JPWO2011122084A1 - Rfコイル及び磁気共鳴撮像装置 - Google Patents
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Abstract
MRI装置のRFコイルであって、回路構成を切り替えるスイッチ回路を備えるRFコイルにおいて、磁気共鳴信号を高感度かつ均一な感度分布で受信する技術を提供する。本発明のMRI装置のRFコイルは、回路構成を切り替えるスイッチ回路を備える。そして、スイッチ回路は、無線で受信する制御信号により駆動し、回路構成を切り替える。このため、スイッチ回路は、制御信号を受信するアンテナと、受信する交流電圧を直流電圧に変換する変換回路とを備える。
Description
本発明は、磁気共鳴撮像(MRI:Magnetic Resonance Imaging)技術に関する。特に、高周波(RF:Radio Frequency)信号を送受信するRFコイルの周波数特性変更技術に関する。
MRI装置は、検査対象を横切る任意の断面内の原子核に高周波磁場を照射して磁気共鳴を起こさせ、発生する磁気共鳴信号からその断面内における断層像を得る医用画像診断装置である。一般には、水素原子核(1H)の核磁気共鳴信号を用いる。
高周波磁場の照射(送信)および核磁気共鳴信号の受信は、RFコイルにより行われる。一般に、このRFコイルは、導体からなるループとキャパシタとを並列接続または直列接続した、共振回路である。共振回路の共振周波数は、キャパシタの値を調整して原子核の核磁気共鳴周波数f0と同じ周波数に調整される。RFコイルは、共振回路を構成することで、効率良く、高周波磁場を送信し、磁気共鳴信号を受信する。
しかし、RFコイル間の磁気結合を防止する、若しくは1つのRFコイルで複数の原子核の核磁気共鳴信号を受信するといった目的のため、RFコイルの周波数特性を時間によって変化させる場合がある。
例えば、最適な形状および配置で高周波磁場の送受信を行うため、送信および受信を別個の専用のRFコイルで行うことがある(送受信分離方式)。送受信分離方式の場合、両RFコイルの共振周波数が同じ核磁気共鳴周波数f0になるよう調整されるため、両RFコイルの間で磁気結合が発生する。磁気結合による破壊、感度低下を避けるため、一般に、デカップリング(磁気結合除去)が行われる。デカップリングは、たとえば、両RFコイルそれぞれに磁気結合防止回路を挿入することで実現される。磁気結合防止回路は、高周波磁場送信時と核磁気共鳴信号受信時とに、送信RFコイルおよび受信RFコイルの周波数特性を変化さて磁気結合を防止する(例えば、特許文献1および特許文献2参照。)。
一般の磁気結合防止回路は、PINダイオードをスイッチ素子として用いる。PINダイオードのオン/オフによってRFコイルの回路構成(周波数特性)を切り替え、RFコイルの動作を変える。図17に示すように、磁気結合防止回路950はRFコイル900に組み込まれる。磁気結合防止回路950は、PINダイオード930とインダクタ920とを直列接続した回路に、RFコイル(例えば表面コイル)900の導体902に挿入されたキャパシタ911を並列接続した回路である。なお、表面コイル900には、キャパシタ911の他にキャパシタ910が挿入される。
PINダイオード930は、PINダイオード930の両端にケーブル904を介して接続された直流電源960により駆動する。ケーブル904には、高周波信号を遮断するチョークコイル429が挿入される。直流電源960によってPINダイオード930がオンとなると、磁気結合防止回路950は、以下2つの効果によって磁気結合を防止する。1つ目の効果は、RFコイル900の周波数特性が変化する事で奏する。PINダイオード930がオンとなるとインダクタ920が有効となる。これによりRFコイル900のインダクタンスが変化するため、RFコイル900共振周波数は変化する。送信RFコイルもしくは受信RFコイルのどちらか一方のRFコイルの周波数特性が変化した場合、共振周波数は一致しなくなるため、磁気結合が低下する。2つ目の効果は、インダクタ920とキャパシタ911とが並列回路を構成しハイインピーダンス(高抵抗)となる事で奏する。一般に、インダクタとキャパシタとの並列共振回路のインピーダンス(抵抗)は、共振周波数でハイインピーダンスとなる。従って、予め、インダクタ920とキャパシタ911とをRFコイル900の共振周波数と同じ周波数で共振するよう調整しておけば、PINダイオード930がオンの時、磁気結合防止回路950は、核磁気共鳴周波数の高周波に対し高抵抗を示す。これは、RFコイル900内に高抵抗が挿入されたものと等価である。よって核磁気共鳴周波数で共振するように調整されたRFコイル900には、磁気共鳴周波数の電流はほとんど流れなくなる。故に、磁気結合が生じなくなる。
上述の磁気結合防止回路のように、RFコイルの回路構成を切り替え、周波数特性を変更するために、PINダイオードをはじめとするスイッチ手段が使用される場合、スイッチ手段を駆動するための直流電源が必要となる。直流電源は、通常RFコイルとは離れた位置に設置され、ケーブルによりRFコイルのスイッチ手段に接続されることになる。
駆動に直流電源が必要なスイッチ手段でRFコイルの回路構成を切り替える場合、電流を送るケーブルが必要となる。ケーブルはRFコイルと磁気結合しやすい。そのためケーブルによるRFコイルの感度低下や感度むらの発生がしばしば問題となる。特に、近年、MRI装置の高磁場化や多チャンネル化に伴い、ケーブルとRFコイルの磁気結合が発生しやすくなっている。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、MRI装置のRFコイルであって、回路構成を切り替えるスイッチ回路を備え、磁気共鳴信号を高感度かつ均一な感度分布で受信する技術を提供することを目的とする。
本発明のMRI装置のRFコイルは、回路構成を切り替えるスイッチ回路を備える。そして、スイッチ回路は、無線で受信する制御信号により駆動し、回路構成を切り替える。このため、スイッチ回路は、制御信号を受信するアンテナと、受信する交流電圧を直流電圧に変換する変換回路と、スイッチ手段を備える。
具体的には、磁気共鳴撮像装置のRFコイルであって、制御信号を受信する受信アンテナと、前記受信アンテナで受信した制御信号で駆動するスイッチ回路と、導体からなるループにキャパシタが挿入される共振回路と、を備え、前記スイッチ回路は前記共振回路に接続され、前記共振回路は、前記制御信号の受信の有無により、共振周波数が異なることを特徴とするRFコイルを提供する。また、前記スイッチ回路は、当該スイッチ回路を構成する前記スイッチ手段を介して前記共振回路に接続される。
また、磁気共鳴撮像装置のRFコイルシステムであって、高周波信号の送信を行う送信RFコイルと、磁気共鳴信号の受信を行う受信RFコイルと、を備え、前記受信RFコイルは、上述のRFコイルであって、前記スイッチ回路は、前記送信RFコイルが高周波信号を送信する際は、前記受信RFコイルを開放状態とすることを特徴とするRFコイルシステムを提供する。
また、静磁場を形成する静磁場形成手段と、傾斜磁場を印加する傾斜磁場印加手段と、高周波信号を送信する送信RFコイルと、前記高周波磁場の印加により検査対象から生じる磁気共鳴信号を受信する受信RFコイルと、前記傾斜磁場印加手段、前記送信RFコイル及び前記受信RFコイルの動作を制御する制御手段と、を備える磁気共鳴撮像装置であって、前記受信RFコイルは、上述のRFコイルであることを特徴とする磁気共鳴撮像装置を提供する。
本発明によれば、MRI装置のRFコイルであって、制御信号により回路構成を切り替えるスイッチ手段を備えるRFコイルにおいて、磁気共鳴信号を高感度かつ均一な感度分布で受信できる。
<<第一の実施形態>>
本発明を適用する第一の実施形態について説明する。本実施形態では、送信RFコイルと受信RFコイルとを別個に備えるMRI装置(送受信分離方式)において、無線で送信する制御信号により受信RFコイルの回路構成を変更するスイッチ回路を、送信RFコイルとの磁気結合を防止する磁気結合防止回路として用いる。以下、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。
本発明を適用する第一の実施形態について説明する。本実施形態では、送信RFコイルと受信RFコイルとを別個に備えるMRI装置(送受信分離方式)において、無線で送信する制御信号により受信RFコイルの回路構成を変更するスイッチ回路を、送信RFコイルとの磁気結合を防止する磁気結合防止回路として用いる。以下、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装置の全体構成について説明する。図1は本実施形態のMRI装置の概観図であり、図中、座標系9のz軸の方向が静磁場方向である。以下、本明細書の全図において、同様である。図1(a)は水平磁場方式のマグネット101を備えたMRI装置100である。検査対象130は、テーブル120に寝かせられた状態でマグネット101のボア内の撮像空間に挿入され、撮像される。図1(b)は、垂直磁場方式のマグネット201を備えたMRI装置200である。検査対象130は、テーブル120に寝かせられた状態で上下一対のマグネット201の間の撮像空間に挿入され、撮像される。本実施形態では、水平磁場方式、垂直磁場方式のいずれであってもよい。以下、水平磁場方式のMRI装置100を例にあげて説明する。
