JPWO2006067828A1 - 超伝導磁気シールド脳磁界計測装置の計測構造体 - Google Patents

Abstract

超伝導磁気シールド脳磁界計測装置の計測構造体は、包囲外壁と包囲外壁内で上方に閉じた上部空間を限定する第１包囲内壁と下方に開いた下部空間を限定する第２包囲内壁との真空機密体で、第１包囲内壁の底を第２包囲内壁の天井と対向させ包囲外壁内に配置する。包囲外壁と第１及び第２の包囲内壁の間の環状真空空間に高温超伝導体の第１包囲体と高透磁率磁性体の第２包囲体を配置する。第１包囲内壁底を第２包囲内壁天井と対向させ中空隔壁に頭部収容域を形成し、上部空間の内側にＳＱＵＩＤ磁気センサを配置する。上部空間の液体ヘリウムでセンサを冷却し、循環ヘリウムガスで第１包囲体を冷却する。上部空間に断熱膨張室を設けヘリウムガスを供給しその中で断熱膨張させてヘリウムガスを液化し、上部空間の液体ヘリウム浴に滴下して稼働中液体ヘリウムの損耗を補充する。又は断熱膨張室を熱伝導体でセンサと接続し、液化ヘリウムでセンサを間接冷却する。

Description

本発明は脳が働くとき脳の神経に流れる神経電流がつくる地球磁場の一億分の一程度の弱い磁場を計測する超伝導磁気シールド脳磁界計測装置に係るものである。
ＳＱＵＩＤ（Superconducting Quantum Interference Device:超伝導量子干渉デバイス）を液体ヘリウムに漬けて極低温下で脳磁界センサとして作動させると、そのような微弱な磁場を検出できる。これにより脳神経ネットワークの様子を観察することができ、脳の働き（記憶、学習、注意など）を調べたり、脳障害（注意欠陥、自閉症、学習障害、精神分裂症など）の診断に利用することができる。

ＳＱＵＩＤを液体ヘリウムに漬けて極低温下で脳磁界センサとして使用した脳磁界計測装置は本発明者により開発され、実施されている。
図４を参照する。この従来の超伝導磁気シールド脳磁界計測装置は中空の円筒状真空熱絶縁構造体１１と、循環冷却装置１２と、極低温容器１３と、頂部包囲体１４とを備えている。真空熱絶縁構造体１１は高温超伝導体の第１の包囲体１１１と高透磁率磁性体の第２の包囲体１１２とを二重壁内に収容し、中空円筒状の構造となっている。循環冷却装置１２は真空熱絶縁構造体１１の二重壁の空間に配置された高温超伝導体の第１の包囲体１１１を冷却する冷却媒体を循環させている。この第１の包囲体１１１には細い冷却パイプが巻きついていて、その冷却パイプにヘリウムガスを循環させて包囲体を冷却し外部磁場の侵入を防いでいる。

極低温容器１３は円筒状真空熱絶縁構造体１１内に配置され、それに固定されている。頂部包囲体１４は金属良導体（電磁波遮蔽）と磁性材料（磁場遮蔽）の二重構造の包囲体（内部は中空）となって真空熱絶縁構造体１１の頂部に嵌合している。極低温容器１３の下方に被検者の頭部を包囲する頭部収容域１３１が限定されており、そして極低温容器１３の内部で頭部収容域１３１の周囲でＳＱＵＩＤ磁気センサ１５が支持部材２０に配置されている。この極低温容器１３には極低温媒体である液体ヘリウムを充填している。

この真空熱絶縁構造体１１を床上に据え付け、それの下方開口に非磁性体の椅子１７を配置する。真空熱絶縁構造体１１の頂部に磁性材料の頂部包囲体１４を嵌合させたのは頂部から電磁波と地磁気が侵入するのを防ぐためである。この頂部包囲体１４を取り外して極低温容器１３に蒸発した液体ヘリウムを補充する。

上述の従来技術を示す文献としては以下のものがある。
特開平１０−３１３１３５ 国際公開番号 ＷＯ２００４／０６６８３６ Ａ１ 「高温超伝導体磁気シールドを用いた全頭型ＳＱＵＩＤ脳磁界計測装置」 大田 浩、セラミックス３５（２０００）No．２、特集 脳とセラミックス 脳の機能解明、診断、治療に活躍するセラミックス "Nanometer SNS junctions and their application to SQUIDOs" by Hiroshi Ohta et al, "PHYSICA C" 352 (2001) 186-190

