JP4648722B2

JP4648722B2 - 磁気共鳴イメージング装置

Info

Publication number: JP4648722B2
Application number: JP2005035519A
Authority: JP
Inventors: 健二榊原; 博幸竹内
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 2005-02-14
Filing date: 2005-02-14
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2025-02-14
Also published as: JP2006218141A

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、特に軸長を短くして開放性を高くした水平磁場方式MRI装置の静磁場均一度向上技術に関する。

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、MR画像という。)を得るものである。

MRI装置は一般的に、撮像空間に静磁場を所定な方向へ発生させる静磁場発生用磁石と、前記静磁場発生用磁石の前記撮像空間側に配置され、前記撮像空間へ傾斜磁場を発生する傾斜磁場コイルと、前記傾斜磁場コイルの前記撮像空間側に配置され、前記撮像空間へ高周波磁場を発生する照射コイル等より構成されている。ただし、MRI装置は横たわらせた患者の周りに、どのような構成の磁石を配置してどちらの方向から静磁場を発生させるか等に応じて、水平磁場方式のトンネル型MRI装置と、垂直磁場方式のオープン型MRI装置とに大別される。

ここで、水平磁場方式のトンネル型MRI装置とは、概ね円筒形状のガントリ内に前記円筒の中心軸に沿って静磁場を発生させて、ガントリ内の撮像空間に配置された被検体のMR画像を得るMRI装置のことである。また、垂直磁場方式のオープン型MRI装置とは、撮像空間を挟んで上下、又は左右等に対向して配置された静磁場発生用磁石の前記対向方向に静磁場を発生させて、前記撮像空間に配置された患者のMR画像を得るMRI装置である。

MRI装置では、撮像空間に横たわらせる患者の閉所恐怖感を低減するために、オープン性を向上させることが重要である。そして、オープン性を向上させるためには、水平磁場方式のトンネル型MRI装置では円筒形状のボア径を大きくすること、円筒形状のガントリの軸長を短くすることが有効である。一方、MRI装置では質の良い画像を得るために、静磁場均一度も向上させることも必要であるが、水平磁場方式のトンネル型MRI装置においてガントリの軸長を短くすると、超電動コイルが軸方向より外側に配置できないので、特に撮像空間内軸方向静磁場の中心から離れた領域において、Z軸方向の磁場が弱くなるという問題があった。

水平磁場方式のMRI装置において、静磁場の均一度を向上させる技術に特許文献1記載の従来技術がある。特許文献1の従来技術では図6において、内部空間内において周縁領域に比較的大きい受動的な補正部材を有する磁石が開示されている。
特開平８−３８４５７号公報

また、特許文献2でも、強磁性リングを用いて静磁場均一度を向上させる技術が開示されている。
米国５５９４４０１号公報

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1記載の従来技術では比較的大きい受動的な補助部材の被検ボリューム側に1次及び2次の勾配コイルを配置しているが、本従来技術では勾配コイルを配置するスペースだけ、ボア径が短くなるという問題があった。また、特許文献2記載の従来技術では、強磁性リングを用いて静磁場の歪みを補正する技術が開示されているが、傾斜磁場コイルと強磁性リングとの位置関係については開示されていなかった。

本発明の目的は、軸長を短くして開放性を高くする一方で、好適に静磁場均一度を向上することが可能な水平磁場方式MRI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、概ね円筒形状のガントリの内部の撮像空間に、前記円筒の中心軸に沿って静磁場を発生させる静磁場発生手段と、前記静磁場発生手段の前記撮像空間側に前記円筒に沿って配置され、前記撮像空間に傾斜磁場を発生する傾斜磁場発生手段と、前記傾斜磁場発生手段の前記撮像空間側に前記円筒に沿って配置され、前記撮像空間に高周波磁場を発生する高周波磁場発生手段を備えた磁気共鳴イメージング装置において、前記傾斜磁場発生手段及び／または前記高周波磁場発生手段の前記中心軸方向外側に強磁性体及び／または永久磁石から成る静磁場補正部材が配置されている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。

本発明の第2の特徴によれば、前記静磁場補正部材は、前記静磁場発生手段の前記中心軸方向外側の面にも配置されている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。

本発明の第3の特徴によれば、前記傾斜磁場発生手段及び／または前記高周波磁場発生手段と前記静磁場補正部材の間には、前記傾斜磁場発生手段によって発生された傾斜磁場が前記静磁場補正手段に侵入することを遮蔽する遮蔽手段が備えられていることを特徴とする本発明の第1〜2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。

