JP4266232B2

JP4266232B2 - 超伝導磁石装置および磁気共鳴イメージング装置

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Publication number: JP4266232B2
Application number: JP2006311277A
Authority: JP
Inventors: 知雄千葉; 邦彦高山; 潤横山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-11-17
Filing date: 2006-11-17
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2026-11-17
Also published as: EP1923713A1; CN101202142B; CN101202142A; US7528605B2; US20080191697A1; JP2008125589A

Description

本発明は、超伝導磁石装置および磁気共鳴イメージング装置（以下、ＭＲＩ装置と称す）に係り、特に被検体に閉塞感を与えない開放型のＭＲＩ装置に好適な超伝導磁石装置およびこれを用いたＭＲＩ装置に関するものである。

従来、超伝導磁石装置を用いて静磁場を生成するＭＲＩ装置は、特に、医療診断の分野で広く利用されており、被検体に閉塞感を与えない開放型のＭＲＩ装置は、被検体へのアクセスが容易であることから生体検査装置として注目されている。

このようなＭＲＩ装置は、円筒状もしくは楕円筒状を呈した上下一対の真空容器を備え、これらの真空容器間に磁場空間（撮像領域）を持つ。各真空容器には、径の相異なる複数対の超伝導コイルを冷媒とともに収納するコイル容器が収納されている。複数対の超伝導コイルには、ガントリーギャップ内に中心を有する球状もしくは楕円球状の撮像領域において均一な静磁場が生成されるように、少なくとも一対の超伝導主コイルと少なくとも一対の超伝導遮へいコイルとが含まれる。

コイル容器に収納される冷媒としては、液体ヘリウムが使用されており、この液体ヘリウムの消費を低減させるために蒸発ガスを再凝縮する極低温の冷凍機が用いられている。
一般に、冷凍機は、蒸発ガスを再凝縮する必要から上側の真空容器の上部中央位置や、上下一対の真空容器を結合する側方支持部材の上方位置に設置されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
また、超伝導コイルに励磁電流を供給するパワーリード等を備えたサービスポートとして、着脱式とされたもの（例えば、特許文献４参照）や、液体ヘリウムを補給する補給口を備えたものが開示されている（例えば、特許文献５参照）。

特開２００２−１７７０５号公報特開２００５−２３７４１７号公報特開２００５−１８５５５１号公報特開平５−２１７７４３号公報特開２００４−５１４７５号公報

ところで、前記した従来の特許文献５に記載された技術では、冷凍機、パワーリード、および補給口が近接配置された構成となっており、特許文献１〜３に示したような装置においてこのような構成を採用すると、冷凍機に関連するメンテナンス作業、パワーリードの着脱作業、および補給口を通じた液体ヘリウムの補給作業を同時に行うことができない。例えば、冷凍機に関連するメンテナンス作業時には、パワーリードが邪魔であり、また、パワーリードの着脱作業時には、冷凍機が邪魔であった。
また、冷凍機と、パワーリードが接続されるパワーリードポートとを近接配置すると、これらを合わせた全体の形状が大型化したり、冷凍機のポートを冷凍機の外形に合わせた円筒形として構成することができない等、形状が複雑になるおそれもある。
また、特許文献４のような着脱式のパワーリードを用いるパワーリードポートでは、通電中に、ガス冷却が必要であるため、この冷却ガスによる冷却効果でパワーリードポートに結露が生じることがある。この場合に、冷凍機とパワーリードポートとが近接配置されていると、冷凍機の真空閉止に使用している真空用パッキンが劣化する不具合や、結露から発生する水分が真空用パッキンを透過して真空リークが生じる等の不具合を起こし、超伝導磁石装置の真空断熱が低下するおそれがある。真空断熱が低下すると冷媒の減少を生じ、最終的には超伝導磁石のコイルクエンチに至るおそれもある。

そこで、本発明の目的は、冷凍機のメンテナンス作業とパワーリードポートの着脱作業をそれぞれ同時に支障なく行うことができる超伝導磁石装置およびＭＲＩ装置を提供することを課題とする。

