JP6670902B2 - 磁気共鳴イメージングと放射線照射とを組み合わせた医療用イメージング装置およびシムユニットの装着を決定する方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１による検査対象物の磁気共鳴イメージングシステムと放射線照射とを組み合わせた医療用イメージングシステムおよび請求項７によるシムユニットにシム要素を装着するための決定方法に関する。

磁気共鳴トモグラフィシステムを放射線源、たとえばＸ線源またはLINAC（linear particle accelerator：線形加速器）と組み合わせて運転すると、診断上の理由から大抵の場合患者に対する放射線の投射角の調整が所望される。このため（ａ）磁気共鳴磁石がその縦軸を中心に回転するようにされるか、または（ｂ）他の部材が静止型磁気共鳴磁石を中心に回転するようにされる。組み込まれた放射線源はさらに検査対象物に関係して種々のアンギュレーションを取ることができるようにしなければならない。

磁気共鳴イメージングではできるだけ均一な磁場Ｂ_０が必要である。必要な磁場均一性は一般に数ｐｐｍ以下の大きさにある。技術的には完全な磁場均一性の磁石を作るのは、とりわけ製造時の制約、製造プロセスにおける大きな数の変数および機械的および電気的許容誤差により不可能である。付加的に周囲の構造も磁場に影響して磁気ひずみを作ることがある。

磁石技術においては通常磁場中に存在する小さい不均一性を補償するためにいわゆるシミングが使用され、その際能動シミングと受動シミングの間では相違がある。受動シミングでは一般に磁石の設置時に磁化材料がＭＲスキャナの一定の箇所に配置される。能動シミングでは特別に作られた貫流コイル（勾配コイルに類似）が使用される。電流は磁場の均一性を微調整するために相応して変化できるようにされる。

シミングにより磁場の均一性は表示すべきボリューム内で所望の品質に応じて改善される。受動シミングではたとえば鉄または鋼などの強磁性材料が一定のパターンで特別な箇所に磁石の内部開口に沿って配置される。円筒状の超電導スキャナ用の通常の装置は１２〜２４個のストラップ付き引き出し、いわゆるトレイを有し、これらを磁石の円周の周りに対称的に配置している。各ストラップ付き引き出しはスキャナのｚ軸に沿って一種のチャネルの形で収容され、所望の数の強磁性シム要素を装着することのできる引き出しを有している。

公知の磁気共鳴イメージングシステムは一般に受動シミングと能動シミングを同時に利用している。能動シミングは比較的低い等級、たとえば第１および第２等級の磁気ひずみ調和を遮蔽するためにのみ使用される。比較的高い等級のものは受動シミングによって抑制される。能動シミングの利点はコイルを貫流する電流の動的適合を行うことにある。これによりその都度の検査対象物への適合を行うことができる。最近の磁気共鳴システムでは検査前の準備段階でルーチン的に迅速な自動化されたシミングが実施される。受動シミングの欠点は静的解決法であることにある。磁石が確実に変化するか交換される場合または磁石の周囲が変化する場合には、磁場は典型的に不均一になる。従ってシミングも磁石がその縦軸を中心にその周囲を回転するか静止型磁石を中心に周囲が回転するように適合させなければならない。

非特許文献１ではガントリ上で固定型磁気共鳴磁石を中心に回転する粒子線がん治療用LINACの磁場変化が研究されている。この場合磁場不均一性は能動シミング用コイルが角度に関係して制御されることにより減少される。ここでは専ら第１等級の能動シミング（線形勾配）が使用され、比較的高等級の不均一性については言及されていない。

非特許文献２には回転型磁気共鳴LINACシステムにおけるシミングの理論的解決法が論じられている。ここでは回転型磁石に接続された受動シムユニットが対象であり、付加的に第１および第２等級のひずみ用能動シミングが述べられている。たとえば唯一の回転角用に最適化された受動シムユニットや全角度範囲に対して中央の遮蔽を提供する受動シムユニットなど種々の論点が研究されている。

