JP4386644B2 - 磁場による処置装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、包括的には、磁場による処置装置および方法に関し、特に、処置すべき組織中のスピンおよび／または磁気モーメントに影響を及ぼすことに関する。

非侵襲的処置方法が、医学においてますます新規な応用分野を見出しつつある。本願発明に関し、外部磁場による治療処置装置および方法が特に言及されるべきである。今までのところ、このような療法の正確な作用機序は詳細には理解されていないが、それらの治療的成功が科学的に証明され、一般的に認識されている。既知の磁場療法の結果の研究は、例えば「Orthapadische Praxis」8/2000, [Orthopedic practice] year 36、５１０〜５１５ページ、およびFritz Lechner著「Elektrostimulation und Magnetfeldtherapie. Anwendung, Ergebnisse und Qualitatssicherung」1989 [「Electrostimulation and magnetic field therapy. Use, results and quality assurance」に見出される。

特に、いくつかの症例の患者に適用した磁場療法が、確認し得る有意な負の副作用なしに徴候および症状が相当改善するというような調査結果が見出されている。磁場療法のもう１つの主要な利点は、患者にとって相当の苦痛、危険および費用を伴う手術が場合によっては完全に避けられるかもしれないことである。

したがって、例えば、欧州特許出願公開ＥＰ ０ ６６１ ０７９ Ａ１は、多数の磁場発生器を有する磁場療法機器を開示している。
ＥＰ ０ ３９２ ６２６ Ａ２も同様に、磁場療法用機器を記載している。この機器は、多数のコイルを含み、それらのコイルは、比較的一様な場を実現するために、磁場ができるだけ遠方にあって重なり合わないように配置される。
したがって、ＥＰ ０ ６６１ ０７９ Ａ１およびＥＰ ０ ３９２ ６２６ Ａ２に記載されている２つの装置は、磁場の直接的効果により処置を成功させようと試みる装置に関するものである。
さらに、ドイツ特許ＤＥ ４０ ２６ １７３は、患者を処置するためにパルス変調磁場を生成する装置を開示している。この場合、生体組織が、定磁場と交番磁場の重ね合わせとして生成される磁場を受ける。

パルス磁場は通常、コイルを流れるパルス電流によって生成される。しかし、このようなコイル内にあるパルス磁場は、大量のエネルギーを必要とし、高度の慣性を有する。というのは、コイルのインダクタンスが場の変化率を低下させるからである。

この磁場療法の治癒効果としては、とりわけ、骨粗鬆症の軽減および卒中の予後の改善がある。この場合おそらく、印加される磁場が輸送および／または代謝過程を促進して正の治療効果につながっていると思われる。今までのところ、正の治療効果は、場と細胞成分（プロトン、イオン等）の間のエネルギー交換によって生じると想定されている。この場合、エネルギー輸送は、生体内のイオンサイクロトロン共鳴（ＩＣＲ）の刺激および／または吸収によって説明されており、したがって適当なＩＣＲ条件が探索されている。このため、既知の装置はＩＣＲ条件の生成に基づいている。

しかし、この因果的説明は一部の状況では疑わしいと思われる。というのは、サイクロトロン共鳴は一般的に、例えば真空中や半導体の伝導帯中の電子の場合のように自由粒子についてのみ起こるからである。さらに、簡単な計算を用いると、サイクロトロン運動は、人体の断面の平均直径より実質的に大きい半径の軌道上で起こるであろうということを示すこともできる。このことは、サイクロトロン共鳴に対するエネルギー輸送に関する説明が、特に固体組織の場合には疑わしいかもしれないことを意味する。

また、その効果が体内のピエゾ電気過程に基づいている可能性もある。この説明手法は、あらゆる身体関節の周りには電場があり、軟骨がピエゾ電気特性を有するため、健康な状態では、あらゆる運動がピエゾ電圧を生じるという仮定に基づいている。不健康な状態では、これらのピエゾ電圧は誘導電圧によって刺激され得る。これに関連しては、Christian Thuile著「Das groBe Buch der Magnetfeldtherapie」Linz 1997 [The Big Book on magnetic field therapy]も参照されたい。

処置すべき体内にスピン共鳴を生成する、磁場による生体の処置用のもう１つの装置が、同一出願人による国際公開明細書ＷＯ ９９／６６９８６に開示されている。しかし、国際公開明細書ＷＯ ９９／６６９８６に記載されているこの装置は、イオン性部分が存在するかどうかにかかわらずすべての生体物質中で磁場による特定の再現性のある処置を実行することに実質的に基づいている。引用した装置は、スピン共鳴およびスピン共鳴シーケンスの生成によって正の治療効果を達成する。しかし、この場合、核磁気共鳴もまた特にエネルギー輸送のために使用される。

他の技術分野において、いくつかの核磁気共鳴法（いわゆるＮＭＲ法）が既に長期にわたり知られている。それらの方法は、特に医学的診断のために、そして一般的に高精度磁場測定のために使用されている。後者の応用に関しては、例えば「Virginia Scientific FW101 Flowing Water NMR Teslameter」を参照されたい。この機器の説明は
www.gmw.com/magnetic-measurements/VSI/FW101.html.
に見出される。

治療医学用の既知の装置は一般的に、磁場を発生し変動させるための大型のコイルシステムを備えることも言及されなければならない。しかし、これらのコイルシステムはインダクタンスが高く、そのためスイッチング時定数が長くなり、エネルギー消費量が大きくなる。しかし、長いスイッチング時間は、体内の動的過程に関する効率が悪くなって不利である。

