(57)【要約】【課題】静磁場磁石近傍で、磁性体に及ぶ吸引力を低減すること。【解決手段】実施形態に係る静磁場磁石は、主コイルと、アクティブシールドコイルとを備える。前記主コイルは、前記静磁場磁石内部で軸方向沿いに方向付けられた磁場を生成するように構成される。前記アクティブシールドコイルは、前記主コイルによって生成された磁場であって前記静磁場磁石外部に漏洩する漏洩磁場を低減するシールド磁場を生成するように構成される。前記静磁場磁石は、前記静磁場磁石の中心から軸方向に３〜５ｍの範囲内、径方向に２〜３ｍの範囲内において、５０〜１００ガウスの範囲内の強度の磁場を生成するように構成される。【選択図】図２
2013017817.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
静磁場磁石内部で軸方向沿いに方向付けられた磁場を生成するように構成された主コイルと、
前記主コイルによって生成された磁場であって前記静磁場磁石外部に漏洩する漏洩磁場を低減するシールド磁場を生成するように構成されたアクティブシールドコイルとを備え、
前記静磁場磁石の中心から軸方向に３〜５ｍの範囲内、径方向に２〜３ｍの範囲内において、５０〜１００ガウスの範囲内の強度の磁場を生成するように構成されたことを特徴とする静磁場磁石。
【請求項２】
前記静磁場磁石によって生成された磁場の強度は、該静磁場磁石の中心から軸方向に３〜５ｍの範囲内、径方向に２〜３ｍの範囲内において、略５ガウスに生成された場合の磁場の強度の変化に比較して、緩やかに低減することを特徴とする請求項１に記載の静磁場磁石。
【請求項３】
静磁場磁石を設計する設計方法であって、
前記静磁場磁石は、
静磁場磁石内部で軸方向沿いに方向付けられた磁場を生成するように構成された主コイルと、
前記主コイルによって生成された磁場であって前記静磁場磁石外部に漏洩する漏洩磁場を低減するシールド磁場を生成するように構成されたアクティブシールドコイルとを備え、
コンピュータが、前記静磁場磁石の中心から軸方向に３〜５ｍの範囲内、径方向に２〜３ｍの範囲内において、５０〜１００ガウスの範囲内の強度の磁場を生成する指示の入力を、設計パラメータとして受け付ける受付工程と、
コンピュータが、前記設計パラメータに基づいて、最適化の計算を行う計算工程と、
コンピュータが、少なくとも、前記主コイル及び前記アクティブシールドコイルの導線長を含むコイルパラメータを出力する出力工程と
を含んだことを特徴とする設計方法。
【請求項４】
イメージング領域に静磁場を生成するように構成された静磁場磁石と、
前記イメージング領域に傾斜磁場を生成するように構成された傾斜磁場コイルと、
前記イメージング領域にＲＦ（Radio  Frequency）信号を送信し、該イメージング領域からＭＲ（Magnetic  Resonance）信号を受信するＲＦコイルと、
前記ＭＲ信号に基づいてＭＲ画像を再構成する処理部とを備え、
前記静磁場磁石は、
静磁場磁石内部で軸方向沿いに方向付けられた磁場を生成するように構成された主コイルと、
前記主コイルによって生成された磁場であって前記静磁場磁石外部に漏洩する漏洩磁場を低減するシールド磁場を生成するように構成されたアクティブシールドコイルとを備え、
前記静磁場磁石の中心から軸方向に３〜５ｍの範囲内、径方向に２〜３ｍの範囲内において、５０〜１００ガウスの範囲内の強度の磁場を生成するように構成されたことを特徴とする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】
本発明の実施形態は、静磁場磁石、設計方法、及び磁気共鳴イメージング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気共鳴イメージング装置（「ＭＲＩ（Magnetic  Resonance  Imaging）システム」とも称する）が備える静磁場磁石は、強い磁場を発生し、その磁場は、外部にも漏洩する。外部に漏洩する磁場は、漏洩磁場（fringe  field）等と呼ばれ、ＩＥＣ（International  Electrotechnical  Commission：国際電気標準会議）規格では、漏洩磁場の５ガウスラインを制限管理区域として識別表示することを定めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２８９６７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、静磁場磁石近傍で、磁性体に及ぶ吸引力を低減することができる静磁場磁石、設計方法、及び磁気共鳴イメージング装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態に係る静磁場磁石は、主コイルと、アクティブシールドコイルとを備える。前記主コイルは、前記静磁場磁石内部で軸方向沿いに方向付けられた磁場を生成するように構成される。前記アクティブシールドコイルは、前記主コイルによって生成された磁場であって前記静磁場磁石外部に漏洩する漏洩磁場を低減するシールド磁場を生成するように構成される。前記静磁場磁石は、前記静磁場磁石の中心から軸方向に３〜５ｍの範囲内、径方向に２〜３ｍの範囲内において、５０〜１００ガウスの範囲内の強度の磁場を生成するように構成される。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、本実施形態に係るＭＲＩシステムの構成を示す図。
【図２】図２は、本実施形態に係る静磁場磁石の漏洩磁場を説明するための図。
