JP5984819B2 - 磁気共鳴イメージング装置、その運転方法およびクエンチ防止装置 - Google Patents

Description

本発明は、超電導磁石を用いた磁気共鳴イメージング装置(以下、MRI装置と称する)に係わり、特に、高いエネルギーを貯えた超電導磁石を用いたMRI装置に関する。

MRI装置では、強い静磁場の発生源として超電導磁石が用いられる。超電導磁石は、超電導線をコイルボビンに巻いた超電導コイルを形成し、超電導線の間隙を熱硬化エポキシ樹脂を充填して固めた後、超電導状態に転移する温度(通常は、液体ヘリウムの沸点4.2ケルビン(-268.8℃))に冷却する。冷却後、超電導コイルに電流を流し、定格磁場に達した状態で、超電導スイッチと称する回路を閉じて永久電流が流れる閉ループ状態にする。これにより、超電導状態を維持することができる。

しかし、永久電流モード時に、超電導コイルの超電導線が数μm動いたり、超電導線を固める樹脂に割れが生じると、局所的な発熱が発生する。その発熱により超電導線の温度が臨界温度を超えた場合には、超電導から常伝導への転移(クエンチ)が生じる。特許文献1では、長期間に渡って永久電流を保持している期間に突発的なクエンチが生じるのを抑制するために、超電導磁石の励消磁を繰り返したり、過電流を流したりすることにより、超電導コイル内部の構造の経年変化を予め実質的に加速させた状態にしておくことが提案されている。

特開2006-324411号公報

しかしながら、特許文献1に提案されているように、超電導磁石の励消磁を繰り返したり、過電流を流し、超電導コイル内部の構造の経年変化を予め実質的に加速させた超電導磁石であっても、その後の期間に原因不明のクエンチ(偶発クエンチと称する)を起こすことがある。偶発クエンチが発生すると、大量の液体ヘリウムが気化し、MRI装置はしばらくの期間使用できず、緊急に大量の液体ヘリウムを調達して、超電導磁石内に供給し、超電導コイルを再び冷却して超電導状態にする一連のメンテナンス作業を行う必要がある。

このため、MRI装置が設置されている医療機関では、偶発クエンチが発生したMRI装置を使用する検査予約を突如キャンセルしなければならないだけでなく、超電導磁石の再立ち上げのための液体ヘリウムやメンテナンス作業の経費がかさむという問題がある。

本発明の目的は、超電導磁石に偶発的に生じるクエンチを防止することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、超電導磁石と、撮像空間に傾斜磁場を印加する傾斜磁場コイルと、撮像空間に高周波磁場を印加する高周波コイルと、傾斜磁場コイルと前記高周波コイルの動作を制御して所定の撮影シーケンスを実行させる制御部とを備え、制御部が前記撮影シーケンスを実行していない時間帯に、超電導磁石を振動させるクエンチ防止シーケンスを実行させるクエンチ防止シーケンス実行部を備える磁気共鳴イメージング装置が提供される。

本発明によれば、超電導磁石を偶発クエンチを防止できるため、医療施設で安定にMRI装置を稼動させ、装置や検査の信頼性の向上を図ることができる。計画外の超電導磁石のメンテナンス作業を無くし、保守経費を低減することができる。

本発明の第1の実施形態のMRI装置の全体構成を示すブロック図。 第1の実施形態のMRI装置の超電導磁石の断面図。 本発明の第1の実施形態の動作フロー図。 (a)第1の実施形態のクエンチ防止シーケンスの傾斜磁場パワーアンプの駆動シーケンスを示す説明図、(b)その駆動シーケンスの一部を詳細に説明する拡大説明図。 第2の実施形態のクエンチ防止装置の構成を示すブロック図。 本発明の第3の実施形態の動作フロー図。

発明者らは、偶発クエンチが発生したMRI装置の事例について解析を行った結果、偶発クエンチが発生頻度が高い超電導磁石は、磁場強度が大きく、高いエネルギーが超電導コイルに蓄積された高磁場超電導磁石や、一対の超電導磁石を対向配置した開放構造の超電導磁石であることを把握した。また、偶発クエンチが発生しやすい時間帯や曜日は、MRI装置が検査を休止している夜間や休日であることがわかった。

そこで、高いエネルギーを蓄積した超電導コイルをさらに解析した結果、偶発クエンチの主因が、超電導線の間隙を充填する樹脂(例えば、熱硬化エポキシ樹脂)のクリープが進展し、樹脂に突然の亀裂が一気に発生することにあることが分かった。

即ち、超電導コイルの超電導線を充填し、固定している樹脂には、液体ヘリウムで冷却されることにより熱収縮歪のストレスが加わり、クリープが起こる。クリープが進展し、クリープ歪が増大すると、樹脂に亀裂が生じる。MRI装置が休止している間は、超電導磁石は静置されているため、樹脂のクリープ歪が徐々に増大し、増大した歪により一気に大きい亀裂が生じる。大きな亀裂が生じる時に発生するエネルギーで、亀裂近傍の超電導コイルは温められ、クエンチが発生する。例えば長さ30mmの亀裂が生じると6ケルビン(-267℃)まで温度が上昇する。強い磁場強度で、かつ大きい永久電流を流している場合、6ケルビンは超電導線が常伝導に転移する臨界温度にほぼ等しい温度である。

また、夜間や休日に偶発クエンチが生じることが多い理由は次の通りである。MRI装置の稼動中すなわち画像の撮影中は、撮影シーケンスの実行によりパルス状の傾斜磁場が繰り返し印加され、その電磁力作用で、超電導磁石が絶えず微小振動する。この微小振動により樹脂にはクリープ歪に加えて弾性歪が重畳され、これがトリガーとなって、クリープ歪が小さい段階で樹脂に亀裂が発生する。亀裂が小さければ(30mm以下)温度上昇も小さいため、高いエネルギーを蓄積した超電導コイルであっても、超電導線が常伝導に転移する臨界温度を超えない。

