JP4184280B2

JP4184280B2 - Ｍｒｉ装置の冷却

Info

Publication number: JP4184280B2
Application number: JP2003555526A
Authority: JP
Inventors: ベーイェーミュルデル，ヘラルデュス
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2002-12-18
Publication date: 2008-11-19
Anticipated expiration: 2022-12-18
Also published as: US20050104700A1; CN1606786A; WO2003054893A1; AU2002353408A1; CN1307660C; US6970062B2; EP1459333A1; JP2005512710A

Description

本発明は、オープン型超伝導マグネットシステムを有する磁気共鳴画像（ＭＲＩ）装置に関し、特に複数の水平面指向の超伝導コイル、及び前記超伝導コイルを内部に配置し、前記超伝導コイルを冷却するための液体冷却媒体を収容し、上部に蒸発する前記冷却媒体を常時液化するリコンデンサを具備するような低温容器を有するオープン超伝導マグネットシステムを有する磁気共鳴画像（ＭＲＩ）装置に関する。

上述のＭＲＩ装置は特許文献１に記載される従来技術である。この特許文献１においては、ヘリウム容器に相当する低温容器を有するオープン型再液化超伝導マグネットシステムが開示され、ここでは超伝導ＭＲＩマグネットにおいてヘリウム冷却剤の保存のためにいわゆるＺＢＯ（Ｚｅｒｏ−Ｂｏｉｌ−Ｏｆｆ）技術が適用される。ＺＢＯ技術自体は、ヘリウム（又はその他の冷却剤）の損失を抑制するための技術であって、ヘリウム容器の上部の任意箇所に設けられるリコンデンサを用いてヘリウムガスを再液化し、ヘリウムをガスとして逃がしてしまわないようにする技術である。リコンデンサを有するマグネットシステムにおいては、蒸発するヘリウムが出口路においてリコンデンサの冷たい表面に直面し、これによりヘリウムガスが液化されるため、ヘリウムガスがヘリウム容器の外を出ることが妨げられる。このように液化されたヘリウムは再びヘリウム容器内に戻り、よってヘリウムが常に循環することとなる。本発明によるＭＲＩマグネットの典型例においては、熱漏れは１Ｗ程度であり、よってヘリウム液が１．４リットル／１時間程度の割合で蒸発する。この結果約１４リットル／１時間で４．２Ｋのヘリウムガスがヘリウム容器から逃げようとする。この量はオープン構成を有さない通常のＭＲＩマグネットに比べると相当大きな量である。よって厳密にいえば、「Ｚｅｒｏ−Ｂｏｉｌ−Ｏｆｆ」という用語は不適格である。

ＺＢＯ技術の更なる詳細として、低温冷却器を制御せずに作動させた場合、ヘリウム容器内において圧力不足が生じる場合があり不都合である。この対策として、ヘリウム容器の底部にヒータを設けてヘリウム容器内の圧力を制御するという方法がある。さらにこのヒータはリコンデンサの過剰冷却能を制御することができる。これによって低温保持器（クリオスタット）の性能に関わらず常時ヘリウムの循環を確保することが可能である。

上述のようにリコンデンサは蒸発したヘリウムをヘリウム容器から逃さないようにすべきであって、リコンデンサは大体この機能を果たしている。しかし実際にはサービス動作において冷却装置の不具合や小さな検知不能のヘリウム漏れなどによってある程度のヘリウムの喪失は避けられない。つまり長期的に見るとヘリウムの喪失は小さいがゼロではない。

この観点からヘリウム容器の性能を左右する要素として重要なのが有効容積である。有効容積は、マグネットシステムが動作可能な範囲における冷却媒体の最高充填比率と最低充填比率との差と定義される。例えば最大充填率が容器全体の容積の９５％で、最低充填率が１５％であるとすると、マグネットシステムは９５％までヘリウムで充填されることが可能で、ヘリウムはこの比率が１５％未満に下がる前に補充されなければならない。この場合有効容積は、ヘリウム容器の全体容積の８０%に相当する。最新技術による医療用画像診断装置におけるオープン磁気共鳴画像（ＭＲＩ）超伝導マグネットシステムの典型例では最高充填率と最低充填率との差は比較的小さく、例えばそれぞれが９５％と８５％であって有効容積が１０％であるなど、マグネット装置がリコンデンサ（ＺＢＯ技術）を有する場合でも有効容積は比較的小さい。したがって有効容積を大きくし、ヘリウムの補充間隔を増長することが望まれる。
米国特許６，０１１，４５６号

