JPH0243153B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は核磁気共鳴（NMR）技術を用いて試
料の化学構造を解析する改良された方法および装
置に関する。試料を走査するため、選択可能な寸
法の共鳴領域は試料に対して個々の明瞭な断面グ
リツドパターンを得るように移動される。走査過
程中、個々のグリツドの各位置でNMR信号が発
生される。その信号は検出されて、その位置に存
在する被選択原子核の位置と存在量とを示すマツ
プを形成するように処理される。装置を適当に再
配置することにより、試料中間部位および前方部
位マツプを作製することもできる。

本発明はレイモンド・ブイ・ダメーデイアンの
米国特許第3789832号に述べられている装置およ
び方法に対する改良である。前記第3789832号特
許に述べられているように、がん性細胞は正常な
細胞と異なる化学的構造を有することが知られて
いる。米国特許第3789832号には、試料から発生
する或るNMR信号を測定し、正常な組織から得
られるNMR信号と比較することにより試料内の
がん性病変組織の存在、位置、および悪性度を知
る方法と装置が述べられている。

米国特許第3789832号が与えられて以来、生体
組織を含む材料の解析にNMR技術を使用するこ
とが活発な一分野となつた。例として1977年刊ブ
リテツシユ・ジヤーナル・オブ・ラジオロジー誌
第50巻188ページから194ページに記載の「NMR
による医学的像影法」と題するピー・マンスフイ
ールドおよびエー・エー・モーズレーによる論
文、1976年８月刊のジヤーナル・オブ・アプライ
ツド・フイジツクス誌第47巻第８号に記載の「核
磁気共鳴による像影」と題するワルド・エス・ヒ
ンシヨーによる論文、1974年刊プユア・アンド・
アプライツド・ケミストリー誌第40巻第１−２号
に記載の「磁気共鳴的検定法」と題するポール・
シー・ラウタブルによる論文、ムーア等に対する
米国特許第4015196号、およびアベ他に対する米
国特許第3932805号等を参照されたい。

これらの参考文献は、NMR技術により試料を
解析する種々の方法に関する議論を含んでいる。
これらに記載の方法は、しかし、すべて次の点で
大きな欠点をもつている。それは、例えば試料の
微視的走査よりもむしろ巨視的走査が必要とされ
る場合などに起り得る特定の使用条件、に応じ
て、共鳴領域の寸法を調節するようにNMR発生
用磁界を収束できないという点である。

本発明者は磁界収束NMR技術を用いる一般的
な論題に関し、いくつかの論文を発表している。
以下の記事を参照されたい。1976年刊フイジオロ
ジカル・ケミストリー・アンド・フイジツクス誌
第８巻61ページから65ページに記載の「磁界収束
NMR（FONAR）による生きた動物中の腫瘍の
像影」、1976年12月27日刊サイエンス誌第194号
1430ページから1432ページに記載の「磁界収束核
磁気共鳴（FONAR）−生きた動物中の腫瘍の可
視化」、1977年７月刊ホスピタルプラクテイス誌
63ページから70ページに記載の「核磁気共鳴−非
壊的にがんに近づく方法」、1977年刊フイジオロ
ジカル・ケミストリー・アンド・フイジツクス誌
第９巻第１号に記載の「がん中のNMR−生
きた人体の磁界収束核磁気共鳴像」と題するアー
ル・ダマデイアン他による記事。また1977年12月
刊ポピユラーサイエンス誌第120巻76ページから
79ページには「ダマデイアンのスーパー磁石およ
びがん検出にそれをどのように利用しうるか」と
題するスーザン・レナースミスによる記事も発表
されている。

本発明はいろいろな特徴を有し、選択可能な寸
法の共鳴領域を作る装置を提供することにより先
行技術の欠点を克服する。本発明は人間等の生体
試料の全体を走査するにも使用可能である。共鳴
領域に振動磁気放射が指向されると、共鳴領域内
の被選択原子核の構造に特有なNMR信号が発生
する。これらのNMR信号は検出、処理、および
表示されて、共鳴領域内の試料の化学的構造を解
析するための情報を提供する。試料断面の成分表
示を得るため、試料に対して断面グリツドパター
ン状に共鳴領域を移動させる装置が提供される。
このように、改良された装置は、たとえば人間等
の生体哺乳類を含む試料の断面の化学構造を非破
壊的に解析するのに提供される。

本発明は、対がん用に限定されているわけでは
ないが、がんの検出に特に有効である。本発明は
病変組織が正常組織と化学的に異なる場合はいつ
でも有効に使用できると考えられる。

本発明が明確に理解され、直ちに実行に移し得
るようにするため、以下に添付の図面を参照しな
がらいくつかの好ましい実施例を例示する。

生体試料の断面の化学的構造を解析する装置を
第１図に示す。室温で作動する銅線巻き電磁石で
よいが、好ましくは超電導電磁石であつて、枠３
１を有したドーナツ型電磁石３０が、第１図に示
したHo方向に試料３２の原子核を整列させる一
次静磁界を与える。試料３２は第１図に示すよう
に、人間であつてよい。二対の静磁界収束コイル
３４，３４ａ，３６，３６ａはドーナツ型磁石３
０による一次静磁界を収束して合成磁界を形成す
る装置であり、一次磁界の形状を調節するための
収束静磁界を与える。

磁界収束コイル３４，３４ａ，３６，３６ａは
第２図および第３図に示すように形成される。コ
イルは第２図に示すように平面状の物体表面上に
巻かれている。磁界収束コイル３４，３４ａ，３
６，３６ａの寸法は第２図に示されている。ここ
で、ａはドーナツ型磁気３０の内径である。磁界
収束コイル３４，３４ａ，３６，３６ａは、次
に、第３図に示すように例えば透明な材料の円筒
３８上に配置される。次に円筒３８は第１図に示
すようにドーナツ型磁石３０の内部に配置され、
ブラケツト３９により枠３１に固定される。

