JP5100199B2 - 傾斜磁場コイル、当該傾斜磁場コイルの製造方法、ならびに上記傾斜磁場コイルを備えた磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Description

本発明は、樹脂材料が含浸された傾斜磁場コイル、当該傾斜磁場コイルの製造方法、ならびに上記傾斜磁場コイルを備えた磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）装置に関する。

医療用のＭＲＩ装置は、ガントリを備える。ガントリの内部には、静磁場磁石、傾斜磁場コイルおよび冷却配管などが配置されている。

傾斜磁場コイルは、複数のコイルを備えており、これらの複数のコイルが通電されることにより傾斜磁場を発生する。各コイルは、導電性の線材を発生するべき傾斜磁場のパターンに応じた巻きパターンで巻き回して構成される。同一線材どうしの隙間や異なるコイルの線材どうしの隙間には樹脂材料が充填される。樹脂材料は、線材どうしを絶縁するとともに、上記の巻きパターンで巻き回された状態を維持する。

ところで、近年のＭＲＩ装置における傾斜磁場は、より大きな強度と、より早い立ち上がりが要求されている。このため、傾斜磁場コイルには、大電流が供給されるようになってきている。これに伴い、コイルでの発熱量が増大する傾向にあり、傾斜磁場コイルの冷却は、非常に重要なものとなっている（例えば、特許文献１を参照。）。
米国特許第６，７４１，１５２号明細書

ところで上記の樹脂材料としては、従来よりエポキシ樹脂が使用されてきた。エポキシ樹脂は、高温になると、粘性が低くなるため、コイルの隙間の隅々まで行き渡らせるのに適しているものの、熱伝導性が非常に悪いという特徴がある。従って、エポキシ樹脂がコイルの隙間に充填された傾斜磁場コイルでは、エポキシ樹脂がバリアとなってコイルで発生した熱が冷却配管に伝達され難く、冷却能力が低下する。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、傾斜磁場コイルの放熱効率を高めることにある。

本発明の第１の態様による磁気共鳴イメージング装置は、静磁場中の被検体に対して印加する傾斜磁場を発生する傾斜磁場コイルを有するガントリと、前記被検体を載置するための天板をその長手方向にスライドさせる寝台と、前記被検体に対して高周波パルスを印加するパルス印加部と、前記傾斜磁場及び前記高周波パルスの印加により前記被検体で発生した磁気共鳴信号を検出するための高周波コイルとを備え、前記傾斜磁場コイルは、各々が所定の巻きパターンで巻き回された複数の線材と、前記複数の線材どうしの間の隙間に充填された第１の樹脂材料と、前記第１の樹脂材料より熱伝導率が高く、前記複数の線材のうちの少なくとも１つの線材が巻き回されたことにより当該線材どうしの間に形成された隙間に充填された第２の樹脂材料とを備える。

本発明の第２の態様による傾斜磁場コイルの製造方法は、それぞれが線材を所定の巻きパターンで巻き回して構成される複数のコイルを備えた傾斜磁場コイルの製造方法であって、前記複数のコイルのうちの少なくとも１つのコイルにおける前記線材が巻き回されたことにより当該線材どうしの間に形成された隙間に、粘土状の樹脂材料を塗り込み、前記複数のコイルを配列し、前記複数のコイルの隙間に、前記粘土状の樹脂材料よりも熱伝導率が低い液状の樹脂材料を流し込み、前記液状の樹脂材料を凝固させる。

本発明の第３の態様による傾斜磁場コイルは、各々が所定の巻きパターンで巻き回された複数の線材と、前記複数の線材どうしの間の隙間に充填された第１の樹脂材料と、前記第１の樹脂材料より熱伝導率が高く、前記複数の線材のうちの少なくとも１つの線材が巻き回されたことにより当該線材どうしの間に形成された隙間に充填された第２の樹脂材料とを備える。

本発明によれば、傾斜磁場コイルの放熱効率を高めることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の一実施形態について説明する。

図１は本発明の一実施形態にかかるＭＲＩ装置の一部の概略図である。

本実施形態におけるＭＲＩ装置は、ガントリ１０、静磁場磁石１１、傾斜磁場コイル１２、静磁場電源２１、傾斜磁場電源２２、高周波コイル（ＲＦコイル）２３、送信器２４、受信器２５、シーケンサ２６、ホストコントローラ２７、入力器２８、演算ユニット２９、記憶ユニット３０および表示器３１を備える。さらには、ＭＲＩ装置は、ガントリ１０に隣接して配置されるが図示を省略している寝台を備える。なお、シーケンサ２６、ホストコントローラ２７、演算ユニット２９および記憶ユニット３０は、制御処理部（コンピュータシステム）に含まれる。ガントリ１０は典型的には、その内側中央部に略円筒状に撮影空間１０ａが貫通して形成されている。この撮影空間の軸方向をＺ方向とし、このＺ方向に直交するとともに互いにも直交する２方向をＸ方向（左右方向）およびＹ方向（上下方向）として定義する。図１では、ガントリ１０はＹＺ面で破断した半分のみを示している。

