JP6214098B2 - ヘリウム蒸気磁気共鳴磁石 - Google Patents

Description

本願は磁気共鳴磁石、極低温磁石（ｃｒｙｏｍａｇｎｅｔ）、超電導磁石、及び特にかかる種類の磁石の冷却に関する。

磁気共鳴（ＭＲ）スキャナは超電導温度、例えば５．２°ケルビン未満に冷却される超電導磁石を使用する。従来液体ヘリウムがその熱特性のために超電導磁石の冷却に使用されてきた。しかしながら液体ヘリウムは高価である。世界の多くの地域は液体ヘリウムの即時供給若しくは代替液体ヘリウムを持たない。

磁石の電気及び磁気特性は磁気共鳴システムの均一静磁場を生じるために磁石を冷却する間維持される。冷却システムは磁気コイルの完全性を侵すことなくコイルを均一に冷却する。

全身ＭＲイメージング用に使用される電磁コイルのボアは撮像される患者及び極低温システムの極低温から患者を熱的に分離する構造を収容するために十分な大きさである。製造設計は周囲磁石内の動作温度を磁石の臨界温度未満に維持しながらコイルアセンブリのボア内の室温に対応する。７０°Ｆの室温はおよそ２９４°Ｋであるが、磁石の臨界温度は典型的には５．２°Ｋ未満である。この極端な温度差が設計と製造の複雑さを生じる。

本願は上述の問題などを克服する新規の改良されたヘリウム蒸気磁気共鳴磁石を提供する。

一態様によれば、磁気共鳴磁石は巻型、熱伝導シート、熱伝導管状部、熱伝導電気絶縁材料の少なくとも一つの層、及び超電導ワイヤの巻線を持つ。巻型は中空円筒として形作られる。少なくとも二つの熱伝導シートが巻型の上に円周方向に広がり、非導電領域によって分離される。熱伝導管状部は各熱伝導シートに熱的に接続される。熱伝導電気絶縁材料の少なくとも一つの層は熱伝導シートの周囲に配置され結合される。超電導ワイヤの巻線は電気絶縁材料の周囲に配置され一緒に結合される。

別の態様によれば、磁気共鳴磁石システムは少なくとも一つの磁石アセンブリと、コイル周辺の熱伝導管を通って流れる際にコイルを臨界超電導磁石温度未満に冷却するヘリウム蒸気と、ヘリウム蒸気を冷却する管に接続される冷却装置熱交換器を含む。磁石アセンブリは巻型、熱伝導シート、熱伝導管状部、熱伝導電気絶縁材料の少なくとも一つの層、及び超電導ワイヤの巻線を持つ。巻型は中空円筒として形作られる。少なくとも二つの熱伝導シートは巻型の上に円周方向に広がり、非導電領域によって分離される。熱伝導管状部は各熱伝導シートに接続される。熱伝導電気絶縁材料の少なくとも一つの層は熱伝導シートの周囲に配置され結合される。超電導ワイヤの巻線は電気絶縁材料の周囲に配置され一緒に結合される。

別の態様によれば、磁気共鳴イメージング若しくは分光システムは、磁気共鳴磁石システム、グラジエントコイル、グラジエントアンプ、高周波コイル、トランスミッタ、トランスミッタ、レシーバ、及びプロセッサを含む。磁気共鳴磁石システムは少なくとも一つの磁石アセンブリと、コイル周辺の熱伝導管を通って流れる際にコイルを臨界超電導磁石温度未満に冷却するヘリウム蒸気と、ヘリウム蒸気を冷却する管に接続される冷却装置熱交換器を持つ。磁石アセンブリは巻型、熱伝導シート、熱伝導管状部、熱伝導電気絶縁材料の少なくとも一つの層、及び超電導ワイヤの巻線を持つ。グラジエントコイルは磁気共鳴磁石システムのボア内に位置する。グラジエントアンプはグラジエントコイルに接続される。高周波コイルはグラジエントコイルの内部に位置する。トランスミッタは高周波コイルに接続される。ＲＦ信号を受信するレシーバが高周波コイルに接続される。コントローラはグラジエントアンプとトランスミッタに接続し、対象内の共鳴を励起するようにグラジエントアンプとトランスミッタを制御する。プロセッサはレシーバとコントローラに接続され、受信共鳴信号を画像及び／又は分光情報へ処理する。

