磁共振成像装置及其运行方法
【专利摘要】为了延长冷却机的寿命，将用于保养冷却机的MRI装置的暂停期间缩短，控制超导磁体的冷却机(107)的冷却能力，使其发挥与侵入超导磁体的冷媒容器(202)的热量基本一致的冷却吸热，将冷媒容器(202)的压力保持在允许的压力范围内。与此同时，通过磁场调整部对伴随冷媒容器(202)内的压力变化的、拍摄空间的磁场强度及磁场均匀度的变化量中的至少一个进行补偿。
【专利说明】磁共振成像装置及其运行方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种磁共振成像装置(Magnetic Resonance Imaging装置，以下称为MRI装置)，特别涉及一种具备制冷机的使用超导磁体的MRI装置。
【背景技术】
[0002]在使用超导磁体的MRI装置中，具备将在液体氦容器内汽化的氦气体冷却冷凝，再次变回液体氦的制冷机。优选为氦容器内的压力尽量保持恒定，但当制冷机的冷却能力过高时，汽化的液体氦被超出所需地液化，容器内的压力变得过低。因此，一般采用以下结构:在氦容器内配置加热器，根据需要在容器内使液体氦汽化，将氦容器内的压力保持恒定。
[0003]另外，在专利文献1中提出了一种技术，为了解决氦容器内的加热器造成MRI装置的消耗电力变高这一问题，如果容器内的压力接近预先确定的压力的上限值及下限值，则使制冷机的冷却能力本身进行增减。
[0004]为了改变冷却能力，在专利文献1中公开了改变冷却周期的频率的方法、停止向制冷机供给电力来使其停止动作的方法、以及调整对制冷机的压缩后的氦气体的供给量的方法。
[0005]现有技术文献
[0006]专利文献
[0007]专利文献1:日本特开2011-5091号公报
【发明内容】
[0008]发明所要解决的课题
[0009]专利文献1中记载的技术与利用加热器发热的控制相比，制冷机的冷却能力的响应缓慢，难以将氦容器的压力保持恒定。因此，也如专利文献1中所记载的那样，压力在预定的压力幅度(上限值及下限值)的范围内变化。这样，氦容器内的压力变化时，超导磁体的磁场性能微小变化，因此必须允许这种情况。
[0010]另外，在专利文献1的技术中，如果氦容器内的压力接近预先确定的压力的上限值及下限值，则使制冷机的控制量(冷却周期的频率的值、向制冷机的电力供给的接通、断开、以及压缩的冷媒气体的供给量)以阶梯状急剧变化。在使制冷机的冷却能力急剧增加时，制冷剂中冷媒气体压力过度变高，压缩机单元变为超负荷运行。由于压缩机单元的超负荷运行，内部的润滑油热分解，产生甲烷(CH4)、一氧化碳(C0)、氢气(h2)。这些分解气体在配置的过滤器中无法完全除去，会混入冷媒气体中，到达冷头，在其内部冻结，成为冷头故障及冷却能力降低的原因。这种现象称为杂质污染，是制冷机寿命缩短的原因。
[0011]本发明是鉴于以上问题而提出的，其目的为延长冷却机(制冷机)的寿命，减少用于保养冷却机的MRI装置的暂停期间，提高MRI装置的工作率。
[0012]用于解决课题的手段[0013]为了解决上述课题，本发明中成为如下的MRI装置的结构。即，磁共振成像装置具备:超导磁体，其在拍摄空间内产生静磁场；倾斜磁场线圈，其在拍摄空间内施加倾斜磁场；高频线圈，其在拍摄空间内施加高频磁场；以及控制部，其控制倾斜磁场线圈和高频线圈的动作，执行预定的拍摄顺序。超导磁体具备:冷媒容器，其用于容纳冷媒及超导线圈；冷却机，其连接在所述冷媒容器上，将所述冷媒容器内汽化的冷媒气体再次冷凝；以及检测器，其检测冷媒容器内的压力。控制部比较检测器检测出的压力值和预先确定的一个设定压力值，连续进行当压力值比设定压力值大时增加冷却机的冷却能力、当压力值比设定压力值小时降低冷却机的冷却能力的反馈控制，保持设定压力值下的热平衡状态。
[0014]发明的效果
[0015]根据本发明的MRI装置，能够获得如下的效果。
[0016](1)能够延长冷却机(制冷机)的寿命，减少其保养造成的MRI检查(拍摄)的暂停期间，提高MRI装置的工作率。
[0017](2)能够防止冷却机的压缩机单元的超负荷运行，避免杂质污染造成的问题。
[0018](3)在冷却机的寿命内，即使在其冷却能力降低的状态下也能够防止液体氦的汽化，使其保养工作具备计划性。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是表示本实施方式的MRI装置的整体结构的框图。
[0020]图2是说明构成图1所示的MRI装置的超导磁体和制冷机的细节的断面图。
[0021]图3是说明第1实施方式的制冷机的结构及其控制电路的图。
[0022]图4是表示制冷机的冷却特性的一个例子的图。
[0023]图5是表示第1实施方式的制冷机的控制动作的流程图。
[0024]图6是说明第2实施方式的制冷机的控制电路的图。
[0025]图7是表示第3实施方式的制冷机的控制动作的流程图。
[0026]图8是表示制冷机的冷却能力的图像显示例子的说明图。
【具体实施方式】
[0027]本发明的MRI装置具备:超导磁体,其在拍摄空间内产生静磁场；倾斜磁场线圈，其在拍摄空间内施加倾斜磁场；闻频线圈，其在拍摄空间内施加闻频磁场；以及控制部，其控制倾斜磁场线圈和高频线圈的动作，执行预定的拍摄顺序(sequence )。超导磁体具备:冷媒容器(氦容器)，其用于容纳冷媒(氦)及超导线圈；冷却机(制冷机)，其连接在冷媒容器上，将冷媒 容器内汽化的冷媒气体再次冷凝；以及检测器(压力传感器)，其检测冷媒容器内的压力。控制部比较检测器检测出的压力值和预先确定的一个设定压力值，连续进行当压力值比设定压力值大时增加冷却机的冷却能力、当压力值比设定压力值小时降低冷却机的冷却能力的反馈控制，保持设定压力值下的热平衡状态。
[0028]这样，通过将一个设定压力值作为目标来连续进行反馈，能够防止超负荷运行，因此能够延长冷却机的寿命。能够减少其保养造成的MRI检查(拍摄)的暂停期间，提高MRI
