JP2018136214A - 脳磁計及びｓｑｕｉｄセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】ＳＱＵＩＤセンサにおける磁束トラップの解消が効率良く行われる脳磁計及びＳＱＵＩＤセンサを提供する。【解決手段】脳磁計１は、液化ヘリウム５が収容されるデュワー７と、被験者Ｐの脳の磁場に対応して電流を発生する検出コイル８と、検出コイル８に接続されデュワー７内の液化ヘリウム５に浸漬されたＳＱＵＩＤセンサ６と、を備え、ＳＱＵＩＤセンサ６は、検出コイル８からの電流を電気信号に変換する超伝導素子３３と、超伝導素子３３を加熱するヒータ３７と、超伝導素子３３とヒータ３７とを液化ヘリウム５と非接触にするように一緒に覆う被覆部４１と、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、脳磁計及びＳＱＵＩＤセンサに関するものである。

従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載の脳磁計が知られている。この脳磁計は、被験者の脳から発生される磁場を検出するＳＱＵＩＤセンサを備えている。脳磁計の使用時においては、ＳＱＵＩＤセンサは、液化ヘリウムに浸漬されて冷却され、超伝導転移した状態となる。

特開2009-204241号公報

ＳＱＵＩＤセンサが大きな磁場に晒されると、ＳＱＵＩＤセンサ内の超伝導部分が磁束をトラップしてしまい、測定不可となる。この場合、ＳＱＵＩＤセンサの超伝導部分を加熱・昇温させて一時的に常伝導転移させることで、磁束トラップを解消することが考えられる。しかしながら、ＳＱＵＩＤセンサは液化ヘリウムに浸漬されているため、加熱しても昇温し難く、磁束トラップの解消が効率よく行われない場合もある。

本発明は、ＳＱＵＩＤセンサにおける磁束トラップの解消が効率良く行われる脳磁計及びＳＱＵＩＤセンサを提供することを目的とする。

本発明の脳磁計は、冷媒が収容される冷却部と、被験者の脳の磁場に応じて電流を発生する検出コイルと、検出コイルに接続され冷却部内の冷媒に浸漬されたＳＱＵＩＤセンサと、を備え、ＳＱＵＩＤセンサは、検出コイルからの電流を電気信号に変換する超伝導素子と、超伝導素子を加熱する加熱部と、超伝導素子と加熱部とを冷媒に非接触にするように一緒に覆う被覆部と、を有する。

この脳磁計では、ＳＱＵＩＤセンサの超伝導素子と加熱部とが一緒に被覆部に覆われ冷媒に直接に接触しない。従って、加熱部による超伝導素子の加熱の際に、冷媒に奪われる熱が低減され、効率良く超伝導素子が加熱される。よって、ＳＱＵＩＤセンサの磁束トラップの解消が効率よく実行される。

また、被覆部は、超伝導素子と加熱部とを一緒にモールド封止していることとしてもよい。この構造によれば、超伝導素子と加熱部との双方に接触している被覆部自体が、熱を伝導する伝導媒体として機能するので、更に効率良く超伝導素子が加熱される。

また、ＳＱＵＩＤセンサは、超伝導素子と加熱部とを接続し被覆部よりも熱伝導率が高い伝導部を更に備えてもよい。この構成によれば、加熱部による超伝導素子の加熱の効率が向上する。

本発明のＳＱＵＩＤセンサは、被験者の脳の磁場に応じて電流を発生する検出コイルに接続され、冷媒に浸漬されて使用されるＳＱＵＩＤセンサであって、検出コイルからの電流を電気信号に変換する超伝導素子と、超伝導素子を加熱する加熱部と、超伝導素子と加熱部とを冷媒に非接触にするように一緒に覆う被覆部と、を有する。

このＳＱＵＩＤセンサでは、超伝導素子と加熱部とが一緒に被覆部に覆われ冷媒に直接に接触しない。従って、加熱部による超伝導素子の加熱の際に、冷媒に奪われる熱が低減され、効率良く超伝導素子が加熱される。よって、ＳＱＵＩＤセンサの磁束トラップの解消が効率よく実行される。

