JP4404021B2 - Ｍｒｉ用超電導磁石 - Google Patents

Description

本発明は、ＭＲＩ用超電導磁石に関するものである。

ＭＲＩ用超電導磁石は、液体ヘリウムで超電導磁石を冷却している。この液体ヘリウムは、沸点が約4.2Kと低く、僅かな侵入熱量によっても蒸発する性質を持っている。この液体ヘリウムの蒸発量を小さくする一手段として、ＧＭ（ギホード・マクマホン）式冷凍機を使用して蒸発したガスを再凝縮して再び液として戻す技術が知られている。

また、磁気シールドについては下記の特許文献１「超電導マグネット」にも記載されているように、超電導コイルで発生した電磁力によって磁性体を収納したディスプレーサに力が働くとディスプレーサを駆動するためのモータに大きな負荷が加わるため冷凍機が正常に動作しなくなる。このため、磁気シールドはこの超電導コイルの磁場を遮蔽することで、冷凍機運転が正常になることを目的として使われている。使用されている磁気シールドの材質は鉄である。

仮に、この磁気シールドをＭＲＩ用超電導磁石に適用すると装置が大型化するばかりでなく、材質が鉄であることや高磁場では肉厚を厚くしなければならないことから重量が増えることが考えられる。

特開２００４−１３５６５３号公報

ＭＲＩ用超電導磁石システムで重要なことは患者の状態を映し出す写真の鮮明度である。ＧＭ冷凍機を使用した場合の問題は、ディスプレーサ内の磁性体が冷凍機を運転すると動くため、その磁性体の動きと超電導コイルの磁界によって総合誘導作用が働き、鮮明な画像が得られないことにある。

本発明の目的は、鮮明な画像で患者の健康状態を映し出すことが可能なＭＲＩ用超電導磁石を提供することにある。

上記目的は、超電導コイルと、この超電導コイルを冷却する液体ヘリウムの液溜槽と、この液溜槽を収納する熱シールドと、この熱シールドを収納する真空容器と、この真空容器から超電導コイルを支持固定する荷重支持体と、蒸発したヘリウムガスを凝縮する熱交換器を冷却する多段式冷凍機の第２寒冷部と、熱シールドを冷却する冷凍機の第１寒冷部を備えたＭＲＩ用超電導磁石において、前記冷凍機の第１寒冷部から第２寒冷部の外周に純アルミニウムからなる磁気シールドを設けたことにより達成される。

また、上記目的は、前記磁気シールドと前記液溜槽内の液体ヘリウムと熱的に接続するサーマルアンカを設けたことにより達成される。

また、上記目的は、前記磁気シールドを異材継手を介して熱シールドに設置したことにより達成される。

また、上記目的は、前記磁気シールドを熱シールドから超電導コイルの間に設置したことにより達成される。

また、上記目的は、前記磁気シールドを前記冷凍機の第２寒冷部と熱的に接続したことにより達成される。

また、上記目的は、前記冷凍機が前記超電導磁石の端部に設置され、前記磁気シールドを前記冷凍機の第１寒冷部と第２寒冷部と超電導コイルとの間に設置するとともに、前記磁気シールドが１枚若しくは複数の扇形板で形成されていることにより達成される。

また、上記目的は、磁気シールドを真空容器内に収納したにより達成される。

本発明によれば、鮮明な画像で患者の健康状態を映し出すことが可能なＭＲＩ用超電導磁石を提供できる。

以下、本発明の一実施例を図に従って説明する。

図１は、本発明の一実施例を備えたＭＲＩ用超電導磁石の断面図である。
図１において、超電導コイル１は、水平に置かれた円筒形状の巻き枠２に巻き付けられている。また、その超電導コイル１を冷却するための液体ヘリウム３は、液溜槽４内に満たされている。超電導コイル１を形成している線は、液体ヘリウム温度で超伝導になっているニオブ・チタン等の超伝導体から成る。液溜槽４の外周には、熱シールド５が設置されている。熱シールド５の外側の表面に取り付けるスーパインシュレータ（図示せず）は、室温の真空容器６からの輻射熱を遮蔽するために取り付けられている。液体ヘリウム３は超電導コイル１を冷却するためのものであるが液溜槽４を支持する断熱荷重支持体１１やその他の伝導熱及び周りからの輻射熱によって蒸発する。蒸発したガスを液化するため冷凍機７を取り付けている。冷凍機７の第１寒冷部８と第２寒冷部９に熱シールド５と熱交換器１０が取り付けられている。この熱交換器１０は、蒸発したヘリウムガスを再凝縮して再び液として戻す役目を持っている。熱交換器１０の材質は銅及びアルミニウム等の高熱伝導体であり、熱交換器１０は、伝熱面積を増やして液化量を増やす目的でフィン加工が施されている。

