JP6377296B1 - 磁気共鳴撮像装置用静磁場調整器具及び超電導マグネット - Google Patents

Abstract

ＭＲＩ用静磁場調整器具（１５０）は、シムトレイ（１５２）、底部スペーサー（１５７）及び磁性体シム（１５４）を備える。シムトレイ（１５２）は、ＭＲＩに装着され、シムポケット（１５３）が設けられている。底部スペーサーは、シムポケット（１５３）の底面に接するようにシムポケット（１５３）に収納され、非磁性体から成る。磁性体シム（１５４）は、シムポケット（１５３）の底面との間に底部スペーサー（１５７）を挟んでシムポケット（１５３）に収納され、磁性体から成る。

Description

本発明は、主として磁気共鳴撮像装置の撮像領域に形成される静磁場を調整する器具、及びこれを備える超電導マグネットに関するものである。

静磁場磁石を用いた磁気共鳴撮像装置（以下で、ＭＲＩと称す）の設置に際しては、そのＭＲＩの撮像領域における静磁場が均一性の高いものとなるように、特許文献１に記載のような静磁場の調整（以下、シミングと称す）が行われる。シミングでは、シムと呼ばれる長方形状の磁性体から成る板状の部材を、複数の凹部が設けられたトレイの当該凹部に収納する。そして、シムが収納されたトレイをＭＲＩに装着する。これにより、撮像領域における静磁場が、ＭＲＩにおいて必要とされる程度に、均一な状態に調整される。

特開２００８−２８９７０３号公報

ところで、シミングを行う際には、シムが収納されたトレイをＭＲＩに装着した場合の静磁場への影響、つまり、磁場出力値を、コンピュータ等によりあらかじめ計算しておく。そして、この計算の結果に基づいて、実際にトレイに収納されるシムの量が決定される。しかし、計算の結果に基づいて決定された量のシムをトレイに収納しても、撮像領域の静磁場が、ＭＲＩにおいて必要とされる程度に、均一な状態にならない、つまり、計算された磁場出力値と、実際の磁場出力値との間に乖離があるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、計算された磁場出力値と、実際の磁場出力値との間の乖離を抑制することができるＭＲＩ用静磁場調整器具及びこれを備える超電導マグネットを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるＭＲＩ用静磁場調整器具は、ＭＲＩに装着され、凹部が設けられたシムトレイと、凹部の底面に接するように凹部に収納され、非磁性体から成る底部スペーサーと、底面との間に底部スペーサーを挟んで凹部に収納され、磁性体から成る磁性体シムとを備える。

本発明によれば、計算された磁場出力値と、実際の磁場出力値との間の乖離を抑制することができる。

実施の形態１にかかるＭＲＩの外観を示す斜視図である。 実施の形態１にかかるＭＲＩ用静磁場調整器具を含む超電導マグネットの概略構成の一例を示す図である。 実施の形態１にかかるＭＲＩ用静磁場調整器具の装着状態を示す図である。 実施の形態１にかかるＭＲＩ用静磁場調整器具の斜視図である。 図４のＡ−Ａ断面における断面図である。 シミングのフローチャートである。 ＭＲＩ用静磁場調整器具におけるシムポケット内の磁性体シムの位置に関し、シミュレーションで仮定される位置を示した図である。 従来のＭＲＩ用静磁場調整器具におけるシムポケット内の磁性体シムの位置を示した図である。 実施の形態２にかかるＭＲＩ用静磁場調整器具の斜視図である。 図９のＢ−Ｂ断面における断面図である。

一実施形態であるＭＲＩ用静磁場調整器具及び超電導マグネットについて、添付した図面を参照しながら説明する。

実施の形態１．
図１は、ＭＲＩ１の外観を示す斜視図である。図１に示すように、ＭＲＩ１は、静磁場発生部１０と寝台３０とを含む。静磁場発生部１０は、後述する超電導マグネット１００を含み、ボア２０内部に静磁場を発生させる。

