JP4886482B2 - 超電導磁石装置及び核磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents
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Description
このMRI装置による計測を実行する際は、静磁場の発生源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。
そして、MRI装置は、断層像を鮮明にしたり診断に必要な情報量を増やしたりすることを目的として、撮像領域に形成される静磁場の強度をさらに向上させることが求められている。
しかし、そのような支持部材の剛性を向上させることは、同時にMRI装置の外部の常温部から内部の冷却部へ熱侵入が容易になり、冷媒(液体ヘリウム)の液化維持に要する冷凍機の容量と負荷(運転電力など)が大きくなる。その結果、MRI装置の運転の維持に掛かる費用も増大することになる。
このため、支持部材の剛性は、MRI装置の定常の静磁場を発生するに伴う負荷に対し必要十分な耐力を有するのみとして、余裕分を極力省き低剛性にて構成したいところである。
このように支持部材は、MRI装置が定常の静磁場を発生しているときよりも大きな過負荷が作用する場合があり、それに耐えるだけの剛性を余分に備える必要がある。
このように発明が構成されることにより、超電導コイル中の電流が時間的に変動しても、磁化部材の周回方向に流れる渦電流は、前記スリットが設けられている部分において遮断される。つまり、磁化部材を断面視した場合、スリットは反対面側に開口を有しているので、この反対面側のほうが対向面側よりも渦電流の電流密度が相対的に低くなる。これにより、この渦電流と静磁場との相互作用により発生した電磁力のうち、一対の磁化部材が互いに引き合う成分は、減少する。
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11(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、被検体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。
この超電導磁石装置11(図2参照)は、撮像領域Rに、磁場強度が高く磁場密度の均一性の高い静磁場を中心軸Zと同じ方向に形成するものである。
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体Pの断層を画像化するものである。
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を共有しかつ撮像領域Rを挟んで鏡面対称となるようにその内部が構成されている。
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、環状の電流が減衰することなく永久に循環するものである。
さらにシールドコイル32は、撮像領域Rからの距離がメインコイル31よりも遠い位置に配置され、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ように作用するものである。
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(液体ヘリウム)を収容するものである。
輻射板36は、真空容器37と冷媒容器35との間に設けられ、真空容器37から冷媒容器35に向かう熱輻射を遮蔽するものである。
この磁化部材21,22は、例えば純鉄等の強磁性体から構成され、メインコイル31に永久電流が環状に流れて閉ループ状に形成する磁気回路中に、撮像領域Rを挟むように対に配置される。このようにして磁化部材21,22は、磁気回路の磁気抵抗を引き下げて、撮像領域Rに多数の磁力線を誘導し静磁場の強度を増加させるものである。
この磁化部材21,22は、図示するように第1磁化部材21と、この第1磁化部材21から分離して環状に構成される第2磁化部材22とから構成されることにより、撮像領域Rにおける磁場の均一性の改善並びに撮像領域Rを拡張する効果が得られる。
なおこのような効果をさらに向上させることを目的として、この第1磁化部材21は、図示するように平板である場合以外に、中空の環状であったり、そのような環状の内側に、さらに複数の環状の磁化部材が同軸状に多段に配置されたりする場合もある。
なおこの磁化部材21,22については、後段で図3から図5を参照してその形状、作用につき説明を行う。
この支持部材23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。なおこの支持部材23の他端の固定位置は特に限定されるものではなく、例えば冷媒容器35に固定される場合もある。
