(57)【要約】ＭＲＩスキャナーに於けるＨＴＳ受信コイル（４）を、ＨＴＳの遷移温度より下の温度にまで冷却する装置であって、その冷却ヘッド（２）が非金属熱伝導性ロッド（３）によって前記受信コイル（４）に接続されるＳｔｉｒｌｉｎｇ冷却器（１）などの冷却ユニットを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体を冷却する装置であって、
冷却ヘッドを備える冷却ユニットと、
熱伝導性非金属化合物から形成された熱伝導体と、
を備え、
該熱伝導体は前記冷却ヘッドと熱接触し、
該熱伝導体と前記物体が熱接触するための手段を備える、
ことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記物体は、核磁気共鳴映像機器の受信コイルである、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記受信コイルは、高温超伝導体から作られる、
ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記受信コイルは、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｘから作られる、
ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記冷却ユニットは、Ｓｔｉｒｌｉｎｇサイクル冷却器、Ｇｉｆｆｏｒｄ　ＭｃＭａｈｏｎ冷却器、パルスチューブ冷却器、あるいは熱電冷却器を内蔵する、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の装置。
【請求項６】
前記熱伝導体は、少なくとも１０Ｗ／ｍ．Ｋ、好ましくは３００Ｋで少なくとも３０Ｗ／ｍ．Ｋの熱伝導率を持つ熱伝導性セラミックから形成される、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一つに記載の装置。
【請求項７】
前記熱伝導体は、焼結セラミックの形態あるいは単結晶の形態を持つ、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化ベリリウム、酸化マグネシウム、あるいは炭化珪素から作られる、
ことを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
ＭＲＩスキャナーの受信コイルを冷却する方法であって、
冷却ヘッドを備えた冷却ユニットを操作して前記冷却ヘッドを冷却し、前記冷却ヘッドと前記受信コイルに熱接触するように非金属熱伝導体を配置することにより、前記受信コイルを冷却する、
ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
本発明は、物体、特にＭＲＩスキャナーにおける受信コイルを冷却する装置および方法に係わる。
【０００１】
磁気共鳴映像法 （ＭＲＩ）は、脳および全身の走査を伝搬するために広く使用される、有力で汎用性のある診断技術である。ＭＲＩは、例えば脊柱や脳などの映像を得る唯一の満足できる方法であるので、ＭＲＩの需要の成長は供給を上回り、また、ＭＲＩの柔軟性が新しい用途、例えばインターベンショナル映像法をもたらした。さらに、ＣＴおよび他のＸ線に基づいた技術の使用時に、患者およびスタッフに対して放射線の危険をもたらす懸念が増大している。
【０００２】
ＭＲＩは有力な技術ではあるが、必要とされる設備は、例えば基本的なものからミッド、ハイフィールドスキャナーに関しては、５０万から１００万ポンドを超える非常に高い機械コストがかかるなど、多くの問題を抱えている。スキャナーは、液体ヘリウムを使用するために高い経営・運転コストがかかり、また放射線医師や技師などの高度の資格を持ったスタッフを必要とするので、高いサービスコストもかかり、磁気の周辺領域を使用するために広いスペースを必要とし、さらには高い磁気を帯びた領域を使用するために、他の装置（例えば生命維持およびモニター装置）との共存性の問題もある。また制限された“患者スペース”が、患者によっては閉所恐怖症を引き起こし、また患者へのアクセスも制限される可能性がある。
【０００３】
ＭＲＩは、磁場において水素原子核を整列させ、高周波パルスで水素原子核を励起し、弱い高周波（ｒｆ）信号を検出することを単純に行う核磁気共鳴を使用している。ｒｆ信号は、”受信コイル“を使って検出される。これは本来は、従来のＭＲＩ機器において、通常銅などの金属から作られ、周囲温度（約３００Ｋ）で操作される高感度アンテナである。
【０００４】
映像化を可能にするために、信号対雑音比（ＳＮＲ）を容認できるレベルにまで上げる必要がある。従来のスキャナーでは、磁場を増し、信号を強力にすることによってこの事が実現されてきた。また、磁場は、映像化領域一帯で、高度に均一かつ安定していなければならない。この結果、強力な、例えば１テスラ以上の磁場を使用し、超伝導磁石の使用を必要とする機械が必要となった。
【０００５】
本発明の方法および装置を使って、通常の金属コイルを冷却し、通常の金属受信アンテナの伝導性を高めて信号対雑音性能を改善することもできるであろう。しかし、本発明が最大限利用されると思われるのは、超伝導ＭＲＩ受信コイルの冷却に関連している。