ドーナツ型磁石３０のみの内部にあるときの一
次静磁界の形状は当業者にはよく知られている。
Hoの方向における静磁界の強度は磁石３０の中
心を鞍状点とする鞍状分布をもつ。磁界収束コイ
ル３４，３４ａ，３６，３６ａは、直流電源４
０，４０ａにより第２図に示す方向の直流電流が
四個の磁界収束コイル３４，３４ａ，３６，３６
ａに加えられたときに、Ho方向に鞍状静磁界を
作り、それぞれの鞍点が磁石３０の中心で一致す
るように、この鞍状静磁界と磁石３０により作ら
れた鞍状静磁界とを重ね合わせて合成磁界を形成
するように構成されている。二個の直流電源４
０，４０ａの電流値は磁界収束コイル３４，３４
ａ，３６，３６ａにより与えられる鞍点の鋭さ、
つまり、磁界強度変化の割合を調節するため可変
である。

磁石３０の中心にある一致した鞍点の周辺領域
はHo方向に比較的均一な強度を有する領域であ
る。磁界収束コイル３４，３４ａ，３６，３６ａ
により与えられる鞍点ピークの鋭さが調節可能で
あるので、ほぼ均一な磁界強度を有する領域の大
きさも調節可能である。したがつて、このピーク
を幅広くすると、比較的均一な磁界強度を有する
領域は拡大され、ピークを鋭くすると、この領域
は縮小される。この領域は、後述するように、選
択された原子核に対して核磁気共鳴（NMR）条
件が満足されている共鳴領域４４である。ほぼ均
一な磁界を有するこの領域、すなわち、共鳴領域
４４は、磁界勾配が3.9ガウス／センチメートル
未満の領域として定義されている。

哺乳類の解析用に製造された装置では磁石３０
中心におけるHo方向の静磁界強度は約500ガウス
であり、またそこにおける作動周波数は陽子に対
して10メガヘルツで、直流電源４０，４０ａはそ
れぞれ約20アンペアを与えている。共鳴領域４４
の寸法は直流電源４０，４０ａにより供給された
電流に依存する。直流電源４０，４０ａのそれぞ
れが20アンペアの電流を与えるとき、共鳴領域４
４は約１立方ミリメートルの容積を有する。この
例では、共鳴領域は比較的小さい。直流電源４
０，４０ａからの電流を10アンペアに減ずること
により、この容積は約６立方ミリメートルに増大
する。

核磁気共鳴条件はNMR信号が発信される前に
確立されていなければならない。核磁気共鳴条件
はよく知られた下式により表わされる。

(1) ωo＝｜Ho｜γ ここで ωo＝被選択原子核の共鳴角振動数 γ＝被選択原子核の磁気回転比で、その被選択原
子核に対する定数 ｜Ho｜＝Ho方向における静磁界の強度 である。Ho方向の静磁場は超電導磁石３０およ
び磁界収束コイル３４，３４ａ，３６，３６ａに
より与えられる。共鳴振動数ωoは米国特許第
3789832号に記載されているNMR分光計４２ま
たは核磁気誘導器に含まれているような在来の可
調整ラジオ周波数発振器、つまり、振動磁気放射
源発生装置により与えられる。この発振器は出力
端子において、周波数選択器により手動調整可能
なラジオ周波数信号を与える。ラジオ周波数信号
は伝送・受信線４３と在来の容量分割回路網４１
を経由して、第１図に示されるラジオ周波数コイ
ル４６に指向される。容量分割回路網４１は当業
者によく知られているように、線４３にコイル４
６をインピーダンスマツチングさせるための二個
の容量４１ａ，４１ｂを含む。コイル４６は共鳴
領域４４を包囲するように配置され、試料３２の
断面を包囲する寸法を有する。第１図においては
人間が座位にあつて、コイル４６がその胸部を包
囲するように配置されている。コイル４６は（図
示してない）ある物体上に配置され、第１図に図
示されている枠４５に装架される。この枠は後述
する連動ビーム４８に固定される。

NMR条件が成立するためには、コイル４６は
コイル４６によつて与えられる振動磁界の方向が
Hoに垂直でなければならない。コイル４６によ
り与えられるラジオ周波数磁界の方向はコイル４
６の長さ方向軸線に平行なので、コイル４６は患
者が第１図に示すように座しているときには、そ
の長さ方向軸線がＹ軸方向に向くように、配置さ
れなければならない（この明細書を通じて三次元
空間に図示されているような通常のＸ、Ｙ、Ｚ座
標系を与えてあるが、これは説明の目的にのみ用
いる。）。患者が移動梁４８上にＺ方向に長く横た
わつているときは円形コイル４６は使用できない
ので、たとえば、それぞれが胸部の反対側に置か
れ、かつ、ラジオ周波数磁界がＸまたはＹ方向に
向くように配置された一対の円筒形ヘルムホルツ
コイルによつて置換える必要がある。

実際上、共鳴領域４４位置における｜Ho｜の
値は磁石３０内に試料または患者を置く前に直接
測定を行なつて決定される。式(1)の二個の変数、
すなわち被選択原子核に対するγおよび｜Ho｜、
がわかつている。したがつて、式(1)を満足する正
しい周波数ωoを有するラジオ周波数放射が共鳴
領域４４にHoと垂直に指向されると、共鳴領域
４４内に存在する被選択原子核に対するNMR信
号が得られる。

第１図に示した装置はパルスモードにて試料を
解析するのに使用される。この実施例ではNMR
分光計４２内の発振器から発したラジオ周波数エ
ネルギーを有するパルスがコイル４６を通じて共
鳴領域４４に指向される。コイル４６は次に受信
モードに切換えられ、発生したNMR信号があれ
ばそれを検出する。検出された信号は伝送・受信
線４３を経由してNMR分光計４２に送信され
る。NMRスペクトロメータ４２はNMR信号の
強度および緩和時間などのパラメータを移動梁４
８の空間位置座標と共に記憶するための記憶装置
と計算装置とを含む。