このように支持部材23が構成されることにより、超電導磁石装置11の外表面の常温部から第1磁化部材21へ向かう熱侵入を妨害することができる。
なお、第2磁化部材22を冷媒容器35の外部でかつ真空容器37の内部で支持する支持部材24も支持部材23に同じであるので説明を省略する。
磁化部材21,22は、熱容量が大きく、かつ構成材料である鉄は温度変化に対する磁化変化が大きい性質を有する為、常温に近い温度で温度変動なく保持されることは、MRI装置10にとってさまざまな点で好都合である(例えば、静磁場の強度変動を抑制することができる点、冷媒Lの消費が抑制される点、冷媒Lの気化を抑制する冷却装置を小規模化できる点等)。
図3(a)は、第1磁化部材21及び第2磁化部材22の斜視図であり、説明上、両者の位置を中心軸Zに沿って所定量だけ変位させたものである。図3(b)は(a)のX−Y方向の直交断面図である。
第1磁化部材21は、中心軸Zに対して回転対称形を有し、前記したように側周面21aの一部が鍔状に延出した鍔部位21eを有している。この鍔部位21eは、図示されない撮像領域側を向く対向面21dよりも反対面21bの外周が拡張されるように構成される。
この複数のスリット21fは、中心軸Zに対して回転対称性を有するよう均等に配置されることが、撮像領域R(図1参照)における磁場の均一性の観点から好ましい。
スリット21fの深さが厚み方向三分の一よりも小さい場合は、後記するような、第1磁化部材21の周回方向に発生する渦電流Ja,Jb(図4(a)参照)の電流密度を対向面21d側に偏重させる効果が得られない。
またスリット21fの深さが厚み方向三分の二よりも大きい場合は、第1磁化部材21の剛性が低下し、図2に示されるように、吊り下げられた状態で弾性変形することが懸念される。しかし、このような変形が生じない処置が施されているのであれば、スリット21fの深さの上限の規定は不要であって、対向面21d側に貫通していてもよい。
むしろ、スリット21fの深さが大きいことは、周回方向に発生する渦電流を効果的に遮断させる観点からすれば、渦電流の遮断面の面積が広くなる点で好適である。
スリット21f幅の下限が0.5mmであることは、それよりも狭く形成することがコスト対効果の観点から適切でないことによる。
またスリット21f幅が10mmよりも大きい場合は、撮像領域R(図2参照)における磁場の均一性に影響を与えてしまう観点から好ましくないことによる。
第2磁化部材22は、中心軸Zに対して回転対称形を有し、第2磁化部材22の外周よりも半径方向に大きく環状に構成されている。
この第2磁化部材22に設けられているスリット22fは、その始端が、第2磁化部材22の側周面22aの一の開口をなし、直線的に中心軸Zに交差する方向に延びて、その終端が内周面22cに開口をなすように設けられている。しかし、スリット22fは、内周面22c側に貫通していなくても反対面22bから側周面22aに亘る開口が設けられていればよい。
なお、第2磁化部材22に設けられるスリット22fが具備すべき好ましい要件、変形可能な範囲等は、第1磁化部材21に設けられるスリット21fと同じであるので、その説明の該当部分を引用することとして、記載を省略する。
図4(a)は、超電導磁石装置11の第1実施形態におけるX(Y)−Z断面の座標上の第1象限部分を示す図であって、第1磁化部材21の実施例を示す模式図である。
図4(b)は、磁化部材21´にスリット21fが設けられていない場合の比較例を示す模式図である。
一方、図4(b)に示す実施例では、反対面21b側に発生する渦電流Ja´は、流れを阻害するものが無いので、ほぼ、Ja´=Jb´の関係が成り立つといえる。つまり、比較例の磁化部材21´において、反対面21b´側の渦電流Jaと´、対向面21d´側の渦電流Jb´とでは電流密度に差異がないといえる。
一方、第1磁化部材21にかかる合力の垂直方向の成分Fgは、電磁力Faの垂直成分と電磁力Fbの垂直成分との差分である。この合力の垂直方向の成分Fgは、第1磁化部材21及びメインコイル31の形状や高さ方向の位置関係によって決まるが、典型的には、図示されるように撮像領域R側を向く小負荷か、もしくは逆転方向の荷重となる。
従って、この合力の垂直方向の成分Fg´は、典型的には、図示されるように撮像領域R側を向く大負荷になる。
そして、メインコイル31に流れる永久電流Jcが減衰すると、比較例においては渦電流Fa´,Fb´の発生により電磁力Fg´がさらに重畳して磁化部材21´に作用し、支持部材23(図2)に過負荷がかかる。
一方、実施例においては、第1磁化部材21に発生する渦電流Ja,Jbは、対向面21d側よりも反対面21b側の電流密度が相対的に低いため、重畳する電磁力Fgは小負荷か逆転方向であるため、支持部材23(図2)に過負荷がかからない。
図5(b)は、磁化部材22´にスリット22fが設けられていない場合の比較例を示す模式図である。
