JP5100212B2

JP5100212B2 - 磁性微粒子イメージング装置、検出コイル配設方法および磁束検出装置

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Publication number: JP5100212B2
Application number: JP2007158546A
Authority: JP
Inventors: 重治大湯; 基司原頭; 康雄櫻井
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Medical Systems Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Canon Medical Systems Corp
Priority date: 2007-06-15
Filing date: 2007-06-15
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2027-06-15
Also published as: CN101940472B; US8350566B2; CN101322646B; US20080309330A1; JP2008307254A; CN101940472A; CN101322646A

Description

この発明は、磁性微粒子の磁化により生じる磁束の変化に基づいて該磁性微粒子の分布を画像化する磁性微粒子イメージング装置、および磁性微粒子イメージング装置の検出コイル配設方法と磁束検出装置に関し、特に、検出コイルの検出感度を向上させる技術に関する。

近年、超常磁性酸化鉄などの磁性微粒子を造影剤として被検体の体内に注入し、その造影剤の分布を画像化する方法が提案されている（例えば、特許文献１または非特許文献１参照。）。この方法は、磁性微粒子イメージング（Magnetic Particle Imaging）と呼ばれる。図１６は、磁性微粒子イメージングの原理を説明するための図である。同図に示すように、磁性微粒子イメージングでは、たとえば、磁性微粒子が分布する領域に対して、永久磁石などを用いて上下方向から対向する静磁場１を発生させる。

この時、静磁場１の略中心では、上からの磁場と下からの磁場が相殺されて、局所的に磁場がゼロとなる領域２が発生する。この領域を「ゼロ磁場領域」と呼ぶ。そして、この領域中に、高周波磁場を発生させる高周波コイル４と、鎖交する磁束の変化を検出する検出コイル５とをそれぞれ配置する。

ここで、高周波コイル４に電流を流すことによって、磁性微粒子が分布した領域に高周波磁場３を印加したとする。この時、ゼロ磁場領域２以外の領域では、静磁場によって磁気飽和が生じているため高周波磁場３が印加されても領域中の磁束は変化しない。これに対し、ゼロ磁場領域２では、磁場がゼロであるため磁気飽和が生じておらず、高周波磁場３が印加されると、領域内に存在する磁性微粒子が磁化される。この磁化に伴ってゼロ磁場領域２から磁束が生じる。

ゼロ磁場領域から生じた磁束は、検出コイル２を鎖交する磁束に変化を生じさせる。この磁束の変化は検出コイル５に誘起される電圧の変化としてあらわれ、電圧の変化の大きさはゼロ磁場領域２内に存在する磁性微粒子の量に依存する。すなわち、ゼロ磁場領域２内に存在する磁性微粒子の量に応じて、検出コイル５に誘起される電圧が変化することになる。

以上の原理を利用すれば、磁性微粒子が注入された被検体内でゼロ磁場領域を少しずつ移動しながら検出コイルに誘起される電圧の変化を計測することによって、被検体内の磁性微粒子の分布を画像化することができるようになる。そして、近年では、かかる磁性微粒子イメージングを臨床に応用することが検討され始めている。

特開２００３−１９９７６７号公報 B. Gleich, J. Borgert, J. Weizenecker, "Magnetic Particle Imaging (MPI), Philips Medic Mundi vol.50 no.1, 2006/5 [online], May 23 2007, retrieved from the Internet: <URL:http://www.medical.philips.com/main/news/assets/docs/medicamundi/mm_vol50_no1/12_Gleich.pdf>

ところで、上述した磁性微粒子イメージングでは、検出コイルを用いて磁性微粒子の磁化により誘起される電圧の変化を計測する必要があるが、この検出コイルには、高周波コイルによって印加された高周波磁場による電圧も誘起される。検出コイルでは、電圧は高周波信号として検出されるが、この場合には、磁性微粒子の磁化による電圧の変化を表す信号と、高周波磁場による電圧の変化を示す信号とが重畳されて検出される。そのため、磁性微粒子の分布を画像化する際には、検出コイルによって検出された信号の中から、磁性微粒子の磁化に伴って誘起された電圧の信号のみを取り出す必要がある。

しかしながら、高周波磁場によって誘起される電圧の大きさは、磁性微粒子によって誘起される電圧の大きさに比べてはるかに大きいため、それぞれの電圧の信号を分離することは非常に困難であるという問題がある。この問題は、臨床に応用することを想定した場合にはさらに顕著となる。

たとえば、非特許文献１の記載に基づいて、人を対象としたスケールの磁性微粒子イメージング装置を構成した場合、高周波コイルが印加する高周波磁場の大きさを、磁性微粒子が容易に磁気飽和する強度である１０［ｍＴ］／μ_０とすると、この高周波磁場によって検出コイルに誘起される電圧の大きさは約１５０［Ｖ］となる。これに対し、たとえば磁化率−７．１×１０^−６の反磁性を示す初期のがん細胞１０［ｍｍ^３］を対象とすると、検出コイルに誘起される電圧の大きさは約５０［ｎＶ］程度となる。

公知文献では、かかる信号の分離方法として、周波数による分離方法が記載されている。具体的には、高周波磁場によって誘起される電圧の信号が正弦波であるのに対し、磁性微粒子の磁化によって誘起される電圧の信号は歪みを含んでいることを利用し、検出コイルによって検出された信号から高調波成分を抜き出すことによって、磁性微粒子の磁化によって誘起された電圧の信号のみを取り出すという方法である。

しかし、臨床に応用することを想定した場合には、前述したように、磁性微粒子の磁化によって誘起される電圧に対して、高周波磁場によって誘起される電圧の大きさがあまりにも大きくなるため、この方法を用いても十分な検出感度を得ることは難しい。そこで、磁性微粒子イメージングを臨床に応用するためには、検出コイルの検出感度を従来と比べて大幅に向上させることが必要となる。

