JP4411334B2 - 冷却された柔軟な連結導管を備える冷却されたｎｍｒプローブヘッド - Google Patents

Description

本発明は、冷却装置によって極低温に冷却される少なくとも１つのアンテナシステムを備える検出装置と、この検出装置から空間的な離隔距離を置いて配置される前置増幅器筐体の中の冷却された前置増幅器と、この検出装置を前置増幅器筐体に連結する熱絶縁手段とを有する磁気共鳴（ＭＲ）プローブヘッドであって、連結手段が、冷却用流体を供給し及び／又は戻すための少なくとも１本の冷却管路と、電気信号を送信するための少なくとも１本の無線周波数（ＲＦ）管路とを備える、ＭＲプローブヘッドに関する。

このタイプのプローブヘッドが、特許文献３（例えば、その図５を参照）に開示されており、試料から核磁気共鳴（ＮＭＲ）信号を検出するために使用される。その場合に、受信器コイルは冷却される。この受信器コイルは、例えば、通常に伝導性のある金属（例えば、銅又はアルミニウム）又は超伝導性材料、特に高温超伝導体（ＨＴＳＣ）から作製されたコイルでよい。

ＮＭＲ検出用の従来型の冷却されたシステムは、次の範疇に分類され得る。

ａ） 液体窒素（ＬＮ_２）によって直接冷却されるシステム。その場合にＬＮ_２は容器の中に挿入され、測定は、冷媒が消費（蒸発）されるまで行われる。このような配置が、例えば、特許文献１に述べられており、図５に概略的に示されている。

ｂ） 受信器コイルの直近にある低温ヘッドによって、一般的には、磁場及び振動に対する要件に適合するいわゆるパルス管低温ヘッドを使用して冷却されるシステム。このタイプの構成が、特許文献２に開示されており、図６に概略的に示されている。

ｃ） 低温ヘッドによって冷却されるシステムであって、低温ヘッドはプローブヘッド自体からある一定の距離を置いて配置される。この低温ヘッドは、典型的にはギフォード−マクマホン冷凍機であるが、パルス管冷凍機でもよい。プローブヘッドは、一般に、極低温冷凍機からの離隔距離を橋渡し、プローブヘッドから振動も隔離しておく柔軟な移送管路によって冷却される。熱輸送媒体（通常は低温の気体ヘリウム）が、この移送管路の中を循環する。プローブヘッド自体は、ＲＦ管路を介して相互に接続されている受信器コイル及び前置増幅器を典型的に内蔵する。その場合に、プローブヘッドは剛性のユニットとして設計される。このような構成が、特許文献３に開示されており、図７ｂ（水平式磁石）又は図７ａ（垂直式磁石）に示されている。

このシステムは、ＮＭＲ信号の受信のみに関するものであることに留意しなければならない。このシステムは、最大の信号対雑音（Ｓ／Ｎ）比を得るために最大の精度で制御されねばならず、かつ関連する要素の減衰、温度、及び雑音に決定的な程度に依存する方法でもある。

核は、測定前に少なくとも１つのＲＦパルスによって励起されなければならない。このことは、受信器コイル自体によって、又は別体の送信器コイルによって実現され得る。送信器コイルはまた、冷却されてもよいし、又は室温であってもよい。核励起を引き起こすための他のシステム及び装置については、簡明にする理由によりここでは論じない。

上述の従来型ＭＲプローブヘッドを以下に論じる。

ａ） ａ）（図５）に従う構成は、相対的に簡素な構造を有するが、液体窒素６０が熱絶縁筐体６１の中に補充されねばならず、受信器コイル５の温度が７７Ｋに低下させられるにすぎないという点で不利である。その場合に、前置増幅器５８、及び受信器コイル５と前置増幅器５８との間のＲＦ管路５９（通常は同軸ケーブルの形状で）も、同様に通常は室温にあることが重大である。その結果、前置増幅器５８は不要量の雑音を生成し、かつＲＦ管路５９は追加的にＳ／Ｎ比を悪化させるが、それは次の理由による。第１に、ＮＭＲ信号自体が、ＲＦ管路５９における減衰によって弱化されるからである。第２に、ＲＦ管路５９自体が、その散逸により、望ましくない雑音信号を生成するからである。この雑音信号が高くなると、ＲＦ管路５９の減衰がそれだけ大きくなり、かつその物理的温度がそれだけ高くなる。これらの不利な効果は乗法的である。室温にあるＲＦ管路５９は、次の欠点を有する。すなわち、その信号損失が大きく、かつその物理的温度も高く、それによって、高い雑音放出に関する２つの計数を与える。このような理由のために、上述の効果が重大なものとなる。

ｂ） ｂ）（図６）の構成は、冷却の観点では潜在的により優れた解決策である。このシステムは非常にコンパクトであり得るが、その場合に、冷却は、低温を容易に実現するために受信器コイル５の近傍で行われる。このシステムはまた、熱絶縁筐体５５の中のパルス管低温ヘッド５４を動作させるために必要な圧縮機５６の駆動用電気エネルギーのみを要し、かつ柔軟な圧力管路５７を介してパルス管低温ヘッド５４に連結されている閉鎖システムである。特に、極低温の液体が補充される必要はない。

この構成は１つの重大な欠点を有する。すなわち、前置増幅器５８が、室温で及び／又は磁石１の外側で動作させられねばならないことである。第１の場合では、その雑音温度が最適なものではなく、過度に高い。後者の場合では、前置増幅器５８も冷却され得ることになる。ＮＭＲ、特に、高磁場ＮＭＲ用に使用される磁場（＞＞１Ｔ）において低温（＜＜７７Ｋ）で完璧に働く申し分のない機能を有する前置増幅器が従来技術には存在しない。

前置増幅器５８が磁石１の外側にあるとき、従来では、この前置増幅器は、それに対応して長いＲＦ管路５９を介して受信器コイル５に接続される。このＲＦ管路５９は室温であり、したがって、上記ｂ）の下で述べた欠点を有し、Ｓ／Ｎ比の悪化につながる。