【図３Ａ】図３Ａは、本実施形態における軸方向の漏洩磁場強度を示す図。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本実施形態における軸方向の漏洩磁場変化量を示す図。
【図３Ｃ】図３Ｃは、本実施形態における軸方向の吸引力を示す図。
【図４Ａ】図４Ａは、本実施形態における径方向の漏洩磁場強度を示す図。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本実施形態における径方向の漏洩磁場変化量を示す図。
【図４Ｃ】図４Ｃは、本実施形態における径方向の吸引力を示す図。
【図５】図５は、本実施形態に係る静磁場磁石の設計手順を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、図面を参照しながら、実施形態に係る静磁場磁石、設計方法、及び磁気共鳴イメージング装置を説明する。
【０００８】
以下の実施形態に係るＭＲＩシステム１００は、漏洩磁場に関する制約が最適化された静磁場磁石（「静磁場Ｂ０磁石」、「静磁場Ｂm磁石」とも称される）を備える。漏洩磁場に関する制約とは、例えば、空間的に規定される境界や、吸引力の境界、トルクの境界である。具体的には、本実施形態に係る静磁場磁石は、少なくとも１つの主コイル（main  electromagnet  winding）と、少なくとも１つのバッキングコイル（bucking  electromagnet  winding）とを備える。主コイルは、静磁場磁石の第１半径内に配設され、バッキングコイルは、第１半径より大きい第２半径内に配設される。バッキングコイルは、主コイルによって生成される漏洩磁場を低減する自己シールド磁場（serf-shielding  magnetic  fields）を提供するように構成される。主コイル及びバッキングコイルによって生成される複合的磁場は、少なくともイメージングボリューム内部において、ＭＲＩ要件に準拠する。メインコイルの巻線及びバッキングコイルの巻線は、静磁場磁石の中心（「磁石中心」、「アイソセンタ（iso-center）」とも称する）から軸方向に３〜５ｍ、径方向に２〜３ｍの範囲内の距離において、静磁場磁石の外部に５０〜１００ガウスの範囲内の漏洩磁場を生成するように構成されている。
【０００９】
図１は、本実施形態に係るＭＲＩシステム１００の構成を示す図であり、改良型静磁場Ｂ０磁石の代表例を備えたＭＲＩシステム１００の例示的な実施形態を高度に図式化したブロック図である。図１に示すＭＲＩシステム１００は、架台１０（概略的に断面図で示す）、及び、架台１０と接続される種々の関連システムコンポーネント２０を備える。通常、少なくとも架台１０は、シールドされた部屋に設置される。図１に示すＭＲＩシステム１００の結合構造には、静磁場磁石１２と、Ｇｘ、Ｇｙ、Ｇｚ傾斜磁場コイルセット１４と、ＲＦコイル１６とを含む、１つの実質的に同軸で円筒形の構造体が含まれている。これらのエレメントから成るこの円筒形の配列体の水平軸沿いに、被検体テーブル１１に支持された被検体９の頭部を実質的に包囲するものとして示される、イメージングボリューム１８がある。
【００１０】
ＭＲＩシステム制御部２２は、表示部２４、キーボード／マウス２６、及びプリンタ２８に接続される入出力ポートを有する。自明であるが、表示部２４は、制御入力の機能も果たすように、タッチスクリーンの類であってもかまわない。
【００１１】
ＭＲＩシステム制御部２２は、ＭＲＩシーケンス制御部３０に接続する。ＭＲＩシーケンス制御部３０は、Ｇｘ、Ｇｙ、Ｇｚ傾斜磁場コイルドライバ３２を制御し、更には、ＲＦ（Radio  Frequency）送信部３４及び（送信及び受信のどちらにも同じＲＦコイル１６が使用される場合に）送受信スイッチ３６を制御する。当然、図１に示すホールボディコイル１６に代えて又はホールボディコイル１６と一緒に、被検体の身体の様々な表面領域に密接して平行になるように構成されたアレイコイルが使用される場合も少なくない。当業者には自明であるが、ＥＣＧ（electrocardiogram）信号及び／又は末梢脈波ゲート信号をＭＲＩシーケンス制御部３０に提供するために、患者の体に１又は複数のしかるべき体表面電極８を貼着することができる。更に、ＭＲＩシーケンス制御部３０は、ＭＲＩデータ取得シーケンスを遂行するためのしかるべきプログラムコード構造３８へのアクセスも有している。なお、ＭＲＩデータ取得シーケンスは、特定のＭＲＩデータ取得シーケンスパラメータを規定する操作者入力及び／又はシステム入力により、利用可能になっている。
【００１２】
ＭＲＩシステム１００は、受信部４０を備えているが、これは、表示部２４に送る処理済み画像データを生成するため、ＭＲＩデータ処理部４２に入力を提供するものである。ＭＲＩデータ処理部４２は、更に、画像再構成プログラムコード構造４４、及び、（例えば、例示的な実施形態及び画像再構成プログラムコード構造４４に従った処理から導かれるＭＲ画像データを記録するための）ＭＲ画像記憶部４６にもアクセスできるように構成されている。
【００１３】
ＭＲＩシステム１００の動作を制御するためのプログラムコード構造が格納されるプログラム／データ格納部５０も、一般化した形で図１に示している。そういったプログラムコード構造は、ＭＲＩシステムの種々のデータ処理コンポーネントにとってアクセス可能な、コンピュータ可読記録媒体に記録される。当業者には自明であるが、プログラム／データ格納部５０を細分化し、少なくともその一部分を、ＭＲＩシステム１００の諸々の処理コンピュータのうちの異なる処理コンピュータであって、通常の動作においてプログラムコード構造を最も早急に必要とするものに直接接続することができる（即ち、共有した形で記録し、ＭＲＩシステム制御部２２に直接接続するのではない）。
