JP5004805B2 - 超電導磁石を用いたｍｒｉ装置とその保守方法 - Google Patents

Description

本発明は、超電導磁石を用いた磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）装置に係わり、特に、クライオクーラーを備えたＭＲＩ装置に関する。

核磁気共鳴（ＮＭＲ）信号から医学的診断画像を撮るＭＲＩ装置は、形態的な画像のみならず、生体の機能や代謝をも画像化することが可能であり、優れた病巣検出能を有する。

特許文献１に開示されている開放構造の超電導磁石を用いたＭＲＩ装置は、磁場強度が均一で強く、しかも被検体の配置される磁石内の空間が明るく開放的な印象を与えるという特長がある。

しかしながら、開放構造の超電導磁石は、円筒形状の超電導磁石と比較すると、クライオスタット内に収められる超電導コイルの支持機構の数が多く、しかもクライオスタットの表面積が大きくなるため、クライオスタット内への熱侵入が多くなる。

そこで、特許文献２には、外部からの幅射熱を遮蔽する熱シールド板をクライオスタット内に多重に組込むとともに、気化したヘリウムガスをその沸点以下に再冷却して液体ヘリウムに戻す冷却能力を有するクライオクーラーをクライオスタットに取り付けることが開示されている。

クライオクーラーは運転時間の経過に伴い、可動部分の磨耗や不純物の蓄積等により冷却能力が低下するが、ヘリウムを沸点（４．２ケルビン温度）以下にする冷却能力を維持していることが必要条件であるため、メンテナンス作業を行って、冷却能力を維持回復する必要がある。

通常は、稼働時間約１０、０００時間毎にクライオクーラーのメンテナンスを行い、約２０、０００時間毎にクライオクーラーに接続されたヘリウム圧縮機の濾過ユニットの交換を行っている。クライオクーラーの稼働時間の管理は、ヘリウム圧縮機に備えられている稼働時間積算計の表示する時間をオペレータが確認することによって行っている。

ヘリウム圧縮機の積算時間計は、停電などで装置が停止した時間を除外した正確な稼働時間を把握するのに有効であり、この時間で管理することにより、クライオクーラーを約１０、０００時間ごと、ヘリウム圧縮機を約２０、０００時間ごとに同期させてメンテナンスできるという便利さも有している。

また、特許文献３には、クライオスタットが取り付けられたヘリウム槽内に圧カセンサーとヒーターとを配置した超電導マグネットが開示されている。この構成では、圧カセンサーが、ヘリウム槽内の圧力が大気圧に対して負圧になったことを検出した場合、ヘリウム槽内でヒーターを発熱させて液体ヘリウムを蒸発させる。これにより、ヘリウム槽内の圧力が負圧にならないように制御する。

特開２００２−３３６２１６号公報 特開２００５−２３７４１７号公報 特開平６−２８３３２９号公報

しかし、クライオクーラーの性能は各ユニットによってその冷却能力の持続時間に少なからず偏差を有しているのが実情であり、１０、０００時間以内でその冷却能力が低下し、メンテナンス実施が必要なクライオクーラーの場合には、メンテナンスの実施が遅れることになる。

クライオクーラーは、その機能がヘリウムガスをその沸点以下に冷却して液体ヘリウムに戻すというものであるため、冷却能力の劣化が連続的な緩やかな変化であっても、冷却能力がヘリウムの沸点４．２ケルビン温度から僅か０．１度でも劣化した時点で液化ができなくなり、クライオスタットが突如としてヘリウムを大量に消費することになる。

上述の特許文献３に記載の発明では、クライオスタット内でヒーターを加熱することにより、内部の圧力が負圧にならないように制御することは可能であるが、クライオクーラーの冷却能力の劣化が予想よりも早く進んだ場合には、それを検知することができず、メンテナンス時期の判断を行うことはできない。

そこで、クライオクーラーのメンテナンス時期を、一律に１０、０００時間より短い時間とすることが考えられる。しかしながら、上述したように、クライオクーラーの冷却能力にはユニット毎にバラツキがあり、十分な冷却能力を維持しているクライオクーラーについても、メンテナンス作業を実施しなければならなくなってしまい、望ましいものではない。

本発明の目的は、クライオクーラーの冷却能力を適切に判断することができるＭＲＩ装置及びその保守方法を提供することである。

本発明の磁気共鳴イメージング装置においては、超電導コイルを冷媒と共に収容する容器内の冷媒が気化した気体を冷却し液化させる冷却部と、容器内の圧力を検出する圧力検出部と、冷却部又は容器内に配置される発熱部と、圧力検出部が検出した圧力に応じて、発熱部の発熱量を制御し、容器内の圧力を制御する制御部と、発熱量を用いて冷却部の保守の要否を判定する判定部とを備える。

また、本発明の磁気共鳴イメージング装置の保守方法においては、記超電導磁石の超電導コイルと冷媒とを収容する容器内の圧力を検出し、冷却部又は容器内に配置した発熱部を、検出した圧力に応じた発熱量で発熱させ、容器内の圧力を制御し、その発熱量を用いて冷却部の保守の要否を判定する。

また、超電導コイルを冷媒と共に収容する容器と、前記容器内の冷媒を冷却する冷却部と、容器内の圧力を検出する圧力検出部と、冷却部又は容器内に配置される発熱部と、圧力検出部が検出した圧力に応じて前記発熱部の発熱量を制御する制御部とを有する磁気共鳴イメージング装置の、前記冷却部が保守を必要とするか否かを判定するコンピュータプログラムにおいて、発熱部の発熱量の経時変化をグラフ化し、このグラフ化したパターンと予め定めた正常パターンとの乖離度を算出し、記冷却部が保守を必要とするか否かを判定する。

