(57)【要約】  停電等により気化した冷媒を高い効率で超電導磁石に戻すことのできる技術を提供する。そのために、超電導磁石101の冷媒容器に、内部のガスの量に応じて伸縮することにより内圧を一定に維持する構造のガスバック125を接続し、停電時に冷却器107が停止した場合、冷媒容器内に発生した冷媒ガスを蓄える。これにより、停電が復旧し、冷却器107が再稼働した場合には、ガスバック125が収縮しながら冷媒ガスを冷媒容器に戻すため、ガスバックに流出したガスをすべて冷媒容器に戻すことができる。よって、冷媒を補充する必要がない。
2013172148.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導コイルを収容する冷媒容器と、前記冷媒容器を覆う真空容器と、前記冷媒容器の内部に先端が挿入された冷却器と、前記冷媒容器に接続されて前記冷却器の停止時に前記冷媒容器で生じる冷媒ガスを前記真空容器の外部に導く排気管と、を備えた超電導磁石と、
前記冷媒容器に前記排気管を介して接続され、内部のガスの量に応じて伸縮することにより内圧を一定に維持する構造のガスバックと、
を備えていることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
【請求項２】
請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記排気管は、第1の輸送管と第2の輸送管とに分岐し、それぞれが前記ガスバックに接続され、
前記第1の輸送管には、前記冷媒容器の内圧が前記ガスバックの内圧よりも第1圧力差以上高い場合に開いて、前記冷媒容器から前記ガスバックに前記冷媒ガスを流す第1の一方向バルブが備えられ、
前記第2の輸送管には、前記ガスバックの内圧が前記冷媒容器の内圧よりも第2圧力差以上高い場合に開いて、前記ガスバックから前記冷媒容器に前記冷媒ガスを流す第2の一方向バルブが備えられていることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
【請求項３】
請求項2に記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記第1圧力差は、前記第2圧力差よりも大きいことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
【請求項４】
請求項2に記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記第2の輸送管は、前記ガスバックの上部に接続されていることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
【請求項５】
請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記冷媒容器と前記真空容器との間に輻射シールド板を備え、前記排気管の一部は、所定の長さに渡って前記輻射シールド板に熱的に接触するように、前記輻射シールド板に沿って配置されていることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
【請求項６】
請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記排気管には、前記冷媒ガスに混入している不純物ガスを分離する除去部が設けられていることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
【請求項７】
請求項6に記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記除去部は、前記排気管の途中で前記不純物ガスが液化した不純物液を溜める液溜めであることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
【請求項８】
請求項7に記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記液溜めには、溜まった不純物液を前記超電導磁石外に排出する排出部が設けられていることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
【請求項９】
請求項8に記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記排出部は、前記液溜めの不純物液を加熱し気化させるヒータを含むことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
【請求項１０】
請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記ガスバックは、複数に分割されていることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
【請求項１１】
請求項2に記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記排気管には、複数のガスバックが並列に接続され、
前記第1および第2の輸送管、ならびに、第1および第2の一方向バルブは、前記複数のガスバックごとに配置されていることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
【請求項１２】
請求項11に記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記複数のガスバックごとに配置された前記第1および第2の一方向バルブは、設定されている前記第1圧力差および第2圧力差が、配置されている複数のガスバックごとに異なることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
【請求項１３】
磁気共鳴イメージング装置の超電導磁石に接続され、超電導コイルを収容する冷媒容器から生じた冷媒ガスを導く輸送管と、
前記輸送管に接続された冷媒ガスを蓄えるガスバックと、
を有し、
前記ガスバックは、内部のガスの量に応じて伸縮することにより内圧を一定に維持する構造であることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置用ガス回収装置。
【請求項１４】
請求項13に記載の磁気共鳴イメージング装置用ガス回収装置において、前記輸送管は、第1の輸送管と第2の輸送管とに分岐し、それぞれが前記ガスバックに接続され、
前記第1の輸送管には、前記冷媒容器の内圧が前記ガスバックの内圧よりも第1圧力差以上高い場合に開いて、前記冷媒容器から前記ガスバックに前記冷媒ガスを流す第1の一方向バルブが備えられ、
前記第2の輸送管には、前記ガスバックの内圧が前記冷媒容器の内圧よりも第2圧力差以上高い場合に開いて、前記ガスバックから前記冷媒容器に前記冷媒ガスを流す第2の一方向バルブが備えられていることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置用ガス回収装置。
【請求項１５】
超電導磁石を備えた磁気共鳴イメージング装置の運転方法であって、
超電導磁石に備えられた冷却器が停止した場合、撮影動作を停止する第1工程と、
冷媒容器の内圧が上昇し所定の圧力に達したならば、前記冷媒容器内の冷媒ガスを、一定の内圧を維持しながら冷媒ガスの量に応じて伸縮する構造のガスバックに導いて蓄える第2工程と、
前記冷却器が再稼働し、前記冷媒容器内の内圧が所定の圧力以下に低下したならば、前記ガスバック内の冷媒ガスを前記冷媒容器内に戻し、前記冷却器の冷却により液化して前記冷媒容器に蓄える第３工程と
を有することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気共鳴イメージング装置(Magnetic Resonance Imaging装置、以下、MRI装置と称する)に係わり、特に、クライオクーラを備えた超電導磁石を用いたMRI装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
MRI装置は、均一な強度の磁場空間に被検体を配設し、被検体の検査部位から核磁気共鳴信号(Nuclear Magnetic Resonance Signal、以下、NMR信号と称する)を検出して、その信号を演算処理し、検査部位の断層画像などを得ることで、医学的な診断情報を得る診断機器である。【０００３】
現在、MRI装置の磁場発生ユニットには、永久磁石と超電導磁石の二つの方式のいずれかが採用されている。永久磁石を用いたMRI装置は、メンテナンスが容易でランニングコストも低く抑えられるメリットがある。一方、超電導磁石を用いたMRI装置は、高い磁場強度(0.5テスラ以上)が得られ、これに伴う高感度のNMR信号を利用して高度な診断機能を用いることができるメリットがある。【０００４】
超電導磁石は、超電導状態のコイルに電流を流すことで安定な高磁場が半永久的に発生できる。このコイルを超電導状態にするためには、コイルに用いる線材に固有の臨界温度以下にコイルを冷却保持する必要がある。超電導線としては、Ni3SnとNbTiが一般に用いられる。これらはいずれも冷媒として液体ヘリウムが必要である。【０００５】
液体ヘリウムは、長距離輸送や長期保管が難しいので、超電導磁石を用いたMRI装置は、ヘリウム液化拠点からトラック等の輸送手段で液体ヘリウムを輸送する冷媒サービスのネットワークが確立されている地域に設置することが必要になる。このため、超電導磁石を用いたMRI装置の設置可能な地域が限定される。【０００６】
