JP4719438B2 - 円筒状のｍｒｉシステム内のｍｒｉ患者ボアに対する能動的冷却のための装置 - Google Patents

Description

本発明は、全般的には磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システムに関し、さらに詳細には、ＭＲＩ内で使用する傾斜コイル及びＲＦコイルが発生させる熱を放散させるように設計したアセンブリに関する。

人体組織などの物質を均一な磁場（偏向磁場Ｂ₀）にかけると、組織中のスピンの個々の磁気モーメントはこの偏向磁場と整列しようとして、この周りをラーモアの特性周波数で無秩序に歳差運動することになる。この物質（または組織）に、ｘ−ｙ平面内にありラーモア周波数に近い周波数をもつ磁場（励起磁場Ｂ₁）がかけられると、正味の整列モーメント（すなわち、「縦方向磁化」）Ｍ_Zは、ｘ−ｙ平面内に来るように回転させられ（すなわち、「傾けられ（ｔｉｐｐｅｄ）」）、正味の横方向磁気モーメントＭ_tが生成される。励起信号Ｂ₁を停止させた後、励起したスピンにより信号が放出され、さらにこの信号を受信し処理して画像を形成することができる。

患者のスキャン中に、上述の磁場を生成させる傾斜コイルは大量の熱（典型的には、概ね数十キロワットの熱）を放散している。この熱の大部分は、ｘ、ｙ及びｚ軸傾斜コイルに通電した際に、これらのコイルを形成する銅製の導電体の抵抗性加熱によって発生している。発生する熱の量は、これらの傾斜コイルに加えられる電力に正比例している。電力消費が大きいと、傾斜コイルの温度上昇をもたらすだけではなく、発生した熱が傾斜コイル・アセンブリや共鳴モジュールの内部に伝達され、別の２つの重要領域の温度に影響を及ぼすことになる。これら２つの領域は傾斜アセンブリの境界の位置にあると共に、これにはマグネットを収容するクライオスタットに隣接した患者ボア表面と常温ボア表面とが含まれる。これら３つの領域のそれぞれは、特定の最大温度限界を有している。共鳴モジュールでは、ガラス転移温度などの材料温度限界が存在する。すなわち、コイルに対する銅や繊維強化の裏当てによって１２０℃を超える温度に耐えることができるようになるが、これらの層を互いに結合するために使用するエポキシは、典型的には、その最大動作温度が概ね７０°から１００℃までとかなり低くなっている。規制上の制限によって、患者や表面上でのピーク温度は４１℃に義務づけられている。常温ボア表面を通ってクライオスタット内に過剰に熱が伝達されるのを防ぐために、常温ボア表面はさらに概ね４０℃を限度とした１つの最大温度を有している。さらに、温度に応じて磁気特性の変動を示すような磁場シム材料の温度依存性のために、２０℃を超えるような温度変動があると磁場均一性の変動を生じさせることがありうる。

従来の傾斜コイルでは大きな電流レベルを利用すると、コイルの近傍に大量の熱が発生する。コイルや関連する構造に対する損傷の防止、マグネット・コンポーネントの加熱による磁場の無用な変動の回避、並びにボア内の患者その他の被検体に対する受容しがたい加熱の防止のためには、この熱をコイル及びマグネットのボア領域から運び去らなければならない。

傾斜コイル用の冷却システムは一般に、コイルの活性の回路内で発生した熱を、この傾斜コイルからある距離離れた位置（場合によっては、１０ｍｍ程度の離間）にある通水パイプに導くことに依っている。活性の回路と水パイプの間の空間は、熱伝導を非効率とさせるようなガラス繊維などの良好な断熱特性を有する材料によって構成させるのが普通である。またこの通水パイプは、コイルの加熱領域から半径方向で外方にあるため、スキャンを受けている患者の最も近くに最高温の領域が生じ、この高温領域と患者の間には直接の冷却は存在しないことになる。生じる熱の発生は、コイルの動作に熱的な限界を与える。一般に、ピーク強度を上昇させて患者スループットを高めると、動作電流及び動作電圧が上昇することになる。動作電流が大きいと既存の熱システムの能力を超えるようなさらなる熱負荷を発生させることになる。

