JP2013106862A - アレイ（ａｒｒａｙ）コイル及び磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】カップリングを抑制しつつ信号強度の低下を抑制することができるアレイコイル及び磁気共鳴イメージング装置を提供することである。
【解決手段】アレイコイルは、複数のエレメントコイルを備える。各エレメントコイルは、隣接するエレメントコイルと部分的に重なり合う第１コイルと、前記第１コイルに直列に接続され、前記隣接するエレメントコイルとの間で相互に誘導電流を生じる第２コイルとを備える。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、アレイコイル及び磁気共鳴イメージング装置に関する。

磁気共鳴現象を利用した磁気共鳴イメージングにおいては、静磁場Ｂ₀中に被検体が置かれ、磁気共鳴イメージング装置（以下、適宜「ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）装置」）が、この被検体に撮像断面決定用の傾斜磁場とともに高周波磁場Ｂ₁を印加する。また、ＭＲＩ装置は、この高周波磁場Ｂ₁により励起された原子核から発生したＭＲ信号を、位置情報付加用の傾斜磁場を印加しながら収集する。静磁場磁石や傾斜磁場コイルの内側に配置されたＲＦ（Radio Frequency）コイルが、高周波磁場Ｂ₁の被検体への送信及び被検体からのＭＲ信号の受信を担う。

ＭＲ信号の受信を担う受信ＲＦコイルには、複数のエレメント（element）コイルを備えるアレイコイルが利用されることが多い。ＭＲＩ装置は、各エレメントコイルによって受信されたＭＲ信号を合成し、ＭＲ画像を生成する。ここで、エレメントコイル間でカップリングが生じると、あるエレメントコイルに流れた高周波電流に起因して他のエレメントコイルに高周波電流、すなわち誘導電流が流れ、この結果ＳＮＲ（Signal to Noise Ratio）が低下する。このため、従来、カップリングを防止するデカップリングの技術として、隣接するエレメントコイルを重ね合わせる手法がある。しかしながら、この手法では、重ね合わせ部分の感度が低下し、重ね合わせ部分の信号強度が低下する。

特開２００８−１７３２６６号公報 特開２００８−２６４４９７号公報

本発明が解決しようとする課題は、カップリングを抑制しつつ信号強度の低下を抑制することができるアレイコイル及び磁気共鳴イメージング装置を提供することである。

実施形態に係るアレイコイルは、複数のエレメントコイルを備える。各エレメントコイルは、隣接するエレメントコイルと部分的に重なり合う第１コイルと、前記第１コイルに直列に接続され、前記隣接するエレメントコイルとの間で相互に誘導電流を生じる第２コイルとを備える。

図１は、第１の実施形態に係るＭＲＩ装置の構成を示す図である。 図２は、第１の実施形態に係るアレイコイルの構成を示す図である。 図３は、第１の実施形態に係るアレイコイルの構成を示す図である。 図４は、第１の実施形態における第１重ね合わせ量を説明するための図である。 図５は、第１の実施形態における第１重ね合わせ量を説明するための図である。 図６は、第１の実施形態における信号強度を説明するための図である。 図７は、第２の実施形態に係るアレイコイルの構成を示す図である。 図８は、第２の実施形態に係るアレイコイルの構成を示す図である。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るＭＲＩ装置１００の構成を示す図である。なお、被検体Ｐは含まれない。静磁場磁石１は、中空の円筒状に形成され、内部の空間に静磁場Ｂ₀を発生する。静磁場磁石１は、例えば、永久磁石、超伝導磁石などである。傾斜磁場コイル２は、中空の円筒状に形成され、内部の空間に傾斜磁場を発生する。具体的には、傾斜磁場コイル２は、静磁場磁石１の内側に配置され、傾斜磁場電源３から傾斜磁場パルスの供給を受けて傾斜磁場を発生する。傾斜磁場電源３は、シーケンス制御部１０から送信される制御信号に従って、傾斜磁場パルスを傾斜磁場コイル２に供給する。

寝台４は、被検体Ｐが載置される天板４ａを備え、天板４ａを、被検体Ｐが載置された状態で、撮像口である傾斜磁場コイル２の空洞内へ挿入する。通常、寝台４は、長手方向が静磁場磁石１の中心軸と平行になるように設置される。寝台制御部５は、寝台４を駆動して、天板４ａを長手方向及び上下方向へ移動する。

送信ＲＦコイル６は、高周波磁場Ｂ₁を被検体Ｐへ送信する。具体的には、送信ＲＦコイル６は、傾斜磁場コイル２の内側に配置され、送信部７からＲＦパルスの供給を受けて、高周波磁場Ｂ₁を発生する。送信部７は、シーケンス制御部１０から送信される制御信号に従って、ラーモア周波数に対応するＲＦパルスを送信ＲＦコイル６に供給する。

