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【発明の名称】 電子スピン共鳴３次元イメージング用コイル装置
【発明者】 【氏名】土屋 忠彰

【氏名】本橋 元

【氏名】高橋 富士雄

【氏名】工藤 亮介

【氏名】大矢 博昭
【要約】 【課題】所望の条件の磁場を円滑にかつ確実に発生させることができ、かつ装置の小型化を図ることができると共に、測定対象を中型の動植物にまで広げることができる電子スピン共鳴３次元イメージング用コイル装置の提供。

【解決手段】鞍型に形成された均一磁場発生コイル（主磁極コイル１、高速磁場掃引コイル４）と、磁場勾配コイル３と、磁場変調コイル２を同心円筒状に配置することにより、従来型のコイルに比べて効率的にかつ小さいスペース中に各コイルが配置され、小型化が図られる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 電子スピン共鳴現象を測定するために用いられる電子スピン共鳴用コイル装置であって、鞍型の均一磁場発生コイルと、鞍型の磁場勾配コイルと、鞍型の磁場変調コイルとから構成され、これらのコイルが同心円筒状に配置されたことを特徴とする電子スピン共鳴３次元イメージング用コイル装置。
【請求項２】 均一磁場発生コイルが、鞍型の主磁極コイルと鞍型の高速磁場掃引コイルと鞍型の磁場補正コイルとから構成され、これらのコイルが同心円筒状に配置されたことを特徴とする請求項１記載の電子スピン共鳴３次元イメージング用コイル装置。
【請求項３】 同心円筒状に配置されたコイル群が、この同心円筒の直径を中心として回転自在に設けられたことを特徴とする請求項１または２記載の電子スピン共鳴３次元イメージング用コイル装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電子スピン共鳴現象を測定するために用いられる各種磁場、すなわち直線勾配磁場、変調磁場、均一磁場を発生させる電子スピン共鳴３次元イメージング用コイル装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、フリーラジカルの１種である活性酸素という物質が一般社会でも注目されるようになってきている。このフリーラジカルは、通常であれば対をなしているはずの電子が、何らかの原因によって単独で存在している物質で（この単独で存在している電子を不対電子という）、非常に強い酸化反応を示す特徴がある。そして、この物質は、動植物の体内でも生成され、免疫等の生体防御機構に貢献する一方で、ＤＮＡ障害、発ガン、老化の原因の一つと考えられている。
【０００３】この生体活動に大きく関与しているフリーラジカルを、生きたままの動植物中で観測するために研究、開発されているのが、電子スピン共鳴（以下ＥＳＲと略称する）装置である。
【０００４】ここで、ＥＳＲの原理について簡単に説明する。空間に孤立した１個の電子を考える。電子はある軸を中心に自転運動をしている。この自転により電子は微細な磁石となる。そこに磁場を印加すると、上記電子は二つの状態をとり得る。一つは磁場の向きに平行な状態で、もう一つは反平行な状態である。
【０００５】このように２つのエネルギー準位に分かれることをゼーマン分裂という。そして、反平行な状態はエネルギー準位の高い不安定な状態で、より安定した低いエネルギー準位である平行な状態になろうとする。そのため通常は低いエネルギー状態に電子は存在する。この時の磁場ＨとエネルギーＥには、次の比例関係式がある。
Ｅ＝μBＨ（ｇｍs） ［Ｊ］
μB＝９．２７４１×１０-24 ［Ｊ／Ｔ］
ｍsは磁気量子数 ［孤立電子の場合、ｍs＝１／２（反平行）、ｍs＝−１／２（平行）］
