(57)【要約】【課題】液体窒素で冷却する高温超電導材を用いた磁気共鳴イメージング装置において、液体窒素の管理を容易とすると共に運転コストを低減できるようにする。【解決手段】クライオスタットの上側外面に極低温の冷凍機を搭載すると共に、該冷凍機のコールドヘッドを前記クライオスタットから冷却容器を貫通させて、該冷却容器の内面に露出させ、かつ、該コールドヘッドの露出面の下端に設けた複数の再凝縮フィンを前記収容室内の上部に突出させる一方、前記収容室内に充填する前記液体窒素は、前記超電導コイルを浸漬するが、前記再凝縮フィンの先端より低位置に液面を設定して、収容室内に上部空間を設け、前記冷却容器の収容室内で、液体窒素が蒸発して前記上部空間に溜まる窒素ガスを前記再凝縮フィンに接触させて液化させ、液体窒素と窒素ガスとを前記収容室内部でクローズドサイクルで循環している。【選択図】図１
2009172317.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネル型の検査空間を備えた磁気共鳴イメージング装置であって、
環状のクライオスタットの内部に環状の冷却容器を収容し、該冷却容器に囲まれた収容室内に高温超電導材からなる超電導コイルを収容すると共に液体窒素を供給し、前記クライオスタットの内周面に囲まれた空洞部を前記検査空間としており、
前記クライオスタットの上側外面に極低温の冷凍機を搭載すると共に、該冷凍機のコールドヘッドを前記クライオスタットから冷却容器を貫通させて、該冷却容器の内面に露出させ、かつ、該コールドヘッドの露出面の下端に設けた複数の再凝縮フィンを前記収容室内の上部に突出させる一方、
前記収容室内に充填する前記液体窒素は、前記超電導コイルを浸漬するが、前記再凝縮フィンの先端より低位置に液面を設定して、収容室内に上部空間を設け、
前記冷却容器の収容室内で、液体窒素が蒸発して前記上部空間に溜まる窒素ガスを前記再凝縮フィンに接触させて液化させ、液体窒素と窒素ガスとを前記収容室内部でクローズドサイクルで循環し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】
前記コールドヘッドの外周面に温度センサを取り付けていると共にヒータを巻き付け、前記温度センサにより検出されたコールドヘッドの温度を窒素の液化温度範囲内に保持するために前記ヒータで加熱制御している請求項１に記載の磁気共鳴イメージング装置。
【請求項３】
前記高温超電導材はビスマス系、イットリウム系、タリウム系の超電導材からなり、円形または長円形とした超電導コイルを軸線方向に複数並設して前記本体ケース内に収容し、０．２Ｔ以上の磁場を発生できるものとしている請求項１または請求項２に記載の磁気共鳴診断装置。
【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に関し、特に、被検体へ電磁波を照射するために高温超電導材（酸化物系超電導材）からなる超電導コイルを用いる磁気共鳴イメージング装置において、超電導コイルを超電導温度に保持する液体窒素を容易かつ安価に取得できるようにするものである。
【背景技術】
【０００２】
核磁気共鳴現象を利用して生体内の情報を画像化し、取得した人体の断層像に基づいて検査する核磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ装置）は医療分野で広く用いられている。近時、画像の精度およびコントラストを高めるために、強磁場を発生する超電導磁石を用いるものが提案されている。
【０００３】
通常、超電導コイルを収容した容器内に冷媒として液体ヘリウムを供給し、超電導コイルを超電導温度に保持している。
しかしながら、液体ヘリウムは希少で入手しにくいため、非常に高価である。かつ、冷媒として液体ヘリウムを用いると、装置が大型化および重量化し、設備コストも高くなり、その結果、ＭＲＩ装置による検査診断費用が高くなる問題がある。
