JP2008119091A - コイル装置及びそれを用いた磁気共鳴検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２つの周波数に共振、同調させることができ、均一な空間感度を持ち、なおかつ空間的占有体積が少ないＲＦコイル、特に高磁場ＭＲＩ装置に適したＲＦコイルを提供する。
【解決手段】第１導体部２０１、２０２と第２導体部２０３、２０４とを各々を具備する複数の第１コイル２００と、複数の第１コイルの端部と電気的に接続する第２コイル２０５、２０６とを備える。第１導体部２０１、２０２は、２つの導体部材が第１コンデンサ２０７を介して電気的に接続され、第２導体部２０３、２０４は、２つの導体部材が第２コンデンサ２０８を介して電気的に接続され、１箇所または２箇所の第１コンデンサ２０７と並列に給電回路及び／又は受電回路が接続される。第１コンデンサと第２コンデンサの容量を調整することにより、２つの異なる周波数で均一な感度領域を持つＲＦコイルを構成できる。
【選択図】図２

Description

本発明は電磁波送信受信を行うためのコイル装置、及びそれを用いた磁気共鳴検査装置（以下、ＭＲＩ装置という）に関する。

ＭＲＩ装置は、マグネットが発生する均一な静磁場中に被検体を配置し、被検体に電磁場を照射し、被検体内の核スピンを励起すると共に、その後、核スピンが発生する電磁波である核磁気共鳴信号を受信し、被検体を画像化する。電磁波の照射と核磁気共鳴信号の受信は、ラジオ周波数（ＲＦ）の電磁波を送信あるいは受信するＲＦコイルによって行なわれ、ＭＲＩ装置に適した種々の形状の送信コイル、受信コイル或いは兼用コイルが開発されている。

通常ＭＲＩ装置で測定する信号は、水や脂肪などに含まれる水素原子核の信号である。近年ＭＲＩ装置の高磁場化が進み、感度が向上している。その結果、水素以外の原子核の信号（他核種からの信号と呼ぶ）を取得することが可能になってきている。例として、りん、炭素、フッ素、ナトリウムなどの原子核からの信号を得ることができる。りんや炭素の信号の画像化により、筋肉やたんぱく質などの代謝にかかわる情報を得ることができると期待されている。

一般に他核種からのＭＲＩ信号は水素のＭＲＩ信号に比べて１／１０から１／１００以下程度と著しく弱いため、細密な画像を得ることは難しい。そのため他核種からの解像度の低いＭＲＩ信号を、水素のＭＲＩ信号から作成した形態画像と重ね合わせて表示することが通常行われる。この場合、水素のＭＲＩ信号と他核種のＭＲＩ信号とは同時に、あるいは連続して撮影されることが望ましい。

ＭＲＩの送受信に使用されるコイルは高い周波数選択性を持つため、水素のＭＲＩ信号を得るコイルと他核種の信号を得るコイルとは別に設置するのが普通であったが、１種類のコイルで２つの周波数に同調させる試みも行われてきている。

例えば、特許文献１には、同心円上に配置された二重円筒の間にラングと呼ばれる導線を軸線方向に複数配置した形状のＲＦコイルを用いて、マルチプルパッチレゾネーターの方式で２周波以上に同調させる方法が開示されている。また特許文献２には、鳥かご型コイルの各ラングにインダクタ／コンデンサ共振回路を並列接続し、２つ以上の周波数で同調させる方式が提案されている。さらに特許文献３には、鳥かご型のエンドリングと呼ばれる部分を複数セット設けることで２周波以上に同調させる方法が提案されている。
米国特許５５５７２４７号公報 米国特許４９１６４１８号 米国特許６１００６９４号

一般に、マルチプルパッチレゾネーターや鳥かご型は均一な感度領域を持つコイルとして知られているおり、人体の頭部などの撮影領域を正確に撮影するために有効である。しかし、特許文献１に記載された方法では、円周方向に配置されたラングを円周方向に１本おきに違う周波数に割り当てるため、実効的な感度の均一度が下がってしまうという欠点がある。

また特許文献２に記載された方法は、回路の調整が複雑になる、３テスラ以上の高磁場ＭＲＩ装置で体幹部撮影用コイルなど大きなコイルに適用するにはコンデンサの容量が小さくなりすぎて適用が難しい、などの問題がある。特許文献３に記載された方法では、鳥かご型のコイルの端部が複数セットのエンドリングで構成されるため、縦方向大きさが大きくなり、たとえば人体頭部をコイル内に配置したときに、肩の部分が狭くなるなどの問題がある。

本発明の目的は、均一な感度領域を持ち、なおかつ２周波の同調周波数を持ち、２周波のＭＲＩ信号を送受信できるコイル装置を提供することにある。また本発明の目的は、２つの同調周波数を持ちながら、コイルが占める空間スペースが実質的に１つのコイル程度であるコイル装置を提供することにある。更に本発明の目的は、高磁場のＭＲＩ装置に対応できるコイル装置を提供することにある。また本発明は、上記コイル装置を搭載することにより、水素原子核からの信号と他原子核からの信号を同一検査工程で取得することが可能なＭＲＩ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明のコイル装置は、信号の送信及び／または受信に用いるコイル装置であって、第１導体部と第２導体部とを各々具備し、互いに非接触に配置された複数の第１コイルと、前記複数の第１コイルの各々と電気的に接続する第２コイルと、前記コイル装置に信号を送信する送信手段及び／または前記コイル装置からの信号を受信する受信手段とを備え、前記第１導体部は、第１導体部材と、前記第１導体部材と非接触に配置される第２導体部材と、前記第１導体部材および第２導体部材を電気的に接続する第１コンデンサとを有し、前記第２導体部は、第３導体部材と、前記第３導体部材と非接触に配置される第４導体部材と、前記第３導体部材および第４導体部材を電気的に接続する第２コンデンサとを有し、前記送信手段及び／または受信手段は前記複数の第１コイルの少なくとも一つの前記第１コンデンサに並列に接続されている。

