JP5384171B2 - アンテナ装置及び磁気共鳴検査装置 - Google Patents

Description

本発明は電磁波の送受信を行うためのアンテナ装置、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装置では、静磁場マグネットが発生する均一な静磁場中に配置された被検体に電磁波を照射し、被検体内の核スピンを励起すると共に、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、信号処理することにより、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とは、ラジオ周波数（ＲＦ）の電磁波を送信あるいは受信するＲＦアンテナもしくはＲＦコイルと呼ばれる装置によって行なわれる。

ＲＦコイルは、表面アンテナもしくは局所アンテナと呼ばれるものと、ボリュームコイルもしくはボリュームアンテナと呼ばれるものとの２種に大きく分類される。表面アンテナは、円形や平板形状でアンテナの近傍付近に感度を持ち、被検体の表面にあてて用いられる。一方、ボリュームアンテナは、円筒形もしくは２つの上下に設置された円盤形状を有し、その中もしくはその間全体に感度を持ち、そこに被検体を設置して用いられる。

円筒形のボリュームアンテナには、鳥かご型もしくはバードケージ型と呼ばれるもの（例えば、非特許文献１参照）と、ＴＥＭ型と呼ばれるもの（例えば、特許文献１および特許文献２参照）とがある。これらのボリュームアンテナは、通常ラング（横木、あるいは、はしごの横棒）と呼ばれる円筒の中心軸と平行に配置された棒状の導体が、円筒側面に沿って１６〜２４本程度設置される。

このような円筒形のボリュームアンテナは、トンネル型と呼ばれるＭＲＩ装置で用いられる。トンネル型ＭＲＩ装置では、静磁場マグネットが円筒形状に配置されてトンネルが形成され、被検体は、ベットに寝た状態でトンネル内部に入り、撮影が行われる。

Ｃｅｃｉｌ Ｅ． Ｈａｙｅｓ， ｅｔ ａｌ．、"Ａｎ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，Ｈｉｇｈｌｙ Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ Ｒａｄｉｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｉｌ ｆｏｒ Ｗｈｏｌｅ−Ｂｏｄｙ ＮＭＲ Ｉｍａｇｉｎｇ ａｔ １．５Ｔ"、 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ６３：６２２−６２８ （１９８５）

米国特許第４７５１４６４号明細書 米国特許第５５５７２４７号明細書

上記のようなトンネル型ＭＲＩ装置においては、被検体が入るトンネルの内部をできるだけ広く確保し、体格の良い被検体や閉所恐怖症の被検体が安心して快適にＭＲＩ検査を受診できる検査環境が求められている。一般に、トンネル型ＭＲＩ装置では、外部からトンネル内部にかけて、静磁場マグネット、傾斜磁場コイル、ＲＦコイルの順に配置されている。このため、トンネルの内部を広くし、快適な検査空間を確保するためには、静磁場マグネットの内径を大きくすることが一番簡単な解決策である。しかし、静磁場マグネット内径を大きくするためには、静磁場マグネット自体を大きくする必要があり、これは、製造コストの大幅な上昇につながる。

また、上記各先行文献に開示されている円筒形のボリュームアンテナでは、上記本数のラングが円周方向に等間隔に配置されている。このため、これらのボリュームアンテナをＲＦコイルとして用いる場合、トンネルの内壁は、その断面が円形となる。この形状は、必ずしも被検体としてベッドに横たわる人体の形状に合致したものではないため、肩幅方向に特に、両肩部分に空間を確保しにくい。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、トンネル型ＭＲＩ装置において、ＭＲＩ装置の製造コストを増大させることなく、また、性能を犠牲にすることなく、快適な検査空間を確保する技術を提供することを目的とする。

本発明は、中空形状の外部導体と、外部導体に沿って軸方向に配置されるリボン状導体とを備えるＲＦコイルにおいて、リボン状導体を不等間隔に配置し、リボン状導体の無い部分の内部空間を確保する。ただし、ＲＦコイルの中心部分で均一な感度を得るため、リボン状導体と外部導体との間は、所望の共振周波数で中心軸に垂直な磁場成分を発生するよう容量が調整されたキャパシタを介して電気的に接続するとともに、リボン状導体を外部導体の中心軸に対して軸対称に配置する。

具体的には、信号の送信および／または受信に用いるアンテナ装置であって、中空の筒状導体と、複数のリボン状導体と、前記複数のリボン状導体各々を前記筒状導体に接続するキャパシタと、前記信号を送信および／または受信する送受信手段との接続手段と、を備え、前記複数のリボン状導体各々は、前記筒状導体の内側表面から一定の距離を保ち、当該筒状導体の中心軸に平行に当該筒状導体の内側に配置されて当該筒状導体とループを形成するとともに、前記筒状導体の周方向に、前記筒状導体の中心軸に対して軸対称に配置され、前記キャパシタは、前記ループが前記信号の周波数で共振するよう調整され、前記接続手段は、前記複数のリボン状導体の中の予め定められたリボン状導体に接続される１の前記キャパシタの両端に設けられ、隣接する前記リボン状導体の前記周方向の間隔の中の少なくとも２箇所の間隔は、予め定められた以上の長さを有することを特徴とするアンテナ装置を提供する。

