JP5037792B2 - 磁気共鳴イメージングにおけるコイルの冷却 - Google Patents

Description

本発明は、磁気共鳴イメージング・スペクトロスコピー（ＭＲＩＳ）で傾斜磁場コイル（gradient coil）として使用されるものなど、磁気コイル構造体に関し、詳細にはそのようなコイルの冷却に関する。

対象物をその内部に置くことができる領域の周りに配置される複数の同心コイルを含む既知のＭＲＩＳシステムがある。コイルは、強力な一定の磁場を与えるために使用される最も外側の直流コイルと、直流コイルの内部に同心状に配置される内部の高周波（ＲＦ）コイル装置と、内部の高周波コイルと外部の直流コイルの間に配置される傾斜磁場コイル・アセンブリとを含む。傾斜磁場コイル・アセンブリは、応答周波数及び患者の核の位相を磁場内部の患者の位置に依存させる、時間的に変化する磁場を発生するように構成される。

より最近では、代替の磁石の幾何形状が開発され、そのような装置の１つでは、磁石は間隔をおいて引き離された２つの実質的に別個のアセンブリを含む。このタイプの装置では、傾斜磁場コイルの通常の幾何形状は、画像化される対象の上部及び下部に配置された２つのほぼ平面の円板を含む。

ＭＲＩＳ用の傾斜磁場コイル・システムは、一般に銅又は他の適切な導電材料から製造される複数の電気巻線を含む。使用中は、通常、数百アンペアの範囲の電流が各巻線を通って流れ、それらが空間的且つ時間的に変化する磁場を発生させ、その結果ＭＲＩＳに必要な空間的情報及び他の情報を発生させるための複雑な時間及び振幅のシーケンスを有する。可能な短い時間で電流を断続させる必要があり、これを達成するために、巻線のインダクタンスに打ち勝つためにキロボルトの範囲の大きな電圧が加えられる。

上で説明したように、巻線は数テスラにまでも達することがある強い静磁場内で動作し、パルス化されたとき、大きな内部起磁力を受ける。機械的安定性のために、すべての傾斜磁場コイルを、ＭＲＩＳシステムの全体の幾何形状に応じて、通常、環状又は円板形状の単一の樹脂封入構造に一体化するのが普通である。樹脂システムは、一般に７０から１００℃の範囲にあるガラス転移温度として知られる特性温度で強度を失うことが知られており、したがってコイルは通常運転ではこの温度に近づく、又はこれを超えるべきではない。

傾斜磁場コイル・システムの性能を最大にするために、巻線内を流れる電流が発生させた抵抗熱を取り出すことが望ましい。これを実行する１つの方法は、コイル・システムを、専用の冷却巻線によって間接的に、或いは中空導体の形である１つ又は複数のコイル巻線によって直接的に液体冷却をすることである。これらの方法は両方とも、取り出すことができる熱がシステムの表面積に比例し、かつ取り出すことができる熱が一般に非常に小さい空気冷却に比べて、明確な利点がある。

傾斜磁場コイル・システムは、何年もの寿命にわたって動作するように設計される。したがって、特にシステムの封入された部分内に時間又は温度と共に劣化しない材料を使用することが望ましい。これはプラスチック及びゴムなどの材料は適切でないことを意味する。その代わりに、金属の配管を可能なところでは冷却回路に使用するべきであり、すべての結合を、半田付け、溶接、ろう付けすることが必要である。一部の又はすべての冷却流体が電気巻線の１つを通過する場合、冷却回路のその部分は、当然ながら、金属であろう。

しかし、このタイプの装置は、冷却液体の粘性及び限られた利用可能空間のために難点があり、単一の冷却回路で最適な冷却を達成できることはほとんどない。その代わりに、冷却回路は、並列の冷却回路を形成する多数のセクションに分けられる。これらの冷却セクションはある点でマニホルドとされる(manifolded)ことが必要であり、したがって、全部の液体の流れを１つの源から供給することができる。マニホルド及び関連する配管を、耐久性のために封入することも望ましい。しかし、マニホルドとすること（manifolding）が金属の結合で実行される場合、それは多数の低抵抗の電気ループを作る。コイルの巻線がスイッチの開閉をされた場合、そのようなループは誘導電流を流し、今度は、これらの電流が傾斜磁場コイル・システムの機能的性能を著しく劣化させる寄生的な磁場を発生させる。

冷却回路の一部が、電気巻線の１つである場合にさらなる困難が起こる。この場合、巻線がスイッチの開閉をされるとき、多くの冷却の送り及び戻りが広範囲に異なる電位にあり、導電結合が巻線の電気的短絡を構成することがある。

これらの設計の考慮の結果として、冷却回路をマニホルドに連結するための絶縁結合を使用することが必要である。これらの結合がゴム又はプラスチック製であり、それらが封入されないで、したがって、それらを整備し修理できることは通常よく行われることである。

上述のマニホルドとする方法は露出した外部配管を残しており、したがって損傷を受けやすいので、理想的ではない。冷却巻線がコイル巻線でもある場合、この技術は多数の高電圧の導体を樹脂の封入から、大気中に取り出すことを伴う。特に冷却システムが大地電位にあると誤って考えられた場合、これは安全と密接な関係がある。さらに、導体の空気中の間隔に関する規制は、そのようなマニホルドとすることが多くの空間を占めることを意味する。

