WO2016136383A1

WO2016136383A1 - 磁気共鳴イメージング装置

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Publication number: WO2016136383A1
Application number: PCT/JP2016/052654
Authority: WO
Inventors: 洋之渡邊; 康則古閑; 淳川村; 孝石上
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2015-02-27
Filing date: 2016-01-29
Publication date: 2016-09-01
Also published as: JP6619417B2; JPWO2016136383A1

Abstract

　クエンチを効果的に低減することのできる開放型MRI装置を提供するために、静磁場を形成すべき撮像空間を間に挟んで互いに対向配置された一対の超伝導磁石と、傾斜磁場発生装置と、RFパルス照射コイルと、を有し、一対の超伝導磁石はそれぞれ、主コイルと、主コイルの漏えい磁場を抑制するためのシールドコイルと、コイルボビンと、を備え、対向配置の方向にZ軸を定義した場合に、主コイルはその中央にZ軸を有する環状の形状を成し、主コイルを保持するために撮像空間に対向し、さらに主コイルの撮像空間側に沿うように配置され主コイルを支持する支持板と、支持板のZ軸側をコイルボビンに固定する内周側支持部材と、支持板のZ軸とは反対側である支持板の外周側を前記コイルボビンに固定する外周側支持部材と、を備え、支持板とコイルボビンとの間に主コイルを配置した、ことを特徴とするMRI装置。

Description

磁気共鳴イメージング装置

　本発明は、磁気共鳴イメージング装置(以下、MRI(Magnetic Resonance Imaging)装置と称する)に関する。

　MRI装置は、被検体(例えば、人体)の組織を構成する原子核のスピンによって発生するNMR信号を計測して画像化する装置である。得られた画像は、例えば診断など医療関係に利用されるため、質の高い画像が求められる。原子核スピンによって発生するNMR信号の強度は、計測領域の静磁場の強度に比例するため、静磁場の強度を上げることにより断層像などの画像の分解能を向上させることができる。このことから、MRI装置の静磁場発生装置として高強度磁場を発生することが可能な超伝導磁石が用いられる。

　超伝導磁石は、超伝導状態に転移する温度に冷却された超伝導コイルを使用する。超伝導コイルは超伝導線をコイルボビンに巻回して成形され、超伝導線の間隙には樹脂が充填されて固められている。超伝導コイルは、冷媒として、例えば液体ヘリウムが使用されて、液体ヘリウムの沸点である4.2ケルビンに冷却されることにより超伝導状態に転移する。超伝導コイルには冷却後に静磁場を発生するための電流が供給され、発生する磁場強度が定格磁場強度に達した状態で、超伝導スイッチと呼ばれる回路が閉じられて永久電流が流れる閉ループ状態になる。このようにして所定の永久電流が流れ続ける超伝導状態が維持され、静磁場が定格磁場強度に維持される。

　超伝導コイルが超伝導状態に維持されて動作している状態で何らかの理由で超伝導コイルの一部分が超伝導状態から常伝導状態へ転移する現象(クエンチ)が発生すると、液体ヘリウムが大量に消費されるため、再度超伝導磁石を立ち上げるためには、液体ヘリウムの再注液が必要となる他、人的、時間的にも大きな損失が発生する。このためクエンチの発生を抑制することが大切である。

　クエンチの発生については、例えば、特許文献1にも記載されているように永久電流が維持されている永久電流モードで何らかの擾乱により超伝導コイルの超伝導線が数μm動いたり、超伝導線を固める樹脂に割れが生じたりすると、局所的な発熱が発生する。その発熱により超伝導線の温度が臨界温度を超えて上昇した場合に、超伝導コイルの一部分が超伝導状態から常伝導状態へ転移するクエンチが生じる。

　クエンチの発生を抑制する方法として、例えば特許文献1では、超伝導線が動いたり、樹脂に割れが生じたりする原因が、超伝導コイルの「経年変化」であると推定している。
この推定に基づき超伝導磁石の励消磁を繰り返したり、過電流を流したりすることにより、超伝導コイル内部の構造の経年変化を予め実質的に加速させておくことを提案し、これにより、長期間に渡る永久電流を保持している期間に突発的なクエンチが発生するのを抑制できると述べている。

　また、特許文献2で、被検体への閉塞感を低減できる開放型のMRI装置において、超伝導コイルを巻回するためのコイルボビンの構造として、クエンチの発生が抑制可能な構造が提案されている。

特開2006-324411号公報国際公開2014/050621号

　上述した特許文献1で提案されている、経年変化を予め加速させて、クエンチを抑制する方法は、十分な成果が得られるものであるのかどうか、について確認が難しい。より確実な方法でクエンチの抑制を可能にすることが望ましい。また、特許文献2で提案されているコイルボビンを使用したMRI装置は、生産性の点で色々課題を抱えている。

　本発明の目的は、クエンチの発生を低減できる生産性の優れたMRI装置を提供することにある。

　上記課題を解決するMRI装置は、静磁場を形成すべき撮像空間を間に挟んで互いに対向配置された一対の超伝導磁石と、傾斜磁場発生装置と、RFパルス照射コイルと、を有し、一対の超伝導磁石はそれぞれ、主コイルと、主コイルの漏えい磁場を抑制するためのシールドコイルと、コイルボビンと、を備え、対向配置の方向にZ軸を定義した場合に、主コイルはその中央にZ軸を有する環状の形状を成し、主コイルを保持するために撮像空間に対向し、さらに主コイルの撮像空間側に沿うように配置され主コイルを支持する支持板と、支持板のZ軸側をコイルボビンに固定する内周側支持部材と、支持板のZ軸とは反対側である支持板の外周側を前記コイルボビンに固定する外周側支持部材と、を備え、支持板とコイルボビンとの間に主コイルを配置した、ことを特徴とする。