真空熱絶縁構造体１１と極低温容器１３とについてさらに述べる。高温超伝導体（ビスマス・ストロンチューム・カルシューム・銅の酸化物：ＢＳＣＣＯ）の第１の包囲体１１１を液体窒素温度付近まで低下（１０３Ｋ以下）させると、この高温超伝導体の内側の空間には磁力線が外部から入り込むことはできなくなる。しかし、真空熱絶縁構造体１１の内部空間には第１の包囲体１１１の温度を低下させる前に既に地球磁場の磁束が入り込んでおり、その磁束が第１の包囲体１１１にピン止めされて、トラップされている。この状態では極低温容器１３が第１の包囲体１１１に対して縦方向に移動しても、横方向に移動してもＳＱＵＩＤ磁気センサ１５を横切るピン止め静磁界の磁力線の成分は変化し、これがノイズ信号となって現れる。このノイズ信号を排除すると言う課題は、構造体１１と極低温容器１３とを相互に動かないよう固定することにより、そして脳磁界計測装置を設置した床から構造体１１への振動伝達を完全に遮断して極低温容器１３が構造体１１内の包囲体１１１に対し僅かでも移動しないようにすることによって解決している（特許文献２参照）。具体的には構造体１１の内壁と極低温容器１３の外壁との間隙を埋める枕構造体を使用し、さらに構造体１１を除振支持体を介して床上に支持している。除振支持体は床からの振動を吸収する振動吸収手段と床からの振動を検知してフイードバック制御により振動を相殺する除振機構とを備えている。

この除振手段によりノイズを排除し脳磁界を精確に計測することは可能となったのであるが、なお問題となっていたのは計測装置を使用するのにそれを極低温状態に維持しなければならないが、そのことは冷却能力的に見て冷凍機の設計製作上、そして保守管理上極めて困難であって、殆ど非現実的であった。すなわち、極低温容器１３は液体ヘリウム（−２７０℃）を４０リットル程収容しているのであるが、稼動中これが蒸発して極低温容器１３のダクトから大気中に排出される。その量は一日当たり２０リットル程度であり、そのため一日置きに２０リットルの液体ヘリウムを補充しなければならない。年間で補充する液体ヘリウムは高額となり（約１、０００万円）、また極低温であるためその作業は危険であって、補充のため危険物を扱える人員も確保しなければならなかった。このような保守管理上の問題の解消のためにも、液体ヘリウムではなくヘリウムガスを冷媒として利用し、ポンプを利用して冷凍機からヘリウムガスを循環供給することが考えられるが、極低温容器１３が必要とする大量のヘリウムガスを供給できるガス冷凍機は大規模なものとなって、その製作、設置、稼働は現実には不可能である。冷凍機でヘリウムガスを循環させて冷却するのは、冷却能力的に極低温容器１３よりも高温（−２５０℃）で冷却すれば足りる磁気シールド包囲体１１１の冷却が限界である。このため極低温容器１３は液体ヘリウムの消耗を補充しながら液冷し、二重壁内の高温超伝導体の第１の包囲体１１１へはヘリウムガスを循環させガス冷却している。

本発明の目的は超伝導磁気シールド脳磁界計測装置におけるこの冷媒の保守管理上の問題を現実的な極低温冷凍機の冷却能力を考慮して解決し、併せて振動による計測への雑音をも排除することのできる構造簡単な計測構造体を提供することにある。

再び図４を参照する。極低温容器１３とこれを包囲する中空の円筒状真空熱絶縁構造体１１との間には環状の空間があって、この包囲空間は構造体１１の外側の周囲環境とつながっている。そのため、矢で示すように極低温容器１３に熱が侵入して液体ヘリウムの蒸発を促進していることを発見した。本発明はこの発見に基礎を置いている。この外部からの熱侵入を阻止するには中空の円筒状真空熱絶縁構造体１１と極低温容器１３とを一体構造として包囲空間をなくすれば足りる。事実、この一体構造によって液体ヘリウムの消費は半減する。また、この一体構造にすることは円筒状真空熱絶縁構造体１１と極低温容器１３との相対的微動をも排除して床からの振動によるノイズ発生の原因も除去することになって、除振装置は実質的には不要となる。

