JP5317487B2 - 磁気共鳴イメージング装置の超伝導磁石及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ：ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｉｍａｇｉｎｇ）装置の超伝導磁石及びその製造方法に関するものである。

ＭＲＩ装置の超電導磁石は、液体ヘリウムによって冷却されている。液体ヘリウムは、沸点が約４．２［Ｋ］と低く、僅かな侵入熱量によっても蒸発する性質を持っている。液体ヘリウムの蒸発量を小さくする一手段として、ＧＭ（ギホード・マクマホン）式冷凍機を使用して蒸発したガスを再凝縮して再び液として戻す技術が知られている。

ＭＲＩ装置の超電導磁石は、板材から製缶したマンドレル（金型）と、超伝導線と、マンドレルの外周に超伝導線を巻き付けるために超伝導線を案内する超伝導線案内部とを備えている。

図６は、従来技術におけるＭＲＩ装置の超電導磁石の縦断面（Ｙ−Ｚ断面）及び横断面（Ｘ−Ｙ断面）を示す拡大図である。

図６に示すように、ＭＲＩ装置の超電導磁石２０は、マンドレル２１と、超伝導線２２と、マンドレル２１の外周に超伝導線２２を巻き付けるために超伝導線２２を案内する超伝導線案内部２３とを備えている。例えば、超伝導線案内部２３は、超電導磁石２０の軸方向に配列される３つのボビンによって形成される。各ボビンは、マンドレル２１の外周に溶接されたフランジの対によってそれぞれ形成される。また、マンドレル２１にフランジが溶接されるとフランジは溶接による歪が大きくなるので、溶接後、切削加工される。

ここで、マンドレル２１及びフランジをステンレスとし、マンドレル２１及びフランジを同じ材質とする。その場合、超電導磁石２０が液体ヘリウムによって極低温に置かれた場合にマンドレル２１及びフランジの線膨張率が同じとなるため、複数の超伝導線２２によって形成される超伝導コイルのマンドレル２１との相対位置がずれない利点がある。

なお、本発明に関連する技術して、次の特許文献及び非特許文献が開示されている。
特開２００７−７１１１号公報 「低温工学ハンドブック」 内田老鶴圃新社 (1982)p631

しかしながら、従来の技術では、超電導磁石の電気伝導部材（マンドレル及びフランジ）に渦電流が誘起され、渦電流による磁場が計測空間における静磁場の均一度を乱すと共に、渦電流の静磁場との相互作用によってローレンツ力が発生して超電導磁石が振動することで、励起時の静磁場の均一性を阻害する可能性がある。

さらに、超電導磁石の製造工程において、フランジをマンドレルに溶接して超電導磁石を製造する場合、溶接に高度の技術を要し、溶接に長時間を要することが問題であった。

また、フランジをマンドレルに溶接して超電導磁石を製造する場合、溶接によるフランジの歪を補正するために溶接後フランジを切削加工するが、削りしろを大きく取る必要があるので、切削加工に長時間を要することが問題であった。切削加工時間を短縮しようとして切削加工の速度を速めようとしても、切削加工時に発生する熱によるフランジの変形を避ける必要があるので、切削加工の速度を速められなかった。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、励起時の静磁場均一性を向上できる磁気共鳴イメージング装置の超伝導磁石を提供することを目的とする。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、製造コストを抑えることができる磁気共鳴イメージング装置の超伝導磁石の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る磁気共鳴イメージング装置の超伝導磁石は、マンドレルと、超伝導線と、前記超伝導線を前記マンドレルの外周に巻き付けるために前記超伝導線を案内する超伝導線案内部と、を備え、前記超伝導線案内部に、所要温度で前記マンドレルの材料が有する軸方向の線膨張率に対応する巻き角度で前記マンドレルの外周に巻き付けられたガラス繊維によって形成されるガラス繊維層と、前記超伝導線を嵌合するために、前記ガラス繊維層内の外周部分に削成される嵌合溝と、を設け、前記ガラス繊維層の軸方向に前記嵌合溝が３つ以上配列される場合、前記ガラス繊維層の軸方向の中心から端に向かって前記３つ以上の嵌合溝の深さが順次大きくなるように、前記３つ以上の嵌合溝が削成される構成とする。

