特開 2022-185470 磁気計測装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022185470

(43)【公開日】2022-12-14

(54)【発明の名称】磁気計測装置

(51)【国際特許分類】

   G01R 33/12 20060101AFI20221207BHJP

   G01R 33/02 20060101ALI20221207BHJP

   A61B 5/0515 20210101ALI20221207BHJP

【ＦＩ】

G01R33/12

G01R33/02 R

A61B5/0515

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021093177

(22)【出願日】2021-06-02

(71)【出願人】

【識別番号】000003067

【氏名又は名称】ＴＤＫ株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504182255

【氏名又は名称】国立大学法人横浜国立大学

(74)【代理人】

【識別番号】100115738

【弁理士】

【氏名又は名称】鷲頭 光宏

(74)【代理人】

【識別番号】100121681

【弁理士】

【氏名又は名称】緒方 和文

(72)【発明者】

【氏名】笠島 多聞

(72)【発明者】

【氏名】大川 秀一

(72)【発明者】

【氏名】小須田 正則

(72)【発明者】

【氏名】竹村 泰司

(72)【発明者】

【氏名】スコ バグース トリスナント

【テーマコード（参考）】

2G017

4C127

【Ｆターム（参考）】

2G017AA02

2G017AA08

2G017AA15

2G017AB07

2G017AD51

2G017BA03

2G017BA09

2G017BA10

2G017CC02

4C127AA10

(57)【要約】

【課題】計測対象物を励磁することによって生じる磁化変化を検出するタイプの磁気計測装置において、励磁コイルに流す電流の電流値及び周波数を低減する。
【解決手段】磁気計測装置１は、磁性体Ｐを含む計測対象物に交流励磁磁界を印加することにより磁性体Ｐの磁化変化を線形応答させる励磁コイルＣ１と、磁性体Ｐの磁化変化によって生じる１次交流検出磁界を検出することにより１次検出信号Ｓ１を生成する検出コイルＣ０と、１次検出信号Ｓ１に基づいて２次交流検出磁界を生成する磁界発生コイルＣ２と、２次交流検出磁界を検出することにより非正弦波成分を含む２次検出信号Ｓ２を生成する磁気センサ１６とを備える。これにより、磁性体Ｐの磁化変化を非線形応答させることなく、非正弦波成分を含む２次検出信号Ｓ２を得ることができることから、励磁コイルに流す電流の電流値及び周波数を低減できる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

磁性体を含む計測対象物に交流励磁磁界を印加することにより、前記磁性体の磁化変化を線形応答させる第１のコイルと、
前記磁性体の磁化変化によって生じる１次交流検出磁界を検出することにより、１次検出信号を生成する第１の磁気センサと、
前記１次検出信号に基づいて２次交流検出磁界を生成する第２のコイルと、
前記２次交流検出磁界を検出することにより、非正弦波成分を含む２次検出信号を生成する第２の磁気センサと、を備えることを特徴とする磁気計測装置。

【請求項2】

前記第１の磁気センサに印加される前記交流励磁磁界をキャンセルする第３のコイルをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の磁気計測装置。

【請求項3】

前記２次検出信号の高調波成分を検出する信号処理回路をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気計測装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は磁気計測装置に関し、特に、磁気粒子イメージングに用いることが可能な磁気計測装置に関する。

【背景技術】

【0002】

計測対象物を励磁することによって生じる磁化変化を検出するタイプの磁気計測装置として、磁気粒子イメージング装置が知られている（非特許文献１参照）。磁気粒子イメージング装置は、磁気粒子を含む計測対象物に交流励磁磁界を印加する励磁コイルと、励磁された磁気粒子の磁化変化によって生じる交流検出磁界を検出する磁気センサとを備えている。磁気センサには、交流検出磁界だけでなく交流励磁磁界も印加されるが、磁気粒子の磁化変化を非線形応答させることにより、磁気センサの出力信号に含まれる検出信号成分と励磁成分（ノイズ成分）を信号処理によって分離することができる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【非特許文献1】B. Gleich and J. Weizenecker, Nature, 435, 1214 (2005)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、磁気粒子などの磁性体の磁化変化を非線形応答させるためには、非常に強い交流励磁磁界を計測対象物に印加する必要がある。しかも、非線形応答させた磁化変化を高感度に検出するためには、交流励磁磁界の周波数を例えば２０ｋＨｚ以上の高周波に設定する必要もある。このため、人体のように計測対象物がある程度大きなサイズを有する場合には、励磁コイルに極めて大きな高周波電流を流す必要があり、現実的ではなかった。

