JP2009189625A

JP2009189625A - 超電導マグネット用磁気シールド体及びそれを用いた核磁気共鳴イメージング装置

Info

Publication number: JP2009189625A
Application number: JP2008034563A
Authority: JP
Inventors: Kazuhide Tanaka; 和英田中; Kazuhiko Nakagawa; 和彦中川
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2008-02-15
Filing date: 2008-02-15
Publication date: 2009-08-27

Abstract

【課題】磁気共鳴イメージング装置の磁場を効率的にシールドできる超電導マグネット用磁気シールド体及びそれを用いた磁気共鳴イメージング装置を提供する。
【解決手段】超電導マグネット用磁気シールド体１０は、円筒状の金属基材の外周がＡ１５化合物からなる超電導体で覆い、第１ステージ８から第２ステージ９にわたる冷却器２１（コールドヘッド２２を含む）周囲に円筒状の表面にＡ１５化合物からなる超電導体を成膜によって形成された金属基材を配置する。超電導体が配置された位置の温度は定常状態で１５Ｋで、金属基材はＣｕを使用し、Ａ１５化合物からなる超電導体にはＮｂ3Ａｌ超電導体を使用する。Ｎｂ3Ａｌの成膜には溶射法を適用し、磁気シールド体１０は、Ａ１５化合物として直径が０．５ｍｍのＮｂ3Ａｌ線材等の線材を用い、円筒状の金属基材の外周に６ターン巻回することにより超電導体を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、核磁気共鳴イメージング装置の磁場を効率的にシールドできる超電導マグネット用磁気シールド体及びそれを用いた核磁気共鳴イメージング装置に関する。

超電導マグネットを用いた核磁気共鳴イメージング（以下、ＭＲＩとする）装置は、磁場中心空間に強力な磁場を形成する装置であり、この磁場が周囲に漏洩すると、周囲の計測機器、心臓のペースメーカーを使用している患者に悪影響を及ぼす。また、マグネットに対して外部磁場の侵入があると均一な磁場を安定に保持することが困難となる。また、患者の健康状態を検査するために撮影した画像においても、鮮明さが悪くなる。従来から、これらの問題を解決するため、シールド技術を適用したマグネットやそのマグネットを用いた核磁気共鳴装置が検討され、公知となっている。

例えば、特許文献１には、漏れ磁場や磁場均一度の乱れを抑制するマグネットと、このマグネットを用いるＮＭＲ分析装置や医療用ＭＲＩ装置が記載されている。このマグネットは、低温容器の二重外筒の一方もしくはその蓋部を磁性体にすることで、マグネットからの外部への漏れ磁場及び試料空間での磁場均一度の乱れを抑制している。

また、特許文献２には、静磁場変動を高純度金属でシールドすることが記載されている。

特開２００５−０９３４６４号公報国際公開２００２／０７１９４２号公報

ＭＲＩ装置に設置される冷凍機内には磁性蓄冷剤（Ｅｒ₃Ｎｉ等）が含まれている。この蓄冷剤を用いて冷凍機のコールドヘッドを冷却するためには、一定の周期（通常６０ｒｐｍ）でピストン運動する必要がある。このため、装置全体に振動が生じてしまう。この振動は、超電導マグネット（ＭＲＩマグネット）が発生する中心磁場の変動につながり、撮影時のノイズの発生原因となっている。この問題を解決する方法として、マグネット内部に超電導体あるいは強磁性体（例えば、鉄やケイ素鋼板）等を配置することが考えられるが、マグネットは省スペース化の要求が大きいため、液体ヘリウム槽とシールド槽、シールド槽と真空槽との間にはわずかなスペースしかない。したがって、強磁性体の十分な量を配置することができず、効率的な磁気シールドを行うことは困難である。

また、冷凍機のコールドヘッドにシールド体を設置するという方法も考えられるが、コールドヘッド周辺部は液体ヘリウムが蒸発する際のガスによる伝熱のみで冷却されているため、温度は通常約１０〜１５Ｋ程度になっている。このため、ＭＲＩマグネットに用いられるＮｂＴｉ超電導体をシールド体に適用することは臨界温度の問題で不可能である。

