JP6266225B2 - 磁気共鳴イメージング装置及び磁気共鳴イメージング装置用の磁石 - Google Patents

磁気共鳴イメージング装置及び磁気共鳴イメージング装置用の磁石 Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、磁気共鳴イメージング(MRI: Magnetic Resonance Imaging)装置及び磁気共鳴イメージング装置用の磁石に関する。
MRI装置は、静磁場中に置かれた被検体の原子核スピンをラーモア周波数の高周波(RF: radio frequency)信号で磁気的に励起し、この励起に伴って発生する磁気共鳴(MR: magnetic resonance)信号から画像を再構成する画像診断装置である。
MRI装置では、傾斜磁場の生成に伴って発生する渦磁場がイメージングの妨げとなることから、渦磁場の低減が図られている。現在では、渦磁場を抑制するためにASGC (Actively Shielded Gradient Coil)を傾斜磁場用のコイルとして用いる技術が主流となっている。ASGCは、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の各傾斜磁場をそれぞれ形成するための筒状のメインコイルの外側に、漏れ磁場を抑制するための筒状のシールドコイルを設けた傾斜磁場コイルである。
特開２００８−２５３５９３号公報
本発明は、より簡易な構成で所望の傾斜磁場を形成することが可能な磁気共鳴イメージング装置及び磁気共鳴イメージング装置用の磁石を提供することを目的とする。
本発明の実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置は、イメージング手段及びシールドを備える。イメージング手段は、傾斜磁場コイル及び超電導磁石によってそれぞれ磁場を形成した状態で高周波コイルから高周波信号を送信することによって被検体の磁気共鳴イメージングを行う。シールドは、前記傾斜磁場コイルとともに前記磁気共鳴イメージング用の傾斜磁場を形成し、かつ前記超電導磁石のヘリウム容器への熱の進入を防止する。前記傾斜磁場は、前記傾斜磁場コイルにより形成される磁場を受けて前記シールドに生じる渦磁場と、前記渦磁場と重ね合わせて所望の傾斜磁場となるように設定された巻き線パターンを有する前記傾斜磁場コイルが発生させる磁場により形成される。
また、本発明の実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置は、超電導磁石、傾斜磁場コイル、高周波コイル及びシールドを備える。超電導磁石は、被検体がセットされた撮像領域に前記被検体の磁気共鳴イメージング用の静磁場を形成する。高周波コイルは、前記撮像領域に高周波信号を送信する。シールドは、前記傾斜磁場コイルとともに前記撮像領域に前記磁気共鳴イメージング用の傾斜磁場を形成し、かつ前記超電導磁石のヘリウム容器への熱の進入を防止する。前記傾斜磁場は、前記傾斜磁場コイルにより形成される磁場を受けて前記シールドに生じる渦磁場と、前記渦磁場と重ね合わせて所望の傾斜磁場となるように設定された巻き線パターンを有する前記傾斜磁場コイルが発生させる磁場により形成される。
また、本発明の実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置用の磁石は、磁石本体及び渦磁場の時定数が500ms以上のシールドを備える。磁石本体は、液体ヘリウム及び超電導コイルをケーシング内に設けて成る。シールドは、前記磁石本体の内側に設けられる。磁気共鳴イメージング装置の傾斜磁場コイルにより形成される磁場を受けて前記シールドに生じる前記渦磁場と、前記渦磁場と重ね合わせて所望の傾斜磁場となるように設定された巻き線パターンを有する前記傾斜磁場コイルが発生させる磁場により磁気共鳴イメージング用の傾斜磁場が形成されるようにした。