問題がもう１つ存在する。前置増幅器５８を冷却するために、この前置増幅器はＬＮ_２によって冷却されなければならないか（それは使い勝手がそれほどよいわけではなく、しかも閉鎖系の本来の構想に反する）、又は前置増幅器５８専用に第２のパルス管低温ヘッドが使用される。これは非常にコストが掛かる。いずれの場合においても、非冷却のＲＦ管路５９の問題が残る。

ｃ） ｃ）（図７ａ、図７ｂ）に従う構成は、ＲＦ受信器コイル５が、非常に低い温度（例えば、２０Ｋ）にある磁石１の室温ボア２の中で動作させられ、前置増幅器１６が、適切な機能を担うために、このような低い温度（例えば、７７Ｋ）で動作させられるので、技術的には従来型の構成における最良のものであり、最高の性能を提供する可能性を秘めたものである。受信器コイル５と前置増幅器１６との間のＲＦ管路５２も、非常に低い温度にある。この温度は、典型的にはＲＦ管路５２に沿って２０Ｋから７７Ｋにわたって変化するが、その場合に、幾何学的形状（特に、ＲＦ管路５２のケーブルの断面）は、ＲＦ管路損失の最小化と、ＲＦ管路５２の熱伝導率によってもたらされた低温受信器コイル５の中への熱入力の最小化との間で最適条件を実現するように選択される。よって、このシステムのＳ／Ｎ比は、ほぼ最適である。冷却された前置増幅器１６による増幅後に、信号は、さらなる信号処理のために最終的に前置増幅器１６の出力側の信号出力１７に出力される。全体的な冷却は、単一の極低温冷凍機２０（ギフォード−マクマホン又はパルス管低温ヘッド）で実行され得る。

この構成は、かなり長い間、ＮＭＲ分光法の高分解能プローブヘッド用の従来技術であった（図７ａ）（特許文献３）。ＭＲＩ映像法の試作版も、この原理に従って構築された（図７ｂ）（非特許文献４）。この構成は、プローブヘッド全体が長いという重大な欠点を有し、それは以下の問題を生じる。

１．好ましくない空間条件下では装着が不可能になり得る。これらの問題が図８に示されている。磁石１と壁６２との間の離隔距離Ｄ１は、このシステムを磁石の中へ装着し、かつ磁石から脱着することを十分に可能とするものでなければならない。この最小距離は、実際の検出装置３、前置増幅器筐体１５ａ、及び剛性の連結手段１５ｃの長さの和によって実質的に決定される。

２．典型的には大型の前置増幅器１６及び関連する筐体１５ａを含むプローブヘッド全体は極めて重く、したがって装着／脱着には通常二人の人員を要する。

３．プローブヘッド及び連結された冷却管路の大きな重量と嵩とによって、このようなプローブヘッドを低温状態で装着又は脱着することは非常に困難であり、かつ実際的ではない。極低温冷凍機２０とプローブヘッドとの間に延びる移送管路１９（図７ａ、７ｂ）は、典型的に４本の冷却された圧力管路（連続的な冷却管路２１ａ〜２１ｄ）を内蔵し、極めて重くかつ非柔軟性である。低温状態での装着／脱着が望ましく、使用前にプローブヘッドを磁石の室温ボアの外部で冷却し、かつ測定直前になって初めてプローブヘッドを室温ボアの中へ挿入することが可能となる。測定後、プローブヘッドは、低温状態で脱着され、次に使用されるまで低温状態に置かれ得るか又は外部で温度が上昇し得る。このことは、上述の理由のために実際的ではなく、このような理由のために、プローブヘッドは、通常温い状態で（すなわち、室温で）室温ボア２の中へ挿入され、次いで移送管路１９及び極低温冷凍機２０に連結される必要がある。その時点で初めて冷却処理が始まるが、それには通常少なくとも４時間を要する。このような時間の間、磁石１は塞がれており非生産的である。脱着も同様の条件下で行われる。ウォームアップ段階には通常少なくとも２時間を要する。これらの時間は、ＭＲＩシステムに要求される利用率の観点では許容され得るものではない。

従来技術は、それほど最適な性能を果たすことはないが相対的にコンパクトで冷却されたシステムか、又は最適のほとんど雑音がない高性能システムを提供する。しかし、これらは、狭いスペースの中へ装着するには基本的に不適切であるか、又は非常に取扱いが難しいものである。
国際公開第２００３／０５０５５４号パンフレット 独国特許出願公開第１９６４８２５３号明細書 独国特許第１９９４６３７１号明細書 「Cryogenic probe setup for routine MR imaging on small animals at ９．４T」、R. Haueisen、D. Marek、M. Sacher、F. Kong、K. Ugurbil、S. Junge、バーゼル市（Basel）、欧州磁気共鳴医学会議（ESMRM）、２００５年９月１６日 米国特許第５８２９７９１号明細書 米国特許第５８８９４５６号明細書

したがって、本発明の根底にある目的は、取扱いが容易で、高感度であり、かつ検出装置の迅速な装着、脱着、及び迅速な動作開始を可能とするＭＲプローブヘッドを提案することである。

本目的は、連結手段が、機械的に柔軟なＲＦ及び冷却管路を有する機械的に柔軟な連結管路として設計される点において本発明に従って実現される。

本発明のＭＲプローブヘッドの検出装置は、この検出装置が外部冷却装置によって冷却されており、したがって低温ヘッド又は冷媒供給容器を内蔵しないので、小型かつ軽量である。ＭＲプローブヘッドの着脱に必要とされるスペースは、連結手段ならびにＲＦ及び冷却管路の柔軟設計によって最小化される。それによって、プローブヘッドの一部を形成し、検査されるべき物体の直近で動作させられ、かつＲＦ信号を受信する検出装置は、磁石の中へ迅速に装着され、動作させられ得る。検出装置は、測定の終了後に、迅速かつ簡単に停止されて、磁石の室温ボアから脱着される。

