JP4879811B2 - コイル装置及びそれを用いた磁気共鳴検査装置 - Google Patents

Description

本発明は電磁波送信受信を行うためのコイル装置、及びそれを用いた磁気共鳴検査装置（以下、ＭＲＩ装置という）に関する。

ＭＲＩ装置は、マグネットが発生する均一な静磁場中に被検体を配置し、被検体に電磁場を照射し、被検体内の核スピンを励起すると共に、その後、核スピンが発生する電磁波である核磁気共鳴信号を受信し、被検体を画像化する。電磁波の照射と核磁気共鳴信号の受信は、ラジオ周波数（ＲＦ）の電磁波を送信あるいは受信するＲＦコイルによって行なわれ、ＭＲＩ装置に適した種々の形状の送信コイル、受信コイル或いは兼用コイルが開発されている。

通常ＭＲＩ装置で測定する信号は、水や脂肪などに含まれる水素原子核の信号である。近年ＭＲＩ装置の高磁場化が進み、感度が向上している。その結果、水素以外の原子核の信号（他核種からの信号と呼ぶ）を取得することが可能になってきている。例として、りん、炭素、フッ素、ナトリウムなどの原子核からの信号を得ることができる。りんや炭素の信号の画像化により、筋肉やたんぱく質などの代謝にかかわる情報を得ることができると期待されている。

一般に他核種からのＭＲＩ信号は水素のＭＲＩ信号に比べて１／１０から１／１００以下程度と著しく弱いため、細密な画像を得ることは難しい。そのため他核種からの解像度の低いＭＲＩ信号を、水素のＭＲＩ信号から作成した形態画像と重ね合わせて表示することが通常行われる。この場合、水素のＭＲＩ信号と他核種のＭＲＩ信号とは同時に、あるいは連続して撮影されることが望ましい。

ＭＲＩの送受信に使用されるコイルは高い周波数選択性を持つため、水素のＭＲＩ信号を得るコイルと他核種の信号を得るコイルとは別に設置するのが普通であったが、１種類のコイルで２つの周波数に同調させる試みも行われてきている。

例えば、特許文献１には、同心円上に配置された二重円筒の間にラングと呼ばれる導線を軸線方向に複数配置した形状のＲＦコイルを用いて、マルチプルパッチレゾネータの方式で２周波以上に同調させる方法が開示されている。また特許文献２には、鳥かご型コイルの各ラングにインダクタ／コンデンサ共振回路を並列接続し、２つ以上の周波数で同調させる方式が提案されている。さらに特許文献３には、鳥かご型のエンドリングと呼ばれる部分を複数セット設けることで２周波以上に同調させる方法が提案されている。
米国特許５５５７２４７号公報 米国特許４９１６４１８号 米国特許６１００６９４号

一般に、マルチプルパッチレゾネータや鳥かご型は均一な感度領域を持つコイルとして知られており、人体の頭部などの撮影領域を正確に撮影するために有効である。しかし、特許文献１に記載された方法では、円周方向に配置されたラングを円周方向に１本おきに違う周波数に割り当てるため、実効的な感度の均一度が下がってしまうという欠点がある。

また特許文献２に記載された方法は、回路の調整が複雑になる、３テスラ以上の高磁場ＭＲＩ装置で体幹部撮影用コイルなど大きなコイルに適用するにはコンデンサの容量が小さくなりすぎて適用が難しい、などの問題がある。特許文献３に記載された方法では、鳥かご型のコイルの端部が複数セットのエンドリングで構成されるため、縦方向の大きさが大きくなり、たとえば人体頭部をコイル内に配置したときに、肩の部分が狭くなるなどの問題がある。

本発明の目的は、均一な感度領域を持ち、なおかつ２周波の同調周波数を持ち、２周波のＭＲＩ信号を送受信できるコイル装置を提供することにある。また本発明の目的は、２つの同調周波数を持ちながら、コイルが占める空間スペースが実質的に１つのコイル程度であるコイル装置を提供することにある。更に本発明の目的は、高磁場のＭＲＩ装置に対応できるコイル装置を提供することにある。また本発明は、上記コイル装置を搭載することにより、水素原子核からの信号と他原子核からの信号を同一検査工程で取得することが可能なＭＲＩ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明では、中心軸の回りに配置される複数の線状導体を２つの群に分け、一方を中心軸に近く、他方を中心軸から遠くに配置する。これら２つの群の線状導体を、その両方の端部で、２つのループ状の導体で接続し、コイル装置とする。この構造により、２つの同調モードが実現できる。その一つは、従来の鳥かご型の共振モードと同様の共振モードであり、コイルの中心部の複数の線状導体に垂直に切った平面での感度分布が中心軸を中心とした第1半径を持つ円内部全体と第２半径を持つ円内部全体に一様に広がった感度を持つ。他の一つは、同じく中心部の感度分布が、中心軸に対し近い位置にある線状導体群付近でゼロ（節）となる共振モードである。

すなわち本発明のコイル装置は、信号の送信および／または受信に用いるコイル装置であって、中心軸の回りに配置された複数の線状導体と、複数の線状導体の各々の一方の端部に接続するループ状の第１導体と、複数の線状導体の各々の他方の端部に接続するループ状の第２導体と、線状導体、第１導体および第２導体の少なくとも一つに配置されたコンデンサとを備え、複数の線状導体は、第１線状導体群と第２線状導体群とを有し、第１導体群が配列する面と第２線状導体が配列する面とは互いに間隔を有し、第１導体および第２導体には、それぞれ、第１線状導体群を構成する線状導体と第２線状導体群を構成する線状導体とが交互に接続されていることを特徴とする。

或いは、信号の送信および／または受信に用いるコイル装置であって、中心軸の回りに該中心軸に平行に配置された複数の線状導体と、複数の線状導体の各々の一方の端部に接続するループ状の第１導体と、前記複数の線状導体の各々の他方の端部に接続するループ状の第２導体と、線状導体、第１導体および第２導体の少なくとも一つに配置されたコンデンサとを備え、第１導体および第２導体は、それぞれ、中心軸からの距離が近い部分と遠い部分を持ち、中心軸を中心として回転対称性を持つ形状を有することを特徴とする。複数の線状導体は、第１導体および第２導体の、中心軸からの距離が近い部分と遠い部分とに接続される。