"From static to dynamic 1.5T MRI-linac prototype: impact of gantry position related magnetic field variation on image fidelity", Sjorerd Crijns and Bas Raaymakers, Phys. Med. Biol. 59, p. 3241-3247, 2014 "Geometric distortion and shimming considerations in a rotating MR-linac design due to the influence of low-level externa magnetic fields", K.Wachowicz, T.Tadic and B.G.Fallone, Med. Phys. 39(5), p.2659-2668, 2012

本発明の課題は、部分的に回転するコンポーネントでも特に高い等級の磁気ひずみをできるだけ効果的に遮蔽する検査対象物の磁気共鳴イメージングと放射線照射とを組み合わせた医療用イメージング装置を提供することにある。さらに本発明の課題は、部分的に回転するコンポーネントにおいて磁気ひずみを補償するためのシムユニットを装着する方法を提供することにある。

これらの課題は本発明によれば、請求項１による検査対象物の磁気共鳴イメージングと放射線照射を組み合わせた医療用イメージングシステムおよび請求項８記載のシムユニットにシム要素を装着するための決定方法により解決される。本発明の有利な実施形態はそれぞれ従属請求項の対象である。

本発明によれば、磁気共鳴イメージングユニットと放射線照射ユニットとを備え、放射線照射ユニットが磁気共鳴イメージングユニットと構造的に一体化されるように両者が機械的に接続されるとともに検査対象物を横臥させるための患者用開口を取り囲むようにし、磁気共鳴イメージングユニットが磁場発生用に少なくとも１つの主磁石を有し、放射線照射ユニットが放射線を発生するための線源を有し、イメージングシステムが静止型部分と或る回転角だけ回転可能な回転可能型部分とから形成され、少なくとも１つの回転可能型主磁石が静止型放射線照射ユニットを中心に回転可能に配置されるか回転可能型放射線照射ユニットが少なくとも１つの静止型主磁石を中心に回転可能に配置され、イメージングシステムが少なくとも２つの受動シムユニットを有し、そのうち少なくとも１つの静止型シムユニットが固定され、少なくとも１つの回転可能型シムユニットが回転可能型部分と強固に接続されるようにした、検査対象物の磁気共鳴イメージングと放射線照射とを組み合わせた医療用イメージングシステムにより、磁気ひずみを完全に特に効果的に補償することが可能となる。この場合少なくとも２つの受動シムユニットの各々は磁気ひずみを補償する役割を引き受ける。適当な役割分担の仕分けは従って最適な補償結果を達成できる。磁気ひずみ自体はそもそも部分的には（主）磁石の品質上の制約によりおよび部分的にイメージングシステムの他の部材または周囲により生じるものである。

本発明の一実際形態によれば、少なくとも２つの受動シムユニットはそれぞれ多数のシム要素を有し、これらのシム要素はシムユニット内に、磁気ひずみを少なくとも部分的に、特に少なくとも９５％まで補償するように配置および分布される。

特に２つの受動シムユニットは、少なくとも第２等級および／またはそれ以上高い等級の磁気ひずみを補償するように形成される。

本発明の一実施形態によれば、少なくとも１つの静止型シムユニットは回転角とは無関係な磁気ひずみの第１成分を少なくとも部分的に補償するように形成され、少なくとも１つの回転可能型シムユニットは回転角と関係する磁気ひずみの第２成分を少なくとも部分的に補償するように形成される。このように補償すべき磁気ひずみの回転角に関係する磁気ひずみと回転角に無関係な磁気ひずみへの分配および相応するシムユニットによる補償は、結果として特に均一な磁場Ｂ_０を保証する。これにより質的に極めて高度の磁気共鳴イメージングが可能となる。

本発明の一実施形態によれば、放射線照射ユニットはＸ線イメージングユニットから形成され、このＸ線イメージングユニットはＸ線を発生するためのＸ線源を有する。磁気共鳴イメージング装置とＸ線イメージング装置との組み合わせは極めて多様な患者の診断に役立つ骨、器官および組織の包括的表示および相互に補完する表示を提供するのに特に適している。合目的的にはＸ線イメージングユニットはさらに放射線を画像データに変換するためのＸ線検出器を有する。

