、特許文献2記載の従来技術では、特許文献2の図1に示されているように、上下に対向して配置されるコイル収容容器の上下対向面に凹状配置スペースがない、平らの垂直磁場方式のMRI装置において、渦電流の抑制を最適化していた。

しかしながら、特許文献2記載の平板型のアクティブシールド方式の傾斜磁場コイルを特許文献1記載のMRI装置の凹状配置スペースに配置した場合には、第3のコイルと主コイルの間の磁束密度が大きくなるため、それによる漏洩磁場が、凹状配置スペースの内側の側面（凹状の底部でないZ軸に平行な面）にまで到達すると、渦電流が発生し画質が劣化する問題が生じた。

本発明の目的は、コイル収容容器の上下対向面側に構成された凹状配置スペースに平板型のアクティブシールド方式の傾斜磁場コイルを配置する場合にも、コイル収容容器に発生する渦電流を好適に抑制した磁気共鳴イメージング装置を提供することにある。

本発明の第1の特徴によれば、撮影空間を間に挟んで対向して配置され、対向面側に凹状配置スペースがそれぞれ設けられた一対の静磁場発生源を有し、前記対向方向に静磁場を発生する静磁場発生手段と、前記凹状配置スペース内に配置されて磁場を発生させる主コイルと、前記主コイルと前記静磁場発生源の間に配置されて該主コイルが前記撮影空間と反対側に発生する磁場をキャンセルする磁場を発生させるシールドコイルとを有した磁場発生コイルを備えた磁気共鳴イメージング装置において、前記磁場発生コイルは、前記主コイルと前記シールドコイルが前記凹状配置スペースの前記静磁場方向と平行な側面に発生する磁場を抑制する磁場を発生させる第1のコイルを備えたことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置が提供される。

また本発明の第2の特徴によれば、前記磁場発生コイルに、前記第1のコイルによって前記撮影空間に生じる磁場の変化を補正する磁場を発生させる第２のコイルをさらに備えたことを特徴とする本発明の第1の特徴を併せ持つ磁気共鳴イメージング装置が提供される。

また本発明の第3の特徴によれば、前記第1と第2のコイルを配置する静磁場方向の位置は、前記主コイルを配置する平面の位置と同一であることを特徴とする本発明の第2の特徴を併せ持つ磁気共鳴イメージング装置が提供される。

また本発明の第4の特徴によれば、前記第1と第2のコイルを配置する静磁場方向の位置は、前記主コイルを配置する平面の位置と、前記シールドコイルを配置する平面の位置のいずれとも異なる第3の静磁場方向の位置であることを特徴とする本発明の第2の特徴を併せ持つ磁気共鳴イメージング装置が提供される。

また本発明の第5の特徴によれば、前記第1と第2のコイルを配置する静磁場方向の位置は、前記主コイルを配置する平面の位置と、前記シールドコイルを配置する平面の位置の間であることを特徴とする第2の特徴を併せ持つ磁気共鳴イメージング装置が提供される。

本発明によれば、コイル収容容器の上下対向面側に構成された凹状配置スペースに平板型のアクティブシールド方式の傾斜磁場コイルを配置する場合にも、コイル収容容器に発生する渦電流を好適に抑制した磁気共鳴イメージング装置を提供することができる。

以下、一般的なMRI装置のシステム構成を図1により詳細に説明する。 MRI装置は大別して、中央処理装置（以下、CPUと略称する）1と、シーケンサ2と、送信系3と、静磁場発生用磁石4と、受信系5と、傾斜磁場発生系21と、信号処理系6とから構成されている。

CPU1は、予め定められたプログラムに従って、シーケンサ2、送信系3、受信系5、信号処理系6を制御するようになっている。シーケンサ2は、CPU1からの制御指令に基づいて動作し、被検体7の断層面の画像データ収集に必要な種々の命令を送信系3、傾斜磁場発生系21、受信系5に送るようになっている。

送信系3は、高周波発振器8と、変調器9と、照射コイル11とを備え、シーケンサ2の指令により高周波発振器8からの基準高周波パルスを変調器9で振幅変調し、この振幅変調された高周波パルスを高周波増幅器10を介して増幅して照射コイル11に供給することにより、所定のパルス状の電磁波を被検体に照射するようになっている。