また、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、前記被検体を載置する載置手段と、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、上述のアンテナ装置を備え、前記載置手段は、前記アンテナ装置の前記筒状導体の中に、当該載置手段の長手方向が当該筒状導体の中心軸方向と一致するよう配置され、前記アンテナ装置は、前記予め定められた以上の長さを有する間隔が、前記載置手段の短手方向に位置するよう配置されることを特徴とする磁気共鳴検査装置を提供する。

本発明によれば、トンネル型ＭＲＩ装置において、ＭＲＩ装置の製造コストを増大させることなく、また、性能を犠牲にすることなく、快適な検査空間を確保できる。

第一の実施形態のＭＲＩ装置の概略構成図である。 第一の実施形態のボリュームアンテナの外観図である。 第一の実施形態のボリュームアンテナの一部分を拡大して示す図である。 図３に示す部分の回路図である。 第一の実施形態のボリュームアンテナをＲＦコイルとして用いる場合の断面図である。 第一の実施形態のインピーダンスマッチングに用いるＬＣ回路の回路図である。 第一の実施形態のボリュームアンテナの変形例をＲＦコイルとして用いる場合の断面図である。 第二の実施形態のボリュームアンテナの一部分を拡大して示す図である。 図８に示す部分の回路図である。 第二の実施形態のボリュームアンテナの変形例の一部の回路図である。 第一の実施形態のボリュームアンテナのインピーダンスの測定結果を示す図である。 （ａ）は、第一の実施形態のボリュームアンテナ内部の感度分布を、（ｂ）は、従来のボリュームアンテナ内部の感度分布を示す図である。 第一の実施形態のボリュームアンテナの導体数による中心感度の変化を示す図である。

＜＜第一の実施形態＞＞
以下、本発明を適用する第一の実施形態について説明する。本発明の実施形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

まず、本実施形態のＭＲＩ装置の構成について説明する。図１は、本実施形態のＭＲＩ装置１００の概略構成図である。ＭＲＩ装置１００は、被検体１１２が配置される計測空間に静磁場を形成するマグネット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１１２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１０３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１０３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表示装置１０８とを備える。

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で接続される。また、ＲＦコイル１０３と送受信機１０４とは、ＲＦコイル１０３と送受信機１０４との間で信号を送受信する送受信ケーブル１０６で接続される。送受信機１０４は、図示していないが、シンセサイザ、パワーアンプ、受信ミキサ、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を備える。

ＭＲＩ装置１００は、マグネット１０１が形成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に区別される。水平磁場方式の場合は、一般的に、マグネット１０１は円筒状のボア（中心空間）を有し、図１中左右方向の静磁場を発生する。一方、垂直磁場方式の場合は、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。本実施形態のＭＲＩ装置１００は、円筒形のボアを有する水平磁場方式である。

上記構成を有するＭＲＩ装置１００では、静磁場中に配置された被検体１１２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１１２から発せられる信号を受信して信号処理を行い、磁気共鳴像を取得する。被検体１１２は、例えば、人体の所定の部位であり、ベッド１１１に横たわり、ＲＦコイル１０３の内部に配置される。また、電磁波および傾斜磁場は、ＲＦコイル１０３および傾斜磁場コイル１０２により、それぞれ照射および印加される。

なお、ここでは、電磁波の照射と受信とを行なうＲＦコイル１０３として、単一のＲＦコイルが示されているが、これに限られない。例えば、広範囲撮像用のＲＦコイルと局所用のＲＦコイルとを組み合わせるなど、複数のコイルから構成されるＲＦコイルをＲＦコイル１０３として用いてもよい。

本実施形態では、ＲＦコイル１０３として円筒形のボリュームアンテナを用いる。以下、本実施形態のＲＦコイル１０３（ボリュームアンテナ）について図２および図３を用いて説明する。図２は、本実施形態のボリュームアンテナ２００の外観図である。また、図３は、ボリュームアンテナ２００の一部分を拡大して示した図である。本実施形態のボリュームアンテナ２００は、所定の幅を有する導体２０１（以後、リボン状導体と呼ぶ。）と、グラウンドプレーン（接地面）の役割を果たす円筒または楕円筒形状を有する導体（以後、円筒状導体と呼ぶ。）２０２と、を備える。本図では、一例として円筒状導体２０２が円筒である場合を例示する。

本実施形態の円筒状導体２０２は、例えば、銅シートで形成される。銅シートで形成される円筒状導体２０２は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）などを用いて形成された円筒状の筐体（不図示）の内壁に貼り付けられる。

本実施形態のリボン状導体２０１は、それぞれ、複数の同じ幅のリボン状導体部分２１１から構成され、各リボン状導体部分２１１間は、キャパシタ３０２にて接続される。ここで言うリボン状導体とは、円筒状導体２０２の中心軸Ｃに垂直な方向に幅を持ち、細長い平板状もしくはひも状、もしくはパイプ状の導体である。また、リボン状導体２０１は、円筒状導体２０２の内側に、中心軸Ｃに平行に、円筒状導体２０２の周方向に間隔をあけて、中心軸Ｃを対称軸として軸対称、あるいは垂直面対称、あるいは水平面対称に配置される。また、各リボン状導体２０１は、円筒状導体２０２の内側表面から、中心軸Ｃに直交する断面の径方向に等距離の位置に配置され、その両端がキャパシタ３０１を介して円筒状導体２０２に接続される。

