特許 7496321 ＭＲＩ適合性のためのアイロンレス電気モータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-29

(45)【発行日】2024-06-06

(54)【発明の名称】ＭＲＩ適合性のためのアイロンレス電気モータ

(51)【国際特許分類】

   H02K 17/02 20060101AFI20240530BHJP

   A61B 5/055 20060101ALI20240530BHJP

   A61M 5/142 20060101ALI20240530BHJP

   H02K 3/14 20060101ALI20240530BHJP

   H02K 17/16 20060101ALI20240530BHJP

【ＦＩ】

H02K17/02 B

A61B5/055 390

A61M5/142

H02K3/14

H02K17/16

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2020567880

(86)(22)【出願日】2019-06-26

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-10-21

(86)【国際出願番号】 EP2019066922

(87)【国際公開番号】W WO2020002386

(87)【国際公開日】2020-01-02

【審査請求日】2022-04-26

(31)【優先権主張番号】62/691,955

(32)【優先日】2018-06-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】590000248

【氏名又は名称】コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェ

【氏名又は名称原語表記】Ｋｏｎｉｎｋｌｉｊｋｅ Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｎ．Ｖ．

【住所又は居所原語表記】Ｈｉｇｈ Ｔｅｃｈ Ｃａｍｐｕｓ ５２， ５６５６ ＡＧ Ｅｉｎｄｈｏｖｅｎ，Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ

(74)【代理人】

【識別番号】100122769

【弁理士】

【氏名又は名称】笛田 秀仙

(74)【代理人】

【識別番号】100163809

【弁理士】

【氏名又は名称】五十嵐 貴裕

(72)【発明者】

【氏名】ナイセ ジェラルド ヨハネス ピーター

(72)【発明者】

【氏名】サヒン ノマラー フンダ

(72)【発明者】

【氏名】クロップ ウォウター

(72)【発明者】

【氏名】メヘンデール アディチャ

(72)【発明者】

【氏名】フリッセン ペトルス カロルス マリア

(72)【発明者】

【氏名】セイガー オラフ ヨハネス

【審査官】三島木 英宏

(56)【参考文献】

【文献】中国特許出願公開第１０２６３８１５２（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開平０４－２５５４４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０４１９９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－１３３５１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０７４８２８７０（ＣＮ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０１８２６９７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｋ １７／０２

Ａ６１Ｂ ５／０５５

Ａ６１Ｍ ５／１４２

Ｈ０２Ｋ ３／１４

Ｈ０２Ｋ １７／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電気モータであって、
電気巻線を含むステータと、
前記ステータと磁気的に結合されたロータとを有し、
前記電気モータは、強磁性材料を含まず、
前記電気モータは、永久磁石を含まず、
前記ロータは、前記ステータを取り囲む外側ロータシリンダを含み、及び
前記外側ロータシリンダは、前記電気モータ内に生じる漂遊場を遮蔽する薄い円筒形の形状を有する、
電気モータ。

【請求項2】

前記ロータが、前記ステータの内側に配置され、前記外側ロータシリンダと共に回転するように接続された内側ロータシリンダを更に含む、請求項１に記載の電気モータ。

【請求項3】

前記ロータが、１つの半ループ内の誘起電圧が他の半ループ内の誘起電圧の影響を相殺するようにそれぞれ成形された１つ又は複数の導電性ループを含み、
前記ステータは、前記１つの半ループと磁気的に結合された第１のステータと、前記他の半ループと磁気的に結合された第２のステータとを含み、前記第１及び第２のステータが、１８０度の位相差で電気的に駆動される、請求項１又は２に記載の電気モータ。

【請求項4】

各導電性ループと動作可能に連結された整流子ブラシを更に含む、請求項３に記載の電気モータ。

【請求項5】

前記ステータの電気巻線が、三相のステータとして前記ステータを形成するように巻かれる、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電気モータ。

【請求項6】

固定された電気周波数で前記ステータに電気的に電力を供給するように作動する固定周波数モータドライバを更に有する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電気モータ。

【請求項7】

注入ポンプであって、
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の電気モータと、
（ｉ）シリンジレセプタクルと、（ｉｉ）注入流体供給源と接続するよう構成された入口と、患者注入送達アクセサリと接続するよう構成された出口とを持つ流体ポンプと、の１つを備える流体送達要素とを有し、
前記電気モータが、前記シリンジレセプタクルに取り付けられた関連するシリンジのプランジャを駆動することにより、又は前記流体ポンプを作動させることにより、前記流体送達要素を作動させるように接続される、注入ポンプ。

【請求項8】

医療装置を作動させる方法において、
前記医療装置を患者に動作可能に接続するステップと、
前記患者に治療を提供するために前記医療装置に原動力を加えるために電気モータを作動させるステップとを有し、
前記電気モータが、電気巻線を備えるステータと、ロータとを含み、
前記電気モータが強磁性材料を含まず、永久磁石を含まず、
前記方法は、前記電気モータの作動中に、前記ロータを使用して前記ステータの電磁シールドを提供するステップを更に有し、
前記ロータは、前記ステータを取り囲む外側ロータシリンダを含み、及び
前記外側ロータシリンダは、前記電気モータ内に生じる漂遊場を遮蔽する薄い円筒形の形状を有する、
方法。