特に低等級の磁気ひずみを補償するためには、付加的に多数のコイルを備えた少なくとも１つの能動シムユニットを設け、コイルの貫流電流を制御できるように形成すると有利である。

本発明はさらに、上述の医療用イメージングシステムにおいて、
・特に患者用開口内の磁気共鳴イメージングユニットの磁場分布を回転角に関係して測定し、それから磁気ひずみを決定するステップと、
・磁気ひずみの回転角に無関係な第１成分と、回転角に関係する第２成分を決定するステップと、
・磁気ひずみの第１成分を補償するため静止型シムユニットにおけるシム要素の配置を決定するステップと、
・磁気ひずみの第２成分を補償するため回転可能型シムユニットにおけるシム要素の配置を決定するステップと、
によりシムユニットにシム要素を装着する決定方法を含む、特にシムユニット内のシム要素の数、大きさおよび位置を決定もしくは算出すれば、その装着を簡単に実施することができる。

本発明の別の実施形態によれば、シム要素は算出された配置に従ってシムユニット内に装着される。これは手動でたとえばサービスエンジニアによりまたは自動的に配置する装置により実施することができる。続いて磁場分布を再度測定することにより補償が十分であるかどうかをチェックすることができ、場合によってはさらなる決定およびさらなる装着を実施することができる。

本発明並びに従属請求項の特徴による有利な実施形態を以下に図面に概略的に示した実施例に基づき詳述するが、本発明はこのような実施例に限定されるものではない。

図１は２つの受動シムユニットを備えた本発明によるイメージングシステムの正面図を示す。 図２は回転角Θだけ回転させられた主磁石を備えた図１のイメージングシステムの正面図を示す。 図３はシムユニットの装着を決定するための方法のフローチャートを示す。 図４はシミング前の回転角に関係する磁気ひずみの測定例を示す。 図５は静止型受動シムユニットによるシミング後の回転角に関係する磁気ひずみの測定例を示す。 図６は静止型受動シムユニットおよび回転型受動シムユニットによるシミング後の回転角に関係する磁気ひずみの測定例を示す。

以下の図面において磁気共鳴イメージングユニットの回転型主磁石と静止型Ｘ線イメージングユニットを有する医療用イメージングシステムにより本発明を説明するが、磁気共鳴イメージングユニットを静止型にまたＸ線イメージングユニットを回転可能型にすることもできる。

図１に医療用イメージングシステム１０を示すが、このシステムは開口４０の周りを回転する主磁石２０を備えた磁気共鳴イメージングユニット、並びにＸ線源６０とＸ線検出器６１を備えた静止型Ｘ線イメージングユニットを有している。イメージングシステム１０はその他に回転型主磁石２０と共に回転可能な受動シムユニット２１と静止型受動シムユニット３１を有する。この場合回転可能型受動シムユニット２１は主磁石２０と機械的に接続され、主磁石２０の回転の際に回転可能型受動シムユニット２１を自動的に相応して共に回転させることができるようにされている。磁気共鳴イメージングユニットとＸ線イメージングユニットは患者用開口４０を取り囲んでおり、開口４０内には患者７０をその上に横臥させている患者用寝台７１と、検査対象物（一般には患者とその一部位／器官）が配置されている。

