JP6573253B2 - 生体磁気計測装置 - Google Patents

Description

この発明は生体磁気計測装置に関し、特に磁気センサの冷却で気化したヘリウムガスを回収して再利用可能な生体磁気計測装置に関する。

人間等の生体が発生する磁場は微弱である。このため生体磁場の計測には外部の磁場を遮断するための磁気シールドルーム内において、超伝導を利用するセンサを用いて計測することが行われている。このとき、センサが超伝導状態となるように、センサは液体ヘリウムで冷却される。ヘリウムは高価であるため、冷却後のヘリウムを回収して再利用する技術が知られている（特許文献１参照）。

特開２００４−２１５７７７号公報

上記の発明では、センサの回動を確保するために磁気シールドルームを貫通する部材が多くなる。このため、磁気シールドルームの貫通孔から磁気シールドルーム内部に進入する外磁場が多くなり、結果として生体磁場の計測精度が低下する恐れがある。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ヘリウムの再利用と磁気センサの回動とを実現し、かつ磁気シールドルーム内に侵入する外磁場を低減する生体磁気計測装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の生体磁気測定装置は、磁気シールドルームと、磁気シールドルームの外部に設置された極低温冷凍機と、磁気シールドルームの内部に設置されたクライオスタットと、磁気シールドルームを貫通し、極低温冷凍機とクライオスタットとの間でヘリウムの流路を形成するトランスファチューブと、クライオスタットに収容され、ヘリウムで冷却される磁気センサとを備える。クライオスタットは、トランスファチューブを回転軸として回動自在に構成されている。

クライオスタットの回動を支持する支持部材をさらに備えてもよい。

支持部材は、クライオスタットに接続された回転体と、シールドルームに固定され、回転体を挟持するレールとを備えてもよい。

支持部材は、クライオスタットに接続されたレールと、シールドルームに固定され、レールを挟持する回転体とを備えてもよい。

クライオスタットの回動を規制する回動規制部をさらに備えてもよい。

極低温冷凍機の下端の高さは、クライオスタットの上端の高さより低くてもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、ヘリウムの再利用と磁気センサの回動とを実現し、かつ磁気シールドルーム内に侵入する外磁場を低減する生体磁気計測装置を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る生体磁気計測装置の全体構成を模式的に示す斜視図である。 発明の実施の形態に係る生体磁気計測装置の機能構成を模式的に示す図である。 実施の形態に係る生体磁気計測装置の内部構造を模式的に示す図である。 図４（ａ）−(ｂ)は、実施の形態に係る支持部材の構成の一例を模式的に示す図である。 第１の変形例に係る生体磁気計測装置の内部構造を模式的に示す図である。 第２の変形例に係る生体磁気計測装置の内部構造を模式的に示す図である。 第３の変形例に係る生体磁気計測装置の内部構造を模式的に示す図である。 第４の変形例に係る生体磁気計測装置における支持部材の構成を模式的に示す図である。 図９（ａ）−（ｂ）は、第５の変形例に係る生体磁気計測装置におけるクライオスタットおよび支持部材を模式的に示す図である。 第６の変形例に係る生体磁気計測装置の内部構造を模式的に示す図である。

図１は、本発明の実施の形態に係る生体磁気計測装置１の全体構成を模式的に示す斜視図である。実施の形態に係る生体磁気計測装置１は、磁気シールドルーム１０、極低温冷凍機２０、クライオスタット３０、トランスファチューブ４０、ガントリ５０、架台６０、接続部８０を含む。ここで、クライオスタット３０、ガントリ５０、および接続部８０は、磁気シールドルーム１０の内部に設置されている。また極低温冷凍機２０と架台６０とは磁気シールドルーム１０の外部に設置されている。極低温冷凍機２０は、例えば既知の４Ｋパルスチューブ冷凍機を用いて実現できる。