【請求項9】

磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）装置を使用して、患者のＭＲＩ画像を取得し、同時に、前記電気モータを作動させて、前記医療装置に原動力を適用して、前記患者に治療を提供するステップを更に有する、請求項８に記載の方法。

【請求項10】

前記患者のＭＲＩ画像を取得しないとき、前記ＭＲＩ装置により生成される任意の磁場の外側に前記電気モータが配置される状態で、前記患者に治療を提供するために、前記医療装置に原動力を適用するために、前記電気モータの作動を繰り返すステップを更に有する、請求項９に記載の方法。

【請求項11】

前記医療装置が、注入ポンプであり、前記電気モータは、注入流体を前記患者に送達するためにポンプ力を適用するように作動される、請求項８乃至１０のいずれか一項に記載の方法。

【請求項12】

前記電気モータを作動させるステップが、固定された電気周波数で前記誘導モータを作動させるステップを含む、請求項８乃至１１のいずれか一項に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は一般に、医療デバイス技術、注入ポンプ技術、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）技術、電気モータ技術、及び関連技術に関する。

【背景技術】

【0002】

磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）は、強力な医学的診断及び臨床評価技術である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

しかしながら、ＭＲＩは、強い磁場及び無線周波数（ＲＦ）干渉を生成し、次に、ＭＲＩ画像は、近くの磁場及び／又はＲＦ放出デバイスからのＲＦ干渉による劣化の影響を受けやすい。この観点から、医用ＭＲＩシステムは一般に、ＲＦシールドルーム（ＭＲＩ室と呼ばれることもある）、即ち、壁（並びに、場合によっては床及び／又は天井）が、密閉ファラデーケージを形成するワイヤメッシュシートなどを含む部屋内に密閉される。ＭＲＩ検査手順を受ける患者は、余分な埋め込み強磁性材料を有しないことを保証するために、処置前に評価される。例えば、埋め込み心臓ペースメーカは、ＭＲＩ準拠又はＭＲＩセーフであることが要求される。実験室安全プロトコルは、強磁性材料を含む物品を禁止する。一般に、ＭＲＩ室内に強磁性材料を導入又は使用することは禁止される。なぜなら、ＭＲＩ磁場は大きな引力を引き起こし、これは、危険な状況をもたらす場合があるからであり、強磁性材料がＭＲＩシステムの撮像を歪ませる場合があるからである。

【0004】

この状況は、注入ポンプ、ファン、電動患者テーブルなどの電動装置をＭＲＩ室内で使用することを困難にする。電気モータは電磁装置であり、通常、回転がモータにより駆動される回転軸の形で、入力された電力を原動力（機械的）出力に変換するために、電場と磁場との相互作用を利用する。斯かるモータでは、コイルが電気的に通電されるとき磁場を生成する電磁石を形成するよう、巻線が強磁性コアに巻き付けられる。これらは、固定的な態様で取り付けられるステータ巻線、及び回転要素（ロータ）に取り付けられるロータ巻線として配置される。ステータ及びロータ磁場の相互作用が原動力を発生させる。代替的に、これらの磁場の１つは、磁化された強磁性材料を含む永久磁石により提供されてもよい。誘導モータでは、１組の巻線（通常はステータ巻線）のみが入力交流（ａ．ｃ．電流）を用いて電気的に通電され、結果として生じる時間変動磁場はロータ巻線に交流電流を誘導し、これによりロータに原動力を生成させる相互作用磁場が提供される。こうして、誘導モータは、出力が二次電磁石に誘導される電流ではなく、誘導モータにおける二次電磁石の回転であることを除いて、変圧器と同様に動作する。変形インダクタモータ設計では、ロータ巻線は、短絡された導電性バーにより置換され、これは、かご形ロータと呼ばれる。

【0005】

斯かるモータは、ＭＲＩ室で使用される場合に問題となる。強磁性材料は、ＭＲＩ装置により生成された強い磁場によりＭＲＩボア内に引き込まれる場合、物理的危険性を呈する。更に、強磁性材料及び生成された磁場の両方が、ＭＲＩ装置の動作を妨害する可能性があり、これにより、臨床ＭＲＩ画像の劣化及び医用誤診の可能性がもたらされる。

【0006】

ＭＲＩ室内で電気モータを使用することの困難性に対処するために、様々なアプローチが採用される。これらのアプローチは一般に、ＭＲＩに適合する特別に設計されたモータを使用することを必要とする。例えば、電荷の引力及び反発に基づき作動する静電モータが採用されることができる。しかしながら、静電モータは、非標準的なモータ設計であり、一般に、高い動作電圧を必要とし、低効率を提供し、より典型的には、小型化された装置、例えば、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）に使用される。高電圧は、ＲＦノイズを伴う静電放電を導入する可能性もある。圧電モータも同様の困難がある。別のアプローチは、電気モータをＭＲＩ室の外側に配置し、回転シャフトを壁を通してＭＲＩ室内に通すことである。このアプローチは、長い回転シャフトを必要とし、モータがＭＲＩ室の外側に配置されるので動作を複雑にし、シャフト貫通が、ＭＲＩ室のＲＦシールドの完全性を損なわせる。ＭＲＩ室でのみ使用される専用装置の場合、モータ動作においてＭＲＩ装置自体により生成される磁場を利用する専用のモータ設計が知られる。例えば、ＲｏｅｃｋらによるＵＳ２０１０／０２６４９１８Ａ１号である。
斯かるモータは、ＭＲＩ装置により生成される磁場に依存するため、ＭＲＩ室内でのみ使用可能である。これは、注入ポンプが患者と共にＭＲＩ室に出入りできないことを意味し、これは実質的な実践上の困難を呈する。