図2は、MRI装置100の概略構成を示すブロック図である。本図に示すように、MRI装置100は、水平磁場方式のマグネット101と、傾斜磁場を発生する傾斜磁場コイル102と、高周波磁場を検査対象130に照射する送信RFコイル103と、検査対象130からの信号を受信する受信RFコイル104と、傾斜磁場電源112と、高周波磁場発生器113と、受信機114と、直流電源116と、シーケンサ111と、計算機110と、検査対象を載置するテーブル120とを備える。
シーケンサ111は、計算機110からの指示に従って、予めプログラムされたタイミング、強度で各部が動作するように制御を行う。すなわち、シーケンサ111は、傾斜磁場電源112と、高周波磁場発生器113と、直流電源116と、に命令を送る。命令に従い、傾斜磁場電源112は、傾斜磁場コイル102に傾斜磁場を発生させる。また高周波磁場発生器113は高周波磁場を発生し、送信RFコイル103から高周波磁場を照射する。さらに、直流電源116は、ケーブルで接続される送信RFコイル103に電流を送り、開放状態とする。
送信RFコイル103から高周波磁場を検査対象130に照射することにより検査対象130から発生する磁気共鳴信号は、受信RFコイル104により検出される。検出された信号は受信機114おいて検波が行われる。受信機114での検波の基準とする磁気共鳴周波数は、シーケンサ111によりセットされる。検波後の信号はA/D変換回路を通して計算機110に送られ、ここで画像再構成などの信号処理が行われる。その結果は、ディスプレイ121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122に保存される。
本実施形態では、無線通信によって制御信号を送り、受信RFコイル104が送信RFコイル103と磁気結合することを防止する。このため、本実施形態のMRI装置100は、上記構成に加え、制御信号送信機117を備える。制御信号送信機117は、シーケンサ111からの命令に従って、受信RFコイル104に無線通信で制御信号を送り、受信RFコイル104を開放状態にする。
なお、静磁場均一度を調整する必要があるときは、シーケンサ111からの命令に従って動作するシム電源115により、シムコイル105が駆動する。
以下、本実施形態の送信RFコイル103、受信RFコイル104、高周波磁場発生器113、受信機114、直流電源116および制御信号送信機117を含むRFコイル部500の詳細について説明する。本実施形態では、送信RFコイル103に鳥かご型形状を有する鳥かご型RFコイル300を、受信RFコイル104にはループ形状を有する表面コイル400を使用する場合を例にあげて説明する。
まず、図3を用いて、本実施形態のRFコイル部500の構成と、高周波磁場、傾斜磁場、および制御信号の発生タイミングとを説明する。
図3(a)は、本実施形態のRFコイル部500の接続を説明するためのブロック図である。本図に示すように、本実施形態の送信RFコイル103として用いる鳥かご型RFコイル300は、高周波磁場発生器113が発生する高周波磁場を照射する。この鳥かご型RFコイル300には、受信RFコイル104との磁気結合を防止するため、磁気共鳴信号を受信するタイミングで鳥かご型RFコイル300を開放状態とする磁気結合防止回路350が挿入される。
磁気結合防止回路350は、従来型の直流電源を使用した磁気結合防止回路である。磁気結合防止回路350は、鳥かご型RFコイル300の導体に挿入される。挿入された磁気結合防止回路350は、直流電源116により駆動され、鳥かご型RFコイル300と表面コイル400との磁気結合を防止する。
また、受信RFコイル104として用いるループコイル(表面コイル)400には、スイッチ回路459が挿入される。また、表面コイル400で受信した磁気共鳴信号は、バランやプリアンプを備えた信号処理回路490を経て、受信機114に接続される。
本実施形態のスイッチ回路459は、制御信号送信機117から無線で送信される制御信号により駆動される。駆動したスイッチ回路459は、表面コイル400の回路構成を変更し、表面コイル400を開放状態とし、送信RFコイル103との磁気結合を防止する。本実施形態では、高周波磁場照射時に送信RFコイル103と表面コイル400との磁気結合を防止するため、制御信号は、高周波磁場照射時にスイッチ回路459に送信される。
図3(b)は、MRIにおける撮像方法の一つであるSE(Spin Echo)法のタイミングチャートである。本図を用いて、制御信号送信機117が制御信号をスイッチ回路459に送信するタイミングを示す。’RF’は送信RFコイル103によって高周波が送信されるタイミングである。‘Gr’、‘Gp’、‘Gs’は傾斜磁場コイル102によって傾斜磁場が発生するタイミングである。‘Acq.’は受信RFコイル104によるデータ取得を行うタイミングである。‘CS’は制御信号送信機117によって制御信号をスイッチ回路459に送信するタイミングである。以下、具体的に説明する。
始めにSE法の撮像方法について説明する。まず、スライス選択磁場55を加えながら、90度パルス50を送信する。その後ディフェーズ磁場52を加える。次に180度パルス51を送信する。その後エンコード磁場54を加える。最後にリードアウト磁場53を加え、発生した磁気共鳴信号をデータ取得56する。以上がSE法のタイミングチャートである。このようなタイミングの下、制御信号(CS)57は90度パルス50の送信時と、180度パルス51の送信時とに送信する。
なお、制御信号(CS)の送信タイミングは上記に限られない。高周波信号の送信時に送信され(ON状態)、受信時には送信されなければ(OFF状態)、どのようなタイミング波形であってもよい。例えば、図3(b)に示すタイミングチャートにおいて、90度パルス50の送信から180度パルス51の送信時までの間、連続的に制御信号(CS)を送信してもよい。
次に、制御信号送信機117と、スイッチ回路459が挿入される本実施形態の受信RFコイル104との構成を、図4を用いて説明する。
図4(a)は、本実施形態の制御信号送信機117を説明するための図である。本実施形態の制御信号送信機117は、制御信号送信アンテナ471と、制御信号生成器470と、を備える。制御信号生成器470は、シーケンサ111の指示により、上記撮像シーケンス710に定められたタイミングで制御信号を生成する。制御信号送信アンテナ471は、制御信号生成器470が生成した制御信号を送信する。
制御信号送信アンテナ471には、例えば、1/2波長ホイップアンテナが用いられる。同調周波数は、例えば、干渉を防ぐため、磁気共鳴周波数とは2割以上異なり、比較的容易にアンテナを小型化できる高い周波数を使用する。本実施形態では400MHzに設定する。なお、制御信号送信機117の同調周波数はこれに限定されない。
制御信号送信機117は、例えば、水平磁場方式のマグネット101のトンネルの入り口に設置される。なお、設置位置はこれに限定されない。マグネット101により遮蔽されず、受信RFコイル104を構成する制御信号受信アンテナ461に電波を到達させることができる位置であればよく、例えば、検査対象130を載置するテーブル120の内部でも良い。
図4(b)は、本実施形態の受信RFコイル104の回路図である。上述のように、受信RFコイル104は、表面コイル400にスイッチ回路459を挿入して構成される。
表面コイル400は、ループ形状を有する導体402に4つのキャパシタ(その容量はCD)410およびキャパシタ(CD)411が等間隔に挿入される直列共振回路に、マッチングキャパシタ(CM)412が並列に接続される並列共振回路である。表面コイル400は、ポート408を介して信号処理回路490に接続される。なお、キャパシタ410、411、412は、表面コイル400が受信する原子核の核磁気共鳴周波数で共振するよう調整される。
表面コイル400は、並列共振回路を形成する。一般に、インダクタ(L)とキャパシタ(C)とによる並列共振回路の共振周波数fPは、式(1)で表される。
従って、表面コイル400の共振周波数fSは、以下の式(2)で表される。
なお、CAは4つのキャパシタ(CD)410およびキャパシタ(CD)411の合成容量である。また、LCはループ形状を有した導体402のインダクタである。
表面コイル400を、受信する原子核の核磁気共鳴周波数f0で共振させ、受信RFコイル104として機能させ、且つポート408とのインピーダンスを整合するため、表面コイル400の各キャパシタ410、411、412の値は、式(2)を満たすよう調整される。
スイッチ回路459は、制御信号送信機117から送信される制御信号を受信する制御信号受信アンテナ461と、制御信号受信アンテナ461で受信した制御信号を直流電圧に変換する変換回路460と、PINダイオード430と、インダクタ420と、高周波信号の流れ込みを防止するチョークコイル429とを備える。
変換回路460は、整流素子とキャパシタとにより構成される。変換回路460は、制御信号受信アンテナ461に生じる交流電圧を整流平滑して直流電圧を生成する。交流電圧から直流電圧への変換には、例えば、図4(b)に示す、半波倍電圧整流回路が用いられる。