本発明のＭＲプローブヘッドは、有利なことに、磁気共鳴映像法（ＭＲＩ）用途用又はＮＭＲ（核磁気共鳴）分光法用のプローブヘッドである。特に、ＭＲＩ用途では、検査方法、したがって検出装置が頻繁に変更されねばならないので、迅速に取り扱えることは特に有利である。本発明のＭＲプローブヘッドは、非常にコストの掛かる磁石システムの非生産的な停止時間を削減し得る。

特に有利なことに、本発明のＭＲプローブヘッドは、単一の冷却管路でＭＲプローブヘッドを冷却するのではなく、第１の冷却回路の一部である２つの冷却管路を有し、冷媒は、冷却されるべき構成要素に接触して蒸発する。この場合に、冷媒は再冷却され得るか、又は随意選択的に再液化及び再使用もされ得る。

本発明の特に好ましい実施形態では、１本又は数本のＲＦ管路がそれぞれの単一の冷却管路に関連するが、これらのＲＦ管路はそれぞれ、関連する冷却管路と共に１つの管路パッケージを形成する。

１つの管路パッケージの内部の管路は、温度が管路パッケージの内部の個々の管路の間で均衡化されるように緊密に配置される。

本実施形態のさらなる進展の成果では、単一の管路パッケージの冷却管路と、この冷却管路に関連するＲＦ管路が、適正な熱伝導特性を有する結合要素を介して、相互に、好ましくは規則的な離隔距離で熱結合される。これらの結合要素は、例えば、銅から作製されてもよい。

本発明のさらなる進展の成果では、管路パッケージの少なくとも１つが、少なくとも１つの弾性強化要素、特に、ＲＦ及び冷却管路の機械的な張力と曲げ歪力を低減させるために、高度の機械的な完全性を有するワイヤを含む。この強化要素は、例えば、ステンレス鋼から作製されてもよい。

好ましい実施形態では、個々の管路パッケージが、連結管路の全長に沿って連結管路の軸回りに、好ましくは少なくとも１回捻られる。

特に有利なことに、パッケージ内部のＲＦ管路及び／又は弾性強化要素は、特に、２つの結合要素間における実質的に３６０度又はその整数倍にわたる間の冷却管路がこの冷却管路の回りに巻き付けられている状態で捻られる。その場合に、結合要素間のすべての管路の全長は、それらが曲げられるときに実質的に同じままである。したがって、これらの管路は、連結管路が曲げられるときに膨らんだり又は曲がったりすることはない。冷却管路も、ＲＦ管路及び／又は弾性強化要素の回りに捻られてもよいし、又は両方が一緒に捻られてもよい。冷却管路はまた、予めＲＦ管路回りに捻られていてもよい。

本発明のＭＲプローブヘッドのＲＦ管路は、有利なことに、好ましくはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）絶縁体を有する柔軟な同軸ケーブルを備え、外部導体は、金属編体と、適正な電導特性を有する螺旋巻き金属泊との組合せから成る。

特に有利なことに、連結管路の、特に、冷却管路及びＲＦ管路の低温部分が、熱絶縁のために、少なくとも１つの柔軟な外部ジャケット内部の真空の中に配置される。このような態様で、ＭＲプローブヘッドの低温部分への熱入力が、特に超断熱によって最小化される。連結管路はまた、２つの平行なホース管路を外部ジャケットとして備えてもよく、その場合に一方のホース管路は供給管路を内蔵し、他方は戻し管路を内蔵しており、それぞれが幾本かの関連するＲＦ管路を備える。このような構成は、２本のホース管路のそれぞれが、より小さい直径を有し、それによってより柔軟であり得る点で有利である。しかし、単一の外部ジャケットを備える実施形態は、所与の断面に対する全表面がより小さいことにより、その熱絶縁が高められ、しかもより簡素で、より頑丈であり、かつより簡潔な構成（外側から見て）を形成すると共に、等方性の曲がり挙動を呈示するので有利である。

冷却された前置増幅器の電子部品が、有利なことに、少なくとも１本の冷却管路から分離されている第２の冷却回路によって冷却される。

特に好ましい実施形態では、第１及び第２の冷却回路は、コスト及びさらなる冷却装置用のスペースが不要になるように同じ冷却装置によって冷却される。

ＭＲプローブヘッドの構成要素を冷却するために、好ましくはヘリウムが冷却用流体として供給される。

冷却装置は、有利なことにギフォード−マクマホン冷凍機であり得る。

冷却装置は、別法としてパルス管冷凍機でもよい。

アンテナシステムは、有利なことに前置増幅器よりも低い温度で動作させられる。

本実施形態のさらなる進展の成果では、アンテナシステムが４〜４０Ｋの範囲内の温度で動作させられ、かつ前置増幅器が４０〜１００Ｋの範囲内の温度で動作させられる。

本発明のＭＲプローブヘッドの特に好ましい実施形態では、前置増幅器とこの前置増幅器の側の最終結合要素との間の離隔距離が、２つの結合要素間の平均離隔距離よりも大きい。ＲＦ管路の温度が、冷却管路の温度又は受信器コイルの温度Ｔ_ｃに実質的に対応し、かつ前置増幅器温度Ｔ_ｐへの温度遷移が前置増幅器の直前でのみ生じるように、前置増幅器と、この前置増幅器の側の最終結合要素との間の経路に沿ってＲＦ管路と冷却管路との間に熱接触が存在しない。結合要素の十分に密な（緊密に配置された）構成がＲＦ管路沿いの大きな領域内でＲＦ管路を冷却する一方で、温度が一様に上昇し得るように、もはやこのような結合は、前置増幅器へ温度遷移する上述の経路上に設けられることはない。

取扱いに関して、検出装置の部品の質量は、有利なことに５ｋｇ未満である。

本発明のＭＲプローブヘッドの特に好ましい実施形態では、前置増幅器が幾本かの平行な前置増幅器チャンネルを備える。

その場合に、前置増幅器は、検査されるべき同じ核、特に、１Ｈ核用の、幾本かの、特に、２、３、４、６、８、１２、又は１６本の平行なチャンネルを備えることが有利であり得る。

