JP5346951B2 - 冷却システムとヘリウムの圧力監視とを備えた磁気共鳴システム - Google Patents

Description

本発明は、主磁場を生成する超電導コイルを備えた磁気共鳴検査システムに関する。この磁気共鳴検査システムはまた、主磁場に重畳して傾斜磁場を印加する傾斜システムを含む。

このような磁気共鳴検査システムは特許文献１から知られている。

既知の磁気共鳴検査システムは、システム固有の音響共振及び機械的共振を自動的に決定する制御ユニットを有している。共鳴発振は傾斜コイルのパルス動作によって引き起こされる。特に、周期的に繰り返される傾斜パルス（すなわち、パルス状の傾斜磁場）は、磁気共鳴検査システムの強制的な機械的発振を生じさせる。これらの傾斜パルスは、傾斜コイルを囲む構造内に渦電流を生じさせ、主磁場との相互作用により、これらの構造を動かす力（ローレンツ力）を生じさせる。これらの力により、機械的に結合された全ての構造が移動あるいは振動する。周期的に繰り返される傾斜パルスが印加されるとき、システムの強制的な機械的発振が発生し、機械的に結合された構造の固有共振周波数で励起が行われる場合、共振増幅が起こる。主磁石の超電導コイルが発振するように励起されるとき、超電導コイルをその超電導臨界温度未満に冷却するために用いられるヘリウムの蒸発が増大する。機械的あるいは音響的な共振の励起は、傾斜パルスをスイッチングする撮像シーケンスに依存する。これらの依存性に基づき、撮像シーケンスは、機械的共振の励起が起こらないように制限され得る。既知の磁気共鳴検査システムにおいては、この依存性は、共振曲線を傾斜パルスの時間間隔の関数として形成することによって取得されている。

米国特許出願公開第２００３／０２０６０１５号明細書

本発明は、傾斜コイルから磁気共鳴検査システムへのエネルギー伝導を表す伝達関数がより単純且つ正確に決定される磁気共鳴検査システムを提供することを目的とする。

上記課題は、
− 主磁場を生成する超電導コイルを有する主磁石、
− 主磁場に重畳される傾斜磁場を印加する傾斜システム、
− 超電導コイルをその臨界超電導温度より低い温度まで冷却する冷却システム、
− 傾斜システムから冷却システムへのエネルギー伝導を評価する伝達モニタ、
を有し、
− 伝達モニタは、冷却システム内の圧力変化を測定するように構成されている、
磁気共鳴検査システムによって達成される。

傾斜システムは、電流が傾斜コイル巻線に流されるときに傾斜磁場を生成する１つ以上の傾斜コイルを含む。とりわけ、傾斜磁場のスイッチングは渦電流を生じさせ、それにより、傾斜コイルから冷却システムに、とりわけ、冷却システム内の例えば液体ヘリウムなどの冷却媒体にエネルギーが伝達される。冷却システム内の圧力変化は、傾斜システムから冷却システムへのエネルギーの伝導を表す。とりわけ、冷却システムがクライオスタット及びヘリウム容器を含んでいるとき、圧力変化から、傾斜コイルからヘリウム（Ｈｅ）容器へのエネルギー伝導を正確に得ることができる。また、圧力変化は容易に測定される。

この正確に決定された伝達関数は、傾斜システムからの非常に効率的なエネルギー伝導を伴う設定を避けるように、傾斜パルスのスイッチングを含む収集シーケンスの設定を制御するために使用することができる。故に、収集シーケンスは、エネルギー伝導が少なくなるように適応され得る。従って、適応された収集シーケンスが用いられるとき、Ｈｅ容器からの強い沸きこぼれ（ボイルオフ）が抑制され、更には音響ノイズが低下する。

この伝達関数の精度はまた、本発明によれば、伝達関数が傾斜コイルと冷却システムとの間のエネルギー伝達機構のほとんど、あるいは全てを表すことを含む。故に、このエネルギー伝達関数は、機械的なエネルギー伝達機構のみを考慮に入れる場合と比較して、エネルギー伝導及びその後のＨｅのボイルオフを一層正確に表す。