半波倍電圧整流回路は、第一の整流ダイオード440と第二の整流ダイオード441と第一のキャパシタ413と第二のキャパシタ414とを備える。第一の整流ダイオード440と第二の整流ダイオード441とは、直列に、異なる極性端子が相互に接続される。第一のキャパシタ413の一方の端子は、第一の整流ダイオード440と第二の整流ダイオード441との異なる極性端子が相互に接続される接続点に接続される。第一のキャパシタ413のもう一方の端子は、制御信号受信アンテナ461に接続される。第二のキャパシタ414は、直列接続される第一の整流ダイオード440および第二の整流ダイオード441に、並列に接続される。第二のキャパシタ414の両端には、2つのチョークコイル429の他方の端子が接続される。なお、403はアースである。
制御信号受信アンテナ461には、例えば、1/2波長ホイップアンテナが用いられ、制御信号送信アンテナ471と同じ共振周波数に調整される。制御信号受信アンテナ461で受信した制御信号は、変換回路460で直流電圧に変換される。
制御信号受信アンテナ461は、制御信号送信アンテナ471から送信された電波を受信すると交流電圧を発生する。発生した交流電圧は、変換回路460に入力として加えられる。
変換回路460では、キャパシタ413に負電圧が加わると、電荷は整流ダイオード440を経てキャパシタ413に充電される。キャパシタ413に正の電圧が加わると、制御信号受信アンテナ461からの電圧とキャパシタ413で充電された電圧とが加算され整流ダイオード441を経て出力される。このとき得られる電圧は交流の半波のみである。この出力に対し、直列に接続される整流ダイオード440と整流ダイオード441とに並列に接続されるキャパシタ414で平滑化を行い、直流電圧を得る。直流電圧は、高周波信号の流れ込みを防止するために挿入されるチョークコイル429を経てダイオード430の両端に出力される。チョークコイル429は、変換回路460と表面コイル400との干渉を抑える。
PINダイオード430とインダクタ420とは直列に接続されるPINダイオード430とインダクタ420とによる直列回路は、表面コイル400のキャパシタ411に並列に接続される。PINダイオード430とインダクタ420とキャパシタ411とにより磁気結合防止回路450を構成する。
インダクタ420の値は、キャパシタ411とともに構成する並列共振回路が、受信する原子核の核磁気共鳴周波数で並列共振するよう調整される。すなわち、インダクタ420の値(L)は、受信する核磁気共鳴周波数をf0(=fp)、キャパシタ411の値をCとし、式(1)に従って調整される。
一般に、インダクタとキャパシタとの並列共振回路は、共振周波数でハイインピーダンス(高抵抗)となる。従って、インダクタ420を上述のように調整された回路において、PINダイオード430に電流が流れた場合、PINダイオード430はオンとなり、表面コイル400のキャパシタ411は、インダクタ420とともに並列共振してハイインピーダンス状態となる。すなわち表面コイル400の一部がハイインピーダンスとなるため、表面コイル400が開放状態となる。
PINダイオード430は、制御信号受信アンテナ461で受信された信号を変換回路460で直流電圧に変換された電流で駆動される。従って、制御信号57を受信すると、PINダイオード430がオンとなり、表面コイル400は、共振周波数が変わると共に、核磁気共鳴周波数をf0でハイインピーダンス化する。よって、表面コイル400は、送信RFコイル103(鳥かご型コイル300)と干渉しない。一方、制御信号57を非受信時は、PINダイオード430がオフとなり、表面コイル400は、受信RFコイル104として機能する。
従って、図3(b)に示すように磁気結合を防止したいタイミングで制御信号を送信すれば、PINダイオード430がオンとなるため、表面コイル400は、鳥かご型コイル300との磁気結合が無くなりRFの送信もしくは受信が可能となる。
次に、本実施形態の送信RFコイル103の構成を、図5を用いて説明する。なお、本実施形態の送信RFコイル103に挿入される磁気結合防止回路350は、従来型の直流電源を使用した磁気結合防止回路である。
図5(a)は、本実施形態の送信RFコイル103として用いる鳥かご型コイル300の回路図である。鳥かご型コイル300は二つのループ導体305と8つの直線導体306とを備える。二つのループ導体305はこれらの直線導体306によって接続され、鳥かご型形状を形成する。磁気結合防止回路350は、鳥かご型RFコイル300の複数の直線導体306にそれぞれに一つ、直列に挿入される。ループ導体305には、直線導体306とキャパシタ310とが等間隔に交互に挿入される。
図5(b)は、磁気結合防止回路350の回路を説明するための図である。本実施形態では送信RFコイルの磁気結合防止回路350には、表面コイル400で使用した並列共振回路を用いた磁気結合防止回路とは異なる回路を使用した。これは、送信RFコイルの作成を容易にするためである。具体的には磁気結合防止回路350はPINダイオード330を備え、PINダイオード330の両端はチョークコイルが挿入されたケーブル304を介して直流電源360に接続される。直流電源360からの制御電流で、磁気結合防止回路350のPINダイオード330をオン/オフ制御することにより、高周波信号送信時には、PINダイオード330をオンとして鳥かご型コイル300を送信RFコイル103として機能させ、核磁気共鳴信号受信時には、PINダイオード330をオフとして鳥かご型コイル300をハイインピーダンス化し、受信RFコイル104(表面コイル400)と干渉させない。
以上説明したように、本実施形態の受信RFコイル104は、導体からなるループとキャパシタとを並列接続または直列接続した構成を有し、キャパシタの値は、受信RFコイル104の共振周波数が受信する核磁気共鳴周波数f0となるよう調整されている。また、本実施形態の受信RFコイル104は、磁気結合防止回路450を備える。従って、本実施形態の受信RFコイル104によれば、高周波磁場照射時に磁気結合を起こすことなく、核磁気共鳴信号を高感度かつ均一な感度分布で受信することができる。
また、本実施形態の受信RFコイル104が備える磁気結合防止回路450は、無線通信によって制御信号を受信し、磁気結合防止回路を駆動する。従って、受信RFコイル104は、磁気結合防止回路450を駆動するための直流電源との配線が不要であるため、ケーブルによる磁気結合や感度分布の乱れも生じない。従って、受信RFコイル104の感度や感度分布の均一性を向上させることができる。
さらに、本実施形態では、受信RFコイル104として、撮影部位、目的に応じた専用のコイルを選択することができる。例えば、上述の表面コイル400は、検査対象130に密着して配置できるため、密着部分周辺の磁気共鳴信号を高感度に検出することができる。
本実施形態において、例えば、受信RFコイル104が受信する核磁気共鳴信号が、静磁場強度7T(テスラ)における水素原子核の核磁気共鳴信号(核磁気共鳴周波数300MHz)である場合、式(2)より、表面コイル400を構成する各キャパシタの容量は、例えば、CM=75pF、CA=0.71pFと調整すればよい。この場合、CDは例えば3.6pFとなる。ループ形状を有する導体402のインダクタの値LCは400nHに設定し、ポート408からのインピーダンスは50Ωとした。なお、表面コイル400に検査対象130が近づくと、表面コイル400のインピーダンスが変化するため、検査対象130に応じて適宜、CMやCAを決定することが好ましい。また、インダクタ420の値は、キャパシタ411の容量(CD)が3.6pFであることから78nHと調整すればよい。
なお、本実施形態では、4つのキャパシタ410およびキャパシタ411の容量値をすべて3.6pFとしたが、容量は異なっていても良い。これら5つのキャパシタの合成容量の値がCA(=0.71pF)となればよい。
なお、受信する核磁気共鳴信号は、水素原子核によるものに限られない。例えば、フッ素(19F)、炭素(13C)、ヘリウム(3He)、燐(31P)、リチウム(7Li)、キセノン(129Xe)、ナトリウム(23N)等でも良い。もちろん、原子核はこれに限定されるものではない。核磁気共鳴信号が発生する核種であればよい。
なお、本実施形態の変換回路460は、上記構成に限られない。高周波電圧を直流電圧に変換できればよい。
上記実施形態では、半波倍電圧整流回路を用いているが、例えば、半波整流回路を用いてもよい。図6(a)に本実施形態の変換回路460の変形例であって、半波倍電圧整流回路の代わりに半波整流回路を用いる例(変換回路465)を示す。本図において、PINダイオード430は、本実施形態の表面コイル400の導体402に挿入されたキャパシタ411に並列に接続されるPINダイオードである。(PINダイオード430は、磁気結合防止回路450のPINダイオード430である。)本図に示すように、半波整流回路は、1つの整流ダイオード440と1つのキャパシタ414とにより形成される。整流ダイオード440の一方の端子はキャパシタ414に接続され、整流ダイオード440の他方の端子は制御信号受信アンテナ461に接続される。なお、整流ダイオード440は極性を揃えた複数の整流ダイオードであっても良い。
