(57)【要約】  【課題】  超電導マグネットの真空容器内に配置される輻射シールドを好適に冷却することが可能な超電導マグネット及びそれを用いた磁気共鳴イメージング装置が提供する。  【解決手段】  超電導コイル（３３）と、超電導コイル（３３）を所定の温度以下に冷却するための冷却手段（３４）と、内部を真空にして超電導コイル（３３）を収めるための真空容器（３６）と、超電導コイル（３３）と真空容器（３６）の間に超電導コイル（３３）を囲うように設けられ、外部からの輻射により熱が侵入することを防ぐための輻射シールド（３５）と、冷凍機（３９）を備えた超電導マグネットにおいて、輻射シールド（３５）の一部又は全部は容器構造になっていて、輻射シールド（３５）は容器内に液体窒素を溜めることにより冷却されるととともに、輻射シールド（３５）は冷凍機（３９）の冷却部に接続されていて、気化した窒素ガスは冷凍機（３９）の冷却部の冷却により再凝縮される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導コイルと、前記超電導コイルを所定の温度以下に冷却するための冷却手段と、内部を真空にして前記超電導コイルを収めるための真空容器と、前記超電導コイルと前記真空容器の間に前記超電導コイルを囲うように設けられ、外部からの輻射により熱が侵入することを防ぐための輻射シールドと、冷凍機を備えた超電導マグネットにおいて、前記輻射シールドの一部又は全部は容器構造になっていて、前記輻射シールドは前記容器内に液体窒素を溜めることにより冷却されるととともに、前記輻射シールドは前記冷凍機の冷却部に接続されていて、気化した窒素ガスは前記冷凍機の冷却部の冷却により再凝縮されることを特徴とする超電導マグネット。
【請求項２】
前記輻射シールドの容器内に前記液体窒素を注液するための注液管を備えたことを特徴とする請求項１記載の超電導マグネット。
【請求項３】
前記請求項１あるいは２記載の超電導マグネットを静磁場発生手段として用いた磁気共鳴イメージング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導マグネット及びそれを用いた磁気共鳴イメージング装置(以下、MRI装置という。)に関り、特に超電導マグネットの真空容器内に配置される輻射シールドの好適な冷却技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
MRI装置は、均一な静磁場内に置かれた被検体に電磁波を照射したときに、被検体を構成する原子の原子核に生じる核磁気共鳴現象を利用し、被検体からの核磁気共鳴信号(以下、NMR信号という。)を検出し、このNMR信号を使って画像を再構成することにより、被検体の物理的性質をあらわす磁気共鳴画像(以下、MR画像という。)を得るものである。
【０００３】
従って、MRI装置では、装置を配置した検査室内に、被検体の水素原子核(プロトン)のスピンの向きを整列させるための静磁場を計測空間内に発生するための静磁場発生源を備えている。MRI装置に用いられる静磁場発生源としては、永久磁石以外に超電導マグネットを用いたものが広く商用化されている。超電導マグネットの一般的な例としては、内部を真空にした真空容器の中に、液体ヘリウムで満たした液体ヘリウム容器を備え、更にその内部に超電導コイルを配置することにより、超電導状態の超電導コイルに電気を流し、静磁場を発生するものがある。以下、このような超電導マグネットを液体ヘリウム含浸型超電導マグネットと呼ぶ。
【０００４】
液体ヘリウム含浸型超電導マグネットの技術的課題の一つに、低温冷媒である液体ヘリウムの蒸発損失を少なくし、注液補充をほとんど必要としなくすることがある。この課題の解決策の1つとして、ヘリウム容器の外側で真空容器の内側を輻射シールドで覆い、該輻射シールドを2段から成る冷凍機の1段ステージ(温度は40K〜80K)と接続して伝導冷却することにより、輻射熱による熱の侵入を低減させたものがある。
【０００５】
また上記輻射シールドを冷却する技術としては、特許文献1に開示されているように輻射シールド(熱シールド)に接した配管内に液体窒素を循環させるものや、特許文献2に開示されているように冷凍機を2つ設け、ヘリウム容器(内槽容器)を冷却する冷凍機とは別の、輻射シールド(シールド)を冷却するための冷凍機を設けたものがある。
【特許文献１】特開平8−111310号公報
【特許文献２】特開平7−74019号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者は、上記従来技術を検討した結果、以下の問題点を見出した。
