JPH08504107A - 超伝導マグネットとその関連の改良 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 核磁気共鳴映像装置に使用する超伝導マグネットで、非金属製の閉ループ状の巻き枠、この巻き枠に巻き付けられ、低温特に、絶対温度10〜12K の範囲で超伝導になる材料で造られたコイル、巻き枠を容れる真空容器でこれも閉ループ状の形が核磁気共鳴によって検査する対象物を磁界中に導入するための通路になっているもの、コイルに流す電流のための結線、真空容器内で巻き枠を取り巻く熱シールド、コイルと熱シールドに熱的に結合する冷却手段を含む。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称：超伝導マグネットとその関連の改良 本発明は超伝導マグネット、特に人体内部または他の生体組織の医学的診断・ 調査に利用される核磁気共鳴映像装置を構成する超伝導マグネットに関するもの である。 核磁気共鳴映像装置（以下、ＭＲＩシステムと略称する）は、核磁気共鳴（以 下ＮＭＲ）を利用して、生物体系を傷つけずにその映像を見ることに利用されて いる。Ｘ線や超音波を使う方法と同様、ＮＭＲは非侵入解析技術で生体の検診に 利用される。しかし、Ｘ線の場合と違って、ＮＭＲは非電離性、非破壊性の手法 であるから、連続使用が可能である。超音波診断法と比較した場合、映像の質に 関してはＮＭＲの方がはるかに優れている。 基礎的にいえば、ＮＭＲは磁気能率を持つ核が磁界のなかに置かれたとき起こ る現象である。核に少なくとも２種類の外部磁界をかけると、核からラジオ周波 数の電波の信号が放射され、この信号を検出するのがＮＭＲ技術である。 ただしこの外部磁界のひとつは十分強いことが必要である。この磁界は、核を 分極させる働きをしている。ＮＭＲの最も一般的な利用法は、人体の約70％を構 成する水の分布を検出、または映像化することであるが、このとき磁界は水の中 の水素原子の核を分極させる働きをしている。人体内部の軟らかい組織の密度や 化学状態の情報を引き出すこともできることは、この技術の大きな特徴といえる 。 従来ＭＲＩシステムは永久磁石あるいは、通常の電線を巻いた電磁石を使って 組み立てられている。この種類のマグネットで得られる磁界の強さは、磁束密度 で500 〜1000ガウスの程度で、結果として磁気共鳴信号は弱く、質も悪く、生体 から高速・高分解能の映像を取るには適さない。高速が要求されるのは、患者の 体の働きで映像が不鮮明になるのを防ぐ目的もあるが、医学的にも例えば、血流 の観測などの目的で必要とされる。また、映像を取るのに長時間を要すれば、診 断出来る患者の数も限られることになる。 ＭＲＩシステムで、より速く、より詳細な情報を得る、つまり映像のコント ラストと分解能を上げるためには、ＮＭＲ信号の強さを増す必要がある。この目 標は、より強い磁界を使用すれば容易に達成できる。必要な磁界の強さは、少な くとも3000ガウス、望ましいのは5000ガウスの程度である。更に、磁界は時間的 に極めて安定で、しかも人体または人体の部分が存在する領域の全体にわたって 均一でなければならない。 超伝導マグネットは、上に述べた条件をすべて満たしているので、高い費用に もかかわらず、大部分のＭＲＩシステムでは超伝導マグネットが使われている。 一般にＭＲＩシステムの超伝導マグネットは、内径 1m 、長さ2 〜3m、重さ数ト ン程度の円筒状コイルである。それには普通、少なくとも外側には鉄製のシール ドがつけてあり、健康に有害の恐れがある、漏洩磁界を防いでいる。 内径600mm のマグネットならば、人間の胴体を収容するのに十分なのであろう が、一般的には上に述べたような内径 1m のマグネットが使われている。このよ うな大きなマグネットは、費用が高くつくという意味で不利である。なぜならば 、コイルに蓄積されているエネルギーは、大ざっぱに見積もると内径の３乗に比 例するのであるが、その値段も大体同じ比例関係に従うからである。では何故そ のような大型のマグネットが通常のＭＲＩシステムで必要とされるのか、理由を 以下に議論する。 ＭＲＩシステムでは、超伝導マグネットの円筒の内側に、パルス磁界発生用の コイルが取り付けてある。このパルスコイルの働きは、核磁気共鳴の信号が発生 し検出されている最中に、磁界の形を変化させることで、この方法で信号に映像 を造るために必要な空間分解能を与えている。