JP5298056B2 - 超電導磁石装置及び磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Description

本発明は、超電導磁石装置及びそれを用いた磁気共鳴イメージング装置に関する。

磁気共鳴イメージング装置（Magnetic Resonance Imaging System、以下、ＭＲＩ装置）は、生体の大部分を構成する水素原子核の核磁気共鳴（ＮＭＲ）現象が組織によって異なることを利用して、生体組織を画像化するものであり、共鳴の強さや、共鳴の時間的変化の速さが画像のコントラストとして現われるようになっている。ＭＲＩ装置は、撮像領域に静磁場を生成する静磁場磁石と、被検体に高周波パルスを照射するＲＦコイルと、被検体からの核磁気共鳴信号を受信する受信コイルと、断層像に撮像領域の位置情報を付与する傾斜磁場コイルを備える。

ＭＲＩ装置において高画質な画像を得るためには、撮像領域に高磁場且つ高均一で時間的に安定した磁場を生成する必要がある。このため、ＭＲＩ装置の静磁場磁石には、超電導磁石装置が必須となっている。超電導磁石装置としては、冷媒（液体ヘリウム）で極低温に保持される超電導コイルを用いる。超電導コイル及び液体ヘリウムは、冷媒容器内に配置される。冷媒容器は、熱伝導が良くかつ電気抵抗の低いアルミニウム等で構成される輻射シールドに覆われている。冷媒容器を輻射シールドで覆うことによって、冷媒容器内にある液体ヘリウムの蒸発を抑えることができる。他方で、輻射シールドを構成するアルミニウムは、電気抵抗が低いため、超電導コイルを急速消磁させた場合に、誘導電流による電磁力が輻射シールドに働いてしまう。このような電磁力が働くことによって、輻射シールドが破損又は変形して断熱性能に悪影響を及ぼす可能性がある。

また、ＭＲＩ装置を使って被検診者を撮像する時には、傾斜磁場コイルにパルス状又はステップ状の電流が流されるため、輻射シールドに対して誘導電流による電磁力が発生し、輻射シールドが振動してしまう。この振動は撮像領域に誤差磁場を生じ、画像劣化を引き起こしてしまう。

特許文献１には、輻射シールドに対する電磁力による変形や振動を抑制し、断熱性能と高画質を得る方法として、輻射シールドの軸方向に複数のスリットを設け、内，外周面の一方又は双方にスリットが覆われるようにＦＲＰ層を形成したＭＲＩ装置が開示されている。

特開平７−２２２３１号公報

特許文献１では、急速消磁時の輻射シールドの電磁力及び撮像時の輻射シールドの振動による誤差磁場を低減することができる。しかし、このＭＲＩ装置は、輻射シールドに対して複数のスリットを設けているため、輻射シールドの内部への磁気遮蔽効果が弱まってしまう。したがって、傾斜磁場コイルからの漏れ磁場によって超電導コイルに電磁力が働き、振動による誤差磁場が生じる可能性がある。

本発明の課題は、超電導コイルの急速消磁時の輻射シールドの電磁力変形及び傾斜磁場コイルの漏れ磁場に起因する輻射シールド及び超電導磁石の振動を同時に抑制することにある。

前記した課題を解決する本発明の特徴は、超電導線を巻回した超電導コイルと、超電導コイルを少なくとも１つ内包する冷媒容器と、冷媒容器を覆う輻射シールドと、輻射シールドを覆う真空容器と、撮像空間に傾斜磁場を発生する傾斜磁場コイルを備える超電導磁石装置において、輻射シールドの周方向の一部を、第１部材とこの第１部材よりも高い抵抗値を有する第２部材の複合材で構成し、第２部材の位置が傾斜磁場コイルからの漏れ磁場が少ないＸ方向傾斜磁場軸とＹ方向傾斜磁場軸の中間方向とすることにある。

本発明によれば、超電導コイルの急速消磁時の電磁力による輻射シールドの変形と、撮像時の電磁力による輻射シールド及び超電導コイルの振動を同時に抑制し、装置の信頼性と画質を向上することができる。

