(57)【要約】【課題】  傾斜磁場コイルの発熱量や冷却量を一様とせず、コイル発熱の分布、冷却量の分布、渦電流発熱の分布を考慮した温度予測を行う。【解決手段】  被検体に静磁場を与える静磁場発生手段と、傾斜磁場コイルに通電することで前記被検体に傾斜磁場を与える傾斜磁場発生手段と、前記被検体に高周波磁場を照射する送信系と、前記被検体から放出されたエコー信号を検出する受信系と、前記受信系で検出したエコー信号を用いた画像演算及びこの装置全体の動作の制御を行う信号処理系と、画像を表示する手段と、撮像条件を入力する手段と、前記傾斜磁場コイルの初期温度を測定する手段と、前記初期温度と前記撮像条件に基づき撮像時の前記傾斜磁場コイルの温度を予測する手段とを備えた磁気共鳴イメージング装置において、前記温度測定手段は、予め測定した傾斜磁場コイル内の最高温度を示す位置に備え付けられる。【選択図】      図2
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体に静磁場を与える静磁場発生手段と、傾斜磁場コイルに通電することで前記被検体に傾斜磁場を与える傾斜磁場発生手段と、前記被検体の生体組織の原子核に核磁気共鳴を起こさせるための高周波磁場を照射する送信系と、前記核磁気共鳴により放出されたエコー信号を検出する受信系と、前記受信系で検出したエコー信号を用いた画像演算及びこの装置全体の動作の制御を行う信号処理系と、得られた画像を表示する表示手段と、撮像条件を入力する入力手段と、前記傾斜磁場コイルの初期温度を測定する温度測定手段と、前記初期温度と前記撮像条件に基づき撮像時の前記傾斜磁場コイルの温度を予測する温度予測手段とを備えた磁気共鳴イメージング装置において、
前記温度測定手段は、予め測定した傾斜磁場コイル内の最高温度を示す位置に備え付けら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】
本発明は、磁気共鳴イメージング(以下、「MRI」という)装置に関し、特に傾斜磁場コイルの発熱による温度上昇を予測する機能を有したMRI装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
MRI装置は、被検体、特に人体の組織を構成する原子核スピンが発生するNMR信号を計測し、その頭部、腹部、四肢等の形態や機能を二次元的に或いは三次元的に画像化する装置である。撮像においては、NMR信号には、傾斜磁場によって異なる位相エンコードが付与されるとともに周波数エンコードされて、時系列データとして計測される。計測されたNMR信号は、二次元又は三次元フーリエ変換されることにより画像に再構成される。
【０００３】
傾斜磁場は、傾斜磁場コイルに通電することにより発生するが、これと同時にコイル自身が発熱する。コイルの発熱に対しては、傾斜磁場コイル内に配置した冷却管内に冷却液を流すことで除熱する方法が取られている。しかし、被検体の拘束時間の短縮や時間分解能の向上の為に高速撮像法が採用されるようになるにつれ、傾斜磁場コイルに流れる電流は大きくなっており、冷却液による除熱だけでは追いつかない場合がある。このような発熱により、傾斜磁場コイル及びその周辺機器の温度が許容値以上に至る可能性があり、傾斜磁場コイル及びその周辺機器の故障の原因になる。
【０００４】
そこで、特許文献1では、傾斜磁場コイルとそれに近接して配置されるRFシールドの発熱量を設定された撮像条件から算出し、冷却システムによって排除される熱量と初期温度を加味した上で、傾斜磁場コイルの温度を計算しており、計算結果を予め設定された閾値と比較したうえで、設定された撮像条件の許可、または撮像条件の見直しを表示している。
【０００５】
【特許文献１】特開2003-319919号公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献1では、傾斜磁場コイル内の温度分布が均一なものとみなして傾斜磁場コイル全体の温度を計算しているので、計算値以上の温度に達する箇所が存在することに対する配慮がなされていなかった。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、設定された撮像条件により傾斜磁場コイルが達する最高温度を正確に知ることができる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】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成される。