本発明は、医療用診断画像装置において低温容器が同装置の実用寿命期間にわたって必要とされる液体冷却媒体の補充間隔をより長くするかあるいはこの補充を不要とすることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によるＭＲＩ装置は、液体冷却媒体をリコンデンサから超伝導コイルの少なくとも一部の間において誘導する回路を有することを特徴とする。なお回路内の冷却媒体は超伝導コイルを十分冷却する性能を有するべきである。しかしこれは必ずしも超伝導コイルが直接冷却媒体に接触していることを意味するわけではない。また、超伝導コイルの冷却は例えば回路自体の熱伝導中間材料などを冷却媒体と超伝導コイルとの間に適用することによっても実現されうる。また、この回路はその内部における液体冷却媒体の存在を必要条件としているに過ぎないため、最低補充率Ｖ_ｍｉｎを相当低下させることが可能である。したがって有効容積を増大させることが可能になる。例えばこのようにして、本発明は有効容積を換算係数８によって増大させることが可能であり、よって補充間隔が８倍に延長されることが可能である。実際にはこの差は、例えば２年ごとに補充を行うのと、１６年ごとに補充を行うとの違いなどに相当する。後者の場合、１６年とはＭＲＩ装置の寿命を上回るため、実際にはマグネットシステムは補充されることはないと想定されうる。

本発明による好適な実施形態において上記回路は、対応する超伝導コイル付近に配置され、この対応する超伝導コイルを冷却するために設けられる１以上の液体冷却媒体の局所リザーバを有することを特徴とする。この構成により効率的な有効容積の増大が実現されうる。

本発明の更なる実施形態において上記局所リザーバは、対応する超伝導コイルの周りに形成される側面のうちの低い部分の上部に位置する液体冷却媒体のオーバーフローエッジを有することを特徴とする。このような構成により対応する超伝導コイルの少なくとも下の部分は液体冷却媒体に浸される。なお、超伝導コイルの優れた熱伝導性により、超伝導コイルの下部を冷却媒体に浸すだけで対応する超伝導コイル全体を所定の温度に保持することが可能である。

本発明による更なる実施形態において上記局所リザーバは少なくとも部分的には輪状に形成されることを特徴とする。こうして局所リザーバの形状は対応する超伝導コイルの全体形状に適応されうる。なお、本発明においてはこの輪状の形が完全な円に形成される必要はない。また優れた熱伝導性により、例えばこの輪を１５度の範囲に限定した場合でも対応する超伝導コイルを十分冷却することが可能であり、よってマグネットシステムの動作を可能とする範囲内での最低充填比率をさらに低下させることが可能である。

また、本発明によるさらなる実施形態において上記局所リザーバは対応する超伝導コイルの巻き取り部を有することを特徴とする。この巻取り部は、例えばコイル形成部の一部を構成することが可能である。この巻取り部は超伝導コイルの製造時においてコイルが巻きつけられる対象だけでなくリザーバの壁又は防御部材として機能しうるため、低温リザーバ内の構成部の数を削減することが可能である。

このような効果は本発明による更なる実施形態においても実現されうる。ここで局所リザーバは対応する超伝導コイルの支持部を有することを特徴とする。このような支持部も上記同様コイル形成部の一部を構成することが可能であり、これはローレンツ力の発生により起きる不都合な変形を抑制するために元から設けられる構成部である。

また、本発明による更なる実施形態において上記回路は液体冷却媒体を第１超伝導コイルからこの第１超伝導コイルより下に位置する第２超伝導コイルへ導くための下向傾斜誘導部を有することを特徴とする。これにより液体冷却媒体の好適な経路が形成されうる。この液体冷却媒体は最小限の量で逐次超伝導コイルに沿って誘導されていかれ、この構成は特に超伝導コイルが互いに真上、真下の位置関係に配置されていないときに効果的である。

