JP7050753B6 - 磁気共鳴検査システム用の能動シールド勾配コイルアセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、磁気共鳴検査システムの検査ゾーン内に勾配磁界を生成するための１次勾配コイルを備えた勾配コイルアセンブリに関する。

このような勾配コイルアセンブリは、J.W.Carlson他の"Design and evaluation of shielded gradient coils" MRM 26(1992)191-206から知られている。既知の能動的にシールドされる勾配コイルアセンブリは、内側及び外側のシリンダ上に電流分布を有する。

課されるシールド要件は、磁界が外側シリンダの外側で消えることである。これは、内側及び外側シリンダ上の電流分布によって生成される勾配磁界の干渉によって達成され得る。つまり、この干渉により勾配磁界は外側シリンダの外側で打ち消し合う。更に、既知の勾配コイルアセンブリの電流分布、すなわち等価的にはシリンダ上の導電体のレイアウトは、勾配コイルアセンブリのインダクタンスが、勾配コイルアセンブリを駆動するのに必要な電力を低減するよう最小化されるものである。国際公開第２０１０／０６４１９７号公報は、勾配コイルシステムを有する磁気共鳴イメージングシステムを開示する。既知の勾配コイルシステムは、内側コイル、サテライトコイル及びシールドコイルを有する。サテライトコイルとシールドコイルとの電気相互接続が、傾斜した構造フランジ上に設けられる。

本発明の目的は、勾配コイルアセンブリの外側において低い漂遊勾配磁界を有する勾配コイルアセンブリを提供することである。

この目的は、磁気共鳴検査システム用の勾配コイルアセンブリであって、１次円筒表面上に１次巻線を有する１次勾配コイルと、シールド円筒表面上にシールド巻線を有するシールドコイルであって、シールド円筒表面が１次円筒表面に対し半径方向外側に位置する、シールドコイルと、１次円筒表面とシールド円筒表面との間の、それらの隣接する軸方向端部における円錐形の端部フランジ表面と、１次巻線とシールド巻線との間の相互接続巻線部分であって、円錐形の表面上に配置され、シールド巻線の少なくとも一部を１次巻線の一部に直列に接続する、相互接続巻線部分と、を有する勾配コイルアセンブリにおいて達成される。

本発明の見識は、円錐形表面上の巻線部分によって形成されるテーパ状の相互接続部が半径方向外方の漂遊勾配磁界を減少させることである。更に、円錐形表面上の巻線部分のパターンは、いわゆる離散化誤差にほとんど感受性をもたないようである。これらの離散化誤差が生じるのは、勾配コイルアセンブリの（物理的）巻線の離散パターンが、勾配コイルアセンブリのモデルを使用して計算されることができるように、内部及び外部の勾配磁界分布の及び勾配コイルアセンブリを駆動するのに必要な電力の最適化から導出される空間的に連続する計算された電流分布から逸脱する物理的な電流分布を構成するからである。

本発明の他の目的として、勾配コイルアセンブリ内で散逸される熱の量は、制限されたままであるべきである。モデルは更に、勾配コイルアセンブリの熱放散及びインダクタンスを最適化することができる。そのような離散化誤差に起因して、モデルベースの計算された空間的に連続する電流分布と比較して、より強い漂遊勾配磁界が生じることがある。それゆえ、離散化誤差を減少させることは、不所望の漂遊勾配磁界を低減する。本発明のこれら及び他の態様は、従属請求項に規定され実施形態を参照して更に詳述されるであろう。

本発明の勾配コイルアセンブリの好適な実施形態において、巻線の凹みパッチ（凹み領域）が、シールド円筒表面から半径方向内側に配置される。この凹みパッチの巻線は、物理的巻線間のより大きな間隔に起因して生じるであろう離散化誤差を一層効果的に低減する。凹みパッチの巻線は、漂遊勾配磁界を減少させ、離散化誤差の影響を補償する。これらの離散化誤差を減少させることは、勾配コイルアセンブリの軸方向中心の近傍で最も必要とされ、すなわち、軸方向中心の周囲の半径方向に延びる中央平面の近く又は周囲で最も必要とされる。特に、この中央平面の近傍では、物理的巻線が、比較的広い間隔で隔てられているので、何も手段が講じられない場合はより大きい離散化誤差が生じる。特に、巻線の凹みパッチを設けることは、鞍型コイルとして形成される横方向（ｘ、ｙ）シールド勾配コイルの物理的巻線パターンにおける離散化誤差を低減するのに役立つ。これらの横方向勾配コイルは、主磁界の向きに対し横方向を向く勾配磁界を印加する。