本発明の第１の実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置及び磁気共鳴イメージング装置用の磁石の構成を示す縦断面図。 図１に示す冷却系の変形例を示すシールドの縦断面図。 本発明の第２の実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置及び磁気共鳴イメージング装置用の磁石の構成を示す縦断面図。
本発明の実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置及び磁気共鳴イメージング装置用の磁石について添付図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置及び磁気共鳴イメージング装置用の磁石の構成を示す縦断面図である。
磁気共鳴イメージング装置１は、ガントリ（架台）２、寝台３及び制御系４を有する。ガントリ２には、ボアが形成され、ボア内には寝台３の天板５にセットされた被検体Ｏを送り込むことができる。そして、ガントリ２のボア内には、撮像領域Ｒが形成される。
ガントリ２の内部には、外側から内側に向かって円筒状の超電導磁石６、傾斜磁場コイル７及び全身用(WB: whole body)コイル８が同軸状に設けられる。すなわち、超電導磁石６、傾斜磁場コイル７及びWBコイル８は、ガントリ２のケーシング９によって保護される。
また、撮像領域Ｒには、MR信号の受信用の任意のRFコイルが設けられる。MR信号の受信用のRFコイルとしては、撮像部位及び撮像目的に応じた様々なコイルが使用される。例えば、被検体Ｏの体表側に設置されるbodyコイルや被検体Ｏの背面側に配置されるspineコイルなどが、代表的なMR信号の受信用のRFコイルである。図１は、受信用RFコイル１０として寝台３の天板５にspineコイルが取り付けられた例を示している。
WBコイル８は、主としてRF信号を撮像領域Ｒに送信するためのRFコイルである。但し、MR信号の受信用に用いられる場合もある。
傾斜磁場コイル７は、被検体Ｏがセットされた撮像領域Ｒに空間的な傾斜磁場を形成するためのコイルである。そのために、傾斜磁場コイル７は、Ｘ軸方向の傾斜磁場を形成するＸ軸用コイル７Ｘ、Ｙ軸方向の傾斜磁場を形成するＹ軸用コイル７Ｙ及びＺ軸方向の傾斜磁場を形成するＺ軸用コイル７Ｚで構成される。
傾斜磁場コイル７の外側には、冷却媒体を流すための多数の配管７Ａが設けられる。傾斜磁場コイル７の冷却媒体としては、典型的には液体水LWが用いられる。尚、配管７Ａは、液体水LW等の冷却媒体の供給タンクと接続されるが、公知の構成であるため図示及び説明を省略する。
超電導磁石６は、被検体Ｏがセットされた撮像領域Ｒに被検体ＯのMRイメージング用の静磁場を形成するための構成要素である。超電導磁石６は、磁石本体１１をケーシング１２内に設けて構成される。磁石本体１１は液体ヘリウムLHe及び複数の超電導コイル１３を容器１１Ａ内に設けて成る。また、液体ヘリウムLHeを封入した容器１１Ａは、冷凍機１１Ｂによって冷却される。そして、超電導コイル１３は、液体ヘリウムLHeによって4K程度に冷却される。これにより、超電導コイル１３の線材は、超電導としての性質を発揮する。この結果、ガントリ２及び超電導磁石６の内側の撮像領域Ｒには、静磁場が形成される。
制御系４は、超電導磁石６、傾斜磁場コイル７、WBコイル８、MR信号の受信用のRFコイル及び寝台３等の構成要素を制御する装置である。そして、制御系４による制御下において傾斜磁場コイル７及び超電導磁石６によってそれぞれ傾斜磁場及び静磁場を形成した状態でRFコイルからRF信号を送信することによって被検体ＯのMRイメージングを行うことができる。
更に、磁石本体１１の内側には、シールド１４が設けられる。すなわち、図１に示すようにシールド１４を、磁石本体１１とともに超電導磁石６を構成するケーシング１２の内部に設けることができる。シールド１４は、傾斜磁場コイル７とともにMRイメージング用の傾斜磁場を撮像領域Ｒに形成し、かつ超電導磁石６への熱の進入を防止する役割を担っている。