本発明の第１の実施例であるＭＲＩ装置の、上部ガントリ１Ａの内部構成を示すＸＹ断面図である。 本発明のＭＲＩ装置を示す斜視図である。 本発明の第１の実施例であるＭＲＩ装置の上部ガントリ１Ａの１／２縦断面図である。 本発明の第１の実施例であるＭＲＩ装置の上部ガントリ１Ａの内部構成を示す斜視図である。 本発明の第２の実施例であるＭＲＩ装置の上部ガントリ１Ａの内部構成を示す斜視図である。 本発明の第３の実施例であるＭＲＩ装置の上部ガントリ１Ａの内部構成を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。

〔実施例１〕
本発明の好適な一実施形態である磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ装置）について、図１〜図４を用いて説明する。

図２に示すように、本実施例のＭＲＩ装置１００は、垂直磁場方式のオープン型ＭＲＩ装置である。このＭＲＩ装置１００は、核磁気共鳴現象を利用して被検体の断層画像を得るものであり、被検体にＮＭＲ現象を誘起してＮＭＲ信号を受信するための各種装置を収容するガントリ１、被検体を載せるベッド装置２、被検体を撮像領域へ搬送する搬送手段２ａ、ガントリ１内の各種装置を制御する電源や各種制御装置を収納した制御装置３、検出された核磁気共鳴信号を処理して被検体の断層画像を生成するコンピュータを有する処理装置４、生成された被検体の断層画像を表示する表示装置５を備える。ガントリ１，ベッド装置２，搬送手段２ａ，制御装置３，処理装置４及び表示装置５は、それぞれ電源・信号線６で接続される。ガントリ１，ベッド装置２及び搬送手段２ａは、高周波電磁波と静磁場を遮蔽するシールドルーム（図示せず）内に配置される。また、制御装置３，処理装置４及び表示装置５は、シールドルーム外のオペレータ室（図示せず）に配置される。

オープン型ＭＲＩ装置１００のガントリ１は、上部ガントリ１Ａ，下部ガントリ１Ｂ及び連結部材１Ｃを備える。本実施例では、二つの連結部材１Ｃを用いて上部ガントリ１Ａと下部ガントリ１Ｂを支持する。上部ガントリ１Ａと下部ガントリ１Ｂは、撮像領域７を挟んで対向して配置される。

図３に示すように、上部ガントリ１Ａは、内部を真空に保持する真空容器１１、電気的な抵抗値が異なる複数の部材で構成される輻射シールド１２（詳細は後述）、冷媒（液体ヘリウム）を収容する冷媒容器１３、超電導線を巻回して構成されて撮像領域７に静磁場８を生成する超電導主コイル１４、超電導主コイル１４と逆向きの電流を流して漏れ磁場を抑制する超電導シールドコイル１５、撮像領域７にＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に傾斜した磁場を生成する傾斜磁場コイル２１、及び冷媒と輻射シールドを冷却する冷凍機（図示せず）を備える。

超電導主コイル１４，超電導シールドコイル１５及び液体ヘリウムは、リング状（円環状）の冷媒容器１３内に収納され、４.２Ｋの温度に保持される。超電導主コイル１４及び超電導シールドコイル１５は、それぞれリング状（円環状）の形状を有し、中心軸がＺ軸で一致するように配置される。このような超電導主コイル１４及び超電導シールドコイル１５は、電磁力，漏洩磁場，最大経験磁場，磁場均一度、および磁場強度を許容範囲内に抑えるように、位置，形状が決定され、巻き枠（図示せず）に支持される。本実施例では、一つの超電導主コイル１４及び超電導シールドコイル１５が上部ガントリ１Ａに配置される例を示したが、複数個の超電導コイルを備えてもよい。また、撮像領域７に生成される磁場の均一度を高めるために、磁場補正用の磁性体を配置してもよい。

輻射シールド１２は、リング状（円環状）の形成を有し、冷媒容器１３を覆うように設置される。輻射シールド１２，冷媒容器１３，超電導主コイル１４及び超電導シールドコイル１５は、中心軸がＺ軸で一致するように配置される。冷媒容器１３を支持する支持部材３４及び輻射シールド１２を支持する支持部材３５は、外部からの熱侵入を防ぐために低熱伝導の材料、例えばＦＲＰ（繊維強化プラスチック）で構成される。

真空容器１１は、非磁性の構造材（例えば、ステンレス鋼など）で構成され、円盤状の形状を有する。この真空容器１１は、内部を真空に保持し、冷媒容器１３および輻射シールド１２を覆うように配置される。

