JP2020146150A - 磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本体から無線型の局所コイルに対して、フェージングの影響を受けることなく安定にシステムクロックを送信でき、加えて、被検体の心拍や呼吸等の生体情報を、被検体に負担をかけることなく簡便に取得できる、磁気共鳴イメージング装置を提供する。【解決手段】磁気共鳴イメージング装置は、被検体から受信した磁気共鳴信号をＡＤ変換して無線で送信する局所コイル２０と、磁気共鳴信号を無線で受信すると共に、システムクロックを生成する本体と、システムクロックを、被検体の体表面に沿った電界伝搬を利用する表面電界通信によって送信する第１通信部１００と、局所コイルに設けられる第２通信部２００であって、表面電界通信によって送信されるシステムクロックを受信する第２通信部と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、磁気共鳴イメージング装置に関する。

磁気共鳴イメージング装置は、静磁場中に置かれた被検体の原子核スピンをラーモア周波数の高周波信号（ＲＦ（Radio Frequency）信号）で励起し、励起に伴って被検体から発生する磁気共鳴信号（ＭＲ（Magnetic Resonance）信号）を再構成して画像を生成する撮像装置である。

磁気共鳴イメージング装置では、全身用コイルからＲＦパルスを被検体に向けて送信する。この送信に応じて被検体から放出される磁気共鳴信号（即ち、ＭＲ信号）を、全身用コイル又は局所コイルで受信する。局所コイルは、被検体から放出されるＭＲ信号を被検体に近い位置で受信する。局所コイルは、被検体の撮像部位に応じて、頭部用、胸部用、脊椎用、下肢用など種々のタイプがある。

従来から、受信したＭＲ信号を有線で磁気共鳴イメージング装置本体に伝送する有線型の局所コイルが多く用いられている。これに対して、受信したＭＲ信号をＡＤ変換器でアナログ信号からデジタル信号に変換し、デジタル化されたＭＲ信号を無線で磁気共鳴イメージング装置本体（以下、単に本体と呼ぶ）に伝送する無線型の局所コイルが提案されている。

有線型の局所コイルを使用する際には、局所コイルから本体にアナログ信号として送られてきたＭＲ信号を、本体側のシステムクロックから生成したＡＤクロックを用いて本体側でＡＤ変換する。一方、無線型の局所コイルを使用する際には、ＭＲ信号をＡＤ変換するためのＡＤクロックが局所コイル側で必要であり、ＡＤクロックを生成するための基準クロックが局所コイル側にも必要となる。

デジタル化されたＭＲ信号は本体側に送られ、本体側のシステムクロックを用いて各種のデジタル処理が施される。このため、局所コイル側のシステムクロックと本体側のシステムクロックとは、互いに同期している必要がある。

そこで、互いのシステムクロックを同期させるために、本体側のシステムクロックを局所コイルに無線送信することが考えられる。しかしながら、従来の遠隔無線通信の方式では、無線伝搬路で発生するフェージングの影響によって、システムクロックの安定な送信が難しくなる状況が発生しうる。

一方、上記のシステムクロックの伝送とは別に、被検体の心拍や呼吸等の生体情報を、被検体に負担をかけることなく簡便に取得したいという強い要望もある。

米国特許出願公開第２０１７／０１７６５５２号明細書

本発明が解決しようとする課題は、磁気共鳴イメージング装置の本体から無線型の局所コイルに対して、フェージングの影響を受けることなく安定にシステムクロックを送信できるようにすることである。加えて、被検体の心拍や呼吸等の生体情報を、被検体に負担をかけることなく簡便に取得できるようにすることである。

一実施形態の磁気共鳴イメージング装置は、被検体から受信した磁気共鳴信号をＡＤ変換して無線で送信する局所コイルと、前記磁気共鳴信号を無線で受信すると共に、システムクロックを生成する本体と、前記システムクロックを、前記被検体の体表面に沿った電界伝搬を利用する表面電界通信によって送信する第１通信部と、前記局所コイルに設けられる第２通信部であって、前記表面電界通信によって送信される前記システムクロックを受信する第２通信部と、を備える。

各実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置の全体構成例を示す構成図。 第１通信部と第２通信部の被検体への配設状態と、第１通信部から第２通信部への無線の伝搬状況を模式的に示す図。 第１の実施形態に係る第１通信部及び第２通信部構成例を示すブロック図。 第１の実施形態の第１変形例に係る第１通信部及び第２通信部の構成例を示すブロック図。 第１の実施形態の第２変形例に係る第１通信部及び第２通信部の構成例を示すブロック図。 第１の実施形態の第３変形例に係る第１通信部及び第２通信部の構成例を示すブロック図。 第２の実施形態の第３変形例に係る第１通信部及び第２通信部の構成例を示すブロック図。 第２の実施形態で使用される第１電極と第２電極の配置状況を示すと共に、第１電極と第２電極との間の電界の伝搬状況を模式的に示す図。 第２の実施形態の第３変形例で使用される第１電極と第２電極を例示する図。 第２の実施形態の第４変形例に係る第１通信部の構成例を示す図。 第２の実施形態の第５変形例に係る第１通信部の構成例を示す図。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は、第１の実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置１の全体構成を示すブロック図である。第１の実施形態の磁気共鳴イメージング装置１は、磁石架台２、制御キャビネット３００、コンソール４００、寝台５００等を備えて構成される。