受信ＲＦコイル８は、ＭＲ信号を受信する。具体的には、受信ＲＦコイル８は、傾斜磁場コイル２の内側に配置され、高周波磁場Ｂ₁により励起された原子核から発生したＭＲ信号を受信する。高周波磁場Ｂ₁により励起された原子核は、歳差運動により振動する磁場を発生する。すると、電磁誘導の法則に従い受信ＲＦコイル８に高周波電流が誘起される。これが、ＦＩＤ（Free Induction Decay）と呼ばれるＭＲ信号である。また、受信ＲＦコイル８は、受信したＭＲ信号を受信部９に出力する。

受信部９は、シーケンス制御部１０から送信される制御信号に従って、受信ＲＦコイル８から出力されたＭＲ信号に基づきＭＲ信号データを生成する。具体的には、受信部９は、受信ＲＦコイル８から出力されたＭＲ信号をデジタル変換することによってＭＲ信号データを生成し、生成したＭＲ信号データを、シーケンス制御部１０を介して計算機システム２０に送信する。なお、受信部９は、静磁場磁石１や傾斜磁場コイル２などを備える架台装置側に備えられていてもよい。

シーケンス制御部１０は、傾斜磁場電源３、送信部７、及び受信部９を制御する。具体的には、シーケンス制御部１０は、計算機システム２０から送信されたパルスシーケンス実行データに基づく制御信号を、傾斜磁場電源３、送信部７、及び受信部９に送信する。例えば、シーケンス制御部１０は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などの集積回路、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）などの電子回路である。

計算機システム２０は、インタフェース部２１と、画像再構成部２２と、記憶部２３と、入力部２４と、表示部２５と、制御部２６とを備える。インタフェース部２１は、シーケンス制御部１０に接続され、シーケンス制御部１０と計算機システム２０との間で送受信されるデータの入出力を制御する。画像再構成部２２は、シーケンス制御部１０から送信されたＭＲ信号データから画像データを再構成し、再構成した画像データを記憶部２３に格納する。

記憶部２３は、画像再構成部２２によって格納された画像データや、ＭＲＩ装置１００において用いられるその他のデータを記憶する。例えば、記憶部２３は、ＲＡＭ（Random Access Memory）、フラッシュメモリ（flash memory）などの半導体メモリ素子、ハードディスク、光ディスクなどである。

入力部２４は、各種指示を操作者から受け付ける。例えば、入力部２４は、マウス、キーボードなどである。表示部２５は、画像データなどを表示する。例えば、表示部２５は、液晶ディスプレイなどである。

制御部２６は、上述した各部を制御することによってＭＲＩ装置１００を総括的に制御する。例えば、制御部２６は、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡなどの集積回路、ＣＰＵ、ＭＰＵなどの電子回路である。

さて、上述した第１の実施形態に係るＭＲＩ装置１００は、受信ＲＦコイル８として、カップリングを抑制しつつ信号強度の低下を抑制することができるアレイコイル８−１を備える。第１の実施形態に係るアレイコイル８−１は、送信ＲＦコイル６の内側かつ被検体Ｐの近傍に配置される。図２及び図３は、第１の実施形態に係るアレイコイル８−１の構成を示す図である。

図２に示すように、第１の実施形態に係るアレイコイル８−１は、ループ状のエレメントコイルを複数備える。各エレメントコイルは、隣接するエレメントコイルと部分的に重なり合う第１コイル８−１ａと、第１コイル８−１ａに直列に接続され、隣接するエレメントコイルとの間で相互に誘導電流を生じる第２コイル８−１ｂとを備える。なお、図２に示すように、第１の実施形態に係るアレイコイル８−１は、プリアンプ８−１ｃを備え、プリダンプの手法によるデカップリングを併せて行ってもよい。

また、第１の実施形態に係る第１コイル８−１ａは、カップリングを抑制する重ね合わせ量（以下、「第１重ね合わせ量」）より多い重ね合わせ量（以下、「第２重ね合わせ量」）で、隣接するエレメントコイルと部分的に重なり合う。例えば、図３の（Ａ）に示す重ね合わせ量が、第１重ね合わせ量（図３において重ね合わせの幅はＷ_１）であるとする。第１重ね合わせ量Ｗ_１は、典型的には、エレメントコイルの幅ａの約１０％に設定されうる。第１の実施形態において、２つのループ状のエレメントコイルは、図３の（Ｂ）に示すように、第１重ね合わせ量Ｗ_１より多い第２重ね合わせ量（図３において重ね合わせの幅はＷ_２（Ｗ_２＞Ｗ_１））で重なり合う。なお、図３において、エレメントコイルの形状を例示するが、実施形態はこれに限られるものではない。

