JP2005237417A - 開放型超電導磁石を用いた磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 被検体に圧迫感を与えないオープンＭＲＩ装置において、超電導磁石を用いて磁場強度を高め高速撮影を可能としたが、超電導磁石の液体ヘリウムの消費が激しい問題が発生した。頻繁な液体ヘリウムの補充作業と、それに伴う磁石の性能安定化期間のため検査スループットが向上しない。
【解決手段】 液体ヘリウムを上クライオスタットから下クライオスタットに注入するように二つのクライオスタットを連結するパイプを有し、かつ連結パイプの端部はそれぞれ上下クライオスタット内の超電導コイルより上に接続され、かつ、上クライオスタットにはヘリウムガスを液体に凝縮する冷凍機を組み合わせた。更に、冷凍機や圧縮機のモニター結果と液体ヘリウム値や圧力値の絶対値と変化値を記録・判定・表示する機能をコンピュータにプログラムした。
【選択図】 図４

Description

本発明は、開放型超電導磁石装置及びこれを用いた磁気共鳴イメージング(以下、MRIと称する)装置に係わり、特に、冷媒の使用量を低減すると共に、冷媒の消費量がゼロもしくは限りなくゼロに近い状態を維持する開放型超電導磁石装置とこれを用いることによって検査スループットを向上するMRI装置に関する。

核磁気共鳴(以下、NMRと称する)現象を利用して人体の断層像を得るMRI装置は広く医療機関で利用されている。
このMRI装置において画質を向上するには、高い磁場強度と高い磁場均一度を有する磁石が必要となる。0.4テスラ以下の磁場強度では高性能な磁性材料を用いた永久磁石を用いたMRI装置も商用化されているが、これらの永久磁石装置の磁場均一度は磁気回路に組込まれるポール・ピースの性能でほぼ決定され、十数ppmの値である。これに対して0.5テスラ以上の磁場強度で、しかも3.5ppm以下の磁場均一度を達成するためには、磁気回路にポール・ピースを用いない空芯の超電導磁石が唯一の選択肢となる。この超電導磁石を用いたMRI装置は、現在0.5テスラから3テスラが一般の臨床に供され、その磁場均一度は3ppm以下を達成している。

この様な磁石によって、NMR信号の強度も磁場強度に合わせて比例的に向上し、撮影時間の短縮を可能にした。高速での撮影法の代表的な手法にエコー・プレーナ・イメージング(EPI)があげられる。
EPIの基本的な撮影手法は、核スピンを一回励起して、その核スピンの緩和時間内に一軸方向の傾斜磁場を高速にて極性反転しエコー信号をその傾斜磁場の反転に合わせてその都度発生させ、その間に直行する他の軸の傾斜磁場をエコー信号に印加して位置情報をラベリングし、二次元画像に必要な128から256マトリクスのデータを計測する。

また、診断能力の向上の一方で、被検体の圧迫感をできるだけ与えないように検査空間の開口部を広くしたり、横に開放空間を設けることで検査中の被検体のケアができるなどのオープンMRI装置も開発された。
このオープンMRI装置においても、磁場強度を高くし、かつ高い磁場均一の磁石にして、高速撮影や高機能計測が求められるようになった。そこで、開放型の超電導磁石も作られた。

一例として、[特許文献1]に示すように、永久磁石装置と同じように撮影空間を間に挟んで上下に強磁性体で作られたポール・ピースを有し、その周囲に一対からなる超電導コイルを配したMRI用の超電導磁石が構成されている。
しかし、依然としてオープンMRI装置においても、従来の空芯タイプ超電導磁石のように高い磁場強度と高い磁場均一度の両方を併せ持ち、高速撮影機能や高機能撮影を可能にしたいとする要求があった。そこで、[特許文献2]に示すようにポール・ピースを使わない開放構造の超電導磁石を用いたオープンMRI装置が開発された。
特開2000-331820号公報 特願2002-063569号

オープンMRI装置においては、磁石の開放構造を阻害しないように、磁石内に組み込まれる機器もその形状が工夫されている。すなわち、傾斜磁場コイルは二つの平板構造とし、撮影空間の上下に配置することで一つの傾斜磁場コイルとして機能するようにされている。その結果、この平板構造の傾斜磁場コイルは従来の円筒構造の傾斜磁場コイルに比べて漏洩磁束が大きくなる傾向がある。

さらに、開放構造で空芯タイプの超電導磁石を用いたオープンMRI装置で高速撮影を実施した場合、特に、EPI法を実施した場合には、傾斜磁場の高速反転動作が超電導磁石を構成する金属材料内に渦電流を発生させ、結果として超電導磁石内に熱が発生する。この熱が原因となって液体ヘリウムを蒸発させるが、従来の撮影手法で発生する熱量と比較して、EPIでは無視できない程の多くの熱量が超電導磁石内に発生することになるので、液体ヘリウムの蒸発を激しくさせる。