【００１４】
実際、当業者には自明であるが、図１は、簡易化して表示した典型的ＭＲＩシステム１００の非常に高度な略図であり、後述する例示的な実施形態を具現化すべく、若干の改変が加えられている。ＭＲＩシステム１００のコンポーネントは、「箱」の形をした様々な論理処理に分割することができる。典型的には、ＤＳＰ（Digital  Signal  Processor）、マイクロプロセッサ、特定用途処理回路（例えば、高速Ａ／Ｄ変換、高速フーリエ変換、アレイ処理等のための）を数多く備える。これらのプロセッサの各々は、典型的にはクロック制御式の「ステートマシーン」であり、それらの物理的データ処理回路は、各クロックサイクル（又は予め定められた数のクロックサイクル）が起こると直ぐに、ある物理的状態から別の物理的状態に進行する。
【００１５】
処理回路（例えば、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）、レジスタ、バッファ、演算ユニット等）の物理的状態が、動作中に、１つのクロックサイクルから別のクロックサイクルに前進的に変化するだけでなく、関連のデータ記録媒体（例えば、磁気記録媒体のビット記録部位）の物理的状態も、かかるシステムの動作中に、１つの状態から別の状態に移される。例えば、ＭＲイメージング再構成プロセスの終了時に、物理的記録媒体内のアレイ状のコンピュータ可読アクセス可能データ値記録部位（例えば、画素値の多数桁バイナリ表現）は、何らかの前の状態（例えば、全てが一様に「０」値又は全てが「１」値）から新しい状態に移されることになるであろう。この場合、かかるアレイの物理的部位の物理的状態（例えば画素値の）は、現実の物理的事象及び状態（例えば、画像化されたボリューム空間全体にわたる患者の諸組織）を反映して、最小値と最大値との間のまちまちの値になっている。当業者には自明であるが、かかるアレイ状の記録データ値は、物理的構造を表すものであり、更にはそれを構成する。これは、命令レジスタへの書き込みと、ＭＲＩシステム１００の１つ又は複数のＣＰＵによる実行が逐次的に行われたときに、特定の動作状態のシーケンスを生成し、それをＭＲＩシステム１００内部で遷移させる特定の構造のコンピュータ制御プログラムコードの場合と同様である。
【００１６】
上述したように、ＭＲＩシステム１００は、典型的には、架台１０と、それと接続される種々の関連システムコンポーネント２０とを備えている。通常、少なくとも架台１０は、シールドされた部屋に設置される。ＭＲＩシステム１００の結合構造には、静磁場Ｂ０磁石と、Ｇｘ、Ｇｙ、Ｇｚ傾斜磁場コイルセットと、ＲＦコイルとを含む、１つの実質的に同軸で円筒形の構造体が含まれている。これらのエレメントから成るこの円筒形の配列体の水平軸沿いにイメージングボリューム１８があり、被検体テーブル１１に支持された被検体９の、画像形成対象の解剖学的構造を実質的に包囲している。
【００１７】
図２は、本実施形態に係る静磁場磁石１２の漏洩磁場を説明するための図であり、円筒形に構成された静磁場磁石１２の例示的な実施形態を示す。なお、以下において「Ｂ０」と表記する場合と「Ｂｍ」と表記する場合とがあるが、概ね、前者は、静磁場磁石によって発生する磁場の軸方向成分に着目することを意図した場合に用い、後者は、軸方向成分及び径方向成分の両方を含むことを意図した場合に用いる。イメージングには、磁場の軸方向成分が用いられる。
【００１８】
当業者には自明であるが、図２に示す構成は、ＭＲＩシステム１００の静磁場磁石１２の１つの可能性としての構成である。静磁場磁石１２は、ＭＲイメージングボリューム（典型的には、磁石構造の磁石中心に関連する）内で十分な磁場均一性を有する静磁場Ｂ０を生成するために用いられる。この円筒形の実施形態の代表例では、極低温に冷却された電磁石巻線が利用されている。通常は、このようにするのが一般的である。当業者には自明であるが、図２では、実際の巻線は省略されている。即ち、実際には巻線が中に設置される円筒形モジュールだけが、概略的に示されている。図２に示すように、主コイルは、典型的には、アクティブシールドコイルの径方向内側に設置される。アクティブシールドコイルは、静磁場磁石１２の外側に必然的に存在する無用な漏洩磁場Ｂｍを低減するために活用される。当業者には自明であるが、図２では、通常のＧｘ、Ｇｙ、Ｇｚ傾斜磁場コイルセット、ＲＦコイル（１又は複数）、信号源、ドライバ、及び制御システムは省略されている。なお、主コイルは、「主磁石巻線」とも称する。また、アクティブシールドコイルは、「バッキングコイル」、「アクティブシールド磁石巻線」、「バッキング磁石巻線」等とも称する。
【００１９】
図２に示すように、静磁場磁石１２は、典型的には、部分的（partial）又は全体的（full）なアクティブシールドを備えるように設計される。このアクティブシールドは、漏洩磁場Ｂｍを、軸方向距離Ａｄの範囲及び径方向距離Ｒｄの範囲に制限する。軸方向距離Ａｄは、軸方向座標軸における漏洩磁場Ｂｍの境界ＦＦＡに関連し、径方向距離Ｒｄは、径方向座標軸において漏洩磁場Ｂｍの境界ＦＦＲに関連する。
【００２０】
例示的な実施形態においては、漏洩磁場Ｂｍの境界の最大値は、漏洩磁場の境界までの軸方向距離Ａｄ及び径方向距離Ｒｄを拡張できるように（例えば、それぞれΔＺ及びΔＲだけ拡張できるように）、若干緩和される。例えば、例示的な実施形態においては、径方向及び軸方向の各漏洩磁場の境界は、それぞれ３ｍ及び５ｍの通常の径方向距離Ｒｄ及び軸方向距離Ａｄにおいて、約５０〜１００ガウスに緩和される。自明であるが、このことは、より典型的な５ガウスの境界位置が、ΔＺ及びΔＲの分だけ大幅に拡張されたことを意味する。