この発明は、上述した従来技術による問題および課題を解決するためになされたものであり、検出コイルの検出感度を向上させることによって、臨床に応用することができる磁性微粒子イメージング装置、その信号検出方法および信号検出装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明は、磁性微粒子の磁化により生じる磁束の変化に基づいて該磁性微粒子の分布を画像化する磁性微粒子イメージング装置であって、無磁場領域に高周波磁場を印加することによって該無磁場領域内に存在する磁性微粒子を磁化させる高周波コイルと、鎖交する磁束の変化を検出し、かつ検出した磁束に含まれる、前記高周波コイルによって印加された高周波磁場の磁束が最小となるように配設された検出コイルと、を備えたことを特徴とする。

また、本発明は、磁性微粒子の磁化により生じる磁束の変化に基づいて該磁性微粒子の分布を画像化する磁性微粒子イメージング装置で用いられる検出コイル配設方法であって、無磁場領域に高周波磁場を印加することによって該無磁場領域内に存在する磁性微粒子を磁化させる高周波コイルとともに、鎖交する磁束の変化を検出し、かつ検出した磁束に含まれる、前記高周波コイルによって印加された高周波磁場の磁束が最小となるように検出コイルを配設することを特徴とする。

また、本発明は、磁性微粒子の磁化により生じる磁束の変化に基づいて該磁性微粒子の分布を画像化する磁性微粒子イメージング装置で用いられる磁束検出装置であって、無磁場領域に高周波磁場を印加することによって該無磁場領域内に存在する磁性微粒子を磁化させる高周波コイルと、鎖交する磁束の変化を検出し、かつ検出した磁束に含まれる、前記高周波コイルによって印加された高周波磁場の磁束が最小となるように配設された検出コイルと、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、検出コイルの検出感度を向上させることが可能になり、臨床に応用するうえでも十分な検出感度を得ることができるという効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、この発明に係る磁性微粒子イメージング装置、検出コイル配設方法および磁束検出装置の好適な実施例を詳細に説明する。

図１は、本実施例１に係る磁性微粒子イメージング装置の構成を示す斜視図である。同図に示すように、この磁性微粒子イメージング装置１０は、フレーム１１と、天板１２と、永久磁石１３ａおよび１３ｂと、ゼロ磁場スキャンコイル１４ａ〜１４ｈと、高周波コイル１５ａおよび１５ｂと、検出コイル１６ａおよび１６ｂとを有する。

フレーム１１は、コ字状に形成された部材であり、永久磁石１３ａおよび１３ｂと、ゼロ磁場スキャンコイル１４ａ〜１４ｈと、高周波コイル１５ａおよび１５ｂと、検出コイル１６ａおよび１６ｂとをそれぞれ支持している。

天板１２は、フレーム１１で囲まれた領域の略中心に設置された板状の部材であり、撮影の対象となる被検体Ｐ（患者など）が載置されるとともに、図示していない装置によって移動される。なお、ここでは、同図に示すように、天板１２に仰向けに載置された被検体Ｐを基準として、上／下、左／右および頭／足方向をそれぞれ定義する。

永久磁石１３ａおよび１３ｂは、フレーム１１の内側にゼロ磁場領域を発生させるための磁石である。図２は、永久磁石１３ａおよび１３ｂを説明するための図である。同図（ａ）に示すように、永久磁石１３ａおよび１３ｂは、それぞれ、フレーム１１内壁の上面および下面に、互いに対向して配設されている。

ここで、永久磁石１３ａおよび１３ｂは、それぞれ生成する磁場の方向が逆になるように配設されている。このように永久磁石１３ａおよび１３ｂを配設することによって、同図（ｂ）に示すように、それぞれの中間点では、永久磁石１３ａが作る磁場６ａと、永久磁石１３ｂが作る磁場６ｂとが相殺されて、ゼロ磁場領域２が発生する。

なお、ここでは、同図に示すように、ゼロ磁場領域２の中心を通り、フレーム１１で囲まれた領域を左／右、上／下に分割する面をそれぞれ「左右中心面」、「上下中心面」と定義する。

ゼロ磁場スキャンコイル１４ａ〜１４ｈは、ゼロ磁場領域２の位置を制御するための電磁石である。図３は、ゼロ磁場スキャンコイル１４ａ〜１４ｈを説明するための図である。同図（ａ）は、図２（ｂ）に示した上下中心面における磁場の状態を示している。この図に示すように、上下中心面では、図２（ｂ）で示した磁場６ａと磁場６ｂとが合成された磁場６ｃが生じており、中心部分には、ゼロ磁場領域２が発生している。

また、図３（ｂ）は、天板１２と、フレーム１１内壁の上面に配設された永久磁石１３ａと、ゼロ磁場スキャンコイル１４ａ〜１４ｄをそれぞれ示している。同図に示すように、ゼロ磁場スキャンコイル１４ａ〜１４ｄは、永久磁石１３ａの周囲にそれぞれ配設されている。具体的には、被検体Ｐからみて頭側には、右側にゼロ磁場スキャンコイル１４ａが、左側にゼロ磁場スキャンコイル１４ｂがそれぞれ配設され、頭側には、右側にゼロ磁場スキャンコイル１４ｃが配設され、左側にゼロ磁場スキャンコイル１４ｄがそれぞれ配設されている。

ここで、たとえば、ゼロ磁場スキャンコイル１４ｂから１４ａへ向かう磁場と、ゼロ磁場スキャンコイル１４ｄから１４ｃへ向かう磁場とがそれぞれ生じるように各コイルに流れる電流を調整したとする。その場合、同図（ｃ）に示すように、左側から右側に流れる磁場が発生する。この磁場と、同図（ａ）に示した磁場６ｃとが合成されると、右側にある合成磁場が左側にある合成磁場より強くなり、その結果、同図（ｄ）に示すように、ゼロ磁場領域２が左側に移動する。また、これとは逆に、ゼロ磁場スキャンコイル１４ａから１４ｂへ向かう磁場と、ゼロ磁場スキャンコイル１４ｃから１４ｄへ向かう磁場とがそれぞれ生じるように電流を調整すれば、ゼロ磁場領域２が右側に移動する。

