JP7265561B2 - Ｍｒｉ装置用の勾配シールドコイル - Google Patents

Description

本発明は、ＭＲＩイメージングの分野、特にＭＲＩ装置用の勾配シールドコイルに関する。

磁場は、患者の体内の画像を得るための手順の一部として原子の核スピンをアラインするために、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）において使用される。この磁場は主磁場又はＢ０磁場と呼ばれている。ＭＲＩスキャンの最中、送信器又は増幅器及びアンテナによって生成される無線周波数（ＲＦ）パルスは、局所磁場に摂動を引き起こし、Ｂ０磁場に対する原子核スピンの向きを操作するために使用されることができる。磁気スピンの空間符号化は、磁場勾配をＢ０磁場に重畳するために使用される、いわゆる勾配コイルを使用することによって達成されることができる。核スピンにより放出されたＲＦ信号は受信コイルにより検出され、このＲＦ信号は、ＭＲＩ画像を生成するために使用される。

Ｂ０磁場を発生させるための磁石は、通常超電導コイルを使用する。勾配コイルによって生成された磁場は、超電導コイル内及び超電導磁石内の導電構造に、渦電流を引き起こし、ゆえに損失を引き起こすことがある。これらの渦電流は、能動的なシールドと共に勾配コイルを使用することによって低減されることができる。米国特許出願公開第2016/0139221A1号公報は、ＭＲＩ装置の勾配コイルを取り囲む勾配シールドコイルの形でそのような能動的なシールドを開示している。

米国特許出願公開第2016/0139221A1号公報によれば、磁気共鳴イメージング装置用の磁気勾配コイルが提供される。この磁気勾配コイルは、能動的にシールドされる。ここで、前記磁気勾配コイルは、磁場を発生させるために動作可能である。前記磁場は、円筒状の対称軸を有し、前記磁気勾配コイルは、前記円筒状の対称軸と平行な長さを有する。磁気勾配コイルは、外面を有する。磁場は、外面の外側の外部磁場を含む。この外部磁場は、前記長さに沿った少なくとも４つの低減された磁場の領域を有し、それらの領域では磁場の大きさは、前記長さに沿った磁場の大きさの平均よりも小さい、

更に、米国特許出願第2010/0194393A1号公報から、誤差磁場の発生、すなわち渦電流の発生を抑制し、断面画像の画像品質を向上させることができる勾配コイル装置が知られている。各々のＭＲＩ装置は、ＭＲＩ装置の撮像領域に直線的な磁場分布を生成する第１のコイルと、撮像領域で一様な磁場分布を生成する静磁場コイル装置への第１のコイルからの磁場の漏れを抑制する第２のコイルと、を有し、第２のコイルは、第１のコイルから第２のコイルへの磁場の漏れを抑制する。

上述の米国特許出願公開公報は、磁場コイルとシールドコイルとの間のギャップが円周方向に変化するシールド勾配コイルにおいて、適切なシールド機能を実現するように設計されている。このシールド勾配コイルは、磁場コイルとシールドコイルとの間のギャップの狭小領域の近傍の、半径方向に対向する位置に、円周方向に２つの湾曲を有する配線パターンを有している。

本発明の目的は、ＭＲＩ装置の磁石の超電導コイル等の導電構造における損失を更に低減することである。

本発明によれば、この目的は、独立請求項の主題によって対処される。

本発明の好適な実施形態は、従属請求項に記載されている。本発明によれば、ＭＲＩ装置用の勾配シールドコイルが提供され、勾配シールドコイルは、その長手軸の周りに巻線を有し、少なくとも１つの巻線は、その周方向に沿って連続する複数のセクションを有することによって蛇行巻線として配置され、これらの各セクションには一対の導体ループが提供され、蛇行巻線内の電流が、２つの導体ループの中を反対方向に流れるようにされる。

