JPH04361738A - 核磁気共鳴を用いた検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、生体中の水素や燐等か
らの核磁気共鳴（以下、「ＮＭＲ」という）信号を測定
し、核の密度分布や緩和時間分布等を映像化する、ＮＭ
Ｒ現象を用いた検査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、人体の頭部，腹部などの内部構造
を、非破壊的に検査する装置として、Ｘ線ＣＴや超音波
撮像装置が広く利用されてきている。近年、ＮＭＲ現象
を用いて同様の検査を行う試みが成功し、Ｘ線ＣＴや超
音波撮像装置では得られなかった多種類の情報を取得で
きるようになってきた。

【０００３】まず、ＮＭＲ現象の基本原理について以下
に簡単に説明する。原子核は陽子と中性子から構成され
、全体で角運動量Ｉで回転する核スピンとみなされる。

【０００４】今、水素の原子核を取り上げて考えること
にする。水素原子核は１個の陽子からなりスピン量子数
１／２で表される回転をしている。陽子は正の電荷があ
るため原子核が回転するにともなって磁気モーメントμ
が生じ、原子核一つ一つを非常に小さな磁石と考える事
ができる。（例えば鉄のような強磁性体では上述した磁
石の方向が揃っているために全体として磁化が生じる。 一方、水素などでは上述した磁石の方向がバラバラで全
体としては磁化は生じない。しかし、この場合でも静磁
場Ｈを印加するとそれぞれの原子核は静磁場の方向に揃
うようになる。）水素原子核の場合にはスピン量子数は
１／２であるので−１／２と＋１／２の二つのエネルギ
ー準位に分かれる。このエネルギー準位間の差ΔＥは一
般的に次式で示される。

【０００５】

【数１】ΔＥ＝γｈＨ／２π ここで、γ：磁気回転比，ｈ：プランク定数，Ｈ：静磁
場強度である。

【０００６】ところで、一般に原子核には静磁場Ｈによ
ってμ×Ｈの力が加わるために原子核は静磁場の軸の回
りを次式で示す角速度ω（ラーモア角速度）で歳差運動
する。

【０００７】

【数２】ω＝γＨ このような状態の系に周波数ωの電磁波（ラジオ波）を
印加すると核磁気共鳴現象が起こり、一般に原子核は数
１で表されるエネルギー差ΔＥに相当するエネルギーを
吸収し、エネルギー準位が高い方に遷移する。この時種
々の原子核が多数存在していてもすべての原子核が核磁
気共鳴現象を起こすわけではない。これは原子核毎に磁
気回転比γが異なるために、数２で示される共鳴周波数
が原子核毎に異なり印加された周波数に対応するある特
定の原子核だけが共鳴するためである。

【０００８】次に、ラジオ波によって高い準位に遷移さ
せられた原子核はある時定数（緩和時間と呼ばれる）で
決まる時間の後に元の準位に戻る。この時にラジオ波に
よって高い準位に遷移させられた原子核から角周波数ω
の核磁気共鳴信号が放出される。

【０００９】ここで、上述した緩和時間は更にスピン−
格子緩和時間（縦緩和時間）Ｔ１　とスピン−スピン緩
和時間（横緩和時間）Ｔ２　に分けられる。一般に、固
体の場合にはスピン同士の相互作用が生じ易いためにス
ピン−スピン緩和時間Ｔ２　は短くなる。また、吸収し
たエネルギーはまずスピン系に、次に格子系に移ってい
くためスピン−格子緩和時間Ｔ１　はスピン−スピン緩
和時間Ｔ２　に比べて非常に大きい値となる。ところが
、液体の場合には分子が自由に運動しているためスピン
−スピンとスピン−格子のエネルギー交換の生じ易さは
同程度である。

【００１０】上述した現象は水素原子核以外にもリン原
子核，炭素原子核，ナトリウム原子核，フッ素原子核や
酸素原子核などについても同様である。

【００１１】上述した基本原理に基づくＮＭＲ現象を用
いた検査装置においては、検査物体からの信号を分離・
識別する必要があるが、その一つに、検査物体に傾斜磁
場を印加し、物体各部の置かれた磁場を異ならせ、次に
各部の共鳴周波数あるいはフェーズエンコード量を異な
らせることで位置の情報を得る方法がある。この方法の
基本原理については、特開昭５５−２０４９５　号，ジ
ャーナル・オブ・マグネティック・レゾナンス誌（Ｊ．
Ｍａｇｎ．Ｒｅｓｏｎ．）第１８巻，第６９〜８３頁（
１９７５年），フィジックス・オブ・メディスン・アン
ド・バイオロジー誌（Ｐｈｙｓ．Ｍｅｄ．＆Ｂｉｏｌ．
）第２５巻，第７５１〜７５６頁（１９８０年）等に報
告されているので詳細な説明は省略するが、以下にもっ
とも多く用いられているスピンエコーの手法について簡
単にその原理を説明する。