本発明のコイル装置において、第２コイルは、複数の第１コイルとの各接続点の間に第３コンデンサを有していてもよい。第３コンデンサを配置することにより同調周波数を容易に広範囲に変化させることが可能となる。

また本発明のコイル装置は、信号の送信及び／または受信に用いるコイル装置であって、第１導体部と第２導体部とを各々具備し、互いに非接触に配置された複数の第１コイルと、前記複数の第１コイルの各々と、少なくとも１点で電気的に接続する第２コイルと、前記コイル装置に信号を送信する送信手段及び／または前記コイル装置からの信号を受信する受信手段とを備え、前記第１導体部は、実質的に単一の導体部材（コンデンサを介することなく直接接続された第１導体部材および第２導体部材も含む）からなり、前記第２導体部は、第３導体部材と、前記第３導体部材と非接触に配置される第４導体部材と、前記第３導体部材および第４導体部材を電気的に接続する第２コンデンサとを有し、前記第２コイルは、複数の第１コイルとの各接続点の間に第３コンデンサを有し、前記送信手段及び／または受信手段は前記３または２のコンデンサに並列に接続されている。

このコイル装置は、第１導体部がコンデンサを有しないため、コイルの構成が簡単になる。

本発明のコイル装置は、２つの異なる同調モードを持つように第１ないし第３コンデンサが調整されている。異なる同調モードの一つは、例えば、第１コイルが鳥かご型コイルのラングとして機能し、第２コイルがリングとして機能する鳥かご型の同調モードである。他の一つは、互いに非接触に配置された複数の第１コイルがマルチプルパッチレゾネータの個々のコイルとして機能するマルチプルパッチレゾネータ型の同調モードである。例えば第１コンデンサの容量をC１、第２コンデンサの容量をC２としたとき、C１+C２の値を鳥かご型同調モードの同調周波数の調整に用いることができ、C１×C２／（C１+C２）をマルチプルパッチレゾネーター型の同調周波数の調整に用いることができる。
第１コイルは、例えば、ストリップライン型コイルである。

また本発明のコイル装置は、対向して配置され且つ電気的に接続された第１導体部と第２導体部とを有し、互いに離間して配置された複数の第１コイルと、前記複数の第１コイルの第１導体部の各一端部に接続された第１リング状導体と第１導体部の各他端部に接続された第２リング状導体とを有する第２コイルと、給電又は受電を行なうための給電／受電手段を備え、隣接する２本の第１導体部と前記第１リング状導体および第２リング状導体とで構成される第１ループおよび前記第１導体部と当該第１導体部に電気的に接続された第２導体部とで構成される第２ループは、それぞれループ内に少なくとも１つのコンデンサが直列に接続されていることを特徴とする。

本発明のコイル装置は、第１コイルおよび第２コイルの大きさ及び配置により、略円筒状、中空の円錐台状、円形など種々の形状とすることができ、用途に応じた形状のものを使用することができる。円筒状の形状とすることにより、例えば、ＭＲＩ装置において人の頭部用コイルや全身用コイルとして好適な形状となる。また円筒状や円錐台形のものは水平磁場方式のＭＲＩ装置に、また円錐台状や円形のものは垂直磁場方式のＭＲＩ装置に搭載することができる。

また本発明のコイル装置において、第１ループに挿入されるコンデンサは、第１導体部に挿入されていてもよいし、隣接する２つの第１の導体部をつなぐ第１及び／又は第２のリング状導体に挿入されていてもよい。

給電／受電手段は、第１の導体部に挿入されたコンデンサの少なくとも１つに並列に設けられている。或いは、第１及び／又は第２のリング状導体に挿入されコンデンサの少なくとも一つに並列に設けられている。

或いは、給電／受電手段は、第１ループのループ面に並行に配置される少なくとも一つの第１ループコイル及び／又は第２ループのループ面に並行に配置される少なくとも一つの第２ループコイルを備える。第１ループコイル及び第２ループコイルを備える場合には、第１ループコイルと第２ループコイルとで異なる同調周波数を給電又は受電することが可能である。

また本発明のコイル装置において、給電／受電手段は、円偏波給電／受電可能な２箇所に設けることができる。これにより、ＱＤ送信或いはＱＤ受信が可能となり、感度と効率が向上する。

さらに本発明のコイル装置の、好適な態様では、第１コイル及び第２コイルは非磁性材料からなる。これによりＭＲＩ装置に適したコイル装置となる。

本発明のＭＲＩ装置は、静磁場を発生する静磁場発生手段と、前記静磁場発生手段が発生する静磁場空間に配置され、前記静磁場方向と直交する方向に高周波磁場を発生し或いは前記静磁場方向と直交する方向の高周波磁場を検出するＲＦコイルと、前記静磁場空間に置かれた被検体から発生し、前記ＲＦコイルが検出した核磁気共鳴信号を用いて前記被検体の内部情報を画像化する手段とを備え、ＲＦコイルとして上述した本発明のコイル装置を備えたものである。

また本発明のＭＲＩ装置は、垂直磁場方向に静磁場を発生する静磁場発生手段を備えたＭＲＩ装置であり、ＲＦコイルとして、円錐台状あるいは円形の形状を有する本発明のコイル装置を用いたものである。この場合、ＲＦコイルは、被検体を挟んで上下に一対配置することができる。

また本発明のＭＲＩ装置において、ＲＦコイルは、周波数の異なる第１及び第２の同調モードを備え、第１及び第２の同調モードのいずれか一方は、水素の原子核の共鳴周波数に同調し、他方は水素以外の原子核の共鳴周波数に同調するように、コンデンサが調整されているものである。

本発明によれば１つのコイルで、均一な感度領域を持ち且つ２つの周波数に同調させるコイル装置が提供される。２つの同調周波数のうち、１つはマルチプルパッチレゾネーター型の同調モードを持ち、もう１つは鳥かご型のモードを持つように構成できる。またマルチプルパッチレゾネーター型の同調モードの特性から、高磁場のＭＲＩ装置にも応用が開かれている。

