JP4341375B2 - 磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁気共鳴イメージング装置(以下ＭＲＩ装置とも称す)に関する。

従来の磁気共鳴イメージング装置の例が、特許文献１に記載されている。この公報に記載のＭＲＩ装置では、外部加振によって磁場変動を生じにくくするため、超電動コイルを収容する冷却容器を上下一対の真空容器に内蔵し、３本の支持棒で各真空容器の内壁に支持している。さらに、２本の第１の連結管で超伝導コイルを連結している。

特開２００２−１５９４６６号公報（第９頁、図１）

上記特許文献１に記載の磁気共鳴イメージング装置においては、設置床面に対して真空容器を片持ち支持しているので、主として真空容器間を連結する第２の連結管の曲げに起因して、上側の真空容器が前後左右に振れる。真空容器が振動すると、真空容器に接続された冷却容器も振動する。下側の冷却容器を床面で規制しているので、下側の冷却容器の振幅は上側の冷却容器の振幅に比べて小さい。その結果、上下の冷却容器に収容された超電導コイル間に、相対変位が生じる。上下の超伝導コイルが相対変位すると、磁気共鳴画像が劣化する。特に、高画質化のために静磁場強度及び傾斜磁場コイルの傾斜磁場強度を増大させると、それらの磁場強度の増大に用いる傾斜磁場コイルの振動が、磁気共鳴画像に顕著に影響する。

本発明は、上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は磁気共鳴イメージング装置において、磁気共鳴画像が劣化するのを防止することにある。

上記目的を達成するための本発明の特徴は、上下に対向して配置された円環状の超伝導コイルと、この超伝導コイルを収容する冷却容器と、この冷却容器を収容する真空容器とを備えた磁気共鳴イメージング装置において、冷却容器は、上下に位置する円筒部とこの円筒部間を連結する連結管部とを有し、真空容器は冷却容器を覆うように形成されており、冷却容器の下部の円筒部を真空容器の下部内面に支持する複数の支持部材を設け、冷却容器の上部円筒部は自由な状態にしたものである。

そしてこの特徴において、冷却容器と真空容器の間に冷却容器を覆うように輻射シールド板を配置し、複数の支持部材はこの輻射シールド板を突き抜けていてもよく、複数の支持部材が、冷却容器を輻射シールド板に支持する第１の支持部材と、真空容器に輻射シールド板を支持する第２の支持部材とを有するものであってもよい。また、冷却容器の連結部は、円筒部の周方向ほぼ対称位置に２個形成されていてもよく、支持部材の一端側に、金具を取り付けるのが好ましい。

上記目的を達成する本発明の他の特徴は、上下に対向して配置された円環状の超電導コイルと、各超電導コイルをそれぞれ収容する円環状の冷却容器と、各冷却容器をそれぞれ収容する輻射シールド板と、各輻射シールド板をそれぞ収容する真空容器と、上下の冷却容器を連接する冷却容器連結管と、この冷却容器連結管を収容する輻射シールド板連結管と、上下の真空容器を連接し輻射シールド板連結管を収容する真空容器連結管と、冷却容器を真空容器に支持する支持部材とを有する磁気共鳴イメージング装置において、支持部材を、下側冷却容器の外壁面と下側真空容器内壁面間に配置して下側冷却容器を下側真空容器から支持するものである。

そしてこの特徴において、支持部材は、この支持部材の中間部で輻射シールド板に接合して、輻射シールド板を支持するものであってもよく、支持部材は、輻射シールド板外壁面と真空容器内壁面間に配置される第１の支持部材と、冷却容器外壁面と輻射シールド板内壁面間に配置される他の支持部材とを有し、第１の支持部材が下側の輻射シールド板を下側の真空容器に支持し、他の支持部材が冷却容器を輻射シールド板に支持するものであってもよい。また、支持部材は、冷却容器を真空容器に直接的に支持する第１の支持部材と、冷却容器を輻射シールド板に支持する第２の支持部材と、輻射シールド板を真空容器に支持する第３の支持部材とを有するものでもよく、第１の支持部材は垂直方向の支持部材であり、第２及び第３の支持部材は水平方向の支持部材であってもよい。

