JP4908960B2 - 超伝導磁石装置および磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Description

本発明は、超伝導磁石装置および、それを用いた磁気共鳴イメージング(以下、ＭＲＩと称す)装置に係り、特に被検体に閉塞感を与えない開放型のＭＲＩ分析に適した超伝導磁石装置及びそれを用いたＭＲＩ装置に関する。

ＭＲＩ装置は、核磁気共鳴（Nuclear Magnetic Resonance、以下ＮＭＲと称す）現象により水素原子核スピンが放出する電磁波を計測し、その電磁波を信号として演算処理することで、被検体を水素原子核密度によって断層像化するものである。水素原子核スピンが放出する電磁波の計測には、計測領域として、高強度で、高い静磁場均一度を有する均一磁場領域を生成する必要がある。

水素原子核スピンが放出する電磁波による電磁場の強度は、均一磁場領域の静磁場の強度に比例するため、断層像の分解能を向上させるには静磁場の強度を上げる必要があるからである。そこで、高強度の静磁場を発生させるために超伝導磁石装置が用いられている。また、断層像を高画質・高解像度で歪みを無くすために、均一磁場領域の磁場均一度を高める必要もある。そして、均一磁場領域の静磁場の強度を上げ、磁場均一度を高める方法として超伝導磁石装置内に磁性材が設けられている。

磁性材は、一般的に常温の大気中に配置されていたが、超伝導コイルを冷却する極低温の液体ヘリウムが満たされたコイル容器内に設置されたＭＲＩ装置が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。また、磁性材が、極低温のコイル容器を覆い真空容器からの輻射熱をシールドする中低温の熱シールド系に設置されたＭＲＩ装置も提案されている（例えば、特許文献３参照）。
特開２００１−２２４５７１号公報 特開平１０−９７９１７号公報 特開２００５−１４４１３２号公報

しかしながら、常温の大気中に磁性材を配置する場合には、以下の２つの問題が発生すると考えられた。
（１）常温の大気中に配置された磁性材は、変動する室温の変化に応じて温度が変化することにより膨張収縮し寸法が変位する。この変位により磁場均一度が変化すると考えられた。
（２）超伝導コイルに永久電流を印加した場合の振動や、外部からの振動に対しては超伝導磁石装置のコイル容器とコイル容器を収納する真空容器との間の相対変位が避けられない。この場合、磁性材が常温の大気中にあると、コイル容器内の超伝導コイルの位置と磁性材との間で相対的な変位が生じ、磁場均一度が変化すると考えられた。

そして、前記（１）と（２）の問題は、特許文献１、２で提案されたコイル容器内に磁性材を配置することにより解決される可能性があるが、この場合、以下のような問題が生じると考えられた。
（３）コイル容器は真空容器内において熱シールド板の中に設置されるため、熱シールド板とコイル容器との間のギャップ分と、熱シールド板とコイル容器との板厚分は、必然的に超伝導コイルの中心軸から、磁性材は遠ざかることになる。したがって、その分、磁性材による超伝導コイルの中心軸上の磁場への影響感度が落ちるため、感度を上げるために磁性材の体積を増加させる必要が生じ、磁石重量が増加する。場合によっては、体積を増加させても必要な感度を得ることが困難になると考えられた。

また、特許文献３に示された熱シールド板に磁性材を配置する場合には、以下の問題が発生すると考えられた。
（４）熱シールド板の熱容量が実質的に増加することになり、初期冷却時に時間がかかるという問題がある。また、熱シールド板を冷却する冷凍機が停電により停止すると、熱シールド板と磁性材の温度が上昇するが、いったん上昇した磁性材の温度はなかなか下がらずに磁場均一度が長時間にわたり変化することが考えられた。

本発明は前記の問題点を解決しようとするもので、その目的は、室温変化、振動、停電による冷凍機停止等の外乱に対しても、磁性材の体積を増加させることなく、高い磁場均一度が得られる超伝導磁石装置およびＭＲＩ装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明の超伝導電磁石およびＭＲＩ装置は、磁性材の荷重を、コイル容器から断熱的に支持し、真空容器内部の真空中に設置するために、磁性材は、熱シールドの外側に配置されていたり、支持体は、熱シールドを貫通していたり、磁性材は、真空容器と熱伝導体で接続されていたりすることを特徴とする。