本発明のコイル装置において、コンデンサの配置は種々の形態を採り得る。例えば、コンデンサは、第１導体および第２導体のみに或いは線状導体のみに配置される。或いは第１導体、第２導体および線状導体に配置される。コンデンサが線状導体に配置される場合、２つの線状導体群の一方のみとすることもできる。このようなコンデンサの配置及び各コンデンサの容量を異ならせることにより、共振周波数を調整することができ、２つの異なる同調モードを持つコイルを構成できる。

本発明のコイル装置は、典型的な形状は、略円筒状であり、その場合、第１導体および第２導体の形状は星型となる。本発明のコイル装置は、円筒状の他、中空の円錐台状、円形など種々の形状とすることができ、用途に応じた形状のものを使用することができる。円筒状の形状とすることにより、例えば、ＭＲＩ装置において人の頭部用コイルや全身用コイルとして好適な形状となる。

本発明のコイル装置において、給電／受電手段は、導体部に挿入されたコンデンサの少なくとも１つに並列に設けられている。給電／受電手段は、円偏波給電／受電可能な２箇所に設けることができる。これにより、円偏波送信或いは円偏波受信が可能となり、感度と効率が向上する。

本発明のＭＲＩ装置は、静磁場を発生する静磁場発生手段と、前記静磁場発生手段が発生する静磁場空間に配置され、前記静磁場方向と直交する方向に高周波磁場を発生し或いは前記静磁場方向と直交する方向の高周波磁場を検出するＲＦコイルと、前記静磁場空間に置かれた被検体から発生し、前記ＲＦコイルが検出した核磁気共鳴信号を用いて前記被検体の内部情報を画像化する手段とを備え、ＲＦコイルとして上述した本発明のコイル装置を備えたものである。ＲＦコイルは、送信用、受信用、送受信用のいずれでもよい。

また本発明のＭＲＩ装置において、ＲＦコイルは、周波数の異なる第１及び第２の同調モードを備え、第１及び第２の同調モードのいずれか一方は、水素の原子核の共鳴周波数に同調し、他方は水素以外の原子核の共鳴周波数に同調するように、コンデンサが調整されているものである。

本発明によれば１つのコイルで、均一な感度領域を持ち且つ２つの周波数に同調させるコイル装置が提供される。これにより、例えば、ＭＲＩ装置において、同一コイルで２種の原子核からのＮＭＲ信号を検出することができ、検査対象を動かすことなく異なる種類の測定が実現できる。

また本発明のコイル装置は、隣接して配置される複数の線状導体の間は電磁波透過性であり、外部からのＲＦ電磁場の侵入を許す形式になっている。従って、本発明のコイル装置を、その外側に配置される他の送信コイルと併用して用いることが可能となる。例えば、ＭＲＩ装置への適用において、ＲＦ送信は外部に存在する他の大きなコイルで行って、本発明のコイル装置を受信専用コイルとして使用することもできる。
さらに本発明によれば、ＭＲＩ装置のＲＦコイルとして、上述した本発明のコイル装置を用いる、比較的簡単な構成で、２つの周波数で均一な感度をもつＭＲＩ装置を構成できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
まず本発明のＭＲＩ装置の第１の実施の形態について説明する。図１は、本発明が適用されるＭＲＩ装置の概要を示す図である。

このＭＲＩ装置は、被検体に対し静磁場を印加するマグネット１０１と、静磁場に所定の方向の磁場勾配を与える傾斜磁場コイル１０２と、マグネット１０１内に挿入され、被検体に対してラジオ波などの電磁波を送信するとともに電磁波を受信するＲＦコイル１０３と、ＲＦコイル１０３に接続され、ＲＦコイルから照射される電磁波を作成し送信するとともに、ＲＦコイルからの核磁気共鳴信号を検出し、信号の処理を行う送受信機１０４と、傾斜磁場コイル１０２に電流を供給する傾斜磁場電源１０９と、送受信機１０４および傾斜磁場電源１０９の駆動を制御するとともに、種々の情報処理およびオペレーターによる操作を行うデータ処理部１０５と、データ処理部１０５の処理結果を表示するためのディプレイ１０８とから構成されている。

傾斜磁場電源１０９と傾斜磁場コイル１０２とは傾斜磁場制御ケーブル１０７で結ばれている。また、ＲＦコイル１０３と送受信機１０４は、コイルを制御するケーブルおよび送受信ケーブル１０６で結ばれている。送受信機１０４は、図示していないが、シンセサイザー、パワーアンプ、受信ミキサー、アナログデジタルコンバータ、送受信切り替えスイッチなどから構成されている。

ＭＲＩ装置は、マグネット１０１が発生する静磁場の方向によって、水平磁場方式と垂直磁場方式とがある。水平磁場方式の場合には、一般的には、マグネット１０１は円筒状のボアを有し、図１中左右方向の静磁場を発生する。また垂直磁場方式の場合には、一対の磁石が被検体を挟んで上下に配置され、図１中上下方向の静磁場を発生する。本発明はいずれにも適用することが可能である。

このような構成のＭＲＩ装置において、静磁場中に配置された被検体（図示せず）に対し、ＲＦコイル１０３および傾斜磁場コイル１０２により、数ミリ秒間隔程度の断続した電磁波、傾斜磁場を照射し、その電磁波に共鳴して被検体から発せられる信号を受信し、信号処理を行い、磁気共鳴像を取得する。図では、電磁波の照射と受信を行なうＲＦコイルとして、単一のＲＦコイル１０３が示されているが、例えば広範囲撮像用のＲＦコイルと局所用のＲＦコイルなど、複数のＲＦコイルを用いる場合もある。

本発明のＭＲＩ装置は、このようなＲＦコイルのいずれかに、後述する２周波の同調周波数を持つコイル装置を用いたものである。同調周波数の一つは、例えば、水素の原子核スピンの共鳴周波数であり、他の一つは、水素以外の原子核例えば炭素、ナトリウム、りんなどの原子核スピンの共鳴周波数である。これら共鳴周波数は、静磁場強度に依存するが、例えば３テスラの磁場強度を持つＭＲＩ装置の場合、水素のＭＲＩ信号の周波数はおよそ１２８ＭＨｚ、炭素のＭＲＩ信号の周波数は３２．２ＭＨz、ナトリウムの信号は３３．９ＭＨｚ、りんの信号は５１．８ＭＨｚである。

