JPS63257536A - 回転静磁場パルス形ｎｍｒイメ−ジング装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、主として医用ＮＭＲイメージング装置、こ
とに高磁界化により水素原子核以外の他核種への拡大が
可能な静磁場パルス形ＮＭＲイメージング装置に関する
。

〔従来の技術〕

医用ＮＭＲイメージング装置においては、静磁場強度を
現在の０．０５Ｔないし１．５Ｔ（Ｔｔテスラ）から２
Ｔ以上に高磁界化することＫよって水素原子核以外の核
種２例えば　Ｐ（リン＞　、　１ｊｃ（炭素）、　　Ｆ
’（ふっ素）、Ｎａ（ナトリウム）等の核磁気共鳴が実
用になると予想されておシ、これによって人体の代謝機
能に関する情報が得られると期待されるために、高磁界
化されたＮＭＲイメージング装置が次世代の医用装置と
して関心を集めている。

第６図は従来のＮＭＲイメージング装置の磁石部を示す
概略斜視断面図であシ、超電導静磁場コイルを備えた例
を示したものである。図において、１はソレノイド形の
超電導静磁場コイルであシ、極低温容器２のヘリウム容
器内に液体ヘリウムに浸漬された状態で収納されており
、静磁場コイル１を図示しない静磁場電源からの直流電
流で励磁することによって極低温容器２に包囲された中
空部１０の中央部に磁場の強さが０．３ないし１．５　
Ｔ。

磁場の不均一成分が数ｐｐｍないし数１０ｐＩ）ｍ程度
の高度に均一な静磁場ＨＯを軸線Ｚ方向に発生する。中
空部１０内には被検体７を包囲する絶縁筒４が設けられ
、その外周面には傾斜磁場コイル６が装着されている。

ここで、中空部内に軸線方向をＹ軸、軸線に垂直な面内
に直角座標Ｘ軸およびＹ軸を定義する。このとき、傾斜
磁場コイルはＸ軸方向に対称な１組のくら形コイル対か
らなるＸ軸傾斜磁場コイル３Ｘと、Ｙ軸方向に対称な１
組のくら形コイル対からなるＸ軸傾斜磁場コイル６Ｘと
、絶縁筒４を包囲するリング状コイル対からなるＺ４ｑ
Ｉ＋＃斜磁場コイル６Ｚで構成される。傾斜磁場コイル
６は図示しない傾斜磁場電源から台形波パルス電流が供
給されたとき、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向のスライス面に垂直な方
向に磁場の強さが直線的に変化傾斜磁場Ｅｘ　、　Ｈ７
＋およびＨｚ（図には省略する）を発生する。５は絶縁
筒４の内側に磁場中心を包囲するよう配された全身用の
高周波コイルであシ、一対のくら形コイルからなシ、核
磁気共鳴の角周波数ωＯと等しい周波数を有する１！流
を所定時間持続する高周波パルス電流によって間欠的に
励磁されて例えばＸ軸方向に高周波パルス磁場を発生す
る。この高周波コイルは被検体である人体７の水素原子
核に磁気共鳴を起こさせる角周波数ωＯなる高周波パル
ス磁界の送信コイルであるとともに、磁気共鳴によって
生じた共鳴信号の受信コイルとしても利用され、その出
力信号は断層面信号を再構成するイメージング回路に伝
送される。

上述した従来装置の静磁場コイル、高周波コイル、傾斜
磁場コイルが受持つ機能はつぎの通シで俸 ある。静磁場コイル１は被検待である人体７を収納した
磁場空間１０に磁場の強さＨ６が高度に均一なＺ方向の
静磁場を発生して、人体組成中の水素原子核を静磁場方
向に配向させ、分極磁化Ｍ０を発生させるものであシ、
分極磁化Ｍ０の大きさが磁場の強さＨｏ　に比例するの
で、磁場の強さＨ。