本発明によれば、クライオクーラーの冷却能力を適切に判断することができるＭＲＩ装置及びその保守方法を実現することができる。

また、保守クライオクーラーの冷却能力を適切に判断することができるＭＲＩ装置のコンピュータプログラムを実現することができる。

本発明の第１の実施形態が適用されるオープンＭＲＩ装置の全体概略構成図である。 図１のＭＲＩ装置を構成する超電導磁石の断面の概略構成図である。 図１のＭＲＩ装置のクライオクーラー１０６とクライオ制御ユニットの構成と接続状態を示す説明図である。 図１のＭＲＩ装置のクライオスタット１０３、１０４とその圧力を制御するフィードバックループの説明図である。 図３のクライオ制御ユニット１２７において、電圧コンパレータ回路３０２の出力する制御信号が積算稼働時間によって変化することを示すグラフである。 図３のクライオ制御ユニット１２７の信号を取り込んだコンピュータ１１４の処理動作を示すフローチャートである。 ヒーターへの制御信号値と積算稼動時間との関係を経時的に示すグラフであり、ディスプレーに表示する画面例を示す図である。 本発明の第２の実施形態におけるフィードバック制御ループの説明図である。 本発明における警告表示・警報の表示例を示す図である。

符号の説明

１０１・・・超電導磁石、１０２・・・被検体、１０３・・・上クライオスタット、１０４・・・下クライオスタット、１０５・・・連結管、１０６・・・クライオクーラー、１０８・・・傾斜磁場コイル、１１０・・・高周波コイル、１１８・・・フィルター回路、２０１、２０２・・・超電導コイル、２０３、２０４・・・ヘリウム容器、２０７・・・１段目ステージ、２０８・・・２段目ステージ、２０９・・・熱シールド板、２１０・・・蒸気貯めパイプ、２１１・・・真空容器、３１１・・・インジューム線

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。なお、発明の実施形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。

図１は、本発明の第１の実施形態が適用されるオープンＭＲＩ装置の全体概略構成図である。図１に示すように、このオープンＭＲＩ装置は、被検体１０２が配置される撮像空間に静磁場を発生するための開放構造の超電導磁石１０１と、超電導磁石１０１の冷媒（ヘリウム）を沸点以下に再冷却するためのクライオクーラー１０６と、撮像空間に傾斜磁場を印加する傾斜磁場コイル１０８と、撮像空間に高周波磁場を照射する高周波コイル１１０と、被検体１０２からのＮＭＲ信号を検出する検出コイル１１２とを備えている。これら超電導磁石１０１、クライオクーラー１０６、傾斜磁場コイル１０８、高周波コイル１１０、及び検出コイル１１２は、電磁遮蔽１１７によって覆われている。

さらに、ＭＲＩ装置は、クライオクーラー１０６に圧縮されたヘリウムガスを送る圧縮機ユニット１０７と、超電導磁石１０１のクライオスタット１０３及び１０４の圧力制御を行うクライオ制御ユニット１２７と、検出コイル１１２の検出信号を増幅する高周波増幅ユニット１１３と、高周波コイル１１０に高周波電流を供給する高周波パワーアンプ１１１と、傾斜磁場コイル１０８に駆動電流を供給する傾斜磁場パワーアンプ１０９と、これらの動作についてシステム信号ライン１１５を介して制御するコンピュータ１１４と、ディスプレー１１６とを備えている。

これら圧縮機ユニット１０７、クライオ制御ユニット１２７、高周波増幅ユニット１１３と、高周波パワーアンプ１１１、傾斜磁場パワーアンプ１０９、コンピュータ１１４、及びディスプレー１１６は、電磁遮蔽１１７の外側に配置され、フィルター回路１１８を介して電磁遮蔽１１７内の構成と接続されている。

また、コンピュータ１１４には、モデムやＬＡＮターミナル等の通信制御装置１１９が接続されており、コンピュータ１１４を介してＭＲＩ装置を遠隔監視ができるように構成されている。

開放構造の超電導磁石１０１は、撮像空間を挟んで配置された上クライオスタット１０３と下クライオスタット１０４とを有する。そのため、撮像空間の前後左右は大きく開放された構造になっている。上クライオスタット１０３と下クライオスタット１０４は、それぞれ、図２に示すように、外側から順に真空容器２１１、熱シールド板２０９、ヘリウム容器２０３、２０４が配置された多層構造である。

真空容器２１１は、１５ミリメートル厚のステンレススチールで形成されている。真空容器２１１とヘリウム容器２０３、２０４との間隙は真空層になっており、その中間に存在する熱シールド板２０９と共にヘリウム容器２０３、２０４への熱侵入を防いでいる。

上クライオスタット１０３と下クライオスタット１０４のヘリウム容器２０３、２０４の内部には、それぞれ図２に示したように、それぞれ超電導コイル２０１、２０２が収容され、撮像空間に静磁場を発生している。この静磁場の磁場強度は、撮像空間の中心で０．７テスラであり、かつその磁場均一度は、直径４０センチメートルの球空間で３ｐｐｍ以下を達成している。

なお、図２には上下のクライオスタット１０３、１０４にそれぞれ１つずつの超電導コイル２０１、２０２が配置されている例を示したが、通常は磁場強度及び磁場均一度を高め、漏洩磁場強度を下げるために複数の超電導コイルが組み合わせて配置される。

