KR102354603B1

KR102354603B1 - Medical superconducting magnet

Info

Publication number: KR102354603B1
Application number: KR1020180146135A
Authority: KR
Inventors: 정준영; 류연철; 김경남
Original assignee: 가천대학교 산학협력단; (의료)길의료재단
Priority date: 2018-11-23
Filing date: 2018-11-23
Publication date: 2022-01-24
Also published as: KR20200060937A

Abstract

본 발명은 머리와 상부 목의 자기공명 영상에 특화된 콘팩트한 구조를 갖는 의료용 초전도 자석에 관한 것으로, 환자가 위치하게 되는 일정 반경의 보어와; 상기 보어 내에 균일 자기장을 발생시키기 위한 연속적으로 권취된 솔레노이드 코일로 이루어진 보상형 솔레노이드 코일과; 상기 보어 내에서 경사 자계를 발생시키는 대칭형 경사자계 코일을 포함하여 보상형 솔레노이드 코일과 경사자계 코일과의 상호작용을 최소화할 수 있다.The present invention relates to a medical superconducting magnet having a compact structure specialized for magnetic resonance imaging of the head and upper neck, comprising: a bore of a certain radius in which a patient is positioned; a compensating solenoid coil comprising a continuously wound solenoid coil for generating a uniform magnetic field in the bore; The interaction between the compensating solenoid coil and the gradient magnetic field coil may be minimized by including a symmetrical gradient magnetic field coil generating a gradient magnetic field in the bore.

Description

의료용 초전도 자석{Medical superconducting magnet}Medical superconducting magnet

본 발명은 콘택트한 구조, 특히, 머리와 상부 목의 자기공명 영상에 특화된 의료용 초전도 자석에 관한 것으로, 상세하게는 능동 차폐형 초전도 자석(마그넷)과 대칭형 경사자계 코일로 구성되어 대구경(340mm DSV)의 FOV(Field Of View)를 제공할 수 있는 의료용 초전도 자석에 관한 것이다.The present invention relates to a medical superconducting magnet specialized for a contact structure, in particular, magnetic resonance imaging of the head and upper neck. It relates to a medical superconducting magnet that can provide a field of view (FOV).

종래에 800㎜ 이상의 상온 보어(bore)를 갖는 전신용 7T MRI용 초전도 자석에 대칭형 경사 자계 코일을 조합한 시스템을 사용하거나 대체용으로서 작은 구경(약 680㎜)의 보어를 갖는 초전도 자석에 비대칭 경사자계 코일을 적용하고 있다.Conventionally, a system in which a symmetric gradient magnetic field coil is combined with a 7T MRI superconducting magnet for whole body having a bore of 800 mm or more at room temperature is used, or as an alternative, an asymmetric gradient magnetic field is used in a superconducting magnet having a small bore (about 680 mm) bore. Coil is applied.

도 1은 종래기술의 초전도 자석의 단면 구성도로서, 분할형 주 코일을 장착한 전신용 MRI용 초전도 자석을 보여준다. 이 초전도 자석은 분할형 주 코일(discrete main coil)(21) 및 차폐코일(shielding coil)(20)로 구성된다. 800mm 이상의 보어 내에 대칭형 경사자계 코일(symmetric gradient coil)(22)이 장착되어 머리와 상부 목의 영상촬영에 활용된다. 이 초전도 자석은 머리와 목의 크기에 비교하여 상온 보어의 크기가 커서 비경제적인 단점이 있다. 또한, 이 초전도 자석은 펄스 경사자계 코일과 코일들 사이에서 누설자속이 발생하는 분할형 주 코일 사이의 상호작용이 크기 때문에 시스템이 불안정한 단점이 있다. 도 1에서 도면부호 1은 진공 용기(vacuum vessel)이고, 도면부호 2는 복사열 차폐(radiation shield)이고, 도면부호 3은 헬륨 용기(helium vessel)이다.1 is a cross-sectional configuration diagram of a prior art superconducting magnet, showing a superconducting magnet for whole body MRI equipped with a split main coil. This superconducting magnet is composed of a discrete main coil 21 and a shielding coil 20 . A symmetric gradient coil 22 is mounted in a bore of 800 mm or more and is used for imaging of the head and upper neck. The superconducting magnet has a large bore size at room temperature compared to the size of the head and neck, so it is uneconomical. In addition, the superconducting magnet has a disadvantage in that the system is unstable because the interaction between the pulse gradient magnetic field coil and the split main coil in which leakage magnetic flux is generated between the coils is large. In Figure 1, reference numeral 1 is a vacuum vessel (vacuum vessel), reference numeral 2 is a radiation shield (radiation shield), reference numeral 3 is a helium vessel (helium vessel).

