JP4740442B2 - 磁気共鳴超伝導磁石のための統一シミング - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気共鳴撮像装置（以後は「ＭＲＩ」と呼ぶ）用の磁石アセンブリに関するものである。更に詳しく言えば本発明は、小さい撮像容積(imaging volume)及び厳しい均一性要求条件を有すると共に、測定装置の制約のため正確なマッピングを行うことのできない磁石を含む複数の互いに関連した磁石中における磁場の均一性を向上させるための改良されかつ簡易化されたシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
公知の通り、磁石を極低温環境中に置くこと（たとえば、低温槽あるいは液体ヘリウム又はその他の低温液体を含む圧力容器内にそれを封入すること）によってそれを超伝導状態にすることができる。極低温は磁石コイルを超伝導状態にするから、最初に電源をコイルに短時間だけ接続してコイル中に電流を導入すれば、抵抗の不存在のために電源を取除いた後でも電流は流れ続け、それによって強い磁場を維持することができる。超伝導磁石はＭＲＩの分野において広く使用されている。
【０００３】
しかるに、ＭＲＩは小さな撮像容積内において非常に強い磁場を要求すると共に、かかる磁場は極めて高度の均一性を有していなければならない。直径４５〜５０ｃｍの球形容積（以後「４５〜５０ｃｍＤＳＶ」と略記することがある）に関して１０ｐｐｍ程度の不均一性という要求条件は、製造許容差の制御によって達成することはできないのが通例である。達成可能な最良の許容差を有する磁石を製造した場合でも、その不均一性は所望レベルより２桁又は３桁大きいのが通例である。そこで、直径４５〜５０ｃｍの球形容積に関する不均一性レベルを数百ｐｐｍから所望の１０ｐｐｍまで低下させるために磁場シミング装置が使用される。
【０００４】
直径４５ｃｍの球形容積に関して１０ｐｐｍの不均一性が得られるように磁石のシミングを行うという課題は達成されたが、一層厳格な用途ではより小さい容積に関してより低い不均一性レベルが要求される。かかる厳格な用途としては、拡散重み付きエコープラナー撮像法（ＤＷＥＰＩ）を使用する心臓撮影や高速ＭＲＩ走査が挙げられる。このような走査装置は不均一性に対して極めて敏感である。しかるに、現行の試験装置では、かかる低い不均一性レベルにおける実用的な磁場マッピングを行うことができない。これらの用途においてＭＲＩの効果的な使用を可能にするためには、２５ｃｍＤＳＶに関して０．５ｐｐｍ程度、また３５ｃｍＤＳＶに関して１ｐｐｍ程度という低い不均一性レベルが要求される。
【０００５】
実際には、余分のコイル（通例「補正コイル」又は「シムコイル」と呼ばれる）、小さな鉄片（通例「受動シム」と呼ばれる）、又はそれら両者の組合せをシミングシステムにおいて使用することにより、適度の製造許容差を許しながら磁場の均一性が補正又は改善される。シムコイル中に流された電流は磁場を生み出し、それによって撮像容積内における磁場の不均一性が消去されかつ（あるいは）低減される。
【０００６】
ＭＲＩ装置用の磁場均一化システムを可能な限り改良しかつ簡易化し、それにより複雑な手段及び追加の費用を必要とせずに撮像画質を向上させるため、かなりの期間にわたって多大の技術的努力及び開発努力が行われてきた。更にまた、既存のシミング用ハードウェアを利用することも望ましい。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように、小さい撮像容積について改善された磁場の均一性を与えると共に、複雑でなく、使用されるシムを最小限に抑え、かつ可能な限り既存の試験装置及びシミング用ハードウェアを利用するようなＭＲＩ用シミングシステムが特に要望されているのである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の実施の一態様に従えば、所望の撮像容積より大きい容積の周囲にある、磁気共鳴撮像用磁石の軸線に垂直な互いに離隔した平面上の複数の点において該磁石の磁場のマッピングが行われる。