JP4341109B2 - 非導電性内壁を有するｍｒｉ磁石アセンブリ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）スキャナに関し、特にＭＲＩスキャナ用の低騒音型サブアセンブリに関する。
【０００２】
【従来の技術】
人体組織などの物質がｚ方向の均一な磁場（分極磁場Ｂ₀ ）にさらされると、組織中の核スピンの個々の磁気モーメントが、この分極磁場と整列しようとして、そのまわりに固有のラーモア周波数で歳差運動する。組織がｘ−ｙ平面内にあり且つラーモア周波数に近い磁場（励起磁場Ｂ₁ ）にさらされると、正味の整列したモーメントＭｚがｘ−ｙ平面へ回転すなわち傾いて、正味の横方向磁気モーメントＭｔを生成する。励起されたスピンにより信号が放出され、そして励起磁場Ｂ₁の終了後、この信号を受信して処理することにより画像が形成される。
【０００３】
これらの信号を利用して画像を形成する際、磁場勾配（Ｇｘ、Ｇｙ及びＧｚ）が使用される。代表的には、撮像対象の領域は、使用する特定の局在化法にしたがって上記勾配を変える１系列の測定サイクルによりスキャンされる。こうして得られた１組の受信した核磁気共鳴（ＮＭＲ）信号が、多数の周知の再構成技法のいずれかを用いることにより、デジタル化され処理されて画像を再構成する。
【０００４】
ＭＲＩスキャナに分極磁場を生成するのに用いる磁石には、超電導コイル磁石と抵抗コイル磁石と永久磁石とがある。超電導磁石としては、液体ヘリウム冷却型超電導磁石及びクライオクーラ冷却型超電導磁石が周知である。代表的には、ヘリウム冷却型磁石の場合、超電導コイル・アセンブリの超電導主コイルは、真空エンクロージャ内に配置された二重シールドにより包囲されたデュワーびんに入れた液体ヘリウムに少なくとも部分的に浸漬されている。従来のクライオクーラ冷却型磁石では、超電導主コイルは真空エンクロージャ内に配置された熱シールドで囲まれ、クライオクーラのコールドヘッドが外部から真空エンクロージャに装着されており、ここでコールドヘッドの第１段が熱シールドと熱接触関係にあり、コールドヘッドの第２段が超電導主コイルと熱接触関係にある。Ｎｂ−Ｔｉ超電導コイルの代表的な動作温度は約４°Ｋで、Ｎｂ−Ｓｎ超電導コイルの代表的な動作温度は約１０°Ｋである。熱伝達は、磁石の「クエンチング」すなわち超電導の喪失につながるおそれがあるので、このような望ましくない熱伝達を防止するために、真空エンクロージャの真空は極めて低い圧力でなければならない。
【０００５】
超電導磁石の設計には、閉鎖形磁石と開放形磁石とが知られている。閉鎖形磁石は、代表的には、ボア（すなわち中孔）を有する単一のチューブ状超電導コイル・アセンブリを備える。超電導コイル・アセンブリは、数個の半径方向に整列され且つ長さ方向に離間された超電導主コイルを含み、その各コイルは大きな同一の電流を同一方向に通す。超電導主コイルは、通常、撮像対象の物体が位置する磁石のボアに中心合わせされた球形撮像容積内に均一性の高い分極磁場を生成するように設計されている。
【０００６】
開放形磁石では、代表的には、２つの離間されたトロイダル形状の超電導コイル・アセンブリを使用し、両アセンブリ間の空間は、ＭＲＩイメージング中に手術あるいは他の医療処置を行う医師によるアクセスを可能にする。患者はその空間内に且つ２つの離間したコイル・アセンブリのボア内に位置させる。開放空間であるので、患者は、閉鎖形磁石設計で経験するおそれのある閉所恐怖症的な感覚を受けずにすむ。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
撮像用勾配磁場は、主分極磁場コイルと患者との間に配置された勾配コイル・アセンブリにより生成される。撮像用勾配磁場は一連のパルスとして加えられるので、ＭＲＩスキャナの勾配コイル・アセンブリは、大抵の患者が不愉快に感じる大きな騒音を発生する。勾配コイル・アセンブリの騒音を低減するために、騒音打ち消し用患者イヤホーンなどの能動的な騒音抑制技術が使用されている。受動的な騒音抑制技術としては、勾配コイル・アセンブリを超電導主コイルを収容する同じ真空エンクロージャに配置することなどが知られている。
【０００８】