도 2는 종래기술의 분할형 주 코일과, 실드 코일의 사시 구성도를 보여주고 있다.2 shows a perspective configuration diagram of a prior art split-type main coil and a shield coil.

도 3은 다른 종래기술의 초전도 자석의 단면 구성도로서, 소구경(680mm)의 보어를 갖는 MRI용 초전도 자석으로 비대칭 경사자계 코일(asymmetric gradient coil)(23)과 분할형 주 코일(21)로 구성되어 있다. 이 초전도 자석은 비대칭 경사자계 코일의 제한된 FOV로 인하여 머리 부분만 영상촬영이 가능하다. 이 초전도 자석은 제한된 FOV와 분할형 주 코일과 비대칭 경사자계 코일 사이의 강한 상호작용이 초래하는 시스템 불안정성의 단점이 있다.3 is a cross-sectional configuration view of another prior art superconducting magnet, which is a superconducting magnet for MRI having a small diameter (680 mm) bore with an asymmetric gradient coil 23 and a split main coil 21. Consists of. This superconducting magnet is capable of imaging only the head part due to the limited FOV of the asymmetric gradient magnetic field coil. These superconducting magnets have the disadvantages of limited FOV and system instability caused by strong interaction between the split main coil and the asymmetric gradient magnetic field coil.

도 4는 종래기술의 극저온 냉동기가 적용된 초전도 자석의 단면 구성도로서, 헬륨 재응축형 MRI용 초전도 자석에서 극저온 냉동기가 사용되는 일반적인 구조를 보여준다. 도 4에서 극저온 냉동기(4K cryo-cooler)(4)는 진공 용기(1)의 외주에 수직으로 장착되며, 진공 용기(1)의 내부에 복사열 차폐(2)와 헬륨 용기(3)가 위치한다. 극저온 냉동기(4)는 터렛(cryo-cooler turret)(6)에 조립되며 초전도 자석 저온용기와 동일한 진공 공간을 공유한다. 극저온 냉동기의 제1단부(1st stage; 20K 등)(7)은 열전달 링크(thermal link)(8)를 통해 복사열 차폐(2)에 연결된다. 극저온 냉동기의 제2단부(2nd stage; 4K 등)(9)는 구리봉(cooper rod)(10)을 통해 실린더형 헬륨재응축기(helium re-condenser; vessel type)(11)에 연결된다. 실린더형 헬륨재응축기(11)는 헬륨 용기(3)에 직결된다. 극저온 냉동기의 제2단부(9)가 4.2K 부근에 도달하면 실린더형 헬륨재응축기(11)와 접촉하는 가스헬륨은 액화되어 헬륨 용기(3)의 내부로 떨어진다. 도면부호 5는 서비스 터렛(service turret)이다.4 is a cross-sectional configuration diagram of a superconducting magnet to which a cryogenic refrigerator of the prior art is applied, and shows a general structure in which a cryogenic refrigerator is used in a helium recondensation type superconducting magnet for MRI. 4, the cryo-cooler (4K cryo-cooler) 4 is vertically mounted on the outer periphery of the vacuum container 1, and the radiant heat shield 2 and the helium container 3 are located inside the vacuum container 1 . The cryo-cooler 4 is assembled on a cryo-cooler turret 6 and shares the same vacuum space as the superconducting magnet low-temperature vessel. The first end (1st stage; 20K, etc.) 7 of the cryogenic freezer is connected to the radiant heat shield 2 via a thermal link 8 . The second end (2nd stage; 4K, etc.) 9 of the cryogenic refrigerator is connected to a cylindrical helium re-condenser (vessel type) 11 through a copper rod 10 . The cylindrical helium recondenser 11 is directly connected to the helium vessel 3 . When the second end 9 of the cryogenic freezer reaches the vicinity of 4.2K, the gas helium in contact with the cylindrical helium recondenser 11 is liquefied and falls into the helium container 3 . Reference numeral 5 denotes a service turret.

