JP5100994B2 - 傾斜ボア冷却及びrfシールド - Google Patents

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Description

本発明は全般的には、磁気共鳴(MR)イメージング・システムまたはスキャナ向けの無線周波数(RF)及び傾斜コイルの配列に関する。さらに詳細には、本発明は、傾斜主コイルを十分に冷却する間にその間の分離を最大化することによってRFコイル動作性能を実質的に上昇させるために、MRスキャナのRFコイルを該スキャナの別の構成要素を基準として選択的に装着させた配列に関する。
よく知られているように、MRイメージング・システムまたはスキャナは、主マグネット・ボアの周りに位置決めされた強力な超伝導主マグネットを包含しているクライオスタットを含むのが一般的である。この超伝導マグネットは極めて低い温度に維持されており、かつボア内でこのボア軸に沿った向きに強力な静磁場(すなわち、B磁場)を発生させている。MRシステムの別の不可欠な構成要素には、RFコイル(または、RFアンテナ)と、中空の円筒構造を備えた傾斜コイル・アセンブリと、が含まれる。このRFコイルは、送信モードでは撮像対象内にMR信号を発生させるように動作させることがあり、また受信モードではこのMR信号を検出するように動作させることがある。傾斜コイル・アセンブリは、1つまたは複数の円筒状の巻型、並びにX、Y及びZ方向に傾斜磁場を発生させるためにこれにより支持された1組の傾斜コイルを備えている。これらの磁場は、MRデータの空間エンコードのために必要となる。典型的には、この傾斜コイル・アセンブリは主マグネット・ボアの内部に位置決めされる。
従来では、主マグネット・ボア内においてRFコイルは、より内側にある円筒状の型を成したさらに本質的なMRシステム構成要素に対してこれを取り付けることによって支持されるのが一般的手法であった。この内側の型は、傾斜コイル・アセンブリを通過させてこれと共軸関係で挿入された管状部材からなる。この内側管状部材の内部領域は一般に、関連するMRシステムの患者ボアまたは撮像ボリューム(すなわち、患者を受け容れるように配置されると共に、その内部でMR信号が発生されて検出されるボリューム)を成している。内側管状部材の端部は、端部キャップその他によってクライオスタットに取り付けられており、このため管状部材がこれにより支持される。典型的には、RFコイルは内側管状部材の外径の周りで、接近させた隣接関係で配置されると共に、これによって支持または保持されている。この管状部材は非導電性の材料から製作されており、このため管状部材が撮像ボリューム内部でRF動作性能を阻害することはない。
よく知られているように、MRシステムではMRデータを作成するのに必要なB磁場を発生させるためのRFコイルが必要である一方、このMRデータの空間エンコードのために3つの傾斜コイルからなる組が必要である。RFコイルと傾斜コイルの両者は、患者その他の撮像対象を受け容れるためのMRマグネット・ボアの周りに位置決めされている。傾斜コイルは、典型的にはRFコイルの外側に位置決めされており、傾斜コイルが発生させる磁場はマグネット・ボアに到達させるためにRFコイルを通過して延びなければならない。
典型的なコイル・アセンブリでは、その無線周波数コイルは傾斜コイルの内部でこれらの間に比較的わずかな間隔をもって配置されている。これら異なるコイルが物理的に極めて近くにあるため、RF励起磁場からのかなりの量のエネルギーが傾斜磁場コイル構造に当たったために失われることになる。この損失は包含された無線周波数コイルの品質係数(Q)の減衰として現れ、一方これにより撮像デバイスの正常に達成可能な信号対雑音比が劣化する。したがって通常は、無線周波数コイルと傾斜コイルの間にある種のRFシールドを配置させ、前者コイルのQ値、また結果としてシステムの信号対雑音比を維持している。