【００２１】
即ち、一般に、５ガウスは、それ以上の立ち入りを制限する磁場強度を示し、５ガウスラインは、立ち入りを制限する区域を示す。また、通常、静磁場磁石は、５ガウスラインが、径方向に２〜３ｍ程度、軸方向に３〜５ｍ程度の位置になるように設計される。この点、本実施形態に係る静磁場磁石１２は、径方向に２〜３ｍ程度、軸方向に３〜５ｍ程度の位置における磁場強度を、５ガウスに制限せず、約５０〜１００ガウスに緩和する。この結果、５ガウスラインは、径方向及び軸方向に、磁石中心から更に離れた位置に位置付けられる。
【００２２】
５ガウスラインの位置が拡張されたとは言え、磁石構造近傍で強磁性体にもたらされる外部吸引力やトルク力を最小限に抑えるべく、主コイルやアクティブシールド（バッキング）コイルを最適化すれば、静磁場磁石１２に接近した位置で強くなっている漏洩磁場の強度（大きさ）に適応することができる。図２に示すように、かかる外部吸引力／トルク力は、漏洩磁場の強度と、距離に対するその変化率との積に比例する。なお、吸引力には、水平方向の吸引力と回転方向の吸引力とがあり、「（外部）吸引力」と表記した場合には、その両者を含む場合と、前者のみを示す場合とがある。また、特に後者を「トルク」と表記する場合がある。
【００２３】
即ち、本実施形態に係る静磁場磁石１２は、磁場強度の変化の勾配を緩やかにすべく、主コイルやアクティブシールド（バッキング）コイルの設計を行う。例えば、軸方向３ｍ程度の位置が５ガウスラインである通常の場合を考え、磁石中心の磁場強度が１．５Ｔであると仮定すると、わずか３ｍ程度で、５ガウス（０．５ｍＴ（Tesla））から１．５Ｔ（１，５００ｍＴ）まで、磁場強度が急激に増えることになる。このような磁場強度の急激な変化は、強い外部吸引力やトルク力をもたらす。このため、５ガウスラインは、その立ち入りが制限されている。これに対し、本実施形態に係る静磁場磁石１２は、逆の発想に立ち、磁場強度の変化の勾配を緩やかにすることで、強い外部吸引力やトルク力の発生を抑制する。本実施形態において、５ガウスラインの位置は拡張されるが、それは立ち入りが制限される区域が拡張されたことにはならない。５ガウスラインの内側において磁場強度の変化の勾配は緩やかであるため、そこに強い外部吸引力やトルク力は発生しないからである。
【００２４】
図３Ａは、静磁場Ｂｍのｚ軸沿いの磁場強度（flux  density  magnitude）を示し、本実施形態に係る静磁場磁石１２に関連する領域に斜線を引いたグラフである。図３Ｂは、静磁場Ｂｍのｚ軸沿いの磁場強度の変化量（gradient  magnitude）を示し、本実施形態に係る静磁場磁石１２に関連する領域に斜線を引いたグラフである。図３Ｃは、静磁場Ｂｍのｚ軸沿いの外部吸引力／トルク力（torque  forces）を示し、本実施形態に係る静磁場磁石１２に関連する領域に斜線を引いたグラフである。
【００２５】
図３Ａ〜３Ｃは、それぞれ、Ｂｍの磁場強度、磁場強度の変化量、及び、結果としての外部吸引力／トルク力を、ｚ軸沿いに、磁石中心からの軸方向の距離ｚの関数として示すグラフである。典型的な従来のフルシールド（ＦＳ（Fully  Shielded））、パーシャルシールド（ＰＳ（Partially  Shielded））、及び、ノンシールドについて、いずれも１．５Ｔにおいて示している。また、例示的な実施形態を示す実線、及び、例示的な実施形態の範囲を示す斜線模様領域が、これらのグラフ上で重ね合わされている。
【００２６】
図４Ａは、同じ静磁場Ｂｍの径方向たるｙ軸沿いの磁場強度を示し、本実施形態に係る静磁場磁石１２に関連する領域に斜線を引いたグラフである。図４Ｂは、同じ静磁場Ｂｍの径方向たるｙ軸沿いの磁場強度の変化量を示し、本実施形態に係る静磁場磁石１２に関連する領域に斜線を引いたグラフである。図４Ｃは、同じ静磁場Ｂｍの径方向たるｙ軸沿いの外部吸引力／トルク力を示し、本実施形態に係る静磁場磁石１２に関連する領域に斜線を引いたグラフである。図３Ａ〜図３Ｃと同様に、図４Ａ〜４Ｃは、同じものを、例示的な実施形態の直交する径方向（ｘ，ｙ）座標軸との関係で示している。
【００２７】
現行のＭＲＩ磁石の技術は、自己シールド設計を使って、典型的な５ガウス設計仕様ライン（5  gauss  design  specification  line）を包囲するのに要するボリュームを最小限に抑え、同時に、目的とするイメージング領域内での磁場の均一性を最適化している。外部５ガウスラインは、それを下回ると現行の心臓ペースメーカ等が適正に動作し、それを上回ると誤動作するおそれがある典型的な閾値を指している。その空間要件（space  requirements）を最小限に抑えることができれば、ＭＲＩシステムの空間要件は、引き下げることができるであろう（例えば、コストが下がる）。
【００２８】
現在は、自己シールド型磁石（本明細書では、全体的にシールドされた「ＦＳ」磁石を指す）が活用されているが、それ以前は、目的とするイメージング領域内で磁場を均一化するためだけに最適化されたノンシールド型磁石、又は、重量及びコストを犠牲にして、外部磁場を制御するパッシブシールド型磁石というものがあった。
【００２９】
磁界によって鉄系の物体にもたらされる水平方向の吸引力は、磁場エネルギー密度（the  magnetic  field  energy  density）の変化量（the  gradient  of  change）の関数である。この磁場エネルギー密度自体は、磁束密度及び磁場強度（磁束密度とも称する）の関数である。回転方向の吸引力（トルク）は、鉄系の物体が存在する場所における磁場強度（磁束密度）の関数である。
【００３０】
