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【発明の名称】 超伝導磁石装置および磁気共鳴イメージング装置
【発明者】 【氏名】千葉 知雄

【氏名】渡邊 洋之

【氏名】高山 邦浩

【氏名】川村 淳

【氏名】阿部 充志

【氏名】中山 武

【氏名】浜館 良夫

【要約】 【課題】外乱に対しても、磁性材の体積を増加させることなく、高い磁場均一度が得られる超伝導磁石装置を提供する。

【構成】磁場を発生させる環状の超伝導コイル11と、超伝導コイル11を冷媒14と共に収納するコイル容器9と、コイル容器9を包囲するように設けられた熱シールド8と、熱シールド8を包囲し、内部が真空に保持された真空容器3と、真空容器3中に設置された磁場の補正用の磁性材12、13とを備える超伝導磁石装置2において、磁性材12、13は、コイル容器9に固定された断熱性の支持体15に支持されている。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
磁場を発生させる環状の超伝導コイルと、
前記超伝導コイルを冷媒と共に収納するコイル容器と、
前記コイル容器を包囲するように設けられた熱シールドと、
前記熱シールドを包囲し、内部が真空に保持された真空容器と、
前記真空容器中に設置された前記磁場の補正用の磁性材とを備える超伝導磁石装置において、
前記磁性材は、前記コイル容器に固定された断熱性の支持体に支持されていることを特徴とする超伝導磁石装置。
【請求項2】
前記磁性材は、前記熱シールドの外側に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の超伝導磁石装置。
【請求項3】
前記支持体は、前記熱シールドを貫通していることを特徴としている請求項1または請求項2に記載の超伝導磁石装置。
【請求項4】
前記磁性材は、前記真空容器と熱伝導体で接続されていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の超伝導磁石装置。
【請求項5】
一対の前記超伝導コイルが対向するように、一対の前記コイル容器と、一対の前記熱シールドと、一対の前記真空容器とを配置し、均一な前記磁場を前記真空容器間に形成することを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の超伝導磁石装置。
【請求項6】
請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の超伝導磁石装置を用い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、超伝導磁石装置および、それを用いた磁気共鳴イメージング(以下、MRIと称す)装置に係り、特に被検体に閉塞感を与えない開放型のMRI分析に適した超伝導磁石装置及びそれを用いたMRI装置に関する。
【背景技術】
【0002】
MRI装置は、核磁気共鳴(Nuclear Magnetic Resonance、以下NMRと称す)現象により水素原子核スピンが放出する電磁波を計測し、その電磁波を信号として演算処理することで、被検体を水素原子核密度によって断層像化するものである。水素原子核スピンが放出する電磁波の計測には、計測領域として、高強度で、高い静磁場均一度を有する均一磁場領域を生成する必要がある。
【0003】
水素原子核スピンが放出する電磁波による電磁場の強度は、均一磁場領域の静磁場の強度に比例するため、断層像の分解能を向上させるには静磁場の強度を上げる必要があるからである。そこで、高強度の静磁場を発生させるために超伝導磁石装置が用いられている。また、断層像を高画質・高解像度で歪みを無くすために、均一磁場領域の磁場均一度を高める必要もある。そして、均一磁場領域の静磁場の強度を上げ、磁場均一度を高める方法として超伝導磁石装置内に磁性材が設けられている。
【0004】
磁性材は、一般的に常温の大気中に配置されていたが、超伝導コイルを冷却する極低温の液体ヘリウムが満たされたコイル容器内に設置されたMRI装置が提案されている(例えば、特許文献1、2参照)。また、磁性材が、極低温のコイル容器を覆い真空容器からの輻射熱をシールドする中低温の熱シールド系に設置されたMRI装置も提案されている(例えば、特許文献3参照)。