一方、たとえば、ゼロ磁場スキャンコイル１４ｃから１４ａへ向かう磁場と、ゼロ磁場スキャンコイル１４ｄから１４ｂへ向かう磁場とがそれぞれ生じるように各コイルに流れる電流を調整したとする。その場合、同図（ｅ）に示すように、足側から頭側に流れる磁場が発生する。この磁場と、同図（ａ）に示した磁場６ｃとが合成されると、足側にある合成磁場が頭側にある合成磁場より強くなり、その結果、同図（ｆ）に示すように、ゼロ磁場領域２が足側に移動する。また、これとは逆に、ゼロ磁場スキャンコイル１４ａから１４ｃへ向かう磁場と、ゼロ磁場スキャンコイル１４ｂから１４ｄへ向かう磁場とがそれぞれ生じるように電流を調整すれば、ゼロ磁場領域２が頭側に移動する。

このように、ゼロ磁場スキャンコイル１４ａ〜１４ｄに流す電流をそれぞれ調整することによって、ゼロ磁場領域２を左／右方向、頭／足方向へ移動することができる。また、ここでは説明を省略するが、フレーム１１内壁の下面に配置されたゼロ磁場スキャンコイル１４ｅ〜１４ｈを用いた場合も、同様にゼロ磁場領域２を移動することができる。

なお、上記で説明したゼロ磁場スキャンコイル１４ａ〜１４ｈの構成では、ゼロ磁場領域２を上下に移動することはできないが、天板１２を上／下方向へ移動することによって、等価的に、被検体Ｐの中でゼロ磁場領域２の位置を上下に移動することができる。

高周波コイル１５ａおよび１５ｂは、フレーム１１で囲まれた領域に高周波磁場を印加するための電磁石であり、たとえば、１０［ｋＨｚ］から１００［ｋＨｚ］程度の高周波磁場を印加する。図４は、高周波コイル１５ａおよび１５ｂを説明するための図である。同図に示すように、高周波コイル１５ａおよび１５ｂは、それぞれ、フレーム１１で囲まれた領域の上側および下側に、互いに対向して配設されており、下側から上側に向かうように高周波磁場３を印加する。

これら高周波コイル１５ａおよび１５ｂによって高周波磁場３が印加されると、同図（ｂ）に示すように、ゼロ磁場領域２内に存在する磁性微粒子が磁化されて磁化Ｍが生じ、これに伴って、ゼロ磁場領域２から磁場７が発生する。この磁場７の波形は、磁化Ｍの波形と同じものになり、ゼロ磁場領域２内に存在する磁性微粒子の量に応じて、歪みを含んだものとなる。

図５は、ゼロ磁場領域２から発生する磁場の波形を示すグラフである。同図（ａ）は、ゼロ磁場領域２での磁場の強さＨの変化を示すグラフであり、同図（ｂ）は、ゼロ磁場領域２での磁束密度Ｂの変化を示すグラフであり、同図（ｃ）は、ゼロ磁場領域２での磁化Ｍの変化を示す図である。

ゼロ磁場領域２近辺に生じる磁場の強さＨは、永久磁石１３ａおよび１３ｂによる磁場の強さと、高周波コイル１５ａおよび１５ｂによる高周波磁場の強さの和となる。しかし、ゼロ磁場領域２では永久磁石１３ａおよび１３ｂによる磁場がゼロであるため、同図（ａ）に示すように、磁場の強さＨの波形は正弦波となる。一方、磁束密度Ｂは、磁気飽和によって、同図（ｂ）に示すように所定の飽和磁束密度で頭打ちとなる。そのため、磁化Ｍは、Ｂとμ_０との差であることから、同図（ｃ）に示すように歪んだ波形となる。

検出コイル１６ａおよび１６ｂは、鎖交する磁束を検出するための電磁石である。フレーム１１で囲まれた領域内の任意の位置に検出コイルを配置した場合、検出コイルによって検出される磁束には、磁性微粒子の磁化Ｍによって生じた磁場７の磁束だけでなく、永久磁石１３ａおよび１３ｂによる磁場６ａおよび６ｂの磁束や、高周波コイル１５ａおよび１５ｂによって印加された高周波磁場３の磁束も含まれる。

しかし、磁性微粒子の分布を画像化する際に必要となるものは、磁性微粒子の磁化Ｍによって生じた磁場７の磁束のみである。永久磁石１３ａおよび１３ｂによる磁場６ａおよび６ｂはともに静磁場であるので、磁化Ｍによって生じる磁場７とは周波数が大きく異なり、公知の技術を用いて容易に分離することができる。

一方、高周波コイル１５ａおよび１５ｂによる高周波磁場３は、臨床に応用することを想定した場合、前述したように、磁性微粒子の磁化Ｍによって生じる磁場７に比べてはるかに大きくなるため、分離は困難である。

そこで、本実施例１に係る磁性微粒子イメージング装置１０では、高周波コイル１５ａおよび１５ｂによって印加される高周波磁場３が検出されるのを最小限に抑え（設計上はゼロにする）、磁性微粒子の磁化Ｍによって生じる磁場７を効率よく計測できるように検出コイル１６ａや１６ｂを配設することによって、臨床に応用するうえでも十分な検出感度を得ることができるようにしている。

