JP2009247515A - 高周波磁場コイル及び磁気共鳴撮影装置 - Google Patents

高周波磁場コイル及び磁気共鳴撮影装置 Download PDF

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Abstract

【課題】撮影する核種に応じて、交換や調整無しに共振周波数を容易にかつ瞬時に変化させることができ、感度の低下も少ないＭＲＩ撮影用のＲＦコイルを提供する。
【解決手段】撮影対象の核との間でＭＲ信号を送受信する送受信用ＲＦコイルの共振周波数を切り替えるためのサブコイルを備える。サブコイルは、スイッチを備え、スイッチオン時は、インダクタンスカップリングを利用し、非接触でＲＦコイルのインダクタンス値を変化させ、ＲＦコイルの共振周波数をシフトさせる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、核磁気共鳴撮影（ＭＲＩ）装置の磁気共鳴（ＭＲ）信号を送受信する高周波（ＲＦ）コイルに関する。特に、複数の核種からのＭＲ信号を検出可能なＲＦコイルに関する。
ＭＲＩ装置は、均一な静磁場中に配置された被検体に高周波を照射し、被検体内の核スピンを励起すると共に、核スピンが発生するＭＲ信号を受信し、被検体を画像化（撮影）する。高周波の照射とＭＲ信号の受信とは、共振型のＲＦコイルにより行われる。
ＭＲＩ装置による撮影では、一般に、水素原子核（１Ｈ）のＭＲ信号を用いる。しかし、最近では、水素原子核以外に、フッ素（１９Ｆ）、燐（３１Ｐ）、ナトリウム（２３Ｎ）等、複数種類の核からのＭＲ信号を検出して画像化する多核種イメージングがある。多核種イメージングは、水素以外に体内に含まれる成分について、その体内分布を把握したい場合、フッ素を有する造影剤を可視化したい場合などに用いられる。
多核種イメージングで、複数種類の核からのＭＲ信号を共振型のＲＦコイルで検出する場合、ＲＦコイルの共振周波数を、各核のＭＲ信号の周波数に合わせる必要がある。例えば、３ＴのＭＲＩ装置において、水素とフッ素の２種の核の撮影を行う場合、水素用として１２７．８ＭＨｚ、フッ素用として１２０．３ＭＨｚに、ＲＦコイルの共振周波数をそれぞれ合わせる。
このため、多核種イメージングでは、検出する複数の核のＭＲ信号それぞれの周波数に同調する、異なる共振周波数を有する複数のＲＦコイルを使用するか、検出する核に応じて共振周波数を切り替え可能な１つのＲＦコイルを使用する。多核種イメージングの中でも主流の２種の核を検出対象とする撮影に用いられるもので、共振周波数を切り替え可能なＲＦコイルには、（１）バードケージ型のＲＦコイルが複数の共振モードを持つことを利用したもの（例えば、非特許文献１参照。）、（２）可変キャパシタを用いて共振周波数を変えるもの、（３）キャパシタ、インダクタの配置により共振周波数を変えるもの（二重同調ＲＦコイル）、（４）ＲＦシールドとＲＦコイルとの距離を変化させて共振周波数を変えるもの（例えば、非特許文献２、特許文献１参照。）、などがある。
Ｇｅｒａｌｄ Ｂ． Ｍａｔｓｏｎ他著、 Ａ Ｐｒａｃｔｉｃａｌ Ｄｏｕｂｌｅ−Ｔｕｎｅｄ １Ｈ／３１Ｐ Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｂｉｒｄｃａｇｅ Ｈｅａｄｃｏｉｌ Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｆｏｒ ３１Ｐ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ、 Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｉｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ、 ｐｐ．１７３−１８２、 １９９９ Ｄｏｎｇｆｅｎｇ Ｌｕ ａｎｄ Ｐｅｔｅｒ Ｍ． Ｊｏｓｅｐｈ著、 Ａ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ Ｄｏｕｂｌｅ Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆ−１９ ａｎｄ Ｈ−１ Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｂｉｒｄｃａｇｅ Ｃｏｉｌｓ、 Ａｂｓｔｒａｃｔｓ ｏｆ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｉｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ、 ｐ．５３１、 １９９０ 特開平７−１５５３０７号公報
しかし、検出対象の核毎に別のＲＦコイルを用いる場合は、ＲＦコイルの交換に時間や手間がかかるとともに、交換時に被検体の位置ずれ等が起こる可能性がある。また、バードケージ型のＲＦコイルの特性を利用したものは、共振周波数の値が近い場合、干渉が起こる。このため、検出対象とする核の組み合わせに制約がある。また、バードケージ型に限られるため、コイル形状にも制約がある。可変キャパシタで共振周波数を変えるものは、検出対象の核が変わる毎にキャパシタの調整が必要となる。また、二重同調ＲＦコイルは、単一の共振周波数を有するコイルに比べ、感度が低い。ＲＦシールドとの距離で調整するものは、検出対象の核が変わる毎に調整が必要であるだけでなく、大型で複雑な調整機構が必要となる場合がある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、多核種イメージングの中の、２種の核のＭＲ信号を検出対象とする撮影に用いるＲＦコイルであって、対象核種毎の交換や調整が不要で、感度の低下も少ないＲＦコイルを提供することを目的とする。