静磁場発生用磁石4は、被検体7の周りの所定の方向に均一な静磁場を発生させるためのものである。この静磁場発生用磁石4の内部には、照射コイル11と、傾斜磁場コイル13と、受信コイル14とが配置されている。傾斜磁場コイル13は傾斜磁場発生系21に含まれ、傾斜磁場電源12より電流の供給を受け、シーケンサ2の制御のもとに傾斜磁場を発生させる。

受信系5は、被検体の生体組織の原子核の核磁気共鳴により放出される高周波信号（NMR信号）を検出するもので、受信コイル14と増幅器15と直交位相検波器16とA／D変換器17とを有しており、上記照射コイル14から照射された電磁波による被検体の応答の高周波信号（NMR信号）は被検体に近接して配置された受信コイル14で検出され、増幅器15及び直交位相検波器16を介してA／D変換器17に入力され、ディジタル量に変換され、その信号がCPU1に送られるようになっている。

信号処理系6は、磁気ディスク20、光ディスク19などの外部記憶装置と、CRTなどからなるディスプレイ18とを備え、受信系5からのデータがCPU1に入力されると、CPU1が信号処理、画像再構成などの処理を実行し、その結果である被検体7の所望の断層面の画像をディスプレイ18で表示すると共に、外部記憶装置の磁気ディスク20などに記憶するようになっている。

上記システム構成を持つ特許文献1記載の垂直磁場方式のMRI装置において、コイル収容容器の上下対向面の凹状配置スペースに平板型のアクティブシールド方式の傾斜磁場コイルを配置する配置例については、特開平9−262223号公報の実施例2から4に開示されている。このうち、実施例2で示された構成が、最もシールドコイルの構造が簡易で安価な構成である。しかしながら、実施例2に配置されている主コイルとシールドコイルにおいて、凹状配置スペースの内側の側面に渦電流が発生しないようにするためには、下記に説明する付加電流を加えることが必要である。

図2は、本発明の実施例1に係る垂直磁場方式MRI装置の、静磁場発生源と傾斜磁場コイルの断面の一部である。ただし、図2はコイルの形状がZ軸（静磁場の方向）に対して軸対称なZ軸方向傾斜磁場コイルの例であり、図2の断面を静磁場の方向から見ると、同心円状のコイルが並んでいる。傾斜磁場コイルのコイルパターンに関しては、米国特許3515979号公報等に公知である。4aは凹状配置スペースの側面、4bは凹状配置スペースの底面、13aは傾斜磁場コイルのシールドコイル面、13bは傾斜磁場コイルのメインコイル面、21で示した丸印の中央に点を付加した記号は紙面の裏側から手前へ電流が流れるコイル、22で示した丸印に×印を付加した記号は紙面の手前から裏側へ電流が流れるコイル、23で示した1列以上のコイルは付加電流１を流すためのコイル、24で示した1列以上のコイルは付加電流2を流すためのコイルである。また、13cは、従来のシールドコイルパターン、13dは従来のメインコイルパターンであり、それぞれ特許文献2の図9に示されたものである。

本実施例によれば、従来のメインコイルとシールドコイルに加えて、先ず付加電流1がメインコイル面に加わっている。これによって、メインコイルとシールドコイルによって凹状配置スペースの内側の側面に発生する磁場を打ち消すことができる。一方、付加電流1の印加によって撮像空間の傾斜磁場に変化が生じてしまうため、これを補正するために付加電流2を静磁場方向の中心軸に対して第1のコイルより半径方向内側に加えている。これにより、付加電流1と付加電流2を合わせて、凹状配置スペースの内側の側面に発生する磁場も打ち消し、そこに発生する渦電流も低減でき、また撮像空間に発生する傾斜磁場に変化が生じないようにすることができる。

