JP2009061010A - 超電導磁石装置および磁気共鳴撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、磁性蓄冷材の往復振動による振動磁場の磁場強度を、均一磁場空間において、小さくすることが可能な超電導磁石装置を提供する。
【解決手段】磁場強度が略均一な均一磁場空間７が形成されるように配置された複数の超電導コイル１３と、磁性を持つ磁性蓄冷材９を往復振動させ、超電導コイル１３を冷却する冷凍機３とを有する超電導磁石装置２であって、冷凍機３の磁性蓄冷材９の振動方向１１が、鉛直より傾いている。
【選択図】図２

Description

本発明は、超電導磁石装置および、それを具備した磁気共鳴撮像(Magnetic Resonance Imaging)装置に関する。

磁気共鳴撮像装置は、磁場強度が均一な静磁場の均一磁場空間に置かれた被検体(検査体)に高周波パルスを照射したときに生じる核磁気共鳴現象を利用して被検体の物理的、化学的性質を表す画像を得ることができ、特に、医療用として用いられている。磁気共鳴撮像装置は、主に、被検体が置かれる均一磁場空間を発生させる磁場発生源としての超電導磁石装置と、均一磁場空間に向けて高周波パルスを照射するＲＦコイル、均一磁場空間からの応答を受信する受信コイルと、核磁気共鳴現象が発生している均一磁場空間内における位置情報をその核磁気共鳴現象に関係付けるために傾斜磁場を均一磁場空間に印加する傾斜磁場コイルとを備えている。

磁気共鳴撮像装置の性能を向上させるためには、均一磁場空間の磁場強度が大きいことが必要であり、このために、大きな磁場強度の得られる超電導磁石装置が用いられている。超電導磁石装置では、超電導コイルが冷媒により冷却されている。この冷媒の消費を抑えるために、蒸発した冷媒を再液化する冷凍機が備えられる。この冷凍機としては、蓄冷式、たとえば、ギフォード・マクマホン（ＧＭ）冷凍機が用いられている。蓄冷式の冷凍機の蓄冷材には、極低温で比熱の大きい、たとえば、ＨｏＣｕ_２などの磁性を持つ磁性蓄冷材が用いられている。この磁性蓄冷材は、超電導磁石装置が発生させる磁場中に配置されることになるので磁化してしまい、ＧＭ冷凍機が作動するとこの磁化した磁性蓄冷材が往復振動をするために、均一磁場空間に振動磁場が発生する場合があった。この振動磁場は、均一磁場空間の磁場強度を時間的に変動させるので、核磁気共鳴現象における共鳴周波数が時間的に変動してしまい、撮像に悪影響を与えると考えられた。

このような問題に対して、様々な解決策が提案されている。特許文献１には、磁性蓄冷材の動きを検出し、磁性蓄冷材が作る振動磁場の影響をキャンセルするようにキャンセルコイルを駆動する構成が開示されている。特許文献２には、薄いシート状の超電導材を積層することで所望の静磁場シールド性能を得る方法が開示されている。

また、磁性蓄冷材の往復振動による振動磁場の対策には、動磁場シールドによる解決策も考えられ、様々な策が提案されている。特許文献３では、磁性蓄冷材の周囲を良導体で囲って動磁場シールドとする構成が開示されている。また、特許文献４には、冷凍機周囲をビスマス鉛（ＢｉＰｂ)系の超電導材で囲って動磁場シールドとする構成が開示されている。特許文献５には、磁性蓄冷材の周囲のシリンダ部に超電導コイルを巻き、閉ループ回路を構成することで動磁場シールドとする構成が開示されている。さらに、特許文献６には、冷凍機を取り付ける超電導磁石装置側の構造物に超電導材を配置し動磁場シールドとする構成が開示されている。
特開平１０−１６５３８８号公報 特開平９−３２６５１３号公報 特開２００１−２６３８４４号公報 特開平１０−２１３３５７号公報 特開２０００−２６６４１７号公報 特許第３１２２５３９号公報

しかしながら、特許文献１のような能動制御は構成が複雑になりやすく、また、特許文献２のような静磁場シールドによる方法は、超電導磁石装置の高磁場化に伴い、必要なシールド厚さが増したり、シールド自体が発生する磁場により均一磁場空間に悪影響を与えたりすることが懸念される。

