(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定試料の磁気共鳴像形成又は電子スピン共鳴像形成のために使用する表面コイル共振器であって、測定試料上に配置された円筒型ループギャップ共振器と、上記ループギャップ共振器と測定試料との間に配置されたファラデーシールドとを備え、上記ファラデーシールドは、共振器内外の電界分布を数値解析して共振器の円弧に沿った電界を算出することによって決定された電気力線が密集する領域において測定試料への電界の侵入を防ぐのに十分な形状を有する表面コイル共振器において、
上記電気力線が密集する領域の決定は、上記ループギャップ共振器の円弧に沿った電界を抜き出し、抜き出した値により、円弧の長さを横軸に電界の強さを縦軸に採りグラフ化することにより、円弧に沿った電界強度近似曲線を描き、ギャップ部の一番高い電界の強さを基準としてその基準電界を描くべき電気力線の数ｎで等分してグラフに水平に線を引き、その線と電界強度近似曲線との交点により求めた円弧の長さを電気力線の間隔とすることによって行うことを特徴とする表面コイル共振器。
【請求項２】
上記ファラデーシールドは、上記電気力線が密集するループギャップ共振器のギャップ部を覆うのに十分な面積を有する導電板を含むこと特徴とする請求項１に記載の表面コイル共振器。
【請求項３】
上記ファラデーシールドは、上記ループギャップ共振器のギャップ部に対応する領域に密集した導電性格子を有し、上記導電性格子は上記電気力線に対応する形状を有すること特徴とする請求項１に記載の表面コイル共振器。
【請求項４】
測定試料の磁気共鳴像形成又は電子スピン共鳴像形成のために使用する表面コイル共振器の設計方法であって、測定試料上に円筒型ループギャップ共振器を配置し、上記ループギャップ共振器と測定試料との間にファラデーシールドを配置し、共振器内外の電界分布を数値解析して共振器の円弧に沿った電界を算出することによって電気力線が密集する領域を決定し、上記電気力線が密集した領域において測定試料への電界の侵入を防ぐのに十分な形状を有するように上記ファラデーシールドを構成する表面コイル共振器の設計方法において、
上記ループギャップ共振器の円弧に沿った電界を抜き出し、抜き出した値により、円弧の長さを横軸に電界の強さを縦軸に採りグラフ化することにより、円弧に沿った電界強度近似曲線を描き、ギャップ部の一番高い電界の強さを基準としてその基準電界を描くべき電気力線の数ｎで等分してグラフに水平に線を引き、その線と電界強度近似曲線との交点により求めた円弧の長さを電気力線の間隔とすることによって上記電気力線が密集する領域を決定することを特徴とする表面コイル共振器の設計方法。
【請求項５】
上記ファラデーシールドを、上記電気力線が密集するループギャップ共振器のギャップ部を覆うのに十分な面積を有する導電板で構成すること特徴とする請求項４に記載の表面コイル共振器の設計方法。
【請求項６】
上記ファラデーシールドを、上記ループギャップ共振器のギャップ部に対応する領域に密集した導電性格子を有するように構成し、上記導電性格子を、上記電気力線に対応する形状を有するように構成すること特徴とする請求項４に記載の表面コイル共振器の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、皮膚等の生体測定試料の磁気共鳴像形成又は電子スピン共鳴像形成のために使用する表面コイル共振器及びその設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＲＩ（磁気共鳴像形成）或いはＥＳＲＩ（電子スピン共鳴像形成）測定に用いる表面コイル共振器として、ループ共振器が用いられている。このループ共振器の一つとして、ループギャップ共振器がある。ループギャップ共振器は、測定試料に密着させて測定を行うが、この際に、ギャップ部に大きな電界が発生し、試料内部に磁界だけでなくその電界も侵入してしまう。この電界によるマイクロ波損失がループ共振器の共振尖鋭度Ｑを低下させるために測定感度が低下する。このため試料中への電界の侵入を可能な限り抑制しなければならない。そこで、従来から試料中への電界の侵入を抑制するファラデーシールドを付加した蜘蛛型共振器が用いられてきた。
【０００３】
（１）表面コイル共振器の構造