本発明の別の実施形態において、勾配コイルアセンブリは、ｚ勾配１次コイルとｚ勾配シールドコイルとを有する。これらのｚ勾配コイルは、主磁界の向きに沿って方向付けられる勾配磁界を印加する。

中心の近傍（中央平面の周り）のｚ勾配シールドコイルの同軸シールド巻線は、勾配コイルアセンブリの軸方向端部に近い方の同軸シールド巻線より小さい直径を有する。この構成では、シールド巻線の一部が、円錐形の中央フランジ表面上に配置され、その半径は、勾配コイルアセンブリの軸方向端部のうち一方に向かって増大する。この円錐形の中央フランジ表面は、中心近傍の同軸シールド巻線と勾配コイルアセンブリの軸方向端部の一方に向かって位置する同軸シールド巻線との間に配置される。このようにして、中央平面の周りで巻線密度の増加が達成され、それにより、潜在的により大きい離散化誤差が回避される。軸方向端部におけるシールド巻線もまた、中央平面領域と軸方向端部の領域との間に位置するシールド巻線のより大きい直径と比べて、小さい直径を有する。コイルの中央平面から始まって、まず、小さい直径のシールド巻線があり、次にシールド巻線が一定の直径を有する領域があり、最後にシールド巻線の直径が１次巻線の直径に向かって減少する端部領域がある。

横方向（ｘ、ｙ）勾配シールドコイルの巻線の凹みパッチ及びｚ勾配シールドコイルの同軸巻線のより小さい直径は、より低い勾配漂遊磁界を達成する。したがって、本発明の勾配コイルアセンブリは、極低温磁石の導電部分に誘導される電流が少なく、したがって磁気共鳴検査システムの冷却システムに伝達される電力を低減させ、その結果、主磁石コイルの超電動を維持するための電力効率が改善される。

典型的には、円錐形のフランジ表面の開口は、３０～４５°の範囲内にある。より急峻な角度（６０°以上）では、所望の効果が得られない。角度が浅いほど、シールド導体が作業ボリュームにおける磁界をより強く打ち消すので、コイルの効率は低くなる。更に、離散化誤差の良好な抑制、ゆえにより低い勾配漂遊磁界は、シールド円筒表面から内方１０～２０ｍｍのところに凹みパッチを配置することによって達成される。シールドの残りの部分の円筒表面に近い方に凹みパッチを置く場合、パッチ内の巻線密度が効果的に増加されず、パッチをより遠い距離のところに置く場合、漂遊磁界を更に減少させることなくコイルの効率を単に低下させる。離散化誤差の最良の抑制は、シールド円筒表面から内側約１５ｍｍのところで得られる。

本発明は更に、磁気共鳴検査システム用の磁石アセンブリに関する。磁石アセンブリは、磁石アセンブリの検査ゾーン内に、静的な、通常は空間的に均一な主磁界を生成する１組の主磁石コイルを有する。検査ゾーンは通常、磁石ボア内に位置する。主磁石コイルは、それらが超電動状態になるように冷却される。更に、磁石アセンブリは、本発明の勾配コイルアセンブリを具備する。勾配コイルアセンブリは、漂遊磁界を有する。実際、勾配コイルの漂遊磁界は、シールド勾配巻線及びｚ勾配シールド同軸巻線を有する円錐形の端部フランジ及び円錐形の中央フランジ表面にもかかわらず残る残留漂遊磁界として見ることができ、ｚ勾配シールド同軸巻線は、中央平面及び導電体をもつ凹みパッチの近傍で低減された直径を有する。漂遊磁界は、比較的強い勾配漂遊磁界強度がある１又は複数の高磁界領域を有することができる。勾配コイルアセンブリ及び主磁石コイルは、好適には、高磁界領域が主磁石コイル間の間隙を通じて延在するように空間的に配置される。このようにして、超電動主磁石コイルへのエネルギー散逸が回避され、主磁石コイルをそれらの超電動状態に保持するための追加冷却の必要が低減される。

