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JPH09135823A - Nuclear magnetic resonance device - Google Patents

Nuclear magnetic resonance device

Info

Publication number
JPH09135823A
JPH09135823A JP7296956A JP29695695A JPH09135823A JP H09135823 A JPH09135823 A JP H09135823A JP 7296956 A JP7296956 A JP 7296956A JP 29695695 A JP29695695 A JP 29695695A JP H09135823 A JPH09135823 A JP H09135823A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
main coil
temperature
magnetic field
coil
high temperature
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP7296956A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kanzo Okada
勘三 岡田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
Priority to JP7296956A priority Critical patent/JPH09135823A/en
Publication of JPH09135823A publication Critical patent/JPH09135823A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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  • Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an inexpensive nuclear resonance device which is small-sized and lightweight and which can facilitate its maintenance and management, by using, as a main coil, a high temperature super-conductive coil which can be operated at a temperature below the temperature of liquefied nitrogen, and by providing a cooler such as a Joule Thomson refrigerator for cooling the main coil, and a power source and a lead part which are made of a high temperature super-conductive material. SOLUTION: An MRN device comprises a main coil 11 and a power lead which are made of a high temperature super-conductive material, and a Joule Thomson refrigerator 44 used as a cooling system, and a super-conductive magnetic system composed of a main coil 11 stored in a container 41, power leads 41, 42 for electrically connecting the main coil 11 to an external power source, and the closed loop type Joule Thomson refrigerator 44. Further, the diameter of a room temperature magnetic field space (bore) B is set to a value with which a human arm can be inserted therein or to a value less than the former value. As a material constituting power leads 42, 43, a high temperature super-conductive material which is operated at a temperature which is equal to or below the temperature of liquefied nitrogen and has an electric resistance which is zero, and accordingly, the height of a cryostat can be lowered, thereby it can be small-sized.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明が属する技術分野】本発明は、小型、軽量で携帯
可能な核磁気共鳴装置に関するものであり、特に医療診
断用に好適な核磁気共鳴装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a compact, lightweight and portable nuclear magnetic resonance apparatus, and more particularly to a nuclear magnetic resonance apparatus suitable for medical diagnosis.

【0002】[0002]

【従来の技術】核磁気共鳴スペクトロメータは、例えば
生体内に存在する磁気モーメントを持った化学物質[プ
ロトン(1H)、炭素−13(13C)、リン−31
(31P)等が代表的な核種である。]の共鳴(Nuclea
r Magnetic Resonance:NMR)現象を利用して、細
胞や組織、器官の中で起きている化学反応を、そのまま
の状態で非破壊的に追跡することができる分析器であ
る。
2. Description of the Related Art A nuclear magnetic resonance spectrometer is, for example, a chemical substance having a magnetic moment existing in a living body [proton (1H), carbon-13 (13C), phosphorus-31.
(31P) is a typical nuclide. ] Resonance (Nuclea
This is an analyzer that can non-destructively trace the chemical reaction occurring in cells, tissues, and organs as it is by using the phenomenon of r Magnetic Resonance (NMR).

【0003】NMRの医療への応用事例は非常に多く、
その中でも脳透視図等を観察することのできるMRイメ
ージング装置(いわゆるMRI)は、一般に広く知られ
ている応用例である。
There are numerous medical applications of NMR,
Among them, an MR imaging device (so-called MRI) capable of observing a brain perspective view and the like is a generally widely known application example.

【0004】このMRIに代表されるNMR装置が病気
の診断に使えることを示した例として、マックスアード
ル症候群と呼ばれるホスホリラーゼが機能しない遺伝性
疾患の診断がある。
As an example showing that the NMR apparatus typified by MRI can be used for diagnosing a disease, there is a diagnosis of a genetic disease called Max-Adr syndrome in which phosphorylase does not function.

【0005】ホスホリラーゼは、筋肉細胞内でグリコー
ゲンをグリコースに転換する役目を持った酵素であり、
この病気の患者は、ほんの僅か運動しただけでも疲労し
てしまう。
Phosphorylase is an enzyme having a role of converting glycogen into glucose in muscle cells.
Patients with this illness become tired with the slightest amount of exercise.

