JP2005124721A - 超電導磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置を大型化することなく、冷凍機等が運転停止した後の再運転時に、超電導コイルを再冷却処理する必要性を抑制することができ、迅速な再運転が可能な超電導磁気共鳴イメージング装置を実現する。
【解決手段】消磁制御システム２８は冷凍機電源２７、冷凍機２６が駆動しているか否かを判断する。また、制御システム２８は液面計３０からの出力信号から低温槽２２内の液面レベル若しくは温度センサ２９からの出力信号から超電導コイル２の温度を判断する。システム２８は電源２７又は冷凍機２６が駆動停止した場合、センサ２９又は液面計３０からの出力信号に基づき超電導コイル２が所定上限温度に達したか否かを判断し、所定上限温度に達した場合はヒータ用電源２５によりスイッチ２３Ａを開とし保護抵抗２４に超電導コイル２からの電流を流す。
【選択図】 図２

Description

本発明は、超電導磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ装置）に係わり、特に、ＭＲＩ装置の超電導磁石システムに関する。

超電導磁気共鳴イメージング装置における超電導磁石システムの超電導コイルの冷却方式は、一般に、冷媒冷却方式と、伝導冷却方式とがある。

冷媒冷却方式は、低温槽内において、冷凍機により冷却した液体ヘリウムなどの寒剤に超電導コイルを浸すことにより、この超電導コイル冷却する。

一方、伝導冷却方式は、寒剤を使用せずに、超電導コイルを冷凍機により直接冷却する方式である。

図４は、従来技術を示す図であり、冷媒冷却方式又は伝導冷却方式が使用される、超電導磁気共鳴イメージング装置の超電導磁石システムを示す図である。

図４に示すように、超電導磁石システムは、超電導コイルの臨界温度以下に保たれている低温槽２２内に、超電導コイル２と、永久電流スイッチ（ＰＣＳ）２３と、保護抵抗２４とを有している。

超電導コイル２と永久電流スイッチ２３は直列回路を形成し、保護抵抗２４は超電導コイル２に対して並列に接続される。

例えば、強磁性体が超電導磁石に引きこまれたとき等の場合は、永久電流状態から緊急消磁をする必要がある。このとき、ＰＣＳヒータ電源２５をオンとして、永久電流スイッチ２３を開くことで、永久電流が保護抵抗２４に流れる。そうすると、超電導コイル２の電気エネルギーが、保護抵抗２４に流れることにより熱エネルギーとして放熱される。

上記の構成により、超電導コイル２を永久電流の電気エネルギーにより焼損させることなく、安全に消磁することが可能となる。

強磁性体が超電導磁石内に持ち込まれた場合の対応策として、特許文献１記載の技術がある。この特許文献１記載の技術は、超電導磁石内に磁性体が侵入したことを検知して、警報を発生させるものである。この警報に従って、オペレータ等がＰＣＳヒータ電源２５をオンとして、スイッチ２３が開とされる。

また、クエンチ時に、発生するジュール熱により、超電導コイルが焼損する可能性もあるが、この対策としては、特許文献２に記載された技術がある。この特許文献２記載の技術は、超電導コイルとして、２種以上の異なる線種を組み合わせ、温度マージンが高い線種がクエンチを起こさなくとも、低い線種がクエンチを起こすことにより、電気抵抗が生じ、温度マージンが高い線種を保護する技術である。

特開平６−９８８７９号公報

特開平１１−１０２８０７号公報

しかしながら、上記特許文献１記載の技術においては、人為的に緊急消磁を行なう場合に有効であるが、夜間あるいは長期にわたり超電導磁気共鳴イメージング装置を放置するなど、無人状態で超電導状態を保持する場合には、ＰＣＳを開とすることは不可能である。