本発明によれば、円筒形磁石部品の大きな循環電流は、多数の局所的な渦電流に変換され、それにより、これらの部品における損失及び機械的励起が少なくなる。Ｚ勾配コイルの能動シールド層の最適な電流分布は、通常、コイルの端部と中間面付近では電流密度が低い。この理想的な電流分布を、互いの間に空き空間をもつ離散した巻線の組で近似すると、外部磁場の不完全性が生じ、放射スクリーンや磁石の内側ボアライナのような構造に大きな循環電流を引き起こす。これらの電流は、これらのコンポーネントにおける損失と機械的励起をもたらす。前述のように、これらの円形巻線を少なくとも１つの蛇行巻線に変換することで、磁石内の誘導電流を非常に局所的な循環電流のパターンに変換することができる。これらの渦電流は、減衰がより速く、損失がより少なく、より少ない機械的励起をもたらす。このように、本発明によれば、磁石内の損失は、少なくとも２倍低減されることができる。

２つの導体ループは、一般的には閉じたループであってもよいし、ほぼ閉じたループであってもよい。しかしながら、これらの導体ループと、これらの導体ループ内で電流が反対方向に流れる特徴とに言及する場合、これはまた、これらの導体ループが、異なる方向、好適には反対方向に、好適には蛇行巻線の円周の同じ長さで、すなわち蛇行巻線の同じセクション内に、延びる蛇行巻線の部分によってのみ形成される任意のケースをも包含する。

一般的に、導体ループは、セクション内で様々な態様で配置されることができる。しかしながら、本発明の好適な実施形態によれば、各セクションにおいて、２つの導体ループは、巻線の円周に沿って同じ長さで互いに隣接して配置される。

本発明の好適な実施形態によれば、各セクションにおいて、一対の導体ループを提供することによって、本発明の好適な効果が達成されることができる。代替として、本発明の好適な実施形態によれば、各セクションに、複数の対のループが提供され、それにより、蛇行巻線の電流が、それぞれの対の２つの導体ループにおいて反対方向に流れる。その際、各セクションにおいて、導体ループは、巻線の周方向に沿って同じ長さで互いに隣接して配置されることが好適である。

本発明の好適な効果を達成するために、蛇行巻線の円周に沿ったセクションの異なる構成が使用されてもよい。しかし、本発明の好適な実施形態によれば、一対の導体ループを有するセクションのそれぞれは、蛇行巻線の周方向に沿って互いに一定の間隔をおいて配置される。

更に、勾配コイルは、２つの開放端を有する円筒形状を有し、少なくとも１つの蛇行巻線が、これらの開放端のうちの一方に配置されることが好ましい。更に、少なくとも１つの蛇行巻線が、それぞれこれらの開放端の両方に配置されることが好ましい。更に、少なくとも１つの蛇行巻線が、コイルの中間面付近に配置されることが好ましい。好適には、巻線の密度は、開放端の領域及び中間面の領域において相対的に小さい。更に、本発明の好適な実施形態によれば、少なくとも２つの蛇行巻線がその中間領域に配置される。

好適には、少なくとも１つの湾曲巻線が、蛇行巻線に隣接して設けられる。ここで、湾曲巻線は、直線的に走らず、蛇行巻線のような導体ループも構成しない。好適には、湾曲巻線は、各蛇行巻線に隣接して配置される。

本発明の好適な実施形態によれば、蛇行巻線は、パンチング又はウォータージェット切断のような方法を用いて銅板から製造される。代替として、本発明の好適な実施形態によれば、蛇行巻線は、中空導体から巻回される。

本発明は更に、ＭＲＩ装置の主磁場を生成する超電導磁石と、主磁場に重畳する勾配磁場を生成する少なくとも１つの勾配コイルとを有するＭＲＩ装置であって、前記勾配コイルは前記超電導磁石によって囲まれており前記超電導磁石は、前記超電導磁石と前記勾配コイルとの間に配置された勾配磁場コイルによって前記勾配磁場からシールドされる、ＭＲＩ装置に関連する。

