WO2021033311A1 - 超電導コイル装置及びｍｒｉ装置 - Google Patents

Abstract

超電導コイル装置は、少なくとも１つのコイルユニットを備えている。少なくとも１つのコイルユニットは、一対の超電導コイルと、一対の固定板と、支持体とを有している。一対の超電導コイルは、同一軸線上に互いに間隔をおいて配置されている。一対の固定板は、一対の超電導コイルの互いに対向する面にそれぞれ固定されている。支持体は、一対の固定板間に設けられており、一対の固定板の間隔の変化を阻止する。

Description

超電導コイル装置及びＭＲＩ装置

　この発明は、少なくとも一対の超電導コイルが同一軸線上に互いに間隔をおいて配置されている超電導コイル装置、及びそれを備えたＭＲＩ装置に関するものである。

　ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）装置では、被検体が磁場中に置かれ、核磁気共鳴現象により得られる信号が計測され、演算処理される。そして、被検体中の原子核スピンの密度分布、緩和時間分布等が、断層像として画像表示される。

　また、ＭＲＩ装置において、被検体が入る空間には、高強度、かつ均一性の高い磁場が発生される。臨床において用いられているＭＲＩ装置の磁場強度は、０．２Ｔ以上であり、磁場強度が１．５Ｔ以上であるＭＲＩ装置が主流となっている。

　また、鮮明な画像を得るために、磁場均一度を２ｐｐｍ以下とすることが求められている。しかし、超電導コイルに作用する電磁力により超電導コイルが変位すると、撮像空間内の磁場均一度が悪化し、画質が低下する。例えば、１つの超電導コイルに０．５ｍｍの変位が生じただけで、磁場均一度は１００ｐｐｍ以上に悪化し、画質が低下する。

　また、希土類高温超電導線材に代表される薄膜線材で構成された超電導コイルを用いる場合、超電導コイルの変位により、薄膜線材が剥離し、超電導特性が劣化する恐れがある。

　これに対して、従来の磁場コイル支持装置では、６個の磁場コイルの径方向外側に３本のレールが互いに平行に配置されている。各磁場コイルは、支持装置又は調整装置によって、３本のレールにそれぞれ結合されている（例えば、特許文献１参照）。

特開昭５９－３４２４４号公報

　上記のような従来の磁場コイル支持装置では、３本のレールが６個の磁場コイルの径方向外側のみに配置されているため、各磁場コイルの径方向内側端部に軸方向への変形が生じる恐れがある。

　この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、コイルユニットにおける一対の超電導コイルの変位及び変形をより確実に抑制することができる超電導コイル装置、及びそれを用いたＭＲＩ装置を得ることを目的とする。

　この発明に係る超電導コイル装置は、同一軸線上に互いに間隔をおいて配置されている一対の超電導コイルと、一対の超電導コイルの互いに対向する面にそれぞれ固定されている一対の固定板と、一対の固定板間に設けられており、一対の固定板の間隔の変化を阻止する支持体とを有している少なくとも１つのコイルユニットを備えている。

　この発明によれば、コイルユニットにおける一対の超電導コイルの変位及び変形をより確実に抑制することができる。

この発明の実施の形態１によるＭＲＩ装置の要部を示す斜視図である。 図１のマグネット本体の中心軸線に沿う断面図である。 図２の第１のコイルユニットの構成を模式的に示す斜視図である。 実施の形態１の第１のコイルユニット及び第２のコイルユニットの変形例を示す斜視図である。 図４のＶ－Ｖ線に沿う断面図である。 この発明の実施の形態２による第１のコイルユニットの構成を模式的に示す斜視図である。 この発明の実施の形態３によるマグネット本体の中心軸線に沿う断面図である。

　以下、この発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
　実施の形態１．
　図１は、この発明の実施の形態１によるＭＲＩ装置の要部を示す斜視図である。図において、ＭＲＩ装置は、超電導コイル装置としての円筒形の超電導マグネット装置１を備えている。図１は、超電導マグネット装置１の一部を切り欠いて示している。超電導マグネット装置１は、均一な静磁場を発生することによって、均一磁場領域２を形成する。均一磁場領域２は、超電導マグネット装置１の内側に形成される。