磁石架台２は、静磁場磁石１０、傾斜磁場コイル１１、ＷＢ（Whole Body）コイル１２等を有しており、これらの構成品は円筒状の筐体に収納されている。寝台５００は、寝台本体５０と天板５１を有している。また、磁気共鳴イメージング装置１は、被検体に近接して配設される局所コイル２０を有している。

制御キャビネット３００は、傾斜磁場電源３１（Ｘ軸用３１ｘ、Ｙ軸用３１ｙ、Ｚ軸用３１ｚ）、ＲＦ受信器３２、ＲＦ送信器３３、及びシーケンスコントローラ３４を備えている。

磁石架台２の静磁場磁石１０は、概略円筒形状をなしており、被検体（例えば患者）の撮像領域であるボア（静磁場磁石１０の円筒内部の空間）内に静磁場を発生させる。傾斜磁場コイル１１も概略円筒形状をなし、静磁場磁石１０の内側に固定されている。傾斜磁場コイル１１は、３チャンネル構造を有している。傾斜磁場コイル１１の各チャンネルの傾斜磁場コイルには、傾斜磁場電源（３１ｘ、３１ｙ、３１ｚ）から夫々電流が供給され、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の夫々の方向に傾斜磁場が生成される。

寝台５００の寝台本体５０は天板５１を上下方向に移動可能であり、撮像前に天板５１に載った被検体を所定の高さまで移動させる。その後、撮像時には天板５１を水平方向に移動させて被検体をボア内に移動させる。

ＷＢコイル１２は、傾斜磁場コイル１１の内側に被検体を取り囲むように概略円筒形状に固定されている。ＷＢコイル１２は、ＲＦ送信器３３から伝送されるＲＦパルスを被検体に向けて送信する一方、水素原子核の励起によって被検体から放出される磁気共鳴信号（即ち、ＭＲ信号）を受信する。

局所コイル２０は、被検体から放出されるＭＲ信号を被検体に近い位置で受信する。局所コイル２０は、例えば、複数の要素コイルから構成される。局所コイル２０は、被検体の撮像部位に応じて、頭部用、胸部用、脊椎用、下肢用、或いは全身用など種々のタイプがあるが、図１では胸部用の局所コイル２０を例示している。

ＲＦ送信器３３は、シーケンスコントローラ３４からの指示に基づいて、ＷＢコイル１２にＲＦパルスを送信する。一方、ＲＦ受信器３２は、ＷＢコイル１２や局所コイル２０によって受信されたＭＲ信号を検出し、検出したＭＲ信号をデジタル化して得られる生データをシーケンスコントローラ３４に送る。

シーケンスコントローラ３４は、コンソール４００による制御のもと、傾斜磁場電源３１、ＲＦ送信器３３およびＲＦ受信器３２をそれぞれ駆動することによって被検体のスキャンを行う。そして、シーケンスコントローラ３４は、スキャンを行ってＲＦ受信器３２から生データを受信すると、その生データをコンソール４００に送る。

シーケンスコントローラ３４は、処理回路（図示を省略）を具備している。この処理回路は、例えば所定のプログラムを実行するプロセッサや、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等のハードウェアで構成される。

コンソール４００は、処理回路４０、記憶回路４１、ディスプレイ４２、及び入力デバイス４３を有するコンピュータとして構成されている。

記憶回路４１は、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）の他、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）や光ディスク装置等の外部記憶装置を含む記憶媒体である。記憶回路４１は、各種の情報やデータを記憶する他、処理回路４０が具備するプロセッサが実行する各種のプログラムを記憶する。

ディスプレイ４２は、液晶ディスプレイパネル、プラズマディスプレイパネル、有機ＥＬパネル等の表示デバイスである。入力デバイス４３は、例えば、マウス、キーボード、トラックボール、タッチパネル等であり、各種の情報やデータを操作者が入力するための種々のデバイスを含む。

処理回路４０は、例えば、ＣＰＵや、専用又は汎用のプロセッサを備える回路である。プロセッサは、記憶回路４１に記憶した各種のプログラムを実行することによって、後述する各種の機能を実現する。処理回路４０は、ＦＰＧＡ（field programmable gate array）やＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）等のハードウェアで構成してもよい。これらのハードウェアによっても後述する各種の機能を実現することができる。また、処理回路４０は、プロセッサとプログラムによるソフトウェア処理と、ハードウェア処理とを組み合わせて、各種の機能を実現することもできる。

実施形態の磁気共鳴イメージング装置１は、ＷＢコイル１２に加えて、局所コイル２０を有している。局所コイル２０は、被検体から放出されるＭＲ信号を被検体に近い位置で受信する。局所コイル２０は、例えば、複数の要素コイルから構成される。局所コイル２０は、被検体の撮像部位に応じて、頭部用、胸部用、脊椎用、下肢用、或いは全身用など種々のタイプがあるが、図１では胸部用の局所コイル２０を例示している。

また、実施形態の磁気共鳴イメージング装置１の局所コイル２０は、無線型の局所コイル２０であり、被検体から受信したＭＲ信号をデジタル信号に変換して、ＭＲＩ装置本体６００に無線で送信するように構成されている。なお、本明細書では、磁気共鳴イメージング装置１から、局所コイル２０と、後述する第１通信部、及び、第２通信部を除いた構成を、ＭＲＩ装置本体６００と呼ぶものとしている。

局所コイル２０は、受信したアナログ信号であるＭＲ信号をＡＤ変換器でデジタル信号に変換し、デジタル化されたＭＲ信号をＭＲＩ装置本体６００に無線で送信するが、ＡＤ変換するためのＡＤクロックが必要である。一方、ＭＲＩ装置本体６００側は、無線で受信したＭＲ信号を取り込むため、局所コイル２０側のＡＤクロックと同期した処理クロックが必要である。