さらに、コイルシステムは通常、例えば上肢や下肢のような身体部分を挿入することができる開口を有するように設計される。その結果として、既知の装置は比較的不格好であり、それらを保管および運搬する可能な方法に関して欠点を有する。それは別にしても、場合により、それらの装置は患者にとって不便である。さらに、ほとんどの既知の装置に必要なエネルギーは非常に高い。というのは、コイルシステムが強磁場を生成するためである。

さらに、装置が作用する肉体的・生理的方法に関して、およびそれらの装置によって体内に開始される過程に関しては依然としていくつかの未解決な問題がある。しかし、従来、それらの装置が動作する方法について詳細な知識がないため、その動作に対する最適化された設計および最適なパラメータを決定するには常に困難が伴った。

したがって、本発明の１つの目的は、磁場による処置のための改善された装置および改善された方法を提供することである。

本発明のもう１つの目的は、身体における運動によって、特に身体における磁気モーメントの自然な挙動によって生成される電磁刺激を、地球磁場中での運動中に人工的にモデリングまたはシミュレートすることができる装置および方法を利用可能にすることである。

本発明のもう１つの目的は、短いスイッチング時定数を可能にしエネルギー消費の少ない装置および方法を利用可能にすることである。

本発明のもう１つの目的は、容易に運搬および保管することができ、患者にとって便利であり、特に低コストで製造することもできる、磁場による処置用の装置を利用可能にすることである。

本発明の目的は、まさに請求項１、１６および３７の対象によって、驚くほど簡単な方法で達成される。有利で好ましい発展形態が従属請求項の対象である。

本発明は、磁場による処置に由来する正の治療効果がスピン共鳴信号による運動シミュレーションにさかのぼって突き止めることができるという極めて驚くべき知見に基づいている。

磁気モーメント、例えば電子および核スピンモーメントは、ヒト、動物または他の生体内ではちょうど地球磁場と整列して巨視的磁化を生成し得る。身体部分の運動があると、この磁化の方向の小さい変化につながる。磁化方向が地球磁場方向と平行に整列していない場合、磁化は地球磁場中で約２０００Ｈｚの周波数で歳差運動し、環境中に同一周波数で交番電圧を誘導する。この誘導電圧は外部コイルを用いて測定可能であり、ミリボルト範囲にある。しかし、体内の誘導電圧のほうが、距離が短いためにかなり高い。ヒト神経系はこの電圧を記録して運動を識別する。その結果として、筋肉の伸縮にエネルギーが要求されるために代謝が活性化される。

種々の衰弱が患者の運動およびその代謝を制限する。本発明による装置および方法は、スピンと、スピンによって生成される巨視的組織磁化の所定の意図的回転を引き起こす。体内で地球磁場により自然に生成されるスピン共鳴に関して、生物は、実際には起きていない運動が起きていると思わされる。これを行うため、本発明による装置は、スピンおよび／または磁化の配列を変動させる好適な磁場を生成して、これが処置領域に配置された身体領域の運動を刺激するようにする。これに関連しては、とりわけ、本発明の使用により、骨粗鬆症に対する療法において非常に良好な処置の成功を達成することが可能となっている。

本発明の第１実施形態は、本発明による磁場による処置用の装置が、それぞれ第１および第２磁場を生成する第１および第２機器と、台、特に、処置すべき患者の身体領域または患者全体を載せる、および／または支えるマットとを備えることを特徴とする。この場合、マット等の台が、それぞれ第１および第２磁場を生成する第１および第２機器が好ましくはその間に配置される上面および下面を画定する。この配置は、非常にコンパクトな、特に非常に平坦な構成を可能にする。

第１および第２磁場を生成する機器が配置されるマットに加え、処置カウチ（例えば、診察台）また処置スツール（例えば、診察用足のせ台）を台として用いてもよい。さらに、患者の上に、または処置すべき組織の上に配置されるシステムも可能である。例として、台は、患者の身体部分、特に頭部の周りに配置することができ、患者の頭部を支えて配置される多重ウィング構成を備えてもよい。この装置は、例えば、２個以上のウィングを備え、各ウィングのサイズは、患者の両耳の周りまたは顎の周りに配置することができるようにする。特に、この形態の台では、それぞれ第１および第２磁場を生成する第１および第２機器は、２個以上またはすべてのウィングに組み込まれてもよい。

さらに、台は、例えば下肢または上肢の周りに配置することができるすね当ての形態であってもよい。

いくつかの応用例では、カバーを備える台も有利であるかもしれない。例えば、とりわけウマのような動物の処置には、処置のために動物を覆うカバーを配置してもよい。

請求項１〜１４のいずれか１項に記載の装置は、台が、処置カウチおよび／または処置スツールおよび／または患者の身体部分、特に頭部の周りに配置することができる多重ウィング配置、および／またはすね当ておよび／またはカバーを備えることを特徴とする。

したがって、上記の例から明らかなように、台の形状および状態に限定はなく、適宜目的に合わせることができる。

患者の組織中の原子核は、磁場中のスピン共鳴周波数を規定し、または当該周波数を有する。この場合、共鳴周波数は磁場の場の強さに関連づけられる。例えば、水素原子には次式が成り立つ：
Ｆ［ｋＨｚ］＝４．２２５×Ｂ［ガウス］
ここでＦはキロヘルツ単位の核磁気共鳴周波数であり、Ｂはガウス単位の磁場の強さである。例えば、磁場が４ガウスの場合、核磁気共鳴周波数は１６．９ｋＨｚである。

第２機器は好ましくは交流磁場を生成するように設計される。この場合の第１および第２磁場を生成する２個の機器は、特に、核磁気共鳴を生成する古典的配置である。この場合、第２磁場は好ましくはスピン共鳴周波数で振動する。スピン共鳴周波数は、体内の粒子、元素または化合物の性質によって、および第１磁場の強さによって実質的に規定される。生成されるスピン共鳴周波数は好ましくは１ｋＨｚと１ＭＨｚの間にあり、特に好ましくは２ｋＨｚと２００ｋＨｚの間にあり、最も好ましくは約１００ｋＨｚの領域にある。