ｇはほぼ２．０【０００６】ここに外部から周波数νをもつマイクロ波を照射する。マイクロ波のエネルギーｈν（ｈはプランク定数）が二つのエネルギー準位の間隔ｇμBＨに等しくなると、平行のエネルギー準位にある電子はエネルギーｈνを吸収し、反平行のエネルギー準位に飛び移る。この現象を電子スピン共鳴（ＥＳＲ）といい、条件ｈν＝ｇμBＨを共鳴条件という。このマイクロ波の吸収をとらえ、フリーラジカルの存在を認識、画像化するのがＥＳＲ装置である。
【０００７】次に、ＥＳＲ装置の概要について説明する。ＥＳＲ装置は大きく分けて磁場発生部、マイクロ波発生部、検出部からなる。ＥＳＲ測定は、マイクロ波発生部で一定周波数のマイクロ波を発生し、ＥＳＲ共鳴条件から求められる磁場強度を中心に磁場の掃引を行い、磁場変調コイルを用いた磁場変調法によりＥＳＲ信号を選択的に取り出し、検出部で検出することで行われる。
【０００８】各部についてさらに説明する。磁場発生部は、磁場変調コイル、磁場勾配コイル、主磁極コイル、高速磁場掃引コイルから構成される。主磁極コイルはマイクロ波の周波数と共鳴条件から求められる均一な静磁場Ｈ0を発生させ、高速磁場掃引コイルは均一磁場ＨOを中心に磁場を掃引する。掃引する理由はＥＳＲ信号が図２２に示すように共鳴条件を満足する静磁場ＨOを中心に広がりをもっているからである。これは個々の不対電子の周りにある不対電子が発生する磁場の影響によるものである。
【０００９】磁場掃引によりＥＳＲ吸収は行われるが、出力の変位が小さいため検出は難しい。そこで磁場変調法を用いてＥＳＲ信号を微分型信号として検出する。磁場変調法は、磁場変調コイルによって発生される周波数νMが１００ｋＨｚの振動磁場を利用する。この振動磁場は均一磁場と同じ方向に図２３に示すような正弦波形の磁場を発生する。高速磁場掃引コイルによって磁場を掃引しながら、磁場変調コイルによって周波数νMが１００ｋＨｚの振動磁場を加えると、ＥＳＲ信号は図２４に示すように直流成分が重畳した交流信号になる。この信号から直流成分を除去すると、図２５に示すような信号となり、この信号を周期１／νM毎の値を増幅検波する回路（ＰＳＤ回路）を通過させると、図２６に示すような１次微分波形が得られる。
【００１０】次に磁場勾配コイルについて説明する。これまで述べてきた磁場変調コイル、高速磁場掃引コイル、主磁極コイルだけでもＥＳＲ信号は観測できるが、空間的な位置情報は得られない。この位置情報を得るために磁場勾配コイルが用いられる。磁場勾配コイルにはＸ、Ｙ、Ｚ軸コイルがあり、各コイルがそれぞれの座標軸に沿って直線性の高い勾配磁場を発生させる。勾配磁場を用いて空間座標を求める原理についてＺ軸コイルを例に説明する。
【００１１】Ｚ軸コイルはＺ軸方向に直線性の高い勾配磁場を発生する（図２７参照）。このコイルを、共鳴条件を満足する均一磁場Ｈ0を発生させる主磁極コイルの間に配置する。次にフリーラジカルの存在する点Ｚ＝０（原点）、Ｚ１、Ｚ２を考える。ただしＺ１＞０＞Ｚ２とする。Ｚ軸コイルによる発生磁場をＨz＝δＺ（δは勾配の大きさ）とすると、Ｚ＝０ではＨz＝０、Ｚ＝Ｚ１ではＨz＝δＺ１、Ｚ＝Ｚ２ではＨz＝δＺ２となり、均一磁場との合成磁場はそれぞれ、Ｈ0、Ｈ0＋δＺ１、Ｈ0＋δＺ２となる。磁場を掃引すると、掃引磁場強度Ｈrが、Ｈr＝０の時はＺ＝０で、Ｈr＝−δＺ１の時はＺ＝Ｚ１、Ｈr＝−δＺ２の時はＺ＝Ｚ２でそれぞれ共鳴が起こる。δが既知数なので磁場の移動量から空間座標がわかる。
【００１２】これらの構成の他に、マイクロ波から電界成分を取り除き磁界成分のみを均一磁場に対し垂直方向から試料に照射させるループギャップレゾネーター、コイルに電流を送る電源、データ処理及び画像化するためのコンピューターなどでＥＳＲ装置は構成される。
