JP6590736B2 - 高周波コイル及びそれを用いた磁気共鳴撮像装置 - Google Patents

高周波コイル及びそれを用いた磁気共鳴撮像装置

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Description

本発明は、磁気共鳴撮像(MRI:Magnetic Resonance Imaging)装置に関わり、特に高周波磁場を照射するとともに、核磁気共鳴信号を検出する高周波コイルに関する。
MRI装置は、核磁気共鳴現象を用いて被写体を横切る任意の断面を画像化する装置である。具体的には、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高周波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。
被写体に高周波磁場を照射したり、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高周波コイル(以下、RF(Radio Frequency)コイルという)と呼ぶ。RFコイルは、高周波磁場の照射および検出を行うループ部(コイルループ)を有する。このコイルループを小さくすればするほど感度領域は狭くなるものの、感度が高くなる。一方、コイルループを大きくすれば感度領域を広げることができる。このように、RFコイルでは、感度の高さと、感度領域の広さとは、トレードオフの関係にある。また、核磁気共鳴信号は、静磁場と垂直な方向に生じる回転磁場の信号であるため、RFコイルは静磁場と垂直な方向の磁場を照射、検出できる向きに配置することが好ましい。
前述の通り、RFコイルは、小さくするほど感度は高くなるが、感度領域が狭くなる。これを解決するものとして、感度の高い小径RFコイルをアレイ状に複数配置した多チャンネルアレイコイルがある(例えば、非特許文献1参照)。多チャンネルアレイコイルは高感度と広い感度領域を有するため、高いSNR(Signal to Noise Ratio:信号対ノイズ比)の画像を取得でき、現在の受信RFコイルの主流となっている。なお、以下、多チャンネルアレイコイルにおいて、それを構成する個々のRFコイルをサブコイルと呼ぶ。
通常同じ共振特性を持ったRFコイルが互いに近くに配置されると、それらは磁気結合により干渉する。磁気結合によりRFコイルの性能は劣化するため、多チャンネルアレイコイルでは、サブコイル間の磁気結合の除去は必須である。非特許文献1では、隣り合ったサブコイルのコイルループの一部が重なり合うように配置することで、磁気結合を最大限低下させる。さらに低入力のプリアンプとインダクタとキャパシタとを用いて、コイルループの一部を高インピーダンスにすることによって、当該サブコイル以外からの干渉を低減させる。
また特許文献1や特許文献2には、多チャンネルコイルについて、デカップリング手段を設けることで、多チャンネルコイルを構成するサブコイル間の磁気結合を低減する技術が開示されている。
特表2013−530019号公報 特表2009−534161号公報
Roemer PB他著、「NMR フェーズドアレイ(The NMR Phased Array)」、ジャーナル オブ マグネティックレゾナンス(Journal of Magnetic Resonance)、USA、1990、16、p.192−225
多チャンネル化によって信号強度は高くなるが、同時にノイズも多くなる。RFコイルのノイズは主に被写体の熱雑音であり、これはGauss型のノイズである。このため画像合成を行うと合成チャンネル数に応じてノイズが増加する。このため多チャンネルコイルでは、チャンネル数を増やして信号強度をあげても画像のSNRは上がらないことがある。
またアレイコイルでは、複数のRFコイルが被写体を覆って配置されることで、RFコイルどうしが被写体を介して電界結合するためノイズに相関を生じる。ノイズの相関が強ければ強いほど合成画像のノイズが増加する。
しかしながら、従来の多チャンネル化技術は各チャンネルの感度を下げないように最適配置されており、ノイズの最適化(最小化)は行われていない。さらに多チャンネルコイル実現のために実施されている磁気結合除去は、磁気結合を最大限低下させるものであり、完全に磁気結合を除去するものではない。それ故、磁気結合が強く生じる位置に配置されるサブコイルの組み合わせでは、少なからず磁気結合が残り、多チャンネルコイルの信号強度が低下する場合がある。
ノイズ相関を用いてノイズを最小化する画像再構成方法も存在するが、ノイズ相関が正しく求まらない場合やSNRが低い場合は、この手法は逆にSNRを低下させる。
本発明は、上記事情に鑑みて成されたもので、MRI装置の多チャンネルのアレイコイルにおいて、構成を複雑化せずに広い感度領域と深部の高感度とを両立させ、さらにノイズを低下させること、これにより高画質な画像を提供することを課題とする。
本発明は、複数のサブコイルを備え、サブコイルに流れる電流によって被写体に生成する電界がサブコイルの相互ノイズを低減する電界となるように、配置、調整されたMRI装置用のRFコイル(アレイコイル)を提供する。具体的には、複数のサブコイルのうち、一つのサブコイルのループコイル部に流れる電流の一部をサブ電流として他のサブコイルのループコイル部に流れるように、少なくとも二つのサブコイルどうしを電磁気的に結合し、一つのサブコイルのループコイル部に流れる電流と他のサブコイルに流れるサブ電流とが同期し、電流の流れる方向が逆方向となるように、各サブコイルの回路要素及びサブコイルどうしの電磁気的結合量を調整する。
本発明によれば、MRI装置のアレイコイルにおいて、ノイズを抑えることで、高画質の画像を得ることができる。
(a)および(b)は、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。 実施形態の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。 (a)は、受信RFコイルとして用いるアレイコイルの一実施形態を示す図であり、(b)および(c)は、受信RFコイルの送受間磁気結合防止回路の例を示す図である。 (a)〜(c)は、実施形態及び従来例のアレイコイルの動作と作用を説明するための説明図である。 (a)〜(c)は、それぞれ、水平磁場方式のMRI装置におけるアレイコイルの配置例を示す図である。 (a)〜(c)は、それぞれ、垂直磁場方式のMRI装置におけるアレイコイルの配置例を示す図である。 第一の実施形態のアレイコイルを模式的に示す図である。 (a)は、第一の実施形態のアレイコイルの等価回路を示す図で、(b)は第一サブコイル側の低インピーダンス回路側から見た等価回路、(c)は第二サブコイル側の低インピーダンス回路側から見た等価回路を示す図である。 (a)および(b)は、一般の並列共振回路の動作を説明するための説明図である。 (a)は、従来のアレイコイル(比較例)の撮像結果、(b)は、第一の実施形態のアレイコイル(実施例1)の撮像結果、(c)は、実施例および比較例の感度プロファイルのグラフである。 サブ電流の電流比とノイズ相関との関係を示すグラフ (a)は、第二の実施形態のアレイコイルの等価回路を示す図で、(b)は第一サブコイル側の低インピーダンス回路側から見た等価回路、(c)は第二サブコイル側の低インピーダンス回路側から見た等価回路を示す図である。 電磁気結合部の変更例を示す図である。 電磁気結合部の別の変更例を示す模式図である。 ループコイル部の変更例を示す模式図である。 第三の実施形態のアレイコイルを模式的に示す図である。 第三の実施形態のアレイコイルの変更例を示す図である。 第三の実施形態のアレイコイルの別の変更例を示す図である。
本発明のMRI装置及びRFコイルの実施形態を、図面を参照して説明する。以下、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。
<MRI装置の実施形態>
本発明が適用されるMRI装置の実施形態を説明する。本実施形態のMRI装置は、受信RFコイルとして、特定の多チャンネルRFコイルを用いることが特徴である。
[装置の構成]
まず、本実施形態のMRI装置の全体構成について図1を用いて説明する。図1は、本実施形態のMRI装置の外観図である。図1(a)は、ソレノイドコイルで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を上下に分離したハンバーガー型(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。
本実施形態は、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。また図1に示すMRI装置の形態は一例であり、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。以下の説明では、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方向およびy方向とする座標系090を用いる。以下、本明細書の全図において同様とする。
次に水平磁場方式のMRI装置を例に、MRI装置100の概略構成を説明する。図2はMRI装置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110、傾斜磁場コイル131、送信RFコイル151、受信RFコイル161と、傾斜磁場電源132と、シムコイル121、シム電源122と、高周波磁場発生器152と、受信器162と、磁気結合防止回路駆動装置180と、計算機(PC)170と、シーケンサ140と、表示装置171と、を備える。なお、102は、検査対象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および傾斜磁場電源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、高周波磁場発生器(高周波磁場生成部)152に接続され、被写体103に高周波磁場を照射(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。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および受信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、高周波磁場発生器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、高周波磁場が、送信RFコイル151を通じて被写体103に照射される。高周波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コイルおよび受信RFコイルの概要]