　本発明によれば、クエンチの発生を低減できると共に生産性の優れたMRI装置を得ることができる。

本発明の一実施形態の全体構成を説明する説明図図1に示す実施形態のMRI本体の断面図図2に記載のコイルボビンの構造を説明する説明図図2と図3に記載の主コイルの製造方法を示す説明図本発明の他の実施形態を説明する説明図本発明のさらに他の実施形態を説明する説明図図6に記載の主コイルの製造方法を説明する説明図本発明のさらに他の実施形態を説明する説明図

　1.はじめに
　本発明の一実施形態について、適宜図面を参照しながら説明する。なお、参照する図面において同一符号を付した構成は略同様の作用を為し、略同様の効果を奏する。説明の重複を避けるために同一符号の構成に関する繰り返しの説明を省略する。また、以下の実施例は、上述した発明の課題を解決し上述した発明の効果を奏するだけでなく、上述した発明の課題以外の課題をも解決し、上述した効果以外の効果をも奏する。

　2.本発明の一実施形態に係るMRI装置100の全体構成の説明
　図1を参照して本発明の一実施形態に係るMRI装置100の全体構成を説明する。MRI装置100は、制御装置110と、被検体102を配置するために形成された広い開口202および開口202の中央部に形成された撮像空間204を有するMRI本体200と、被検体102を載置するための天板182を有する寝台180、などを有している。

　制御装置110は、MRI画像の撮像のための操作を行ったりあるいは必要なデータの入力を行ったりあるいは撮像された画像を含む必要な情報の表示を行ったりするための入出力装置120や、MRI装置100の全体に係る制御を行ったりあるいは必要な演算処理あるいは画像処理を行ったりあるいは必要なデータを図示しない記憶装置に記憶したりあるいは記憶装置からデータを読み出したりする処理装置130や、撮像動作のためにMRI本体200に設けられた各装置を制御したり駆動したりする撮像制御装置140、などを有している。入出力装置120は、画像を含む情報を表示するための表示装置122や、操作を行ったり情報を入力したりする入力装置124を有している。MRI本体200や寝台180にも入出力装置が設けられているが、その記載および説明を省略する。

　MRI本体200は以下でより詳細に説明するが、上下方向に上側超伝導電磁石300と下側超伝導電磁石302を有しており、これらを支柱206と支柱208で支持している。支柱206と支柱208の位置は特に定める必要は無いが、この実施例では一例として撮像空間204を挟んで左右に対向して設けている。例えば支柱206と支柱208の位置を寝台180の反対方向にずらせて配置しても良い。

　MRI本体200の説明の理解を助けるために、本明細書では、撮像空間(観測領域)204の中心を原点とし、被検体102の体軸方向をX軸、撮像空間204を挟んで左右に対向して設けられた支柱206や支柱208の方向をY軸、高さ方向をZ軸とする直角座標を設定する。Y軸はX軸に垂直な方向であって水平方向を示し、Z軸はX軸やY軸に垂直な方向であって高さ方向を示す。

　寝台180は検査を行う被検体102を載置し、被検体102を適切な位置に移動することができる。天板182に載置された被検体102を高さ方向であるZ軸方向に移動可能であると共に体軸方向であるX軸方向に移動可能である。さらにMRI本体200は広い開口202を有するので、水平方向であるY軸方向に移動可能である。寝台180はさらに車輪を有していて被検体を載置した状態で移動できる構造であっても良い。

　3.撮像制御装置140およびMRI本体200による撮像動作の説明
　3.1　撮像制御装置140の構成
　処理装置130は撮像の指示に従って撮像制御装置140へ撮像のための指令および制御信号を送り、撮像制御装置140からMRI本体200へNMR現象を起こすための駆動信号などを送る。MRI本体200はNMR現象を引き起こすために、静磁場を発生するための上述した超伝導電磁石300および302や、傾斜磁場を発生するための傾斜磁場発生装置や、高周波磁場(以下RFと記す)パルスを照射するためのRF照射コイル、を備えている。

　またNMR現象により発生したNMR信号を受信するためにNMR受信コイルを有している。撮像制御装置140は撮像動作を制御するためのシーケンサ142や、シーケンサ142からの制御信号に基づきRFパルス照射コイルを駆動するための駆動電流を供給するRF電流供給装置144や、傾斜磁場発生装置を駆動するための傾斜磁場電源146を有し、またNMR信号を処理する信号処理装置148を有している。

　3.2　NMR現象を起こすためのMRI本体200の構成の説明
　図1に記載のMRI本体200をZ軸方向にY軸に沿って断面したA－A断面図を図2に示す。図1および図2において、MRI本体200はZ軸を中心とし円形あるいは円形に近い外周形状を成しており、Z軸における上下の中央部に被検体102の部位を撮像するための観測領域204が形成され、観測領域204の周囲により広い空間である開口202が形成される。より鮮明な画像を得るためには観測領域204に均一で強力な磁場を生成することが望ましい。観測領域204に均一で強力な静磁場を生成するためにMRI本体200には上側超伝導磁石装置300と下側超伝導電磁石302が設けられている。

　撮像空間204の中心である直角座標系の原点を通りZ軸に垂直な面すなわちY軸に重なる面を対称面201として設定する。上側超伝導電磁石300と下側超伝導電磁石302は対向して配置されており、対称面201に対して対称の関係を成している。