半波整流回路は、整流ダイオード440に正の電圧が加わった時のみ、電荷が移動する。よって、整流ダイオード440の出力で得られる電圧は交流の半波のみである。得られた交流電圧は、キャパシタ414で平滑化を行って直流電圧に変換した後、PINダイオード430に出力する。
また、変換回路460には、例えば、全波整流回路を用いてもよい。図6(b)に本実施形態の変換回路460の変形例であって、半波倍電圧整流回路の代わりに全波整流回路を用いる例(変換回路466)を示す。図中PINダイオード430は、本実施形態の表面コイル400の導体402に挿入されたキャパシタ411に並列に接続されるPINダイオードである。(PINダイオード430は、磁気結合防止回路450のPINダイオード430である。)本図に示すように、ブリッジ接続される、全波整流回路は入力側と出力側とを有する整流ダイオード群440、441、442、443と、キャパシタ414とにより形成される。ブリッジ接続の入力側は制御信号受信アンテナ461に接続され、ブリッジ接続の出力側はキャパシタ414に接続される。
全波整流回路は、制御信号受信アンテナ461に正の電圧が発生したとき、整流ダイオード440と整流ダイオード443とを電荷が移動する。また、制御信号受信アンテナ461に負の電圧が発生したとき、整流ダイオード441と整流ダイオード442とを電荷が移動する。よって、ブリッジ接続の出力側で得られる電圧は全波となる。得られた電圧は、キャパシタ414で平滑化を行って直流電圧に変換した後、PINダイオード430に出力する。
半波整流回路および全波整流回路は、整流回路であるため、半波倍電圧整流回路と同様に、制御信号受信アンテナ461が生成した交流電圧を直流電圧に変換し、出力する。従って、いずれの整流回路を変換回路460に用いても磁気結合防止回路450のPINダイオード430をオンにすることができる。従って、送信RFコイル103との磁気結合を防止することができ、磁気共鳴信号を高感度かつ均一な感度分布で受信できる。
さらに、半波整流回路を用いる場合、用いる整流ダイオード440は1つであるため、小さなスペースで安価に変換回路460を作製できる。
また、全波整流回路は、高周波の全波を変換しているため、全波整流回路を用いる場合、変換回路460は、高効率に直流電圧に変換することができ、PINダイオード430に高い電流を提供できる。
なお、半波倍電圧整流回路、半波整流回路、全波整流回路は、整流方式の違いにより出力できる電圧や電流が異なる。一般に出力が高いものほど使用素子数が増加し、コストが増大するため、受信RFコイル104の設置位置、使用環境、許容コスト等に応じて最適なものを選択する。
また、上記実施形態では、制御信号送信アンテナ471および制御信号受信アンテナ461に1/2波長ホイップアンテナを用いる場合を例にあげて説明した。しかし、適用可能なアンテナは1/2波長ホイップアンテナに限られない。制御信号の送受信が可能であればよく、例えば、絶縁物の基板上に導体を貼り付けた、マイクロストリップアンテナを用いても良い。もちろんこれに限定されるものでは無い。さらに、本実施形態は制御信号送信アンテナ471と、制御信号受信アンテナ461とに共に1/2波長ホイップアンテナを使用したが、同じものを使う必要は無い。使用形態に合わせてそれぞれ決定できる。
また、本実施形態では、表面コイル400としてループ形状のものを例にあげて説明したが、表面コイル400の形状は、これに限られない。
表面コイル400は、例えば、鞍型コイルの形状を有していてもよい。図7に本実施形態の表面コイル(ループコイル)400の変形例である鞍型形状を有する表面コイル(鞍型コイル)510を示す。本図に示すように、鞍型コイル510は、導体402が鞍型に形成された表面コイルの対向する2つのループが同一方向に磁場を発生するように接続され、各ループの面が円柱の側面に沿う形状を有する。なお、本図では、チョークコイル429は省略する。
また、表面コイル400は、例えば、蝶型コイルの形状を有していてもよい。図8に、本実施形態の表面コイル(ループコイル)400の変形例である蝶型形状を有する表面コイル(蝶型コイル)520を示す。本図に示すように、蝶型コイル520は、導体402が蝶型に形成された表面コイルの、同一平面内の隣り合う2つのループが互いに逆向き方向に磁場を発生するように接続された形状を有する。なお、本図では、チョークコイル429は省略する。
また、表面コイル400は、例えば、ソレノイド形状を有していてもよい。図9に、本実施形態の表面コイル(ループコイル)400の変形例であるソレノイド形状を有する表面コイル(ソレノイドコイル)530を示す。なお、本図では、チョークコイル429は省略する。
鞍型コイル510、蝶型コイル520およびソレノイドコイル530は、コイル(導体402)を平面に展開すると、ループ形状を有する上記実施形態の表面コイル400と同じであるため、表面コイル400と動作原理は同じである。従って、上記スイッチ回路459を用いることにより、上記同様、高周波磁場照射時は送信RFコイル103との磁気結合を防止するとともに、受信時は、磁気共鳴信号を高く、かつ、均一な感度で受信することができる。
また、表面コイル400として鞍型コイル510を用いる場合、鞍型コイル510はコイルが鞍型の形状を有していることから、図7に示すように鞍型コイル510の中に、被検体の腕や足、胴体などの検査対象130を配置することにより、検査対象130の表面に加えて深部方向の領域からの磁気共鳴信号を高感度かつ均一な分布で検出することができる。
表面コイル400として蝶型コイル520を用いる場合、蝶型コイル520はコイルが蝶型の形状を有していることから、被検体の腕や足、胴体などの検査対象130は、閉空間内に入ることがない。図8に示すように蝶型コイル520の上部または下部に検査対象130を配置することにより、検査対象130の深部方向の領域からの磁気共鳴信号を高感度かつ均一な分布で検出することができる。
表面コイル400としてソレノイドコイル530を用いる場合、ソレノイドコイル530はコイルがソレノイドの形状を有していることから、図9に示すようにソレノイドコイルの中に、被検体の腕や足、胴体などの検査対象130を配置することにより、検査対象130の表面に加えて深部方向の領域からの磁気共鳴信号を高感度かつ均一な分布で検出することができる。また、ソレノイドコイル530は鞍型コイル510と比べて、より広い領域で均一な感度分布を持つ。
また、上記実施形態および上記実施形態の変形例である鞍型コイル510、蝶型コイル520、ソレノイドコイル530では、磁気結合防止回路450をそれぞれ1つ設置する場合を例示しているが、磁気結合防止回路450は複数備えてもよい。
また、表面コイル400は、例えば、鳥かご型形状を有していてもよい。図10(a)に、本実施形態の表面コイル(ループコイル)400の変形例である鳥かご型形状を有する表面コイル(鳥かご型コイル)540を示す。本図に示すように、鳥かご型コイル540は、二つのループ導体405を複数の直線導体406で接続した鳥かご形状を有する。表面コイル400が鳥かご型コイル540の場合、磁気結合防止回路450は、図10(a)に示すように、ポート408を介して受信機114に接続されるループ導体405の、各直線導体406の接続点間に挿入される。
図10(b)に、本変形例のスイッチ回路458を示す。なお、本図では、チョークコイル429は省略する。鳥かご型コイル540は、導体(405、406)の形状は異なるが、制御信号受信アンテナ461と変換回路460と磁気結合防止回路450とからなるスイッチ回路の構成は同じであるため、表面コイル400と磁気結合を防止する動作原理は同じである。
従って、上記スイッチ回路458を用いることにより、上記同様、高周波磁場照射時は送信RFコイル103との磁気結合を防止するとともに、受信時は、磁気共鳴信号を高く、かつ、均一な感度で受信することができる。
さらに、鳥かご型コイル540は、コイルが鳥かご型の形状を有していることから図10(a)に示すように、鳥かご型コイル540の中に、被検体の腕や足、胴体などの検査対象130を配置することにより、検査対象130の表面に加えて深部方向の領域からの磁気共鳴信号を高感度かつ均一な分布で検出することができる。また、鳥かご型540コイルは鞍型コイル510と比べて、より広い領域で均一な感度分布を持つ。
なお、各変形例において、導体402(または導体405)に設置するキャパシタ410の数に限定はない。
さらに、受信RFコイル104として、図11に示すアレイコイル550を用いることも可能である。アレイコイル550は、部分的に重なり合った複数(図11では4個)のループ形状の表面コイル(ループコイル)400から構成される。隣り合うループコイル400の重なりの位置は、互いのループコイル400に磁気結合が発生しないよう調整されている。それぞれのループコイル400は磁気結合防止回路450を備える。磁気結合防止回路450のPINダイオード430は変換回路460に接続される。なお、本図では、チョークコイル429は省略する。