以下、かかる検出コイル１６ａおよび１６ｂの配置について具体的に説明する。図６は、本実施例１に係る検出コイル１６ａおよび１６ｂの配置を示す図である。同図に示すように、本実施例１に係る磁性微粒子イメージング装置１０では、フレーム１１に囲まれた領域の右側の上側に検出コイル１６ａを、右側の下側に検出コイル１６ｂを、それぞれ高周波コイル１５ａおよび１５ｂの外側に位置するように配設している。

ここで、検出コイル１６ａは、コイル面の中心を通る軸（中心軸）が、高周波コイル１５ａによって印加される高周波磁場３の磁束に略直交するような向きで配設されており、検出コイル１６ｂは、コイル中心を通る軸（中心軸）が、高周波コイル１５ｂによって印加される高周波磁場３に略直交するような向きで配設されている。

このような向きで検出コイル１６ａおよび１６ｂをそれぞれ配設することによって、高周波コイル１５ａおよび１５ｂによって印加される高周波磁場３の磁束が各検出コイルに鎖交しないようになる。

この一方で、磁性微粒子の磁化Ｍによって生じる磁場７の磁束に対しては、各検出コイルの中心軸は略直交していない。したがって、検出コイル１６ａおよび１６ｂは、高周波コイル１５ａおよび１５ｂによって印加される高周波磁場３に対しては検出感度が極めて低く、磁性微粒子の磁化Ｍによって生じる磁場７に対しては一定の高い検出感度を有していることになる。

以下、かかる検出コイル１６ａおよび１６ｂの配置方法について説明する。具体的には、まず、フレーム１１で囲まれた領域内に所定の数の点を定義する。この点を、ここでは「計測点」と呼ぶ。続いて、計測点ごとに、高周波コイル１５ａおよび１５ｂによって印加された高周波磁場３の強さおよび向きを算出する。図７は、高周波コイル１５ａおよび１５ｂによって印加される高周波磁場３の分布を示す分布図である。同図に示す各直線の向きは、各測定点における高周波磁場３の向きを示しており、各直線の長さは、各測定点における高周波磁場３の強さを示している。

そして、定義した計測点の中からいずれかの計測点を選択し、選択した計測点にコイルの中心が重なり、かつ、選択した計測点における高周波磁場３の向きにコイルの軸が略直交するような位置および向きを特定して、検出コイルを配置する。

図８は、図６に示した検出コイル１６ａおよび１６ｂの配置例を示す図である。たとえば、同図に示すように、フレーム１１に囲まれた領域右側にあり、かつ、高周波コイル１５ａおよび１５ｂの外側にある計測点のうち、上側および下側から計測点をひとつずつ選択し、それぞれの計測点を基準として、検出コイル１６ａおよび１６ｂを配置する。

このように、コイルの中心軸が高周波コイル１５ａおよび１５ｂによって印加された高周波磁場３の磁束と略直交するように、検出コイル１６ａおよび１６ｂを配設することによって、高周波コイル１５ａおよび１５ｂにより生じた高周波磁場３の磁束のうち、検出コイル１６ａおよび１６ｂによって検出される磁束を最小限まで抑えることが可能になる。

なお、図１では図示を省略したが、本実施例１に係る磁性微粒子イメージング装置１０は、検出コイルによって検出された磁束の変化に基づいて、磁性微粒子の分布を示す画像を生成する画像処理手段も有している。この画像処理手段によって生成された画像は、モニタなどの表示装置や、プリンタなどの出力装置によって出力される。

上述してきたように、本実施例１では、鎖交する磁束の変化を検出する検出コイル１６ａおよび１６ｂを、検出した磁束に含まれる、高周波コイル１５ａおよび１５ｂによって印加された高周波磁場３の磁束が最小となるように配設したので、検出コイルの検出感度を向上させることが可能になり、臨床に応用するうえでも十分な検出感度を得ることができるようになる。

なお、本実施例１では、高周波コイル１５ａおよび１５ｂによって生じる高周波磁場３の向きに中心軸が略直交するように、検出コイル１６ａおよび１６ｂを配設した場合について説明したが、本発明はこれに限られるわけではなく、この他にもさまざまな検出コイル配設方法が考えられる。そこで、以下では、図９〜１２を用いて、検出コイルの他の配置例について説明する。

図９は、検出コイルの他の配置例を示す図（１）である。たとえば、同図に示すように、高周波コイル１５ａおよび１５ｂの内側に検出コイルを配置するようにしてもよい。同図に示す例では、４つの検出コイル１６ｃ〜１６ｆを、高周波コイル１５ａおよび１５ｂの内側にある計測点を基準として、それぞれ配置している。

このように、高周波コイル１５ａおよび１５ｂの内側に検出コイル１６ｃ〜１６ｆを配置することによって、外側に配置した場合に比べて各検出コイルが磁化Ｍに近い位置となるため、信号の検出感度をさらに向上することができる。

また、図７に示した分布図を参照すると、高周波コイル１５ａによって印加された高周波磁場３と、高周波コイル１５ｂによって印加された高周波磁場３とが相殺し合うことによって、磁場がゼロになる計測点があることがわかる。このような位置に検出コイルを配置することによって、高周波コイル１５ａおよび１５ｂによって印加され、検出コイルに鎖交する高周波磁場３をゼロにすることもできる。

図１０は、検出コイルの他の配置例を示す図（２）である。たとえば、同図に示すように、高周波コイル１５ａの右側で発生している高周波磁場３と、高周波コイル１５ｂの右側で発生している高周波磁場３とが相殺される位置に検出コイル１６ｇを配置する。この場合、検出コイルをどのような向きで配置しても、当該検出コイルに鎖交する高周波磁場３はゼロになるが、磁性微粒子の磁化Ｍによって生じる磁場７の磁束が効率よく検出されるようにするためには、コイル面が磁場７の磁束に直交するような向きに検出コイルを配置するのが好適である。このように配置した場合、検出コイルを鎖交する磁場７の磁束が最も大きくなり、検出コイルの磁場７に対する検出感度が最も大きくなるからである。