本発明は、上記に鑑みて、以下の構成のMRI装置により偶発的クエンチを防止し、MRI装置の安定化、および、検査の信頼性向上を図る。

本発明のMRI装置は、超電導磁石と、撮像空間に傾斜磁場を印加する傾斜磁場コイルと、撮像空間に高周波磁場を印加する高周波コイルと、傾斜磁場コイルと高周波コイルの動作を制御して所定の撮影シーケンスを実行させる制御部とを備え、さらに、制御部が撮影シーケンスを実行していない時間帯に、超電導磁石を振動させるクエンチ防止シーケンスを実行させるクエンチ防止シーケンス実行部を備える。

このように制御部が撮影シーケンスを実行していない時間帯に、超電導磁石を振動させるクエンチ防止シーケンスを実行することにより、超電導磁石に偶発的に生じるクエンチを防止できる。

クエンチ防止シーケンスは、傾斜磁場コイルを駆動して超電導磁石に傾斜磁場を印加することにより、超電導磁石を振動させてもよいし、傾斜磁場コイルとは別に、超電導磁石を振動させるための傾斜磁場を超電導磁石に印加する振動用コイルを配置してもよい。

クエンチ防止シーケンスとしては、勾配の向きが反転する交番傾斜磁場を超電導磁石に印加するシーケンスを実行することにより、超電導磁石に振動を生じさせることができる。このとき交番傾斜磁場の周波数または、その高調波の周波数が超電導磁石の共振周波数に一致している場合、超電導磁石を共振させることができるため、効果的に振動を生じさせることができる。

また、クエンチ防止シーケンスとして、撮影シーケンスを実行してもよい。また、所定の撮像シーケンスの実行前に、装置の調整のために、ファントムを撮影して所定の画像解析を行うファントム撮像シーケンスが一般に行われるため、それと同じ撮像シーケンスを、クエンチ防止シーケンスとして実行してもよい。この場合、クエンチ防止シーケンスにファントム撮像シーケンスを兼用させ、制御部は、クエンチ防止シーケンスで予め撮像した画像を用いて画像解析を行うことにより、起動から短時間で装置調整を行うことができる。

クエンチ防止シーケンス実行部は、撮像シーケンスが行われていない時間帯に、クエンチ防止シーケンスを所定の時間間隔で繰り返し実行する構成としてもよいし、何らかのタイミングでクエンチ防止シーケンスを実行してもよい。

クエンチ防止シーケンス実行部は、クエンチ防止シーケンスの実行前に、被検体またはオペレータに対して、クエンチ防止シーケンスをこれから実行することを報知することにより、被検体やオペレータをクエンチ防止シーケンスの実行に伴う超電導磁石の振動音で驚かさないようにできる。また、クエンチ防止シーケンス実行部は、クエンチ防止シーケンスの実行前に、被検体またはオペレータが超電導磁石の周囲の所定の範囲にいるかどうかを検出する検出部を備えるようにしてもよい。被検体またはオペレータが近傍にいることを検出した場合には、クエンチ防止シーケンスの実行を延期することも可能である。

また、本発明の別の態様のMRI装置は、超電導磁石と、撮像空間に傾斜磁場を印加する傾斜磁場コイルと、撮像空間に高周波磁場を印加する高周波コイルと、傾斜磁場コイルと高周波コイルの動作を制御して所定の撮影シーケンスを実行させる制御部を備え、制御部が、撮影シーケンスを実行していない時間帯に、超電導磁石を振動させるために所定の振動用撮像シーケンスを実行する構成とすることができる。これにより、振動用撮像シーケンスの実行により、超電導磁石が振動するため、偶発クエンチを防止できる。

さらに、本発明では、超電導磁石を備え、所定の撮像シーケンスを実行することにより被検体を撮像するMRI装置の運転方法として、所定の撮像シーケンスが実行されてない時間帯に、超電導磁石のクエンチ防止のために超電導磁石を振動させる方法が提供される。これにより、偶発クエンチを防止できる。

この場合、MRI装置の撮像シーケンス用の傾斜磁場コイルに傾斜磁場を発生させることにより超電導磁石を振動させてもよいし、MRI装置の撮像シーケンス用の傾斜磁場コイルとは別に備えられた振動用傾斜磁場コイルを用いて傾斜磁場を発生させてもよい。

本発明では、超電導磁石を備え、所定の撮像シーケンスを実行することにより被検体を撮像する磁気共鳴イメージング装置の運転方法として、所定の撮像シーケンスが実行されてない時間に、超電導磁石のクエンチ防止のためにファントムを撮像する運転方法が提供される。ファントムの撮像時に超電導磁石が振動するため、偶発クエンチを防止できる。

さらに、本発明では、超電導磁石を備えた磁気共鳴イメージング装置の運転方法であって、被検体の撮像を実施するステップと、撮像の実施を休止する動作を行うステップと、休止する動作が行われた後に、超電導磁石を振動させるステップとを行う運転方法が提供される。超電導磁石を振動させることにより、偶発クエンチを防止できる。

また、本発明では、超電導磁石を備えた磁気共鳴イメージング装置のクエンチ防止装置も提供される。この装置は、超電導磁石を振動させるための傾斜磁場を発生する振動用傾斜磁場コイルと、振動用傾斜磁場コイルに交番電流を所定時間供給する動作を所定の時間間隔で繰り返し行う電流供給部とを有するものである。このクエンチ防止装置をMRI装置もしくは検査室に配置することで、MRI装置の超電導磁石の偶発クエンチを防止できる。

本発明の具体的な実施形態の一例について図面を用いて説明する。
＜第1の実施形態＞
以下、本発明の第1の実施形態のMRI装置を添付図面に基づいて具体的に説明する。
なお、発明の実施形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。

