JPH04332531A - 核磁気共鳴を用いた検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、生体中の水素や燐等か
らの核磁気共鳴（以下、「ＮＭＲ」という）信号を測定
し、核の密度分布や緩和時間分布等を映像化する、ＮＭ
Ｒ現象を用いた検査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、人体の頭部，腹部などの内部構造
を、非破壊的に検査する装置として、Ｘ線ＣＴや超音波
撮像装置が広く利用されてきている。近年、ＮＭＲ現象
を用いて同様の検査を行う試みが成功し、Ｘ線ＣＴや超
音波撮像装置では得られなかった多種類の情報を取得で
きるようになってきた。

【０００３】まず、ＮＭＲ現象の基本原理について以下
に簡単に説明する。原子核は陽子と中性子から構成され
、全体で角運動量Ｉで回転する核スピンとみなされる。

【０００４】今、水素の原子核を取り上げて考えること
にする。水素原子核は１個の陽子からなりスピン量子数
１／２で表される回転をしている。陽子は正の電荷があ
るため原子核が回転するにともなって磁気モーメントμ
が生じ、原子核一つ一つを非常に小さな磁石と考える事
ができる。（例えば鉄のような強磁性体では上述した磁
石の方向が揃っているために全体として磁化が生じる。 一方、水素などでは上述した磁石の方向がバラバラで全
体としては磁化は生じない。しかし、この場合でも静磁
場Ｈを印加するとそれぞれの原子核は静磁場の方向に揃
うようになる。）水素原子核の場合にはスピン量子数は
１／２であるので−１／２と＋１／２の二つのエネルギ
ー準位に分かれる。このエネルギー準位間の差ΔＥは一
般的に次式で示される。

【０００５】

【数１】ΔＥ＝γｈＨ／２π ここで、γ：磁気回転比，ｈ：プランク定数，Ｈ：静磁
場強度である。

【０００６】ところで、一般に原子核には静磁場Ｈによ
ってμ×Ｈの力が加わるために原子核は静磁場の軸の回
りを次式で示す角速度ω（ラーモア角速度）で歳差運動
をする。

【０００７】

【数２】ω＝γＨ このような状態の系に周波数ωの電磁波（ラジオ波）を
印加すると核磁気共鳴現象が起こり、一般に原子核は数
１で表されるエネルギー差ΔＥに相当するエネルギーを
吸収し、エネルギー準位が高い方に遷移する。この時種
々の原子核が多数存在していてもすべての原子核が核磁
気共鳴現象を起こすわけではない。これは原子核毎に磁
気回転比γが異なるために、数２で示される共鳴周波数
が原子核毎に異なり印加された周波数に対応するある特
定の原子核だけが共鳴するためである。

【０００８】次に、ラジオ波によって高い準位に遷移さ
せられた原子核はある時定数（緩和時間と呼ばれる）で
決まる時間の後に元の準位に戻る。この時にラジオ波に
よって高い準位に遷移させられた原子核から角周波数ω
の核磁気共鳴信号が放出される。

【０００９】ここで、上述した緩和時間は更にスピン−
格子緩和時間（縦緩和時間）Ｔ１　とスピン−スピン緩
和時間（横緩和時間）Ｔ２　に分けられる。一般に、固
体の場合にはスピン同士の相互作用が生じ易いためにス
ピン−スピン緩和時間Ｔ２　は短くなる。また、吸収し
たエネルギーはまずスピン系に、次に格子系に移ってい
くためスピン−格子緩和時間Ｔ１　はスピン−スピン緩
和時間Ｔ２　に比べて非常に大きい値となる。ところが
、液体の場合には分子が自由に運動しているためスピン
−スピンとスピン−格子のエネルギー交換の生じ易さは
同程度である。