　観測領域204を挟むようにして上側RFパルス照射コイル214と下側RFパルス照射コイル215が設けられ、さらに上側RFパルス照射コイル214や下側RFパルス照射コイル215を挟むようにして上側傾斜磁場発生装置210と下側傾斜磁場発生装置211が設けられている。さらに上側傾斜磁場発生装置210や下側傾斜磁場発生装置211を挟むようにして上側超伝導磁石装置300や下側超伝導電磁石302が設けられている。図示を省略するが上側RFパルス照射コイル214と下側RFパルス照射コイル215で挟まれた空間内に被検体に近接してNMR現象により放出されたNMR信号を受信するためのNMR受信コイルが設けられる。

　3.3　本発明の一実施形態に係る超伝導電磁石の説明
　図1および図2に記載のMRI本体200では、静磁場を発生する一対の超伝導磁石である上側超伝導電磁石300と下側超伝導電磁石302が撮像空間204を挟んでZ軸方向に対向配置され、対称面201に対して対称の形状および構成をなしている。このような構造のMRI装置100では開口202を非常に広く形成することができ、被検体102に開放感を与えると共に、撮像の作業性が向上する効果を奏する。以下で説明するMRI装置100は全てこのような開放型の構造を成している。MRI装置100の他の方式として被検体の体軸方向に円筒型の空間を形成し、被検体の体軸方向に静磁場を発生する方式がある。このような体軸方向に静磁場を発生する方式のMRI装置を以下円筒型MRI装置と記す。

　発明者らは、MRI装置の超伝導磁石の内部構造が超伝導状態においてどのように変化しているかを詳細に調べた。その結果、円筒型MRI装置の超伝導磁石装置では起こり得ない特有の構造変化が、開放型のMRI装置100の超伝導磁石装置において起こっていることがわかった。

　例えば、開放型のMRI装置100の上側超伝導電磁石300あるいは下側超伝導電磁石302においては、主コイルに働く電磁力によってコイルボビンが変形し易く、コイルボビンの変形に合わせて主コイルに歪が発生し易い。開放型のMRI装置100の超伝導磁石装置では、上下のコイルボビンを例えば2箇所で接続しておりこの部分が支点となってコイルボビンが3次元に変形し易い構造となっている。

　上述のように主コイルに歪が生じてこの歪が過大になると、超伝導線の間隙を充填するために含浸された樹脂が割れたり、超伝導線が動いたりしてクエンチが発生し易いことが分かった。このコイルボビンの変形は、一対の超伝導磁石の対向面側からメインコイルを保持する板状部材であるコイルボビンの端板に生じることがわかった。さらにこのことに加え、従来の開放型の超伝導磁石装置では、主コイルを直接コイルボビンに巻線している。

　このためコイルスロットを製作する必要があるが、深い溝加工となるために生産性が低下する課題がある。このため従来は高コストになり易い傾向がある。一方円筒型超伝導磁石装置では、コイルボビン全体が一体型の構造を為すため、上述のような変形が生じない。このように円筒型MRI装置と開放型のMRI装置100では課題が大きく異なることが分かった。

　本実施形態では、主コイルをコイルボビンに直接巻線するのではなく、別作業により超伝導線を巻回して主コイルを製作し、その後コイルボビン本体と製作した主コイルを合体させるようにする。このようにすることにより、コイルボビンの構造を簡素化することができ、生産性を向上することができる。さらに重要なことは本実施形態では、主コイルを両端支持することにより、主コイルの変形を抑制することが可能で、主コイルの変形を低減できると共に主コイルの歪を低減できる効果がある。以下、図面を用いて本実施形態について具体的に説明する。

　4.本発明の一実施形態に係る超伝導磁石装置の具体的構造
　図2は、第1の実施形態の上側超伝導電磁石300および下側超伝導電磁石302の断面図であり、図3は、上側超伝導電磁石300および下側超伝導電磁石302に使用されるコイルボビンの断面斜視図である。なお上側超伝導電磁石300と下側超伝導電磁石302に使用されるコイルボビンは対称形の形状であり、上側超伝導電磁石300のコイルボビンを代表として示し、このコイルボビンを用いて、上側超伝導電磁石300および下側超伝導電磁石302のコイルボビンの作用および効果を説明する。

　超伝導磁石装置は、一対をなし撮像空間204を挟んで対向配置された上側超伝導電磁石300と下側超伝導電磁石302を有し、これらは支柱206と支柱208の内部にそれぞれ設けられた連結機構252と連結機構254で連結されている。上側超伝導電磁石300と下側超伝導電磁石302は対称面201に対してそれぞれ対称の形状および構造であり、さらに同じ作用をなし、同じ効果を奏するので、主に上側超伝導電磁石300について説明し、下側超伝導電磁石302についての説明を省略する。

　なお上側超伝導電磁石300と下側超伝導電磁石302は、図2に記載のZ軸を中心とする円形形状を成しており、図2に示す断面図では、Z軸を中心として左右対称の構造および形状である。一対の上側超伝導電磁石300と下側超伝導電磁石302はそれぞれ、主コイル310と、主コイル310の漏えい磁場を抑制するためのシールドコイル320と、コイルボビン330とを備えて構成される。コイルボビン330は、主コイル310が巻回された筒状部材332と、主コイル310に働く対称面201方向への電磁力に対向して主コイル310を対称面201側から支持する支持板362を有する支持部材360とを備える。

　この図面では筒状部材332をコイルボビン330とは別体の構造としている。筒状部材332をコイルボビン330と別部材で構成し、筒状部材332をコイルボビン330から分離した状態で、筒状部材332をコイルの内周部材として使用して超伝導線を巻回して超伝導コイルを成形し、このように別作業として主コイル310を製造する。その後筒状部材332を内周部材として製造した主コイル310を、コイルボビン330に組み付ける。このようにすることによりコイルボビン330に直接超伝導線を巻線する必要がなくなる。主コイル310をコイルボビン330に固定するための支持部材360を、断面がL字型の形状の部材とすることができる。

