JP7092541B2 - アレイコイル及び磁気共鳴撮像装置 - Google Patents

アレイコイル及び磁気共鳴撮像装置 Download PDF

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Description

本発明は、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ）装置に関り、特に高周波磁場（ＲＦ磁場：Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ磁場）を照射して核磁気共鳴信号を検出するＲＦコイルに関する。
ＭＲＩ装置は、空間的に均一な磁場（静磁場）中に置かれた被写体に対しＲＦ磁場を照射して核磁気共鳴を起こし、発生する核磁気共鳴信号を検出し、検出した信号に画像処理を施すことで断面画像を取得する。
ＭＲＩ装置において、被写体にＲＦ磁場を照射したり、被写体から発生する核磁気共鳴信号を検出したりする装置をＲＦコイルと呼ぶ。核磁気共鳴信号を検出する受信用ＲＦコイルは、核磁気共鳴信号と同じ周波数で共振するように調整されることにより核磁気共鳴信号を受信するようになっている。そして、受信用ＲＦコイルは、高い感度を得るために被検体により近く、かつ、被検体の診断部位に沿って配置されることが好ましい。
受信用ＲＦコイルを構成するコイルユニットは、例えば、図１４に示すように可撓性を有するコイルエレメント、コイルエレメントに挿入される各回路、すなわち、コイルエレメントに流れた電流を検出する信号検出回路、ＲＦコイルの共振周波数を調整するための複数のキャパシタからなる周波数調整回路、及び送信用ＲＦコイルとの磁気結合を防止する磁気結合防止回路を備えている。コイルユニットは、コイルエレメントに挿入されたキャパシタによって共振回路を形成させ、核磁気共鳴信号を効率よく取得するため磁気共鳴信号と同じ周波数に調整されている。そして、画像取得時は、コイルエレメントを撓ませて被検体の診断部位に沿うように配置することで受信感度を向上させている。
ところが、図１４のコイルユニットでは、信号検出回路、周波数調整回路、磁気結合防止回路やキャパシタの夫々が外部からの衝撃による破損を防止するためにハードカバーで覆われている。つまり、図１４のコイルユニットは、ハードカバーを要する回路がコイルエレメント中に点在するため、コイルユニットの柔軟性を阻害してしまう。また、多チャンネル化に伴って実装される電子部品数が増加するため、ハードカバーもさらに増加してしまうことから、軽量化することができない。
一方、例えば、特許文献１には、コイルエレメントとして同軸ケーブルを適用することで柔軟性を確保したＲＦコイルが開示されている。特許文献１のＲＦコイルでは、同軸ケーブルをコイルエレメントとして活用するだけでなく、同軸ケーブル自体が有するキャパシタ成分を用い、同軸ケーブルの種類や長さ等を適宜定めることによって周波数調整を行うことができる。
特許第４８２００２２号公報
しかしながら、特許文献１に開示されたＲＦコイルにおいても、周波数調整回路は必要となるため、周波数調整回路に対してカバーを装着する必要があり、軽量化や柔軟性の向上が充分とは言い難い。また、同軸ケーブルの種類にも制限があり、かつ、設計するＲＦコイルのチャネル数や、被検体のサイズなども考慮すると、実現できるコイルの大きさおよびその周波数調整にも制限がある。従って、特許文献１のＲＦコイルにおいては任意の大きさのＲＦコイルの周波数調整が困難なことがある。
本発明は、上記実情に鑑みて成されたものであり、高い柔軟性を有し、軽量でありながら容易に周波数調整を行うことができるアレイコイルを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、夫々が被検体からの磁気共鳴信号を受信するように調整されたコイルユニットを複数備え、各コイルユニットが、可撓性を有し所定長の線状導体からなる第１のコイルエレメント及び第２のコイルエレメントと、前記第１のコイルエレメントと前記第２のコイルエレメントとの間に直列に挿入され、前記磁気共鳴信号を検出する信号検出部と、を備え、前記第１のコイルエレメント及び前記第２のコイルエレメントは、一端が前記信号検出部に接続されると共に他端が開放端であり、前記第１のコイルエレメント及び前記第２のコイルエレメントを湾曲させて前記第１のコイルエレメントの開放端側及び前記第２のコイルエレメントの開放端側の少なくとも一部の領域を互いに一定の間隔をあけて隣り合うように配置することにより、隣り合う領域を電磁気的に結合させて機能させるアレイコイルを提供する。
また、本発明の他の態様は、静磁場を形成する静磁場形成部と、傾斜磁場を形成する傾斜磁場形成部と、前記静磁場に配置された検査対象にＲＦ磁場を照射する送信ＲＦコイルと、前記検査対象からの核磁気共鳴信号を検出する受信ＲＦコイルと、前記受信ＲＦコイルが検出した核磁気共鳴信号を処理する信号処理部と、を備え、前記受信ＲＦコイルが、上述したアレイコイルである磁気共鳴撮像装置を提供する。
本発明によれば、高い柔軟性を有し、軽量でありながら容易に周波数調整を行うことができるアレイコイルを提供することができる。