前記した目的を達成するため、本発明では、一対の真空容器を上下方向に相対向させた状態で互いに連結する一対の支柱の上方に、冷凍機とパワーリードポートとを別々に配置する構成としたので、冷凍機に関連するメンテナンス作業時に、パワーリードポートが邪魔にならず、また、パワーリードポートの着脱作業時に、冷凍機が邪魔になることがない。したがって、冷凍機のメンテナンス作業とパワーリードポートの着脱作業をそれぞれ同時に支障なく行うことができる。また、パワーリードポートと冷凍機とが近接しないので、パワーリードポートのガス冷却に起因する冷凍機の真空用パッキンの割れや真空リークを生じることがなく、超伝導磁石装置の性能を長期的に安定して維持することができる。

また、このような超伝導磁石装置を用いたＭＲＩ装置では、冷凍機のメンテナンス作業とパワーリードポートの着脱作業をそれぞれ同時に支障なく行うことができるので、メンテナンス作業の時間短縮を実現でき、経済効果が高く、コストの低減を図ることができる。

本発明によれば、冷凍機のメンテナンス作業とパワーリードポートの着脱作業をそれぞれ同時に支障なく行うことができる超伝導磁石装置およびＭＲＩ装置が得られる。

次に、本発明の超伝導磁石装置を用いたＭＲＩ装置の一実施形態を図面を参照して詳細に説明する。ＭＲＩ装置は、図１に示すように、超伝導磁石装置１と、被検体（不図示、以下同様）を乗せるベッド１２と、このベッド１２に乗せられた被検体を撮像領域ＦＯＶ（ＦｉｅｌｄｏｆＶｉｅｗ）へ搬送する、図示しない駆動機構が設けられた搬送手段１３と、この搬送手段１３によって撮像領域ＦＯＶに搬送された被検体からの核磁気共鳴信号を解析するコンピュータ等の機器からなる解析手段１４とから構成され、ベッド１２に乗った被検体を通して断層撮影を行うものである。ここで、図１中符号Ｚを付して示した軸線は、超伝導磁石装置１の中心を通る中心軸であり、撮像領域ＦＯＶの中心部を通る鉛直軸である。

超伝導磁石装置１は、図２に示すように、内部に、いずれも環状に形成された超伝導主コイル２、超伝導遮へいコイル３が超伝導用冷媒４とともにコイル容器１０に収納され、このコイル容器１０が、熱シールド１１を介して内部を真空に保持された一対の真空容器１Ａ，１Ｂにそれぞれ収納された構成となっている。そして真空容器１Ａ，１Ｂ間を均一磁場として、各真空容器１Ａ，１Ｂを上下方向に相対向させた状態で互いに連結する一対の支柱７Ｃ，７Ｄと、上側の真空容器１Ａの上部に設けられた冷凍機２０およびパワーリードポート３０を備えている。

本実施形態では、一対の支柱７Ｃ，７Ｄのうち、一方の支柱７Ｃの上方に冷凍機２０が配置され、他方の支柱７Ｄの上方にパワーリードポート３０が配置されている。一対の支柱７Ｃ，７Ｄは、中心軸Ｚを挟んで超伝導磁石装置１の径方向両側に配置（１８０度反対側に配置）されており、これによって、冷凍機２０とパワーリードポート３０とは、中心軸Ｚを挟んで超伝導磁石装置１の径方向両側に離間して配置されるようになっている。

超伝導主コイル２、超伝導遮へいコイル３は、コイル線材として、例えば、ＮｂＴｉ線材が用いられ、図示しない支持体によってコイル容器１０内にそれぞれ支持されている。
本実施形態では、超伝導主コイル２に所定方向の電流が流れるようにしてあり、また、超伝導遮へいコイル３に、超伝導主コイル２とは逆方向の電流が流れるようにしてある。なお、真空容器１Ａ，１Ｂ内には、図示しない補正コイル等が設けられている。また、超伝導用冷媒４としては、例えば、液体ヘリウムが用いられている。