そこで、実施形態の磁気共鳴イメージング装置１では、ＭＲＩ装置本体６００でシステムクロックと呼ぶ基準クロックを生成し、このシステムクロックから処理クロックを生成する一方、このシステムクロックを局所コイル２０に無線で送信することにより、ＭＲＩ装置本体６００と局所コイル２０とで、互いに同期のとれた処理を可能としている。そして、このシステムクロックの無線送信を、第１通信部１００と第２通信部２００とで行うものとしている。

図２は、第１通信部１００と第２通信部２００の被検体への配設状態と、第１通信部１００から第２通信部２００への無線の伝搬状況を模式的に示す図である。本実施形態の磁気共鳴イメージング装置１では、第１通信部１００から第２通信部２００へのシステムクロックの無線伝送を、被検体の体表面に沿った電界伝搬を利用する表面電界通信を用いて行うものとしている。表面電界通信は、準静電界通信とも呼ばれる。

電磁界は、放射電磁界、誘電電磁界、及び、準静電界に分類できる。放射電磁界は距離に反比例し、誘導電磁界は距離の２乗に反比例し、準静電界は距離の３乗に反比例して減衰する。これらのうち、距離に対する減衰が最も小さい放射電磁界（所謂、電波）が、通常の遠距離通信に用いられている。

一方、準静電界は放射電磁界のように空間を伝搬する性質がなく、人体や車両などの物質の近傍に静電気帯電のように分布する電圧現象である。静電界の時間変化はゼロとみなせるのに対して、準静電界は周波数成分をもち、時間変化を伴う。

本実施形態の第１通信部１００と第２通信部２００との間の通信は、この準静電界を利用するものである。第１通信部１００の電極１１０と被検体（人体）との間に容量結合による電界を励起し、この電界にシステムクロックの情報を重畳することにより、第１通信部１００から第２通信部２００に、システムクロックの情報を人体の表面を媒体として伝達する。

図２に示すように、第１電極１１０を有する第１通信部１００は、例えば、寝台５００の天板５１の内部、或いは、天板５１の上部に配設される。特に、第１通信部１００が具備する第１電極１１０は、被検体に近接して配設するのが好ましく、図２に示すように、例えば、被検体の背中に近接して配設される。第１電極１１０は、絶縁被膜で被覆することができ、必ずしも被検体の皮膚に接触する必要はなく、衣服を介して被検体の近傍に配設してもよい。第１電極は、例えば、金属平板ある。第１電極の寸法は特に限定するものではないが、例えば、１辺或いは径が数センチメートルから数十センチメートルの範囲の金属平板である。

一方、第２通信部２００は、局所コイル２０の内部に配設される。そして、第２通信部２００が有する第２電極２１０は、第１通信部１００の第１電極１１０と同様に、被検体に近接して配設される。例えば、第２電極は被検体の胸部、或いは、腹部に近接して配設される。また、第２電極も第１電極と同様に、例えば、１辺或いは径が数センチメートルから数十センチメートルの範囲の金属平板である。

図３は、第１の実施形態に係る第１通信部１００及び第２通信部２００の構成例を示すブロック図である。図３には、第１通信部１００と第２通信部２００との通信及び通信情報に関連するＭＲＩ装置本体６００の機能も示している。

ＭＲＩ装置本体６００はシステムクロック生成回路６２０を有しており、システムクロック生成回路６２０でシステムクロックを生成する。システムクロックは、磁気共鳴イメージング装置１全体で基準となるクロックであり、局所コイル２０でＭＲ信号をＡＤ変換するときにＡＤクロックはシステムクロックから生成される。また同時に、局所コイル２０から無線送信されてきたデジタルのＭＲ信号をＭＲＩ装置本体６００に取り込むためのクロックもシステムクロックから生成される。

このように、システムクロックは、ＭＲＩ装置本体６００と局所コイル２０との間で同期のとれた処理を行うために必要となる基準クロックである。このため、ＭＲＩ装置本体６００で生成したシステムクロックを、局所コイル２０に送る必要がある。

本実施形態の局所コイル２０は、ＭＲ信号を無線でＭＲＩ装置本体６００に送信する無線型として構成されているため、ＭＲＩ装置本体６００で生成したシステムクロックを、無線で局所コイル２０に伝送する必要がある。実施形態の磁気共鳴イメージング装置１では、このシステムクロックの無線伝送を、前述した、体表面に沿った表面電界通信を利用して行っている。そして、このシステムクロックの無線伝送を、図３に示す第１通信部１００と第２通信部２００を用いて行なっている。以下、システムクロックの無線伝送に焦点を絞って説明していく。

第１通信部１００は、図３に示すように、第１ＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路１２１、バンドパスフィルタ（BPF）１１２、及び、第１電極１１０を有している。第１ＰＬＬ回路１２１は、さらに、位相比較器／チャージポンプ（PFD/CP）１２３、ループフィルタ１２４、ＶＣＯ(voltage controlled oscillator)１２５、及び、分周器（Ｍ/Ｎ）１２２を有している。

ＭＲＩ装置本体６００で生成されるシステムクロックのクロック周波数は特に限定するものではないが、以下では、システムクロックのクロック周波数が２ＭＨｚである例を用いて説明する。