【0005】

したがって、本発明は、計測対象物を励磁することによって生じる磁化変化を検出するタイプの磁気計測装置において、励磁コイルに流す電流の電流値及び周波数を低減することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明による磁気計測装置は、磁性体を含む計測対象物に交流励磁磁界を印加することにより磁性体の磁化変化を線形応答させる第１のコイルと、磁性体の磁化変化によって生じる１次交流検出磁界を検出することにより１次検出信号を生成する第１の磁気センサと、１次検出信号に基づいて２次交流検出磁界を生成する第２のコイルと、２次交流検出磁界を検出することにより非正弦波成分を含む２次検出信号を生成する第２の磁気センサとを備えることを特徴とする。

【0007】

本発明によれば、第１の磁気センサによって生成した１次検出信号を再度磁界に変換し、この磁界を第２の磁気センサによって検出していることから、磁性体の磁化変化を非線形応答させることなく、非正弦波成分を含む２次検出信号を得ることができる。これにより、第１のコイルに流す電流の電流値が小さく且つ周波数が低くても、磁性体の磁化変化を高感度に検出することが可能となる。

【0008】

本発明による磁気計測装置は、第１の磁気センサに印加される交流励磁磁界をキャンセルする第３のコイルをさらに備えていても構わない。これによれば、１次検出信号に含まれるノイズ成分を低減することが可能となる。

【0009】

本発明による磁気計測装置は、２次検出信号の高調波成分を検出する信号処理回路をさらに備えていても構わない。これによれば、２次検出信号に含まれるノイズ成分を除去することが可能となる。

【発明の効果】

【0010】

このように、本発明によれば、計測対象物を励磁することによって生じる磁化変化を検出するタイプの磁気計測装置において、励磁コイルに流す電流の電流値及び周波数を低減することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、本発明の一実施形態による磁気計測装置１の構成を説明するための模式図である。

【図2】図２は、磁性体Ｐの磁化変化を説明するための模式図である。

【図3】図３は、磁気センサ１６の回路図である。

【図4】図４は、磁性体Ｐの磁化変化を説明するための模式的なグラフであり、縦軸が磁化Ｍ、横軸が磁界Ｈを示している。

【図5】図５は、２次検出信号Ｓ２の変化を説明するための模式的なグラフであり、縦軸が電圧Ｖ、横軸が磁界Ｈを示している。

【図6】図６は各信号の波形を示すグラフであり、（ａ）は交流励磁電流ｉ１の波形、（ｂ）は１次検出信号Ｓ１の波形、（ｃ）は２次検出信号Ｓ２の波形、（ｄ）～（ｈ）は２次検出信号Ｓ２に含まれる３次高調波、５次高調波、７次高調波、９次高調波及び１１次高調波の波形を示している。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

【0013】

図１は、本発明の一実施形態による磁気計測装置１の構成を説明するための模式図である。

【0014】

本実施形態による磁気計測装置１は、計測領域Ａに位置する計測対象物内の磁性体Ｐを検出する装置であり、図１に示すように、傾斜直流磁界φを生成する磁石１１，１２と、励磁コイルＣ１に接続された励磁回路１３と、磁性体Ｐの磁化変化によって生じる１次交流検出磁界を検出する検出コイルＣ０とを備えている。磁性体Ｐは、ナノサイズである磁性ナノ粒子であっても構わない。磁性体Ｐとして磁性ナノ粒子を用いれば、計測対象物を人体とすることが可能である。

【0015】

磁石１１，１２は、計測領域Ａにおける傾斜直流磁界φの強度がほぼゼロとなるよう、Ｓ極又はＮ極が向かい合うように配置されている。磁石１１，１２の代わりにコイルを用いても構わない。また、計測領域Ａを空間的に移動させる機構を有していても構わない。励磁回路１３は、励磁コイルＣ１に交流励磁電流ｉ１を流す回路であり、これにより、計測領域Ａには交流励磁磁界が印加される。交流励磁電流ｉ１の波形は正弦波である。後述するように、交流励磁磁界の強度は、計測領域Ａに位置する磁性体Ｐの磁化変化が線形応答する強度に設定される。線形応答とは、磁性体Ｐが非飽和領域で磁化変化することを意味する。したがって、磁化変化が完全に直線的である場合に限らず、非飽和領域で磁化変化する限り、多少の非線形成分が含まれていても構わない。