また、本発明による更なる実施形態において本ＭＲＩ装置は上記低温容器内の液体冷却媒体のレベルを検知するためのセンサ手段を有することを特徴とする。これによって低温容器の液体冷却媒体の充填比率は監視可能となる。このセンサ手段により得られる外挿データにより次の補充が必要であるか、又これがいつ必要になるかが予測可能になる。

以下において本発明の磁気共鳴画像（ＭＲＩ）装置の好適な実施例を添付の図面を参照しながら説明する。

図１は本発明による磁気共鳴画像（ＭＲＩ）装置の一部を構成するオープン型超伝導マグネットシステム１の概略を示す断面図である。なお、図１は本発明の特徴となる構成は示していない。また、フレームや、患者サポートユニット、制御ユニットなどのＭＲＩ装置の他の構成部も図１は示していなく、これらは同業者には周知の一般的なものであってよい。マグネットシステム１の磁界及び軸２は縦方向に方向付けられる。この磁界はそれぞれ水平面上に配置される輪状の超伝導コイル３，４，５，６，７，８，９，１０によって生成される。これらのコイルのうち最も大きな直径を有する２つのコイル３，４はシールドコイルを構成し、フリンジ磁界のアクティブシールディングを提供する。アクティブシールディングとはマグネットシステム１のフリンジ磁界を低減するための最新技術であり、これによって病院などの施設においてＭＲＩ装置が占領する空間が縮小される。

また、超伝導性を実現するために、超伝導コイル３〜１０は冷却される必要がある。冷却を実現するためにはこの超伝導性コイル３〜１０は低温容器１１内に配置される。低温容器１１の形状は、マグネットシステム１の形状に対応し、つまり低温容器は円盤状の上部１２、円盤状の底部１３、及びこれら上部と底部とを片端で接続する支柱１４から構成される。なお、機械的安定性などを考慮して支柱を１以上配置することも可能であるが、図１では支柱が１つだけ設けられた実施例を示す。この低温容器１１の形状に沿った形で低温容器１１には放射線シールド１５及びヘリウム容器１６が設けられる。この構成によりヘリウム容器１６は上部１２と底部１３との両方に共用されることとなる。この構成は最も経済的であって、上部及び底部それぞれのために別々のヘリウム容器が使用された場合、以下の説明で明らかにされるように比較的高価な低温冷却器などを含む多くの構成部が２つ必要となる。

特に図１に示される構成では、低温容器１１の上部１２に４つの超伝導コイルが設けられ、底部１３に４つの超伝導コイルが設けられるが、本発明はこのような構成に限定されるわけではない。例えばより均一なマグネットシステムを実現するためにより多くのコイルを設けることも可能であり、シールドなしのマグネットシステムの場合はコイルの数を少なくすることも可能である。また、図１では、上部１２及び底部１３は対称的であるが、本発明はこれに限定されるわけではない。

領域１７，１８は、低温容器１１における上部１２及び底部１３のそれぞれの形成される陥凹部であり、傾斜磁場コイル、ＲＦコイル、シムシステムなどマグネットシステム１における他の構成部の配置場所に相当する。このようにして上部１２と底部１３との間に形成される患者を配置するための患者配置空間１９は最大限にされうる。

ヘリウム容器１６内のヘリウムを冷却するためには、低温冷却器２０が設けられ、これはマグネットシステム１の上面に設置されるネック２１を介してヘリウム容器１６に侵入する。

低温冷却器２０は２つの熱ステーション２２，２３を有する。このうち第１熱ステーション２２はマグネットシステム１の放射線シールド１５に接続される。第２熱ステーション２３はヘリウム容器１６内において浮遊し、リコンデンサとして機能する。この実施例においては、高性能２段低温冷却器が用いられ、第２熱ステーション２３（又は第２段）は、温度４．２Ｋ以下に達し、ヘリウムを再液化することができる。一方第１熱ステーション２２（又は第１段）は方左遷シールと１５を冷却する。しかし、本発明において１つの低温冷却器にリコンデンサ機能と放射線シールド冷却機能とを一緒にする必要はなく、別の実施例として、例えばヘリウム液化器と、これとは別の低温冷却器又は窒素クーラントなどの放射線シールド冷却手段を設けることも可能である。