また本発明のコイル装置は、隣接して配置される第１コイル間は電磁波透過性であり、外部からのＲＦ電磁場の侵入を許す形式になっている。従って、本発明のコイル装置を、その外側に配置される他の送信コイルと併用して用いることが可能となる。例えば、ＭＲＩ装置への適用において、ＲＦ送信は外部に存在する他の大きなコイルで行って、本発明のコイル装置を受信専用コイルとして使用することもできる。

さらに本発明によれば、ＭＲＩ装置のＲＦコイルとして、上述した本発明のコイル装置を用いる、比較的簡単な構成で、２つの周波数で均一な感度をもつＭＲＩ装置を構成できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
まず本発明のＭＲＩ装置の第１の実施の形態について説明する。図１は、本発明が適用されるＭＲＩ装置の概要を示す図である。

このＭＲＩ装置は、被検体に対し静磁場を印加するマグネット１０１と、静磁場に所定の方向の磁場勾配を与える傾斜磁場コイル１０２と、マグネット１０１内に挿入され、被検体に対してラジオ波などの電磁波を送信するとともに電磁波を受信するＲＦコイル１０３と、ＲＦコイル１０３に接続され、ＲＦコイルから照射される電磁波を作成し送信するとともに、ＲＦコイルからの核磁気共鳴信号を検出し、信号の処理を行う送受信機１０４と、傾斜磁場コイル１０２に電流を供給する傾斜磁場電源１０９と、送受信機１０４および傾斜磁場電源１０９の駆動を制御するとともに、種々の情報処理およびオペレーターによる操作を行うデータ処理部１０５と、データ処理部１０５の処理結果を表示するためのディプレイ１０８とから構成されている。

傾斜磁場電源１０９と傾斜磁場コイル１０２とは傾斜磁場制御ケーブル１０７で結ばれている。また、ＲＦコイル１０３と送受信機１０４は、コイルを制御するケーブルおよび送受信ケーブル１０６で結ばれている。

ＭＲＩ装置は、マグネット１０１が発生する静磁場の方向によって、水平磁場方式と垂直磁場方式とがある。水平磁場方式の場合には、一般的には、マグネット１０１は円筒状のボアを有し、図１中左右方向の静磁場を発生する。また垂直磁場方式の場合には、一対の磁石が被検体を挟んで上下に配置され、図１中上下方向の静磁場を発生する。本発明はいずれにも適用することが可能である。

このような構成のＭＲＩ装置において、静磁場中に配置された被検体（図示せず）に対し、ＲＦコイル１０３および傾斜磁場コイル１０２により、数ミリ秒間隔程度の断続した電磁波、傾斜磁場を照射し、その電磁波に共鳴して被検体から発せられる信号を受信し、信号処理を行い、磁気共鳴像を取得する。図では、電磁波の照射と受信を行なうＲＦコイルとして、単一のＲＦコイル１０３が示されているが、例えば広範囲撮像用のＲＦコイルと局所用のＲＦコイルなど、複数のＲＦコイルを用いる場合もある。

本発明のＭＲＩ装置は、このようなＲＦコイルのいずれかに、後述する２周波の同調周波数を持つコイル装置を用いたものである。同調周波数の一つは、例えば、水素の原子核スピンの共鳴周波数であり、他の一つは、水素以外の原子核例えば炭素、ナトリウム、りんなどの原子核スピンの共鳴周波数である。これら共鳴周波数は、静磁場強度に依存するが、例えば３テスラの磁場強度を持つＭＲＩ装置の場合、水素のＭＲＩ信号の周波数はおよそ１２８ＭＨｚ、炭素のＭＲＩ信号の周波数は３２．２ＭＨz、ナトリウムの信号は３３．９ＭＨｚ、りんの信号は５１．８ＭＨｚである。

本発明のＭＲＩ装置では、ＲＦコイル１０３として、２つの原子核種に合わせた２周波の同調周波数を持つコイル装置を用いることにより、同一の検査工程において２つの原子核からの信号を取得することができる。これにより、例えば水素からの信号で作成した形態画像に、りんや炭素の信号から作成した代謝情報を重畳して表示することができる。この際、形態画像を取得したときと、代謝情報を取得したときに、時間的なずれがないので、正確な検査に資する画像が提供される。

次に本発明のコイル装置について説明する。図２に本発明のコイル装置の一実施の形態の全体図を示す。このコイル装置は、例えば垂直磁場ＭＲＩの頭部用コイルに好適なＲＦコイルである。

本実施の形態のＲＦコイルは、複数（図示する例では１６個）の第１コイル２００と、これら第１コイル２００をつなぐ２つのリング状部材２０５、２０６からなる第２コイルとから構成されている。第１コイル２００は、２つの導体部材２０１、２０２からなる第１導体部と、２つの導体部材２０３、２０４からなる第２導体部で構成され、第２導体部を内側、第１導体部を外側にして円筒を構成するような形で配置されている。頭部用コイルとして用いる場合、この円筒内部に人体の頭部が挿入され、ＭＲＩ撮像が行なわれる。コイルの大きさは、限定されるものではないが、頭部コイルの場合、一例として全体の外径が３４０ミリメートル、内径が２７０ミリメートル、軸方向の長さが２２０ミリメートル程度である。

第１コイル２００の導体部および第２コイル２０５、２０６の導体部は薄い導電性の金属シート、または導電性金属の棒やパイプなどから構成することができる。またＲＦコイルがＭＲＩ装置用コイルの場合には、コイルを構成する部品はすべて非磁性の材料からなる。これによって、部品の影響で画像のノイズや歪みが発生するのを防止できる。第１コイルおよび第２コイルの導体部は、デルリンやアクリルなどの非磁性のエンジニアリングプラスチックからなる支持体に支持されている。

第１導体部を構成する２つの導体部材２０１と２０２は、第１コンデンサ２０７を介して接続されている。第２導体部を構成する２つの導体部材２０３と２０４は、第２コンデンサ２０８を介して接続されている。第１導体部の部材２０１の端部は、第２導体部の部材２０３および第２コイルの一方のリング状部材２０５と接続されている。同様に、第１導体部の部材２０２の端部は、第２導体部の部材２０４と第２コイルの他方のリング状部材２０６と接続されている。

