JP4203615B2 - Ｍｒｉ用磁界発生装置 - Google Patents
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Description
【技術分野】
【0001】
この発明は、医療用磁気共鳴断層撮影装置(以下MRI装置という)に用いる磁界発生装置の改良に関する。この発明は、磁界発生源である永久磁石の温度を測定してベースヨーク等に内蔵した加熱手段や冷却手段を用いて永久磁石の温度制御を行ない、撮像空間内に発生させる磁界の均一性を損なうことなく、効率良く永久磁石の温度分布の不均一性を低減したMRI用磁界発生装置に関する。
【背景技術】
【0002】
MRI装置は、強力な磁界を形成する磁界発生装置の空隙内に、被検者の一部または全部を挿入して、対象物の断層イメージを得てその組織の性質まで描き出すことができる装置である。
上記MRI装置用の磁界発生装置において、空隙は被検者の一部又は全部が挿入できるだけの広さが必要であり、かつ鮮明な断層イメージを得るために、通常、空隙内の撮像空間内には、0.02T〜2.0Tでかつ1×10-4以下の精度を有する安定した強力な均一磁界を形成することが要求される。
【0003】
MRI装置に用いる磁界発生装置として、図9A、図9Bに示す構成が知られている(特公平2-23010号公報)。すなわち、磁界発生源としてR-Fe-B系磁石を用いた永久磁石30,30を、一対のベースヨーク35,35の対向面に固着し、各々の磁極面に磁極片31,31を固着して対向させ、磁極片31,31間の空隙33内に、静磁界を発生させる。なお、図示の磁気回路は一対の板状ベースヨーク35,35間に柱状の支持ヨーク36を接続して組み立ててある。図中37は傾斜磁界コイル、図中38は空隙33内の中央部に形成される撮像空間である。
【0004】
磁極片31は、通常、電磁軟鉄、純鉄等の磁性材料を削りだした板状のバルク(一体物)から構成され、空隙33内における磁界分布の均一度を向上させるために、周辺部に環状突起32を設けたり、さらに中央部に凸状突起(図示せず)を設けた構成(実公平5-37446号公報)等が採用される。
空隙33内に静磁界を形成する磁界発生源として、維持コストが比較的安価で、かつ装置の小型化等の観点から永久磁石の利用度がますます高まっている。しかし、この永久磁石は磁石自体が本来有する磁気的な特性により、温度変化によって磁界強度が変化し易いという欠点がある。
【0005】
MRI装置において、空隙内に形成される静磁界の磁界強度の安定性が重要であり、磁界強度を安定に維持するための方法として、永久磁石を一定温度に保つように磁界発生装置全体あるいは所要部を断熱材で覆う他、ベースヨークや前記断熱材の内側に冷却手段や加熱手段が設けられている。
例えば、MRI装置で発生する静磁界へ温度変化が与える影響を低減するため、冷却手段を設けた構成として、ベースヨーク外周面にペルチエ効果を利用した電子冷却素子を配置した冷却装置により、温度制御する構成が知られている(実公平3-56005号公報)。すなわち、前記冷却装置により磁界発生装置全体を雰囲気温度よりも10℃〜50℃程度低い温度範囲に冷却し、雰囲気温度の変化を装置の周囲を包囲する断熱材で緩和するとともに、所定温度範囲に微調整する構成である。
【0006】
MRI装置による診断の際は、通常、着衣の被検者が快適に受診できるように室温を22℃〜25℃程度に制御している。上記の構成は、MRI装置が設置される室温よりも常時低温度に制御する必要があり、エネルギー消費の観点から効率的でないこと、また、装置全体を冷却する構成は後述する加熱手段を設ける構成に比べて装置が大型で高価となりやすいことから、実用化されていない。
加熱手段を設置した構成は、上記の冷却装置を設けた構成に比べて、小型で安価な装置が得られやすく、エネルギー消費の観点からも効率的であるとされており、例えば特開昭63-43649号公報、特開昭63-278310号公報に示された構成が知られている。
すなわち、磁界発生装置全体を、種々の加熱手段を用いてMRI装置が設置される室温より5℃〜10℃程度高い温度に制御する構成が多用される。
【0007】
図10に示す磁界発生装置は、板状のベースヨーク42,42が柱状の支持ヨーク43を介して対向配置され、その対向面に永久磁石40が着設され、その磁極面に磁極片41が設けられた構成で、各々ベースヨーク42の外側表面に面状ヒータ44を配置し、また、断熱材45の内側表面にも面状のヒータ(図示せず)を配置し、このヨーク全体を断熱材45で覆う構成である。
このような構成において、図示しない電源からヒータ電流が通電され、磁気回路の温度を制御する。
【0008】
特開昭63-43649号では、前記の断熱材45の内側表面にのみ、面状ヒータを配置した構成が提案された。しかし、この構成は、面状ヒータで加熱された空気を、板状のベースヨーク42と断熱材45の間に形成された空気流通路に、ファンで強制的に流通させて、磁気回路の温度を制御するため、装置が複雑である上に、空気を介して磁気回路を加熱するため、熱効率が悪いという問題を有していた。
【0009】
特開昭63-278310号の発明は、上記の問題点を解決する目的で、図10に示すように、永久磁石41が配置されたベースヨーク42の外側表面に面状ヒータ44を直接配置して熱効率を若干向上させた。しかし、これはヒータ44をベースヨーク42の外側表面、つまり永久磁石40の空隙対向面とは反対側に設置するため、熱が磁気回路から外側に放散する傾向が強く、熱効率の向上効果は認められない。
【0010】
さらに、特開昭63-278310号に記載の発明を改良した構成として、特開平8-266506号公報(USP5,652,517公報)が開示されている。特開平8-266506号の構成は、ヒータ手段を、永久磁石を取り付けた下ベースヨーク及び上ベースヨークの側面に直接あるいは気体でない熱伝達材を介して取り付けたことを特徴としている。
特開平8-266506号のヒータ手段はシートヒータの形状をなしており、ベースヨークの側面にACシートヒータとDCシートヒータが上下に並列して固定される。固定は、固定用ベーク板をACシートヒータおよびDCシートヒータの上から被せ、ボルトで締め付けて行なわれる。
特開平8-266506号には、上記の構成によって、特開昭63-43649号と特開昭63-278310号に示されている構成に比べ、熱効率、制御追従性、作業性を向上させることができると記載されている。
【0011】
しかし、特開平8-266506号の構成も、面状のヒータを使用することから、本質的にヨークと接する面とは反対側への放熱が大きく、熱効率が悪い。また、温度センサは上ベースヨークの上面中央付近にのみ配置され、この1つの温度センサの検出温度に対応して、全ての面状ヒータの温度を制御するする構成が示されている。すなわち、1つの制御系にて磁気回路全体の温度を制御する構成ため、温度ムラが大きく、磁界の均一性も損なう問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
この発明は、MRI用磁界発生装置において、永久磁石の温度制御に関する従来の問題を解消することを目的とし、磁界の均一性を損なうことなく、温度ムラを低減して熱効率を高め、永久磁石の温度制御を高精度に実施できる構成からなるMRI用磁界発生装置の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0013】
