JP5015392B2 - 熱拡散装置および磁気共鳴映像撮像装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、均一な磁場を発生する静磁場発生磁石と、位置および時間に応じて変動する磁場を発生する勾配磁場発生部と、勾配磁場発生部から生ずる熱を除去する冷却部と、電磁波送受信手段とを有する磁気共鳴映像撮像装置に関し、特に、磁気共鳴映像撮像装置内の勾配磁場発生部において生ずる熱を効率よく排除することのできる磁気共鳴映像撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、物体の内部構造を画像化することができ、医療現場で脳腫瘍の診断などに用いられる磁気共鳴映像撮像装置（以下「ＭＲＩ装置」と言う）が知られている。ＭＲＩ装置による内部構造の撮影は、具体的には以下のメカニズムによりおこなう。
【０００３】
ＭＲＩ装置は、特定の核種（主に水素原子）に対して核磁気共鳴現象を利用することで、撮影対象物の任意の断層面を任意の厚さで画像化することができる。核磁気共鳴現象とは、対象物体に一様な静磁場を印加すると、対象物体を構成する原子の原子核においてスピンの方向がそろい、静磁場の強度に比例した周波数（以下「共鳴周波数」と言う）の電磁波を吸収、放出するようになる現象のことである。
【０００４】
位置情報を調べるために、静磁場とは別に空間的および時間的に変動する勾配磁場を撮影対象物に対して印加する。勾配磁場を印加することにより、撮影対象物に印加される磁場は場所によって異なり、撮影対象物を構成する各原子の共鳴周波数は場所によって変化する。したがって、勾配磁場を印加することで、撮影対象物のどの位置にどのような原子が存在するかを知ることができる。以上が、ＭＲＩ装置による物体の内部構造撮影のメカニズムである。
【０００５】
勾配磁場を印加する装置は、空間的および時間的に変化する磁場を供給するために、通常はコイルを有する電磁石からなる。図８は、従来技術に属するＭＲＩ装置における、勾配磁場発生部の構造を示す。撮影対象物は３次元的形状を有する物体であるため、撮影対象物の構成原子の位置を決定するためには３方向に渡って勾配磁場を発生する必要がある。したがって、勾配磁場発生部はＸ方向勾配磁場発生部６１、Ｙ方向勾配磁場発生部６２、Ｚ方向勾配磁場発生部６３を有し、それぞれを縦に積層した構造からなる。また、各方向勾配磁場発生部は、勾配コイルと、このコイルを上下方向から挟み込むことにより勾配コイルを固定する固定板によって構成される。例えば、Ｘ方向勾配磁場発生部６１は、勾配コイル６４をＸ方向勾配コイル固定板６５、６６により挟み込む構造からなる。これらの勾配コイル６４、６７、７０に電流を流すことにより、勾配磁場が発生して各原子の位置に関する情報を得ることが可能となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、勾配磁場を発生する勾配磁場発生部は、位置情報を得るための十分な勾配磁場を発生させるために、勾配コイル中に数百アンペアもの大電流を流す必要がある。そのため、勾配コイルから発生する熱は膨大なものとなり、勾配磁場発生部自身のみならず周囲の静磁場発生磁石や、撮影対象物に電磁波を照射および検出するためのＲＦコイルに対して熱が加えられ、装置としての性能が低下してしまうという問題が生ずる。また、勾配磁場発生部の周囲に配置される静磁場発生磁石は、温度により磁場強度が変化するという特性を有するため、この点からも勾配磁場発生部から生ずる熱を放置するのは妥当ではない。
【０００７】
このような問題を解決するために、図８に示すように２つの冷却部を取り付ける技術が提案されている。これによれば、勾配磁場発生部の上部および下部に冷却部７３、７４を取り付けて熱を処理することで、勾配磁場発生部から生ずる熱によりＭＲＩ装置が損傷を受けることを防止することができる。
【０００８】
しかし、冷却部７３、７４を勾配磁場発生部の上部および下部に配置することで、以下の問題点が生ずる。まず、冷却部を２カ所に配置することにより、ＭＲＩ装置の構造が煩雑となる。したがって、ＭＲＩ装置の設計における自由度が減少し、装置の設計が複雑化する。さらに、２つも冷却部を配置することで装置全体の重量も増大してしまう。
【０００９】
また、冷却効率を高くできないという問題がある。勾配コイルで発生した熱は勾配磁場発生部の全表面から外部に放出されるため、勾配磁場発生部の全表面に対して冷却部を配置する必要がある。実際には勾配磁場発生部の側面における表面積は小さいため無視することができるものの、すくなくとも勾配磁場発生部の上面および下面を覆う形で冷却部を配置する必要がある。そのため、発熱量の大小および冷却部の性能の高低に関わらず、必ず２つの冷却部を配置しなければならず、効率的ではない。
【００１０】
本発明は上記従来技術の欠点に鑑みてなされたものであって、ＭＲＩ装置内の勾配磁場発生部において生ずる熱を効率よく排除することのできるＭＲＩ装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、第１の観点にかかる発明は、装置の動作に伴い発生する熱を拡散する熱拡散装置であって、熱伝導率の異なる複数の部材で形成することにより熱拡散方向に異方性を持たせた熱拡散装置であることを特徴とする。
【００１２】
この第１の観点にかかる発明によれば、熱拡散装置による熱の拡散に異方性を持たせたため、たとえば熱拡散装置の周囲に熱の影響を受けやすい物体が配置されていても、その物体が配置された方向への熱の拡散を防止することができる。
【００１３】
