JP6560680B2 - Ｍｒｉシステム用電磁干渉シールドコイル - Google Patents

Description

本発明は、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）の技術分野に関し、特にＭＲＩ磁石アセンブリに有用な磁場調整装置に関するものである。

ＭＲＩ（磁気共鳴イメージング）における超伝導磁石は、異なる機能を実行するために超伝導コイル群を採用している。例えば、通常、１次コイルと呼ばれる超伝導コイルのグループは、静的、かつ空間的に均一な磁場（Ｂ０磁場）を発生させるために用いられる。通常、シムコイルと呼ばれる超伝導コイルのグループは、特定の磁場成分を発生させることによって、磁場の均一度に関する厳しい要求を満たす。通常、ＥＭＩ（電磁干渉）シールドコイルまたはＢ０コイルと呼ばれる超伝導コイルのグループは、磁場を低周波ＥＭＩ（移動用リフトや車近傍等）から保護するために用いられる。

上記コイルは、すべて独立してそれぞれ設定されている機能を実行するものであり、各コイルグループは、１つの機能のみを実行する。したがって、スイッチおよび関節のような、そのように独立したアセンブリが、各コイルグループに必要であり、超伝導磁石内の空間を占有する必要がある。

シムコイルが用いられない場合、多数のパッシブシムが、通常、均一度に関する要求を満たさなければならない。そのため、高挿入力（特別な工具を必要とする）、高Ｂ０ドリフト（補償のために長期間の較正を必要とする）、および特に３Ｔシステムにおける高価なシミングプロセス（労力および材料の両方を含む）等の困難なことにつながる。

米国特許出願第２００７／１１４９９７号明細書

本発明の一実施形態は、ＭＲＩの磁場発生アセンブリで用いるための磁場調整システムを提供する。磁場調整システムは、第１磁場発生アセンブリおよび追加のアセンブリを備えている。第１磁場発生アセンブリは、ＭＲＩにより必要とされる第１磁場を発生させるために用いられ、前記スイッチおよび電流分岐線を含む追加のアセンブリは、第１磁場発生アセンブリと協働して、ＭＲＩが必要とする第２磁場を発生させるのに有用である。

本発明の別の実施形態は、ＭＲＩの磁場発生アセンブリで用いるための磁場調整方法を提供する。磁場調整方法は、ＭＲＩが必要とする第１磁場を発生させるように第１磁場発生アセンブリを配置することと、ＭＲＩが必要とする第２磁場を発生させる第１磁場発生アセンブリと協働するために、スイッチおよび電流分岐線を含む追加のアセンブリを配置することとを含む。

本開示を完全に理解するために、本発明の実施形態は、以下の添付図面を参照し、以下詳細に説明される。

様々な実施形態に従って形成された例示的なイメージングシステムの概略ブロック図である。 従来技術によるＥＭＩシールドコイルを示す概略図である。 従来技術によるシムコイルを示す概略図である。 本発明の一実施形態に係るＥＭＩシールドコイルを示す概略図である。

以下、本発明を実施するための具体的な実施形態について図面を参照して詳細に説明する。しかし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではないことを理解されたい。

本明細書に記載した磁場調整システムの様々な実施形態は、図１に示すイメージングシステム１０等の医用イメージングシステムの一部として提供することができ、医用イメージングシステムと共に用いられるように提供することもできる。イメージングシステム１０をシングルモダリティイメージングシステムとして示しているが、様々な実施形態はマルチモダリティイメージングシステムに実現することもできるし、マルチモダリティイメージングシステムを用いて実現することもできることを理解されたい。例えば、イメージングシステム１０はＭＲＩイメージングシステムとして図示され、異なる種類の医用画像診断システムと組み合わせることができる。異なる種類の医用画像診断システムは、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）システム、陽電子放射断層撮影（ＰＥＴ）システム、単一光子放射断層撮影（ＳＰＥＣＴ）、および超音波システム、または（特に人体の）画像を生成することができる任意の他のシステム等である。さらに、様々な実施形態は、被検体を撮像するための医用イメージングシステムに限定されるものではなく、人体以外の対象、獣医学システムや手荷物等を撮像するための非医用システムが含まれ得る。

