JP3957827B2 - 積層ループギャップ共振器 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、容積と誘電損失が大きな試料（以下「大容積高誘電損失体試料」という）中の常磁性種を磁気共鳴法により測定するのに適した積層ループギャップ共振器に関する。また、本発明は、当該積層ループギャップ共振器を備えた磁気共鳴装置およびその装置を用いて生体試料中に存在する常磁性種を測定する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フリーラジカルに代表される常磁性種は、癌、炎症性疾患、潰瘍、脳血管疾患、心筋梗塞などの各種疾患を誘起もしくは増悪することが知られている。従って、生体中の常磁性種の分布状態を画像化することができれば、常磁性種が関る疾患の診断、治療、予防法の確立に応用し得るものと期待される。
【０００３】
電子スピン共鳴（ＥＳＲ）法は、物質内の常磁性種の有する不対電子を高感度かつ非破壊で検出する優れた磁気共鳴法として従来から知られている。また、不対電子の磁場中のラーモア才差運動周波数の変化や変動幅から、物質の様々な情報を読みとることができる。生体のＥＳＲ計測を行うためには、生体という大容積高誘電損失体試料を常温で測定できなければならない。ＥＳＲ計測においては、マイクロ波の磁界成分のみが必要であり、誘電損失を引き起こす電界成分は邪魔な存在である。従って、誘電損失の大きい生体ＥＳＲ計測においては、磁界成分と電界成分を分離し、マイクロ波磁界のみを試料に照射することができれば望ましい。
【０００４】
そこで、この目的を達成するために、ループ状導体がインダクタンスをギャップ部がキャパシタンスを与える集中定数素子による共振器であるループギャップ共振器が考案された（Froncisz W & Hyde JS, １９８４, J Magn Reson, ４５:５１５-５２１）。当該共振器において、電界はギャップ部に集中し、磁界はループ内に均一に分布する。さらに、ギャップ付近の電界を更に減少させるために、ギャップ部をループ内側から覆うように、導電材料から形成されたシールド部材を配置させた導電体シールド付ループギャップ共振器が考案され（特開昭６２-１２３３４２号公報）、従来用いられてきた。
【０００５】
導電体シールドによりギャップ付近の電界を閉じこめる手法では、導電体シールドを広くするとシールド導体自体のインダクタンスが増加してしまうために大きな効果が望めない。従って、その効果はギャップ付近の電気力線を閉じこめることに限られ、ループ内の試料挿入空間に広く分布する電気力線を有効に封じ込めることには限界がある。
【０００６】
また、この従来技術では、ループを構成する金属板により変調磁界が遮蔽され変調磁界を有効に利用できない。また、導電体シールドの近傍では他の部位よりいっそう変調磁界が遮蔽されるために、変調磁界が弱まり、ギャップ付近で変調磁界が均一でなくなるという問題点も抱えていた。
【０００７】
以上のような制約により、従来の技術では、生体のような大容積高誘電損失体をループ内に満たした際のＱ値の低下および共振周波数の変化は無視しがたいものであり、試料挿入空間に存在する電界の更なる減少を期待できる手段が切望されている。また、従来技術では解決困難であった変調磁界を有効に利用し、また、共振器内部に均一な変調磁界もたらすことのできる共振器が待ち望まれていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、大容積高誘電損失体をループ内に挿入した際のＱ値の低下および共振周波数の変化を極力抑えるために、試料挿入空間に存在する電界を更に減少させ、さらに、変調磁界を有効に利用して共振器内部に均一な変調磁界もたらすことのできる共振器を提供することを目的とした。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記の目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、ループを構成する導体板を適当な間隙をあけて軸線方向へ複数積層することによって、従来の導電体シールド付ループギャップ共振器よりも有効に大容積高誘電損失体試料挿入時のＱ値および共振周波数の変動を抑えることができ、変調磁界を効率よく利用して共振器内部に均一な変調磁界もたらすことを見出した。本発明はこれらの知見を基に完成されたものである。
【００１０】
すなわち本発明は、幅の寸法にわたって少なくとも１つのギャップが形成されている非磁性導体のループを有する共振器であって、複数の前記ループが共振器の軸線方向に互いに間隔をあけて重なっており、且つ、下記（１）または（２）を満たすことを特徴とする共振器を提供するものである。
（１）第ｍループの円周上におけるギャップの位置が、第ｍ＋１ループの円周上におけるギャップの位置よりも右方向にあり、かつ、第ｎループの円周上におけるギャップの位置が、第ｎ＋１ループの円周上におけるギャップの位置よりも左方向にずれている。（２）第ｍループの円周上におけるギャップの位置が、第ｍ＋１ループの円周上におけるギャップの位置よりも左方向にあり、かつ、第ｎループの円周上におけるギャップの位置が、第ｎ＋１ループの円周上におけるギャップの位置よりも右方向にずれている。
（ここにおいて、ループは共振器の最端部から順に第１ループ、第２ループ、第３ループ…であり、ｍは１以上の奇数であり、ｎは２以上の偶数である）。
【００１１】
ループは、幅の寸法にわたって少なくとも１つのギャップを有する環状体である。ギャップの数を増やすと、コンデンサーを直列に接続したのと同じ効果があるため、共振器の共振周波数が上がる。このため、ギャップの数は共振周波数との兼ね合いで決定するのが望ましい。設定する共振周波数は特に制限されないが、１ＧＨｚ以下の低周波マイクロ波〜ラジオ波であるのが一般的である。
【００１２】
ループが複数のギャップを有する場合には、ギャップによって分割されるループの大きさがほぼ等しくて、ループ全体が対称であるものが好ましい。たとえば、２つのギャップを有するループの場合は、各ギャップはループ円周上の互いに対向する位置に形成されているものが好ましい。このような対称性を有するループは、電磁界をより均一にすることができるという利点がある。
【００１３】
他の条件が一定であれば、ループの幅を変えることによって共振周波数やＱ値を変動させることができる。ループはある程度の大きさの幅を有する方が、本発明の所望の効果を発揮することができるため好ましい。ただし、過度に大きくしてもさらなる効果の改善は望めない。一般に、ループの幅は共振周波数、Ｑ値、挿入する試料のサイズを考慮して決定する。
本発明の共振器を構成するループの材質は、ループギャップ共振器に使用することができるものとして当業者に公知の非磁性導体、特に非磁性金属の中から選択される。非磁性金属の表面には、酸化を避けるためにメッキが施されていても構わない。好ましいループは、安価で抵抗損が小さな銅でできたループであり、銅の表面に薄い金メッキを施したものも好適に使用される。