また、第２の観点にかかる発明は、第１の観点にかかる発明において、前記熱伝導率の異なる複数の部材が、所定の方向に対して順次熱伝導率の低い順に積層された構造を有することにより前記所定の方向に熱が拡散することを特徴とする。
【００１４】
この第２の観点にかかる発明によれば、所定の方向に熱を拡散させることができるため、効率良く熱の拡散をおこなうことが可能となる。
【００１５】
また、第３の観点にかかる発明は、第１または第２の観点にかかる発明において、前記熱伝導率の異なる複数の部材においてもっとも熱伝導率の高い部材に接触して配置された冷却部を有することを特徴とする。
【００１６】
この第３の観点にかかる発明によれば、熱拡散装置を構成する部材のうち、もっとも熱伝導率の高い部材に冷却部を接触させることによって、拡散してきた熱を冷却部で効率良く処理することができる。
【００１７】
また、第４の観点にかかる発明は、均一な磁場を発生する静磁場発生磁石と、位置および時間に応じて変動する磁場を発生する勾配磁場発生部と、勾配磁場発生部から生ずる熱を除去する冷却部と、電磁波送受信手段とを有する磁気共鳴映像撮像装置において、前記勾配磁場発生部を熱伝導率の異なる複数の部材により形成して、前記勾配磁場発生部内で生ずる熱の拡散に異方性を持たせた磁気共鳴映像撮像装置であることを特徴とする。
【００１８】
この第４の観点にかかる発明によれば、熱伝導率の異なる複数の物質から構成することで熱の拡散に異方性を持たせることができるため、熱の影響を受けやすい装置の配置された方向に対して熱の拡散を防止することができる。
【００１９】
また、第５の観点にかかる発明は、第４の観点にかかる発明において、前記勾配磁場発生部が、前記熱伝導率の異なる複数の部材を所定の方向に対して順次熱伝導率の低い順に積層した構造を有し、前記勾配磁場発生部で生ずる熱が前記所定の方向に拡散することを特徴とする。
【００２０】
この第５の観点にかかる発明によれば、所定の方向に対してのみ熱の拡散をおこなうことができるため、効率の良い熱の放出をおこなうことができる。
【００２１】
また、第６の観点にかかる発明は、第４または第５の観点にかかる発明において、前記勾配磁場発生部が、勾配コイルを複数の固定板により挟み込む構成からなる１方位勾配磁場発生部を複数積層したものであって、個々の前記固定板が、それぞれ下部に位置する固定板の熱伝導率よりも高い若しくは同等の熱伝導率を有し、前記冷却部が、前記勾配磁場発生部の上部に配置されていることを特徴とする。
【００２２】
この第６の観点にかかる発明によれば、１方位勾配磁場発生部で発生した熱を上方向に拡散させることが可能であり、１方位勾配磁場発生部の上部に冷却部を配置することにより拡散してきた熱を効率よく排除することができる。
【００２３】
また、第７の観点にかかる発明は、第６の観点にかかる発明において、前記固定板が、前記勾配コイルの周辺部分において前記固定板における他の部分よりも熱伝導率の高い物質からなることを特徴とする。
【００２４】
この第７の観点にかかる発明によれば、勾配磁場発生部において、コイルが密集して大量の熱が発生する部分においては、同一の固定板の他の部分よりも熱伝導率の高い物質で構成することで、横方向への熱の拡散を抑制し、上部方向への効率良い熱拡散をおこなうことができる。
【００２５】
また、第８の観点にかかる発明は、第４ないし第７の観点にかかる発明のいずれかにおいて、前記勾配磁場発生部と前記冷却部との間に配置されたヒートシンクを有することを特徴とする。
【００２６】
この第８の観点にかかる発明によれば、勾配磁場発生部と冷却部との間にヒートシンクを配置することで、勾配磁場発生部で発生した熱を冷却部に効率よく伝えることができる。
【００２７】
また、第９の観点にかかる発明は、第６ないし第８の観点にかかる発明のいずれかにおいて、前記固定板が、繊維強化プラスチックおよびアルミニウム酸化物を構成成分に有し、アルミニウム酸化物の含有量を変化させることで前記固定板の熱伝導率を変化させることを特徴とする。
【００２８】
この第９の観点にかかる発明によれば、固定板を構成する繊維強化プラスチックにアルミニウムを混入することで熱伝導率を変化させることができるため、固定板としての機能を損なうことなく、熱伝導率を変化させることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態にかかるＭＲＩ装置について詳細に説明する。図面の記載において同一あるいは類似部分には同一あるいは類似な符号を付している。
【００３０】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかるＭＲＩ装置の構造の一部を示す断面図である。また、図２は実施の形態１にかかるＭＲＩ装置のうち、特に勾配磁場発生部２の構造を示す。以下、図１および図２を用いて、実施の形態１にかかるＭＲＩ装置について、説明する。
【００３１】
実施の形態１にかかるＭＲＩ装置は、図１に示すとおり、静磁場発生磁石１と、勾配磁場発生部２と、勾配磁場発生部２の上部に配置された冷却部３と、撮影対象物８に対して電磁波の送受信をおこなうＲＦコイル４と、磁気回路用ヨーク５と、静磁場を均一化するための整磁板６と、ＲＦシールド７とを有する。
【００３２】
静磁場発生磁石１は、例えば永久磁石または超電導磁石からなり、撮影対象物８に対して空間的および時間的に均一な静磁場を印加する機能を有する。超電導磁石からなる場合は、液体ヘリウムによって静磁場発生磁石１を冷却する必要がある。なお、静磁場発生磁石１は、撮影対象物８に対して０．２〜１．５Ｔ程度の強磁場を印加する。