勾配コイルと超電導磁石巻線との間の最適な磁気的デカップリングにより、誘導電流による磁石のコールドマス内での散逸が数百ミリワットまで低減されることができる。コールドマスに作用する勾配コイルの漂遊磁界を減衰させるために、磁石の放射スクリーンに誘導される電流にもはや依存する必要はなく、シールドは非導電的に行われることができる。渦電流が誘導され得ない放射シールドは、多くの利点を有する。放射シールドは、ＭＲＩシステムのイメージングボリューム内に不所望の磁界を生成せず、磁石クエンチの場合に大きな磁力を経験しない。これらの利点は、低コストで改善された性能をもつ放射シールドを設計するために活用されることができる。

本発明のこれら及び他の見地は、以下に記載される実施形態及び添付の図面を参照して説明されるであろう。

本発明が組み込まれている磁気共鳴検査システムの概略図。 本発明の勾配コイルアセンブリを示す３次元概略図。 本発明の勾配コイルアセンブリの内側の一部を示す３次元概略図。 巻線の凹みパッチが配置される本発明の勾配コイルアセンブリの外側の一部を示す３次元概略図。 本発明の勾配コイルアセンブリの内側の一部を示す３次元概略図であり、内側から巻線の凹みパッチの方をみる図。

図１は、本発明が組み込まれて使用される磁気共鳴イメージングシステムを概略的に示す。磁気共鳴イメージングシステムは、１組の主コイル１０を有する主磁石を有し、それによって安定した均一な磁界が生成される。主コイルは、例えばそれらがボアを形成してトンネル状の検査空間を囲むように構成される。検査されるべき患者は、このトンネル状の検査空間内に滑り入れられる患者担体上に置かれる。磁気共鳴イメージングシステムは更に、複数の勾配コイル１１、１２を有し、それによって、特に個々の方向に一時的な勾配の形の空間バリエーションを示す磁界が、均一な磁界に重ねられるように生成される。勾配コイル１１、１２は、１又は複数の勾配増幅器及び制御可能な電源装置を有する勾配制御装置２１に接続される。勾配コイル１１、１２は、電源ユニット２１を用いて電流を印加することによって付勢される。この目的のために、電源ユニットは、適切な時間形状の勾配パルス（「勾配波形」とも呼ばれる）を生成するように勾配コイルに電流を印加する電子勾配増幅回路を備える。勾配の強さ、方向及び持続時間は、電源ユニットの制御部によって制御される。磁気共鳴イメージングシステムは更に、ＲＦ励起パルスを生成するため及び磁気共鳴信号をピックアップするための送信及び受信アンテナ（コイル又はコイルアレイ）１３、１６をそれぞれ有する。送信コイル１３は、好適にはボディコイル１３として構成され、それにより、検査されるべき対象（の一部）が囲まれることができる。ボディコイルは通常、検査される患者３０が磁気共鳴イメージングシステム内に配置されるときにボディコイル１３によって囲まれるように、磁気共鳴イメージングシステム内に配置される。ボディコイル１３は、ＲＦ励起パルス及びＲＦリフォーカシングパルスを送信する送信アンテナとして機能する。好適には、ボディコイル１３は、送信されるＲＦパルス（ＲＦＳ）の空間的に均一な強度分布を伴う。一般に、同じコイル又はアンテナが、送信コイル及び受信コイルとして交互に使用される。通常、受信コイルは複数の要素を有し、各要素は通常、単一のループを形成する。ループの形状及び様々な要素の配置のさまざまな幾何学的構成が可能である。送信及び受信コイル１３は、電子送受信回路１５に接続される。