図１に、ファラデーシールド付きループギャップ共振器すなわち蜘蛛型共振器を使用した表面コイル共振器の構造を概略的に示す。図１において、ギャップＧを有するループギャップ共振器１が、測定試料２の上に配置され、さらに、ループギャップ共振器１と測定試料２との間には、ファラデーシールド３が配置されている。また、ループギャップ共振器１の上には、結合ループアンテナ４が配置されている。結合ループアンテナ４とループギャップ共振器１とは２〜３ｍｍ離して使用されるが、ループギャップ共振器１と測定試料２は共にファラデーシールド３に密着された状態で使用される。尚、ループギャップ共振器１とファラデーシールド３の格子が直接触れるのを防ぐためにテフロン（登録商標）シート５がファラデーシールド３に取り付けられている。
【０００４】
（２）ループギャップ共振器の構造
図２に、ループギャップ共振器の構造の一例を示す。図２において、（Ａ）はループギャップ共振器の平面図、（Ｂ）はループギャップ共振器の側面図である。ここで、ループギャップ共振器の材質は銅であり、２ｒは内直径（rは内半径）であって２ｒ＝１５．０ｍｍ、Ｚは高さであってＺ＝１５．０ｍｍ、Ｗは共振器の肉厚であってＷ＝１．０ｍｍ、ｔはギャップ長であってｔ＝０．４ｍｍ、ｆは共振周波数であってｆ＝１．２ＧＨｚである。尚、共振器周波数ｆは次式で与えられる。
【０００５】
ｆ＝１／２π√ＬＣ                          （１）
Ｌ＝μ0πｒ2／ｚ                              （２）
Ｃ＝ε0ｗｚ／ｔ                              （３）
ここで、μ0は真空の透磁率、ε0は真空の誘電率である。
【０００６】
（３）ファラデーシールド
磁気共鳴の信号強度Ｓは、
Ｓ∝ηＱ√Ｐ                  （４）
で与えられる。ここで、ηは充填率、すなわち、磁気共鳴に用いられるエネルギー又は共振器に蓄えられるエネルギーの割合である。Ｐはマイクロ波電力である。この式から分かるように、ＳとＱは比例関係にあるため、共振尖鋭度Ｑが低下することにより測定感度Ｓが低下する。
【０００７】
測定試料への電界の侵入を防ぐためには電気力線の形状に合わせたファラデーシールドが有用であることが明らかになっている。すなわち、電界が測定試料内部へ侵入するのを防ぐために考案されたものがファラデーシールド３である。図３にファラデーシールド３の形状を示す。ファラデーシールド３は、電気力線に基づいて格子状に形成された良導体のファラデーシールド格子１０を有している。このファラデーシールド格子１０は、誘電損失の少ない材質で出来た基板１１の上にメッキされている。
【０００８】
電磁界は、ループギャップ共振器の極く近傍では静電磁界と同様の性質を持つので伝播せずにループギャップ共振器の近傍にまつわり付く様に分布している。電界は、ファラデーシールド格子１０によって電流に変換され測定試料への侵入を阻止されるが、磁界はファラデーシールド格子１０が磁性体でなく導体なので格子間隙を容易に通過することが出来る。ファラデーシールド格子１０の材質として導電性の高い銅を使用する。
【０００９】
図４に示したように、ファラデーシールド３の付いていないループギャップ共振器上面では電界Ｅが発生しているが、ファラデーシールド３を付けたループギャップ共振器下面では電界Ｅのみが阻止され、磁界Ｈは透過する。図４において、ファラデーシールド３により侵入を阻止される電界Ｅを破線で示す。
【００１０】
ここで、従来のファラデーシールドの一例を挙げると、シールド格子の幅０．４ｍｍ、シールド基板の厚さ１．４ｍｍ、シールド基板の材質としてガラスエポキシを使用している。
【００１１】
（４）従来の電気力線の決定方法
従来技術によれば、電気力線の分布は、コンピュータなどを用いて、ループギャップ共振器のループ上の電荷分布を求め、ループ上の各点の電荷によってループ内外の各点に生じる電界を求め、求めた電荷分布に基づいて電気力線を求めることによって、決定していた。
【００１２】
