JP4700999B2 - 磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁気共鳴イメージング装置（以下、ＭＲＩ装置）に係り、特に、開放型のＭＲＩ装置に関する。

開放型のＭＲＩ装置は、被検体が横臥される観測領域を挟んで一対の超電導コイルを上下に配置し、上下一対の超電導コイル間を例えば2本の支柱で支持することにより、観測領域を広く開放して、被検体に閉塞感を与えない構造になっている。

すなわち、超電導コイルを冷媒が封入された円環状のコイル容器に収納し、そのコイル容器を円環状の熱シールドにより包囲し、さらに円筒状の真空容器に収納して構成されるライオスタットを、観測領域を挟んで上下に対向させて配置し、上下のクライオスタットを例えば2本の連結管で連結して構成している。連結管内に、上下のコイル容器を連結する冷媒管と、その冷媒管を包囲して上下の熱シールドを連結する熱シールド管を配置している。また、観測領域に傾斜磁場を印加するための傾斜磁場コイル（以下、ＧＣと省略する。）が、上下の真空容器に支持させてそれぞれ設けられている。さらに、観測領域に形成される静磁場の均一性を調整するために、上下の真空容器の内部に磁性体（一般に、鉄）からなる磁場調整体が配置される。

このように構成されるＭＲＩ装置においては、静磁場の均一性を保持するとともに、静磁場の変動を抑制して、計測されるＭＲ画像に悪影響を与えないようにするため、上下の超電導コイルの相対位置を保持することが重要である。そのため、クライオスタットを構成するコイル容器、熱シールド及び真空容器の支持関係を健全に保ち、かつ、高い断熱性能を有した支持を実現することが肝要である。

そこで、特許文献1では、静磁場発生源である相対向する永久磁石が取り付けられた一対のベース継鉄相互間の支持を補強して、一対の永久磁石が対向する開口部ギャップを固定することにより、一対の永久磁石の相対位置を保持することが提案されている。これにより、特に、輸送時等の変形を抑制することができるとしている。

また、特許文献２には、超電導コイルが収納された冷却容器を３本の支持棒で真空容器の内壁に支持させ、冷却容器の支持系の支持剛性のバランスを取ることで、外部加振に対してほぼ同じ振動をするようにして、静磁場の変動を抑制することが提案されている。

特開２００２−３２５７４３号公報 特開２００２−１５９４６６号公報

ところで、ＧＣにはパルス状の電流が流され、かつ静磁場中に設置されているため、ＧＣの導体にパルス電流に応じたローレンツ力が作用して、ＧＣに振動を誘発する。このＧＣの振動が支持部材等を介して静磁場発生源である超電導コイルに伝達して、超電導コイルが例えばミクロンオーダーで振動すると、静磁場が時間的に変動するからＭＲ画像に悪影響を与える。

そこで、ＧＣの振動が超電導コイルが収容されたコイル容器に伝わり難くするため、コイル容器を熱シールドを介して真空容器に支持させるとともに、ＧＣを独立して真空容器に支持させることが行われている。さらに、特願２００３−３７６３６７号に、上下のコイル容器及び熱シールドのうち、下のコイル容器を熱シールドを介して下の（床側の）真空容器にのみ固定し、上のコイル容器と熱シールドは上の真空容器に対して自由状態とすることにより、真空容器に支持されたＧＣの振動が超伝導コイルに伝わり難くした構造が提案されている。

しかし、従来、磁場調整体を熱シールドに支持させて設けていることから、輸送等において装置が衝撃を受けると、熱シールドに過大な負荷がかかるという問題がある。特に、真空容器に対して自由状態に保持された上の熱シールドに曲げや軸力で過大な負荷がかかる。このような問題について、特許文献１、２では、何ら考慮されていない。