【００１０】上述した現象は水素原子核以外にもリン原
子核，炭素原子核，ナトリウム原子核，フッ素原子核や
酸素原子核などについても同様である。

【００１１】上述した基本原理に基づくＮＭＲ現象を用
いた検査装置においては、検査物体からの信号を分離・
識別する必要があるが、その一つに、検査物体に傾斜磁
場を印加し、物体各部の置かれた磁場を異ならせ、次に
各部の共鳴周波数あるいはフェーズエンコード量を異な
らせることで位置の情報を得る方法がある。この方法の
基本原理については、特開昭５５−２０４９５，ジャー
ナル・オブ・マグネティック・レゾナンス誌（Ｊ．Ｍａ
ｇｎ．Ｒｅｓｏｎ．）第１８巻，第６９〜８３頁（１９
７５年）、フィジックス・オブ・メディスン・アンド・
バイオロジー誌（Ｐｈｙｓ．Ｍｅｄ．＆Ｂｉｏｌ．）第
２５巻，第７５１〜７５６頁（１９８０年）等に報告さ
れているので詳細な説明は省略するが、以下にもっとも
多く用いられているスピンエコーの手法について簡単に
その原理を説明する。

【００１２】図４の全体構成図に示すように被検者２０
は静磁場Ｈを発生するコイル１８と互いに直交する３方
向の傾斜磁場を発生するＸ，Ｙ，Ｚの傾斜磁場コイル１
６，１７，１５（図５参照）と高周波磁場を発生する高
周波磁場コイル８の中に設置されている。ここで、静磁
場の方向をＺ軸とする事が一般的であるから、ＸとＹ軸
は図４及び図５に示すようになる。ここで、被検者２０
の横断面（Ｘ−Ｙ面）を撮像するには図１０に示すスピ
ンエコーシーケンスに従って傾斜磁場と高周波磁場を駆
動する。以下図１０を用いて説明すると、期間Ａでは被
検者２０に傾斜磁場Ｇｚ　を印加した状態で振幅変調さ
れた高周波電力を高周波コイル８に印加する。横断面の
磁場強度は静磁場Ｈと位置ｚの傾斜磁場強度ｚＧｚ　の
和Ｈ＋ｚＧｚ　で示される。一方、振幅変調された周波
数ωの高周波電力は特定の周波数帯域ω±Δωを有して
いるので

【００１３】

【数３】ω±Δω＝γ（Ｈ＋ｚＧｚ） を満足するように周波数ωあるいは傾斜磁場強度Ｇｚ　
を選ぶ事で横断面の部分の水素原子核スピンを励起する
事になる。ここで、γは水素原子核の磁気回転比を示す
。 期間Ｂでは傾斜磁場Ｇｙ　をΔｔの間印加する事で先に
励起された核スピンはｙの位置により

【００１４】

【数４】Δω′＝γｙＧｙΔｔ で示される周波数変移をその共鳴信号に起こす。期間Ｄ
で傾斜磁場Ｇｘ　を印加した状態で共鳴信号を収集する
。 このとき、期間Ａで励起された核スピンは位置ｘによっ
て

【００１５】

【数５】Δω″＝γｘＧｘ で示される周波数差を有する事になる。期間Ｃは励起さ
れた核スピンのスピンエコーを得るために１８０度の高
周波磁界と傾斜磁場Ｇｚ　が印加されている。期間Ｅは
核スピンが平衡に戻るまでの待ち時間である。期間Ｂの
傾斜磁場Ｇｙ　の振幅値を２５６ステップ変化させて繰
り返し共鳴信号を収集すれば２５６×２５６のデータが
得られる。これらのデータを２次元フーリエ変換する事
で画像が得られる。

【００１６】上述したようなＮＭＲ現象を用いた検査装
置によるイメージングにおいては高周波磁場を発生ある
いは受信するコイルの効率を向上させることが、画質の
向上，撮像時間短縮につながる重要な課題となっている
。

