JP6422739B2 - 傾斜磁場コイル及び磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、傾斜磁場コイル及び磁気共鳴イメージング装置に関する。

磁気共鳴イメージング装置は、傾斜磁場を発生する傾斜磁場コイルを有している。傾斜磁場コイルは、巻枠と呼ばれる円筒形状の枠体に複数の導線や冷却管等を配置し、これらを熱硬化性樹脂で固めることにより製造されている。熱硬化性樹脂を硬化する際、傾斜磁場コイル全体を樹脂の硬化温度まで加熱し、数時間に亘り保持する必要がある。この際、樹脂に加えられた熱により当該樹脂に熱膨張が生じるため、樹脂による導線の固定が不完全なものとなってしまう。

特表２００７−５１０４５２号公報 特許第４７９５６７９号 特許第２７１４５０３号 特許第３７８６４６０号 特開２００７−３１２９５９号公報 特許第２６６６７７３号

傾斜磁場を印加する場合、傾斜磁場コイルに含まれる導線に電流が供給される。導線への通電により当該導線にローレンツ力が作用する。上記のように樹脂による導線の固定が不十分な状態において通電が行われると、ローレンツ力により導線が激しく振動し、本来の位置から主に外側に変動してしまう。この位置変動により磁気共鳴イメージングの精度が劣化してしまう。

目的は、導線の位置変動に伴う磁気共鳴イメージングの精度の劣化を防止することが可能な傾斜磁場コイル及び磁気共鳴イメージング装置を提供することにある。

本実施形態に係る傾斜磁場コイルは、円筒形状に形成され、傾斜磁場を発生するための導線が樹脂で固められてなる導線部と、前記樹脂で固められた導線部を外周から固定する固定具と、を具備し、前記固定具は、前記樹脂で固められた導線部に巻き付けることが可能な柔軟性を有する金属テープである。

本実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置の構成を示す図 図１の傾斜磁場コイルを模式的に示す図 本実施形態に係る、繊維テープを使用する場合の傾斜磁場コイルの製造工程の一例を示す図 本実施形態に係る、金属テープを使用する場合の傾斜磁場コイルの製造工程の一例を示す図 本実施形態に係る傾斜磁場コイルの時間経過に伴う位相変化量を示すグラフ 従来例に係る傾斜磁場コイルの時間経過に伴う位相変化量を示すグラフ

以下、図面を参照しながら本実施形態に係わる傾斜磁場コイル及び磁気共鳴イメージング装置を説明する。

図１は、本実施形態に磁気共鳴イメージング装置１の構成を示す図である。図１に示すように、磁気共鳴イメージング装置１は、架台３、コンソール５、及び寝台７を有する。架台３、コンソール５、及び寝台７は有線又は無線で通信可能に接続されている。架台３と寝台７とは、例えば、検査室に設置される。コンソール５は、検査室に隣接する制御室に設置される。

架台３は、静磁場磁石１１、傾斜磁場コイル１３、傾斜磁場電源１５、ＲＦコイル１７、送信部２１、及び受信部２３を有する。コンソール５は、撮像制御部３１、再構成部３３、画像処理部３５、表示部３７、入力部３９、記憶部４１、及びシステム制御部４３を有する。なお、架台３及びコンソール５の構成要素の一部が物理的に他の装置に実装されていても良い。

静磁場磁石１１は、中空の略円筒形状を有し、略円筒内部に静磁場を発生する。発生された磁場の均一度が良い空間領域が撮像に利用される。静磁場磁石１１としては、例えば、永久磁石や超伝導磁石等が使用される。ここで、静磁場磁石１１の中心軸をＺ軸に規定し、Ｚ軸に対して鉛直に直交する軸をＹ軸と呼び、Ｚ軸に水平に直交する軸をＸ軸と呼ぶことにする。Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は、直交３次元座標系を構成する。

傾斜磁場コイル１３は、静磁場磁石１１の内側に取り付けられ、中空の略円筒形状に形成されたコイルユニットである。傾斜磁場コイル１３は、傾斜磁場電源１５からの電流の供給を受けて傾斜磁場を発生する。

傾斜磁場電源１５は、撮像制御部３１による制御に従い傾斜磁場コイル１３に電流を供給する。傾斜磁場電源１５は、傾斜磁場コイル１３に電流を供給することにより、傾斜磁場コイル１３に傾斜磁場を発生させる。