例示的な実施形態では、イメージングシステム１０は、超伝導磁石１２を含む超伝導磁石アセンブリ１１を備えている。超伝導磁石１２は、磁石コイル支持構造によって支持された複数の磁気コイルで形成されており、１次コイル、ＥＭＩシールドコイル、シムコイル等を備えている。一実施形態では、超伝導磁石アセンブリ１１はさらに、熱シールド１３を含んでもよい。超真空容器１５によって囲まれたヘリウム容器１４が、熱シールド１３によって囲まれている。上述したヘリウム容器１４、熱シールド１３、および外側真空容器１５は、共にクライオスタット１７を形成している。動作中、容器１４には、液体ヘリウムが充填され、超伝導磁石１２のコイルを冷却する。液体ヘリウム容器１４と外側真空容器１５との間の空間に断熱材（図示せず）を提供することができる。イメージングシステム１０はさらに、１次勾配コイル１８、シールド勾配コイル１９、およびＲＦ送信コイル２０を備えている。典型的には、イメージングシステム１０はさらに、コントローラ３０、１次磁場制御部３２、勾配磁場制御部３４、メモリ３６、表示装置３８、送受信（Ｔ−Ｒ）スイッチ４０、ＲＦ送信器４２、および受信器４４を備えている。

動作中に、例えば、患者（図示せず）、人体模型等の対象の体は、適当な支持体、例えば、電動テーブル（図示せず）、またはその他の、患者に特定のテーブル上に載置され、ボア４６内に配置される。超伝導磁石１２は、ボア４６全体に均一で静的な１次磁場Ｂを発生させる。コントローラ３０は、ボア４６内の電磁場の強度を制御し、それに対応して１次磁場制御部３２を介して患者内の電磁場の強度を制御する。１次磁場制御部３２はさらに、超伝導磁石１２への励磁電流の供給を制御する。

１以上の勾配コイル素子を含むことができる１次勾配コイル１８は、３つの直交する方向ｘ，ｙ，ｚのいずれか１以上において、ボア４６内の磁場Ｂ０に磁場勾配を与えることができるように設けられている。１次勾配コイル１８は、勾配磁場制御部３４によって励起され、コントローラ３０によって制御される。

シールド勾配コイル１９は、シールドコイル１３の外側領域において１次勾配コイル１８によって発生した磁場に対抗する磁場を発生させ、それによって熱シールド等の導電性部材との相互インダクタンスを低減し、複合渦電流を低減する。

複数のコイル（例えば、共鳴表面コイル）を含み得るＲＦ送信コイル２０は、磁気パルスを送信するために設けられている。付加的に、または代替的に、収容コイル素子がさらに設けられている場合には、ＲＦ送信コイル２は、任意選択的に、患者からのＭＲ信号を同時に検出するようにしてもよい。ＲＦ送信コイル２０および（提供されている場合には）受信表面コイルは、任意選択的に、Ｔ−Ｒスイッチ４０を介してＲＦ送信器４２と受信器４４のうち一方に相互接続することができる。ＲＦ送信器４２およびＴ−Ｒスイッチ４０は、ＲＦ磁場パルスまたは信号がＲＦ送信器４２によって発生し、選択的に、患者に磁気共鳴を励起するために患者に印加されるように、コントローラ３０によって制御される。

ＲＦパルスの印加後、Ｔ−Ｒスイッチ４０を再度作動させてＲＦ送信コイル２０をＲＦ送信器４２から切り離す。検出されたＭＲ信号は、こうしてコントローラ３０に送信される。コントローラ３０は、ＭＲ信号の処理を制御して患者の画像を表す信号を発生させるプロセッサ４８を含む。画像を表す処理された信号は、さらに表示装置３８に送信され、画像の視覚的表示を提供する。具体的には、Ｋ空間を充填する、または形成するＭＲ信号が、フーリエ変換されて可視画像を得る。その後、画像を表す処理された信号は、表示装置３８に送信される。

図２は、従来技術によるＥＭＩシールドコイルを示す概略図である。超伝導磁石１２の一部に属し、かつ一般的に、比較的小さな電流（＜５０Ａ）のみを流すＢ０コイルは、小さな超伝導コイルによって実現される。Ｂ０コイルは、磁石内の異なる位置に巻線された４つサブコイルＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４を備える。４つのサブコイルは、直列に接続されて、スイッチＳ１を有する閉ループを形成している。これらサブコイルの配置および形状を慎重に選択して、特定の相互結合を達成する。ＥＭＩが発生すると、適切な（図２に示すように時計方向の）電流がＢ０コイル内に誘導され、有効視野（ＦＯＶ）だけに、元々のＥＭＩ干渉の３％未満がかかる。元々のＥＭＩ干渉の３％未満は、現在のＭＲＩ産業におけるイメージング用途において許容される。