【0006】このような症状の患者の腕をNMR装置の
磁場の中に置き、運動させてそれに伴うpHの変化を31
P−NMRによって測定すると、患者の筋肉組織ではグ
リコース合成に関与するはずのホスホリラーゼが機能し
ないことがわかる。正常人ではグルコース代謝によって
細胞内のpHが低下するのに対して、患者の場合には、
細胞内のpHの変化が見られないのである。
[0006] Place the patient's arm in such symptoms in a magnetic field of the NMR apparatus, the change in pH due to it exercised 31
Phosphorylase, which should be involved in the synthesis of glucose, does not function in the muscle tissue of the patient as measured by P-NMR. In a normal person, glucose metabolism lowers the intracellular pH, whereas in a patient,
There is no change in intracellular pH.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】ところで、NMRスペ
クトロメータを装置の面から見ると、第1の磁場を発生
する静磁場コイル、第2の磁場を発生するラジオ波磁場
パルス、NMR信号を受け取る受信器、アナログ信号を
コンピュータ処理できるようにするADコンバータ、デ
ィジタル化された時間領域のデータを周波数領域のスペ
クトルに変換するための演算、パルス発生、ゲートのオ
ン・オフ等のタイミング制御等を司るシステムコントロ
ーラ、ディスプレイコンソール、記憶ディスク装置等で
構成されている。
By the way, when the NMR spectrometer is viewed from the aspect of the apparatus, a static magnetic field coil for generating a first magnetic field, a radio frequency magnetic field pulse for generating a second magnetic field, and a reception for receiving an NMR signal. Device, an AD converter that enables analog signals to be processed by a computer, a system that controls operations for converting digitized time domain data into a frequency domain spectrum, pulse generation, timing control such as gate on / off, etc. It is composed of a controller, a display console, a storage disk device, and the like.

【0008】このようなNMR装置において、装置の性
能を特徴づける最も重要な部分は、静磁場を発生する部
分(磁石)である。
In such an NMR apparatus, the most important part that characterizes the performance of the apparatus is the part (magnet) that generates a static magnetic field.

【0009】この磁石の性能が装置の性能を決めると言
っても過言ではない。他の部分、例えば電子回路等をど
んなに良くしても、磁場の大きさで決まるスペクトロメ
ータの性能の上限を上回ることはできない。
It is no exaggeration to say that the performance of this magnet determines the performance of the device. No matter how good the other parts, such as the electronic circuit, are, the upper limit of the spectrometer performance determined by the magnitude of the magnetic field cannot be exceeded.

【0010】ここで、NMRスペクトロメータに使われ
る磁石には、永久磁石(PermanentMagnet:PM)、電
磁磁石(Electromagnet:EM)、超電導磁石(Superco
nducting Magnet:SCM)の3種類があるが、液体ヘ
リウム(He)温度で働く超電導磁石は、永久磁石や電
磁磁石では到底得られない磁場強度(数テスラ〜十数テ
スラ)が得られる。
Here, the magnets used in the NMR spectrometer include permanent magnets (PM), electromagnetic magnets (EM), and superconducting magnets (Superco).
There are three types of nducting magnets (SCM), but a superconducting magnet that works at liquid helium (He) temperature can obtain a magnetic field strength (several tesla to ten and several tesla) that cannot be obtained by a permanent magnet or an electromagnetic magnet.

【0011】磁場強度が高くとれることは、実際に観測
される共鳴状態にある核磁気モーメントの集団、すなわ
ち磁化の横磁化成分が大きくなることを意味するため、
S/N比の向上が図れる。また、超電導磁石は、磁場の
安定性も均一性も良い。
The fact that the magnetic field strength can be made high means that the group of nuclear magnetic moments in the actually observed resonance state, that is, the transverse magnetization component of the magnetization becomes large.
The S / N ratio can be improved. Further, the superconducting magnet has good magnetic field stability and uniformity.

【0012】磁場の安定性と均一性は、それぞれNMR
スペクトルの再現性と分解能を決定するものである。
The stability and homogeneity of the magnetic field are measured by NMR
It determines the reproducibility and resolution of the spectrum.

【0013】このような状況から、NMR装置の磁石に
は主に超電導磁石が用いられており、その冷却機構は液
体He貯蔵型クライオスタットを用いて構成されてい
る。
Under these circumstances, a superconducting magnet is mainly used as the magnet of the NMR apparatus, and its cooling mechanism is composed of a liquid He storage type cryostat.

【0014】しかしながら、液体He貯蔵型クライオス
タットを用いたNMR装置では、以下に述べるような問
題がある。
However, the NMR apparatus using the liquid He storage type cryostat has the following problems.

【0015】先ず、構造上の理由により、マグネット部
を収納するクライオスタットの大きさは、ざっとドラム
缶1本分あるいは家庭用冷蔵庫程度となり、これまで市
販されているNMRスペクトロメータは全てこの大きさ
である。したがって、可搬性が無く非常に重い。
First, for structural reasons, the size of the cryostat for accommodating the magnet part is roughly the size of one drum or a refrigerator for home use, and all NMR spectrometers that have been commercially available so far have this size. . Therefore, it is not portable and very heavy.

【0016】また、液体Heは蒸発漏れ等の問題がある
ため、その供給システム(例えば1時間当たり0.5リ
ットル程度)が必要となり、充填時間や頻度等を考える
と、非常に煩わしい。
Further, since the liquid He has a problem of evaporative leakage and the like, a supply system (for example, about 0.5 liter per hour) is required, which is very troublesome when considering the filling time and frequency.

【0017】さらに、液体Heは高価であるので、維持
費の面で問題である。
Further, since liquid He is expensive, there is a problem in terms of maintenance cost.