具体的には、図５に示すように、ループギャップ共振器のＯ点の電荷を零とすると、Ｏ点からギャップ部に向かって電荷が直線的に増加すると仮定する。そして、電気力線の形状を計算により求めることで電気力線を決定する。電気力線は、図６のように＋の電荷から出て−の電荷へと入る。電気力線の形状は、計算プログラムにより得られたデータをデータ分析グラフ作成ソフトウェア（Origin）で散布図にすることにより求められる。このようにして求めた電気力線において、シールド格子数を５本、１０本、１５本とした場合を図７、図８、図９にそれぞれ示す。
【００１３】
尚、これらのファラデーシールドを付けることによって、ループギャップ共振器のみに比べて電子スピン共鳴（ＥＳＲ）信号振幅が２〜３倍良くなることが明らかになっている。
【００１４】
このように、ループギャップ共振器に感度低下を抑制する電気力線型ファラデーシールドを組み合わせて用いた蜘蛛型共振器は、ファラデーシールドを施さないループギャップ共振器に比べて２〜３倍の感度を有するので実用に供されてきた。しかしながら、ファラデーシールドの形状を決定するためのギャップ近傍の電界は近似的に求められたものであった。
【００１５】
【特許文献１】特開昭６３−１１８６４８号公報
【特許文献２】特開昭６４−４６６３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、数値解析によりループギャップ共振器近傍に生じる電界を精度良く求めることにより最適なファラデーシールドの形状を決定し、測定精度の向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の１つの観点によれば、測定試料の磁気共鳴像形成又は電子スピン共鳴像形成のために使用する表面コイル共振器において、測定試料上に配置された円筒型ループギャップ共振器と、上記ループギャップ共振器と測定試料との間に配置されたファラデーシールドとを備え、上記ファラデーシールドは、共振器内外の電界分布を数値解析して共振器の円弧に沿った電界を算出することによって決定された電気力線が密集する領域において測定試料への電界の侵入を防ぐのに十分な形状を有することを特徴とする表面コイル共振器が提供される。
【００１８】
本発明の１つの特徴によれば、上記表面コイル共振器のファラデーシールドは、上記電気力線が密集するループギャップ共振器のギャップ部を覆うのに十分な面積を有する導電板を含んでもよい。
【００１９】
本発明の別の特徴によれば、上記表面コイル共振器のファラデーシールドは、上記ループギャップ共振器のギャップ部に対応する領域に密集した導電性格子を有し、上記導電性格子は上記電気力線に対応する形状を有してもよい。
【００２０】
本発明の更に別の特徴によれば、上記表面コイル共振器における電気力線が密集する領域の決定は、上記ループギャップ共振器の円弧に沿った電界を抜き出し、抜き出した値により、円弧の長さを横軸に電界の強さを縦軸に採りグラフ化することにより、円弧に沿った電界強度近似曲線を描き、ギャップ部の一番高い電界の強さを基準としてその基準電界を描くべき電気力線の数ｎで等分してグラフに水平に線を引き、その線と電界強度近似曲線との交点により求めた円弧の長さを電気力線の間隔とすることによって行ってもよい。
【００２１】
本発明の別の観点によれば、測定試料の磁気共鳴像形成又は電子スピン共鳴像形成のために使用する表面コイル共振器の設計方法において、測定試料上に円筒型ループギャップ共振器を配置し、上記ループギャップ共振器と測定試料との間にファラデーシールドを配置し、共振器内外の電界分布を数値解析して共振器の円弧に沿った電界を算出することによって電気力線が密集する領域を決定し、上記電気力線が密集した領域において測定試料への電界の侵入を防ぐのに十分な形状を有するように上記ファラデーシールドを構成することを特徴とする表面コイル共振器の設計方法が提供される。
【００２２】
本発明の１つの特徴によれば、上記表面コイル共振器の設計方法において、上記ファラデーシールドを、上記電気力線が密集するループギャップ共振器のギャップ部を覆うのに十分な面積を有する導電板で構成してもよい。
【００２３】
本発明の別の特徴によれば、上記表面コイル共振器の設計方法において、上記ファラデーシールドを、上記ループギャップ共振器のギャップ部に対応する領域に密集した導電性格子を有するように構成し、上記導電性格子を、上記電気力線に対応する形状を有するように構成してもよい。
【００２４】
