JP2012169568A - 超伝導磁石装置及びこれを用いた磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】励磁中にブリッジ線の超伝導部材のクエンチが頻発することを、作業工数の低減を図りつつ回避することが可能な、超伝導磁石装置を提供する。
【解決手段】超伝導磁石装置１００は、観測領域４に所定の磁場分布を形成する複数の超伝導コイル７、８と、超伝導磁石装置１００の外部にある磁場発生源によって観測領域４に生成される磁場を遮蔽するための、複数の超伝導コイル７、８上の特定の接続点Ｐ１、Ｐ２間を短絡させるブリッジ線１５と、を有し、ブリッジ線１５は、超伝導ブリッジ線１８と、当該超伝導ブリッジ線１８を覆うマトリックス材１９とを備え、マトリックス材１９の抵抗値よりも小さい抵抗値を持つ低抵抗材２２が、接続点Ｐ１、Ｐ２間に電気回路的に並列に接続され、且つブリッジ線１５に沿うように配置されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、超伝導磁石装置及びこれを用いた磁気共鳴イメージング装置（以下、「ＭＲＩ装置」という。）に関する。

ＭＲＩ装置は、核磁気共鳴（以下、「ＮＭＲ」という。）現象を利用したイメージング装置であり、ＮＭＲ現象により水素原子核スピンが放出する電磁波を計測し、その信号を演算処理することにより、被検者体内中の水素原子核密度分布として断層像化するものである（例えば、特許文献１参照）。

また、撮像中に、外部にある磁場発生源によってＭＲＩ装置の観測領域の磁場が変化する場合があり、このような外乱磁場による画像の乱れを回避する技術が提案されている（例えば、特許文献２、３参照）。

図６は、従来の超伝導磁石装置１００ａの電気回路の概略図である。図６を参照して、従来の超伝導磁石装置１００ａにおける外乱磁場の補償について説明する。
図６に示すように、超伝導磁石装置１００ａは、直列に接続される互いに巻先方向が逆向きの超伝導コイル７、８を備えており、超伝導コイル７、８と並列に、直流電源１６と永久電流スイッチ１７とが接続されている。そして、直列接続されている超伝導コイル７、８の回路の一部が、外乱磁場の影響を低減するための手段であるブリッジ線１５で短絡されている。ブリッジ線１５は、通常、超伝導ブリッジ線１８と、その周囲に配置された常伝導体であるマトリックス材１９とを備えて構成されている。

図６に示す電気回路においては、超伝導ブリッジ線１８が存在するために、「超伝導コイル７→超伝導ブリッジ線１８」の閉ループと、「超伝導コイル８→超伝導ブリッジ線１８」の閉ループとの、２個の閉ループが生成される。もし超電導ブリッジ線１８が無ければ、超電導コイル７，８の線材が互いに逆向きに巻かれていることから、外乱磁場発生時における超電導コイル７，８の両端電圧は互いに打消され、外乱磁場を抑制するために超電導コイル７、８に流れる電流が小さくなるため、外乱磁場の抑制効果が低くなる。一方、超電導ブリッジ線１８が存在することにより、上記電圧の打消し効果が無くなり、より多くの電流が流れ、外乱磁場の抑制効果を高めることができる。

ところで、超伝導ブリッジ線１８に流れる電流は通常小さいため、超伝導ブリッジ線１８の臨界電流性能（値）は超伝導コイル７、８で用いられる線材よりも低く構成される。これにより、直流電源１６からの給電（以下、「励磁」という。）時には、超伝導コイル７の両端に電流増加率に比例した誘導起電力が発生して超伝導ブリッジ線１８に電流が流れてしまい、超伝導ブリッジ線１８に流れる電流が超伝導ブリッジ線１８における臨界電流に達する毎に、超伝導ブリッジ線１８がクエンチする現象が発生する。ここで、臨界電流とは、超伝導体中に超伝導状態で流すことができる最大の電流値をいい、クエンチとは、超伝導状態が崩れて急激に電気抵抗が発生することをいう。

このクエンチ発生時には電圧パルスが発生し、励磁中にクエンチが頻発すると各種監視機器の誤動作を誘発する虞がある。このため、ヒータ（加熱器）２０を超伝導ブリッジ線１８に密着させ、励磁中に直流電源２１により通電させることによって、超伝導ブリッジ線１８を常伝導状態に保持し、電圧パルスの頻発を防ぐことが行われている。