以下に詳述するように、本発明によれば、垂直方向に静磁場を発生するＭＲＩ装置において上側真空容器に比べ振動が小さい下側真空容器が冷却容器を支持しているので、傾斜磁場コイル振動や設置床面振動の外部加振による真空容器振動が超電導コイルに伝播するのを低減できる。また、超電導コイルが振動してＭＲ画像を劣化させるのを防止できる。

ＭＲＩ装置は、均一な静磁場内に置かれた被検体に電磁波を照射して、被検体から発生した核磁気共鳴信号を検出する。そして、検出した核磁気共鳴信号を画像処理して被検体の物理的性質を表す磁気共鳴画像を得る。核磁気共鳴信号の位置情報を付与するために、静磁場に重畳して傾斜磁場を印加する。

ＭＲＩ装置には、水平方向に静磁場を発生するものと、垂直方向に静磁場を発生するものがある。水平方向に静磁場を発生させるために円筒型の静磁場発生源を用い、垂直方向に静磁場を発生させるために対向型の静磁場発生源を用いる。画像を高画質化するのには、静磁場強度を高くする必要があるが、水平方向に静磁場を発生するものは静磁場強度を高くする点で垂直方向に静磁場を発生するものより優れている。しかしながら、水平方向に静磁場を発生するものは、被検者にとっての開放性に欠ける。

一方、垂直方向に静磁場を発生するＭＲＩ装置は、被検者の開放性はあるが、静磁場の発生や漏洩磁場を低減することが難しい。このＭＲＩ装置の磁場強度は、0.2Ｔ〜0.7Ｔであり、静磁場発生源としては永久磁石や常電導磁石、超電導磁石を用いている。この被検者の開放性の点で優れる垂直方向に静磁場を発生するＭＲＩ装置では、磁場強度を高めて高画質の画像を得ることが必要である。画質は、外部加振等により大きく左右される。そこで本発明では、傾斜磁場コイル振動や設置床面振動の外部加振により真空容器が振動し、この振動が超電導コイルに伝播するのを防止している。この詳細を、以下に示す具体的実施例により説明する。

本発明に係るＭＲＩ装置の一実施例を、図１ないし図３を用いて説明する。図１はＭＲＩ装置の縦断面図であり、図２はその斜視図、図３は振動モードを説明する図である。ＭＲＩ装置２０は、静磁場発生源として撮像空間１を挟んで上下方向に対向して配置された１対の超電導コイル２ａ、２ｂと、各超電導コイル２ａ、２ｂを内蔵する上下一対の真空容器３ａ、３ｂと、真空容器２ａ、２ｂを接続する真空容器連結管４を有する。本実施例では、上下に配置した真空容器２ａ、２ｂを２本の真空容器連結管４で接続したが、開放性を損なわずかつ十分な支持力を発生するなら１本または３本以上の真空容器連結管４で接続してもよい。

図示しない被検者が位置する撮像空間１の中心を原点とする。この撮像空間１に対して垂直方向をＺ軸、２本の連結管４が配置される左右方向をＸ軸、このＸ軸に直交する前後方向をＹ軸とする。図１の右上部に、ＭＲＩ装置２０の概略上面図を示す。この概略上面図におけるＡ−Ａ断面図を、図１の中央に示す。

超電導コイル２ａ、２ｂは円環状に巻かれており、撮像空間１に均一な垂直方向の静磁場を発生する。超電導コイル２ａ、２ｂは円環状の冷却容器５ａ、５ｂ内に収納され、冷却容器５ａ、５ｂ内に貯蔵された液体ヘリウムなどの冷媒に浸漬される。そして、超電導特性を示す温度まで冷却され、その冷却温度を保持する。冷却容器５ａは真空容器３ａに、冷却容器５ｂは真空容器３ｂそれぞれ内蔵される。

冷却容器５ａと真空容器３ａとの間および冷却容器５ｂと真空容器３ｂとの間には、冷却容器５ａ、５ｂに輻射熱が侵入するのを低減する輻射シールド板７ａ、７ｂが配設される。輻射シールド板７ａ、７ｂは、各冷却容器５ａ、５ｂを覆うように形成されている。冷却容器５ａ、５ｂ内の冷媒と輻射シールド板７ａ、７ｂとを図示しない冷凍機で冷却する。

