JP2018502680A - 極低温構成要素の熱反射率を高めるためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

装置は、３．５〜６ケルビンの範囲の温度で動作可能な構成要素を含む。装置はさらに、構成要素の少なくとも一部に巻き付けられた、複数の層を含む熱反射シートを含む。装置はまた、構成要素の少なくとも一部に熱反射シートを結合するための結合装置を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、極低温構成要素に関し、より具体的には、たとえば磁気共鳴イメージングシステムに使用される磁石などの極低温構成要素の熱反射率を高めるためのシステムおよび方法に関する。

人間の無傷の生物学的システムの画像を得るために使用される磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システムは、通常、管状フォーマによって支持された超伝導コイルとして設けられた主超伝導磁石を含む。主超伝導磁石は、約４ケルビンに冷却されたチャンバに収容される。真空容器は、超伝導磁石に断熱を提供するために使用される。

真空チャンバのボアチューブは、人間の患者を受け入れるため、および主磁場に対して３つの直交する方向に磁場勾配を生成するために使用される傾斜磁場コイルまたはパルスコイルを収容するための大きな内径を有する。傾斜磁場コイルの性質の結果として、傾斜磁場コイルの高い環境温度とこれらのコイルの使用中に生成された熱の両方から主超伝導磁石を絶縁するために、主超伝導磁石と傾斜磁場コイルとの間に実質的な断熱を有することが必要である。

低温磁石タイプのＭＲＩシステムでは、磁石が真空にさらされる。このような磁石の表面構造は、異なる材料でできており、異なる表面仕上げおよび粗さをもたらす。磁石に加えて、コイルフォーマに取り付けられた構成要素は熱反射率の低い空洞を有するため、カートリッジに対する熱負荷が増大する。

米国特許出願第２０１０／０２００５９４号明細書

一実施形態によれば、装置が開示される。装置は、３．５〜６ケルビンの範囲の温度で動作可能な構成要素を含む。装置はさらに、構成要素の少なくとも一部に巻き付けられた、複数の層を含む熱反射シートを含む。装置はまた、構成要素の少なくとも一部に熱反射シートを結合するための結合装置を含む。

別の実施形態によれば、磁気共鳴イメージングシステムが開示される。磁気共鳴イメージングシステムは、３．５〜６ケルビンの範囲の温度で動作可能な複数の磁石を含む。磁気共鳴イメージングシステムはさらに、各磁石の少なくとも一部に巻き付けられた、複数の層を含む熱反射シートを含む。磁気共鳴イメージングシステムはまた、各磁石の少なくとも一部に熱反射シートを結合するための結合装置を含む。

さらに別の実施形態によれば、方法が開示される。方法は、３．５〜６ケルビンの範囲の温度で動作可能な構成要素の少なくとも一部に、複数の層を含む熱反射シートを巻き付けることを含む。方法はさらに、結合装置を介して構成要素の少なくとも一部に熱反射シートを結合することを含む。

本発明のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読めば、よりよく理解されよう。図面を通じて、同様の符号は、同様の部分を表す。

例示的な実施形態による、例示的な磁気共鳴イメージングシステムの側面概略図である。 本発明の一実施形態による、超伝導主コイルに巻き付けられた例示的な熱反射シートの概略断面図である。 本発明の別の実施形態による、超伝導主コイルに巻き付けられた例示的な熱反射シートの概略断面図である。