上述したように本実施形態のMRI装置は、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が複数のサブ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および受信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、高周波磁場発生器152、受信器162、および、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。
本図に示すように、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、高周波磁場発生器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、高周波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高周波磁場を照射する。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に調整される。以後、照射する高周波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に高周波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として用いるアレイコイル400について、図5を用いて説明する。ここでは、説明を簡単にするために、一例としてループ形状を有するRFコイル(表面コイル)を二つ並べたアレイコイルを用いて説明するが、本実施形態の受信RFコイルは、複数のサブコイルを並べたマルチチャンネルRFコイルであればよく、サブコイルの数は問わない。
本実施形態のアレイコイル400は、図5(a)に示すように、2つのサブコイル410を備える。アレイコイル400を構成する2つのサブコイル410を、それぞれ、第一のサブコイル410Aおよび第二のサブコイル410Bと呼ぶ。ただし、アレイコイル400を構成する各サブコイル410の構成要素について、特にサブコイル410毎に区別する必要がない場合は、符号の最後の英文字を省略する(以下、同様とする)。第一のサブコイル410Aおよび第二のサブコイル410Bは、それぞれ、略平面上に構成されたループを有する表面コイルであり、両サブコイルの間に、両者を電気的、磁気的或いは電磁気的に結合する手段(電磁気結合部)450が配置されている、電磁気結合部450の機能及び詳細は後述する。
2つのサブコイル410は、それぞれが、鳥かご型RFコイル300が励起可能な元素の核磁気共鳴信号の受信が可能に調整され、それぞれが1つのチャンネルとして機能する。第一のサブコイル410Aおよび第二のサブコイル410Bが受信した信号は、それぞれ、受信器162に送られる。
2つのサブコイル410の構成は同様であるので、以下、代表して第一のサブコイル410Aの構成について説明する。第一のサブコイル410Aは、核磁気共鳴信号(高周波磁場)を検出するループコイル部420(第一のループコイル部420A)と、低入力インピーダンス信号処理回路430(第一の低入力インピーダンス信号処理回路430A)と、ループコイル部420と低インピーダンス信号処理回路430とを接続する電磁気結合調整部441(第一の電磁気結合調整部441A)とを備え、低インピーダンス信号処理回路430を介して受信器162に接続される。電磁気結合調整部441は、キャパシタもしくはインダクタの少なくとも一方から構成される。
第一のループコイル部420Aのループ部分(第一のループ421A)は、導体で形成される。そして、第一のループコイル部420Aは、第一のループ421Aのインダクタ成分に対して直列に挿入されるキャパシタ424Aを備える。このインダクタ成分とキャパシタ424Aとは、並列共振回路を構成する。このキャパシタ424Aを、他のキャパシタと区別するため、並列キャパシタ424(第一の並列キャパシタ424A)と呼ぶ。
また、第一のループ421Aには、共振周波数を調整するキャパシタ422Aと、送受間磁気結合防止回路220とが直列に挿入される。キャパシタ422Aを、他のキャパシタと区別するため、直列キャパシタ(第一の直列キャパシタ422A)と呼ぶ。なお、ここでは、第一の直列キャパシタを2つ(422A)備える場合を例示するが、第一の直列キャパシタの数は1以上であればよい。
このように、第一のサブコイル410Aは、調整用の回路素子として、第一の電磁気結合調整部441Aと、第一のループ421Aのインダクタ成分に対して直列に挿入される第一の直列キャパシタ422Aと、前記インダクタ成分に対して直列に挿入され、第一のループコイル部420Aを並列共振回路とする第一の並列キャパシタ424Aと、を備える。同様に、第二のサブコイル410Bは、調整用の回路素子として、第二の電磁気結合調整部441Bと、第二のループ421Bのインダクタ成分に対して直列に挿入される第二の直列キャパシタ422Bと、インダクタ成分に対して直列に挿入され、第二のループコイル部420Bを並列共振回路とする第二の並列キャパシタ424Bと、を備える。
低インピーダンス信号処理回路430のループコイル部420側の一方の端子は、電磁気結合調整部441を介してループコイル部420の並列キャパシタ424の一方の端に接続される。低インピーダンス信号処理回路430のループコイル部420側のもう一方の端子は、直接ループコイル部420の並列キャパシタ424の他方の端に接続される。
送受間磁気結合防止回路220は、送信RFコイル151である鳥かご型RFコイル300との間の磁気結合を除去する。送受間磁気結合防止回路220は、例えば、図5(b)に示すように、ループ421を構成する導体に直列に挿入されたキャパシタ423と、キャパシタ423に並列に接続されたPINダイオード221と、インダクタ222とから構成することができる。PINダイオード221の両端には制御用信号線223が接続される。そして、制御用信号線223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223には高周波の混入を避けるためチョークコイル(不図示)が挿入されていることが好ましい。インダクタ222とキャパシタ423とは、受信する核磁気共鳴信号の周波数で並列共振するように調整される。
一般に、並列共振回路は共振周波数で高インピーダンス(高抵抗)となる特性を持つ。よって、PINダイオード221に電流が流れると、PINダイオード221はオンになり、ループ421のキャパシタ423は、受信する核磁気共鳴信号の周波数でインダクタ222と共に並列共振して高インピーダンス状態となる。従って、受信する核磁気共鳴信号の周波数で、ループコイル部420は、その一部が高インピーダンスとなり、開放状態となり、そのループコイル部420を有するサブコイル410も開放状態となる。
このように、PINダイオード221に電流が流れてオンとなることによって、各サブコイル410Aおよび410Bと鳥かご型RFコイル300との磁気結合は除去される。従って、各サブコイル410をコイル素子とするアレイコイル400と鳥かご型RFコイル300との磁気結合も除去される。
なお、図5(a)では、一つの送受間磁気結合防止回路220がサブコイル410に挿入される例を示しているが、サブコイル410に挿入される送受間磁気結合防止回路220の数は一つに限定されない。各ループ421に、二つ以上挿入されても良い。複数挿入することで送信RFコイル151と受信RFコイル161との磁気結合を十分に低下させることができる。
また、送受間磁気結合防止回路220の構成は、上記構成に限定されない。例えば、図5(c)に示す送受信間磁気結合防止回路220mの変形例のように、PINダイオード221の代わりに、クロスダイオード221mを用いてもよい。これにより、ループ421を構成する導体に大きな信号が流れた場合、クロスダイオード221mはオンになり、ループ421のキャパシタ423は、受信する核磁気共鳴信号の周波数でインダクタ222と共に並列共振して高インピーダンス状態となる。この場合、磁気結合防止回路駆動装置180は備えなくてもよい。
本実施形態のアレイコイル400では、各サブコイル410A、410Bに含まれる調整用の回路素子のインダクタンスやキャパシタンス及び電磁気結合部450によってもたらされるインダクタンスやキャパシタンスの値を調整することによって、各サブコイル410A、410Bが、それぞれ、核磁気共鳴信号を受信可能であり、且つ、各サブコイルが信号受信時、各コイルに流れる電流によってサブコイル間に生成する電界が強め合うように調整される。
具体的には、第一のサブコイル410Aには、信号受信時に、当該第一のサブコイル410Aで検出された信号による第一の電流(誘導電流)が流れ、第二のサブコイル410Bには、第一の電流の一部(第一のサブ電流)が第一のサブコイルとは逆向きに流れる構成で配置され、意図的に他方のコイルループ部に電流が流れるようにする。同時に第二のサブコイル410Bには、当該第二のサブコイル410Bで検出された信号による第二の電流(誘導電流)が流れ、第一のサブコイル410Aには、第二の電流の一部(第二のサブ電流)が第二のサブコイルとは逆向きに流れる構成で配置され、意図的に他方のコイルに電流が流れるようにする。
具体的な調整方法及び電磁気結合手段の具体例については、後述するRFコイルの実施形態において説明する。ここでは一方のサブコイルに誘導電流が流れるときに、その一方のサブコイルに流れる誘導電流の一部がサブ電流として他方のサブコイルにも流れることによって、ノイズが低減されることを説明する。
MRI装置の受信RFコイル各チャンネルのノイズは、主に被写体から生じる熱雑音
であり、コイルと被写体の電界結合によって検出されるGauss型のノイズである。このようなノイズは、画像再構成においてチャンネル合成を行った場合、合成チャンネル数に応じて増加する。また、アレイコイルでは、複数のサブコイルが被写体を覆って隣接して配置されることで、サブコイルどうしの電界分布が類似している。そのため検出される信号(ノイズ信号)に相関が生じる。この相関(ノイズ相関)が強い場合、画像合成時、ノイズが強調され合成画像のSNRが低くなる。よってノイズ相関は低い方が好ましい。
RFコイルどうしのノイズ相関Ψは式(1)、(2)で求められる。
Figure 0006590736
ここでσは被写体の導電率、Vは被写体の体積、Eiはi番目のコイルが作る電界(複素数)、Ejはj番目のコイルが作る電界(複素数)である。EはEの複素共役を示す。すなわちノイズ相関の大きさは各コイルが被写体内に作る電界の内積の体積積分によって決定される。電界の内積Rijを小さくすることでノイズ相関を低く抑えることができ、ノイズ相関によるSNRの低下を防止できる。
本実施形態のアレイコイル400において、第一のサブコイル410A及び第二のサブコイル410Bに、それぞれ誘導電流が流れた場合に生成する電界について、図6を用いて説明する。本図では、一例としてY軸方向の電界を示すが、他の軸についても同様に考えることができる。