本発明のＭＲＩ装置では、ＲＦコイル１０３として、２つの原子核種に合わせた２周波の同調周波数を持つコイル装置を用いることにより、同一の検査工程において２つの原子核からの信号を取得することができる。これにより、例えば水素からの信号で作成した形態画像に、りんや炭素の信号から作成した代謝情報を重畳して表示することができる。この際、形態画像を取得したときと、代謝情報を取得したときに、時間的なずれが少ないので、正確な検査に資する画像が提供される。

２つの原子核からの信号を取得する際には、ＲＦコイル１０３が２周波数対応であること以外に、送受信機１０４も２周波数が入出力できるようになっている必要がある。具体的には、送受信機１０４を構成するシンセサイザー、パワーアンプ、受信ミキサー、アナログデジタルコンバータ、直交検波回路、送受信切り替えスイッチなどのうち、シンセサイザーとパワーアンプ、受信ミキサー、送受切り替えスイッチなどは使用される２つの周波数に対応し、２系統が備えられる。

送信時には、測定対象である原子核の周波数に応じて、送受切り替えスイッチを第１又は第２の周波数を発生するシンセサイザーおよびパワーアンプに切り替えてＲＦコイル１０３に第１の周波数の高周波を印加する。受信時には、送受切り替えスイッチをアナログデジタルコンバータおよび直交検波回路に切り替え、ＲＦコイル１０３が検出した信号を受信する。

次に本発明のコイル装置の実施の形態について説明する。
＜第一の実施の形態＞
本発明のコイル装置の第一の実施の形態の全体図を図２に示す。このコイル装置は、例えば水平磁場ＭＲＩの頭部用コイルに好適なＲＦコイルである。

本実施の形態のＲＦコイルは、複数の線状導体２００、２０１と、これら線状導体２００、２０１の一端に接続された第１導体２０２と、線状導体２００、２０１の他方の一端に接続された第２導体２０３と、線状導体２００、２０１に挿入されたコンデンサ２０４、２０５と、第１導体２０２および第２導体２０３に挿入されたコンデンサ２０６とから構成され、全体として筒状の構造を有している。図２では、給電回路および／又は受電回路は省略されているが、コンデンサ２０４〜２０６のいずれかに並列に給電回路および／又は受電回路が付加される。
図では、線状導体の数が２４本である場合を示したが、線状導体の数は２４本に限定されず６本以上あればよい。好適な本数はコイルのサイズなどによるが、頭部コイルとして用いる際には１６本以上、より好適には２０〜２８本である。

線状導体２００、２０１はコイルの中心に対して近いもの２００(図示する例では１２個)と遠いもの２０１(同じく１２個)の２種類に分類され、線状導体２００と線状導体２０１とが交互に配置されている。第１導体２０２および第２導体２０３は、それぞれ線状導体の数（ここでは２４）だけ折れ曲がった星型リング状の形状を有し、それぞれの頂点で交互に配置された線状導体２００、２０１に接続されている。コンデンサ２０６は、線状導体との接続部と接続部の間の導体上に配置されている。以下、第１導体２０２および第２導体２０３をリング導体と呼ぶ。

頭部用コイルとして用いる場合、この筒状の構造の内部に人体の頭部が挿入され、ＭＲＩ撮像が行なわれる。コイルの大きさは、限定されるものではないが、頭部コイルの場合、一例として全体の外径が３４０ミリメートル、内径が２７０ミリメートル、軸方向の長さが２２０ミリメートル程度である。

線状導体２００、２０１の導体部およびリング導体２０２、２０３は薄い導電性の金属シート、または導電性金属の棒やパイプなどから構成することができる。またＲＦコイルがＭＲＩ装置用コイルの場合には、コイルを構成する部品はすべて非磁性の材料からなる。これによって、部品の影響で画像のノイズや歪みが発生するのを防止できる。コイルの導体部は、デルリンやアクリルなどの非磁性のエンジニアリングプラスチックからなる支持体に支持されている。

本実施の形態のＲＦコイルは、リング導体の、線状導体との接続部をジグザグに折り曲げ、星状のリング導体にしたことにより、従来の鳥かご型コイルとは異なり、コイル中心に対し近い位置に配列した線状導体２００により構成される仮想的な円筒（第１半径の円筒）と、コイル中心に対し遠い位置に配列した線状導体２０１により構成される仮想的な円筒（第２半径の円筒）間に、ドーナツ状の領域が形成される。これにより第１半径を持つ円周付近に感度の節を持つ共振モードが加わり、従来の鳥かご型の同調モードとで、２つの異なる共振モードが１つのコイルで共存することになる。第１半径を持つ円周付近に感度の節を持つ共振モードは、マルチプルパッチレゾネータ型共振モードに相当しているので、ここではマルチプルパッチレゾネータ型モードという。

２つの共振モードについて、図３〜６を用いて更に詳述する。図３および図４は、鳥かご型の同調モードにおける電流の流れと感度分布を示す図、図５および図６は、マルチプルパッチレゾネータ型モードにおける電流の流れと感度分布を示す図である。

鳥かご型の共振がおきている場合、円筒構造のコイルを中心軸を含む面で２分割したときに、一方の側に位置する複数の線状導体には導体によって大きさが異なり同じ向きの電流が流れ、他方の側に位置する複数の線状導体には導体によって大きさが異なり且つ一方の側の線状導体とは逆向きの電流が流れる。概略的には、図３に描かれた楕円形の矢印のように流れる。この場合、２４本の線状導体と垂直にコイルの中心で切った平面での感度分布は図４のように中心付近が均一な感度分布を持つ。これは、円筒構造の内部に挿入された検査対象を撮影するＭＲＩに好適なコイルの感度分布である。

マルチプルパッチレゾネータ型モードの共振が起きている場合には、図５に複数の楕円形状の矢印で示すように、およそ、隣接する２本の線状導体とそれらを接続するリング状導体の部分とで構成されるループを流れる。この場合、コイルの中心で切った平面での感度分布は図６のように第1の円周付近に感度がほぼゼロになるような節を持つ。第１半径の円周と第２半径の円周の間の部分の感度は高くなり、また、コイルの中心部分の感度もある程度高く、かつ均一になる。このような感度分布は、鳥かご型の共振の場合と同様に、第１の円周よりも内部に存在する検査対象のＭＲＩ撮影に好適である。

