(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍装置で熱伝導により冷却される無冷媒型超伝導磁石ユニット及び制御用パソコンからなる磁石モジュールと、磁石モジュールに高周波信号を送信するとともに、冷凍装置の振動に同期してＮＭＲ信号を検出し、データ処理する制御用パソコンを備えた分光器モジュールと、分光器モジュールで検出した信号をデータ処理して画像化する制御用パソコンを備えたイメージプロセッサーモジュールと、各モジュールの制御用パソコンを結合するネットワーク回線とからなる超伝導磁石を用いた超小型ＭＲＩ装置。
【請求項２】
前記磁石モジュールの制御用パソコンで分光器モジュールで検出した信号を取り込み、磁石ユニットの制御を行うことを特徴とする請求項１記載の超伝導磁石を用いた超小型ＭＲＩ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）装置に係り、特に、小動物の脳などの組織・器官の機能の動的解析、サイズが小さい医学・病理学組織標本の検査、各種保存組織の検査、食品素材・産業資材の評価、食品・穀物の品質評価、血流・流動原料のモニタ等に好適な超小型軽量移動型ミクロＭＲＩに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＭＲＩ装置は医学の診断や研究に用いられる大型のＮＭＲ（Nuclear Magnetic Resonance）イメージング装置である。ＭＲＩは一般には組織に含まれる水または油のプロトン（水素原子）を検出して、その分布をマッピングするので、水または油の分布及び状態を通して組織・器官の形態、損傷、異常及び疾病を観察することができる。装置は高度に完成されていて光学的な手法では不可能な立体イメージの非破壊的な観測が可能である。
【０００３】
しかし、従来の装置は、人体を対象として設計されているので本来的にサイズが大きく、また、イメージ分解能は粗く、小さな試料を扱うためには特殊な付属検出器の作成が必要（認可を含む）である。その上、高磁場を確保するために超伝導磁石が用いられ、磁石を冷却するために液化Ｈｅガスを使用しているため、巨大な液化Ｈｅガス用及び予備冷却の液化Ｎ2 ガス用タンクを備えている。液化Ｈｅガス中で発熱体である磁石を稼働させるので、時として噴出事故を起こし、その主要原因である振動を極端に嫌う。ＭＲＩが大きな特殊空調をした測定室に設置される原因の一つは、磁石の加熱と振動に対する対策である。また、液化Ｈｅガスはかなりの早さで減少する。その補充のメンテナンスは大変な労力と熟練を必要とする。さらに、強い漏洩磁場に対処して測定室中に立入り禁止区域を設定しなければならない。この漏洩磁場の問題についてはアクティブシールド型の磁石の開発が進められている。
【０００４】
一方、これに対して小動物研究用のＭＲＩ装置も開発されている。この装置も前記磁石の点において巨大である。また、空調を完備し、強い漏洩磁場に対処するために磁気遮蔽した特殊な測定室に設置されている。また、漏洩磁場に対する立入り禁止区域や液化Ｈｅガスのメンテナンスが人体用と同様に必要である。
【０００５】
本装置の分解能は人体用より大分密であるが、それでも平面分解能で１ｍｍ×１ｍｍ程度で小動物の組成の細胞レベルの変化を捉えようとする（１００μｍ×１００μｍ）ためにはかなり粗い。サイズの小さな試料に対しては人体用と同様に特殊な検出器の作成が必要である。現在、サイズの小さい試料を扱うためには高分解能ＮＭＲ装置に取りつけるためのＮＭＲイメージング（ＭＲＩと同様）付属装置が開発されている。この場合も本体が高分解能ＮＭＲ装置であるために、超伝導磁石を用いていて巨大である。立入り禁止区域を設けた特殊測定室に設置して、振動を極端に嫌い、液化Ｈｅガスのメンテナンスが必要であることも前の二つの装置と同様である。
この付属装置は小さなサイズの試料を扱うための専用装置であり、分解能は優秀である。５０μｍ×５０μｍの分解能を確保し得る装置は珍しくないが、取り扱いは前二機種に比べても複雑であり、熟練を要し、また、測定ユーティリティパッケージの不備が目立つ。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来のＭＲＩ装置、及び高分解能ＮＭＲ付属ミクロＭＲＩ装置の諸欠点である、
Ａ）装置全体が巨大である、
Ｂ）振動を嫌うので試料にアクセスできない、
Ｃ）液化Ｈｅガス補充のメンテナンスが必要である、
Ｄ）強い漏洩磁場に対処した立入り禁止区域及び磁気遮蔽を必要とする、
Ｅ）設置のために耐震施設（管理室または管理区域）を必要とする、
Ｆ）磁場のダウンが不可能（励磁すると電源を取り外し、熱の出入りがない）であり、したがって、装置の移動が不可能である、
Ｈ）高性能コンピューターを必要とする、