図6(b)は、従来の磁気結合除去手段を備えたアレイコイルにおいて、サブコイル470A、470Bに右回りの電流が流れたときに、被写体103に生じる電界分布を模式的に示す図である。正の電界を細かいドットで、負の電界を粗いドットで、それぞれ示している(図6(a)でも同じ)。従来のアレイコイルでは、サブコイル470Aに右回りの電流が流れたとき(Det:ch1)の電界分布は、サブコイル470Aの図中右側で正の電界分布を生じ、図中左側で負の電界分布を生じる。またサブコイル470Bに右回りの電流が流れたとき(Det:ch2)の電界分布は、サブコイル470Bの図中右側で正の電界分布を生じ、図中左側で負の電界分布を生じる。アレイコイルの受信時には、これら2つのチャンネルによる電界分布が同時に生じている。このとき各コイルに生じる電界の内積を取ると、図6(b)の下段に示すように、二つのサブコイル470A、470Bの間では負、両側で正となる。
一方、本実施形態のアレイコイルでは、図6(a)に示すように、サブコイル410Aに右回りの電流が流れたとき(Det:ch1)の電界分布は、サブコイル410Aに流れる誘導電流(第一の電流)によって生じる電界に加えて、サブコイル410Bに流れる電流の一部(サブ電流)による電界が生成している。図6(a)では、このサブ電流による電界を細い四角で囲って示している。同様にサブコイル410Bに右回りの電流が流れたとき(Det:ch2)の電界分布も、サブコイル410Bに流れる誘導電流による電界とサブコイル410Aに流れるサブ電流(誘導電流の一部)による電界とを含む。その結果、電界の内積は、図6(a)の下段に示すように、二つのサブコイル410A、410Bの間では負、両側で正となるが、図6(b)に比べ小さい。
すなわち、本実施形態のアレイコイルでは、一方のサブコイルに流れた電流の一部(サブ電流)は他方のサブコイルに逆方向に流れるため、サブコイル間に生成する電界は同符号となるため強め合い、それ以外の領域では異符号となるため弱め合う。これにより、各コイルのノイズ相関を低減し、チャンネル合成して得られる画像のSNRを高めることができる。
一方のサブコイルの電流の一部が他方のサブコイルに流れるときの電流の方向は、互いに逆方向であり、所謂8の字の様な電流が流れる。しかし電流の形はこれに限定されない。例えば8の字の一部が切れているような場合でも良い。サブコイルに流れた電流が生体内に作る電界が、サブコイル間の間で強め合うような電流構成となればよい。これにより設計の自由度が向上し、関心領域での感度が上がる。
また他方のサブコイルに一部の電流(サブ電流)を生じさせる調整は、対称的であっても非対称的であってもよい。即ち、第一のサブコイルで検出した信号による電流が流れるとき、その一部(サブ電流)は第二のサブコイルに流れるが、逆に第二のサブコイルで検出した信号による電流が流れるとき、その電流は第一のサブコイルには流れない、或いは第二のサブコイルに流れるサブ電流とは電流の量が異なるという調整も可能である。また図5は二つのサブコイルからなるアレイコイルの例であるが、少なくとも一つのサブコイルの両側にサブコイルが配置される3チャンネル以上のアレイコイルの場合に、一つのサブコイルに電流が流れるとき、その一部が両側のサブコイルに流れるようにする調整、両側のサブコイルのうちいずれか一方に流れるようにする調整、も可能である。
次に本実施形態のMRI装置におけるアレイコイル400の配置例を図7に示す。図7(a)は、二つのサブコイル410A、410Bからなるアレイコイル400を静磁場方向(Z方向)にほぼ垂直な面に配置した例であり、サブコイルの配列方向はY方向である。また図7(b)に示すように、静磁場方向と平行な面に近い角度の面に配置してもよいし、図7(c)に示すように、第一のサブコイル410Aが静磁場と垂直な面に配置され、第二のサブコイル410Bが静磁場と平行な面に配置されてもよい。さらにアレイコイルの配置面が、図7(a)、(b)と同じであっても、サブコイルの配列方向をX方向とする配置もあり得る。このように配置角度を変えることで、サブコイル410単独では実現できない回転磁場を検出もしくは生成することが可能となり、関心領域で高い感度で磁気共鳴信号を取得することができる。
なお図7(a)〜(c)に示す例では、ノイズ相関の低減という観点から、サブコイル(ループ部の中心)と被写体103の体軸との距離が、二つのサブコイル410Aと410Bとでほぼ等しいことが好ましい。また図7(b)の様に被写体103がほぼX軸に対して左右対称の形状を有する場合、各サブコイルもX軸に対して左右対称に配置することが好ましい。これによってコイル特性の被写体の形状依存性を低下させることができる。なお、X軸に限定される訳では無い。被写体の左右対称性がある軸(方向)で良い。
以上、本実施形態のMRI装置の構成を説明した。本実施形態のMRI装置を用いた撮像方法は、従来のMRI装置の動作と同様であり、静磁場磁石110が生成する静磁場空間に配置された被写体103に対し、例えば、撮像方法によって選択されるパルスシーケンスに従って、送信RFコイル151(例えば鳥かご型RFコイル300)から高周波磁場パルスを印加するとともに傾斜磁場コイル131により傾斜磁場パルスを印加する。送信RFコイル151の動作時には、受信RFコイル161は送受磁気結合防止回路220が開となり、受信RFコイル161との磁気結合を除去する。高周波磁場パルス印加から所定時間経過後に、被写体103の生体組織を構成する元素の原子核から生じる核磁気共鳴信号を被写体103に近接して配置された受信RFコイル161(マルチチャンネルコイル:アレイコイル400)で受信する。受信動作時には、送受磁気結合防止回路210が開となり、送信RFコイル151と受信RFコイル161との磁気結合を除去する。
計算機(信号処理部)170は、受信RFコイル161のサブコイルでそれぞれ受信したMR信号を処理し、例えば、撮像方法がパラレルイメージングを採用する高速撮像方法であれば、パラレルイメージングのアルゴリズムに従った画像再構成方法で被検体の画像を作成する。或いは各チャンネルの信号で得た画像をMAC合成し画像を作成する。この際、適宜、各サブコイルの感度分布情報を利用する。
本実施形態のMRI装置によれば、受信RFコイルとして、特定の調整がなされたマルチチャンネルコイルを用いることにより、各サブコイル間のノイズ相関が低減され、高画質の画像を得ることができる。
すなわち本実施形態のMRI装置は、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高周波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、を備える。
受信RFコイルは、導体からなる第一のループコイル部を有し、被写体からの核磁気共鳴信号の受信が可能な第一のサブコイルと、導体からなる第二のループコイル部を有し、被写体からの核磁気共鳴信号の受信が可能な第二のサブコイルと、前記第一のサブコイルと前記第二のサブコイルとの間に配置され、前記第一のサブコイルと前記第二のサブコイルとを電磁気的に結合する電磁気結合部と、を備え、前記第一のループコイル部で検出された信号により前記第一のループコイル部に流れる第一の電流の一部が、第一のサブ電流として前記第二のループコイル部に流れ、前記第一の電流が前記被写体内に生成する電界と前記第一のサブ電流が前記被写体内に生成する電界とが、前記第一のループコイル部と前記第二のループコイル部の間の空間では互いに強め合うように、調整されている。
具体的には 前記第一のサブコイル及び前記第二のサブコイルの少なくとも一方のサブコイルは、当該サブコイルが接続される低インピーダンス信号処理回路と当該サブコイルのループコイル部とを接続する磁気結合調整部、をさらに備え、前記磁気結合調整部は、キャパシタおよびインダクタの少なくとも一方を調整回路要素として備え、前記ループコイル部は、そのインダクタ成分に対して直列に挿入される直列キャパシタと、前記インダクタ成分に対して直列に挿入され、当該ループコイル部を並列共振回路とする並列キャパシタと、を備え、前記少なくとも一方のサブコイルは、前記調整回路要素、前記直列キャパシタ、及び前記並列キャパシタの値を調整することにより、調整される。
上述のように配置され、調整された本実施形態のアレイコイル400は、磁気共鳴周波数f0に同調する。また、信号受信時に、第二のサブコイル410Bには、ループコイル部420Aで検出された信号が流れるため8の字の様な電流が形成され、各ループの間に発生する電界は強め合う。これにより第一のサブコイル410Aと第二のサブコイル410Bのノイズ相関が低下し、合成画像のSNRが上昇する。
このように、本実施形態のアレイコイル400によれば、多チャンネルと低ノイズを両立できる。また、この多チャンネルと、低ノイズを、配置と回路素子の値の調整とにより実現する。従って、構成が複雑化することもない。そして、このアレイコイル400を受信RFコイル161として用いることにより、本実施形態のMRI装置は、広い領域で高画質な画像を得ることができる。
なお本発明のMRI装置は、特定の調整がなされた受信RFコイルを用いることが特徴であり、それ以外の構成については種々の変更が可能である。例えば、図2に示す各要素のうち一部を省略することや、図2に示されていない要素を追加することも本実施形態に含まれる。また上記実施形態では、水平磁場方式のMRI装置について説明したが、垂直磁場方式のMRI装置であっても同様に適用することができる。
垂直磁場方式のMRI装置101に、多チャンネルアレイコイルを用いた場合の配置例を図8に示す。図8(a)はアレイコイル400を構成する二つのサブコイル410を静磁場方向に対し略垂直な面に配置した例、図8(b)はサブコイルの一方の静磁場方向に垂直な面、他方を静磁場方向に平行な面に配置した例である。また図8(c)は表面コイル810を複数用いた多チャンネルアレイコイル800を配置した例である。垂直磁場方式のMRI装置では、XY面にRFコイルを配置した場合、磁場方向と垂直な関係となってしまうためXY面に発生する回転磁場信号を効率よく取得できずノイズの割合が大きくなる。そのためXY面に配置されるコイルを多チャンネル化してもノイズが増える割合が多いためアレイコイルは利用されなかった。しかし、本実施形態を適用することでノイズが低減できるため、垂直磁場方式のMRI装置においても、アレイコイルの設計の自由度が広がり、感度を向上させることができる。また、自由度が広がったことで、アレイコイルの簡素化も可能となるため、軽量なアレイコイルの設計も可能となる。これにより、操作者、並びに被験者の負担を低減させることができる。
<RFコイルの実施形態>
次に、本発明のRFコイルの実施形態を説明する。本発明のRFコイルは、MRI装置の受信RFコイルとして用いられるマルチチャンネルRFコイルであり、複数のサブコイルを備える。複数のサブコイルは、それぞれがMRI装置で発生する核磁気共鳴信号を受信可能であり、且つ、各サブコイルに流れる電流によって被写体内に生成する電界が隣接するサブコイル間で強められるように調整されている。このような調整を実現するための具体的なコイルの構成と調整方法の実施形態を以下説明する。
なお上述したMRI装置の実施形態において説明した受信RFコイルとして用いるアレイコイル(図5)は、本発明のRFコイルの一つの実施形態であり、この実施形態で説明した作用(図6)や変形例は以下説明する各実施形態についても共通である。