具体的には、シールド１４は、少なくとも傾斜磁場コイル７から超電導磁石６側に生じる磁場を打ち消すことによって傾斜磁場コイル７とともにMRイメージング用の傾斜磁場を形成するように構成されている。つまり、シールド１４は、超電導磁石６への熱の進入を防止する熱シールド及び傾斜磁場コイル７の外部に生じる磁場を打ち消す磁場シールドとして機能する。
尚、シールド１４において生じる渦磁場の時定数は、MRイメージングに要求される時定数以上となるように決定される。そこで、シールド１４を、渦磁場の時定数が500ms以上の金属板で構成することができる。例えば、シールド１４を、円筒状の金属板で構成すれば、シールド１４は入出力電流が不要な受動型のコイル(Passive Coil)として機能する。そして、シールド１４を傾斜磁場コイル７の構成要素の１つとして捉えると、シールド１４と傾斜磁場コイル７とによってPSGC (Passively Shielded Gradient Coil)システムが形成されるということもできる。
渦磁場の時定数が500ms以上の金属板の例としては、板厚が10mm以上の筒状のアルミニウム板や板厚が3mm以上の筒状の銅板が挙げられる。例えば、板厚12mmのAl(1100)の時定数は537[ms]となる。また、板厚3mmのCu(1020)の時定数は634[ms]となる。
磁石本体１１の内側に上述のようなシールド１４を設けると、傾斜磁場コイル７の外部に形成される磁場を相殺する渦磁場がシールド１４において生じる。このため、傾斜磁場コイル７により形成される傾斜磁場と、シールド１４において生じる渦磁場との重ね合わせの結果として目的とするMRイメージング用の傾斜磁場を形成することができる。
従って、傾斜磁場コイル７の巻き線の条件及びシールド１４の構造は、MRイメージングに適した所望の傾斜磁場が形成されるように決定される。例えば、傾斜磁場コイル７の巻き線数及びシールド１４の直径又は半径を、所望の傾斜磁場が形成されるように決定することができる。また、傾斜磁場コイル７の巻き線のパターンについても所望の傾斜磁場が形成されるように決定することができる。
傾斜磁場コイル７の適切な巻き線数は、シールド１４の半径RSと傾斜磁場コイル７の半径RGの２乗の比RS2/RG2に反比例する。一方、シールド１４は、超電導磁石６を構成するケーシング１２の内部に設けられる。このため、シールド１４の半径RSを超電導磁石６の内径よりも大きくすることができる。この結果、傾斜磁場コイル７の巻線数を低減させることができる。
例えば、従来のASGCにおいて、メインコイルからの漏れ磁場を打ち消すためのシールドコイルは、超電導磁石６とメインコイルとの間に配置せざるを得ない。このため、ガントリのサイズをコンパクトにするというニーズに答えるためには、必然的にシールドコイルがメインコイルに接近することになる。従って、ASGCのシールドコイルの内径は、シールド１４の内径よりも極端に小さくなる。逆に言えば、シールド１４の内径を、ASGCのシールドコイルの内径に比べて大きくすることができる。
この結果、傾斜磁場コイル７の巻線数を従来のASGCのメインコイルの巻線数よりも少なくすることができる。つまり、シールドコイルよりも遠方に配置されるシールド１４によって傾斜磁場コイル７の磁場が打ち消されるため、傾斜磁場コイル７により形成すべき磁場の強さを低減することができる。従って、傾斜磁場コイル７の構造をASGCに比べて簡易にし、かつ傾斜磁場コイル７に供給すべき電力もASGCのメインコイルに供給すべき電力に比べて低減させることができる。
傾斜磁場コイル７は、配管７Ａ内を流れる冷却水等の冷却媒体によって冷却されるが、磁気共鳴イメージング装置１の特性や設置環境によっては磁石本体１１の容器１１Ａに封入される液体ヘリウムLHeの気化を防止するために一層の冷却が必要となる場合がある。液体ヘリウムLHeの気化を防止するためには、容器１１Ａ内の温度を4Kに保つ必要がある。