現行の自己シールド（ＦＳ）型磁石は、磁石を包囲する空間において高い磁場強度及び磁場強度の変化量を有し、非常に強力な吸引力及びトルクを生成するが、これらは位置とともに急速に変化する。そういった強力な吸引力及びトルクは、人が保持している鉄系の物体（例えば、酸素ボンベ又はツール）を容易に引き寄せる。位置に対して吸引力が極めて非直線的であるため、人が最大吸引力位置に接近していることについて警告がなされることは、殆どない。
【００３１】
旧式のノンシールド型磁石では、５ガウスラインの区域を最小限に抑えるという設計上の取り組みがなされていなかったため、磁石付近の磁場強度及び外部の磁場強度の変化量は低くなっている。自己シールド（ＦＳ）型磁石に比較して、対応する磁場強度及び磁場強度の変化量が低下しているため、吸引力やトルクはより低くなっており、吸引力の警報はより多くなり、安全性は向上する。
【００３２】
我々は将来、全てのアクティブインプラント（例えば、ペースメーカ等）がＭＲＩ磁石の磁場内で動作できるところを目にするかも知れない。そうなれば、潜在的に、制御空間内部の５ガウス領域を配置する必要性を排除できるようになるであろう。しかしながら、磁石周辺の空間を制御することは、安全を確保するために、依然として極めて重要なことである。というのは、次の主たる安全面の気がかりは、鉄系の物体に対する吸引力やトルクだからである。磁石周辺の空間を他の機器の動作と矛盾しないレベルに制御することは、機能面からも必要なことである。機器が正常に機能することに関連する１つの典型値は、５０ガウスである（例えば、コンピュータシステム）。これら個別装置が特別に且つ安価にシールドされていれば、要件を１００ガウス以上に更に緩和することが可能になる。
【００３３】
これらの進展に鑑み、ここで、磁石設計のアルゴリズム及び要件について考察する。これにより、マグネットルームの壁のガウスレベルを大幅に高くすることが可能になる（例えば、１００ガウス）。磁石は、最適化された機構又は技法であって、受動性のもの及び能動性のものを任意に使用して、吸引力及び／又はトルクを最小限に抑えるように設計することができる。磁石設計の最適化では、吸引力要件及び／又は（例えば）１００ガウスの空間限界要件と相まって、磁石によって生成される最適イメージングボリュームの構成も、検討することができる。また、最適化では、サイトの壁のシールド費、部分的アクティブシールド及び／又はパッシブシールドの費用、造影ルーム及び周辺領域双方の床空間の費用等を下げるように、派生的に、磁石設計のコストも検討することができる。
【００３４】
他の手段によって周辺空間の安全が適切に確保され、潜在的に危険であるが不可欠な機器の安全が適正に確保され、他の方法を使ってＭＲＩプロセス時に受信機（コイル）及び被検体に必要なＲＦシールドが提供されている場合は、磁石周辺の壁を不要にすることも可能である。
【００３５】
例示的な実施形態においては、新世代の静磁場磁石に繋がる概念及び方法論を提供する。新世代の静磁場磁石は、インプラント可能なデバイスの磁場限界や吸引力によって外部磁場の制約が構築されている状態で動作する。結果としての低減された外部磁場限界によって、相乗効果的な磁石及びサイトシールド構成も可能になる。全体的な便益としては、構成上の複雑性及びコストが下がること、強磁性サイトシールドが再度最適化されること、及び磁石付近で本来的に磁力及び磁気トルクが低下し、したがって全体の動作上の安全性が向上することが挙げられるであろう。
【００３６】
新規な設計方法論を提案しており、これらの方法論によれば、再度最適化された現場の強磁性シールドを含めたＭＲＩ磁石の全体的コストが、遥かに低くなるはずである。磁石自体の近傍において、局所磁場及び磁場強度の変化量が最小限に抑えられ、したがって磁石に内在する強磁性物体に対する吸引力及びトルクが弱まるため、動作上の安全性は改善されるであろう。
【００３７】
磁場強度が１．０Ｔ以上のＭＲＩ磁石では、本来的に大きな磁石の外部磁場をシールドすることが必要である。磁石を直接的にパッシブシールドすることは、必要なシールドが１０トンを超えかねないため、望ましくない。磁石を自己シールドするのに、アクティブシールドすることが、業界の標準的な手法となっている。加えて、ＦＤＡが行った勧告によると、ＡＩＭＤ（Active  Implanted  Medical  Device）の照射限界のため、一般公衆は、５ガウスを超えるＤＣ磁場に曝されるべきではない。
【００３８】
典型的なノンシールド型１．５Ｔ磁石の径方向及び軸方向の５ガウスラインは、磁石中心からそれぞれ径方向７．５ｍ×軸方向１０．０ｍの位置に存在することになる。他方、アクティブシールド型１．５Ｔ磁石では、径方向及び軸方向の５ガウスラインは、磁石中心からそれぞれ径方向２．５ｍ〜３．０ｍ×軸方向４．０〜５．０ｍの位置に存在することになる。アクティブ自己シールドに関連するコスト及び磁石の複雑性は、かなりのものである。典型的な自己シールド型磁石では、コイル設計において、２〜３倍のアンペアターンが必要になる（例えば、主コイルよりも大きな半径の逆極性バッキングコイル又はシールドコイルを含む）。
【００３９】
ハイブリッドシールド型磁石（アクティブシールドとパッシブシールドの組み合わせ）も使用されてきたが、重量及びコストの問題で、解決策としては同じく不十分である。
【００４０】