上側の真空容器１Ａと下側の真空容器１Ｂとは、支柱７Ｃ，７Ｄ内において連結されており、各真空容器１Ａ，１Ｂ内に収納されるコイル容器１０、熱シールド１１も支柱７Ｃ，７Ｄ内でそれぞれ連結された構成となっている。これによって、真空容器１Ａ，１Ｂ間で液体ヘリウム４が通流するようになっている。なお、上側の真空容器１Ａおよび下側の真空容器１Ｂには、撮像領域ＦＯＶに面するように凹部が形成されており、この凹部に傾斜磁場コイル８が設けられている。この傾斜磁場コイル８には、その撮像領域ＦＯＶ側にＲＦコイル９が設けられている。

コイル容器１０は、その全周を熱シールド１１で覆われており、外部との断熱が図られている。また、この熱シールド１１を、各真空容器１Ａ，１Ｂが覆うことで、外部とコイル容器１０との間を真空にして断熱が図られている。

冷凍機２０は、ギフォードマクマホン式冷凍機であり、前記したように、支柱７Ｃの上方に配置され、真空容器１Ａに固定されている。本実施形態では、図２に示すように、真空容器１Ａ（コイル容器１０）の径方向において、超伝導主コイル２と超伝導遮へいコイル３との間に冷凍機２０が配置される構成としてある。冷凍機２０は、図３に示すように、駆動モータ２１と、第１シリンダ２２と、第２シリンダ２３とを備えて構成される。
第１シリンダ２２には、第１蓄冷器２２ａが収納され、第２シリンダ２３には第２蓄冷器２３ａが収納されている。第１蓄冷器２２ａと第２蓄冷器２３ａとの間には、不図示の第１膨張室が設けられ、その底部に第１冷却ステージＳ１が設けられている。また、第２蓄冷器２３ａと第２シリンダ２３の先端壁との間には、不図示の第２膨張室が設けられ、その底部には第１冷却ステージＳ１より低温とされた第２冷却ステージＳ２が形成されている。
このような冷凍機２０は、第１冷却ステージＳ１で熱シールド１１を冷却し、第２冷却ステージＳ２でガス状となったヘリウム（蒸発ガスＧ）を液化する働きを行う。
なお、本実施形態では、熱シールド１１が１層のものを例示したが、これに限られることはなく、２層、３層として構成してもよい。その場合には、冷凍機２０にも、層数に応じた冷却ステージを設けて、各熱シールドの冷却を好適に行うようにする。

冷凍機２０の取付位置となる、真空容器１Ａの天板には、天板から上方へ一体的に突出形成された円筒状のポート１ａが設けられており、このポート１ａに図示しないボルト等を用いて冷凍機２０の固定用フランジ部２０ａが固定されるようになっている。冷凍機２０は、ポート１ａに固定された状態で、第１シリンダ２２の下端に設けられたフランジ部２２ｂが、熱シールド１１よりも上方に位置するようになっており、このフランジ部２２ｂと熱シールド１１との間が、伝熱フレキシブル部材２４で熱的に接続されている。このような伝熱フレキシブル部材２４を介設することによって、冷凍機２０の振動が熱シールド１１やコイル容器１０に伝わるのを好適に防止することができる。
また、冷凍機２０は、ポート１ａに図示しない真空用パッキンを介して固定された状態で、その第２冷却ステージＳ２が、コイル容器１０に連通する空間に位置する状態となる。

冷凍機２０の周囲には、第１シリンダ２２を囲むようにして、真空容器１Ａの天板と熱シールド１１との間に、ベローズ２５が設けられている。さらに、冷凍機２０の第２シリンダ２３を囲むようにして、熱シールド１１とコイル容器１０との間に、ベローズ２６が設けられている。このようなベローズ２５，２６が設けられていることと、冷凍機２０の第２シリンダ２３がコイル容器１０に臨む空間（蒸発ガスＧが存在する空間）に配置されることによって、冷凍機２０の振動が、熱シールド１１やコイル容器１０に伝わるのをさらに好適に防止することができる。
また、冷凍機２０の上部は、図示しない磁気シールドで覆われている。

