JP2014193324A - 磁気共鳴イメージング装置及び傾斜磁場コイル - Google Patents

Abstract

【課題】傾斜磁場コイルの冷却効率を向上することができる磁気共鳴イメージング装置及び傾斜磁場コイルを提供する。
【解決手段】磁気共鳴イメージング装置１００は、静磁場磁石１０１と、傾斜磁場コイル１０３とを備える。静磁場磁石は、静磁場を発生する。傾斜磁場コイルは、静磁場磁石の内側に配置され、略円筒の水平軸に沿って傾斜磁場を発生するＸコイルと、略円筒の垂直軸に沿って傾斜磁場を発生するＹコイルと、略円筒の長軸に沿って傾斜磁場を発生するＺコイルとを有する傾斜磁場コイルとを備える。傾斜磁場コイルは、磁場中心からの距離が、Ｙコイルに比較してＸコイルが遠くなるように、各コイルが積層される。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、磁気共鳴イメージング装置及び傾斜磁場コイルに関する。

磁気共鳴イメージングは、静磁場中に置かれた被検体の原子核スピンを、そのラーモア（Larmor）周波数のＲＦ（Radio Frequency）パルスで磁気的に励起し、励起に伴い発生する磁気共鳴信号のデータから画像を生成する撮像法である。磁気共鳴イメージング装置は、静磁場磁石の内側に、傾斜磁場コイルを備える。また、この傾斜磁場コイル内では、略円筒の水平軸に沿って傾斜磁場を発生するＸコイルと、略円筒の垂直軸に沿って傾斜磁場を発生するＹコイルと、略円筒の長軸に沿って傾斜磁場を発生するＺコイルとが積層される。

近年では、ＥＰＩ（Echo Planar Imaging）等の高速撮像が一般化している。高速撮像においては、Ｘコイルに高いパワーデューティの電流が印加されるため、このＸコイルが最も発熱し易い。一方、従来、Ｘコイルは、患者の居住空間である略円筒内部の空間に最も近い内側に積層される。傾斜磁場コイルには水等の冷媒を循環させる冷却管が配管されるものの、Ｘコイルが十分に冷却されない結果、患者の居住性は低下し、時として、ＩＥＣ（International Electrotechnical Commission）の規格に従って撮像を停止しなければならないおそれもあった。

特開２０１１−０８７９０４号公報

本発明が解決しようとする課題は、傾斜磁場コイルの冷却効率を向上することができる磁気共鳴イメージング装置及び傾斜磁場コイルを提供することである。

実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置は、静磁場磁石と、傾斜磁場コイルとを備える。静磁場磁石は、静磁場を発生する。傾斜磁場コイルは、静磁場磁石の内側に配置され、略円筒の水平軸に沿って傾斜磁場を発生するＸコイルと、略円筒の垂直軸に沿って傾斜磁場を発生するＹコイルと、略円筒の長軸に沿って傾斜磁場を発生するＺコイルとを有する傾斜磁場コイルとを備える。傾斜磁場コイルは、磁場中心からの距離が、Ｙコイルに比較してＸコイルが遠くなるように、各コイルが積層される。

図１は、第１の実施形態に係るＭＲＩ装置の構成を示す機能ブロック図。 図２は、第１の実施形態に係る傾斜磁場コイルの構造を示す斜視図。 図３は、第１の実施形態におけるＸコイルを説明するための図。 図４は、第１の実施形態におけるＹコイルを説明するための図。 図５は、第１の実施形態におけるＺコイルを説明するための図。 図６は、第１の実施形態における傾斜磁場コイルの積層を示す図。 図７は、第１の実施形態における傾斜磁場コイルの層順を示す図。 図８は、第１の実施形態における温度シミュレーション結果を示す図。 図９は、その他の実施形態における傾斜磁場コイルの層順を示す図。