ＲＦコイル１７は、傾斜磁場コイル１５の内側に配置され、送信部２１からＲＦパルスの供給を受けて高周波磁場を発生する。また、ＲＦコイル１７は、高周波磁場の作用を受けて被検体Ｓ内に存在する対象原子核から発せられる磁気共鳴信号（以下、ＭＲ(Magnetic Resonance)信号と呼ぶ）を受信する。受信されたＭＲ信号は受信部２３に供給される。なお、上述のＲＦコイル１７は、送受信機能を有するコイルであるとしたが、本実施形態はこれに限定されず、送信用ＲＦコイルと受信用ＲＦコイルとが別々に設けられても良い。

送信部２１は、被検体Ｓ内に存在する対象原子核を励起するための高周波磁場を、ＲＦコイル１７を介して被検体Ｓに送信する。対象原子核としては、典型的には、プロトンが用いられる。具体的には、送信部２１は、撮像制御部３１による制御に従って、対象原子核を励起するための高周波信号（ＲＦ信号）をＲＦコイル１７に供給する。ＲＦコイル１７から発生された高周波磁場は、対象原子核に固有の共鳴周波数で振動し、対象原子核を励起させる。励起された対象原子核からＭＲ信号が発生され、ＲＦコイル１７により検出される。検出されたＭＲ信号は、受信部２３に供給される。

受信部２３は、励起された対象原子核から発生されるＭＲ信号をＲＦコイル１７を介して受信する。受信部２３は、受信されたＭＲ信号を信号処理してデジタルのＭＲ信号を発生する。

傾斜磁場コイル１３に隣接して寝台７が設置される。寝台７の天板には被検体Ｓが載置される。被検体Ｓの撮像部位が傾斜磁場コイル１３の開口部（ボア）に設定された撮像領域に含まれるように寝台７により天板が位置決めされる。

撮像制御部３１は、ハードウェア資源として、独自のＣＰＵ（Central Processing Unit）あるいはＭＰＵ（Micro Processing Unit）の演算装置とＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）等の記憶装置とを有する。撮像制御部３１は、システム制御部４３から供給されるパルスシーケンス情報に基づいて、傾斜磁場電源１５、送信部２１、及び受信部２３を同期的に制御し、当該パルスシーケンス情報に応じたパルスシーケンスで被検体Ｓを撮像する。パルスシーケンス情報は、パルスシーケンスに応じた撮像の手順を定義する。例えば、パルスシーケンス情報は、傾斜磁場電源１５が傾斜磁場コイル１３に供給する電流パルスの強度や供給タイミング、送信部２１がＲＦコイル１７に供給するＲＦパルスの強度や供給タイミング、受信部２３がＭＲ信号を検出するタイミング等を定義する。

再構成部３３は、ハードウェア資源として、独自のＣＰＵ（Central Processing Unit）あるいはＭＰＵ（Micro Processing Unit）の演算装置とＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）等の記憶装置とを有する。再構成部３３は、受信部２３からのＭＲ信号に基づいて、被検体Ｓに関するＭＲ画像を再構成する。例えば、再構成部３３は、ｋ空間または周波数空間に配置されたＭＲ信号にフーリエ変換を施して実空間で定義されたＭＲ画像を発生する。再構成部３３は、ＡＳＩＣやＦＰＧＡ等の集積回路、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の電子回路により実現される。

画像処理部３５は、ハードウェア資源として、独自のＣＰＵ（Central Processing Unit）あるいはＭＰＵ（Micro Processing Unit）の演算装置とＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）等の記憶装置とを有する。画像処理部３５は、再構成部３３により再構成されたＭＲ画像に種々の画像処理を施す。画像処理部３５は、上記の電子回路により実現される。

表示部３７は、種々の情報を表示機器に表示する。例えば、表示部３７は、再構成部３３により再構成されたＭＲ画像や画像処理部３５により画像処理が施されたＭＲ画像を表示する。また、表示部３７は、スキャン計画画面を表示しても良い。表示機器としては、例えばＣＲＴディスプレイや液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、プラズマディスプレイ等が適宜利用可能である。

入力部３９は、入力機器を介してユーザからの各種指令や情報入力を受け付ける。例えば、入力部３９は、入力機器を介してユーザからの撮像開始指示を受け付ける。入力機器としては、キーボードやマウス、スイッチ等が利用可能である。

記憶部４１は、種々の情報を記憶するＨＤＤ（hard disk drive）等の大容量の記憶装置である。例えば、記憶部４１は、ＭＲ画像や磁気共鳴イメージング装置の制御プログラム等を記憶する。