<<第一の実施形態>>
本実施形態のRFコイルは、図5に示すアレイコイル400と同様の構成を有し、二つのサブコイル、第一のサブコイル410A及び第二のサブコイル410B、を有し、二つのサブコイル410A、410B間には、電磁気的結合部450を備え、第二のサブコイル410Bには、第一のサブコイル410Aの信号受信時に、第一のサブコイル410Aで検出された電流の一部(サブ電流)が流れると共に、第一のサブコイル410Aには、第二のサブコイル410Bの信号受信時に、第二のサブコイル410Bで検出された電流の一部(サブ電流)が流れるように調整されている。サブ電流の量は、サブコイルに挿入或いは接続される調整用の回路要素によって調整することができ、サブコイルの第一のサブコイル或いは第二のサブコイルで検出された電流の5%〜30%が好ましい。これによりサブコイル間で被写体内に発生する電界を強め、それ以外の領域で電界を弱め、効果的にノイズ相関を低減することができる。
第一のサブコイル410Aと第二のサブコイル410Bとは、略同一平面上に配置される。ここで略同一平面とは、隣接するコイルエレメントがほぼ同一平面に配置されていることを示し、その他の領域(他の端部)は曲がっていても良い関係とする。なお、第一のサブコイル410Aと第二のサブコイル410Bとはコイルエレメントの一部を重ね合わせるような配置でもよい。
本実施形態のRFコイルの詳細を、図9を用いて説明する。図9では、紙面縦方向をX軸方向、横方向をY軸方向、紙面に垂直方向をZ軸方向とする。本実施形態においても、アレイコイル400を構成する各サブコイル410の構成要素について、特にサブコイル410毎に区別する必要がない場合は、符号の最後の英文字を省略する。
図9に示すように、本実施形態では、第一のサブコイル410Aおよび第二のサブコイル410Bは、それぞれのループコイル部420のループ421が形成する面が、磁場方向(Z軸方向)に垂直な面に比較的近い面となるよう配置される場合を例にあげて説明する。なお、ループコイル部420のループ421の形状は、図示するような矩形の他、多角形や円形(楕円形を含む)でもよく任意である。
本実施形態では、2つのサブコイル410A、410Bの電磁気結合部450は、第一のサブコイル410A側のインダクタ451Aと第二のサブコイル410B側のインダクタ451Bとを含み、磁気結合により二つのサブコイル410A、410Bを結合する。
また本実施形態のアレイコイルは、第一の低インピーダンス信号処理回路430A、第二の低インピーダンス信号処理回路430Bとして、低入力インピーダンス信号増幅器431A、431Bを用いる。低入力インピーダンス信号増幅器431を用いることにより、ループコイル部420が検出した信号をすぐに増幅することができるため、ノイズの少ないデータを取得できる。低入力インピーダンス信号増幅器431の入力インピーダンスの大きさは、限定されるものではないが、例えば2Ω程度以下である。なお、低インピーダンス信号処理回路430は、低入力インピーダンスの信号増幅器431に限定されない。
各ループコイル部420に挿入される直列キャパシタ422、送受間磁気結合防止回路220(キャパシタ423を含む)及び並列キャパシタ424は、図5のアレイコイルで説明した構成と同様である。本実施形態でも、キャパシタ(422、424)は、ループコイル部420のループ421中に3つ挿入しているが、これに限定されるわけではない。少なくとも1つ以上挿入されていれば良い。
また図9に示す実施形態では、磁気結合調整部441としてインダクタ(他のインダクタと区別して調整インダクタともいう)を用いているが、電磁気結合調整部441はインダクタを用いる場合に限定されない。通常、並列キャパシタ424と電磁気結合調整部441とは、導体で接続される。当該導体もインダクタ成分を有するため、更にインダクタを追加しなくても、並列キャパシタ424と、電磁気結合調整部441と、それらを接続する導体のインダクタ成分とで並列共振回路が形成される。この並列共振回路の共振周波数を何らかの方法で調整できれば、電磁気結合調整部441はキャパシタであってもよい。またキャパシタとインダクタの並列回路でもよい。なお、以下の説明では、説明簡略化のため、並列キャパシタ24と電磁気結合調整部441とを接続する導体のインダクタ成分は無いものとする。
次に、本実施形態のアレイコイル400の各回路素子の調整について説明する。ここでは、送信RFコイル151は常に開放状態であるものとし、送信RFコイル151と受信RFコイル161との磁気結合の除去についての説明は省略する。
本実施形態のアレイコイル400の第一のサブコイル410Aおよび第二のサブコイル410Bは、電磁気結合部450を構成するインダクタ451A及びインダクタ451B、第一の電磁気結合調整部441A、第二の電磁気結合調整部441B、第一の直列キャパシタ422A、第二の直列キャパシタ422B、第一の並列キャパシタ424Aおよび第二の並列キャパシタ424Bの値を調整することにより、上記機能を実現する。
各回路素子の調整を、図10に示すアレイコイル400の等価回路を用いて説明する。
図10(a)は、本実施形態のアレイコイル400の等価回路600である。本図において、各素子の符号は、図9に示す素子の符号の百の桁を「4」から「6」に変更したものであり、例えば、本図のインダクタ641は図9のインダクタ441に、本図の直列キャパシタ622は図9のキャパシタ422に対応している。但し、キャパシタ622A、622Bは、それぞれ、2つの第一の直列キャパシタ422Aを及び422A合成したもの、第二の直列キャパシタ422B及び422Bを合成したもの、に対応する。またインダクタ62A、62Bは、それぞれ、第一のループ421A及び第二のループ421Bのインダクタ成分を示す。また各素子に近接して、素子のインダクタ或いはキャパシタの値を添え字付の符号L、Cで表す。
インピーダンス632Aの値Z11は、第一の低インピーダンス信号処理回路430Aとして用いる低入力インピーダンス信号増幅器431Aの入力インピーダンスの値である。インピーダンス632Bの値Z21は、第二の低インピーダンス信号処理回路430Bとして用いる低入力インピーダンス信号増幅器431Bの入力インピーダンスの値である。なお、これらのインピーダンスZ11、Z21は、十分に低いインピーダンスであるため、以降0Ω(短絡回路)として考える。
図10(b)、(c)は、図10(a)に示す第一のサブコイル及び第二のサブコイルが電磁気結合部450で結合されている状態を示す等価回路であり、図10(b)に示す等価回路601は、第二のループコイル部420Bに第一のループコイル部420Aの電流が流れる状態の、第一の低インピーダンス信号処理回路430A(631A)からみた、当該低インピーダンス信号処理回路430A(631A)を除いた第一のサブコイル410A(第一の共振部)の等価回路である。図10(c)に示す等価回路602は、第一のループコイル部420Aに第二のループコイル部420Bの電流が流れる状態の、第二の低インピーダンス信号処理回路430B(631B)からみた、当該低インピーダンス信号処理回路430B(631B)を除いた第二のサブコイル410B(第二の共振部)の等価回路である。
これら等価回路601、602においては、第一のループコイル部420Aの電磁気結合部450のインダクタ451Aと第二のループコイル部420Bの電磁気結合手段450のインダクタ451Bとを、まとめて相互インダクタンス650として示す。Mは相互インダクタンス650の値である。相互インダクタンスの大きさMは、以下の式(3)で表される。
Figure 0006590736
ここでkは磁気結合係数であり、インダクタ451Aとインダクタ451Bの結合する割合を示す値である。磁気結合係数kは、0から1の値を取る。また、L11は、第一のサブコイル410Aのインダクタ451Aの大きさ、L21はインダクタ451Bの大きさである。すなわち相互インダクタンスMは、インダクタの大きさとその磁気結合係数とで決まる。インダクタ451Bと451Aの距離を変化させることで電磁気的な結合量を調整することができる。従ってインダクタの大きさとサブコイル間の距離を調整することで、サブ電流(一方のサブコイルで検出された電流の一部であって他方のサブコイルに流れる電流)の量を調整できる。
なお、配置によって第一のループコイル部420Aのインダクタ成分と第二のループコイル部420Bとのインダクタ成分による相互インダクタンスも存在しえるが、ここでは説明簡略化のため、これらの成分はすべてインダクタ451Aとインダクタ451Bの相互インダクタンス内に含むとする。
次に、上述した回路構成におけるアレイコイル400の回路素子の調整について説明する。ここで、並列キャパシタ424Aと調整インダクタ441Aと第一の低インピーダンス信号処理回路430Aとからのみなる直列共振回路の共振周波数をf10とする。同様に、並列キャパシタ424Bと調整インダクタ441Bと第の低インピーダンス信号処理回路430Bとからのみなる直列共振回路の共振周波数をf20とする。さらに、図10(b)に示すように、信号受信時の、第一の低インピーダンス信号処理回路430A(631A)から見た第一のサブコイル410Aの共振部(第一の共振部)の共振周波数をf11とする。また図10(c)に示すように、第二の低インピーダンス信号処理回路430B(631B)から見た第二のサブコイル410Bの共振部(第二の共振部)の共振周波数をf21とする。また、検出する核磁気共鳴信号の周波数(核磁気共鳴周波数)をf0とする。
本実施形態のアレイコイル400の各回路素子は、上述した各共振周波数が以下の式(4)〜式(8)を満たすよう調整される。
Figure 0006590736
式(5)、(7)に従って、各回路素子を調整することにより、信号受信時は、第一のサブコイル410Aのキャパシタ424Aの両端は高抵抗とならないため、第二のサブコイル410Bに流れる電流は第一のサブコイル410Aに流れ易くなる。同様に、式(6)(8)に従って、各回路素子を調整することにより、信号受信時は、第二のサブコイル410Bのキャパシタ424Bの両端は高抵抗とはならないため、第一のサブコイル410Aに流れる電流は第二のサブコイル410Bに流れ易くなる。
上記調整により、図10(b)に示すように、信号受信時、第一のサブコイル410Aの第一の共振部は、図10(a)に示す第一のループ421Aのインダクタ成分(L10)と第二のループ421Bのインダクタ成分(L20)とが、磁気結合部450のインダクタ451Aと451Bを介して電流が流れる様になった回路601となる。図10(b)において、インダクタ626Aの値およびインダクタ626Bの値は、それぞれ、インダクタ651A(インダクタ451A)、651B(451B)の値L11、L21から相互インダクタンスの値Mを除いたものである。
