JPWO2015079921A1 - 磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Abstract

高温超電導線を用いた超電導磁石において、停電やシステム障害で冷凍機による冷却が長時間停止した場合でも、真空槽の断熱機能低下を回避し、冷凍機の再開後に、高温超電導線の臨界温度以下に速やかに冷却できるMRI装置を提供する。そのために、静磁場を発生する超電導コイル105と、超電導コイル105を収容する真空容器107と、超電導コイル105と熱的に接触し、超電導コイル105を冷却する冷凍機と、冷凍機の冷却機能が低下もしくは停止した場合に、真空容器の真空度が低下を防止する真空度低下防止部(205等)とを有する。

Description

本発明は超電導磁石を用いた磁気共鳴イメージング装置(Magnetic Resonance Imaging装置、以下MRI装置と称する)に係わり、特に、冷凍機による伝導冷却で超電導コイルを臨界温度以下に保つ超電導磁石を用いたMRI装置に関する。

超電導磁石を用いたMRI装置は、強く高均一な磁場により高い診断機能を有している。それ故、医療機関で臨床検査に多く供されている。

この超電導磁石は、構成する超電導コイルを臨界温度以下に冷却保持する必要がある。
超電導コイルの多くはNbTiの合金で作られた超電導線をソレノイド状に固定して、液体ヘリウムで約4ケルビン(-269℃)の極低温に冷却して超電導状態を達成している。このため、超電導磁石はこの極低温度を安定に維持するため、真空断熱槽で覆われた液体ヘリウム容器を有するクライオスタットを採用している。液体ヘリウムの消耗を減らすために、輻射熱シールド構造や気化したヘリウムガスを再凝縮する冷凍機で構成されるのが一般的である。

また、液体窒素を蓄えた輻射熱シールド槽を有する超電導磁石も知られている(特許文献1)。液体窒素は、輻射熱シールド槽に蓄えられ、輻射熱シールド槽の温度を窒素の沸点77ケルビンに一定に冷却している。冷却された輻射熱シールド槽は、超電導コイルを組み込んだヘリウム容器への輻射熱を低減する。停電やシステム障害で冷凍機が停止した場合、液体ヘリウムや液体窒素が蓄冷剤として機能するので、超電導コイルは安定に液体ヘリウムの沸点である4ケルビンに維持される。

一方、従来のNbTiで得られる磁場よりも強い磁場強度を発生させるため、ならびに、液体ヘリウム冷媒を使わないで超電導状態を達成するために、高温超電導線を用いた超電導磁石も知られている。この高温超電導線は約20ケルビンから70ケルビンで超電導状態になるので、超電導コイルを真空断熱槽内に配置し、冷凍機による伝導冷却を継続して、超電導となる低温を維持しながら運転する構造が採用される。

しかし、冷凍機による冷却は、冷媒のような蓄熱効果が無く、真空断熱槽のみでは超電導となる低温に保温することはできないため、冷凍機が停止すると同時に超電導コイルの温度が上昇する。そのため、超電導コイルに蓄積されたエネルギーを外部に設けた素子で消費させ、超電導コイルが高温まで上昇しないように構成される。これにより、再び冷凍機の機能が回復した時、超電導コイルの冷却に時間を要することなく超電導磁石を励磁状態に移すことができる。

しかしながら、高温超電導線を冷凍機によって伝導冷却を行いながら運転する構造の超電導磁石は、冷凍機の停止が短時間の場合は、冷凍機の動作が再開した際に短時間で励磁状態に戻すことができるが、冷凍機停止が長時間の場合には、冷凍機の動作が再開しても、超電導コイルの温度を超電導状態となる所定の低温まで冷却できなくなる。例えば、超電導コイルや輻射熱シールドの構造体の熱容量を超えて輻射熱や伝導熱が加えられ続け、超電導コイルや輻射熱シールドの温度が窒素の沸点である77ケルビン以上に上昇すると、超電導コイルを収容している真空断熱槽内で、それまで固体として固定されていた空気(窒素と酸素)分子が気体として真空槽に浮遊し始め、真空度が劣化する。

真空断熱槽の真空度がひとたび劣化すると、空気分子が熱伝導媒体として働くため、熱伝導率が大幅に増加する。この状態で冷凍機の運転が再開されても、外部からの熱侵入量が大きく、冷凍機の冷却能力を超えているため、超電導コイルを目的の臨界温度まで冷却することができない。なお、一旦真空度が劣化した真空槽は、サービスマンが高性能の真空ポンプを接続して、数日かけて排気しなければ、劣化する前の真空度に戻すことはできない。その間、MRI装置を使用することはできない。

そこで、60ケルビン以下の極低温領域で比熱が高く、密度が小さい冷媒(窒素)を固体の状態で真空槽内に保持して畜冷材とし、その熱容量を用いて停電時の超電導コイルの温度上昇を抑制する方法が提案されている(特許文献2)。

特開昭63-51849号公報 特開2011-82229号公報

しかしながら、特許文献2の構成では、畜冷材の畜冷効果を十分に有効活用しておらず、冷凍機の長時間停止があっても、超電導コイルや輻射熱シールドの温度上昇を抑制して真空槽の断熱機能の低下を回避する能力が十分でないと考えられる。

そこで、本発明は上記に鑑みて行われたもので、高温超電導線を用いた超電導磁石において、停電やシステム障害で冷凍機による冷却が長時間停止した場合でも、真空槽の断熱機能低下を回避し、冷凍機の再開後に、高温超電導線の臨界温度以下に速やかに冷却できるMRI装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のMRI装置は、静磁場を発生する超電導コイルと、超電導コイルを収容する真空容器と、超電導コイルと熱的に接触して超電導コイルを冷却する冷凍機と、冷凍機の冷却機能が低下もしくは停止した場合に、超電導コイルを冷却するための冷媒を蓄える冷媒容器と、冷媒容器は、超電導コイルが巻回されるコイルボビンを兼用していることを特徴とする。