傾斜磁場コイル２１は、上部ガントリ１Ａと下部ガントリ１Ｂが対向する面であって、真空容器１１の表面に形成された凹部に設置される。この傾斜磁場コイル２１は、撮像領域７に対して、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向に傾斜した磁場を生成する。ここで、Ｚ軸は静磁場の方向、Ｘ軸はＸ方向の傾斜磁場の方向、Ｙ軸はＹ方向傾斜磁場の方向とする。Ｘ軸，Ｙ軸及びＺ軸はそれぞれ直交する軸である。

下部ガントリ１Ｂは、内部を真空に保持する真空容器１１、電気的な抵抗値が異なる複数の部材で構成される輻射シールド１２、液体ヘリウムを収容する冷媒容器１３、超電導線を巻回して構成されて撮像領域７に静磁場８を生成する超電導主コイル１４、超電導主コイル１４と逆向きの電流を流して漏れ磁場を抑制する超電導シールドコイル１５、撮像領域７にＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に傾斜した磁場を生成する傾斜磁場コイル２１を備えるが、これらの機器が配置される位置が上部ガントリ１Ａと異なる。具体的には、下部ガントリ１Ｂの内部構成は、図３に示すＸ軸を中心として、上部ガントリ１Ａを１８０度回転させた構成と類似する。なお、下部のガントリ１Ｂの真空容器１１の上に２本の支持部材（図示せず）が立てられ、これらの支持部材によって上部ガントリ１Ａの真空容器１１が支持されている。この支持部材は、連結部材１Ｃ内部に位置する。この支持部材が、上部ガントリ１Ａの真空容器１１と下部ガントリ１Ｂの真空容器１１を互いに連結する。つまり、上部ガントリ１Ａの真空容器１１、下部ガントリ１Ｂの真空容器１１及び支持部材の内部が真空に保持される。また、上下の真空容器１１内のそれぞれに収容されている輻射シールド１２も、連結部材１Ｃ内で互いに連結される。さらに、上下の輻射シールド１２内のそれぞれに収容されている冷媒容器１３も、連結部材１Ｃ内で互いに連結される。連結部材１Ｃによって離間された上部ガントリ１Ａと下部ガントリ１Ｂの間に、被検体を載せたベッド装置２が配置される。

以下、本実施例のＭＲＩ装置１００の特徴的な構成とその効果を、図１及び図４を用いて説明する。図１は、上部ガントリ１Ａのうち、輻射シールド１２及びＸ軸傾斜磁場主コイル２２のみを示すＸＹ断面図である。図４は、上部ガントリ１Ａのうち、輻射シールド１２の内部及び傾斜磁場コイル２１のみを示す斜視図である。
（１）本実施例の輻射シールド１２は、抵抗の異なる複数の部材で構成される。具体的には、リング状の輻射シールド１２の周方向の一部の領域（以下、第１領域）を非磁性の第１部材３１で構成（例えば、アルミニウムなどで構成）し、他の領域（第２領域）を非磁性であって第１部材３１よりも高い抵抗値を有する第２部材３２で構成する。第２部材３２は、輻射シールド１２の内周面，上面部，外周面，下面部に帯状に形成される。ここで、輻射シールド１２の内周面とは傾斜磁場コイルに最も近い位置にある面（Ｚ軸から最も近い位置にある面）を示し、外周面とは輻射シールドに最も遠い位置になる面（Ｚ軸から最も遠い位置にある面）を示す。第２部材３２は、従来の輻射シールド１２の構成部材として使用されるアルミニウムよりも高い抵抗値を有する部材であり、例えば、第１部材３１よりも純度が低いアルミニウム，構造材用アルミニウム，ステンレス鋼などを適切に選択することが可能である。このように、本実施例は、抵抗値の異なる複数の部材を用いて輻射シールド１２を構成しているため、急速消磁時に輻射シールド１２に流れる周回方向の誘導電流を低減し、電磁力による輻射シールドの変形や破損を抑制し、伝熱性能を確保することができる。
（２）さらに、輻射シールド１２において第２部材３２を配置する位置を、傾斜磁場コイル２１からの漏れ磁場１０が小さいＸ方向傾斜磁場軸とＹ方向傾斜磁場軸の中間、つまり図１ではＸ軸から４５度，１３５度，２２５度，３１５度の位置とする。具体的には、第２部材３２は、Ｘ軸から４５度，１３５度，２２５度，３１５度の位置を含む領域の、輻射シールド１２の内周面，上面部，外周面，下面部に配置する。このような構成によって、撮像時の誘導電流による輻射シールドの発熱を低減できる。さらに、漏れ磁場が大きい０度，９０度，１８０度，２７０度の位置を含む領域には、低い抵抗を有する第１部材３１を配置することによって、スリットを配置した従来の場合に比べて、傾斜磁場コイル２１からの漏れ磁場を輻射シールド１２で遮蔽する効果を高くできる。したがって、輻射シールド１２内の超電導主コイル１４に働く電磁力を低減し、さらに振動による誤差磁場で引き起こされる画像劣化を抑制できる。
（３）本実施例では、第１部材３１と第２部材３２を溶接等によって接合した複合材で輻射シールド１２を構成する。このような複合材で構成することによって、輻射シールド１２の強度を向上させることができ、撮像時の輻射シールド１２の振動による誤差磁場を低減し、高画質を得ることができようになる。ここで、輻射シールド１２の振動は、傾斜磁場コイル２１からの漏れ磁場と超電導主コイル１４及び超電導シールドコイル１５の静磁場によって生じる電磁力が原因である。
（４）さらに、輻射シールド１２の第２部材３２を覆うようなカバー３３を設置しても良い。このカバー３３を、輻射シールド１２の第１部材３１と同じ抵抗値を有する部材（アルミニウムなど）で構成することによって、第２部材３２を設置した第２領域の断熱性能を改善することができる。さらに、輻射シールド１２とカバー３３を電気的に絶縁して配置することによって、急速消磁時の周回電流がカバー３３を介して流れることを防止できる。