次にＲＦコイルの共振周波数の調整について説明する。
一般にインダクタ／コンデンサ共振回路において共振周波数は１／√（ＬＣ）に比例する。ここでインダクタンスの値Ｌは、コイルの大きさや形から決まるので、検査対象である原子核種の共鳴周波数に応じて、各コンデンサの値を調整することにより、２つの同調モードで動作させることができる。すなわち、ＭＲＩ信号の同調周波数は検査対象である原子核種と静磁場の大きさによって正確に決まり、一方、コイルの共振周波数を決定するインダクタンスの値Ｌは、コイルの大きさや形から決まるので、検査対象である原子核種によって各同調モードに必要な合成容量が自動的に決まる。

鳥かご型の共振がおきている場合の合成容量は、線状導体２００に挿入されたコンデンサ２０４の容量をＣ1、線状導体２０１に挿入されたコンデンサ２０５の容量をＣ2、リング状導体２０２、２０３に挿入されたコンデンサ２０６の容量をＣ3とするとき、次式（１）で表される。
Ｃ_ＬＰ＝（Ｃ１＋Ｃ２）／２， Ｃ_ＨＰ＝Ｃ３（１）
式（１）でＣ_ＬＰはローパス型の鳥かご型コイルとみなした場合のコンデンサ容量、Ｃ_ＨＰはハイパス型の鳥かご型コイルとみなした場合のコンデンサ容量をあらわしている。

一方、マルチプルパッチレゾネータ型モードの同調がおきる場合は、電流は図５のように隣り合う線状導体と上下のリング部分の一部が形成する小ループを流れる。この小ループに挿入されているコンデンサは、４つのコンデンサ２０４、２０５、および２つの２０６コンデンサの直列配置と考えることができる。従って同調周波数に関係するコンデンサの合成容量Ｃ_MRPは、次式（２）となる。
１／Ｃ_MPR＝１／Ｃ1＋１／Ｃ2＋２／Ｃ3 （２）

従って、鳥かご型、マルチプルパッチレゾネータ型の2つの同調モードそれぞれについて、望ましい合成容量C_LPまたはC_HP、およびC_MPRを概算し、式（１）および式（２）を満たすように各コンデンサの容量を調整することにより、所望の２つの共振周波数を実現できる。なお、コンデンサの容量を調整する場合、小ループでモデルを立てて計算すると比較的容易に計算ができるので、まず式（２）により合成容量を見積もり、次に式（１）を満たすように調整することが実用的である。

本実施の形態のコイル装置では、コンデンサの値にもよるが、通常鳥かご型の同調モードは低周波数側に出てきて、マルチプルパッチレゾネータ型モードは高周波側に出てくる。本実施形態のコイルの典型的なインピーダンス特性を図７に示す。低周波側のインピーダンスのピーク７００が鳥かご型の共振モードのピークであり、高周波側のピーク７０１がマルチプルパッチレゾネータ型モードのピークである。

次に本実施の形態のコイルに、給電および受電する回路を付加した場合の構成を説明する。図８および９に、給電および受電する回路の一例を示す。なお、給電及び受電は同一の回路構成で構成されることが多いので、ここでは給電についてのみ例示する。

一般に、給電には、直線偏波給電と呼ばれる方法と円偏波給電と呼ばれる方法があり、いずれを採用してもよい。直線偏波給電と呼ばれる方法では給電点は１箇所であり、たとえば複数の外側の線状導体２０１のうち１つに挿入されたコンデンサ２０５と並列に交流電波を給電する。この方法ではコイル内部に生じる電磁場の偏波は直線偏波となる。円偏波給電では、図８に示すように、コンデンサと並列に設けられた第１の給電点に加えて、円筒軸方向から見て９０度ずれた位置にあるコンデンサにも給電する。この第２の給電点には、第１の給電点の波長と１／４波長ずらした交流電波を給電する。その際にコイル内部に生じる偏波は円偏波となる。すなわち、図３に示す電流の流れは、円筒軸を中心として回転する。円偏波給電を採用した場合、ＭＲＩ装置では感度と効率が直線偏波よりも向上する。

図８では外側にある線状導体に給電した例を示したが、内側にある線状導体に給電した場合が図９である。給電を外側にした場合と内側にした場合を比較すると、内側に給電したほうが高感度の場合が多い。

以上、説明したように、本実施の形態のコイル装置は、比較的簡単な回路構成で一つのコイルで２つの異なる周波数で同調することができる。また鳥かご型の同調モードとマルチプルパッチレゾネータ型モードのいずれもコイル中心付近の感度の均一性が良好であり、送信効率が高い。また送信コイルとして使用した場合、なおかつ、２つの周波数をカバーすることのできるパワーアンプを使用した場合には、別々に２つの周波数の送信コイルと送信パワーアンプを準備する場合に比べて、コイルが占めるスペースを減少させることができ、また、電力消費が大きいパワーアンプの台数を減らすこともできる。更に、測定周波数ごとにコイルを付け替える手間も減り、測定対象を再設置しなおす手間なしに２つの周波数で測定できる。
ＭＲＩ装置のＲＦコイルとして本実施の形態のコイルを適用する場合、受信用コイル、送信用コイル、送受信共用コイルそれぞれの場合に、以下説明する第二から第五を含む５つの実施形態のどのコイルが好適であるかを区分けすることは適切でない。むしろ、使用する周波数の組み合わせと製作の容易さから各実施形態は選択されるものである。

また本実施の形態のコイル装置は、周波数調整の自由度が大きく、コイルの占める空間スペースも少なく済み、ＭＲＩ装置のＲＦコイルとして特に好適である。例えば、ＭＲＩ装置において、りん、炭素、ナトリウムなどの水素以外の核種からの信号と水素からの信号の両方を同時に撮影することを可能にし、感度の均一度のよい良好な画像を提供できる。
なお本実施の形態のコイル装置のように円筒形状のコイル装置は、円筒の軸に垂直な方向に偏波を持つ電磁波成分に対し感度を有するので、円筒の軸がＭＲＩ装置の静磁場方向とほぼ平行となるように設置されることが好ましい。従って本実施の形態のコイル装置、通常被検体の体軸方向が静磁場方向（水平）と同じである水平磁場方式のＭＲＩ装置に好適である。