本発明に係る磁気共鳴イメージング装置の超伝導磁石によると、静磁場均一性を向上できる。

本発明に係る磁気共鳴イメージング装置の超伝導磁石の製造方法によると、製造コストを抑えることができる。

本発明に係る磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ：ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｉｍａｇｉｎｇ）装置用の超伝導磁石及びその製造方法の実施形態について、添付図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係るＭＲＩ装置の超伝導磁石の実施形態を示す斜視図である。

図１は、本実施形態におけるＭＲＩ装置の超伝導磁石１０を示す。

超伝導磁石１０は、板材から製缶したマンドレル（金型）又はシームレス管のマンドレル１１と、超伝導線１２（図２に図示）と、超伝導線１２をマンドレル１１の外周に巻き付けるために超伝導線１２を案内する超伝導線案内部１３とを備える。

超伝導線案内部１３は、所要温度でマンドレル１１の材料が有する軸方向（Ｚ軸方向）の線膨張率に対応する巻き角度でマンドレル１１の外周に巻き付けられたエポキシ等を含ませたガラス繊維、例えばＧ−ＦＲＰ（ｇｌａｓｓ−ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃｓ）によって形成されるＧ−ＦＲＰ層１３ａと、超伝導線１２を嵌合するために、Ｇ−ＦＲＰ層１３ａ内の外周部分に削成される嵌合溝１３ｂとを設ける。

超伝導線案内部１３のＧ−ＦＲＰ層１３ａは、Ｚ軸方向の線膨張率が所要温度のマンドレル１１のＺ軸方向の線膨張率と同程度になるように巻き角度が設定されている。例えば、マンドレル１１がステンレスによって構成される場合、公知の通り、Ｚ軸方向の線膨張率が液体ヘリウムの影響下の低温のマンドレル１１のＺ軸方向の線膨張率と同程度になるように、Ｇ−ＦＲＰの巻き角度を５８度程度とすることが好適である。

また、Ｇ−ＦＲＰ層１３ａの径方向の収縮は、その内周のマンドレル１１としてのステンレスによって抑えることができる。

図２は、本実施形態における超伝導磁石１０の縦断面（Ｙ−Ｚ断面）及び横断面（Ｘ−Ｙ断面）の第１例を示す拡大図である。

図２に示すように、Ｇ−ＦＲＰ層１３ａ内の外周部分に削成された嵌合溝１３ｂに超伝導線１２が嵌合され、超伝導コイルが形成されている。超伝導線１２は、液体ヘリウム温度で超伝導になっているニオブ・チタン等の超伝導体からなる。ここでは、Ｇ−ＦＲＰ層１３ａ内の外周部分であって、Ｚ軸方向に３つの嵌合溝１３ｂに３つの超伝導線１２がそれぞれ嵌合されている。

なお、Ｚ軸方向に嵌合溝１３ｂが３つ以上配列される場合、Ｚ軸方向の中心から端に向かって３つ以上の嵌合溝１３ｂの深さが順次大きくなるように３つ以上の嵌合溝１３ｂが削成されてもよい。この場合、励起時の静磁場均一性にとって好適である。

図３は、本実施形態における超伝導磁石１０の縦断面（Ｙ−Ｚ断面）及び横断面（Ｘ−Ｙ断面）の第２例を示す拡大図である。

図３に示すように、Ｚ軸方向に嵌合溝１３ｂが３つ配列される場合、Ｚ軸方向の中心から端に向かって３つの嵌合溝１３ｂの深さが順次大きくなるように３つの嵌合溝１３ｂが削成されている。