RFコイルと傾斜コイルの間に結合が生じると、傾斜コイルはRFコイル・エネルギーを吸収して、すなわち「吸い取って」しまう。これが、RFコイルのQ値(すなわち、品質係数)、並びにその信号対雑音比を大きく低下させる。RFコイルのパワーすなわちエネルギーのこうした吸収を防止するためには、RFコイルと傾斜コイルの間にRFシールドを配置させるのが一般的手法となっている。RFコイルのパワー吸収を防止するという観点からすると、RFコイルと傾斜コイルの間に位置決めされた固体の銅や同様の導体材料からなる円筒が理想的なシールドとなる。RF磁場は、RF磁場を反射して傾斜コイルとの相互作用を不可能とさせる役割をするこの固体の銅製円筒内でイメージ電流を誘導することになる。しかし、こうした固体シールドはまた、MRマグネット・ボア内にまで延びる傾斜磁場をかなり減衰させることになる。
従来技術の配列では、RFコイルとRFシールドが患者エンクロージャと傾斜主コイルの間に配置されている。RFコイルの動作性能を高めるには、傾斜コイルの内部でのRFシールドの配置を維持しながら、RFコイルとRFシールドの間の間隔を大きくすべきである。傾斜コイルの動作性能を高めるには、傾斜主コイルはできる限り患者エンクロージャの近傍に配置させるべきである。傾斜主コイルの内側表面は、コイルが過熱するのを防止し、患者エンクロージャ温度を規制限界内に維持するために冷却することが必要である。しかし、この冷却層はRFシールドと主傾斜コイルの間の空間を占有する。冷却層と傾斜主コイルの間にRFシールドを位置決めすると、冷却層と傾斜コイルの間のギャップが拡大するためその冷却動作性能が低下する。
米国特許第6441614号
したがって、RFシールドを傾斜主コイルの次に配置させることによってRF動作性能を最大化しながら、冷却層と傾斜コイルの間のギャップを最小限にすることによって冷却を最大化させるという要求が存在する。
上述の問題点及び欠点は、本明細書に開示した例示的な実施形態に従った傾斜コイル・アセンブリ及び該アセンブリを製造するための方法によって克服される。
例示的な実施形態によるボリュームを撮像するための磁気共鳴イメージング(MRI)デバイスは、磁場を発生させるための主マグネットと、軸に沿って延びるチューブとなるように形成された絶縁体シートと、チューブを画定している外側表面上に配置された、ボリュームの撮像のために主マグネットが発生させた磁場を操作するための傾斜コイルと、傾斜コイルとRFコイルの間に配置させた冷却回路と、を含む。冷却回路は、このチューブを画定している反対側の内側表面上に配置されており、この冷却回路によって傾斜コイルを冷却する間に傾斜コイルをRFコイルからシールドしている。
別の例示的な実施形態によるボリュームを撮像するための磁気共鳴イメージング(MRI)デバイスは、主磁場を発生させるための手段と、ボリュームの撮像のために主磁場を操作するための手段と、冷却ボリュームの撮像のために主磁場を操作するための手段を冷却するための手段と、軸に沿って延びるチューブとなるように形成された絶縁体シートと、を含む。この絶縁体シートは、ボリュームの撮像のために主磁場を操作するための手段と冷却手段との間に位置している。RFコイルが、冷却手段から離間させると共に半径方向で内方に延びている。冷却手段はチューブを画定している反対側の内側表面上に配置されており、この冷却手段によって、ボリュームの撮像のために主磁場を操作するための手段を冷却する間に、ボリュームの撮像のために主磁場を操作するための手段をRFコイルからシールドしている。
別の例示的な実施形態では、磁気共鳴イメージング(MRI)システムは、ボリュームを撮像するための磁場を発生させるための超伝導体マグネットと、この磁場を操作するための非シールド傾斜コイルと、この超伝導体マグネットと熱的に結合された冷却回路を含んだ冷却システムと、を含む。この冷却回路によって、傾斜コイルを冷却する間に傾斜コイルをRFコイルからシールドしている。
さらに別の例示的な実施形態では、ボリュームを撮像するための磁気共鳴イメージング(MRI)デバイスは、極低温で動作して磁場を発生させるための少なくとも1つの超伝導コイルと、ボリュームを撮像するためにこの少なくとも1つの主マグネットが発生させる磁場を操作するための少なくとも1つの傾斜コイルと、傾斜コイル層に隣接して少なくとも1つの冷却ダクトを有してRFコイルからのRFシールドを提供している冷却式熱拡散器と、を含む。この少なくとも1つの冷却チューブはクライオクーラ熱交換器と結合させている。