一般に、従来のデバイスは、通常は水またはエチレングリコールであるような何らかの形態をした冷却材を利用して熱遮断性を提供している。しかし、最新の撮像プロトコルでは使用するパワーレベルがより大きく、温度限界を超えることなくこうした高度な検査を可能にするにはさらなる努力が要求される。別のデバイスでは、患者ボア内に直接空気を吹き入れているような空気冷却方式を利用している。この方式の主たる限界は、患者から寒すぎるとの苦情が多いことである。さらに別の欠点は、患者の大きさに応じて空気の流量が大幅に変動することがあり、これによって幾つかのケースでは空気の流れが不十分となったり不規則となって患者をまったく冷却できないことである。
米国特許第５７９３２０９号

ＲＦコイルはパルスシーケンスの正味の磁化を回転させるＢ₁磁場を生成させている。ＲＦコイルはさらに、横方向磁化がＸＹ面内で歳差運動するのに連れてこの横方向磁化を検出している。Ｂ₁磁場を生成させるためには、次いでこのＲＦコイルを通るように電流を流して磁場を発生させている。大きな電流の流れに起因する抵抗性加熱は、患者に不快感を生じさせ、また極端なケースではやけどを生じさせることがありうる。したがって、患者ボア内の熱負荷を低下させることによって、ＲＦコイルの電気的及び磁気的特性を維持しながら患者の快適性を高めるような装置を提供することを目的としている。

本発明はこの目的を達成させている。本発明は、内側円筒と、外側円筒と、複数の冷却材通路が作成されるようにこれらの円筒間に配置させた複数の長手方向スペーサと、を備えるＲＦコイル向けの冷却システムを有する患者ボア・アセンブリ及びＲＦコイルを提供している。本発明の同様の実施形態では、内側と外側の円筒間に冷却材を流すための連続した通路が形成されるようにらせん形状に巻き付けた連続したスペーサを提供している。

本発明は、患者ボアを冷却するように冷却材を循環させるための冷却システムを提供する。実施の一形態では、その患者ボアは、長手方向またはらせん状のいずれかで布設されたスペーサによって分離した２つの同心状円筒からなる。次いで、これらのスペーサ間に形成させたギャップを用いて空気などの冷却用流体を通過させている。空気以外の冷却用流体を用いる場合は、１つのマニホールドによって冷却用流体をこのギャップ内に導き、次いでもう一方の端部にある第２のマニホールドによって冷却用流体を回収してこれを再利用できるようにするのが一般的である。空気の代わりに、ＭＲ信号を生成させないような過フルオロカーボンなどの材料を使用することも可能である。

本発明のさらに別の実施形態では、患者ボアのうち患者に対して露出した部分が直接冷却されるように、この患者ボアの外側直径に結合させたチューブに沿って流体を通している。患者ボアの加熱が非対称である場合には、最も冷却を要する領域にその流体を導くように流体経路を最適化することが可能であることは明らかであろう。また第３の実施形態では、らせん状の流体チャンネルによってこの患者ボアを囲繞させた状態としてＲＦコイルによってその患者ボアの一部を形成させることが可能である。

本発明はさらに、コンピュータと電子的に接続させた患者ボアの内部にある複数の温度センサからなる環境制御システムを有する患者ボア・アセンブリを提供する。次いでこのコンピュータは、温度センサがより高い温度を示した場合に冷却材の流れを増加させ、かつ適当な温度に達した場合に冷却材の流れを減少させるように冷却材ポンプを調節している。

