JP3742662B2 - 開放形磁気共鳴イメージングに適した磁石 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は一般に磁気共鳴イメージング磁石に関するものであり、更に詳しくは冷却された超伝導コイルを強磁性の磁極片と組み合わせた開放形すなわち非閉鎖形磁石に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ：ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｉｍａｇｉｎｇ）は今では広く受け入れられた診断手順であり、その使用はますます一般的になりつつある。ＭＲＩシステムでは、ＭＲ画像を作成するため一様な磁界と無線周波（ＲＦ）放射を必要とする。磁界を作成するために種々の型の磁石が現在使用されている。どの型の磁石を使用するにしても、磁界の一部が非常に均一でなければならない。ここでイメージング体積と呼ばれる磁界のこの部分は、イメージング対象を包含する磁界の部分である。上質の画像を得るために、イメージング体積内の磁界の均一性が必要とされる。したがって、多数のイメージング用途で比較的大きなイメージング体積を作成し得る磁石をそなえていれば都合がよい。
【０００３】
通常、全身用イメージングのために使用される磁石は、比較的狭い中心内腔をそなえた円筒形構造内に収容されるように構成される。狭い内腔は取り囲まれた小室を形成し、この中に患者がイメージングのために入らなければならない。これらの円筒形の構成により多数の肯定的な特徴が得られるが、場合によっては難点となることもある。たとえば、かなりのパーセントの患者が従来のＭＲＩシステムの閉じているという性質に敏感である。これらの患者にとっては、ＭＲＩプロセスは不快であるか、または耐え難いものでさえある。更に、患者によっては単に大き過ぎて、従来のＭＲＩシステムの狭い小室に入りきれないことがある。患者をＩＶシステムまたは他の医用装置に接続したまま取り囲まれた小室に入れる際にも、難点が生じ得る。このような閉鎖形の従来のシステムは獣医の用途でも難点がある。多くの動物は閉じた小室を怖がるからである。
【０００４】
従来の閉鎖形システムに代わるアクセスしやすい代案となる種々の開放形磁石構成が提案されてきた。このような磁石構成の一つが、米国特許第４，８７５，４８５号に説明されている。この構成では、二つの超伝導コイルが間隔を置いて平行に配列され、それらの間に作業空間が形成される。比較的開放された空間が患者を受け入れるのに適しており、閉所恐怖の反応を生じにくい。この構成では、５０ｐｐｍから１００ｐｐｍの均一さで直径が２０ｃｍの球状のイメージング体積が形成されると説明されている。
【０００５】
米国特許第４，９２４，１９８号にもう一つの開放形磁石構成が示されている。この構成では、二つの磁石集合体が間隔を置いて平行に配置される。一実施例では各磁石集合体に、超伝導コイルおよびそれとほぼ同一平面、同心に配置された内蔵の抵抗コイルが含まれている。この実施例では、０．５テスラの中心磁界の場合、均一性のピークピーク値が３０ｐｐｍで、２０ｃｍの球状のイメージング体積が得られる。第二の実施例では、各磁石集合体に一対の超伝導コイルが含まれる。この実施例では、０．５テスラの場合、均一性が１３ｐｐｍで、２５ｃｍの球状のイメージング体積が得られる。
【０００６】
特願平４−１４１１４８号には、二つの平行な、間隔を置いて配置された超伝導コイルをそなえた開放形磁石構成が示されている。この装置には、コイル対が水平位置と垂直位置との間で回転できるようにするピボット機構も含まれている。磁界強度が約０．３テスラから０．５テスラの場合、この構成では約３０ｐｐｍの均一性で、３０ｃｍの球状のイメージング体積が得られる。
【０００７】
上記の開放形磁石構成では、直径が２０ｃｍから３０ｃｍの範囲にあるイメージング体積が形成される。これらの構成は有効ではあるが、充分なレベルの均一性を維持しつつ、更に大きな直径のイメージング体積を形成し得る開放形ＭＲＩ装置が提供されることが望ましい。
【０００８】
【発明の概要】
したがって本発明の一つの目的は、閉じた空間に敏感な患者を含めてすべての患者が全身用ＭＲイメージングに容易に出入りできるようにすることである。
更に詳しく述べると本発明の一つの目的は、大きいイメージング体積内で非常に均一な磁界を維持するＭＲイメージング用の開放形磁石を提供することである。