装置的工作率。
[0029]另外，本发明的其他实施方式的MRI装置中，基于对多种拍摄顺序的每一种预先求出的、执行拍摄顺序时由于倾斜磁场及高频磁场而侵入冷媒容器的热量，预测应该使冷却机增加的冷却能力的大小。连续增加冷却机的冷却能力，直至达到该预测的冷却能力的大小
[0030]该第2实施方式的MRI装置中，通过基于预测的热量来连续增加冷却能力，也能够防止超负荷运行，因此能够延长冷却机的寿命。
[0031]另外，本发明的第3实施方式的MRI装置，在控制冷却机的冷却能力以使其发挥与侵入冷媒容器的热量基本一致的冷却吸热，将冷媒容器的压力保持在允许的压力范围内的同时，通过磁场调整部对伴随冷媒容器内的压力变化的、拍摄空间内的磁场强度及磁场均匀度的变化中至少一个进行补偿。
[0032]该第3实施方式的MRI装置中，通过控制冷却机的冷却能力以使其发挥与侵入冷媒容器的热量基本一致的冷却吸热，能够防止超负荷运行，因此能够延长冷却机的寿命。
[0033]第3实施方式的MRI装置中，超导磁体的结构也可以具备用于检测冷媒容器内的压力的检测器。这时，能够根据检测器检测出的压力值来控制冷却机的冷却能力。
[0034]第3实施方式的MRI装置中，预定的拍摄顺序有多种时，也能够根据拍摄顺序的种类，预测执行拍摄顺序时由于倾斜磁场及高频磁场而侵入冷媒容器的热量。这时，能够基于预测的热量，控制冷却机的冷却能力。
[0035]也可以采取预先存储拍摄顺序的种类与冷却机的冷却能力的控制值的关系，用于预测下次执行拍摄顺序时的侵入热量的结构。
[0036]当冷却机的结构具有汽缸、置换器、使置换器在汽缸内往复运动的驱动部、以及供给在汽缸内压缩的冷媒气体的压缩部时，为了改变冷却机的冷却能力，能够控制置换器的往复运动的振动数与冷媒气体的压缩压中的至少一个。
[0037]另外，即使在没有执行拍摄顺序的状态下，也能够通过进行将冷媒容器的压力维持在预定的设定压力的反馈控制来延长冷却机的寿命。
[0038]另外，也能够将表示冷却机的冷却能力的经时变化的信息显示在图像显示装置(显示器)上。
[0039]以下参照附图对本发明的实施方式进行说明。另外，在用于说明发明的实施方式的全部附图中，对具有相同功能的部分标注相同符号，不重复对其说明。
[0040]<本实施方式的MRI装置的整体结构>
[0041]首先，对本实施方式中运行的MRI装置的整体结构进行说明。
[0042]图1表示本实施方式的MRI装置被安装在医疗设施上的状态下的整体结构。
[0043]在该MRI装置的产生静磁场的磁体中使用具有开放结构的超导磁体101。开放结构的超导磁体101具备上低温恒温器104和下低温恒温器105。上低温恒温器104和下低温恒温器105夹着配置有受检者102的磁场空间103上下配置，在其内部充满液体氦，配置有作为磁动势源的超导线圈203 (图1中未显示)。上低温恒温器104和下低温恒温器105由作为支柱的连接管106支撑，呈磁场空间103的前后左右空旷的开放性结构。
[0044]由此，能够减轻给受检者102的压迫感，提供优秀的检查环境。
[0045]在该超导磁体101上具备冷头107。冷头107上连接有压缩机单元108，向其供给压缩的冷媒气体。冷头107和压缩机单元108构成超导磁体101的制冷机。
[0046]冷头107通过冷媒气体在内部绝热膨胀来产生冷却效果，由此将超导磁体101冷却。也就是说，冷头107具备在将超导磁体101的辐射防护板216(图1中未显示)冷却的同时，在上低温恒温器104和下低温恒温器105内将液体氦汽化而得的氦气体冷却，再次冷凝为液体氦、返回上低温恒温器104的功能。
[0047]制冷机维持超导磁体101的热平衡状态，实现封闭式的超导磁体。也就是说，控制冷头107，使其具有将由于向上低温恒温器104和下低温恒温器105的热量侵入而汽化了的氦恰到好处地再次冷凝所需的冷却能力。由此，不会将汽化了的氦气体排放到大气中。
[0048]另外，在超导磁体101上安装有多个用于监视其运行状态的温度传感器和压力传感器206(图1中未显示)，其传感器连接端子109与磁体控制单元110连接。磁体控制单元110在监视超导磁体101的运行状态的同时，将控制制冷机所需的信号输出给压缩机单元 108。
[0049]通过在被冷却到临界温度以下的液体氦温度(4.2开尔文)、为超导状态的超导线圈上流过例如450安培的恒定电流，能够在磁场空间(拍摄空间)103中产生磁场强度1特斯拉的稳定的静磁场。
[0050]在上低温恒温器104和下低温恒温器105的磁场空间103的面上，安装有由一对构成的匀场板111。在匀场板111上开有多个螺钉孔(在图中没有显示)，在适当的位置埋入磁体小螺钉。通过磁体小螺钉产生的磁场来改变超导磁体101产生的磁通分布，由此将磁场空间103的中心40cm的球状空间的磁场均匀度调整为目标值(例如3ppm以下)。
[0051]在匀场板111的磁场空间103的面上，配置有产生倾斜磁场的一对倾斜磁场线圈112。为了不妨碍超导磁体101的开放性结构，该倾斜磁场线圈112为平板结构。上下一对的倾斜磁场线圈112分别为将在互相垂`直的3轴方向上产生倾斜磁场的x、y、z这3种线圈(在图1中没有区别)层叠的结构。在X线圈、y线圈、z线圈上分别连接有独立施加电流的倾斜磁场功率放大器113。
[0052]例如，若在z线圈上通过倾斜磁场功率放大器113施加正电流，则上z线圈产生与超导磁体101产生的磁通方向相同的磁通，在下Z线圈中则产生与其方向相反的磁通。其结果是能够得到在磁场空间103的z轴(垂直轴)上从上向下磁通密度逐渐变小的梯度。同样地，X线圈及y线圈赋予使得超导磁体101产生的磁通的密度分别沿着X轴、y轴(均为水平轴)形成梯度的倾斜磁场。这些X线圈、y线圈、z线圈分别也作为非均匀磁场的X、1、z的一次成分的匀场线圈发挥功能。也就是说，倾斜磁场功率放大器113能够在用于产生梯度的电流上，重叠用于改善磁场均匀度的匀场电流来输出。