〔実施例２〕
以下に、本発明の第２の実施例のＭＲＩ装置を、図５を用いて説明する。本実施例のＭＲＩ装置１００Ａは、実施例１のＭＲＩ装置１００において輻射シールド１２を輻射シールド１２Ａに替えた構成を有する。図５は、上部ガントリ１Ａのうち、輻射シールド１２Ａの内部及び外部磁界発生源である傾斜磁場コイル２１のみを示す斜視図である。

本実施例のＭＲＩ装置１００Ａの構成とそれによる効果は、以下に示す点を除いて、実施例１のＭＲＩ装置１００と同様である。括弧内の数字は実施例１と対応している。
（１）本実施例の輻射シールド１２Ａは、抵抗の異なる複数の部材で構成するが、図５に示すように、リング状の輻射シールド１２Ａのうち内周面の一部の領域のみを、その他の領域（第１領域）よりも高い抵抗値を有する部材（第２部材３２Ａ）で構成する。つまり、輻射シールド１２Ａの上面部，下面部及び外周面（径が最も大きい面）は、非磁性の第１部材（アルミニウムなど）で構成し、輻射シールド１２Ａの内周面（径が最も小さい面）を抵抗の異なる複数の部材で構成する。輻射シールド１２Ａの内周面は、周方向の一部の領域を第１部材で構成し、他の領域（第２領域）を第１部材３１Ａよりも高い抵抗値を有する第２部材３２Ａで構成する。第２部材３２Ａは、従来の輻射シールドの構成部材とて使用されるアルミニウムよりも高い抵抗値を有する部材とし、例えば、第１部材３１Ａよりも純度が低いアルミニウム，構造材用アルミニウム又はステンレス鋼などを適切に選択することが可能である。超電導主コイル１４が輻射シールド１２Ａの内周面に近い位置に配置される構成の場合、急速消磁時の誘導電流は主に輻射シールド１２Ａの内周面に流れる。そこで、本実施例のように輻射シールド１２Ａの内周面の一部（第２領域）を、周囲よりも高い抵抗値を有する第２部材３２Ａで構成することによって、周回方向の誘導電流を低減することができ、電磁力による輻射シールド１２Ａの変形や破損を抑制し、伝熱性能を確保することができる。