本発明のＲＦコイルは、スイッチを有するサブコイルであって、スイッチオン時にＲＦコイルと相互にインダクタンスカップリングするサブコイルを備える。インダクタンスカップリングにより、ＲＦコイルのインダクタンス値を変化させ、ＲＦコイルの共振周波数をシフトさせる。
具体的には、共振周波数が第一の核の磁気共鳴周波数である磁気共鳴撮影装置の高周波磁場コイルであって、サブコイルを備え、前記サブコイルは、自身の導通を制御する導通制御手段を備えるとともに、当該高周波磁場コイルと磁気的に結合可能な位置に配置され、導通時に当該高周波磁場コイルの共振周波数を、前記第一の核の磁気共鳴周波数より高い磁気共鳴周波数を有する第二の核の磁気共鳴周波数とすることを特徴とする高周波磁場コイルを提供する。
本発明によれば、多核種イメージングの中の、２種の核のＭＲ信号を検出対象とする撮影に用いるＲＦコイルであって、対象核種毎に交換や調整が不要で、感度の低下も少ないＲＦコイルを得る。
＜＜第一の実施形態＞＞
以下、本発明の第一の実施形態について説明する。まず、第一の実施形態のＭＲＩ装置の全体構成について説明する。図１は、本実施形態のＭＲＩ装置１００のブロック図である。本図に示すように、本実施形態のＭＲＩ装置１００は、静磁場を発生するマグネット１０１と、傾斜磁場を発生するコイル１０２と、静磁場均一度を調整するシムコイル１１２と、シーケンサ１０４と、高周波磁場を発生する送受信用ＲＦコイル１１４と、被検体１０３を載置するテーブル１０７とを備える。傾斜磁場コイル１０２およびシムコイル１１２は、それぞれ傾斜磁場電源１０５およびシム電源１１３に接続される。送受信用ＲＦコイル１１４は、高周波磁場発生器１０６および受信器１０８に接続される。シーケンサ１０４は、傾斜磁場電源１０５、シム電源１１３および高周波磁場発生器１０６に命令を送り、それぞれ傾斜磁場および高周波磁場を発生させる。高周波磁場は、送受信用ＲＦコイル１１４を通じて被検体１０３に印加される。高周波磁場を印加することにより被検体１０３から発生するＲＦ信号は送受信用ＲＦコイル１１４によって検出され、受信器１０８で検波が行われる。受信器１０８での検波の基準とする磁気共鳴周波数は、計算機１０９によりシーケンサ１０４を介してセットされる。検波された信号はＡ／Ｄ変換回路を通して計算機１０９に送られ、ここで画像再構成などの信号処理が行われる。その結果は、ディスプレイ１１０に表示される。検波された信号や測定条件は、必要に応じて、記憶媒体１１１に保存される。シーケンサ１０４は通常、予めプログラミングされたタイミング、強度で各装置が動作するように制御を行う。
本実施形態の送受信用ＲＦコイル１１４は、撮影する核に応じて、当該核のＭＲ信号に同調するようその共振周波数が切り替わる。以下、切り替えの原理を説明する。
一般に、その等価回路が、キャパシタ（その容量をＣとする。）とインダクタンス（その値をＬとする。）とを有する共振回路で表されるコイルの共振周波数ｆは、以下の式（１）で表される。
ｆ∝（ＬＣ）−１／２ （１）
従って、インダクタンスの値Ｌまたはキャパシタの容量Ｃを変化させることにより、コイルの共振周波数ｆを変化させることができる。
本実施形態の送受信用ＲＦコイル１１４は、インダクタンスの値Ｌを変えることにより共振周波数ｆを変化させ、切り替えを実現する。そして、インダクタンスの値Ｌは、近傍に配置されたコイルとの間のインダクタンスカップリングにより変化させる。
図２に、本実施形態の送受信用ＲＦコイル１１４の基本的な構成を示す。本実施形態の送受信用ＲＦコイル１１４は、磁気共鳴信号を送受信する第一コイル２０１と、第一コイル２０１の共振周波数を切り替える第二コイル２０２とを備える。第二コイルは、スイッチ２０３を有し、第一コイル２０１に磁気的に結合可能な位置（相互にインダクタンスがカップリングする位置）に配置される。第一コイル２０１に電流が流れると第二コイル２０２に誘導電流が生じ、第二コイル２０２が磁束を形成する。その影響により、第一コイル２０１のインダクタンスが小さくなる。
インダクタンスカップリングのオンオフは、スイッチ２０３のオンオフにより行われる。スイッチ２０３がオンとなり、第二コイル２０２に電流が流れると、インダクタンスカップリングが発生し、第一コイル２０１のインダクタンスＬを低下させる。それに伴い、共振周波数ｆ１は高い周波数ｆ１’にシフトする。スイッチ２０３がオフされると、第二コイル２０２に電流が流れなくなるため、インダクタンスカップリングが解除され、第一コイル２０１のインダクタンスＬは元に戻る。それに従って、共振周波数ｆ１’も元の共振周波数ｆ１に戻る。
本実施形態では、第一コイル２０１には、予め定められた核のＭＲ信号に同調するようその共振周波数ｆ１が調整された従来のＲＦコイルを用いる。第一コイル２０１の共振周波数ｆ１は、検出する２種の核のうちＭＲ信号の周波数の低い方に同調するよう調整される。そして、インダクタンスカップリングが発生した際、検出する２種の核のうち、ＭＲ信号の周波数の高い方に同調するよう（共振周波数ｆ１’）、第一コイル２０１と第二コイル２０２との関係が調整される。