両受動シムユニットは磁場全体のひずみを補償するように形成されている。磁気ひずみは部分的には主磁石の品質上の制約、イメージングシステムの磁器部材およびイメージングシステムの周囲に配置された磁気共鳴要素５１により生じる。その補償のために各シムユニットはポケットを備えた多数のストラップ付き引き出しを有しており、ポケットには多数のシム要素、一般には強磁性鉄片を装着できるようになっている。シム要素はストラップ付き引き出しのポケット内に配置され、磁気ひずみを補償できるようになっている。回転可能型シムユニット２１は図示のように第１のストラップ付き引き出し２１１と第２のストラップ付き引き出し２１２並びに６個の別のストラップ付き引き出しを有し、同様に静止型シムユニット３１は第１のストラップ付き引き出し３１１と第２のストラップ付き引き出し３１２および６個の別のストラップ付き引き出しを有している。それぞれ８個のストラップ付き引き出しの数は例示的なものであり、通常は１２〜２４個またはそれ以上の数のストラップ付き引き出しが設けられる。ストラップ付き引き出しには磁気共鳴イメージングユニットの運転開始前に必要に応じて相応する数のシム要素を装着して、磁気ひずみ、特に比較的高い等級（＞１）のひずみを少なくとも部分的に、特に少なくとも５０％〜９５％補償するようにされる。

図２には、主磁石２０が回転角Θだけ回転する場合の医療用イメージングシステムが示されている。回転可能型受動シムユニット２１はこの場合同様に回転中心点（一般に患者用開口４０の中心点）を中心に回転角Θだけ回転するのに対し、静止型受動シムユニット３１は変化しない。静止型基準システム（イメージングシステムの静的部分）の座標系はこの場合ｘ′、ｙ´、ｚ′の座標を有する。

静止型受動シムユニット３１はシム要素を配置する際に、磁気ひずみの回転角とは無関係な第１の成分を少なくとも部分的に補償するように配置される。静止型受動シムユニット３１は磁気ひずみの角度とは無関係な成分を少なくとも５０％〜９５％補償するようにされる。静止型受動シムユニットはすなわちイメージングシステムの静的部分によりおよび周囲から惹起される磁気ひずみ成分を補償するものである。回転可能型受動シムユニット２１はシム要素を配置する際に、主磁石の磁気ひずみの回転角と関係する第２の成分を補償するように配置される。回転可能型受動シムユニット２１は磁気ひずみの角度に関係する成分を少なくとも９５％補償するようにすることができる。回転可能型受動シムユニットはすなわち回転可能な主磁石およびイメージングシステムの他の回転可能部分により惹起される磁気ひずみ成分を補償する。

これはたとえば図４〜図６により示すことができる。図４には患者用開口内の任意に選ばれた２点に対するすべての未補償の被測定磁気ひずみ（Ｂ−Ｂ_０）/Ｂ_０がイメージングシステムの回転可能部分の回転角Θ（０°〜３６０°）に対して示されている。この場合Ｂは実際の磁場であり、Ｂ_０は磁気ひずみのない所望の磁場である。補償後の磁気ひずみの所望の閾値８５は元の磁気ひずみのたとえば５％である。磁気ひずみの角度とは無関係の第１の成分８６は矢印により示されている。静止型受動シムユニット３１が磁気ひずみの角度とは無関係の第１成分を（たとえば９５％まで）補償するように配置されると、以後の測定では図５に示すように（同様に図４の同じ２点に対し測定された磁気ひずみ（Ｂ−Ｂ_０）/Ｂ_０がイメージングシステムの回転可能部分の回転角Θに対して示されている）磁気ひずみの角度に関係する成分のみがまだ存在している。これを引き続き回転可能型受動シムユニット２１を装着することにより補償すると、磁気ひずみの新たな測定では図６に示すように、磁気ひずみの残部が最大でも所望の閾値８５に達する。

