JP4335799B2 - 磁気共鳴断層撮影装置のための傾斜コイルシステム - Google Patents

Description

本発明は、一般に、核スピン断層撮影（同義語：磁気共鳴断層撮影 MRT）に使用されるような傾斜コイルの冷却に関する。その際本発明は特に、傾斜コイルにおけるよりすぐれた熱の搬出のために新種の冷却チューブと新種のキャスティング材を使用することに関する。

MRTは核スピン共鳴の物理現象に基づき、画像形成の方法として15年以上前から医学及び生物物理学に使用され成功を収めている。この検査方法においては、対象物は強い一定の磁場に曝露される。それによって、それまで無秩序に向いていた対象物内の原子の核スピンが整列する。ところで高周波はこの「整列された」核スピンを特定の振動（共鳴周波数）に励起する。この振動はMRT内に固有の測定信号（高周波応答信号）を形成し、この測定信号が適切な受信コイルによって受信される。

画像再構成のためには、高周波応答信号の各発生位置についての正確な情報（位置情報ないし位置コーディング）が前提である。この位置情報は、静磁場に対する補助磁場（傾斜磁場）によって３つの空間方向に沿って得られる。この傾斜磁場は主磁場に比較して小さく、補助抵抗コイルによって磁石の患者用開口に形成せしめられる。この傾斜磁場によって、全磁場は各ボリウムエレメントにおいて異なり、従ってまた共鳴周波数も異なる。明確に定められた共鳴周波数が照射されると、磁場が相応する共鳴条件を満たす場所に存在する原子核のみが励起され得る。傾斜磁場を適切に変更すると、共鳴条件が満たされるようなボリウムエレメントの場所を明確に移動させ、所望の領域を走査することを可能にする。

この方法は、描写すべき層の自由な選択を可能にし、それによって人体のあらゆる方向からの断面像を撮影することができる。MRTは、現代、秒及び分のオーダの測定時間においてすぐれた画像品質を可能にする高い傾斜出力による適用を用いる。

MRT装置の構成要素の絶え間のない技術的発展及び速い画像生成シーケンスの導入は、MRTに医学におけるますます多くの使用領域を開く。最小浸襲性の外科を支援するための実時間画像生成、神経医学における機能的な画像生成、及び心臓学における血流測定は、若干の僅かな例にすぎない。

このようなMRT装置の主要部分の１つの根本的な構造が図７に示されている。図は基本磁場磁石１（例えば能動的漂遊磁場遮蔽を有する軸方向超伝導空心コイル磁石）を示し、この磁石は内部空間において均一な基本磁場をある方向、例えばｚ方向に生ずる。超伝導磁石１は内部において液体ヘリウム中に存在する超伝導コイルからなっている。基本磁場磁石１は一般に特殊鋼からなる２殻式タンクにより囲まれている。液体ヘリウムを含み部分的に磁石コイルのための巻回体としても用いられる内部タンクは、弱熱伝導性のGrk棒（ロッド）を介して室温下にある外部タンクに吊るされている。内部タンクと外部タンクとの間は真空が支配する。

支持要素７により円筒状の傾斜コイル２は基本磁場磁石１の内部空間へ支持管の内部へ同心的にはめ込まれている。この支持管は、外に向けては外殻８により、内に向けては内殻９により区切られている。

傾斜コイル２は３つの部分巻線を有し、これらの部分巻線はそれぞれ印加された電流に比例し空間的にそれぞれ互いに垂直の傾斜磁場を生ずる。図８に示されるように、傾斜コイル２はｘコイル３、ｙコイル４及びｚコイル５を含み、それらはそれぞれコイル心６に巻きつけられており、その結果目的に適うように平行座標ｘ、ｙ及びｚの方向に傾斜磁場を発生する。

ｘコイル３及びｙコイル４はいわゆる鞍形コイルで、それらは周辺部において部分的に重なるが一般的にはｚ軸に関して90°互いに回転している。ｚコイル５は従来のマックスウェルコイルである。