このとき、図10(b)に示すように、磁気結合(磁気結合部450の機能)によって、例えば、第一のループ421Aには右回り(時計回り)の周回電流I1が、第二のループ421Bには左周り(反時計回り)の周回電流I2が流れるように、各回路素子の値を調整すれば、実効的にはループ421Aとループ421Bとで8の字の様な電流経路が形成され、電流が流れる。また式(4)に従って、各回路素子を調整することによりそれぞれのコイルは磁気共鳴信号と同調しているため、核磁気共鳴信号を検出できる。
同様に、図10(c)に示す回路602では、信号受信時、第二のサブコイル410Bの第二の共振部は、第二のループ421Bのインダクタ成分(L20)と第一のループ421Aのインダクタ成分(L10)とが磁気結合部450のインダクタ451Bと451Aを介して電流が流れる様になった回路602となる。
このとき、各回路素子の値を、図10(c)に示すように、磁気結合によって、例えば、第一のループ421Aには、左回り(反時計回り)の周回電流I4が、第二のループ421Bには右回り(時計回り)の周回電流I3が流れるように調整すれば、実効的にはループ421Aとループ421Bとで8の字の様な電流経路が形成され、電流が流れる。また式(4)に従って、各回路素子を調整することによりそれぞれのコイルは磁気共鳴信号と同調しているため、核磁気共鳴信号を検出できる。
以上のように調整することにより、各サブコイル410は、検出対象の核磁気共鳴信号を、それぞれ受信できる。また、以上のような電流経路を形成することで図6(a)の様な電界が発生するためノイズ相関が低下する。また、いずれの場合も一部の電流を他方のコイルに流しているだけであるため、撮影領域に対して異なる感度分布を示す。よって、多チャンネルコイルとして機能する。
[調整の実施例1]
以下、本実施形態の各回路素子の調整手順を、具体的に説明する。ここでは、アレイコイル400が、静磁場強度1.5T(テスラ)における水素の原子核の磁気共鳴周波数64MHz(f0=64MHz)で共振するよう調整した実施例を例にあげて説明する。
サブコイルの形状及びサイズは、一例として、ループが矩形であって、第一のループコイル部420Aおよび第二のループコイル部420Bそれぞれのループ421A、421Bの直径を100mmとする。また、2つのサブコイル410のコイル中心間距離は140mmとする。
ここでは、図10(b)に示すように、第一のサブコイル410Aが第二のサブコイル410Bと電磁気的に結合したとき、実効的に、ループ421Aとループ421Bとにより、8の字の様な電流経路が形成されるように、第一のループ421Aには右回りの電流、第二のループ421Bには左回りの電流が流れるように調整する。具体的には、第二のループ421Bには第一のループ421Aに流れる電流の10%が流れるように調整する。
同時に、図10(c)に示すように、第二のサブコイル410Bが第一のサブコイル410Aと電磁気的に結合したとき、実効的に、ループ421Aとループ421Bとにより、8の字の様な電流経路が形成されるように、例えば第二のループ421Bには右回りの電流、第一のループ421Aには左回りの電流が流れるように調整する。具体的には、第一のループ421Aには第二のループ421Bに流れる電流の10%が流れるように調整する。
このため、まず、第二のサブコイル410Bの各回路素子の調整を行う。直列キャパシタ622Bの容量C21および並列キャパシタ624Bの容量C24の値を調整する。ここでは、図10(c)に示す等価回路602が、64MHzで共振し、調整インダクタ641Bと並列キャパシタ624Bとの直列回路の両端のインピーダンスが50Ωとなるように、これらの値を調整する。
また、同時に、調整インダクタ641Bの値L22と並列キャパシタ624Bの値C24は、式(8)を満たすように調整する。
このとき、結合時の電流の流れを上述のようにするため、調整インダクタ641Bと並列キャパシタ624Bとが作る並列共振回路(L22C24共振回路という)が、キャパシタとして動作するよう、L22およびC24の値を決定する。これは、並列共振回路の特性原理に基づいて調整する。この並列共振回路の特性原理は後述する。本実施例では、L22C24共振回路の共振周波数(f10)がf0より小さい値になるよう、これらの値を調整する。f0より小さい値として、例えば、20%低い51MHzを用いる。
次に、第一のサブコイル410Aの各回路素子の調整を行う。このとき、第二のサブコイル410Bの各回路素子は、前述の通り調整してあるものとする。
ここでは、図10(b)に示す等価回路601が、64MHzで共振し、かつ、インダクタ641Aと並列キャパシタ624A(C14)との直列回路の両端のインピーダンスが50Ωとなるように、直列キャパシタ622Aの値C11および並列キャパシタ624Aの値C14を調整する。
また、同時に、第二のサブコイル410Bが第一のサブコイル410Aと電磁気結合するようにするため、調整インダクタ641Aの値L12および並列キャパシタ624Aの値C14を、式(7)を同時に満たすように調整する。このとき、結合時の電流の流れを上述のようにするため、調整インダクタ641Aと並列キャパシタ624とが作る並列共振回路(L12C14共振回路)が、キャパシタとして動作するよう、L12およびC14の値を決定する。これは、並列共振回路の特性原理に基づいて調整する。この並列共振回路の特性原理は後述する。本実施例では、L12C14共振回路の共振周波数(f20)がf0より小さい値になるよう、これらの値を調整する。f0より小さい値として、例えば、20%低い51MHzを用いる。
また同時に、電流比を10%とするため、磁気結合手段450のインダクタ451Bと451Aの距離を変化させて電磁気的な結合量を調整する。実施例では、インダクタ451Bと451Aの値は共に50nHとした。
なお、これら第一のサブコイル410A、第二のサブコイル410Bの調整は、必要に応じて数回繰り返しても良い。
f0より小さい値として、51MHzを用いた場合の、上記調整により調整されたパラメータの値は、例えば、C11=20.2pF、C14=225pF、C21=20.2pF、C24=225pF、L12=26nH、L22=26nHとなる。
このように調整することで本実施例のアレイコイル400は、核磁気共鳴周波数で共振し、核磁気共鳴信号を受信する。また、2つのサブコイル410Aと410Bとで8の字の様な電流を形成する。すなわち図6(a)の上部と中部に示すとおり、サブコイル間に生成する電界は強め合うように調整される。ノイズ相関はこれらの内積によって求まるため、各領域で内積を求めると図6(a)の下部に示すとおり、本実施形態はコイル間の領域では、それ以外の領域に対して大きなマイナスの値となる。すなわちノイズ相関はこれらの積分値によって求まるため、図6(b)に示した従来の方法に対してマイナスの値となる。その結果、ノイズ相関は従来の方法より小さくなる。
また、本実施例では同時に、L12C14共振回路、L22C24共振回路の共振周波数をf0より20%と小さい値を用いているため、L12C14共振回路、L22C24共振回路はキャパシタのように動作し、第一のサブコイル410A、第二のサブコイル410Bが同調して動作するため感度領域が広がり高い感度も得られる。その結果、合成画像のSNRは向上する。
[並列共振回路の特性原理]
ここで、上記実施例1で利用した並列共振回路の特性について説明する。図11(a)および図11(b)は、並列共振回路の動作を説明するための図である。
並列共振回路500は、図11(a)に示すように、インダクタ502(L)とキャパシタ501(C)とが並列に接続される。並列共振回路500に印加される電圧の周波数をf、角周波数をω(ω=2πf)とすると、並列共振回路500の両端のインピーダンスZは、以下の式(9)で表される。
Figure 0006590736
インピーダンスZは、印加する周波数fに依存して図11(b)に示すように変化し、所定の周波数(共振周波数fRという)で共振する。すなわち、並列共振回路500の両端のインピーダンスZは周波数fRで最大となる。
並列共振回路500の共振周波数fRより低い各周波数(f<fR)では、インピーダンスZは、式(10)で表され、並列共振回路500は、誘導性リアクタンス(インダクタ)として動作する。
Figure 0006590736
このとき、並列共振回路500の見かけのインダクタンスの値L’は、式(11)で表される。
Figure 0006590736
一方、並列共振回路500の共振周波数fRより高い各周波数(f>fR)では、インピーダンスZは、式(12)で表され、並列共振回路500は、容量性リアクタンス(キャパシタ)として動作する。
Figure 0006590736
このとき並列共振回路500の見かけのキャパシタンスの値C’は、式(13)で表される。
Figure 0006590736
このように、並列共振回路500は、印加する電圧の周波数fに応じて、その共振周波数fRを境に異なる動作をする。上述した調整の実施例では、このような並列共振回路500のこの性質を利用し、L12C14共振回路及びL22C24共振回路がキャパシタとして動作するよう、共振周波数、L12およびC14の値並びにL22およびC24の値を決定したものである。
[実施例1の結果]
上述のように調整したアレイコイル(サブコイル数=2)を用いて、MRI装置(1.5テスラ、水平磁場方式)で水ファントムを撮像したシミュレーション結果を図12に示す。図12(a)は比較例として従来のアレイコイル(サブコイル数=2、サブコイル間に磁気結合除去手段を設けたもの)を用いた撮像結果、図12(b)は本実施例の撮像結果である。それぞれノイズ相関は0.15、0.01であった。
また、図12(c)は、二つのサブコイルの感度を合成した後の、Z軸上の感度プロファイルで、実線は本実施例のプロファイル、破線は従来(比較例)のRFコイルの磁気結合を除去した場合の感度分布プロファイルである。実施例では、調整インダクタ641B(L22)と並列キャパシタ624B(C24)とが作る並列共振回路(L22C24共振回路)の共振周波数が、f0より小さい値である51MHzとなるよう調整した。
これらの結果から分かるように、本実施例のアレイコイル400は、電磁気的結合によって8の字の様な電流分布を構成したことにより、ノイズ相関が低下し、結果合成画像のSNRが上がった。
なお本実施例では、L12C14共振回路、L22C24共振回路はともにf0より20%小さい値としたが、これに限定されない。8の字の様な電流が生成されノイズ相関が低下できるよう調整できれば良い。またL12C14共振回路、L22C24共振回路の共振周波数は異なっていても良い。異なることでそのコイルの形状に応じた最適のSNRが導出できる。また上述の実施形態では、L22C24共振回路の共振周波数の調整に用いるf0(64MHz)より小さい値として、51MHzを用いているが、L22C24共振回路の共振周波数は、他の値でもよい。
本値を調整することによって第一のループコイル部420Aに流れる第一の電流と第のループコイル部420Bに流れる第二の電流の位相差を調整することができる。電流の位相差θがπ/2<θ<3π/2となったとき8の字の電流が生成できる。基本的にはπとなることが望ましい。
