(57)【要約】  オープン構造のMRI装置において、傾斜磁場コイルと高周波コイルとの間に配置される高周波シールドの磁場遮蔽能力を維持しながら、渦電流に起因する振動を低減することにある。  高周波シールドは、互いに異なる位置で複数に分割された2枚の導体シート501，503と、その間に挟まれた誘電体シート502とを含む。これにより、高周波シールドは、高周波磁場に対する電気的抵抗率が、傾斜磁場のスイッチング周波数に対する電気的抵抗率よりも低くなる。これにより、高周波磁場に対しては一様な導体として作用することができ、高周波磁場の遮蔽能力を発揮できるとともに、傾斜磁場の通過により生じる渦電流を低減でき、振動を抑制できる。
2008153036.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検者を配設する撮像空間の上下に分割して配置された一対の静磁場発生部と、前記一対の静磁場発生部の前記撮像空間側に配置された一対の傾斜磁場発生部と、前記傾斜磁場発生部の前記撮像空間側に配置された一対の高周波発生部とを有し、
前記傾斜磁場発生部と前記高周波発生部との間には、該高周波発生部の発生する電磁場を遮蔽する高周波シールドが配置され、
該高周波シールドは、前記傾斜磁場発生部が発生する傾斜磁場のスイッチングにより該高周波シールドに生じる振動を抑制する構造を備えることを特徴とするオープン型磁気共鳴イメージング装置。
【請求項２】
請求項1に記載のオープン型磁気共鳴イメージング装置において、前記振動を抑制する構造として、前記高周波シールドは、前記一対の静磁場発生部の前記撮像空間側の面に固定された支持部材に固定されていることを特徴とするオープン型磁気共鳴イメージング装置。
【請求項３】
請求項2に記載のオープン型磁気共鳴イメージング装置において、前記支持部材の固有振動数は、前記高周波シールドが前記支持部材に固定された状態で、前記傾斜磁場発生部の前記傾斜磁場のスイッチング周波数とは異なる周波数であることを特徴とするオープン型磁気共鳴イメージング装置。
【請求項４】
請求項1乃至3のいずれか1項に記載のオープン型磁気共鳴イメージング装置において、前記高周波シールドは、前記高周波発生部の発生する高周波磁場に対する電気的抵抗率が、前記傾斜磁場発生部の発生する傾斜磁場のスイッチング周波数に対する電気的抵抗率よりも低いことを特徴とするオープン型磁気共鳴イメージング装置。
【請求項５】
請求項1乃至4のいずれか1項に記載のオープン型磁気共鳴イメージング装置において、前記高周波シールドは、2枚の導体シートと、その間に挟まれた誘電体シートとを含み、前記２枚の導体シートは、互いに異なる位置で複数に分割されていることを特徴とするオープン型磁気共鳴イメージング装置。
【請求項６】
請求項5に記載のオープン型磁気共鳴イメージング装置において、前記高周波シールドは、複数に分割された導体シートと、その間に挟まれた誘電体シートとにより、直列に接続された容量素子を構成していることを特徴とするオープン型磁気共鳴イメージング装置。
【請求項７】
請求項5又は6に記載のオープン型磁気共鳴イメージング装置において、前記2枚の導体シートは、10以上27以下に分割されていることを特徴とするオープン型磁気共鳴イメージング装置。
【請求項８】
請求項2乃至7のいずれか1項に記載のオープン型磁気共鳴イメージング装置において、前記支持部材は、前記高周波シールドを前記傾斜磁場発生部から所定の間隔をあけた位置に支持することを特徴とするオープン型磁気共鳴イメージング装置。
【請求項９】
請求項2乃至8のいずれか1項に記載のオープン型磁気共鳴イメージング装置において、前記支持部材は、前記静磁場発生部上で、前記傾斜磁場発生部を覆い、前記傾斜磁場発生部が配置された空間を閉じた空間にする遮蔽部材を兼用していることを特徴とするオープン型磁気共鳴イメージング装置。
【請求項１０】
請求項2乃至8のいずれか1項に記載のオープン型磁気共鳴イメージング装置において、前記静磁場発生部は、前記撮像空間側の面に凹部を有し、前記傾斜磁場発生部は、前記凹部内に配置され、前記支持部材は、前記凹部の開口を遮蔽することを特徴とするオープン型磁気共鳴イメージング装置。
【請求項１１】
請求項2に記載のオープン型磁気共鳴イメージング装置において、
前記支持部材は、前記静磁場発生部に平行な平坦部と、該平坦部を前記静磁場発生部に支持する脚部とを有することを特徴とするオープン型磁気共鳴イメージング装置。
【請求項１２】
請求項2に記載のオープン型磁気共鳴イメージング装置において、
前記支持部材は、円板形状の板状部に円柱状の複数の脚部を備えた構造であることを特徴とするオープン型磁気共鳴イメージング装置。
【請求項１３】
請求項2に記載のオープン型磁気共鳴イメージング装置において、
前記支持部材は、繊維強化プラスチックであることを特徴とするオープン型磁気共鳴イメージング装置。
【請求項１４】
請求項8記載のオープン型磁気共鳴イメージング装置において、
前記所定の間隔は、10ｃｍ以上であることを特徴とするオープン型磁気共鳴イメージング装置。
【請求項１５】
請求項5記載のオープン型磁気共鳴イメージング装置において、
前記2枚の導体シートは、分割位置が互いにずらされていることを特徴とするオープン型磁気共鳴イメージング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気共鳴イメージング装置(MRI装置と称する)に係わり、特に、検査空間が広く開放的で、かつ、検査に伴う騒音を低減するように構成したMRI装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被検者を均一な磁場空間に配置して、その核磁気共鳴(以下、NMRと称する)信号から医学的診断を行うMRI装置は、従来のCT装置やRI装置での検査と同じように医療機関で用いられる。特に、MRI装置を用いた検査は形態的な情報や、代謝などの機能的な情報を画像化する多様な検査が可能で、優れた病巣検出能力がある。【０００３】