ガントリ１０は、静磁場磁石１１および傾斜磁場コイル１２を収容する。静磁場磁石１１は、静磁場電源２１から電流供給を受けて、撮影空間に静磁場Ｂ0を発生する。この静磁場磁石１１としては、典型的には、超電導磁石が用いられる。静磁場磁石１１の全体形状は、略円筒状に形成されている。静磁場磁石１１の内側には、マグネットボア（以下、単にボアと称する）１１ａが形成されている。ボア１１ａの軸心は、撮影空間１０ａの軸心に一致する。傾斜磁場コイル１２は、ボア１１ａ内に配置される。傾斜磁場コイル１２は、傾斜磁場電源２２からＸ，Ｙ，Ｚの各軸に対応した駆動電流の供給を個別に受けてＸ，Ｙ，Ｚの各軸に関する傾斜磁場を個別に発生するための３組のコイルを含む。

ＲＦコイル２３は、撮影時には撮影空間１０ａの内側に配置される。ＲＦコイル２３には、送信器２４及び受信器２５が接続されている。送信器２４は、シーケンサ２６の制御のもと、ラーモア周波数で振動するパルス電流をＲＦコイル２３に供給する。受信器２５は、ＲＦコイル２３を介して磁気共鳴（ＭＲ）信号を受信し、各種の信号処理を施して、対応するデジタル信号を形成する。寝台の天板３２は、ガントリ１０の撮影空間１０ａに対して進退可能に配置されていて、その上面には被検体１００が載置される。

シーケンサ２６は、ＭＲＩ装置全体を管理するホストコントローラ２７の制御の下に置かれている。ホストコントローラ２７には、入力器２８が接続される。オペレータは、入力器２８を介して、スピンエコー（ＳＥ）法やエコープラナー（ＥＰＩ）法等の複数種類のパルスシーケンスの中から所望とするパルスシーケンスを選択することができる。ホストコントローラ２７は、選択されたパルスシーケンスをシーケンサ２６にセットする。シーケンサ２６は、セットされたパルスシーケンスにしたがって、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向の各傾斜磁場の印加タイミングおよび強度、高周波磁場の印加タイミングや、振幅および継続時間等を制御する。

演算ユニット２９は、受信器２５で形成されたＭＲ信号（デジタルデータ）を入力して、内蔵するメモリで形成される２次元フーリエ空間への実測データの配置、画像再構成のためのフーリエ変換などの処理を行い、画像データやスペクトルデータを発生する。記憶ユニット３０は、演算された画像データを保管する。表示器３１は、画像を表示する。

図２は傾斜磁場コイル１２の部分断面図であり、図１における円ＣＡで囲われた部分を拡大して示す。

図２に示すように、傾斜磁場コイル１２は、メインコイルユニット１３とシールドコイルユニット１４とを備え、その全体がエポキシ樹脂１５によって覆われている。なお、エポキシ樹脂１５は、液状時の粘性が低い別種の常温硬化型樹脂に代替可能である。

メインコイルユニット１３は、Ｘ−メインコイル１３１、Ｙ−メインコイル１３２、Ｚ−メインコイル１３３および冷却配管１３４を含む。Ｘ−メインコイル１３１、Ｙ−メインコイル１３２およびＺ−メインコイル１３３は、それぞれ導電性の線材１６をＸ，Ｙ，Ｚの各軸に関する傾斜磁場を発生するのに適するパターンで巻き回して構成されている。同一の線材１６どうしの隙間には、コンパウンド材１７が充填されている。Ｘ−メインコイル１３１、Ｙ−メインコイル１３２およびＺ−メインコイル１３３は、傾斜磁場コイル１２の内側から外側に向かう方向にＸ−メインコイル１３１、Ｙ−メインコイル１３２およびＺ−メインコイル１３３の順で隙間を設けつつ積層配置されている。さらにＺ−メインコイル１３３の外側には、冷却配管１３４が螺旋状に配置されている。この冷却配管１３４どうしの隙間は、コンパウンド材１７によって充填されている。そして、傾斜磁場コイル１２の内側に位置するＸ−メインコイル１３１の面、Ｘ−メインコイル１３１とＹ−メインコイル１３２との隙間、Ｙ−メインコイル１３２とＺ−メインコイル１３３との隙間およびＺ−メインコイル１３３と冷却配管１３４との隙間には、エポキシ樹脂１５が充填されている。