図３は、従来技術によるシムコイルを示す概略図である。シムコイルは、超伝導磁石１２の一部に属し、２つの空間的に交差する閉ループを有している。一方のループであるループＺ１は、コイルＺ１−１およびＺ１−２、ならびにスイッチＳ１を含む。他方のループであるループＺ２は、コイルＺ２−１、Ｚ２−２、Ｚ２−３、およびＺ２−４、ならびにスイッチＳ２を含む。２つのループの電流は、スイッチＳ１およびＳ２を介して別々に制御することができる。図示されているように、ループＺ１およびＺ２を流れる電流の方向はいずれも時計回りである。ループＺ１では、コイルＺ１−１およびＺ１−２を流れる電流の方向が逆（すなわち、同じ軸線方向から見ると、コイルＺ１−１およびＺ１−２を流れる電流の方向の一方は時計回りであり、他方は反時計回り）である。ループＺ２では、コイルＺ１−１、Ｚ２−２、Ｚ２−３およびＺ２−４を流れる電流の方向は、同じ方向（すなわち、同じ軸線方向から見ると、コイルＺ１−１、Ｚ１−２、Ｚ１−３、およびＺ１−４を流れる電流の方向は、すべて時計回り、または反時計回り）である。

図４は、本発明の一実施形態に係るＥＭＩシールドコイルを示す概略図である。４つサブコイルが閉じた電流ループを形成する従来のＥＭＩシールドコイルを用いる代わりに、本発明者らは、図４に示すような３つのローカル電流ループを形成するために、図１に示す従来のＥＭＩシールドコイル回路に、新たな分岐をスイッチと共に導入する。ＥＭＩシールドコイルは、順に直列に接続されている第１サブコイルＣ１、第２サブコイルＣ２、第３サブコイルＣ３、および第４サブコイルＣ４と、第１スイッチＳ１、第２スイッチＳ２、および第３スイッチＳ３と、さらに第１接続分岐線Ｌ１および第２接続分岐線Ｌ２とを備えている。第１接続分岐線Ｌ１の一端Ａは、第１サブコイルＣ１および第２サブコイルＣ２の各々の、一方の極に接続され、他端Ｂは、スイッチＳ１、Ｓ２の各々の、一方の極に接続されている。第２接続分岐線Ｌ２の一端Ｃは、第３サブコイルＣ３および第４サブコイルＣ４の各々の、一方の極に接続され、他端Ｄは、スイッチＳ２およびスイッチＳ３の各々の、一方の極に接続されている。第１接続分岐線Ｌ１と第１サブコイルＣ１は、第１電流ループｉ１を形成し第２サブコイルＣ２、第３サブコイルＣ３、第１接続分岐線Ｌ１、および第２接続分岐線Ｌ２は、第２電流ループｉ２を形成し、第４サブコイルＣ４および第２接続分岐線Ｌ２が、第３電流ループｉ３を形成している。第１スイッチＳ１は、第１電流ループｉ１の電流を制御し、第２スイッチは、第２電流ループｉ２の電流を制御し、第３スイッチは、第３電流ループｉ３の電流を制御する。

上記の配置により、第１に、ＥＭＩシールド能力は依然として保持されることは明らかである。これは、ＥＭＩ誘導電流が純誘導性であるためである。このことは、超伝導コイルの特性により決定されるが、相互接続が適切に行われている限り、シールド効果を得ることができる。次に、新たに導入された接続分岐線とスイッチによって、３つ電流ループｉ１，ｉ２，ｉ３の電流は独立して調整することができる。例えば、ｉ１，ｉ３を流れる電流の大きさは同一であるが、方向が逆の場合、電流は、Ｚ軸（図１に示すようＺ軸方向、すなわち、ボア内の人体の長手方向であり、１次磁場方向でもある）に沿った線形磁場（奇数次高調波）を発生させることができる。一方、ｉ２を流れる電流は、Ｚ軸に沿った２次磁場（偶数次高調波）を発生させるために用いることができる。つまり、ＥＭＩシールド機能を実行するために、すべてのコイルが協働してシールド効果を提供する。また、シミング機能を実行するために、各コイルが独立して動作して、軸方向の偶数次または奇数次高調波を処理する。

以上のように、本発明の一実施形態によってＥＭＩシールドコイルを用いることは、ＥＭＩシールド機能を保持するだけでなく、軸方向の偶数次高調波および奇数次高調波を補償するシム補正コイルとして機能することができる。理論的な解析は、独立した補正コイルと比較して、上記二重機能が、本発明によるＥＭＩシールドコイルの非常に低コストの設計で実現することができることを示している。本ＥＭＩシールドコイルによって実現されるシミング能力は、必ずしも独立した補正コイルと同じくらい強力なわけではないが、いくつかの完全に受動型のシミング調整システムにおいては、パッシブシムの数を小さくし、それによって高価なシミング工程を簡素化することを可能にするという大きな利点を有する。