第１通信部１００の第１ＰＬＬ回路１２１では、ＭＲＩ装置本体６００から有線で送られてくるシステムクロックの周波数を逓倍して、システムクロックを第１通信部１００から第２通信部２００に、表面電界通信を用いた無線伝送を行うための搬送信号を生成する。ここでの搬送信号は、特定の情報によって変調されたものではなく、単にシステムクロックを逓倍したクロック信号を搬送信号と呼ぶものとしている。また、搬送信号の周波数を搬送周波数と呼ぶものとしている。搬送信号は、システムクロックをＰＬＬ回路を用いて逓倍した信号であるため、搬送信号とシステムクロックとは、互いに同期がとれた信号となっている。

搬送信号は、バンドパスフィルタ１１２によって不要波等が除去され、第１電極１１０を用いた表面電界通信により、第２通信部２００の第２電極に無線伝送される。搬送信号の搬送周波数は、システムクロックの周波数と、分周器（Ｍ/Ｎ）１２２の分周率で定まる。分周器（Ｍ/Ｎ）１２２の分周率を１／１０とした場合、システムクロックのクロック周波数は２ＭＨｚであるので、搬送信号の搬送周波数は２０ＭＨｚとなる。

搬送信号の搬送周波数は特に限定するものではないが、放射電磁界を抑制することにより、被検体から離れた物体からの反射を抑えてフェージングを低減させる観点から、あまり高い周波数は好ましくない。一方、搬送周波数を低くしすぎると、被検体の周囲の雑音の影響を受けやすくなる。このような観点から、搬送信号の搬送周波数は、例えば、１ＭＨｚから数１０ＭＨｚの範囲に設置される。本明細書では、一例として、搬送信号の搬送周波数が２０ＭＨｚであるものとして説明している。

第１通信部１００の第１電極１１０から無線伝送されてきた搬送信号は、第２通信部２００の第２電極２１０で受信される。第２通信部２００は、この第２電極２１０の他、バンドパスフィルタ（BPF）２１２、及び、第２ＰＬＬ回路２２１を有している。第２ＰＬＬ回路２２１は、第１ＰＬＬ回路１２１と同様に、分周器（Ｍ/Ｎ）２２２、位相比較器／チャージポンプ（PFD/CP）２２３、ループフィルタ２２４、及び、ＶＣＯ２２５を有している。

第２ＰＬＬ回路２２１は、第１ＰＬＬ回路１２１と逆の動作をする。第１ＰＬＬ回路１２１は、システムクロックを、例えば、２ＭＨｚから２０ＭＨｚへと１０倍に逓倍して搬送信号を生成する。これに対して、第２ＰＬＬ回路２２１は、搬送信号を、例えば、２０ＭＨｚから２ＭＨｚへと１／１０に分周してシステムクロックを生成する。

第１ＰＬＬ回路１２１の分周器（Ｍ/Ｎ）１２２の分周率（例えば、１／１０）と、第２ＰＬＬ回路２２１の分周器（Ｍ/Ｎ）２２２の分周率（例えば、１／１０）を一致させることにより、第１通信部１００に入力されるシステムクロックの周波数と、第２通信部２００から出力されるシステムクロックの周波数とを完全に一致させることができ、また、これら２つのシステムクロックの位相を完全に同期させることができる。

第２通信部２００は、局所コイル２０に内蔵されるか、局所コイル２０に近接して配置される。局所コイル２０では、要素コイル２７０で受信されたＭＲ信号を、ＡＤ変換器２４０でデジタル信号に変換する。このとき使用されるＡＤクロックは、第２通信部２００から出力されるシステムクロックを、局所コイル２０の逓倍器２３０で逓倍したものである。したがって、局所コイル２０で使用するＡＤクロックは、ＭＲＩ装置本体６００で生成されるシステムクロックに対して、同期が確保されたクロック信号となっている。

デジタル信号に変換されたＭＲ信号は、無線変調／送信器２５０によって無線伝送に適した信号に変換され、送受信アンテナ２６０からＭＲＩ装置本体６００の送受信アンテナ６１０に向けて無線で伝送される。この無線伝送は、例えば、放射電磁界を用いた遠隔通信方式を用いることができる。

ＭＲＩ装置本体６００では、受信したＭＲ信号を、ＭＲ信号復調回路６１２で復調処理する。その後、再構成処理回路６３０で、再構成処理してＭＲ画像を生成する。

上述した第１の実施形態の磁気共鳴イメージング装置１では、ＭＲＩ装置本体６００で生成したシステムクロックを、被検体の体表面に沿った電界伝搬を利用する表面電界通信によって局所コイル２０に無線伝送している。このため、被検体の周囲の物体からの反射によるフェージングの影響を受けることなく、ＭＲＩ装置本体６００から局所コイル２０に対してシステムクロックを安定に無線伝送することができる。

（第１の実施形態の第１変形例）
図４は、第１の実施形態の第１変形例に係る第１通信部１００及び第２通信部２００の構成例を示すブロック図である。第１の実施形態の第１変形例は、上述した第１の実施形態に対して、搬送信号の位相の揺らぎを検出する機能と、位相の揺らぎが少なくなるように搬送信号の搬送周波数を設定する機能とを付加している。

搬送信号の位相の揺らぎを検出する機能を実現するため、第２通信部２００は、揺らぎ検出回路２２６を備えている。揺らぎ検出の方法は特に限定するものではないが、例えば、揺らぎ検出回路２２６は、第２電極２１０で受信した搬送信号を遅延素子で遅延させた第１パスと、遅延のない第２パスに分岐し、第１パスと第２パスの出力端の位相差を検出する。搬送信号の位相に揺らぎが無ければこの位相差は一定値を示し、搬送信号の位相に揺らぎが有る場合には、この位相差も変動すると考えられる。