撮像空間１を挟んで上下に配置した冷却容器５ａ、５ｂは、冷却容器５ａ、５ｂの外周近傍に配置した冷却容器連結管６を用いて、上下方向に所定の距離だけ離して支持される。その際、冷却容器連結管６には、上下の冷却容器５ａ、５ｂの超伝導コイル２ａ、２ｂの収容部に２ｃ、２ｄに連通する穴７ｃ、７ｄが形成されているので、上下の冷却容器５ａ、５ｂに、熱的に連結される。

冷却容器連結管６の外周部には、輻射シールド板７ａ、７ｂを接続する管状の輻射シールド板連結管８が配設されている。この管状の輻射シールド板連結管８は、輻射シールド板７ａ、７ｂを、上下方向に所定の距離だけ離して支持する。輻射シールド板７ａ、７ｂと輻射シールド板連結管８とにより、冷却容器５ａ、５ｂと冷却容器連結管６は完全に覆われ、冷却容器５ａ、５ｂに外部から熱が侵入するのを防止する。

真空容器３ａ、３ｂの上下方向距離を大きくし、真空容器連結管４を撮像空間１から離すと、被検者が入る空間が広がり、開放性が高まる。真空容器３ａ、３ｂと、輻射シールド板７ａ、７ｂ、冷却容器５ａ、５ｂ、真空容器連結管４、輻射シールド板連結管８などの超電導磁石装置を構成する部材には、主としてステンレス鋼やアルミニウム合金等の非磁性の金属系材料を用いる。

なお、本実施例に示したＭＲＩ装置２０は、図示しない傾斜磁場コイルや高周波コイルを備える。傾斜磁場コイルは静磁場に重畳して傾斜磁場を印加させるものであり、撮像空間１を挟んで核磁気共鳴信号の位置情報を付与する。高周波コイルは、電磁波を照射する。超電導磁石装置には、被検者を載せて撮像空間１に案内するテーブル装置、超電導磁石装置や傾斜磁場コイル、高周波コイルなどに電源を供給する電源装置、ＭＲＩ装置全体を制御する制御装置、被検者から得た磁気共鳴信号に基づき核磁気共鳴画像を得る画像再構成装置などが付属している。

冷却容器５ａ、５ｂ及び輻射シールド板７ａ、７ｂを、真空容器３ａ、３ｂに支持する複数の支持部材９ａ，９ｂを、真空容器３ａ、３ｂに設けている。支持部材９ａ，９ｂの形状は、棒状や単円筒状、多重円筒状である。真空容器３ａ、３ｂから冷却容器５ａ、５ｂおよび輻射シールド板７ａ、７ｂを断熱するため、支持部材９ａ，９ｂは熱伝導率の小さい非磁性の材料、例えば、ガラス繊維補強エポキシ樹脂などの繊維補強合成樹脂材料である。同じ断熱性能であれば、棒状及び単円筒状の方が多重円筒状に比べて安価である。ただし、棒状および端円筒状の方が、接続間距離を広げる必要がある。本実施例では、棒状の支持部材９ａ，９ｂを用いている。

上述したように、冷却容器５ａ、５ｂを垂直方向に支持する垂直方向支持部材９ａと、水平方向に支持する水平方向支持部材９ｂにより、冷却容器５ａ、５ｂは真空容器３ａ、３ｂに支持される。その際、垂直方向支持部材９ａと水平方向支持部材９ｂが、下側冷却容器５ｂの内周面１２ａを、金具１１ａ、１１ｂを介して下側真空容器３ａの内壁面底部１３ａに支持する。垂直方向支持部材９ａと水平方向支持部材９ｂは、周方向に間隔をおいて配置される。支持部材の配置は、好ましくはＺ軸に軸対称であって、ＸＺ面とＹＺ面に対称である。

なお、上記実施例では水平方向指示部材９ｂと垂直方向指示部材９ａとを用いたが、斜め方向に支持する支持部材を複数用いて支持しても、本実施例と同様な効果が得られる。上記実施例では、水平方向支持部材９ｂをＸＺ面からＺ軸回りに９０度ピッチで４本、垂直方向支持部材９ａを水平方向支持部材９ｂからＺ軸回りに４５度離れた位置に配置している。