別の態様によれば、磁気共鳴磁石を製造する方法は円筒巻型を形成するステップを含む。熱伝導管状部が熱伝導シートに接続される。電気絶縁材料の少なくとも一つの層が熱伝導シートに結合される。超電導ワイヤが電気絶縁材料に巻き付けられ、超電導ワイヤを一緒に及び電気絶縁材料へ結合する。

別の態様によれば、磁気共鳴イメージングの方法は上記の通り製造されるヘリウム蒸気冷却磁石アセンブリを用いて撮像領域に静磁場Ｂ_０を生成するステップを含む。傾斜磁場が撮像領域に生成される。ＲＦ場が撮像領域へ伝送される。磁気共鳴信号が撮像領域から受信される。受信磁気共鳴信号から画像が再構成される。

一つの利点は削減されるヘリウムの体積にある。

別の利点は液体ヘリウムの代わりにヘリウム蒸気が磁石冷却に使用されることである。

別の利点はコイルの製造若しくは電気性能のいずれにも影響を及ぼすことなくコイルに伝熱板を取り付ける単純で熱効率のよい方法である。

別の利点はシステムを通るヘリウム蒸気の流れの単純さと電磁コイルを均一に冷却する能力である。

本発明のなおさらなる利点は以下の詳細な説明を読んで理解することで当業者に理解される。

本発明は様々な構成要素と構成要素の配置、及び様々なステップとステップの配置で具体化し得る。図面は好適な実施形態を例示する目的に過ぎず本発明を限定するものと解釈されるものではない。

ヘリウム蒸気磁気共鳴磁石システムの一実施形態を示す図である。 磁石の拡大図の一実施形態を示す図である。 磁気共鳴磁石の一実施形態の断面を分解図で示す図である。 コイルアセンブリを製造する方法を図示するフローチャートである。 磁気共鳴磁石を示す真空デュワーの断面図とともにＭＲシステムの一実施形態を図示する図である。

図１を参照すると、閉ループシステム１０における磁気共鳴（ＭＲ）磁石の一実施形態が示される。閉ループシステム１０はＭＲ磁石アセンブリ２０によって加熱され付随する極低温冷却装置４０を伴う冷却装置熱交換器３０によって冷却され、磁石アセンブリ２０へ再循環される循環ヘリウム蒸気を含む。極低温冷却装置を伴う適切な冷却装置熱交換器はＵＳ２００８／０２０９９１９に記載される。

冷却されたヘリウムガスは底部で磁石アセンブリ２０に入り、磁石内部の熱伝導シート６０若しくはプレートに取り付けられる熱伝導管５０を上って流れる。ヘリウム蒸気は熱交換器３０内でおよそ４．２°Ｋまで冷却され、これは磁石の臨界温度未満１°Ｋのマージンを与える。冷却装置熱交換器３０からの冷却ガスは比較的高密度であるが磁石アセンブリ２０によって加温されると低密度になり、冷却装置熱交換器３０から磁石の底部へ高密度ヘリウムガスの下降流と、磁石を通って冷却装置熱交換器へ戻る低密度加温ヘリウムガスの上昇流をもたらす。磁石アセンブリ２０は巻型７０上に取り付けられる。

製造されるとき、コイルアセンブリ２５は巻線固定具を用いて作られ、そして巻型７０上に取り付けられるか、若しくは巻型７０上に直接製造される。様々な幅の多重コイル２５がＭＲシステムにおいて典型的に使用される。各コイルアセンブリ２５は対応する巻型７０上に取り付けられる。コイル２５の幅は巻数と発生磁場の強度に影響する。下記工程で製造されるコイルは例えば最大で幅約３００ｍｍまでサイズに幅がある。巻型７０は中空円筒で形成される、ステンレス鋼などの構造用金属から製造される。