を解決することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、冷凍装置で熱伝導により冷却される無冷媒型超伝導磁石ユニット及び制御用パソコンからなる磁石モジュールと、磁石モジュールに高周波信号を送信するとともに、冷凍装置の振動に同期してＮＭＲ信号を検出し、データ処理する制御用パソコンを備えた分光器モジュールと、分光器モジュールで検出した信号をデータ処理して画像化する制御用パソコンを備えたイメージプロセッサーモジュールと、各モジュールの制御用パソコンを結合するネットワーク回線とからなることを特徴とする。
また、本発明は、前記磁石モジュールの制御用パソコンで分光器モジュールで検出した信号を取り込み、磁石ユニットの制御を行うことを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の超小型移動型ミクロＭＲＩ装置の概念図である。
基本構成部位である磁石、分光器及びイメージプロセッサをそれぞれ一台ずつのパソコンと結合し、各々独立した部位のみでも稼働し得る磁石モジュール１０、分光器モジュール３０、イメージプロセッサモジュール５０として、各パソコン同士をサーバを通して高速イサーネットケーブル１００ＭＨｚで結んで専用のコントロールプログラムで制御し、装置自体を小さなネットワークシステム（統一的ミクロＭＲＩシステム）とすることで装置の超小型化を達成している。なお、静磁場は分光器から独立した無冷媒小型超伝導磁石によって供給する。
【０００９】
次に、各モジュールについて説明する。
図２は磁石モジュールを説明する図である。
磁石モジュール１０は、無冷媒型超小型超伝導磁石１１、シム１２ａ及びシム検出器１２ｂからなるシム装置１２、マグネットコントローラ１４、シムコントローラ１５、分光器モジュールのシグナルモニタ（後述する）からデータを取り込み、超伝導磁石を制御するパソコン１６からなっている。
【００１０】
無冷媒型超小型超伝導磁石１１は、高温超伝導材料を使用し、図示しない小型冷凍機で熱伝導によって超伝導領域まで冷やされ、磁石内には冷媒を用いない構成であり、そのため磁場のダウンが可能な構成となっている。ただし、磁石が小型冷凍機の振動を受けるため、信号検出は、冷凍機の振動（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）に同期させて行い、振動の影響を無くすようにする。また、超伝導磁石の磁石中央部（イメージングゾーン）の磁場の均一性（＜１０ｐｐｍ）を確保するため、マグネットコントローラ１４で超伝導コイルを制御し、シムコントローラ１５でシム装置１２を制御する。制御用パソコン１６により、シム１２ａ内に配置したシム検出器１２ｂで検出した不均一磁場、分光器モジュールのシグナルモニタから得た検出信号を取り込んでシム調整し、磁場の均一性を確保する。
超小型超伝導磁石１１は高磁場でありながら無冷媒型であるため、超小型、耐震性、メンテナンスフリー、磁場ダウンが可能であり、図３に示すように、制御用パソコン１６とともにカート１７などに積んで自由に移動させることが可能である。
【００１１】
図４は分光器モジュールを説明する図である。
分光器モジュール３０は、超小型超伝導磁石１１内に配置され、磁場勾配コイルと検出コイルを含み、アクティブシールドされているプローブ３１と、分光器３２と、制御用パソコン３３とからなっている。分光器３２は、大きく分けるとプローブ３１に信号を送信する部分と、プローブ３１からの信号を受信してデータ処理する部分とからなっている。
プローブ３１に信号を送信する部分は、磁場勾配発生装置３４及び磁場勾配を制御するコントローラ３５、プローブにｒｆ（高周波）信号を加えるｒｆ発振器３６、プローブに加えるパルスシーケンスを発生するパルスプログラマー３７を備えている。
ＮＭＲ検出信号を受信して処理する部分は、受信器３８、受信した信号をデジタル信号に変換するＡＤコンバータ３９、受信データを蓄積するフレームメモリ４０を備え、前述したように、冷凍機の振動の影響を除くため振動に同期してプローブからの信号をサンプリングして取り込むようにする。さらにＦＴ（フーリエ変換）用予備プロセッサ４１、シグナルモニタ４２、画像構築手段４３を備え、制御用パソコン３３で制御されてメモリ４０からデータを出力し、また、プロセッサ４１でフーリエ変換処理して画像構築手段４３で画像化を行い、さらにシグナルモニタ４２のデータを磁石モジュールに送信する。
なお、信号を送信する部分、受信する部分の機能の一部は必要に応じて制御用パソコン３３が行うように構成するようにしてもよい。
【００１２】
図５はイメージプロセッサモジュールを説明する図である。
イメージプロセッサモジュールは大容量メモリ５１、データ処理装置であるパソコン５２からなっており、分光器で検出された信号、または外部より読み込んだ信号、ＦＴ後のイメージデータを大容量メモリ５１に取り込み、このデータを基にパソコン５２でＭＲＩイメージを再構成し、データベース５３を構築することも含めて各種の画像解析を行う。パソコン５２は、シグナルモニタ、データプロセッサ（ＦＴ）、画像構築、画像解析の機能を有して必要な処理を行い、データベース化を図るとともに、必要に応じてネットワークにデータを転送する。