本発明の実施形態に係るＭＲＩ装置の外観図であり、それぞれ（ａ）は水平磁場方式のＭＲＩ装置、（ｂ）は、オープン型の垂直磁場方式のＭＲＩ装置の外観図である。 ＭＲＩ装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係るＭＲＩ装置における送信ＲＦコイルと受信ＲＦコイルの接続を説明するための説明図である。 （ａ）は、送信ＲＦコイルとして用いる鳥かご型ＲＦコイルの構成を示す図であり、（ｂ）は、送信ＲＦコイルの送受間磁気結合防止回路の一例を示す図である。 は、受信ＲＦコイルとして用いるアレイコイルに適用されるコイルユニットの一実施形態を示す図である。 （ａ）は図５のコイルユニットのコイルエレメントを延ばした状態を示す参考図であり、（ｂ）は、（ａ）においえ信号検出部が信号を検出した際にコイルエレメントに生じる電圧分布を示すグラフであり、（ｃ）は図５のコイルユニットにおけるコイルエレメントがキャパシタ成分として機能する場合の例を示す参考図であり、（ｄ）は、（ｃ）のコイルユニットの等価回路を示す。 図５のコイルユニットを複数設けてマルチチャンネル化したアレイコイルの一部を示す参考図である。 図５のコイルユニットにおいて、コイルエレメントの長さを変更した場合の参考図である。 周波数調整用導体として導体シートを設けたコイルエレメントの参考図である。 シミュレーションの際の被検体とコイルユニットとの配置位置関係を示す参考図である。 図５のコイルユニットの感度測定に係るシミュレーション結果を示し、（ａ）は、本実施形態に係るコイルユニットのコイル中心を通るＸＹ平面の感度分布であり、（ｂ）は従来のコイルユニットのコイル中心を通るＸＹ平面の感度分布であり、（ｃ）は（ａ）及び（ｂ）のコイル中心を通るＹ方向ラインプロファイルである。 本実施形態の変形例に係るコイルユニットを示す参考図である。 （ａ）は、図１２に示すコイルユニットの等価回路を示す参考図であり、（ｂ）は従来のコイルユニットの等価回路を示す参考図である。 従来のコイルユニットを示す参考図である。
以下、本発明の一実施形態に係るＲＦコイル（アレイコイル）を適用するＭＲＩ装置について図面を参照して説明する。以下、各実施形態乃至実施例に係る図面おいて、同一の構成には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
＜ＭＲＩ装置の全体構成＞
まず、本実施形態に係るＲＦコイルを適用可能なＭＲＩ装置について説明する。
図１は、ＭＲＩ装置の一例に係る外観を示している。特に、図１（ａ）は、ソレノイドコイルによって静磁場を生成するトンネル型磁石１１０を用いた水平磁場方式のＭＲＩ装置１００である。
図１（ｂ）は、開放感を高めるために磁石１１１を上下に分離したオープン型の垂直磁場方式のＭＲＩ装置１０１である。これらのＭＲＩ装置１００、１０１は、検査対象（被写体）１０３を載置するテーブル１０２を備える。被写体１０３はテーブルに載置された状態で、磁石１１０、１１１によって均一な磁場（静磁場）が発生している検査空間に配置される。なお磁石１１０、１１１は、静磁場を形成する静磁場形成部を構成する。
このようなＭＲＩ装置には、複数のコイルユニットを有する所謂多チャンネルＲＦコイルを適用することができ、本実施形態に係るＲＦコイルも上記した水平磁場方式のＭＲＩ装置１００、垂直磁場方式のＭＲＩ装置１０１のいずれも適用可能である。
図１に示すＭＲＩ装置は一例であり、本発明は装置の形態やタイプを問わず、公知の各種のＭＲＩ装置を用いることができる。以下の説明において、水平磁場方式及び垂直磁場方式に共通する座標系として、静磁場方向をｚ方向、それに垂直な２方向を、それぞれｘ方向及びｙ方向とする座標系０９０を用いる。
以下、本実施形態では水平磁場方式のＭＲＩ装置を適用した場合を例に、ＭＲＩ装置１００の概略構成を説明する。
図２に示すように、ＭＲＩ装置１００は、水平磁場方式のマグネット（静磁場磁石）１１０、傾斜磁場コイル１３１、送信ＲＦコイル１５１、受信ＲＦコイル１６１、傾斜磁場電源１３２、シムコイル１２１、シム電源１２２、ＲＦ磁場発生器１５２、受信器１６２、磁気結合防止回路駆動装置１８０、計算機（ＰＣ）１７０、シーケンサ１４０、及び表示装置１７１を備える。なお、１０２は、検査対象（被写体）１０３を載置するテーブルである。
傾斜磁場コイル１３１は、傾斜磁場電源１３２に接続され、傾斜磁場を発生させる。傾斜磁場コイル１３１及び傾斜磁場電源１３２は、傾斜磁場を形成する傾斜磁場形成部を構成する。シムコイル１２１は、シム電源１２２に接続され、磁場の均一度を調整する。送信ＲＦコイル１５１は、ＲＦ磁場発生器１５２に接続され、被写体１０３にＲＦ磁場を照射（送信）する。
受信ＲＦコイル１６１は、受信器１６２に接続され、被写体１０３からの核磁気共鳴信号を受信する。ここで、本実施形態に係る受信ＲＦコイル１６１として、複数のコイルユニットからなる多チャンネルＲＦコイル（以下、アレイコイルという）を適用している。以下の説明において、アレイコイルを構成するコイルユニットの数とチャンネル数は一致するとして取り扱う。受信ＲＦコイル１６１としてのアレイコイルの詳細は、後述する。
磁気結合防止回路駆動装置１８０は、磁気結合防止回路（後述）に接続される。なお、磁気結合防止回路は、送信ＲＦコイル１５１及び受信ＲＦコイル１６１にそれぞれ接続される、送信ＲＦコイル１５１と受信ＲＦコイル１６１との間の磁気結合を防止する回路である。