[0053]在倾斜磁场线圈112中，除了 X线圈、y线圈、z线圈以外,还安装有对超导磁体101产生的磁场强度进行补偿的Bo线圈、以及产生X、1、z的高次模、例如X2、y2、X3、x2+y2的磁场的匀场线圈等。通过匀场电源114对它们施加电流。
[0054]在倾斜磁场线圈112的磁场空间103侧安装有一对高频线圈115。为了不妨碍超导磁体101的开放性结构，该高频线圈115也为平板结构。在上下一对高频线圈115上连接有高频功率放大器116，供给高频电流。由此产生对受检者102的检查部位的核自旋进行核磁共振所需的高频磁场。本实施方式的MRI装置中，以1特斯拉的磁场强度产生让氢原子核发生核磁共振的42兆Hz的高频磁场。
[0055]通过将上述稳定且均匀度高的静磁场、倾斜磁场和高频磁场组合，能够准确且选择性地使受检者102的检查部位的氢原子核发生核磁共振(NMR)现象。然后，在其后的核自旋的进动过程中通过脉冲式地施加倾斜磁场来附加三维位置信息。
[0056]在磁场空间103的大致中心位置、也就是受检者102的检查部位配置有检测线圈117。该检测线圈117将所述核自旋的进动所产生的微小的磁场变动作为检测线圈117上的感生电流导致的电信号(NMR信号)进行检测。检测出的NMR信号被传递给连接在检测线圈117上的高频放大电路118。高频放大电路118对NMR信号实施放大/检波的信号处理，转换处理为适合计算机运算处理的数字信号。
[0057]计算机119根据转换为数字信号的NMR信号生成用于供医学诊断的图像或光谱图。生成的图像等保存在计算机119内的存储装置(在图1中没有显示)中的同时，显示在显示器120上。另外，计算机119对生成的图像等进行图像处理和图像解析，生成帮助诊断的图像。
[0058]另外，计算机119为了实现预先确定的预定拍摄方法，进行以预定的时机从倾斜磁场线圈112及高频线圈115向受检者102施加倾斜磁场及高频磁场、以预定的时机检测生成的NMR信号的控制。这一系列的时机被称为拍摄顺序，根据拍摄方法及拍摄条件而不同。计算机119通过执行预先存放在内置的存储装置中的程序，生成实现操作者经由输入装置121输入的拍摄方法及拍摄条件的拍摄顺序，按照其来控制倾斜磁场功率放大器113、高频功率放大器116及高频放大电路118等。由此，能够以各种拍摄条件实现例如高速自旋回波法或弥散加权平面回波法等多种拍摄方法。还有，输入装置121为例如键盘或鼠标
坐寸。
[0059]磁体控制单元110、倾斜磁场功率放大器113、匀场电源114、高频功率放大器116、高频放大电路118等的动作状态通过计算机119被记录在内置的存储装置中。另外，计算机119也能够将这些动 作状态的信息经由通信控制装置(图中未显示)向外部输出。由此，能够进行MRI装置的远程监视。
[0060]此外，在MRI装置中，将受检者102运送到磁场空间103中心的患者平台122被配置在超导磁体101的前面。
[0061]超导磁体101及患者平台122设置在施加了电磁防护的检查室123中。由此，防止外部机器产生的电磁波作为噪音混入检测线圈117，降低诊断图像的质量。
[0062]<超导磁体和制冷机的详细结构>
[0063]对于上述的超导磁体101和制冷机的详细结构进一步进行说明。
[0064]图2是表示图1所示的MRI装置的超导磁体101和冷头107的细节的断面图。超导磁体101中，上低温恒温器104和下低温恒温器105的内部结构基本以磁场空间103为中心上下对称，因此图2中仅以上低温恒温器104进行说明。
[0065]上低温恒温器104包含:真空容器201、配置在其内部的氦容器202、以及配置在氦容器内部的超导线圈203。真空容器201和氦容器202之间为真空层，配置有辐射防护板216。
[0066]为了固定真空容器201、辐射防护板216、氦容器202的相互位置，安装有载重支持体218。在图2中只显示了 1个位置的载重支持体218，实际则安装在多个位置。
[0067]真空容器201由厚度10毫米的不锈钢构成，具有能够承受本体的重量和内部的真空压力的刚性。氦容器202由厚度15毫米的不锈钢构成，具有能够承受施加在超导线圈203上的电磁力和内外的压力差的刚性。氦容器202内的超导线圈203由多个线圈构成(图2中仅显示1个)。超导线圈203被固定在氦容器202中。辐射防护板216用厚度5毫米的铝制作。对表面实施镜面研磨加工，抑制辐射热量。另外，在真空容器201和辐射防护板216的间隙铺设有超级绝热材料217 (图中仅记载了一部分)。超级绝热材料217由多层蒸镀了铝薄膜的聚乙烯片构成，具有降低辐射热量的效果。为了将从真空容器201向辐射热防护板216、以及氦容器202传递的传导热量抑制为极小，载重支持体218用不锈钢与强化碳树脂或强化塑料树脂构成。
[0068]氦容器202内将液体氦204填充至其容积的约90%，使得超导线圈203浸在液体氦204中。由此，超导线圈203被冷却至液体氦204的沸点温度、即4.2开尔文(-268.8°C )，能够维持超导状态。 [0069]在氦容器202的内部配置有测量液体氦204的液面的液面传感器205和测量由液体氦204汽化的氦气体的压力的压力传感器206。这些传感器的输出信号线207经由密封塞208被从传感器连接端子109引出到超导磁体101的外部。
[0070]在氦容器202的上部配置有维修孔209和冷头107。在注入新的液体氦时，在维修孔209能够将上部的栓210取下、插入注液管(在图中没有记录)。从维修孔209的中段连接有氦气体的排气管211。排气管211被分离为2个系统，一个安装有当氦容器的压力变为20kPa以上时栓打开的安全阀212。在另一个上安装有在40kPa下开放的破裂板213。由此，在超导磁体101运行中，氦容器202在20kPa以下的压力运行，当发生急冷时或需要紧急磁场衰减时等需要排出大量氦气体时，按顺序开放安全阀212及破裂板213，氦容器202不会被施加一定水平以上的压力，确保了安全性。
