JPH0561761B2 - - Google Patents
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- JPH0561761B2 JPH0561761B2 JP1142312A JP14231289A JPH0561761B2 JP H0561761 B2 JPH0561761 B2 JP H0561761B2 JP 1142312 A JP1142312 A JP 1142312A JP 14231289 A JP14231289 A JP 14231289A JP H0561761 B2 JPH0561761 B2 JP H0561761B2
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- JP
- Japan
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- coil
- radio frequency
- antenna
- radius
- approximately
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
- G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
- G01R33/32—Excitation or detection systems, e.g. using radio frequency signals
- G01R33/34—Constructional details, e.g. resonators, specially adapted to MR
- G01R33/34046—Volume type coils, e.g. bird-cage coils; Quadrature bird-cage coils; Circularly polarised coils
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- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
発明の背景
この発明は核磁気共鳴（NMR）装置、更に具
体的に云えば、特にNMR作像又は分光法でRF
信号を受信する時に、信号対雑音比（SNR）を
最適にした「鳥かご」形の新規な無線周波（RF）
コイルに関する。
体的に云えば、特にNMR作像又は分光法でRF
信号を受信する時に、信号対雑音比（SNR）を
最適にした「鳥かご」形の新規な無線周波（RF）
コイルに関する。
NMRを用いて、標本内にある原子核の内部の
分布及び化学的な形式を判断する為に、 1H、31P
等の様なある原子核からの化学シフト・スペクト
ルを作像して求めることが現在ではよく知られて
いる。特に、人体内の特定の原子核種目のNMR
作像は、医学的及び科学的に意味があることが証
明されている。今日では、作像しようとする標本
をその中に置く静磁界B0を強めることにより、
SNRを大幅に高めることが出来ることも判つて
いる。このSNRの利点を幾分犠牲にすることに
よつて、容積画素の寸法を小さくする試みによ
り、容積要素の線形寸法は信号対雑音比の立方根
に見かけ上比例するから、容積要素の線形の範囲
が比較的僅かしか減少しないことが判つた。然
し、SNRの増加を利用して、データ収集時間を
短縮することが出来る。収集時間の短縮は、実現
し得るSNRの増加の自乗に比例する。従つて、
NMR無線周波容積コイル、特に「鳥かご」形コ
イルと呼ばれる形の無線周波容積コイルに於ける
信号対雑音比を可能な最大限まで増加することが
非常に望ましい。この鳥かご形コイルは、縦方向
の共通軸線に沿つて相隔たる１対の導電ループ要
素を持つていて、各々のループ要素は、そのルー
プの周辺に沿つて相隔たる複数個の直列接続の静
電容量素子を持ち、同じ複数個の軸方向導電セグ
メントが、直列接続された隣接する静電容量素子
の間の点で、導電ループ要素を電気的に相互接続
するものである。これは、米国特許第4680548号
及び同第4692705号に記載されている。
分布及び化学的な形式を判断する為に、 1H、31P
等の様なある原子核からの化学シフト・スペクト
ルを作像して求めることが現在ではよく知られて
いる。特に、人体内の特定の原子核種目のNMR
作像は、医学的及び科学的に意味があることが証
明されている。今日では、作像しようとする標本
をその中に置く静磁界B0を強めることにより、
SNRを大幅に高めることが出来ることも判つて
いる。このSNRの利点を幾分犠牲にすることに
よつて、容積画素の寸法を小さくする試みによ
り、容積要素の線形寸法は信号対雑音比の立方根
に見かけ上比例するから、容積要素の線形の範囲
が比較的僅かしか減少しないことが判つた。然
し、SNRの増加を利用して、データ収集時間を
短縮することが出来る。収集時間の短縮は、実現
し得るSNRの増加の自乗に比例する。従つて、
NMR無線周波容積コイル、特に「鳥かご」形コ
イルと呼ばれる形の無線周波容積コイルに於ける
信号対雑音比を可能な最大限まで増加することが
非常に望ましい。この鳥かご形コイルは、縦方向
の共通軸線に沿つて相隔たる１対の導電ループ要
素を持つていて、各々のループ要素は、そのルー
プの周辺に沿つて相隔たる複数個の直列接続の静
電容量素子を持ち、同じ複数個の軸方向導電セグ
メントが、直列接続された隣接する静電容量素子
の間の点で、導電ループ要素を電気的に相互接続
するものである。これは、米国特許第4680548号
及び同第4692705号に記載されている。