(MRI装置の構成)
まず、本実施形態のMRI装置の構成について説明する。
図1は、本実施形態のMRI装置が医療施設に据付けられた状態での全体構成を示す。
このMRI装置は、静磁場を発生する磁石として開放構造を有する超電導磁石101を備えている。

開放構造の超電導磁石101は、被検体102が配置される撮像空間103を挟んで上下に配置された上クライオスタット104と下クライオスタット105とを含む。上クライオスタット104と下クライオスタット105の内部には、それぞれ起磁力源となる超電導コイル(図1では示してない)が組み込まれている。上クライオスタット104と下クライオスタット105は、支柱となる連結管106によって連結され、上クライオスタット104は、下クライオスタット105に対して連結管106によって支えられている。これにより、超電導磁石101は、撮像空間103の前後左右が空いた開放的な構造となっており、被検体102に与える圧迫感を和らげ、優しい検査環境を提供することができる。

超電導磁石101の具体的な構造の一例について図2を用いて説明する。超電導磁石101の上クライオスタット104と下クライオスタット105の最外部はステンレススチール板(例えば18mm厚)で作られた真空容器401となっている。真空容器401の内側にはステンレススチール板(例えば15mm厚)で作られたヘリウム容器403が真空層402を介して配置されている。ヘリウム容器403を真空容器401に固定するために、複数の荷重支持体404が取り付けられている。荷重支持体404は、ヘリウム容器403に熱を伝えないようするために、断熱性の高い材料(例えばFRP(繊維強化プラスチック樹脂))で構成されている。

上クライオスタット104と下クライオスタット105の各ヘリウム容器403内には、撮像空間103を挟んで対称な位置関係となるように1以上の超電導コイル405がそれぞれ配置されている。超電導コイル405は、支持金具406によりヘリウム容器403に強固に固定されている。図2では、上下のヘリウム容器403にそれぞれ一つずつの超電導コイル405が配置された例を記載しているが、撮像空間103の磁場均一度を向上させるため、ならびに、周辺への漏洩磁場強度を低減させるために、超電導コイル群を上下のヘリウム容器403にそれぞれ配置することも可能である。

ヘリウム容器403内は、液体ヘリウム407で満たされており、超電導コイル405をその沸点温度である4．2ケルビン(-268．8℃)に冷却している。この冷却により、超電導コイル405は超電導状態を維持し、安定に永久電流(例えば450A)を流し、撮像空間103に磁場(例えば1テスラ)を発生している。

真空容器401とヘリウム容器403の間の真空層402には、中間位置に輻射シールド板408(例えば、5mm厚のアルミニューム)が配置されている。輻射シールド板408は、真空容器401からヘリウム容器403への輻射熱を抑え、液体ヘリウム407の消費を抑制する。上述の断熱構造の荷重支持体404および輻射シールド板408により、ヘリウム容器403への侵入熱量は数ワット程度に抑えられている。

この超電導磁石101の上クライオスタット104の上部には、クライオクーラ107が備えられている。クライオクーラ107は、上クライオスタット104および下クライオスタット105内で気化したヘリウムガスを冷却して、再び液体ヘリウムにし、上クライオスタット104内に戻す作用をする。また、クライオクーラ107の冷却部が輻射熱シールド板408とヘリウム容器403を冷却する。これにより、クライオクーラ107の冷却能力で、このヘリウム容器403への侵入熱量を補償することでクローズドタイプの超電導磁石101を構成し、超電導コイルを冷却する液体ヘリウムの消費を抑えている。

上クライオスタット104と下クライオスタット105の撮像空間103側の面には、シムプレート110、傾斜磁場コイル111および高周波コイル113がそれぞれ配置されている。また、下クライオスタット105の脇には、撮像空間103内に被検体102を挿入するための寝台119が配置されている。被検体102には、検出コイル115が取り付けられる。また、MRI装置は、制御・演算系として、磁石制御ユニット109、傾斜磁場パワーアンプ112、高周波パワーアンプ114、高周波増幅回路116、コンピュータ117、ディスプレイ118を備えている。コンピュータ117は、傾斜磁場コイル111と高周波コイル113等の動作を制御して所定の撮影シーケンスを実行させる制御部と、制御部が撮影シーケンスを実行していない時間帯に、超電導磁石を振動させるクエンチ防止シーケンスを実行させるクエンチ防止シーケンス実行部(以下、クエンチ防止部と称す)117aとを構成している。

また、超電導磁石101には、その運転状態をモニターするための温度センサーや圧力センサー(図では示してない)が複数組み込まれており、これらセンサーの接続端子108は、上クライオスタット104の上部に引き出され、磁石制御ユニット109が接続されている。また液体ヘリウム407の補充やヘリウムガスの排出のためのサービスポート409と称する配管が、上クライオスタット104の真空容器401の上部に設置される。

シムプレート110および傾斜磁場コイル111は、上および下クライオスタット104，105の真空容器401の撮像空間103側の面に固定ボルト410で固定される。

シムプレート110には、複数のネジ穴(図では示してない)が開けられており、複数のネジ穴のうち適切な位置のネジ穴に磁性体のネジが埋め込まれている。シムプレート110は、超電導磁石101が発生する磁束の分布を微小変更し、磁場均一度を調整することにより、磁場均一度を目標値(例えば3ppm以下)に改善する。

一対の傾斜磁場コイル111は、一対のシムプレート110の撮像空間103の面に配置されている。この傾斜磁場コイル111は、超電導磁石101の開放的な構造を妨げることがないように平板構造である。

一対の傾斜磁場コイル111はそれぞれ、互いに直交するxyzの3軸方向に勾配磁場を発生する3種のコイルを積層した構成である。3種のコイルには、傾斜磁場パワーアンプ112が接続され、それぞれ独立に電流が印加される。例えば、上zコイルと下zコイルに傾斜磁場パワーアンプ112より、プラスの電流が印加されると、上zコイルは超電導磁石101の発生する磁束と同じ向きの磁束を発生し、下zコイルはそれとは反対向きの磁束を発生する。この結果、撮像空間103のz軸(垂直軸)の上から下に向けて磁束密度が徐々に少なくなる勾配が作られる。