調整は、第二コイル２０２の第一コイル２０１からの距離、および／または、第二コイル２０２の第一コイル２０１に対するサイズを変更することにより行う。両コイル間の距離が小さくなればなるほど、インダクタンスカップリングの効果が大きくなるため、第一コイル２０１のインダクタンスＬの変化量、共振周波数のシフト量は大きくなる。また、第二コイル２０２のサイズについては、第一コイル２０１と同程度のサイズの時、最も効率よくインダクタンスカップリングがなされ、インダクタンスＬの変化量、共振周波数のシフト量が大きくなる。これらの性質を利用し、両者の距離、第二コイル２０２のサイズを適宜設定し、共振周波数ｆ１’は調整される。なお、共振周波数ｆ１’は、距離、サイズの他、第二コイル２０２の導線の太さなどを用いても調整可能である。これらの調整は、送受信用ＲＦコイル１１４の作製時または設置時に行われる。
なお、図２では、一例として、第二コイル２０２が、第一コイル２０１と同じサイズであり、かつ、第一コイル２０１を介して被検体１０３と対向する位置にある場合を示す。また、第一コイル２０１と第二コイル２０２とが電気的に接続されない場合を一例として示す。
次に、第一コイル２０１および第二コイル２０２それぞれの回路例を説明する。第一コイル２０１は、電気的に非接続の第二コイル２０２により、そのインダクタンスＬが変化する直列または並列共振回路であり、上述のように、通常のＲＦコイルを用いることができる。図３は、本実施形態の第一コイル２０１の回路例である。本図に示すように、第一コイル２０１は、そのループ内に、コンデンサ３０１を少なくとも一つ備える。また、コンデンサ３０１の少なくとも一箇所に接続される送信もしくは受信回路（送受信処理回路）３１０を備える。送受信処理回路３１０は、同軸ケーブル等に変換するインピーダンス整合回路３０２および平衡−非平衡電送路変換回路３０３と送受切替スイッチ３０４とプリアンプ３０７とパワーアンプ３０５とを備える。送受切り替えスイッチ３０４を送信側に切り替えた際は、高周波磁場発生器（波形生成装置）１０６により発信された信号が、パワーアンプ３０５によって増幅され、第一コイル２０１に供給される。送受切替スイッチ３０４を受信側に切り替えた際は、第一コイル２０１で検出された信号は、プリアンプ３０７により増幅され、受信器１０８により検出される。
第二コイル２０２は、電気的に非接続の第一コイル２０１との間で、相互にインダクタンスがカップリングする状態と、そうでない状態とを生成可能な構成であるスイッチ２０３を有する。図４は、第二コイル２０２の回路例である。第二コイル２０２は、そのループ部内にダイオード４０１とコンデンサ４０５とを備える。ダイオード４０１には、ダイオード４０１とともにスイッチ２０３として働くスイッチ回路４１０が接続される。スイッチ回路４１０は、ダイオード４０１と、切替スイッチ４０２と、端子４０３、４０４と、インダクタ４０６とを備え、切替スイッチ４０２が端子４０３側に入ると、ダイオード４０１に対して逆電圧がかかり、端子４０４側に入るとダイオード４０１に対して順電圧がかかるよう構成されている。従って、切替スイッチ４０２が端子４０３側に入ると、ループ部には電流が流れない状態となり、端子４０４側に入るとループ部に電流が流れる。インダクタ４０６は、ＲＦ成分が電源に入らないようにするために具備される。
なお、コンデンサ４０５は、ループ部の直流電流（ＤＣ）をカットし、ＲＦ成分のみを流すために挿入される。ループ部のＤＣにより第二コイル２０２自身がその周囲の磁場を乱すことを防止するためである。なお、コンデンサ４０５は、数百ｐＦよりも大きい容量を持つものを用いる。これにより、第二コイル２０２のループ部は、ＲＦ帯域において低インピーダンスとなり電流が流れ、ＤＣに対しては高インピーダンスとなり電流が流れない。
なお、スイッチ２０３を実現するスイッチ回路４１０は、ＭＥＭＳ（マイクロエレクトロメカニカルシステム）などの技術を用いた機械的なスイッチング回路で置き換えてもよい。また、第二コイル２０２のループ部に可変抵抗を挿入し、抵抗の値を変えることにより、スイッチのオンオフと同様の効果を得るよう構成してもよい。
以上説明したように、本実施形態によれば、２種の核を検出する場合、検出対象の核毎に送受信用ＲＦコイル１１４を調整する必要がない。また、ＭＲ信号の周波数が低い方の核の検出時は、実質的に従来の送受信用ＲＦコイルである第一コイル２０１をそのまま用いることとなるため、感度の低下の心配もない。また、ＭＲ信号の周波数が高い方の核の検出時も、送受信用ＲＦコイル１１４としての感度に大きな影響は与えない。また、第二コイルとの距離、第二コイルのサイズにより第一コイル２０１側の共振周波数のシフト量を調整可能であるため、送受信用ＲＦコイル１１４として共振周波数のシフト範囲に制限はない。このため、ＭＲ信号の周波数が近い２種の核種の検出にも対応可能である。また、第二コイル２０２側のオンオフで、検出対象の核種を変更できるため、撮影する核に応じて、２種の共振周波数間で容易かつ瞬時に切り替えることができる。また、核種変更の度に送受信用ＲＦコイル１１４を取り外す必要もない。従って、被検体と送受信用ＲＦコイル１１４との相対距離が変わることがないため、異なる核種の画像間の比較時に、高い位置精度が保たれる。
従って、本実施形態の送受信用ＲＦコイル１１４によれば、撮影する核に応じて２種の共振周波数間で容易にかつ瞬時に切り替えることができ、核が異なる場合でも被検体とＲＦコイルの相対位置が変わらず、かつ高感度の撮影が可能である。
＜＜第二の実施形態＞＞