発明の要約
この発明では、NMR用等の信号対雑音比を最
適にしたRF容積コイルが、rsを円筒形容積コイ
ル内に入つている、検査しようとするサンプルの
実効半径として、約0.3rs及び約1.5rsの間に減少
した長さLcを持ち、容積コイルの半径rcは約1.0rs
及び約1.6rsの間である。この様な「短い」容積
コイルは、特に、「通常の」長さを持つ、Lc4rs
である容積コイルのSNRに比べて、特にコイル
の軸線から離れた容積要素に対して、コイルの感
度Ｓは一様ではないけれども、コイルの軸線に略
沿つた位置にある容積要素に対するSNRが改善
される。
適にしたRF容積コイルが、rsを円筒形容積コイ
ル内に入つている、検査しようとするサンプルの
実効半径として、約0.3rs及び約1.5rsの間に減少
した長さLcを持ち、容積コイルの半径rcは約1.0rs
及び約1.6rsの間である。この様な「短い」容積
コイルは、特に、「通常の」長さを持つ、Lc4rs
である容積コイルのSNRに比べて、特にコイル
の軸線から離れた容積要素に対して、コイルの感
度Ｓは一様ではないけれども、コイルの軸線に略
沿つた位置にある容積要素に対するSNRが改善
される。
現在好ましいと考えられる１実施例では、
SNRを最適にした容積コイルは、「鳥かご」形で
あつて、約26MHzの31P原子核からのNMR応答
信号を検出する様に設計されており、長さLcが約
1.0rsであり、コイルの半径rcが約1.1rsであり、サ
ンプルの半径の約４倍の長さを持つ同じ形をした
円筒形の容積コイルに比べて、SNRが60％以上
増加する。真の直角位相モードに於ける検出コイ
ルの動作によつて、円偏波NMR電磁界だけを検
出する時、更にSNRは約40％改善される。
SNRを最適にした容積コイルは、「鳥かご」形で
あつて、約26MHzの31P原子核からのNMR応答
信号を検出する様に設計されており、長さLcが約
1.0rsであり、コイルの半径rcが約1.1rsであり、サ
ンプルの半径の約４倍の長さを持つ同じ形をした
円筒形の容積コイルに比べて、SNRが60％以上
増加する。真の直角位相モードに於ける検出コイ
ルの動作によつて、円偏波NMR電磁界だけを検
出する時、更にSNRは約40％改善される。
従つて、この発明の目的は、NMR等の装置に
用いる容積無線周波容積コイルとして、信号対雑
音比を改善した新規な容積無線周波容積コイルを
提供することである。
用いる容積無線周波容積コイルとして、信号対雑
音比を改善した新規な容積無線周波容積コイルを
提供することである。
この発明の上記並びにその他の目的は、以下図
面について詳しく説明する所から明らかになろ
う。
面について詳しく説明する所から明らかになろ
う。
発明の詳しい説明
最初に第１図について説明すると、無線周波容
積コイル集成体１０は円筒形であつて、アクリル
等の材料で作られた非磁性で非導電性で非誘電体
の管１１によつて支持される。この管は半径Ｒ及
び長さＬを持ち、人間の頭を作像するコイルで
は、例として云うと、半径及び長さが夫々約５吋
及び約８吋である。円筒形コイル巻型１１の軸線
がデカルト座標系のＺ軸と整合しており、座標系
の中心Ｚ＝０がコイル１０の軸方向の中心にあ
る。集成体１０のアンテナ部分１２は第１及び第
２の相隔たる導電ループ要素１４ａ，１４ｂを有
する。各々のループ要素は幅Ｗであり、図示の場
合は約0.5吋であり、導体１４ａ，１４ｂの向い
合う縁の間隔Laが、図示の場合は、約4.5吋であ
つて、導体１４ａ，１４ｂの縁の平面は、軸方向
の中心Ｚ＝０平面から、夫々距離Lb、図示の場
合は、約2.25吋の所にある。コイルのこの実効長
Lcが約５吋である。各々導体１４ａ，１４ｂは、
典型的には軸方向に整合した複数個（Ｎ個）の位
置の各々で、小さなすき間１４ｃだけ途切れてい
て、同じ複数個（Ｎ個）の略同一の導電セグメン
ト１４ｓを形成する。セグメントの数Ｎが、基数
２のべき数ｐによつて表わされること、即ちｐ＝
１、２、３…として、Ｎ＝2pで表わされるのが有
利である。図示の実施例では、ｐ＝４及びＮ＝16
である。16個の導体のすき間１４ｃの各々に直列
接続の静電容量素子１６が架橋される。同じ複数
個（Ｎ個）の軸方向導電要素１４ｅの各々が、第
１及び第２の相隔たるループ要素１４ａ，１４ｂ
の同じ様な位置にあるセグメント１４ｓを相互接
続する。各々の軸方向導電要素１４ｅは幅W′を
持ち、図示の場合は、約0.5吋である。第１及び
第２の導電末端リング１８ａ，１８ｂが、使う場
合は、ループ要素１４の平面と略平行な平面内に
形成されるが、これらの平面は軸方向には、ルー
プ要素１４の平面を通り越した所にある。各々の
末端リングは太さΔZ（図示の場合は、約0.5吋）
であり、少なくとも１つのすき間１８ｃを持ち、
各々のすき間は関連する直列接続の静電容量素子
２０によつて架橋されている。末端リングは望ま
しくないコイルの共鳴を除く傾向がある。
積コイル集成体１０は円筒形であつて、アクリル
等の材料で作られた非磁性で非導電性で非誘電体
の管１１によつて支持される。この管は半径Ｒ及
び長さＬを持ち、人間の頭を作像するコイルで
は、例として云うと、半径及び長さが夫々約５吋
及び約８吋である。円筒形コイル巻型１１の軸線
がデカルト座標系のＺ軸と整合しており、座標系
の中心Ｚ＝０がコイル１０の軸方向の中心にあ
る。集成体１０のアンテナ部分１２は第１及び第
２の相隔たる導電ループ要素１４ａ，１４ｂを有
する。各々のループ要素は幅Ｗであり、図示の場
合は約0.5吋であり、導体１４ａ，１４ｂの向い
合う縁の間隔Laが、図示の場合は、約4.5吋であ
つて、導体１４ａ，１４ｂの縁の平面は、軸方向