上クライオスタット１０３と下クライオスタット１０４との間には、連結管１０５が配置され、上ヘリウム容器２０３と下ヘリウム答器２０４の内部空間を接続している。この連結管１０５により、通常状態では図２に示すように、下ヘリウム容器２０４は冷媒（液体ヘリウム）で完全に満たされた状態となり、上ヘリウム容器２０３は、超電導コイル２０１が浸漬される深さまで液体ヘリウムで満たされ、冷媒の液面２１３が上ヘリウム容器２０３内に位置する状態となる。また、連結管１０５を介して、上下に配置された超電導コイル２０１、２０２は電気的に接続される。

上ヘリウム客器２０３内には、図２に示すように、液体ヘリウムの液面２１３を計測する液面センサー２１４が挿入されている。また、上ヘリウム容器２０３の内壁面の上部には、液面２１３上のヘリウムガスが充満した空間の圧力（大気圧と相対値）を計測する圧カセンサー２１５が固定されている。

液面センサー２１４及び圧カセンサー２１５の出力配線は、上クライオスタット１０３に設けられたサービスポート１２６を介して外部に引き出され、クライオ制御ユニット１２７に接続されている。このクライオ制御ユニット１２７は、液面位置データと圧カデータとを受け取る。

また、上クライオスタット１０３の上部には、図２及び図３に示すように、Ｌ宇型の蒸気貯めパイプ２１０が配置されている。この蒸気貯めパイプ２１０は、クライオスタット１０３と同様の真空容器２１１、熱シールド板２０９、ヘリウム容器２０３を含む多層構造である。蒸気貯めパイプ２１０内には、クライオクーラー１０６の先端部（１段目ステージ２０７、２段目ステージ２０８）が挿入されている。

クライオクーラー１０６は、図１に示すように、圧縮機ユニット１０７と接続されており、圧縮ヘリウムガスが供給される。供給された圧縮ヘリウムガスは、クライオクーラー１０６内の蓄冷材が詰められた１段目及び２段目ステージ２０７、２０８を移動する過程で膨脹して、温度が低下し、徐々に蓄冷材を冷却する。本発明の第１の実施形態では１段目ステージ２０７には鉛玉の蓄冷材が詰められ、２段目ステージ２０８にはホロビウム銅化合物（ＨｏＣｕ_２）の蓄冷材が詰められている。１段目ステージ２０７のアウターケースは５０度ケルビン温度に、２段目ステージ２０８のアウターケースは３．７度ケルビン温度に冷却される。

１段目ステージ２０７のアウターケースは、上クライオスタット１０３の熱シールド板２０９に熱接触しており、これを５０度ケルビンまで冷却して輻射熱の侵入を極力低下させる。１段目ステージ２０７のアウターケースと熱シールド板２０９とが接触する面の間には熱伝導の良好な材料、例えばインジューム線３１１が挟み込まれている。これによって、接触面間の良好な熱伝導を実現している。

２段目ステージ２０８のアウターケースは、蒸気貯めパイプ２１０の内部空間に位置しており、クライオスタット１０３内で気化し、蒸気貯めパイプ２１０に貯まったヘリウムガスを直接その沸点（４．２度ケルビン温度）以下に冷却して、液体ヘリウムに戻す機能を有している。

また、図２及び図３に示したように、クライオクーラー１０６の２段目ステージ２０８の先端には、カートリッジヒーター２１６が取り付けられている。カートリッジヒーター２１６は、２段目ステージ２０８を加熱し、冷却能力を低下させることにより、クライオスタット１０３の内部空間の圧力を高める動作をする。カートリッジヒーター２１６は、その電源線がクライオクーラー１０６の基部に配置されたコネクタ２１７を介して外部に引き出され、クライオ制御ユニット１２７に接続されている。

クライオ制御ユニット１２７は、圧カセンサー２１５の検出した圧力に応じて、カートリッジヒーター２１６の動作を制御し、内部空間の圧力を所望値に制御する。クライオ制御ユニット１２７の動作については、後で詳しく説明する。

一方、傾斜磁場コイル１０８は、図１に示すように、超電導磁石１０１の上下クライオスタット１０３、１０４の撮像空間側にそれぞれ配置されている。傾斜磁場コイル１０８は、超電導磁石１０１の開放的な構造を妨げることがないように平板構造であり、それぞれ、ｘ、ｙ、ｚコイル（図示せず）を有する。

上下一対の傾斜磁場コイル１０８のｘ、ｙ、ｚコイルによって互いに直交する３軸方向に磁場勾配を生じさせる。例えば、上側のｚコイルと下側のｚコイルに電流が印加されると、上ｚコイルは、超電導磁石１０１の発生する磁束と同じ向きの磁束を発生し、下ｚコイルはそれとは１８０度向きの異なる磁束を発生する。

この結果、撮像空間の垂直軸（Ｚ軸）の上から下に向けて磁束密度が徐々に少なくなる勾配が作られることになる。同様に、ｘコイル及びｙコイルも超電導磁石１０１の発生する磁場の磁束密度について、それぞれｘ軸、ｙ軸に沿って勾配を付与する。

傾斜磁場パワーアンプ１０９は、傾斜磁場コイル１０８のｘコイル、ｙコイル、ｚコイルにそれぞれ独立して所望の時間だけ電流を供給する。これにより、被検体１０２の検査部位の核スピンに三次元的な位置情報をラベリングすることができる。

傾斜磁場コイル１０８の撮像空間側には、高周波コイル１１０が組込まれている。この高周波コイル１１０も超電導磁石１０１の開放的な構造を妨げることがないように平板構造のコイルが採用されている。上下一対の高周波コイル１１０は、高周波パワーアンプ１１１より核スピンの共鳴周波数に対応した高周波電流が供給され、撮像空間の被検体１０２に高周波磁場を照射し、核スピンをほぼ一様に共鳴励起する。