特開２００８−２９４４１号公報 欧州特許０２９９３２５Ｂ１号明細書 特許第３４４７０９０号公報

しかしながら、従来技術に開示されているヒータは、励磁中必ず通電する操作が必要となり、励磁中の作業工数の増大を招いていた。また、ヒータ線を超伝導コイル回路の近傍に配置することは、電気的な外乱の侵入口を設けることになるため、ヒータ２０と直流電源２１との間に電気ノイズを遮断するフィルタ等を設ける工程が必要となり、組立時の作業工数の増大も招いていた。しかも、直流電源２１も必要になる。

そこで、本発明の目的は、励磁中にブリッジ線の超伝導部材のクエンチが頻発することを、作業工数の低減を図りつつ回避することが可能な、超伝導磁石装置及びこれを用いた磁気共鳴イメージング装置を提供することである。

前記目的を達成するために、本発明は、
超伝導磁石装置であって、
測定空間に所定の磁場分布を形成する複数の超伝導コイルと、
前記超伝導磁石装置の外部にある磁場発生源によって前記測定空間に生成される磁場を遮蔽するための、前記複数の超伝導コイル上の特定の接続点間を短絡させるブリッジ線と、を有し、
前記ブリッジ線は、超伝導部材と、当該超伝導部材を覆う常伝導材とを備え、
前記常伝導材の抵抗値よりも小さい抵抗値を持つ低抵抗材が、前記接続点間に電気回路的に並列に接続され、且つ前記ブリッジ線に沿うように配置されている。

また、本発明は、前記超伝導磁石装置を用いた磁気共鳴イメージング装置であることを特徴としている。

本発明によれば、励磁中にブリッジ線の超伝導部材のクエンチが頻発することを、作業工数の低減を図りつつ回避することが可能な、超伝導磁石装置及びこれを用いた磁気共鳴イメージング装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る超伝導磁石装置１００が適用されたＭＲＩ装置の概略側面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う概略断面図である。 本実施形態に係る超伝導磁石装置の電気回路の概略図である。 本実施形態の低抵抗材をブリッジ線と共に示す斜視図である。 他の実施形態の低抵抗材をブリッジ線と共に示す斜視図である。 従来の超伝導磁石装置の電気回路の概略図である。

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。

図１は、本発明の実施形態に係る超伝導磁石装置１００が適用されたＭＲＩ装置１０１の概略側面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線に沿う概略断面図である。

ＭＲＩ装置１０１は、ＮＭＲ現象により水素原子核スピンが放出する電磁波を計測し、その信号を演算処理することにより、被検者体内中の水素原子核密度分布として断層像化する装置である。観測領域（測定空間）４内には、強い磁場（０.２Ｔ以上）で、高い静磁場均一度（１０ｐｐｍ程度）を有する磁場分布を形成する必要がある。

図１に示すように、本実施形態に係るＭＲＩ１０１装置は、超伝導磁石装置１００と、被検者１をのせるベッド２と、図示しない制御手段とを備えた開放型ＭＲＩ装置である。被検者１は、ベッド２により、観測領域４を挟んで対向するように配置された一対の真空容器３間に搬送され、予め定められた観測領域４に撮像する領域が一致するように位置決めされる。一対の真空容器３は支柱５で連結されている。

図２に示すように、真空容器３の内部には、静磁場発生源としての超伝導主コイル７及び超伝導シールドコイル８（以下、「超伝導コイル７、８」ともいう）が格納されており、観測領域４に矢印６の方向の静磁場を生成する。すなわち、真空容器３の内部には、観測領域４に矢印６の向きの静磁場を発生する環状の超伝導主コイル７と、漏洩磁場を抑制するために超伝導主コイルと逆向きの電流を流す環状の超伝導シールドコイル８とが配置されている。なお、超伝導コイル７、８は、分割された複数の超伝導コイルをそれぞれ備えて構成されていてもよい。

ＭＲＩ装置は、さらに、超伝導コイル７、８を内包し、極低温保持用の液体ヘリウムを格納する冷却容器９と、冷却容器９を真空容器３に対して支持すると共に、熱侵入量を低減するための断熱支持部材１０とを備える。

これらの構造物は、環状の超伝導コイル７、８の中心軸である軸１１に関して概ね回転対称に、さらに観測領域４を挟んで概ね上下対称に配置される。真空容器３や冷却容器９には例えばステンレス鋼を、断熱支持部材１０には例えばＦＲＰ（繊維強化プラスチック）をそれぞれ用いることができる。熱侵入を完全に除去することは難しいため、冷却容器９は、図示しない冷凍機に接続されている。