第１導体部（導体部材２０１，２０２）、第２導体部（導体部材２０３，２０４）、コンデンサ２０７、２０８は１つのループを構成し、第１コイル２００を構成している。一方、リング状部材２０５および２０６は、円筒形状に配置された複数の第１コイル２００を上下部分でつなぐ役割を果たしている。このような構造を有することにより、本実施の形態のコイルは、従来の鳥かご型の同調モードと、マルチプルパッチレゾネーター型の共振モードが１つのコイルで共存するという特徴を持つ。

鳥かご型の同調がおきる場合、第１コイルの第１導体部（２０１，２０２）と第２導体部（２０３，２０４）は並列に並んだ導体部とみなすことができる。つまり、第１コイルには環状の電流は流れずに、図２において第１コイルの第１導体と第２導体に上下方向に同じ向きの電流が流れる。これにより、第２コイルのリング状部材２０５、２０６と合わせて鳥かご型のコイルと同等とみなすことができる。その際、コンデンサ２０７の値をＣ１、２０８の値をＣ２とすると、Ｃ１＋Ｃ２が鳥かご型コイルとしてみた場合のコンデンサの合成容量となり、ローパス型の鳥かご型コイルとみなすことができる。

一方、マルチプルパッチレゾネーター型の同調がおきる場合、第２コイル（リング状部材）にはあまり電流は流れず、第１コイルが作るループに環状の電流が流れる。これは鳥かご型モードと対照的な電流の流れ方である。第１コイルの環状ループを考えると、そこに挿入されているコンデンサは、コンデンサ２０７とコンデンサ２０８との直列配置と考えることができる。その際に同調周波数に関係するコンデンサの合成容量はＣ１×Ｃ２／（Ｃ１＋Ｃ２）となる。

一般にインダクタ／コンデンサ共振回路において共振周波数は１／√（ＬＣ）に比例する。ここでインダクタンスの値Ｌは、コイルの大きさや形から決まるので、検査対象である原子核種の共鳴周波数に応じて、上述した２つの同調モードにおける合成容量Ｃが適切な値となるように各コンデンサの値Ｃ１、Ｃ２を調整することにより、２つの同調モードで動作させることができる。すなわち、ＭＲＩ信号の同調周波数は検査対象である原子核種と静磁場の大きさによって正確に決まり、一方、コイルの共振周波数を決定するインダクタンスの値Ｌは、コイルの大きさや形から決まるので、検査対象である原子核種によって各同調モードに必要な合成容量が自動的に決まる。

本実施の形態のコイル装置では、コンデンサの値にもよるが、通常鳥かご型の同調モードは低周波数側に出てきて、マルチプルパッチレゾネーター型同調モードは高周波側に出てくる。そこで、同調モードが低周波側である鳥かご型同調モードのコンデンサの合成容量を
Ｃ１＋Ｃ２＝Ａ
マルチプルパッチレゾネーター型の同調モードのコンデンサの合成容量を
Ｃ１×Ｃ２／（Ｃ１＋Ｃ２）＝Ｂ
とし、対象とする原子核の共鳴周波数及びインダクタンスの値Ｌによって決まる合成容量Ａ、Ｂの値を用いて、上記連立方程式を満たすＣ１とＣ２を決定する。

ただし、Ａ＞４Ｂという条件を満たさないとＣ１、Ｃ２の解が存在しないことになる。Ａ＞４Ｂという条件を満たさない場合には、図３（ａ）に示すように、リング状部材２０５、２０６の、隣接する第１コイル間に直列にコンデンサ３０１を配置する。これにより、マルチプルパッチレゾネーター型の同調周波数はほとんど変えることなく、鳥かご型同調モードのコンデンサの合成容量を大きくして同調周波数を高くすることができるので、２つの同調モードが実現可能となる。このように第３のコンデンサを配置することにより、コイル設計の自由度が大きく増す。

なお、コンデンサの配置として、図２および図３（ａ）に示す実施の形態では、第１コイル２００の第１導体部（２０１，２０２）と第２導体部（２０３，２０４）にそれぞれ挿入される場合およびそれにさらに隣接する第１コイルをつなぐリング状部材２０５、２０６に挿入される場合を示したが、第２コイルを構成するリング状部材２０５、２０６にコンデンサ３０１を配置した場合には、図３（ｂ）に示すように、第１導体部（２０１，２０２）に挿入されたコンデンサ２０７を省略することも可能である。この場合には、コイルの構成が簡単になるという利点がある。

次に本実施の形態のコイルに、給電および受電する回路を付加した場合の構成を説明する。図２および図３に示したコイル装置は単独で特定の２つの周波数に同調し、均一な感度を持つが、コイルを用いて送信、受信を行うためにはコイルの給電点及び受電点を構成する必要がある。図４に、給電および受電する回路の一例を示す。なお、給電及び受電は同一の回路構成で構成されることが多いので、ここでは給電についてのみ例示する。

一般に、給電には、直線偏波給電と呼ばれる方法と円偏波給電と呼ばれる方法があり、いずれを採用してもよい。直線偏波給電と呼ばれる方法では給電点は１箇所であり、たとえば複数の第１コイル２００のうち１つの第１コイルの第１導体部に挿入されたコンデンサ４０１の第１コンデンサと並列に交流電波を給電する。この方法ではコイル内部に生じる電磁場の偏波は直線偏波となる。円偏波給電では、図４に示すように、コンデンサ４０１と並列に設けられた第１の給電点に加えて、円筒軸方向から見てコンデンサ４０１から９０度ずれた位置にあるコンデンサ４０２にも給電する。コンデンサ４０２と並列な給電点からは、第１の給電点の波長と１／４波長ずらした交流電波を給電する。その際にコイル内部に生じる偏波は円偏波となる。円偏波給電を採用した場合、ＭＲＩ装置では感度と効率が直線偏波よりも向上する。