そこで、本発明は、熱シールドの支持負荷を軽減することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明の磁気共鳴イメージング装置は、静磁場を発生する環状の超電導コイルを冷媒と共に収納するコイル容器と、該コイル容器を包囲して設けられた熱シールドと、前記熱シールドを包囲して設けられ内部が真空に保持された真空容器と、前記真空容器を空間を空けて上下に対向させて支持するとともに上下の前記真空容器を相互に連結する連結管と、上下の前記真空容器内に設置された磁性体からなる磁場調整体と、前記磁場調整体を前記各真空容器の上壁又は底壁に支持する支持部材とを備え、前記磁場調整体が設置された空間と前記熱シールドとの間に隔壁を設け、前記磁場調整体が設置された空間の真空度を前記真空容器内の真空度よりも低くしたことを特徴とする。つまり、磁場調整体を真空容器に直接支持することにより、熱シールドの支持負荷を軽減する。これにより、熱シールドを軽量化でき、ＧＣの振動による超電導コイル、コイル容器及び熱シールドの応答変位を改善して、誤差磁場を低減できる。

この場合において、磁場調整体を支持する支持部材は、断熱性及び減衰性の少なくとも一方を有することが好ましい。断熱性を有する場合は、支持部材を介して真空容器から放熱される熱量を低減できるから、コイル容器の冷媒を冷却する冷凍機の負荷の増大を抑えることができる。また、減衰性を有する場合は、真空容器から磁場調整体に伝わる振動を減衰させて、磁場均一度の変動を抑えることができる。

また、本発明は、静磁場を発生する環状の超電導コイルと、該超電導コイルを冷媒と共に収納するコイル容器と、該コイル容器を包囲して設けられた熱シールドと、前記熱シールドを包囲して設けられ内部が真空に保持された真空容器と、前記真空容器を空間を空けて上下に対向させて支持するとともに上下の前記真空容器を相互に連結する連結管と、上下の前記コイル容器を連結して前記連結管内に設けられた冷媒管と、上下の熱シールドを連結するとともに前記冷媒管を包囲して前記連結管内に設けられた熱シールド管と、上下の前記真空容器の対向面の内側にそれぞれ配置された傾斜磁場コイルと、上下の前記真空容器内に設置された磁性体からなる磁場調整体とを備えてなるＭＲＩ装置に適用できる。

この場合、上の前記真空容器内に設けられた前記磁場調整体を第１の支持部材を介して上の前記熱シールドに支持し、下の前記真空容器内に設けられた前記磁場調整体を第２の支持部材を介して下の前記真空容器の底壁に支持して構成することができる。

また、これに代えて、磁場調整体を第１の支持部材を介して各真空容器の上壁又は底壁に支持するとともに、傾斜磁場コイルを第２の支持部材を介して磁場調整体に支持して構成することができる。この場合は、傾斜磁場コイルを、真空容器の上壁又は底壁から浮かして配置することができ、これにより真空容器に直接伝達する傾斜磁場コイルの振動を低減できる。特に、第１と第２の支持部材は、断熱性及び減衰性の少なくとも一方を有するものとすることにより、振動及び冷凍機負荷の増大を抑制できる。

また、傾斜磁場コイルと磁場調整体が設置された空間と熱シールドとの間に隔壁を設け、傾斜磁場コイルと磁場調整体が設置された空間の真空度を真空容器内の真空度よりも低くして構成することができる。

上述したように、本発明によれば、熱シールドの負荷荷重を軽減できるから、輸送等の衝撃に対する熱シールド自体の強度及び支持力を低減できる。その結果、熱シールド支持構造からの熱侵入量を軽減でき、冷凍機の負荷の増加を抑制できるだけでなく、ＧＣの振動による超電導コイルの応答変位を改善して、誤差磁場を低減できる。

また、上下のコイル容器はそれぞれ上下の熱シールドに支持され、上下の熱シールドの連結体は、下の真空容器の底壁に支持された構成の場合、つまり、下の熱シールドのみで超伝導コイルとコイル容器と熱シールドからなる連結体を下の真空容器の底壁に固定した構造とすることができる。これによれば、ＧＣの振動が超電導コイルに伝わり難い支持構造となる。この場合は、輸送等の衝撃を受けた際に、衝撃力により大きく変形し、熱シールド支持に曲げや軸力で過大な荷重負荷が生じ、熱シールド支持が損傷してしまうおそれがあるが、本発明によれば、磁場調整体を真空容器に直接支持させたことにより、熱シールドに加わる負荷荷重を軽減できるので、輸送等の衝撃を受けた際の損傷発生を抑制できる。

