JP5086779B2 - 磁気検出コイルおよび磁場計測装置 - Google Patents
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Description
FLL回路1300において、磁気検出コイル1301を貫く磁束によって発生する電流は、磁気検出コイル1301と入力コイル1302とを流れる。その結果、入力コイル1302は磁束を発生し、これがSQUID1303に伝達される。SQUID1303は、超伝導リングにJosephson接合を持つ構造であり、バイアス電流源1305により、SQUID1303にはバイアス電流が印加される。SQUID1303を貫く磁束に応じて、SQUID1303の両端の電圧は周期Φ0=h/2e(Wb)で周期的に変化する。FLL回路1300においては、SQUID1303の後段にフィードバック回路を設け、プリアンプ1306、積分器1307、フィードバック抵抗1308を介した後に、フィードバックコイル1304によってSQUID1303を貫く磁束の変化を打ち消すように磁束がフィードバックされる。
このような構成を持つ回路はFLL回路と呼ばれる。FLL回路1300により磁気検出コイル1301で検出した磁場に比例した電圧出力を得ることができる。
ここで、図10を参照して、生体磁場計測装置に使用される一般的な磁気検出コイルについて説明する。
このように、磁気検出コイルは、超伝導線を円柱型のボビンに巻きつけて構成する方式、あるいは基板上に薄膜を形成して構成する方式が一般的に採用されている。
図10(a)の0次微分型コイル181は、ボビン1811に超伝導線材を1ターン巻きつけて形成したコイル181aを持つ。この構成により、0次微分型コイル181が検出する下記(式1)の磁束ΦMはコイル181aを貫く磁束Φ181aを用いて、次のように表される。
また、図10(a)に示す磁束ΦMが正の磁気信号であるとしたとき、0次微分型コイル181には検出コイルに沿って描かれた細い矢印の方向に電流が流れる。以後、図10(a)にように磁束が上向きの磁気信号を正の磁気信号であるとし、正の磁気信号が検出されたときにコイルに流れる電流の方向を細い矢印によって表すものとする。
図10(b)の1次微分型コイル182は、ボビン1821に超伝導線材を第1の方向に1ターン巻きつけて形成したコイル182aと、コイル182aから後記する垂直方向に所定の距離だけ離れた箇所に第1の方向とは逆向きである第2の方向に1ターン巻きつけて形成したコイル182bを持つ。この構成により、1次微分型コイル182が検出する下記(式2)の磁束ΦG1は、コイル182aを貫く磁束Φ182aとコイル182bを貫く磁束Φ182bとを用いて、次のように表される。
なお、本明細書では、このように差分をとることを適宜「微分する」と表現する。そして、1回差分をとることを1次微分、2回差分をとることを2次微分と表現する。
ここで、コイル182aは、検出対象の近傍に存在し、コイル182bは、比較的遠方に存在する。このため、空間的に一様な環境磁場は打ち消され、検出対象の磁束のみが検出される。
図10(c)の2次微分型コイル183は、ボビン1831に超伝導線材を第1の方向に1ターン巻きつけて形成したコイル183aと、コイル183aから垂直方向に所定の距離だけ離れた箇所に第1の方向とは逆向きの第2の方向に2ターン巻きつけて形成したコイル183bと、コイル183bから垂直方向に所定の距離だけ離れた箇所に第1の方向に1ターン巻きつけて形成したコイル183cを持つ。この構成により、2次微分型コイル183が検出する下記(式3)の磁束ΦG2は、コイル183aを貫く磁束Φ183aとコイル183bを貫く磁束Φ183bとコイル183cを貫く磁束Φ183cとを用いて、次のように表される。
特許文献2では、例えば図11の磁気検出コイル200のように、異なる2方向の磁場勾配を差分する磁気検出コイルが提案されている。ここで、図11に示す磁気検出コイル200は、図10(c)に示す2次微分型コイル201a,201bを、x軸方向に差分をとるよう構成されている。
また、超伝導薄膜を用いる方法では、薄膜の性質上、磁気検出コイルを立体的な構造に形成するのが困難であるという問題がある。
また、微分型コイルの次数を上げれば、環境磁場は低減するが、一方で磁気信号も低減するというトレードオフが存在する。従来、生体磁場計測においては、環境磁場の大きさに応じて、磁気シールドルームを併用しながら、マグネトメータ、1次微分型コイルまたは2次微分型コイルが一般的に採用されてきた。
図1は、本実施形態における磁気検出コイルを示す斜視図である。
