JPH04507005A - 軸方向の磁界均質性を改良した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】 軸方向の磁界均質性を改良した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股、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。

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旺す電着′ｇ金１示す ヤ月−元土−タΦ０険す徊よＪ甲社ナリスこンによって、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 。

内に配置されると、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、Ｂｌ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、Ｂ　の磁界の方向に対して直角な平面内に磁化回転していた原 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、分光検査の場合には 、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、使用可能な信号が検出できる 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電磁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ＲＦ電磁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Ｎ ＭＲ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も高い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Ｃｒｅｇｔｏｎ　 ｏｆ　１ｎｔｅｒｅｓ＋）内に均質なＲＦ電磁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電磁を発生しない。

上述した米国特許第４，６８０．５４８号に記載されているような全身用ＲＦコ イルにおいては、−組の直線状導体が中心軸に沿ってその周りに配設され、一対 の円形導体によってそれらの対向端部において接合されている。この「鳥かご構 造」は、Ｚ軸を横切り、これらの導体によって画定される円筒形領域の全体にわ たって振幅が比較的均一、すなわち均質であるＲＦ電磁を発生する。本出願と同 じ日に出願された、「磁界均質性の改良のために誘電体負荷を装填したＮＭＲ無 線周波コイル（ＮＭＲＲａｄｉｏ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃ７　Ｃｏ１１　Ｗｉｔｈ　 Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｌｏａｄｉｎｇ　Ｆｏｒ　Ｉｍｐｒｏｖｅｄ　Ｆｉｅｌ ｄ　ＨｏｍｏｇｅｎｅＨｙ）Ｊという名称の米国特許出願第４６７．４７５号に おいては、このようなコイル構造におけるＲＦ電磁の強さの均質性を改良する技 術が記載されている。コイルの中心の関心領域における半径方向の均質性を改良 するために、この技術は高い比誘電率（ε、）を有する誘電体物質を使用して、 Ｚ軸方向に沿った伝搬定数（ｋ　）を低減している。この技術はコイルの半径方 向の伝搬定数（ｋ　）を低減し、半径方向におけるＲＦ電磁の強さの変動を除去 しているが、２軸に沿ったＲＦ電磁の強さの変動を悪化させている。これは図３ に示されており、ここで図３Ａは誘電体物質が使用されていない場合（ε　＝１ ）におけるコイルの２軸に沿ったＲＦ電磁の強さの変動を示しており、図３Ｂは 比誘電率ε　＝２０を有する誘電体物質が使用されている場合のＲＦ電磁の強さ を示している。はぼ均一な磁界強さが発生する中心領域は、誘電体物質が使用さ れた場合、２軸に沿ってかなり短くなっていることが容易にわかる。

体軸断層像を作る場合、Ｚ軸に沿った均一なＲＦ電磁の強さのこの短くなった領 域は大きな問題ではない。しかしながら、来状または冠状断層像を作る場合、ｚ 軸に沿ったＲＦ電磁の強さにおける変動は画像に陰影として現れる。

発明の概要 本発明は、定在波が発生することを防止することによって２軸に沿ったＲＦ電磁 の強さの変動を低減するＮＭＲ機器用のＲＦコイル組立体に関する。更に詳しく は、このコイル組立体は、中心軸に沿って中心軸の周りには配設され、円筒形の 関心領域を画成する一組の直線状導体と、該−組の直線状導体の周りにほぼ同心 に配設されている円筒形シールドと、前記直線状導体の端部に接続され、長さが 波長の整数倍である閉ループを形成するシールドされたリターン導体と、前記閉 ループに接続され、中心軸に沿って進むＲＦ電磁を関心領域内に発生する２つの 位相変位したＲＦ信号源を持つ駆動手段とを有している。