　また、超電導マグネット装置１は、円筒状の低温容器３と、マグネット本体４とを有している。マグネット本体４は、低温容器３内に格納されている。また、低温容器３内でのマグネット本体４の重力方向の支持は、例えば複数のフックによって行われている。各フックの材料としては、例えばガラスエポキシが用いられている。

　低温容器３には、図示しない冷凍機が接続されている。冷凍機は、マグネット本体４を冷却する。

　低温容器３は、真空槽５、熱シールド６、及びコイル巻枠７を有している。真空槽５内は、真空状態にされている。コイル巻枠７は、真空槽５内に設けられている。熱シールド６は、真空槽５とコイル巻枠７との間に配置されており、外部から侵入する熱を遮断する。

　図２は、図１のマグネット本体４の中心軸線に沿う断面図である。マグネット本体４は、第１のコイルユニット１０、第２のコイルユニット２０、及び第３のコイルユニット３０を有している。第１のコイルユニット１０、第２のコイルユニット２０、及び第３のコイルユニット３０は、同一軸線上に配置されている。

　第１のコイルユニット１０は、一対の円環状の第１の超電導コイル１１、一対の円板状の第１の固定板１２、及び第１の支持体１３を有している。一対の第１の超電導コイル１１は、同一軸線上に互いに間隔をおいて配置されている。

　また、一対の第１の超電導コイル１１は、互いに対向している。また、一対の第１の超電導コイル１１は、原点Ｏに対して対称に配置されている。原点Ｏとは、マグネット本体４の直径方向のＲ軸と、マグネット本体４の中心軸線に沿うＺ軸とが重なる点である。

　一対の第１の固定板１２は、一対の第１の超電導コイル１１の互いに対向する面にそれぞれ固定されている。一対の第１の超電導コイル１１は、例えば樹脂により、一対の第１の固定板１２にそれぞれ接着されている。各第１の固定板１２の中央には、円形の孔が設けられている。

　一対の第１の固定板１２の外径は、それぞれ一対の第１の超電導コイル１１の外径よりも大きい。一対の第１の固定板１２の内径は、それぞれ一対の第１の超電導コイル１１の内径よりも小さい。これにより、一対の第１の超電導コイル１１の互いに対向する面全体が、それぞれ一対の第１の固定板１２に接している。

　第１の支持体１３は、一対の第１の固定板１２間に設けられており、一対の第１の固定板１２の間隔の変化を阻止する。また、第１の支持体１３は、一対の第１の固定板１２に固定されている。また、第１の支持体１３は、複数本の第１の外側ロッド１４と、複数本の第１の内側ロッド１５とを有している。

　複数本の第１の外側ロッド１４は、同一円周上に配置されている。また、複数本の第１の外側ロッド１４は、一対の第１の超電導コイル１１の周方向に互いに等間隔をおいて配置されている。

　複数本の第１の内側ロッド１５は、複数本の第１の外側ロッド１４よりも、一対の第１の超電導コイル１１の径方向の内側に配置されている。また、複数本の第１の内側ロッド１５は、同一円周上に配置されている。また、複数本の第１の内側ロッド１５は、一対の第１の超電導コイル１１の周方向に互いに等間隔をおいて配置されている。

　複数本の第１の外側ロッド１４及び複数本の第１の内側ロッド１５は、マグネット本体４の中心軸線に平行に配置されている。

　第２のコイルユニット２０は、一対の円環状の第２の超電導コイル２１、一対の円板状の第２の固定板２２、及び第２の支持体２３を有している。一対の第２の超電導コイル２１は、同一軸線上に互いに間隔をおいて配置されている。

　また、一対の第２の超電導コイル２１は、互いに対向している。また、一対の第２の超電導コイル２１は、原点Ｏに対して対称に配置されている。

　また、一対の第２の超電導コイル２１は、一対の第１の超電導コイル１１よりも、原点Ｏから離れている。このため、一対の第２の超電導コイル２１の間隔は、一対の第１の超電導コイル１１の間隔よりも大きい。また、一対の第１の超電導コイル１１は、一対の第２の超電導コイル２１間に配置されている。