特に、無人で超電導状態を保持しているときに、停電、あるいは、冷凍機の故障などにより、冷凍機の運転が停止状態になる場合がある。

この場合、伝導冷却方式の超電導磁石では、即座にクエンチが発生し、冷媒冷却方式では、寒剤が減少した後、クエンチが発生する。

クエンチが発生した場合には、上記特許文献２記載の技術により、超電導コイルの破損を防止することができる。

しかしながら、一度クエンチが発生すると、超電導コイルの温度が上昇してしまうために、再起動するためには、再度冷却する必要があり、再励磁までに時間を要する。

そこで、冷凍機の運転停止時の対応方法として、冷媒冷却方式を採用し、冷凍機の復旧まで超電導状態を保持しておくだけの十分な寒剤を溜めておく方法が考えられる。

しかし、この方法では、液溜を確保するため、クライオスタッドを大型化する必要があるので、超電導磁石装置が大きくなってしまい、磁気共鳴イメージング装置に対する小型軽量化の要請に反することとなってしまう。特に、開放型超電導磁石システムを採用する磁気共鳴イメージング装置の場合には、望ましいものではない。

本発明の目的は、装置を大型化することなく、冷凍機等が運転停止した後の再運転時に、超電導コイルを再冷却処理する必要性を抑制することができ、迅速な再運転が可能な超電導磁気共鳴イメージング装置及びを超電導磁石装置（システム）を実現することである。

超電導磁気共鳴イメージング装置において、停電等の理由により冷凍機等が運転停止した場合、超電導コイルの臨界温度まで上昇しないうちに、停電等が復旧し、運転再開可能となる場合がある。

このような場合でも、冷凍機等が運転停止となると無条件に永久電流スイッチを開とし、保護抵抗に電流を流すと、それにより、超電導コイルの臨界温度に達してしまい、停電復旧後に、超電導コイルの再冷却処理を行う必要がある。

そこで、本発明の超電導磁気共鳴イメージング装置においては、停電等の理由により冷凍機等が運転停止した場合、例えば、超電導コイルの温度を検知して、その温度が所定の上限温度に達していない場合には、永久電流スイッチを閉の状態を維持し、所定の上限温度に達した場合には、永久電流スイッチを開とする。

すなわち、本発明は、次のように構成される。

（１）本発明による超電導磁気共鳴イメージング装置は、超電導コイルを収容する低温槽と、この低温槽内を上記超電導コイルの超電導臨界温度以下に保つ冷凍機と、上記超電導コイルに接続される永久電流スイッチと、上記超電導コイルに接続され、上記低温槽の外に配置される保護抵抗と、上記永久電流スイッチを開閉し、超電導コイルに流れる電流を上記保護抵抗を介して流すか否かを切り換えるスイッチ切り換え手段とを有する。

さらに、本発明の超電導磁気共鳴イメージング装置は、上記冷凍機の運転停止と判断したとき、上記低温槽内の温度が、超電導コイルの超電導臨界温度未満である上限温度に達しているか否かを判断し、上限温度に達したときに、上記スイッチ切り換え手段を介して上記永久電流スイッチを開き、超電導コイルに流れる電流を上記保護抵抗を介して流させる消磁制御手段を備える。

（２）好ましくは、上記（１）において、上記消磁制御手段の動作電源は蓄電方式の電源であり、消磁制御手段は上記冷凍機から動作停止信号またはこの冷凍機の電源から停電信号を受信することで、上記冷凍機の運転停止と判断する。

（３）また、好ましくは、上記（１）において、上記低温槽内には超電導コイルを冷却する寒剤が収容され、この寒剤の低温槽内における液面レベルを検知する液面計を備え、上記消磁制御手段の動作電源は蓄電方式の電源であり、消磁制御手段は、上記液面計により、低温槽内の寒剤液面が超電導コイルの上端面より下がったことを検知したときに、超電導コイルが上限温度に達していると判断する。

（４）また、好ましくは、上記（１）において、上記低温槽内の超電導コイル近傍の温度を検出する温度センサを備え、上記消磁制御手段の動作電源は蓄電方式の電源であり、消磁制御手段は、上記温度センサからの温度検出信号に従って、超電導コイルが上限温度に達しているか否かを判断する。