パルスコイルは、形を付けた短い パルス磁界を発生するのであるが、これはかなりのエネルギーを持っている。そ のため金属がパルスコイルの近くにあると、強い誘導電流を起こしてパルス磁界 の形と強さを変え、映像の質の低下の原因となる。この問題を解決するために超 伝導マグネットは大型のものが使われている。 よく知られたＭＲＩシステムの超伝導マグネットは、温度 4K の液体ヘリウム 貯蔵器の中に収められていて、更にその回りは液体窒素またはメカニカル冷却装 置で冷却した輻射シールドで取り巻かれている。液体ヘリウムは高価で、取扱は あまり容易とはいえない。液体ヘリウムへの熱の流入は液体を沸騰蒸発 させてしまうので、これを最小にするための注意が必要である。液体ヘリウム貯 蔵器の断熱を確実にするためには、絶対に容器の真空漏れを起こしてはならない 。このため、通常は溶接した金属の容器が使われる。しかし、パルスコイルは、 金属容器の内側に渦電流を起こして金属壁を加熱し、液体ヘリウムの損失の原因 となる。これを防ぐために、ヘリウムで冷却したマグネットの内側に厚さ数mmの 金属のパルスフィールドシールドを取り付け漏洩パルス磁界を渦電流に変えて吸 収させる。メカニカル冷却装置または液体窒素を使って、パルスフィールドシー ルドを40K または77K の一定温度に冷却し、渦電流による発熱を吸収させる。し かし、パルスフィールドシールドを使うことは、デザイン上の問題を引き起こす 。つまり、このシールドが、パルスコイルと誘導的に結合するとシステムの性能 に影響するので、これを避けるために、大きいシールドが必要になる。このシー ルドは、マグネットの内側のパルスコイルと、ＮＭＲで診断される人体との間に 収められるので、このシールドの必要性が、平均的人体よりはるかに大きいマグ ネットの使用を強制しているのである。 本発明の超伝導マグネットは特にＭＲＩシステムに適している。これには、非 金属製の閉じたループ型の巻き枠と、巻き枠に巻き付けた超伝導物質のコイル、 巻き枠とコイルを容れる真空容器、コイルの超伝導材をつなぐ電気的結線、巻き 枠を取り巻いて真空容器の中に収められた輻射シールド、輻射シールドとコイル に熱的に結合する冷却装置が含まれる。ここで、真空容器の形はやはり閉じたル ープ型で、検査する対象物を磁界中に導入する通路を形成している。 冷却装置としては、メカニカル低温冷却装置が望ましい。コイルの材料として は、10〜12K の温度域で超伝導となる金属間化合物超伝導体が望ましい。この温 度域は、メカニカル低温冷却装置の使用で制御可能だからである。したがって、 超伝導マグネットはこの場合、液体ヘリウムを必要としない。これが本発明の主 要な利点である：（１）製作費用と運転費用の軽減；（２）漏洩磁界の減少、つ まり外側の鉄製シールドが不要になり、その場合は装置の据付けが容易になる； （３）装置の設計と運転が、より簡単容易になる。 パルスコイルはマグネットのコイルと、できるだけ、誘導的に結合しないよ う、つまりコイルの中の磁束や電流の変化を引き起こさないように設計、配置す る。 真空容器は、普通の超伝導マグネットに使われる液体ヘリウム貯蔵器の様な設 計上の制限がない。特に本発明の真空容器は、容器の内壁面で渦電流が発生しな いような材料を使って造ることができる。真空容器の内径部分を形成する材料は 、繊維ガラスまたは極めて薄いステンレス鋼、その他の部分はアルミニウムまた はステンレス鋼が適当である。内部にパルスフィールドシールドを付ける必要が なくなり、したがってコイル巻き枠の内径の断面積は人体または人体の一部より も少し大きいだけで良く、その結果マグネットの全体としての寸法は従来品より 大幅に減少する。 輻射シールドは真空容器のなかで、巻き枠を取り巻いて取り付けるのが望まし い。このシールドは多数の、伝導度の高い金属の薄い細片から構成されており、 シールドの内部での渦電流発生を防ぐか、または減らす効果がある。各細片の少 なくとも一端は、冷却装置と熱的に結合しており、シールドを75K 以下、できれ ば50K 程度の低温に保持する。各々の細片がすべて冷却装置と熱接触しているこ とは正しい温度管理に必要な事であるが、電気的閉回路は作られないこと。閉回 路とパルスコイルが誘導的に結合するのを避けるためである。 第二のシールドは、巻き枠に密着してこれを包み込む形で、巻き枠または、コ イルと巻き枠の両方に固定される。このシールドを形成している金属細片は、約 10K の温度に保たれる。巻き枠は真空容器の内部に、チタン、ケブラーまたは繊 維ガラスのような、高強度・低伝導度の材料で造られた結合棒を使って固定され る。 