また、開放構造の超電導磁石は、撮影空間を間に挟んで超電導コイルを収めるヘリウム容器−クライオスタット−も二つに分かれた構造を持ち、それぞれのヘリウム容器の容積は従来の円筒型の超電導磁石に比べ遥かに小さいので、超電導コイルを冷却するために用いられている液体ヘリウム量の余裕が少ない。

蒸発した液体ヘリウムを補うために、液体ヘリウムを補充する必要があるが、開放構造で空芯タイプの超電導磁石を用いたオープンMRI装置では、上記理由により、頻繁に液体ヘリウムの補充が必要となる。結果として、液体ヘリウム補充のために検査休止が頻発し、且つ、その作業経費がかさむ。更には、液体ヘリウムの補充によりクライオスタット内圧が変化して、再び内圧が安定するまでの約10時間程度は磁場均一度が安定しないことも発見された。そのため、折角EPIのような高速撮影法を採用して一回あたりの検査時間を短縮しても、検査の効率が一向に向上しないことになる。

[特許文献1]の様にポール・ピースを用いた超電導磁石では、渦電流の大部分がこのポール・ピース内で発生するので、渦電流で液体ヘリウムの蒸発が激しくなる問題は回避できるが、前述のとおり、高い磁場均一度を達成することは困難である。また、渦電流や温度変化によって磁場の安定度が変化する場合もある。

また、[特許文献2]の様にポール・ピースを使わない開放構造で空芯タイプの超電導磁石では、静磁場発生効率を高めるため、上ヘリウム容器においては超電導コイルが撮影空間側（底面）に近接して配置され、下ヘリウム容器においては超電導コイルが撮影空間側（上面）に近接して配置されている。このため、下ヘリウム容器において超電導コイルより下側に位置する多くの液体ヘリウムは、超電導コイルを直接浸漬しないことになり、液体ヘリウムの使用効率の向上と液体ヘリウムの蒸発消費に余裕を持たせる観点から改善すべき余地が残されている。

以上のことから、開放構造の超電導磁石を用いたオープンMRI装置においてEPIが実現されるためには、一回の核スピンの励起で十分なS/Nの信号強度が得られる静磁場強度と、静磁場の不均一成分でNMR信号が減衰しないような高い静磁場均一度を持つ磁石性能だけでなく、渦電流による熱進入に対して余裕のある開放構造の超電導磁石とこのような超電導磁石を用いたMRI装置が求められる。

そこで、本発明は上記観点に鑑みてなされたもので、開放構造の空芯タイプ超電導磁石及びこれを用いたMRI装置に適用される本発明の目的は以下の通りである。即ち
第1の目的は、超電導磁石の内部に渦電流による熱が発生しても、液体へリムの消費が起こらないようにし、その補充作業を実質的に不要にし、超電導磁石性能を安定に維持して検査の効率を向上する開放構造の超電導磁石を提供することである。

また、第2の目的は、超電導コイルを冷却する液体ヘリウムの使用効率を高めることができる開放構造の超電導磁石を提供することである
また、第3の目的は、超電導磁石の二つのヘリウム容器内の液体ヘリウム量を予め定められた一定の時間間隔で測定し、その測定値を記録し、二つのヘリウム容器内の液体ヘリウム量を管理することで、液体ヘリウム消費低減システムの動作状態を遠隔からも監視できる手段を提供することである。
また、第4の目的は、上記開放構造の超電導磁石を有し、EPI等の高速撮影を行っても液体へリムの消費が起こらないオープンMRI装置を提供することである。

上記課題を解決する本発明を適用した開放型超電導磁石は以下の様に構成される。即ち、
（１）超電導コイルが組み込まれた液体冷媒容器を内部に有する一対のクライオスタットが被検体を配設する撮影空間を間に挟んで上下に対向配置された超電導磁石と、前記超電導コイルを超電導状態の温度に維持するための液体冷媒を上液体冷媒容器から下液体冷媒容器に注入するように上下液体冷媒容器を連結する手段と、前記上クライオスタットに配置されて前記液体冷媒が気化したガスを再び液体に凝縮する冷却手段とを備えた超電導磁石装置において、前記連結手段は、その上下の開口端部がそれぞれ前記上下の液体冷媒容器内に配設された前記超電導コイルの上端面より上部位置に接続される（請求項1）。