本出願人に譲渡された米国特許出願第０８／６９６，０７７号（１９９６年８月１３日出願）「低騒音型ＭＲＩスキャナ」に開示されているように、振動絶縁マウントを用いてＭＲＩ勾配コイル・アセンブリを分極磁場磁石と患者との間の空間に支持することができる。この空間も密封して排気するのがよい。振動絶縁マウントは、音が勾配コイルから支持構造を通して伝搬されるのを阻止し、また、真空は、音が空気を通して周囲構造に伝搬されるのを妨害する。これらの手段は、患者に届く騒音のレベルを低くするのにきわめて有効であるが、さらなる騒音低減が望まれている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
活性状態の勾配コイルが騒音を発生する機構の一つとして、超電導コイル・アセンブリの内壁に誘導されるうず電流が関係し、このうず電流は分極磁場と相互作用して超電導コイル・アセンブリの構成要素にローレンツ力を生じさせ、これによりこれらの要素を振動させて騒音を生じさせる。本発明によれば、磁石アセンブリの内壁を、うず電流の流れない非導電性材料製の内壁に置き換えることにより、この騒音発生機構を取り除く。
【００１０】
本発明の別の面では、磁石が発生する軸線方向力及び磁石エンクロージャ内の真空が発生する力の両方に耐えるのに十分な強さを有し且つ水蒸気不透過性である磁石アセンブリ用非導電性内壁を構成する。内壁は、電気絶縁性材料からなる円筒形状の内層と、非磁性金属の薄いリボンを内層のまわりに巻くことにより形成した蒸気バリア層と、電気絶縁性材料からなる外層とから構成される。絶縁層はリボンの片側に配置される。リボンの相次ぐターン（巻回部）間に接触する絶縁材料が、金属製蒸気バリアにうず電流が生じるのを防止する。外層は、主磁石が発生する軸線方向力及び磁石エンクロージャ内の真空が発生する力の両方に耐えるのに十分なレベルに内壁強度を増強するのに十分な厚さとする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明を用いた磁石（マグネット）アセンブリの斜視図である。図示のＭＲ磁石アセンブリ１０は、真空容器シリンダ１２、円筒形外壁１３、外壁１３から半径方向内方に延在する環状端板１６及びボア軸線３６のまわりに中心合わせされた円筒形内壁１４を備える。真空シリンダ１２及び端板１６は、強磁性材料たとえば遮蔽磁石用の圧延軟鋼板、あるいは非磁性材料たとえば非遮蔽磁石用のアルミニウムまたはステンレス鋼で形成する。内壁１４は非磁性で非導電性の材料で形成する。これらの要素を互いに緊締して真空密な環状チャンバ１５を形成する。遮蔽磁石の場合、当業界でよく知られているように、端板１６が真空容器シリンダ１２にぴったりはまり、端板間に磁束を通し、磁石の外側に放射される磁場を低減する。内壁１４は、ＮＭＲスキャニング中に患者が位置する磁石ボアに磁場が侵入するのを可能にする。磁石アセンブリ１０は、この磁石ボア内に高強度の均質な磁場を確立することが必要である。
【００１２】
図２に示すように、真空密な環状チャンバ１５は、それぞれボア軸線３６のまわりに配置された円筒形の同心な外壁２６と内壁２４とからなる第１熱シールドを包囲している。外壁２６及び内壁２４の端部間の空間は端板２８により閉じられている。
それぞれボア軸線３６のまわりに配置された円筒形の同心な外壁３２と内壁３０とからなる第２熱シールドが第１熱シールド内に収容されている。外壁３２及び内壁３０の端部間の空間は端板３４により閉じられている。
【００１３】
第２熱シールドの外壁３２及び内壁３０により包囲された空間内には、やはり同様にボア軸線３６と同軸な円筒形の同心な外壁２０と内壁１８とからなる液体ヘリウム容器が配置されている。外壁２０及び内壁１８の端部間の空間は端板２２により閉じられている。第１熱シールド、第２熱シールド及びヘリウム容器は、アルミニウムなどの非磁性材料から構成される。
【００１４】
ヘリウム容器により囲まれた空間内には、同じくボア軸線３６と同軸な円筒形コイル巻型３８が配置され、このコイル巻型３８は、ボア軸線３６に沿って離間された一連の磁石コイル４０を保持する。コイル４０は、ボア軸線３６と同軸に配置され、ボア軸線に沿った中心点に対して対称な対をなしている。磁石１０の作動時には、液体ヘリウム容器を液体ヘリウム４６で満たし、磁石コイル４０を超電導状態に冷却する。コイル４０が発生する磁場はコイルを互いに反発または吸引させるので、コイル巻型３８の円周をとり巻く一連の保持面３９によりコイル４０を軸線方向移動に対して拘束する必要がある。保持面３９は磁石コイル４０を互いに正確に位置決めする役目も果たす。