【0007】

ＭＲＩ室又はＭＲＩ装置の近傍での動作は、例示的な問題であるが、有害な磁気相互作用の可能性のために電気モータが問題となり得る他の状況がある。例えば、陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ）撮像では、光電子増倍管（ＰＭＴ）ベースの放射線検出器は、磁気干渉の影響を受けやすい。超伝導量子干渉計（ＳＱＵＩＤ）装置のような高感度磁力計装置の近くにある電気モータは、誤った磁場測定をもたらす可能性がある。これらは単に例示的な例である。

【課題を解決するための手段】

【0008】

以下は、新規で改良されたシステム及び方法を開示する。

【0009】

開示された一態様では、電気モータは、電気巻線を含むステータと、ステータと磁気的に結合されたロータとを含む。電気モータは強磁性体を含まず、電気モータは永久磁石を含まない。ロータはオプションで、ステータを取り囲む外側ロータシリンダを含む。ロータはオプションで、ステータの内側に配置され、外側ロータシリンダと共に回転するように接続された内側ロータシリンダを更に含む。外側ロータシリンダは、円筒形シートロータを含むことができる。ステータの電気巻線は、例示的な実施形態では、三相ステータとしてステータを形成するように巻かれる。電気モータは、固定された電気周波数でステータに電気的に電力を供給するように作動する固定周波数モータドライバを更に含むことができる。

【0010】

別の開示された態様では、注入ポンプは、（ｉ）シリンジレセプタクルと、（ｉｉ）注入流体供給源と接続するよう構成された入口と、患者注入送達アクセサリと接続するよう構成された出口とを持つ流体ポンプと、の１つを備える流体送達要素とともに、直前の段落に記載されたような電気モータを有する。電気モータは、シリンジレセプタクルに取り付けられた関連するシリンジのプランジャを駆動することにより、又は流体ポンプを作動させることにより、流体送達要素を作動させるように接続される。

【0011】

別の開示された態様では、医療デバイスを作動させる方法が開示される。この方法は、医療デバイスを患者に動作可能に接続するステップと、患者に治療を提供するために医療デバイスに原動力を適用するように電気モータを作動させるステップとを含む。モータは強磁性体を含まず、永久磁石を含まない。

【0012】

一つの利点は、強磁性材料を有さない電気モータを提供することにある。

【0013】

別の利点は、強磁性材料がなく、永久磁石がない電気モータを提供することにある。

【0014】

別の利点は、ＭＲＩ装置に適合し、ＭＲＩ室内で使用できる電気モータを提供することにある。

【0015】

別の利点は、従来の誘導モータ設計を保持し、前述の利点の１つ又は複数を有する電気モータを提供することにある。

【0016】

別の利点は、要素の数を減らし、かつ／又は製造コストを減らしつつ、従来の誘導モータ設計を保持する、前述の利点の１つ又は複数を有する電気モータを提供することにある。

【0017】

別の利点は、固有のＲＦシールドを更に提供し、前述の利点の１つ又は複数を有する電気モータを提供することにある。

【0018】

別の利点は、固定された電気周波数でステータに電力を供給して電気モータを作動させるように動作可能な固定周波数モータドライバを使用して更に動作可能な、前述の利点の１つ又は複数を有する電気モータを提供することにある。

【0019】

別の利点は、前述の利点の１つ又は複数を有する電気モータを使用するＭＲＩ適合注入ポンプを提供することにある。

【0020】

別の利点は、斯かる電気モータを使用する電気モータ又はＭＲＩ適合注入ポンプを提供することにあり、これは、ＭＲＩ適合的であるが、ＭＲＩ室の外側でもＭＲＩ装置から遠くても使用可能である。

【0021】

所与の実施形態は、本開示を読んで理解するとき当業者に明らかになるように、前述の利点のいずれも提供しないか、１つ、２つ、より多く、若しくはすべてを提供することができるか、及び／又は他の利点を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】ＭＲＩ装置を収容するＭＲＩ室を含む例示的な電気モータ用途設定を概略的に示す図であり、注入ポンプが、本書に開示されるような電気モータを使用する、図である。

【図2】１つの例示的な実施形態による、強磁性材料を含まず、永久磁石も含まない誘導モータを備える電気モータを概略的に示す図であり、図３に示されるセクションＡ－Ａを示す、図である。

【図3】１つの例示的な実施形態による、強磁性材料を含まず、永久磁石も含まない誘導モータを備える電気モータを概略的に示す図であり、電気モータの概略的な側面表示を示す、図である。

【図4】別の例示的実施形態による、強磁性材料を含まず、永久磁石を含まない誘導モータを備える電気モータを概略的に示す図であり、図５に示されるセクションＢ－Ｂを示す、図である。