また別の例示的な実施形態では、ボリュームを撮像するための磁気共鳴イメージング(MRI)デバイスは、磁場を発生させるための少なくとも1つの主マグネットと、ボリュームを撮像するために少なくとも1つの主マグネットが発生させた磁場を操作するための少なくとも1つの傾斜コイルと、少なくとも1つの冷却式熱拡散器と、含む。この少なくとも1つの冷却式熱拡散器は、冷却式熱シールドと、傾斜コイルがその上に巻きつけられた冷却式巻型と、のうちの一方を備えている。
また別の例示的な実施形態では、ボリュームを撮像するための磁気共鳴イメージング(MRI)デバイス向けに冷却回路とRFシールドを複合させる方法を開示する。本方法は、ボリュームを撮像するために主マグネットが発生させた磁場を操作するための傾斜コイルを絶縁体シートの外側表面上に配置する工程と、この絶縁体シートの反対側の内側表面上に冷却回路を配置する工程と、を含む。冷却回路は傾斜コイルとRFコイルの間に配置されており、この冷却回路によって傾斜コイルを冷却する間に傾斜コイルをRFコイルからシールドしている。
添付の図面及び以下の詳細な説明を検討すれば、当業者には実施形態に従った別のシステム及び/または方法が明らかである、あるいは明らかとなろう。こうした追加的なシステム、方法及び/またはコンピュータ・プログラム成果物は全く本発明の範囲内にあるものであり、かつ添付の特許請求の範囲によって保護されるものであるように意図している。
ここで、本発明の目下のところ好ましい実施形態について詳細に言及することにする。同じ部品や同様の部品を指し示すためには、図面全体を通じて可能な限り同じ参照番号を使用している。
図1に示すように、周知の超伝導(SC)MRIデバイス10は、典型的には、温度を概ね4°Kに維持するために液体ヘリウム内で動作するような、画像ボリューム20内に均一な磁場を発生させるための巻き線30を利用している。この液体ヘリウムのプールには、真空気密であると共に米国機械学会(American Society of Mechanical Engineering:ASME)の圧力容器要件を満たす容器40が必要であり、こうした容器40は、アルミニウム合金の円筒とフランジを溶接したものから製作されるのが典型的である。熱輻射シールド(図示せず)は、典型的には2つが使用されており、これもまたアルミニウム部品を溶接したものから製作されると共に、ヘリウム容器40を包含している。
MRIデバイス10のボア内の傾斜コイル50が電気的にパルス動作を受けると、傾斜コイルを囲繞する導電性の円筒のいずれの内部においても、生じる時間変化する磁束によってうず電流が誘導される。一方これらのうず電流はそれ自体が磁場を発生させており、これによって所望の傾斜磁場の空間的かつ時間的な品質が劣化する。マグネット・ボア内の傾斜コイル60(すなわち、シールド傾斜コイル)の第2の組は、今日のMRイメージングでルーチンに使用される積極型のパルスシーケンスを保証している。これらのシールド傾斜コイル60によって、シールド・コイル60の外部にある領域において主傾斜コイル50の磁場を相殺させる磁場が確立され、これによって熱シールドなどの導電性部材との任意の相互インダクタンスが大幅に低減されると共に、生ずるうず電流が最小限となる。
管状のRFシールド70は患者エンクロージャ74を囲繞するRFコイル72の周りに共軸性に配置されている。RFシールド70は、典型的には、RFコイル72の形状に対応するように円筒形状になるように丸められた銅などの導体材料のシートから製作されている。
上で検討したように、このRFコイル72とRFシールド70は、患者エンクロージャ74と傾斜主コイル50の間に配置されている。さらに、傾斜主コイル50の内側表面は、コイルの過熱を防止すると共に患者エンクロージャ温度を規制限界内に維持するために冷却層80によって冷却する必要がある。この冷却層80はRFシールド70と主傾斜コイル50の間の空間を占有する。冷却層80と傾斜主コイル50の間にRFシールド70を位置決めすると、冷却層80と傾斜コイル50の間のギャップが拡大するためその冷却動作性能が低下する。
