JP2008209213A

JP2008209213A - Ｒｆコイル

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Publication number: JP2008209213A
Application number: JP2007045673A
Authority: JP
Inventors: Manabu Hasegawa; 学長谷川; Hideki Tanaka; 秀樹田中
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2007-02-26
Filing date: 2007-02-26
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2027-02-26
Also published as: JP4938492B2

Abstract

【課題】核磁気共鳴装置の測定感度を上げるためには、交流磁場均一度の高いＲＦコイルを提供する必要がある。
【解決手段】ＮＭＲの試験管１の長手方向（ｙ）に対して、フラット型コイル２の各ループの高さを等しくする。このため、試験管長手方向に平行な導線が試験管中心軸からの広がり角度１２０度の延長上に並ぶ構造のフラット型コイルとする。各ループ間はループ間接続部のように構成され、コイル２は１本の導線から形成される。これにより、試験管１内の試料に照射される交流磁場の均一度が上がり、ＮＭＲ装置の感度向上が見込まれる。
【選択図】図２

Description

本発明はＮＭＲ装置において、特に交流磁場を照射するＲＦコイル（高周波コイル）に関するものである。

ＮＭＲの分野において、均一度の高い磁場中で共鳴周波数の信号を印加できる高分解能ＮＭＲ装置が開発されている。特にタンパク質のように試料の量が少なく、信号強度の小さいものを高精度に分析するためには、磁場強度の均一度を高めなければならない。

ＮＭＲ装置において、磁場とは超伝導磁石による静磁場、送信および受信を行うＲＦコイルによる交流磁場の２つであり、両者は互いに直交しなければならない。以下、静磁場の方向をｚ方向、交流磁場の照射方向をx方向、ｘおよびｚ方向に直交する方向をｙ方向とする。

交流磁場を照射することにより核磁化はｘｙ平面に倒れ、再びｚ軸方向へ戻る。この現象はＦＩＤ(自由誘導減衰)と呼ばれ、核磁化のｘｙ平面への投影成分に比例した量が誘導起電力として観測される。

核磁化とz軸とのフリップ角度は各々の位置での交流磁場強度に比例するため、交流磁場強度の不均一性によってフリップ角度にばらつきが生じる。受信信号は試料内に含まれる核磁化から得られるＦＩＤ信号の総和であるので、交流磁場均一度は計測感度に影響を与える要素の一つである。特に、複数回の照射を行うシーケンスの場合には、フリップ角のばらつきが積算され、その影響が顕著になる。

ここで、交流磁場均一度とは試料のある領域全体での交流磁場強度の分布である。したがって、試験管の長手方向およびそれと垂直方向の交流磁場均一度を高める必要がある。

試料領域内にほぼ均一な交流磁場を発生させるＲＦコイルの構造の一例として、非特許文献１のような鞍型が挙げられる。この場合、試験管中心軸からの広がり角度１２０度のものが試験管長手に垂直な方向に対して最適な交流磁場均一度を示す解の一つとして知られている。これを利用した特許としては特許文献１、２などが挙げられる。

渦巻状のコイルを円筒形状のボビンに固定する鞍型コイルに対し、非特許文献２のような平板に押し付けた形状の平板コイルでも試験管長手方向に垂直な方向に高い交流磁場均一度が得られることが知られている。

特開2002−341001号公報特開平７−303622号公報 Ginsberg DM 他、 Optimum Geometry of Saddle Shaped Coils for Generating a Uniform Magnetic Field. Rev Sci Instrum 1970; 41: 122-123 W. W. Brey他、NHMFL Reports, 2006, Vol.13, No.2

以下において、試験管1の長手方向に平行な導線とそれに垂直な方向の直線または曲線状導線による４本で作られる閉曲線を１つの"ループ"と表記する。また、試験管長手方向をループの高さ、試験管長手方向に垂直な方向の導線間距離をループの幅とする。

