JP2006141655A - 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】
磁場均一度に優れ冷凍性能を十分に確保できる高磁場のＭＲＩ装置を提供する。
【解決手段】
パルス管冷凍機を採用し、バルブユニットを経験磁場の低い場所に設置する。例えば、バルブユニットをシールドルームの天井の上に設置する、又は、一組のコイル容器を相対抗するように連結する連結柱にバルブユニットを配置する。
本発明のＭＲＩ装置によれば、撮像空間の磁場均一度に悪影響を与えることなく、十分な冷凍性能が得られる。
【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超伝導磁石装置及びそれを用いた
ＭＲＩ装置に関する。

本発明の対象である開放型の超伝導磁石装置又はＭＲＩ装置は、均一磁場領域を挟んで一対の磁石が対向して配置され、垂直方向の磁場を形成する構造であるため、被検体が受ける閉塞感が少なく、かつ検査者の被検体へのアクセスが容易なことより最近では生体検査装置の主流となっている。

これらの超伝導磁石装置又はＭＲＩ装置に対して更なる高解像度化・高速撮影化を可能にするため、用いる磁場の高磁場化が要求されている。

従来、計測空間に静磁場を発生するための起磁力源としては永久磁石や、超伝導コイルを用いた超伝導磁石が使用されるが、一般に高磁場を得るためには超伝導磁石が使用されることが多い。起磁力源として超伝導磁石を使用する場合には、冷媒として液体のヘリウム（以下、Ｈｅと称す）を使用する。この液体ヘリウムの消費を低減させるために極低温冷凍機による蒸発ガスの再凝縮や構造部材を断熱冷却する方式がとられている。

極低温冷凍機としてはこれまでにギフォード・マクマホン型（ＧＭ）冷凍機が多用されてきた。この方式の冷凍機は冷凍機軸が水平あるいは鉛直のどちらの方向でも冷凍能力に差異がないように改良され、現在では超伝導磁石装置又はＭＲＩ装置の高さの関係より水平方向に設置されることが多い。

特開２００３−５６９２８号公報

しかしながら、このＧＭ冷凍機は内部に可動部を有するため運転時に振動が発生し、この振動がコイル容器に伝播することでＭＲＩ装置の磁場均一度の安定性に悪影響を及ぼしていた。また、ＧＭ冷凍機では永久磁石を構成材料とする駆動モータを可動部の駆動源としており、ＭＲＩ装置においては、この駆動モータが高磁場にさらされるため、安定に動作させるためには磁性体で磁気シールドを施さなければならず、駆動モータが安定に動作するのに十分な磁気シールド効果を得ようとすれば、莫大な磁性体が必要となり、この磁性体が撮像用の磁場空間の磁場均一度に悪影響を及ぼしてしまっていた。

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、高磁場である撮像空間の磁場均一度に悪影響を及ぼすことなく、十分な冷凍性能を確保できる超伝導磁石装置及びＭＲＩ装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は超電導コイルと、該超電導コイルをそれぞれ冷媒と共に収納する一組のコイル容器とを有し、該コイル容器をそれぞれ収納し、上下に配置させた超伝導磁石装置において、前記冷媒を冷却するパルス管冷凍機を備え、該パルス管冷凍機のバルブユニットを経験磁場の低い場所に設置したことを特徴とするものである。

また、本発明は超伝導磁石装置において、該超伝導磁石装置を格納するシールドルームを備え、前記バルブユニットを前記シールドルームの天井の上に設置したことを特徴とするものである。

また、本発明は超伝導磁石装置において、前記一組のコイル容器を相対抗するように連結する連結柱を備え、該連結柱の撮像空間側に前記バルブユニットを配置したことを特徴とするものである。

また、本発明は超伝導磁石装置において、前記一組のコイル容器を相対抗するように連結する連結柱を備え、該連結柱の撮像空間に対して外側に前記バルブユニットを配置したことを特徴とするものである。

また、本発明は超伝導磁石装置において、該超伝導磁石装置を格納するシールドルームを備え、前記バルブユニットを前記シールドルームの天井と前記コイル容器天頂部の間に配置したことを特徴とするものである。