シーケンサ１４０は、傾斜磁場電源１３２、ＲＦ磁場発生器１５２、磁気結合防止回路駆動装置１８０に命令を送り、それぞれ動作させる。命令は、計算機（ＰＣ）１７０からの指示に従って送出する。また、計算機（ＰＣ）１７０からの指示に従って、受信器１６２で検波の基準とする磁気共鳴周波数をセットする。例えば、シーケンサ１４０からの命令に従って、ＲＦ磁場が、送信ＲＦコイル１５１を通じて被写体１０３に照射される。ＲＦ磁場を照射することにより被写体１０３から発生する核磁気共鳴信号は、受信ＲＦコイル１６１によって検出され、受信器１６２で検波が行われる。
計算機（ＰＣ）１７０は、ＭＲＩ装置１００全体の動作の制御、各種の信号処理を行う。例えば、受信器１６２で検波された信号をＡ／Ｄ変換回路を介して受信し、画像再構成などの信号処理（画像再構成部の機能）を行う。その結果は、表示装置１７１に表示される。検波された信号や測定条件は、必要に応じて、記憶媒体に保存される。また、予めプログラムされたタイミング、強度で各装置が動作するようシーケンサ１４０に命令を送出させる。さらに、静磁場均一度を調整する必要があるときは、シーケンサ１４０により、シム電源１２２に命令を送り、シムコイル１２１に磁場均一度を調整させる。
＜送信ＲＦコイル及び受信ＲＦコイルの概要＞
上述したようにＭＲＩ装置には、送信ＲＦコイル１５１と受信ＲＦコイル１６１の２種類のＲＦコイルが用いられる。送信ＲＦコイル１５１と受信ＲＦコイル１６１は、一つのＲＦコイルが両方を兼ねることもできるし、それぞれ別個のＲＦコイルを用いることもできる。
以下、送信ＲＦコイル１５１と受信ＲＦコイル１６１とが別個のＲＦコイルであり、送信ＲＦコイル１５１が鳥かご型形状を有するＲＦコイル（鳥かご型ＲＦコイル）、受信ＲＦコイル１６１が複数のＲＦコイルからなるマルチチャネルアレイコイルである場合を例に、ＲＦコイルの詳細を説明する。
まず、送信ＲＦコイル１５１として用いる鳥かご型ＲＦコイル３００及び受信ＲＦコイル１６１として用いるアレイコイル４００の配置と、鳥かご型ＲＦコイル３００、アレイコイル４００、ＲＦ磁場発生器１５２、受信器１６２、及び、磁気結合防止回路駆動装置１８０の接続態様とを、図３を用いて説明する。
図３に示すように、鳥かご型ＲＦコイル３００は、外観が略円柱状（楕円柱や多角形柱を含む）の形状を有し、略円柱の軸が、磁石１１０の中心軸（Ｚ方向の軸）と同軸となるよう配置される。被写体１０３は、鳥かご型ＲＦコイル３００の内側に配置される。そして、アレイコイル４００は、鳥かご型ＲＦコイル３００内に、被写体１０３に近接して配置される。また、上述のように、鳥かご型ＲＦコイル３００は、ＲＦ磁場発生器１５２に接続される。アレイコイル４００は、受信器１６２に接続される。
さらに、鳥かご型ＲＦコイル３００には、アレイコイル４００との磁気結合を防止する磁気結合防止回路２１０が備えられ、アレイコイル４００には、鳥かご型ＲＦコイル３００との磁気結合を防止する磁気結合防止回路２２０が備えられる。これらを送受間磁気結合防止回路と呼ぶ。送受間磁気結合防止回路により、上述するような配置において、互いに磁気結合することなく、ＲＦ磁場の送信と核磁気共鳴信号の受信とが可能となる。
［送信ＲＦコイル］
次に、本実施形態の送信ＲＦコイル１５１として用いる鳥かご型ＲＦコイル３００について図４を用いて説明する。
本実施形態の鳥かご型ＲＦコイル３００は、励起対象元素の共鳴周波数（磁気共鳴周波数）が共振周波数となるよう調整され、当該磁気共鳴周波数のＲＦ磁場を照射する。本実施形態では、水素原子核の励起が可能な、水素原子核の磁気共鳴周波数ｆ０に調整される。以後、照射するＲＦ磁場の磁気共鳴周波数をｆ０とする。
図４（ａ）は、本実施形態の鳥かご型ＲＦコイル３００の構成を説明するためのブロック図である。本図に示すように、本実施形態の鳥かご型ＲＦコイル３００は、複数の直線導体３０１と、各直線導体３０１の端部を接続する端部導体３０２と、端部導体３０２に挿入されるキャパシタ３０３と、を備える。
また、鳥かご型ＲＦコイル３００は、二つの入力ポート３１１、３１２を備える。第一の入力ポート３１１と第二の入力ポート３１２とには、位相が９０度異なった送信信号が入力され、効率よく被写体１０３にＲＦ磁場が加えられるよう構成される。
さらに、本実施形態の鳥かご型ＲＦコイル３００では、受信ＲＦコイル１６１（アレイコイル４００）との間の磁気結合を防止する送受間磁気結合防止回路２１０が、鳥かご型ＲＦコイル３００の直線導体３０１に直列に挿入される。
送受間磁気結合防止回路２１０は、例えば、図４（ｂ）に示すように、直線導体３０１に直列に挿入されたＰＩＮダイオード２１１で構成することができ、その両端に、制御用信号線２１２が接続される。制御用信号線２１２は磁気結合防止回路駆動装置１８０に接続される。制御用信号線２１２には、高周波の混入を避けるためチョークコイル（不図示）が挿入されることが望ましい。
ＰＩＮダイオード２１１は、通常は高抵抗（オフ）を示し、ＰＩＮダイオード２１１の順方向に流れる直流電流の値が一定値以上となると概ね導通状態（オン）となる特性を持つ。本実施形態ではこの特性を利用し、磁気結合防止回路駆動装置１８０から出力される直流電流によりＰＩＮダイオード２１１のオン／オフを制御する。すなわち、高周波信号送信時には、制御用信号線２１２を介して、ＰＩＮダイオード２１１を導通状態とする制御電流を流し、鳥かご型ＲＦコイル３００を送信ＲＦコイル１５１として機能させる。また、核磁気共鳴信号受信時には、制御電流を停止し、鳥かご型ＲＦコイル３００を高インピーダンス化し、開放状態とする。