の中心Ｚ＝０平面から、夫々距離Lb、図示の場
合は、約2.25吋の所にある。コイルのこの実効長
Lcが約５吋である。各々導体１４ａ，１４ｂは、
典型的には軸方向に整合した複数個（Ｎ個）の位
置の各々で、小さなすき間１４ｃだけ途切れてい
て、同じ複数個（Ｎ個）の略同一の導電セグメン
ト１４ｓを形成する。セグメントの数Ｎが、基数
２のべき数ｐによつて表わされること、即ちｐ＝
１、２、３…として、Ｎ＝2pで表わされるのが有
利である。図示の実施例では、ｐ＝４及びＮ＝16
である。16個の導体のすき間１４ｃの各々に直列
接続の静電容量素子１６が架橋される。同じ複数
個（Ｎ個）の軸方向導電要素１４ｅの各々が、第
１及び第２の相隔たるループ要素１４ａ，１４ｂ
の同じ様な位置にあるセグメント１４ｓを相互接
続する。各々の軸方向導電要素１４ｅは幅W′を
持ち、図示の場合は、約0.5吋である。第１及び
第２の導電末端リング１８ａ，１８ｂが、使う場
合は、ループ要素１４の平面と略平行な平面内に
形成されるが、これらの平面は軸方向には、ルー
プ要素１４の平面を通り越した所にある。各々の
末端リングは太さΔZ（図示の場合は、約0.5吋）
であり、少なくとも１つのすき間１８ｃを持ち、
各々のすき間は関連する直列接続の静電容量素子
２０によつて架橋されている。末端リングは望ま
しくないコイルの共鳴を除く傾向がある。
この特定の高域通過「鳥かご」形の、SNRを
最適にしたRF容積コイル１０は、第１及び第２
の端子１０ａ，１０ｂの間に平衡給電点を有す
る。端子１０ａ，１０ｂが、１つのコンデンサ１
６の両端に接続される。図面では、隣接する導電
セグメント１４ｓ−１及び１４ｓ−２に接続さ
れ、コンデンサ１６′の両端に接続されている。
コイルは直角位相で励振並びに／又は受信する様
に接続するのが有利であり、第２の平衡給電点が
第３及び第４の端子１０ｃ，１０ｄの間に設けら
れる。これらの端子は隣接する導電セグメント１
４ｓ−５及び１４ｓ−６に接続されていて、別の
コンデンサ１６″の両端に接続されるが、このコ
ンデンサは、コイルのループ１４ｂの内、コンデ
ンサ１６′に対する第１の平衡入力に対して、円
筒の軸線から伸ばした半径方向の基準に対し、略
90゜の所にある半径方向の基準を持つ部分に配置
されている。直角位相の給電点をコイル１０の外
部の１個の不平衡受信ケーブル等に結合する為
に、バラン回路、平衡多重半波長ケーブル、混成
直角位相素子等を使うことは周知である。
最適にしたRF容積コイル１０は、第１及び第２
の端子１０ａ，１０ｂの間に平衡給電点を有す
る。端子１０ａ，１０ｂが、１つのコンデンサ１
６の両端に接続される。図面では、隣接する導電
セグメント１４ｓ−１及び１４ｓ−２に接続さ
れ、コンデンサ１６′の両端に接続されている。
コイルは直角位相で励振並びに／又は受信する様
に接続するのが有利であり、第２の平衡給電点が
第３及び第４の端子１０ｃ，１０ｄの間に設けら
れる。これらの端子は隣接する導電セグメント１
４ｓ−５及び１４ｓ−６に接続されていて、別の
コンデンサ１６″の両端に接続されるが、このコ
ンデンサは、コイルのループ１４ｂの内、コンデ
ンサ１６′に対する第１の平衡入力に対して、円
筒の軸線から伸ばした半径方向の基準に対し、略
90゜の所にある半径方向の基準を持つ部分に配置
されている。直角位相の給電点をコイル１０の外
部の１個の不平衡受信ケーブル等に結合する為
に、バラン回路、平衡多重半波長ケーブル、混成
直角位相素子等を使うことは周知である。
容積検出コイル１０の動作は相反性原理から解
析することが出来る。コイルの中心を原点ｚ＝０
とし、図示の様に、Ｚ軸をコイルの円筒形の軸線
と一致させた円柱極座標系の点（ｒ、θ、ｚ）に
ある容積要素から検出されるRFコイル１０の
NRM信号対雑音比ψは、 ψαB1（ｒ、θ、ｚ）／√ (1) であり、こゝでB1は単位電流によつて発生され
る横方向RF磁界であり、ＲはNMRの角周波数
ωに於ける合計雑音抵抗である。コイルの軸線に
沿つて比ψを最適にする時、長さLc及び半径rcを
持つ鳥かご形のコイルの横方向RF磁界B1は、末
端リング１８の最大の単位電流に対し、正弦状電
流分布Ｊによつて発生される。Ｊ ＝（−ｚ sinθ／｜ｚ｜Ｗ）θ ＋（（｜ｚ｜−Lc／２）cosθ／rcＷ）ｚ 但し（Lc／２）−Ｗ≦｜Ｚ｜≦Lc／２ (2) これが幅Ｗを持つ各々のループ要素１４にあ
る。Ｊ ＝（−cosθ／rc）ｚ 但し｜ｚ｜＜（Lc／２）−Ｗ (3) コイル内側の磁気スカラー・ポテンシヤル
（φn）は、ラプラース方程式の別々の解を電流の
フーリエ分解に合せることによつて得られる。
析することが出来る。コイルの中心を原点ｚ＝０
とし、図示の様に、Ｚ軸をコイルの円筒形の軸線
と一致させた円柱極座標系の点（ｒ、θ、ｚ）に
ある容積要素から検出されるRFコイル１０の
NRM信号対雑音比ψは、 ψαB1（ｒ、θ、ｚ）／√ (1) であり、こゝでB1は単位電流によつて発生され
る横方向RF磁界であり、ＲはNMRの角周波数
ωに於ける合計雑音抵抗である。コイルの軸線に
沿つて比ψを最適にする時、長さLc及び半径rcを
持つ鳥かご形のコイルの横方向RF磁界B1は、末
端リング１８の最大の単位電流に対し、正弦状電
流分布Ｊによつて発生される。Ｊ ＝（−ｚ sinθ／｜ｚ｜Ｗ）θ ＋（（｜ｚ｜−Lc／２）cosθ／rcＷ）ｚ 但し（Lc／２）−Ｗ≦｜Ｚ｜≦Lc／２ (2) これが幅Ｗを持つ各々のループ要素１４にあ
る。Ｊ ＝（−cosθ／rc）ｚ 但し｜ｚ｜＜（Lc／２）−Ｗ (3) コイル内側の磁気スカラー・ポテンシヤル
（φn）は、ラプラース方程式の別々の解を電流の
フーリエ分解に合せることによつて得られる。