【００１３】生体を対象とするＥＳＲ測定は、これまでのところラットほどの大きさまでの動物でしか行われてきていない。最終的な目標は人体の測定であるため、それに向けた大型コイルの開発が進められてきた。ＥＳＲ測定装置には、測定領域内に勾配磁場を発生するコイルと均一磁場を発生するコイルが必要である。
【００１４】これまで、勾配磁場を発生させるコイルとして、Anderson型コイル（図２８参照）が主に使用されているが、大型化に伴う電力の増大が問題となっていた。そこで、Anderson型コイルに代わる、省電力円筒型磁場勾配コイル装置を開発すると共に、同時に小型軽量化を実現することができた（詳細については、特願平８ー２８４４１９号参照）。
【００１５】一方、均一磁場を発生させるコイルとして、Helmholtz型コイル装置（図２９参照）が主に使用されている。これは一対の環状コイルから構成されるもので、その径をコイル間距離の２倍にすれば、コイル間のある範囲内に均一磁場を発生させることができる。
【００１６】現在、省電力円筒型磁場勾配コイルとHelmholtz型コイルから構成されたＥＳＲコイル装置で、ラットなどの小動物を対象とする測定が行われようとしている。この装置の場合、省電力円筒型磁場勾配コイルは大きさが約直径１６０ｍｍ×長さ２５０ｍｍの円筒であるのに対し、Helmholtz型コイルの大きさは、外径６８８ｍｍで厚さ５０ｍｍほどの円盤になる。いまのところ測定対象がラット位の小動物のため、この大きさの違いによる、試料挿入やその他の操作への支障はなかった。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】現在ＥＳＲ測定は、医学、薬学の分野ではより大きな動物での試験・研究の段階を迎えつつある。しかし、そのために必要な測定領域が広いコイル装置の開発には、いくつかの問題がある。たとえば、ウサギ位の大きさの動物が測定可能となるＥＳＲ用コイル装置を、省電力型磁場勾配コイルと、Helmholtz型コイルで設計すると、Helmholtz型コイルは、コイル間距離約５００ｍｍ、外径約１３００ｍｍほどの大きさになる。試験者はこの５００ｍｍの間に入り試料の挿入やその他の作業を行わなければならないため、作業性が悪いだけでなく、セッティングミスを誘発しかねない。さらに大型の動物や、最終目的である人体を測定するコイルでは外径が２ｍを越えるので、新たに設置場所等の問題が生じる。これらの問題を解決するためには、均一磁場発生コイルを小型化する必要がある。Helmholtz型コイルはHelmholtzの条件からその大きさがほぼ一意に定まる。それゆえコイルの小型化はコイル形状の変更を意味する。
【００１８】そこで、上記問題を解決するために、本発明者等は、鋭意検討を重ねた結果、鞍型の均一磁場発生コイルの開発と、鞍型の磁場勾配コイルと磁場変調コイルと、鞍型の均一磁場発生コイルとを一体化した円筒型中動物測定用ＥＳＲ装置の開発を行った。
【００１９】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、所望の条件の磁場を円滑にかつ確実に発生させることができ、かつ装置の小型化を図ることができると共に、測定対象を中型の動植物にまで広げることができる電子スピン共鳴３次元イメージング用コイル装置を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】本発明の請求項１は、電子スピン共鳴現象を測定するために用いられる電子スピン共鳴用コイル装置であって、鞍型の均一磁場発生コイルと、鞍型の磁場勾配コイルと、鞍型の磁場変調コイルとから構成され、これらのコイルが同心円筒状に配置されたものである。この請求項１にあっては、鞍型に形成された各コイルを同心円筒状に配置することにより、従来型のコイルに比べて効率的にかつ小さいスペース中に各コイルが配置され、小型化が図られる。
