JP2004358238A - 磁気共鳴イメージングにおける傾斜補償のためのシステム及び方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】磁気共鳴イメージングにおいて画像歪みを排除し、画像の品質を向上させる。
【解決手段】傾斜補償システムは、マグネット・アセンブリ(12)と、3つの直交する座標方向に磁場傾斜を発生させるように動作可能な少なくとも1つの磁場発生用傾斜コイル(14)と、マグネット・アセンブリに隣接して位置決めされると共に漏れ磁場を補償する磁場を発生させる傾斜補償コイル(32)とを備える。磁気共鳴イメージング・システム(10)の導電性構造内のうず電流が発生させる不用な磁場を打ち消すための方法は、撮像ボリュームの磁場の変化を表す磁場変化信号を発生させる工程と、この磁場変化信号に応答して補償信号を決定する工程と、磁気共鳴イメージングシステム(10)に少なくとも1つの傾斜補償コイル(32)を追加する工程と、この少なくとも1つの傾斜補償コイル(32)を通る電流を制御する工程とを含む。
【選択図】 図1

Description

本発明は、全般的には磁気共鳴イメージング(MRI)コイルの分野に関する。本発明は、さらに詳細には、MRIシステム設計における、近傍の導電性構造内のうず電流が発生させる磁場を打ち消すような磁場を生成させるように動作可能な追加的なコイルの使用に関する。
磁気共鳴イメージング(MRI)は、核磁気共鳴(NMR)現象を受けやすいかなりまとまった数の原子核を有するような人体組織などの被検体の内部構造を表すディジタル化視覚画像を得るために広範に受け入れられかつ市販されている技法の1つである。MRIでは、撮像しようとする構造内の原子核は、強力で均一な磁場をこの原子核に印加することによって偏向を受けている。次いで、事前決定したNMR周波数において無線周波数(RF)信号を印加することによって選択した原子核を励起させている。異なる磁場傾斜を加えると共に原子核から得られるRF応答を適当に解析しながらこれを反復して実施することによって、原子核位置の関数として相対NMR応答のマップまたは画像を決定することができる。データはNMR応答を空間的に表すように表示させることができる。
この静磁場は極めて安定としかつ極めて強力としなければならない。典型的には、対象全体の撮像向けなどマグネットが円筒状の幾何学形状を有するようなシステム向けでは、そのz軸は主磁場の軸と平行である。傾斜コイルは、磁場傾斜と呼ぶこともあるような直線的空間傾斜を伴なうような磁場をコイル内部に発生させている。典型的には、MRI向けの磁場傾斜を生成させるためには、コイルの長手方向の軸(z軸)に沿って磁場傾斜を発生させる1つ目の傾斜コイルと、xまたはyの横断軸のいずれかに沿って磁場傾斜を発生させる2つ目の傾斜コイルという2種類の傾斜コイルを使用している。
従来のMRIシステムはさらに、ボアチューブと呼ばれる金属製の円筒を含んでいる。このボアチューブ内部の体積のことを画像ボリュームと呼ぶ。大部分の撮像はこのボアチューブの中央部分で行われる。傾斜コイル内の電流によってボアチューブ内及びMRIシステムのマグネットの別の導電性構造内にうず電流が誘導され、これが次いで、画像ボリューム内にエラー磁場(error field)と呼ばれる磁場が誘導される。このうず電流が発生させる磁場は画像ボリュームでは望ましくない。傾斜磁場は、エンコード過程の間で明確に規定されている必要があり、さもないと作成される画像が歪むことになる。明瞭な画像を得るためには、こうしたうず電流磁場を低下または排除することが必要である。
うず電流を減少させようとする従来の試みには、各傾斜コイルをシールド用コイルで囲繞することが含まれる。傾斜コイル1つと、これに対応するシールド用コイルとによって1つの「シールド式傾斜コイル組(shielded gradient coil set)」と呼ばれるものが形成されている。この傾斜コイルを「内側コイル」と呼ぶことがあり、またこのシールド用コイルを「外側コイル」と呼ぶことがある。シールド用コイルの機能は、外側コイルの外部の領域に電場を誘導させることである。理想的には、シールド用コイルは、そのコイル組の外部の電磁場を正確に相殺させるように設計する。シールド式傾斜コイル組の外部において磁場を排除することによって、MRIシステムの導電性構造内に誘導される可能性があるようなうず電流が有効に排除され、その結果、撮像ボリューム内にエラー磁場がまったく生成されることがない。
