(57)【要約】【課題】磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システム及びＭＲＩシステムを形成する方法を提供する。【解決手段】本磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システム（２００）は、撮像ボリュームの周りに配置された真空容器（１４６）と、真空容器内に配置された１つ又はそれ以上の高温超電導コイル（１２０）と、低温冷却器（１５２）とを有し、真空容器に連結されて１０Ｋ以上の高温で超電導コイルを作動させることができる。少なくとも１つの勾配コイル（１５６）が、該勾配コイルと超電導コイルとの間に挿置された何らの熱シールドもない状態で撮像ボリュームと超電導コイルとの間に配置される。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＲＩマグネットの主磁場発生コイルによって占有された空間内部に関連撮像ボリュームを有するＭＲＩシステム（２００）を形成する方法であって、
前記主磁場発生コイルの少なくとも１つの巻線（１２０）を高温超電導材料で形成するステップと、
前記巻線を、該巻線の温度を低下させかつ前記巻線材料を主磁場を発生するときの超電導状態に置くために低温冷却を受けるためのヒートステーション（１５０）内に配置するステップと、
勾配コイル（１５６）を、該勾配コイルと前記巻線との間に熱放射シールドを配置しない状態で前記撮像ボリュームと前記巻線との間に配置するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記巻線が、２０Ｋの温度で少なくとも１００アンペア／ｃｍ２の臨界電流密度を維持することができる、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記高温超電導材料を少なくともマグネシウム及びホウ素で形成するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記高温超電導材料を形成するステップが、二元、三元又は複雑酸化物、炭化物、ホウ化物及び／又は窒化物からなる群から選択されたナノ粒子を加えるステップをさらに含む、請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記高温超電導材料がＭｇＢ２を含む、請求項３記載の方法。
【請求項６】
前記低温流体を受けるためのヒートステーションの一部分内に熱リザーバを形成するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記低温冷却を受けるための容器を真空容器内に配置するステップをさらに含み、前記勾配コイルを配置するステップが、該勾配コイルを真空容器の外部に配置するステップを含む、請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記勾配コイルを配置するステップが、該勾配コイルを、前記低温冷却を受ける容器の内部に配置するステップを含む、請求項１記載の方法。
【請求項９】
その中に撮像ボリュームと、前記撮像ボリュームの周りに配置された真空容器（１４０）と、前記真空容器内に配置された少なくとも１つの超電導コイル（１２０）と、前記撮像ボリューム内の磁場を調整するための少なくとも１つの勾配コイル（１５６）とを有するタイプの磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システム（２００）を作動させる方法であって、
冷却装置から主コイルを収容した前記真空容器の一部分内に低温冷却を供給して該主コイルをＴｃ又はそれよりも低いが２０Ｋよりも高い温度の超電導状態に冷却するステップと、
前記超電導状態のままで前記コイルに通電するステップと、
前記勾配コイルと前記超電導主コイルとの間に熱シールドがない状態で該勾配コイルに通電するステップと、
を含む方法。
【請求項１０】
その中に撮像ボリュームを備えた磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システムであって、
前記撮像ボリュームの周りに配置された真空容器（１４０）と、
前記真空容器内に配置されかつ磁場を前記撮像ボリューム内に通すように構成された少なくとも１つの高温超電導コイル（１２０）と、
前記真空容器に連結されて前記超電導コイルを２０Ｋ以上の温度であるが超電導状態で作動させる低温冷却器（１５２）と、
前記撮像ボリューム内で磁場を調整するための少なくとも１つの勾配コイル（１５６）と、を含み、
前記勾配コイルが、該勾配コイルと前記超電導コイルとの間に挿置された何らの熱シールドもない状態で前記撮像ボリュームと前記超電導コイルとの間に配置される、
