KR20150033693A - Mri 시스템들의 그레디언트 코일 진동의 감소를 위한 방법 및 장치 - Google Patents

Mri 시스템들의 그레디언트 코일 진동의 감소를 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

자기 공명 이미징(magnetic resonance imaging)에서 사용하기 위한 원통형 초전도성 자석 시스템(cylindrical superconducting magnet system)이 제공되고, 상기 원통형 초전도성 자석 시스템은: 진공 베셀(vacuum vessel)(14) 내에 포지셔닝(position)된, 축방향으로 정렬된 1차 초전도성 코일(superconducting coil)들(30), 상기 진공 베셀 내의, 상기 1차 초전도성 코일들을 둘러싸는 열방사 차폐부(thermal radiation shield)(16); 상기 1차 초전도성 코일들 내에 방사상으로 로케이팅(locate)되고 상기 1차 초전도성 코일들과 축방향으로 정렬되는 그레디언트 코일 어셈블리(gradient coil assembly)(22)를 포함하고, 상기 원통형 초전도성 자석 시스템은, 상기 1차 초전도성 코일들의 외측에 방사상으로 포지셔닝되고, 상기 그레디언트 코일 어셈블리의 원주 둘레의 다수의 위치들에서, 그리고 상기 그레디언트 코일 어셈블리를 따르는 다수의 축방향 위치들에서, 방사상으로-지향된 기계적인 부착부들(radially-directed mechanical attachment)(26) ― 상기 방사상으로-지향된 기계적인 부착부들(26)은, 상기 진공 베셀 및 상기 열방사 차폐부를 통해 관통-홀(through-hole)들을 통과함 ― 에 의해, 상기 그레디언트 코일 어셈블리에 기계적으로 부착(26)되고, 상기 진공 베셀로부터 기계적으로 격리되는, 어셈블리 지지부(assembly support)(24)를 더 포함한다. 상기 기계적인 부착부들 중 적어도 몇몇은, 상기 그레디언트 코일 어셈블리의 진동들에 반대하기 위해 상기 그레디언트 코일 어셈블리의 면 상에 힘의 임펄스(impulse)들을 제공하도록 배열된 액티브 힘 트랜스듀서(active force transducer)(45)를 각각 포함한다.

Description

MRI 시스템들의 그레디언트 코일 진동의 감소를 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR REDUCTION OF GRADIENT COIL VIBRATION IN MRI SYSTEMS}
본 발명은 자기 공명 이미징(MRI) 시스템(magnetic resonance imaging(MRI) system)들에 관한 것으로, 특히 그레디언트 코일 어셈블리(gradient coil assembly)들의 진동들을 감소시키기 위한 어레인지먼트(arrangement)들에 관한 것이다. 당해 기술 분야에 잘 알려진 바와 같이, 통상의 MRI 시스템은, 이미징 구역(imaging region)을 포함하는 균질 구역을 갖는 강하고 일정한 배경 필드(strong, constant background field)를 발생시키는 초전도성 메인 자석(superconducting main magnet)을 포함한다. 그레디언트 코일들은, 이미징 구역에서 발진 직교 자기장(oscillating orthogonal magnetic field)들을 발생시키기 위해 제공되고, 상기 발진 직교 자기장들은 이미징 타겟(imaging target), 통상적으로 인간 환자 내의 원자들의 원자 스핀(atomic spin)들의 공명을 초래한다.
일정한 배경 필드와, 그레디언트 코일들에 의해 발생된 발진 자기장들의 상호작용은, 그레디언트 코일 어셈블리의 강한 기계적인 진동들을 초래하고, 결국, 환자에 대한 불편하고 방해되는 잡음을 초래한다.
본 발명은 그레디언트 코일 어셈블리의 진동을 적극적으로 감소시키기 위한 방법들 및 장치를 제공한다.
본 발명은 특히, MRI(자기 공명 이미징) 시스템들과 같은 이미징 시스템들에서 이용되는 바와 같은 원통형 자석 시스템(cylindrical magnet system)들에 관한 것이지만, 본 발명은 잘 알려진 "C-형상(C-shape)" 개방형 자석과 같은 다른 유형들의 자석에 적용될 수 있다.
도 1은 MRI 이미징 시스템에서 사용하기 위한 통상의 자석 시스템을 관통하는 방사상 단면도를 도시한다. 포머(former) 또는 다른 기계적인 지지 구조 상에 장착된 초전도성 코일(superconducting coil)들을 통상적으로 포함하는 원통형 자석(10)은 크라이오스탯(cryostat) 내에 포지셔닝(position)되고, 상기 크라이오스탯은 다량의 액상 한제(cryogen)(15), 예를 들어, 헬륨을 포함하는 한제 베셀(cryogen vessel)(12)을 포함하고, 상기 한제 베셀(12)은 초전도성 자석을 상기 초전도성 자석의 전이 온도(transition temperature) 미만의 온도로 홀딩(hold)한다. 자석은 본질적으로 축(A-A)을 중심으로 회전적으로 대칭적이다. 용어 "축방향(axial)"은, 축(A-A)에 평행한 방향을 나타내기 위해 본 명세서에서 이용되는 한편, 용어 "방사상(radial)"은 축(A-A)을 통과하는 면의, 축(A-A)에 수직하는 방향을 의미한다. 방향 z는 축(A-A)을 따르는 방향이고; 방향 x는 수직 방사상 방향이고, 방향 y는 수평 방사상 방향이다.
외측 원통형 벽(12a), 내측 원통형 보어 튜브(bore tube)(12b), 및 실질적으로는 평면형의 환형 단부 캡(annular end cap)들(도 1에서 가시적이지 않음)을 갖는 한제 베셀(12) 그 자체는 원통형이다. 진공 베셀(vacuum vessel)(14)은 한제 베셀을 둘러싼다. 외측 원통형 벽(14a), 내측 원통형 보어 튜브(14b), 및 실질적으로는 평면형의 환형 단부 캡들(도 1에서 가시적이지 않음)을 갖는 상기 진공 베셀(14) 그 자체는 또한 원통형이다. 하드 진공(hard vacuum)이 진공 베셀(14)과 한제 베셀(12) 사이의 볼륨(volume)에 제공되어서, 효과적인 단열을 제공한다. 열방사 차폐부(thermal radiation shield)(16)가 진공배기된 볼륨(evacuated volume)에 위치된다. 외측 원통형 벽(16a), 내측 원통형 보어 튜브(16b), 및 실질적으로는 평면형의 환형 단부 캡들(도 1에서 가시적이지 않음)을 갖는 상기 열방사 차폐부(16)는 통상적으로 완전히 폐쇄된 베셀은 아니지만, 본질적으로 원통형이다. 열방사 차폐부(16)는 진공 베셀(14)로부터 방사된 열이 한제 베셀(12)에 도달하기 전에, 상기 진공 베셀(14)로부터 방사된 열을 인터셉트(intercept)하도록 기능한다. 열방사 차폐부(16)는 예를 들어, 액티브 극저온 냉동기(active cryogenic refrigerator)(17)에 의해, 또는 한제 증기를 이스케이핑(escape)함으로써 냉각된다.
대안적인 어레인지먼트들에서, 자석은 한제 베셀 내에 하우징되는 것이 아니라, 몇몇 다른 방식: 냉각 루프(cooling loop)와 같은 낮은 한제 인벤토리 어레인지먼트(low cryogen inventory arrangement) 또는 극저온 냉동기가 자석에 열적으로 링크(link)되는 '건식(dry)' 어레인지먼트에 의해 냉각된다. '건식' 구성들에서, 자석에 대한 열 부하들은 액상 한제들에 의해 직접적으로 냉각되는 것이 아니라, 대신, 냉동기 또는 냉각 파이프(cooling pipe)에 연결된 열적 링크(thermal link)를 통해 제거된다. 이러한 열-부하들은 예를 들어, 전류 램핑(current ramping) 또는 그레디언트 코일 동작으로부터 초래될 수 있다.