【００３３】
冷却部３は、勾配磁場発生部２から発生した熱を吸収するためのものである。冷却部３が熱を吸収することにより外部への拡散を抑えることで、静磁場発生磁石１から生ずる静磁場を安定化することができ、また、ＭＲＩ装置を構成する他の装置の損傷なども抑制することができる。なお、冷却部３は、水を循環させることにより冷却をおこなう水冷式のものであっても、ファンで空気を送り込むことで冷却する空冷式のものであっても構わない。さらに、空冷式と水冷式を組み合わせた構造からなるものであっても、本実施の形態１における冷却部３として使用することができる。
【００３４】
ＲＦコイル４は、撮影対象物８に対して一定の範囲の周波数からなる電磁波を照射し、核磁気共鳴現象により撮影対象物８を構成する原子から放出された電磁波を受信するためのものである。ＲＦコイル４によって照射される電磁波の周波数は、静磁場発生磁石１により印加される磁場の強度が１．０Ｔの場合には、数ＭＨＺ〜数十ＭＨＺである。
【００３５】
磁気回路用ヨーク５は、静磁場発生磁石１において発生した磁場が本実施の形態１にかかるＭＲＩ装置の外部に放出されるのを防ぎ、撮影対象物８に効率よく磁場を印加するためのものである。具体的には、静磁場発生磁石１の下部から放出される磁力線を、磁気回路用ヨーク５を通してＭＲＩ装置の上部へと導くことで、上部からも撮影対象物８に対して磁場を印加できる。このことにより、通常ならば外部に放出される磁場成分についても撮影対象物８に印加することができ、この結果、効率的に撮影対象物８に磁場を印加することができる。
【００３６】
整磁板６は、静磁場発生磁石１により発生した静磁場の均一性を高めるためのものである。本実施の形態１において、撮影対象物８は人体など一定の体積を有するものであるため、広い範囲に渡って静磁場を印加する必要がある。しかし、通常の永久磁石等では広い範囲に渡って均一な磁場を発生するのは容易でないため、整磁板６を配置することにより、磁場の均一化を図っている。整磁板６は、通常は鉄を材料として用いるが、このほかに珪素鋼板を積層したものやフェライト、アモルファスを用いてもよい。なお、図１において、整磁板６は静磁場発生磁石１の上に一様に配置されているが、これは理解の容易のために模式的に表したものであり、整磁板６は静磁場発生磁石１の内部に配置しても良いし、静磁場発生磁石１から離れた場所に配置しても良い。
【００３７】
ＲＦシールド７は、勾配磁場発生部２を構成する勾配コイル１２、１５、１８とＲＦコイル４とのカップリングを避けるために設けられている。ＲＦシールド７の材料としては非磁性でかつ導電性を有する必要があり、一般には銅箔が用いられる。
【００３８】
勾配磁場発生部２は、円盤状の形状からなり、その鉛直方向の断面は図２に示すように、Ｘ方向勾配磁場発生部９、Ｙ方向勾配磁場発生部１０、Ｚ方向勾配磁場発生部１１を順に積層した構造を有し、Ｚ方向勾配磁場発生部１１の上には、冷却部３が配置されている。本実施の形態１にかかるＭＲＩ装置の撮影対象物８は、３次元的形状からなるため、画像を形成するために必要な位置情報を３次元的に得る必要があるからである。
【００３９】
Ｘ方向勾配磁場発生部９は、勾配コイル１２と、勾配コイル１２を上下から挟み込むａ層１３とｂ層１４とからなる。勾配コイル１２は銅線などの導体により構成されており、勾配コイル１２に電流を流すことによりＸ方向に勾配した磁場を撮影対象物８に対して印加する機能を有する。なお、Ｘ方向勾配磁場は、本実施の形態１において周波数エンコードのために用いられることから、以下ではＸ方向を周波数方向と言う。
【００４０】
ａ層１３とｂ層１４は、ともに繊維強化プラスチック（以下「ＦＲＰ」と言う）を主体とし、これにアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を含有させたものからなる。アルミナの含有量はｂ層１４の方が、ａ層１３よりも多い構造とする。アルミナの含有量の違いにより、ａ層１３よりもｂ層１４の方が熱伝導率の高い構造となる。
【００４１】
Ｙ方向勾配磁場発生部１０は、勾配コイル１５と、勾配コイル１５を上下から挟み込むｃ層１６およびｄ層１７とからなる。勾配コイル１５は電流を流すことによりＹ方向に勾配した磁場を発生する機能を有し、ｃ層１６とｄ層１７は、それぞれアルミナを含有するＦＲＰからなる。なお、Ｙ方向勾配磁場は、本実施の形態１において位相エンコードのために用いられることから、以下ではＹ方向を位相方向と言う。
【００４２】
また、ｄ層１７のアルミナの含有量はｃ層１６における含有量よりも多くし、熱伝導率も高くする。なお、ｃ層１６のアルミナの含有量はｂ層１４における含有量と同じとする。したがって、ｃ層１６の熱伝導率はｂ層１４の熱伝導率と同等となる。
【００４３】
Ｚ方向勾配磁場発生部１１は、勾配コイル１８と、勾配コイル１８を上下から挟み込むｅ層１９およびｆ層２０からなる。Ｚ方向勾配磁場発生部１１は、勾配コイル１８に電流を流すことによりＺ方向に勾配した磁場を発生する。なお、Ｚ方向勾配磁場は、いわゆるスライス選択のために用いられることから、以下ではＺ方向をスライス方向と言う。
【００４４】
また、ｅ層１９およびｆ層２０は、アルミナを含有するＦＲＰからなり、ｅ層１９のアルミナの含有量はｄ層１７における含有量と同じにし、ｆ層２０における含有量はｅ層１９における含有量よりも多くする。したがって、ｆ層２０の熱伝導率はｅ層１９よりも高く、ｅ層１９の熱伝導率はｄ層１７と同等となる。
【００４５】