【００２１】また、本発明の請求項２は、均一磁場発生コイルが、鞍型の主磁極コイルと鞍型の高速磁場掃引コイルと鞍型の磁場補正コイルとから構成され、これらのコイルが同心円筒状に配置されたものである。この請求項２にあっては、均一磁場発生コイルの磁場補正コイルによって、測定領域中の磁場を補正することにより、測定領域中の磁場の精度を向上させると共に、同心円筒状の均一磁場発生コイルの軸長を短くすることができる。
【００２２】さらに、本発明の請求項３は、同心円筒状に配置されたコイル群が、この同心円筒の直径を中心として回転自在に設けられたものである。この請求項３にあっては、上記同心円筒状に配置されたコイル群をその同心円筒の直径を中心として回転させることにより、測定領域に対して任意の方向、例えば、水平方向あるいは鉛直方向から測定対象を挿入することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。まず、均一磁場発生コイルについて主磁極コイルを例に説明する。図１はほぼ正方形状の対をなす第１の主磁極コイル１０を示すもの、図２は第１の主磁極コイル１０よりＸ軸方向（図において上下方向）の寸法が小さい長方形状の対をなす第２の主磁極コイル１１を示すもの、図３は第１、第２の主磁極コイル１０、１１を重ね合わせた状態を示すもの、図４は長方形状の２対の補正コイル１２を示すもの、図５は第１、第２主磁極コイル１０、１１及び補正コイル１２を重ね合わせたものである。これらの図において、（ａ）は概略正面図、（ｂ）は概略側面図、（ｃ）は概略平面図である。また、これらの概略側面図（ｂ）において、上下方向がＸ軸方向、紙面に対して垂直方向がＹ軸方向、左右方向がＺ軸方向をそれぞれ示しており、他の概略正面図（ａ）、概略平面図（ｃ）のＸ、Ｙ、Ｚ軸は、それぞれ、上記概略側面図（ｂ）の向きに準じるものである。
【００２４】上記各主磁極コイル１０、１１及び補正コイル１２は、それぞれ、円筒面に沿うように湾曲して形成された鞍型構造とされ、かつ各コイル１０、１１、１２が互いに対をなして対向配置されると共に、図５に示すように、内から外にかけて補正コイル１２、第１の主磁極コイル１０、第２の主磁極コイル１１の順に同心円筒状に配置されたものである。そして、上記各補正コイル１２は、Ｙ軸に沿って、その原点（測定領域の中心）から遠い部位の各主磁極コイル１０、１１の辺部に合わせて配置されている。
【００２５】このように配置することにより、図３に示す第１、第２主磁極コイル１０、１１だけを重ね合わせた場合に比べて、Ｙ軸方向の原点から遠い部位の磁場特性が改善されることになる。これを示すものが図６であり、図６は本実施形態の主磁極コイル群（１０、１１、１２）により、中心磁場１２０（Ｇａｕｓｓ）の磁場を与えたときのＹ軸上の磁場特性を計算機シミュレーションした結果である。図６に示すように、主磁極コイル１０、１１だけの場合には、Ｙ軸方向に原点から遠くなると磁場強度が減少している。そのため均一度の高い均一磁場を与える鞍型コイルは、軸方向に長くする必要がある。これに対して、本実施形態においては、図６に示すように、原点において最小値となるような磁場特性をもつ補正コイル１２を主磁極コイル１０、１１に組み合わせた結果、上記磁場強度の減少分が補正され、所望の測定領域全域において均一な磁場特性が得られる。