或いは、本発明のMRI装置は、静磁場を発生する超電導コイルと、超電導コイルを収容する真空容器と、超電導コイルと熱的に接触して超電導コイルを冷却する冷凍機と、真空容器の内に配置された、超電導コイルが巻回されたコイルボビン及び該コイルボビンと接している配置と、真空容器の外に配置された、超電導コイルを冷却するための冷媒を蓄える冷媒容器と、を備え、導管は、冷媒容器に接続され、導管内を前記冷媒が流れることを特徴とする。

本発明によれば、高温超電導線を用いた超電導磁石であって、停電やシステム障害で冷凍機による冷却が長時間停止した場合でも、真空槽の断熱機能低下を回避することができる。よって、冷凍機の再開後に、高温超電導線の臨界温度以下に速やかに冷却できる。

本発明のMRI装置の超電導磁石を構成する真空容器の内部構造を示す断面図。 実施形態1のMRI装置の全体構成を示すブロック図。 実施形態1のMRI装置を構成する超電導磁石の断面図。 高温超電導コイルと輻射シールド板の温度変化を示すグラフ。 実施形態1のMRI装置の動作を示すフローチャート。 実施形態2のMRI装置の全体構成を示すブロック図。 図6に示す超電導磁石の真空容器の内部構造を示す断面図。

本発明では、図1のように、静磁場を発生する超電導コイル105と、超電導コイル105を収容する真空容器107と、超電導コイル105と熱的に接触し、超電導コイル105を冷却する冷凍機と、冷凍機の冷却機能が低下もしくは停止した場合に、真空容器の真空度が低下を防止する真空度低下防止部(205等)とを有するMRI装置が提供される。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。なお、発明の実施形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。

＜＜実施形態1＞＞
実施形態1では、真空度低下防止部として、超電導コイル105を冷却するため冷媒を蓄える冷媒容器205を備える。冷媒は、冷凍機が超電導コイル105を冷却する温度で固体化する冷媒(例えば窒素)を用いる。冷媒容器205は、真空容器107内に配置されている。冷媒容器205は、超電導コイル105が巻回されるコイルボビン204を兼用している。冷媒容器205には、冷媒が流れるための冷媒導管302が接続され、冷媒導管302の端部は、真空容器107の外に引き出され、気体化した冷媒を外部に放出する。冷媒導管302の端部には、逆止弁303が備えられている。

また、真空容器107内には、超電導コイル105を覆うように、輻射熱シールド板206が配置され、冷媒導管302は、輻射熱シールド板206と接触するように配置されている。好ましくは、冷媒導管302の少なくとも一部の区間は、輻射熱シールド板206に沿って熱的に接触して配置されている。

以下、実施形態1のMRI装置をさらに詳しく説明する。

＜実施形態1のMRI装置の全体構成＞
図2は、実施形態1のMRI装置を医療施設に設置し、被検体である患者の医用診断画像を撮影している状態を示している。

被検体101の検査部位は均一な静磁場が発生している撮影空間102の中心に配設されている。この撮影空間102に均一な静磁場を発生する超電導磁石103は、NS極となる二つの磁極を有する鉄ヨーク104と一対の高温超電導コイル105と磁石電源106とを備えて構成されている。鉄ヨーク104は磁気回路を構成すると共に一対の高温超電導コイル105を配した真空容器107を支える機能を有している。このような構成により、撮影空間102の前方(y軸)と左右の両側(x軸)は視界を遮るものが無く開放的な検査環境を提供することが可能となっている。また、鉄ヨーク104による磁気回路により、超電導磁石103の外部に広がる漏洩磁場の広がりを最小に抑えている。

高温超電導コイル105は真空容器107に収められると共に、冷凍機108で臨界温度以下の20ケルビンに冷却されて安定な超伝導状態を維持している。そして、磁石電源106より160アンペアの電流が印加され、撮影空間102に0．5テスラ強度となるz軸に沿った磁束(磁束の向きをz軸にすることが学術的に慣用となっている)が発生している。

鉄ヨーク104の二つの磁極には傾斜磁場コイル組立体109が取り付けられ、撮影空間102内で互いに直交した3軸方向に磁束密度が勾配を有する傾斜磁場を発生する。図2では区別されていないが、傾斜磁場コイル組立体109には、x、y、zの三種類のコイルが積層されている。例えば、z傾斜磁場コイルにプラスの電流が流れると、上磁極に取り付けられたz傾斜磁場コイルは高温超電導コイル105が発生する磁束と同じ＋z軸方向に磁束を発生し、高温超電導コイル105が発生する磁束に重畳してその磁束密度を増す。一方、下磁極に取付けられたz傾斜磁場コイルは超電導コイル105の発生する磁束と反対方向の-z軸に沿った磁束を発生し、その磁束密度を減ずる。

この結果、撮影空間102のz軸に沿って下から上に向かって磁束密度が増加する傾斜磁場を作ることができる。x傾斜磁場コイルは撮影空間102のx軸に沿って、y傾斜磁場コイルは撮影空間102のy軸に沿って、超電導コイル105の発生する磁束密度を変化させる。x、y、zの傾斜磁場コイルには、それぞれ独立して動作する傾斜磁場電源110が接続され、それぞれに500アンペアの電流を流すことで、1メートルで25ミリテスラの磁場強度が変化する25mT/mの傾斜磁場を発生することができる。

更に、傾斜磁場コイル組立体109の撮影空間102側には一対からなる高周波トランスミッターコイル111が組み込まれている。高周波トランスミッターコイル111は開放的な検査環境を阻害しないように、平板構造に構成され、撮影空間102のx‐y平面に平行な磁束が発生するようにコイル導体がプリント配線されている。そして、複数の容量素子が組込まれ(図2では記載してない)、21メガヘルツのLC共振回路となっている。高周波電源112より21メガヘルツの高周波電流を高周波トランスミッターコイル111に流すことによって、撮影空間102に高周波磁界が発生する。