この従来のシールド方式に関わる問題点の1つは、z傾斜コイル組の外部の磁場を正確に相殺することが不可能なことである。傾斜コイル組の外部の磁場を正確に相殺させようとすると、シールド用コイルの表面上に連続した表面電流分布が必要となる。従来のシールドでは、支持構造の周りに幾つかの離散的な円形ループを巻き付けることによって連続した表面電流分布を模しているが、こうした離散的な円形ループでは、連続表面分布を正確に真似ることは不可能であり、またこのため、傾斜コイル組の外部の磁場を正確に相殺させることができない。このシールド方式に関する別の問題点は、傾斜コイルの製造を実現させるためにかなりのコストがかかることである。さらに、これを実現するには、そのマグネット内に、マグネットのコストをさらに増大させるようなスペースが必要となる。
したがって、シールド用コイルの方式を利用することなく、近傍の導体内のうず電流が発生させる磁場を打ち消すような磁場を発生させることによって、磁気共鳴画像の品質を向上させることが望ましい。さらに、適正な自己シールドの設計が極めて困難であるような折り返し(folded)傾斜または3D傾斜設計において、あるいはその傾斜コイルが完全に非シールド式でありかつ実質的に非導電性の材料からマグネットを製作しようと試みられているような設計に関して、その生じるうず電流を排除することが望ましい。
実施の一形態では、本発明は、マグネット・アセンブリと、3つの直交する座標方向に磁場傾斜を発生させるように動作可能な磁場発生用傾斜コイルと、マグネット・アセンブリに隣接して位置決めされると共に漏れ磁場を補償するための補償信号に応答して磁場を発生させるように動作可能な傾斜補償コイルと、補償コイルを通じた適当な電流制御の動作が可能な制御コンピュータと、を備える傾斜補償システムを記載している。別の実施形態では、本発明はさらに、画像ボリューム内で漏れ磁場を検出して補償信号を発生させるように動作可能な少なくとも1つのセンサも備えることがある。
また別の実施形態では、本発明は、不用なうず電流磁場を排除している磁気共鳴システムを提供する。本システムは、マグネット・アセンブリと、3つの直交する座標方向に磁場傾斜を発生させるように動作可能な磁場発生用傾斜コイルと、画像ボリュームをその内部に形成させた円筒状のボアチューブと、1つまたは複数の無線周波数コイルと、マグネット・アセンブリに隣接して位置決めされると共に漏れ磁場を補償するための補償信号に応答して磁場を発生させるように動作可能な第1の傾斜補償コイルと、制御コンピュータと、を備えている。さらに別の実施形態では、本発明は画像ボリューム内で漏れ磁場を検出して補償信号を発生させるように動作可能な少なくとも1つのセンサを備えることがある。
さらに別の実施形態では、そのシステムは、マグネット・アセンブリに隣接して位置決めした第2のまたはこれ以上の数の傾斜補償コイルと、制御コンピュータと第1及び第2のまたはこれ以上の数の傾斜補償コイルとの間に結合させた増幅器回路と、を備えており、またこの制御コンピュータは第1及び第2のまたはこれ以上の数の傾斜補償コイルを通る電流を制御するように動作可能である。
さらに別の実施形態では、本発明は、磁気共鳴イメージングにおいて画像歪みを排除するためのシステムを提供する。本システムは、撮像傾斜コイル及び撮像ボリュームを備えたマグネット・アセンブリと、撮像ボリューム内の磁場変化を表す磁場変化信号を発生させている少なくとも1つのセンサと、マグネット・アセンブリに隣接して位置決めされているようなこの磁場変化に応答して傾斜補償磁場を発生させるように動作可能な1つまたは複数の傾斜補償コイルと、これらマグネット・アセンブリ、少なくとも1つのセンサ及び1つまたは複数の傾斜補償コイルに結合させた制御コンピュータと、を備えている。この少なくとも1つのセンサは、小型のピックアップ・コイルやNMRサンプルなど、撮像ボリュームの外部に位置決めした磁場センサを備えることがある。