本発明のこれら及びその他の態様は、従属請求項に規定された実施形態を参照して更に明らかになる。

本発明に更なる一態様によれば、エネルギー伝達関数を校正するため、一連の活性期間と交互して活性期間同士の間に傾斜磁場をオフに切り換える所定の活性期間群の間に、徐々に増大する傾斜強度を有するテスト用傾斜磁場が印加される。そして、テスト用傾斜磁場がオン、オフに切り換えられたときのそれぞれにおいて、冷却システム内、とりわけ、Ｈｅ容器内の圧力が測定される。傾斜オン時に測定された圧力と傾斜オフ時に測定された圧力との間の差から伝達関数が計算される。傾斜オン時に測定された圧力と傾斜オフ時に測定された圧力との間の差分により、傾斜オン時と傾斜オフ時とに共通するその他の要因による圧力変動は排除され、計算される伝達関数の質を低下させない。

好ましくは、関与する関連周波数の大部分に関して伝達関数の正確な結果が得られるよう、テスト用傾斜磁場は広い励起周波数帯域を包含する。典型的に、１００Ｈｚから６ｋＨｚまでの広い周波数帯域が用いられる。約２０ｍｓの間隔で繰り返される約２０ｍｓの活性期間で良好な結果が得られる。差分測定は、Ｈｅ容器を備えた冷却システムが励起中に定常状態に達するのを待つ長い待機時間を不要にする。典型的に、冷却システムは２０分にも至る応答時間を有する。多数の活性期間にわたっての実測定は遙かに短時間である。別個の周波数（域）及び個々の（ｘ、ｙ又はｚ）傾斜の各々に対し、伝達関数の測定が要するのは数分のみである。故に、全周波数域及び３つ全ての傾斜方向の伝達関数を、数時間以内に取得することができる。従って、磁気共鳴検査システムが動作される必要のないときに、伝達関数の完全な再校正を一夜にして行うことが可能である。

本発明の他の一態様によれば、伝達モニタは、（ｉ）計算された伝達関数と、（ｉｉ）特定の傾斜パルス列、すなわち、一連のパルス状の傾斜磁場を含む選択された収集シーケンスとから、予期されるＨｅ消費量を計算する。選択された収集シーケンスに対して計算された予期されるＨｅ消費量は、例えば磁気共鳴検査システムのユーザインタフェースに含まれるディスプレー上に表示するなどして、オペレータに提示される。故に、オペレータは、特定の収集シーケンスを考えるとき、または収集シーケンスを起動前に適応するとき、予期されるＨｅ消費量を考慮に入れることが可能な状況に置かれる。

本発明のこれら及びその他の態様は、以下に記載される実施形態を参照して、また添付の図面を参照して明らかになる。
本発明が使用される磁気共鳴撮像システムを示す図である。 本発明が組み込まれる磁気共鳴検査システムを示す図である。 伝達特性の実験結果を示す図である。

図１は、本発明が使用される磁気共鳴撮像システムを示している。磁気共鳴検査システムは、安定した均一磁場を生成する一組の主磁石コイル１０を含んでいる。主磁石コイルは、例えば、トンネル状の検査空間を包囲するように構築される。主磁石コイルは超電導である。超電導主磁石コイルの巻線は、沸点未満に冷却された液体ヘリウムによって臨界温度未満まで冷却される。主磁石コイルは、液体Ｈｅで充たされたＨｅ容器内に入れられている。ヘリウムを冷却して液化するために低温保持装置（クライオスタット）４２が設けられている。検査対象の患者は、トンネル上の検査空間３０内にスライドされる患者キャリア１４上に配置される。磁気共鳴撮像システムはまた、多数の傾斜コイル１１、１２を含んでおり、これらの傾斜コイルにより、とりわけ個々の方向の時間勾配の形態で空間変化を示す傾斜磁場が、均一磁場に重畳されるように生成される。傾斜コイル１１、１２は、１つ以上の傾斜増幅器と制御可能な電源ユニットとを含む傾斜制御部２１に接続されている。傾斜コイル１１、１２は、電源ユニット２１による電流印加によってエネルギー供給され、この目的のため、電源ユニットは、適切な時間形状の傾斜パルス（‘傾斜波形’とも呼ぶ）を生成するように傾斜コイルに電流を印加する傾斜増幅電子回路と適合される。傾斜の強さ、方向及び持続時間は、電源ユニットの制御によって制御される。磁気共鳴撮像システムはまた、ＲＦ励起パルスを生成する送信コイル１３と、磁気共鳴信号を捕捉する受信コイル１６とを含んでいる。送信コイル１３は好ましくは、検査対象物（の一部）を包囲することが可能なボディコイル１３として構築される。ボディコイルは通常、検査対象の患者が磁気共鳴撮像システム内に配置されたときに該患者がボディコイル１３によって包囲されるように、磁気共鳴撮像システム内に配置される。ボディコイル１３は、ＲＦ励起パルス及びＲＦリフォーカシングパルスの送信のための送信アンテナとしての役割を果たす。好ましくは、ボディコイル１３は、空間的に均一な強度分布の送信ＲＦパルス（ＲＦＳ）を伴う。通常、同一のコイル又はアンテナが、送信コイル及び受信コイルとして交互に用いられる。また、送信・受信コイルは、１つのコイルとして成形されるのが通常であるが、送信・受信コイルがＲＦ電磁信号の送信・受信アンテナとして機能するその他の幾何学構成も実現可能である。送信・受信コイル１３は、送信動作モード及び受信動作モードを有する送信・受信電子回路１５に接続される。