特に、前記クライオスタットは、その中心部分に貫通穴を備えた円環状の形状を有し、前記貫通穴はその内部にポール・ピースを有しない空芯とする(請求項2)。
これらにより、傾斜磁場コイルの動作で発生したクライオスタット内の渦電流による熱で液体冷媒が気化すると、下液体冷媒容器には気化相当分の液体冷媒が連結手段を介して上液体冷媒容器から常時補充される。他方、気化した冷媒ガスを凝縮して液化する冷却手段によって上液体冷媒容器には常時液体冷媒が補充されるサイクルが構成されることになる。特に、中心部分に貫通穴を備えた円環状のクライオスタットの場合は、上記効果に加えて更に高い静磁場均一度を容易に達成することができる。その結果、前記本発明の第1の目的を達成することができる。

（２）本発明の好ましい実施態様は、前記下液体冷媒容器の容量が前記上液体冷媒容器の容量より小さくする(請求項3)。具体的には、前記下液体冷媒容器の上下方向の長さを前記上液体冷媒容器の上下方向の長さより短くする(請求項4)。あるいは、前記下液体冷媒容器の底面に窪みを形成する(請求項5)。
これらにより、下液体冷媒容器の容量、特に超電導コイルの下側部分の容量を小さくすることができ、超電導コイルを直接浸漬しない液体ヘリウム量を低減することができる。その結果、前記本発明の第2の目的を達成することができる。

（３）また、本発明の好ましい実施態様は、前記下液体冷媒容器の内部に少なくとも一つのガス溜を有する(請求項6)。
これにより、蒸発した液体冷媒ガスがガス溜内に滞留することにより、元々その内部にあった液体冷媒が追い出され、下超電導コイルが長く液体冷媒に浸漬されることになる。あるいは、下液体冷媒容器内に収まりきれなくなった液体冷媒が連結管を通って上液体冷媒容器に流れ込み、上液体冷媒容器内の超電導コイルを浸漬して直接冷却することになる。従って、超電導コイルを直接浸漬しない液体ヘリウムを有効活用することができる。その結果、前記本発明の第2の目的を達成することができる。

（４）また、本発明の好ましい実施態様は、少なくとも前記上液体冷媒容器の内部に前記液体冷媒の液量を計測する手段と、前記液体冷媒の液量の計測結果を表示する表示手段を備える(請求項7)。さらに、前記冷却手段はその動作状態のモニター手段と動作時間を積算するタイマー手段を備え、少なくとも前記上液体冷媒容器はその内部に圧力センサーを備え、前記表示手段は前記モニター手段と前記タイマーと前記圧力センサーの出力値及びそれらの変化値を記録・表示する(請求項8)。そして、前記冷却手段のモニター情報と前記液体冷媒の液量と前記液体冷媒容器内圧と前記タイマーの各計測値又はこれらの変化値が予め設定された閾値を超えた場合に警報を発する手段と、前記計測値又は変化値と前記警報を遠隔地に送信する手段を備える(請求項9)。
これらにより、超電導磁石の内部状態を常に把握しながら運転することが出来ると共に、何か問題が発生した場合に即座に対応することが出来るようになる。その結果、前記本発明の第3の目的を達成することができる。

（５）また、本発明の好ましい実施態様は、上記(1)乃至(4)の構成を有する超電導磁石を備えたMRI装置とする(請求項10)。
これによれば、EPI等の大振幅の傾斜磁場を高速でスイッチングするパルスシーケンスを用いた撮影を行い、このような傾斜磁場の印加によって発生する渦電流が原因となって液体冷媒の蒸発が促進されても、液体冷媒の損失が発生せず安定して検査を行うことができるようになる。その結果、前記本発明の第4の目的を達成することができる。

本発明によれば、高磁場強度・高磁場均一度が達成可能な開放構造の空芯タイプ超電導磁石において、高速撮影を実施しても、液体へリムの消費が実質的に発生しないようにすると共に液体ヘリウムの使用効率を高めて、液体ヘリウムの補充作業を実質的に不要にし、かつ超電導磁石の性能を安定に維持することができる。

更に、本発明によれば、超電導磁石の液体冷媒量やその他磁石の運転状況を把握するのに必要な情報を予め定めた時間間隔で自動的に測定・記録し、予め定めた許容範囲内であるか否かを判定すると共に警報表示させることで、超電導磁石の運転状態を適切に把握できるようになる。更に、遠隔からも超電導磁石の運転状態が把握可能となるので、異常時の対処に手遅れになることがないことや、予防保全のメンテナンスサービスも可能となる。

そして、本発明を適用した超電導磁石を用いたオープンMRI装置においては、高速撮影による検査の効率向上と水・脂肪分離等の高機能撮影モードによる高度な診断機能を実施できるようになると共に、超電導磁石の運転状態を常時監視しながら安定して検査を行うことが出来るようになる。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。なお、発明の実施形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
最初に、本発明が適用された開放構造を持つ超伝導磁石を用いたオープンMRI装置の全体概要を図1〜図3に基づいて説明する。