φn（ｒ、θ、ｚ）＝∞
∫0
Ａ(k)krcK1′（krc）I1（kr）sinθcos（kz）dk (4)
Ａ(k)＝（2cosk（Lc／２−Ｗ）−2c
os（Lc／２））／πk2Δz(5) こゝでK1′は全引数に対する第２種変形ベツセ
ル関数の微分である。この時、RF磁界B1（ｒ、
θ、ｚ）は、透磁率μ0を持つ空間内で、磁界の構
成分の数値計算によつて得られる。即ち Ｂ（ｒ、θ、ｚ）＝−μ0 ▽φn (6) 実効的な合計のNMR雑音抵抗Ｒは、コイル及
びサンプルの両方の寄与を含む。コイルの損失は
比較的小さくすることが出来るから、サンプルの
損失の雑音抵抗Ｒに対する寄与だけを考える。や
はり相反性を考えることにより、 Ｒ＝σ∫＜Ｅ・Ｅ＞dV＝σ／２∫Ｅ・ＥdV (7) こゝでσはサンプルの平均導電度（一様と仮定
する）、Ｅはコイルの単位電流I1によつて発生さ
れる時間依存性を持つ磁界Ｂcos（ωt）により、
サンプル内に誘起される電界であり、容積積分は
サンプル全体に及ぶ。フアラデーの法則からＥを
演繹する。
os（Lc／２））／πk2Δz(5) こゝでK1′は全引数に対する第２種変形ベツセ
ル関数の微分である。この時、RF磁界B1（ｒ、
θ、ｚ）は、透磁率μ0を持つ空間内で、磁界の構
成分の数値計算によつて得られる。即ち Ｂ（ｒ、θ、ｚ）＝−μ0 ▽φn (6) 実効的な合計のNMR雑音抵抗Ｒは、コイル及
びサンプルの両方の寄与を含む。コイルの損失は
比較的小さくすることが出来るから、サンプルの
損失の雑音抵抗Ｒに対する寄与だけを考える。や
はり相反性を考えることにより、 Ｒ＝σ∫＜Ｅ・Ｅ＞dV＝σ／２∫Ｅ・ＥdV (7) こゝでσはサンプルの平均導電度（一様と仮定
する）、Ｅはコイルの単位電流I1によつて発生さ
れる時間依存性を持つ磁界Ｂcos（ωt）により、
サンプル内に誘起される電界であり、容積積分は
サンプル全体に及ぶ。フアラデーの法則からＥを
演繹する。
▽ＸＥ＝−∂B／∂t (8)
これと式(6)から、次の様になる。Ｅ
＝−▽φe＋（μ0ω∞
∫0
Ａ(k)／kr）I1（kr）cosθsin（kz）dk）ｒ
−（μ0ω∞
∫0
Ａ(k)I1′（kr）sinθsin（kz）dk）θ (9)
こゝで時間依存性を持つ係数sin（ωt）は抑圧し
ている。但し φe＝μ0ω∞ ∫ ∫0 （Ａ(k)I1（krs）／k2rsI1′（krs））I1（kr）cosθs
in（kz）dk(10) これはサンプルの半径rsに於けるサンプル表面
に対して法線方向の電流の流れがないと云う境界
条件を仮定とすると共に、誘起電流に伴う磁界が
それ自体は目立つてRF磁界B1を変えないと仮定
している。サンプルの雑音抵抗Ｒは、式(5)、(9)及
び(10)を式(7)に代入して、数値積分を行なうことに
よつて求められる。
ている。但し φe＝μ0ω∞ ∫ ∫0 （Ａ(k)I1（krs）／k2rsI1′（krs））I1（kr）cosθs
in（kz）dk(10) これはサンプルの半径rsに於けるサンプル表面
に対して法線方向の電流の流れがないと云う境界
条件を仮定とすると共に、誘起電流に伴う磁界が
それ自体は目立つてRF磁界B1を変えないと仮定
している。サンプルの雑音抵抗Ｒは、式(5)、(9)及
び(10)を式(7)に代入して、数値積分を行なうことに
よつて求められる。
第２図は、コイルの長さ及びコイルの半径をコ
イル内のあるサンプルの実効半径rsで表わして、
コイルの半径rcの幾つかの値に対し、横軸にコイ
ルの長さLcをとり、その関数として縦軸にコイル
の中心（Ｘ＝０、Ｙ＝０及びＺ＝０）に於ける達
成されたNMR信号対雑音比SNRa＝B1／√を
示してある。SNRの値が、コイルの半径rcとサ
ンプルの半径rsとの比に関係することが判る。大
体rc／rs＝1.0か約1.6までの所望の範囲内で、５
本の曲線２５，２６，２７，２８，２９が夫々
1.1、1.2、1.3、1.4、1.5の比を表わす。サンプル
の実効半径rsはサンプルの寸法に関係するだけで
なく、サンプルの形にも関係する。頭の様な人体
の一部分は、コイルの内部では、解剖学的な部分
のどの主な寸法とも異なる実効半径rsを持つRF
負荷となつて現れることがある。コイル半径rc
が、サンプルの雑音が支配的である時には、
SNRψに影響する係数としては比較的問題になら
ないことが理解されよう。更に、点Ａに示す様
に、約4rsの普通のコイルの長さLcでは、相対的
なSNRaは約0.6であり、コイルを約Lc＝1.4rsの
長さに縮めることにより、点Ｂに於ける約0.9の
SNRaの値に大体50％改善することが出来ること
も理解されよう。更に、コイルの長さを点Ｃに示
す様に約Lc＝1.0rsに更に短くすると（コイルの
半径rcは約1.1r）、相対的なSNRaは1.0を越え、
普通の長さのコイルに対する点ＡのSNRaの値に
対し、少なくとも60％大きいSNRになることも
判る、直角位相動作を利用することにより、更に
40％を付加えることが出来、給電点が１個の長い
鳥かご形RFコイルに比べて、100％又はそれ以上
のSNRの改善が可能である。
イル内のあるサンプルの実効半径rsで表わして、
コイルの半径rcの幾つかの値に対し、横軸にコイ
ルの長さLcをとり、その関数として縦軸にコイル
の中心（Ｘ＝０、Ｙ＝０及びＺ＝０）に於ける達
成されたNMR信号対雑音比SNRa＝B1／√を
示してある。SNRの値が、コイルの半径rcとサ
ンプルの半径rsとの比に関係することが判る。大
体rc／rs＝1.0か約1.6までの所望の範囲内で、５
本の曲線２５，２６，２７，２８，２９が夫々
1.1、1.2、1.3、1.4、1.5の比を表わす。サンプル