本発明の特定の実施形態によれば、装置が開示される。装置は、３．５〜６ケルビンの範囲の温度で動作可能な構成要素と、構成要素の少なくとも一部に巻き付けられた、複数の層を含む熱反射シートとを含む。装置はさらに、構成要素の少なくとも一部に熱反射シートを結合するための結合装置を含む。別の実施形態によれば、磁気共鳴イメージングシステムが開示される。磁気共鳴イメージングシステムは、３．５〜６ケルビンの範囲の温度で動作可能な複数の磁石と、各磁石の少なくとも一部に巻き付けられた、複数の層を含む熱反射シートとを含む。磁気共鳴イメージングシステムはさらに、各磁石の少なくとも一部に熱反射シートを結合するための結合装置と、複数の磁石の間の空間に沿って移動可能な患者支持装置とを含む。さらに別の実施形態によれば、方法は、３．５〜６ケルビンの範囲の温度で動作可能な構成要素の少なくとも一部に、複数の層を有する熱反射シートを巻き付けることを含む。方法はさらに、結合装置を介して構成要素の少なくとも一部に熱反射シートを結合することを含む。

図１を参照すると、例示的な実施形態による、例示的な磁気共鳴イメージングシステム１０の側面概略図が示されている。磁気共鳴イメージングシステム１０は、本明細書で詳細に説明されるような低温冷凍を行う低温磁石構成を有する。図示の実施形態では、磁気共鳴イメージングシステム１０は、円筒形シェル、すなわち熱伝導率の高いコイル支持シェル１８およびコイル支持シェル２０の内側に支持された複数の同心の超伝導主コイル１４およびバッキングコイル１６を有する超伝導磁石システム１２を含む。超伝導磁石システム１２は、ヘリウムサーモサイフォンシステムを使用して低温冷凍機２２によって冷却される。半径方向の間隔が、複数の超伝導主コイル１４とバッキングコイル１６との間に設けられる。いくつかの実施形態では、コイル支持シェル１８，２０は、金属から形成される。複数の冷却チューブ２４は、コイル支持シェル１８の外側の表面に熱的に結合（たとえば、連結）される。一実施形態では、コイル支持シェル１８，２０は、内部にボアを画定する周方向に延びる固体金属壁を有することができる。

様々な実施形態における超伝導主コイル１４およびバッキングコイル１６は、エポキシ樹脂で成形される。次に超伝導主コイル１４およびバッキングコイル１６は、コイル支持シェル１８，２０の外側表面に連結することができる。超伝導主コイル１４およびバッキングコイル１６は、良好な熱接触を提供するために、コイル支持シェル１８，２０の内側に締まりばめされて連結される。超伝導主コイル１４およびバッキングコイル１６は、ボア２６を画定するように寸法決めされ、ボアはそこを通して対象物（たとえば、患者）を撮像するために使用される。たとえば、視野（ＦＯＶ）２８は、対象物の特定の部分を撮像するために画定され得る。患者支持装置２７は、ボア２６内の空間に沿って移動可能である。

図示の実施形態では、ヘリウムサーモサイフォン構成は、コイル支持シェル１８，２０に熱的に結合された複数の冷却チューブ２４と、低温冷凍機２２に熱的に結合された再凝縮器３０と、磁石真空容器３６の内側に含まれる液体ヘリウム貯蔵システム３２およびヘリウムガス貯蔵システム３４を含むヘリウム貯蔵容器とを含む。冷却チューブ２４と液体ヘリウム貯蔵システム３２との間の流体連通は、１つまたは複数の流体通路３８を介して提供され得る。低温冷凍機２２のモータ３９は、真空容器３６の外側に設けられる。

冷却チューブ２４はまた、再凝縮器３０を通ってヘリウムガス貯蔵システム３４と流体連通する蒸気戻りマニホールド４０と流体連通する。再凝縮器３０と液体ヘリウム貯蔵システム３２との間の流体連通は、１つまたは複数の通路４２を介して提供される。

図示の実施形態では、熱シールド４４が、ヘリウムガス貯蔵システム３４と熱接触して設けられる。熱シールド４４は、複数の冷却チューブ４６（たとえば、予冷却チューブ）と熱的に結合され、チューブ４６は、様々な実施形態において冷却チューブ２４と異なっており、冷却チューブ２４と流体連通していない。たとえば、冷却チューブ２４は、ヘリウムを使用して冷却を行い、冷却チューブ４６は、液体窒素を使用して冷却を行うことができる。