【０００９】
被検体に静磁場を与える静磁場発生手段と、傾斜磁場コイルに通電することで前記被検体に傾斜磁場を与える傾斜磁場発生手段と、前記被検体の生体組織の原子核に核磁気共鳴を起こさせるための高周波磁場を照射する送信系と、前記核磁気共鳴により放出されたエコー信号を検出する受信系と、前記受信系で検出したエコー信号を用いた画像演算及びこの装置全体の動作の制御を行う信号処理系と、得られた画像を表示する表示手段と、撮像条件を入力する入力手段と、前記傾斜磁場コイルの初期温度を測定する温度測定手段と、前記初期温度と前記撮像条件に基づき撮像時の前記傾斜磁場コイルの温度を予測する温度予測手段とを備えた磁気共鳴イメージング装置において、前記温度測定手段は、予め測定した傾斜磁場コイル内の最高温度を示す位置に備え付けられる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、設定された撮像条件により傾斜磁場コイルが達する最高温度を撮像前に正確に知ることができるので、傾斜磁場コイル及びその周辺機器の故障を未然に防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
｛実施形態1｝
以下、添付図面に従って本発明のMRI装置の好ましい実施形態について詳説する。
【００１２】
図1は、本実施形態のMRI装置を示したものである。MRI装置は、均一な静磁場空間を発生する磁石1により磁場の均一領域4を形成する。この静磁場に重ねて被検体の位置情報を与えるために、互いに直交する3軸方向に磁場強度が線形に変化する傾斜磁場を発生する傾斜磁場コイル2が、磁石1よりも均一空間4側に配置される。プロトンの共鳴周波数を持つ電磁波を送信するRFコイル3や、検査部位のNMR信号を受信する受信コイル5が、傾斜磁場コイル2よりも均一空間側に配置される。また明示していないが、静磁場や傾斜磁場を補正するシムコイルを有してもよい。
【００１３】
傾斜磁場コイル2には、それぞれX傾斜磁場電源6、Y傾斜磁場電源7、Z傾斜磁場電源8が接続されており、傾斜磁場コイル2と傾斜磁場電源6〜8により傾斜磁場発生手段を構成している。また、RFコイル3には、高周波電力を供給する高周波送信器9が接続され、受信コイル5には受信した信号を増幅する高周波受信器10が接続され、高周波送受信系を構成している。
【００１４】
傾斜磁場電源6〜8、高周波送受信器9、10は、その動作を制御する為のPC11に接続されている。PC11は、高周波受信器10によって増幅されたNMR信号に演算処理を施し、画像を構成する機能も有している。PC11は、操作者が計測の条件や、パルスシーケンスの選択等の設定を行う画面を表示するモニタ12に接続されている。
【００１５】
PC11には、傾斜磁場電源6〜8と高周波送受信器9、10を制御する制御部100と、傾斜磁場コイルの温度を予測する温度予測部101と、撮像条件等を保管する記憶手段102を有している。
【００１６】
傾斜磁場コイル2の近傍には、RFコイル3から発せられるRFパルスの影響をシールドするためのRFシールドと、傾斜磁場コイル2の発熱を除熱するための冷却液を流す冷却管とが配置されている。また、傾斜磁場コイル2には、後述するヒートスポットに温度センサー103が備え付けられる。温度センサー103はPC11に接続され、PC11が有する温度予測部101へ温度センサー103の出力が伝達される。
【００１７】
傾斜磁場コイル2の温度は、傾斜磁場コイル2の発熱、RFシールド等に生ずる渦電流による発熱、冷却液による冷却効率により決定される。以下、3つの因子について説明する。
【００１８】
