(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の磁化率を有している被検体の磁気共鳴画像の作成中に用いることを意図した器具を構成する方法であって、
（ａ） 作像を意図されている被検体の部分と近似的に等しい磁化率を有している背景物質を選択する工程と、
（ｂ） 前記背景物質の磁化率と異なる既知の磁化率（磁化率の差Δχ）を有している対照物質を選択する工程と、
（ｃ） 前記背景物質に入れられた既知の形状の前記対照物質の磁気共鳴画像を取得して、前記背景物質と前記対照物質の磁化率の違いによって発生した歪みのある対照ＭＲ画像を得る工程と、
（ｄ） 前記対照物質の形状に関し対照ＭＲ画像の歪みの方向及び寸法を測定する工程と、
（ｅ） 複合材料から器具を構成する工程と、
（ｆ） 前記背景物質内で前記器具の磁気共鳴画像を取得して、歪みのある器具のＭＲ画像を作成する工程と、
（ｇ） 前記器具のＭＲ画像における画像の逸脱が所定の閾値よりも大きいか否かを判断する工程と、
（ｈ） 前記器具のＭＲ画像及び前記対照ＭＲ画像から、前記器具と前記背景物質の磁化率の差（Δχ）と極性とを推定する工程と、
（ｉ） 前記器具の磁化率の差（Δχ）が実質的にゼロになるような前記器具に添加される既知の磁化率のドーピング剤の量を算出する工程と、
（ｊ） 前記算出された量のドーピング剤を前記器具に添加して、画像を殆ど歪めないで磁気共鳴作像に用いることのできる器具を得る工程とを備えた磁場内で用いることを意図した器具を構成する方法。
【請求項２】
工程（ｊ）の後に、前記磁化率が、作像を所望されている前記被検体の部分の磁化率と実質的に合致するまで、工程（ｆ）〜工程（ｊ）を繰り返す工程を更に含んでいる請求項１に記載の器具を構成する方法。
【請求項３】
所定の磁化率を有している被検体の磁気共鳴画像の作成中に用いることを意図した器具を構成する方法であって、
（ａ） 作像を意図されている被検体の部分と近似的に等しい磁化率を有している背景物質を選択する工程と、
（ｂ） 前記背景物質の磁化率と異なる既知の磁化率（磁化率の差Δχ）を有している対照物質を選択する工程と、
（ｃ） 前記背景物質に入れられた既知の形状の前記対照物質の磁気共鳴画像を取得して、前記背景物質と前記対照物質の磁化率の違いによって発生した歪みのある対照ＭＲ画像を得る工程と、
（ｄ） 前記対照物質の形状に関し対照ＭＲ画像の歪みの方向及び寸法を測定する工程と、
（ｅ） 複合材料から器具を構成する工程と、
（ｆ） 前記背景物質内で前記器具の磁気共鳴画像を取得して、歪みのある器具のＭＲ画像を作成する工程と、
（ｇ） 前記器具のＭＲ画像における画像の逸脱が所定の閾値よりも大きいか否かを判断する工程と、
（ｈ） 前記器具のＭＲ画像及び前記対照ＭＲ画像から、前記器具と前記背景物質の磁化率の差（Δχ）と極性とを推定する工程と、
（ｉ） 前記器具の磁化率の差（Δχ）が実質的にゼロになるような前記器具に添加される既知の磁化率のドーピング剤の量を算出する工程と、
（ｊ） 前記算出された量のドーピング剤を有している他の器具を構成して、画像を殆ど歪めないで磁気共鳴作像に用いることのできる器具を得る工程とを備えた磁場内で用いることを意図した器具を構成する方法。
【請求項４】
工程（ｋ）の後に、前記磁化率が、作像を所望されている前記被検体の部分の磁化率と実質的に合致するまで、工程（ｇ）〜工程（ｋ）を繰り返す工程を更に含んでいる請求項３に記載の器具を構成する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、磁気共鳴（ＭＲ）に適合する器具に関し、更に具体的には、ＭＲ作像中に磁場内で用いることのできる器具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気共鳴（ＭＲ）作像は、均一な磁場を発生する大型のマグネットと、時間又は空間に関して一様な方式で磁場を変化させて磁場勾配を発生する勾配コイルとを用いている。ＭＲ作像は又、作像される被検体に無線周波数（ＲＦ）場を印加し、被検体内の共鳴核を共鳴させてＭＲ応答信号を発生させるＲＦコイルを用いている。このＭＲ応答信号を用いて画像を構成する。空間に関する磁場の均一性の程度及び磁場勾配の線形性の程度は、明瞭で歪みのない画像を作成するのに重要である。又、ＲＦ場を妨害すると、作成される画像の画質が低下する。