被検者１の撮像において空間位置情報を付与するために、真空容器３の観測領域４側に、磁場の空間的な変化（傾斜磁場）を印加する傾斜磁場コイル１２が配置される。また、ＮＭＲ現象を引き起こすための共鳴周波数の電磁波を印加するために、傾斜磁場コイル１２の観測領域４側に、高周波照射コイル１３が配置される。これらの構成を用いて被検者１の断面が画像化される。なお、磁場補正コイル１４については後記する。

具体的には、まず、静磁場発生源により観測領域４に生成された均一静磁場に、傾斜磁場コイル１２で磁場を重畳させることにより、関心領域（通常１ｍｍ厚のスライス面）を所定の磁場強度に形成する。続いて、その領域に高周波照射コイル１３を用いて共鳴周波数の電磁波を照射して、関心領域内の水素原子核だけにＮＭＲ現象を引き起こさせ、放出される電磁波を受信して画像とする。

そして、良好な画像を得るためには観測領域４の磁場均一度を確保する必要がある。そのために、観測領域４の磁場計測結果を元に、真空容器３の大気側の側面に小鉄片を並べる磁場調整作業や、傾斜磁場コイル１２と高周波照射コイル１３との間に配置した磁場補正コイル１４に給電することによる磁場調整作業が行われる。

また、前記磁場調整作業中には図１に示すＭＲＩ装置１０１周辺に存在していなかった外部磁場発生源（例えば、駐車場の自動車やエレベータなど）は、場合によっては、観測領域４の磁場均一度を劣化させる。特に撮像中に前記外部磁場発生源とＭＲＩ装置１０１との距離が変化する場合には、観測領域４の磁場が変化することになる。このような外部磁場発生源によって乱れる磁場（外乱磁場）は、画像の乱れとして顕著に現れることになる。この種の外乱磁場は、前記小鉄片による磁場調整作業や、磁場補正コイル１４への給電で補正することは困難である。この外乱磁場による画像の乱れを回避するために、直列接続されている超伝導コイル７、８の回路の一部をブリッジ線１５（図３参照）で短絡することが行われる。

図３は、本実施形態に係る超伝導磁石装置１００の電気回路の概略図である。なお、図３では、図２に示す上側（又は下側）のみの電気回路を示している。
図３に示すように、超伝導主コイル７と超伝導シールドコイル８とは通常直列接続されており、超伝導コイル７、８と並列に、直流電源１６と永久電流スイッチ１７とが接続されている。超伝導コイル７、８に、直流電源１６から給電する場合（励磁時）には、永久電流スイッチ１７を開放状態（高抵抗状態）とし、超伝導コイル７、８を永久電流運転させる場合(撮像時等）には、永久電流スイッチ１７を閉止状態（超伝導状態）とする。

外乱磁場の影響を低減するための手段であるブリッジ線１５は、超伝導主コイル７、又は超伝導シールドコイル８、又は超伝導主コイル７若しくは超伝導シールドコイル８の一部と、並列に接続される。すなわち、ブリッジ線１５は、複数の超伝導コイル７、８上の特定の接続点Ｐ１、Ｐ２間を短絡させる。図３では、超伝導主コイル７に並列にブリッジ線１５が接続された例を示している。ブリッジ線１５は、通常、超伝導ブリッジ線（超伝導部材）１８と、その周囲に配置された、常伝導体であるマトリックス材（常伝導材）１９とを備えて構成されている。

ここで、外乱磁場が問題となるのは、永久電流スイッチ１７が閉止状態となっている場合、すなわち超伝導コイル７、８が永久電流運転されている場合である。図３に示す電気回路においては、超伝導ブリッジ線１８が存在するために、「超伝導コイル７→超伝導ブリッジ線１８」の閉ループと、「超伝導コイル８→超伝導ブリッジ線１８」の閉ループとの、２個の閉ループが生成される。もし超電導ブリッジ線１８が無ければ、超電導コイル７，８の線材が互いに逆向きに巻かれていることから、外乱磁場発生時における超電導コイル７，８の両端電圧は互いに打消され、外乱磁場を抑制するために超電導コイル７、８に流れる電流が小さくなるため、外乱磁場の抑制効果が低くなる。一方、超電導ブリッジ線１８が存在することにより、上記電圧の打消し効果が無くなり、より多くの電流が流れ、外乱磁場の抑制効果を高めることができる。