特許文献1では、超電導磁石にクライオクーラを組み込み、気化したヘリウムガスを冷却し、再凝縮して液体ヘリウムとして再利用することが開示されている。これにより、超電導磁石内の液体ヘリウムの低減を抑制することができる。しかし、クライオクーラの冷却能力が失われるような停電やシステム障害が発生した場合には、ヘリウムガスを液体ヘリウムに凝縮することができなくなり、超電導磁石の圧力リリーフバルブを通してヘリウムガスが大気中に放出される。このため、やはり液体ヘリウムをトラック等で輸送して超電導磁石に供給するサービスが必要となる。【０００７】
特許文献2では、停電やシステム障害時に、超電導磁石から放出されるヘリウムガスを室温で蓄える大きなガスタンクを超電導磁石に連結しておき、停電やシステム障害の復旧後に、再稼働したクライオクーラでガスタンク内のヘリウムガスを液化して超電導磁石内に戻して再利用する構成を提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平6-69030号公報
【特許文献２】特開2007-134703号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献2のように、停電時等に超電導磁石から放出されるヘリウムガスをガスタンクに蓄えるためには、巨大なガスタンクが必要になる。具体的には、クライオクーラの冷却能力が停止すると、数百ミリワット〜1ワット程度の熱量がヘリウム容器に侵入する。1ワットの熱量で1時間当たり1.25リットルの液体ヘリウムが気化し、約10リットルのヘリウムガスになる。この体積膨張で、ヘリウム容器の内圧は上昇し、所定の圧力を超えると、安全弁が開き、ヘリウム容器から大気中に放出される。大気中に放出される過程で、ヘリウムガスが室温まで暖められてさらに膨張し、ヘリウム容器内で10リットルであった体積が約700リットルにまで膨らむ。【００１０】
計画停電によって半日程度頻繁に停電する国は珍しくない。また、システム障害の場合、サービスコール、サービスマンの到着、原因調査、対策復旧までは、通常で半日から一日を要し、この間、クライオクーラの冷却能力が停止する。よって、12時間で8400リットル、24時間で16800リットルのヘリウムガスが大気中に放出されることになる。【００１１】
そのため、特許文献2で提案されているように、放出されたヘリウムガスを全て大気中に放出することなくガスタンクに蓄えるとなると、3メートル平方の部屋(高さ2メートルとして18m3)を用意し、その中に予めガスタンクを配置しておかなければならない。このため、MRI装置を配置する部屋の他に、ガスタンクを配置するための部屋を用意しなければならないという問題が生じる。【００１２】
また、常温常圧の固定容積の巨大なガスタンクが、常にクライオクーラに連結されている構造であるため、クライオクーラが正常運転中でも、ガスタンク内には、大気圧のヘリウムガスが蓄えられていることになる。すなわち、ガスタンク内の18m3の大気圧のヘリウムガスは、超電導磁石内には戻らず、ヘリウムガスを有効に使うことができない。【００１３】
さらに、常温常圧の固定容積のガスタンクが低温のクライオクーラに常に接続されているため、超電導磁石内の空間とガスタンク内の空間の間で自然対流が生じ、常温のヘリウムガスが常にクライオクーラ内に少量ずつ流れ込み、逆にクライオクーラからは低温のヘリウムガスが少量ずつガスタンクに漏れ出る。このため、クライオクーラは、対流で流入する分の常温のヘリウムガスを常に冷却しなければならず、負荷が大きくなって劣化が促進される可能性がある。特許文献2では、接続配管の形状を弓状にすることにより、自然対流を低減しているが、完全になくすことはできない。また、クライオクーラとガスタンクの間に一対の逆並列バルブを使用し、自然対流を低下させることを提案している(段落0020)。しかし、これ以上の具体的な構成の説明は一切ない。【００１４】
また、常温の固定容積の大きなガスタンクをクライオクーラに接続する構成であるため、ガスタンクとクライオクーラとの接続箇所や、ガスタンクに設けられた安全用リークバルブ等からヘリウムガスに大気が巻き込まれる恐れがある。大気がクライオクーラや超電導磁石の内部に侵入すると、固体となって、ガスタンクとの接続配管を閉塞したり、超電導磁石の内圧制御の妨げになる可能性がある。【００１５】
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、停電等により気化した冷媒を高い効率で超電導磁石に戻すことのできる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明では、冷媒容器に、内部のガスの量に応じて伸縮することにより内圧を一定に維持する構造のガスバックを接続し、停電時に冷却器が停止し、冷媒容器内に発生した冷媒ガスを蓄える。これにより、停電が復旧し、冷却器が再稼働した場合には、ガスバックが収縮しながら冷媒ガスを冷媒容器に戻すため、ガスバックに流出したガスをすべて冷媒容器に戻すことができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、停電等により気化した冷媒を高い効率で超電導磁石に戻すことができるため、冷媒サービスのネットワークが発達していない地域でもMRI装置を使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第一の実施形態のMRI装置の全体構成を示すブロック図。
【図２】図1のMRI装置を構成する超電導磁石101の上クライオスタット104の断面図。
【図３】図1の超電導磁石101とガスバック125との接続を示す説明図。
【図４】本実施形態のMRI装置の停電前後の動作を示すフローチャート。
【図５】図4のフローチャートの動作中の、ヘリウム容器の圧力とガスバックの容積の関係を示すグラフ。
【図６】(a)第二の実施形態のMRI装置を構成する超電導磁石101の上クライオスタット104の断面図、(b)図(a)の一部を拡大した断面図。
【図７】第三の実施形態のMRI装置の構成を示すブロック図。
【図８】第三の実施形態において、複数のガスバックを並列に接続する構成の例を示す説明図。
【図９】第五の実施形態において、ガスバック125の最膨張時の位置を表すマーク801を示す、図1のA矢視図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の第1の態様のMRI装置は、超電導コイルと、超電導コイルを収容する冷媒容器と、冷媒容器を覆う真空容器と、冷媒容器の内部に先端が挿入された冷却器とを備えた超電導磁石を用いる。超電導磁石は、好ましくは、冷媒容器と真空容器との間に輻射シールド板を備える。
【００２０】
そして、冷媒容器には、内部のガスの量に応じて伸縮することにより内圧を一定に維持する構造のガスバックが接続されている。例えば、冷媒容器には冷却器の停止時に冷媒容器で生じる冷媒ガスを真空容器の外部に導く排気管が接続されており、この排気管を介してガスバックが冷媒容器に接続される構造とする。これにより、ガスバックが、一定の内圧を維持しながら、内部のガス量に応じて伸縮するため、ガスバックに蓄えられたガスをすべて冷媒容器に戻すことができる。
【００２１】
排気管は、第1の輸送管と第2の輸送管とに分岐し、それぞれがガスバックに接続されている構成とすることが望ましい。この場合、第1の輸送管には、冷媒容器の内圧がガスバックの内圧よりも第1圧力差以上高い場合に開いて、冷媒容器からガスバックに冷媒ガスを流す第1の一方向バルブを配置する。第2の輸送管には、ガスバックの内圧が冷媒容器の内圧よりも第2圧力差以上高い場合に開いて、ガスバックから冷媒容器に冷媒ガスを流す第2の一方向バルブを配置する。
【００２２】
例えば、上記第1圧力差は、上記第2圧力差よりも大きい圧力差に設定する。
【００２３】
また、上記第2の輸送管は、ガスバックの上部に接続されていることが好ましい。不純物ガスが、冷媒容器に戻るのを防ぐためである。
【００２４】
排気管の一部は、所定の長さに渡って輻射シールド板に熱的に接触するように、輻射シールド板に沿って配置されていることが好ましい。これにより、冷媒容器から流出する冷媒ガスにより輻射シールド板を冷却することができる。
【００２５】
排気管には、冷媒ガスに混入している不純物ガスを分離する除去部を設けることが可能である。例えば、除去部は、排気管の途中で不純物ガスが液化した不純物液を溜める液溜めを有する構成とする。液溜めは、排気管の温度が、不純物ガスが液化する沸点以下で融点以上の領域に設けることが望ましい。さらに、液溜めには、溜まった不純物液を超電導磁石外に排出する排出部を設けることも可能である。例えば排出部は、液溜めの不純物液を加熱し気化させるヒータを含む構成とする。
【００２６】
上述のガスバックは、複数に分割されている構成としてもよい。
【００２７】
排気管には、複数のガスバックが並列に接続された構成としてもよい。この場合、第1および第2の輸送管、ならびに、第1および第2の一方向バルブは、複数のガスバックごとに配置する。複数のガスバックごとに配置した第1および第2の一方向バルブは、設定されている第1圧力差および第2圧力差が、配置されている複数のガスバックごとに異なるように構成してもよい。これにより、どのガスバックに優先的に冷媒ガスが蓄えられるか、序列をつけることができる。
【００２８】