例えば、０．７テスラの磁場強度で水素原子核が核磁気共鳴を起こす２９．８メガヘルツの高周波磁場を照射する。傾斜磁場とこの高周波磁場を組み合わせることで、特定位置の水素原子核スピンを選択的に共鳴励起することが可能となる。

検出コイル１１２は、被検体１０２の検査部位の近傍に配置されている。検出コイル１１２は、核スピンの磁気的な運動により放出されるＮＭＲ信号を受信し、電気信号に変換する。電気信号に変換されたＮＭＲ信号は、高周波増幅ユニット１１３に入力され、増幅された後、コンピュータ処理に適したディジタル信号に変換される。

コンピュータ１１４は、傾斜磁場パワーアンプ１０９、高周波パワーアンプ１１１、高周波増幅ユニット１１３の動作を定められたタイミングで制御する。例えば、コンピュータ１１４に内蔵されるパルスシーケンサー（図示せず）は、システム信号ライン１１５を介して信号を傾斜磁場パワーアンプ１０９、高周波パワーアンプ１１１、高周波増幅ユニット１１３に出力し、所望の撮像パルスシーケンスを実行させ、被検体１０２を撮像する。

また、コンピュータ１１４は、ディジタル信号に変換されたＮＭＲ信号を診断に供するためのスペクトルや画像に変換処理してコンピュータ１１４内のメモリ装置（図示せず）に保存するとともに、ディスプレー１１６に表示させる。

さらに、コンピュータ１１４は、ＭＲＩ装置の動作状態、例えばクライオスタット１０３、１０４内の圧力や、液体ヘリウムの液面２１３の値をクライオ制御ユニット１２７等を介して、常時あるいは一定の間隔をおいて監視し、その状態を記録するとともに、ディスプレー１１６に表示する、また、コンピュータ１１４は、通信制御装置１１９を介して、これらの値を遠隔監視している外部のコンピュータに対して送信する。電磁遮蔽１１７及びフィルター回路１１８は、コンピュータ１１４などが発生する電磁波ノイズが検出コイル１１２に達するのを遮蔽している。

次に、クライオ制御ユニット１２７の構成と動作について図３〜図６を用いて、説明する。

クライオ制御ユニット１２７は、図３に示すように、圧カセンサーアンプ３０１と、電圧コンパレータ回路３０２と、電流アンプ３０３と、インターフェイス回路３０４とを備えている。圧カセンサー２１５の出力信号Ａは、圧カセンサーアンプ３０１に入力される。

圧カセンサーアンプ３０１は、入力信号を必要なレベルに増幅し、圧力の値を数値表示するためのコード変換を行う。増幅された信号電圧は電圧コンパレータ回路３０２に入力され、予め設定された基準電圧との差分が計算される。計算された差分電圧は電流アンプ３０３に入力され増幅されて、電流Ｂとして、クライオ制御ユニット１２７の出力端から、コネクタ２１７を介してカートリッジヒーター２１６へ供給される。

ここで、圧カセンサー２１５の出力信号Ａの値が高い場合は、電流Ｂが少なくなるように電圧コンパレータ回路３０２が働くよう構成されている。即ち、クライオスタット１０３の上部空間のヘリウムガスの圧力が高い場合は、カートリッジヒーター２１６の発熱量を少なくして、クライオクーラー１０６の２段目アウターケース２０８の表面温度を下げ、ヘリウムガスの冷却液化を増やすことで、上ヘリウム容器２０３のヘリウムガス圧を低下させる。即ち、クライオ制御ユニット１２７と圧カセンサー２１５とヒータカートリッジ２１６は、ヘリウムガスを介してフィードバック制御ループを構成している。

このフィードバック制御について詳しく説明する。クライオスタット１０３、１０４にはその表面からの輻射熱や図２には記載されていない超電導コイル２０１、２０２の支持部等からの伝導熱が外部からの侵入熱として入り込む。一例として、この熱侵入が２００ミリワットとすると、この熱量は毎時０．２５リットルの液体ヘリウムを蒸発させ、１７５リットルのヘリウムガスに変換する。

一方、クライオクーラー１０６の冷却能力は、熱侵入量より余裕のあるものが採用されているので、正常運転時で、一例として４００ミリワットを有している。この冷却能力は毎時３５０リットルのヘリウムガスを０．５リットルの液体ヘリウムに凝縮する。このため、上ヘリウム容器２０３の液体ヘリウム液面２１３上部の圧力は、２００ミリワットの侵入熱により発生する毎時１７５リットルのヘリウムガスと、クライオクーラー１０６の４００ミリワットの冷却能力により凝縮される毎時３５０リットルのヘリウムガスの差分（１７５リットル）ずつ、徐々に低下する。

そこで、クライオ制御ユニット１２７は、クライオクーラー１０６の先端に組み込まれたカートリッジヒーター２１６に電流を流して２００ミリワットの熱量を発生させ、クライオクーラー１０６の冷却能力が実質的に２００ミリワットになるようにする。このように制御することにより、上下ヘリウム容器２０３、２０４内では２００ミリワットの侵入熱による液体ヘリウムの蒸発と、２００ミリワットの冷却能力によるヘリウムガスの凝縮が平衡し、一定の圧力例えば１ｐｓｉを維持することができる。

なお、クライオ制御ユニット１２７は、インターフェイス回路３０４を介して、コンピュータ１１４と接続され、圧カセンサーアンプ３０１の数値表示信号や電圧コンパレータ回路３０２の基準電圧の設定が行えるよう構成されている。この構成によって、オペレータは、上ヘリウム客器２０３の上部空間の内圧のモニターが可能であるとともに、超電導磁石１０１のクライオスタット１０３、１０４やクライオクーラー１０６の特性に合わせて適宜最適な基準電圧を設定することができる。