本発明によれば、ＧＣの振動が超電導コイルに伝わり難い支持構造を採用しても、輸送等の衝撃に起因する熱シールドの支持負荷を軽減して、損傷発生を抑制できる。

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。まず、本発明が適用可能なＭＲＩ装置の概要構成を図６に示す。図示のように、ＭＲＩ装置は、超電導コイル（図示せず）、該超電導コイルを冷媒と共に収納するコイル容器（図示せず）、該コイル容器を包囲し、且つ内部が真空に保持された真空容器４１、４２と、上下のコイル容器間の冷媒を連結するように撮像空間９９を挟んで配置された連結管６１、６２と、前記冷媒を冷却する冷凍機５０からなる超電導磁石装置８０と、被検体を乗せるベッド９８と、被検体からの核磁気共鳴信号を解析する制御装置１００とから構成され、真空容器４１、４２を相互に離間して相対向するように配置すると共に、両真空容器４１、４２間に垂直に磁場空間を形成し、ベッド９８に乗った被検体に対して断層撮影を行うものである。以下に、本発明が適用されたＭＲＩ装置の実施例について説明する。

図１に、本発明の実施例１を示す。図示のように、本実施例は、静磁場を発生する環状の上下一対の超電導コイル１１、１２と、超電導コイル１１、１２を冷媒１９と共に収納する円環状の上下一対のコイル容器２１、２２と、コイル容器２１、２２を包囲して設けられた円環状の上下一対の熱シールド３１、３２と、熱シールド３１、３２を包囲して設けられ内部が真空に保持された円筒状の上下一対の真空容器４１、４２とにより、上下一対のクライオスタット５１、５２が構成されている。

このように構成されるクライオスタット５１、５２は、複数（図示例では２本）の連結管６１、６２により上下の真空容器４１、４２を空間を空けて対向させて支持される。また、連結管６１、６２は、上下の真空容器４１、４２を相互に連結するとともに、上下のコイル容器２１、２２を連結する冷媒管と、上下の熱シールド３１、３２を連結する熱シールド管が挿通されるようになっている。

コイル容器２１、２２は、複数の垂直方向の支持部材７１、７２を介して、また、複数の横方向の支持部材７３、７４を介して熱シールド３１、３２の内壁に支持されている。熱シールド３１、３２の連結体は、下の真空容器４２の底壁においてのみ支持されている。つまり、下の熱シールド３２を複数の垂直方向の支持部材７５を介して、また、複数の横方向の支持部材７６を介して、真空容器４２の底壁に支持されている。これらの支持部材７１、７２、７３、７４、７５、７６は、熱伝導率の小さい非磁性の材料、例えば、ガラス繊維補強エポキシ樹脂などの繊維補強合成樹脂材料で形成されている。

また、上下の真空容器４１、４２が対向する面の内側に、上下一対の傾斜磁場コイル（ＧＣ）１０１、１０２が取り付けられている。一対の熱シールド３１、３２の空心部に磁性体（例えば、鉄）からなる上下一対の磁場調整体８３、８４が設けられている。磁場調整体８３は複数の支持部材８１を介して真空容器４１の上壁に支持されている。また、磁場調整体８４は複数の支持部材８２を介して真空容器４２の底壁に支持されている。

このように構成されることから、本実施例によれば、磁場調整体８３、８４を真空容器４１、４２に直接支持していることから、熱シールド３１、３２の支持負荷を軽減することができる。これにより、熱シールド３１、３２を軽量化でき、ＧＣの振動による超電導コイル、コイル容器及び熱シールドの応答変位を改善して、誤差磁場を低減できる。さらに、常温である磁場調整体８３、８４を、冷却が施された熱シールド３１、３２から支持を切り離したから、熱侵入量を減少させて、冷凍機の負荷を低減できる。

特に、熱シールド３１、３２の負荷荷重を軽減できるから、輸送等の衝撃に対する熱シールド自体の強度及び支持力を低減できる。その結果、支持部材７５、７６からなる熱シールド支持構造を軽量化できるから、それらの支持構造からの熱侵入量を低減でき、冷凍機の負荷の増加を抑制できるだけでなく、ＧＣの振動による超電導コイルの応答変位を改善して、誤差磁場を低減できる。