本発明の全体的目的は、中心軸に沿ったＲＦ電磁の均質性を改良することにある 。適当な長さのシールドされたリターン経路を設け、コイル組立体を多相ＲＦ源 で駆動することによって、従来のコイル組立体に発生していた定在波を破壊する 。この結果、波は中心軸に沿って移動させられ、その方向における磁界の強さの 変動は時間に対して平均化される。したがって、ＲＦ電磁によって励起される原 子核はＮＭＲ撮像システムにおいて典型的である比較的長いデータ獲得期間にわ たって均一なＲＦ磁界強度を受けることになる。この結果、患者の冠状および来 状断層像における陰影は実質的に低減する。

本発明の更に特有な目的は、直線状導体とシールドとの間に高い誘電率の誘電体 物質を追加することによって生じすることである。このような誘電体物質は半径 方向におけるＲＦ電磁の均質性を改良するが、振幅がかなり変動する定在波を中 心軸に沿って発生する。本発明はこのような定在波を中心軸の方向に連続して移 動させて、関心領域内の任意の点における変動を平均化する。

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。この説明では、その一部を構成している添付図面を参照するとともに、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 範囲を必ずしも示しているものではないので、本発明の範囲の解釈には請求の範 囲を参照されたい。

図面の簡単な説明 図ＩＡは、本発明を使用したＲＦコイル組立体の斜視図である。

図ＩＢは図ＩＡに示した面ＩＢ−ＩＢに沿った部分断面図である。

図ＩＣは、図ＩＡに示した面ＩＣ−ＩＣに沿った部分断面図である。

図２は、図１のＲＦコイル組立体の構成を示す図である。

図３Ａおよび図３Ｂは本発明が使用されない場合のＲＦコイル組立体の中心軸に 沿ったＲＦ磁界強度の変動を示す図である。

図４は、図１のＲＦコイル組立体の多相ＲＦ電源の電気的ブロック図である。

好適実施例の説明 特に、図Ｉへ−図ＩＣを参照すると、ＲＦコイル組立体は、中心軸１１　（ｚ軸 ）の周りに同心に配設されている円筒形シールド１０を有している。シールド１ ０の内側には一組の縦導体１２が設けられ、この導体１２は中心軸１１の周りに 同心に配設されて、シールド１０の長手方向に沿って延在している。１６個の直 線状導体１２があり、この導体１２は銅の条片で形成され、円筒形のグラスファ イバ支持体２５の周面に沿って互いに等間隔で配設されている。

また、シールド１０は１枚の銅のシートで形成され、円筒形のグラスファイバの 支持体２６の内面上に支持されている。シールド１０およびその支持体２６は直 線状導体１２の端部を超えてわずかに延在し、複数の平行なスロット（図示せず ）が本技術分野において周知のようにシールド１０に形成されて、撮像勾配によ る可聴周波渦電流を低減する。誘電体物質１３がシールド１０と一組の直線状導 体１２との間の環状スペース内に配設され、この誘電体物質は２０≦ε　≦４０ の範囲の比誘電率を有している。この誘電体物質１３は薄壁のポリエチレン袋（ 図示せず）内に収容された水／イソプロパツールの混合物であることが好ましい が、固体物質を使用してもよい。

各直線状導体１２は、リターン経路を有し、閉ループを形成している。これらの 閉ループは、シールド１０の内面に取り付けられて、該シールドの全体の長さに わたって延在している一組のシールド導体１４によって形成される。

好適実施例においては、各シールド導体１４は１６個の直線状導体１２の各々と 関連し、それらの端部は互いに電気的に接続され、１６個の別々のループを形成 している。

特に、図２を参照すると、コイル組立体の一部分が図示されている。ＲＦ信号源 をコイル組立体に接続する方法を示すために１６個の閉ループの１つが図示され ている。まず、本発明に従って、直線状導体】２とシールド導体１４によって形 成される各ループの全体の有効長を波長の整数倍の長さにする。このため、集中 素子伝送線回路２７を各ループに接続して、その可変インダクタを調整すること により各ループの全体の有効長を波長の整数倍の長さにすることができるように する。回路２７のインピーダンスはシールド導体１４のインピーダンスに整合さ れている。