図３は医療用イメージングシステムにおけるシムユニットにシム要素を配置するための本発明による方法のフローチャートを示す。第１のステップ８１では主磁石の患者用開口内の磁気共鳴イメージングユニットの磁場分布ΔＢ（ｘ´, ｙ´, ｚ´,Θ）が回転角Θに関係して測定され、それから相応する磁気ひずみ分布が求められる。磁気ひずみを求めるための磁場分布のいわゆるマップは周知である。本件の場合特に角度との関係性が注視され、すなわち磁気共鳴イメージングユニットの回転可能型部分が回転させられ、その際に患者用開口内の多数の点に対し多数の回転角で測定が実施される。第２のステップ８２では回転角と無関係な磁気ひずみの第１成分と回転角に関係する第２成分との磁気ひずみの仕分けが実施される。第１成分と第２成分の測定は算出ユニットによって以下のアルゴリズム、
ΔＢ（ｘ´，ｙ´，ｚ´，Θ）＝ΔＢ_１（ｘ´，ｙ´，ｚ´）＋ΔＢ_２（ｘ´，ｙ´，ｚ´,Θ）
により算出される。ここでＢ_１は磁気ひずみの回転角に無関係な第１成分、Ｂ_２は回転角に関係する第２成分である。ｘ´，ｙ´，ｚ´は非回転型基準系、すなわちイメージングシステムの静止型部分における位置座標である。

第３のステップ８３および第４のステップ８４は順序を変えて実施することもできる。第３のステップ８３では、磁気ひずみの第１成分を補償するため静止型シムユニット３１におけるシム要素の配置が決定もしくは算出され、すなわち磁気ひずみの第１成分の補償を達成するためにどのシム要素を静止型シムユニットのストラップ付き引き出しに装着しなければならないが算出される。第４のステップ８４では、磁気ひずみの第２成分を補償するため回転可能型シムユニット２１におけるシム要素の配置が決定もしくは算出され、すなわち磁気ひずみの第２成分の補償を達成するためにどのシム要素を回転可能型シムユニットのストラップ付き引き出しに装着しなければならないかが算出される。特に、簡単な方法で装着を実施するため、シムユニットにおけるシム要素の数、大きさおよび位置が決定もしくは算出される。

本発明の別の実施形態によれば、シム要素は算出された配置に従ってシムユニットに装着される。これは手動でたとえばサービスエンジニアによりまたは自動的に配置する装置により実施することができる。続いて磁場分布を再度測定して補償が十分であるかどうかをチェックし、場合によっては再度または反復的に何回も算出および装着を実施することができる。代替的に第３のステップ８３の後に相応するシムユニットの装着および磁気ひずみの再測定を実施し、その後で第２の受動シムユニットの配置の算出を実施することもできる。

イメージングシステムが静止型主磁石およびＸ線イメージングユニットを備えた回転可能型ガントリを有する場合には、ガントリを備えた回転可能型受動シムユニットが主磁石の周りを回転し、静止型受動シムユニットは固定される。この場合も同様に上述のように磁気ひずみの補償すべき成分を回転角に関係する成分と回転角に無関係な成分に仕分けることが行われる。

代替的にＸ線イメージングユニットの代わりに他の放射線照射ユニット、たとえばLINACを設けることもできる。

受動シムユニット２１、３１に付加して１つまたは複数の能動シムユニット（図示せず）を設けることもできる。能動シムユニットは一般には可制御コイルを有しており、これは未補償の磁気ひずみ成分を補償するためにいつでもフレキシブルに接続することができる。能動シムユニットによりたとえば残留磁気ひずみ（たとえば５％）や、時間的に変動する磁気ひずみ成分または零もしくは第１等級の磁気ひずみが補償される。能動シムユニットはたとえば角度に関係して制御することができる。

磁場の均一性を高い等級のひずみに関連しておよびすべての回転角に関係して改良するには以下のシステム、すなわち磁気共鳴イメージングユニットと放射線照射ユニットとを備え、放射線照射ユニットが磁気共鳴イメージングユニットと構造的に一体化されるように両者が機械的に接続されるとともに検査対象物を横臥させるための患者用開口を取り囲むようにし、磁気共鳴イメージングユニットが磁場発生用に少なくとも１つの主磁石を有し、放射線照射ユニットが放射線を発生するための線源を有し、イメージングシステムが静止型部分と或る回転角だけ回転可能な部分とから形成され、少なくとも１つの主磁石が静止型放射線照射ユニットを中心に回転可能に配置されるか回転可能型放射線照射ユニットが少なくとも１つの静止型主磁石を中心に回転可能に配置され、イメージングシステムが少なくとも２つの受動シムユニットを有し、そのうち少なくとも１つの静止型シムユニットが固定され、少なくとも１つの回転可能型シムユニットが回転可能型部分と固定接続されるようにした、磁気共鳴イメージングと検査対象物の放射線照射とを組み合わせた医療用イメージングシステムが使用される。