図3は、本発明の実施例2に係る垂直磁場方式MRI装置の、傾斜磁場コイルの主コイル面を静磁場の発生する方向から見た図である。ただし、実施例1はコイルの形状がZ軸（静磁場の方向）に対して軸対称なZ軸方向傾斜磁場コイルの例であったが、実施例2は、X軸方向傾斜磁場コイルについての例であり、そのメインコイル面をX軸とY軸に囲まれた右上四半分の部分のみを示し、他は省略している。23aは付加電流1を流すためのコイル、24aは付加電流2を流すためのコイルである。また、13dは従来のメインコイルパターンであり、特許文献2の図9に示されたものである。また、横軸はX軸、縦軸はY軸である。

本実施例によれば、従来のメインコイルとシールドコイルに加えて、先ず付加電流1がメインコイル面に加わっている。これによって、メインコイルとシールドコイルによって凹状配置スペースの内側の側面に発生する磁場を打ち消すことができる。一方、付加電流1の印加によって撮像空間に傾斜磁場に歪みが生じてしまうため、これを補正するために付加電流2を静磁場方向の中心軸に対して第1のコイルより半径方向内側に加え、更に付加電流1と2は端25aで繋がれ、合わせてループが描かれるようになっている。これにより、付加電流1と付加電流2を合わせて、凹状配置スペースの内側の側面に発生する磁場も打ち消し、そこに発生する渦電流も低減でき、また撮像空間に発生する傾斜磁場に変化が生じないようにすることができる。

実施例1及び2のように、付加電流1、及び2を加えることにより、凹状配置スペースの内側の側面に発生する磁場を低減することが可能となるが、付加電流1、及び2によって、メインコイル面の端部の電流密度は高くなり、それによる発熱も大きくなる。ゆえに、付加電流1、及び2の電流量はなるべく小さい方が望ましく、そのためには付加電流1はなるべく凹状配置スペースの内側の側面に近く、付加電流2及びメインコイルは凹状配置スペースの内側の側面から離して配置するのが良い。

図4は、本発明の実施例3に係る垂直磁場方式MRI装置の、静磁場発生源と傾斜磁場コイルの断面の一部である。ただし、実施例3では、実施例1，2においてメインコイル面の最外部が電流密度が高いことにより発熱してしまうことを緩和するために、付加電流1及び2を流すコイルを、メインコイル面とシールドコイル面のいずれとも異なる第3層に設けている。また、実施例3は実施例1と同じコイルの形状がZ軸（静磁場の方向）に対して軸対称なZ軸方向傾斜磁場コイルの例であり、図4の断面を静磁場の発生する方向から見ると、同心円状にコイルが並んでいる。

4aは凹状配置スペースの側面、4bは凹状配置スペースの底面、13aは傾斜磁場コイルのシールドコイル面、13bは傾斜磁場コイルのメインコイル面、21で示した丸印の中央に点を付加した記号は紙面の裏側から手前に電流が流れるコイル、22で示した丸印に×印を付加した記号は紙面の手前から裏側へ流れるコイル、23bで示した2列のコイルは付加電流1を流すためのコイル、24bで示した2列のコイルは付加電流2を流すためのコイルである。また、13cは、従来のシールドコイルパターン、13dは従来のメインコイルパターンであり、それぞれ特許文献2の図9に示されたものである。

本実施例では、実施例1や2と同様に、付加電流1と付加電流2を組み合わせることにより、凹状配置スペースの内側の側面に発生する磁場も打ち消し、そこに発生する渦電流も低減できるとともに、また撮像空間に発生する傾斜磁場に変化が生じないようにすることができる。更に、本実施例では、付加電流1及び2を流すコイルを、メインコイル面とシールドコイル面のいずれとも異なる第3層、望ましくはメインコイル面とシールドコイル面の間に設けているので、断面積の大きなコイルを付加電流1及び2を流すためのコイルとして使用でき、電流密度が高いことにより発熱してしまうことを緩和することが可能である。