MRI装置は、均一磁場空間を形成するための静磁場発生装置と、高周波コイルと、傾斜磁場コイルとを含んでいる。高周波コイルは、被検体に高周波磁界パルスを照射して被検体を励起し、被検体が発したNMR信号を受信する。傾斜磁場コイルは、NMR信号に位置情報を付与するために所定の方向の傾斜磁場パルスを被検体に印加する。【０００４】
高周波コイルは、電気的には、共鳴周波数ωで共振するように設計されたLC回路を構成している。傾斜磁場コイルは、直交する3軸方向に導体を高密度に巻いた構造である。傾斜磁場コイルを高周波コイルと被検体との間に配置すると、高周波磁界パルスの送信および受信の妨げになるため、通常、被検体に近接して高周波コイルが配置され、その外側に傾斜磁場コイルが配置される。このように配置した場合であっても、高周波コイルと傾斜磁場コイルが接近していると、高周波コイルのコイルパターンが、傾斜磁場コイルのコイルパターンと接近する位置付近で、高周波磁界コイルに局所的な誘導インダクタンスや浮遊容量が発生する。これにより、高周波コイルが一様なLC回路ではなくなり、高周波コイルの発生する高周波磁界が不均一になるという問題が生じる。【０００５】
この問題を解決するために、高周波コイルと傾斜磁場コイルとの間に、銅箔等の磁気シールド(高周波シールド)を配置した構成が知られている(特許文献1)。しかし、高周波シールドと高周波コイルとの磁気的結合により、高周波コイルから被検体に照射される高周波磁界が弱められるという問題が生じる。これを解決するために、特許文献1では、高周波シールドを傾斜磁場コイルのボビンに貼り付けることにより、高周波シールドと高周波コイルとの間隔を広げ、両者の磁気的結合を弱めることを開示している。【０００６】
一方、MRI装置においては、傾斜磁場コイルが、駆動時のローレンツ力により振動を生じ、騒音発生源となることが知られている(特許文献1、特許文献2)。この騒音の問題は、トンネル構造およびオープン構造いずれであっても生じる。これを低減するために、特許文献1では低圧容器に傾斜磁場コイルを封入したトンネル構造のMRI装置が開示されている。特許文献2では、遮蔽カバーで傾斜磁場コイルを囲ったオープン構造のMRI装置が開示されている。【０００７】
【特許文献１】特開2001−198104号公報
【特許文献２】特開2001−299719号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のように、高周波コイルと傾斜磁場コイルとの間に、銅箔等の磁気シールド(高周波シールド)を配置した場合、傾斜磁場コイルが発生する傾斜磁場が高周波シールドを通過する。このため、高周波シールドには、傾斜磁場の磁束によって渦電流が誘起される。渦電流の大きさは、導体内を通過する総磁束(Ф)と変化速度に比例し、dФ/dtで表される。近年、MRI装置の主要な撮影手法となっているEPI(エコー・プレナー・イメージング)に代表される高速撮影方法は、強い傾斜磁場パルスを、大きな速度でスイッチングするため、渦電流は増大する。【０００９】
傾斜磁場によって高周波シールドに生じる渦電流は、高周波シールドの主平面に垂直な方向に磁束を発生する。オープン構造のMRI装置では、平板状磁石が発生する静磁場の方向が、主平面と垂直な方向であるため、静磁場の方向と渦電流が発生する磁束の方向とが一致し、その電磁気力作用により、高周波シールドに力が加わる。力の向きは、傾斜磁場のスイッチングに伴い反転するため、高周波シールドに振動が発生する。このため、高周波シールドが、新たな騒音源になってしまうという問題が発生する。【００１０】
この問題は、オープン構造のMRI装置に特有の問題であり、渦電流の磁束方向が、静磁場の方向と垂直になるトンネル構造のMRI装置では発生しない。【００１１】
高周波シールドの振動を低減するには、高周波シールドの渦電流を低減することが望まれる。しかし、渦電流の低減のために、高周波磁場の遮蔽能力を低下させる構造を採用することはできない。【００１２】
本発明は上記観点に鑑みて行われたもので、その目的は、オープン構造のMRI装置において、傾斜磁場コイルと高周波コイルとの間に配置される高周波シールドの磁場遮蔽能力を維持しながら、渦電流に起因する振動を低減することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するための本発明によれば、以下のようなMRI装置が提供される。すなわち、本発明のMRI装置は、被検者を配設する撮像空間の上下に分割して配置された一対の静磁場発生部と、一対の静磁場発生部の撮像空間側に配置された一対の傾斜磁場発生部と、傾斜磁場発生部の撮像空間側に配置された一対の高周波発生部とを有し、傾斜磁場発生部と高周波発生部との間には、高周波発生部の発生する電磁場を遮蔽する高周波シールドが配置されている。高周波シールドは、傾斜磁場発生部が発生する傾斜磁場のスイッチングにより高周波シールドに生じる振動を抑制する構造を備えている。【００１４】
振動を抑制する構造として、高周波シールドを、一対の静磁場発生部の撮像空間側の面に固定された支持部材に固定する構造を採用することができる。これにより、高周波シールドの剛性を高めることができ、高周波シールドの振動を抑制できる。この支持部材の固有振動数は、高周波シールドが前記支持部材に固定された状態で、傾斜磁場発生部の傾斜磁場のスイッチング周波数とは異なる周波数となるように設計することが望ましい。これにより、傾斜磁場に起因する渦電流が高周波シールドに生じ、高周波シールドが傾斜磁場のスイッチング周波数で振動を生じた場合であっても、支持部材が共振を生じないため、共振により大きな振動が生じるのを防止できる。【００１５】
高周波シールドは、高周波発生部の発生する高周波磁場に対する電気的抵抗率が、傾斜磁場発生部の発生する傾斜磁場のスイッチング周波数に対する電気的抵抗率よりも低くなるように設計することができる。これにより、高周波磁場に対しては一様な導体として作用することができ、高周波磁場の遮蔽能力を発揮できるとともに、傾斜磁場の通過により生じる渦電流を低減でき、振動を抑制できる。【００１６】