以上、本発明のコイル装置の第一の実施の形態を説明したが、本発明のコイル装置の形状やコイル装置を構成する素子等については、種々の変更が可能である。以下、第一の実施の形態のコイル装置における、コンデンサの配置を変更した他の実施の形態を図１０〜図１３を参照して説明する。図１０〜図１３に示すコイル装置は、いずれも、複数の線状導体および星状のリング導体からなる構造は第一の実施の形態と同じである。また図中、給電点あるいは受電点は省略している。

＜第二の実施の形態＞
図１０は、第二の実施の形態のコイル装置を示す図である。このコイル装置は、上下の星状のリング導体の辺上のみにコンデンサ２０６が存在し、複数の線状導体にはコンデンサを配置しない点が異なる。この場合、コンデンサ２０６の容量のみで合成容量が決まるため、２つの共振周波数の設定の自由度は減少する。第一の実施の形態のコイル装置のインピーダンス特性は、図７に示したように、鳥かご型の共振モードのピークが低周波側に、マルチプルパッチレゾネータ型モードのピークが高周波側に現れるものであったが、本実施の形態では、それとは逆に、鳥かご型の共振モードが高周波側に、第１半径の円周付近に感度の節を持つ共振モードは低周波側に出てくる。鳥かご型の共振モードの周波数特性はハイパス型であり、鳥かご型のモードは比較的共振周波数が高い高周波信号の送信／受信に適している。本実施の形態のコイル装置は、２つの周波数を設定する自由度は低いが、部品点数が少ない点で第一の実施の形態よりも優れている。なおコンデンサによる共振周波数調整の自由度は低いが、コイルの形状や導体の本数などインダクタンスＬを変更することにより、ＭＲＩ装置の核種に合わせた共振周波数を実現することが可能である。
また、この実施例の場合、給電点は上下のリング導体の辺上に設置されたコンデンサのうち、少なくとも1つに並列に設置する。

＜第三の実施の形態＞
図１１に示すコイル装置は、複数の線状導体にのみにコンデンサ２０４、２０５が存在し、リング部分にはコンデンサを配置しない点が異なる。この場合も、コンデンサ２０４、２０５の容量のみで合成容量が決まるため、２つの共振周波数の設定の自由度は減少する。このコイル装置のインピーダンス特性は、第一の実施の形態と同様に鳥かご型の共振モードのピークが低周波側に、マルチプルパッチレゾネータ型モードのピークが高周波側に出てくる。鳥かご型の共振モードの周波数特性はローパス型であり、鳥かご型のモードは比較的共振周波数が低い信号の検出に適している。
本実施の形態のコイル装置は、２つの周波数を設定する自由度は低いが、部品点数が少ない点で第一の実施の形態よりも優れている。この場合にも、コイルの形状や導体の本数などインダクタンスＬを変更することにより、ＭＲＩ装置の核種に合わせた共振周波数を実現することが可能である。

＜第四の実施の形態＞
図１２に示すコイル装置は、複数の線状導体のうち、外側に位置する線状導体のみにコンデンサを配置し、内側の線状導体にはコンデンサを配置しない点が第一の実施の形態と異なる。上下の星状のリング部分にはコンデンサを配置する。
本実施の形態のコイル装置は、２つの共振周波数はほぼ自由に設定できる。第一の実施の形態と比較した場合、高周波のマルチプルパッチレゾネータ型の共振点での感度は低いが、低周波側の鳥かご型の共振周波数での感度に優れているので、比較的低周波の高周波信号の送信／受信に適している。

＜第五の実施の形態＞
図１３に示すコイル装置は、複数の線状導体のうち、内側に位置する線状導体のみにコンデンサを配置し、外側の線状導体にはコンデンサを配置しない点が第一の実施の形態と異なる。上下の星状のリング部分にはコンデンサを配置する。
本実施の形態のコイル装置は、２つの共振周波数はほぼ自由に設定できる。第一の実施の形態と比較した場合、高周波のマルチプルパッチれゾネータ型の共振周波数での感度に優れている。

次に上記実施の形態のコイル形状を作成する方法の一例を図１４に示す。
まず第１半径を持つ円周を内側の面とし、それよりも大きい第２半径の円周を外周とする円筒状の構造１４０を、プラスチックなどの非磁性の物質で作成する。そこに薄さ０．１ミリ程度の銅板からＹの字状に切り取った導体１４１を両面テープなどで貼り付けていくことでコイルを作成できる。Ｙの字状の導体１４１は、図１４に示すように、互いにコンデンサの大きさ程度のギャップをあけて配置し、そのギャップ部分にコンデンサを配置する。金属板に代えて、金属線や金属棒で作成してもよい。

以上、第一の実施の形態およびそれと同じ構造を有し、コンデンサの配置の異なる実施の形態を説明した。以上説明したコンデンサの設置方法や第一の実施の形態で説明した給電方法は、本発明のコイル装置が適用される用途、例えばＭＲＩ装置を構成する方法によって最適構成形態が異なり、適宜選択して採用さる。また上記構成を基本として多くの派生的な組み合わせを取ることも可能である。

また第一〜第五の実施の形態のコイル装置は、ＭＲＩ装置の方式や検査対象の形状に合わせて、形状や線状導体等についても変更できる。例えば、図では円筒状のＲＦコイルを示したが、中心軸に垂直な断面の形状を楕円形や長円形などに変形させてもよい。また一方のリング導体を他方のリング導体より大きくし、中空の円錐台状や略円形などに変形させることも可能である。この場合には、同形のコイルを二つ組み合わせて、被検体の上下または左右に配置することも可能である。円錐台状や略円形のものは、線状導体とほぼ平行な方向の磁場を検出（或いは磁場を発生）できるので、これを被検体の上下に配置し、垂直磁場のＭＲＩ装置に適用することができる。

次に本発明のＭＲＩ装置の第二の実施の形態を説明する。図１に示すＭＲＩ装置では、本発明のコイル装置を送受信兼用のＲＦコイルとして用いていたが、本実施の形態のＭＲＩ装置は、受信専用コイルおよび送信専用コイルを備え、本発明のコイル装置を受信専用コイル及び／または送信専用コイルとして用いることもできる。

図１５に本発明のコイル装置をＭＲＩ装置の送信専用コイル１００１、または受信専用コイル１００２として用いる際の構成を示す。静磁場を発生するマグネット、傾斜磁場を発生させるマグネット、傾斜磁場電源、およびディスプレイは図１と同様に設置されるので図１５では省略されている。