を高めることＫよＦ）Ｓ／Ｈの高い核磁気共鳴信号を検
出することが求められるとともに、原子核固有の核磁気
共鳴の角周波数ωＯが静磁場強度Ｈ０と磁気回転比γの
積（ω〇−γＨｏ　）で決まるという重要な属性を有す
る。

高周波コイル５はＸ軸方向の静磁場に垂直な方向（例え
ばＸ軸方向）に角周波数ωｏｉＣ等しい高周波磁場Ｈ１
を加えることＫよってＨ０方向の分極磁化Ｍ０をＸ−Ｙ
面方向に引き倒すトルクを作用させ、Ｙ軸およびＹ軸を
歳差軸とする歳差運動からなる核磁気共鳴を励起させる
機能と、分極磁化Ｍ０をＺ−Ｙ面内で９０６あるいは１
８０°回転させるいわゆる９０″パルス、１８０’パに
スを発生する機能とを有しており、発生する高周波振動
パルス磁場はその振動周波数が角周波数ω０に等しく、
そのパルス幅が分極磁化を例えば９ｏ″回転させるに必
要な時間に制御される。

傾斜磁場コイル３は均一な静磁場Ｈ６に注目する断層面
に垂直な方向に直線的に変化する傾斜磁場Ｈｚ　、　Ｍ
ｙ　、　Ｈｚ　　等を同時に印加することによって共鳴
周波数ω０に変化を与え、高周波撮動磁場の周波数を特
定の断面の共鳴周波数に合わせることＫよシ、特定の断
面だけを選択的に励起する機能をはたすものであう１台
形パルスの形状によってスライス特性が、パルスの幅と
傾斜磁場の強度によってスライスの厚さが決められる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述の従来のＮＭＲイメージング装置において、静磁場
強度をＨｏ””０．１５Ｔとした場合、これに対応する
水素原子核の共鳴周波数ωＯは約６．４ＭＨｚであるが
、静磁場強度Ｈ１を２．ＯＴに上げた場合には、共鳴周
波数ωＯは約８５ＭＨｚ　　と非常に高くなシ、高周波
コイル５で発生するこのような高周波磁場がマグネット
コイル装置の金属部と父差してうす流損が生じたシ、あ
るいは絶縁材と交差して誘電損失が生じたシして多大な
熱影響を及ぼす。ことに人体に向けてこのような高周波
磁界を放射した場合には、生体内の電解質溶液中でうす
流損が発生して少からぬ熱影響を及ぼす危険性があるの
で、米国などでは人体１却に対する発熱量を０．４Ｗ以
下とする規準値を設定して安全性を確保する対策がとら
れている。ところが、共鳴周波数が約８５Ｍ＆となる静
磁場強度２Ｔのマグネットコイル装置においては、人体
の発熱量が上記規準値に達してしまい、したがって他核
種への拡大のために静磁場強度を２Ｔ以上に上げること
が困難な状況にあり、その解決が求められている。

また、上記うず流損や誘電損失が大きいためへ高周波増
幅器および高周波コイルの容量が１５ＫＷないし２０ｘ
ｗに達するという設備上の問題点も存在する。

この発明の目的は、高周波磁界を照射することなく核磁
気共鳴を起こすことを可能とすることＫよシ人体への熱
影響を低減し、高磁界化されたＮＭＲイメージング装置
を得ることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点を解決するために、この発明によれば、互い
に同軸状に配された静磁場コイル、傾斜磁場コイル、お
よび核磁気共鳴信号の受信コイルを有しその中空部に回
転静磁場パルスを発生させることにより人体内に核磁気
共鳴を生じさせる磁石部を備えた装置であって、前記磁
石部が円筒面を半周以下の角度領域で包囲するくら形コ
イルが軸方向に間隔をおいて配されてなるくら形コイル
対を前記円筒面を等角度で軸線に沿って分割する対称面
それぞれに対して対称に配してなる複数の静磁場コイル
からなシ、各静磁場コイルへの給電の仕方により前記対
称面それぞれに垂直な方向の静磁場を発生し得る静磁場
コイル群を備えており、静磁場電源がシステムコントロ
ーラからの制御信号に基づき前記複数の静磁場コイルへ
の電流パルスの供給順序および通流方向を切換制御して
前記中空部に回転静磁場パルスを形成させるスイッチン
グ回路を備えていることとする。

