JPH04507004A - 磁界均質性の改良のために誘電体を装填したｎｍｒ無線周波コイル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 磁界均質性の改良のために誘電体を装填したＮＭＲ無線周波コイル 発明の背景 本発明は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）装置に関する。更に詳しくは、本発明はＲＦ倍 信号送信および／または受信するためのこのような装置に有益な無線周波（ＲＦ ）コイルに関する。

従来、ＮＭＲ現象は、有機分子の分子構造を試験管の中で研究するために構造化 学者によって利用されていた。一般に、このために利用されるＮＭＲ分光計は比 較的小さなサンプルの調査対象物質を収容するように設計されていた。

しかしながら、更に最近では、ＮＭＲは例えば人体の構造上の特徴の画像を得る のに利用される結像化モデルに開発されている。核スピン（典型的には組織内の 水に関連する水素の陽子）に関連するパラメータを表すこのような画像は被検査 領域における組織の健康状態を決定するための医学的診断値である。また、ＮＭ Ｒ技術は例えばリンおよび炭素のような元素の分光学にまでおよび最初は生体に おける化学的処理を研究する道具を研究者に与えていた。人体のＮＭＲ像作成お よび分光学的研究を行うためにＮＭＲを使用するには、磁石、勾配コイルおよび ＲＦコイルのような特別に設計されたシステムの部品を使用することが必要であ った。

背景としては、核磁気共鳴現象は奇数個の陽子または中性子を有する原子核に発 生する。陽子および中性子のスピンによって、このような各原子核は磁気モーメ ントを示し、このような原子核からなるサンプルが静的な均質磁界Ｂ。

内に設置されると、非常に多くの核磁気モーメントが磁界と整列し、磁界の方向 に正味の巨視的磁化Ｍを発生する。

磁界Ｂ　の影響の下で、整列した磁気モーメントは印加された磁界の強さおよび 原子核の特性に依存する周波数で磁界の軸の周りで歳差運動を行う。また、ラー モア周波数と称される歳差運動の角周波数ωは、ラーモアの式ω＝γＢによって 与えられる。この式において、γは回転磁気比（これは各ＮＭＲアイソトープに 対して一定である）であり、Ｂは核スピンに作用する磁界（Ｂ　に他の磁界を加 えたちの）である。この式から共鳴周波数はサンプルが配置されている磁界の強 さに依存していることがわかるであるう。

通常、磁界Ｂ　に沿って向いている磁化Ｍの方向は、う〇 一モア周波数またはそれに近い周波数の磁界の振動を加えることによって摂動す る。一般には、Ｂ１で示されるこのような磁界が無線周波送信装置に接続された コイルを介してＲＦパルスによってＢ　の磁界の方向に対して直交する方向に印 加される。ＲＦ励起の影響の下で、磁化ＭはＢ１の磁界の方向の周りを回転する 。ＮＭＲの研究においては、一般に充分な大きさおよび継続期間を有するＲＦパ ルスを印加して、Ｂｏの磁界の方向に対して直角な平面内に磁化Ｍを回転させる ことが望まれている。この平面は通常横断平面（ｔＩａｎｓｖｅｒｓｅ　ｐｌａ ｎｅ）と称されている。ＲＦ励起を停止すると、横断面で回転していた原子核モ ーメントは静磁界の方向を中心に歳差運動を行う。スピンのベクトル和は歳差運 動を行うバルク磁化を形成し、これはＲＦコイルによって検知できる。ＲＦコイ ルによって検知された信号は、ＮＭＲ信号と呼ばれるが、原子核が存在している 特定の化学的環境および磁界の特性を表している。ＮＭＲ撮像（イメージング） 用途においては、ＮＭＲ信号は空間情報を信号に符号化するのに利用される磁界 勾配の存在下で観察される。この情報は本技術分野に専門知識を有する者に周知 の方法で被調査対象物の画像を再構成するのに後で使用される。