の実効半径rsはサンプルの寸法に関係するだけで
なく、サンプルの形にも関係する。頭の様な人体
の一部分は、コイルの内部では、解剖学的な部分
のどの主な寸法とも異なる実効半径rsを持つRF
負荷となつて現れることがある。コイル半径rc
が、サンプルの雑音が支配的である時には、
SNRψに影響する係数としては比較的問題になら
ないことが理解されよう。更に、点Ａに示す様
に、約4rsの普通のコイルの長さLcでは、相対的
なSNRaは約0.6であり、コイルを約Lc＝1.4rsの
長さに縮めることにより、点Ｂに於ける約0.9の
SNRaの値に大体50％改善することが出来ること
も理解されよう。更に、コイルの長さを点Ｃに示
す様に約Lc＝1.0rsに更に短くすると（コイルの
半径rcは約1.1r）、相対的なSNRaは1.0を越え、
普通の長さのコイルに対する点ＡのSNRaの値に
対し、少なくとも60％大きいSNRになることも
判る、直角位相動作を利用することにより、更に
40％を付加えることが出来、給電点が１個の長い
鳥かご形RFコイルに比べて、100％又はそれ以上
のSNRの改善が可能である。
第３図には、コイルの半径rc＝1.4rsを持つ特定
のコイルついて、円筒形コイル１０のＺ軸の正規
化半径方向距離（ｒ／rs）の幾つかの値（縦軸３
２に示す）に対し、並びにコイルの中心ｚ＝０か
らコイルの両端に向う両方向に種々の正規化軸方
向距離（ｚ／rs）の値（横軸３４に示す）に対し
て、相対的な信号対雑音比の感度Ｓを示してあ
る。（点Ａに於ける0.6のSNRaに比べて）点Ｂに
於ける0.9のSNRaの値までの前に述べた50％の
SNRの増加が、Ｓ＝0.9の曲線３６に沿つた全て
の場所で達成されること、並びにコイルの中心に
一層近い所、並びに／又はコイルの軸線からの半
径方向の距離が増加した所では、尚更大きい相対
的なSNRの値を達成出来ることが認められよう。
従つて、RF磁界B1の非均質性に払う犠牲が比較
的穏やかであり、（ｒ、ｚ＝０）平面並びに約ｚ
＝0.75rsまでの軸横断平面では、約33％になるこ
とが判る。RF励振磁界B1によつて発生される
NMRフリツプ（flip）角度αが、磁界B1の大き
さに比例し、磁化がsinαに比例するから、この非
均質性により、スピン格子緩和効果があつても、
フリツプ角度αがサンプルの表面で90゜に設定さ
れていれば、最悪の場合でも、サンプルの中心で
信号の損失は約13％になるに過ぎない。従つて、
rc／rsが約1.0と約1.6の間で、長さLcが2rsより小
さいこの短い容積コイルの設計は、NMRサンプ
ルの励振と応答信号の受信の両方に十分適してい
る。コイルの長さLcを1.0rs未満に更に縮小すれ
ば、特にコイルの半径rcも約1.0rs及び約1.6rs間の
値に保つた場合、SNRψを更に限界的によくする
ことが出来る。然し、Lcがゼロに近付く時、初め
に想定した条件（サンプル雑音が支配的になると
云う条件）が達成されなくなるから、実際には、
SNRのそれ以上の利得は実現することが出来な
いことが判つた。Lcが０に近付くにつれて、RF
磁界B1は、コイル雑音の寄与よりも一層早く減
少する。更に、コイルの半径rcは、ある範囲の人
体並びにその円柱形でない解剖学的な部分を収容
する様に選ばれなければならないから、コイルの
半径rcを1.0rs乃至1.6rsの範囲内に保つことは困難
になることがある。
のコイルついて、円筒形コイル１０のＺ軸の正規
化半径方向距離（ｒ／rs）の幾つかの値（縦軸３
２に示す）に対し、並びにコイルの中心ｚ＝０か
らコイルの両端に向う両方向に種々の正規化軸方
向距離（ｚ／rs）の値（横軸３４に示す）に対し
て、相対的な信号対雑音比の感度Ｓを示してあ
る。（点Ａに於ける0.6のSNRaに比べて）点Ｂに
於ける0.9のSNRaの値までの前に述べた50％の
SNRの増加が、Ｓ＝0.9の曲線３６に沿つた全て
の場所で達成されること、並びにコイルの中心に
一層近い所、並びに／又はコイルの軸線からの半
径方向の距離が増加した所では、尚更大きい相対
的なSNRの値を達成出来ることが認められよう。
従つて、RF磁界B1の非均質性に払う犠牲が比較
的穏やかであり、（ｒ、ｚ＝０）平面並びに約ｚ
＝0.75rsまでの軸横断平面では、約33％になるこ
とが判る。RF励振磁界B1によつて発生される
NMRフリツプ（flip）角度αが、磁界B1の大き
さに比例し、磁化がsinαに比例するから、この非
均質性により、スピン格子緩和効果があつても、
フリツプ角度αがサンプルの表面で90゜に設定さ
れていれば、最悪の場合でも、サンプルの中心で
信号の損失は約13％になるに過ぎない。従つて、
rc／rsが約1.0と約1.6の間で、長さLcが2rsより小
さいこの短い容積コイルの設計は、NMRサンプ
ルの励振と応答信号の受信の両方に十分適してい
る。コイルの長さLcを1.0rs未満に更に縮小すれ
ば、特にコイルの半径rcも約1.0rs及び約1.6rs間の
値に保つた場合、SNRψを更に限界的によくする
ことが出来る。然し、Lcがゼロに近付く時、初め
に想定した条件（サンプル雑音が支配的になると
云う条件）が達成されなくなるから、実際には、
SNRのそれ以上の利得は実現することが出来な
いことが判つた。Lcが０に近付くにつれて、RF
磁界B1は、コイル雑音の寄与よりも一層早く減
少する。更に、コイルの半径rcは、ある範囲の人
体並びにその円柱形でない解剖学的な部分を収容
する様に選ばれなければならないから、コイルの
半径rcを1.0rs乃至1.6rsの範囲内に保つことは困難
になることがある。
次に第４図について説明すると、現在好ましい
と考えられる実施例の低域通過NMR用RF容積