以下、図面を参照しながら、実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置（以下、適宜「ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）装置」）及び傾斜磁場コイルを説明する。なお、実施形態は、以下の実施形態に限られるものではない。また、各実施形態において説明する内容は、原則として、他の実施形態においても同様に適用することができる。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るＭＲＩ装置１００の構成を示す機能ブロック図である。図１に示すように、ＭＲＩ装置１００は、静磁場磁石１０１と、静磁場電源１０２と、傾斜磁場コイル１０３と、傾斜磁場電源１０４と、ＲＦコイル１０５と、送信部１０６と、受信部１０７と、寝台１０８と、シーケンス制御部１２０と、計算機１３０とを備える。なお、ＭＲＩ装置１００に、被検体Ｐ（例えば、人体）は含まれない。また、図１に示す構成は一例に過ぎない。各部は、適宜統合若しくは分離して構成されてもよい。

静磁場磁石１０１は、中空の略円筒形状（楕円を含む）に形成された磁石であり、略円筒内部の空間に、静磁場を発生する。静磁場磁石１０１は、例えば、超伝導磁石等であり、静磁場電源１０２から電流の供給を受けて励磁する。静磁場電源１０２は、静磁場磁石１０１に電流を供給する。なお、静磁場磁石１０１は、永久磁石でもよく、この場合、ＭＲＩ装置１００は、静磁場電源１０２を備えなくてもよい。また、静磁場電源１０２は、ＭＲＩ装置１００とは別に備えられてもよい。

傾斜磁場コイル１０３は、静磁場磁石１０１の内側に配置され、中空の略円筒形状に形成されたコイルである。傾斜磁場コイル１０３は、傾斜磁場電源１０４から電流の供給を受けて傾斜磁場を発生する。なお、傾斜磁場コイル１０３については、後に詳述する。傾斜磁場電源１０４は、傾斜磁場コイル１０３に電流を供給する。

ＲＦコイル１０５は、傾斜磁場コイル１０３の内側に配置され、送信部１０６からＲＦパルスの供給を受けて高周波磁場を発生する。また、ＲＦコイル１０５は、高周波磁場の影響によって被検体Ｐから発せられる磁気共鳴信号（以下、適宜「ＭＲ（Magnetic Resonance）信号」）を受信し、受信したＭＲ信号を受信部１０７に出力する。

なお、上述したＲＦコイル１０５は一例に過ぎない。ＲＦコイル１０５は、送信機能のみを備えたコイル、受信機能のみを備えたコイル、若しくは送受信機能を備えたコイルのうち、１つ若しくは複数を組み合わせることによって構成されればよい。

送信部１０６は、対象とする原子の種類及び磁場強度で定まるラーモア周波数に対応するＲＦパルスをＲＦコイル１０５に供給する。受信部１０７は、ＲＦコイル１０５から出力されるＭＲ信号を検出し、検出したＭＲ信号に基づいてＭＲデータを生成する。具体的には、受信部１０７は、ＲＦコイル１０５から出力されるＭＲ信号をデジタル変換することによってＭＲデータを生成する。また、受信部１０７は、生成したＭＲデータをシーケンス制御部１２０に送る。なお、受信部１０７は、静磁場磁石１０１や、傾斜磁場コイル１０３等を備える架台装置側に備えられてもよい。

寝台１０８は、被検体Ｐが載置される天板を備える。図１においては、説明の便宜上、この天板のみを図示する。通常、寝台１０８は、静磁場磁石１０１の略円筒の中心軸と長手方向が平行になるように設置される。また、天板は、長手方向及び上下方向に移動可能であり、被検体Ｐが載置された状態で、ＲＦコイル１０５の内側の略円筒内部の空間に挿入される。なお、この略円筒内部の空間を「ボア」等と称する場合がある。

