JP4950135B2 - セラミック巻型を持つヒートパイプ冷却型超伝導磁石 - Google Patents

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Description

本発明は、一般的に云えば、磁気共鳴イメージング(MRI)システムに関するものであり、より具体的には、MRIシステム内の超伝導磁石組立体と該超伝導磁石組立体を製造するための方法とに関するものである。
MRIシステムは強力で一様な磁場を生成するために超伝導磁石を利用し、該磁場内に患者又はその他の対象物を配置する。磁場勾配コイル及び無線周波送受信コイルが被検体内のジャイロ磁気材料に影響を及ぼして、有用な画像を形成するために使用することのできる信号を生起させる。このようなコイルを使用する他のシステムてしては、分光分析システム、磁気エネルギ蓄積システム、及び超伝導発電機が含まれる。
MRIに使用する場合、超伝導磁石はクライオスタット内に配置され、クライオスタットは熱遮蔽体及び真空容器を含み、これらは磁石を動作時に環境から絶縁する。超伝導磁石はまた低温部内にコイルを支持するためのコイル支持構造及び冷却のためのヘリウム容器を持つ。ヘリウム容器は、熱的分離のために真空容器の中に配置された圧力容器であり、典型的には、その中に液体ヘリウムを封入して、超伝導動作のために約4.2ケルビンの温度に保つように超伝導磁石を冷却する。
MRIシステム内の構成要素であるクライオスタット及びヘリウム容器は、一般に、ステンレス鋼、炭素鋼、銅又はアルミニウムのような金属で構成される。このような金属で形成されているとき、クライオスタット及びヘリウム容器は真空の力に耐えるのに充分な強度を持っているが、MRシステムの勾配コイルによって生成されるAC磁場のようなAC磁場に曝されたとき、イメージング容積内に渦電流及び不要な磁場の歪みを生じさせる。磁石がAC磁場環境内で動作するとき、それらの金属構成要素に渦電流が誘起される。MRIシステムのクライオスタット及びヘリウム容器における渦電流はイメージング容積内に不要な磁場の歪みを生じさせて、画像品質に悪影響を及ぼす。また渦電流による加熱が原因で構造的又は熱的問題が生じることがある。すなわち、AC損失が全熱負荷に加わって、ヘリウムを極低温に維持するためのコストを増大させる。
これらの渦電流の影響を最小にするために、多くの従来のMRIシステムでは遮蔽型勾配システムを使用している。より良好な遮蔽型勾配コイルでは磁気結合を低減できるが、このような遮蔽型勾配システムは効率が悪く、大きな電流及び電力を必要とする。他の補償技術もまた誘起電流及びB磁場変化の影響を低減することができるが、問題を完全に解消することはできない 。
米国特許第6783059号
従って、従来のクライオスタット及びヘリウム容器の構成によって引き起こされる渦電流による磁場作用損失を低減すると共に、電力及び電流の増大を必要とせずに効率よく動作する遮蔽無しの勾配システムを動作させる必要性がある。
本発明は上述の問題を解決するために、渦電流を低減するようにした、MRIシステムに使用するための超伝導磁石組立体及びその製造方法を提供する。より詳しく述べると、本発明は、AC磁場に曝されたとき非常に小さい、無視し得る程度の渦電流を生じる熱及び冷却システムを持つ磁石組立体を提供することを対象とする。
従って、本発明の一面によれば、磁気共鳴(MR)イメージング・システムは、巻型と、該巻型の周りに配置されていて、磁場を生成するように構成されている少なくとも1つの磁石と、該少なくとも1つの磁石によって生成された磁場を勾配磁場により操作するための少なくとも1つの勾配コイルと、前記巻型に熱的に接続されていて、その中に極低温冷媒(cryogen) を持つヒートパイプとを含む。MRイメージング・システムはまた、ヒートパイプ及び極低温冷媒を冷却するためにヒートパイプに接続されている極低温冷却器を含み、この場合に、巻型は、少なくとも1つの勾配コイルの動作時に渦電流を実質的に減少させる熱伝導性材料で構成される。