本発明のさらなる実施形態では、前置増幅器が、３１Ｐ核、１３Ｃ核、２３Ｎａ核、１９Ｆ核、１７Ｏ核、１２９Ｘｅ核、又は２Ｈ核の信号を増幅するチャンネルを備える。

本発明はまた、上述の本発明のプローブヘッドを備えるＭＲシステムにも関する。

本発明は、ＭＲシステムがＭＲＩ又はＮＭＲシステムであるときに特に有利に活用され得る。

本発明のＭＲプローブヘッドの連結管路は、その内部構成要素を含めて、十分に柔軟性があるので、検出装置を着脱するために室温ボアの延長において必要とされるスペースが、磁石の中心と磁石の端部との間の離隔距離よりも小さい。しかも、本発明のＭＲプローブヘッドはまた、特に、本発明による連結管路の設計により、低温状態で検出装置の着脱を可能とする。このような態様で、ＭＲシステムは、特に、信号／雑音（Ｓ／Ｎ）比及び容易な取扱いの観点で、最大の効率を備えて実現され得る。

本発明の他の利点は、本説明及び本図面から引き出され得る。以上及び以下に述べられる特徴は、個々に、又は任意の組合せで一括して利用されてもよい。図示されかつ説明された実施形態は、限定的な列挙として理解されるべきではなく、本発明を説明するために例示的な性格を有するものである。

ＮＭＲ信号を受信する本発明のプローブヘッドは、図１に概略的に示されており、以下の構成要素を備える。

ａ） 少なくとも１つの極低温に冷却されたアンテナシステムを有する検出装置３。本発明のＭＲプローブヘッドのアンテナシステムは、少なくとも１つのアンテナを備えるが、このようなアンテナは、少なくとも１つの受信器コイル５、又は共振器、又は電磁場に敏感な別のタイプのＲＦ発振回路から成り得る。本タイプの検出装置は、主として、物体、特に生物体の検査、特に映像用のＭＲＩシステムである。本発明の装置はまた、ＮＭＲ分光法用又は、例えば、局所分光法などの組み合わせられた方法用に使用されてもよい。

ｂ） ＮＭＲ検出装置３から空間的に分離される前置増幅器筐体１５ａの中の冷却された前置増幅器１６。

ｃ） ＮＭＲ検出装置３を前置増幅器筐体１５ａに連結するために、周囲から熱絶縁されている柔軟な連結管路８であり、その場合に柔軟な連結管路８は、冷却用流体を供給したり又は戻したりするための冷却管路９（図３ａ、３ｂ参照）を有し、かつ電気信号を送信するためのＲＦ管路１０も有する。

連結管路８の柔軟性により、外側からの、例えば、壁６２と磁石１の室温ボア２の出口との間に必要とされる、自由な離隔距離Ｄ２は最小のサイズを有するが、この離隔距離は、ＮＭＲ磁石の室温ボアの中へＮＭＲ検出装置を挿入しかつこの室温ボアから取り出すために存在しなければならない。

その結果として得られる利点は、特に、スペース上の理由で、例えば、壁６２に近接して配置される水平式ＭＲＩ磁石において注目され得る。

図１は、水平式磁石の中にある本発明のＭＲプローブヘッドを示すが、そこでは受信器コイル５及び前置増幅器１６が共に最低限の可能な温度に冷却され、それらのＲＦ管路１０も非常に低い温度に維持されている。本システムは、受信器コイル５と前置増幅器１６との間に、冷却された柔軟なＲＦ管路１０を有する連結管路８の柔軟設計によって本発明の目的を解決する。このシステムは、検出装置３、すなわち、１つ又は複数の受信器コイル５を内蔵するプローブヘッドの端部が、小型軽量であり、かつ本発明の高度に柔軟性のある連結管路８によって容易に取扱いが可能であるので、非常に適正な取扱いを可能とし、その場合にすべての性能上の利点を維持する。（コンパクトなサイズ及び軽量は、ａ）又はｂ）に従う従来技術とは異なり、検出装置３が低温ヘッドも冷媒供給容器も内蔵する必要がないので実現可能である。）特に、以下でさらに詳細に説明されるシステムの対応する設計では、本システムは、いつでも低温状態にある磁石１の中に挿入されかつこの磁石から取り出され得る。このことは、変型ｃ）のすべての欠点を排除し、しかもこの変型の利点は実際上不変のままである。したがって、本発明の装置は、既存のシステムのすべての利点を兼ね備えるが、それらの欠点を排除するものである。

本発明の構成の実現化は、広範な技術的要件の故に今日まで検討されてこなかった。それが図２に概略的に示されており、図３ａに詳細に示されている。両図は、伸長された位置にあるプローブヘッドを示す。これは、本システム及び連結管路８の両方に対する以下の技術的要件を同時に満たすものである。

１．連結管路８は柔軟な外部ジャケットを有し、このジャケットの中に、冷却管路及びＲＦ管路が延び、かつ真空引き時に選択的に最小限に収縮される空間によって周囲から絶縁されている。

２．コイル冷却用の冷却管路９（第１の冷却回路１４を冷却するために、少なくとも２本の冷却管路９ａ、９ｂが必要である）は柔軟である。これらの管路は、２０から３０バール（２〜３ＭＰａ）ほどの大きさの圧力に耐えねばならず、しかもその場合に柔軟性が保たれている。１つの好ましい実施形態では、これらの管路も低温状態で曲げられ得る。

好ましい曲げ半径は３０ｃｍ程度であり、非常に小さい。冷却管路９、９ａ、９ｂは、反復される取扱いによって引き起こされる疲労に対して十分な耐久性がなければならず、その場合に十分な曲げサイクルに耐えねばならない。