진공 베셀 보어 튜브(14b)는, 방사상으로 그리고 축방향으로 양측 모두로 진공 부하를 견디도록, 기계적으로 강하고 진공 기밀식(vacuum tight) 이어야 한다. 통상적으로, 상기 진공 베셀 보어 튜브(14b)는 스테인리스강(stainless steel)으로 이루어진다. 한제 베셀 보어 튜브(12b) ― 존재한다면 ― 는, 강하고 한제 베셀 내의 한제 가스(cryogen gas)의 압력을 견딜 수 있어야 한다. 통상적으로, 상기 한제 베셀 보어 튜브(12b)는 또한 스테인리스강이다. 열방사 차폐부(16)의 보어 튜브(16b)는 적외선 방사 불침투성(impervious)이어야 한다. 상기 보어 튜브(16b)는 바람직하게, 경량이고, 우수한 열 전도체이다. 상기 보어 튜브(16b)는 통상적으로 알루미늄(aluminium)으로 이루어진다.
본 발명은 모든 이러한 경우들에 적용될 수 있다.
이미징 능력(imaging capability)을 제공하기 위해, 그레디언트 코일들(20)의 세트가, 초전도성 자석의 보어 내에 장착된 그레디언트 코일 어셈블리(22) 내에 제공된다. 그레디언트 코일 어셈블리는 일반적으로, 직교 발진 자기장 그레디언트(orthogonal oscillating magnetic field gradient)들을 3차원으로 발생시키는 코일들을 포함하는 중공 원통형 수지-함침 블록(hollow cylindrical, resin-impregnated block)을 포함한다.
이미징 절차(imaging procedure) 동안, 그레디언트 코일들(20)은, 통상적으로 단지 수 밀리초의 매우 고속의 상승-시간들을 갖는 급속히 발진하는 자기장들을 발생시킨다. 그레디언트 코일들로부터의 표류 필드(stray field)들은 크라이오스탯의 금속 부분들, 특히 진공 베셀, 열 차폐부, 및 한제 베셀의 금속 보어 튜브들(14b, 16b, 12b)에, 그리고 또한 자석(10)의 구조 내에 와전류들을 발생시킨다. 진공 베셀(14)의 재료에서 생성된 와전류들은, 열방사 차폐부(16) 및 극저온으로 냉각된 컴포넌트들, 이를 테면, 한제 베셀 보어 튜브(12b), 자석 코일들, 및 자석 포머(magnet former)(10)를 그레디언트 코일들(20)로부터의 표류 필드들로부터 차폐하는 것을 도울 것이다. 그러나, 자석에 의해 생성된 일정한 배경 자기장 때문에, 그러한 와전류들은 로렌츠 힘(Lorentz force)들을 생성하여서, 방사상으로 및 축방향으로 작용하고, 진공 베셀의 보어 튜브에 기계적인 진동들을 초래한다. 추가의 기계적인 진동들은, 상당한 급속 교류(rapidly alternating current)들을 캐리(carry)하는 그레디언트 코일 어셈블리(22)의 전도체들에 작용하는 로렌츠 힘들에 의해 초래된, 그레디언트 코일 어셈블리 그 자체의 기계적인 진동으로부터 초래된다. 그레디언트 코일 어셈블리 내의 전도체들에 작용하는 로렌츠 힘들로 인한 그레디언트 코일 어셈블리의 기계적인 진동은 또한, 보어 내의 공기의 직접적인 진동에 의한 잡음을 초래한다.
자석(10)의 일정한 배경 자기장에서의 이러한 기계적인 진동들은 차례로, 열방사 차폐부의 보어 튜브(16b), 또는 한제 베셀의 보어 튜브(12b)와 같은 전도성 재료들에 2차 와전류들을 유도할 것이다. 2차 와전류들은 물론, 2차 자기장들로 알려진 자기장들을 발생시킬 것이다. 이들은 이미징을 방해할 수 있고, 또한 기계적인 진동들 및 2차 표류 필드들을 생성할 수 있다. 2차 표류 필드들은 또한, 전도성 면들 가까이에 3차 와전류들을 유도한다. 이러한 3차 와전류들은 차례로, 3차 자기장들을 발생시키는 등등일 것이다. 이러한 메커니즘(mechanism)에 의해, 그레디언트 코일은 자석 및/또는 주변 한제 베셀에 상당한 열 에너지(heat energy)를 침착(deposit)시킬 수 있다. 그러므로, 그레디언트 코일 그 자체의 진동을 제한하기 위한 단계들이 취해져야 한다. 이미징 동안 환자가 경험하는 잡음 및 진동이 감소되도록, 그레디언트 코일의 진동의 진폭이 감소되는 것이 또한 바람직하다.
열방사 차폐부(16)의 보어 튜브(16b)는 바람직하게, 그레디언트 코일들로부터의, 자석의 전자기 차폐를 제공하기 위해, 열적으로 및 전기적으로 전도성이다.
통상적인 바와 같이, 그레디언트 자기장들의 발진의 주파수가 보어 튜브들의 공명 주파수에 가까울 때, 특정 어려움이 발생한다. 통상의 MRI 시스템의 진공 베셀, 열방사 차폐부, 및 한제 베셀의 보어 튜브들과 같은 유사한 직경들의 다수의 동심 보어 튜브들이, 이전에 기술된 바와 같이 공통 엔지니어링 재료(common engineering material)들로 이루어질 때, 유사한 유효 공명 주파수들을 갖는다는 것이 알려져 있다.
기계적인 진동들은, 보어 튜브의 공명 진동 주파수가 표류 필드의 발진 주파수에 대응할 때 특히 강할 것이다. 현재 자석들의 경우와 같이, 진공 베셀 보어 튜브, 열 차폐부 보어 튜브, 한제 베셀 보어 튜브 ― 존재한다면 ―, 및 자석 컴포넌트들의 공명 주파수들이 서로 가깝다면, 보어 튜브들은 가깝게 커플링(couple)된 오실레이터들의 체인(chain)으로서 거동하고, 공명 대역들이 발생할 것이다.
발진들은 또한, 이미징 프로세스(imaging process)를 방해할 수 있어서, 결과적인 이미지들에 손상을 초래한다.
결과적인 발진들은, 보어 내의 환자에게 가장 불편한 음향 잡음 및 진동을 초래할 뿐만 아니라, 이미징을 방해하고, 열방사 차폐부 및 한제 베셀 ― 존재한다면 ― 과 같은 냉각된 컴포넌트들의 가열을 초래한다.
자석의 극저온으로 냉각된 컴포넌트들에 유도된 와전류들은, 극저온 냉각 시스템(cryogenic cooling system)에 대한 저항 열 부하(ohmic heat load)를 구성하여서, 액상 한제 ― 이용된 경우 ― 의 증가된 소비, 또는 극저온 냉동기에 대한 증가된 열 부하를 초래한다. 건식 자석들 ― 액상 한제에 의해 냉각되지 않는 것들 ― 에서, 증가된 열 부하는 코일들의 온도 상승을 초래할 수 있고, 이는 퀀치(quench)를 초래할 수 있다.
따라서, 본 발명은, 진공 베셀 보어 튜브 직경을 증가시키지 않으면서, MRI 시스템들의 그레디언트 코일 진동을 감소시키기 위한 방법들 및 장치를 제공한다. 그레디언트 코일 진동을 감소시키는 통상의 접근방식들은, 그레디언트 코일에 대한 강화 엘리먼트(stiffening element)들의 부가에 의한 기계적인 강화를 포함하지만, 이러한 접근방식은 매우 바람직하지 않은데, 그 이유는 이러한 접근방식은 그레디언트 코일 보어 직경의 증가를 초래하고, 이는 결국 초전도성 코일들의 직경의 결과적인 증가를 요구하며, 따라서, 자석의 비용을 상당히 증가시키기 때문이다. 어느 경우에서든, 그레디언트 코일 어셈블리의 강성도를 2배로 하는 것은 단지, 공명 주파수의 대략 1.4× 증가를 초래할 뿐이라고 여겨진다.
