JP4878174B2

JP4878174B2 - 磁気共鳴イメージング装置

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Publication number: JP4878174B2
Application number: JP2006047645A
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Inventors: 博文本白水; 邦仁鈴木
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Priority date: 2006-02-24
Filing date: 2006-02-24
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Description

本発明は、磁気共鳴イメージング装置（以下、ＭＲＩ装置と呼ぶ）に関し、特にＭＲＩ装置における静磁場発生源の振動の抑制に関する。

ＭＲＩ装置は、静磁場発生源を備えており、その静磁場発生源が発生する均一な静磁場中に置かれた被検者に電磁波を照射することにより被検者から発生する磁気共鳴信号を検出し、その検出した磁気共鳴信号を画像処理することで、被検者の物理的性質を示す磁気共鳴画像を得る。またＭＲＩ装置は、傾斜磁場発生源も備えており、磁気共鳴信号の位置情報を得るために静磁場に重畳して傾斜磁場を印加する。

こうしたＭＲＩ装置には、静磁場の発生方向に関して水平方向静磁場方式と垂直方向静磁場方式がある。水平方向静磁場方式のＭＲＩ装置は、静磁場発生源が円筒構造で形成される。この方式の場合、被検者は円筒構造の静磁場発生源の内部に入り、その体軸が静磁場方向と一致した状態となる。一方、垂直方向静磁場方式のＭＲＩ装置は、静磁場発生源を上下で対向配置した構造とされる。この方式の場合、被検者は対向配置構造の静磁場発生源の間に入り、その体軸が静磁場方向と直交する状態になる。このような垂直方向静磁場方式のＭＲＩ装置は、円筒構造物の内部に被検者が入る水平方向静磁場方式のＭＲＩ装置に比べ、被検者の開放性や検査者のアクセス性で優れる。

磁気共鳴画像の画質は、静磁場強度や傾斜磁場強度に影響され、これらが大きいほど高画質な磁気共鳴画像を得ることができる。ＭＲＩ装置の静磁場発生源としては、永久磁石や常伝導磁石あるいは超伝導磁石が用いられるが、例えば０．４テスラ以上といった大きな強度の静磁場を得るには超伝導磁石で静磁場発生源が形成される。

また磁気共鳴画像の画質は、静磁場の均一性に影響され、静磁場の均一性が高いほど高画質な磁気共鳴画像を得ることができる。そして静磁場は、静磁場発生源が振動するとその振動で乱される。すなわち磁気共鳴画像の画質は、静磁場発生源の振動に影響される。十分な画質を保つのに要求される静磁場の均一度はｐｐｍオーダーである。したがってＭＲＩ装置のメートル単位の寸法に対し百万分の１、つまりμｍオーダーの振動までは許容できる。

上述のようにＭＲＩ装置では被検者に高周波コイルで電磁波を照射して撮影を行う。この電磁波照射に同期して傾斜磁場発生源に電流を流して傾斜磁場を発生させることになるが、これにより静磁場中で電流が流れることになり、そのためにローレンツ力が発生して傾斜磁場発生源が振動する。そしてこの傾斜磁場発生源の振動に誘発されて静磁場発生源も振動する。したがって静磁場発生源の振動は、静磁場強度または傾斜磁場強度を大きくするほど生じやすくなる。すなわち高画質化のために静磁場強度と傾斜磁場強度のいずれかまたは両方を大きくすると傾斜磁場発生源の加振力が大きくなり、静磁場発生源に振動を生じやすくなる。

こうした振動問題は、垂直方向静磁場方式のＭＲＩ装置で特に重要となる。垂直方向静磁場方式のＭＲＩ装置では、上下対向配置の静磁場発生源を連結して支持する構造を有することになるが、被検者の開放性や検査者のアクセス性という特性を活かすためにその連結支持構造における構造的剛性を十分に確保することができないこと、また静磁場発生源の上下対向配置で重心が高くなることなどに起因して振動を生じやすく、その効果的な抑制が特に重要となる。

ＭＲＩ装置における振動問題に対処する技術としては、例えば特許文献１に開示の例が知られている。特許文献１に開示のＭＲＩ装置は、静磁場発生源に超伝導磁石を用いるタイプの垂直方向静磁場方式であり、垂直方向静磁場方式の超伝導磁石タイプとして代表的な構造を有している。具体的には特許文献１に開示のＭＲＩ装置では、静磁場発生源である超伝導コイルが撮影空間を挟んで上下に対向させて配置され、この上下の超伝導コイルがそれぞれ対応する上下の冷却容器に収納され、さらに上下の冷却容器がそれぞれ対応する上下の真空容器に収納されている。そして上下の冷却容器が冷却容器連結管で連結されて冷却容器モジュール（内槽系）が構成され、上下の真空容器が真空容器連結管で連結されて真空容器モジュール（外槽系）が構成されている。また静磁場に重畳して傾斜磁場を印加する傾斜磁場コイルが撮影空間を挟んで上下に配置され、この上下の傾斜磁場コイルが真空容器に支持されている。

こうしたＭＲＩ装置では、上述のように撮影時に照射される電磁波により傾斜磁場コイルが振動する。その結果、傾斜磁場コイルを支持している真空容器、具体的には真空容器モジュールが振動する。その振動は、ＭＲＩ装置の設置場所の設置床面に直接接触する下側真空容器の底面（これは装置の底面でもある）が設置床面で拘束された真空容器モジュールの片持ち梁構造における１次曲げモードの振動である。したがって、下側真空容器の振動は上側真空容器のそれよりも小さくなる。特許文献１のＭＲＩ装置では、このことを利用することで、傾斜磁場コイルの振動に起因する冷却容器ひいては超伝導コイルの振動を効果的に抑制できるようにしている。具体的には、下側冷却容器と下側真空容器の間に複数の支持部材を設け、これらの支持部材を介して下側真空容器に冷却容器モジュールを支持させるようにしている。こうした支持構造によれば、振動の小さな下側真空容器で冷却容器モジュールを支持することになるので、冷却容器ひいては超伝導コイルの振動を効果的に抑制することができる。