本発明によれば、ＳＱＵＩＤセンサにおける磁束トラップの解消が効率良く行われる脳磁計及びＳＱＵＩＤセンサが提供される。

実施形態に係る脳磁計の断面図である。 検出部を示す正面図である。 図２のIII-III断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、各変形例に係るＳＱＵＩＤセンサの断面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る脳磁計及びＳＱＵＩＤセンサの好適な実施形態について詳細に説明する。

図１に示す脳磁計１は、計測ユニット１Ａ内の計測位置Ｈに頭が位置するように被験者Ｐを着座させ、当該被験者Ｐの脳の神経活動に伴って発生する微弱な磁場を非接触で計測、解析する装置である。この計測ユニット１Ａは、計測位置Ｈの周囲に配置され、脳で発生する磁場を検出する検出部３を複数備えている。この脳磁計１では、被験者Ｐの脳の様々な位置から発生する磁場を検出するため、数十個〜数百個（６４個，１２８個，２５６個など）といった多数の上記検出部３が、被験者Ｐの頭の表面に沿うように３次元的に配置されている。

この多数の検出部３で得られた電気信号は、それぞれ信号線４を通じて、計測ユニット１Ａの外に設けられる制御部１Ｃに送信される。そして制御部１Ｃの情報処理部１０において上記電気信号が解析されることにより、被験者Ｐの脳から発生した磁場が解析される。制御部１Ｃは、検出部３に制御信号を送信したり、上記のように検出部３からの電気信号を解析したりする機能を有しており、この制御部１Ｃとしては、例えばパーソナルコンピュータが用いられる。

また、計測ユニット１Ａは、検出部３を超伝導転移温度まで冷却するため、この検出部３と、検出部３を冷却する冷媒と、を収納する断熱容器のデュワー７（冷却部）を備えている。上記の冷媒としては、例えば液化ヘリウムなどの冷却流体が用いられてもよい。本実施形態では液化ヘリウム５が冷媒として使用され、当該液化ヘリウム５に検出部３が浸漬されるものとする。デュワー７の外側には真空断熱層１９が配置される。更に、計測ユニット１Ａは、計測位置Ｈ及びデュワー７を包囲するように配置されると共に、被験者Ｐを覆う筒型体１５を備えている。筒型体１５には、筒型の磁気シールド体１１が内蔵されている。

磁気シールド体１１は、ニッケルからなる円筒状の基板１１ａと、当該基板１１ａの内壁面全体に成膜されたシールド膜１１ｂとを備えている。シールド膜１１ｂは、例えば、ビスマス系酸化物超伝導体からなる。また、筒型体１５には、磁気シールド体１１の外壁面に沿って冷媒を流通させる冷媒管（図示せず）が内蔵されている。そして、この冷媒管に、脳磁計１の冷凍機ユニット１Ｂから送出される極低温の冷媒（例えば、ここではヘリウム）が循環することで、シールド膜１１ｂが超伝導転移温度まで冷却され完全反磁性を発揮する。このような磁気シールド体１１により、計測位置Ｈの近傍から外部磁場の影響が除去され、被験者Ｐの脳で発生する極めて微弱な磁場の検出が可能になる。

続いて、図２及び図３を参照しながら検出部３について説明する。図２は、検出部３の正面図であり、図３はそのIII-III断面図である。検出部３は、デュワー７内の液化ヘリウム５に浸漬される。検出部３は、ＳＱＵＩＤ（Superconducting Quantum Interference Device）センサ６と検出コイル８とを備えている。ＳＱＵＩＤセンサ６は、信号線４が接続されたプリント回路基板上に構成されており、回路基板３１と超伝導素子３３とヒータ３７（加熱部）とを備えている。超伝導素子３３とヒータ３７とは、回路基板３１上に実装されている。超伝導素子３３は、例えば、超伝導回路と、ジョセフソン接合を有するＳＱＵＩＤ素子と、を備えてもよい。検出コイル８は、超伝導素子３３に接続され回路基板３１外に引き出されている。超伝導素子３３、検出コイル８、ヒータ３７、及び信号線４等を電気的に接続する配線は、適宜、プリント配線等により回路基板３１に構築されている。