このように、本実施形態では、磁気結合防止回路駆動装置１８０からの直流電流（制御電流）を制御することにより、高周波信号送信時には鳥かご型ＲＦコイル３００を送信ＲＦコイル１５１として機能させ、核磁気共鳴信号受信時には、開放状態として受信ＲＦコイル１６１であるアレイコイル４００との磁気結合を除去する。
［受信ＲＦコイル］
次に、本実施形態の受信ＲＦコイル１６１について、図５及び図６を用いて説明する。
図５は、受信ＲＦコイル１６１としてのアレイコイルを構成する一つのコイルユニットを示す。コイルユニット５００は、可撓性を有する線状導体からなる第１のコイルエレメント５０１Ａ及び第２のコイルエレメント５０１Ｂと、第１のコイルエレメント５０１Ａ及び第２のコイルエレメント５０１Ｂの間に挿入された磁気共鳴信号を検出する信号検出部５０２と、を備えている。
第１のコイルエレメント５０１Ａは、一端が信号検出部５０２に接続され、他端が開放端となっている。同様に、第２のコイルエレメント５０１Ｂも一端が信号検出部５０２に接続され、他端が開放端となっている。第１のコイルエレメント５０１Ａの開放端及び第２のコイルエレメント５０１Ｂの開放端は、夫々絶縁されている。また第１のコイルエレメント５０１Ａと第２のコイルエレメント５０１Ｂの長さの和は磁気共鳴周波数の波長の２／１以下となっている。
コイルユニット５００は、第１のコイルエレメント５０１Ａ及び第２のコイルエレメント５０１Ｂ（以下、第１のコイルエレメント５０１Ａ及び第２のコイルエレメント５０１Ｂの双方を指し示す場合に、「コイルエレメント５０１」という）と信号検出部５０２とにより、リング形状を有したダイポールアンテナを構成している。
アレイコイルを構成する各コイルユニット５００は核磁気共鳴信号の受信が可能となるよう調整され、それぞれが１つのチャンネルとして機能する。各コイルユニットが受信した信号は、それぞれ、受信器１６２に送られる。
図５に示す例において、第１のコイルエレメント５０１Ａ及び第２のコイルエレメント５０１Ｂがほぼ同じ長さを有しており、信号検出部５０２はコイルエレメント５０１の略中央部に位置する。第１のコイルエレメント５０１Ａの開放端側の領域及び第２のコイルエレメントの開放端側の領域は、互いに信号検出部５０２の近傍まで湾曲されてリング形状を成し、第１のコイルエレメント５０１Ａと第２のコイルエレメント５０１Ｂとは、信号検出部５０２以外の領域において互いに隣り合うように配置されている。コイルエレメント５０１では、この隣り合う領域が電磁気的に接合して機能する。
コイルエレメント５０１としては、例えば、導線を絶縁体で被覆したケーブル等を適用することができる。この場合、コイルエレメント５０１の隣り合う領域において、互いの絶縁体同士が接触するように重ねて配置することもできる。この他、コイルエレメント５０１をその両開放端が一定の距離を持って隣り合うように湾曲させて配置することもできる。
続いて、このように構成されたコイルユニット５００によって、磁気共鳴周波数で共振し、磁気共鳴信号の受信の原理について説明する。
なお、ここでは相反定理より、コイルユニット５００の感度は，コイルユニット５００に単位電力のＲＦ信号を印加した場合に発生する磁場強度と等価であることを用い、コイルユニット５００の信号検出部５０２にＲＦ信号を印加した場合の動作により本コイルユニット５００の動作原理を説明する。
図６（ａ）は、コイルユニット５００において、リング形状に湾曲したコイルエレメント５０１を延ばした状態を示している。つまり、コイルユニット５００は、信号検出部５０２を挟んで一端に第１のコイルエレメント５０１Ａと他端に第２のコイルエレメント５０１Ｂが設けられ、信号検出部５０２を中心として左右対称にコイルエレメント５０１が延びるダイポールアンテナとなっている。第１のコイルエレメント５０１Ａの開放端をＰｏｒｔＡ（図６（ａ）の右側）、第２のコイルエレメント５０１Ｂの開放端をＰｏｒｔＢ（図６（ａ）の左側）とする。
コイルユニット５００において、信号検出部５０２にＲＦ信号を印可すると、コイルエレメント５０１には、図６（ｂ）に示すような電圧分布と電流分布が生じる。具体的には、第１のコイルエレメント５０１Ａの開放端と第２のコイルエレメントの開放端には電流が流れないため高い電圧がかかり、一端にはプラスの電圧を生じ、他端にはマイナスの電圧を生じる。図６（ａ）の例では、ＰｏｒｔＢがプラス、ＰｏｒｔＡがマイナスとなっている。各開放端において最も高い電圧が生じ、各開放端から信号検出部５０２に近づくほど電圧が低くなるような分布となっている。一方、第１のコイルエレメント５０１Ａと第２のコイルエレメント５０１Ｂとには同じ向きの電流が流れている。
このため、リング形状に湾曲させたコイルエレメント５０１においては、コイルエレメント５０１の互いに隣り合うように配置された領域間に電位差、すなわち、線間容量が生じ、これがキャパシタ成分（Ｃｃ１）として機能する。同時に第１のコイルエレメント５０１Ａと第２のコイルエレメント５０１Ｂに流れた電流はそれぞれ磁場Φ１、Φ２を生じ、これが同調して磁気的にも結合する。本実施形態では線間容量が支配的な値となるため、実質的に図６（ｃ）のような回路となる。その結果、本実施形態のコイルユニットは図６（ｄ）に示すような等価回路で表すことができる。なお、線間容量は、第１のコイルエレメント５０１Ａと第２のコイルエレメント５０１Ｂの配置位置によって調整することができる。