導体１２およびシールド導体１４は、異なる特性インピーダンスを有する伝送線 である。これらの伝送線の接続点における反射を最小にするために、集中素子イ ンピーダンス整合回路２８が直線状導体１２の各端部に接続されている。これら の回路２８は集中素子の４分の１波長インピ一ダンス整合用変成器であり、その 特性インピーダンスは直線状導体１２およびシールド導体１４の特性インピーダ ンスの幾何平均である。

更に図２を参照すると、中心軸１１の方向に沿って進む波を発生するために、ル ープは２つのＲＦ信号源１７および１−８によって駆動される。信号源１７およ び１８は４分の】、（λ／４）の間隔をあけた位置でループ内に物理的に挿入さ れている。好適実施例においては、この間隔はシールド導体１４の特性インピー ダンスに整合した特性インピーダンスを有する集中素子４分の１波長伝送線回路 ２９を使用して達成されている。更に、２つの信号源は９０゜（３６０°／４） の位相差を有し、その結果各ループによって発生するＲＦ波はループに沿って進 む。シールド１０内の関心領域内においては、ＲＦ波は中心軸の方向に沿って均 一な速度で進み、この結果一定の期間にわたる平均ＲＦ電磁の振幅は関心領域の かなりの部分にわたって均質となる。

好適実施例においては、一対のＲＦ信号源が１６個のループの各々に接続され、 軸方向の進行波を発生するだけでなく、中心軸１１の周りのＲＦ電磁を回転させ て、調査中の対象物内における渦電流による不均質性を低減する。この回転すな わち円偏波を発生するために、各対のＲＦ信号源は関連する直線状導体１２の周 辺方向の位置によって決まる値だけ位相シフトされている。すなわち、ＲＦ信号 源は次式のように表される。

ここにおいて、θはＲＦ信号源に関連する直線状導体１２の周方向の位置を角度 で表したものである。好適実施例においては、１６個の等しい間隔をあけて設け られている直線状導体１２があり、その周方向の相次ぐＲＦ信号源の位相はΔθ ＝３６０／１６＝２２．５＠ずつシフトされている。必要なＲＦ倍信号発生する ための位相スプリッタ回路が１６のＶ　ｃｏｓ　（ωｔ＋θ）信号を作るものと して図４に示されている。同じ回路が１６のＶ　ｓｉｎ　（ωを十〇）信号を発 生するために設けられているが、この代わりとして直角位相ハイブリッドスプリ ッタを図４の位相スプリッタの各出力に使用し、コサイン信号およびサイン信号 の両方を発生することもてきる。

再び、図Ｉへ−図ＩＣを参照すると、本発明の好適実施例においては、シールド 導体１４は円筒形シールド１０の内側面上に形成されているシールド３０内に配 設されている。集中回路２７および２８は導体１２および１４の一方の端部に設 けられているシールドされた容器３１内に収容され、対応する組のシールドされ た容器３２が導体１２および１４の他方の端部において集中回路２８および２９ を収容している。

ＲＦコイル組立体には多くの実行し得る変更がある。直線状導体１２の各々に対 して別々のループを形成する代わりに、２本以上の直線状導体１２を直列にシー ルド導体によって接続し、より数の少ない閉ループを形成してもよい。

実際、全ての直線状導体１２は直列に接続して、単一の閉ループを形成すること ができる。選択された構成を問わず、どのループの全体の有効長も共振回路を形 成するために波長の整数倍の長さでなければならない。更に、ループのリターン 導体は関心領域からシールドされなければならない。

各ループに接続された２つのＲＦ信号源は位相が９０゜ずれているとともに、４ 分の１波長の間隔のところでル−プ内に物理的に挿入されているが、他の位相差 および間隔も可能である。位相差および間隔は、ＲＦ倍信号各位相によって発生 する信号が好ましい方向の進行波に対して互いに補強し合い、反対方向の進行波 を打ち消すように選択されることが必要なだけである。一般に、２つの信号源１ ７および１８はプラスまたはマイナス９０°の位相差を有し、４分の１波長の奇 数倍の間隔をあけてループに接続される。