磁気共鳴周波数は直接磁場強度に関係するので、定義された測定ボリウムにおいてこのボリウムの各点に等しい磁場の強さが支配的でなければならない。このことは、位置解明ないし画像生成のために、及びスペクトロスコピック（化学シフト）画像生成における周波数スペクトルの再生度のために重要であり、画像生成において測定対象の敏感さにより生ずる磁場ひずみが後で修正されなければならない。

基本磁場を均一化するために（以下シムという）、とりわけ２つの技術が知られている。

１．この傾斜コイル２の内部に、電流の流れる別の直交コイルシステムが存在し、このシステムによって基本磁場を均一化することが可能である。この付加の修正コイル１０（シムコイル）（図９）はそのため高次の磁場不均一性を均一化するのに用いられ、それ故極めて複雑に構成されている。

２．基本磁場を均一化するため、磁場計算プログラムを使用して、磁石孔内（即ち、傾斜コイルの内部又は傾斜コイルと基本磁石との間）に取り付けるべき鉄材１１（シム鉄材）（図９）の適切な配置が計算される。計算のための設定された規準値として磁場分布の前もっての測定が用いられる。組立後さらに検査測定が行われる。この過程は、満足のいくシム結果が得られるまでに何回も繰り返されなければならない。

点１の技術がアクティブシムといわれるのに対し、点２の技術はパッシブシムといわれる。

傾斜コイルもシムコイルも、図６に示されるように矩形断面を有するワニス絶縁された平形銅線１３から作られる。銅線１３は特殊な巻き形（鞍形コイルの場合は二次元）でコイルに巻かれ、支持体１２（図６）上に貼り付けられる。次いでこの支持体は例えば鞍形コイルに相応する形に曲げられ、傾斜コイル２上に組み立てられる。次のステップにおいて、コイル端がいわゆる給電ケーブルと適当にろう付けされ、その結果傾斜コイル給電部ないしシム給電部と結ばれることによりコイルが接続される。

傾斜コイル給電部の課題は、パルス列制御でプログラムされた順序に相応して電流パルスを正しい振幅と時間で発生せしめることである。必要な電流は約250Aにあり、電流上昇率は250kA/sの程度の大きさにある。

このような条件下では、傾斜コイル及びシムコイルにおける電力損失によって極めて多量の熱が生じ、この熱は能動的冷却によってしか導出できない。従来技術によればこのことは、図６に示されるように、合成物質又は銅の熱交換器１８によって実施され、この熱交換器は各コイルと先ずできるだけ良好に接触せしめられる。次いでコイル１３及び熱交換器１８は必要な機械的安定性を得るため硬質キャスト１６が設けられる。

この硬質キャスト１６は一般に、充填材として石英粉を有し無水酸で硬化されたエポキシ樹脂からなり、絶縁抵抗及び部分放電耐性に対する必要な高い値を有する。熱伝導度はなるほど0.8W/mKにあるが、コイル１３から熱交換器１８の周辺への熱伝導は不十分にしか行われない。さらに、コイル１３と熱交換器１８との間の接触面は極めて小さい。何故なら、その幾何学的形状（リング状の断面を有する冷却チューブ）に基づいて線状の接触面しか生じないからである。しかし有効な熱伝達はとりわけそれによって妨げられる。何故なら現在の合成物質製熱交換器１８の材料にあっては、僅か約0.2 W/mKの熱伝導度を持った市場で流通する熱可塑性合成物質が対象になるからである。耐圧性に基づき必要な壁厚のために、この熱伝導度は決定的な熱抵抗を示す。

銅製熱交換器（それは現在使用されているものである）は、銅管の断面が長方形に形成されているから冷却すべきコイルと全体としてはなるほど比較的大きい接触面を形成するが、別の無視できない欠点を有する。即ち、このような銅製熱交換器の構造は、断面長方形状の管を曲げることが断面の変化を招くから構造的に非常に高価につく。それ故引き返し点ではろう付けされなければならず、このことは品質上のリスク及び製造コストの上昇を導く。導電性の熱交換器の他の大きな欠点は、銅製熱交換器が示すように、傾斜コイルによって生ずる磁場変化が熱交換器内にうず電流を誘起し、このうず電流がオーム抵抗に基づいて熱に変換され、冷却チューブを加熱する事実である。