なお、代替的に、別個の受信コイル及び／又は送信コイル１６を用いることも可能である。例えば、受信コイル及び／又は送信コイルとして表面コイル１６が用いられてもよい。このような表面コイルは、比較的小さい体積で高い感度を有する。例えば表面コイルなどの受信コイルは、送信・受信電子回路１５に接続される。送信・受信電子回路は前置増幅器２３に接続される。受信されたＲＦ共鳴信号は、前置増幅器２３に送られた後に復調器（ＤＭＤ）２４に与えられ、復調器２４によって、受信磁気共鳴信号（ＭＳ）は復調される。前置増幅器２３は、受信コイル１６によって受信されたＲＦ共鳴信号（ＭＳ）を増幅し、増幅されたＲＦ共鳴信号が復調器２４に与えられる。復調器２４は、増幅されたＲＦ共鳴信号を復調する。復調された磁気共鳴信号は再構成ユニットに与えられる。復調された共鳴信号は、対象物の撮像部分内の局所的なスピン密度に関する実情報を含んでいる。

また、送信・受信回路１５は変調器２２に接続される。変調器２２及び送信・受信回路１５は、ＲＦ励起パルス及びＲＦリフォーカシングパルスを送信するように送信コイル１３、１６を活性化する。表面コイル１６によって受信された磁気共鳴信号データは、送信・受信回路１５に伝送され、制御信号（例えば、表面コイルの整調及び離調のため）が表面コイルに送信される。

再構成ユニット２５は、復調された磁気共鳴信号（ＤＭＳ）から、検査対象の撮像部分の画像情報を表す１つ以上の画像信号を取得する。再構成ユニット２５は、実際には、復調磁気共鳴信号から対象物の撮像部分の画像情報を表す画像信号を取得するようにプログラムされたデジタル画像処理ユニット２５として好適に構築される。再構成ユニット２５の出力上の信号はモニタ２６に与えられ、その結果、モニタは磁気共鳴画像を表示することができる。代替的に、再構成ユニット２５からの信号を、更なる処理を待つ間、バッファユニット２７に格納することも可能である。

磁気共鳴撮像システムはまた、例えば（マイクロ）プロセッサを含んだコンピュータの形態をした制御ユニット２０を備えている。制御ユニット２０は、ＲＦ励起及び時間的な傾斜磁場の印加の実行を制御する。この目的のため、本発明に従ったコンピュータプログラムが、例えば制御ユニット２０及び再構成ユニット２５にロードされる。