以上説明した静磁場と傾斜磁場と高周波磁場を組み合わせることで、被検体101の検査部位の水素核スピンに核磁気共鳴(以下、NMRと称す)現象を励起し、そして、その後の緩和過程で、水素核スピンのラーモア歳差運動にx、y、zの位置情報を付与する。

このようにして位置情報が付与され水素核スピンのラーモア歳差運動を、NMRの電気信号として検出するため、被検体101の検査部位には高周波レシーバーコイル113が装着されている。高周波レシーバーコイル113は高周波トランスミッターコイル111同様、容量素子が組込まれ(図2では記載してない)、21メガヘルツの共振回路となっている。高周波トランスミッターコイル111と異なる点は、水素核スピンのラーモア歳差運動を電磁誘導にて高効率で電気信号として検出するように、検査部位の体形にフィットするようになっていることである。図2では、被検体101の頭部を検出するコイルが記載されている。

高周波レシーバーコイル113で検出されたNMR信号は増幅器などで構成された信号処理ユニット114に入力される。信号処理ユニット114で、NMR信号はコンピュータ115による演算処理に適するように、増幅処理、検波処理、アナログ・デジタル変換処理が行われる。

コンピュータ115ではNMR信号はフーリェ変換等の演算処理が施されて、医学診断に有効な断層画像やスペクトル分布図に変換される。これらのデータはコンピュータ115の記憶装置(図2では記載していない)に保存されるとともに、ディスプレイ116に表示される。

他方で、コンピュータ115は被検体101の検査部位から目的のNMR信号が得られるように、傾斜磁場電源110と高周波電源112をパルスシーケンスと呼ばれるタイミングチャートに従って動作させるよう制御するため、シーケンサー117と称されるインターフェイス回路を介して各ユニットに接続されている。また、MRI装置のオペレータがパルスシーケンスを選択する入力装置118がコンピュータ115に接続されている。

更に、超電導磁石103の前方には被検体101の検査部位を撮影空間102の中心に搬入・搬出するための患者テーブル119が取り付けられている。また、超電導磁石103と患者テーブル119は電磁波遮蔽を施された検査室120に設置される。更に、検査室120の内と外のユニットの接続にはフィルター回路121を介して接続されている。これらは、コンピュータ115やその他の電源ユニット等が発する電磁波が高周波レシーバーコイル113にノイズとして混入するのを防ぐ機能を果たしている。

＜超電導磁石の構造＞
図1と図3は、図2で説明した超電導磁石103の構造とその機能を説明するための断面図である。超電導磁石103の構造は、一対の真空容器107が磁場中心201を間に挟んで対向配置された構造を有しており、コイルボビン構造を除いて、磁場中心201を含むx‐y面に対して上下対称構造なので、図3では上半分を表示し、下部は省略してある。図1は上下コイルボビンと真空容器107の内部構造の詳細を示した断面図である。なお、一対の真空容器107が磁場中心201を含むy-z面に対して左右対称に配置された構造を有する超電導磁石でもよい。

超電導磁石103は鉄ヨーク104と高温超電導コイル105を収めた真空容器107と高温超電導コイル105を臨界温度以下の温度に維持する冷凍機108から構成されている。

鉄ヨーク104は、一部に開口部を有するC型形状であり、開口の高さは、一例としては55センチ、鉄ヨーク104の全体重量は、例えば14トンである。開口部には、撮影空間102が形成される。鉄ヨーク104は、外に漏れる磁束が極小となるように、その形状が決められている。また、開口部は均一な磁場を発生させるため、凹面に加工された一対の磁極203を有する。磁極203の周囲には、一対の高温超電導コイル105が収容されたドーナツ状の真空容器107が取り付けられている。高温超電導コイル105に磁石電源106から160アンペアの電流を流すことによって、撮影空間102に、例えば0．5テスラの均一な磁場が発生する。

真空容器107内には、外周面に凹部を備えたコイルボビン204と、コイルボビン204の周囲に配置された、輻射熱シールド板206と、輻射熱シールド板207の外周面を覆うスーパーインシュレータ208とが配置されている。コイルボビン204と真空容器107の間隙は、所定の圧力の真空槽207を構成し、断熱構造を形成している。

コイルボビン204の凹部には、図1のように高温超電導線(例えば、MgB₂の線)がドーナツ状に所定の巻き数だけ巻かれ、高温超電導コイル105を構成している。MgB₂は、20ケルビン(-253℃)以下で安定な超電導特性を示す高温超電導材料である。コイルボビン204は、伝熱性に優れたアルミニウムにより形成されている。

コイルボビン204内部には、窒素冷媒301を収容するための空洞が、周方向に沿って形成されている。すなわち、コイルボビン204の一部は、冷媒容器205を兼用している。この空洞(冷媒容器205)は、撮像空間102の磁場に影響を与えるのを防ぐために、高温超電導コイル105よりも磁場中心201から離れた位置に形成することが望ましい。例えば、磁場中心201よりも上側に配置される真空容器107では、コイルボビン204の空洞(冷媒容器205)は、高温超電導コイル105よりも上側に配置し、磁場中心201よりも下側に配置される真空容器107では、コイルボビン204の空洞(冷媒容器205)は、高温超電導コイル105よりも下側に配置する。

冷媒容器205を構成するコイルボビン204の一部には、空洞内まで到達する貫通孔205aが設けられ、冷媒導管302が取り付けられている。冷媒導管302は、その少なくとも一部の区間が、コイルボビン204を覆う輻射熱シールド板206に沿って(つまり、輻射熱シールド板206の外側表面と内側表面の少なくとも一方の表面に沿って)熱的に接触するように引き回された後、その先端は、真空容器107に設けられた貫通孔を通して、真空容器107の外部に引き出されている。冷媒導管302の先端には、逆止弁303が備えられ、冷媒導管302への外気の浸入を防いでいる。冷媒導管302は、真空容器107の外部から冷媒容器205内に液体窒素を導入するため、ならびに、冷媒容器205内の液体窒素が気化した窒素ガスを真空容器107の外部に放出するために用いられる。冷媒導管302は、外部の熱をコイルボビン204へ伝導するのを抑制するために、細く、熱伝導率が小さい材質、例えばステンレスの管が用いられる。