例えば、高周波シールドは、2枚の導体シートと、その間に挟まれた誘電体シートとを含み、2枚の導体シートは、互いに異なる位置で複数に分割された構成にすることができる。これにより、高周波シールドは、複数に分割された導体シートと、その間に挟まれた誘電体シートとにより、直列に接続された複数の容量素子と等価な電気回路を構成することができる。このような等価回路は、高周波磁場に対する電気的抵抗率を、傾斜磁場のスイッチング周波数に対する電気的抵抗率よりも低くすることができる。【００１７】
上述の2枚の導体シートの分割数は、10以上27以下に設定することができる。これにより、渦電流を、導体シートを分割していない場合の1／10以下に低減することができ、高周波発生部の高周波磁場に対する抵抗率を高周波コイルのインピーダンスの5％以下に抑えることができる。【００１８】
上述の高周波シールドの支持部材は、高周波シールドを傾斜磁場発生部から所定の間隔をあけた位置に支持する構成にすることができる。これにより、傾斜磁場の伸縮の影響を受けず、高周波発生部と高周波シールドとの間隔を一定に維持でき、高周波磁場を一様に遮蔽することができる。【００１９】
支持部材は、静磁場発生部上で、傾斜磁場発生部を覆う構成にすることができる。これにより、支持部材は、傾斜磁場発生部が配置された空間を閉じた空間にする、遮蔽部材を兼用することができ、傾斜磁場発生部の騒音も低減できる。【００２０】
また、静磁場発生部は、撮像空間側の面に凹部を有する構成にすることができる。この場合、傾斜磁場発生部を、凹部内に配置し、支持部材は、凹部の開口を遮蔽する構成にすることができる。これにより、支持部材は、傾斜磁場発生部が配置された空間を閉じた空間にする遮蔽部材を兼用することができ、傾斜磁場発生部の騒音も低減できる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、オープン構造のMRI装置において、傾斜磁場コイルと高周波コイルとの間に配置される高周波シールドの磁場遮蔽能力を維持しながら、渦電流に起因する振動を低減することができ、高周波シールドが新たな騒音源となるのを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第一の実施形態の超電導オープンMRI装置の全体構成を示すブロック図。
【図２】図1のMRI装置の超電導磁石の断面図。
【図３】図1のMRI装置の傾斜磁場コイル108a、108bのxコイルのパターンを示す説明図。
【図４】図1のMRI装置の傾斜磁場コイル108a、108bのzコイルのパターンを示す説明図。
【図５】(a)図1のMRI装置のシールド支持体の斜視図、(b)その断面図。
【図６】(a)図1のMRI装置の高周波シールド111の上面図、(b)その断面図、(c)その等価回路図。
【図７】(a)高周波シールドとして、分割されていない円形導体箔を用いた場合の渦電流を示す説明図、(b)高周波シールドとして、円形導体箔を2分割したものを用いた場合の渦電流を示す説明図。
【図８】高周波シールド111の分割数と、渦電流の大きさとの関係を示すグラフ。
【図９】高周波シールド111の分割数と、高周波磁界に対する抵抗値との関係を示すグラフ。
【図１０】第二の実施形態のシールド支持体の斜視図。
【図１１】第三の実施形態のMRI装置の超電導磁石601の構造を示す断面図。
【符号の説明】
【００２３】
101  超電導磁石、102  被検者、103  上クライオスタット、104  下クライオスタット、105  連結管、106  クライオクーラー、108a、108b  傾斜磁場コイル、109  傾斜磁場パワーアンプ、110  シールド支持体、111  高周波シールド、112  高周波コイル、113  高周波パワーアンプ、114  検出コイル、115  高周波増幅回路、116  コンピュータ、117  ディスプレイ、118  システム信号バスライン、201  超電導コイル、203  撮像空間、206  遮蔽板、207  真空容器、208  防振ゴム、605  シールド支持体。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。尚、発明の実施の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、その繰り返し説明は省略する。
(第一の実施形態)
本発明の第一の実施の形態の超電導オープンMRI装置について説明する。本実施形態は、開放構造の超電導磁石に、平板型の傾斜磁場コイルと高周波コイルを取付け、傾斜磁場コイルと高周波コイルとの間に、高周波シールドを配置する。この構造において、高周波シールドに渦電流に起因する振動が生じ、騒音源となるのを防止するため、本実施の形態は、下記(1)〜(3)の構成を採用する。(1)高周波シールドの機能を維持しながら、高周波シールドに生じる渦電流を低減可能な高周波シールド構造を採用する。(2)高周波シールドの剛性を高めるために、剛性の大きな支持部材で高周波シールドを支持する。(3)高周波シールドが、傾斜磁場のスイッチングで共振するのを防止するために、高周波シールドおよび支持部材の共振周波数を傾斜磁場の駆動周波数からずらす。【００２５】
これら(1)〜(3)により、被検者の設置される空間の環境が、開放的でかつ騒音の少ない超電導オープンMRI装置を提供する。以下、図1から図4を基づいて本実施形態を詳細に説明する。【００２６】