送信及び受信部として機能することができる１つ（又は少数）のＲＦアンテナ素子があることに留意されたい。更に、通常、ユーザは、受信素子のアレイとして形成される特定用途向け受信アンテナを使用することを選択することができる。例えば、表面コイルアレイ１６が、受信及び／又は送信コイルとして使用されることができる。そのような表面コイルアレイは、比較的小さいボリュームにおいて高い感度を有する。受信コイルは、プリアンプ２３に接続される。プリアンプ２３は、受信コイル１６によって受信されるＲＦ共鳴信号（ＭＳ）を増幅し、増幅されたＲＦ共鳴信号は、復調器２４に印加される。表面コイルアレイなどの受信アンテナは、復調器２４に接続され、受信され事前増幅された磁気共鳴信号（ＭＳ）が、復調器２４によって復調される。プリアンプ２３及び復調器２４は、デジタル形式で実現され、表面コイルアレイに一体化されることができる。復調された磁気共鳴信号（ＤＭＳ）は、再構成ユニットに供給される。復調器２４は、増幅されたＲＦ共鳴信号を復調する。復調された共鳴信号は、イメージングされるべき対象の部分における局所スピン密度に関する実際の情報を含む。更に、送受信回路１５は、変調器２２に接続される。変調器２２及び送受信回路１５は、ＲＦ励起パルス及びリフォーカスパルスを送信するように送信コイル１３を作動させる。特に、表面受信コイルアレイ１６は、ワイヤレスリンクを通じて送受信回路に結合される。表面コイルアレイ１６によって受信される磁気共鳴信号データは、送受信回路１５に送信され、（例えば、表面コイルを同調及び離調するための）制御信号がワイヤレスリンクを通じて表面コイルに送信される。

再構成ユニットは、復調された磁気共鳴信号（ＤＭＳ）から１又は複数の画像信号を導出し、この画像信号は、検査されるべき対象のイメージングされた部分の画像情報を表す。再構成ユニット２５は、実際に、復調された磁気共鳴信号からイメージングされるべき対象の部分の画像情報を表す画像信号を導出するようにプログラムされるデジタル画像処理ユニット２５として構成されることが好ましい。再構成ユニットの出力上の信号は、モニタ２６に印加され、それにより、再構成された磁気共鳴画像が、モニタに表示されることができる。代替として、更なる処理又は表示を待つ間に、再構成ユニット２５からの信号をバッファユニット２７に記憶することも可能である。

本発明による磁気共鳴イメージングシステムは更に、例えば（マイクロ）プロセッサを有するコンピュータの形の制御ユニット２０を具備する。制御ユニット２０は、ＲＦ励起の実行及び一時的な勾配磁界の印加を制御する。この目的のために、本発明によるコンピュータプログラムは、例えば制御ユニット２０及び再構成ユニット２５にロードされる。

図２は、本発明の勾配コイルアセンブリの３次元概略図を示す。１次勾配コイル２０１は、１次円筒表面上に１次巻線を有する。シールドコイル２０２は、シールド円筒表面上に巻線を有する。１次円筒表面及びシールド円筒表面は、同軸上に配置され、共通の長手方向軸２０５を有する。勾配コイルアセンブリ１０の各軸方向端部には、円錐形の端部フランジ表面２０３が設けられる。これらの円錐形の端部フランジ表面は、円錐形の端部フランジ表面の半径方向サイズが勾配コイルアセンブリの軸方向の中心から離れるにつれて減少するように、内向きのテーバ形状を有する。１次勾配コイル及びシールド勾配コイルのそれぞれの巻線は、円錐形の端部フランジ表面の外側面と内側面をそれぞれ覆う相互接続巻線部２０４によって接続され、１次巻線とシールド巻線との間に電気的直列接続を提供する。相互接続は、１次コイル及びシールドコイル内の電流が反対方向を向くようになっており、それによって半径方向外側においてシールド効果が達成される。電流の方向は、巻線上の小さな矢印で示される。更に、１次勾配コイル及びシールド勾配コイルは、いくつかのいわゆる指紋コイルパターン２１０、２１１として形作られる。