ヘリウム蒸気が管５０を上って移動するにつれて熱が吸収される。熱はコイルアセンブリ２５によって生成され、熱伝導プレート６０を通って熱伝導管５０へ伝導的に伝達され、ヘリウム蒸気によって吸収される。磁石アセンブリの全構成要素間のよい熱伝導は均一な動作温度を保証する。

図２を参照すると、磁石アセンブリ２０の一実施形態の拡大図が示される。熱伝導シート６０の二つの部分は非導電スペーサ９０によって電気的に絶縁される。シート６０間の領域はＭＲシステムの動作を妨げ得る熱伝導シート６０内の周方向電流を防止する。熱伝導シートは例えば厚さおよそ．３ｍｍの銅で作られる。アルミニウム及び他の熱伝導材料もシート６０のために使用され得る。熱伝導シート６０間の空間はおよそ６ｍｍであり、これは非導電スペーサ９０、例えばプラスチックフィラー片で充填される。非導電スペーサ９０はコイルを巻き付ける均一面を与える。シートは巻型７０の円周へ曲げられるか、若しくは巻線固定具が製造工程中に使用される場合は巻線固定具の外径へ曲げられる。

熱伝導管５０は熱伝導シート６０に熱的に及び機械的に取り付けられる。一実施例は９‐１０ｍｍＯＤ冷却装置グレード銅管である。アルミニウムなど熱伝導のよい他の材料が使用され得る。管５０のサイズは十分に大きいので管内の圧力降下は小さい。小径管ではより摩擦が生じ、冷却能の低下が生じる。小さ過ぎる管では、磁石の不均一な冷却が大きくなる。

図３及び４を参照すると、ステップ４００において、巻型７０が製造され、例えばステンレス鋼から機械加工される。

ステップ４０２において、絶縁材料１００が巻型７０に、又は電磁コイルを製造するために使用される場合は巻線固定具（不図示）に巻き付けられる。絶縁材料１００の一実施例はマイラー（登録商標）として一般に見られる金属化ポリエステルの層の間に挟まれる、テフロン（登録商標）として一般に知られるポリテトラフルオロエチレンの層である。絶縁層１００は摩擦を最小限にしながら巻型７０とシート６０の間の運動を可能にする。

ステップ４０４において、熱伝導管５０がシート６０にはんだ付け若しくは溶接され、シートと管が巻型の半径に曲げられる。管５０はシート６０の曲げの前に取り付けられ得るか、若しくは最初に曲げられ、熱伝導シートと管が曲がった状態で取り付けられ得る。ステップ４０６において熱伝導シート６０と管は絶縁層１００の上に位置する。熱伝導シート６０は好適には熱膨張／収縮差を調整するために電気絶縁シートに取り付けられない。電気絶縁スペーサ９０は熱伝導シート及びコイルアセンブリの上下部の間の電気絶縁材料１００上に位置する。シート６０は熱伝導結合を提供するために存在するいかなる酸化物も除去するように洗浄される。

ステップ４１０において、熱伝導シート６０の上に熱伝導性の電気絶縁層１１０が置かれる。コイルが巻かれる場所の両側に電気絶縁スペーサ１２０が配置される。磁石２０の動作中にシート６０の運動を制限するため並びにカバー及び他の構造部品を取り付けるために形成時にフランジが巻型７０に加えられ得る。フランジが存在する場合、電気絶縁スペーサはステップ４０２における巻き付けの前にフランジとシート６０の間に置かれる。電気絶縁層１１０はシート洗浄後に適用される。熱伝導性の電気絶縁エポキシ封止材が適用され、続いて熱伝導シート６０からコイルを電気的に絶縁し、よい熱伝導性を可能にし、エポキシと結合する材料層１１０が続く。適切な材料１００はエポキシとの結合を改良する表面処理を施した双方向ガラス繊維布である。ガラス繊維材料１１０の両側は強い結合とよい熱伝導をもたらすためにエポキシでコーティングされ、ガラス繊維材料は熱伝導シート６０に巻き付けられる。工程はいかなる凸凹も取り込まれることを確実にして構造的硬直性をもたらすためにより多くのエポキシコーティングとガラス繊維材料１１０で繰り返され得る。電気絶縁をもたらし、エポキシ封止材のコーティングと飽和を許可する他の薄い可撓性材料もまた考慮される。