이러한 문제에 대해 알려진 접근방식들은 다음을 포함한다. 그레디언트 코일 어셈블리(22)는 탄성 마운트(resilient mount)들, 웨지(wedge)들, 또는 에어백(air bag)들을 이용하여 진공 베셀 보어 튜브(14b)에 장착될 수 있다. 이들은 그레디언트 코일 어셈블리의 기계적인 발진들을 감쇠시키도록 의도된다. 그러나, 이러한 어레인지먼트들은, 그레디언트 코일로부터 진공 베셀로의 진동들의 기계적인 전송을 완전히 방지하지 않고, 인접한 전기 전도성 구조들에서의 와전류들의 입사(incidence)를 거의 감소시키지 않는다. 그레디언트 코일을 진공 베셀 보어 튜브보다는 단부 프레임(end frame)들 상에 장착하는 것이 제안되었다. 그러나, 이러한 어레인지먼트들은 시스템의 늘림(lengthening)을 요구하였고, 이는 본 발명이 또한 회피하기를 추구하는 것이다. 액티브 힘 피드백 액추에이터(active force feedback actuator)들이 미국 특허 6,552,543에서 제안되었으며, 여기서 액추에이터들은, 그레디언트 코일들로부터의 표류 필드들에 의해 초래된 진동들에 반대(oppose)하도록 진공 베셀 내에 위치된다. 이러한 해결책은 복잡하고, 액추에이터들을 자석 코일들과 같은 다른 컴포넌트들 사이에 포지셔닝하기 어려운 것으로 고려된다. 그레디언트 코일 어셈블리의 1차 및 2차 전도체들 그 자체가, 그레디언트 코일 어셈블리의 진동의 진폭을 감소시키도록 최적화되는 모드-보상 그레디언트 코일(mode-compensated gradient coil)들이 제안되다. 그러나, 이러한 최적화는, 표류 필드를 최소화하는 것과 같은 다른 중요한 요구되는 그레디언트 코일 설계 목적들을 달성하는 것을 더 어렵게 만든다.
유사한 문제들에 대해 알려진 접근방식들은 다음의 공보들에서 제시되었다.
US 6,552,543 B1 (Dietz 등, 지멘스(Siemens))은 그레디언트 코일 어셈블리와 크라이오스탯 사이의, 액티브 장착부(active mount)들을 포함하는 장착들의 이용을 개시한다.
US 5,345,177 B2 (Sato 등, 히타치(Hitachi)), 이는 소프트 패드(soft pad)들을 포함하는 방사상-스포크 그레디언트 코일 장착(radial-spoke gradient coil mounting)들의 이용을 개시한다.
US 6,353,319 B1 (Dietz 등, 지멘스)은 공명 모드들을 방해하기 위해, 기계적인 진동들의 최대 진폭 포인트(point)들에서, 자석 보어 내의 그레디언트 코일의 장착을 개시한다.
US 7,053,744 B2 (Arz 등, 지멘스)는 그레디언트 코일을 위한 진공 인클로저(vacuum enclosure)를 개시한다.
US 5,617,026 (Yoshino 등, 히타치)은 그레디언트 진동들의 진폭을 감소시키는 수단으로서 압전-트랜스듀서(Piezo-transducer)들의 이용을 개시한다.
DE 10 2007 025 096 A1 (Dietz 등, 지멘스)은 그레디언트 코일의 모드-보상의 방법을 개시한다.
그레디언트 코일 어셈블리의 진동을 감소시키는 데 있어서 효과적이도록, 다음의 문제점들이 처리되어야 한다. 높은 레벨들의 음향 잡음 및 그레디언트 코일 유도 열 부하(gradient coil induced heat load; GCIH)를 초래하는 큰 진폭 진동들을 초래하는 경향이 있을, 그레디언트 코일 어셈블리의 언밸런싱된 부하(unbalanced load)들을 회피하기 위해, 그레디언트 코일 내의 로렌츠 힘들이 보상되어야 한다. 그레디언트 코일 어셈블리의 유효 휨 강성도(effective flexural stiffness)는, 임의의 진동들의 진폭을 감소시키기 위해, 그리고 그레디언트 코일어셈블리의 공명 주파수들을 증가시키기 위해, 매우 증가되어야 한다. 그레디언트 코일 어셈블리는, 증가된 잡음을 발생시키는 진공 베셀의 진동들의 직접적인 여기를 방지하기 위해 크라이오스탯으로부터 기계적으로 격리되어야 한다. 이러한 문제점들은, 1차 초전도성 코일들(30)의 요구되는 직경에 대한 어떠한 증가 또는 이용가능한 환자 보어 직경(patient bore diameter)의 어떠한 감소도 초래하지 않으면서 처리되어야 한다.
본 발명은, 그레디언트 코일 어셈블리의 공명 발진들에 반대하여, 그레디언트 코일 어셈블리의 특정 구역들에 힘들을 적용하도록 제어되는 액티브 힘 트랜스듀서들을 제공하고, 이에 의해 그러한 발진들의 진폭을 감소시킴으로써, 발진 그레디언트 코일 자기장들을 겪는 보어 튜브들의 진동을 감소시키는 것을 목표로 한다. 액티브 힘 트랜스듀서들 그 자체들은, MRI 시스템의 메인 자석 코일들의 방사상 외측에 위치되고, 그러므로 상기 액티브 힘 트랜스듀서들의 설치를 위해, 자석 코일 직경의 증가 또는 이용가능한 환자 보어 직경의 감소를 요구하지 않는다.
그레디언트 코일 어셈블리의 감소된 기계적인 진동은 그레디언트 코일 어셈블리로부터의 음향 잡음의 감소; 전도성 면들 가까이에 유도된, 감소된 와전류들, 및 그러므로 극저온으로 냉각된 컴포넌트들의 감소된 가열을 초래한다.
따라서, 본 발명은 첨부된 청구항들에서 규정된 바와 같은 방법들 및 장치를 제공한다.
본 발명의 상기 및 추가의 목적들, 특징들 및 이점들은, 첨부 도면들과 관련하여, 단지 예시로만 주어지는, 본 발명의 특정 실시예들의 다음의 설명으로부터 더욱 명백해질 것이며, 도면들에서:
도 1은 이미징 시스템에서 사용하기 위한 통상의 자석 시스템의 방사상 단면도를 도시하고; 그리고
도 2 내지 도 5는 본 발명의 실시예들의 개략적인 축방향 부분 단면도들을 도시한다.
본 발명은, 그레디언트 코일의 기계적인 진동, 및 그레디언트 코일의 동작으로부터 초래되는 그레디언트 코일 유도 가열(gradient coil induced heating; GCIH)이 상당히 감소되는 어레인지먼트들을 제공한다. 중요하게, 본 발명은 기계적인 진동 및 GCIH의 감소가, 그레디언트 코일 어셈블리의 보어의 이용가능한 방사상 직경을 감소시키지 않으면서, 초전도성 코일들의 직경을 증가시키지 않으면서, 그리고 몇몇 실시예들에서는, 자석 시스템의 길이를 증가시키지 않으면서 달성되게 한다.
본 발명은, 그레디언트 코일 어셈블리의 면 상의 선택된 포지션들에 적용된 액티브 힘 트랜스듀서들을 이용하여 이러한 진동들에 반대함으로써, 그레디언트 코일 어셈블리의 기계적인 진동을 억제하기 위한, 그리고 그레디언트 코일 어셈블리로부터 자석 시스템의 다른 컴포넌트들로의 기계적인 진동의 전송을 감소시키기 위한 어레인지먼트를 제공한다.
본 발명은 액티브 힘 트랜스듀서들 ― 상기 액티브 힘 트랜스듀서들 자체는 통상적임 ― 을 이용함으로써 그레디언트 코일을 힘-밸런싱(force-balancing) 또는 부분적으로 힘-밸런싱하기 위한 방법들 및 장치를 제공한다. 1차 초전도성 코일들 사이를 지나가는 액추에이터 로드(actuator rod)들의 형태의 비교적 가느다란(slender) 기계적인 지지부들을 갖는 비교적 큰 통상의 액티브 힘 트랜스듀서들이 이용될 수 있다.
그레디언트 코일 어셈블리의 축방향 단부들은 진동에 가장 민감하고, 특정 실시예들에서, 힘 트랜스듀서들은 그레디언트 코일 어셈블리의 축방향 단부들에 가까운 선택된 포지션들에만 적용된다. 몇몇 실시예들에서, 기계적인 지지부 구조들은 크라이오스탯의 축방향 단부들 가까이에만 제공된다. 이러한 '단부 지지부들(end supports)'은 그레디언트 코일 그 자체의 강성도에는 크게 기여하지 않는다.
그레디언트 코일 어셈블리의 보어를 가능한 한 개방적으로 유지하는 것이 중요한데, 그 이유는 보어 크기가 환자 보어의 직경을 결정하기 때문이다. 환자 보어의 직경의 감소는, 한정된 이용가능 볼륨으로 인해, 환자에 대한 감소된 안락함을 초래할 것이고, 가능하게는 손상된 이미징 시퀀스(spoilt imaging sequence)들, 또는 환자들이 이미징될 수 없거나 또는 이미징되기를 꺼리는 것을 초래한다.