給電方法の他の実施形態を図５に示す。図５に示す給電方法では、コイル装置に含まれるループ面に並行にループコイルを設置し、このループコイルに交流電波を給電する。例えば、２本の第１コイルの第１導体部と、それらをつなぐ第２コイルとが作る円筒曲面に近接して平行に設置したループコイルおよび交流電波源５０１で給電を行なう。この方法は、本実施の形態のコイルが持つ鳥かご型の同調モードのみを給電するのに適している。

或いは、第１導体部と第２導体部で構成される第１コイルに近接して平行に設置したループコイル及び交流電波源５０２で給電を行なう。この方法は本実施の形態のコイルが持つマルチプルパッチレゾネーター型の同調モードのみを給電するのに適している。

本実施の形態のコイル装置は、２つの同調モードを持つものであるが、上述した２つの給電手段５０１、５０２のいずれか一方を備えていてもよく、その場合には、一方の同調モードのみで動作するコイル装置とすることも可能である。また２つの給電手段５０１、５０２を備えた構成とし、２つの異なる同調周波数を別々に効率的に給電することも可能である。また図５では、各給電手段５０１、５０２を１箇所に設けた構成すなわち直線偏波給電の例を示したが、給電手段５０１、５０２と同様な給電手段を、それぞれもう１つずつ円筒状の９０度離れたところに設置し、１／４波長ずらした交流電波を給電することにより円偏波給電も可能である。

なお以上説明した給電方法やコンデンサの設置方法は、本実施の形態のコイル装置が適用される用途、例えばＭＲＩ装置を構成する方法によって最適構成形態が異なり、適宜選択して採用される。また上記構成を基本として多くの派生的な組み合わせを取ることも可能である。

以上、説明したように、本実施の形態のコイル装置は、比較的簡単な回路構成で一つのコイルで２つの異なる周波数で同調することができる。また鳥かご型の同調モードとマルチプルパッチレゾネーター型の同調モードを有しているので、感度の均一性が良好であり、送信効率が高い。また送信コイルとして使用した場合に、占めるスペースや電力消費が大きいパワーアンプの台数を減らすことができる。

また本実施の形態のコイル装置は、周波数調整の自由度が大きく、コイルの占める空間スペースも少なく済み、ＭＲＩ装置のＲＦコイルとして特に好適である。例えば、ＭＲＩ装置において、りん、炭素、ナトリウムなどの水素以外の核種からの信号と水素からの信号の両方を同時に撮影することを可能にし、感度の均一度のよい良好な画像を提供できる。

なお本実施の形態のコイル装置のように円筒形状のコイル装置は、第１コイルに構成される環状ループ或いは第２コイルと隣り合う第１コイルで構成されるループを横切る電磁波成分に対し感度を有するので、円筒の軸がＭＲＩ装置の静磁場方向とほぼ平行となるように設置されることが好ましい。従って本実施の形態のコイル装置、通常被検体の体軸方向が静磁場方向（水平）と同じである水平磁場方式のＭＲＩ装置に好適である。

以上、本発明のコイル装置の実施の形態を説明したが、本発明のコイル装置の形状やコイル装置を構成する素子等については、種々の変更が可能である。たとえば、図２では円筒状のＲＦコイルを示したが、ＭＲＩ装置の方式や検査対象の形状に合わせて変形させてもよい。

図６に、コイル形状を異ならせた、本発明のコイル装置の他の実施形態を示す。図では、コンデンサは省略して導体のみを示している。コンデンサおよび給電方法は、図２〜図５に示す実施の形態で説明した種々の構成やその変更例を適宜採用することができる。

図６（ａ）に示すコイル６０１は、円筒形のコイル形状を円錐台に近い形に変形させたものである。このコイル６０１でも、コンデンサの値などをわずかに調整するだけで図２のコイルと同様の感度の分布と同調周波数を得ることができる。

また図６（ｂ）に示すコイル６０２は、円錐台状に変形したコイル２つを組み合わせたものである。このコイル６０２は、２つコイルの中心部に均一な感度を持つ。従って、ＭＲＩ装置のＲＦコイルとして採用する場合には、上下或いは左右から被検体を挟むように配置することにより、被検体の中心部について感度の良い情報を得ることが可能である。このコイル６０２は、円筒形あるいは図６（ａ）に示す円錐台状のコイル６０１と同様に水平磁場方式のＭＲＩ装置にも適用できるが、垂直磁場方式のＭＲＩ装置に適用することも可能である。

図６（ｃ）に示すコイル６０３は、図６（ｂ）に示すコイル６０２をさらに変形させて完全に平面状にしたものであり、図６（ｂ）に示すコイル６０２と同様に２つ対向して設置することも可能である。このコイル６０３は、平面状のコイル面とほぼ平行な方向の電磁波に対し良好な感度を有しており、垂直磁場方式のＭＲＩ装置に好適である。特にオープン型と呼ばれる静磁場マグネットを備えたＭＲＩ装置に好適である。

次に本発明のＭＲＩ装置の第２の実施の形態を説明する。図１に示すＭＲＩ装置では、本発明のコイル装置を送受信兼用のＲＦコイルとして用いていたが、本実施の形態のＭＲＩ装置は、受信専用コイルおよび送信専用コイルを備え、本発明のコイル装置を受信専用コイル及び／または送信専用コイルとして用いることもできる。

図７に本発明のコイル装置をＭＲＩ装置の送信専用コイル７０１、または受信専用コイル７０２として用いる際の構成を示す。図７において静磁場を発生するマグネット、傾斜磁場を発生させるマグネット、傾斜磁場電源、およびディスプレイは図１と同様に設置されるので図７では省略されている。

ＲＦコイル７０１および７０２はともに静磁場中に設置されている。ＲＦコイル７０１は送信用コイルであり、送信機７０４と接続されている。ＲＦコイル７０２は受信用コイルであり、受信機７０３と接続されている。受信機７０３と送信機７０４はデータ処理部、操作部７０５と接続されている。

