JP2005102951A - 超伝導磁石装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 超伝導コイルの電流密度を下げた状態で磁場空間の磁場を高めること。
【解決手段】 磁場空間３８を間にして相対向して配置された冷媒容器１８、２０内にそれぞれ超伝導コイルとして、主コイル２６、２８、打ち消しコイル３０、３２、補正コイル３４、３６を収納するに際して、主コイル２６、２８を２分割して主コイル２６ａ、２６ｂ、２８ａ、２８ｂの電流密度を下げ、主コイル２６ａ、２６ｂ、２８ａ、２８ｂの最大経験磁界を低減するとともに、圧縮応力を低減する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超伝導磁石装置に係り、特に、磁気共鳴イメージング装置の磁場発生源として用いるに好適な超伝導磁石装置に関する。

磁気共鳴イメージング装置(ＭＲＩ装置)の磁場発生源として用いられる超伝導磁石装置としては、例えば、環状に形成されて径の相異なる複数の超伝導コイルを冷媒とともに収納する一対の冷媒容器と、各冷媒容器を収納する一対の真空容器と、各真空容器間を磁場空間（測定空間）として各真空容器を相対向させた状態で互いに連結する連結棒とを備えたものがある（特許文献１参照）。各冷媒容器には、超伝導コイルとして、磁場空間の中央部の領域に磁場強度が高く、且つ所定レベル以上の磁場均一度の磁場を発生させるための主コイルと、主コイルと逆方向の電流を流して、主コイルから発生する磁場が真空容器外に漏洩するのを打ち消すための打ち消しコイルと、主コイルと同一方向の電流または逆方向の電流を流し、主コイルによる磁場を補正するための補正コイルが収納されている。
この種のＭＲＩ装置においては、各真空容器間の磁場空間の一部の領域であって、均一な直流磁場分布を有する撮像領域として形成するに際して、より情報の多い診断や鮮明な断層像が得られるように、撮像領域を強磁場化する構成が採用されている。

特開平９−１５３４０８号公報（第３頁から第５頁、図１）

従来技術においては、撮像領域を強磁場化するに際して、単一のコイルで構成された主コイルの１ブロックのコイル当たりの電流を増大させて電磁力を高める構成が採用されているため、電流密度の増大に伴って主コイルの経験磁界が増大するとともに圧縮応力が増大する。主コイルの経験磁界が大きくなると、主コイルの許容最大電流が減少し、そのままでは超伝導状態を安定に保てなくなり、コイル線材として高価なものを用いることが余儀なくされ、コスト増大を招くことになる。また電磁力の増大に伴って圧縮応力が増大するので、主コイルを支持するための支持構造物の厚さを増大させることが余儀なくされる。支持構造物の厚さが増大すると、真空容器間の磁場空間が狭くなり、患者に圧迫感を与えることになる。すなわち、撮像領域の磁場の均一度を高めるためには、各冷媒容器内の主コイルを互いに近づけることが望ましいが、磁場空間を狭くすると患者に圧迫感を与えるので、磁場空間としてはできるだけ広いことが望まれている。

本発明の課題は、超伝導コイルの電流密度を下げた状態で磁場空間の磁場を高めることになる。

前記課題を解決するために、本発明は、環状に形成され、かつ径の相異なる複数の超伝導コイルを冷媒とともに収納する一対の冷媒容器をそれぞれ真空容器内に別々に収納し、各真空容器間を磁場空間（測定空間）として各真空容器を相対向させた状態で連結部材を介して互いに連結し、複数の超伝導コイルのうち少なくとも一対の超伝導コイルを複数個に分割し、分割された超伝導コイルの電流密度を低下させるようにしたものである。

