(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正磁場を発生させる正磁場発生コイル、および逆磁場を発生させる逆磁場発生コイルを備えた筒状の超電導マグネットと、前記超電導マグネットを収容する液体ヘリウム容器と、を備えるマグネット装置であって、
前記超電導マグネットにおいて、径方向の内側から順番に、前記正磁場発生コイルおよび前記逆磁場発生コイルが混合配置された混合層と、前記正磁場発生コイルが配置された正磁場層と、前記逆磁場発生コイルが配置された逆磁場層と、が設けられ、
前記正磁場層の前記正磁場発生コイルは軸方向の一方側の端部に配置され、
前記混合層において、複数の前記逆磁場発生コイルが前記一方側に寄せて配置されているとともに、複数の前記正磁場発生コイルが軸方向の他方側に寄せて配置されており、
前記混合層には、前記正磁場層の前記正磁場発生コイルに対向して少なくとも一つの前記逆磁場発生コイルが配置されており、
前記正磁場発生コイルの周方向から見た前記液体ヘリウム容器の形状は、軸方向の他方側かつ径方向外側の部分を切り欠いたような形状であり、
前記液体ヘリウム容器の軸方向の他方側部分の形状は、軸方向の他方側に向かうにしたがって径方向内側に狭くなる形状であるマグネット装置。
【請求項２】
前記混合層には、前記正磁場層の前記正磁場発生コイルに対向させずに少なくとも一つの前記逆磁場発生コイルが配置されている請求項１に記載のマグネット装置。
【請求項３】
前記逆磁場層の前記逆磁場発生コイルは、前記正磁場層の前記正磁場発生コイルに対向して配置されている請求項１または２に記載のマグネット装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、正磁場を発生させる正磁場発生コイルと、逆磁場を発生させる逆磁場発生コイルとを備えた筒状の超電導マグネット、および当該超電導マグネットを備えたマグネット装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、超電導マグネットを備えた医療用のＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）装置は、核磁気共鳴を使用して断層撮影（ＭＲＩ撮影）を行うものであり、Ｘ線を使用した断層撮影と比較すると被爆等の問題がなく、広く医療用途として利用されている。しかしながら、従来のＭＲＩ装置では、通常、診断に適した磁場均一空間が装置長手方向（軸方向）の中央部分にあるため、特許文献１に示すように、被験者をトンネル状の細長い空間に入れる必要があった。そのため、被験者は圧迫感を感じたり、閉所に恐怖を感じたりすることが問題となっていた。
【０００３】
そこで、例えば特許文献２に記載のＭＲＩ装置のように、診断部位を頭部に特化し、磁場均一空間が装置の端部に発生するようにすれば、被験者の頭部を装置の奥まで入れる必要がないので、被験者の圧迫感や恐怖感を大きく和らげることができる。このような頭部に特化したＭＲＩ装置は、世界的に増加傾向にある認知症の診断等にも有効であるとされており、また、全身用のものと比べて装置サイズを大幅に小型化できるというメリットもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２１２１０７号公報
【特許文献２】特開２００９−２５９９２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、特許文献２のＭＲＩ装置は、片側端部において、逆磁場発生コイルを２つの正磁場発生コイルの間に配置するというものであり、これによって、コイル線材に作用する力を小さくすることができるとされている。しかしながら、このように片側辺部に設けるコイルを軸方向に並べる構成だと、装置が軸方向に大型化しやすく、装置サイズが小型できるというメリットが十分に享受できないおそれがあった。
【０００６】