次に、本発明を適用する第二の実施形態について説明する。本実施形態の送受信用ＲＦコイル１１４の構成は基本的に第一の実施形態と同様である。しかし、本実施形態では、送受信用ＲＦコイル１１４のスイッチの切り替えを制御する構成を、ＭＲＩ装置側が有する。以下、本実施形態について、第一の実施形態と異なる構成に主眼をおいて説明する。なお、第一の実施形態と同様の構成を有するものは、同符号を付す。
図５は、本実施形態のＭＲＩ装置１００’のブロック図である。本図に示すように、本実施形態のＭＲＩ装置１００’は、基本的に第一の実施形態のＭＲＩ装置１００と同様の構成を有する。しかし、計算機１０９’の構成が異なる。本実施形態の計算機１０９’は、スイッチ２０３の切り替えの指示を受け付ける、スイッチ切替受付部９１０と、スイッチ切替受付部９１０で切り替えの指示を受け付けると、送受信用ＲＦコイル１１４’にスイッチ２０３を切り替える指示を送信するスイッチ切替指示部９２０と、スイッチ切替指示部９２０がスイッチ２０３切り替えの指示を送信したことを受け、スイッチ２０３切り替え後の送受信用ＲＦコイル１１４’の共振周波数を判別し、それに基づいて検波の基準とする磁気共鳴周波数を決定して受信器１０８に通知する検出周波数通知部９３０とを備える。
また、計算機１０９’は、そのメモリ等に、スイッチ２０３切り替え後の共振周波数を判別するため、本実施形態の送受信用ＲＦコイル１１４’の、スイッチ２０３がオン時の共振周波数およびオフ時の共振周波数の情報（周波数情報９４０）を予め保持する。検出周波数通知部９３０は、周波数情報９４０を参照し、共振周波数を判別する。スイッチ切替受付部９１０、スイッチ切替指示部９２０、検出周波数通知部９３０は、計算機１０９’のメモリ等に予め保持されたプログラムをＣＰＵが実行することにより実現される。また、スイッチ切替受付部９１０が、マウス、キーボードなどの操作部（不図示）に接続され、操作部を介して、オペレータからの指示を受け付けるよう構成してもよい。
なお、スイッチ切替指示部９２０は、スイッチ２０３を切り替える指示を、シーケンサ１０４から受け取るよう構成してもよい。この場合、スイッチ切替受付部９１０はなくてもよい。さらに、シーケンサ１０４が受信器１０８に検波の基準とする磁気共鳴周波数を通知するよう構成してもよい。この場合、検出周波数通知部９３０はなくてもよい。
本実施形態の送受信用ＲＦコイル１１４’は基本的に第一の実施形態と同様の構成を有し、さらに、スイッチ切替制御部４２０を備える。スイッチ切替制御部４２０は、スイッチ２０３の切り替えの指示を、計算機１０９’から受け取り、受け取った指示に従って、第二コイル２０２のスイッチ２０３を、オンからオフに、または、オフからオンに、切り替える。
なお、本実施形態の計算機１０９’は、スイッチ切替指示部９２０の指示に応じて、現在の送受信用ＲＦコイル１１４’の共振周波数、または、現在の送受信用ＲＦコイル１１４’により検出される核の種別をディスプレイ１１０に表示するよう構成してもよい。
本実施形態の送受信用ＲＦコイル１１４’およびＭＲＩ装置１００’のその他の構成は上記第一の実施形態と同様である。
以上説明したように、本実施形態によれば、第一の実施形態と同様に、撮影する核に応じて２種の共振周波数間で容易にかつ瞬時に切り替えることができ、核が異なる場合でも被検体と送受信用ＲＦコイルの相対位置が変わらず、かつ高感度の撮影が可能な送受信用ＲＦコイル１１４を実現することができる。
さらに、本実施形態によれば、送受信用ＲＦコイル１１４’の共振周波数の切り替えを、ＭＲＩ装置１００’の計算機１０９’を介して行うことができる。従って、より容易に送受信用ＲＦコイル１１４’の共振周波数の切り替えができる。
なお、上記各本実施形態では、第二コイル２０２が、第一コイル２０１と同じサイズであり、かつ、第一コイル２０１を介して被検体１０３と対向する位置にある場合を例示して説明したが、第一コイル２０１と第二コイル２０２との位置関係、サイズは、これに限られない。図６に示すように、第一コイル２０１と第二コイル２０２との距離が０、すなわち、第一コイル２０１と第二コイル２０２とが同一面上にあるよう構成してもよい。この場合、第二コイル２０２のサイズは、第一コイル２０１と異なるものとする。図６には、第一の実施形態の送受信用ＲＦコイル１１４であって、第二コイル２０２の方が大きい場合を例示する。しかし、両コイルのサイズは、逆であってもよい。さらに、図７に示すように、第一コイル２０１が、第二コイル２０２を介して被検体と対向する位置に配置されるよう構成してもよい。図７には、第一の実施形態の送受信用ＲＦコイル１１４であって、第二コイル２０２のサイズを第一コイル２０１と同じとした場合を例示する。
また、上記各実施形態では、ＲＦコイルを送受信兼用する場合を例にあげて説明している。しかし、上記各実施形態で説明したＲＦコイルは、高周波磁場を被写体１０３に印加のみ行う送信用ＲＦコイル、または、被写体１０３から発生するＲＦ信号の受信のみ行う受信用ＲＦコイルとして、それぞれ用いてもよい。
また、検出対象の核についても、上述のフッ素と水素の組み合わせ以外に、たとえばリンとナトリウム（３Ｔの場合、リンのＭＲ信号の周波数は５１．６ＭＨｚ、ナトリウムのＭＲ信号の周波数は３３．９ＭＨｚ）の組み合わせなど、様々な組み合わせに適用できる。
さらに、上述の各実施形態では、その形状がループコイルであるものを例にあげて説明したが、他の形状のコイルであってもよい。図８にバードケージ型コイル、図９にソレノイド型コイル、図１０に３チャンネルの並列型コイルに、本発明を適用した場合の例を示す。各図において、点線部（６０１、６０３、６０５）は第一コイル２０１、実線部（６０２、６０４、６０６）は、第二コイル２０２に対応する。いずれのタイプのコイルにおいても、第一コイル２０１に対してインダクタンスカップリングする位置に、スイッチ等（不図示）を有して導通を制御可能な第二コイル２０２を置くことによって、第一コイル２０１の共振周波数をシフトさせ、２種の核の画像を、それぞれ取得する。