[0071]另外，利用MRI装置检查(拍摄)时，氦容器202的压力允许范围被设定为lkPa至20kPa。预先确认了超导磁体203形成的磁场空间103的静磁场随氦容器202的压力变化而变化，但只要在该压力范围内，静磁场的变化都是通过图1所说明的倾斜磁场线圈、Bo线圈以及匀场线圈能够修正的范围。
[0072]氦容器202的上部的冷头107具有两个冷却段(stage)，第一段的第一冷却段219在43开尔文(_230°C)下、在额定运行下具有约45瓦的冷却能力，第二段的第二冷却段220在4开尔文(_269°C )下、在额定运行下具有约1瓦的冷却能力。
[0073]冷头107的第一冷却段219与辐射防护板216实施热接触，将辐射热防护板216冷却。在冷头107的额定运行下，辐射防护板216以约70开尔文(_203°C )的温度达到热的平衡。冷头107的第二冷却段220位于氦容器202的上部的氦气体聚集的部分，将氦气体直接冷却，冷却至4.2开尔文的沸点并使其冷凝。
[0074]<制冷机的冷却动作>
[0075]以下，参照图3对制冷机的冷却动作进行说明。制冷机除了冷头107和压缩机单元108以外，还具有GM周期控制单元301，GM周期控制单元301由磁体控制单元110控制。
[0076]冷头107具备:具有第一段219和第二段220的两段结构的汽缸304 ;两段结构的置换器303 ；以及使置换器303在汽缸304内往复运动的驱动部302。在置换器303内装有蓄冷材料，第一段为铅球，第二段为铜钦球，成为在它们中通过冷媒气体的过程中进行热交换的结构。
[0077]在驱动部302中具备吸气阀305和排气阀306，它们与置换器303的往复运动同步开合。吸气阀305和排气阀306分别经由压力气体软管307、308与压缩机单元108连接。[0078]冷头107通过如下所示的步骤(1)~(3)依次动作来产生冷却作用。
[0079](1)若将置换器303向下方移动，则在压缩机单元108中压缩的冷媒气体通过压力气体软管307从吸气阀305充满汽缸304内的上部空间309。
[0080](2)然后，若将置换器303向上方移动，则被压缩的冷媒气体通过置换器303内的蓄冷剂，同时向下部空间310移动。
[0081](3)与置换器303到达最上部同步，排气阀306打开。汽缸304内的冷媒气体发生压力降低导致的绝热膨胀，温度降低。然后，从排气阀306通过压力气体软管308返回压缩机单元108。
[0082]通过重复该从(1)到(3)的周期，冷媒气体连续从汽缸304的下部空间310吸收热量。该热周期被称为吉福-麦克马洪周期(GMAifford-MacMahon cycle)，使用该GM周期的冷却装置被称为GM式制冷机。由于其结构简单且质量上乘，应用于MRI装置的超导磁体中。 [0083]<第1实施方式>
[0084]在第1实施方式中，控制制冷机的冷却能力使其发挥与侵入氦容器202的热量基本一致的冷却吸热，将氦容器的压力保持在允许的压力范围内。另外，通过磁场调整部对伴随氦容器内的压力变化的、拍摄空间(磁场空间)的磁场强度及磁场均匀度的变化量进行补偿。
[0085]这时作为控制的方法，采用连续进行将压力传感器检测的氦容器内的压力值和预先确定的一个设定压力值进行比较，当压力值比设定压力值大时增加制冷机的冷却能力、当压力值比设定压力值小时降低制冷机的冷却能力的反馈控制的方法。
[0086]在本实施方式中，制冷机的冷却能力的增加和降低是通过改变冷头107的置换器303的往复运动振动数(以下称GM周期数)来进行的。
[0087]首先，关于氦容器202的压力控制的电路结构对图3进行说明。在磁体控制单元110和冷头107之间配置有GM周期控制周期301。GM周期控制单元301、磁体控制单元110及计算机119构成本发明的控制部。
[0088]GM周期控制单元301以从磁体控制电路110输出的氦容器202的压力传感器206的信号为基准，向驱动部302的电动机供给预定频率的驱动电力。由此，构成了(氦容器202内的氦气体压力)一(通过压力传感器206检测氦气体压力)一(磁体控制单元110) — (GM周期控制单元301)—(冷头107的往复运动振动数变化)一(氦容器202的氦气体的冷凝造成的气体压力变化)这一反馈环路(反馈环)，以氦容器202内的氦气体压力为媒介，控制冷头107。
[0089]图1和图2所示的超导磁体101在通常运行状态下，例如向氦容器202的侵入热量为约800mW，其压力为9kPa。这里，为了与制冷机的冷却能力热平衡，需要将冷头107的第二段220的冷却能力也变为800mW。如图4所示，当GM周期的振动数越大时冷头107的冷却能力越增大，其大小取决于冷媒气体压力值。图4的例子中，以冷媒气体压力1.8MPa、每分钟45次的GM周期发挥800mW的冷却能力。
[0090]因此本实施方式中，取氦容器202内的设定压力值为9kPa，进行反馈控制以便维持该设定压力值。这时，预先将压缩机单元108的冷媒气体压力调整为L 8MPa。由此，超导磁体101和制冷机以800mW的发热和吸热达到热平衡。[0091]使用图5的流程对该动作进行具体说明。
[0092]首先，磁体控制单元110从计算机119接收信号来判断计算机119是否在执行拍摄顺序。当正在执行拍摄顺序时进入步骤502，从氦容器202内的压力传感器206读取压力。