更に、上記課題を解決するために、本発明は超電導コイルと、該超電導コイルを冷却する冷媒と、前記超電導コイルの磁界を打ち消す打消しコイルとを収納する一組のコイル容器とを有し、該コイル容器をそれぞれ収納し、上下に配置させた超伝導磁石装置において、前記冷媒を冷却するパルス管冷凍機を備え、該パルス管冷凍機のバルブユニットを前記打消しコイルにより経験磁場が低い場所に設置したことを特徴とするものである。

また、本発明は超伝導磁石装置において、前記一組のコイル容器を相対抗するように連結する連結柱を備え、該連結柱の撮像空間側に前記バルブユニットを配置したことを特徴とするものである。

また、本発明は超伝導磁石装置において、前記一組のコイル容器を相対抗するように連結する連結柱を備え、該連結柱の撮像空間に対して外側に前記バルブユニットを配置したことを特徴とするものである。

更に、上記課題を解決するために、本発明は超電導コイルと、該超電導コイルをそれぞれ冷媒と共に収納する一組のコイル容器とを有し、該コイル容器をそれぞれ収納し、上下に配置させた超伝導磁石装置において、前記冷媒を冷却する冷凍機を備え、該冷凍機のモータを経験磁場の低い場所に設置したことを特徴とするものである。

また、本発明は超伝導磁石装置において、前記冷凍機としてパルス管冷凍機を用いて、該パルス管冷凍機のバルブユニットのモータを経験磁場の低い場所に設置したことを特徴とするものである。

更に、本発明の磁気共鳴イメージング装置では、上述した超伝導磁石装置を用いるようにしたものである。

本発明によれば、超伝導コイルを用いた高磁場の装置であっても撮像空間の磁場均一度を高めることを可能にした超伝導磁石装置及びＭＲＩ装置を実現出来る。

以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。

まず、本実施例の超伝導磁石装置を用いたＭＲＩ装置の概要構成を説明する。ＭＲＩ装置は、図８に示すように、撮像空間８０を挟んで、上下方向に対向する一対の真空容器
２１，２２、真空容器２１と真空容器２２を連結して真空容器２１を支持する連結柱６０，６２、被検体を乗せるベッド９０、及び被検体からの核磁気共鳴信号を解析する制御装置１００を備える。制御装置１００は超伝導磁石装置を配置したシールドルーム７０の外に配置される。シールドルーム７０は、電磁波を遮蔽するための電磁シールドと、磁場を遮蔽するための磁気シールドを施してある。本実施例の超伝導磁石装置は、連結柱６０，６２で連結された一対の真空容器２１，２２を含んでいる。

ＭＲＩ装置は、一対の真空容器２１，２２のそれぞれの内部に配置された超伝導コイルが、撮像空間８０に垂直に磁場空間を形成し、ベッド９０に乗った被検体を通して断層撮影を行うものである。

図１に上記ＭＲＩ装置に採用される本発明の超伝導磁石装置の第一の実施例を示す。本実施例においては、撮像空間８０の静磁場が３種類の環状に形成された超伝導コイルで生成される。該超伝導コイルは、主コイル１とアクティブシールド用の遮蔽コイル２，３を含んでいる。遮蔽コイル２は主コイル１と逆方向に電流が流れ、遮蔽コイル３は主コイル１と同方向に電流が流れている。これらの超伝導コイルが上下のコイル容器４１，４２に納められている。リング状をした主コイル１，遮蔽コイル２，３は、中心軸Ａ−Ａ′を取り囲んで配置される。コイル容器４１，４２は、超伝導コイルを冷却するための液体ヘリウム１０を蓄えておくタンクの役割を兼ねている。また、コイル容器４１は真空容器２１内に配置され、コイル容器４２は真空容器２２内に配置されている。コイル容器４１，
４２を包囲するように熱シールド３０が設置してあり、これらコイル容器４１，４２及び熱シールド３０を包囲し、且つ内部が真空に保持された真空容器４０とからなるクライオスタットとなっている。冷媒である液体ヘリウム１０を冷却するパルス管冷凍機の冷凍部５１が前記クライオスタットの上部に斜めに設置されている。上下のコイル容器４１，
４２は連結柱６０，６２内に形成された連結通路６１，６３でそれぞれ接続される。連結通路６１，６３内を冷媒である液体ヘリウム１０，ヘリウムガスが通ると共に、各超伝導コイルのコイル接続線等が配置されている。

