(57)【要約】【課題】超電導コイルを安価に製造すると共に小型化し、僻地の診療所、さらには発展途上国等においても磁気共鳴イメージング装置を設置できるようにする。【解決手段】高温超電導材からなる超電導コイルを冷却容器内に収容していると共に該冷却容器内に液体窒素を充填している磁気共鳴イメージング装置であって、前記超電導コイルは、複数個のダブルパンケーキコイルとシングルパンケーキコイルのいずれか一方または両方からなる積層体からなり、液体窒素流入用の切欠を周方向に間隔をあけて放射状に設けた絶縁スペーサを、前記コイルの積層体の長さ方向両端のコイルの外側と、コイルの積層体の間のいずれか一方または両方に配置している。【選択図】図１
2009172318.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温超電導材からなる超電導コイルを冷却容器内に収容していると共に該冷却容器内に液体窒素を充填している磁気共鳴イメージング装置であって、
前記超電導コイルは、複数個のダブルパンケーキコイルとシングルパンケーキコイルのいずれか一方または両方からなる積層体からなり、
液体窒素流入用の切欠を周方向に間隔をあけて放射状に設けた絶縁スペーサを、前記コイルの積層体の長さ方向両端のコイルの外側と、コイルの積層体の間のいずれか一方または両方に配置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】
前記コイルの積層体は、内周側支持筒の外周に並設配置していると共に該支持筒の軸線方向に設けた一対のフランジで挟持しており、
前記絶縁スペーサは、前記コイルの積層体の軸線方向両端のコイルと前記フランジとの間および、該両端のコイルに夫々隣接するコイルとの間に介設している請求項１に記載の磁気共鳴イメージング装置。
【請求項３】
前記絶縁スペーサに設けた前記液体窒素流入用の切欠の合計面積Ｓ１と、絶縁スペーサの面積Ｓ２の比率はＳ１／Ｓ２＞１／２とし  さらに、前記絶縁スペーサの外径は前記積層されたコイルの外径と同等とすると共に、前記フランジの外径は絶縁スペーサの外径よりも大としている請求項２に記載の磁気共鳴イメージング装置。
【請求項４】
超電導材からなる超電導コイルを冷却容器内に収容していると共に該冷却容器内に液体窒素を充填している磁気共鳴イメージング装置において、
前記超電導コイルは、複数個のダブルパンケーキコイルとシングルパンケーキコイルのいずれか一方または両方からなる積層体からなり、該積層体の軸線方向の両端にフランジを配置し、該フランジに液体窒素流入用の切欠を周方向に間隔をあけて放射状に設けていることを特徴とする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からなる超電導コイルを用いると共に冷媒として液体窒素を用いる磁気共鳴イメージング装置において、前記液体窒素による冷却効果を高めて、超電導コイルに臨界電流以上の過電流を流しても、超電導コイルに安定した通電を行え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】
例えば、超電導コイルを収容した容器内に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する冷媒として液体ヘリウムを用いている。
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。
【０００４】
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、図４に示すように、酸化物系超電導材でコイル１を巻回し、冷却用配管２に液体窒素を流すことにより、該コイル１を冷却してい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。
【０００５】
しかしながら、液体窒素温度では臨界電流が磁場により大幅に規制を受け、電流を多大に流すと臨界電流の電流値を超えてクエンチする可能性がある。よって、通常、コイルの定格電流は臨界電流の７０％程度に抑制して設計されている。そのため、超電導コイルのターン数を多くしなければならず、コイルが大型化すると共に、コイルのコストが高くなる問題がある。
また、超電導コイルが大型化すると、設備全体も大型化し、設置費用が高価となるため、磁気共鳴イメージング装置による検査や診断は、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、近時は発展途上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、発展途上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あり、超電導コイルのターン数を抑制しても安定した高磁場を発生できるようにして、磁気共鳴イメージング装置の小型化、費用の低減を図り、開業医等においても容易に磁気共鳴イメージング装置を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に、第１の発明は、高温超電導材からなる超電導コイルを冷却容器内に収容していると共に該冷却容器内に液体窒素を充填している磁気共鳴イメージング装置であって、