また、熱シールド３１、３２の負荷荷重を軽減できるから、下の熱シールドのみで超伝導コイル１１、１２とコイル容器２１、２２と熱シールド３１、３２からなる連結体を、下（床側）の真空容器４２の底壁に固定する構造を採用できる。また、この場合は、輸送等の衝撃を受けた際に、衝撃力により大きく変形し、熱シールド支持に曲げや軸力で過大な荷重負荷が生じが、熱シールドに加わる負荷荷重が軽減されているので、輸送等の衝撃を受けた際の損傷発生を抑制できる。

本実施例において、磁場調整体８３、８４を支持する支持部材８１、８２は、非磁性の金属材料（例えば、ステンレス、チタン、アルミニウム、銅、真鍮など）を用いることができる。これによれば、剛性が高いから、ＧＣの振動に伴う磁場調整体８３、８４の振動を抑制できる。また、製作性に優れるから、支持強度に応じて種々の形状に対応できる。

また、支持部材８１、８２は、非磁性の繊維補強合成樹脂材料ＦＲＰ（例えば、ＣＦＲＰ、ＡＦＲＰ、ＧＦＲＰなど）を用いることが好ましい。これによれば、軽量で、かつ剛性が高いから、ＧＣの振動に伴う磁場調整体８３、８４の振動を抑制できる。特に、ＦＲＰは断熱性を有するから、支持部材ＦＲＰを介して真空容器４１、４２からの熱侵入を低減できる。また、室温変化が生じた際にも、磁場均一度に悪影響を与える磁場調整体８３、８４の熱膨張による形状変化を最低限に留めることができ、室温変化が生じた場合でも磁場均一度の安定効果が望める。

さらに、支持部材８１、８２は、減衰性を有するゴム（例えば、天然ゴム、磯プレンゴムなど）を用いることができる。これによれば、真空容器４１、４２から伝動される振動を減衰させて、磁場均一度の変動を抑えることができる。また、ある程度の断熱性を確保できる。また、支持部材８１、８２に減衰性能を持たせることで、真空容器４１、４２に外部振動が生じた際にも、磁場均一度に悪影響を与える磁場調整体８３、８４の振動変位による位置変化を最低限に留めることができ、磁場均一度の安定効果が望める。

図２に本発明の実施例２を示す。本実施例が、実施例１と相違する点は、上側の磁場調整体８３を、支持部材８５を介して熱シールド３１の内側の側面に支持させたことにある。その他は、実施例１と同一であるから、同一の符号を付して説明を省略する。なお、支持部材８５の材料は、実施例１と同様に、非磁性の金属、ＦＲＰ又はゴムを用いることができる。

本実施例によれば、拘束端に近い床側の磁場調整体８４のみ床側の真空容器４２に支持部材８２により支持し、拘束端から遠く揺れが比較的大きい上側の真空容器４１では、磁場調整体８３を熱シールド３１に支持部材８５によって支持することで、ＧＣの振動による磁場均一度に直結する磁場調整体８３の振動と、超伝導コイル１１の振動との差を小さくすることができる。また、熱シールド３１、３２の連結体の負荷質量の低減効果も期待できる。

図３に、本発明の実施例３を示す。本実施例が、実施例１と相違する点は、ＧＣ１０１及びＧＣ１０２を真空容器４１、４２の対向面の内面から浮かせ、支持部材９０、９１を介して磁場調整体８３、８４にそれぞれ支持させたことにある。その他は、実施例１と同一であるから、同一の符号を付して説明を省略する。なお、支持部材９０、９１の材料は、実施例１と同様に、非磁性の金属、ＦＲＰ又はゴムを用いることができる。また、支持部材８１、８２と支持部材９０、９１の材料を変えて、適宜組み合わせることができる。