傾斜磁場コイル2の発熱とは、コイルに流れる電流により生ずるジュール熱によるものであり、コイルの電気抵抗とコイルに流れる電流によって決定される。コイルは、所定の空間磁場分布を発生させるためのパターンを有しており、導体密度に疎密が有るため、発熱量の空間分布は不均一なものとなる。また、X軸方向の傾斜磁場を発生させるXコイルとY軸方向の傾斜磁場を発生させるYコイルは同じコイルパターンを有するが、YコイルはXコイルに対し90°回転させて配置され、Z軸方向の傾斜磁場を発生させるZコイルは、Xコイル及びYコイルとは異なるパターン形状を有する。そのため、3つのコイルごとに発熱分布も異なる。
【００１９】
渦電流による発熱とは、傾斜磁場が時間的に変動するときに周囲の導体中に発生する渦電流のジュール熱によるものであり、傾斜磁場コイルに流れる電流に比例する傾斜磁場強度、傾斜磁場の立ち上がり時間、立ち下がり時間、単位時間あたりのパルス数、導体面積、導体抵抗によって決定される。ここでいう導体とは、傾斜磁場コイルやRFシールドの金属部分等をさす。導体中の磁場強度及び方向は場所によって異なり、導体も空間的な分布を持つので、渦電流による発熱量も空間的な分布を持つ。渦電流による発熱は、傾斜磁場が時間的に変動するとき、すなわち傾斜磁場の立ち上がり時と立ち下がり時に発生するので、先に述べた傾斜磁場コイル2の発熱とは異なる挙動を示す。
【００２０】
冷却液による冷却効率は、冷却液の流量と温度、冷却管の配管構造、傾斜磁場コイルと冷却管との距離、コイル周囲の熱伝導率によって決定される。冷却管の配管構造は、圧力損失や発熱分布等を考慮して設計されるが、周辺機器との関係からコイル全面に均等に配置することは困難であり、冷却効率に空間的な分布が生じる。
【００２１】
以上述べたように、発熱分布と冷却効率の分布は傾斜磁場コイルに流れる電流の波高値、通電軸、傾斜磁場の立ち上がり時間、立ち下がり時間、単位時間あたりのパルス数、通電時間などの通電条件によって異なるので、傾斜磁場コイル2の温度分布も通電条件によって変化し、最高温度を示す位置も変化する。
【００２２】
つまり、本発明の実施形態では、撮像条件によって決まる通電条件毎に最高温度を示す位置(以下、ヒートスポットという)を予め特定した上で、各ヒートスポットの温度変化を予測し、予測結果に応じて撮像条件を許可するか否かを判断する。以下に、その具体的な実現方法を述べる。
【００２３】
PC11に備えられる温度予測部101によって予測した予測温度Tと許容温度Tmaxを比較し、予測温度Tが許容温度Tmax以下であれば撮像を開始し、予測温度Tが許容温度Tmaxを超えているようであれば、計測条件を変更する画面を表示する。
【００２４】
上限温度Tmaxは、樹脂の劣化が起こらない温度、例えば70°に設定する。もし、許容温度を超えた場合には、樹脂が劣化することによって、傾斜磁場コイルの故障の原因となる。そこで温度予測部101は、常に傾斜磁場コイルの最高温度位置を予測する。
【００２５】
出荷時、想定される通電条件に対して通電試験を行うことで、各条件での最高温度を示す位置(以下、ヒートスポット)を特定する。前述したように、傾斜磁場コイルの温度は、コイル発熱量、渦電流発熱量、冷却液による冷却効率により決定する。そこで、冷却水を流した状態で、傾斜磁場コイルに直流電流を通電し、コイル発熱量及び冷却量により決定される温度分布を測定する。冷却水を流した状態で、傾斜磁場コイルにパルス電流を通電し、渦電流発熱量、コイル発熱量、冷却量により決定される温度分布を測定する。
【００２６】
温度分布の測定には、例えばサーモグラフィーを用いることで広い面積を簡便に測定することができる。温度分布測定時の通電条件としては、傾斜磁場電源6〜8が出力可能な最大直流電流値、最速の傾斜磁場立ち上がり時間及び立ち下り時間、単位時間あたりの最大パルス数を組み合わせて設定すればよい。このように組み合わせられた複数の通電条件毎にヒートスポットの位置を特定し、特定した各ヒートスポットの位置に温度センサー103を備え付ける。
【００２７】
渦電流の発熱量は、傾斜磁場コイルに流れる電流の波高値と傾斜磁場立ち上がり時間、立ち下がり時間、単位時間当たりのパルス数によって決定する。従って、直流電流時とパルス電流時の通電量を同一にしておくことで、渦電流のみの発熱による温度分布を確認できる。即ち、パルス電流の通電結果から直流電流の通電結果を差し引くことにより、渦電流発熱による温度分布を求める。