図４は、本実施形態における超伝導磁石１０の縦断面（Ｙ−Ｚ断面）及び横断面（Ｘ−Ｙ断面）の第３例を示す拡大図である。

図４に示すように、Ｚ軸方向に嵌合溝１３ｂが５つ配列される場合、Ｚ軸方向の中心から端に向かって５つの嵌合溝１３ｂの深さが順次大きくなるように５つの嵌合溝１３ｂが削成されている。

図３及び図４に示すように、Ｚ軸方向の中心から端に向かって３つ以上の嵌合溝１３ｂの深さが順次大きくなるように３つ以上の嵌合溝１３ｂを削成すると、Ｚ軸方向の中心から端に向かって、嵌合溝１３ｂに嵌合される超伝導線１２の径が順次小さくなる。よって、撮像中心から各超伝導線１２までの距離の差が小さくなるので、励起時の静磁場均一性を向上できる。

また、図２に示すように、マンドレル１１内の外周部分に、Ｇ−ＦＲＰ層１３ａとの位置ずれを防止するためのずれ防止溝１１ａを削成してもよい。ずれ防止溝１１ａは、マンドレル１１の外周に点在するように削成されることが好適である。マンドレル１１の外周にずれ防止溝１１ａを削成し、ずれ防止溝１１ａに、マンドレル１１の外周に巻き付けられるＧ−ＦＲＰの一部が噛合する。励起時に渦電流と静磁場との相互作用で発生するローレンツ力による振動によってマンドレル１１からＧ−ＦＲＰ層１３ａがずれようとする力が働くが、ずれ防止溝１１ａにＧ−ＦＲＰの一部の噛合することで、マンドレル１１からＧ−ＦＲＰ層１３ａがずれることを防止する効果がある。

図５は、本実施形態のＭＲＩ装置の超伝導磁石の製造方法を示すフローチャートである。

板材から製缶したマンドレル又はシームレス管のマンドレル１１内の外周部分に、Ｇ−ＦＲＰ１２との位置ずれを防止するためのずれ防止溝１１ａを削成する（ステップＳ１）。なお、ステップＳ１は、本実施形態のＭＲＩ装置の超伝導磁石の製造方法に必須のステップではない。

次いで、マンドレル１１の外周に、フィラメントワインディング（ｆｉｌａｍｅｎｔ ｗｉｎｄｉｎｇ）法を用いて、液体ヘリウム温度でマンドレル１１の材料が有するＺ軸方向の線膨張率に対応する巻き角度でマンドレル１１の外周にエポキシ等を含ませたガラス繊維、例えばＧ−ＦＲＰを巻き付け、Ｇ−ＦＲＰ層１３ａを形成させる（ステップＳ２）。ここで、フィラメントワインディング法とは、Ｇ−ＦＲＰを１乃至数十本引き揃えてＧ−ＦＲＰ群とし、Ｇ−ＦＲＰ群を含浸させながら、回転するマンドレル１１に所定の厚さまでテンションを掛けて所要の巻き角度で巻き付けてＧ−ＦＲＰ層１３ａを形成し、硬化後脱型する形成法である。

また、ステップＳ２によるＧ−ＦＲＰ層１３ａの巻き角度は、Ｚ軸方向の線膨張率が所要温度のマンドレル１１のＺ軸方向の線膨張率と同程度になるように設定されている。例えば、マンドレル１１がステンレス材である場合、Ｚ軸方向の線膨張率が、液体ヘリウムの影響下の低温のマンドレル１１のＺ軸方向の線膨張率と同程度になるように、Ｇ−ＦＲＰ（Ｇ−ＦＲＰ群）の巻き角度を５８度程度とすることが好適である。