図２に示すように、超電導マグネット１００は、静磁場磁石１１０と、傾斜磁場コイル１２０と、ＲＦコイル１３０と、ＭＲＩ用静磁場調整器具１５０を備える。

静磁場磁石１１０は、略円筒状を成す磁石であり、その円筒の内側の空間であるボア２０に静磁場を発生させる。静磁場磁石１１０は、超電導磁石であり、低温容器１１１と、低温容器１１１の中で冷却液に浸漬された超電導コイル１１２とを有する。

超電導コイル１１２は、ＮｂＴｉなどの超電導線を巻き回して作られるコイルであり、超電導コイル１１２を超電導状態に保つために必要な冷媒である液体ヘリウム１１３と共に、低温容器１１１に収納されている。また、超電導コイル１１２は、静磁場を発生する静磁場用メインコイル１１２ａと、静磁場用メインコイル１１２ａが発生した静磁場の周囲への漏れを抑制する静磁場用シールドコイル１１２ｂから構成されている。静磁場用メインコイル１１２ａ及び静磁場用シールドコイル１１２ｂはそれぞれ、円環状を成し、それらの中心軸は略一致している。

低温容器１１１は、液体ヘリウム１１３及び超電導コイル１１２を収納するヘリウム槽１１４、外部からの熱侵入を遮断するための熱シールド１１６、低温容器１１１の内部を真空状態に保つ真空槽１１８から構成されている。なお、低温容器１１１には、液体ヘリウム１１３の消費を抑えるために、通常、冷凍機と接続されている。

傾斜磁場コイル１２０は、略円筒状に形成され、静磁場磁石１１０の内周側に配置される。例えば、傾斜磁場コイル１２０は、ＡＳＧＣ（Ａｃｔｉｖｅ Ｓｈｅｉｌｄｅｄ Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ｃｏｉｌ）であり、メインコイル１２１及びシールドコイル１２２を有する。メインコイル１２１は、電源から供給される電流により、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の方向に強さが変化する傾斜磁場を被検体Ｐに印加する。シールドコイル１２２は、メインコイル１２１の外側に磁場を発生させることで、メインコイル１２１によって発生する傾斜磁場を遮蔽する。

ＲＦコイル１３０は、略円筒状に形成され、傾斜磁場コイル１２０の内周側に配置される。ＲＦコイル１３０は、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）パルスに基づいて被検体ＰにＲＦ磁場を印加する。また、ＲＦコイル１３０は、水素原子核の励起によって被検体Ｐから放出される磁気共鳴信号を受信する。

ＭＲＩ用静磁場調整器具１５０は、図３に示すように、超電導マグネット１００に装着され、撮像領域の静磁場の調整に用いられる。また、ＭＲＩ用静磁場調整器具１５０は、図４に示すように、シムトレイ１５２、磁性体シム１５４、シムスペーサー１５６、及び蓋１５９から構成される。

シムトレイ１５２は、ガラス繊維などの非磁性の材料で構成された略直方体状の部品である。また、図３に示すように、シムトレイ１５２は、超電導マグネット１００が成す円筒の内周側、つまり、ボア２０の周囲にほぼ等間隔で複数配置される。さらに、図４に示すように、シムトレイ１５２には、シムトレイ１５２が成す直方体の長軸方向に並ぶように、複数の凹部が設けられている。この凹部（以下で、シムポケット１５３と称す）には、後述する磁性体シム１５４が収納される。なお、本実施例において、シムトレイ１５２が成す直方体の長軸方向と、超電導マグネット１００が成す円筒の中心軸とは平行である。また、シムトレイ１５２の端部には、シムトレイ１５２を超電導マグネット１００に固定するためのねじ穴１５５が設けられている。

磁性体シム１５４は、例えば鉄などの磁性材料からなる平板である。また、図４に示すように、磁性体シム１５４は、シムポケット１５３に収まるように縦横の寸法が一定の長方形状を成している。さらに、磁性体シム１５４には、厚さの異なる複数種類（０．０５ｍｍ〜０．３５ｍｍ）のものが用意されている。これら複数種類の組み合わせを変えて各シムポケット１５３に磁性体シム１５４を収納することで、各シムポケット１５３に配置する磁性体シム１５４の量（厚み）を調節することができる。