システム。
【請求項１１】
その中に撮像ボリュームを備えた磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システムであって、
前記撮像ボリュームの周りに配置された低温冷却容器（１４０）と、
主として高温超電導材料を含み、１０Ｋよりも高い又はそれに等しい温度で作動させるために前記低温冷却容器内に配置されて前記撮像ボリューム内に磁場を発生する少なくとも１つの主コイル（１２０）と、
前記発生磁場を調整するための少なくとも１つの勾配コイル（１５６）と、を含み、
前記勾配コイルが、前記容器の外部に配置され、さらに前記高温超電導材料が磁場を発生する作動温度により、前記主コイル及び勾配コイルがそれらの間に挿置された熱シールド構造体なしに作動することが可能になる、
システム。
【請求項１２】
前記容器が、システム作動中に低温冷却を受けて前記主コイルを超電導状態に維持するように構成される、請求項１１記載のシステム。
【請求項１３】
前記容器の一部分内に、その中に熱交換のための冷凍剤を受け入れるのに十分な容積を可能にする熱リザーバ材料（１５４）をさらに含む、請求項１１記載のシステム。
【請求項１４】
その中に撮像ボリュームを備えた磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システムであって、
前記撮像ボリュームの周りに配置された低温冷却容器（１４０）と、
主として高温超電導材料を含み、超電導状態で作動するように前記低温冷却容器内に構成にされて前記撮像ボリューム内に磁場を発生する少なくとも１つの主コイル（１２０）と、
前記発生磁場を調整するための少なくとも１つの勾配コイル（１５６）と、を含み、
前記勾配コイルが、高温超電導材料を含みかつ前記主コイルと共に前記容器内に配置され、前記主コイルが磁場を発生する作動温度により、前記主コイル及び勾配コイルがそれらの間に挿置された熱シールド構造体なしに作動することが可能になる、
システム。
【請求項１５】
前記主コイルが、ＭｇＢ２で形成された巻線である、請求項１４記載のシステム。
【請求項１６】
前記容器の一部分内に、その中に熱交換のための冷凍剤を受け入れるのに十分な容積を可能にする熱リザーバ材料（１５４）をさらに含む、請求項１４記載のシステム。
【請求項１７】
前記ナノ粒子がＳｉＣを含む、請求項４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的には磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システムに関し、より具体的には、高温超電導磁気コイルを組み込んだＭＲＩシステム及びそのようなシステムを組み立てかつ作動させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＲＩシステムは、医療診断に広く用いられる。ＭＲＩシステムは、心臓検査及び神経スキャンのような最先端の用途において高い画像分解能をもたらす。システムは、骨又は他の組織が別の方法ではビューを妨害するおそれがある場合に軟組織の詳細画像を得ることができる点で他とは異なる。
【０００３】
ＭＲＩシステムは、１９７０年代におけるその誕生以来継続的に進化してきた。一部はより大型でかつ強力なマグネットの開発により、画質における大きな改善が実現された。しかしながら、これらのマグネットの使用は、ＭＲＩシステムの大きさ及びコストを増大させる傾向にある。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００５／００６２４７３号
【特許文献２】米国特許第６，７８３，０５９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
主要な医療イメージング及び診断ツールとして、ＭＲＩシステムを世界中にわたってより広範に展開する上で、コストが大きな障害である。これらのシステムのより広範な商品化を制限する他の要因には、大型かつ安定した電源装置の必要性及び大きさと重量とが含まれる。
【０００５】
多くの医療用途では、ＭＲＩシステムは、０．３テスラから最大で少なくとも３テスラまでの範囲の磁場強度を備えていなければならないが、研究用途ではさらに大きな磁場強度（例えば、最大で２０テスラ又はそれ以上）を用いる場合もある。そのような強度の磁場は一般的に、大型超電導磁気コイル（伝統的に低温超電導体（ＬＴＳ）コイル）で形成される。マグネットを超電導モードで作動させるためには、低温超電導体（ＬＴＳ）コイルは、４．５Ｋの近傍、すなわちコイル材料の臨界温度以下の低温で作動させなければならない。このことは一般的に、液体ヘリウムで冷却した容器内にＬＴＳコイルを封入することを必要とする。
【０００６】