同様に、xコイルおよびyコイルは、超電導磁石101の発生する磁束の密度をそれぞれx軸、y軸(ともに水平軸)に沿って変化するような勾配を付与する働きがある。本実施形態では、傾斜磁場パワーアンプ112から、例えば500Aの電流が印加された時に、1メートルあたり50ミリテスラの勾配がxyzの3軸に独立に発生するように、傾斜磁場コイル111が構成されている。

一対の高周波コイル113は、平板構造のコイルであり、一対の傾斜磁場コイル111の撮像空間103側にそれぞれ取り付けられている。上下一対の高周波コイル113には高周波パワーアンプ114が接続され、高周波電流が供給される。これにより、一対の高周波コイル113は、被検体102の検査部位の核スピンに核磁気共鳴現象を起こさせる高周波磁界を発生する。本実施形態の場合では、例えば1テスラの磁場強度で水素原子核が核磁気共鳴現象を起こす42MHzの高周波磁場を発生する。

傾斜磁場と高周波磁場を組み合わせることにより、被検体102の検査部位に存在する水素原子核が選択的に核磁気共鳴現象を起こし、その後の核スピンの歳差運動過程に傾斜磁場をパルス的に印加することで三次元的位置情報が核スピンの歳差運動に付加される。

検出コイル115は、撮像空間103の中心位置であって、被検体102の検査部位に配置され、核スピンの歳差運動を核磁気共鳴信号として検出する。検出コイル115の出力信号は、高周波増幅回路116で増幅、検波され、デジタル信号に変換される。コンピュータ117は、デジタル信号に変換された核磁気共鳴信号を医学的診断に供するための画像やスペクトルチャートに変換処理して、内蔵する記憶装置(図では示してない)に保存するとともに、ディスプレイ118に表示する。

また、コンピュータ117内の記憶装置には、拡散強調エコープレーナーイメージング等の所定の撮像シーケンスを実行するためプログラムが格納されている。このプログラムをコンピュータ117内のCPUが読み込んで実行することにより、磁石制御ユニット109、傾斜磁場パワーアンプ112、高周波パワーアンプ114、高周波増幅回路116の動作をそれぞれ制御する。これにより、所定の撮像シーケンスにしたがって撮像を行うことができる。また、コンピュータ117には、スペクトル解析機能を実現するプログラム等も内蔵されている。

さらに、コンピュータ117は、各ユニットの動作状態の記録や、通信制御装置(図では示してない)を経由してMRI装置の遠隔監視を行うことも可能である。

超電導磁石101および寝台119は、電磁シールドを施した検査室120に設置され、外部機器が発生する電磁波がノイズとして検出コイル115に混入するのを防止し、撮影画像の質的低下を防いでいる。

上述してきた構成のMRI装置を医療機関等に設置する手順について説明する。
室温で組み立てられた超電導磁石101内には、液体ヘリウム407が供給され、4.2ケルビン(-268.8℃)まで冷却され、永久電流を流し、閉ループとすることにより予め励磁される。超電導磁石101の超電導線と樹脂の夫々の熱収縮率の違いから、それぞれの部材には熱収縮歪が発生しているため、医療機関等に設置される前に、熱収縮歪を解放する作業が行われる。この解放作業は、超電導コイルのトレーニングと称される。

トレーニング方法としては、超電導磁石の励消磁を複数回(少なくとも3回)繰り返したり、超電導コイルに過電流を流したり、あるいは外部から熱を加える等して強制的にクエンチさせる方法が用いられる。

このトレーニングを、医療機関等にMRI装置が設定される前に、製造場所等で予め行っておくことにより、超電導コイルの熱収縮歪のエネルギーを解放し、医療機関等に設置後のクエンチを防止する。本実施形態では、このようなトレーニングを行っていても、なお偶発的に発生するクエンチを防止するために、クエンチ防止シーケンスを実行する。

(MRI装置の動作フロー)
図3は、図1および図2のMRI装置の動作フロー図である。
図3のフローの動作は、コンピュータ117が内蔵する記憶装置に予め格納されているプログラムを実行することにより実現する。まず、1日の検査の開始に当たり、MRI装置の所定の起動動作を行なう(ステップ201)。この起動動作は、オペレータによる起動スイッチが投入された時点もしくは、コンピュータ117に予めオペレータが予約した時刻になった時点で実行される。起動動作としては、コンピュータ117はMRI装置の各部の電源を投入し、動作確認を行う。

装置の起動が完了すると、QA（Quality Assurance)テストと称する撮像試験を実施する(ステップ202)。この撮像試験は、オペレータがファントムと称するテスト試料を寝台119に搭載して撮像空間103に配置し、コンピュータ117が所定の撮像シーケンスによりファントムを撮像し、得られた画像をコンピュータ117が所定のプログラムに従って画像解析することにより、信号対雑音比、濃度均一度、空間分解能や画像の位置精度などを検証し、撮像条件の調整等を行う試験である。場合によっては、QAテスト(ステップ202)を省略することも可能である。

QAテストが完了すると、オペレータは、当日の第一番目の被検体102を寝台119に載せ、その検査部位を撮像空間103に配置し、配置完了を操作部を操作してコンピュータ117に知らせる。コンピュータ117は、オペレータが設定した診断に適した撮像シーケンスを各部に実行させ、被検体102を撮像する(ステップ203、204)。一連の検査が終了して、寝台119を操作して被検体102を撮像空間103から搬出し(ステップ205)、第一番目の被検体102のMRI検査が完了する。