トランスファチューブ４０は磁気シールドルーム１０を貫通し、極低温冷凍機２０とクライオスタット３０とのそれぞれに接続されている。より具体的には、トランスファチューブ４０は極低温冷凍機２０とは直接接続され、クライオスタット３０とは接続部８０を介して接続されている。

磁気シールドルーム１０の内部には、被験者７０が横臥するための台９０も設置されている。図１に示すように、クライオスタット３０の一部は被験者７０の腰椎の位置まで延在しており、台９０の機能も兼ねている。図１には図示しないが、クライオスタット３０は磁気センサを収容している。なお図示しないが、生体磁気計測装置１が測定したデータを解析したり、磁気センサの動作を制御したりする計算機も備えられている。

図１では、図中鉛直上方向をｚ軸、図中左から右に向かう方向をｘ軸、ｘ軸とｚ軸とに垂直なｙ軸からなる右手座標系２が設定されている。以下本明細書で参照する他の図に示す右手座標系２も、図１に示す右手座標系２と同一である。

図２は、本発明の実施の形態に係る生体磁気計測装置１の機能構成を模式的に示す図であり、生体磁気計測装置１における計測機能を主に説明する図である。図２は、図１に示す生体磁気計測装置１を右手座標系２のｙｚ平面に対して垂直な方向から見た図である。

図１を参照して説明したように、磁気シールドルーム１０の内部において被験者７０が台９０の上に横臥している。磁気センサ３２は、被験者７０の腰椎の位置に来るようにクライオスタット３０に収容されている。磁気センサ３２は、例えば既知のＳＱＵＩＤ（Superconducting QUantum Interference Device）を用いて実現できる。

情報処理部１２は、生体磁気計測装置１における計測機能を統括的に制御する。情報処理部１２はまた、生体磁気計測装置１が計測した生体磁気データを解析する。情報処理部１２は、例えばＰＣ（Personal Computer）やワークステーション等の計算機を用いて実現できる。磁気センサ駆動回路１４は、情報処理部１２の制御の下、磁気センサ３２の動作を制御する。アンプ／アナログフィルタ部１６は、磁気センサ３２が計測した生体磁気データを増幅したり、ノイズを除去したりする。データ取得部１８は、アンプ／アナログフィルタ部１６が処理したデータをデジタルデータに変換する。データ取得部１８は、例えば既知のＡ／Ｄ変換器を用いて実現できる。データ取得部１８が取得したデータは情報処理部１２に送られ、種々の解析が実行される。

このように、実施の形態に係る生体磁気計測装置１は、被験者７０の体内で生じる生体磁場を計測するための装置である。被験者７０の性別や体格等に応じて磁気センサ３２を配置すべき位置が異なるため、磁気センサ３２はある程度位置を変えられることが好ましい。一方で、上述したように、磁気センサ３２は例えばＳＱＵＩＤセンサを用いて実現される。ＳＱＵＩＤセンサは超伝導体を利用した磁気センサであるため、センサとして機能するためには極低温（例えば４Ｋ以下）まで冷却される必要がある。このため、磁気センサ３２は液体ヘリウムを貯留するクライオスタット３０に収容されている。

図示はしないが、クライオスタット３０の内部は液体ヘリウムを貯留するために２層構造となっている。磁気センサ３２はクライオスタット３０が貯留する液体ヘリウムによって冷却されている。なお、液体ヘリウムは、トランスファチューブ４０を介して極低温冷凍機２０からクライオスタット３０内に供給される。この意味で、トランスファチューブ４０は極低温冷凍機２０とクライオスタット３０との間に形成される液体ヘリウムの流路である。

以上より、磁気センサ３２の位置を変更するためには、磁気センサ３２を収容しているクライオスタット３０を移動させることになる。そこで実施の形態に係る生体磁気計測装置１においては、図２におけるｙｚ平面と平行な平面を回転平面として、クライオスタット３０が回動自在となるように構成されている。より具体的に、クライオスタット３０は、トランスファチューブ４０の長手方向の中心軸を回転中心として回動自在に構成されている。