まず、第１重ね合わせ量を説明する。図４及び図５は、第１の実施形態における第１重ね合わせ量を説明するための図である。なお、以下の説明は、概念的に説明するものである。図４に示すように、ループ状のエレメントコイルＲ１とループ状のエレメントコイルＲ２とが重なり合わずに隣接しているとする。この場合、被検体Ｐから発生した磁場の磁束Ｆ１がエレメントコイルＲ１を貫き、エレメントコイルＲ１には、磁束Ｆ１によって誘起された高周波電流Ｃ１が流れる。同様に、被検体Ｐから発生した磁場の磁束Ｆ２がエレメントコイルＲ２を貫き、エレメントコイルＲ２には、磁束Ｆ２によって誘起された高周波電流Ｃ２が流れる。

ここで、エレメントコイルＲ１には、誘起された高周波電流Ｃ１によって更に磁場が発生する。例えば、この磁場の磁束Ｆ３は、図４に示すように、隣接するエレメントコイルＲ２を更に貫く。このため、エレメントコイルＲ２には、磁束Ｆ３によって誘起された高周波電流Ｃ３が流れる。この高周波電流Ｃ３は、高周波電流Ｃ２とは逆向きの電流である。また、図４においては図示を省略しているが、エレメントコイルＲ１側にも同様に、エレメントコイルＲ２からの磁束によって誘起された高周波電流が流れる。このようにして、隣接するエレメントコイル間にカップリングが生じる。

かかるカップリングは、隣接するエレメントコイルを重ね合わせる手法によって抑制することができる。図５に示すように、エレメントコイルＲ１とエレメントコイルＲ２とを重ね合わせると、エレメントコイルＲ１に発生した磁場の磁束Ｆ４が重ね合わせ部分（図５において斜線部分）を貫き、重ね合わせ部分には、磁束Ｆ４によって誘起された高周波電流Ｃ４が流れる。この高周波電流Ｃ４は、高周波電流Ｃ３とは逆向きの電流である。

そこで、隣接するエレメントコイルを重ね合わせる手法においては、重ね合わせ量を調整することで、誘導電流（隣接するエレメントコイルからの磁束によって自エレメントコイルに生じた高周波電流）をキャンセルする。すなわち、誘導電流は、隣接するエレメントコイルからの磁束が、自エレメントコイルの重ね合わせ部分以外を貫くことにより生じる誘導電流成分（例えば、高周波電流Ｃ３）と、隣接するエレメントコイルからの磁束が、自エレメントコイルの重ね合わせ部分を貫くことにより生じる誘導電流成分（例えば、高周波電流Ｃ４）とがある。第１の実施形態において、この両者の合計が『０』に近づくように調整された重ね合わせ量が、カップリングを抑制する第１重ね合わせ量である。

この第１重ね合わせ量は、例えば、各エレメントコイルの面積などから一意に決定される。また、例えば、図５に示すエレメントコイルの場合（なお、図４に示すエレメントコイルと同じサイズであるとする）、重ね合わせ部分の横幅が、エレメントコイルの横幅の１０％程度の場合に、カップリングが抑制されうる。あるいは、重ね合わせ部分の面積が、エレメントコイルの面積の１０％程度の場合に、カップリングが抑制されうる。

なお、第１重ね合わせ量は、Ｓ（scattering）パラメータのＳ２１を用いて、例えば「少なくとも−１０ｄＢ程度」と規定されてもよい。Ｓ２１は、２つのエレメントコイルをブラックボックスと考えた場合、一方のエレメントコイルに入力された信号が他方のエレメントコイルへ透過する度合いを示す。

これに対し、第１の実施形態に係る第１コイル８−１ａは、上述したように、第１重ね合わせ量より多い第２重ね合わせ量で、隣接するエレメントコイルの第１コイル８−１ａと部分的に重なり合う。例えば、図３に示すように、第２重ね合わせ量は、第１重ね合わせ量の約２倍である。すなわち、重ね合わせの幅Ｗ_２は、Ｗ_１の約２倍でよい。