第１および第２機器がマットの面に平行な平面内に配置される好ましい実施形態が特に有利である。この場合、第１および／または第２機器は好ましくは完全にマット内に、その上面と下面の間に配置することができる。これにより、患者が処置のためにマット上に単に横臥するという、特に簡単で実用的な実施形態が得られる。この平面内の配置は平面形状も提供するが、それにもかかわらず、互いに直交する磁場を処置領域に生成することができる。

好ましい一実施形態によれば、マットを２つ以上のセクションに細分することによって１回以上折り畳むことができる場合には、装置を特に容易に保管および運搬することができる。この場合、第１および第２機器は好ましくはマットの同一セクションに収容される。マットは好ましくは厚さ約３〜１０ｃｍ、幅７０ｃｍ、そして長さ２１０ｃｍで、例として２回折り畳まれると、約９〜３０ｃｍ×７０ｃｍ×７０ｃｍという寸法が達成される。

第２機器は好ましくはトロイダルコイルを備える。これは、巻線が走るコイル面と、そのコイル面と直角をなすコイル軸とを画定する。当業者には明らかなように、コイル軸方向の磁場が実質的にコイルの中心に生成される。コイル軸方向に、コイルすなわち第２機器は５０ｃｍ未満、好ましくは２０ｃｍ未満、特に好ましくは１０ｃｍ未満、最も好ましくは約２ｃｍと６ｃｍの間の広がりを有する。コイルすなわち第２機器は、半円形端部領域がコイル面内にある円形ないし長円形または細長い形状を有する。特に、コイル軸方向のコイルの広がりは、好ましくはコイル面の広がりより小さく、その少なくとも２分の１または特に好ましくは少なくとも５分の１よりも小さい。その特別の形状は、特に、平坦なマットに完全に収容されることを可能にし、同時に極めて有効な磁場を生成するが、これは一般に既知の大型コイル配置では可能でない。

第１機器は好ましくは少なくとも１個、２個、３個または特に好ましくは４個のコイルを備え、これらの各コイルは好ましくは、例えばフェライト材料からなる固定磁石と組み合わされる。これにより、有利に、フェライト材料を通る強い一定の基本磁場が生成されるとともに、それに重ね合わされる時間変動する追加磁場がコイルにより生成される。

したがって、比較的小さいコイルおよび少ないエネルギー消費で、同時に有効な磁場を扱うことが可能である。

好ましい一発展形態では、それぞれ第１および第２磁場を生成する第１および第２機器は、マット表面の平面および第２機器のコイル面に平行な平面内に配置される。第１機器が２個以上のコイルおよび／または固定磁石を有する場合、第２機器は好ましくはそれらの間の中央に配置される。

特に、処置磁場は、第１および第２磁場の少なくとも１つの重ね合わせを含む。特に患者が処置のために配置され、または横臥しているマット表面上方の処置領域において、第１機器によって生成される磁力線は、マット表面に対して実質的に平行もしくは少なくとも０°から３０°までもしくは０°から４５°までの範囲の鋭角をなし、および／または第２機器の磁力線に対して直角もしくは少なくとも４５°もしくは６０°から１２０°もしくは１３５°までの範囲の鈍角をなして進む。第２磁場は、マット表面に対して、好ましくは３０°〜１５０°の範囲、特に好ましくは４５°〜１３５°の範囲、そして特に好ましくは６０°〜１２０°の範囲、そして最も好ましくは実質的に直角の角度をなして進む。

本発明の一実施形態では、スピンまたはスピンにより生成される巨視的磁化の配列が処置磁場の変動により時間変動して、地球磁場中で処置領域に配置されている身体領域の運動をシミュレートすることを可能にするように、処置磁場を時間変動させることができる。

好ましくは、第１磁場は、好ましくは固定磁石すなわちフェライトにより生成される好ましくは一定の第３磁場と、好ましくは時間変動し好ましくは固定磁石に関連する補助コイルにより生成される第４磁場との、実質的に平行な重ね合わせ、または他の方向における平行な重ね合わせを含む。この場合、第３磁場の強さは好ましくは０．５ガウス〜５００ガウスであり、好ましくは１０ガウス〜５０ガウスであり、特に好ましくは２３ガウス〜２４ガウスの範囲にある。第４磁場は、変調磁場と呼んでもよいが、周期的に、好ましくは規則的に、好ましくは−１０ガウスと＋１０ガウスの間、好ましくは−１ガウスと＋１ガウスの間、特に好ましくは−０．５ガウスと＋０．５ガウスの間で振動する。最後のものはおよそ地球磁場の強さに対応する。当業者には明らかなように、第３磁場は一定の基本場を表し、第４磁場は第１磁場の振幅変調を表す。

第４磁場は好ましくは、約０ガウスに関して対称な三角形または鋸歯状の波形振動を描き、第１磁場が第３磁場すなわち一定の基本場の値の周りで振動するようにする。その結果、第１磁場が好ましくは三角波形で振幅変調される。数学的共鳴条件はこの場合、第４磁場が消失する点で正確に満たされる。第３磁場の強さはこの場合、第４磁場の最大強さの少なくとも４倍、１０倍または２０倍の大きさである。

ここで第２磁場が、交流磁場として、第３磁場中の組織内の粒子のスピン共鳴周波数に対応する周波数で、第１磁場に実質的に直角に入射する場合、これは、いわゆる高速断熱過程を作り出す配置に対応する。