図示の実施形態では、熱反射シート４８は、超伝導主コイル１４およびバッキングコイル１６の各々に巻き付けられ、結合装置（図１には図示せず）は、超伝導主コイル１４およびバッキングコイル１６の各々に熱反射シート４８を結合するためのものである。熱反射シート４８は、超伝導主コイル１４およびバッキングコイル１６の各々の少なくとも一部または全体に巻き付けられる。いくつかの他の実施形態では、熱反射シート４８は、液体ヘリウム貯蔵システム３２、流体通路３８、および蒸気戻りマニホールド４０に巻き付けられる。磁石システム１２は、真空にさらされ、熱放射による熱負荷を最小限にするために高熱反射表面を必要とする。熱反射シート４８は、磁石システム１２への熱負荷を最小限にするために必要な、低い熱放射係数をもたらす。磁石システム１２および熱反射シート４８については、後の図を参照して詳細に説明する。

磁気共鳴イメージングシステム１０の磁石システム１２について説明するが、熱反射シートは、３．５〜６ケルビンの範囲の作動温度を有する全ての表面に適用可能である。適用の範囲は、真空にさらされるシンプルなクライオスタット、クライオコンテナ、超伝導磁石表面によって変化することがある。クライオスタットおよびクライオコンテナの場合、例示的な熱反射シートは、コイルフォーマまたは磁石の表面品質に関係なく、液体ヘリウムの蒸発または磁石への熱負荷の低減を促進する。一実施形態では、例示的な熱反射シートは、放射係数を低減するためにＧ１０タイプの表面またはステンレススチールの表面に適用することができる。

図２を参照すると、例示的な実施形態による、超伝導主コイル２４に巻き付けられた例示的な熱反射シート４８の概略断面図が示されている。図示の実施形態では、熱反射シート４８は、超伝導主コイル２４と接触して配置された９９．０％〜９９．９９％の範囲の純度を有する第１のアルミニウム層５０を含む。第１のアルミニウム層５０は、超伝導主コイル２４の全体に、または超伝導主コイル２４の少なくとも一部に巻き付けることができる。第１のアルミニウム層５０は、１０〜５０マイクロメートルの範囲の厚さを有する。メッシュ層５２は、第１のアルミニウム層５０に配置される。メッシュ層５２は、ガラス繊維メッシュ層、ポリエチレンメッシュ層、ポリテトラフルオロエチレンメッシュ層などとすることができる。メッシュ層５２は、０．０２〜０．１ｍｍの範囲の厚さを有する。メッシュ層５２の小さな正方形の部分は、勾配切り替え中の渦電流加熱効果を制限し、低減する。

結合装置５４が、超伝導主コイル２４に熱反射シート４８を結合するために使用される。図示の実施形態では、結合装置５４は、超伝導主コイル２４に熱反射シート４８を連結するための複数の接着テープ５６を含む。接着テープ５６の数は、用途に応じて変化し得る。他の実施形態では、他のタイプの連結もしくは接着または他のクランプ機構が、超伝導主コイル２４に熱反射シート４８を結合するために使用することができる。熱反射シート４８は、１０〜１００マイクロメートルの範囲の厚さを有する。単一のアルミニウム層５０を有する熱反射シート４８は、取扱いが容易であり、ぴったりとした曲面に巻き付けるためのものである。第１のアルミニウム層５０およびメッシュ層５２の１つのセットが開示されているが、他の実施形態では、熱反射シート４８における第１のアルミニウム層５０およびメッシュ層５２のセットの数は、変化してもよい。