磁気結合防止回路450のPINダイオード430は、上記実施形態と同様に制御信号を受信することで駆動される。このとき、図11に示すように一つの制御信号受信アンテナ461と変換回路460とで得られた電圧で、複数の磁気結合防止回路450のPINダイオード430を駆動するよう構成してもよい。また、それぞれの表面コイル400が、制御信号受信アンテナ461と変換回路460と磁気結合防止回路450からなるスイッチ回路459を備えるよう構成してもよい。
アレイコイル550を用いることにより、1個の表面コイル400を用いる場合に比べて広い領域の撮像が可能となる。従って、例えば、検査対象130である被検体(患者)の体幹部全体に渡る領域において、磁気共鳴信号を高感度かつ同時に受信することが可能となる。
なお、受信RFコイル104としてアレイコイル550を用いる場合、複数の異なる周波数の制御信号を送信するよう構成してもよい。この場合、例えば、アレイコイル550を構成するループコイル毎に周波数特性の異なる制御信号受信アンテナ461および変換回路460を取り付け、送信する制御信号の周波数を変えることで、個々のコイルの磁気結合防止回路450を個別に駆動する。
さらに、受信RFコイル104として、図12に示す、直交位相検波(QD:Quadrature Detection)方式のQDコイル610を用いてもよい。QDコイル610は、ループ形状の表面コイル400を2つ組合せ、RFコイルの照射効率や受信感度を向上させたコイルである。
図12(a)は、QDコイル610の回路図である。本図に示すように、本実施形態の変形例のQDコイル610は、第一の表面コイル611と第二の表面コイル612とを備える。
第一の表面コイル611および第二の表面コイル612には、それぞれ、スイッチ回路459が接続される。スイッチ回路459が備えるPINダイオード430は、本実施形態同様、制御信号受信アンテナ461と変換回路460とを介して受信する制御信号により駆動され、第一表面コイル611および第二表面コイル612をハイインピーダンス化する。
なお、図11に示すアレイコイル550の場合と同様、第一の表面コイル611および第二の表面コイル612の各スイッチ回路459は、制御信号受信アンテナ461および変換回路460を兼用してもよい。
なお、各表面コイル611、612の構成は、本実施形態の表面コイル400と同様である。例えば、第一の表面コイル611および第二の表面コイル612は、それぞれ、水素原子核の各磁気共鳴周波数に調整される。
ただし、QDコイル610の第一表面コイル611と第二の表面コイル612とは、それぞれ、第一の表面コイル611および第二の表面コイル612のループ面(第一のループ面621、第二のループ面622)がz軸と平行となるよう配置される。また、第二の表面コイル612は、z軸を回転軸として第一の表面コイル611を90度回転した位置に配置される。
図12(b)は、静磁場が貫通する方向(図中z軸方向)からQDコイル610を見た図である。本図に示すように、本実施形態のQDコイル610では、第一の表面コイル611が発生する磁場の向き631と第二の表面コイル612が発生する磁場の向き632とは直交する。このため、第一の表面コイル611と第二の表面コイル612とは磁気的に結合せず、それぞれ独立して磁気共鳴信号に対するRFコイルとして動作する。
図13は、QDコイル610の第一の表面コイル611および第二の表面コイル612と、位相調整器641と、合成器642と、受信機114との接続を説明するためのブロック図である。2つの表面コイル611、612からの出力は、それぞれ信号処理回路490を通って位相調整器641に入力される。位相調整器641にて位相が調整された信号は、合成器642に入力され、合成される。合成後の信号は受信機114に入力される。
上述のように、第一の表面コイル611及び第二の表面コイル612は、それぞれ水素原子核の各磁気共鳴周波数で共振するよう調整される。このため、検査対象130から発生する水素原子核の磁気共鳴信号に対して、第一の表面コイル611および第二の表面コイル612は、それぞれ直交する信号成分を検出する。検出された各信号成分は信号処理回路490でそれぞれ増幅され、位相調整器641でそれぞれ処理された後、合成器642で合成され、受信機114に送られる。以上のように、QDコイル610は、QD方式の受信を実現する。
以上説明したように、受信RFコイル104としてQDコイル610を用いる場合、QD方式による受信を実現する。このため、上記ループ形状の表面コイル400を用いる場合に得られる効果に加え、より高感度で磁気共鳴信号を検出することができる。
なお、ここでは、QD方式による受信を実現するため、第一の実施形態の表面コイル400を2つ組み合わせた例をあげて説明した。しかし、適用可能なRFコイルはこれに限られない。2つのコイルがそれぞれ発生する磁場が直交するよう構成できればよい。例えば、サドル型コイルを、Z軸を回転軸として90度ずらして2つ配置し、QDコイル610を構成してもよい。さらに、ソレノイドコイルとサドルコイルとを円筒の向きが同じになるように配置し、QDコイル610を構成してもよい。
また、本実施形態では、制御信号受信時に、表面コイル400をハイインピーダンス化するよう構成している。しかし、表面コイル400の回路構成の切り替え手段は、これに限られない。逆に、制御信号を非受信時に表面コイル400がハイインピーダンス化するよう構成してもよい。
この場合のスイッチ回路457を図10(d)に示す。スイッチ回路457は、制御信号受信アンテナ461と、変換回路460と、磁気結合防止回路452とを備える。磁気結合防止回路452のPINダイオード430は、RFコイルの導体406に直列に接続される。PINダイオード430は、制御信号受信アンテナ461と変換回路460とを介して受信する直流電圧により駆動する。すなわち、制御信号を受信するとオンとなり、制御信号を受信しない状態ではオフとなる。
磁気結合防止回路452は、例えば、表面コイル400に鳥かご型コイル540を用いる場合、図10(c)に示すように鳥かご型コイル540の各直線導体406に挿入される。制御信号を受信すると、PINダイオード430がオンとなり、鳥かご型コイル540を受信RFコイル104として機能させる。また、制御信号を受信しない状態では、PINダイオード430がオフとなり、鳥かご型コイル540はハイインピーダンス化し、送信RFコイル103と干渉しない。
このスイッチ回路457を用いる場合、図3(b)に示す撮像シーケンスにおいて、制御信号(CS)は、核磁気共鳴信号受信時に送信し、送信RFコイル103による高周波信号送信時は、送信しないようにするよう制御する。
また、本実施形態のスイッチ回路457、458、459は、送信RFコイル103に適用してもよい。例えば、送信RFコイル103にスイッチ回路457を適用し、受信RFコイルにスイッチ回路459またはスイッチ回路458を適用する。そして、高周波磁場照射時に制御信号(CS)を送信するよう制御する。このように構成することで、高周波磁場照射時は、送信RFコイル103のスイッチ回路457のPINダイオード430がオンとなり、送信RFコイルとして機能し、受信RFコイル104のスイッチ回路459のPINダイオード430はオフとなり、ハイインピーダンス化する。また、核磁気共鳴信号受信時は、受信RFコイル104のスイッチ回路457のPINダイオードがオンとなり受信RFコイルとして機能し、送信RFコイル103のスイッチ回路457のPINダイオード430がオフとなりハイインピーダンス化する。
このように構成すると、送信RFコイル103および受信RFコイル104いずれも無線による制御信号で回路構成を変更することができる。なお、この場合、なお、制御信号受信アンテナ461および変換回路460は、スイッチ回路459とスイッチ回路457とで共有してもよい。
<<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。本実施形態では、送信RFコイルと受信RFコイルとを別個に備えるMRI装置において、無線で送信する制御信号により、受信RFコイルの回路構成を変更するスイッチ回路を、磁気結合防止回路として用いるだけでなく、受信RFコイルの共振周波数を変更する周波数変更回路として用いる。本実施形態のMRI装置は基本的に第一の実施形態と同様である。以下、第一の実施形態と異なる構成に主眼をおいて説明する。
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。本実施形態では、送信RFコイルと受信RFコイルとを別個に備えるMRI装置において、無線で送信する制御信号により、受信RFコイルの回路構成を変更するスイッチ回路を、磁気結合防止回路として用いるだけでなく、受信RFコイルの共振周波数を変更する周波数変更回路として用いる。本実施形態のMRI装置は基本的に第一の実施形態と同様である。以下、第一の実施形態と異なる構成に主眼をおいて説明する。
本実施形態においても、第一の実施形態と同様に、送受信分離方式であって、送信RFコイル103に鳥かご型形状を有する鳥かご型RFコイル301を、受信RFコイル104にはループ形状を有する表面コイル401を使用する場合を例にあげて説明する。また、制御信号により変更する受信RFコイル104の共振周波数をそれぞれ第一の共振周波数f1および第二の共振周波数f2とする。これに合わせ、本実施形態の鳥かご型RFコイル301は、この2種の共振周波数を有する高周波信号が照射できるよう調整されるものとする(二重同調鳥かご型コイル)。なお、第一の共振周波数f1は第二の共振周波数f2より小さいもの(f1<f2)として以下説明する。