図２Ａ及び図２Ｂにおいてはヘリウム容器１６を囲う低温容器１１及び放射線シールド１５を示さない状態でヘリウム容器１６を示す。また、これらの図においては図１とは異なり、ヘリウム容器１６内における超伝導コイルなどの構成部の回転動作を示すための線が示されない。図１に示される構成部に加えて、図２Ａ及び図２Ｂは超伝導コイル３〜１０のそれぞれに対応する巻き取り部２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０，３１及びコイル形成部３２，３３，３４，３５，３６，３７，３８，３９を示す。超伝導コイルはマグネットシステム１の製造過程において巻き取り部に巻きつけられる。コイル形成部はローレンツ力などから超伝導コイルを機械的に支持するために用いられる。なお、これら巻き取り部及びコイル形成部は本発明を適用しないヘリウム容器にも設けられる構成部である。さらにこのヘリウム容器１６内に収容されるヘリウムは階調差によって示される。

図２Ａはマグネットシステム１の動作可能範囲においてヘリウムが最高レベル４０の状態を示す。一方図２Ｂはヘリウムがマグネットシステム１の動作可能範囲における最低レベル４１の状態を示す。なお、ヘリウムの最高レベルと最低レベルとの差は、ヘリウム容器１６の全体容積の８０％から９０％の間の値に容易に達することが可能ないわゆる有効容積に相当する。

上記記載のようにヘリウム容器内においてはヘリウムの蒸発とコンデンサによるヘリウムの液化との動的バランスがある。コンデンサによって液化されるヘリウムは、回路手段によって超伝導コイルの周りを誘導される。この回路はコンデンサの直下にある下降斜面路４２から開始し、これを介してヘリウムはＵ字型の断面構成を有する第１輪状局所リザーバ６３に流れる。このＵ字型リザーバの脚部の一部はヘリウム容器１６自体から形成され、また他の脚部分は超伝導コイル３の内側に形成される壁４３から形成される。さらにこのＵ字型の支持部は底部４４によって形成される。なお、図２Ａの左側には壁４３のオーバーフローエッジ４５が示され、ここから下向傾斜パイプ４８はコイル５の上まで延長する。コイル５はＵ字型断面構成を有する第２輪状局所リザーバ６４内に配置される。このＵ字型構成は巻き取り部２５の一部分と壁４６とによって形成され、オーバーフローエッジ４７を有す。また、このＵ字型構成の支持部はコイル形成部３３の一部によって形成される。オーバーフローエッジ４７を越えるヘリウムは、超伝導コイル９の巻き取り部２７とヘリウム容器の部分４９，５０によって形成される第３輪状局所リザーバ６５に流れる。ここでは巻き取り部２７の上端５１がヘリウムのオーバーフローエッジとなる。この上端５１を超えたヘリウムはＵ字型断面構成を有する超伝導コイル７の第４輪状局所リザーバ６６に達する。この第４局所リザーバ６６は壁５３、ヘリウム容器の部分５２、及び巻き取り部２７によって形成される。なお、壁５３の高さは巻き取り部２７の高さより低い。このため、第４リザーバ６６がヘリウムでいっぱいになった場合、ヘリウムは壁５３の上端５４からあふれ出る傾向にある。次に重力によってヘリウムはヘリウム容器１６における支柱１４の間に延在する部分を通過し、下降斜面路５５の上端に達し、ここからさらに第５輪状局所リザーバ６７に流れる。この第５局所リザーバ６７は、超伝導コイル６，８，１０を一緒に冷却する。この第５局所リザーバ６７は超伝導コイル６の巻取り部３０により形成され、この巻取り部３０の上端部はヘリウム容器１６に封止接続される。さらに第５局所リザーバ６７は超伝導コイル６，８，１０の下に位置する底部５６と壁５７とによって形成される。図２Ａ及び図２Ｂの右側では壁５７の上端５８はヘリウム容器１６の壁の若干下側に位置され、これによりヘリウムはヘリウム容器１６の壁と壁５７の上端５８との間を通過し、下降斜面路５９を通り、第６輪状局所リザーバ６８へ誘導される。この局所リザーバ６８はヘリウム容器の部分６０、コイル形成部３９、及び延長部６１により延長する巻き取り部３１によって形成される。ヘリウムは延長部６１の上端６２を越えた後ヘリウム容器１６の底部６３に達する。この底部６３にはヘリウムを制御蒸発させて低温冷却器２０によるヘリウムの再液化との動的平衡性を実現するためのヒータ（非図示）が設けられる。