【０００６】
銅の受信コイルの温度を低くする事は、その感度を高め、超伝導受信コイルを使う事は、超伝導体が銅よりもはるかに低い抵抗を持つために、さらに感度を高めるということが明らかになった。いわゆる高温超伝導体（ＨＴＳ）のこの発見によって、この特性を利用することが実用的、経済的に実現可能になる範囲にまで動作温度を下げることが可能になった。ＨＴＳ超伝導体は、液体窒素温度７７Ｋよりも上の遷移温度を持つ。例えば、ＹＢａ２ＣＵ３Ｏｘは９２Ｋで超伝導になり、（Ｂｉ，Ｐｂ）２Ｓｒ２Ｃａ３Ｃｕ３Ｏｘは１０５Ｋで遷移する。ＴｌＢａ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏｘは１１５Ｋで、ＨｇＢａ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏｘは１３５Ｋで、圧力下で遷移する。このように、これらの物質を液体窒素温度で使うことができる。映像化は、液体窒素を使って冷却されたＨＴＳ受信コイルを使って行った。 この映像化はＡ． Ｓ． Ｈａｌｌ， Ｎ．Ａｌｆｏｒｄ， Ｔ． Ｗ． Ｂｕｔｔｏｎ， Ｄ． Ｊ． Ｇｉｌｄｅｒｄａｌｅ， Ｋ． Ａ． Ｇｅｈｒｉｎｇ， Ｉ． Ｒ． Ｙｏｕｎｇによって書かれた論文”Ｕｓｅ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｉｎ ａ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ Ｃｏｉｌ ｆｏｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ” （Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ， Ｍｅｄｉｃｉｎｅ ２０， 頁３４０−３４３， １９９１）で説明されている。このコイル冷却は、液体窒素などの液体凍結剤を使って行われた。これはある状況下、例えば、定期的に液体凍結剤を入手する事が困難な遠隔地などでは不都合である。
【０００７】
われわれは、液体凍結剤を全く使う事なく、コンパクトな冷却器で受信コイルを冷却する装置を発明した。通常の動作下では、冷却対象物を冷却ヘッドの上に直接置き、熱のロスを防ぐために放射シールドを冷却対象物にかぶせ、また真空カバーを冷却器にかぶせ、それから冷却対象物を、絶対零度よりも少し上の温度にまで冷却することが可能になるので、冷却器の使用にあたっては、いくつかの問題を克服しなければならなかった。
【０００８】
しかし、受信コイルと一緒に使う場合、受信コイルを冷却ヘッドの上に直接置くことはできず、このようにする事ができなくなる。なぜなら、冷却器の金属構造は、信号に干渉して、映像あるいはＮＭＲ信号にアーティファクトを生成するからである。また、ＮＭＲ信号を受信コイルで検出することができないために、密閉された放射シールドを使うことができない。これは、受信コイルと一緒に冷却器を使うためには、受信コイルを冷却ヘッドからある程度離して配置しなければならない事を意味する。厳密な距離は、コイルの大きさや形状、背景磁場強度などのいくつの要因によって異なる。冷却ヘッドからある程度の距離を離して受信コイルを冷却しなければならないという問題を克服するためには、鉄の熱伝導体は、磁場に引き付けられるために使用することができず、また、非鉄金属も、磁場に引き付けられはしないが、金属内で生じる誘導電流が信号に干渉するために使うことができない。
【０００９】
われわれは、これらの問題を克服する熱伝導体として使用することのできる熱伝導性の非金属化合物が存在することを発見した。
本発明によれば、磁気共鳴映像装置の受信コイルなどの物体を冷却する装置が提供され、該装置は、冷却ヘッドを備えた冷却ユニットと、熱伝導性の非金属化合物から形成された熱伝導体を備え、該熱伝導体は前記冷却ヘッドに熱接触し、該熱伝導体を前記冷却対象物に熱接触させる手段を備える。
【００１０】
使用にあたっては、前記冷却ユニットが操作されて前記冷却ヘッドが必要とされる温度にまで冷却され、前記熱伝導体が前記冷却ヘッドと前記受信コイルに熱接触するように配置されることによって、前記受信コイルが冷却される。
【００１１】
また、本発明はＭＲＩ装置の受信コイルを冷却する方法を提供し、該方法においては、冷却ヘッドを備える冷却ユニットが操作されて前記冷却ヘッドが冷却され、非金属熱伝導体が前記冷却ヘッドと前記受信コイルに熱接触するように配置されることによって、前記受信コイルが冷却される。
【００１２】
冷却ユニット内で使用できる冷却器は、Ｓｔｉｒｌｉｎｇサイクル冷却器、Ｇｉｆｆｏｒｄ　ＭｃＭａｈｏｎ冷却器、あるいはパルスチューブ冷却器などの従来の冷却器を含む。これらの冷却器は、再生器に接続された濾過器を含み、再生冷却器と呼ばれることもある。濾過器は、ガス（例えばヘリウム）を冷却器の最高、最低温度の間で循環させ、振動ピストンによって生成される振動圧力との適正な段階の関係を保つ（Ｔｈｏｍａｓ Ｐ Ｓｈｅａｈｅｎ “Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ” Ｐｌｅｎｕｍプレス１９９４ ＩＳＢＮ ０−３０６−４７９３−２）。 最終的には、このようにして冷却器の冷却ヘッドが冷却される。熱電冷却器の使用は除外されるものではないが、それらの基礎温度は上記した再生冷却器よりもかなり高い。