揺らぎ検出回路２２６で検出された搬送信号の位相揺らぎの有無、或いは、位相揺らぎの程度は、無線変調／送信器２５０を介して、ＭＲＩ装置本体６００に送られる。第１の実施形態の第１変形例に係るＭＲＩ装置本体６００は、クロック搬送周波数制御回路６４０を備えている。クロック搬送周波数制御回路６４０は、搬送信号の位相揺らぎの有無、或いは、位相揺らぎの程度に基づいて、位相の揺らぎが少なくなるように搬送信号の搬送周波数を調整する。

具体的には、第１通信部１００の分周器（Ｍ/Ｎ）１２２の分周率と、第２通信部２００の分周器（Ｍ/Ｎ）２２２の分周率とを、クロック搬送周波数制御回路６４０からの制御信号によって同時に変更することにより、位相の揺らぎが少なくなる搬送信号の搬送周波数を探索し、適切な搬送周波数に設定する。第２通信部２００の分周器（Ｍ/Ｎ）２２２の分周率を変更するための制御信号は、ＭＲＩ装置本体６００から無線により局所コイル２０に送られ、局所コイル２０の無線受信／復調器２８０を介して分周器（Ｍ/Ｎ）２２２に送られる。

第１の実施形態の第１変形例によれば、第１の実施形態の効果に加えて、搬送信号の位相揺らぎを低減することができ、その結果、システムクロックの位相揺らぎも低減することができる。

（第１の実施形態の第２変形例）
図５は、第１の実施形態の第２変形例に係る第１通信部１００及び第２通信部２００の構成例を示すブロック図である。なお、図５では、煩雑を避けるために、第１ＰＬＬ回路１２１と、第２ＰＬＬ回路２２１の夫々の内部構成の記載を省略している。

第１の実施形態の第２変形例は、上述した第１の実施形態の第１変形例に対して、システムクロックの位相をシフトさせる機能を付加している。この付加機能は、第１変形例で付加した機能を取り除き、第１の実施形態に直接付加することもできる。

第１の実施形態の第２変形例では、ＭＲＩ装置本体６００に位相遅延算出回路６５０を設け、この位相遅延算出回路６５０によって、システムクロックの所望の位相シフト量を算出する。本実施形態で用いている表面電界通信では、被検体の体の大きさによって伝搬経路長が異なる。このため、第１通信部１００の送信元のシステムクロックと第２通信部２００で再生されるシステムクロックとの位相差（即ち、遅延量に起因する位相差）は、被検体の胴体の太さ等、被検体の大きさに依存して異なった値となる。

そこで、第１の実施形態の第２変形例では、画像認識技術等を用いて、位相遅延算出回路６５０が、被検体の胴体の太さ等の被検体の大きさを推定し、第１通信部１００から第２通信部２００までの伝搬経路長を予測して、位相の補正量を算出している。

算出された位相の補正量は、第１通信部１００に設けられた位相器（フェーズシフタ）１２６に設定され、この位相器１２６で送信元のシステムクロックの位相を調整することにより、伝搬経路長に起因する遅延位相量を補正している。

（第１の実施形態の第３変形例）
図６は、第１の実施形態の第３変形例に係る第１通信部１００及び第２通信部２００の構成例を示すブロック図である。第１の実施形態の第３変形例は、第１の実施形態の第２変形例に対して、心拍や呼吸動等の体動を検出する機能を付加している。

第１通信部１００から第２通信部２００に伝送される搬送信号は、図２に示したように、第１電極１１０から第２電極２１０に向かって、被検体の体表面に沿って伝搬する。このため、呼吸や心拍によって被検体の体表面が変動すると、搬送信号は呼吸動や心拍の周期や変動幅に対応した振幅変調を受けることになる。

そこで、第１の実施形態の第３変形例では、第２通信部２００に心拍／呼吸動検出回路２２８を設けた構成としている。第２電極２１０で受信された搬送信号は、バンドパスフィルタ２１２を経由して第２ＰＬＬ回路２２１に向かい、ここでシステムクロックが再生される一方、ローパスフィルタ２２７を経由して心拍／呼吸動検出回路２２８に向かう。心拍／呼吸動検出回路２２８は搬送信号の振幅変動に基づいて、被検体の呼吸動や心拍を検出し、また、呼吸動や心拍に関する情報を抽出する。

心拍／呼吸動検出回路２２８は、呼吸動や心拍の波形や、呼吸動や心拍の波形に基づく呼吸の時相情報や心拍の時相情報を生体情報として検出してもよいし、呼吸の周期や呼吸数、心拍の周期や心拍数を生体情報として検出することもできる。

心拍／呼吸動検出回路２２８で検出されたこれらの生体情報は、無線変調／送信器２５０に送られ、ＭＲＩ装置本体６００に無線で送信される。ＭＲＩ装置本体６００は、第２通信部２００から送られてきた生体情報をディスプレイ４２に表示させることができる。また、心拍の波形や、呼吸動の波形を用いた心電同期撮像や、呼吸同期撮像を行うこともできる。

また、第２通信部２００から送られてきた心拍波形や呼吸波形を用いて、再構成処理回路６３０で行う再構成処理において、位置補正や位相補正による動き補正処理を行ってもよい。

（第２の実施形態）
図７は、第２の実施形態に係る第１通信部１００及び第２通信部２００の構成例を示すブロック図である。第２の実施形態は、上述した第１の実施形態の第３変形例と同様に、第１の実施形態の第２変形例に対して、心拍や呼吸動等の体動を検出する機能を付加している。