特許文献３から特許文献６のような動磁場シールドは、いずれも、磁化された磁性蓄冷材の往復運動に伴う振動磁場を、動磁場シールドとして配置された良導体、超電導材や超電導コイルに誘起される渦電流のような誘起電流によって、キャンセルさせることを基本的な動作原理としている。しかし、一般に動磁場シールドはシールド対象物の全周を囲わなければ完全なシールド効果を発揮できない。しかし、超電導磁石装置に用いる冷凍機の場合、冷凍機自体の構造や、超電導磁石装置への取り付け上の問題から上下方向（磁性蓄冷材の往復振動の振動方向）を囲えないという制約がある。

本発明は前記の課題を解決しようとするもので、その目的は、簡単な構成で、磁性蓄冷材の往復振動による振動磁場の磁場強度を、均一磁場空間において、小さくすることが可能な超電導磁石装置および磁気共鳴撮像装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、磁場強度が略均一な均一磁場空間が形成されるように配置された複数の超電導コイルと、磁性を持つ磁性蓄冷材を往復振動させ、前記超電導コイルを冷却する冷凍機とを有する超電導磁石装置であって、前記磁性蓄冷材の前記往復運動の振動方向が鉛直より傾いていることを特徴とする。より詳細には、前記振動方向の鉛直よりの傾きは、前記均一磁場空間の幾何的な中心および前記磁性蓄冷材の前記往復振動の振動中心を結ぶ直線と、前記磁性蓄冷材の前記往復振動の振動方向に平行な直線とのなす角が直角に近づく方向への傾きであることを特徴とし、また、この超電導磁石装置を具備した磁気共鳴撮像装置であることを特徴とする。

本発明によれば、簡単な構成で、磁性蓄冷材の往復振動による振動磁場の磁場強度を、均一磁場空間において、小さくすることが可能な超電導磁石装置および磁気共鳴撮像装置を提供することができる。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１に、本発明の第１の実施形態に係る超電導磁石装置２を具備した磁気共鳴撮像装置１の斜視図を示す。超電導磁石装置２は、円筒形状の真空容器４と、この真空容器４を支える台座８と、冷凍機３と、冷凍機３を超電導磁石装置２に取り付けるための取付台１０とを有している。この超電導磁石装置２は水平磁場型の超電導磁石装置であり、この超電導磁石装置２を用いて、磁気共鳴撮像装置１を構成することができる。真空容器４の内周側面で囲まれた中空部６は中空になっており、被検者は、この中空部６に横たわりながら検査をうけることができる。真空容器４の内周側面には、中空部６を包むように計測用コイル群５が配置されている。冷凍機３は、鉛直（紙面上下方向）より傾いて設けられているが、詳細は後記する。

図２（ａ）に、本発明の第１の実施形態に係る超電導磁石装置２を具備した磁気共鳴撮像装置１の正面図を示し、図２（ｂ）に、本発明の第１の実施形態に係る超電導磁石装置２を具備した磁気共鳴撮像装置１の側面図を示す。磁気共鳴撮像装置１は、核磁気共鳴現象により水素原子核スピンが放出する核磁気共鳴信号を計測し、その核磁気共鳴信号を演算処理することで、被検者体内を水素原子核密度によって断層像化する。その際に、被検者が置かれる均一磁場空間７には、強度が０．１Ｔ以上の高強度であり、１０ｐｐｍ程度の高い静磁場均一度を有する静磁場が生成される。超電導磁石装置２は、静磁場発生源として、被検体が置かれる中空部６に均一磁場空間７を発生させている。均一磁場空間７は、概ね球形をしており、その幾何的な中心７ａは、図２（ｂ）に示すように、真空容器４の円筒形状の中心軸１７上に配置されている。

また、真空容器４の内周側面には、計測用コイル群５が配置されている。計測用コイル群５には、ＲＦコイルと、受信コイルと、傾斜磁場コイルとが含まれている。ＲＦコイルは、均一磁場空間７に向けて、核磁気共鳴現象を引き起こすための共鳴周波数（数ＭＨｚ以上)の高周波パルスを照射している。受信コイルは、均一磁場空間７からの応答を受信している。傾斜磁場コイルは、核磁気共鳴現象が発生している均一磁場空間７内における位置情報をその核磁気共鳴現象の関係付けるために磁場を空間的に変化させた傾斜磁場を均一磁場空間７に印加している。これらにより、均一磁場空間７内の微小領域ごとに水素原子核スピンが放出する核磁気共鳴信号を計測し、その核磁気共鳴信号を演算処理することで、被検者体内を水素原子核密度により断層像化することができる。