[0093]当压力传感器206检测的压力与设定压力值9kPa相等时，磁场控制单元110返回步骤501、502，重复压力检测。当检测的压力比设定压力值9kPa更大时，指示GM周期控制单元301将GM周期的振动数连续增加，当检测的压力比设定压力值9kPa更小时，指示GM周期控制单元301将GM周期的振动数连续减小(步骤504、505、506)。
[0094]例如在高速自旋回波模式下执行受检者102的拍摄时，由于从倾斜磁场线圈112施加的倾斜磁场及高频线圈115产生的高频磁场的影响，向氦容器202的热进入量增加约100mW。由此，氦容器202的液体氦204的汽化增多，氦容器202的压力从9kPa转为上升趋势。具体来说，lOOmff的热量下液体氦每小时汽化0.125升。汽化的液体氦变为体积约10倍(准确地说是0.92升)的氦气体，聚集在氦容器202的上部，因此压力上升。
[0095]磁体控制单元110在上述步骤504中检测它，在步骤505中对GM周期控制单元301指示增加GM周期的振动数。GM周期控制单元301使振动数从此时的振动数(例如每分钟45次)起以预先确定的上升率连续增加。由此，冷头107的第二段307的冷却能力转为增加，实现将上升的压力降低的反馈控制。
[0096]然后，磁体控制单元110将步骤502中检测的压力值传递给计算机110。计算机110根据设定压力值和检测出的压力值的差，控制倾斜磁场功率放大器113及匀场电源114中的至少一个，产生对伴随压力变化的静磁场强度及均匀度的误差进行补偿的磁场。具体来说，在计算机110内预 先存放有利用后述的测定方法预先测定的、表示与超导磁体103的内部压力的设定压力值的差与磁场空间103的磁场强度以及磁场均匀度的变化成分的对应关系的数据。计算机110从上述存放数据中读取与从磁体控制单元110获取的当前的压力值与设定压力值的差对应的、磁场强度及磁场均匀度的变化成分，控制倾斜磁场功率放大器113和匀场电源114来产生补偿该变化成分的磁场成分(匀场量)(步骤507)。也就是说，在产生附加了匀场量的磁场的同时，执行拍摄顺序。由此，能够在对伴随氦容器202内的压力变动的超导磁体101的磁场变动进行补偿的同时进行拍摄。
[0097]在执行拍摄顺序的过程中，重复这些步骤501~507。
[0098]由图4可知，在GM周期的振动数达到每分钟65次的时刻，发挥900mW的冷却能力，因此超导磁体101和制冷机成为新的热平衡状态。在制冷机的冷却能力达到900mW期间，氦容器202的压力上升至llkPa，但伴随GM周期的振动数上升而逐渐下降。
[0099]若拍摄顺序结束，则从步骤501进入步骤508，只执行步骤502~506。也就是说，当拍摄顺序结束时，不进行磁场的补偿，只执行压力控制。由此，在没有进行拍摄的状态下，根据伴随大气压力变化等环境变化的压力变化，进行将压力保持为恒定的控制。
[0100]拍摄顺序结束时，向氦容器202的侵入热量变回800mW，因此冷头107的第二段307的冷却能力高出100mW，成为热不平衡状态。氦气体的再次冷凝超出汽化量，氦容器202的压力转为减少趋势。
[0101]氦容器202内的压力由于超调而比设定压力值9kPa下降过多时，在步骤504中进入步骤506，使GM周期的振动数以预先确定的比率连续降低。[0102]通过重复上述动作，逐渐收敛至设定压力值9kPa及GM周期每分钟45次。向氦容器202的侵入热量和制冷机的冷却能力在800mW —致，再次变为原来的热平衡状态。
[0103]这样，本实施方式中，在连续改变GM周期直至达到热平衡为止这一点上，与专利文献1中记载的阶梯状改变制冷机的控制量的技术明显不同。本实施方式中将GM周期连续改变，因此不会对冷头107的置换器驱动部302施加过度的负担，也不会产生冷媒气体的过度高压。其结果是也避免了压缩机单元108的超负荷运行，避免了制冷机的寿命缩短。
[0104]这里，对于上述步骤507中使用的、表示与超导磁体103的内部压力的设定压力值的差与磁场空间103的磁场强度以及磁场均匀度的变化成分的对应关系的数据的测量方法进行说明。
[0105]该测量是计算机119通过执行具有解析/修正磁场空间103的磁场性能的功能的程序来进行的。
[0106](1)首先，在倾斜磁场线圈112、Bo线圈、以及所有匀场线圈均无施加电流的状态下，启动对设置在磁场空间103内的受检者102或者模型的NMR信号进行测量的检查模式。
[0107](2)测量的NMR信号在计算机118中进行傅里叶变换，求出该NMR信号的频率成分。
[0108](3)计算1特斯拉的磁场强度下，氢原子核自旋的核磁共振频率42兆Hz时，与上述步骤中求出的频率的差值对应的磁场。然后控制匀场电源114，使Bo线圈中产生差分磁场。
[0109](4)然后，在对X线圈施加例如10安培的电流的状态下，测量受检者102的NMR信号。
[0110](5)用球面调和函数对测量的NMR信号进行展开处理，解析拍摄空间103在X轴方向上的误差磁场，求出匀场电流。
[0111](6)同样地，对于y轴Z轴也解析误差磁场成分，求出匀场电流。
[0112](7)使氦容器202的压力值进行各种变化来进行上述(1)~(7)的动作，制作针对每个压力将匀场量(Bo及匀场电流)与压力值(或者与设定压力值的差值)对应的数据，存放在计算机110内的存储装置中。
[0113]通过参照该数据，在步骤507中确定匀场量，能够控制倾斜磁场功率放大器113、匀场电源114,使得在倾斜磁场线圈112的X线圈、y线圈、z线圈和匀场线圈的各个成分中流过最合适的匀场电流。由此，即使伴随氦容器202的压力的变化，超导磁体101的磁场变动，而磁场空间103的磁场变动的情况下，也能够形成将其补偿的磁场空间103，能够进行高精度拍摄。
[0114]〈第2实施方式〉
[0115]以下，使用图6对第2实施方式进行说明。第二实施方式中，GM周期数固定，通过改变从压缩机单元108向冷头107供给的冷媒气体的气体压力来控制制冷机的冷却能力。因此，在第二实施方式中，如图6所示配置冷媒气体压力控制单元603，控制压缩机单元108。其他的结构及动作与第1实施方式相同。冷媒气体压力控制单元603、磁体控制单元110及计算机119构成本发明的控制部。