米国特許第3789832号に述べられている解析装
置では検出コイルと送信コイルとは別々のコイル
であつて、互に垂直に配置されていた。第１図に
示した実施例では受信コイルは発信コイルと同一
のコイルである。この方法は同一の効果が得られ
る別の方法である。その理由は以下に述べること
による。ラジオ周波数放射が共鳴領域に送られる
と被選択原子核の磁気モーメントがHoと平行な
平衡状態から、核磁気共鳴吸収により、回転座標
系から見て、Hoと垂直な方向の高エネルギー状
態に励起される。ラジオ周波数放射をオフにする
と、米国特許第3789832号に述べられているよく
知られた式にしたがつて励起された原子核はラジ
オ周波数信号を発してもとの平衡状態に戻る。受
信コイルまたは検出コイルの、発信コイルに対す
る相対的な方向は、それらがHoに垂直である限
り、任意でよい。実際、発信コイルおよび受信コ
イルは第１図に示した上述の実施例におけるよう
に、同一のコイルであつてよい。単一のコイルが
使用されるときは、パルスモードで作動されるこ
とが必要である。しかし、発信コイルと受信コイ
ルとを別にし、それらを互に、かつHoに対して、
垂直に方向づけることにより、連続モードの作動
が可能であることを了解されたい。

第１図において、H_Tは発信の方向を示し、H_R
は受信信号の方向を示す。

第１図に示した実施例における試料３２の断面
走査は、試料３２が置かれている移動梁４８を用
いて達成される。試料配置装置である駆動箱４９
は第１図に示すＸ方向およびＺ方向に移動梁４８
を適切に移動するための電動機および歯車を含
む。駆動箱４９は、試料３２が試料３２を通るＸ
−Ｚ平面内で静止共鳴領域４４に対してグリツド
パターン状に移動するように、制御ユニツト５０
により適切な方法で自動的に作動される。移動梁
４８の空間座標は、上述の通り制御ユニツト５０
とNMR分光計４２とを接続するリード線５１を
経て、NMR分光計４２に伝達される。このよう
にして、第１図に示すように人間である試料の走
査においては、人間が静止共鳴領域４４に相対的
に移動され、その移動が人間胸部を通る平面内で
グリツドパターンをなすようにされる。第１図は
静止共鳴領域４４に対し試料３２を移動させる装
置を示すが、共鳴領域４４を静止試料３２に対し
て移動させることも本発明の特許請求の範囲内に
あるものと見なされる。

例 １ 生きた人間の胸部断面マツプを形成する実験が
行なわれた。人間は第１図に示す位置に置かれ、
コイル４６は胸部を包囲させて配置された。この
測定では水素原子核を検出すべき核として選択し
た。磁石３０はその中心において500ガウスを生
ずるように調節された。移動梁４８は、人間が第
５図に示す第８胸部背椎を通る断面内の共鳴領域
４４に対して移動するように、グリツドパターン
状に移動された。この断面を第４図に図解する。

NMR分光計４２のラジオ周波数発振器の周波
数は2.18メガヘルツに設定され、発振器は10ワツ
トのラジオ周波数放射のパルスを80マイクロ秒毎
に１回、60マイクロ秒にわたりくり返し発生する
ように調節された。制御ユニツト５０は、患者を
Ｘ−Ｚ平面内でグリツドパターン状に移動させる
ように設定された。このとき、ラジオ周波数放射
のパルスが発信される直前に、患者は新しいグリ
ツド位置に移動するようにされた。発生した
NMR信号はコイル４６により検出され、線４３
を経由してNMR分光計４２に伝送された。

NMR分光計４２は、受信したNMR信号の強
度を示す値とグリツド位置とを対応させて記憶す
るようにプログラムを組まれた計算機「データゼ
ネラル」を用いて、NMR信号を処理した。計算
機「データゼネラル」は、また、断面走査の完了
に伴つてグリツドの各位置に対するNMR信号強
度を示すマツプを作製し、そのマツプがビデオ表
示器に16色に表示されるように、プログラムを組
まれた。それぞれの色が異つた強度に対応する。
対応は白を最大強度として白から黄、赤、青、黒
に変化する。像の頂部が胸部壁の前方端である。
像の左側が見下す胸部の左側である。水素原子の
NMR信号強度には強度ゼロの信号に黒を、最大
強度の信号に白を、これらの中間強度の信号に灰
色を対応させた。中線に沿つて前方から後方へ向
つて見ていくと、主要な器管は左肺（黒い空洞）
に接している心臓である。左肺は右肺（中線の右
側の黒い空洞）に較べて大きさが小さいが、本来
そのようになつている（第５図に示す第８胸部レ
ベルの人体胸部図解第４図を参照。）。さらに後方
の、中線の少し左側には、下行大動脈に対応する
灰色の円形像がある。

体表内で胸骨（中心線前方）から出発して楕円
に沿つて進むときに見られる交互の高強度部（白
色）と中間強度部（灰色）は、第４図に示したよ
うに交互する肋間筋（高強度部）と助骨（低強度
部）とに対応する。

例 ２ 実験１の場合と同じように設定された第１図の
装置を用いて、左肺にがんを有することが知られ
ている患者の胸部断面のマツプが作られた。原版
では16色で左肺に病状が発生していることを示す
ビデオ表示の白黒写真を第６図に示す。