冷凍機３としては、蓄冷式、たとえば、ギフォード・マクマホン（ＧＭ）冷凍機を用いている。蓄冷式の冷凍機３には、極低温で比熱の大きい、たとえば、ＨｏＣｕ_２などの磁性を持つ磁性蓄冷材９が用いられている。磁性蓄冷材９は、超電導磁石装置２が発生させる磁場中に配置されることになるので磁化している。冷凍機３は、作動すると膨張圧縮を繰り返し実施する。この膨張圧縮に合わせて、磁性蓄冷材９が、往復振動をする。

図２（ａ）に示すように、磁性蓄冷材９は、矢印に示す振動方向１１の方向に、振動中心１１ａを中心として往復振動している。均一磁場空間７の幾何的な中心７ａと、磁性蓄冷材９の往復振動の振動中心１１ａとを結ぶ直線１２と、磁性蓄冷材９の往復振動の振動方向１１に平行な直線とのなす角θが概ね直角になっている。このために、冷凍機３は、鉛直（紙面上下方向）より傾いて設けられている。

図３に、図２（ａ）のＡ−Ａ方向の矢視断面図を示す。超電導磁石装置２は、３重構造をしており、最外殻には真空容器４が設けられ、真空容器４の内部には輻射シールド１５が、輻射シールド１５に覆われるようにその内側には液体ヘリウムなどの液化冷媒１６ａと液化冷媒１６ａが気化した気化冷媒１６ｂとともに、複数の超電導コイル１３を格納する冷媒容器１４が設けられている。冷媒容器１４は内部への熱輻射を遮断する輻射シールド１５に内包されている。そして、真空容器４は、冷媒容器１４及び輻射シールド１５を内包しつつ、内部を真空に保持している。

超電導磁石装置２は、室温の室内に配置されても、真空容器４内が真空になっているので、室内の熱が伝導や対流で、冷媒容器１４に伝わることはない。また、輻射シールド１５によって、室内の熱が輻射によって真空容器４から冷媒容器１４に伝わることはない。そして、超電導コイル１３を、液化冷媒１６ａの温度である極低温に安定して設定することができ、超伝導電磁石として機能させることができる。

複数の超電導コイル１３は、中心軸１７を共通の中心軸とする円環状をしている。複数の超電導コイル１３それぞれは、均一磁場空間７の幾何的な中心７ａに対して点対称となる位置に、対となる他の超電導コイル１３が配置されている。このような配置により、複数の超電導コイル１３は、内周側に磁場強度が略均一な均一磁場空間７を生成するとともに、超電導磁石装置２外部への漏洩磁場を抑制することができる。

液化冷媒１６ａで、超電導コイル１３を冷却すると、液化冷媒１６ａは超電導コイル１３からの熱で気化し気化冷媒１６ｂになり、冷媒容器１４の上部に溜まる。前記冷凍機３（図２（ａ）参照）は、気化冷媒１６ｂを再液化して液化冷媒１６ａに変換させることにより、超電導コイル１３を継続して冷却することを可能にしている。

図４は、本発明の第１の実施形態に係る超電導磁石装置２において、均一磁場空間７に対する冷凍機３、特に、磁性蓄冷材９の位置関係を示す図である。磁性蓄冷材９は、振動方向１１の方向に往復振動する。磁性蓄冷材９は、この往復振動により、振動中心１１ａを中心として、上死点１１Ａが位置する磁性蓄冷材９の上限ピーク位置９Ａと、下死点１１Ｂが位置する磁性蓄冷材９の下限ピーク位置９Ｂとの間を行き来する。

均一磁場空間７の幾何的な中心７ａと、磁性蓄冷材９の往復振動の振動中心１１ａとを結ぶ直線１２と、振動方向１１に平行な直線とのなす角θが概ね直角になるように（θ＝９０°）、冷凍機３は傾けられている。均一磁場空間７の幾何的な中心７ａと振動中心１１ａとの間の距離ＬＯに対して、均一磁場空間７の幾何的な中心７ａと上死点１１Ａとの間の距離ＬＡと、均一磁場空間７の幾何的な中心７ａと下死点１１Ｂとの間の距離ＬＢとをほぼ等しくすることができる（ＬＡ≒ＬＯ、ＬＢ≒ＬＯ）。また、均一磁場空間７の幾何的な中心７ａと上死点１１Ａとの間の距離ＬＡと、均一磁場空間７の幾何的な中心７ａと下死点１１Ｂとの間の距離ＬＢとを、等しくすることができる（ＬＡ＝ＬＢ）。すなわち、磁性蓄冷材９の往復振動によって、均一磁場空間７の幾何的な中心７ａと磁性蓄冷材９との距離は、ほとんど変化しないことがわかる（ＬＡ＝ＬＢ≒ＬＯ）。