미국 특허번호 제5210512호(특허일: 1993.05.11.)US Patent No. 5210512 (Patent date: May 11, 1993)

본 발명은 콤팩트한 의료용 초전도 자석에 관한 것으로, 전신용(800 mm 이상의 구경) 초전도 자석이 가지고 있는 설치공간에 대한 제한과 소구경(약 680mm)의 초전도 자석의 제한된 영상 성능을 극복할 수 있는 의료용 초전도 자석을 제공하고자 하는 것이다.The present invention relates to a compact medical superconducting magnet, which can overcome the limitation of the installation space of the whole body (800 mm or larger diameter) superconducting magnet and the limited imaging performance of the small diameter (about 680 mm) superconducting magnet. It is intended to provide magnets.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 의료용 초전도 자석은, 환자가 위치하게 되는 일정 반경의 보어와; 상기 보어 내에 균일 자기장을 발생시키기 위한 연속적으로 권취된 솔레노이드 코일로 이루어진 보상형 솔레노이드 코일과; 상기 보어 내에서 경사 자계를 발생시키는 대칭형 경사자계 코일을 포함하여 보상형 솔레노이드 코일과 경사자계 코일과의 상호작용을 최소화할 수 있다.Medical superconducting magnet according to the present invention for achieving this object, a bore of a certain radius in which the patient is located; a compensating solenoid coil comprising a continuously wound solenoid coil for generating a uniform magnetic field in the bore; The interaction between the compensating solenoid coil and the gradient magnetic field coil may be minimized by including a symmetrical gradient magnetic field coil generating a gradient magnetic field in the bore.

본 발명에 따른 의료용 초전도 자석은 보어 내에 균일 자기장을 발생시키기 위한 연속적으로 권취된 솔레노이드 코일로 이루어진 보상형 솔레노이드 코일과 보어 내에서 경사 자계를 발생시키는 대칭형 경사자계 코일을 포함하여 보상형 솔레노이드 코일과 경사자계 코일과의 상호작용을 최소화하여 초전도 자석의 사이즈를 콤팩트하게 구현하면서도 균일 자기장을 얻을 수 있는 효과가 있다.The medical superconducting magnet according to the present invention includes a compensating solenoid coil consisting of a continuously wound solenoid coil for generating a uniform magnetic field in a bore and a symmetrical gradient magnetic field coil generating a gradient magnetic field in the bore Compensating solenoid coil and gradient By minimizing the interaction with the magnetic field coil, it is possible to obtain a uniform magnetic field while making the size of the superconducting magnet compact.

도 1 내지 도 4는 종래기술에 따른 의료용 초전도 자석을 보여주는 도면,
도 5 내지 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 의료용 초전도 자석을 보여주는 도면.1 to 4 are views showing a medical superconducting magnet according to the prior art;
5 to 11 are views showing a medical superconducting magnet according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. Specific structural or functional descriptions presented in the embodiments of the present invention are only exemplified for the purpose of describing embodiments according to the concept of the present invention, and the embodiments according to the concept of the present invention may be implemented in various forms. In addition, it should not be construed as being limited to the embodiments described herein, and it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 의료용 초전도 자석에 관한 것으로, 좌측은 종방향 단면 구성도이고, 우측은 횡방향 단면 구성도이다. 도 6은 도 5의 우측에 대한 종방향 단면 구성도를 보여주고 있다.5 is a medical superconducting magnet according to an embodiment of the present invention, wherein the left side is a longitudinal cross-sectional view, and the right side is a transverse cross-sectional view. FIG. 6 is a longitudinal cross-sectional view showing the right side of FIG. 5 .