但し、第１の実施形態の第３変形例が、システムクロックを伝送する搬送信号の振幅変動を利用して心拍や呼吸動等の体動を検出しているのに対して、第２の実施形態では、システムクロックの搬送信号とは独立に設けた生体情報モニタ用信号によって心拍や呼吸動等の体動を検出するように構成している。そして、生体情報モニタ用信号の周波数は、システムクロック伝送用の搬送信号の周波数とは異なる周波数が選択される。

生体情報モニタ用信号は、第１通信部１００に設けた生体モニタ用発信器１２７によって生成する。生体情報モニタ用信号の周波数は、例えば、２８０ＭＨｚであり、システムクロック伝送用の搬送信号の搬送周波数２０ＭＨｚよりも高い周波数が選択される。

生体情報モニタ用信号とクロック伝送用の搬送信号は、合成器１２８で合成され、第１電極１１０から、第２通信部２００の第２電極２１０に無線伝送される。第２通信部２００では、生体情報モニタ用信号とクロック伝送用の搬送信号の合成信号が分配器２２９で２つに分けられる。一方は中心周波数が２０ＭＨｚのバンドパスフィルタ２１２を通って第２ＰＬＬ回路２２１へ伝送され、他方は中心周波数が２８０ＭＨＺのバンドパスフィルタ２２０を通って心拍／呼吸動検出回路２２８へ伝送される。

心拍／呼吸動検出回路２２８は、第１電極１１０から第２電極２１０への生体情報モニタ用信号の透過信号の大きさの変動を検出することにより、心拍や呼吸動などの体動を検出している。

図７に示す第２の実施形態のブロック図には、ａ）システムクロック搬送信号の位相の揺らぎを検出し、位相揺らぎが少なるように搬送周波数を調整する機能（揺らぎ検出回路２２６、クロック搬送周波数制御回路６４０等）や、ｂ）システムクロックの伝搬経路長による位相遅れを補正する機能（位相器１２６、位相遅延算出回路６５０）が含まれているが、第２の実施形態の構成から、ａ）搬送周波数の調整機能、及び、ｂ）位相遅れの補正機能の双方を取り除いた構成としてもよいし、いずれか一方の機能を取り除いた構成とすることもできる。

図８は、第２の実施形態に係る第１通信部１００及び第２通信部２００で使用される第１電極１１０と第２電極２１０の配置状況を示すと共に、第１電極１１０と第２電極２１０との間の電界の伝搬状況を模式的に示す図である。図８（ａ）右部に示すように、第１電極１１０、第２電極２１０は、板状ダイポールアンテナとして構成される。

ダイポールアンテナの素子の形状が棒状ではなく板状に構成することにより、被検体（人体）との間に容量結合による電界を励起しやすくなり、比較的低い周波数（例えば、上述した、２０ＭＨｚの搬送周波数）を用いた近傍界（準静電界）Ｅｓで体表面を伝搬する表面電界通信に好適なアンテナを実現することができる。その一方で、２つの板状の素子の中央に給電することにより半波長ダイポールアンテナを構成することにより、上記の搬送周波数よりも高い周波数（例えば、２８０ＭＨｚ）を用いた遠方界（放射界）Ｅｒでの通信も同時に実現することができる。

なお、近傍界（準静電界）Ｅｓは、板状電極が長方形の場合には電極の長手方向に伝搬しやすいことが知られている。このため、板状ダイポールアンテナの長手方向を被検体の頭足方向と直交するように（即ち、被検体の左右方向と平行に）配設した方が好ましい。なぜなら、搬送信号が伝搬しやすい方向と、伝搬経路長が短くなる方向とが合致するからである。

（第２の実施形態の第１変形例）
上述した第２の実施形態では、第２通信部２００に設けた心拍／呼吸動検出回路２２８によって、第１電極１１０から第２電極２１０への生体情報モニタ用信号の透過信号の大きさの変動を検出することにより、心拍や呼吸動などの体動を検出している。

透過信号による体動検出に換えて、第１通信部１００に心拍／呼吸動検出回路（図示せず）を設けると共に、方向性結合器（図示せず）を合成器１２８と第１電極１１０との間に設け、第１電極１１０からの反射信号の変動を、第１通信部１００に設けた心拍／呼吸動検出回路で検出してもよい。この場合、第１通信部１００の心拍／呼吸動検出回路は、被検体と第１電極１１０との間の近傍界結合の結合量の変化を検出することになる。即ち、被検体の心拍や呼吸動等の体動によって被検体と第１電極１１０との間の近傍界結合の結合量が変動することによって、生体情報モニタ用信号に関する第１電極１１０の整合状態が変動し、結果的に、第１電極１１０からの生体情報モニタ用信号の反射信号が変動する。第２の実施形態の第１変形例では、この反射信号の変動を検出することにより、心拍や呼吸動などの体動を検出するものとしている。

（第２の実施形態の第２変形例）
第２の実施形態の第２変形例は、心拍や呼吸動などの体動を検出に関して、第２の実施形態と、上記の第２の実施形態の第１変形例を組み合わせたものである。即ち、第２の実施形態の第２変形例では、第２通信部２００に心拍／呼吸動検出回路２２８を設けると共に、第１通信部１００にも心拍／呼吸動検出回路を設ける構成とする。