１０ 医療用イメージングシステム
２０ 主磁石
２１ 回転可能型受動シムユニット
３１ 静止型受動シムユニット
４０ 患者用開口
５１ 磁気要素
６０ Ｘ線源
６１ Ｘ線検出器
７０ 患者
７１ 患者用寝台
２１１ 第１のストラップ付き引き出し
２１２ 第２のストラップ付き引き出し
３１１ 第１のストラップ付き引き出し
３１２ 第２のストラップ付き引き出し

Claims (9)

1. 磁気共鳴イメージングと検査対象物への放射線照射とを組み合わせた医療用イメージングシステムであって、
   磁気共鳴イメージングユニットと放射線照射ユニットとを備え、前記放射線照射ユニットが前記磁気共鳴イメージングユニットと構造的に一体化されるように両者が機械的に接続されるとともに検査対象物を横臥させるための患者用開口を取り囲むようにし、前記磁気共鳴イメージングユニットが磁場発生用に少なくとも１つの主磁石を有し、前記放射線照射ユニットが放射線を発生するための放射線源を有し、
   前記医療用イメージングシステムが静止型部分と或る回転角だけ回転可能な回転可能型部分とから形成され、少なくとも１つの主磁石が静止型放射線照射ユニットを中心に回転可能に配置されるか、または回転可能型放射線照射ユニットが少なくとも１つの静止型主磁石を中心に回転可能に配置され、
   少なくとも２つの受動シムユニットを有し、そのうち少なくとも１つの静止型シムユニットが固定され、少なくとも１つの回転可能型シムユニットが前記回転可能型部分と接続され、
   前記少なくとも１つの静止型シムユニットが、磁気ひずみの回転角とは無関係な第１の成分を少なくとも部分的に補償するように形成され、
   前記少なくとも１つの回転可能型シムユニットが、磁気ひずみの回転角と関係する第２の成分を少なくとも部分的に補償するように形成された、
   医療用イメージングシステム。
2. 前記少なくとも２つの受動シムユニットがそれぞれ複数のシム要素を有し、
   前記複数のシム要素が磁気ひずみを少なくとも部分的に補償するようにシムユニットに配置される請求項１記載の医療用イメージング装置。
3. 補償すべき磁気ひずみが少なくとも２等級以上である請求項２記載の医療用イメージング装置。
4. 前記放射線照射ユニットがＸ線イメージングユニットから形成され、
   前記Ｘ線イメージングユニットがＸ線を発生するためのＸ線源を有する請求項１から３のいずれか１項に記載の医療用イメージング装置。
5. 前記Ｘ線イメージングユニットがさらに放射線を画像データに変換するためのＸ線検出器を有する請求項４記載の医療用イメージング装置。
6. 複数のコイルを備えた少なくとも１つの能動シムユニットを付加的に有し、
   前記複数のコイルがその貫流電流に関して制御可能に形成される請求項１から５のいずれか１項に記載の医療用イメージング装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の医療用イメージング装置において、
   ・磁気共鳴イメージングユニットの磁場分布を回転角に関係して測定し、それから磁気ひずみを決定するステップと、
   ・磁気ひずみの回転角に無関係な第１成分と、回転角に関係する第２成分を決定するステップと、
   ・第１成分を補償するため静止型シムユニットにおけるシム要素の配置を決定するステップと、
   ・第２成分を補償するため回転可能型シムユニットにおけるシム要素の配置を決定するステップと、
   によりシムユニットにシム要素の装着を決定する方法。
8. 前記シムユニットにおける、前記シム要素の数、大きさおよび位置を決定する請求項７記載の方法。
9. 前記決定された配置に従って、前記シム要素を前記シムユニットに装着する請求項７または８記載の方法。