発明者らは、永久磁石の温度制御を高精度に実施できる構成を目的に種々検討した結果、従来では、例えば加熱手段として面状のシートヒータを採用していたために、磁気回路との着設部以外の面から熱が放散してしまい、熱効率が悪くなっていたことに着目した。そこで、温度制御手段、主に加熱手段のみあるいは加熱手段と放熱(冷却)手段を永久磁石が着設されるベースヨーク等に内蔵させることによって、熱効率を向上させ、運転コストの低減が可能になること、さらに永久磁石近傍に前記加熱手段等の温度制御用手段を配置することにより、温度制御の追従性も向上することを知見し、この発明を完成したものである。
【００１４】
すなわち、この発明は、磁界発生源である永久磁石と、撮像空間を有する空隙を形成して対向するとともに各々の空隙対向面側に永久磁石を配置する一対のベースヨークと、ベースヨークを接続支持する支持ヨークと、永久磁石の空隙対向面側に配置する一対の磁極片とを有し、前記撮像空間に磁界を発生するMRI用磁界発生装置において、前記ベースヨークと前記支持ヨーク及び前記磁極片の少なくとも一つに棒状発熱体が内蔵され、前記棒状発熱体に抜け防止手段が設けられたことを特徴とするMRI用磁界発生装置である。
【0015】
また、発明者らは、前記のMRI用磁界発生装置において、永久磁石と磁路形成部材の少なくとも一方に温度センサを配置した構成、温度センサが検出した温度に対応して前記温度制御用手段の温度を制御する温度調節器を有する構成、前記永久磁石及び/又は磁路形成部材の温度に対応して温度制御用手段を停止させる手段を有する構成を併せて提案する。
特に、好ましい構成として、一対の永久磁石を空隙を介して対向配置するMRI用磁界発生装置において、一対の永久磁石の各々の温度を独立して制御する、少なくとも2つの制御系統を有する構成を提案する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
この発明の対象とするMRI用磁界発生装置は、磁界発生源である永久磁石と磁路形成部材にて磁気回路を形成し、撮像空間に磁界を発生する構成であれば、後述する実施例に限定されることなく、いかなる構成にも適用できる。
例えば、一対の板状ベースヨークが複数の柱状支持ヨークにて結合された構成、あるいは対向する一対の板状ベースヨークの一方端を板状支持ヨークで支持する構成、また、磁界発生源である永久磁石の空隙対向面に磁極片を配置する構成、さらには、磁極片を配置しない構成などにも適用できる。
なお、板状ベースヨーク等の磁路形成部材の形状寸法等も要求される空隙の大きさ、磁界強度、磁界均一度等、種々の諸特性に応じて適宜選定すればよい。
【0017】
磁界発生源となる永久磁石としては、フェライト磁石、希土類コバルト系磁石等の公知の磁石材料が使用できる。特に、RとしてNdやPrを中心とする資源的に豊富な軽希土類を用い、B,Feを主成分として30MGOe以上の極めて高いエネルギー積を示すFe-B-R系永久磁石を使用することにより、装置を著しく小型化することができる。また、前記公知の永久磁石を組み合わせて配置する構成も、装置を大型化することなく、経済的に優れた磁界発生装置を提供できる。
【0018】
この発明において、磁路形成部材であるヨークの材料としては、電磁軟鉄、純鉄などの従来から公知の材料を使用することができる。ベースヨークの使用は、磁界強度の均等化を実現でき、また磁気回路全体の機械的強度を確保して装置の組立作業性を良好にできる。
支持ヨークの機能は、ベースヨークを機械的に支持して目的とする空隙寸法を確保するとともに、空隙内に磁界を形成するための磁路を形成する。
【0019】
磁極片を構成する材料は、実施例の材料に限定されるものでない。例えば、純鉄、あるいは軟磁性粉を電気絶縁性材料で成型したもの等が採用できる。また保磁力が小さく電気抵抗の高いMn-Zn系、Ni-Zn系等種々のソフトフェライトまたはけい素鋼板の積層体、あるいはそれらを組み合わせた磁極片を採用することにより、傾斜磁界コイルへのパルス磁界の印加時に磁極片に発生する渦電流や残留磁気を低減できる。
特に、けい素鋼板の積層体は、ソフトフェライトに比べ安価であることから経済的メリットが大きい。また、図7A,図7Bに示すように、磁極片20を上記けい素鋼板で構成するに際し、けい素鋼板の積層体からなる複数のブロック23を磁性材ベース21上に配置し、それらブロックをさらに積層した構成とすることによって、渦電流や残磁現象の低減効果も大きく、作業性良く取付けできる。
上記の磁極片全体の厚みや磁性材ベース21の厚み比を最適化することにより、磁極片の機械的強度を確保し、磁極片に要求される磁界強度の均等化と渦電流および残磁現象の防止効果が得られる。また、けい素鋼板の積層体からなるブロック23の固定手段等を工夫することによって、磁性材ベース21を用いない構成も採用できる。
【0020】
さらに、この発明において、空隙内の磁界均一度を向上させるために、磁極片の周縁部に電磁軟鉄、純鉄等の磁性材リングからなる環状突起を形成することが望ましい。特に、図7A,図7Bに示すように、環状突起22の周方向に1つ以上のスリットを設けて分割すれば、一層渦電流の軽減効果が得られる。
環状突起の断面形状は、図示のような矩形に限定されることなく、略三角形や台形など、傾斜磁界コイルの配置構成、要求される磁界強度や磁界均一度等に応じて適宜選定される。また、磁極片の環状突起の内側に凸状突起24を配置することも、均一磁界の形成に有効である。
なお、この発明において、磁極片の配置は必須ではない。すなわち、磁極片を採用することによるデメリット、例えば磁極片側面からの磁束漏洩に起因する空隙中の磁界強度の低下、磁極片内に発生する渦電流に起因する傾斜磁界立ち上がり特性の低下、磁気回路全体の重量増加などを回避するため、磁極片を配置しない構成も有効である。磁極片を配置しない構成は、例えば本願発明者等が、先に提案した特開平3-209803号公報に示す構成等が採用できる。
【0021】
この発明による温度制御は、温度センサの検出温度に対応して温度調節器が作動して、温度制御用手段により加熱、放熱(冷却)する際、温度制御用手段が永久磁石自体、永久磁石近傍に配置されるベースヨークや磁極片に内蔵される構成であるため、熱の外部放散によるロスが低減され、永久磁石が極めて効率よく加熱・冷却され、制御の追従性が良い。さらに、温度センサを複数配置することによって、複数の制御系統にて部分的な温度制御が可能となり、磁界均一度の対称性が低下し難い利点がある。
この発明において、永久磁石、ベースヨーク、磁極片等に内蔵する温度制御用手段は、実施例に示される構成に限定されるものではなく、永久磁石、ベースヨーク、磁極片等に形成される孔内に配置され、これらを効率よく加熱・冷却できる構成であれば、種々の構成が採用できる。
先にも説明したように、現在では、種々の観点から、磁界発生装置全体をMRI装置が設置される室温より5℃〜10℃程度高い温度にて制御する構成が多用されている。この発明においても、エネルギー消費、価格、操作性等の観点からは、温度制御用手段として加熱手段を採用することが好ましい。
【0022】
加熱手段は、熱効率や加熱手段自体の寿命等の観点からベースヨーク等の被加熱部材と十分接触させておく必要がある。あるいは孔内への配置に際し、耐熱性のある充填材を用いて直接的あるいは間接的に被加熱部材と密着しておくことが好ましい。