【００１３】
熱伝導体は、熱伝導セラミックなどの、熱伝導性非金属化合物から形成することができる。熱伝導体は、焼結セラミックの形態や単結晶の形態を持つ、例えば窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化ベリリウム、酸化マグネシウム、炭化珪素などの既知の高温伝導性非金属化合物から作ることができる。化合物は少なくとも１０Ｗ／ｍ．Ｋ、好ましくは常温（３００Ｋ）で少なくとも３０Ｗ／ｍ．の熱伝導率を持つことが好ましい。
【００１４】
一般に、これら化合物内の不純物は化合物の熱伝導率に悪影響を及ぼすので、こういった化合物はかなりの程度純粋（不純物が５％未満）である事が好ましい。
【００１５】
さらに、目的とする温度、例えば１００Ｋより下の例えば極低温では、多くの物質の熱伝導率は、それらの常温での熱伝導率に比べてはるかに高い。
例として、焼結セラミック物質の熱伝導率の概略の値を表１に示す（”Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｈｅａｔ ｏｆ ｎｏｎｍｅｔａｌｌｉｃ ｓｏｌｉｄｓ” Ｙ．Ｓ． Ｔｏｕｌａｋｉａｎ ａｎｄ Ｅ．Ｈ． Ｂｕｙｃｏ Ｔｈｅｒｍｏｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｍａｔｔｅｒ ｖｏｌｕｍｅ ５， ＩＦＩ／Ｐｌｅｎｕｍ Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ， Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ １９７０からの抜粋）
【００１６】
【表１】
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【００１７】
受信コイルは、閉鎖サイクル冷却器の冷却ヘッドに取り付けられる熱伝導体のロッドに取り付けられることが好ましい。ロッドは、金属冷却ヘッドと冷却体がＭＲＩ 信号に干渉するのを防ぐのに十分な長さを持つ。放射ロスを防ぐために、受信コイルは、超断熱としても知られている、薄く金属化されたマイラーなどの絶縁体でカプセル化することができる。
【００１８】
本発明は、ＭＲＩスキャナーの性能を高めるほどの低温にまでＭＲＩ受信コイルを冷却することを可能にし、液体凍結剤を必要とすることなしに、より弱い強度の磁場を使用することを可能にする。
【００１９】
本発明は、本発明の一形態を模式的に図示する添付図面に例示されている。
図面において、Ｓｔｉｒｌｉｎｇサイクル冷却器などの閉鎖サイクル冷却器は、この冷却器によって冷却される冷却ヘッド（２）を備える。冷却ヘッド（２）には、熱伝導性非金属ロッド（３）が取り付けられる。ロッド（３）には、冷却対象物、例えば受信コイルが取り付けられる。冷却ヘッド、熱伝導性ロッドと冷却対象物は真空カバー（５）によって囲まれる。
【００２０】
使用にあたっては、冷却器（１）が操作されて冷却ヘッド（２）が冷却され、その後冷却対象物（４）がロッド（３）によって冷却される。たとえＭＲＩ関連の非常に強い磁場が存在していても、受信コイルは効果的に動作する。
【００２１】
本発明を実施例でさらに説明する。
実施例
実施例１
１５０ｍｍの長さと２５ｍｍの直径を持つ酸化アルミニウムのロッドを、Ｓｔｉｒｌｉｎｇサイクル冷却器の冷却ヘッドに取り付けた。超伝導物質ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｘで構成された受信コイルを、３モルパーセントのＹ安定化ジルコニアの１００ｍｍ×１００ｍｍ×１ｍｍ四方の基板上で堆積させた。基板を、不純物が５％未満の組成を持つ高濃度の酸化アルミニウムのロッドの上に置いた。基板は、冷却パワー５Ｗで７０Ｋの温度を達成した。これは、超伝導体を超伝導遷移温度より下まで冷却するのに十分であった。
【００２２】
実施例２
基板が、酸化アルミニウムで構成された１００ｍｍ×１００ｍｍ×１ｍｍ基板であった以外は、実施例１の手順を踏襲した。再度、基板によって到達された温度は７０Ｋ未満であった。
【００２３】
実施例３
実施例２と同じ手順を、銀のコイルがプリントされた酸化アルミニウムで構成された基板に適用した。到達温度は７０Ｋ未満であった。
【００２４】
実施例４
実施例２と同じ手順を、銅のコイルがプリントされたポリマー回路基板材で構成された２５ｍｍ×２５ｍｍ×１ｍｍ 四方基板に適用した。到達温度は７０Ｋ未満であった。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の一形態を模式的に示す図である。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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