図5は、本発明の実施例4に係る垂直磁場方式MRI装置の、傾斜磁場コイルを静磁場の方向から見た図である。ただし、図5は図を見やすくするためコイルパターンの一部分のみを示しており、実施例4は、X軸方向傾斜磁場コイルについての例である。また、13cは従来のメインコイルパターン、13dは従来のシールドコイルパターンであり、それぞれ特許文献2の図9に示されたものである。23cは付加電流1を流すためのコイル、24cは付加電流2を流すためのコイルである。実施例4では、付加電流1を流すためのコイル23c及び付加電流2を流すためのコイル24cは、メインコイルパターンの面とシールドコイルパターンの面の中間の第3層に配置されていて、更に付加電流1と2は端25cで繋がれ、合わせてループが描かれるようになっている。

本実施例では、実施例1〜3と同様に、付加電流1と付加電流2を組み合わせることにより、凹状配置スペースの内側の側面に発生する磁場も打ち消し、そこに発生する渦電流も低減できるとともに、また撮像空間に発生する傾斜磁場に変化が生じないようにすることができる。更に、本実施例では、付加電流1及び2を流すコイルを、メインコイル面とシールドコイル面のいずれとも異なる第3層、望ましくはメインコイル面とシールドコイル面の間に設けているので、断面積の大きなコイルを付加電流1及び2を流すためのコイルとして使用でき、電流密度が高いことにより発熱してしまうことを緩和することが可能である。

上記実施例1〜4では、漏洩磁場を抑制する構造を持つ傾斜磁場コイルについて述べてきたが、上記構造にてコイルパターンを作成したとしても、設計通りの機械的精度で製作されていないと、それに起因して十分な磁場精度が出ない。これを解決した傾斜磁場コイルの実施例5を、図6から図8を用い説明する。

図6および図7に示す実施例5では、各コイル間をプリプレグで挟んで積層し、さらに厚さ方向に位置合わせ部材を積層している。ここで、プリプレグとは、樹脂、添加物、及び繊維状又は繊条状強化材の混合物のことを言い、図6は実施例1および2のように、付加電流1および付加電流2を流すためのコイルがメインコイル面と同一の面に配置されている場合、図7は実施例3および4のように、付加電流1および付加電流2を流すためのコイルがメインコイル面とシールドコイル面のいずれとも異なる第3層に設けている場合を示す。

x，y，zのメインコイル、x，y，zのシールドコイルをそれぞれ、もしくはx，y，zのメインコイル、x，y，zのシールドコイルをまとめて積層したうえで、厚さ方向に加圧し、加熱してプリプレグを硬化させると、プリプレグの厚さを一定にすることができ、かつ各コイル間を剛的に構成することができる。およそ4MPaの圧力にて120℃から150℃で加熱すると、硬化時のプリプレグの厚さは1層辺り数μm程度の精度で管理でき、かつエポキシ系の接着剤の本来の接着力を安定して得ることができる。

プリプレグとしては、あらゆる物が使用可能であるが、ポリエチレンテレフタラート等の絶縁フィルムの両面にエポキシ樹脂を半硬化状態で塗った物や、ガラスクロスにエポキシ樹脂を染み込ませたもの、及びそれらの組み合わせを用いれば、コイル間の絶縁を良くするために有効である。

より詳細な断面図を図7に簡単に示す。図7によれば、積層構造を串刺しにするような横方向位置合わせ部材を用いている。このことにより、横方向の位置ずれを抑える事が可能となる。図7に図示した構造によって、各方向の位置合わせが出来ているので、さらに構造部材を加えたり、隙間をエポキシ樹脂等の樹脂やセメント等の固化材料でモールドすることにより、傾斜磁場コイルを構造的に完成させることができる。ただし、樹脂よりも安価な骨材を入れた上でモールドすれば、高価な樹脂の使用量を減らすことができ、安価に製作することができる。