全身のＮＭＲ調査を行うには、均質磁界Ｂ　の強さを増大することが有益である とわかっている。これは陽子（プロトン）撮像の場合にはＮＭＲ信号の信号対雑 音比を改良するために好ましいものである。しかしながら、分光法の場合には、 磁界の増大は必要なものである。これは調査対象の化学種のあるもの（例えば、 リンおよび炭素）が体内には比較的少ないので、使用可能な信号々（検出できる ようにするためには高い磁界が必要となるからである。ラーモアの式から明らか なように、磁界Ｂが増大することによって周波数が対応して増大し、従って送信 機および受信機コイルの必要な共鳴周波数も対応して増大する。これは、人体を 収容するのに充分な大きさのＲＦコイルの設計を複雑にする。困難さの１つの原 因は、コイルによって発生するＲＦ磁界が更に均一な測定値および画像を得るた めに被調査対象である人体の領域の全体にわたって均質でなければならないとい うことである。大きな部分全体にわたって均一なＲ，Ｆ磁界を発生するというこ とは、ＲＦコイルの異なる部分の間の漂遊容量やＲＦコイルと周囲の物体または ＮＭＲサンプルとの間の漂遊容量の好ましくない影響により高い周波数ではます ます困難になっており、これはコイルが共鳴できる最高周波数を制限することに なる。

大きな体積の全体にわたって高い周波数でほぼ均質な磁界を発生する種々のＲＦ コイルが設計されてきた。このようなコイルの例として１．５テスラで水素原子 核を撮像する全身用のものが米国特許第４，６８０，５４８号に開示され、また １、５テスラで水素およびリンの原子核の両方を撮像する局部コイルとして使用 するものが米国特許第４゜７９９．０１６号に開示されている。このようなコイ ルは、対象物が存在しない場合には、コイルの中心の関心領域（「ｅｇｉｏｎ　 ｏｌ　１ｎｔｅｒｅｉｔ）内に均質なＲＦ磁界を発生することができるが、典型 的な対象物が関心領域内に配置された場合には、均質なＲＦ磁界を発生しない。

対象物内におけるＲＦ磁界の均質性の欠如は、対象物の導電率（σ）および誘電 率（ε）が空気のもの（σ。＝０、ε　＝８．８５４Ｘ１０”’ファラッド／　 ｍ　）よりもはるかに大きいためである。導電率（σ）によって生ずる作用は、 ジャーナル・オブ・マグネティック・レゾナンス（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍａ ｇｎｅｔｉｃ　Ｒｅ５ｏｎａｎｃｃ）　６４．２５５−２７０　（１９８５年） においてＧ、　Ｈ，グローμ（Ｇ、　Ｈ，Ｇｌｏｖｅｒ）他による論文「磁気共 鳴撮像用の直線および円偏波の比較（Ｃｏｍｐａ＋１ｓｏｎ　ｏｆ　Ｌｉｎｅａ ＋　ａｎｄ　Ｃｉ＋ｃｕｌａ＋　Ｐｏ［ｉ＋１ｘａｔｉｏｎ　ｆｏ＋　Ｍａｇｎ ｅｌｉｃ　Ｒｅ５ｏｎａｎｃｅ　Ｉｍａｇｉｎｇ）　Ｊにおいて説明されている ようによく理解されている。この導電性のために、渦電流が印加ＲＦ磁界によっ て対象物に発生し、またこの渦電流によってＲＦ磁界が発生し、このＲＦ磁界は ＲＦコイルによって発生するＲＦ磁界に加えられる。この結果、不均質なＲＦ磁 界が生じ、磁界の強さは中心軸からの距離の関数として変化する。この結果、明 るい領域が２つの象限に現れ、暗い領域が他の２つの象限に現れる画像が発生す る。この問題に対する周知の解決方法は、横断平面におけるＲＦ磁界Ｂ１を回転 させて渦電流による不均質性を除去する直角励起および受信を使用することであ る。

また、従来の設計のＲＦコイルでは空気に対して対象物の誘電率（ε）が高い結 果として対象物内に不均質なＲＦ磁界が発生する。ＲＦ磁界の波長は対象物内に おいて短くなり、これにより定在波が発生し、ここにおいてはＲＦ磁界の強さは 半径方向の距離の関数として変化する。例えば、１．５テスラにおいて、人体の 胴体部分に発生する定在波は撮像体の中心軸に沿って最大になり、再構成画像に 明るい領域を発生する。より高い磁界の強さおよびＲＦ周波数においては、定在 波は中心軸からの半径方向の距離の関数として山と谷を繰り返し、その結果の画 像は一連の明暗リング（体軸断層像）または縞（矢状または冠状断層像）になる 。画像の明るさにおけるこれらの変動は診断を困難にしたり、またはある場合に は診断を不可能にすることがある。