すなわち近年、傾斜磁場コイル(以下、GC)により印加される変動磁場の強度と変化速度はますます増加する傾向にある。この増加は、GCが与える計測空間の位置情報を高精化すると共に、撮影時間を短縮化させるためのものであるが、これにより、静磁場発生系(静磁場発生源)に悪影響を及ぼしていた。具体的には、静磁場発生系を構成するヘリウム容器や輻射シールド等の電気伝導部材に渦電流が誘起され、この渦電隆による磁場が計測空間における静磁場の均一度を乱すと共に、渦電流の静磁場との相互作用によってローレンツ力も発生するので、静磁場発生系が振動して、静磁場均一度の時間的安定性に劣化が生じるという問題が生じた。
【０００７】
また、超電導コイルの温度が上昇してクエンチが生じることがないようにするためには、ヘリウム容器内に多量の液体ヘリウムを収容できるようにする方が良く、また、撮像される画像のS／N比を高くするために中心磁場が高い方が良いが、そのような静磁場発生源を製作するためには、磁石を大型化させることが必要である。大型化させた磁石の場合、ヘリウム容器を覆うべき輻射シールドも大型化するが、大型化した輻射シールドを、冷凍機から最も遠いところまで冷やすためには、輻射シールドを厚くしなければならず、効率的に冷やせなかった。
【０００８】
また、特許文献1記載の冷却技術では、配管で輻射シールド全体を覆えないので、冷却効率が不十分であるという問題点があり、特許文献2記載の従来技術では、冷凍機が2つ必要であるので、コストが高くなるという問題点があった。
【０００９】
本発明の目的は、超電導マグネットの真空容器内に配置される輻射シールドを好適に冷却することが可能な超電導マグネット及びそれを用いた磁気共鳴イメージング装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第1の特徴によれば、超電導コイルと、前記超電導コイルを所定の温度以下に冷却するための冷却手段と、内部を真空にして前記超電導コイルを収めるための真空容器と、前記超電導コイルと前記真空容器の間に前記超電導コイルを囲うように設けられ、外部からの輻射により熱が侵入することを防ぐための輻射シールドと、冷凍機を備えた超電導マグネットにおいて、前記輻射シールドの一部又は全部は容器構造になっていて、前記輻射シールドは前記容器内に液体窒素を溜めることにより冷却されるととともに、前記輻射シールドは前記冷凍機の冷却部に接続されていて、気化した窒素ガスは前記冷凍機の冷却部の冷却により再凝縮されることを特徴とする超電導マグネットが提供される。
【００１１】
また本発明の第2の特徴によれば、前記輻射シールドの容器内に前記液体窒素を注液するための注液管を備えたことを特徴とする本発明の第1の特徴を併せ持つ超電導マグネットが提供される。
【００１２】
また本発明の第3の特徴によれば、本発明の第1あるいは第2の特徴を持つ超電導マグネットを静磁場発生手段として用いた磁気共鳴イメージング装置が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、超電導マグネットの真空容器内に配置される輻射シールドを好適に冷却することが可能な超電導マグネット及びそれを用いた磁気共鳴イメージング装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、一般的なMRI装置のシステム構成を図1により詳細に説明する。
MRI装置は大別して、中央処理装置(以下、CPUと略称する)1と、シーケンサ2と、送信系3と、静磁場発生用磁石4と、受信系5と、傾斜磁場発生系21と、信号処理系6とから構成されている。
【００１５】
CPU1は、予め定められたプログラムに従って、シーケンサ2、送信系3、受信系5、信号処理系6を制御するようになっている。シーケンサ2は、CPU1からの制御指令に基づいて動作し、被検体7の断層面の画像データ収集に必要な種々の命令を送信系3、傾斜磁場発生系21、受信系5に送るようになっている。
【００１６】
送信系3は、高周波発振器8と、変調器9と、照射コイル11とを備え、シーケンサ2の指令により高周波発振器8からの基準高周波パルスを変調器9で振幅変調し、この振幅変調された高周波パルスを高周波増幅器10を介して増幅して照射コイル11に供給することにより、所定のパルス状の電磁波を被検体に照射するようになっている。
【００１７】
静磁場発生用磁石4は、被検体7の周りの所定の方向に均一な静磁場を発生させるためのものである。この静磁場発生用磁石4の内部には、照射コイル11と、傾斜磁場コイル13と、受信コイル14とが配置されている。傾斜磁場コイル13は傾斜磁場発生系21に含まれ、傾斜磁場電源12より電流の供給を受け、シーケンサ2の制御のもとに傾斜磁場を発生させる。
【００１８】