本発明の別の面によれば、超伝導磁石組立体を製造する方法は、渦電流を実質的に減少させる熱伝導性で電気抵抗性の材料から巻型を形成する段階と、巻型の周りに超伝導磁石を配置する段階と、巻型から熱負荷を伝達するために巻型にヒートパイプを熱的に接合する段階とを含む。本方法はまた、極低温冷却器をヒートパイプに接続して密閉システムを形成する段階と、該密閉システムに極低温冷媒を加える段階とを含む。
本発明の更に別の面によれば、超伝導磁石組立体は、熱伝導性で電気抵抗性の材料で構成されたボビンと、該ボビンの周りに巻き付けられて、磁場を生成するように構成されている少なくとも1つの超伝導磁石とを含む。超伝導磁石冷却システムがまた、ボビンに熱的に接続された密閉システム冷却器を含み、該密閉システム冷却器は、ボビンに熱的に接合されたヒートパイプと、該ヒートパイプに接続された極低温冷却器と、ヒートパイプ及び極低温冷却器の内部に封入された極低温冷凍剤とを有する。
本発明の様々な他の特徴及び利点が以下の詳しい説明及び図面から明らかになろう。図面は、本発明を実施するための現在考えられる好ましい実施形態を例示する。
図1について説明すると、本発明を取り入れる好ましい磁気共鳴イメージング(MRI)システム10の主要構成要素を示す。このシステムの動作は、キーボード又は他の入力装置13と制御パネル14と表示装置16とを含むオペレータ・コンソール12から制御される。コンソール12はリンク18を介して別個のコンピュータ・システム20と連絡しており、該コンピュータ・システム20はオペレータが表示装置16上の画像の生成及び表示を制御することを可能にする。コンピュータ・システム20は、バックプレーン20aを介して互いに連絡する複数のモジュールを含む。これらのモジュールには、画像処理装置モジュール22、CPUモジュール24、並びに画像データ・アレイを記憶するフレーム・バッファとして当該分野で知られているメモリ・モジュール26が含まれる。コンピュータ・システム20は、画像データ及びプログラムの記憶のためにディスク記憶装置28及びテープ駆動装置30に接続され、また高速直列リンク34を介して別個のシステム制御装置32と連絡する。入力装置13は、マウス、ジョイスティック、キーボード、トラック・ボール、接触作動スクリーン、ライト・ペン型スキャナ、音声制御装置、或いは任意の同様な又は等価な入力装置を含むことができ、またこの入力装置は対話型のジオメトリイの規定のために用いることができる。
システム制御装置32はバックプレーン32aによって相互に接続された一組のモジュールを含む。これらのモジュールには、CPUモジュール36及びパルス発生器モジュール38が含まれ、パルス発生器モジュール38は直列リンク40を介してオペレータ・コンソール12に接続される。このリンク40を介して、システム制御装置32は、実行すべき走査シーケンスを指示するオペレータからの指令(コマンド)を受け取る。パルス発生器モジュール38は、所望の走査シーケンスを実行するためにシステムの構成要素を動作させ、且つ生成すべきRFパルスのタイミング、大きさ及び形状を指示するデータ、並びにデータ取得窓のタイミング及び長さを指示するデータを生成する。パルス発生器モジュール38は、一組の勾配増幅器42に接続されて、走査中に生成する勾配パルスのタイミング及び形状を指示する。パルス発生器モジュール38はまた生理学的データ取得制御装置44から患者データも受け取ることができる。生理学的データ取得制御装置44は、患者に接続された複数の異なるセンサからの信号、例えば、患者に取り付けられた電極からのECG信号を受け取る。また最後に、パルス発生器モジュール38は、患者及び磁石システムの状態に関連した様々なセンサからの信号を受け取る走査室インターフェース回路46に接続されている。また、走査室インターフェース回路46を介して、患者位置決めシステム48が、走査のために患者を所望の位置へ動かすための指令(コマンド)を受け取る。