脳磁計１の使用時においては、上記のような検出部３が液化ヘリウム５に浸漬されることで、超伝導素子３３の超伝導回路が冷却され超伝導転移する。そして、計測位置Ｈの被験者Ｐ（図１）の脳で発生する磁場が検出部３の検出コイル８に作用すると、検出コイル８には磁場に応じて電流が流れる。この電流が超伝導素子３３に入力され電気信号に変換される。当該電気信号が超伝導素子３３から信号線４を通じて制御部１Ｃの情報処理部１０（図１）に送信される。

また、ＳＱＵＩＤセンサ６においては、超伝導素子３３の超伝導回路に地磁気等の強い磁束がトラップされることがある。このような現象は「磁束トラップ」などと呼ばれ、検出感度が低下したり動作不良の原因になったりする。そこで、磁束トラップが発生した場合、ヒータ３７に電流を供給することでヒータ３７が熱を発生する。これにより超伝導素子３３が加熱されて温度が上昇し、超伝導回路が一時的に常伝導転移することで磁束トラップが解消される。

磁束トラップを解消する際に、ヒータ３７からの熱が超伝導素子３３に伝達し易いように、ヒータ３７と超伝導素子３３とは、回路基板３１上で近接して設置されている。しかしながら、このＳＱＵＩＤセンサ６は液化ヘリウム５に浸漬された状態であるので、ヒータ３７が発生する熱が液化ヘリウム５に奪われ易い。そして、液化ヘリウム５に奪われる熱が、ヒータ３７による超伝導素子３３の加熱の効率低下の原因になる。

そこで、図３にも示されるように、本実施形態のＳＱＵＩＤセンサ６においては、超伝導素子３３とヒータ３７とを一緒に覆う被覆部４１が回路基板３１上に形成されている。そして、被覆部４１によって超伝導素子３３及びヒータ３７が液化ヘリウム５に直接晒されないようになっている。被覆部４１は例えば硬化性材料からなる。ＳＱＵＩＤセンサ６の製造時においては、例えば、流動性をもつ未硬化状態の硬化性材料が回路基板３１上に付着され、当該硬化性材料が超伝導素子３３及びヒータ３７を一緒に覆うように回路基板３１の表面上に盛られた状態とされる。その状態で当該硬化性材料が硬化することで被覆部４１が形成される。超伝導素子３３及びヒータ３７は、上記のように形成された被覆部４１によってモールド封止された状態になる。このような硬化性材料としては、接着剤が使用されてもよい。

上記の被覆部４１の存在により、超伝導素子３３及びヒータ３７は液化ヘリウムに直接に接触しない。従って、ヒータ３７による超伝導素子３３の加熱の際に、液化ヘリウム５に奪われる熱が低減され、効率良く超伝導素子３３が加熱される。また、被覆部４１が超伝導素子３３とヒータ３７との双方に接触しているので、被覆部４１自体が熱を伝導する伝導媒体として機能し、ヒータ３７による超伝導素子３３の加熱の効率向上に寄与する。以上のように、ＳＱＵＩＤセンサ６を備える脳磁計１においては、ＳＱＵＩＤセンサ６の磁束トラップの解消が効率よく実行される。また、磁束トラップの解消に必要なヒータ３７の発熱量も小さくすることができるので、磁束トラップの解消に伴う液化ヘリウム５の蒸発量が低減される。また、磁束トラップの解消に必要なヒータ３７への供給電流も小さくすることができるので、当該供給電流によって発生する磁場が低減され、この磁場が周囲の他の検出部３に与える影響も低減することができる。

続いて、図４を参照しながら、ＳＱＵＩＤセンサ６の変形例について説明する。図４（ａ）〜（ｃ）は、図２におけるIII-III断面のように、各変形例に係るＳＱＵＩＤセンサ６の超伝導素子３３とヒータ３７とを通る断面を取った断面図である。本実施形態の脳磁計１は、図３のＳＱＵＩＤセンサ６に代えて、図４（ａ）〜（ｃ）に示される構造のＳＱＵＩＤセンサ６を備えてもよい。