さらに別の実施形態では、磁気共鳴システムの導電性構造内のうず電流が発生させる不用な磁場を打ち消すための方法は、画像ボリュームの磁場の変化を表す磁場変化信号を発生させる工程と、この磁場変化信号に応答して補償信号を決定する工程と、1つまたは複数の傾斜補償コイルを追加する工程と、不用な磁場を相殺させるためにこの1つまたは複数の傾斜補償コイルを通る電流を制御する工程と、を含む。
さらに別の態様では、傾斜コイルを備えるマグネット・アセンブリ内のうず電流磁場を排除するための方法が提供される。本方法は、マグネット・アセンブリ内のうず電流磁場を計算する工程と、そのうず電流磁場が受け入れ可能であるか否かを判定する工程と、うず電流磁場が受け入れ不可能であると判定された場合に、このうず電流磁場を打ち消すような磁場を発生させるようにマグネット・アセンブリに補償コイルを追加する工程と、を含む。
本発明に関するこれらの特徴、態様及び利点、並びにその他の特徴、態様及び利点は、添付の図面を参照しながら本発明の以下の詳細な説明を読むことによってより十分な理解が得られよう。
本明細書では、必要に応じて本発明の詳細な実施形態を開示しているが、これらの開示する実施形態は、様々かつ代替的な形態で具現化できるような本発明に関する単なる例示であることを理解されたい。本明細書で開示している具体的な構造上及び機能上の詳細は限定と解釈すべきではなく、単に特許請求の範囲に関する基本として、本発明を様々に利用できるように当業者に教示するための基本典型と解釈すべきである。
ここで図1を参照すると、その全体を参照番号10としたMRIシステムの模式図を表している。MRIシステム10は、強力な均一磁場B0を印加するように動作可能なマグネット12を含んでいる。このマグネット12には、超伝導マグネット、電磁石、永久磁石または常伝導マグネット(ただし、これらに限らない)が含まれる。その発生させる静磁場が安定で強度が大きいため超伝導マグネットとすることが好ましい。MRIシステム10はさらに、3つの直交する座標方向(x、y及びz)で磁場傾斜を印加するように動作可能な複数の傾斜コイル14と、選択された原子核にRF信号を送信しかつこの原子核からRF信号を受信するように動作可能な複数の無線周波数(RF)コイル16と、を備えている。このRFコイル16は、送信、受信、あるいはこの両方の目的で使用することができる。ボアチューブ18と呼ぶ金属製の円筒によって、画像ボリュームと呼ぶようなボアチューブ18内部のボリュームが形成されている。図1ではボア型のマグネットを図示しているが、本発明は開放型のマグネット系やその他周知のタイプのマグネット系を用いて実施することもできる。傾斜コイル14内の電流によって、MRIシステム10のボアチューブ18やその他の導電性構造内にうず電流が誘導され、これにより次いで、画像ボリューム内に磁場が誘導される。
各RFコイル16が受信したNMR信号はRF増幅システム22を経由してコンピュータ20に送られる。コンピュータ20は、このデータをディスプレイやフィルム24上の画像にするように処理するように動作可能である。傾斜コイル14は傾斜増幅システム26を経由してコンピュータ20と制御可能に接続されている。MR画像は「画素(pixel)」と呼ばれる画像要素から構成されており、また所与の画素の強度は、撮像している構造の対応するボリューム要素(すなわち、「ボクセル(voxel)」)の内容物によるNMR信号強度に比例する。コンピュータ20は傾斜コイル14及びRFコイル16の動作を制御している。別の実施形態では、傾斜補償コイル32の必要性及び設計は、コンピュータ・シミュレーションを介して決定しており、これによって動作時におけるコンピュータ20の制御を不要にしている。