そこで、本発明は、磁場均一空間を軸方向の端部に発生させる超電導マグネットにおいて、軸方向の寸法を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明は、正磁場を発生させる正磁場発生コイルと、逆磁場を発生させる逆磁場発生コイルとを備えた筒状の超電導マグネットにおいて、径方向の内側から順番に、前記正磁場発生コイルおよび前記逆磁場発生コイルが混合配置された混合層と、前記正磁場発生コイルが配置された正磁場層と、前記逆磁場発生コイルが配置された逆磁場層と、が設けられ、前記正磁場層の前記正磁場発生コイルは軸方向の一方側の端部に配置され、前記混合層には前記正磁場層の前記正磁場発生コイルに対向して前記逆磁場発生コイルが配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、正磁場発生コイルおよび逆磁場発生コイルが混合配置された混合層、正磁場発生コイルが配置された正磁場層、および逆磁場発生コイルが配置された逆磁場層が、この順番で径方向内側から設けられた構成となっている。そして、正磁場層の正磁場発生コイルが軸方向の一方側の端部に配置されるとともに、混合層には正磁場層の正磁場発生コイルに対向するように逆磁場発生コイルが配置されている。このように、逆向きの磁場を発生させる２つのコイルが軸方向の端部に設けられることで、当該端部に磁場均一空間を形成することができる。しかも、これら２つのコイルは、径方向に並べられる構成となっているので、軸方向の寸法を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態にかかるＭＲＩ装置の模式断面図である。
【図２Ａ】磁場強度の分布を示す模式図である。
【図２Ｂ】磁場強度の分布を示す模式図である。
【図２Ｃ】磁場強度の分布を示す模式図である。
【図３Ａ】比較例１のＭＲＩ装置の模式断面図である。
【図３Ｂ】比較例２のＭＲＩ装置の模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明にかかるＭＲＩ装置（マグネット装置）の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。図１に示すように、本実施形態のＭＲＩ装置１は、液体ヘリウム容器１１に複数のコイル２１〜２８が収容された超電導マグネット１０と、液体ヘリウム容器１１の外側に設けられた輻射シールド１２と、輻射シールド１２の外側に設けられた断熱真空容器１３とを備える、頭部の診断に特化したＭＲＩ装置である。ＭＲＩ装置１を構成する超電導マグネット１０、輻射シールド１２および断熱真空容器１３は、いずれも中心軸を同じとする筒状となっており、ＭＲＩ装置１の径方向中央部には、軸方向に延びる内部空間１４が形成される。
【００１１】
超電導マグネット１０は、不図示の筒状の巻枠体に線材が巻かれて構成されるコイル２１〜２８に、不図示の電気回路から電流が供給されることで、内部空間１４に磁場強度が均一な磁場均一空間Ｓを発生させるものである。この磁場均一空間Ｓは、概ね球状に形成されており、磁場均一空間Ｓ内に被験者の頭部（診断部位）が位置する状態で、ＭＲＩ撮影が行われる。
【００１２】
コイル２１〜２８を構成する線材は、ニオブ・チタン（ＮｂＴｉ）合金系の極細線材を銅母材に埋め込んだ超電導線材であり、その裸線径が約φ０．６５ｍｍ、被覆線径が約φ０．８８ｍｍである。この超電導線材を上記巻枠体に巻回したうえで含浸等の処置を施し、液体ヘリウム容器１１内の液体ヘリウム（約４．２Ｋ）に浸漬する。なお、超電導マグネット１０に設けられる電気回路は、コイル２１〜２８に電流を供給する供給回路の役割と、コイル２１〜２８をクエンチ等から保護する保護回路の役割とを有する。
【００１３】