자석 시스템의 길이를 가능한 한 짧게 유지하는 것이 중요한데, 그 이유는 길이의 증가가, 환자들의 밀실공포증(claustrophobia)의 기분들을 유도하거나 또는 증가시킬 수 있고, 이는 이미징 시퀀스들을 손상시키거나, 또는 환자들이 이미징되기를 거부하는 것을 초래할 수 있기 때문이다. 더 짧은 자석들은 또한, 사용자의 구내(premises)에서의 이송 및 온 사이트(transport and on site) 동안 더 적은 공간을 요구한다. 자석 시스템의 길이는 보통, 셀링 포인트(selling point)로서 이용되며, 이때 더 짧은 자석들이 더 바람직한 것으로 간주된다.
본 발명에 따르면, 특징들의 조합이, 본 발명의 목적들이 달성되게 한다.
액티브 힘 트랜스듀서들에 의해 그레디언트 코일 어셈블리에 기계적으로 링크되지만, 크라이오스탯으로부터는 기계적으로 격리되는, 방사상 외측 기계적인 지지 구조가 제공된다.
그레디언트 코일 구조는, 그레디언트 코일 어셈블리의 기계적인 진동들에 의한 진공 베셀의 진동들의 기계적인 여기를 회피하기 위해, 크라이오스탯 구조로부터 기계적으로 격리된다. 본 발명의 특정 실시예들에서, 그레디언트 코일은, 크라이오스탯 구조와 어떠한 접촉도 하지 않는 플로어(floor) 상에서 직접적으로 지지된다.
그레디언트 코일 표류 필드들을 가장 많이 겪는 진공 베셀 보어 튜브의 그러한 부분들 ― 통상적으로 보어 튜브 단부들에 가까움 ― 은, 와전류들 및 2차 표류 필드들의 영향들을 감소 또는 제거하기 위해 전기 비전도성 재료로 이루어지거나 또는 강화될 수 있다.
본 발명의 특징에 따르면, 액티브 힘 트랜스듀서들(45)에 의해 그레디언트 코일 어셈블리에 링크된 기계적인 그레디언트 코일 어셈블리 지지부(mechanical gradient coil assembly support)가, 1차 초전도성 코일들 및 그레디언트 코일 어셈블리의 방사상 외측에 제공된다.
도 2는 그레디언트 코일 어셈블리(22), 및 다수의 액티브 힘 트랜스듀서들(45)에 의해 그레디언트 코일 어셈블리(22)에 기계적으로 링크된 그레디언트 코일 어셈블리 지지부(24)를 포함하는, 본 발명의 실시예에 따른 일반적인 그레디언트 코일 어셈블리 어레인지먼트의 부분 축방향 단면도를 개략적으로 예시한다. 도 2의 구조는 본질적으로 축(A-A)을 중심으로 회전적으로 대칭적이며, 중앙 면(C-C)을 중심으로 반사 대칭(reflective symmetry)을 갖는다. 그레디언트 코일 어셈블리(22) 및 어셈블리 지지부(24)는 구조의 나머지에 기계적으로 링크되지 않는다. 이러한 예에서, 그레디언트 코일 어셈블리 지지부(24)는 2개의 환형 구조들을 포함하고, 상기 2개의 환형 구조들 각각은 그의 축방향 단부들에 가까운 그레디언트 코일 어셈블리 방사상 외측에 포지셔닝된다. 각각의 환형 구조는 액티브 힘 트랜스듀서(45)에 의해 그레디언트 코일 어셈블리(22)에 기계적으로 부착(26)된다.
이러한 어레인지먼트에서, 도면에 점을 찍어 도시된 진공 베셀(14)은, 각각의 환형 단부-캡의 리세스(recess)(28)를 규정하는 환형 요형 부분(annular re-entrant portion)을 갖는다. 이러한 요형 부분은 유용하게 단부-캡의 강성도를 증가시킬 수 있어서, 이미징 동작들 동안 상기 단부-캡의 진동하는 경향을 감소시킨다. 그레디언트 코일 어셈블리 지지부(24)의 환형 구조들은 이러한 요형 부분 내에 로케이팅(locate)된다. 초전도성 자석은, 리세스(28)의 방사상 내측의, 진공 베셀(14) 내에 포지셔닝된 1차 초전도성 코일들(30), 및 리세스(28)의 방사상 외측의, 진공 베셀 내에 포지셔닝된 차폐 코일(shield coil)들(32)을 포함한다. 차폐 코일들(32) 및 1차 코일들(30)은 임의의 적절한 방식으로, 기계적으로 지지되고 접합된다. 1차 초전도성 코일들 및 2차, 차폐, 초전도성 코일들의 기계적인 지지 및 접합의 방식은, 그레디언트 코일 어셈블리(22)를 그레디언트 코일 어셈블리 지지부(24)에 링크하는 기계적인 부착부들(26)이, 진공 베셀, 열방사 차폐부, 및 1차 코일들(30) 및 2차, 차폐, 코일들(32)을 지지 및 접합하는 임의의 구조를 통해 관통-홀(through-hole)들을 통과한다는 점 이외에는, 본 발명의 부분을 형성하지 않는다.
물론, 진공 베셀 및 열방사 차폐부의 관통-홀들은 크로스-튜브(cross-tube)들(40)을 이용하여 밀봉되어야 한다. 몇몇 실시예들에서, 이러한 크로스-튜브들(40)의 존재에 의해 도입된 부가적인 강성도는, 더 얇은 재료들이 진공 베셀 및 열 차폐부들을 위해 이용되는 것을 가능하게 하고, 가능하게는 자석의 보어의, 그러므로 또한, 그레디언트 코일 어셈블리 및 환자 보어의 직경이 증가되는 것을 가능하게 한다는 것이 밝혀질 수 있다.
이미징 동안 그레디언트 코일들의 전류들이 급속하게 펄싱(pulse)된다. 초전도성 코일들(30)의 배경 자기장에서 흐르는 그레디언트 코일들의 전류들을 급속하게 변화시키는 것은, 그레디언트 코일 어셈블리에 작용하는 로렌츠 힘들을 초래하고, 기계적인 진동들을 초래하는 경향이 있다. 본 발명은, 이러한 진동들을 검출함으로써, 또는 컴퓨터-구현 시뮬레이션(computer-implemented simulation)에 의해 상기 진동들을 예측하고, 이러한 진동에 반대하도록 적절한 크기 및 타이밍(timing)의 힘의 임펄스(impulse)들을 발생시키도록 액티브 힘 트랜스듀서들(45)을 제어함으로써, 이러한 기계적인 진동들을 감소시키는 것을 목표로 한다. 몇몇 실시예들에서, 액티브 힘 트랜스듀서들(45)은, 압전 엘리먼트의 방사상 외측면과 방사상 내측면 사이에 적절한 전압을 인가함으로써 제어되는 압전 트랜스듀서(piezoelectric transducer)들일 수 있다. 다른 실시예들에서, 액티브 힘 트랜스듀서들(45)은 적절한 유체 압력을 트랜스듀서의 내부 볼륨(interior volume)에 인가함으로써, 수압식으로(hydraulically) 또는 공압식으로(pneumatically) 동작할 수 있다. 이러한 트랜스듀서들은, 원통들 내의 피스톤(piston)들, 또는 인가된 유체 압력에 따라 팽창 및 수축하는 탄성 재료(resilient material)의 폐쇄형 컨테이너(closed container)들일 수 있다.
기계적인 부착부들(26)은 힘 트랜스듀서들(45)에 의해, 실질적 구조, 그레디언트 지지 어셈블리(24)에 커플링된다. 이러한 커플링은 그 자체가, 힘 트랜스듀서들(45)에 대한 단단한 반작용점(rigid reaction point)을 제공하는 것뿐만 아니라, 그레디언트 코일 어셈블리(22)를 강화하는 경향이 있을 것이다. 종래 기술을 넘어서는 본 발명의 추가의 이점은, 힘 트랜스듀서들(45)이 비교적 낮은 자기장의 구역들에 로케이팅되고, 따라서, 트랜스듀서 디바이스(transducer device)들의 더 광범위한 선택을 허용하는 것이다. 자석의 보어의 외측의 트랜스듀서 디바이스들의 포지셔닝은 또한, 종래 기술에서보다 훨씬 더 크고 더 유능한 디바이스들이 이용되는 것을 가능하게 한다.