受信系5は、被検体の生体組織の原子核の核磁気共鳴により放出される高周波信号(NMR信号)を検出するもので、受信コイル14と増幅器15と直交位相検波器16とA／D変換器17とを有しており、上記照射コイル14から照射された電磁波による被検体の応答の高周波信号(NMR信号)は被検体に近接して配置された受信コイル14で検出され、増幅器15及び直交位相検波器16を介してA／D変換器17に入力され、ディジタル量に変換され、その信号がCPU1に送られるようになっている。
【００１９】
信号処理系6は、磁気ディスク20、光ディスク19などの外部記憶装置と、CRTなどからなるディスプレイ18とを備え、受信系5からのデータがCPU1に入力されると、CPU1が信号処理、画像再構成などの処理を実行し、その結果である被検体7の所望の断層面の画像をディスプレイ18で表示すると共に、外部記憶装置の磁気ディスク20などに記憶するようになっている。
【実施例１】
【００２０】
図2は、本発明の実施例1に係るMRI装置用の超電導マグネット(静磁場発生源)の断面図である。ただし、図2は開放型マグネットの例であり、計測空間31を挟んで上下に上側磁石32aと下側磁石32bを配置したものである。上下の磁石(上側磁石32aおよび下側磁石32b)はそれぞれ、超電導コイル33と、超電導コイル33を中に収め、液体ヘリウムを中に収容することによって超電導コイル33が超電導状態になるための所定の温度以下に冷却するための液体ヘリウム容器34と、液体ヘリウム容器34を囲うように設けられ、外部からの輻射による熱の侵入を防ぐための液体窒素槽を有する輻射シールド35と、輻射シールド35を囲うように設けられ、中を真空にするための真空容器36、液体ヘリウム容器34と外部とを接続し、液体ヘリウム容器内へ液体ヘリウムを外部から注液したり排出するための液体ヘリウム注液・排出管37と、輻射シールド35の液体窒素槽内と外部とを接続し、液体窒素槽内へ液体窒素を注液するための液体窒素注液管38aと、排出するための液体窒素排出管38bと、液体ヘリウム容器34にその2段部(第2ステージ)が接続され、2段部で液体ヘリウム容器34内で気化したヘリウムガスの再凝縮を行い、輻射シールド35にその1段部(第1ステージ)が接続され、1段部で液体窒素槽内で気化された液体窒素を再凝縮を行うための冷凍機(極低温冷凍機)39を備えている。また、上下の磁石(上側磁石2aおよび下側磁石2b)は連結管40によって接続されていて、上下のそれぞれの磁石を構成するそれぞれの容器が一体の構造になっている。
【００２１】
本実施例では、輻射シールド35が2重円筒構造に2重の蓋をかぶせたような構造から成り(以下、2重蓋付き円筒構造と呼ぶ。)、2重から成る輻射シールド35の間に液体窒素を流すことによって液体窒素を蓄えられる容器構造にもなっている。図2において斜線で示した部分は容器構造の輻射シールド内に蓄えられた液体窒素である。そして、磁石上部に設けられた液体窒素注液・排出管38a，38bを用いて液体窒素の注液や排出ができるとともに、容器構造になっている輻射シールド35の一部が、冷凍機39の1段冷却部(42)と連結されている。ただし、冷凍機39としてはギフォード・マクマホン型の極低温冷凍機等が好適であり、その1段冷却部は気化した窒素ガスを再凝縮するために、またその2段冷却部(43)はヘリウムガスを再凝縮させるために取り付けられている。例えば、本実施例で使用した冷凍機の冷却能力は1段部が20W@70Kで、2段部が1W@4Kである。そして、1段冷却部で再凝縮できる液体窒素の量は、約0.2L／hである。
【００２２】
以上のような構成にすれば、極低温冷凍機が停電等によって停止しても、輻射シールド内部には液体窒素は充填されているため、外部からの熱輻射で直ちにその温度が上昇することはなく、長時間に渡って低温を維持することができる。加えて、冷凍機停止が長時間となり、その液体窒素の液量が少なくなっても、蒸発した窒素ガスが周囲の輻射シールドを冷却しながら容器外部へ排出されるために、その温度上昇は小さくなる。この効果は、超電導コイルのクエンチを防止するために必要な液体ヘリウムの容量を少なくでき、液体ヘリウム容器を小型化することができるという利点もある。
【００２３】
また、容器構造をしている輻射シールド35は、高電気抵抗性で高熱伝導性部材の2重蓋付き円筒構造のもの2つを、連結管40で接続する部分だけ穴を空けて連結したような構造になっている。輻射シールド35の材質として、例えばオーステナイト系ステンレス鋼のSUS304を用いれば、これは電気抵抗がアルミの約100倍大きいため、GCの変動磁場下においても渦電流を誘起することがなくなる。また2重円柱構造とすれば、剛性が高く、磁石全体の耐振動剛性を高くすることができる。