なお、勾配コイル１２、１５、１８について、図２では同様のパターンで示しているが、これは簡略化して表現したものであり、実際には各方向に勾配磁場を発生するため、勾配コイル１２、１５、１８の配線パターンは互いに異なっている。このことは他の図面における勾配コイルについても同様である。
【００４６】
次に、実施の形態１にかかるＭＲＩ装置を用いて、実際にＭＲＩ画像を撮影する方法について、図３を用いて説明する。まず、撮影対象物８をＭＲＩ装置内部に搬入し、静磁場発生磁石１により発生した静磁場雰囲気中に撮影対象物８を配置する（ステップＳ１０１）。なお、静磁場発生磁石１が超電導磁石からなる場合は、あらかじめ超電導磁石を液体ヘリウムなどで冷却し、超伝導状態を作り出しておく必要がある。
【００４７】
その後、スライス（Ｚ方向）勾配磁場を印加しながら撮影対象物に電磁波を照射する（ステップＳ１０２）。これにより、撮影対象物８は共鳴周波数の異なり、法線がＺ方向である多数のスライスに分割され、任意のスライスの共鳴周波数と同一周波数の高周波パルスを撮影対象物８に照射することで、所望の撮影面（スライス）内のスピンを励起することができる。
【００４８】
そして、撮影対象物８に対して位相（Ｙ方向）勾配磁場を印加する（ステップＳ１０３）。位相勾配磁場を印加することにより、ステップＳ１０２において選択されたスライス中に存在する原子から放出される電磁波の位相が場所によって異なったものとなる。具体的には、スライスは位相方向を短手方向とした複数の短冊に分割され、各短冊に属する原子からは同一位相の電磁波が放出される。したがって、この時点で電磁波を放出する原子の位置は、Ｚ方向（スライス方向）の座標およびＹ方向（位相方向）の座標について特定できることとなる。
【００４９】
そして、各短冊における原子の位置を特定するために周波数（Ｘ方向）勾配磁場を印加しながら、撮影対象物８を構成する原子から放出される電磁波を受信する（ステップＳ１０４）。周波数方向に勾配磁場をかけることにより、周波数方向に沿って異なる周波数のエコーを得ることができるようになるため、電磁波を放出する原子のＸ方向（周波数方向）の座標を特定することができる。したがって、ステップＳ１０２、Ｓ１０３とあわせて電磁波を放出する原子の位置が特定される。なお、スライス方向、位相方向、周波数方向の各勾配磁場の印加は、図示を省略した制御部が、勾配コイル１２、１５、１８に流す電流を制御することによりおこなう。勾配磁場を発生する際に勾配コイル１２、１５、１８に流れる電流はそれぞれ数百アンペアである。
【００５０】
そして、撮影対象物８を構成する原子から放出された、磁場強度に比例した周波数の電磁波をＲＦコイル４によって受信する（ステップＳ１０４）。ステップＳ１０２において送信装置として機能したＲＦコイル４は、本ステップＳ１０４では受信装置として機能する。ＲＦコイル４で受信された電磁波は、図示を省略した記憶手段により、データとして記憶される。そして、Ｓ１０２〜Ｓ１０４の走査を位相方向のマトリックス数だけ繰り返し実施し、２次元データセットを得る。
【００５１】
その後、２次元データセットについて２次元高速フーリエ変換をおこない、周波数に関するデータを得る（ステップＳ１０５）。撮影対象物８を構成する原子から放出された電磁波の周波数は、原子の位置によって異なるため、周波数のデータから特定の原子の分布を知ることができる。
【００５２】
その後、ステップＳ１０５で得たデータの強度を輝度値に変換し（ステップＳ１０６）、画像として出力する（ステップＳ１０７）。出力の態様は、スライスごとに２次元的に表示するものであっても、撮影対象物８について内部構造が分かるように、各部を半透明な構造で３次元的に表示するものであっても良い。また、出力の方法に関しても、モニタに出力するものであっても、プリントアウトされるものであっても良い。
【００５３】
上述のステップＳ１０２において、勾配磁場発生部２を構成する勾配コイル１２、１５、１８にはそれぞれ最大で数百アンペアもの電流が流れる。この電流によって生ずる熱の拡散について、図４を用いて説明する。なお、図４は、勾配磁場発生部２の一部を示すが、理解を容易にするため勾配コイル１５、１８について図示を省略しており、勾配コイル１２についても一部について図示を省略している。また、横方向では一様な熱伝導率を有するため、熱伝導率の違いは上下方向のみで生じ、熱の拡散は上下の１次元方向のみに行われるものとする。
【００５４】
熱の拡散については、いわゆる拡散方程式が知られている。それによると、熱ｑの拡散は熱拡散係数Ｄと、温度Ｔを用いて、次式のように表される。なお、上下方向の座標軸をｘとする。
ｑ＝−Ｄ＊∂Ｔ／∂ｘ ・・・・・（１）
ここで、拡散係数Ｄは熱伝導率に比例する係数であるため、熱の流れは熱伝導率および温度の変化率に比例することが分かる。すなわち、熱伝導率が高く、温度が低い場所に向かって熱は拡散する。
【００５５】
最初、勾配コイル１２に電流を流し始めた際には温度は位置によらず一定とみなすことができるため、勾配コイル１２で発生した熱が上方向に拡散するか、下方向に拡散するかは熱伝導率の違いによって決定される。勾配コイル１２の下に配置されたａ層１３は、上述したようにアルミナの含有量が上に配置されたｂ層１４よりも少ないため、熱伝導率がｂ層１４よりも小さい。したがって、ａ層１３の存在により下方向に拡散する熱の量は上方向と比べて少なくなる。
【００５６】
さらに、上方向に拡散した熱は、ｂ層１４以上の熱伝導率を有するｃ層１６へと拡散し、さらに熱伝導率の高いｄ層１７、ｅ層１９、ｆ層２０へと拡散していく。そして、ｆ層２０の上に配置された冷却部３によって熱が吸収される。したがって、上方向へ拡散した熱によってｂ層１４、ｃ層１６、ｄ層１７、ｅ層１９、ｆ層２０の温度が上昇することはない。一方で、ａ層１３に拡散した熱は依然としてａ層１３に留まるため、ａ層１３ではわずかに温度が上昇する。