超電導ＭＲＩシステムは、抵抗ワイヤで形成されたコイルで作動するマグネットよりも小型かつ効率的であるが、それらは、絶対的意味において依然として大きくかつ嵩張ったままである。従って、当技術分野では、マグネットの強度及び効率を犠牲にしない状態でＭＲＩシステムの質量及び体積を低減することが求め続けられている。
【０００７】
撮像ボリューム全体にわたって比較的均一かつ安定した主磁場を形成することに加えて、ＭＲＩシステムは、磁場強度が１８〜２７ミリテスラの範囲にある一組の低磁力勾配マグネットを含むことができる。勾配マグネットのコイルを協働して脈動させて、磁場強度の局所的変化を生じさせる。これによって、撮像ボリュームの一部分内でのビューの選択が可能になる。
【０００８】
勾配コイルを電気的に脈動させると、生じた時間変化磁束により、撮像ボリュームの周りに配置された導電性構成要素内に渦電流が誘起される。これら渦電流は次に、勾配コイル及び主マグネットによって形成された磁場の質及び有効性を低下させるおそれがある二次磁場を生成する。この作用を部分的に補償するために、一組のシールド勾配コイルを脈動させて、ヘリウム冷却容器内に延びる勾配コイル磁場のそれらの部分を打ち消す磁場を形成することができる。シールド勾配コイルは、勾配コイルによって発生した磁場の一部を効果的に相殺することができるが、渦電流の発生をさらに抑制する必要性が依然として存在する。
【０００９】
シールド勾配構成要素及び例えば熱放射シールドのようなその他のシールド構成要素は、マグネット主コイルの直径を増大させることによってＭＲＩシステムに対してコスト及び重量を付加する。それにもかかわらず、画質を犠牲にすることなく、低コストでかつ容易に配備可能なＭＲＩシステムを提供することが一般的に望ましい。医療診断においてより広範な用途を有するＭＲＩシステムの場合には、システムを作動させるのに関連する大きさ、重量及びコストはさらに低減されなければならない。
【００１０】
本発明の上記の及び他の態様は、添付図面と共に以下の詳細な説明に照らして読むことにより一層明らかになるであろう。
【００１１】
適切な場合には、図全体を通して、同じ参照符号を用いて同様の部分を表す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
この説明では、２０Ｋ以上の温度で超電導状態になる種類の材料である高温超電導体について説明する。従来から、超電導体の臨界温度とは、超電導材料が超電導状態を喪失する温度のことをいう。しかしながら、本開示の目的のために、高温超電導体に関して用いる場合の臨界温度Ｔｃという用語は、高温超電導体で形成した磁気コイルが、もはやその定格磁場で作動することができない温度以上の温度のことである。定格磁場は、特定の設計に対して指定することができ、一般的にマグネットの大きさ、形状及び作動温度のようなパラメータの関数である。
【００１３】
図１を参照すると、典型的な公知のＭＲＩ装置１０を部分的に示しており、このＭＲＩ装置１０は、マグネットボア３２内部の撮像ボリューム３０内に均質な磁場を発生するための低温超電導体（ＬＴＳ）巻線２０を使用している。巻線及びコイルという用語は、本明細書全体を通して他の指示をしない限り、同意語として用いる。真空容器４０は、圧密エンクロージャを形成する。巻線２０は、真空容器４０内部の低温ヘリウム冷却容器５０内で作動する。低温冷却器（図示せず）から容器５０内に流れる液体ヘリウムで、ＬＴＳコイル２０は、約４．５Ｋまで冷却されて超電導状態で作動するようになる。容器４０及び５０の各々は、溶接アルミニウム構造とすることができる。
【００１４】
低磁力勾配マグネットコイル５４は、ボア３２内に配置されて撮像ボリューム３０内の磁場を調整する。一組のシールド勾配コイル５８もまた、勾配コイル５４と真空容器４０との間でマグネットボア内に配置されて、生じた渦電流を減少させることができる。
【００１５】
溶接アルミニウムで作られるなどした熱シールド６０が、ヘリウム容器５０を囲んで真空容器内に配置されて、ＬＴＳコイル又は勾配マグネットコイル５４又はシールド勾配コイル５８のいずれかによって放射された放射線を受ける。一般的にこの種のシールドは、熱伝導性、従って導電性材料で作られる。本明細書で用いる場合、熱シールドという用語は、ＭＲＩシステム内に超電導主磁場コイルを収納した真空容器内に配置された金属含有部材を意味する。
【００１６】
上述のように、シールド勾配コイル５８の最適作動であっても、勾配マグネットコイル５４が電気的に脈動すると、時間変化磁束の発生により、様々な構成要素内に望ましくない渦電流が形成される。熱シールド６０内におけるそのような渦電流の形成は、望ましくない磁場と共に大きな費用をかけて低温冷却しているヘリウム容器５０に対する熱負荷を発生させる。例えば、容器５０が４．５Ｋ近くの安定温度に達した後に、定常状態作動には、ヘリウム容器内で発生した熱を１ワット除去するごとに約１０００ワットの電力を必要とする。