　断面がL字型の支持部材360は主コイル310を支えるための支持板362と支持板362の外周側をコイルボビン330の端板334に固定するための外周側支持部材361を有している。支持板362の外周側が外周側支持部材361によってコイルボビン330の端板334に固定される。断面L字型の支持部材360の支持板362の他端である内周側が、筒状部材332を介して共にコイルボビン330の端板334に固定される。筒状部材332は断面L字型の支持部材360の支持板362の内周側をコイルボビン330の端板334に固定するための内周側支持部材として作用する。支持板362とコイルボビン330の端板334との間に主コイル310が保持される。図2および図3に記載の実施例では、支持部材360や筒状部材332がボルト372を用いてコイルボビン330に固定されているが、溶接等を用いて固定しても構わない。

　主コイル310が超伝導状態で磁場を発生しているときには、上側超伝導電磁石300の主コイル310と下側超伝導電磁石302の主コイル310とに互いに引き合う力が作用する。本実施形態では、支持部材360の支持板362で内側に主コイル310を固定して支持し、支持板362の外周側を外周側支持部材361によりコイルボビン330に固定し、さらに支持板362の内周側を、内周側支持部材として作用する筒状部材332を介してコイルボビン330に固定する構造としている。

　このためZ軸を中心として円形状に配置された主コイル310の対称面201の側の全面に渡って支持部材360の支持板362で支持する構造と成っている。さらに支持部材360はその主コイル310の半径方向の外周側と内周側の両方においてコイルボビン330の端板334に固定される構造となっている。従って支持部材360の主コイル310を支える面が歪み難い構造となる。即ち主コイル310を支える支持部材360の支持板362の支持面が3次元的に歪むのを抑制できる構造となっている。そのため主コイル310は歪みが生じ難く、クエンチの発生を抑制できる。

　上述の支持部材360は、環状の端板334に対応した、環状の部材となっている。端板334や支持部材360がZ軸を中心とする環状の形状を成していることにより、応力が集中するのを防止でき、歪が生じ難い構造となっている。また支持部材360の断面をL字形状とすることで捩れが生じ難く、3次元的な歪を抑制できる効果を有する。

　図2に示すように、開放型のMRI装置100に使用される超伝導磁石装置は撮像空間204を挟んでZ方向である上下方向に対を成して上側超伝導電磁石300と下側超伝導電磁石302とが配置されている。上側超伝導電磁石300と下側超伝導電磁石302とにより、極めて精度の高い均一性を有する安定した静磁場が撮像空間204に形成される。

　冷媒容器402の内部は冷却用の冷媒である液体ヘリウムが満たされていて、冷媒容器402の上下の端部にコイルボビン330がそれぞれ設けられていると共に、コイルボビン330が冷媒容器402の一部として機能している。コイルボビン330用のコイルボビン330と下側超伝導電磁石302用のコイルボビン330とが撮像空間204を挟んでY軸に沿うように対向して配置された連結機構252と連結機構254とによって支持されている。

　上側超伝導電磁石300や下側超伝導電磁石302を有する超伝導電磁石装置は、熱伝導を抑制するために内部を真空とした真空容器406を有し、真空容器406の内部に熱の輻射を抑制するためのシールド板404が設けられている。シールド板404の内側に冷却用の冷媒を満たす冷媒容器402が設けられている。主コイル310やシールドコイル320は冷媒容器402内の冷媒によって冷却される。

　冷媒としては例えば液体ヘリウムが使用される。主コイル310やシールドコイル320に使用される超伝導線として、例えばNbTiのような合金系超伝導体の線を使用することができる。図2の実施例では、主コイル310は上述したように筒状部材332に上述の超伝導線を巻回して成形して、成形された主コイル310を、支持部材360を使用してコイルボビン330に固定する。またシールドコイル320はコイルボビン330に巻回した構造である。コイルボビン330としては、例えば、SUS304やアルミニウム合金などの非磁性金属を使用して形成している。

　上側超伝導電磁石300と下側超伝導電磁石302の主コイル310はそれぞれ、Z軸方向に同一方向となる磁場を発生させ、撮像空間204に均一の一定方向の静磁場を形成する。上側超伝導電磁石300と下側超伝導電磁石302のシールドコイル320はそれぞれ、主コイル310が発生する磁場の外部への漏えいを打ち消して低減するために設けられており、Z軸方向の主コイルと逆向きの磁場を発生する。

　図3を用いて上述したように、コイルボビン330はZ軸を中心とする環状の形状を成している。環状のコイルボビン330は、主コイル310を支持するための主コイルボビン支持部336と、シールドコイル320を支持するためのシールドコイルボビン部338と、筐体部340とを有し、主コイルボビン支持部336とシールドコイルボビン部338と筐体部340を一体化した構造を成している。

　筐体部340は、主コイルボビン支持部336とシールドコイルボビン部338とを連結して一体化しているとともに、これらを支持する作用をする。主コイルボビン支持部336は、筐体部340により、最も撮像空間204に近い側である対称面201側に配置されていて、上側超伝導電磁石300のコイルボビン330における主コイルボビン支持部336と下側超伝導電磁石302のコイルボビン330における主コイルボビン支持部336とが対称面201を挟んで互いに対向している。一方シールドコイルボビン部338は、主コイルボビン支持部336よりもZ軸方向において撮像空間204から離れた位置にある。