さらにこの構成を基礎としてヘリウムガスを断熱膨張させて液化し、それにより液体ヘリウムの蒸発分を補充し、または液化したヘリウムガス（液体ヘリウム）をＳＱＵＩＤ磁気センサに熱伝導により間接的に接触させて冷却するようにもできる。この場合も、一体構造化による熱侵入の減少によりヘリウムガス冷凍機への負荷が軽減されているためにヘリウムガス冷凍機の容量は現実的な大きさのもので足りる。このようにしてＳＱＵＩＤ磁気センサの冷却を取り扱い難い液体ヘリウムではなく、外部磁界の侵入を阻止する高温超伝導体の第１の包囲体の冷却と同様ヘリウムガスにより実施できることとなる。その結果ヘリウムガス冷凍機を運転する電気エネルギーのみで脳磁界計測装置を稼働できる。

すなわち、本発明の超伝導磁気シールド脳磁界計測装置の計測構造体は、
包囲外壁と、この包囲外壁内で上方に閉じた上部空間を限定する第１の包囲内壁と、下方に開いた下部空間を限定する第２の包囲内壁とを備え、第１の包囲内壁の底と第２の包囲内壁の天井とを対向させて配置して、前記の包囲外壁内と第１の包囲内壁と第２の包囲内壁とから成る気密構造体、
前記の包囲外壁と前記の第１と第２の包囲内壁との間に形成された環状真空空間に配した高温超伝導体の第１の包囲体と高透磁率磁性体の第２の包囲体、
第１の包囲内壁の底と第２の包囲内壁の天井とを対向させて形成した中空隔壁に限定した人体の頭部を包囲する頭部収容域に沿って前記の上部空間の内側に配置したＳＱＵＩＤ磁気センサ
を備え、前記の上部空間では冷却媒体を介してＳＱＵＩＤ磁気センサを冷却し、前記の環状真空空間内では冷却媒体を介して前記の高温超伝導体の第１の包囲体を冷却するようにしている。

この側壁からの熱侵入を遮る一体化構造により冷媒の損耗を著しく低減し、併せて振動による計測への雑音をも排除することができる。事実、超伝導磁気シールド脳磁界計測装置は現実的な冷却能力の極低温冷凍機により稼働できるものとなった。

上部空間の冷却媒体は上部空間に収容された液体ヘリウムであり、高温超伝導体の第１の包囲体を冷却する冷却媒体はヘリウムガスである。液体ヘリウムの稼働中の損耗は半減する。

上部空間に断熱膨張室をさらに備え、上部空間の冷却媒体は上部空間に収容された液体ヘリウムであり、そして断熱膨張室に供給される冷却媒体はヘリウムガスであって、このヘリウムガスは断熱膨張室で液化し、それにより生じた液体ヘリウムを上部空間に滴下して蒸発分を補充する。そして高温超伝導体の第１の包囲体は同一または別の冷凍機からの冷却媒体であるヘリウムガスにより冷却される。

この構成により稼働中液体ヘリウムの損耗は補充され、液体ヘリウムの補填による脳磁界計測の中断なしの連続稼働が実現される。

上部空間に断熱膨張室をさらに備え、上部空間の冷却媒体は上部空間に収容された液体ヘリウムであり、そして断熱膨張室に供給された冷却媒体もヘリウムガスであって、このヘリウムガスは断熱膨張室で液化して前記のＳＱＵＩＤ磁気センサを熱伝導により間接的に冷却する。高温超伝導体の第１の包囲体を冷却する冷却媒体はヘリウムガスである。

この構成によりヘリウムガス冷却ポンプを作動させてＳＱＵＩＤ磁気センサと磁場遮蔽の高温超伝導体の第１の包囲体とを冷却することができる。このようにして取り扱い難い液体窒素や液体ヘリウムなどの冷媒を用いる必要はなくなり、冷凍機運転のための電気エネルギーのみで脳磁界計測装置の連続稼働が可能になる。冷凍機は商用電源（１００ボルト）で作動し、小型でもあり、また計測構造体は振動に対してセンサを不感としているので脳磁界計測装置を車両に搭載して巡回診断に使用することができる。