例えば、ガントリ２のボア内の温度は、通常は300K程度に達する。そこで、シールド１４の外側、つまり磁石本体１１側を50K程度まで冷却するための冷却系１５を超電導磁石６に設けることができる。
具体例として、図１に示すように、シールド１４の傾斜磁場コイル７側に冷却媒体用の配管１６を設けることができる。シールド１４の傾斜磁場コイル７側を50Kまで冷却するためには、配管１６内に供給する冷却媒体として液体窒素LNを用いることが実用的である。そこで、配管１６は、液体窒素LNの供給タンク１７と接続される。そして、供給タンク１７から排出された液体窒素LNが配管１６内を流れて再び供給タンク１７に戻る液体窒素LNの循環システムとして冷却系１５が構成される。これにより、シールド１４の傾斜磁場コイル７側から磁石本体１１側への熱の進入を抑止することができる。
図２は、図１に示す冷却系１５の変形例を示すシールド１４の縦断面図である。
図２に示すように、シールド１４の内部に、冷却媒体用の流路２０を設けることもできる。この場合、シールド１４の内部において流路２０を形成する貫通孔に供給タンク１７から液体窒素LN等の冷却媒体が供給される。
図１及び図２に例示されるような配管１６を固定したシールド１４や流路２０の形成したシールド１４は、拡散結合法等の任意の製造方法を利用して製造することができる。そして、冷却系１５を超電導磁石６に設けることによって、液体ヘリウムLHeを封入した容器１１Ａの冷却に使用される典型的な冷凍機１１Ｂをそのまま使用することが可能となる。
一方、冷却系１５を設ける代わりに、或いは冷却系１５の設置に加えて、冷凍機１１Ｂ自体の能力を適切に決定するようにしてもよい。すなわち、容器１１Ａ内の温度を4K程度に保つことが可能な冷凍機１１Ｂを使用して液体ヘリウムLHe及び容器１１Ａを冷却することができる。
つまり以上のような磁気共鳴イメージング装置１は、超電導磁石６の内部に熱の進入防止用に備えられるシールド１４において生じる渦磁場を利用して、傾斜磁場コイル７からの漏れ磁場を打ち消すようにしたものである。
従来は、超電導磁石６の内部において磁場が生じるとイメージングに対して悪影響を及ぼすとの観点から、超電導磁石６の内部において磁場が極力生じないようにする対策がとられてきた。従って、従来は、ASGCのメインコイル及びシールドコイル又はシールドコイルのないNSGC(Non Shield Gradient Coil)のメインコイルのみでイメージングに必要な傾斜磁場が形成されるように傾斜磁場コイルが設計されてきた。
これに対して、磁気共鳴イメージング装置１では、超電導磁石６の内部に備えられるシールド１４において生じる渦磁場がキャンセルされずに積極的に利用される。具体的には、シールド１４において、ASGCのシールドコイルにおいて生成される渦磁場と同様な渦磁場が生成される。
このため、磁気共鳴イメージング装置１によれば、従来のASGCと同等の傾斜磁場強度を、より低電力で得ることが可能となる。すなわち、ASGCでは、シールドコイルによってメインコイルからの漏れ磁場がキャンセルされるため、傾斜磁場の発生効率がNSGCに比べて低減される。この結果、ASGCでは、所望の傾斜磁場強度を得るために、NSGCに比べてより大きな電力を要する傾斜磁場電源が必要であった。しかしながら、近年では、1.5[T]のMRI装置よりもSNR(signal to noise ratio)が良好であることから高分解能かつ高速撮像が可能な3[T]のMRI装置が普及しつつある。これに伴って傾斜磁場電源に必要な電力が増加している。
そこで、上述のような磁気共鳴イメージング装置１を3[T]の装置として構成すれば、傾斜磁場電源に必要な電力を低減させることができる。実際に従来の典型的なサイズを有するASGCのメインコイルと同等なサイズで、シールド１４とともにPSGCとして機能する傾斜磁場コイル７を設計したところ、傾斜磁場電源において消費される電力を約40%低減できることが確認できた。
更に、磁気共鳴イメージング装置１では、ASGCのシールドコイルが不要となるため、ボアの大口径化が可能である。
（第２の実施形態）