【００１７】ところで、ＮＭＲ現象を用いた検査装置に
おけるＳＮ比は、静磁場強度Ｈの１〜１．５　乗に比例
して増加するため、静磁場強度を少しでも高くし、ＳＮ
比の向上を図る試みがなされつつある。これまで用いら
れてきた送受信コイル（以下、単に「コイル」という）
は鞍型コイルである。しかし、静磁場強度の増加にとも
なって原子核の共鳴周波数も増大するため、コイルの自
己共鳴周波数とＮＭＲ周波数とが接近あるいは逆転する
状況が生じ、受信時における感度低下、あるいは送信時
における高周波磁場の発生効率低下という問題が発生す
るようになった。これに対してＡｌｄｅｒｍａｎ等によ
り新しい形状のコイル（「アルダーマン型コイル」と呼
ばれる）が提案され、上記問題点が解決されるようにな
った。このコイルについては、ジャーナル・オブ・マグ
ネティック・レゾナンス誌（Ｊ．Ｍａｇｎ．Ｒｅｓｏｎ
．）第３６巻，第４４７〜４５１頁（１９７９年）に詳
細な記述がある。 図６，図７に示すようにアルダーマン型コイルはガード
リング電極１３１，１３２、アーム電極１１１，１１２
、アーム電極１１１に接続されたウイング電極１２１，
１２２，１２５，１２６、アーム電極１１２に接続され
たウイング電極１２３，１２４，１２７，１２８、ウイ
ング電極１２１，１２４間に設けられるキャパシタ１４
１、ウイング電極１２２，１２３間に設けられるキャパ
シタ１４２、ウイング電極１２５，１２８間に設けられ
るキャパシタ１４３、ウイング電極１２６，１２７間に
設けられるキャパシタ１４４から構成される。図８に示
す同調・整合回路はキャパシタ２０１，２０２で構成さ
れており、図７のＨ，Ｇ点に接続される。図９は図６，
図７におけるアーム電極１１１，１１２及びウイング電
極１２１〜１２８とキャパシタ１４１〜１４４から構成
される外側の部分を平面に展開した図である。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は静磁場
Ｈが水平で静磁場方向に被検体を挿入する水平磁場方式
において高磁場すなわち高周波における受信感度の低下
及び高周波磁場の発生効率の低下という問題に関しては
有効なコイル構成である。

【００１９】しかし、局所的な場所（被検者の乳房）を
対象にして高感度で撮像する場合については配慮されて
いない。

【００２０】本発明の目的は水平磁場方式において上記
従来技術が配慮していない局所的な場所（被検者の乳房
）を対象にした場合に高感度，高分解能に撮像し乳ガン
などの検査を無侵襲に行うことが出来るコイルを提供す
る事にある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、乳房が入る形状のソレノイドコイルを用い、必要に
応じて乳房を圧迫する機構を設けた。

【００２２】

【作用】一般に核磁気共鳴を用いた検査装置では静磁場
の方向とコイルの感度方向は直交していなければならな
い。水平磁場方式の核磁気共鳴を用いた検査装置では被
検体の挿入方向と静磁場の方向が一致してしまうために
、頭部、腹部用コイルに鞍型コイルなどが考案され用い
られてきた。しかし、乳房を撮像する場合には、核磁気
共鳴の原理から対象とする部位からの磁束変化を効率よ
く電気信号に変換できるソレノイドコイルが適用可能で
ある。即ち、乳房は被検体の体軸に対して垂直にした状
態で撮像が可能である。しかも撮像部位がコイルの中に
納まるような構成をとることが出来る。また、コイルの
内側に膨張収縮する機構を設け乳房を圧迫または動かな
いように固定する事が可能となり分解能がよい画像を得
る事が出来る。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。

【００２４】図４は、本発明の一実施例であるＮＭＲを
用いた検査装置の構成図である。図４において、５は制
御装置、６は高周波パルス発生器、７は電力増幅器、８
は高周波磁場を発生すると共に対象物体２０から生ずる
信号を検出するための送受信兼用コイル、９は増幅器、
１０は検波器、１１は信号処理装置を示している。また
、１２，１３，１４，は、それぞれ、ｚ方向及びこれに
直角の方向（ｘ方向及びｙ方向）の傾斜磁場を発生させ
るコイル、１５，１６，１７はそれぞれ、上記コイル１
２，１３，１４を駆動する電源部を示している。これら
のコイルにより発生する傾斜磁場により検査対象の置か
れる空間の磁場分布を所望の傾斜を有する分布とするも
のである。図４ではコイル８，１３，１４の順に大きさ
が小さくなっているように描いてあるが全体構成を示す
ための便宜的なものでありこの大きさ、順番である必要
はない。

