JP4291101B2 - 核磁気共鳴イメージング装置用超電導磁石 - Google Patents

Description

本発明は、核磁気イメージング装置用超電導磁石に関するものである。

核磁気共鳴イメージング装置（以下ＭＲＩ装置と略称する）は、均一な静磁場空間に置かれた被検査体へ電磁波を照射したときに生じる核磁気共鳴現象を利用して被検査体の物理的な性質を表す画像を得るものである。このような装置は、主として医療用として使われている。

開放型のＭＲＩ装置は、均一磁場領域を挟んで一対の磁石が対向して配置されるので、被検査者が受ける閉塞感が小さく、しかも検査者が被検査者へアクセスすることが容易である。その結果、近年ＭＲＩ装置の主流になっている。

この開放型ＭＲＩ装置の被検査体が置かれる計測空間に静磁場を発生させる起磁力源として、超電導コイルが用いられる。この超電導コイルは、多くの場合、液体ヘリウム中に浸漬することによって冷却される。また、熱侵入による液体ヘリウムの消費を低減させるために、極低温冷凍機による冷却を併用する。

このような上下に対向して配置された液体ヘリウム容器内のヘリウム液面の変化を適正に制御する方法として、上下のヘリウム容器に設ける連結管の上部端を底面より上方に配置することが行われる。このような技術は、特許文献１（特開平１１−１６７１８号公報）に記載されている。

特開平１１−１６７１８号公報

超電導磁石を冷却する極低温冷凍機が正常に動作している時は、液体ヘリウムの蒸発は少なく、計測空間に均一で時間的に安定した磁場を発生することが可能である。しかしながら、停電、あるいは極低温冷凍機の故障によって冷却が中断すると、液体ヘリウムの蒸発量が大きくなる。

その結果、時間の経過とともに超電導コイルが液体ヘリウムに浸漬されないで、ヘリウムガス雰囲気中に露出することになり、クエンチすることは避けられない。極低温冷凍機の停止から超電導コイルのクエンチまでの経過時間を長くするために、液体ヘリウム収納容器の容量を大きくすることが考えられる。

収納容器の寸法を大きくするためには、磁石の外形や高さを大きくすることが必要であり、磁気共鳴イメージング装置の開放性や設置性が悪化する。したがって、液体ヘリウム収納容器の寸法を大きくしないで、超電導コイルを長時間液体ヘリウム中に浸漬することが必要である。

特に、上下に対向して配置された超電導コイル群においては、この容器内に配置された鉛直方向の最高位のコイルが短時間でヘリウムガス雰囲気に露出し易くなる。

本発明のひとつの課題解決手段は、超電導コイルを起磁力源とし、被検査体が置かれる計測空間を挟んで対向して配置された一対の超電導磁石と、前記超電導コイルを収納する液体ヘリウム収納容器と、蒸発した液体ヘリウムを再凝縮して前記液体ヘリウム収納容器へ循環させる極低温冷凍機を備え、前記液体ヘリウム収納容器は、蒸発したヘリウムガスを蓄える容器を内蔵する核磁気共鳴装置用超電導磁石を用いることである。

本発明によれば、蒸発したヘリウムガスが、液体ヘリウムの液面を上方に押し上げるので、液面低下による超電導コイルの温度上昇を抑制することができる。

本発明の実施の形態を図面に沿って説明する。図１、図２は、本発明の実施の形態を示すＭＲＩ用超電導磁石の全体構造図であり、図１は外観図、図２は、その断面図である。計測空間１１を挟んで上下方向に対向する１対の磁石１ａ、１ｂと、これらの間に支柱８ａ，８ｂが設けられている。座標軸は、計測空間の中心を通る方向の鉛直軸１２、左右の支柱を横切る方向の水平軸１３である。被検査対象は、磁石１ａ、１ｂ、支柱８ａによって囲まれた計測空間１１に置かれる。

図２に示すように、起磁力源である超電導コイル２ａ、２ｂは、収納容器２１の内部の上下に配置され、収納容器２１に導入される液体ヘリウム１４によって冷却される。収納容器２１の上部には、極低温冷凍機４が設置され、蒸発した液体ヘリウムを再凝縮させて、液体ヘリウム１４の液面低下による超電導コイル２ａ、２ｂの温度上昇を抑制している。

計測空間１１の磁場均一度を向上するために、磁石１ａ、１ｂに超電導コイル２ａ、２ｂに加えて複数組の超電導コイルが対向して配置されることもある。また、磁性材からなる磁極を液体ヘリウム１４の中、あるいは室温空間に配置することもあるが、ここでは図示していない。