輻射熱シールド板206は、完全な密閉構造ではなく、輻射熱遮蔽に影響しない程度のスリットや貫通穴があり、冷媒導管302は、これらスリット等を通して輻射熱シールド板206の外側に引き出されている。スーパーインシュレータ208(図1では、一部分のみ記載)は、アルミニウムを蒸着して鏡面処理したポリエステルシートが数十層に巻かれており、真空容器107の内表面からの輻射熱を効率よく遮蔽している。

真空容器107に対してコイルボビン204を固定するために、真空容器107には、高温超電導コイル105の1/4円周ごとに支持柱209が取り付けてある。支持柱209は、電磁力に抗する剛性を確保する一方で、熱伝導が極めて小さいことが望ましい。そこで、本実施形態では、支持柱209として、樹脂強化プラスチック(FRP)で構成された直径5センチの円柱棒を用いている。また、支持柱209のコイルボビン204付近での温度勾配を小さくするため、輻射熱シールド板206と支持柱209を熱接触させている。

図3に示すように、超電導磁石103の背面部分には、鉄ヨーク104を貫通する開口が設けられ、冷凍機108が挿入されている。冷凍機108の先端の冷却部位は、上下の真空容器107を連結する結合部210内に配置され、コイルボビン105および熱輻射シールド板206と熱的に接続されている。具体的には、例えば、冷凍機108として、住友重機械工業株式会社製の型式CH-208Rを用いることができる。この冷凍機は、20ケルビン冷却部位211と70ケルビン冷却部位212を有しており、それぞれ6ワットと65ワットの冷却能力を有している。20ケルビン冷却部位211の先端211aは、上下のコイルボビン204と銅網線213により接続され、熱接触している。70ケルビン冷却部位212の先端212aは、輻射熱シールド板206と接続され、熱接触している。

そして、超電導磁石103内には、高温超電導コイル105に電流を印加するための電流リード回路と温度センサー回路が組み込まれている。上下の一対の高温超電導コイル105は直列に真空容器107内で接続され、電流リード回路の電流リード線(図1，3では示していない)と接続されている。電流リード線は、70ケルビン冷却部位212との熱接触を経て、真空容器107の外部に導かれて、磁石電源106に接続される。また、コイルボビン204の複数箇所(図1，3では1箇所のみ示す)には、温度センサー回路の温度センサー214が埋め込まれている。温度センサー214は、熱伝導を最少にするため燐青銅線のリード線(図1，3では示していない)が接続され、リード線は、真空容器107の外部に導かれて、磁石電源106のセンサー入力端子に接続され、温度センサー214の検出した高温超電導コイル105の温度に対応する信号を磁石電源106に受け渡している。

このような構造により、冷凍機108の定常運転時では、輻射熱シールド板206は約70ケルビンに冷却される。その結果、真空容器107の内表面からの輻射熱と、支持柱209とリード回路や温度センサー回路からの伝導熱が加えられても、コイルボビン204と高温超電導コイル105は20ケルビンに冷却される。

＜窒素の固相・液相の相転移について＞
冷凍機108が正常運転しており、高温超電導コイル105と輻射熱シールドを安定に冷却している状態のコイルボビン204および高温超電導コイル105の温度について説明する。

図1、図3に示す超電導磁石103の構造で、真空容器107の内表面から数十層のスーパーインシュレータ208を透して輻射熱シールド板206に伝えられる輻射熱と支持柱209からの伝導熱の合計は、約50ワットである。冷凍機108の定常運転時の70ケルビン、65ワットの冷却能力により、電流リード線や温度センサーのリード線から熱伝導による損失分を考慮しても、輻射熱シールド板206は、約70ケルビンまで冷却される。

高温超電導コイル105に加わる熱は、70ケルビンの輻射熱シールド板206の内表面からの輻射熱と、支持柱209と電流リード線からの伝導熱の二種類で、その熱量の合計は約5ワットになる。冷凍機108が定常運転している時の20ケルビンの冷却能力は6ワットであり、コイルボビン204の温度は20ケルビンまで冷却される。

したがって、冷凍機108が正常運転している状態では、コイルボビン204の冷媒容器205部分の窒素冷媒301は、固体窒素として存在し、熱的には変化しない。

次に、冷凍機108が運転停止して冷却能力が停止した場合のコイルボビン204および高温超電導コイル105の温度について説明する。

輻射熱シールド板206には、真空容器107の内表面からの輻射熱と支持柱209の伝導熱との合計50ワットの熱量が加わるため、輻射熱シールド板206の温度は、冷凍機108の停止により一定の割合で上昇する。高温超電導コイル105は、輻射熱シールド板206の内表面からの輻射熱と、支持柱209と電流リード線からの伝導熱が、冷凍機108の停止からの時間経過とともに指数関数的に増大する。

このとき、コイルボビン204の一部の冷媒容器205内の固体窒素は、蓄冷剤として働き、コイルボビン204の温度上昇を抑える。このため、固体窒素が液体窒素に変わる相転移が完了するまで、コイルボビン204および高温超電導コイル105の温度は63ケルビン(-210℃、これは窒素の融点)で一定となる。

更に、冷凍機108の運転停止期間が継続すると、液体窒素は伝導される熱量を吸収して、77ケルビン(-196℃、これは窒素の沸点)の窒素ガスに相転移する。窒素ガスは、輻射熱シールド板206に沿って組込まれた冷媒導管302を通って、真空容器107の外部に排出される。この77ケルビンの窒素ガスは、冷媒導管302を通過する間に輻射熱シールド板206と熱交換し、輻射熱シールド板206を冷却するため、輻射熱シールド板206の温度上昇を抑える作用をする。

これにより、冷媒容器205内の液体窒素が、完全に窒素ガスに転移するまで、高温超電導コイル105と輻射熱シールド板206の温度は77ケルビンに保たれる。したがって、真空槽207内の空気(窒素と酸素)が気体として真空槽207内を浮遊することがなく、真空度の劣化が抑制されるため、真空槽207の断熱性を、冷凍機108の運転停止中も維持することができる。