冷凍機７は、冷凍機７を真空容器６に直接取り付けた場合、冷凍機運転時の冷凍機の振動が真空容器６から荷重支持体１１を介して超電導コイル１に伝播して超電導コイル１を振動させてしまうことになり、その振動によって画像が鮮明に写らなくなる恐れがある。そこで、冷凍機７と真空容器６間にベローズ１２を設けている。ベローズ１２は、熱シールド５と液溜槽４の間に設置して冷凍機７の振動を抑制している。

冷凍機７は、通常１年間使用した後メンテナンスが必要であり、メンテナンスされた冷凍機７をすばやく交換しなければならない。冷凍機７と真空容器６と熱シールド５とベローズ１２と配管１４と伝熱板１５，１６とベローズ１２をそれぞれ気密に連結して、密封された液溜槽４が形成されている。この密封構造によって冷凍機７の着脱が容易になっている。冷凍機７の第１寒冷部８と伝熱板１５とが接触して熱シールド５を冷却している。この接触は、冷凍機７の鉛直方向の押し付け力による。

１７は、磁気シールドである。この場合の磁気シールド材質は、純アルミニウムである。また、ステンレス鋼製の液溜槽４に磁気シールド１７を取り付けるため、異材継手１８を両者間に挟んで接合している。磁気シールドの下方端部には、液体ヘリウム３に浸されている高熱伝導のサーマルアンカ１９を取り付け、磁気シールド１７が液体ヘリウム温度に冷却されている。磁気シールドの磁気遮蔽効果は、電気伝導率に比例している。また、電気伝導度は、アルミニウムでは温度に逆比例している。このため、磁気遮蔽効果を上げるために磁気シールドを冷却することは有効な方法である。この他の超電導体の磁気シールドでも同じ効果が得られる。

図２は、本発明の第２の実施例を備えたＭＲＩ用超伝導磁石の断面図である。
図２において、磁気シールド１７は、第２寒冷部９と熱的に接続されている。第２寒冷部９の下方に取り付けた熱交換器１０の伝熱面積を増やすこと及び磁気シールド１７を最も低い温度に下げることで磁気遮蔽効果を上げている。

図３は、本発明の第３の実施例を備えたＭＲＩ用超伝導磁石の断面図である。
図３において、冷凍機７を円筒形状の真空容器６の側面近傍に搭載した実施例である。水平円筒状の超電導コイル１が作る磁界は、通常中央部が高い。水平円筒状の超電導コイル１の両端が低磁界中にあるため同じ磁気シールド構造では磁気遮蔽効果は上がる。また磁気シールドは、板状の磁気シールドを積層する構造にできること及び磁気シールドの表面積も広くできるため、磁気遮蔽効果は増大する利点がある。２０は連通孔であり、液体ヘリウム３の液面が一定になるようしたものである。

図４は、超電導磁石を端面から見た断面図である。
図４において、磁気シールドが扇形をしており、超電導磁石のデッドスペースを有効に使っているため、超電導磁石の小型化にも有効である。２０は連通孔であり、液体ヘリウム３の液面が一定になるようしたものである。

本発明である磁気シールドを水平円筒型の超電導磁石を例として説明してきたが、円筒の軸を鉛直方向にして超電導磁石を２つ重ねた超電導磁石にも本磁気シールドは適用可能である。