コイルエレメント５０１は、図６（ｄ）に示すように、インダクタンス成分を持つ導体部分と、それに挿入されるキャパシタとして機能し、ＬＣ共振回路を構成することができる。これにより、コイルユニット５００が磁気共鳴周波数と同じ周波数で共振することで磁気共鳴信号の取得が可能となる。
図５に戻り、信号検出部５０２は、コイルエレメント５０１が受信した被検体からの磁気共鳴信号を検出するために、信号検出回路５０３と磁気結合防止回路５０４とを備えている。信号検出回路５０３は、第１のキャパシタＣｍと、第１のインダクタＬｍと、信号増幅器５０５とを備え、第１のインダクタＬｍと信号増幅器５０５とが直列に接続され、第１のインダクタＬｍ及び信号増幅器５０５と第１のキャパシタＣｍとは互いに並列に接続されている。また、第１のキャパシタＣｍは、コイルエレメント５０１に直列に接続されている。
また、信号検出回路５０３における第１のキャパシタＣｍと第１のインダクタＬｍと信号増幅器５０５からなる並列共振回路は、受信ＲＦコイル１６１の共振周波数に合致させるように調整することでコイルユニット間の磁気結合を防止する磁気結合防止回路を形成する。
磁気結合防止回路５０４は、第２のキャパシタＣｄ、第２のインダクタＬｄ、及びスイッチとしてのダイオードＤを備えている。磁気結合防止回路５０４において、第２のインダクタＬｄとダイオードＤとが直列に接続され、第２のインダクタＬｄ及びダイオードＤに対して第２のキャパシタＣｄが並列に接続されている。また、第２のキャパシタＣｄは、コイルエレメント５０１に直列に接続されている。
ダイオードＤは、磁気結合防止回路駆動装置１８０に接続され、第２のインダクタＬｄとダイオードＤとからなる並列共振回路は、ダイオードＤがＯＮの時にコイルユニットの共振周波数と合致させるように調整することで、送信ＲＦコイル１５１と受信ＲＦコイル１６１との間の磁気結合を防止する。磁気結合防止回路５０４が動作していない時は、当該コイルユニット５００が受信コイルとして動作する。
信号増幅器５０５から見た回路が、ＭＲＩ装置の磁気共鳴周波数で共振するように調整され、磁気共鳴信号を受信するように調整される。信号検出部５０２は、信号増幅器５０５が接続された場合にノイズが最小となるような入力インピーダンスに調整される。
なお、アレイコイルにおいて、多チャンネル化して複数のコイルユニットを設ける際には、互いに磁気結合しないようにコイルエレメント５０１の一部が重なるように配置する（図７参照）。
続いて、このように構成されたコイルユニット５００における、各回路素子の調整手順について説明する。
以下の説明においては、一例として、コイルユニット５００が静磁場強度３Ｔ（テスラ）における水素の原子核の磁気共鳴周波数１２８ＭＨｚ（ｆ０＝１２８ＭＨｚ）で共振するように調整していることとする。また、第１のコイルエレメント５０１Ａ及び第２のコイルエレメント５０１Ｂは、直径１ｍｍ、第１のコイルエレメント５０１Ａ及び第２のコイルエレメント５０１Ｂの合計長さ３５ｃｍの線状導線であり、第１のコイルエレメント５０１Ａと第２のコイルエレメント５０１Ｂの間の中心位置に信号検出部５０２が挿入されていることとする。
コイルユニット５００において、第１のコイルエレメント５０１Ａの開放端側の領域及び第２のコイルエレメント５０１Ｂの開放端側の領域は一部の領域が隣り合うように配置され、円形のリング形状に湾曲され、その直径を１１ｃｍとする。具体的にはコイルエレメント５０１がほぼ２ターンのループを成すように配置されている。コイルエレメント同士が隣り合う領域間のギャップは２ｍｍとする。
このようなコイルユニット５００において、信号増幅器５０５から見たコイルユニット５００の共振周波数が磁気共鳴信号と同調する１２８ＭＨｚに調整すると共に、ノイズを最小化させるためにコイルユニット５００の入力インピーダンスが５０Ωになる様に調整する。
具体的には、第２のキャパシタＣｄの値を調整して共振周波数を１２８ＭＨｚに調整する。併せて、第１のキャパシタＣｍの値を調整してコイルの入力インピーダンスを５０Ωに調整する。ここで、一般的に、第１のキャパシタＣｍの値を下げるとインピーダンスが高くなり、第１のキャパシタＣｍの値を上げるとインピーダンスが低くなる。そこで、第２のキャパシタＣｄと第１のキャパシタＣｍの値について調整を交互に繰り返して最終的に共振周波数が１２８ＭＨｚに、インピーダンスが５０Ωになる様に調整する。
続いて、第２のキャパシタＣｄの値に合わせて、磁気結合防止回路５０４の駆動時にコイルユニット５００が開放になる様に第２のインダクタＬｄを調整する。さらに、第１のキャパシタＣｍの値に合わせて、プリアンプを使用した磁気結合防止回路の第１のインダクタＬｍを調整する。
本実施形態に係るコイルユニット５００、つまり、直径１ｍｍ、長さ３５ｃｍの線状導線からなる第１のコイルエレメント５０１Ａ及び第２のコイルエレメント５０１Ｂを湾曲させ、直径１１ｃｍ、コイルエレメント同士が隣り合う領域のギャップは２ｍｍのリング形状のコイルユニット５００においては、第１のキャパシタＣｍの値は１８０ｐＦ、第２のキャパシタＣｄの値は１８ｐＦである。
このように調整することにより、本実施形態に係るコイルユニット５００が磁気共鳴信号を受信可能とすることができる。また、送信コイルとも磁気結合せず、受信コイル同士の磁気結合も生じない。