最初に、本実施形態の超電導オープンMRI装置の全体構成を図1および図2に基づいて説明する。図1は、本発明が適用された開放構造の超電導磁石101を用いた超電導オープンMRI装置の全体構成を示す図である。図2は、超電導磁石101およびそれに固定された部分の断面図である。超電導オープンMRI装置は、図1および図2に示すように、開放構造の超電導磁石101と、傾斜磁場コイル108a、108bと、高周波コイル112と、高周波シールド111と、検出コイル114とを有している。これらには、図1に示した圧縮機ユニット107、傾斜磁場パワーアンプ109、高周波パワーアンプ113、高周波増幅回路115が接続されている。また、図1のように、MRI装置には、さらに、コンピュータ116、ディスプレイ117が備えられている。【００２７】
開放構造の超電導磁石101は、図1および図2に示すように、被検者102が配置される撮像空間203を挟んで対向配置された、上クライオスタット103と下クライオスタット104とを有する。上下クライオスタット103、および104は、いずれも主平面が水平に配置されている。このように、上クライオスタット103と下クライオスタット104が対向配置されているため、撮像空間203の前後左右は大きく開放された構造になっている。【００２８】
上クライオスタット103は、図2のように、液体ヘリウムを貯えた上ヘリウム容器204と、その内部に配置された超電導コイル201とを含む。同様に、下クライオスタット104は、液体ヘリウムを貯えた下ヘリウム容器205と、その内部に配置された超電導コイル202とを含む。上ヘリウム容器204と下ヘリウム容器205とは、支柱を兼ねた連結管105により連結されている。上下ヘリウム容器204、205の外側、ならびに、連結管105の最外部は、十分な剛性を有する真空容器207で覆われている。例えば、真空容器207は、厚さ15mm厚さのステンレススチール製のものを用いることができる。真空容器207と上下ヘリウム容器204、205との間の空間、ならびに、真空容器207と連結管105との間の空間には、外部からの熱侵入を防ぐ熱遮蔽板206(一部のみ図示)が配置されている。連結管105には、超電導コイル201、202を接続する超電導リード線や各種センサー回路(図1，図2では示されていない)が配置されている。【００２９】
超電導コイル201，202は、撮像空間203に、上クライオスタット103から下クライオスタット104に向かう方向209の静磁場を発生する。例えば、直径40cmの撮像空間203で、磁場強度1．2テスラ、均一度3ppm以内の静磁場を発生させることができる。磁場強度の向上や、磁場均一度や漏洩磁場分布の改善のために、超電導コイル201、202をそれぞれ複数の超電導コイルで構成することが可能である。【００３０】
上クライオスタット103には、図1のように気化したヘリウムガスを再凝縮するクライオクーラー106が取付けられている。クライオクーラー106には圧縮機ユニット107が接続されている。圧縮機ユニット107は、ヘリウムガスを高圧縮してクライオクーラー106に送り込む。クライオクーラー106は、上クライオスタット103内のヘリウムガスを再凝縮する。下クライオスタット104には、再凝縮された液体ヘリウムが、連結管105を介して上クライオスタット103から供給される。このように連結管105とクライオクーラー106とを備えたことにより、超電導磁石101は、上クライオスタット103と下クライオスタット104とに分割された開放構造であっても、気化したヘリウムガスを再凝縮して冷媒として利用することができる。これにより、開放構造の超電導磁石101でありながら、一個のクライオスタットの超電導磁石と同じように、密閉型のクライオスタットを実現できる。【００３１】
上クライオスタット103および下クライオスタット104の撮像空間203側の面には、複数の防振ゴム208を介して、傾斜磁場コイル108a、108bが固定されている。傾斜磁場コイル108a、108b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。傾斜磁場コイル108aおよび108bはいずれも、x、y、zコイルを積層し、間隙に樹脂を充填して硬化させ強固に一体化した構造である。【００３２】
xコイルは、例えば図3に示すように、厚さ3mmの導体板(例えば銅板)に幅1mmのスリット301を渦巻き状に切り込むことにより形成した平板状渦巻きコイルを、左右(x軸方向)に対称に2つ配置した構成である。左側の渦巻きコイル302と右側の渦巻きコイル303がそれぞれ発生する磁束の向きが、相互に逆向きになるように端子304，305および端子306，307から電流を供給し、上下の傾斜磁場コイル108aおよび108bのxコイルから図2の矢印210、211に示す向きの磁束を発生させる。  
これらの磁束が、超電導磁石101の発生する磁束と重畳されることにより、x軸方向に磁束密度が徐々に少なくなる勾配磁場が形成される。【００３３】
yコイルは、xコイルと同じパターンの渦巻きコイル302，303を90度回転させて、y軸方向に配置した構造である。これにより、yコイルは、y軸方向に磁束密度が徐々に少なくなる勾配磁場を形成する。【００３４】
zコイルは、例えば図4に示すように、厚さ3mmの導体板(例えば銅板)に幅1mmのスリット401を渦巻き状に切り込むことにより形成したものである。上側の傾斜磁場コイル108aのzコイルは、図2の矢印210の向きの磁束を発生し、下側の傾斜磁場コイル108bのzコイルは、矢印211の向きの磁束を発生するように、それぞれのzコイルの端子403、404から電流を供給する。これにより、超電導磁石101の発生する磁束と、上下のzコイルの磁束とが重畳され、z軸方向に磁束密度が徐々に少なくなる勾配磁場が形成される。【００３５】
傾斜磁場コイル108a、108bのxコイル、yコイル、zコイルには、それぞれ独立して所望の時間だけ電流を供給する傾斜磁場パワーアンプ109が接続されている。一般的な撮像パルスシーケンスでは、傾斜磁場パルスの駆動周波数(スイッチング周波数)は、数kHz〜10kHz程度である。【００３６】