尚、図１の図面では中心軸Ａ−Ａ′の右側は連結柱６１，６２が存在する部分の断面を示し、左側は連結柱６１，６２が存在する場所から９０度ずれた部分の断面を示している。

パルス管冷凍機の詳細構成は後述するが、パルス管冷凍機は冷凍部５１，バルブユニット５２，バッファタンク（図示せず），圧縮機５３等から構成される。冷凍部５１とバルブユニット５２間、圧縮機５３とバルブユニット５２間は配管５４でつながれている。バルブユニット５２は、モータによるバルブの切り換えによって、圧縮機５３，冷凍部５１，バッファタンクへの動作ガスであるヘリウムガスの流れの調整を行っている。

本実施例においては、シールドルーム７０天井部の上に、バルブユニット５２を配置する。このように配置した場合、シールドルーム７０の磁気シールドによって超伝導磁石装置から駆動モータへの経験磁場を低く抑えることが実現でき、また、ＭＲＩ装置の外観を損ねない。

バルブユニット５２は直接にクライオスタットに設置されていないため、バルブユニット５２中の駆動モータの振動は直接にクライオスタットには伝わらないので殆どクライオスタットを振動させることが無くなり、磁場が均一化された撮像空間８０を得ることが可能になる。

また、駆動モータと冷凍部５１を接続している接続ホースをフレキシブルホースなどの弾性を有するもので構成することにより、より駆動モータの振動をクライオスタットに伝達しにくくすることが可能になる。更に、圧縮機５３とバルブユニット５２中の駆動モータの接続においても、フレキシブルホースなどの弾性を有するもので構成することによりクライオスタット外部からの振動がなるべくクライオスタットに伝達されなくなる。

また、冷凍部５１とバルブユニット５２間を接続する配管５４は、ＲＦシールド７１を貫通する導波管７２中を通る。さらに、導波管７２と配管５４の隙間は、金属メッシュなどにより埋めて、シールド性能を落とさないようにする。

図２に上記ＭＲＩ装置に採用される本発明の第二の実施例を示す。本実施例は、連結柱６１、又は連結柱６３の撮像空間８０側に、バルブユニット５２を配置したものである。図７に示すように、連結柱６０，６２の上下磁石の中点付近で、磁場の強度が弱くなっており、従って、そこにバルブユニット５２を配置することで、駆動モータの経験磁場を低く抑えることができる。図７にあるような磁場分布は、アクティブシールドの効果を得るために、遮蔽コイル２と３に流れる電流を反対の方向に流し、また主コイルと遮蔽コイル３に流れる電流を同じ方向に流すことによって形成される。

図３に上記ＭＲＩ装置に採用される本発明の第三の実施例を示す。本実施例は、第二の実施例において、連結柱６０、又は連結柱６２の撮像空間８０に対して外側に、バルブユニット５２を配置したものである。このように配置した場合は、第二の実施例の場合と比較して、撮像空間８０を圧迫せず開放感を損なわない装置を提供することが可能になる。

図４に上記ＭＲＩ装置に採用される本発明の第四の実施例を示す。本実施例は、シールドルーム７０の天井と真空容器４０の間にバルブユニット５２を配置したものであり、バルブユニット５２をシールドルーム７０の天井から支持したものである。また、バルブユニット５２には、磁気シールド７３を施してもよい。この構成により、漏洩磁場の影響が大きくなるシールドルーム７０の内側に、バルブユニット５２を配置することが可能となり、バルブユニット５２の設置が容易となる。このとき、バルブユニット５２は、シールドルーム７０内において、ＭＲＩ装置から離れた位置にあるので、磁気シールド７３の使用量は少なくてすむ。これより、撮像空間８０の磁場均一度に与える影響は小さくなり、かつ、駆動モータの振動がコイル容器４１，４２に直接伝わらないので撮像空間の磁場均一度を高めることが可能になる。