また、本発明の第2の態様として、以下のようなMRI装置が提供される。MRI装置は、超電導コイルを収容する冷媒容器と、冷媒容器を覆う輻射シールド板と、輻射シールド板を覆う真空容器と、冷媒容器の内部に先端が挿入された冷却器とを備えた超電導磁石を用いる。冷媒容器には、冷却器の停止時に冷媒容器で生じる冷媒ガスを真空容器の外部のガスバックに導く排気管が接続されている。排気管には、冷媒ガスに混入している不純物ガスを分離する除去部が設けられている。
【００２９】
上記第2の態様のMRI装置の排気管には、冷媒ガスに混入している不純物ガスを分離する除去部を設けることが可能である。例えば、除去部は、排気管の途中で不純物ガスが液化した不純物液を溜める液溜めを有する構成とする。液溜めは、排気管の温度が、不純物ガスが液化する沸点以下で融点以上の領域に設けることが望ましい。さらに、液溜めには、溜まった不純物液を超電導磁石外に排出する排出部を設けることも可能である。例えば排出部は、液溜めの不純物液を加熱し気化させるヒータを含む構成とする。
【００３０】
また、本発明の第3の態様として、MRI装置用ガス回収装置が提供される。この装置は、MRI装置の超電導磁石に接続され、超電導コイルを収容する冷媒容器から生じた冷媒ガスを導く輸送管と、輸送管に接続された冷媒ガスを蓄えるガスバックとを有する。ガスバックは、内部のガスの量に応じて伸縮することにより内圧を一定に維持する構造である。
【００３１】
第3の態様のガス回収装置の輸送管は、第1の輸送管と第2の輸送管とに分岐し、それぞれがガスバックに接続されている構成とすることが望ましい。第1の輸送管には、冷媒容器の内圧がガスバックの内圧よりも第1圧力差以上高い場合に開いて、冷媒容器からガスバックに前記冷媒ガスを流す第1の一方向バルブが備えられている。第2の輸送管には、ガスバックの内圧が冷媒容器の内圧よりも第2圧力差以上高い場合に開いて、ガスバックから冷媒容器に冷媒ガスを流す第2の一方向バルブが備えられている。
【００３２】
また、本発明の第4の態様として、超電導磁石を備えたMRI装置の運転方法が提供される。超電導磁石に備えられた冷却器が停止した場合、撮影動作を停止する第1工程と、冷媒容器の内圧が上昇し所定の圧力に達したならば、冷媒容器内の冷媒ガスを、一定の内圧を維持しながら冷媒ガスの量に応じて伸縮する構造のガスバックに導いて蓄える第2工程と、冷却器が再稼働し、冷媒容器内の内圧が所定の圧力以下に低下したならば、ガスバック内の冷媒ガスを冷媒容器内に戻し、冷却器の冷却により液化して冷媒容器に蓄える第3工程とを有する運転方法である。
【００３３】
第3工程では、撮影動作を冷却器による液化と平行して行うことが可能である。
【００３４】
第2工程では、冷媒容器内の冷媒ガスを、一方向バルブを通してガスバックに導き、第3工程では、ガスバック内の冷媒ガスを、一方向バルブを通して冷媒容器内に戻すことが好ましい。
【００３５】
第3工程では、撮影動作を行う前に、冷媒容器内の圧力変化によって生じる超電導磁石の静磁場の均一度の変動を補正することが好ましい。
【００３６】
上述してきた本発明の各態様によれば、以下のような効果が得られる。
(1)冷媒をほとんど消費しない超電導磁石を用いたMRI装置が提供される。
(2)停電やシステム障害あるいは冷却器の保守時においても、冷媒を補充する必要がない。
(3)冷媒ガスを蓄えるガスバックをフレキシブルに追加できるため、医療施設や地域の電力事情に合わせて、柔軟な運転ができる。
【００３７】
上記(1)〜(3)により、冷媒サービスのネットワークが発達していない地域や、停電が頻繁に生じる地域であっても超電導磁石を用いたMRI装置を設置して画像診断を行うことが可能になる。
【００３８】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて具体的に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００３９】
(第一の実施形態)
＜本実施形態のMRI装置の全体構成＞
まず、第1の実施形態で運転するMRI装置の全体構成について説明する。
【００４０】
図1は、本実施形態のMRI装置が医療施設に据付けられた状態での全体構成を示す。
【００４１】
このMRI装置の静磁場を発生する磁石には開放構造の超電導磁石101が用いられている。開放構造の超電導磁石101は、被検体102が配置される磁場空間103を挟んで上下に、上クライオスタット104と下クライオスタット105が対向配置されている。上クライオスタット104と下クライオスタット105の内部空間にはそれぞれ、起磁力源となる超電導コイルがそれぞれ内蔵され、冷媒である液体ヘリウムで満たされている。上クライオスタット104は、下クライオスタット105と連結管106によって連結され、連結管106を支柱として支えられることにより、磁場空間103の前後左右が空いた開放的な構造を形成している。これにより、被検体102に与える圧迫感を和らげ、優しい検査環境を提供している。上クライオスタット104および下クライオスタット105の詳しい構成については、後で詳しく説明する。
【００４２】
超電導磁石101には、コールドヘッド107が組み込まれている。コールドヘッド107には、圧縮機ユニット108が接続され、圧縮機ユニット108から圧縮された冷媒ガス(以下、ヘリウムガスとも呼ぶ)が供給される。コールドヘッド107と圧縮機ユニット108は、超電導磁石101の冷却器(以下、クライオクーラとも呼ぶ)を構成している。コールドヘッド107は、圧縮された冷媒ガスの断熱膨張時の冷却効果によって超電導磁石101を冷却する。これにより、コールドヘッド107は、超電導磁石101内の後述する輻射シールドを冷却するとともに、上クライオスタット104と下クライオスタット105内で、冷媒(液体ヘリウム)が気化して生じた冷媒ガス(ヘリウムガス)を冷却して、再び液体ヘリウムに凝縮して上クライオスタット104に戻す。
【００４３】
また、コールドヘッド107は、上クライオスタット104と下クライオスタット105に侵入した熱量で気化したヘリウムを、過不足なく再凝縮するのに必要な冷却能力となるように制御されている。よって、気化したヘリウムガスを大気中に放出しないため、クローズドタイプの超電導磁石を実現している。この制御のために、超電導磁石101には、各種センサーと回路からなる制御システムが具備されている。具体的には、超電導磁石101には、その運転状態をモニターするための温度センサーや圧力センサーが複数組み込まれており、そのセンサー接続端子109は、磁石制御ユニット110に接続されている。磁石制御ユニット110は、超電導磁石101の運転状態をモニターするとともに、クライオクーラを制御するのに必要な信号を超電導磁石101に組み込まれたヒータや圧縮機ユニット108に出力している。
【００４４】
以上のようなクローズドタイプの超電導磁石101の構成で、磁場空間103には高い磁場強度(例えば1テスラ)の安定な静磁場が発生している。この安定な磁場は、液体ヘリウム(温度4.2ケルビン)によって、超電導状態となる臨界温度以下に冷却された超電導コイルに、永久電流(例えば、450アンペア)を流すことで実現している。
【００４５】
また、超電導磁石101の上クライオスタット104と下クライオスタット105の磁場空間103側の面には、一対のシムプレート111が取り付けられている。シムプレート111は、磁場空間103の中心の球空間(例えば直径40センチメートル)の磁場均一度を改善する磁場を発生する。シムプレート111は、複数のネジ穴が開けられたプレート部材と、複数のねじ穴のうち所定のネジ穴に埋め込まれた磁性体の小ネジとを備える。磁性体の小ネジの位置を磁場の不均一度に応じて調整することにより、上述の球空間の磁場均一度を目標値(例えば3ppm以下)に調整することができる。
【００４６】
シムプレート111の磁場空間103の面には、傾斜磁場を発生する一対の傾斜磁場コイル112が配置されている。この傾斜磁場コイル112は、超電導磁石101の開放的な構造を妨げることがないように平板構造である。上下一対の傾斜磁場コイル112はそれぞれ、積層されたxとyとzの3種類のコイルを備え、これらは互いに直交する3軸方向に傾斜磁場を生じる。xコイル、yコイル、zコイルには、それぞれ独立に電流を印加する傾斜磁場電源113が接続されている。zコイルに傾斜磁場パワーアンプ113よりプラス電流が印加されると、上zコイルは超電導磁石101の発生する磁束と同じ向きの磁束を発生し、下zコイルにはそれとは反対向きの磁束を発生する。この結果、磁場空間103のz軸(垂直軸)の上から下に向けて磁束密度が徐々に小さくなる勾配ができる。
【００４７】
同様に、xコイルおよびyコイルは、超電導磁石101の発生する磁束の密度をそれぞれx軸、y軸(ともに水平軸)に沿って勾配となるような傾斜磁場を付与する。これらのxコイル、yコイル、zコイルは、それぞれ不均一磁場のx、y、zの一次成分のシムコイルとして機能させることも可能である。すなわち、傾斜磁場電源113は勾配を発生させるための電流に、磁場均一度を改善するためのシム電流を重畳して出力させることができる。
【００４８】
また、傾斜磁場コイル112は、xコイル、yコイル、zコイルの他に、超電導磁石101の発生する磁場強度を調整するBoコイルと、x、y、z方向の高次モードの磁場を発生するシムコイル、例えばx2、y2、x3、x2＋y2の磁場を発生するコイル等を備えている。これらのコイルには、シム電源114が接続され電流が印加される。
【００４９】