【0018】したがって、これまでのNMRスペクトロ
メータは、大型で非常に高価、しかも維持管理も大変な
ものになっており、その導入は一部の大病院や研究機関
に限られ、普及の妨げになっている。
Therefore, the conventional NMR spectrometers are large and very expensive, and the maintenance is difficult, and their introduction is limited to some large hospitals and research institutions, which hinders their spread. Has become.

【0019】これらの問題は、核磁気共鳴現象を用いる
どの装置にも共通して言えることである。
These problems are common to all devices using the nuclear magnetic resonance phenomenon.

【0020】そこで本発明は、小型、軽量で維持管理が
容易な、しかも安価な核磁気共鳴装置を提供することを
目的とする。
It is therefore an object of the present invention to provide a nuclear magnetic resonance apparatus that is small in size, lightweight, easy to maintain and inexpensive.

【0021】[0021]

【課題を解決するための手段】本発明のNMR装置は、
この目的を達成するために、液体窒素温度以下の温度で
動作する高温超電導コイルを主コイルとし、この主コイ
ルを冷却するジュールトムソン冷凍機等の冷凍機と、高
温超電導体よりなり電源と上記主コイルとを電気的に接
続するリード部とを備えていることを特徴とするもので
ある。
The NMR apparatus of the present invention comprises:
In order to achieve this purpose, the main coil is a high temperature superconducting coil that operates at a temperature below the liquid nitrogen temperature, and a refrigerator such as a Joule Thomson refrigerator that cools this main coil, a power source consisting of a high temperature superconductor, and the above main It is characterized in that it is provided with a lead portion for electrically connecting to the coil.

【0022】本発明のNMR装置においては、高温超電
導コイルを用いることによる主コイルの小型化、高温超
電導体を用いることによるクライオスタットの小型化、
例えばジュールトムソン冷凍機を用いることによる冷却
機構の小型化により、可搬性が大幅に改善され、携帯可
能なNMR装置が構築される。また、動作ガスの補充が
不要であるので、操作性が格段に改善される。
In the NMR apparatus of the present invention, the main coil is downsized by using the high temperature superconducting coil, and the cryostat is downsized by using the high temperature superconductor.
For example, the miniaturization of the cooling mechanism by using a Joule Thomson refrigerator greatly improves portability, and a portable NMR apparatus is constructed. In addition, since it is not necessary to supplement the working gas, the operability is remarkably improved.

【0023】[0023]

【発明の実施の形態】以下、本発明を適用した具体的な
NMR装置について説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION A specific NMR apparatus to which the present invention is applied will be described below.

【0024】このNMR装置は、携帯型、あるいはデス
クトップ型の装置で、図1に示すように、液体窒素温度
あるいはそれ以下の温度で動作する高温超電導コイルで
ある主コイル11を内蔵する超電導マグネットシステム
1と、この主コイル11を液体窒素温度あるいはそれ以
下の温度に冷却する冷凍機のポンプや真空排気用のポン
プからなるポンプ部2、さらには測定結果を表示するデ
ィスプレイ付きデータ処理装置3とからなる。
This NMR apparatus is a portable or desktop type apparatus, and as shown in FIG. 1, a superconducting magnet system containing a main coil 11 which is a high temperature superconducting coil operating at a temperature of liquid nitrogen or lower. 1, a pump unit 2 including a pump of a refrigerator and a pump for vacuum exhaust for cooling the main coil 11 to a temperature of liquid nitrogen or lower, and a data processing device 3 with a display for displaying measurement results. Become.

【0025】上記ポンプ部2の各ポンプは、コネクティ
ングパイプ4によって超電導マグネットシステム1と接
続され、一方、データ処理装置3は信号線5によって超
電導マグネットシステム1と接続される。あるいは、信
号線5の代わりに赤外線等を用いたワイヤレスのデータ
通信機構により接続してもよい。
Each pump of the pump unit 2 is connected to the superconducting magnet system 1 by a connecting pipe 4, while the data processing device 3 is connected to the superconducting magnet system 1 by a signal line 5. Alternatively, the signal line 5 may be replaced by a wireless data communication mechanism using infrared rays or the like.

【0026】上記ポンプ部2は、具体的には、図2に示
すように、超電導マグネットシステム1の冷却手段であ
るジュールトムソン冷凍機に動作ガスを供給する小型コ
ンプレッサ21と、超電導マグネットシステム1内を高
真空に排気するターボポンプ22とからなり、これらが
それぞれ上記コネクティングパイプ4によってジュール
トムソン冷凍機のガスコネクタ、あるいは超電導マグネ
ットシステム1の真空排気ポートに接続されている。
Specifically, as shown in FIG. 2, the pump section 2 includes a small compressor 21 for supplying a working gas to a Joule-Thomson refrigerator, which is a cooling means of the superconducting magnet system 1, and a superconducting magnet system 1. Is connected to the gas connector of the Joule-Thomson refrigerator or the vacuum exhaust port of the superconducting magnet system 1 by the connecting pipe 4.