パルス発生器モジュール38によって発生された勾配波形が、Gx,Gy,Gz増幅器を持つ勾配増幅器システム42に印加される。各々の勾配増幅器は、全体を50で示した勾配コイル組立体内の対応する物理的な勾配コイルを励磁して、取得される信号を空間エンコーディングするために使用される磁場勾配を生成させる。この勾配コイル組立体50は磁石組立体52の一部を構成し、この磁石組立体52は分極用磁石54及び全身用RFコイル56を含む。システム制御装置32内の送受信器モジュール58がパルスを発生し、これらのパルスはRF増幅器60によって増幅されて、送受信切換え(T/R)スイッチ62によりRFコイル56に結合される。その結果として患者内の励起された核によって放出される信号は同じRFコイル56によって検知して、送受信切換えスイッチ62を介して前置増幅器64に結合することができる。増幅されたMR信号が送受信器58の受信器部で復調され、フィルタ処理され、ディジタル化される。送受信切換えスイッチ62はパルス発生器モジュール38からの信号によって制御されて、送信モード中はRF増幅器60をコイル56に電気接続し、且つ受信モード中は前置増幅器64をコイル56に接続する。送受信切換えスイッチ62はまた、別個のRFコイル(例えば、表面コイル)を送信又は受信モードのいずれかで使用できるようにすることができる。
RFコイル56によって検知されたMR信号は送受信器モジュール58によってディジタル化されて、システム制御装置32内のメモリ・モジュール66へ転送される。生のk空間データのアレイがメモリ・モジュール66に収集されたとき、走査が完了する。この生のk空間データは再構成すべき各々の像について別々のk空間データ・アレイに配列し直され、これらのアレイの各々はアレイ処理装置68に入力され、アレイ処理装置68はデータをフーリエ変換して画像データ・アレイを生成するように動作する。この画像データは直列リンク34を介してコンピュータ・システム20へ送られ、そこでディスク記憶装置28のようなメモリに記憶される。オペレータ・コンソール12から受け取った指令に応答して、この画像データはテープ駆動装置30のような長期間記憶装置に保管してもよいし、或いは画像処理装置22によって更に処理して、オペレータ・コンソール12へ送って表示装置16上に表示してもよい。
図2に示されているように、MRIシステム10の超伝導磁石54が超伝導磁石組立体70の一部である。超伝導磁石組立体70はまた巻型72(すなわち、ボビン)を含み、その周りには超伝導磁石54が少なくとも部分的に巻装される。図示の実施形態では、超伝導磁石54は、熱伝導性エポキシ74によって巻型72に固定及び固着された複数の超伝導コイル73の形態である。熱伝導性エポキシ74は超伝導コイル73についての構造的支持を行い且つ超伝導コイル73内での及びコイル73から巻型72への熱抵抗を減少させる。
巻型72は、図1に示されている勾配コイル・アレイ50の動作時に渦電流を実質的に減少させる熱伝導性材料で構成される。巻型72を構成する材料は、非金属材料又は絶縁金属繊維複合材料のいずれかであり、それは熱伝導性で電気抵抗性である。一実施形態では、巻型72はセラミック材料で形成される。セラミック巻型72は、超伝導磁石54によって発生された熱を磁石コイル73から取り去るが、図1に示されている勾配コイル・アレイ50によって形成された変化するAC磁場に曝されたときに渦電流の形成を抑制する。
超伝導磁石組立体70にはまた密閉システム冷却器76が含まれていて、密閉システム冷却器76は巻型72と熱的接触する。密閉システム冷却器76は、巻型72に熱的に接続され且つ接合されたヒートパイプ78を含む。ヒートパイプ78は極低温冷却器80に接続され、極低温冷却器80はヒートパイプ78と共に密閉システム冷却器76を形成する。一実施形態では、ヒートパイプ78は少なくとも1つの勾配コイルの動作時に渦電流を実質的に減少させる複合材料又はプラスチック材料で構成することができる。