第２通信部２００に心拍／呼吸動検出回路２２８では、第１電極１１０から第２電極２１０への生体情報モニタ用信号の透過信号の大きさの変動を検出する。一方、第１通信部１００にも心拍／呼吸動検出回路では、第１電極１１０からの生体情報モニタ用信号の反射信号の大きさの変動を検出する。そして、透過信号の変動と反射信号の変動とをダイバーシティ処理することにより、心拍や呼吸動などの体動を検出するものとしている。例えば、透過信号の変動幅と反射信号の変動幅とを比較し、変動幅の大きい方の信号から心拍や呼吸動などの体動を検出するものとしている。

（第２の実施形態の第３変形例）
図９は、第２の実施形態の第３変形例に係る第１通信部１００及び第２通信部２００で使用される第１電極１１０と第２電極２１０を例示する図である。第２の実施形態では、第１電極１１０と第２電極２１０として、板状ダイポールアンテナを使用しているが（図８）、第２の実施形態の第３変形例では、板状ダイポールアンテナ換えて、マイクロストリップ円偏波アンテナを使用するものとしている。

第１電極１１０と第２電極２１０の双方にマイクロストリップ円偏波アンテナを使用することにより、近傍界（準静電界）Ｅｓでの表面電界通信に関しては、ほぼ無指向性となる。このため、第１電極１１０と第２電極２１０の体表面に対する位置ずれや、互いの向きのずれがあっても、そのことによる影響を受けにくくなる。

また、円偏波を利用することにより、被検体の周囲からの１次反射信号の影響を受けにくくなる。１次反射信号は円偏波の回転方向が逆になるからである。

マイクロストリップ円偏波アンテナに換えて、２つの板状ダイポールアンテナを互いに直交するように配置したクロスダイポールアンテナとすることもできる。クロスダイポールアンテナによって、円偏波を実現できる。また、指向性に関しても、ダイポールアンテナに比べるとマイクロストリップ円偏波アンテナに近い広角な指向性となり、第１電極１１０と第２電極２１０の位置ずれや向きのずれの影響を受けにくくすることができる。

（第２の実施形態の第４変形例）
図１０は、第２の実施形態の第４変形例に係る第１通信部１００の構成例を示す図である。図１０では、特に、システムクロックの搬送信号（中心周波数ｆc1、例えば、 ２０ＭＨｚ）と、生体情報モニタ用信号（中心周波数ｆc2、例えば、２８０ＭＨｚ）の生成に関わる構成に焦点を絞っている。

ＭＲＩ装置本体６００のシステムクロック生成回路６２０で生成されたシステムクロック（クロック周波数ｆsys、例えば、２ＭＨｚ）は、第１通信部１００の第１ＰＬＬ回路１２１で１０倍の周波数fc1（＝２０ＭＨｚ）に変換される。

一方、第１通信部１００は、ローカル周波数ｆL（＝１３０ＭＨｚ）のローカル発信器を有している。図１０の左から１つ目のミキサにより、第１ＰＬＬ回路１２１の出力信号とローカル発信器の出力信号が混合され、中間周波数（ｆc1＋ｆL＝１５０ＭＨｚ、ｆc1−ｆL＝１１０ＭＨｚ）の中間信号が生成される。この中間信号は、中心周波数Ｆc（＝１５０ＭＨｚ）のバンドパスフィルタによって１５０ＭＨｚの周波数の中間信号の方が選択され、さらに、左から２つ目のミキサにより、ローカル発信器の出力信号と再度混合される。このミキサの出力には、中間周波数（ｆc1＋ｆL＝１５０ＭＨｚ）とローカル周波数ｆL（＝１３０ＭＨｚ）の和の周波数（ｆc1＋２ｆL＝２８０ＭＨｚ）と、差の周波数（ｆc1＝２０ＭＨｚ）とが含まれている。ミキサの後段の分配器と２つのバンドパスフィルタにより、和の周波数（＝２８０ＭＨｚ）に対応する信号が生体情報モニタ用信号として抽出され、差の周波数（＝２０ＭＨｚ）に対応する信号がシステムクロックの搬送信号として抽出される。そして、これら２つの信号が合成器で合成されて、第１電極１１０から出力される。

（第２の実施形態の第５変形例）
図１１は、第２の実施形態の第５変形例に係る第１通信部１００の構成例を示す図である。前述した第２の実施形態の第４変形例では、第１通信部１００の中にローカル周波数ｆL（＝１３０ＭＨｚ）のローカル発信器を有する構成としていた。これに対して、第２の実施形態の第５変形例では、第１通信部１００の中にローカル発信器を持つことなく、ＭＲＩ装置本体６００が具備する発信器６７０の出力信号を、第１通信部１００の各ミキサのローカル信号として利用する構成としている。

ＭＲＩ装置本体６００の発信器６７０の出力信号は、被検体のＭＲ信号を励起するためのＲＦパルスを生成するものであり、ＲＦ送信機３３からＷＢコイル１２を介して被検体に照射される。磁気共鳴イメージング装置１の静磁場が３テスラのとき、発信器６７０の出力信号の周波数は、ラーモア周波数である１３０ＭＨｚである。そこで、第２の実施形態の第５変形例では、ラーモア周波数を第１通信部１００の中にローカル周波数ｆL（＝１３０ＭＨｚ）として利用する構成としている。

第２の実施形態の第５変形例によれば、第１通信部１００内のローカル発信器が不要となる。さらに、生体情報モニタ用信号の周波数は、ラーモア周波数の高調波と合致することがないため、ＭＲＩ装置本体６００が生成する送信用ＲＦパルスの高調波の影響を受けることがない。