第６図の頂部は胸部壁前端であり、左側は見下
す胸部の左側である。がん性の左肺がはつきりと
見られる。

第二の実施例においては選択可能な寸法の共鳴
領域４４ａが第８図に示すような装置により作ら
れた。この実施例では超電導コイルまたは銅線巻
コイルである二個の同形なドーナツ型磁石５１，
５２が軸線を整合され、かつ、磁石５１，５２の
半径に等しいヘルムホルツ距離だけ離される。こ
の形状では二個の磁石５１，５２間の磁界強度は
ほぼ均一になることがよく知られている。この磁
界が一次静磁界であり、その磁界の方向Hoは、
磁石対５１，５２のＺ軸線に平行である。

磁界収束コイル５４，５５ａ，５６，５６ａが
収束静磁界を与え、第一実施例で磁界収束コイル
３４，３４ａ，３６，３６ａが果したと同様に、
測定部容積４４ａの寸法を調節するのに使用され
る。磁界収束コイルはそれぞれ第２図および第３
図に示したコイル３４，３４ａ，３６，３６ａと
同様のものであるが、ただし、コイル５４，５４
ａの電流はそれぞれコイル３４，３４ａの電流と
は逆向きにされる。これらのコイルは、ブラケツ
ト５９により磁石５１，５２の枠に固定された円
筒形状体５８上に配置される。これらのコイルを
このように配置すると磁界の方向はＺ軸線方向と
なり、磁界収束コイル５４，５４ａ，５６，５６
ａ間におけるＹ軸線方向の磁界強度変化を表わす
勾配は線型になることがよく知られている。この
ように円筒形状体５８が第８図に示すように２個
磁石５１，５２と同一軸線上に整合されている
と、磁界収束コイル５４，５４ａ，５６，５６ａ
により生じる磁界はHo方向を向き、Ｚ軸線に垂
直な方向に線形勾配の磁界強度変化をもつ。

磁石５１，５２および磁界収束コイル５４，５
４ａ，５６，５６ａによりHo方向に生じた合成
静磁界はＸ−Ｚ平面内でほぼ均一でありＹ方向に
線型の勾配をもつ。このHo方向の静磁界は式(1)
により定められるNMR条件を得るのに必要な静
磁界である。

ブラケツト５９により円筒形状体５８に装架さ
れた二個のラジオ周波数コイル６０，６２は振動
磁気放射源発生装置及び周波数選択装置として働
いて、NMR条件に必要なラジオ周波数信号を与
える。これらのコイルは長方形でもよいが、好ま
しくは第８図に示したように円形であり、コイル
面が互に直交し、その交叉線がＹ方向にあり、か
つ、二個の磁石５１，５２の軸線と交叉するよう
に配置される。これらのラジオ周波数コイル６
０，６２のコイル面は、第８図の線９Ａ−９Ａに
沿つてこれらのコイルを上から見た断面図である
第８Ａ図に示されているように、Ｘ−Ｙ平面に対
しそれぞれ45゜に傾斜される。ラジオ周波数コイ
ル６０，６２は在来の容量分割回路網６１，６３
および伝送線６５，６７を経由してラジオ周波数
電流電源６４，６６に接続される。容量分割回路
網６１，６３はコイル６０，６２のインピーダン
スを伝送線６５，６６にそれぞれマツチングさせ
るために与えられている。二個のコイル６０，６
２の交流の位相は、これらのコイルの合成磁界ベ
クトルが主要磁界軸線に垂直（すなわちＺ軸線に
垂直）となり、かつ、第８図に示すようにＸ軸線
方向になるようにされている。この配置を与える
と、ラジオ周波数磁界の最大振幅がＹ軸線方向と
なり、Ｙ軸線から離れるにつれ、指数凾数的に減
衰する。コイル６０，６２はこのように振動磁気
エネルギーをＹ軸線に沿つて収束し、ペンシルビ
ームとする。ペンシルビームは上式(1)のωoのエ
ネルギー源となる。別の円筒形ヘルムホルツコイ
ル６８は受信コイルとして作動し、ＸおよびＺ軸
線に垂直な方向に、すなわち第８図に示すＹ軸線
方向、にその磁界軸線を有する。受信コイル６８
は支持具（図示してなし）により、移動梁４８上
に支持され、走査の際には患者と共に移動する。

第９図は作動方法を例示する概略図で、これを
参照する。Ｙ軸線方向の走査はラジオ周波数磁界
の周波数を変化させるだけで達成できる。これが
可能なのは、｜Ho｜値が一対の磁界収束コイル５
４，５４ａ，５６，５６ａ間においてＹ軸線方向
に線型に変化するからである。本実施例では重ね
合わされたこの磁界は、磁界収束コイル５４，５
４ａ，５６，５６ａ間で、たとえば−0.50ガウス
から＋0.50ガウスに変化するが、変化の範囲と、
したがつてその勾配とは、磁界収束コイル５４，
５４ａ，５６，５６ａの電流を変化させることに
よりより大きくすることもより小さくすることも
可能である。特定の｜Ho｜の値、たとえば第９
図のHoi、に対して、被選択原子核に対する
NMR条件を満足する特定の周波数ωoiが存在す
る。したがつて｜Ho｜値がHoi＋ｌである位置
で測定を行なうためには発信コイルの周波数を
ωoi＋ｌに調節する。発信ラジオ周波数コイル６
０，６２に指向された周波数を変化させることに
より、試料を通過しているペンシルビームに沿つ
て試料を走査する手段が与えられる。磁界収束コ
イル５４，５４ａ，５６，５６ａにより生じた磁
界の、Ｙ軸線沿線上の｜Ho｜値の範囲は、発振
器６４，６６の周波数変化に伴つて被選択原子核
のみが励起されるように、十分小さくされる。し
たがつて使用者は、特定の周波数ωoiを用いたと
き確かにHoi位置の被選択原子核のみが共鳴して
いることを知ることができる。