なお、上述のように、本実施形態に係るコイルユニット５００において、共振周波数の調整は第２のキャパシタＣｄの値を調整して行ったがこれに限定されない。この他の調整手法として、例えば、第１のコイルエレメント５０１Ａと第２のコイルエレメント５０１Ｂとが隣接している領域間のギャップを変更して共振周波数を変更しても良い。
また、図８に示すように、コイルエレメント５０１の長さを短くして隣り合う領域を減少させることにより共振周波数を変更しても良い。このような調整手法を用いることで、任意のサイズのコイルユニットを作成することが可能になる。
また、図９に示すように、周波数調整用導体として導体シート６００を適用して共振周波数を調整することもできる。図９に示すように、コイルユニット５００に、コイルエレメント５０１に接しないように導体シート６００を巻き付けて配置する。これにより、コイルユニット５００のコイルエレメント間に生じているキャパシタＣｃ１に加え、ＰｏｒｔＢ側と導体シート６００間に生じるキャパシタ成分Ｃｃ２とＰｏｒｔＡ端側と導体シート６００間に生じるキャパシタ成分Ｃｃ３とにより、キャパシタの合成容量が変化するため、共振周波数を変化させることができる。
さらに、コイルエレメント５０１は位置によって電圧が異なるため、導体シートを設ける位置によってキャパシタ成分Ｃｃ２及びキャパシタ成分Ｃｃ３各容量は変化し得る。従って、コイルユニット５００に設ける導体シート６００の位置を適宜変更することによってキャパシタの合成容量を変えることができる。つまり、導体シートをコイルエレメント５０１上でスライドさせることにより周波数を調整することができる。
また、導体シート６００とコイルエレメント５０１との距離を変えることによっても、キャパシタの合成容量を変化させることができ、延いては共振周波数を調整することができる。
このように、導体シート６００をコイルエレメント上に移動可能に配置することで、可逆的に再現良く共振周波数を調整することができるため、コイルユニットの作製が容易になる。
続いて、本実施形態に係るコイルユニット５００と図１４に示す従来のコイルユニットとの感度比較を行ったシミュレーション結果について説明する。
図１０に示すように、被写体１０３の上部にコイルユニット５００を配置して感度を測定する。
比較対象である、従来のコイルユニット（図１４参照）において、コイルエレメントの重量は本実施形態に係るコイルユニット５００と同様の重さになるように直径１．４ｍｍの導線を適用した。
図１０に示すように、被写体１０３の上部にコイルユニット５００を配置して感度を測定し、測定した結果である感度分布を図１１に示す。図１１（ａ）は本実施形態に係るコイルユニットのコイル中心を通るＸＹ平面の感度分布であり、図１１（ｂ）は従来のコイルユニットのコイル中心を通るＸＹ平面の感度分布である。図１１（ｃ）は、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）のコイル中心を通るＹ方向ラインプロファイルであり、実線が本実施形態に係るコイルユニットの感度分布プロファイルを示し、破線が従来のコイルユニット感度分布プロファイルを示す。
図１１に示すシミュレーション結果から、本実施形態に係るコイルユニットが従来のコイルユニットよりも優れた感度を有していることがわかる。これは、二つのコイルエレメント５０１Ａ，５０２Ｂが電磁気的に効率よく結合し損失が低下したためである。
このように、本実施形態に係るコイルユニットによれば、図１４に示す従来のコイルユニットに比して、キャパシタをコイルエレメントに挿入していないことから、回路保護のためのハードカバーを設ける必要がなく、ハードカバーによって重量化したり、コイルエレメントの柔軟性が損なわれたりすることはない。
従って、従来のコイルユニットより軽量化することができると共に、柔軟性も向上する。また、シミュレーション結果からもわかるように、本実施形態に係るコイルエレメントは、従来のコイルユニットに比して、同等またはそれ以上の感度で精度よく磁気共鳴信号を受信することができる。
特に、例えば、コイルエレメント５０１に導線を絶縁体で被覆したケーブル等を適用した場合は、隣り合うコイルエレメント同士の距離が常に一定に保持されるため、共振周波数の変動が小さくなり安定して磁気共鳴信号を受信することができる。この際のケーブル内の導線は、必ずしも１本の導線である必要はなく、複数本の導線を撚った撚り線であってもよく、この場合にはコイルの柔軟性が向上する。また絶縁体を選択することで線間容量や、その損失を最適化できる。例えば、フッ素を絶縁体とすれば低損失の線間容量を形成することができる。
また、コイルエレメントとして２芯ケーブルを用いることもできる。２芯ケーブルの二つの芯のうち、２芯ケーブルの一端において一方の芯を信号検出部に接続すると共に、２芯ケーブルの他端において他方の芯を信号検出部に接続する。これにより２芯ケーブルを適用しながら、上述した本実施形態に係るコイルユニットと同様の回路構成を得ることができる。このように２芯ケーブルを適用した場合には、コイルエレメントを隣接させる工程が不要になり、コイル作製の再現性が向上し、コイルユニットの作製が容易となる。
上述してきた実施形態等においては、コイルエレメントに導線を適用することを主として説明したが、必ずしも線状の導線でなくてもよく、また導線の断面が略円形である必要もない。例えば、シート乃至はリボン形状の導体あってもよく、コイルエレメントとして適用する導体の太さ、径、幅等を適宜選択することによってコイルエレメント間に生じる線間容量を調整することができ、延いては共振周波数を調整することができる。