システム制御部４３は、ハードウェア資源として、独自のＣＰＵ（Central Processing Unit）あるいはＭＰＵ（Micro Processing Unit）の演算装置とＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）等の記憶装置とを有する。システム制御部４３は、磁気共鳴イメージング装置１の中枢として機能する。具体的には、システム制御部４３は、記憶部４１に記憶されている制御プログラムを読み出してメモリ上に展開し、展開された制御プログラムに従って磁気共鳴イメージング装置１の各部を制御する。システム制御部４３は、上記の電子回路により実現される。

次に、本実施形態に係る傾斜磁場コイル１３について詳細に説明する。

図２は、本実施形態に係る傾斜磁場コイル１３を模式的に示す図である。図２に示すように、本実施形態に係る傾斜磁場コイル１３は、一例として、ＡＳＧＣ（Actively Shielded Gradient Coil）であるとする。具体的には、傾斜磁場コイル１３は、導線部１３０と固定具１４０とを有する。導線部１３０は、開口部に設定された撮像領域に傾斜磁場を印加するユニットであり、円筒形状に形成されている。本実施形態に係る導線部１３０は、傾斜磁場を発生するための導線が樹脂で固定されてなる。

導線部１３０は、具体的には、円筒の中心軸Ｚから順番にメインコイル１３１、中間層１３３、及びシールドコイル１３５を有する。

メインコイル１３１は、傾斜磁場を発生する導線である。メインコイル１３１は、具体的には、Ｘ軸に沿って傾斜磁場を印加するためのＸコイル、Ｙ軸に沿って傾斜磁場を印加するためのＹコイル、Ｚ軸に沿って傾斜磁場を印加するためのＺコイルを有する。Ｘコイル、Ｙコイル、及びＺコイルの種類は、円形コイル、ソレノイドコイル、サドルコイル、及びバードケージコイル等の任意のコイルの中から個別に選択可能である。各コイルは、例えば、銅やアルミ等の電気伝導性の良い金属により形成される。

中間層１３３は、磁場印加時において発熱した傾斜磁場コイル１３を冷却するための冷媒が流れる冷却管や、磁場の空間分布を調整するための鉄シムが配置されるシムトレイを有する。

シールドコイル１３５は、メインコイル１３１から発生された傾斜磁場のうちの外部に漏れ出した磁場（漏洩磁場）を打ち消すための磁場（遮蔽磁場）を発生する。シールドコイル１３５は、具体的には、Ｘ軸に沿って遮蔽磁場を印加するためのＸコイル、Ｙ軸に沿って遮蔽磁場を印加するためのＹコイル、Ｚ軸に沿って遮蔽磁場を印加するためのＺコイルを有する。各コイルは、例えば、銅やアルミ等の電気伝導性の良い金属により形成される。

上記のメインコイル１３１、中間層１３３、及びシールドコイル１３５の積層体は、樹脂で固定されている。例えば、当該樹脂は、熱硬化温度下において硬化する性質を有する熱硬化性樹脂が用いられる。例えば、メインコイル１３１、中間層１３３、及びシールドコイル１３５の積層体は、樹脂で含浸され、熱が加えられることにより、硬化される。これにより、メインコイル１３１、中間層１３３、及びシールドコイル１３５の積層体は、樹脂で固定されることとなる。

樹脂で固定された導線部１３０の外周が固定具１４０で巻き付けられている。具体的には、導線部１３０の最外周に配置されるシールドコイル１３５の外周に巻き付けられる。固定具１４０を巻き付けることにより、メインコイル１３１やシールドコイル１３５を強固に固定し、磁場印加時におけるメインコイル１３１やシールドコイル１３５の半径方向に関する振動を抑制することができる。固定具１４０としては、具体的には、繊維を材料とするテープ又はリボン（以下、繊維テープ）や金属を材料とするテープ又はリボン（以下、金属テープ）、綱、紐、縄、ベルトなどの柔軟性を有する細長い用具が好適である。以下、説明を具体的に行うため、固定具１４０は繊維テープであるとする。繊維テープとしては、高強度を有する合成繊維で編まれたものが好適である。このような繊維テープとしては、例えば、ザイロン（登録商標）やケブラー（登録商標）で編まれたテープが挙げられる。

図３は、本実施形態に係る傾斜磁場コイル１３の製造工程の一例を示す図である。図３に示すように、まず、メインコイル１３１、中間層１３３、及びシールドコイル１３５の積層体である導線部１３０が形成される（ステップＳＡ１）。例えば、巻枠と呼ばれる円筒形状を有する枠体にメインコイル１３１、中間層１３３、及びシールドコイル１３５を積層することにより導線部１３０を形成することができる。