（実施例１）
以下、第一の実施形態の送受信用ＲＦコイル１１４の、周波数シフト（切り替え）の実現性を検証した実施例を説明する。実施例１は、送受信用ＲＦコイル１１４−１の第一コイル２０１として、通常臨床で使用されるマルチパーパスコイルを用いる。ここでは、スイッチ２０３をオン状態にした場合、および、スイッチ２０３をオフ状態にした場合それぞれにおいて、第一コイル２０１の周波数特性のシミュレーションを行った。具体的には、供給電圧の周波数を変化させたときの、第一コイル２０１のインピーダンスの値を算出した。
図１１に、本実施例の送受信用ＲＦコイル１１４−１の概略を示す。本図に示すように、本実施例の送受信用ＲＦコイル１１４−１は、マルチパーパスコイルである第一コイル２０１と、第一コイル２０１と同じ形状で同じサイズの第二コイル２０２とを備える。本実施例の第一コイル２０１および第二コイル２０２の寸法等の仕様および回路構成は以下のとおりである。第一コイル２０１、第二コイル２０２ともに１００ｍｍ×１００ｍｍの正方形コイルとし、半径２．５ｍｍの銅線で構成されている。その導電率はともに５．８×１０７Ｓ／ｍである。第一コイル２０１には、２箇所にコンデンサを配置し、うち一箇所を給電点とした。コンデンサ容量は、ともに１５ｐＦとした。また、第二コイル２０２には、各辺に１箇所ずつ、計４箇所に抵抗を配置した。また、両者の距離を２１ｍｍとした。
本実施例では、数値シミュレーションの簡略化のため、スイッチ２０３のオンオフを抵抗の値を変えることで再現し、図４に示すコンデンサ４０５も省略している。抵抗値を０Ωとすることで、スイッチオンの状態を、抵抗値を１ＧΩとすることで、スイッチオフの状態を再現した。
図１２は、第二コイル２０２のスイッチ２０３のオン／オフそれぞれの状態における、第一コイル２０１の供給電圧の周波数に対するインピーダンスの変化の様子を示したグラフである。グラフの縦軸は、第一コイル２０１のインピーダンス値〔Ω〕であり、横軸は供給電圧の周波数〔ＭＨｚ〕である。グラフ５１０は、第二コイル２０２のスイッチ２０３がオフの場合の第一コイル２０１のインピーダンスの変化を示し、グラフ５２０は、第二コイル２０２のスイッチ２０３がオンの場合の変化を示す。また、５０１、５０２は、それぞれの共振ピーク、すなわち、共振周波数である。なお、コイルは共振周波数付近で高い感度を持つ。
このグラフより、スイッチ２０３のオンオフによって、第一コイル２０１の共振周波数をシフトできること、スイッチ２０３がオンの状態の共振周波数５０２が、スイッチ２０３がオフの状態の共振周波数５０１より高いことがわかる。
なお、磁場強度が３Ｔの場合の撮影において、フッ素のＭＲ信号の周波数は１２０．３ＭＨｚであり、水素のそれは１２７．８ＭＨｚとなる。図１２において、共振ピーク５０１はフッ素、共振ピーク５０２は水素のＭＲ信号の周波数と一致していることがわかる。すなわち、実施例１に示す送受信用ＲＦコイル１１４によって、水素およびフッ素それぞれのＭＲ信号に同調させることができ、両者を切り替えて撮影することが可能であることが示された。
図１２において、第一コイル２０１と第二コイル２０２との距離を２１ｍｍとし、第一コイル２０１と第二コイル２０２とのサイズを同じとした場合の結果を示した。しかし、スイッチ２０３のオン／オフによる第一コイル２０１の共振周波数のシフト量は、第一コイル２０１と第二コイル２０２との距離および第一コイル２０１に対する第二コイル２０２のサイズに依存する。
そこで、第一コイル２０１と第二コイル２０２との距離、および、第二コイル２０２の一辺の長さを変化させた場合における、共振周波数のシフト量の変化を測定した。図１３にその結果のグラフを示す。図１３の縦軸は、第二コイル２０２のスイッチ２０３をオンにした状態の第一コイル２０１の共振周波数であり、横軸は、第二コイルの一辺の長さである。また、第一コイル２０１と第二コイル２０２との間の距離は、それぞれ、１０ｍｍ、１５ｍｍ、２０ｍｍ、２１ｍｍ、２５ｍｍとし、測定した。なお、スイッチ２０３をオフにした状態では、第一コイル２０１の共振周波数は１２０．３ＭＨｚとなるように設定してある。
まず、第一コイル２０１と第二コイル２０２との距離についてみると、両コイル間の距離が小さくなるほど、共振周波数のシフト量が大きくなることがわかる。これは、両コイル間の距離が小さくなるほど、インダクタンスカップリングの効果が大きくなるためである。よって、距離だけを変化させて共振周波数をシフトさせる場合、実現したい周波数シフト量に応じて、距離を決定する必要がある。
次に、第二コイル２０２のサイズについてみると、一辺の長さが１００ｍｍ近辺のときに最も共振周波数シフト量が大きくなっていることがわかる。このサイズは、第一コイル２０１と同じサイズであり、周波数切り替え用の第二コイル２０２は、送受信用の第一コイル２０１と同程度のサイズにすると、より効率よくインダクタンスカップリングして、その結果、より大きな共振周波数シフト量が実現されるといえる。