【特許文献1】特開2001−224571号公報
【特許文献2】特開平10−97917号公報
【特許文献3】特開2005−144132号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、常温の大気中に磁性材を配置する場合には、以下の2つの問題が発生すると考えられた。
(1)常温の大気中に配置された磁性材は、変動する室温の変化に応じて温度が変化することにより膨張収縮し寸法が変位する。この変位により磁場均一度が変化すると考えられた。
(2)超伝導コイルに永久電流を印加した場合の振動や、外部からの振動に対しては超伝導磁石装置のコイル容器とコイル容器を収納する真空容器との間の相対変位が避けられない。この場合、磁性材が常温の大気中にあると、コイル容器内の超伝導コイルの位置と磁性材との間で相対的な変位が生じ、磁場均一度が変化すると考えられた。
【0006】
そして、前記(1)と(2)の問題は、特許文献1、2で提案されたコイル容器内に磁性材を配置することにより解決される可能性があるが、この場合、以下のような問題が生じると考えられた。
(3)コイル容器は真空容器内において熱シールド板の中に設置されるため、熱シールド板とコイル容器との間のギャップ分と、熱シールド板とコイル容器との板厚分は、必然的に超伝導コイルの中心軸から、磁性材は遠ざかることになる。したがって、その分、磁性材による超伝導コイルの中心軸上の磁場への影響感度が落ちるため、感度を上げるために磁性材の体積を増加させる必要が生じ、磁石重量が増加する。場合によっては、体積を増加させても必要な感度を得ることが困難になると考えられた。
【0007】
また、特許文献3に示された熱シールド板に磁性材を配置する場合には、以下の問題が発生すると考えられた。
(4)熱シールド板の熱容量が実質的に増加することになり、初期冷却時に時間がかかるという問題がある。また、熱シールド板を冷却する冷凍機が停電により停止すると、熱シールド板と磁性材の温度が上昇するが、いったん上昇した磁性材の温度はなかなか下がらずに磁場均一度が長時間にわたり変化することが考えられた。
【0008】
本発明は前記の問題点を解決しようとするもので、その目的は、室温変化、振動、停電による冷凍機停止等の外乱に対しても、磁性材の体積を増加させることなく、高い磁場均一度が得られる超伝導磁石装置およびMRI装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
前記目的を達成するために、本発明の超伝導電磁石およびMRI装置は、磁性材の荷重を、コイル容器から断熱的に支持し、真空容器内部の真空中に設置することを特徴とする。
【発明の効果】
【0010】
このような超伝導電磁石およびMRI装置によれば、外乱に対しても、磁性材の体積を増加させることなく、高い磁場均一度が得られる超伝導磁石装置およびMRI装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0011】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
【0012】
図1に示すように、MRI(磁気共鳴イメージング)装置1としては、オープン型MRI装置をあげることができる。オープン型MRI装置は、超伝導磁石装置2と、被検体をのせるベッド6と、制御装置7とを有している。超伝導磁石装置2は、上下2つの真空容器3を有し、下の真空容器3の上に2本の支持部材4が立てられ、これらの支持部材4によって上の真空容器3が支持されている。支持部材4によって離間された上下の真空容器3の間に被検体を入れて診療するものであるため、被検体の視界は閉ざされず解放的であり、オープン型MRI装置は被検体に好評である。上下の真空容器3はそれぞれ、Z軸を共通の中心軸とする円柱形である。また、Z軸を法線とするR面に対して、上下の真空容器3は互いに面対称の形状をしている。
【0013】
図2と図3に示すように、超伝導磁石装置2は、上下の真空容器3毎に、永久電流を流し磁場を発生させ、中心軸がZ軸に一致する円環状の超伝導コイル11と、この超伝導コイル11を冷媒14と共に収納するコイル容器9と、このコイル容器9を包囲するように設けられた熱シールド8とを有し、上下の真空容器3はそれぞれ、この熱シールド8を包囲し、内部を真空に保持っている。冷媒14は超伝導コイル11を直接冷却し、液体ヘリウム(He)が用いられている。コイル容器9は、円環状の超伝導コイル11に沿いこれを収納するように、Z軸を中心軸にする円環状に形成され、容積をできるだけ小さくしている。同様に、熱シールド8は、円環状のコイル容器9に沿って覆うように、Z軸を中心軸にする円環状に形成され、侵入熱を遮断する関係から表面積をできるだけ小さくしている。