特表千４−５０７００５　（５） 要　約　書 ＮＭＲ機器用のＲＦコイル組立体は中心軸の周りに一組の等しい間隔で設けられ た直線状導体とそれを囲む円筒形シールドを有している。−組のシールド導体が 直線状導体の端部に接続されて、ループを形成する。ループの有効長および該ル ープを駆動するＲＦ信号源が中心軸に沿ったＲＦ電磁の均質性を改良するように 選択される。

平成　年　月　日

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．中心軸の周りに同心に配設された円筒形シールドと、前記中心軸の周りに同 心にかつ前記シールドから半径方向内側の所に配設され、それぞれ中心軸とほぼ 同じ方向に延在している一組の直線状導体と、 前記シールドの周面に沿って配設されて、前記シールドの長手方向に沿って延在 し、かつ前記直線状導体の端部に接続されて、１つ以上のループを形成する一組 のシールド導体と、 周波数（ｆ）を持ち、その２つの位相を前記ループの１つに接続する多相ＲＦ信 号源とを有し、前記の各ループが周波数（ｆ）において波長（λ）の整数倍の長 さ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．前記多相ＲＦ信号源の２つの位相の間の位相差および前記ループの１つに対 する前記多相ＲＦ信号源の接続位置が前記ループによって発生されるＲＦ信号を 前記中心軸の方向に沿って移動させるように選択されている請求項１記載のＲＦ コイル組立体。
3. ３．中心軸の周りに同心に配設された円筒形シールドと、前記中心軸の周りに同 心にかつ前記シールドから半径方向内側の所に配設され、それぞれ前記中心軸と ほぼ同じ方向に延在している一組の直線状導体と、前記シールドの周面に沿って 配設されて、前記シールドの長手方向に沿って延在し、かつ前記直線状導体に１ つずつ対応して該導体に接続されて、電流を通す閉ループを形成している一組の シールド導体と、 周波数（ｆ）を持つ、その２つの位相を前記ループの１つに接続する多相ＲＦ信 号源とを有し、前記の直線状導体およびそのシールド導体によって形成された各 ループが周波数（ｆ）において波長λの整数倍の長さを有することを特徴とする ＮＭＲ機器用のＲＦコイル組立体。
4. ４．前記多相ＲＦ信号源の２つの位相の間の位相差および前記ループの１つに対 する前記多相ＲＦ信号源の接続位置が前記ループによって発生されるＲＦ磁界を 前記中心軸の方向に沿って移動させるように選択されている請求項３記載のＲＦ コイル組立体。
5. ５．前記多相ＲＦ信号源の別の２つの位相が前記ループの他の１つに接続され、 前記別の２つの位相の位相差は前記ループの前記他の１つによって発生されるＲ Ｆ磁界を前記中心軸の方向に沿って移動させるように選択され、前記２つの位相 と前記別の２つの位相の間の位相差は前記ループによって発生されるＲＦ磁界を 前記中心軸の周りに回転させるようになっている請求項４記載のＲＦコイル組立 体。
6. ６．誘電物質が前記シールドと前記直線状導体との間の環状スペース内に配設さ れ、該誘電物質は２０より大きな比誘電率を有している請求項３記載のＲＦコイ ル組立体。
7. ７．前記直線状導体は前記シールドの周面に沿って等しい間隔で配設されている 請求項３記載のＲＦコイル組立体。
8. ８．１６の別々のループを形成するように１６の直線状導体および１６の対応す るシールド導体を有する請求項７記載のＲＦコイル組立体。
9. ９．前記の各ループが前記多相ＲＦ信号源の相異なる対の位相に接続されている 請求項８記載のＲＦコイル組立体。
10. １０．前記多相ＲＦ信号の相異なる対の位相が順次２２．５度ずつ位相が異なっ ている請求項９記載のＲＦコイル組立体。