本発明によれば、超伝導コイルの電流密度を下げた状態で磁場空間の磁場を高めるようにしたため、超伝導コイルの最大経験磁界と圧縮応力の低減に寄与することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示す超伝導磁石装置の縦断面図である。図１において、垂直磁場方式の超伝導磁石装置は、ＭＲＩ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ）装置の磁場発生源として、一対の真空容器１０、１２を備えており、各真空容器１０、１２はほぼ円筒状に形成されて上下に分かれて配置されている。上側の真空容器１０と下側の真空容器１２は、連結部材としての支柱１４、１６を介して互いに連結されており、真空容器１０、１２には円筒状の冷媒容器１８、２０が収納され、支柱１４、１６内には冷媒通路としてのパイプ２２、２４が挿入されている。冷媒容器１８、２０は、熱の対流を防止するために、真空容器１０、１２内に収納されており、真空容器１０と真空容器１２との間の空間を磁場空間（測定空間）として相対向して配置されている。各冷媒容器１８、２０内には、径が相異なる複数の超伝導コイルとして、主コイル２６、２８、打ち消しコイル３０、３２、補正コイル３４、３６が超伝導用冷媒（図示せず）とともに収納されている。各超伝導コイルのコイル線材としては、例えば、ＮｂＴｉ線材が用いられ、超伝導用冷媒としては、例えば、液体ヘリウムが用いられている。なお、冷媒は、例えば、冷凍機（図示せず）によって冷却されるようになっている。

主コイル２６、２８、打ち消しコイル３０、３２、補正コイル３４、３６はそれぞれ円環状に形成され、中心軸４０を中心として同軸上に配置されている。主コイル２６、２８は、磁場空間３８の一部の領域に球体形状の撮像領域４２を均一磁場領域として形成するに際して、複数の超伝導コイルの中で磁場強度が最も高く且つ所定レベル以上の磁場均一度の磁場（静磁場）を磁場空間３８内に垂直方向に沿って形成する超伝導コイルとして構成されている。

一方、打ち消しコイル３０、３２は、複数の超伝導コイルのうち最も径の大きい主コイル２６、２８に隣接して配置されており、打ち消しコイル３０、３２には主コイル２６、２８とは逆方向の電流が流れるようになっている。すなわち、打ち消しコイル３０、３２に主コイル２６、２８とは逆方向の電流を流すことで、主コイル２６、２８から発生する磁場を打ち消し、装置外部に磁場が漏洩するのを防止するようになっている。

補正コイル３４、３６は打ち消しコイル３０、３２に隣接して配置されており、補正コイル３４、３６は、主コイル２６、２８と打ち消しコイル３０、３２によって形成される磁場のうち撮像領域４２の磁場の不均一成分を補正し、撮像領域４２を均一磁場領域とするために設けられている。補正コイル３４、３６の起磁力は主コイル２６、２８、打ち消しコイル３０、３２の起磁力よりも小さく設定されており、補正コイル３４、３６の電流の向きは、撮像領域４２に発生する磁場の不均一成分によって決定されるようになっている。また補正コイル３４、３６としては、径の相異なるものを複数個用いる構成を採用することができる。この場合、各補正コイルの電流の向きは、撮像領域４２の不均一成分によって主コイル２６、２８の電流の向きと同じ方向かまたは逆の方向に設定されることになる。

なお、主コイル２６、２８、打ち消しコイル３０、３２、補正コイル３４、３６はそれぞれ支持体(図示せず)によって支持され、支持体は冷媒容器１８、２０に固定されている。

ここで、本実施形態においては、複数の超伝導コイルのうち主コイル２６、２８の電流密度を下げるために、主コイル２６、２８は、図２に示すように、それぞれ２個の主コイル２６ａ、２６ｂ、２８ａ、２８ｂに分割されている。分割された主コイル２６ａと主コイル２６ｂとの間隔ｄおよび主コイル２８ａと主コイル２８ｂとの間隔ｄは次の（１）式にしたがって設定されている。

１／５（Ｌ１＋Ｌ２）≦間隔ｄ≦１／２Δθ・ｒ…（１）
Ｌ１は、主コイル２６ａ、２８ａの断面の長さ（長方形の短辺側の長さ）、Ｌ２は、主コイル２６ｂ、２８ｂの断面の長さ（長方形の短辺側の長さ）、ｒは、撮像領域４２の中心Ｏから主コイル２６、２８の中心（主コイル２６ａ、２８ａと主コイル２６ｂ、２８ｂとの間の空間の中心）までの距離、Δθは撮像領域４２の中心Ｏと打ち消しコイル３０または３２の中心とを結ぶ直線Ｍと、撮像領域４２の中心Ｏと主コイル２６、２８との中心とを結ぶ直線Ｎとの間の角度を示す。

この場合、分割された主コイル２６ａ、２８ａと主コイル２６ｂ、２８ｂ間には、図３に示すように、絶縁材を用いて構成された支持部材４４が挿入され、各主コイル２６ａ、２６ｂ、２８ａ、２８ｂは支持部材４４または支持体を介して冷媒容器１８、２０によって支持されるようになっている。