【0016】

図２は、磁性体Ｐの磁化変化を説明するための模式図である。

【0017】

図２（ａ）に示す例では、磁性体Ｐに励磁磁界を印加すると、所定の方向に磁化Ｍを有する磁性体Ｐ自体が回転し、その結果、磁化Ｍの方向が変化する。また、図２（ｂ）に示す例では、磁性体Ｐに励磁磁界を印加すると、磁性体Ｐの内部の磁化Ｍが回転する。これらのいずれの場合であっても、磁性体Ｐに励磁磁界を印加することにより、磁性体Ｐの磁化Ｍの方向が変化する。また、励磁磁界の印加により、図２（ａ）に示す磁性体Ｐ自体の回転と、図２（ｂ）に示す磁性体Ｐの内部の磁化Ｍの回転の両方が生じても構わない。本実施形態においては、磁性体Ｐに励磁磁界を印加することによる磁化Ｍの方向の変化を「磁化変化」と定義する。

【0018】

磁性体Ｐの磁化変化は、１次交流検出磁界を発生させる。１次交流検出磁界は、第１の磁気センサである検出コイルＣ０によって検出され、１次検出信号Ｓ１が生成される。本実施形態においては、１次交流検出磁界を検出する磁気センサとして検出コイルＣ０を用いているが、１次交流検出磁界を検出する磁気センサがこれに限定されるものではなく、感磁素子を用いた磁気センサであっても構わない。また、交流励磁磁界は、計測領域Ａの外側に存在する磁性体Ｐにも印加されるが、計測領域Ａの外側の領域は、所定の強度を有する傾斜直流磁界φによって磁化Ｍの方向が固定されているため、磁化変化は実質的に生じない。このため、検出コイルＣ０は、計測領域Ａに位置する磁性体Ｐの磁化変化を選択的に検出することができる。

【0019】

また、検出コイルＣ０に印加される交流励磁磁界は、キャンセルコイルＣ３によってキャンセルされる。キャンセルコイルＣ３には、補償回路１４によってキャンセル電流ｉ３が流れ、これにより、検出コイルＣ０に印加される交流励磁磁界が打ち消される。但し、検出コイルＣ０に印加される交流励磁磁界を完全に打ち消すことは困難であり、１次検出信号Ｓ１には交流励磁磁界に起因する若干のノイズ成分が重畳する。

【0020】

１次検出信号Ｓ１はアンプ回路１５に入力される。アンプ回路１５は、差動アンプやフィルタ回路などを含むアナログ回路であり、１次検出信号Ｓ１に基づいて磁界発生コイルＣ２に交流検出電流ｉ２を供給する。これにより、磁界発生コイルＣ２からは２次交流検出磁界が発生する。ここで、アンプ回路１５はアナログ回路であることから遅延はほとんど生じず、１次交流検出磁界に応じてほぼリアルタイムに２次交流検出磁界が生成される。２次交流検出磁界は、第２の磁気センサ１６によって検出され、２次検出信号Ｓ２が生成される。

【0021】

図３は、磁気センサ１６の回路図である。

【0022】

図３に示すように、磁気センサ１６は、フルブリッジ接続された感磁素子２１～２４によって構成されている。感磁素子２１～２４としては、ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果）素子やＧＭＲ（巨大磁気抵抗効果）素子、ＡＭＲ（異方性磁気抵抗効果）素子などの磁気抵抗効果素子や、ホール素子、ＭＩ（磁気インピーダンス）素子など、低周波においても感度が高く、磁気飽和する素子を用いることができる。そして、磁気センサ１６は、感磁素子２１，２２と感磁素子２３，２４に対して、磁界発生コイルＣ２から生じる２次交流検出磁界が互いに逆方向に印加されるよう構成される。これにより、磁気センサ１６からは、２次交流検出磁界に応じた２次検出信号Ｓ２が出力される。磁気センサ１６としては、４つの感磁素子をフルブリッジ接続したものに限らず、２つの感磁素子をハーフブリッジ接続したものや、単一の感磁素子を用いたものであっても構わない。

【0023】

２次検出信号Ｓ２は、アンプ１７を介して信号処理回路１８に供給される。信号処理回路１８は、２次検出信号Ｓ２に含まれる高調波成分を抽出することによって３次検出信号Ｓ３を生成する。３次検出信号Ｓ３は、本実施形態による磁気計測装置１の最終的な出力信号であり、計測領域Ａに位置する磁性体Ｐの磁化変化を示している。そして、３次検出信号Ｓ３を画像化する画像化装置を用いれば、磁気粒子イメージング装置を構成することが可能となる。