また、本実施形態のリボン状導体２０１は、複数のリボン状導体２０１によりリボン状導体群２０３を構成し、リボン状導体群２０３単位で円筒状導体２０２上に配置される。リボン状導体群２０３を構成するリボン状導体２０１の数は特に限定されない。なお、リボン状導体群２０３は、隣り合うリボン状導体群２０３と円周方向に所定の間隔２０４を空けて配置される。複数の間隔２０４の中には、その大きさが所定以上となる空間部２０５を設ける。本実施形態では、円筒状導体２０２の中心軸Ｃに直交する断面において、間隔２０４の両端を結ぶ弦の長さが、例えば、人体の肩の厚み以上となる間隔２０４を空間部２０５とする。なお、本実施形態では、上述のように、各リボン状導体２０１が、中心軸Ｃに軸対称、あるいは垂直面対称、あるいは水平面対称に配置されるため、空間部２０５も、軸対称、あるいは垂直面対称、あるいは水平面対称に存在する。図２には、一例として、それぞれ７本のリボン状導体２０１からなるリボン状導体群２０３を４セット備える場合を例示する。図２の例では４回の回転対称性を持つので空間部２０５は両肩部分の左右に加えて、顔の前面の部分の開放感を高める上下の部分にも存在する。

また、本実施形態では、リボン状導体群２０３毎に、信号を送信および／または受信する送受信ケーブル１０６が接続される。１のリボン状導体群２０３のみ抽出した図３に示すように、送受信ケーブル１０６は、リボン状導体群２０３を構成する複数のリボン状導体２０１の中の１のリボン状導体２０１に接続される。ここでは、一例として７本のリボン状導体２０１の中間部分に位置するリボン状導体２０１に、送受信ケーブル１０６が接続される場合を例示する。送受信ケーブル１０６は、円筒状導体２０２とリボン状導体２０１とをつなぐキャパシタ３０１と並列に給電点３０４において当該リボン状導体２０１に接続される。この給電点３０４は、一般に、「送信点および／または受信点」、「給電点および／または受電点」、ポート、あるいは、チャンネルと呼ばれる。

なお、上述のように、送受信ケーブル１０６は、リボン状導体群２０３毎に接続される。従って、給電点３０４も、リボン状導体群２０３毎に設けられ、図２に例示するようにリボン状導体群２０３が４セットの場合は４箇所となる。リボン状導体群２０３が例えばｎ（ｎは２以上の自然数）セットの場合は、ｎ箇所設けられる。

図４は、ボリュームアンテナ２００の図３に示す部分を回路的に示す図である。ここでは円筒状導体２０２から径方向に等距離の位置の円筒面上に配置される各リボン状導体２０１を平面上に広げて図示する。本図に示すように、給電点３０４は、７本のリボン状導体２０１の中心に配置されるリボン状導体２０１の一端部に接続されるキャパシタ３０１の両端部に設けられる。リボン状導体群２０３は、この給電点３０４において送受信ケーブル１０６に接続される。なお、図４においては、円筒状導体２０２は、電気的な接地点として接地記号で示される。

上述のように各リボン状導体２０１は配置されるため、リボン状導体２０１と円筒状導体２０２との間には空間が形成される。従って、リボン状導体２０１と円筒状導体２０２とは、キャパシタ３０２とキャパシタ３０１とともに１つのループアンテナ３０５を形成する。各ループアンテナ３０５は、キャパシタの容量を調整することにより、所望の共振周波数で、中心軸Ｃに垂直な磁場成分を発生する。さらに、本実施形態では、各リボン状導体２０１を周方向に中心軸Ｃに軸対称に配置し、中心軸Ｃ近傍で均一な感度を持つボリュームアンテナを実現する。なお、本実施形態では、キャパシタ３０２とキャパシタ３０１との値を、ループアンテナ３０５が送受信対象の電磁波の周波数ｆで共振するよう調整し、ボリュームアンテナ２００をＲＦコイル１０３として使用する。

次に、ボリュームアンテナ２００を、ＭＲＩ装置１００のＲＦコイル１０３として用いる場合の配置を説明する。図５は、本実施形態のボリュームアンテナ２００をＲＦコイル１０３として用いる場合の、中心軸Ｃ方向から見た図である。図５ではわかりやすくするため、被検体１１２として、円筒内で仰向けに寝ている人体を頭頂部から見た概略図を記す。本図に示すように、本実施形態では、ボリュームアンテナ２００を、中心軸Ｃを中心に対向する２つの空間部２０５の周方向の中心同士を結ぶ直線が、ベッド１１１の被検体１１２を載置する面と平行になるよう配置する。

このように、本実施形態では、検査時に、検査空間である円筒空間内部に人体があお向けもしくはうつ伏せに寝た状態で入った場合に両肩部となる箇所に、リボン状導体２０１が配置されない。従って、検査時に、被検体１１２である人体の両肩方向に広い空間を確保することができる。本実施形態のボリュームアンテナ２００によれば、従来、特に窮屈であった部位に空間を確保できる構成であるため、被検体１１２にとって、快適な検査空間を提供できる。

なお、リボン状導体２０１の軸対称の配置は維持しているため、内部感度の均一性も維持できる。また、円筒状導体２０２の大きさに変更はないため、ＲＦコイル外の各構成に影響はなく、製造コストの大幅な増大も招かない。