また、巻線の向きが逆であり、かつ、直列に接続されたる２つの検出コイルを用いて、高周波コイル１５ａおよび１５ｂによって印加された高周波磁場３がゼロになるようにすることもできる。

図１１は、検出コイルの他の配置例を示す図（３）である。たとえば、同図に示すように、巻線の向きが逆であり、かつ、直列に接続された検出コイル１６ｈおよび１６ｉをそれぞれ高周波コイル１５ａの上および下に配置する。ここで、各検出コイルは、コイル面の面積および巻き数が等しいものであるとし、それぞれ、中心軸が高周波コイル１５ａの中心軸と一致するように、高周波コイル１５ａから同じ距離だけ離れた位置に配置する。

このように検出コイル１６ｈおよび１６ｉを配置することによって、それぞれの検出コイルにより検出される、高周波コイル１５ａおよび１５ｂによって印加された高周波磁場３が相殺され、検出コイル１６ｈおよび１６ｉをひとつの検出コイルとみなした場合には、検出コイル全体を鎖交する高周波磁場３はゼロとみなすことができる。

この一方で、磁化Ｍによって生じた磁場７については、検出コイル１６ｉが検出コイル１６ｈよりもゼロ磁場領域２に近い位置となるため、鎖交する磁場の大きさが検出コイルごとに異なることになる。その結果、検出コイル１６ｈおよび１６ｉをひとつの検出コイルとみなした場合でも、検出コイル全体を鎖交する磁場７はゼロにならず、それぞれの検出コイルを鎖交する磁場７には差が生じる。この差を検出することによって、磁化Ｍによって生じた磁場７が検出できることになる。

なお、ここでは、検出コイル１６ｈおよび１６ｉは、コイル面の面積および巻き数が等しいものとし、それぞれ、中心軸が高周波コイル１５ａの中心軸と揃うように、高周波コイル１５ａから同じ距離だけ離れた位置に配置することとしたが、コイル面の面積、巻き数および配置位置はこれに限られるわけではない。

すなわち、高周波コイル１５ａからの距離が異なる位置にそれぞれの検出コイルを配置した場合でも、各検出コイルを鎖交する高周波磁場３が互いに相殺されるようにコイル面の面積の大きさや巻き数を変えることによって、検出コイル全体を鎖交する高周波磁場３をゼロにすることが可能である。この時、各検出コイルは、磁化Ｍによって生じる磁場７の合計がなるべく大きくなるように配置することが望ましい。

また、高周波コイルおよび検出コイルそれぞれに、直列に補償コイルを挿入し、この補償コイルを対向して配置することによって、高周波コイル１５ａおよび１５ｂによって印加された高周波磁場３がゼロになるようにすることもできる。

図１２は、検出コイルの他の配置例を示す図（４）である。たとえば、同図に示すように、高周波コイル１５ａと直列に補償コイル１７ａおよび１７ｂを挿入し、検出コイル１６ｊと直列に補償コイル１７ａを挿入する。この時、補償コイル１７ａおよび１７ｂは対向するように配設し、高周波コイル１５ａおよび１５ｂによって印加される高周波磁場３の磁束のうち検出コイル１６ｊを鎖交する磁束と、補償コイル１７ａによって生じ、補償コイル１７ｂを鎖交する磁束との和がゼロとなるように、補償コイル１７ａと１７ｂの巻き数の比を設定する。

なお、図１２に示した例のように、補償コイルを用いる方法は、検出コイルによって検出される磁束のうち、高周波コイル１５ａおよび１５ｂによって印加された高周波磁場３の磁束の総量をゼロにするための微調節に有用であり、上記で説明した各例と組み合わせた場合に有効である。

以上、実施例１では、検出コイルを配置する際の位置や向きを調整することによって、高周波コイル１５ａおよび１５ｂによって印加される高周波磁場３の磁束のうち鎖交する磁束を最小とする場合について説明した。しかしながら、上記のように検出コイルを配設するように設計したとしても、製作時に機械誤差が生じる場合があるため、検出コイルを鎖交する、高周波コイル１５ａおよび１５ｂによって生じた磁場を完全にゼロにすることは難しい。

そこで、以下では実施例２として、高周波コイル１５ａおよび１５ｂによって印加される高周波磁場のバランスを調整するためのフィードバックコイルを設置し、実際に検出コイルで検出された結果に基づいてフィードバックコイルを駆動することによって、検出コイルを鎖交する、高周波コイル１５ａおよび１５ｂによって生じた磁場を完全にゼロにする構成、方法について説明する。なお、ここでは説明の便宜上、図２に示した各部と同様の役割を果たす機能部については同一符号を付すこととしてその詳細な説明を省略する。

図１３は、本実施例２に係るフィードバックコイルの制御を説明するための図である。同図は、直列に接続された４つの検出コイル１６ｋ〜１６ｎを高周波コイル１５ａの内側および外側に２つずつ配設し、フィードバックコイル１８ａを高周波コイル１５ｂの略中心に設置した場合を示している。

ここで、高周波コイル１５ａおよび１５ｂは、増幅回路１９ａを介して交流電源１９ｂから供給される高周波信号によって駆動される。この信号は一般的には正弦波に近い信号とするが、信号のオン／オフ制御やパルス駆動などのため、実際には高調波成分を幾分含んだ信号となる。

また、検出コイル１６ｋ〜１６ｎによって検出された信号は、増幅回路１９ｃを介して検波回路１９ｄに入力される。検波回路１９ｄでは、入力された信号に対して、高周波コイル１５ａおよび１５ｂに流れる電流の信号波形で検波が行われ、これにより、入力信号から基本周波数成分が抽出される。検波回路１９ｄによって抽出された基本周波数の信号は、積分回路１９ｅに入力される。