【０００９】
本発明のもう一つの目的は、獣医用のＭＲイメージングを容易にすることである。
更に本発明の一つの目的は、上記の目的にかなう磁石を設計する方法を提供することである。
本発明では、作業空間を形成するように間隔を置いて平行に配置された二つの磁石集合体をそなえる開放形磁石を設けることにより、上記の目的および他の目的が達成される。各集合体には、環状の超伝導コイル、および超伝導コイルで取り巻かれた強磁性の磁界強化器が含まれている。磁石集合体はＣ字形の支持フレームに取り付けられている。このＣ字形の支持フレームはペデスタル部材に回転可能なように取り付けられている。したがって、フレームは垂直のイメージング位置と水平のイメージング位置との間で回転させることができる。磁界強化器は、非線形の最適化設計方法でイメージング体積内の均一性を改善するような特別な形状とされた強磁性の磁極片である。
【００１０】
この設計方法には、磁極片の最初の形状を定めるステップ、磁界に影響を及ぼす設計パラメータを選定するステップ、実際の磁界と完全に均一な磁界との差である選定されたパラメータの関数（目的関数と呼ばれる）を定めるステップ、および目的関数を最小にすることにより、磁極片の最適形状を定めるパラメータの値を決定するステップが含まれる。磁極片の最初の形状はほぼ円筒形の形状であることが好ましく、主要なパラメータはほぼ円筒形の端面の表面上の摂動点である。最小化は、目的関数の極小値に達するまでパラメータを自動的に調整する公知の最小化手法を使用して行われる。最小化ステップを実行する際、目的関数は有限要素法を使って評価される。
【００１１】
本発明の他の目的および利点は、以下の詳細な説明、および特許請求の範囲を読み、付図を参照することにより明らかとなろう。
発明と考えられる主題は、特許請求の範囲に詳細に指摘されている。しかし、付図とともに以下の説明を参照することにより本発明を最も良く理解することができる。
【００１２】
【詳しい説明】
図面全体を通じて、同じ参照記号は同じ素子を表す。図１−４は本発明のＭＲ開放形磁石装置１０を示す。開放形磁石装置１０には、作業空間を形成するように間隔を置いて配置された二つの磁石集合体１２が含まれている。各集合体１２には、環状の超伝導コイル集合体１４および磁界強化器１６が含まれている。各磁界強化器１６は、それぞれ一つの環状コイル集合体１４により取り巻かれた、ほぼ円筒形の強磁性磁極片である。各超伝導コイル集合体１４はブラケット（図示しない）によってそれに対応する磁界強化器１６に取り付けられている。二つの磁石集合体１２は、磁界強化器１６の端面が互いに平行な平面上にあり、それらの中心がそれらの平面に垂直に伸びる線上にあるように配置される。
【００１３】
二つの磁石集合体１２は、ステンレス鋼またはアルミニウムのような非磁性物質で作られた支持フレーム１８によって支持される。フレーム１８は、磁石集合体１２を互いに間隔を置いて対向するように支持するためにＣ字形になっている。磁石集合体をこのように位置決めすることにより、それらの間に充分な大きさの空間が形成され、ＭＲイメージングのために患者を受け入れることができる。磁石集合体１２により、それらの間の空間に磁界が形成される。支持フレーム１８は、ピボット機構２２を介してペデスタル２０に回転可能に取り付けられている。ピボット機構２２により、支持フレーム１８および磁石集合体１２は二つのイメージング位置の間で回転することができる。図１−３に示す一つのイメージング位置では、磁界強化器１６の平行な端面が水平方向になり、横たわった姿勢での患者のイメージングが可能となる。図４は他のイメージング位置を示す。この位置では、ピボット機構２２の軸を中心として支持フレームを９０°回転させているので、磁界強化器１６の平行な端面が垂直方向になる。この位置では、患者を立ったままイメージングすることができる。この目的のための適当なピボット機構については、上記の特願平４−１４１１４８号に説明されている。
【００１４】
超伝導コイル集合体１４は、超伝導物質のどの型の環状コイルであってもよい。たとえば、適当な超伝導コイル集合体は上記の米国特許第４，９２４，１９８号に説明されている。この米国特許第４，９２４，１９８号には、アルミニウムのリングにより支持されたエポキシ含浸された超伝導コイルを含む集合体が説明されている。コイルおよびリングは熱シールドによって取り囲まれ、集合体全体が真空エンクロージャの中に入れられている。冷却は２段の低温冷却器で行われる。超伝導コイル集合体１４はそれ自体では本発明の発明的な面を構成しないので、本発明の完全な理解のため超伝導コイル集合体１４について更に詳しく説明する必要はない。