本開示では、単数形の表現は、単数または２以上の複数を含む。「または」、「もしくは」という用語は、特に指定がない限り、非排他的であることを示すために用いられる。用語「第１」、「第２」、「第３」等は、単にタグとして用いられ、対象物の量や順序の要件を設定するものではない。

いくつかの実施形態が本明細書で説明され、図示されているが、当業者であれば、機能を実行し、および／または結果を得、および／または１以上の利点を得るための様々な他の装置および／または構造に容易に想到するものであり、そのような変更および／または修正は、本開示の実施形態の範囲内に入ると考えられることを理解すべきである。当業者であれば、本明細書で説明した特定の実施形態の多くの同等物を認識することができるはずであり、またはルーチン検査のみによって決定することができる。したがって、上記の実施形態は、例示のためだけに提示されるものであり、特定の説明および要件に加えて、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内で、開示された実施形態を実施することができることを理解すべきである。本開示の実施形態は、本明細書に記載の個別の特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法の各々に関する。また、そのような特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法が、互いに矛盾がない場合には、そのような特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法の２種以上を任意の組み合わせは、本開示の範囲内に含まれる。

さらに、そうでないことが特に指定されない限り、本明細書で要求されるように２以上のステップまたは動作を含む任意の方法において、方法のステップまたは動作の順序は、方法のステップまたは動作が羅列された順序に限定されるものではないことを理解されたい。

特許請求の範囲および上記の説明において、「形成する」、「含む」、「運ぶ（ｃａｒｒｙ）」、「関係させる／関係している」、「保持する」、「合成」等のすべての移行表現は、オープンエンドであり、すなわち含んでいるが限定しているわけではないと解釈すべきである。「からなる」および「主に〜からなる」という移行表現のみは、クローズドエンドまたはセミクローズドエンドとして解釈されるべきである。

２ ＲＦ送信コイル
１０ イメージングシステム
１１ 超伝導磁石アセンブリ
１２ 超伝導磁石
１３ シールドコイル、熱シールド
１４ ヘリウム容器
１５ 真空容器
１７ クライオスタット
１８ １次勾配コイル
１９ シールド勾配コイル
２０ ＲＦ送信コイル
３０ コントローラ
３２ １次磁場制御部
３４ 勾配磁場制御部
３６ メモリ
３８ 表示装置
４０ Ｔ−Ｒスイッチ
４２ ＲＦ送信器
４４ 受信器
４６ ボア
４８ プロセッサ
Ｃ１ 第１サブコイル
Ｃ２ 第２サブコイル
Ｃ３ 第３サブコイル
Ｃ４ 第４サブコイル
Ｌ１ 第１接続分岐線
Ｌ２ 第２接続分岐線
Ｓ１ 第１スイッチ
Ｓ２ 第２スイッチ
Ｓ３ 第３スイッチ
Ｚ１−１ コイル
Ｚ２−１ コイル

Claims (9)