　主コイルボビン350は、筒状部材332と、環状の形状を成す支持板362と、環状の形状の端板334とにより構成される。主コイル310は主コイルボビン350に直接巻線されるのではなく、図4を用いて以下で説明する如く、巻線用治具を用いて別作業により巻回されて成型され、成型後に巻線用治具を取り外して、コイルボビン330に固定される。このようにすることで主コイル310を支持する支持部材360の形状が、主コイル310の歪をより低減するのに適した構造および形状とすることができる。また生産性も向上する。

　このことが主コイル310の歪の抑制につながり、クエンチの発生を抑制することができる。主コイル310を形成する超伝導線の間隙には樹脂が含浸されて超伝導線を固定している。図2や図3に記載の構造は、超伝導線の間隙に含浸された樹脂に加わる応力をも低減する作用をする。このこともクエンチの発生を抑制する効果につながる。

　コイルボビン330の端板334の内周部は、内筒342に固定され、端板334の外周部は、シールドコイルボビン部338に固定されている。これにより端板334は、主コイルボビン350とシールドコイルボビン部338とを連結して一体化する作用をする。

　上側超伝導電磁石300の主コイルボビン350に設けられた主コイル310に作用する主な電磁力は、同じコイルボビン330に支持されるシールドコイル320との間に発生する反発力と、撮像空間204を挟んで対向配置される下側超伝導電磁石302のコイルボビン330に固定された主コイル310への間に生じる吸引力である。このためZ軸方向において対称面201の方に働く電磁力が主コイル310に作用する電磁力の主体となる。上側超伝導電磁石300や下側超伝導電磁石302の主コイル310はそれぞれ、支持部材360の支持板362によって支持されている。

　主コイル310はそれぞれ、対称面201と並行する支持板362の支持面により支持され、しかもこの支持面はねじれが生じ難い構造をしているので、上側超伝導電磁石300や下側超伝導電磁石302の主コイル310に3次元的なねじれが生じるのが抑止される。この結果クエンチの発生が抑制される。

　シールドコイルボビン部338は、環状の内筒344および外筒346と、環状の端板348と、環状の端板352とにより構成されている。環状の端板348は、内周部が内筒344に固定されている。外周部と外筒346とは接続されていてもされていなくてもどちらでも構成し得る。環状の端板352も同様である。シールドコイル320は、環状の内筒344と外筒346と環状の端板348と環状の端板352により4方から囲まれた空間内に巻回されている。超伝導線の間隙には、樹脂が含浸されて超伝導線を固定している。

　筐体部340は、内筒342と、内筒342の撮像空間204とは逆側の端部に固定された環状の端板354とを備えている。内筒342の撮像空間204側の端部には、端板334が固定されている。環状の端板354の外周部は、シールドコイルボビン部338に固定されている。また、内筒342は同等の剛性をもった部材であれば筒状でなくてもよく、例えば離散化されたリブで構成してもよい。

　コイルボビン330の各部の固定は、溶接あるいはねじ止めにより強固に行われている。また、本実施例のコイルボビン330には、主コイル310をZ軸方向である上下方向に支持する環状の支持板362が配置されている。支持板362は、図3に示すように断面がL字型である支持部材360に一体の構造で設けられており、上端は主コイルボビン350の端板334またはシールドコイルボビン部338の環状の端板348に溶接あるいはボルト等により強固に固定されている。

　支持板362の対称面201側の先端364は、筒状部材332と結合され、筒状部材332は端板334に結合されている。支持部材360の支持板362と筒状部材332と端板334により主コイル310を囲む構造となっている。支持板362によってコイルがZ軸方向に変形するのを抑制している。支持板362は、コイルボビン330と同様に非磁性金属、例えば、SUS304やアルミニウム合金により構成されている。

　上側超伝導電磁石300の主コイル310と下側超伝導電磁石302の主コイル310は互いに強い吸引力により引き合う力が作用するが、上側超伝導電磁石300の主コイル310の対称面201側と下側超伝導電磁石302の主コイル310の対称面201側にそれぞれ支持板362が設けられて、主コイル310をそれぞれ支持し固定しているので、主コイル310のひずみが抑制される。支持板362はZ軸側が筒状部材332を介してコイルボビン330に固定され、また支持板362のZ軸から遠い側が端板334あるいは環状の端板348に外周側支持部材361により固定される。

　このように支持板362の両サイドが端板334に固定されるので、支持板362にねじれが生じ難い構造となっている。このため主コイル310に捩じれなどの歪が生じるのを抑制できる。なお、上述したように上側超伝導電磁石300のコイルボビン330や支持部材360と下側超伝導電磁石302のコイルボビン330や支持部材360とは対称面201に対して対称形の構造及び形状であり、全く同様の作用をなし、効果を奏する。

　次にコイルボビン330の外側の構造について説明する。冷媒容器402は、図2記載のように、環状の端板354の内周側端部356と、環状の端板352の外周側端部358に固定されて、コイルボビン330の環状の端板352や環状の端板354が冷媒容器402の外周壁の一部として作用する。冷媒容器402の内部が冷媒である液体へリウムで満たされている。従ってコイルボビン330の周囲に液体へリウム満たす空間が形成され、コイルボビン330に固定された主コイル310やシールドコイル320が冷媒である液体へリウムにより冷却され、超電導状態が維持される。

　上側超伝導電磁石300と下側超伝導電磁石302を連結する連結機構252と連結機構254は、上側超伝導電磁石300のコイルボビン330と、下側超伝導電磁石302のコイルボビン330とを連結する連結柱を備えている。連結柱を有する連結機構252と連結機構254は、上側超伝導電磁石300の主コイル310およびシールドコイル320と、下側超伝導電磁石302の主コイル310およびシールドコイル320の間に働く、引き合う電磁力に抗して上側超伝導電磁石300および下側超伝導電磁石302を支えている。連結機構252や連結機構254の周囲は、冷媒容器402と、シールド板404と、真空容器406で覆われている。連結機構252や連結機構254はそれぞれ、上下に存在する超伝導磁石装置の冷媒容器402やシールド板404や真空容器406を連結し、支持している。