前記外乱磁場は通常微小であるため、背景技術において説明したように、超伝導ブリッジ線１８に流れる電流は、通常超伝導コイル７、８を流れる電流よりも電流値が２桁以上小さい。このため超伝導ブリッジ線１８の臨界電流性能（値）は、超伝導コイル７、８で用いられる線材よりも低く構成される。これにより、直流電源１６から給電する励磁時には、超伝導コイル７の両端に電流増加率に比例した誘導起電力が発生して超伝導ブリッジ線１８に電流が流れてしまい、臨界電流に達する毎に、超伝導ブリッジ線１８がクエンチする現象が発生する。このクエンチ発生時には電圧パルスが発生し、励磁中にクエンチが頻発すると各種監視機器の誤動作を誘発する虞がある。

本実施形態では、この励磁時の超伝導ブリッジ線１８のクエンチ頻発を避けるため、ブリッジ線１５のマトリックス材１９の抵抗値よりも小さい抵抗値を持つ低抵抗材２２が、ブリッジ線１５に並列に接続されている。すなわち、低抵抗材２２は、両接続点Ｐ１、Ｐ２間に電気回路的に並列に接続されている。マトリックス材１９の材質として、例えばＣｕ（銅）とＮｉ（ニッケル）の合金を用いることができ、低抵抗材２２の材質として、例えばＣｕ（銅）や、ＳＵＳ（ステンレス鋼）を用いることができる。通常、超伝導コイル７，８に巻かれる超伝導線材にもマトリックス材と呼ばれる部分が存在し、そのマトリックス材の材質として、超伝導材としての安定化効果を高めるためにＣｕ（銅）が用いられる。しかし、超伝導ブリッジ１８は、超伝導コイル７，８とは大きく異なり、必要な時には速やかにクエンチを引き起こさせ高抵抗状態へ移行させることが望まれるため、マトリックス材１９の材質には安定化効果を低減する材料の適用が好ましい。

図４は、本実施形態の低抵抗材２２をブリッジ線１５と共に示す斜視図である。
図４に示すように、低抵抗材２２は、中空の筒状を呈しており、当該低抵抗材２２の中にブリッジ線１５が挿通されることによりブリッジ線１５に沿うように配置されている。具体的には、ブリッジ線１５は、最内周に単数又は複数本の超伝導体からなる超伝導ブリッジ線１８（図４には１本の超伝導体からなる例を図示）が配置され、その周りに常伝導体からなるマトリックス材１９が配置されて構成されており、それらを完全に覆うように、筒状の低抵抗材２２が配置されている。

このように、低抵抗材２２は、ブリッジ線１５に熱的に良好に接触させられている。すなわち、低抵抗材２２は、ブリッジ線１５の超伝導ブリッジ線１８と伝熱可能に配置されている。これにより、励磁中に低抵抗材２２を流れる電流によるジュール発熱を、効率よく超伝導ブリッジ線１８に伝えることができる。なお、ブリッジ線１５及び低抵抗材２２の各構成部材は、両端を除き図示しない電気絶縁層により絶縁されている。

次に、このように構成された超伝導磁石装置１００の作用について説明する。
超伝導磁石装置１００の励磁は、直流電源１６から給電することによって行われる。本実施形態では、励磁中に、一度超伝導ブリッジ線１８がクエンチして、超伝導ブリッジ線１８が常伝導化した後には、直流電源１６の電流変化（上昇）によって発生する超伝導主コイル７の誘導起電力により、電気抵抗が発生した超伝導ブリッジ線１８には殆ど電流が流れずに、小さい抵抗値を持つ低抵抗材２２に電流が流れ続けて、低抵抗材２２が発熱し、励磁中常に超伝導ブリッジ線１８を加熱し続ける。

このようにして、励磁中には超伝導ブリッジ線１８を常に常伝導状態に保ち続けることが可能となる。なお、最初に生じる超伝導ブリッジ線１８のクエンチは、直流電源１６から給電し始めて超伝導コイル７、８の電流が低い時に発生するため、そのとき発生する電圧パルスによって監視機器が誤動作しても大きな問題とはならない。

一方、超伝導コイル７、８の永久電流運転時(撮像時等）には、一定の電流が流れ続けるために超伝導コイル７の両端には誘導起電力が発生しない。このため、低抵抗材２２には電流が流れなくなり、発熱することはない。そして、超伝導ブリッジ線１８は超伝導状態になり、外乱磁場による影響を低減するブリッジ線１５の機能が発揮される。