[0116]如图6所示，在压缩机单元108的内部配置有贮槽602、压缩机503、热交换器504、除油过滤槽505以及吸附槽506。在冷头107中膨胀的冷媒气体通过压力气体软管308暂时贮存在贮槽502中。随后，冷媒气体在压缩机503中被压缩成为高压，同时由于压缩作用而变为高温。冷媒气体在热交换器504中被冷却至大约为室温，经由除油过滤槽505贮存在吸附槽506中。在除油过滤槽505中，将混入冷媒气体的、压缩机503中使用的润滑油的油雾去除。在吸附槽506中将润滑油热分解而产生的甲烷等杂质气体去除。过滤了杂质的冷媒气体通过压力气体软管307向冷头107供给。以上的基本结构在第1实施方式的压缩机单元108中也是相同的。
[0117]在第2实施方式中，图5的步骤505、506中，根据氦容器202的压力值，冷媒气体压力控制单元501改变压缩机503的泵的旋转。由此，压缩机单元108使冷媒气体压力在
1.2MPa至2.4MPa的范围内改变压力，向冷头107供给。
[0118]如第一实施方式中所说明的，图1和图2所示的超导磁体101在通常运行状态下，对氦容器202的侵入热量为约800mW，其压力为9kPa。这里，为了与制冷机的冷却能力热平衡，需要将冷头107的第二段220的冷却能力也设为800mW。由图4所示的制冷机的特性可以知道，GM周期为每分钟45固定的情况下，冷媒气体的压力1.8MPa下发挥800mW的冷却能力。压缩机503采用逆变电路控制方式，稳定状态下以120Hz的频率将冷媒气体压力压缩至 1.8MPa。
[0119]在该热平衡的状态下，与第一实施方式相同，以高速自旋回波顺序执行受检者102的拍摄时，由于闻速自旋回波顺序造成的倾斜磁场和闻频磁场的影响，向気容器202的热进入量增加约100mW。由此，氦容器202的压力从9kPaR为上升趋势。根据压力传感器206检测的压力，磁体控制单元110向冷 媒气体压力控制单元501指示增大冷却能力(步骤505)。冷媒气体控制单元501将压缩机503的频率从120Hz起连续增加。由此，冷媒气体压力也从1.8MPa起连续逐渐增加，冷头107的第二段307的冷却能力也转为增加。
[0120]在压缩机503的驱动频率到达170Hz的时刻发挥900mW的冷却能力，达到新的热平衡状态。冷却能力达到900mW期间，氦容器202的压力上升至llkPa。
[0121]拍摄顺序结束，向氦容器202的侵入热量返回800mW时，冷头107的第二段307的冷却能力高出100mW，变为热不平衡状态，因此氦气体的再次冷凝超出汽化量，氦容器202的压力转为减少趋势。氦容器202的压力由于超调而变得比9kPa小时，增大压缩机503的频率，降低冷却能力(步骤504、505)。通过重复该动作，能够让向氦容器202的侵入热量和制冷机的冷却能力一致，再次变为热平衡状态。
[0122]在第2实施方式中，连续改变冷媒气体压力直至达到热平衡，因此能够避免压缩机的超负荷运行，延长制冷机的寿命。
[0123]而且，通过用逆变电路运行占据制冷机消耗功率大半的压缩机503，能够消除无谓的功率消耗。进一步地，对必须与压缩机503的功率消耗成比例提高能力的电源设备也留有余地。
[0124]在上述的第1实施方式中，制冷机的冷却能力控制是将冷媒的气体压力维持固定，改变GM周期数的结构。另一方面，在第2实施方式中，则是将GM周期固定，改变冷媒的气体压力的结构。因此，通过将二者组合，同时具备改变GM周期数的结构和改变冷媒的气体压力的结构，能够提供一种并用冷媒气体压力的变化和GM周期的变化的MRI装置。向氦容器202的热侵入量的范围不变，因此将二者组合来控制制冷机的冷却能力时，能够将冷媒气体压力和GM周期数的变化范围缩小在更小的范围内。这对于避免压缩机单元108的超负荷运行是更好的运行条件。
[0125]另外，第1实施方式以及第2实施方式中的任一个都不需要准确地确定GM周期数或压缩机503的逆变电路的频率。这是因为制冷机的冷却能力被反映在氦容器的气体压力中。通过(氦容器202内的氦气体压力)一(压力传感器206)—(磁体控制单元110) — (GM周期控制单元301、或者冷媒气体压力控制单元501)—(冷头107)—(氦容器202的氦气体的冷凝造成的气体压力变化)的反馈环路，制冷机的冷却能力被准确地控制成与氦容器202中汽化的氦气体量、也就是向氦容器202的侵入热量一致。
[0126]在上述说明中，仅对第二冷却段220的冷却能力进行了说明，而根据GM周期数或冷媒气体压力，第一冷却段219的冷却能力也变化。如果第一冷却段219的冷却能力上升，则辐射热防护板216的温度降低，向氦容器202的侵入热量减少。氦容器202的液体氦204的汽化也减少，降低氦容器202的压力。也就是说，第一冷却段219也和第二冷却段220以相同的趋势发挥功能，作用于氦容器202的压力，使其达到热平衡状态。用氦容器202的压力信号控制制冷机的冷却能力也是使超导磁体101和制冷机实现热平衡状态的有效手段。
[0127]〈第3实施方式〉
[0128]使用图7对第3实施方式进行说明。在第3实施方式中，基于对每个拍摄顺序的种类或拍摄条件预先求出的、通过执行拍摄顺序时的倾斜磁场及高频磁场侵入氦容器的热量，预测应该使制冷机增加的冷却能力的大小。连续增加制冷机的冷却能力，直至实现该预测的冷却能力的大小为止。如果达到了预测值，则以预定时间维持预测值。由此能够防止超调。以下进行详细说明。
[0129]氦容器202的压力也受到超导磁体101周边的大气压的变化的影响。