ＲＦコイル１００１および１００２はともに静磁場中に設置されている。ＲＦコイル１００１は送信用コイルであり、送信機１００４と接続されている。ＲＦコイル１００２は受信用コイルであり、受信機１００３と接続されている。受信機１００３と送信機１００４はデータ処理部／操作部１００５と接続されている。

図１５のＭＲＩ装置の一つの実施形態では、受信専用コイル１００２は、図２、８、９に示すような本発明のコイル装置で構成されている。ＲＦコイル１００１は、例えば公知の鳥かご型コイルやマルチプルパッチレゾネータ型コイルで構成することができる。本発明のコイル装置は、上述したように２つの星状リング状部材で連結された複数の線状導体が互いに離れて配置されており、外部からの電磁波の侵入を許す形式になっている。従って、ＲＦコイル１００１による送信を阻害することなく、受信専用コイル１００２を装着した被検体内部にＲＦコイル１００１からの電磁波を照射することができる。この場合、ＲＦコイル１００１から照射される電磁波の周波数に対応する周波数の同調モードで核磁気共鳴信号を受信することができる。

図１５のＭＲＩ装置の他の実施形態では、本発明のＲＦコイルを送信専用コイル１００１として使用する。この場合には、送信専用コイル１００１として、例えば、図２、８、９などに示すようなコイル装置を使用し、このコイル装置を送受信切り替えスイッチ（図示せず）を介して２つの周波数に対応した２系統の送信機１００４に接続する。また受信専用コイル１００２として異なる周波数の同調モードを持つ２種類のコイルを用意する。これにより、２つの周波数の高周波パルスを選択的に検査対象に印加し、異なる核種の検査が可能となる。

図１５のＭＲＩ装置の更に別の実施形態では、送信専用コイル１００１及び受信専用コイル１００２として本発明のコイル装置を用いる。さらに本発明のコイル装置は、周波数調整の自由度が大きいため、線状導体に挿入されるコンデンサやリング状導体部に挿入されるコンデンサの容量を調整することにより、異なるサイズ、形状のコイルを構成することができるので、同じ共振周波数を有し且つサイズ或いは形状の異なるものを組み合わせることが可能となる。この場合、送信専用コイル１００１は、送受信切り替えスイッチを介して２系統の送信機１００４に接続することは、上述した実施形態と同じである。
本実施形態によれば、装置を複雑化したり、コイルの交換などの作業を行なうことなく、２種の核種の検査を容易に行なうことが可能となる。

＜実施例１＞
図２に示すような２４本の線状導体と上下の星状のリングを持つＲＦコイルを、３テスラの静磁場強度のＭＲＩ装置に設置し、水素及びりんの信号を取得する場合の実施例を説明する。

本実施例におけるコイル設計は、軸方向の長さを２２０ミリメートル、第２半径の２倍と等しい外径を約３５０ミリメートル、第１半径の２倍と等しい内径を約２６０ミリメートルとした。また線状導体に配置されたコンデンサ２０４、２０５の値はともに１２ｐＦ、上下の星状リング部分に設置されたコンデンサ２０６の値は５００ｐＦとした。導体は半径４ミリの銅の棒を仮定しており、導電率は銅の導電率を使用した。

このＲＦコイルの共振特性をシミュレーションにより求めた結果は図７に示したとおりである。図７において、横軸は周波数、縦軸はインピーダンスである。インピーダンスは、一つのコンデンサに並列に直線偏波給電を行なった場合をシミュレーションして求めた。インピーダンスの極大ピークが共振点である。

図７に示すように、本実施例のＲＦコイルには複数のピークが現れている。このうち、周波数５０−１３５ＭＨｚの範囲に現れているおよそ１０本のピークは、ローパス型に近いバンドパス型の鳥かご型コイルに特徴的な共振ピークであり、約５２ＭＨｚ付近のピーク７００がコイル内部領域の広い範囲にわたって感度の均一度がよい同調ピークである。５２ＭＨｚは３テスラの静磁場強度のＭＲＩ装置においてりんの同調周波数に相当する。
更に矢印７０１で示した、高周波側から４番目の１２８ＭＨｚにあるピークが、第１半径付近に感度の節を持ち、かつ、コイル内部領域の広い範囲にわたって均一感度を持つもう１つの同調ピークである。１２８ＭＨｚは３テスラのＭＲＩ装置においておよそ水素の同調周波数に相当する。

図７において特徴的に示されたように、本発明のコイルの形態ではインピーダンス特性グラフの低周波側に鳥かご型共振モードが現れ、高周波側に第１半径の円周付近に感度の節を持つマルチプルパッチレゾネータ型の共振モードが現れることがわかった。

次に、鳥かご型共振モードと第１半径の円周付近に感度の節を持つ共振モード（マルチプルパッチレゾネータ型モード）の、それぞれの同調周波数で、コイル内部の感度を調べた。円筒型のコイルの中心軸と垂直にコイルの中心で切った断面での感度をシミュレーションで求めた。結果を図４および図６に示す。

図４は、５２ＭＨｚの鳥かご型共振点での感度マップ、図６は１２８ＭＨｚのマルチプルパッチレゾネータ型モードの共振点での感度マップを示している。感度マップの等高線の単位はＡ／（ｍ√Ｗ）である。図４での鳥かご型モードの感度マップでは中心部分が２．３程度の値で均一な感度が得られている。

図６のマルチプルパッチレゾネータ型モードの共振点での感度マップは、中心付近は０．５程度の値の均一な感度が得られている。この場合、ＲＦコイルを構成する内側の線状導体で形成される第１半径の円周と外側の線状導体で形成される第２半径の円周が挟むドーナツ状の空間、実際には厚みのある円筒状の空間にも２程度の比較的強い感度が得られている。この部分は実際のコイルではコイルの筐体に位置するため測定には使用できない。しかしこのドーナツ状の部分が、コイル内部に電磁波を閉じ込める役割を果たすので、特に３テスラ以上の超高磁場ＭＲＩ装置においては有用な共振感度分布である。