도 5의 좌측을 참고하면, 본 발명은 컴팩트한 구경(약 700mm)의 보어를 갖는 보상형 솔레노이드 주 코일(compensated solenoid main coil)(24)과 대칭 경사자계 코일(symmetric gradient coil)(22)로 구성되어 머리와 상부 목의 동시 쵤영이 가능하다. 본 발명은 종래의 분할형 주 코일 대신에 보상형 솔레노이드 주 코일을 적용함으로써, 펄스 경사자계 코일과 마그넷 사이의 상호작용을 최소화하였다.Referring to the left side of FIG. 5, the present invention is composed of a compensated solenoid main coil 24 and a symmetric gradient coil 22 having a bore of a compact diameter (about 700 mm). Simultaneous shooting of the head and upper neck is possible. The present invention minimizes the interaction between the pulse gradient magnetic field coil and the magnet by applying a compensation type solenoid main coil instead of a conventional split type main coil.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 보상형 솔레노이드 주 코일의 사시 구성도이다.7 is a perspective configuration diagram of a compensation type solenoid main coil according to an embodiment of the present invention.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 냉동기가 적용된 의료용 초전도 자석에 관한 것으로, 좌측은 종방향 단면 구성도이고, 우측은 횡방향 단면 구성도이다. 8 is a medical superconducting magnet to which a refrigerator according to an embodiment of the present invention is applied, and the left side is a longitudinal cross-sectional view, and the right side is a transverse cross-sectional view.

도 8을 참고하면, 본 실시예의 종래의 실린더형 헬륨재응축기(11) 대신에 판형의 헬륨재응축기(12)를 헬륨 용기(3) 내부에 부착한다. 판형의 헬륨재응축기(12)는 구리봉(10)을 통하여 극저온 냉동기(4K 등)가 삽입되는 별도의 진공차폐된 극저온냉동기 터렛(6)에 연결된다. 본 발명에서 적용하는 방법으로 인해 가스헬륨 재응축을 위한 별도의 실린더형 헬륨재응축기의 제거가 가능하고, 극저온 냉동기(4)를 일정 경사의 각도(약 30도)로 초전도 자석 내부로 깊숙하게 삽입할 수 있게 된다. 비록 냉동기의 효율이 다소 저하되더라도 극저온 냉동기의 조립 각도를 더욱 낮추는 것도 가능하다. 이와 같은 조립방법으로 얻어지는 장점은 극저온 냉동기가 초전도 자석의 바닥으로부터 적정한 높이에 위치하게 됨으로써 유지보수 서비스와 교체가 쉬워진다.Referring to FIG. 8 , a plate-shaped helium recondenser 12 is attached to the inside of the helium container 3 instead of the conventional cylindrical helium recondenser 11 of this embodiment. The plate-shaped helium recondenser 12 is connected to a separate vacuum-shielded cryogenic freezer turret 6 into which a cryogenic refrigerator (4K, etc.) is inserted through a copper rod 10 . Due to the method applied in the present invention, it is possible to remove a separate cylindrical helium recondenser for gas helium recondensation, and the cryogenic refrigerator 4 is deeply inserted into the superconducting magnet at an angle of a certain inclination (about 30 degrees). be able to do Although the efficiency of the refrigerator is slightly lowered, it is possible to further lower the assembly angle of the cryogenic refrigerator. The advantage obtained by this assembly method is that the cryogenic freezer is located at an appropriate height from the bottom of the superconducting magnet, making maintenance service and replacement easier.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 냉동기의 구성을 보여주는 도면이다.11 is a view showing the configuration of a refrigerator according to an embodiment of the present invention.