図1に示すMRI装置の磁場を発生する磁石は、被検体101が配置される撮影空間を間に挟んで上クライオスタット102と下クライオスタット103からなる。そのため、前記撮影空間の前後左右は大きく開放された構造になっている。上クライオスタット102と下クライオスタット103の内部にはそれぞれ超電導コイル(図では示してない)が組み込まれており、前記撮影空間の中心で例えば1.0テスラの磁場強度を発生しており、かつその磁場均一度は例えば直径40センチメートルの球空間で2ppm以下を達成している。上クライオスタット102と下クライオスタット103には連結管104があり、上下のクライオスタットを接続することで上下超電導コイルの接続を可能にすると共に、後に詳述する液体ヘリウムの循環の機能が持たされている。

上クライオスタット102の上部には冷凍機105が取り付けられており、冷凍機105をドライブする圧縮機106と共に気化したヘリウムガスを凝縮して液体ヘリウムに戻す働きをする。圧縮機106にはこの他に冷凍機105の運転時間が積算されるタイマー機能と冷凍機105の運転状態をモニターするセンサー機能とそれらの結果を出力する機能が設けられている。

更に、上クライオスタット102と下クライオスタット103にはそれぞれの液体ヘリウムの量を計測するセンサー(例えば液面センサー。図には示されていない)が組み込まれ、かつ、上クライオスタット102の上部には圧力センサー(図には示されていない)が組み込まれている。これらのセンサーの出力信号はクライオスタット制御ユニット107に入力され適切な数値に変化され出力される。なお、連結管104により上下のクライオスタットが連結されて、上下のクライオスタット間で液体ヘリウムの循環が行われるので、液体ヘリウムの量を計測するセンサーは上クライオスタット102のみに配置しても良い。

磁石の内側には傾斜磁場を発生する傾斜磁場コイル108が取り付けられている。この傾斜磁場コイル108は磁石の開放的な構造を妨げることがないように平板構造のコイルが用いられている。上下一対のコイルにて互いに直交する3軸方向に傾斜磁場を発生するx，y，zコイル(図では区別されない)が積層されている。例えば、上zコイルと下zコイルに電流が印加されると、上コイルは磁石の発生する磁束と同じ向きの磁束を発生するように磁場を発生し、下コイルはそれとは180度逆向きの磁束を発生する。この結果、被検体101が配置される撮影空間の垂直軸(z軸)の上から下に向けて磁束密度が直線的に少なくなる傾斜磁場が作られる。同様にxコイルもyコイルも磁石の発生する磁束密度をそれぞれx軸、y軸に沿って直線的に変化させることができるように上下コイルが構成されている。この傾斜磁場コイル108にx，y，zにそれぞれ独立して電流が供給されるように傾斜磁場パワーアンプユニット109が接続されている。この傾斜磁場パワーアンプ109はEPI計測にも十分耐えうるスイッチング動作と電流強度を有している。すなわち、傾斜磁場コイル108の負荷に対して例えば100マイクロ秒のスピードで傾斜磁場をプラス最大からマイナス最大に変化する性能を有している。傾斜磁場コイル108と傾斜磁場パワーアンプ109によって、被検体101の検査部位が特定されたり、その後のNMR信号に位置情報をラベリングする働きをする。

傾斜磁場コイル108の更に内側には高周波コイル110が取り付けられている。この高周波コイル110も磁石の開放的な構造を妨げることがないように平板構造のコイルが用いられている。上下一対のコイルに高周波パワーアンプ111より、特定の原子核の共鳴周波数と一致する高周波電流を流すことで、被検体101の配置空間にほぼ均一な高周波磁界が発生する。本実施例の場合では、42メガヘルツ(1テスラの磁場強度下での水素原子核の共鳴周波数)の高周波電流を流すことで被検体101の検査部位の組織に含まれる水素原子核が共鳴励起される。

最も内側、即ち被検体101の直近にはNMR信号を検出する受信コイル112が置かれている。この受信コイル112は核スピンの磁気的振る舞いを電気信号として検出する機能を有する。電気信号として検出されたNMR信号は高周波増幅ユニット113に入力される。高周波増幅ユニット113は入力された微弱なNMR信号を増幅・検波し、コンピュータ処理に適したデジタル信号に変換して出力する。