【００１４】
本発明の共振器は、このようなループを間隔をあけて複数個重ねることによって形成される。ループを構成する導体板を適当な間隔をあけて１より大きい比誘電率を有する誘電体スペーサーを挿入して軸線方向へ複数積層することによって、共振器内に発生する主な電気力線をループの間隙に封じ込めることができる。その結果、試料挿入空間に漏洩する電気力線を有効に減少させることができるという利点がある。また、ループを間隔をあけて軸線方向へ複数個積層することによって、変調磁界の浸透を容易にし、変調磁界を有効に利用し、また、共振器内部に均一な変調磁界もたらすことができる。このような特徴を有する共振器は従来提供されていなかったものである。
【００１５】
各ループの形状や材質は同一であるのが好ましいが、異なっている場合も本発明に含まれる。例えば、パルス計測法等のようにＱ値を下げる必要がある場合には、少しずつ幅を変えたループを重ねることもある。
各ループの間には、テフロンなどの誘電体スペーサーが挿入されている。誘電体スペーサーの形状や材料は特に制限されない。好ましいものは、誘電率が高くて、誘電損失が小さい材料で構成されているスペーサーである。電磁界を均一にするために、使用する誘電体スペーサーは厚さが一定の環状体であるのが好ましい。
【００１６】
ループを重ねたときに、各ループの円周上におけるギャップの位置は、軸線方向に左右互い違いになっている。すなわち、
（１）第ｍループの円周上におけるギャップの位置が、第ｍ＋１ループの円周上におけるギャップの位置よりも右方向にあり、かつ、第ｎループの円周上におけるギャップの位置が、第ｎ＋１ループの円周上におけるギャップの位置よりも左方向にずれているか、または、
（２）第ｍループの円周上におけるギャップの位置が、第ｍ＋１ループの円周上におけるギャップの位置よりも左方向にあり、かつ、第ｎループの円周上におけるギャップの位置が、第ｎ＋１ループの円周上におけるギャップの位置よりも右方向にずれている共振器が特に好ましい（ここにおいて、ループは共振器の最端部から順に第１ループ、第２ループ、第３ループ…であり、ｍは１以上の奇数であり、ｎは２以上の偶数である）。
【００１７】
その中でも特に好ましいのは、第ｍループの円周上におけるギャップの位置が互いに軸線方向に整合しており、第ｎループの円周上におけるギャップの位置が互いに軸線方向に整合している共振器である（ここにおいて、ループは共振器の最端部から順に第１ループ、第２ループ、第３ループ…であり、ｍは１以上の奇数であり、ｎは２以上の偶数である）。
各ループの円周上におけるギャップの位置が軸線方向に左右互い違いになっているこれらの共振器では、共振器内に発生する主な電気力線を軸線方向に向きを反転させながら積層導体板間隙に発生させることができる。この極性の反転によって、試料挿入空間に漏洩する電気力線を相殺して有効に減少させることができる。その結果、大容積高誘電損失体試料挿入時のＱ値の低下および共振周波数の変動を有効に抑えることができる。
【００１８】
この種の構成を有する共振器は、ギャップ部分の静電容量が大きくなっているので、特に低周波共振器として使用する場合に有効である。換言すれば、高周波共振器として使用する場合には、ギャップ位置を左右互い違いに構成することは必ずしも必要ではない。本発明の共振器の対象となる試料は特に制限されず、水溶液もしくは非水溶液、生体から分離採取された臓器組織体液のみならず、生体そのものを対象とすることも可能である。生体として、マウス、ラット、モルモット、ウサギ、ネコ、イヌ、サル、チンパンジー、ゴリラなどの実験用動物の他に、ヒトを対象とすることも可能である。
【００１９】
本発明の別の態様によれば、本発明の上記共振器を備えた磁気共鳴装置が提供される。この磁気共鳴装置は、照射電磁波として低周波マイクロ波〜ラジオ波を照射する機能を有しているのが好ましい。本発明の磁気共鳴装置には、例えば、核磁気共鳴装置、電子核二重共鳴装置、プロトン電子二重共鳴装置等が含まれる。
【００２０】
また、本発明のさらに別の態様によれば、本発明の磁気共鳴装置を用いて生体試料中に存在する常磁性種を測定する方法が提供される。この方法に係る発明においては、ヒトそのものを対象とすることはない。ただし、本発明の共振器、および核磁気共鳴装置に係る発明についてはヒトを含むあらゆる試料が対象となる。
【００２１】
【実施例】
以下に実施例、比較例および試験例を記載して本発明をさらに具体的に説明する。ただし、以下の実施例に示す構成、寸法、材料等は、本発明の精神から逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下の実施例に示す具体例に制限されるものではない。
【００２２】
（実施例）本発明の共振器の作製
図１に示す本発明のループギャップ共振器を作製した。
ループ（１）には、厚さ０.３ｍｍ、内径４３ｍｍ、外径５３ｍｍのトーラス型銅板を用いた。このトーラス型銅板には、幅１ｍｍのギャップ（３）がループ円周上の互いに対向する位置に設けられており、２ギャップ型ループを形成している。このループを軸線方向に２５層積層し、各ループの間には厚さ０.５ｍｍ、内径４３ｍｍ、外径５３ｍｍのトーラス型テフロン板を挟むことによって、軸長２０ｍｍの積層体とした。上から奇数番目のループに形成されているギャップの位置はすべて軸線方向に整合し、かつ、上から偶数番目のループに形成されているギャップの位置もすべて軸線方向に整合するように積層した。また、奇数番目のループに形成されているギャップと、偶数番目のループに形成されているギャップの円周方向のずれ（ｂ）が１.５ｍｍとなるように積層して、図１の共振器とした。
【００２３】
（比較例）従来の共振器の作製
本発明の共振器と比較検討するために、以下に記載する試験例において図２に示す従来の導電体シールド付ループギャップ共振器を作製した。
ループ（１）には、内径４１ｍｍ、外径４５ｍｍ、軸長２０ｍｍの銅で形成された１つの導電性円筒を用いた。この導電性円筒には、幅１ｍｍのギャップ（３）がループ円周上の互いに対向する位置に形成されている。また、変調磁界の浸透の効率を上げるために、軸線方向に垂直な方向に５ｍｍ間隔で３つのスリット（６）が設けられている。このループの内側表面に、ギャップを内側から覆うようにテフロンスペーサー（４）と導電体シールド（５）を形成することによって、図２の共振器を作製した。
【００２４】
（試験例１）大容積高誘電損失体挿入時の共振周波数の変動
実施例と比較例の各共振器について、無負荷時の共振周波数を測定した。その後、大容積高誘電損失体試料として２０ｍｌの生理食塩水が入った試料管を挿入し、負荷をかけて共振周波数の変化を測定した。測定結果は以下の表に示すとおりであった。
【００２５】
【表１】