また、冷凍機108の運転停止が、コイルボビン204の冷媒容器205内の液体窒素がすべて窒素ガスに転移後も継続する場合には、真空容器107の外側の冷媒導管302の先端から、液体窒素を逐次補充することで、高温超電導コイル105と輻射熱シールド板206の温度を77ケルビンに維持することができる。

図4のグラフを用いて、高温超電導コイル105と輻射熱シールド板206の温度の変化をさらに詳しく説明する。図4のグラフにおいて、横軸401は時間経過を、縦軸402は温度をそれぞれ示す。図4のグラフ403と404はそれぞれ高温超電導コイル105と輻射熱シールド板206の温度を示す。

時間軸のa時点は、冷凍機108の停止時点を示す。時間軸の開始点から冷凍機108が停止するa時点まで、冷凍機108で安定に冷却されている期間であり、高温超電導コイル105の温度は20ケルビン、輻射熱シールドの温度は70ケルビンに維持されている。冷凍機108の停止するa時点からb時点の間は、コイルボビン204や輻射熱シールド板206等のそれぞれの構成物の熱容量により、一定の温度が維持されている期間であり、高温超電導コイル105と輻射熱シールド板206の温度は依然として20ケルビンと70ケルビンに維持される。

b時点からは、高温超電導コイル105の温度は、コイルボビン204と固体の窒素冷媒301の比熱と、高温超電導コイル105に加わる熱量との関係で定まる割合で温度が上昇する。これにより、高温超電導コイル105の温度は、冷媒容器205の窒素冷媒301の融点63ケルビンまで上昇する。c時点からd時点間は、固体の窒素冷媒301が液体窒素に相転移する期間であり、高温超電導コイル105に加わる熱量は、全て窒素冷媒301の融解熱となるため、高温超電導コイル105の温度変化はない。

d時点からe時点間は、高温超電導コイル105の温度は、液体の窒素冷媒301の比熱と、高温超電導コイル105に加わる熱量との関係で定まる割合で温度が再び上昇する期間であり、高温超電導コイル105は窒素の沸点77ケルビンまで上昇する。

e時点からf時点は、コイルボビン204の冷媒容器205内の液体の窒素冷媒301が窒素ガスとして冷媒導管302を通して外部に排出される期間である。この期間は、高温超電導コイル105に加わる熱量は、全て液体窒素の蒸発熱として消費され、高温超電導コイル105の温度は77ケルビンの一定値を示す。

一方、輻射熱シールド板206の温度は、a時点からe時点まで、その熱容量と、輻射熱シールド板206に加わる熱量で定まる一定勾配で上昇し、e時点からは、冷媒導管302を流れる窒素ガスで冷却される作用が加味されるので、その温度上昇は緩やかとなる。

f時点は、冷凍機108の運転が再開された時点であり、輻射熱シールド板206と高温超電導コイル105は、平衡温度である70ケルビンと20ケルビンまで冷却される。

＜MRI装置のオペレーション・フロー＞
この超電導コイル105と輻射熱シールド206の温度変化を踏まえた、MRI装置のオペレーション・フローについて図5のフローチャートを用いて説明する。このオペレーションは、コンピュータ115が、内蔵するメモリに予め格納されているプログラムを読み込んで実行し、磁石電源106等を制御することにより実現する。コンピュータ115は、停電時にも不図示のバッテリから供給される電力を用いて、このプログラムを実行する。

図5のフローには、正常状態のフローと、冷凍機108が停止した場合、高温超電導コイル105の温度管理をし、すばやく正常状態に戻すフローとが含まれている。フローの概要を下記(1)〜(5)により説明する。

(1)図5の左端の過程501から過程506は、正常に冷凍機108が動作して、高温超電導コイル105が臨界温度以下の20ケルビンに冷却され、撮影空間102に安定な磁場を発生し、イメージング検査が実施されるフローを示す。この過程は、図4の開始からa時点までの期間に対応している。

(2)停電やシステム障害で冷凍機108が停止した場合は、右の過程511から過程513のフローにシフトする。冷凍機108の停止初期は、高温超電導コイル105がその構造物の熱容量で依然として臨界温度20ケルビンに冷却保持されている期間であり、冷凍機108の運転復旧を待って、速やかに正常のオペレーション・フローに戻る。図4のa時点〜b時点の期間に対応している。

(3)そして、冷凍機108の停止が長時間におよび、高温超電導コイル105の温度が上昇に転ずると、オペレーション・フローはさらに右の過程521から過程527となる。これにより、高温超電導コイル105の損傷を防ぐため、コイルに流れている電流をゼロにして、冷凍機108の運転復旧を待ち、冷凍機108の運転復旧後、高温超電導コイル105の冷却温度を確認して再びコイルに電流を印加、正常のオペレーション・フローに戻る。図4では、b時点〜c時点の期間に対応している。

(4)冷凍機の停止が長時間におよび、高温超電導コイル105の温度が、固体窒素の融点63ケルビンから窒素沸点77ケルビンに達する間では、過程531から過程533となる。図4では、c時点〜e時点の期間に対応している。

(5)冷凍機108の停止が更に長時間に及んだ場合のフローが過程541から過程542となる。このフローは冷媒の液体窒素が気化して、大気中に放出されるので、外部より液体窒素を補充しながら冷凍機108の運転復旧を待つフローとなる。図4ではe時点〜f時点の期間に対応している。

以下、各過程の具体的な、各部の動作について説明する。これらの動作は、CPU115の制御によって実現される。

過程501：当日のMRI検査施行に先だって、磁石電源106は、予め定められた電流160アンペアを超電導コイル105に流して磁場を発生させる。この操作は、コンピュータ115にプログラムされた自動立上げ機能で行う場合の他、オペレータによる入力装置118の操作で行うことも可能である。

