JP2009183372A - 磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体窒素を僻地や後進国等においても簡単に入手及び再利用できるようにして、運転コストを低減し、ＭＲＩによる検査・診断が容易に受けられるようにする。
【解決手段】高温超電導材からなる超電導コイルを冷却容器内に収容していると共に該冷却容器内に液体窒素を充填している磁気共鳴イメージング装置であって、液体窒素生成装置と、前記液体窒素生成装置と前記冷却容器との間に設けた液体窒素供給管と、前記液体窒素生成装置へ前記冷却容器内で発生した窒素ガスを送給する窒素ガス回収管を備え、前記液体窒素生成装置は、コールドヘッドを真空容器ならなる液体窒素貯留槽内に垂下させた極低温冷凍機と、前記コールドヘッド冷却用の圧縮機と、空気分離装置と、該空気分離装置で分離された窒素ガスの取出管と、該取出管と前記窒素ガス回収管とに連通して前記極低温冷凍機に窒素ガスを供給する窒素ガス導入管を備えていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は磁気共鳴イメージング装置に関し、特に、被検体へ電磁波を照射するために高温超電導材（酸化物系超電導材）からなる超電導コイルを用いる磁気共鳴イメージング装置において、超電導コイルを超電導温度に保持する液体窒素を容易かつ安価に取得できるようにしているものである。

核磁気共鳴現象を利用して生体内の情報を画像化し、取得した人体の断層像に基づいて検査する核磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ装置）は医療分野で広く用いられている。近時、画像の精度およびコントラストを高めるために、強磁場を発生する超電導磁石を用いるものが提案されている。

例えば、超電導コイルを収容した容器内に液体ヘリウムを供給し、超電導コイルを超電導温度に保持する冷媒として液体ヘリウムを用いている。
しかしながら、液体ヘリウムは希少で入手しにくいため、非常に高価である。かつ、冷媒として液体ヘリウムを用いると、装置が大型化および重量化し、設備コストも高くなり、その結果、ＭＲＩ装置による検査診断費用が高くなる問題がある。
前記問題に対して、液体ヘリウムで冷却する必要のある低温超電導材に代えて、臨界温度が１１０Ｋ級のビスマス系超電導材、臨界温度が９０Ｋ級のイットリウム系統超電導材からなる高温超電導材（酸化物系超電導材）を用いると、液体窒素（７７Ｋ級）により超電導温度に保持でき、冷媒コストにかかるコストを低減することができる。
この観点から、特開平６−５４１２号公報（特許文献１）等において、酸化物系超電導材を用いて、液体窒素で冷却する磁気共鳴イメージング装置用マグネットが提案されている。

しかしながら、特許文献１では、図３に示すように、熱交換器４を取り付けた冷却用配管３に窒素ガスまたは窒素液体を流すと記載されているだけであり、かつ、熱交換器４に窒素ガスまたは液体窒素が出入することが図示されているだけである。即ち、液体窒素自体をどのように取得しているのか、気化した窒素ガスの処理が不明となっている。
液体窒素の入手についても、僻地や発展途上国では容易に入手することは出来ない。
近時、発展途上国においても、健康に対する関心は高まっており、また、先進国が援助して健康増進に寄与することが求められている。

特開平６−５４１２号公報

本発明は前記問題に鑑みてなされたもので、液体窒素を僻地や後進国等においても簡単に入手及び再利用できるようにして、運転コストを低減し、ＭＲＩによる検査・診断が容易に受けられるようにすることを課題としている。

前記課題を解決するため、本発明は、高温超電導材からなる超電導コイルを冷却容器内に収容していると共に該冷却容器内に液体窒素を充填している磁気共鳴イメージング装置であって、
液体窒素生成装置と、
前記液体窒素生成装置と前記冷却容器との間に設けた液体窒素供給管と、
前記液体窒素生成装置へ前記冷却容器内で発生した窒素ガスを送給する窒素ガス回収管を備え、
前記液体窒素生成装置は、コールドヘッドを真空容器ならなる液体窒素貯留槽内に垂下させた極低温冷凍機と、前記コールドヘッド冷却用の圧縮機と、空気分離装置と、該空気分離装置で分離された窒素ガスの取出管と、該取出管と前記窒素ガス回収管とに連通して前記極低温冷凍機に窒素ガスを供給する窒素ガス導入管を備えていることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置を提供している。