磁界収束コイル５４，５４ａ，５６，５６ａに
より与えられる勾配の急峻さが測定部容積４４ａ
の寸法を決定する。その理由は、勾配が小さけれ
ば、勾配の大きいときに比べてほぼ均一な磁界を
有する領域がより大きくなるからである。

試料、たとえば人間、の断面走査を得るには、
人間は第８図に示す移動梁４８ａ上に置かれる。
発信コイル６０，６２により与えられるペンシル
走査ビームはＹ軸線沿線にある。ビームと試料
は、Ｙ軸線沿線ペンシルビームに沿つて走査が完
了した後に在来の駆動箱４９ａおよび制御ユニツ
ト５０ａによつて、Ｘ軸線に沿つて増分的に移動
される。したがつて、この図のＺ軸線に垂直な薄
切片の断面走査が達成される。断面グリツド各点
において検出コイルまたは受信コイル６８が信号
を検出する。その信号は共鳴領域４４ａの対応位
置と共にNMR分光計４２内に配置された計算機
の記憶装置に記憶される。この分光計４２は伝送
線７０および容量分割回路網７１を経由して受信
コイル６８に接続されている。これらの強度値は
後に処理され、試料のＸ−Ｙ平面内における測定
値の断面グリツドを形成し、グリツド各点におけ
る信号強度とその位置を示すマツプを与える。

第８図には発信されたラジオ周波数エネルギー
の静止ペンシルに対して試料３２が移動する構造
を示してあるが、構造としては、磁界収束コイル
５４，５４ａ，５６，５６ａと発振コイル６０，
６２と、受信コイル６８とを、ペンシルビームに
沿つての走査が完了した後でＺ軸のまわりに一段
高い高さで回転させ、回転掃引パターンによるマ
ツプを形成するものでもよいと考えられる。試料
の完全な断面走査を得るには、ペンシルビームを
180゜にわたり回転させる。このことも本発明の特
許請求の範囲内であると考えられる。

さらに、解析すべき試料の幾何学的形状によ
り、第８図の発信コイル６０，６２の磁気方向
H_Tおよび受信コイル６８の磁気方向H_Rは、発信
コイル６０，６２と受信コイル６８とを、H_T、
H_R、およびHoが互に直交するように配置転換す
ることにより、逆向きにすることも可能である。
第８図に示す特定の形状では患者が仰向きに寝か
されていることが好ましい。その理由は、発信コ
イル６０，６２により試料を通過するように与え
られているペンシルビーム長さを最小にし得るか
らである。しかし、他の設計変更も考えられ、そ
れらも本発明の特許請求の範囲内であると考えら
れる。

本発明の原理を具体化した第三の実施例を第１
０図から第１３図に示す。この実施例において
は、Ho方向の静磁界が永久磁石７６，７８によ
り与えられる。磁極面７２，７４が磁石７６，７
８に装架され、磁束を集中させる。永久磁束７
６，７８間の静磁界の形状はほぼ均一であること
が知られている。

人間等の解析すべき試料は、磁石７６，７８間
の空間内の、駆動箱４９ｃおよび制御ユニツト５
０ｃに関連づけられている移動ビーム４８ｃ上、
に置かれる。磁界収束コイル８０，８０ａ，８
２，８２ａが第８図に示した第二実施例の磁界収
束コイル５４，５５ａ，５６，５６ａに相当し、
Ｙ軸線に沿つてHo方向に線型勾配を有する静磁
界を与える。

発信コイル８６，８８が第８図に示した第二実
施例の発信コイル６０，６２に相当する。この実
施例では発信コイル８６，８８の交叉線はＹ軸線
方向であり、両発信コイル８６，８８は互に垂直
で、かつ、Ｙ−Ｚ平面に対し、それぞれ45゜に傾
斜している。受信コイル９０が第８図に示した実
施例の受信コイル６８に相当する。第１０図から
第１３図において、電源およびNMR分光計への
これらのコイルの接続は第８図の示した実施例に
対するものと同一であるので、図示してない。第
１０図から第１３図に示されている装置は第８図
に示したものと同じ機能を有し、類似のものであ
る。ただし、第８図に示した実施例で用いた一対
のヘルムホルツコイル５１，５２の代りに、本例
では永久磁石７６，７８が使用されている点が相
違する。発信コイル８６，８８の磁気方向H_Tお
よび受信コイル９０の磁気方向H_Rはやはり垂直
であり、これらは共にHoに垂直である。患者を
収容するのにこれらのコイルを再配置しなければ
ならなかつたが両実施例における作動原理は同じ
である。

第三実施例におけるHoの方向はＺ軸線方向で
なくてＸ軸線方向である。H_RはＹ方向でH_TはＺ
方向である。したがつてHo、H_R、およびH_Tはす
べて互に直交している。共鳴領域９２は第８図に
示した実施例におけるように発信コイル８６，８
８により与えられるペンシルビーム上にある。ペ
ンシルビームは二つの発信コイル８６，８８面の
交叉線上にあるので、ペンシルビームはＹ軸線方
向にある。

走査は、第８図に示した実施例に対すると同様
に、ペンシルビームをＹ方向に走査させ、試料ま
たは患者３２をＸ方向に移動させることにより、
達成される。これによりＸ−Ｙ平面内の走査が行
なわれる。NMR信号は、試料に関して離散的な
位置をとるペンシルビームのそれぞれに対して、
ペンシルビームの上の各点で測定される。検出さ
れた測定値は、前と同様、記憶され、処理され、
試料断面の各位置におけるNMR信号強度を示し
た試料断面マツプを示すべく表示される。