図１３より、第一コイル２０１と第二コイル２０２との距離が小さいほど、または、第二コイル２０２のサイズが第一コイル２０１と同程度の場合に、より大きな共振周波数シフト量が実現できるといえる。また、第一コイル２０１と第二コイル２０２との距離が十分に取れない場合を想定して、たとえば前記距離が１０ｍｍの場合のグラフをみると、第二コイルの正方形一辺の長さを７０ｍｍもしくは１４０ｍｍあたりに設定すると、水素の共振周波数１２７．８ＭＨｚにシフトさせることができるといえる。
なお、第一コイル２０１と第二コイル２０２との配置については、上述の図６に示すように、両者を同一面上に配置することも可能である。同一面上に配置する場合、一辺が１００ｍｍの正方形の第一コイル２０１に対して、一辺が１４５ｍｍの正方形の第二コイル２０２を用いることによって、フッ素の共振周波数１２０．３ＭＨｚから水素の共振周波数１２７．８ＭＨｚにシフトできることが数値シミュレーション結果より確認された。
なお、送受信用ＲＦコイル１１４−１の設計時には、装置サイズや形状などの設計上の種々の制限内において、図１３に示す傾向を熟慮した上で、必要となる共振周波数シフトを実現するように、第一コイル２０１と第二コイル２０２との距離およびサイズを決定する。
（実施例２）
次に、実施例２について説明する。実施例２は、体幹部撮影用として臨床で使用されているサイズ、構造を有する送受信用ＲＦコイル１１４−２について、上述の第二コイル２０２により、フッ素―水素の共振周波数の切り替え撮影が可能かどうかを検証した。
図１４に、実施例２で用いた送受信用ＲＦコイル１１４−２の構成例を示す。ここでは、実際のＭＲＩ装置に組み込まれている体幹部撮影用コイルを用い、第二コイル２０２のスイッチ２０３をオン／オフし、それぞれの状態の第一コイル２０１の周波数特性のシミュレーションを行った。ここでは、第二コイル２０２に対して、第一コイル２０１と反対側にシールド２０４を置き、より実機に近い状況を再現している。体幹部撮影用コイルは、それぞれ角を落とした長方形ループ形状を有する第一コイル２０１および第二コイル２０２と、長方形平面形状を有するシールド２０４とが、ある一軸を中心として曲率を有する形状である。なお、図１４において、スイッチ２０３は図示していない。
第一コイル２０１、第二コイル２０２およびシールド２０４の各寸法は、それぞれ、短辺（直線部）をａ、長辺（曲線部）をｂ、曲率半径をｒとすると、以下の通りとした。第一コイル２０１は、ａ＝４５０ｍｍ、ｂ＝５７６ｍｍ、ｒ＝２５０ｍｍ、第二コイル２０２は、ａ＝４５０ｍｍ、ｂ＝６４５ｍｍ、ｒ＝２８０ｍｍ、シールド２０４は、ａ＝６００ｍｍ、ｂ＝７８５ｍｍ、ｒ＝３０５ｍｍである。なお、第一コイル２０１、第二コイル２０２は、幅２０ｍｍのリボン状の平面で構成されており、材質としては、第一コイル２０１、第二コイル２０２、平面シールド２０４全て、銅（導電率は５．８×１０７Ｓ／ｍ）である。
次に、本実施例における各コイルの回路構成について簡単に説明する。第一コイル２０１には、各辺に３箇所ずつ、計１２箇所にコンデンサを配置し、うち１箇所は給電点とした。コンデンサの値は、給電点となる一箇所のみは３０ｐＦで固定し、他の１１箇所は、１６．４８ｐＦとした。また、第二コイル２０２には、各辺に１箇所ずつ、計４箇所に抵抗を配置した。ここで、第二コイル２０２のスイッチ２０３の切り替えは、実施例１と同様に、抵抗の値を変えることで再現した。すなわち、スイッチオンの場合は抵抗値を０Ω、スイッチオフの場合は抵抗値を１ＧΩとし、電流のオンオフを再現した。
図１５に、第二コイル２０２のスイッチ２０３をオンオフした際の、第一コイル２０１の周波数特性の数値シミュレーションの結果を示す。グラフの縦軸は第一コイル２０１のインピーダンス値〔Ω〕であり、横軸は横軸は供給電圧の周波数〔ＭＨｚ〕である。グラフ５３０は、第二コイル２０２のスイッチ２０３がオフの場合の第一コイル２０１のインピーダンスの変化を示し、グラフ５４０は、第二コイル２０２のスイッチ２０３がオンの場合の変化を示す。また、５０３、５０４は、それぞれの共振ピーク、すなわち、共振周波数である。なお、コイルは共振周波数付近で高い感度を持つ。
このグラフより、本実施例においても、スイッチ２０３のオンオフによって、第一コイル２０１の共振周波数をシフトできること、スイッチ２０３がオンの状態の共振周波数５０４が、スイッチ２０３がオフの状態の共振周波数５０３より高いことがわかる。また、図１２と同様に、スイッチ２０３のオンオフによって、共振ピーク５０３、５０４をそれぞれフッ素のＭＲ信号の周波数（１２０．３ＭＨｚ）と水素の共振周波数（１２７．８ＭＨｚ）あたりに切り替えできていることがわかる。この結果より、臨床で実際に使用されるサイズの送受信用ＲＦコイル１１４−２においても、上述の実施形態で示す第二コイル２０２の具備によって、フッ素−水素画像の切り替え撮影が可能であることが示された。
以上のように、上記実施例の送受信用ＲＦコイル１１４−２は、フッ素、水素の２つの核のＭＲ信号の周波数に共振させることができることが確認された。実用化にあたっては、フッ素、水素画像を撮影する時の感度も重要である。そこで、従来行われている手法で得られる感度を基準として、上記実施例の送受信用ＲＦコイル１１４−２で周波数シフトを行った場合の感度分布を比較した。
従来の手法のコイルには、１のコイルとシールドのみを用い、コンデンサ容量を調整することにより、共振周波数をシフトさせるもの（従来のコイルと呼ぶ。）を採用した。従来のコイルとして、１のコイルとシールドとの２要素で構成されたコイル装置を用意し、コイル部内に配置された１２個のコンデンサの容量を調整し、フッ素及び水素のＭＲ信号の周波数にピークを持つようにした。具体的には、給電点となる一箇所を３０ｐＦで固定し、他の１１箇所のコンデンサ容量を、フッ素のＭＲ信号の周波数（１２０．３ＭＨｚ）に同調させる際には、それぞれ１６．４８ｐＦとし、水素のＭＲ信号の周波数（１２７．８ＭＨｚ）に同調させる際には、１４．３７ｐＦとした。なお、これらの値は、上記式（１）に基づいてある程度予測することができる。
