JPH09276246A - 超電導磁石装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】磁気共鳴イメ−ジング装置用超電導磁石装置に
おいて、広い開口を備え、磁場漏洩を少なく、軽量で、
かつ、製造原価の低廉な超電導磁石装置を提供する。 【解決手段】超電導磁石装置（２１）では、冷却容器
（２２）に囲まれた冷媒容器（２６）内に支持された超
電導コイル（２４）が均一磁場領域（２５）を挾んで対
向する位置に、常電導コイル（３３、３４）が、上側の
冷却容器（２２）の上端外周部及び下側の冷却容器（２
２）の下端外周部にそれぞれ配置され、超電導コイル
（２４）は均一磁場領域（２５）に均一で高強度の磁場
を発生させ、常電導コイル（３３、３４）は超電導コイ
ル（２４）が発生する磁場とは逆向きの磁場を発生さ
せ、装置外部の漏洩磁場を低減させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気共鳴イメ−ジ
ング装置（以下、ＭＲＩ装置という。）に適した超電導
磁石装置に係り、特に、広い開口を有することで被検者
に開放感を与え、また、術者には被検者へのアクセスを
容易にすると共に、磁場漏洩を少なくし、軽量で、か
つ、製造コストを抑制したＭＲＩ装置用超電導磁石装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のＭＲＩ装置で多く使用されてきた
筒型形状をした水平磁場方式の超電導磁石装置では、被
検者の入る撮影空間が狭く、周囲を囲まれているために
被検者に強い閉塞感を与える。このため、時には、装置
内に入ることを拒否される場合もあった。また、装置の
外部から、術者が被検者にアクセスすることも困難であ
った。

【０００３】この問題を回避するための技術として図６
に示す磁石が公知である。図６に示す磁石は米国特許第
５１９４８１０号に開示されたもの（以下、第１の従来
例という。）で、鉄による磁路を用いた垂直磁場方式の
超電導磁石である。図６（ａ）は磁石の外観図、図６
（ｂ）は磁石要部の縦断面図である。この磁石１は、上
下に配置した冷却容器２（図では外側の真空容器３を示
している。）内に保持された超電導コイル４により均一
磁場領域５（撮影空間に相当）に均一な磁場を発生させ
ている。この超電導コイル４の内側には、良好な磁場均
一度を得るために強磁性体からなる磁場均一化手段６を
設けている。更に、上下の超電導コイル４が発生する磁
束の帰路として強磁性体板７と強磁性体ヨ−ク８が配置
され、強磁性体ヨ−ク８は上下間を機械的に支持する支
柱の役割を兼ねている。強磁性体としては、機械的な強
度や原価の面から一般に鉄が使用されている。

【０００４】この第１の従来例の場合には、四方が開放
されているので、被検者は閉塞感を受けずに済み、術者
も容易に被検者にアクセスできる。また、強磁性体板７
と強磁性体ヨ−ク８が磁束の帰路となるため、磁束が遠
くまで拡がらず、磁場漏洩を少なくできる。

【０００５】しかし、鉄は磁場に対してヒステリシス特
性を持つために、傾斜磁場コイルの発生するパルス磁場
が磁場均一化手段６内の磁場分布に影響を与え、均一磁
場領域５の内部の磁場分布にまで影響するために、高精
度の信号計測の妨げになる可能性が存在した。また、鉄
の飽和磁束密度はほぼ２テラス程度なので、あまり磁場
強度を高くすることができないという制限もある。更
に、鉄などの強磁性体を用いているために、磁石の重量
が重くなり、設置する際に床の強化が必要になる等の問
題が生じる。

【０００６】本発明の発明者を含む発明者逹は上記の従
来例の問題点を解決した発明として特願平０７−３３６
０２３号を開示している（以下、第２の従来例とい
う。）。この発明の構成はオ−プン型垂直磁場方式で、
その概略構成を図７に示す。図７（ａ）は磁石要部の縦
断面図、図７（ｂ）は磁石の外観図である。図７（ａ）
において、真空容器３及び冷媒容器９内に収納された２
組の超電導コイル４が均一磁場領域５を挾んで対向して
中心軸１０に同軸に配置されている。超電導コイル４
は、均一磁場領域５に主磁場を発生するコイル１１（以
下、主コイルという。）と、主コイル１１による磁場と
逆方向の磁場を発生して外部磁場を打ち消すためのコイ
ル１２（以下、打ち消しコイルという。）と、均一磁場
領域５の磁場均一度を補正するためのコイル１３、１
４、１５（以下、調整コイルという。）とからなる。２
個の真空容器３間は支柱１６により支持されている。こ
の発明の特徴は、主コイル１１によって作られる外部磁
場を打ち消しコイル１２によって打ち消して、磁場漏洩
を少なくすることにある。この場合、漏洩磁場を低減す
るために鉄を用いていないので、第１の従来例のような
問題は生じない。