本実施形態の磁気検出コイル1a(1)は、1本の線材で構成されている1次微分型コイル11〜14を有して構成されている。
1次微分型コイル11(第1の微分型コイル)は、ボビンに超伝導線材を第1の方向に1ターン巻きつけて形成したコイル11aと、コイル11aからz軸の正の方向に所定の距離だけ離れた箇所に第1の方向とは逆向きの第2の方向に1ターン巻きつけて形成したコイル11bとを有している。コイル11aと、コイル11bとを逆向きとすることで、コイル11aで検出した磁束から、コイル11bで検出した磁束を差分する(第1の方向の差分)。
そして、1次微分型コイル12(第2の微分型コイル)は、1次微分型コイル11と隣り合い、コイル11aからx軸の負の方向に所定の距離だけ離れた箇所に存在するボビンに超伝導線材を第2の方向に1ターン巻きつけて形成したコイル12aと、コイル12aからz軸の正の方向に所定の距離だけ離れた箇所に第1の方向に1ターン巻きつけて形成したコイル12bとを有している。さらに、1次微分型コイル13(第3の微分型コイル)は、1次微分型コイル11と隣り合い、コイル11aからy軸の負の方向に所定の距離だけ離れた箇所に存在するボビンに超伝導線材を第2の方向に1ターン巻きつけて形成したコイル13aと、コイル13aからz軸の正の方向に所定の距離だけ離れた箇所に第1の方向に1ターン巻きつけて形成したコイル13bとを有している。また、1次微分型コイル14(第4の微分型コイル)は、1次微分型コイル13と隣り合い、コイル13aからx軸の負の方向に所定の距離だけ離れた箇所に存在するボビンに超伝導線材を第1の方向に1ターン巻きつけて形成したコイル14aと、コイル14aからz軸の正の方向に所定の距離だけ離れた箇所に第2の方向に1ターン巻きつけて形成したコイル14bとを有してなる。
1次微分型コイル12〜14においても、1次微分型コイル11と同様の方法で、第1の方向の差分をとる。
さらに、交差部17で線材を交差させることにより、1次微分型コイル13および1次微分型コイル14における第2の方向の差分結果から、1次微分型コイル12および1次微分型コイル11における第2の方向の差分結果をさらに差分する(第3の方向の差分)。
図2は、本実施形態における磁気検出コイルを示す斜視図である。
磁気検出コイル1b(1)は、1本の線材で構成されている2次微分型コイル21〜24を有して構成されている。
2次微分型コイル21(第1の微分型コイル)は、ボビンに超伝導線材を第1の方向に1ターン巻きつけて形成したコイル21aと、コイル21aからz軸の正の方向に所定の距離だけ離れた箇所に第1の方向とは逆向きの第2の方向に2ターン巻きつけて形成したコイル21bと、コイル21bからz軸の正の方向に所定の距離だけ離れた箇所に第1の方向に1ターン巻きつけて形成したコイル21cとを有してなる。このような構成とすることで、コイル21aで検出した磁束およびコイル21cで検出した磁束の加算値から、コイル21bで検出した磁束の2倍の値を減算する(第1の方向の差分)。
2次微分型コイル22〜24においても、2次微分型コイル21と同様の方法で、第1の方向の差分をとる。
さらに、交差部27で線材を交差させることにより、2次微分型コイル23および2次微分型コイル24における第2の方向の差分結果から、2次微分型コイル22および2次微分型コイル21における第2の方向の差分結果をさらに差分する(第3の方向の差分)。
次に、図3から図4を参照して、本実施形態における磁気検出コイル1が検出する磁気信号の信号強度(以降、信号強度と記載する)に対する効果を説明する。
シミュレーションに用いた磁場信号源として、約30週の典型的な胎児の心筋電流ダイポールを仮定した(“A vector fetal magnetocardiogram system with high sensitivity”A. Kandori, T. Miyashita, and K. Tsukada, Review of Scientific Instruments (米国), 1999年12月,第70巻,p.4702 参照)。電流ダイポールQは、電流が1点 r0=(0,0,−z0) に集中していると仮定し、電流密度をJ(r)として以下の式で定義される(“Basic mathematical and electromagnetic concepts of the biomagnetic inverse problem”J. Sarvas, Physics in Medicine and Biology, 1987年1月, 第32巻, p.11参照)。