本発明に従って、磁気共鳴検査システムは更に伝達モニタ（ＴＲＭ）５０を有している。伝達モニタは、クライオスタット４２内、あるいは主磁石コイル１０を包囲するＨｅ容器内の圧力を測定する圧力モニタを含んでいる。液体Ｈｅで充たされたＨｅ容器及びクライオスタットは、主磁石コイル１０をその超電導臨界温度未満に冷却する冷却システムを形成する。具体的には、圧力モニタ５１は、クライオスタット４２及び／又はＨｅ容器内の圧力を測定する圧力センサ５１１と、圧力センサからの圧力信号を処理する電子モジュールとを有している。さらに、圧力モニタは圧力コントローラ５３を備えている。磁気共鳴検査システムの校正モードで動作するとき、圧力コントローラは、テスト用傾斜磁場を生成するよう傾斜制御部２１を駆動する。これらのテスト用傾斜磁場は、テスト用傾斜磁場が印加されない２０ｍｓの期間によって約２０ｍｓの活性期間が離隔されるように、オン・オフに切り換えられる。差分的に圧力を測定するため、圧力比較器回路５２が設けられる。この目的のため、圧力モニタ５１の出力圧力信号が圧力比較器５２に与えられる。テスト用傾斜磁場の有／無でのＨｅ容器及び／又はクライオスタット内の圧力の差が計算される。この差分測定とテスト用傾斜磁場の波形とから、傾斜システムから冷却システムへのエネルギーの伝達が計算される。例えば、伝達モニタ内に組み込まれた演算ユニット（ＡＵ）５５によって、あるいは磁気共鳴検査システムの（ホスト）プロセッサ２０によって、傾斜システムから冷却システムへのエネルギー伝導を表す伝達特性を得ることができる。

磁気共鳴検査システムが検査対象患者を撮像するために動作しているとき、付与されたエネルギーによって引き起こされる気化により、Ｈｅ消費が発生する。上記伝達特性と実際に印加された傾斜波形とに基づいて、Ｈｅ消費量を計算し、それをオペレータに提示することができる。この目的のため、伝達モニタは、選択された傾斜波形に対して予期されるＨｅ消費量を計算するＨｅ消費量表示ユニット５４を備えている。実際には、Ｈｅ消費量表示ユニットは、磁気共鳴検査システムのユーザインタフェースの表示ポートの別のウィンドウとして実現される。故に、オペレータは、オペレータが選択した所定の傾斜波形を含むＭＲ収集シーケンスで失われるＨｅ量についての単純な見識を提供される。

図２は、本発明が組み込まれる磁気共鳴検査システムを別の見方で示している。図２は、磁気共鳴検査システムの側断面図を示している。この断面は、おおよそ円柱状に対称な磁気共鳴検査システムの長手方向軸に沿って取られている。主磁石コイル１０がＨｅ容器４３内に配置されている。Ｈｅ容器内のＨｅは、クライオスタット４２によって液体に保たれており、主磁石コイルは超電導温度に冷却されている。図２の実施形態において、圧力センサ５１１は、Ｈｅ容器内に位置し、Ｈｅ容器内の圧力を、印加されるテスト用傾斜磁場の関数として測定する。

図３は、伝達特性の実験結果を示している。これらのカーブは、それぞれ、ｘ、ｙ、ｚ傾斜コイルの波形周波数の関数としてエネルギー伝達を示している。とりわけ、１ｋＨｚ付近でのエネルギー（熱）伝達に顕著な低減が存在している。故に、伝導が最小となる辺り（例えば、１ｋＨｚ付近）の波形周波数を有するように繰り返し時間（Ｔ_Ｒ）を調整することでＭＲ収集シーケンスを適応させることにより、磁気共鳴検査システムの性能に影響を及ぼすことなく、熱伝導を低減することができる。

Claims (3)

1. − 主磁場を生成する超電導コイルを有する主磁石、
   − 前記主磁場に重畳される傾斜磁場を印加する傾斜システム、
   − 前記超電導コイルをその臨界超電導温度より低い温度まで冷却する冷却システム、
   − 前記傾斜システムから前記冷却システムへのエネルギー伝導を評価する伝達モニタ、
   を有し、
   − 前記伝達モニタは、前記冷却システム内の圧力変化を測定するように構成されている、
   磁気共鳴検査システム。
2. 前記伝達モニタは、
   − 徐々に増大する傾斜強度を有するテスト用傾斜磁場を生成するように前記傾斜システムを制御し、且つ
   − 前記テスト用傾斜磁場の印加中の前記冷却システム内の圧力を、傾斜磁場が印加されないときの圧力と比較することによって、前記エネルギー伝導を評価する
   ように構成されている、請求項１に記載の磁気共鳴検査システム。
3. 前記伝達モニタは、
   − 傾斜パルス列の選択を受けて、
   − 前記傾斜パルス列に応じて予期される、前記エネルギー伝導によるヘリウム消費量を計算する
   ように構成されている、請求項１に記載の磁気共鳴検査システム。

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