上クライオスタット103と下クライオスタット104の撮像空間203側の真空容器207には、図1、図2のように、シールド支持体110が固定されている。シールド支持体110は、斜視図および断面図を図5(a)、(b)に示したように、上下クライオスタット103、104の主平面と平行な板状部(円板)110aと、それを上下クライオスタット103、104に支持する脚部110bとを有する。図5(a)、(b)に示したシールド支持体110は、板状部110aの周縁部全体に連続して脚部110bを設けた構造である。【００３７】
シールド支持体110の板状部110aの内側(傾斜磁場コイル108a、108bとの対向面)には、図1、図2に示したように、高周波シールド111が取り付けられている。これにより、高周波シールド111は、一定の間隔(10mm以上、例えばここでは10mmの間隔)をあけて傾斜磁場コイル108a、108bと対向している。高周波シールド111は、高周波コイル112の高周波を遮蔽するとともに、傾斜磁場コイル108a、108bの傾斜磁場を通過させ、さらに、傾斜磁場の通過により生じる渦電流を低減するように構成されている。高周波シールド111の詳しい構造については後述する。【００３８】
シールド支持体110の板状部110aおよび脚部110bは、強固な板状材(例えば、厚さ15mmの繊維強化プラスチック板)により構成されている。これにより、シールド支持体110の剛性を高め、高周波シールド111に渦電流に起因する振動が生じるのを抑制している。【００３９】
また、シールド支持体110は、高周波シールド111を支持した状態で、傾斜磁場コイル108a、108bの駆動周波数(傾斜磁場パルスのスイッチング周波数)で共振を生じないように設計されている。具体的には、高周波シールド111およびシールド支持体110の固有振動数が、傾斜磁場コイルの駆動周波数と異なるように設計されている。  
これにより、渦電流に起因する振動が高周波シールド111に生じた場合であっても、高周波シールド111を支持するシールド支持体110は共振しないため、高周波シールド111の振動を抑制することができる。【００４０】
シールド支持体110の固有振動数は、シールド支持体110の直径や高さや厚さ等の形状や、材料の密度等をパラメータとして設計することができる。また、本実施の形態では、図5(a)、(b)に示した形状のシールド支持体110を用いたが、板状部110aや脚部110bに所定の形状の突起を設けたり、開口を設けることによって、固有振動数を制御することも可能である。【００４１】
また、シールド支持体110は、傾斜磁場コイル108a、108bが配置された空間を覆い、密閉する構造であるため、傾斜磁場コイル108a、108bの振動から発せられる空気振動を抑制する効果もある。【００４２】
シールド支持体110の表面(撮像空間203側の面)に、図1、図2のように、高周波コイル112が搭載されている。この高周波コイル112も超電導磁石101の開放的な構造を妨げることがないように平板構造のコイルが採用されている。高周波コイル112のコイルパターンは、公知のものを用いることができる。上下一対の高周波コイル112には、図1のように高周波パワーアンプ113が接続されている。高周波パワーアンプ113より核スピン(水素の原子核スピン)の共鳴周波数に対応した高周波電流を流すことで、撮影空間203の被検者102に核スピンを共鳴励起する高周波磁界を照射することができる。本実施の形態の場合では、例えば、1．2テスラの磁場強度で水素原子核が核磁気共鳴を起こす50ＭＨzが選ばれている。【００４３】
被検者102に最も近い位置には、NMR信号を検出する検出コイル114が取り付けられる。この検出コイル114は、被検者102の核スピンの共鳴により発せられるNMR信号を受信し、電気信号に変換する。検出コイル114には、高周波増幅回路115が接続されている。高周波増幅回路115は、電気信号に変換されたNMR信号を増幅し、ディジタル信号に変換し、コンピュータ116に受け渡す。【００４４】
コンピュータ116はディジタル信号に変換されたNMR信号から、診断に供するための画像の再構成を行う。再構成画像は、内蔵するメモリー装置に保存すると共に、ディスプレイ117に表示する。【００４５】
一方、コンピュータ116内のパルスシーケンサー(図では示してない)は、システム信号バスライン118を介して圧縮機ユニット107、傾斜磁場パワーアンプ109、高周波パワーアンプ113、高周波増幅回路115に制御信号を送り、動作を制御する。【００４６】
ここで、高周波シールド111の構造と作用について説明する。  
高周波コイル111の発生する高周波磁界の周波数は、超電導磁石101の生じる静磁場強度が1．2テスラの場合、50MHzである。50MHzの周波数は、可聴周波数帯からはるかに隔たっている。また、50MHzは、シールド支持体110や高周波コイル112を構成する部材が機械的振動するには高すぎる周波数である。このため、高周波磁界による直接的な騒音や振動は考慮する必要がない。しかし、高周波コイル112は、傾斜磁場コイル108a、108bと接近しているため、電磁気的な相互作用により、高周波コイル112の回路に誘導インダクタンスや浮遊容量が生じ、高周波コイル112の回路特性に悪影響する。そこで、高周波コイル112と傾斜磁場コイル108a、108bとの間に高周波シールド111を配置し、高周波コイル112が発生する高周波磁界(50MHz)を遮蔽し、高周波コイル112に誘導インダクタンスや浮遊容量が生じるのを防止する必要がある。【００４７】
よって、高周波シールド111の特性は、高周波コイル112が発生する50MHzの高周波磁界はほぼ完全に遮蔽し、一方で、傾斜磁場コイル108a、108bが発生する傾斜磁場には何ら影響を与えることなく通過させることが理想である。高周波磁界を遮蔽するという作用は、高周波シールド111を薄く一様な導体、例えば導体箔により構成することで達成可能である。しかしながら、一様な導体で高周波シールド111を構成した場合には、数kHzから10kHzでスイッチングされる傾斜磁場パルスにより、渦電流が生じ、傾斜磁場パルスの波形に影響を与える。また、高周波シールド111に渦電流に起因する振動が生じる。渦電流を低減するために、高周波シールドの導体箔を分割することが考えられるが、一様な導体として機能しなくなり、高周波シールドの高周波磁界遮蔽特性が劣化する。【００４８】