超電導マグネット１０は複数のコイル２１〜２８を有するが、この中には、正磁場を発生させる正磁場発生コイルと、正磁場とは逆向きの逆磁場を発生させる逆磁場発生コイルとが存在する。各図において太枠で図示したものは正磁場発生コイルであり、細枠で図示したものは逆磁場発生コイルである。なお、正磁場と逆磁場は相対的な関係にすぎず、ある向きの磁場を正磁場と決めた場合に、その逆向きの磁場を逆磁場と定義しているにすぎない。すなわち、本発明において、正磁場発生コイルおよび逆磁場発生コイルが発生させる磁場の向きは絶対的に決められているものではない。
【００１４】
超電導マグネット１０は、径方向の内側から順番に、正磁場発生コイル２１〜２４および逆磁場発生コイル２５、２６が混合配置された混合層１０Ａ、正磁場発生コイル２７が配置された正磁場層１０Ｂ、および逆磁場発生コイル２８が配置された逆磁場層１０Ｃが設けられた三層構造となっている。混合層１０Ａおよび正磁場層１０Ｂは、主に、内部空間１４に磁場均一空間Ｓを発生させるためのメインコイル層として機能する。一方、逆磁場層１０Ｃは、主に、メインコイル層から発生する磁場が、外部に漏れることを防止するためのシールドコイル層として機能する。
【００１５】
混合層１０Ａにおいては、正磁場発生コイル２１〜２４が軸方向の奥側に寄せて配置される一方、逆磁場発生コイル２５、２６が軸方向の手前側に寄せて配置されている。また、正磁場層１０Ｂの正磁場発生コイル２７は、混合層１０Ａにおいて最も手前側に配置された逆磁場発生コイル２６に対向するように、手前側の端部に配置されている。なお、ここでの「対向する」とは、軸方向において少なくとも一部が重複するように、２つのコイルが配置される形態を指す。以下でも同様である。
【００１６】
正磁場層１０Ｂの正磁場発生コイル２７は、混合層１０Ａに設けられたコイル２１〜２６のいずれよりも強い磁場を発生させるコイルとされており、内部空間１４に強磁場を発生させるのに最も寄与度の大きいコイルとなっている。このような正磁場発生コイル２７を、軸方向の手前側の端部に配置することで、内部空間１４の手前側寄りに磁場強度の高い磁場均一空間Ｓを形成することができる。なお、磁場を強くするためには、コイルの巻数を多くするか、通電電流を大きくすればよい。
【００１７】
ここで、正磁場層１０Ｂの正磁場発生コイル２７の径方向内側に逆磁場発生コイル２６を設けることの効果について、図２Ａ〜図２Ｃを参照しつつ、詳細に説明する。図２Ａは、コイルを１つだけ設けた場合の磁束密度（磁場強度）の分布を模式的に示すものであり、図２Ｂは、同じ向きの磁場を発生させる２つのコイルを軸方向に並べた場合の磁束密度の分布を模式的に示すものであり、図３Ｃは、逆向きの磁場を発生させる２つのコイルを径方向に並べた場合の磁束密度の分布を模式的に示すものである。
【００１８】
図２Ａに示すように、正磁場発生コイル３１を１つ設けただけの場合には、磁束密度Ｂの分布が概ね楕円弧状となり、磁束密度Ｂが均一な領域を確保することができない。そこで、従来は、図２Ｂに示すように、２つの正磁場発生コイル３１を軸方向に並べることによって、磁束密度Ｂが均一な領域を２つの正磁場発生コイル３１の中央部分に確保することが行われていた。しかしながら、このようなコイル配置は、装置の軸方向への大型化を助長する要因となっていた。
【００１９】
そこで、本実施形態の超電導マグネット１０では、図２Ｃに示すように、最も強い正磁場を発生させる正磁場発生コイル２７の径方向内側に逆磁場発生コイル２６を設けてある。こうすることで、正磁場発生コイル２７によって発生する正磁場のピーク領域を、逆磁場発生コイル２６によって発生する比較的弱い逆磁場によってならし、磁束密度Ｂが均一な領域を確保することができる。とともに、図２Ｂのコイル配置と比較して、コイル２６、２７を径方向に並べる構成のために、装置が軸方向に大型化することを抑制できる。
【００２０】