[0130]这是液体氦206的沸点变化(液体氦204的潜热变化)，液体氦的汽化量变化造成的。另一方面，由于执行拍摄顺序时的倾斜磁场和高频磁场的涡电流造成的辐射防护板216的温度变化和氦容器202中的发 热，氦容器202的压力大幅变化。大气压的变化周期比较长，其变化量也为2、3kPa，而伴随执行拍摄顺序的氦容器202的压力变化为短期性，且变化量也因拍摄顺序的种类而大幅变化。
[0131]通常，超导磁体101的氦容器202内的液体氦204在饱和温度下蓄积，向氦容器的侵入热量全部作为液体氦204的汽化热量被消耗。这表示拍摄顺序造成的发热以快速响应反映在氦气体压力的变化上。
[0132]另一方面，由于需要重复冷媒气体的热周期，且包含装在置换器内的蓄冷剂和汽缸的热容量，因此冷头107的冷却能力的变化需要几分钟左右。由于该氦容器202的侵入热量的变化和制冷机的冷却能力的变化的时间差，第1及第2实施方式中叙述的反馈环中产生控制延迟。由于该延迟，氦容器202的压力作为超调和欠调表现。
[0133]因此，在第3实施方式中，求出倾斜磁场和高频磁场的动作内容以及氦容器202的发热量的变化，针对每个拍摄顺序的种类或拍摄条件(拍摄模式)预测发热量。例如高速自旋回波法为约100mW、弥散加权平面回波法为300mW这样，预先通过测量或运算求出侵入热量。进一步地对应于该侵入热量，通过测量或运算求出用于使冷头107的冷却能力为热平衡状态所需的GM周期的振动数和冷媒气体压力，预先存储在计算机119中。
[0134]由此，预测GM周期或冷媒气体压力的控制值，能够将其更顺畅地改变。也就是说，如图7所示，结构为配置步骤1601、1602，进行步骤504、505来增大冷却能力直至达到预测值的GM周期的振动数或冷媒气体压力，而如果已经达到预测值，则维持预测值直至以该预测值经过预定时间(步骤1601、1602)。
[0135]另外，作为每个拍摄顺序的种类或拍摄条件的发热量的预测值，也可以将上次执行拍摄顺序时步骤505中增大的冷却能力的增大量(GM周期的振动数或冷媒气体的压力)作为下次执行拍摄顺序时的预测值来使用。也就是说，每重复图7的动作时，对每个拍摄顺序的种类或拍摄条件，将此时执行的冷却能力的增大量作为下次的预测值累积在计算机119内。由此，能够不预先进行运算和测量，而在运行的同时在下次的拍摄顺序中使用该预测值来增大冷却能力。
[0136]本实施方式中抑制超调，结果是能够迅速达到热平衡状态。另外，能够抑制GM周期的振动数和冷媒气体压力的迅速变化，也具有防止超负荷运行的效果。
[0137]另外，在本实施方式中，通过将实际的GM周期和冷媒气体压力的控制值与预测值逐个比较，能够提高控制的精度，也能够掌握超导磁体101和制冷机的冷却能力的经时变化。
[0138]<本实施方式的效果>
[0139]如上述的各实施方式中所叙述的，根据本发明，不需要补偿氦容器202内加热器发热等多余的热量，能够通过连续改变冷却能力的控制来避免置换器驱动部302的压力和压缩机单元的超负荷运 行。也就是说，老化特性可望比通常的冷却能力老化趋势更缓慢，能够工作比额定更长的时间。
[0140]通常，冷头107以规定的GM周期和冷媒气体压力的状态工作，若超过约10000小时，则置换器驱动部302的损耗以及蓄冷剂内杂质的蓄积发展，其冷却能力降低，而如果根据上述的各实施方式，则能够将冷却能力的下降推迟。
[0141]另外，如第1实施方式中说明的，即使在没有执行拍摄顺序的状态下，也利用检测的压力来控制GM周期的振动数，因此也能够延长制冷机的运行可能时间。
[0142]例如，制冷机的工作时间达到15000小时，冷头107的第二冷却段220的冷却能力从800mW下降到700mW的情况下，本发明中在图5的步骤508中执行步骤502~506，因此动作如下所述。
[0143]氦容器202的侵入热量在通常状态下为800mW。冷头107的第二冷却段220的冷却能力下降到700mW。这种情况下，侵入热量和冷却热量的差值100mW的热量，每小时0.9升的氦气体聚集在氦容器202的氦气体贮槽中，使其压力上升。压力传感器206从9kPa起显示上升趋势。
[0144]接收到压力传感器206的信号的磁体控制单元110，控制GM周期控制单元301，将置换器303的往复运动增大，例如上升至每秒60次(步骤502~505)。其结果是冷头107的第二冷却段220的冷却能力上升至800mW，氦容器202的压力在约12kPa达到热平衡状态。或者通过使用第2实施方式的冷媒气体压力控制单元501将冷媒气体压力升至2.0MPa,也能够同样地达到热平衡。
[0145]这样，根据本实施方式，即使冷头107的冷却能力的老化发展，达到需要保养的时亥|J，也能够发挥与氦容器202的侵入热量对应的冷却能力，因此能够实质性延长冷头107的寿命，能够推迟保养，能够有计划地安排保养。这也能够提高MRI装置的工作率，削减保养需要的费用。另外，通过监视GM周期控制单元301和冷媒气体压力控制单元501的控制信息，操作者也能够管理冷头107的老化程度。
[0146]图8是表示GM周期控制单元301和冷媒气体压力控制单元501的控制信息的画面601的一个例子。画面601显示在显示器119上。曲线图604将根据GM周期数或冷媒氦气体压力求出的制冷机的冷却能力的值(将额定的冷却能力作为100%的相对值)显示在纵轴602上，将月日显示在横轴603上。最新的值一直显示在左端，显示当前安装的制冷机的冷却能力变化604。由此，MRI装置的操作者和MRI装置的维修人员能够掌握超导磁体和制冷机的动作状态和冷却能力的经时下降以及故障的程度。由此，能够对MRI装置的正常/异常以及未来的保养时期进行准确的判断。
[0147]进一步地，通过重叠显示制冷机的标准冷却能力的变化的曲线605,能够通过比较曲线605和曲线604来容易地掌握当前使用的制冷机是否比标准冷却能力的制冷机的寿命更长、以及其动作状态。