輻射シールド板７ａ、７ｂは、真空容器３ａ、３ｂの外周部の温度である室温と、冷却容器５ａ、５ｂが冷媒で冷却される超電導温度との間の温度に保持される。したがって、支持部材９ａ、９ｂには大きな温度勾配が生じる。輻射シールド板７ａ、７ｂは、６０Ｋ〜７０Ｋに保持されるのが好ましい。そこで、輻射シールド板７ａ、７ｂがこの温度に保持されるように、支持部材９ａ、９ｂからの熱侵入および輻射シールド板７ａ、７ｂの熱容量、図示しない冷凍機の冷凍能力を考慮して、支持部材９ａ、９ｂを真空容器３ｂと冷却容器５ｂから離した位置１４ａ、１４ｂに取り付ける。したがって、冷却容器５ｂと輻射シールド板７ｂとは、下側真空容器３ｂの底面１３ａにそれぞれ支持部材９ａ、９ｂを介して支持される。

上下に配置した超電導コイル２ａ、２ｂからは、互いに引き合うか反発し合うかの電磁力が発生する。超電導コイル２ａ、２ｂを保持する冷却容器５ａ、５ｂ間を、冷却容器連結管６で機械的に支持しているので、上下の超電導コイル２ａ、２ｂで発生する力は打ち消される。垂直方向支持部材９ａは、超電導コイル２ｂと冷却容器５ｂおよびその付加物の自重や、冷却時の熱収縮、運搬時の衝撃荷重に耐えうる強度が必要である。

水平方向支持部材９ｂには、超電導コイル２ｂと冷却容器５ｂおよびその付加物の自重が作用しない。ただし、冷却容器５ｂの偏心を抑制する力と運搬時の衝撃に耐えうる強度が必要である。

支持部材９ａ、９ｂの本数と支持部材９ａ、９ｂの断面積は、強度面からは多いほど好ましいが、冷却容器５ｂへの熱侵入を抑制する観点からはできるだけ少ない方が望ましい。支持部材９ａ、９ｂの長さは強度面から短い方が好ましいが、冷却容器５ｂへの熱侵入を抑制する観点からはできるだけ長い方が望ましい。

次に、上述した本実施例に係るＭＲＩ装置２０の動作を、以下に説明する。図示しない傾斜磁場コイルの振動や設置床面の振動などの外部加振により、真空容器３ａ、３ｂは振動する。この振動の様子を誇張して図３に示す。ＭＲＩ装置２０では、下側真空容器３ｂの振動は設置床面により規制されるので、上側真空容器３ａの振動に比べて小さい。下側真空容器３ｂの底面では振動は殆ど無く、ＭＲＩ装置２０の自重により拘束されたものとみなすことができる。つまり、真空容器３ｂの底面は、理想的には振動の節になる。

本実施例では、振動が小さい下側の真空容器３ｂが冷却容器５ｂを支持しており、真空容器３ｂから支持部材９ａ、９ｂを介して冷却容器５ｂに伝播する振動は小さい。したがって、冷却容器５ｂ内に収容された超電導コイル２ｂで発生するおそれのある振動によって磁場変動は生じない。磁場変動が無いので、ＭＲＩ装置２０では、良好な核磁気共鳴画像を得ることができる。振動の節となる下側の真空容器３ｂの底面から冷却容器５ｂを支持しているので、その効果は顕著である。

本実施例では、下側の冷却容器５ｂの内周面と下側の真空容器３ｂの底面とを接続して下側の冷却容器５ｂを支持しているが、支持面はこれに限るものではない。例えば、垂直方向の支持部材により下側の冷却容器５ｂの外周面１２ｂを下側の真空容器３ｂの底面に支持すれば、内周面で支持する場合に比べて冷却容器の転倒モーメントを大にすることができる。その結果、ＭＲＩ装置の安定性が増す。また、下側の真空容器３ｂの側面１３ｂから支持してもよい。

ただし、真空容器３ｂの側面から支持する場合は、支持位置を真空容器３ｂの底面に近づけることが好ましい。その理由は、真空容器３ｂの底面が、振動学的に理想的には振動の節となり、底面から離れるにしたがい側面１３ｂの振動が大きくなるからである。つまり、支持部材９ａ、９ｂを底面から離すにしたがい、支持部材９ａ、９ｂを介して冷却容器５ｂに伝播する振動が大きくなる。側面１３ｂの振動を抑制するには、側面１３ｂの剛性を増大させればよい。冷却容器５ｂの側面１３ｂの板厚を増すと、側面１３ｂの剛性が増大するから、側面１３ｂの振動が小さくなる。