【０００３】
印加された磁場によって物質が示す磁化の程度は、磁化率として定義されている。物質の磁化率が、作像される被検体の磁化率と大幅に異なっていると、磁場の磁束線が影響を受け、従って、この物質の付近の領域内では印加された磁場の均一性が乱される。これにより、磁化率の差に基づいて物質の付近でＭＲ画像に歪みが発生する。
【０００４】
負の磁化率（「χ」、χ＝０〜−１）を有している物質の集合を「反磁性体」と呼ぶ。正の磁化率（χ＝０〜＋０．０１）を有している物質の集合を「常磁性体」と呼ぶ。そして最後に、強い磁性（χ＝＋０．０１〜＋１０5 ）を有している物質の集合を「強磁性体」と呼ぶ。
多くの金属は、強磁性体であって、マグネットの付近に配置されるとねじり力を経験する。ＭＲ作像に用いられる磁場は強いので、磁気力は大きいものであり得る。器具がメスであれば、外科医が手術中にメスを操作するのは極めて困難であろう。
【０００５】
加えて、金属等の導電性物質は、共鳴作像に必要な無線周波数の電磁場を乱すと共に歪める。通常は金属性の電気導体であるこれらの物質内の渦電流がそれ自体の磁場を発生し、この磁場は、ＭＲ作像に用いられている場を妨害する。磁場内にこれらの導体が持ち込まれると、即ち磁場が急速に変化すると、物質を通過している電流によって局所加熱が発生する。局所加熱は、カテーテルが火傷を招いたり、組織を凝固させたりすることがあるので問題となり得る。従って、金属のような良好な電気導体であって渦電流を起こす物質は、可能な限り少量で用いられるべきである。
【０００６】
ＭＲ作像は、多くの異なる種類の被検体に対して実行され得る。唯一の要件は、ＭＲ応答信号を放出することの可能な共鳴核が大量に存在していることである。
現在、手術中に患者の内部器官の対話型画像を作成することへの要求がある。磁気共鳴作像は、軟組織の画像を極めて詳細に形成するので、ＭＲ作像の使用は有利である。手術用具が、ＭＲ作像装置によって発生されている静磁場及び無線周波数磁場を妨害しないときに、最良の作像が得られる。
【０００７】
典型的には、メス及び生検針のような手術用具は、殺菌が容易で、剛性の程度が高く、生体に挿入したときに重大な生理学的副作用を引き起こさない材料、通常はステンレス鋼で製造されている。しかしながら、磁化率は依然として生物組織とは大幅に異なるし、金属は渦電流及び発熱を示す。
現在、上述した望ましい諸特性を有していると共にＭＲ作像中に磁場内で用いることのできる器具が必要とされている。
【０００８】
【発明の概要】
基材に埋め込まれているドープされたグラファイト複合材料が、磁気共鳴（ＭＲ）作像システム内で用いるために構成される。このドープされたグラファイト複合材料は、作像される被検体の磁化率と殆ど合致する磁化率を有しており、金属と比較すると強磁性ではなく、不良な電気導体であり、又、剛性等の適正な物理的諸特性と、鋭利なエッジを維持する能力とを有していると共に殺菌することが可能である。この器具の特性により、器具をＭＲ作像中に磁場内で用いることができ、これにより、例えば手術中に外科医に対して、対話型の内部画像を作成して表示することが可能になる。
【０００９】
このような器具を構成する方法は、背景物質内で対照物質を作像することを要求する。背景物質は、所望の磁化率を有していると共にＭＲ応答信号を発生し得るものでなければならない。背景物質は、作像を意図されている被検体の部分と実質的に等しい磁化率を有しているべきである。典型的な背景物質は、溶解した硫酸銅のような常磁性の塩を含有している水である。器具を同じ方式で作像すると、器具によって画像の歪みが発生され、この歪みのある画像を用いて、適正な磁化率を得るために添加されるべきドーピング剤の量及び極性が決定される。