【0024】

以上が本実施形態による磁気計測装置１の構成である。次に、本実施形態による磁気計測装置１の動作について説明する。

【0025】

まず、励磁回路１３は、計測領域Ａに位置する磁性体Ｐの磁化変化が線形応答するよう、励磁コイルＣ１に交流励磁電流ｉ１を流す。つまり、励磁コイルＣ１に供給される交流励磁電流ｉ１は、磁性体Ｐの磁化変化を非線形応答させるために必要な電流量よりも十分に小さい電流量に設定される。

【0026】

図４は、磁性体Ｐの磁化変化を説明するための模式的なグラフであり、縦軸が磁化Ｍ、横軸が磁界Ｈを示している。

【0027】

図４に示すように、磁界Ｈの振幅をＨ１に設定すると、磁性体Ｐの磁化Ｍが飽和し、磁性体Ｐの磁化Ｍは磁化ｍ１と磁化ｍ２の間で非線形応答する。この場合、１次検出信号Ｓ１に含まれる検出信号成分は非正弦波となる。ここで、計測対象物が人体サイズである場合、磁性ナノ粒子からなる磁性体Ｐの磁化Ｍを非線形応答させるためには、約６ｍＴの強力な磁界が必要となる。一方、磁界Ｈの振幅をＨ２（＜Ｈ１）に設定すると、磁性体Ｐの磁化Ｍは非飽和領域で変化するため、磁化ｍ３と磁化ｍ４の間で線形応答する。この場合、１次検出信号Ｓ１に含まれる検出信号成分は正弦波となる。

【0028】

このように、交流励磁電流ｉ１の電流量は、磁性体Ｐの磁化変化が線形応答する電流量に抑えられることから、磁性体Ｐの磁化変化を非線形応答させる場合と比べ、交流励磁電流ｉ１の電流量が大幅に低減される。ここで、計測対象物が人体サイズである場合、磁性ナノ粒子からなる磁性体Ｐの磁化Ｍを線形応答させるための磁界は、例えば０．１ｍＴで足りる。つまり、磁性体Ｐの磁化変化を非線形応答させる場合の１／１０以下の電流量となる。

【0029】

このように、本実施形態においては、励磁コイルＣ１によって磁性体Ｐの磁化変化を線形応答させていることから、検出コイルＣ０によって生成される１次検出信号Ｓ１のうち、１次交流検出磁界に起因する検出信号成分は正弦波となる。１次検出信号Ｓ１には、キャンセルし切れていない交流励磁磁界に起因するノイズ成分も含まれている。但し、ノイズ成分は、キャンセルコイルＣ３によって十分に抑えられているため、そのレベルは十分に小さく、検出信号成分が支配的である。１次検出信号Ｓ１は、アンプ回路１５によって交流検出電流ｉ２に変換され、これにより磁界発生コイルＣ２からは２次交流検出磁界が発生する。２次交流検出磁界は、磁気センサ１６によって検出され、２次検出信号Ｓ２が生成される。

【0030】

図５は、２次検出信号Ｓ２の変化を説明するための模式的なグラフであり、縦軸が電圧Ｖ、横軸が磁界Ｈを示している。

【0031】

図５に示すように、２次交流検出磁界に含まれる検出信号成分の振幅はＨ３である。２次交流検出磁界のうち振幅がＨ３である成分に対しては、感磁素子２１～２４の磁気抵抗効果が飽和し、２次検出信号Ｓ２の電圧Ｖは電圧ｖ１と電圧ｖ２の間で非線形応答する。この場合、２次検出信号Ｓ２に含まれる検出信号成分は非正弦波となる。一方、２次交流検出磁界に含まれるノイズ成分の振幅はＨ４（＜Ｈ３）である。２次交流検出磁界のうち振幅がＨ４である成分に対しては、感磁素子２１～２４が非飽和領域で動作するため、２次検出信号Ｓ２の電圧Ｖは電圧ｖ３と電圧ｖ４の間で線形応答する。

【0032】

ここで、検出信号成分によって感磁素子２１～２４を非線形応答させ、ノイズ成分によって感磁素子２１～２４を線形応答させるためには、計測領域Ａに磁性体Ｐが存在しない状態、つまり、検出信号成分が含まれない状態で予備的な磁気計測動作を行い、交流励磁磁界に起因するノイズ成分によって感磁素子２１～２４が線形応答するよう、アンプ回路１５のゲインやフィルタ特性などを調整すれば良い。

【0033】

これにより、２次交流検出磁界に含まれる検出信号成分は、２次検出信号Ｓ２の非正弦波成分に変換され、２次交流検出磁界に含まれるノイズ成分は、２次検出信号Ｓ２の正弦波成分に変換される。つまり、１次検出信号Ｓ１に含まれる検出信号成分及びノイズ成分は、いずれも正弦波であるものの、磁界発生コイルＣ２を用いて再度磁界に変換し、さらに、磁気センサ１６を用いて２次検出信号Ｓ２に再変換することにより、検出信号成分とノイズ成分が非正弦波成分と正弦波成分に分離される。