ここで図2を参照すると、MRIデバイス200の例示的な実施形態において、冷却層とRFシールドの複合デバイス100が傾斜コイル50とRFコイル72の中間に配置されている。この方式では、図1のように、傾斜コイル50と冷却層80の間に単独のRFシールド70を配置していない。RFシールドと傾斜主コイルのボア冷却を組み合わせて1つの構成要素にすることによれば、上に記載した傾斜設計要件を維持しながらRFコイル72と傾斜コイル50の間に最適な界面が得られる。詳細には、満足される設計要件には、1)RFシールドを、依然として傾斜主コイルの内部にありながらRFコイルからできるだけ離して配置させること、並びに、2)傾斜ボア冷却回路をできるだけ傾斜主コイルの近くに配置させること、が含まれる。
この実施形態によれば、冷却層とRFシールドの複合体の冷却回路は、主傾斜コイル50に対する熱シールド及び/または冷却のために、主傾斜コイル50が設けられた伝導冷却式の円筒状フィンアレイとして構成された熱拡散器110を含んでいる。この巻型または熱拡散器110は、例えば銅など非磁性、熱伝導性かつ電気伝導性の材料から製作することが好ましい、ただし、銅をアルミニウムなどに置き換えるなど別の材料を使用することも可能である。したがって、熱拡散器110は熱抵抗を低くするのに適した厚さで、傾斜コイル50の動作時にうず電流が実質的に発生しないようにしたフィンアレイとなるようにスリット切断されていることを理解すべきである。患者エンクロージャ74のボアもまた、実質的にうず電流を生じない材料から製作されている。
図2に示すように、この熱拡散器110には、熱伝導性で電気伝導性のジョイントによって1つまたは複数の冷却チューブまたはダクト120が装着されている。この冷却チューブまたはダクト120は、うず電流の伝達ループが形成できないように熱拡散器110内にスリットのパターンができるように配列させている。
冷却ダクト120は、冷却媒質(例えば、冷たい水など)が熱拡散器110の周りを通過し、これにより傾斜主コイル50を冷却するように構成されている。冷却ダクト120のダクトのサイズ及び個数は、傾斜コイルの全体的サイズ、流量及び抵抗、材料、並びに熱負荷(ただし、これらに限らない)を含む多くの熱伝達設計の詳細事項に依存することを理解すべきである。
冷却媒質を傾斜コイルを通過するように循環させ、ここで冷却媒質に冷却ダクト120を介して巻型110と熱交換させかつ温度が高くなったら再循環用冷却器まで戻すことによって冷却が提供される。
再度図2を参照すると、冷却層/RFシールドの複合体100は、走行させたフィン状の冷却ダクト120から製作することが好ましい。換言すると、熱拡散器110は、隣接するダクト120間にその全体を130で示した電気的絶縁を有して熱拡散器110から延びる複数の離間させたダクト120によってフィン形成されている。MRIデバイス200は、主傾斜コイル50と熱拡散器110の間に最小化した電気的絶縁ギャップを画定している絶縁シート140を含んでいる。したがって、絶縁シート140は、主傾斜コイル50と冷却層100の間に最小の熱抵抗を提供すると共に、傾斜コイルの熱性能を向上させている。
例示的な実施形態について図3を参照すると、冷却ダクト120の各走行は、冷却ダクトの一方の端部を画定している第1の端部(例えば、流入口)の位置の電気伝導性接続によって電気的に接地されたマニホールド122に接続されている。さらに、冷却ダクトの反対側の第2の端部(例えば、流出口)は、電気的絶縁器126を伴う非電気伝導性接続によって別のマニホールド124に接続されている。この方式によれば、画質に対して影響を及ぼす可能性がある冷却回路のうず電流損が防止される。このマニホールド配列によりさらに、冷却回路を通過する冷却剤流量が最大化される。冷却ダクト120を共通のマニホールドと電気的に結合させている箇所である各冷却回路の第1の端部以外では、フィン状の冷却ダクト120の各走行は、電気的絶縁130を介して傾斜コイルのうず電流損を防止するために隣接する走行から電気的に隔絶されている。冷却ダクトのサイズ、厚さ、幅、及びフィン110の長さは、冷却要件を満足する一方で撮像域内に著しい傾斜コイルうず電流損を生じさせないように選択される。