シムスペーサー１５６は、磁性体シム１５４が納められたシムポケット１５３の残余の空間を埋めるための、ベークライトやＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）などの非磁性材料からなる平板状の部品である。シムスペーサー１５６も、磁性体シム１５４と同様に、シムポケット１５３に収まるように縦横の寸法が一定の長方形状を成しており、厚さの異なる複数種類のものが用意されている。また、シムスペーサー１５６は、底部スペーサー１５７と上部スペーサー１５８とに分けることができる。なお、シムスペーサー１５６の材料がＰＥＴの場合、ベークライトが材料の場合と比較して、シムスペーサー１５６の厚さを薄くすることができる。

図５に示すように、底部スペーサー１５７は、その下面がシムポケット１５３の底面と接するように、シムポケット１５３に収納される。そして、本実施例では、底部スペーサー１５７の上面と接するように磁性体シム１５４が配置される。つまり、磁性体シム１５４は、シムポケット１５３の底面との間に底部スペーサー１５７を挟んで、シムポケット１５３に収納されている。ここで、底部スペーサー１５７は、一枚だけでなく、複数枚から構成されていてもよい。

図５に示すように、上部スペーサー１５８は、磁性体シム１５４を挟んで底部スペーサー１５７と反対側に位置している。つまり、上部スペーサー１５８は、シムポケット１５３の底面との間に、底部スペーサー１５７及び磁性体シム１５４を挟んでシムポケット１５３に収納されている。ここで、磁性体シム１５４の厚みｄ１、底部スペーサー１５７の厚みｄ２及び上部スペーサー１５８の厚みｄ３の合計は、シムポケット１５３の深さｄ４と略等しい。また、本実施例では、底部スペーサー１５７の厚みｄ２と上部スペーサー１５８との厚みｄ３は略同じである。なお、上部スペーサー１５８についても、底部スペーサー１５７と同様に、一枚だけでなく、複数枚から構成されていてもよい。

図４に示すように、蓋１５９は、シムトレイ１５２に装着されるはめ込み式の蓋であり、シムポケット１５３に収納された磁性体シム１５４及びシムスペーサー１５６を固定する。具体的には、蓋１５９は、強化プラスチックなどの非磁性材料からなる長方形状の平板をコの字型に曲げた部材である。また、蓋１５９のコの字の内側の側面には図示しない爪がある。この爪が、シムトレイ１５２の側面に切られた溝Ｇに引っかかることで、蓋１５９は、シムトレイ１５２に固定される。このとき、蓋１５９によって覆われたシムポケット１５３内部の磁性体シム１５４及びシムスペーサー１５６も固定される。

以下で、図６のフローチャートを用いて、ＭＲＩ用静磁場調整器具１５０を用いたシミングについて説明する。

初めに磁性体シム１５４がない状態（シムトレイが空の状態）で超電導コイル１１２を励磁し、撮像領域の磁場を測定する。なお、測定は、ボア２０内において球形を成す撮像領域の表面上の５００点以上で行われる（ステップＳ０１）。

測定が終わると、磁場出力値を計算するコンピュータに、その測定結果を反映させる（ステップＳ０２）。

そして、静磁場の測定結果を反映させたコンピュータを用いて、磁性体シム１５４が特定のシムポケット１５３に収納された際の静磁場に対する影響、つまり磁場出力値を計算する。具体的には、図７に示すように、特定のシムポケット１５３が、収納できる最大量の磁性体シム１５４で満たされた状態を仮定する。そして、シムポケット１５３が収納できる最大量の磁性体シム１５４で満たされた場合の磁場出力値を、コンピュータを用いて計算する。この計算は、各シムポケット１５３に対して行われる（ステップＳ０３）。

上記の計算結果に基づいて、撮像領域の磁場が均一かつ、使用する磁性体シム１５４が最小になるという条件のもと、各シムポケット１５３に必要な磁性体シム１５４の量を、ソルバーを用いて算出する。なお、ソルバーにて、必要な磁性体シム１５４の量を算出する際には、例えば、磁性体シム１５４の量がシムポケット１５３に収納できる最大量の二分の一なら、その磁場出力値は、ステップＳ０３で計算した磁場出力値の二分の一として比例計算している（ステップＳ０４）。