【００１０】
【本発明の目的】
本発明の目的は、磁気ねじれ効果を示さずに、ＭＲ作像に用いられる磁場内で用いることのできる器具を提供することにある。
本発明のもう１つの目的は、磁気共鳴作像システムの磁場内で用いることのできる器具であって、作像される被検体の部分の磁化率と同様の磁化率を示すと共に、ＭＲ画像を歪めない器具を提供することにある。
【００１１】
本発明のもう１つの目的は、磁気共鳴作像システムの磁場内での手術中に用いられる器具であって、作成されるＭＲ画像にアーチファクトを導入することのない器具を提供することにある。新規であると考えられる本発明の諸特徴は、特許請求の範囲として具体的に述べられている。しかしながら、本発明それ自体は、本発明の構成及び動作の方法の両者、並びに更なる目的及び利点に関して、以下の記載を図面と併せて参照することにより、最も理解し易くなる。
【００１２】
【実施例】
図１に、様々な種類の物質についての磁場内での磁化率を示す。磁化率は一般的には、１００万部当たりの部（ｐｐｍ）の単位で超伝導体の−１から鉄の１００，０００にわたっている。例えば、標準温圧の空気は、約３．６×１０-7ｐｐｍである。水、及び人体の通常の軟組織は、約−９．０５×１０-6ｐｐｍである。脱酸素された赤血球は、約−６．５２×１０-6ｐｐｍである。図１には、他の物質が、やはり１００万部当たりの部の単位で磁化率を添えて示されている。相異なる磁化率の値を有している諸物質を併せて組み合わせることにより、異なる磁化率の値を有している新たな物質が生成し得ることがわかる。同様に、相異なる諸物質の量及び混合比を調節することにより、作像される被検体という物質と合致するように磁化率を調節することができる。
【００１３】
作像される被検体は、ヒト、動物、植物、合成物質又は製造物品のいずれであってもよい。
ＭＲ作像中に作像空間内に配置する必要のある物体が存在するならば、この物体を、被検体又は被検体の部分の磁化率と合致させることができる。これらの物体は、作像中に被検体を固定する又は操作するために用いられ得る。
【００１４】
器具を構成するために、炭素繊維と基材とで構成されている複合材料から、水の磁化率と近似的に等しい器具を得ることに決定した。殆どの哺乳動物の組織の磁化率は水の磁化率と近似的に等しいので、上述の決定は、この種の組織を作像するときに用いられる器具についての良い出発点となる。
炭素繊維は、中程度の導電体であるグラファイトから製造される。炭素繊維は、それ自体では剛性を全く示さないが、エポキシ樹脂のような適当な結合材料と組み合わせると、相当の強度を有する複合材料が製造される。グラファイトの単結晶及び炭素繊維の磁化率は、異方性である。即ち、炭素原子の平面と垂直な方向では第１の磁化率（−５．９５×１０-4）を有しており、炭素原子の平面と平行な方向では第２の磁化率（−０．０８５×１０-4）を有している。
【００１５】
基  材
基材はエポキシであり、炭素繊維と共に流し込まれ又は成形され得る。エポキシと炭素繊維とを組み合わせると、最終的な結果として、多くの異なる器具に許容される剛性を示す。炭素繊維対基材の最適な相対比を選択することにより、最大の耐久性が得られる。好ましい混合比は、炭素繊維を約６０重量％対基材を約４０重量％である。
【００１６】
基材として他の樹脂を炭素繊維と共に用いることもできる。
他の基材
熱硬化性プラスチック、他のポリマ又は複合材料のような他の基材は、用いられる器具の剛性、ヤング率及び破断特性のような物理的要件に合致すれば、採用することができる。これらの基材は、以下に議論する方法による等して、作像される被検体又は被検体の部分と合致するようにドープされなければならない。
【００１７】
炭素繊維複合材料の従来の構成及びその物理特性の詳論については、Leighton H. Peebles による『炭素繊維、形成、構造及び特性』（"Carbon Fibers, Formation, Structure and Properties"）（フロリダ州、Boca Raton、CRC Press 、１９９５年）の第１章〜第６章を参照されたい。