【００５７】
そのため、勾配コイル１２に電流を流してから一定時間を経過した後の温度分布について、勾配コイル１２の下に配置されたａ層１３における温度は、ｂ層１４における温度よりも高い。したがって、式（１）より、熱は下方向へは熱は流れにくくなり、勾配コイル１２から発生する熱は上方向のみに流れるようになる。したがって、ａ層１３の温度は、撮影開始直後にわずかに上昇したあとは一定の値に留まり、本実施の形態１にかかるＭＲＩ装置を構成する他の装置に対して影響を与えることはほとんどない。さらに、図１に示した通り、勾配磁場発生部２と、勾配磁場発生部２の下部に配置される整磁板６との間には空隙が設けられており、空気は良好な断熱材として機能することから、勾配磁場発生部２の底部における微小な温度上昇は整磁板６に対して全く影響を与えないといえる。
【００５８】
なお、上方向に拡散した熱については、勾配磁場発生部２の上部に冷却部３が配置されているため、冷却部３によって処理される。したがって、勾配磁場発生部２の上面の温度も上昇することはなく、勾配磁場発生部２の上面から熱が放出されることもない。
【００５９】
上述の議論は、勾配コイル１５および勾配コイル１８についても同様に成立する。したがって、本実施の形態１にかかるＭＲＩ装置においては、勾配磁場発生部２から発生する熱を勾配磁場発生部２の上に配置した冷却部３のみで処理することが可能であることが分かる。
【００６０】
以上説明したように、実施の形態１にかかるＭＲＩ装置は、使用時に勾配磁場発生部２から発生する熱を勾配磁場発生部２上に配置した冷却部３のみを用いて処理することが可能であるため、従来の冷却部を複数設けたＭＲＩ装置と比較して、効率よく熱を処理することができる。
【００６１】
また、冷却部３のみで熱処理をおこなうため、ＭＲＩ装置を構成する部品の数が少なくてすみ、製造コストの低減および装置設計の自由度の向上を図ることができる。
【００６２】
さらに、冷却部３は、勾配磁場発生部２で発生した熱を完全に処理できるため、静磁場発生磁石１の温度が変化することなく、静磁場の均一性に影響を与えるおそれもないため、撮影された画像データも良質なものを得ることができる。また、ＭＲＩ装置全体が熱により影響を受けることもないため、ＭＲＩ装置自体の劣化を防ぐこともできる。
【００６３】
なお、勾配磁場発生部２について、各層の熱伝導率の変化の態様は上述の例に限定されない。例えば、ｃ層１６の熱伝導率をｂ層１４よりも大きくし、ｅ層１９の熱伝導率をｄ層１７よりも大きくしても良い。また、本実施の形態１でａ層１３〜ｆ層２０の各層ごとに熱伝導率を設定したのは、あくまでこれらの層が別個独立して構成されているからに過ぎないため、必要ならば、例えばａ層１３自体が上部において下部よりも熱伝導率が大きくなる構造としても良い。すなわち、勾配コイル１２、１５、１８により生ずる熱が一方向に移動する構造であれば、本実施の形態１にかかるＭＲＩ装置と同様の効果を得ることができる。
【００６４】
また、静磁場発生磁石１によって発生する静磁場の値と、ＲＦコイル４が照射する電磁波の周波数の値は、上述した値には限定されない。これらの値は撮影対象物の種類および装置の特性によって適宜変更可能なものであり、静磁場の強度と電磁波の周波数との間に核磁気共鳴現象が成立するような値とすればよい。
【００６５】
実施の形態２．
次に、実施の形態２にかかるＭＲＩ装置について、図１、図５および図６を用いて説明する。なお、実施の形態１と同一または類似の部分については説明を省略する。
【００６６】
実施の形態２にかかるＭＲＩ装置は、図１に示すように、静磁場発生磁石１と、勾配磁場発生部２と、勾配磁場発生部２の上部に配置された冷却部３と、撮影対象物８に対して電磁波の送受信をおこなうＲＦコイル４と、磁気回路用ヨーク５と、静磁場を均一化するための整磁板６と、ＲＦシールド７とを有する。
【００６７】
勾配磁場発生部２は、図５に示すように、上面から見ると円形の形状からなり中心から外周に向かって円形の低熱伝導部分２５、リング形状からなる高熱伝導部分２６、低熱伝導部分２７、高熱伝導部分２８、低熱伝導部分２９が配置されている。ここで、高熱伝導部分２６、２８は、それぞれ勾配磁場発生部２の内部において、勾配コイルが存在する部分に対応する。すなわち、高熱伝導部分２６、２８は、図６におけるａ”層４３、ｂ”層４４、ｃ”層４５、ｄ”層４６、ｅ”層４７、ｆ”層４８が設けられた領域に対応している。
【００６８】
また、勾配磁場発生部２の中央から外周部にかけての断面形状は、図６で示すように、Ｘ方向勾配磁場発生部３１、Ｙ方向勾配磁場発生部３２、Ｚ方向勾配磁場発生部３３を順に積層した構造からなる。
【００６９】
Ｘ方向勾配磁場発生部３１は、勾配コイル３４を上下から薄い円盤で挟み込む構造からなる。下の円盤は、勾配コイル３４に近接した部分ではａ”層４３を形成し、それ以外の部分ではａ’層３５を形成する。同様に、上の円盤は、勾配コイル３４に近接した部分ではｂ”層４４を形成し、それ以外の部分ではｂ’層３６を形成している。これらの各層は、それぞれＦＲＰと、アルミナを構成成分として有する。アルミナの含有量を調整することで、それぞれの層の熱伝導率を変化させることができ、各層の熱伝導率の大小関係は、ｂ”層４４＞ａ”層４３＞ｂ’層３６＝ａ’層３５とする。
【００７０】