本発明に係るＭＲＩ装置の他の実施例の縦断面図を、図４に示す。図１に示した実施例では、下側の冷却容器５ｂを下側の真空容器３ｂに支持部材９ａ、９ｂを介して支持していたが、本実施例では、下側の輻射シールド板７ｂを第１の支持部材９ｃ、９ｄを介して下側の真空容器３ｂに支持し、次いで下側の冷却容器５ｂを第２の支持部材９ｅ、９ｆを介して輻射シールド板７ｂに支持している。

輻射シールド板７ｂの外壁面１５ａは、垂直方向に配置された第１の垂直方向支持部材９ｃと水平方向に配置された第１の水平方向支持部材９ｄとを用いて、真空容器３ｂの内壁面１３ａに支持される。その際、水平方向の第１の支持部材９ｄの真空容器３ｂ側端部には、金具１１ｃが接続されている。

冷却容器５ｂの内周面は、垂直方向に配置された第２の垂直方向支持部材９ｅと水平方向に配置された第２の水平方向支持部材９ｆとを用いて、輻射シールド板７ｂの内壁面１５ｂに支持される。その際、支持部材９ｅの冷却容器５ｂ側端部と支持部材９ｆの輻射シールド板７ｂ側端部に、金具１１ｄ、１１ｅを設けている。冷却容器５ｂは金具１１ｄ、１１ｅ、第２の垂直方向支持部材９ｅ、第２の水平方向支持部材９ｆを介して、輻射シールド板７ｂの内壁面１５ｂに支持される。

第２の垂直方向支持部材９ｅ、第２の水平方向支持部材９ｆを、下側の冷却容器５ｂと輻射シールド板７ｂ間だけではなく、上側の冷却容器５ａと輻射シールド板７ａ間にも設けてもよい。この場合、上側の冷却容器５ａと輻射シールド板７ａが支持部材により一体化され、冷却容器５ａと輻射シールド板７ａの剛性が増大する。その結果、支持部材を介して伝播する振動が、冷却容器５ａを励振するのを低減できる。

本実施例によれば、下側の冷却容器５ｂを第１の支持部材９ｃ、９ｄ、輻射シールド板７ｂ、第２の支持部材９ｅ、９ｆを介して下側の真空容器３ｂに支持しているので、支持部材９ｃ〜９ｆを介して冷却容器５ｂに伝播する真空容器３ｂの振動を低減できる。また、真空容器３ｂと冷却容器５ｂとを支持部材だけで直接支持する場合に比べて、支持部材による断熱距離を大にすることができる。冷却容器５ｂと輻射シールド板７ｂとを第２の支持部材９ｅ、９ｆで連結したので、剛性が増大する。

図１に示した実施例では、冷却容器５ｂを真空容器３ｂに支持部材９ａ、９ｂを用いて支持しており、図４に示した実施例では、冷却容器５ｂを輻射シールド板７ｂを介して真空容器３ｂに支持している。これらを組み合わせて、垂直方向については、冷却容器５ｂを真空容器３ｂに支持部材で支持し、水平方向については冷却容器５ｂを輻射シールド板７ｂを介して真空容器３ｂに支持するようにしてもよい。

すなわち、下側の冷却容器を真空容器に直接的または間接的に支持するようにすれば冷却容器の振動を低減できる。このように構成したＭＲＩ装置では、支持スペースや断熱支持性能、支持部材強度等の設計項目に対し冷却容器と輻射シールド板の支持構造を自由度が大きく設計することができる。また、この場合にも、真空容器から冷却容器への振動伝播を低減できる。

上記各実施例では、上側の冷却容器５ａと輻射シールド板７ａとを、上側の真空容器３ａに接続していない。実際のＭＲＩ装置では、冷凍機や液体ヘリウム注液配管などが上側の真空容器３ａに取り付けられていて、それらの付属品は冷却容器５ａや輻射シールド板７ａに接続されている。その場合でも、冷凍機等の付属品は真空容器３ａにベローズを介して振動絶縁されているので、上記各実施例に記載の効果は損なわれない。