前記超電導コイルは、複数個のダブルパンケーキコイルとシングルパンケーキコイルのいずれか一方または両方からなる積層体からなり、
液体窒素流入用の切欠を周方向に間隔をあけて放射状に設けた絶縁スペーサを、前記コイルの積層体の長さ方向両端のコイルの外側と、コイルの積層体の間のいずれか一方または両方に配置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、超電導コイルとして、高温超電導材を用いることにより、冷媒として液体窒素を用いている。
前記冷媒として用いる液体窒素は、液体ヘリウムと比較して比熱が十分に大きく、該液体窒素の潜熱が十分に大きいことより、超電導コイルの定格電流を臨界電流を越えた過大電流としても、液体窒素の核沸騰による超電導コイルの冷却効果を利用して、コイルに安定して通電でき、高磁場を安定して発生させることができる。
しかしながら、臨界電流を越えた過電流を流した時に、超電導コイルを積層配置した場合、その長さ方向の両端側等はクエンチが発生しやすくなるため、冷却効果を高めてクエンチが発生しないように、前記絶縁スペーサを配置している。
前記液体窒素流入用の切欠を設けた絶縁スペーサを、長さ方向の端部のコイルの外側や、コイル積層体の間に介在させることで、冷却容器内の液体窒素が前記液体窒素流入用切欠から流入する。よって、該窒素流入用の切欠がなければ液体窒素とは接触しないコイルの内周側に液体窒素を接触させ、臨界電流を越えた場合にもクエンチを発生を防止できる。
【００１０】
前記のように、クエンチが発生しやすい箇所には、液体窒素流入用の切欠を設けた絶縁スペーサを介在させて超電導コイルの冷却効果を高めているため、該超電導コイルに臨界電流以上の電流を流しても、クリンチが発生せず、安定して高磁場を発生させることができる。かつ、コイルに臨界電流以上の電流を流すことができるためコイルのターン数を減らすことができ、装置全体を小型化することができると共に、安価にコイルを製造することができる。さらに、装置全体の小型化により、僻地の診療所や発展途上国においても磁気共鳴イメージング装置を設置することができる。
【００１１】
前記コイルの積層体は、内周側支持筒の外周に並設配置していると共に該支持筒の軸線方向に設けた一対のフランジで挟持しており、
前記絶縁スペーサは、前記コイルの積層体の軸線方向両端のコイルと前記フランジとの間および、該両端のコイルに夫々隣接するコイルとの間に介設している。
【００１２】
コイルを積層して磁場を発生させる場合、軸方向の端部のコイルの方が中央に位置するコイルよりも垂直磁場が強く電流値が大きくなり、臨界電流を超えた過電流が流れるとクエンチが発生しやすい。よって、絶縁スペーサを軸方向両端部付近に配置することで、コイルを効率良く冷却し、クエンチを発生させないようにすることができる。
【００１３】
前記絶縁スペーサに設けた前記液体窒素流入用の切欠の合計面積Ｓ１と、絶縁スペーサの面積Ｓ２の比率は、Ｓ１／Ｓ２＞１／２とし、かつ、前記絶縁スペーサの外径は前記積層されたコイルの外径と同等とすると共に、前記フランジの外径は絶縁スペーサの外径よりも大としているのが好ましい。
【００１４】
前記液体窒素流入用の切欠の合計面積Ｓ１と絶縁スペーサの面積Ｓ２の比を１／２未満とすると、液体窒素がコイルに接触する面積が小さく、コイルの発熱に対して液体窒素が十分冷却することができない。
【００１５】
第２の発明として、超電導材からなる超電導コイルを冷却容器内に収容していると共に該冷却容器内に液体窒素を充填している磁気共鳴イメージング装置において、
前記超電導コイルは、複数個のダブルパンケーキコイルとシングルパンケーキコイルのいずれか一方または両方からなる積層体からなり、該積層体の軸線方向の両端にフランジを配置し、該フランジに液体窒素流入用の切欠を周方向に間隔をあけて放射状に設け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。
【００１６】
コイルを両端で挟んで配置するフランジに液体窒素流入用の切欠を設けることで、新たに別部材の前記絶縁スペーサを取り付けなくても、既存設備であるフランジに切欠を設ける簡単な構成でコイルを液体窒素で冷却することができる。よって、安定して高磁場を発生させることができると共に、コイルを小型化することができ、かつ、安価にコイルを製造することができる。
