JP4481395B2 - 開放型磁気共鳴イメージング・システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）に関し、特にＭＲＩに用いる開放型磁石の磁極面に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＭＲＩにおいては、通常、患者を「閉鎖型」円筒形磁石内に挿入する。この構成では、撮像中に医師が患者にアクセスして対話型の処置を行うことができない。
撮像中に患者へのアクセスを可能にするために、「開放型」磁石が用いられている。しかし、開放型磁石には、撮像空間にわたって強力で均一且つ均質な磁界を形成する上で問題があり、特に、時間変化する（すなわち、時間につれて変化する）磁界勾配を加えるときはこの問題が顕著である。
【０００３】
強磁性材料を使用する場合、磁界を発生する開放型磁石の表面は磁極面と呼ばれる。磁極面は、それに取り付けた磁気ソースから磁束を受け取る。磁気ソースは、低磁気抵抗（高透磁率）強磁性磁束クロージャと共に、それに連結しても連結しなくてもよいが、「Ｃ」形磁束通路を完成する。
急速に時間変化する磁界を磁極面に加えると問題が生じる。磁極面は導電性材料から形成されるので、渦電流が発生し、その渦電流が印加磁界とは反対向きの磁界を発生する。
【０００４】
時間変化する磁界を加えることはまた、印加磁界を取り除いた後に残る二次的な残留磁界を磁極面材料に発生させる原因となる。これは、材料のヒステリシスにより説明される。
渦電流および残留磁化はともに、磁界をひずませ、したがってその磁界から形成される画像をひずませる。
【０００５】
米国特許第５２８３５４４号明細書（１９９４年２月１日発行）に、開放型ＭＲＩ装置において渦電流通路を最小にすることにより渦電流を低減することを目的とした装置が開示されている。この装置では、使用する磁極面が複数のブロックから構成されている。これにより、渦電流は磁極面全体にわたっては流れず、各ブロックに個別に流れる。
【０００６】
上記米国特許明細書に記載の装置では、各ブロックが、誘導される時間変化磁界に平行に揃えた積層シートから構成されている。これにより、積層シートに平行な方向における磁束の透磁率を大きくしている。
上記米国特許明細書に記載の構成は、渦電流および残留磁化を低減するが、これらの作用をさらに低減して、イメージングをさらに改良するのがよい。
【０００７】
現在、開放型ＭＲＩ装置において、誘導渦電流および残留磁化をさらに低減して、形成される画像中のアーティファクトを減少させることが望まれている。
【０００８】
【発明の概要】
本発明は、渦電流および残留磁化を低減することによりアーティファクトを低減する開放型磁気共鳴断層撮影（ＭＲＩ）システムを提供する。本システムは、複数の強磁性磁極片を備え、各磁極片は撮像空間を画成する磁極面を有する。これらの磁極面は互いにほぼ平行である。勾配コイルにより急速に時間変化する磁界が加えられると印加されている静磁界を変化させるので、磁極片の導電性材料には渦電流が誘導される。また、使用材料が残留磁化を示すので、磁束は印加勾配磁界に正確に追従しない。これらの問題を補正するために、磁極片を複数のブロックで構成し、各ブロックを複数の積層シートで構成する。これらの積層シートの各々は非導電性基板により互いに分離されると共に、該基板によって一緒に保持される。これらの積層シートは磁極面にほぼ平行に揃えられて、磁極面に平行に流れる磁束の大部分が導電性材料内の渦電流によりほとんど妨害されないようにする。印加された磁界勾配のこの部分は、積層シートの各々の厚さの中で円を描く渦電流を生成する。渦電流の通路が小さいので、渦電流の消散に関する時間定数はいちじるしく小さくなり、したがって、渦電流は、積層シートを使用しない磁極片の場合よりずっと急速に消散する。
【０００９】
印加された磁界勾配のうちの積層シートに直交する磁界勾配部分が生成する渦電流は、積層シートの各々の周囲に沿った円を描く。これらの渦電流の消散に関する時間定数は、ブロックの表面の寸法により決定され、従って、ブロックが小さければ小さいほど、渦電流は、連続したシートから構成される磁極片の場合よりもずっと急速に消散する。