シーケンス制御部１２０は、計算機１３０から送信されるシーケンス情報に基づいて、傾斜磁場電源１０４、送信部１０６、及び受信部１０７を駆動することによって、被検体Ｐの撮像を行う。ここで、シーケンス情報は、撮像を行う手順を定義した情報である。シーケンス情報には、傾斜磁場電源１０４が傾斜磁場コイル１０３に供給する電流の強さや電流を供給するタイミング、送信部１０６がＲＦコイル１０５に供給するＲＦパルスの強さやＲＦパルスを印加するタイミング、受信部１０７がＭＲ信号を検出するタイミング等が定義される。例えば、シーケンス制御部１２０は、ＥＰＩ等の高速撮像を実行する。また、例えば、シーケンス制御部１２０は、高速撮像により被検体Ｐのアキシャル断面像を収集する場合に、被検体Ｐの左右方向をＲＯ（Read Out）方向に設定し、背腹方向をＰＥ（Phase Encode）方向に設定する。この場合、Ｘコイルに高いパワーデューティの電流が印加される。なお、パワーデューティとは、傾斜磁場コイル１０３に供給される平均電流値の２乗であり、最大値を１００％とする百分率で表わされる。

例えば、シーケンス制御部１２０は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の集積回路、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）等の電子回路である。

なお、シーケンス制御部１２０は、傾斜磁場電源１０４、送信部１０６、及び受信部１０７を駆動して被検体Ｐを撮像した結果、受信部１０７からＭＲデータを受信すると、受信したＭＲデータを計算機１３０に転送する。

計算機１３０は、ＭＲＩ装置１００の全体制御を行う。また、計算機１３０は、シーケンス制御部１２０から転送されたＭＲデータに、フーリエ変換等の再構成処理を施すことで、ＭＲ画像の生成等を行う。例えば、計算機１３０は、制御部、記憶部、入力部、表示部を備える。制御部は、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ等の集積回路、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の電子回路である。記憶部は、ＲＡＭ（Random Access Memory）、フラッシュメモリ等の半導体メモリ素子、ハードディスク、光ディスク等である。入力部は、マウスやトラックボール等のポインティングデバイス、モード切替スイッチ等の選択デバイス、あるいはキーボード等の入力デバイスである。表示部は、液晶表示器等の表示デバイスである。

図２は、第１の実施形態に係る傾斜磁場コイル１０３の構造を示す斜視図である。ここで、第１の実施形態において、傾斜磁場コイル１０３は、ＡＳＧＣ（Actively Shielded Gradient Coil）であり、傾斜磁場を発生するメインコイル１０３ａと、漏洩磁場を打ち消すシールド用の磁場を発生するシールドコイル１０３ｂとを有する。図２に示すように、傾斜磁場コイル１０３においては、略円筒内部の空間からの距離が近い内側から順に、メインコイル１０３ａと、冷却管が配管される冷却層１０３ｄと、シムトレイが配置されるシム層１０３ｃと、冷却管が配管される冷却層１０３ｅと、シールドコイル１０３ｂとが、積層される。

シム層１０３ｃには、複数本分（例えば２４本分）のシムトレイ挿入ガイド１０３ｆが形成される。シムトレイ挿入ガイド１０３ｆは、典型的には、図２に示すように、傾斜磁場コイル１０３の長軸方向全長に亘って貫通する穴であり、円周方向に等間隔に形成される。シムトレイ挿入ガイド１０３ｆに挿入されるシムトレイ（図示を省略）それぞれは、例えば、長手方向に複数（例えば１５個）のポケットを有し、静磁場の不均一性を補正するために、所定のポケットに所定の枚数の鉄シムが収納される。

冷却層１０３ｄ及び冷却層１０３ｅには、典型的には、略円筒形状に沿って螺旋状に冷却管が配管される（図２において図示を省略）。図１において図示を省略したが、第１の実施形態に係るＭＲＩ装置１００は、熱交換器や循環ポンプを有する冷却装置を更に備え、この冷却装置が、冷却管に水等の冷媒を循環させることで、傾斜磁場コイル１０３を冷却する。このように、ＭＲＩ装置１００の冷却系は、鉄シムを挟むように、傾斜磁場コイル１０３の中間層に配管されている。

ところで、メインコイル１０３ａは、互いに直交するＸ、Ｙ、及びＺの各軸に対応する３つのコイル、即ち、Ｘコイル、Ｙコイル、及びＺコイルが積層されて形成されている。図３は、第１の実施形態におけるＸコイルを説明するための図であり、図４は、第１の実施形態におけるＹコイルを説明するための図であり、図５は、第１の実施形態におけるＺコイルを説明するための図である。