【0027】一方、その他のシステム構成としては、従
来のNMR装置と同様の構成が採用されており、例えば
NMR信号の取得に必要なRF関連ユニットや、得られ
たデータを解析するための超小型演算処理装置(MP
U)、さらに解析結果をもとに診断結果または治療効果
の評価等を導出するためのソフトウエア、簡易表示機能
等を備えている。
On the other hand, as the other system configuration, a configuration similar to that of a conventional NMR apparatus is adopted. For example, an RF-related unit necessary for acquiring an NMR signal and an ultra-compact for analyzing the obtained data. Processor (MP
U), and software for deriving a diagnosis result or evaluation of treatment effect based on the analysis result, a simple display function, and the like.

【0028】これらの概要を示すのが、図2である。こ
のシステムでは、超電導マグネットシステム1からのN
MR信号が増幅器(プリアンプ・パワーアンプ)31に
よって増幅され、さらにA/Dコンバータ32によって
アナログ信号をコンピュータ処理できるようにデジタル
信号に変換された後、超小型演算処理装置33に取り込
まれる。
FIG. 2 shows an outline of these. In this system, N from the superconducting magnet system 1
The MR signal is amplified by an amplifier (preamplifier / power amplifier) 31, and further converted into a digital signal by an A / D converter 32 so that the analog signal can be processed by a computer, and then is taken into a microminiaturized arithmetic processing unit 33.

【0029】取り込まれたデータは、ディスプレイ34
に表示され、必要に応じてプリンタから出力される。ま
た、このデータは、ハードディスク、光磁気ディスク等
を記憶メディアとする主記憶装置35に格納されるとと
もに、医療診断用データベース等に基づいて解析され、
診断あるいは治療効果の評価のための判断材料とされ
る。
The captured data is displayed on the display 34.
Is displayed on the screen and is output from the printer as needed. Further, this data is stored in the main storage device 35 having a hard disk, a magneto-optical disk, or the like as a storage medium, and is analyzed based on a database for medical diagnosis,
It is used as a judgment material for diagnosis or evaluation of therapeutic effect.

【0030】また、上記超小型演算処理装置33は、超
電導マグネットシステム1における第2の磁場(ラジオ
波磁場)の印加を制御する役目も受け持っており、パル
スプログラマ36、RFゲートユニット及びパルスジェ
ネレータ37、RFアンプ38によって、静磁場に垂直
な面上を対象核の共鳴周波数で回転するラジオ波磁場が
短時間パルス的に印加される。
Further, the microminiaturized arithmetic processing unit 33 also has a role of controlling the application of the second magnetic field (radio frequency magnetic field) in the superconducting magnet system 1, and the pulse programmer 36, the RF gate unit and the pulse generator 37. The RF amplifier 38 applies a radio-frequency magnetic field that rotates at the resonance frequency of the target nucleus on a plane perpendicular to the static magnetic field in a short-time pulse form.

【0031】以上がNMR装置の概略構成であるが、本
実施例のNMR装置は、主コイル11やパワーリードに
高温超電導材料を用いたこと、冷却方式としてジュール
トムソン冷凍機を用いたことを大きな特徴とする。そこ
で、次に、超電導マグネットシステム1の構造について
詳述する。
The above is the schematic configuration of the NMR apparatus. In the NMR apparatus of this embodiment, the main coil 11 and the power lead are made of a high temperature superconducting material, and the cooling method is a Joule-Thomson refrigerator. Characterize. Therefore, next, the structure of the superconducting magnet system 1 will be described in detail.

【0032】超電導マグネットシステム1は、図3に示
すように、容器41内に主コイル11、この主コイル1
を外部の電源と電気的に接続するためのパワーリード4
2、43、及びクローズドループ型のジュールトムソン
冷凍機44とからなる。
As shown in FIG. 3, the superconducting magnet system 1 includes a main coil 11 in a container 41, and the main coil 1.
Power lead 4 for electrically connecting the
2, 43, and a closed-loop Joule-Thomson refrigerator 44.

【0033】ここで、容器41は、輻射シールド45、
クライオスタット46、磁気シールド47の3層構造か
らなり、熱的にも磁気的にも確実に外部と隔離するよう
な構造とされている。また、この容器41内は、真空排
気ポート48に接続された前記ターボポンプ22によっ
て排気され、高真空が保たれている。
Here, the container 41 includes a radiation shield 45,
It has a three-layer structure of a cryostat 46 and a magnetic shield 47, and is structured so as to be reliably thermally and magnetically isolated from the outside. The inside of the container 41 is evacuated by the turbo pump 22 connected to the vacuum exhaust port 48 to maintain a high vacuum.

【0034】上記主コイル11は、高温超電導コイルか
らなり、その中央の空間は、常温磁場空間(ボア)Bと
されている。本NMR装置は非常に小型であり、前記常
温磁場空間Bは、手指あるいは腕が入る程度の大きさで
ある。
The main coil 11 is composed of a high temperature superconducting coil, and the central space thereof is a room temperature magnetic field space (bore) B. The present NMR device is extremely small, and the room temperature magnetic field space B is large enough to accommodate a finger or arm.