積分回路１９ｅでは、入力された信号が積分され、積分結果は増幅回路１９ｆを介してゲイン調整回路１９ｇに入力される。ゲイン調整回路１９ｇでは、積分結果をゲインとして、高周波コイル１５ａおよび１５ｂを駆動する高周波信号と同じ周波数波形の高周波信号が生成される。そして、生成された高周波信号に基づいて、増幅回路１９ｈを介してフィードバックコイル１８ａに供給される。

以上の回路構成は一次遅れ系を構成しており、この一次遅れ系により、検出コイル１６ｋ〜１６ｎを鎖交する磁束のうち、高周波コイル１５ａおよび１５ｂと周波数が同じ成分がゼロになるように制御される。この構成によれば、機械誤差が存在した場合でも、フィードバックコイル１８ａにより発生する磁場が誤差を打ち消すように制御されるので、高周波コイルによって生じた高周波磁場による検出コイルの計測信号をゼロにすることができる。この一方で、磁化Ｍによって生じた磁場に含まれる高調波成分は打ち消されずに残るため、信号検出の制度が劣化することはない。

上述してきたように、本実施例２では、高周波コイル１５ａおよび１５ｂを高周波信号波形にて駆動し、検出コイルで検出した信号から高周波信号波形と同期する成分を抽出し、その同期成分がゼロになるようにフィードバックコイル１８ａが制御されるので、高周波コイル１５ａおよび１５ｂにより生じた高周波磁場のうち、検出コイルによって検出される信号を大幅に小さくすることができ、検出コイルの検出感度をさらに向上することが可能になる。

なお、本実施例２では、フィードバックコイル１８ａを高周波コイル１５ｂの略中心に設置した場合について説明したが、本発明はこれに限られるわけではない。たとえば、検出コイルに補償コイルを接続し、この補償コイルに対向するようにフィードバックコイルを配置してもよい。図１４は、フィードバックコイルの他の配置例を示す図である。

具体的には、たとえば同図に示すように、検出コイル１６ｋ〜１６ｎと増幅回路１９ｃとの間に補償コイル１７ｃを挿入し、この補償コイル１７ｃに対向するようにフィードバックコイル１８ｂを配置する。そして、ゲイン調整回路１９ｇによって生成された、高周波コイル１５ａおよび１５ｂを駆動する高周波信号と同じ周波数波形の高周波信号をフィードバックコイル１８ｂに供給するよう構成する。

これにより、誤差を打ち消す磁束がフィードバックコイル１８ｂから発生し、検出コイル１６ｋ〜１６ｎを鎖交する磁束のうち、高周波コイル１５ａおよび１５ｂと周波数が同じ成分がゼロになるように制御される。

また、ゲイン調整回路１９ｇによって生成された高周波信号を高周波コイル１５ａまたは１５ｂのいずれか一方に直接印加するようにしてもよい。この場合、誤差を打ち消す磁束が、高周波信号を印加するようにした高周波コイルから発生し、検出コイル１６ｋ〜１６ｎを鎖交する磁束のうち、高周波コイル１５ａおよび１５ｂと周波数が同じ成分がゼロになるように制御される。

以上、実施例１および２についてそれぞれ説明したが、これらの実施例では、図１に示したように、高周波コイル１５ａおよび１５ｂを、それぞれ永久磁石１３ａおよび１３ｂの近傍に検出コイルを配設した場合を説明した。しかし、本発明はこれとは異なる高周波コイルの構成であっても同様に適用することができる。

図１５は、磁性微粒子イメージング装置の他の構成例を示す図である。同図に示す磁性微粒子イメージング装置２０では、高周波コイル２５と検出コイル２６ａ〜２６ｄとを天板１２にそれぞれ配設した場合を示している。この場合、画像のスキャン中は、天板１２を上／下方向へ少しずつ移動することによって、３次元的なスキャンを行う。さらに、頭方向、足方向へ天板１２が移動するようにしてもよい。

そして、この場合は、天板１２の移動に伴って高周波コイル２５と検出コイル２６ａおよび２６ｂも移動するため、各コイルが常に被検体Ｐの近くに位置することになり、検出感度がさらに向上する。

また、この場合でも、実施例１と同様に、検出コイルを配設する際の位置や向きはさまざまなパターンが考えられる。たとえば、同図に示す例では、検出コイル２６ａ〜２６ｄを、図９に示した検出コイル１６ｄおよび１６ｆと同じ位置に配設している。

上記の例から類推されるように、本発明は、高周波コイルや永久磁石のさまざまな構成に対して同様に適用することが可能である。

以上のように、本発明に係る磁性微粒子イメージング装置では、高周波コイルによって生じた磁束が検出コイルにおいて検出されなくなり、画像化領域から生じる磁場を効率よく抽出して検出できるようになるため、検出感度が大幅に向上する。従来の構成であれば、人に対する画像化装置の実現は困難と考えられたが、本発明を用いることにより、感度を大幅に向上でき、臨床に応用するための画像化装置の実現が可能になる。

また、従来の構成で画像化装置を構成した場合、高濃度の磁性微粒子を用い、かつ、非常に大きな病巣となって始めて検出されることになるが、本構成を用いることにより、患部に集積した磁性微粒子の濃度が従来のものより小さくても、あるいは、小さい領域（患部）に集積した磁性微粒子が検出できるようになり、このことから、より初期の、あるいは、より軽微な疾患を検出できるようになり、診断の質の向上に寄与することが可能になる。

以上のように、本発明に係る磁性微粒子イメージング装置、信号検出方法および信号検出装置は、磁性微粒子の分布を高い精度で画像化する場合に有用であり、特に、臨床に応用する場合に適している。