【００２６】
比較例の共振器に比べて、実施例の共振器は共振周波数の変化が有意に小さかった（ｐ＜０.０００００１）。この試験結果によって、本発明の共振器では効果的に電界が封じ込められており、試料挿入空間に存在する電気力線が有効に減少していることが示された。
【００２７】
（試験例２）大容積高誘電損失体挿入時のＱ値の低下
実施例と比較例の各共振器について、無負荷時のＱ値を測定した。その後、２０ｍｌの生理食塩水が入った試料管を挿入し、負荷をかけて再度Ｑ値を測定した。負荷後のＱ値は、無負荷Ｑ値で正規化した（％負荷後Ｑ）。結果は以下の表に示すとおりであった。
【００２８】
【表２】

【００２９】
比較例の共振器に比べて、本発明の共振器の％負荷後Ｑは有意に大きかった（ｐ＜０.００００１）。この試験結果によって、本発明の共振器において大容積高誘電損失体挿入時のＱ値の低下、つまり誘電損失が有効に抑制されていることが示された。
【００３０】
（試験例３）変調磁界の分布
真空封入されたリチウム・フタロシアニンのＥＳＲ信号を利用して過変調状態におけるスペクトル線の歪み幅から、実施例と比較例の各共振器における変調磁界の空間分布を測定した。図３に示すように、各共振器は２つのギャップが磁場変調コイルから最も遠い位置になるよう配置し、同じ条件で磁場変調コイルを駆動した（１００ｋＨｚ、５２.４Ｖ）。共振器中心部（Ａ）、ループ近傍部（Ｂ）、ギャップ近傍部（Ｃ）で変調磁界を測定した結果を、以下の表に示した。
【００３１】
【表３】