【００１２】図４の全体構成図に示すように被検者２０
は静磁場Ｈを発生するコイル１８と互いに直交する３方
向の傾斜磁場を発生するＸ，Ｙ，Ｚの傾斜磁場コイル１
６，１７，１５（図５参照）と高周波磁場を発生する高
周波磁場コイル８の中に設置されている。ここで、静磁
場の方向をＺ軸とする事が一般的であるから、ＸとＹ軸
は図４及び図５に示すようになる。ここで、被検者２０
の横断面（Ｘ−Ｙ面）を撮像するには図１０に示すスピ
ンエコーシーケンスに従って傾斜磁場と高周波磁場を駆
動する。以下図１０を用いて説明すると、期間Ａでは被
検者２０に傾斜磁場Ｇｚ　を印加した状態で振幅変調さ
れた高周波電力を高周波コイル８に印加する。横断面の
磁場強度は静磁場Ｈと位置ｚの傾斜磁場強度ｚＧｚ　の
和Ｈ＋ｚＧｚ　で示される。一方、振幅変調された周波
数ωの高周波電力は特定の周波数帯域ω±Δωを有して
いるので

【００１３】

【数３】ω±Δω＝γ（Ｈ＋ｚＧｚ） を満足するように周波数ωあるいは傾斜磁場強度Ｇｚ　
を選ぶ事で横断面の部分の水素原子核スピンを励起する
事になる。ここで、γは水素原子核の磁気回転比を示す
。 期間Ｂでは傾斜磁場Ｇｙ　をΔｔの間印加する事で先に
励起された核スピンはｙの位置により

【００１４】

【数４】Δω′＝γｙＧｙΔｔ で示される周波数変移をその共鳴信号に起こす。期間Ｄ
で傾斜磁場Ｇｘ　を印加した状態で共鳴信号を収集する
。 このとき、期間Ａで励起された核スピンは位置ｘによっ
て

【００１５】

【数５】Δω″＝γｘＧｘ で示される周波数差を有する事になる。期間Ｃは励起さ
れた核スピンのスピンエコーを得るために１８０度の高
周波磁界と傾斜磁場Ｇｚ　が印加されている。期間Ｅは
核スピンが平衡に戻るまでの待ち時間である。期間Ｂの
傾斜磁場Ｇｙ　の振幅値を２５６ステップ変化させて繰
り返し共鳴信号を収集すれば２５６×２５６のデータが
得られる。これらのデータを２次元フーリエ変換する事
で画像が得られる。

【００１６】上述したようなＮＭＲ現象を用いた検査装
置によるイメージングにおいては高周波磁場を発生ある
いは受信するコイルの効率を向上させることが、画質の
向上，撮像時間短縮につながる重要な課題となっている
。

【００１７】ところで、ＮＭＲ現象を用いた検査装置に
おけるＳＮ比は、静磁場強度Ｈの１〜１．５　乗に比例
して増加するため、静磁場強度を少しでも高くし、ＳＮ
比の向上を図る試みがなされつつある。これまで用いら
れてきた送受信コイル（以下、単に「コイル」という）
は鞍型コイルである。しかし、静磁場強度の増加にとも
なって原子核の共鳴周波数も増大するため、コイルの自
己共鳴周波数とＮＭＲ周波数とが接近あるいは逆転する
状況が生じ、受信時における感度低下、あるいは送信時
における高周波磁場の発生効率低下という問題が発生す
るようになった。これに対してＡｌｄｅｒｍａｎ　等に
より新しい形状のコイル（「アルダーマン型コイル」と
呼ばれる）が提案され、上記問題点が解決されるように
なった。このコイルについては、ジャーナル・オブ・マ
グネティック・レゾナンス誌（Ｊ．Ｍａｇｎ．Ｒｅｓｏ
ｎ．）第３６巻，第４４７〜４５１頁（１９７９年）に
詳細な記述がある。 図６，図７に示すようにアルダーマン型コイルはガード
リング電極１３１，１３２、アーム電極１１１，１１２
、アーム電極１１１に接続されたウイング電極１２１，
１２２，１２５，１２６、アーム電極１１２に接続され
たウイング電極１２３，１２４，１２７，１２８、ウイ
ング電極１２１，１２４間に設けられるキャパシタ１４
１、ウイング電極１２２，１２３間に設けられるキャパ
シタ１４２、ウイング電極１２５，１２８間に設けられ
るキャパシタ１４３、ウイング電極１２６，１２７間に
設けられるキャパシタ１４４から構成される。図８に示
す同調・整合回路はキャパシタ２０１，２０２で構成さ
れており、図７のＨ，Ｇ点に接続される。図９は図６，
図７におけるアーム電極１１１，１１２及びウイング電
極１２１〜１２８とキャパシタ１４１〜１４４から構成
される外側の部分を平面に展開した図である。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は静磁場
Ｈが水平で静磁場方向に被検体を挿入する水平磁場方式
において高磁場すなわち高周波における受信感度の低下
及び高周波磁場の発生効率の低下という問題に関しては
有効なコイル構成である。