冷却効率を上げるために、コールドヘッドと液体ヘリウム容器を熱的に接触させる方法は、何らかの擾乱によってＮｂＴｉ超電導体の臨界温度を超える９Ｋ以上の温度に上昇することがあること、マグネット設計に自由度を持たせることが困難であることから、あまり好ましくない。

さらに、超高純度の金属（例えばアルミ）をシールド体に用いると、磁気シールドとしての効果は得られるものの、コストの増大を引き起こすため、有効ではない。

以上のような問題点に鑑み、冷凍機内の磁性蓄冷剤のピストン運転による中心磁場の変動を効率的にシールドすることにより、長時間にわたって高い信頼性を維持できる低コストな超電導マグネットが望まれる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、核磁気共鳴イメージング装置の磁場を効率的にシールドできる超電導マグネット用磁気シールド体及びそれを用いた核磁気共鳴イメージング装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の超電導マグネット用磁気シールド体は、円筒状の金属基材の外周がＡ１５化合物からなる超電導体で覆われたものである。

前記金属基材は、ＣｕまたはＡｌ、あるいはそれらの合金であってもよい。

前記Ａ１５化合物は、ニオブとアルミとを含んでもよい。

前記超電導体を加熱するためのヒータを有してもよい。

また、本発明の核磁気共鳴イメージング装置は、液体ヘリウムを蓄える容器と、前記容器の内部に収納された磁場を発生するためのコイルを含む超電導マグネットとを有する核磁気共鳴イメージング装置において、前記超電導マグネットの液面上部に設置される冷凍機コールドヘッドの周りに、Ａ１５化合物を用いたシールド体を備えたものである。

前記コールドヘッドにＡ１５化合物が成膜されることで前記シールド体が形成されてもよい。

前記シールド体は、温度が１０Ｋ以上〜１７Ｋ以下の範囲で使用されてもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）磁場を効率的にシールドできる

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に、本発明に係る核磁気共鳴イメージング装置の一部を構成するＭＲＩマグネットを示す。図１では簡略化しているが、実際には必要な性能を得るために数多くの補正コイル等が設置された構造となっている。図１は、ＭＲＩマグネットの片側のみ図示したものであり、実際は左右対称の構成となっている。

図１のＭＲＩマグネット１において、主磁場を発生する超電導コイル２は、液体ヘリウム槽容器３に収納されている。超電導コイル２は、超電導状態を保つため、常に液体ヘリウム４に浸漬された状態で冷却されている。

液体ヘリウム槽容器３の外側にはシールド槽５が置かれている。シールド槽５は、真空断熱容器６内に収納されている。冷凍機７は、第１ステージ８（空間を指す）と第２ステージ９（空間を指す）の二つの空間を有する。第１ステージ８内から第２ステージ９内まで冷却器２１が設けられている。冷却器２１のうち、圧縮されたヘリウムガス（Ｈｅガス）と蓄冷材（図示せず）とが冷却器２１内で熱交換しながら冷却されるときに、最も低温となる箇所をコールドヘッド２２と呼ぶ。コールドヘッド２２は、冷却器２１のなかで液体ヘリウム４の液面に最も近い。

液体ヘリウム槽容器３内の液体ヘリウム４の液面より上部に、ヘリウムガス（Ｈｅガス）が通り抜ける複数の孔を有する受け台２３が設けられ、この受け台２３に本発明に係る超電導マグネット用磁気シールド体１０が固定設置される。

超電導コイル２の中心（図示せず）には均一磁場空間がある。医療用ＭＲＩ装置の場合は、人間が仰向けに寝た状態で撮像する必要があるので、人間の肩幅や腹部周りが通過できるような均一磁場空間が設けられている。一方、ＮＭＲ分析装置の場合は、試料は試験管に入った溶液などであることから、磁場均一空間は通常、数ｍｍから数ｃｍである。