加熱手段として特に、棒状発熱体は、永久磁石、ベースヨーク、磁極片に形成される孔内に容易に挿入配置でき、取り扱いも容易であるため、好ましいデバイスである。すなわち、棒状発熱体は、金属パイプ内に発熱体を保持し、パイプ内の空間をMgO等の絶縁物で充填した管状ヒータ等からなる構成である。上記の金属パイプには、鉄、銅、アルミ、ステンレス等の金属、合金材料のいずれもを使用できる。
また、これらの加熱手段が、前記ベースヨーク等の被加熱部材に設けた孔内で移動したり、使用中に孔から取り出されたりすると、目的とする温度制御が不可能となったり、加熱手段自体を損傷することも懸念される。従って、図5、図6に示すような加熱手段に抜け防止手段を併用することが好ましい。
【0023】
図5は、ベースヨーク5に形成された孔部にネジ止めされたボルト状の抜け防止手段53を示すものである。孔内に挿入された棒状発熱体10を構成する金属パイプ51の端部にボルト状の抜け防止手段53が当接することにより、棒状発熱体10を保持する。図中52は棒状発熱体10より外部に引き出されるリード線である。
図6は、棒状発熱体10を構成する金属パイプ51の端部に当接するように配置されるL字型に加工された金属パイプ54と、金属パイプ54をベースヨーク5に固定する取付け金具55からなる抜け防止手段を示すものである。
図5、図6に示す棒状発熱体からなる加熱手段の抜け防止手段以外に種々の構成が採用できる。例えば、棒状発熱体10を構成する金属パイプ51の外周面にねじ部を形成したり、金属パイプ51の端部にフランジ部を設けてベースヨーク5に固定する等の抜け防止手段を採用することも可能である。
【0024】
この発明において、温度制御用手段として冷却手段を用いることも可能である。装置の大型化、高価格化を防ぎ、実用性を高めるためには、ヒートパイプ等の簡単な構造からなる手段を採用することが望ましい。すなわち、加熱手段と同様方法で永久磁石、ベースヨーク等の磁路形成部材に設けた孔内にヒートパイプを配置し、部材外に積極的に放熱させて冷却したり、ヒートパイプを介して冷熱を部材内に導入することにより冷却できる。
また、永久磁石の温度制御をより精密に行なうためには、上記の加熱手段である棒状発熱体や、冷却手段であるヒートパイプ等を併用して用いることも可能である。
【0025】
この発明において、温度制御のために配置する温度センサとしては、熱電対、測温抵抗体、サーミスタ等、温度制御系の構成に応じて適宜、公知のセンサを用いることができる。温度センサの配置位置は、永久磁石、ベースヨーク、磁極片など、磁気回路の構成に応じて適宜配置するとよい。
通常は、永久磁石、ベースヨーク、磁極片の表面に配置することで目的は達成される。より精度の高い温度検出を達成するために、前記の各々部材の所定位置に孔を形成して、該孔内に温度センサを配置する構成が好ましい。
【0026】
特に、温度センサを磁極片に配置する場合は、傾斜磁界コイルの発生する磁界によるノイズ発生等を考慮して、傾斜磁界コイルから離した位置、例えば、環状突起の外周部や、磁極片中央部に形成した孔部内等に配置することが好ましい。
上記の温度制御用手段と温度センサによる永久磁石の温度制御には、実施例に示す回路構成の他、公知のいずれの電気的制御手段も採用でき、単数の制御系、あるいは必要に応じて複数の制御系を用いることができる。
特に、磁界の均一性を損なうことなく、磁気回路全体の温度をムラなく制御するためには、複数の制御系を用いることが好ましい。また、磁気回路を比較的低温状態から、一定温度まで上昇させる必要がある場合、昇温時間の短縮のために容量の大きい加熱手段を併用することもできる。この場合、加速昇温用と設定温度保持のための微調整用の2種類の出力をもつ温度調節器を用いることが望ましい。
【0027】
この発明において、上述した温度制御を一層有効に活用するためには、磁気回路を構成する永久磁石、ベースヨーク、支持ヨーク、磁極片のうち、比較的表面積が大きく永久磁石の温度への影響が大きなベースヨークの周囲に空気との熱的な遮断をするための断熱材を配置することが好ましい。さらに、必要に応じて、ベースヨーク以外の支持ヨーク、永久磁石、磁極片を断熱材で包囲することが好ましい。
【0028】
さらに、この発明のMRI用磁界発生装置において、上記の温度センサや温度調節器の誤動作等によって、永久磁石が所定温度より著しく上昇した場合、温度制御手段の作動を停止させる手段を設けることができる。例えば、永久磁石が45℃以上に加熱されるのを防止するために強制的に加熱ヒータへの通電を遮断するためのサーモスタットや、磁気回路構成部材や断熱材の燃焼を防止するために、例えば、90℃以上になると強制的に加熱ヒータへの通電を遮断するための温度ヒューズ等を配置することが好ましい。
【実施例】
【0029】
以下にこの発明の特徴を、図1A、図1B及び図2に示す一実施例に基づいて説明する。
磁界発生装置は、床1上に脚部2を介して磁気回路を構成する磁路形成部材を配置して形成する。磁路形成部材は、一対の板状ベースヨーク3,3を4本の柱状支持ヨーク4で接続してある。磁界発生源は、R-Fe-B系磁石を用いた一対の永久磁石5,5であり、これをベースヨーク3,3の対向面に着設し、各々の磁極面に磁極片6,6を固着して、磁極片6,6間に静磁界を発生させる空隙8を形成している。磁極片6,6間の空隙8内には、撮像空間9が設定され、この空間内に所定の均一磁界を発生させる。また、磁路形成部材である磁極片6,6は、ここでは環状突起7を有する構成で、図7A、図7Bにて説明した積層けい素鋼板のブロックを用いた構成にて形成されている。
【0030】
純鉄製のベースヨーク3,3には、その4方の側面と上面もしくは下面中央に、棒状発熱体を挿入するため、棒状発熱体の長さと同じ長さの孔部が穿孔してある。複数の棒状発熱体(管状ヒータ)10,11はベースヨーク3,3に形成された孔部に十分接触するように挿入配置され、図示しないリード、リレーを介して温度調節器に接続される。
ここでは、図8に示す構成からなる2系統の温度制御系13,14に接続してある。温度制御系13,14では、永久磁石5,5の外周部に配置された温度センサー12により感知された永久磁石の温度と設定温度の差により、温度調節器16,16から制御信号がSSR(ソリッド・ステート・リレー)15,15に送られる。SSR15,15を通じて、制御された電流が棒状発熱体10,11に通電され、各々の永久磁石5,5の温度に対応した適切な加熱が実施される。その結果、磁気回路、特に永久磁石全体に温度のムラを生ずることなく、所定温度に保持される。
【0031】
図1Aのように上下のベースヨーク3,3に永久磁石5,5を対向して配置する磁気回路では、一方の永久磁石に配置された温度センサの検出のみによって上下のベースヨーク3,3に配置されるヒーターの温度を制御すると、温度センサが配置されていない側の永久磁石を配置するベースヨーク内に配置されたヒーターの温度が最適温度より若干低く制御される傾向にある。
磁気回路全体として均一温度に制御するためには、上下のベースヨーク3,3で図8に示す別々の温度制御系13,14を持っていることが必要である。すなわち、上側のベースヨーク3に内蔵される棒状発熱体10と上側のベースヨーク3に配置される永久磁石5に取り付けられた温度センサー12、下側のベースヨーク3に内蔵されるの棒状発熱体10と下側のベースヨーク3に配置される永久磁石5に取り付けられた温度センサー12とは、それぞれ独立した一つの制御系13,14として電気回路が構成されている。