傾斜磁場コイル112の磁場空間103側には一対の高周波コイル115が取り付けられている。この高周波コイル115も超電導磁石101の開放的な構造を妨げることがないように平板構造のコイルが採用されている。上下一対の高周波コイル115には高周波電源116が接続され、高周波電流が供給される。これにより、被検体102検査部位の核スピンを核磁気共鳴させるのに必要な高周波磁場を発生する。例えば、1テスラの静磁場強度で水素原子核が核磁気共鳴を起こす42メガヘルツの高周波磁場を発生する。
【００５０】
上述の安定で均一度の高い静磁場と、傾斜磁場と、高周波磁場とを組み合わせることにより、被検体102の検査部位の水素原子核を正確にかつ、選択的に核磁気共鳴現象を起こさせることができる。その後の核スピンの歳差運動過程に傾斜磁場をパルス的に印加することで三次元的位置情報を付加できる。この核スピンの歳差運動を検査部位のNMR信号として検出して、画像等を生成する。以下、検出および画像生成のための構成について説明する。
【００５１】
磁場空間103のほぼ中心位置、すなわち被検体102の検査部位には、NMR信号を検出する検出コイル117が配置されている。この検出コイル117は、前述の核スピンの歳差運動によるわずかな磁場変動を、誘導電流(電気信号)として検出する。NMR信号は検出コイル117に接続されている高周波増幅器118に受け渡される。高周波増幅器118では、NMR信号に増幅・検波の信号処理を施して、コンピュータ演算処理に適したデジタル信号に変換処理する。
【００５２】
コンピュータ119は、高周波増幅器118からデジタル信号に変換されたNMR信号を受け取って、医学的な診断に供するための画像やスペクトルチャートに変換処理して、コンピュータ119内の記憶装置(図では示してない)に保存するとともに、ディスプレイ120に表示する。また、コンピュータ119には、診断の役に立つ画像解析機能などのプログラムが格納されている。コンピュータ119へのオペレーション指示は、キーボードなどの入力装置121を介して入力される。
【００５３】
また、コンピュータ119は、各ユニットの動作をコントロールし、種々のMRI検査(撮影)モード、例えば高速スピンエコー法や拡散強調エコープレーナー法を実行するための制御プログラムが格納されている。すなわち、上述の磁石制御ユニット110、傾斜磁場電源113、シム電源114、高周波電源116、高周波増幅器118は、それぞれコンピュータ119に接続され、プログラムされた内容で動作をコントロールされる。これにより、所定のタイミングで傾斜磁場や高周波磁場を印加し、所定のMRI検査(撮影)方法によるNMR信号の取得が行われる。これらのユニットの動作状態はコンピュータ119のメモリーに記録することが可能である。またコンピュータ119に記録された各ユニットの動作状態情報は、通信制御装置(図では示してない)を経由して外部の監視拠点に送信され、外部の監視拠点からの遠隔監視を可能にしている。
【００５４】
その他の主要なユニットとして、被検体102を磁場空間103の中心に搬送する患者テーブル122が、超電導磁石101の前面に組み込まれている。超電導磁石101および患者テーブル122は電磁シールドを施した検査室123に設置されている。電磁シールドは、外部機器が発生する電磁波がノイズとして検出コイル117に混入するのを防止する。
【００５５】
さらに超電導磁石101には、排気管(以下、ヘリウム排気管と呼ぶ)124を介して、伸縮可能なガスバック125が接続されている。ガスバック125の機能の詳細は後述する。
【００５６】
本実施形態のMRI装置のコンピュータ119には、磁場空間103の磁場性能を解析・補正する機能のプログラムが組み込まれている。このプログラムは、下記のステップを実行するものである。
(1)傾斜磁場コイル112、Boコイル、および、全シムコイルに電流が供給されていない状態で、磁場空間103に配設された被検体102のNMR信号を計測する(検査モード)。
(2)計測されたNMR信号を、コンピュータ119でフーリエ変換し、そのNMR信号の周波数成分を求める。
(3)1テスラの磁場強度で水素原子核スピンの核磁気共鳴周波数42メガヘルツと、上記ステップで求めた周波数との差分に対応する磁場を計算により求める。Boコイルから差分磁場を発生するようにシム電源114を制御する。
(4)次に、xコイルに、例えば10アンペアの電流を印加した状態で、被検体102のNMR信号を計測する。
(5)計測されたNMR信号を球面調和関数で展開処理し、撮影空間103のx軸方向の誤差磁場を解析する。
(6)同様に、y軸z軸についても、誤差磁場成分を解析する。
(7)x軸、y軸、z軸の誤差磁場成分を、傾斜磁場コイル112のxコイル、yコイル、zコイル、および、シムコイルの磁場で補正するシム電流が流れるように、傾斜磁場電源113、シム電源114を制御する。
【００５７】
この機能を使うことで、磁場空間103の静磁場は、MRI検査(撮影)に最適な状態に保たれる。この機能によれば、停電等で超電導磁石101の冷媒容器の内圧変化が生じたことによる磁場変化や、経時的な磁場変化、さらには被検体102の検査部位の磁化率による誤差磁場(例えば、磁性体医用インプラント影響)を補正することが可能となる。
【００５８】
また、停電等による超電導磁石103の冷媒容器の圧力変化と、磁場空間103の磁場変化との関係を予め計測し、コンピュータ119に入力しておくことも可能である。磁場制御ユニット110からの圧力信号を基に、コンピュータ119は予め計測した上記関係を参照し、傾斜磁場電源113とシム電源114を制御して、圧力変化に伴う磁場変化を補償する。この機能は、MRI検査の前に磁場補正用のNMR信号を計測する必要がなく、かつ、リアルタイムで補正ができるので、例えば、救急患者のMRI検査の場合などに好適である。
【００５９】
＜クライオクーラの構造とその機能＞
図2は、図1で示した上クライオスタット104とコールドヘッド107の詳細を示す図である。超電導磁石101は、上クライオスタット104と下クライオスタット105の内部構造は基本的に磁場空間103を中心に上下対称なので、ここでは上クライオスタット104についてのみで説明する。
【００６０】
上クライオスタット104は、外側が真空容器201で覆われている。真空容器201は、例えば厚さ10ミリメートルのステンレススチールで構成され、本体の重量と内部の真空圧力にも耐えられる剛性を有している。真空容器201の内部には冷媒容器(以下、ヘリウム容器と呼ぶ)202が配置されている。ヘリウム容器202の内部には複数からなる超電導コイル203(図では1個のみ示す)が配置され、ヘリウム容器202に固定されている。ヘリウム容器202は、例えば厚さ15ミリメートルのステンレススチールで構成され、超電導コイル203に加わる電磁力と内外の圧力差に耐えられる剛性を有している。
【００６１】
ヘリウム容器202内は、通常時にはその容積のほぼ90％まで液体ヘリウム204が充填され、超電導コイル203が液体ヘリウム204に浸かるようになっている。これにより、超電導コイル203は液体ヘリウム204の沸点温度である4.2ケルビン(−268.8℃)に冷却され、超電導状態を維持する。また、ヘリウム容器202の上部のヘリウムガス溜まり部には、コールドヘッド107の第二冷却ステージ216が挿入され、ヘリウム容器202内のヘリウムガスを直接冷却して液化(凝縮)している。
【００６２】
真空容器201とヘリウム容器202の間隙は真空層で、中間には輻射シールド板212が配置されている。輻射シールド板212は、例えば厚さ5ミリメートルのアルミニュームで作られ、その表面は鏡面に磨かれていて、輻射熱を抑えている。この輻射シールド板212はコールドヘッド107の第一冷却ステージ213と熱接触することで冷却され、さらに輻射熱を低減するように機能している。
【００６３】
また、スーパーインシュレータ214(図2では一部のみ記載)が真空容器201と輻射シールド板212の間隙に配置されている。スーパーインシュレータ214は、例えばアルミニューム薄膜が蒸着されたポリエチレンシートの多重層で構成され、輻射熱の低減に効果がある。
【００６４】
真空容器201、輻射シールド板212、ヘリウム容器202の間には、これらの互いの位置を固定するために、荷重支持体215が複数箇所に取り付けられている。荷重支持体215を介して真空容器201から輻射シールド板212、輻射シールド板からヘリウム容器202へと伝導する熱を極小に抑えるため、荷重支持体215は熱伝導の低い材料、例えばステンレススチールと強化炭素樹脂や強化プラスチック樹脂で構成されている。
【００６５】
この様な構成で、室温(約300ケルビン)である真空容器201からヘリウムの沸点温度(約4ケルビン)であるヘリウム容器202に加わる熱量は、輻射熱と伝導熱の合計で約1ワット程度に抑えられている。
【００６６】
コールドヘッド107は、冷却能力がヘリウム容器202に加わる熱とほぼ熱平衡状態となるように調整されている。コールドヘッド107の第一冷却ステージ213は43ケルビン(−230℃)で、約45ワットの冷却能力を有し、前述の通り輻射熱シールド板212を冷却する。第二冷却ステージ216は4ケルビン(−269℃)で、約1.4ワットの冷却能力を有し、ヘリウム容器202内でヘリウムガスを直接冷却して、凝縮する。
【００６７】
ヘリウム容器202の内部には、液体ヘリウム204の液面を計測する液面センサー205と液体ヘリウム204が気化したヘリウムガスの圧力を計測する圧力センサー206が組み込まれている。また、ヘリウム容器202内には、液体ヘリウムを加熱するヒータ素子207も配置され、圧力センサー206の検出した圧力が所定値(例えば約5KPa)よりも低下している場合には、液体ヘリウムをわずかに加熱し、気化させて圧力を一定に維持している。この制御は、磁石制御ユニット110によって行われる。これらのセンサー205，206やヒータ素子207の出力信号線は、真空リークとならないようにハーメチックシール208を介して、センサー接続端子109から磁石制御ユニット110に接続されている。