Ｙ方向勾配磁場発生部３２は、Ｘ方向勾配磁場発生部３１の場合と同様に、勾配コイル３７を上下方向から薄い円盤で挟み込む構造からなる。下側の円盤は、勾配コイル３７の近接部分ではｃ”層４５を形成し、それ以外の部分ではｃ’層３８を形成する。同様に、上側の円盤は、勾配コイル３７の近接部分ではｄ”層４６を形成し、それ以外の部分ではｄ’層３９を形成する。各層はＦＲＰとアルミナを構成成分に有し、アルミナの含有量を調整することで、各層の熱伝導率の大小関係はｄ”層４６＞ｃ”層４５＞ｄ’層３９＝ｃ’層３８とする。また、Ｘ方向勾配磁場発生部３１における各層との関係では、熱伝導率の大きさはｃ”層４５＝ｂ”層４４、ｃ’層３８＝ｂ’層３６とする。
【００７１】
Ｚ方向勾配磁場発生部３３は、勾配コイル４０を上下から薄い円盤で挟み込む構造からなる。挟み込む円盤のうち、下側の円盤は、勾配コイル４０に近接する部分でｅ”層４７を形成し、それ以外の部分でｅ’層４１を形成する。上側の円盤は、勾配コイル４０に近接する部分でｆ”層４８を形成し、それ以外の部分ではｆ’層４２を形成する。各層は、ＦＲＰとアルミナを構成成分に有し、アルミナの含有量を調整することで各層の熱伝導率はｆ”層４８＞ｅ”層４７＞ｅ’層４１＝ｆ’層４２という大小関係を有する。また、Ｙ方向勾配磁場発生部３２における各層との関係では、熱伝導率の大きさはｅ”層４７＝ｄ”層４６、ｆ’層４２＝ｃ’層３８とする。
【００７２】
したがって、勾配磁場発生部２における各層の熱伝導率の大小関係は、ｆ”層４８＞ｅ”層４７＝ｄ”層４６＞ｃ”層４５＝ｂ”層４４＞ａ”層４３＞ｆ’層４２＝ｅ’層４１＝ｄ’層３９＝ｃ’層３８＝ｂ’層３６＝ａ’層３５となる。
【００７３】
次に、実施の形態２にかかるＭＲＩ装置を使用した際に、勾配磁場発生部２から発生する熱の流れについて説明する。勾配コイル３４、３７、４０には数百アンペアの電流が流れるため、ジュール熱が発生する。これに対し、勾配磁場発生部２では、ａ’層３５、ｂ’層３６、・・・・、ｆ’層４２における熱伝導率が他の層と比べて小さいため、勾配コイル３４、３７、４０からこれらの層には熱はほとんど流れない。
【００７４】
一方、ａ”層４３、ｂ”層４４、・・・・、ｆ”層４８は、上に行くにしたがって熱伝導率が高くなる構造をとるため、勾配コイル３４、３７、４０から発生する熱はこれらの層を通って上方向に拡散する。したがって、勾配コイル３４、３７、４０から発生した熱は、勾配磁場発生部２の上面にまで到達し、勾配磁場発生部２の上部に配置された冷却部３で処理される。そのため、発生する熱はすべて冷却部３でのみ処理することができ、効率よく熱を処理をすることが可能であり、かつ、装置の構造を単純化して装置全体の重量を軽くすることができる。また、静磁場発生磁石１が熱による影響を受けないために良質な画像を得ることができる。
【００７５】
また、本実施の形態２における勾配磁場発生部２では、横方向に熱が拡散することがほとんどない。したがって、発生した熱が放出されるのは図５における高熱伝導部分２６、２８においてのみであるため、冷却部３も高熱伝導部分２６、２８から放出される熱を吸収できればよい。そのため、冷却部３を小型化することが可能であり、さらにＭＲＩ装置全体において構造を単純化し、重量を軽くすることが可能である。
【００７６】
なお、本実施の形態２において、高熱伝導部分２６、２８は勾配コイル３４、３７、４０の配置に対応して設けられているのであるため、勾配コイル３４、３７、４０の配線パターンが図６に示したものと異なる場合、高熱伝導部分２６、２８の配置、形状も当然異なってくる。
【００７７】
また、低熱伝導部分２５、２７、２９を構成するａ’層３５、ｂ’層３６、・・・・、ｆ’層４２において、熱伝導率を同一のものとするのではなく、高熱伝導部分２６、２８の場合と同様に、上に向かうにしたがって熱伝導率が高くなる構造としても良い。勾配コイル３４、３７、４０から発生する熱は、厳密にはまったく横方向に拡散しないというわけではなく、多少の熱は横方向に漏れ出す。したがって、この横方向に漏れだした熱についても処理することがより望ましい。そのため、低熱伝導部分２５、２７、２９についても、上下方向に熱伝導率を変化させて漏れだした熱を上方に拡散させて上部に配置した冷却部３で処理をおこなうことにより、他の装置に及ぼすおそれを一切排除することができる。ただし、この場合でも横方向に拡散する熱をなるべく抑えるために、例えばａ”層４３の熱伝導率はａ’層３５の熱伝導率よりも高くする必要がある。
【００７８】
さらに、高熱伝導部分と低熱伝導部分の配置を、勾配コイルの存在の有無によって分けるのではなく、勾配コイルの密集した部分と、密集していない部分にわけてもよい。この場合は、勾配コイルが密集した部分からは大量の熱が発生するため、密集部分を高熱伝導部分とすることで効率よく熱を上方向に拡散させることができるという効果を有する。
【００７９】
さらに、横方向の熱伝導率の違いを高熱伝導部分２６、２８と低熱伝導部分２５、２７、２９の２段階にのみ分けるのではなく、例えば高熱伝導部分と低熱伝導部分との間の値の熱伝導率を有する部分を複数設けて、熱伝導率の違いを多段階のものとしても良い。この場合、例えば、高熱伝導率領域は勾配コイルがもっとも密集している領域に配置し、勾配コイルの密集の度合いに応じて異なる熱伝導率を有する領域を配置する構造とすることができる。
【００８０】
実施の形態３．
次に、図１および図７を用いて実施の形態３にかかるＭＲＩ装置について、説明する。実施の形態３にかかるＭＲＩ装置は、図１に示すように、静磁場発生磁石１と、勾配磁場発生部２と、図７に示すように勾配磁場発生部２の上部に配置されたヒートシンク４９と、ヒートシンク４９の上部に配置された冷却部３と、撮影対象物８に対して電磁波の送受信をおこなうＲＦコイル４と、磁気回路用ヨーク５と、静磁場を均一化するための整磁板６と、ＲＦシールド７とを有する。