次いで、Ｇ−ＦＲＰ層１３ａ内の外周部分に、超伝導線１２を嵌合するための嵌合溝１３ｂを削成する（ステップＳ３）。Ｚ軸方向に嵌合溝１３ｂが３つ以上配列される場合、ステップＳ３では、Ｚ軸方向の中心から端に向かって３つ以上の嵌合溝１３ｂの深さが順次大きくなるように３つ以上の嵌合溝１３ｂを削成してもよい。

ここで、Ｚ軸方向の中心から端に向かって、３つ以上の嵌合溝１３ｂにそれぞれ嵌合される各超伝導線１２の径を順次小さくなるように削成すると、撮像中心から各超伝導線１２までの距離の差が小さくなって励起時の静磁場均一性を向上できる。Ｚ軸方向の中心から端に向かって、各超伝導線１２の径を順次小さくなるように削成する削成作業は比較的容易であり、各超伝導線１２の径を等しくする場合と同様に短時間で実現できる。

次いで、ステップＳ３によって削成された嵌合溝１３ｂに超伝導線１２を嵌合して、マンドレル１１の外側に超伝導コイルを形成させる（ステップＳ４）。以上のように、ステップＳ１乃至Ｓ４によると、マンドレル１１の外周にＧ−ＦＲＰ層１３ａを形成後、Ｇ−ＦＲＰ層１３ａ内の外周部分に嵌合溝１３ｂを削成して超伝導線案内部１３を形成することで超伝導磁石１０を製造することができる。

本実施形態のＭＲＩ装置の超伝導磁石１０によると、超伝導線案内部１３を、金属ではない材料によって構成することで渦電流の発生を抑制することができる。また、本実施形態のＭＲＩ装置の超伝導磁石１０によると、撮像中心から各超伝導線１２までの距離の差が小さくなる。よって、本実施形態のＭＲＩ装置の超伝導磁石１０によると、励起時の静磁場均一性を向上できる。

本実施形態のＭＲＩ装置の超伝導磁石１０の製造方法によると、比較的容易なＧ−ＦＲＰ層１３ａの形成とＧ−ＦＲＰ層１３ａの削成とによって超伝導磁石１０を製造できるので、超伝導磁石１０の製造時間を大幅に短縮でき、超伝導磁石１０の製造コストを抑えることができる。

本発明に係るＭＲＩ装置の超伝導磁石の実施形態を示す斜視図。 本実施形態におけるＭＲＩ装置の超電導磁石の縦断面（Ｙ−Ｚ断面）及び横断面（Ｘ−Ｙ断面）の第１例を示す拡大図。 本実施形態におけるＭＲＩ装置の超伝導磁石の縦断面（Ｙ−Ｚ断面）及び横断面（Ｘ−Ｙ断面）の第２例を示す拡大図。 本実施形態におけるＭＲＩ装置の超伝導磁石の縦断面（Ｙ−Ｚ断面）及び横断面（Ｘ−Ｙ断面）の第３例を示す拡大図。 本実施形態のＭＲＩ装置の超伝導磁石の製造方法を示すフローチャート。 従来技術におけるＭＲＩ装置の超電導磁石の縦断面（Ｙ−Ｚ断面）及び横断面（Ｘ−Ｙ断面）を示す拡大図。

符号の説明

１０ ＭＲＩ装置の超伝導磁石
１１ マンドレル
１１ａ ずれ防止溝
１２ 超伝導線
１３ 超伝導線案内部
１３ａ Ｇ−ＦＲＰ層
１３ｂ 嵌合溝

Claims (9)

