JP2004275759A - 超伝導磁石装置及びそれを用いた磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
冷凍機の有無に関わらず、最もコンパクトな開放型ＭＲＩ装置を提供する。
【解決手段】
開放型ＭＲＩ装置用超伝導磁石のクライオスタット中央部に円筒状乃至矩形状の窪みを設け、すなわちクライオスタットをドーナツ状に成形し、前記窪みに冷凍機を設置する。
【効果】
ＭＲＩ装置全体寸法を大きくすることなく、据付部屋高さへの制限及びメンテナンス時の高さ制限等に対し有効であり、コンパクトな開放型ＭＲＩ装置を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は超伝導磁石装置及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。

ＭＲＩ装置に使用される従来の超伝導磁石装置の一例は特開平４−２２５５０３号公報（以下、引例１と称す）に開示されている。この引例１が開示している超伝導磁石装置は円筒型で且つ水平磁場タイプのＭＲＩ装置であり、クライオスタット上面に中孔を有し、冷凍機を設置する構成となっている。

また、他の従来例として特開平１１−１６７１８号公報（以下、引例２と称す）に記載されている装置では、冷媒である液体ヘリウムを冷却する冷凍機が真空容器の上側に設置された構成が示されている。

特開平４−２２５５０３号公報 特開平１１−１６７１８号公報

しかしながら、引例１に示された超伝導磁石装置は本発明の対象とする垂直磁場方式ではなく、水平磁場方式の円筒型であり、本発明の装置とは磁場の印加方向、及び超伝導コイル等の基本的な部材の配置構成が全く異なっており、本発明の対象とする垂直磁場方式において、冷凍機を設置する構成については何ら開示していない。

また、引例２に示された超伝導磁石装置は本発明の対象とする垂直磁場方式に関するものであるが、液体ヘリウムを冷却する冷凍機が真空容器の上部に設置されており、超伝導磁石装置又はＭＲＩ装置として全体の高さ寸法が大きくなってしまっていた。

本発明は上記の問題点を解決しようとするもので、その目的は、冷凍性能を十分に発揮し、且つ装置の外形寸法がコンパクトになる超伝導電磁石装置およびＭＲＩ装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の超伝導電磁石では、超伝導コイルとともにコイル容器に収納される冷媒を冷却する冷凍機をクライオスタット上面の中央部に設けた窪みに設置することを特徴とするものである。

また、上記目的を達成するために、本発明の超伝導電磁石では、超伝導コイルとともにコイル容器に収納される冷媒を冷却する冷凍機を経験磁場強度の低い場所に設置することを特徴とするものである。

以上説明した本発明によれば、冷凍機をクライオスタット上面の中央部に設けた窪みに収納することにより装置全体寸法を小さくすることが実現できるので、据付部屋高さへの制限及びメンテナンス時の高さ制限等に対し有効であり、コンパクトな開放型ＭＲＩ装置を提供することができるという効果がある。

また、本発明によれば、経験磁場強度の低い場所に冷凍機を設置できるので、冷凍機の性能を高めたＭＲＩ装置を提供することを実現できる。

以下、本発明の実施例を図面に従って説明する。

まず、本発明のＭＲＩ装置の概要構成を説明する。ＭＲＩ装置は図７に示すように、超伝導コイル（図示せず）、該超伝導コイルを冷媒と共に収納するコイル容器（図示せず）、該コイル容器を包囲し、且つ内部が真空に保持された真空容器４１，４２と、前記冷媒を冷却する冷凍機５１からなる超伝導磁石装置８０と、被検体を乗せるテーブル９０と、被検体からの核磁気共鳴信号を解析する制御装置１００とから構成され、前記真空容器
４１，４２を相互に離間して相対向するように配置すると共に、両真空容器４１，４２間に垂直に磁場空間を形成し、テーブル９０に乗った被検体を通して断層撮影を行うものである。

次に、上記ＭＲＩ装置に採用される本発明の実施例について以下に説明する。

図１に本発明の第１の実施例を示す。

本実施例はコイル容器２１，２２が冷媒を蓄えておくタンクの役割を兼ね、該コイル容器を包囲するように熱シールド３１，３２を設置し、これらコイル容器２１，２２及び熱シールド３１，３２を包囲し、且つ内部が真空に保持された真空容器４１，４２とからなる極低温容器のクライオスタットを備え、前記冷媒を冷却する冷凍機５１を前記クライオスタット上面の中央部に円筒状乃至矩形状の窪みを設けた部分に後述する冷凍機ポートを介して縦向きに設置しているものである。そして、上下のコイル容器２１，２２は連結通路６１で接続され、この中を冷媒である液体ヘリウム，ヘリウムガスが通ると共に、コイル接続線等が通っている。通常、冷凍機５１は縦型に設置することで内部に設けられた冷媒が効率よく冷却されるようになり、冷凍機としての効率を上げることが出来る。