本発明に係るＭＲＩ装置の一実施例の縦断面図。 図１に示したＭＲＩ装置の斜視図。 ＭＲＩ装置に用いる真空容器の振動モードを説明する図。 本発明に係るＭＲＩ装置の他の実施例の縦断面図。

符号の説明

１…撮像空間、２…超電導コイル、３…真空容器、４…真空容器連結管、５…冷却容器、６…冷却容器連結管、７…輻射シールド板、８…輻射シールド板連結管、９…支持部材、２０、２０ａ…ＭＲＩ装置。

Claims (9)

1. 上下に対向して配置された円環状の超伝導コイルと、
   この超伝導コイルを収容する冷却容器と、
   この冷却容器を収容する真空容器とを備えた磁気共鳴イメージング装置において、
   前記冷却容器は、上下に位置する円筒部と、この上部の円筒部及び下部の円筒部を連結する連結管部とを有し、
   前記真空容器は前記冷却容器を覆うように形成されており、
   前記冷却容器の下部の円筒部を前記真空容器の下部内面に支持する複数の支持部材を設け、
   前記冷却容器の上部の円筒部を自由な状態にし、
   前記冷却容器の連結管部は、前記冷却容器の円筒部の周方向ほぼ対称位置に２個形成されて前記上部の円筒部及び前記下部の円筒部を連結したことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
2. 前記冷却容器と前記真空容器の間に冷却容器を覆うように輻射シールド板を配置し、
   前記複数の支持部材はこの輻射シールド板を突き抜けていることを特徴とする請求項１に記載の磁気共鳴イメージング装置。
3. 前記冷却容器と前記真空容器の間に冷却容器を覆うように輻射シールド板を配置し、
   前記複数の支持部材が、前記冷却容器を輻射シールド板に支持する第１の支持部材と、前記真空容器に輻射シールド板を支持する第２の支持部材とを有することを特徴とする請求項１に記載の磁気共鳴イメージング装置。
4. 前記支持部材の一端側に、金具を取り付けたことを特徴とする請求項１に記載の磁気共鳴イメージング装置。
5. 上下に対向して配置された円環状の超電導コイルと、
   上下に位置して各超電導コイルをそれぞれ収容する円環状の冷却容器と、
   各冷却容器をそれぞれ収容する輻射シールド板と、
   各輻射シールド板をそれぞれ収容する真空容器と、
   上下の冷却容器を連接する冷却容器連結管と、
   この冷却容器連結管を収容する輻射シールド板連結管と、
   上下の真空容器を連接し輻射シールド板連結管を収容する真空容器連結管と、
   冷却容器を真空容器に支持する支持部材とを有し、
   前記支持部材は、下側冷却容器の外壁面と下側真空容器の内壁面との間に配置され、下側冷却容器を下側真空容器から支持し、
   前記上部の冷却容器は自由な状態にし、
   前記冷却容器連結管は、円環状の前記冷却容器の周方向ほぼ対称位置に２個形成されて上下の前記冷却容器を連結したことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
6. 前記支持部材は、この支持部材の中間部で輻射シールド板に接合して、輻射シールド板を支持することを特徴とする請求項５に記載の磁気共鳴イメージング装置。
7. 前記支持部材は、
   輻射シールド板外壁面と真空容器内壁面間に配置される第１の支持部材と、
   冷却容器外壁面と輻射シールド板内壁面間に配置される第２の支持部材とを有し、
   第１の支持部材が下側の輻射シールド板を下側の真空容器に支持し、
   第２の支持部材が冷却容器を輻射シールド板に支持することを特徴とする請求項５に記載の磁気共鳴イメージング装置。
8. 前記支持部材は、
   冷却容器を真空容器に直接的に支持する第１の支持部材と、
   冷却容器を輻射シールド板に支持する第２の支持部材と、
   輻射シールド板を真空容器に支持する第３の支持部材とを有することを特徴とする請求項５に記載の磁気共鳴イメージング装置。
9. 前記第１の支持部材は垂直方向の支持部材であり、
   前記第２及び第３の支持部材は水平方向の支持部材であることを特徴とする請求項８に記載の磁気共鳴イメージング装置。

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