発明の概要 本発明は、磁界の強さの半径方向の変動がＲＦコイルと周囲のシールドとの間に 高い誘電率の物質を挿入することによって低減されるようにしたＲＦコイルの改 良にある。

更に詳しくは、ＲＦコイル組立体は中心軸の周りに配設されたほぼ円筒形のコイ ルと、該円筒形コイルの周りに同心に配設され、両者間に環状スペースを形成し ている円筒形シールドと、該環状スペース内に中心軸に沿って設けられた、対象 物内におけるＲＦ電磁界強さの変動を低減するように選択された誘電率を有する 高誘電材料とを有する。

本発明の全体的目的は、調査中の対象物内のＲＦ電磁界強さにおける半径方向の 変動を低減することである。ＲＦコイルとその周囲のシールドとの間に配設され た誘電性材料の誘電率が空気の誘電率よりも実質的に大きい場合には、対象物の 中心におけるＲＦ電磁界強さの好ましくない増大が低減するということがわかっ た。対象物の誘電率によるＲＦ電磁界強さの変動は実質的に低減することができ 、その結果画像品質を改良することができる。

本発明の上述したおよび他の目的および利点は次の説明から明らかになるであろ う。この説明においては、その−特表平４−５０７００４　（３） 部を形成している添付図面が参照され、ここには本発明の好適実施例が例示され ている。しかしながら、このような実施例は本発明の全範囲をかならずしも表し ているものでないので、本発明の範囲を解釈するには請求の範囲を参照されたい 。

図面の簡単な説明 図１は本発明を使用したコイル組立体の斜視図である。

図２乃至５は、それぞれ図１のコイル組立体の中心を通る横断面に沿って取った ＲＦ電磁界強さを表すグラフであり、これらのグラフは本発明によって使用され る誘電体材料の比誘電率の関数としてＲＦ電磁界均質性への効果を示している。

発明の詳細な説明 問題とする電磁放射の伝播はマクウェルの方程式によって支配される。微分形式 であって、制限のない直線等方性媒体の場合には、マクスウェルの方程式は次の ようになる。

ｔ ここにおいて、ρは電荷密度であり、Ｊは電流密度である。

電気変位りおよび磁界Ｈは次式により電界Ｅおよび磁束密度Ｂに関連付けられて いる。

ここにおいて、εおよびμはそれぞれ媒体の誘電率および透磁率である。磁気感 受率χが小さい生物学的物質においでは、μ＝μ　の自由空間値を仮定すること が許される。

ＭＫＳＡ単位においては、これはμ　＝４ρｘｉｏ’ヘンす７ｍである。媒体の 誘電率は比誘電率ε、＝ε／ε。によって自由空間値に関連付けられている。こ こで、ε０＝８．８５４ｘｌＯ−１２ファラッド／ｍである。電流密度は物質の 導電率σを介してオームの法則によって電界にＪ＝σＥとして関連付けられてい る。

印加されるＲＦ電磁界がωの周波数に従って正弦波として変化するＮＭＲの実験 においては、電気および磁気成分は空間および時間部分に分けられる。

Ｅ＝　（ｒ、　ｔ）　＝Ｍ　（７）　ｅ”’　（４）Ｂ＝　（ｒ、　ｔ）　＝Ｂ 　（？）　ｅ”’　（５）式（１）に対して上述した置き換えを行うと、前記４ つの式はＥおよびＢの両方に対して波動方程式に変形することができる。これら はベクトルのへルムホルツの式の形式になる。

２Ｅ＋に２ｉ＝０ ２π十に２ｉ＝ｏ　（６） これは進行波ｅ−ｉｋ″１の形の一般解を有する。上の式において、ｋは伝搬定 数である。その値は媒体の誘電率および導電率の関数であり、次式のように表さ れる。