1. 磁気共鳴イメージングの磁場発生アセンブリで用いるための磁場調整システムであって、
   磁気共鳴イメージングが必要とする第１の磁場を発生させるための第１磁場発生アセンブリであって、電磁干渉シールド磁場を発生させるために使用される第１の磁場発生アセンブリと、
   スイッチおよび電流分岐線を含む追加のアセンブリであって、前記第１磁場発生アセンブリと協働して、前記磁気共鳴イメージングが必要とする第２の磁場を発生させる追加のアセンブリとを備え、
   前記第１磁場発生アセンブリが、順に直列に接続されている第１サブコイル（Ｃ１）、第２サブコイル（Ｃ２）、第３サブコイル（Ｃ３）、および第４サブコイル（Ｃ４）、ならびに第１スイッチ（Ｓ１）を備え、
   前記追加のアセンブリが、第２スイッチ（Ｓ２）、第３スイッチ（Ｓ３）、第１接続分岐線（Ｌ１）、および第２接続分岐線（Ｌ２）を備え、
   前記第１サブコイル（Ｃ１）、前記第１接続分岐線（Ｌ１）、および前記第１スイッチ（Ｓ１）を含む第１ループ（ｉ１）を形成し、前記第２サブコイル（Ｃ２）、前記第３サブコイル（Ｃ３）、前記第１接続分岐線（Ｌ１）、前記第２接続分岐線（Ｌ２）、および前記第２スイッチ（Ｓ２）を含む第２ループ（ｉ２）を形成し、かつ前記第２接続分岐線（Ｌ２）、前記第４サブコイル（Ｃ４）、および前記第２スイッチ（Ｓ３）を含む第３ループ（ｉ３）を形成するために、前記第１接続分岐線（Ｌ１）の一端が、前記第１サブコイル（Ｃ１）と前記第２サブコイル（Ｃ２）とが互いに接続する場所である一方の極に接続され、前記第１接続分岐線（Ｌ１）の他端が、前記第１スイッチ（Ｓ１）と前記第２スイッチ（Ｓ２）とが互いに接続する場所である一方の極に接続されており、前記第２接続分岐線（Ｌ２）の一端が、前記第３サブコイル（Ｃ３）と前記第４サブコイル（Ｃ４）とが互いに接続する場所である一方の極に接続され、前記第２接続分岐線（Ｌ２）の前記第２スイッチ（Ｓ２）と前記第２スイッチ（Ｓ３）とが互いに接続する場所である一方の極に接続されている磁場調整システム。
2. 前記第１磁場発生アセンブリおよび前記追加のアセンブリが協働して、一様な磁場を発生させる、請求項１に記載の磁場調整システム。
3. 前記第１ループ（ｉ１）および前記第３ループ（ｉ３）内の電流は、大きさが同一であり、方向が反対である、請求項１又は２に記載の磁場調整システム。
4. 前記第１のサブコイル、前記第２のサブコイル、前記第３のサブコイル、および前記第４のサブコイルが超伝導コイルである、請求項１又は２に記載の磁場調整システム。
5. 磁気共鳴イメージングの磁場発生アセンブリで用いるための磁場調整方法であって、
   磁気共鳴イメージングが必要とする第１の磁場を発生させるように第１磁場発生アセンブリを配置することであって、電磁干渉シールド磁場を発生させるために使用される第１の磁場発生アセンブリを配置することと、
   前記第１磁場発生アセンブリと協働して、磁気共鳴イメージングが必要とする第２の磁場を発生させるために、スイッチおよび電流分岐線を含む追加のアセンブリを配置することとを含み、
   前記第１磁場発生アセンブリが、順に直列に接続されている第１サブコイル（Ｃ１）、第２サブコイル（Ｃ２）、第３サブコイル（Ｃ３）、および第４サブコイル（Ｃ４）、ならびに第１スイッチ（Ｓ１）を含むように配置されており、
   前記追加のアセンブリが、第２スイッチ（Ｓ２）、第３スイッチ（Ｓ３）、第１接続分岐線、および第２接続分岐線（Ｌ２）を含むように配置されており、
   前記第１サブコイル（Ｃ１）、前記第１接続分岐線（Ｌ１）、および前記第１スイッチ（Ｓ１）を含む第１ループ（ｉ１）を形成し、前記第２サブコイル（Ｃ２）、前記第３サブコイル（Ｃ３）、前記第１接続分岐線（Ｌ１）、前記第２接続分岐線（Ｌ２）、および前記第２スイッチ（Ｓ２）を含む第２ループ（ｉ２）を形成し、かつ前記第２接続分岐線（Ｌ２）、前記第４サブコイル（Ｃ４）、および前記第２スイッチ（Ｓ３）を含む第３ループ（ｉ３）を形成するために、前記第１接続分岐線（Ｌ１）の一端が、前記第１サブコイル（Ｃ１）と前記第２サブコイル（Ｃ２）とが互いに接続する場所である一方の極に接続され、前記第１接続分岐線（Ｌ１）の他端が、前記第１スイッチ（Ｓ１）と前記第２スイッチ（Ｓ２）とが互いに接続する場所である一方の極に接続されており、前記第２接続分岐線（Ｌ２）の一端が、前記第３サブコイル（Ｃ３）と前記第４サブコイル（Ｃ４）とが互いに接続する場所である一方の極に接続され、前記第２接続分岐線（Ｌ２）の前記第２スイッチ（Ｓ２）と前記第２スイッチ（Ｓ３）とが互いに接続する場所である一方の極に接続されている磁場調整方法。
6. 前記第１磁場発生アセンブリおよび前記追加のアセンブリが協働して、一様な磁場を発生させる、請求項５に記載の磁場調整システム。
7. 前記第１ループ（ｉ１）および前記第３ループ（ｉ３）内の電流は、大きさが同一であり、方向が反対である、請求項５又は６に記載の磁場調整方法。
8. 前記第１のサブコイル、前記第２のサブコイル、前記第３のサブコイル、および前記第４のサブコイルが超伝導コイルである、請求項５又は６に記載の磁場調整方法。
9. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁場調整システムを備える磁気共鳴イメージングシステム。