ＭＲＩ装置の好適な実施形態によれば、勾配コイルは、勾配コイルの中間面付近にサドル巻線を有し、少なくとも１つの蛇行巻線が、他の領域よりも巻線密度の低い領域において勾配コイルの中間面付近のサドル巻線の上に配置され、超電導磁石がこれらのサドル巻線からシールドされるようになっている。

本発明は更に、超電導磁石と勾配コイルとの間に勾配シールドコイルを配置することにより、ＭＲＩ装置の勾配コイルにより生成される勾配磁場から超電導磁石をシールドする方法であって、勾配シールドコイルは、その長手方向の軸周りの巻線を有し、少なくとも１つの巻線が、その周方向に沿って連続する複数のセクションを有することによって蛇行巻線として配置され、これらのセクションのそれぞれには、一対の導体ループが設けられ、蛇行巻線の電流は，２つの導体ループ内で反対方向に流れる、方法に関する。

ＭＲＩ装置の勾配コイルによって生成される勾配磁場から超電導磁石をシールドする方法の好適な実施形態は、上記で説明した勾配シールドコイルの好適な実施形態も組み込む。

本発明のこれらの側面及び他の側面は、以下に記載された実施形態を参照することで明らかになり、解明されるであろう。しかしながら、そのような実施形態は、必ずしも本発明の完全な範囲を表すものではなく、したがって、本発明の範囲を解釈するために、特許請求の範囲及び本明細書が参照される。

本発明の好適な実施形態によるＭＲＩ装置を概略的に示す断面図。 本発明の好適な実施形態による勾配シールドコイルを概略的に示す側面図。 図２の蛇行巻線７の一部を概略的に示す拡大図。

図１は、本発明の好適な実施形態によるＭＲＩ装置１を模式的に示す断面図である。このＭＲＩ装置１は、ＭＲＩ装置１の主磁場（Ｂ０磁場）を生成するための超電導磁石２を有する。ＭＲＩ撮像のためには、典型的には数テスラの磁場が必要であるため、この超電導磁石２は超電導コイルを有する。撮像のために、この磁場は、検査対象、典型的にはＭＲＩ装置１のボア１４内の患者テーブル１１上に横たわる患者１２内の原子の核スピンをアラインするために使用される。ＭＲＩスキャンの間、ＲＦコイル３は、局所磁場に摂動を引き起こすための無線周波数（ＲＦ）パルスを生成するために使用される。このようにして、Ｂ０磁場に対する核スピンの向きが操作されることができる。磁気スピンの空間符号化のために、勾配コイル４、すなわちｘ、ｙ、ｚ勾配コイル４が提供され、これは、超電導磁石２によって生成されたＢ０磁場上に磁場勾配を重畳させる。

勾配コイル４によって生成される外部磁場は、超電導磁石２の超電導コイル内に渦電流、ゆえに損失を引き起こすことがある。これらの渦電流は、勾配シールドコイル５、すなわち、ｘ、ｙ、ｚ勾配シールドコイル５を使用することによって低減されることができ、ｘ、ｙ、ｚ勾配シールドコイル５は、勾配コイル４を取り囲み、したがって、超電導磁石２の超電導コイルを勾配コイル４によって生成される勾配磁場からシールドする。勾配コイル４及び勾配シールドコイル５の両方とも、例えば中空導体（図示せず）を通って水を流すことによって冷却されることができる。

図２は、本発明の好適な実施形態によるＺ勾配シールドコイル５をより詳細に側面図で概略的に示している。図２から分かるように、勾配シールドコイル５は、２つの開放端を有する円筒形状を有し、その長手軸Ａの周りに直線状の巻線６、蛇行巻線７、及び湾曲巻線１３を有する。ｚ勾配シールドコイル５は、中央部のｚ＝０面に対して反対称性を有している。