また本実施例ではサブ電流の量(電流比)を10%に調整したが、サブ電流の量は、ノイズ相関を任意の値へ変化させ、対象とする画像領域のSNRを向上させることができればよく、コイル間距離等に応じて適宜調整される。図13にノイズ相関と電流の関係を示したグラフを示す。コイル間距離(サブコイルのループ部の中心間の距離)が140mmの場合(実施例1)を実線で示し、110mmの場合を点線で示す。コイル間距離が140mmの場合、従来の方法、すなわち電流比が0になるように調整した場合は、ノイズ相関は0.2となるが、電流比を10%とすることで、ノイズ相関は0となる。またコイル間距離が110mmの場合は電流比が0%のときのノイズ相関は0.4だが、電流比を増やすことでノイズ相関が減少し、電流比20%の時に0となる。このようにコイルの位置や配置に併せて電流比を変えることで所望のノイズ相関が実現できる。基本的には他方のサブコイルに流れるサブ電流の量は、一方のサブコイルで検出された電流の5〜30%の間となるように調整することが望ましい。また第一のサブ電流(サブコイル410Aに流れるサブ電流)と第二のサブ電流(サブコイル410Bに流れるサブ電流)は同じでも異なっていてもよい。異なることでそのコイルの形状に応じた最適のSNRが導出できる。また被写体の形や大きさとコイル配置によってもノイズ相関は変化するため、被写体の形をある程度想定した上でコイル位置や配置、調整値とすることが好ましい。
本実施形態のRFコイル(アレイコイル)は、前記第一のループコイル部で検出された信号により前記第一のループコイル部に流れる第一の電流の一部が、第一のサブ電流として前記第二のループコイル部に流れ、前記第一の電流が前記被写体内に生成する電界と前記第一のサブ電流が前記被写体内に生成する電界とが、前記第一のループコイル部と前記第二のループコイル部の間の空間では互いに強め合うように、調整されている。同時に、前記第二のループコイル部で検出された信号により前記第二のループコイル部に流れる第二の電流の一部が、第二のサブ電流として前記第一のループコイル部に流れ、前記第二の電流が前記被写体内に生成する電界と前記第二のサブ電流が被写体内に生成する電界とが、前記第一のループコイル部と前記第二のループコイル部の間の空間では、互いに強め合うように、調整されている。
本実施形態によれば、サブコイル間のノイズ相関が低減される。また第一のサブコイル410A、第二のサブコイル410Bが同調して動作するため感度領域が広がり高い感度も得られる。その結果、合成画像のSNRは向上する。
<<第二の実施形態>>
第一の実施形態とその実施例1では、2つのサブコイル410のうち、信号受信時に、第二のサブコイル410Bには、第一のサブコイル410Aで検出された信号の電流の一部である第一のサブ電流が流れ、第一のサブコイル410Aには、第二のサブコイル410Bで検出された信号の電流の一部である第二のサブ電流が流れる場合を説明した。
本実施形態では、第一のサブコイル410Aには、第二のサブコイル410Bで検出された電流が流れないように調整する。本実施形態においても、アレイコイル400の構成は第一の実施形態と同じであるが、構成する各回路素子(調整インダクタ441、直列キャパシタ422、並列キャパシタ424)の値の調整方法が異なる。
以下、図14に示す、アレイコイル400の等価回路610を用いて、本実施形態による各回路素子の値の調整方法を説明する。また以下の説明において、適宜、図6及び図9を援用する。なお、図14において、各キャパシタおよびその値、各インダクタおよびその値、各回路の共振周波数は、図10に示す第一の実施形態の等価回路600と同じ符号で表す。
高感度と多チャンネルを両立するため、アレイコイル400を構成する各回路素子は、以下の式(14)〜式(17)を満たすよう調整される。
Figure 0006590736
なお各周波数の定義は第一の実施形態と同様であり、以下のとおりである。
f0:核磁気共鳴周波数
f10:L12C14共振回路の共振周波数
f20:L22C24共振回路の共振周波数
f11:第一サブコイル(第一の共振部)の共振周波数
f21:第二サブコイル(第二の共振部)の共振周波数
式(1)に従って、各回路素子を調整することにより、信号受信時は、第二のサブコイル410Bのキャパシタ424Bの両端は高抵抗とならず、第一のサブコイル410Aと磁気結合する。
上記調整により、第一のループコイル部420Aと第二のループコイル部420Bとが磁気結合した状態の、第一のサブコイル410Aの第一の共振部の等価回路611を図14(b)に示す。同図に示すように、信号受信時、第一のループコイル部420Aと第二のループコイル部420Bとが磁気結合により結合していることにより、第一のループコイル部420Aが検出した信号により第一のループコイル部420Aには時計回りの電流I1が流れるとともに、その電流の一部I2が第二のループコイル部420Bも半時計回りに流れる。
また、式(1)に従って、各回路素子を調整することにより、信号受信時は、第一のサブコイル410Aのキャパシタ424Aの両端は高抵抗となり、第二のサブコイル410Bは単体で動作する。
上記調整により、第二のループコイル部420Bが単体で動作する状態の、第二のサブコイル410Bの第二の共振部の等価回路612を、図14(c)に示す。同図に示すように、信号受信時、第二のサブコイル410Bの第二の共振部は第二のループコイル部420B単体の回路612となる。従って第二のループコイル部420Bにより流れる電流I3は、第一のループコイル部420Aに流れることはない。
そして、式(14)に従って、各回路素子を調整することにより、信号受信時の第一の共振部の共振周波f11と、第二の共振部の共振周波数f22とが、核磁気共鳴周波数f0に等しくなる。これにより、サブコイル410Aおよびサブコイル410Bは、核磁気共鳴信号を検出できる。
[調整の実施例2]
第二実施形態のアレイコイルにおいて、例えば、磁気共鳴周波数f0を静磁場強度1.5T(テスラ)における水素の核磁気共鳴周波数64MHzとして各回路素子を調整した実施例を説明する。なおコイルの形状及びサイズは、第一の実施形態の実施例1と同様である。
まず、第一の実施形態(実施例1)と同様に、図14(b)および図14(c)に示す等価回路611および612が、それぞれ、64MHzで共振し、かつ、インダクタ641A(L12)と並列キャパシタ624A(C14)との直列回路の両端のインピーダンスが50Ωとなるよう各回路素子を調整する。そして、調整インダクタ641の値と、並列キャパシタ624の値とを、上記各式(14)〜(17)を満たし、かつ、結合時の電流の流れが、所望の態様になるよう、並列共振回路の特性原理に基づいて調整する。
また同時に、電流比を10%とするため、磁気結合部450のインダクタ451と451Bの距離を変化させて電磁気的な結合量を調整する。なおインダクタ451Bと451Aの値は共に50nHとした。
なお、本実施例2の場合、第一のサブコイル410A、第二のサブコイル410Bのいずれを先に調整してもよい。
20として、f0より小さい値である52MHzを用いた場合の、上記調整により調整されたパラメータは、例えば、C11=20.2pF、C14=225pF、C21=21pF、C24=231pF、L12=13.6nH、L22=26nHとなる。
このように調整することで本実施例のアレイコイル400は、核磁気共鳴周波数で共振し、核磁気共鳴信号を受信する。
なお、本実施例では、各回路素子の調整時にL22C24共振回路との共振周波数f20として、52MHzを用いたが、これに限定されない。また共振回路の共振周波数f20とf0との差の大きさについても、限定されないが、L22C24共振回路の共振周波数20とf0との差は10%以上異なることが望ましい。
またサブ電流の電流比についても10%に限定されず、図13で説明したように、コイル間距離に応じて、例えば5〜30%の範囲で適宜調整することができる。
さらに本実施例では、第一のサブコイル410Aには、第二のサブコイル410Bで検出された電流が流れないように調整する場合を説明したが、逆の調整でもよい。即ち第二のサブコイル410Bには、第一のサブコイル410Aで検出された電流が流れないように調整することも可能である。
上述したように、本実施形態のアレイコイルでは、第二のサブコイル410Bは単体として動作するが、第一のサブコイル410Aは第一のサブコイル410Aで検出された信号の電流の一部が、第二のサブコイル410Bに逆向きに流れる様に形成する。すなわち図6(c)に示すように、サブコイル間に生成する電界は強め合うように調整される。ノイズ相関はこれらの内積によって求まるため、各領域で内積を求めると図6(c)下段に示すとおり、本実施形態はコイル間の領域では、それ以外の領域に対して大きなマイナスの値となる。すなわちノイズ相関はこれらの積分値によって求まるため従来法に対して低い値となる。その結果ノイズ相関は小さくなり、合成画像のSNRは向上する。
また、両サブコイルの撮影領域内の感度分布が異なる。従って、本実施形態のアレイコイル400は、チャンネル数を減らすことなく、高い感度を持つアレイコイルとして動作する。よって、多チャンネルでありながら感度領域の広いコイルのアレイコイルとなるため、本実施形態のアレイコイル400は、多チャンネルと、広い感度領域と、低ノイズとを、両立する。また、これを、各サブコイル410の配置と回路素子の値の調整で実現するため、構造も複雑化することがない。
以上、本発明のRFコイルの第一及び第二の実施形態とその実施例を説明したが、各実施形態のRFコイルは図面や上記説明に限定されることなく種々の変更が可能である。以下、代表的な変更例を説明する。
<<電磁気結合手段の変更例>>
第一実施形態では、電磁気結合部450をインダクタ451Aとインダクタ451Bとで構成し、これらインダクタの位置関係により二つのサブコイルの結合量を調整したが、本変更例は電磁気結合部450として、一対のインダクタの代わりに磁気的な結合手段を用いる。
図15に本変更例のアレイコイル400の構成を示す。本図に示すように、このアレイコイル400は、第一のループコイル部420Aと第二のループコイル部420Bが磁気的に結合するように配置し、結合量を調整する。磁気的結合による結合量を調整するために、例えば各ループ421の一部に、それぞれ、結合インダクタ451(図15では不図示)を配置し、これを用いて磁気結合を調整しても良い。或いはインダクタ451を二つのサブコイルの一方のみに取り付けてもよい。
このように結合することにより、アレイコイルの部品点数を減らすことができるためコストを抑えて作成することが可能になる。またインダクタで生じるロスも低減できるため感度が上がる。
また、例えば、図16に示すように、二つのサブコイルを共通のキャパシタ452を介して電気的に結合しても良い。結合量は、コイル間距離とキャパシタ452の値を調整することで調整することができる。
このように結合することにより、アレイコイルの部品点数を減らすことができるためコストを抑えて作成することが可能になる。またインダクタでは調整が困難な場合でも本形態により調整することが可能になる。