図７のＭＲＩ装置において、例えば、受信専用コイル７０２は、図２〜図５に示すような本発明のコイル装置で構成されている。ＲＦコイル７０１は、例えば公知の鳥かご型コイルやマルチプルパッチレゾネータ型コイルで構成することができる。本発明のコイル装置は、上述したように２つのリング状部材からなる第２コイルで連結された複数の第１コイルが互いに離れて配置されており、外部からの電磁波の侵入を許す形式になっている。従って、ＲＦコイル７０１による送信を阻害することなく、受信専用コイル７０２を装着した被検体内部にＲＦコイル７０１からの電磁波を照射することができる。この場合、ＲＦコイル７０１から照射される電磁波の周波数に対応する周波数の同調モードで核磁気共鳴信号を受信することができる。

本発明のＲＦコイルを送信専用コイル７０１として使用してもよい。この場合には、受信専用コイル７０２として異なる周波数の同調モードを持つ２種類のコイルを用意することにより、異なる核種の検査が可能となる。さらに本発明のコイル装置は、周波数調整の自由度が大きいため、第１コイルの第１導体部および第２導体部に挿入されるコンデンサや第２コイルのリング状導体部に挿入されるコンデンサの容量を調整することにより、異なるサイズ、形状のコイルを構成することができるので、本発明のコイル装置を、同一ＭＲＩ装置の送信専用コイル７０１及び受信専用コイル７０２として用いることも可能である。これにより装置を複雑化したり、コイルの交換などの作業を行なうことなく、２種の核種の検査を容易に行なうことが可能となる。

＜実施例１＞
図２に示すような１６個の第１コイルと第２コイルから成る形状のＲＦコイルを、３テスラの静磁場強度のＭＲＩ装置に設置し、水素及び炭素の信号を取得する場合の実施例を説明する。

本実施例におけるコイル設計は、軸方向の長さを２２０ミリメートル、外径を約３３４ミリメートル、内径を約２７６ミリメートルとした。また第１コイルの第１導体部に挟まれた第１コンデンサ２０７の値Ｃ１は１７ｐＦ、第２導体部に挟まれたコンデンサ２０８の値Ｃ２は１２ｐＦとした。導体は半径４ミリの銅の棒を仮定しており、導電率は銅の導電率を使用した。

このＲＦコイルの共振特性をシミュレーションにより求めた結果を図８に示す。図８において、横軸は周波数、縦軸は共振インピーダンスである。インピーダンスは、一つの第１コイルの第１導体部に配置されたコンデンサ１点のみで直線偏波給電を行なった場合をシミュレーションして求めた。

図８に示すように、本実施例のＲＦコイルには複数のピークが現れている。このうち、周波数３０−１１０ＭＨｚの範囲に現れている８本のピークは、ローパス型の鳥かご型コイルに特徴的な共振ピークであり、約３２ＭＨｚ付近のピーク８０１がコイル内部領域の広い範囲にわたって感度の均一度がよい同調ピークである。３２ＭＨｚは３テスラの静磁場強度のＭＲＩ装置においてナトリウム、または炭素の同調周波数に相当する。

更に高周波側の１２５−１４３ＭＨｚ付近にも見られる９本のピークは、マルチプルパッチレゾネーター型のコイルの共振ピークである。一般にマルチプルパッチレゾネーター型のコイルに特徴的な共振ピークの数は［第１コイルの数／２＋１］となる性質があるので、１６個の第１コイルから成るＲＦコイルではピークは９つとなる。これらのピークのうち、矢印で示した、低周波側から２番目の１２９ＭＨｚにあるピーク８０２が、コイル内部領域の広い範囲にわたって均一感度を持つ同調ピークである。１２９ＭＨｚは３テスラのＭＲＩ装置において水素の同調周波数に相当する。

図８において特徴的に示されたように、本発明のコイルの形態ではインピーダンス特性グラフの低周波側に鳥かご型共振モードが現れ、高周波側にマルチプルパッチレゾネーター型の共振モードが現れることがわかった。

次に、鳥かご型、マルチプルパッチレゾネーター型それぞれの同調周波数で、コイル内部の感度を調べた。円筒型のコイルの中心軸と垂直にコイルの中心で切った断面での感度をシミュレーションで求めた。その際、図４に示す２箇所の２つのコンデンサに円偏波給電を行った。結果を図９に示す。

図９中、９０１は３２ＭＨｚの鳥かご型同調点での感度マップ、９０２は１２９ＭＨｚのマルチプルパッチレゾネーターでの感度マップを示している。感度マップの等高線の単位はＡ／（ｍ√Ｗ）である。また各感度マップの横のグラフは、一断面の感度分布を示している。
図示するように、鳥かご型モードの感度マップ９０１では中心部分が６−７の値で均一な感度が得られている。円偏波給電で特徴的な鳥かご型のコイルの感度分布になっている。

マルチプルパッチレゾネーター型の感度マップ９０２は、中心付近は０．７程度の値の均一な感度が得られている。この場合、ＲＦコイルを形成する第１コイルの第１導体部と第２導体部が挟むドーナツ状の空間、実際には厚みのある円筒状の空間にも３程度の比較的強い感度が得られている。このドーナツ状の感度形状はマルチプルパッチレゾネーター型の共振に特徴的な形状である。

以上の結果から本発明のＲＦコイルが３２ＭＨｚと１２８ＭＨｚの２つの周波数で、それぞれ鳥かご型、マルチプルパッチレゾネーター型の均一な感度を発生できることが明らかになった。マルチプルパッチレゾネーター型は鳥かご型に比べて、高磁場のＭＲＩ装置においてコイル制作上の自由度が大きく、感度も良いことが知られており、本発明で高周波側の同調がマルチプルパッチレゾネーター型であることは、高磁場のＭＲＩ装置用のコイル製作において有用であることを示している。