[0148]符号说明[0149]101超导磁体、102受检者、107冷头、108压缩机单元、110磁体控制单元、201真空容器、202氦容器、203超导线圈、204液体氦、206压力传感器、216辐射防护板、219第一冷却段、220第二冷却段、301GM周期控制单元、302置换器驱动部、303置换器、304汽缸、501冷媒气体压力控制单元。
【权利要求】
1.一种磁共振成像装置，其具备:超导磁体，其在拍摄空间内产生静磁场；倾斜磁场线圈，其在所述拍摄空间内施加倾斜磁场；闻频线圈，其在所述拍摄空间内施加闻频磁场；以及控制部，其控制所述倾斜磁场线圈和所述高频线圈的动作来执行预定的拍摄顺序，所述磁共振成像装置的特征在于，所述超导磁体具备:冷媒容器，其用于容纳冷媒及超导线圈；冷却机，其连接在所述冷媒容器上，将所述冷媒容器内汽化的冷媒气体再次冷凝；以及检测器，其检测冷媒容器内的压力，所述控制部比较所述检测器检测出的压力值和预先确定的一个设定压力值，连续进行当所述压力值比所述设定压力值大时增加所述冷却机的冷却能力、当所述压力值比所述设定压力值小时降低所述冷却机的冷却能力的反馈控制，保持所述设定压力值下的热平衡状态。
2.如权利要求1所述的磁共振成像装置，其特征在于，所述预定的拍摄顺序有多种，所述控制部基于针对所述多种拍摄顺序的每一种预先求出的、由于执行该拍摄顺序时的所述倾斜磁场及高频磁场而侵入所述冷媒容器的热量，预测应该使所述冷却机增加的冷却能力的大小，使所述冷却机的冷却能力连续增加直至达到该预测的冷却能力的大小。
3.—种磁共振成像装置，其具备:超导磁体，其在拍摄空间内产生静磁场；倾斜磁场线圈，其在所述拍摄空间内施加倾斜磁场；闻频线圈，其在所述拍摄空间内施加闻频磁场；以及控制部，其控制所述倾斜磁场线圈和所述高频线圈的动作来执行预定的拍摄顺序，所述磁共振成像装置的特征在于，所述超导磁体具备:冷媒容器，其用于容纳冷媒及超导线圈；以及冷却机，其连接在所述冷媒容器上，将所述冷媒容器内汽化的冷媒气体再次冷凝，所述预定的拍摄顺序有多种，所述控制部基于针对所述多种拍摄顺序的每一种预先求出的、由于执行该拍摄顺序时的所述倾斜磁场及高频磁场而侵入所述冷媒容器的热量，预测应该使所述冷却机增加的冷却能力的大小，使所述冷却机的冷却能力连续增加直至达到该预测的冷却能力的大小。
4.如权利要求1所述的磁共振成像装置，其特征在于，进一步具有磁场调整部，其用于调整所述拍摄空间的静磁场强度及静磁场均匀度中的至少一个，所述控制部通过所述磁场调整部对伴随所述冷媒容器内的压力变化的、所述拍摄空间的磁场强度和磁场均匀度的变化量进行补偿。
5.一种磁共振成像装置，其具备:超导磁体，其在拍摄空间内产生静磁场；倾斜磁场线圈，其在所述拍摄空间内施加倾斜磁场；高频线圈，其在所述拍摄空间内施加高频磁场；磁场调整部，其用于对所述拍摄空间的静磁场强度及静磁场均匀度中的至少一个进行调整；以及控制部，其控制所述倾斜磁场线圈和所述高频线圈的动作来执行预定的拍摄顺序，所述磁共振成像装置的特征在于， 所述超导磁体具备:冷媒容器，其用于容纳冷媒及超导线圈；以及冷却机，其连接在所述冷媒容器上，将所述冷媒容器内汽化的冷媒气体再次冷凝，所述控制部控制所述冷却机的冷却能力，以便发挥与向所述冷媒容器侵入的热量基本一致的冷却吸热，将所述冷媒容器的压力保持在允许的压力范围内，同时通过所述磁场调整部对伴随所述冷媒容器内的压力变化的、所述拍摄空间的磁场强度和磁场均匀度的变化量中的至少一个进行补偿。
6.如权利要求5所述的磁共振成像装置，其特征在于，所述超导磁体具备用于检测所述冷媒容器内的压力的检测器，所述控制部根据所述检测器检测出的压力值，控制所述冷却机的冷却能力。
7.如权利要求5所述的磁共振成像装置，其特征在于，所述预定的拍摄顺序有多种，所述控制部根据所述拍摄顺序的种类，预测由于执行该拍摄顺序时的所述倾斜磁场及高频磁场而侵入所述冷媒容器的热量，并基于该预测的热量，控制所述冷却机的冷却能力。
8.如权利要求7所述的磁共振成像装置，其特征在于，所述控制部存储所述拍摄顺序的种类和所述冷却机的冷却能力的控制值的关系，用于预测下次执行所述拍摄顺序时的侵入热量。
9.如权利要求1所述的磁共振成像装置，其特征在于，所述冷却机具有:汽缸；置换器；驱动部，其使置换器在所述汽缸内往复运动；以及压缩部，其供给在所述汽缸内压缩的冷媒气体，为了改变所述冷却机的冷却能力，所述控制部控制所述置换器的往复运动的振动数及所述冷媒气体的压缩压力中的至少一个。
10.如权利要求2所述的磁共振成像装置，其特征在于，所述控制部即使在没有执行拍摄顺序的状态下，也进行将所述冷媒容器的压力维持在预定的设定压力的反馈控制。
11.如权利要求1所述的磁共振成像装置，其特征在于，所述控制部将表示所述冷却机的冷却能力的经时变化的信息显示在图像显示装置上。
12.一种磁共振成像装置的运行方法，其中，所述磁共振成像装置具备:超导磁体，其在拍摄空间内产生静磁场；倾斜磁场线圈，其在所述拍摄空间内施加倾斜磁场；高频线圈，其在所述拍摄空间内施加高频磁场；磁场调整部，其用于调整所述拍摄空间的静磁场强度及静磁场均匀度中的至少一个；以及控制部，其控制所述倾斜磁场线圈和所述高频线圈的动作来执行预定的拍摄顺序，所述磁共振成像装置的运行方法的特征在于，控制所述超导磁体的冷却机的冷却能力，以便发挥与向所述超导磁体的冷媒容器侵入的热量基本一致的冷却吸热，将所述冷媒容器的压力保持在允许的压力范围内，同时通过所述磁场调整部对伴随所述冷媒容器内的压力变化的、所述拍摄空间的磁场强度和磁场均匀度的变化量中的至少一个进行补偿。
【文档编号】H01F6/04GK103747726SQ201280040434
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2012年9月24日 优先权日:2011年10月21日
【发明者】津田宗孝 申请人:株式会社日立医疗器械