【００２６】さらに、磁場変調コイル、磁場勾配コイル、高速磁場掃引コイルについても、図７〜図１１に示すように、鞍型のコイル構造とした。これらの図７〜図１１においても、上記図１〜図５と同様に、（ａ）は概略正面図、（ｂ）は概略側面図、（ｃ）は概略平面図であり、これらの概略側面図（ｂ）において、上下方向がＸ軸方向、紙面に対して垂直方向がＹ軸方向、左右方向がＺ軸方向をそれぞれ示していると共に、他の概略正面図（ａ）、概略平面図（ｃ）のＸ、Ｙ、Ｚ軸は、それぞれ、上記概略側面図（ｂ）の向きに準じるものである。磁場変調コイルは、図７に示すように、大小２種類の長方形状の第１、第２の磁場変調コイル２０、２１が、それぞれ対をなして対向配置されたものである。そして、各磁場変調コイル２０、２１は、それぞれ、円筒面に沿うように湾曲して形成された鞍型構造とされている。
【００２７】また、磁場勾配コイルのうちＹ軸コイルは、図８（ａ）に示すように、Ｙ軸に沿って、原点から等距離の位置にＹ軸コイル３０がそれぞれ配置され、かつ図８（ｂ）に示すように、原点を含むＸ−Ｙ平面に対して対称の位置に対向配置されたものである。Ｚ軸コイルは、図９に示すように、大小２種類の長方形状の第１、第２のＺ軸コイル３２、３３が、それぞれ対をなして対向配置されたものである。Ｘ軸コイルは、図１０に示すように、ＹーＺ平面、Ｘ−Ｙ平面に対して対称な位置にそれぞれ長方形状のＸ軸コイル３５が配置されている。そして、これらのコイル３０、３２、３３、３５は、それぞれ、円筒面に沿うように湾曲して形成された鞍型構造とされている。
【００２８】上記高速磁場掃引コイルは、上記主磁極コイルとほぼ同様の構成を有しており、図１１に示すように、長方形状の対をなす第１の高速磁場掃引コイル４０と、この第１の高速磁場掃引コイル４０よりＸ軸方向の寸法が小さい長方形状の対をなす第２の高速磁場掃引コイル４１と、長方形状の２対の補正コイル４２とを重ね合わせたものである。
【００２９】上記各高速磁場掃引コイル４０、４１及び補正コイル４２は、それぞれ、円筒面に沿うように湾曲して形成された鞍型構造とされ、かつ各コイル４０、４１、４２が互いに対をなして対向配置されると共に、内から外にかけて第１の高速磁場掃引コイル４０、補正コイル４２、第２の高速磁場掃引コイル４１の順に同心円筒状に配置されたものである。そして、上記各補正コイル４２は、Ｙ軸に沿って、その原点（測定領域の中心）から遠い部位の各高速磁場掃引コイル４０、４１の辺部に合わせて配置されている。
【００３０】本実施の形態のコイル装置は、図１３と図１４に示すように、コイルユニット部５、フレーム部６及びコイルユニット回転部７から概略構成されている。そして、コイルユニット部５は、図１２に示すように、大中小の３種類の大きさのアルミパイプ５０、５１、５２中にコイルを収納する構造となっている。すなわち、小パイプ５２の内側には、上記各コイル２０、２１からなる磁場変調コイル群２が収納されている。また、小パイプ５２と中パイプ５１との間には、各コイル３０、３２、３３、３５からなる磁場勾配コイル群３及び各コイル４０、４１、４２からなる高速磁場掃引コイル群４が収納され、かつ中パイプ５１と大パイプ５０との間には、各コイル１０、１１、１２からなる主磁極コイル群１が収納されている。
【００３１】上記フレーム部６は、図１３と図１４に示すように、高さ調整用のアジャスタボルト６０と移動用のキャスター６１を有する土台フレーム６２からなり、この土台フレーム６２の上には、左右一対の支持台７０、７１を介して、コイルユニット回転部７の回転機構７２とロック機構７３が設けられている。このうち、回転機構７２は、コイルユニット部５の外周中央部の一端をカップリング７４を介して回転自在に支持しているウォームホイール７５と、このウォームホイール７５に噛み合わされているウォーム７６と、このウォーム７６に連結されているハンドル７７とから概略構成されており、ハンドル７７を回転操作することにより、上記コイルユニット部５を回転させるようになっている。