ＳＱＵＩＤセンサ６では、超伝導素子３３及びヒータ３７をモールド封止する被覆部４１に代えて、図４（ａ）に示されるように、超伝導素子３３及びヒータ３７を一緒に覆うシェル状の被覆部５１が採用されてもよい。この構造では、被覆部５１と回路基板３１とで囲まれる空洞部５２が形成される。超伝導素子３３及びヒータ３７が空洞部５２内に収容されることで液化ヘリウム５に直接に接触しないようになっている。よって、ヒータ３７による超伝導素子３３の加熱の際に、液化ヘリウム５に奪われる熱が低減され、効率良く超伝導素子３３が加熱される。

更に、図４（ｂ）に示されるように、空洞部５２内で、超伝導素子３３とヒータ３７との双方に接触するように設置され両者を接続する伝導部５５が設けられてもよい。伝導部５５の設置位置は、図の例示のように回路基板３１上であってもよいが、伝導部５５が回路基板３１の表面から離れていてもよい。このような伝導部５５が、ヒータ３７から超伝導素子３３への熱を伝導する伝導媒体として機能するので、ヒータ３７による超伝導素子３３の加熱の効率が更に向上する。この場合、伝導部５５は、被覆部５１に比較して熱伝導率が高い材料で形成されることが好ましい。

また、図４（ｃ）に示されるように、超伝導素子３３及びヒータ３７をモールド封止する被覆部４１を採用する場合において、超伝導素子３３及びヒータ３７と一緒に封止される伝導部５５が設けられてもよい。この場合、伝導部５５は、被覆部４１に比較して熱伝導率が高い材料で形成されることが好ましい。すなわち、可能な限り熱伝導率が低い材料を被覆部４１の材料として用いることで、ヒータ３７から液化ヘリウム５に奪われる熱を低減することができる。また、可能な限り熱伝導率が高い材料を伝導部５５の材料として用いることで、ヒータ３７による超伝導素子３３の加熱の効率が向上する。

本発明は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。また、上述した実施形態に記載されている技術的事項を利用して、変形例を構成することも可能である。各実施形態の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。

１…脳磁計、５…液化ヘリウム（冷媒）、６…ＳＱＵＩＤセンサ、７…デュワー（冷却部）、８…検出コイル、３３…超伝導素子、３７…ヒータ（加熱部）、４１，５１…被覆部、５５…伝導部、Ｐ…被験者。

Claims (4)

1. 冷媒が収容される冷却部と、
   被験者の脳の磁場に応じて電流を発生する検出コイルと、
   前記検出コイルに接続され前記冷却部内の前記冷媒に浸漬されたＳＱＵＩＤセンサと、を備え、
   前記ＳＱＵＩＤセンサは、
   前記検出コイルからの電流を電気信号に変換する超伝導素子と、
   前記超伝導素子を加熱する加熱部と、
   前記超伝導素子と前記加熱部とを前記冷媒に非接触にするように一緒に覆う被覆部と、を有する、脳磁計。
2. 前記被覆部は、
   前記超伝導素子と前記加熱部とを一緒にモールド封止している、請求項１に記載の脳磁計。
3. 前記ＳＱＵＩＤセンサは、
   前記超伝導素子と前記加熱部とを接続し前記被覆部よりも熱伝導率が高い伝導部を更に有する請求項１又は２に記載の脳磁計。
4. 被験者の脳の磁場に応じて電流を発生する検出コイルに接続され、冷媒に浸漬されて使用されるＳＱＵＩＤセンサであって、
   前記検出コイルからの電流を電気信号に変換する超伝導素子と、
   前記超伝導素子を加熱する加熱部と、
   前記超伝導素子と前記加熱部とを前記冷媒に非接触にするように一緒に覆う被覆部と、を有する、ＳＱＵＩＤセンサ。

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