ここで、第１重ね合わせ量より多い第２重ね合わせ量で重ね合わせた場合、概念的には、各エレメントコイルに、第１重ね合わせ量と第２重ね合わせ量との差分に起因する誘導電流が流れるので、第１重ね合わせ量では抑制されていたカップリングがその分増大する。このため、第１の実施形態において、各エレメントコイルは、この増大したカップリングを抑制するために、第１コイル８−１ａに直列に接続された第２コイル８−１ｂを備える。第２コイル８−１ｂは、第１重ね合わせ量と第２重ね合わせ量との差分に起因する誘導電流をキャンセルするように構成されている。

具体的には、第２コイル８−１ｂは、図３の（Ｂ）に示すように、隣接するエレメントコイルの第２コイル８−１ｂと重なり合い、第２コイル８−１ｂには、隣接する第２コイル８−１ｂからの磁束によって誘起された誘導電流が流れる。この誘導電流の向きは、第１重ね合わせ量と第２重ね合わせ量との差分に起因する誘導電流の向きと逆向きであるので、第１コイル８−１ａの重なり合いに起因する誘導電流をキャンセルすることができる。なお、図３の（Ｂ）に示すように、一方の第２コイル８−１ｂがクロスした状態で、他方の第２コイル８−１ｂと互いに重なり合う。クロスした状態の第２コイル８−１ｂは、反対側でもよい。

上述したように、第１の実施形態によれば、隣接するエレメントコイルとの重ね合わせ部分が増えるので、カップリングを抑制しつつ信号強度の低下を抑制することができる。

図６は、第１の実施形態における信号強度を説明するための図である。図６の（Ａ）は、第１重ね合わせ量の場合の信号強度を示し、図６の（Ｂ）は、第２重ね合わせ量の場合の信号強度を示す。エレメントコイルの感度はエレメントコイルの周辺部分で低下する。このため、図６の（Ａ）に示すように、第１重ね合わせ量の場合、重ね合わせ部分の感度が低下し、重ね合わせ部分の信号強度が低下する。例えば、第１の実施形態において、エレメントコイル表面から深さ７．５ｃｍの距離の信号強度は、エレメントコイルの中心部分に比較し、重ね合わせ部分の信号強度が約７％低下した。一方、図６の（Ｂ）に示すように、第２重ね合わせ量の場合、重ね合わせ部分の感度は低下せず、重ね合わせ部分の信号強度は低下しない。例えば、第１の実施形態において、エレメントコイル表面から深さ７．５ｃｍの距離の信号強度は、エレメントコイルの中心部分に比較し、重ね合わせ部分の信号強度が約３％向上した。

（第２の実施形態）
第１の実施形態においては、受信ＲＦコイル８の一例としてアレイコイル８−１を説明したが、実施形態はこれに限られるものではない。第２の実施形態においては、受信ＲＦコイル８の一例として、頸椎用のアレイコイル８−２を説明する。なお、ＭＲＩ装置１００が備える他の各部は第１の実施形態と同様であるので、説明を割愛する。

図７及び図８は、第２の実施形態に係るアレイコイル８−２の構成を示す図である。図７に示すように、第２の実施形態に係るアレイコイル８−２は、コイルカバーの内部に、被検体の首を覆う形状のエレメントコイル（１列目）と、背中に敷かれる平面形状のエレメントコイル（２列目）とを備える。

また、図８に示すように、１列目は、ループ状の第１コイル８−２ａと、第１コイル８−２ａに直列に接続された第２コイル８−２ｂとを備えるエレメントコイル（図８において点線で示す）、並びに、サドル状の第１コイル８−２ｃと、第１コイル８−２ｃに直列に接続された第２コイル８−２ｄとを備えるエレメントコイルである。また、２列目は、ループ状の第１コイル８−２ｅと、第１コイル８−２ｅに直列に接続された第２コイル８−２ｆとを備えるエレメントコイル（図８において点線で示す）、並びに、サドル状の第１コイル８−２ｇと、第１コイル８−２ｇに直列に接続された第２コイル８−２ｈとを備えるエレメントコイルである。なお、図８においてエレメントコイルのサイズを例示するが、実施形態はこれに限られるものではない。

第２の実施形態において、ループ状の第１コイル８−２ａは、第１重ね合わせ量より多い第２重ね合わせ量で、隣接するループ状の第１コイル８−２ｅと部分的に重なり合う。第１重ね合わせ量及び第２重ね合わせ量の意味は、第１の実施形態と同様である。例えば、第１重ね合わせ量（第２の実施形態において重ね合わせの幅）が約２ｃｍとすると、第２重ね合わせ量（図７に示す重ね合わせの幅Ｗ₂）は、例えば２倍の約４ｃｍに設定されうる。一方、サドル状の第１コイル８−２ｃも、第１重ね合わせ量より多い第２重ね合わせ量で、隣接するサドル状の第１コイル８−２ｇと部分的に重なり合う。例えば、第１重ね合わせ量が約１ｃｍとすると、第２重ね合わせ量は、例えば２倍の約２ｃｍに設定されうる。なお、例えば、第２重ね合わせ量の面積が、第１重ね合わせ量の面積の約２倍に設定されてもよい。