以上の傾斜磁場パワーアンプ109、高周波パワーアンプ111、高周波受信ユニット113の動作を定められた時間間隔で制御するコンピュータ114が組み合わされている。このコンピュータ114の入出力信号がシステムバス115として各ユニットに接続されている。一方でコンピュータ114はデジタル信号に変換されたNMR信号を診断に供するためのスペクトルや画像に変換処理してコンピュータ114内のメモリー装置(図には示してない)に保存したり、ディスプレー装置116に表示する処理を実行する。更に、コンピュータ114は上記検査シーケンスの制御やNMR信号の処理以外にも、MRI装置の動作状態を常時あるいは一定の時間間隔をおいて、監視や記録も掌っている。特に、本実施例では冷凍機105や圧縮機106の動作状態や動作時間を計測して、やはりメモリー装置の別の領域に記録している。また、液体ヘリウム量やクライオスタットの圧力を例えば、1回／日に計測して、その絶対値や変化率を記録する。また、計測されたこれらのデータが予め定めた上限値や下限値を超える時に、警報としてディスプレー装置116に表示したり警報音を発する機能も有している。更には、これらの監視データや警報はコンピュータ114に接続されているモデム117を経由して遠隔操作で外部より取り出すことができる。

図2は図1に記載したGM式冷凍機105とそれを駆動する圧縮機106の動作を説明する図である。図において、GM式冷凍機105の上部にはモータ301があり、モータ301の回転によって上下にピストン運動する一段目207のディスプレーサ302と二段目208のディスプレーサ303がある。また、モータ301の回転に同期して互いに逆相で開閉運動する高圧バルブ304と低圧バルブ305の機構を有する。GM式冷凍機105の動作原理の概略は、一段目ディスプレーサ302と二段目ディスプレーサ303が上死点に達したときに高圧バルブ304が開き、圧縮機106で例えば約2.4メガパスカルに圧縮された高純度のヘリウムガスがディスプレーサ内に注入される。一段目ディスプレーサ302と二段目ディスプレーサ303の下降運動と共にヘリウムガスはそれぞれのディスプレーサ内の蓄冷材の空間で膨張し冷却され、ディスプレーサの上昇運動にあわせて低圧バルブ305より排出され圧縮機106に戻る。この行程を繰り返すことによって、蓄冷材の温度が低下し、一段目207が50度ケルビン、二段目208が4度ケルビン以下の温度に到達する。これにより、一段目207は輻射熱シールド板212を冷却し、二段目208 は気化したヘリウムガスを冷却・凝縮して上ヘリウム容器203の液体ヘリウムに戻すことになる。

圧縮機106はモータ301に三相電圧の供給と、ヘリウムガスの圧縮と冷却の機能がある。そのため、GM式冷凍機105とはモータ301の電源ケーブル306と高圧ヘリウムガスパイプ307と低圧ヘリウムガスパイプ308で接続される。更に、圧縮機106にはモータ301の電源モニター回路309、ヘリウムガス圧モニター310、GM式冷凍機105の運転時間を記録する積算タイマー311と、これらのモニター信号をコンピュータ115に出力するインターフェース回路312が組み込まれている。

図3は磁石に取り付けられた各種センサーの値の計測と運転状態を判定するためのコンピュータ115に組み込まれたプログラムの一例を示すフローチャートである。図1に示すMRI装置が医療機関に据え付けられた状態で、以下の各ステップが実行される。即ち
ステップ401で稼動開始と同時に、コンピュータ114内のソフトウエア・タイマーがセットされる。

ステップ402で、ソフトウエア・タイマーは一定の時間毎に各種センサーの値を圧縮機106やクライオ制御ユニット107の出力インターフェースより読み取り、その値と計測日時を記録する。本実施例では上ヘリウム容器203の圧力と圧縮機106の高圧ヘリウム圧は1時間に1回の割合で計測し、その値を記録する。また、上ヘリウム容器203と下ヘリウム容器204の液体ヘリウムの量及び、GM式冷凍機105の積算タイマー311の時間は一日1回の割合で計測、その値を記録する。

ステップ403で、計測値はそれぞれについて定められた値に対し比較され、磁石やGM式冷凍機105の運転状態が正常か異常かを判定する。即ち、液体ヘリウムの量は上ヘリウム容器203内ではパイプ205の接続部分より上の例えば30％(つまり、上ヘリウム容器203の高さを100％としたとき、底面から30％の位置)以上であるか、下ヘリウム容器204の場合は100％の値を維持しているかを判定する。

ステップ404で、上ヘリウム容器203のヘリウムガスの圧力は上クライオスタット102と下クライオスタット103に進入する渦電流等の熱量による気化したヘリウム量とGM式冷凍機105で凝縮されるヘリウム量のバランスが取れているかを判定する。

ステップ405で、GM式冷凍機105単体の場合は、高圧ヘリウムの圧が例えば2.3メガパスカルから2.4メガパスカルの正常値内であるかを判定する。
ステップ406で、積算タイマー311の時間は定期メンテナンスの必要となる例えば10000時間を超えているかどうかを判定する。