ＭＲ適合ＡＩＭＤが標準になると、５ガウスラインに限定することは、必要とされなくなるであろう。例えば、ＭＲスキャナに関連する電子機器は、最大で約１００ガウスまで動作することができる。他の一般的な電子機器も、略同一磁場を照射された状態で動作することができる。しかし、ＡＩＭＤから波及する安全上の諸問題が排除されれば、次なる重要なＭＲ磁石の危険要因は、強磁性物体に対する吸引力及びトルクである。アクティブインプラント及び不注意で磁石室に持ち込まれた物品に対する安全性が気がかりである。これらの吸引力／トルクは、所与の位置における磁場強度及び／又は同じ位置における磁場強度の変化量の関数である。
【００４１】
５ガウス（又は任意の他のレベル）ボリューム要件を制約する既存のアクティブ自己シールド型磁石の方法論は、主磁場の空間的変化率を増大させており、磁場を増大させる可能性もある。どちらが増大しても、物体に働く吸引力及びトルクは増大する。
【００４２】
低減された又は排除されたアクティブシールドを最小限の径方向及び／又は軸方向のサイト（部屋）シールドと組み合わせるという相乗効果的概念を採り入れて、５ガウスレベルではなく、磁石のＡＩＭＤ許容５０〜１００ガウス位置を包含することによって、磁石吸引力は大幅に低下し、ひいては、動作上の安全性が向上し、同時に、磁石の複雑性及びコスト、更には磁気シールドコスト及び据付コストも大幅に低下する。
【００４３】
例示的な実施形態は、安全性を向上し（吸引力及びトルクの低減）、コストを節減し（サイトシールドの低減又は排除）、コイル及び必要なコイルボビン／巻型のコストを下げ（即ち、今は実現可能な部分的にシールドする設計）、且つ磁石を小型化する（半径は５〜１５％小径化する可能性があり、重量は５〜１０％軽量化する可能性がある）。
【００４４】
磁石及びサイトシールドを相乗効果的に設計することで、これら３つの改善が可能になる。磁石の許容外部磁場基準は、５ガウスから５０〜１００ガウスに上昇することになり、ひいては、磁石のコストを大幅に下げる（１０〜２５％）とともに大幅に小型化し、同時に外部吸引力及びトルクを低減する設計が可能になる。
【００４５】
コイル設計の最適化プロセスの一環として、外部吸引力及びトルクを最小限に抑えることも可能である。吸引力及びトルクを最小限に抑えることを磁石設計の方法論に本来的に組み込み、このようにして、動作上の安全性を向上しながら吸引力／トルクを更に低減できることも、合わせて想定されている。これは、コイル設計及び最適化の新規な方法を提示するものである。
【００４６】
改めて、図３Ａ〜３Ｃ及び図４Ａ〜４Ｃを説明する。上述したように、図３Ａ〜３Ｃは、軸方向の漏洩磁場の強度（「Ｂm」、単位は『ガウス』）、漏洩磁場の変化量（「ｄＢm／ｄＺ」、単位は『ガウス／ｃｍ』）、吸引力（「Ｂm×ｄＢm／ｄＺ」、単位は『ガウス2／ｃｍ』）をそれぞれ示す。また、図４Ａ〜４Ｃは、径方向の漏洩磁場の強度、漏洩磁場の変化量、吸引力をそれぞれ示す。
【００４７】
図３Ａ〜３Ｃ及び図４Ａ〜４Ｃにおいては、１．５Ｔの静磁場磁石を想定し、フルシールド（ＦＳ）のアクティブシールド型の静磁場磁石（以下、「ＦＳ型」）と、パーシャルシールド（ＰＳ）のアクティブシールド型の静磁場磁石（以下、「ＰＳ型」）と、ノンシールド型の静磁場磁石（以下、「ノンシールド型」）と、本実施形態に係る静磁場磁石１２とを比較している。ＦＳ型については黒色菱形の記号でプロットし、ＰＳ型については白色四角の記号でプロットし、ノンシールド型については黒色三角の記号でプロットしている。また、本実施形態に係る静磁場磁石１２については、実線で示す。なお、ＦＳ型の５ガウスラインは、径方向２．５ｍ×軸方向４．０ｍである。ＰＳ型の５ガウスラインは、径方向３．０ｍ×軸方向５．０ｍである。ノンシールド型には、シールドが備わっていない。
【００４８】
まず、図３Ａを参照すると、磁石近傍においては、タイプの異なる静磁場磁石同士で、磁場強度の勾配特性に大きな違いは生じていない。もっとも、磁石中心から離れるに従い、徐々にタイプ間の違いが生じている。具体的には、ノンシールド型の場合に、磁場強度は最も緩やかに推移している。すなわち、磁場強度の変化量及び吸引力は、ノンシールド型のものが小さくなっている。対象領域において、ノンシールド型は、吸引力が、本来的に他ほど強くない。但し、ノンシールド型の場合、磁石中心からの距離がある程度離れても、磁場強度が十分に低下していない。一方、磁場強度は、ＦＳ型の場合に最も急峻に推移し、続いて、ＰＳ型の場合に急峻に推移する。この点、実線で示す本実施形態に係る静磁場磁石１２の場合、磁石中心から離れるに従い、ノンシールド型と、ＦＳ型及びＰＳ型との中間程度の勾配で、その磁場強度が推移している。そして、静磁場磁石１２の場合、磁石中心からの距離がある程度離れた場合には、ＦＳ型及びＰＳ型同様、十分にその磁場強度が低下している。このようなことから、本実施形態に係る静磁場磁石１２は、図３Ａに示す斜線部分において、ＦＳ型やＰＳ型に比較して有効であるといえる。
【００４９】
次に、図３Ｂを参照すると、まず、ノンシールド型は、磁石近傍において磁場強度の変化量が最も小さいが、磁石中心からの距離がある程度離れた場合に、磁場強度の変化量が十分に低下していない。一方、磁石近傍において、ＦＳ型及びＰＳ型の磁場強度の変化量は、特に急激に変化している。この点、実線で示す本実施形態に係る静磁場磁石１２の場合、磁石近傍においては、ＦＳ型及びＰＳ型よりもノンシールド型に近い変化を示し、磁石中心からの距離がある程度離れた場合には、ＦＳ型及びＰＳ型同様、十分にその磁場強度の変化量が低下している。このようなことから、本実施形態に係る静磁場磁石１２は、図３Ｂに示す斜線部分において、ＦＳ型やＰＳ型に比較して有効であるといえる。
【００５０】