図５に上記ＭＲＩ装置に採用される本発明の第五の実施例を示す。本実施例は、第四の実施例において、バルブユニット５２を真空容器４０からの支柱５５により支持するものである。このとき、バルブユニット５２と支柱５５の間には、ゴム板など振動を抑制する手段（ダンピング手段）を挿入することで、駆動モータの振動がコイル容器４１，４２に直接伝わらないので、撮像空間の磁場均一度を高めることが可能になる。

図６に本発明の第六の実施例を示す。

本実施例は、第四の実施例において、バルブユニット５２を床からの支柱５５により支持するものである。この場合も、駆動モータの振動がコイル容器４１，４２に直接伝わらないので、撮像空間の磁場均一度を高めることが可能になる。

図９はパルス管冷凍機の一実施例を示したものである。

このパルス管冷凍機は、冷凍部５１，バルブユニット５２，圧縮機５３を有する。冷凍部５１は、第２蓄冷器(高温側)２２４，第２蓄冷器(低温側)２２６，第１蓄冷器２３４，第１ステージ２２８，第２ステージ２２２，第１パルス管２３０及び第２パルス管２１６を含んでいる。冷凍部５２は真空容器４０に取り付けられ、第２ステージ２２２はコイル容器４１に取り付けられる。圧縮機５３から延びる高圧側配管２０４および低圧側配管
２０６がバルブユニット５２内の四方弁２１０に接続されている。この四方弁２１０はモータ２５２により制御装置（図示せず）からの制御信号に従って四方弁を切り換えている。また、四方弁２１０は、２つの配管により、第１蓄冷器２３４及び第２蓄冷器(高温側)２２４に接続される。

第１パルス管２３０内には第１膨張空間２３２が形成されている。第１パルス管２３０の第１膨張空間２３２は、第１ステージ２２８に固定された第１蓄冷器２３４に接続されている。第１パルス管２３０の上端部は、配管により第１バッファタンク２４４に接続される。

第２蓄冷器（高温側）２２４は、第１ステージ２２８で第２蓄冷器（低温側）２２６に接続されている。第２蓄冷器２２６は第２ステージ２２２で第２パルス管２１６に接続されている。第２パルス管２１６内には第２膨張空間２２０が形成されている。そして第２パルス管２１６の上端部は配管により第２バッファタンク２０８に接続されている。

次にパルス管冷凍機の動作を説明する。

まず、圧縮機５３において、低圧のヘリウムガスが高圧に圧縮され、この時に発生した圧縮熱は放熱されている。

そして、モータ２５２の駆動により四方弁２１０を高圧側に切り換える。この切り換え操作により、高圧側配管２０４で供給される高圧のヘリウムガスが、四方弁２１０を通り、第１蓄冷器２３４を介して第１膨張空間２３２及び第１バッファタンク２４４に充填され、かつ、第２蓄冷器２２４，２２６を介して第２膨張空間２２０及び第２バッファタンク２０８に充填される。

次に、モータ２５２の駆動により四方弁２１０を低圧側に切り換える。四方弁２１０を低圧側に切り換えて、第１膨張空間２３２及び第２膨張空間２２０内のヘリウムガスを断熱膨張させることにより、ヘリウムガスの温度を低下させる。ここで、第１膨張空間232及び第２膨張空間２２０内のヘリウムガスは、第１バッファタンク２４４及び第２バッファタンク２０８内の高圧のヘリウムガスにより、低圧側配管２０６に送り出される。この温度低下したヘリウムガスによって、第１ステージ２２８および第２ステージ２２２が冷却される。第２ステージ２２２がコイル容器４１に取り付けられているため、コイル容器４１内に存在する冷媒である液体ヘリウム１０、ヘリウムガスが冷却される。