【００１０】
所与の方向におけるこれらのブロックの実際の寸法および分離も、その方向における磁極片を通る磁束の度合いに影響する。隣り合うブロック間の分離が大きいと、層に平行な磁束は少なくなる。
また、複数のブロックよりなる層を複数個使用してもよい。層間の間隔も、磁束を磁極片に通す上で重要である。層間の間隔が大きければ大きいほど、層に垂直な磁束は少なくなる。
【００１１】
隣り合う層のブロック同士を部分的にオーバーラップさせることにより、層に垂直な磁束と平行な磁束との相対量を制御する。これは、磁気ソースと磁界勾配との間の性能を最適にする方法である。
残留磁化の変化を妨害する多結晶構造を持つ材料は数多いので、全体的微結晶構造を殆ど又は全く持たないアモルファス材料を使用することとした。Ｆｅ−Ｂ（たとえばＦｅ₈₀Ｂ₂₀）、Ｆｅ−Ｂ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｂ−Ｓｉ−Ｃ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｂなどの材料を、他の既知のアモルファス強磁性材料とともに、磁極片の各々のブロックの積層シートとして使用することができる。
【００１２】
通常、積層シート領域の下側には、下側強磁性支持構造、すなわち磁極片が存在する。この領域は、通常、ラミネーション(lamination)の保磁磁界より大きい保磁磁界を有する。時間変化する勾配磁界が、ラミネーション層（磁極面）に侵入するのに十分な強さであれば、この磁極片の残留磁化状態は変化する。一方、この残留磁化はバイアス磁界を生じさせて、画像ひずみのもう一つの原因となる。この基板材料の磁気特性を制御することも、映像品質を保証する上で重要である。
【００１３】
本発明の目的は、開放型ＭＲＩシステムで形成される画像におけるアーティファクトを低減することにある。
本発明の別の目的は、従来のシステムより高品質の画像を生成するＭＲＩシステムを提供することにある。
本発明の他の目的は、渦電流を低減させた開放型ＭＲＩシステム用磁極面を提供することにある。
【００１４】
本発明のさらに他の目的は、残留磁化を低減させた開放型ＭＲＩシステム用磁極面を提供することにある。
新規であると考えられる本発明の諸特徴は、特許請求の範囲に具体的に述べられている。しかしながら、本発明自体は、構成及び動作の方法、並びに発明の更なる目的及び利点に関して、以下の記載を図面と併せて参照すると最もよく理解されよう。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１に、磁気共鳴断層撮影（ＭＲＩ）システム１０の「開放型」磁石を示す。磁石は磁気励起手段（１６及び１８；図７参照）を含み、この磁気励起手段は隣接する磁極片１１及び１３に磁束を発生する少なくとも１個の励起コイル（２２及び２４；図７参照）を有する。この磁束は磁極面１５及び１７を通る。励起手段が発生する磁界は、磁極面１５及び１７に流れる磁束Ｂ₀を発生する。
【００１６】
一組の勾配コイル１９および２１が時間変化する磁界Ｂを発生する。この磁界Ｂと主静磁界Ｂ₀とが組合わさって、撮像空間（イメージング・ボリューム）２３に磁界勾配を形成する。
磁束Ｂ₀は、撮像空間２３を通った後、開放型磁石の２側面を連結する磁束戻り構造２５を通る。
【００１７】
図２は従来の磁極面に誘導される渦電流の説明図であって、磁極面１５および勾配コイル１９に矢印で示す方向に流れている電流Ｉを示す。右手の法則により、この電流Ｉは、図に示すようなループの中心を通過する磁束Ｂを発生する。この磁束は破線で示すような渦電流Ｉ’を誘導する。渦電流Ｉ’は、磁束Ｂとは反対向きの別の磁界を発生する。これは、磁界Ｂの作用を低減し、したがって撮像用磁界および磁界勾配に擾乱をもたらす。有限な導電率を有する構造では、渦電流は再分布して時間とともに減衰する。したがって、これは、均質な磁界勾配に依存する画像にアーティファクトをもたらす。表面積が大きいほど、最小寸法の二乗だけ減衰時間が長くなる。