　一対の第２の固定板２２は、一対の第２の超電導コイル２１の互いに対向する面にそれぞれ固定されている。一対の第２の超電導コイル２１は、例えば樹脂により、一対の第２の固定板２２にそれぞれ接着されている。各第２の固定板２２の中央には、円形の孔が設けられている。

　一対の第２の固定板２２の外径は、それぞれ一対の第２の超電導コイル２１の外径よりも大きい。一対の第２の固定板２２の内径は、それぞれ一対の第２の超電導コイル２１の内径よりも小さい。これにより、一対の第２の超電導コイル２１の互いに対向する面全体が、それぞれ一対の第２の固定板２２に接している。

　また、一対の第２の固定板２２の外径は、それぞれ一対の第１の固定板１２の外径よりも大きい。また、一対の第２の固定板２２の内径は、それぞれ一対の第１の固定板１２の内径よりも小さい。

　第２の支持体２３は、一対の第２の固定板２２間に設けられており、一対の第２の固定板２２の間隔の変化を阻止する。また、第２の支持体２３は、一対の第２の固定板２２に固定されている。また、第２の支持体２３は、複数本の第２の外側ロッド２４と、複数本の第２の内側ロッド２５とを有している。

　複数本の第２の外側ロッド２４は、同一円周上に配置されている。また、複数本の第２の外側ロッド２４は、一対の第２の超電導コイル２１の周方向に互いに等間隔をおいて配置されている。

　複数本の第２の内側ロッド２５は、複数本の第２の外側ロッド２４よりも、一対の第２の超電導コイル２１の径方向の内側に配置されている。また、複数本の第２の内側ロッド２５は、同一円周上に配置されている。また、複数本の第２の内側ロッド２５は、一対の第２の超電導コイル２１の周方向に互いに等間隔をおいて配置されている。

　また、複数本の第２の外側ロッド２４は、一対の第１の超電導コイル１１の径方向外側に配置されている。また、複数本の第２の内側ロッド２５は、一対の第１の超電導コイル１１の径方向内側に配置されている。

　複数本の第２の外側ロッド２４及び複数本の第２の内側ロッド２５は、マグネット本体４の中心軸線に平行に配置されている。

　第３のコイルユニット３０は、一対の円環状の第３の超電導コイル３１、一対の円板状の第３の固定板３２、及び第３の支持体３３を有している。一対の第３の超電導コイル３１は、同一軸線上に互いに間隔をおいて配置されている。

　また、一対の第３の超電導コイル３１は、互いに対向している。また、一対の第３の超電導コイル３１は、原点Ｏに対して対称に配置されている。

　また、一対の第３の超電導コイル３１は、一対の第２の超電導コイル２１よりも、原点Ｏから離れている。このため、一対の第３の超電導コイル３１の間隔は、一対の第２の超電導コイル２１の間隔よりも大きい。また、一対の第２の超電導コイル２１は、一対の第３の超電導コイル３１間に配置されている。

　一対の第１の超電導コイル１１、一対の第２の超電導コイル２１、及び一対の第３の超電導コイル３１は、同一軸線上に配置されている。

　一対の第３の固定板３２は、一対の第３の超電導コイル３１の互いに対向する面にそれぞれ固定されている。一対の第３の超電導コイル３１は、例えば樹脂により、一対の第３の固定板３２にそれぞれ接着されている。各第３の固定板３２の中央には、円形の孔が設けられている。

　一対の第３の固定板３２の外径は、それぞれ一対の第３の超電導コイル３１の外径よりも大きい。一対の第３の固定板３２の内径は、それぞれ一対の第３の超電導コイル３１の内径よりも小さい。これにより、一対の第３の超電導コイル３１の互いに対向する面全体が、それぞれ一対の第３の固定板３２に接している。

　また、一対の第３の固定板３２の外径は、それぞれ一対の第２の固定板２２の外径よりも大きい。また、一対の第３の固定板３２の内径は、それぞれ一対の第２の固定板２２の内径よりも小さい。