なお、各制御系13,14には、複数の棒状発熱体10,11を接続してある。これは磁気回路の局部的な加熱を防ぎ、全体を均等に加熱するためである。また、図示しないが、周囲の空気と磁気回路を熱的に遮断するための断熱材を適宜配置することができる。
【0032】
図3の構成は、棒状発熱体10からなる温度制御用手段をベースヨーク3だけでなく、磁極片6にも内蔵し、さらに磁極片6の空隙対向面に温度センサー12を設けた構成である。すなわち、磁極片6に内蔵した棒状発熱体10と磁極片6に配置した温度センサー12を一つの制御系として、電気回路が構成されている。
図4の構成は、磁極片を配置することなく、永久磁石5が直接磁界発生用の空隙を形成する構成からなる。すなわち、棒状発熱体10からなる温度制御用手段は、ベースヨーク3と永久磁石5に内蔵配置され、永久磁石5の空隙対向面に温度センサー12が配置された構成からなる。ここでは、永久磁石5に内蔵した棒状発熱体10と永久磁石5に配置した温度センサー12を一つの制御系として、電気回路が構成されている。
【0033】
上記のように、温度制御用手段は、永久磁石、ベースヨーク、磁極片のいずれに内蔵して配置することも可能である。この発明における温度制御用手段は永久磁石の温度を制御するために配置するものであり、永久磁石に直接配置する構成が、熱効率の観点から、最も有効である。
しかし、永久磁石の僅かな温度変化が磁界変化に直接影響することから、永久磁石を直接加熱・冷却する場合は、温度センサーによる永久磁石温度の検出と温度制御用手段へのフィードバックを短いサイクルで頻繁に行なうことが望ましい。
また、必要以上に加熱すると磁界強度を低下させるため、永久磁石に配置する温度制御用手段だけで永久磁石の温度を制御することは好ましい構成とはいえない。ベースヨーク、磁極片等に配置する温度制御用手段と併用する構成が好ましい。
【0034】
ベースヨークに温度制御用手段を配置する構成は、永久磁石の温度を間接的に制御することから熱効率の観点からは、必ずしも効率的とは言い難い。しかし、ベースヨークは、永久磁石に比べて非常に大きな体積を有し、一旦所定温度に制御された後は、周囲の温度変化の影響を受け難く温度が安定しているため、ベースヨークに接続配置する永久磁石の温度を一定に維持することが容易に実現できる。また、永久磁石に比べて機械加工が容易であるため、棒状発熱体やヒートパイプ等を配置する孔を任意の位置に形成できる。従って、ベースヨーク自体に温度ムラを生ずることなく均一な温度制御が可能となる。
磁極片に温度制御用手段を配置する構成も、永久磁石の温度を間接的に制御することから熱効率の観点からは、必ずしも効率的とは言い難い。しかし、ベースヨークに配置する構成に比べ、磁極片の体積は小さく永久磁石とほぼ同程度であることから、効率良く加熱・冷却が可能である。しかも、磁極片の温度を制御することによって、磁極片近傍に配置される傾斜磁界コイルの発熱による永久磁石への温度変化の影響を低減することも可能である。特に、磁極片の放射状位置に複数の温度制御用手段を配置することによって、磁極片全体の温度を均一に制御することが可能となる。
【0035】
以上のように、この発明において、温度制御用手段は、永久磁石、ベースヨーク、磁極片のいずれに内蔵して配置することも可能である。永久磁石の温度を一定に維持するため、各々の体積や材質等を考慮して、温度制御用手段の能力、配置箇所、配置数量等を選定することが望ましい。
図1A及び図1B、図3、図4に示す実施例では、温度制御用手段として棒状発熱体を用いた構成を説明した。同様の構成において、必要に応じて、ヒートパイプ等を用いた冷却手段を併用することも可能である。すなわち、ベースヨーク、磁極片に加熱手段を設置し、永久磁石に冷却手段を設置したり、あるいはベースヨークに加熱手段と冷却手段をともに設置する構成を採用できる。
【0036】
図1A及び図1Bに示すこの発明の磁界発生装置は、図8に示す2系統の温度制御系13,14により、上下の永久磁石5,5の各々の目標温度を32℃に設定したところ、上下磁石の温度差を0.1℃の範囲に保持することが可能であり、消費電力は600Wであった。
これに対して、図10に示すベースヨークの外側にシートヒータを配置する従来の構成からなる磁界発生装置の場合、1系統の温度制御系による制御であるため、上下磁石の温度差は2〜3℃であり、消費電力は1200Wであった。
すなわち、この発明の構成は、温度制御を高精度にできるだけなく、消費電力の大幅な削減が可能であった。
また、図1A及び図1Bに示すこの発明の磁界発生装置において、さらに磁極片にも図3の構成に相当する温度制御用手段を配置し、4系統の温度制御系により、永久磁石5,5の各々の目標温度を32℃に設定したところ、傾斜磁界コイルの発熱等による外部からの温度変化に対しても上下磁石の温度差を0.1℃の範囲に保持可能であることを確認した。
【産業上の利用可能性】
【0037】
この発明によるMRI用磁界発生装置は、温度制御用手段を磁路形成部材であるベースヨーク等に埋設内蔵した構成を特徴とし、温度センサの温度検知に対応して温度調節器により温度制御用手段が加熱・冷却を実行する際、ベースヨークなどの近傍に配置された永久磁石が効率よく加熱・冷却され、制御信号に対する追従性がよい。
【0038】
また、ベースヨークなどの内部に埋設された温度制御用手段、例えば加熱ヒータの場合、加熱ヒータから発する熱がベースヨークなどを伝導して直接永久磁石に達するため、熱が外部に放散してロスが起こることなく、非常に効率良く温度制御を行なうことが可能である。
さらに、温度センサを永久磁石に複数配置することによって、部分的な温度制御が可能となる。また、複数の永久磁石をそれぞれ独立して複数の制御系にて、温度制御用手段を制御して温度制御することにより、磁界均一度の対称性を確実に実現できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【0039】
【図1】 図1Aは、この発明のMRI用磁界発生装置の構成を示す正面説明図、図1Bは図1Aの要部を示す縦断説明図である。
【図2】 図2は、この発明のMRI用磁界発生装置の斜視説明図である。
【図3】 図3は、この発明のMRI用磁界発生装置の他の実施例の要部を示す縦断説明図である。
【図4】 図4は、この発明のMRI用磁界発生装置の他の実施例の要部を示す縦断説明図である。
【図5】 図5は、この発明のMRI用磁界発生装置に用いる温度制御用手段の抜け防止手段の概要を示す、一部縦断説明図である。
【図6】 図6は、この発明のMRI用磁界発生装置に用いる温度制御用手段の抜け防止手段の概要を示す、一部縦断説明図である。
【図7】 図7Aは、この発明のMRI用磁界発生装置の磁極片の構成を示す上面説明図、図7Bはその縦断説明図である。
【図8】 図8は、この発明のMRI用磁界発生装置の温度制御を行う回路説明図である。
【図9】 図9Aは、従来のMRI用磁界発生装置の構成を示す一部縦断正面説明図、図9Bは、その横断上面図である。
【図10】 図10は、従来のMRI用磁界発生装置の他の構成を示す一部破断斜視説明図である。
【0001】