次に、コンピュータ117は、本日の検査終了の判定処理に進み、オペレータに本日の検査が終了したかどうかを尋ねる表示をディプレイ118に表示する(ステップ206)。オペレータが、はいを不図示の入力手段により入力した場合、すなわち一日のMRI検査が終了の場合は、MRI装置の終了処理に進む(ステップ207)。オペレータがいいえを入力した場合、すなわち次の被検体102が待機している場合は、ステップ203に戻り、次の被検体102を寝台119に載せ、その検査部位を撮像空間103に配設する。

ステップ207の終了処理は、MRI装置の全てのユニットの電源が切れる状態にするのではなく、一部の機能は動作状態を継続する状態に移行することである。この状態は、一般にスリープモードと称され、MRI装置の一部ユニットをモニターする監視機能、クライオクーラ107の冷却動作、タイマーによるステップ201の起動、それにリモート通信機能の動作状態を継続する。本実施形態では、これらの機能に加えて、傾斜磁場パワーアンプ112と、それを後述する所定のクエンチ防止シーケンスで動作可能にするコンピュータ117のクエンチ防止部117aの機能を継続させる。この機能をスリープモードIIと称する。

スリープモードIIにおいて、コンピュータ117がクエンチ防止シーケンスで傾斜磁場パワーアンプ112を動作させるタイミングは、ここでは、予め定めた一定時間(例えば1時間)間隔とする場合について以下説明するが、一定時間間隔ではなく、何らかのタイミングでクエンチ防止シーケンスを動作させる構成としてもよい。

コンピュータ117は、スリープモードIIを維持しながら、新たな装置起動がオペレータからなされているかどうか、もしくは、タイマーにより装置起動が予約された時刻になったかどうかの判定処理を行う(ステップ208)。予約された起動時刻がきた場合は、最初のステップ201に戻り、MRI装置の起動動作を行う。オペレータから起動指示が無い場合は、コンピュータ117にプログラムされたタイマー機能により、経過時間を計測するとともに、MRI装置はスリープモードIIを維持する(ステップ209)。

スリープモードIIを維持しながら、オペレータが定めたクエンチ防止シーケンスを実行すべき所定時間が経過したことをタイマーが計測したならば、ステップ210に進み、コンピュータ117内のクエンチ防止部117aは、図4のクエンチ防止シーケンスが実行されるように傾斜磁場パワーアンプ112を制御する。これにより、図4に示した交番傾斜磁場が傾斜磁場コイル111から発生される。ステップ210のクエンチ防止部117aの動作は、予めコンピュータ117内に格納したプログラムをCPUが実行することにより実現される。

ステップ210のクエンチ防止シーケンスを実行した後、コンピュータ117は再びスリープモードIIを維持し、ステップ208に戻り、オペレータによる新たな装置起動の有無判定処理を行う。このステップ208→ステップ209→ステッ210→ステップ208のループを繰り返すことにより、オペレータが装置を起動するか、タイマーで装置が起動されるまで、MRI装置は一定時間に、図4に示すクエンチ防止シーケンスにより傾斜磁場パワーアンプ112を駆動し傾斜磁場を発生する。

(クエンチ防止シーケンス)
ここで、上述のステップ210が行うクエンチ防止シーケンスについて図4(a)，(b)を用いて説明する。ステップ210では、ステップ207でスリープモードIIの状態に入ってから所定時間が経過したならば、クエンチ防止シーケンスを実行するため、コンピュータ117のクエンチ防止部117aは、傾斜磁場パワーアンプ112に起動信号301(図4(a)参照)を出力する。起動信号301を受けて傾斜磁場パワーアンプ112は、自らの電源を投入し、傾斜磁場コイル111の冷却水の循環、セルフ回路チェックを実施し、約2分後にスタンバイモードに入る。この時点で、コンピュータ117のクエンチ防止部117aからのコントロール信号が傾斜磁場パワーアンプ112に再び受け渡され、傾斜磁場パワーアンプ112は、傾斜磁場コイル111のxコイルに電流を供給して所定時間(5分間)駆動させる期間302、yコイルに電流を供給して所定時間(5分間)駆動させる期間303、zコイルに電流を供給して所定時間(5分間)駆動させる期間304を順に実施する。この一連の動作がクエンチ防止シーケンスであり、17分間のシーケンスである。

xコイルを駆動させる期間302は、xコイルには、図4(b)に詳細に示すように、最初に、所定の電流値および時間の電流パルス305が供給され、続いて、電流パルス305とは極性が反転した電流パルス306が供給される。例えば、電流パルス305は、＋500Aを2秒間、電流パルス306は、-500Aを2秒間とする。この電流パルス305と極性が反転した電流パルス306とを交互に所定の期間(例えば20秒間)繰り返し供給する動作を、休止期間307(例えば40秒間)を挟んで複数回(例えば5回)繰り返す。これにより、xコイルは、電流パルス305と電流パルス306が交互に繰り返し供給される期間において、x軸方向の傾斜磁場パルスと、x軸方向の勾配の向きが反転した傾斜磁場パルスとを交互に繰り返し発生する。

yコイルの駆動期間303とzコイルの駆動期間304も、xコイルの駆動期間302と同様に構成されている。

傾斜磁場コイル111が傾斜磁場を発生すると、超電導コイルと傾斜磁場コイル111との間には反発する力または引き合う力が発生する。例えば、上下一対のzコイルに傾斜磁場を発生させると、上zコイルは上クライオスタット104の超電導コイル405と電磁的に反発し、下zコイルは下クライオスタット105の超電導コイル405と引き合う電磁力が発生する。一対のxコイルまたはyコイルに傾斜磁場を発生させると、xコイルおよびyコイルは、超電導磁石101の発生する磁束の密度をそれぞれx軸、y軸(ともに水平軸)に沿って変化するような勾配を付与するので、それぞれ、x軸とy軸に沿って反力と引力が発生することになる。