３．ＲＦ管路１０（少なくとも１本、好ましくは４本以上）は、好ましくは低温状態でも柔軟であり、かつほとんどＲＦ損失がない。数多くのサイクルの後であっても、これらの管路は少しも疲労破壊を呈することはなく、最小限の信号漏話（クロストーク）を呈するのみである。ＲＦ損失及び雑音を最小化するために、ＲＦ管路１０を最低限の可能な温度で動作させることが可能でなければならない。

４．連結管路８及びアンテナシステムは卓越した熱絶縁性を有する。

図２は、試験物体５１と、装着されたプローブヘッドの検出装置３（真空１３ａを含む）とを備える磁石１の概略図を示す。その場合に、柔軟な連結管路８は伸長された状態で示されている。検出装置３が左手側に示されており、それは、この検出装置３の中の真空１３ａから絶縁されている真空気密筐体を有する。その筐体は、４つの受信器コイル５の形態にあるアンテナシステムと、熱交換器７と、この熱交換器７と受信器コイル５との間にあって受信器コイル５を冷却するための熱伝導連結部６とを内蔵する。原理上では、数個の熱交換器７が設けられてもよい。柔軟な連結管路８が中央に示されている。前置増幅器筐体１５ａが右側に示されており、冷却された前置増幅器１６（更なる細部を割愛する）を含む。柔軟なＲＦ管路１０が、他のすべての図における場合と同様に、破線によって示されている。

図３ａは本システムをさらに詳細に示す。連結管路８は、本実施形態の場合では、襞付き蛇腹８ａの形態にある真空気密の外部ジャケットと、２本の冷却管路９ａ及び９ｂと、ＲＦ管路１０とを備え、この管路も伸長された状態で示されている。受信器コイル５は、４つのコイルのアレイを形成し、熱交換器７によって冷却される。熱交換器７に連結された冷却管路９ａ、９ｂは、連結管路８に通して前置増幅器筐体１５ａの中へ導かれる。冷却管路９ａ、９ｂは管又は細い襞付きの蛇腹ではあるが、これらは、この例示では、かつ他の図でも線としてのみ示されている。これらの管路は、前置増幅器の側の結合部の結合部１８ａの中へ延びており、この結合部は、前置増幅器筐体１５ａを極低温冷凍機２０（図３ａに図示せず）に連結し得る。このような結合部が、例えば、特許文献５及び特許文献３に開示されている。連結管路８の内部の低温管路９ａ、９ｂ、１０は、真空絶縁１３ｂばかりでなく随意選択の追加的な超断熱（図示せず）によっても熱絶縁されている。

図３ａに示されている４つの受信器コイル５のそれぞれが、本発明の柔軟なＲＦ管路１０の１本を介して冷却された前置増幅器１６の１つに接続されている。この実施形態では、４つの前置増幅器１６が、例えば、図７ａに示されかつ特許文献６に説明されている極低温冷凍機の側の結合部１８ｂの連続冷却管路２１ｃ、２１ｄを有する第２の冷却回路２２の内部の熱段（ヒートシンク）２３に連結され得る。

受信器コイル５の温度は、例えば、２０Ｋであり、前置増幅器１６の温度は、例えば、７７Ｋである。本発明の連結管路８の特に好ましい実施形態は、以下でさらに詳細に説明される次の構成を有する。

−外部ジャケットは、好ましくはワイヤ編体によって強化される襞付き蛇腹８ａから成る。これは適切な柔軟性を保証するが、その場合に真空引きによる収縮は許容可能な水準に維持される。

−冷却：ＲＦ管路１０は、受信器コイル５から前置増幅器１６まで直接導かれていないが、その経路に沿って、適切に規定された条件の下で能動的に冷却されており、そのことは以下でさらに詳細に説明される。この冷却は、受信器コイル５に達する本発明の冷却管路９の少なくとも１本によって実行される。その場合に、それぞれの冷却管路９ａ及び／又は９ｂは、幾本かの柔軟なＲＦ管路１０と関連付けられ得る。その場合に、どの管路９ａ、９ｂが使用されるかは重要ではない。供給用（冷却管路９ａ）は戻し用（冷却管路９ｂ）よりもわずかに低い温度を有する。この最も簡素な場合では、１本のみの柔軟なＲＦ管路１０が、例えば、供給用管路９ａに連結されている。より複雑な場合では、４本のＲＦ管路１０が、例えば、供給用９ａによって冷却され、かつ４本が戻し用９ｂによっても冷却され得る。このことは、８本の平行な冷却されたＲＦ管路をもたらす。

−管路９ａ、９ｂ、１０は、結合要素１１によって相互に熱結合される。このような結合要素１１は、典型的には、冷却管路９ａ又は９ｂと、柔軟なＲＦ管路１０の外部導体１０ｂ及び／又は内側外部ジャケット１０ｃ（図４ｂ）と、随意選択のさらなる要素とが、機械的に又は熱的に、好ましくははんだ付けによって連結される銅製円筒から成る。