（５）超電導コイルを収容する低温槽と、この低温槽内を上記超電導コイルの超電導臨界温度以下に保つ冷凍機と、上記超電導コイルに接続される永久電流スイッチと、上記超電導コイルに接続され、上記低温槽の外に配置される保護抵抗と、上記永久電流スイッチを開閉し、超電導コイルに流れる電流を上記保護抵抗を介して流すか否かを切り換えるスイッチ切り換え手段とを有する超電導磁石装置において、上記冷凍機の運転停止と判断したとき、上記低温槽内の温度が、超電導コイルの超電導臨界温度未満である上限温度に達しているか否かを判断し、上限温度に達したときに、上記スイッチ切り換え手段を介して上記永久電流スイッチを開き、超電導コイルに流れる電流を上記保護抵抗を介して流させる消磁制御手段を備える。

（６）超電導コイルを収容する低温槽と、この低温槽内を上記超電導コイルの超電導臨界温度以下に保つ冷凍機と、上記超電導コイルに接続される永久電流スイッチと、上記超電導コイルに接続され、上記低温槽の外に配置される保護抵抗と、上記永久電流スイッチに駆動信号を供給し、超電導コイルに流れる電流を上記保護抵抗を介して流すか否かを切り換えるスイッチ切り換え手段とを有する超電導磁石装置において、上記冷凍機の運転停止と判断したとき、上記スイッチ切り換え手段に運転停止判断信号を供給する消磁制御手段を備え、上記永久電流スイッチの動作温度は、上記超電導コイルの超電導臨界温度未満で、上記冷凍機の運転状態温度より高い温度であり、上記スイッチ切り換え手段から駆動信号が供給された場合であって、上記動作温度であるときに、上記永久電流スイッチが開き、超電導コイルに流れる電流を上記保護抵抗を介して流させる。

装置を大型化することなく、冷凍機等が運転停止した後の再運転時に、超電導コイルを再冷却処理する必要性を抑制することができ、迅速な再運転が可能な超電導磁気共鳴イメージング装置及び超電導磁石システムを実現することができる。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明が適用される超電導磁気共鳴イメージング装置の全体概略構成図である。

図１において、傾斜磁場コイル３、４、５には、それぞれの駆動電源１０、１１、１２から傾斜磁場を発生するための電力が供給される。１３は高周波パルス発生器、１４は高周波電力増幅器であり、高周波コイル６に対して高周波磁場を発生させるための所要レベルの電力が供給される。

寝台７により搬送される被検者１から発生した検出信号は、高周波コイル６、高周波増幅器１５、検波器１６で取出され、Ａ／Ｄ変換器１７でディジタル信号に変換される。

１８は、上記の各回路に種々の制御信号を一定の時間間隔で与え又は検出された信号を取り込む機能を有する制御装置である。１９は信号処理を行う計算機で、制御装置１８を経由して取り込まれた信号に対して画像を作成するための信号処理を行い、作成した画像を表示装置２０に表示する。

静磁場発生用磁石２は、超電導磁石で構成される。この超電導磁石２は超電導コイルにより構成され、超電導磁石システムに備えられている。

図２は、本発明の第１の実施形態における超電導磁石システムの概略構成図である。

図２において、超電導磁石は、超電導コイルの臨界温度以下に保たれている低温槽２２内に、超電導コイル２、永久電流スイッチ（ＰＣＳ）２３Ａを有し、超電導コイル２と永久電流スイッチ２３Ａとは直列回路を形成している。