【００１９】しかし、局所的な場所（被検者の手または
手首）を対象にして高感度で撮像する場合については配
慮されていない。

【００２０】本発明の目的は水平磁場方式において上記
従来技術が配慮していない局所的な場所（被検者の手ま
たは手首）を対象にした場合に高感度、高分解能に撮像
し検査を無侵襲に行うことが出来るコイルを提供する事
にある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、手または手首が入る形状のソレノイドコイルを用い
、必要に応じて手または手首を圧迫する機構を設けた。

【００２２】

【作用】一般に核磁気共鳴を用いた検査装置では静磁場
の方向とコイルの感度方向は直交していなければならな
い。水平磁場方式の核磁気共鳴を用いた検査装置では被
検体の挿入方向と静磁場の方向が一致してしまうために
、頭部，腹部用コイルに鞍型コイルなどが考案され用い
られてきた。しかし、手または手首を撮像する場合には
、核磁気共鳴の原理から対象とする部位からの磁束変化
を効率よく電気信号に変換できるソレノイドコイルが適
用可能である。即ち、手または手首は余り厚くないので
撮像部位がコイルの中に納まるような構成をとることが
出来る。また、コイルの内側に膨張収縮する機構を設け
手または手首を圧迫または動かないように固定する事が
可能となり分解能がよい画像を得る事が出来る。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。

【００２４】図４は、本発明の一実施例であるＮＭＲを
用いた検査装置の構成図である。図４において、５は制
御装置、６は高周波パルス発生器、７は電力増幅器、８
は高周波磁場を発生すると共に対象物体２０から生ずる
信号を検出するための送受信兼用コイル、９は増幅器、
１０は検波器、１１は信号処理装置を示している。また
、１２，１３，１４は、それぞれ、ｚ方向及びこれに直
角の方向（ｘ方向及びｙ方向）の傾斜磁場を発生させる
コイル、１５，１６，１７はそれぞれ、上記コイル１２
，１３，１４を駆動する電源部を示している。これらの
コイルにより発生する傾斜磁場により検査対象の置かれ
る空間の磁場分布を所望の傾斜を有する分布とするもの
である。図４ではコイル８，１３，１４の順に大きさが
小さくなっているように描いてあるが全体構成を示すた
めの便宜的なものでありこの大きさ、順番である必要は
ない。

【００２５】制御装置５は、各装置に種々の命令を一定
のタイミングで出力する機能を有するものである。高周
波パルス発生器６の出力は、電力増幅器７で増幅され、
上記コイル８を励振する。コイル８で受信された信号成
分は、増幅器９を通り、検波器１０で検波後、信号処理
装置１１で画像に変換される。

【００２６】なお、静磁場の発生は、電源１９により駆
動されるコイル１８による。検査対象である被検者２０
はベッド２１上に載置され、上記ベッド２１は支持台２
２上を移動可能に構成されている。

【００２７】図５は図４に置ける傾斜磁場コイルの構成
及び流す電流の方向を示した一例である。コイル１２で
ｚ方向傾斜磁場を、コイル１３でｘ方向傾斜磁場を、コ
イル１４でｙ方向傾斜磁場を発生する例を示している。 コイル１３とコイル１４は同じ形のコイルであってｚ軸
回りに９０度回転した構成をしている。実際にはコイル
１２，１３，１４を一つの円筒形ボビンに巻いて用いら
れる。これらの傾斜磁場コイルは静磁場と同一方向（ｚ
軸方向）磁場を発生し、それぞれｚ，ｘ，ｙ軸に沿って
直線勾配（傾斜）を持つ磁場を発生するものである。

【００２８】本発明は、上記コイル８の改良に係わるも
のである。ここで、コイル８は、例えば頭部用コイルで
あれば直径３００ｍｍ，長さ３００ｍｍ程度の大きさを
有するものである。