図3は、θ=0(度)、すなわち、電流ダイポールQ=(250,0,0)(nA・m)が存在する時の各磁気検出コイル1b,183,200の信号強度の分布であり、(a)は、図10(c)に示す2次微分型コイルを使用した場合、(b)は、図11に示す磁気検出コイルを使用した場合、(c)は、図2に示す磁気検出コイルを使用した場合を示す。
図3(a)は、図10(c)に示される2次微分型コイル183が検出する信号強度の分布である。図3(a)では、2次微分型コイル183のコイル183aの中心位置をグラフ上の(x,y,0)(m)とする。ここで、信号強度の絶対値は、(x,y)=(0,±30)(mm)で最大値2.8pTをとる。
図3(c)は、図2に示される磁気検出コイル1bが検出する信号強度の分布である。磁気検出コイル1bにおけるコイル21a、22a、23a、24aの中心をそれぞれP21a、P22a、P23a、P24aとすると、図3(c)では、P21a、P22a、P23a、P24aの重心をグラフ上の(x,y,0)(m)とする。ここで、信号強度の絶対値は、(x,y)=(±35,0)(mm)で最大値4.5pTをとる。したがって、θ=0(度)の場合では、3つの磁気検出コイル1b,183,200のうち、図2に示される磁気検出コイル1bが最大の信号強度を検出することがわかる。
なお、ここで、r,r0,J(r),B(r)およびQは、それぞれベクトルである。
ここで、図4における曲線103、曲線102および曲線101は、それぞれ、図10(c)に示される2次微分型コイル183、図11に示される磁気検出コイル200および図2に示される磁気検出コイル1b)が検出する信号強度の絶対値の最大値を表す。図10(c)に示される2次微分型コイル183が検出する信号強度の絶対値の最大値は、電流ダイポールの角度θによらず2.8pTで一定である。また、図11に示される磁気検出コイル200が検出する信号強度の絶対値の最大値は、θ=0の時に最小値2.3pTをとり、θ=90の時に最大値5.6pTをとる。さらに、図2に示される磁気検出コイル1bが検出する信号強度の絶対値の最大値は、θ=45の時に最小値3.2pTをとり、θ=0および90のときに最大値4.5pTをとる。
以上の結果より、曲線101〜103のうち、電流ダイポールの角度θによらず安定に信号強度を確保するのは最小値が最も大きい曲線101であることがわかる。すなわち、図2に示される磁気検出コイル1bが安定に信号強度を確保するという観点から最も望ましいことがわかる。つまり、図2に示される磁気検出コイル1bは、信号源の電流方向によらずに、安定した磁気信号の検出を可能とする。
図5は、本実施形態における磁気検出コイルを示す斜視図である。
磁気検出コイル1c(1)は、x、y、z軸の各方向の電流成分の磁場について、3方向の磁場勾配を検出する磁気検出コイル組である。
磁気検出コイル1cは、コイル組61〜64を有してなる。
コイル組61は、図2の2次微分型コイル21〜24と同様の構成を有している2次微分型コイル61zと、2次微分型コイル61zにおける各ループ面に対して、直交しているループ面を有する2次微分型コイル61xと、2次微分型コイル61z,61xの各ループ面に対して、直交しているループ面を有する2次微分型コイル61yとを有する。各2次微分型コイル61y,61zのループは、z軸方向に対し、一番下方のループが、1回ループを形成し、このループの上のループが、2回ループを形成し、z軸方向に対し、一番上方のループが、1回ループを形成している。また、ここでは、各2次微分型コイル61x,61y,61zの各ループ面は、直交しているとしたが、これに限らず、各ループ面の方向が同じでなければ、必ずしも直交していなくてもよい。
また、コイル組63は、図2の2次微分型コイル21〜24と同様の構成を有している2次微分型コイル63zと、2次微分型コイル63zにおける各ループ面に対して、直交しているループ面を有する2次微分型コイル63xと、2次微分型コイル63z,63xの各ループ面に対して、直交しているループ面を有する2次微分型コイル63yとを有する。
さらに、コイル組64は、図2の2次微分型コイル21〜24と同様の構成を有している2次微分型コイル64zと、2次微分型コイル64zにおける各ループ面に対して、直交しているループ面を有する2次微分型コイル64xと、2次微分型コイル64z,64xの各ループ面に対して、直交しているループ面を有する2次微分型コイル64yとを有する。
ここで、図1、図2、および図5を参照しつつ、図6に沿って本実施形態の磁気検出コイル1を用いた生体磁場計測装置1000(磁場計測装置)の説明をする。
図6は、本実施形態における生体磁場計測装置の全体構成を示す斜視図である。