このため、図4に示したクエンチ防止シーケンスにより、極性が反転する電流パルスを傾斜磁場コイル111の各方向のコイルに印加して、勾配の向きが反転する傾斜磁場パルスを発生させると、傾斜磁場コイル111と超電導コイル405には振動が発生する。傾斜磁場コイル111と超電導コイル405にはそれぞれ、真空容器401とヘリウム容器403に固定されている点を節とする、弾性変形による振動が発生する。

超電導コイル405は超電導線(約1mmφ)を室温で巻き、その間隙を樹脂(例えば熱硬化エポキシ樹脂)で充填して固定しているため、ヘリウム容器403内に固定された後、4．2ケルビン(-268.8℃)まで冷却されると、超電導線と樹脂は、冷却過程での熱収縮による歪が生じる。この歪は、上述の設置前のトレーニングにより解放されるが、完全には解放しきれないため、徐々に樹脂のクリープが進展する状態に推移する。

この状態で、ステップ210で一定時間(例えば1時間)毎に、クエンチ防止シーケンスを実行し、超電導コイル405に弾性変形振動を発生させると、超電導コイル405の樹脂には熱収縮によるクリープ歪と振動による弾性歪が重畳される。樹脂は、微小な亀裂を生じることにより、この歪を緩和する。これにより、さらなるクリープの進展が抑制される。

微小な亀裂が生じることに伴い温度上昇が生じるが、微小な亀裂のエネルギーは小さいため温度上昇も小さい。よって、高いエネルギーを蓄積した超電導コイルであっても、超電導線が常伝導に転移する臨界温度を超えない。このように、大きな亀裂が生じるクリープが蓄積される前に、クエンチ防止シーケンスにより小さな亀裂を生じさせることにより、大きな亀裂を防止できる。よって、偶発クエンチを防止することができる。

このように、医療施設等に設置され、長期間に渡って超電導状態が維持されるMRI装置に、偶発クエンチが発生するのを防止できるため、偶発クエンチに伴い、MRIの使用ができなくなるという問題や、再び超電導状態にするための保守経費がかかるという問題を未然に防ぐことができ、MRI装置の安定化およびMRI装置を用いた検査の信頼性の向上ならびに経費の削減を図ることができる。

また、本実施形態のMRI装置は、装置のハード構成を変えることなく、ソフトウエア構成の変更によりクエンチ防止シーケンスを実行することができる。

本実施形態ではMRI装置がスリープモードIIに移行してから一定時間間隔でクエンチ防止シーケンスを実行したが、最初の被検体のMRI検査が終了し、次の被検体MRI検査開始までの待機時間が1時間以上になる場合にもクエンチ防止シーケンスを実行してもよい。この場合、クエンチ防止シーケンスで撮影時以外に傾斜磁場コイルが駆動される振動音で、寝台119上にまだ載っている被検体やオペレータを驚かす可能性があるため、それを防止するための施策をプログラムに組み込むことができる。

第一の施策としては、被検体102やオペレータに事前アナウンスすることができる。

通常、MRI装置には検査にともなう必要事項を被検体に伝える通話装置が装着されているので、コンピュータ117が、クエンチ防止シーケンスを実行するステップ210の前に、傾斜磁場駆動に伴う騒音が発生することを通話装置から伝えることができる。その旨の表示をディスプレイ118に表示することができる。第二の施策として、被検体やオペレータが検査室にいる間は、クエンチ防止シーケンスを実行しないようにすることができる。例えば、MRI装置の組み込まれている患者モニター用カメラや、検査室に配置されたカメラの画像から移動物体の存在をコンピュータ117による画像解析で判定することにより、被検体102が寝台119に搭載されていることや、被検体やオペレータが検査室または超電導磁石101から所定の距離の範囲にいることを自動検出できる。この場合は、クエンチ防止シーケンスの実行を先延ばしにすることができる。

図4のクエンチ防止シーケンスは、xコイル、yコイル、zコイルの駆動を、順に行う構成であるが、本発明のクエンチ防止シーケンスは、図4のシーケンスに限定されるものではなく、xyzコイルを同時に駆動するシーケンスとすることも可能であるし、xyzコイルのうちの任意の2種類のコイルを同時に駆動するシーケンスとすることも可能である。この場合も、同様のクエンチ防止効果が期待される。また、極性が反転した電流パルス305，306の繰り返しの回数や、休止回数も任意の回数に変更することができる。

これを以下説明する。
図4に示したクエンチ防止シーケンスは2秒間の＋500Aの電流パルス305と、2秒間の-500Aの電流パルス306が交互に傾斜磁場コイル111に印加される例であるため、電流パルスは、周波数0.25ヘルツの基本波と、その高調波を含むことになる。

一方、図2に示した構造の超電導磁石101は、その構造により決まる共振周波数を有し、例えば、内部に組み込まれた超電導コイル405の共振周波数は、8ヘルツ、25ヘルツ、45ヘルツであることが、コンピュータ解析や実機での振動試験から分かっている。

そこで、クエンチ防止シーケンスの電流パルスの周波数を超電導磁石101の共振周波数と一致させるか、電流パルスの周波数の高調波を共振周波数と一致するように、クエンチ防止シーケンスの電流パルスを設計することにより、より効果的な振動源として傾斜磁場を作用させることが可能となる。一例としては、傾斜磁場パワーアンプ112を、例えば100Aの交番電流パルスで駆動するシーケンスにすることにより、有効に超電導磁石101の内部の超電導コイル405を振動させることができる。

＜第2の実施形態＞
第1の実施形態では、クエンチ防止シーケンスとして、傾斜磁場コイル111に交番電流を供給し振動させる構成であったが、第2の実施形態では、MRI装置にクエンチ防止装置を取り付ける構成とする。クエンチ防止装置として、傾斜磁場コイル111とは別に、クエンチ防止シーケンス実行用の振動発生用コイル501を設置する。