【図5】別の例示的実施形態による、強磁性材料を含まず、永久磁石を含まない誘導モータを備える電気モータを概略的に示す図であり、電気モータの概略的側面表示を示す、図である。

【図6】別の例示的な実施形態による、強磁性材料を含まず、永久磁石を含まない、誘導モータを備える電気モータを概略的に示す図であり、図７に示すセクションＣ－Ｃを示す、図である。

【図7】別の例示的な実施形態による、強磁性材料を含まず、永久磁石を含まない、誘導モータを備える電気モータを概略的に示す図であり、電気モータの概略的な側面表示を示す、図である。

【図8】本書に記載される計算による、強磁性材料を含まず、永久磁石を含まない誘導モータを備える電気モータについて計算されたモータ特性をプロットした図である。

【図9】本書に記載される計算による、強磁性材料を含まず、永久磁石を含まない誘導モータを備える電気モータについて計算されたモータ特性をプロットした図である。

【図10】本書に記載される計算による、強磁性材料を含まず、永久磁石を含まない誘導モータを備える電気モータについて計算されたモータ特性をプロットした図である。

【図11】破線により概略的に示された分割ステータと共に、二重ループパターンの巻線を含む代替的なロータの斜視表示を概略的に示す図である。

【図12】ロータ巻線が整流子を介して電気的に通電される、図１１のロータ／ステータ設計の変形例の斜視表示を概略的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

本発明は、様々な要素及び要素の配置、並びに様々なステップ及びステップの配置の形をとることができる。図面は、好ましい実施形態を例示する目的のためだけのものであり、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。

【0024】

図１を参照すると、実質的な磁場を生成する磁石を収容するハウジング６を含むＭＲＩ装置４を収容するＭＲＩ室２を含む例示的な電気モータ適用設定が示される。例えば、例示的なＭＲＩ装置４は、磁石が約１．５テスラの静磁場（Ｂ０磁場と呼ばれることもある）を生成するＰｈｉｌｉｐｓ Ａｃｈｉｅｖａ（登録商標）１．５Ｔ ＭＲＩ装置であってもよい。Ｐｈｉｌｉｐｓ又は他の製造業者から入手可能な臨床用途のための他のＭＲＩ装置は典型的には、０．２～７．０テスラのオーダーのＢ０磁場を生成するが、より低い又はより高い主磁場強度も想定される。ＭＲＩハウジング６はまた、典型的には、空間的に選択的な磁気共鳴励起、励起された磁気共鳴の位相及び／又は周波数を空間的に符号化すること、磁気共鳴をスポイルすること、及び／又は他の目的のために、空間的に変化する磁場勾配をＢ０磁場に重ね合わせる傾斜磁場コイルを含む。
例示的な患者支持部８は、撮像のためにＭＲＩ装置４に患者を装填し、ＭＲＩ撮像セッションの完了後に患者を引き出すために提供され、「全身」スキャンを形成する一連のＭＲＩ画像を取得するために、患者をＭＲＩ装置を通して段階的に移動させるなどの他の調整を提供することもできる。図示されていないが、ＭＲＩ装置４は典型的には、磁気共鳴を励起及び／又は検出するための全身ＲＦコイル及び／又は局所ＲＦコイル、勾配コイル、ＲＦコイルなどに通電するための電子機器、磁石を極低温に維持するための極低温コンプレッサ（ＭＲＩ磁石が超伝導磁石である場合）など、他の従来のＭＲＩ要素を含む。

【0025】

患者は、ＭＲＩ撮像手順の間、医学的支援又は治療を必要とすることがある。例えば、注入ポンプ１０は、生理食塩水溶液、注入された薬物などの注入流体を患者に送達するために使用されてもよい。例示的な注入ポンプ１０は、シリンジ１４が挿入されるシリンジレセプタクル１２を含むシリンジ注入ポンプである（図１は、縮尺通りではなく、例えば、ＭＲＩ装置４及び注入ポンプ１０の図の相対的なサイズは、それぞれ縮尺通りではないことにも留意されたい）。尿カテーテル、静脈内（ＩＶ）ポートなどの患者注入送達アクセサリ１６は、シリンジ１４を患者に接続し（図１は、シリンジ１４から離れて延びる流体チューブの一部を示すことにより、患者アクセサリ１６を概略的に示す点に留意されたい）、シリンジのプランジャ１８は、シリンジ注入ポンプ１０により駆動され、制御された流量で、シリンジ１４に含まれる注入流体の供給を患者に送達する。プランジャ１８を駆動するための原動力を提供するために、シリンジ注入ポンプ１０は、電気モータ２０を含む（モータ２０は典型的には、注入ポンプ１０のハウジング内に配置される内部要素であるが、例示の目的のために外側に示されることに留意されたい）。電気モータ２０は、ギア又は他の機械的ハードウェア（図示省略）により結合され、シリンジ１４のプランジャ１８と係合するアーム２２を駆動する。