過程502：冷凍機108は、連続運転にて、高温超電導コイル105と輻射熱シールド板206を冷却している。これにより、高温超電導コイル105は20ケルビンに、輻射熱シールド板206は70ケルビンに冷却されている。ここで、コンピュータ115は、冷凍機108が正常運転しているか、停電やシステム障害で停止しているかの判定を実施する。この判定は、コンピュータ115が、冷凍機108から動作信号を受け取って、正常動作しているかどうか判定することにより行ってもよいし、真空容器107内に配置されている温度センサーの出力信号を受け取って温度を検出し、所定の温度内かどうかを判定することにより行ってもよい。冷凍機108の運転が正常である場合には、ステップ502に進む。冷凍機108の動作が停止している場合、ステップ511に進む。

過程503：コンピュータ115は、最初の被検体101のイメージング検査を施行する。

過程504〜過程505：コンピュータ115は、過程504において、次の被検体101の検査の有無を判定する。検査が有りの場合は、過程502に戻り、前回の被検体101のイメージング検査と同じ過程をたどる。次の被検体101の検査が無い場合は、コンピュータ115は、終了過程に進むか、急患など予約外の被検体を待機する状態かを、所定の判定基準により判定する過程505に進む。過程505の判定は、例えば、一日の検査が終了し、次の被検体の検査が無いとオペレータが判断したことを操作者からの入力を入力装置118で受け付ける方法や、医療施設の終業時間を経過したかどうかを判定する方法により行うことができる。過程505において、待機と判定した場合は、過程504に戻る。一方、終了と判定した場合には、過程506に進む。

過程506：超電導磁石103の磁石電源106から高温超電導コイル105への電流の供給を停止し、消磁する作業を行う。消磁作業は、コンピュータ115による自動的な消磁動作の他、オペレータの入力装置118の入力信号に従って行うことも可能である。

上記ステップ502において、冷凍機108の動作が停止している場合、ステップ511に進む。

過程511：冷凍機108の動作が停止しているため、コンピュータ115は、真空容器107内の温度センサーの出力を受け取って、高温超電導コイル105の温度計測を行う。温度センサーの出力は、シーケンサー117を介して受け取る。

過程512：高温超電導コイル105の温度が、安定な超電導状態である臨界温度20ケルビンを超えているかの判定を行う。20ケルビン以下であれば、過程513に進み、冷凍機108の運転復旧を待ち、再び温度計測の過程511に戻るループに入る。20ケルビンを超えている場合は、過程521に進む。

過程521：高温超電導コイル105の温度が臨界温度20ケルビンを超えると、コイル線材は超電導から常伝導に転移しはじめ、電気抵抗が現れるため、160アンペアの電流を磁石電源106より印加し続けると、コイルが焼損する。そこで、磁石電源106の出力電流を減少させ、ゼロにすることにより、超電導コイル105を消磁する。

過程522〜過程524：消磁後の高温超電導コイル105の温度を計測し、温度が63ケルビンを超えていなければ冷凍機の運転復旧を待つ。この間、コイルボビン204内の窒素冷媒301は、侵入する熱を融解熱として吸収し、高温超電導コイル105を冷却している。窒素冷媒301が全て液体に転移し、過程523において、高温超電導コイル105の温度が63ケルビンを超えたならば、過程531に進む。63ケルビンに達する前に、冷凍機108が運転再開したならば、次の過程525に進む。

過程525〜過程527：冷凍機108の運転が復旧したので、高温超電導コイル105と輻射熱シールド板206の冷却が再開される。高温超電導コイル105の温度が臨界温度の20ケルビンまで冷却されるまで待ち、冷却されたならば、磁石電源106の出力電流を定格160アンペアにして、超電導コイル105を再び励磁し、過程503に戻って、MRI検査を行うことができる。これにより、MRI装置のオペレーションを正常なフローに戻す。

一方、過程523において、高温超電導コイル105の温度が63ケルビンを超えたならば、過程531に進む。

過程531〜過程533：さらに温度計測を継続し、液体の窒素の沸点77ケルビンを超えていなければ、冷凍機108の運転再開を待つ。この間、コイルボビン204内の窒素冷媒301は、侵入する熱を蒸発熱として吸収しながら高温超電導コイル105を冷却している。運転再開されれば、上述の過程525に進み、超電導コイル105を20ケルビンまで冷却後、励磁し、MRI検査を実行することができる。

一方、過程532の温度判定が、77ケルビンを超えた場合、窒素冷媒301が気化して大気中に放出されるため、過程541に進む。

過程541〜過程542：コンピュータ115は、オペレータに冷媒導管302の先端から液体窒素を冷媒容器205内に供給するように促す表示をディスプレイ116に表示する。これを受けて、オペレータは、外部ジュワーより液体窒素を逐次補充しながら、冷凍機108の運転再開を待つ。冷凍機108の運転が再開されれば、過程525に進み、超電導コイル105を20ケルビンまで冷却後、励磁し、MRI検査を実行することができる。

上述してきたように、実施形態1のMRI装置は、高温超電導線を用いた超電導コイル105を用いながら、停電等によって冷凍機が長時間停止した場合であっても、真空槽207を77ケルビン以下に長時間維持することができる。したがって、真空槽207の真空度を劣化による断熱機能の低下を防ぎ、冷凍機の運転再開後に速やかにMRI検査を実行することができ、実用性に優れたMRI装置を提供することができる。

更に、本発明によれば、高価で、かつ輸送や保管が困難な液体ヘリウムを使う必要がないので、そのサービスネットワークから外れた地域や電力供給の不安定な地域においても、超電導MRI装置を安定に稼動させ高度な臨床診断に供することができる。

なお、実施形態1では、コイルボビン204内に窒素冷媒301を収容する冷媒容器205を内蔵する構造について説明したが、コイルボビン204と冷媒容器205は、必ずしも一体でなくともよく、コイルボビン204と冷媒容器205を別体としてもよい。この場合も、冷媒容器205は熱伝導性の良い材料で構成し、コイルボビン204と密着させて配置することが好ましい。