なおこれら変更例においても、各回路素子を、各サブコイルが核磁気共鳴信号を受信できるように調整すること、且つ一方のサブコイルが検出した電流の一部がサブ電流として他方のサブコイルに流れ且つサブ電流の方向が一方のサブコイルと逆方向となるように調整することは上述した第一実施形態と同様である。
<<各サブコイルの形状等の変更例>>
第一及び第二の実施形態では、第一のループ421Aおよび第二のループ421Bとして、同サイズ、同形状のループを用いた例を示したが、両者は形状が異なっていてもよいし、大きさが異なっていてもよい。異なる形状、大きさのループ421をそれぞれ用いることで、配置パターンの自由度が増す。ループ421の形状および/またはサイズの制約を低減することで、また、もう一方のループへ流す電流の大きさを調整することが容易になり、ノイズが低下する。
またサブコイルとして、異なる形状を組み合わせることで、被写体103に合った最適なコイルを実現できる。また一方のサブコイルの電流が他方のサブコイルのループへ流れることでコイル間の干渉が増え感度が低下するような場合でも、異なったサブコイルのサイズを使うことで感度低下を抑制できる。
また第一及び第二の実施形態では、各サブコイル410のループ421の形状は、略平面上の矩形、あるいは、円形の一重ループを例にあげて説明した。しかし、ループ421の形状は、これらに限定されない。その等価回路が等価回路600と同等となるものであれば良い。
例えば、第一のサブコイルを構成する第一のループと、第二のサブコイルを構成する第二のループとは、それぞれ、略同一面に配置される蝶型の形状を有していても良い。図17に、蝶型のループを備えるアレイコイル(蝶型アレイコイル)700の一例を示す。
このアレイコイル700は、それぞれ蝶型のループを備える第一のサブコイル710Aと第二のサブコイル710Bとを備える。第一のサブコイル710Aを構成するループコイル部720Aは、2つのループ部721A、725Aを有し、第二のサブコイル710Bを構成するループコイル部720Bは、2つのループ部721B、725Bを有する。二つのループ部のうち一方、図ではループ部721A、721Bに、それぞれ並列キャパシタ724A、724Bが挿入され、その両端に低インピーダンス信号処理回路730が並列に接続される。ループ部725A、725Bには、調整素子として直列キャパシタ722A、722Bが挿入されている。これらキャパシタの数は1以上であればよく、図示する例に限定されない。
また二つのサブコイル710A、710Bを電磁気的に結合する結合部750は、図示する実施形態では、ループ部721Aとループ部721Bとを結合するように設けられる。電磁気結合部750は、第一或いは第二実施形態と同様に、図9に示すようなインダクタ451でもよいし、それ以外の磁気的結合手段など(図15、図16)でもよい。
本変更例においても、各回路素子と電磁気的結合部の距離等を調整することで、例えば第一のサブコイル710Aに流れる電流の一部(例えば5〜30%)が第二のサブコイル710Bに流れ、且つ第二のサブコイル710Bに流れる電流の向きが第一のサブコイル710Aに流れる電流の向きと逆になるようにする。
上記調整は、第一の実施形態或いは第二の実施形態と同様に、式(4)〜式(8)或いは式(14)〜(17)を満たすようになされる。但し、蝶型アレイコイル700は、上述したアレイコイル400とはループの形状並びに相互インダクタンスが異なるため、それに応じて、並列キャパシタ、直列キャパシタおよび調整インダクタの値を調整する。
蝶型アレイコイル700も、アレイコイル400と同様に図10或いは図14に示す等価回路600、610で表すことができ、動作原理はアレイコイル400と同じである。すなわち、第一のサブコイル710Aのループ721A、725Aは、第二のサブコイル710Bのループ721B、725Bと結合して動作する。式(4)〜式(8)を満たすように各回路素子を調整した場合には、第一のサブコイル710Aに流れる電流の一部が第二のサブコイル710Bに流れ、第二のサブコイル810Bに流れる電流の一部が第一のサブコイル710Aに流れる。式(14)〜(17)を満たすように各回路素子を調整した場合には、第一のサブコイル710Aに流れる電流の一部が第二のサブコイル710Bに流れるが、第二のサブコイル710Bは、単体として動作する。或いは逆に第二のサブコイル710Bに流れる電流の一部が第一のサブコイル710Aに流れるが、第一のサブコイル710Aは、単体として動作する。
本変更例の蝶型アレイコイル700も、上述のように調整することで、各サブコイル710が、検出対象の核磁気共鳴信号に対して感度を有する。また、第一のサブコイル710Aのループ721Aは、電磁気結合部750によって第二のサブコイル710Bのループ721Bにもサブ電流が流れるため、コイル間に生じる電界が強めあい、ノイズ相関が低下しSNRが向上する。
さらに、蝶型アレイコイル700は、ループ721、725が蝶型形状を有していることから、検査対象103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で検出することができる。
なお、図17に示すアレイコイル700では、第一のループコイル部720Aおよび第二のループコイル部720Bに、それぞれ、同形状、同サイズのループを用いている。しかし、両者のサイズ、形状は異なってもよい。第一のサブコイル710A、第二のサブコイル710Bそれぞれに、異なる形状、サイズのループを用いることで配置パターンの自由度が増す。また、磁気結合の大きさを調整が容易になる。
その他、本変更例においても、第一の実施形態及び第二の実施形態で採用可能な変更例の構成を適宜組み合わせて採用することが可能である。
<<第三の実施形態>>
第一及び第二の実施形態では、2つのサブコイルを組み合わせてアレイコイルを構成している場合を説明したが、本実施形態では、3つ以上のサブコイルを組み合わせて、アレイコイルを構成する。これにより、多チャンネルと低ノイズを実現する。また感度を向上もしくは広げることができる。
本実施形態のMRI装置は、基本的に第一の実施形態のMRI装置100と同様の構成を有する。以下、本実施形態について、第一の実施形態と異なる構成に主眼をおいて説明する。
図18は、本実施形態のアレイコイル800を説明するための図である。本図に示す通り、本実施形態のアレイコイル800は、第一のサブコイル810Aと、第二のサブコイル810Bと、第三のサブコイル810Cと、を備える。これらサブコイル810は、この順番で並び、隣り合ったサブコイル810が電磁気結合部850によって接続され配置される。また第一〜第三のサブコイル810は、それぞれ、低インピーダンス信号処理回路830を介して、受信器162に接続され、各々が一つの受信チャネルを構成する。
第一のサブコイル810A及び第三のサブコイル810Cの構成は、それぞれ、第一の実施形態の第一のサブコイル410A(図9)と同じである。また、第二のサブコイル810Bは、第一の実施形態の第二のサブコイル10Bと同じである。それぞれのキャパシタ及びインダクタは、第一の実施形態同様、次の式(18)から式(21)を満たすように調整される。
Figure 0006590736
なお各周波数の定義は第一の実施形態と同様であり、以下のとおりである。
f0:核磁気共鳴周波数
f10:第一のサブコイルのL12C14共振回路の共振周波数
f20:第二のサブコイルのL22C24共振回路の共振周波数
f30:第三のサブコイルのL32C34共振回路の共振周波数
f11:第一のサブコイル(第一の共振部)の共振周波数
f21:第二のサブコイル(第二の共振部)の共振周波数
f31:第三のサブコイル(第三の共振部)の共振周波数
第三のサブコイルの共振周波数とは、第三のサブコイル810Cの低インピーダンス信号処理回路830から見た、低インピーダンス信号処理回路830を除いた第三のサブコイル810C(第三の共振部)の共振周波数である。またL32C34共振回路とは、第三のサブコイル810Cのループコイル部820Cに挿入された並列キャパシタ824Cと磁気結合調整部841(インダクタ841)の並列共振回路であり、並列キャパシタ824Cの値をC34、インダクタ841の値をL32とする。
このような調整により、本実施形態のアレイコイル800は、第一のサブコイル810Aと第二のサブコイル810Bとはそれぞれ検出した信号の電流の一部が互いに流れるように、また、第三のサブコイル810Cと第二のサブコイル810Bとはそれぞれ検出した信号の電流の一部が互いに流れるように調整されるとともに、それぞれが核磁気共鳴周波数f0で共振するよう調整される。
例えば、静磁場強度1.5T(テスラ)における水素の核磁気共鳴周波数64MHzで共振するように調整される。そして、第一のサブコイル810Aの各回路素子、第二のサブコイル10Bの各回路素子、第三のサブコイル810Cの各回路素子は、L12C14共振回路、L22C24共振回路、L32C34共振回路が核磁気共鳴周波数で共振しないよう調整される。すなわち、この周波数の信号受信時に高抵抗とならないよう調整される。
第一のサブコイル810Aのループコイル部820Aは、信号受信時に第二のサブコイル810Bのループコイル部820Bと電磁気結合部850により、サブコイル810Aで検出された信号の一部が第二のサブコイル810Bのループコイル部820Bに流れる様にする。これは、第二のサブコイル810Bの各回路素子が、上記式(20)に従って調整されることにより、信号受信時に高抵抗とならないためである。
一方、第一のループコイル部820Aは、第三のサブコイル810Cのループコイル部820Cとは、ほとんど磁気的に結合しない。逆も同様である。これは、両者が距離的に離れていることと、隣接するコイルどうしの結合が支配的であることによる。
同様に、第三のサブコイル810Cのループコイル部820Cは、信号受信時に第二のサブコイル810Bのループコイル部820Bと電磁気結合部850により、サブコイル810Cで検出された信号の一部が第二のサブコイル810Bのループコイル部820Bに流れる様にする。これは、第二のサブコイル810Bの各回路素子が、上記式(20)に従って調整されることにより、信号受信時に高抵抗とならないためである。
また、第二のサブコイル810Bは、信号受信時にサブコイル810Bで検出された信号の一部が、ループコイル部820Bに備えられた二つの電磁気結合部850により、それぞれ第三のサブコイル810Cのループコイル部820Cと、第一のサブコイル810Aのループコイル部820Aとに流れる。これは、第一のサブコイル810Aと第三のサブコイル810Cの各回路素子が、上記式(19)、(21)に従って調整されることにより、信号受信時に高抵抗とならないためである。
これにより本実施形態のアレイコイル800では、第一のサブコイル810Aの信号受信時には、その第一のループコイル部820Aと第二のループコイル部820Bとに8の字のような電流を形成する。また第三のサブコイル810Cの信号受信時には、その第三のループコイル部820Cと第二のループコイル部820Bとに8の字のような電流を形成する。このように各サブコイル810は隣り合うサブコイルと電流を流し合い8の字の電流を形成し、コイル間に生じる電界が強めあう。このためノイズ相関が低下しSNRが向上する。また、各サブコイル10は、検出対象の核磁気共鳴周波数で共振する。従って、各サブコイル10は、検出対象の核磁気共鳴信号の取得が可能である。