ステップ407で、上記403〜406の判定結果が許容範囲外の値であった場合はエラー情報としてディスプレー116にその内容にあった警告情報を表示する。
ステップ408で、これらの計測値、計測日時、判定結果は合わせてモデム117に出力され、MRI装置の設置された部屋の外や遠く離れたサービスステーションでの遠隔モニターを可能とする。

以下本発明の第1の実施形態を説明する。本実施形態は、中央部分に貫通穴を有しない円筒型のクライオスタットを有する超電導磁石を用いた形態である。
図4は、本実施形態の第1の実施例を示した図であり、図1に示したMRI装置に用いられる超電導磁石の断面を詳細に示した図である。図4において、上クライオスタット102と下クライオスタット103には、それぞれ磁場を発生する上超電導コイル201と下超電導コイル202が収められている。図ではそれぞれ1個からなるコイルの場合を示したが、通常は磁場強度や磁場均一度それに漏洩磁場の目標仕様を満たすため複数のコイルの組み合わせで構成される。超電導コイルの外側は液体ヘリウムを蓄える上ヘリウム容器203と下ヘリウム容器204になっている。上ヘリウム容器203と下ヘリウム容器204は細いパイプ205で接続されている。ここで、上ヘリウム容器203とパイプ205との接続位置は上超電導コイル201の上端面より上の位置(例えば、上ヘリウム容器203の高さを100％としたとき、底面から30％の位置。以下同様とする)に接続する。一方、下ヘリウム容器204とパイプ205の接続も下超電導コイル202の上端面より上の位置(実際は下ヘリウム容器204の最上部)に接続する。ここで、図4の様な上下に対向配置された液体ヘリウム容器203,204とパイプ205との接続箇所は、被検体が配設される撮影空間の邪魔にならないようにするために、なるべくヘリウム容器203,204の中心から離れた周辺付近、好ましくは側面であることが必要である。

また、上ヘリウム容器203の上部中央にはGM式冷凍機105が組み込まれている。本実施例のGM式冷凍機105は2段の冷却ステージを有しており、例えば一段目207は50度ケルビン温度で50ワット、二段目208は4度ケルビン温度で2ワットの冷却能力を有している。GM式冷凍機105の二段目208が直接上ヘリウム容器203内に位置しており、ヘリウムガスは二段目208の表面で熱交換して冷却される。実施例では、直接ヘリウムガスを冷却させる方法を用いているが、二段目208をヘリウム容器203の熱伝導の良好な一部に接触させて間接的にヘリウムガスを冷却することも可能である。ヘリウムガスの沸点は4.2度ケルビン温度なので、ヘリウムガスは二段目208の表面で再凝縮して液体ヘリウムとなり、上ヘリウム容器203に溜まる。

上ヘリウム容器203と下ヘリウム容器204にはそれぞれ液体ヘリウムの液面を検出するヘリウム液面センサー209が組み込まれている。更に、上ヘリウム容器203の上部には圧力センサー210が組み込まれている。これらのセンサーの出力は上ヘリウム容器203に取り付けられたサービスポート211でまとめられてクライオ制御ユニット107に接続される。

上ヘリウム容器203と下ヘリウム容器204の外側には輻射熱シールド板212が存在する。この輻射熱シールド板212は上部でGM式冷凍機105の二段目207と熱接触し、それ全体の温度が二段目207の50度ケルビン温度になるように、例えば熱伝導が良好な1ミリメートル厚の純アルミニューム板で作られている。輻射熱シールド板212は超電導コイル201，202のクエンチ時の磁場変化で大きな渦電流が発生し、それ自体が変形するのを防ぐ目的で数箇所にスリット(図では示していない)を設け渦電流を低減している。このため、傾斜磁場コイル108で発生した磁束変化はは輻射熱シールド板212を透過して、上ヘリウム容器203と下ヘリウム容器204で渦電流を発生させることになる。

輻射シールド板212の更に外側に例えば15ミリメートル厚のステンレススチールで作られた真空容器(102，103と104と番号共用)が設けられている。真空容器と上ヘリウム容器203、下ヘリウム容器204そしてパイプ205の間隙は真空層になっており、その中間に存在する輻射シールド板212と共に熱進入を防いでいる。

このようにパイプ205とGM式冷凍機105を組み合わせて構成し、液体ヘリウムの液面が上ヘリウム容器203内のパイプ205の接続位置(30%の位置)即ち、上超電導コイル201の上端面より上になるように液体ヘリウムを注入しておけば、下ヘリウム容器204で発生したヘリウムガスは全てパイプ205を通って上ヘリウム容器203上部に集まり、逆にパイプ205を通って液体ヘリウムが上ヘリウム容器203から下ヘリウム容器204に補充される。同時に、上ヘリウム容器203の上部に集まったヘリウムガスを、GM式冷凍機105の二段目208で再凝縮させて上ヘリウム容器203に蓄えることができる。