上述したどの実施例によつても、使用者は得ら
れたNMR信号を処理して、以下に述べる例等の
核磁気値を決定し得る。その例としては共鳴領域
内にある被選択原子核の存在量を表わすNMR信
号強度、共鳴領域内における被選択原子核の原子
的結合を表わす強度−周波数スペクトル、スピン
ー格子緩和時間、スピン−スピン緩和時間、およ
び共鳴領域内にある被選択原子核の有機性を表わ
す被選択原子核のスピン−マツプ、等がある。使
用者は、これらの核磁気共鳴測定値をすべて、表
示させて解析に供することもできるし、断面マツ
プに形成することもできる。哺乳類のがん性細胞
の検出においては被選択原子核は、たとえばP³¹、
K³⁹、Na²³、H¹、C¹³、N¹⁵、N¹⁴、O¹⁷であるこ
とが望ましい。病変組織内の被選択原子核が正常
な非病変組織の被選択原子核と異る化学的有機構
造を持つ場合には、この装置をその組織病変の検
出および解析に用いることができるので他の病変
にも使用可能である。

NMR振幅−振動数スペクトルを形成する場
合、上述の三つの実施例では、共鳴領域に入射さ
れる発信パルスが、ある帯域の周波数を持つよう
にされたパルスモードの作動、を用いることがで
きる。受信コイルルにより検出されるNMR信号
の時間的振幅変化は、受信したデータを高速フー
リエ変換をして振幅−振動数スペクトルを得るよ
うにプログラムを組まれた計算機付のNMR分光
計４２に指向される。

第一実施例を用いて得られたそのような振幅−
振動数スペクトルの例を第１５Ａ図および第１５
Ｂ図に示す。

例 ３ 第１４図は正常の筋組織に対し非破壊的に得ら
れたP³¹NMRスペクトルを示し、第１４Ｂ図は
病変筋組織に対し非破壊的に得たP³¹NMRスペ
クトルを示す。ラジオ周波数発振器の作動周波数
は100メガヘルツで、発信パルスの帯域幅は100メ
ガヘルツ−1000ヘルツから100メガヘルツ＋4000
ヘルツまでの5000ヘルツで、パルス間隔は10秒で
あつた。８回にわたる別々の実験結果を平均して
得られたスペクトルは256個の自由核磁気誘導減
垂ピークを含むものであつた。各ピークはいろい
ろのリン含有分子のリンによる共鳴であるが、ア
デノシントリフオスフエート（ATP）の場合に
は３個の共鳴（第１４Ａ図Ｄ，ＥおよびＦピー
ク）が、上記分子内の３個のフオスフエートに由
来した同一分子の共鳴である。第１４Ａ図および
第１４Ｂ図のピークＡは正常な組織においては−
3.9ppmに、病変筋においては−4.9ppmに表われ
たフオスフエートによる共鳴である（作動周波数
100メガヘルツにしたとき40ヘルツの差である。）。
ppmとは百万分の一の略号であるが、ここでは作
動周波数に対してピークの周波数位置を示すのに
用いている。1ppmは作動周波数を100メガヘルツ
とするとき、その100ヘルツ上、−1ppmは作動周
波数を100メガヘルツとするときその100ヘルツ
下、の周波数に相当する。第１４Ａ図および第１
４Ｂ図のピークＢは無機フオスフエートのリンに
よる共鳴で、正常筋においては−1.7ppm位置に、
病変筋においては−2.4ppm位置にある（差は70
ヘルツ）。第１４Ａ図のピークＣはクレアチンフ
オスフエート（がん中には不在）によるもの、第
１４Ａ図のピークＤ，Ｅ，ＦはATP（がん中には
不在）の３個のフオスフエートによるものであ
る。このように共鳴領域内に置かれた組織に対し
て得られたNMRスペクトル中のいくつかのピー
クの欠落およびいくつかのピークの遷移を病変組
織のNMRスペクトルに比して見ることにより、
非破壊的に病変組織を検出し位置づけることがで
きる。

上述の三実施例のいづれにおいても測定すべき
試料の幾何学的構造に起因する物理的制約条件に
応じて、受信コイルは試料を包囲し得るなら円形
にしてよいし、試料を物理的に包囲した配置にす
ることが実際的でないなら、分離されたヘルムホ
ルツコイルにしてよい。

さらに三実施例において、第一実施例に関連し
て説明したように、パルスモードの作動が用いら
れるならば発信コイルおよび受信コイルを統合し
てもよい。

これらの設計変更はすべて本発明の特許請求の
範囲内であると考えられる。

上述の三実施例に連続モードの作動を用いるこ
ともできる。しかしこのモードの作動では別々の
発信コイルと受信コイルが必要とされる。これら
のコイルは必然的に静磁界の方向Hoに垂直でな
ければならない。連続モードまたは高分解能モー
ドにおいては、発信器はその周波数が徐々に変化
しても、あるいはHo方向の静磁界の強度が変化
しても、連続的に作動する。連続作動の条件下
で、被選択原子核（例えば水素）が他の原子と
種々の結合状態で存在する試料においては、これ
ら種々の結合状態が共鳴ピークとして観測され
る。例として第１４Ａ図および第１４Ｂ図を参照
されたい。共鳴ピークはそれぞれ異つた波長の
NMR吸収を表わすが、それは、被選択原子核を
含むいろいろな原子的結合がその原子核の周囲の
電子雲の形状を変化させ、その結果電子雲の正味
の磁気モーメントを変化させる、という事実に由
来する。したがつて共鳴が起る周波数は、被選択
原子核と他の原子核との結合状態と共にいろいろ
に変化する。種々の共鳴周波数は振幅−周波数ス
ペクトル上に種々のピークとして現われる。

例３に関連して述べたように、振幅−周波数ス
ペクトルはまた、予定の帯域を有するパルスを共
鳴領域に発信して発生させたNMR信号を受信
し、高速フーリエ変換を用いてスペクトルを作製
することにより、パルスモードで得ることができ
る。発信器の周波数を時間的に変化させて得られ
る連続モードは、高速フーリエ変換を用いること
なく直接に振幅−周波数スペクトルを得る方法で
ある。