コンピュータ20はさらに、実質的に均一で時間的に一定した主磁場B0がz軸に沿って円筒状のボア18を通過して生成されるようにマグネット12を制御することがある、ただし超伝導マグネットでは、マグネットを現場に持ち込み必要な均一性に合わせてシム調整した後は制御コンピュータ20とのさらなるやり取りは不要であるのが普通である。一連の無線周波数パルス及び磁場傾斜パルスは、磁気スピンを反転または励起させ、磁気共鳴を誘導させ、磁気共鳴をリフォーカシングし、磁気共鳴を操作し、かつこの磁気共鳴を空間的その他によりエンコードして、磁気共鳴撮像シーケンスを生成させるために使用される。より具体的には、傾斜パルス増幅器28は、画像ボリュームのx、y及びz軸に沿った磁場傾斜を発生させるように、個別のシールド式傾斜コイル14またはシールド式傾斜コイル14の対に電流パルスを加えている。傾斜パルスシーケンス30は、傾斜パルス増幅器28を制御し、エコーイメージング、傾斜及びスピンエコー・イメージング、高速スピンエコー・イメージング、その他などの複数の多重エコーシーケンスのうちのいずれかを生成させている。
MRIでは、そのパルスシーケンスの一部として磁場傾斜の切り替えがある。磁場傾斜の切り替えによって、マグネット12の周囲の導体材料内にうず電流が誘導され、また望ましくないうず電流磁場傾斜や主磁場(B0)の振動が発生し、これにより最終的には撮像アーチファクトを生じさせる。従来のMRIシステムでは、この傾斜の漏れ磁場を減少させるために、自己シールド式またはアクティブ・シールド式設計の傾斜コイルをアクティブ磁場生成コイルに追加している。漏れ磁場を減少させることによって、誘導されるうず電流を低下させ、これによって撮像ボリューム内に生じる不用な磁場変動を低下させている。自己シールド式傾斜コイルに関する問題点は、そのマグネットで必要となるコスト及びスペースがかなり大きいことである。
引き続き図1を参照すると、本発明は撮像ボリューム内の不用な磁場を相殺するために傾斜補償コイル32の追加を利用している。傾斜補償コイル32はさらに、不用な磁場がマグネット12の導電性表面に到達しないように相殺させる要件を緩和させている。この傾斜コイル14及び傾斜補償コイル32は、磁場を発生させるように駆動させることができる電磁式コイルであることが好ましい。コンピュータ/コントローラ20は、傾斜補償コイル32の制御を含むMRIシステムの様々な機能を制御するように動作可能である。制御コンピュータ20は、磁場発生用コイル14が生成させるうず電流磁場と同じ磁場を傾斜補償コイル32内に発生させることによって傾斜補償を提供することができる。この傾斜補償コイル32は、近傍の導体内のうず電流が発生させた磁場を打ち消すような磁場を生成させている。1つまたは複数のコイルを追加することにより、コンピュータ20によって制御されたコイルを通じた適当な動的電流制御を用いて不用な磁場を相殺させることができる。上で述べたように、別の実施形態では、コンピュータ・シミュレーションを通じて傾斜補償コイル32の必要性及び設計を判定した後では、動作時におけるコンピュータ20の追加的な制御は必要がない。
制御コンピュータ20は、傾斜補償コイル32を通る電流を調節する適当な動的電流制御機能を適用するように動作可能とすることができる。この電流は、傾斜補償コイル32によって画像ボリューム内で検出される磁場を打ち消すような磁場を発生させるように動作可能である。画像ボリューム内で変化する磁場を打ち消すために必要となる傾斜補償コイル32の数は、その画像ボリュームに関して計算されたうず電流磁場に応じて様々であり、またコンピュータ・シミュレーションによって決定することができる。傾斜補償コイル32は、撮像ボリューム内の磁場が受容可能な程度に減少するまで追加することができる。
MRIシステム10はさらに、マグネット12に隣接して、あるいはMRIシステム10内の任意の箇所に配置させることがあるような少なくとも1つのセンサ34を備えることがある。この少なくとも1つのセンサ34は、画像ボリュームの磁場の変化を検知するように動作可能である。少なくとも1つのセンサ34の様々な位置は当業者には明らかであり、またシステム10で利用されるマグネット12の種類に応じて異なることがある。可能なセンサ34の例としては、NMRサンプルや小型のピックアップ・コイル(ただし、これらに限らない)が含まれる。当業者であれば、本発明を実施する際に複数のセンサ34を利用できることが理解されよう。複数のセンサ34を使用する場合、各センサ34はシステム10内の異なる箇所に配置させることができる。さらに、本発明を実施する際に複数のタイプのセンサ34を利用することもできる。