まず、本実施形態のRFコイル部501の構成と、高周波磁場と、傾斜磁場と、制御信号の発生タイミングを説明する。
図14(a)は、本実施形態のRFコイル部501の接続を説明するためのブロック図である。本図に示すように、本実施形態の送信RFコイル103として用いる鳥かご型RFコイル301は、高周波磁場発生器113が発生する高周波磁場を照射する。この鳥かご型RFコイル301には、磁気結合防止回路350が挿入される。第一の実施形態と同様に、磁気結合防止回路350は、直流電源116に接続され、この直流電源116により駆動される。
また、受信RFコイル104として用いるループコイル(表面コイル)401には、スイッチ回路456とスイッチ回路455とが挿入される。スイッチ回路456およびスイッチ回路455は、制御信号送信機117から無線で送信される制御信号により駆動する。また、表面コイル401で受信した磁気共鳴信号は、バランやプリアンプを備えた信号処理回路490を経て、受信機114に接続される。
なお、本実施形態のスイッチ回路456とスイッチ回路455とはそれぞれ別の周波数の制御信号によって個別に制御される。また、制御信号送信機117の構成は第一の実施形態と同様であるが、二つの周波数の制御信号を送信できるよう調整される。
スイッチ回路456は、表面コイル401の導体に挿入される。制御信号送信機117から無線で送信される制御信号により駆動され、表面コイル401の回路構成を変更し、表面コイル400を開放状態とし、送信RFコイル103との磁気結合を防止する。
スイッチ回路455は、表面コイル401の導体に挿入される。制御信号送信機117からの制御信号により駆動され、表面コイル401の回路構成を変更し、表面コイル401の共振周波数を変更する。
スイッチ回路456を駆動する第一の制御信号(CS−A)およびスイッチ回路455を駆動する第二の制御信号(CS−B)の送信タイミングを図14(b)に示す。図14(b)は、MRIにおける撮像方法の一つであるSE(Spin Echo)法のタイミングチャートである。本図を用いて、制御信号送信機117が制御信号を送信するタイミングを示す。‘RF’は送信RFコイル103によって高周波が送信されるタイミングである。‘Gr’、‘Gp’、‘Gs’は傾斜磁場コイル102によって傾斜磁場が発生するタイミングである。‘Acq.’は受信RFコイル104によるデータ取得を行うタイミングである。‘CS−A’は磁気結合を防止する場合に制御信号送信機117によってスイッチ回路456を駆動する第一の制御信号のタイミングである。‘CS−B’は第二の共振周波数f2を取得する場合に制御信号送信機117によってスイッチ回路455を駆動する第二の制御信号のタイミングである。以下具体的に説明する。
始めにSE法の撮像方法について説明する。まず、スライス選択磁場55を加えながら、90度パルス50を送信する。その後ディフェーズ磁場52を加える。次に180度パルス51を送信する。その後エンコード磁場54を加える。最後にリードアウト磁場53を加え、発生した磁気共鳴信号をデータ取得56する。以上がSE法のタイミングチャートである。このようなタイミングの下、スイッチ回路456への制御信号57(第一の制御信号:CS−A)は、90度パルス50の送信時と180度パルス51の送信時とに送信する。また、スイッチ回路455への制御信号58(第二の制御信号:CS−B)は、第二の共振周波数の信号を取得する場合、データ取得(受信)時に送信する。但し、第一の共振周波数f1を取得する場合、スイッチ回路455への制御信号(第二の制御信号:CS−B)は出力しない。
なお、制御信号(CS)の送信タイミングは上記に限られない。スイッチ回路456への制御信号(第一の制御信号)の送信は、高周波信号RFの送信時に送信され(ON状態)、受信時には送信されなければ(OFF状態)、どのようなタイミング波形であってもよい。また、スイッチ回路456への制御信号の送信(第二の制御信号)は、第二の共振周波数f2を取得する場合、最低限第二の共振周波数の信号の受信時に行われていればどのようなタイミング波形であってもよい。
次に、本実施形態の表面コイル401、スイッチ回路456およびスイッチ回路455の構成を、図15を用いて説明する。
表面コイル401は、基本的に第一の実施形態と同様の構成を有する。ループ形状を有する導体402に複数の容量CDのキャパシタ410と、容量CDのキャパシタ411と、容量CDのキャパシタ416とが等間隔に挿入される直列共振回路に、その容量がCMのマッチングキャパシタ412が並列に接続される並列共振回路である。ループ形状を有する導体402は、ポート408を介して信号処理回路490に接続される。
ただし、本実施形態の表面コイル401のキャパシタ410、411、416、417および412の容量は、表面コイル401が第一の共振周波数f1で共振するよう調整される。
スイッチ回路456は、表面コイル401の第一の共振周波数f1で磁気結合を防止可能なように調整される磁気結合防止回路450と、第二の共振周波数f2で磁気結合を防止可能なように調整される磁気結合防止回路451と、両磁気結合防止回路450、451に接続される変換回路460と、変換回路460に接続される第一の制御信号を受信する制御信号受信アンテナ461とを備える。
磁気結合防止回路450は、インダクタ420とPINダイオード430との直列回路に、表面コイル400のキャパシタ411が並列に接続される回路である。インダクタ420とキャパシタ411とは、第一の共振周波数f1で並列共振するよう調整される。また、磁気結合防止回路451は、インダクタ421とPINダイオード431との直列回路に、表面コイル400のキャパシタ416が並列に接続される回路である。インダクタ421とキャパシタ416とは、第二の共振周波数f2で並列共振するよう調整される。
制御信号受信時および非受信寺の磁気結合防止回路450および磁気結合防止回路451の動作は、第一の実施形態と同様である。それぞれ、第一の共振周波数f1を有する高周波信号の送信時および第二の共振周波数f2を有する高周波信号の送信時に、PINダイオード430およびPINダイオード431をそれぞれオンとして表面コイル400をハイインピーダンス化し、送信RFコイル103(鳥かご型コイル301)と干渉させない。
変換回路460および制御信号受信アンテナ461は、第一の実施形態と同様の構成である。また、第一の実施形態と同様に、チョークコイル429をそれぞれのPINダイオード430、431の両端に接続し、磁気結合防止回路450および磁気結合防止回路451に接続される。
なお、ここでは、一例として、磁気結合防止回路450および磁気結合防止回路451には1つの変換回路460が接続される場合を例にあげて説明する。それぞれ、別個独立に変換回路460および制御信号受信アンテナ461を接続するよう構成してもよい。
スイッチ回路455は、制御信号により表面コイル401の共振周波数を変更する周波数変更回路480と、周波数変更回路480に接続される変換回路462と、変換回路462に接続される第二の制御信号を受信する制御信号受信アンテナ463とを備える。
周波数変更回路480は、インダクタ422とPINダイオード432との直列回路に、表面コイル400のキャパシタ417が並列に接続される回路である。周波数変更回路480はインダクタ422とキャパシタ417とで構成される並列共振回路であり、その共振周波数fSは、第二の共振周波数f2より低い周波数(fS<f2)となるよう調整される。さらにインダクタ422とキャパシタ417の値は、PINダイオード432に電流が流れた際、表面コイル401が第二の共振周波数f2で共振するよう調整する。
なお、変換回路462および制御信号受信アンテナ463は、第一の実施形態の変換回路460および制御信号受信アンテナ461と同様の構成を備えるが、制御信号受信アンテナ463は第一の制御信号の周波数とは別の周波数で同調するよう調整される。第一の実施形態の変換回路460同様、変換回路462は、PINダイオード432の両端に接続されるチョークコイル429を介して周波数変更回路480に接続される。
ここで、第一の共振周波数f1で共振するよう調整された表面コイル401が、周波数変更回路480により、第二の共振周波数f2で共振する原理を説明する。
一般に、並列共振回路は、当該並列共振回路の共振周波数より低い周波数が印加されると誘導性リアクタンスとして動作し、高い周波数が印加されると容量性リアクタンスとして動作する。よって、共振周波数がfSに調整される並列共振回路である周波数変更回路480は、共振周波数fSより高い周波数である第二の共振周波数f2を有する信号が印加されると容量性リアクタンスとして動作する。このときの周波数変更回路480はキャパシタの様に動作し、キャパシタの値C’は、キャパシタ417の値をCBとすると、以下の式(3)で表される。
C’=CB(1−fS 2/f2 2) (3)
C’=CB(1−fS 2/f2 2) (3)