この発明は、医療用磁気共鳴断層撮影装置(以下MRI装置という)に用いる磁界発生装置の改良に関する。この発明は、磁界発生源である永久磁石の温度を測定してベースヨーク等に内蔵した加熱手段や冷却手段を用いて永久磁石の温度制御を行ない、撮像空間内に発生させる磁界の均一性を損なうことなく、効率良く永久磁石の温度分布の不均一性を低減したMRI用磁界発生装置に関する。
【背景技術】
【0002】
MRI装置は、強力な磁界を形成する磁界発生装置の空隙内に、被検者の一部または全部を挿入して、対象物の断層イメージを得てその組織の性質まで描き出すことができる装置である。
上記MRI装置用の磁界発生装置において、空隙は被検者の一部又は全部が挿入できるだけの広さが必要であり、かつ鮮明な断層イメージを得るために、通常、空隙内の撮像空間内には、0.02T〜2.0Tでかつ1×10-4以下の精度を有する安定した強力な均一磁界を形成することが要求される。
【0003】
MRI装置に用いる磁界発生装置として、図9A、図9Bに示す構成が知られている(特公平2-23010号公報)。すなわち、磁界発生源としてR-Fe-B系磁石を用いた永久磁石30,30を、一対のベースヨーク35,35の対向面に固着し、各々の磁極面に磁極片31,31を固着して対向させ、磁極片31,31間の空隙33内に、静磁界を発生させる。なお、図示の磁気回路は一対の板状ベースヨーク35,35間に柱状の支持ヨーク36を接続して組み立ててある。図中37は傾斜磁界コイル、図中38は空隙33内の中央部に形成される撮像空間である。
【0004】
磁極片31は、通常、電磁軟鉄、純鉄等の磁性材料を削りだした板状のバルク(一体物)から構成され、空隙33内における磁界分布の均一度を向上させるために、周辺部に環状突起32を設けたり、さらに中央部に凸状突起(図示せず)を設けた構成(実公平5-37446号公報)等が採用される。
空隙33内に静磁界を形成する磁界発生源として、維持コストが比較的安価で、かつ装置の小型化等の観点から永久磁石の利用度がますます高まっている。しかし、この永久磁石は磁石自体が本来有する磁気的な特性により、温度変化によって磁界強度が変化し易いという欠点がある。
【0005】
MRI装置において、空隙内に形成される静磁界の磁界強度の安定性が重要であり、磁界強度を安定に維持するための方法として、永久磁石を一定温度に保つように磁界発生装置全体あるいは所要部を断熱材で覆う他、ベースヨークや前記断熱材の内側に冷却手段や加熱手段が設けられている。
例えば、MRI装置で発生する静磁界へ温度変化が与える影響を低減するため、冷却手段を設けた構成として、ベースヨーク外周面にペルチエ効果を利用した電子冷却素子を配置した冷却装置により、温度制御する構成が知られている(実公平3-56005号公報)。すなわち、前記冷却装置により磁界発生装置全体を雰囲気温度よりも10℃〜50℃程度低い温度範囲に冷却し、雰囲気温度の変化を装置の周囲を包囲する断熱材で緩和するとともに、所定温度範囲に微調整する構成である。
【0006】
MRI装置による診断の際は、通常、着衣の被検者が快適に受診できるように室温を22℃〜25℃程度に制御している。上記の構成は、MRI装置が設置される室温よりも常時低温度に制御する必要があり、エネルギー消費の観点から効率的でないこと、また、装置全体を冷却する構成は後述する加熱手段を設ける構成に比べて装置が大型で高価となりやすいことから、実用化されていない。
加熱手段を設置した構成は、上記の冷却装置を設けた構成に比べて、小型で安価な装置が得られやすく、エネルギー消費の観点からも効率的であるとされており、例えば特開昭63-43649号公報、特開昭63-278310号公報に示された構成が知られている。
すなわち、磁界発生装置全体を、種々の加熱手段を用いてMRI装置が設置される室温より5℃〜10℃程度高い温度に制御する構成が多用される。
【0007】
図10に示す磁界発生装置は、板状のベースヨーク42,42が柱状の支持ヨーク43を介して対向配置され、その対向面に永久磁石40が着設され、その磁極面に磁極片41が設けられた構成で、各々ベースヨーク42の外側表面に面状ヒータ44を配置し、また、断熱材45の内側表面にも面状のヒータ(図示せず)を配置し、このヨーク全体を断熱材45で覆う構成である。
このような構成において、図示しない電源からヒータ電流が通電され、磁気回路の温度を制御する。
【0008】
特開昭63-43649号では、前記の断熱材45の内側表面にのみ、面状ヒータを配置した構成が提案された。しかし、この構成は、面状ヒータで加熱された空気を、板状のベースヨーク42と断熱材45の間に形成された空気流通路に、ファンで強制的に流通させて、磁気回路の温度を制御するため、装置が複雑である上に、空気を介して磁気回路を加熱するため、熱効率が悪いという問題を有していた。
【0009】
特開昭63-278310号の発明は、上記の問題点を解決する目的で、図10に示すように、永久磁石41が配置されたベースヨーク42の外側表面に面状ヒータ44を直接配置して熱効率を若干向上させた。しかし、これはヒータ44をベースヨーク42の外側表面、つまり永久磁石40の空隙対向面とは反対側に設置するため、熱が磁気回路から外側に放散する傾向が強く、熱効率の向上効果は認められない。
【0010】
さらに、特開昭63-278310号に記載の発明を改良した構成として、特開平8-266506号公報(USP5,652,517公報)が開示されている。特開平8-266506号の構成は、ヒータ手段を、永久磁石を取り付けた下ベースヨーク及び上ベースヨークの側面に直接あるいは気体でない熱伝達材を介して取り付けたことを特徴としている。
特開平8-266506号のヒータ手段はシートヒータの形状をなしており、ベースヨークの側面にACシートヒータとDCシートヒータが上下に並列して固定される。固定は、固定用ベーク板をACシートヒータおよびDCシートヒータの上から被せ、ボルトで締め付けて行なわれる。
特開平8-266506号には、上記の構成によって、特開昭63-43649号と特開昭63-278310号に示されている構成に比べ、熱効率、制御追従性、作業性を向上させることができると記載されている。
【0011】
しかし、特開平8-266506号の構成も、面状のヒータを使用することから、本質的にヨークと接する面とは反対側への放熱が大きく、熱効率が悪い。また、温度センサは上ベースヨークの上面中央付近にのみ配置され、この1つの温度センサの検出温度に対応して、全ての面状ヒータの温度を制御するする構成が示されている。すなわち、1つの制御系にて磁気回路全体の温度を制御する構成ため、温度ムラが大きく、磁界の均一性も損なう問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
この発明は、MRI用磁界発生装置において、永久磁石の温度制御に関する従来の問題を解消することを目的とし、磁界の均一性を損なうことなく、温度ムラを低減して熱効率を高め、永久磁石の温度制御を高精度に実施できる構成からなるMRI用磁界発生装置の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0013】
発明者らは、永久磁石の温度制御を高精度に実施できる構成を目的に種々検討した結果、従来では、例えば加熱手段として面状のシートヒータを採用していたために、磁気回路との着設部以外の面から熱が放散してしまい、熱効率が悪くなっていたことに着目した。そこで、温度制御手段、主に加熱手段のみあるいは加熱手段と放熱(冷却)手段を永久磁石が着設されるベースヨーク等に内蔵させることによって、熱効率を向上させ、運転コストの低減が可能になること、さらに永久磁石近傍に前記加熱手段等の温度制御用手段を配置することにより、温度制御の追従性も向上することを知見し、この発明を完成したものである。