【００６８】
ヘリウム容器202の上部には、管状のサービスポート209が接続されている。このサービスポート209は、ヘリウム容器202に、外部から運搬してきた液体ヘリウムを注入する際に用いられる。具体的には、サービスポート209の上部の栓210を外し、注液パイプ(図には記入していない)を挿入することで、ヘリウム容器202に液体ヘリウムを注入できる。サービスポート209の途中から管は分岐し、分岐した管には、所定の圧力(例えば40KPa)で破裂する破裂板211が接続されている。
【００６９】
通常のMRI装置の運転状態では、上述した磁石制御ユニット110が、ヒータ素子207に電流を供給することにより、ヘリウム容器202の圧力を約5KPaに維持している。クエンチ時や緊急磁場減衰時に、液体ヘリウムが一気に気化し、ヘリウム容器202の内圧が所定の圧力(例えば40KPa)に達した場合には破裂板211が破裂し、外部にヘリウムガスを安全に放出する。これにより、ヘリウム容器202には、所定の圧力以上の圧力が生じず、安全が保たれる。
【００７０】
一方、停電やシステム障害などでコールドヘッド107の冷却性能が停止したり、ヒータ素子207の制御が機能停止し、発熱し続ける状態となった場合には、液体ヘリウムが徐々に気化する。この気化速度は、クエンチ時や緊急磁場減衰時ほど大きくない。本発明では、発生したヘリウムガスをヘリウム排気管124を介して伸縮可能なガスバック125に流し、蓄える。これにより、ヘリウム容器202の圧力が所定の圧力(例えば20KPa)を超えないように維持する。この20KPa以下の圧力範囲内であれば、磁場空間103の磁場性能の変化は、傾斜磁場コイル112、Boコイル、そしてシムコイルで補正できる範囲であることが確認されているので、撮像動作を行うことができる。また、停電やシステム障害が復旧し、コールドヘッド107が再稼働した場合には、ガスバック125に蓄えられたヘリウムガスをヘリウム容器202に戻して液化することができる。これについて、以下詳細に説明する。
【００７１】
〈ヘリウム排気管とガスバックの構成〉
ヘリウム容器202の上部には、図2のようにヘリウム排気管124の一端が接続されている。ヘリウム排気管124の一部は、輻射シールド板212の外面に所定の長さに渡って接触するように配置され、熱接触部217を構成している。これにより、ヘリウム容器202で気化したヘリウムガスの潜熱で輻射シールド板212を冷却できる構成になっている。
【００７２】
輻射シールド板212の温度は、コールドヘッド107の第一冷却ステージ213との熱接触部位の温度が最も低く、第一冷却ステージ213から遠ざかるにつれて温度が上昇する。ヘリウム排気管124は、ヘリウム容器202から引き出された状態が最も温度が低いため、輻射シールド板212を貫通して輻射シールド板212の外面に接触しはじめる位置が、図2に示すとおりコールドヘッド107に近い位置に配置されている。この位置から所定の長さに渡って、ヘリウム排気管124は、輻射シールド板212の外面にヘリウム排気管124の外周面が接するように輻射シールド板212に沿って配置され、熱接触部217を構成している。熱接触部217においては、ヘリウム排気管124は、コールドヘッド107から次第に離れるように配置され、コールドヘッド107から最も遠い熱接触部217の端部で輻射シールド板212から離れて、真空容器201の方向に向かい、真空容器201を貫通して外部に引き出されている。これにより、ヘリウム排気管124は、熱接触部217においてヘリウムガスの潜熱で輻射シールド板212を効果的に冷却することができる。
【００７３】
図1では、図示を省略しているが、ヘリウム排気管124は超電導磁石101の外部で図3に示すように二方向に分岐している。一方は輸送管(以下、ヘリウム輸送管と呼ぶ)(A)301であり、一方向バルブ(以下、一方向リリーフバルブと呼ぶ)302を介して、ヘリウム輸送管(B)303に接続され、ガスバック125の下部に接続されている。他方は、ヘリウム輸送管(C)304から、一方向リリーフバルブ305を介して、ヘリウム輸送管(D)306に接続される。ヘリウム輸送管(D)306は、ガスバック125の上部に接続されている。
【００７４】
ここで、一方向リリーフバルブ302は、ヘリウム輸送管(A)301内のガス圧がヘリウム輸送管(B)303内のガス圧より10KPa以上高い時に、バルブが開き、ヘリウムガスをヘリウム輸送管(A)301からヘリウム輸送管(B)303の方向に流すように構成されている。いかなる圧力差であっても逆流はできない。
【００７５】
一方、一方向リリーフバルブ305は、ヘリウム輸送管(D)306内のガス圧がヘリウム輸送管(C)304内のガス圧より5KPa以上高い時に、バルブが開き、ヘリウムガスをヘリウム輸送管(D)306からヘリウム輸送管(C)304の方向に流すように構成されている。いかなる圧力差であっても逆流はできない。
【００７６】
ガスバック125は、その材質の弾性特性から内圧が所定圧(10KPa)に達したならば膨らみ始め、流入するヘリウムガス量に応じて所定圧(10KPa)を維持しながら伸縮を行なう構造である。すなわち、ガスバック125は固定容積ではなく、内部のヘリウムガス量とガス圧に応じて伸縮し、内容積が変化する構成である。例えば、ヘリウムガスに対して高いガス遮断性を有する膜材で構成され、蛇腹状に折りたたまれたガスバック125を用いることができる。ガスバック125の内圧が所定圧(10KPa)に達したならば、蛇腹が伸びていくことにより容積が増加する。ガスバック125の最大容量は、停電やシステム障害等でコールドヘッド107が停止する予測時間に基づき、その間にヘリウム容器202に侵入する熱量で気化したヘリウムガスを十分に蓄えられる容量に設定する。一例としては、停電等で40時間コールドヘッド107が停止することが予測できる場合、ヘリウム容器202のサイズや構成にも依存するが1時間当たり約700リットルのヘリウムガスが発生するため、最大容量28m3のガスバック125を接続する。ガスバック125は、初期状態では蛇腹が折りたたまれコンパクトな構成であるが、ヘリウムガスの流入により最大28m3まで膨張するので、停電時には、ガスバック125が膨張する方向に28m3の空間が用意できる場所にガスバック125を配置する。
【００７７】
図1では、検査室123のすぐ傍にガスバック125を配置しているが、ヘリウム排気管124を延ばし、ガスバック125を検査室123から離れた部屋に配置することも可能である。
【００７８】
停電やシステム障害などでコールドヘッド107の冷却性能が機能停止した場合、真空容器201からヘリウム容器202に侵入する熱量は構造的に約1ワット程度に抑えられているが、この約1ワットの熱量で液体ヘリウムが気化し、ヘリウム容器202の圧力が上昇始める。各部は以下のように動作し、ヘリウム容器202の圧力は許容圧力20KPaが維持される。
【００７９】
すなわち、ヘリウム容器202の圧力が20KPaに達すると、一方向リリーフバルブ(10KPa)302が開き、ヘリウムガスがガスバック125に流出する。ガスバック125は流入するヘリウムガス量に応じてその容積を増す。これにより、ヘリウム容器202は20KPaを、ガスバック125は10KPaを維持する。
【００８０】
この過程でヘリウムガスの流れは、熱接触部217で輻射シールド板212に接するため、ヘリウムガスが有する潜熱で輻射シールド板212を冷却して、輻射熱を下げ、ヘリウム容器202の液体ヘリウム204の気化を防ぐように働く。また、熱交換をすることで、冷えたままのヘリウムガスが超電導磁石101の外部に導かれ、ヘリウム排気管124やヘリウム輸送管(A)301に霜が付着することを低減する効果もある。
【００８１】
停電やシステム障害が復旧すると、コールドヘッド107の動作が再開すると、コールドヘッド107の第二冷却ステージ216の約1.4ワットの冷却熱で、ヘリウム容器202の上部のガス溜め部分で、ヘリウムガスが凝縮し液化する。これにより、20KPaに維持されていたヘリウム容器202内の圧力が低下し始め、10KPaが維持されているガスバック125の内圧との差が10KPa未満になる。これにより、一方向リリーフバルブ302が閉じ、ヘリウム容器202からガスバック125へのガスの流入が停止する。
【００８２】
さらに、コールドヘッド107がヘリウム容器202のヘリウムガスの液化を継続し、ヘリウム容器202の内圧が5KPa以下まで低下すると、ガスバック125の内圧10KPaとの圧力差が5KPa以上になるため、一方向リリーフバルブ(5KPa)305が開き、ガスバック125からヘリウム容器202にヘリウムガスが流入する。ヘリウム容器202のガス圧が、磁石制御ユニット110の制御下でヒータ素子207により加熱されて5KPa前後で維持されるようになると、10KPaを維持しているガスバック125との圧力差が5KPa未満になった時点で一方向リリーフバルブ305が閉じ、ガスバック125からヘリウム容器202へのヘリウムガスの流入が終了する。この時点で、ガスバック124の内圧は10KPaに保たれているが、膨らみ始める前の大きさまで戻っているため、ガスバック125に蓄えられていたヘリウムガスをほぼすべてヘリウム容器202に戻すことができる。
【００８３】