そこで、本実施の形態では、高周波シールド111が、50MHzの高周波磁界に対しては、殆ど一様な導体と見なせる低抵抗を示し、かつ、傾斜磁場の駆動周波数である数kHzから10kHzの交番磁場に対して高抵抗を示すように構成した。【００４９】
具体的には、高周波シールド111は、その上面図を図6(a)に、断面図を図6(b)に示したように、2枚の円形導体箔501、503を樹脂シート502の両面に貼り合わせた構造であり、円形導体箔501、503は、等しい中心角の16個の扇形にそれぞれ分割されている。すなわち、円形導体箔501は、16個の扇形導体箔501a〜501pに分割され、隣り合う扇形導体箔同士は直接接触していない。同様に、円形導体箔503は、16個の扇形導体箔503a〜503pに分割され、隣接する扇形導体箔同士は直接接触していない。また、円形導体箔501の分割位置は、円形導体箔503の分割位置に対して、約10度ずらされている。【００５０】
円形導体箔501，503の厚さは、ここでは15μmであり、直径は1mである。導体箔は、非磁性かつ低抵抗であることが望ましく、例えば銅箔やアルミ箔を用いる。樹脂シート502は、誘電体であり、例えばエポキシ樹脂シートを用いることができる。樹脂シート502の厚さは、ここでは一例として、0．5mm以上1．0mm以下のものを用いる。【００５１】
円形導体箔501の分割位置が、円形導体箔503の分割位置と約10度ずれているため、図6(b)により明らかなように、扇形導体箔501aは、誘電体である樹脂シート502を挟んで扇形導体箔503aおよび扇形導体箔503ｐと対向し、容量素子(コンデンサー)を構成している。扇形導体箔503aは、樹脂シート502を挟んで扇形導体箔501aおよび扇形導体箔501bと対向し、容量素子を構成している。すなわち、樹脂シート502の表裏の扇形導体箔が、樹脂シート502を誘電体とした容量素子を構成し、かつ、隣接した容量素子と扇形導体箔を共有する構造となる。したがって、図6(c)に、等価回路を示したように、扇形導体箔により構成される全ての容量素子は、直列接続された回路と等価である。【００５２】
実施形態の高周波シールド111の直径は約1mであり、扇形導体箔が構成する容量素子の値を、実験的により求めると、約2500ｐＦになる。この等価的な容量素子(コンデンサー)は高周波コイル112が発生する50MHzの高周波磁界に対して1．3Ω＝1／(jωC)の低抵抗を示す。よって、高周波シールド111は、高周波コイル112の高周波磁界に対しては、直径1mの完全な円形の銅シート(一様な導体)として働き、ほぼ完全に高周波磁界を遮蔽することができる。よって、傾斜磁場コイルと高周波コイルの干渉を防止することができる。【００５３】
なお1．3Ωという抵抗値が、ほぼ一様な導体として見なせる負荷であるのは次のような理由による。高周波コイル112と高周波パワーアンプ109との接続には、一般的に特性インピーダンス50Ωの同軸ケーブルが使われる。このため、高周波コイル112のインピーダンスも50Ωに調整される。よって、この50Ωに対して、5％以内の負荷変動、すなわち2．5Ω以下の抵抗値ならば、MRI装置として十分に許容できる。何故なら、被検体の挿入による誘電体損失は高周波コイル112の特性インピーダンスに10％〜20％変動を与えるからである。このことにより、1．3Ωの抵抗値の高周波シールドは、高周波コイル112の高周波磁界をほぼ遮蔽することができると、見なすことができる。【００５４】
一方、扇形導体箔の構成する等価的な容量素子は、傾斜磁場コイル108が発生する数kHz〜10kHzの交番磁場に対しては、おおよそ50kΩ高抵抗を示す。16個に分割された扇形導体箔にそれぞれ渦電流の発生は起因するが、渦電流の電流値は低減される。これを図7(a)、(b)を用いて説明する。図7(a)のように、分割されていない一様な円形導体箔701を傾斜磁場が通過し、渦電流が流れる場合、渦電流値iは、全導体面積を横切る磁束Фにより誘起されることになる。次に、図7(b)のように円形導体箔を2分割すると、面積1／2の導体箔を横切る磁束Ф'も1／2になる。傾斜磁場のスイッチング速度は不変であるから、よって、面積1／2の導体箔を流れる渦電流値ｉ'は、ｉ'＝ｉ／2となる。また、分割の境界部では、一方の導体箔を流れる渦電流の向き(イ)と他方の導体箔を流れる渦電流の向き(ロ)とが互いに逆向きになり、しかも、同じ電流密度であることから、相殺される。よって、円形導体箔全体としては、ｉ／2の渦電流と等価となる。【００５５】
このことから、導体箔を分割する数に比例して、渦電流が減少することがわかる。図6(a)の高周波シールド111は、円形導体箔501、503を16分割しているので、渦電流の大きさは、分割しない場合と比較して1／16に低減できる。【００５６】
このように、本実施の形態の高周波シールド111は、高周波コイル112の高周波磁界を遮蔽する特性を維持しながら、傾斜磁場による渦電流を大幅に低減することができるという特性を備えている。【００５７】
ここで、本実施の形態のMRI装置を用いて、例えばエコープレナーイメージング(EPI)に代表される強い傾斜磁場を高速でスイッチングする高速撮像方法を行う場合の各部の動作を説明する。コンピュータ116内のパルスシーケンサは、圧縮機ユニット107、傾斜磁場パワーアンプ109、高周波パワーアンプ113、高周波増幅回路115に所定のタイミングで制御信号を送ることにより、所定の撮像パルスシーケンスを実行させる。すなわち、被検者102に対して、高周波コイル112から所定のタイミングで高周波磁界(周波数50MHz)を照射し、傾斜磁場コイル108a、108bから強い傾斜磁場パルスを数kHz〜10kHzの周波数で高速スイッチングしながら印加する。被検者102から生じたNMR信号は、検出コイル114で受信され、コンピュータ116により画像再構成される。【００５８】