【００１４】
すなわち、この発明は、磁界発生源である永久磁石と、撮像空間を有する空隙を形成して対向するとともに各々の空隙対向面側に永久磁石を配置する一対のベースヨークと、ベースヨークを接続支持する支持ヨークと、永久磁石の空隙対向面側に配置する一対の磁極片とを有し、前記撮像空間に磁界を発生するMRI用磁界発生装置において、前記ベースヨークと前記支持ヨーク及び前記磁極片の少なくとも一つに棒状発熱体が内蔵され、前記棒状発熱体に抜け防止手段が設けられたことを特徴とするMRI用磁界発生装置である。
【0015】
また、発明者らは、前記のMRI用磁界発生装置において、永久磁石と磁路形成部材の少なくとも一方に温度センサを配置した構成、温度センサが検出した温度に対応して前記温度制御用手段の温度を制御する温度調節器を有する構成、前記永久磁石及び/又は磁路形成部材の温度に対応して温度制御用手段を停止させる手段を有する構成を併せて提案する。
特に、好ましい構成として、一対の永久磁石を空隙を介して対向配置するMRI用磁界発生装置において、一対の永久磁石の各々の温度を独立して制御する、少なくとも2つの制御系統を有する構成を提案する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
この発明の対象とするMRI用磁界発生装置は、磁界発生源である永久磁石と磁路形成部材にて磁気回路を形成し、撮像空間に磁界を発生する構成であれば、後述する実施例に限定されることなく、いかなる構成にも適用できる。
例えば、一対の板状ベースヨークが複数の柱状支持ヨークにて結合された構成、あるいは対向する一対の板状ベースヨークの一方端を板状支持ヨークで支持する構成、また、磁界発生源である永久磁石の空隙対向面に磁極片を配置する構成、さらには、磁極片を配置しない構成などにも適用できる。
なお、板状ベースヨーク等の磁路形成部材の形状寸法等も要求される空隙の大きさ、磁界強度、磁界均一度等、種々の諸特性に応じて適宜選定すればよい。
【0017】
磁界発生源となる永久磁石としては、フェライト磁石、希土類コバルト系磁石等の公知の磁石材料が使用できる。特に、RとしてNdやPrを中心とする資源的に豊富な軽希土類を用い、B,Feを主成分として30MGOe以上の極めて高いエネルギー積を示すFe-B-R系永久磁石を使用することにより、装置を著しく小型化することができる。また、前記公知の永久磁石を組み合わせて配置する構成も、装置を大型化することなく、経済的に優れた磁界発生装置を提供できる。
【0018】
この発明において、磁路形成部材であるヨークの材料としては、電磁軟鉄、純鉄などの従来から公知の材料を使用することができる。ベースヨークの使用は、磁界強度の均等化を実現でき、また磁気回路全体の機械的強度を確保して装置の組立作業性を良好にできる。
支持ヨークの機能は、ベースヨークを機械的に支持して目的とする空隙寸法を確保するとともに、空隙内に磁界を形成するための磁路を形成する。
【0019】
磁極片を構成する材料は、実施例の材料に限定されるものでない。例えば、純鉄、あるいは軟磁性粉を電気絶縁性材料で成型したもの等が採用できる。また保磁力が小さく電気抵抗の高いMn-Zn系、Ni-Zn系等種々のソフトフェライトまたはけい素鋼板の積層体、あるいはそれらを組み合わせた磁極片を採用することにより、傾斜磁界コイルへのパルス磁界の印加時に磁極片に発生する渦電流や残留磁気を低減できる。
特に、けい素鋼板の積層体は、ソフトフェライトに比べ安価であることから経済的メリットが大きい。また、図7A,図7Bに示すように、磁極片20を上記けい素鋼板で構成するに際し、けい素鋼板の積層体からなる複数のブロック23を磁性材ベース21上に配置し、それらブロックをさらに積層した構成とすることによって、渦電流や残磁現象の低減効果も大きく、作業性良く取付けできる。
上記の磁極片全体の厚みや磁性材ベース21の厚み比を最適化することにより、磁極片の機械的強度を確保し、磁極片に要求される磁界強度の均等化と渦電流および残磁現象の防止効果が得られる。また、けい素鋼板の積層体からなるブロック23の固定手段等を工夫することによって、磁性材ベース21を用いない構成も採用できる。
【0020】
さらに、この発明において、空隙内の磁界均一度を向上させるために、磁極片の周縁部に電磁軟鉄、純鉄等の磁性材リングからなる環状突起を形成することが望ましい。特に、図7A,図7Bに示すように、環状突起22の周方向に1つ以上のスリットを設けて分割すれば、一層渦電流の軽減効果が得られる。
環状突起の断面形状は、図示のような矩形に限定されることなく、略三角形や台形など、傾斜磁界コイルの配置構成、要求される磁界強度や磁界均一度等に応じて適宜選定される。また、磁極片の環状突起の内側に凸状突起24を配置することも、均一磁界の形成に有効である。
なお、この発明において、磁極片の配置は必須ではない。すなわち、磁極片を採用することによるデメリット、例えば磁極片側面からの磁束漏洩に起因する空隙中の磁界強度の低下、磁極片内に発生する渦電流に起因する傾斜磁界立ち上がり特性の低下、磁気回路全体の重量増加などを回避するため、磁極片を配置しない構成も有効である。磁極片を配置しない構成は、例えば本願発明者等が、先に提案した特開平3-209803号公報に示す構成等が採用できる。
【0021】
この発明による温度制御は、温度センサの検出温度に対応して温度調節器が作動して、温度制御用手段により加熱、放熱(冷却)する際、温度制御用手段が永久磁石自体、永久磁石近傍に配置されるベースヨークや磁極片に内蔵される構成であるため、熱の外部放散によるロスが低減され、永久磁石が極めて効率よく加熱・冷却され、制御の追従性が良い。さらに、温度センサを複数配置することによって、複数の制御系統にて部分的な温度制御が可能となり、磁界均一度の対称性が低下し難い利点がある。
この発明において、永久磁石、ベースヨーク、磁極片等に内蔵する温度制御用手段は、実施例に示される構成に限定されるものではなく、永久磁石、ベースヨーク、磁極片等に形成される孔内に配置され、これらを効率よく加熱・冷却できる構成であれば、種々の構成が採用できる。
先にも説明したように、現在では、種々の観点から、磁界発生装置全体をMRI装置が設置される室温より5℃〜10℃程度高い温度にて制御する構成が多用されている。この発明においても、エネルギー消費、価格、操作性等の観点からは、温度制御用手段として加熱手段を採用することが好ましい。
【0022】
加熱手段は、熱効率や加熱手段自体の寿命等の観点からベースヨーク等の被加熱部材と十分接触させておく必要がある。あるいは孔内への配置に際し、耐熱性のある充填材を用いて直接的あるいは間接的に被加熱部材と密着しておくことが好ましい。
加熱手段として特に、棒状発熱体は、永久磁石、ベースヨーク、磁極片に形成される孔内に容易に挿入配置でき、取り扱いも容易であるため、好ましいデバイスである。すなわち、棒状発熱体は、金属パイプ内に発熱体を保持し、パイプ内の空間をMgO等の絶縁物で充填した管状ヒータ等からなる構成である。上記の金属パイプには、鉄、銅、アルミ、ステンレス等の金属、合金材料のいずれもを使用できる。