第２磁場すなわち交流磁場は好ましくは、第１磁場の立上りおよび立下り側面の期間中に異なる強度を有する。第２磁場は特に好ましくは、第１磁場の立下り側面の期間中に入射し、立下り側面の期間中にスイッチオフされ、またはその逆も同様である。その結果として、第２磁場の「オン時間」中のスピンまたは巨視的磁化は基本場の方向から離れるように断熱的に回転し、第２磁場の「オフ時間」中に再び緩和して戻る。

したがって、第４磁場、すなわち第１磁場の振幅変調の周波数は、好ましくは組織内の粒子のスピン格子緩和時間に一致する。これにより、第１磁場の変調の好ましい持続時間は１ｍｓ〜１０ｓ、好ましくは１０ｍｓ〜１ｓ、特に好ましくは２００ｍｓの領域となる。

高速断熱過程用配置の別法として、第２磁場すなわち交流磁場は、短いパルス、例えばいわゆる９０パルスまたは１８０°パルスとして入射する。

本発明は、好ましい実施形態を用いて以下の本文で、図面を参照してさらに詳細に説明される。

発明の詳細な説明

核磁気共鳴は、その過程で身体を動かすことなく、体内の磁化方向を変動させることを可能にする。というのは、誘導される核磁気共鳴電圧が体自体の運動過程をシミュレートするからである。したがって、本発明による装置および方法は、代謝をシミュレートまたは加速する療法を実行するために使用可能である。

図１ａおよび図１ｂは、本発明の第１実施形態を示している。ここで、図示されている寸法は単に例としてのものとみなすべきである。本発明による装置１はマット１０を備える。マット１０は、３つのセクションに細分されており、折り畳むことが可能であり、その中央セクション１２のみが図示されており、図の面内に広がっている。図の面と直角をなし、平坦なトロイダルコイル１４の形態の第２機器が、可撓性材料、例えばフォーム材料からなる緩衝材１６中に第２磁場を生成するために、マット１０のセクション１２に埋め込まれている。トロイダルコイルすなわち伝送コイル１４は、図の面内に広がり、幅が約Ｂ＝３５０ｍｍ、高さが約Ｈ＝５５０ｍｍで、ヘッドエンド１４ａ、１４ｂがそれぞれ半円形となるように設計されている。図の面と直角をなす方向のコイルの長さは約Ｌ＝５２ｍｍである。コイルの断面は、長さＬおよび断面方向の幅約ＱＢ＝７５ｍｍによって画定される。マットの厚さは約Ｄ＝１３２ｍｍであり、トロイダルコイルはマットの中央に配置され、緩衝材１６（これは約４０ｍｍでもある）がそれぞれマットの上面と下面の間に配置されるようになっている。第１磁場を生成するために、コイルの左側および右側にそれぞれ２個の機器２２、２４、２６、２８がある。これらはそれぞれ、固定磁石３２、３４、３６、３８と、それぞれマット面内で固定磁石を包囲する補助コイル４２、４４、４６、４８とを備える。各機器２２、２４、２６、２８は高さが約２００ｍｍであり、幅が約１００ｍｍであり、図の面と直角をなす方向の長さＬが約５２ｍｍである。機器２２、２４、２６、２８はそれぞれ、トロイダルコイル１４から幅方向に約５０ｍｍ離れ、２個の機器２２および２４は、２６および２８とともに、それぞれ垂直方向に互いに隣接している。

９０°核磁気共鳴信号パルス化方法
上記で既に述べたように、本発明の第１実施形態はパルス化方法を使用する。これについて以下の本文で詳細に説明する。

われわれの体の分子または巨大分子複合体は主として、例えば水（Ｈ_２Ｏ）や有機分子（例えばＣＨ_２またはＣＨ_３中の）中の水素原子からなる。水素の核またはイオンはプロトンである。プロトンは磁気モーメントおよびスピン（見かけ上はトルク）を有し、それらの間の比はγ（磁気回転比）である。プロトンの場合、γ＝２．６７５２２・１０^８Ｔ^−１ｓ^−１である。定常状態の磁場Ｂ_０、例えば地球磁場が、時定数Ｔ_１で時間とともに指数関数的に変化する巨視的磁化Ｍ（ｔ）を生成する。これは次式で定義される。
Ｍ（ｔ）＝Ｍ_０（１−ｅ^{−ｔ／Ｔ１}）
ここで
Ｍ_０＝χＢ_０
であり、Ｔ_１はスピン格子緩和時間であり、Ｍ_０は磁化の漸近値である。立上り後に一定である磁場Ｂ_０の急激な印加によって生成される磁化Ｍ（ｔ）の時間プロファイルを図２に示す。ヒト組織中のプロトンまたは水素の場合、
Ｔ_１＝１０ｓ〜１０^−３ｓ
である。

治療処置の前に、スピン格子緩和時間を求めるために、好ましくはスピンエコー測定が実行される。

巨視的磁化Ｍは、図３に示すように、印加される磁場Ｂ＝Ｂ_０に対して漸近的に平行に整列する。図３は、直角右手座標系ＸＹＺも示している。これは、以下の解析に対する配向の基礎として使用される。

微視的には、量子力学によって要請されるように、すべてのプロトンスピンはＢ_０の周りに周波数ｆ_０で歳差運動を行う。この周波数はラーモア周波数と呼ばれる。ラーモア周波数ｆ_０は次のように求められる。

