JPH0580210B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (1) 発明の分野 本発明は核磁気共鳴写像装置に関するものであ
り、更に詳細に述べれば当該領域に渡り無線周波
数（RF）パルスを与えると共に低レベルのRF信
号を受信する改良された核磁気共鳴写像用無線周
波アンテナ装置に関するものである。

(2) 先行技術についての説明 医療への適用例では、核磁気共鳴（NMR）に
よつて、患者の身体内の当該スライスすなわち体
積中の原子物質についてその分布の変化を表わす
ことができる。そのような変化は、コンピユータ
化されたＸ線断層撮影装置によつて提供される分
布と同じ態様で表示することができる。核磁気共
鳴による検査では、身体の走査がＸ線ではなく磁
界およびRF磁界によつて行なわれる。これらの
磁界が生じる共鳴は、一つ以上の検出コイル装置
で誘起された信号として検出される。次いでこれ
らのコイルからの出力は、記憶され、分析され
て、NMRの分布を表示することができる。

これらの写像をつくり出す技術は先行技術で周
知のものであり、種々の印刷された刊行物、およ
び米国特許において開示されている。これらの手
法を利用する装置はいくつかの提案がなされてお
り、例えば米国特許第4454474号、第4384255号、
および第4379262号に具体化されている。

上記先行技術の特許で開示された技術として
は、身体内の当該プレーナスライスの選択、およ
び該スライスに垂直な方向の強い磁界勾配の印加
とがある。この磁界は、前記スライス面に垂直な
方向に振られる。該振りの方向は、前記刊行物で
開示された手順によつて連続的に変化される。

この振りの効果は、当該スライス内の構造に特
有の態様で元の振りのない状態に戻る核共鳴周波
数の分散を導入することである。異なる方向に対
してこの手順を繰返すことによつて、当該の各ス
ライスに対して多くの信号を与えることができる
が、該信号は、次いで患者のスライスの内部的構
造を表わす断面像を形成するのに利用される。

無線周波の振り（摂動）は、当該の前記断面内
の巨視的磁化すなわち磁気運動を再整列させるこ
とによつて原子核を励起させる。このRF付勢は
ラーモア周波数で行なわれる。この周波数は、当
該領域を構成する原子核を表わす定数と、および
摂動中与えられる磁界勾配とに関係している。

NMR写像の経験によつて、走査時間の短縮、
およびこの磁界を更に高いレベルに増大すること
によるNMR像の空間的分解能の増大が可能であ
ることが判る。所与の原子核のラーモア周波数は
磁界の強さに正比例するので、この磁界の強さの
増大にはRF付勢用の高周波が伴わなければなら
ない。先行技術では、この付勢が、摂動磁界を生
ずる適切に構成された付勢コイルによつて達成さ
れると共に、ある場合には、当該領域内に設定さ
れた共振によつて発生される信号を検出するのに
利用されることもある。

NMR写像用RF信号の送信および受信を行な
うのに、しばしばRFコイルと称するいくつかの
規準に適合する共振放射構造体が必要である。前
記構造体の共振点を十分高くして当該周波数で適
当な同調が可能となるようにしなければならず、
更に、前記構造体は十分高い「Ｑ」を有していて
受信モードで良好なSN比を与えなければならな
い。

一般に、小型の核磁気共鳴装置では、不平衡給
電装置およびコイル構成が用いられる。単純なリ
アクタンス素子がインピーダンス整合成分として
利用されると共に、第２のリアクタンス素子がコ
イル構造体と並列で使用され、該コイルを適当な
周波数に同調させる。

しかしながら、頭部写像装置のような大型の核
磁気共鳴の適用例では、平衡コイル装置が望まし
い。これは、該平衡コイル装置がサンプルローデ
イング中非対象の装置ほど影響を受けることがな
いためである。

しかしながら、動作周波数が上昇するにつれ
て、対称的整合装置の有効性が種々のフアクタに
よつて制限される。リアクタンス成分は、制御し
にくい程小さくなり、非常に高いピーク電圧にも
さらされる。RFコイル回路網の漂遊容量によつ
て、結果的に、前記回路が有効なインピーダンス
に整合できないようになつてしまう。適正な付勢
周波数の達成における問題の外に、大型RFコイ
ルの使用は、摂動が行なわれようとする領域に渡
つて均一磁界を達成する際に問題を生ずる。

前記刊行物には、改良された新規のRF付勢／
検出コイルを提供する種々の先行技術による提案
が開示されている。シユナイダーならびにジユレ
ンコフ著「溝付管状共振器：高観測周波数におけ
る新規のNMRプローブヘツド」と題する刊行物
は、高周波数で使用する共振器について説明して
いる。この著書は、NMR共振器の構造を説明す
る、同じ先行技術による多数の刊行物のうち、最
初に発行されたものである。しかしながら、この
著書の大部分は、頭部断面を写像する際遭遇する
困難とは比較しえないような非常に小さな寸法の
構造体を扱つたものである。小さな構造体の分析
に使用する共振器のコイルをNMRの医療用写像
に適した装置へと変換する作業は、この先行技術
を単純に延長させたものではない。

本発明によつてNMR写像に使用する30〜95メ
ガヘルツ（ＭHz）の範囲の高周波エネルギーを送
信し、かつ受信する核磁気共鳴写像用無線周波ア
ンテナ装置が提供されるが、前記装置は、円筒状
の絶縁基板と、30〜95MHzの範囲の共振周波数を
有すると共に夫々が所定の円弧をなしている一対
の正反対の円弧状導電体を備えたアンテナ構造体
を形成する前記基板上の金属フオイルと、その一
端が前記導体と相互接続している短絡回路ストリ
ツプと、その他端が各導体の各側から外周上に延
びている翼形ストリツプと、および各導体の翼形
ストリツプと相互接続すると共に翼形ストリツプ
面に対して横方向の面にある導電フイードストリ
ツプとを備え付けていることを特徴とする。