ステップ４１２において、エポキシが乾く前に超電導ワイヤ８０が封入ガラス繊維材料１１０の層に巻き付けられる。ワイヤの各層が巻かれると、ワイヤコイル８０を一緒に、及びさらに熱伝導シート６０に結合される電気絶縁材料層１１０にしっかりと結合するために追加熱伝導エポキシ封止材が適用される。ワイヤコイル８０内の全介在空間はシート６０との強く熱効率のよい結合を確実にするためにエポキシ封止材で充填される。エポキシ、シート６０、及び管５０は効率的な熱交換器としてはたらく。ワイヤコイル８０の厚さは発生させる磁場によって決まり、一般に２．５‐５ｃｍである。コイルアセンブリ２５若しくはコイルの機械的結合は電流が印加されるときのリフトオフ若しくはフープ力に耐えるべきである。エポキシでコイル巻線に結合した熱伝導シート６０は高い剥離強度とよい熱伝導性を持つ。

図５を参照すると、ＭＲシステム５００の一実施形態の動作構成要素が示される。真空デュワー５１５は動作中に静磁場Ｂ_０を生じる磁石アセンブリ２０を含む。真空デュワーのカバーは例えば前記フランジを用いて付着し、巻型７０、シート６０及びコイル巻線８０を包囲する。グラジエントコイル５０５と高周波（ＲＦ）コイル５１０が真空デュワーのボア内に同心円状に位置する。グラジエントコイル５０５は撮像過程でグラジエントアンプ５０５によって駆動される傾斜磁場Ｇ_ｘＧ_ｙＧ_ｚを生じる。傾斜磁場はシーケンス制御５２０の制御下で生成される。図示のＲＦコイル５１０はＲＦトランスミッタ５３０によってオンにされるときに磁場Ｂ_１を伝送する全身コイルである。シーケンス制御５２０はＲＦコイル５１０が送信モードで動作するときとＲＦコイル５１０が受信モードで動作するときを決定する。受信モードのとき、レシーバ５７０がＲＦ信号を復調する。そしてＲＦ信号はプロセッサ５８０によって再構成され、出力装置５９０上に画像として表示されるか、若しくは他のアクセスのために記憶され得る。

本発明は好適な実施形態を参照して記載されている。先の詳細な説明を読んで理解することで修正及び変更が想到され得る。本発明は添付の請求項若しくはその均等物の範囲内にある限りかかる修正及び変更全てを含むものとして解釈されることが意図される。

Claims (15)