ＭＲＩ装置については、装置の設置場所自体に振動がある条件の場合、上記のような装置内部に起因する振動の他に、装置の設置床面を通じ外部から伝わる振動の問題もある。外部起因の振動問題に対処する技術としては、例えば特許文献２に開示の例が知られている。特許文献２に開示のＭＲＩ装置は、静磁場を発生するマグネットを支持して設置床面に設置する支持手段を備える。この支持手段は、マグネットの姿勢を調整する姿勢調整部と、設置床面からの振動をマグネットの共振周波数とは異なる周波数の振動に減衰する減衰手段を有する。こうしたＭＲＩ装置では、装置外部から設置床面を通じ伝わる振動を効果的に抑制することができ、装置外部に振動源がある条件の設置場所にあってもその外部振動源に起因する磁気共鳴画像の画質の劣化を有効に防止することができる。

特開２００５−１３７５３０号公報（第９頁、図１）特開２００４−２６７３９７号公報（第１４頁、図１）

ＭＲＩ装置における内部構造起因の振動のうちで画質に悪影響をもたらす可能性のある振動には、上記の１次曲げモード、つまり底面拘束の片持ち梁構造における１次曲げモードの他に、底面非拘束（底面ばね支持）の場合のロッキングがあり、また装置底面振動がある。ロッキングは、傾斜磁場コイルの振動に誘発されて装置（真空容器モジュールや冷却容器モジュールを有する装置の場合はそれらのモジュール）が底面を支点にして回転するように揺れ動く振動である。より具体的にいうと、例えば装置底面を設置床面に直に接触させて装置を設置する直置き方式において装置底面や設置床面に凹凸があって装置底面と設置床面が部分的にしか接触せずに装置底面の支持が不安定となった場合つまり装置の設置状態が不安定となった場合に、その部分的な接触部位を支点にして装置全体が回転するように揺れ動く振動を生じることになるが、これがロッキングである。このロッキングは、静磁場強度が大きくない場合には無視できる。しかし静磁場強度が例えば１テスラ以上というような強度レベルになると画質への悪影響を顕在化させる。

装置底面振動は、装置底面を設置床面に部分的に支持させた構造で装置を設置する場合に、設置床面から浮いている部分の装置底面に生じる曲げモードの振動である。この装置底面振動もロッキングと同様に、静磁場強度が一定以上に大きくなる場合に画質への悪影響を顕在化させる。

こうしたＭＲＩ装置における振動について、特許文献１に開示の構造は、底面拘束の片持ち梁構造における１次曲げモードの振動により超伝導コイル（静磁場発生源）が振動することを効果的に抑制する、つまりその振動が画質に悪影響をもたらすことがない範囲に抑制するのには有効である。しかし、特許文献１に開示の構造は、下側冷却容器と下側真空容器の間に支持部材を介在させる構造で真空容器モジュールから冷却容器モジュールへの振動の伝播を抑制することにより冷却容器や超伝導コイルの振動を抑える構造であり、装置全体がその底面を支点にして揺れ動く振動であるロッキングについては有効でない。したがってロッキングについてもそれが画質に悪影響を及ぼすことがないように抑制できるようにするには、ロッキングの発生自体を効果的に抑制できるようにする必要がある。

ロッキングは、上述のように装置の設置状態が不安定であることに起因するものである。したがって装置設置状態の安定性を高めることでロッキングを効果的に抑制することができる。装置の安定的設置には、特許文献２に開示の支持手段のように姿勢調整機能を有した支持手段で装置を部分的に支持する構造、すなわちアジャスタ構造が有効であり、また設置床面に設けたアンカで固定して装置を部分的に支持するアンカ構造も有効である。

しかしアジャスタ構造やアンカ構造は、構造的なコスト高を招くだけでなく、装置の設置における作業量が増大さることでもコスト高を招き、さらにアジャスタ構造は、高さ方向の設置スペースの増大を招く。こうしたことから、より簡易に装置の安定的設置を可能とする構造が求められる。

またアジャスタ構造やアンカ構造には、装置底面振動の効果的な抑制という点で不十分なものがある。装置底面振動は、その振動の腹（最大振幅部分）にあたる部分を支持することで効果的な抑制することができる。しかるにアジャスタ構造やアンカ構造による部分的支持は、それらの特性からして、装置底面の周辺部分についてしか支持を行うことができず、装置底面振動の効果的な抑制で求められる支持に対応することができない。

本発明は、以上のような知見を背景にしてなされたものであり、ロッキングの発生を効果的に抑制できるとともに装置底面振動の発生も必要に応じて効果的に抑制することができるような安定性の高い装置設置をより簡易な構造で可能とするＭＲＩ装置の提供を目的としている。

本発明では上記目的のために、撮影空間を挟んで上下に対向配置された静磁場発生源を有するＭＲＩ装置において、所定のばね定数で支持荷重方向に弾性変形可能に形成され、所定の配置状態で配置される複数の支持脚を装置底面と設置床面の間に介在させて設置されることを特徴としている。

また本発明では、上記のようなＭＲＩ装置について、前記支持脚のばね定数は、設置荷重を受けた状態で前記支持脚が前記装置底面と前記設置床面の相対変位程度変形できるように、つまり前記設置床面の平坦度程度変形できるように設定するものとしている。