シールドコイルユニット１４は、Ｚ−シールドコイル１４１、Ｘ−シールドコイル１４２、Ｙ−シールドコイル１４３および冷却配管１４４を含む。Ｚ−シールドコイル１４１、Ｘ−シールドコイル１４２およびＹ−シールドコイル１４３は、それぞれ導電性の線材１６をＸ，Ｙ，Ｚの各軸に関する傾斜磁場をシールドするのに適するパターンで巻き回して構成されている。同一の線材１６どうしの隙間には、コンパウンド材１７が充填されている。Ｚ−シールドコイル１４１、Ｘ−シールドコイル１４２およびＹ−シールドコイル１４３は、傾斜磁場コイル１２の内側から外側に向かう方向にＺ−シールドコイル１４１、Ｘ−シールドコイル１４２およびＹ−シールドコイル１４３の順で隙間を設けつつ積層配置されている。さらにＺ−シールドコイル１４１の内側には、冷却配管１４４が螺旋状に配置されている。この冷却配管１４４どうしの隙間は、コンパウンド材１７によって充填されている。なお、冷却配管１３４、１４４は、図示しない循環装置に接続されていて、冷却水が循環されている。

コンパウンド材１７としては、例えばエポキシ樹脂にシリカなどのフィラーを混ぜ合わせたものを使用できる。フィラーとしては、シリカの代わりにアルミナなどを使用することもできる。ただしフィラーは、エポキシ樹脂に比べて熱伝導率が高く、絶縁性であり、かつ非磁性であることが望ましい。

メインコイルユニット１３とシールドコイルユニット１４との間には、隙間Ｇを形成している。隙間Ｇには、鉄シムを収容するためのポケットを複数備えた調整トレイ（図示せず）が必要に応じて挿入される。調整トレイが隙間Ｇに挿入されることにより、各ポケットに必要に応じて収容された鉄シムの作用によって撮影空間１０ａの内側における静磁場の強度分布が調整される。

図３はＸ−メインコイル１３１の斜視図である。なお、図３に示すＸ−メインコイル１３１は、図１において右斜め下方から示されたものである。

図３に示すように、Ｘ−メインコイル１３１を形成する線材１６は、螺旋状に巻き回されている。そして、線材１６どうしの隙間には、コンパウンド材１７が充填されている。

なお、その他のコイル１３２〜１３３、１４１〜１４３は、Ｘ−メインコイル１３１とは線材１６の巻きパターンが異なるが、Ｘ−メインコイル１３１と同様に構成される。

次に、以上のように構成された傾斜磁場コイル１２の製造方法について説明する。

先ず、線材１６を各コイル１３１〜１３３、１４１〜１４３に応じたパターンで巻き回した上で、線材１６どうしの隙間にコンパウンド材１７を塗り込む。コンパウンド材１７は、フィラーが混ぜ合わされていることにより、エポキシ樹脂に比べて粘度が非常に高く、いわゆる粘土状である。しかしながら、線材１６どうしの隙間に直接的にコンパウンド材１７を塗り込むことができるから、その作業は容易である。

次に、コンパウンド材１７が塗り込められた各コイル１３１〜１３３、１４１〜１４３および冷却配管１３４，１４４を型枠に嵌め込んだ上で、型枠内に液状のエポキシ樹脂１５を注入する。型枠は、コイル１３１〜１３３、１４１〜１４３および冷却配管１３４，１４４を図２に示されるような位置関係に支持する。型枠に嵌め込まれたコイル１３１〜１３３、１４１〜１４３および冷却配管１３４，１４４を、エポキシ樹脂１５を注入する前にガラステープなどを用いて固定しても良い。エポキシ樹脂は、液状では粘性が低いので、各コイルどうしの隙間や各コイルと冷却配管１３４，１４４との隙間に容易に含浸する。なお、コンパウンド材１７は、常温で硬化するので、このエポキシ樹脂１５を注入する工程において、コンパウンド材１７がコイル１３１〜１３３、１４１〜１４３から流下してしまうことがない。