【0014】
超伝導磁石装置2が、室温の室内に配置されても、真空容器3内が真空になっているので、室内の熱が伝導や対流で、コイル容器9に伝わることはない。また、熱シールド8は、冷凍機で冷却されることで、真空容器3からの輻射熱を吸収し冷凍機に放出するので、輻射熱でコイル容器9が昇温されることはない。なお、熱シールド8は冷媒14の温度の極低温と室温との間の中低温に設定すればよい。超伝導コイル11とコイル容器9は冷媒14の極低温に安定して設定できる。
【0015】
そして、それぞれの真空容器3の中には、発生した磁場を補正し均一磁場領域34を形成する磁性材(磁場の補正用の磁性材)12、13が備えられている。磁性材12は、Z軸を中心軸とする円環状であり、外径は超伝導コイル11の内径より小さい。磁性材13は、Z軸を中心軸とする円柱状であり、直径は磁性材12の内径より小さい。このように、超伝導磁石装置2は、概ね、Z軸を対称軸とする対称の構造に構成され、また、R面を対称面とする対称の構造に構成されている。
【0016】
上下の真空容器3は、支持部材4で互いに連通している。同様に、上下の真空容器3内にそれぞれ収納されているコイル容器9も、支持部材4内で互いに連通するように連通孔20が設けられている。また、上下の真空容器3内にそれぞれ収納されている熱シールド8も、連通孔20の周囲を覆うように、支持部材4内で互いに接続している。
超伝導コイル11は、コイル容器9に支持され、熱シールド8もコイル容器9に支持されている。総荷重の大きくなるコイル容器9は、基盤となる真空容器3に支持されている。
【0017】
上下の真空容器3の互いに対向する面の窪み部にはそれぞれ、RFコイル5と、傾斜磁場コイル31とが設けられている。MRI装置1は、NMR現象により水素原子核スピンが放出する核磁気共鳴信号を計測し、その核磁気共鳴信号を演算処理することで、被検体内を水素原子核密度によって断層像化する。その際に、被検体が入る均一磁場領域34には、強度が0.2T以上の高強度であり、高い静磁場均一度を有する静磁場を生成させる。均一磁場領域34の上下1対の傾斜磁場コイル31は、均一磁場領域34内の位置情報を得る目的で、磁場を空間的に変化させた傾斜磁場を均一磁場領域34に印加する。さらに、均一磁場領域34の上下1対のRFコイル5は、NMR現象を引起すための共鳴周波数の電磁波を均一磁場領域34に印加する。これらにより、均一磁場領域34内の微小領域ごとに水素原子核スピンが放出する核磁気共鳴信号を計測し、その核磁気共鳴信号を演算処理することで、被検体体内を水素原子核密度によって断層像化することができる。
【0018】
図2乃至図4に示すように、前記磁性材12、13は非磁性で金属性の接続部材17にて結合され一体化されている。一体化された磁性材12、13は、その荷重をコイル容器9に断熱性の支持体15を介して支持させている。支持体15は、液体ヘリウム温度のコイル容器9から室温の磁性材12、13を支持するため、磁性材12、13からコイル容器9への熱伝導を減らすような素材で構成する。例えば、支持体15として低熱伝導率の繊維強化型プラスチック(FRP)パイプを用いることができる。パイプ形状の替わりに板形状または棒形状をしたFRPを用いても同様の機能、効果を得ることが可能である。支持体15は、Z軸と平行な鉛直方向に立てられて設置されている。支持体15の一端は、接続部材17に固定されており、もう1つの一端は、非磁性で金属性の接続部材16を介してコイル容器9に固定されている。接続部材16は、支持体15とコイル容器9とを接続している。前記磁性材12、13は、支持体15に支持されている。
【0019】
前記支持体15は、熱シールド8を貫通して設けられることにより、磁性材12、13は、熱シールド8の外側に配置され、熱シールド8には覆われていない。熱シールド8には、接続部材16を覆うために、熱シールド袋18が設けられている。熱シールド袋18には孔23が設けられ、この孔23を支持体15が貫通している。