図１を参照する。本発明の超伝導磁気シールド脳磁界計測装置の円筒状の計測構造体１は、包囲外壁１１４と、この包囲外壁１１４内で上方に閉じた上部空間S１を限定する第１の包囲内壁１１５と、下方に開いた下部空間Ｓ２を限定する第２の包囲内壁１１６とを備えた気密構造体を含んでいる。図に示すように、第１の包囲内壁１１５の底と第２の包囲内壁１１６の天井とを対向させて包囲外壁１１４内に第１の包囲内壁１１５と第２の包囲内壁１１６とを配置する。

包囲外壁１１４と第１と第２の包囲内壁１１５、１１６との間に形成された環状空間に高温超伝導体の第１の包囲体１１１と高透磁率磁性体の第２の包囲体１１２とを同中心に配置する。この環状空間は真空にされ、真空室を形成し、気密構造体は外部に対して熱絶縁状態を生ずる。

第１の包囲内壁１１５の底と第２の包囲内壁１１６の天井とを対向させて形成した真空隔壁部１１３の中央に凹所をつくって人体の頭部を包囲する頭部収容域１３１を形成し、この収容域に沿って上部空間Ｓ１の内側にＳＱＵＩＤ磁気センサ１５を配置する。２０はこれらのセンサ１５の支持体である。

上部空間Ｓ１では液体ヘリウムＨを介してＳＱＵＩＤ磁気センサ１５を冷却し、環状真空空間内では高温超伝導体の１の包囲体１１１の冷却蛇菅（図示せず）に循環冷却装置１２からヘリウムガスを送って冷却する。被験者は頭部を凹所に入れて非金属性の椅子１７に腰掛ける。

本発明の脳磁界計測装置と従来技術の脳磁界計測装置との違いを明確にするために、図５Ａ及び図５Ｂを参照する。図５Ａ及び図５Ｂは、ぞれぞれ、図１及び図４に示すような本発明及び従来技術の脳磁界計測装置の計測構造体の構造を図解的に示したものである。本発明の脳磁界計測装置は、図５Ａに示すように、包囲外壁１１４と、第１の包囲内壁１１５と、第２の包囲内壁１１６とから成る１つの真空室Ｖ１を有する。これに対し、従来の脳磁界計測装置は、図５Ｂに示すように、円筒状真空熱絶縁構造体１１と極低温容器１３が分離している。特に、極低温容器１３が真空室Ｖ３を有する構造においては、円筒状真空熱絶縁構造体１１の真空室Ｖ２と極低温容器１３の真空室Ｖ３も、分離している。なお、図５Ａ及び図５Ｂでは、図解上、真空シールを形成する各真空壁の端部が開放されて描かれているが、実際には、これら各真空壁の端部は互いに密閉され、Ｏ−シールリングなどで真空シールされる。

図２を参照する。本発明の第２の実施例であるこの計測構造体１は、第１の包囲内壁１１５が限定する上部空間Ｓ１に断熱膨張室１１７を設けた以外は図１の第１の実施例と同じである。上部空間の冷却媒体は液体ヘリウムＨであり、そして断熱膨張室１１７に供給される冷却媒体はヘリウムガスであって、このヘリウムガスは断熱膨張室１１７内で液化して、液体ヘリウムとなって上部空間内に滴下し、稼働中の蒸発分を補充する。高温超伝導体の第１の包囲体１１１を冷却するヘリウムガスはヘリウム冷凍機１２が供給し、断熱膨張室１１７へはヘリウム冷凍機２１４が供給している。これにより冷媒の補充のために計測を中断することなく脳磁界計測装置を連続稼働させることができる。