ここで、同じ番号を付けた要素がその全体を通じて同じ要素に対応しているような図面を詳細に参照すると、図１は従来技術によるＲＦコイル１３０、傾斜コイル１１４、マグネット１１６及び患者ボア表面を備えたＭＲＩイメージング・システム１００の一部分を表している。図１にはさらに、導電層を分離させるために使用するエポキシ様材料からなる２重層１２３、１２５も図示している。図２は、本発明のＭＲイメージング・システム向けのマグネット２１６、傾斜コイル２１４、患者ボア表面２４０及びＲＦマグネット・コイル２３０を備えたＭＲＩイメージング・システム２００についての当該部分を表している。これらの図面をより具体的に参照すると、図２は、ＭＲマグネット２１６、円筒状の傾斜コイル巻き線２１４、及びＲＦコイル２３０のそれぞれを共通アクセスＡに対して同心状配列で配置させて備えているＭＲイメージング・システム（図示せず）向けのＭＲＩアセンブリ２００を表している。一般に、連続した冷却用チューブを、傾斜コイル巻き線２１４を通過させてらせん状に巻き付けている。この傾斜コイル巻き線２１４は層２２３及び２２５のために使用するエポキシによって、互いに対して並びにマグネット１１６及びＲＦコイルに対して、半径方向に離間させた共軸関係で保持しており、その熱伝導率を増大させるためにこのエポキシには粒子状のアルミナ材料を含めている。

図２にはさらに、傾斜コイル２１４の内部にありかつ傾斜コイル２１４と同心状としている患者ボア・エンクロージャ２４０及びＲＦコイル２３０も表している。このＲＦコイル２３０は、パルスシーケンスの正味の磁化を回転させるようなＢ₁磁場を生成させている。これらのコイルはさらに、横方向磁化がＸＹ面内で歳差運動するのに連れてこの横方向磁化を検出している。ＲＦコイル２３０の磁化は、傾斜コイル２１４における場合とまさに同じく、コイルに電流を通すことによって達成させている。これによってもコイルの抵抗性加熱が生じることは明らかであろう。このＲＦコイル２３０は患者に近いため、患者（特に、大柄の患者）に不快感を起こさせる可能性が高い。

したがって、本発明のＲＦコイルの第１の実施形態では、図６及７に示すように、ＲＦコイル１３０と患者ボア表面１４０の間に冷却用チャンネルを設けている。この第１の実施形態は、内側円筒１３１、同心状の外側円筒１３２及び複数の長手方向スペーサ１３３を提供している。長手方向スペーサ１３３は内側円筒１３１を外側円筒１３２に接続させている。２つの同心状円筒の間にあるこの長手方向スペーサ間の開口は、冷却材通路１３４のために使用する。さらに本発明では、やはり内側円筒１３１を外側円筒１３２に接続させると共に、らせん状の通路（図示せず）を通る冷却材の通過路を提供するような連続したらせん状のスペーサ（図示せず）も設けている。このスペーサ、並びに内側及び外側の円筒は、複合材料から製造するのが一般的である。上で検討したようなスペーサ１３５のらせん状の向きによって、患者ボアチューブ１４０の強度及び剛性を高めることができる。次いで、この配置によって生成されるギャップを用いて空気などの冷却用流体、あるいはＭＲ信号を発生させないある種の流体をその内部に通過させている。この流体は通常、一方の端部においては第１のマニホールドによって冷却用チャンネル内に導かれ、またもう一方の端部においては第２のマニホールドによって回収されている。この作業を実行するためには、全体として均等に流体を分布させると共に熱せられた流体を回収するような任意のタイプのマニホールドを使用することが可能であり、また利用するマニホールドのタイプは本発明の限定とはならない。ＲＦコイル１３０の冷却のために空気を使用する場合には、第２のマニホールドは不要であることは明らかであろう。