【実施例２】
【００２４】
図3は、本発明の実施例2に係るMRI装置用の超電導マグネット(静磁場発生源)の断面図である。ただし、図3も開放型マグネットの例である。図3の基本的な構造は実施例1(図2)と同様であるが、本実施例では輻射シールドの構造が部分的に異なっている。
本実施例では計測空間側の上下に対向する輻射シールドの領域を従来の高熱伝導な金属の板41、例えばアルミ板を用いている。
【００２５】
このような構成にすれば、この対向面側の領域を、上記2重蓋付き円筒構造とした場合より厚さを薄く構成できるので、計測空間のサイズを大きくとることができる。計測空間のサイズをより広くするためには、この断面を構成する部材の板厚をより薄くすることが望ましい。
【００２６】
更に図4は、実施例2における液体窒素を蓄える容器と、アルミ等の高熱伝導材からなる輻射シールドの板とを接合させた構造の一部を示す。この構造ではステンレス鋼の2重蓋付き円筒構造の底部がアルミ円板で構成され溶接されていて、アルミ板はその周囲縁から液体窒素で冷却される。このような構造を採用することにより、従来のアルミ円板と比較してその板厚を薄くすることが可能である。
【００２７】
なお、この方式を用いると、電気抵抗の低い材料で対抗面側の領域が構成されるため、GCの変動磁場に対して渦電流を誘起しやすい構造となるが、図4のように円板内に放射状にスリット42を設けて周方向に分割すれば、渦電流の大きなループを切ることができる。従来のように全てを伝導方式の輻射シールドを用いた場合では、冷凍機の冷却部からの伝導パスを考慮する必要があり、自由の箇所にスリットを入れることが困難であったが、本発明による構造では、対抗面側の領域の円板の周囲縁の全てが液体窒素で冷却されているため、放射状にスリットを設けることによる冷却への悪影響は生じない。
【００２８】
本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変形して実施できるものである。特に本発明は、上記超電導コイルの表面積に対して、上記輻射シールドの表面積が10倍以上であるような静磁場発生源を用いたMRI装置に有効である。なぜならば、輻射シールドの表面積が広い静磁場発生源は、冷凍機から最も遠い輻射シールドの部位が、冷凍機からの距離が長いために、冷却しにくいからである。また、本発明は、輻射シールドのうち冷凍機に近い方に高熱伝導材からなる板を用い、冷凍機から遠い方を容器構造にして液体窒素を流し込むようにしても良い。例えば、開放型マグネットにおける上側(天井側)に冷凍機を設ける場合、開放型マグネットの上側半分の輻射シールドを高熱伝導材からなる板(アルミ板)で構成して、開放型マグネットの下側半分を2重円柱構造で構成して両者を連結管等で接続するようにしても本発明の効果は達成できるので、本発明の要旨を逸脱しないことは言うまでもない。また、上記実施例は開放型マグネットを用いたMRI装置についての例であったが、本発明はこれに限定されず、開放型でないMRI装置、例えばトンネル型マグネットを用いたMRI装置にも本発明が適用できることは言うまでもない。また、上記実施例では、超電導コイルを冷却するために液体ヘリウムとそれを収容する液体ヘリウム容器を用いる超電導マグネットについての例であったが、本発明はこれに限定されず、例えば冷凍機により直接伝導冷却するタイプの超電導マグネットおよびこれを用いた磁気共鳴イメージング装置にも本発明が適用できることは言うまでもない。また、超電導マグネットをMRI装置に用いる場合のみならず、超電導マグネット単独で用いられる場合にも、本発明は適用できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】一般的なMRI装置のシステム構成。
【図２】本発明の実施例1に係るMRI装置用の超電導マグネット(静磁場発生源)の断面図。
【図３】本発明の実施例2に係るMRI装置用の超電導マグネット(静磁場発生源)の断面図。
【図４】実施例2における液体窒素を蓄える容器と、アルミ等の高熱伝導材からなる輻射シールドの板とを接合させた構造の一部を示す図。
【符号の説明】
【００３０】
３１  計測空間
３２ａ  上側磁石
３２ｂ  下側磁石
３３  超電導コイル
３４  液体ヘリウム容器
３５  輻射シールド
３６  真空容器
３７  液体ヘリウム注液・排出管
３８ａ  液体窒素注液管
３８ｂ  液体窒素排出管
３９  冷凍機(極低温冷凍機)
４０  連結管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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