JP2008130707A - 超電導磁石装置及び核磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高強度の静磁場を形成させる技術に関連し、対向する一対の静磁場発生部が互いに引き合う力を低減させつつ、強度の高い静磁場を発生させることが可能な超電導磁石装置、及び核磁気共鳴イメージング装置を提供する。
【解決手段】超電導電磁石装置(11)を構成する一対の対向する磁場発生部(30,40)は、メインコイル(31)及びシールドコイル(32)を冷却する冷媒(L)を収容する冷媒容器(35)と、第１磁化部材(21)及び第２磁化部材(22)を同心状に固定する固定部材(23)と、冷媒容器(35)の延出部位(36)及び固定部材(23)を連結する連結部材(24)と、を備え、第１磁化部材(21)は、前記対向する側の内側端面がメインコイル(31)の端面から突出し、前記対向している側とは反対側の外側端面がメインコイル(31)の反対側の端面から没入するようにして配置されていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、高強度の静磁場を形成する超電導磁石装置に関連する技術であって、特に、核磁気共鳴イメージング装置に適用するのに好適な超電導磁石装置に関する。

核磁気共鳴イメージング装置（Magnetic Resonance Imaging；以下、ＭＲＩ装置という）は、核磁気共鳴（Nuclear Magnetic Resonance；以下、ＮＭＲという）現象により水素原子核スピンが放出する電磁波を計測し、その信号を演算処理することによって、被検者の断層を水素原子核の密度分布に依存する画像として撮像するものである。
このＭＲＩ装置による計測を実行する際は、その構成要素である超電導磁石装置が、磁場強度が高く（０.２Ｔ以上）、磁場密度の均一性の高い静磁場（１０ｐｐｍ程度）を撮像領域に形成する必要がある。

この超電導電磁石装置において、静磁場の強度を上げようとすると、構成要素である超電導コイルを循環する永久電流の値を大きくする必要がある。しかし、この永久電流の値を大きくすると超電導コイルの超電導状態を維持するのに必要な臨界値を超えてしまう場合がある。
そこで、従来から、超電導電磁石装置が形成する磁気回路に、強磁性体からなる磁化部材を配置し、この撮像領域における静磁場の強度を高くする技術が公知になっている（例えば、特許文献１−５）。しかし、これら公知技術においては、熱容量の大きな磁化部材を冷媒（液化ヘリウム）とともに冷媒容器に収容する場合にあっては、初期冷却の際に冷媒の消費量が多くなる問題がある。また、磁化部材を真空容器で支持する構造をとる場合においては、この磁化部材は熱的な良導体でもあるため、外部から装置内部へ侵入する熱量が増加して、通常運転中に冷媒の消費量が増える問題がある。

そこで、このような問題を回避するために、磁化部材を冷媒容器に連結する構造をとる公知技術が開示されている（特許文献６）。
米国特許第６５７０４７５号明細書 特開２００１−２２４５７１号公報 特表２００３−５１２８７２号公報 特開平１１−３１８８５８号公報 特開平１１−２８３８２３号公報 特開２００６−１０２０６０号公報 図７

しかし、冷媒容器により磁化部材を支持する構造として開示されている従来技術（特許文献６）では、静磁場の強度を高くしようとすると、撮像領域をはさんで対向する一対の磁化部材が互いに引き合う力が増大する。このため、この磁化部材と冷媒容器とを連結する部材の強度を高める必要が生じ、その結果、この部材と磁化部材及び冷媒容器との接触面積が増大し、磁化部材から冷媒容器へ侵入する熱量が増加してしまう。このため、当初目的とした冷媒の消費量を抑制する効果が低減してしまう問題がある。

本発明は、前記した問題を解決することを課題とし、対向する一対の静磁場発生部が互いに引き合う力を低減する構成をとりつつ、強度の高い静磁場を発生させることが可能な超電導磁石装置、及び核磁気共鳴イメージング装置を提供することを目的とする。

前記した課題を解決するため本発明は、一対の静磁場発生部を対向させてなる超電導電磁石装置において、メインコイル及びシールドコイルを冷却する冷媒を収容する冷媒容器と、第１磁化部材及び第２磁化部材を同心状に固定する固定部材と、前記冷媒容器の延出部位及び前記固定部材を連結する連結部材と、を備え、前記第１磁化部材は、前記対向する側の内側端面が前記メインコイルの端面から突出し、前記対向する側とは反対側の外側端面が前記メインコイルの反対側の端面から没入するようにして配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、対向する一対の静磁場発生部が互いに引き合う力を低減する構成をとりつつ、強度の高い静磁場を発生させることが可能な超電導磁石装置、及び核磁気共鳴イメージング装置が提供される。