1. 中空円筒として形作られる巻型と、
   非導電領域によって分離される、前記巻型上に円周方向に広がる少なくとも二つの熱伝導シートと、
   前記熱伝導シートに熱的に接続され、前記巻型の周囲に円周方向に位置づけられている熱伝導管状部と、
   前記熱伝導シートの周囲に配置され結合される熱伝導電気絶縁材料の少なくとも一つの層と、
   熱効率のよい単一構造を形成する、前記電気絶縁材料の周囲に配置され結合され、一緒に結合される超電導ワイヤの巻線とを有する、超電導磁石アセンブリ。
2. 前記熱伝導シートが前記巻型に対して動くことを可能にするように前記巻型と前記熱伝導シートの間に配置される絶縁材料の層をさらに含む、請求項１に記載の磁石アセンブリ。
3. 前記熱伝導シートの隣接端の間に配置される非導電材料スペーサをさらに含む、請求項１乃至２のいずれか一項に記載の磁石アセンブリ。
4. 前記電気絶縁材料が可撓性であり、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁石アセンブリ。
5. 前記電気絶縁材料がガラス繊維を含む、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の磁石アセンブリ。
6. 前記電気絶縁材料が熱伝導エポキシ封止材で飽和される、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の磁石アセンブリ。
7. 前記電気絶縁材料が織物材料の複数の層を含み、前記織物材料、前記超電導ワイヤが熱伝導エポキシ封止材によって単一構造に結合され、当該単一構造が前記巻型によって支持され、結合されない、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の磁石アセンブリ。
8. 前記熱伝導シートの一方とそれに熱的に接続した前記熱伝導管状部が前記巻型の底部近傍から前記巻型の片側の周囲に円周方向に前記巻型の頂部近傍へ広がり、前記熱伝導シートの他方とそれに熱的に接続した前記熱伝導管状部が前記巻型の底部近傍から前記巻型の反対側の周囲に円周方向に前記巻型の頂部近傍へ広がる、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の磁石アセンブリ。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の少なくとも一つの磁石アセンブリと、
   前記磁石アセンブリ周辺の前記熱伝導管を通って流れる際に前記超電導ワイヤをその超電導温度未満に冷却するヘリウム蒸気と、
   前記ヘリウム蒸気を冷却する前記熱伝導管状部に接続される冷却装置熱交換器とを有する、磁気共鳴磁石システム。
10. 請求項９に記載の磁気共鳴磁石システムと、
    前記磁気共鳴磁石システムのボア内に位置するグラジエントコイルと、
    前記グラジエントコイルに接続されるグラジエントアンプと、
    前記グラジエントコイル内部に位置する高周波コイルと、
    前記高周波コイルに接続されるトランスミッタと、
    磁気共鳴信号を受信するレシーバと、
    前記グラジエントアンプと前記トランスミッタに接続されるコントローラと、
    前記レシーバと前記コントローラに接続されるプロセッサであって、前記受信した磁気共鳴信号を画像及び／又は分光情報へ処理するプロセッサとを有する、磁気共鳴イメージング若しくは分光システム。
11. 円筒巻型を形成するステップと、
    熱伝導管を熱伝導シートに熱的に接続するステップと、
    前記接続された熱伝導管状部とともに前記熱伝導シートを前記巻型の周囲に円周方向に位置付けるステップと、
    電気絶縁熱伝導材料の少なくとも一つの層を前記熱伝導シートへ結合するステップと、
    超電導ワイヤを前記電気絶縁材料に巻き付け、前記超電導ワイヤを一緒に及び前記電気絶縁材料へ結合するステップとを有する、磁気共鳴磁石の製造方法。
12. 前記熱伝導シートが前記巻型に対して動くことを可能にする絶縁材料の層を前記巻型の上に適用するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記電気絶縁材料を熱効率のよいエポキシ封止材で含侵するステップ、及び
    各層が巻かれる際に前記熱伝導エポキシ封止材で前記超電導ワイヤ周辺の介在空間を充填するステップによって、
    前記熱伝導シート、前記電気絶縁材料、及び前記超電導ワイヤを単一構造へ結合するステップをさらに含む、請求項１１及び１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記熱伝導シートを位置付けるステップが、
    前記巻型の底部近傍から前記巻型の片側の周囲に円周方向に前記巻型の頂部近傍へ広がるように前記熱伝導シートの一方とそれに熱的に接続される前記熱伝導管状部を位置付けるステップと、
    前記巻型の底部近傍から前記巻型の反対側の周囲に円周方向に前記巻型の頂部近傍へ広がるように前記熱伝導シートの他方とそれに熱的に接続される前記熱伝導管状部を位置付けるステップとを含む、請求項１１乃至１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記熱伝導管を前記冷却装置熱交換器と接続し、ヘリウム蒸気が前記熱伝導管と前記冷却装置熱交換器の間を循環することを可能にするステップをさらに含む、請求項１１乃至１４のいずれか一項に記載の方法。

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