本発明においては、上述したパルス管冷凍機のバルブユニット５２を前述した各実施例に示したように経験磁場の低い場所に配置することで、撮像空間の磁場の均一度を高めることを実現できる。

本発明の一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。 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３の実施例における磁場状態を示す図である。 図１〜図６に示すいずれか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。 図１〜図６に示すいずれかの超伝導磁石装置で用いられるパルス管冷凍機の一実施例である。

符号の説明

１…主コイル、２，３…遮蔽コイル、１０…液体ヘリウム、２１，２２，４１，４２…真空容器、３０…熱シールド、５１…冷凍部、５２…バルブユニット、５３…圧縮機、
５４…配管、５５…支柱、６０，６２…連結柱、６１，６３…連絡通路、７０…シールドルーム、７１…シールドルームを構成するＲＦシールド、７２…導波管、７３…バルブユニット用磁気シールド、８０…撮像空間、９０…ベッド、１００…制御装置。

Claims (11)

1. 超電導コイルと、
   該超電導コイルをそれぞれ冷媒と共に収納する一組のコイル容器とを有し、
   該コイル容器をそれぞれ収納し、上下に配置させた超伝導磁石装置において、
   前記冷媒を冷却するパルス管冷凍機を備え、
   該パルス管冷凍機のバルブユニットを経験磁場の低い場所に設置したことを特徴する超伝導磁石装置。
2. 請求項１の超伝導磁石装置において、
   該超伝導磁石装置を格納するシールドルームを備え、
   前記バルブユニットを前記シールドルームの天井の上に設置したことを特徴とした超伝導磁石装置。
3. 請求項１の超伝導磁石装置において、
   前記一組のコイル容器を相対抗するように連結する連結柱を備え、
   該連結柱の撮像空間側に前記バルブユニット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の超伝導磁石装置において、
   前記一組のコイル容器を相対抗するように連結する連結柱を備え、
   該連結柱の撮像空間に対して外側に前記バルブユニットを配置したことを特徴とする超伝導磁石装置。
5. 請求項１の超伝導磁石装置において、
   該超伝導磁石装置を格納するシールドルームを備え、
   前記バルブユニットを前記シールドルームの天井と前記コイル容器天頂部の間に配置したことを特徴とする超伝導磁石装置。
6. 超電導コイルと、
   該超電導コイルを冷却する冷媒と、前記超電導コイルの磁界を打ち消す打消しコイルとを収納する一組のコイル容器とを有し、
   該コイル容器をそれぞれ収納し、上下に配置させた超伝導磁石装置において、
   前記冷媒を冷却するパルス管冷凍機を備え、
   該パルス管冷凍機のバルブユニットを前記打消しコイルにより経験磁場が低い場所に設置したことを特徴する超伝導磁石装置。
7. 請求項６の超伝導磁石装置において、
   前記一組のコイル容器を相対抗するように連結する連結柱を備え、
   該連結柱の撮像空間側に前記バルブユニットを配置したことを特徴とする超伝導磁石装置。
8. 請求項６の超伝導磁石装置において、
   前記一組のコイル容器を相対抗するように連結する連結柱を備え、
   該連結柱の撮像空間に対して外側に前記バルブユニットを配置したことを特徴とする超伝導磁石装置。
9. 超電導コイルと、
   該超電導コイルをそれぞれ冷媒と共に収納する一組のコイル容器とを有し、
   該コイル容器をそれぞれ収納し、上下に配置させた超伝導磁石装置において、
   前記冷媒を冷却する冷凍機を備え、
   該冷凍機のモータを経験磁場の低い場所に設置したことを特徴する超伝導磁石装置。
10. 請求項９の超伝導磁石装置において、
    前記冷凍機としてパルス管冷凍機を用いて、該パルス管冷凍機のバルブユニットのモータを経験磁場の低い場所に設置したことを特徴する超伝導磁石装置。
11. 請求項１から請求項１０の超伝導磁石装置において、
    該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。
    
    

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