これから、地球磁場中、すなわちＢ_０＝０．５ガウス＝５・１０^−５Ｔの場合、

となる。

結果として、地球磁場中では、プロトンのラーモア周波数は約２ｋＨｚとなる。ラーモア周波数は、化学結合によってもほんのわずかに変動する。

図５は、２３．５ガウススペクトロメーターを用いて５００ｍｌの水を１００ｋＨｚでスピンエコー測定することにより、ラーモア周波数の実験的検証をしたオシロスコープ印刷出力を示している。９０°パルスおよび１８０°パルスを入射してスピンエコーを検出している。図６〜図８は、第１磁場Ｂ＝２３．２ガウス、２３．４ガウスおよび２３．８ガウスの場合のスピンエコーを、時間スケールを拡大して示している。第１磁場Ｂは、フェライト磁石３２、３４、３６、３８の形態の４個の固定磁石による定磁場Ｂ_０と、４個の補助コイル４２、４４、４６、４８により生成される時間変動する磁場ΔＢ_０との平行重ね合わせによって生成される。

図９は、図６〜図８からの３個の測定点を、Ｈｚ単位の相対周波数の関数としてガウス単位の磁場のグラフ形式で示している。直線は、測定点にわたる線形補間である。相対周波数は、基本場Ｂ_０＝２３．５ガウスによって規定される共鳴周波数ｆ_０からの周波数誤差を表す。

本発明による装置は、約１００ｋＨｚの周波数ｆ_ｏでの交番磁場Ｂ_１の形態で第２磁場を生成する平坦コイルすなわち伝送コイル１４を備える。この周波数は、Ｂ＝２３．５ガウスの平均磁場中でのプロトンのラーモア周波数にほぼ対応する。

この目的のために、伝送コイル１４は好ましくは、共振回路を形成するためにコンデンサに非常に簡単な方法で接続される。共振回路の共鳴周波数ｆ_ＬＣは

である。ここでＬは伝送コイル１４のインダクタンスであり、Ｃはコンデンサの静電容量である。

最初はＢ_０＝２３．５ガウスという一定の強さを有する第１磁場Ｂ中に、患者または生体組織の身体領域が配置される場合、本実施形態でＢ_０がＺ軸に平行に走る時（図３参照）には、組織の巨視的磁化ＭはＢ_０に平行な核スピンのベクトル和になる。

ここで、Ｂ_０方向から離れるように磁化Ｍを偏向させるために核磁気共鳴法が使用される。核磁気共鳴は、身体が静止していても、磁化方向を変化させる。誘導電圧は、身体が運動しているかのような効果を生じる。そこで、核磁気共鳴は代謝を刺激することによる療法を実行するために使用可能である。

いわゆる９０°無線周波数パルスを用いて磁化を９０°回転させる。磁場および磁化成分Ｍ_ｚ（ｔ）およびＭ_ｘｙ（ｔ）の時間プロファイルを図４に概略的に示す。Ｘ軸に平行に走る軸を有する伝送コイルが、回転するか、またはＸ方向に直線的に振動する無線周波数磁場Ｂ_１を発生する。巨視的磁化Ｍは、周波数ｆ_１でＸ軸の周りに正のＺ方向からＸ−Ｙ平面へと回転する。この場合、
ｆ_１＝ω_１／２π
であり、ここで
ω_１＝γＢ_１
である。

Ｍの回転角αは
α＝ω_１ｔ
である。

９０°回転、すなわちα＝π／２の場合、９０°パルスの持続時間ｔ_９０は次のように計算される。

巨視的磁化Ｍは、９０°パルスの入射後はＹ方向にある。それはω_０でＺ軸の周りで回転し、無線周波数コイル中である電圧を誘導し、これを核磁気共鳴信号として測定することができる。この信号は、時定数Ｔ_２ ^＊で指数関数的に減衰し、
Ｍ_ｘｙ＝Ｍ_０・ｅ^{−ｔ／Ｔ２＊}
である。

一様磁場Ｂの場合、 Ｔ_２ ^＊≒Ｔ_２
である。ここで、Ｔ_２はスピン−スピン緩和時間である。
あまり一様でない磁場Ｂの場合、 Ｔ_２ ^＊＜Ｔ_２ である。
液体の場合、 Ｔ_１≒Ｔ_２ である。

Ｔ_２の通常の値は次の通りである。
水道水： Ｔ_２≒３ｓ
蒸留水： Ｔ_２≒３０ｓ〜３ｍｉｎ
ヒト組織： Ｔ_２≒１０ｍｓ〜１ｓ
手の組織： Ｔ_２≒１００ｍｓ〜１ｓ

高速断熱核磁気共鳴過程
図１０ａ〜図１０ｃ、あるいは上記のパルス化方法を参照すると、磁化の特定の回転が、高速断熱過程によって達成される。これについて以下の本文で説明する。これは、第１磁場Ｂの場変動または交流磁場Ｂ_１の周波数変動によって達成される。この場合、磁化ＭをＺ軸に対して０から１８０°まで回転することができる。

Ｚ軸の周りにω_０で回転する座標系（Ｘ′Ｙ′Ｚ）において以下の磁場を定義する：
ΔＢ_０＝Ｂ−Ｂ_０ （ここでＢ_０＝ω_０／γ）
Ｂ_１ および
Ｂ_Ｒ。

この場合、Ｂ_１は、伝送コイル１４により生成される交流磁場すなわち無線周波数場であり、時刻ｔ＝ｔ_０に、座標系Ｘ′Ｙ′ＺにおいてＸ′軸に平行に走る。Ｂ_Ｒは、ＢとＢ_１の重ね合わせから生じる磁場すなわち処置磁場である。

図１０ａは、時刻ｔ_０に関する瞬間における空間内の磁場ベクトルの配列を示している。この図は、補助コイル４２、４４、４６、４８により生成され、Ｚ軸と平行に走る第４磁場ΔＢ_０のベクトルを示している。この場合、ΔＢ_０は、共鳴第３磁場Ｂ_０を上回る、または下回る、磁場Ｂのそれぞれ正または負の超過分である。このＢ_０はフェライト磁石３２、４４、４６、４８により生成され、常に正のＺ方向を向き、図１０ａ〜図１０ｃには図示していない。