超電導コイル１１２を一時、消磁状態にして、シムトレイ１５２を超電導コイル１１２から引き抜く（ステップＳ０５）。

引き抜かれたシムトレイ１５２のシムポケット１５３に、ステップＳ０４で算出された磁性体シム１５４の量に対応する厚みの磁性体シム１５４を挿入する。このとき、図５に示すように、シムポケット１５３の底面と接するように底部スペーサー１５７を配置し、その上に、磁性体シム１５４を配置する。さらに、シムポケット１５３内における磁性体シム１５４の動きを抑制するために、磁性体シム１５４の上面側にも上部スペーサー１５８を配置し、蓋１５９で固定する（ステップＳ０６）。

そして、図３に示すように、消磁状態の超電導コイル１１２に、磁性体シム１５４が挿入されたシムトレイ１５２を装着する（ステップＳ０７）。

最後に、超電導コイル１１２を再び励磁して（ステップＳ０８）、撮像領域の磁場の均一性を確認する（ステップＳ０９）。このようにして、ＭＲＩ用静磁場調整器具１５０を用いたシミングが行われる。

（効果）
一実施形態であるＭＲＩ用静磁場調整器具１５０では、計算された磁場出力値と、実際の磁場出力値との間の乖離を抑制することができる。具体的には、シミングのステップ０３で述べた通り、磁性体シム１５４を特定のシムポケット１５３に挿入した際の静磁場に対する影響、つまり、磁場出力値を計算する際に、特定のシムポケット１５３が、収納できる最大量の磁性体シム１５４で満たされた状態を仮定している。この仮定は、図７に示すように、実質的に、磁性体シム１５４の厚さ方向の中心Ｃ１が、シムポケット１５３の深さ方向の中心Ｃ２に位置していることを意味する。しかし、従来のシミングでは、図８に示すように、磁性体シム１５４をシムポケット１５３の底面に直接置いていたため、磁性体シム１５４の厚さ方向の中心Ｃ１がシムポケット１５３内の深さ方向の中心Ｃ２に位置していなかった。一方、一実施形態であるＭＲＩ用静磁場調整器具では、図５に示すように、シムポケット１５３の底面に接するように底部スペーサー１５７を置き、この上に磁性体シム１５４を置くことで、磁性体シム１５４の中心Ｃ１をシムポケット１５３の中心Ｃ２に近づけることができる。その結果、一実施形態であるＭＲＩ用静磁場調整器具１５０では、計算された磁場出力値と、実際の磁場出力値との間の乖離を抑制することができる。

また、超電導コイル１１２が励磁状態にあるときは、磁性体シム１５４に強力な電磁吸引力が発生する。従って、シミングを行う際には、撮像領域の静磁場の測定後に、超電導コイル１１２を消磁して、シムトレイ１５２を取り出し、磁性体シム１５４の量を調節して、シムトレイ１５２を超電導コイル１１２に挿入し、再び超電導コイル１１２を励磁するという過程を繰り返す。ここで、超電導コイル１１２の消磁や励磁を繰り返すことは、超電導コイル１１２を超電導状態に保つための液体ヘリウムなどの寒剤の大量消費を招くだけでなく、超電導コイル１１２のクエンチに繋がる可能性がある。しかし、一実施形態であるＭＲＩ用静磁場調整器具１５０では、計算された磁場出力値と、実際の磁場出力値との間の乖離を抑制することができるため、従来のシミングと比べて、少ない回数の磁性体シム１５４の量の調節で、撮像領域における静磁場の均一性を得やすい。結果として、シミングにおける超電導コイル１１２の消磁や励磁の回数を減らすことができ、寒剤の大量消費やクエンチを抑制することができる。

さらに、本実施例では、図５に示すように、磁性体シム１５４の厚みｄ１、底部スペーサー１５７の厚みｄ２及び上部スペーサー１５８の厚みｄ３の合計は、シムポケット１５３の深さｄ４と略等しい。つまり、シムポケット１５３は、磁性体シム１５４及びシムスペーサー１５６により満たされている。これにより、シムポケット１５３が蓋１５９によって覆われた際には、シムポケット１５３の内部で、磁性体シム１５４、底部スペーサー１５７及び上部スペーサー１５８が動くことが抑制される。結果として、計算された磁場出力値と、実際の磁場出力値との間の乖離を抑制することができる。