【００１７】
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、かつ、該超電導コイルの臨界電流以上の通電をしていることが好ましい。
【００１８】
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。  前記のように、０．２Ｔ程度の磁場を発生させ、かつ、前記液体窒素を用いて、核沸騰を利用して超電導コイルを冷却し、さらに、クエンチが発生しやすい箇所には液体窒素流入用切欠を設けた絶縁スペーサを介在させていることで、臨界電流以上の過電流を安定してコイルに流せるようにしているため、超電導コイルのターン数を抑制でき、安価にコイルを作成することができる。
【発明の効果】
【００１９】
前述したように、本発明によれば、コイルに臨界電流以上の電流を流しても、液体窒素の核沸騰により冷却することができ、かつ、クエンチが発生しやすい箇所に液体窒素流入用切欠を設けた絶縁スペーサを介在させ、冷却されにくい超電導コイルの内周側まで冷却していることによりクエンチ発生を防止できる。このように臨界電流以上の過電流を流して安定した通電ができ、安定した高磁場を発生させることができる。かつ、コイルのターン数を減らすことができ、装置全体を小型化することができると共に安価にコイルを製造することができ、僻地の診療所や発展途上国等にも装置を設置することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１乃至図２に本発明の磁気共鳴イメージング装置１０の第１実施形態を示す。
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ており、環状の外容器１１と、該外容器１１に収容している環状の冷却容器１２と、該冷却容器１２に収容している超電導コイル２０を備え、該冷却容器１２内に超電導コイル２０を超電導状態に保持する液体窒素ＬＮを充填している。
【００２１】
前記外容器１１は円環状の外周壁１１ａおよび内周壁１１ｂと、該外周壁１１ａと内周壁１１ｂの長さ方向の両端を閉鎖する環状側板１１ｃ、１１ｄを備えている。該内周壁１１ｂ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を被検体挿入口としている。なお、該被検体挿入口Ｓａと対向する他端側は本実施形態では開口Ｓｂとしているが、閉鎖板で閉鎖してもよい。
前記外容器１１の内部には、真空断熱層１３を介在させて、円環状の冷却容器１２を収容している。該冷却容器１２は、外周壁１２ａ、内周壁１２ｂ、長さ方向の両端を閉鎖する環状側板１２ｃ、１２ｂとからなる。
【００２２】
前記冷却容器１２で囲まれた円環状の中空部からなる収容室１６内には、高温超電導材からなる超電導コイル２０を収容していると共に、液体窒素ＬＮを充填している。
前記冷却容器１４の収容室１６内に充填する液体窒素ＬＮは、収容室１４の下半周部１４ａ内の全体に充填すると共に、上半周部１４ｂには気化した窒素ガスＧＮが滞留する上部空間Ｓ２を設けている。該上部空間Ｓ２に上昇して滞留する窒素ガスＧＮを、外容器１１と冷却容器１４とを貫通させて先端を収容室１４に突出させている配管３１を通して冷凍機３０に送り、該窒素を冷却して再度液化させ収容室１４内に戻している。
【００２３】
超電導コイル２０は、高温超電導材からなり、複数個のダブルパンケーキコイル２１（以下、コイルと称す）を軸線方向に並設した積層体からなる。本実施形態では、高温超電導材をビスマス系超電導材とし、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く、また、シングルパンケーキコイルとしてもよい。
【００２４】
前記複数のコイル２１は、内周側支持筒１５の外周に並設配置して軸線方向に積層していると共に、内周側支持筒１５の軸線方向両端に設けた環状の一対のフランジ１６で、該コイル２１の積層体を挟持している。
内周側支持筒１５の両端には、径方向に突出するボルト締め部１５ａを設け、該ボルト締め部１５ａとフランジ１６とを軸線方向にボルト締め固定している。フランジ１６および内周側支持筒１５はＦＲＰ（繊維強化プラスチック）からなる。
【００２５】
前記コイル２１の積層体の軸線方向両端のコイル２１Ａとフランジ１６との間および、該両端のコイル２１Ａに夫々隣接するコイル２１Ｂとの間に環状の絶縁スペーサ１７を介設している。なお、絶縁スペーサ１７は、両端のコイル２１Ａとフランジ１６との間にのみ設けてもよいし、コイル２１の積層体の両側付近の複数のコイル２１間に設けてもよい。  これは、超電導コイル２１の積層体の長さ方向の中央部では、長さ方向の両端部と比較して垂直方向の磁場は小さくなるため、発熱量は少なくクエンチが発生しにくい。よって、垂直方向の磁場が大きくなり、発熱量が大きくなる積層体の長さ方向の両端部に前記絶縁スペーサ１７を配置している。