【００２９】本実施例ではコイル形状を円筒形として説
明するが、楕円形などの形状の変形も可能であり本発明
を規制するものではない。

【００３０】図１（ａ）は手または手首用コイルの一実
施例の概略を示した鳥瞰図である。図１（ｂ）は図１（
ａ）に示す手または手首用コイルの等価回路図である。 図１では片手だけを対象にした場合を示しているが２組
用いて同時に両手を撮像する事も可能である。図１（ａ
）に示す実施例は円筒形ボビン３００に銅線からなる電
極３１０を巻き付けた構成である。図１（ａ）に示す実
施例では電極３１０は銅線で構成した場合について示し
ているが、銅パイプ、銅箔または銅板で構成しても良い
。図１ではコイルとして３ターンのソレノイドコイルと
しているが、本発明はターン数を３ターンに限定する物
ではない。共鳴周波数と感度によってターン数を変化さ
せる必要がある場合がある。

【００３１】さらに、図１では電極３１０を螺旋状に巻
いた場合の構成を示しているが、図２に示すように円形
状の三つの電極３２０，３２１，３２２それぞれをまず
ボビン３００に巻き付け互いの電極を電極３２３，３２
４で斜めに接続するようにする。このようにする事によ
ってある角度をつけて電極３１０をボビン３００に巻き
付け螺旋状の形状にする必要がなくなるために作成が容
易になる。

【００３２】図３は図１に示す手または手首用コイルに
被検者２０の手または手首２０１が入っている状態の断
面図を模式的に示している。円筒形ボビン３００は被検
者２０の手または手首２０１が入るようにボビンの側面
が空いた構造になっている。図３から明らかなように円
筒形ボビン３００の外側に電極３２０，３２１，３２２
を巻き付けた構成のため被検者２０が電極３２０，３２
１，３２２に直接触れる事で感電する心配はない。この
際、円筒形ボビン３００の内側にクッションなどの緩衝
材を張り付ける事によって被検者２０が快適に検査を受
けられるように出来る。さらに、緩衝材を肌触りの良い
材質とする事でより快適に検査を受けられるように出来
る。また、図１ではコイルのキャパシタによる分割は行
わない場合について示しているが、共鳴周波数が高くな
りコイルの同調がとれない場合や被検体の影響が大きい
場合にはキャパシタによってコイルを分割する事でこれ
らの問題を回避できる。このような構成の一実施例を図
１１に示す。図１１（ａ）に示す実施例では螺旋状のコ
イル３１０１〜３１０７、図１１（ｂ）に示す実施例で
は円形のコイル３２０１〜３２０３，３２１１〜３２１
３，３２２１〜３２２３それぞれについてキャパシタ４
０１〜４０６，４２１〜４２６で分割した場合について
示している。図１１（ｂ）に示す実施例は全体の構成が
見やすくなるように図１１（ａ）に示す構成を９０度回
転した場合である。本実施例では電極の長さが等しくな
るようにキャパシタによる分割をしていないが、電極の
長さが等しくなるようにキャパシタで分割しても良い。 電極の長さが等しくなるようにキャパシタで分割すれば
、インダクタンスによる電位上昇ととキャパシタンスに
よる電位減少が互いに打ち消しあい電位を低く保つ事が
でき、被検体の影響をよりよく低減できる。キャパシタ
による分割数については共鳴周波数及び被検体による影
響の度合いによって適時変更する必要がある。

【００３３】図１２は左右の手を同時に撮像する場合の
二組のコイルの接続方法を示した一実施例である。図１
２では２組のコイルの接続方法を示すのが目的であるた
め、コイルは１ターンのもの（５００，５０１）で示し
た。具体的な構成は図１及び図２、図１１に示すような
ものである。図１２（ａ）は２組のコイルを直列に接続
する場合、また、図１２（ｂ）は２組のコイルを並列に
接続する場合について示している。各々の場合で接続を
二通り示しているのはそれぞれのコイル５００，５０１
の磁束の向きが同じ方向の場合と反対の場合である。図
１２のＨ，Ｇ点には図８で示す同調・整合回路を接続す
ることで同調及び整合をとれるのは従来と同様である。

【００３４】図１３は手または手首を圧迫する機構の概
略構成を示す断面図で、図３に示す断面図に対応させて
ある。図１３では空気等の流体によって圧迫する機構の
概略構成断面図を示している。図１３に示す実施例では
円筒形ボビン３００の内側に伸縮する材料からなる圧迫
用気密袋６０１，６０２を設けそれぞれに外部から適当
な圧力の空気などの流体６５０（簡略化するために図１
３には図示していない）を注入する事で圧迫する構成を
示している。本実施例では説明のために圧迫用気密袋が
２個から構成される場合について示した。この気密袋の
個数を増減する事で部分的な圧迫等圧迫部位を自由に設
定できるようになる。また、この気密袋をいくつかの部
分に分割する事でより微妙な圧迫が可能となる。更に、
手全体を包み込むような気密袋を用いれば手全体に加わ
る圧力は均等にする事ができるし、空気などの注入も１
ヶ所で済み、構成も簡単なものにできる。このようにす
る事で動きが抑制され分解能の良い画像が得られる。以
上以外にも色々な変形が可能であり、本発明を規定する
ものではない。