更に、前記クライオスタットに適宜大きさの開口部を設け、冷凍機５１の低温側冷却ステージ部（コールドヘッド）は前記コイル容器２１内に配置し、コイル容器乃至液体ヘリウムを直接冷却、或いは熱交換器を介してガスヘリウムを冷却している。尚、冷凍機５１の実施例に付いては後述する。

本構成によれば、冷凍機５１をクライオスタット上面の中央部の窪み内に縦型に設置することができるので、ＭＲＩ装置の高さ寸法を大きくせずにコンパクトにすることが可能になる。また、冷凍機５１を設置している窪みに蓋をすることで、冷凍機５１から発生する音を遮音できるので静音化することができる。

図２に本発明の第２の実施例を示す。

本実施例は、第１の実施例において冷凍機５１の設置方向を横向きにしたものである。このように構成した場合、クライオスタットに対して冷凍機５１の高さを低くすることが可能になるので上述した実施例１の場合と比較して、クライオスタットの高さを低くすることが可能になり、ＭＲＩ装置を更にコンパクトにすることが実現できる。

図３に本発明の第３の実施例を示す。

本実施例は、第１の実施例にアクティブシールドコイルを追加したタイプの超伝導磁石、すなわちアクティブシールド用の遮蔽コイル１３，１４を持つ超伝導磁石に適用して、冷凍機５１を磁石中心軸上に設置したものである。この遮蔽コイル１３，１４は超伝導コイル１１，１２と同様に環状に形成された超伝導コイルであり、遮蔽コイル１３に流れる電流と遮蔽コイル１４に流れる電流はそれぞれ反対の方向に流れる構成になっており、また超伝導コイル１１と遮蔽コイル１４に流れる電流の向きは同じになっている。これにより超伝導コイル１１，１２から発生する磁力を遮蔽コイル１３，１４がシールドして、超伝導コイル１１，１２の外側には余り強力な磁場が形成されないことを実現している。

このように構成した場合、遮蔽コイル１３，１４が存在しない場合は超伝導コイル１１，１２の中心軸上には強力な磁場が構成されるが、遮蔽コイル１３，１４の働きにより超伝導コイル１１，１２の外側の中心軸上の経験磁場強度は弱くなるので、冷凍機５１をこの経験磁場強度の低い場所に設置して冷凍機５１の性能・信頼性を向上することを実現している。これは、一般的に冷凍機５１内に納められている蓄冷剤（特に低温側ステージ部分）は経験磁場強度が高い場合、比熱が小さくなるので熱輸送効率が悪くなり冷凍性能が落ちてしまうが、本発明によれば冷凍機内の蓄冷剤を経験磁場強度の低い環境に置くことが可能になるため、冷凍機の冷却性能を向上させることを実現している。

図４に本発明の第４の実施例を示す。

本実施例は、第３の実施例において遮蔽コイル１３，１４の近傍に冷凍機５１を斜めに設置したものである。このように構成した場合超伝導コイル１１と遮蔽コイル１３，１４の間に存在する経験磁場強度の低い場所であるヌルフラックス領域９近辺に冷凍機５１を設置することができるので、冷凍機５１の性能・信頼性が向上すると共にクライオスタットの高さを低くしてＭＲＩ装置をコンパクトにすることを実現している。

更に、メンテナンス時の冷凍機５１を引き抜く際には、低温側冷却ステージ部（コールドヘッド）が延びている方向に沿って引き抜く必要があるが、本発明の実施例では冷凍機５１を斜めに設置しているので、クライオスタットの上部に高い幅のメンテナンススペースを確保しなくても、冷凍機５１を引き抜けるのでメンテナンスが容易になる。

図５は図４の実施例で示した冷凍機５１まわりの磁場状態を示したものであり、この実施例では超伝導コイル１１と遮蔽コイル１３，１４の間に存在する経験磁場強度の低い場所であるヌルフラックス領域９近辺で、かつ、超伝導コイル１１，１２で形成される磁場空間の中心部８と遮蔽コイル１４を結ぶ経路上にかかるように冷凍機５１を設置している。