詳細には図示していないが、ＲＦコイルを通るように冷却用流体を循環させた後、流体はマニホールド内で回収される。マニホールド内に来ると一般に、先ず抵抗性加熱による熱を除去しかつ冷却用チャンネルを通して流体を循環させるように、ポンプを用いて流体が熱交換器を通るように押し出されている。

本発明の第２の実施形態では、図２に示すように、患者ボア・エンクロージャ２４０とＲＦコイル２３０の間にあり患者ボア・エンクロージャ２４０と結合させた複数のチューブを設けている。既に述べたように、この冷却用チューブ２３２は、ＲＦコイル２３０に対してらせん状または長手方向の関係で配置させることができる。この実施形態では、冷却材が冷却用チューブ２３２を通過し終えた後に冷却材を回収するためのマニホールドを必要としないことは明らかであり、単に冷却材が熱交換器を通りさらに冷却用チューブ２３２を通って戻るようにポンプまで配管されているだけである。

本発明の第３の実施形態３００では、図３に示すようにこの場合も、ＲＦコイル３３０、傾斜コイル３１４、並びに傾斜コイル３１４とマグネット３１６の間のエポキシ層３２５を設けている。この第３の実施形態ではさらに、患者ボア・エンクロージャ３４０の一体の一部を形成している複数の冷却用チューブ３３２を設けている。この実施形態の冷却用チューブも同様に、ＲＦコイルに対してらせん状と長手方向の関係のいずれによって配置させることも可能である。この第３の実施形態は、本発明の中で最も空間効率がよい実施形態である。これらの実施形態のいずれにおいても、そのチューブは、加熱がより強力であるエリアに冷却材の流れを導くことができるように設計することが可能である。

図５は、本発明の第１の実施形態の一例であり、冷却用チューブ２３２の長手方向の配置を表している。比較のために、第２の実施形態に関連して検討したような冷却用チューブ２３２のらせん状の配置を図４に示している。

傾斜コイル１１４は、磁場を発生させているときに銅製コイルの抵抗のために数キロワットの熱を発生させる。ＭＲＩ装置の適正な動作や患者の快適性のためには、この熱を放散させなければならない。上で検討したように、水、空気、過フルオロカーボン、エチレングリコール、プロピレングリコール、あるいはこれらのうちの幾つかの混合物などの冷却材を、傾斜コイルを通るように循環させている。次いで、この冷却材によってＲＦコイルから熱を搬出している。図４及び５では、冷却材用に単一の流入ポートと単一の流出ポートだけを図示しているが、別の実施形態では、冷却用チューブ／チャンネル１３４、２３２、３３２が撮像ボリュームを取り囲むような円形であるため、あるいはＭＲＩ検査の延長によって生じる熱負荷を除去するようにより大きな熱搬出能力が必要となるためのいずれかの理由により、複数の流入ポート及び流出ポートを存在させることがある。

ＲＦコイルを通るように冷却材を循環させるために使用できるような多くの可能性が存在しており、本発明を限定するような特定の方法や装置は存在しないように意図している。しかし、冷却材循環システムを提供するための可能な一方法では、システムのニーズに応じかつ本発明に従ってある温度で冷却材を循環させるような冷却材ポンプを設けることになる。

ＲＦコイル１３０、２３０、３３０に流入する冷却材は、冷却用チューブ／チャンネル１３４、２３２、３３２を通って移動し、こうした移動の間にコイルから熱を吸収する。次いで、熱負荷を搬出する冷却材はＲＦコイルから排出され、熱交換器に出て行く。この熱交換器は、冷却材から吸収した熱を放散させると共に、その冷却材温度をコンピュータ制御（図示せず）により指令された所望の温度まで低下させるように設計されている。

コンピュータ制御装置は患者ボアの温度調節に使用する温度センサからの情報を取り込むことになる。温度センサが所望のレベルを超えるような温度を読み取った場合、コンピュータは冷却材の流れを増大させるようにポンプに信号を送ることになる。温度が指定した値未満まで低下した場合（ＭＲＩが動作状態にないときなど）には、コンピュータはその冷却材の流れを減少または停止させることができる。