　例えば特許文献2に記載の構造の場合、主コイルのZ軸方向への電磁力によるボビンの変形を支持部材により抑制しているものの、主コイルボビンの端板が変位し、大きな変形が生じ易い。変形が生じるとコイル歪みも生じ、超伝導コイルの導体間の樹脂が割れたり、導体が動いたりし易くなる。

　本実施例ではこのような変形を抑制でき、クエンチの発生をより低減できる。特許文献2には、主コイルボビンにスロットを構成し、この部分に直接超伝導線を巻き回して主コイル1を構成する。超伝導コイルに必要な精度である±0.1～0.2mm程度を確保してスロットを加工しようとすると生産性に大きな問題を抱える。最終的に生産コストが高くなってしまう。

　これに対し、本実施形態では、図2や図3に記載の主コイル310を別作業にて、治具を使って巻線および成型し、図3の端板334に対して支持板362とともに取り付ける構成としている。こうすることにより、主コイル310に働くZ方向電磁力に対し、完全な両端固定支持の構造とすることができ、主コイル310の変形を最小限に抑制でき、クエンチし難い構造とすることができる。

　また、スロット加工が無くなり、生産性が大幅に向上する。例えばボビン製作コストの低減につながる。別作業における治具が必要となるが、治具は何回も使えるため、量産時にはそのコストの影響は軽微である。なお支持板362または端板334は、コイルへの給電部材取り付けのために一部で切り欠く構造となる場合がある。

　なお、上述の実施形態では、主コイル310およびシールドコイル320が、液体ヘリウム温度で超伝導状態となる材料の場合について説明したが、これらが高温超伝導体によって構成される場合には、冷媒容器402およびシールド板404は不要となる場合がある。また、主コイル310及びシールドコイル320は、複数のコイルから構成することも可能である。

　図4は、図2や図3に記載した主コイル310の制作方法を説明する説明図である。図4(A)に示すように、主コイル310を上側超伝導電磁石300に巻回して制作するのではなく、コイルボビン330から分離した筒状部材332にその両側から巻線用治具420と巻線用治具422を当てて、筒状部材332に超伝導線を巻き、さらに超伝導線を固定するための樹脂を流して固め、主コイル310を完成する。

　図2や図3の実施形態では、筒状部材332の径が非常に大きいが、理解し易いように図4では径を小さくして記載している。図4の説明では、図2や図3と筒状部材332の径が異なるが基本原理および基本的な作用は同じである。巻線用治具420や巻線用治具422を取り除くと、筒状部材332に巻回された主コイル310を取り出すことができる。図4(B)は筒状部材332に主コイル310が固定された状態である。

　図2では、図4(B)の状態の主コイル310を使用して筒状部材332を端板334に固定する。一方図4(C)に記載のごとく、筒状部材332も取り除いて主コイル310だけを使用することも可能である。図8に記載の実施形態では、図4(C)に記載の主コイル310を使用する。

　5.他の実施形態に係る超伝導磁石装置の説明
　上で説明した実施形態ではコイルボビン330の主コイル310の主コイルボビン350の構造が一段であるのに対して、図5に記載の実施形態では、主コイルボビン350の巻線の構造が2段構造になっている。図3に記載の主コイルボビン350の構成である筒状部材332の撮像空間204側である対称面201側に、第2筒状部材333が設けられている。第2筒状部材333は筒状部材332と同様の構造であり、支持部材360および筒状部材332を介してコイルボビン330の端板334に固定される。

　第2筒状部材333の対称面201側には第2支持板363が設けられ、第2筒状部材333に巻回された第2主コイル311は、支持部材360の支持板362と第2支持板363の間に設けられている。支持部材360は筒状部材332と第2筒状部材333との間に挟まれて設けられ、主コイル310を支持すると共に、第2主コイル311を支持する第2支持板363を保持し固定する機能を有する。

　このように、図5に記載の実施形態では、主コイルボビン350はZ軸方向に2段重ねになった構造をしており、主コイルが主コイル310と第2主コイル311で構成され、主コイル310と第2主コイル311がそれぞれ分かれて、一方が1段目に他方が2段目に配置されている。

　このような構成とすることにより、主コイル310を、筒状部材332を利用して成形することができ、同様に第2主コイル311を、第2筒状部材333を利用して成形することができる。主コイル310や第2主コイル311を製作した後に、それぞれをコイルボビン330に取り付けることにより、主コイルボビン350を、主コイル310や第2主コイル311に作用する応力の対応に適した歪の生じ難い構造および形状とすることができる。また生産性も向上する。

　さらに図5に記載のように主コイルを主コイル310と第2主コイル311とに複数段に分けて配置することにより、対称面201側に配置された第2主コイル311に作用する対称面201側への吸引力を低減することができる。

　主コイル310と第2主コイル311には、コイルボビン330に設けられたシールドコイル320との間で発生する反発力が作用する。一方図2に記載のように上側超伝導電磁石300と下側超伝導電磁石302とが対称面201を挟んで対向して配置されているので、上側超伝導電磁石300の主コイル310および第2主コイル311と下側超伝導電磁石302の主コイル310および第2主コイル311との間で吸引力が発生する。しかしさらに近接して配置されている上側超伝導電磁石300の主コイル310と第2主コイル311との間で互いに吸引し合う力が発生する。下側超伝導電磁石302においても同様である。