ここで、冷凍機２０は、その重量が、真空容器１Ａの天板の重量と比較して重たくなっている。そのため、真空容器１Ａの中央部に従来のように冷凍機２０を配置した場合には、冷凍機２０の運転時の振動が上側の真空容器１Ａから支柱７Ｃ，７Ｄを介して下側の真空容器１Ｂに伝わり、振動が超伝導磁石装置１の全体に及ぶおそれがある。
これに対して、本実施形態では、冷凍機２０が、支柱７Ｃの上方に配置されているので、図４に示すように、支柱７Ｃの上方となる部分である、冷凍機２０が配置される部分が上側の真空容器１Ａの振動の節となる。これによって、支柱７Ｃを伝わる振動が抑制され、上側の真空容器１Ａの振動が下側の真空容器１Ｂに伝わることが抑制されることとなる。したがって、冷凍機２０の振動によって超伝導磁石装置１の全体に振動が及ぶことを好適に防止することができる。このことは、撮像された画像が乱れることを防止し、画像の品質向上に寄与する。
また、超伝導磁石装置１は、振動源として、傾斜磁場コイル８を備えており、従来では、特に、上側の真空容器１Ａが下側の真空容器１Ｂに比べて振動し易い状況にある。
これに対して、本実施形態では、冷凍機２０が支柱７Ｃの上方に配置され、パワーリードポート３０が支柱７Ｄの上方に配置されているので、振動応答変位を好適に抑えることができ、撮像された画像が乱れることを防止して、画像の品質向上を図ることができる。

なお、図２に示すように、冷凍機２０には、駆動モータ２１への図示しない電力線や図示しない圧縮機への高圧ホース等の部材Ｅが接続されるが、これらの部材Ｅは、一旦、超伝導磁石装置１の側方の床面へ向けて降ろされて、その後、外部等へ引き回される。本実施形態では、支柱７Ｃの外周壁に沿わせて電力線や高圧ホース等の部材Ｅが保持されている。

パワーリードポート３０は、前記したように、支柱７Ｄの上方に配置されている。本実施形態では、パワーリードポート３０が着脱式であり、低温部で着脱ができるようにコンタクタ３１が設けられている。また、パワーリードポート３０には、液体ヘリウム４を補給するための補給口３５が設けられている。補給口３５には、支柱７Ｄを通じて下側のコイル容器１０の最下部近傍へ通じる補給管３５ａが接続されている。
コンタクタ３１と各超伝導主コイル２および各超伝導遮へいコイル３との間は、通電を行うための渡り線３２で電気的に接続されている。この渡り線３２は、支柱７Ｄ内のコイル容器１０の連結部分を通じて下側の真空容器１Ｂにも渡されており、真空容器１Ｂの超伝導主コイル２，超伝導遮へいコイル３に対して電気的に接続されている。
このように、渡り線３２が支柱７Ｄを通じて渡される構成では、支柱７Ｄの上方にパワーリードポート３０が設けられることによって、渡り線３２の全長を短くすることができる。

また、パワーリードポート３０も前記した冷凍機２０と同様に、その重量が真空容器１Ａの天板の重量と比較して重たくなっている。このため、仮に、支柱７Ｄの上方以外の部位に対してパワーリードポート３０が配置されるとすると、真空容器１Ａの重量バランスが偏り、冷凍機２０の運転による上側の真空容器１Ａの振動が支柱７Ｄを伝わって下側の真空容器１Ｂにも伝わって、超伝導磁石装置１の全体に振動が及ぶおそれがある。
これに対して、本実施形態では、パワーリードポート３０が支柱７Ｄの上方に配置されているので、図４に示すように、支柱７Ｄの上方、すなわち、パワーリードポート３０が配置される部分が、上側の真空容器１Ａの振動の節となり、支柱７Ｄを伝わる振動が抑制される。したがって、前記した支柱７Ｃ側における振動の抑制との相乗効果によって、超伝導磁石装置１の全体に振動が及ぶことをより一層好適に防止することができる。これによって、撮像された画像の乱れが防止され、画像の品質向上を図ることができる。