また、これらの加熱手段が、前記ベースヨーク等の被加熱部材に設けた孔内で移動したり、使用中に孔から取り出されたりすると、目的とする温度制御が不可能となったり、加熱手段自体を損傷することも懸念される。従って、図5、図6に示すような加熱手段に抜け防止手段を併用することが好ましい。
【0023】
図5は、ベースヨーク5に形成された孔部にネジ止めされたボルト状の抜け防止手段53を示すものである。孔内に挿入された棒状発熱体10を構成する金属パイプ51の端部にボルト状の抜け防止手段53が当接することにより、棒状発熱体10を保持する。図中52は棒状発熱体10より外部に引き出されるリード線である。
図6は、棒状発熱体10を構成する金属パイプ51の端部に当接するように配置されるL字型に加工された金属パイプ54と、金属パイプ54をベースヨーク5に固定する取付け金具55からなる抜け防止手段を示すものである。
図5、図6に示す棒状発熱体からなる加熱手段の抜け防止手段以外に種々の構成が採用できる。例えば、棒状発熱体10を構成する金属パイプ51の外周面にねじ部を形成したり、金属パイプ51の端部にフランジ部を設けてベースヨーク5に固定する等の抜け防止手段を採用することも可能である。
【0024】
この発明において、温度制御用手段として冷却手段を用いることも可能である。装置の大型化、高価格化を防ぎ、実用性を高めるためには、ヒートパイプ等の簡単な構造からなる手段を採用することが望ましい。すなわち、加熱手段と同様方法で永久磁石、ベースヨーク等の磁路形成部材に設けた孔内にヒートパイプを配置し、部材外に積極的に放熱させて冷却したり、ヒートパイプを介して冷熱を部材内に導入することにより冷却できる。
また、永久磁石の温度制御をより精密に行なうためには、上記の加熱手段である棒状発熱体や、冷却手段であるヒートパイプ等を併用して用いることも可能である。
【0025】
この発明において、温度制御のために配置する温度センサとしては、熱電対、測温抵抗体、サーミスタ等、温度制御系の構成に応じて適宜、公知のセンサを用いることができる。温度センサの配置位置は、永久磁石、ベースヨーク、磁極片など、磁気回路の構成に応じて適宜配置するとよい。
通常は、永久磁石、ベースヨーク、磁極片の表面に配置することで目的は達成される。より精度の高い温度検出を達成するために、前記の各々部材の所定位置に孔を形成して、該孔内に温度センサを配置する構成が好ましい。
【0026】
特に、温度センサを磁極片に配置する場合は、傾斜磁界コイルの発生する磁界によるノイズ発生等を考慮して、傾斜磁界コイルから離した位置、例えば、環状突起の外周部や、磁極片中央部に形成した孔部内等に配置することが好ましい。
上記の温度制御用手段と温度センサによる永久磁石の温度制御には、実施例に示す回路構成の他、公知のいずれの電気的制御手段も採用でき、単数の制御系、あるいは必要に応じて複数の制御系を用いることができる。
特に、磁界の均一性を損なうことなく、磁気回路全体の温度をムラなく制御するためには、複数の制御系を用いることが好ましい。また、磁気回路を比較的低温状態から、一定温度まで上昇させる必要がある場合、昇温時間の短縮のために容量の大きい加熱手段を併用することもできる。この場合、加速昇温用と設定温度保持のための微調整用の2種類の出力をもつ温度調節器を用いることが望ましい。
【0027】
この発明において、上述した温度制御を一層有効に活用するためには、磁気回路を構成する永久磁石、ベースヨーク、支持ヨーク、磁極片のうち、比較的表面積が大きく永久磁石の温度への影響が大きなベースヨークの周囲に空気との熱的な遮断をするための断熱材を配置することが好ましい。さらに、必要に応じて、ベースヨーク以外の支持ヨーク、永久磁石、磁極片を断熱材で包囲することが好ましい。
【0028】
さらに、この発明のMRI用磁界発生装置において、上記の温度センサや温度調節器の誤動作等によって、永久磁石が所定温度より著しく上昇した場合、温度制御手段の作動を停止させる手段を設けることができる。例えば、永久磁石が45℃以上に加熱されるのを防止するために強制的に加熱ヒータへの通電を遮断するためのサーモスタットや、磁気回路構成部材や断熱材の燃焼を防止するために、例えば、90℃以上になると強制的に加熱ヒータへの通電を遮断するための温度ヒューズ等を配置することが好ましい。
【実施例】
【0029】
以下にこの発明の特徴を、図1A、図1B及び図2に示す一実施例に基づいて説明する。
磁界発生装置は、床1上に脚部2を介して磁気回路を構成する磁路形成部材を配置して形成する。磁路形成部材は、一対の板状ベースヨーク3,3を4本の柱状支持ヨーク4で接続してある。磁界発生源は、R-Fe-B系磁石を用いた一対の永久磁石5,5であり、これをベースヨーク3,3の対向面に着設し、各々の磁極面に磁極片6,6を固着して、磁極片6,6間に静磁界を発生させる空隙8を形成している。磁極片6,6間の空隙8内には、撮像空間9が設定され、この空間内に所定の均一磁界を発生させる。また、磁路形成部材である磁極片6,6は、ここでは環状突起7を有する構成で、図7A、図7Bにて説明した積層けい素鋼板のブロックを用いた構成にて形成されている。
【0030】
純鉄製のベースヨーク3,3には、その4方の側面と上面もしくは下面中央に、棒状発熱体を挿入するため、棒状発熱体の長さと同じ長さの孔部が穿孔してある。複数の棒状発熱体(管状ヒータ)10,11はベースヨーク3,3に形成された孔部に十分接触するように挿入配置され、図示しないリード、リレーを介して温度調節器に接続される。
ここでは、図8に示す構成からなる2系統の温度制御系13,14に接続してある。温度制御系13,14では、永久磁石5,5の外周部に配置された温度センサー12により感知された永久磁石の温度と設定温度の差により、温度調節器16,16から制御信号がSSR(ソリッド・ステート・リレー)15,15に送られる。SSR15,15を通じて、制御された電流が棒状発熱体10,11に通電され、各々の永久磁石5,5の温度に対応した適切な加熱が実施される。その結果、磁気回路、特に永久磁石全体に温度のムラを生ずることなく、所定温度に保持される。
【0031】
図1Aのように上下のベースヨーク3,3に永久磁石5,5を対向して配置する磁気回路では、一方の永久磁石に配置された温度センサの検出のみによって上下のベースヨーク3,3に配置されるヒーターの温度を制御すると、温度センサが配置されていない側の永久磁石を配置するベースヨーク内に配置されたヒーターの温度が最適温度より若干低く制御される傾向にある。
磁気回路全体として均一温度に制御するためには、上下のベースヨーク3,3で図8に示す別々の温度制御系13,14を持っていることが必要である。すなわち、上側のベースヨーク3に内蔵される棒状発熱体10と上側のベースヨーク3に配置される永久磁石5に取り付けられた温度センサー12、下側のベースヨーク3に内蔵されるの棒状発熱体10と下側のベースヨーク3に配置される永久磁石5に取り付けられた温度センサー12とは、それぞれ独立した一つの制御系13,14として電気回路が構成されている。
なお、各制御系13,14には、複数の棒状発熱体10,11を接続してある。これは磁気回路の局部的な加熱を防ぎ、全体を均等に加熱するためである。また、図示しないが、周囲の空気と磁気回路を熱的に遮断するための断熱材を適宜配置することができる。
【0032】