また本発明では、上記のようなＭＲＩ装置について、前記支持脚は、それぞればね定数が異なる第１の部材と第２の部材を重ねて構成するものとしている。

また本発明では、上記のようなＭＲＩ装置について、前記支持脚を４個以上設けるものとしている。

また本発明では、上記のようなＭＲＩ装置について、前記静磁場発生源を支持する構造について水平方向で相対的に構造強度の異なる高構造強度方向と低構造強度方向を直交状態で有する場合に、前記４個以上の支持脚のうちの４個をそれぞれ前記高構造強度方向の座標軸に対して２５〜４５度となる位置に配置するものとしている。

また本発明では、上記のようなＭＲＩ装置について、前記静磁場発生源である超伝導コイル、前記超伝導コイルを収納する冷却容器を含む冷却容器モジュール、および前記冷却容器を収納する真空容器を含む真空容器モジュールを備える場合に、前記冷却容器モジュールは、前記真空容器モジュールの底から立ち上がるようにして設けられるとともに所定の配置状態で設けられた支持部材を介して前記真空容器モジュールに支持させるようにしている。

また本発明では、上記のようなＭＲＩ装置について、前記支持部材を４個設け、前記静磁場発生源を支持する構造について水平方向で相対的に構造強度の異なる高構造強度方向と低構造強度方向を直交状態で有する場合に、前記４個の支持部材をそれぞれ前記高構造強度方向の座標軸に対して２５〜４５度となる位置に配置するものとしている。

また本発明では、上記のようなＭＲＩ装置について、前記４個の支持部材の配置位置を前記４個以上の支持脚のうちの４個の配置位置と一致させるようにしている。

本発明では、所定のばね定数で支持荷重方向に弾性変形可能に形成され、所定の配置状態で配置される複数の支持脚を設置床面との間に介在させて設置する設置構造を装置ＭＲＩ装置に与えている。この設置構造では、所定の配置状態で設置床面に配置した複数の支持脚の上にＭＲＩ装置を置くと、支持脚はＭＲＩ装置の重量を受けて支持荷重方向で変形する。そしてこの支持脚の変形により、各支持脚がほぼ均等な支持力でＭＲＩ装置を支持する状態が得られ、ＭＲＩ装置の設置状態が安定性の高いものとなり、装置のロッキングを効果的に抑制することができる。またこの設置構造では、その支持脚を装置底面の周辺部だけでなく内側にも設けることが容易である。このため必要に応じて装置底面の内側に支持脚を設けることにより、装置底面振動の発生も効果的に抑制することができる。さらにこの設置構造では、所定の配置状態で設置床面に支持脚を配置してからその支持脚の上にＭＲＩ装置を置くという作業だけで安定性の高い設置を行える。

したがって本発明によれば、画質に悪影響を及ぼすような振動がロッキングなどに起因して静磁場発生源に発生するのを効果的に防止することができ、静磁場強度が例えば１テスラ以上というような強度レベルの場合でも常に高画質な磁気共鳴画像を安定して得ることが可能となり、しかもそれを可能とするＭＲＩ装置の設置ついて構造的にも作業的にもコストダウンを図ることができる。

以下、発明を実施するための形態について説明する。図１と図２に、第１の実施形態によるＭＲＩ装置の構成を簡略化して示す。図１は、図中の右上に小さく示すＭＲＩ装置の平面図におけるＡ−Ａ線で断面した状態としてＭＲＩ装置の内部構造を示し、図２はＭＲＩ装置の外観構造を示している。

本実施形態のＭＲＩ装置Ｓは、撮像空間１を挟んで上下方向に対向して配置された一対の超伝導コイル２（上側超伝導コイル２ａと下側超伝導コイル２ｂ）を静磁場発生源として備え、また超伝導コイル２と同様に撮像空間１を挟んで上下方向に対向して配置された一対の傾斜磁場コイル３（上側傾斜磁場コイル３ａと下側傾斜磁場コイル３ｂ）を傾斜磁場発生源として備えている。超伝導コイル２は、コイルを円環状に巻いて形成され、撮像空間１に均一な垂直方向の静磁場を印加するようにされている。この超伝導コイル２は冷却容器４に収納され、さらに冷却容器４は真空容器５に収納されている。

冷却容器４は、円環状の超伝導コイル２を収納するために内部を空洞化して収納空間６とした円環状に形成され、上側超伝導コイル２ａ、下側超伝導コイル２ｂに対応して上側冷却容器４ａ、下側冷却容器４ｂとして上下一対で設けられている。その収納空間６には液体ヘリウムなどの冷媒が貯蔵されており、この冷媒に漬かることで超伝導コイル２は超伝導特性に必要な温度状態（例えば４Ｋ程度の極低温）を維持するように冷却される。冷却容器４ａ、４ｂは、撮像空間１を挟んで左右方向に対向配置される一対の冷却容器連結管７（７ａ、７ｂ）により連結されることで、冷却容器モジュール（内槽系）を構成している。この冷却容器モジュールにおいては冷却容器４ａ、４ｂが冷却容器連結管７の内部空洞を介して熱的にも連結されている。具体的には、冷却容器連結管７との連結部位において冷却容器４に連通孔８が設けられており、この連通孔８と冷却容器連結管７の内部空洞を介して両冷却容器４ａ、４ｂが熱的に連結されている。