図３は本発明の第２の実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置及び磁気共鳴イメージング装置用の磁石の構成を示す縦断面図である。
図３に示された磁気共鳴イメージング装１Ａ及び磁気共鳴イメージング装１Ａ用の超電導磁石６Ａは、超電導磁石６Ａを構成するケーシング１２の一部をシールド１４で形成した点が図１に示す磁気共鳴イメージング装１及び磁気共鳴イメージング装１用の超電導磁石６と相違する。他の構成および作用については図１に示す磁気共鳴イメージング装１及び磁気共鳴イメージング装１用の超電導磁石６と実質的に異ならないため同一の構成については同符号を付して説明を省略する。
磁気共鳴イメージング装１Ａ用の超電導磁石６Ａでは、ケーシング１２の内側、つまり傾斜磁場コイル７側の面がシールド１４として機能する。従って、超電導磁石６Ａを構成するケーシング１２の傾斜磁場コイル７側の面は、渦磁場の時定数が500ms以上の円筒状のアルミニウムや銅の金属板で構成される。
また、必要に応じてシールド１４に冷却系１５を設けることができる。図３には、冷却系１５を構成する液体窒素LNの配管１６をシールド１４の磁石本体１１に配置した例が示されている。
このような構成を有する第２の実施形態における磁気共鳴イメージング装１Ａ及び磁気共鳴イメージング装１Ａ用の超電導磁石６Ａによれば、第１の実施形態における磁気共鳴イメージング装１及び磁気共鳴イメージング装１用の超電導磁石６と同様な効果を得ることができる。加えて、構成要素の数を低減させることができる。
（他の実施形態）
以上、特定の実施形態について記載したが、記載された実施形態は一例に過ぎず、発明の範囲を限定するものではない。ここに記載された新規な方法及び装置は、様々な他の様式で具現化することができる。また、ここに記載された方法及び装置の様式において、発明の要旨から逸脱しない範囲で、種々の省略、置換及び変更を行うことができる。添付された請求の範囲及びその均等物は、発明の範囲及び要旨に包含されているものとして、そのような種々の様式及び変形例を含んでいる。
例えば、上述した各実施形態における傾斜磁場コイル７としてASGCを用いてもよい。すなわち、ASGCのシールドコイルを設ける代わりに、或いはシールドコイルに加えてシールド１４を設けることができる。ASGCは、傾斜磁場を発生させるためのＸ軸用、Ｙ軸用及びＺ軸用の各メインコイルと、メインコイルからのＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向における漏れ磁場をキャンセルするためのＸ軸用、Ｙ軸用及びＺ軸用の各シールドコイルで構成される。従って、傾斜磁場コイル７としてASGCを用いる場合には、ASGCのシールドコイル及びシールド１４の双方によってASGCのメインコイルからの漏洩磁場が相殺されることとなる。
１、１Ａ 磁気共鳴イメージング装置
２ ガントリ（架台）
３ 寝台
４ 制御系
５ 天板
６、６Ａ 超電導磁石
７ 傾斜磁場コイル
７Ｘ Ｘ軸用コイル
７Ｙ Ｙ軸用コイル
７Ｚ Ｚ軸用コイル
７Ａ 配管
８ 全身用(WB)コイル
９ ケーシング
１０ 受信用RFコイル
１１ 磁石本体
１１Ａ 容器
１１Ｂ 冷凍機
１２ ケーシング
１３ 超電導コイル
１４ シールド
１５ 冷却系
１６ 配管
１７ 供給タンク
２０ 流路
Ｏ 被検体
Ｒ 撮像領域

Claims (15)

  1. 傾斜磁場コイル及び超電導磁石によってそれぞれ磁場を形成した状態で高周波コイルから高周波信号を送信することによって被検体の磁気共鳴イメージングを行うイメージング手段と、
    前記傾斜磁場コイルとともに前記磁気共鳴イメージング用の傾斜磁場を形成し、かつ前記超電導磁石のヘリウム容器への熱の進入を防止するシールドと、
    を備え、
    前記傾斜磁場は、前記傾斜磁場コイルにより形成される磁場を受けて前記シールドに生じる渦磁場と、前記渦磁場と重ね合わせて所望の傾斜磁場となるように設定された巻き線パターンを有する前記傾斜磁場コイルが発生させる磁場により形成される、