次に、図４を用いて、クライオ制御ユニット１２７のフィードバック制御ループの機能をさらに詳しく説明する。図４において、クライオスタット１０３、１０４の上ヘリウム容器２０３と下ヘリウム容器２０４には、上述した輻射熱やクライオスタットの構造材を介して伝導熱の合計した侵入熱Ｃが加えられる。この熱量Ｃが気化熱となって液体ヘリウムをヘリウムガスに変化させる。

一方、クライオクーラー１０６の冷却能力Ｄとカートリッジヒーター２１６の発熱量Ｅとの差分の冷却熱（Ｄ−Ｅ）が、ヘリウムガスに作用して、ヘリウムガスを液体ヘリウムに変化させる。ヘリウムガスから液体ヘリウムに凝縮した場合の体積は７００分の１になるので、上ヘリウム容器２０３の圧力は、液体ヘリウムの増減は無視でき、ヘリウムガスの密度で決まる。

上ヘリウム容器２０３の圧力は圧カセンサー２１５で検出され、その出力信号Ａがクライオ制御ユニット１２７に供給される。クライオスタット制御ユニット１２７は圧力信号に応じてカートリッジヒーター２１６の電流値Ｂを制御する。その制御は、侵入熱量Ｃが、マイナス（Ｄ−Ｅ）と等しい値になるように、即ち、液体ヘリウムの気化量とヘリウムガスの凝縮量とが同じであり、実質的に上ヘリウム容器２０３の圧力を一定に保つことができる。

また、クライオ制御ユニット１２７のインターフェイス回路３０４の信号はコンピュータ１１４に供給され、データの記録とオペレータヘの表示が行われる。

このようなフィードバック制御ループにおいて、クライオクーラー１０６の稼動時間が経過して、その冷却能力が低下してくると、それに応じてクライオ制御ユニット１２７は、図５に示すように、カートリッジヒーター２１６の発熱量Ｅを下げるように電流値を制御する。最終的には、クライオクーラー１０６の冷却能力Ｄが外部から侵入する熱量Ｃと等しくなった場合、クライオ制御ユニット１２７からカートリッジヒーター２１６への印加電流はゼロになる。

クライオクーラー１０６の保守が遅れ、さらに時間が経過すると、クライオクーラー１０６の冷却能力Ｄが侵入熱量Ｃより低下する状態となる。液体ヘリウムが気化したヘリウムガスは全て凝縮することなく上ヘリウム容器２０３内に滞留を始め、その圧力を上昇させることになる。このような状態では、クライオスタット制御ユニット１２７はカートリッジヒーター２１６の電流をマイナスに制御しようとする信号を出力する。

本発明の第１の実施形態では、カートリッジヒーター２１６の印加電流を制御する電圧コンパレータ回路３０２の制御信号を、インターフェイス回路３０４を介してコンピュータ（判定部）１１４に取り込み、制御信号の記録と表示を行うとともに、予め定められたプログラムに基づいて判定処理を行うことにより、クライオクーラー１０６の保守実施が必要であることを適切なタイミングでオペレータに知らせる処理を行う。

図６のフローチャートを用いてコンピュータ１１４が行う判定処理について説明する。コンピュータ１１４の内蔵メモリに予めプログラムが格納されており、コンピュータ１１４は、このプログラムを読み込んで実行することにより、図６のフローチャートのように動作する。

図６において、コンピュータ１１４は、ＭＲＩ装置が起動されると、クライオ制御ユニット１２７の電圧コンパレータ回路３０２が電流アンプ３０３へ出力する制御信号を取り込み、コンピュータ１１４内の記憶装置に記録する（ステップ７０１）。記憶装置に記録された制御信号値は、読み込んだ時刻（月日のみでもよい）を横軸に、信号値を縦軸にしたグラフをプロットする（ステップ７０２）。この制御信号は、電流アンプ３０３で増幅されることにより、ヒータカートリッジ２１６への駆動電流となる信号であり、駆動電流の電流値に相当している。

正常な動作をするクライオクーラーの場合は、ステップ７０２でプロットしたグラフが図５に示したように、稼働時間が短い期間（５０１）はほぼ制御信号値（電流値）が一定で、稼働時間の経過に伴い次第に制御信号値が減少するパターンを示す。

しかしながら、クライオクーラー１０６本体の故障や取り付け不良の場合は、図５に示したパターンとは異なるパターンを示す。例えば、冷却能力が低い場合は、稼働時間が短いにも拘わらず、制御信号値が低い値を示す。あるいは、冷却能力安定性不良の場合は、制御信号値の変化が外気圧の変化以上に変動する。

そこで、現時点までのグラフのパターンと予め定めておいた正常パターンとの乖離度を求め、クライオクーラー１０６が正常か異常かを判定する（ステップ７０３）。クライオクーラー１０６が異常であると判定した場合は、直ちにモデムやＬＡＮターミナル等の通信制御装置１１９を介してサービスコール等の通信を行うとともに、ディスプレー１１６に警告を表示したり、警報音を発生させる（ステップ７０４）。

ステップ７０２でプロットしたグラフのパターンが正常な場合は、制御信号値の判定（ステップ７０５）に移行する。このステップ７０５において、制御信号値がゼロ以下の場合は、クライオクーラー１０６の冷却能力がクライオスタットに侵入する熱量より小さいことを示している。

即ち、図５で示した早急にクライオクーラー１０６の交換保守が必要とされる期間５０４に入ったことを示しているので、早急な交換保守を要することを知らせる表示をディスプレー１１６に表示するとともに、通信制御装置１１９を介してサービスセンターへの早急な交換保守の要請を送信する（ステップ７０６）。