　上側超伝導電磁石300の主コイル310には対称面201方向に、下側超伝導電磁石302のコイルとの間で生じる力に加えて第2主コイル311との間で発生する力が加わる。従って主コイル310には大きな力が作用する。一方上側超伝導電磁石300の第2主コイル311には、下側超伝導電磁石302との間で吸引力が発生することにより、対称面201の方向に力が発生するが、同時に主コイル310との間で強力な吸引力が発生し、主コイル310による吸引力が下側超伝導電磁石302による吸引力を打ち消す方向に作用する。

　このため第2主コイル311には対称面201方向にはほとんど力が生じない。むしろ第2主コイル311には対称面201の方向ではなく逆の主コイル310方向に力が生じる。従って第2支持板363にはほとんど力が作用しない。場合によっては第2支持板363を設けなくても良い。

　図5に示す如く主コイルを複数段設けた構造では、対称面201から遠い側の主コイルには大きな力が作用するが、対称面201に近い方の主コイルには大きな力が作用しない。従って対称面201に近い方の主コイルには歪の発生などが生じ難い。対称面201から遠い側の主コイルである主コイル310に対して支持部材360により上述した如く強固な支持を行うことで、主コイル全体の変形を防止することができ、クエンチの発生を抑制することができる。

　6.さらに他の実施形態に係る超伝導磁石装置の説明
　図5を用いて主コイルを複数に分けて重ねて配置する構造を説明したが、図6にさらに他の実施形態に係る超伝導磁石装置の構成を示す。図5の実施形態では、主コイル310を筒状部材332に巻回して成形し、第2主コイル311を第2筒状部材333に巻回して成形する構造を示している。主コイル310や第2主コイル311の生産性の向上や、生産された主コイル310や第2主コイル311を使用した構成を有するMRI装置100全体の生産性の向上を図る上で、図6に記載の実施形態は優れている。

　筒状部材332や第2筒状部材333や支持板362をそれぞれ別々に設けるのではなく、図6に記載の実施形態ではこれらを一体とした断面がT字型の支持部材380を使用する。支持部材380はZ軸を中心とする環状形状を成す筒状部材382を有し、その外周側にT字の足に対応する支持板384を有する。支持部材380には別作業で巻回された主コイル310と第2主コイル311が固定されている。支持部材380の筒状部材382はコイルボビン330の端板334に固定される。

　また支持部材380の支持板384の端部は、取り付け部材390を介してコイルボビン330の端板334あるいは環状の端板348に固定される。筒状部材382は内周側支持部材として作用し、取り付け部材390は外周側支持部材として作用する。このように支持板384の両端が内周側支持部材と外周側支持部材とによって、コイルボビン330に固定されるので、主コイル310に作用する力に十分対向できる。即ち支持板384はねじれが生じ難い構造となっている。このためクエンチの発生が抑制される。上述したように第2主コイル311には大きな力が作用しないので、第2支持板363にはほとんど力が作用しない。第2支持板363は無くても良い。

　支持部材380は主コイル310と第2主コイル311の2つのコイルを巻回して成形する機能を有している。図7に記載のように支持部材380に2つの巻線用治具430と432を添えることにより、主コイル310と第2主コイル311の2つのコイルを成形することができる。成形された2つのコイルを有する支持部材380をコイルボビン330に取り付けることにより、主コイル310のねじれを抑制できる。図5においても生産性が改善されるが、図6に示す実施形態ではさらに生産性の改善がされる。

　7.　さらに他の実施形態に係る超伝導磁石装置の説明
　更に他の実施形態として、図6に記載の支持部材380を主コイル310や第2主コイル311の外周側に嵌め込んだ構造を図8に示す。構造や作用および効果が図6の実施形態とよく似ている。主コイルが2つのコイルに分けられ、Z方向に重ねられている。図6の実施形態ではコイルのみ別体系で製作する。図5や図6に記載の実施形態では筒状部材382などのZ軸を中心とする環状部材に主コイルを巻回して成形する。

　一方本実施例では、図4(C)に記載する如く、成形されたコイルからその中心側に設けられた筒状部材を取り去り、成形されたコイルのみを支持部材380のZ軸側から外周側の方に嵌め込む。支持部材380の円筒部材482は環状の端板348に固定され、支持板384の端部は固定部材490を介して端板334に固定される。この実施形態では、主コイルボビン350を構成する部品数を少なくすることができる。主コイル310や第2主コイル311と支持部材380とは接着または焼嵌め等で一体化することができる。図8の実施形態は主コイルを主コイル310と第2主コイル311の複数の主コイルに分けているが、1つのコイルの場合であっても本実施形態を適用できる。なお1コイルの場合は主コイルボビン350の構造がさらに簡素化される。これにより生産性が向上する。

　本実施形態のMRI装置100は、被検体に閉塞感を与えにくい開放型であり、さらに、超伝導磁石のクエンチを生じにくい効果を奏する。このため、長期間にわたり安定して被検体102を撮像することができる効果がある。上述したように本発明では、クエンチの発生を低減できる生産性の優れたMRI装置を得ることができる。

　100　MRI装置、102　被検体、110　制御装置、120　入出力装置、122　表示装置、124　入力装置、130　処理装置、140　撮像制御装置、142　シーケンサ、144　RF電流供給装置、146　傾斜磁場電源、148　信号処理装置、170　冷媒供給装置、180　寝台、182　天板、200　MRI本体、201　対称面、202　開口、204　撮像空間、206　支柱、208　支柱、210　上側傾斜磁場発生装置、211　下側傾斜磁場発生装置、コイル214　上側RFパルス照射、　下側RFパルス照射コイル215、252　連結機構、254　連結機構、300　上側超伝導電磁石、302　下側超伝導電磁石、310　主コイル、311　第2主コイル、320　シールドコイル、330　コイルボビン、332　筒状部材、筒状部材、334　端板、336　主コイルボビン部、338　シールドコイルボビン部、340　筐体部、342　内筒、350　主コイルボビン、360　支持部材、372　ボルト、380　支持部材、382　筒状部材、384　支持板、390　取り付け部材、420　巻線用治具、422　巻線用治具、430　巻線用治具、432　巻線用治具、490　固定部材