本実施例１に係る磁性微粒子イメージング装置の構成を示す斜視図である。永久磁石を説明するための図である。ゼロ磁場スキャンコイルを説明するための図である。高周波コイルを説明するための図である。ゼロ磁場領域から発生する磁場の波形を示すグラフである。本実施例１に係る検出コイルの配置を示す図である。高周波コイルによって印加される高周波磁場の分布を示す分布図である。図６に示した検出コイルの配置例を示す図である。検出コイルの他の配置例を示す図（１）である。検出コイルの他の配置例を示す図（２）である。検出コイルの他の配置例を示す図（３）である。検出コイルの他の配置例を示す図（４）である。本実施例２に係るフィードバックコイルの制御を説明するための図である。フィードバックコイルの他の配置例を示す図である。磁性微粒子イメージング装置の他の構成例を示す図である。磁性微粒子イメージングの原理を説明するための図である。

符号の説明

１静磁場
２ゼロ磁場領域
３高周波磁場
４高周波コイル
５検出コイル
６ａ，６ｂ，６ｃ磁場
７磁場
１０，２０磁性微粒子イメージング装置
１１フレーム
１２天板
１３ａ，１３ｂ永久磁石
１４ａ〜１４ｈゼロ磁場スキャンコイル
１５ａ，１５ｂ，２５高周波コイル
１６ａ〜１６ｎ，２６ａ〜２６ｄ検出コイル
１７ａ，１７ｂ，１７ｃ補償コイル
１８ａ，１８ｂフィードバックコイル
１９ａ，１９ｃ，１９ｆ，１９ｈ増幅回路
１９ｂ交流電源
１９ｄ検波回路
１９ｅ積分回路
１９ｇゲイン調整回路