【００１８】
図３に種々の材料のヒステリシス効果を示す。磁界Ｈが材料に作用すると、その磁界は磁化Ｍを生じさせる。永久磁石のような材料が印加磁界Ｈを受けた場合の磁化Ｍは、経路３１に沿って順方向に進む。磁界Ｈが反対方向に加えられると、磁化Ｍは経路３３をたどる。Ｍ軸と交差するときの材料の磁化Ｍの度合いが「残留磁化」と呼ばれる。この材料では点３５で示されている。
【００１９】
別の磁性材料は曲線３７及び３９で示される。経路３７及び３９は上記より低い残留磁化４１を有している。
相対的に言って、経路３１及び３３は、経路３７及び３９と比較して、「硬質」な磁性体を表す。
残留磁化は磁性体における保磁作用の結果である。これらの保磁作用は、印加磁界が急速に変化し、しかもその極性も変化する場合に、きわめて重要になる。保磁作用はまた、磁界成分を取り除いたときに、磁化が平衡状態まで緩和するのを抑制する。
【００２０】
強磁性材料のいかなる領域でも、局部磁化はその最大または「飽和」値にある。磁化がすべて平行であるこれらの局部領域は「磁区」と呼ばれている。磁化方向が異なる磁区間の薄い分割領域を「磁壁」と呼ぶ。印加磁界の結果として平均磁化が変動するのは、これらの磁壁の移動による。これらの磁壁の移動は材料中の欠陥、たとえば気孔、介在物、微結晶の境界により妨げられる。これらの磁壁を移動するのに必要とされる磁界は、通常Ｈｃで表される等価「保磁」磁界により表示される。磁壁妨害は磁界の変化後にヒステリシスをもたらし、その結果、磁界変化後に平均磁化が残された「残留磁化」状態は、初期磁化および磁界の時間履歴に依存することになる。この残留磁化により生成される外部磁界は、ＭＲＩシステムにおける撮像磁界をその目標値から引き離すおそれがあり、その結果として撮像アーティファクトを生じる。
【００２１】
これらの磁壁の移動は、磁壁が移動するにつれて局部磁化の変化により発生する局部渦電流によっても減衰される。これは、磁界をオンにしたときの磁化変化の遅れにつながり、また駆動磁界を取り除いたときの磁化の緩和につながる。これらの作用の両方を補償して画像アーティファクトを最小にする必要がある。
開放型ＭＲＩにおける主要目標の一つは、磁界勾配を正確に且つ急速に加えることができるように、残留磁化を小さくすることである。
【００２２】
図４に、各々が非導電性基板４９により分離されているが、該基板４９により一緒に保持されている複数の積層シート４７の積重ね体で構成された積層ブロック４１を示す。この非導電性基板はエポキシその他の通常用いられる電気絶縁体であってよい。ブロック４１の全質量に対する積層シート４７から構成される部分の割合は、「充填率」と呼ばれる。シート４７材料および基板４９材料両方の誘電率を考慮して、所望の透磁率を有するブロックを設計するように、充填率を調節するのがよい。これは、材料と充填率により記述できる。代表的には、基板４９としてエポキシを用い、シート４７として鉄−硼素−珪素（Ｆｅ−Ｂ−Ｓｉ）を用い、充填率を約８４％とすることにより、良好な結果が得られる。
【００２３】
磁界磁束Ｂがブロック４１のシート４７に垂直に加えられる。この幾何形状において、図示のように流れる渦電流Ｉｅが誘導される。誘導電流Ｉｅの量はこの幾何形状についての最大値に近い。
しかし、積層シート４７に平行な方向に磁束Ｂ₁がブロック４１に加えられる場合は、各シート４７が基板材料４９により互いに電気的に分離されているので、渦電流Ｉｅ’（図示していない）が磁束Ｂ₁のまわりに流れる通路はきわめて小さい。渦電流の通る通路がきわめて小さいので、渦電流消散時間ｔはきわめて短い。このことは、磁束Ｂの方向に加えた場合よりはるかに急速に渦電流Ｉｅ’が減少することを意味する。
【００２４】
ブロック４１のシート４７それぞれを、きわめて小さな結晶構造を持つか、結晶構造をもたない材料から構成すれば、大きなランダムな結晶からなる材料の場合に生じるようなグロスの磁気アラインメント効果はわずかになる。小さなランダムな結晶配向をアモルファスと呼ぶ。