一方、ステップ７０５において、制御信号値が閾値として設定した値以下、例えば５０以下の場合は、クライオクーラー１０６が図５の期間５０３で示される通常の交換保守の適正期間に入っていることを示している。そこで、ディスプレー１１６に、現在組み込まれているクライオクーラー１０６の通常の交換保守の適正期間５０３であることを知らせる表示をするとともに、通信制御装置１１９を介してサービスセンターへの通常の交換保守の要請を送信する（ステップ７０７）。

また、ステップ７０５において、制御信号値が閾値以上、例えば５０以上である場合は、記録された制御信号値の変化率を演算処理で求める（ステップ７０８）。変化率がマイナスを示した場合、即ち、図５に示すグラフで右下がりの傾向を示した場合は、外部気圧の変動による短期的な変化を排除するため数日前、例えば３日間の変化率の平均値を求める（ステップ７０９）。

この３日間の変化率の平均がマイナスを示す場合は、現在組み込まれているクライオクーラー１０６の冷却能力が減衰し始めたことを示す期間５０２に入っているので、ディスプレー１１６にクライオクーラーの交換保守を計画する時期であることを知らせる表示するとともに、同じくサービスセンターにその内容を送信する（ステップ７１０）。

なお、ステップ７１０において、グラフの変化率から保守の適正期間５０３に達する時期を予測し、併せてディスプレー１１６に表示することも可能である。例えば、グラフの変化率を予め定めた標準的なグラフ形状にフィッティングし、今後のグラフの推定曲線を描くことにより、保守適正期間５０３に達する時期を予測し、予告することや、初めて期間５０２に入った日に、予め定めたおいた日数を単純に加算した日を、保守適正期間５０３に達する時期とすることも可能である。

ステップ７０９において、３日間の平均変化率がゼロを示した場合は、今回のマイナス変化率が外気圧の影響である可能性が高く、現在のところクライオクーラー１１８の保守は不要な期間５０１の範囲にあることを示す表示をディスプレー１１６に表示する。

クライオクーラー１０６の性能減衰の計測は、日単位で十分であることから、前回の計測から、例えば２４時間が経過しているかどうかをタイマーで計測し、２４時間以内の場合はクライオ制御信号の読み込み記録処理と判定プログラムが待機状態に入る（ステップ７１１）。２４時間を経過すれば、ステップ７０１に戻る。

クライオクーラー１０６の各々のステータス表示やサービスセンターへの通信処理を実施したステップ７０４、７０６、７０７、７１０の処理後は全てこの待機処理（ステップ７１１）にジャンプする。これは仮にクライオクーラー１０８の保守交換が早急に必要な場合であっても、ＭＲＩ装置の撮像機能（臨床検査機能）は適正に動作させることができるからである。

即ち、オペレータには現在のクライオクーラー１０６のステータスを表示や警報によって告知し、かつ、通信によるサービスコールが実施されたならば、その後はＭＲＩ装置自体を停止等させる必要はなく、臨床検査に使用可能な状態とする。その後、通常の臨床検査のスケジュールとクライオクーラー１０６の保守・交換とのスケジュールを調整し、両者を競合させることなく、適切な時期にクライオクーラー１０６の保守・交換を実施する。

図７は、ステップ７０２にて作成したグラフをディスプレー１１６に表示する画面例８０１を示す図である。図７において、クライオクーラー１０６の冷却能力の記録データを縦軸８０２とし、月日を横軸８０３としたＸ−Ｙグラフで表示される。

表示時間に最も近い計測値は、常にＸ−Ｙグラフの左端に表示され、同時に、判定処理（図６のステップ７０５、７０８、７０９）の結果である現在の状態８０４も示される（図７に示した例では、正常な状態を示す）。表示されるデータは、クライオ制御信号取り込み・記録（図６のステップ７０１）の処理毎に更新され、常に最新のデータが左端で、過去９ヶ月間のデータがグラフ表示される。

これにより、ＭＲＩ装置のオペレータは、ＭＲＩ装置の現在の運転状況を容易に判断できるばかりでなく、クライオクーラー１０６の経時的変化をも把握できることになり、将来の状況に対応可能となる。さらに、カーソル線８０５をグラフ上を移動させることができ、過去の特定の月日、例えば、２００５年９月２８日のデータ８０６を読み出し、表示させることも可能となっている。

上述したように、図６のフローチャートに沿って、コンピュータ１１４が動作することにより、図５に示した積算稼働時間の経過に伴う制御信号値の変化を示すグラフを用いてクライオクーラー１０８の性能や保守点検の必要性を判定することができる。

本発明の第１の実施形態によれば、カートリッジヒーター２１６の発熱量の大きさに対応する制御値（実施形態では電流値）の大きさ、変化量を用いて、クライオクーラー１０６の保守の要否を判断しているので、個々のクライオクーラーの性能バラツキに関係なく、冷却能力を適切な範囲に維持して、安定した静磁場を発生することが可能となる。

また、本発明の第１の実施形態によれば、一時点のクライオ制御信号値でのみクライオクーラー１０８の性能等の判定を行う場合と比べ、正確に判断ができるとともに保守・交換の必要性の度合いをも判定できる。しかも、保守交換の最適時期や臨床検査スケジュールと調整して保守交換の日時を決定することができる効果もある。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。上述した第１の実施形態では、クライオクーラー１０６の冷却能力を、その先端に組み込んだカートリッジヒーター２１６の発熱量で制御する方法を示したが、本発明の第２の実施形態においては、カートリッジヒーター２１６に代えてヒーター素子７１６を上ヘリウム容器２０３内や、下ヘリウム容器２０４内に組み込む。