なお、パワーリードポート３０の通電時には、冷却用としてガス状のヘリウムが流されるようになっているため、真空容器１Ａにおけるパワーリードポート３０との接触部位では、温度低下を生じやすく、結露が生じるおそれがある。通常、そのような結露が生じないように、図示しない断熱等の処置を施してあるが、仮に、そのような事態が生じたとしても、冷凍機２０は、パワーリードポート３０とは反対側となる支柱７Ｃの上方に配置されているので、冷凍機２０の真空閉止に使用している図示しない真空用パッキンが劣化する不具合や、結露から発生する水分が真空用パッキンを透過して真空リークが生じる等の不具合を起こすことがない。

また、パワーリードポート３０の補給口３５に接続された補給管３５ａは、支柱７Ｄを通じて下側のコイル容器１０へ最短距離で引き回すことができ、補給管３５ａの取扱いが行い易くなっている。
なお、図２に示すように、パワーリードポート３０に接続される電力供給線Ｗは、一旦、超伝導磁石装置１の側方の床面へ向けて降ろされて、その後、外部等へ引き回される。本実施形態では、支柱７Ｄの外周壁に沿わせて電力供給線Ｗが保持されている。

以下では、本実施形態において得られる効果を説明する。
（１）一対の真空容器１Ａ，１Ｂを上下方向に相対向させた状態で互いに連結する一対の支柱７Ｃ，７Ｄの上方に、冷凍機２０とパワーリードポート３０とを別々に配置する構成としたので、冷凍機２０に関連するメンテナンス作業時に、パワーリードポート３０が邪魔にならず、また、パワーリードポート３０の着脱作業時に、冷凍機２０が邪魔になることがない。したがって、冷凍機２０のメンテナンス作業とパワーリードポート３０の着脱作業をそれぞれ同時に支障なく行うことができる。
また、冷凍機２０のポート１ａとパワーリードポート３０とは、離されて構成されるので、これらを一体構造とした場合に比べて、それぞれ小さく形成することができ、外観上、スマートとなる。また、小さく形成することができるので、真空容器１Ａの天板に形成されるポート１ａとパワーリードポート３０との孔径を小さくすることができ、形成が行い易く、形成に伴う変形等も生じ難い。
（２）パワーリードポート３０と冷凍機２０とが近接しないので、パワーリードポート３０のガス冷却に起因する冷凍機２０の真空用パッキンの割れや真空リークを生じることがなく、超伝導磁石装置１の性能を長期的に安定して維持することができる。
（３）冷凍機２０が、支柱７Ｃの上方に配置されているので、支柱７Ｃの上方となる部分である、冷凍機２０が配置される部分が上側の真空容器１Ａの振動の節となり、支柱７Ｃを伝わる振動が抑制される。したがって、冷凍機２０の振動によって超伝導磁石装置１の全体に振動が及ぶことを好適に防止することができる。このことは、撮像された画像が乱れることを防止し、画像の品質向上に寄与する。
（４）パワーリードポート３０が支柱７Ｄの上方に配置されているので、支柱７Ｄの上方、すなわち、パワーリードポート３０が配置される部分が、上側の真空容器１Ａの振動の節となり、支柱７Ｄを伝わる振動が抑制される。したがって、支柱７Ｃ側における振動の抑制との相乗効果によって、超伝導磁石装置１の全体に振動が及ぶことをより一層好適に防止することができる。
（５）冷凍機２０に接続される電力線や高圧ホース等の部材Ｅが、支柱７Ｃの外周壁に沿わせて設けられるので、電力線や高圧ホース等の部材Ｅをすっきりと纏まりのある状態に配索することができる。
また、パワーリードポート３０に接続される電力供給線Ｗは、支柱７Ｄ側でその外周壁に沿わせて保持されるので、前記した支柱７Ｃ側に配索が偏らず、結果として、支柱７Ｃ，７Ｄの外観を細くスマートなものとすることができる。これによって、ガントリーギャップを広く見せる効果があり、被検体により開放感を与える。
（６）パワーリードポート３０の補給口３５に接続された補給管３５ａは、支柱７Ｄを通じて下側のコイル容器１０へ最短距離で引き回すことができ、補給管３５ａの取扱いが行い易く、全長を短くすることができる。
（７）パワーリードポート３０が支柱７Ｄの上方に配置されているので、支柱７Ｄ内のコイル容器１０の連結部分を通じて、渡り線３２を下側の真空容器１Ｂに渡すことができ、渡り線３２の全長を短くすることができる。
（８）冷凍機２０が支柱７Ｃの上方に配置され、パワーリードポート３０が支柱７Ｄの上方に配置されているので、傾斜磁場コイル８によって振動の生じ易い上側の真空容器１Ａにおいて、振動応答変位を好適に抑えることができ、撮像された画像が乱れることを防止して、画像の品質向上を図ることができる。
（９）超伝導磁石装置１を用いたＭＲＩ装置では、冷凍機２０のメンテナンス作業とパワーリードポート３０の着脱作業をそれぞれ同時に支障なく行うことができるので、メンテナンス作業の時間短縮を実現でき、経済効果が高く、コストの低減を図ることができる。