도 3은 도 2에 도시된 예를 닮은 본 발명의 실시예의 더욱 완전한 부분 축방향 단면을 도시한다. 도 3의 구조는 본질적으로 축(A-A)을 중심으로 회전적으로 대칭적이고, 본질적으로 C-C로 마킹된 중앙 면을 중심으로 반사 대칭을 갖는다.
크로스-튜브들(40)은, 진공 베셀 및 열방사 차폐부 양측 모두의 기능적인 무결성을 보장하고, 그레디언트 코일 어셈블리(22)와 진공 베셀(14) 사이의 어떠한 기계적인 접촉도 또한 회피하면서, 기계적인 지지부들(26)이 진공 베셀(14) 및 열방사 차폐부(16)를 통과하도록 허용한다. 기계적인 지지부들(26)은 액티브 힘 트랜스듀서들(45), 이를 테면, 압전 엘리먼트들, 원통들 내의 피스톤들, 또는 탄성 재료의 폐쇄형 컨테이너들을 포함하고, 그레디언트 코일 어셈블리의 면 상의 선택된 포지션들에 적용된다.
1차 초전도성 자석의 코일들(30)은, 크로스-튜브들(40)이 코일들 사이를 방사상으로 지나가도록 허용하는 임의의 적절한 어레인지먼트에 의해, 기계적으로 지지되고, 요구되는 고정된 상대적 포지션들에 유지된다.
초전도성 차폐 코일들(32)은, 어셈블리 지지부들(24) 및 액티브 힘 트랜스듀서들(45)의 배치를 위해 충분한, 진공 베셀의 환형 단부 캡들에 공동(cavity)(28)을 규정하는 요형 부분의 제공을 허용하는 임의의 적절한 어레인지먼트에 의해 제 위치에서 기계적으로 지지 및 유지된다. 본 발명의 몇몇 실시예들에서, 어떠한 초전도성 차폐 코일들도 제공되지 않는다. 액티브 힘 트랜스듀서들(45)을 포함하는 기계적인 지지부들(26)은 그레디언트 코일 어셈블리의 원주 둘레의 다수의 위치들, 및 그레디언트 코일 어셈블리를 따르는 다수의 축방향 위치들에 위치된다. 바람직하게, 기계적인 지지부들은 그레디언트 코일 어셈블리의 예상 진동 모드들의 파복(antinode)들에 또는 파복들 가까이에 적용된다. 적절하게 타이밍된 힘 임펄스들을, 예상된 또는 검출된 진동 모드의 파복들에 또는 파복들 가까이에 적용함으로써, 진동이 반대되고, 상기 진동의 진폭이 제한되거나 또는 소거될 수 있다.
동작에서, 그레디언트 코일 어셈블리는, 상기 언급된 바와 같이, 상기 그레디언트 코일 어셈블리가 발생시키는 발진 자기장들의 상호작용, 그리고 초전도성 1차 코일들(30)에 의해 제공된 배경 자기장으로 인해, 진동하는 경향이 있을 것이다. 발진 자기장들이 직교 방향들(x, y 및 z)로 발진될 것이기 때문에, 진동들이 또한, 직교 방향들(x, y 및 z)로 발생할 것이라는 것이 예상될 수 있다. 본 명세서에서 이용된 바와 같이, x는 수직을 나타내고, z는 축방향을 나타내고, y는 축(A-A)에 수직하는 수평 방향을 나타낸다. 47에 도시된 바와 같이 방사상 힘들을, 그레디언트 코일 어셈블리의 면 상의 선택된 포인트들에 적용함으로써, 방향들(x 및 y)에서의 진동이 반대될 수 있다. 즉, 그들의 진폭이 감소 또는 소거될 수 있다.
도 4는 도 3의 실시예와 유사하지만, z 방향의 진동들에 반대하도록 추가로 구비된, 본 발명의 다른 예시 실시예를 예시한다. 자석 코일들(30) 외측에 방사상으로 포지셔닝된 어셈블리 지지부들(24)에 부가하여, 어셈블리 지지부들(24)에 기계적으로 링크되고, 추가의 기계적인 지지부들(26') ― 상기 추가의 기계적인 지지부들(26') 각각은 액티브 힘 트랜스듀서(45')를 포함함 ― 을 지지하기 위해 방사상 내측으로 연장되는 단부 지지부들(49)이 제공된다. 이러한 추가의 기계적인 지지부들은 단부 지지부(49)와 그레디언트 코일 어셈블리(22)의 축방향 단부 사이에 각각 장착된다. 추가의 기계적인 지지부들(26')은, 상기 추가의 기계적인 지지부들(26')이, 진동들의 진폭을 감소 또는 소거함으로써 진동들에 반대하기 위해, 그레디언트 코일 어셈블리의 측정된 또는 실제 진동에 응답하여 그레디언트 코일 어셈블리의 면 상의 선택된 포지션들에 적절한 크기의 적절하게 타이밍된 힘 임펄스들을 적용한다는 점에서, 기계적인 지지부들(26)에 대해 기술된 방식과 유사한 방식으로 동작한다. 액티브 힘 트랜스듀서들(45)과 마찬가지로, 추가의 액티브 힘 트랜스듀서들(45')은 압전 트랜스듀서들과 같이 전기적으로 동작할 수 있거나, 또는 탄성 재료의 팽창하는 폐쇄형 컨테이너 또는 원통의 피스톤과 같이, 수압식으로 또는 공압식으로 동작할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예들에서, 그레디언트 코일 어셈블리는, 그레디언트 코일 어셈블리로부터의 음향 잡음의 전송을 방지하기 위해 진공 베셀 내에 인클로징(enclose)된다. 도 5는 이러한 실시예의 예를 예시한다. 다른 도면들의 피처들에 대응하는 도 5에 도시된 피처들은 대응하는 참조 번호들을 보유한다. 도 5의 실시예는, 그레디언트 코일 어셈블리(22)가, 진공 베셀(14)과 열방사 차폐부(16) 사이의 진공배기된 공간에서, 진공 베셀(14) 내에 로케이팅된다는 점에서, 도 3의 실시예와 상이하다. 그레디언트 코일 어셈블리를 진공 환경 내에 수용함으로써, 어떠한 잡음도 공기의 진동에 의해 환자에게 전송되지 않을 수 있다. 본 발명은 그레디언트 코일 어셈블리에 의한 기계적인 진동 또한 감소시켜서, 어셈블리의 전도성 면들에 유도되는 와전류들을 감소시킨다. 그레디언트 코일 어셈블리는, 액티브 힘 트랜스듀서들(45)을 캐리하는 기계적인 지지부들(26)에 의해 어셈블리 지지부들(24) 상에 장착되어 있는 어셈블리의 나머지 및 진공 베셀로부터 거의 완전하게 기계적으로 디커플링(decouple)된다. 그레디언트 코일 어셈블리(22)와 진공 베셀(14) 사이의 기계적인 커플링을 최소화하면서 진공 베셀을 밀봉하기 위해, 벨로우즈(bellows)(76)가 각각의 기계적인 지지부(26) 둘레에 제공된다. RF 또는 '몸체' 코일(146)이 이러한 도면에서 예시된다. 이러한 코일 어셈블리들은, 타겟의 발진 원자들로부터 신호들을 수신하기 위해 모든 MRI 시스템들에 제공된다.
어셈블리 지지부들(24)은 이전의 실시예들과 관련하여 기술된 환형 리세스(28)에서, 진공 베셀 외측에 포지셔닝된다. 어셈블리 지지부들(24)은, 접지 지지부(68)에 의해, 지지 면(72), 통상적으로 지면 상에서 지지된다. 그레디언트 코일 어셈블리(22)는 기계적인 지지부들(26)을 통해 어셈블리 지지부(24)에 의해 기계적으로 지지된다. 이러한 실시예에서, 기계적인 지지부들은 열방사 차폐부(16) 내의 크로스-튜브들(40)을 통과한다. 액티브 힘 트랜스듀서들(45)을 포함하는 기계적인 지지부들(26)은 또한, 상기 기계적인 지지부들(26)이 지지 어셈블리(24)와 인터페이싱(interface)하는, 진공 베셀의 외측으로부터, 상기 기계적인 지지부들(26)이 그레디언트 코일 어셈블리(22)와 인터페이싱하는, 진공 베셀(14) 내로 지나가야 한다.