磁場Ｂ（ｔ）＝Ｂ_０のみが最初に作用する場合、組織の巨視的磁化はＺ軸の方向に整列し、個別のスピンが角周波数ω_０でＺ軸の周りに歳差運動する。これは、スピンは回転座標系Ｘ′Ｙ′Ｚに対して最初は静止していることを意味する。

第３磁場ΔＢ_０および交流磁場Ｂ_１は、重ね合わされて結果として磁場Ｂ_Ｒを形成するが、ここで時刻ｔ＝ｔ_０まで増大する。交流磁場Ｂ_１（ｔ_０）のベクトルはＸ′軸の方向を向く。

交流磁場Ｂ_１は、周波数ω_０でＺ軸と実質的に直角をなして直線的に振動する。別法として、場Ｂ_１は周波数ω_０でＺ軸の周りに回転してもよい。これは、Ｘ′−Ｚ平面内の射影に関しては等価である。核スピンもまた、Ｚ軸の周りに同じ周波数ω_０で回転するので、常に交流磁場Ｂ_１と同位相である。

古典的解釈に基づくと、この配置において、合力Ｆが常に磁化またはスピンに作用し、この力Ｆは磁化ＭまたはスピンをＸ′−Ｚ平面内でＺ軸から離れるように回転させる。この回転中に、スピンは実質的に同位相で歳差運動する。この回転は、磁化方向の変化に追従するために、第４磁場すなわち変調磁場ΔＢ_０をゼロに減少させてから、再び連続的に負のＺ方向に増大させる。これにより、磁化を負のＺ軸方向に回転させること、すなわち、核の磁化を１８０°回転させることが可能となる。

図１０ｂは、ｔ_０よりも後の時刻ｔ_１における磁化Ｍおよび種々の磁場の配列を示している。磁化ベクトルＭは既にＺ軸からかなり離れたところまで回転している。

対応して、図１０ｃは、ｔ_１よりもさらに後の時刻ｔ_２に関する瞬間を示している。

運動シミュレーションの所望の効果を最大化するためには、磁化Ｍをできるだけ頻繁に回転させるべきである。この目的のため、磁場ΔＢ_０を生成する補助コイルを、三角形状、鋸歯状、または正弦波形状で、ΔＢ_０ ^ｍａｘと−ΔＢ_０ ^ｍａｘの間で、すなわちゼロの周りに対称的に移動させる。図１１の上部に、第１磁場Ｂ（ｔ）の最も好ましい三角波形変調を概略的に示している。図１０ａ〜図１０ｃからの時刻ｔ_０、ｔ_１およびｔ_２も示されている。磁場Ｂ（ｔ）が減少している時には、伝送コイルおよび交流磁場Ｂ_１は磁化を正のＺ軸から離れるように回転させるためにスイッチオンされる一方、磁場が増大する時には伝送コイルはスイッチオフされる。その結果、交流磁場Ｂ_１（ｔ）はこの例示的な実施形態による方形波形で振幅変調される。しかし、第１および／または第２磁場に対する他の変調形式、例えば正弦波振幅変調も同様に本発明の範囲内にある。図１１の下部に示されているブロック５０は、交流磁場Ｂ_１のオン時間を概略的に表している。交流磁場Ｂ_１のオフ時間中、スピンは緩和し、磁化は再び減少する。こうして、第１および第４磁場の変調周期が組織のスピン格子緩和時間と一致し、または少なくともその大きさに対応する。第１磁場の時間変動の周期は、好ましくはスピン格子緩和時間の１／１０倍〜１０倍まで、特に１倍〜３ないし５倍までである。

より高速な回転を達成するために、変調磁場ΔＢ_０の立下り側面を立上り側面より急峻にすることも本発明の範囲内に入る。

以上、断熱過程について、第１磁場Ｂ（ｔ）の変調により説明した。この過程は、一定の第１磁場Ｂ＝Ｂ_０と、交流磁場Ｂ_１の対応する周波数変化（いわゆる周波数スイープ）を用いても同様に実行することができる。

さらに、Ｙ方向の軸を有する受信コイルが、誘導された核磁気共鳴信号を検出し、その位相を感受する。この信号の時間積分は、全核磁気共鳴効果に比例し、したがって上記のように最大化される。

断熱過程の１つの利点は、第１磁場Ｂが約１０％までの非一様性を有し得ることである。これは、本方法が、スピンエコー法のような既知の方法よりもこの点に関して数桁も感度が低いことを意味する。本発明は、第１磁場と第２磁場の間の角に対しても対応して感度が低い。

図１２は、本発明による装置のための回路構成の一例を示している。この回路構成は、伝送コイル１４および補助コイル４２、４４、４６、４８を駆動するための増幅器５２および５４をそれぞれ有する。制御機器または制御ロジック５６が、伝送コイル１４および補助コイル４２、４４、４６、４８に関連するとともに２つの増幅器５２および５４に関連しており、第１磁場および第２磁場の変調を制御する。

図１３ａおよび図１３ｂは本発明の第２実施形態を示している。ここで、図１３ａはこの第２実施形態の図を示し、図１３ｂは、図１３ａにおける切断線Ａ−Ａに沿った断面図を示している。マット１０は平坦なトロイダルコイル１５を有し、その内側領域１５１にさらに２個の平坦なトロイダルコイル１７および１９が配置されている。図１ａおよび図１ｂに関して説明した実施形態と同様に、本実施形態もまた、例えば、９０°核磁気共鳴信号パルス化方法および高速断熱核磁気共鳴過程を実施するために好適である。