（第１実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態に係る核磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ装置）を説明する。
図１に全体の側面図が示されているように、ＭＲＩ装置１０は、垂直方向を向く中心軸Ｚが回転対称軸となるように第１静磁場発生部３０及び第２静磁場発生部４０を対向させて支柱１２に固定してなる超電導磁石装置（図２参照）に、撮像領域Ｒを挟むようにして配置される傾斜磁場発生部１３，１３と、被検者Ｐを載置して撮像領域Ｒに位置させるベッド台Ｄと、を備えている。
さらに、図示されない構成要素としてＭＲＩ装置１０は、撮像領域Ｒに向けてＮＭＲ現象を発現せる共鳴周波数の電磁波を照射するＲＦ（Radio Frequency）コイルと、撮像領域Ｒからの応答信号を受信する受信コイルと、これら構成要素を制御する制御装置、受信した信号を処理して解析を行う解析装置とを備えている。
このように構成されることによりＭＲＩ装置１０は、撮像領域Ｒの関心領域（通常１ｍｍ厚のスライス面）だけにＮＭＲ現象を発現させて、水素原子核スピンから放出される電磁波に基づいて被検者の断層を画像化するものである。

ＭＲＩ装置１０は、第１静磁場発生部３０と第２静磁場発生部４０とが天地方向に対になるように配置され、その間隙の中心に静磁場の磁力線密度が均一で垂直方向を向く領域（撮像領域Ｒ）を形成する。そして、この撮像領域Ｒに被検者Ｐを挿入し、この領域における被検者の断層画像が、核磁気共鳴現象（ＮＭＲ現象）を利用し撮像される。

傾斜磁場発生部１３,１３は、図２のＸ−Ｚ，Ｙ―Ｚの部分断面図に示されるように、第１磁場発生部３０及び第２磁場発生部４０が対向する面にそれぞれ設けられた一対の窪みに配置されている。そして、傾斜磁場発生部１３,１３は、撮像領域Ｒにおいて、超電導磁石装置１１により形成された静磁場に勾配磁場を印加し、ＮＭＲ現象の位置情報を与えるものである。

第１静磁場発生部３０は、図２に示されるように、メインコイル３１と、シールドコイル３２と、冷媒容器３５と、真空容器３７と、第１磁化部材２１と、第２磁化部材２２と、固定部材２３と、連結部材２４とを少なくとも構成要素として備えるものである。なお、図示略とするが、冷媒容器３５と真空容器３７との間には、真空容器３７から冷媒容器３５に向かう熱輻射を遮蔽する輻射シールドが設けられている。
第２静磁場発生部４０は、第１静磁場発生部３０に対して中心軸Ｚを共有しかつ鏡面対称となるようにその内部が構成されている。
支柱１２は、一対の第１静磁場発生部３０と第２静磁場発生部４０とを天地方向に対向させて支持するものである。そして図示略とするが、支柱１２の内部は、冷媒容器３５が、第１静磁場発生部３０と第２静磁場発生部４０とを連通するように構成されている。また真空容器３７も同様に、支柱１２の内部において、第１静磁場発生部３０と第２静磁場発生部４０とを連通している。

メインコイル３１は、永久電流が所定の方向（順方向）に循環して撮像領域Ｒに計測用の静磁場を生成させる超電導コイルであって、中心軸Ｚを中心として配置されるコイルボビン（図示略）の周りに超電導線材が巻回して形成される。
ここで、超電導コイルとは、冷媒容器３５に充填されている冷媒Ｌ（例えば、液体ヘリウム）により臨界温度より低温に冷却されると常電導状態から超電導状態に転移して電気抵抗がゼロとなるものであって、環状電流が減衰することなく永久に循環するものである。

シールドコイル３２は、メインコイル３１と中心軸Ｚを共有するようにかつ直径が大きくなるように構成されている。そして、シールドコイル３２には、メインコイル３１に流れる順方向とは逆方向に環状の永久電流が流れている。このようにして、シールドコイル３２は、超電導磁石装置１１の外部に漏洩する計測用の磁場を打ち消すものである。