1. マンドレルと、
   超伝導線と、
   前記超伝導線を前記マンドレルの外周に巻き付けるために前記超伝導線を案内する超伝導線案内部と、を備え、
   前記超伝導線案内部に、
   所要温度で前記マンドレルの材料が有する軸方向の線膨張率に対応する巻き角度で前記マンドレルの外周に巻き付けられたガラス繊維によって形成されるガラス繊維層と、
   前記超伝導線を嵌合するために、前記ガラス繊維層内の外周部分に削成される嵌合溝と、
   を設け、
   前記ガラス繊維層の軸方向に前記嵌合溝が３つ以上配列される場合、前記ガラス繊維層の軸方向の中心から端に向かって前記３つ以上の嵌合溝の深さが順次大きくなるように、前記３つ以上の嵌合溝が削成される構成とする、
   ことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置の超伝導磁石。
2. マンドレルと、
   超伝導線と、
   前記超伝導線を前記マンドレルの外周に巻き付けるために前記超伝導線を案内する超伝導線案内部と、を備え、
   前記超伝導線案内部に、
   所要温度で前記マンドレルの材料が有する軸方向の線膨張率に対応する巻き角度で前記マンドレルの外周に巻き付けられたガラス繊維によって形成されるガラス繊維層と、
   前記超伝導線を嵌合するために、前記ガラス繊維層内の外周部分に削成される嵌合溝と、
   を設け、
   前記マンドレル内の外周部分に、溝が削成される構成とする、
   ことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置の超伝導磁石。
3. 前記マンドレルがステンレスによって構成される場合、前記ガラス繊維の巻き角度が５８度によって構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気共鳴イメージング装置の超伝導磁石。
4. 前記ガラス繊維が、Ｇ−ＦＲＰ（ｇｌａｓｓ−ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃｓ）によって構成されることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の磁気共鳴イメージング装置の超伝導磁石。
5. 所要温度でマンドレルの材料が有する軸方向の線膨張率に対応する巻き角度で前記マンドレルの外周に巻き付けられたガラス繊維によってガラス繊維層を形成するガラス繊維層形成ステップと、
   超伝導線を嵌合するために、前記ガラス繊維層内の外周部分に嵌合溝を削成する嵌合溝削成ステップと、
   前記嵌合溝に前記超伝導線を嵌合して、前記マンドレルの外側に超伝導コイルを形成させる超伝導コイル形成ステップと、
   を有し、
   前記ガラス繊維層の軸方向に前記嵌合溝が３つ以上配列される場合、前記嵌合溝削成ステップは、前記ガラス繊維層の軸方向の中心から端に向かって前記３つ以上の嵌合溝の深さが順次大きくなるように、前記３つ以上の嵌合溝を削成する、
   ことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置の超伝導磁石の製造方法。
6. 所要温度でマンドレルの材料が有する軸方向の線膨張率に対応する巻き角度で前記マンドレルの外周に巻き付けられたガラス繊維によってガラス繊維層を形成するガラス繊維層形成ステップと、
   超伝導線を嵌合するために、前記ガラス繊維層内の外周部分に嵌合溝を削成する嵌合溝削成ステップと、
   前記嵌合溝に前記超伝導線を嵌合して、前記マンドレルの外側に超伝導コイルを形成させる超伝導コイル形成ステップと、
   前記マンドレル内の外周部分に、溝を削成する溝削成ステップと、
   を有することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置の超伝導磁石の製造方法。
7. 前記マンドレルがステンレスによって構成される場合、前記ガラス繊維層形成ステップは、前記ガラス繊維の巻き角度を５８度とすることを特徴とする請求項５又は６に記載の磁気共鳴イメージング装置の超伝導磁石の製造方法。
8. 前記ガラス繊維層形成ステップは、前記ガラス繊維をＧ−ＦＲＰ（ｇｌａｓｓ−ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃｓ）とすることを特徴とする請求項５乃至７のうちいずれか１項に記載の磁気共鳴イメージング装置の超伝導磁石の製造方法。
9. 前記ガラス繊維層形成ステップは、フィラメントワインディング（ｆｉｌａｍｅｎｔ ｗｉｎｄｉｎｇ）法を用いて、前記ガラス繊維層を形成することを特徴とする請求項５乃至８のうちいずれか１項に記載の磁気共鳴イメージング装置の超伝導磁石の製造方法。

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