図３は、本発明のｘ又はｙ勾配コイルアセンブリの内側の一部の３次元概略図を示す。主磁石コイル１０の内側に配置される勾配コイルアセンブリが、図示されている。クライオスタット構造はここには図示されない。図３は、シールド円筒表面の内側からシールド巻線を見る図を提供する。図３には、円錐形の端部フランジ表面２０３のうちの１つの部分のみが示される。

図４は、本発明の勾配コイルアセンブリの外側の一部の３次元概略図を示す。図４には、導電体４０２をもつ凹みパッチ４０１が図示されている。凹みパッチ４０１のこれらの導電体４０２は、シールド勾配コイルを形成する指紋コイル２１０の、凹みパッチに近いところの巻線の幾つかと直列に電気接続される。凹みパッチ４０１は、シールド勾配コイルの指紋パターンコイル巻線が配置されている円筒表面から半径方向内側に位置する。シールド勾配コイルの巻線は、１次勾配コイルの対応する巻線と、凹みパッチの巻線に接続され、凹みパッチの巻線は、パッチの近くのシールド勾配コイルの巻線に接続され、パッチのこれらの導電体は、１次勾配コイルの導電体の一部に直列に電気接続される。凹みパッチは、好適には、勾配コイルアセンブリの軸方向中央面４０３の軸方向位置に配置される。

勾配コイルの巻線パターンは、導電体が配置されることが許される表面上の連続ストリーム関数によってモデル化される。イメージングボリューム内の磁界、外部磁界、及び場合によっては最大電流密度又は主磁石の磁界内の力などの他の制約に対して適切な目標を設定すると、２次計画法最適化アルゴリズム（quadratic programming optimization algorithm）が、最適なストリーム関数分布を生成する。ストリーム関数の等高線は、３次元の曲がりくねった軌跡として得られる。この離散化ステップは、必然的に、理想的な振る舞いからの逸脱を与え、結果として生じる外部磁界のピークは、磁石の導電表面における誘導電流のピークをもたらす。数値実験は、端部に円錐フランジを有するコイルトポロジーが、そのような離散化効果が小さいままであるストリーム関数分布につながることを示す。更に、理想的な電流分布からの逸脱は、２つの真っ直ぐな円筒表面の場合よりも磁石の内面からはるかに遠い距離のところにあるので、離散化による誤差磁界の大きさは一層低減される。

コイルの離散化が外部磁界にピークを生じさせうる他の領域は、勾配方向に垂直な座標方向において、中央平面の近くに位置する。離散化誤差の大きさは、モデル化されたシールドコイルの円筒形の外側表面に意図的に切り欠きを入れ、シールドコイルの半径よりも約１５ｍｍ小さい半径のところに補助的な円筒形の凹みパッチを付加することによって、低下させることができる。これらの補助的な凹みパッチは、シールド巻線の残りのものから電気的に切断されたままにすることができる。これらのパッチを最適化に組み込むと、これらのパッチにいくつかの小さな電流ループが生じる。上述の方策の効果は、巻線パターンの局所密度が十分に高いので、シールド層上の巻線のみが存在する場合よりも離散化効果を非常に小さくすることができ、その結果、外部磁界のピークが、大幅に回避されることができる。これらの利点は、コイル効率への最小限の影響と共に得られる。

上述のこれらの手段を１つのコイル設計に組み込むことにより、本発明の勾配コイルアセンブリは、動作時、放射スクリーンの減衰効果なしに超電導磁石のステンレス鋼インナーライナー内に２５０ｍＷ未満の熱を生成し得る。実際の巻線は、例えば銅板を切断して曲げる、又は予め製造された導体を曲げて巻く、などの知られている勾配コイル製造技術のいずれかによって、製造されることができる。