図５は、本発明の第４の実施例を備えたＭＲＩ用超伝導磁石の断面図である。
図５において、第２寒冷部９近傍に設置する磁気シールド１７が高純度のアルミニウムであれば、熱伝導率が高いため、磁気シールド近傍のヘリウムガスの温度を均一にしてしまう。このため、磁気シールド周りの温度が上昇するため、第２寒冷部９への侵入熱量が増大する。最悪の場合、熱交換器１０の温度が上昇してしまい再液化は困難になる。そこで、磁気シールド１７外周に真空容器２２を設置することで、真空容器２２周りの温度は均一化することがないので第２寒冷部９への侵入熱量を小さく抑えることができる。この断熱効果は、磁気シールド１７と第２寒冷部９が接近しているときに発揮される。

なお、２１は、インジューム箔であり、熱交換器１０と第２寒冷部９との間の接触熱コンダクタンスを増加するために使用され、冷却効率を上げる効果がある。

本発明は以上のごとく、冷凍機を運転するＭＲＩ用超電導磁石は、磁性体を収納したディスプレーサが振動で上下あるいは左右に往復運動するので超電導コイルが発生した磁界との誘導作用により画像が劣化する可能性がある。この誘導作用を取り除くためにディスプレーサ周りに超電導体を含めた低抵抗体の磁気シールドを設置し、また、磁気シールドが冷却できるよう液体ヘリウム中に浸したサーマルアンカを磁気シールドに取り付けることで磁気遮蔽効果を増大させたものである。さらに、冷凍機の最低温度が得られる第２寒冷部に磁気シールドを取り付けて磁気遮蔽効果を向上させた。このため、誘導作用による磁気的外乱がなくなったため、ＭＲＩ画像解像度を高め効果を有するものである。

本発明の一実施形態であるＭＲＩ用超電導磁石の断面図おである。 本発明の他の実施形態であるＭＲＩ用超電導磁石の断面図である。 本発明の他の実施形態であるＭＲＩ用超電導磁石の断面図である。 図３の側面からみたＭＲＩ用超電導磁石の断面図である。 本発明の他の実施形態であるＭＲＩ用超電導磁石の断面図である。

符号の説明

１…超電導コイル、３…液体ヘリウム、４…液溜槽、７…冷凍機、８…第１寒冷部、９…第２寒冷部、１７…磁気シールド、１９…サーマルアンカ。

Claims (6)

1. 超電導コイルと、
   この超電導コイルを冷却する液体ヘリウムの液溜槽と、
   この液溜槽を収納する熱シールドと、
   この熱シールドを収納する真空容器と、
   この真空容器から超電導コイルを支持固定する荷重支持体と、
   蒸発したヘリウムガスを凝縮する熱交換器を冷却する多段式冷凍機の第２寒冷部と、
   熱シールドを冷却する冷凍機の第１寒冷部を備えたＭＲＩ用超電導磁石において、
   前記冷凍機の第１寒冷部から第２寒冷部の外周に純アルミニウムからなる磁気シールドを設け、
   前記冷凍機が前記超電導磁石の端部に設置され、
   前記磁気シールドを前記冷凍機の第１寒冷部と第２寒冷部と超電導コイルとの間に設置するとともに、前記磁気シールドが１枚若しくは複数の扇形板で形成されていることを特徴とするＭＲＩ用超電導磁石。
2. 請求項１記載のＭＲＩ用超電導磁石において、
   前記磁気シールドと前記液溜槽内の液体ヘリウムと熱的に接続するサーマルアンカを設け、
   前記サーマルアンカは前記液体ヘリウムに浸されることを特徴とするＭＲＩ用超電導磁石。
3. 請求項１記載のＭＲＩ用超電導磁石において、
   前記磁気シールドを異材継手を介して熱シールドに設置したことを特徴とするＭＲＩ用
   超電導磁石。
4. 請求項１記載のＭＲＩ用超電導磁石において、
   前記磁気シールドを熱シールドから超電導コイルの間に設置したことを特徴とするＭＲ
   Ｉ用超電導磁石。
5. 請求項１記載のＭＲＩ用超電導磁石において、
   前記磁気シールドを前記冷凍機の第２寒冷部と熱的に接続したことを特徴とするＭＲＩ
   用超電導磁石。
6. 請求項２記載のＭＲＩ用超電導磁石において、
   磁気シールドを真空容器内に収納したことを特徴とするＭＲＩ用超電導磁石。

Images