예시된 실시예에서, 이는, 그레디언트 코일 어셈블리(22)와 어셈블리 지지부들(24) 사이의 진공 베셀 면에 홀들(74)을 제공함으로써, 그리고 벨로우즈 어레인지먼트(bellows arrangement)들(76)을 이용하여 그러한 홀들을 폐쇄함으로써 ― 이러한 예에서, 그 각각은 기계적인 지지부(26)에 밀봉된 폐쇄 부재(closure member)(78)에 의해 폐쇄됨 ― 배열된다. 벨로우즈 어레인지먼트들(76)은, 그레디언트 코일 어셈블리로부터의 기계적인 진동들을 흡수하고 이러한 기계적인 진동들이 진공 베셀에 인가되지 않는다는 것을 보장하면서, 진공 베셀이 진공-기밀식으로 유지되게 한다.
바람직하게, 진공 베셀의 단부 캡의 부분(80)은, 그레디언트 코일(22)의 배치 및 대체를 허용하기 위해 제거가능하다. 물론, 상기 부분(80)은 진공 베셀이 진공배기되지 않았을 때에만 제거될 수 있다. 제거가능 부분(80)의 존재는, 진공 베셀이 1차 초전도성 코일들(30) 둘레에 어셈블링될 때, 상당히 도움이 된다. 바람직하게, 이러한 어레인지먼트들에서, 진공 베셀 보어 튜브(14b)는 전기적으로 비전도성의 비자성 재료이다. 적절한 재료의 예는 열경화성 수지로 함침된 유리 섬유이다. 이러한 재료는 와전류 발생을 겪지 않고, 이러한 재료가 그레디언트 코일들에 의해 발생된 그레디언트 자기장들을 방해하지 않도록, 자기적으로 투명하다. 이러한 어레인지먼트에서, 진공 베셀 보어 튜브(14b)는 로렌츠 힘들을 겪지 않을 것이다.
요구되는 전류를 그레디언트 코일 어셈블리에 제공하기 위해, 적어도 하나의 전류 리드-스루(current lead-through)(84)가 진공 베셀에, 바람직하게는 제거가능 부분(80)에 제공된다. 전류 리드-스루는 바람직하게, 진공 베셀이 진공-기밀식으로 유지되는 것을 계속 가능하게 하면서, 진공 베셀을 그레디언트 코일 어셈블리의 임의의 기계적인 진동으로부터 격리하도록 기능하는 벨로우즈(86)를 갖는 진공 베셀에 연결된다. 벨로우즈는 전류 리드-스루에 밀봉된 폐쇄 부재에 의해 폐쇄될 수 있다.
그레디언트 코일은 ~80K까지 가열될 것이고, 이는 증가된 열-부하를 열 차폐부에, 및 결국 간접적으로, 자석에 부과할 것이다. 그러나, 이러한 '표류-상태(steady-state)' 열-부하는, 훨씬 더 심각한 동적 엘리먼트(dynamic element)가, 본 발명에 의해 제공된 유효 강화로 인해 매우 감소된다면, 허용가능하다고 여겨진다. 이러한 어레인지먼트는 효과적인 음향 잡음 감소를 제공하는데, 그 이유는 모든 알려진 전송 방법들이 제거되거나 또는 상당히 감소되기 때문이다.
이러한 실시예의 발전에서, 본 발명의 장치는 z 방향의 진동들에 반대하기 위해 추가로 구비된다. 자석 코일들(30) 외측에 방사상으로 포지셔닝된 어셈블리 지지부들(24)에 부가하여, 도 4를 참조하여 예시 및 기술된 바와 같이, 어셈블리 지지부들(24)에 기계적으로 링크되고, 액티브 힘 트랜스듀서를 각각 포함하는, 축방향으로-지향된 추가의 기계적인 지지부들을 지지하기 위해 방사상 내측으로 연장되는 단부 지지부들(49)이 제공된다.
본 발명의 실시예들 중 임의의 실시예에서, 도 3에 도시된 센서(sensor)들(106), 이를 테면, 압전 가속도계들이, 그레디언트 코일 어셈블리의 진동을 검출하기 위해 그레디언트 코일 어셈블리에 부착될 수 있다. 이러한 센서들로부터의 신호들(108)은 자석 제어기(110)에 제공될 수 있고, 상기 자석 제어기(110)는, 그레디언트 코일 어셈블리(22)의 면 상의 선택된 위치들(114)에 적절한 타이밍 및 크기로 힘 펄스들을 제공하도록 액티브 힘 트랜스듀서들(45)을 활성화하기 위해 적절한 명령들(112)을 발행한다. 사용되는 액티브 힘 트랜스듀서들의 유형에 따라, 명령들은, 예를 들어, 압전 트랜스듀서들이 이용되는 경우, 액티브 힘 트랜스듀서들에 직접적으로 인가되는 전기 신호들일 수 있거나, 또는 유체의 압력의 임펄스들이, 공압식으로-동작하는 또는 수압식으로-동작하는 액티브 힘 트랜스듀서들에 대해 발생될 수 있다.
자석 제어기(110)는 그레디언트 코일들에 공급되는 발진 전류들을 제어하기 위해, 그레디언트 전력 증폭기(예시되지 않음)를 제어한다. 동일한 제어기가, 그레디언트 코일들에 대한 계획된 전류들의 인가로 인해 발생할 것으로 예상될 수 있는 진동들에 따라 액티브 힘 트랜스듀서들(45)을 활성화하기 위해 명령들을 발행할 수 있다. 이와 같은 어레인지먼트에서, 그레디언트 코일 어셈블리의 진동들을 측정하는 것은 필요하지 않다. 도 4에 예시된, 그러나 모든 실시예들에 적용가능한 어레인지먼트에서, 액티브 힘 트랜스듀서들(45)은 그레디언트 코일 증폭기(102)로부터 직접적으로 공급된 신호들에 의해 제어되고, 전력 공급부는 교류들을 그레디언트 코일들에 제공한다.
그레디언트 코일 어셈블리(22)와 그레디언트 코일 어셈블리 지지부(24) 사이에 장착된 기계적인 지지부들(26)의 존재는 그 자체로, 그레디언트 코일 어셈블리의 몇몇 기계적인 강화를 제공할 것이다. 기계적인 지지부들(26)은 바람직하게, 그레디언트 코일 어셈블리에 견고하게 부착되어서, 이들은, 방사상으로 축(A-A)을 향하는 또는 축(A-A)으로부터 멀어지는 어느 하나의 방향으로, 요구되는 바와 같은 방사상 힘들을 가하기 위해 팽창뿐만 아니라 긴장상태(tension)에서 동작할 수 있다.
액티브 힘 트랜스듀서들(45, 45')이 진공 베셀의 방사상 외측에 로케이팅되기 때문에, 임의의 액티브 힘 트랜스듀서들은 자석을 실온으로 워밍(warm)할 필요 없이 대체될 수 있다. 예를 들어, 트랜스듀서의 장애, 또는 가능하게는 더 큰 트랜스듀서들로 향상시키기 위해 업그레이드(upgrade)하려는 바램으로 인한 경우이다. 트랜스듀서들의 이러한 대체는, 어떠한 다른 장비도 트랜스듀서 가까이 있지 않은 구역들에 트랜스듀서들(45)을 위치시킴으로써 용이해진다. 자성 재료를 포함하지 않는 트랜스듀서들이 이용되는 경우, 이러한 대체는 심지어 자석이 필드에 있는 채로도 수행될 수 있다. 액티브 힘 트랜스듀서들은 진공 내에서 동작할 필요가 없어서, 이용될 수 있는 액추에이터의 가능한 유형들의 범위가 확대된다. 그레디언트 코일 어셈블리(22) 그 자체는, 상기 그레디언트 코일 어셈블리(22)에 바람직하게, 기계적인 지지부들이 관련되는 보강 재료의 장착 포인트들이 제공되는 점 이외에는, 종래의 설계일 수 있다.