さらに、本実施形態のボリュームアンテナ２００は、リボン状導体群２０３の間に間隔２０４を備えるため、各給電点３０４間のカップリングの値を下げることができ、特別な工夫無しにアンテナとしての効率を向上させることができる。従って、ＭＲＩ装置１００により得る画像の画質が向上する。

上述のように、各給電点３０４は、ポートとも呼ばれる。隣接するポート間のカップリングの値は、一般には、−（マイナス）１５デシベル（ｄＢ）以下であることが望まれる。そして、ポート間のカップリングの値は、ポート間に間隔を空けることで小さくできることが知られている。電磁界計算シミュレーションによれば、図２に例示するボリュームアンテナ２００における、隣接するポート間のカップリングの値は−１１から−１６ｄＢ程度である。従って、本実施形態のボリュームアンテナ２００は、そのまま何も工夫しなくとも４チャンネル入出力のアンテナとして使用できる。

なお、給電点３０４（ポート）間のカップリングの度合いは、Ｓパラメータの透過係数で示される。なお、Ｓパラメータは、給電点と給電点との間の電磁波の通過、反射特性をそれぞれ示す透過係数および反射係数からなり、ネットワークアナライザなどの測定機器を使って測定できる。

例えば、本実施形態の図２に例示するボリュームアンテナ２００において、４つある給電点３０４を、それぞれ、周方向に順にポート１、ポート２、ポート３、ポート４とすると、ポートｎ（ｎ＝１〜４）の反射係数はＳｎｎ、ポートｎからポートｍ（ｍ＝１〜４）への透過係数はＳｎｍと記載される。ポート１に電力（電流）を供給すると、ポート２へ多くの電流が流れ出る場合、ポート１とポート２との間のカップリングが大きいと言い、この流れ出る度合いの大きさ（カップリングの値）を示すものが透過係数Ｓ１２である。両ポート間のカップリングが大きいと、ポート１において送受信ケーブル１０６に接続されるリボン状導体群２０３（以後、ポート１に属するリボン状導体群２０３と呼ぶ。）に供給した電力（電磁波）のうち、ポート２に属するリボン状導体群２０３に透過する量が増加し、アンテナの効率が悪化する。

同様に、ポート１に電力（電流）を供給した場合、反射によりポート１に属するリボン状導体群２０３に供給されない量が多い場合も、アンテナの効率が悪化する。この反射量の多さを示すものが反射係数Ｓ１１である。上述のように、本実施形態のボリュームアンテナ２００は、その構成により、カップリング値（透過係数）を抑えることができ、アンテナの効率を維持できる。これに加え、反射係数も抑え、さらに効率を向上させるよう構成してもよい。

これを実現するため、ボリュームアンテナ２００をＭＲＩ装置１００に接続して撮影する際、ボリュームアンテナ２００のインピーダンスと送受信ケーブル１０６のインピーダンスとのインピーダンスマッチングを行うよう構成する。例えば、ボリュームアンテナ２００のインピーダンスＺａを使用周波数（例えば、３テスラにおける水素原子核の磁気共鳴周波数の１２８ＭＨｚ）で、給電ケーブル（送受信ケーブル）１０６の特性インピーダンスＺｃ（例えば、５０Ω）に合わせる。

一例として、ＬＣ回路を用いてインピーダンスマッチングを行う場合を説明する。図６は、インピーダンスマッチングに用いるＬＣ回路６００の回路図である。給電ケーブル（送受信ケーブル）１０６は、給電点３０４の近傍でＬＣ回路を経てリボン状導体２０１に接続される。図６において、「Ｆｅｅｄ ｐｏｉｎｔ」は給電点３０４であり、「Ｓｈｉｅｌｄ」は、円筒状導体２０２である。本図に示すように、ＬＣ回路６００は、給電ケーブル（送受信ケーブル）１０６の中心導体と給電点３０４との間にインダクタンスＬ６０２が、給電ケーブル（送受信ケーブル）１０６の外皮導体と給電点３０４との間にキャパシタＣ６０３が配置される。このようなＬＣ回路６００を用いてインピーダンスマッチングを行うことにより、Ｓパラメータの中の反射係数を低減することができ、アンテナとしての効率が向上する。具体的には、たとえば、上述の例の場合、ポート１の反射係数Ｓ１１を例えば−１５ｄＢ以下にすることができる。

以上説明したように、本実施形態のボリュームアンテナ２００は、リボン状導体２０１を、複数のリボン状導体２０１を１以上包含するリボン状導体群２０３にグループ化し、各リボン状導体群２０３間の間隔をあけて配置する。このため、間隔を空けて配置した部分に関して、内部の検査空間が広がったボリュームアンテナ２００を得ることができる。ボリュームアンテナ２００をＲＦコイル１０３として使用する際、空間を確保したい領域に、このリボン状導体２０１のない部分を配置することにより、コストの増大や性能の低下無しに快適性の高い検査空間を提供することができる。

また、本実施形態のボリュームアンテナ２００を、図２に示すように、４セットのリボン状導体群２０３を周方向の間隔が等しくなるように配置したものとして構成し、図５に示すように、検査時に、被検体１１２である人体の両肩方向および腹背方向に空間部２０５が配されるよう設置すると、上下左右の空間が広がったＭＲＩ装置１００のＲＦコイル１０３として使用することができる。従って、上下左右の検査空間が拡大し、アンテナ内部に入る被検体１１２の快適性がさらに向上する。