ここで図3を参照して説明すると、密閉システム冷却器76にはまた、超伝導磁石54によって発生された巻型72の熱負荷を密閉システム冷却器76へ伝達するために極低温冷凍剤82(すなわち、極低温冷媒)が含まれている。すなわち、密閉システム冷却器76内の極低温冷媒82の少なくとも一部分がヒートパイプ78に含まれている。超伝導磁石54の動作時には、磁石から発生された熱が巻型72に伝達され、次いで、ヒートパイプ78の温度が極低温冷媒82によって相対的に低くなっていることによりヒートパイプ78へ伝達される。極低温冷媒82の温度は沸点まで上昇し、そこで極低温冷媒82は気相に変わる。気相の極低温冷媒82はヒートパイプ78から上方へ流出して極低温冷却器80へ至る。極低温冷却器80は気相の極低温冷媒82を冷却し、極低温冷媒を凝縮させて液体へと戻す。冷却された液相の極低温冷媒82は次いでヒートパイプ78の中へ戻って、巻型72及び超伝導磁石54の更なる冷却を行う。このようにして、巻型72からの熱負荷がヒートパイプ78を通って極低温冷却器80へ、両者間を流れる極低温冷媒82によって伝達される。
極低温冷却器80は、超伝導磁石54によって発生されて、巻型72に対するヒートパイプ78の接続によって密閉システム冷却器76へ伝達される熱負荷よりも大きい一定の冷却速度又は能力を提供するように設計される。従って、もし一定に調整されていなかった場合は、極低温冷却器80は、氷が密閉システム冷却器76上に形成されてその性能に影響を及ぼす程度まで冷却されることがある。氷の形成を防止し且つ極低温冷却器80の温度を調整し/熱平衡させるために、ヒータ84が極低温冷却器80に取り付けられて、密閉システム冷却器76内に最低温度を保つ。すなわち、ヒータ84は、密閉システム冷却器76に含まれている極低温冷媒82の三重点よりも高い特定の温度範囲を密閉システム冷却器76内に維持するように動作する。
密閉システム冷却器76に含まれている極低温冷媒82は、超伝導磁石を冷却するために使用される公知の多数の極低温冷凍剤の内の任意のものの形態であってよく、使用される特定の極低温冷媒は、MRイメージング・システム内の選択された超伝導磁石にとって必要である極低温冷凍剤の所望の動作温度範囲に基づいて定められる。例えば、2K〜5Kの温度範囲を持つヘリウムは、NbTi及びNb3Sn超伝導磁石に使用することができる。14K〜30Kの温度範囲を持つ水素、又は24.6K〜44Kの温度範囲を持つネオンは、MgB2又はBSCCO超伝導磁石に用いることができる。また、窒素はBSCCO及びYBCO超伝導体に用いることができ、窒素は63.1Kから80K以上までの温度範囲を持つ。
前に述べたように、超伝導磁石54は種々の超伝導材料から形成することができる。一般に、超伝導体を形成するために使用される材料は、超伝導動作のための臨界温度に基づいて低温超伝導体(LTS)又は高温超伝導体(HTS)として表現することができる。NbTi及びNb3Snはそれらの超伝導動作のために低い温度を必要とするので、LTSとして表現される。BSCCO及びYBCOは相対的に高い温度で動作し、従ってHTSとして表現される。極低温冷却器80が、静的熱負荷及びAC損失を含む低温質量熱負荷について、相対的に高い温度でより大きい冷却容量を持っているので、磁石組立体70の密閉システム冷却器76を含む上述のMRイメージング・システム10は、HTSで形成された超伝導磁石に使用するのに特に適している。しかしながら、磁石組立体70及び密閉システム冷却器76を持つ上述のMRイメージング・システム10に、LTSで形成された超伝導磁石を用いることも考えられる。
従って、本発明の一面によれば、磁気共鳴(MR)イメージング・システムは、巻型と、該巻型の周りに配置されていて、磁場を生成するように構成されている少なくとも1つの磁石と、該少なくとも1つの磁石によって生成された磁場を勾配磁場により操作するための少なくとも1つの勾配コイルと、前記巻型に熱的に接続されていて、その中に極低温冷媒を持つヒートパイプとを含む。MRイメージング・システムは、ヒートパイプ及び極低温冷媒を冷却するためにヒートパイプに接続されている極低温冷却器を含み、この場合に、巻型は、少なくとも1つの勾配コイルの動作時に渦電流を実質的に減少させる熱伝導性材料で構成される。