도 5에 도시된 예시 실시예는, 환자에 대한 음향 잡음을 제한하기 위한 여러 어레인지먼트들을 도시하도록 의도되고, 바람직한 실시예로서 간주될 수 있다. 그레디언트 코일 어셈블리(22)를 진공 구역 내에 장착함으로써, 어떠한 기계적인 진동들도 공기 또는 가스의 기계적인 진동에 의해 그레디언트 코일 어셈블리로부터 전송되지 않을 수 있다. 진공 베셀(14), 자석 코일들(30) 또는 열방사 차폐부(16)와 독립적으로 액티브 힘 트랜스듀서들(45, 45a)을 이용하는 본 발명의 강화 어레인지먼트는, 그레디언트 코일 어셈블리에 의한 장치의 직접적인 기계적인 진동을 감소시키거나 또는 제거한다. 본 발명의 장착 어레인지먼트의 효과는, 그레디언트 코일 어셈블리가, 종래 기술의 적당한 양의 기계적인 보강을 이용하여 달성될 수 있는 것보다 훨씬 더 큰 강성을 보이게 한다. 바람직하게, 진공 베셀 보어 튜브(14b)는 스테인리스강과 같은 더 통상적인 재료보다는 유리섬유-보강 수지(fibreglass-reinforced resin; GRP)와 같은 비자성 재료로 형성된다. 이러한 방식으로, 그레디언트 코일 어셈블리의 가변 자기장들이 보어 튜브의 재료에 발진 와전류들을 유도하는 것이 방지될 수 있다. 이러한 유도 전류들은 표류 배경 필드와 상호작용하여, 보어 튜브의 발진 및 불편한 음향 잡음을 초래할 것이다. 유사하게, 제거가능 부분(80)을 포함하는 진공 베셀(14)의 축방향 단부 피스(axial end piece)들은 바람직하게, 동일한 이유들 때문에, 스테인리스강과 같은 더 통상적인 재료보다는, GRP와 같은 비자성 재료로 이루어진다.
이상적으로, 그레디언트 코일 어셈블리의 잡음 및 진동의 감소는, 2개의 상보적인 그러나 경쟁적인 양상들을 포함한다. 첫째, 그레디언트 코일들은, 1차 와전류들이, 인접한 전기 전도성 구조들에서 유도되는 것을 감소시키도록 적극적으로 차폐되어야 한다. 둘째, 그레디언트 코일들이 경험하는 로렌츠 힘들이 최소화되어야 한다. 제 2 요건을 충족시키는 것은 제 1 요건에서 규정된 바와 같은 적극적인 차폐의 제공을 방해하는 경향이 있지만, 상술된 방법들은 이러한 요건들 중 제 2 요건에 관한 것이다. 본 발명은, 설계자들로 하여금, 로렌츠 힘들의 감소가, 상술된 바와 같은 액티브 힘 트랜스듀서들의 이용에 의해 비교적 독립적으로 처리되게 하면서, 그레디언트 코일들의 적극적인 차폐를 최적화하게 한다.
본 발명이 제한된 수의 특정 실시예들과 관련하여 기술되었지만, 많은 변형들 및 수정들이 당업자들에게 명백할 것이다. 예를 들어, 상이한 유형들의 액티브 힘 트랜스듀서들의 조합들이 임의의 특정 실시예에서 이용될 수 있다. 액티브 힘 트랜스듀서들은 다양한 축방향 위치들에 위치될 수 있고, 특정 축 포지션에서 그룹(group)들로 배열될 필요가 없다. 액티브 힘 트랜스듀서들은, 그레디언트 코일 어셈블리의 특정 공명 진동 주파수들의 파복들에 대응하는 위치들에서 그레디언트 코일 어셈블리와 관련되어 배열될 수 있다. 액티브 힘 트랜스듀서들(45)을 1차 초전도성 코일들(30)의 방사상 외측에 위치시킴으로써, 이들은 자석 코일 직경의 어떠한 확대 또는 이용가능한 환자 보어 직경의 감소를 요구하지 않는다. 비교적 큰 액티브 힘 트랜스듀서들(45)이 이용될 수 있는데, 그 이유는 상기 비교적 큰 액티브 힘 트랜스듀서들(45)이 로케이팅될 수 있는 볼륨은 다른 장비의 배치를 위해 요구되지 않기 때문이다. 특정 실시예들에서, 모든 기계적인 부착부들(26)이 아니라, 단순히 단단한 기계적인 부착부들에 액티브 힘 트랜스듀서가 제공된다.

Claims (27)

  1. 자기 공명 이미징(magnetic resonance imaging)에서 사용하기 위한 원통형 초전도성 자석 시스템(cylindrical superconducting magnet system)으로서,
    진공 베셀(vacuum vessel)(14) 내에 포지셔닝(position)된, 축방향으로 정렬된 1차 초전도성 코일(superconducting coil)들(30),
    상기 진공 베셀 내의, 상기 1차 초전도성 코일들을 둘러싸는 열방사 차폐부(thermal radiation shield)(16),
    상기 1차 초전도성 코일들과 축방향으로 정렬되고, 상기 1차 초전도성 코일들 내에 방사상으로 로케이팅(locate)되는 그레디언트 코일 어셈블리(gradient coil assembly)(22)
    를 포함하고,
    상기 원통형 초전도성 자석 시스템은,
    상기 1차 초전도성 코일들의 외측에 방사상으로 포지셔닝되고, 상기 그레디언트 코일 어셈블리의 원주 둘레의 다수의 위치들에서, 그리고 상기 그레디언트 코일 어셈블리를 따르는 다수의 축방향 위치들에서, 방사상으로-지향된 기계적인 부착부(radially-directed mechanical attachment)들(26) ― 상기 방사상으로-지향된 기계적인 부착부들(26)은 상기 진공 베셀 및 상기 열방사 차폐부를 통해 관통-홀(through-hole)들을 통과함 ― 에 의해 상기 그레디언트 코일 어셈블리에 기계적으로 부착(26)되고, 상기 진공 베셀로부터 기계적으로 격리되는, 어셈블리 지지부(assembly support)(24)
    를 더 포함하고,
    상기 기계적인 부착부들 중 적어도 몇몇은, 상기 그레디언트 코일 어셈블리의 진동들에 반대하기 위해 상기 그레디언트 코일 어셈블리의 면 상에 힘의 임펄스(impulse)들을 제공하도록 배열된 액티브 힘 트랜스듀서(active force transducer)(45)를 각각 포함하는,
    원통형 초전도성 자석 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기계적인 부착부들(26)은 인접한 1차 초전도성 코일들 사이를 통과하고, 이때, 상기 액티브 힘 트랜스듀서들(45)은 상기 1차 초전도성 코일들 방사상 외측에 포지셔닝되는,
    원통형 초전도성 자석 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    축방향 확장 피스(axial extension piece)(51)가 상기 그레디언트 코일 어셈블리(22)의 면에 부착되고, 상기 기계적인 지지부들(26) 및 연관된 액티브 힘 트랜스듀서들(45)이 상기 그레디언트 코일 어셈블리 및 상기 1차 초전도성 코일들(30)의 축방향 외측에 포지셔닝되어서, 상기 기계적인 지지부들(26) 및 상기 기계적인 지지부들(26)의 액티브 힘 트랜스듀서들(45)은, 상기 그레디언트 코일 어셈블리의 면에 부착되는 상기 확장 피스(51)의 면에 작용하는,
    원통형 초전도성 자석 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액티브 힘 트랜스듀서들은 비자성 재료들로 구성되는,
    원통형 초전도성 자석 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액티브 힘 트랜스듀서들은 압전 엘리먼트(piezoelectric element)들을 포함하는,
    원통형 초전도성 자석 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액티브 힘 트랜스듀서들은 공압식으로(pneumatically) 동작가능한,
    원통형 초전도성 자석 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액티브 힘 트랜스듀서들은 수압식으로(hydraulically) 동작가능한,
    원통형 초전도성 자석 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액티브 힘 트랜스듀서들은, 상기 그레디언트 코일 어셈블리의 진동을 나타내는 센서(sensor)들(106)에 의해 발생된 신호들(108)에 응답하여 자석 제어기(110)에 의해 발생된 신호들에 따라 활성화를 위해 연결되는,
    원통형 초전도성 자석 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액티브 힘 트랜스듀서들은, 상기 그레디언트 코일들로의 인가를 위해 교류들을 발생시키는 전력 공급부(102)에 의해 발생된 신호들에 따라 활성화를 위해 연결되는,
    원통형 초전도성 자석 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액티브 힘 트랜스듀서들은, 상기 그레디언트 코일 어셈블리의 진동을 예측하는 컴퓨터-구현 시뮬레이션(computer-implemented simulation)의 결과들에 따라 활성화를 위해 연결되는,
    원통형 초전도성 자석 시스템.