【0020】
また、図2のC−C方向の断面図の上半分である図5に示すように、一体化された磁性材12、13に対して、その荷重のかかる方向とは直角の方向への運動を抑制するために、磁性材13は、コイル容器9に断熱性の支持体25を介して支持させている。支持体25は、極低温のコイル容器9から室温の磁性材12、13を支持するため、磁性材12、13からコイル容器9への熱伝導を減らすようなFRP等の素材で構成する。支持体25の形状は、パイプ形状に限らず板形状や棒形状であってもよい。支持体25は、Z軸と直交する水平方向に寝かされて設置されている。支持体25の一端は、磁性材13に固定された非磁性で金属性の接続部材27に固定されており、もう1つの一端は、非磁性で金属性の接続部材26を介してコイル容器9に固定されている。接続部材26は、支持体25とコイル容器9とを接続している。前記磁性材12、13は、支持体25によりZ軸に対するブレがないように支持されている。
【0021】
前記支持体25は、熱シールド8を貫通して設けられることにより、磁性材12、13は、熱シールド8の外側に配置され、熱シールド8には覆われていない。熱シールド8には、接続部材26を覆うために、熱シールド袋28が設けられている。熱シールド袋28には孔24が設けられ、この孔24を支持体25が貫通している。
【0022】
磁性材12、13は、真空容器3の中の真空中に設置されているが、熱シールド8の外側に設置されているので、真空容器3からの輻射熱で、磁性材12、13の温度がほぼ室温と同等になる。
【0023】
さらに、磁性材12、13は、極低温のコイル容器9から断熱支持されていることでも、磁性材12、13の温度を、ほぼ室温に維持することが可能になる。このとき、磁性材12、13の熱容量が大きいため室温の経時的な変化による真空容器3の温度の変化に磁性材12、13の温度が左右されず、磁性材12、13の位置、寸法を変化させることがない。
【0024】
磁性材12、13は、熱シールド8には支持していないので、互いに振動は伝導せず、熱シールド8の温度の変化による磁性材12、13の温度の変化は生じにくく、磁性材12、13の位置、寸法の変化も生じにくいので、磁場均一度が低下するおそれはない。
【0025】
よって、停電による冷凍機停止などによる熱シールド8の温度の上昇の際にも、磁場均一度の変化を抑えられる。また、超伝導コイル11のクエンチ時などに、熱シールド8に過大な電磁力がかかり、塑性変形し、熱シールド8の位置が変化しても、超伝導コイル11と磁性材12、13との位置関係は変化しないので、クエンチ後に磁場均一度が変化する恐れはない。
【0026】
また、傾斜磁場コイル31の通電により、発生する渦電流で熱シールド8に電磁力が働き振動が発生しても、この振動は熱シールド8に接続していない磁性材12、13には伝わりにくいので、超伝導コイル11と磁性材12、13との位置関係は変化せず、磁場均一度が変化する恐れはない。このように、停電や振動等の外乱に強い高性能のMRI装置を構成できるという利点がある。
【0027】
なお、支持体15、25の長さ方向の中間地点はサーマルアンカになっており、この中間地点からは、熱シールド8へ伝熱フレキ19、29が接続されている。伝熱フレキ19、29は、両端にそれぞれ接続された支持体15、25と熱シールド8の荷重を互いに支持しあうことはできないが、熱を良く伝導し、支持体15、25の中間地点の温度を、熱シールド8の温度に設定している。このことにより、支持体15、25の一端から他端までの室温から極低温にいたる熱伝導による極低温のコイル容器9への熱流を抑えている。
【0028】
以上説明した実施形態によれば、磁性材12、13の荷重を真空容器3中でコイル容器9から断熱的に支持することで、室温変化や振動等の外乱に対して磁場変化を少なくすることが可能となるので、高性能なMRI装置を提供することができる。
【0029】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。
【0030】
図6と図7に示すように、他の実施形態は、磁性材12、13が真空容器3と熱伝導体32、33で接続されている点が、図2と図4に示した実施形態と異なっている。熱伝導体32、33は、両端にそれぞれ接続された真空容器3と磁性材12、13の荷重を互いに支持しあうことはできないが、熱を良く伝導する。これにより、真空容器3にある熱は、輻射により磁性材12、13に伝わるだけでなく、熱伝導体32、33を伝導することによっても磁性材12、13に伝わるので、磁性材12、13の温度を、より早く真空容器3の温度すなわち室温とほぼ同一にすることができる。