このとき、高周波シールド111は、高周波コイル112から傾斜磁場コイル108a、108bの方向へ向かう高周波磁界(周波数50MHz)に対して低抵抗であるため、一様な導体箔として作用し、これを遮蔽することができる。よって、高周波コイル112は、傾斜磁場コイル108a、108bに対して電磁気的に遮断され、誘導インダクタンスや浮遊容量により高周波コイル112の動作が不安定になるのを防止できる。【００５９】
一方、傾斜磁場コイル108a、108bからの強い傾斜磁場パルス(数kHz〜10kHz)は、高周波シールド111を通過するが、高周波シールド111の円形導体箔501、503は16分割されているため、その渦電流は、分割されていない円形導体箔を用いた場合と比較して1／16程度まで低減される。よって、渦電流によって生じる磁束は、静磁場の方向と一致しているが、渦電流値が小さいため、電磁気力作用による振動の強度も弱い。【００６０】
高周波シールド111は、剛性の大きなシールド支持体110に貼り付けられているため、高周波シールド111に弱い振動が生じても、剛性の大きなシールド支持体111が高周波シールド111の振動を抑制する。また、シールド支持体110の固有振動数は、傾斜磁場のスイッチング周波数(数kHz〜10kHz)とは異なるように設計されているため、高周波シールド111の振動と共振して大きな振動を生じることもない。【００６１】
したがって、本実施の形態のMRI装置は、オープン構造でありながら、大きな傾斜磁場を高速スイッチングした場合でも、高周波シールドの振動を抑制することができ、高周波シールドが騒音源となるのを防止できる。発明者らの実験によれば、高周波シールドとして円形導体箔を用いた場合と比較して、本実施の形態のMRI装置は、振動騒音を5dB改善することができる。【００６２】
しかも、高周波シールド111の高周波磁界遮蔽能力は維持しているため、高周波コイル112に誘導インダクタンスや浮遊容量が生じず、一様な高周波磁界を被検者102に照射できる。また、高周波シールド111は、傾斜磁場パルスが通過する際に生じる渦電流が小さいため、傾斜磁場パルスに与える影響が小さいという効果も得られる。従来、傾斜磁場パルスが高周波シールドを通過する際に渦電流が発生することにより、傾斜磁場パルスのスイッチング速度の鈍化や傾斜磁場パルスの強度振幅の低下が生じ、これが位置エンコードの誤差の原因となってMRI画像の空間分解能を悪化させるという問題が生じていた。しかしながら、本実施の形態では、傾斜磁場パルスのスイッチング速度の鈍化や、傾斜磁場パルスの強度振幅の低下を生じさせないため、高精度な画像を、高空間分解能で撮像することができる。【００６３】
また、本実施の形態によれば、高周波シールド111に生じる渦電流が小さいため、発熱量も小さく、撮像空間の温度上昇も防止できるという効果も得られる。従来、渦電流は、高周波シールドの導体抵抗で熱として消費され、高周波シールドが発熱するという問題も生じていた。従来の高周波シールドは、50MHzの高周波磁界を表皮効果でシールドするため、一般に、20μm~50μm程度の薄い銅箔から構成される。このため、高周波シールドは、導体抵抗が大きく、しかも、熱容量は小さいという性質を有し、連続的な検査では高周波シールドが発熱するという問題が生じていた。例えば、連続的な30分程度の検査で100℃以上に発熱する可能性があり、これにより、被検者の配設空間の温度を上昇させる。しかしながら、本実施の形態では、高周波シールド111の高周波磁界遮蔽能力は維持しながら、生じる渦電流が小さいため、被検者の配設空間の温度上昇を防止できる。【００６４】
さらに、高周波シールド111を剛性の大きなシールド支持体110で支持しているため、傾斜磁場コイル108a、108bと高周波シールド111と間に空隙があり、傾斜磁場コイル108a、108bに熱伸縮が起こっても高周波シールド111の位置が変化しない。これにより、高周波コイル112と高周波シールド111の相互位置が固定され、撮影空間203に安定した高周波磁界を供給することができる。【００６５】
シールド支持体110が、傾斜磁場コイル108a、108bが配置された空間を密閉しているため、傾斜磁場コイルの振動音を遮蔽することができる。【００６６】
また、防振ゴム208により、傾斜磁場コイル108a、108bの共振周波数を撮影シーケンスの周波数帯から外すことができ、且つ、傾斜磁場コイル108の振動エネルギーを減衰することができる。【００６７】
なお、上述の実施の形態では、高周波シールド111の円形導体箔501、503をそれぞれ16分割した構造であったが、本発明は、これに限られるものではない。上述したように、円形導体箔501、503に生じる渦電流の大きさは、分割数に反比例して減少する。よって、円形導体箔を分割していない場合の渦電流値を100％とすると、分割数と渦電流値との関係は、図8に示すような関係になる。これにより、許容できる渦電流の大きさによって、分割数の下限を選択することができる。例えば、渦電流の大きさを、分割しない場合の1／10(すなわち10％以下)にする必要がある場合には、高周波シールド111の円形導体箔501、503の分割数を10以上に設定する。【００６８】
一方、高周波シールド111の円形導体箔501、503の分割数が多くなると、分割数に反比例して扇形導体箔の面積が減少し、容量素子の容量(C)が小さくなる。これにより、図9に示したように、高周波シールド111の高周波磁界(50MHz)に対する抵抗値は、分割数に比例して大きくなる。上述したように、高周波磁界(50MHz)に対する抵抗値は、高周波コイル112のインピーダンスの5％程度以内が許容範囲であるから、この許容範囲を満たすように、分割数の上限を設定する。例えば、高周波コイル112のインピーダンスが50Ωの場合には、抵抗値の許容値が2．5Ωが達成できるように、分割数を27以下に設定する。【００６９】