【００１５】
単独で動作すると、コイル集合体１４の発生する磁界は、均一性が比較的低く、磁界強度が小さい。イメージングに適した均一性を有する磁界の部分、すなわちイメージング体積は小さい。強磁性の磁界強化器すなわち磁極片１６を含めることにより、本発明は磁界強度を増大し、磁界の均一性を大幅に改善するので、均一性が適切で、直径の大きな球状のイメージング体積２４が形成される。すなわち、磁極片の形状を適切に定めることにより、磁界がより大きな球状のイメージング体積２４内でより一様になるように変えられる。
【００１６】
理想的には、磁極片１６の重量および体積を最小限に維持しつつ、球状のイメージング体積２４内の均一性が最大になるように、磁極片１６が成形される。本発明の理想的な磁極片の形状は、非線形最適化設計法を使って決定される。この非線形最適化設計法は、コンピュータシミュレーションを介して、選定された磁石設計パラメータを自動的に調整することにより、所望の磁界強度および均一性を達成する。一般に、この設計方法では、実際の磁界と、完全に均一な理想的な磁界との間のずれを測定する設計パラメータの関数（目的関数と呼ぶ）の決定を含む。一旦決定されると、次に目的関数を最小にすることにより、完全に均一な磁界を最も正確に反映する磁界を生じる設計が見出される。
【００１７】
上記のように、設計方法の第一ステップは実際の磁界と完全に均一な磁界との差である目的関数を決定することである。選定されたパラメータの関数であるので、目的関数はパラメータが変わるにつれて変化する。目的関数の作成の際、目的関数の評価点も定めなければならない。評価点とは、評価のためにそこで磁界の強度および均一性を決定しなければならないイメージング体積内の、主として表面上の特定の点を指す。次のステップは、磁極片の初期モデルを定めることである。これは本質的に最初の形状であり、これを設計法によって再成形して、より良い磁界にしなければならない。磁極片の初期モデルは通常、経験的に決定される。本発明の場合には、ほぼ円筒形の形状が選定される。
【００１８】
初期の形状が定められれば、変更すべき設計パラメータを選定しなければならず、そして設計パラメータの拘束条件を定めなければならない。設計パラメータは磁石の設計に関連した数値変数である。主要なパラメータは磁極片の幾何学的寸法であるが、超伝導コイルの電流、巻線および相対位置のような他の物理的量も考慮に入れることができる。鉄磁極片の近傍の磁界の不均一性を小さくするための最も重大なパラメータは、本明細書では磁極面と呼ぶ、イメージング体積に面する各端面の形状である。磁極面は各磁極面の表面上の多数の点によって数学的に表され、これらの多数の点は、磁極片の縦軸に平行な垂直方向に上または下に摂動させることができる。したがって、これらの点は摂動点と呼ばれる。
【００１９】
選定されたパラメータは、物理的に妥当な限界内でのみ変えることができる。したがって、パラメータにある種の拘束条件を課さなければならない。たとえば、磁極面上の摂動点はあまりイメージング体積に近ずき過ぎるように調整することはできない。これはイメージング体積から所定のすきまを維持しなければならないからである。摂動点に対するもう一つの拘束条件は、二つの互いに隣接した摂動点の間の垂直距離は与えられた値を超えることができないということである。超えると、磁極面表面の製造が実行不可能になる。超伝導コイルを考えれば、他の拘束条件を追加しなければならない。たとえば、超伝導コイルの内径は磁極片の直径より小さくすることはできず、またある超伝導物質を通過し得る電流の量には限界があり得る。
【００２０】