従って、本実施形態によれば、アンテナ全体の大きさを変えることなく、内部空間の広いＭＲＩ装置のＲＦコイルを実現できる。そして、このとき、コストの増大や性能の低下を招くことがない。

なお、本実施形態では、リボン状導体群２０３も軸対称に配置されていることが望ましい。また、リボン状導体群２０３内部では、各リボン状導体２０１が等間隔に配置されていることが好ましい。また、その間隔は、リボン状導体２０１の幅と同等程度が望ましい。しかし、必ずしもこれらを満たしていなくてもよい。リボン状導体２０１が軸対称に配置されていることにより、アンテナのインピーダンス特性が良好となり、調整がしやすいという利点があるので、全体としてリボン状導体２０１が中心軸に軸対称に配置されていればよい。

また、上記実施形態では、リボン状導体２０１と円筒状導体２０２との間には単に空間を設けている。しかし、この空間に、誘電率が１以上の誘電体を配置するよう構成してもよい。ここでは、誘電体で形成された部材を台座とし、その上にリボン状導体２０１が貼り付けられる。リボン状導体２０１と円筒状導体２０２との間に誘電体を配置することで、ボリュームアンテナ２００の感度を１割ほど向上させることができる。

また、図２および図３では、各リボン状導体２０１は、複数の分割されたリボン状導体部分２１１が、キャパシタ３０２で直列に接続された構成を有する。しかし、リボン状導体２０１の構成はこれに限られない。例えば、１つの連続したリボン状導体部分２１１で構成してもよい。

また、本実施形態のボリュームアンテナ２００の円筒状導体２０２は、シート状の素材以外で形成してもよい。例えば、銅やステンレスなどの金属メッシュにより構成してもよい。金属メッシュを用いることにより、円筒状導体２０２は、グラウンドプレーンとしての機能を損なうことはない。

また、円筒状導体２０２の円筒全体に数ｋＨｚ以下の低い交流が流れることが可能であるよう形成されている場合、ＭＲＩ装置１００の傾斜磁場電源１０９による渦電流が流れることがある。それを防止するために、円筒状導体２０２を、その円筒軸に平行な短冊状に分割した円筒側面を複数隣り合うように並べ、それらの間を数１００ｐＦの容量の大きなキャパシタでつないだ構造にしても良い。

また、本実施形態のボリュームアンテナ２００を、図２に示すように４組のリボン状導体群２０３を用いて構成する場合、上述のように給電点３０４は４箇所になる。従って、撮影の際は、送受信機１０４から４箇所の給電点３０４に電磁波が供給される。その場合、４つの給電点に、同じ波形であって位相をずらした電磁波を供給するよう構成してもよいし、全く違った波形の電磁波を供給するよう構成してもよい。

さらに、上記実施形態では、円筒状導体２０２は円筒である場合を例にあげて説明しているが、上述のように、楕円筒であってもよい。楕円筒を円筒状導体２０２として用いることにより、検査空間の中で、特に被検体１１２である人体の肩方向の空間を広く確保できる。図７に、円筒状導体２０２が楕円筒で構成される場合（楕円筒状導体４０２）のボリュームアンテナ２００ＡをＲＦコイル１０３として用いる場合の例を示す。ここでは、一例としてリボン状導体２０１のリボン状導体群２０３が２セットの場合を例示する。

本図に示すように、ボリュームアンテナ２００Ａは、楕円筒状導体４０２の中心軸Ｃ（不図示）に直交する断面の楕円の長軸方向がベッド１１１の載置面と平行になるよう配置され、空間部２０５は、被検体１１２である人体が仰向けもしくはうつ伏せに寝た状態の両肩方向に配置される。従って、ボリュームアンテナ２００Ａによれば、円筒状導体２０２を用いるボリュームアンテナ２００に比べ、撮影時に、さらに両肩方向に空間を確保でき、被検体１１２である人体にとって快適性が増大する。

また、ここでは、ボリュームアンテナ２００Ａを、楕円筒状導体４０２の断面の楕円の長軸方向が肩幅方向となるよう配置している。従って、断面上で肩幅方向と直交する方向は短軸方向となるため、この方向に関し、ボリュームアンテナ２００Ａで構成されるＲＦコイル１０３の更に外部の空間に余裕ができる。従って、外部に配置する傾斜磁場コイル１０２やマグネット１０１の上下方向の厚みを大きくすることができ、これらの性能を高めることができる。

＜＜第二の実施形態＞＞
次に、本発明を適用する第二の実施形態について説明する。本実施形態のＭＲＩ装置は基本的に第一の実施形態のＭＲＩ装置１００と同様の構成を有する。ただし、本実施形態では、ＲＦコイル１０３に、第一の実施形態のボリュームアンテナ２００に新たな構成を付加し、さらにカップリング値を低減し、効率化を図る。以下、本実施形態のボリュームアンテナ２００Ｂの、第一の実施形態のボリュームアンテナ２００と異なる構成に主眼をおいて説明する。