【０００７】しかし、打ち消しコイル１２を使用してい
るために、均一磁場領域５に発生する磁場強度も弱くな
ってしまう。この結果、均一磁場領域５の磁場強度を大
きくしょうとすると、主コイル１１と打ち消しコイル１
２に要求される起磁力は膨大なものとなり、原価の上昇
につながる。また、各超電導コイルに加わる電磁力も起
磁力に応じて大きくなるので、構造的に厳しい条件が要
求される。

【０００８】一般に、打ち消しコイル１２と主コイル１
１との距離が近いほど、両者の発生する磁場が打ち消し
合うために、上記の問題はより厳しくなる。一方、両コ
イルの間の距離を大きくすると、それを収納するための
冷却容器が大型化し、やはり原価アップの原因となる。
また、被検者を挿入する均一磁場領域５の床面からの位
置も高くなり、被検者の安全性の面からも問題であっ
た。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来技術で述べ
た如く、これまでは被検者に開放感を与える広い開口を
備えた超電導磁石装置において、磁場漏洩が少なく、軽
量で、かつ、製造原価の低廉なものはなかった。従っ
て、本発明では、上記課題を解決し、広い開口を備え、
磁場漏洩が少なく、軽量で、かつ、製造原価の低廉な超
電導磁石装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、次の解
決手段によって達成される。本発明の超電導磁石装置
は、超電導特性を有する物質から構成され、有限の領域
に第１の方向に向かう均一磁場を発生させるための電流
を流す静磁場発生源と、該静磁場発生源を超電導特性を
示す温度にまで冷却し保持するための冷却手段と、前記
静磁場発生源を支持するための支持手段を具備する超電
導磁石装置において、前記静磁場発生源は前記第１の方
向に沿って配置された１個以上の静磁場発生素子から構
成され、前記静磁場発生源２組が前記均一磁場領域を挾
んで前記第１の方向に沿ってほぼ等距離に配置され、か
つ、前記冷却手段の外部に前記静磁場発生源が発生する
磁場とほぼ逆向きの磁場を発生する打ち消し磁場発生手
段を有するものである（請求項１）。この構成では、静
磁場発生源によって作られる外部磁場を打ち消し磁場発
生手段が打ち消すことにより装置外部の漏洩磁場は抑制
され、打ち消し磁場発生手段が冷却手段の外部に配置さ
れていることから、冷却手段を小型化することができ、
超電導磁石装置の製造コスト低減を図ることができる。

【００１１】本発明の超電導磁石装置では更に、前記打
ち消し磁場発生手段は１個以上の打ち消し磁場発生素子
から構成され、かつ、２組の打ち消し磁場発生手段が前
記均一磁場領域を挾んで前記静磁場発生源と同軸に配置
されている（請求項２）。この構成では、打ち消し磁場
発生素子を同軸に何個か組合せて配置することにより、
漏洩磁場の抑制効果を向上させると共に、超電導磁石の
製作も容易となる。

【００１２】本発明の超電導磁石装置では更に、前記第
１の方向がほぼ鉛直方向であり、かつ、前記打ち消し磁
場発生手段のうちの少なくとも１組が前記冷却手段の上
端よりも上部に配置されている（請求項３）。この構成
では、打ち消し磁場発生手段が冷却手段と天井の間に配
置されているので、被検者や術者の邪魔にならず、か
つ、均一磁場領域から距離が離れているので漏洩磁場抑
制効果が大きくなる。

【００１３】本発明の超電導磁石装置では更に、前記第
１の方向がほぼ鉛直方向であり、かつ、前記打ち消し磁
場発生手段のうちの少なくとも１組が前記冷却手段の下
端とほぼ同じ位置に配置され、かつ、前記冷却手段の外
形よりも大きな直径を有する（請求項４）。この構成で
は、打ち消し磁場発生手段を床面に容易に固定すること
ができる。