渦巻状に巻く方法で複数巻きを実装する場合、一つの平面または曲面内に導線を配置する。その場合、各々のループにおいて幅、高さは異なり、高さの低いループができてしまうのは避けられない。この結果、試験管長手方向の交流磁場均一度が低下する。

従来の渦巻状に巻く方法で複数巻きを実装する場合、一つの平面または曲面内に導線を配置する。複数巻きのコイルを実現するには試験管長手方向に平行な導線は広がり角度１２０度からずれた位置に配線しなければならない。これにより、試験管長手に垂直な方向での交流磁場均一度が１回巻き場合の最適解よりも低くなる。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、ループの高さが等しく交流磁場の均一度が高いＲＦコイルを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明は、ＮＭＲ(核磁気共鳴)装置における試験管内の試料に対して交流磁場を照射するためのＲＦコイル(高周波コイル)であって、前記ＲＦコイルは導線により形成され、複数のループとループ間を接続するループ間接続部を有し、各々のループが異なる平面または曲面内に形成され、全てのループにおいて試験管長手方向距離（ループ高さ）が等しくなるように構成したことを特徴とする。

また、全てのループの試験管長手方向に平行な導線が試験管中心軸からの広がり角度１２０度の直線上に配置したことを特徴とするＲＦコイル。また、全てのループの試験管長手方向に垂直なループ幅は、試験管中心軸からの距離に比例するように形成したことを特徴とする。

前記ループが平面内に形成されるフラット型コイルであることを特徴とする。また、前記ループが曲面内に形成されるサドル型コイルであることを特徴とする。

さらに、前記ＲＦコイルとしてソレノイドコイルと、複数のループとループ間を接続するループ間接続部を有し、各々のループが異なる平面または曲面内に形成され、全てのループにおいて試験管長手方向距離が等しくなるように構成したフラット型コイルとを設け、前記ソレノイドコイルの中心軸と前記フラット型コイルの法線が直交するように組み合わせたことを特徴とする。

本発明によれば、コイルユニットは試験管を挟んで対称となる２組のコイルから成る。各々の側のコイルは複数のループを有し、ループ同士が直列に接続される。したがって、コイルの電流経路は巻き初めから巻き終わりまで連続した１本の線で描ける。コイル同士の接続方法は直列あるいは並列どちらでもかまわない。

全てのループを異なる面内に配置し、ループ高さを一定にする。これにより、全てのループを許容される空間の限界まで高くすることが可能となり、試験管長手方向の交流磁場均一度が向上する。

各々のループを異なる面内に配置することで、全てのループにおいて試験管長手方向に平行な導線を試験管中心軸から見て広がり角度１２０度の延長上に配置することが可能となる。つまり、本発明コイルの各ループ幅の値は（１）式で記述される。
ループ幅＝(試験管中心とコイル間の距離)×２tan(120°／２) …（１）
全てのループにおいてループ幅を（１）式の値にすることで、複数巻きコイルでも試験管長手に垂直な方向に対して、１回巻きの場合の最適解と同程度の交流磁場均一度を得ることができる。

本発明のコイル形状では複数巻きコイルでも高さの低いループを作る必要がなく、全てのループを許容される空間の限界まで高くすることが可能となる。したがって、試験管長手方向に対して交流磁場の均一な領域を広げることができる。

本発明のコイル形状では試験管中心からの広がり角度１２０度の延長上に全ての試験管長手方向に平行な導線を配置することが可能である。それにより、試験管長手に垂直な方向に対しても、高い交流磁場均一度を実現することができる。

本発明の最良の実施形態を説明する。本発明のコイルユニットはＮＭＲの試験管を挟んで対称となる２組のコイルから成る。各々の側のコイルは複数のループを有し、ループ同士が直列に接続される。したがって、コイルの電流経路は巻き初めから巻き終わりまで連続した１本の線で描ける。コイル同士の接続方法は直列あるいは並列どちらでもかまわない。