【００２８】
シーケンスパラメータ(波高値、通電軸、傾斜磁場の立ち上がり時間、立ち下がり時間、単位時間あたりのパルス数、通電時間など)を変化させ、コイル通電による発熱量及び渦電流発熱量の分布を各々求める。
【００２９】
上記の温度測定にもサーモグラフィーを用いることができる。また、より測定精度を上げるためには、サーモグラフィーにより特定したヒートスポットに、白金抵抗や熱電対等の温度センサーを貼りつけて測定してもよい。
【００３０】
ヒートスポットの温度変化を予測するための温度予測式について説明する。
【００３１】
コイル発熱分ΔTcは、初期温度をT0、傾斜磁場コイルに供給された電力及び熱抵抗によって計算される飽和温度をTsat、周囲温度をTa、コイルの熱時定数をK、経過時間をtとすると、式(1)で示すことができる。
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【００３２】
コイルの発熱はそれぞれ独立とみなせるので式(1)はコイル毎に成り立ち、X軸通電による温度上昇(下降)ΔTx、Y軸通電による温度上昇(下降)ΔTy、Z軸通電による温度上昇(下降)をΔTzとすると、コイル全体の発熱分Tcは式(2)で示すことができる。
Tc＝ΔTx + ΔTy + ΔTz              式(2)
【００３３】
一方、渦電流による発熱分ΔTeは、波高値、立ち上がり時間、立下がり時間、導体抵抗値、導体の熱伝導値から計算される飽和温度をTsateddy、導体の初期温度T0e、導体に発生した渦電流の時定数をKeddyとすると、式(3)で示すことができる。
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【００３４】
渦電流による発熱も、X、Y、Zコイルにより発生する渦電流はそれぞれ独立とみなせるので、X軸通電による導体の温度上昇(下降)ΔTex、Y軸通電による導体の温度上昇(下降)ΔTey、Z軸通電による導体の温度上昇(下降)をΔTezとすると、コイル全体としての発熱分Teは式(4)のように示すことができる。
Te＝ΔTex + ΔTey + ΔTez                           式(4)
【００３５】
コイル発熱と、渦電流による発熱はそれぞれ独立とみなせるので、コイル発熱量と渦電流発熱量を加味した予測温度Tは式(5)のようになる。
【００３６】
T  ＝ Tc + Te                                    式(5)
式(1)〜(5)式に、温度データ、周囲温度、波高値、傾斜磁場立ち上がり時間、立ち下がり時間を代入し、各軸に対応した温度予測パラメータ(熱抵抗値、熱時定数、導体の熱伝導値、渦電流の時定数)を計算する。
【００３７】
以上の計算をヒートスポット毎に行い、各ヒートスポットに対応した温度予測パラメータを決定する。決定した温度予測パラメータは、撮像条件と、ヒートスポットの位置と、温度予測式と共に記憶手段102へ格納され、波高値、通電軸、傾斜磁場の立ち上がり時間、立ち下がり時間、単位時間あたりのパルス数、通電時間などの通電条件が入力されると、温度予測部101から呼び出され、温度予測の計算に用いられる。
【００３８】
実際の撮像における本発明のMRI装置の動作の一実施形態について、図2のフローチャートを用いて説明する。
【００３９】
ステップS201では、操作者が所望の撮像条件を、PC11を介して設定する。設定された撮像条件に応じて傾斜磁場電源6〜8の通電条件が設定される。
【００４０】
ステップS202では、傾斜磁場電源6〜8通電前の傾斜磁場コイル2の初期温度が温度センサー103により計測される。なお傾斜磁場コイル2の初期温度は温度センサー103の計測結果に基づくものには限らず、その日の最初の撮像であれば室温に設定しても良いし、2回目以降であれば温度予測部101が予測した値に設定しても良い。
【００４１】
ステップS203では、S201で設定された通電条件と、S202で計測あるいは設定された傾斜磁場コイル2の初期温度とに基づき、全てのヒートスポットの温度が式(1)〜(5)を用いた計算により温度予測部101で予測される。