図３は、実施の形態に係る生体磁気計測装置１の内部構造を模式的に示す図であり、図１に示す生体磁気計測装置１を右手座標系２のｘｚ平面に対して垂直な方向から見た図である。極低温冷凍機２０はヘリウムを冷却して液体ヘリウムを生成し、トランスファチューブ４０を介してクライオスタット３０に液体ヘリウムを供給する。クライオスタット３０に供給された液体ヘリウムは磁気センサ３２の冷却に用いられる。磁気センサ３２を冷却した液体ヘリウムは気化し、排気用チューブ（不図示）を介してクライオスタット３０から極低温冷凍機２０に戻る。このため、実施の形態に係る生体磁気計測装置１は、気化したヘリウムを凝縮して再利用することができる。

ここでトランスファチューブ４０のクライオスタット３０側の出口がクライオスタット３０より上側にあれば、液体ヘリウムをクライオスタット３０にトランスファする際に重力が利用できるので効率がよい。そこで実施の形態に係る生体磁気計測装置１においては、極低温冷凍機２０の下端の高さが、クライオスタット３０の上端の高さ以上となるように設置されている。より具体的には、極低温冷凍機２０の下端の高さが、クライオスタット３０の上端の高さ以上となるように、極低温冷凍機２０は架台６０の上に設置されている。

実施の形態に係るクライオスタット３０は、トランスファチューブ４０を回転軸として回動するが、実際には、トランスファチューブ４０はバヨネット構造を備える接続部８０で接続されている。クライオスタット３０の回動はバヨネット構造が吸収するため、トランスファチューブ４０には伝わらない。これにより、トランスファチューブ４０と磁気シールドルーム１０と交差部分に空隙が不要となり、外部磁場が磁気シールドルーム１０の内部に進入することを抑制できる。また、クライオスタット３０の回動に伴って磁気センサ３２を移動する。これにより、被験者７０の体格に合わせて磁気センサ３２を体表面に近づけることができ、信号雑音比の高い信号測定をすることができる。

ところで、実施の形態に係る生体磁気計測装置１で用いられるようなクライオスタット３０は一般に数十〜百数十キログラム程度の重量がある。このため、実施の形態に係る生体磁気計測装置１は、クライオスタット３０の回動を支持する支持部材を備える。

図４（ａ）−(ｂ)は、実施の形態に係る支持部材５２の構成の一例を模式的に示す図である。図４（ａ）および図４（ｂ）は、それぞれクライオスタット３０の回動の支持を実現するための構成を図示している。

図４（ａ）に示す支持部材５２の例では、支持部材５２は、クライオスタット３０に接続された２つの回転体である第１回転体３８ａと第２回転体３８ｂとを備える。以下第１回転体３８ａと第２回転体３８ｂとを区別する場合を除き「回転体３８」と総称する。回転体３８は、第１レール３６ａと第２レール３６ｂとに挟持され、クライオスタット３０の回動に伴って両者の間を回転移動する。以下本明細書においては、第１レール３６ａと第２レール３６ｂとを区別する場合を除き「レール３６」と総称する。ここで、レール３６の形状は円弧形状であり、円弧の中心はトランスファチューブ４０の中心軸と一致している。

レール３６はガントリ５０を介して磁気シールドルーム１０に固定されている。このため、ユーザが重量物であるクライオスタット３０を回動する際に、回転体３８がレール３６を外れる事態が抑制され、結果としてクライオスタット３０が転倒することを抑制できる。

図４（ａ）は、支持部材５２が第１回転体３８ａと第２回転体３８ｂとの２つの回転体３８を備える場合を例示しているが、回転体３８の数は２つに限られない。レール３６が収容できる範囲であれば、支持部材５２は３つ以上の回転体３８を備えてもよい。