すなわち、PINダイオード432に電流がながれてオンになると、表面コイル401を構成するキャパシタ417は、キャパシタ417とインダクタ422とからなるキャパシタとして動作する。このときキャパシタの値もCBからC’に変化するため、表面コイル401の共振周波数が変化する。
従って、キャパシタ417の値が、式(3)で得られるC’のとき、表面コイル401が第二の共振周波数f2で共振するよう、キャパシタ417とインダクタ422との値を決定すれば、周波数変更回路480により、表面コイル401の共振周波数は、第一の共振周波数f1から第二の共振周波数f2に変わる。
例えば、第一の共振周波数f1を、静磁場強度7T(テスラ)におけるフッ素原子核の核磁気共鳴信号の核磁気共鳴周波数である282MHzとし、第二の共振周波数f2を、同水素原子核の核磁気共鳴信号の核磁気共鳴周波数である300MHzとする。この場合、表面コイル401は、制御信号を受信しない状態では、フッ素原子核の核磁気共鳴信号の核磁気共鳴周波数である282MHzで共振するよう調整される。このとき、式(1)より、各キャパシタの値は、キャパシタ412の値(CM)は80pF、他のキャパシタ410、411、416、417の値(CD)は、4.0pFと調整する。
そして、制御信号を受信し、PINダイオード432に電流が流れてキャパシタ417の値が変わった場合、表面コイル401が水素原子核の核磁気共鳴信号の核磁気共鳴周波数である300MHzで共振するためには、式(1)および式(3)より、インダクタ422の値(LA)の値は、183nHと調整すればよい。
次に、本実施形態の送信RFコイル103として用いられる鳥かご型RFコイル301を、図16を用いて説明する。本実施形態の鳥かご型RFコイル301は、基本的に第一の実施形態と同じ構成を有する。ただし、第一の共振周波数と第二の共振周波数との二つの周波数の高周波を照射できるよう構成される。
具体的には、図16(a)に示すように、第一の実施形態の鳥かご型RFコイルのポート408に加え、z軸を回転軸として鳥かご型RFコイル301を90度回転した位置に第二のポート409を配置する。このとき、ポート408から見た、鳥かご型RFコイル301は第一の共振周波数で共振し、ポート409から見た、鳥かご型RFコイル301は第二の共振周波数で共振するよう、キャパシタ310の値は調整される。また、鳥かご型RFコイル301は、ポート408、409を介してそれぞれ高周波磁場発生器113に接続される。
図16(b)は、本実施形態の磁気結合防止回路350の回路を説明するための図である。本実施形態の磁気結合防止回路350も、第一の実施形態同様、PINダイオード330を備える。PINダイオード330は、その両端にチョークコイルを挿入したケーブル304を介して接続される直流電源360からの制御電流で駆動され、受信RFコイル104との磁気結合を防止する。その動作原理は、第一の実施形態と同様である。
以上説明したように、本実施形態によれば、無線で送信される制御信号で駆動するスイッチ回路455によって表面コイル401の共振周波数を第一の共振周波数から第二の共振周波数に変更することができる。
第一の共振周波数で共振するよう調整される表面コイル401を第二の共振周波数で共振する受信RFコイル104として用いる場合、図14(b)に示すように第二の磁気共鳴信号を取得したいタイミングで第二の制御信号を送信すれば、制御信号が変換回路462にて直流電圧に変換され、周波数変更回路480のPINダイオード431がオンになるため、表面コイル401の共振周波数は、第一の共振周波数から、第二の共振周波数へと変わる。
以上説明したように、本実施形態の受信RFコイル104は、周波数変更回路480を備え、そのインダクタ422とキャパシタ417との値を調整することにより、所望の2種の共振周波数を実現することができる。また、この周波数変更回路480は、無線通信によって制御信号を受信し、駆動する。従って、周波数変更回路480を駆動するための直流電源との配線が不要であるため、ケーブルによる磁気結合や感度分布の乱れもない。従って、受信RFコイル104の感度分布の均一性を損なうことなく、高い感度で2種の共振周波数を実現することができる。
さらに、本実施形態の受信RFコイル104は、磁気結合防止回路も無線通信により駆動させるため、第一の実施形態同様、ケーブルによる磁気結合や感度分布の低下なく、効果的に磁気結合を避けることができ、核磁気共鳴信号を高感度かつ均一な感度分布で受信することができる。
なお、本実施形態では、制御信号の送信により実現する第二の共振周波数f2は、第一の共振周波数f1より高い周波数としているが、低くても良い。この場合、例えば、本実施形態のインダクタ(LA)422とキャパシタ(CA)417との並列共振回路の共振周波数fSを第二の共振周波数より高くする、あるいは、インダクタ422をキャパシタに変更し、PINダイオード432がオンになったとき、表面コイル401の共振周波数が、より低い第二の共振周波数f2になるようにキャパシタの値を調整する。
なお、本実施形態では、制御信号生成器470と制御信号送信アンテナ471とからなる制御信号送信機117から制御信号を送信しているが、これに限られない。上述したように、本実施形態では、鳥かご型RFコイル301は、第一の共振周波数f1を有する高周波磁場および第二の共振周波数f2を有する高周波磁場を照射可能なよう構成されている。これを利用し、例えば、第二の制御信号の周波数を、第一の共振周波数f1として、高周波磁場発生器113で第二の制御信号を生成し、鳥かご型RFコイル301から送信するよう構成してもよい。
この場合、本実施形態の表面コイル401の、第二の制御信号を受信する制御信号受信アンテナ463の同調周波数を第一の共振周波数f1に調整する。そして、第一の共振周波数f1の磁気共鳴信号を取得する場合、鳥かご型RFコイル301からは第二の制御信号は出力しない。また、第二の共振周波数f2の磁気共鳴信号を取得する場合、鳥かご型RFコイル301から第二の制御信号を送信し、PINダイオード432をオンとする。これにより、表面コイル401の共振周波数は、第一の共振周波数f1の磁気共鳴信号を取得する場合、第一の共振周波数(フッ素原子核の共振周波数)となり、第一の共振周波数f1の磁気共鳴信号を受信でき、また、第二の共振周波数f2の磁気共鳴信号を取得する場合、第二の共振周波数(水素原子核の共鳴周波数)となり、第二の共振周波数f2の磁気共鳴信号を受信できる。
制御信号送信機117を高周波磁場発生器113と鳥かご型RFコイル301とにすることで、制御信号送信機117を省略できるため、装置の構成を簡素化できる。
なお、本実施形態では、第二の制御信号を受信する制御信号受信アンテナ463の同調周波数を第一の共振周波数f1としたが、完全に一致させ無くとも良い。例えば一から二割程度低い周波数、若しくは高い周波数でも良い。
なお、本実施形態の送信RFコイル103は二重同調鳥かご型RFコイル301に限られない。例えば、二重同調表面コイル、二重同調鞍型コイル、二重同調蝶型コイル、二重同調ソレノイドコイルであっても良い。もちろん、送信RFコイル103はこれに限定されるものではない。二つ以上の周波数の照射が可能なRFコイルであればよい。
また、本実施形態では、第一の共振周波数と第二の共振周波数との組み合わせを、フッ素原子核の核磁気共鳴周波数と水素原子核の核磁気共鳴周波数とした場合を例にあげて説明した。しかし、組み合わせはこれに限られない。例えば、水素とヘリウム(3He)、水素と燐(31P)、水素とリチウム(7Li)、水素とキセノン(129Xe)、水素とナトリウム(23N)、水素と炭素(13C)、水素と酸素(19O)などの組み合わせであってもよい。もちろん、原子核の組み合わせはこれに限定されるものではない。
また、本実施形態の受信RFコイル104の磁気結合防止回路450、451は、従来型の直流電源で駆動させる磁気結合防止回路を用いてもよい。
さらに、本実施形態では、送受信兼用方式のRFコイルに、周波数変更回路480のみ適用してもよい。
なお、上記各実施形態では、上記構成を有し、無線で送信される制御信号により駆動するスイッチ回路を、磁気結合防止回路および/または周波数変更回路として用いる場合を例にあげて説明したが、このスイッチ回路を適用する回路はこれに限られない。制御信号により回路構成を切り替える各種の回路に用いることができる。
また、上記各実施形態では、スイッチ回路内で制御信号によりオンオフ制御するスイッチ手段としてPINダイオードを例にあげて説明しているが、これに限らない。例えば、リレーやトランジスタのように、電気信号により、RFコイルの回路構成を変更する素子または回路であればよい。