Ｚ勾配シールドコイル５の左右の端部と、Ｚ勾配シールドコイルの中央部のｚ＝０付近の領域では、巻線の密度が相対的に小さくなっている。これらの領域には蛇行巻線７が配置されている。蛇行巻線７に隣接して、直線巻線６のように直線状に延びず、波形のデザインをもつ湾曲巻線１３が設けられている。湾曲巻線１３の間には、通常の直線状に延びる巻線６が配置されている。直線状の巻線６の互いの間隔は、Ｚ勾配シールドコイル５の端部及び中間部の領域における湾曲巻線１３及び蛇行巻線７の隣り合う巻線からの間隔よりも小さい。図２は、明確さの理由と理解を容易にするために、巻線６、７、１３の数を減らして示した概略図であることに留意されたい。

蛇行巻線７は、その円周に沿って複数の連続する部分８、８'，８''，８'''を有し、これらのセクション８、８'、８''、８'''のそれぞれには一対の導体ループ９、１０が設けられ、蛇行巻線７の電流が、２つの導体ループ９、１０の中で反対方向に流れるようにされている。これは、図２の蛇行巻線７の一部の概略拡大図である図３において、より詳細に示されている。電流の方向は連続した矢印で示されている。左側のループ９に流れる電流の方向が反時計回りであるのに対し、右側のループ１０に流れる電流の方向は時計回りである。

このようにして、超電導磁石２の円筒部に流れる大きな循環電流は、複数の局所的な渦電流に変換され、それにより、超電導磁石２における損失が少なくなるとともに、機械的励起が少なくなる。勾配シールドコイル５の両端とコイルの中面（ｚ＝０）に近い領域に蛇行巻線７を設けることにより、超電導磁石２内の誘導電流は、局所的にのみ循環する電流のパターンに変換される。これらの局所的な渦電流は、減衰がより速く、損失がより少なく、超電導磁石２のより少ない機械的励起をもたらす。このようにして、超電導磁石２における損失が少なくとも２倍低減されることができる。

本発明の好適な実施形態によれば、蛇行巻線７及び湾曲巻線１３は、パンチング又はウォータージェット切断によって製造される銅板から製造される。代替として、本発明の別の好適な実施形態によれば、蛇行巻線７及び湾曲巻線１３は、中空導体から形成されることができる。

図２及び図３から分かるように、各セクション８では、２つの導体ループ９、１０が、蛇行巻線７の円周に沿って同じ長さで互いに隣接して配置されている。図２及び図３に示された好適な実施形態では、一対の導体ループ９、１０が示されているだけであるが、本発明は、蛇行巻線７の電流がそれぞれの対の２つの導体ループ９、１０の中で反対方向に流れるような方法で、各セクション８に複数の対の導体ループ９、１０を設けることも可能であることを強調しておくべきである。

更に、図２からも分かるように、各セクションにおいて、導体ループ９、１０は、蛇行巻線７の円周に沿って同じ長さで互いに隣接して配置されている。ここで、一対の導体ループ９、１０を有するセクション８は、蛇行巻線７の円周に沿って互いに一定の間隔を置いて配置されている。

本発明は、図面及び前述の説明において詳細に図示及び説明されているが、そのような図示及び説明は、説明的又は例示的なものであり、限定的なものではないと考えられる。開示された実施形態に対する他の変形例は、図面、開示、及び添付の特許請求の範囲の検討から、請求項に記載の発明を実施する際に当業者によって理解され、達成されることができる。特許請求の範囲において、「有する、含む（comprising）」という語は、他の構成要素又はステップを排除せず、不定冠詞「a」又は「an」は、複数性を排除するものではない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に引用されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用できないことを示すものではない。請求項のいかなる参照符号も、その範囲を限定するものと解釈されるべきではない。更に、明確化のために、図面のすべての要素に参照符号が提供されていない場合もある。