図４（ｂ）に示す支持部材５２の例は、図４（ａ）に示す支持部材５２の例とは異なり、支持部材５２は第３レール３６ｃのみを備える。この第３レール３６ｃは、クライオスタット３０に接続されている。図４（ｂ）に示す支持部材５２の例では、第３レール３６ｃを挟持する回転体の組を備える。より具体的には、第３回転体３８ｃと第４回転体３８ｄとが、それぞれ上方および下方から第３レール３６ｃを挟持する。同様に、第５回転体３８ｅと第６回転体３８ｆとが、それぞれ上方および下方から第３レール３６ｃを挟持する。なお、第３回転体３８ｃ、第４回転体３８ｄ、第５回転体３８ｅ、および第６回転体３８ｆは、それぞれガントリ５０を介して磁気シールドルーム１０に固定されている。これにより、ユーザが重量物であるクライオスタット３０を回動する際に、第３レール３６ｃが回転体の組から外れる事態が抑制され、結果としてクライオスタット３０が転倒することを抑制できる。

なお図４（ｂ）に示す支持部材５２の例では、支持部材５２は、クライオスタット３０の回動を規制する回動規制部３９を備える。これにより、ユーザはクライオスタット３０を回動させ、所望の位置で固定できる。結果として、磁気センサ３２の方向きも、所望の位置で固定できるようになる。回動規制部３９は、例えば総ネジの棒状部材と雌ネジのついたシャトルを用いて実現できる。あるいは回動規制部３９は、油圧ピストンを用いて実現してもよい。回動規制部３９を油圧ピストンを用いて実現する場合、ユーザが重量物であるクライオスタット３０を回動する際にそのアシストを実現することもできる。

また、重量物であるクライオスタット３０は支持部材５２によって支持されるため、その加重がトランスファチューブ４０にかかることが抑制できる。一般にトランスファチューブ４０はクライオスタット３０を支える程の強度を持っていない。支持部材５２でクライオスタット３０を支えることにより、汎用的なトランスファチューブ４０を用いてもクライオスタット３０の回動を実現することができる。

以上説明したように、実施形態に係る生体磁気計測装置１によれば、ヘリウムの再利用と磁気センサ３２の回動とを実現し、かつ磁気シールドルーム１０内に侵入する外磁場を低減することができる。

特に、実施の形態に係る生体磁気計測装置１は、トランスファチューブ４０がクライオスタット３０の回動軸となるため、クライオスタット３０の回動に伴ってトランスファチューブ４０が移動することを抑制できる。このため、磁気シールドルーム１０に設ける穴の面積を最小限に抑えることができる。また、トランスファチューブ４０のクライオスタット３０側の端部に備えられた接続部８０が回動を吸収するため、クライオスタット３０の回動はトランスファチューブ４０に伝わらない。このため、トランスファチューブ４０は磁気シールドルーム１０にリジッドに固定することが可能となり、結果として極低温冷凍機２０をクライオスタット３０とともに回動させる機構が不要となる。磁気シールドルーム１０の壁面に設けるべき穴の面積も小さくなるため、磁気シールドルーム１０の外部磁場が磁気シールドルーム１０の内部に進入することも抑制できる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下そのような変形例を説明するが、上述した実施の形態に係る生体磁気計測装置１と共通する部分については、適宜省略または簡略化して説明する。

（第１の変形例）
図５は、第１の変形例に係る生体磁気計測装置１の内部構造を模式的に示す図である。第１の変形例に係る生体磁気計測装置１も、実施の形態に係る生体磁気計測装置１と同様に、極低温冷凍機２０の下端の高さは、クライオスタット３０の上端の高さ以上となるように配置されている。しかしながら、第１の変形例に係る生体磁気計測装置１は、実施の形態に係る生体磁気計測装置１とは異なり、極低温冷凍機２０は架台６０の上に設置されていない。その代わり、極低温冷凍機２０は、磁気シールドルーム１０が設置された部屋の天井からつり下げられた懸下台６２に収容されている。