したがって、渦電流を分割しない場合の10％以下、高周波コイルのインピーダンスが50Ωの場合、高周波シールド111の分割数は、10以上27以下に設定することが望ましい。
(第二の実施形態)
つぎに、第二の実施形態のMRI装置について説明する。  
第二の実施形態では、シールド支持体110として、図10に示した形状のものを用いる。図10のシールド支持体110は、円板形状の板状部110aに円柱状の複数の脚部110bを備えた構造である。板状部110aの内側の表面には、図1および図2と同様に高周波シールド111が支持され、外側の表面には高周波コイル112が支持される。高周波シールド111等、シールド支持体110以外の構造は、第一の実施形態と同じであるので説明を省略する。シールド支持体110は、高周波シールド111を支持するために、十分な剛性を発揮し、しかも、高周波シールド111を支持した状態の固有振動数が、傾斜磁場コイル108a、108bの駆動(スイッチング)周波数とは異なる周波数となるように、形状や脚部110bの太さや配置が設計されている。【００７０】
図10の形状のシールド支持体110は、第一の実施形態の図5(a)、(b)のシールド部材110のように傾斜磁場コイル108a、108bが配置されて空間を密閉することはできないが、高周波シールド111を十分な強度で支持することができ、高周波シールド111の剛性を高めることができる。これにより、高周波シールド111に渦電流が生じ、これに起因する振動が生じた場合であっても、振動を抑制できる。また、シールド支持体110の固有振動数が傾斜磁場のスイッチング周波数からずれているため、高周波シールド111が傾斜磁場のスイッチングで共振せず、振動を防止することができる。【００７１】
シールド支持体110の共振周波数は、板状部110aに棒状の突起を設けたり、開口を設けることによって、制御することができる。また、脚部110bの数や配置を変えたり、脚部110bを不規則な配置にすることにより、共振周波数を制御することができる。
(第三の実施形態)
本発明の第三の実施形態のMRI装置について図11を用いて説明する。第三の実施形態のMRI装置は、図11に示したように、上クライオスタット103および下クライオスタット104の撮像空間側の面にそれぞれ凹部603を備えた超電導磁石601を用いている。【００７２】
MRI装置の超電導磁石は、一般に、超電導コイルの起磁力を低減させつつ、撮像空間の静磁場強度を大きくし、しかも、超電導コイルの安定性は向上させ、製造コストを低減することが望ましい。特に、開放構造の超電導磁石にはこれらは重要な要素である。これら要素は、対向配置された上クライオスタット103と下クライオスタット104との間隔を狭めることにより容易に実現可能であるが、間隔を狭めると、被検者の配設空間をできるだけ広くしたいとするオープンMRI装置の目的と相反することになる。そこで、第三の実施形態では、この相反する要求の解決策として、上下クライオスタット103、104の真空容器およびヘリウム容器に凹部603を設け、その凹部603内に傾斜磁場コイル108a、108bを収容した。【００７３】
凹部603は、上下クライオスタット103、104に収容される超電導コイル201、202の形状に合わせ、その妨げとならないように形成されている。図11では、超電導コイル201、202がそれぞれ2つのコイルからなり、一方のコイル(メインコイル)は、凹部603の外周部に配置されている。傾斜磁場コイル108a、108bは、複数の防振ゴム208を介して凹部603の底面の真空容器に固定されている。これにより、超電導コイル201と超電導コイル202との間隔を図1および図2の装置と同等に維持しながら、傾斜磁場コイル108aの厚さ分だけ、被験者の配設空間(撮像空間203およびその周囲の空間)を広げることができる。【００７４】
凹部603の開口には、傾斜磁場コイル108a、108bと10mmの隙間をあけて、シールド支持体605が固定されている。シールド支持体605は、20mm厚の板状のFRP(繊維強化プラスチック)で形成されている。シールド支持体605の周縁部は、凹部603の壁面に対して、複数個のボルト(図には示していない)によって強固に固定されている。これにより、シールド支持体605の剛性を高めている。傾斜磁場コイル108に対向する面には高周波シールド111が貼り付けられ、シールド支持体605の表面には高周波コイル112が取り付けられている。【００７５】
シールド支持体605は、高周波シールド111を支持するために十分な剛性を発揮し、しかも、高周波シールド111を支持した状態の固有振動数が、傾斜磁場コイル108a、108bの駆動(スイッチング)周波数とは異なる周波数となるように、厚さや材質、ボルトの固定位置等が設計されている。【００７６】
高周波シールド111等、他の構成は、第一の実施形態と同じであるのでこれらについては説明を省略する。【００７７】
図11の形状のシールド支持体605は、高周波シールド111を十分な強度で支持することができ、高周波シールド111の剛性を高めることができる。これにより、高周波シールド111に弱い渦電流が生じ、これに起因する振動が生じた場合であっても、振動を抑制できる。また、シールド支持体605の固有振動数が傾斜磁場のスイッチング周波数からずれているため、高周波シールド111が傾斜磁場のスイッチングで共振せず、振動を防止することができる。【００７８】
シールド支持体605の周囲端面と凹部603の壁面との隙間には、Ｏリング(図には示してない)が配置されている。これにより、傾斜磁場コイル108a、108bが配置される空間の気密性を高め、傾斜磁場コイル108が発する騒音を遮蔽することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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