本実施例によれば、真空容器４１、４２に直接伝達するＧＣ１０１及びＧＣ１０２の振動を低減できる。特に、実施例１の効果に加えて、ＧＣ１０１及びＧＣ１０２を磁場調整体８３、８４に支持させることにより、ＧＣ１０１及びＧＣ１０２を真空容器４１、４２の内部に格納できる。そして、十分な剛性を有した磁場調整体８３、８４に抱き合わせることが可能となり、ＧＣ１０１及びＧＣ１０２を真空中でもしっかりと固定できる。特に、被検体の入る観測領域の赤道面側の真空容器からの放射による騒音低減も期待できる。また、更に赤道面側の真空容器にはＧＣ１０１及びＧＣ１０２を支持する必要がなくなるため、板厚を薄くでき、質量を減らすことも可能となる。その結果、開放型ＭＲＩ装置に重要な赤道面側の真空容器間のスペースを広く取ることができ、被検体に対する寸法制限が緩くなるという効果がある。

図４に、本発明の実施例４を示す。本実施例が実施例３と異なる点は、ＧＣ１０１及びＧＣ１０２と磁場調整体８３、８４が設置された空間１０３、１０４と、熱シールド３１、３２との間に隔壁８８、８９を設け、空間１０３、１０４の真空度を真空容器４１、４２内の真空度よりも低くしたことにある。その他は、実施例３と同一であるから、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施例によれば、ＧＣ１０１及びＧＣ１０２、磁場調整体８３、８４、支持部材８１、８２と支持部材９０、９１と、超電導コイル１１、１２及び熱シールド３１、３２とを、別々の真空容器に格納することになる。したがって、空間１０３、１０４の真空度は、ＧＣの振動の遮音効果や室温変化の影響を磁場調整体８３、８４に急激に与えない程度で十分である。その結果、実施例３の効果に加えて、空間１０３、１０４の真空シール部の小型軽量化や、真空容器の熱シールドに対する内表面積減少による熱進入量削減効果が得られる。これにより、冷凍機負荷も低減でき、製作性向上による磁場均一度の向上効果が期待できる。

なお、支持部材８１、８２と支持部材９０、９１の材料は、実施例１と同様に、非磁性の金属、ＦＲＰ又はゴムを用いることができる。また、支持部材８１、８２と支持部材９０、９１の材料を変えて、適宜組み合わせることができる。

図５に、本発明の実施例５を示す。本実施例が、実施例４と異なる点は、ＧＣ１０１及びＧＣ１０２を実施例１と同様に真空容器４１、４２に取り付けたことにある。その他は、実施例４と同一であるから、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施例によれば、実施例１の効果に加えて、磁場調整体及びその支持部材を超電導コイルや熱シールドとを別々の容器に格納しているから、空間１０３、１０４の真空度は、ＧＣの振動の遮音効果や室温変化の影響を磁場調整体８３、８４に急激に与えない程度で十分である。その結果、実施例１の効果に加えて、空間１０３、１０４の真空シール部の小型軽量化や、真空容器の熱シールドに対する内表面積減少による熱進入量削減効果が得られる。これにより、冷凍機負荷も低減でき、製作性向上による磁場均一度の向上効果が期待できる。

以上説明した実施例１〜５では、磁場調整体を真空容器に直接固定し、磁場調整体を常温とし、室温変化が生じた場合にも真空容器との間に時間変化がなだらかな断熱支持とすることで、温度変化による磁場調整体の形状変化を最小に抑え、磁場均一度への影響を考慮しつつ、熱シールドの付加質量を低減できる。その結果、熱シールドの剛性も小さくてすみ、熱シールドの必要板厚減少及び熱シールド支持の小型軽量化による質量低減も可能である。

本発明の磁気共鳴イメージング装置の実施例１の断面図である。 本発明の磁気共鳴イメージング装置の実施例２の断面図である。 本発明の磁気共鳴イメージング装置の実施例３の断面図である。 本発明の磁気共鳴イメージング装置の実施例４の断面図である。 本発明の磁気共鳴イメージング装置の実施例５の断面図である。 本発明が適用可能な磁気共鳴イメージング装置の一例の斜視外観図である。

符号の説明

１１、１２ 超電導コイル
１９ 冷媒
２１、２２ コイル容器
３１、３２ 熱シールド
４１、４２ 真空容器
５１、５２ クライオスタット
６１、６２ 連結管
７１、７２、７３、７４ 支持部材
７５、７６ 支持部材
８１、８２、８５ 支持部材
８３、８４ 磁場調整体
９０、９１ 支持部材
１０１、１０２ 傾斜磁場コイル

Claims (10)