そして、エポキシ樹脂１５およびコンパウンド材１７が凝固したのちに、コイル１３１〜１３３、１４１〜１４３および冷却配管１３４，１４４をエポキシ樹脂１５とともに型枠から取り出す。以上で、傾斜磁場コイル１２が完成する。

以上のように本実施形態によれば、傾斜磁場コイル１２は、従来はエポキシ樹脂１５が充填されていた領域の一部にコンパウンド材１７が充填される。コンパウンド材１７は、エポキシ樹脂よりも熱伝導率が高いフィラーが混ぜ合わされているために、エポキシ樹脂１５よりも熱伝導率が高い。そしてエポキシ樹脂１５は、異なるコイルどうしの隙間およびコイルと冷却配管１３４，１４４との隙間に薄い層として存在するだけである。このため、各コイル１３１〜１３３、１４１〜１４３のそれぞれの線材１６で発生する熱は、従来よりも効率的に冷却配管１３４，１４４へと伝達され、冷却水によって効率的に冷却される。

なお、放熱効率をより高めるならば、エポキシ樹脂１５を使用せずに、全ての隙間にコンパウンド材１７を充填することが考えられる。しかしながら、コンパウンド材１７は、その高い粘度のために、異なるコイルどうしの隙間およびコイルと冷却配管１３４，１４４との隙間に含浸させることが困難であるため、製造が非常に困難となってしまう。これに対して本実施形態によれば、エポキシ樹脂１５とコンパウンド材１７とを使い分けていることによって、製造の際の手間の増加を抑えながら、上記のように放熱効率を高めることができる。

（シミュレーション結果）
図４は傾斜磁場コイル１２が使用されたときのＹＺ面での温度上昇に関するシミュレーション結果を示す図である。図５は従来の傾斜磁場コイルが使用されたときのＹＺ面での温度上昇に関するシミュレーション結果を示す図である。図４および図５は、傾斜磁場コイル１２および従来から存在する傾斜磁場コイルを同一の条件（例えば、１５ｋＷの電流を供給）で同一の時間に渡り動作させた場合のシミュレーション結果を示している。なお、従来の傾斜磁場コイルとは、傾斜磁場コイル１２においてコンパウンド材１７が充填されている領域にもエポキシ樹脂１５を充填して構成された傾斜磁場コイルである。

図４および図５におけるハッチングは、温度の違いを表す。図４と図５とで、同種のハッチングは等しい温度領域を示す。温度は、符号Ｔａで示される領域が最も低く、符号Ｔｅで示される領域が最も高い。即ち、Ｔａ＜Ｔｂ＜Ｔｃ＜Ｔｄ＜Ｔｅの関係で各領域の温度が異なっている。なお、図４および図５では、コイル１３１〜１３３、１４１〜１４３の構成の図示は省略している。

図４および図５を見比べると、傾斜磁場コイル１２では符号Ｔｅで示される高温領域が明らかに従来の傾斜磁場コイルよりも小さいことなど、傾斜磁場コイル１２は全体的に従来の傾斜磁場コイルよりも温度上昇しにくいことがわかる。

このシミュレーション結果から、本実施形態にかかる傾斜磁場コイル１２が、従来の傾斜磁場コイルよりも熱を効率良く排出できることが明らかである。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。

本発明の一実施形態にかかるＭＲＩ装置の一部の概略図。 図１中の傾斜磁場コイル１２の部分断面図。 図１中の傾斜磁場コイル１２に含まれるＸ−メインコイル１３１の斜視図。 図１中の傾斜磁場コイル１２の温度上昇に関するシミュレーション結果を示す図。 従来から存在する傾斜磁場コイルの温度上昇に関するシミュレーション結果を示す図。

符号の説明

１０…ガントリ、１０ａ…撮影空間、１１…静磁場磁石、１１ａ…ボア、１２…傾斜磁場コイル、１３…メインコイルユニット、１４…シールドコイルユニット、１５…エポキシ樹脂、１６…線材、１７…コンパウンド材、２１…静磁場電源、２２…傾斜磁場電源、２３…コイル、２４…送信器、２５…受信器、２６…シーケンサ、２７…ホストコントローラ、２８…入力器、２９…演算ユニット、３０…記憶ユニット、３１…表示器、３２…天板、１００…被検体、１３１…Ｘ−メインコイル、１３２…Ｙ−メインコイル、１３３…Ｚ−メインコイル、１３４，１４４…冷却配管、１４１…Ｚ−シールドコイル、１４２…Ｘ−シールドコイル、１４３…Ｙ−シールドコイル。

Claims (13)