以上説明したように、本実施形態に係る超伝導磁石装置１００は、観測領域４に所定の磁場分布を形成する複数の超伝導コイル７、８と、超伝導磁石装置１００の外部にある磁場発生源によって観測領域４に生成される磁場を遮蔽するための、複数の超伝導コイル７、８上の特定の接続点Ｐ１、Ｐ２間を短絡させるブリッジ線１５と、を有し、ブリッジ線１５は、超伝導ブリッジ線１８と、当該超伝導ブリッジ線１８を覆うマトリックス材１９とを備え、マトリックス材１９の抵抗値よりも小さい抵抗値を持つ低抵抗材２２が、接続点Ｐ１、Ｐ２間に電気回路的に並列に接続され、且つブリッジ線１５に沿うように配置されている。

したがって、直流電源１６から給電する場合（励磁時）には、低抵抗材２２が発熱して能動的に超伝導ブリッジ線１８のクエンチが頻発することを回避することが可能となり、従来のように励磁中にヒータを操作する工数が不要となるばかりか励磁時に使用されるヒータの設置が不要となるため、組立工数低減も可能となる。
すなわち、励磁中にブリッジ線１５の超伝導部材のクエンチが頻発することを、作業工数の低減を図りつつ回避することが可能な、超伝導磁石装置１００及びこれを用いたＭＲＩ装置１０１を提供することができる。

図５は、他の実施形態の低抵抗材２２ａをブリッジ線１５と共に示す斜視図である。図１〜図４に示した実施形態と同様の構成及び作用は、この実施形態に取り込まれるものとして詳細な説明を省略し、相違する点について説明する。

図５に示すように、低抵抗材２２ａは、らせん状を呈しており、ブリッジ線１５の外周に沿って巻回されることによりブリッジ線１５に沿うように配置されている。具体的には、ブリッジ線１５は、最内周に単数又は複数本の超伝導体からなる超伝導ブリッジ線１８（図５には１本の超伝導体からなる例を図示）が配置され、その周りに常伝導体からなるマトリックス材１９が配置されて構成されており、それらに巻き付けるように、らせん状の低抵抗材２２ａが配置されている。

このように、低抵抗材２２ａは、ブリッジ線１５に熱的に良好に接触させられている。すなわち、低抵抗材２２ａは、ブリッジ線１５の超伝導ブリッジ線１８と伝熱可能に配置されている。これにより、励磁中に低抵抗材２２ａを流れる電流によるジュール発熱を、効率よく超伝導ブリッジ線１８に伝えることができる。したがって、この実施形態によっても、前記実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

以上、本発明について、実施形態に基づいて説明したが、本発明は、前記実施形態に記載した構成に限定されるものではなく、実施形態に記載した構成を適宜組み合わせ乃至選択することを含め、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。

例えば、前記実施形態では、超伝導磁石装置１００が開放型ＭＲＩ装置に適用された例について説明したが、トンネル型ＭＲＩ装置でも電気回路としては図３に示したものと等価となるため、ブリッジ線１５はトンネル型ＭＲＩ装置でも採用され得る。したがって、本発明の低抵抗材２２、２２ａは開放型ＭＲＩ装置に限定されず、トンネル型ＭＲＩ装置に適用しても同様の効果を得ることができる。

４ 観測領域（測定空間）
７ 超伝導主コイル（超伝導コイル）
８ 超伝導シールドコイル（超伝導コイル）
１５ ブリッジ線
１８ 超伝導ブリッジ線（超伝導部材）
１９ マトリックス材（常伝導材）
２２、２２ａ 低抵抗材
１００ 超伝導磁石装置
１０１ ＭＲＩ装置（磁気共鳴イメージング装置）
Ｐ１、Ｐ２ 接続点

Claims (5)

1. 超伝導磁石装置であって、
   測定空間に所定の磁場分布を形成する複数の超伝導コイルと、
   前記超伝導磁石装置の外部にある磁場発生源によって前記測定空間に生成される磁場を遮蔽するための、前記複数の超伝導コイル上の特定の接続点間を短絡させるブリッジ線と、を有し、
   前記ブリッジ線は、超伝導部材と、当該超伝導部材を覆う常伝導材とを備え、
   前記常伝導材の抵抗値よりも小さい抵抗値を持つ低抵抗材が、前記接続点間に電気回路的に並列に接続され、且つ前記ブリッジ線に沿うように配置されていることを特徴とする超伝導磁石装置。
2. 前記低抵抗材は、前記超伝導部材と伝熱可能に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の超伝導磁石装置。
3. 前記低抵抗材は、中空の筒状を呈しており、当該低抵抗材の中に前記ブリッジ線が挿通されることにより前記ブリッジ線に沿うように配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の超伝導磁石装置。
4. 前記低抵抗材は、らせん状を呈しており、前記ブリッジ線の外周に沿って巻回されることにより前記ブリッジ線に沿うように配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の超伝導磁石装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の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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