【0026】

電気モータ２０は、シリンジ注入ポンプ１０の駆動アーム２２と結合された回転可能なシャフト２６を駆動するロータ／ステータアセンブリ２４を含む（ここでも、図示されていないギア、クラッチ等を使用して結合されるか、又はより一般的には、シャフト２６は、作動原動力を必要とする医療装置等の要素と作動可能に機械的に連結される）。ロータ／ステータアセンブリ２４は、電気巻線を含むステータと、電気モータ２０を規定するためにステータと磁気的に結合されたロータとを含む。例示的なモータは、電気的に駆動されないステータを有し、誘導モータとして分類される。本書に開示されるように、電気モータ２０は強磁性材料を含まず、永久磁石を含まない。電気モータ２０は、固定された電気周波数でステータに電気的に電力を供給するように作動するモータドライバ２８を更に含んでいるか、又は（例えば、適切な電気ワイヤー若しくはケーブルを介して）作動可能に接続される。

【0027】

シリンジ注入ポンプは、ＭＲＩ室２内に配置され、本書に開示されるようなＭＲＩ互換電気モータ２０を使用してＭＲＩ室２内で有用に使用され得る電動装置の例示的な例として示される。他の実施形態では、注入ポンプは、非シリンジの変形例とすることができ、そこでは、（シリンジレセプタクル１２の代わりに）流体送達要素が、注入流体供給源（例えば、ＩＶスタンドから吊り下げられる）と接続するよう構成された入口と、患者注入送達アクセサリ１６と接続するよう構成された出口とを持つ流体ポンプを含む。別の例として、電動ファンがＭＲＩ室２内に有効に配置されることができる。更に、前述したように、本書に開示される電気モータ２０の実施形態は、磁場相互作用が、ＰＥＴ撮像装置、ＳＱＵＩＤ又は他の磁力計などの近接する機器の動作に有害であり得る設定で使用される、実質的に他の任意のタイプの電動デバイスにおいて使用され得る。

【0028】

電気モータ２０は、何ら強磁性部品を含まないので、ＭＲＩ装置４により生成される磁場に引き寄せられない。別の利点として、電気モータ２０は、ＭＲＩの撮像野を歪ませる場合がある強磁性部品を含まない。電気モータ２０は、弱い漂遊場を生成し、これは、ＭＲＩの撮像野を妨害しないように十分に小さく設計されることができる。オプションで、任意の残りの漂遊場は、例えば導電性シートカバーを用いてシールドされることができる。

【0029】

電気モータ２０は誘導モータである（しかしながら、例えば、図１２に示すように、別のタイプの電気モータも代替的に考えられる）。しかしながら、従来の誘導モータとは異なり、電気モータ２０は、ロータ及びステータ内に強磁性材料（例えば、鉄、鋼、ネオジムなど）を含まない。従来の誘導モータでは、強磁性材料が採用され、強磁性材料を含まない電気モータ２０内で生成される磁束よりも何倍も大きいステータ巻線の通電による磁束が提供される。当技術分野で既知のように、強磁性材料の使用により提供される高い磁束は、高いトルクの達成を可能にする。モータ２０内の強磁性材料の省略は、そのステータ及び／又はロータ内に強磁性材料を有する従来の誘導モータと比較して、（１）（ＭＲＩ装置４により生成されるＢ０磁場などの）静磁場内に吸引力がない、（２）ステータ巻線用の強磁性コアが省略されているため、従来の誘導モータと比較して効率が低い、（３）ステータコイルが強磁性コアの省略のためにより低い自己インダクタンスを持つため、より高い周波数で駆動する選択肢を持つ、及び（４）電気モータ２０内で達成可能な大きなスリップ範囲のために一定周波数で駆動する選択肢（ベクトル制御を必要としない）を持つ、という違いをもたらす。強磁性材料を有する従来の誘導モータと比較して電気モータ２０の効率が低いことは欠点である。しかしながら、電気モータ２０が強磁性材料がないにもかかわらず有用なトルクを達成できることが、本書において認識され、本書において報告されるモータ特性を介して実証される。

【0030】

電気モータ２０の動作中に生成されるコイル電流及び誘導電流は、ＭＲＩ装置４の撮像機能を乱す可能性を持つ磁場を生成することになる。しかしながら、本書では、通常の電流レベル及びＭＲＩ装置からのモータの現実的な距離（例えば、約１／２メートル以上のオーダー）では、磁場及び磁場勾配は低く、例えば、ミリテスラ（ｍＴ）範囲以下の磁場及びｍＴ／ｍ範囲以下の勾配である可能性が高いことが更に認識される。いくつかの例示的な実施形態では、外部シートロータが採用され、これは、固有のシールドを提供し、その結果、電気モータ２０の外部に伝搬する場の追加的な減少を提供する。オプションで、追加的なシールド層を適用して、漂遊場が更に遮蔽されてもよい。

【0031】

誘導モータの作動原理は、複数のステータコイル（典型的には三相であるが、他のコイル分布が存在し、電気モータ２０のために想定される）を流れる交流電流が回転磁場を作ることである。この回転磁場は、ロータに誘導電流を生じさせ、次に、ステータ磁場と相互作用して原動力（例えばトルク）を与える磁場を生じさせ、この力は、ロータ及びロータと回転するように接続されたシャフト２６の回転を生じさせる。原動力を生み出す部分は、導電性の部分（コイル及びロータ）である。従来の誘導モータでは、効率を高めるために強磁性体が加えられる。しかしながら、本書に開示されるように、電気モータ２０は、強磁性材料を含まない。強磁性材料を省略すると、電気モータ２０は、かなり低い効率ではあるが、依然として従来の誘導モータと同じように機能する。