そして、この冷凍機５１はコイル容器２１内の熱交換器５５と熱的に接続しており、冷媒として特にＨｅを使用した場合、熱交換器５５はその一部がコイル容器２１内のＨｅ液面から上部に出るように配置され、熱交換により気化したＨｅを冷却して液体Ｈｅにする機能を備えている。

この実施例では磁場状態が示すように、アクティブシールドを形成する遮蔽コイル１３，１４により冷凍機５１が延びる方向に対して経験磁場強度が低い場所が形成されている。そして、従来の経験磁場強度が高い場所に冷凍機を置いた場合では、前述したように冷凍機の効率が低下してしまう問題が発生していたが、本発明では、この経験磁場強度が低い場所であるヌルフラックス領域９近辺に冷凍機の蓄冷剤が置かれるので、冷凍機の効率が高い状態でＭＲＩ装置全体を運用することを実現している。

図６は、前述した各実施例で用いられる冷凍機５１の構成例を示す断面図であり、
Gifford−McMahon（ギフォードマクマホン：以下ＧＭと称す）式冷凍機の構成例を示したものである。

冷凍機ヘッド１５７ａ，１５７ｂと冷凍機ポート１５８の間の一部には高熱伝導柔軟部材１５０が設けられ、冷凍機ヘッドと冷凍機ポート１５８の低温部１５８ａと高温部低温部１５８ｂとの伝熱を向上させている。また、この高温伝導部材に、柔軟な材料である高熱伝導柔軟部材１５０を用いることで、冷凍機５１を取り付けたときに低温ヘッド157aと高温ヘッド１５７ｂと冷凍機ポートの低温部１５８ａ，高温部１５８ｂが効率良く接触するようにしている。

高熱伝導柔軟部材１５０としては、インジュウム等のように柔軟性があり、しかも熱伝導率が高い材質が好ましい。インジュウムの他には、銅、または、アルミニウム等の繊維をまとめて弾力性を持たせたものを使用することもできる。

冷凍機ヘッドと冷凍機ポート１５８との間の他の部分にはヘリウムガス１５２が充填され、これはガス供給管１５３とバルブ（図示せず）を介して供給される。なおＯリング
１５４は気密保持用に設けられている。この冷凍機ポート１５８内のヘリウムガス１５２は、高熱伝導柔軟部材１５０が冷凍機ポート１５８またはヘッド１５７ａ，１５７ｂから剥がれてしまった場合に、ヘリウムガスの伝導熱によって冷却熱を輸送する働きがある。伝導熱は、高温部，低温部のギャップが小さいほど大きく、この場合のギャップは、およそ１００マイクロメータ以下と小さくなっている。このため、熱収縮によって高熱伝導柔軟部材が冷凍機ポートまたは冷凍機ヘッドから剥離しても問題無く冷却熱をシールド３１に伝えることができる。また、冷凍機５１を冷凍機ポート１５８から引き抜く場合、バルブ（図示せず）を開いて冷凍機５１と冷凍機ポート１５８の隙間にボンベ（図示省略）からヘリウムガスを供給しながら冷凍機５１を引き抜くと、大気が冷凍機ポート１５８内部に入らず氷結を防止することができる。冷凍機５１を冷凍機ポート１５８から抜き終わったときは、すぐに、冷凍機ポート１５８内に空気が侵入しないよう冷凍機ポートの上部を密封する。冷凍機５１を冷凍機ポート１５８に取り付ける場合は、ボンベからヘリウムガス１５２を冷凍機ポート内部に供給しながら冷凍機５１を取り付けることで冷凍機ポート内部全体にヘリウムガス１５２を満たす事ができる。

以上のとおり、本発明の超伝導電磁石装置は、冷凍機の着脱が容易であり、冷凍機が故障しても簡単に新品または正常な冷凍機と交換が容易にできる構造になっている。

また、本発明においては前述したＧＭ式冷凍機タイプ以外にもパルス管冷凍機を用いることが可能である。そして、パルス管冷凍機を使用した場合にはメンテナンスが不要となり、冷凍機ポートを設けずに直接に冷媒と冷凍機とが接するように構成することが出来るようになる。そして、これらの冷凍機を用いた場合でも、経験磁場強度の弱い場所に冷凍機を置くことが可能になるので、各種の冷凍機を高効率で使用することが実現出来る。