なお、図５に示すように、補給口３５は、パワーリードポート３０と別体に設けて、パワーリードポート３０の側方に配置してもよい。
また、図３に一点鎖線で示すように、真空容器１Ａの天板にリブ１ｂを設けて天板の強度を高めるように構成してもよい。この場合、リブ１ｂを、ポート１ａとパワーリードポート３０（図１参照）との間に設けることで、２つの節間を補強することができ、支柱７Ｃ，７Ｄを介して振動が伝わるのをより好適に抑制することができる。

本発明の超伝導磁石装置を備えた磁気共鳴イメージング装置を示す説明図である。超伝導磁石装置の構造を示す模式断面図である。超伝導磁石装置に用いられる冷凍機を示す模式断面図である。超伝導磁石装置の振動の様子を示す模式斜視図である。超伝導磁石装置の変形例を示す模式斜視図である。

符号の説明

１超伝導磁石装置
１Ａ，１Ｂ真空容器
２超伝導主コイル
３超伝導遮へいコイル
４冷媒
７Ｃ，７Ｄ支柱
１０コイル容器
１２ベッド
１３搬送手段
１４解析手段
２０冷凍機
３０パワーリードポート
３５補給口

Claims

環状に形成された複数の超伝導コイルを冷媒とともに収納する一対のコイル容器と、
前記各コイル容器をそれぞれ収納する一対の真空容器と、
前記真空容器間を均一磁場空間として、各真空容器を上下方向に相対向させた状態で互いに連結する一対の支柱と、
前記一対の真空容器のうち、上側に位置する前記真空容器の上部に設けられた冷凍機およびパワーリードポートと、を備え、
前記冷凍機は、前記一対の支柱のうち、一方の支柱の上方に配置され、
前記パワーリードポートは、前記一方の支柱とは異なる他方の支柱の上方に配置されており、
前記コイル容器は、超伝導主コイルと、この超伝導主コイルよりも径が大きく形成された超伝導遮へいコイルとを含み、
前記冷凍機は、前記コイル容器の径方向において、前記超伝導主コイルと前記超伝導遮へいコイルとの間に配置されていることを特徴とする超伝導磁石装置。
前記パワーリードポートには、冷媒を補給するための補給口が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の超伝導磁石装置。
請求項１または請求項２に記載の超伝導磁石装置を備えた磁気共鳴イメージング装置であって、
被検体を乗せるベッドと、このベッドに乗せられた前記被検体を撮像領域へ搬送する搬送手段と、この搬送手段によって前記撮像領域に搬送された前記被検体からの核磁気共鳴信号を解析する解析手段とを備えたことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。