（第２の変形例）
図６は、第２の変形例に係る生体磁気計測装置１の内部構造を模式的に示す図である。第２の変形例に係る生体磁気計測装置１においては、極低温冷凍機２０は架台６０ではなく磁気シールドルーム１０が設置された部屋の床に直接設置されている。このため、第２の変形例に係る生体磁気計測装置１においては、極低温冷凍機２０の下端の高さは、クライオスタット３０の上端の高さ以上とはなっていない。その代わり、第２の変形例に係る生体磁気計測装置１においては、極低温冷凍機２０は再凝縮した液体ヘリウムを加圧してクライオスタット３０にトランスファする。極低温冷凍機２０を架台６０の上や天井から懸下する場合と比較して、極低温冷凍機２０のメンテナンス性が向上する点で効果がある。

（第３の変形例）
図７は、第３の変形例に係る生体磁気計測装置１の内部構造を模式的に示す図である。実施の形態に係る生体磁気計測装置１においては、接続部８０はクライオスタット３０と分離してクライオスタット３０の上部に設けられている。これに対し、第３の変形例に係る生体磁気計測装置１においては、接続部８０はクライオスタット３０の側面に直接取り付けられている。これにより、回動の際のクライオスタット３０の動径が短くなる。結果として、磁気センサ３２を動かすために重量物であるクライオスタット３０を動かす距離が短くなるため、ユーザの利便性を向上することができる。

（第４の変形例）
上記では、クライオスタット３０を支持する支持部材５２はクライオスタット３０の下部に配置されている場合について説明した。しかしながら、支持部材５２はクライオスタット３０の上部からクライオスタット３０を懸下するようにして支持してもよい。

図８は、第４の変形例に係る生体磁気計測装置１における支持部材５２の構成を模式的に示す図である。図８に示すように、第４の変形例に係る生体磁気計測装置１においては、クライオスタット３０はガントリ５０に接続され懸下される。ガントリ５０の上端には第７回転体３８ｇおよび第８回転体３８ｈが備えられている。第７回転体３８ｇおよび第８回転体３８ｈは、それぞれ第４レール３６ｄおよび第５レール３６ｅによって挟持されその間を回動する。第４レール３６ｄおよび第５レール３６ｅはそれぞれ磁気シールドルーム１０に固定されており、これによりクライオスタット３０が転倒することが抑制できる。第４レール３６ｄと第５レール３６ｅとの形状は円弧形状であり、これらの中心はともにトランスファチューブ４０の中心と一致する。

（第５の変形例）
上記では、生体磁気計測装置１が横臥した被験者７０の体の一部（例えば腰椎など）の生体磁気を計測する場合について説明した。しかしながら、生体磁気計測装置１が計測の対象は横臥した被験者７０に限られない。例えば、着座した状態の被験者７０を対象にして、脳磁場を計測してもよい。

図９（ａ）−（ｂ）は、第５の変形例に係る生体磁気計測装置１におけるクライオスタット３０および支持部材５２を模式的に示す図である。より具体的に、図９（ａ）は、支持部材５２に支持されるクライオスタット３０が可動域の中心に存在する場合を示す図である。図９（ａ）に示すように、第５の変形例に係る生体磁気計測装置１においては、クライオスタット３０は支持部材５２に懸下され、その回動が支持される。

第５の変形例に係る生体磁気計測装置１においては、第６レール３６ｆは磁気シールドルーム１０に固定される。クライオスタット３０は第９回転体３８ｉと第１０回転体３８ｊとからなる回転体の組と、第１１回転体３８ｋと第１２回転体３８ｌとからなる回転体の組とを備える。これらの回転体の組がそれぞれ第６レール３６ｆを挟持することにより、クライオスタット３０の回動方向が規定される。