コイル集成体１０′が、半径R′及び長さL′を持つ
非磁性、非導電性及び非誘電体の管１１′によつ
て支持されている。これは、末端リング（近くの
周波数では、妨害する共鳴がないから、必要とし
ない）のないコイルでは、長さL′はコイルの実効
長L′cより僅かに長い。円筒形コイル巻型１１′の
軸線がＺ軸と整合しており、この座標系の中心Ｚ
＝０がコイルの軸方向中心にある。アンテナ部分
１２′は第１及び第２の相隔たる導電ループ要素
１４′ａ，１４′ｂで構成されており、その各々は
第１図のコイル１０と同じ幅Ｗを持つている。コ
イルの実効長L′c及び半径R′は、共に約５吋であ
る。各々の導体１４′ａ及び１４′ｂが、典型的に
は軸方向に整合して、複数個（Ｍ個）の位置の
各々で小さなすき間１４′ｃだけ途切れていて、
同じ複数個（Ｍ個）の略同一の導電セグメント１
４′ｓを形成する。セグメントの数Ｍが基数２の
べき数ｑで表わされること、即ち、ｑ＝１、２、
３…として、Ｍ＝2qであるのが有利である。図示
の実施例では、ｑ＝２及びＭ＝４である。各々の
導体のすき間１４′ｃに直列接続の静電容量素子
１６′が架橋されている。別の複数個（Ｎ個、今
の場合は16）の軸方向導電要素１４′ｅの各々が、
第１及び第２の相隔たるループ要素１４′ａ，１
４′ｂの同じ位置にあるセグメント１４′ｓに対し
て垂直に配置されている。各々の軸方向導電要素
１４ｅは幅W′を持ち、これが図示の場合は、約
0.5吋である。各々の要素１４′ｅの両端が隣接す
るセグメント１４′ｓから１つのすき間１４′ｆだ
け離れている。各々のすき間１４′ｆが静電容量
素子４０によつて架橋されている。
と考えられる実施例の低域通過NMR用RF容積
コイル集成体１０′が、半径R′及び長さL′を持つ
非磁性、非導電性及び非誘電体の管１１′によつ
て支持されている。これは、末端リング（近くの
周波数では、妨害する共鳴がないから、必要とし
ない）のないコイルでは、長さL′はコイルの実効
長L′cより僅かに長い。円筒形コイル巻型１１′の
軸線がＺ軸と整合しており、この座標系の中心Ｚ
＝０がコイルの軸方向中心にある。アンテナ部分
１２′は第１及び第２の相隔たる導電ループ要素
１４′ａ，１４′ｂで構成されており、その各々は
第１図のコイル１０と同じ幅Ｗを持つている。コ
イルの実効長L′c及び半径R′は、共に約５吋であ
る。各々の導体１４′ａ及び１４′ｂが、典型的に
は軸方向に整合して、複数個（Ｍ個）の位置の
各々で小さなすき間１４′ｃだけ途切れていて、
同じ複数個（Ｍ個）の略同一の導電セグメント１
４′ｓを形成する。セグメントの数Ｍが基数２の
べき数ｑで表わされること、即ち、ｑ＝１、２、
３…として、Ｍ＝2qであるのが有利である。図示
の実施例では、ｑ＝２及びＭ＝４である。各々の
導体のすき間１４′ｃに直列接続の静電容量素子
１６′が架橋されている。別の複数個（Ｎ個、今
の場合は16）の軸方向導電要素１４′ｅの各々が、
第１及び第２の相隔たるループ要素１４′ａ，１
４′ｂの同じ位置にあるセグメント１４′ｓに対し
て垂直に配置されている。各々の軸方向導電要素
１４ｅは幅W′を持ち、これが図示の場合は、約
0.5吋である。各々の要素１４′ｅの両端が隣接す
るセグメント１４′ｓから１つのすき間１４′ｆだ
け離れている。各々のすき間１４′ｆが静電容量
素子４０によつて架橋されている。
この特定の低域通過「鳥かご」形のSNRを最
適にしたRF容積コイル１０′は、要素１４′ｇ−
１に給電点４４ａを持つが、これはすき間１４′
ｆだけ要素１４′ｅ−１から離れていて、コンデ
ンサ４２によつて架橋されている。不平衡給電点
コネクタ４４ａの遮蔽体がセグメント１４′ｓ−
１に接続され、その中心導体が導体４６を介して
要素部分１４′ｇ−１に接続される。直角位置で
励振する場合、２番目の不平衡給電点４４ｂが１
番目の給電点４４ａから90゜の所に配置される。
適にしたRF容積コイル１０′は、要素１４′ｇ−
１に給電点４４ａを持つが、これはすき間１４′
ｆだけ要素１４′ｅ−１から離れていて、コンデ
ンサ４２によつて架橋されている。不平衡給電点
コネクタ４４ａの遮蔽体がセグメント１４′ｓ−
１に接続され、その中心導体が導体４６を介して
要素部分１４′ｇ−１に接続される。直角位置で
励振する場合、２番目の不平衡給電点４４ｂが１
番目の給電点４４ａから90゜の所に配置される。
使う時、サンプルの半径rsが約3.5吋である場
合、コイルの半径R′＝r′cを５吋にし、長さL′cを
５吋として示した現在好ましいと考えられる実施
例10′は、NMRサンプルの励振及び応答信号の検
出に用いた。このコイルは、0゜入力のコネクタ４
４ａに接続し、90゜入力をコネクタ４４ｂに接続
することにより、即ちθ＝90゜の間隔で、真の直
角位相モードで動作させ、SNRψを更に√２だけ
改善すると共に、必要な励振パルス電力を1/2に
減少した。2kHzの帯域幅の１個の自由誘導減衰
（FID）の記録により、コイルの中心（ｚ＝０及
びｒ＝０）に配置された1M H3PO4の20mlのサ
ンプルのスペクトルSNRψは28であり、12Hzの線
を拡げる指数形フイルタを用い、適当な値の抵抗
をコイルの入力の間に接続することによつて、コ
イル負荷は人間の頭によつて表わされる負荷と同
等になる様に調節した。広くなつた半値幅の最大
のH3PO4の線幅は54Hzであつた。中味のある頭
に相当する負荷に対し、半径6.5cmで静電容量を
分布させた設計の31P用表面コイルを用いて求め
られたSNRψの対応する値は18であり、表面コイ
ル軸線上並びにコイルから6.5cmの深さ（この深
さはコイルの直径に等しい）の所に燐酸塩サンプ
ルを配置した。3.8cmの深さでは、SNRψは56の