【００２５】制御装置５は、各装置に種々の命令を一定
のタイミングで出力する機能を有するものである。高周
波パルス発生器６の出力は、電力増幅器７で増幅され、
上記コイル８を励振する。コイル８で受信された信号成
分は、増幅器９を通り、検波器１０で検波後、信号処理
装置１１で画像に変換される。

【００２６】なお、静磁場の発生は、電源１９により駆
動されるコイル１８による。検査対象である被検者２０
はベッド２１上に載置され、上記ベッド２１は支持台２
２上を移動可能に構成されている。

【００２７】図５は図４に置ける傾斜磁場コイルの構成
及び流す電流の方向を示した一例である。コイル１２で
ｚ方向傾斜磁場を、コイル１３でｘ方向傾斜磁場を、コ
イル１４でｙ方向傾斜磁場を発生する例を示している。 コイル１３とコイル１４は同じ形のコイルであってｚ軸
回りに９０度回転した構成をしている。実際にはコイル
１２，１３，１４を一つの円筒形ボビンに巻いて用いら
れる。これらの傾斜磁場コイルは静磁場と同一方向（ｚ
軸方向）磁場を発生し、それぞれｚ，ｘ，ｙ軸に沿って
直線勾配（傾斜）を持つ磁場を発生するものである。

【００２８】本発明は、上記コイル８の改良に係わるも
のである。ここで、コイル８は、例えば頭部用コイルで
あれば直径３００ｍｍ，長さ３００ｍｍ程度の大きさを
有するものである。

【００２９】本実施例ではコイル形状を円筒形として説
明するが、楕円形などの形状の変形も可能であり本発明
を規制するものではない。

【００３０】図１（ａ）は乳房用コイルの一実施例の概
略を示した鳥瞰図である。図１（ｂ）は図１（ａ）に示
す乳房用コイルの等価回路図である。図１（ａ）に示す
実施例は円筒形ボビン３００，３０１に銅線からなる電
極３１０，３１１を巻き付けた構成である。図１（ａ）
に示す実施例では電極３１０，３１１は銅線で構成した
場合について示しているが、銅パイプ、銅箔または銅板
で構成しても良い。図１ではコイルとして２ターンのソ
レノイドコイルとしているが、本発明はターン数を２タ
ーンに限定する物ではない。共鳴周波数と感度によって
ターン数を変化させる必要がある場合がある。

【００３１】さらに、図１では電極３１０，３１１を螺
旋状に巻いた場合の構成を示しているが、図２に示すよ
うに円形状のふたつの電極３２０，３２１，３３０，３
３１それぞれをまずボビン３００，３０１に巻き付け互
いの電極を電極３２２，３３２で斜めに接続するように
する。このようにする事によってある角度をつけて電極
３１０，３１１をボビン３００，３０１に巻き付け螺旋
状の形状にする必要がなくなるために作成が容易になる
。

【００３２】図３は図１に示す乳房用コイルに被検者２
０の左右の乳房２０１，２０２が入っている状態の断面
図を模式的に示している。円筒形ボビン３００，３０１
は被検者２０の乳房２０１，２０２が入るようにボビン
の一端は空いた構造になっている。また、腕２０３，２
０４及び頭２０５は全体の構成が分かりやすいように示
した。図３から明らかなように円筒形ボビン３００，３
０１の外側に電極３２０，３２１，３３０，３３１を巻
き付けた構成のため被検者２０が電極３２０，３２１，
３３０，３３１に直接触れる事で感電する心配はない。 この際、円筒形ボビン３００，３０１の内側にクッショ
ンなどの緩衝材を張り付ける事によって被検者２０が快
適に検査を受けられるように出来る。さらに、緩衝材を
肌触りの良い材質とする事でより快適に検査を受けられ
るように出来る。また、図３では詳細は省略しているが
この２組の円筒形ボビン３００，３０１の間隔は被検者
２０によって異なるため調節可能なように構成する。