図２に示されるように、本発明に係る超電導マグネット用磁気シールド体１０は、円筒状の金属基材１１の外周がＡ１５化合物からなる超電導体１２で覆われたものである。すなわち、第１ステージ８から第２ステージ９にわたる冷却器２１（コールドヘッド２２を含む）周囲に円筒状の金属基材１１が配置されている。金属基材１１の表面にはＡ１５化合物からなる超電導体１２が成膜によって形成されている。

Ａ１５化合物からなる超電導体１２が配置された位置の温度は、定常状態で１５Ｋである。本実施形態では、金属基材１１はＣｕを使用し、Ａ１５化合物からなる超電導体１２にはＮｂ₃Ａｌ超電導体を使用している。Ｎｂ₃Ａｌの成膜には溶射法を適用できるが、超電導体１２の膜が形成される手法であれば、どのような方法で成膜しても問題ない。

図３に示されるように、本発明に係る超電導マグネット用磁気シールド体１０は、Ａ１５化合物として直径が０．５ｍｍのＮｂ₃Ａｌ線材等の線材１３を用い、この線材１３を円筒状の金属基材１１の外周に、例えば、６ターン巻回することにより超電導体１２を形成したものである。線材１３の両端部同士は接続する。

図４に、図３の構成に等価な回路を示す。線材１３の先端部１４と線材１３の後端部１５とを繋いで閉ループが構成されている。線材１３の先端部１４と線材１３の後端部１５との接続部１６は、Ｐｂ−５０Ｂｉハンダによる。

この接続部１６はできる限り低抵抗が望ましいが、要求される抵抗値は、（１）回路全体におけるコイルのインダクタンスの大きさ、（２）回路全体の接続部を含んだ抵抗値、（３）どの程度の時間を定常状態で運転するか、で決まる。接続部１６の周りには、ヒータ線１７を巻回してある。

図５に、Ｎｂ₃Ａｌ線等の線材１３の断面を示す。線材１３は、金属シース材１７の中に超電導フィラメント１８が充填又は内包されている。なお、線材１３の断面の形状は、丸形状に限定されるものではなく、超電導マグネットのための線材１３として要求される仕様を満足するものであれば、例えば扇形のようなものから、幅広の極薄テープまで様々な線材形状にしても差し支えない。また、超電導フィラメント１８を構成する芯の個数（本数）についても、要求される仕様を満足すれば、特に限定するものではない。超電導フィラメント１８は、単芯または多芯構造となっており、多芯構造の場合、数十から数万個（本）の芯を有する。

Ａ１５化合物としては、Ｎｂ₃Ｓｎ超電導体、Ｎｂ₃Ｇｅ超電導体、Ｎｂ₃Ｓｉ超電導体、Ｎｂ₃Ａｌ超電導体などがある。導体を作製するに当たっての簡便さや耐歪特性を考慮すると、Ｎｂ₃Ａｌ超電導体を用いるのが良い。

Ａ１５化合物からなる超電導体１２は、図２のように成膜によって形成しても良いし、図３のように線材１３を金属基材１１の外周にコイル状に巻きつけて、その線材１３の両端部同士を接続しても良い。接続する場合は、超電導接続にするか、１０^-9Ωオーダー以下の低抵抗接続にすることが望ましい。

本発明の核磁気共鳴イメージング装置は、図１のように、液体ヘリウムを蓄える容器（液体ヘリウム槽容器３）と、前記容器の内部に収納された磁場を発生するためのコイル（超電導コイル２）を含む超電導マグネット１とを有する核磁気共鳴イメージング装置において、前記超電導マグネット１の液面上部に設置される冷凍機コールドヘッドの周りに、Ａ１５化合物を用いたシールド体を備えたものである。なお、超電導マグネット用磁気シールド以外の核磁気共鳴イメージング装置の細部、超電導マグネット１の細部については、特許文献１、２に記載された通りであるので、ここでは省略する。

以下、本発明の超電導マグネット用磁気シールド体１０の作用効果として、超電導マグネット用磁気シールド体１０が持つ２つの機能を説明する。

上記２つの機能の１つめは、漏れ磁場シールドコイルとしての機能である。本発明の超電導マグネット用磁気シールド体１０からなる漏れ磁場シールドコイルは、主磁場を発生する超電導コイル２からの磁場の漏れを低減することが目的である。