【００１５】
図３には、勾配（または傾斜）コイル・アセンブリ６６が、磁石アセンブリ１０のボア内に、ボア軸線３６のまわりに同心に装着された状態で図示されている。勾配コイル・アセンブリ６６は、たとえば、４つ１組の下方絶縁マウント６２（うち２つだけが図面に見える）及び１対の上方絶縁マウント６４（うち１つだけが図面に見える）により所定位置に保持されている。下方絶縁マウント６２はアセンブリ６６の重量を支え、上方絶縁マウント６４は下向き圧縮力を加えて、勾配コイル・アセンブリ６６の垂直移動を制限する。これらの絶縁マウント６２及び６４は、勾配コイル・アセンブリ６６全体の機械的共振周波数が撮像用パルス系列に用いられる勾配パルスの周波数範囲より低くなるように、スチッフネスを選択したゴム製振動絶縁体を含む。代表的には、この共振周波数は５〜３０Ｈｚの範囲にある。絶縁マウント６２及び６４を、図２に示すようにボア内に配置してもよく、あるいは、ブラケット（図示せず）をマグネットアセンブリ１０及び勾配コイル・アセンブリ６６それぞれの端部に固着して絶縁マウント６２及び６４用の剛固なサポートを構成してもよい。
【００１６】
図２及び図３に示すように、勾配コイル・アセンブリ６６は、磁石アセンブリ１０の内壁１４と同心であって且つそれに近接している。１組の勾配コイル、たとえば本出願人に譲渡された米国特許第４，７３７，７１６号に開示された勾配コイルを、アセンブリ６６上に形成する。
図２及び図５に示すように、勾配コイル・アセンブリ６６は、患者ボア壁６８及び１対の端部ベル(bell)６９により画定された環状チャンバ６７内に収容されている。これらの構成要素は、非導電性材料から形成され、撮像対象の患者が配置されるシステムのボアを画定する。端部ベル６９は円筒形患者ボア壁６８の対応する端部に取り付けられ、これらの連結部それぞれのシールをゴム製Ｏリング７０で形成する。端部ベル６９は、勾配コイル・アセンブリ６６の端部を覆い、半径方向外向きに延在して端板１６の面に密着する。ガスケット７１により、各端部ベル６９とそれが密着する端板１６との間にシールを形成する。前掲の米国特許出願に記載されているように、環状チャンバー６７を排気して、患者に達する勾配コイル発生騒音を減らす。
【００１７】
勾配コイル６６はその磁場を半径方向内向きに磁石のボアに向けるように設計されているが、それでも周囲領域に磁場を発生する。この周囲磁場は、磁石アセンブリ１０の導電要素にうず電流を生じさせて、それらを振動させる。磁石アセンブリ１０の内壁１４を非導電性材料で形成すれば、内壁にうず電流を誘導することができず、内壁が振動したり騒音を発生したりしない。
【００１８】
図４及び図５に、ガラス布及びガラス・ロービング(roving)を円筒形マンドレル（図示せず）のまわりにウェット巻きすることにより形成した非導電性内壁１４を示す。第１絶縁層８０が、厚さ０．００３インチのガラス布をエポキシとともにマンドレルのまわりに４回ウェット巻回することにより形成される。したがって、第１（内側）絶縁層８０の厚さは０．０１２インチである。ここでは、市販されているＥガラスを使用し、またLindau Chemicals社からＥｐｏｎ８２６樹脂及びshell Linride 6k硬化剤として市販されている２液型エポキシを使用する。
【００１９】
つぎの工程では、水蒸気がクライオスタット中に拡散するのを防止する蒸気バリア８２を形成する。蒸気バリアを形成するには、たとえば、上記エポキシを用いて、厚さ０．００１インチのステンレス鋼ホイル８４及び厚さ０．００３インチのガラス布８６よりなる幅２インチのリボンを同時に巻回する。隣り合う巻回部間に約１．０インチのオーバーラップが形成され、オーバーラップするステンレス鋼ホイル８４が水蒸気バリアを形成する。ガラス布層８６はホイル８４のオーバーラップする巻回部同士の間の電気絶縁を行い、内壁１４の軸線方向に沿ったうず電流の発生を防止する。
【００２０】