電気的結線としては、真空容器の壁に付けられた絶縁ターミナルを通り、コイ ルにつながるリード線が含まれる。リード線は、真鍮のような電気伝導度の高い 、熱伝導度の低い物質で造られたものがよい。 本発明について、更に詳しく説明するため、図面を添付した： 第一図は本発明の超伝導マグネットを、水平の中心線に沿って見た図である。 ２はマグネット全体。４は非金属製の巻き枠で、厚さ約12mmの繊維ガラス製 の円筒。巻き枠４は、やはり円筒形の真空容器６の中にはめ込まれている。真空 容器６の内径部分は、渦電流の発生を防ぐために、繊維ガラスまたは極めて薄い ステンレス鋼でつくる。真空容器の外壁は、アルミニウムまたはステンレス鋼で つくる。巻き枠４の上に、10〜12K の温度領域で超伝導になる物質を巻き、コイ ル８をつくる。 コイル８は、NbSnの様な、金属間化合物導体でつくられる。NbSn線は、普通「 緑色状態物質」と呼ばれるものからつくられるが、これはNbのフィラメントを銅 と錫の合金の青銅線のなかに入れて引いたものまたは銅線のなかに入れて錫のフ ィラメント共に引いたもので構成されている。この状態では線は可塑性である。 線の長さの方向に何千本ものNbフィラメントが走っているが、すべてが銅に包ま れた錫フィラメントで囲まれている。この線を真空中又は不活性ガスの中で約70 0 ℃に加熱すると、錫とNbが近付いてNbSnをつくる。この反応はゆっくり10〜20 0 時間かけて進められる。 一般にコイルは"wind and react method" で造られる。つまり、線を巻いてコ イルを形成した後で、上記の加熱をすると、導体のNbSnのフィラメントが出来上 がる。しかし、NbSnは脆いので、加熱後の手直しは出来ない。 上記とは対照的に、本発明のコイル８は、すでに反応の終わった状態のNbSn超 伝導線を使って形成される。従って、反応後のコイルに残る不均一な熱歪みの問 題が無く、非常に精度の良いコイルの形成が可能である。「緑色状態物質」から 導体のNbSnを造る反応を最後まで進めずに、それぞれのNbSnフィラメントの中心 付近に、未反応のNbが残っている状態の材料を使うと、直径300mm またはそれ以 上のコイルがたやすく造ることを発見した。 コイル８は、他の超伝導体、例えばセラミック酸化銅超伝導体等、いわゆる「 高温超伝導体」と呼ばれる材料を使っても、造ることが出来るはずである。 輻射シールド１０は、真空容器内の巻き枠６の回りに取りつけられる。渦電流 の発生を最小にするため、シールド１０は多数の、伝導度の高い金属の、薄い細 片から構成されている。各細片の少なくとも一方の端は、メカニカル低温冷却装 置１２と熱的に接触させてあり、このためシールド１０を75K 以下、うまく行け ば、50K 付近の温度に保つことが出来る。 図にはないが、多層の毛布状の熱輻射反射用絶縁材料の層がシールド１０と真 空容器６の壁との間に入れてある。これは外壁から来る輻射がシールド１０に吸 収されるのを防ぎ、コイルを最低温に保つために必要である。 第二のシールド１４は、巻き枠４と、コイル８とを包み込んでいる。このシー ルド１４もまた、多数の、伝導度の高い金属の薄い細片から構成されているが、 この場合金属細片はコイル８と巻き枠４とに接着剤で糊付けられている。第二シ ールド１４の、金属細片それぞれの少なくとも一端は、メカニカル低温冷却装置 １２の第二ステージと熱的に結合させてあり、これによってシールド１４は10K 付近の温度に保たれる。 メカニカル低温冷却装置１２は、第一図では概要的に示されているが、磁界の 最も低い場所に取り付けられる。 １８は、結合棒のひとつを概要的に示している。結合棒はチタン、ケブラーま たは繊維ガラスのような高強度・低伝導度の材料で造られ、巻き枠４を真空容器 ６の中に支持するために使われる。即時使用可能な、組立の完了したマグネット ２を、輸送することができるように、結合棒１８は十分な強度を持たなければな らない。 電流リード線は、図にはないが、真空容器６の壁に付けられた絶縁ターミナル を通り、コイル８につながる。リード線は、例えば真鍮のような、電気伝導度の 高い、熱伝導度の低い物質で造るのが望ましい。リード線を造る材料の金属は、 電気伝導度の温度変化があまり強くないものがよい。温度変化が強い場合は、リ ード線の動作を予測・制御するのが困難になる。リード線は真空容器の壁と、コ イル８に永久的に固定するのが望ましい。