図９（ｂ）は、第５の変形例に係る生体磁気計測装置１のクライオスタット３０を、被験者７０の頭部を計測するために回動した様子を示す図である。図９（ｂ）に示すように、クライオスタット３０は被験者７０の頭部の形状に沿うように凹部が設けられている。図示はしないが、この凹部の内側に磁気センサ３２が備えられており、被験者７０の頭部が発生する磁場を計測する。図９（ｂ）に示すように被験者７０の姿勢や体格に合わせてクライオスタット３０の位置（すなわち、磁気センサ３２の位置）を変更できるので、被験者７０の頭部と磁気センサ３２との密着性を高めることができる。結果として、信号雑音比の高い信号測定をすることができる。

（第６の変形例）
図１０は、第６の変形例に係る生体磁気計測装置１の内部構造を模式的に示す図である。実施の形態に係る生体磁気計測装置１においては、接続部８０はクライオスタット３０の上方に設けられている。これに対し、図１０に示すように第６の変形例に係る生体磁気計測装置１は、接続部８０はクライオスタット３０の極低温冷凍機２０側の側方において、極低温冷凍機２０の液体ヘリウムの出口と同程度の高さに設けられる。これにより、回動の際のクライオスタット３０の動径が短くなる。結果として、磁気センサ３２を動かすために重量物であるクライオスタット３０を動かす距離が短くなるため、ユーザの利便性を向上することができる。

なお、図示はしないが、架台６０の高さを調整することにより、接続部８０はクライオスタット３０に対して任意の高さに配置することができる。また第６の変形例に係る生体磁気計測装置１においては、第２の変形例に係る生体磁気計測装置１と同様に、極低温冷凍機２０の下端は、クライオスタット３０の上端よりも低い位置とすることができる。これにより、極低温冷凍機２０を架台６０の上や天井から懸下する場合と比較して、極低温冷凍機２０のメンテナンス性が向上する点で効果がある。

１ 生体磁気計測装置、 ２ 右手座標系、 １０ 磁気シールドルーム、 １２ 情報処理部、 １４ 磁気センサ駆動回路、 １６ アンプ／アナログフィルタ部、 １８ データ取得部、 ２０ 極低温冷凍機、 ３０ クライオスタット、 ３２ 磁気センサ、 ３６ レール、 ３８ 回転体、 ３９ 回動規制部、 ４０ トランスファチューブ、 ５０ ガントリ、 ５２ 支持部材、 ６０ 架台、 ６２ 懸下台、 ８０ 接続部、 ９０ 台。

Claims (6)

1. 磁気シールドルームと、
   前記磁気シールドルームの外部に設置された極低温冷凍機と、
   前記磁気シールドルームの内部に設置されたクライオスタットと、
   前記磁気シールドルームを貫通し、前記極低温冷凍機と前記クライオスタットとの間でヘリウムの流路を形成するトランスファチューブと、
   前記クライオスタットに収容され、前記ヘリウムで冷却される磁気センサとを備え、
   前記クライオスタットは、前記トランスファチューブを回転軸として回動自在に構成されている生体磁気計測装置。
2. 前記クライオスタットの回動を支持する支持部材をさらに備える請求項１に記載の生体磁気計測装置。
3. 前記支持部材は、
   前記クライオスタットに接続された回転体と、
   前記磁気シールドルームに固定され、前記回転体を挟持するレールとを備える請求項２に記載の生体磁気計測装置。
4. 前記支持部材は、
   前記クライオスタットに接続されたレールと、
   前記磁気シールドルームに固定され、前記レールを挟持する回転体とを備える請求項２に記載の生体磁気計測装置。
5. 前記クライオスタットの回動を規制する回動規制部をさらに備える請求項１から４のいずれか一項に記載の生体磁気計測装置。
6. 前記極低温冷凍機の下端の高さは、前記クライオスタットの上端の高さより低い請求項１から５のいずれか一項に記載の生体磁気計測装置。

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