　第３の支持体３３は、一対の第３の固定板３２間に設けられており、一対の第３の固定板３２の間隔の変化を阻止する。また、第３の支持体３３は、一対の第３の固定板３２に固定されている。また、第３の支持体３３は、複数本の第３の外側ロッド３４と、複数本の第３の内側ロッド３５とを有している。

　複数本の第３の外側ロッド３４は、同一円周上に配置されている。また、複数本の第３の外側ロッド３４は、一対の第３の超電導コイル３１の周方向に互いに等間隔をおいて配置されている。

　複数本の第３の内側ロッド３５は、複数本の第３の外側ロッド３４よりも、一対の第３の超電導コイル３１の径方向の内側に配置されている。また、複数本の第３の内側ロッド３５は、同一円周上に配置されている。また、複数本の第３の内側ロッド３５は、一対の第３の超電導コイル３１の周方向に互いに等間隔をおいて配置されている。

　また、複数本の第３の外側ロッド３４は、一対の第２の超電導コイル２１の径方向外側に配置されている。また、複数本の第３の内側ロッド３５は、一対の第２の超電導コイル２１の径方向内側に配置されている。

　複数本の第３の外側ロッド３４及び複数本の第３の内側ロッド３５は、マグネット本体４の中心軸線に平行に配置されている。

　超電導マグネット装置１の構成要素のうち、特定要素以外の構成要素は、非磁性材料によって構成されている。非磁性材料としては、ステンレス鋼、アルミニウム、銅、樹脂等が挙げられる。

　また、特定要素には、一対の第１の超電導コイル１１、一対の第２の超電導コイル２１、一対の第３の超電導コイル３１、冷凍機、及び図示しない磁場調整用シムが含まれている。

　一対の第１の超電導コイル１１、一対の第２の超電導コイル２１、及び一対の第３の超電導コイル３１の材料としては、ＮｂＴｉ、ＧｄＢａ₂ＣＵ₃Ｏ_y等が挙げられる。

　このような超電導マグネット装置１では、ＭＲＩ装置の稼働時に、一対の第１の超電導コイル１１間に互いに引き合う電磁力が生じる。これに対して、実施の形態１では、一対の第１の超電導コイル１１の互いに対向する面に、一対の第１の固定板１２がそれぞれ固定されている。また、一対の第１の固定板１２間には、第１の支持体１３が設けられている。

　このため、第１のコイルユニット１０における一対の第１の超電導コイル１１の変位及び変形をより確実に抑制することができる。同様に、一対の第２の超電導コイル２１の変位及び変形をより確実に抑制することができるとともに、一対の第３の超電導コイル３１の変位及び変形をより確実に抑制することができる。これにより、ＭＲＩ装置の画質を向上させることができる。

　また、コイルの固定がコイルユニット毎に行われているため、第１のコイルユニット１０と第２のコイルユニット２０と第３のコイルユニット３０との間で、コイルの変形及び変位は伝達されない。このため、マグネット本体４全体として、コイルの変形及び変位をさらに抑制することができる。

　また、コイルの変形及び変位が抑制されることにより、均一磁場領域２を作り易くなり、磁場調整用シムの使用量を削減することができる。これにより、超電導マグネット装置１の軽量化を図ることができる。

　また、コイルユニット毎に、一対の固定板及び支持体の材料及び形状を最適化することができ、これによっても超電導マグネット装置１の軽量化を図ることができる。

　また、一対の第１の超電導コイル１１の互いに対向する面全体が、それぞれ一対の第１の固定板１２に接している。これにより、一対の第１の超電導コイル１１全体の変位及び変形をより確実に抑制することができる。

　同様に、一対の第２の超電導コイル２１全体の変位及び変形をより確実に抑制できる。また、一対の第３の超電導コイル３１全体の変位及び変形をより確実に抑制できる。

　また、第１の支持体１３は、複数本の第１の外側ロッド１４及び複数本の第１の内側ロッド１５を有している。このため、一対の第１の超電導コイル１１間の領域へのアクセスが容易であり、一対の第１の超電導コイル１１間を電気的に接続する作業を容易に実施することができる。なお、一対の第１の超電導コイル１１は、一般的に直列に接続されている。