【００１７】
次に図２及び図３に示す本発明の実施形態を参照にすると、この実施形態では、ＭＲＩ装置は、真空容器内に配置された熱シールドを有していない状態で構成されている。以下でさらに説明するように、このことによって、システムの大きさ及び重量の低減が可能であり、また患者を受け入れる内側ボアの直径の増大が可能になる。加えて、そうでなければそのような熱シールド内に形成される渦電流により生じることになる二次磁場を補償する必要性がなくなる。
【００１８】
図２の部分概略図に、１つのそのようなＭＲＩシステム１００を示している。この実施形態によると、高温超電導体（ＨＴＳ）材料で形成した巻線１２０は、マグネットボア１３２内部の撮像ボリューム１３０内に均質な磁場を発生するように構成される。金属薄板ライナを備えたガラス繊維強化ポリマ（ＦＲＰ）で形成するなどした真空容器１４０は、超電導巻線１２０を収容し、それによって勾配誘起渦電流を大きく減少させるのに適した真空気密エンクロージャを形成する。巻線１２０は、真空容器１４０内部でヒートステーション１５０によって伝導冷却することができる。ヒートステーション１５０に熱結合された単段低温冷却器１５２を用いて、コイル１２０は、例えば関連臨界温度Ｔｃよりも十分に低い２０Ｋで作動する。
【００１９】
ヒートステーション１５０内での熱的安定化を可能にするために、ヒートステーション１５０に対して熱リザーバ材料（蓄熱材料）１５４を取り付けることができる。１つの例示的な実施形態では、熱リザーバ材料は、２０Ｋで少なくとも約２．２ｋＪ／ｋｇの蓄熱容量を有する。コイル１２０の一部分は、熱リザーバ材料１５４と熱接触した状態になっている。熱リザーバ材料１５４の選択及び挿入に関する更なる詳細については、参考文献として本明細書に組み入れている米国特許出願公開番号ＵＳ２００５／００６２４７３号を参照されたい。一例として、熱リザーバ材料１５４は、エポキシ、メタクリレート、ポリウレタン、ゴム、プラスチック又は鉛を含むことができる。
【００２０】
低磁力勾配マグネットコイル１５６は、真空容器１４０の外部かつボア１３２の内部に配置されて撮像ボリューム１３０内の磁場を調整する。この例示的な実施形態では、コイル１５６は、抵抗性かつ非超電導性タイプのものである。図２には示していないが、一組のシールド勾配コイル（図示せず）を勾配コイル１５６と真空容器との間に配置して、勾配コイルから容器１４０内に放射される磁束の量を制限することができる。ＨＴＳ巻線は一例として、Ｔｃ＝３９Ｋである場合に二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ２）で形成することができる。ＭｇＢ２は、二元、三元又は複雑酸化物、ホウ化物、炭化物及び／又は窒化物のナノ粒子のような化学ドーピング及び／又は添加物を最大約３０％までの重量比で含むことができる。これらの中で、ＳｉＣを加えて臨界電流密度Ｊｃを最適にすることができ、臨界電流密度Ｊｃは、２Ｔ磁場の下で２０Ｋにおいて２×１０５Ａ／ｃｍ２を超えるようにすることができる。ＨＴＳ材料の他の実施例は、それに限定されないが、ＤＢＣＯ（ジスプロシウム・バリウム・銅酸化物）、ＹＢＣＯ（イットリウム・バリウム・銅酸化物）及びＢＳＣＣＯ（ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅酸化物）を含むことができる。２０Ｋの作動温度は（４．５Ｋの作動温度に比べて）、より大きな冷却能力をもたらし、それによって、たとえ熱シールドがない状態であっても、冷却器が高い作動温度をより容易に維持することが可能になる。作動温度は１０Ｋほどもの低温とすることができるが、２０Ｋの温度は、ＭｇＢ２巻線の場合に電流密度を最大にするのに好適であり、３０Ｋ又はそれ以上の温度は、ＹＢＣＯ巻線には十分である。一般的に、２０Ｋは、２〜４Ｔの磁場において高い超電導体電流密度を得るのに全てのＨＴＳ材料に対して好適な温度である。より高温での又はより強力な磁場での作動は、低い電流密度を生じるおそれがある。
【００２１】
２０Ｋ及びそれより高い温度で利用可能なより大きな冷却能力の場合、及び真空容器１４０内に熱シールドが配置されていない場合には、マグネット巻線に対する主要熱負荷は室温放射によるものであり、これはマグネット温度とは無関係である。
【００２２】
比較として、従来型のＬＴＳマグネット（４．５Ｋ）では、熱シールドは約２０〜５０Ｋで作動し、熱シールドが受ける熱負荷は、該シールドを冷却する単段低温冷却器の冷却能力に一致する。本発明の態様によると、ＨＴＳマグネット巻線１２０は、熱シールドを必要とせずに本質的にこの同じ温度範囲で作動することができる。つまり、利用可能なより高い冷却力（例えばＬＴＳ巻線を備えた図１の従来技術のＭＲＩ装置１０に比較して）を有することになる。超電導ＭＲＩマグネットを通常囲む熱シールドは必要ないが、真空チャンバ内側に多層絶縁材料１７０を施工して巻線構造体に対する放射熱負荷を低減することができる。