最終ステップは目的関数を最小にすることにより、完全に均一な磁界を最も正確に反映する磁界を提供する磁極片の形状を作成することである。最小化は非線形最適化アルゴリズムを使用して行われる。目的関数は非常に非線形であるので、強固で、特定の拘束条件を組み込むことのできる目的関数の極小値に収束するためのアルゴリズムが必要とされる。ここに引用するコンピュータ・ジャーナル誌１９６５年、７巻、３０８−３１３頁所載のジェー・エー・ネルダおよびアール・ミードによる論文「関数最小化のためのシンプレックス法」（”Ａ Ｓｉｍｐｌｅｘ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｍｉｎｉｍｉｚａｔｉｏｎ，” Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｊｏｕｒｎａｌ， Ｖｏｌ． ７， １９６５， ｐａｇｅｓ ３０８−３１３， ｂｙ Ｊ．Ａ．Ｎｅｌｄｅｒ ａｎｄ Ｒ． Ｍｅａｄ）に説明されているシンプレックス法はこれらの必要条件を満たし、好ましい方法である。上記のネルダとミードの方法は、設計パラメータについて目的関数の偏導関数を評価する必要無しに目的関数の極小値への収束を行う。これは重要な考慮すべき事項である。目的関数は数値解析を介さなければ利用できないからである。
【００２１】
ネルダとミードの方法の基本的な考え方は、実効空間内の任意のシンプレックスから始めて、シンプレックスの一連の変換を通って目的関数の極小値に収束することである。変換は、シンプレックスの各頂点で関数値の比較を行なった後、最高値の頂点をもう一つの点で置き換えるものである。新しい点は一連の数学的演算によって決定される。上記の論文に、より詳細な説明が行われている。
【００２２】
上記のようにネルダとミードの方法では、シンプレックスの各頂点で目的関数の値の比較を行わなければならない。これを行うためには、目的関数の値を知らなければならない。本発明では周知の有限要素法を使って、コンピュータで磁石のモデルを作り、各頂点で目的関数を計算する。プロセスの間にパラメータを調整するたび毎に、新しい有限要素メッシュを作成し、有限要素解答器を動作させて目的関数の新しい値を計算する。
【００２３】
図５−７は、上記の方法によって決定された、成形された強磁性磁極片の三つの異なる実施例を示す。磁極片に対する開始形状として、ほぼ円筒形の形状が経験的に選ばれた。この形状が与えられると、ここで磁極面と呼ぶ、イメージング体積に面する端面の形状が、強磁性磁極片の近傍の磁界の不均一性を小さくするための重大な設計パラメータとなる。したがって、図５−７の実施例では、ほぼ円筒形の形状の高さおよび直径のような他の設計パラメータが与えられた状態で、上記の最適化法を使用して磁極面の最も適当な形状を決定した。
【００２４】
詳しく述べると、図５は成形された磁界強化器すなわち磁極片１１６の第一の実施例の横断面図である。磁極片１１６は、第一の円筒部分１１８、第一の円筒部分より直径が大きい第二の円筒部分１２０、および第一の円筒部分と第二の円筒部分を接合する円錐台部分１２２を含む。超伝導コイル集合体１４は第二の円筒部分１２０よりも長さが長い第一の円筒部分１１８に取り付けられる。したがって、磁極片１１６は二つの端面１２４、１２６を有するほぼ円筒形の部材である。第一の円筒部分１１８に隣接した第一の端面すなわち外側の端面１２４は球状のイメージング体積２０の反対側を向いているのに対して、第二の端面１２６すなわち磁極面は球状のイメージング体積２０の方を向いている。磁極面１２６には浅い磁界強化凹部１２８が形成されている。上記の設計法により決定される凹部１２８の特定の形状は、組み合わせ全体が大きな均一のイメージング体積を持つ磁界を生じるようになっている。
【００２５】
図５の磁極片の第一の実施例では優れた均一性が得られるが、かなり重くなる。重量を減らす設計を行った成形された磁極片の他の実施例が図６および７に示されている。詳しく述べると、図６は成形された磁極片２１６の第二の実施例の横断面図を示す。第二の実施例は、第一の円筒部分２１８、第一の円筒部分より直径が大きい第二の円筒部分２２０、および第一の円筒部分と第二の円筒部分を接合する円錐台部分２２２を含んでいる点に於いて図５の第一の実施例と同様である。磁極片２１６は、外側端面２２４に円錐形の凹部２３０が形成される点で第一の実施例と異なる。円錐形の凹部２３０は磁極片２１６の総重量を大幅に小さくする役目を果たす。磁極面２２６に磁界強化凹部２２８が形成されることにより、比較的大きなイメージング体積の中に最適レベルの均一性が生じる。凹部２２８の形状は、円錐形の凹部２３０の存在に対して自動的に適応する設計最適化法に従って決定される。したがって、磁界強化凹部２２８は第一の実施例１１６の対応する磁界強化凹部１２８とは少し異なっている。
【００２６】