かかるマッピングを使用することにより、大きい容積及び小さい容積の両方において所要の磁場均一性を得るために必要な補正コイルの電流及び（又は）受動シムの位置と厚さが計算される。先ず、測定値の真の変動に比べて測定誤差が小さくなる相対的に大きい容積に関してマッピングが行われる。次いで、かかる測定値の球面調和係数を使用して再構成を行うことにより、測定装置の制約のために正確なマッピングを行うことのできない小さな撮像容積に関して改善された均一性を与えるシミング解が求められる。このように本発明の方法は、マッピングを行った撮像容積に関するシミングに加え、より厳しい均一性要求条件を有する追加のより小さい撮像容積に関するシミングをも可能にする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１について説明すれば、超伝導磁石１０は真空容器２の内部に収容されたヘリウム圧力容器（図示せず）内に複数の超伝導コイル（図示せず）を含んでいて、それにより当業界において公知のごとくにしてＺ軸６に沿った磁石の中心軸方向撮像容積４内に磁場を生み出す。内腔５に沿った真空容器２の内面には、複数の軸方向に延びる弓形引出し８が等間隔で配置されている。これらの引出し８は、滑り台又はレール１７内で滑動すると共に、軸方向に延びる穴１１の列を横切って固定された複数の磁気シム１２を担持している。Ｚ軸６の回りには１２個の引出し８が等間隔で配置されていて、それらの各々は２５組以上の穴又は固定位置１１を含み、従って磁気シム１２を配置するために３００以上の位置を提供する。実際には、磁気シミングを達成するため、単一の引出し８上に全部で約１〜４９個のシム１２が配置されるのが通例である。Ｚ軸６の回りには、全体的に２９として示される複数の補正コイルが配置されている。
【００１０】
各シムの厚さ、寸法及び位置並びに各補正コイル中の所要電流は、所要のシミングをもたらすように決定しなければならない。しかるに、約３００以上の可能な位置及び１０以上の補正コイル電流が存在するから、試行錯誤によるシムの位置決めが実際的なアプローチと言えないことは明らかである。
【００１１】
磁気シム１２の適正な配置を決定するため、製造後において撮像容積４の回りに存在する磁場の測定又はマッピングが行われる。Ｚ軸６と円筒形の真空容器２の中心線１５との交点１９を中心として撮像容積４が配置された状態で、測定点が点１３として示されている。
【００１２】
試験点１３によって形成される複数の互いに離隔した試験円１７はＺ軸６に沿って交点１９の両側に２２．５ｃｍずつ延びる直径４５ｃｍの球上に存在している結果、軸方向において４５ｃｍの試験球面が得られる。明快な説明のため、球面４７は拡大して示されている。更にまた、Ｚ軸６に沿って−２４ｃｍから＋２４ｃｍまでの範囲内で１７の点が測定される。
【００１３】
円周方向に沿って等間隔に配置された２４の試験点１３をそれぞれに有する１３の試験円又は鉛直面１７及び１７の軸方向試験点を含む試験容積を使用することにより、全部で３２９の試験点が得られる。なお、追加の軸方向試験点は４５ｃｍの球の内部に位置する試験点２１並びＺ軸６に沿って撮像容積４の両端及び撮像容積４の外側にそれぞれ位置する試験点２５を含んでいる。
【００１４】
全体として矢印２２により表わされる磁場の強度が、試験点１３、２１及び２５のそれぞれにおいて測定される。補正コイル（たとえば２９）に超伝導補正電流を供給することにより、磁場２２の不均一性が補正される。矢印３３によって略示されるごとく、テスラ計又はプローブ３１〔たとえば、スイス国ジュネーヴ市所在のメトロラブ・インストルメンツ社(Metrolab Instruments SA) によって製造されかつ２０２５のモデル番号で販売されている核磁気共鳴（ＮＭＲ）テスラメータ〕がＺ軸６に沿って内腔５に挿入される。Ｚ軸６に沿ってプローブ３１を順次に位置決めしながら、矢印３５によって示されるごとく試験円１７の回りにプローブを回転させることにより、試験円上の各試験点１３における磁場が読取られる。その後、次の試験円又は鉛直面に移動させて同じ操作が繰返される。このようにして、全ての試験円上の試験点１３並びに試験点２１及び２５が測定される。次いで、測定された磁場情報をコンピュータ３７に送ることにより、下記のごとくにして磁場のマッピングを行うことができる。