最近の傾斜コイルシステムの出力に対する要求の高まりに基づき、このことは排出すべき熱の増大をも意味する。熱が十分に排出されないと、例えばキャスティング材が機械的に固い状態から弾性ゴム状の状態に移行するガラス遷移温度以上に加熱され、このことは機械的特性の強烈な変化に導く。キャスティング材の加熱は同じようにシム鉄材の加熱及びその結果として磁場のひずみを招くことになり、このことはMR撮影の画像の質に好ましくない作用を及ぼすことになる。特に全身検査のための核スピン断層撮影において、傾斜コイル及びシムコイルの良好な冷却は特に必要である。何故ならこの場合患者は管状に形成された傾斜コイル構成要素の内部空間に横たわっており、加熱が強すぎると患者の容認できない負担となるからである。

それ故本発明の課題は、より有効な冷却を使用した磁気共鳴装置のための傾斜コイルシステムであって、上述の問題点を減少ないし回避し得るものを提供することにある。

この課題は本発明によれば、独立請求項の特徴により解決される。従属請求項は、本発明の中心的思想を特に有利に発展させたものである。

したがって、基本磁場のコーディングのための傾斜コイルを有し、この傾斜コイルが冷却すべき要素として冷却材による能動的冷却のため冷却チューブと熱的に接触する磁気共鳴装置のための傾斜コイルシステムが提案される。本発明によれば、冷却チューブが0.5W/mKより大きい熱伝導度を有し充填材で成分を増加された可撓性の熱可塑性材料からなっている。

傾斜コイルシステムはさらに、基本磁場の均一化のため１つ又は複数のシム鉄材を有するパッシブシムシステムを備えることができ、このシム鉄材は別の冷却すべき要素として冷却チューブと熱的に接触する。

さらに、傾斜コイルシステムは基本磁場の均一化のため１つ又は複数のシムコイルを有するアクティブシムシステムを備えることができ、このシムコイルは同様に別の冷却すべき要素として冷却チューブと熱的に接触する。

本発明の第１の実施形態においては、冷却チューブは１つ又は複数の冷却すべき要素の回りに巻き付けられ、キャスティング材により冷却すべき要素と１つの構成単位にキャスティングされる。

本発明の第２の実施形態においては、複数の平行に導かれた冷却チューブが冷却すべき要素の回りに巻き付けられ、キャスティング材により冷却すべき要素と１つの構成単位にキャスティングされる。

第３の実施形態においては、冷却チューブは支持板上にらせん状又は蛇行状に巻き付けられ、支持板に固定され、冷却チューブ側で冷却すべき要素上に押し付けられる。

支持板はその上に固定された冷却チューブと共に、冷却すべき要素とキャスティング材により１つの構成単位にキャスティングされるのが有利である。

本発明の特に有利な実施形態においては、１つ又は複数の平行に、ないし蛇行状又はらせん状に導かれた冷却チューブがキャスティング材により冷却板といわれる１つの構成単位にキャスティングされ、そのキャスティング材は高い熱伝導度の充填材で成分を増加された液状の反応樹脂からなり、0.8W/mKより大きい熱伝導度を有する。

この冷却板は冷却すべき要素と大きい面の熱的接触がされている。

このような冷却板は、冷却すべき要素の導体すきまに敷設することもできる。

確実な機械的安定性を保障するため、冷却板と冷却すべき要素とはキャスティング材により１つの構成単位にキャスティングされるのが有利である。

本発明の他の有利な構成は、傾斜コイルないしシムコイルの給電ケーブルを良熱伝導性の板の溝内にキャスティング材によりキャスティングするもので、その際このキャスティング材は特に高い熱伝導度の充填材で成分を増加された液状の反応樹脂からなり、0.8W/mKより大きい熱伝導度を有する。