【0031】
しかし、室温も一日を周期として変動していて、この室温の変動に磁性材12、13の温度を追従させたくない。そこで、磁性材12、13は、真空容器3と熱伝導体32、33で接続されているが、熱伝導体32、33の熱時定数(真空容器3と磁性材12、13との温度差が30%まで小さくなるのに要する時間)を、1日を超えて設定する。このことにより、1日を1周期とする室温の変化に起因する真空容器3の温度変化に、磁性材12、13の温度変化が追従しないため、磁場の均一度を安定して保つことが可能となり、磁場安定性の高い高性能なMRI装置を提供できる。なお、熱伝導体32、33の熱時定数は、熱伝導体32、33の個数や断面積や長さを調整することにより変更することができる。
【0032】
逆に、熱伝導体32、33の熱時定数が1週間を超えると、熱伝導体32、33が設けられていない場合と同様に、磁性材12、13の温度と室温の設定値が大きく異なる場合、たとえば、超伝導磁石装置2の初期の立ち上げ時に搬送中に磁性材の温度が室温に比べて上昇あるいは低下していると、磁性材12、13の温度が室温で一定になるまでに時間がかかり、磁場均一度が長期間安定しないという問題が考えられる。そこで、熱伝導体32、33の熱時定数が、1週間以下になるように、熱伝導体32、33の個数や断面積や長さを調整することが好ましい。逆に、超伝導磁石装置2の初期の立ち上げ時には、磁性材12、13の初期の温度をあらかじめ室温と同一に設定して搬送等することでも、容易に磁性材12、13の温度を室温で一定にすることができる。
【0033】
なお、熱伝導体32、33は弾性係数が小さい可とう性のある金属であり、熱伝導体32、33に可とう性をもたせることで、真空容器3の振動による影響を受けて磁性材12、13が振動し、磁場均一度が変化することを避けることができる。熱伝導体32、33の例としては銅(Cu)やアルミニウム(Al)製の配線や薄板積層板があげられる。
【0034】
以上説明した他の実施形態によっても、磁性材12、13を真空容器3中でコイル容器9から断熱的に支持しているので、実施形態と同じように外乱に対して磁場変化を少なくすることができ、さらに、熱伝導体32、33の熱時定数を調整することで、温度変化による磁場変化に対する感度を、外乱に対しては低く、初期の立ち上げ時には高いような高性能なMRI装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0035】
【図1】実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置の斜視図である。
【図2】実施形態に係る超伝導磁石装置の上方からの透視図である。
【図3】図2のA−A方向の断面図である。
【図4】図2のB−B方向の断面図の上半分である。
【図5】図2のC−C方向の断面図の上半分である。
【図6】他の実施形態に係る超伝導磁石装置の上方からの透視図である。
【図7】図6のD−D方向の断面図である。
【符号の説明】
【0036】
1 磁気共鳴イメージング装置
2 超伝導磁石装置
3 真空容器
8 熱シールド
9 コイル容器
11 超伝導コイル
12、13 磁性材
15 支持体
16、17 接続部材
23、24 孔
25 支持体
26、27 接続部材
28 熱シールド袋
32、33 熱伝導体
34 均一磁場領域
【出願人】 【識別番号】000005108
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
【識別番号】000233044
【氏名又は名称】株式会社日立エンジニアリング・アンド・サービス
【出願日】 平成18年7月27日(2006.7.27)
【代理人】 【識別番号】100064414
【弁理士】
【氏名又は名称】磯野 道造

【識別番号】100111545
【弁理士】
【氏名又は名称】多田 悦夫


【公開番号】 特開2008−29441(P2008−29441A)
【公開日】 平成20年2月14日(2008.2.14)
【出願番号】 特願2006−204105(P2006−204105)