このような超伝導電磁石およびＭＲＩ装置によれば、外乱に対しても、磁性材の体積を増加させることなく、高い磁場均一度が得られる超伝導磁石装置およびＭＲＩ装置を提供することができる。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。

図１に示すように、ＭＲＩ（磁気共鳴イメージング）装置１としては、オープン型ＭＲＩ装置をあげることができる。オープン型ＭＲＩ装置は、超伝導磁石装置２と、被検体をのせるベッド６と、制御装置７とを有している。超伝導磁石装置２は、上下２つの真空容器３を有し、下の真空容器３の上に２本の支持部材４が立てられ、これらの支持部材４によって上の真空容器３が支持されている。支持部材４によって離間された上下の真空容器３の間に被検体を入れて診療するものであるため、被検体の視界は閉ざされず解放的であり、オープン型ＭＲＩ装置は被検体に好評である。上下の真空容器３はそれぞれ、Ｚ軸を共通の中心軸とする円柱形である。また、Ｚ軸を法線とするＲ面に対して、上下の真空容器３は互いに面対称の形状をしている。

図２と図３に示すように、超伝導磁石装置２は、上下の真空容器３毎に、永久電流を流し磁場を発生させ、中心軸がＺ軸に一致する円環状の超伝導コイル１１と、この超伝導コイル１１を冷媒１４と共に収納するコイル容器９と、このコイル容器９を包囲するように設けられた熱シールド８とを有し、上下の真空容器３はそれぞれ、この熱シールド８を包囲し、内部を真空に保持っている。冷媒１４は超伝導コイル１１を直接冷却し、液体ヘリウム（Ｈｅ）が用いられている。コイル容器９は、円環状の超伝導コイル１１に沿いこれを収納するように、Ｚ軸を中心軸にする円環状に形成され、容積をできるだけ小さくしている。同様に、熱シールド８は、円環状のコイル容器９に沿って覆うように、Ｚ軸を中心軸にする円環状に形成され、侵入熱を遮断する関係から表面積をできるだけ小さくしている。

超伝導磁石装置２が、室温の室内に配置されても、真空容器３内が真空になっているので、室内の熱が伝導や対流で、コイル容器９に伝わることはない。また、熱シールド８は、冷凍機で冷却されることで、真空容器３からの輻射熱を吸収し冷凍機に放出するので、輻射熱でコイル容器９が昇温されることはない。なお、熱シールド８は冷媒１４の温度の極低温と室温との間の中低温に設定すればよい。超伝導コイル１１とコイル容器９は冷媒１４の極低温に安定して設定できる。

そして、それぞれの真空容器３の中には、発生した磁場を補正し均一磁場領域３４を形成する磁性材（磁場の補正用の磁性材）１２、１３が備えられている。磁性材１２は、Ｚ軸を中心軸とする円環状であり、外径は超伝導コイル１１の内径より小さい。磁性材１３は、Ｚ軸を中心軸とする円柱状であり、直径は磁性材１２の内径より小さい。このように、超伝導磁石装置２は、概ね、Ｚ軸を対称軸とする対称の構造に構成され、また、Ｒ面を対称面とする対称の構造に構成されている。

上下の真空容器３は、支持部材４で互いに連通している。同様に、上下の真空容器３内にそれぞれ収納されているコイル容器９も、支持部材４内で互いに連通するように連通孔２０が設けられている。また、上下の真空容器３内にそれぞれ収納されている熱シールド８も、連通孔２０の周囲を覆うように、支持部材４内で互いに接続している。
超伝導コイル１１は、コイル容器９に支持され、熱シールド８もコイル容器９に支持されている。総荷重の大きくなるコイル容器９は、基盤となる真空容器３に支持されている。