一方、図５に、比較例の超電導磁石装置において、均一磁場空間７に対する冷凍機３、特に、磁性蓄冷材９の位置関係を示す。従来の超電導磁石装置においては、冷凍機３は鉛直方向（紙面上下方向）に立ち、磁性蓄冷材９の振動方向１１も鉛直方向になっている。このため、均一磁場空間７の幾何的な中心７ａと、磁性蓄冷材９の往復振動の振動中心１１ａとを結ぶ直線１２と、振動方向１１に平行な直線とのなす角θは直角を外れ直角より大きい角度になっている（θ＞９０°）。

均一磁場空間７の幾何的な中心７ａと振動中心１１ａとの間の距離ＬＯに対して、均一磁場空間７の幾何的な中心７ａと上死点１１Ａとの間の距離ＬＡは遠くなり（ＬＡ＞ＬＯ）、均一磁場空間７の幾何的な中心７ａと下死点１１Ｂとの間の距離ＬＢは近くなっている（ＬＢ＜ＬＯ）。磁性蓄冷材９と均一磁場空間７の幾何的な中心７ａとの間の距離は、上死点１１Ａで最も遠く、下死点１１Ｂで最も近くなっている（ＬＡ＞ＬＯ＞ＬＢ）。

磁性蓄冷材９が超電導コイル１３（図３参照）の発生させる磁場により磁化し、磁気モーメント（Mx,My,Mz）を持つとする。電磁気学によれば、磁気モーメント（Mx,My,Mz）の向きと大きさが同じであれば、位置（x',y',z'）にある磁気モーメント（Mx,My,Mz）が位置（x,y,z）につくる磁場（bx,by,bz）は、位置（x',y',z'）と位置（x,y,z）との距離ｒの３乗に反比例する。したがって、磁性蓄冷材９が均一磁場空間７の中心７ａにつくる磁場は、図５のように磁性蓄冷材９と均一磁場空間７との距離が変動すれば（ＬＡ＞ＬＯ＞ＬＢ）、磁性蓄冷材９と均一磁場空間７との距離の３乗に反比例するように変動し、図４のように磁性蓄冷材９と均一磁場空間７との距離が変動しなければ（ＬＡ＝ＬＢ≒ＬＯ）、一定で変動しない。結果として、磁性蓄冷材９の周囲に、静磁場シールド、動磁場シールドを設けなくても、均一磁場空間７での磁場強度の時間的な変動を抑制することができる。なお、均一磁場空間７での磁場強度の時間的な変動を抑制する効果は、図４のように磁性蓄冷材９と均一磁場空間７との距離の変動がない（ＬＡ＝ＬＢ≒ＬＯ）ような、角θが概ね直角の際に最大になるのであって、この効果は角θが直角でなくても得られる。すなわち、従来、前記冷凍機３の前記磁性蓄冷材９の振動方向１１が鉛直であるならば、角θが直角に近づく方向へ、その振動方向１１を鉛直より傾けることにより、この効果を得ることができる。

第１の実施形態によれば、超電導磁石装置２が発生させる均一磁場空間７と、冷凍機３の磁性蓄冷材９との相対位置（距離）がほとんど変化しない構成となるため、磁性蓄冷材９が均一磁場空間７にあたえる磁場変動を最小限に抑えることができる。

また、第１の実施形態に対して、動磁場シールドや静磁場シールドを併用してもよい。たとえば、均一磁場空間７の幾何的な中心７ａと、磁性蓄冷材９の往復振動の振動中心１１ａとを結ぶ直線１２と、振動方向１１に平行な直線とのなす角θが概ね直角になるように（θ＝９０°）冷凍機３を傾け（あるいは、等価な行為として、磁性蓄冷材９の振動方向１１と超電導磁石装置２が作る磁場方向とを一致させ）、磁性蓄冷材９の周囲を良導体で囲うことによって、良導体を小型の動磁場シールドとして機能させ、磁性蓄冷材９が均一磁場空間７に与える磁場変動をさらに抑えることができる。