真空容器３７は、真空状態に保たれている内部において止着部材３３を介して冷媒容器３５を保持するものであって、伝導および対流による熱が冷媒容器３５に侵入するのを防止するものである。
冷媒容器３５は、メインコイル３１及びシールドコイル３２を超電導現象が発現する臨界温度以下の温度に保つ冷媒Ｌを収容するものである。そして、冷媒容器３５の内周面には、中心軸Ｚに交わる方向に延出する延出部位３６が設けられている。

以下、図２中、破線で示されるＸ−Ｚ（Ｙ−Ｚ）断面を拡大した図３を参照して説明を続ける。
第１磁化部材２１は、メインコイル３１の内径よりも外径が小さく環状に構成されるものであって、真空容器３７の内部に、中心軸Ｚをメインコイル３１と共有するようにして配置されている。そして、第１磁化部材２１は、メインコイル３１との中心軸Ｚの軸方向における相対的な位置関係は、次のようになっている。
すなわち、第１磁化部材２１の撮像領域Ｒを挟んで対向する側の内側端面２１ａは、メインコイル３１の端面３１aから突出し、第１磁化部材２１の撮像領域Ｒを挟んで対向する側とは反対側の外側端面２１ｂはメインコイル３１の反対側の端面３１ｂから没入するような位置関係を、第１磁化部材２１とメインコイル３１とは有している。
このような位置関係を、第１磁化部材２１とメインコイル３１とが有することにより生じる効果については、後記する。

第２磁化部材２２は、第１磁化部材２１の環状の内径よりも、外径が小さく構成されるものであって、真空容器３７の内部に、中心軸Ｚをメインコイル３１と共有するようにして配置されている。この第２磁化部材２２は、固定部材２３により、第１磁化部材２１と中心軸Ｚを共有する同心状に固定されている。
この固定部材２３は、中空の円形平板であって、その第１面に第１磁化部材２１の外側端面２１ｂが締結部材等により固着され、その第２面に第２磁化部材２２の内側端面が締結部材等により固着している。
なお、この第２磁化部材２２は、平板であったり、中空の環状であったり、そのような環状の部材が同心状に複数積層して構成されたものであったりする。

そして、この固定部材２３は、連結部材２４を介して、延出部位３６において冷媒容器３５と連結している。
この連結部材２４は、図２に示されるように、棒状体の複数が中心軸Ｚの軸廻りに間隔をおいて、かつ中心軸Ｚの軸方向にその長手方向を揃えて配置してなるものである。そして連結部材２４は、その一端が固定部材２３の水平面に固定され、その他端が冷媒容器３５の内周面から張り出している延出部位３６に固定されている。
このように連結部材２４が構成されることにより、磁化部材２１，２２は冷媒容器３５に連結する構造をとる。また、連結部材２４は、磁化部材２１，２２及び冷媒容器３５が相互間で伝達する熱の経路の断面が絞られた形状となっている。このため、磁化部材２１，２２から冷媒容器３５へ侵入する熱量を抑制することができ、通常運転中における冷媒の消費量を低減することができる。

この連結部材２４は、高剛性でかつ熱伝達率の小さな材料で構成されることが好ましく、具体的には繊維強化プラスチック（ＦＲＰ；Fiber Reinforced Plastics）で構成される。また延出部位３６は、冷媒容器３５の中心軸Ｚ側の内周面に溶接された非磁性の素材からなるものである。このように、連結部材２４の一端を冷媒容器３５の延出部位３６に固定することとしたのは、仮に真空容器３７に固定するとした場合、外気温の変化によるの熱変形により磁化部材２１，２２の位置が撮像領域Ｒに対して変化することがあるため、そのような好ましくない現象を回避するためである。

次に図３を参照して、第１磁化部材２１及び第２磁化部材２２の作用効果について説明する。
メインコイル３１に環状電流が流れると、磁力線Ｂが誘導されるとともに閉ループ状の磁気回路が形成され、この磁気回路中に磁化部材２１，２２（例えば純鉄等の強磁性体）を配置すると、磁気回路における磁気抵抗が下がることからさらに多数の磁力線Ｂが誘導され、撮像領域Ｒにおける静磁場の強度が増加することが知られている。

図３に記載されている磁力線Ｂ（Ｂ１，Ｂ２）は、数値解析により計算して導かれたものである。一般に、磁力線Ｂは、その長さの方向（接線方向）に縮まろうとし、また隣接する磁力線Ｂ間において相互に反発する性質を有することが知られている。