本発明の別の面によれば、超伝導磁石組立体を製造する方法は、渦電流を実質的に減少させる熱伝導性で電気抵抗性の材料から巻型を形成する段階と、巻型の周りに超伝導磁石を配置する段階と、巻型から熱負荷を伝達するために巻型にヒートパイプを熱的に接合する段階とを含む。本方法はまた、極低温冷却器をヒートパイプに接続して密閉システムを形成する段階と、該密閉システムに極低温冷媒を加える段階とを含む。
本発明の更に別の面によれば、超伝導磁石組立体は、熱伝導性で電気抵抗性の材料で構成されたボビンと、該ボビンの周りに巻き付けられて、磁場を生成するように構成されている少なくとも1つの超伝導磁石とを含む。超伝導磁石冷却システムがまた、ボビンに熱的に接続された密閉システム冷却器を含み、該密閉システム冷却器は、ボビンに熱的に接合されたヒートパイプと、該ヒートパイプに接続された極低温冷却器と、ヒートパイプ及び極低温冷却器の内部に封入された極低温冷凍剤とを有する。
以上、本発明を好ましい実施形態について説明したが、明確に述べたものの他に、等価な態様、代替の態様及び修正が可能であって、それらは特許請求の範囲内にあることが認められよう。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。
本発明を取り入れるMRイメージング・システムの概略ブロック図である。 本発明の一実施形態による磁石組立体の斜視図である。 図2の磁石組立体の断面図である。
符号の説明
10 磁気共鳴イメージング(MRI)システム
12 オペレータ・コンソール
13 入力装置
14 制御パネル
16 表示装置
18 リンク
20 コンピュータ・システム
20a バックプレーン
28 ディスク記憶装置
30 テープ駆動装置
32a バックプレーン
34 高速直列リンク
40 直列リンク
49 テーブル
50 勾配コイル組立体
52 磁石組立体
54 超伝導磁石
56 全身用RFコイル
70 超伝導磁石組立体
72 巻型
73 超伝導コイル
74 熱伝導性エポキシ
76 密閉システム冷却器
78 ヒートパイプ
80 極低温冷却器
82 極低温冷媒
84 ヒータ

Claims (20)

  1. 円筒形の巻型(72)と、
    前記巻型(72)の周りに配置されていて、磁場を生成するように構成されている少なくとも1つの磁石(54)と、
    前記少なくとも1つの磁石(54)によって生成された前記磁場を勾配磁場により操作するための少なくとも1つの勾配コイル(50)と、
    前記巻型(72)に熱的に接続されていて、前記円筒形の巻型(72)の全長に渡って前記円筒形の巻型(72)の軸方向に延び、該円筒形の外周面に接触するように配置され、その中に極低温冷媒(82)を持つ棒状のヒートパイプ(78)と、
    前記ヒートパイプ(78)及び前記極低温冷媒(82)を冷却するために前記ヒートパイプ(78)に接続されている極低温冷却器(80)と、を有し、
    前記巻型(72)が、前記少なくとも1つの勾配コイル(50)の動作時に渦電流を実質的に減少させる熱伝導性材料で構成されていること、
    を特徴とする磁気共鳴(MR)イメージング・システム(10)。
  2. 更に、前記極低温冷却器(80)に取り付けられていて、前記極低温冷却器(80)の温度を前記極低温冷媒(82)の三重点よりも高く維持するように構成されているヒータ(84)を有している請求項1記載のMRイメージング・システム(10)。
  3. 前記極低温冷媒(82)は、前記巻型(72)から前記極低温冷却器(80)へ熱負荷を伝達するために、前記ヒートパイプ(78)と前記極低温冷却器(80)とによって形成された密閉容積内に封入されている、請求項1記載のMRイメージング・システム(10)。