上下の真空容器３の互いに対向する面の窪み部にはそれぞれ、ＲＦコイル５と、傾斜磁場コイル３１とが設けられている。ＭＲＩ装置１は、ＮＭＲ現象により水素原子核スピンが放出する核磁気共鳴信号を計測し、その核磁気共鳴信号を演算処理することで、被検体内を水素原子核密度によって断層像化する。その際に、被検体が入る均一磁場領域３４には、強度が０．２Ｔ以上の高強度であり、高い静磁場均一度を有する静磁場を生成させる。均一磁場領域３４の上下１対の傾斜磁場コイル３１は、均一磁場領域３４内の位置情報を得る目的で、磁場を空間的に変化させた傾斜磁場を均一磁場領域３４に印加する。さらに、均一磁場領域３４の上下１対のＲＦコイル５は、ＮＭＲ現象を引起すための共鳴周波数の電磁波を均一磁場領域３４に印加する。これらにより、均一磁場領域３４内の微小領域ごとに水素原子核スピンが放出する核磁気共鳴信号を計測し、その核磁気共鳴信号を演算処理することで、被検体体内を水素原子核密度によって断層像化することができる。

図２乃至図４に示すように、前記磁性材１２、１３は非磁性で金属性の接続部材１７にて結合され一体化されている。一体化された磁性材１２、１３は、その荷重をコイル容器９に断熱性の支持体１５を介して支持させている。支持体１５は、液体ヘリウム温度のコイル容器９から室温の磁性材１２、１３を支持するため、磁性材１２、１３からコイル容器９への熱伝導を減らすような素材で構成する。例えば、支持体１５として低熱伝導率の繊維強化型プラスチック（ＦＲＰ）パイプを用いることができる。パイプ形状の替わりに板形状または棒形状をしたＦＲＰを用いても同様の機能、効果を得ることが可能である。支持体１５は、Ｚ軸と平行な鉛直方向に立てられて設置されている。支持体１５の一端は、接続部材１７に固定されており、もう１つの一端は、非磁性で金属性の接続部材１６を介してコイル容器９に固定されている。接続部材１６は、支持体１５とコイル容器９とを接続している。前記磁性材１２、１３は、支持体１５に支持されている。

前記支持体１５は、熱シールド８を貫通して設けられることにより、磁性材１２、１３は、熱シールド８の外側に配置され、熱シールド８には覆われていない。熱シールド８には、接続部材１６を覆うために、熱シールド袋１８が設けられている。熱シールド袋１８には孔２３が設けられ、この孔２３を支持体１５が貫通している。

また、図２のＣ−Ｃ方向の断面図の上半分である図５に示すように、一体化された磁性材１２、１３に対して、その荷重のかかる方向とは直角の方向への運動を抑制するために、磁性材１３は、コイル容器９に断熱性の支持体２５を介して支持させている。支持体２５は、極低温のコイル容器９から室温の磁性材１２、１３を支持するため、磁性材１２、１３からコイル容器９への熱伝導を減らすようなＦＲＰ等の素材で構成する。支持体２５の形状は、パイプ形状に限らず板形状や棒形状であってもよい。支持体２５は、Ｚ軸と直交する水平方向に寝かされて設置されている。支持体２５の一端は、磁性材１３に固定された非磁性で金属性の接続部材２７に固定されており、もう１つの一端は、非磁性で金属性の接続部材２６を介してコイル容器９に固定されている。接続部材２６は、支持体２５とコイル容器９とを接続している。前記磁性材１２、１３は、支持体２５によりＺ軸に対するブレがないように支持されている。

前記支持体２５は、熱シールド８を貫通して設けられることにより、磁性材１２、１３は、熱シールド８の外側に配置され、熱シールド８には覆われていない。熱シールド８には、接続部材２６を覆うために、熱シールド袋２８が設けられている。熱シールド袋２８には孔２４が設けられ、この孔２４を支持体２５が貫通している。

磁性材１２、１３は、真空容器３の中の真空中に設置されているが、熱シールド８の外側に設置されているので、真空容器３からの輻射熱で、磁性材１２、１３の温度がほぼ室温と同等になる。

さらに、磁性材１２、１３は、極低温のコイル容器９から断熱支持されていることでも、磁性材１２、１３の温度を、ほぼ室温に維持することが可能になる。このとき、磁性材１２、１３の熱容量が大きいため室温の経時的な変化による真空容器３の温度の変化に磁性材１２、１３の温度が左右されず、磁性材１２、１３の位置、寸法を変化させることがない。