〔作用〕

上記発明の構成は、円筒面を周方向に例えば４分割する
互いに直交する二つの対称面それぞれに対して対称配置
されたくら形コイル対からなる。

この場合２つの静磁場コイルによりて静磁場コイル群を
形成し、各静磁場コイルに含まれるくら形コイルに流れ
る電流の周回方向によって決まる給電の仕方により各静
磁場コイルがそれぞれの対称面に垂直な磁場強度の均一
な静磁場を発生し得るようにした。また、との静磁場コ
イル群に給電する静磁場電源を所定のパルス幅を有する
電流パルスを発生するものとし、各静磁場コイルへの電
流パルスの供給順序と通流方向を切換制御するスイッチ
ング回路を備えるよう構成して、各静磁場コイルがその
対称面に垂直に発生するパルス状の静磁場が対称面がな
す角度（４分割の場合には９０゜）づつ周方向に順次回
転するいわゆる回転静磁場パルスを発生するようにし九
。その結果、磁場の強度Ｈ，なる静磁場パルスによって
Ｈ，と同じ方向に生じた分極磁化Ｍ、は、次の瞬間静磁
場パルスが例えば９０１１回転する除虫ずる磁場強度の
急変が高周波振動磁場を加えたと同様に核磁気共鳴を励
起するよう作用して順次回転する静磁場パルスの方向を
歳差軸としてω・−ｒＨｏなる角速度で歳差運動する核
磁気共鳴が生ずるとともに、例えば９０″づつ順次一方
向に回転する回転静磁場パルスによって分核磁化Ｍ０も
９０６づつ順次回転して従来技術における高周波磁場の
持つ９０°パルス、ｉｓｏ’パルスとしての機能と同様
な作用が得られるので、静磁場コイル群が従来技術にお
ける高周波発振コイルを兼ねる機能を発揮することにな
シ、被検体である人体に高周波磁場を放射することなく
核磁気共鳴を発生することができる。

〔実施例〕

以下この発明を実施例に基づいて説明する。

第１図はこの発明の実施例装置を示す磁石部の側面図を
言む構成図、第２図は実施例装置における静磁場コイル
群の構成および電流の周回方向を示す説明図であり、い
ずれも静磁場コイル群を２群の静磁場コイルで構成した
例を示したものである。図において、磁石部３０は被検
体である人体７を収納する磁場空間１０を互いに同軸状
に包囲する静磁場コイル群２０．傾斜磁場コイル２３゜
受信コイル２５．およびこれを支持する絶縁筒２４等の
支持部材を有する。図において、磁場空間１０の紙面に
垂直な軸線をＺ軸とし、Ｚ軸に垂直な平面内にＹ軸、Ｙ
軸なる座標を定義する。静磁場コイル＃２０は２軸およ
びＹ軸を含む対称面忙対して対称に円筒面を半周以下の
角度領域で包囲するくら形コイル対２１Ａ、２１Ｂを１
組とするＸ軸幹磁場コイル２１と、Ｚ軸およびＹ軸に対
して対称に円筒面を半周以下の角度領域で包囲するくら
形コイル対２２Ａ、２２Ｂを１組とするＹ軸外磁場コイ
ル２２とで構成される。なお図の場合、図を見易くする
ために各くら形コイル対が周方向に互いに重ならないよ
う表示したが、各くら形コイル対が半周以下の角度領域
を包囲するよう形成されて隣接するくら形コイル対と重
なシを有するよう形成されてよい。また、各くら形コイ
ル対２１Ａ、２１Ｂ、２２Ａ、２２Ｂは第２図に示すよ
うに２軸方向に間隔ｄをおいて配された少くとも一対の
くら形コイル、例えば４１Ａおよび４１Ｂからなり、Ｘ
軸外磁場コイル２１の合計４個のくら形コイルを図の上
側からＸ軸方向に見たとき、各くら形コイルを周回する
電流の向きがいずれも時計方向となるよう相互に導電接
続することによ勺、Ｘ動静磁場コイル対は間隔ｄなるく
ら形コイル間べ図中矢印で示すＸ軸方向（上向きを正方
向とする）の磁場の強さが均一な静磁場を発生する。