1. 静磁場を発生する環状の超電導コイルを冷媒と共に収納するコイル容器と、該コイル容器を包囲して設けられた熱シールドと、前記熱シールドを包囲して設けられ内部が真空に保持された真空容器と、前記真空容器を空間を空けて上下に対向させて支持するとともに上下の前記真空容器を相互に連結する連結管と、上下の前記真空容器内に設置された磁性体からなる磁場調整体と、前記磁場調整体を前記各真空容器の上壁又は底壁に支持する支持部材とを備え、前記磁場調整体が設置された空間と前記熱シールドとの間に隔壁を設け、前記磁場調整体が設置された空間の真空度を前記真空容器内の真空度よりも低くしたことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
2. 前記磁場調整体が設置された空間に傾斜磁場コイルが設置されてなることを特徴とする請求項１に記載の磁気共鳴イメージング装置。
3. 静磁場を発生する環状の超電導コイルと、該超電導コイルを冷媒と共に収納するコイル容器と、該コイル容器を包囲して設けられた熱シールドと、前記熱シールドを包囲して設けられ内部が真空に保持された真空容器と、前記真空容器を空間を空けて上下に対向させて支持するとともに上下の前記真空容器を相互に連結する連結管と、上下の前記コイル容器を連結して前記連結管内に設けられた冷媒管と、上下の熱シールドを連結するとともに前記冷媒管を包囲して前記連結管内に設けられた熱シールド管と、上下の前記真空容器の対向面の内側にそれぞれ配置された傾斜磁場コイルと、上下の前記真空容器内に設置された磁性体からなる磁場調整体とを備え、上の前記真空容器内に設けられた前記磁場調整体を第１の支持部材を介して上の前記熱シールドに支持し、下の前記真空容器内に設けられた前記磁場調整体を第２の支持部材を介して下の前記真空容器の底壁に支持してなる磁気共鳴イメージング装置。
4. 上下の前記コイル容器はそれぞれ上下の前記熱シールドに支持され、上下の前記熱シールドの連結体は、下の前記真空容器の底壁に支持されてなることを特徴とする請求項３に記載の磁気共鳴イメージング装置。
5. 前記第１と第２の支持部材は、断熱性及び減衰性の少なくとも一方を有することを特徴とする請求項３に記載の磁気共鳴イメージング装置。
6. 環状の超電導コイルと、該超電導コイルを冷媒と共に収納するコイル容器と、該コイル容器を包囲して設けられた熱シールドと、前記熱シールドを包囲して設けられ内部が真空に保持された真空容器と、前記真空容器を空間を空けて上下に対向させて支持するとともに上下の前記真空容器を相互に連結する連結管と、上下の前記コイル容器を連結して前記連結管内に設けられた冷媒管と、上下の熱シールドを連結するとともに前記冷媒管を包囲して前記連結管内に設けられた熱シールド管と、上下の前記真空容器の対向面の内側にそれぞれ配置された傾斜磁場コイルと、上下の前記真空容器内に設置された磁性体からなる磁場調整体とを備え、前記磁場調整体を第１の支持部材を介して前記各真空容器の上壁又は底壁に支持するとともに、前記傾斜磁場コイルを第２の支持部材を介して前記磁場調整体に支持してなる磁気共鳴イメージング装置。
7. 上下の前記コイル容器はそれぞれ上下の前記熱シールドに支持され、上下の前記熱シールドの連結体は、下の前記真空容器の底壁に支持されてなることを特徴とする請求項６に記載の磁気共鳴イメージング装置。
8. 前記傾斜磁場コイルは、前記真空容器の上壁又は底壁から浮かして配置されたことを特徴とする請求項６に記載の磁気共鳴イメージング装置。
9. 前記傾斜磁場コイルと前記磁場調整体が設置された空間と前記熱シールドとの間に隔壁を設け、前記傾斜磁場コイルと前記磁場調整体が設置された空間の真空度を前記真空容器内の真空度よりも低くしたことを特徴とする請求項６に記載の磁気共鳴イメージング装置。
10. 前記第１と第２の支持部材は、断熱性及び減衰性の少なくとも一方を有することを特徴とする請求項６に記載の磁気共鳴イメージング装置。

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