本発明では、空気中から分離した窒素ガスを容易に液化して液体窒素を発生できる液体窒素生成装置を設けているため、僻地や後進国を含め、どの地域でも簡単に液体窒素を入手できる。かつ、該液体窒素生成装置で生成した液体窒素を超電導コイルを収容した冷却容器に供給し、該冷却容器内で蒸発して窒素ガスとなると、該窒素ガスを液体窒素生成装置に回収して液体窒素に再生し、再度、冷却容器へと供給して循環させているため、超電導コイルを超電導温度に保持する運転エネルギーの省力化がはかれ、運転コストを低減することができる。

前記液体窒素生成装置の極低温冷凍機は、コールドヘッドに前記空気分離装置で抽出した窒素ガスまたは冷却容器内で気化した窒素ガスを吹き付けることで、窒素ガスを急冷して液化でき、液化した液滴を液体窒素貯留槽に溜めるため、適時、液体窒素供給管を通して超電導コイルの容器へと供給することができる。このように、一旦、空気分離装置で分離した窒素ガスから生成した液体窒素は、気化した後に液化して再利用しているため、液体窒素の補充は実質的には不要としている。しかしながら、窒素ガスは窒素ガス回収管で回収する際に漏洩する場合があるため、冷却容器内の液量を液量センサで検出し、液量が所定値より減少しておれば、空気分離装置を稼働して液体窒素を生成して補充することが好ましい。

具体的には、液体窒素生成装置では、前記窒素ガス導入管の先端を前記液体窒素貯留槽内に突出している前記コールドヘッドの側面に挿入して、コールドヘッドに窒素ガスをブローして供給し、コールドヘッドとの接触で液体窒素に液化して液体窒素貯留槽内に滴下させている。

また、前記極低温冷凍機は前記圧縮機で駆動されるＧＭ式冷凍機としていることが好ましい。
ＧＭ式冷凍機を用いることで、液体ヘリウムを利用することなく、コールドヘッドを所要の極低温に冷却することができ、液体ヘリウムを不要とすることができる。

前記窒素ガス導入管と、前記窒素ガスの取出管と、窒素ガス回収管との接合部に流路切替弁を介設し、かつ、前記液体窒素供給管には流路開閉弁を介設している事が好ましい。
かつ、前記流路切替弁は窒素ガス回収管に介設したガス検出器での検出信号に応じて切り替え制御し、前記液体窒素供給管の流路開閉弁は冷却容器に取り付けた液面センサ等からなる液量検出器の検出信号により開閉制御していることが好ましい。
かつ、前記液体窒素供給管、窒素ガス回収管および液体窒素生成装置を磁気共鳴イメージング装置のシールド容器内に収容していることが好ましい。

本発明の磁気共鳴イメージング装置では、前記超電導コイルを収容した冷却容器は、環状容器としてトンネル型の検査空間を設け、該環状容器内に円形または長円形状の前記超電導コイルを収容していることが好ましい。

また、前記超電導コイルとする前記高温超電導材として、ビスマス系、イットリウム系、タリウム系の超電導材を用い、該高温超電導材からなる超電導コイルを軸線方向に複数並設して収容し、０．２Ｔ以上の磁場を発生できるものとしていることが好ましい。
磁場が０．２Ｔ程度であっても、信号処理にかける時間を若干長くすることで実用に耐える映像を得ることができる。

さらに、前記液体窒素生成装置における前記極低温冷凍機を駆動する圧縮機や、空気分離装置の動力電源および前記超電導コイルの動力電源として、太陽電池で蓄電した電力を用いることが好ましい。
後進国や僻地では、前記のように液体窒素を取得することは容易でないが、電気さえも無い場合がある。このような地域において、太陽熱エネルギーを用いて電源を確保すると、僻地や後進国においても、磁気共鳴イメージング装置を設置して稼働でき、健康増進に寄与することができる。