−ＲＦ管路１０は、２つの結合要素１１の間で画定された周期的態様で捻られていることが好ましい（図３ｂ）。これは、以下でさらに詳細に説明される。

−冷却管路９又は管路パッケージ４は、適切な強化要素１２、例えば、鋼線（図３ｃ）によって追加的に強化される。

−これらの管路は、室温にある外部ジャケットから、真空断熱１３ｂ（図３ａ）及び超
断熱によって熱絶縁され、随意選択的にスペーサ（図示せず）によって支持される。

ＲＦ管路１０の１本の温度依存性が、図４ａに示されている。

柔軟なＲＦ管路１０の温度は、受信器コイル５から、随意選択的には、さらなる熱要素（熱伝導連結部６、熱交換器７）から始まる（図では左側に黒い箱として例示されている）連結管路８の全長に実際上対応する所定の長さに沿って非常に低く維持される。この温度は、受信器コイル５の温度Ｔ_ｃにほぼ対応するが、柔軟なＲＦ管路１０は１本又は複数の冷却管路９ａ、９ｂ（図３ａ）によって直接冷却されるので、わずかに低くてもよい。その場合に、供給用９ａは、常に受信器コイル５よりも低い温度を有する。ＲＦ管路１０の冷却は、結合要素１１の間の全長に沿って、これらの結合要素を介してＲＦ管路１０をある程度規則的に熱連結することによって維持される。その場合に、ＲＦ管路１０は、それでもなお依然として高度に柔軟性のある状態に留まる。結合要素１１の間の離隔距離は、適切な真空絶縁が使用されるとき、ＲＦ管路１０の十分な長手方向の熱伝導性と外部からの最小限の熱入力とにより、結合要素１１の間の温度であっても１Ｋの大きさ程度しか上昇しないように容易に寸法決めされ得る。結合要素１１の間のＲＦ管路１０の温度依存性は、ほぼ自乗関数である。この理由のために、最大の過剰温度は、結合要素１１をより緊密に配置することによって、必要なときに容易に低減され得る。

結合要素１１に対する熱結合は、前置増幅器１６又はその熱段２３（図４ａの右側）の直前で厳密に選択された区間に沿って終了する。これは、冷却管路９ａ、９ｂの温度と前置増幅器温度Ｔ_ｐとの間に連続的な遷移をもたらす。厳密な依存性は、温度の関数としてＲＦ管路１０の熱伝導率によってかつ外部熱入力によって与えられ、図４ａに概略的にのみ示されている。このような遷移経路の長さは、この遷移が短ければ短いほど、それだけ合計の負の損失効果は低くなるが、遷移の長さに沿って熱伝導率はそれだけ高くなるので、合計の追加的ＲＦ損失又はＲＦ管路１０のより温度の高い部分の雑音入力が、冷却管路９ａ及び９ｂと前置増幅器１６との間に過剰な熱ブリッジを形成することなく可能な限り低くなるように寸法決めされる。過剰な熱伝導率は、第１の冷却回路（すなわち、冷却管路９ａ、９ｂを備える）の温度を不必要に上昇させ、それによって最終的に１つ又は複数の受信器コイル５の温度も上昇させることになる。遷移経路の長さは、性能全体が最小限にしか影響されないように最適に選択され得る。このような最適化は、結合要素１１の間に位置する冷却された伝導部分の温度が常に最小であり、かつＲＦ管路１０の短い部分のみが温度遷移を形成するので、決定的なものではなく、実質的にＲＦ管路の長さＬに依存しない。このような熱構成は、連結管路８が長いときであっても極端に低いＲＦ損失（それには最小限の雑音増大が伴うのみである）をもたらし、それによって本システムの効率にほとんど影響を与えることはない。

以下に説明される特定の実施形態が、実際のＲＦ管路１０として使用される。その場合に、ＲＦ管路１０は同軸ケーブルの形態で実現される。一般的な同軸導体は、完全に剛性であるか又は半剛性である。これらの２つの実施形態は、それらが、必要とされる曲げ半径により、数回の曲げサイクルの後では既に破壊していることになるので、本発明のＭＲプローブヘッドには絶対的に不適切である。一方、外部ジャケットとしてのワイヤ編体を有する同軸ケーブルが存在する。これらは、遮蔽用編体内の穴のせいで、それらの遮蔽効果がそれほど適正であるわけではなく、典型的には約４０ｄＢのみの遮蔽効果であり、十分に柔軟ではあるが原理上不利である。このことは、幾本かのケーブルが相互に近接し合って延びるとき、漏話が、特にアレイシステムでは、チャンネルの相互分離を損なうので望ましいものではない。

したがって、本発明の構成の１つの有利な要素は、従来のワイヤ編体の形態にある外部導体１０ｂによって取り巻かれている螺旋巻き金属泊の追加的な内側外部ジャケット１０ｃを有する特定の同軸ケーブルを使用することである。このようなケーブルが、図４ｂで模式的に示されている。このようなケーブルは、当該目的に使用されるとき、それらが依然として十分に柔軟であり、かつ非常に高い遮蔽値（＞９０ｄＢ）をも有し、さらには、非常に良好なＲＦ品質を有し、したがって低温における損失が少ないという非常に好ましい特性を有する。このケーブルには、低い温度であっても十分に柔軟で、破壊することがないＰＴＦＥ製ジャケット１０ａが設けられてもよい。このジャケットの柔軟性は、ＲＦ管路が低温状態であっても高度の柔軟性が維持され得るように、必要であれば、それを短い区分に分割することによって更に増大されてもよい。このようなＰＴＦＥ製ジャケット１０ａは、低い温度であっても同軸ケーブルを確実に一体に維持する。ケーブルの内側は、従来の、特にＰＴＦＥ製の絶縁体１０ｄによって設計される。内部導体１０ｅは撚線又は単一の導体である。

このタイプのケーブルは、決定的に重要な外側層１０ａ〜１０ｃに関して十分に柔軟であり、内側構成要素１０ｄ、１０ｅは、その直径が小さいため、所期の曲げ歪みの観点では決定的に重要なものではない。このような態様で、ＲＦ管路１０は、所期の用途に必要とされるすべての特性を有する。すなわち、それは柔軟であり、低い温度における非常に低い減衰値と良好な漏話減衰とを有し、かつ曲げ疲労にも十分に耐性がある。

本発明の連結管路のさらなる本質的な特徴は、ＲＦ管路１０が、それらの関連する冷却管路９に対して平行に導かれるのではなく、冷却管路９に対して、２つの結合要素１１の間において約３６０度又はその整数倍にわたる間で捻られていることである。冷却管路及びＲＦ管路は管路パッケージ４を形成する。これが図３ｂに示されている。その結果として、連結管路８が曲げられるとき、曲げ中心に向かって面する部分と外側に位置する部分との長さの差が、最初に捻り時に均衡化されるので、２つの結合要素１１の間のＲＦ管路１０の区間の全長及びこれらＲＦ管路と冷却管路９との間は同じままである。その結果として、ＲＦ管路１０は、連結管路８が曲げられるとき、膨らんだり又は曲がったりすることはない。このような方策が用いられないと、ＲＦ管路１０の実用寿命が、反復される局部的な曲げによって予測不能に短縮されることになり、かつ冷却管路９も不必要な局部力に曝されることになる。