本発明は上述の問題を取り除くために設計された。

本発明によれば、ＭＲＩＳの傾斜磁場コイルに使用されるコイル構造体であって、前記コイル構造体がコイル構造体を冷却するための冷却媒体を搬送するコイル管を含み、コイル管の入口及び出口手段が、セラミック絶縁手段によって、それらの残りの部分から電気的に絶縁されるコイル構造体が提供される。コイル管が、コイル構造体の電流を流す導体であってもよい。絶縁手段が１つ又は複数の管状のセラミック部材を含むことができる。その管状のセラミック部材又は各管状のセラミック部材をろう付け結合によってコイル管に接続することができる。

コイル管は、各々が流体入口用のマニホルド及び流体出口用のマニホルドに絶縁された接続をもつ複数のコイルのループを形成することができる。冷却媒体は水でよい。

本発明による実施例は、ＭＲＩＳ傾斜磁場コイル内で、エポキシ樹脂内の封入に適し且つ冷却媒体を搬送することもできる永久絶縁結合を、２つ以上の導電体の間で使用するという利点がある。結合の絶縁部分は中空で液密のセラミック構成要素を含み、コイル構造体の管状の導体を絶縁セラミック管との結合を作り出すようにろう付け結合することができる。

次に、本発明が特に添付の図面に関して、例としてだけ説明される。

図１を参照すると、傾斜磁場コイルは全体として１０で示され、銅などの円板状導電材料から構成され、したがってそれらの導体は、コイルが必要な傾斜磁場を発生させることを可能にする電流を流すことができ、又、水などの冷却流体用の導管として働くこともできる。電源への接続は、１１及び１２で示される。冷却流体は、マニホルド１６に供給する冷却液入口１５を通って、コイル構造体に供給される。マニホルド１６は、絶縁装置又は絶縁体２０によってコイル構造体の点１８及び１９に接続される。このようにして、複数の冷却ループが、コイル構造体内部に作られる。冷却流体は、さらなる絶縁装置２０を経由して出口マニホルド２６に接続する管２２、２３、２４を経由して、コイル構造体を出ることができる。

各絶縁装置２０は図面の図２により詳細に示される。各絶縁装置は、ろう付け結合３３によってコイル構造体の金属配管３１及び３２に接続されるセラミック管３０を含む。したがって、セラミック管３０が、管部分３２を管部分３１から電気的に絶縁するが、冷却流体が配管を通ってコイル構造体に流入することを可能にすることがわかるであろう。

ろう付け技術は、半田付け、銀ろう付け又は従来のろう付けなどの標準の金属同士の結合技術によって、後で傾斜磁場コイル・アセンブリの配管に組み込まれる配管の小さなサブ・アセンブリに実行することができる真空ろう付けなどの既知の専門の高温工程でもよい。

マニホルドとすることを含めて図１に概略的に示される構造の大部分は、液体冷却への接続用に入口及び出口接続だけを実質的に露出して、エポキシ樹脂内に封入される。

説明されている実施例に示されているように、各マニホルドは、１つ又は複数のセラミック絶縁体を備える主に金属構造である。マニホルド自体が、複数の金属の入口及び出口管に接続されるセラミックの構成要素である実施例を考えることが可能である。

上述の実施例は以下の利点がある。
１）液体冷却用の入口および出口だけを残して、マニホルドを、傾斜磁場コイルシステムと共に樹脂に封入することができる。
２）入口及び出口の接続を大地電位に維持して、操作者の安全及び装置の小型化を図ることができる。
３）冷却回路を、従来の装置よりも早い段階で完成しテストすることができる。
４）より少ない密封点を備えた閉じた金型を、樹脂含浸用に使用することができる。これは金型アセンブリの樹脂浸透用に最適の角度に向けさせることを可能にする。
５）樹脂含浸後に装着又は交換すべきホースはなく、従って仕上げ作業を大幅に削減できる。
６）従来のマニホルドが露出していた空間を真空含浸させることができ、したがってコイル構造を頑丈にすることができる。

本発明によって構成された単一の傾斜磁場コイル巻線を示す概略図である。 図１の装置で使用される絶縁体又は絶縁装置を示す断面図である。

符号の説明

１０ 傾斜磁場コイル
１１、１２ 電源への接続
１５ 冷却液入口
１６ マニホルド
１８、１９ コイル構造体の点
２０ 絶縁装置
２２、２３、２４ 管
２６ 出口マニホルド
３０ セラミック管
３１、３２ 金属配管
３３ ろう付け結合

Claims (4)

1. ＭＲＩＳの傾斜磁場コイルに使用されるコイル構造であって、前記コイル構造体が前記コイル構造体を冷却するための冷却媒体を搬送するとともに電流が流される導体となるコイル管を含み、該コイル管は、冷却媒体入口用マニホルドと冷却媒体出口用マニホルドにそれぞれ管状のセラミック部材を介して接続されて複数の冷却回路を構成し、前記冷却媒体入口用マニホルドと前記冷却媒体出口用マニホルドとは、前記コイル管から前記管状のセラミック部材により電気的に絶縁されており、かつ前記コイル構造体は封入材料内に封入されている、コイル構造体。
2. 前記管状のセラミック部材又は各管状のセラミック部材が１つ又は複数のろう付け結合によって前記コイル管に接続される請求項１に記載のコイル構造体。
3. 前記封入材料が、エポキシ樹脂である請求項１または２に記載のコイル構造体。
4. 前記冷却媒体が水である請求項１から３までのいずれか一項に記載のコイル構造。

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