磁性材１２、１３は、熱シールド８には支持していないので、互いに振動は伝導せず、熱シールド８の温度の変化による磁性材１２、１３の温度の変化は生じにくく、磁性材１２、１３の位置、寸法の変化も生じにくいので、磁場均一度が低下するおそれはない。

よって、停電による冷凍機停止などによる熱シールド８の温度の上昇の際にも、磁場均一度の変化を抑えられる。また、超伝導コイル１１のクエンチ時などに、熱シールド８に過大な電磁力がかかり、塑性変形し、熱シールド８の位置が変化しても、超伝導コイル１１と磁性材１２、１３との位置関係は変化しないので、クエンチ後に磁場均一度が変化する恐れはない。

また、傾斜磁場コイル３１の通電により、発生する渦電流で熱シールド８に電磁力が働き振動が発生しても、この振動は熱シールド８に接続していない磁性材１２、１３には伝わりにくいので、超伝導コイル１１と磁性材１２、１３との位置関係は変化せず、磁場均一度が変化する恐れはない。このように、停電や振動等の外乱に強い高性能のＭＲＩ装置を構成できるという利点がある。

なお、支持体１５、２５の長さ方向の中間地点はサーマルアンカになっており、この中間地点からは、熱シールド８へ伝熱フレキ１９、２９が接続されている。伝熱フレキ１９、２９は、両端にそれぞれ接続された支持体１５、２５と熱シールド８の荷重を互いに支持しあうことはできないが、熱を良く伝導し、支持体１５、２５の中間地点の温度を、熱シールド８の温度に設定している。このことにより、支持体１５、２５の一端から他端までの室温から極低温にいたる熱伝導による極低温のコイル容器９への熱流を抑えている。

以上説明した実施形態によれば、磁性材１２、１３の荷重を真空容器３中でコイル容器９から断熱的に支持することで、室温変化や振動等の外乱に対して磁場変化を少なくすることが可能となるので、高性能なＭＲＩ装置を提供することができる。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。

図６と図７に示すように、他の実施形態は、磁性材１２、１３が真空容器３と熱伝導体３２、３３で接続されている点が、図２と図４に示した実施形態と異なっている。熱伝導体３２、３３は、両端にそれぞれ接続された真空容器３と磁性材１２、１３の荷重を互いに支持しあうことはできないが、熱を良く伝導する。これにより、真空容器３にある熱は、輻射により磁性材１２、１３に伝わるだけでなく、熱伝導体３２、３３を伝導することによっても磁性材１２、１３に伝わるので、磁性材１２、１３の温度を、より早く真空容器３の温度すなわち室温とほぼ同一にすることができる。

しかし、室温も一日を周期として変動していて、この室温の変動に磁性材１２、１３の温度を追従させたくない。そこで、磁性材１２、１３は、真空容器３と熱伝導体３２、３３で接続されているが、熱伝導体３２、３３の熱時定数（真空容器３と磁性材１２、１３との温度差が３０％まで小さくなるのに要する時間）を、１日を超えて設定する。このことにより、１日を１周期とする室温の変化に起因する真空容器３の温度変化に、磁性材１２、１３の温度変化が追従しないため、磁場の均一度を安定して保つことが可能となり、磁場安定性の高い高性能なＭＲＩ装置を提供できる。なお、熱伝導体３２、３３の熱時定数は、熱伝導体３２、３３の個数や断面積や長さを調整することにより変更することができる。

逆に、熱伝導体３２、３３の熱時定数が１週間を超えると、熱伝導体３２、３３が設けられていない場合と同様に、磁性材１２、１３の温度と室温の設定値が大きく異なる場合、たとえば、超伝導磁石装置２の初期の立ち上げ時に搬送中に磁性材の温度が室温に比べて上昇あるいは低下していると、磁性材１２、１３の温度が室温で一定になるまでに時間がかかり、磁場均一度が長期間安定しないという問題が考えられる。そこで、熱伝導体３２、３３の熱時定数が、１週間以下になるように、熱伝導体３２、３３の個数や断面積や長さを調整することが好ましい。逆に、超伝導磁石装置２の初期の立ち上げ時には、磁性材１２、１３の初期の温度をあらかじめ室温と同一に設定して搬送等することでも、容易に磁性材１２、１３の温度を室温で一定にすることができる。