なお、本実施例に示したコンデンサの値Ｃ１、Ｃ２は、１２ｐＦと１７ｐＦであるが、この値を変化させることにより、２つの同調周波数を多様に変化させることが可能である。また先に述べたように、図３に示したように第２コイルのリング部分に比較的容量の大きなコンデンサ３０１を設置することで、マルチプルパッチレゾネーター型の同調周波数はほとんど変えることなく、鳥かご型の同調周波数を高周波側に変化させることも可能である。

＜実施例２＞
本実施例では、実施例１と同様に３テスラのＭＲＩ装置で、水素とりんの周波数に同調する２周波同調コイルの具体的な構成を説明する。

本実施例のＲＦコイルは、実施例１と同様に、図２に示す形状のＲＦコイルであるが、第２コイルのリング状部材にコンデンサ３０１を挿入し、その値を２５０ｐＦに設定した点が異なる。既に述べたように、第２コイルのリング状部材にコンデンサを挿入することにより、鳥かご型の同調周波数を高くすることができる。本実施例のＲＦコイルの共振特性をシミュレーションした結果、実施例１のＲＦコイルのリング状部材に２５０ｐＦのコンデンサ３０１を追加したことにより、マルチプルパッチレゾネーター型の同調周波数は１２９ＭＨｚのままで、鳥かご型の同調周波数を３２ＭＨｚから５２ＭＨｚにずらすことができることがわかった。５２ＭＨｚは３テスラのＭＲＩ装置における、りんの同調周波数にほぼ等しく、本発明のコイル形態を用いて、水素とりんの周波数にあわせた２周波同調コイルも構成できるが示された。同様にして水素と他の核種、もしくは二つの他核種を対象にした２周波同調コイルも構成できる。

＜実施例３＞
実施例２のコンデンサ２０７を省略し、代わりにコンデンサ２０７を介して接続されていた第１導体部の２つの導体部材を導体で接続した1つの導体にしたＲＦコイルについて、共振特性を調べた。それ以外の構成は、実施例２と同じにした。給電は複数あるコンデンサ２０８もしくは３０１の１つに並列に行った。

本実施例のＲＦコイルをシミュレーションした結果、鳥かご型の共振モードは実施例１、２のＲＦコイルと同様にマルチプルパッチレゾネーターの共振モードよりも低周波側に出てくるが、実施例１のローパス型の鳥かごモードとは異なり、ハイパス型の鳥かごモードがたつことがわかった。

第２導体部（ラングの内側）に挿入されたコンデンサ２０８の値Ｃ２を５．８ｐＦ、第２コイル(リング部分)のコンデンサ３０１の値を１１９．７ｐＦとした場合、水素とりんの周波数に合わせた２周波同調コイルを構成できることがわかった。本実施例のＲＦコイルは、コンデンサ２０７を省略できるのでより構成が簡素化できる利点がある。

本発明のコイル装置は、単一のコイルで２つの同調モードを持ち、周波数の異なる２種の信号を受信或いは送信することができる。このコイル装置は、ＭＲＩ装置の一部品として使用可能のほか、数ＭＨｚから数ＧＨｚの周波数を持つ電磁波を使用するあらゆる機器に応用可能である。

本発明が適用されるＭＲＩ装置の一実施の形態を示す図 本発明のコイル装置の一実施の形態を示す図 （ａ）及び（ｂ）は、それぞれ図２のＲＦコイルのコンデンサ配置の例を示す図 本発明のコイル装置の給電／受電手段の一実施の形態を示す図 本発明のコイル装置の給電／受電手段の他の実施の形態を示す図 本発明のコイル装置の形状の変更例を示す図 本発明適用されるＭＲＩ装置の他の実施の形態を示す図 実施例のシミュレーションモデルから得られたコイルの共振インピーダンス結果を示す図 鳥かご型、マルチプルパッチレゾネーター型それぞれの同調点でのコイル内部の感度マップを示す図

符号の説明

１０１…静磁場マグネット、１０２…傾斜磁場コイル、１０３…ＲＦコイル、１０４…送受信機、１０５…データ処理部／操作部、１０８…ディスプレイ、１０９…傾斜磁場電源、２００…第１コイル、２０１、２０２…第１コイルの第１導体部、２０３、２０４…第１コイルの第２導体部、２０５…第１リング状部材（第２コイル）、２０６…第２リング状部材（第２コイル）、２０７…第１コンデンサ、２０８…第２コンデンサ、３０１…第３コンデンサ、４０１、４０２…給電および受電回路と並列に接続するコンデンサ、５０１、５０２…給電／受電ループ回路、６０１〜６０３…ＲＦコイル、７０１…送信用コイル、７０２…受信用コイル、７０３…受信機、７０４…送信機、７０５…データ処理部／操作部

Claims (20)