一方、本実施例の送受信用ＲＦコイル１１４−２は、第一コイル２０１、第二コイル２０２、シールド２０４の３要素で構成され、従来のコイルと異なり、ＭＲ信号を検出する第一コイルのコンデンサ容量をフッ素の場合と水素の場合とで変更しない。そのかわりに第二コイル２０２のスイッチ２０３をオンオフすることで第一コイル２０１の共振周波数の切り替えを行う。上述のように、フッ素撮影時はスイッチ２０３をオフとし、水素撮影時はスイッチ２０３をオンとする。
図１６は、従来のコイルと本実施例の送受信用ＲＦコイル１１４とがそれぞれ形成する感度分布の比較結果を示すグラフである。図１６（ａ）は、フッ素撮影時の、従来のコイルの度分布５０５と本実施例の送受信用ＲＦコイル１１４の感度分布５０６を示し、縦軸は、感度分布〔Ａｍ−１Ｗ-１/２〕、横軸は、図１４中のｘ軸〔ｍｍ〕である。なお、ｘ＝−３０５ｍｍはシールド２０４、ｘ＝−２８０ｍｍは第二コイル２０２、ｘ＝−２５０ｍｍは第一コイル２０１の位置に対応し、ｘの値が大きくなるほどコイル表面からの距離が大きくなっている。図１６（ｂ）は、同じく、水素撮影時の従来のコイルおよび本実施例のコイルの感度分布５０７、５０８である。
図１６（ａ）に示すように、フッ素撮影時は、従来のコイルの感度分布５０５と、本実施例のコイルの感度分布５０６とはほぼ一致する。すなわち、本実施例のコイルは、フッ素撮影時は、従来のコイルに比べて感度は落ちないことを示してる。これは、本実施例のコイルが備える第二コイル２０２は、そのスイッチ２０３をオフにしている間、第一コイル２０１の形成する感度分布に対して悪影響を及ぼさないことを示している。
一方、水素撮影時は、図１６（ｂ）に示すように、本実施例のコイルの感度分布５０８は、従来のコイルの感度分布５０７とほぼ同様の分布といえるが、ｘ＝−１００ｍｍ付近において、若干感度値が小さくなっている。これは、第二コイル２０２のスイッチ２０３をオンにしたことによる影響と考えられる。しかし、ｘ＝−１００ｍｍにおける本実施例のコイルの感度値の低下の割合は、２．７％であり、この程度であれば画質への影響はほとんどないといえる。
以上より、本実施例のコイルによって、フッ素、水素の双方の撮影において、単一共振周波数を持つ従来のコイルとほぼ同等の感度による撮影が可能であることが示された。なお、本実施例のコイルによれば、スイッチのオンオフのみで数μ秒以内にフッ素―水素撮影を切り替えることができる。
本実施例のコイルを用いると、例えば、フッ素を有する造影剤を用いて特定部位を観察する場合、造影剤を可視化したい場合（フッ素画像）は、単一共振周波数コイルと同じ感度で撮影でき、体組織の構造を可視化したい場合（水素画像）は、単一共振周波数を持つコイルとほぼ同等の感度で撮影できる。また、フッ素―水素の撮影を複数回切り替える必要がある場合にも、数μ秒以内で切り替えて撮影することができる。
第一の実施形態のＭＲＩ装置のブロック図である。 第一の実施形態の送受信用ＲＦコイルの構成図である。 第一の実施形態の第一コイルの回路図である。 第一の実施形態の第二コイルの回路図である。 第二の実施形態のＭＲＩ装置の機能ブロック図である。 第一および第二の実施形態の送受信用ＲＦコイルの他の構成図である。 第一および第二の実施形態の送受信用ＲＦコイルの他の構成図である。 第一および第二の実施形態の送受信用ＲＦコイルの他の形状を説明するための図である。 第一および第二の実施形態の送受信用ＲＦコイルの他の形状を説明するための図である。 第一および第二の実施形態の送受信用ＲＦコイルの他の形状を説明するための図である。 実施例１の送受信用ＲＦコイルの概略構成図である。 実施例１の第一コイルの周波数特性の数値シミュレーション結果のグラフである。 実施例１の第一コイルの共振周波数シフト量のシミュレーション結果のグラフである。 実施例２の送受信用ＲＦコイルの概略構成図である。 実施例２の第一コイルの周波数特性の数値シミュレーション結果のグラフである。 実施例２の送受信用ＲＦコイルの感度分布の比較結果を示すグラフである。
符号の説明
１０１：静磁場マグネット、１０２：傾斜磁場コイル、１０３：被検体、１０４：シーケンサ、１０５：傾斜磁場電源、１０６：高周波磁場発生器、１０７：テーブル、１０８：受信器、１０９：計算機、１１０：ディスプレイ、１１１：記憶媒体、１１２：シムコイル、１１３：シム電源、１１４：送受信用ＲＦコイル、２０１：第一コイル、２０２：第二コイル、２０３：スイッチ、２０４：シールド、３０１：キャパシタ、３０２：インピーダンス整合回路、３０３：平衡―非平衡電送路変換回路、３０４：送受切替スイッチ、３０５：パワーアンプ、３０７：プリアンプ、３１０：送受信処理回路、４０１：ダイオード、４０２：切替スイッチ、４０３：端子、４０４：端子、４０５：キャパシタ、４０６：インダクタ、４１０：スイッチ回路、４２０：スイッチ切替制御部、５０１：共振ピーク、５０２：共振ピーク、５０３：共振ピーク、５０４：共振ピーク、５１０：スイッチオフ時の周波数特性、５２０：スイッチオン時の周波数特性、５３０：スイッチオフ時の周波数特性、５４０：スイッチオン時の周波数特性、５０５：フッ素撮影時の従来コイルの感度分布、５０６：フッ素撮影時の実施例のコイルの感度分布、５０７：水素撮影時の従来コイルの感度分布、５０８：水素撮影時の実施例のコイルの感度分布、６０１：第一コイル、６０２：第二コイル、６０３：第一コイル、６０４：第二コイル、６０５：第一コイル、６０６：第二コイル、９１０：スイッチ切替受付部、９２０：スイッチ切替指示部、９３０：検出周波数通知部、９４０：周波数情報