なお、混合層１０Ａの逆磁場発生コイル２６について説明をしたが、混合層１０Ａの他のコイル２１〜２５も磁場均一空間Ｓの形成に寄与している。例えば、逆磁場発生コイル２５は、正磁場発生コイル２７に対向するように配置はされていないものの、軸方向の手前側に寄せて配置されているため、逆磁場発生コイル２６と同様に、磁場均一空間Ｓの均一化に寄与する。また、混合層１０Ａにおいて、複数の正磁場発生コイル２１〜２４を軸方向の奥側に寄せて配置することで、軸方向の手前側に配置された逆磁場発生コイル２５、２６による磁場均一空間Ｓの均一化作用を妨げることを抑えつつ、正磁場発生コイル２１〜２４による磁場均一空間Ｓの磁場強度や軸方向位置の調整が可能となっている。
【００２１】
逆磁場層１０Ｃの逆磁場発生コイル２８は、正磁場層１０Ｂの正磁場発生コイル２７に対向するように、正磁場発生コイル２７の径方向外側に配置されている。このような配置により、最も強い磁場を発生させる正磁場発生コイル２７による磁場が外部に漏れることを効果的に抑制することができる。また、正磁場発生コイル２７とともに、逆磁場発生コイル２８が軸方向の手前側の端部に配置されることになるので、正磁場層１０Ｂおよび逆磁場層１０Ｃの軸方向の奥側にはコイルが配置されない空きスペースが生じる。この空きスペースを狭くすべく、図１に示すように、液体ヘリウム容器１１、輻射シールド１２および断熱真空容器１３の軸方向奥側かつ径方向外側の部分を切り欠いた形状とすることで、ＭＲＩ装置１のさらなる小型化が可能となる。また、必要な液体ヘリウムの量も減らすことができ、経済的である。
【００２２】
本発明の実施例の各スペックについて、比較例と比較しつつ説明する。図３Ａは、比較例１のＭＲＩ装置１０１の模式断面図であり、図３Ｂは、比較例２のＭＲＩ装置１０２の模式断面図である。表１は、実施例および比較例１、２の各スペックを比較したものである。
【表１】
0006510874.tif 000002
【００２３】
頭部に特化したＭＲＩ装置に求められる各スペックについて説明する。ここで、磁場均一空間Ｓの形状は球形であると仮定する。被験者の圧迫感や恐怖感を軽減するため、超電導マグネットの軸方向手前側から磁場均一空間Ｓの中心までの距離ａは、１９５ｍｍ以下であることが好ましい。また、この距離ａを１９５ｍｍ以下に抑えることで、被験者の肩部を内部空間１４内に入れる必要がなくなり、ＭＲＩ装置の小型化が容易となる。
【００２４】
また、頭部に特化したＭＲＩ装置においては、被験者の頭部のみが内部空間１４に入ればよいので、内部空間１４の径ｒ２を３５０ｍｍ以下に抑えて、小型化を図ることが好ましい。内部空間１４の径ｒ２を３５０ｍｍ以下に抑えるためには、表１に示すように、超電導マグネット１０の内径ｒ１は３８５ｍｍ以下であることが求められる。また、診断精度等の他の観点から、通電電流は１００Ａ以下、磁場均一空間Ｓの磁場強度は１．５Ｔ以上、磁場均一空間Ｓの球径は約２００ｍｍ、磁場均一空間Ｓの磁場均一度は５ｐｐｍ以下であることが好ましい。
【００２５】
図３Ａ、Ｂに示すように、比較例１のＭＲＩ装置１０１および比較例２のＭＲＩ装置１０２は、メインコイル層１１０Ａとシールドコイル層１１０Ｂとからなる超電導マグネット１１０を備えるものである。この超電導マグネット１１０は、軸方向の中心に対して対称配置された複数のコイルを有しており、その結果、軸方向の中央部に磁場均一空間Ｓが形成される従来タイプのものである。
【００２６】
表１から明らかなように、本発明の実施例によれば、上述したすべてのスペックを満足するように、ＭＲＩ装置１を設計することができた。一方、従来タイプの比較例１、２においては、すべてのスペックを満足するような設計を行うことができなかった。具体的には、超電導マグネット１１０の軸方向手前側から磁場均一空間Ｓの中心までの距離ａを１９５ｍｍ以下にすることに主眼を置いて設計を行った比較例１では、磁場均一空間Ｓの磁場強度が０．５Ｔ、磁場均一度が１３ｐｐｍとなり、高品質な磁場均一空間Ｓを形成することができなかった。また、磁場均一空間Ｓの磁場強度や磁場均一度のスペックを満たすように設計を行った比較例２では、磁場均一空間Ｓの中心が軸方向手前側から２４７．５ｍｍと、目標値である１９５ｍｍを大幅に超えるものとなった。