本発明の更に別の特徴によれば、上記表面コイル共振器の設計方法において、上記ループギャップ共振器の円弧に沿った電界を抜き出し、抜き出した値により、円弧の長さを横軸に電界の強さを縦軸に採りグラフ化することにより、円弧に沿った電界強度近似曲線を描き、ギャップ部の一番高い電界の強さを基準としてその基準電界を描くべき電気力線の数ｎで等分してグラフに水平に線を引き、その線と電界強度近似曲線との交点により求めた円弧の長さを電気力線の間隔とすることによって上記電気力線が密集する領域を決定してもよい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、共振器内外の電界分布を数値解析して共振器の円弧に沿った電界を算出することによって電気力線が密集する領域を決定し、その密集する領域において測定試料への電界の侵入を防ぐのに十分な形状を有するようにファラデーシールドを構成しているので、従来のファラデーシールドに比べて効率良く電界の侵入を防ぐとともに磁界の透過に対する影響を少なくすることができる。特に、ファラデーシールドを導電板で構成する場合には、簡単な構造で測定感度の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明の１つに実施形態では、電磁界解析ソフト（Micro-Stripes［２］）によってループギャップ共振器内外の電界分布を数値解析し、ループギャップ共振器の円弧に沿った電界を算出することによって電気力線を決定する。この実施形態において、ループギャップ共振器の計算モデルとして、図２に示すものを使用する。先ず、図１０に示すように、ループギャップ共振器のメッシュの設定値を、ループギャップ共振器の形が崩れない程度に１セルあたり０．３ｍｍとなるように設定する。従って、図１０において、共振器の内直径２ｒは５０セルであり、共振器の肉厚Ｗは３セルである。
【００２７】
数値解析によって得られた電界は、ベクトル場を矢印によって表されており、矢印の向きは電界の向きを、色は電界の大きさを表している（図示せず）。電気力線を求めるためには大きさを線の疎密で表す必要があるので、電気力線の間隔を求めるために次のような操作を行う。先ず、ループギャップ共振器内側の円弧に沿った電界を抜き出す。この場合、電気力線の間隔は、図５のギャップ部とＯ点とを結ぶ破線に対して上半分と下半分では同じ形状になるため、上半分のみ求めれば良い。この電界の強さを、図１１において、円弧の位置をｘ―ｙ座標面に採って棒グラフで立体的に示す。
【００２８】
抜き出した電界の値により、図１２〜図１４のように円弧の長さを横軸に、電界の強さを縦軸に採りグラフ化することによって、電界強度近似曲線を描く。そして、ギャップ部の一番高い電界の強さを基準とする。先ず、ファラデーシールドの格子数をｎ本としたい場合、基準となる電界をｎ等分して縦軸上に印をつけ、そこから水平に線を延ばす。その線と電界強度近似曲線との交点より求められる円弧の長さが電気力線の間隔となる。
【００２９】
本発明の電気力線と従来の電気力線とを比較するために、ファラデーシールドの格子数を５本、１０本、１５本とする場合の電気力線を求める。図１２、図１３、図１４は、それぞれ、電気力線数を５本、１０本、１５本とした場合のグラフを示す。ここで得られた座標を始点としてベクトルに沿って線を引くことにより電気力線を決定することができる。このようにして求めた電気力線において、シールド格子数を５本、１０本、１５本とした場合のファラデーシールドを、図１５、図１６、図１７にそれぞれ示す。
【実施例１】
【００３０】
本発明の第１の実施例では、ファラデーシールド３は、図３について説明したように、良導体のシールド格子１０が誘電損失の少ない材質で出来た基板１１の上にメッキされている。しかしながら、この実施例におけるファラデーシールド３のシールド格子は、従来のシールド格子とは異なり、図１５、図１６、図１７に示すような格子形状を有している。すなわち、この実施例によれば、ファラデーシールドの格子形状は、図１２、図１３及び図１４に示すような従来のファラデーシールドに比べて、電界の強いギャップ部は密に、電界の弱いループの中央から０点にかけては疎になっている。したがって、この実施例では、従来のファラデーシールドより電界の侵入を防ぎ、磁界の透過に影響が少ない形状になっている。
【実施例２】