トロイダルコイル１５は、準静的磁場Ｂ（ｔ）＝Ｂ_０＋ΔＢ_０（ｔ）を生成する。広い処置範囲を達成するため、ΔＢ_０（ｔ）の大きさは好ましくはＢ_０の半分である。

平坦なトロイダルコイル１７および１９は、これらの２つのコイルのＮ極およびＳ極がそれぞれマット１０の一方の面を向くように、逆向きに作用する。このようにして、これらのコイルは、マット１０の上下の領域２１および２３において、トロイダルコイル１５により生成される磁場Ｂと実質的に直角をなす磁場Ｂ_１を生成する。患者がマット上に横臥すると、患者の組織はこの領域２１内に配置される。こうして領域２１は、処置すべき組織に対する処置領域を画定する。

磁場Ｂ（ｔ）および磁場Ｂ_１の時間プロファイルはこの場合、他の実施形態に関して上記で説明したように制御される。

しかし、本発明の第１実施形態とは異なり、処置領域内の磁場Ｂはおよそ、マット表面と直角に、すなわち第１実施形態におけるコイル２２、２４、２６および２８により生成される磁場Ｂ（ｔ）と直角に走る。さらに、第２実施形態では固定磁石は不要である。実際、定磁場成分Ｂ_０は、時間変動する磁場ΔＢ_０と同様に、トロイダルコイル１５の好適な作用によって生成することができる。

図１４は、例として図１１に示した時間プロファイルを有する準静的磁場Ｂ（ｔ）と交流磁場Ｂ_１（ｔ）を生成するためのコイル１５、１７および１９の好適な制御手段をブロック図の形式で示している。図１２に示した制御手段と同様に、この制御手段は論理回路５６を有する。論理回路５６は、交流磁場Ｂ_１を生成するために、トロイダルコイル１５を駆動する増幅器５８と、トロイダルコイル１７および１９を駆動する増幅器とを駆動する。この場合の増幅器５８は、永久磁石のない実施形態のために、コイル１５に定磁場Ｂ_０を生成する定電流を生成するとともに、そのコイルに流され時間変動しかつ可変磁場成分ΔＢ_０を生成する電流を生成する。

要約すれば、本発明は、代謝を刺激するために核磁気共鳴信号を運動センサとして使用する磁場療法装置および磁場療法方法を提案する。この場合の信号は身体部分の運動をシミュレートする。この場合の１つの有利な特徴は、提案される核磁気共鳴療法がおそらく生物に対して負の効果を有さないことである。

本発明による核磁気共鳴療法装置は、磁化が少量のエネルギーを用いて急速に回転することを可能にする。特に、回転は、１ミリ秒〜３０秒までの範囲内で実行される。

本発明の第１実施形態の図（寸法の単位はｍｍ）を示す図である。 図１ａの切断線Ａ−Ａに沿った断面図（寸法の単位はｍｍ）を示す図である。 磁場Ｂ（ｔ）および結果として生じる巨視的磁化Ｍ（ｔ）の時間プロファイルを示す図である。 定磁場Ｂ_０中の巨視的磁化Ｍの配列を説明する図である。 ９０°パルスが入射する時の磁場Ｂ（ｔ）ならびに結果として生じる磁化成分Ｍ_ｚ（ｔ）およびＭ_ｘｙ（ｔ）の時間プロファイルを示す図である。 １００ｋＨｚ基準を用いた位相弁別検出による核磁気共鳴信号のオシロスコープ印刷出力を示す図である。 Ｂ_０＝２３．４ガウスに対する核磁気共鳴信号の時間詳細を示す図である。 Ｂ_０＝２３．２ガウスに対する核磁気共鳴信号の時間詳細を示す図である。 Ｂ_０＝２３．８ガウスに対する核磁気共鳴信号の時間詳細を示す図である。 相対周波数の関数としての、磁場の強さのプロファイルを示す図である。 時刻ｔ_０における高速断熱過程に対する磁場の空間配列の概略図である。 図１０ａで時刻がｔ_０ではなくｔ_１の場合の図である。 図１０ａで時刻がｔ_０ではなくｔ_２の場合の図である。 第１および第２磁場の時間プロファイルの概略図である。 制御電子機器を有する本発明による装置のブロック図である。 本発明の第２実施形態の図である。 図１３ａの切断線Ａ−Ａに沿った断面図である。 第２実施形態におけるコイルを制御する回路のブロック図である。

Claims (35)