【0035】また、この主コイル11は、液体窒素温度
(77K)あるいはそれ以下の温度で働く高温超電導線
材[例:銀被覆ビスマス系銅酸化物(Bi,Pb)2
2Ca2Cu310超電導体]を用い、その同心軸ソレ
ノイドコイルによって構成される。この主コイル11の
性能は、次の通りである。
The main coil 11 is made of a high temperature superconducting wire [eg, silver-coated bismuth-based copper oxide (Bi, Pb) 2 S, which operates at liquid nitrogen temperature (77K) or lower.
r 2 Ca 2 Cu 3 O 10 superconductor] and its concentric solenoid coil. The performance of this main coil 11 is as follows.

【0036】超電導コイルである主コイル11におい
て、磁場強度と臨界電流密度Jc(単位:A/mm)
は、次の経験則[(1)式]を満足する範囲で決定され
る。
In the main coil 11 which is a superconducting coil, the magnetic field strength and the critical current density Jc (unit: A / mm)
Is determined within a range that satisfies the following empirical rule [Equation (1)].

【0037】EmJc2=1011 ・・・(1) ここで、Emは磁気エネルギー(=1/2LI2,L:
インダクタンス、I:電流、単位:ジュール)であり、
主コイル11の大きさと磁場の強さで決まるパラメータ
である。そして、磁気エネルギーEmは、大型・高磁場
コイルほど大きな値をとる。
EmJc 2 = 10 11 (1) Here, Em is magnetic energy (= 1 / 2LI 2 , L:
Inductance, I: current, unit: Joule),
It is a parameter determined by the size of the main coil 11 and the strength of the magnetic field. The magnetic energy Em has a larger value as the coil is larger and the magnetic field is higher.

【0038】一般的に、コイルの大きさと磁場強度で決
まるコイルの磁気エネルギーEmと超電導コイルの電流
密度Jは、上記の経験則を満たす。したがって、この
(1)式から、大型、高磁場超電導コイルほど電流密度
Jが低く選定されることがわかる。
Generally, the magnetic energy Em of the coil and the current density J of the superconducting coil, which are determined by the size of the coil and the magnetic field strength, satisfy the above empirical rule. Therefore, it can be seen from this equation (1) that the larger the high-field superconducting coil, the lower the current density J is selected.

【0039】一方、小型で高磁場の超電導コイルの場
合、磁気エネルギーEmは、小型である分、通常の例え
ば大型高磁場NMR装置の磁気エネルギーEm(1メガ
ジュール程度)よりも小さくできる。同式によれば、小
型、高磁場超電導コイルの電流密度Jは、その分高く選
ぶことができる。逆に言えば、超電導コイルの電流密度
を高く選ぶほどコイルは小型、軽量にできる。また、磁
気エネルギーEm一定の条件のもとでは、コイルが小型
になればなるほど、発生磁場をより強いものにできるた
め、NMR信号のS/N比が改善できるという重要な利
点がある。
On the other hand, in the case of a small and high magnetic field superconducting coil, the magnetic energy Em can be smaller than the magnetic energy Em (about 1 megajoule) of an ordinary large high magnetic field NMR apparatus because of its small size. According to the equation, the current density J of the small-sized high magnetic field superconducting coil can be selected higher accordingly. Conversely, the higher the current density of the superconducting coil, the smaller and lighter the coil can be made. Further, under the condition that the magnetic energy Em is constant, the smaller the coil is, the stronger the magnetic field generated can be, so that there is an important advantage that the S / N ratio of the NMR signal can be improved.

【0040】本装置では、このような観点から、前述の
通り、常温磁場空間Bの径を人間の腕が挿入できる程度
の大きさか、それ以下としている。
From this point of view, in the present apparatus, as described above, the diameter of the room temperature magnetic field space B is set to a size at which a human arm can be inserted or less.

【0041】次に、パワーリード42、43であるが、
これらパワーリード42、43は、常温の電源と極低温
の超電導コイル(主コイル11)の間をつなぐ電流リー
ド線のことである。本例においては、これらパワーリー
ド42、43も超電導体によて構成されている。
Next, regarding the power leads 42 and 43,
These power leads 42 and 43 are current lead wires connecting between a power supply at room temperature and a superconducting coil (main coil 11) at extremely low temperature. In this example, these power leads 42 and 43 are also made of a superconductor.

【0042】従来の銅を用いたリード線の場合、これを
経由した熱伝導によって極低温部に熱が侵入し、コイル
の冷媒(例:液体窒素)を蒸発させる。この熱伝導を小
さくするためには、リード線を細く作れば良いわけであ
るが、そうすると今度はリード線の電気抵抗が増えてジ
ュール発熱によるコイルへの熱侵入が増えてしまう。
In the case of a conventional lead wire made of copper, heat penetrates into the cryogenic portion by heat conduction therethrough and evaporates the refrigerant (eg, liquid nitrogen) in the coil. In order to reduce this heat conduction, it suffices to make the lead wire thin, but then the electrical resistance of the lead wire increases, and the heat penetration into the coil due to Joule heating increases.