【００２７】
つまり、従来タイプのＭＲＩ装置１０１、１０２では、磁場均一空間Ｓを軸方向の端部に形成したいという要求と、磁場均一空間Ｓの磁場強度および磁場均一度を向上させたいという要求とを、両立させることができなかった。一方、本発明の実施例によれば、これら２つの要求を同時に満足させることができ、被験者に圧迫感や恐怖感を感じさせない、頭部の診断に好適なＭＲＩ装置１を提供することができた。
【００２８】
（効果）
以上のように、本実施形態の超電導マグネット１０においては、正磁場層１０Ｂの正磁場発生コイル２７が軸方向の手前側（一方側）の端部に配置されるとともに、混合層１０Ａには正磁場層１０Ｂの正磁場発生コイル２７に対向するように逆磁場発生コイル２６が配置されている。このように、逆向きの磁場を発生させる２つのコイル２６、２７が軸方向の端部に設けられることで、当該端部に磁場均一空間Ｓを形成することができる。しかも、これら２つのコイル２６、２７は、径方向に並べられる構成となっているので、軸方向の寸法を抑制することが可能となる。
【００２９】
また、本実施形態では、混合層１０Ａにおいて、複数の逆磁場発生コイル２５、２６が軸方向の手前側（一方側）に寄せて配置されているので、手前側の端部に配置された正磁場発生コイル２７が発生させる磁場の均一度を効果的に向上させることができる。その結果、良好な磁場均一空間Ｓを形成することが可能となる。
【００３０】
また、本実施形態では、混合層１０Ａにおいて、複数の正磁場発生コイル２１〜２４が軸方向の奥側（他方側）に寄せて配置されているので、逆磁場発生コイル２５、２６による磁場均一空間Ｓの均一化作用を妨げることを抑えつつ、正磁場発生コイル２１〜２４によって磁場均一空間Ｓの磁場強度や軸方向位置の調整をすることができる。
【００３１】
また、本実施形態では、逆磁場層１０Ｃの逆磁場発生コイル２８は、正磁場層１０Ｂの正磁場発生コイル２７に対向して配置されているので、正磁場発生コイル２７が発生させる磁場が装置の外部に漏れることを効果的に抑制することができる。また、このような配置によれば、正磁場層１０Ｂおよび逆磁場層１０Ｃの奥側にはコイルが配置されない空きスペースが生じるので、この空きスペースを狭くするように液体ヘリウム容器１１、輻射シールド１２および断熱真空容器１３を構成することで、さらなる小型化が可能となる。また、必要な液体ヘリウムの量も減らすことができ、経済的である。
【００３２】
（その他の実施形態）
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上記実施形態の要素を適宜組み合わせまたは種々の変更を加えることが可能である。
【００３３】
例えば、上記実施形態では、超電導マグネット１０を混合層１０Ａ、正磁場層１０Ｂおよび逆磁場層１０Ｃからなる三層構造としたが、超電導マグネット１０を四層以上の構造としてもよい。
【００３４】
また、上記実施形態では、図１に示すように、液体ヘリウム容器１１、輻射シールド１２および断熱真空容器１３の角部を切り欠いた形状とすることで、装置の小型化を図った。しかしながら、このような切欠き形状とすることは必須ではない。
【符号の説明】
【００３５】
１      ＭＲＩ装置（マグネット装置）
１０    超電導マグネット
１０Ａ  混合層
１０Ｂ  正磁場層
１０Ｃ  逆磁場層
２１〜２４  正磁場発生コイル
２５、２６  逆磁場発生コイル
２７  正磁場発生コイル
２８  逆磁場発生コイル
Ｓ    磁場均一空間
【図１】
0006510874.tif 000003
【図２Ａ】
0006510874.tif 000004
【図２Ｂ】
0006510874.tif 000005
【図２Ｃ】
0006510874.tif 000006
【図３Ａ】
0006510874.tif 000007
【図３Ｂ】
0006510874.tif 000008