また、超電導コイルの位置は磁場発生効率を考慮すると、被検体101が配設される撮影空間にできるだけ近づけることが望まれる。即ち、上超電導コイル201は上ヘリウム容器203のできるだけ下部に、下超電導コイル204は下ヘリウム容器204のできるだけ上部に配置される。上述の本実施例の構成であれば、上ヘリウム容器203の液体ヘリウムは超電導コイル201の上端面より高い30％以上を維持し、下ヘリウム容器204は常に液体ヘリウムで100%満たされることになる。更には、超電導コイルを最も磁場発生効率のよい位置、即ち、上超電導コイル201を上ヘリウム容器203の最下部に、下超電導コイル202を下ヘリウム容器204の最上部に配置したとしても、超電導コイルを液体ヘリウム内に浸透させ、超電導状態を維持する4.2度ケルビン温度に安定に保つことができる。

次に第1の実施形態における他の実施例を図5に基づいて説明する。図5は、図4の超電導磁石の下側部分のみを取り出した断面図である。
図5(a)は第2の実施例であり、下ヘリウム容器204の高さ(上下方向の長さ)を上ヘリウム容器のそれと比較して短くした例である。その結果、下側の輻射熱シールド板212と真空容器103の高さも短くなっている。この構造により、下超電導コイル202より下側の液体ヘリウム量を少なくすることができるので、この超電導コイル202を直接浸漬しない液体ヘリウム量を低減することができる。

また、図5(b)は、第3の実施例であり、下ヘリウム容器204の底面に窪み214を設けた例である。この構造により、第2の実施例と同様に、下超電導コイル202より下側の液体ヘリウム量を少なくすることができるので、この超電導コイル202を直接浸漬しない液体ヘリウム量を低減することができる。一般に傾斜磁場の強度はヘリウム容器の中央部分で弱く外周付近で強くなるので、ヘリウム容器の底面に発生する渦電流は、中央部分で少なく外周付近で多くなる。そこで窪みの形状をヘリウム容器の中央部付近で撮影空間側に凸の形状とすることで、実質的に渦電流の発生を増加させずにヘリウム容器の容量を低減することができる。

また、図5(c)は、第４の実施例であり、下ヘリウム容器204内に少なくとも一つのガス溜215を備えた例である。このガス溜215は、下ヘリウム容器内で蒸発したヘリウムガスがその内部に滞留するように撮影空間側に凸の形状を有したものである。蒸発したヘリウムガスがガス溜215内に滞留することにより、元々その内部にあった液体ヘリウムが追い出される。その結果、下超電導コイル202が長く液体ヘリウムに浸漬されることになる。あるいは、下ヘリウム容器204内に収まりきれなくなった液体ヘリウムがパイプ205を通って上ヘリウム容器203に流れ込み、上ヘリウム容器203内の超電導コイル201を浸漬して直接冷却することになる。このようにして下ヘリウム容器204内の液体ヘリウムを有効活用して渦電流による熱進入に対して余裕を持たせることができる。
なお、上記第2乃至4実施例のうち任意の組み合わせを適用することも可能である。

次に、本発明の第2の実施形態について説明する。本実施形態は、中央部分に貫通穴を有する円環状のクライオスタットを有する超電導磁石を用い、この貫通穴は基本的には中空でポール・ピースが配置されることのない形態である。
図6は本実施形態における第1の実施例の超電導磁石の断面を詳細に示した図である。図4と比較して、上下のクライオスタット102，103の中央部分にそれぞれ貫通穴220を有している。そのため、GM式冷凍機105と液面センサー209の位置が貫通穴220を避けるように変更されているが、この配置に限定されるわけではなく、GM式冷凍機105は上クライオスタット102の上面に配置されていれば良く、液面センサー209はヘリウム容器203，204の上面から底面に渡って配置されていれば良い。他の部分は、図4と同様であるので説明を省略する。

この第2の実施形態においても、第1の実施形態の第2乃至4実施例と同様に下ヘリウム容器204の構造を上ヘリウム容器203と比較して異ならせることができる。
図7は、図6の超電導磁石の下側部分のみを取り出した断面図である。
図7(a)は第2の実施例であり、図5(a)と同様に、下ヘリウム容器204の高さ(上下方向の長さ)を上ヘリウム容器203のそれと比較して短くした例である。効果も図5(a)と同じである。