値が得られた。負荷時及び無負荷時のコイルの品
質の良さ(Q)は、短い鳥かご形コイルでは夫々410
及び100であり、共振時の表面コイルでは夫々430
及び130であつた。負荷時のコイルの共振周波数
の変化は無視し得るものであつた。こう云う値
は、全体の検出された雑音に対するサンプル雑音
の寄与が同様であり、短い鳥かご形コイルでは約
76％、表面コイルでは約70％であることを示す。
合、コイルの半径R′＝r′cを５吋にし、長さL′cを
５吋として示した現在好ましいと考えられる実施
例10′は、NMRサンプルの励振及び応答信号の検
出に用いた。このコイルは、0゜入力のコネクタ４
４ａに接続し、90゜入力をコネクタ４４ｂに接続
することにより、即ちθ＝90゜の間隔で、真の直
角位相モードで動作させ、SNRψを更に√２だけ
改善すると共に、必要な励振パルス電力を1/2に
減少した。2kHzの帯域幅の１個の自由誘導減衰
（FID）の記録により、コイルの中心（ｚ＝０及
びｒ＝０）に配置された1M H3PO4の20mlのサ
ンプルのスペクトルSNRψは28であり、12Hzの線
を拡げる指数形フイルタを用い、適当な値の抵抗
をコイルの入力の間に接続することによつて、コ
イル負荷は人間の頭によつて表わされる負荷と同
等になる様に調節した。広くなつた半値幅の最大
のH3PO4の線幅は54Hzであつた。中味のある頭
に相当する負荷に対し、半径6.5cmで静電容量を
分布させた設計の31P用表面コイルを用いて求め
られたSNRψの対応する値は18であり、表面コイ
ル軸線上並びにコイルから6.5cmの深さ（この深
さはコイルの直径に等しい）の所に燐酸塩サンプ
ルを配置した。3.8cmの深さでは、SNRψは56の
値が得られた。負荷時及び無負荷時のコイルの品
質の良さ(Q)は、短い鳥かご形コイルでは夫々410
及び100であり、共振時の表面コイルでは夫々430
及び130であつた。負荷時のコイルの共振周波数
の変化は無視し得るものであつた。こう云う値
は、全体の検出された雑音に対するサンプル雑音
の寄与が同様であり、短い鳥かご形コイルでは約
76％、表面コイルでは約70％であることを示す。
NMRを最適にしたこの発明の短い容積コイル
の現在好ましいと考えられる幾つかの実施例を説
明したが、当業者に種々の変更が考えられよう。
例えば、上に述べた解析は特に第１図及び第４図
の高域通過及び低域通過用鳥かご形コイルに適用
されるものであるが、磁界の方位方向の均質性
（即ち、極座標の角度θに対する磁界の一様性）
が比較的よいと仮定した為、この解析の根拠は、
公知の様に、分布静電容量があつてもなくても、
ソレノイド形、サドル形及び正弦状の設計の様な
他の横方向コイル（即ち、RFコイルを配置した
主静磁界に対して略垂直な方向にRF磁界を発生
する大抵のコイル）にも同じ様に適用し得る。こ
う云う設計は、何れも、Lc及びrcがこの発明に従
つて選ばれる時、即ち、0.3rsLc1.5rs及び
1.0rsrs1.6rsに選ばれる時、何れもSNRの利
点をもたらすことが出来る。従つて、この発明
は、こゝに好ましい実施例として示した細部によ
つて制限されるのではなく、特許請求の範囲のみ
によつて限定されることを承知されたい。
の現在好ましいと考えられる幾つかの実施例を説
明したが、当業者に種々の変更が考えられよう。
例えば、上に述べた解析は特に第１図及び第４図
の高域通過及び低域通過用鳥かご形コイルに適用
されるものであるが、磁界の方位方向の均質性
（即ち、極座標の角度θに対する磁界の一様性）
が比較的よいと仮定した為、この解析の根拠は、
公知の様に、分布静電容量があつてもなくても、
ソレノイド形、サドル形及び正弦状の設計の様な
他の横方向コイル（即ち、RFコイルを配置した
主静磁界に対して略垂直な方向にRF磁界を発生
する大抵のコイル）にも同じ様に適用し得る。こ
う云う設計は、何れも、Lc及びrcがこの発明に従
つて選ばれる時、即ち、0.3rsLc1.5rs及び
1.0rsrs1.6rsに選ばれる時、何れもSNRの利
点をもたらすことが出来る。従つて、この発明
は、こゝに好ましい実施例として示した細部によ
つて制限されるのではなく、特許請求の範囲のみ
によつて限定されることを承知されたい。
第１図はこの発明の現在好ましいと考えられる
高域通過鳥かご形実施例の最適にしたRF容積コ
イルの斜視図、第２図はコイルの長さが変化する
場合の、サンプルの半径とコイルの半径との比を
一定にしたRF容積コイルの相対的な信号対雑音
比を示す、この発明の改良を説明するのに役立つ
グラフ、第３図はコイル内の種々の軸方向の位置
に対し、コイルの軸線からの種々の半径方向の距
離の所にある容積要素に対するコイルの相対的な
感度を示す、この発明の特徴を理解するのに役立
つグラフ、第４図はこの発明の現在好ましいと考
えられる低域通過鳥かご形実施例の最適にした
RF容積コイルの斜視図である。 ［主な符号の説明］、１１：管、１２：アンテ
ナ部分。
高域通過鳥かご形実施例の最適にしたRF容積コ
イルの斜視図、第２図はコイルの長さが変化する
場合の、サンプルの半径とコイルの半径との比を
一定にしたRF容積コイルの相対的な信号対雑音
比を示す、この発明の改良を説明するのに役立つ
グラフ、第３図はコイル内の種々の軸方向の位置
に対し、コイルの軸線からの種々の半径方向の距
離の所にある容積要素に対するコイルの相対的な
感度を示す、この発明の特徴を理解するのに役立
つグラフ、第４図はこの発明の現在好ましいと考
えられる低域通過鳥かご形実施例の最適にした
RF容積コイルの斜視図である。 ［主な符号の説明］、１１：管、１２：アンテ