真空容器５は、円環状の冷却容器４を収納するために内部を空洞化して収納空間９とした円環状に形成され、上側冷却容器４ａ、下側冷却容器４ｂに対応して上側真空容器５ａ、下側真空容器５ｂとして上下一対で設けられている。その収納空間９は真空状態とされ、これにより冷却容器４を外部に対して熱的に遮断できるようにされている。真空容器５ａ、５ｂは、一対の真空容器連結管１１（１１ａ、１１ｂ）により連結されることで、真空容器モジュール（外槽系）を構成している。真空容器連結管１１は、冷却容器連結管７に対応した配置、つまり撮像空間１を挟んで左右方向に対向する配置で設けられており、またその内部空洞に冷却容器連結管７を収納するようにして設けられている。したがって真空容器モジュールは、冷却容器モジュールを完全に覆うことになる。この真空容器モジュールにおいては真空容器５ａ、５ｂそれぞれの収納空間９における真空状態が真空容器連結管１１の内部空洞を介して一体化するようにされている。ここで、下側真空容器５ｂにおける下側冷却容器４ｂの収納は、真空容器５ｂに対して熱的に遮断できるようにした支持構造で支持する状態でなされ、それにより真空容器モジュールによる冷却容器モジュールの支持がなされている。これについては後に説明する。

なお、図示を省略してあるが、真空容器モジュールと冷却容器モジュールの間には輻射シールド板が設けられ、その輻射シールド板により真空容器モジュールから冷却容器モジュールへの輻射熱の侵入を低減できるようにされている。具体的には、冷却容器４を覆うようにして輻射シールド板が設けられ、また冷却容器連結管７を覆うようにして輻射シールド板が設けられている。そしてこれらの輻射シールド板は、冷却容器４の冷媒を冷却する図外の冷凍機で冷却されるようになっている。

傾斜磁場コイル３（３ａ、３ｂ）は、円板状に形成され、真空容器５で支持させて設けられている。具体的には、真空容器５の撮影空間側の側面に凹部１２を設け、この凹部１２に収める状態で真空容器５に支持されている。そしてその支持には、スタッドボルトや防振ゴムなどが用いられている。この傾斜磁場コイル３は、超伝導コイル２による静磁場に重畳して傾斜磁場を印加するようにされており、その傾斜磁場により磁気共鳴画像のための磁気共鳴信号の位置情報を得ることができる。

ＭＲＩ装置Ｓは、以上のような要素の他にも、いくつかの要素を備えている。例えば撮像空間１に置かれた被検者（図示を省略）に磁気共鳴を励起させるための電磁波を照射する高周波コイル、被検者からの磁気共鳴信号を受信する受信コイル、被検者を載せて撮像空間１に案内するテーブル装置、超伝導コイル２や傾斜磁場コイル３などに電源を供給する電源装置、ＭＲＩ装置Ｓの全体を制御する制御装置、磁気共鳴信号に基づいて磁気共鳴画像を生成する画像再構成装置などである。これらの要素はＭＲＩ装置において一般的なものなので、その図示と説明は省略する。

以下では、真空容器モジュールによる冷却容器モジュールの支持構造とＭＲＩ装置Ｓの設置構造について説明する。支持構造や設置構造の説明にはＭＲＩ装置Ｓに、その構造的異方性に基づいて座標を仮想すると都合がよい。ここで、ＭＲＩ装置Ｓの構造的異方性とは、真空容器連結管１１が一対だけで設けられ、１つの方向についてだけ対向配置されており、その対向配置方向の構造強度がこれに直交する方向の構造強度に対して相対的に大きくなる、つまり構造強度の異なる高構造強度方向（真空容器連結管１１の対向配置方向）と低構造強度方向を直交状態で有し、１つの方向とこれに直交する方向で構造的に非対称となっていることを意味する。ＭＲＩ装置Ｓの座標は、Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸を有する３次元座標とし、その原点はＭＲＩ装置Ｓの重心（通常は撮像空間１の中心）におく。そして高構造強度方向をＸ軸とし、ＭＲＩ装置Ｓの垂直方向をＺ軸とする。

まず冷却容器モジュールの支持構造について説明する。真空容器モジュールによる冷却容器モジュールの支持は、垂直方向支持部材２１と水平方向支持部材２２を介して下側真空容器５ｂに下側冷却容器４ｂを支持させることでなされている。支持部材２１、２２は、真空容器５ｂと冷却容器４ｂの間の熱遮断性を高め、また静磁場や傾斜磁場に影響を与えないようにするために熱伝導率が小さく非磁性である材料、例えば繊維強化プラスチック材などで形成する。図１の例では繊維強化プラスチックの棒材で支持部材２１、２２を形成している。このような形態の他に、真空容器５ｂと冷却容器４ｂの間の熱遮断性をより一層高める構造とするのも好ましい形態である。熱遮断性をより一層高める例としては、繊維強化プラスチックの管材で支持部材を形成する例、あるいは伝熱距離を大きくするために支持部材を曲折構造で形成する例などがある。

垂直方向支持部材２１は、下側真空容器５ｂの底板２３から立ち上がるようにして設けられ、下側真空容器５ｂの底板２３を支点にして下側冷却容器４ｂを垂直方向で支持するようにされている。こうした垂直方向支持部材２１は、複数箇所で離散的に設けられ、所定の配置状態が与えられる。本実施形態では、図３の（ａ）に示すように、４箇所で垂直方向支持部材２１を設け、各垂直方向支持部材２１がＸ軸からほぼ４５度の位置でかつ下側真空容器５ｂの外周に近接した位置に位置する配置状態としている。