リード線はシールドを通過する箇所と 、コイルに接続する箇所で、熱接触させてある。この処置によって、コイル８は 可能な限り冷却される。リード線の断面積は、その長さとコイルの材質によって 決まる伝導度を考慮して、コイルに電流を流し込み磁界のエネルギーを増加させ ている最中の熱負荷が最も少なくなるように、最適化してある。 磁界を最高に安定化するために、マグネットを短絡する配置で、超伝導スイッ チをつくる。これにより、マグネットを永久電流モードで使用することが可 能になる。 マグネット２は、人体の全身、または腕、頭、足など人体の一部に核磁共鳴映 像の方法を適用する目的には非常に適している。液体ヘリウムや、液体窒素の貯 蔵器を必要としない。貯蔵器は、機密を保つ必要上高価で、一度造ってしまうと 、マグネットの修理や改造が困難になる。更にこれらは、映像システムに使われ るパルスコイルの影響を受けるので、これを避けるためのシールドを内壁に付け る必要がある。マグネット２は、このようなシールドを必要としないので、人体 の全身または部分を入れるのに十分な大きさがあれば良い。 マグネット２は、従来のＭＲＩシステムで使われる超伝導マグネットに比較し て小型で、デザインも簡単である。製造の費用は従来品に比較して非常に減少す るはずである。更に、運転の費用も液体ヘリウムの補給の必要がないので減少す る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 7135−5Ｅ Ｈ０１Ｆ 7/22 ＺＡＡ Ａ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．核磁気共鳴映像装置に使用する超伝導マグネットで、次の構成要索を宮み、 特長をもつもの：非金属製の閉じたループ状の巻き枠；巻き枠に巻き付けた超伝 導物質のコイル；巻き枠とコイルを容れる真空容器、形は閉じたループ型で、Ｎ ＭＲで診断する対象物をマグネット内に導入する室温穴を形成している；コイル の超伝導物質をつなぐ電気的結線；巻き枠を取り巻いて真空容器の中に収められ た熱シールド；コイルと熱シールドに、熱的に結合された冷却手段 ２．請求項１で請求した超伝導マグネットにおいて、冷却手段は、メカニカル低 温冷却装置を含む。 ３．請求項１または２で請求した超伝導マグネットにおいてコイルは、10K から 12K の温度領域で超伝導となる物質を材料として形成される。 ４．請求項１、２または３で請求した超伝導マグネットにおいて、コイルは金属 間化合物超伝導体の材料を使って形成される。 ５．請求項４で請求した超伝導マグネットにおいて、金属間化合物超伝導体は、 NbSnまたはセラミック酸化銅超伝導体である。 ６．前項までの、すべての項で請求した超伝導マグネットには、多数のパルスコ イルが組み合わされているが、これらのパルスコイルは、コイルと誘導的に結合 しないよう配置・形成される。 ７．前項までの、すべての項で請求した超伝導マグネットには、巻き枠に密着し て、それを包み込む第二のシールドが含まれるが、これを巻き枠または、コイル と巻き枠の両方に取り付けられる。 ８．前項までの、すべての項で請求した超伝導マグネットにおいて、シールドは 、多数の電気伝導度の高い金属の薄い細片から構成され、各細片はそれぞれ、冷 却手段と熱的に結合している。 ９．前項までの、すべての項で請求した超伝導マグネットにおいて、真空容器の 室温穴の内径部分は、インダクタンスの低い物質でつくる。 １０．請求項９で請求した超伝導マグネットにおいて、インダクタンスの低い物 質は、繊維ガラスまたは、極めて薄いステンレス鋼である。 １１．前項までの、すべての項で請求した超伝導マグネットにおいて、巻き枠は 真空容器の内部に、チタン、ケブラーまたは繊維ガラスのような、高強度・低電 気伝導度の材料で造られた結合棒を使って固定される。 １２．前項までの、すべての項で請求した超伝導マグネットにおいて、電気的結 線は、コイルにつながれたリード線で、真空容器の壁に付けられた絶縁ターミナ ルを通るものを含む。 １３．請求項１２で請求した超伝導マグネットにおいて、リード線は、真鍮のよ うな高電気伝導度、低熱伝導度の物質を材料として造られる。 １４．前項までの、すべての項で請求した超伝導マグネットにおいて、マグネッ トを短絡する超伝導スイッチが含まれている。 １５．前項までの、すべての項で請求した超伝導マグネットを、核磁気共鳴映像 の方法で使うことには、このマグネットによってつくられる磁界中での、人体に よる核磁気共鳴の解析も含まれる。