上述した三実施例は、たとえばそれぞれが別の
型の被選択原子核に対応するように、複数個の受
信コイルを積み重ねるなどして複数個の被選択原
子核に対するNMR信号を測定するようにできる
ことを了解されたい。この場合、発信コイルは第
一被選択原子核に対するNMR条件に要求された
ラジオ周波数信号を、次に第二被選択原子核に対
する信号…等々、を与えるよう、調時シーケンス
のパルスを発生するようにされる。発信された信
号を検出するための電気回路を与える等の設計変
更複数個の受信コイルの必要性を除去する設計変
更は本発明において意図されており、本発明の特
許請求の範囲内にある。検出されたNMR信号は
処理されて多重ビデオ表示器に表示することがで
きる。

本発明は試料の化学構造の決定に非常に需要度
の高い方法と装置を提供するものであつて、試料
を巨視的または微視的に走査する装置を含む。当
業者には本実施例の構造に対して多数の設計変更
が考えられようが、本発明は本発明の特許請求の
範囲によつてのみ限定されることを了解された
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ここで示されるように、人間を含め
た試料の化学構造を解析するための一実施例の概
略図であり、第２図は第１図の実施例に使用され
た磁界収束コイルの概略図であり、第３図は円筒
形状体に装架された、第２図に示した磁界収束コ
イルの概略図であり、第４図は人体胸部の断面の
概略を示し、第５図は第４図に示した断面の位置
を示す概略図であり、第６図は第４図に示した断
面に対応する、本発明の原理に基づき得られた、
核磁気共鳴による胸部断面−すなわち生物の部分
形態−を示す写真であり、第７図は本発明の原理
に基づき得られた、病変左肺を有する胸部断面−
すなわち生物の部分形態−を示す写真であり、第
８図は再びここに示すように人間を含めた試料の
成分を解析するための第二実施例の概略図であ
り、第８Ａ図は第８図の実施例に使用した発信コ
イルの、第８図の分割線９Ａ−９Ａに沿つた断面
概略図であり、第９図は第８図に示した実施例の
作動原理を説明するのに有用な概略図であり、第
１０図は試料の成分を解析するための、永久磁石
を用いた第三実施例の概略透視図であり、第１１
図は第１０図に示した実施例の概略正面図であ
り、第１２図は第１０図に示した実施例の、永久
磁石の一個を除去したときの概略側面図であり、
第１３図は第１０図に示した実施例の、実施例中
で使用された種々のコイルの位置を示す概略図で
あり、第１４Ａ図は正常な筋組織から得られた
NMRスペクトルであり、第１４Ｂ図はがん性筋
組織から得られたNMRスペクトルである。 ３０，５１，５２，７６，７８……一次静磁界
空間を提供する装置、３４，３４ａ，３６，３６
ａ，５４，５４ａ，５６，５６ａ，８０，８０
ａ，８２，８２ａ……一次静磁界空間を収束して
選択可能な共鳴領域を提供する装置、４８，４８
ａ，４８ｃ，４９，４９ａ，４９ｃ，５０，５０
ａ，５０ｃ……試料を共鳴領域に配置する装置、
４６，６０，６２，６４，６６，８６，８８……
振動磁気放射を共鳴領域に指向する装置、６８，
９０……核磁気共鳴信号の受信装置、４２……共
鳴領域内の被選択原子核存在量を表わすために核
磁気共鳴信号を処理する装置、４０，４０ａ……
共鳴領域の寸法を調節するために収束静磁界を選
択する装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 核磁気共鳴現象を利用して試料内部の所定の
   原子核を検知する装置において、 (a) Ho方向を指向する一次磁界を形成する装置
   と、 (b) 前記一次磁界を収束させて、Ho方向を指向
   し、かつ所望の大きさに変えることのできる三
   次元共鳴領域を有する合成磁界であつて、前記
   合成磁界内にある前記三次元共鳴領域外の領域
   が、実質的に共鳴信号を発生することのないよ
   う十分に大きな磁界強度変化を有する合成磁界
   を形成する装置と、 (c) 核磁気共鳴信号が発生する間、前記共鳴領域
   内で前記合成磁界の形態を維持する装置と、 (d) 前記試料に前記共鳴領域が貫入するように前
   記試料を配置する装置と、 (e) 振動磁気放射の磁界方向が前記一次磁界の磁
   界方向と直交するように前記共鳴領域に該振動
   磁気を放射して、該共鳴領域内で所定の原子核
   の核磁気共鳴信号を発生させる装置と、 (f) 該発生した核磁気共鳴信号を受信する装置
   と、 (g) 前記核磁気共鳴信号を処理して、前記試料に
   貫入した前記共鳴領域内で、前記所定の原子核
   を示す核磁気共鳴値を直接決定する装置とを備
   える装置。 ２ 核磁気共鳴現象を利用して試料内部の所定の
   原子核を検知する装置において、 (a) Ho方向を指向し、かつ磁界強度がほぼ均一
   な領域を伴う既知の磁界形態を有する一次磁界
   を形成する装置と、 (b) Ho方向を指向し、かつ前記一次磁界内の磁
   界強度を変えれるように磁界形態が可変である
   収束磁界であつて、磁界強度がほぼ均一なまま
   で大きさを変化させることができる領域を有す
   る収束磁界を形成する装置と、 (c) 前記均一な一次磁界及び収束磁界の各領域が
   一致するよう前記収束磁界を前記一次磁界に重
   畳して、該均一な領域が一致した領域内に三次
   元共鳴領域を有する合成磁界であつて、前記共
   鳴領域内の合成磁界の磁界強度がほぼ均一であ