    磁気共鳴イメージング装置。
  2. 被検体がセットされた撮像領域に前記被検体の磁気共鳴イメージング用の静磁場を形成する超電導磁石と、
    傾斜磁場コイルと、
    前記撮像領域に高周波信号を送信する高周波コイルと、
    前記傾斜磁場コイルとともに前記撮像領域に前記磁気共鳴イメージング用の傾斜磁場を形成し、かつ前記超電導磁石のヘリウム容器への熱の進入を防止するシールドと、
    を備え、
    前記傾斜磁場は、前記傾斜磁場コイルにより形成される磁場を受けて前記シールドに生じる渦磁場と、前記渦磁場と重ね合わせて所望の傾斜磁場となるように設定された巻き線パターンを有する前記傾斜磁場コイルが発生させる磁場により形成される、
    磁気共鳴イメージング装置。
  3. 前記シールドは、少なくとも前記傾斜磁場コイルから前記超電導磁石側に生じる磁場を打ち消すことによって前記傾斜磁場コイルとともに前記傾斜磁場を形成するように構成される請求項１又は２記載の磁気共鳴イメージング装置。
  4. 前記シールドを、渦磁場の時定数が500ms以上の金属板で構成した請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気共鳴イメージング装置。
  5. 前記シールドを、板厚が10mm以上の筒状のアルミニウム板又は板厚が3mm以上の筒状の銅板で構成した請求項４記載の磁気共鳴イメージング装置。
  6. 前記シールドを、渦磁場の時定数が前記磁気共鳴イメージングに要求される時定数以上となる金属板で構成した請求項１乃至５のいずれか１項に記載の磁気共鳴イメージング装置。
  7. 前記シールドを、入出力電流が不要な受動型のコイルとして設けた請求項１乃至６のいずれか１項に記載の磁気共鳴イメージング装置。
  8. 前記シールドを、前記超電導磁石を構成するケーシングの内部に設けた請求項１乃至７のいずれか１項に記載の磁気共鳴イメージング装置。
  9. 前記超電導磁石を構成するケーシングの一部を前記シールドで形成した請求項１乃至７のいずれか１項に記載の磁気共鳴イメージング装置。
  10. 前記傾斜磁場コイルの巻き線の条件及び前記シールドの構造は、前記所望の傾斜磁場が形成されるように決定される請求項１乃至９のいずれか１項に記載の磁気共鳴イメージング装置。
  11. 前記傾斜磁場コイルの巻き線数及び前記シールドの直径又は半径は、前記所望の傾斜磁場が形成されるように決定される請求項１０記載の磁気共鳴イメージング装置。
  12. 前記シールドの前記傾斜磁場コイル側に冷却媒体用の配管を設けた請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の磁気共鳴イメージング装置。
  13. 前記シールドの内部に、冷却媒体用の流路を設けた請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の磁気共鳴イメージング装置。
  14. 前記シールドは、前記ヘリウム容器への前記熱の進入を防止する熱シールドである請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の磁気共鳴イメージング装置。
  15. 液体ヘリウム及び超電導コイルをケーシング内に設けて成る磁石本体と、
    前記磁石本体の内側に設けられ、渦磁場の時定数が500ms以上のシールドと、
    を備え、
    磁気共鳴イメージング装置の傾斜磁場コイルにより形成される磁場を受けて前記シールドに生じる前記渦磁場と、前記渦磁場と重ね合わせて所望の傾斜磁場となるように設定された巻き線パターンを有する前記傾斜磁場コイルが発生させる磁場により磁気共鳴イメージング用の傾斜磁場が形成されるようにした、
    磁気共鳴イメージング装置用の超電導磁石。
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