【００１４】本発明の超電導磁石装置では更に、前記第
１の方向がほぼ鉛直方向であり、かつ、前記打ち消し磁
場発生手段のうちの少なくとも１組が、前記超電導磁石
装置を収納する部屋の天井に近接して配置されている
（請求項５）。この構成では、打ち消し磁場発生手段を
部屋の天井に容易に固定することができる。

【００１５】本発明の超電導磁石装置では更に、前記第
１の方向がほぼ水平方向であり、かつ、前記打ち消し磁
場発生手段が前記均一磁場領域からほぼ等距離の位置に
配置されている（請求項６）。この構成は、水平磁場方
式で計測する場合に適している。

【００１６】本発明の超電導磁石装置では更に、前記打
ち消し磁場発生素子が円筒形状の常電導コイルにて構成
されている（請求項７）。この構成は、超電導コイルの
ように冷却する必要はなく、製造及びメンテナンスが容
易である。

【００１７】本発明の超電導磁石装置では更に、前記打
ち消し磁場発生素子が永久磁石にて構成されている（請
求項８）。この構成は、請求項７の代替構成であり、効
果は請求項７と同様である。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を添付図面
に従って説明する。本発明の超電導磁石装置の第１の実
施例を図１に示す。図１（ａ）は縦断面図、図１（ｂ）
は外観図である。図１（ａ）において、本実施例の超電
導磁石装置の基本構成は、均一磁場領域２５に磁場を発
生するための超電導コイル２４と、この超電導コイル２
４を所定の超電導特性が得られる温度に冷却保持するた
めの冷却容器２２と、超電導コイル２４が発生する漏洩
磁場を抑制するための常電導コイル３３、３４である。

【００１９】超電導コイル２４の材料としては通常Ｎｂ
Ｔｉ線材が使用される。そのため、超電導コイル２４を
所定の温度（液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）付近）に冷
却保持するために、冷却容器２２内に真空容器２３を、
真空容器２３内に液体ヘリウム容器（冷却容器）２６を
設けている。超電導コイル２４に高温酸化物超電導体を
用いる場合には、液体窒素温度（７７Ｋ）程度までの冷
却でよいので、液体ヘリウム容器２６は不要となる。ま
た、最近では、冷凍機の性能が向上してきており、超電
導コイル２４を直接に冷凍機で冷すことが可能になりつ
つある。この高性能の冷凍機を使用すれば、ＮｂＴｉ線
材を用いる場合にも液体ヘリウム容器２６を設ける必要
はなくなる。

【００２０】冷却容器２２は、熱の対流を防ぐために全
体を内包する真空容器２３と熱の輻射を防ぐための熱シ
−ルド（図示せず）などから構成されている。超電導コ
イル２４はコイル支持体（図示せず）に支持されてこの
冷却容器２２のなかに収納された状態で使用する。ま
た、温度を低く保つために冷凍機（図示せず）を用い
て、熱シ−ルドの温度を一定に保ったり、冷媒（液体ヘ
リウムなど）の蒸発量を低減させたりしている。

【００２１】超電導コイル２４としては、円環形状のも
のが装置中央の均一磁場領域２５を挾んで上下対称に設
置されている。それに応じて、冷却容器２２も中央部に
穴のあいたド−ナツ形状のものを上下対称に設置されて
おり、両冷却容器２２はその間をつなぐ２本の支柱３２
によって所定の距離を維持して支持される。この支柱３
２は、機械的に上下の冷却容器２２を支える働きをして
いるが、必要に応じ、上下の液体ヘリウム容器２６を熱
的に接続させる働きをもたせてもよい。そうすること
で、冷凍機を上下に１台ずつ設ける必要がなくなり、装
置全体として１台の冷凍機で間に合わせることが可能と
なる。また、支柱３２の本数も図示の２本に限定する必
要はなく、３本、４本と増やすこともできるし、開放感
を更に増すためには１本の支柱として片側を完全に開放
することも可能である。

【００２２】図１には、超電導コイル２４の組として上
下各４個ずつの超電導コイルが示されているが、その働
きは装置中央部の均一磁場領域２５に高強度でかつ均一
度の良い静磁場を発生することである。超電導コイル２
４は、基本となる磁場を発生させる直径の最も大きな超
電導コイル（以下、主コイルという。）２８と、磁場の
均一度を向上させる直径の小さな超電導コイル（以下、
調整コイルという。）２９、３０、３１とからなり、各
コイルは均一磁場領域の磁場強度及び磁場均一度の要求
値に応じて配置及び起磁力が設定される。また、調整コ
イル２９、３０、３１の電流の向きは、主コイル２８に
よって発生する磁場の不均一成分に応じて各コイル毎に
設定すればよく、一定方向に限定する必要はない。更
に、超電導コイル２４の個数は図示の４個に限定される
ことはなく、磁場の不均一成分と製造原価との兼ね合い
に応じて最適になるように決定される。一般に、主コイ
ル２８の直径が大きいほど磁場不均一成分は少なくなる
ので、それに応じて調整コイルの個数を少なくすること
ができる。