図３を参照すると、例示的な実施形態による、超伝導主コイル２４に巻き付けられた例示的な熱反射シート４８の概略断面図が示されている。図示の実施形態では、熱反射シート４８は、超伝導主コイル２４と接触して配置された９９．０％〜９９．９９％の範囲の純度を有する第１のアルミニウム層５０を含む。メッシュ層５２は、第１のアルミニウム層５０に配置される。さらに、熱反射シート４８は、９９．０％〜９９．９９％の範囲の純度を有する第２のアルミニウム層５８を含む。具体的には、メッシュ層５２は、第１のアルミニウム層５０と第２のアルミニウム層５８との間に配置される。メッシュ層５２を設けることにより、メッシュ層の金属合わせ面との良好な接触が確保され、渦電流効果が低減される。

図示の実施形態では、結合装置５４は、超伝導主コイル２４に熱反射シート４８を連結するための複数の接着テープ５６を含む。他の実施形態では、他のタイプの連結もしくは接着または他のクランプ機構が、超伝導主コイル２４に熱反射シート４８を結合するために使用することができる。第１のアルミニウム層５０、第２のアルミニウム層５８、およびメッシュ層５２の１つのセットが開示されているが、他の実施形態では、熱反射シート４８における第１のアルミニウム層５０、第２のアルミニウム層５８、およびメッシュ層５２の数は、変化してもよい。

本明細書で論じられる実施形態によれば、熱反射シート４８は、表面放射率を低減し、構成要素に巻き付けられている間に折り目、反り、および裂けを生じない。さらに、シート表面は、冷却されても折れ曲がらず収縮もしない。熱反射シート４８は、構成要素の表面から容易に除去することができ、構成要素の表面に再適用することができる。

本明細書で論じられる実施形態によれば、例示的な熱反射シートは、開口部のためのカバーとして使用される場合に表面放射率を低減する。熱反射シートは、ウォームアップまたはクールダウン中に急冷後、たとえば３テスラまでの高磁場にさらされたときには移動しない。さらに、接着剤を合わせ面に必要としない。接着テープは、適用時に熱反射シートを引き裂かない。

本発明の特定の特徴のみが、本明細書に示され説明されているが、多くの修正および変更が、当業者によって想到され得る。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の精神内に入る全てのこのような修正および変更を包含することを意図していることを理解されたい。

１０ 磁気共鳴イメージングシステム
１２ 超伝導磁石システム
１４ 超伝導主コイル
１６ バッキングコイル
１８ コイル支持シェル
２０ コイル支持シェル
２２ 低温冷凍機
２４ 冷却チューブ
２６ ボア
２７ 患者支持装置
２８ 視野（ＦＯＶ）
３０ 再凝縮器
３２ 液体ヘリウム貯蔵システム
３４ ヘリウムガス貯蔵システム
３６ 磁石真空容器
３８ 流体通路
３９ モータ
４０ 蒸気戻りマニホールド
４２ 通路
４４ 熱シールド
４６ 冷却チューブ
４８ 熱反射シート
５０ 第１のアルミニウム層
５２ メッシュ層
５４ 結合装置
５６ 接着テープ
５８ 第２のアルミニウム層

Claims (24)