1. 磁場による処置装置であって、
   第１磁場を生成する第１機器と、
   第２磁場を生成する第２機器と、
   上面および下面を有する台を備え、前記台は処置すべき患者の身体領域上に置かれるように設計されており、
   前記台の前記上面の上方の処置領域において、前記上面に対して、前記第１磁場が０°乃至４５°の鋭角で進み、前記第２磁場が６０°乃至１２０°の鈍角で進み、そして
   前記第１および前記第２機器は第１平面内に配置され、前記台の前記上面は第２平面内に延在し、前記第１平面は前記第２平面と平行である、磁場による処置装置。
2. 前記第２機器は交流磁場を生成するように構成される請求項１に記載の磁場による処置装置。
3. 前記台がマットである請求項１または２に記載の磁場による処置装置。
4. 処置すべき前記身体領域に含まれる元素および／または化合物が前記第１磁場中で少なくとも１つのスピン共鳴周波数を有し、前記第２磁場は該スピン共鳴周波数に対応する周波数で少なくとも一時的に振動する請求項１または２に記載の磁場による処置装置。
5. 前記第２機器はコイルを備える請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁場による処置装置。
6. 前記第２機器は、前記台の表面と直角に配置されるコイル軸を有するトロイダルコイルを備える請求項１〜５のいずれか１項に記載の磁場による処置装置。
7. 前記第１機器は２個または４個のコイルを備え、その間に前記第２機器が配置される請求項１〜６のいずれか１項に記載の磁場による処置装置。
8. 前記台は、前記第１および／または第２機器が埋め込まれる充填材を備える請求項１〜７のいずれか１項に記載の磁場による処置装置。
9. 前記第１および／または第２機器の出し入れのための、閉じることができる開口を有するケーシングを備える請求項１〜８のいずれか１項に記載の磁場による処置装置。
10. 前記台は、２個、３個または多数のセクションに細分され、該セクションの間で折り畳むことができる請求項１〜９のいずれか１項に記載の磁場による処置装置。
11. 前記第１機器は、時間変動する磁場を生成するように設計される請求項１〜１０のいずれか１項に記載の磁場による処置装置。
12. 前記第１機器は、少なくとも１つの固定磁石および少なくとも１つのコイルを備える請求項１〜１１のいずれか１項に記載の磁場による処置装置。
13. 前記第１磁場の強度および／または方向が可変である請求項１〜１２のいずれか１項に記載の磁場による処置装置。
14. 前記台は、処置カウチおよび／または処置スツールおよび／または患者の身体部分の周りに置くことができる多重ウィング構成、および／またはすね当ておよび／またはカバーとからなることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の磁場による処置装置。
15. 処置すべき患者の少なくとも１つの身体領域の組織を配置することができる処置領域を画定する、磁場による治療処置のための装置であって、
    前記処置領域に第１磁場を生成する第１機器と、
    第２磁場を生成する第２機器であって、該第２磁場は前記第１磁場に重ね合わされて前記処置領域に処置磁場を形成し、前記組織に含まれる元素および／または化合物が前記処置磁場中で少なくとも１つのスピン共鳴周波数を有し、該第２磁場は、少なくとも一時的に、該スピン共鳴周波数に対応する周波数にある交番磁場を含む、第２機器と、
    前記２つの第１および第２機器の少なくとも一方を制御する制御機器であって、該制御機器により前記処置磁場を時間変動させることが可能であり、スピンの配列を前記処置磁場の時間変動により変動させることが可能である、制御機器と
    を備える磁場による治療処置のための装置。
16. 前記スピンにより生成される巨視的磁化の配列を、前記処置磁場の時間変動により変動させる請求項１５に記載の磁場による治療処置のための装置。
17. 前記組織の磁化の方向を断熱的に変動させる、前記処置磁場のための手段を備える請求項１５または１６に記載の磁場による治療処置のための装置。
18. 前記第２磁場は前記第１磁場と直角に進む請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の磁場による治療処置のための装置。
19. 前記第２磁場は、空間的に直線的に、および／または前記第１磁場と直角に振動する請求項１５〜１８のいずれか１項に記載の磁場による治療処置のための装置。
20. 前記処置領域における前記第１磁場の強さは、０．５ガウス〜５００ガウスの範囲にある請求項１５〜１９のいずれか１項に記載の磁場による治療処置のための装置。
21. 前記処置領域における前記第２磁場の周波数は、１ｋＨｚ〜１ＭＨｚの領域にある請求項１５〜２０のいずれか１項に記載の磁場による治療処置のための装置。
22. 前記第２磁場は振幅変調される請求項１５〜２１のいずれか１項に記載の磁場による治療処置のための装置。
23. 前記第１磁場の強度および／または方向を時間変動させる手段を備える請求項１５〜２２のいずれか１項に記載の磁場による治療処置のための装置。
24. 前記第１磁場は振幅変調され、該振幅変調の周期持続時間が、処置すべき前記組織のスピン格子緩和時間に一致する請求項１５〜２３のいずれか１項に記載の磁場による治療処置のための装置。
25. 前記第１磁場は磁場強さの最小と最大の間の値をとり、該値において前記第２磁場の周波数は前記スピン共鳴周波数に対応する請求項２４に記載の磁場による治療処置のための装置。
26. 前記第１磁場の変動の周期持続時間が１ｍｓ〜１０ｓの領域にある請求項２４または２５に記載の磁場による治療処置のための装置。
27. 前記第２磁場は前記第１磁場が減少している間スイッチオンされるとともに前記第１磁場が増大している間スイッチオフされ、またはその逆である請求項２４〜２６のいずれか１項に記載の磁場による治療処置のための装置。
28. 前記第１機器は、静的な第３磁場を生成する固定磁石を有する第３機器と、時間変動する第４磁場を生成する第４機器とを備え、前記第１磁場は該第３および第４磁場の重ね合わせを含む請求項１５〜２７のいずれか１項に記載の磁場による治療処置のための装置。
29. 前記固定磁石はフェライト磁石を備え、および／または前記第４機器はコイルを備える請求項２８に記載の磁場による治療処置のための装置。
30. 前記第３および第４磁場は前記処置領域において平行、または逆向きに平行である請求項２８または２９に記載の磁場による治療処置のための装置。
31. 前記処置領域における前記第３磁場の強さは、０．５ガウス〜５００ガウスの領域にある請求項２８〜３０のいずれか１項に記載の磁場による治療処置のための装置。
32. 前記処置領域において前記第４磁場は、０ガウスから±５ガウスまで変動可能である請求項２８〜３１のいずれか１項に記載の磁場による治療処置のための装置。
33. 前記第２磁場の周波数を変動させる手段を備える請求項１５〜３２のいずれか１項に記載の磁場による治療処置のための装置。
34. 前記巨視的磁化の方向を前記第２磁場の周波数を変動させる手段により変動させる請求項３３に記載の磁場による治療処置のための装置。
35. 前記第１磁場は一定の磁場を含む請求項１５〜３４のいずれか１項に記載の磁場による治療処置のための装置。

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