本発明の超伝導磁石装置の一実施例を示す断面図である。 本発明の他の実施例である超伝導磁石装置の断面図である。 本発明の他の実施例である超伝導磁石装置の断面図である。 本発明の他の実施例である超伝導磁石装置の断面図である。 図４の実施例における磁場状態を示す図である。 本発明に用いられる冷凍機の構成を示す図である。 本発明の超伝導磁石装置を用いた磁気共鳴イメージング装置の斜視図である。

符号の説明

８…磁場空間の中心部、１１，１２…超伝導コイル、１３，１４…遮蔽コイル、２１，２２…コイル容器、３１，３２…熱シールド、４１，４２…真空容器、５１…冷凍機、
５５…熱交換器、６１…連結通路。

Claims (10)

1. 環状の超伝導コイルと、
   該環状超伝導コイルを冷媒と共に収納するコイル容器と、
   該コイル容器を包囲するように設けられた熱シールドと、
   前記コイル容器及び前記熱シールドを包囲し、且つ内部が真空に保持された真空容器とで構成されたクライオスタットと、
   前記冷媒を冷却する冷凍機とを備え、
   前記コイル容器を相互に相対向するように配置すると共に、両コイル容器間に磁場空間を形成する超伝導磁石において、
   前記環状の超伝導コイルの内側で、前記クライオスタット上面の中央部に窪みを設け、該窪み内に前記冷凍機を設置したことを特徴とした超伝導磁石装置。
2. 請求項１記載の超伝導磁石において、
   前記磁場空間の磁場方向と平行に前記冷凍機を配置したことを特徴とする超伝導磁石装置。
3. 請求項１記載の超伝導磁石装置において、
   前記磁場空間の磁場方向に対して斜めに前記冷凍機を配置したことを特徴とする超伝導磁石装置。
4. 請求項１記載の超伝導磁石装置において、
   経験磁場強度の低い場所に冷凍機を設置することを特徴とした超伝導磁石装置。
5. 請求項１から請求項３のうちの一つの超伝導磁石装置において、
   前記超伝導コイルと、被検体を乗せ、相対する前記超伝導磁石装置の真空容器間を移動可能なテーブルと、被検体からの核磁気共鳴信号を解析する制御装置とを有する磁気共鳴イメージング装置。
6. 超伝導コイルと、
   該超伝導コイルを収容し、冷媒が充填されたコイル容器と、
   該コイル容器を包囲して間隔をおいて配置された熱シールドと、
   前記コイル容器およびこれを包囲した熱シールドを収容し、内部が真空に保持された真空容器とで構成されたクライオスタットと、
   前記冷媒を冷却する冷凍機とを備え、
   前記コイル容器を相互に相対向するように配置すると共に、両コイル容器間に磁場空間を形成する超伝導磁石装置において、
   経験磁場強度の低い場所に前記冷凍機を設置することを特徴とした超伝導磁石装置。
7. 請求項６記載の超伝導磁石装置において、
   前記超伝導コイルの磁場をシールドするシールドコイルを備え、
   前記超伝導コイルと該シールドコイルの間に存在する経験磁場強度の弱い空間に、前記冷凍機を設置することを特徴とした超伝導電磁石。
8. 超伝導コイルと、
   該超伝導コイルを収容し、冷媒が充填されたコイル容器と、
   該コイル容器を包囲して間隔をおいて配置された熱シールドと、
   前記コイル容器およびこれを包囲した熱シールドを収容し、内部が真空に保持された真空容器とで構成されたクライオスタットと、
   前記冷媒を冷却する冷凍機とを備え、
   前記コイル容器を相互に相対向するように配置すると共に、両コイル容器間に磁場空間を形成する超伝導磁石装置において、
   前記超伝導コイルの磁場をシールドするシールドコイルを備え、
   該シールドコイルの近傍に前記冷凍機を設置することを特徴とした超伝導磁石装置。
9. 請求項８記載の超伝導磁石装置において、
   前記磁場空間の中心部と前記シールドコイルを結ぶ経路上に、前記冷凍機を設置することを特徴とした超伝導磁石装置。
10. 請求項８又は請求項９記載の超伝導磁石装置において、
    前記冷凍機を経験磁場強度の低い場所に設置することを特徴とした超伝導磁石装置。
    

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