【0032】

電気モータ２０が、作動しているＭＲＩ装置４により生成されるような磁場環境で作動されるとき、いくつかの妨害力が存在することになる。外部磁場は、モータコイル内の電流と相互作用し、ローレンツ力を生成するであろう。ステータのコイルは、静止支持部に機械的に接続されるため、ステータ支持部が十分である限り、これは問題を引き起こさない。外部磁場は、ロータの導電性材料に渦電流を発生させ、これは、磁場の２乗に比例し、回転周波数の２乗にも比例する減衰トルクを発生させる。この影響に対抗するために、複数のモータコイルが使用されることができる。これは、減衰トルクを減少させる。なぜなら、電気的作動周波数がロータの回転周波数よりもはるかに大きいからである。逆に、モータコイルは、ＭＲＩ磁場を歪ませる可能性のある磁場を生成する。しかしながら、複数のコイルがあるため、その結果生じる場は距離とともに非常に急速に減少するであろう。本書に開示されるいくつかの実施形態におけるような外部シートロータの使用、及び／又は追加のモータシールドの使用などの更なる手段は、モータの外部漂遊場が、許容される（設計基準）外乱場未満に留まることを確実にすることができる。

【0033】

誘導モータ２０は強磁性材料を含まない。誘導モータ２０（より詳細には、ロータ／ステータ組立体２４）は例えば、薄肉の導電性シリンダ（リスかごロータのようなかご形のロータも考えられるが）を含み得るロータと、ロータの周囲又は内部の小さな距離に配置された１組のコイル（例えば、三相入力電力を採用するときの３の倍数のコイル）を含むステータとを有する。回転部品と静止部品とを交換することが考えられるが（その結果、シリンダが静止し、コイルがその周囲又は内部で回転する）、これは一般には好ましくない。なぜなら、コイルの電気的接続を複雑にするからである。

【0034】

図２～図７を参照して、ロータ／ステータ組立体２４の３つの例示的な実施形態が説明される。各例示的な実施形態は、図２、図４、及び図６の断面図で最もよく分かるように、電気巻線３２を備えるステータ３０を含む。ステータ３０は、固定された態様で取り付けられ（図示省略）、電力を受けて、モータドライバ２８から電気巻線３２に通電する（図１参照）。電気巻線３２は、異なる電気位相、例えば、ステータ３０の円周の周りで順次繰り返される３つの位相を有するコイルのパターンとして配置される。例えば、電気巻線３２は、５組の三相コイルとして配置されることができるが、より多くの又はより少ない数の組も考えられる。ステータの電気周波数は、三相電力の電気周波数（例えば、米国では従来の６０Ｈｚ、欧州では従来の５０Ｈｚ）と、三相コイルの組数（組数が多いと、モータ２０に対してより高い動作電気周波数が提供される）とにより決定される。ステータ３０は、図２～図７の３つの実施形態すべてにおいて同じ構成を持ち、これらの例示的な実施形態は、ロータの構成において異なる。

【0035】

図２及び図３を参照すると、第１の例示的な実施形態では、ロータは、ステータ３０の内側に配置された内側ロータシリンダ４０を備える。この設計では、ロータは、内側ロータシリンダ４０の端部を囲む端板４２、４４を更に含んでもよく、シャフト２６は、シャフト２６をロータと接続するために両端板４２、４４で固定されるよう延在する。ステータ３０は、ロータの外部にあり、従って、固定支持部（図示省略、例えばモータフレーム）に容易に固着される。

【0036】

図４及び図５を参照すると、第２の例示的な実施形態では、ロータは、ステータ３０の外側に配置された外側ロータシリンダ５０を備える。外側ロータシリンダ５０は、端板５４により一端がシャフト２６で固定され、端板５４とは反対側の端部は開放されており、ステータ３０を固定支持部（図示省略、例えばモータフレーム）に固定するためのアクセスが提供される。

【0037】

図６及び図７を参照すると、第３の例示的な実施形態において、ロータは、ステータ３０の内側に配置された内側ロータシリンダ４０と、ステータ３０の外側に配置された外側ロータシリンダ５０との両方を備える。端板５４は、内側ロータシリンダ４０と外側ロータシリンダ５０とを一緒に固定するために設けられており、その結果、それらが一緒に回転してシャフト２６が駆動される。オプションで、シャフト２６をロータで固定するための追加のアンカーポイントを提供するために、図２及び図３の第１の実施形態のように、端板４２が含まれる。

【0038】

ステータ３０の外側に配置された外側ロータシリンダ５０を含む図４～図７の実施形態は、この外側ロータシリンダを省略した図２～図３の実施形態に比べて実質的な利点を有する。なぜなら、外側ロータシリンダ５０がステータ３０に固有のＲＦ及び磁気シールドを提供するからである。これは、図４～図７の実施形態の場合にモータにより放出される場を減少させ、また、これらの実施形態においてモータに対する外部場の影響を減少させる。