従来は、主磁場と逆方向の磁場を発生させるシールドコイルを磁石内部に配置して、外部への漏れ磁場をキャンセルさせる手法が採用されている。前述したように、仮にシールドコイルにＮｂＴｉ線を用いた場合、何らかの擾乱エネルギーが入ると、臨界温度よりも高い環境に超電導線が晒されることになるため、最悪のケースではクエンチに至る。このため、シールドコイルには臨界温度が高い材料が必要となる。

本発明に用いるＮｂ₃Ａｌは臨界温度が１８Ｋであるため、仮に約１７Ｋまで温度が上昇してもシールド体として必要な性能は維持できることを発明者らは実験により確認している。また、通常、冷凍機は１〜２Ｗ程度の容量であるため、シールド体を無理やり冷却しなければならないマグネット構造は極めて非効率的といえる。本発明は、冷凍機の冷凍能力という観点でもメリットが大きい。

本発明は、円筒状の金属基材１１の外周にＡ１５化合物からなる超電導体１２を形成したので、金属基材１１に電流を通電し渦電流を発生させることで、磁場の変動を抑制することできる。

上記２つの機能の２つめは、外部磁場変動シールドコイルとしての機能である。本発明の超電導マグネット用磁気シールド体１０からなる外部磁場変動シールドコイルは、精密な磁場分布や均一度の確保が必要とされる超電導マグネットに適用され、均一磁場の変化を抑制することができる。外部磁場変動シールドコイルは、主に、ＭＲＩ装置やＮＭＲ分析装置に使用される。

一般的には、大型自動車や電車あるいはエレベータが通過するような外乱が発生する場所では、均一磁場の維持が極めて困難になる。本発明はその問題を解消する。

本発明によれば、液体ヘリウム槽容器３内に収納された主磁場を発生する超電導コイル２とは電気的に独立した場所に超電導マグネット用磁気シールド体１０を設けることが可能である。主磁場を発生させる超電導コイル２に対して、超電導マグネット用磁気シールド体１０は、電流容量が１／１０〜１／１０００と非常に小さいために、電気的に独立した構造にすることが有効である。

従来、ＭＲＩ装置においては、シムコイルと呼ばれる磁場均一度を向上させる磁場補正用のコイルが設置されている。シムコイルは、一般に歪んだ磁場を補正するため、静的なものといえる。これに対し、本発明の超電導マグネット用磁気シールド体１０は、時間的な磁場変動を分単位あるいは秒単位で抑制するため、動的なものであるといえる。以上のことから、本発明の超電導マグネット用磁気シールド体１０は、シムコイルとは異なるものである。

本発明の超電導マグネット用磁気シールド体１０は、以上の２つの機能を有するので、冷凍機内の磁性蓄冷剤のピストン運転による中心磁場の変動を効率的にシールドすることにより、長時間にわたって高い信頼性を維持できる低コストな超電導マグネットを提供できる。その結果、本発明に係る核磁気共鳴イメージング装置は、患者の健康状態を検査するうえで重要となる画像を鮮明に映し出すことが可能となる。

金属基材１１の表面に超電導体１２を成膜した後、超電導体１２の表面にエポキシ系樹脂やシリコン系樹脂を塗布することにより、超電導体１２の機械強度が向上する。さらに、樹脂の塗布により、水分等の吸着がなくなるため、経年劣化を抑制する効果がある。

以下、本発明の実施例を説明する。但し、本発明は、これらに限定されるものではない。

（実施例１）
実施例１において、図２のような超電導マグネット用磁気シールド体１０を作製した。すなわち、第１ステージ８と第２ステージ９のコールドヘッド周囲に円筒状の金属基材１１を配置した。金属基材１１の表面にはＡ１５化合物からなる超電導体１２を成膜により形成した。超電導体１２が配置された位置の温度は、定常状態で１５Ｋであった。実施例１では、金属基材１１にはＣｕを用い、超電導体１２にはＮｂ₃Ａｌ超電導体を用いた。Ｎｂ₃Ａｌの成膜は溶射法を適用したが、膜が形成される手法であれば、どのような方法で成膜しても問題ない。