  11. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 진공 베셀의 홀들은 상기 진공 베셀의 보어 튜브(bore tube)(14b)와 리세스(recess)(28) 사이에서 연장되는 방사상으로-지향된 튜브(radially-directed tube)들(40)에 의해 밀봉되고, 상기 기계적인 부착부들은 상기 튜브들을 통과하는,
    원통형 초전도성 자석 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 열방사 차폐부의 홀들은, 상기 진공 베셀을 밀봉하는 상기 튜브들과 동축으로 연장되는 방사상으로-지향된 튜브들(40)에 의해 밀봉되는,
    원통형 초전도성 자석 시스템.
  13. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 어셈블리 지지부는 2개의 환형 구조들(24)을 포함하고, 상기 2개의 환형 구조들 각각은 상기 환형 구조의 축방향 말단(axial extremity)들에 가까운 상기 그레디언트 코일 어셈블리에 기계적으로 부착되는,
    원통형 초전도성 자석 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 진공 베셀은 보어 튜브(14b), 외측 원통형 벽(14a) 및 환형 단부 피스(annular end piece)들을 포함하고,
    상기 단부 피스들 양측 모두는, 각각의 리세스(28)를 규정하는 각각의 요형 부분(re-entrant portion)을 갖고,
    각각의 환형 구조는 각각의 리세스 내에 포지셔닝되는,
    원통형 초전도성 자석 시스템.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 기계적인 지지 어셈블리는, 상기 진공 베셀 및 상기 1차 초전도성 코일들의 부분적으로 외측에 축방향으로 포지셔닝되는 환형 지지 링(annular support ring)(51)을 포함하는,
    원통형 초전도성 자석 시스템.
  16. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 진공 베셀 및 상기 진공 베셀의 콘텐츠(contents)는 지지면(72) 상에 지지(70)되고,
    상기 그레디언트 코일 어셈블리 및 연관된 기계적인 지지 어셈블리는, 상기 진공 베셀 및 상기 진공 베셀의 콘텐츠와 무관하게 상기 지지면 상에 지지(64)되는,
    원통형 초전도성 자석 시스템.
  17. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    1차 자석 코일들을 하우징(house)하는 한제 베셀(cryogen vessel)(12)을 더 포함하여서, 상기 열방사 차폐부는 상기 진공 베셀 내의 상기 한제 베셀을 둘러싸는,
    원통형 초전도성 자석 시스템.
  18. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 어셈블리 지지부에 기계적으로 링크(link)된 축방향으로-지향된 기계적인 부착부들(26')을 더 포함하고,
    상기 축방향으로-지향된 기계적인 부착부들(26') 중 적어도 몇몇은 액티브 힘 트랜스듀서(45')를 각각 포함하는,
    원통형 초전도성 자석 시스템.
  19. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 그레디언트 코일 어셈블리는 상기 진공 베셀 내에 인클로징(enclose)되는,
    원통형 초전도성 자석 시스템.
  20. 자기 공명 이미징에서 사용하기 위한 원통형 초전도성 자석 시스템의 그레디언트 코일 어셈블리의 진동을 감소시키기 위한 방법으로서,
    진공 베셀 내에 로케이팅된 1차 초전도성 코일들(30)과 축방향으로 정렬되고, 상기 1차 초전도성 코일들 내에 방사상으로 로케이팅된 그레디언트 코일 어셈블리(22)를 제공하는 단계,
    상기 1차 초전도성 코일들의 외측에 방사상으로 포지셔닝되고, 상기 그레디언트 코일 어셈블리의 원주 둘레의 다수의 위치들에서, 그리고 상기 그레디언트 코일 어셈블리를 따르는 다수의 축방향 위치들에서, 방사상으로-지향된 기계적인 부착부들(26) ― 상기 방사상으로-지향된 기계적인 부착부들(26)은 상기 진공 베셀 및 열방사 차폐부를 통해 관통-홀들을 통과함 ― 에 의해 상기 그레디언트 코일 어셈블리에 기계적으로 부착(26)되고, 상기 진공 베셀로부터 기계적으로 격리되는, 어셈블리 지지부(24)를 제공하는 단계 ― 상기 기계적인 부착부들 중 적어도 몇몇은, 상기 1차 초전도성 코일들 방사상 외측에 포지셔닝된 액티브 힘 트랜스듀서(45)를 각각 포함함 ―, 및
    상기 그레디언트 코일 어셈블리의 진동들에 반대하기 위해 상기 그레디언트 코일 어셈블리의 면 상에 힘의 임펄스들을 제공하도록 상기 액티브 힘 트랜스듀서들을 동작시키는 단계
    를 포함하는,
    자기 공명 이미징에서 사용하기 위한 원통형 초전도성 자석 시스템의 그레디언트 코일 어셈블리의 진동을 감소시키기 위한 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    액티브 힘 트랜스듀서들(45)은 상기 진공 베셀 방사상 외측에 포지셔닝되고,
    상기 방법은,
    상기 진공 베셀의 방사상 외측에 로케이팅된 상기 액티브 힘 트랜스듀서들(45) 중 하나의 액티브 힘 트랜스듀서를 제거하는 단계, 및
    상기 자석을 실온으로 워밍(warm)할 필요 없이, 상기 제거된 하나의 액티브 힘 트랜스듀서를 다른 액티브 힘 트랜스듀서로 대체하는 단계
    를 더 포함하는,
    자기 공명 이미징에서 사용하기 위한 원통형 초전도성 자석 시스템의 그레디언트 코일 어셈블리의 진동을 감소시키기 위한 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 하나의 액티브 힘 트랜스듀서를 제거하는 단계 및 상기 제거된 하나의 액티브 힘 트랜스듀서를 다른 액티브 힘 트랜스듀서로 대체하는 단계는, 상기 자석이 필드에 있는 채로 수행되는,
    자기 공명 이미징에서 사용하기 위한 원통형 초전도성 자석 시스템의 그레디언트 코일 어셈블리의 진동을 감소시키기 위한 방법.
  23. 제 20 항에 있어서,
    축방향 확장 피스(51)를 상기 그레디언트 코일 어셈블리(22)의 면에 부착하는 단계,
    상기 기계적인 지지부들(26) 및 상기 기계적인 지지부들(26)의 액티브 힘 트랜스듀서들(45)이, 상기 그레디언트 코일 어셈블리의 면에 부착되는 상기 확장 피스(51)의 면에 작용하도록, 상기 기계적인 지지부들(26) 및 연관된 액티브 힘 트랜스듀서들(45)을 상기 그레디언트 코일 어셈블리 및 상기 1차 초전도성 코일들(30)의 축방향 외측에 포지셔닝하는 단계
    를 더 포함하는,
    자기 공명 이미징에서 사용하기 위한 원통형 초전도성 자석 시스템의 그레디언트 코일 어셈블리의 진동을 감소시키기 위한 방법.
  24. 제 20 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액티브 힘 트랜스듀서들은, 상기 그레디언트 코일 어셈블리의 진동을 나타내는, 센서들(106)에 의해 발생된 신호들(108)에 응답하여, 자석 제어기(110)에 의해 발생된 신호들에 따라 활성화되는,
    자기 공명 이미징에서 사용하기 위한 원통형 초전도성 자석 시스템의 그레디언트 코일 어셈블리의 진동을 감소시키기 위한 방법.
  25. 제 20 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액티브 힘 트랜스듀서들은, 상기 그레디언트 코일들로의 인가를 위해 교류들을 발생시키는 전력 공급부(102)에 의해 발생된 신호들에 따라 활성화되는,
    자기 공명 이미징에서 사용하기 위한 원통형 초전도성 자석 시스템의 그레디언트 코일 어셈블리의 진동을 감소시키기 위한 방법.
  26. 제 20 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액티브 힘 트랜스듀서들은, 상기 그레디언트 코일 어셈블리의 진동을 예측하는 컴퓨터-구현 시뮬레이션의 결과들에 따라 활성화되는,
    자기 공명 이미징에서 사용하기 위한 원통형 초전도성 자석 시스템의 그레디언트 코일 어셈블리의 진동을 감소시키기 위한 방법.
  27. 제 20 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
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    를 더 포함하는,
    자기 공명 이미징에서 사용하기 위한 원통형 초전도성 자석 시스템의 그레디언트 코일 어셈블리의 진동을 감소시키기 위한 방법.
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