【００１５】
あるいはまた、プローブ３１が互いに離隔した複数のセンサ（たとえば、３９及び点線で示された４１）を含むようにすることもできる。そうすれば、撮像容積４内におけるプローブの１回の位置決め及び１回の回転３５によって多重の読取りを行うことができる。図１に示されるように２個のセンサを使用するだけでも、最大直径の円又は中心円２９の両側において相等しい軸方向距離にある各対の試験円について同時にマッピングを行うことができるので、プローブの位置決め回数及び試験時間をほぼ半減させることができる。
【００１６】
このように、単一の磁石１０に関して適当なシムの厚さや位置及び（又は）補正コイルの電流を計算するための一般的な方法は、試験点１３、２１及び２５において磁場２２を測定することを含んでいる。その場合の目標は、全ての試験点１３、２１及び２５における磁場の値が全磁場の平均値から1/2 許容差の範囲内にあるようにすることである。全磁場の平均値は、測定された磁場中における最大値及び最小値の和の1/2 である。このような目標関数は（式１）として記述される。
【００１７】
【数３】
【００１８】
式中、Ｎはシム位置１１の総数及び補正コイルの総数の和であり、Ｍは磁場を測定する点１３、２１及び２５の総数であり、Ｘ_i は位置Ｉにおけるシムの厚さ又はコイルＩの電流振幅であり、Ａは重み係数であり、Ｔは許容差Ｅを越える磁場のピーク間許容差であり、ＢＭ_j は問題の容積内の点ｊにおける磁場の測定値であり、ΔＢ_ijは位置ｉにある所定寸法のシムによって引起こされる点ｊの磁場の強度の変化であり、そしてＸ_i 及びＴは未知の変数である。
【００１９】
（式１）は下記の条件を受ける。
【００２０】
【数４】
【００２１】
【数５】
【００２２】
上記のシミング関係式によれば、直径４５ｃｍの球形容積（４５ｃｍＤＳＶ）に関して磁場の不均一性をたとえば１０ｐｐｍの値にまで低減させるために必要な、各位置におけるシムの厚さ及び（又は）補正コイルの電流Ｘ_i が求められる。それは、４５ｃｍＤＳＶのごとき単一の大きい容積に関して磁石のシミングを行うために適している。しかしながら、この方法は比較的多くの経費及び時間を必要とする。
【００２３】
下記の方法によれば、大きい容積の測定値に基づき、より小さい容積に関して複数の磁石のシミングを行うことが可能となる。すなわち、単一の大きい撮像容積の表面において収集されたデータから得られる球面調和係数を用いて、より小さい容積に関する磁場が再構成されるのである。
【００２４】
公知の通り、半径Ｒの球の内部の点ｒにおける磁場のＺ成分（Ｂ_z ）は下記のごとくルジャンドル多項式の和として表わすことができる。
【００２５】
【数６】
【００２６】
撮像容積内の磁場を適切に記述するためには、有限数（通例は約２０以下）の項ｌが必要とされる。１つの解決策は、項ｌ＝ｍ＝０以外の全てのＣ_lmがゼロになるような状態に磁石のシミングを行うことである。このようにすれば、小さい容積及び大きい容積の両方に関して完全な均一性が得られる。しかし、これは一般に実行不可能である。更に重要なことには、高次係数は低次係数よりも調整し難いことが判明している。すなわち、実際的な解決策は、撮像容積全体にわたって所要の均一性を満足するレベルに低次係数を低下させ、しかも実用的なシミング用ハードウェアシステムを用いてそれを実行することである。下記の方法によれば、磁場の拡張に際して低次調波項に対する十分な制御が達成される。
【００２７】