アモルファス材料は、その性質により、渦電流の効果と残留磁化の効果の両方を低減する。
【００２５】
使用材料はアモルファス材料とした方がよく、優れた性能を示す例としては、鉄−硼素−珪素（Ｆｅ−Ｂ−Ｓｉ）、鉄−硼素−燐（Ｆｅ−Ｂ−Ｐ）、鉄−燐−炭素（Ｆｅ−Ｐ−Ｃ）などがある。こららの材料は、きわめて小さな結晶構造であるか又は結晶構造をもたず、保磁効果がきわめて小さいので、アモルファスとみなすことができる。アモルファス材料を用いるのは、きわめて薄い積層シートを製造するのが容易なせいもある。
【００２６】
アモルファス材料には他の望ましい特性もある。アモルファス材料の電気抵抗は通常、近似した結晶質合金よりも大きく、これにより渦電流をさらに減衰させる。
アモルファス金属状態を得るのに硼素または燐を用いると、キャスト法の間に表面が酸化される結果として、薄い絶縁性ガラス被膜が生成することが多い。この酸化は積層シート層間の追加の絶縁体として作用する。
【００２７】
磁極面のブロック４１は、積層シート４７に平行な方向の磁束に異方性応答を示し、積層シート４７のそれぞれに垂直な磁束に異なる応答を示すように、設計されている。ブロック４１は、積層シート４７に平行な方向の磁束および積層シート４７のそれぞれに垂直な磁束に異方性周波数応答を示す。このことは、全体の又はグロスの特性が所望の範囲と一致するように設計された材料からスキン厚さの積層シートを形成することにより、実現される。
【００２８】
たとえば、有効な誘電性および有効な透磁率は、積層シート４７の厚さだけでなく、積層シート４７の材料および積層シート間の基板材料の誘電性にも依存する。これは、全体に対する積層シートの割合（残りが基板の量となる）である充填率によって記述することができる。
典型的には、積層シート厚さは「スキン（表皮）深さ」より小さくなければならない。スキン深さは、ＭＲＩで用いられる時間変化する磁界勾配の波形と関連した最大所望動作周波数により決められる。スキン深さは周波数の平方根に比例する。たとえば、スキン深さを０．００５インチとすることができる。
【００２９】
最大周波数は、加える所望の磁界勾配の形状および急峻さに関連する。磁気勾配波形を構成する最高フーリエ周波数成分が最大周波数を決め、したがってスキン深さを決める。波形のコーナーがきわめて鋭いことを必要としなければ、最大動作周波数は低くなる。周波数が高ければ高いほど、積層シートは薄くしなければならない。
【００３０】
代表的なＭＲＩ周波数は１０ｋＨｚ程度である。基板に用いる代表的な材料は、誘電率が３であるエポキシとすることができる。
つぎに、変化する磁界磁束の大部分が各々のシートに平行になるように、ブロック４１を整列させる。
開放型磁石の磁極面を通る磁束を最大にするのに、ブロック４１の構成および材料だけでなく、ブロックの寸法および間隔も重要になる。図５には、ブロック間の間隔６１及び６３を持つ互いに隣接した２つのブロック４１を示す。ブロックが小さければ小さいほど、渦電流の減少は大きくなる。しかし、ブロックが小さいとブロック数が多くなり、ブロック間のギャップが多くなる。空気ギャップはブロックより大きな磁気抵抗（リラクタンス）を有するので、磁束に対する磁気抵抗が大きくなり、透磁率が小さくなる。
【００３１】
したがって、適切な厚さおよび適切な材料の積層シートを適切な厚さおよび材料の基板で分離したブロックを選択することにより、有効な誘電性および透磁率を実現することができる。これらのブロックを互いに適正な間隔だけ離すことにより、積層シート４７に平行な方向に最大磁束を得ることができる。これは、シートに垂直な磁束に比べて、シートに平行な方向における相対磁束を効果的に増大し、これにより渦電流を低減する。
【００３２】
隣接する層においてブロックを部分的にオーバーラップさせることにより、層に垂直および平行な磁束の相対量を制御する。これは、磁気ソースと磁界勾配との間の性能を最適にする方法である。