図３に示すように、Ｘコイルは、サドル形状に加工されたコイルであり、Ｘ軸、即ち、傾斜磁場コイル１０３の略円筒の水平軸に沿って、傾斜磁場を発生する。また、図４に示すように、Ｙコイルは、Ｘコイルと同様、サドル形状に加工されたコイルであるが、Ｙ軸、即ち、傾斜磁場コイル１０３の略円筒の垂直軸に沿って、傾斜磁場を発生する。また、図５に示すように、Ｚコイルは、螺旋状に加工されたコイルであり、Ｚ軸、即ち、傾斜磁場コイル１０３の略円筒の長軸に沿って、傾斜磁場を発生する。これら、Ｘコイル、Ｙコイル、及びＺコイルのそれぞれは、傾斜磁場電源１０４から個別に電流の供給を受け、Ｘ、Ｙ、及びＺの各軸に沿って磁場強度が変化する傾斜磁場を発生する。

なお、シールドコイル１０３ｂについては図示を省略するが、シールドコイル１０３ｂも同様に、互いに直交するＸ、Ｙ、及びＺの各軸に対応する３つのコイル、即ち、Ｘコイル、Ｙコイル、及びＺコイルが積層されて形成されている。

図６は、第１の実施形態に係る傾斜磁場コイル１０３の積層を示す図であり、図２に示す直方体１０３ｇを概念的に切り抜いて示す図である。図６に示すように、メインコイル１０３ａ及びシールドコイル１０３ｂは、それぞれ、Ｘコイル（Ｘ）、Ｙコイル（Ｙ）、及びＺコイル（Ｚ）を有する。

第１の実施形態において、まず、メインコイル１０３ａにおける層順は、図６に示すように、略円筒内部の空間から近い順に、Ｙコイル、Ｘコイル、Ｚコイルとする。言い換えると、略円筒内部の空間からの距離（例えば、磁場中心からの距離）が、Ｙコイルに比較して、Ｘコイルが遠くなるように、各コイルが積層される。また、更に言い換えると、冷却層１０３ｄに配設された冷却管との距離が、Ｙコイルに比較して、Ｘコイルが近くなるように、各コイルが積層される。

この層順には、大きく２点の意味がある。まず１点は、上述したように、Ｘコイルが最も発熱し易いことに鑑みると、Ｘコイルは、被検体Ｐの居住空間である略円筒内部の空間からできるだけ離れた位置に積層されることが望ましい。また、もう１点は、上述したように、メインコイル１０３ａの外側には冷却管が配管されているので、Ｘコイルは、この冷却管にできるだけ近い位置に積層されることが望ましい。なお、メインコイル１０３ａの内側には、冷却管は配設されていないものとする。即ち、メインコイル１０３ａの内側には冷却管は配設されていないので、メインコイル１０３ａの外側に配設された冷却管にＸコイルが近づく、この層順で積層されることが望ましいと言える。

通常、Ｚコイルは、ＸコイルやＹコイルに比較して傾斜磁場の発生効率が極めて高い。このため、Ｚコイルは、メインコイル１０３ａ内におけるＺコイルと、シールドコイル１０３ｂ内におけるＺコイルとの間の層間距離をできるだけ狭めるように積層される。即ち、Ｚコイルは、メインコイル１０３ａでは一番外側に、シールドコイル１０３ｂでは一番内側に積層される。このＺコイルの位置を除き、且つ、上述した２点に鑑みると、メインコイル１０３ａにおけるＸコイル及びＹコイルの積層順は、図６に示すように、略円筒内部の空間（例えば、磁場中心）から近い順に、Ｙコイル、Ｘコイル、となる。

一方で、シールドコイル１０３ｂにおける層順は、図６に示すように、略円筒内部の空間（例えば、磁場中心）から近い順に、Ｚコイル、Ｙコイル、Ｘコイルとする。略円筒内部の空間からの距離は、Ｙコイルに比較してＸコイルが遠くなるが、冷却層１０３ｅに配設された冷却管との位置関係では、Ｙコイルの方が、Ｘコイルよりも近い。