さらに、低温槽２２の外部には、保護抵抗２４が、超電導コイル２と並列になるように接続される。

また、２６は冷凍機であるが、この冷凍機２６の設置場所は、伝導冷却方式と冷媒冷却方式とで異なる。

つまり、伝導冷却方式では、低温槽２２内の超電導コイル２に接触して、超電導コイル２を直接冷却するが、冷媒冷却方式では、低温槽２２内の寒剤に接触している。

冷凍機２６には、冷凍機用電源２７から電力が供給される。液面計３０（市販の製品、例えば、ＡＭＩ社製の商品名model135を使用可能）は冷媒冷却方式に使用され、超電導コイル２の近傍に配置される。

温度センサ２９（市販の製品、例えば、商品名セルノックス抵抗センサCX-1030を使用可能）は、伝導冷却方式又は冷媒冷却方式に使用され、超電導コイル２の近傍に配置される。

消磁制御システム２８は、バッテリ駆動され、冷凍機電源２７が駆動しているか否か、冷凍機２６が駆動しているか否かを検知する。また、消磁制御システム２８は、液面計３０からの出力信号を受け、低温槽２２内の液面レベルを判断する。

また、消磁制御システム２８は、温度センサ２９からの出力信号を受け、超電導コイル２の近傍の温度を判断する。

そして、消磁制御システム２８は、冷凍機用電源２７が駆動停止したか、冷凍機２６が駆動停止した場合には、温度センサ２９からの出力信号に基づいて、超電導コイル２が所定の上限温度に達しているか否かを判断する。

冷凍機用電源２７又は冷凍機２６が駆動停止していても、超電導コイル２の温度が所定の上限温度に達するまでは、消磁制御システム２８は、出力信号を発生しない。

消磁制御システム２８は、超電導コイル２の温度が所定の上限温度に達したと判断した場合は、バッテリ駆動されるＰＣＳヒータ用電源（スイッチ切り換え手段）２５に指令信号を出力する。ＰＣＳヒータ用電源２５は、消磁制御システム２８から指令信号を受けると、スイッチ（ＰＣＳ）２３Ａに動作信号を供給して開とし、保護抵抗２４に超電導コイル２からの電流が流される。

冷凍機２６又は冷凍機用電源２７の駆動が停止したとしても、その直後に、超電導コイル２がその臨界温度に達する場合は非常に少ないと考えられる。冷凍機２６が駆動停止した場合に、超電導コイル２の温度がその臨界温度より、かなり低い状態であっても、速やかにＰＣＳ２３Ａを開とし、保護抵抗２４に電流を流すと、超電導コイル２の温度が相当上昇してしまう。このため、再運転時には、超伝導コイル２の再冷却に長時間を要することとなる。

一方、冷凍機２６又は冷凍機用電源２７の駆動が停止しても、短時間で復旧する場合もある。この場合、冷凍機２６等の停止から復旧までの間に、超電導コイル２の温度は、臨界温度に達しないこともある。このため、本発明の実施形態のように、冷凍機２６等の駆動停止時であっても、温度センサ２９により検知された温度が所定の上限温度に達していなければ、ＰＣＳ２３Ａを開としないこととすれば、超電導コイル２が臨界温度に達しない状態で、冷凍機２６又は冷凍機用電源２７が復旧すれば、速やかに再運転を行うことができる。

なお、上記所定の上限温度は、超電導コイル２の臨界温度より低い温度とする。さらに、設定上限温度の下限値は、冷却方式によって変える。

また、温度センサ２９の配置位置は、伝導冷却方式では冷凍機２６と超電導コイル２の接触点付近、冷媒冷却方式ではコイル２の上端付近を温度計測位置とする。いずれの方式においても、設定上限温度は、冷凍機２６が正常に動作している場合に達成できる温度より高い温度とする。

また、冷媒冷却方式の場合、消磁制御システム２８は、液面計３０からの信号に基づき、液面が超電導コイル２の上端部以下に下がったときに、ＰＣＳヒータ２５の電源を入れる構成としてもよい。

また、図示した例は、冷媒冷却方式と伝導冷却方式との両方式に適用可能なように、温度センサ２９と、液面計３０との両方を配置する例であるが、液面計３０を省略し、温度センサ２９のみとしても、本発明の効果を得ることができる。また、温度センサ２９を省略して液面計３０のみとすることも可能である。