ここで、第１磁化部材２１を貫く磁力線Ｂ１に着目すると、この磁力線Ｂ１は、第１磁化部材２１を、中心軸Ｚに概ね沿って略直線に貫いている。このように磁力線Ｂ１の大部分が第１磁化部材２１の内側端面２１ａ及び外側端面２１ｂを貫くのは、この内側端面２１ａがメインコイル３１の端面３１ａから突出し、外側端面２１ｂがメインコイル３１の反対側の端面３１ｂから没入して構成されていることによる。
このような構成をとることによって、第１磁化部材２１の内側端面２１ａの側を貫く磁力線Ｂ１の束は疎で、外側端面２１ｂの側を貫く磁力線Ｂ１の束は密になる。

これは、外側端面２１ｂの側を貫く磁力線Ｂ１は、その側に配置されるシールドコイル３２の作用により、狭い隙間に封じ込まれて束を広げることができないのに対し、内側端面２１ａの側を貫く磁力線Ｂ１は、相互反発して広がるためである。この第１磁化部材２１の内側端面２１ａの側を貫く磁力線Ｂ１の相互反発により、第１磁化部材２１には、撮像領域Ｒと反対方向（図中上方向）に力が付与されることになる。すなわち、対向して配置される一対の静磁場発生部３０，４０（図１参照）が相互に反発する方向に力が付与されることになる。

次に、第２磁化部材２２を貫く磁力線Ｂ２に着目すると、この磁力線Ｂ２は、撮像領域Ｒの側において中心軸Ｚに沿うが、第２磁化部材２２において略直角に曲げられて第２磁化部材２２の側周面を貫いている。このため、磁力線Ｂ２の閉ループを縮めようとする性質により、撮像領域Ｒの方向（図中下方向）に力が付与されることになる。

このように、対向する一対の第２磁化部材２２は互いに引き合うが、対向する一対の第１磁化部材２１には互いに反発する力が作用するので、対向する一対の静磁場発生部３０が互いに引き合う力が低減される。これにともない、ＭＲＩ装置１０又は超電導磁石装置１１の各構成要素を支持する部材の機械剛性の低減を図ることができる。
具体的には連結部材２４の断面積を小さくすることができる。これにより第１磁化部材２１及び第２磁化部材２２から冷媒容器３５へ侵入する熱量を低減し、収容されている冷媒が気化する現象を抑制することができる。

次に静磁場の外部漏洩を低減する作用について、同じく図３を用いて説明する。
メインコイル３１により誘導される磁力線Ｂ１は、その閉ループの曲率が大きくなるといえる。これは、メインコイル３１の内側に配置される第１磁化部材２１が、その内側端面２１ａをメインコイル３１の端面３１ａから突出させ、その外側端面２１ｂをメインコイル３１の反対側の端面３１ｂから没入するようにして、配置されていることによる。
つまり、第１磁化部材２１は、メインコイル３１に誘導された磁力線Ｂ１を、メインコイル３１の側に引き寄せるために、磁力線Ｂ１の閉ループの外側に膨らむ軌道が縮められるからである。

一方、メインコイル３１により誘導される磁力線Ｂ２は、第２磁化部材２２により直角方向に曲げられようとするが、その一部はそのまま中心軸Ｚの方向に直進しＭＲＩ装置１０の外部に漏洩する。しかし、前記したように磁力線Ｂ１は、その閉ループの曲率が大きいので、この磁力線Ｂ１による磁力線Ｂ２の押し上げ効果が低減され、外部に漏洩する磁力線Ｂ２の本数が減ることになる。

（第２実施形態）
次に図４（ａ）を参照して、第１磁化部材の第２実施形態について説明する。
本実施形態と第１実施形態との相違点は、第１磁化部材２１には外側端面２１ｂの側において穿孔２５が設けられている点にある。
この構造によれば、一対の第１磁化部材２１に付加される、相互が反発する方向の力を増加させる作用が得られる。これにより、一対の第２磁化部材２２に付加される、互いに引き合う方向の力を相殺することになり、連結部材２４にかかる力を低減する効果が得られる。
これにより、連結部材２４の断面積を低減することができ、冷媒容器３５への熱侵入量をさらに低減することができる。さらに、ＭＲＩ装置１０の上下方向の漏洩磁場の広がりも抑制する効果が得られる。