この第２の実施形態の場合、ヒーター素子７１６としては、電熱線やセラミックヒータ等をヘリウム容器２０３、２０４内に配置することが可能であるが、液体ヘリウムの液面センサー２１４をヒーター素子７１６として兼用させることも可能である。兼用させる場合には、例えば超電導材料からなる線材を液面センサー２１４として用い、超電導線材に電流を流し、液体ヘリウムに浸漬されている部分の抵抗が０になることを利用して、抵抗値から液面下にある線材長さを計測する構成にする。

このとき、流す電流量によって線材が発熱するため、ヒーター素子として機能を生じさせることができる。液面センサー２１４をヒーター素子７１６と兼用させることにより、システム構成を簡略できるというメリットがある。

図８を用いて、本発明の第２の実施形態におけるフィードバック制御ループを説明する。

図８において、クライオスタット１０３、１０４の上ヘリウム容器２０３と下ヘリウム容器２０４には、上述したように輻射熱や構造材を介しての伝導熱の合計した侵入熱Ｃが加えられる。更に、ヘリウム容器２０３または２０４内に組み込まれたヒーター素子７１６が発熱する熱量Ｅが加えられる。よって、熱量Ｃ＋Ｅは、液体ヘリウムをヘリウムガスに気化させる。

一方、クライオクーラー１０６の冷却能力Ｄがヘリウムガスに作用して、液体ヘリウムに戻す。上ヘリウム容器２０３の内圧は圧カセンサー２１５で検出され、その圧力信号Ａがクライオ制御ユニット１２７に供給される。クライオ制御ユニット１２７は圧力信号Ａに対応したヒーター素子７１６に供給する電流値Ｂを制御する。

電流値Bの制御は、合計熱Ｃ＋Ｅと−Ｄとを平衡させる、即ち、液体ヘリウムの気化量とヘリウムガスの凝縮量とを一致させる制御であり、これにより、実質的に上ヘリウム容器２０３の内圧が一定に保たれる。

その他の構成は、第１の実施形態と同様であるので詳細な説明は省略する。

本発明の第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な効果を得ることができる他、液面センサーをヒーター素子と兼用させることによりシステム構成を簡略できるという効果がある。

上述したように、本発明によれば、熱侵入の多い開放構造の超電導磁石であっても安定したクライオスタットの圧力制御を行うことができるとともに、適切なクライオクーラーのメンテナンス実施時期を把握することができる。本発明の実施例による方法は、冷凍機の冷却能力の低下を直接冷凍機に何らかの回路を配置して測定するような複雑な方法ではないので、簡便な方法であると考えられる。

この結果、クライオクーラーのメンテナンス遅れを回避して、液体ヘリウムの消費を実質的にゼロに維持することができる。更に、クライオクーラーのメンテナンス実施の的確な時期を予め把握することができるので、ユーザーのＭＲＩ装置使用計画に合わせてメンテナンスを実施することができる効果がある。

最後に、ディスプレー１１６に表示されたステップ７０４における警告表示・警報の表示例を図９に示す。本発明の実施例では、オペレータがクライオクーラー１０６の状態を常時監視しなくても、コンピュータ１１４に組み込まれたプログラムにより自動的に判定処理が実施されることは、図６のフローチャートを用いて既に述べた。例えば、オペレータは通常の被検者の検査モードをディスプレー１１６上で操作している時に、判定処理プログラムが異常と判定した場合に、直ちにモデムやＬＡＮターミナル等の通信制御装置１１９を介してサービスコールの通信を行うとともに、ディスプレー１１６上に図９の警報ウインドウ（子画面）９０１が表示されることで、オペレータはクライオクーラーの異常を察知することができる。警報ウインドウ９０１が表示されても、通常の検査を続行する場合は、右下の「継続」９０２をマウス等でクリック操作する。あるいは、現在の検査モードを一時中断して、例えば、図８に示すクライオクーラー１０６の冷却能力の記録データの表示を行う操作に移行する場合は、左下の「中止」９０３をクリックする。

なお、上述した例において、通信制御装置１１９から外部のコンピュータに図５に示した制御信号値と時間とを送信し、外部のコンピュータにおいても、送信されたデータ（制御信号値と時間）から、クライオクーラー１０６の異常や圧力センサー２１５の異常等を分析することも可能である。

Claims (17)