以上の結果から本発明のＲＦコイルが５２ＭＨｚと１２８ＭＨｚの２つの周波数において、コイル内部で均一な感度を発生できることが明らかになった。
なお、本実施例に示したコンデンサの値は、１２ｐＦと５００ｐＦであるが、この値を変化させることにより、２つの同調周波数を多様に変化させることが可能である。

＜実施例２＞
図１０に示すような２４本の線状導体と上下の星状のリングを持つＲＦコイルを、３テスラの静磁場強度のＭＲＩ装置に設置する場合のシミュレーションを行なった。このＲＦコイルは、コンデンサは上下の星状のリング導体の辺上のみに存在し、複数の線状導体にはコンデンサを配置しないハイパス型である。実施例１と同じコイルの大きさと導体の材質を仮定して、リング上にあるすべてのコンデンサの値を２２ｐＦとし、インピーダンスのシミュレーションを行ったところ、インピーダンス特性は、図７に示す実施例１の場合と異なり、鳥かご型の共振モードが高周波側に、マルチプルパッチレゾネータ型モードは低周波側に出た。また２つの共振周波数は６６ＭＨｚと１５６ＭＨｚであった。

＜実施例３＞
図１１に示すような２４本の線状導体と上下の星状のリングを持つＲＦコイルを、３テスラの静磁場強度のＭＲＩ装置に設置する場合のシミュレーションを行なった。このＲＦコイルは、コンデンサは複数の線状導体にのみに存在し、リング部分にはコンデンサを配置しないローパス型である。実施例１と同じコイルの大きさと導体の材質を仮定して、リング上にあるすべてのコンデンサの値を２２ｐＦとし、インピーダンスのシミュレーションを行ったところ、インピーダンス特性は、実施例１と同様に鳥かご型の共振モードが低周波側に、マルチプルパッチレゾネータ型モードは高周波側に出てきた。また２つの共振周波数は３１ＭＨｚと９８ＭＨｚであった。

＜実施例４＞
図１２に示すような２４本の線状導体と上下の星状のリングを持つＲＦコイルを、３テスラの静磁場強度のＭＲＩ装置に設置する場合のシミュレーションを行なった。このＲＦコイルでは、複数の線状導体のうち、外側のみにコンデンサを配置し、内側の線状導体にはコンデンサを配置しない。上下の星状のリング部分にはコンデンサを配置する。

線状導体の外側のコンデンサの値として６．１ｐＦを設定し、リング部分のコンデンサの値として２００ｐＦを設定し、インピーダンスと感度のシミュレーションを行った。その結果、１２７ＭＨｚにマルチプルパッチレゾネータ型モードの共振が現れ、５３ＭＨｚに鳥かご型の一様な感度を持つ共振が現れた。５３ＭＨｚは、３テスラのMRI装置で、りんの共振周波数に相当する。水素の共振周波数にあたる１２７ＭＨｚの共振のコイル中心部分での感度の値はおよそ０．０５Ａ／（ｍ√Ｗ）であり、実施例１に比べてかなり低かったが、５３ＭＨｚの共振の中心部分の感度の値はおよそ２．３３Ａ／（ｍ√Ｗ）でかなり高い感度を持つことがわかった。

＜実施例５＞
図１３に示すような２４本の線状導体と上下の星状のリングを持つＲＦコイルを、３テスラの静磁場強度のＭＲＩ装置に設置する場合のシミュレーションを行なった。このＲＦコイルでは、複数の線状導体のうち、内側のみにコンデンサを配置し、外側の線状導体にはコンデンサを配置しない。上下の星状のリング部分にはコンデンサを配置する。
線状導体の内側のコンデンサの値として６．８ｐＦを設定し、リング部分のコンデンサの値として２００ｐＦを設定すると、１２７ＭＨｚに第１半径を持つ円周付近に感度の節を持つ共振があらわれ、５３ＭＨｚ付近に鳥かご型の一様な感度を持つ共振が現れた。５３ＭＨｚの共振の中心部分の感度の値はおよそ１．９Ａ／（ｍ√Ｗ）であり、１２７ＭＨｚの共振の中心部分の感度の値はおよそ１．１Ａ／（ｍ√Ｗ）であった。この結果は、実施例１のりんの共振周波数での感度２．３Ａ／（ｍ√Ｗ）より劣るが、実施例１での水素の共振周波数の感度０．５Ａ／（ｍ√Ｗ）よりも２倍もの感度が得られている。リンの信号の感度よりも水素の信号の感度を重視したい場合、実施例５の方法は有効である。

＜実施例６＞
実施例５と同じコンデンサ配置で、内側の線状導体のコンデンサの値を６．３ｐＦとし、リング部分のコンデンサ配置を５３０ｐＦにした場合に、インピーダンスと感度のシミュレーションを行った。その結果、３２ＭＨｚと１２７ＭＨｚに共振の周波数が得られた。３２ＭＨｚは３テスラのＭＲＩ装置において炭素の共振周波数に相当する。３２ＭＨｚの共振での中心感度は２．６Ａ／（ｍ√Ｗ）であり、１２７ＭＨｚの共振周波数での中心感度は１．０Ａ／（ｍ√Ｗ）であった。
このことは実施例５での２種類のコンデンサの値を適切に選ぶことによって、水素とりんだけでなく水素と炭素の２周波数に共振を合わせることができることを示している。よって本実施例によりＭＲＩ装置に有用な２周波を選んで共振コイルを設計できることが示された。

本発明のコイル装置は、単一のコイルで２つの同調モードを持ち、周波数の異なる２種の信号を受信或いは送信することができる。このコイル装置は、ＭＲＩ装置の一部品として使用可能のほか、数ＭＨｚから数ＧＨｚの周波数を持つ電磁波を使用するあらゆる機器に応用可能である。

本発明が適用されるＭＲＩ装置の一実施の形態を示す図 本発明のコイル装置の第一の実施の形態を示す図 鳥かご型の共振モードにおいてコイルの導体を流れる電流の経路の概略を示す図 鳥かご型の共振モードにおけるコイルの感度分布を等高線で示した図 マルチプルパッチレゾネータ型モードにおいてコイルの導体を流れる電流の経路の概略を示す図 マルチプルパッチレゾネータ型モードにおける感度分布を等高線で示した図 第一の実施の形態のコイルのインピーダンス特性を示したグラフ。 本発明のコイル装置の給電方法の一例を示す図 本発明のコイル装置の給電方法の他の例を示す図 本発明のコイル装置の第二の実施の形態を示す図 本発明のコイル装置の第三の実施の形態を示す図 本発明のコイル装置の第四の実施の形態を示す図 本発明のコイル装置の第五の実施の形態を示す図 本発明のコイル装置の作成方法の一例を説明する図 本発明が適用されるＭＲＩ装置の他の実施の形態を示す図