ｋ２＝（１３２ｐｇ−Ｊｔｏｐｃ　（７）媒体がゼロ導電率を有する場合、ｋは 実数であり、ＲＦ電磁界は損失なく空間において正弦波として変化する。他方の 極端な場合として、ｋの実数部→０であり、σ≠０である場合、ＲＦ電磁界は深 さが増大するにつれて減衰する指数関数である。対象物内に深くなればなるほど 、電磁界の振幅の減衰は大きくなる。この減衰はδによって示される浸透深さま たは表皮深さによって特徴付けられる。変数δは、平面境界に当たる平面波の初 期値の１／ｅ（すなわち３７％）までＲＦ振幅が低減する深さとして定義されて いる。

表皮深さの式は円筒形のＲＦコイルのために円筒形の対象物内の電磁界に対する ものと異なっているが、それでも式（８）は周波数および導電率の関数として減 衰を表す有益で簡単な目安である。組織の導電率によるＲＦ振幅の指数関数的低 減はときどきＲＦ非均質性に対する導電率効果と称される。

誘電率によって行われる部分は導電率によるものを補足するものである。ゼロで ない誘電率は界面境界相互間の定在波を支持する。これらの定在波の波長はＲＦ の周波数に逆比例する。低い周波数においては、定在波の波長は人体部分の大き さに比較して大きい。小さな領域にわたるゆつくりと正弦波状に変化する関数に おける変動は全ての実際的な目的においてとるに足らないものである。しかじな から、波長が短くなる高い周波数においては、これらの変動は明白になり始める 。

高い誘電率物質におけるＲＦ波長は低いε、を有する物質の波長よりもかなり短 い。人間の組織はほとんど水で構成されているので、ε、は約７５と仮定される 。これはおおよそε　＝７８である水の比誘電率に近い。しかじなから、人体が 非均質性であることを考えると、５８の実効ε、は正当な近似である。

ＲＦ非均質性に対する誘電率の貢献は、境界条件を受けるベクトルのへルムホル ツの式に対する解を考慮することによりよく説明することができる。これらの境 界条件はマックスウェルの方程式の積分形式から導き出され、界面を横切る垂直 および接線電磁界成分の連続性および不連続性についての情報を提供する。境界 の面における垂直成分についての条件は次の通りである。

位ベクトルであり、ρ　は表面変化密度である。同様に、ｕｒ 接線成分に対する条件は次式の通りである。

ここにおいて、Ｋは表面電流密度である。小さいが有限の導電率を有する生物学 的物質の場合には、Ｋ＝Ｏである。

Ｈの接線成分はこの特定の場合には境界を横切って連続である。

誘電率および導電率の基本的な効果は簡単な一次元スラブ（＋１ａｂ）モデルに おいてよく証明することができる。組織から成る３０ｃｍ幅のスラブがＸ＝±３ ０ｃｍのところに位置する２つの無限の平行な電流シートの間に発生されたＲＦ 電磁界内配置されている場合においてＸ方向の１次元モデルに対する解について 考える。この場合、Ｘ＝−３０ｃｍおよびｘ＝＋３Ｑｃｍにおいてそれぞれ（ｙ 軸に沿って）その面に対して出入りする単位電流密度において、Ｂ１磁界は垂直 すなわち２方向にある。空気の有限な波長の作用を無視した場合、すなわちスラ ブの外側でに＝ｏと仮定した場合、ＲＦ電磁界振幅はスラブの外側のどこでも一 定である。

このモデルを拡張して、導電率が優位を占める場合についてまず考える。ε＝１ およびσ＝１．Ｏ８／ｍの場合、ＲＦ電磁界スラブの中心へ向かって減衰する。

このような対象物のＭＲ両画像空白すなわち低い信号強度の中心領域を示す。一 方、誘電率が支配する場合には（σ＝０およびε　−７５）、定在波がスラブ内 に設定される。半波長がおおよそ平均的人間の胴体の大きさである約２７ｃｍで ある６４ＭＨｚにおいては、ＭＲ両画像中心部に高い強度の領域すなわちこぶを 示す。次式で示される波長はより高い周波数においてより短くなる。