このシールドコイル１０３ｂにおける層順は、傾斜磁場の発生効率と関連する。傾斜磁場コイル１０３においては、Ｘコイル、Ｙコイル、及びＺコイルにおける傾斜磁場の発生効率に関して、ある程度バランスをとることが望ましい。言い換えると、あるコイルだけが突出して発生効率が高い、あるいは反対に発生効率が低いという状態は望ましくない。そこで、第１の実施形態においては、Ｘコイル及びＹコイルの特性を揃えて、発生効率のバランスを維持すべく、シールドコイル１０３ｂにおける層順を調整している。

具体的には、シールドコイル１０３ｂにおける層順は、略円筒内部の空間から近い順に、Ｚコイル、Ｙコイル、Ｘコイルとする。この結果、メインコイル１０３ａ内におけるＸコイルと、シールドコイル１０３ｂ内におけるＸコイルとの間の層間距離ｄ１と、メインコイル１０３ａ内におけるＹコイルと、シールドコイル１０３ｂ内におけるＹコイルとの間の層間距離ｄ２とが略一致するように層順が調整される。

図７は、第１の実施形態における傾斜磁場コイル１０３の層順を示す図である。第１の実施形態においては、図７の（Ａ）に示すように、被検体Ｐの居住空間である略円筒内部の空間に最も近い位置にＸコイルを積層するのではなく、図７の（Ｂ）に示すように、略円筒内部の空間に最も近い位置に積層されたＹコイルの外側に、Ｘコイルを積層する。また、図７の（Ｂ）に示すように、Ｘコイルの層間距離ｄ１と、Ｙコイルの層間距離ｄ２とが略一致するように、シールドコイル１０３ｂ内においては、略円筒内部の空間から近い順に、Ｚコイル、Ｙコイル、Ｘコイルの順で積層する。

上述したように、第１の実施形態において、メインコイル１０３ａのＸコイルは、Ｙコイルに比較して、被検体Ｐの居住空間である略円筒内部の空間から離れた位置に積層される。また、メインコイル１０３ａのＸコイルは、Ｙコイルに比較して、メインコイル１０３ａの外側の冷却管にできるだけ近い位置に積層される。このような積層は、傾斜磁場コイル１０３の製造時に決定され、上述した順に積層されるように加工されることで実現されてもよいし、あるいは、ＭＲＩ装置１００の設置時に、上述した順に積層されるように、調整されてもよい。

即ち、ＸコイルとＹコイルとは、図３及び図４を用いて示したように、いずれもサドル形状に加工されたコイルであり、ＭＲＩ装置１００の各軸に対する向きが異なるに過ぎない。このため、ＭＲＩ装置１００の設置時、傾斜磁場コイル１０３の円周方向の向きが調整可能であるならば、この段階で、略円筒内部の空間に近い内側の層がＹコイルとなるように、傾斜磁場コイル１０３の設置の向きを調整してもよい。

以上のことから、第１の実施形態によれば、傾斜磁場コイルの冷却効率を向上することができる。また、傾斜磁場コイルの冷却効率を向上することにより、高速撮像等における撮像範囲を更に広げることもできる。更に、患者等の居住性の改善にも繋がる。

また、このような層順で各コイルを積層することで、従来、冷却管には、高価な銅パイプ等が使用されてきたが、安価で組み立て易い樹脂系のパイプ（例えば、テフロン（登録商標）チューブ等）を使用することも可能になる。図８は、第１の実施形態における温度シミュレーション結果を示す図である。図８に示すシミュレーションにおいては、第１の実施形態において説明した層順で各コイルを積層するとともに、冷却管にテフロン（登録商標）チューブを用いた。この場合、熱平衡状態でも、被検体Ｐの居住空間は４０°以下となり、ＩＥＣの規格を満たすことができた。

（その他の実施形態）
実施形態は、上述した実施形態に限られるものではない。

上述した実施形態においては、Ｘコイル同士の層間距離ｄ１と、Ｙコイル同士の層間距離ｄ２とを略一致させることで、ＸコイルとＹコイルとの特性を揃える例を説明したが、実施形態はこれに限られるものではない。ＸコイルとＹコイルとの特性を揃えることよりも、シールドコイル１０３ｂ内におけるＸコイルの冷却効率を優先させてもよい。