【００３１】
本発明の第２の実施例では、ファラデーシールド３は、良導体のシールド格子１０の代わりに金属板１２が誘電損失の少ない材質で出来た基板１１の上にメッキされている。このファラデーシールドの形状を図１８、図１９、図２０に示す。この金属板１２は、電界の強いギャップ部を中心とする電気力線の密集した領域を覆うのに十分な面積を有する。従って、電気力線の本数に応じて、金属板の面積は異なっている。この実施例では、従来のファラデーシールドよりも簡単な構造で電界の侵入を効率良く防ぐことができ、しかも磁界の透過に影響が少ない形状になっている。
【００３２】
なお、実際にファラデーシールドを試作する際には、短絡電流によるＱの低下を防ぐために切れ込みを入れるのがよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】ファラデーシールド付きループギャップ共振器を使用した表面コイル共振器の構造を示す概略斜視図である。
【図２】ループギャップ共振器の計算モデルを示す図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。
【図３】ファラデーシールドの形状を示す概略斜視図である。
【図４】ファラデーシールド付きループギャップ共振器の電界及び磁界の様子を示す概略斜視図である。
【図５】ループギャップ共振器の電荷の分布を示す概略平面図である。
【図６】ループギャップ共振器内外における電気力線の流れを示す概略平面図である。
【図７】５本のシールド格子を有する従来のファラデーシールドを付けたループギャップ共振器を示す概略平面図である。
【図８】１０本のシールド格子を有する従来のファラデーシールドを付けたループギャップ共振器を示す概略平面図である。
【図９】１５本のシールド格子を有する従来のファラデーシールドを付けたループギャップ共振器を示す概略平面図である。
【図１０】本発明における数値解析に用いるメッシュの設定値を示すためのループギャップ共振器の図である。
【図１１】図１０の数値解析により求めたループギャップ共振器内側の電界の強さを示す立体的な棒グラフである。
【図１２】図１１の棒グラフにより求めたループギャップ共振器の円弧に沿った電界強度近似曲線において５本の電気力線を決定する場合を示す図である。
【図１３】図１１の棒グラフにより求めたループギャップ共振器の円弧に沿った電界強度近似曲線において１０本の電気力線を決定する場合を示す図である。
【図１４】図１１の棒グラフにより求めたループギャップ共振器の円弧に沿った電界強度近似曲線において１５本の電気力線を決定する場合を示す図である。
【図１５】５本のシールド格子を有する本発明の第１実施例によるファラデーシールドを付けたループギャップ共振器を示す概略平面図である。
【図１６】１０本のシールド格子を有する本発明の第１実施例によるファラデーシールドを付けたループギャップ共振器を示す概略平面図である。
【図１７】１５本のシールド格子を有する本発明の第１実施例によるファラデーシールドを付けたループギャップ共振器を示す概略平面図である。
【図１８】小さな面積の金属板を有する本発明の第２実施例によるファラデーシールドを付けたループギャップ共振器を示す概略平面図である。
【図１９】中程度の面積の金属板を有する本発明の第２実施例によるファラデーシールドを付けたループギャップ共振器を示す概略平面図である。
【図２０】大きな面積の金属板を有する本発明の第２実施例によるファラデーシールドを付けたループギャップ共振器を示す概略平面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  ループギャップ共振器
２  測定試料
３  ファラデーシート
４  結合ループアンテナ
５  テフロン（登録商標）シート
１０  シールド格子
１１  基板
１２  金属板
Ｇ  ギャップ
Ｈ  磁界
Ｅ  電界
【図１】
0004608667.tif 000002
【図２】
0004608667.tif 000003
【図３】
0004608667.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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