また、第１のコイルエレメント５０１Ａと第２のコイルエレメント５０１Ｂの長さは等しいとして説明したが、必ずしも等しくなくてもよく、リング形状のエレメントの信号検出部５０２以外の領域でエレメントの野一部領域が隣接していればよい。
さらに、コイルユニットは、図５等に示すようなほぼ円形のリンク形状に限られない。コイルエレメントの一部をキャパシタとして機能させるように、コイルエレメントの開放端同士に隣り合う領域を形成するように湾曲又は屈曲させることにより、例えば、矩形状、８の字形状のバタフライコイル等目的に応じたコイル形状を選択することができる。
なお、本実施形態に係るコイルユニットは、本実施形態に係るコイルユニットを複数備えたアレイコイルを形成することができる他、例えば、図１４の従来のコイルユニットと組み合わせたアレイコイルを構成することもできる。様々なコイルを組み合わせることで、被写体に応じた最適なアレイコイルを構成するようにコイルユニットを適用することができる。
（変形例）
以下、上述した実施形態の変形例について図１２を用いて説明する。
上述した実施形態では、コイルユニット５００は、同じ長さを有する第１のコイルエレメント５０１Ａと第２のコイルエレメント５０１Ｂとの間に信号検出部５０２を挿入し、第１のコイルエレメント５０１Ａ及び第２のコイルエレメント５０１Ｂの開放端側を夫々湾曲させて信号検出部５０２以外の領域において互いに隣り合うようなリング形状としている。つまり、信号検出部５０２が、コイルエレメント５０１の中心に位置している。
これに対し、本変形例は、互いに長さの異なる第１のコイルエレメント５０１Ａと第２のコイルエレメント５０１Ｂとの間に信号検出部５０２を挿入し、第１のコイルエレメント５０１Ａ及び第２のコイルエレメント５０１Ｂの開放端側を夫々湾曲させることにより、第１のコイルエレメント５０１Ａ又は第２のコイルエレメント５０２Ｂの一部領域が信号検出部５０２と隣り合うようなリング形状とする。
より具体的には、図１２に示す例では、コイルユニットについて、第２のコイルエレメント５０１Ｂとして第１のコイルエレメント５０１Ａよりも短いものを適用する。そして、第１のコイルエレメント５０１Ａ及び第２のコイルエレメント５０１Ｂの開放端側を夫々湾曲させ、第１のコイルエレメント５０１Ａの一部領域が信号検出部５０２と隣り合い、第１のコイルエレメント５０１Ａの開放端と第２のコイルエレメント５０１Ｂの開放端とが対峙するように配置したリング形状とする。コイルエレメント同士が隣り合う領域には、上述した実施形態と同様に線間容量および磁場が生じ、結果的にキャパシタＣｃ１が支配的に機能する。
本変形例では、信号検出部５０２とコイルエレメントとが隣り合って配置されるため、キャパシタ成分が、信号検出部５０２を挟んで二つのキャパシタに分割される。これを、図１２において、キャパシタＣｃ１１及びキャパシタＣｃ１２として示す。図１２の等価回路を図１３（ａ）に示す。比較として、図１３（ｂ）に図１４の従来のコイルユニットの等価回路を示す。なお、図１３の等価回路では、説明の便宜上、信号検出部５０２は、信号検出回路の第１のキャパシタＣｍのみを示し、その他の回路部品は図示を省略している。
ここで、コイルユニットにおける磁気結合防止回路について説明する。
上述した実施形態に係るコイルユニット５００（図５）及び従来のコイルユニット（図１４）では、信号検出部５０２に受信コイルの磁気結合防止回路が含まれている。
具体的には、図５に示すコイルユニット５００において、第１のキャパシタＣｍと第１のインダクタＬｍと信号増幅器５０５とからなる並列共振回路は、コイルユニットと同じ周波数で共振するように調整されているためコイルエレメントから見ると第１のキャパシタＣｍは高インピーダンスとなっており、磁気結合防止回路として動作する。
よって磁気結合が生じ、他のコイルユニットのコイルエレメントに磁気結合電流が生成されても、生成した電流は磁気結合防止回路としての第１のキャパシタＣｍと第１のインダクタＬｍと信号増幅器５０５とからなる並列共振回路により、第１のキャパシタＣｍの両端が高インピーダンスになっているため、電流が流れることができず磁気結合が生じない。
簡略的にこの磁気結合防止回路のインピーダンス（Ｚｂｌｏｃｋ）は次式で表される。
Figure 0007092541000001
ここで、ｆは周波数、Ｚａｍｐは信号増幅器の入力インピーダンスの大きさである。
よって磁気結合防止回路の性能を高めるにはＺａｍｐの値を小さくすることとＣｍの値を小さくすることによって実現される。
図１３（ａ）から判るように、本変形例に係るコイルエレメントの等価回路は、図１３（ｂ）に示す従来のコイルユニットの等価回路と異なり、信号増幅器５０５が接続される第１のキャパシタＣｍの両端から見た時のコイルユニットのインピーダンス周波数特性も異なる。
第１のキャパシタＣｍとして同一のキャパシタを適用すると仮定した場合、図１３（ａ）の回路では、Ｃｃ１２の割合を大きくすることでコイルユニットの入力インピーダンスが下がる特性を有する。したがって、本変形例のようにコイルエレメントの一部の領域が隣り合って配置されている位置の中心部に信号検出部５０２を挿入した場合、コイルユニットの入力インピーダンスは低くなる。