＜＜実施形態2＞＞
＜実施形態2のMRI装置の全体構成＞
図6は、実施形態2のMRI装置を医療施設に設置し、被検体である患者の医用診断画像を撮影している状態を示している。また、図7には、実施形態2の超電導磁石103の真空容器107の断面図である。

実施形態2のMRI装置が実施形態1と異なる点は、検査室120の外部に液体窒素ジュワー601が備えられている点と、コイルボビン204には、冷媒容器205が形成されておらず、液体窒素ジュワー601に接続された冷媒導管701が真空容器107内に配置されている点である。

冷媒導管701は、表面熱伝導の良好な例えば銅パイプにより構成され、コイルボビン204に密着するように配置された後、さらに、輻射熱シールド板206に密着するように配置されている。すなわち、冷媒導管701は、窒素冷媒の流れに対して、コイルボビン204よりも下流側で輻射熱シールド板と接触するように配置されている。その後、冷媒導管701は、真空容器107の外に導き出され、窒素ガス(つまり気体化した冷媒)を放出する。また、冷媒導管701の先端には逆止弁303が取り付けられており、逆止弁303は、冷媒導管701内への大気の逆流を防ぐ。液体窒素ジュワー601は、断熱導管602を介して冷媒導管701に接続されている。断熱導管602の途中には開閉弁603が配置されている。

開閉弁603は、コンピュータ115の制御により磁石電源106から出力される制御信号によって、その開閉動作が行われる。例えば、冷凍機108が停止して、コイルボビン204に取り付けた温度センサー214の値が例えば60ケルビンに達したならば、コンピュータ115は、磁石電源106に組込まれている磁石制御回路から信号を出力させ、開閉弁603を開く。これにより、液体窒素ジュワー601から断熱導管602を介して、冷媒導管701に液体窒素を供給する。

冷媒導管701に導入された液体窒素は、コイルボビン204に密着した冷媒導管701の部分で、コイルボビン204の熱を吸収する。これにより、一部は、窒素ガスに転移する。一部気体の液体窒素は、さらに冷媒導管701を流れ、高温の輻射熱シールド板206に密着した冷媒導管701部分で、輻射熱シールド板206の熱を吸収する。これにより、液体窒素は窒素ガスに相転移する。窒素ガスは、さらに冷媒導管701を流れ、真空容器107の外に排出される。

このように、ジュワー601から導入された液体窒素との熱交換によって、高温超電導コイル105と輻射熱シールド板206は液体窒素の沸点77ケルビン以下の温度に維持される。これにより、真空槽207で固体の空気が遊離する脱ガスの発生が抑えられ、真空断熱の性能は維持される。

本実施形態2のMRI装置は、長時間の停電やシステム障害で冷凍機の運転が停止した場合でも、液体窒素ジュワー601より液体窒素を自動的に補充し続けられることができる。また、真空容器107内に冷媒を蓄えるスペースが不要となり、コンパクトな真空容器107を実現することができる。

実施形態2のMRI装置の他の構成は、実施形態1と同様であるので説明を省略する。

101 被検体、102 撮影空間、103 超電導磁石、104 鉄ヨーク、105 高温超電導コイル、106 磁石電源、107 真空容器、108 冷凍機、109 傾斜磁場コイル組立体、110 傾斜磁場電源、111 高周波トランスミッターコイル、112 高周波電源、114 信号処理ユニット、115 コンピュータ、117 シーケンサー、118 入力装置、203 磁極、204 コイルボビン、205 冷媒容器、206 輻射熱シールド板、207 真空槽、208 スーパーインシュレータ、214 温度センサー、301 窒素冷媒、302 冷媒導管、303 逆止弁、601 液体窒素ジュワー、602 断熱導管、603 開閉弁、701 冷媒導管。

或いは、本発明のMRI装置は、静磁場を発生する超電導コイルと、超電導コイルを収容する真空容器と、超電導コイルと熱的に接触して超電導コイルを冷却する冷凍機と、真空容器の内に配置された、超電導コイルが巻回されたコイルボビンと、該コイルボビンと接するように配置された導管と、真空容器の外に配置された、超電導コイルを冷却するための冷媒を蓄える冷媒容器と、を備え、導管は、冷媒容器に接続され、導管内を前記冷媒が流れることを特徴とする。

真空容器107内には、外周面に凹部を備えたコイルボビン204と、コイルボビン204の周囲に配置された、輻射熱シールド板206と、輻射熱シールド板206の外周面を覆うスーパーインシュレータ208とが配置されている。コイルボビン204と真空容器107の間隙は、所定の圧力の真空槽207を構成し、断熱構造を形成している。

図3に示すように、超電導磁石103の背面部分には、鉄ヨーク104を貫通する開口が設けられ、冷凍機108が挿入されている。冷凍機108の先端の冷却部位は、上下の真空容器107を連結する結合部210内に配置され、コイルボビン204および熱輻射シールド板206と熱的に接続されている。具体的には、例えば、冷凍機108として、住友重機械工業株式会社製の型式CH-208Rを用いることができる。この冷凍機は、20ケルビン冷却部位211と70ケルビン冷却部位212を有しており、それぞれ6ワットと65ワットの冷却能力を有している。20ケルビン冷却部位211の先端211aは、上下のコイルボビン204と銅網線213により接続され、熱接触している。70ケルビン冷却部位212の先端212aは、輻射熱シールド板206と接続され、熱接触している。

＜MRI装置のオペレーション・フロー＞
この超電導コイル105と輻射熱シールド板206の温度変化を踏まえた、MRI装置のオペレーション・フローについて図5のフローチャートを用いて説明する。このオペレーションは、コンピュータ115が、内蔵するメモリに予め格納されているプログラムを読み込んで実行し、磁石電源106等を制御することにより実現する。コンピュータ115は、停電時にも不図示のバッテリから供給される電力を用いて、このプログラムを実行する。