４．０テスラ（１７０ＭＨｚ）の磁界の強さにおいては、少なくとも３．５波長 が３０ｃｍの幅のスラブに適合する。

この周波数で得られる体軸断層像は多重リング、すなわち雄牛の目の形のアーチ ファクトを示す。

εおよびσの特定の値に対して導電率および誘電率による作用を組み合わせると 、これらの作用は互いに打ち消し合い、はとんど均一な磁界分布をもたらす。し かしながら、ε　斗７５およびσ弁０．３Ｓ／ｍである人体の場合には、導電率 による作用が優位を占める傾向にある。組織の導電率はＲＦ振幅を減衰させるが 、誘電率は中心における磁界の振幅を増大して、磁界分布に中心のこぶを形成す る効果を持つ。より高い周波数においては、この効果は胴体部分のみならず、頭 部を撮像するための妨害になる。

調査中の対象物における磁界の非均質性を除去する物理的方法はないと思われて いるが、マクスウェルの方程式によって支配されているので、本発明はマクスウ ェルの方程式を利用して問題を解決する。これは、物理学の法則を破ることによ って達成するのでなく、むしろ境界条件を操作することによって、更に詳しくは シールドとコイルとの間のスペースを占有する誘電体材料を変えることによって 達成する。

好適実施例の説明 図１は、固体金属シールド１１によって取り囲まれている所謂［バイパス（ｈｉ ｇｈ−ｐａｓｓ　）　Ｊコイル１０を使用したコイル組立体を示している。コイ ル１０は一組の直線状の導電素子２０を有し、これらの導電素子２０は軸方向に 延在するとともに、シールド１１の内面に沿って互いに等しい間隔をあけて設け られている。円形導体２１および２２がコイル１０の各端部に設けられ、該導体 ２１および２２は直線状導体２０のそれぞれの端部を接続し、本技術分野におい て「鳥かご」コイルと称される構造を形成している。

コンデンサ２３が円形導体２１および２２の各セグメントに挿入され、これらの コンデンサはコイルを同調させるのに使用されている。ＲＦ信号源（図示せず） によって駆動されると、コイル１０はＲＦ電磁を発生し、このＲＦ電磁は対象物 によって占有される円筒形スペース内を満たすとともに、中心軸１４を横切る方 向に発生する。上述した米国特許第４，６８０，５４８号に開示されているよう に、このコイル１０は横切ったＲＦ電磁が中心軸１４の周りで回転し、本技術分 野において円偏波ＲＦ励起磁界として知られているものを発生するように多相Ｒ Ｆ信号源によって駆動できる。

調査対象物１２がコイル１０によって形成される円筒形空洞部内に配置され、ま たコイル１０とシールド１１との間に環状スペース１３が存在する。バイパスコ イル１０の場合、ＲＦ電磁を発生する電流密度は２軸１４の方向におけるＲＦ伝 搬波長の関数である。

ここにおいて、ｋ　は軸方向の伝搬定数であり、θは直線状導体２０の周辺方向 の位置を角度で表したものである。

また、ＣＯａ　（θ）の電流分布も使用される。環状スペース１３内の誘電体物 質を変えることによって、バイパスコイル１０の伝搬特性はｋ　の値を変えるこ とによって変更される。

図１のコイル組立体に対するマックスウェルの方程式に対する解は、ＲＦ電磁の 強さにおける半径方向の変動に対する原因である対象物１２における定在波の形 が半径方向の伝搬定数ｋ　の関数であることを示している。より小さな半径方向 の伝搬定数ｋ　はこの定在波の波長を増大することによって半径方向におけるＲ Ｆ電磁の均質性を改良する。

また、半径方向の伝搬定数ｋ　は上述した軸方向伝搬室数ｋ　の値および対象物 の伝搬定数にの関数である。

に２＝ω２με−ｊωμσ　（１６） ここにおいて、εおよびμはそれぞれ対象物１２の誘電率および導電率を示して いる。式１５から、ｋ　の小さな値は軸方向の伝搬定数に２を増大することによ って得られ、半径方向におけるＲＦ電磁の均質性が改良されることが明らかであ る。