支柱８ａ、８ｂは、上下磁石１ａ、１ｂを機械的に保持するとともに、液体ヘリウム１４の連結管としての機能を持っている。液体ヘリウム収納容器２１の外側には、これらを断熱するための熱輻射シールド２２が配置されている。さらに、熱輻射シールド２２の外側は真空容器２３によって取り囲まれている。

ヘリウムガス収納容器２４ａ、２４ｂは、図２のように液体ヘリウム収納容器２１内部の上下中央部に配置され、その上面部がそれぞれ圧力配管２５ａ、２５ｂを経て大気空間と接続され、大気側にバルブ２６ａ、２６ｂが設けられている。

ヘリウムガス収納容器２４ａ、２４ｂは、蒸発したヘリウムガスを捕捉、収容するために下方が開放し、上方が閉塞されている。このような構成は内部にヘリウムガスが貯まったときに液体ヘリウム収納容器内の液面を押し上げるのに必要である。ヘリウムガスを蓄えるヘリウムガス収納容器の鉛直方向の軸周りの面積は、ヘリウム収納容器２４ａ、２４ｂの同面積の１３％以上であることが望ましい。

このバルブ２６ａ、２６ｂは、液体ヘリウム収納容器２１に液体ヘリウム１４を注入するときや極低温冷凍機４が運転しているときは開放されており、ヘリウムガス収納容器２４の内部にヘリウムガスが蓄えられることなく容器外に導かれるため、容器内部は液体ヘリウム１４で満たされている。

極低温冷凍機４の運転が停電等で停止した場合には、必要に応じてバルブ２６ａ、２６ｂを手動あるいは自動制御で閉止する。したがって、液体ヘリウム収納容器２１の外周面から発生する蒸発ヘリウムガスは、ヘリウムガス収納容器２４ａ、２４ｂの内部に蓄積される。ヘリウムの密度は、例えば4.2°Ｋで１２５ｋｇ／ｍ³であるのに対し、4.3°Ｋで気化したヘリウムガスの密度は１６ｋｇ／ｍ³であり、体積は約7.8倍に増加する。

液体ヘリウムが蒸発して体積膨張したヘリウムガスがヘリウムガス収納容器２４ａ、２４ｂに蓄積されると、液体ヘリウム１４の液面を押し上げることになり、超電導コイル２ａ、２ｂが液面上昇によって運転可能時間を大幅に延長できる。

なお、ガス空間に露出するまでの時間を長くするには、ヘリウムガス収納容器２４ａ、２４ｂの体積を大きくすることが好ましい。この場合には、空間的には図２に示すように、超電導コイル２ａ、２ｂの内周側に配置するのがよい。

図３は、ヘリウムガス収納容器２４ａ、２４ｂの内部に加熱ヒータを配置した代表的な実施例を示す。蒸発したヘリウムガスをヘリウムガス収納容器２４ａ、２４ｂの内部に導くのに加えて、加熱ヒータ２７をヘリウムガス収納容器２４ａ、２４ｂに配置することによって、液体ヘリウム液面とヘリウムガス量を制御することが可能となる。

一方、ヘリウムガス収納容器２４ａ、２４ｂの形状を図３に示すように超電導コイル２ａ、２ｂを機械的に固定する荷重支持体２８と液体ヘリウム収納容器２１の接続部付近から発生するヘリウムガスを回収するように改善することによって、蒸発したヘリウムガスを効率よく回収できる。

図４は、圧力配管２５ａ、２５ｂをヘリウムガス回収容器２４ａ、２４ｂと液体ヘリウム収納容器２１を接続するようにした一例で、極低温冷凍機４が運転している状態では、ヘリウムガス収納容器に集まったヘリウムガスは、液体ヘリウム収納容器２１の上方に蓄積される。しかし、極低温冷凍機４によって再液化されるため、ヘリウムガスは、液体ヘリウム収納容器２１の外部へ排出されないで循環する。

極低温冷凍機４が停止した場合には、上述のように圧力配管２５ａ、２５ｂに設けられたバルブ２６ａ、２６ｂを閉止することによって、ヘリウムガス容器２４ａ、２４ｂ内部にヘリウムガスが蓄積され、液面を押し上げる機能を発揮することになる。