本発明の他の利点、特徴及び特性は、添付図面に基づく実施例により詳細に説明される。

図１には本発明の実施例の断面が示され、新種の材料からなり蛇行状に、又は平行に敷設された冷却チューブ１４が同様に新種のキャスティング材１５で敷設面内で冷却板に前キャスティングされており、この組み込まれた冷却チューブを有する冷却板は従来のキャスティング材１６内に埋め込まれている。冷却材としては一般に水を使用することができる。

冷却チューブの新種の材料は、粉末状の好ましくは高い熱伝導度を有する電気絶縁性の充填材が添加された熱可塑性合成物質からなっている。この理由で、冷却チューブ材料の熱伝導度は従来の冷却チューブ材料に比較して極めて高い。その熱伝導度は0.5〜2W/mKの間にある。

熱可塑性合成物質には、次の群からの熱可塑性エラストマーが対象になる。即ち、TPE-U（ポリウレタン・ベースの熱可塑性エラストマー）、TPE-A（ポリアミド・ベースの熱可塑性エラストマー）、TPE-E（ポリエステル・ベースの熱可塑性エラストマー）、TPE-O（ポリオレフィン・ベースの熱可塑性エラストマー）、スチロール・ブロックコポリマー（SEBS・ブロックポリマー、SBS・ブロックポリマー）、EPDM/PE混合物、EPDM/PP混合物、EVA、又はPEBA（ポリエーテルブロックアミド）がそれである。

充填材の含有量は、15〜50容量％の間にある。充填材は次の充填材の群から選ばれる。即ち、石英、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、硫化亜鉛、及びそれらの混合物がそれである。また、上述の充填材は部分的に又は全部、アルミニウム、銅、銀等のような良熱伝導性の粉末状金属で代替することもできる。原則としては、破片状、球状、繊維状並びに小板片状の粒子を使用することができる。充填材の最大の粒子サイズについては、明らかにチューブの現実にすべき壁厚の下にとどまるのが有利である。典型的にはチューブの内径は0.05〜5mmの壁厚で1mm〜20mmの間にある。その際チューブの断面は円形状又は長円状とすることができ、またはブリッジで分離された複数の室からなることも可能である。15％より大きい引き裂き伸びによって、5cmより小さい曲率半径を持って製作されたチューブが引き裂かれたり折れ曲がることなく加工されることが可能である。本発明によるチューブは高い可撓性にもかかわらず20barより大きい破裂圧力を有する。本発明によるチューブは15MPa以上の引張り強さと100〜2000MPaの間の弾性係数を有する。

図１による冷却チューブが埋め込まれている新種のキャスティング材は、基本的に課題として、埋め込まれた冷却チューブに対するできるだけ良好な熱接触が作られるべき大きな熱伝達面として演じるべき大きな接触面を作り出さなければならない。新種のキャスティング材に課される要求は、それ故まず第一に極めて良好な熱伝導度である。この熱伝導度は0.8〜3W/mKの間にある。

新種のキャスティング材は、液状の反応樹脂と高められた熱伝導度を有する粒子状の充填材とからなる。液状の反応樹脂としては例えばエポキシ樹脂が対象となり、その際網状結合されたデュロプラスト物質への硬化は、無水酸、アミン、フェノール、メルカプタンによって、場合によっては公知の反応促進剤を添加して、行うことができる。しかしまた、ポリオールと硬化されるイソシアネートをベースとする反応樹脂であってもよい。使用される充填材としては、石英、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、硫化亜鉛、及びそれらの混合物が対象になり得る。種々の粒子サイズからなる混合物を使用することができる。２つの異なる粒子サイズからなる混合物を使用するのが好ましく、その際第１の充填材の平均粒子サイズは第２の充填材の半分より小さい。第１の充填材の平均直径は20〜200μmの範囲にある。