以上、説明したように、本実施形態の受信RFコイルにおいて、他の実施形態と同様に、広い感度領域と、低ノイズとを実現する。特にサブコイル数を増やすことで、より広い感度領域を確保することができる。
<<第三の実施形態の変更例>>
本実施形態のアレイコイルは、図18に示す実施形態に限定されることなく、種々の変更が可能である。
[磁気結合の変更例]
本実施形態では、信号受信時、第一のサブコイル810Aは、第二のサブコイル810と互いに電流を流し合い、第三のサブコイル810Cは、第二のサブコイル810Bと互いに電流を流し合うよう各回路素子を調整している。
しかし、磁気結合のパターンは本構成に限られない。例えば、第一のサブコイル810Aおよび第三のサブコイル810Cが第二のサブコイル810Bとそれぞれ磁気結合し、第二のサブコイル810Bは、いずれとも結合しないよう、各回路素子を調整してもよい。
[サブコイルの数及び配置の変更例]
本実施形態では3つのサブコイル810A、810B、810Cを組み合わせる場合を例にあげて説明したが、サブコイル810の数は、これに限定されない。4つ以上のサブコイル810を用いても良い(例えば、図8(c))。サブコイル810の個数を増やすことにより、より広い領域で感度を持たせることができる。
サブコイルの数(チャンネル数)を増やす場合、図18に示す実施形態のアレイコイルをその長手方向に延長してもよいし、例えば図19に示すマルチチャンネルコイル900のように、サブコイル910の配列方向を変化させてもよい。この場合、端部に位置するサブコイル910Aとサブコイル910とは、電磁気結合部950で結合してもよいし、しなくてもよい。また磁気結合のパターンは、配列の一方向のみに磁気結合するようにしてもよいし、双方向に磁気結合するようにしてもよい。
さらに、本実施形態では、電磁気結合部950で結合されるコイルは隣り合うように配置したが、これに限定されない。一部、もしくはすべてのサブコイルの間に、他のサブコイルが挿入されても良い。これにより、コイル配置密度が上がり感度が上がる。また感度領域の設計の自由度が向上する。
電磁気結合された二つのサブコイルの間に、それらサブコイルとは電磁気結合されない第三のサブコイルを配置したマルチチャネルコイルの一例を図20に示す。
本図に示すマルチチャンネルコイル400−2は、二つのサブコイル410Aとサブコイル410Bは電磁気結合部450で結合され、アレイコイルを構成し、第一の実施形態或いは第二の実施形態のアレイコイル400と同様に、各回路素子が調整されている。
第三のサブコイル410Cは、第一のサブコイル410Aのループ421Aと、第二のサブコイル410Bのループ421Bとの間に配置され、これらサブコイルとは磁気結合しない。このようなマルチチャンネルコイル400−2における第一のサブコイル410Aの信号受信時及び第二のサブコイル410Bの信号受信時における電流の流れ、即ち少なくとも一方の信号受信時に両サブコイルに8の字のような電流が流れることは、第一又は第二の実施形態のアレイコイル400と同様である。
このように電磁気結合される二つのループ421Aおよび421Bは必ずしも隣接して配置しなくてもよく、その間に第三のサブコイルを配置することで、RFコイルの配置密度を上げることが可能となる。これにより感度が向上する。
その他、第一及び第二の実施形態で説明した変更例は、本実施形態にも適用することが可能である。例えば、各サブコイルのループコイル部の形状を矩形以外の形状にすること、サブコイルごとにサイズや形状を異ならせることも可能である。電磁気結合部450や磁気結合調整部441など構成も種々の形態を取りえる。
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:高周波磁場発生器、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、220m:送受信間磁気結合防止回路、221:PINダイオード、221m: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、400:アレイコイル、400−1:アレイコイル、410:サブコイル、420:ループコイル部、421:ループ、422:直列キャパシタ、423:キャパシタ、424:並列キャパシタ、430:低インピーダンス信号処理回路、431:低入力インピーダンス信号増幅器、441:磁気結合調整部、450:電磁気結合部、451:結合インダクタ、462:コイル部、463:コイル部、500:並列共振回路、501:キャパシタ、502:インダクタ、600:等価回路、601:等価回路、602:等価回路、610:等価回路、611:等価回路、612:等価回路、621:インダクタ、622:直列キャパシタ、624:並列キャパシタ、626:インダクタ、627:インダクタ、632:インピーダンス、641:調整インダクタ、700:蝶型アレイコイル、710:サブコイル、720:ループコイル部、721:ループ、725:ループ、730:低インピーダンス信号処理回路、750:電磁気結合部、800:アレイコイル、810:サブコイル、820:ループコイル部、830:低インピーダンス信号処理回路、841:調整インダクタ、850:電磁気結合部、900:アレイコイル、910:サブコイル、920:ループコイル部、921:ループ、930:低インピーダンス信号処理回路、941:磁気結合調整部、950:電磁気結合部。

Claims (15)

  1. 導体からなる第一のループコイル部を有し、被写体からの核磁気共鳴信号の受信が可能な第一のサブコイルと、
    導体からなる第二のループコイル部を有し、被写体からの核磁気共鳴信号の受信が可能な第二のサブコイルと、
    前記第一のサブコイルと前記第二のサブコイルとの間に配置され、前記第一のサブコイルと前記第二のサブコイルとを電磁気的に結合する電磁気結合部と、
    を備え、
    前記第一のループコイル部で検出された信号により前記第一のループコイル部に流れる第一の電流の一部が、第一のサブ電流として前記第二のループコイル部に流れ、前記第一の電流が前記被写体内に生成する電界と前記第一のサブ電流が前記被写体内に生成する電界とが、前記第一のループコイル部と前記第二のループコイル部の間の空間では互いに強め合うように、調整されていること
    を特徴とする高周波コイル。
  2. 請求項1記載の高周波コイルであって、さらに、
    前記第二のループコイル部で検出された信号により前記第二のループコイル部に流れる第二の電流の一部が、第二のサブ電流として前記第一のループコイル部に流れ、前記第二の電流が前記被写体内に生成する電界と前記第二のサブ電流が被写体内に生成する電界とが、前記第一のループコイル部と前記第二のループコイル部の間の空間では、互いに強め合うように、調整されていること
    を特徴とする高周波コイル。
  3. 請求項1記載の高周波コイルであって、さらに、
    前記第二のループコイル部で検出された信号により前記第二のループコイル部に流れる第二の電流が、前記第一のループコイル部に流れないように、調整されていること
    を特徴とする高周波コイル。
  4. 請求項1ないし3いずれか一項に記載の高周波コイルであって、
    前記電磁気結合部は、インダクタを備えた磁気結合部であること
    を特徴とする高周波コイル。
  5. 請求項1ないし3いずれか一項に記載の高周波コイルであって、
    前記電磁気結合部は、導体による電気的結合部であること
    を特徴とする高周波コイル。
  6. 請求項1ないし3いずれか一項に記載の高周波コイルであって、
    前記電磁気結合部は、前記第一のループコイル部と前記第二のループコイル部との配置関係により電磁気的結合を行う電磁気結合部であること
    を特徴とする高周波コイル。
  7. 請求項1ないし3いずれか一項に記載の高周波コイルであって、
    前記第一のサブコイル及び前記第二のサブコイルの少なくとも一方のサブコイルは、当該サブコイルが接続される低インピーダンス信号処理回路と当該サブコイルのループコイル部とを接続する磁気結合調整部、をさらに備え、
    前記磁気結合調整部は、キャパシタおよびインダクタの少なくとも一方を調整回路要素として備え、
    前記ループコイル部は、
    そのインダクタ成分に対して直列に挿入される直列キャパシタと、
    前記インダクタ成分に対して直列に挿入され、当該ループコイル部を並列共振回路とする並列キャパシタと、を備え、
    前記少なくとも一方のサブコイルは、前記調整回路要素、前記直列キャパシタ、及び前記並列キャパシタの値を調整することにより、調整されること
    を特徴とする高周波コイル。
  8. 請求項7に記載の高周波コイルであって、
    前記第一の電流と前記第一のサブ電流との位相差は、90度より大きく270度より小さいこと
    を特徴とする高周波コイル。
  9. 請求項7記載の高周波コイルであって、
    前記第一のサブ電流の強度は前記第一の電流の強度の5〜30%であること
    を特徴とする高周波コイル。
  10. 請求項1ないし3いずれか一項に記載の高周波コイルであって、
    前記第一のループコイル部および前記第二のループコイル部の少なくとも一方は蝶型形状をしたループ形状であること
    を特徴とする高周波コイル。
  11. 請求項1ないし3いずれか一項に記載の高周波コイルであって、
    前記第一のサブコイル及び前記第二のサブコイルの少なくとも一方と、電磁気的に結合された第三のサブコイルをさらに備えること
    を特徴とする高周波コイル。
  12. 請求項1ないし3いずれか一項に記載の高周波コイルであって、
    前記第一のサブコイルと前記第二のサブコイルとの間に、磁気結合しない第三のサブコイルをさらに備えることを特徴とする高周波コイル。
  13. 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高周波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記載の高周波コイルであること
    を特徴とする磁気共鳴撮像装置。
  14. 請求項13に記載の磁気共鳴撮像装置であって、
    前記高周波コイルは、前記第一のループコイル部及び前記第二のループコイル部が前記静磁場の方向と直交する面に沿って配置されることを特徴とする磁気共鳴撮像装置。
  15. 請求項13に記載の磁気共鳴撮像装置であって、
    前記高周波コイルは、第一のループコイル部及び第二のループコイル部が前記静磁場の方向と平行な面に沿って配置されることを特徴とする磁気共鳴撮像装置。
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