実施例１との対比のため、金属基材１１の周囲にＮｂ₃Ａｌからなる超電導体１２を形成する代わりにＮｂＴｉからなる超電導体を形成した比較例１と、金属基材１１に純度が９９．３％の工業用アルミ円筒を用い超電導体を形成しない比較例２とを作製した。

実施例１と比較例１、２で中心磁場の変動を比較するために、中心磁場が１Ｔとなるように超電導コイル２に通電し、かつ金属基材１１にも数ｍＡを通電し、渦電流を発生させた状態で、磁場変動を１時間にわたって計測した。その結果を表１に示す。これにより、実施例１は、比較例１、２と比較して、中心磁場の変動が３〜６桁小さくなることを確認した。

発明者らは、さらに詳細に実験を行った結果、Ａ１５化合物であるＮｂ₃Ｓｎ、Ｎｂ₃Ｇｅ、Ｎｂ₃Ｓｉなどを超電導体１２に用いても同様の結果が得られることを明らかにした。また、イットリウム系酸化物やＢｉ系酸化物超電導体でも同様の結果が得られたが、Ａ１５化合物に比べて１０倍以上の材料費がかかることから、あまり経済的ではないと考えられる。

（実施例２）
実施例２として、図３のような超電導マグネット用磁気シールド体１０を作製した。すなわち、Ａ１５化合物して直径が０．５ｍｍのＮｂ₃Ａｌからなる線材１３を用い、線材１３を円筒状の金属基材１１に６ターン巻回いて超電導体１２を形成した。その後、線材１３の両端部同士を超電導接続して図４の回路を形成した。線材１３の先端部１４と線材１３の後端部１５と接続して構成される閉ループの抵抗は１０^-11Ω以下であった。線材１３の断面は図５に示した通りである。

実施例２の超電導マグネット用磁気シールド体１０を用いて、実施例１と同様に中心磁場の変動を計測した。その結果、金属基材１１の直径が１００ｍｍ以下になると磁場変動が大きくなることがわかった。その原因を検討した結果、Ｎｂ₃Ａｌ超電導フィラメント１８の厚みをｔ、金属基材１１の半径をｒ、曲げ歪をεとしたとき、
ε＝（ｔ／２ｒ）×１００＜０．５（１）
のときは中心磁場の変動が１０^-8Ｔ以下に低減できたが、
ε＝（ｔ／２ｒ）×１００＞０．５（２）
のときは中心磁場の変動が１０^-6Ｔよりも悪化することが確認された。

この結果は、線材１３の耐曲げ特性、曲げ歪特性とリンクするものである。実施例１では見られなかった傾向であり、線材形状のＮｂ₃Ａｌを巻回して超電導体１２を形成するよりも成膜により超電導体１２を形成する方が有効であることを示唆している。

ただし、上記の式において、（１）式が成り立つように配慮すれば、成膜であっても線材を巻き回しても同様の効果が得られる。

（実施例３）
図２及び図３の超電導マグネット用磁気シールド体１０において、金属基材１１に室温での熱伝導率（λ）が１５０Ｗ／ｍ．Ｋの金属を適用して実施例３とした。具体的には、ＣｕまたはＡｌ、あるいはそれらの合金を金属基材１１に用いた。このような構成にすることで、超電導体１２の冷却性が向上し、中心磁場の変動を１０^-8Ｔオーダーにすることができた。

（実施例４）
図１に示す第１ステージ及び第２ステージのコールドヘッドを脱着可能な構造にした超電導マグネットシステムにおいて、溶射法を用いてコールドヘッドに直接、Ｎｂ₃Ａｌからなる超電導体１２を形成した。実施例１では、金属基材１１にＮｂ₃Ａｌを溶射して超電導体１２を形成したが、実施例４のようにコールドヘッドにＮｂ₃Ａｌを溶射して超電導体１２を形成しても、中心磁場の変動を１０^-8Ｔに抑えることが可能であることを確認した。