1. 超電導コイルと、
   前記超電導コイルを冷媒と共に収容する容器と、
   前記容器内の冷媒が気化した気体を冷却し液化させる冷却部と、
   前記容器内の圧力を検出する圧力検出部と、
   前記冷却部及び前記容器内の少なくとも一方に配置される発熱部を備えた超電導磁石を用いた磁気共鳴イメージング装置において、
   前記圧力検出部が検出した圧力に応じて、前記発熱部の発熱量を制御し、前記容器内の圧力を制御する制御部と、
   前記発熱量の変化に基づいて前記冷却部の保守の要否を判定する判定部と、
   を備え、
   前記判定部は、稼働時間の経過に伴う前記発熱量の変化が略一定な期間の経過後の、稼働時間の経過に伴い前記発熱量が次第に減少する期間を、閾値を用いて検出し、その後、前記発熱量の変化に基づいて前記冷却部の保守の要否を判定することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
2. 請求項１に記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記制御部は、前記圧力検出部の検出した圧力と予め定めた圧力との差を求め、該差に応じた発熱量を前記発熱部に発生させる制御を行うことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
3. 請求項１または２に記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記判定部は、前記発熱量が予め定めた値以下になった場合には、前記冷却部の保守が必要であると判定することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記判定部は、前記発熱量の変化が所定の範囲外であった場合には、前記冷却部の保守が必要となることを予告することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記判定部は、前記発熱量の変化率に基づいて前記冷却部の保守が必要となる時期を予測することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
6. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記判定部は、前記発熱量として、前記制御部から前記発熱部に供給される発熱量制御信号を用いることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
7. 超電導コイルと、
   前記超電導コイルを冷媒と共に収容する容器と、
   前記容器内の冷媒が気化した気体を冷却し液化させる冷却部と、
   前記容器内の圧力を検出する圧力検出部と、
   前記冷却部及び前記容器内の少なくとも一方に配置される発熱部を備えた超電導磁石を用いた磁気共鳴イメージング装置において、
   前記圧力検出部が検出した圧力に応じて、前記発熱部の発熱量を制御し、前記容器内の圧力を制御する制御部と、
   前記発熱量の変化に基づいて前記冷却部の保守の要否を判定する判定部と、
   を備え、
   前記判定部は、前記発熱量の変化が所定の範囲外であった場合には、前記冷却部の保守が必要となることを予告し、大気圧による前記発熱量の変化を排除するために、予め定めた期間の前記発熱量の変化を求め、これを用いて再判定を行うことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
8. 請求項１に記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記発熱部は、前記冷媒の液面計測部を兼用していることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
9. 請求項１に記載の磁気共鳴イメージング装置において、表示部を備え、前記判定部は、前記冷却部の保守の要否を前記表示部に表示又は警報させることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
10. 請求項９に記載の磁気共鳴イメージング装置において、表示部を備え、前記判定部は、前記発熱量として、前記制御部から前記発熱部に供給される発熱量制御信号を用い、この制御信号の時間的変化を前記表示部に表示させることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
11. 冷媒を液化する冷却部を備えた超電導磁石を用いた磁気共鳴イメージング装置の保守方法であって、
    前記超電導磁石の超電導コイルと冷媒とを収容する容器内の圧力を検出し、
    前記冷却部及び前記容器内の少なくとも一方に配置した発熱部を、前記検出した圧力に応じた発熱量で発熱させ、前記容器内の圧力を制御し、
    稼働時間の経過に伴う前記発熱量の変化が略一定な期間の経過後の、稼働時間の経過に伴い前記発熱量が次第に減少する期間を、閾値を用いて検出し、その後、前記発熱量の変化に基づいて前記冷却部の保守の要否を判定することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置の保守方法。
12. 超電導コイルを冷媒と共に収容する容器と、前記容器内の冷媒が気化した気体を冷却し液化させる冷却部と、前記容器内の圧力を検出する圧力検出部と、前記冷却部及び前記容器内の少なくとも一方に配置される発熱部と、前記圧力検出部が検出した圧力に応じて前記発熱部の発熱量を制御し、前記容器内の圧力を制御する制御部とを有する磁気共鳴イメージング装置の、前記冷却部が保守を必要とするか否かを判定するコンピュータプログラムにおいて、
    前記発熱部の発熱量の経時変化をグラフ化し、このグラフ化したパターンと予め定めた正常パターンとの乖離度を算出し、算出した乖離度に基づいて、前記冷却部が正常か異常かを判定し、正常の場合には、さらに、稼働時間の経過に伴う前記発熱量の変化が略一定な期間の経過後の、稼働時間の経過に伴い前記発熱量が次第に減少する期間を、閾値を用いて検出し、その後、前記発熱量の変化に基づいて前記冷却部の保守の要否を判定することを特徴とするコンピュータプログラム。
13. 請求項１２に記載のコンピュータプログラムにおいて、前記乖離度に基づいて前記冷却部の保守が必要でないと判断した場合には、前記発熱量が所定の値以下か否かを判断し、
    前記所定の値以下のときには、前記冷却部が保守を必要とすることを表示部に表示し、
    前記発熱量が前記所定の値を超えるときには、前記発熱量の変化率を算出し、算出した変化率に基づいて、前記冷却部が保守を必要とするか否かを判定し、保守の要否を前記表示部に表示することを特徴とするコンピュータプログラム。
14. 冷媒を液化する冷却部を備えた超電導磁石を用いた磁気共鳴イメージング装置の保守方法であって、
    前記超電導磁石の超電導コイルを冷媒と共に収容する容器内の圧力を検出し、
    前記冷却部及び前記容器内の少なくとも一方に配置した発熱部を、前記検出した圧力に応じた発熱量で発熱させ、前記容器内の圧力を制御し、
    前記発熱部の発熱量の経時変化をグラフ化し、このグラフ化したパターンと予め定めた正常パターンとの乖離度を算出し、算出した乖離度に基づいて、前記冷却部が保守を必要とするか否かを判定することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置の保守方法。
15. 請求項１４に記載の磁気共鳴イメージング装置の保守方法において、前記乖離度に基づいて前記冷却部の保守が必要でないと判断した場合には、前記発熱量が所定の値以下か否かを判断し、
    前記所定の値以下のときには、前記冷却部が保守を必要とすることを表示部に表示し、
    前記発熱量が前記所定の値を超えるときには、前記発熱量の変化率を算出し、算出した変化率に基づいて、前記冷却部が保守を必要とするか否かを判定し、保守の要否を前記表示部に表示することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置の保守方法。
16. 請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
    前記制御部が前記圧力に応じて制御する前記発熱部の前記発熱量の値が、ゼロ以下である場合、前記判定部は、前記冷却部の早急な交換保守が必要であると判定することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
17. 請求項１乃至１０のいずれか一項、または請求項１６に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
    前記制御部が前記圧力に応じて制御する前記発熱部の前記発熱量の値が、予め閾値として設定した正の値以下である場合、前記冷却部の通常の交換保守の適正期間であると判定することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。

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