こうした支持構造によれば、後述のような設置構造でＭＲＩ装置Ｓを設置した状態で設置床面により拘束される真空容器モジュールの片持ち梁構造における１次曲げモードの振動（以下、仮に「片持ち梁１次曲げモード」と呼ぶ）やロッキングあるいはロッキング的振動に伴う超伝導コイル２の振動を効果的に抑制することができる。片持ち梁１次曲げモードは、上述のように撮影時に照射される電磁波に起因する傾斜磁場コイル３の振動でもたらされる。図４に、片持ち梁１次曲げモードの様子を誇張して示す。図で見られるように、片持ち梁１次曲げモードでは、設置床面により拘束されている下側真空容器５ｂが振動の節となり、下側真空容器５ｂの振動は小さなものにとどまる。したがって垂直方向支持部材２１を介して下側真空容器５ｂに冷却容器モジュールを支持させる支持構造にあっては、冷却容器４ひいては超伝導コイル２への片持ち梁１次曲げモードの伝播を効果的に抑えることができる。すなわち片持ち梁１次曲げモードについて超伝導コイル２の振動を効果的に抑制することができる。なお垂直方向支持部材２１による支持構造がロッキングやロッキング的振動に伴う超伝導コイル２の振動の抑制することについては後述する。

水平方向支持部材２２は、下側真空容器５ｂの底板２３の中央に設けた台座２４から複数方向に水平に突出するようにして設けられ、台座２４を支点に下側冷却容器４ｂを水平方向で支持するようにされている。

ここで、垂直方向支持部材２１は、超伝導コイル２、冷却容器４およびその付加物などの重量、それに冷却時の熱収縮や運搬時の衝撃荷重を受ける。したがって垂直方向支持部材２１にはそれらの負荷に耐え得る強度が求められる。一方、水平方向支持部材２２は、超伝導コイル２などの重量が負荷することはないが、冷却時の熱収縮や運搬時の衝撃荷重などは負荷されるので、それらの負荷に耐え得る強度が求められる。

次に、ＭＲＩ装置Ｓの設置構造について説明する。ＭＲＩ装置Ｓは、下側真空容器５ｂの底面つまりＭＲＩ装置Ｓの底面２８と設置床面Ｆの間に支持脚２５を介在させて設置される。支持脚２５は、第１の部材２６と第２の部材２７を重ねて形成され、支持荷重方向（縦方向）で弾性変形可能とされている。支持脚２５に弾性変形性を与えるには、両部材２６、２７を弾性体で形成する形態が可能で、また両部材２６、２７のいずれか一方を弾性体で形成し、他方を非弾性体で形成する形態も可能である。両部材２６、２７の一方を非弾性体とする場合には、その非弾性体部材にスペーサの役割を負わせるようにするのが好ましい。両部材２６、２７を弾性体で形成する場合には、それぞれのばね定数を異ならせるようにする。具体的には、一方の弾性体についてはＭＲＩ装置Ｓの重量を受けた状態で変形限界まで変形する低ばね定数とし、他方の弾性体についてはＭＲＩ装置Ｓの重量を受けても弾性を残す高ばね定数とする。両部材２６、２７のいずれか一方を弾性体で形成する場合の弾性体は、ＭＲＩ装置Ｓの重量を受けた状態で変形限界近くまで変形する中ばね定数とするのが好ましいが、低ばね定数や高ばね定数であってもかまわない。弾性体には、例えばコイルばねやさらばねあるいはゴム板などが好ましいものとして用いられる。一方、非弾性体には、ステンレス板などが好ましいものとして用いられる。何れにしても支持脚２５は、非磁性体であることが求められ、したがって弾性体や非弾性体は非磁性材で形成することになる。

こうした支持脚２５は、複数箇所で離散的に設けられ、所定の配置状態が与えられる。本実施形態では、図３の（ｂ）に示すように、４箇所で支持脚２５を設け、各支持脚２５がＸ軸からほぼ４５度の位置でかつ下側真空容器５ｂの外周に近接した位置に位置する配置状態としている。この配置状態は、上述の垂直方向支持部材２１の配置状態と対応している。

以上のような設置構造とすることにより、ＭＲＩ装置Ｓにおけるロッキングを効果的に抑制する、つまり磁気共鳴画像の画質に悪影響を及ぼすような振動を超伝導コイル２に生じさせることがない程度にロッキングを抑制することが可能となる。以下ではこのことについて説明する。

支持脚２５を用いた設置構造によるロッキングの抑制効果は、支持脚２５の弾性変形性による作用と支持脚２５の配置状態（配置数と配置位置）による作用でもたらされる。まず支持脚２５の弾性変形性による作用について説明する。ロッキングは、上述のように、傾斜磁場コイルの振動に誘発されて装置の全体、より具体的には真空容器モジュールや冷却容器モジュールの全体がその底面２８を支点にして回転するように揺れ動く振動である。図５にロッキングの様子を誇張して示す。こうしたロッキングは、装置底面が設置床面により部分的にしか支持されず装置の設置状態が不安定となった場合に生じやすく、主にＸ軸回りとＹ軸回りの回転として生じる。

ＭＲＩ装置Ｓは、静磁場発生源から発生する磁場が撮影室外に漏れることや外部からの外乱磁場が入ってくるのを防止するためにシールドルームに設置される。シールドルームについてはその床面の平坦度が例えば２〜５ｍｍと規定されており、その範囲で凹凸のあることが許容されている。一方、ＭＲＩ装置Ｓもその底面２８つまり下側真空容器５ｂの底面２８にある程度の凹凸を生じているのが通常である。すなわち下側真空容器５ｂには、製造時の溶接にともなう熱収縮などにより変形を生じ、その変形で下側真空容器５ｂの底板２３が球面状となって中央が出っ張る状態になるのが通常である。こうしたＭＲＩ装置Ｓを直にシールドルームの床面に設置すると、底面２８と設置床面Ｆが部分的にしか接触せず、設置状態が不安定となってロッキングを生じやすくなる。特に、部分接触部位の位置がＭＲＩ装置Ｓの中心軸に近くその接触面積が小さい場合には、Ｘ軸回りやＹ軸回りの回転モーメントが小さくなって大きなロッキングを真空容器モジュールに生じやすくなる。