【００２３】
次に図３を参照すると、本発明の別の実施形態によるＭＲＩシステム２００もまた、ＨＴＳ巻線１２０を含み、このＨＴＳ巻線１２０は、マグネットボア１３２内部の撮像ボリューム１３０内に均質な磁場を発生する。ガラス繊維強化ポリマ真空容器１４０は、低温マグネット巻線を収容するのに適した真空気密エンクロージャを形成する。巻線１２０は、真空容器１４０内部の伝導冷却ヒートステーション１５０内で作動する。単段低温冷却器１５２がヒートステーション１５０に対して熱的に取り付けられ、巻線１２０を関連臨界温度Ｔｃよりも十分に低い例えば２０Ｋに冷却する。図２に関して説明したように、ヒートステーション１５０内での熱的安定化を可能にするために、ヒートステーションに対して熱リザーバ材料１５４を取り付けることができる。巻線１２０の一部分は、熱リザーバ材料１５４と熱接触状態になっている。また、図２の実施形態について説明したように、巻線１２０は、二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ２）で形成することができる。しかしながら、勾配マグネットコイル１５４（図２に示すように配置された）の代わりに、ＭｇＢ２のようなＨＴＳ材料で形成した低磁力勾配マグネットコイル１６０をヘリウム容器１５０内部に配置して、撮像ボリューム１３０内の磁場を調整する。真空容器１４０内には、何らの熱放射シールドも配置されていない。
【００２４】
本発明の例示的な利点及び特徴
ＨＴＳ巻線に利用可能な高い冷却能力によって、ＬＴＳ巻線と比べて、本発明の態様を具現化したＭＲＩ装置は、真空容器内で超電導磁気巻線を囲む熱シールドを必要としない。このことにより、そうでなければ熱シールド内に渦電流が誘起された時に生じるおそれがあった問題が回避される。このことはまた、より小型のマグネットシステムを可能にし、或いは別の実施形態では、勾配コイル又は患者受入れボアの大きさを増大させることを可能にする。より大きな熱容量により、ＨＴＳ巻線は、勾配コイルの作動によって引き起こされる熱過渡のような熱過渡状態に対してより安定している。このことによって、部分シールドした又は全くシールドしていない勾配コイルの使用が可能にあり、これによって所定の入力電力レベルでのより強力な磁場傾斜を可能にする。熱シールド内の渦電流を排除することはまた、そのような渦電流は部分的に磁場傾斜を打ち消すので、達成することができる磁場傾斜の強度を増大させる。主巻線が２０Ｋより高い温度で作動しているので、熱シールドを除去することが可能である。
【００２５】
熱過渡に関して、熱リザーバ材料１５４は、停電により生じる過渡熱負荷及び勾配コイル作動から生じる過渡渦電流を吸収することによって、システムにより大きな耐性を加える。熱リザーバ材料により、これら過渡熱負荷は、より小さい温度変動を生じることになり、マグネット温度が所定の作動範囲、例えば２０〜３０Ｋ内に留まることを保証する。
【００２６】
本明細書では例示目的のために好ましい実施形態を説明してきたが、これらの実施形態の開示は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、本発明の技術的範囲は、提出した特許請求の範囲によってのみその範囲が定まる。従って、本明細書で説明した実施形態に対する多数の修正、改良及び変更形態は、特許請求した本発明の技術的範囲から逸脱した状態にならないことは、当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】従来型のＭＲＩ装置の部分断面図。
【図２】本発明の態様による例示的なＭＲＩ装置の断面図。
【図３】本発明の特徴を具現化した別の例示的なＭＲＩ装置の断面図。
【符号の説明】
【００２８】
１０  ＭＲＩ装置
２０  低温超電導体（ＬＴＳ）巻線
３０、１３０  撮像ボリューム
３２、１３２  マグネットボア
４０、１４０  真空容器
５０  ヘリウム冷却容器
５４、１５６  勾配マグネットコイル
５８  シールド勾配コイル
６０  熱シールド
１００、２００  ＭＲＩシステム
１２０  高温超電導体（ＨＴＳ）巻線
１５０  ヒートステーション
１５２  単段低温冷却器
１５４  リザーバ材料
１７０  絶縁材料
【図１】
2007136202.tif 000003
【図２】
2007136202.tif 000004
【図３】
2007136202.tif 000005
【外国語明細書】
2007136202000001.pdf