【0043】これに対して、パワーリード42、43の
構成材料として、液体窒素温度あるいはそれ以下の温度
で動作する高温超電導体[例:銀被覆ビスマス系銅酸化
物(Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu310超電導体]を用
いれば、電気抵抗が零であるためジュール発熱が抑えら
れるとともに、酸化物であることから熱伝導も低くする
ことができる。すなわち、リード線の断面積を大きく
し、その分長さを大幅に縮小しても同じ量の電流を流せ
ることになる。クライオスタットの高さは、それに準じ
て低くでき、よって超電導マグネットシステム1の小型
化を図ることができる。
On the other hand, as a constituent material of the power leads 42 and 43, a high-temperature superconductor that operates at a temperature of liquid nitrogen or lower [eg, silver-coated bismuth-based copper oxide (Bi, Pb) 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 superconductor], Joule heat generation is suppressed because the electric resistance is zero, and thermal conductivity can be lowered because it is an oxide. That is, even if the cross-sectional area of the lead wire is increased and the length thereof is greatly reduced, the same amount of current can flow. The height of the cryostat can be reduced accordingly, so that the superconducting magnet system 1 can be miniaturized.

【0044】また、このNMR装置では、冷却方式とし
て、動作ガスが小型コンプレッサで供給できるタイプの
ジュールトムソン冷凍機44を用いている。このジュー
ルトムソン冷凍機44においては、動作ガスは、例えば
少量の窒素ガスだけで済み、コンプレッサ21で圧縮さ
れた窒素ガスが高圧ガスポート49から導入され、ジュ
ールトムソン効果により一部が冷却用の液体窒素LNと
なり、液体にならなかったガスは低圧回路LPを通り熱
交換器(Countercurrent Heat Exchanger)で高圧側
HPを冷やしながら戻り、低圧ガスポート50から再び
コンプレッサ21に入る。
Further, in this NMR apparatus, as a cooling system, a Joule-Thomson refrigerator 44 of a type in which the working gas can be supplied by a small compressor is used. In the Joule-Thomson refrigerator 44, the working gas is, for example, only a small amount of nitrogen gas, the nitrogen gas compressed by the compressor 21 is introduced from the high-pressure gas port 49, and a part of the liquid is cooled by the Joule-Thomson effect. The gas that has become nitrogen LN and has not become liquid passes through the low pressure circuit LP and returns while cooling the high pressure side HP with a heat exchanger (Countercurrent Heat Exchanger), and then enters the compressor 21 again from the low pressure gas port 50.

【0045】このジュールトムソン冷凍機44の基本原
理を示したものが、図4である。高圧窒素ガスは、ジュ
ールトムソン弁JTで一部液体窒素LNとなり、液体に
ならなかったガスは低圧窒素ガスとしてコンプレッサ2
1に戻る。
FIG. 4 shows the basic principle of the Joule-Thomson refrigerator 44. The high-pressure nitrogen gas becomes part of the liquid nitrogen LN at the Joule-Thomson valve JT, and the gas that has not become liquid is compressed as low-pressure nitrogen gas into the compressor 2
Return to 1.

【0046】上述のジュールトムソン冷凍機44は、冷
却ステージがICチップ並のサイズにも対応可能な冷凍
機である。主コイル11とパワーリード42、43は、
各サイズに合うように設計された冷却ステージにより冷
却すればよいので、このジュールトムソン冷凍機44を
用いればクライオスタットの小型化を制限することがな
いという大きなメリットがある。
The Joule-Thomson refrigerator 44 described above is a refrigerator whose cooling stage is compatible with the size of an IC chip. The main coil 11 and the power leads 42 and 43 are
Since it suffices to cool with a cooling stage designed to suit each size, the use of this Joule-Thomson refrigerator 44 has a great merit that the miniaturization of the cryostat is not restricted.