支持脚２５による設置構造は、このようなロッキングの原因となるＭＲＩ装置Ｓの設置不安定性を解消することで、装置のロッキング、より具体的には真空容器モジュールのロッキングを効果的に抑制する。すなわち、上述の配置状態で設置床面Ｆに配置した複数（本実施形態では４個）の支持脚２５の上にＭＲＩ装置Ｓを置くと、支持脚２５はＭＲＩ装置Ｓの重量を受けて支持荷重方向で変形する。そしてこの支持脚２５の変形により、各支持脚２５がほぼ均等な支持力でＭＲＩ装置Ｓを支持する状態が得られ、ＭＲＩ装置Ｓの設置状態が安定性の高いものとなってロッキングを効果的に抑制することができる。こうした設置状態の安定化は、支持脚２５の第１、第２の両部材２６、２７がともに弾性体で形成され、第１の部材２６が低ばね定数、第２の部材２７が高ばね定数とされている場合であれば、以下のようにして得られる。設置床面Ｆに配置した支持脚２５の上にＭＲＩ装置Ｓを置くと、まず第１の部材２６が変形する。第１の部材２６は、ＭＲＩ装置Ｓの重量を受けた状態で変形限界まで変形する低ばね定数とされているので、変形限界まで変形することができ、変形限界まで変形した場合にはそのばね性は失った状態になる。こうした第１の部材２６の大きな変形は、ＭＲＩ装置Ｓの底面２８や設置床面Ｆの凹凸によりＭＲＩ装置Ｓの底面２８と設置床面Ｆとの間のギャップに大きな不均一性あった場合に、その大きなギャップの不均一性を解消させるように働く。第１の部材２６が変形限界まで変形してなおギャップの不均一性が残っている場合には、高ばね定数の第２の部材２７の変形によりそのギャップの不均一性が解消される。こうして微小なギャップの不均一性までも解消することができ、各支持脚２５が均等性の高い支持力でＭＲＩ装置Ｓを支持する安定性の高い設置状態が得られる。

ここで、一般的なシールドルームにおける設置床面の平坦度は最大５ｍｍ程度であり、1ｍｍ以内の平坦度であればそれほどコストをかけることなく得ることができる。こうした平坦度を前提にすると、低ばね定数の第１の部材２６は、１〜２ｍｍ程度変形する構成とするのが好ましい例である。また支持脚２５の変形については、それを非線形的にするのも好ましい形態である。支持脚２５の変形に非線形性を与えるには、例えば第１の部材２６をゴム板で形成する場合であれば、その荷重受け面に突起部などを設ける構成が好ましいものとして挙げられる。

次に、支持脚２５の配置状態による作用について説明する。支持脚２５の配置状態には、配置数と配置位置がある。まず配置数について説明する。ロッキングでは、振動数が大きくなるほど振動が小さくなる。またロッキングは、その振動数がＭＲＩ装置Ｓの固有振動数、具体的には真空容器モジュールや冷却容器モジュールの固有振動数と一致すると大きくなりやすい。このことからロッキングの振動数を大きくし、かつ装置固有振動数から外れた振動数とする条件を得られるようにすることがロッキングの抑制にとって有効である。ロッキングの振動数は支持脚２５で支持された状態での回転モーメント（Ｘ軸回りやＹ軸回りの回転モーメント）に依存する。そしてその回転モーメントは、支持脚２５の支持力（具体的には個々の支持脚２５のばね定数と支持脚２５の配置数）と支持脚２５の対重心距離（ＭＲＩ装置の重心を通る垂線に対する支持脚２５の距離）に依存する。したがって支持脚２５のばね定数を大きくし、支持脚２５の対重心距離を大きくすることでロッキングの振動数を大きくすることができる。また支持脚２５の配置数を多くすることでもロッキングの振動数を大きくすることができる。

ＭＲＩ装置Ｓの支持というだけであれば支持点は３点で足り、したがって支持脚２５は３箇所配置すれば足りる。しかし、支持脚２５が３箇所であるとロッキング振動数の適切化が不十分になる。すなわち支持脚２５が３箇所であると、支持脚２５の配置が装置座標におけるＸ、Ｙ軸に対して対称的にならず、１つの方向（例えばＸ軸方向）のロッキングの振動数を適切化できても、それに直交する方向のロッキングについては振動数の適切化ができない。したがってロッキングの振動数の適切化という点では、支持脚２５の配置をＸ、Ｙ軸に対して対称的にすることを可能とする配置数である４以上の配置数が必要となる。

その一方で、支持脚２５については、その配置数が多くなるほど支持の安定性を損なう可能性が大きくなるという問題がある。支持脚２５の配置数が多くなると、一部の支持脚の支持力が他の支持脚のそれより小さくなったり、極端には一部の支持脚がＭＲＩ装置Ｓの底面２８に接触しなくなったりする状態つまり「浮き」を生じる可能性が大きくなる。そして「浮き」を生じると部分的な支持状態となり、支持の安定性が損なわれる。「浮き」は、支持脚２５のばね定数が大きいほど生じやすくなる。したがって支持脚２５のばね定数の設計には「浮き」の問題も考慮するのが望ましい。こうした「浮き」問題からすると支持脚２５の配置数は少ないほどよい。以上のことからは支持脚２５の配置数は４とするのが好ましい形態の一つとなり、本実施形態ではそのようにしている。