図９は、その他の実施形態における傾斜磁場コイルの層順を示す図である。例えば、図９に示すように、シールドコイル１０３ｂにおいて、略円筒内部の空間から近い順に、Ｚコイル、Ｘコイル、Ｙコイルの順で積層する。この場合、図９に示すように、Ｘコイルの層間距離ｄ３と、Ｙコイルの層間距離ｄ４とは略一致の状態とはならず、ＸコイルとＹコイルとの特性は異なるおそれがある。一方で、シールドコイル１０３ｂのＸコイルも、Ｙコイルに比較して、シールドコイル１０３ｂの内側の冷却管にできるだけ近い位置に積層されるので、第１の実施形態に比較して、Ｘコイルの冷却効率は向上すると考えられる。

以上述べた少なくともひとつの実施形態の磁気共鳴イメージング装置及び傾斜磁場コイルによれば、傾斜磁場コイルの冷却効率を向上することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１００ ＭＲＩ装置
１０３ 傾斜磁場コイル
１０３ａ メインコイル
１０３ｂ シールドコイル
１０３ｃ シム層
１０３ｄ 冷却層
１０３ｅ 冷却層

Claims (8)

1. 静磁場を発生する静磁場磁石と、
   前記静磁場磁石の内側に配置され、略円筒の水平軸に沿って傾斜磁場を発生するＸコイルと、略円筒の垂直軸に沿って傾斜磁場を発生するＹコイルと、略円筒の長軸に沿って傾斜磁場を発生するＺコイルとを有する傾斜磁場コイルとを備え、
   前記傾斜磁場コイルは、磁場中心からの距離が、前記Ｙコイルに比較して、前記Ｘコイルが遠くなるように、各コイルが積層される、磁気共鳴イメージング装置。
2. 前記傾斜磁場コイルは、傾斜磁場を発生する第１コイルと、前記第１コイルの漏洩磁場を打ち消す第２コイルとを備え、前記第１コイル及び前記第２コイルは、前記Ｘコイル、前記Ｙコイル、及び前記Ｚコイルをそれぞれ有するものであって、
   前記第１コイルと前記第２コイルとの間に配設された冷却管との距離が、前記Ｙコイルに比較して、前記Ｘコイルが近くなるように、前記第１コイル内で各コイルが積層される、請求項１に記載の磁気共鳴イメージング装置。
3. 前記第１コイルの内側には、冷却管が配設されていない、請求項２に記載の磁気共鳴イメージング装置。
4. 前記傾斜磁場コイルは、前記第１コイル内における前記Ｘコイルと前記第２コイル内における前記Ｘコイルとの間の層間距離と、前記第１コイル内における前記Ｙコイルと前記第２コイル内における前記Ｙコイルとの間の層間距離とが略一致するように、各コイルが積層される、請求項２に記載の磁気共鳴イメージング装置。
5. 前記傾斜磁場コイルは、更に、前記第２コイル内においても、前記第１コイルと前記第２コイルとの間に配設された冷却管との距離が、前記Ｙコイルに比較して、前記Ｘコイルが近くなるように積層される、請求項２に記載の磁気共鳴イメージング装置。
6. 前記Ｘコイルに高いパワーデューティの電流を印加して、磁気共鳴画像を収集する、請求項１に記載の磁気共鳴イメージング装置。
7. ＥＰＩ（Echo Planar Imaging）により、磁気共鳴画像を収集する、請求項１に記載の磁気共鳴イメージング装置。
8. 静磁場磁石の内側に配置され、略円筒の水平軸に沿って傾斜磁場を発生するＸコイルと、略円筒の垂直軸に沿って傾斜磁場を発生するＹコイルと、略円筒の長軸に沿って傾斜磁場を発生するＺコイルとを有し、
   磁場中心からの距離が、前記Ｙコイルに比較して、前記Ｘコイルが遠くなるように、各コイルが積層される、傾斜磁場コイル。