なお、同業者には周知であるようにヘリウム容器１６内部にはヘリウムレベルを監視するためのレベルセンサ６９が設けられる。これによりヘリウムレベルを常に監視することが可能である。ヘリウムレベルの監視は問題を初期段階において検知するのに好適である。ヘリウムレベルの低下は例えばガス漏れなどマグネットシステム１からのヘリウムの喪失につながる故障を示す。

上記説明及び図２Ｂ（図２Ａと対比して）から明らかにされるように、超伝導コイルを所定の温度に冷却するにはそれぞれの局所リザーバ６３，６４，６５，６６，６７，６８にヘリウムが充填されればよい。ここで局所リザーバの容積はヘリウム容器１６全体の容積と比較して圧倒的に小さいため、これらの充填はヘリウム容器１６の容積に対して比較的少量のヘリウムを侵入させるだけで実現されうる。なお、各々の局所リザーバから溢れる液体ヘリウムは適切な場合は滑降斜面路やパイプなどの誘導部材を介して下位の局所リザーバに到達する。このようにしてコンデンサから最高位の局所リザーバへ、そしてさらには中間位の局所リザーバを介して最下位のリザーバへと液体ヘリウムを常時流通させ、各局所リザーバにおけるヘリウムの蒸発にも関わらずすべてのリザーバがヘリウムで充填された状態を確保することが可能である。

本発明によるＭＲＩ装置を構成するオープン型超伝導マグネットシステムの概略を示すが本発明の特徴を明示していない断面図である。図１におけるマグネットシステムにおいて本発明の特徴を明示する断面図であり、同マグネットシステムが動作可能な範囲におけるヘリウムの最高レベル及び最低レベルを示す図である。図１におけるマグネットシステムにおいて本発明の特徴を明示する断面図であり、同マグネットシステムが動作可能な範囲におけるヘリウムの最高レベル及び最低レベルを示す図である。

Claims

複数の水平面指向の超伝導コイル、及び前記超伝導コイルを内部に配置し、前記超伝導コイルを冷却するための液体冷却媒体を収容し、上部に蒸発する前記冷却媒体を常時液化するリコンデンサを具備するような低温容器を有するオープン超伝導マグネットシステムを有する磁気共鳴画像（ＭＲＩ）装置であって、
前記液体冷却媒体を前記リコンデンサから前記超伝導コイルの少なくとも一部の間において誘導する回路を有し、
前記回路は、それぞれに対応する超伝導コイル付近に配置され、前記対応する超伝導コイルを冷却するために設けられる複数の前記液体冷却媒体用局所リザーバを有し、
前記複数の局所リザーバはそれぞれ前記対応する超伝導コイルの下側又はその上に位置する前記液体冷却媒体用オーバーフローエッジを有し、前記複数の局所リザーバのうちの１つの局所リザーバの前記オーバーフローエッジから溢れる前記液体冷却媒体を前記１つの局所リザーバの下方に位置する局所リザーバに到達するようにして、前記液体冷却媒体を前記リコンデンサから最高位の局所リザーバ、少なくとも１つの中間位の局所リザーバを介して最下位の局所リザーバへと継続的に流通させることを特徴とするＭＲＩ装置。
前記局所リザーバは少なくとも部分的には輪状に形成されることを特徴とする請求項１記載のＭＲＩ装置。
前記局所リザーバは前記対応する超伝導コイルの巻き取り部を有することを特徴とする請求項１又は２記載のＭＲＩ装置。
前記局所リザーバは前記対応する超伝導コイルの支持部を有することを特徴とする請求項１又は２記載のＭＲＩ装置。
前記回路は前記液体冷却媒体を第１超伝導コイルから前記第１超伝導コイルより下に位置する第２超伝導コイルへ導くための下向傾斜誘導部を有することを特徴とする請求項１記載のＭＲＩ装置。
前記低温容器内の前記液体冷却媒体のレベルを検知するためのセンサ手段を有することを特徴とする請求項１記載のＭＲＩ装置。