次に、配置位置について説明する。図６に示すのは、支持脚２５の配置位置とＸ軸方向、Ｙ軸方向それぞれにおける回転モーメントの関係を解析した結果である。縦軸は回転モーメント、横軸は支持脚２５の配置位置のＸ軸に対する角度であり、プロット曲線１００ａがＸ軸方向についての回転モーメントの変化、プロット曲線１００ｂがＹ軸方向についての回転モーメントの変化である。この解析結果から以下のことが導かれる。４個の支持脚２５をＸ軸上とＹ軸上のそれぞれに２個ずつ配置した場合、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向それぞれの回転モーメントには、それぞれの軸上における２個の支持脚２５しか寄与しない。したがって支持脚２５のばね定数をＦ、支持脚２５の対重心距離をＬとすると、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向それぞれの回転モーメントＭは、Ｍ＝Ｆ・Ｌ＋Ｆ・Ｌ＝２・Ｆ・Ｌとなる。これに対して支持脚２５の配置位置をＸ軸上やＹ軸上からずらした位置とすると、そのずれに応じて４個の支持脚２５の全てがＸ軸方向、Ｙ軸方向それぞれの回転モーメントに寄与する。すなわちＸ軸方向についてみると、その回転モーメントＭは、Ｍ＝Ｆ・ａ_１Ｌ＋Ｆ・ａ_２Ｌ＋Ｆ・ａ_３Ｌ＋Ｆ・ａ_４Ｌとなる。ここで、ａ_１〜ａ_４は、Ｘ軸に対する支持脚２５の角度位置に応じた係数である。図６に見られるように、Ｘ軸に対して４５度の角度位置に支持脚２５がある場合、ａ_１＝ａ_２＝ａ_３＝ａ_４＝１／２^1/2となり、Ｘ軸方向の回転モーメントＭは、Ｍ＝４・Ｆ・Ｌ／２^1/2≒２．８３・Ｆ・Ｌとなって最大になる。このことはＹ軸方向の回転モーメントについても同様である。以上のことから、支持脚２５をＸ軸に対して４５度の位置に配置することで、Ｘ、Ｙ両軸方向の回転モーメントをともに最大化できることがわかる。

以上は真空容器モジュールのロッキングについてであったが、冷却容器モジュールについてもそれ固有のロッキング的振動（ロッキングに類似の振動）が問題になる。冷却容器モジュールのロッキング的振動は、垂直方向支持部材２１を介して下側真空容器５ｂに支持されている冷却容器モジュールに生じるロッキングに類似の振動であり、真空容器モジュールのロッキングに比べれば一般的に小さい。こうした冷却容器モジュールのロッキング的振動も効果的に抑制できるようにするのが望ましく、それを可能にしているのが上述した垂直方向支持部材２１の配置状態である。具体的には、垂直方向支持部材２１を４箇所で設け、各垂直方向支持部材２１がＸ軸からほぼ４５度の位置に位置させる配置状態である。こうした垂直方向支持部材２１の配置状態が冷却容器モジュールのロッキング的振動の抑制に有効であることは以下の理由による。

冷却容器モジュールのロッキング的振動においても真空容器モジュールのロッキングと同様に回転モーメントが問題になる。冷却容器モジュールの回転モーメントを大きくする要件として垂直方向支持部材２１の配置数がある。具体的には垂直方向支持部材２１の配置数を多くするほど回転モーメントを大きくできる。その一方で、垂直方向支持部材２１については、その配置数が多くなるほど真空容器５から冷却容器４に侵入する熱量が増加するという問題がある。こうした熱遮断の問題からすると垂直方向支持部材２１の配置数は少ないほどよい。以上のことからは垂直方向支持部材２１の配置数は４とするのが好ましい形態の一つとなる。

また冷却容器モジュールの回転モーメントについては、真空容器モジュールの場合と同様に、垂直方向支持部材２１の設置位置が関係する。その設置位置は支持脚２５の場合と同様の理由から、４個の垂直方向支持部材２１のそれぞれをＸ軸からほぼ４５度の位置に位置させるのが最適である。

垂直方向支持部材２１の設置位置については、Ｘ軸に対する角度位置の他に、対重心距離も問題になる。対重心距離は、回転モーメントに相関する一方で、ロッキングの伝播性つまり真空容器モジュールのロッキングが垂直方向支持部材２１を通じて冷却容器モジュールに伝播する場合の伝播性が相関する。回転モーメントを大きくするという点では対重心距離を大きくするのが望ましい。一方、ロッキングの伝播性については、真空容器モジュールの中心ほど揺れが小さく、揺れがより小さい位置に垂直方向支持部材２１を配置するほうが伝播性を低くすることができるということから、対重心距離を小さくするのが望ましい。したがって垂直方向支持部材２１の設置位置の設計は、こうした相反する要求を考慮して行うことになるが、通常は回転モーメントを重視する設計とし、本実施形態でもそのようにしている。

ここで、本実施形態では垂直方向支持部材２１の配置状態が支持脚２５の配置状態と一致している。このように垂直方向支持部材２１と支持脚２５の配置を一致させることで、垂直方向支持部材２１が冷却容器モジュールから受ける荷重を直接的に支持脚２５に伝えることができ、下側真空容器５ｂに冷却容器モジュールの重量を負担させずに済み、装置の安定性を高めることができる。

以下では第２〜第４の各実施形態によるＭＲＩ装置について説明する。これら各実施形態におけるＭＲＩ装置は、基本的には第１の実施形態におけるＭＲＩ装置Ｓと同様で、異なるのは垂直方向支持部材２１や支持脚２５の配置状態である。