前記問題に対して、液体ヘリウムで冷却する必要のある低温超電導材に代えて、臨界温度が１１０Ｋ級のビスマス系超電導材、臨界温度が９０Ｋ級のイットリウム系統超電導材からなる高温超電導材（酸化物系超電導材）を用いると、液体窒素（７７Ｋ級）により超電導温度に保持でき、冷媒コストにかかるコストを低減することができる。
この観点から、特開平６−５４１２号公報（特許文献１）等において、酸化物系超電導材を用いて、液体窒素で冷却する磁気共鳴イメージング装置用マグネットが提案されている。
【０００４】
しかしながら、特許文献１では、図３に示すように、熱交換器４を取り付けた冷却用配管３に窒素ガスまたは窒素液体を流すと記載されているだけであり、かつ、熱交換器４に窒素ガスまたは液体窒素が出入することが図示されているだけであり、液体窒素源や気化した窒素ガスの処理が不明となっている。
冷却容器内から配管を通して外部へ窒素ガスを排出すると共に外部から液体窒素を導入する構成とすると、液体窒素の導入用配管自体を冷却する必要があり、配管設備も大型化し、さらに、窒素ガスの排出時に配管から漏洩しやすい問題もある。
【０００５】
このように、高温超電導材を用い、液体窒素を冷媒とする場合においても、冷媒の管理が容易でないと共に、設備が大型化する問題がある。よって、磁気共鳴イメージング装置による検査、診断は、現状では大病院で限定的に用いられており、開業医のレベルや、僻地での診療所では非常に設置しにくいものとなっている。また、近時は後進国においても健康増進への関心が高まっているが、前記理由より、後進国における磁気共鳴イメージング装置の普及は困難な状況となっている。
【０００６】
【特許文献１】特開平６−５４１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は前記問題に鑑みてなされたもので、液体窒素の管理を容易とすると共に運転コストを低減できるようにして、開業医、僻地の診療所、さらには後進国等においても磁気共鳴イメージング装置を容易に設置できるようにすることを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するため、本発明は、トンネル型の検査空間を備えた磁気共鳴イメージング装置であって、
環状のクライオスタットの内部に環状の冷却容器を収容し、該冷却容器に囲まれた収容室内に高温超電導材からなる超電導コイルを収容すると共に液体窒素を供給し、前記クライオスタットの内周面に囲まれた空洞部を前記検査空間としており、
前記クライオスタットの上側外面に極低温の冷凍機を搭載すると共に、該冷凍機のコールドヘッドを前記クライオスタットから冷却容器を貫通させて、該冷却容器の内面に露出させ、かつ、該コールドヘッドの露出面の下端に設けた複数の再凝縮フィンを前記収容室内の上部に突出させる一方、
前記収容室内に充填する前記液体窒素は、前記超電導コイルを浸漬するが、前記再凝縮フィンの先端より低位置に液面を設定して、収容室内に上部空間を設け、
前記冷却容器の収容室内で、液体窒素が蒸発して前記上部空間に溜まる窒素ガスを前記再凝縮フィンに接触させて液化させ、液体窒素と窒素ガスとを前記収容室内部でクローズドサイクルで循環していることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置を提供している。
【０００９】
本発明では、冷却容器内で蒸発した窒素は上部空間に溜まることから、この上部空間に極低温の冷凍機の再凝縮フィンを突出させ、窒素ガスを液化させて再度液体窒素に戻し、冷却容器内でクローズドサイクルを形成しているため、液体窒素の管理を容易とすることができる。かつ、超電導コイルを超電導温度に保持する運動エネルギーの省力化を図ることができると共に、液体ヘリウムより安価な液体窒素を冷媒として使用しているため、運転コストを低減することができる。
また、クローズドサイクルとしているため、冷却容器に窒素ガスの排出配管や液体窒素の導入配管などの設備も不要となり、設備を小型化することができる。
このように、運転コストを低減することができると共に、液体窒素の管理を容易とすることが可能であるため、開業医、僻地の診療所、さらには後進国等においても磁気共鳴イメージング装置を容易に設置することができる。
