JPH05261081A

JPH05261081A - 核磁気共鳴を用いた検査装置

Info

Publication number: JPH05261081A
Application number: JP4061820A
Authority: JP
Inventors: Yukio Yabusaki; 征雄薮崎; Munetaka Tsuda; 宗孝津田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-03-18
Filing date: 1992-03-18
Publication date: 1993-10-12

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の目的は従来技術の持つ感度良く広い領
域を同時に撮像出来、更に感度を向上できるＱＤコイル
構成とすることが出来る表面コイルを提供する事にあ
る。【構成】信号検出手段として、複数の導電ループにより
構成され、前記導電ループに流れる電流の方向が逆向き
になるように導電ループを接続した第１のコイルと、第
１のコイルの関心領域での感度方向が直交するような導
電ループにより構成された第２のコイルから構成され、
前記第１，第２のコイルを同一面上に配置し、このよう
なコイルを複数組並べる構成とした。

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を印可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】 ΔＥ＝γｈＨ／２π …（数１）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】ω＝γＨ …（数２）このような状態の系に周波数ωの電磁波（ラジオ波）を
印可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位する。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位さ
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位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Ｔ
₂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.Ｒes
on．)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７５１〜７５
６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（図
３参照）。

【００１２】図１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２参照）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１及び図２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３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３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＋ｚ
Ｇz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 ω±Δω＝γ（Ｈ＋ｚＧ_z） …（数３）を満足するように周波数ωあるいは傾斜磁場強度Ｇ_z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Ｇ_y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 Δω′＝γｙＧ_yΔｔ …（数４）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Ｇ_x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 Δω″＝γｘＧ_x…（数５）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Ｇ_z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Ｇ_y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。

【００１３】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。従来、表面コイルは狭い領域を感度良く撮像するコ
イルとして用いられていた。しかし、表面コイルを大き
くすると感度が低下してしまうために広い領域を同時に
撮像することが出来るような感度の良い表面コイルがで
きなかった。これに対してＲoemer 等により新しい形状
の表面コイル（「ＮＭＲ phased array」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
表面コイルはレーダや超音波で用いられているフェイズ
ドアレイと同様の考え方を導入した方法で、小さな表面
コイルを多数並べて、一つ一つの小さな表面コイルと同
程度の感度で広い領域を撮像する方法である。このコイ
ルについては、マグネティック・レゾナンス・イン・メ
ディスン誌（Ｍagn．Ｒeson．Ｍed.）第１６巻，第１９
２〜２２５頁（１９９０年）に詳細な記述がある。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は小さな
表面コイルと同程度の感度で同時に広い領域を撮像する
という問題に関しては有効なコイル構成である。

【００１５】しかし、更に感度を向上できるＱＤ（Quad
rature Detection）コイルの構成については考慮されて
いない。

【００１６】本発明の目的は従来技術の持つ小さな表面
コイルと同程度の感度で同時に広い領域を撮像出来ると
いう長所に加え、更に感度を向上できるＱＤコイル構成
が可能である表面コイルを提供する事にある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、信号検出手段として、複数の導電ループにより構成
され、前記導電ループに流れる電流の方向が逆向きにな
るように導電ループを接続した第１のコイルと、第１の
コイルの関心領域での感度方向が直交するような導電ル
ープにより構成された第２のコイルから構成され、第
１，第２のコイルを同一面上に複数組配置した。

【００１８】

【作用】撮像部位での磁束方向が直交する第１及び第２
のコイルを組み合わせる事で回転磁場を受信出来るＱＤ
コイル（CIRCULAR POLARIZATION COILとも呼ばれる）構
成が可能となる。従って、撮像部位を通る磁束を効率よ
く捕捉することができるため単一コイルに比べて高感度
に受信できる。このコイルを複数組並べることで同時に
広い領域を感度良く撮像することができる。

【００１９】

【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。

【００２０】図１は、本発明の一実施例であるＮＭＲを
用いた検査装置の概略構成図である。図１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。本実施例ではコイル８を送受信兼用コイルとしてい
るが、送信及び受信を別々のコイルで行っても良い。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１ではコイル１３，１４，８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、順番にこだわ
る必要はない。

【００２１】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。

【００２２】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。本実施例では静磁場の発生
はコイル１８による常電導方式としたが、励磁時以外は
電源１９が不要な超電導方式でも良い。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２２上を移動可能に構成されている。

【００２３】図２は図１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。

【００２４】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。本発明は表面コイルに関するもので、脊
椎を対象とするコイルの場合には例えば幅１５０mm，長
さ４５０mm程度の大きさ(構成の仕方によって変わる)を
有するものである。