続いて、図３Ｃを参照すると、まず、ノンシールド型は、磁石近傍において吸引力が最も小さく、磁石中心からの距離がある程度離れた場合にも、吸引力は十分に低下している。もっとも、その推移の過程において、ノンシールド型は、吸引力の低下がやや不十分な面がある。一方、磁石近傍において、ＦＳ型及びＰＳ型の吸引力は、特に急激に変化している。この点、実線で示す本実施形態に係る静磁場磁石１２の場合、磁石近傍においては、ＦＳ型及びＰＳ型よりもノンシールド型に近い変化を示し、磁石中心からの距離がある程度離れた場合にも、十分にその吸引力が低下している。また、その推移の過程においても、ノンシールド型よりも、その吸引力が小さい。このようなことから、本実施形態に係る静磁場磁石１２は、図３Ｃに示す斜線部分において、ＦＳ型やＰＳ型に比較して有効であるといえる。
【００５１】
また、図４Ａ〜４Ｃについても同様に参照すると、磁場強度、磁場強度の変化量、及び吸引力のいずれの場合も、ノンシールド型は、その値が小さく、変化の度合いも緩やかである。一方、ＦＳ型及びＰＳ型は、互いの値が交差する場合もあるが、いずれも、比較的急峻な変化を示している。この点、本実施形態に係る静磁場磁石１２は、図４Ａ〜４Ｃのいずれの場合も、ＦＳ型及びＰＳ型よりは比較的緩やかな変化を示している。すなわち、本実施形態に係る静磁場磁石１２は、少なくとも図４Ａ〜４Ｃに示す斜線部分において、ＦＳ型やＰＳ型に比較して有効であるといえる。
【００５２】
同じくグラフが示しているように、磁場強度の低下は、バッキングコイルが除かれていることに起因して、径方向の方が遥かに緩やかである。磁場強度の変化量及び吸引力は、大幅に小さくなっている。したがって、対象の領域において、この設計のものは、無用な吸引力が大幅に小さくなっている。
【００５３】
ＭＲＩを設置する際のサイトシールドの必要性は、全体的に最適化された形でＭＲＩシステム１００が得られるように、主コイル、バッキングコイル、及びサイトシールドの各要件間で相乗効果的設計手法を用いることによって、最小限に抑え、又は排除することができる。
【００５４】
その全体的（主及びバッキング）コイルの設計プロセスに、磁場強度、磁場強度の変化量、及び吸引力の計算、並びに、それに続く最適化を付け足してもかまわない。「焼きなまし法による最適化」等の最適化アルゴリズム又は代替の最適化ルーチンを使って、各コイルパラメータを同時に最適化することができる。これらのコイルパラメータの例として、典型的には、中央磁場、磁場のルジャンドル係数Ｚ２、Ｚ４、Ｚ６、Ｚ８、Ｚ１０、Ｚ１２、Ｚ１４等、径方向及び軸方向の外部漏洩磁場、コイルの総アンペアターン又はアンペアメートル、並びにコイル部の内部ピーク磁場及び応力が挙げられる。同時に行われる全体的最適化プロセスに、磁場強度、磁場強度の変化量、及び吸引力を付け足してもかまわない。
【００５５】
主コイル及びバッキングコイルの各巻線は、磁石の中心から軸方向に３〜５ｍ、径方向に２〜３ｍの範囲内の距離において、磁石外部に５０〜１００ガウスの範囲内の漏洩磁場Ｂｍを生成するように構成することができる。
【００５６】
少なくとも１つのプログラム済みデータプロセッサを使って主コイル及びバッキングコイルの各巻線の構成を設計し、磁石の中心から軸方向に３〜５ｍ、径方向に２〜３ｍの内で磁石外部に設置された透磁性物体に働く磁力及びトルクを最小限に抑えることができる。
【００５７】
図５は、本実施形態に係る静磁場磁石１２の設計手順を示すフローチャートであり、改良型ＭＲＩシステム磁石を設計するための方法の例示的な実施形態を実施するのに利用できる例示的なコンピュータプログラムコード構造を図式化したフローチャートである。なお、例示的なコンピュータプログラムコード構造は、各種設計パラメータの入力を受け付け、所定の最適化技法を用いて、ある制約条件下におけるコイルの所要導線長等を求めるものとして、予め準備される。
【００５８】
ＭＲＩシステム制御部２２は、静磁場Ｂ０磁石設計のサブルーチンとしてコンピュータプログラムコード構造の実行を開始する（ステップＳ４００）。まず、ＭＲＩシステム制御部２２は、設計パラメータが全て入力されているか否かを判定する（ステップＳ４０２）。
【００５９】
全ての設計パラメータが入力されていない場合（ステップＳ４０２，Ｎｏ）、ＭＲＩシステム制御部２２は、設計パラメータを入力するための機会を操作者に与える（ステップＳ４０４）。例えば、ＭＲＩシステム制御部２２は、ステップＳ４０４に示す内容を表示するＧＵＩ（Graphical  User  Interface）を表示部２４に出力し、操作者から設計パラメータの入力を受け付ける。なお、『最大コイル長』は、静磁場磁石１２のｚ軸方向の長さである。また、『最大主コイル直径』は、静磁場磁石１２が有する主コイルの直径である。また、『最大バッキングモジュール直径』は、静磁場磁石１２が有するバッキングコイルの直径である。また、『最大径方向漏洩磁場』は、径方向の漏洩磁場に関して設定する制約条件である。本実施形態においては、例えば、『２〜３ｍにおいて、５０〜１００ガウス』が入力される。また、『最大軸方向漏洩磁場』は、軸方向の漏洩磁場に関して設定する制約条件である。本実施形態においては、例えば、『３〜５ｍにおいて、５０〜１００ガウス』が入力される。また、『Ｂ0中心磁場』は、静磁場磁石の中心磁場強度であり、例えば、『１．５Ｔ』が入力される。また、『主コイル電流密度』は、静磁場磁石１２が有する主コイルを流れる電流密度である。また、『ＤＳＶサイズ』は、ＤＳＶ（Diameter  of  Surface  Volume）、すなわちイメージング領域の大きさである。
【００６０】
最終的に全入力パラメータが打ち込まれると（ステップＳ４０２，Ｙｅｓ）、ＭＲＩシステム制御部２２は、漏洩磁場、並びに、外部吸引力及びトルクを最小限に抑えるように、少なくともバッキングコイルの設計を開始する（ステップＳ４０６）。
【００６１】