この少なくとも1つのセンサ34は、近傍の導電性構造内のうず電流が発生させた磁場に起因する画像ボリューム内の磁場変化を検出するように動作可能である。この少なくとも1つのセンサ34はさらに、画像ボリュームの磁場の変化を表す信号を発生させるようにも動作可能である。この少なくとも1つのセンサ34は画像ボリューム内で磁場変化を直接計測することがある。
制御コンピュータ20は、マイクロプロセッサ・ベースのコントローラ(ただし、これに限らない)を含め多種多様なコントローラ・タイプとすることができる。制御コンピュータ20は、単独で機能するような1つのユニットとすることがあり、またMRIシステム10の制御コンピュータ20内に組み込むこともある。当業者には周知のように、少なくとも1つのセンサ34からのセンサ信号の種類に応じて、アナログ対ディジタル変換器及び/またはディジタル信号処理フィルタが必要となることがある。制御コンピュータ20は、追加した1つまたは複数の傾斜補償コイル32に適当な動的電流制御機能を与えている。この電流制御機能は、センサ34から入力された補償信号によって決定される。制御コンピュータ20により送信される電流補償信号は、希望する補償のタイプに応じて様々な多くの形式で提供することができる。一例では、その補償信号が増幅器28に提供され、次いでこれを傾斜補償コイル32の1つに結合させ、周囲の導電性構造内のうず電流に起因する磁場変化を補償させることがある。別の例では、その補償信号を複数の傾斜補償コイル32に提供することがある。
制御コンピュータ20は、事前決定した機能によって、磁場変化を表すセンサ信号を、傾斜補償コイル32を駆動させマグネット12の導電性構造内のうず電流による磁場変化を最小限にするために使用される補償信号に変換している。補償コイル32の磁場によってうず電流磁場が能動的に相殺される。
図2を参照すると、マグネット12内の導電性表面に到達する不用な磁場の相殺に関する要求を緩和しながら、画像ボリューム内の不用な磁場を有効に減少させるために必要となる補償コイルの数を決定するための方法を表している。最初の工程(ブロック40)では、傾斜設計を備えるようなMRIシステム10を設計している。次の工程(ブロック42)では、当業者にはよく知られている有限要素ソフトウェア・プログラムなどのコンピュータ・シミュレーション・プログラムによる、あるいは少なくとも1つのセンサ34及び制御コンピュータ20によるなどの計測によって、画像ボリューム内のうず電流磁場を計算している。画像ボリューム内のうず電流磁場が受け入れ可能であると判定された場合は、その傾斜設計は受け入れ可能であり、かつシステム10は傾斜補償コイル32の追加を必要としない(ブロック44)。しかし、そのうず電流磁場が受け入れ可能でないと判定された場合は、システム10に傾斜補償コイル32を追加する(ブロック46)。次いで、補償コイル32を追加した後にうず電流磁場を再計算し(ブロック48)、その磁場が依然として受け入れ不可能であると判定されると、その磁場が有効に排除されるまで、さらに追加の傾斜補償コイル32を必要とするかつ/または付加コイル32の別の配置が必要となることがある。
MRイメージングにおける傾斜補償のためのシステム及び方法が提供されることは明らかであろう。本システム及び方法について好ましい実施形態並びにその例を参照しながら記載してきたが、別の実施形態や例によっても、同様の機能の実行及び/または同様の成果の達成が可能である。こうした同等の実施形態及び例はすべて、本発明の精神及び趣旨の域内にあると共に、添付の特許請求の範囲によって包含させるように意図している。
本発明の例示的な実施形態による傾斜補償コイルを利用しているMRIシステムの模式図である。 うず電流磁場を減少させるために傾斜補償コイルを追加するための方法を表した流れ図である。
符号の説明
10 MRIシステム
12 マグネット
14 傾斜コイル
16 無線周波数(RF)コイル
18 ボアチューブ
20 コンピュータ
22 RF増幅システム
24 ディスプレイ、フィルム
26 傾斜増幅システム
28 傾斜パルス増幅器