典型的には、Ｚ軸が撮像用磁石シリンダの軸線と合致している円柱座標で撮像が行われる。したがって、ＸおよびＹ座標は単に左右方向および上下方向であり、映像化目的には、同じでよい。これらの条件から、各ブロックの寸法は、最大所望動作周波数の１／４波長より小さい長さおよび幅（ＸおよびＹディメンジョン）とすべきである。ブロック４１間の誘電率および磁気抵抗を考慮する場合には、全体的積層シート領域について同じことがいえる。
【００３３】
選択した材料は、渦電流および残留磁化を低減する性質のものでもある。より高い固有抵抗を有する材料を選ぶか、より高い透磁率を示す材料を選ぶかは、これらの性質が相反関係にあるので、それらの間で兼ね合いを取ることが必要である。
図６は、本発明による磁極面の平面図である。ここでは、ブロック４１それぞれを正方形ブロックとして示しているが、長方形その他の形状としてもよい。ブロック間の間隔６１及び６３は、ブロックの面に垂直な方向およびブロックの面に沿った方向の両方に適当な磁束を生成する上で重要である。
【００３４】
図７は、励起コイル２２及び２４並びに数列のブロック４１に隣接した磁極片１１及び１３を有する励起手段１６及び１８の側面図である。勾配コイル１９及び２１は、磁極面１５及び１７より撮像空間２３に近い側に位置する。
図７にはブロック間の間隔６１及び６３を示すが、これは磁極面によって決まる。ブロック４１を複数の層７３に配列することができる。ブロック４１の層７３間の間隔７１も、ブロック４１の積層シート４７に平行な適切な磁束を生成するのに重要である。
【００３５】
別の実施例では、磁極面１５及び１７と磁極片１１及び１３との間に、磁極片１１及び１３より保磁力が小さい磁束シールド１２及び１４を設けることができる。これは、珪素鋼の焼鈍した中実な片とするのが好ましい。シールド１２及び１４の目的は、ＭＲ勾配コイルからの勾配磁束（時間変化する磁界）が磁極片１１及び１３に侵入するのを最小にすることにある。これは、磁極片１１及び１３の材料をバイアスして、磁極片１１及び１３の残留磁化を最小にする。通常用いられる材料として、Allegheny Ludlum Corporation （米国ペンシルバニア州ブラッケンリッジ所在）製のVanadium Permendur（登録商標）が挙げられる。ＸおよびＹ方向の透磁率を同じにするのが望ましいので、これらの方向のブロック寸法および間隔は通常、図６および図７に示すように、同一であるが、場合によっては異なってもよい。
【００３６】
本発明の主要な効果として、異なる充填率、異なる積層シート４７材料および基板４９材料を用い、また隣接するブロック４１間の空間６１及び６３を異ならせ、ブロック４１の層７３間の間隔７１を異ならせることにより、各方向に所望の透磁率を有する磁極面を与えることがある。この磁極面は磁束の方向を選択的に決める。
【００３７】
以上、新規なＭＲＩシステムの現在のところ好適な実施例について説明したが、当業者には、種々の変更や改変が明らかであろう。したがって、特許請求の範囲は、これらの変更例や改変例も発明の要旨に包含されるものと解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用する開放型ＭＲＩシステムの一部の概略斜視図である。
【図２】従来の磁極面に誘導される渦電流を説明する斜視図である。
【図３】種々の材料の磁気ヒステリシス曲線を示し、残留磁化を説明するグラフである。
【図４】積層ブロックについての磁束の方向の効果を示す斜視図である。
【図５】本発明によるブロックのまわりの磁束を示す側面図である。
【図６】本発明にしたがって構成した磁極面の１実施例の平面図である。
【図７】本発明にしたがって構成した磁極面の１実施例の断面図である。
【符号の説明】
１０ ＭＲＩシステム
１１、１３ 磁極片
１５、１７ 磁極面
１６、１８ 励起手段
１９、２１ 勾配コイル
２２、２４ 励起コイル
４１ ブロック
４７ 積層シート
４９ 基板

Claims (18)

1. 少なくとも、各々が撮像空間を画成する互いに反対向きのほぼ平面の磁極面を持つ複数の磁極片を備えていると共に、少なくとも１個の励起コイルおよび磁極片を持つ磁気励起手段を備えている開放型磁気共鳴イメージング・システムにおいて、