例えば、ＭＲＩシステム制御部２２は、主コイル及びバッキングコイルを、漏洩磁場Ｂｍ並びに外部吸引力及びトルクを最小限に抑えながら（すなわち、漏洩磁場Ｂｍの磁場強度の変化の勾配が緩やかになるように）、且つ、所望の中央磁場Ｂ０を生成するよう設計する。例えば、ＭＲＩシステム制御部２２は、焼きなまし法による最適化等の最適化アルゴリズム又は他の最適化技法を使って、外部磁場要件を満たし、ルジャンドル係数Ｚ２、Ｚ４、・・、Ｚ１４をゼロにし、主コイル及びバッキングコイルの所要導線長、磁場強度、及び吸引力の傾きを最小限に抑えるように、並行して最適化が行われる（ステップＳ４０８）。
【００６２】
そして、ＭＲＩシステム制御部２２は、主コイル及びバッキングコイルについて、コイルパラメータの最適化を行う（ステップＳ４１０）。次に、ＭＲＩシステム制御部２２は、中間設計結果を表示し（ステップＳ４１２）、例えば、操作者から「許容できない」との入力を受け付けると（ステップＳ４１４，Ｎｏ）、ステップＳ４０２に制御を戻す。この場合には、新たな設計パラメータ群が１組入力され（ステップＳ４０４）、再び、ステップＳ４０６以降の処理が開始される。一方、ステップＳ４１２で表示された中間設計結果に対して、操作者から「許容できる」との入力を受け付けると（ステップＳ４１４，Ｙｅｓ）、ＭＲＩシステム制御部２２は、本サブルーチンから抜け、呼び出し元のプログラム又はオペレーティングシステムに制御が戻される。
【００６３】
上述してきたように、本実施形態に係る静磁場磁石は、ＭＲＩシステム磁石であって、少なくとも１つの主コイルと、少なくとも１つのバッキングコイルとを備える。主コイルは、静磁場磁石の第１半径内に配設されるとともに、静磁場磁石内で軸方向沿いに方向付けられた磁場を提供するように構成される。また、主コイルは、静磁場磁石外部に漏洩磁場を生成する。また、バッキングコイルは、第１半径よりも大きな第２半径内に配設されるとともに、主コイルによって生成される静磁場磁石外部の漏洩磁場を実質的に低減する自己シールド磁場を提供するように構成される。また、主コイル及びバッキングコイル双方によって生成される複合的磁場は、少なくともイメージングボリューム内部において、ＭＲＩ要件に準拠するものである。そして、主コイル及びバッキングコイルは、静磁場磁石の中心から軸方向に３〜５ｍ、径方向に２〜３ｍの範囲内の距離において、静磁場磁石外部に５０〜１００ガウスの範囲内の正味漏洩磁場を生成するように構成されている。
【００６４】
また、本実施形態に係る静磁場磁石の主コイル及びバッキングコイルは、サイトシールドの必要性を最小限に抑えるように構成されている。また、本実施形態に係る静磁場磁石の主コイル及びバッキングコイル、並びにサイトシールド要件は、全体的に最適化されたＭＲＩシステムを得るように相乗効果的に構成されている。
【００６５】
また、本実施形態に係る静磁場磁石は、静磁場磁石の外部まで延在する軸方向のｚ座標軸を有する円筒形である。それに沿って、図３Ａ〜３Ｃのグラフに図示した網掛け領域内部の強度、変化量、及び吸引力／トルクをｚ座標軸沿いに有する静磁場Ｂｍが、提供されている。
【００６６】
また、本実施形態に係る静磁場磁石は、静磁場磁石の外部まで延在する軸方向のｚ座標軸を有する円筒形である。それに沿って静磁場Ｂｍが提供されている。本実施形態に係る静磁場磁石は、同じく静磁場磁石の外部まで延在する直交する径方向のｙ座標軸を有する円筒形である。それに沿って、図４Ａ〜４Ｃのグラフに図示した網掛け領域内部の強度、変化量、及び吸引力／トルクをｙ座標軸沿いに有する静磁場Ｂｍが存在している。
【００６７】
また、本実施形態に係るＭＲＩシステム制御部２２は、ＭＲＩシステム磁石を設計するためのプロセスを実行する。このプロセスは、少なくとも１つのプログラム済みデータプロセッサを使って、静磁場磁石の中心から軸方向に３〜５ｍ、径方向に２〜３ｍの範囲内で、静磁場磁石外部に設置された磁性物体に働く磁力及びトルクを最小限に抑えるように、少なくともバッキングコイルの構成を設計する。
【００６８】
また、このプロセスは、少なくとも主コイル及びバッキングコイルの構成を設計する際に、外部磁場の強度、磁場強度の変化量、及び吸引力の勾配のうち、少なくとも１つを計算し、次に、それらを最小化する処理を含む。
【００６９】
また、このプロセスは、少なくとも主コイル及びバッキングコイルの構成を設計しながら、最適化アルゴリズムを使って、中央磁場、磁場のルジャンドル係数、径方向及び軸方向の外部漏洩磁場、コイルの総アンペアターン、並びに主コイル及び／又はバッキングコイルの部分における内部ピーク磁場及び応力を含むコイルパラメータを最適化する処理を更に含む。
【００７０】
以上述べた少なくとも一つの実施形態の静磁場磁石、設計方法、及び磁気共鳴イメージング装置によれば、静磁場磁石近傍で、磁性体に及ぶ吸引力を低減することができる。
【００７１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００７２】
１００  ＭＲＩシステム
１２  静磁場磁石
２２  ＭＲＩシステム制御部
【図１】
2013017817.tif 000003
【図２】
2013017817.tif 000004
【図３Ａ】
2013017817.tif 000005
【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2013017817.tif 000009
【図４Ｃ】
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【図５】
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