【００１３】
図６は本発明を環境制御検出器として適用した例を説明する図である。
この例は、環境変化に対する小動物の脳のファンクションイメージングを行うものであり、磁石６１内に生きたままの小動物を入れ、検出コイル６２でＮＭＲ信号を検出するものであり、ガスコントローラ６３、光コントローラ６４、サーモコントローラ６５を用いてガス圧、温度、光を自由に変化させて小動物の脳の反応を検出し、イメージングデータはデータベース化して他のパソコンや他機種のコンピュータへ転送して解析することが可能である。
【００１４】
図７は本発明の装置の特徴を説明する図である。
本発明の装置は、超小型で場所を選ばず、耐振動性で測定部へのアクセスが可能であり、図示するように、会話型で試料（検体）へのオペレーションが可能であり、分解能１０〜５０μｍの三次元（３Ｄ）高速イメージングが可能であり、これを図８により説明する。
図８は落下するファントム（模擬検体）の連続イメージングを説明する図である。
図８（ａ）は従来の高速法であるFLASH 法、図８（ｂ）は会話型の高速イメージング処理法であるＥＰＩ（Echo Planner Imaging）法により撮影したファントムの落下の様子を示している。図８（ａ）では落下するファントムの１コマの半分の時間３２０ｍｓで、４コマ分の撮影ができていることが分かる。本発明の分光器モジュールは単独で移動可能であるため、他のＭＲＩ装置を使用することができ、その静磁場中においてファントムを落下させて撮像することができるからである。ただしその場合、検出器の磁場強度への同調を必要とする。測定したデータは、本発明におけるイメージプロセッサモジュール上でも再作像が可能である。
【００１５】
【発明の効果】
以上のように本発明は、Ａ）超小型である、Ｂ）耐振性であり測定部へのアクセスが可能であり、測定中の試料への操作と処理が可能である、Ｃ）超伝導磁石は無冷媒でメンテナンスフリーである、Ｄ）小型であり漏洩磁場のシールドは比較的容易である、Ｅ）設置場所を選ばない、Ｆ）磁場のダウンが可能であり、その結果装置の移動が可能である、Ｇ）パソコンの使用は超小型化に有効である、Ｈ）磁石、分光器及びイメージプロセッサ各モジュール間のネットワーク化はパソコンの能力の劣性を補い、測定中におけるシグナルモニターやシグナルまたはイメージを基にした磁石制御や測定プログラムの改変を会話型で行うことが可能である、Ｉ）パソコンの使用は磁石制御、パルスプログラマーの基板など電子部品のサイズとコストを著しく削減し、オペレーションシステム（ＯＳ）のバージョンアップにかかるコストを不要とするなどの効果が達成できる。
【００１６】
また、本発明は、装置が複数のパソコン（それぞれ入力と出力装置を備える）のネットワークとして構成されるため、場所を選ばない、測定部へのアクセスが可能、会話型で試料へのオペレーションが可能、測定続行中のシグナルモニターや特定画像の構築、新規ＪＯＢのセットアップ等をサーバエミュレータ系によって行うことが可能である。
【００１７】
また、測定対象（検体）の動的な動きをリアルタイム（時間分解能１００μｓ、テレビジョンより少し遅いが連続映像に支障はない）で非破壊的に観測することが可能であり、この技術を利用して組織・器官における細胞レベルの生体情報を非破壊的に連続的にイメージングすることができ、生体情報学を大いに推進し、新しい方向を開発し、得るものと考えられる。その結果、高分解能三次元イメージを必要とする医学、生理学組織標本検査、組織保存モニター、農産物評価、及び食品・工業分野の原料素材及び資材評価、医学・生理学における血流モニタ、及び工業分野における素材中の液体の長さのモニタ、小動物の脳や他の組織への外部刺激（光や薬剤）に対するダイナミックファンクションを評価する研究分野等への活用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の超小型移動型ミクロＭＲＩ装置の概念図である。
【図２】  磁石モジュールを説明する図である。
【図３】  耐震性移動型超小型伝導マグネットを説明する図である。
【図４】  分光器モジュールを説明する図である。
【図５】  イメージプロセッサモジュールを説明する図である。
【図６】  本発明を環境制御検出器として適用した例を説明する図である。
【図７】  本発明の装置の特徴を説明する図である。
【図８】  落下するファントムの連続イメージングを説明する図である。
【符号の説明】
１０…磁石モジュール、３０…分光器モジュール、５０…イメージプロセッサモジュール。
【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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