図5において、第2磁化部材22に設けられるスリット22fの有無による作用・効果の相違点は、第1磁化部材21(図4参照)におけるスリット21fの有無の場合と同じであるので、図4を参照した説明文中、対応する構成の記載を置き換えて、図5の説明として援用し、記載を省略する。
次に、図6を参照して、本発明の第2実施形態に適用される磁化部材26の形状について説明を行う。
図6(a)は、磁化部材26の斜視図であり、図6(b)は(a)のX−Y方向の直交断面図である。
磁化部材26は、中心軸Zに対して回転対称形を有し、前記したように側周面26aの一部が鍔状に延出した鍔部位26eを有している。この鍔部位26eは、図示されない撮像領域側を向く対向面26dよりも反対面26bの外周が拡張されるように構成される。
またスリット26fは、その幅が0.5mmから10mmの範囲に形成されていることが好ましい。
図7は、超電導磁石装置11(図2参照)の第2実施形態におけるX(Y)−Z断面の座標上の第1象限部分を示す図であって、磁化部材26の実施例を示す模式図である。
以下、図4(b)に示す比較例と対比して説明を続ける。
このため、実施例の電磁力Fa,Fbの合力の垂直成分Fgは、比較例の電磁力Fa´,Fb´の合力の垂直成分Fg´よりも小さいといえる。
このように、第2実施形態の実施例においては、永久電流Jcが減衰することにより磁化部材26に重畳される電磁力Fgが小さいので、支持部材23(図2)に過負荷を与えない。
11 超電導磁石装置
21,26 第1磁化部材(磁化部材)
21a,22a,26a 側周面
21b,22b,26b 反対面
21d,26d 対向面
21e,26e 鍔部位
21f,22f,26f スリット
22 第2磁化部材(磁化部材)
23,24 支持部材
31 メインコイル(超電導コイル)
35 冷媒容器
37 真空容器
L 冷媒
P 被検体
R 撮像領域
Z 中心軸
Claims (10)
- 永久電流を循環させて静磁場を誘導する一対の対向する超電導コイルと、
前記超電導コイルの中心軸と同軸に配置され前記永久電流により誘導される静磁場により磁化する一対の対向する磁化部材と、を備え、
前記磁化部材には、
対となる磁化部材と対向する側の面である対向面とは反対側の面である反対面に、径方向に延びる有底のスリットが形成され、
前記反対面に形成された前記スリットの一端は、前記磁化部材の側周面に亘る
ことを特徴とする超電導磁石装置。 - 前記磁化部材の側周面から鍔状に延出し前記反対面の外周をさらに拡張させる鍔部位が設けられている
ことを特徴とする請求項1に記載の超電導磁石装置。 - 前記スリットは、その始端と終端が共に前記側周面に開口するように設けられている
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の超電導磁石装置。 - 前記スリットは、前記鍔部位にのみ設けられている
ことを特徴とする請求項2に記載の超電導磁石装置。 - 前記スリットは、
深さが前記磁化部材の厚み方向三分の一から三分の二の範囲に含まれ、
幅が0.5mmから10mmの範囲に含まれる
ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の超電導磁石装置。 - 前記磁化部材は、第1磁化部材と、この第1磁化部材から分離して環状に構成される第2磁化部材と、を含んで構成され、
前記第1磁化部材及び第2磁化部材のうち少なくもとも一方に前記スリットが設けられている
ことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の超電導磁石装置。 - 前記超電導コイル及びこの超電導コイルを冷却する冷媒を内部に保持する冷媒容器と、
前記冷媒容器を断熱して内部に保持する真空容器と、
前記冷媒容器の外部でかつ前記真空容器の内部で前記磁化部材を支持する支持部材と、を備える
ことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の超電導磁石装置。 - 請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の超電導磁石装置を静磁場の発生源として適用し、磁気共鳴現象を利用した被検体の画像を撮像する
ことを特徴とする核磁気共鳴イメージング装置。 - 前記被検体が前記撮像領域に挿入される方向に対して、前記静磁場が垂直方向を向くように前記超電導磁石装置が位置されている
ことを特徴とする請求項8に記載の核磁気共鳴イメージング装置。 - 前記被検体が前記撮像領域に挿入される方向に対して、前記静磁場が平行方向を向くように前記超電導磁石装置が位置されている
ことを特徴とする請求項8に記載の核磁気共鳴イメージング装置。
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