なお、熱伝導体３２、３３は弾性係数が小さい可とう性のある金属であり、熱伝導体３２、３３に可とう性をもたせることで、真空容器３の振動による影響を受けて磁性材１２、１３が振動し、磁場均一度が変化することを避けることができる。熱伝導体３２、３３の例としては銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）製の配線や薄板積層板があげられる。

以上説明した他の実施形態によっても、磁性材１２、１３を真空容器３中でコイル容器９から断熱的に支持しているので、実施形態と同じように外乱に対して磁場変化を少なくすることができ、さらに、熱伝導体３２、３３の熱時定数を調整することで、温度変化による磁場変化に対する感度を、外乱に対しては低く、初期の立ち上げ時には高いような高性能なＭＲＩ装置を提供することができる。

実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置の斜視図である。 実施形態に係る超伝導磁石装置の上方からの透視図である。 図２のＡ−Ａ方向の断面図である。 図２のＢ−Ｂ方向の断面図の上半分である。 図２のＣ−Ｃ方向の断面図の上半分である。 他の実施形態に係る超伝導磁石装置の上方からの透視図である。 図６のＤ−Ｄ方向の断面図である。

符号の説明

１ 磁気共鳴イメージング装置
２ 超伝導磁石装置
３ 真空容器
８ 熱シールド
９ コイル容器
１１ 超伝導コイル
１２、１３ 磁性材
１５ 支持体
１６、１７ 接続部材
２３、２４ 孔
２５ 支持体
２６、２７ 接続部材
２８ 熱シールド袋
３２、３３ 熱伝導体
３４ 均一磁場領域

Claims (7)

1. 磁場を発生させる環状の超伝導コイルと、
   前記超伝導コイルを冷媒と共に収納するコイル容器と、
   前記コイル容器を包囲するように設けられた熱シールドと、
   前記熱シールドを包囲し、内部が真空に保持された真空容器と、
   前記真空容器中に設置された前記磁場の補正用の磁性材とを備える超伝導磁石装置において、
   前記磁性材は、前記コイル容器に固定された断熱性の支持体に支持され、前記熱シールドの外側に配置されていることを特徴とする超伝導磁石装置。
2. 前記支持体は、前記熱シールドを貫通していることを特徴とする請求項１に記載の超伝導磁石装置。
3. 磁場を発生させる環状の超伝導コイルと、
   前記超伝導コイルを冷媒と共に収納するコイル容器と、
   前記コイル容器を包囲するように設けられた熱シールドと、
   前記熱シールドを包囲し、内部が真空に保持された真空容器と、
   前記真空容器中に設置された前記磁場の補正用の磁性材とを備える超伝導磁石装置において、
   前記磁性材は、前記コイル容器に固定された断熱性の支持体に支持され、
   前記支持体は、前記熱シールドを貫通していることを特徴とする超伝導磁石装置。
4. 前記磁性材は、前記真空容器と熱伝導体で接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の超伝導磁石装置。
5. 磁場を発生させる環状の超伝導コイルと、
   前記超伝導コイルを冷媒と共に収納するコイル容器と、
   前記コイル容器を包囲するように設けられた熱シールドと、
   前記熱シールドを包囲し、内部が真空に保持された真空容器と、
   前記真空容器中に設置された前記磁場の補正用の磁性材とを備える超伝導磁石装置において、
   前記磁性材は、前記コイル容器に固定された断熱性の支持体に支持され、前記真空容器と熱伝導体で接続されていることを特徴とする超伝導磁石装置。
6. 一対の前記超伝導コイルが対向するように、一対の前記コイル容器と、一対の前記熱シールドと、一対の前記真空容器とを配置し、均一な前記磁場を前記真空容器間に形成することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の超伝導磁石装置。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の超伝導磁石装置を用いたことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。

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