本発明のＲＦコイルは全てのループを異なる面内に配置し、ループ高さを一定にする。これにより、全てのループを許容される空間の限界まで高くすることが可能となり、試験管長手方向の交流磁場均一度が向上する。各々のループは異なる面内に配置することで、全てのループにおいて試験管長手方向に平行な導線を試験管中心軸から見て広がり角度１２０度の延長上に配置することが可能となる。つまり、本発明コイルの各ループ幅の値は（１）式で記述される。

全てのループにおいてループ幅を（１）式の値にすることで、複数巻きコイルでも試験管長手に垂直な方向に対して、１回巻きの場合の最適解と同程度の交流磁場均一度を得ることができる。以下、本発明の複数の実施例について説明する。

図１はスプリット型マグネットを用いた水平型ＮＭＲ装置の概略図を示す。静磁場を発生するスプリット型マグネット４は超電導磁石で形成されており、外側の真空容器の中に熱輻射シールド容器および液体ヘリウム容器が収められている。また、液体ヘリウム容器の内部には超伝導コイルが巻装・設置されている。超伝導磁石によって作られた静磁場の不均一性を補正するために、シムコイル（図示せず）を設けている。なお、本発明コイルは鉛直磁場型ＮＭＲ装置においても実施できる。

測定対象の液体試料は円筒形の試験管１に封入されている。試験管の出し入れは上部からスプリットマグネット４の隙間を利用して行う。試験管は必要に応じてサンプル回転機構（図示せず）により、その軸線上で数十Hz程度に回転させる。これによりシムコイル等で補正できなかった静磁場の不均一性を平均化する。

プローブ５の挿入はスプリット型マグネット４の軸方向である水平方向から行う。プローブ５の先端にはＲＦ信号を送受信するＲＦコイル２、傾斜磁場を発生する傾斜磁場コイル(図示せず)などが搭載されている。傾斜磁場コイルは能動遮蔽（アクティブシールド）型に形成されている。このコイルは線形の傾斜磁場を発生し、外部への漏れ磁場を抑えるシールド構造となっている。

図１に示すように、送信機１０で発生させたＲＦ信号はコイル２に供給される。信号取得時には、切り替え機１３が送信機１０と受信機１２の分離を行い、受信機１２の動作を制御する。ＲＦ信号コイル２で取得された信号は、アンプ１１で増幅されて受信機１２に送られる。この信号をフーリエ変換することで、ＮＭＲスペクトルが得られる。

図２はループを平面に形成するＲＦ信号コイルの構造を示している。以下、本実施例のコイルを、“フラット型コイル”と呼ぶ。コイルユニットはＮＭＲの試験管を挟んで対称となる２組のコイルから成る。各々の側のフラット型コイル２は複数のループを有し、ループ同士がループ間接続部を介して直列に接続され、コイルの巻き初めから巻き終わりまで連続した１本の線となる。

フラット型コイル２は全てのループを異なる面内に配置されるようにし、ループ高さを等しくする。各々のループは異なる面内に配置する。本発明の主題はＲＦ送信コイルにおいて全てのループ高さをできる限り高くすることである。各々のループを異なる平面内に作ることで全てのループ高さを等しくし、許容される空間限界まで高くすることが可能となっている。

ｘｚ平面の磁場均一度向上のためには各々のループ幅を調整する必要がある。最適解の一つとして、全てのループにおいて鉛直導線が試験管１の中心軸から見て広がり角度１２０度の延長上に配置する構造が挙げられる。つまり、各ループ幅の値は（１）式で記述される。全てのループにおいて、ループ幅を（１）式の値にすることで、複数巻きコイルでも試験管長手に垂直な方向に対して、１回巻きの場合の最適解と同程度の交流磁場均一度を得ることができる。

図３にフラット型コイルの配置図を示す。試験管との相対的な位置関係を示し、（Ａ）はｘｙ平面、（Ｂ）はｙｚ平面、（Ｃ）はｘｚ平面の投影図である。図で、静磁場の方向をｚ方向、交流磁場の照射方向をx方向、ｘおよびｚ方向に直交する方向をｙ方向とする。