【００４２】
ステップS204では、S203で予測された全てのヒートスポットの温度が、予め設定された許容温度と比較され、予測温度が許容温度よりも低ければステップS206へ進み、予測温度が許容温度以上であればステップS205へ進む。
【００４３】
ステップS205では、許容値以内の通電条件範囲を示した条件再設定画面がモニタ12に表示され、操作者に撮像条件の再設定が促され、ステップ201へ戻る。
【００４４】
ステップS206では、設定された撮像条件に基づき撮像が開始される。尚、撮像を行っている合間にヒートスポットの温度計測結果をモニタ12に表示しても良い。
【００４５】
以上述べた形態によれば、通電条件によらずに常に傾斜磁場コイルの最高温度到達箇所について予測、対処できるので、傾斜磁場コイルの温度が許容値を超えることがない。従って、温度上昇による樹脂の劣化による故障を防止できる。
｛実施形態2｝
【００４６】
本実施形態では、設置環境変化に対応して傾斜磁場コイルの温度を予測する。図3にフローチャートを示し、本実施形態について説明する。
【００４７】
ステップS301では、予め設定した期間、例え2ヶ月を経過したか否かを判定する。設定期間を経過していればS302へ進み、経過していなければ本フローは終了となる。
【００４８】
ステップS302では、予め設定された条件、例えば実施形態1において工場出荷時にヒートスポットの位置を特定するときに使用した通電条件により傾斜磁場電源6〜8から傾斜磁場コイル2へ通電される。
【００４９】
ステップS303では、傾斜磁場コイル2のヒートスポットに備え付けられた各温度センサー103により、ヒートスポットの温度計測がなされる。
【００５０】
ステップS304では、S302で通電された条件と式(1)〜(5) を用いて計算される温度予測値と、S303で計測された温度との比較結果に基づき、温度予測パラメータを計算する。
ステップS305では、S304で計算された温度予測パラメータが記憶手段103に格納され、データの更新がなされる。
【００５１】
以上の工程をPC11の制御部100が行うことで、MRI装置を設置した施設の状況に応じた温度予測を行うことができ、実測と予測の差が小さくなる。なお、データ更新作業は、必要に応じて操作者が手動で行ってもよい。また、撮像中に温度測定によってノイズが乗らないように、シーケンスの合間に温度計測を行い、そのデータを使用して、温度予測パラメータを更新しても良い。
【００５２】
本実施形態により、温度予測をより正確に行うことができるので、予測温度の誤差に対するマージンを小さく設定できる。その結果、待機時間の短縮が可能となり、トータルの撮像時間を短縮する効果がある。
【００５３】
また、新たに計算されたパラメータと以前のパラメータの差異が大きければ、冷却効率などに変化が生じている可能性がある。そこで、新たに計算されたパラメータと以前の差異が予め設定された閾値よりも大きければ、モニタ12に警告画面を表示し、操作者に傾斜磁場コイルや冷却システム等の点検を促すようにしても良い。
【００５４】
以上、本発明の具体的な実施形態について述べてきたが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく必要に応じて変形して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明に係るMRI装置の全体基本構成図。
【図２】実施形態1のフロー図。
【図３】実施形態2のフロー図。
【符号の説明】
【００５６】
1  磁石、2  傾斜磁場コイル、3  RFコイル、4  磁場均一領域、5  受信コイル、6  X傾斜磁場電源、7  Y傾斜磁場電源、8  Z傾斜磁場電源、9  高周波送信器、10  高周波受信器、11  PC、12  モニタ、100  制御部、101  温度予測部、102  記憶手段、103  温度センサー。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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