図３は、本発明の第２の実施形態である超電導磁石システムの概略構成図である。この第２の実施形態は、温度センサ２９及び液面計３０を必要としない方法であり、冷媒冷却方式に適用した場合の例である。

超電導磁石の構成は、図２と同様であり、超電導コイル２の臨界温度以下に保たれている低温槽２２内に、超電導コイル２、永久電流スイッチ（ＰＣＳ）２３Ｂを有し、超電導コイル２と永久電流スイッチ２３Ｂとは直列回路を形成している。

さらに、低温槽２２の外部には、保護抵抗２４が、超電導コイル２と並列になるように接続される。

なお、この図３では、図示は省略されているが、冷凍機用電源２７と、冷凍機２６又は冷凍機用電源２７の運転停止を検知し、出力信号をＰＣＳヒータ用電源２５に供給する装置を備えるものとする。

スイッチ２３Ｂの動作温度（超電導転移温度）は、超電導コイル２の超電導臨界温度未満であり、通常の運転状態温度より高い温度となっている。

つまり、冷凍機２６又は冷凍機用電源２７の運転が停止され、それを示す運転停止判断信号がＰＣＳヒータ用電源２５に供給される。そして、ＰＣＳヒータ用電源２５は、スイッチ２３Ｂに駆動信号を供給するが、このスイッチ２３Ｂは、ＰＣＳヒータ用電源２５から駆動信号が供給されてから即座に開となることはなく、超電導コイル２の温度が、上昇して、上記動作温度に達したときに開となる。

このスイッチ２３Ｂは、超電導コイル２の上端付近に配置され、寒剤が減少し、超電導コイル２の温度が上昇して常電導転移する前に、永久電流を保護抵抗に流すことが可能となる。

なお、伝導冷却方式の場合では、冷凍機２６と超電導コイル２の接触点近傍にスイッチ２３Ｂを配置することで、同様の効果を得ることが期待できる。

以上のように、この第２の実施形態においては、第１の実施形態と同様な効果を得ることができる他、第１の実施形態では必要であった温度センサ２９又は液面計３０を不要とすることができる。

なお、寒剤としては、液体ヘリウムを使用する場合のほか、液体窒素を使用する場合にも本発明は適用可能である。

また、磁石の方式としては、水平磁場方式及び垂直磁場方式の両方式に本発明は適用可能である。垂直磁場方式の場合、上下の２箇所に超電導コイルが配置されるが、その２箇所のそれぞれに、本発明による超電導磁石システムが配置される。また、上下のコイルについて寒剤を共通とするために、上下の槽を管で連結する例もある。この場合は、超電導磁石システムを１つとし、上下のコイルの共通とすることもできる。

本発明が適用される超電導磁気共鳴イメージング装置の全体概略構成図である。 本発明の第１の実施形態における超電導磁石システムの概略構成図である。 本発明の第２の実施形態である超電導磁石システムの概略構成図である。 従来技術における超電導磁石システムを示す図である。

符号の説明

２ 超電導磁石
３、４、５ 傾斜磁場コイル
６ 高周波コイル
７ 寝台
１０、１１、１２ 傾斜磁場コイル駆動電源
１３ 高周波パルス発生器
１４、１５ 高周波電力増幅器
１６ 検波器
１７ Ａ/Ｄ変換器
１８ 制御装置
１９ 計算機
２０ 表示装置
２２ 低温槽
２３Ａ、２３Ｂ 永久電流スイッチ
２４ 保護抵抗
２５ ＰＣＳヒータ用電源
２６ 冷凍機
２７ 冷凍機用電源
２８ 消磁制御システム
２９ 温度センサ
３０ 液面計

Claims (6)