本発明の第4の特徴によれば、前記静磁場補正部材は、前記中心軸に対して径方向及び／または周方向に分割されて配置されていることを特徴とする本発明の第1〜3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。

本発明の第5の特徴によれば、前記静磁場補正部材の温度を一定に保つために温度制御手段が備えられていることを特徴とする本発明の第1〜4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。

本発明の第6の特徴によれば、前記静磁場補正部材は、着脱可能及び／または移動可能に取り付けられる着脱可動部が備えられていることを特徴とする本発明の第1〜5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。

本発明の第7の特徴によれば、前記静磁場補正部材は、前記傾斜磁場発生手段及び／または前記高周波磁場発生手段の固定支持部材及び／または前記静磁場発生手段に固定されていることを特徴とする本発明の第1〜6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、軸長を短くして開放性を高くする一方で、好適に静磁場均一度を向上することが可能な水平磁場方式MRI装置が提供される。

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7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。

図2は、本発明の実施例1に係る水平磁場方式MRI装置を水平方向から見た断面図である。ただし、本実施例における静磁場発生源は、超電導コイルを使用した円筒型磁石であり、次に説明する33〜36より構成される。図2において、31は静磁場を発生させる方向であるZ軸、32は静磁場を発生させる撮像空間、33は内部を真空にして断熱するための真空容器、34は液体ヘリウムなどの極低温の寒剤とともに超電導コイルを収納するヘリウム槽、35はボア内部の撮像空間に、均一な静磁場を発生させる主コイル群の超電導コイル、36は外部への漏洩磁場を抑制するためのシールドコイル群の超電導コイル、37は撮像空間に傾斜磁場や高周波磁場を発生させるための傾斜磁場コイルやRFコイル、38は静磁場の歪みを補償するための内周補償部材、39は円筒型磁石における開放性・アクセス性を決定するパラメータである磁場中心から見た開口内面端部(磁石ボア内面端部あるいは傾斜磁場コイル、RFコイルの内面端部)の仰角である。

一般的に、主コイル群の超電導コイル35は、Z軸方向両端に配置されるコイル程、高い起磁力が必要とされる。すなわち、ターン数の多いコイルあるいは流す電流値の大きいコイルを配置する必要がある。また、円筒磁石のボア内面側と撮像空間の間には、撮像空間に傾斜磁場を発生させるための傾斜磁場コイルと高周波磁場を発生するためのRFコイルが配置される。このとき、円筒型磁石の開放性・アクセス性は、磁場中心から見た開口内面端部(磁石ボア内面端部あるいは傾斜磁場コイル、RFコイルの内面端部)の仰角によって決定され、仰角が大きいほど、開放性・アクセス性が良好となる。仰角を高めるには、円筒磁石の軸長を短くするか、ボア径を広げることが有効である。この際、磁石の短軸化やボア径の拡大化をすると、撮像空間における両極端部(開口側端部)40a及び40bの磁場強度を低下させるので、撮像空間の磁場均一性は悪化するという問題があった。その例を図11の磁束線の流れを示した図によって説明する。先ず、図11(a)はZ軸31方向の長さが長い場合の水平磁場方式のトンネル型MRI装置の例であるが、この例では最も軸31方向外側の超電導コイル35aがZ軸31方向静磁場の中心から離れた位置まであるので、撮像空間32における磁束線がZ軸31方向に揃っている。ところが、Z軸31方向の長さ(軸長)の短い水平磁場方式のトンネル型MRI装置ショートボアでは図11(b)に示すように最も軸31方向外側の超電導コイル35aがZ軸31方向静磁場の中心から離れた位置までないので、撮像空間32における磁束線がZ軸31方向に揃いにくいという問題があった。

本実施例では、円筒磁石のボア内面側に配置する傾斜磁場コイル(やRFコイル)のZ軸方向外側のスペース(傾斜磁場コイルの外縁部)に、撮像空間の両極端部の磁場を補償するための内周補償部材38を配置する。この構成により、撮像空間における両極端部(開口側端部)の磁場強度は補償され、撮像空間の磁場均一性を向上させることができる。具体的に磁束線の流れで示すと図11(c)のようになり、撮像空間32内のZ軸方向の成分が内周補償部材38が磁化される影響を受けて均一になる。内周補償部材は、磁場中心からの開口内面端の仰角を小さくすることがないような配置位置・形状であることが望ましいと考えられる。ただし、本実施例では、内周補償部材を配置するスペースを確保するために、円筒型磁石のZ軸方向の長さ(軸長)より、傾斜磁場コイルやRFコイルのZ軸方向の長さが短くなっている。また、内周補償部材38は、傾斜磁場コイル(やRFコイル)を固定するための部材に固定しても良いし、円筒型磁石を構成する真空容器33にネジ等で固定しても良い。