【００２５】本実施例ではコイル形状を矩形平板型とし
て説明するが、円形形状のコイルにしたり身体に合わせ
て湾曲させるなどの変形は可能であり本発明を規制する
ものではない。

【００２６】また、以下に示す実施例では銅線で構成し
た場合について示すが、銅パイプ，銅箔または銅板等で
構成しても良い。

【００２７】図４に示す実施例は電極３２１〜３２４か
らなる矩形のコイル８２０と電極３３１〜３３４と電極
３３５〜３３８で電流が逆向きに流れるようにしたコイ
ル８３０から構成される表面コイルの一例である。コイ
ル８２０とコイル８３０は重なって配置され同一撮像部
位を撮像出来るように構成されている。図４（ｂ）は図
４（ａ）のＡ−Ａ′断面を示した断面図である。図４
（ｂ）では矩形コイル８２０の電極３２１，３２３とコ
イル８３０の電極３３２，３３８及び３３４，３３６の
断面を示している。

【００２８】図５は図４に示す実施例の感度方向を示し
た説明図である。図５は図４（ａ）のＡ−Ａ′断面を示
しており、図４に示す実施例の各コイル８２０，８３０
に図４に示す方向に電流が流れた場合の感度方向を模式
的に示したものである。図５に示すように撮像部位に於
いてコイル８２０（電極３２１，３２３）と８３０（電
極３３２，３３４及び３３６，３３８）の感度方向が直
交する。また、図５に示す面が静磁場の方向と直交する
ようにコイル８２０と８３０を配置している。従って、
コイル８２０と８３０でＱＤコイルを構成でき、感度良
く信号を受信できる。

【００２９】図６に示す実施例は図４に示すコイル８２
０，８３０からなる表面コイルを多数並べる場合につい
て示した構成図である。図６に示す実施例では図４に示
す実施例のコイル４組を並べた場合について示してい
る。電極は前３桁が図４に示す電極に対応し、最後の１
桁が表面コイルの番号を表している。図６に示す実施例
では図４に示す１組だけの表面コイルの場合に比べて撮
像出来る範囲を広くする事が出来る。

【００３０】図７に示す実施例は図６に示す実施例の各
コイル間の干渉を調節する一方法の説明図である。図７
では簡略化するために図６に示す最初の隣会う二組のコ
イルについてだけ示している。図７に示すようにコイル
間の距離（Ｌ１,Ｌ２,Ｌ３)を調節する事で干渉をなく
す方法について示した実施例である。例えば、Ｌ１＝Ｌ
３＝１０＊Ｌ２とする事で干渉をなくす事が出来る。

【００３１】図８に示す実施例はコイル８２０、８３０
から成る表面コイルから信号を取り出す方法の一実施例
を示す。図８に示す実施例では電極３２３と３３６を電
極３２３０１,３２３０２及び３３６０１,３３６０２に
分割し、キャパシタ８２１，８３１を挿入しキャパシタ
８２１，８３１の両端から信号を取り出す場合について
示している。コイル８２０は電極３２１〜３２４のイン
ダクタンスとキャパシタ８２１で共振回路を構成し、対
象とする核種の共鳴周波数に同調が取られている。ま
た、コイル８３０は電極３３１〜３３８のインダクタン
スとキャパシタ８３１で共振回路を構成し、対象とする
核種の共鳴周波数に同調が取られている。実際にはＨ,
Ｇ及びＨ′,Ｇ′点に図９に示すようなキャパシタ８４
０，８４１から構成される同調・整合回路が接続され
る。