1. 信号の送信及び／または受信に用いるコイル装置であって、
   第１導体部と第２導体部とを各々具備し、互いに非接触に配置された複数の第１コイルと、
   前記複数の第１コイルの各々と電気的に接続する第２コイルと、
   前記コイル装置に信号を送信する送信手段及び／または前記コイル装置からの信号を受信する受信手段とを備え、
   前記第１導体部は、第１導体部材と、前記第１導体部材と非接触に配置される第２導体部材と、前記第１導体部材および第２導体部材を電気的に接続する第１コンデンサとを有し、
   前記第２導体部は、第３導体部材と、前記第３導体部材と非接触に配置される第４導体部材と、前記第３導体部材および第４導体部材を電気的に接続する第２コンデンサとを有し、
   前記送信手段及び／または受信手段は前記複数の第１コイルの少なくとも一つの前記第１コンデンサに並列に接続されていることを特徴とするコイル装置。
2. 請求項１記載のコイル装置であって、
   前記第２コイルは、前記複数の第１コイルとの各接続点の間に第３コンデンサを有することを特徴とするコイル装置。
3. 信号の送信及び／または受信に用いるコイル装置であって、
   第１導体部と第２導体部とを各々具備し、互いに非接触に配置された複数の第１コイルと、
   前記複数の第１コイルの各々と電気的に接続する第２コイルと、
   前記コイル装置に信号を送信する送信手段及び／または前記コイル装置からの信号を受信する受信手段とを備え、
   前記第１導体部は、単一の導体部材からなり、
   前記第２導体部は、第３導体部材と、前記第３導体部材と非接触に配置される第４導体部材と、前記第３導体部材および第４導体部材を電気的に接続する第２コンデンサとを有し、
   前記第２コイルは、複数の第１コイルとの各接続点の間に第３コンデンサを有し、
   前記送信手段及び／または受信手段は前記３または２のコンデンサに並列に接続されていることを特徴とするコイル装置。
4. 請求項１ないし３いずれか１項に記載のコイル装置であって、
   前記第１ないし第３コンデンサは、前記コイル装置が２つの異なる同調モードを持つように調整されていることを特徴とするコイル装置。
5. 請求項１ないし４いずれか１項に記載のコイル装置であって、
   前記第１コイルは、ストリップライン型コイルであるコイル装置。
6. 対向して配置され且つ電気的に接続された第１導体部と第２導体部とを有し、互いに離間して配置された複数の第１コイルと、
   前記複数の第１コイルの第１導体部の各一端部に接続された第１リング状導体と第１導体部の各他端部に接続された第２リング状導体とを有する第２コイルと、
   給電又は受電を行なうための給電／受電手段を備え、
   隣接する２本の第１導体部と前記第１リング状導体および第２リング状導体とで構成される第１ループおよび前記第１導体部と当該第１導体部に電気的に接続された第２導体部とで構成される第２ループは、それぞれループ内に少なくとも１つのコンデンサが直列に接続されていることを特徴とするコイル装置。
7. 請求項６記載のコイル装置であって
   略円筒状の形状を有し、前記第１リング状導体および第２リング状導体は、円筒の両端に配置され、前記第１導体部は、円筒の側面に互いに離間して配置されていることを特徴とするコイル装置。
8. 請求項７記載のコイル装置であって
   前記第２導体部は、円筒の内側に配置されていることを特徴とするコイル装置。
9. 請求項６記載のコイル装置であって
   中空の円錐台の形状を有し、前記第１リング状導体および第２リング状導体は、円錐台の両端に配置され、第１導体部は、円錐台の側面に互いに離間して配置されていることを特徴とするコイル装置。
10. 請求項６記載のコイル装置であって
    前記第１のリング状導体および第２のリング状導体は、異なる直径を有し、略同一平面内であって同心円上に配置され、前記第１の導体部は、前記同心円の半径方向に沿って配置されていることを特徴とするコイル装置。
11. 請求項６ないし１０いずれか１項に記載のコイル装置であって
    前記第１ループに挿入されるコンデンサは、前記第１導体部に挿入されており、
    前記給電／受電手段は、前記第１の導体部に挿入されたコンデンサの少なくとも１つに並列に設けられていることを特徴とするコイル装置。
12. 請求項６ないし１０いずれか１項に記載のコイル装置であって
    前記第１のループに挿入されるコンデンサは、隣接する２つの第１導体部をつなぐ第１及び／又は第２のリング状導体に挿入されており、
    前記給電／受電手段は、前記第１及び／又は第２のリング状導体に挿入されコンデンサの少なくとも一つに並列に設けられていることを特徴とするコイル装置。
13. 請求項６ないし１０いずれか１項に記載のコイル装置であって、
    前記給電／受電手段は、前記第１ループのループ面に並行に配置される少なくとも一つのループコイルを備えたことを特徴とするコイル装置。
14. 請求項６ないし１０いずれか１項に記載のコイル装置であって、
    前記給電／受電手段は、前記第２ループのループ面に並行に配置される少なくとも一つのループコイルを備えたことを特徴とするコイル装置。
15. 請求項６ないし１０いずれか１項に記載のコイル装置であって、
    前記給電／受電手段は、前記第１ループのループ面に並行に配置される少なくとも一つの第１ループコイルと、前記第２ループのループ面に並行に配置される少なくとも一つの第２ループコイルを備え、前記第１ループコイルと第２ループコイルは、異なる同調周波数を給電又は受電することを特徴とするコイル装置。
16. 請求項１ないし１５いずれか１項記載のコイル装置であって、
    前記給電／受電手段は、円偏波給電／受電可能な２箇所に設けられていることを特徴とするコイル装置。
17. 静磁場を発生する静磁場発生手段と、前記静磁場発生手段が発生する静磁場空間に配置され、前記静磁場方向と直交する方向に高周波磁場を発生し或いは前記静磁場方向と直交する方向の高周波磁場を検出するＲＦコイルと、前記静磁場空間に置かれた被検体から発生し、前記ＲＦコイルが検出した核磁気共鳴信号を用いて前記被検体の内部情報を画像化する手段とを備えた磁気共鳴検査装置において、
    前記ＲＦコイルとして請求項１ないし１６のいずれか１項記載のコイル装置を備えたことを特徴とする磁気共鳴検査装置。
18. 垂直方向に静磁場を発生する静磁場発生手段と、前記静磁場発生手段が発生する静磁場空間に配置され、高周波磁場を発生し或いは高周波磁場を検出するＲＦコイルと、前記静磁場空間に置かれた被検体から発生し、前記ＲＦコイルが検出した核磁気共鳴信号を用いて前記被検体の内部情報を画像化する手段とを備えた磁気共鳴検査装置において、
    前記ＲＦコイルとして、請求項９又は１０に記載のコイル装置を用いたことを特徴とする磁気共鳴検査装置。
19. 請求項１８記載の磁気共鳴検査装置において、
    前記ＲＦコイルは、前記被検体を挟んで上下に一対配置されることを特徴とする磁気共鳴検査装置。
20. 請求項１７ないし１９いずれか１項記載の磁気共鳴検査装置において、
    前記ＲＦコイルは、周波数の異なる第１及び第２の同調モードを備え、
    前記第１及び第２の同調モードのいずれか一方は、水素の原子核の共鳴周波数に同調し、他方は水素以外の原子核の共鳴周波数に同調するように、前記コンデンサが調整されていることを特徴とする磁気共鳴検査装置。

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