Claims

磁性微粒子の磁化により生じる磁束の変化に基づいて該磁性微粒子の分布を画像化する磁性微粒子イメージング装置であって、
無磁場領域に高周波磁場を印加することによって該無磁場領域内に存在する磁性微粒子を磁化させる高周波コイルと、
鎖交する磁束の変化を検出し、かつ検出した磁束に含まれる、前記高周波コイルによって印加された高周波磁場の磁束が最小となるように配設された検出コイルと、
を備え、
前記高周波コイルは、少なくとも二つのコイルからなり、
前記検出コイルは、前記高周波コイルをなす各コイルによって印加された高周波磁場が互いに打ち消しあう位置に配設されていることを特徴とする磁性微粒子イメージング装置。
磁性微粒子の磁化により生じる磁束の変化に基づいて該磁性微粒子の分布を画像化する磁性微粒子イメージング装置であって、
無磁場領域に高周波磁場を印加することによって該無磁場領域内に存在する磁性微粒子を磁化させる高周波コイルと、
鎖交する磁束の変化を検出し、かつ検出した磁束に含まれる、前記高周波コイルによって印加された高周波磁場の磁束が最小となるように配設された検出コイルと、
を備え、
前記検出コイルは、直列に接続された少なくとも二つのコイルからなり、検出した磁束に含まれる前記高周波磁場の磁束が互いに打ち消しあうようにそれぞれのコイルが配設されていることを特徴とする磁性微粒子イメージング装置。
磁性微粒子の磁化により生じる磁束の変化に基づいて該磁性微粒子の分布を画像化する磁性微粒子イメージング装置であって、
無磁場領域に高周波磁場を印加することによって該無磁場領域内に存在する磁性微粒子を磁化させる高周波コイルと、
鎖交する磁束の変化を検出し、かつ検出した磁束に含まれる、前記高周波コイルによって印加された高周波磁場の磁束が最小となるように配設された検出コイルと、
を備え、
前記検出コイルは、該検出コイルと直列に接続された第一の補償コイルを有し、
前記高周波コイルは、該高周波コイルと直列に接続され、前記検出コイルによって検出された磁束に含まれる前記高周波磁場の磁束を打ち消すように前記第一の補償コイルに磁場を印加する第二の補償コイルを有することを特徴とする磁性微粒子イメージング装置。
磁性微粒子の磁化により生じる磁束の変化に基づいて該磁性微粒子の分布を画像化する磁性微粒子イメージング装置であって、
無磁場領域に高周波磁場を印加することによって該無磁場領域内に存在する磁性微粒子を磁化させる高周波コイルと、
鎖交する磁束の変化を検出し、かつ検出した磁束に含まれる、前記高周波コイルによって印加された高周波磁場の磁束が最小となるように配設された検出コイルと、
前記検出コイルにより検出された磁束に含まれる前記高周波磁場の磁束に基づいて、前記高周波コイルにより印加される高周波磁場の磁束の大きさを調整するように磁場を印加するフィードバックコイルと、
を備えたことを特徴とする磁性微粒子イメージング装置。
前記検出コイルは、中心軸が、前記高周波コイルによって印加された高周波磁場の磁束と略直交するように配設されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の磁性微粒子イメージング装置。
前記検出コイルは、前記高周波コイルの外側に配設されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の磁性微粒子イメージング装置。
前記検出コイルは、前記高周波コイルの内側に配設されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の磁性微粒子イメージング装置。
前記検出コイルは、コイル面が、前記磁性微粒子の磁化により生じる磁束と略直交するように配設されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の磁性微粒子イメージング装置。
前記検出コイルは、該検出コイルと直列に接続された補償コイルを有し、
前記フィードバックコイルは、前記検出コイルの補償コイルに磁場を印加することによって、前記高周波磁場の磁束の大きさを調整することを特徴とする請求項４に記載の磁性微粒子イメージング装置。
磁性微粒子の磁化により生じる磁束の変化に基づいて該磁性微粒子の分布を画像化する磁性微粒子イメージング装置で用いられる検出コイル配設方法であって、
無磁場領域に高周波磁場を印加することによって該無磁場領域内に存在する磁性微粒子を磁化させる高周波コイルとともに、鎖交する磁束の変化を検出し、かつ検出した磁束に含まれる、前記高周波コイルによって印加された高周波磁場の磁束が最小となるように検出コイルを配設し、
前記高周波コイルは、少なくとも二つのコイルからなり、
前記検出コイルは、前記高周波コイルをなす各コイルによって印加された高周波磁場が互いに打ち消しあう位置に配設されていることを特徴とする検出コイル配設方法。
磁性微粒子の磁化により生じる磁束の変化に基づいて該磁性微粒子の分布を画像化する磁性微粒子イメージング装置で用いられる検出コイル配設方法であって、
無磁場領域に高周波磁場を印加することによって該無磁場領域内に存在する磁性微粒子を磁化させる高周波コイルとともに、鎖交する磁束の変化を検出し、かつ検出した磁束に含まれる、前記高周波コイルによって印加された高周波磁場の磁束が最小となるように検出コイルを配設し、
前記検出コイルは、直列に接続された少なくとも二つのコイルからなり、検出した磁束に含まれる前記高周波磁場の磁束が互いに打ち消しあうようにそれぞれのコイルが配設されていることを特徴とする検出コイル配設方法。
磁性微粒子の磁化により生じる磁束の変化に基づいて該磁性微粒子の分布を画像化する磁性微粒子イメージング装置で用いられる検出コイル配設方法であって、
無磁場領域に高周波磁場を印加することによって該無磁場領域内に存在する磁性微粒子を磁化させる高周波コイルとともに、鎖交する磁束の変化を検出し、かつ検出した磁束に含まれる、前記高周波コイルによって印加された高周波磁場の磁束が最小となるように検出コイルを配設し、
前記検出コイルは、該検出コイルと直列に接続された第一の補償コイルを有し、
前記高周波コイルは、該高周波コイルと直列に接続され、前記検出コイルによって検出された磁束に含まれる前記高周波磁場の磁束を打ち消すように前記第一の補償コイルに磁場を印加する第二の補償コイルを有することを特徴とする検出コイル配設方法。
磁性微粒子の磁化により生じる磁束の変化に基づいて該磁性微粒子の分布を画像化する磁性微粒子イメージング装置で用いられる検出コイル配設方法であって、
無磁場領域に高周波磁場を印加することによって該無磁場領域内に存在する磁性微粒子を磁化させる高周波コイルとともに、鎖交する磁束の変化を検出し、かつ検出した磁束に含まれる、前記高周波コイルによって印加された高周波磁場の磁束が最小となるように検出コイルを配設し、
前記検出コイルにより検出された磁束に含まれる前記高周波磁場の磁束に基づいて、前記高周波コイルにより印加される高周波磁場の磁束の大きさを調整するように磁場を印加するフィードバックコイルを配設する、
ことを含んだことを特徴とする検出コイル配設方法。
磁性微粒子の磁化により生じる磁束の変化に基づいて該磁性微粒子の分布を画像化する磁性微粒子イメージング装置で用いられる磁束検出装置であって、
無磁場領域に高周波磁場を印加することによって該無磁場領域内に存在する磁性微粒子を磁化させる高周波コイルと、
鎖交する磁束の変化を検出し、かつ検出した磁束に含まれる、前記高周波コイルによって印加された高周波磁場の磁束が最小となるように配設された検出コイルと、
を備え、
前記高周波コイルは、少なくとも二つのコイルからなり、
前記検出コイルは、前記高周波コイルをなす各コイルによって印加された高周波磁場が互いに打ち消しあう位置に配設されていることを特徴とする磁束検出装置。
磁性微粒子の磁化により生じる磁束の変化に基づいて該磁性微粒子の分布を画像化する磁性微粒子イメージング装置で用いられる磁束検出装置であって、
無磁場領域に高周波磁場を印加することによって該無磁場領域内に存在する磁性微粒子を磁化させる高周波コイルと、
鎖交する磁束の変化を検出し、かつ検出した磁束に含まれる、前記高周波コイルによって印加された高周波磁場の磁束が最小となるように配設された検出コイルと、
を備え、
前記検出コイルは、直列に接続された少なくとも二つのコイルからなり、検出した磁束に含まれる前記高周波磁場の磁束が互いに打ち消しあうようにそれぞれのコイルが配設されていることを特徴とする磁束検出装置。
磁性微粒子の磁化により生じる磁束の変化に基づいて該磁性微粒子の分布を画像化する磁性微粒子イメージング装置で用いられる磁束検出装置であって、
無磁場領域に高周波磁場を印加することによって該無磁場領域内に存在する磁性微粒子を磁化させる高周波コイルと、
鎖交する磁束の変化を検出し、かつ検出した磁束に含まれる、前記高周波コイルによって印加された高周波磁場の磁束が最小となるように配設された検出コイルと、
を備え、
前記検出コイルは、該検出コイルと直列に接続された第一の補償コイルを有し、
前記高周波コイルは、該高周波コイルと直列に接続され、前記検出コイルによって検出された磁束に含まれる前記高周波磁場の磁束を打ち消すように前記第一の補償コイルに磁場を印加する第二の補償コイルを有することを特徴とする磁束検出装置。
磁性微粒子の磁化により生じる磁束の変化に基づいて該磁性微粒子の分布を画像化する磁性微粒子イメージング装置で用いられる磁束検出装置であって、
無磁場領域に高周波磁場を印加することによって該無磁場領域内に存在する磁性微粒子を磁化させる高周波コイルと、
鎖交する磁束の変化を検出し、かつ検出した磁束に含まれる、前記高周波コイルによって印加された高周波磁場の磁束が最小となるように配設された検出コイルと、
前記検出コイルにより検出された磁束に含まれる前記高周波磁場の磁束に基づいて、前記高周波コイルにより印加される高周波磁場の磁束の大きさを調整するように磁場を印加するフィードバックコイルと、
を備えたことを特徴とする磁束検出装置。