図４はＮＭＲ装置の上部から見たフラット型コイルの実装図である。側壁７に対してそれと同じ、もしくは同程度の磁化率を有する導線固定用の台形柱状治具８を取り付ける。台形柱状治具８に導線を所定回数だけ巻きつければ、フラット型のコイル形状が得られる。製作性の向上のためには角形の導線を用いるのはよい。さらに、導線固定用治具８にあらかじめ導線固定用の溝をつけておくとよい。このように、広がり角度１２０度の延長上に鉛直導線が並ぶことで、製作も容易となる。静磁場均一度の観点から側壁７および治具８と同じもしくは同程度の磁化率を有する材料の板９を用いて、試験管側からみて側壁が平坦になるようにすることが望ましい。

図５、図６、図７に、鞍型コイル、平板コイル、本実施例のフラット型コイルの特性図を示す。コイルの巻き数は５回巻である。図５〜７の（Ａ）において、各コイルを設置できる空間はｙ方向±１０mm、x方向±５mmとした。

図５〜７の（B）に、鞍型コイル、平板コイル、フラット型コイルにおける感度分布を示す。ビオサバールの式から計算したものであり、コイルの中心をｙ＝０mmとしてｙ軸上からΦ４mmの範囲の感度分布を示している。ここで、ＮＭＲにおける感度とは、単位体積中の磁化がコイルに誘起する電力であり、この値は相反定理より１Wの電力をコイルに与えたときに各位置に発生する磁場強度に等しい。

微小領域ｉに含まれる核磁化が受信コイルに誘導する起電力Ｖｉは（２）式で求まり、試料空間全体で体積分をすればよい。
Ｖｉ＝sin（π／２×Ｂｉ×ｔ／ＢＴ90）×Ｂｉ×ｄＶ（２）
Ｂｉはそれぞれの位置での磁場、ｔは交流パルスの印加時間、ＢＴ90は核磁化が90度倒れるのに必要な時間、ｄＶは微小領域の体積を表す。なお、試料空間はｙ＝±８mm、ｙ軸を中心とするΦ４mmの空間と仮定した。

図示のように、従来の鞍型コイル、平板コイルの場合に比べ、本実施例のフラット型コイルの場合の試験管長手方向（ｙ方向）の交流磁場均一度が向上している。また試験管長手方向と垂直な方向についても、本実施例のフラット型コイルの交流磁場均一度が向上している。

図５〜７の（C）に、鞍型コイル、平板コイル、本実施例フラット型コイルの場合のパルス印加時間と誘導起電力の関係を示す。一般に交流磁場均一度の指標として“810°／90°の強度比”が用いられる。図５，６，７のコイルで、強度比は７０％、６７％、９４％であり、本実施例のコイルが最も高い交流磁場均一度を示すことがわかる。

実施例２は、ＲＦ信号コイルとして“サドル型コイル”を用いた例である。図８にサドル型コイルの配置構造を示す。サドル型コイル３の各ループは異なる曲面に形成され、ループ間はループ間接続部のように接続され、１本の導線から形成される。
本実施例のサドル型コイルの場合も、実施例１と同等の装置および部品が必要である。実装の手順もほぼ同様であるが、図９に示すように台形柱状治具８にあらかじめ曲線状の溝を掘っておくと作成が容易である。

実施例３は、実施例１のフラット型コイル２とソレノイドコイルを併用する例である。ＮＭＲ計測では１Ｈ、２Ｈ、１３Ｃ、１５Ｎなどの核種の計測が行われる。例えば、静磁場７テスラにおける共鳴周波数はそれぞれ、300MHz、46MHz、75MHz、30MHzである。複数の周波数を１つのコイルで扱うためには同調回路を組み込めば良いが、２H、１５Ｎなどのように核種の周波数が近接していると互いの周波数が遮断することが困難になる。そこで、フラット型コイルとソレノイドコイルを組み合わせて用いる。