図3は、本発明の実施例2に係る水平磁場方式MRI装置を水平方向から見た断面図である。本実施例では、環状補償部材41を円筒型磁石のZ軸方向外側の面(外端面)にネジ等で固定して配置することによって、実施例1の場合より更に有効に磁場強度の補償を行っている。この場合の磁束線の流れの変化を図で示すと、図12(a)及び図12(b)のようである。ただし、図12(a)は環状補償部材41を置かない場合、図12(b)は環状補償部材41を置いた場合である。図12(a)及び図12(b)によれば、環状補償部材41を置くことにより、磁束線の向きが超電導コイル35aの近くで、よりZ軸31方向外側を流れるので、撮像空間32内のZ軸方向の磁場成分がより均一になる。ここで、傾斜磁場コイルの外縁部及び円筒型磁石の外端面に配置する内周補償部材38及び環状補償部材41の材質は、強磁性体であればどのようなものでも良いが、特に純鉄や、珪素鋼板であれば透磁率も高く飽和磁化も高いので、より効率的に磁場強度の補償を行うことができる。

図4は、本発明の実施例3に係る水平磁場方式MRI装置を水平方向から見た断面図である。本実施例は、内周補償部材38及び環状補償部材41の材質として永久磁石を用いた場合の例である。図4のように永久磁石の作る磁束の向きを矢印で示したように配置すれば、実施例1及び実施例2と同様に磁場強度の補償効果があるが、本実施例では特に永久磁石により磁場を積極的に発生させる方法であるので、実施例1及び実施例2の場合より磁場強度の補償効果が高いと考えられる。

図5は、本発明の実施例4に係る水平磁場方式MRI装置を水平方向から見た断面図である。本実施例では、内周補償部材38として強磁性体38aと永久磁石38bを組み合わせたものを用いている。本実施例では実施例3の場合のように永久磁石のみを使う場合と比べて磁場強度の補償効果は低減すると考えられるが、コスト的には永久磁石のみを使う場合より安くなると考えられる。

図6(a)は、本発明の実施例5に係る水平磁場方式MRI装置を水平方向から見た断面図、図6(b)は、本発明の実施例5をZ軸の方向から見た図である。ただし、本実施例は撮像空間の磁場均一性を調整するためのシミング部材を配置するためのシムトレイ42を備えた場合の例である。この場合、シムトレイ42は磁石の開口方向(Z軸方向)から挿入される。本実施例では傾斜磁場コイルの外縁部に配置する内周補償部材38を分割構造にしている。このように分割構造にすることにより、製作も容易になり、設置性も容易になる。本実施例では、分割された内周補償部材38の谷間からシムトレイを引き出す構造にしても良いし、分割された内周補償部材38の谷間にシミング部材(シムトレイ)を配置する構造にしても良い。

図7は、本発明の実施例6に係る水平磁場方式MRI装置を水平方向から見た断面図である。本実施例では、傾斜磁場コイルにより発生されたパルス状傾斜磁場が、強磁性体あるいは永久磁石である内周補償部材38に侵入してヒシテリシスに磁化され、撮像空間に生成される傾斜磁場に非線形な悪影響が起きることを防ぐためにパルス磁場遮蔽材43が設けられている。本実施例においてパルス磁場遮蔽材43の材料としては、アルミニウム等の非磁性良電体、または方向性珪素鋼板等の方向性強磁性体が望ましい。

図8は、本発明の実施例7に係る水平磁場方式MRI装置の断面図である。本実施例では、強磁性体から成っている内周補償部材38が、短冊形状となっている。このようにすることで、短冊形状から成る内周補償部材38が磁気飽和しやすくなり、ヒシテリシスに磁化され非線形な悪影響が起きることを防ぐことができる。

図9は、本発明の実施例8に係る水平磁場方式MRI装置の断面図である。本実施例では、強磁性体から成っている環状補償部材41に着脱・可動機構41cを設けている。このようにすることで、着脱・可動機構41cを用いて撮像空間の磁場調整(シミング)を行うことができる。具体的な設置方法としては、環状補償部材41にネジ穴を設け、そこに強磁性体から成るネジを嵌めて位置を調整する等の方法が考えられる。ただし、着脱・可動機構は強磁性体でなくても良く、永久磁石でも良い。