すなわち、図5に示すように、超電導磁石101の上クライオスタット104と下クライオスタット105の真空容器401の外表面に、クエンチ防止装置の振動用傾斜磁場コイル(以下、振動発生用コイルと称す)501を取り付ける。クエンチ防止装置は、振動発生用コイル501に接続される専用の電流供給部(以下、駆動電源と称す)502を備える。

駆動電源502は、振動発生用コイル501に必要な電流を振動発生用コイル501に印加するアンプ回路と、アンプ回路を所定の時間間隔で動作させるためのタイマー回路を備えている。オペレータはMRI検査終了後、駆動電源502のスイッチを投入するか、もしくは、コンピュータ117が駆動電源502のスイッチを投入することによって、アンプ回路は、例えば1時間ごとに、振動発生用コイル501に、所定周波数(例えば基本周波数0.25ヘルツ)の交番電流を所定時間供給し、振動させる。これにより、クエンチ防止シーケンスを実行することができる。

一般に、MRI装置の傾斜磁場コイル111は、超電導磁石101と電磁的な干渉を極力避けるように設計されているため、超電導コイルに振動を生じさせにくい構造になっている。その理由は、シールドコイルを傾斜磁場コイル111と組み合わせて配置されることが多く、必要とする傾斜磁場が撮像空間103には有効に発生するが、撮像空間以外のクライオスタット内の空間に傾斜磁場が生じるのをシールドコイルがアクティブにシールドするためである。

第2の実施形態によれば、傾斜磁場コイル111とは別の振動発生用コイル501を用いるため、超電導コイル405の位置に合わせて、最適な位置に振動発生用コイル501を配置することや、振動を与えるべき方向に振動発生用コイル501を取り付けることができるため、効果的に超電導コイル405に振動を起すことができる。

また、第2の実施形態の構成は、MRI装置とは別の独立した構成として、振動発生用コイル501と駆動電源502を配置することができるため、既存のMRI装置に、これらを取り付けることにより、既存のMRI装置の偶発クエンチを防止することもできる。

なお、図5では、振動発生用コイル501を超電導磁石101に取り付けたが、取り付け位置は、この位置に限定されるものではない。すなわち、超電導磁石101を設置した部屋の壁に取り付けることも可能であるし、寝台119に取り付けて、被検体102の搬入と同じ操作で、振動発生用コイル501を超電導磁石101の中心に設置することも可能である。

＜第3の実施形態＞
第3の実施形態では、クエンチ防止シーケンスとして、ファントムの撮像シーケンスを実行う。

図6に第3の実施形態のMRI装置の動作フローを示す。図6のフローは、ステップ201〜206までは第1の実施形態のステップ201〜206と同様である。

ステップ206において、オペレータが検査の終了を入力した場合、ステップ601に進み、コンピュータ117は、オペレータにファントムを撮像空間103に設置するように促す表示をディスプレイ118に表示する。オペレータは、この表示を見てファントムを寝台109に搭載して撮像空間に配置し、配置終了したことを操作部等によりコンピュータ117に入力する。これを受けてコンピュータ117は、MRI装置の終了処理IIの動作を行う。ステップ206でオペレータがいいえを入力した場合には、ステップ203に戻る。

ステップ601のMRI装置の終了処理IIの動作として、スリープモードIIIへの移行を行う。スリープモードIIIは、MRI装置の一部ユニットをモニターする監視機能、クライオクーラ107の冷却動作、タイマーによる起動、それにリモート通信機能が動作状態を継続するとともに、必要なタイミングでMRI装置を再起動してファントム画像を撮影するためのタイマー機能を継続するモードである。

コンピュータ117は、スリープモードIIIを維持すると共に、新たな装置起動の有無判定を行う(ステップ208)。起動指示が有る場合は、最初のステップ201に戻る。
起動指示がない場合は、コンピュータ117にプログラムされたタイマー機能により、経過時間を計測しながら、スリープモードIIIを維持する(ステップ602)。例えば、プログラムにより1時間経過後に次のステップ603に移行する。

ステップ603では、コンピュータ117のクエンチ防止部117aは、クエンチ防止シーケンスとして、予めプログラムされた撮影シーケンスに従ってファントムの画像を撮影する。

ファントム画像の撮影が終了すると、MRI装置は再びスリープモードIIIを維持し、新たな装置起動の有無判定処理を行うステップ208に戻る。このステップ208→ステップ602→ステップ603→ステップ208のループにより、MRI装置は1時間毎に、ファントム画像を撮影する。

ステップ603では、クエンチ防止シーケンスとしてファントムの画像が撮影されるので、コンピュータ117は、内蔵する記憶装置にその画像を保存することができる。このクエンチ防止シーケンスのファントム撮影シーケンスを、ステップ202のQAテストのファントム撮像シーケンスと同じシーケンスに設定しておくことにより、ステップ603のクエンチ防止シーケンスが、ステップ202のQAテストの撮影シーケンスを兼ねることができるため、ステップ202におけるQAテストのファントム撮像を省略できる。ステップ202では、ステップ603で撮影したファントム画像を解析してQAテストを行う。よって、ステップ201の起動からステップ204の被検体102の撮影までの時間を短くできる。

また、一定時間間隔でファントム画像が複数撮影されるので、その画像解析手法を用いてMRI装置の経時変化を把握することができる。

上述してきた実施形態では、超電導磁石が開放型の構造の場合について説明したが、円筒型等他の形状の超電導磁石についても、本実施形態のクエンチ防止シーケンスを適用することができる。

101 超電導磁石、102 被検体、103 撮像空間、109 磁石制御ユニット、110 シムプレート、111 傾斜磁場コイル、112 傾斜磁場パワーアンプ、113 高周波コイル、114 高周波パワーアンプ、115 検出コイル、116 高周波増幅回路、117 コンピュータ、117a クエンチ防止シーケンス実行部(クエンチ防止部)、301 起動信号、302 xコイルの駆動期間、303 yコイルの駆動期間、304 zコイルの駆動期間、305 ＋500Aパルス、306 -500Aパルス、401 真空容器、402 真空層、403 ヘリウム容器、404 荷重支持体、405 超電導、コイル、406 支持金具、410 固定ボルト、501 振動発生用コイル、501 駆動電源