本発明の開放形磁石構成に使用されるとき、図６の磁極片２１６は鉄で作ることが好ましく、その磁極面の直径は１．４メートルである。この磁極片の一対の重量は約２１０００ポンドである。超伝導コイル集合体１４は各々３００，０００アンペアターンであり、中心磁界強度は０．３５テスラである。このような構成について計算された均一性は、直径が３０ｃｍの球状のイメージング体積内で１２ｐｐｍであり、直径が４０ｃｍの球状のイメージング体積内では６９ｐｐｍである。
【００２７】
図７は成形された磁極片３１６の第三の実施例の横断面図である。第一の実施例および第二の実施例と同様に、成形された磁極片３１６には、第一の円筒部分３１８、第一の円筒部分より直径が大きい第二の円筒部分３２０、および第一の円筒部分と第二の円筒部分を接合する円錐台部分３２２が含まれている。図７の実施例では重量の減少は、外側端面３２４に複数の同心の環状の溝３３２を設けることによって行われる。この場合も、磁極面３２６に磁界強化凹部３２８が形成されることにより、比較的大きなイメージング体積の中に最適レベルの均一性が生じる。凹部３２８の形状は、環状の溝３３２の存在に対して自動的に適応する設計最適化法に従って決定される。したがって、凹部３２８は第一の実施例および第二の実施例の対応する磁界強化凹部とは少し異なっている。
【００２８】
鉄で作られ、磁極面の直径が１．４メートルである図７の一対の磁極片３１６は重量が約１２，１００ポンドとなる。一対の磁極片３１６をそなえ、０．３１テスラの磁界強度で動作する開放形磁石について計算された均一性は、直径が２５ｃｍの球状のイメージング体積内で２５ｐｐｍであり、直径が３０ｃｍの球状のイメージング体積内では４０ｐｐｍである。
【００２９】
以上、殆どの患者が容易に出入りでき、大きな、均一性のあるイメージング体積を生じるＭＲイメージング用の開放形磁石について説明してきた。ＭＲ磁石内の磁極片の最適形状を設計するための有用な方法も開示されている。本発明の特定の実施例について説明してきたが、特許請求の範囲に規定されている発明の趣旨および範囲を逸脱すること無く種々の変形をこれらに加え得ることは熟練した当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の非閉鎖形磁石の斜視図である。
【図２】本発明の非閉鎖形磁石の側面図である。
【図３】水平イメージング位置に位置決めされたときの非閉鎖形磁石の正面図である。
【図４】垂直イメージング位置に位置決めされたときの非閉鎖形磁石の正面図である。
【図５】本発明の成形された磁極片の第一の実施例の横断面図である。
【図６】本発明の成形された磁極片の第二の実施例の横断面図である。
【図７】本発明の成形された磁極片の第三の実施例の横断面図である。
【符号の説明】
１０ ＭＲ開放形磁石装置
１２ 磁石集合体
１４ 超伝導コイル集合体
１６ 磁界強化器
１８ 支持フレーム
２０ ペデスタル
２４ イメージング体積
１１８，２１８，３１８ 第一の円筒部分
１２０，２２０，３２０ 第二の円筒部分
１２２，２２２，３２２ 円錐台部分
２２４，３２４ 外側端面
２３０ 円錐形の凹部
３３２ 環状の溝

Claims (1)

1. ペデスタル、上記ペデスタルに回転可能に取り付けられている、アルミニウム製のＣ字形支持フレーム、上記Ｃ字形支持フレームの一端部に取り付けられた第一の強磁性の磁界強化器、および上記Ｃ字形支持フレームの別の端部に取り付けられた第二の強磁性の磁界強化器、第一および第二の超伝導コイルを含み、
   上記第一の磁界強化器と上記第二の磁界強化器がそれらの間にイメージング体積を形成するように互いに間隔を置いて平行に配置されており、
   更に、上記第一および第二の磁界強化器の各々は、
   溝の深さが異なっている複数の同心の環状の溝が形成された、前記イメージング体積の反対側の端面を有し、上記第一または第二の超伝導コイルが取り巻いている第一の円筒部分、
   上記第一の円筒部分より直径が大きく且つ凹部を設けた前記イメージング体積に面する端面が形成されている第二の円筒部分、および
   前記第一および第二の円筒部分を接続する円錐台部分を含んでおり、
   上記第一の磁界強化器と上記第一の超伝導コイルは、第一の磁石集合体を形成し、上記第二の磁界強化器と上記第二の超伝導コイルは、第二の磁石集合体を形成することを特徴とする開放形磁気共鳴イメージング用磁石装置。

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