（第２の実施形態）
図６（ａ）に、本発明の第２の実施形態に係る超電導磁石装置２を具備した磁気共鳴撮像装置１の正面図を示し、図６（ｂ）に、その側面図を示す。第２の実施形態では、第１の実施形態と比較して、磁気共鳴撮像装置１を側方から見ても、冷凍機３が傾いている点が異なっている。このことによれば、第１の実施形態のように、中心軸１７を法線とし均一磁場空間７の幾何的な中心７ａを含む平面上に磁性蓄冷材９が配置されている場合だけでなく、真空容器４の表面上の任意の場所に、磁性蓄冷材９、さらには、冷凍機３を配置することが可能になる。

すなわち、磁気共鳴撮像装置１を側方から見て冷凍機３が傾いていることによって、均一磁場空間７の幾何的な中心７ａと、磁性蓄冷材９の往復振動の振動中心１１ａとを結ぶ直線１２と、磁性蓄冷材９の往復振動の振動方向１１に平行な直線とのなす角θを概ね直角になるようにしている。そして、第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られるだけでなく、真空容器４の外径が同じであれば、第１の実施形態より磁性蓄冷材９を均一磁場空間７からより遠くに配置することができる。そして、振動磁場の影響を小さくすることができる。

本発明の第１の実施形態に係る超電導磁石装置を具備した磁気共鳴撮像装置の斜視図である。 （ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る超電導磁石装置を具備した磁気共鳴撮像装置の正面図であり、（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る超電導磁石装置を具備した磁気共鳴撮像装置の側面図である。 図２（ａ）のＡ−Ａ方向の矢視断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る超電導磁石装置において、均一磁場空間に対する冷凍機、特に、磁性蓄冷材の位置関係を示す図である。 従来の超電導磁石装置において、均一磁場空間に対する冷凍機、特に、磁性蓄冷材の位置関係を示す図である。 （ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る超電導磁石装置を具備した磁気共鳴撮像装置の正面図であり、（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る超電導磁石装置を具備した磁気共鳴撮像装置の側面図である。

符号の説明

１ 磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）装置
２ 超電導磁石装置
３ 冷凍機
４ 真空容器
５ 計測用コイル群
６ 中空部
７ 均一磁場空間
７ａ 均一磁場空間の幾何的な中心
８ 台座
９ 磁性蓄冷材
１０ 取付台
１１ 磁性蓄冷材の往復振動の振動方向
１１ａ 磁性蓄冷材の往復振動の振動方向の振動中心
１１Ａ 上死点
１１Ｂ 下死点
１２ 均一磁場空間の幾何的な中心と磁性蓄冷材の往復振動の振動中心とを結ぶ直線
１３ 超電導コイル
１４ 冷媒容器
１５ 輻射シールド
１６ａ 液化冷媒
１６ｂ 気化冷媒
１７ 中心軸

Claims (4)

1. 磁場強度が略均一な均一磁場空間が形成されるように配置された複数の超電導コイルと、
   磁性を持つ磁性蓄冷材を往復振動させ、前記超電導コイルを冷却する冷凍機とを有する超電導磁石装置であって、
   前記冷凍機の前記磁性蓄冷材の振動方向が、鉛直より傾いていることを特徴とする超伝導磁石装置。
2. 前記振動方向の鉛直よりの傾きは、
   前記均一磁場空間の幾何的な中心および前記磁性蓄冷材の前記往復振動の振動中心を結ぶ直線と、前記磁性蓄冷材の前記往復振動の振動方向に平行な直線とのなす角が、直角に近づく方向への傾きであることを特徴とする請求項1に記載の超電導磁石装置。
3. 前記超電導コイルを冷媒とともに格納する冷媒容器と、
   前記冷媒容器を覆う輻射シールドと、
   前記輻射シールドを格納し前記冷媒容器との間を真空に保つ真空容器とを有し、
   前記冷凍機は、前記冷媒を再液化させることにより前記超電導コイルを継続して冷却することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超電導磁石装置。
4. 請求項1乃至請求項３のいずれか１項に記載の超電導磁石装置を具備した磁気共鳴撮像装置。

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