도 11을 참고하면, 극저온냉동기(4K 등)(4)를 특별한 도구 없이도 극저온 냉동기 터렛(6)으로부터 쉽게 꺼낼 수 있다. 극저온 냉동기(4)를 효율적으로 올바르게 운용하기 위해서는 극저온 냉동기의 제1단부(20K 등)(7)와 제2단부(4K 등)(9)가 초전도 자석의 복사열차폐와 좋은 열 접촉이 되어야 한다. 이와 같은 좋은 열 접촉은 도 11에 나타낸 특수 구리핑거(cooper fingers)(13)를 사용하여 구현되며, 이 구리핑거(13)는 블레이징 용접한 구리블럭(blazed cooper block)(15)과 접촉된다. 구리핑거를 압착하기 위하여 히터가 부착된 테플론링(teflon with heater)(14)이 사용된다. 테플론링(14)은 상온에서는 구리핑거(13)가 블레이징 용접한 구리블럭(15)을 쥘 수 있는 아무런 압력을 가하지 않는다. 극저온 냉동기를 터렛(cryo-cooler turrent)(6)에 삽입하고 냉동기를 가동하면 테플론링이 냉각되어 수축된다. 이 수축력으로 구리핑거(13)는 블레이징 용접한 구리블럭(15)과 좋은 열 접촉이 된다. 극저온 냉동기(4)를 터렛(6)으로부터 꺼낼 필요가 있는 경우에는, 테플론링(14)이 확장되어 극저온 냉동기를 꺼낼 수 있어야 한다. 특수 히터가 테플론링에 부착되어 있다. 이 히터를 가동하면 테플론링이 확장되어 극저온 냉동기(4)를 터렛(6)으로부터 쉽게 꺼낼 수 있게 된다.Referring to FIG. 11 , the cryogenic freezer (4K, etc.) 4 can be easily taken out from the cryogenic freezer turret 6 without a special tool. In order to operate the cryogenic freezer 4 efficiently and correctly, the first end (20K, etc.) 7 and the second end (4K, etc.) 9 of the cryogenic freezer must be in good thermal contact with the radiation shielding of the superconducting magnet. Such good thermal contact is realized using special copper fingers 13 shown in FIG. 11 , which are in contact with blazed cooper blocks 15 . . A Teflon with heater 14 to which a heater is attached is used to compress the copper finger. The Teflon ring 14 does not apply any pressure to hold the copper block 15 blazed and welded by the copper fingers 13 at room temperature. When the cryogenic freezer is inserted into the cryo-cooler turrent (6) and the chiller is operated, the Teflon ring is cooled and contracted. With this contracting force, the copper fingers 13 are in good thermal contact with the blazed-welded copper blocks 15 . When it is necessary to take out the cryogenic freezer 4 from the turret 6, the Teflon ring 14 should be expanded to be able to take out the cryogenic freezer. A special heater is attached to the Teflon ring. When this heater is operated, the Teflon ring is expanded so that the cryogenic freezer (4) can be easily taken out of the turret (6).

본 발명의 초전도 자석에서는 2대의 극저온 냉동기(약 1W의 소비전력)를 사용하여 액체헬륨의 증발이 없도록 할 수 있다. 그러나 초전도 자석용 헬륨 용기는 공기유입을 방지하기 위해 상시 대기압 이상을 유지해야 하며, 이를 위해 헬륨 용기 내부에 장착된 판형의 헬륨재응축기에 특수 히터를 부착하고 히터회로에서 발생한 헬륨가스가 헬륨조의 압력을 증가시키도록 한다. In the superconducting magnet of the present invention, it is possible to prevent evaporation of liquid helium by using two cryogenic refrigerators (power consumption of about 1W). However, the helium container for superconducting magnets must be maintained above atmospheric pressure at all times to prevent air inflow. to increase