  4. 前記磁石(54)は更に、前記巻型(72)の周りに巻き付けられて固定された複数の超伝導コイル(73)を有している、請求項1記載のMRイメージング・システム(10)。
  5. 前記複数の超伝導コイル(73)は熱伝導性エポキシ(74)によって前記巻型(72)に熱的に接合されている、請求項4記載のMRイメージング・システム(10)。
  6. 前記巻型(72)はセラミック材料で構成されている、請求項1記載のMRイメージング・システム(10)。
  7. 前記ヒートパイプ(78)は前記巻型(72)に熱的に接合されている、請求項1記載のMRイメージング・システム(10)。
  8. 更に前記極低温冷媒(82)は、液体ヘリウム、液体水素、液体ネオン及び液体窒素の内の1つを有している、請求項1記載のMRイメージング・システム(10)。
  9. 前記磁石(54)は低温超伝導体(LTS)及び高温超伝導体(HTS)の内の一方である、請求項1記載のMRイメージング・システム(10)。
  10. 前記ヒートパイプ(78)は、前記少なくとも1つの勾配コイルの動作時に渦電流を実質的に減少させる材料で形成されている、請求項1記載のMRイメージング・システム(10)。
  11. 超伝導磁石組立体を製造する方法であって、
    渦電流を実質的に減少させる熱伝導性で電気抵抗性の材料から円筒形の巻型を形成する段階と、
    巻型の周りに超伝導磁石を配置する段階と、
    巻型から熱負荷を伝達するために巻型に棒状のヒートパイプを熱的に接合する段階と、
    極低温冷却器をヒートパイプに接続して密閉システムを形成する段階と、
    該密閉システムに極低温冷媒を加える段階とを含み、
    前記棒状のヒートパイプが、前記円筒形の巻型(72)の全長に渡って円筒形の巻型(72)の軸方向に延び、該円筒形の外周面に接触するように配置される、方法。
  12. 前記密閉システム内の特定の温度範囲を維持するためにヒータ(84)を前記極低温冷却器に接続する段階を更に含む、請求項11記載の方法。
  13. 熱伝導性エポキシ(74)によって前記複数の超伝導コイル(73)を前記巻型(72)に接合する段階を更に含む、請求項11記載の方法。
  14. 前記巻型を形成する段階が、前記巻型(72)をセラミック材料で形成する段階を含む、請求項11記載の方法。
  15. 熱伝導性で電気抵抗性の材料で構成された円筒形のボビンと、
    該ボビンの周りに巻き付けられて、磁場を生成するように構成されている少なくとも1つの超伝導磁石と、
    前記ボビンに熱的に接続された密閉システム冷却器と、
    を含み、
    前記密閉システム冷却器は、
    前記ボビンに熱的に接合された棒状のヒートパイプと、
    該ヒートパイプに接続された極低温冷却器と、
    ヒートパイプ及び極低温冷却器の内部に封入された極低温冷凍剤とを有し、
    前記ヒートパイプが、前記円筒形のボビンの全長に渡って前記円筒形のボビンの軸方向に延び、該円筒形の外周面に接触するように配置される、
    超伝導磁石組立体。
  16. 更に、前記極低温冷却器(80)の最低温度を維持するように構成されているヒータ(84)を有している請求項15記載の超伝導磁石組立体。
  17. 前記極低温冷却器(80)が、前記ボビンから伝達される熱負荷よりも大きい一定の冷却速度で運転される請求項15記載の超伝導磁石組立体。
  18. 前記少なくとも1つの超伝導磁石は熱伝導性エポキシ(74)によって前記ボビン(72)に接合されている、請求項15記載の超伝導磁石組立体。
  19. 前記ボビン(72)はセラミック材料を含む、請求項15記載の超伝導磁石組立体。
  20. 前記セラミック材料を含む前記ボビン(72)は前記少なくとも1つの超伝導磁石内に配置された少なくとも1つの勾配コイルの動作時に渦電流を実質的に減少させるように構成されている請求項19記載の超伝導磁石組立体。

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