【００１０】
さらに、実質的に液体窒素の補充を不要とすることができるため、一旦、前記収容室内に液体窒素を供給すると、液体窒素を補充するための人件費や設備費を削減することができる。
具体的には、液体窒素は、クライオスタットに冷凍機を装着する前に、冷凍機を取り付けるための装着穴から流し込んでもよいし、他に充填穴を設けて該充填穴から流し込んだ後に蓋で閉鎖してもよい。
また、前記冷凍機や超電導コイルを駆動させる電源は、太陽エネルギーで発電した電力を蓄電している太陽電池から電力を供給してもよい。前記のように太陽電池を用いると、電力会社から電力を得ることができない地域でも磁気共鳴イメージング装置を運転することができる。なお、太陽熱エネルギーを利用しなくとも、電力会社から安価に電気が得られる場合には、前記した太陽電池から電力を得る必要はない。
【００１１】
前記コールドヘッドの外周面に温度センサを取り付けていると共にヒータを巻き付け、前記温度センサにより検出されたコールドヘッドの温度を窒素の液化温度範囲内に保持するために前記ヒータで加熱制御しているのが好ましい。
前記構成とすると、ヒータでコールドヘッドの温度を制御することで、コールドヘッドが窒素の凝固点（６４Ｋ）以下になるのを防ぐことができ、効率良く窒素を液体窒素に液化することができる。
【００１２】
前記冷凍機は、液体ヘリウムを用いないＧＭ式の冷凍機としていることが好ましい。
具体的には、前記コールドヘッドは蓄熱材を収容した１段目のデイスプレーサとし、前記コールドヘッドの下端から突出する複数の前記再凝縮フィンは、材質が銅、アルミ等熱伝導の良好なもので、表面積を大きくするために薄肉状のフィンを多数配し一体化した固体状のものとし、かつ、前記冷凍機を駆動する圧縮機を備えている。
【００１３】
前述したように、コールドヘッドの冷却にＧＭ式冷凍機を用いることで、非常に高価で取り扱いの難しい液体ヘリウムを利用することなく、コールドヘッドを所要の極低温にすることができる。
前記ＧＭ式冷凍機は、コールドヘッドのディスプレーサを前記圧縮機で駆動させることで再凝縮フィンを冷却している。
【００１４】
前記高温超電導材はビスマス系、イットリウム系、タリウム系の超電導材からなり、円形または長円形とした超電導コイルを軸線方向に複数並設して前記本体ケース内に収容し、０．２Ｔ以上の磁場を発生できるものとしているのが好ましい。
【００１５】
超電導材に、ビスマス系、イットリウム系、タリウム系の高温超電導材を用いることで、液体窒素によって超電導状態に保持することができるため、冷媒コストにかかるコストを低減することができる。
磁場が０．２Ｔ程度であっても、信号処理にかける時間を若干短くすることで実用に耐える映像を得ることができる。なお、磁場の強度は０．２Ｔ以上０．５Ｔ以下程度でよい。
【発明の効果】
【００１６】
前述したように、本発明によれば、冷却容器内で蒸発した窒素を極低温の冷凍機で冷却して液化させて再度液体窒素に戻し、冷却容器内でクローズドサイクルを形成しているため、冷媒の管理が容易であると共に運転コストを低減することができる。よって、開業医、僻地の診療所、さらには後進国等においても磁気共鳴イメージング装置を容易に設置することができる。
また、実質的に液体窒素の補充を不要とすることができるため、一旦、本発明の装置に液体窒素を供給すると、液体窒素を補充する人件費や設備費を削減することができる
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１および図２に本実施形態の磁気共鳴イメージング装置１０を示す。
前記磁気共鳴イメージング装置１０は、図１に示すように、トンネル型の検査空間を備えた環状のクライオスタット１３と、該クライオスタット１３内部に収容している円環状の冷却容器１４と、該冷却容器１４に収容している超電導コイルＭと、該超電導コイルＭを超電導状態に保持する液体窒素ＬＮ２と、該液体窒素ＬＮ２が気化した窒素ガスＧＮ２を液化する極低温冷凍機（以下、冷凍機と略す）２１とを備えている。
【００１８】