１ ＭＲＩ装置
２ 磁石
３ ＲＦコイル
４ 勾配コイル
５ 勾配シールドコイル
６ 通常の巻線
７ 蛇行巻線
８ セクション
９ 導体ループ
１０ 導体ループ
１１ 患者テーブル
１２ 患者
１３ 湾曲巻線
１４ ボア
Ａ 勾配シールドコイルの長手軸

Claims (13)

1. ＭＲＩ装置用の勾配シールドコイルであって、前記勾配シールドコイルは、その長手軸の周りに巻線を有し、少なくとも１つの巻線が、その円周に沿って連続する複数のセクションを有することによって蛇行巻線として配され、前記セクションの各々には、一対の導体ループが設けられ、前記蛇行巻線の電流が前記２つの導体ループの中を互いに逆回りに流れるように配される、勾配シールドコイル。
2. 各セクションにおいて、前記２つの導体ループが、前記蛇行巻線の円周に沿って同じ長さで互いに隣接して配される、請求項１に記載の勾配シールドコイル。
3. 各セクションに、複数の対の導体ループが設けられ、前記蛇行巻線の電流が、各対の２つの導体ループの中を互いに逆回りに流れるようにされている、請求項１又は２に記載の勾配シールドコイル。
4. 各セクションにおいて、前記導体ループは、前記蛇行巻線の円周に沿って同じ長さで互いに隣接して配置されている、請求項３に記載の勾配シールドコイル。
5. 前記一対の導体ループを有するセクションが、前記蛇行巻線の円周に沿って互いに一定の間隔を置いて配置されている、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の勾配シールドコイル。
6. 前記勾配シールドコイルが、２つの開放端を有する円筒形状を有し、少なくとも１つの蛇行巻線が、前記２つの開放端の一方に配置されている、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の勾配シールドコイル。
7. 前記少なくとも１つの蛇行巻線が、前記２つの開放端の両方にそれぞれ配置されている、請求項６に記載の勾配シールドコイル。
8. 少なくとも２つの蛇行巻線が、前記勾配シールドコイルの中間領域に配置されている、請求項６又は７に記載の勾配シールドコイル。
9. 少なくとも１つの湾曲巻線が前記蛇行巻線に隣接して設けられており、前記湾曲巻線は、前記勾配シールドコイルの円筒形の表面上を直線状に延びず、前記蛇行巻線がもつ導体ループを有しない、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の勾配シールドコイル。
10. 前記湾曲巻線は、各蛇行巻線に隣接して配置されている、請求項９に記載の勾配シールドコイル。
11. ＭＲＩ装置の主磁場を生成する超電導磁石と、前記主磁場に重畳する勾配磁場を生成する少なくとも１つの勾配コイルと、を有するＭＲＩ装置であって、
    前記勾配コイルは、前記超電導磁石によって取り囲まれており、前記超電導磁石が、前記超電導磁石と前記勾配コイルとの間に配置された請求項１乃至７のいずれかに記載の勾配シールドコイルよって前記勾配磁場からシールドされる、ＭＲＩ装置。
12. 前記勾配コイルは、前記勾配コイルの中間面付近のサドル巻線を有し、前記少なくとも１つの蛇行巻線が、前記勾配コイルの前記中間面付近の前記サドル巻線の上に配置されて、前記超電導磁石が前記サドル巻線からシールドされるようにされる、請求項１１に記載のＭＲＩ装置。
13. 超電導磁石と勾配コイルとの間に勾配シールドコイルを配置することにより、前記超電導磁石を、ＭＲＩ装置の勾配コイルによって生成される勾配磁場からシールドする方法であって、前記勾配シールドコイルが、その長手軸の周りに巻線を有し、少なくとも１つの巻線が、その円周に沿って連続する複数のセクションを有することによって蛇行巻線として配置され、前記セクションの各々に一対の導体ループが設けられて、前記蛇行巻線の電流が前記２つの導体ループの中を互いに逆回りに流れるようにされる、方法。

Images