充填材は、樹脂成分及び硬化剤成分中に真空下で別々に混ぜられ、それらから予混合物が作られる。そのようにして準備された予混合物は正しい割合で混合され、排気される。図１による冷却板を得るため、新種の材料からなるチューブ１４は型に入れられ、チューブ１４間のすきまが新種のキャスティング材１５で埋められ、このキャスティング材は150℃までの温度で硬化される。

図２にはこのような冷却板の面に沿う断面の平面図が示されている。冷却チューブは、個々のチューブの長さ及び従って圧力損失を最小にするため、平行に敷設され、例えば分配部分（図示せず）に通じている。新種のチューブ材料の高い可撓性に基づき、図２に示されるように、曲率半径を5cmより小さくすることができる。このことは、従来の冷却チューブ材料に対し、全体として、冷却すべき面が冷却チューブの例えば蛇行状又はらせん状の配置においてより有利に、ないしより効果的におおわれ得るという別の大きな利点を持つ。

図３には本発明による冷却システム、コイル・冷却チューブ、の第１の構成における熱の流れ（矢印で示す）が示されている。平形線の形に支持体１２上に巻き付けられた対応するコイル１３（傾斜コイル又はシムコイル）は、対応する流れによって強く加熱される。加熱されたコイルより十分に冷たい冷却材１７（例えば水、油等）が流れることによって、コイルと冷却チューブとの間に強く且つ均一に分布した温度勾配が新種のキャスティング材１５の全接触（支持）面にわたり生ずる。矢印で認められるように、冷却チューブへの熱の流れは新種のキャスティング材１５の良熱伝導度にもとづいて全支持面から行われるから、極めて有効な熱排出が行われる。コイル１３及びキャスティング材１５はその中に含む冷却チューブ１４と共に従来のキャスティング材１６により１つの安定した構成単位にキャスティングされることにより、コイル１３と新種のキャスティング材１５との間の空隙を回避し、もって熱伝達及び部分放電耐性を高めている。

図４には本発明による冷却システム、コイル・冷却チューブ、の第２の本質的に簡単化された構成が示されている。この簡単化された変形によれば、冷却チューブ（本発明による新種の材料からなる）は簡単にコイル上に（例えば円筒状のｚ傾斜コイル上に）巻き付けられ、次いで従来のキャスティング材１６でキャスティングされている。冷却システムのこの構成の場合、従来のキャスティング材１６の低い熱伝導度に基づき熱排出は、矢印から認められるように、ほぼ線状の支持面上でのみ行われる。従って熱伝達領域は確かに比較的僅かであるが、熱伝達は良好なチューブ材料に基づいて従来技術におけるよりなおずっと高い。既に述べたように、個々のチューブの長さ及び圧力損失を最小にするため、複数のチューブを平行に巻き付けるのが有利である。

システム、コイル・冷却チューブ、の別の第３の構成が図５に示されている。その構成は、冷却チューブを例えばらせん状又は蛇行状に硬い又は弾力性の支持板１９上に巻き付けそこに固定することにある。そのようにしてできた合成物質製熱交換器１４-１７-１９は対応するコイル上に押し付けられ、従来のキャスティング材１６（又は本発明によるキャスティング材１５：図示せず）によりキャスティングされる。この合成物質製熱交換器１４-１７-１９は、コイルによって設定された基準値に相応して効率的に前もって作り上げておくことができる。この前もって作り上げられた要素は、同様にコイルの組立中に特にそのためにあらかじめ設けられた導体すきま中に敷設することができる。

図３及び５に示された本発明の実施形態を組み合わせることももちろん可能である。例えば支持板をその上に固定された冷却チューブと共に特に熱伝導性のキャスティング材を使用して冷却板にキャスティングされるようにすることもでき、次いで冷却板が冷却すべき要素上に押し付けられる。

なお、コイル端の給電ケーブルが同様に強く加熱されることも触れておく。この理由で、これらのケーブルは従来技術によれば金属ブロック（例えばアルミニウム）の溝内に敷設され、二成分型接着剤によりキャスティングされる。それに対し本発明によれば、溝内に敷設された給電ケーブルをよりすぐれた脱熱のために新種のよりすぐれた熱伝導性のキャスティング材でキャスティングすることが提案される。このことは特に給電ケーブルが同軸構成の場合にも有効である。