（実施例５）
図２の超電導マグネット用磁気シールド体１０に渦電流を一旦リセットさせるためのヒータを巻きつけた。超電導マグネット用磁気シールド体１０に渦電流が発生し続ける場合に比べて、シールドの応答性を早くすることが可能となった。

（実施例６）
実施例１と同様に、図２の超電導マグネット用磁気シールド体１０において、超電導マグネット用磁気シールド体１０の温度が８Ｋ〜３５Ｋになるように冷凍機で冷却した。そして、外部から１．２ガル（ｃｍ／ｓ²）となるように、意図的に外乱を与えて、磁場均一度の変化を計測した。

超電導体１２の材料に、ＮｂＴｉ線（比較例）、Ｎｂ₃Ｓｎ線（実施例）、Ｎｂ₃Ａｌ線（実施例）を用いた場合について計測した。表２に冷凍機で超電導マグネット用磁気シールド体１０の温度を変化させたときの中心磁場の変動を示す。ただし、温度２５Ｋはヒータにより昇温させて得た。従来のシールド体では、１５Ｋを超える温度にはならない。

以上のように、ＮｂＴｉでは温度１１Ｋ以上、Ｎｂ₃ＳｎとＮｂ₃Ａｌでは温度２５Ｋになると磁場のシールドができなくなる。これは、各超電導材料の臨界温度に依存する。すなわち、ＮｂＴｉは臨界温度が９．８Ｋ、Ｎｂ₃Ｓｎ及びＮｂ₃Ａｌは臨界温度が１８Ｋであるため、外部の温度が臨界温度を超えると、シールドや外乱からの磁場の変動を制御できなくなる。

また、超電導マグネット用磁気シールド体１０の超電導体１２の他の材料として、Ｙ系、Ｂｉ系、Ｔｉ系、Ｈｇ系に代表される酸化物や、その他有機系超電導体などの臨界温度が比較的高い各種材料を用いることも考えられるが、高価であるため実用的ではない。

本発明の一実施形態を示す核磁気共鳴イメージング装置の一部である超電導マグネットの概略構成図である。本発明の一実施形態を示す超電導マグネット用磁気シールド体の側断面図及び平断面図である。本発明の他の実施形態を示す超電導マグネット用磁気シールド体の斜視図である。図３の超電導マグネット用磁気シールド体の等価回路図である。図３の超電導マグネット用磁気シールド体に用いる線材の長手方向に垂直な断面図である。

符号の説明

１ＭＲＩマグネット
２超電導コイル
３液体ヘリウム槽容器
１０超電導マグネット用磁気シールド体
１１金属基材
１２超電導体

Claims

円筒状の金属基材の外周がＡ１５化合物からなる超電導体で覆われたことを特徴とする超電導マグネット用磁気シールド体。
前記金属基材は、ＣｕまたはＡｌ、あるいはそれらの合金であることを特徴とする請求項１記載の超電導マグネット用磁気シールド体。
前記Ａ１５化合物は、ニオブとアルミとを含むことを特徴とする請求項１又は２記載の超電導マグネット用磁気シールド体。
前記超電導体を加熱するためのヒータを有することを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の超電導マグネット用磁気シールド体。
液体ヘリウムを蓄える容器と、前記容器の内部に収納された磁場を発生するためのコイルを含む超電導マグネットとを有する核磁気共鳴イメージング装置において、前記超電導マグネットの液面上部に設置される冷凍機コールドヘッドの周りに、Ａ１５化合物を用いたシールド体を備えたことを特徴とする核磁気共鳴イメージング装置。
前記コールドヘッドにＡ１５化合物が成膜されることで前記シールド体が形成されたことを特徴とする請求項５記載の核磁気共鳴イメージング装置。
前記シールド体は、温度が１０Ｋ以上〜１７Ｋ以下の範囲で使用されることを特徴とする請求項５又は６記載の核磁気共鳴イメージング装置。