図３を参照する。本発明の第３の実施例であるこの計測構造体１は、断熱膨張室１１７とＳＱＵＩＤセンサ１５の支持体２０とを接続する熱伝導体１１８を設けた以外は図２の第２の実施例と同じである。ＳＱＩＤセンサ１５の支持体２０は熱の良伝導体であって、これに断熱膨張室１１７の液化したヘリウムを熱伝導体１１８を介して間接的に接触させ、ＳＱＵＩＤセンサ１５を熱伝導により冷却する。上部空間Ｓ１は真空とするか、低圧ヘリウムガスを充填しているが、液体ヘリウムは充填していない。この構成により断熱膨張室１１７に供給されるヘリウムガス（２０Ｋ）は断熱膨張によって断熱膨張室１１７内で液体ヘリウム（４．３Ｋ）となってＳＱＵＩＤ磁気センサを熱伝導により間接的に冷却する。第１の包囲体１１１を冷却するヘリウムガスと断熱膨張室１１７に供給するヘリウムガスとは循環冷却装置１２、２１４から供給され、これらの冷却装置を運転する電気エネルギーのみで脳磁界計測装置は連続稼働することができる。

本発明の計測構造体により超伝導磁気シールド脳磁界計測装置は現実的な使用に適するものとなった。特に、第２、第３の実施例では商業電源を利用できる環境で循環冷却装置のみを作動させて脳磁界装置を連続稼働できる。また、ヘリウムガスのみを冷却媒体として利用する第３実施例では脳磁界装置を車両に搭載した状態で作動させ、脳の働き（記憶、学習、注意など）を調べたり、脳障害（注意欠陥、自閉症、学習障害、精神分裂症など）を診断することが巡回診療の分野にまで拡張できる。

本発明の第１の実施例の計測構造体を備えた脳磁気計測装置の略図である。 本発明の第２の実施例の計測構造体の略図である。 本発明の第３の実施例の計測構造体の略図である。 従来の脳磁気計測装置の略図である。 本発明の脳磁界計測装置の構造を図解的に示す断面図である。 従来技術の脳磁界計測装置の構造を図解的に示す断面図である。

Claims (4)

1. 包囲外壁と、この包囲外壁内で上方に閉じた上部空間を限定する第１の包囲内壁と、下方に開いた下部空間を限定する第２の包囲内壁とを備え、前記の包囲外壁内に第１の包囲内壁の底と第２の包囲内壁の天井とを対向させて配置した、包囲外壁と第１の包囲内壁と第２の包囲内壁とから成る気密構造体、
   前記の包囲外壁と前記の第１と第２の包囲内壁との間に形成された環状真空空間に配置した高温超伝導体の第１の包囲体と高透磁率磁性体の第２の包囲体、
   第１の包囲内壁の底と第２の包囲内壁の天井とを対向させて形成した中空隔壁に限定した人体の頭部を包囲する頭部収容域に沿って前記の上部空間の内側に配置したＳＱＵＩＤ磁気センサ
   を備え、前記の上部空間では冷却媒体を介してＳＱＵＩＤ磁気センサを冷却し、前記の環状真空空間内では冷却媒体を介して前記の高温超伝導体の第１の包囲体を冷却するようにしたことを特徴とする超伝導磁気シールド脳磁界計測装置の計測構造体。
2. 上部空間の冷却媒体は上部空間に収容された液体ヘリウムであり、高温超伝導体の第１の包囲体を冷却する冷却媒体はヘリウムガスである請求項１に記載の超伝導磁気シールド脳磁界計測装置の計測構造体。
3. 上部空間に断熱膨張室をさらに備え、上部空間の冷却媒体は上部空間に収容された液体ヘリウムであり、そして断熱膨張室に供給される冷却媒体はヘリウムガスであって、このヘリウムガスは断熱膨張によって液化して、断熱膨張室から上部空間に滴下して蒸発分を補充し、そして高温超伝導体の第１の包囲体を冷却する冷却媒体はヘリウムガスである請求項１に記載の超伝導磁気シールド脳磁界計測装置の計測構造体。
4. 上部空間に断熱膨張室をさらに備え、断熱膨張室に供給される冷却媒体はヘリウムガスであって、このヘリウムガスは断熱膨張によって液化し、前記のＳＱＵＩＤ磁気センサに熱伝導体を介して間接的に接触してこれを冷却し、そして高温超伝導体の第１の包囲体を冷却する冷却媒体はヘリウムガスである請求項１に記載の超伝導磁気シールド脳磁界計測装置の計測構造体。

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