   り、さらに、前記合成磁界内にある前記三次元
   共鳴領域外の領域が、共鳴信号を発生すること
   のないよう十分に大きな磁界強度変化を有する
   合成磁界を形成する装置と、 (d) 前記収束磁界の磁界形態を調整して前記共鳴
   領域の大きさを所望の大きさに変える装置と、 (e) 核磁気共鳴信号が発生する間、前記共鳴領域
   の形態を維持する装置と、 (f) 前記試料に前記共鳴領域が貫入するように該
   試料を配置する装置と、 (g) 振動磁気放射の磁界方向が前記合成磁界の磁
   界方向と直交するように該振動磁気を前記共鳴
   領域に放射して、核磁気共鳴信号を発生させる
   装置と、 (h) 該発生した核磁気共鳴信号を受信する装置
   と、 (i) 前記核磁気共鳴信号を処理して、前記試料内
   の前記共鳴領域内で前記所定の原子核を示す核
   磁気共鳴値を直接決定する装置とを備える装
   置。 ３ 特許請求の範囲第２項に記載の装置におい
   て、前記振動磁気を周期的に前記共鳴領域に放射
   し、また、核磁気共鳴信号の受信後に前記試料を
   位置変えして該試料の異なる位置を前記共鳴領域
   と一致させて前記試料の走査を行う装置をさらに
   有する装置。 ４ 特許請求の範囲第２項または第３項に記載の
   装置において、前記一次磁界が円筒状超電導磁石
   によつて形成され、さらに前記試料が該円筒状超
   電導磁石の内部空間に配置される装置。 ５ 特許請求の範囲第２項乃至第４項のいずれか
   に記載の装置において、前記収束磁界が収束コイ
   ルによつて形成される装置。 ６ 試料内部の所望の原子核を検知する装置であ
   つて、 (a) 「Ｘ」、「Ｙ」、及び「Ｚ」の座標系の三次元
   空間内で既知の形態を有し、かつ「Ｚ」軸方向
   を指向した一次磁界を形成する装置と、 (b) 前記一次磁界を収束して、「Ｚ」軸方向を指
   向する磁界を有し、かつ「Ｙ」軸方向に磁界強
   度が可変である既知の形態の合成磁界を形成す
   る装置と、 (c) 選択可能な周波数を有し、かつ「Ｚ−Ｘ」平
   面の全方向において空間が限定された振動磁気
   放射源を発生する装置と、 (d) 磁界強度がほぼ｜Ho｜の前記合成磁界内の
   所定の原子核に対し、 式： ωo＝｜Ho｜γ （ここで、 ωo＝所定の原子核共鳴角周波数 ｜Ho｜＝特定位置における合成磁界の強度 γ＝所定の原子核の磁気回転比であつて所定の
   原子核に対する定数） を満たすように、前記振動磁気放射源の周波数
   を選択する装置と、 (e) 周波数ωoを有する振動磁気放射を「Ｚ」軸
   方向と直交するように指向して、磁界強さがほ
   ぼ｜Ho｜である領域内に三次元共鳴領域を形
   成する装置と、 (f) 前記共鳴領域が前記試料に貫入するように該
   試料を配置する装置と、 (g) 前記振動磁気を前記共鳴領域に放射して、前
   記共鳴領域内に配置されている前記試料内の所
   定の原子核に対して核磁気共鳴信号を発生させ
   る装置と、 (h) 発生した前記核磁気共鳴信号を受信する装置
   と、 (i) 前記核磁気共鳴信号を処理して、前記試料内
   の前記共鳴領域内にある前記原子核を示す核磁
   気共鳴値を決定する装置とを備える装置。 ７ 特許請求の範囲第６項に記載の装置におい
   て、前記一次磁界がほぼ一様な磁界形態を有して
   おり、また、前記合成磁界を形成する装置が、
   「Ｚ」軸方向を指向しさらに「Ｙ」軸方向に選択
   可能な磁界強度変化を有する収束磁界を前記一次
   磁界に重畳する装置。 ８ 特許請求の範囲第７項に記載の装置におい
   て、前記収束磁界の「Ｙ」軸方向の線形磁界強度
   変化を変えて前記共鳴領域の大きさを調節する装
   置を有する装置。 ９ 特許請求の範囲第６項に記載の装置におい
   て、前記振動磁気エネルギーの周波数を新しい周
   波数値ωoに調節して前記合成磁界が該新しい周
   波数値ωoに対して前記関係式を満たす磁界強度
   ｜Ho｜を有する位置に前記共鳴領域を移動させ
   ることによつて、前記試料を前記「Ｙ」軸方向に
   走査する装置をさらに有する装置。 １０ 特許請求の範囲第９項に記載の装置におい
   て、周波数ωoを有する前記振動磁気放射を、前
   記「Ｙ」軸方向のペンシルビームにそつて最大強
   度を有するように収束し、さらに「Ｙ」軸方向の
   前記試料を該ペンシルビームにそつて走査する装
   置を有する装置。 １１ 特許請求の範囲第１０項に記載の装置にお
   いて、前記振動磁気放射を収束する装置が、前記
   「Ｙ」軸方向に交線を有するよう互いに直角に交
   差する一対の平面状コイルを有して前記交線に沿
   つて前記ペンシルビームを形成する装置。 １２ 特許請求の範囲第１１項に記載の装置にお
   いて、前記平面状のコイルが円形であり、前記交
   線が共通の直径である装置。 １３ 特許請求の範囲第６項に記載の装置におい
   て、前記一次磁界が、前記「Ｚ」軸方向に同軸状
   に整合されかつヘルムホルツ距離だけ離隔された
   一対の円筒状超電導磁石によつて形成され、さら
   に前記試料が該円筒状超電導磁石の間に配置され
   た装置。 １４ 特許請求の範囲第６項に記載の装置におい
   て、前記収束磁界が磁界収束コイルによつて形成
   される装置。 １５ 特許請求の範囲第６項に記載の装置におい
   て、前記一次磁界が少なくとも１つの平面状の永
   久磁石によつて形成される装置。