図１０はフラット型コイルとソレノイドコイルの組み合わせの配置を示す。１H、２H用としてソレノイドコイル６、１３Ｃ、１５Ｎ用としてフラット型コイル２を用いる。これらのコイルの磁場発生方向はｙ方向、およびｘ方向と直交しており、相互インダクタンスを小さくすることが可能である。

ソレノイドコイル６の寸法は、試験管１の外壁Φ５mm程度に対して十分に大きなコイル径とし、試験管１の出し入れが容易に行えるようにする。また、送信コイルとの相互インダクタンスを小さくするために、ソレノイドコイル６の中心軸とフラット型コイル２の法線は互いに直交する幾何学的配置にすることが望ましい。

その他の組み合わせ例として、送信用としてフラット型コイル２、受信用としてソレノイドコイル６を使用する方法が考えられる。このように、送受信のコイルを別々にすることにより、送信コイルに要求される交流磁場均一度、受信コイルに要求される高い感度の両方を満たすことが可能になる。この場合でも、両コイルの相互インダクタンスが小さいことは大きな利点といえる。

スプリット型マグネットを用いた水平磁場型ＮＭＲ装置の全体図。ＲＦコイルにフラット型コイルを用いた実施例１の構成図。フラット型コイルのｘｙ平面、ｙｚ平面、ｘｚ平面への投影図。フラットコイル２の実装構成図。従来の鞍型コイルの特性を示す説明図。従来の平板コイルの特性を示す説明図。実施例１のフラット型コイルの特性を示す説明図。ＲＦコイルにサドル型コイルを用いた実施例２の構成図。サドル型コイルの実装構成図。実施例３によるフラット型コイルとソレノイドコイルの組み合わせによる外観斜視図。

符号の説明

１…試験管、２…フラット型コイル、３…サドル型コイル、４…スプリット型超伝導マグネット、５…プローブ、６…ソレノイドコイル、７…側壁、８…台形柱状治具、９…加工板、１０…送信機、１１…アンプ、１２…受信機、１３…切り替え機。

Claims

ＮＭＲ(核磁気共鳴)装置における試験管内の試料に対して交流磁場を照射するためのＲＦコイルであって、
前記ＲＦコイルは導線により形成され、複数のループとループ間を接続するループ間接続部を有し、各々のループが異なる平面または曲面内に形成され、全てのループにおいて試験管長手方向距離が等しくなるように構成したことを特徴とするＲＦコイル。
請求項１において、全てのループの試験管長手方向に平行な導線が試験管中心軸からの広がり角度１２０度の直線上に配置したことを特徴とするＲＦコイル。
ＮＭＲ(核磁気共鳴)装置における試験管内の試料に対して交流磁場を照射するためのＲＦコイルであって、
前記ＲＦコイルは導線により形成され、複数のループとループ間を接続するループ間接続部を有し、各々のループが異なる平面または曲面内に形成され、全てのループの試験管長手方向に平行な導線が試験管中心軸からの広がり角度１２０度の直線上に配置したことを特徴とするＲＦコイル。
請求項１において、前記ループが平面内に形成されるフラット型コイルであることを特徴とするＲＦコイル。
請求項１において、前記ループが曲面内に形成されるサドル型コイルであることを特徴とするＲＦコイル。
請求項１において、
前記全てのループの試験管長手方向に垂直なループ幅は、試験管中心軸からの距離に比例するように形成したことを特徴とするＲＦコイル。
ＮＭＲ(核磁気共鳴)装置における試験管内の試料に対して交流磁場を照射するためのＲＦコイルであって、
前記ＲＦコイルとしてソレノイドコイルと、複数のループとループ間を接続するループ間接続部を有し、各々のループが異なる平面または曲面内に形成され、全てのループにおいて試験管長手方向距離が等しくなるように構成したフラット型コイルとを設け、前記ソレノイドコイルの中心軸と前記フラット型コイルの法線が直交するように組み合わせたことを特徴とするＲＦコイル。