よって共にコイルユニットの入力インピーダンスを５０Ωに調整する場合、本変形例に係るコイルユニットの入力インピーダンスを調整する第１のキャパシタＣｍの値を調整する必要がある。本構成においてはＣｍの値を小さくするとコイルユニットの入力インピーダンスが高くなる。よって、Ｃｍの値を小さくする必要がある。その結果、従来のコイルユニットにおけるキャパシタの値Ｃｍより低い値となる。
上記した（１）式から、低い容量の第１のキャパシタＣｍは高い磁気結合を提供することができるため、本変形例のコイルユニットは高い磁気結合防止性能を有する。
このように本変形例によれば、コイルエレメントの一部領域と信号検出部５０２とを隣り合わせるように配置することにより、給電回路周辺の回路が変わるため第１のキャパシタＣｍの値が小さくなり、結果磁気結合防止性能が向上する。これにより、他のコイルユニットとの磁気結合が低減され、画像のＳＮＲが上がる。また、磁気結合に耐性のあるコイルユニットとしたことにより、コイルユニットが変形した場合でもコイルユニットの性能が低下しにくくなる。
０９０・・・座標系、１００・・・ＭＲＩ装置、１０１・・・ＭＲＩ装置、１０２・・・テーブル、１０３・・・検査対象、１１０・・・磁石、１１１・・・磁石、１２１・・・シムコイル、１２２・・・シム電源、１３１・・・傾斜磁場コイル、１３２・・・傾斜磁場電源、１４０・・・シーケンサ、１５１・・・送信ＲＦコイル、１５２・・・ＲＦ磁場発生器、１６１・・・受信ＲＦコイル、１６２・・・受信器、１７０・・・計算機、１７１・・・表示装置、１８０・・・磁気結合防止回路駆動装置、２１０・・・送受間磁気結合防止回路、２１１・・・ＰＩＮダイオード、２１２・・・制御用信号線、２２０・・・送受間磁気結合防止回路、２２１・・・ＰＩＮダイオード、２２１・・・クロスダイオード、２２２・・・インダクタ、２２３・・・制御用信号線、３００・・・鳥かご型ＲＦコイル、３０１・・・直線導体、３０２・・・端部導体、３０３・・・キャパシタ、３１１・・・入力ポート、３１２・・・入力ポート、５００・・・コイルユニット、５０１・・・コイルエレメント、５０１Ａ・・・第１のコイルエレメント、５０１Ｂ・・・第２のコイルエレメント、５０２・・・信号検出部、５０３・・・信号増幅器、５０４・・・磁気結合防止回路、６００・・・導体シート

Claims (8)

  1. 夫々が被検体からの磁気共鳴信号を受信するように調整されたコイルユニットを複数備え、
    各コイルユニットが、
    可撓性を有し所定長の線状導体からなる第１のコイルエレメント及び第２のコイルエレメントと、
    前記第１のコイルエレメントと前記第２のコイルエレメントとの間に直列に挿入され、前記磁気共鳴信号を検出する信号検出部と、
    前記第１のコイルエレメント及び前記第２のコイルエレメント上を移動可能に設けられた周波数調整用導体と、を備え、
    前記周波数調整用導体は、前記第１のコイルエレメント及び前記第２のコイルエレメントの一部を覆う導体シートであり、
    前記第１のコイルエレメント及び前記第２のコイルエレメントは、一端が前記信号検出部に接続されると共に他端が開放端であり、
    前記第１のコイルエレメント及び前記第２のコイルエレメントを湾曲させて前記第１のコイルエレメントの開放端側及び前記第２のコイルエレメントの開放端側の少なくとも一部の領域を互いに一定の間隔をあけて隣り合うように配置することにより、隣り合う領域を電磁気的に結合させて機能させるアレイコイル。
  2. 前記第１のコイルエレメント及び前記第２のコイルエレメントが、同一の長さを有し、前記信号検出部以外の領域において互いに隣り合って配置されるように、第１のコイルエレメント及び第２のコイルエレメントの開放端側が夫々湾曲されている請求項１記載のアレイコイル。
  3. 前記第１のコイルエレメント及び前記第２のコイルエレメントが、互いに異なる長さを有し、前記第１のコイルエレメント又は前記第２のコイルエレメントの少なくとも一方が、前記信号検出部と隣り合って配置されるように、第１のコイルエレメント及び第２のコイルエレメントの開放端側が夫々湾曲されている請求項１記載のアレイコイル。
  4. 前記第１のコイルエレメント及び前記第２のコイルエレメントが、リング形状に湾曲されている請求項１記載のアレイコイル。
  5. 前記第１のコイルエレメント及び前記第２のコイルエレメントが、８字形状に湾曲されている請求項１記載のアレイコイル。
  6. 前記第１のコイルエレメント及び前記第２のコイルエレメントが、矩形状に湾曲されている請求項１記載のアレイコイル。
  7. 複数の前記コイルユニット間において、隣り合うコイルユニットの前記第１のコイルエレメント及び前記第２のコイルエレメント同士が、同一面内において、互いに部分的に重なり合うように配置されている請求項１記載のアレイコイル。
  8. 静磁場を形成する静磁場形成部と、
    傾斜磁場を形成する傾斜磁場形成部と、
    前記静磁場に配置された検査対象にＲＦ磁場を照射する送信ＲＦコイルと、
    前記検査対象からの核磁気共鳴信号を検出する受信ＲＦコイルと、
    前記受信ＲＦコイルが検出した核磁気共鳴信号を処理する信号処理部と、を備え、
    前記受信ＲＦコイルが、請求項１乃至請求項７の何れか１項記載のアレイコイルである磁気共鳴撮像装置。
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