Claims (20)

1. 超電導磁石と、撮像空間に傾斜磁場を印加する傾斜磁場コイルと、撮像空間に高周波磁場を印加する高周波コイルと、前記傾斜磁場コイルと前記高周波コイルの動作を制御して所定の撮影シーケンスを実行させる制御部とを備えた磁気共鳴イメージング装置であって、
   前記制御部が前記撮影シーケンスを実行していない時間帯に、前記超電導磁石を振動させるクエンチ防止シーケンスを実行させるクエンチ防止シーケンス実行部を備えることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
2. 請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記クエンチ防止シーケンスは、前記傾斜磁場コイルを駆動して前記超電導磁石に傾斜磁場を印加するシーケンスであることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
3. 請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記クエンチ防止シーケンス実行部は、前記傾斜磁場コイルとは別に、前記超電導磁石を振動させるための傾斜磁場を前記超電導磁石に印加する振動用コイルを備え、
   前記クエンチ防止シーケンスは、前記振動用コイルを振動させることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
4. 請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記クエンチ防止シーケンスは、勾配の向きが反転する交番傾斜磁場を前記超電導磁石に印加するシーケンスであることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
5. 請求項4に記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記交番傾斜磁場の周波数または、その高調波の周波数は、前記超電導磁石の共振周波数に一致していることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
6. 請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記クエンチ防止シーケンスは、撮影シーケンスであることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
7. 請求項6に記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記制御部は、前記所定の撮像シーケンスの実行前に、ファントムを撮影して所定の画像解析を行うファントム撮像シーケンスを実行し、前記クエンチ防止シーケンスは、前記ファントム撮像シーケンスと同じ撮像条件であることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
8. 請求項6に記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記クエンチ防止シーケンスは、ファントム撮像シーケンスを兼用しており、前記制御部は、前記クエンチ防止シーケンスで撮像した画像を用いて画像解析を行うことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
9. 請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記クエンチ防止シーケンス実行部は、前記クエンチ防止シーケンスを所定の時間間隔で繰り返し実行することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
10. 請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記クエンチ防止シーケンス実行部は、前記クエンチ防止シーケンスの実行前に、被検体またはオペレータに対して、これから実行することを報知することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
11. 請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記クエンチ防止シーケンス実行部は、前記クエンチ防止シーケンスの実行前に、被検体またはオペレータが前記超電導磁石の周囲の所定の範囲にいることを検出する検出部を有することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
12. 請求項11に記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記検出部が、被検体またはオペレータが前記範囲にいることを検出した場合には、前記クエンチ防止シーケンスの実行を延期することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
13. 超電導磁石と、撮像空間に傾斜磁場を印加する傾斜磁場コイルと、撮像空間に高周波磁場を印加する高周波コイルと、前記傾斜磁場コイルと前記高周波コイルの動作を制御して所定の撮影シーケンスを実行させる制御部とを備えた磁気共鳴イメージング装置であって、
    前記制御部は、前記撮影シーケンスを実行していない時間帯に、前記超電導磁石を振動させるために所定の振動用撮像シーケンスを実行することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
14. 超電導磁石を備え、所定の撮像シーケンスを実行することにより被検体を撮像する磁気共鳴イメージング装置の運転方法であって、
    前記所定の撮像シーケンスが実行されていない時間帯に、前記超電導磁石のクエンチ防止のために前記超電導磁石を振動させることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置の運転方法。
15. 請求項14に記載の磁気共鳴イメージング装置の運転方法であって、前記磁気共鳴イメージング装置は、傾斜磁場コイルを備え、前記クエンチ防止のために前記傾斜磁場コイルに傾斜磁場を発生させることにより前記超電導磁石を振動させることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置の運転方法。
16. 請求項14に記載の磁気共鳴イメージング装置の運転方法であって、前記磁気共鳴イメージング装置は、前記撮像シーケンスに用いる傾斜磁場コイルとは別に、前記超電導磁石に傾斜磁場を印加するための傾斜磁場を発生する振動用傾斜磁場コイルを備え、
    前記振動用傾斜磁場コイルに傾斜磁場を発生させることにより前記超電導磁石を振動させることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置の運転方法。
17. 超電導磁石を備え、所定の撮像シーケンスを実行することにより被検体を撮像する磁気共鳴イメージング装置の運転方法であって、
    前記所定の撮像シーケンスが実行されてない時間帯に、前記超電導磁石のクエンチ防止のためにファントムを撮像することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置の運転方法。
18. 超電導磁石を備えた磁気共鳴イメージング装置の運転方法であって、
    被検体の撮像を実施するステップと、
    前記撮像の実施を休止する動作を行うステップと、
    前記休止する動作が行われた後に、前記超電導磁石を振動させるステップとを
    行うことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置の運転方法。
19. 超電導磁石を備えた磁気共鳴イメージング装置のクエンチ防止装置であって、
    前記超電導磁石を振動させるための傾斜磁場を発生する振動用傾斜磁場コイルと、
    前記振動用傾斜磁場コイルに交番電流を所定時間供給する動作を所定の時間間隔で繰り返し行う電流供給部とを有することを特徴とするクエンチ防止装置。
20. 超電導磁石と、撮像空間に傾斜磁場を印加する傾斜磁場コイルと、撮像空間に高周波磁場を印加する高周波コイルと、前記傾斜磁場コイルと前記高周波コイルの動作を制御して所定の撮影シーケンスを実行させる制御部とを備えた磁気共鳴イメージング装置であって、
    前記制御部が、1日の4分の3以上の時間で、撮影シーケンスあるいはクエンチ防止シーケンスのいずれか一方を実行することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。

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