1. 静磁場中の被検体に対して印加する傾斜磁場を発生する傾斜磁場コイルを有するガントリと、
   前記被検体を載置するための天板をその長手方向にスライドさせる寝台と、
   前記被検体に対して高周波パルスを印加するパルス印加部と、
   前記傾斜磁場及び前記高周波パルスの印加により前記被検体で発生した磁気共鳴信号を検出するための高周波コイルとを備え、
   前記傾斜磁場コイルは、
   各々が所定の巻きパターンで巻き回された複数の線材と、
   前記複数の線材どうしの間の隙間に充填された第１の樹脂材料と、
   前記第１の樹脂材料より熱伝導率が高く、前記複数の線材のうちの少なくとも１つの線材が巻き回されたことにより当該線材どうしの間に形成された隙間に充填された第２の樹脂材料とを具備していることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
2. 前記第２の樹脂材料は、前記第１の樹脂材料として使用されるのと同じ常温硬化型樹脂に前記常温硬化型樹脂よりも熱伝導率が高いフィラーを混ぜ合わせたものであることを特徴とする請求項１に記載された磁気共鳴イメージング装置。
3. 前記フィラーは、絶縁性、かつ非磁性であることを特徴とする請求項２に記載された磁気共鳴イメージング装置。
4. 前記第１および第２の樹脂材料はいずれも常温硬化型樹脂を含み、凝固前の状態における粘性が、前記第２の樹脂材料の方が前記第１の樹脂材料よりも高いことを特徴とする請求項１に記載された磁気共鳴イメージング装置。
5. 前記傾斜磁場コイルは、前記線材で発生する熱を冷却するための冷却液を流すための冷却配管をさらに備え、
   前記第１の樹脂材料は前記線材のうちの少なくとも１つと前記冷却配管との間の隙間にも充填されることを特徴とする請求項１に記載された磁気共鳴イメージング装置。
6. それぞれが線材を所定の巻きパターンで巻き回して構成される複数のコイルを備えた傾斜磁場コイルの製造方法において、
   前記複数のコイルのうちの少なくとも１つのコイルにおける前記線材が巻き回されたことにより当該線材どうしの間に形成された隙間に、粘土状の樹脂材料を塗り込み、
   前記複数のコイルを配列し、
   前記複数のコイルの隙間に、前記粘土状の樹脂材料よりも熱伝導率が低い液状の樹脂材料を流し込み、
   前記液状の樹脂材料を凝固させることを特徴とする傾斜磁場コイルの製造方法。
7. 前記粘土状の樹脂材料は、前記液状の樹脂材料として使用されるのと同じ常温硬化型樹脂に前記常温硬化型樹脂よりも熱伝導率が高いフィラーを混ぜ合わせたものであることを特徴とする請求項６に記載された傾斜磁場コイルの製造方法。
8. 前記複数のコイルとともに前記線材で発生する熱を冷却するための冷却液を流すための冷却配管を配列し、
   前記複数のコイルの隙間の他に、前記複数のコイルの少なくとも１つと前記冷却配管との間の隙間にも前記液状の樹脂材料を流し込むことを特徴とする請求項６に記載された傾斜磁場コイルの製造方法。
9. 各々が所定の巻きパターンで巻き回された複数の線材と、
   前記複数の線材どうしの間の隙間に充填された第１の樹脂材料と、
   前記第１の樹脂材料より熱伝導率が高く、前記複数の線材のうちの少なくとも１つの線材が巻き回されたことにより当該線材どうしの間に形成された隙間に充填された第２の樹脂材料とを具備していることを特徴とする傾斜磁場コイル。
10. 前記第２の樹脂材料は、前記第１の樹脂材料として使用されるのと同じ常温硬化型樹脂に前記常温硬化型樹脂よりも熱伝導率が高いフィラーを混ぜ合わせたものであることを特徴とする請求項９に記載された傾斜磁場コイル。
11. 前記フィラーは、絶縁性、かつ非磁性であることを特徴とする請求項１０に記載された傾斜磁場コイル。
12. 前記第１および第２の樹脂材料はいずれも常温硬化型樹脂を含み、凝固前の状態における粘性が、前記第２の樹脂材料の方が前記第１の樹脂材料よりも高いことを特徴とする請求項９に記載された傾斜磁場コイル。
13. 前記線材で発生する熱を冷却するための冷却液を流すための冷却配管をさらに備え、
    前記第１の樹脂材料は前記線材のうちの少なくとも１つと前記冷却配管との間の隙間にも充填されることを特徴とする請求項９に記載された傾斜磁場コイル。

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