また、Ｙ軸静磁場コイル２２についてはＹ軸方向（紙面
の手前側）から見た電流の周回方向がいずれも時計方向
になるようくら形コイルを相互に導１を接続することに
より、図中矢印で示すＹ軸方向（矢印方向を正方向とす
る）Ｋ均一な静磁場が発生する。なお第２図においては
くら形コイル対２１Ａ、２１Ｂ、２２Ａ、２２Ｂそれぞ
れ２個のくら形コイル４１Ａ、４１Ｂを互いに直列接続
した例を示したが、くら形コイル４個を互いに差動接続
または直列接続して電流の周回方向を同じ方向にしても
よい。また、くら形コイル対を複対くら形コイルで構成
して静磁場中の高次成分を低減すればより高度に均一な
静磁場を発生させることができる。

受信コイル２５は絶縁筒２４に巻装されたソレノイド状
の高周波コイルである。傾斜磁場コイル２６は静磁場コ
イル２０と相似な形状のくら形コイル対からなるＸ軸傾
斜磁場コイル２３ｘ　、Ｘ軸傾斜磁場コイル２６ｘ、お
よびリングコイル対からなるＺ軸傾斜磁場コイル２３Ｚ
で構成され、それぞれ１ｍのくら形コイル対間あるいは
リングコイル対間で電流の周回方向が逆回りとなるよう
相互に導電接続し、かつ図に示すように傾斜磁場コイル
２３Ｘ、２３Ｍを静磁場コイル２１．２２に対して９０
″周方向にずらして配置することにょシ、目的とするス
ライス面ば対して垂直な方向に磁場の強度が直線的に変
化する傾斜磁場を発生する。

なお、実施側袋ｆにおいては、磁石部３０のコイル配置
を内側から順忙静磁場コイル群２０．受信コイル２５．
傾斜磁場コイル２３の順で配して静磁場コイルの起磁力
を極力低減し、常電導コイルで高磁界を発生可能くする
とともに、受信コイルの磁気共鳴信号の受信感度を高め
るよう構成した例を示したが、静磁場コイルを超電導形
とするような場合には静磁場コイルを最も外側に配して
もよく、磁気的性能と経済性に基づいて任意に構成する
ことができる。

静磁場電源３１は直流電源５２およびスイッチング回路
３３で構成され、例えば原子核のスピン−格子緩和時間
Ｔｌ　（生体の水素原子核で通常１００ないし３ＱＱｍ
ｓ）に基づいて決まる時間幅を有するパルス電流を２ビ
ン−スピン緩和０間に基づいて決まる時間間隔をおいて
発生し、Ｘ動静磁場コイル２１．Ｙ動静磁場コイル２２
に交互に供給する。このタイミングと供給順序はシステ
ムコントローラ４０の出力制御信号４０Ａによって制御
される。電流値工なる正方向および負方向電流パルスを
十工。、−４゜で表示したとき、静磁場コイル２１およ
び２２に供給するパルス電流の順序と通流方向を例えび
コイル２１に土工。→コイル２２に土工。→コイル２１
に一工。→コイル２２に一工。

→コイル２１に土工◇のように流すことにより、磁場空
間１０にはＺ軸を中心にしてＸ−Ｙ面内を時計方向ある
いは反時計方向に９０°づつステック状に回転する回転
磁界（回転静磁場パルスとよぶ）が発生する。