1. ３．５〜６ケルビンの範囲の温度で動作可能な構成要素と、
   前記構成要素の少なくとも一部に巻き付けられた、複数の層を含む熱反射シート（４８）と、
   前記構成要素の前記少なくとも一部に前記熱反射シート（４８）を結合するための結合装置（５４）とを含む、装置。
2. 前記構成要素が、磁気共鳴イメージング磁石である請求項１に記載の装置。
3. 前記複数の層が、前記構成要素の前記少なくとも一部と接触して配置された９９．０％〜９９．９９％の範囲の純度を有する第１のアルミニウム層（５０）を含む請求項１に記載の装置。
4. 前記第１のアルミニウム層（５０）が、１０〜５０マイクロメートルの範囲の厚さを有する請求項３に記載の装置。
5. 前記複数の層が、前記第１のアルミニウム層（５０）に配置されたメッシュ層（５２）をさらに含む請求項３に記載の装置。
6. 前記メッシュ層（５２）が、０．０２〜０．１ｍｍの範囲の厚さを有する請求項５に記載の装置。
7. 前記複数の層が、９９．０％〜９９．９９％の範囲の純度を有する第２のアルミニウム層（５８）をさらに含み、前記メッシュ層（５２）が、前記第１のアルミニウム層（５０）と前記第２のアルミニウム層（５８）との間に配置される請求項５に記載の装置。
8. 前記第２のアルミニウム層（５８）が、１０〜５０マイクロメートルの範囲の厚さを有する請求項７に記載の装置。
9. 前記熱反射シート（４８）が、１０〜１００マイクロメートルの範囲の厚さを有する請求項１に記載の装置。
10. 前記結合装置（５４）が、接着テープを含む請求項１に記載の装置。
11. ３．５〜６ケルビンの範囲の温度で動作可能な複数の磁石と、
    各磁石の少なくとも一部に巻き付けられた、複数の層を含む熱反射シート（４８）と、
    各磁石の前記少なくとも一部に前記熱反射シート（４８）を結合するための結合装置（５４）とを含む、磁気共鳴イメージングシステム（１０）。
12. 前記複数の層が、前記構成要素の前記少なくとも一部と接触して配置された９９．０％〜９９．９９％の範囲の純度を有する第１のアルミニウム層（５０）を含む請求項１１に記載の磁気共鳴イメージングシステム（１０）。
13. 前記第１のアルミニウム層（５０）が、１０〜５０マイクロメートルの範囲の厚さを有する請求項１２に記載の磁気共鳴イメージングシステム（１０）。
14. 前記複数の層が、前記第１のアルミニウム層（５０）に配置されたメッシュ層（５２）をさらに含む請求項１２に記載の磁気共鳴イメージングシステム（１０）。
15. 前記メッシュ層（５２）が、０．０２〜０．１ｍｍの範囲の厚さを有する請求項１４に記載の磁気共鳴イメージングシステム（１０）。
16. 前記複数の層が、９９．０％〜９９．９９％の範囲の純度を有する第２のアルミニウム層（５８）をさらに含み、前記メッシュ層（５２）が、前記第１のアルミニウム層（５０）と前記第２のアルミニウム層（５８）との間に配置される請求項１４に記載の磁気共鳴イメージングシステム（１０）。
17. 前記第２のアルミニウム層（５８）が、１０〜５０マイクロメートルの範囲の厚さを有する請求項１６に記載の磁気共鳴イメージングシステム（１０）。
18. 前記熱反射シート（４８）が、１０〜１００マイクロメートルの範囲の厚さを有する請求項１１に記載の磁気共鳴イメージングシステム（１０）。
19. 前記結合装置（５４）が、接着テープを含む請求項１１に記載の磁気共鳴イメージングシステム（１０）。
20. ３．５〜６ケルビンの範囲の温度で動作可能な構成要素の少なくとも一部に、複数の層を含む熱反射シート（４８）を巻き付けることと、
    結合装置（５４）を介して前記構成要素の前記少なくとも一部に前記熱反射シート（４８）を結合することとを含む、方法。
21. 前記構成要素が、磁気共鳴イメージング磁石である請求項２０に記載の方法。
22. 反射シート（４８）を巻き付けることが、前記構成要素の前記少なくとも一部に９９．０％〜９９．９９％の範囲の純度を有する第１のアルミニウム層（５０）を接触させることを含む請求項２０に記載の方法。
23. 反射シート（４８）を巻き付けることが、前記第１のアルミニウム層（５０）にメッシュ層（５２）を配置することをさらに含む請求項２２に記載の方法。
24. 反射シート（４８）を巻き付けることが、前記メッシュ層（５２）に９９．０％〜９９．９９％の範囲の純度を有する第２のアルミニウム層（５８）を配置することをさらに含み、前記メッシュ層（５２）が、前記第１のアルミニウム層（５０）と前記第２のアルミニウム層（５８）との間に配置される請求項２３に記載の方法。