本発明の連結管路は、有利なことに、さらなる１つの特徴を備える。すなわち、２つ以上の画定された剛性の又は弾性の強化要素１２（長手要素、例えば、鋼線）が、既にＲＦ管路１０ではそうであるが、冷却管路９の回りに同様の態様で装着され得る。これが図３ｃに示されている。これらの強化要素１２は、それらが所期の曲げ半径及び曲げ力にちょうど見合った十分な柔軟性を有するように寸法決めされる。その場合に、それらは管路パッケージ（それぞれの冷却管路９と、それに関連するＲＦ管路１０とから成る）の全体的な低温構造の自然なガイドを形成し、そのようなパッケージが局部的に曲がらないことを保証する。このことは、任意の箇所における低温要素の一様で均一な曲げ半径のみが存在することを保証するために重要である。このことはまた、早期疲労破壊を引き起こす恐れがある最大局部応力を実質的に低減する。

管路パッケージ４は、熱的に絶縁されかつ外部ジャケットに対して機械的に支持される。しかも、これらの管路パッケージ４はまた、有利なことに、柔軟な連結管路８の長さに沿って３６０度にわたる間で少なくとも１回相互に捻られている。熱絶縁体は、例えば、最初に個々に巻き付けられ、次いで超断熱箔で共に巻き付けられることによって実現される。スペーサが、有利なことに硬質の結合要素１１から始まる低温部分を外部ジャケットに対して支持するために、随意選択的に一定間隔を空けて使用され得る。

上に説明された特徴は、優れた特性を有する柔軟な連結管路８を創出する。低温状態におけるその柔軟性を試験するために、約２０Ｋの温度及び３０ｃｍの曲げ半径で、１０００曲げサイクルが実行された。不具合は全く観察されなかった。

このタイプの連結管路は、柔軟な低温管路を介して低温検出装置に連結される冷却された前置増幅器を備えるＭＲシステムの実施を可能とする。最大性能を有する低温ＮＭＲ／ＭＲＩ測定ヘッドは、以上に説明された装置を使用して、従来の室温測定コイルと同様の簡素な態様で磁石の中へ挿入され得る。

図９ａ及び９ｂは、２つの実現可能なＭＲシステム構成を示す。図９ａは、高分解能ＮＭＲ分光法又は顕微鏡映像法用のＮＭＲシステムを示す。図９ｂは、ＭＲ映像法用のＭＲＩシステムを示す。

動作位置と、磁石の中への装着／磁石からの脱着時とにおける本発明のＭＲプローブヘッドを示す図である。 本発明のＭＲプローブヘッドを示す模概略図である。 本発明のＭＲプローブヘッドを示す詳細図である。 結合要素を備える本発明のＭＲプローブヘッドの管路パッケージを示す詳細図である。 強化要素を備える本発明のＭＲプローブヘッドの管路パッケージを示す詳細図である。 本発明のＭＲプローブヘッドのＲＦ管路の温度依存性が、その動作長さに基づいていることを示すグラフである。 本発明のＭＲプローブヘッドのＲＦ管路用のＲＦケーブルの構造を示す図である。 受信器コイルを冷却するＬＮ_２を含む従来型のＭＲプローブヘッドを示す図である。 受信器コイルを冷却するために磁石の室温ボアの中にパルス管冷凍機を有する、水平式磁石の中における従来型のＭＲプローブヘッドを示す図である。 垂直式磁石の中における、高分解能ＮＭＲ分光法用の従来技術に従う剛性の連結手段を備えるＮＭＲプローブヘッドを示す図である。 水平式磁石の中における、ＭＲＩ用途用の従来技術に従う剛性の連結手段を備えるＭＲＩプローブヘッドを示す図である。 動作位置と、磁石の中への装着／磁石からの脱着時とにおける、図７ｂに対応するＭＲプローブヘッドを示す図である。 垂直式磁石の中における、柔軟な連結管路を備える高分解能ＮＭＲ分光法用の本発明のＮＭＲプローブヘッドを示す図である。 水平式磁石の中における、柔軟な連結管路を備えるＭＲＩ用途用の本発明のＭＲＩプローブヘッドを示す図である。

１ 磁石
２ 磁石の室温ボア
３ 検出装置
４ 管路パッケージ
５ 受信器コイル
６ 受信器コイルを冷却する熱伝導連結部
７ 受信器コイルを冷却する熱交換器
８ 検出装置と前置増幅器との間の柔軟な連結管路
８ａ 柔軟な連結管路の外部ジャケット
９ コイルを冷却する柔軟な冷却管路
９ａ コイルを冷却する柔軟な冷却管路（供給用）
９ｂ コイルを冷却する柔軟な冷却管路（戻し用）
１０ 柔軟なＲＦ管路
１０ａ 柔軟なＲＦ管路の外部ジャケット（ＰＴＦＥ）
１０ｂ 柔軟なＲＦ管路の外部導体（編体）
１０ｃ 柔軟なＲＦ管路の内側外部ジャケット（金属泊）
１０ｄ 柔軟なＲＦ管路の絶縁体（ＰＴＦＥ）
１０ｅ 柔軟なＲＦ管路の内部導体
１１ 冷却管路とＲＦ管路との間にあってＲＦ管路を冷却する結合要素
１２ 強化要素（鋼線）
１３ａ 検出装置中の真空
１４ 第１の冷却回路
１５ａ プローブヘッドの一部としての前置増幅器筐体
１５ｃ 剛性の連結手段
１６ 冷却された前置増幅器
１７ 前置増幅器の出力側における信号出力
１８ａ 前置増幅器筐体と極低温冷凍機との間における前置増幅器の側の結合部
１８ｂ 前置増幅器筐体と極低温冷凍機との間における極低温冷凍機の側の結合部
１９ 極低温冷凍機とプローブヘッドとの間の移送管路
２０ 極低温冷凍機
２１ａ 連続冷却管路
２１ｂ 連続冷却管路
２１ｃ 連続冷却管路
２１ｄ 連続冷却管路
２２ 第２の冷却回路
２３ １つ又は複数の冷却された前置増幅器の熱段（ヒートシンク）
５１ 検査物体
５２ プローブヘッド内部の剛性のＲＦ管路
５４ パルス管低温ヘッド
５５ パルス管システム用の熱絶縁筐体
５６ パルス管低温ヘッド用の圧縮機
５７ 圧縮機とパルス管低温ヘッドとの間の柔軟な圧力管路
５８ 室温にある前置増幅器
５９ ＲＦコイルと前置増幅器（室温にある）との間のＲＦ管路
６０ 受信器コイルを冷却するＬＮ_２
６１ 熱絶縁筐体（発泡ポリスチレン）
６２ 壁