下記のごとく、シミング関係式の目標関数中に係数Ｃ_lmを代入することができる。
【００２８】
【数７】
【００２９】
式中、Ａ及びＸ_i は上記（式１）中と同じ意味を有すると共に、上記（式２）及び（式３）に対しても対応する変更が施される。Ｇ_lm項は、各々の係数Ｃ_lmに関する目標値である。上記のごとく、高次項は制御するのが非常に困難であるから、シミング用ハードウェアに関する最少の費用で撮像容積全体にわたって所望の均一性を達成し得るように目標値が選定される。実際には、これは当業者にとって自明のごとくに所定の磁石設計に合致した値を高次項に与えることを意味する。
【００３０】
あるいはまた、（式４）によって示されるごとく容積の表面における均一性を制御することにより、容積全体にわたる均一性を制御することもできる。容積４（図１参照）の表面における均一性を制御するためには、下記のごとき目標関数を実行すればよい。
【００３１】
【数８】
【００３２】
式中、Ａ、Ｘ及びＢＭ_j は（式１）中と同じ意味を有すると共に、上記（式２）及び（式３）に対しても対応する変更が施される。また、ＢＴ_j は撮像容積の表面上にあるＭ個の点のそれぞれにおける磁場についての目標値である。このような目標値の集合は、シミング用ハードウェアの費用を最少限に抑えながら撮像容積全体にわたって所望の均一性を生み出すように選定される。磁場に関する目標値（ＢＴ_j ）の集合は、上記の方法（１）と同様に選定することができる。すなわち、所望の目標係数Ｇ_lmを用いて（式４）と同様な磁場の拡張を行うことにより、磁場を測定すべき点の集合における磁場を計算すればよい。
【００３３】
あるいはまた、（式４）からわかる通り、容積内部の点の集合における均一性を制御することにより、容積全体にわたる均一性を制御することもできる。この場合には、（式６）と同様な下記の目標関数を使用することにより、容積全体にわたる点の集合における均一性を制御することができる。
【００３４】
【数９】
【００３５】
（式２）及び（式３）に対しても対応する変更が施される。式中、Ａ、Ｘ及びＢＭ_j は（式１）中と同じ意味を有し、またＢＴ_j は撮像容積の内部に選ばれたＭ個の点のそれぞれにおける磁場についての目標値である。このような目標値の集合は、シミング用ハードウェアの費用を最少限に抑えながら撮像容積全体にわたって所望の均一性を生み出すように選定される。点の集合は様々なやり方で選定することができるが、たとえば複数の球面（たとえば、直径２５ｃｍ、３５ｃｍ及び４５ｃｍの球面）上において選定すればよい。磁場に関する目標値（ＢＴ_j ）の集合は、上記の方法（１）と同様に選定することができる。すなわち、所望の目標係数Ｇ_lmを用いて（式４）と同様な磁場の拡張を行うことにより、磁場を測定すべき点の集合における磁場を計算すればよい。更にまた、特定の調波又は容積を強調するため、上記の式に重み付けを施すこともできる。
【００３６】
上記の実行方法（３）に付随する１つの課題は、所望の磁場均一性と同程度の大きさである０．５ｐｐｍ程度の測定誤差を有する現行の試験装置を使用しながら２５ｃｍ及び３５ｃｍの球面に関して十分な精度で磁場を測定することである。このような方法を実行するため、本発明には追加の構成要素が設けられている。２５ｃｍ及び３５ｃｍの球形容積の表面上における磁場を求めるためには、公知の方法及び既存の測定用ハードウェアを用いて適切に測定するのに十分なだけ大きい不均一性を有する４５ｃｍの球面又はその他類似の球面上における磁場が測定される。このように大きい容積に関して測定された磁場を解析することにより、上記（式４）中の磁場拡張係数Ｃ_lmが決定される。大きい容積に関して測定されたデータからＣ_lmが決定されれば、かかる係数を使用することにより、該容積内のより小さい容積（たとえば、２５ｃｍ及び３５ｃｍの球面）上の点における磁場を求めることができる。このような手段によれば、実際に測定された容積の内部の点における磁場測定値（ＢＭ_j ）を求めることができるのである。