도 10은 본 발명의 초전도 자석의 횡단면 구성도로서, 압력제어를 위한 구성을 보여주고 있다. 상대 압력계(pressure transducer)(18)가 초전도 자석 서비스 터렛(service turret)(5)에 연결된다. 압력계는 마그넷 서비스 터렛에 직접 부착되거나, 또는 튜브를 통해서 연결될 수 있다. 압력계로부터의 신호는 압력제어박스(pressure control box)(19)에서 처리되며, 초전도 자석 압력이 설정값(약 40mBar로 설정가능) 보다 낮아지면 히터(heater)(17)의 가동으로 가스 헬륨을 발생시켜 헬륨 용기의 내부 압력을 증가시킨다. 마그넷 압력이 설정된 상대 압력을 초과하면 히터가동을 멈춘다.10 is a cross-sectional configuration diagram of the superconducting magnet of the present invention, showing the configuration for pressure control. A pressure transducer 18 is connected to a superconducting magnet service turret 5 . The pressure gauge may be attached directly to the magnet service turret, or may be connected through a tube. The signal from the pressure gauge is processed in the pressure control box 19, and when the superconducting magnet pressure is lower than the set value (can be set to about 40 mBar), the heater 17 is operated to generate gas helium. to increase the internal pressure of the helium vessel. When the magnet pressure exceeds the set relative pressure, the heater stops.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 초전도 자석에서 극저온 냉동기의 터렛과 마그넷 서비스 터렛을 각도를 갖고 구성되는 종단면 구성도를 보여주고 있다.9 is a longitudinal cross-sectional view showing the configuration of the turret of the cryogenic refrigerator and the magnet service turret at an angle in the superconducting magnet according to an embodiment of the present invention.

도 8과 도 9에 각각 나타낸 바와 같이 극저온 냉동기(4K 등)의 터렛과 마그넷 서비스 터렛을 각도를 가지고 기울여서 조립하면, 초전도 자석의 전체 길이가 최소화되고 천정 높이가 3000mm 이내인 룸에도 설치할 수 있도록 최적화 가능하다. 본 발명에서 적용하는 콤팩트한 마그넷 제작 방법을 통해 마그넷의 길이를 2200mm 이하로 줄일 수 있으며 중량을 22톤 이하로 낮춤으로써 설치가 쉬워진다.As shown in FIGS. 8 and 9, when the turret and magnet service turret of a cryogenic freezer (4K, etc.) are assembled at an angle at an angle, the overall length of the superconducting magnet is minimized and the ceiling height is optimized to be installed in a room with a ceiling height of less than 3000 mm It is possible. Through the compact magnet manufacturing method applied in the present invention, the length of the magnet can be reduced to 2200mm or less, and the installation becomes easy by lowering the weight to 22 tons or less.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다. The present invention described above is not limited by the above-described embodiments and the accompanying drawings, and it is common in the technical field to which the present invention pertains that various substitutions, modifications and changes are possible within the scope without departing from the technical spirit of the present invention. It will be clear to those who have the knowledge of

1 : 진공 용기 2 : 복사열 차폐
3 : 헬륨 용기 4 : 극저온 냉동기
9 : 대칭 경사자계 코일
24 : 보상형 솔레노이드 주 코일1: vacuum container 2: radiant heat shield
3: helium container 4: cryogenic freezer
9: Symmetrical gradient magnetic field coil
24: compensation type solenoid main coil

Claims

환자가 위치하게 되는 일정 반경의 보어와;
상기 보어 내에 균일 자기장을 발생시키기 위하여 전구간이 연속적으로 권취된 솔레노이드 코일로 이루어진 보상형 솔레노이드 코일과;
상기 보어 내에서 경사 자계를 발생시키는 대칭형 경사자계 코일을 포함하여 보상형 솔레노이드 코일과 경사자계 코일과의 상호작용을 최소화할 수 있는 의료용 초전도 자석.
a bore of a certain radius in which the patient is to be positioned;
a compensating solenoid coil including a solenoid coil in which an entire section is continuously wound to generate a uniform magnetic field in the bore;
A medical superconducting magnet capable of minimizing the interaction between the compensating solenoid coil and the gradient magnetic field coil, including a symmetrical gradient magnetic field coil generating a gradient magnetic field in the bore.