なお、「外側端面２１ｂの側において穿孔２５が設けられている」とは、外側端面２１ｂ側に穿孔２５が開口していることに限定されるものではなく、第１磁化部材２１が、外側端面２１ｂ側において相対的に素材体積が減じられている態様で設けられていればすべて該当する。このような態様とすることで、実質的に第１磁化部材２１の外側端面２１ｂをメインコイル３１の端面３１ｂに対して没入させる効果が得られるからである。
よって、このような外側端面２１ｂ側において相対的に素材体積が減じられている態様を得るために、第１磁化部材２１の周方向に不連続、もしくは連続した切欠を設けても良い。

（第３実施形態）
次に図４（ｂ）を参照して、第１磁化部材の第３実施形態について説明する。
本実施形態と第１実施形態との相違点は、第１磁化部材２１には内側端面２１ａの側において強磁性体の突起２６が設けられている点にある。
この構造によれば、第２実施形態においてした前記記載と同様の作用、効果が得られる。

なお、「内側端面２１ａの側に設けられる強磁性体の突起２６」とは、中心軸Ｚの軸方向に沿って螺入するボルトであったり、非磁性体のボルト又は溶接により締結又は接合された強磁性鉄板であったりする。
これにより、実質的に第１磁化部材２１の内側端面２１ａをメインコイル３１の端面３１aに対して突出させる効果が得られるからである。

以上説明した通り本発明によれば、構成要素の機械剛性を高める必要も無く、冷媒の消費量を増加させることも無く、外部漏洩が増えることも無く、強度の高い静磁場を発生させることが可能な超電導磁石装置および核磁気共鳴イメージング装置が提供される。

本発明の実施形態に係る核磁気共鳴イメージング装置の概観を示す側面図である。 本発明の第１実施形態に係る超電導磁石装置の部分断面斜視図である。 第１実施形態に係る超電導磁石装置の部分断面（図２破線部分）の拡大図である。 （ａ）は本発明の第２実施形態に係る超電導磁石装置の部分断面拡大図であり、（ｂ）は本発明の第３実施形態に係る超電導磁石装置の部分断面拡大図である。

符号の説明

１０ ＭＲＩ装置
１１ 超電導磁石装置
１３ 傾斜磁場発生部
２１ 第１磁化部材（磁化部材）
２１ａ 第１磁化部材の内側端面
２１ｂ 第１磁化部材の外側端面
２２ 第２磁化部材（磁化部材）
２３ 固定部材
２４ 連結部材
２５ 穿孔
２６ 突起
３０ 第１静磁場発生部（静磁場発生部）
３１ メインコイル
３１ａ メインコイルの端面
３１ｂ メインコイルの反対側の端面
３２ シールドコイル
３５ 冷媒容器
３６ 冷媒容器の延出部位
３７ 真空容器
４０ 第２静磁場発生部
Ｂ（Ｂ１，Ｂ２） 磁力線
Ｌ 冷媒
Ｐ 被検者
Ｒ 撮像領域
Ｚ 中心軸

Claims (4)

1. 一対の静磁場発生部を対向させてなる超電導電磁石装置において、
   前記静磁場発生部は、
   順方向に永久電流が循環するメインコイル、逆方向に永久電流が循環するシールドコイル、及びこれらを冷却する冷媒を収容する冷媒容器と、
   前記メインコイルの内径よりも外径が小さく環状に構成される第１磁化部材と、
   前記第１磁化部材の環状の内径よりも外径が小さく構成される第２磁化部材と、
   前記第１磁化部材及び前記第２磁化部材を同心状に固定する固定部材と、
   前記冷媒容器の延出部位及び前記固定部材を連結する連結部材と、を備え、
   前記第１磁化部材は、
   前記対向する側の内側端面が前記メインコイルの端面に対して突出し、
   前記対向する側とは反対側の外側端面が前記メインコイルの反対側の端面に対して没入するようにして配置されていることを特徴とする超電導電磁石装置。
2. 請求項１に記載の超電導磁石装置において、
   前記第１磁化部材には前記外側端面の側において穿孔または切欠が設けられていることを特徴とする超電導磁石装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の超電導磁石装置において、
   前記第１磁化部材の前記内側端面に強磁性体の突起が設けられていることを特徴とする超電導磁石装置。
4. 前記請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超電導磁石装置を用いた核磁気共鳴イメージング装置。

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