【００３２】また、上記ロック機構７３は、コイルユニット部５の外周中央部の他端を回転自在に支持しているロック用ディスク７８と、このロック用ディスク７８の外縁部に係合離脱可能に設けられたロックピン７９と、このロックピン７９を係脱操作するノブ８０とから概略構成されており、上記ノブ８０を操作することにより、上記コイルユニット部５を水平位置と、鉛直位置に固定し得るようになっている。
【００３３】次に、さらに具体的に本実施の形態を説明するために、上述した円筒型の磁場変調コイル群２、磁場勾配コイル群３、高速磁場掃引コイル群４、主磁極コイル群１からなる中動物測定用ＥＳＲコイル装置を設計、製作した結果について説明する。
【００３４】まず、各コイルの磁場仕様を表１に示す。
【表１】

【００３５】次いで、上記のように構成された各コイルの磁場特性を測定した結果について、図１５〜図２０に示す。これらの図からも明らかなように、各コイルの磁場特性が、上記表１の磁場仕様を満たし、かつＥＳＲの３次元イメージングに必要な磁場特性を各コイルがもっていることが確認できた。
【００３６】また、図２１に、従来のAnderson-Helmholtz型コイル装置［図２１の（ｃ）が概略正面図、（ｄ）が概略側面図］と、本実施の形態の円筒型コイル装置［図２１の（ａ）が概略正面図、（ｂ）が概略側面図］との寸法比較を示した。この図からも明らかなように、本実施の形態の円筒型コイル装置のほうが大幅に小型化できた。なお、図２１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）において二点鎖線で示す円は測定領域を表している。
【００３７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項１によれば、鞍型に形成された各コイルを同心円筒状に配置することにより、従来型のコイルに比べて効率的にかつ小さいスペース中に各コイルを配置することができる。従って、所望の条件の磁場を円滑にかつ確実に発生させることができ、かつ装置の小型化を図ることができる。一方、測定対象を中型の動植物、特に、中型動物までに広げることができるから、中型動物でのＥＳＲ測定により、ラットなどの小動物では小さくてわからなかった、疾病とフリーラジカルの関係や各器官のフリーラジカル消去のメカニズムがよりわかりやすくなることが期待される。
【００３８】また、本発明の請求項２によれば、均一磁場発生コイルの磁場補正コイルによって、測定領域中の磁場を補正することにより、測定領域中の磁場の精度を向上させると共に、同心円筒状の均一磁場発生コイルの軸長を短くすることができる。従って、均一磁場発生コイルの小型化を図ることができる。
【００３９】さらに、本発明の請求項３によれば、同心円筒状に配置されたコイル群をその同心円筒の直径を中心として回転させることにより、測定領域に対して任意の方向、例えば、水平方向あるいは鉛直方向から測定対象を挿入することができる。従って、動物のみならず、植物も自然な姿勢のまま測定対象とすることができ、例えば、植物にストレスを与えた時のフリーラジカルの変化等を円滑にかつ確実に測定することができる。
【出願人】 【識別番号】５９２０５３９５２
【氏名又は名称】米沢電線株式会社
【識別番号】５９３１４６４８６
【氏名又は名称】財団法人山形県テクノポリス財団
【出願日】 平成１０年（１９９８）４月２４日
【代理人】 【弁理士】
【氏名又は名称】志賀 正武 （外９名）
【公開番号】 特開平１１−２９９７５６
【公開日】 平成１１年（１９９９）１１月２日
【出願番号】 特願平１０−１１５７５８