ドーピング
炭素繊維と基材との複合材料は、人体組織及び水の磁化率よりも僅かに負の磁化率を示すので、作像のときには、人体組織の磁化率と合致させるために、より正の磁化率を有しているドーピング剤によるドーピングが必要である。酸化鉄の形態の鉄のように極めて高い正の磁化率を有している物質を用いれば、基材と炭素繊維との磁化率を水の磁化率にまで高めるために添加されるべき酸化鉄は、極く少量しか必要でない。水よりも正のより大きな磁化率を有している物質であれば、どの物質でも用いられ得ることを理解されたい。ドーピング剤の磁化率の値が低いほど、より多量のドーピング物質が要求される。
【００１８】
例えば、赤鉄鉱としても知られており、１．４６×１０-3の正の磁化率を有している酸化鉄粉末（Ｆｅ2 Ｏ3 ）のようなドーピング剤を、磁場内で用いられる器具を構成するときに用いることができる。この物質又はその他のドーピング剤を制御された量で含ませることにより、構成中の器具の磁化率を、作像される被検体の磁化率と合致するように広い範囲にわたって調節することができる。
【００１９】
異なる磁化率を有している物体が作像空間内に存在していると、ＭＲ画像に特徴的な歪みが生じる。この歪みは、不合致の大きさと符号との両方を示している。この不合致は、その物体の磁化率と、作像される被検体の磁化率との間の差である。
器具の磁化率と被検体の磁化率とを適正に合致させるために、ドーピング剤を次第に増やして添加すると共に、様々なドーピング量で磁化率の合致性を試験して、最適なドーピング濃度を決定することができる。
【００２０】
図３に、ビスマスで構成されており、磁化率の差Δχ＝−１５５ｐｐｍで周囲物質よりも低い磁化率を有している円筒形の物体の画像を示す。この画像は、右を指し示している矢印形のアーチファクトを発生していることに注意されたい。矢印形のアーチファクトが指し示している方向は、差の符号を示している。「尾」（"stretching"）の長さは、磁化率の差の大きさを示している。
【００２１】
同様に、図４は、チタンで構成されており、磁化率の差Δχ＝１９１ｐｐｍで周囲物質よりも高い磁化率を有している球形の物体の画像である。この画像は、左を指し示している矢印形のアーチファクトを発生していることに注意されたい。従って、磁場内での使用を意図されている器具は、以下の各工程によって構成され得る。
【００２２】
１． 作像を意図されている被検体又は被検体の部分の磁化率と近似的に等しい磁化率を有している背景物質を選択する。
２． 既知の形状で形成されており、背景物質に関して既知の極性で異なる既知の磁化率の差、即ち対照差（Δχ）を有している対照物質を選択する。
３． 背景物質及び対照物質に対して磁気共鳴（ＭＲ）作像を実行して、歪みのある対照ＭＲ画像であって、アーチファクトを有しているであろう対照ＭＲ画像を得る。
【００２３】
４． アーチファクトの寸法及び形状、アーチファクトが変形している方向、並びに歪みの程度を同定する。
５． 物質から器具を構成する。
６． 背景物質内で器具を作像して、器具のＭＲ画像を作成する。
７． 画像の逸脱が所定の最小閾値よりも小さければ、この器具はＭＲ作像システム内での使用に許容される。終了。
【００２４】
８． 画像の逸脱が所定の最小閾値よりも大きければ、対照ＭＲ画像に対する画像の歪みの大きさを推定する。
９． 器具のＭＲ画像及び対照ＭＲ画像から、器具について器具の磁化率の差（Δχ）と極性とを推定する。
１０． 器具の磁化率の差（Δχ）が実質的にゼロになるようなドーピング剤の量を算出する。
【００２５】
１１．  算出された量のドーピング剤を器具に添加するか、又はこの量のドーピング剤を有している他の器具を構成して、画像を殆ど歪めないでＭＲ作像に用いることのできる器具を得る。
画像の歪みの程度を決定するためには、従来の画像処理技術を用いることができる。これにより、ピクセルの存在すべき位置からの空間的なオフセットを考慮に入れるばかりでなく、歪みのない画像におけるピクセルの強度に対する歪みのある画像におけるピクセルの相対的強度をも考慮に入れることができる。