【００２３】本発明では、更に常電導コイル３３、３４
を冷却容器２２の外部に設けることにより、漏洩磁場を
抑制している。図示の如く、常電導コイル３３は上側の
冷却容器２２の上部に、常電導コイル３４は下側の冷却
容器２２の下部外周に配置され、超電導コイル２４によ
って冷却容器２２の外部に作られる磁場とほぼ逆向きと
なる磁場を発生させる。このようにして、互いの磁場を
キャンセルしあうので漏洩磁場を低減できる。

【００２４】本発明の構造での第１の利点は、漏洩磁場
を抑制するための常電導コイルを冷却容器２２内に収納
する必要がないので、第２の従来例の場合に比べて冷却
容器２２を小型化できることである。従って、冷却容器
２２の製作に係る製造原価を低く抑えることができる。

【００２５】本発明の構造での第２の利点は、常電導コ
イル３３を冷却容器２２の外部に配置することから、そ
の直径を任意に大きくすることができることである。す
なわち、常電導コイル３３の寸法は冷却容器２２の寸法
に関係しないから、常電導コイル３３の直径を大きくし
てもよいことである。図２はこの構成の１例を第２の実
施例と示したものである。第２の実施例では、前述の如
く、常電導コイル３３の直径を大きくしても冷却容器２
２の寸法には関係ないので、製造原価にはほとんど影響
がない。また、被検者、術者の頭部位置よりも高い場所
にあるので、この常電導コイル３３の直径が大きくても
撮影作業の邪魔になることはない。常電導コイル３３の
直径を最適化することにより、漏洩磁場を抑制する効率
が向上するので、常電導コイル３３が均一磁場領域２５
の磁場に与える影響を少なくすることができるととも
に、常電導コイルを駆動する電源の負荷を軽くすること
ができる。

【００２６】本発明の構造での第３の利点は、常電導コ
イル３３を冷却容器２２の外部に配置することから、冷
却容器２２とＭＲＩ装置を設置する部屋の天井とで仕切
られる空間内の任意の位置に常電導コイル３３を配置で
きることである。図３はこの構成の１例を第３の実施例
として示したものである。第３の実施例では、常電導コ
イル３３は冷却容器２２の上部の天井３６の面に設置さ
れている。一般に、常電導コイル３３、３４を均一磁場
領域２５から離すほど、漏洩磁場の抑制効果は高まり、
常電導コイル３３、３４の均一磁場領域２５の磁場強度
への影響は少なくなる。従って、第２の実施例で常電導
コイル３３の直径を最適化した場合と同様に、超電導コ
イル２４の起磁力、常電導コイルの駆動電源の負荷を小
さくできる。また、常電導コイル３３を天井３６の面に
接して配置した場合には、その固定が行いやすくなる。

【００２７】一方、図１〜図３においては下側の常電導
コイル３４は床３５面の位置に配置されているが、必要
に応じて床３５の下に埋め込むことも可能である。床下
に埋め込むことによって、術者が磁石に近づく際の邪魔
にならなくなる。また、一般にＭＲＩ装置は一階の部屋
に設置されることが多く、装置の下側への磁場漏洩に留
意する必要のない場合には、下側の常電導コイル３４を
省くことも可能である。

【００２８】本発明の第４の実施例を図４に示す。本実
施例においては、上側の常電導コイル３３が複数個のコ
イル３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃで構成されている。この場
合には、複数個の常電導コイル３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ
の各々の直径、起磁力、均一磁場領域２５からの距離を
最適化することにより、漏洩磁場の抑制効果を向上し、
かつ均一磁場領域２５への影響を小さくすることができ
る。

【００２９】本発明の第５の実施例を図５に示す。本実
施例においては、第１の実施例の超電導磁石装置２１が
横に配置されている。この場合には、磁石の形状の対称
性から左右の常電導コイル３３、３４も左右対称の形状
にすることが、磁場均一度などの点から好ましい。