図3の構成は、棒状発熱体10からなる温度制御用手段をベースヨーク3だけでなく、磁極片6にも内蔵し、さらに磁極片6の空隙対向面に温度センサー12を設けた構成である。すなわち、磁極片6に内蔵した棒状発熱体10と磁極片6に配置した温度センサー12を一つの制御系として、電気回路が構成されている。
図4の構成は、磁極片を配置することなく、永久磁石5が直接磁界発生用の空隙を形成する構成からなる。すなわち、棒状発熱体10からなる温度制御用手段は、ベースヨーク3と永久磁石5に内蔵配置され、永久磁石5の空隙対向面に温度センサー12が配置された構成からなる。ここでは、永久磁石5に内蔵した棒状発熱体10と永久磁石5に配置した温度センサー12を一つの制御系として、電気回路が構成されている。
【0033】
上記のように、温度制御用手段は、永久磁石、ベースヨーク、磁極片のいずれに内蔵して配置することも可能である。この発明における温度制御用手段は永久磁石の温度を制御するために配置するものであり、永久磁石に直接配置する構成が、熱効率の観点から、最も有効である。
しかし、永久磁石の僅かな温度変化が磁界変化に直接影響することから、永久磁石を直接加熱・冷却する場合は、温度センサーによる永久磁石温度の検出と温度制御用手段へのフィードバックを短いサイクルで頻繁に行なうことが望ましい。
また、必要以上に加熱すると磁界強度を低下させるため、永久磁石に配置する温度制御用手段だけで永久磁石の温度を制御することは好ましい構成とはいえない。ベースヨーク、磁極片等に配置する温度制御用手段と併用する構成が好ましい。
【0034】
ベースヨークに温度制御用手段を配置する構成は、永久磁石の温度を間接的に制御することから熱効率の観点からは、必ずしも効率的とは言い難い。しかし、ベースヨークは、永久磁石に比べて非常に大きな体積を有し、一旦所定温度に制御された後は、周囲の温度変化の影響を受け難く温度が安定しているため、ベースヨークに接続配置する永久磁石の温度を一定に維持することが容易に実現できる。また、永久磁石に比べて機械加工が容易であるため、棒状発熱体やヒートパイプ等を配置する孔を任意の位置に形成できる。従って、ベースヨーク自体に温度ムラを生ずることなく均一な温度制御が可能となる。
磁極片に温度制御用手段を配置する構成も、永久磁石の温度を間接的に制御することから熱効率の観点からは、必ずしも効率的とは言い難い。しかし、ベースヨークに配置する構成に比べ、磁極片の体積は小さく永久磁石とほぼ同程度であることから、効率良く加熱・冷却が可能である。しかも、磁極片の温度を制御することによって、磁極片近傍に配置される傾斜磁界コイルの発熱による永久磁石への温度変化の影響を低減することも可能である。特に、磁極片の放射状位置に複数の温度制御用手段を配置することによって、磁極片全体の温度を均一に制御することが可能となる。
【0035】
以上のように、この発明において、温度制御用手段は、永久磁石、ベースヨーク、磁極片のいずれに内蔵して配置することも可能である。永久磁石の温度を一定に維持するため、各々の体積や材質等を考慮して、温度制御用手段の能力、配置箇所、配置数量等を選定することが望ましい。
図1A及び図1B、図3、図4に示す実施例では、温度制御用手段として棒状発熱体を用いた構成を説明した。同様の構成において、必要に応じて、ヒートパイプ等を用いた冷却手段を併用することも可能である。すなわち、ベースヨーク、磁極片に加熱手段を設置し、永久磁石に冷却手段を設置したり、あるいはベースヨークに加熱手段と冷却手段をともに設置する構成を採用できる。
【0036】
図1A及び図1Bに示すこの発明の磁界発生装置は、図8に示す2系統の温度制御系13,14により、上下の永久磁石5,5の各々の目標温度を32℃に設定したところ、上下磁石の温度差を0.1℃の範囲に保持することが可能であり、消費電力は600Wであった。
これに対して、図10に示すベースヨークの外側にシートヒータを配置する従来の構成からなる磁界発生装置の場合、1系統の温度制御系による制御であるため、上下磁石の温度差は2〜3℃であり、消費電力は1200Wであった。
すなわち、この発明の構成は、温度制御を高精度にできるだけなく、消費電力の大幅な削減が可能であった。
また、図1A及び図1Bに示すこの発明の磁界発生装置において、さらに磁極片にも図3の構成に相当する温度制御用手段を配置し、4系統の温度制御系により、永久磁石5,5の各々の目標温度を32℃に設定したところ、傾斜磁界コイルの発熱等による外部からの温度変化に対しても上下磁石の温度差を0.1℃の範囲に保持可能であることを確認した。
【産業上の利用可能性】
【0037】
この発明によるMRI用磁界発生装置は、温度制御用手段を磁路形成部材であるベースヨーク等に埋設内蔵した構成を特徴とし、温度センサの温度検知に対応して温度調節器により温度制御用手段が加熱・冷却を実行する際、ベースヨークなどの近傍に配置された永久磁石が効率よく加熱・冷却され、制御信号に対する追従性がよい。
【0038】
また、ベースヨークなどの内部に埋設された温度制御用手段、例えば加熱ヒータの場合、加熱ヒータから発する熱がベースヨークなどを伝導して直接永久磁石に達するため、熱が外部に放散してロスが起こることなく、非常に効率良く温度制御を行なうことが可能である。
さらに、温度センサを永久磁石に複数配置することによって、部分的な温度制御が可能となる。また、複数の永久磁石をそれぞれ独立して複数の制御系にて、温度制御用手段を制御して温度制御することにより、磁界均一度の対称性を確実に実現できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【0039】
【図1】 図1Aは、この発明のMRI用磁界発生装置の構成を示す正面説明図、図1Bは図1Aの要部を示す縦断説明図である。
【図2】 図2は、この発明のMRI用磁界発生装置の斜視説明図である。
【図3】 図3は、この発明のMRI用磁界発生装置の他の実施例の要部を示す縦断説明図である。
【図4】 図4は、この発明のMRI用磁界発生装置の他の実施例の要部を示す縦断説明図である。
【図5】 図5は、この発明のMRI用磁界発生装置に用いる温度制御用手段の抜け防止手段の概要を示す、一部縦断説明図である。
【図6】 図6は、この発明のMRI用磁界発生装置に用いる温度制御用手段の抜け防止手段の概要を示す、一部縦断説明図である。
【図7】 図7Aは、この発明のMRI用磁界発生装置の磁極片の構成を示す上面説明図、図7Bはその縦断説明図である。
【図8】 図8は、この発明のMRI用磁界発生装置の温度制御を行う回路説明図である。
【図9】 図9Aは、従来のMRI用磁界発生装置の構成を示す一部縦断正面説明図、図9Bは、その横断上面図である。
【図10】 図10は、従来のMRI用磁界発生装置の他の構成を示す一部破断斜視説明図である。
Claims (1)
- 磁界発生源である永久磁石と、撮像空間を有する空隙を形成して対向するとともに各々の空隙対向面側に永久磁石を配置する一対のベースヨークと、ベースヨークを接続支持する支持ヨークと、永久磁石の空隙対向面側に配置する一対の磁極片とを有し、前記撮像空間に磁界を発生するMRI用磁界発生装置において、前記ベースヨークと前記支持ヨーク及び前記磁極片の少なくとも一つに棒状発熱体が内蔵され、前記棒状発熱体に抜け防止手段が設けられたMRI用磁界発生装置。
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