これに加え、本実施例では、図５に示すように、底部スペーサー１５７の厚みｄ２と上部スペーサー１５８との厚みｄ３は略同じである。従って、底部スペーサー１５７と上部スペーサー１５８とを同種の部品で共用することができる。なお、磁場出力値を計算する際に、磁性体シム１５４の中心Ｃ１が、例えばシムポケット１５３の中心Ｃ２と一致していないと仮定して計算する場合には、底部スペーサー１５７の厚みｄ２と上部スペーサー１５８との厚みｄ３とを同じにする必要はない。

実施の形態２．
実施の形態２であるＭＲＩ用静磁場調整器具１５０Ａと実施の形態１であるＭＲＩ用静磁場調整器具１５０との主たる相違点は、図９及び図１０に示すように、底部スペーサー１５７が、２つの部品、底部スペーサー１５７ａ及び底部スペーサー１５７ｂから構成されている点である。以下で、より具体的に説明する。

ＭＲＩ用静磁場調整器具１５０Ａでは、ベークライトを材料とする底部スペーサー１５７ａ、及びＰＥＴを材料とする底部スペーサー１５７ｂから構成されている。そして、ＰＥＴを材料とする底部スペーサー１５７ｂは、ベークライトを材料とする底部スペーサー１５７ａに対して薄い。

このように、底部スペーサー１５７が、一つの部品だけでなく、異なる材料の複数の部品から構成されていることで、シムポケット１５３内における磁性体シム１５４の高さをより細かく調整することができる。例えば、底部スペーサー１５７をシムポケット１５３に配置する際に、図１０に示すように、初めにベークライトを材料とする底部スペーサー１５７ａをシムポケット１５３に配置して、磁性体シム１５４のシムポケット１５３内での高さを簡易的に調整する。その後、ＰＥＴを材料とする底部スペーサー１５７ｂを、磁性体シム１５４と底部スペーサー１５７ａとの間に配置して、磁性体シム１５４のシムポケット１５３内での高さを微調整することができる。

ＭＲＩ用静磁場調整器具１５０Ａにおける他の構成は、ＭＲＩ用静磁場調整器具１５０と同様である。従って、底部スペーサー１５７に関する説明以外の説明は、ＭＲＩ用静磁場調整器具１５０での説明のとおりである。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ ＭＲＩ（磁気共鳴撮像装置）、１００ 超電導マグネット、１５０ ＭＲＩ用静磁場調整器具、１５２ シムトレイ、１５３ シムポケット（凹部）、１５４ 磁性体シム、１５７ 底部スペーサー、１５７ａ 底部スペーサー（第１の底部スペーサー）、１５７ｂ 底部スペーサー（第２の底部スペーサー）、１５８ 上部スペーサ

Claims (4)

1. 磁気共鳴撮像装置の撮像領域における静磁場を調整する器具であって、
   前記磁気共鳴撮像装置に装着され、凹部が設けられたシムトレイと、
   前記凹部の底面に接するように前記凹部に収納され、非磁性体から成る底部スペーサーと、
   前記底面との間に前記底部スペーサーを挟んで前記凹部に収納され、磁性体から成る磁性体シムと、
   前記底面との間に前記底部スペーサー及び前記磁性体シムを挟んで前記凹部に収納される上部スペーサーとを備え、
   前記凹部は、前記磁性体シム、前記底部スペーサーおよび前記上部スペーサーにより満たされており、
   前記底部スペーサーは、第１の底部スペーサー及び第２の底部スペーサーを含み、前記第１の底部スペーサーの材料と前記第２の底部スペーサーの材料とは異なる、磁気共鳴撮像装置用静磁場調整器具。
2. 前記磁性体シムの厚み、前記底部スペーサーの厚み及び前記上部スペーサーの厚みの合計は、前記凹部の深さと同じである、請求項１に記載の磁気共鳴撮像装置用静磁場調整器具。
3. 前記凹部に収納された前記底部スペーサーの厚みは、前記凹部に収納された前記上部スペーサーの厚みと同じである、請求項１又は請求項２に記載の磁気共鳴撮像装置用静磁場調整器具。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の磁気共鳴撮像装置用静磁場調整器具を備える超電導マグネット。

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