Claims

　静磁場を形成すべき撮像空間を間に挟んで互いに対向配置された一対の超伝導磁石と、傾斜磁場発生装置と、RFパルス照射コイルと、を有し、
　前記一対の超伝導磁石はそれぞれ、主コイルと、前記主コイルの漏えい磁場を抑制するためのシールドコイルと、コイルボビンと、を備え、
　前記対向配置の方向にZ軸を定義した場合に、前記主コイルはその中央にZ軸を有する環状の形状を成し、
　前記主コイルを保持するために前記撮像空間に対向し、さらに前記主コイルの前記撮像空間側に沿うように配置され前記主コイルを支持する支持板と、
前記コイルボビンとは別の部材で作られ、前記支持板の前記Z軸側を前記コイルボビンに固定する内周側支持部材と、
前記支持板の前記Z軸とは反対側である前記支持板の外周側を前記コイルボビンに固定する外周側支持部材と、を備え、
前記支持板と前記コイルボビンとの間に前記主コイルを配置した、ことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
　請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
　前記内周側支持部材は、前記主コイルの内周面に沿った環状の面を有し、
　前記支持板の内周側である前記Z軸側が、前記コイルボビンとは別の部材で作られた内周側支持部材によって前記コイルボビンに固定される、ことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
　請求項2に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
　前記外周側支持部材は、前記支持板と一体に作られていて、前記支持板の外周側において前記撮像空間から遠ざかる方向に延びる形状を成して前記コイルボビンに固定され、
　前記外周側支持部材が前記コイルボビンに固定されることにより、前記支持板の前記Z軸側および前記Z軸側と反対側のそれぞれが前記コイルボビンにより支持される構造を成す、ことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
　請求項2に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
　前記コイルボビンとは別の部材で作られた前記内周側支持部材に超伝導線が巻回されて樹脂で固定された主コイルが形成されており、前記内周側支持部材によって前記支持板の前記Z軸側がコイルボビンに固定されている、ことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
　請求項2に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
　前記支持板と前記内周側支持部材とが接続されており、
　前記内周側支持部材であって、前記支持板と前記内周側支持部材との接続点から、前記撮像空間から遠ざかる方向に設けられた第1内周側支持部材を有し、
　さらに前記内周側支持部材であって、前記接続点から、前記撮像空間に近づく方向に設けられた第2内周側支持部材を有し、
　前記支持板の前記内周側が前記第1内周側支持部材によって前記コイルボビンに固定され、
　前記主コイルが少なくとも2つに分割された第1主コイルと第2主コイルとを有し、前記第1主コイルは前記支持板と前記コイルボビンとの間に配置され、前記第2主コイルが前記支持板の前記撮像空間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。
　請求項5に記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記第1主コイルが前記第1内周側支持部材に成形されており、前記第2主コイルが第2内周側支持部材に成形されている、ことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
　請求項5に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
　前記支持板と前記第1内周側支持部材と前記第2内周側支持部材とが一体に作られており、
　さらに前記第1内周側支持部材に前記第1主コイルが成形され、前記第2内周側支持部材に前記第2主コイルが成形され、前記第1内周側支持部材が前記コイルボビンの前記撮像空間側に固定され、前記支持板の前記Z軸より遠い側が前記外周側支持部材によって前記コイルボビンの前記撮像空間側に固定されている、ことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
　請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
　前記外周側支持部材と前記支持板とが一体に作られており、前記外周側支持部材が前記コイルボビンの前記撮像空間側に固定され、
　前記支持板と前記コイルボビンの前記撮像空間側との間に前記主コイルが嵌め込まれ、前記支持板の前記Z軸側が前記内周側支持部材によって前記コイルボビンの前記撮像空間側に固定される、ことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
　請求項8に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
　前記外周側支持部材が前記支持板よりさらに前記撮像空間側に延びており、
　前記支持板の前記撮像空間側に第2主コイルがさらに設けられ、
　前記支持板の前記コイルボビン側に設けられた前記主コイルと前記支持板の前記撮像空間側に設けられた前記第2主コイルとが共に前記静磁場を形成する作用をなす、ことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
　静磁場を形成すべき撮像空間を通るようにして定義した対称面を挟んで互いに対向配置された一対の超伝導磁石と、傾斜磁場発生装置と、RFパルス照射コイルと、制御装置と、を有し、
　前記一対の超伝導磁石はそれぞれ、主コイルと、前記主コイルの漏えい磁場を抑制するためのシールドコイルと、コイルボビンと、を備え、
　前記撮像空間を通り前記対称面に垂直なZ軸を定義した場合に、前記主コイルはその中央にZ軸を有する環状の形状を成し、
　前記主コイルを保持するために前記対称面に対向し、さらに前記主コイルの前記対称面側に沿うように配置され前記主コイルを支持する支持板と、前記支持板の前記Z軸側を前記コイルボビンに固定する内周側支持部材と、前記支持板の前記Z軸とは反対側である前記支持板の外周側を前記コイルボビンに固定する外周側支持部材と、を備え、前記支持板と前記コイルボビンとの間に前記主コイルを配置した、ことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。