図10は、本発明の実施例9に係る水平磁場方式MRI装置の断面図である。ただし本実施例では、円筒型磁石のZ軸方向外側の面(外端面)に配置した環状補償部材41を、円筒型磁石の最外殻である真空容器の一部として構成している。このようにすることで、円筒型磁石の外形寸法を小さくすることができ、よりコンパクトな水平磁場方式MRI装置を提供できる。

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、上記実施例において、強磁性体や永久磁石の磁化特性は、温度の変化に依存するので、上記実施例では内周補償部材38及び環状補償部材41の周りに保温部材やヒータなどを配置し、温度を一定に保つための機構を設けることが望ましい。また、内周補償部材38及び環状補償部材41の固定方法については、真空容器に直接溶接するかあるいはボルトで締結するなどの方法により、強固に固定する等の方法が考えられる。また、上記実施例では静磁場の補正のために、内周補償部材38及び環状補償部材41として強磁性体や永久磁石を用いる場合を例示したが、同様の効果は、上記内周補償部材38や環状補償部材41を配置した位置に常伝導コイルを配置することによっても得られる。

一般的なMRI装置のシステム構成を示す図。本発明の実施例1に係る水平磁場方式MRI装置の断面図。本発明の実施例2に係る水平磁場方式MRI装置の断面図。本発明の実施例3に係る水平磁場方式MRI装置の断面図。本発明の実施例4に係る水平磁場方式MRI装置の断面図。本発明の実施例5に係る水平磁場方式MRI装置をZ軸の方向から見た図。本発明の実施例6に係る水平磁場方式MRI装置の断面図。本発明の実施例7に係る水平磁場方式MRI装置の断面図。本発明の実施例8に係る水平磁場方式MRI装置の断面図。本発明の実施例9に係る水平磁場方式MRI装置の断面図。

符号の説明

３１ Z軸、３２均一空間、３３真空容器、３４ヘリウム槽、３５主コイル群の超電導コイル、３６シールドコイル群の超電導コイル、３７傾斜磁場コイルやRFコイル、３８内部補償部材、３９開口内面端部の仰角

Claims

概ね円筒形状のガントリの内部の撮像空間に、前記円筒の中心軸に沿って静磁場を発生させる静磁場発生手段と、前記静磁場発生手段の前記撮像空間側に前記円筒に沿って配置され、前記撮像空間に傾斜磁場を発生する傾斜磁場発生手段と、前記傾斜磁場発生手段の前記撮像空間側に前記円筒に沿って配置され、前記撮像空間に高周波磁場を発生する高周波磁場発生手段を備えた磁気共鳴イメージング装置において、
前記傾斜磁場発生手段及び／または前記高周波磁場発生手段の前記中心軸方向の長さは、前記静磁場発生手段の前記中心軸方向の長さより短く、
半径方向の厚さが前記傾斜磁場発生手段の厚さより薄い強磁性体及び／または永久磁石から成る静磁場補正部材が、
前記傾斜磁場発生手段及び／または前記高周波磁場発生手段の前記中心軸方向外側、かつ、前記静磁場発生手段の前記中心軸方向内側で、前記傾斜磁場発生手段及び／または前記高周波磁場発生手段の半径方向内面より外側、かつ、前記傾斜磁場発生手段及び／または前記高周波磁場発生手段の半径方向外面より内側の空間で、前記静磁場発生手段側に配置され、
そのことによって前記空間の前記撮像空間側に隙間ができ、円筒型磁石における開放性・アクセス性を決定するパラメータである磁場中心から見た開放内面端部の仰角が大きく、開放性・アクセス性が良好となっていることを特徴とする記載の磁気共鳴イメージング装置。
前記静磁場補正部材は、前記静磁場発生手段の前記中心軸方向外側の面にも配置されてい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。
前記傾斜磁場発生手段及び／または前記高周波磁場発生手段と前記静磁場補正部材の間には、前記傾斜磁場発生手段によって発生された傾斜磁場が前記静磁場補正手段に侵入することを遮蔽する遮蔽手段が備えられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気共鳴イメージング装置。
前記静磁場補正部材は、前記中心軸に対して径方向及び／または周方向に分割されて配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁気共鳴イメージング装置。
前記静磁場補正部材の温度を一定に保つために温度制御手段が備えられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の磁気共鳴イメージング装置。
前記静磁場補正部材は、着脱可能及び／または移動可能に取り付けられる着脱可動部が備えられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の磁気共鳴イメージング装置。
前記静磁場補正部材は、前記傾斜磁場発生手段及び／または前記高周波磁場発生手段の固定支持部材及び／または前記静磁場発生手段に固定されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の磁気共鳴イメージング装置。