なお、ガスバック125からヘリウム容器202へヘリウムガスが戻る過程で、室温のヘリウムガスは、コールドヘッド107の第一冷却ステージ213で冷却された輻射シールド板212と熱接触部217で接触することにより予冷される。よって、ヘリウム容器202内でのヘリウムガスの液化が促進される。
【００８４】
停電が発生した場合のMRI装置の動作を図4のフローチャートを用いてさらに詳しく説明する。
【００８５】
停電が発生すると、MRI装置は停止し、コールドヘッド107の冷却能力も停止する。計画的な停電の場合は、オペレーターは事前にMRI検査を入力装置121の入力で中止する。不意の停電の場合は、オペレーターは検査中の被検体102を患者テーブル122の手動操作にてMRI装置から搬出する(ステップ401)。
【００８６】
停電時間の経過と共に、ヘリウム容器202の内圧が上昇する(ステップ402)。これは、真空容器201からヘリウム容器202に侵入する約1ワットの熱量で、1時間当たり1.25リットルの液体ヘリウムが体積10倍(約10リットル)のヘリウムガスに気化することによる。圧力上昇割合は、ヘリウム容器202の上部のガス溜め部の空間容積に左右されるが、通常の90パーセントの液体ヘリウムを満たしたヘリウム容器202の場合は、1時間に4KPaの割合で上昇する。
【００８７】
約4時間後には、ヘリウム容器202の内圧は20KPaに達する(ステップ403)。内圧が20KPaに達すると、内圧10KPaに維持されているガスバック125との圧力差が10KPaに達するため、一方向リリーフバルブ(10KPa)302が開く。
【００８８】
これにより、ヘリウム容器202内のヘリウムガスは、ヘリウム排気管124から一方向リリーフバルブ(10KPa)302を通って、ガスバック125に流出し、ガスバック125内に蓄えられる。これにより、ヘリウム容器202の内圧は、20KPaに維持される(ステップ404、405)。ヘリウム容器202からヘリウムガスが流出する際、ヘリウム排気管124のヘリウムガスは、輻射シールド板212と熱接触部217で熱交換することにより温められ、約70倍に膨張した室温に近い温度のヘリウムガスとして流出する。
【００８９】
ガスバック125は、内部のヘリウムのガスの体積が増加するにつれ、ガスバック自体の収縮力に抗して膨張し、ガス圧約10KPaを維持する(ステップ405)。
【００９０】
停電が復旧すると、MRI装置は稼動を開始する。コールドヘッド107も冷却を再開する(ステップ406)。液体ヘリウムの一部が気化しても、超電導コイル203は液体ヘリウムに浸かっており、超電導状態は維持されている。
【００９１】
約30分の運転で、コールドヘッド107は通常の冷却能力に達し、ヘリウム容器202の上部ガス溜め部のヘリウムガスを冷却する。ヘリウムガスは体積比10分の1の液体ヘリウムに凝縮するので、圧力が20KPaから、1時間あたり約2KPaの割合で低下する。ヘリウム容器202の圧力が20KPa未満になると、ガスバック125の内圧10KPaとの差圧が10KPa未満になるため、一方向リリーフバルブ(10KPa)302が閉じる。この間も超電導磁石101の超電導状態は維持されているので、オペレーターは被検体102をMRI装置の磁場空間103に配設し、磁場補正を行ない、検査を実施することができる(ステップ407)。
【００９２】
停電回復から約8時間後には、ヘリウム容器202のヘリウムガスの冷却凝縮により、ヘリウム槽の圧力が5KPaまで低下する。そうすると、ガスバック125から一方向リリーフバルブ(5KPa)305を通して、ヘリウムガスがヘリウム容器202に流れ込む。ヘリウム容器202の圧力は5KPaを維持する。一方、ガスバック125は流出したヘリウムガスの体積に相当する容積の収縮が起こり、その内圧は10KPaを維持する(ステップ408)。
【００９３】
ガスバック125のヘリウムガスが全て流出し、ガスバック125の体積が膨らみ始める前の最も収縮した状態になる。ヘリウム容器202の内圧は5KPa以下にならないように、磁石制御ユニット110で制御された電流印加で、ヘリウム容器202に設置したヒータ素子207の発熱により制御される。これにより、ガスバック125の内圧10KPaとヘリウム容器202の内圧差が5KPa未満となり、一方向リリーフバルブ(5KPa)505が閉じる。ヘリウム容器202は熱平衡状態を維持する(ステップ409)。
【００９４】
図4のフローにおける、ヘリウム容器202の圧力変化とガスバック125の体積変化は図5に示すようになる。
【００９５】
図5のようにMRI装置は正常運転している時は、ヘリウム容器202の圧力は5KPaを維持し、ガスバック125の体積は最も収縮した0％(膨張前の状態)である。A時点で、停電が発生すると、ヘリウム容器202の圧力は、毎時4KPaの割合(約1ワットのヘリウム槽への侵入する熱量による液体ヘリウム気化する割合)で上昇し、20KPaであるB時点に向かう。B時点では一方向リリーフバルブ(10KPa)302の開放されることによってヘリウムガスがガスバック125に毎時700リットル送られ、ヘリウム容器202の圧力は20KPaを維持する。一方、ガスバック125は送られてきたヘリウムガスによってその体積が膨張始める。体積の上限は28m3であるので、約40時間停電が続いても、ヘリウムガスの流入を受け入れて膨張し続けることが可能である。
【００９６】
停電が復旧したC時点からは、ヘリウム容器202の圧力は毎時2KPaの割合(侵入する熱量とクライオクーラの冷却能力の差分約0.5ワットによるヘリウムガスの凝縮)で低下して、D時点に向かう。D時点からは、ガスバック125からヘリウムガスが一方向リリーフバルブ(5KPa)305を介して流れ込み、ヘリウム容器202の圧力は5KPa維持する。一方、ガスバック125は流出したヘリウムガスの体積に合わせて、その容積を収縮始める。E時点で、ガスバックは完全に収縮して膨張前の状態に戻り、ヘリウム容器202の圧力も5KPaを維持する正常運転状態に戻る。
【００９７】
上述してきたように、本実施形態では、固定容積ではなく、一定の内圧を維持し、流入するガスの量に応じて膨張および収縮するガスバック125を、開放される圧力差の異なる一対の一方向リリーフバルブを介して、ヘリウム容器202に接続している。これにより、ヘリウム容器202とガスバック125との内圧差を利用して、停電等によるコールドヘッド(クライオクーラ)停止時にガスバック125に蓄えたヘリウムガスを復旧後ほぼ完全にヘリウム容器202に戻すことができる。よって、ガスバック125内のヘリウムガスを無駄にすることなく、凝縮して再び冷媒として利用することができる。
【００９８】
また、停電等でコールドヘッドが停止していない状態では、ガスバック125は膨張していないので、ガスバック125が停電時に膨張するために必要な空間を、非停電時には別の用途に利用することができ、空間の使用効率を高めることができる。例えば、ガスバックが膨張するために必要な空間を、被検体や操作者が検査を準備するための空間として使用することができる。
【００９９】
また、非停電時にはガスバック125は収縮しており、しかも圧力差の異なる一対の一方向リリーフバルブ302，305は非停電時には閉じているため、ガスバック125とヘリウム容器202との間でヘリウムガスの対流が生じることがない。よって、クライオクーラが対流分のヘリウムガスを冷却する必要がなく、負荷を低減でき、クライオクーラを長寿命化できる。
【０１００】
なお、上述したようにヘリウム輸送管(D)306は、ヘリウムガスバック125の最上部に接続されているため、ガスバック125内に空気などの不純ガスが混入しても、最も軽い気体であるヘリウムガスはガスバック125の上部に溜まり、ヘリウム容器に戻す時には、不純ガスを含まないヘリウムガスのみをヘリウム輸送管(D)306に流すことが可能となる。よって、不純物ガスがヘリウム容器202で凍結するのを防止することができる。
【０１０１】
一方、ヘリウム輸送管(B)303は、ガスバック125の最下部に限らず、ガスバック125のどの位置に接続しても構わないが、ガスバック125の最下部のドレイン栓307の位置に接続することにより、ガスバック124の開口を極力減らすことができ、リークなどの故障ポテンシャル要因を下げる効果を得られる。
【０１０２】
また、図2の構成では、ヘリウム排気管124の真空容器201の内側部分を、真空容器201の内側でサービスポート209と合流させるか、もしくは、サービスポート209と兼用させる構成にすることも可能である。サービスポート209にヘリウム排気管124を兼用させる場合には、ヘリウム排気管124と輻射シールド212との熱接触部217を省略することも可能である。真空容器201の外側で再びサービスポート209からヘリウム排気管124を分岐させる。これにより、真空容器201から、ヘリウム排気管124とサービスポート209の2本の配管を引き出す必要がなく、1本にすることができるため、真空容器201の気密の維持が容易になる。また、サービスポート209の栓210からヘリウム排気管124へのアクセスが容易になる。
【０１０３】
なお、ドレイン栓307から新しいヘリウムガスをガスバック125内に注入することも可能である。何らかの原因で、ヘリウム容器202の液体ヘリウムが減少した場合は、サービスポート209から液体ヘリウムを注入する代わりに、ヘリウムガスをガスバック125に注入することで、コールドヘッド107で液体ヘリウムに凝縮することができる。液体ヘリウムは輸送や長期保管が困難であるが、シリンダーに詰められたヘリウムガスは輸送や長期保管が可能である。これにより、超電導磁石を用いたMRI装置を液体ヘリウムのサービス・ネットワークから外れた地域でも使用することができるため、超電導磁石を用いたMRI装置の利便性が高まる。