従来のキャスティング材でキャスティングされた本発明による冷却板の断面図を示す。 本発明による冷却板の断面の平面図を示す。 平形線式コイル上に組み込まれコイルと１つの構成単位にキャスティングされた本発明による冷却板の一部の断面図を示す。 本発明による材料からなる冷却コイルが巻き付けられ従来のキャスティング材でキャスティングされた平形線式コイルの断面図を示す。 支持板上に固定され本発明による材料からなる冷却コイルが押し付けられ従来のキャスティング材でキャスティングされた平形線式コイルの断面図を示す。 平形線式コイル上に組み込まれコイルと従来のキャスティング材により１つの構成単位にキャスティングされた従来の材料からなる冷却チューブの断面図を示す。 基本磁場磁石の斜視図を示す。 ３つの部分巻線を有する傾斜コイルの斜視図を示す。 組み込まれたシムコイルと幾何学的に分布されたシム鉄材とを有する円筒状の基本磁場磁石のための傾斜コイルシステムの概略図を示す。

符号の説明

１ 基本磁場磁石
２ 傾斜コイル
３ ｘコイル
４ ｙコイル
５ ｚコイル
６ コイル心
７ 支持要素
８ 外殻
９ 内殻
１０ 修正コイル（シムコイル）
１１ シム鉄材
１２ コイル
１３ コイル（平形線）
１４ 冷却チューブ
１５ 新種のキャスティング材
１６ 従来のキャスティング材
１７ 冷却材
１８ 熱交換器
１９ 支持板

Claims (7)

1. 基本磁場のコーディングのための傾斜コイルを有し、傾斜コイルが冷却すべき要素として冷却材による能動的冷却のための冷却チューブと熱的に接触する磁気共鳴装置のための傾斜コイルシステムにおいて、前記冷却チューブが充填剤で成分を増加され0.5W/mKより大きい熱伝導度を有する可撓性の熱可塑性材料からなり、前記冷却チューブは支持体上にらせん状又は蛇行状に巻き付け固定され、前記冷却チューブの側に前記冷却すべき要素が押し付けられ、前記支持板、前記支持板上に固定された冷却チューブ及び前記冷却すべき要素は良熱伝導性のキャスティング材により１つの構成単位にキャスティングされている磁気共鳴装置のための傾斜コイルシステム。
2. 基本磁場の均一化のため１つ又は複数のシム鉄材を有するパッシブシムシステムを備え、前記シム鉄材が冷却すべき別の要素として前記冷却チューブと熱的に接触する請求項１記載の傾斜コイルシステム。
3. 基本磁場の均一化のため１つ又は複数のシムコイルを有するアクティブシムシステムを備え、前記シムコイルが冷却すべき別の要素として前記冷却チューブと熱的に接触する請求項１又は２記載の傾斜コイルシステム。
4. 前記冷却チューブがキャスティング材により冷却板として１つの構成単位にキャスティングされており、そのキャスティング材が良熱伝導度の充填剤で成分を増加された液状の反応樹脂からなり、0.8W/mKより大きい熱伝導度を有する請求項１〜３のいずれか１つに記載の傾斜コイルシステム。
5. 前記冷却板が前記冷却すべき要素と面状の熱接触をしている請求項４記載の傾斜コイルシステム。
6. 前記冷却板が前記冷却すべき要素の導体すきま内に敷設されている請求項４又は５記載の傾斜コイルシステム。
7. 傾斜コイルないしシムコイルの給電ケーブルが良熱伝導性のブロックの溝内にキャスティング材によりキャスティングされており、そのキャスティング材が良熱伝導度の充填剤で成分を増加された液状の反応樹脂からなり、0.8W/mKより大きい熱伝導度を有する請求項１〜６のいずれか１つに記載の傾斜コイルシステム。

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