前記クライオスタット１３は円環状の外周壁１３ａおよび内周壁１３ｂと、該外周壁１３ａと内周壁１３ｂの長さ方向の両端を閉鎖する環状側板１３ｃ、１３ｄをそなえ、内周壁１３ｂで囲まれる空洞部Ｓ１を、人体の被検部の検査用挿入空間とし、該空洞部Ｓ１の一端開口Ｓａを被検体挿入口となる。該被検体挿入口と対向する他端側は開口しておいてもよいし、閉鎖板で閉鎖してもよい。
【００１９】
前記クライオスタット１３の内部には、真空断熱層１７を介在させて、円環状の冷却容器１４を収容している。該冷却容器１４は、外周壁１４ａ、内周壁１４ｂ、長さ方向の両端を閉鎖する環状側板１４ｃ、１４ｂとからなる。
前記冷却容器１４で囲まれた円環状の中空部からなる収容室１６内には、内周壁１４ｂに添って、ダブルパンケーキコイルを軸線方向に複数組並設した超電導Ｍを収容し、外周壁１４ａとの間に隙間をあけている。かつ、外周壁１４ａを上半周側の上頂点側を下半周側の下頂点側より突出させた形状としている。
【００２０】
前記冷却容器１４の収容室１６内に充填する液体窒素ＬＮ２は、収容室１６の下半周部１６ａ内の全体に充填すると共に、上半周部１６ｂには、前記突出させた部分までは液体窒素ＬＮ２を充填せず、気化した窒素ガスＧＮ２が滞留する上部空間Ｓ２としている。即ち、窒素ガスＬＮ２の液面Ｈの高さを上部空間Ｓ２に達しない低位置に設定している。
前記収容室１６に充填した液体窒素ＬＮ２により、下半周部１６ａおよび上半周部１６ｂに位置する超電導コイルＭの全周は液体窒素ＬＮ２に常時浸漬される液量を収容室１６に充填している。
【００２１】
前記超電導コイルＭは超電導状態で０．２Ｔ程度の磁場を発生できるものとしている。
なお、超電導コイルは超電導材を螺旋状に巻回したソレノイドコイルとしてもよい。
【００２２】
前記クライオスタット１３の外周壁１３ａの上頂点位置の外面に、極低温の冷凍機２１を搭載している。該冷凍機２１のコールドヘッド３０はクライオスタット１３の外周壁１３ａに設けた装着用開口１３ｈより挿入し、真空断熱層１７を通して、冷却容器１４の外周壁１４ａに貫通させて設けた装着穴１８に挿入し、コールドヘッド３０の下端面を冷却容器１４内面に露出させている。
【００２３】
前記露出させたコールドヘッド３０の下端より複数の再凝縮フィン３１を冷却容器１３内の上部空間Ｓ２に突出させている。該上部空間Ｓ２に上昇して滞留する窒素ガスＧＮ２に前記再凝縮フィン３１を接触させて急冷却し、再度液化させている。
即ち、クローズされた冷却容器１４の収容室１６の内部で液体窒素ＬＮ２から気化した窒素ガスＧＮ２を、冷却容器１４から排出することなく、収容室１６内において再凝縮フィン３１との接触で液化させ、液体窒素と窒素ガスとをクローズドサイクルで循環させている。
【００２４】
前記クライオスタット１３の外面に搭載した冷凍機２１は圧縮機２２と接続し、該圧縮機２２で冷凍機２１を駆動させている。
本実施形態の冷凍機２１は、圧縮機２２で駆動されるＧＭ式冷凍機の伝動冷却型とし、液体ヘリウムによる冷却型としていない。
【００２５】
前記伝動冷却型のＧＭ式冷凍機は、図２に示す公知の構成からなり、シリンダ２１ａ内に１段目のディスペレーサ２１ｂを収容し、該１段目のディスペレーサ２１ｂ内の第１段吸熱部２１ｃ内に隣青銅の金網からなる蓄熱材４０と鉛の玉からなる蓄熱材４１を上下に収容している。この１段目のディスペレーサ２１ｂを収容した部分がコールドヘッド３０となる。
このコールドヘッド３０の下端から突出した複数の再凝縮フィン３１は、材質が銅、アルミ等熱伝導の良好なもので、表面積を大きくするために薄肉状のフィンを多数配し一体化した固体状のものとしている。
１段目のディスペレーサ２１ｂを駆動機構２１ｅで上下駆動させることにより、再凝縮フィンを冷却する構成となっている。
【００２６】
前記冷凍機２１は常時駆動させ、コールドヘッド３０、再凝縮フィン３１を窒素ガスが液化できる温度に保持している。
前記ＧＭ式冷凍機２１の冷凍能力は、ディスペレーサ２１ｂとシリンダ２１ａにかこまれた第一段膨張空間２１ｆの体積に比例し、窒素ガスを急冷して液化できる冷凍能力を付与している。