上述したように、本発明の磁気共鳴イメージング装置では、液体窒素で冷却できる高温超電導材を用い、液体窒素を空気中から取得できる液体窒素生成装置を付設しているため、液体窒素が入手困難な僻地や後進国において、磁気共鳴イメージング装置を設置、運転することができる。
また、空気から取得した液体窒素が超電導コイルを収容した冷却容器内で蒸発して窒素ガスになった場合、該窒素ガスを液体窒素生成装置に回収して液化して再循環させているため、実質的に液体窒素を補充しなくとも良い構成としているため、最初に空気から液体窒素を生成した後は、漏洩した窒素ガスの量だけ液体窒素生成装置で生成すればよく、空気分離装置の運転を最小とでき、運転エネルギーを省力化することができる。

以下、本発明の磁気共鳴イメージング装置の実施形態を説明する。
図１に示す磁気共鳴イメージング装置１０は、所謂トンネル型としたＭＲＩ本体１１と、液体窒素生成装置２０を備えている。
前記ＭＲＩ本体１１は、高温超電導材（本実施形態では、ビスマス系超電導材）からなるダブルパンケーキコイルを軸線方向に複数組並設した超電導コイルＭを、円環形状とした冷却容器１３の内容器１３Ａ内に収容している。該内容器１３Ａは真空断熱層１３Ｂを介して外容器１３Ｃで包囲している。
前記超電導コイルＭは０．２Ｔ程度の磁場を発生できるものとしている。
なお、超電導コイルＭは超電導材を螺旋状に巻回したソレノイドコイルとしてもよい。

前記冷却容器１３の外容器１３Ｃで囲まれた空洞部Ｓが、人体の被検部の検査用挿入空間となり、該空洞部Ｓの一端開口Ｓａが被検体挿入口となる一方、他端は閉鎖部Ｓｂとしている。
前記冷却容器１３には、液体窒素供給管１５の吐出側端部を外容器１３Ｃ、内容器１３Ａを貫通させて、超電導コイルＭの収容空間１６内に突出させている。また、窒素ガス回収管１７の一端を前記内容器１３Ａの上壁に穿設したガス排出口１３Ａａに接続している。前記液体窒素供給管１５および窒素ガス回収管１７はそれぞれ前記液体窒素生成装置２０へと配管している。
なお、液体窒素供給管１５および窒素ガス回収管１７は熱伝導率の低い金属製パイプで形成してもよいし、樹脂チューブで形成してもよい。

前記液体窒素生成装置２０は、極低温冷凍機（以下、冷凍機と略す）２１と、該冷凍機２１を駆動させる圧縮機２２と、空気分離装置２３とを備え、空気分離装置２３で分離した窒素ガスの取出管２４を前記窒素ガス回収管１７と１本の窒素ガス導入管２５に接続し、該窒素ガス導入管２５を冷凍機２１と接続し、冷凍機２１に窒素ガスを導入している。

前記冷凍機２１は、その下端に取り付けたコールドヘッド３０を、真空容器からなる液体窒素貯留槽３１の上端開口を閉鎖する蓋３２を貫通させ、該液体窒素貯留槽３１の上部に垂下させている。前記蓋３２の下面には、突出させたコールドヘッド３０の外周と隙間３１ａをあけて保持材３３を取り付け、前記蓋３２を貫通して液体窒素貯留槽３１内に下部へと挿入する前記液体窒素供給管１５を前記保持材３３に設けた貫通孔３３ａに通して保持している。

前記窒素ガス導入管２５の先端は、液体窒素貯留槽３１の上端および前記保持材３２の上端と蓋３２の下面との間に液密に挿入し、その先端開口をコールドヘッド３０の側面に向けて開口し、コールドヘッド３０に窒素ガスを吹き付けている。コールドヘッド３０に吹き付けられて急冷し、液化した液体窒素はコールドヘッド３０の外周と前記保持材３２との間の隙間３１ａを通して滴下されるようにしている。