【００２６】
前記絶縁スペーサ１７は、図１および図２に示すように、環状として外周をコイル２１と同等としていると共に、フランジ１６の外径よりは小としている。該絶縁スペーサ１７の中心には、冷却容器１２の内周壁１２ｂを隙間をあけて包囲可能な貫通穴１７ａを設けている共に、外周端から内周に向けて略矩形状の液体窒素流入用切欠１７ｂを周方向に間隔をあけて放射状に設けている。該絶縁スペーサ１７に接するコイル２１の内周側を液体窒素流入用切欠１７ｂを通して導入される液体窒素ＬＮで冷却している。
【００２７】
本実施形態では、前記絶縁スペーサ１７に設けた液体窒素流入用切欠１７ｂの合計面積Ｓ１と、絶縁スペーサ１７の面積Ｓ２とは、Ｓ１／Ｓ２＝１/１としている。
【００２８】
前記構成の磁気共鳴イメージング装置１０において、液体窒素ＬＮで冷却可能なコイル２１の通電電流Ｉｏｐの上限は以下の計算式で表される。
通電電流Ｉｏｐのときの電圧をＶ（Ｉｏｐ）とすると、運転電圧Ｖ（Ｉｏｐ）、発熱量Ｐ（Ｉｏｐ）は数式１で表される。
【数１】
2009172318.tif 000003
ここで、コイルのＬは常電導発生長さ（ｃｍ）とし、Ｉｃｖｅｒは垂直磁場臨界電流（１０−６Ｖ／ｃｍ）、ｎはｎ値とする。
【００２９】
発熱量Ｐ（Ｉｏｐ）が液体窒素のヒートフラックスｑ（Ｗ／ｃｍ2）×Ｓよりも小さければ、コイルを冷却することができるため、Ｉｏｐは次式の条件を満たす値となる。
【数２】
2009172318.tif 000004
ここで、Ｓは端部のコイル冷却面の表面積であり、液体窒素流入用切欠１７ｂの合計面積Ｓ１と同じ値となる。
本実施形態で使用しているコイル２１の臨界電流は４５Ａであるが、本発明の磁気共鳴イメージング装置１０では、Ｖ（Ｉｏｐ）＝２．７４Ｖ、Ｌ＝１０ｍ、Ｉｃｖｅｒ＝５０A、Ｓ＝３３ｃｍ2、ｑ＝１０Ｗ／ｃｍ2の場合、コイル２１に８２Ａまで流すことが可能となる。
【００３０】
前記装置において、コイル２１に発熱を生じても、液体窒素ＬＮ２の核沸騰により冷却することができる。
よって、前述したように、例えば、コイル２１の臨界電流を４５Ａとすると、臨界電流以上の８２Ａまで電流を流しても、コイル２１を液体窒素ＬＮ２で冷却することができるため、クエンチが発生せず、安定して高磁場を発生させることができる。
かつ、コイル２１に臨界電流以上の電流を流すことができるため、コイル２１のターン数を減らすことができ、装置全体を小型化することができると共に、安価にコイルを製造することができる。
【００３１】
図３に本発明の第２実施形態を示す。
第２実施形態の磁気共鳴イメージング装置は、図３（Ａ）（Ｂ）に示すように、コイル２１を積層した積層体に絶縁スペーサ１７を装着せず、積層体を挟持しているフランジ１９に液体窒素流入用切欠１９ｂを設けている点を第１実施形態と相違させている。
前記フランジ１９は、図３（Ｂ）に示すように、第１実施形態の絶縁スペーサ１７の液体窒素流入用切欠１７ｂと同様としており、外周端から内周に向けて液体窒素流入用の切欠１９ｂを周方向に間隔をあけて放射状に設けた形状としている。冷却容器１２の収容室１４に充填している液体窒素ＬＮを液体窒素流入用切欠１９ｂに導入し、積層体の両端に位置するコイル２１ｃの内周側を冷却している。
他の構成および作用効果は第１実施形態と同様のため、同一の符号を付して説明を省略する。
【００３２】
本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の特許請求の範囲内の種々の形態が含まれるものである。
【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Ａ−Ａ線断面図である。
【図２】絶縁スペーサを示す正面図である。
【図３】本発明の第２実施形態を示す図であり、（Ａ）磁気共鳴イメージング装置の垂直断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図の要部拡大図である。
【図４】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
１１  外容器
１２  冷却容器
１５  内周側支持筒
１６、１９  フランジ
１７  絶縁スペーサ
１７ｂ液体窒素流入用切欠
２０  超電導コイル
２１  ダブルパンケーキコイル（コイル）
ＬＮ  液体窒素
ＧＮ  窒素
【図１】
2009172318.tif 000005
【図２】
2009172318.tif 000006
【図３】
2009172318.tif 000007
【図４】
2009172318.tif 000008