9:座標軸、50:90度パルス、51:180度パルス、52:ディフェーズ磁場、53:リフェーズ磁場、54:エンコード磁場、55:スライス選択磁場、56:データ取得、57:制御信号、58:制御信号、100:MRI装置、101:垂直磁場方式のマグネット、102:傾斜磁場コイル、103:送信RFコイル、104:受信RFコイル、105:シムコイル、110:計算機、111:シーケンサ、112:傾斜磁場電源、113:高周波磁場発生器、114:受信機、115:シム電源、116:直流電源、117:制御信号送信機、120:テーブル、121:ディスプレイ、122:記憶媒体、130:検査対象、200:MRI装置、201:水平磁場方式のマグネット、300:鳥かご型RFコイル、301:鳥かご型RFコイル、304:ケーブル、305:ループ導体、306:直線導体、310:キャパシタ、330:PINダイオード、350:磁気結合防止回路、360:直流電源、400:表面コイル、401:表面コイル、402:導体、403:アース、405:ループ導体、406:直線導体、408:ポート、410:キャパシタ、411:キャパシタ、412:キャパシタ、413:キャパシタ、414:キャパシタ、416:キャパシタ、417:キャパシタ、420:インダクタ、421:インダクタ、422:インダクタ、429:チョークコイル、430:PINダイオード、431:PINダイオード、432:PINダイオード、440:整流ダイオード、441:整流ダイオード、442:整流ダイオード、443:整流ダイオード、450:磁気結合防止回路、451:磁気結合防止回路、452:磁気結合防止回路、455:スイッチ回路、456:スイッチ回路、457:スイッチ回路、458:スイッチ回路、459:スイッチ回路、460:変換回路、461:制御信号受信アンテナ、462:変換回路、463:制御信号受信アンテナ、465:変換回路、466:変換回路、470:制御信号生成器、471:制御信号送信アンテナ、480:周波数変更回路、490:信号処理回路、500:RFコイル部、501:RFコイル部、510:鞍型コイル、520:蝶型コイル、530:ソレノイドコイル、540:鳥かご型コイル、550:アレイコイル、610:QDコイル、611:第一の表面コイル、612:第二の表面コイル、621:第一のループ面、622:第二のループ面、631:磁場の向き、632:磁場の向き、641:位相調整器、642:合成器、710:撮像シーケンス、720:撮像シーケンス、900:RFコイル、902:導体、904:ケーブル、910:キャパシタ、911:キャパシタ、920:インダクタ、930:PINダイオード、950:磁気結合防止回路、960:直流電源
Claims (20)
- 磁気共鳴撮像装置のRFコイルであって、
制御信号を受信する受信アンテナと、
前記受信アンテナで受信した制御信号で駆動するスイッチ回路と、
導体からなるループにキャパシタが挿入される共振回路と、を備え、
前記スイッチ回路は前記共振回路に接続され、
前記共振回路は、前記制御信号の受信の有無により、共振周波数が異なること
を特徴とするRFコイル。 - 請求項1記載のRFコイルであって、
前記スイッチ回路は、
前記受信アンテナに接続され、当該受信アンテナで受信した制御信号を直流電圧に変換する変換回路と、
前記直流電圧で駆動するスイッチ手段と、を備え、
前記スイッチ手段を介して前記共振回路に接続されること
を特徴とするRFコイル。 - 請求項1または2記載のRFコイルであって、
予め定められたタイミングで制御信号を生成する制御信号生成回路と、
前記制御信号生成回路で生成した制御信号を送信する送信アンテナと、をさらに備えること
を特徴とするRFコイル。 - 請求項1から3いずれか1項記載のRFコイルであって、
前記ループは、円柱の表面に互いに対応して配置された2つの導体ループを備え、当該導体ループにより生じる磁場の向きが互いに同じになるよう接続された鞍型形状を有すること
を特徴とするRFコイル。 - 請求項1から3いずれか1項記載のRFコイルであって、
前記ループは、同一平面内に隣り合って配置された2つの導体ループを備え、当該導体ループにより生じる磁場の向きが互いに逆になるよう接続された蝶型形状を有すること
を特徴とするRFコイル。 - 請求項1から3いずれか1項記載のRFコイルであって、
前記ループは、ソレノイド形状を有すること
を特徴とするRFコイル。 - 請求項1から3いずれか1項記載のRFコイルであって、
前記ループは、鳥かご型形状を有すること
を特徴とするRFコイル。 - 請求項1から3いずれか1項記載のRFコイルであって、
前記共振回路を複数備え、
前記複数の共振回路は、当該共振回路のループ部が互いに部分的に重なりあうよう略同一面に配置されること
を特徴とするRFコイル。 - 請求項1から3いずれか1項記載のRFコイルであって、
前記共振回路を2つ備え、
前記2つの共振回路は、一方の共振回路に生じる磁場の向きが、他方の共振回路に生じる磁場の向きに直交するよう配置され、
前記2つの共振回路の一方の共振回路に印加される高周波信号の位相は、他方の共振回路に印加される高周波信号の位相と90度異なること
を特徴とするRFコイル。 - 請求2から9いずれか1項記載のRFコイルであって、
前記変換回路は、前記受信アンテナに生じる交流電圧を整流平滑して直流電圧を生成する半波倍電圧整流回路であって、整流素子、第一のキャパシタおよび第二のキャパシタを備え、
前記整流素子は、異なる極性端子が相互に接続される第一の整流ダイオードと第二の整流ダイオードとの直列接続によって形成され、
前記第一の整流ダイオードと前記第二の整流ダイオードとの異なる極性端子が相互に接続される接続点に前記第一のキャパシタの一方の端子が接続され、
当該第一のキャパシタの他方の端子は前記受信アンテナに接続され、
前記第二のキャパシタは、前記直列接続される第一の整流ダイオードと第二整流ダイオードとに並列に接続されること
を特徴とするRFコイル。 - 請求項2から9いずれか1項記載のRFコイルであって、
前記変換回路は、前記受信アンテナに生じる交流電圧を整流平滑して直流電圧を生成する半波整流回路であって、整流素子およびキャパシタを備え、
前記整流素子は一つの整流ダイオードもしくは複数の極性を揃えた整流ダイオードの直列接続によって形成され、
前記整流ダイオードの一方の端子が前記キャパシタに接続され、
前記整流ダイオードの他方の端子は前記受信アンテナに接続されること
を特徴とするRFコイル。 - 請求項2から9いずれか1項記載のRFコイルであって、
前記変換回路は、前記受信アンテナに生じる交流電圧を整流平滑して直流電圧を生成する全波整流回路であって、整流素子及びキャパシタを備え、
前記整流素子は入力側と出力側とを有する整流ダイオードのブリッジ接続によって形成され、
前記整流ダイオードのブリッジ接続の入力側は前記受信アンテナに接続され、
前記キャパシタは前記整流ダイオードのブリッジ接続の出力側に接続されること
を特徴とするRFコイル。 - 請求項3から12いずれか1項記載のRFコイルであって、
前記制御信号生成回路は、撮像シーケンスと同期して前記制御信号を生成すること
を特徴とするRFコイル。 - 請求項3から13いずれか1項記載のRFコイルであって、
前記送信アンテナは、高周波信号の送信を行うRFコイルが兼用すること
を特徴とするRFコイル。 - 請求項1から14いずれか1項記載のRFコイルであって、
前記共振回路は、前記制御信号受信時に、当該磁気共鳴撮像装置が受信する核磁気共鳴信号の周波数で開放状態となること
を特徴とするRFコイル。 - 磁気共鳴撮像装置のRFコイルシステムであって、
高周波信号の送信を行う送信RFコイルと、
磁気共鳴信号の受信を行う受信RFコイルと、を備え、
前記受信RFコイルは、請求項1から14いずれか1項記載のRFコイルであって、
前記スイッチ回路は、前記送信RFコイルが高周波信号を送信する際は、前記受信RFコイルを開放状態とすること
を特徴とするRFコイルシステム。 - 磁気共鳴撮像装置のRFコイルシステムであって、
高周波信号の送信を行う送信RFコイルと、
磁気共鳴信号の受信を行う受信RFコイルと、を備え、
前記送信RFコイルは、請求項1から13いずれか1項記載のRFコイルであって、
前記スイッチ回路は、前記受信RFコイルが磁気共鳴信号の受信を行う際、前記送信RFコイルを開放状態とすること
を特徴とするRFコイルシステム。 - 静磁場を形成する静磁場形成手段と、傾斜磁場を印加する傾斜磁場印加手段と、高周波信号を送信する送信RFコイルと、前記高周波磁場の印加により検査対象から生じる磁気共鳴信号を受信する受信RFコイルと、前記傾斜磁場印加手段、前記送信RFコイル及び前記受信RFコイルの動作を制御する制御手段と、を備える磁気共鳴撮像装置であって、
前記受信RFコイルは、請求項1から15いずれか1項記載のRFコイルであること
を特徴とする磁気共鳴撮像装置。 - 静磁場を形成する静磁場形成手段と、傾斜磁場を印加する傾斜磁場印加手段と、高周波信号を送信する送信RFコイルと、前記高周波磁場の印加により検査対象から生じる磁気共鳴信号を受信する受信RFコイルと、前記傾斜磁場印加手段、前記送信RFコイル及び前記受信RFコイルの動作を制御する制御手段と、を備える磁気共鳴撮像装置であって、
前記送信RFコイルは、請求項1から13いずれか1項記載のRFコイルであること
を特徴とする磁気共鳴撮像装置。 - 静磁場を形成する静磁場形成手段と、傾斜磁場を印加する傾斜磁場印加手段と、高周波信号を送信するとともに前記高周波磁場の印加により検査対象から生じる磁気共鳴信号を受信する送受信RFコイルと、前記傾斜磁場印加手段および前記送受信RFコイルの動作を制御する制御手段と、を備える磁気共鳴撮像装置であって、
前記送受信RFコイルは、請求項1から13いずれか1項記載のRFコイルであること
を特徴とする磁気共鳴撮像装置。
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