生体磁場計測装置1000において、図1に示される磁気検出コイル1aあるいは図2に示される磁気検出コイル1bあるいは図5に示される磁気検出コイル1c、およびSQUIDはクライオスタット1001内で低温に保持されている。ここで、クライオスタット1001の底面とz軸が垂直であるとする。クライオスタット1001内には液体ヘリウムが充填され、外界と真空層で断熱されている。クライオスタット1001はガントリ1002によって支持される。生体磁場計測の被検者はベッド1003に横たわり、計測部位(心磁計側であれば胸部あるいは背面)をクライオスタット1001の底面に近づけるようにベッド1003の高さと水平方向の位置を調節する。計測・制御回路1004により、SQUID磁束計を制御し、検出した磁気信号を電圧信号に変換して、信号処理・表示装置1005に伝達する。信号処理・表示装置1005では、DSPを用いて環境磁場を除去する処理を行い、被検者の生体の磁気信号を検出して信号処理・表示装置1005にリアルタイムで心磁波形または脳磁波形、等磁場線図、電流分布図等を表示することができる。
ここで、図1、図2、および図5を参照しつつ、図7に沿って本実施形態の磁気検出コイル1を用いた磁場計測装置の一種である胎児心磁計測装置1100の説明をする。
図7は、本実施形態における胎児心磁計測装置を示す斜視図である。
胎児心磁計測装置1100において、図1に示される磁気検出コイル1aあるいは図2に示される磁気検出コイル1bあるいは図5に示される磁気検出コイル1c、およびSQUIDはクライオスタット1101内で低温に保持される。ここで、クライオスタット1101の底面とz軸が垂直であるとする。クライオスタット1101内には液体ヘリウムが充填され、外界と真空層で断熱されている。クライオスタット1101はガントリ1102によって支持される。ただし、クライオスタット1101は可動であり、水平方向または上下方向に移動し、またクライオスタット1101自体の傾きも調整できるものとする。被検者である母体1103の腹部に磁気検出コイル1を近づけるようにクライオスタット1101の位置を調整する。計測・制御回路1105により、SQUID磁束計を制御し、検出した磁気信号を電圧信号に変換して信号処理・表示装置1106に伝達する。信号処理・表示装置1106では、DSPを用いて環境磁場や母体1103由来の心磁信号を除去する処理を行い、胎児1104の心磁信号を検出して信号処理・表示装置1106にリアルタイムで胎児心磁波形1107を表示するとともに、胎児1104の心磁信号から心拍数を計算してリアルタイムに心拍数1108を表示する。以上の構成をもつ胎児心磁計測装置1100により、胎児1104の心磁波形1107および心拍数1108をリアルタイムでモニタリングすることができる。
ここで、図1、図2、および図5を参照しつつ、図8に沿って本実施形態の磁気検出コイル1を用いた脳磁計測装置1200の説明をする。
図8は本実施形態における磁場計測装置の一種である脳磁計測装置を示す斜視図である。
図1に示される磁気検出コイル1aあるいは図2に示される磁気検出コイル1bあるいは図5に示される磁気検出コイル1c、およびSQUIDはクライオスタット1201a,1201b内で低温に保持される。ここで、クライオスタット1201a,1201bの側面とz軸が垂直であるとする。クライオスタット1201a,1201b内には液体ヘリウムが充填され、外界と真空層で断熱されている。クライオスタット1201a,1201bはガントリ1202によって支持される。ただし、クライオスタット1201a,1201bは可動であり、水平方向または上下方向に移動し、またクライオスタット1201a,1201b自体の傾きも調整できるものとする。被検者1203の頭部の計測位置にクライオスタット1201a,1201b内の磁気検出コイル1を近づけるようにクライオスタット1201a,1201bの位置を調整する。計測・制御回路1205a,1205bにより、SQUID磁束計を制御し、検出した磁気信号を電圧信号に変換して、信号処理・表示装置1206に伝達する。信号処理・表示装置1206では、DSPを用いて環境磁場を除去する処理を行い、被検者1203の脳磁信号を検出して信号処理・表示装置1206にリアルタイムで脳磁波形1207a,1207bを表示する。また、神経の伝達時間を計測するために、聴覚刺激装置1204を用いて被検者1203の耳に音声刺激を行い、その反応をリアルタイムにモニタリングし、さらに、脳磁波形1207a,1207bより、それぞれピークの時間差を計算して、伝達時間1208をリアルタイムに表示することができる。ここで、前記の聴覚刺激や視覚刺激、体性感覚刺激等の応答に起因する感覚刺激誘発脳磁場の他に、自発脳磁場や事象関連脳磁場も計測することができる。