【０１０４】
上述してきたように本実施形態では、停電やシステム障害時にコールドヘッド107が停止すると、ヘリウム容器202内の圧力が20KPaに到達し、停電等の復旧まで維持される(ステップ403)。これを利用して、停電時等にヘリウムガスバックやヘリウム排気管の損傷が生じた場合に、これを検出して警報を発することが可能である。具体的には、ヘリウム排気管124やガスバック125に損傷が生じた場合、ヘリウムガスが漏れ出ることにより、ヘリウム容器202の圧力20KPa以下になる。超電導磁石101の磁石制御ユニット110は、停電時であってもバッテリー等で駆動され、ヘリウム容器202内の圧力を圧力センサー206により検出している。
【０１０５】
よって、停電やシステム障害時にヘリウム容器202の圧力が20KPaを下回った場合には、磁石制御ユニット110は、警報等により操作者や管理者に報知することができる。また、磁石制御ユニット110は、遠隔監視システムを介して遠隔監視拠点に圧力の検出結果をネットワーク等を介して送信しているので、遠隔監視拠点で圧力低下を検出して警報等を発令することも可能である。なお、圧力センサー206によりヘリウム容器202内の圧力を磁石制御ユニット110が検出する動作は、従来より行われているため、停電時に20KPa以下にガスバック等の損傷を検出する動作は従来のMRI装置であっても容易に追加することができる。
【０１０６】
ここで、本実施の形態のMRI装置を医療施設等に設置する手順を以下簡単に説明する。
(1)従来技術のMRI装置と同じように、ガスバック125以外のMRI装置を医療施設に据付ける。
(2)超電導磁石101の上部の排気管124に、一方向リリーフバルブ302，305が図3のように備えられた輸送管301、303、304、306を接続する。ただし、一方向リリーフバルブ302，305は手動で開放しておく。
(3)収縮した状態のガスバック125を所定の設置位置に配置する。
(4)超電導磁石101のヘリウム容器202から輸送管301、303、304、306を通してヘリウムガスが流れ出るようにする。これは、コールドヘッド107を一定時間停止させ、ヘリウム容器202内圧を10KPaにすることで容易に実現できる。
(5)次に、ガスバック125のドレインバルブ307を開け、ガスバック125上部の輸送管306を接続すべき開口にヘリウムガスボンベを接続し、ヘリウムガスを注入する。十分にガスバック125内の空気がヘリウムガスに置換されるまで10分間継続する。
(6)次に、ガスバック125のドレインバルブ307にヘリウムガスボンベを接続し、輸送管306を接続すべき開口と輸送管303を接続すべき開口からヘリウムガスが流れ出る状態とする。ガスバック125の内圧をヘリウムガスで10KPaより1〜2KPa程度を維持することにより実現できる。
(7)上記(6)によりガスバック125の輸送管303，306を接続すべき開口からヘリウムガスが流れ出ており、上記(4)により超電導磁石101に接続された輸送管303，306からもヘリウムガスが流れ出ている状態で、輸送管303と306をガスバック125に接続する。これにより、輸送管301、303、304，306やガスバック125内に大気が混入することを防ぐことができる。
(8)ガスバックの内圧が10KPaになるまで、ドレインバルブ307に接続したガスボンベからヘリウムガスを注入する。
(9)ドレインバルブ307を閉めるとともに、コールドヘッド107の運転を再開する。
(10)コールドヘッド107の冷却能力によって、ガスバック125内のヘリウムガスは、輸送管304，306を経由してヘリウム容器202に移動し、液体ヘリウムとなって蓄積される。
【０１０７】
上記の手順によって設置することで、ガスバック125内に大気ガスが混入しない。また、MRI装置の据付作業と分離してガスバック125を設置できる。また電力事情に応じて、ガスバックの追加や交換作業も容易に行うことができる。
【０１０８】
(第二の実施形態)
第二の実施形態のMRI装置について図6(a)、(b)を用いて説明する。
【０１０９】
第二の実施形態では、ガスバック125に蓄えたヘリウムガスをヘリウム容器202に戻す前に、ヘリウムガスに混入している空気等の不純物ガスを除去する機構を備えた。
【０１１０】
第一の実施形態で図3で説明したように、ヘリウム輸送管(D)306はヘリウムガスバック125の最上部に接続され、最も質量の軽いヘリウムガスだけがヘリウム容器に戻るように構成されている。しかし、ヘリウムガスをヘリウム容器に戻す過程で、ヘリウム輸送管(D)306、ガスバック125やヘリウム排出管124の接続部の不具合等でリーク混入した空気は、この構成だけでは分離することができない。
【０１１１】
そこで、第二の実施形態は、図6に示すように、ヘリウム排気管214が輻射熱シールド板212と熱交換する熱接触部217の一部に、液体空気を蓄える液溜め901を配置した。液溜め901は、ヘリウム排気管214の一部を下方に膨らませた構成である。液溜め901は、例えば厚さ2ミリメートルのステンレス鋼により形成する。液溜め901の部分には、輻射シールド212に開口が設けられ、液溜め901はこの開口からヘリウム容器202側の空間に突出している。ヘリウムガスにヘリウム排気管124やガスバック125の接続部分等で空気等の不純物ガスがわずかに混入した場合であっても、熱接触部217において空気等の不純物ガスがヘリウムガスよりも先に液化する性質を利用して、液溜め901に溜めて除去することができる。以下、さらに説明する。
【０１１２】
コールドヘッド107の冷却能力が回復して、ガスバック125に蓄えられていたヘリウムガスがヘリウム排気管124を通ってヘリウム容器202に戻るとき、ヘリウムガスと混入した空気は熱接触部217で冷却される。熱接触部217では、ガスバック125に近い側からコールドヘッド107に近い部位に移動する過程で、室温から、コールドヘッド107の第一冷却ステージ213の温度である43ケルビン(−230℃)付近まで冷却される。この過程で、ヘリウムガスに混入した空気は酸素の沸点約−183℃で酸素成分が液化し、窒素の沸点約−196℃で窒素成分が液化する。液化した空気は液溜め901に落下し、蓄積される。よって、ヘリウムガスだけがヘリウム容器202に流入し、ヘリウム容器202内で液化される。
【０１１３】
液体酸素と液体窒素が固化する温度(融点)はそれぞれ約−218℃と−約210℃であるから、液溜め901は、熱接触部217の、空気が完全に液化し、かつ固化するより高い温度である−196℃から−210℃の領域内に設置する。
【０１１４】
超電導磁石101の長期間運転中に発生する停電やシステム障害の度に、液体ヘリウム204はヘリウムガスとなってヘリウム容器202とガスバック125との間を行き来する。そのため、液溜め901には、空気等の不純物ガスが徐々に蓄積されていく。そこで、第二の実施形態では、液溜め901の内部に蓄積された不純物ガスを排気する構成をさらに設けた。
【０１１５】
図6(b)のように、不純物ガスを排気する構成として、液溜め901のヒータ902が組込まれている。ヒータ902は、電流を供給する配線903が接続されている。配線903は、真空容器201よりも外側の位置までヘリウム排出管124内を引き回され、気密シール等を介してヘリウム排気管124から外部に引き出されている。もしくは、配線903をガスバック125のドレイン線307の近傍まで引き回しておく。
【０１１６】
不純物ガスを排気するタイミングとしては、超電導磁石101の年1回実施する定期点検時等が好ましい。このタイミングで、ガスバック125底部のドレイン栓307と一方向リリーフバルブ(10KPa)302を手動で開放し、ヒータ902に電流を印加する。この発熱で、液体空気は気化膨張して、ヘリウム排出管124を通ってガスバック125底部のドレイン栓307から大気中に放出することができる。
【０１１７】
液溜め901は厚さ2ミリメートルのステンレス鋼で作られているので外部への熱伝搬は少なく、ヒータ902の短時間の発熱作用は液溜め901内部の局所的な発熱に限定される。よって、液体空気の放出作業を実施しても、ヘリウム容器202や輻射熱シールド板212には影響をほとんど与えることなく、空気(不純物ガス)を排気できる。
【０１１８】
液溜め901内の液体空気が完全に気化されて放出されると、ヒータ902の温度が急に上昇し、その電気抵抗が急変するので、作業者は、ヒータ902のリード線の端子に印加する電圧値と電流値を監視することで、液体空気の放出作業が完了したことを把握できる。液体空気(不純物ガス液体)が完全に気化したならば、通電を停止し、ドレイン栓307と一方向リリーフバルブ(10KPa)302を手動で閉じる。
【０１１９】
以上のように、第二の実施形態では、液溜め901とヒータ902を備えたことにより、ヘリウムガスにわずかに空気等の不純物ガスが巻き込まれてもこれを除去することができる。よって、ヘリウム容器202に空気が入り込み、ヘリウム排出管124の開口付近で凍結し、閉塞するトラブルを排除することができる。
【０１２０】
上述した以外の構成および作用・効果は、第一の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【０１２１】
(第三の実施形態)
第三の実施形態として、ヘリウムガスを蓄えるガスバック125が複数個に分割された超電導MRI装置を図7を用いて説明する。図7は、MRI装置の一部を示し、各種電源ユニットやコンピュータ109は、図1と同じ構成なので省略してある。ガスバック125を分割配置することにより、ガスバック125の膨張時に必要な空間をいくつかに分割して用意することができるため、ガスバック125を配置する空間の自由度が大きくなり、利便性が向上する。