【0047】さらに、このジュールトムソン冷凍機44
は、次のような利点が備わっている。先ず、動作ガスの
補充が不要であるので、それによる経済効果もさること
ながら、装置の操作性を格段に改善することができる。
また、コンプレッサ21以外の冷却部には動作部がない
ので、機械的振動が主コイル11やパワーリード42、
43に悪影響を及ぼすことがなく、超電導マグネットシ
ステム1全体をクエンチに対して強くすることができ
る。さらに、クライオスタットの小型化により、輻射伝
熱による主コイル11及びパワーリード42、43への
侵入熱を低減することができる。高温壁面から低温壁面
への輻射伝熱量は、良く知られているステファン−ボル
ツマンの式によって低温部分(すなわち主コイル11及
びパワーリード42、43)の表面積に比例することが
わかっている。クライオスタットが小さくなれば、それ
だけ低温部の表面積は小さくなるので、輻射伝熱量が低
減できる。これは、超電導体への熱侵入に起因するクエ
ンチ対策として力を発揮し、装置の信頼性向上に寄与す
る。
Furthermore, this Jul Thomson refrigerator 44
Has the following advantages: First, since it is not necessary to replenish the working gas, the operability of the device can be significantly improved while the economic effect is obtained.
Further, since there is no operating part in the cooling part other than the compressor 21, mechanical vibrations cause the main coil 11 and the power lead 42,
It is possible to make the entire superconducting magnet system 1 resistant to quenching without adversely affecting 43. Further, the miniaturization of the cryostat makes it possible to reduce heat entering the main coil 11 and the power leads 42, 43 due to radiant heat transfer. It is known from the well-known Stefan-Boltzmann equation that the amount of radiant heat transfer from the hot wall surface to the cold wall surface is proportional to the surface area of the cold portion (that is, the main coil 11 and the power leads 42 and 43). The smaller the cryostat, the smaller the surface area of the low temperature portion, so that the amount of radiant heat transfer can be reduced. This exerts a force as a countermeasure against quenching due to heat intrusion into the superconductor, and contributes to improvement in reliability of the device.

【0048】以上の構成のNMR装置において、NMR
の測定を行うには、例えば細胞等の試料に2種類の磁場
をかける。第1は、強力な静磁場である。大きな静磁場
の影響で、試料中の対象核の磁気モーメントは、磁場に
平行か逆平行かのいずれかの向きをとる。ここで、磁場
に平行な磁気モーメントのエネルギーは、磁場に逆平行
な磁気モーメントのエネルギーより低く、このタイプの
核の数が僅かに多いため、核磁気モーメントの集団、す
なわち磁化は静磁場と同じ方向に向く。
In the NMR apparatus having the above structure, the NMR
In order to measure the above, two kinds of magnetic fields are applied to a sample such as cells. The first is a strong static magnetic field. Under the influence of a large static magnetic field, the magnetic moment of the target nucleus in the sample is oriented either parallel or antiparallel to the magnetic field. Here, the energy of the magnetic moment parallel to the magnetic field is lower than the energy of the magnetic moment antiparallel to the magnetic field, and because the number of nuclei of this type is slightly higher, the population of nuclear magnetic moments, that is, the magnetization is the same as the static magnetic field. Turn to the direction.

【0049】次に、第2の磁場として、静磁場に垂直な
面上を対象核の共鳴周波数で回転するラジオ波磁場を短
時間パルス的にかけると、磁化はラジオ波磁場の大きさ
で決まる周波数でその時間間隔だけ歳差運動してとま
る。NMR装置(NMRスペクトロメータ)は、共鳴状
態にある核磁気モーメントのベクトル和である磁化の静
磁場方向に垂直な面内成分(横磁化成分)を観測するの
で、横磁化が大きければ大きいほど信号の検出感度が上
がる。このように共鳴現象にある状態でパルスを切る
と、対象核は電磁波を放出しながら元の配向状態に戻る
(緩和と呼ばれる過程)。
Next, as a second magnetic field, when a radiofrequency magnetic field rotating on the plane perpendicular to the static magnetic field at the resonance frequency of the target nucleus is pulsed for a short time, the magnetization is determined by the magnitude of the radiofrequency magnetic field. Precession stops at that time interval at the frequency. Since an NMR device (NMR spectrometer) observes an in-plane component (transverse magnetization component) perpendicular to the static magnetic field direction of magnetization, which is the vector sum of nuclear magnetic moments in a resonance state, the larger the transverse magnetization, the greater the signal. The detection sensitivity of. When the pulse is cut in the state of being in a resonance phenomenon in this way, the target nucleus returns to its original orientation state while emitting electromagnetic waves (a process called relaxation).

【0050】したがって、横磁化は時間とともに減衰す
る。この時間とともに消失するNMR信号(FIDと呼
ばれる時間領域のアナログ信号)を周波数領域のスペク
トルに変換し、減衰に伴う緩和時間等のデータを併用す
ると、生体組織や組成分布の分析が可能となる。
Therefore, the transverse magnetization decays with time. If an NMR signal that disappears with this time (an analog signal in the time domain called FID) is converted into a spectrum in the frequency domain and data such as the relaxation time associated with the attenuation is used together, it is possible to analyze the biological tissue and the composition distribution.

【0051】そこで、このようなNMR装置を用いれ
ば、生体の代謝機能を非破壊的に解明することができ
る。例えば、日本では、1990年代初頭において40
歳以上の成人の糖尿病発症が既に10人に1人を越えて
おり、流行病の1種と見なせるほどの規模になってい
る。また、世界的にも同様な状況にある。インスリン依
存型糖尿病患者は、1日に3回、毎日指の一部を小刀で
切って採血し、血糖値(血管内のグルコースレベル)を
測定することにより、その日のインスリン摂取量等をコ
ントロールすることが日課になっている。
Therefore, by using such an NMR apparatus, the metabolic function of the living body can be elucidated nondestructively. For example, in Japan, 40 in the early 1990s
The incidence of diabetes in adults over the age of 1 has already exceeded 1 in 10, which is a scale that can be regarded as one of the epidemics. The situation is similar in the world. Insulin-dependent diabetic patients control their insulin intake etc. by measuring the blood glucose level (glucose level in blood vessels) by cutting a part of their finger with a sword every day three times a day. It is a daily routine.