【００３３】この調整を可能とする構成の一実施例を図
１１，図１２に示す。図１１はこの構成の概略を示した
上面図、図１２は図１１のＡＡ′断面を示したものであ
る。図１１，図１２では間隔を調整するための概略構成
図であるためカバーなどの部分は省略した。図１１，図
１２に示す実施例では円筒形ボビンに支持具３５０，３
５１を付けこの支持具３５０，３５１の一方の端にネジ
を切ったネジ穴３４０，３４１を開けている。上記支持
具３５０，３５１を接続する別な支持具３６０を円筒形
ボビンと反対側のネジ穴側にもうけ、この支持具の上端
にも穴を開けておく。この穴を通してネジ３７０，３７
１で支持具３５０，３５１に固定する。このようにして
円筒形ボビン３００，３０１の間隔を調節できる。図１
１，図１２に示した実施例以外にも種々の構成が考えら
れる。

【００３４】また、図１ではコイルのキャパシタによる
分割は行わない場合について示しているが、共鳴周波数
が高くなりコイルの同調がとれない場合や被検体の影響
が大きい場合にはキャパシタによってコイルを分割する
事でこれらの問題を回避できる。このような構成の一実
施例を図１３に示す。図１３（ａ）に示す実施例では螺
旋状のコイル３１０１〜３１０５，３１１１〜３１１５
、図１３（ｂ）に示す実施例では円形のコイル３２０１
〜３２０３，３２１１〜３２１３，３３０１〜３３０３
，３３１１〜３３１３それぞれについてキャパシタ４２
１〜４２４，４３１〜４３４で分割した場合について示
している。図１３（ｂ）に示す実施例は全体の構成が見
やすくなるように図１３（ａ）に示す構成を９０度回転
した。キャパシタによる分割数については共鳴周波数及
び被検体による影響の度合いによって適時変更する必要
がある。

【００３５】図１４は二組のコイルの接続方法を示した
一実施例である。図１４では２組のコイルの接続方法を
示すのが目的であるため、コイルは１ターンのもの（５
００，５０１）で示した。具体的な構成は図１及び図２
，図１３に示すようなものである。図１４（ａ）は２組
のコイルを直列に接続する場合、また、図１４（ｂ）は
２組のコイルを並列に接続する場合について示している
。各々の場合で接続を二通り示しているのはそれぞれの
コイル５００，５０１の磁束の向きが同じ方向の場合と
反対の場合である。図１４のＨ，Ｇ点には図８で示す同
調・整合回路を接続することで同調及び整合をとれるの
は従来と同様である。

【００３６】図１５は乳房を圧迫する機構の概略構成を
示す断面図で、図３に示す断面図に対応させてある。図
１５（ａ）では空気等の流体によって圧迫する機構の概
略構成断面図を、図１５（ｂ）では機械的に圧迫する機
構の概略構成断面図を示している。図１５（ａ）に示す
実施例では円筒形ボビン３００，３０１の内側に伸縮す
る材料からなるドーナツ状の圧迫用気密袋６０１〜６０
３及び６１１〜６１３を設けそれぞれに外部から適当な
圧力の空気などの流体６５０を注入する事で圧迫する構
成を示している。本実施例では説明のために圧迫用気密
袋が３個から構成される場合について示した。この気密
袋の個数を増減する事で部分的な圧迫等圧迫部位を自由
に設定できるようになる。また、この気密袋を一つのつ
ながったドーナツ状ではなくいくつかの部分に分割する
事で周方向におけるより微妙な圧迫が可能となる。図１
５（ｂ）に示す実施例では２枚の圧迫用平板６２０，６
２１及び６３０，６３１をそれぞれ円筒形ボビン３００
，３０１の内側に設けこの平板を機械的に動かす事で圧
迫を行う場合について示している。この場合には前述の
気密袋の場合に比べて微妙な圧迫をする場合には機構が
複雑となるが、単純な圧迫でよい場合には構造が簡単で
容易に作成できるという利点がある。