ステップＳＡ１が行われると導線部１３０を熱硬化性樹脂で含浸する（ステップＳＡ２）。具体的には、導線部１３０の全体が、型に注入された熱硬化性樹脂により含浸され、当該樹脂の硬化温度まで熱せられ、数時間に亘り保持される。これにより熱硬化性樹脂が硬化される。硬化後、熱硬化性樹脂で含浸された導線部１３０は冷却される。

なお、熱硬化性樹脂を硬化させる際の熱によりメインコイル１３１やシールドコイル１３５等が熱膨張してしまう。そのため、硬化後に冷却された熱硬化性樹脂とメインコイル１３１やシールドコイル１３５との間に隙間が生まれ、熱硬化性樹脂によるメインコイル１３１やシールドコイル１３５への固定力は低下してしまう。この状態のままメインコイル１３１やシールドコイル１３５を通電し磁場印加を実行した場合、メインコイル１３１やシールドコイル１３５はローレンツ力により激しく振動する。振動により、傾斜磁場コイル１３の外側に向けてメインコイル１３１やシールドコイル１３５の位置が変動する。メインコイル１３１やシールドコイル１３５の位置変動は、傾斜磁場の特定を乱す等の理由により画像に歪みを生じさせ、イメージングに悪影響を及ぼすこととなる。

ステップＳＡ２が行われると、図２に示すように、熱硬化性樹脂で含浸された導線部１３０に繊維テープ１４０が巻き付けられる（ステップＳＡ３）。具体的には、繊維テープ１４０は、導線部１３０の最外周を覆うように巻き付けられる。繊維テープ１４０で導線部１３０を巻き付けることにより、磁場印加時において発生するローレンツ力によるメインコイル１３１やシールドコイル１３５の振動を抑制することができる。換言すれば、ローレンツ力によりメインコイル１３１やシールドコイル１３５が振動しない程度の力が中心軸Ｚ方向に向けて働くように、繊維テープ１４０が巻き付けられると良い。

繊維テープ１４０の巻き付け方は、任意で良い。例えば、繊維テープ１４０は、中心軸Ｚに沿ってらせん状に巻き付けられても良いし、中心軸Ｚに沿って平行に巻き付けられても良い。繊維テープ１４０は、メインコイル１３１やシールドコイル１３５の固定をより強固にするため、互いにオーバラップするように巻き付けられても良いし、あるいは、繊維テープ１４０の節約や傾斜磁場コイル１３の小型化等のため、離間して巻き付けられても良い。また、繊維テープ１４０は、メインコイル１３１やシールドコイル１３５の固定をより強固にするため、導線部１３０の最外周の全体を覆うように巻き付けられても良い。あるいは、繊維テープ１４０の節約等のため傾斜磁場コイル１３の小型化のため、繊維テープ１４０は、導線部１３０の最外周の一部領域に限定して巻き付けられても良い。例えば、導線部１３０のうちの、振動が特に激しい中心軸Ｚに関する両端部に限定して巻き付けられても良い。また、繊維テープ１４０は、何層にも重ねて巻かれても良い。

繊維テープ１４０を巻き付ける際の張力（テンション）は、上記の通り、磁場印加時においてメインコイル１３１やシールドコイル１３５に加わるローレンツ力に対抗するために必要な圧力に応じて決定される。

次に、固定具１４０として金属テープを使用する場合の傾斜磁場コイル１３の製造工程について説明する。

図４は、金属テープ１４０を使用する場合の傾斜磁場コイル１３の製造工程の一例を示す図である。なお、図４と図３とに含まれる製造工程のうち同一の製造工程については同一の符号を付し、説明は簡略化するものとする。

図４に示すように、図３と同様に、導線部１３０が形成され（ステップＳＡ１）、導線部１３０が熱硬化性樹脂で含浸される（ステップＳＡ２）。

ステップＳＡ２が行われると熱硬化性樹脂で含浸された導線部１３０に金属テープ１４０が巻かれる。金属テープ１４０は、繊維テープよりも外力の耐性に優れ、また、紫外線による劣化もない。

一方、金属テープ１４０は、繊維テープとは異なり、導電性を有する。従って金属テープ１４０を導線部１３０に巻き付けることにより、金属テープ１４０が閉ループを形成し場合、磁場の乱れを生じさせてしまう。そのため、金属テープの材料としては、出来るだけ電気伝導性の悪い金属が用いられると良い。このような金属材料としては、例えば、スチールが挙げられる。また、金属テープ１４０が閉ループを形成しないように、金属テープ１４０が導線部１３０に巻き付けられると良い。換言すれば、金属テープ１４０は、互いにオーバラップしないように巻き付けられる。具体的には、金属テープ１４０は、互いにオーバラップしないように、中心軸Ｚに沿って螺旋状に巻き付けられても良いし、中心軸Ｚに沿って平行に巻き付けられても良い。