前記コールドヘッド３０を備えた冷凍機２１は圧縮機２２で駆動されるＧＭ式冷凍機と、伝動冷却型として液体ヘリウムによる冷却型としていない。
該ＧＭ式冷凍機は、図２に示す公知の構成からなり、シリンダ２１ａ内にディスペレーサ２１ｂを収容し、該ディスペレーサ２１ｂ内の第１段吸熱部２１ｃ内に隣青銅の金網からな蓄熱材４０と鉛の玉からなる蓄熱材４１を上下に収容し、その下方の第２段吸熱部２１ｄに極低温で比熱の大きいＨｏ_１．５Ｅｒ_１．５Ｒｕの玉からなる蓄熱材４２を収容している。該第２段吸熱部２１ｄがコールドヘッド３０となる。前記ディスペレーサ２１ｂは駆動機構２１ｅで上下駆動している。
このＧＭ式冷凍機２１の冷凍能力は、ディスペレーサ２１ｂとシリンダ２１ａにかこまれた第一段膨張空間２１ｆと第２段膨張空間２１ｇとの体積に比例し、該体積を調整することにより、窒素ガスを急冷して液化できる冷凍能力を付与している。

なお、前記ＧＭ式冷凍機２１を用いずに、液体ヘリウム冷却型としてもよい。この場合、液体ヘリウムはコールドヘッド３０の冷却用としてだけ用意すればよく、超電導コイルの冷却用としていないため、液体ヘリウムは少量で良いと共に補充も殆ど必要なく、液体ヘリウムの使用によるコスト高を抑制することができる。

前記空気分離装置２３には空気導入管２３ａを接続し、該空気導入管２３ａに設けたフィルタ２３ｂを介して清浄空気を導入しており、かつ、該空気導入管２３ａに開閉弁２７を介設している。
また、前記窒素ガス導入管２５と、空気分離装置２３に接続した窒素ガスの取出管２４と窒素ガス回収管１７との接合部に流路切替弁２８を介設している。かつ、液体窒素供給管１５に流路開閉弁２９を介設している。

前記超電導コイルＭを収容した冷却容器１３の内容器１３Ａの内壁に液面センサ３５を取り付けて内容器１３Ａ内に充填されている液量を検出しており、液量が設定量以下になると、前記流路開閉弁２９を開いて、液体窒素を液体窒素供給管１５を通して導入している。
また、前記窒素ガス回収管１７にガス検出センサ３６を取り付け、ガスの流通を検出すると、前記流路切替弁２８を窒素ガス回収管１７と窒素ガス導入管２５とが連通するように切り替えて、回収した窒素ガスを冷凍機２１へと供給している。
さらに、液体窒素貯留槽３１の内面に液面センサ３８を取り付け、液量が設定値以下になると、前記開閉弁２７を開くと共に流路切替弁２８を窒素ガスの取出管２４と窒素ガス導入管２５とが連通するように切り替えている。

前記液体窒素供給管１５、窒素ガス回収管１７及び液体窒素生成装置２０は、前記ＭＲＩ装置本体１１と共にシールド壁３９内に収容しており、該シールド壁３９からＭＲＩ装置本体１１の検査用挿入口となり前記空洞部Ｓの一端開口Ｓａを開口している。

前記超電導コイルＭに接続した常電導線Ｗ１はシールド壁３９より引き出して電源５０と接続し、かつ、前記液体窒素生成装置２０の空気分離装置２３および圧縮機２２の駆動用電線Ｗ２、Ｗ３もシールド壁３９より引き出して電源５０と接続している。また、前記したセンサも電源５０に接続している。
前記ＭＲＩ装置本体１１には、図示していないが、前記被検体の原子核の核磁気共鳴によって放出される信号を受信する受信部を備え、該受信部からの信号を増幅器およびＡ／Ｄ変換器を介してデジタル変換し、被検体の断層像を画像表示する画像処理装置５１を備えている。該画像処理装置５１も電源５０と接続している。
前記した電源５０には、本実施形態では太陽エネルギーで発電した電力を蓄電している蓄電している太陽電池５２から電力を供給している。