第２絶縁層８８を蒸気バリア８２の上に巻き付ける。絶縁層８８は、内壁１４の全厚が０．１３５インチに達するまで、ガラス・ロービングを上記エポキシとともにウェット巻きすることにより形成される。ガラス・ロービングとしては、Owens Corning 社から市販されている675 yield 346AA-675 などを使用すればよい。これは、磁石アセンブリ１０に発生する軸線方向力に耐えるのに必要な強度を与える。
【００２１】
図５に明示するように、非導電性内側チューブすなわち内壁１４の各端部を厚くして端部フランジ９０を形成する。フランジを形成するには、ロービング及びエポキシ複合材料の追加の層を巻く。フランジ９０の端部を切削して凹所を形成し、ここにゴム製Ｏリング９２を入れ、端板１６に押圧する。フランジ９０の端部にはリング９４も切削され、このリング９４は端板１６のまわりに形成された溝９６とはまりあって、固定継手を形成する。非導電性内壁１４が端板１６と密封態様で締め付けられて、容器１２内の真空を維持する。
【００２２】
本発明の好適な実施態様を図示し、説明したが、当業者であれば種々の変更や改変が想起できるはずである。したがって、特許請求の範囲は、このような変更例や改変例もすべて発明の要旨の範囲に入るものとして包含する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を用いた磁石アセンブリの斜視図である。
【図２】勾配コイル・アセンブリを所定位置に配置した、図１の磁石アセンブリの半部の縦断面図である。
【図３】勾配コイル・アセンブリを所定位置に配置した、図１の磁石アセンブリの簡略横断面図である。
【図４】図１の磁石アセンブリの一部を形成する非導電性内壁の断面図である。
【図５】図１の磁石アセンブリに非導電性内壁を取り付けた状態を示す一部分の断面図である。
【符号の説明】
１０ 磁石アセンブリ
１２ 真空容器シリンダ
１３ 円筒形外壁
１４ 内壁
１６ 端板
３６ ボア軸線
６６ 勾配コイル・アセンブリ
８０ 第１絶縁層
８２ 蒸気バリア
８４ ステンレス鋼ホイル
８６ ガラス布
８８ 第２絶縁層
９０ フランジ

Claims (8)

1. ＭＲＩシステム用磁石アセンブリにおいて、外壁及びボア軸線を有する容器シリンダと、前記容器シリンダ外壁の端部に固着され、そこから半径方向内向きに延在する１対の環状端板と、前記端板に固着され、前記容器シリンダ外壁より半径方向内側でボア軸線のまわりに中心合わせされた円筒形内壁であって、非磁性で非導電性の材料から形成されて、前記容器シリンダ外壁及び端板とともに真空容器を形成する円筒形内壁と、前記磁石アセンブリのボア内に装着され、且つ前記内壁より半径方向内方で前記内壁に隣接して配置された円筒形勾配コイル・アセンブリとを備え、
   前記内壁は、第１非導電性層（８０）により形成され、蒸気バリアが前記第１非導電性層（８０）に形成されており、前記蒸気バリアが前記第１非導電性層（８０）のまわりに巻回した複数のリボンを備え、各リボンは非導電性材料がその上に形成された金属ホイル層を備えており、連続するリボン同士が重なり合い、前記非導電性材料の層が重なり合う金属ホイル層の間に相互的な電気的な絶縁を提供することを特徴とするＭＲＩシステム用磁石アセンブリ。
2. 前記第１非導電性層（８０）がエポキシ−ガラス複合材料から形成されている請求項１に記載の磁石アセンブリ。
3. 前記第１非導電性層（８０）がエポキシ−ガラス複合材料の層を巻回して形成されている請求項２に記載の磁石アセンブリ。
4. 前記非導電性材料がエポキシ−ガラス複合材料からなる請求項１に記載の磁石アセンブリ。
5. 更に、前記蒸気バリアのまわりに形成された第２非導電性層を備えている請求項１に記載の磁石アセンブリ。
6. 前記第１及び第２非導電性層がエポキシ−ガラス複合材料を巻回して形成されている請求項５に記載の磁石アセンブリ。
7. 前記内壁の各端部に形成されたフランジを更に含み、該フランジは、真空シールを達成するように対応する前記端板に締め付けられる形状を有している請求項１に記載の磁石アセンブリ。
8. １対のＯリングを更に含み、前記フランジの各々がこれらのＯリングの対応する一つを収容して該端板に対してシールする形状を有している請求項７に記載の磁石アセンブリ。

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