次に、本実施形態に係る効果について説明する。

図５は本実施形態に係る傾斜磁場コイル１３０の時間経過に伴う位相変化量を示し、図６は従来例に係る傾斜磁場コイルの時間経過に伴う位相変化量を示すグラフである。図５及び図６の縦軸は位相変化量に規定され、横軸は経過日数に規定される。本実施形態に係る傾斜磁場コイル１３としては、最外周に繊維テープ又は金属テープ１４０が巻かれた、熱硬化性樹脂で含浸された導線部１３０が用いられている。従来例に係る傾斜磁場コイルとしては、最外周に繊維テープが巻かれていない、熱硬化性樹脂で含浸された導線部が用いられている。位相変化量は、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸各々のメインコイルとシールドコイルとの相対位置変化により生じる量である。図５及び図６のＸはＸチャンネルを示し、ＹはＹチャンネルを示し、ＺはＺチャンネルを示す。位相変化量は、初期の各コイルの位相から計測時の各コイルの位相の変化量を示す。位相変化量は、イメージングに影響を与えない位相変化量の上限が１になるように正規化されている。

図６に示すように、従来例に係る傾斜磁場コイルは、短期間に位相変化量が１を超えて大きく変動していることが分かる。一方、本実施形態に係る傾斜磁場コイルは、長期間に亘り位相変化量を１以下に抑えている。

図５及び図６に示す位相変化量の比較結果から、熱硬化性樹脂で含浸された導線部１３０の最外周を繊維テープ又は金属テープで巻き付けることにより、巻き付けない場合に比して、傾斜磁場コイル１３内のコイルの位置変動を、イメージングに悪影響を与えない水準まで抑制できることが分かる。

かくして、本実施形態によれば、導線の位置変動に伴う磁気共鳴イメージングの精度の劣化を防止することが可能となる。

なお、上述した実施形態においては、導線部を固定する方法として、導線部を熱硬化性樹脂により含浸する手法を説明したが、実施形態はこれに限られるものではなく、導線部に対して熱硬化性樹脂を塗布する手法を適用しても良い。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…磁気共鳴イメージング装置、３…架台、５…コンソール、７…寝台、１１…静磁場磁石、１３…傾斜磁場コイル、１５…傾斜磁場電源、１７…ＲＦコイル、２１…送信部、２３…受信部、３１…撮像制御部、３３…再構成部、３５…画像処理部、３７…表示部、３９…入力部、４１…記憶部、４３…システム制御部、１３０…導線部、１３１…傾斜磁場コイル、１３３…中間層、１３５…シールドコイル、１４０…固定具。

Claims (6)

1. 円筒形状に形成され、傾斜磁場を発生するための導線が樹脂で固められてなる導線部と、
   前記樹脂で固められた導線部を外周から固定する固定具と、
   を具備する傾斜磁場コイルであって、
   前記固定具は、前記樹脂で固められた導線部に巻き付けることが可能な柔軟性を有する金属テープである、
   傾斜磁場コイル。
2. 前記樹脂で固められた導線部は、互いにオーバラップしないように前記金属テープにより巻き付けられる、請求項１記載の傾斜磁場コイル。
3. 前記導線部は、前記導線として、
   前記樹脂で固められ、傾斜磁場を発生するメインコイルと、
   前記メインコイルの外周に設けられ、前記メインコイルとともに前記樹脂で固められ、前記発生された傾斜磁場の外部への漏洩を遮蔽するための遮蔽磁場を発生するシールドコイルと、を有し、
   前記固定具は、前記樹脂で固められたシールドコイルの外周に巻き付けられる、
   請求項１記載の傾斜磁場コイル。
4. 前記固定具は、磁場印加時において前記導線に作用するローレンツ力に伴う前記導線の位置変動を抑制するために設けられる、請求項１記載の傾斜磁場コイル。
5. 前記固定具は、磁場印加時において前記導線に作用するローレンツ力に対抗できる張力で巻き付けられる、請求項１記載の傾斜磁場コイル。
6. 静磁場を発生する静磁場磁石と、
   傾斜磁場を発生する傾斜磁場コイルと、を具備する磁気共鳴イメージング装置であって、
   前記傾斜磁場コイルは、
   円筒形状に形成され、傾斜磁場を発生するための導線が樹脂で固められてなる導線部と、
   前記樹脂で固められた導線部を外周から固定する固定具と、を備え、
   前記固定具は、前記樹脂で固められた導線部に巻き付けることが可能な柔軟性を有する金属テープである、
   磁気共鳴イメージング装置。

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