【００３５】以上の説明では手または手首が入るボビン
３００をベッド２１などに固定する方法は示さなかった
が、ベッド２１など撮像中動かないものにボビン３００
を固定すればより完全に被検者２０の動きを抑制でき分
解能良く撮像できるようになる。

【００３６】以上の説明では個々について説明したが、
これらを組み合わせても良いことは言うまでもないこと
である。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、水平磁場方式の核磁気
共鳴を用いた検査装置において局所的な場所（被検者の
手または手首）を対象にした場合に高感度、高分解能に
撮像でき検査を無侵襲に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成図である。

【図２】本発明の一実施例の構成図である。

【図３】本発明の一実施例の構成図である。

【図４】本発明の一実施例であるＮＭＲを用いた検査装
置の構成図である。

【図５】傾斜磁場コイルの構成及び流す電流の方向を示
した図である。

【図６】アルダーマン型コイルの構成図である。

【図７】アルダーマン型コイルの構成図である。

【図８】同調・整合回路の回路図である。

【図９】アルダーマン型コイルの構成図である。

【図１０】スピンエコー法のシーケンスの説明図である
。

【図１１】キャパシタによる分割を行った場合の等価回
路図である。

【図１２】２組のコイルの直列及び並列接続図である。

【図１３】手または手首を圧迫する機構の概略構成図で
ある。

【符号の説明】

５…制御装置、６…高周波パルス発生器、７…電力増幅
器、８…送受信兼用コイル、９…増幅器、１０…検波器
、１１…信号処理装置、１２，１３，１４…傾斜磁場を
発生させるコイル、１８…静磁場を発生させるコイル、
１５，１６，１７，１９…電源部、２０…被検者、２０
１…手及び手首、２１…ベッド、２２…支持台、１３１
，１３２…ガードリング電極、１１１，１１２…アーム
電極、１２１〜１２８…ウィング電極、１４１〜１４４
，２０１，２０２，４２１〜４２６，４０１〜４０６…
キャパシタ、３１０，３１０１〜３１０７，３２０１〜
３２０３，３２１１〜３２１３，３２２１〜３２２３，
３２３，３２４，３３０〜３３２，３３４，３３５…電
極、６０１，６０２…圧迫用気密袋。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】静磁場，傾斜磁場及び高周波磁場の各磁場
   発生手段と、検査対象からの核磁気共鳴信号を検出する
   信号検出手段と、該信号検出手段の検出信号の演算を行
   う計算機及び該計算機による演算の出力手段を有する核
   磁気共鳴を用いた検査装置に於て、静磁場が水平方向の
   場合における信号検出手段の内側に手または手首が入る
   ようにしたことを特徴とする核磁気共鳴を用いた検査装
   置。
2. 【請求項２】上記信号検出手段として円筒面上に沿って
   螺旋状に設けられた電流通路から成る磁束・電気変換手
   段を用いた事を特徴とする請求項１記載の核磁気共鳴を
   用いた検査装置。
3. 【請求項３】上記信号検出手段として円筒面上に沿って
   螺旋状または同心円上に設けられた複数の電流通路から
   成り、それぞれの電流通路の先端が容量結合されている
   一組または複数組の磁束・電気変換手段を用いた事を特
   徴とする請求項１記載の核磁気共鳴を用いた検査装置。
4. 【請求項４】上記信号検出手段を複数個設け、それぞれ
   を直列または並列に接続したことを特徴とする請求項１
   記載の核磁気共鳴を用いた検査装置。
5. 【請求項５】上記信号検出手段の内側に手または手首圧
   迫手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の核磁気
   共鳴を用いた検査装置。
6. 【請求項６】上記圧迫手段として流体を用いたことを特
   徴とする請求項５記載の核磁気共鳴を用いた検査装置。
7. 【請求項７】上記信号検出手段の内側に緩衝材を設けた
   ことを特徴とする請求項１記載の核磁気共鳴を用いた検
   査装置。
8. 【請求項８】上記信号検出手段の内側を肌触りの良い物
   としたことを特徴とする請求項１記載の核磁気共鳴を用
   いた検査装置。