   前記磁極面が複数の磁気ブロックを有し、各々の磁気ブロックが、互いに非導電性基板により分離されているが、該基板により一緒に保持されている複数の積層シートで構成され、各積層シートが前記磁極面とほぼ平行に揃えられており、各積層シートがアモルファス強磁性材料で構成されていることを特徴とする、アーティファクトを低減した開放型磁気共鳴イメージング・システム。
2. 前記アモルファス材料が、残留磁化を減少させるために鉄−硼素（Ｆｅ−Ｂ）である請求項１に記載のシステム。
3. 前記アモルファス材料が、残留磁化を減少させるために鉄−硼素−珪素（Ｆｅ−Ｂ−Ｓｉ）である請求項１に記載のシステム。
4. 前記アモルファス材料が、残留磁化を減少させるために鉄−燐（Ｆｅ−Ｐ）である請求項１に記載のシステム。
5. 前記アモルファス材料が、残留磁化を減少させるために鉄−ニッケル−硼素（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｂ）である請求項１に記載のシステム。
6. 前記複数のブロックが、前記磁極面に水平な特定方向において互いに所定間隔の空隙をあけて設けられており、この空隙の間隔が、該特定方向における時間変化する磁界に対する透磁率が１００〜５００の範囲の値を示すように調節されたことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
7. 前記ブロックが複数の層を成すように設けられている請求項１に記載のシステム。
8. 前記ブロックの前記複数シート層が、前記複数シート層の積層方向において互いに特定の間隔を有し、この特定の間隔を選択することにより、これらのブロック層の積層方向における時間変化する磁界に対する透磁率を、所望の、これらの磁界が前記磁極片に侵入しないで磁極片材料をバイアスする値に設定したことを特徴とする請求項７に記載のシステム。
9. 前記ブロックが、このブロックを形成する前記アモルファス強磁性材料の侵入度の値未満の厚さの複数の積層シートから構成されている請求項１に記載のシステム。
10. 前記ブロックが８０〜９５％の充填率を有する請求項１に記載のシステム。
11. 前記磁極片から磁束を受け取り、その磁束をＸ、ＹおよびＺ方向のそれぞれに選択的に差し向ける磁束導通体を備え、前記磁極面が複数の層から成り、各層が、ＸおよびＹ方向の各々における所定の透磁率に合致させるようにＸおよびＹ方向の各々において互いから離間された積層シートの複数のブロックで構成されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
12. 前記ブロックは、互いに基板により分離されているが、該基板により一緒に保持されている複数の積層シートで構成されており、ブロックの充填率、積層シート材料および基板材料が、前記積層シートに沿った方向および前記積層シートに垂直な方向の両方で所定の透磁率に合致するように選択されている請求項１１に記載のシステム。
13. 前記層間の間隔がＺ方向における所定の透磁率に合致するように選択されている請求項１１に記載のシステム。
14. さらに、前記磁極片と前記磁極面との間に適当な材料の中実部材からなる磁束シールドであって、他のソースからの磁束が前記磁極片に入り込むのを減少させて前記磁極片の残留磁化を減少させるように作用する磁束シールドを含んでいる請求項１１に記載のシステム。
15. 前記磁束シールドが焼鈍珪素鋼からなる請求項１４に記載のシステム。
16. 隣り合う前記層のブロックを部分的にオーバーラップさせて、前記層に垂直および平行なソース磁束の相対量を制御する請求項１１に記載のシステム。
17. 隣り合う前記層のブロックを部分的にオーバーラップさせて、前記層に垂直および平行な勾配磁束の相対量を制御する請求項１４に記載のシステム。
18. 前記ブロックが渦電流を減少させる最小の長さと幅を有する、請求項１に記載の開放型ＭＲＩシステム。

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