【００３２】
いずれの場所においても、実施例の共振器の変調磁場は比較例の場合に比べて有意に大きかった（ｐ＜０.０００１）。この試験結果によって、本発明の共振器内部への変調磁界の浸透は容易であり、本発明の共振器は変調磁界を有効に利用していることが示された。
また、表３における共振器中心部（Ａ）の変調磁界強度を１００としたときの他の部位（ＢおよびＣ）の変調磁界強度を計算した結果を、以下の表に示した。
【００３３】
【表４】

【００３４】
ループ近傍部（Ｃ）では２つの共振器に有意差は認められなかったが、ギャップ近傍部（Ｂ）では実施例の共振器の方が有意に大きくて（ｐ＜０.０１）、１００％により近かった。この試験結果によって、本発明の共振器は変調磁界の均一性においても優れていることが示された。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の積層ループギャップ共振器は、試料挿入時のＱ値の低下および共振周波数の変動が極めて小さく、変調磁界を有効に利用し、変調磁界の均一性にも優れているという特徴を有する。このため、本発明の共振器を用いれば、生体のような大容積高誘電損失体試料中の常磁性種の計測をより効果的に行なうことができる。したがって、常磁性種の生理作用に関する研究や、常磁性種が関る疾患の診断、治療、予防法などの確立のために、本発明の共振器は極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の積層ループギャップ共振器を示した図である。
【図２】比較例の導電体シールド付ループギャップ共振器を示した図である（単位ｍｍ）。
【図３】試験例３における変調磁界の分布測定位置を示す図である（単位ｍｍ）。
【符号の説明】
１： ループ
２： ループ間のスペース
３： ギャップ
４： テフロンスペーサー
５： 導電体シールド
６： スリット
７： 磁場変調コイル
８： 共振器内壁

Claims (9)

1. 幅の寸法にわたって少なくとも１つのギャップが形成されている非磁性導体のループを有する共振器であって、
   複数の前記ループが共振器の軸線方向に互いに間隔をあけて重なっており、且つ、下記（１）または（２）を満たすことを特徴とする共振器。
   （１）第ｍループの円周上におけるギャップの位置が、第ｍ＋１ループの円周上におけるギャップの位置よりも右方向にあり、かつ、第ｎループの円周上におけるギャップの位置が、第ｎ＋１ループの円周上におけるギャップの位置よりも左方向にずれている。（２）第ｍループの円周上におけるギャップの位置が、第ｍ＋１ループの円周上におけるギャップの位置よりも左方向にあり、かつ、第ｎループの円周上におけるギャップの位置が、第ｎ＋１ループの円周上におけるギャップの位置よりも右方向にずれている。
   （ここにおいて、ループは共振器の最端部から順に第１ループ、第２ループ、第３ループ…であり、ｍは１以上の奇数であり、ｎは２以上の偶数である）。
2. 前記ループが対称形状を有していることを特徴とする請求項１の共振器。
3. ギャップによって分離される各ループ部分が同一形状を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の共振器。
4. 隣合うループの間に誘電体スペーサーが挿入されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の共振器。
5. 第ｍループの円周上におけるギャップの位置が互いに軸線方向に整合しており、第ｎループの円周上におけるギャップの位置が互いに軸線方向に整合していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の共振器。
6. 対象とする試料が生体試料である請求項１〜５のいずれか一項に記載の共振器。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の共振器を備えた磁気共鳴装置。
8. 低周波マイクロ波乃至ラジオ波を照射する機能を備えた請求項７に記載の磁気共鳴装置。
9. 請求項７に記載の磁気共鳴装置を用いて試料中に存在する常磁性種を測定する方法。

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