【００３７】
次に、図１及び図２を参照しながら更に詳しい説明及び要約を行うことにする。４５ｃｍＤＳＶ程度の撮像容積４を有する動作中の超伝導磁石１０に関し、試験点１３、２１及び２５において磁場２２が測定される（工程２６）。測定された磁場を用いてマッピングを行った後、調和係数及びコンピュータ３７を使用しながら、上記の関係式（式４〜７）に従って再構成又は計算が行われる（工程２８）。また、やはりコンピュータ３７を使用しながら、複数の撮像容積（たとえば、４５ｃｍ、３５ｃｍ及び２５ｃｍＤＳＶ）に関してシム１２の位置と厚さ及び補正コイル２９の電流が計算される（工程３０）。この場合、小さい容積ほど厳しい均一性要求条件を有する。シム位置に計算されたシムを設置し（工程３２）かつ補正コイル位置に計算された補正コイル電流（工程３０）を供給した後、磁場２２の均一性が再び測定され（工程３４）、そして磁石の均一性規格値又は要求条件と比較される（工程３６）。計算されたシムが適用されるそれぞれの超伝導磁石１０に関して所望の均一性が得られるまで上記の操作が繰返される（工程４０）。
【００３８】
特定の磁石に関して磁場２２がｐｐｍ規格値以下になれば（工程３６）、操作の繰返し（工程４０）は行われないで停止される（工程４１）。
【００３９】
シミング（工程３２）後の測定（工程３４）は、工程２６を繰返すことによって行うこともできるし、あるいは撮像容積４内に挿入された均質な試験球体（たとえば、ＬＶ又は硫酸銅球体）を使用することによって行うこともできる。後者の方法は、回転可能なプローブ３１を使用する最初の磁場測定よりも容易に行うことができる。撮像容積内において均質な試験球体を軸方向に沿って移動させた場合、均一な磁場２２が存在すればコンピュータ３７に一定の出力信号が送られるのであって、差が生じれば不均一性を表わすことになる。計算又は（大きい容積については）測定によって均一性が規格値（たとえば、０．５ｐｐｍ）以下になれば、シミングは完了し、そして操作は停止される（工程４１）。そうでなければ、所要の均一性が実現されるまで工程２６、２８、３０、３２、３４及び３６を繰返せばよい。
【００４０】
このように、本発明に従えば、大きい撮像容積４に関する磁場測定値を用いてマッピングを行うと共に、補正コイル２９の電流及び受動シム１２の寸法及び位置を決定することが可能となるばかりでなく、正確なマッピングを行うことのできないより小さくかつより均一な撮像容積に関して受動シムの寸法及び位置を計算することが可能となる。後者の特徴は、心臓撮影及び高速ＤＷＥＰＩのごときより厳格なＭＲＩ用途にとって適すると共に、超伝導性かつ永久的な磁気共鳴撮像用磁石にとって適するものである。その結果、小さい撮像容積に関して精度の向上が得られると共に、個々の磁石に関して試行錯誤的に設計を行う場合に比べて時間及び（更には）費用が削減される。
【００４１】
以上、特定の実施の態様のみに関連して本発明を説明したが、当業者には数多くの変更態様が想起されるであろう。それ故、本発明の精神に反しない限り、前記特許請求の範囲はかかる変更態様の全てを包括するように意図されていることを理解すべきである。本明細書中で使用される「程度」という用語は、ある範囲内で変動し得るような、実際的だが厳密ではない量を表わしている。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＭＲＩ用磁石の部分切欠き斜視図であって、本発明の実施の一態様に係わる磁場測定の位置を表わすために内部の仮想拡大球面グリッドを示している。
【図２】図１の超伝導磁石のシミングを行うための工程を示すフローチャートである。
【符号の説明】
２ 真空容器
４ 撮像容積
５ 内腔
６ Ｚ軸
８ 引出し
１０ 超伝導磁石
１２ 磁気シム
１３ 試験点
２１ 試験点
２５ 試験点
２９ 補正コイル
３１ プローブ
３７ コンピュータ
３９ センサ

Claims (10)

1. 受動磁気シム及び補正コイルを含む磁気共鳴撮像用磁石に関し、相異なる