第３図ないし第５図は上記回転静磁場パルスに基づく人
体中の磁気共鳴現象の説明図であり、第６図はＸ、動静
磁場コイル２１に土工。を流すことによってＸ軸方向に
Ｈ，なる静磁場が発生した状態を示し、磁場空間１０に
収納された被検体である人体Ｚ中の原子核のスピンはＨ
ｏと同じＸ軸方向に配向して分極磁化Ｍｏｘを生ずる。

つぎに、Ｙ動静磁場コイル２２に土工。を供給して第４
図に示すように静磁場を９０″回転させＹ軸方向の静磁
場Ｈｏ　を発生させる。このとき、Ｘ軸方向の分極磁化
ＭＯＸ　　をＹ軸方向に倒すトルクが作用し、静磁場Ｈ
０の急変が角周波数ωＯなる高周波磁場を印加したと同
様に機能してＹ軸を歳差軸としてＸ−２面内をＸからＺ
に向う歳差運動が発生する。この歳差運動の角周波数は
ωＯ＝γＨ０であ勺、この歳差運動に基づいて受信コイ
ル２５＆Ｃは周期ωＯなるサイン波が検出されるととも
に、静磁場パルスＨｏの９０″の回転が９０″パルスの
印加と同様に機能して歳差軸であるＹ軸方向に分極磁化
ＭＯ７が発生する。そこでＸ軸幹磁場コイルに一工。を
供給して第５図に示すようにＸ軸方向に静磁場−Ｈ。

を発生させるとＹ軸方向の分極磁化ＭＯ７を−Ｘ方向に
倒すトルクが作用してＸ軸を歳差軸としてＹ−２面内を
ＹからＺに向かう歳差運動が発生し、これを受けて受信
コイル２５には核磁気共鳴信号が誘起される。

このように、実施例装置においては静磁場コイル２０を
Ｘ動静磁場コイル２１およびＹ軸幹磁場コイル２２で構
成し、静磁場電源６１から両靜磁場コイルに供給される
パルス電流を所定の極性および順序に基づいて制御して
磁場空間１０内に２軸を中心としてＸ−Ｙ面内を所定の
タイミングに基づいて回転する回転静磁場パルスを形成
するようにしたので、高周波パルス磁界を照射すること
なく被検体である人体に磁気共鳴現象を発生することが
可能になった。そこで、第１図において傾斜磁場コイル
２３に傾斜磁場電源３４からシステムコントローラ４０
の出力制御信号４０Ｂによってタイミング、パルスの形
状、パルス幅、電流値等が制御されたパルス電流を静磁
場コイル群のそれに同期して供給して断層面に垂直な方
向に直線的に変化する傾斜磁場を印加する。このとき共
鳴周波数も傾斜磁場の変化に対応して変化するので、受
信コイル２５の出力共鳴信号をそれ自体公知の受信増幅
回路３５．アナログ演算回路５６からなる受信回路や、
ディジタル処理回路や画像表示ＣＲＴなどの画像処理回
路によって断層面からの位置情報として再構成し、可視
化することができる。

以上ｔＩ２明した実施例装置は静磁場コイル２０をＸ軸
幹磁場コイル２１シよびＹ軸幹磁場コイル２２の２組で
構成し、分極磁化を２軸を中心に９０″づつ倒すように
した例を示したが、静磁場コイルを６組の静磁場コイル
で構成して分極磁化をＸ　−Ｙ面内で６０６づつ倒すよ
うにしてもよく、また４組の静磁場コイルで構成して分
極磁化を４５゜づつ倒すようにしてもよい。