ナ部分。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 実効半径rsを持つサンプルの励振、並びにそ
れからのNMR応答信号の受信の内の少なくとも
一方を行なう無線周波（RF）容積コイルに於て、
絶縁材料で作られていて外面を持つ管と、前記外
面上に、約1.0rs及び約1.6rsの間の半径rcと2rs未
満の長さLcを持つて作られた全体的に円筒形の導
電アンテナとを有し、前記サンプルが該アンテナ
内に封入された時、前記導電アンテナは、同じ半
径rc並びに少なくとも4rsの実効長を持つ同様な
アンテナの信号対雑音比（SNR）より大きい信
号対雑音比（SNR）を持つ無線周波（RF）容積
コイル。 ２ 前記実効長Lcが約0.3rs及び約1.5rsの間であ
る請求項１記載の無線周波容積コイル。 ３ アンテナの半径rcが約1.1rs及び約1.5rsの間で
ある請求項２記載の無線周波容積コイル。 ４ 実効長Lcが約1.0rs及び約1.4rsの間である請
求項２記載の無線周波容積コイル。 ５ アンテナの半径rcが約1.1rs及び約1.5rsの間で
ある請求項４記載の無線周波容積コイル。 ６ アンテナが直角位相の応答信号を受信する様
に配置された第１及び第２の給電点を有する請求
項１記載の無線周波容積コイル。 ７ アンテナが鳥かご形であつて、第１及び第２
の相隔たる導電ループ要素を有し、各々の要素は
管の軸線に対して略垂直な平面内に配置されてい
て、略等間隔の複数個のすき間によつて同じ複数
個の導電セグメントに分割されており、第１及び
第２のループ要素の各々の同じ様な位置にあるセ
グメントの間に、第２の複数個の平行な導電軸方
向要素が配置され且つ結合されており、複数個の
容量素子の相異なる１つが、第１及び第２のルー
プ要素の各々にある相異なる関連した１つのすき
間に直列接続されており、更に、一方のループ要
素に沿つた選ばれた位置に第１の給電点を設ける
手段を有する請求項１記載の無線周波容積コイ
ル。 ８ 各々のループ要素の導体が各々の軸方向要素
の幅W′に略等しい幅Ｗを有する請求項７記載の
無線周波容積コイル。 ９ 幅Ｗがコイル長Lcより大体１桁程度小さい請
求項８記載の無線周波容積コイル。 １０ アンテナが高域通過鳥かご形である請求項
７記載の無線周波容積コイル。 １１ アンテナが低域通過鳥かご形である請求項
７記載の無線周波容積コイル。 １２ 同じループ要素に沿つた別の選ばれた位置
に別の給電点を設ける手段を有する請求項７記載
の無線周波容積コイル。 １３ 前記別の給電点が前記最初に述べた給電点
から電気角で約90゜離れている請求項１２記載の
無線周波容積コイル。 １４ コイルの半径rcが５吋程度である請求項１
３記載の無線周波容積コイル。 １５ コイルの実効長Lcが５吋程度である請求項
１４記載の無線周波容積コイル。 １６ 実効長Lcが約0.3rs及び約1.5rsの間である
請求項７記載の無線周波容積コイル。 １７ アンテナの半径rcが約1.1rs及び約1.5rsの間
である請求項１６記載の無線周波容積コイル。 １８ 実効長Lcが約1.0rs及び約1.4rsの間である
請求項１７記載の無線周波容積コイル。 １９ コイルの半径rcが５吋程度である請求項１
８記載の無線周波容積コイル。 ２０ コイルの実効長Lcが５吋程度である請求項
１９記載の無線周波容積コイル。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/202,624 US4885539A (en) | 1988-06-06 | 1988-06-06 | Volume NMR coil for optimum signal-to-noise ratio |
| US202,624 | 1988-06-06 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0243706A JPH0243706A (ja) | 1990-02-14 |
| JPH0561761B2 true JPH0561761B2 (ja) | 1993-09-07 |
Family
ID=22750650
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1142312A Granted JPH0243706A (ja) | 1988-06-06 | 1989-06-06 | 信号対雑音比を最適にするための無線周波容積コイル |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4885539A (ja) |
| EP (1) | EP0346049A3 (ja) |
| JP (1) | JPH0243706A (ja) |
| IL (1) | IL90127A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20180007296A (ko) * | 2016-07-12 | 2018-01-22 | 한온시스템 주식회사 | 전기 압축기용 제어 장치 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| US5202635A (en) * | 1991-01-17 | 1993-04-13 | Fox Chase Cancer Center | Radio frequency volume resonator for nuclear magnetic resonance |
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