【００３２】図１０には電極３２０〜３２４からなるコ
イル８２０及び電極３３１〜３３８からなるコイル８３
０と電力増幅器７及び増幅器９との接続の一実施例を示
す。図１０では同じコイルで送信及び受信を行うシング
ルコイル方式について示したが、送信及び受信を別なコ
イルで行うクロスコイル方式でも良い事は言うまでもな
い。この場合には電力増幅機７からの照射信号の接続が
なくなると考えれば良いが、この接続と等価な働きをす
る照射系を別に設ける必要がある。図１０では接続を示
すのが主な目的であるからコイル８２０、８３０は簡略
化して示している。また、本実施例では電力増幅器及び
増幅器を２組（電力増幅器７１，７２、増幅器９１，９
２）用いて構成した場合について示している。図１０に
示す実施例では回転磁場の方向を図に示す方向（時計回
り）の場合について示している。照射時には照射信号は
２系統に分離され、一方は電力増幅器７１へ、もう一方
は移相器７０１で照射信号の位相を９０゜遅らせた後電
力増幅器７２へ入力される。電力増幅器７１,７２で増
幅された信号がコイル８２０,８３０を駆動する。次に
受信時にはコイル８２０,８３０で受信された信号はそ
れぞれ増幅器９１,９２で増幅された後、コイル８２０
で受信された信号を移相器９０１で９０゜位相をずらし
合成器１００で合成する。回転磁場の方向が逆方向（反
時計回り）の場合には図１１に示すようにそれぞれの移
相器７０１，９０１の挿入場所がもう一方のチャンネル
に変わるだけで、基本的な構成は同じである。図１０で
は電力増幅器７１，７２と増幅器９１，９２の間の信号
の分離については明示していないが、λ／４ケーブルと
交差ダイオードを用いる公知の方法で分離する事が出来
る。また、回転磁場で励起及び受信する場合の駆動及び
受信の構成の仕方には本実施例以外にも外部からの信号
で能動的に行う方法など種々の構成方法があり、図１０
に示す構成以外でも良く任意の構成が可能である。

【００３３】また、図１０に示す構成は１組のコイルに
ついてのみ示したもので実際には並べるコイルの組全て
について必要となる事は言うまでもない。

【００３４】また、図４，図６，図７，図８に示す実施
例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。
コイル８３０の３３１０〜３３６０の電極をキャパシタ
８３１〜８３６で分割し、コイル８２０の３２１０〜３
２４０の電極をキャパシタ８２１〜８２４で分割してい
る。本実施例では電極の長さが等しくなるようにキャパ
シタによる分割を行っていないが、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キャパシタンスによる電位減少が
互いに打ち消しあい更に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。

【００３５】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。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、小さな表面コイルと同
程度の感度で同時に広い領域を撮像出来、更に感度を向
上できるＱＤコイル構成とした表面コイルを提供する事
が出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】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２】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３】スピンエコー法シーケンスの説明図である。

【図４】本発明の一実施例の一組の表面コイルの構成図
である。

【図５】図４に示す実施例における感度方向の説明図で
ある。

【図６】図４に示す実施例を複数個並べた場合の一実施
例の構成図である。

【図７】図６に示す実施例において相互の干渉を防止す
る一実施例の構成図である。

【図８】図４に示す実施例における信号の取り出し方を
示す構成図である。

【図９】同調・整合回路の回路図である。

【図１０】コイルと電力増幅器及び増幅器の接続説明図
である。

【図１１】同じく接続説明図である。

【図１２】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。

【符号の説明】

５…制御装置、６…高周波パルス発生器、７，７１，７
２…電力増幅器、８…送受信兼用コイル、９，９１，９
２…増幅器、１０…検波器、１１…信号処理装置、１
２，１３，１４…傾斜磁場を発生させるコイル、１５，
１６，１７，１９…電源部、１８…静磁場を発生させる
コイル、２０…被検者、２１…ベッド、２２…支持台、
７０１，９０１…移相器。

Claims

【特許請求の範囲】

【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、前記信号検出手段と
して、複数の導電ループにより構成され、前記導電ルー
プに流れる電流の方向が逆向きとなるように導電ループ
を接続した第１のコイルと、導電ループにより構成され
る第２のコイルから成り、前記第１，第２のコイルを同
一面上に配置した事を特徴とする核磁気共鳴を用いた検
査装置。
【請求項２】関心領域において前記第１のコイルの感度
方向と第２のコイルの感度方向が直交するように構成し
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。
【請求項３】前記第１のコイルと第２のコイルから構成
される信号検出手段を複数個用いた事を特徴とする請求
項２記載の核磁気共鳴を用いた検査装置。
【請求項４】前記複数個の信号検出手段の間で互いに干
渉が無くなるように構成した事を特徴とする請求項３記
載の核磁気共鳴を用いた検査装置。
【請求項５】前記第１のコイル及び第２のコイルからの
信号の位相を合わせて加算する事を特徴とする請求項２
記載の核磁気共鳴を用いた検査装置。
【請求項６】前記複数個の信号検出手段が同時に動作可
能に構成した事を特徴とする特許請求項３記載の核磁気
共鳴を用いた検査装置。
【請求項７】前記第１，第２のコイルのいずれか一方ま
たは両方の導電ループを容量素子で分割した事を特徴と
する請求項２記載の核磁気共鳴を用いた検査装置。