【００３０】以上の説明では、冷却容器２２は中心部に
穴のあるド−ナツ形状のものとして説明してきたが、こ
の中心部の穴の有無は本発明の本質とは直接関係なく、
中心部の穴のない冷却容器でも本発明の目的を達成でき
る。

【００３１】また、漏洩磁場の抑制する手段として常電
導コイルを用いて説明してきたが、これに代わるものと
して永久磁石を用いることも可能である。この場合に
は、常電導コイルを駆動する電源が不要になるなどの利
点がある。

【００３２】

【発明の効果】以上に説明した如く、本発明によれば、
ＭＲＩ装置用超電導磁石装置において、広い開口を備
え、磁場漏洩が少なく、軽量で、かつ、製造原価が低廉
な超電導磁石装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超電導磁石装置の第１の実施例。

【図２】本発明の超電導磁石装置の第２の実施例。

【図３】本発明の超電導磁石装置の第３の実施例。

【図４】本発明の超電導磁石装置の第４の実施例。

【図５】本発明の超電導磁石装置の第５の実施例。

【図６】鉄による磁路を用いた垂直磁場方式の超電導磁
石装置の従来例。

【図７】オ−プン型垂直磁場方式の超電導磁石装置の従
来例。

【符号の説明】

２１…超電導磁石装置、２２…冷却容器、２４…超電導
コイル、２５…均一磁場領域、２６…冷媒容器（液体ヘ
リウム容器）、２７…中心線、２８…主コイル、２９、
３０、３１…調整コイル、３２…支柱、３３、３３Ａ、
３３Ｂ、３３Ｃ、３４…常電導コイル、３５…床、３６
…天井。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超電導特性を有する物質から構成され、有
   限の領域に第１の方向に向かう均一磁場を発生させるた
   めの電流を流す静磁場発生源と、該静磁場発生源を超電
   導特性を示す温度にまで冷却し保持するための冷却手段
   と、前記静磁場発生源を支持するための支持手段を具備
   する超電導磁石装置において、前記静磁場発生源は前記
   第１の方向に沿って配置された１個以上の静磁場発生素
   子から構成され、前記静磁場発生源２組が前記均一磁場
   領域を挾んで前記第１の方向に沿ってほぼ等距離に配置
   され、かつ、前記冷却手段の外部に前記静磁場発生源が
   発生する磁場とほぼ逆向きの磁場を発生する打ち消し磁
   場発生手段を有することを特徴とする超電導磁石装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の超電導磁石装置において、
   前記打ち消し磁場発生手段は１個以上の打ち消し磁場発
   生素子から構成され、かつ、２組の打ち消し磁場発生手
   段が前記均一磁場領域を挾んで前記静磁場発生源と同軸
   に配置されていることを特徴とする超電導磁石装置。
3. 【請求項３】請求項１及び２記載の超電導磁石装置にお
   いて、前記第１の方向がほぼ鉛直方向であり、かつ、前
   記打ち消し磁場発生手段のうちの少なくとも１組が前記
   冷却手段の上端よりも上部に配置されていることを特徴
   とする超電導磁石装置。
4. 【請求項４】請求項１及び２記載の超電導磁石装置にお
   いて、前記第１の方向がほぼ鉛直方向であり、かつ、前
   記打ち消し磁場発生手段のうちの少なくとも１組が前記
   冷却手段の下端とほぼ同じ位置に配置され、かつ、前記
   冷却手段の外形よりも大きな直径を有することを特徴と
   する超電導磁石装置。
5. 【請求項５】請求項１及び２記載の超電導磁石装置にお
   いて、前記第１の方向がほぼ鉛直方向であり、かつ、前
   記打ち消し磁場発生手段のうちの少なくとも１組が、前
   記超電導磁石装置を収納する部屋の天井に近接して配置
   されていることを特徴とする超電導磁石装置。
6. 【請求項６】請求項１及び２記載の超電導磁石装置にお
   いて、前記第１の方向がほぼ水平方向であり、かつ、前
   記打ち消し磁場発生手段が前記均一磁場領域からほぼ等
   距離の位置に配置されていることを特徴とする超電導磁
   石装置。
7. 【請求項７】請求項１及至７記載の超電導磁石装置にお
   いて、前記打ち消し磁場発生素子が円筒形状の常電導コ
   イルにて構成されていることを特徴とする超電導磁石装
   置。
8. 【請求項８】請求項１及至６記載の超電導磁石装置にお
   いて、前記打ち消し磁場発生素子が永久磁石にて構成さ
   れていることを特徴とする超電導磁石装置。