【0052】本発明のNMR装置を用いれば、指をボア
に挿入するだけで、同じことを無侵襲で特定の場所に拘
束されずできるようになる。その他、血液のみによる癌
の転移能や再発の早期予測、生体内pH測定等による医
療診断、スポーツにおける医療チェック(例えば筋肉の
エネルギー貯蔵と運動能、疲労の評価)等にも応用する
ことができる。
By using the NMR apparatus of the present invention, the same thing can be done non-invasively and not restricted to a specific place simply by inserting a finger into the bore. In addition, it can be applied to the metastatic ability of cancer only by blood and early prediction of recurrence, medical diagnosis by measuring in vivo pH, medical check in sports (for example, energy storage and exercise capacity of muscle, evaluation of fatigue), etc. .

【0053】[0053]

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明のNMR装置では、従来不可能であった装置の持ち運
びができるようになる。したがって、例えば糖尿病患者
が旅行等する際、装置を携帯することができ、病気の管
理が極めて容易になり、患者を場所及び時間的拘束から
解放することが可能である。
As is apparent from the above description, the NMR apparatus of the present invention allows the apparatus to be carried, which has been impossible in the past. Thus, for example, when a diabetic patient travels or the like, the device can be carried, illness management becomes extremely easy, and the patient can be released from place and time constraints.

【0054】また、本発明のNMR装置では、常温磁場
空間(ボア)の大きさを指や腕が入る程度の大きさと
し、主コイルを小型化しているので、発生磁場の強度が
保証し易いという利点を有する。
Further, in the NMR apparatus of the present invention, the size of the room temperature magnetic field space (bore) is set to such a size that a finger or arm can be inserted, and the main coil is miniaturized, so that the strength of the generated magnetic field is easily guaranteed. Have advantages.

【0055】さらに、本発明のNMR装置は、装置の小
型化により従来のものより格段に安価なものとすること
ができ、しかも維持管理も容易であることから、一般の
病院や家庭等にも広く普及させることが可能である。
Further, the NMR apparatus of the present invention can be made much cheaper than the conventional one due to the downsizing of the apparatus, and since it is easy to maintain and manage, it can be used in general hospitals and homes. It can be widely spread.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明を適用したNMR装置の一例を示す概略
斜視図である。
FIG. 1 is a schematic perspective view showing an example of an NMR apparatus to which the present invention is applied.

【図2】本発明を適用したNMR装置のシステム構成の
一例を示す模式図である。
FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of a system configuration of an NMR apparatus to which the present invention is applied.

【図3】超電導マグネットシステムの構造例を示す概略
断面図である。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a structural example of a superconducting magnet system.

【図4】ジュールトムソン冷凍機の原理を説明する模式
図である。
FIG. 4 is a schematic diagram illustrating the principle of a Joule Thomson refrigerator.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 超電導マグネットシステム 11 主コイル 42、43 パワーリード 44 ジュールトムソン冷凍機 B 常温磁場空間(ボア) 1 superconducting magnet system 11 main coil 42, 43 power lead 44 Joule Thomson refrigerator B normal temperature magnetic field space (bore)

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 液体窒素温度以下の温度で動作する高温
超電導コイルを主コイルとし、 この主コイルを冷却する冷凍機と、高温超電導体よりな
り電源と上記主コイルとを電気的に接続するリード部と
を備えていることを特徴とする核磁気共鳴装置。
1. A main coil is a high-temperature superconducting coil that operates at a temperature of liquid nitrogen or lower, and a refrigerator that cools the main coil and a lead that electrically connects a power source composed of a high-temperature superconductor to the main coil. And a magnetic resonance apparatus.
【請求項2】 冷凍機がジュールトムソン冷凍機である
ことを特徴とする請求項1記載の核磁気共鳴装置。
2. The nuclear magnetic resonance apparatus according to claim 1, wherein the refrigerator is a Joule-Thomson refrigerator.
【請求項3】 携帯型とされていることを特徴とする請
求項1記載の核磁気共鳴装置。
3. The nuclear magnetic resonance apparatus according to claim 1, wherein the nuclear magnetic resonance apparatus is a portable type.
【請求項4】 医療診断に用いられることを特徴とする
請求項1記載の核磁気共鳴装置。
4. The nuclear magnetic resonance apparatus according to claim 1, which is used for medical diagnosis.
JP7296956A 1995-11-15 1995-11-15 Nuclear magnetic resonance device Withdrawn JPH09135823A (en)

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