【００３７】以上の説明では個々について説明したが、
これらを組み合わせても良いことは言うまでもない。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、水平磁場方式の核磁気
共鳴を用いた検査装置において局所的な場所（被検者の
乳房）を対象にした場合に高感度，高分解能に撮像し乳
ガンなどの検査を無侵襲に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成図である。

【図２】本発明の一実施例の構成図である。

【図３】本発明の一実施例の構成図である。

【図４】本発明の一実施例であるＮＭＲを用いた検査装
置の構成図である。

【図５】傾斜磁場コイルの構成及び流す電流の方向を示
した図である。

【図６】アルダーマン型コイルの構成図である。

【図７】アルダーマン型コイルの構成図である。

【図８】同調・整合回路の回路図である。

【図９】アルダーマン型コイルの構成図である。

【図１０】スピンエコー法のシーケンスの説明図である
。

【図１１】コイルの間隔調整機構の概略図である。

【図１２】コイルの間隔調整機構の概略図である。

【図１３】キャパシタによる分割を行った場合の等価回
路図である。

【図１４】２組のコイルの直列及び並列接続図である。

【図１５】乳房を圧迫する機構の概略構成図である。

【符号の説明】

５…制御装置、６…高周波パルス発生器、７…電力増幅
器、８…送受信兼用コイル、９…増幅器、１０…検波器
、１１…信号処理装置、１２，１３，１４…傾斜磁場を
発生させるコイル、１８…静磁場を発生させるコイル、
１５，１６，１７，１９…電源部、２０…被検者、２０
１，２０２…乳房、２０３，２０４…腕、２０５…頭、
２１…ベッド、２２…支持台、１３１，１３２…ガード
リング電極、１１１，１１２…アーム電極、１２１〜１
２８…ウイング電極、１４１〜１４４，２０１，２０２
，４２１〜４２４，４３１〜４３４，４０１〜４０４，
４１１〜４１４…キャパシタ、３１０，３１０１〜３１
０５，３１，３１１１〜３１１５１，３２０，３２０１
〜３２０３，３２１，３２１１〜３２１３，３２２，３
３０，３３０１〜３３０３，３３１，３３１１〜３３１
３，３３２…電極、６０１〜６０３，６１１〜６１３…
圧迫用気密袋、６２０，６２１，６３０，６３１…圧迫
用平板。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】静磁場，傾斜磁場及び高周波磁場の各磁場
   発生手段と、検査対象からの核磁気共鳴信号を検出する
   信号検出手段と、該信号検出手段の検出信号の演算を行
   う計算機及び該計算機による演算の出力手段を有する核
   磁気共鳴を用いた検査装置に於て、静磁場が水平方向の
   場合における信号検出手段の内側に乳房が入るようにし
   たことを特徴とする核磁気共鳴を用いた検査装置。
2. 【請求項２】上記信号検出手段として円筒面上に沿って
   螺旋状に設けられた電流通路から成る磁束・電気変換手
   段を用いた事を特徴とする請求項１記載の核磁気共鳴を
   用いた検査装置。
3. 【請求項３】上記信号検出手段として円筒面上に沿って
   螺旋状または同心円上に設けられた複数の電流通路から
   成り、それぞれの電流通路の先端が容量結合されている
   一組または複数組の磁束・電気変換手段を用いた事を特
   徴とする請求項１記載の核磁気共鳴を用いた検査装置。
4. 【請求項４】上記信号検出手段を複数個設け、それぞれ
   を直列または並列に接続したことを特徴とする請求項１
   記載の核磁気共鳴を用いた検査装置。
5. 【請求項５】上記信号検出手段の内側に乳房圧迫手段を
   設けたことを特徴とする請求項１記載の核磁気共鳴を用
   いた検査装置。
6. 【請求項６】上記圧迫手段として流体を用いたことを特
   徴とする請求項５記載の核磁気共鳴を用いた検査装置。
7. 【請求項７】上記信号検出手段の内側に緩衝材を設けた
   ことを特徴とする請求項１記載の核磁気共鳴を用いた検
   査装置。
8. 【請求項８】上記信号検出手段の内側を肌触りの良い物
   としたことを特徴とする請求項１記載の核磁気共鳴を用
   いた検査装置。