上述のフィン状冷却配列によれば、高温度域を防止する一方でRFシールドを提供するために約90%均一の表面カバー域を提供できることに留意すべきである。冷却ダクト120はそれぞれに、例えばはんだ付けによるか熱伝導性接着剤を用いてフィン状シート110に熱的に接続されている。冷却ダクト120及びフィン110は、非磁性、熱伝導性かつ電気伝導性である。このため、冷却ダクト120やフィン状シート110に使用するためには例えば銅が企図される、ただしこれらに限らない。
ここで図4を参照すると、内側ボア壁またはマグネット・ボア300を、8つの冷却回路302のうちの3つが図示されるようにして表している。各冷却回路302は、冷却チューブ304を介した冷却媒質の供給及び帰還のために、対応する冷却ダクト120と動作可能に接続されている。図示のように、各冷却回路302は、3つの冷却用供給チューブ304及び3つの冷却用帰還チューブ304を含んでいる。冷却回路302の露出部分の周りには24ゲージの接地ワイヤ(図示せず)が巻きつけられている。露出部分は、対応する冷却ダクト120と動作可能に結合するためにチューブ304の端部と境界する銅製ホースあご部306に対応している。ホースあご部306の周りにワイヤを巻きつけた後、電気的接続を確保するために銅テープを使用している。対応するホースあご部306から延びる各接地ワイヤの反対側の端部は、マグネット端部フランジ310(図5)または電気的接地したマニホールド(図示せず)の単一点において互いに電気的に結合されている。
図5は、全部で8つの冷却回路302のうちの接地されている6つを図示している。残りの2つの冷却回路は、この実施形態に関してはアクセス不可能であり、したがって接地されていない。図6は、非接地の冷却回路と図5に示した接地された8つのうちの6つの冷却回路302とを対比させて、傾斜コイルの前縁を基準としたマグネット・ボア300内で計測される傾斜誘導電場を表したグラフ400である。傾斜コイルの前縁はx軸上のゼロ点に対応する。x軸は、センチメートル(cm)単位で計測された傾斜コイルの前面すなわちゼロ点からの距離を基準とした探触子の相対的位置に対応している。このグラフのy軸は、ミリボルト(mV)を単位として計測されるボア300内の電場計測値を反映している。図5及び6を参照すると、例えばホースあご部306を介してボア・壁間の傾斜コイル冷却パイプ304を接地することによって、ボア300内の電場が大幅に低下することが理解できよう。マグネット・ボア300内の傾斜誘導による電場は、RFサブシステム構成要素と、また特に受動性のダイオードと相互作用し、これにより信号損失やアーチファクトが生じることがすでに示されている。ボア壁の内径(ID)上に単独のRFシールドなどの接地したシールド層を設けることによって、ボア内電場、並びに関連する撮像上の問題点が劇的に低減される。しかし、目下のMRIデバイスの幾つかでは、この接地面を提供するRFシールドが存在していない。したがって、一体型の冷却パイプ及び熱拡散器を有するMRIデバイスでは、冷却パイプの少なくとも一部分を接地することによってある程度のシールドが得られる。詳細には、傾斜コイル内の内側ボア壁の冷却回路に接地ワイヤを接続すると、図6で言及したボア内電場を低減するのに有効である。上述の方法では冷却回路に対して接地ワイヤを機械的/電気的に取り付けることが必要であるため、さらに設計上の取り組みが要求されるが、上で検討したようなボア内電場や関連する撮像上の問題点の劇的な低減があるため、得られるシールドはこの取り組みに見合うものである。
本発明について例示的な実施形態を参照しながら記載してきたが、本発明の範囲を逸脱することなく様々な変更を行うことができ、かつその構成要素を等価物によって代替できることは、当業者であれば理解されよう。さらに、本発明の教示に対しては、その範囲を逸脱することなく特定の状況に適応させるように多くの修正を実施することができる。したがって、本発明を実施するように開示した実施形態に本発明を限定しようと意図したものではなく、むしろ本発明は、添付の特許請求の範囲の趣旨域内に属するすべての実施形態を含むように意図したものである。さらに、「第1の」、「第2の」などの用語は重要性の序列を示すものではなく、「第1の」、「第2の」などの用語はある要素を別の要素と区別するために使用したものである。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。