このように、本実施形態においては、複数の超伝導コイルのうち主コイル２６、２８をそれぞれ２分割したので、主コイル２６、２８を単一のコイルで構成したときよりも、電流密度を下げることができる。この結果、主コイル２６ａ、２６ｂ、２８ａ、２８ｂの最大経験磁界を低減することができる。さらに、各主コイル２６ａ、２６ｂ、２８ａ、２８ｂから発生する電磁力を分散させることで、主コイル２６、２８の圧縮応力を低減させることができる。

主コイル26ａ、２６ｂ、２８ａ、２８ｂの最大経験磁界を低減できることは、主コイル２６、２８をそれぞれ単一のコイルで構成したときよりも、主コイル26ａ、２６ｂ、２８ａ、２８ｂの最大許容電流を大きくすることができ、同一の電磁力(起磁力)を発生させるにも、主コイル２６ａ、２６ｂ、２８ａ、２８ｂのコイル線材として安価な線材を用いることができ、コスト低減に寄与することができる。

また、各主コイル２６ａ、２６ｂ、２８ａ、２８ｂから発生する電磁力を分散させることで、圧縮応力を低減できるため、主コイル２６、２８をそれぞれ単一のコイルで構成したときよりも、支持体の厚さを薄くすることができ、支持体の材料の低減に伴ってコスト低減を図ることができる。一方、支持体の厚さを従来と同一としたときには、支持強度をより高めることができる。

主コイル２６、２８を２分割することで支持体の厚さを薄くすることができるので、結果として、主コイル２６ａと主コイル２８ａを互いに近づけることができ、撮像領域４２の磁場の均一度をより向上させることができる。

複数の超伝導コイルを複数個に分割するに際しては、主コイル２６、２８を２分割するとともに、図4に示すように、打ち消しコイル３０、３２を3分割することもできる。分割された打ち消しコイル３０ａ、３０ｂ、３０ｃまたは３２ａ、３２ｂ、３２ｃのうち分割された打ち消しコイル３０ａと３０ｂとの間には支持部材４６が挿入され、分割された打ち消しコイル３０ｂと３０ｃとの間には支持部材４８が挿入される。支持部材４６、４８は、主コイル２６ａ・主コイル２６ｂ間または主コイル２８ａ・２８ｂ間に挿入された支持部材４４と同様に箱型形状に形成された支持体５０と一体に形成されている。すなわち分割された打ち消しコイル３０ａ、３０ｂ、３０ｃまたは３２ａ、３２ｂ、３２ｃは支持部材４６、４８または支持体５０によって支持されている。

この場合、各打ち消しコイル３０、３２は3分割されているため、各打ち消しコイル３０ａ、３０ｂ、３０ｃまたは３２ａ、３２ｂ、３２ｃによる電磁力が分散され、打ち消しコイル３０、３２をそれぞれ単一のコイルで構成したときよりも圧縮応力を低減することができるとともに、支持体５０の厚さを薄くすることができる。

また、前記実施形態においては、主コイル２６、２８、打ち消しコイル３０、３２を複数個に分割するものについて述べたが、補正コイル３４、３６を複数個に分割し、分割された補正コイル間に支持部材を挿入し、分割された補正コイルを支持部材または支持体によって支持する構成を採用することもできる。この場合も、前記実施形態と同様に、支持体の厚さを薄くすることができるとともに、最大経験磁界の低減に伴ってコイル線材として安価なコイル線材を用いることができる。

また、主コイル２６、２８を２分割したときに、撮像領域４２側の主コイル２６ｂ、２８ｂの内部に強磁性体として、例えば、鉄材を挿入する構成を採用することもできる。

主コイル２６、２８、打ち消しコイル３０、３２、補正コイル３４、３４をそれぞれ複数個に分割するに際しては、例えば、図５に示すように、直線Ｍと直線Ｎとの間の領域に打ち消しコイル３０、３２を配置し、直線Ｍと直線Ｎで囲まれた領域から外れた領域のうち下側の領域に主コイル２６、２８を配置し、上側の領域に補正コイル３４、３６を配置し、主コイル２６、２８の電流の方向をプラスとしたときに、打ち消しコイル３０、３２の電流の向きをマイナスとし、補正コイル３４、３６の電流の向きをプラスとする構成を採用することもできる。