Claims (19)

1. 冷却装置によって極低温に冷却される少なくとも１つのアンテナシステムを有する検出装置（３）と、前記検出装置（３）から空間的に分離される前置増幅器筐体の中の冷却された前置増幅器（１６）と、前記検出装置（３）及び前記前置増幅器筐体を連結する熱絶縁連結手段とを備える磁気共鳴（ＭＲ）プローブヘッドであって、前記連結手段が、冷却用流体を供給しかつ／又は戻す少なくとも１本の冷却管路（９、９ａ、９ｂ）と電気信号を送信する少なくとも１本のＲＦ管路（１０）とを備える、磁気共鳴（ＭＲ）プローブヘッドにおいて、前記連結手段は、機械的に柔軟なＲＦ管路（１０）及び冷却管路（９、９ａ、９ｂ）を有する機械的に柔軟な連結管路（８）として実現されることを特徴とするＭＲプローブヘッド。
2. 前記ＭＲプローブヘッドは、磁気共鳴映像法（ＭＲＩ）用途用又はＮＭＲ（核磁気共鳴）分光法用のプローブヘッドであることを特徴とする請求項１記載のＭＲプローブヘッド。
3. 第１の冷却回路（１４）の一部である少なくとも２本の冷却管路（９ａ、９ｂ）が設けられることを特徴とする請求項１又は２記載のＭＲプローブヘッド。
4. １又は複数のＲＦ管路（１０）が、単一の冷却管路（９、９ａ、９ｂ）に関連し、それぞれが、前記関連する冷却管路と共に１つの管路パッケージ（４）を形成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＭＲプローブヘッド。
5. 前記冷却管路（９、９ａ、９ｂ）と単一の管路パッケージ（４）の前記冷却管路（９、９ａ、９ｂ）に関連するＲＦ管路（１０）とは、適正な熱伝導率を有する結合要素（１１）を介して、間隔をおいて相互に熱連結されることを特徴とする請求項４記載のＭＲプローブヘッド。
6. 前記管路パッケージ（４）の少なくとも１つは、少なくとも１つの弾性強化要素（１２）を含むことを特徴とする請求項４又は５記載のＭＲプローブヘッド。
7. 前記個々の管路パッケージ（４）は、前記連結管路（８）の全長に沿って、相互の回りに捻られることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載のＭＲプローブヘッド。
8. 前記管路パッケージ（４）の内部のＲＦ管路（１０）及び／又は前記弾性強化要素（１２）は、２つの結合要素（１１）の間における実質的に３６０度又はその整数倍にわたる間の前記冷却管路（９、９ａ、９ｂ）が捻られることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載のＭＲプローブヘッド。
9. 前記ＲＦ管路（１０）は絶縁体を有する柔軟な同軸ケーブルを備え、外部導体（１０ｂ）は、金属編体と、適正な電導特性を有する螺旋巻き金属泊との組合せから成ることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のＭＲプローブヘッド。
10. 前記連結管路（８）の低温部分が、熱絶縁のために、少なくとも１つの柔軟な外部ジャケットの内部の真空の中に配置されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のＭＲプローブヘッド。
11. 前記冷却された前置増幅器（１６）の電子部品が、前記少なくとも１本の冷却管路（９、９ａ、９ｂ）から分離されている第２の冷却回路（２２）によって冷却されることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のＭＲプローブヘッド。
12. 前記第１及び前記第２の冷却回路（１４、２２）は、同じ冷却装置によって冷却されることを特徴とする請求項３及び１１記載のＭＲプローブヘッド。
13. 前記アンテナシステムは、前記前置増幅器（１６）よりも低い温度で動作させられることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のＭＲプローブヘッド。
14. 前記前置増幅器（１６）と前記前置増幅器の側の最終結合要素との間の離隔距離が、２つの結合要素（１１）の間の平均離隔距離よりも大きいことを特徴とする請求項５乃至１３のいずれか１項に記載のＭＲプローブヘッド。
15. 前記前置増幅器（１６）は幾本かの平行な前置増幅器チャンネルを備えることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載のＭＲプローブヘッド。
16. 前記前置増幅器（１６）は、検査されるべき同じ核用の、幾本かの平行なチャンネルを備えることを特徴とする請求項２及び１５記載のＭＲプローブヘッド。
17. 前記前置増幅器（１６）は、３１Ｐ核、１３Ｃ核、２３Ｎａ核、１９Ｆ核、１７Ｏ核、１２９Ｘｅ核、又は２Ｈ核の信号を増幅するチャンネルを備えることを特徴とする請求項２から１６までのいずれか一項に記載のＭＲプローブヘッド。
18. 請求項１乃至１７のいずれか１項に記載のＭＲプローブヘッドを備えるＭＲシステム。
19. 前記ＭＲシステムは、ＭＲＩ又はＮＭＲシステムであることを特徴とする請求項１８に記載のＭＲシステム。

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