また、図7(b)は第3の実施例であり、図5(b)と同様に、下ヘリウム容器204の底面に窪みを214を設けた例である。効果も図5(b)と同じである。
また、図7(c)は、第4の実施例であり、図7(c)と同様に、下ヘリウム容器204内に少なくとも一つガス溜215を備えた例である。効果も図5(c)と同じである。
なお、上記第2乃至4の実施例のうち任意の組み合わせを適用できることも図5の場合と同様である。

本発明を用いたオープンMRI装置の全体構成図。 図1の超電導磁石に組み込まれるGM式冷凍機と圧縮機の接続図。 磁石運転状態のモニターと状態判定プログラムのフローチャート図。 図1のオープンMRI装置に用いられる超電導磁石の内部構造図(本発明の第1の実施形態に関する第1の実施例)。 本発明の第1の実施形態における下ヘリウム容器の他の実施例。(a)は下ヘリウム容器の高さを短くした実施例、(b)は下ヘリウム容器の底面に窪みを設けた例、(c)は下ヘリウム容器内にガス溜を設けた例。 本発明の第2の実施形態における超電導磁石の内部構造図。 本発明の第2の実施形態における下ヘリウム容器の他の実施例。(a)は下ヘリウム容器の高さを短くした実施例、(b)は下ヘリウム容器の底面に窪みを設けた例、(c)は下ヘリウム容器内にガス溜を設けた例。

符号の説明

102 上クライオスタット、103 下クライオスタット、104 連結管、105 冷凍機、106 圧縮機、107 クライオ制御ユニット、109 傾斜磁場パワーアンプ、111 高周波パワーアンプ、113 高周波増幅ユニット、114 コンピュータ、116 表示装置、117 モデム、203 上ヘリウム容器、204 下ヘリウム容器、205 パイプ、207 冷凍機の1段目、208 冷凍機の2段目、209 液面センサー、210 圧力センサー、211 サービスポート、212 輻射熱シールド板

Claims (10)

1. 超電導コイルが組み込まれた液体冷媒容器を内部に有する一対のクライオスタットが被検体を配設する撮影空間を間に挟んで上下に対向配置された超電導磁石と、前記超電導コイルを超電導状態の温度に維持するための液体冷媒を上液体冷媒容器から下液体冷媒容器に注入するように上下液体冷媒容器を連結する手段と、前記上クライオスタットに配置されて前記液体冷媒が気化したガスを再び液体に凝縮する冷却手段とを備えた超電導磁石装置において、
   前記連結手段は、その上下の開口端部がそれぞれ前記上下の液体冷媒容器内に配設された前記超電導コイルの上端面より上部位置に接続されたことを特徴とする超電導磁石装置。
2. 請求項１に記載の超電導磁石装置において、前記クライオスタットは、その中心部分に貫通穴を備えた円環状の形状を有し、前記貫通穴はその内部にポール・ピースを有しない空芯であることを特徴とする超電導磁石装置。
3. 請求項１又は２に記載の超電導磁石装置において、前記下液体冷媒容器の容量が前記上液体冷媒容器の容量より小さいことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
4. 請求項３に記載の超電導磁石装置において、前記下液体冷媒容器の上下方向の長さを前記上液体冷媒容器の上下方向の長さより短くしたことを特徴とする超電導磁石装置。
5. 請求項３に記載の超電導磁石装置において、前記下液体冷媒容器の底面に窪みが形成されたことを特徴とする超電導磁石装置。
6. 請求項１又は２に記載の超電導磁石装置において、前記下液体冷媒容器の内部に少なくとも一つのガス溜を有することを特徴とする超電導磁石装置。
7. 請求項1乃至６のいずれか一項に記載の超電導磁石装置において、少なくとも前記上液体冷媒容器の内部に前記液体冷媒の液量を計測する手段と、前記液体冷媒の液量の計測結果を表示する表示手段を備えたことを特徴とする超電導磁石装置。
8. 請求項７に記載の超電導磁石装置において、前記冷却手段はその動作状態のモニター手段と動作時間を積算するタイマー手段を備え、少なくとも前記上液体冷媒容器はその内部に圧力センサーを備え、前記表示手段は前記モニター手段と前記タイマーと前記圧力センサーの出力値及びそれらの変化値を記録・表示することを特徴とする超電導磁石装置。
9. 請求項８に記載の超電導磁石装置において、前記冷却手段のモニター情報と前記液体冷媒の液量と前記液体冷媒容器内圧と前記タイマーの各計測値又はこれらの変化値が予め設定された閾値を超えた場合に警報を発する手段と、前記計測値又は変化値と前記警報を遠隔地に送信する手段を備えたことを特徴とする超電導磁石装置。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の超電導磁石装置を備えた磁気共鳴イメージング装置。

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