なお、太陽熱エネルギーを利用しなくとも、電力会社から安価に電気が得られる場合には、前記した太陽電池から電力を得る必要はない。しかしながら、電力会社から電力を得ることができない地域では、太陽熱エネルギーを利用することにより、磁気共鳴イメージング装置を運転することができる。

前記構成とした本発明の磁気共鳴イメージング装置１０では、超電導材として、ビスマス系、イットリウム系等の高温超電導材を用いて、冷媒として液体窒素を用い、該液体窒素を空気から取得できる液体窒素生成装置２０を設けているため、液体窒素が入手しにくい僻地や後進国においても磁気共鳴イメージング装置１０を設置することができる。かつ、液体窒素生成装置２０で生成した液体窒素は、供給された冷却容器１３内で蒸発して気化した場合には、該気化した窒素ガスを窒素ガス回収管１７を通して液体窒素生成装置２０に回収し、冷凍機２１により液体窒素に液化しているため、漏洩した窒素ガス分を除いて補充する必要がない。よって、空気分離装置２３の稼働を最小限に抑制でき、運転エネルギーの省力化を図ることができる。

前記実施の形態はすべての点で例示であって、これら実施形態に限定されず、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の範囲内でのすべての変更が含まれる。

本発明の実施形態の磁気共鳴イメージング装置を示す図面である。 ＧＭ式冷凍機を示す図面である。 従来例を示す図面である。

符号の説明

１０ 磁気共鳴イメージング装置
１３ 冷却容器
１５ 液体窒素供給管
１７ 窒素ガス回収管
２０ 液体窒素生成装置
２１ 極低温冷凍機
２２ 圧縮機
２３ 空気分離装置
２４ 窒素ガスの取出管
２５ 窒素ガス導入管
２７、２９ 流路開閉弁
２８ 流路切替弁
３０ コールドヘッド
３１ 液体窒素貯留槽
５２ 太陽電池
Ｍ 超電導コイル

Claims (5)

1. 高温超電導材からなる超電導コイルを冷却容器内に収容していると共に該冷却容器内に液体窒素を充填している磁気共鳴イメージング装置であって、
   液体窒素生成装置と、
   前記液体窒素生成装置と前記冷却容器との間に設けた液体窒素供給管と、
   前記液体窒素生成装置へ前記冷却容器内で発生した窒素ガスを送給する窒素ガス回収管を備え、
   前記液体窒素生成装置は、コールドヘッドを真空容器ならなる液体窒素貯留槽内に垂下させた極低温冷凍機と、前記コールドヘッド冷却用の圧縮機と、空気分離装置と、該空気分離装置で分離された窒素ガスの取出管と、該取出管と前記窒素ガス回収管とに連通して前記極低温冷凍機に窒素ガスを供給する窒素ガス導入管を備えていることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
2. 前記液体窒素生成装置では、前記窒素ガス導入管の先端を前記液体窒素貯留槽内に突出している前記コールドヘッドの側面に挿入して、コールドヘッドに窒素ガスをブローして供給し、コールドヘッドとの接触で液体窒素に液化して液体窒素貯留槽内に滴下させており、かつ、前記極低温冷凍機は前記圧縮機で駆動されるＧＭ式冷凍機としている請求項１に記載の磁気共鳴イメージング装置。
3. 前記窒素ガス導入管と、前記窒素ガスの取出管と、前記窒素ガス回収管との接合部に流路切替弁を介設し、かつ、前記液体窒素供給管には流路開閉弁を介設している請求項１または請求項２に記載の磁気共鳴イメージング装置。
4. 前記超電導コイルを収容した冷却容器は、環状容器としてトンネル型の検査空間を設け、該環状容器内に円形または長円形状の前記超電導コイルを収容しており、
   該超電導コイルとする前記高温超電導材は、ビスマス系、イットリウム系、タリウム系の超電導材からなり、前記容器内に前記超電導コイルを軸線方向に複数並設して収容し、０．２Ｔ以上の磁場を発生できるものとしている請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の磁気共鳴イメージング装置。
5. 前記液体窒素生成装置における前記極低温冷凍機の動力電源および前記超電導コイルの動力電源として、太陽電池に蓄電した電力を用いている請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の磁気共鳴イメージング装置。

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