【0039】

内側ロータシリンダ４０は、いくつかの実施形態において、円筒形シートロータであり、これは、ロータのシリンダから成形された薄い金属シートである。同様に、外側ロータシリンダ５０は、いくつかの実施形態において、円筒形シートロータである。この設計は、特に外側円筒形シートロータ５０の場合に設けられるシールドを強化する。他の実施形態では、内側及び／又は外側ロータシリンダ４０、５０は、誘電体シリンダ、例えば、誘電体シリンダ上又は誘電体シリンダ内に印刷又は他の態様で形成された導電性ループパターンを有するプリント回路基板（ＰＣＢ）とすることができる。更に他の実施形態では、内側及び／又は外側ロータシリンダ４０、５０はかご形ロータとすることができる。

【0040】

図２～図７の実施形態は、例示的な例であり、多数の変形が想定される。例えば、外側ロータシリンダ５０を含む図４～図７の実施形態では、モータフレームに固定するためのステータ３０へのアクセスを提供するために、異なる構成が採用されることができる。別の例示的な想定される変形として、回転磁場が生成される限り、三相の代わりに異なる位相スキームが考えられる。例示的なロータ／ステータ設計は円筒形であるが、円板形ロータ／ステータ設計が代替的に考えられる。

【0041】

前述したように、高トルクの達成を可能にするのに十分な磁束を提供するために、誘導モータ内に強磁性材料を含むことが当該技術分野において一般的に必要と考えられる。しかしながら、強磁性材料を有さない開示された誘導モータ２０は、注入ポンプ、機械的ファンなどを駆動するなど、多くの用途に十分なトルクを提供することができることが、本書で認識される。

【0042】

図８～図１０を参照して、これを実証するモータ特性の計算が提示される。三相入力電流の周波数の変化に関して、モータの性能が計算される。トルクが最大化される特定の最適周波数と、モータの急峻度が最大となる最適周波数（必ずしも同じではない）とが存在するであろう。モータの急峻度は性能指標として見られることができ、効率の比較を可能にする。図８～図１０に示される計算は、図６及び図７の実施形態についてであり、内側及び外側ロータシリンダ４０、５０の両方を含み、横軸に示す電気的動作周波数を提供するのに有効な数の巻線の組を有する三相電力を仮定した電気的動作周波数の機能として、トルク（図８）、消散電力（図９）、及び二乗トルク／電力（図１０）のモータ特性をプロットしたものである。

【0043】

図８は、シートロータの厚さのいくつかの値について、計算されたモータトルク対駆動周波数をプロットしたものである。図８から、この例示的な幾何学的形状は、数ｋＨｚの駆動周波数で０．１４～０．１７Ｎ－ｍｍのトルクをもたらすことが分かる。もう一つの顕著な観察は、コイルの数がほんの数個以上のとき、シートの回転周波数は駆動周波数に対して小さい滑り周波数をもたらすことである。その結果、一つの固定周波数を用いてこのモータを駆動することができると予想される（即ち、モータドライバ２８はオプションで、固定電気周波数でステータ３０に電力を供給するように動作する固定周波数モータドライバであってもよい）。その場合、ベクトル制御は必要とされず、これはモータドライバ２８の電子ドライバ設計を簡略化することになる。

【0044】

図１を再び参照すると、医療デバイスを作動させる方法は、医療デバイスを患者に動作可能に接続するステップと、患者に治療を提供するために医療デバイスに原動力を加えるように誘導モータ２０を作動させるステップとを含み、誘導モータ２０は、強磁性材料を含まず、永久磁石を含まない。斯かる方法は、有利には、患者に治療を提供するために医療デバイスに原動力を適用するために誘導モータ２０を作動させるのと同時に、ＭＲＩ装置４を使用して患者のＭＲＩ画像を取得することを更に含むことができる。更なる利点は、誘導モータ２０がＭＲＩ装置４により生成される磁場に依存しないことである。従って、患者のＭＲＩ画像を取得しないとき、及び誘導モータ２０がＭＲＩ装置により生成される任意の磁場の外側（例えば、ＭＲＩ室２の外側）に配置された状態で、患者に治療を提供するために医療デバイスに原動力を適用するための誘導モータの作動が繰り返されることができる。図１の例示的な実施形態では、医療デバイスは、注入ポンプ１０であり、誘導モータ２０は、注入を患者に送達するために、注入流体にポンプ力を適用するように作動される。この方法は、誘導モータ２０の作動中に、ロータを使用してステータ３０の電磁シールドを提供する（例えば、外側ロータシリンダ５０を使用する）ことを更に含むことができる。斯かる方法のいくつかの実施形態では、誘導モータ２０の作動は、誘導モータを固定電気周波数で作動させることを含む。

【0045】

図２～図７の例示的な実施形態は、シートロータ４０、５０を使用する。他の実施形態では、前述したように、内側及び／又は外側ロータシリンダ４０、５０は、誘電体シリンダ、例えば、誘電体シリンダ又はかご形ロータ上又は内に印刷又は他の態様で形成された導電性ループパターンを有するプリント回路基板（ＰＣＢ）とすることができる。

【0046】

図１１は、内側及び／又は外側ロータ４０、５０の代わりに適切に使用されることができる別の例示的なロータ６０を示す。例示的なロータ６０は、後述するような三相構成で基板、例えば誘電体形成器６４上に配置された導電性ループパターン６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃを含む。例えば、ロータ６０は、ＰＣＢとして構成されることができる。この場合、基板６４がＰＣＢのボードであり、導電性ループ６２Ａ、６２Ｂ、６２ＣがＰＣＢトレースとして実現される。