図８に、本実施形態のボリュームアンテナ２００Ｂの一例を示す。なお、図８は、ボリュームアンテナ２００Ｂの一部を拡大した図である。ボリュームアンテナ２００Ｂは、基本的にボリュームアンテナ２００と同様の構成を有する。さらに、カップリングを低減するため、ボリュームアンテナ２００Ｂの円筒状導体２０２内部であって、リボン状導体２０１の一方の端部側に配置される円弧状導体５０１を備える。円弧状導体５０１はリボン状導体群２０３間を接続するもので、リボン状導体群２０３間を１の円弧状導体５０１で接続するよう構成してもよいし、複数の円弧状導体５０１で接続するよう構成してもよい。複数の円弧状導体５０１で接続するよう構成する場合は、円弧状導体５０１間はキャパシタ５０３を介して接続される。また、円弧状導体５０１と給電点３０４を含むリボン状導体群２０３との間もキャパシタ５０２を介して接続される。なお、複数の円弧状導体５０１の接続および円弧状導体５０１とリボン状導体群２０３との間の接続においては、キャパシタ５０２およびキャパシタ５０３だけでなく、さらにインダクタを追加するよう構成してもよい。

図９は、ボリュームアンテナ２００Ｂの回路構成を示す図である。本図では、各リボン状導体群２０３において、給電点３０４が接続されるリボン状導体２０１のみ抽出して示し、他のリボン状導体２０１は省略する。また、図９は、円筒状導体２０２から径方向に等距離の位置の円筒面上に配置される各リボン状導体２０１をおよび円弧状導体５０１等からなる回路を、平面上に広げて展開した図であり、円弧状導体５０１の右端５０１ａは円弧状導体５０１の左端５０１ｂとつながる。

本図では、第一の実施形態の図２に例示するボリュームアンテナ２００と同様に、リボン状導体群２０３を４セット備え、それぞれに送受信ケーブル１０６が接続される場合を例示する。各給電点３０４を、周方向に順にポート１、ポート２、ポート３、ポート４とする。これらのキャパシタ５０３およびキャパシタ５０２に適切な値のものを採用することにより、ポート間のカップリングを低減させ、ポート間のＳパラメータの透過係数を低減することができる。

例えば、４セットのリボン状導体群２０３が等間隔に配置され、また、リボン状導体群２０３間の円弧状導体５０１上に、キャパシタ５０３がそれぞれ１個設けられているとする。この場合、各キャパシタ５０３の値を１０ｐＦ、各キャパシタ５０２の値を１００ｐＦとすると、ポート１とポート２との間の透過係数Ｓ１２の値を、−２０ｄＢ程度以下にすることができる。

従って、本実施形態によれば、第一の実施形態で得られる効果に加え、透過係数をさらに低減することができるため、さらに、効率の向上したボリュームアンテナを得ることができる。

なお、ポート間のカップリングを低減する手法は、上記手法に限られない。一般的に用いられている各種の手法を適用可能である。

また、本実施形態のボリュームアンテナにおいて、上述のように４セットのリボン状導体群２０３が等間隔に配置される構成の場合、さらに、隣接するポート間のカップリングの値は上述のように抑えながら、対向するポート間のカップリングは、大きくするよう構成してもよい。例えば、Ｓ１２は上述のように−２０ｄＢ以下とし、一方、Ｓ１３の値を−３ｄＢ以上にする。これは、キャパシタ５０３およびキャパシタ５０２に、これを実現可能な値の容量を有するものを採用することで実現する。

このように構成することにより、ポート１とポート３、および、ポート２とポート４とをそれぞれ１つのアンテナとみなすことができる。すなわち、４ポートのアンテナを２ポートのアンテナとして動作させることができる。このときのボリュームアンテナ２００Ｃの回路構成図を図１０に示す。

本図に示すボリュームアンテナ２００Ｃは、図９に示すボリュームアンテナ２００Ｂと異なり、ボリュームアンテナ２００Ｃ全体で２ポートとして動作する。このため、送受信ケーブル１０６は、ポート１およびポート２の２箇所にのみ接続する。ポート１とポート３との間の透過係数Ｓ１３を大きく設定してあるため、ポート１に給電した電力は、円弧状導体５０１およびそれに直列に接続されたキャパシタ５０３を通じてポート３にも給電される。ポート２とポート４との間の透過係数Ｓ２４も同様に大きく設定してあるため、ポート２に接続された送受信ケーブル１０６からポート２およびポート４へ電力が供給される。

このように、キャパシタ５０２、５０３の容量を設定することにより、２ポートのアンテナであって、かつ、その２ポート間のカップリングは−２０ｄＢ以下となる、効率のいいアンテナを構成することができる。

＜実施例＞
図２に示す第一の実施形態のボリュームアンテナ２００を、磁場強度３テスラのＭＲＩ装置（以後、３テスラのＭＲＩ装置と呼ぶ。）の体幹部用ボリュームアンテナとして用いた場合の、実施例を以下に示す。ここでは、撮像対象核種は水素原子核とする。

本実施例では、数１０から数１００マイクロメートルの厚さを有する銅シートまたは銅メッシュで形成した円筒状導体２０２を、ＦＲＰで形成された円筒状の筐体の内壁に貼り付け、円筒状導体部を形成した。形成した円筒状導体部の内径を７１０ミリ、長さを１０００ミリとした。

リボン状導体２０１は、円筒状導体２０２から２０ミリ内側の直径６７０ミリの円筒面上に設置した。設置した各リボン状導体２０１の幅は１５ミリ、長さは端から端まで４００ミリとした。ただし、リボン状導体２０１の両端部から３０ミリのところにギャップを設け、キャパシタ３０２を挿入し、接続した。