　同様に、一対の第２の超電導コイル２１間を電気的に接続する作業、及び一対の第３の超電導コイル３１間を電気的に接続する作業を容易に実施することができる。

　また、複数本の第１の外側ロッド１４と複数本の第１の内側ロッド１５とが用いられているため、一対の第１の超電導コイル１１の変位及び変形を、径方向の全体で、より確実に抑制できる。

　同様に、一対の第２の超電導コイル２１の変位及び変形を、径方向の全体で、より確実に抑制できる。また、一対の第３の超電導コイル３１の変位及び変形を、径方向の全体で、より確実に抑制できる。

　ここで、図３は、図２の第１のコイルユニット１０の構成を模式的に示す斜視図である。以下の第１の支持体１３についての説明は、第２の支持体２３及び第３の支持体３３についても言えることである。

　第１の支持体１３は、一対の第１の固定板１２の位置を強固に保持する必要がある。このため、第１の支持体１３として複数本のロッドを用いる場合、ロッドの本数は３本以上とすることが望ましい。即ち、第１の支持体１３は、各第１の固定板１２を３点以上で支持することが望ましい。また、複数本のロッドは、同一円周上に等間隔で配置することが望ましい。

　また、複数本の第１の外側ロッド１４のみ、又は複数本の第１の内側ロッド１５のみで、第１の支持体１３を構成することも可能である。

　また、２本のロッドのみで第１の支持体１３を構成することも可能である。但し、この場合、一対の第１の固定板１２を一対の第１の超電導コイル１１の中心軸線に対して直角に配置するために、各ロッドの径を大きくする必要が生じる。

　また、ロッドの断面形状は、円形、正方形、三角形、扇形等のいずれの形状であってもよい。また、筒状のロッドを用いてもよい。

　図４は、実施の形態１の第１のコイルユニット１０の変形例を示す斜視図である。また、図５は、図４のＶ－Ｖ線に沿う断面図である。この例では、各第１の固定板１２に、複数の貫通孔１２ａが設けられている。

　各貫通孔１２ａは、各第１の超電導コイル１１よりも径方向内側に配置されている。各貫通孔１２ａには、対応する第２の内側ロッド２５が通されている。

　このような構成によれば、一対の第２の超電導コイル２１の内径が一対の第１の超電導コイル１１の内径以上である場合にも、第２の内側ロッド２５を配置することができる。

　また、各第１の内側ロッド１５と各第２の内側ロッド２５とを、同一円周上に配置することにより、一対の第２の固定板２２の内径を必要以上に小さくせずに済み、一対の第２の固定板２２の重量の増大を抑制することができる。

　なお、図４及び図５に示す構成は、コイルユニットが３つ以上の構成にも適用できる。

　実施の形態２．
　次に、図６は、この発明の実施の形態２による第１のコイルユニット１０の構成を模式的に示す斜視図である。実施の形態２では、実施の形態１の第１の支持体１３の代わりに、支持体として、円筒状の支持部材１６が用いられている。支持部材１６は、一対の第１の超電導コイル１１と同一軸線上に配置されている。

　支持部材１６の内径は、各第１の固定板１２の内径以上である。支持部材１６の外径は、各第１の超電導コイル１１の外径以下であることが望ましい。他の構成は、実施の形態１と同様である。

　一対の第１の超電導コイル１１間の領域へのアクセスが不要な場合、円筒状の支持部材１６を用いることによって、一対の第１の超電導コイル１１の変位及び変形をより確実に抑制することができる。これによって、ＭＲＩ画像の乱れを、さらに抑制することができる。

　なお、実施の形態２では、支持部材１６を第１のコイルユニット１０に適用したが、支持部材１６は、第１のコイルユニット１０、第２のコイルユニット２０、及び第３のコイルユニット３０の少なくともいずれか１つに適用することができる。

　また、支持部材１６の断面形状は、円形に限定されない。

　実施の形態３．
　次に、図７は、この発明の実施の形態３によるマグネット本体４の中心軸線に沿う断面図である。第３のコイルユニット３０は、円筒状の一対の保持部材３７をさらに有している。一対の保持部材３７は、一対の第３の超電導コイル３１の外周面全体に接している。