また、構造部材と位置合わせ部材を機能的に分けることにより、構造部材は寸法精度が
不要なので、安価な既存の部材を加工せずに簡便に用いる事が可能であるし、位置合わせ部材は構造を維持する為の強度が要らないので、加工性の面から柔らかな材質を選択することが可能である。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変形して実施できる。例えば、実施例1と3ではZ軸方向傾斜磁場コイルの例を示し、実施例2と4ではX軸方向傾斜磁場コイルの例を示したが、Y軸方向傾斜磁場コイルに本発明を適用可能なのは勿論である。また、傾斜磁場コイルのみならず、発生する静磁場および傾斜磁場を補正するためのシムコイルにも本発明は適用可能である。例えばシムコイルにおいても、傾斜磁場コイルと同様に、メインとシールドコイルを備えて構成する場合があるので実施例1から4のような構成は適用できる。また、垂直磁場方式のMRI装置においては、平板状のものを何層か積み重ねてシムコイルを構成する場合があるので実施例5のような構成はシムコイルにも適用できる。また、実施例5において、プリプレグを傾斜磁場コイルの固定のために用いたが、プリプレグを傾斜磁場コイルあるいはシムコイルの固定のために用いることは、コイル収容容器の上下対向面の凹状配置スペースがある垂直磁場方式のMRI装置のみならず、コイル収容容器の上下対向面が平らな垂直磁場方式のMRI装置にも適用可能であることは勿論であり、例えば、従来の傾斜磁場コイルの様な付加電流を流すコイルが全くないような場合にもプレプレグを適用することができ、その例を図9に示す。

一般的なMRI装置のシステム構成。本発明の実施例1に係る垂直磁場方式MRI装置の、静磁場発生源と傾斜磁場コイルの断面の一部。本発明の実施例2に係る垂直磁場方式MRI装置の、傾斜磁場コイルの主コイル面を静磁場の発生する方向から見た図。本発明の実施例3に係る垂直磁場方式MRI装置の、静磁場発生源と傾斜磁場コイルの断面の一部。本発明の実施例4に係る垂直磁場方式MRI装置の、傾斜磁場コイルを静磁場の発生する方向から見た図。本発明の実施例5に係る傾斜磁場コイルをプリプレグを用い組み立てている様子を示す図で、b付加電流1および付加電流2を流すためのコイルがメインコイル面と同一の面に配置されている場合に対応する図。本発明の実施例5に係る傾斜磁場コイルをプリプレグを用い組み立てている様子を示す図で、b付加電流1および付加電流2を流すためのコイルがメインコイル面シールドコイル面でもない第3層に配置されている場合に対応する図。本発明の実施例5に係る傾斜磁場コイルのより詳細な断面図。付加電流を流すコイルが全くないような場合にプレプレグを適用した例を示す図。

符号の説明

４静磁場発生用磁石
４ａ凹状配置スペースの側面
４ｂ凹状配置スペースの底面
１３ａ傾斜磁場コイルのシールドコイル面
１３ｂ傾斜磁場コイルのメインコイル面
１３ｃ従来のシールドコイルパターン
１３ｄ従来のメインコイルパターン
２１紙面の裏側から手前へ電流が流れるコイル
２２紙面の手前から裏面へ電流が流れるコイル
２３付加電流1を流すためのコイル
２４付加電流2を流すためのコイル

Claims

撮影空間を間に挟んで対向して配置され、対向面側に凹状配置スペースがそれぞれ設けられた一対の静磁場発生源を有し、前記対向方向に静磁場を発生する静磁場発生手段と、前記凹状配置スペース内に配置されて磁場を発生させる主コイルと、前記主コイルと前記静磁場発生源の間に配置されて該主コイルが前記撮影空間と反対側に発生する磁場をキャンセルする磁場を発生させるシールドコイルとを有した磁場発生コイルを備えた磁気共鳴イメージング装置において、前記磁場発生コイルは、前記主コイルと前記シールドコイルが前記凹状配置スペースの前記静磁場方向と平行な側面に発生する磁場を抑制する磁場を発生させる第１のコイルと、前記第１のコイルによって前記撮影空間に生じる磁場の変化を補正する磁場を発生させる第２のコイルを前記対抗面と平行な面上に備えたことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
前記第１と第２のコイルを配置する静磁場方向の位置は、前記主コイルを配置する平面の位置と同一であ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。
前記第１と第２のコイルを配置する静磁場方向の位置は、前記主コイルを配置する平面の位置と、前記シールドコイルを配置する平面の位置の間であ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。
前記第１のコイル及び前記第２のコイルは、繋がっているものを含むことを特徴とする請求項１記載の磁気共鳴イメージング装置。