また、以上で説明した実施形態では、磁気検出コイル1の検出した磁束を電圧値に変換する磁束計としてSQUID磁束計を例にとったが、その他にも磁束計として、磁気抵抗素子、巨大磁気抵抗素子、フラックスゲート磁束計、光ポンピング磁束計等の他の磁束計を用いてもよい。また、SQUIDとして、液体ヘリウムを用いて冷却する例を説明したが、冷凍機や、高温超電導部材から構成されるSQUIDであれば液体窒素を用いて冷却してもよい。
本実施形態によれば、S/N比を向上させ、より高感度で正確な計測が可能な生体磁場計測装置を実現でき、磁気シールドの無い環境においても生体磁場計測を行うことが可能となる。
11〜14 1次微分型コイル(磁気検出コイル1a)
15〜17 交差部(磁気検出コイル1a)
21〜24 2次微分型コイル(磁気検出コイル1b)
25〜27 交差部(磁気検出コイル1b)
61〜64 コイル組(磁気検出コイル1c)
6x〜6z 磁気検出コイル(磁気検出コイル1c)
65〜67 交差部(磁気検出コイル1c)
1000 生体磁場計測装置
1001 クライオスタット(生体磁場計測装置)
1002 ガントリ(生体磁場計測装置)
1003 ベッド
1004 計測・制御回路
1005 信号処理・表示装置
1100 胎児心磁計測装置
1101 クライオスタット(胎児心磁計測装置)
1102 ガントリ(胎児心磁計測装置)
1105 計測・制御回路
1106 信号処理・表示装置
1107 胎児心磁波形
1107 心磁波形
1200 脳磁計測装置
1201a,1201b クライオスタット(脳磁計測装置)
1202 ガントリ(脳磁計測装置)
1204 聴覚刺激装置
1205a 計測・制御回路
1206 信号処理・表示装置
1207a,1207b 脳磁波形
1208 伝達時間
1300 FLL回路
1301 磁気検出コイル(FLL回路)
1302 入力コイル
1303 SQUID
1304 フィードバックコイル
1305 バイアス電流源
1306 プリアンプ
1307 積分器
1308 フィードバック抵抗
Claims (9)
- 1本の線材である超伝導体または金属部材によって構成される磁気検出コイルであって、
第1の微分型コイル、および前記第1の微分型コイルと隣り合う第2の微分型コイルは、当該各微分型コイルを貫く磁束の値が差分されるよう接続され、
第3の微分型コイル、および前記第3の微分型コイルと隣り合う第4の微分型コイルは、当該各微分型コイルを貫く磁束の値が差分されるよう接続され、
前記第1の微分型コイル、および前記第1の微分型コイルと隣り合う前記第3の微分型コイルは、当該各微分型コイルを貫く磁束の値が差分されるよう接続され、
当該4つの微分型コイルの中心を結んだ図形が平行四辺形となるよう配置されることを特徴とする磁気検出コイル。 - 前記平行四辺形は、正方形であることを特徴とする請求項1に記載の磁気検出コイル。
- 前記微分型コイルとは、1次微分型コイルであることを特徴とする請求項1に記載の磁気検出コイル。
- 前記微分型コイルとは、2次微分型コイルであることを特徴とする請求項1に記載の磁気検出コイル。
- 請求項1に記載の磁気検出コイルを3つ組み合わせた磁気検出コイルであって、
各磁気検出コイルのコイル面は、互いに直交していることを特徴とする磁気検出コイル。 - 磁気検出コイルが検出した磁気信号を、超伝導量子干渉素子に伝達する磁場計測装置であって、
前記磁気検出コイルは、
1本の線材である超伝導体または金属部材によって構成され、
第1の微分型コイル、および前記第1の微分型コイルと隣り合う第2の微分型コイルは、当該各微分型コイルを貫く磁束の値が差分されるよう接続され、
第3の微分型コイル、および前記第3の微分型コイルと隣り合う第4の微分型コイルは、当該各微分型コイルを貫く磁束の値が差分されるよう接続され、
前記第1の微分型コイル、および前記第1の微分型コイルと隣り合う前記第3の微分型コイルは、当該各微分型コイルを貫く磁束の値が差分されるよう接続され、
当該4つの微分型コイルの中心を結んだ図形が平行四辺形となるよう配置されることを特徴とする磁場計測装置。 - 心臓から発生する磁気信号を検出することを特徴とする請求項6に記載の磁場計測装置。
- 前記心臓とは、胎児の心臓であることを特徴とする請求項6に記載の磁場計測装置。
- 脳から発生する磁気信号を検出し、神経の伝達時間をモニタリングすることを特徴とする請求項6に記載の磁場計測装置。
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