本実施形態における超伝導磁石装置を用いてＭＲＩ装置を構成するに際しては、被検体としての患者を乗せたベッドを磁場空間３８内まで搬送する搬送手段としての搬送装置と、磁場空間３８に搬送された患者からの核磁気共鳴信号を解析する解析手段としての解析装置が設置されることになる。

本発明の一実施形態を示す超伝導磁石装置の縦断面図である。 分割された主コイルと打ち消しコイルとの関係を説明するための図である。 分割された主コイル間に支持部材を挿入したときの断面図である。 主コイルと打ち消しコイルを複数個に分割したときの断面図である。 主コイルと打ち消しコイルおよび補正コイルを複数個に分割したときの位置関係を説明するための図である。

符号の説明

１０、１２ 真空容器
１４、１６ 支柱
１８、２０ 冷媒容器
２２、２４ パイプ
２６、２８、２６ａ、２６ｂ、２８ａ、２８ｂ 主コイル
３０、３２ 打ち消しコイル
３４、３６ 補正コイル
３８ 磁場空間
４２ 撮像領域
４４、４６、４８ 支持部材
５０ 支持体

Claims (10)

1. 環状に形成された複数の超伝導コイルを冷媒と共に収納する一対の冷媒容器と、前記各冷媒容器を収納する一対の真空容器と、前記真空容器間を磁場空間として前記各真空容器を相対向させた状態で互いに連結する連結部材とを備え、前記複数の超伝導コイルのうち少なくとも一対の超伝導コイルは、複数個に分割されてなる超伝導磁石装置。
2. 環状に形成された複数の超伝導コイルを冷媒と共に収納する一対の冷媒容器と、前記各冷媒容器を収納する一対の真空容器と、前記真空容器間を磁場空間として前記各真空容器を相対向させた状態で互いに連結する連結部材とを備え、前記複数の超伝導コイルのうち少なくとも、前記磁場空間に磁場を形成する一対の超伝導コイルは、複数個に分割されてなる超伝導磁石装置。
3. 環状に形成された複数の超伝導コイルを冷媒と共に収納する一対の冷媒容器と、前記各冷媒容器を収納する一対の真空容器と、前記真空容器間を磁場空間として前記各真空容器を相対向させた状態で互いに連結する連結部材とを備え、前記複数の超伝導コイルは、複数個に分割されてなる超伝導磁石装置。
4. 請求項１に記載の超伝導磁石装置において、前記各冷媒容器に収納された複数の超伝導コイルは、主コイルと打ち消しコイルおよび補正コイルから構成され、これらコイルのうち前記主コイルが複数個に分割されてなることを特徴とする超伝導磁石装置。
5. 請求項１に記載の超伝導磁石装置において、前記各冷媒容器に収納された複数の超伝導コイルは、主コイルと打ち消しコイルおよび補正コイルから構成され、これらコイルのうち前記打ち消しコイルが複数個に分割されてなることを特徴とする超伝導磁石装置。
6. 請求項１に記載の超伝導磁石装置において、前記各冷媒容器に収納された複数の超伝導コイルは、主コイルと打ち消しコイルおよび補正コイルから構成され、これらコイルのうち前記補正コイルが複数個に分割されてなることを特徴とする超伝導磁石装置。
7. 請求項１に記載の超伝導磁石装置において、前記各冷媒容器に収納された複数の超伝導コイルは、主コイルと打ち消しコイルおよび補正コイルから構成され、前記各コイルが複数個に分割されてなることを特徴とする超伝導磁石装置。
8. 請求項１に記載の超伝導磁石装置において、前記各冷媒容器に収納された複数の超伝導コイルのうち分割された超伝導コイル間には支持部材が挿入され、前記分割された超伝導コイルは前記支持部材または支持体に支持されてなることを特徴とする超伝導磁石装置。
9. 請求項１に記載の超伝導磁石装置において、前記各冷媒容器に収納された複数の超伝導コイルは、相隣接する超伝導コイルとは電流の流れる方向が異なる方向に設定されてなることを特徴とする超伝導磁石装置。
10. 請求項１に記載の超伝導磁石装置と、被検体を乗せたベッドを前記磁場空間まで搬送する搬送手段と、前記磁場空間に搬送された被検体からの核磁気共鳴信号を解析する解析手段とを備えてなる磁気共鳴イメージング装置。

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