　常温から４Ｋまで温度を変化させたとき、各保持部材３７の熱収縮量は、各第３の超電導コイル３１の熱収縮量よりも大きい。他の構成は、実施の形態１と同様である。

　このような構成によれば、各第３の超電導コイル３１に作用する径方向外側向きの力に対して、各第３の超電導コイル３１の変形及び変位を抑制することができる。

　一般的に、超電導コイルは、４Ｋ～７７Ｋの低温領域で使用される。これに対して、実施の形態３では、常温から４Ｋまで温度を変化させたとき、各保持部材３７の熱収縮量が、各第３の超電導コイル３１の熱収縮量よりも大きい。これにより、ＭＲＩ装置の稼働時にも、一対の保持部材３７を一対の第３の超電導コイル３１の外周面全体に接触させることができる。

　なお、実施の形態３では、第３のコイルユニット３０のみに一対の保持部材３７を適用したが、一対の保持部材３７は、第１のコイルユニット１０、第２のコイルユニット２０、及び第３のコイルユニット３０の少なくともいずれか１つに適用することができる。

　また、実施の形態３の保持部材３７は、実施の形態２の支持部材１６と組み合わせて使用してもよい。

　また、実施の形態１～３では、ＭＲＩ装置に用いられる超電導マグネット装置について説明したが、この発明は、ＭＲＩ装置以外の装置、例えばＮＭＲ装置又はシリコン単結晶引き上げ装置にも適用できる。

　また、この発明の超電導コイル装置は、超電導マグネット装置以外にも適用できる。

　また、コイルユニットの数は、１つ、２つ、又は４つ以上であってもよい。

　１　超電導マグネット装置（超電導コイル装置）、１０　第１のコイルユニット、１１　第１の超電導コイル、１２　第１の固定板、１３　第１の支持体、１４　第１の外側ロッド、１５　第１の内側ロッド、１６　支持部材（支持体）、２０　第２のコイルユニット、２１　第２の超電導コイル、２２　第２の固定板、２３　第２の支持体、２４　第２の外側ロッド、２５　第２の内側ロッド、３０　第３のコイルユニット、３１　第３の超電導コイル、３２　第３の固定板、３３　第３の支持体、３４　第３の外側ロッド、３５　第３の内側ロッド、３７　保持部材。

Claims (7)

1. 　同一軸線上に互いに間隔をおいて配置されている一対の超電導コイルと、前記一対の超電導コイルの互いに対向する面にそれぞれ固定されている一対の固定板と、前記一対の固定板間に設けられており、前記一対の固定板の間隔の変化を阻止する支持体とを有している少なくとも１つのコイルユニット
   　を備えている超電導コイル装置。
2. 　前記一対の超電導コイルの互いに対向する面全体が、それぞれ前記一対の固定板に接している請求項１記載の超電導コイル装置。
3. 　前記支持体は、前記一対の超電導コイルの周方向に互いに間隔をおいて配置されている複数本のロッドを有している請求項１又は請求項２に記載の超電導コイル装置。
4. 　前記少なくとも１つのコイルユニットは、第１のコイルユニットと第２のコイルユニットとを含み、
   　前記第１のコイルユニットの前記一対の超電導コイルは、前記第２のコイルユニットの前記一対の超電導コイルの間に配置されており、
   　前記第２のコイルユニットの前記複数本のロッドは、
   　前記第１のコイルユニットの前記一対の超電導コイルの径方向外側に配置されている複数本の外側ロッドと、
   　前記第１のコイルユニットの前記一対の超電導コイルの径方向内側に配置されている複数本の内側ロッドと
   　を有している請求項３記載の超電導コイル装置。
5. 　前記支持体は、前記一対の超電導コイルと同一軸線上に配置されている筒状の支持部材である請求項１又は請求項２に記載の超電導コイル装置。
6. 　前記少なくとも１つのコイルユニットは、前記一対の超電導コイルの外周面に接している筒状の一対の保持部材をさらに有している請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の超電導コイル装置。
7. 　請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の超電導コイル装置
   　を備えているＭＲＩ装置。

Images