符号の説明

１０１…静磁場マグネット、１０２…傾斜磁場コイル、１０３…ＲＦコイル、１０４…送受信機、１０５…データ処理部／操作部、１０６…ＲＦコイルと送受信機をつなぐケーブル、１０７…傾斜磁場コイルと傾斜磁場電源をつなぐケーブル、１０８…ディスプレイ、１０９…傾斜磁場電源、２００…内側の線状導体（第１線状導体群）、２０１…外側の線状導体（第１線状導体群）、２０２…上部のリング状導体（第１導体）、２０３…下部のリング状導体（第２導体）、２０４…内側の線状導体に配置されたコンデンサ、２０５…外側の線状導体に配置されたコンデンサ、２０６…上下のリング状導体に配置されたコンデンサ、７００…実施例１における鳥かご型の共振ピーク、７０１…実施例１における第１半径を持つ円周付近に感度の節を持つ共振ピーク、１００１…送信用コイル、１００２…受信用コイル、１００３…受信機、１００４…送信機、１００５…データ処理部／操作部

Claims (13)

1. 信号の送信および／または受信に用いるコイル装置であって、
   中心軸の回りに配置された複数の線状導体と、
   前記複数の線状導体の各々の一方の端部に接続するループ状の第１導体と、
   前記複数の線状導体の各々の他方の端部に接続するループ状の第２導体と、
   前記線状導体、第１導体および第２導体の少なくとも一つに配置されたコンデンサとを備え、
   前記複数の線状導体は、第１線状導体群と第２線状導体群とを有し、前記第１導体群が配列する面と前記第２線状導体が配列する面とは互いに間隔を有し、
   前記第１導体および第２導体には、それぞれ、前記第１線状導体群を構成する線状導体と第２線状導体群を構成する線状導体とが交互に接続されていることを特徴とするコイル装置。
2. 信号の送信および／または受信に用いるコイル装置であって、
   中心軸の回りに該中心軸に平行に配置された複数の線状導体と、
   前記複数の線状導体の各々の一方の端部に接続するループ状の第１導体と、
   前記複数の線状導体の各々の他方の端部に接続するループ状の第２導体と、
   前記線状導体、第１導体および第２導体の少なくとも一つに配置されたコンデンサとを備え、
   前記第１導体および第２導体は、それぞれ、前記中心軸からの距離が近い部分と遠い部分を持ち、中心軸を中心として回転対称性を持つ形状を有し、
   前記複数の線状導体は、前記第１導体および第２導体の、前記中心軸からの距離が近い部分と遠い部分とに接続されていることを特徴とするコイル装置。
3. 請求項１又は２記載のコイル装置であって、前記第１導体及び第２導体は、頂角が１８０°未満の頂点と頂角が１８０°を超える頂点とを交互に有する多角形であって、前記線状導体は当該多角形の頂点に接続されていることを特徴とするコイル装置。
4. 請求項１又は２記載のコイル装置であって、
   前記第１導体および第２導体は多角形であって、それぞれ、前記中心点を中心として第１半径を有する第１円弧上に位置する第１頂点と、前記中心点を中心として第２半径を有する第２円弧上に位置する第２頂点を有し、前記第１頂点と第２頂点は交互に配置されていることを特徴とするコイル装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載のコイル装置であって、
   前記第１導体および第２導体にコンデンサが配置されていることを特徴とするコイル装置。
6. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載のコイル装置であって、
   前記複数の線状導体の少なくとも一つにコンデンサが配置されていることを特徴とするコイル装置。
7. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載のコイル装置であって、
   前記第１導体および第２導体に第１コンデンサが配置され、前記複数の線状導体の少なくとも一つに第２コンデンサが配置されていることを特徴とするコイル装置。
8. 請求項６又は７記載のコイル装置であって、
   前記第１線状導体群及び第２線状導体群のいずれか一方の線状導体のみにコンデンサが配置されていることを特徴とするコイル装置。
9. 請求項６又は７記載のコイル装置であって、
   前記第１線状導体群及び第２線状導体群のいずれにもコンデンサが配置されていることを特徴とするコイル装置。
10. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載のコイル装置であって、
    前記コンデンサの少なくとも一つに、給電／受電手段が並列に設けられていることを特徴とするコイル装置。
11. 静磁場を発生する静磁場発生手段と、前記静磁場発生手段が発生する静磁場空間に配置され、前記静磁場方向と直交する方向に高周波磁場を発生する送信用ＲＦコイルと、前記静磁場方向と直交する方向の高周波磁場を検出する受信用ＲＦコイルと、前記静磁場空間に置かれた被検体から発生し、前記受信用ＲＦコイルが検出した核磁気共鳴信号を用いて前記被検体の内部情報を画像化する手段とを備えた磁気共鳴検査装置において、
    前記送信用ＲＦコイル及び／又は前記受信用ＲＦコイルとして請求項１から１０のいずれか１項記載のコイル装置を備えたことを特徴とする磁気共鳴検査装置。
12. 静磁場を発生する静磁場発生手段と、前記静磁場発生手段が発生する静磁場空間に配置され、前記静磁場方向と直交する方向に高周波磁場を発生するとともに前記静磁場方向と直交する方向の高周波磁場を検出するＲＦコイルと、前記静磁場空間に置かれた被検体から発生し、前記ＲＦコイルが検出した核磁気共鳴信号を用いて前記被検体の内部情報を画像化する手段とを備えた磁気共鳴検査装置において、
    前記ＲＦコイルとして請求項１から１０のいずれか１項記載のコイル装置を備えたことを特徴とする磁気共鳴検査装置。
13. 請求項１１又は１２記載の磁気共鳴検査装置において、
    前記ＲＦコイルは、周波数の異なる第１及び第２の同調モードを備え、
    前記第１及び第２の同調モードのいずれか一方は、水素の原子核の共鳴周波数に同調し、他方は水素以外の原子核の共鳴周波数に同調するように、前記コンデンサが調整されていることを特徴とする磁気共鳴検査装置。

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