【００８１】
勾配磁場発生部２は、図７に示すように、Ｘ方向勾配磁場発生部９と、Ｙ方向勾配磁場発生部１０と、Ｚ方向勾配磁場発生部１１と、冷却部３を順に積層した構造からなる。
【００８２】
ヒートシンク４９は、勾配コイル１２、１５、１８から発生し、勾配磁場発生部２の上端部まで到達した熱を冷却部３に伝えるためのものである。ヒートシンク４９の材料としては、熱伝導性に優れた金属等を用いることが望ましい。具体的には、銅（Ｃｕ）や、アルミニウム（Ａｌ）等で構成することが望ましい。
【００８３】
ヒートシンク４９を勾配磁場発生部２と冷却部３との間に配置することによって、勾配磁場発生部２から発生した熱を効率よく冷却部３へ伝えることができる。具体的には、ヒートシンク４９の熱伝導率はｆ層２０よりも大きな値であるため、勾配磁場発生部２内部の場合と同様に、ｆ層２０上に存在する熱は、ヒートシンク４９内部を上方向に拡散して、冷却部３に到達する。
【００８４】
また、ヒートシンク４９は熱伝導率が大きいため、一度に多量の熱を拡散させることが可能である。したがって、ｆ層２０に到達した熱は、ヒートシンク４９により速やかに冷却部３へ到達し、その分ｆ層２０の上面の温度は低下する。これにより、熱が発生する勾配コイル１２、１５、１８とｆ層２０との温度差は拡大するため、式（１）より、勾配コイル１２、１５、１８から上方向に拡散される熱の量は増大することが分かる。熱を効率的に冷却部に送ることが可能となるため、発生した熱の処理にさらに優れたＭＲＩ装置を実現することができる。
【００８５】
なお、実施の形態３における勾配磁場発生部２は、実施の形態１における場合と同様の構造からなるが、実施の形態２のように、高熱伝導部分と低熱伝導部分とに分かれた構造としても良い。このような構造としても、ヒートシンク４９を冷却部３との間に挟んでいれば、冷却効率をさらに上げることできる。
【００８６】
また、図７ではヒートシンク４９は一様な板状体からなるものとしているが、ヒートシンク４９の形状はこれに限定されない。放熱効果に優れた構造からなるヒートシンクであれば、本実施の形態３におけるヒートシンク４９として用いることができる。
【００８７】
なお、上述のように本発明は実施の形態１から実施の形態３によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかになると思われる。例えば、本実施の形態１から実施の形態３において、ＭＲＩ装置の撮影対象は人体に限定されず、使用目的も医療用に限定されない。例えば、本実施の形態にかかるＭＲＩ装置は、人体以外の物体についての非破壊検査などに利用することも有効である。
【００８８】
また、勾配磁場発生部２に関してもＸ方向勾配磁場発生部、Ｙ方向勾配磁場発生部、Ｚ方向勾配磁場発生部の順に積層する必要は必ずしもなく、積層する順番を変更することが可能であり、各方向勾配磁場発生部を互いに分離した形態で配置することもできる。互いに分離した場合には、それぞれに対して冷却部を配置する必要が生ずるが、その場合でも、従来の上下に配置する構造と比較して効率の良い熱の処理をおこなうことができる。また、勾配磁場発生部２以外の配置についても同様で、適宜設計変更が可能である。例えば静磁場発生磁石１、整磁板６、勾配磁場発生部２、冷却部３、ＲＦシールド７、ＲＦコイル４のセットを撮影対象物８の上部に配置することも可能であり、上部と下部の双方に配置しても良い。
【００８９】
また、実施の形態１〜３にかかるＭＲＩ装置は、垂直方向に静磁場を印加する、いわゆる垂直磁場型であるが、本発明は静磁場を水平方向に印加する、いわゆる水平磁場型のＭＲＩ装置に適用することも可能である。
【００９０】
また、勾配磁場発生部２の構造を、熱を上方へ拡散させる構造のみならず、下方へ拡散させる構造としても良い。この場合は、勾配磁場発生部２の下部に向かってアルミナの含有量を増加させればよい。ただし、その場合には冷却部３は磁場発生装置２の上部ではなく、下部に接触して配置する必要がある。
【００９１】
さらに、熱の拡散を１方向におこなうのではなく、例えば、静磁場発生磁石１のように温度変化に敏感な装置に対する方向にのみ熱の拡散が起こらないように勾配磁場発生部２の熱伝導率を変化させることも有効である。勾配磁場発生部２から発生する熱の総量がそれほどでない場合、温度変化に敏感な装置に熱拡散が集中しなければ装置の特性を悪化させることはないためである。
【００９２】
また、熱の拡散を１方向におこなうのではなく、勾配磁場発生部２上のある１点に向かうように熱の移動をおこなわせるように勾配磁場発生部２の熱伝導率を変化させる構造とすることも有効である。この場合には、勾配磁場発生部２から外部に対して熱は１カ所のみから放出されるため、冷却部３を熱が放出される領域の大きさに対応して小型化することができる。
【００９３】
また、勾配磁場発生部はそれぞれＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向について勾配磁場を発生するものとしているが、これらの方向についても必ずしも直交座標系に限定されるものではない。また、図中に表示したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸についても、これに限定されるものではない。装置の特性および撮影対象の形状などにあわせて適宜変更することが可能である。
【００９４】
【発明の効果】