30 傾斜パルスシーケンス
32 傾斜補償コイル
34 センサ

Claims (10)

  1. マグネット・アセンブリ(12)と、
    3つの直交する座標方向に磁場傾斜を発生させるように動作可能な少なくとも1つの磁場発生用傾斜コイル(14)と、
    前記マグネット・アセンブリ(12)に隣接した事前決定の位置に配置すると共に、漏れ磁場に応答して磁場を発生させるように動作可能とした少なくとも1つの傾斜補償コイル(32)と、
    を備える傾斜補償システム。
  2. 前記少なくとも1つの傾斜補償コイル(32)が撮像ボリューム内のうず電流磁場を補償するために位置決めされている、請求項1に記載のシステム。
  3. さらに、撮像ボリューム内の前記漏れ磁場を検出すること及び補償信号を発生させることの両方に関して動作可能な少なくとも1つのセンサ(34)を備える請求項2に記載のシステム。
  4. さらに、前記少なくとも1つの傾斜補償コイル(32)を通る電流を制御するように動作可能な制御コンピュータ(20)を備える請求項1に記載のシステム。
  5. 前記少なくとも1つの傾斜補償コイル(32)のコイル数及び前記事前決定の位置が傾斜磁場補償シミュレーション・ソフトウェアを用いて決定されている、請求項1に記載のシステム。
  6. 磁気共鳴イメージングの画像歪みを排除するように動作可能であるような請求項1に記載のシステム。
  7. マグネット・アセンブリ(12)と、
    3つの直交する座標方向に磁場傾斜を発生させるように動作可能な少なくとも1つの磁場発生用傾斜コイル(14)と、
    撮像ボリュームをその内部に形成させている円筒状のボアチューブ(18)と、
    少なくとも1つの無線周波数コイル(16)と、
    前記マグネット・アセンブリ(12)に隣接した事前決定の位置に配置すると共に、漏れ磁場に応答して磁場を発生させるように動作可能とした少なくとも1つの傾斜補償コイル(32)と、
    を備える磁気共鳴システム。
  8. 前記少なくとも1つの傾斜補償コイル(32)が撮像ボリューム内のうず電流磁場を補償するために位置決めされている、請求項7に記載のシステム。
  9. 磁気共鳴イメージング・システム(10)の導電性構造内のうず電流が発生させる不用な磁場に打ち消すための方法であって、
    撮像ボリュームの磁場の変化を示す磁場変化信号を発生させる工程と、
    前記磁場変化信号に応答して補償信号を決定する工程と、
    前記磁気共鳴イメージング・システムに少なくとも1つの傾斜補償コイル(32)を追加する工程と、
    前記少なくとも1つの傾斜補償コイル(32)を通る電流を制御する工程と、
    を含む方法。
  10. 撮像ボリューム内の不用な磁場を有効に減少させるために必要となる傾斜補償コイル(32)の数を決定する方法であって、
    傾斜設計を含むような磁気共鳴イメージング・システム(10)を設計する工程と、
    コンピュータ・シミュレーション・プログラムを用いて前記撮像ボリューム内のうず電流磁場を計算する工程と、
    撮像ボリューム内の前記うず電流磁場が排除されたと判定された場合に、前記傾斜設計によっていかなる傾斜補償コイル(32)の追加も要求しない工程と、
    撮像ボリューム内に前記うず電流磁場が依然として存在すると判定された場合に、前記傾斜設計によって少なくとも1つの傾斜補償コイル(32)の追加を要求する工程と、
    傾斜補償コイル(32)が追加された後にうず電流磁場を再計算する工程と、
    うず電流磁場を計算する工程、撮像ボリューム内にうず電流磁場が依然として存在するか否かを判定する工程、少なくとも1つの傾斜補償コイル(32)を追加する工程、並びにうず電流磁場を再計算する工程を、うず電流磁場が排除されるまで反復する工程と、
    を含む方法。
JP2004144259A 2003-05-15 2004-05-14 磁気共鳴イメージングにおける傾斜補償のためのシステム及び方法 Pending JP2004358238A (ja)

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