Claims (15)

  1. 共振周波数が第一の核の磁気共鳴周波数である磁気共鳴撮影装置の高周波磁場コイルであって、
    サブコイルを備え、
    前記サブコイルは、自身の導通を制御する導通制御手段を備えるとともに、当該高周波磁場コイルと磁気的に結合可能な位置に配置され、導通時に当該高周波磁場コイルの共振周波数を、前記第一の核の磁気共鳴周波数より高い磁気共鳴周波数を有する第二の核の磁気共鳴周波数とすること
    を特徴とする高周波磁場コイル。
  2. 請求項１記載の高周波磁場コイルであって、
    前記サブコイルは、前記被検体に当該高周波磁場コイルを介して対向する位置に配置されること
    を特徴とする高周波磁場コイル。
  3. 請求項１記載の高周波磁場コイルであって、
    前記サブコイルは、当該高周波磁場コイルと同一面に配置されること
    を特徴とする高周波磁場コイル。
  4. 請求項１記載の高周波磁場コイルであって、
    前記サブコイルは、前記被検体と該高周波磁場コイルとの間に配置されること
    を特徴とする高周波磁場コイル。
  5. 請求項１記載の高周波磁場コイルであって、
    前記サブコイルは、当該高周波磁場コイルと電気的に非接続であること
    を特徴とする高周波磁場コイル。
  6. 請求項１記載の高周波磁場コイルであって、
    前記サブコイルは、当該サブコイルの配置位置、サイズの少なくとも１つの要素を調整することにより、当該高周波磁場コイルの共振周波数を前記第二の核磁気共鳴周波数とすること
    を特徴とする高周波磁場コイル。
  7. 請求項１記載の高周波磁場コイルであって、
    前記第一の核は、フッ素であり、前記第二の核は水素であること
    を特徴とする高周波磁場コイル。
  8. 請求項１記載の高周波磁場コイルであって、
    前記導通制御手段は、スイッチであること
    を特徴とする高周波磁場コイル。
  9. 請求項８記載の高周波磁場コイルであって、
    前記スイッチは、ダイオードとインダクタとからなること
    を特徴とする高周波磁場コイル。
  10. 請求項８記載の高周波磁場コイルであって、
    前記スイッチは、マイクロエレクトロメカニカルシステムによるものであること
    を特徴とする高周波磁場コイル。
  11. 請求項１記載の高周波磁場コイルであって、
    前記導通制御手段は、可変抵抗であること
    を特徴とする高周波磁場コイル。
  12. 静磁場を形成する静磁場形成手段と、傾斜磁場を形成する傾斜磁場形成手段と、高周波磁場を形成する高周波磁場形成手段と、被検体に前記高周波磁場を照射するとともに前記被検体から発生する磁気共鳴信号を検出する送受信用コイルと、前記磁気共鳴信号を受信する受信手段と、前記傾斜磁場形成手段、前記高周波磁場形成手段および前記受信手段を制御する制御手段と、を備える磁気共鳴撮影装置であって、
    前記送受信用コイルは、共振周波数が第一の核の磁気共鳴周波数である高周波磁場コイルであって、
    サブコイルを備え、
    前記サブコイルは、自身の導通を制御する導通制御手段を備えるとともに、当該高周波磁場コイルでと磁気的に結合可能な位置に配置され、導通時に当該高周波磁場コイルでの共振周波数を、前記第一の核の磁気共鳴周波数より高い磁気共鳴周波数を有する第二の核の磁気共鳴周波数とすること
    を特徴とする磁気共鳴撮影装置。
  13. 静磁場を形成する静磁場形成手段と、傾斜磁場を形成する傾斜磁場形成手段と、高周波磁場を形成する高周波磁場形成手段と、被検体に前記高周波磁場を照射する送信用コイルと、前記被検体から発生する磁気共鳴信号を検出する受信用コイルと、前記磁気共鳴信号を受信する受信手段と、前記傾斜磁場形成手段、前記高周波磁場形成手段および前記受信手段を制御する制御手段と、を備える磁気共鳴撮影装置であって、
    前記送信用コイル又は前記受信用コイルは、共振周波数が第一の核の磁気共鳴周波数である高周波磁場コイルであって、
    サブコイルを備え、
    前記サブコイルは、自身の導通を制御する導通制御手段を備えるとともに、当該高周波磁場コイルと磁気的に結合可能な位置に配置され、導通時に高周波磁場コイルの共振周波数を、前記第一の核の磁気共鳴周波数より高い磁気共鳴周波数を有する第二の核の磁気共鳴周波数とすること
    を特徴とする磁気共鳴撮影装置。
  14. 請求項１２または請求項１３記載の磁気共鳴撮影装置であって、
    前記制御手段は、前記高周波磁場コイルの前記導通制御手段を制御し、当該制御結果に応じて前記高周波磁場形成手段および前記受信手段の少なくとも一方を制御すること
    を特徴とする磁気共鳴撮影装置。
  15. 請求項１４記載の磁気共鳴撮影装置であって、
    前記制御手段は、前記第二の核を特定する情報を保持し、前記導通制御手段に導通を指示する場合、前記第二の核からの磁気共鳴信号を得て処理を行うよう、前記高周波磁場形成手段および前記受信手段の少なくとも一方を制御すること
    を特徴とする磁気共鳴撮影装置。
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