第２の実施形態では、ＭＲＩ装置における上述の構造的異方性を考慮した配置状態を垂直方向支持部材２１や支持脚２５に与える。ＭＲＩ装置に構造的異方性があることにより、ロッキングはＹ軸方向について相対的に大きくなる傾向がある。このことを考慮すると、Ｘ軸から４５度の位置、つまりＸ軸とＹ軸から等分の位置よりもある程度Ｘ軸側に寄せた位置に垂直方向支持部材２１を配置するようにすることで、真空容器モジュールのロッキングの冷却容器モジュールへの伝播性をより小さくすることができる。これについて解析すると、Ｘ軸から２５〜４５度の位置が好ましい範囲として得られる。そこで本実施形態では、図７の（ａ）に示すように、４個の垂直方向支持部材２１をそれぞれＸ軸から２５〜４５度の位置に配置するようにしている。また図７の（ｂ）に示すように、支持脚２５についても垂直方向支持部材２１の配置位置に対応させた配置位置としている。ただ、支持脚２５の配置をＸ軸側に寄せると、Ｙ軸方向の回転モーメントが小さくなるという問題を招く。そこで、これを解消するために支持脚２５の配置数を２つ増やし、その２つをＹ軸上に配置するようにしている。

第３の実施形態では、支持脚２５の配置状態を図８に示すように構成する。具体的には、支持脚２５を５個とし、そのうち４個を第２の実施形態と同一の配置位置とし、残りの１個を真空容器モジュールの中心（座標の原点）に配置する。真空容器モジュールの中心に配置した支持脚２５は、装置底面振動の効果的な抑制に働く。装置底面振動は、上述のように装置底面を設置床面に部分的に支持させた構造で装置を設置する場合に、設置床面から浮いている部分の装置底面に生じる曲げモードの振動である。図９に、装置底面振動の様子を誇張して示す。装置底面振動は、主に０次曲げモード（図９の（ａ））または１次曲げモード（図９の（ｂ））で生じる。こうした装置底面振動は、その腹が発生する部位を支持することで効果的に抑制することができる。本実施形態は、０次曲げモードの装置底面振動の抑制を重視し、その腹が発生する部位である真空容器モジュールの中心に支持脚２５を配置している。

第４の実施形態では、支持脚２５の配置状態を図１０に示すように構成する。具体的には、支持脚２５を８個とし、そのうち４個を第２の実施形態と同一の配置位置とし、残りの４個（支持脚２５ｐ）を２個ずつＸ軸とＹ軸上に、対重心距離について中間的な位置で配置するようにしている。これは１次曲げモードの装置底面振動の抑制を重視したもので、４個の支持脚２５ａは、１次曲げモードの腹が発生する部位に配置されている。

本発明は、画質に悪影響を及ぼすような振動がロッキングなどに起因して静磁場発生源に発生するのを簡易な構造で効果的に防止することを可能とするＭＲＩ装置を実現するものであり、ＭＲＩ装置の分野で広く利用することができる。

第１の実施形態によるＭＲＩ装置の内部構造を示す図である。図１のＭＲＩ装置の外観構造を示す図である。図１のＭＲＩ装置における支持部材と支持脚の配置状態を示す図である。ＭＲＩ装置の片持ち梁１次曲げモードの様子を誇張して示す図である。ＭＲＩ装置のロッキングの様子を誇張して示す図である。支持脚の配置位置と回転モーメントの関係を示す図である。第２の実施形態によるＭＲＩ装置における支持部材と支持脚の配置状態を示す図である。第３の実施形態によるＭＲＩ装置における支持部材の配置状態を示す図である。ＭＲＩ装置の装置底面振動の様子を誇張して示す図である。第４の実施形態によるＭＲＩ装置における支持脚の配置状態を示す図である。

符号の説明

１撮影空間
２超伝導コイル（静磁場発生源）
４冷却容器
５真空容器
７冷却容器連結管
１１真空容器連結管
２２垂直方向支持部材
２５支持脚
２８装置底面
Ｆ設置床面
ＳＭＲＩ装置

Claims

撮影空間を挟んで上下に対向配置された静磁場発生源を有する磁気共鳴イメージング装置において、
所定のばね定数で支持荷重方向に弾性変形可能に形成され、所定の配置状態で配置される４個以上の支持脚を装置底面と設置床面の間に介在させて設置すると共に、前記静磁場発生源を支持する構造について水平方向で相対的に構造強度の異なる高構造強度方向と低構造強度方向を直交状態で有し、前記４個以上の支持脚のうちの４個がそれぞれ前記高構造強度方向の座標軸に対して２５〜４５度となる位置に配置されており、
前記静磁場発生源である超伝導コイル、前記超伝導コイルを収納する冷却容器を含む冷却容器モジュール、および前記冷却容器を収納する真空容器を含む真空容器モジュールを備え、前記冷却容器モジュールは、前記真空容器モジュールの底から立ち上がるようにして設けられるとともに所定の配置状態で設けられた４個の支持部材を介して前記真空容器モジュールに支持されており、
かつ、前記４個の支持部材の配置位置が前記４個以上の支持脚のうちの前記高構造強度方向の座標軸に対して２５〜４５度となる位置に配置されている４個の配置位置と一致させられていることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
前記支持脚のばね定数は、設置荷重を受けた状態で前記支持脚が前記装置底面と前記設置床面の相対変位程度変形できるように設定される請求項１に記載の磁気共鳴イメージング装置。
前記支持脚は、それぞればね定数が異なる第１の部材と第２の部材を重ねて構成される請求項１または請求項２に記載の磁気共鳴イメージング装置。