上述してきたように、第１の観点にかかる発明によれば、熱拡散装置による熱の拡散に異方性を持たせた構成としたため、たとえば熱拡散装置の周囲に熱の影響を受けやすい物体が配置されていても、その物体が配置された方向への熱の拡散を防止することができるという効果を奏する。
【００９５】
また、第２の観点にかかる発明によれば、所定の方向に熱を拡散させることができる構成としたため、効率良く熱の拡散をおこなえるという効果を奏する。
【００９６】
また、第３の観点にかかる発明によれば、熱拡散装置を構成する部材のうち、もっとも熱伝導率の高い部材に冷却部を接触させる構成としたため、拡散してきた熱を冷却部で効率良く処理することができるという効果を奏する。
【００９７】
また、第４の観点にかかる発明によれば、熱伝導率の異なる複数の物質から構成し、熱の拡散に異方性を持たせる構成としたため、熱の影響を受けやすい装置の配置された方向に対して熱の拡散を防止することができるという効果を奏する。
【００９８】
また、第５の観点にかかる発明によれば、所定の方向に対してのみ熱の拡散をおこなうような構成としたため、効率の良い熱の放出をおこなうことができるという効果を奏する。
【００９９】
また、第６の観点にかかる発明によれば、勾配磁場発生部で発生した熱を上方向に拡散させることが可能であり、勾配磁場発生部の上部に冷却部を配置することにより拡散してきた熱を効率よく排除することができるという効果を奏する。
【０１００】
また、第７の観点にかかる発明によれば、勾配磁場発生部において、コイルが存在して大量の熱が発生する部分においては、同一の固定板における他の部分よりも熱伝導率の高い物質で構成することとしたため、横方向への熱の拡散を抑制し、上部方向への効率良い熱拡散をおこなうことができるという効果を奏する。
【０１０１】
また、第８の観点にかかる発明によれば、勾配磁場発生部と冷却部との間にヒートシンクを配置する構成としたため、勾配磁場発生部で発生した熱を冷却部に効率よく伝えることができるという効果を奏する。
【０１０２】
また、第９の観点にかかる発明によれば、固定板を構成する繊維強化プラスチックにアルミニウムを混入することで熱伝導率を変化させる構成としたため、固定板としての機能を損なうことなく、熱伝導率を変化させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１、２、３にかかるＭＲＩ装置の構造を示す模式図である。
【図２】実施の形態１にかかるＭＲＩ装置における勾配磁場発生部の構造を示す断面図である。
【図３】実施の形態１にかかるＭＲＩ装置の動作を示すフローチャートである。
【図４】実施の形態１にかかるＭＲＩ装置における勾配磁場発生部における熱の流れを示す模式図である。
【図５】実施の形態２にかかるＭＲＩ装置における勾配磁場発生部の構造を示す上面図である。
【図６】実施の形態２にかかるＭＲＩ装置における勾配磁場発生部の構造を示す断面図である。
【図７】実施の形態３にかかるＭＲＩ装置における勾配磁場発生部の構造を示す断面図である。
【図８】従来技術にかかる勾配磁場発生部の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 静磁場発生磁石
２ 勾配磁場発生部
３、７３、７４ 冷却部
４ ＲＦコイル
５ 磁気回路用ヨーク
６ 整磁板
７ ＲＦシールド
８ 撮影対象物
９、３１、６１ Ｘ方向勾配磁場発生部
１０、３２、６２ Ｙ方向勾配磁場発生部
１１、３３、６３ Ｚ方向勾配磁場発生部
１２、１５、１８、３４、３７、４０、６４、６７、７０ 勾配コイル
１３ ａ層
１４ ｂ層
１６ ｃ層
１７ ｄ層
１９ ｅ層
２０ ｆ層
２５、２７、２９ 低熱伝導部分
２６、２８ 高熱伝導部分
３５ ａ’層
３６ ｂ’層
３８ ｃ’層
３９ ｄ’層
４１ ｅ’層
４２ ｆ’層
４３ ａ”層
４４ ｂ”層
４５ ｃ”層
４６ ｄ”層
４７ ｅ”層
４８ ｆ”層
４９ ヒートシンク
６５、６６ Ｘ方向勾配コイル固定板
６８、６９ Ｙ方向勾配コイル固定板
７１、７２ Ｚ方向勾配コイル固定板

Claims (4)

1. 均一な磁場を発生する静磁場発生磁石と、位置および時間に応じて変動する磁場を発生する勾配磁場発生部と、勾配磁場発生部から生ずる熱を除去する冷却部と、電磁波送受信手段とを有する磁気共鳴映像撮像装置において、
   前記勾配磁場発生部が、勾配コイルを複数の固定板により挟み込む構成からなる１方位勾配磁場発生部を複数積層したものであって、個々の前記固定板が、それぞれ下部に位置する固定板の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有し、
   前記冷却部が、前記勾配磁場発生部の上部に配置されていることを特徴とする磁気共鳴映像撮像装置。
2. 前記固定板が、前記勾配コイルの周辺部分において前記固定板における他の部分よりも熱伝導率の高い物質からなることを特徴とする請求項１に記載の磁気共鳴映像撮像装置。
3. 前記固定板が、繊維強化プラスチックおよびアルミニウム酸化物を構成成分に有し、アルミニウム酸化物の含有量を変化させることで前記固定板の熱伝導率を変化させることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気共鳴映像撮像装置。
4. 前記勾配磁場発生部と前記冷却部との間に配置され、前記勾配磁場発生部から発生した熱を前記冷却部に伝えるためのヒートシンクを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の磁気共鳴映像撮像装置。

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