周知のMRIデバイスの断面図である。 本発明の一実施形態によるMRIデバイスの拡大部分断面図である。 本発明の一実施形態による冷却パネル/RFシールドのそれぞれの端部において冷却ダクトに動作可能に結合されたマニホールドの概要図である。 本発明の一実施形態に従って、各冷却回路セクションからの1つのコネクタが接地されていることを表しているMRIデバイスの内側ボア壁の図である。 図4のMRIデバイスにおいて、8つの冷却回路のうち接地されている6つを表している端部図である。 非接地の冷却回路と図5に示した8つのうち6つの接地された冷却回路とについて、傾斜コイルの前縁を基準として、マグネット・ボア内の傾斜誘導電場の計測値を表したグラフである。
符号の説明
10 MRIデバイス
20 画像ボリューム
30 巻き線
40 ヘリウム容器
50 主傾斜コイル
60 シールド傾斜コイル
70 RFシールド
72 RFコイル
74 患者エンクロージャ
80 冷却層
100 冷却層/RFシールド複合デバイス
110 熱拡散器
120 冷却チューブ、ダクト
122 マニホールド
124 マニホールド
126 電気的絶縁器
130 電気的絶縁
140 絶縁シート
200 MRIデバイス
300 マグネット・ボア
302 冷却回路
304 冷却チューブ
306 ホースあご部
310 マグネット端部フランジ

Claims (4)

  1. ボリューム(20)を撮像するための磁気共鳴イメージング(MRI)デバイス(200)であって、
    磁場を発生させるための主マグネットと、
    内側表面と外側表面とを有する、絶縁体シート(140)と、
    前記ボリューム(20)を撮像するために前記主マグネットが発生させた磁場を操作するための傾斜コイル(50)であって、前記外側表面上に配置されている傾斜コイル(50)と、
    RFコイル(72)と、
    前記傾斜コイル(50)と前記RFコイル(72)の間に配置された冷却回路(302)であって、前記内側表面上に配置されており、前記傾斜コイル(50)を冷却すると共に前記傾斜コイル(50)を前記RFコイル(72)からシールドしている冷却回路(302)と、
    を備え
    前記冷却回路(302)の複数の冷却ダクト(120)の各々は、一方の端部において電気的に接地されたマニホールド(122)と電気的に接続されており、かつ前記複数の冷却ダクト(120)の前記それぞれを画定している反対側の第2の端部においては別のマニホールド(124)と非電気的に接続されている、
    磁気共鳴イメージング(MRI)デバイス(200)。
  2. 前記冷却回路(302)は、
    前記内側表面上に配置された第1の表面と反対側の第2の表面とを有する熱拡散器(110)と、
    前記熱拡散器(110)の前記第2の表面に熱的に接続された複数の冷却ダクト(120)と、
    を備え、
    前記複数の冷却ダクト(120)の前記隣接する冷却ダクト(120)が傾斜コイル(50)のうず電流損を防止するように互いから電気的に隔絶されている、請求項に記載のMRIデバイス(200)。
  3. 前記熱拡散器(110)及び前記複数の冷却ダクト(120)は非磁性、熱伝導性かつ電気伝導性の材料から製作されている、請求項2に記載のMRIデバイス(200)。
  4. 前記冷却回路(302)の露出したホースあご部(306)には接地ワイヤが電気的に結合されていること、
    各冷却回路(302)からの接地ワイヤは互いに接続されて単一の点において接地されていること、
    を特徴とする請求項1に記載のMRIデバイス(200)。
JP2005293418A 2004-10-20 2005-10-06 傾斜ボア冷却及びrfシールド Expired - Fee Related JP5100994B2 (ja)

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