本実施例でも、実施例１の（２）（３）（４）に記載される特徴的な構成を備えることで、同様の効果を得ることができる。

さらに、本実施例によれば、第２部材３２Ａの領域を輻射シールドの内周面のみに限定することによって、製作コストと撮像時の誘導発熱を低減することができる。

〔第３の実施例〕
以下に、本発明の第３の実施例のＭＲＩ装置を、図６を用いて説明する。本実施例のＭＲＩ装置１００Ｂは、実施例１のＭＲＩ装置１００において輻射シールド１２を輻射シールド１２Ｂに替えた構成を有する。図６は、上部ガントリ１Ａのうち、輻射シールド１２Ｂの内部及び外部磁界発生源である傾斜磁場コイル２１のみを示す斜視図である。

本実施例のＭＲＩ装置１００Ｂの構成とそれによる効果は、以下に示す点を除いて、実施例１のＭＲＩ装置１００と同様である。括弧内の数字は第１の実施例と対応している。
（１）本実施例の輻射シールド１２Ｂは、抵抗の異なる複数の部材で構成するが、図６に示すように、他の領域（第１領域）よりも高い抵抗値を有する第２部材３２Ｂの面積が、実施例１の第２部材３２と異なる。具体的には、本実施例の第２部材３２Ｂの周方向の角度幅を、傾斜磁場コイル２１に近い位置にある内周面側に比べて、傾斜磁場コイル２１から遠い位置の外周面側を長くする。輻射シールド１２Ｂの内周面，上面部，外周面，下面部の一部を、非磁性であって輻射シールド１２Ｂの他の領域（第１領域）よりも高い抵抗値を有する第２部材３２Ｂで構成する。第２部材３２は、従来の輻射シールドの構成部材とて使用されるアルミニウムよりも高い抵抗値を有する部材であり、例えば、第１部材３１Ｂよりも純度が低いアルミニウム，構造材用アルミニウム，ステンレス鋼などを適切に選択することが可能である。なお、輻射シールド１２Ｂの第１部材３１Ｂはアルミニウムなどで構成する。

本実施例でも、実施例１の（２）（３）（４）に記載される特徴的な構成を備えることで、同様の効果を得ることができる。

本実施例のように、内周面と外周面の第２部材３２Ｂの角度幅及び第２部材３２Ｂの材質をパラメータとして、最適な組合せを探索することによって、急速消磁時の電磁力による輻射シールドの変形と、撮像時の電磁力による輻射シールド及び超電導コイルの振動を同時に抑制し、装置の信頼性と画質を向上した超電導磁石装置及びそれを用いたＭＲＩ装置を提供できる。

１ ガントリ
２ ベッド装置
２ａ 搬送手段
３ 制御装置
４ 処理装置
５ 表示装置
６ 信号線
７ 撮像領域
８ 静磁場
９ 傾斜磁場
１０ 傾斜磁場コイルからの漏れ磁場
１１ 真空容器
１２，１２Ａ，１２Ｂ 輻射シールド
１３ 冷媒容器
１４ 超電導主コイル
１５ 超電導シールドコイル
１６ 超電導コイル
２１ 傾斜磁場コイル
２２ Ｘ軸傾斜磁場主コイル
３１，３１Ａ，３１Ｂ 第１部材
３２，３２Ａ，３２Ｂ 第２部材
３３ カバー
３４，３５ 支持部材

Claims (4)

1. 超電導線を巻回したリング状の超電導コイルと、
   前記超電導コイルと冷媒を内包するリング状の冷媒容器と、
   前記冷媒容器を覆うように配置されるリング状の輻射シールドと、
   前記輻射シールドを覆うように配置され、内部を真空に保持する真空容器と、
   傾斜磁場を生成する傾斜磁場コイルを備え、
   前記輻射シールドは、第１部材及び周方向の一部を前記第１部材よりも高い抵抗値を有する第２部材で構成し、第２部材の位置が傾斜磁場コイルからの漏れ磁場が少ないＸ方向傾斜磁場軸とＹ方向傾斜磁場軸の中間方向であることを特徴とする超電導磁石装置。
2. 請求項１に記載の超電導磁石装置において、
   前記第２部材の外側を覆うカバーを備え、
   前記輻射シールドと前記カバーを電気的に絶縁して配置することを特徴とする超電導磁石装置。
3. 請求項１に記載の超電導磁石装置において、
   前記輻射シールドは、前記傾斜磁場コイルから最も遠い位置にある面の周方向の前記第２部材の角度幅が、前記傾斜磁場コイルから最も近い位置にある面の周方向の前記第２部材の角度幅より長いことを特徴とする超電導磁石装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超電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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