したがって、ＭＲＩマグネット内のＲＦコイルを冷却するための改良型デバイスが開示される。本発明の冷却システムでは、ＲＦコイル１３０の周りを通過するように冷却材を循環させるための冷却材ポンプを設けている。この冷却材の流れは、患者ボア１４０内部に配置した複数の温度センサから情報を受け取っているコンピュータによって調節している。温度が要求より高すぎるあるいは低すぎるとコンピュータが読み取った場合には、コンピュータは、冷却材の流れを増加または減少させるように冷却材ポンプに信号を送っている。

さらに、ＲＦコイルを冷却するための上述した発明は、開放設計型のＭＲＩイメージング・システムに適用することが可能であることを理解されたい。図示していないが、開放設計型ＭＲＩイメージング・システムは、患者ボア表面、ＲＦコイルを含んでおり、またさらに患者ボア・エンクロージャに装着したり、あるいはＲＦコイル内に実際に埋め込んでいる冷却用チューブを含むことも可能である。

本明細書では、本発明の好ましい実施形態について極めて具体的に記載してきたが、本発明の範囲を逸脱することなく開示した改良に対して変更を加えることが可能であることを理解すべきである。したがって、本発明の範囲は、本明細書及び図面によって過度に限定させるべきではなく、本特許請求の範囲に対する可能な最も広範な解釈によって決定すべきであることを理解すべきである。

従来技術のＭＲ傾斜コイル・アセンブリを長手方向の中心軸を通る面で切り取った断面図である。 本発明の第２の実施形態を長手方向の中心軸を通る面で切り取った断面図である。 本発明の第３の実施形態を長手方向の中心軸を通る面で切り取った断面図である。 冷却用チューブのらせん状の向きを表している、本発明の第２の実施形態の右上からの断面斜視図である。 冷却用チューブの長手方向の向きを表している、本発明の第２の実施形態の右上からの断面斜視図である。 長手方向の向きとした冷却用スペースを表している、本発明の第１の実施形態の右上からの断面斜視図である。 本発明の第１の実施形態の立面図である。

符号の説明

１００ ＭＲＩイメージング・システム
１１４ 傾斜コイル
１１６ マグネット
１２３ エポキシ様材料の層
１２５ エポキシ様材料の層
１３０ ＲＦコイル
１３１ 内側円筒
１３２ 外側円筒
１３３ 長手方向スペーサ
１３４ 冷却材通路
１３５ スペーサ
１４０ 患者ボア表面
２００ ＭＲＩイメージング・システム
２１４ 傾斜コイル
２１６ マグネット
２２３ エポキシ層
２２５ エポキシ層
２３０ ＲＦマグネット・コイル
２３２ 冷却用チューブ
２４０ 患者ボア表面
３１４ 傾斜コイル
３１６ マグネット
３２５ エポキシ層
３３０ ＲＦコイル
３３２ 冷却用チューブ
３４０ 患者ボア・エンクロージャ

Claims (1)

1. 円筒状のＭＲイメージング・システム内のＲＦコイル（３３０）向けの患者ボア冷却アセンブリであって、
   内側表面を有する全体として円筒状のＲＦコイル（３３０）と、
   前記ＲＦコイル（３３０）に装着した複数の冷却用チャンネル（３３２）と、
   を備え、
   前記複数の冷却用チャンネルがさらに、
   前記ＲＦコイル（１３０）の内側表面に装着した外側円筒（１３２）と、
   前記外側円筒（１３２）と同心状とした内側円筒（１３１）と、
   前記内側円筒（１３１）から半径方向で外方に延びると共に前記外側円筒（１３２）に装着されている複数の長手方向スペーサ（１３３）と、
   を備えている、患者ボア冷却アセンブリ。
   

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