ここで、第１の実施形態と同様、各エレメントコイルに、第１重ね合わせ量と第２重ね合わせ量との差分に起因する誘導電流が流れうるため、第１重ね合わせ量では抑制されていたカップリングがその分増大する。このため、第２の実施形態においても、各エレメントコイルは、この増大したカップリングを抑制するために、それぞれ、第２コイル８−２ｂ、第２コイル８−２ｄ、第２コイル８−２ｆ、第２コイル８−２ｈを備える。

例えば、図８に示すように、第２コイル８−２ｂと第２コイル８−２ｆとは重なり合い、第２コイル８−２ｂには、隣接する第２コイル８−２ｆからの磁束によって誘起された誘導電流が流れる。この結果、第２コイル８−２ｂは、第１コイル８−２ａと第１コイル８−２ｅとの重なり合いに起因する誘導電流をキャンセルすることができる。一方、第２コイル８−２ｆには、隣接する第２コイル８−２ｂからの磁束によって誘起された誘導電流が流れるので、第１コイル８−２ａと第１コイル８−２ｅとの重なり合いに起因する誘導電流をキャンセルすることができる。なお、図８に示すように、一方の第２コイル８−２ｂがクロスした状態で、他方の第２コイル８−２ｆと互いに重なり合う。反対に、第２コイル８−２ｆ側をクロスした状態にしてもよい。

また、第２コイル８−２ｄと第２コイル８−２ｈとは重なり合い、第２コイル８−２ｄには、隣接する第２コイル８−２ｈからの磁束によって誘起された誘導電流が流れる。この結果、第２コイル８−２ｄは、第１コイル８−２ｃと第１コイル８−２ｇとの重なり合いに起因する誘導電流をキャンセルすることができる。一方、第２コイル８−２ｈには、隣接する第２コイル８−２ｄからの磁束によって誘起された誘導電流が流れるので、第１コイル８−２ｃと第１コイル８−２ｇとの重なり合いに起因する誘導電流をキャンセルすることができる。なお、図８に示すように、一方の第２コイル８−２ｄがクロスした状態で、他方の第２コイル８−２ｈと互いに重なり合う。反対に、第２コイル８−２ｈ側をクロスした状態にしてもよい。

上述したように、第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、隣接するエレメントコイルとの重ね合わせ部分が増えるので、カップリングを抑制しつつ信号強度の低下を抑制することができる。例えば、第２の実施形態において、エレメントコイル表面から深さ９ｃｍの距離の信号強度（図７において黒丸で示す）は、第１重ね合わせ量の場合と比較して、約１０％改善された。

なお、上述した実施形態においては、送信ＲＦコイルと受信ＲＦコイルとが別々に備えられる例を説明したが、実施形態はこれに限られるものではなく、例えば、送受信兼用のＲＦコイルにも、上述したアレイコイルを同様に適用することができる。また、隣接する第２コイル同士が重なり合う場合を例示的に示したが、隣接する第２コイル同士は必ずしも重なり合わなくても良い。

以上述べた少なくとも一つの実施形態のアレイコイル及び磁気共鳴イメージング装置によれば、カップリングを抑制しつつ信号強度の低下を抑制することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１００ ＭＲＩ装置
８−１ アレイコイル
８−１ａ 第１コイル
８−１ｂ 第２コイル
８−１ｃ プリアンプ

Claims (4)

1. 複数のエレメントコイルを備え、
   各エレメントコイルは、
   隣接するエレメントコイルと部分的に重なり合う第１コイルと、
   前記第１コイルに直列に接続され、前記隣接するエレメントコイルとの間で相互に誘導電流を生じる第２コイルとを備えたことを特徴とするアレイコイル。
2. 前記第２コイルは、前記第１コイルの重なり合いに起因する誘導電流をキャンセルするように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のアレイコイル。
3. 前記第１コイルは、カップリングを抑制する第１重ね合わせ量より多い第２重ね合わせ量で、前記隣接するエレメントコイルと部分的に重なり合い、
   前記第２コイルは、前記第１重ね合わせ量と前記第２重ね合わせ量との差分に起因する誘導電流をキャンセルすることを特徴とする請求項１又は２に記載のアレイコイル。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のアレイコイル
   を備えたことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。

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