【００２６】
ドーピング剤の所要量を算出するためには、歪みの程度が必要であると共に、ドーピング剤の極性のオフセット（正又は負のいずれか）及びドーピング剤の磁化率が必要である。これにより、単位体積当たりの所要量が得られ、この量を器具の体積について調節する。
対照物体が器具と同一の寸法で構成されていれば、発生される画像の歪みの比較がより容易になる。
【００２７】
又、異方性の複合材料を含んでいる器具については、上述の工程を磁場に関して相異なる器具の配向で繰り返して、相異なる配向について要求されるドーピング剤の平均量を用いることができる。これにより、磁場内で様々な器具配向で発生される画像がより一貫性を持ったものになる。
基材と炭素繊維との複合材料の磁化率が、硬化中に変化するようであれば、ドーピング剤を添加するときにこのことも考慮に入れなければならない。
【００２８】
以上に議論した方法に従って器具を構成する際に、ビスマスは、極めて大きな負の磁化率を有している物質であり、対照物質として用いることができる。用いられる殆どあらゆる背景物質はビスマスに対して正であり、背景物質に対して強度に負の磁化率を示すＭＲ画像を発生する。
複合材料製の器具をドーピングするときには、局所的な磁場の歪みを生ずることがないように器具の磁化率を確実に均一にするための注意を払わなければならない。
【００２９】
図２に、炭素繊維複合材料製の脳生検装置を示す。生検針は、装置の長さを貫通している中央開口５を有している。生検装置は、高強度の炭素繊維複合材料で構成されている。側面開口７及び中央開口５によって収集される小サンプルを回収するために、生検針を、患者の脳組織に貫通させることにより患者に挿入する。生検針を患者から取り出して、試験のために摘出する。手順における侵襲性を減じるために、生検針を可能な限り細くする。生検針を細くするためには、高度の強さと剛性とを有している材料で構成しなければならない。この場合には、装置は直径１ｍｍ〜３ｍｍ、肉厚０．２９ｍｍ〜０．５ｍｍを有していてもよい。
【００３０】
手術中に用いられるこれらの器具に用いられる複合材料は、殺菌が可能であり生体適合性の物質でなければならない。生体適合性の物質とは、有毒でなく、重大な生理学的副作用をもたらさないものである。例えば、銅は生体適合性ではない。銅を哺乳動物の組織に導入すると、銅イオンが放出され、組織に毒性をもたらす。
【００３１】
手術で要求され得る以下のようなあらゆる手術用具を、生検針及びメスについて上述した要件に従って製造することができる。即ち、例えば、メス、生検針、光ファイバ・ガイド、牽引子（リトラクタ）、鉗子（クランプ）、注射器、カテーテル及び鋏であるが、これらに限定されない。
本願の新規な発明について、現状で好ましい様々な実施例を詳述してきたが、当業者には多くの改変及び変形が今や明らかとなっているであろう。本発明は、特許請求の範囲によってのみ限定されるのであって、上述の説明の目的で提示された特定の細部及び実施例に限定されるのではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】様々な物質の磁化率を示す図である。
【図２】本発明に従って、人体組織に近接した磁化率を有している材料で構成された生検針の平面図である。
【図３】背景物質としての水内で、対照物質としてのビスマスで構成された円筒のＭＲ画像であって、磁化率の差による歪みを示している図である。
【図４】背景物質としての水内で、対照物質としてのチタンで構成された円筒のＭＲ画像であって、磁化率の差による歪みを示している図である。
【符号の説明】
５  中央開口
７  側面開口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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