【0047】

ＭＲＩ装置４の磁場は、ロータが移動しているときにロータの導電部分に電流を誘導し、その結果減衰トルクがもたらされる。より詳細には、レンツの法則に基づき電圧が誘導され、その結果、導電性経路が存在するとき電流がもたらされる。この電流により消散される電力は、供給されなければならず、ロータの機械的入力動力に加えられる。機械的な動力はトルク及び回転数の積として表されるため、この付加的な動力は回転数に比例したトルクとして観測され、それは純粋な減衰として現れる。誘導電流の大きさは、いくつかの要因：（ｉ）ロータと半径方向に整列する磁場成分の大きさ、（ｉｉ）ロータの回転数、及び（ｉｉｉ）導電路の電気抵抗に依存する。ロータ軸と軸方向に整列した磁場成分は無視できるほどの影響を与えるであろう。従って、ロータ軸が局所ＭＲＩ（漂遊）場と整列しないようにロータが方向付けられる場合、更なる減衰が発生する。好ましくない条件（高Ｂ磁場、高回転数）では、この追加の減衰トルクは、モータの性能を著しく制限する場合がある。

【0048】

これを防止するために、例示的なロータ６０は、閉じたシート（即ち、シートロータではない）として成形されず、むしろ、１つ又は複数の導電性ループ６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃを備える。これらのループは、ループの半分（半ループＨＬ１として示される）内の誘起電圧が、他の半ループＨＬ２内の誘起電圧の効果を打ち消すように成形される。例示的な例では、これは、８の字に似たパターンを有する導電性ループ６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃにより達成される（交差点において、導体は、例えば、介在する電気絶縁誘電体層を有する異なるＰＣＢ層を使用することにより、互いに絶縁されるべきである）。こうして複数のループが構成されることができる。その結果、ロータがこれらの導体で効率的に満たされる。異なる層上のループは、それらが電気的に接続されない限り、互いに重なり合ってもよい。例示的な導電性ループ６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃは、三相のセットであり、各導電ループは、反対の電流方向（例示の目的のために導電ループ６２Ａに対してのみ矢印で示される）を有する囲まれた領域の大きさが等しくなるよう、閉輪郭を備える。想定される変形例では、相の数は変えられることができ、コイル端部は異なる方法で重なることができ、及び／又はループ形状は変えられることができる（反対の電流方向を有する囲まれた面積が等しいことを保証しつつ）。時計回りの電流方向を有する全ての囲まれた領域の合計が、反時計回りの電流方向を有する全ての領域の合計に等しいという条件で、２つを超えるループ部分を有する設計もまた考えられる。

【0049】

半ループＨＬ１、ＨＬ２の向きが逆向きであることに対応するために、ステータは、２つの半分に分割され、１８０度の位相差で電気的に駆動される（一般に、ステータ励起に対応する半ループ内の誘導電流が同相であるような位相差で）。その結果、２つの半ループが、トルクに対するそれらの寄与を結合する。図１１において、分割されたステータは、第１のロータ半ループＨＬ１と磁気的に結合された第１のステータ３０１と、第２のロータ半ループＨＬ２と磁気的に結合された第２のステータ３０２とを示す破線で示される。例示的なステータ３０１、３０２は、ロータ６０の内側に配置される。即ち、ロータ６０は、図４及び図５の実施形態におけるように、外側ロータである（しかし、シートロータ５０がロータ６０により置き換えられる）。図示されていないが、代替的又は追加的な内部シートロータ４０が、ロータ６０に対応する設計により同様に置き換えられることができる。一般に、例示的なロータ６０の設計のロータでは、ＭＲＩ装置４からの外部磁場の影響が（少なくとも部分的に）打ち消される態様で、導電路が成形され、一方、１８０°の位相差で駆動される第１及び第２のステータ３０１、３０２の使用によりステータ電流の影響が最大化される。

【0050】

図１２を参照すると、ロータ６０が再び示される。図１２の構成では、導電性ループ６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃは、それぞれの整流子ブラシ７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃに接続され、その結果、制御された電流が、それぞれの整流子ブラシ７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃを介して、ロータの導電性ループ６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃを通り送られることができる。図２～図７の実施形態のモータは、（図１１のロータ６０によりロータ４０、５０が置き換えられるとしても）誘導モータとして分類されることができるのに対して、整流子７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃを介して駆動されるロータ６０の導電性ループ６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃを有する図１２の実施形態は、誘導モータとして分類されない。なぜなら、それは誘導電流を利用しないからである。図１２の実施形態の幾つかの利点は、ロータ電流が誘導電流と比較してより大きくされることができ、及び／又は最適トルクを達成するために電流の位相が制御されることができることである。

【0051】

本発明が、好ましい実施形態を参照して説明されてきた。前述の詳細な説明を読み及び理解すると、修正及び変更を他者は思い付く場合がある。本発明は、添付の請求項の範囲及びその均等物の範囲内に入る限り、斯かる全ての修正及び変更を含むよう構成されることが意図される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】