リボン状導体２０１は、２８本とし、７本で１のリボン状導体群２０３を構成した。リボン状導体群２０３は、それぞれ等間隔に配置した。また、各リボン状導体群２０３内において、各リボン状導体２０１は、円筒中心からなす角度にして約５度おきに等間隔に配置した。

上記サイズの円筒面上に配置されるリボン状導体群２０３において、隣り合うリボン状導体２０１の円筒中心からなす角度を５度とすると、隣り合うリボン状導体２０１の幅方向の中心間の距離が約３０ミリとなる。従って、隣り合うリボン状導体２０１間の間隔は１５ミリ程度となり、リボン状導体２０１の幅の１５ミリとほぼ同じとなる。なお、７本のリボン状導体２０１からなるリボン状導体群２０３の両端の見込み角（両端の円筒中心においてなす角度）は、約３２．５度（６×５＋導体の幅分）となる。従って、隣接するリボン状導体群２０３間の間隔２０４の両端の円筒中心においてなす角度は、約５７．５度となる。

また、各リボン状導体群２０３の中の中間部分に配置するリボン状導体２０１に送受信ケーブル１０６を接続した。そして、キャパシタ３０２の容量を２２ｐＦ、キャパシタ３０１の容量を同じく２２ｐＦとした。

以上の構成を有するボリュームアンテナ２００に関し、電磁界シミュレーションを行った。まず、送受信ケーブル１０６を介して供給する電磁波の周波数を変更しながら、ボリュームアンテナ２００のインピーダンスＺを測定した。その結果のインピーダンスのグラフを図１１に示す。図１１のグラフにおいて左側のインピーダンスＺの高い共振ピークが、３テスラのＭＲＩ装置１００で使用する周波数である１２８ＭＨｚ（３テスラにおける水素原子核の磁気共鳴周波数）付近に現れた。従って、上記実施形態のボリュームアンテナ２００は、１２８ＭＨｚ付近で共振することが示された。

次に、上記構成を有するボリュームアンテナ２００の感度分布を調べた。ここでは、４つある給電点３０４に、上記周波数であって、同じ強度で位相のみが変わっていて、それぞれ０、９０、１８０、２７０度である電磁波を供給した場合の、ボリュームアンテナ２００の中心部分の感度を電磁界シミュレーションにより求めた。なお、ここでは、被検体１１２として、人の体幹部の代わりに３３リットルの水の入った円筒形の容器でできたファントムをボリュームアンテナ２００の内部に置いた。

結果を図１２に示す。図１２（ａ）は、ボリュームアンテナ２００の中心部分で円筒軸に垂直な断面での感度の等高線図７０１である。ここでは、感度として、全体の入力電力を１ワットとした場合の発生磁界をマイクロテスラの単位で示す。本図に示すように、本実施形態のボリュームアンテナ２００の円筒中心Ｃではおよそ０．１５マイクロテスラの磁界が生じていることがわかる。また、一般のＭＲＩ装置を用いて行う検査に必要な範囲で均一な感度が得られていることがわかる。

図１２（ｂ）は、比較のための、従来のボリュームアンテナ（従来型ボリュームアンテナ）で同様の測定を行った際の同感度の等高線図７０２である。ボリュームアンテナの外径、内径、円筒状導体の寸法、リボン状導体の幅および長さは、比較対象である上記ボリュームアンテナ２００と同じとした。ただし、リボン状導体は、円筒側面上に、等間隔に中心軸に対し１５度おきに２４本配置した。等高線図７０２によれば、従来型ボリュームアンテナの中心感度もほぼ０．１５マイクロテスラであることがわかり、上記実施例のボリュームアンテナ２００は、従来型ボリュームアンテナと感度の点では遜色がないことが示された。

ここで、さらに、リボン状導体群２０３の両端の見込み角を約３０度に保ち、リボン状導体群２０３を構成するリボン状導体２０１の数を変更し、同様の電磁界シミュレーションを行い、ボリュームアンテナ２００のアンテナ中心での感度（アンテナ中心感度）を求めた。その結果を図１３に示す。図１３のグラフは、横軸にリボン状導体群２０３を構成するリボン状導体２０１の数、縦軸にアンテナ中心感度を示す。図１３より、リボン状導体群２０３を構成するリボン状導体２０１の数は、７本の場合が感度の点で優れていることがわかった。リボン状導体群２０３を構成するリボン状導体２０１の数を６本に減らしたり、逆に９本に増やしたりすると感度が落ちることがわかる。このことからリボン状導体２０１の幅とボリュームアンテナ２００の内径、リボン状導体群２０３の配置などから最適な本数が決定されると予想される。

以上、第一の実施形態の図２に示すボリュームアンテナ２００によれば、従来型ボリュームアンテナに比べ、感度分布の点で遜色なく、かつ、外径を維持しつつ、内部空間を広く確保できるボリュームアンテナを提供できることが示された。従って、上記各実施形態によれば、コストを上げることなく、必要な性能を維持し、検査を受けるために内部に入る人にとって快適なＭＲＩ用ＲＦコイルを提供できる。

なお、上記各実施形態のボリュームアンテナ２００、２００Ａ、２００Ｂおよび２００Ｃは、ＭＲＩ装置のＲＦコイル１０３だけでなく、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。