〔発明の効果〕

この発明は前述のように１円筒面を軸線に平行に等分割
する対称面それぞれに対称に配されたくら形コイル対か
らなシ、対称面に垂直な方向に静磁場を発生し得るよう
各くら形コイルの電流の周回方向が決められた複数の静
磁場コイルを有する静磁場コイル群を磁石部に設けると
ともに、複数の静磁場コイルへの電流パルスの供給順序
および通流方向を切換制御し、磁石部内の磁場空間に回
転静磁場パルスを発生させるスイッチング回路を有する
静磁場電源を設けるよう構成した。その結果、一つの静
磁場コイルに流れる電流パルスによってその対称面に垂
直に発生した静磁場パルスにより周方向に励起された分
極磁化が、つぎの１！流パルスにより対称面のなす角度
だけ回転した方向に発生する静磁場パルスによりその方
向に所定角度引例されるという動作が繰返し行われ、引
倒しの際に生ずる磁場の強さの急変により分極磁化の歳
差運動が励起され２回転静磁場パルスの回転角により分
極磁化の回転角が規制されて核磁気共鳴信号を発生する
という機能を静磁場コイル群によって得ることができる
。したがって、従来装置において核磁気共鳴周波数に近
い振動周波数と分極磁化の回転角に相応するパルス幅の
高周波パルスを人体に照射することによって核磁気共鳴
信号を発生させる機能を静磁場コイル群が兼ねるという
新たな原理に基づ（ＮＭＲイメージング装置を提供でき
る。また、高磁界形のＮＭＲイメージング装置で問題に
なった高周波磁界の照射による人体への熱影響が排除さ
れるので、水素原子核以外の生体内の他核種への拡張に
必要な高磁界形ＮＭＲイメージング装置の実用化を可能
にする利点が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例装置を示す構成図、第２図は
実施例装置における静磁場コイル群の構成とｔ原パルス
の周回方向を示す説明図、第３図ないし第５図は実施例
装置における核磁気共鳴の励起状態の説明図、第６図は
従来装置の一例を示す磁石部の斜視断面図である。 ２０・・・静磁場コイル群、２１．２２・・・静磁場コ
イル、２１Ａ、２１Ｂ、２２Ａ、２２Ｂ・・・〈ら形コ
イル対、４１Ａ、４１Ｂ・・・くら形コイル、３゜２３
・・・傾斜磁場コイル、４，２４・・・絶縁筒、２５・
・・受信コイル、３０・・・磁石部、３１・・・静磁場
電源、３２・・・スイッチング回路、６４・・・傾斜磁
場電源、４０・・・システムコントローラ、５・・・高
周波（送。 受信）コイル、７・・・人体、１０・・・磁場空間。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）互いに同軸状に配された静磁場コイル、傾斜磁場コ
   イル、および核磁気共鳴信号の受信コイルを有しその中
   空部に回転静磁場パルスを発生させることにより人体内
   に核磁気共鳴を生じさせる磁石部を備えた装置であって
   、前記磁石部が円筒面を半周以下の角度領域で包囲する
   くら形コイルが軸方向に間隔をおいて配されてなるくら
   形コイル対を前記円筒面を等角度で軸線に沿つて分割す
   る対称面それぞれに対して対称に配してなる複数の静磁
   場コイルからなり、各静磁場コイルへの給電の仕方によ
   り前記対称面それぞれに垂直な方向の静磁場を発生し得
   る静磁場コイル群を備えており、静磁場電源がシステム
   コントローラからの制御信号に基づき前記複数の静磁場
   コイルへの電流パルスの供給順序および通流方向を切換
   制御して前記中空部に回転静磁場パルスを形成させるス
   イッチング回路を備えていることを特徴とする回転静磁
   場パルス形ＮＭＲイメージング装置。 ２）特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、複数の
   静磁場コイルそれぞれをその対称面方向から見たとき各
   くら形コイルに流れるパルス電流の周回方向が互いに同
   じ方向になるようくら形コイルが相互に導電接続され、
   くら形コイル対の軸方向の間隔部に対称面に垂直な静磁
   場パルスが発生するよう形成されたことを特徴とする回
   転静磁場パルス形ＮＭＲイメージング装置。