図５は、本発明の勾配コイルアセンブリのｚ勾配コイル部分の内側の一部の３次元概略図を示しており、この図は、ｚ勾配シールドコイルに向かって内側から見た図である。更に図５には、シールドコイルの巻線の直径が、中央平面に近い領域（ｚ＝０）において及びコイルの端部において低減されることが概略的に示されている。直径の低減は、これらの巻線が、シールド巻線のほとんどが位置する中央円筒表面に隣接する仮想の円錐形表面上に位置することである。これらの変化は、コイルの領域における巻線密度の増加をもたらし、そうでない場合、コイルの領域では巻線密度が非常に低く、離散化誤差が外部磁界の大きな増加につながる。シールドコイルエンベロープの最適化された形状は、コールドマスのステンレス鋼ライナーにおける散逸を、勾配振幅１０ｍＴ／ｍにおいて、１ｋＨｚの周波数では１５０ｍＷ未満に、高周波限界では４００ｍＷに低減することを可能にする。比較のため、従来の直線的な円筒シールドコイルの場合、この散逸は、５０Ｗを超える。シールド巻線の直径が中心平面に向かって及びコイル端部に向かって円錐形状に正確に従わずに徐々に低減される場合にも同様の結果が得られる。

Claims (8)

1. 磁気共鳴検査システム用の勾配コイルアセンブリであって、
   １次円筒表面上に１次巻線を有する１次勾配コイルと、
   シールド円筒表面上にシールド巻線を有するシールドコイルであって、前記シールド円筒表面は、前記１次円筒表面に対し半径方向外側に位置する、シールドコイルと、
   前記１次円筒表面と前記シールド円筒表面との間の、それらの隣接する軸方向端部における円錐形の端部フランジ表面と、
   前記１次巻線と前記シールド巻線との間の相互接続巻線部分であって、前記円錐形の端部フランジ表面上に位置し、前記シールド巻線の少なくとも一部を前記１次巻線の一部に直列に接続する、相互接続巻線部分と、
   を有し、前記シールドコイルが、前記シールド円筒表面に対し半径方向内側に配された、導電体をもつ凹みパッチを具備し、前記凹みパッチの前記導電体が、前記１次勾配コイルの導電体に直列に電気接続される、勾配コイルアセンブリ。
2. 横方向の勾配コイルをもつ前記シールドコイルが、前記シールド円筒表面に対し半径方向内側に配された、導電体をもつ凹みパッチを有する、請求項１記載の勾配コイルアセンブリ。
3. ｚ勾配１次コイルとｚ勾配シールドコイルとを有し、
   前記ｚ勾配シールドコイルが、
   同軸シールド巻線と、
   前記勾配コイルアセンブリの軸方向中心の周囲に配された前記同軸シールド巻線の中央グループ、及び前記勾配コイルアセンブリの軸方向外縁に配された前記同軸シールド巻線の外縁グループと、
   を有し、
   前記中央グループの前記同軸シールド巻線が、前記外縁グループの前記同軸シールド巻線よりも小さい直径を有する、請求項１又は２に記載の勾配コイルアセンブリ。
4. 前記円錐形のフランジ表面の開口が、３０°～４５°の範囲にある、請求項１に記載の勾配コイルアセンブリ。
5. 前記凹みパッチの半径方向内側の位置が、前記シールド円筒表面から１０～２０ｍｍの範囲である、請求項２又は３に記載の勾配コイルアセンブリ。
6. 前記凹みパッチは、前記勾配コイルアセンブリの軸方向中心の周囲の軸方向位置に配される、請求項４に記載の勾配コイルアセンブリ。
7. 前記中央グループと前記外縁グループとの間に円錐形の中間フランジ表面が設けられ、前記中央グループの前記同軸シールド巻線と前記外縁グループの前記同軸シールド巻線とが、前記円錐形の中間フランジ表面に配された相互接続中心巻線によって直列接続される、請求項３に記載の勾配コイルアセンブリ。
8. 磁気共鳴検査システム用の磁石アセンブリであって、
   主巻線を有する主磁石コイルの組、及び請求項１から７のいずれか１項に記載の勾配コイルアセンブリ、を有し、
   前記勾配コイルは、半径方向に延在する１又は複数の磁界領域を有する勾配漂遊磁界を有し、
   前記勾配コイルアセンブリは、前記磁界領域が前記主磁石コイル間の間隙を通って延在するように、前記主磁石コイルに対し空間的に配される、磁石アセンブリ。

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