【００２７】
なお、前記ＧＭ式冷凍機２１を用いずに、液体ヘリウム冷却型としてもよい。この場合、液体ヘリウムはコールドヘッド３０の冷却用としてだけ用意すればよく、超電導コイルＭの冷却用としていないため、液体ヘリウムは少量で良いと共に補充も殆ど必要なく、液体ヘリウムの使用によるコスト高を抑制することができる。
【００２８】
前記冷却容器１４内の収容室１６に充填する液体窒素ＬＮ２は、本実施形態では、冷凍機２１を取り付ける前に前記装着穴１８から冷却容器１４の収容室１６に充填している。なお、他に充填穴を設けて該充填穴から充填してもよい。
【００２９】
前記真空断熱層１７に位置するコールドヘッド３０の外周面には、温度センサ３３を取り付けていると共にヒータ３２を巻き付けている。
前記温度センサ３３にコールドヘッド３０の温度を検出し、該検出した温度に応じてヒータをオンオフしている。具体的には、窒素の凝固点（６４Ｋ）以下の温度が検出されると、ヒータ３２をオンしてコールドヘッド３０を加熱し、窒素の液化温度範囲内の温度に保持している。
【００３０】
前記超電導コイルＭに接続した常電導線Ｗ１はクライオスタット１３より引き出して電源５０と接続している。また、圧縮機２２の駆動用電線Ｗ２やコールドヘッド３０に取り付けた温度センサ３３とヒータ３２の電線Ｗ３、Ｗ４も電源５０に接続している。
本実施形態の磁気共鳴イメージング装置１０には、図示していないが、前記被検体の原子核の核磁気共鳴によって放出される信号を受信する受信部を備え、該受信部からの信号を増幅器およびＡ／Ｄ変換器を介してデジタル変換し、被検体の断層像を画像表示する画像処理装置５１を備えている。該画像処理装置５１も電源５０と接続している。
前記した電源５０には、本実施形態では太陽エネルギーで発電した電力を蓄電している蓄電している太陽電池５２から電力を供給している。なお、太陽熱エネルギーを利用しなくとも、電力会社から安価に電気が得られる場合には、前記した太陽電池から電力を得る必要はない。
【００３１】
前記構成とした本発明の磁気共鳴イメージング装置１０では、冷却容器１４の収容室１６内で蒸発した窒素を極低温の冷凍機２１の再凝縮フィン３１に接触させ冷却して液化させ、再度、液体窒素に戻し、冷却容器１４内でクローズドサイクルとしているため、液体窒素の管理を容易とすることができ、かつ、運転コストを低減することができる。
よって、開業医、僻地の診療所、さらには後進国等においても磁気共鳴イメージング装置を容易に設置することができる。
また、実質的に液体窒素の補充を不要とすることができるため、一旦、磁気共鳴イメージング装置１０に液体窒素を供給すると、液体窒素を補充する人件費や設備費を削減することができる
さらに、ヒータ３２でコールドヘッド３０を加熱制御することで、コールドヘッド３０が窒素の凝固点（６４Ｋ）以下になるのを防ぐことができ、効率良く窒素を液体窒素に液化することができる。
【００３２】
前記実施の形態はすべての点で例示であって、これら実施形態に限定されず、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の範囲内でのすべての変更が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施形態の磁気共鳴イメージング装置を示し、（Ａ）は垂直断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図２】ＧＭ式冷凍機を示す図面である。
【図３】従来例を示す図面である。
【符号の説明】
【００３４】
１０  磁気共鳴イメージング装置
１３  クライオスタット
１４  冷却容器
１６  収容室
２１  極低温冷凍機（冷凍機）
２２  圧縮機
３０  コールドヘッド
３１  再凝縮フィン
３２  ヒータ
３３  温度センサ
Ｍ  超電導コイル
Ｓ１  空洞部
Ｓ２  上部空間
Ｈ  液面
【図１】
2009172317.tif 000003
【図２】
2009172317.tif 000004
【図３】
2009172317.tif 000005