【０１２２】
図7のように、ガスバック125は、二つのガスバック601，602に分割されている。二つのガスバック601、602はヘリウムガス輸送管603により接続される。ヘリウム排気管124は、第一ガスバック601に接続される。第一ガスバック601とヘリウム排気管124との間の接続構造は、第一の実施形態でガスバック125とヘリウム排気管124との接続構造(図3)と同じである。第一ガスバック601からヘリウムガス輸送管(E)603を介して、第二ガスバック602が接続されている。
【０１２３】
図7の例では、第一ガスバック601を検査室123の外側の側面に、第二ガスバック602を検査室123の天井の上に配置している。
【０１２４】
第一ガスバック601と第二ガスバック602の構造は、第一の実施形態のガスバック125同様、その内部圧力が所定圧(約10KPa)に達したら容積を膨張させ、所定圧を維持する構造である。二つのガスバック601、602の容量は、合わせてガスバック125の容量と同等とすることも可能であるし、合わせた容量がガスバック125よりも大きくなるようにして、さらに長時間の停電に対応することも可能である。
【０１２５】
本実施形態では、ガスバックの膨張空間を検査室123の天井裏などの空スペースを利用することで、ガスバックの膨張空間を確保が容易になり、建屋のスペース負担を低減する効果がある。また、複数のガスバックを接続することで、容量を大きくすることも容易になるため、停電が長時間に及ぶ施設に対応することができる。
【０１２６】
図8に複数のガスバックの配置の別の例を示す。図8の構成は、複数のガスバック701、702、703、・・・をヘリウム排気管125に並列に接続した構成である。複数のガスバック701、702、703等とヘリウム排気管124との間にはそれぞれに一方向リリーフバルブ302と一方向リリーフバルブ305が配置されている。これにより、個々のガスバック701、702、703等とヘリウム排気管124との間の接続構造を、第一の実施形態のガスバック125とヘリウム排気管124との接続構造(図3)と同等にしている。よって、停電やシステム障害時にはヘリウム容器202で発生したヘリウムガスをガスバック701、702、703等に流出して蓄え、停電等の復旧時にはガスバック701、702，703等からヘリウム容器202にヘリウムガスを戻して液化させることができる。
【０１２７】
なお、図8の構成において、複数のガスバック701，702、703等ごとに配置された一方向リリーフバルブ302と一方向リリーフバルブ305の動作圧を、ガスバック701，702、703等ごとに異なる動作圧に設定することにより、ガスバックの動作に序列を付けることができる。例えば、ガスバック701の一方向リリーフバルブ302と一方向リリーフバルブ305の動作圧を9KPaと4KPaにそれぞれ設定し、ガスバック702の一方向リリーフバルブ302と一方向リリーフバルブ305は、10KPaと5KPaのままとし、ガスバック703の一方向リリーフバルブ302と一方向リリーフバルブ305の動作圧を11KPaと6KPaに設定する。
【０１２８】
これにより、停電時にヘリウム容器202からヘリウムガスが発生し、内圧が上昇すると、ガスバック701、ガスバック702、ガスバック703の順に一方向リリーフバルブ302が開き、ヘリウムガスが蓄えられる。復旧時も、ガスバック701、ガスバック702、ガスバック703の順に一方向リリーフバルブ305が開き、内部のガスがヘリウム容器202に戻る。
【０１２９】
図7および図8の構成にすることで、大きなガスバックを設置することが困難な施設でも、目的の容量のガスバックを設置することが可能になる。また、天井裏や床下の僅かな空間も有効に利用できる。さらに、ガスバックの動作に序列を付けることによって、ガスバックを設置したそれぞれの部屋や空間の利用状況に応じて、所望のガスバックからガスを溜めていくことができる。よって、停電が長引いた時のためにガスバックを配置したが、停電が短ければ、できればその部屋(空間)でガスバックを膨らませたくない場合には、そのガスバックの序列を下げておく(リリーフバルブの動作圧を高くしておく)ことで対応できる。
【０１３０】
(第四の実施形態)
第一〜第三の実施形態において、システム障害や停電が長時間におよび、結果として超電導磁石101から排出されたヘリウムガスで、ガスバック全てがその動作圧10KPaで満杯となった場合に備えて、第四の実施形態では、ガスバックの一部に所定圧でリークする排出弁を設ける。
【０１３１】
排出弁は、ドレインバルブ307とは別に設けてもよいし、ドレインバルブ307に排出弁の機能を併せ持たせることも可能である。具体的には、ガスバックの内圧が予め定めた圧力(例えば15KPa)に達したならば、ドレインバルブ307がヘリウムガスをリークさせるように構成する。
【０１３２】
リークを生じさせる上記予め定めた圧力は、ガスバック125、601、602、701、702、703等が、構造的に耐え得る圧力であって、ガスバックとヘリウム容器202との間の接続構造が耐えうる圧力に設定する。例えば、ガスバックが15KPaの圧力に耐えうるのであれば、排気弁のリーク圧力を15KPaに設定することができる。排出弁のリーク圧力を15KPaに設定した場合、ヘリウム容器202の圧力は、10KPaの一方向リリーフバルブ302の動作圧が加算された25KPaまで上昇し、これを超えるとガスバック内が15KPaを超えるため排出弁がリークする。よって、ガスバックや接続構造には負荷がかかりすぎず、ガスバックの破損等を防止できる。
【０１３３】
なお、ヘリウム容器202は、破裂板211が破裂する圧力(例えば40KPa)までは耐えられる構造であるので、25KPaまで圧力が上昇したとしてもヘリウム容器202に損傷は生じない。
【０１３４】
上記した以外の構成および作用効果は、第一〜第三の実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０１３５】
(第五の実施形態)
第一〜第四の実施形態のMRI装置において、ガスバック125、601、602、701、702、703等が設置されている部屋の床に、図9のようにガスバックの最大膨張時の位置を示すマーク801をマーキング用テープ等で示すことが可能である。この図9は、図1のA矢視図である。
【０１３６】
このように最大膨張時の区域をマーク801で床に示すことで、停電やシステム障害時にはマーク801の区域には立ち入らないように、操作者や被検体に知らせることができるため、操作者等の安全を確保することができる。また、停電時等に不用意にこの区域に物を置くなどの行為を防ぐことができるとともに、停電時等以外にはこの区域を利用できることが認識でき、空間の有効利用が図れる。
【０１３７】
図9では、床面の区域のみを示しているが、壁面にも合わせて区域を示すことができる。また、マーキングテープに限らず、天井から鎖を吊るすなど立体的にガスバックの膨張領域を示すことも有効である。
【符号の説明】
【０１３８】
101  超電導磁石、102  被検体、107  コールドヘッド、110  磁石制御ユニット、112  傾斜磁場コイル、113  傾斜磁場電源、114  シム電源、119  コンピュータ、124  ヘリウム排気管、125  ガスバック、202  ヘリウム容器、204  液体ヘリウム、206  圧力センサー、207  ヒータ素子、212  輻射シールド板、213  第一冷却ステージ、216  第二冷却ステージ、217  熱接触部、301  ヘリウム輸送管(A)、302  一方向リリーフバルブ(10KPa)、303  ヘリウム輸送管(B)、304  ヘリウム輸送管(C)、305  一方向リリーフバルブ(5KPa)、306  ヘリウム輸送管(D)、601  第一ガスバック、602  第二ガスバック。
【図１】
2013172148.tif 000003
【図２】
2013172148.tif 000004
【図３】
2013172148.tif 000005
【図４】
2013172148.tif 000006
【図５】
2013172148.tif 000007
【図６】
2013172148.tif 000008
【図７】
2013172148.tif 000009
【図８】
2013172148.tif 000010
【図９】
2013172148.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成27年2月4日(2015.2.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５８】
また、停電等による超電導磁石101の冷媒容器の圧力変化と、磁場空間103の磁場変化との関係を予め計測し、コンピュータ119に入力しておくことも可能である。磁石制御ユニット110からの圧力信号を基に、コンピュータ119は予め計測した上記関係を参照し、傾斜磁場電源113とシム電源114を制御して、圧力変化に伴う磁場変化を補償する。この機能は、MRI検査の前に磁場補正用のNMR信号を計測する必要がなく、かつ、リアルタイムで補正ができるので、例えば、救急患者のMRI検査の場合などに好適である。
【国際調査報告】
2013172148.tif 000012
2013172148.tif 000013
2013172148.tif 000014
2013172148.tif 000015