   不均一性要求条件を有する複数の相異なる撮像容積のシミングを行う方法において、
   １個の磁石の軸線を取巻く撮像容積の周囲にある所定数の点において前記磁石の内腔の磁場強度を測定する工程と、
   測定された磁場強度から前記磁場の不均一性を決定すると共に、測定された前記撮像容積における不均一性を補正するための前記受動磁気シムの位置と厚さ及び前記補正コイルの電流を決定する工程と、
   前記磁場強度測定値及びそれらの調和係数を利用することにより、測定された前記撮像容積よりも低い磁場の不均一性を有する少なくとも１つのより小さい撮像容積上の所定数の点における磁場の強度値を計算する工程と、
   前記計算された磁場の強度値を利用することにより、測定された前記撮像容積よりも低い磁場の不均一性を有する少なくとも１つのより小さい撮像容積を与えるような受動磁気シムの位置と厚さ及び補正コイルの電流を計算する工程と、を含むことを特徴とする方法。
2. 前記１個の磁石の測定される撮像容積が１０ｐｐｍ程度の不均一性を有す
   る直径４５ｃｍ程度の球形容積である請求項１記載の方法。
3. 前記のより小さい撮像容積により厳しい均一性要求条件が適用される請求
   項１又は２に記載の方法。
4. 前記磁気共鳴撮像用磁石の前記軸線に沿いながら前記軸線の回りに磁場強
   度センサを回転させ、それにより前記軸線の回りに複数の円を定義する複数の点において測定を行うことによって前記磁場強度が測定される請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
5. 測定値によって表わされる所要の不均一性が全磁場の所要の平均値より小
   さくなるまで測定及び補正が繰返され、
   前記磁気共鳴撮像用磁石の前記軸線に沿って複数の互いに離隔したセンサを配置し、そして前記軸線の回りに円を描くように前記センサを回転させることにより、前記軸線に対して垂直な複数の平面内において磁場のマッピングが行われ、
   コンピュータを設けることによって前記受動磁気シムの位置と厚さ及び前記補正コイルの電流が決定される請求項４記載の方法。
6. 磁場強度を正確に測定するため実際に役立つ寸法を有する第１の大きい撮
   像容積の磁場マッピングを通して受動磁気シムを含む磁気共鳴撮像用磁石の第２の撮像容積のシミングを行う方法において、
   前記第２の小さい撮像容積に隣接した所定数の点において前記磁石の内腔の磁場強度を測定する工程と、
   測定された前記磁場強度から前記磁場の不均一性のマッピングを行う工程と、
   前記第１の大きい撮像容積のマッピングから得られた調和係数を利用して前記第２の撮像容積における不均一性を補正するための前記受動磁気シムの位置及び厚さを決定する工程と、こうして計算された位置に前記受動磁気シムを設置する工程と、
   前記受動磁気シムを設置した前記磁石の均一性を検査する工程と、を含むことを特徴とする方法。
7. 前記磁気共鳴撮像用磁石が補正コイルを含み、かつ前記第２の撮像容積内
   における前記不均一性を最小にするための前記計算が
   （式中、Ａは重み係数であり、Ｘiは位置Ｉにおけるシムの厚さ及び補正コイルＩの電流であり、そしてＧlmは各々の係数Ｃlmに関する目標値である）に従って行われる請求項６記載の方法。
8. 実際にマッピングを行う撮像容積より小さくかつ不均一性の低い複数の撮像容積が請求項７に従って決定される請求項７記載の方法。
9. 測定される前記撮像容積が球であり、かつ前記調和係数が球面調和係数である請求項７記載の方法。
10. 前記磁石が補正コイルを含み、かつ前記不均一性を最小にするための前記計算が
    （式中、Ａは重み係数であり、Ｘiは位置Ｉにおけるシムの厚さ及び補正コイルＩの電流であり、ＢＴjは前記撮像容積の表面上にあるＭ個の点のそれぞれにおける磁場の目標値であり、そしてＢＭjはＭ個の点のそれぞれにおける磁場の測定値である）に従って行われる請求項６記載の方法。