以上説明してきた各実施形態の磁気共鳴イメージング装置１によれば、磁気共鳴イメージング装置の本体から無線型の局所コイルに対して、フェージングの影響を受けることなく安定にシステムクロックを送信できる他、被検体の心拍や呼吸等の生体情報を、被検体に負担をかけることなく簡便に取得できる。

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。

１ 磁気共鳴イメージング装置
１１ 傾斜磁場コイル
１２ ＷＢコイル
２０ 局所コイル
３３ ＲＦ送信機
５１ 天板
１００ 第１通信部
１１０ 第１電極、板状ダイポールアンテナ
１２１ 第１ＰＬＬ回路
１２６ 位相器
１２７ 生体モニタ用発信器
２００ 第２通信部
２１０ 第２電極、板状ダイポールアンテナ
２２１ 第２ＰＬＬ回路
２２６ 揺らぎ検出回路
２２８ 心拍／呼吸動検出回路
６００ ＭＲＩ装置本体
６２０ システムクロック生成回路
６４０ クロック搬送周波数制御回路
６７０ 発信器（ＭＲＩ装置本体）

Claims (13)

1. 被検体から受信した磁気共鳴信号をＡＤ変換して無線で送信する局所コイルと、
   前記磁気共鳴信号を無線で受信すると共に、システムクロックを生成する本体と、
   前記システムクロックを、前記被検体の体表面に沿った電界伝搬を利用する表面電界通信によって送信する第１通信部と、
   前記局所コイルに設けられる第２通信部であって、前記表面電界通信によって送信される前記システムクロックを受信する第２通信部と、
   を備える磁気共鳴イメージング装置。
2. 前記第１通信部は、前記被検体に近接して配設される第１電極を有し、
   前記第２通信部は、前記局所コイル内に設けられ、前記被検体に近接して配設される第２電極を有する、
   請求項１に記載の磁気共鳴イメージング装置。
3. 前記第２通信部は、受信した前記システムクロックの位相揺らぎを検出し、検出した位相揺らぎに関する情報を前記本体に送信し、
   前記本体は、前記システムクロックを前記第１通信部から前記第２通信部へ送信するための搬送周波数を、前記位相揺らぎが少なくなるように設定する、
   請求項１又は２に記載の磁気共鳴イメージング装置。
4. 前記本体は、前記第１通信部から前記第２通信部への伝搬経路長を予測し、前記伝搬経路長に対応する前記システムクロックの位相遅延を補正する、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気共鳴イメージング装置。
5. 前記第２通信部は、受信した前記システムクロックの信号強度の変化から、前記被検体の心拍及び呼吸による体動の少なくとも一方を含む生体情報を検出する生体モニタ部、
   をさらに備える、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁気共鳴イメージング装置。
6. 前記第１通信部は、前記表面電界通信によって前記システムクロックを送信する第１高周波信号と、放射界通信によって前記被検体の心拍及び呼吸による体動少なくとも一方を含む生体情報を検出するための第２高周波信号とを合成して第２通信部に送信し、
   前記第２通信部は、前記第１高周波信号と前記第２高周波信号とを分離し、前記第１高周波信号から前記システムクロックを再生し、前記第２高周波信号の信号強度の変化から前記生体情報を検出する、
   請求項１に記載の磁気共鳴イメージング装置。
7. 前記第１通信部は、前記被検体に近接して配設される第１の板状ダイポールアンテナを有し、
   前記第２通信部は、前記局所コイル内に設けられ、前記被検体に近接して配設される第２の板状ダイポールアンテナを有し、
   前記第１及び第２の板状ダイポールアンテナは、前記表面電界通信と前記放射界通信の双方に対応する通信を行う、
   請求項６に記載の磁気共鳴イメージング装置。
8. 前記第１及び第２の板状ダイポールアンテナは、いずれもその長手方向が前記被検体の頭足方向と直交するように配設される、
   請求項７に記載の磁気共鳴イメージング装置。
9. 前記第１通信部は、前記被検体に近接して配設される第１の円偏波アンテナを有し、
   前記第２通信部は、前記局所コイル内に設けられ、前記被検体に近接して配設される第２の円偏波アンテナを有し、
   前記第１及び第２の円偏波アンテナは、前記表面電界通信と前記放射界通信の双方に対応する通信を行う、
   請求項６に記載の磁気共鳴イメージング装置。
10. 前記第２通信部は、受信した前記システムクロックの位相揺らぎを検出し、検出した位相揺らぎに関する情報を前記本体に送信し、
    前記本体は、前記システムクロックを前記第１通信部から前記第２通信部へ送信するための搬送周波数を、前記位相揺らぎが少なくなるように設定する、
    請求項６乃至９のいずれか１項に記載の磁気共鳴イメージング装置。
11. 前記第２高周波信号の周波数は、前記第１高周波信号の周波数よりも高い周波数に設定される、
    請求項６乃至１０のいずれか１項に記載の磁気共鳴イメージング装置。
12. 前記第２高周波信号は、前記磁気共鳴信号を得るための高周波送信パルスの生成の元となる信号源であって、前記被検体のラーモア周波数をもつ信号源から生成される、
    請求項１１に記載の磁気共鳴イメージング装置。
13. 前記第２通信部は検出した前記生体情報を前記本体に送信し、
    前記本体は、受信した前記生体情報を用いて、前記磁気共鳴信号の再構成処理において前記被検体の動きを補正する処理を行う、
    請求項５乃至１２のいずれか１項に記載の磁気共鳴イメージング装置。

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