過程502：冷凍機108は、連続運転にて、高温超電導コイル105と輻射熱シールド板206を冷却している。これにより、高温超電導コイル105は20ケルビンに、輻射熱シールド板206は70ケルビンに冷却されている。ここで、コンピュータ115は、冷凍機108が正常運転しているか、停電やシステム障害で停止しているかの判定を実施する。この判定は、コンピュータ115が、冷凍機108から動作信号を受け取って、正常動作しているかどうか判定することにより行ってもよいし、真空容器107内に配置されている温度センサーの出力信号を受け取って温度を検出し、所定の温度内かどうかを判定することにより行ってもよい。冷凍機108の運転が正常である場合には、過程502に進む。冷凍機108の動作が停止している場合、過程511に進む。

上記過程502において、冷凍機108の動作が停止している場合、過程511に進む。

過程511：冷凍機108の動作が停止しているため、コンピュータ115は、真空容器107内の温度センサー214の出力を受け取って、高温超電導コイル105の温度計測を行う。温度センサー214の出力は、シーケンサー117を介して受け取る。

過程512：高温超電導コイル105の温度が、安定な超電導状態である臨界温度20ケルビンを超えているかの判定を行う。20ケルビン未満であれば、過程513に進み、冷凍機108の運転復旧を待ち、再び温度計測の過程511に戻るループに入る。20ケルビンを超えている場合は、過程521に進む。

過程521：高温超電導コイル105の温度が臨界温度20ケルビンを超えると、コイル線材は超電導から常伝導に転移しはじめ、電気抵抗が現れるため、160アンペアの電流を磁石電源106より印加し続けると、超電導コイルが焼損する。そこで、磁石電源106の出力電流を減少させ、ゼロにすることにより、超電導コイル105を消磁する。

このように、液体窒素ジュワー601から導入された液体窒素との熱交換によって、高温超電導コイル105と輻射熱シールド板206は液体窒素の沸点77ケルビン以下の温度に維持される。これにより、真空槽207で固体の空気が遊離する脱ガスの発生が抑えられ、真空断熱の性能は維持される。

本実施形態2のMRI装置は、長時間の停電やシステム障害で冷凍機108の運転が停止した場合でも、液体窒素ジュワー601より液体窒素を自動的に補充し続けられることができる。また、真空容器107内に冷媒を蓄えるスペースが不要となり、コンパクトな真空容器107を実現することができる。

101 被検体、102 撮影空間、103 超電導磁石、104 鉄ヨーク、105 超電導コイル、高温超電導コイル、106 磁石電源、107 真空容器、108 冷凍機、109 傾斜磁場コイル組立体、110 傾斜磁場電源、111 高周波トランスミッターコイル、112 高周波電源、114 信号処理ユニット、115 コンピュータ、117 シーケンサー、118 入力装置、203 磁極、204 コイルボビン、205 冷媒容器、206 輻射熱シールド板、207 真空槽、208 スーパーインシュレータ、214 温度センサー、301 窒素冷媒、302 冷媒導管、303 逆止弁、601 液体窒素ジュワー、602 断熱導管、603 開閉弁、701 冷媒導管。

Claims (13)

1. 静磁場を発生する超電導コイルと、
   前記超電導コイルを収容する真空容器と、
   前記超電導コイルと熱的に接触して前記超電導コイルを冷却する冷凍機と、
   前記冷凍機の冷却機能が低下もしくは停止した場合に、前記超電導コイルを冷却するための冷媒を蓄える冷媒容器と、
   を備え、
   前記冷媒容器は、前記超電導コイルが巻回されるコイルボビンを兼用している
   ことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
2. 請求項1記載の磁気共鳴イメージング装置において、
   前記冷媒は、前記冷凍機が前記超電導コイルを冷却する温度で固体化する冷媒である
   こと特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
3. 請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
   前記冷媒容器には、前記冷媒が流れるための導管が接続され、
   前記導管の端部は、前記真空容器の外に引き出され、気体化した前記冷媒を放出する
   ことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
4. 請求項3に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
   前記導管の端部には、逆止弁が備えられている
   ことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
5. 請求項3に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
   前記真空容器内には、前記超電導コイルを覆うように、輻射熱シールド板が配置され、
   前記導管は、前記輻射熱シールド板と接触するように配置されている
   ことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
6. 請求項5に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
   前記導管の少なくとも一部の区間は、前記輻射熱シールド板に沿って熱的に接触して配置されている
   ことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
7. 請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
   前記冷媒容器は、前記超電導コイルよりも磁場中心から離れた位置に配置されている
   ことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
8. 請求項7に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
   一対の前記真空容器が前記磁場中心を間に挟んで対向配置されており、
   前記磁場中心よりも上側に配置された前記真空容器の内では、前記冷媒容器は前記超電導コイルよりも上側に配置されており、
   前記磁場中心よりも下側に配置された前記真空容器の内では、前記冷媒容器は前記超電導コイルよりも下側に配置されている
   ことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
9. 静磁場を発生する超電導コイルと、
   前記超電導コイルを収容する真空容器と、
   前記超電導コイルと熱的に接触して前記超電導コイルを冷却する冷凍機と、
   前記真空容器の内に配置された、前記超電導コイルが巻回されたコイルボビン及び該コイルボビンと接している配置と、
   前記真空容器の外に配置された、前記超電導コイルを冷却するための冷媒を蓄える冷媒容器と、
   を備え、
   前記冷媒容器に接続され、前記冷媒が流れる導管を備える
   ことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
10. 請求項9に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
    前記導管の端部は、前記真空容器外に引き出され、逆止弁が備えられ、気体化した前記冷媒を放出する
    ことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
11. 請求項9に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
    前記真空容器内には、前記超電導コイルを覆うように、輻射熱シールド板が配置され、
    前記導管は、前記冷媒の流れに対して、前記コイルボビンよりも下流側で前記輻射熱シールド板と接触するように配置されている
    ことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
12. 請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
    前記超電導コイルは高温超電導コイルである
    ことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
13. 請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
    前記冷媒は、窒素である
    ことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。

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