【0034】

このようにして生成された２次検出信号Ｓ２は、アンプ１７を介して信号処理回路１８に供給される。信号処理回路１８は、２次検出信号Ｓ２に含まれる高調波成分を抽出することによって３次検出信号Ｓ３を生成する。上述の通り、２次検出信号Ｓ２に含まれる検出信号成分は非正弦波成分からなるため、高調波が生じる。これに対し、２次検出信号Ｓ２に含まれるノイズ成分は正弦波成分からなるため、高調波がほとんど生じない。このため、２次検出信号Ｓ２に含まれる高調波成分を検出することによって、検出信号成分を選択的に抽出することが可能となる。

【0035】

図６は各信号の波形を示すグラフであり、（ａ）は交流励磁電流ｉ１の波形、（ｂ）は１次検出信号Ｓ１の波形、（ｃ）は２次検出信号Ｓ２の波形、（ｄ）～（ｈ）は２次検出信号Ｓ２に含まれる３次高調波、５次高調波、７次高調波、９次高調波及び１１次高調波の波形を示している。また、図６（ｂ）～（ｈ）において、実線は検出信号成分を示し、破線はノイズ成分を示している。

【0036】

図６（ａ）に示すように、交流励磁電流ｉ１は正弦波である。そして、本実施形態においては、交流励磁磁界によって磁性体Ｐの磁化Ｍを線形応答させていることから、図６（ｂ）に示すように、１次検出信号Ｓ１に含まれる検出信号成分及びノイズ成分は、いずれも正弦波となる。しかしながら、本実施形態においては、磁界発生コイルＣ２及び磁気センサ１６を用いて、検出信号成分を非正弦波に変化させていることから、図６（ｃ）に示すように、２次検出信号Ｓ２に含まれる検出信号成分は非正弦波となり、２次検出信号Ｓ２に含まれるノイズ成分は正弦波となる。その結果、図６（ｄ）～（ｈ）に示すように、検出信号成分については大きな高調波が現れる一方、ノイズ成分についてはほとんど高調波が現れない。一例として、１次検出信号Ｓ１に含まれる検出信号成分及びノイズ成分の比（ＳＮ比）が９．６ｄＢである場合、２次検出信号Ｓ２に含まれる３次高調波、５次高調波、７次高調波、９次高調波及び１１次高調波のＳＮ比は、それぞれ１１．１ｄＢ、１５．３ｄＢ、１４．７ｄＢ、１３．３ｄＢ及び９．０ｄＢとなる。

【0037】

したがって、信号処理回路１８によって２次検出信号Ｓ２から所定の高調波成分を抽出すれば、磁性体Ｐの磁化変化に起因する検出信号成分を取り出すことが可能となる。このようにして抽出された検出信号成分は、３次検出信号Ｓ３として外部に出力される。

【0038】

以上説明したように、本実施形態による磁気計測装置１は、交流励磁磁界によって磁性体Ｐの磁化Ｍを線形応答させる一方、磁界発生コイルＣ２及び磁気センサ１６を用いて、検出信号成分を選択的に非正弦波に変化させていることから、交流励磁電流ｉ１の電流量を大幅に小さくすることが可能となるばかりでなく、交流励磁電流ｉ１の周波数を１０ｋＨｚ程度に下げても十分なＳＮ比を確保することが可能となる。しかも、物理デバイスを用いて１次検出信号Ｓ１を２次検出信号Ｓ２に変換していることから、１次検出信号Ｓ１を直接信号処理する場合のような遅延も生じない。これにより、人体のように比較的大きなサイズを有する計測対象物に対する磁気粒子イメージングが可能となる。

【0039】

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

【符号の説明】

【0040】

１ 磁気計測装置
１１，１２ 磁石
１３ 励磁回路
１４ 補償回路
１５ アンプ回路
１６ 磁気センサ
１７ アンプ
１８ 信号処理回路
２１～２４ 感磁素子
Ａ 計測領域
Ｃ０ 検出コイル
Ｃ１ 励磁コイル
Ｃ２ 磁界発生コイル
Ｃ３ キャンセルコイル
Ｐ 磁性体
Ｓ１ １次検出信号
Ｓ２ ２次検出信号
Ｓ３ ３次検出信号
ｉ１ 交流励磁電流
ｉ２ 交流検出電流
ｉ３ キャンセル電流
φ 傾斜直流磁界

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】