図２−図５は、コイル組立体の中心を通る横断面（すなわち、２＝０における） における円偏波磁界Ｂ１のＲＦ磁界強度を表す等直線を示す。これらの磁界は、 ６４ＭＨｚにおいて動作する０、２７５メートルの半径を有するローパスコイル １０によって発生された。シールド１１は０゜３２５メートルの半径を有し、０ ．２０メートルの半径を有する長い損失のある誘電体の円柱状ファントムを使用 して、人体をシミュレートした。図２は環状スペース１３を空気（ε　＝１）で 満たした場合、図３は環状スペース１３を比誘電率ε　＝２０の誘電体物質で満 たした場合、図４は誘電体物質を４０の比誘電率とした場合、図５は誘電物質を ６０の比誘電率とした場合を示す。誘電率効果によるＲＦ電磁の強さの変動は、 環状スペース１３における比誘電率が増大するに従って低減する。２０および４ ０の間の値において、磁界の強さの変動は３０ｃｍの直径を有する中心の関心領 域において約３０％から約５％に低減する。

比誘電率を４０以上に増大した場合には、ＲＦ電磁の減衰が増大し、その結果Ｒ Ｆ電磁の強さが低減し、均質性における改良はわずかである。従って、誘電物質 に対する最適な比誘電率は２０≦ε　≦４０の範囲にある。

「 特に、図６を参照すると、本発明の１つの好適実施例において、ＲＦコイル１０ は円筒形のファイバガラスの型枠２７の外側面上に形成され、シールド１１が外 側の円筒形ファイバガラスの型枠２８の内側表面上に形成されている。

環状スペース１３は蒸留水およびイソプロパツールの混合物を収容した薄壁のポ リエチレン袋２９で満たされている。

イソプロパツールは約１８の比誘電率を有し、水の比誘電率は７８である。水と イソプロパツールの比率およびポリエチレン袋２９の厚さを変更することによっ て実効比誘電率を所定の範囲の値に設定することができる。例えば、ポリエチレ ン袋２９の厚さが環状スペース１３の５％を占有し、蒸留水が満たされると、実 効比誘電率は約３０になる。

代わりの方法として、環状スペース１３に適合するように固体の誘電物質を形成 することができる。このような物質は、エマーソ：／およびカミング社（Ｅｍｅ ｒｓｏｎ　ａｎｄ　ＣＣｕｍｍ１ｎ、Ｉｎｃ、）によって商品名ｒｓｔ７ｃｘｓ ｔ　Ｊとして販売されており、３０の比誘電率を有する。

Ｘｊｌｌ（Ｍ） 、ＸｊＩｊＩ（Ｍ） Ｘ紬（Ｍ） ＸＪｉ＆ＣＭ） 要　約　書 ＮＭＲ機器のＲＦコイル組立体は円筒形シールドによって取り囲まれた円筒形コ イルを有している。コイルとシールドとの間の環状スペースは半径方向における ＲＦ電磁の均質性を改良するように選択された比誘電率を有する誘電物質で満た されている。

平成　年　月　日

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．中心軸の周りに配設されて円筒形空洞を画成し、該空洞内部の被検体に加え る横方向のＲＦ磁界を発生する円筒形コイルと、 前記円筒形コイルの周りに同心に、該円筒形コイルから外側に隔たって配設され た円筒形シールドであって、前記円筒形コイルの外側面と当該シールドの内側面 との間に環状スペースを画成している円筒形シールドと、前記環状スペース内に 配設され、空気の誘電率よりも実質的に大きな値に前記環状スペースの誘電率を 増大させて、被検体内に生じるＲＦ磁界の半径方向の均質性を向上させる誘電物 質と、 を有することを特徴とするＮＭＲ機器用のＲＦコイル組立体。
2. ２．前記現状スペースの誘電率は空気の誘電率の２０倍と４０倍の間の値に調整 される請求項１記載のＲＦコイル組立体。
3. ３．前記円筒形コイルは、中心軸の方向に延在すると共に、該中心軸から半径方 向外側に隔たり、かつ前記中心軸の周りに配置されている一組の直線状導体を有 する請求項１記載のＲＦコイル組立体。
4. ４．前記直線状導体の両端部は、相互に間隔をあけて前記中心軸の周りに同心に 設けられている一対の円形導体にそれぞれ接合されている請求項３記載のＲＦコ イル組立体。