図４において、下側磁石のヘリウムガス収納容器２４ｂに設けられた圧力配管２５ｂの端部を上側磁石１ａの上部空間まで延長し、蒸発したヘリウムガスが上側の超電導コイル２ａに接触しないようにする方法も有効である。

上述の実施例はすべてこの圧力配管が、ヘリウムガス収容容器と液体ヘリウム収容容器間を接続する方式においてもその機能を発揮する。ここのように本発明によれば、蒸発したヘリウムガスが、液体ヘリウム１４の液面を上方に押し上げるので、液面低下による超電導コイルの温度上昇を抑制することができる。

本発明の実施の形態を示す磁気共鳴イメージング装置用超電導磁石の外観図である。 図１の超電導磁石の断面図である。 本発明の他の実施例を示す超電導磁石の断面図である。 本発明の他の実施例を示す超電導磁石の断面図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ…磁石、２ａ、２ｂ…超電導コイル、４…極低温冷凍機、８ａ、８ｂ…支柱、１１…計測空間、１２…鉛直軸、１３…鉛直軸に垂直な軸、１４…液体ヘリウム、２１…液体ヘリウム収納容器、２２…熱輻射シールド、２３…真空容器、２４…気体ヘリウム収納容器、２５…圧力配管、２６…バルブ、２７…加熱ヒータ、２８…荷重支持体。

Claims (8)

1. 超電導コイルを起磁力源とし、被検査体が置かれる計測空間を挟んで対向して配置された一対の超電導磁石と、前記超電導コイルを収納する液体ヘリウム収納容器と、蒸発した液体ヘリウムを再凝縮して前記液体ヘリウム収納容器へ循環させる極低温冷凍機を備え、前記液体ヘリウム収納容器は、蒸発したヘリウムガスを蓄えるヘリウムガス収納容器を内蔵し、前記ヘリウムガス収納容器は、前記超電導コイルの内側に配置されており、前記ヘリウムガス収納容器に蓄積されたヘリウムガスによって前記液体ヘリウムの液面は押し上げられることを特徴とする核磁気共鳴イメージング装置用超電導磁石。
2. 請求項１において、前記ヘリウムガスを蓄えるヘリウムガス収納容器は、圧力配管を通して前記液体ヘリウム収納容器の外部と接続され、大気圧領域にバルブを備える核磁気共鳴イメージング装置用超電導磁石。
3. 請求項１において、前記ヘリウムガスを蓄えるヘリウムガス収納容器は、圧力配管を通して前記液体ヘリウム収納容器と接続され、この圧力配管に大気圧領域から開閉操作が可能であるバルブを備える核磁気共鳴イメージング装置用超電導磁石。
4. 請求項１において、前記ヘリウムガスを蓄えるヘリウムガス収納容器は、圧力配管を通して前記液体ヘリウム収納容器の外部と接続され、この圧力配管は大気圧領域にバルブを有し、前記バルブは、前記極低温冷凍機が運転している状態では開放し、前記極低温冷凍機が停止した状態では閉止する核磁気共鳴イメージング装置用超電導磁石。
5. 請求項１において、前記ヘリウムガスを蓄える容器の鉛直方向の軸周りの面積は、ヘリウム収納容器の同面積の１３％以上である核磁気共鳴イメージング装置用超電導磁石。
6. 請求項１において、前記ヘリウムガスを蓄えるヘリウムガス収納容器の外径が超電導コイルの内径よりも小さい核磁気共鳴イメージング装置用超電導磁石。
7. 超電導コイルを起磁力源とし、被検査体が置かれる計測空間を挟んで対向して配置された一対の超電導磁石と、前記超電導コイルを収納する液体ヘリウム収納容器と、前記液体ヘリウム収納容器に内蔵され、前記液体ヘリウムが蒸発したヘリウムガスを蓄えるヘリウムガス収納容器と、蒸発した液体ヘリウムを再凝縮して前記液体ヘリウム収納容器へ循環させる極低温冷凍機と、前記ヘリウムガスを蓄えるヘリウムガス収納容器の内部に設けられ、前記液体ヘリウムを気化させるヒータとを備え、且つ前記ヘリウムガス収納容器は、前記超電導コイルの内側に配置されていることを特徴とする核磁気共鳴イメージング装置用超電導磁石。
8. 請求項１において、前記ヘリウムガス収納容器の端部が、前記超電導コイルを機械的に固定する荷重支持体と前記ヘリウム収納容器との接続部の上方に配置されている核磁気共鳴イメージング装置用超電導磁石。

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