1. 超電導コイルを収容する低温槽と、この低温槽内を上記超電導コイルの超電導臨界温度以下に保つ冷凍機と、上記超電導コイルに接続される永久電流スイッチと、上記超電導コイルに接続され、上記低温槽の外に配置される保護抵抗と、上記永久電流スイッチを開閉し、超電導コイルに流れる電流を上記保護抵抗を介して流すか否かを切り換えるスイッチ切り換え手段とを有する超電導磁気共鳴イメージング装置において、
   上記冷凍機の運転停止と判断したとき、上記低温槽内の温度が、超電導コイルの超電導臨界温度未満である上限温度に達しているか否かを判断し、上限温度に達したときに、上記スイッチ切り換え手段を介して上記永久電流スイッチを開き、超電導コイルに流れる電流を上記保護抵抗を介して流させる消磁制御手段を備えることを特徴とする超電導磁気共鳴イメージング装置。
2. 請求項１記載する超電導磁気共鳴イメージング装置において、上記消磁制御手段の動作電源は蓄電方式の電源であり、上記冷凍機から動作停止信号またはこの冷凍機の電源から停電信号を受信することで、消磁制御手段は、上記冷凍機の運転停止と判断することを特徴とする超電導磁気共鳴イメージング装置。
3. 請求項１記載の超電導磁気共鳴イメージング装置において、上記低温槽内には超電導コイルを冷却する寒剤が収容され、この寒剤の低温槽内における液面レベルを検知する液面計を備え、上記消磁制御手段の動作電源は蓄電方式の電源であり、消磁制御手段は、上記液面計により、低温槽内の寒剤液面が超電導コイルの上端面より下がったことを検知したときに、超電導コイルが上限温度に達していると判断することを特徴とする超電導磁気共鳴イメージング装置。
4. 請求項１記載の超電導磁気共鳴イメージング装置において、上記低温槽内の超電導コイル近傍の温度を検出する温度センサを備え、上記消磁制御手段の動作電源は蓄電方式の電源であり、消磁制御手段は、上記温度センサからの温度検出信号に従って、超電導コイルが上限温度に達しているか否かを判断することを特徴とする超電導磁気共鳴イメージング装置。
5. 超電導コイルを収容する低温槽と、この低温槽内を上記超電導コイルの超電導臨界温度以下に保つ冷凍機と、上記超電導コイルに接続される永久電流スイッチと、上記超電導コイルに接続され、上記低温槽の外に配置される保護抵抗と、上記永久電流スイッチを開閉し、超電導コイルに流れる電流を上記保護抵抗を介して流すか否かを切り換えるスイッチ切り換え手段とを有する超電導磁石装置において、
   上記冷凍機の運転停止と判断したとき、上記低温槽内の温度が、超電導コイルの超電導臨界温度未満である上限温度に達しているか否かを判断し、上限温度に達したときに、上記スイッチ切り換え手段を介して上記永久電流スイッチを開き、超電導コイルに流れる電流を上記保護抵抗を介して流させる消磁制御手段を備えることを特徴とする超電導磁石装置。
6. 超電導コイルを収容する低温槽と、この低温槽内を上記超電導コイルの超電導臨界温度以下に保つ冷凍機と、上記超電導コイルに接続される永久電流スイッチと、上記超電導コイルに接続され、上記低温槽の外に配置される保護抵抗と、上記永久電流スイッチに駆動信号を供給し、超電導コイルに流れる電流を上記保護抵抗を介して流すか否かを切り換えるスイッチ切り換え手段とを有する超電導磁石装置において、
   上記冷凍機の運転停止と判断したとき、上記スイッチ切り換え手段に運転停止判断信号を供給する消磁制御手段を備え、
   上記永久電流スイッチの動作温度は、上記超電導コイルの超電導臨界温度未満で、上記冷凍機の運転状態温度より高い温度であり、上記スイッチ切り換え手段から駆動信号が供給された場合であって、上記動作温度であるときに、上記永久電流スイッチが開き、超電導コイルに流れる電流を上記保護抵抗を介して流させることを特徴とする超電導磁石装置。

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