１００：ＭＲＩ装置、１０１：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、１０６：送受信ケーブル、１０７：傾斜磁場制御ケーブル、１０８：表示装置、１０９：傾斜磁場電源、１１１：ベッド、１１２：被検体、２００：ボリュームアンテナ、２００Ａ：ボリュームアンテナ、２００Ｂ：ボリュームアンテナ、２００Ｂ：ボリュームアンテナ、２０１：リボン状導体、２０２：円筒状導体、２０３：リボン状導体群、２０４：間隔、２０５：空間部、２１１：リボン状導体部分、３０１：キャパシタ、３０２：キャパシタ、３０４：給電点、３０５：ループアンテナ、４０２：楕円筒状導体、５０１：円弧状導体、５０１ａ：右端、５０１ｂ：左端、５０２：キャパシタ、５０３：キャパシタ、６００：ＬＣ回路、６０２：インダクタンスＬ、６０３：キャパシタＣ、７０１：等高線図、７０２：等高線図

Claims (10)

1. 信号の送信および／または受信に用いるアンテナ装置であって、
   中空の筒状導体と、
   複数のリボン状導体と、
   前記複数のリボン状導体各々を前記筒状導体に接続するキャパシタと、
   前記信号を送信および／または受信する送受信手段との接続手段と、を備え、
   前記複数のリボン状導体各々は、前記筒状導体の内側表面から一定の距離を保ち、当該筒状導体の中心軸に平行に当該筒状導体の内側に配置されて当該筒状導体とループを形成するとともに、前記筒状導体の周方向に、前記筒状導体の中心軸に対して軸対称に配置され、
   前記キャパシタは、前記ループが前記信号の周波数で共振するよう調整され、
   前記接続手段は、前記複数のリボン状導体の中の予め定められたリボン状導体に接続される１の前記キャパシタの両端に設けられ、
   隣接する前記リボン状導体の前記周方向の間隔の中の少なくとも２箇所の間隔は、他の箇所の間隔と異なり、予め定められた以上の長さを有すること
   を特徴とするアンテナ装置。
2. 請求項１記載のアンテナ装置であって、
   前記複数のリボン状導体は、１以上の当該リボン状導体によりリボン状導体群を構成し、
   前記リボン状導体群は、前記中心軸に対して軸対称に配置されること
   を特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項１または２記載のアンテナ装置であって、
   前記リボン状導体群と前記筒状導体との間に、比誘電率が１以上の誘電体が配されていること
   を特徴とするアンテナ装置。
4. 請求項２または３記載のアンテナ装置であって、
   隣接する前記リボン状導体群を接続する複数の導体と、前記導体同士を直列に接続する第二のキャパシタと、を備える接続線をさらに備え、
   前記接続線は、隣接する前記リボン状導体群の前記接続手段を備えるリボン状導体同士を第三のキャパシタを介して接続し、
   前記接続手段は、前記リボン状導体群毎に当該リボン状導体群を構成する１のリボン状導体に設けられ、
   前記第二および第三のキャパシタは、１のリボン状導体群に前記接続手段を介して所定の周波数の電流を供給した際、他のリボン状導体群に当該電流が流れるのを遮断するよう容量が調整されていること
   を特徴とするアンテナ装置。
5. 請求項２または３記載のアンテナ装置であって、
   前記リボン状導体群は４個であること
   を特徴とするアンテナ装置。
6. 請求項５記載のアンテナ装置であって、
   隣接する前記リボン状導体群を接続する複数の導体と、前記導体同士を直列に接続する第二のキャパシタと、を備える接続線をさらに備え、
   前記接続線は、隣接する前記リボン状導体群を構成する１のリボン状導体同士を第三のキャパシタを介して接続し、
   前記接続手段は、前記４個のリボン状導体群のうち、隣接する２個のリボン状導体群を構成する１のリボン状導体に設けられ、
   前記第二および第三のキャパシタは、１のリボン状導体群に前記送受信手段を介して所定の周波数の電流を供給した際、当該リボン状導体群に隣接するリボン状導体群に当該電流が流れるのを遮断し、かつ、他のリボン状導体群には当該電流が流れるよう容量が調整されていること
   を特徴とするアンテナ装置。
7. 請求項１から６いずれか１項記載のアンテナ装置であって、
   前記筒状導体は、円筒状導体であること
   を特徴とするアンテナ装置。
8. 請求項１から６いずれか１項記載のアンテナ装置であって、
   前記筒状導体は、楕円筒状導体であること
   を特徴とするアンテナ装置。
9. 請求項８記載のアンテナ装置であって、
   前記複数のリボン状導体は、１以上の当該リボン状導体によりリボン状導体群を構成し、
   前記リボン状導体群は、前記楕円筒の中心軸に対して軸対称に配置されること
   を特徴とするアンテナ装置。
10. 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、前記被検体を載置する載置手段と、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９記載のアンテナ装置を備え、
    前記載置手段は、前記アンテナ装置の前記筒状導体の中に、当該載置手段の長手方向が当該筒状導体の中心軸方向と一致するよう配置され、
    前記アンテナ装置は、前記予め定められた以上の長さを有する間隔が、前記載置手段の短手方向に位置するよう配置されること
    を特徴とする磁気共鳴検査装置。

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