好適な実施例における前記導体は、その中心か
ら各端部に向けて増分する断面積を夫々有する、
外周上に間隔を置いて並べられた平行な導体スト
リツプとなつている。前記導体ストリツプのこの
構成は、磁界の均一性を増大する一方、該構造体
の同調性には影響を及ぼさない。

本発明は、また、本発明による核磁気共鳴写像
用無線周波アンテナ装置、または他のコイル装置
を高周波発生器に結合してNMR走査装置に使用
する磁界変化装置を形成することができる新規の
形式によるインターフエイス回路も提供するが、
該インターフエイス回路には、調節可能な容量性
結合回路と、および前記二つのフイードストリツ
プとに渡つて結合される前記発生器の出力インピ
ーダンスを変化する同軸ケーブルが設けられてお
り、前記ケーブルは、前記容量性回路と組合わさ
れて前記二つのフイードストリツプに平衡付勢を
与える。本発明によるアンテナ装置は、また検出
コイルとして使用することも可能であり、その結
果、患者の当該スライス内の共鳴によつて電気信
号が誘起され、該電気信号が検出され、増幅され
て、NMR像の形成に利用される。

(3) 実施例 添付の図面を参照しながら好適な実施例につい
て以下説明する。

まず、第１図では、NMR走査装置１０用の写
像台が開示されている。前記走査装置１０には、
患者用開口１４内に1.5〜２テスラ間の磁界を発
生する大型の外包磁石１２が設けられている。該
磁石１２に近接してヘツドレスト１８を有する患
者用寝台１６が位置決めされている。患者は、う
つ向きに前記寝台上に位置決めされ、次いで患者
用開口１４内へと移動されてNMR走査を受け
る。

頭部走査中、プローブコイルすなわち共振器２
０がローラ２２上を移動して、患者の頭部を前記
コイル２０内に位置決めする。核磁気共鳴写像技
術では周知の先行技術によつて、前記磁石１２が
付勢され、勾配を有する強磁界を生じ、当該患者
のスライス、すなわち領域を選択する。プローブ
コイル２０は、患者の頭部を取り囲むようにし
て、当該領域の磁界を変化させる時間を設定する
高周波の（30〜95MHz間の）信号によつて付勢さ
れる。先行技術によつて、NMR写像に利用する
ことのできる重要な共鳴情報を生ずる態様で前記
プローブコイルにパルスを与える種々の技術は周
知である。開示された前記プローブコイル２０の
特定の構成によつて、前記磁石１２が発生する高
磁界にスピン装置を共鳴させるのに必要な高周波
の付勢が可能となる。そのような高周波で前記の
開示されたプローブコイル２０により均一な磁界
が発生され、サンプルローデイングにる過度のＱ
劣化を示さない。

次に、第２図から第４図では、前記プローブコ
イルの構成を詳細に説明する。アクリル物質によ
つて形成された円筒状の基部３０によつて、金属
フオイルを付着することのできる表面が形成され
る。該基部３０は、前記基部と、および高磁界の
発生に関連して付勢されるプローブコイル２０と
の中に患者の頭部を挿入することができるような
寸法を有している。0.0635ミリメートルの厚さを
有する二つの銅フオイル共振器部分３２が第２図
に図示の構成で前記基部３０の外側表面に付着さ
れている。前記フオイルは、基部３０へ付着する
前に除去される裏張り層によつて自着される。第
３図は、基部３０に取り付ける前のフオイル部分
３２の一方を平面図で示したものである。図中の
数字は、このフオイルの寸法を示している。

前記フオイルの厚さは、共振周波数で約７倍の
表皮厚さとなるよう選択されている。この厚さを
利用することによつて、磁石１２が生じた高磁界
勾配に対して前記共振器２０は実質的に透過性を
有するようになる。このことによつて、この高磁
界勾配による前記フオイル内の渦電流の発生が最
小化されるが、このことは、前記の誘起された渦
電流によつて所望の均一RF磁界の外にそれら自
身の磁界が生じることがあるため望ましくない。

各フオイル構成３２には、短絡回路ストリツプ
３４と、および翼形ストリツプ３６とが備え付け
られている。これらの二つのストリツプ３４，３
６は、互いに平行な、かつそれらの長さに沿つて
幅の不均一な導体ストリツプ３８によつて相互接
続されている。これらの導体ストリツプ３８は、
中央部が狭くなつており、短絡回路ストリツプ３
４および翼形ストリツプ３６に接近するにつれ幅
が広がつていることが望ましい。第２図に図示の
如く、前記二つのフオイル部分３２は、前記基部
３０の外側表面に付着されると、短絡回路ストリ
ツプ３４の両端で互いに接触すると共に、翼形ス
トリツプ３６の両端間には１センチメートルの間
〓を区定する。

各翼形３６の端部３６ａは、銅製ストリツプ
（図示せず）によつてインターフエイス回路１１
０（第５図参照）と接続される中間点４２を有す
るフイードバー４０によつて接続されている。前
記フイードバーの双方によつて、前記プローブが
付勢されると共に、患者の当該領域内から発生し
た共鳴信号が送信される。前記フイードバー４０
は、フオイルと同じ厚さを夫々有する２cm幅の半
円形を形成し、アルカリ物質に取り付けられる。

共振器２０は、送信機１１２からの高周波出力
によつて付勢される。好適な送信機としてアンプ
リフアイア・リサーチ社のモデル第2000ML8番
が利用可能であるが、該送信機は振幅が数百ボル
トの交流電圧を発生する。共振器２０を標準の50
オームの不平衡電送線１１４にインターフエイス
するため、半波長バラン１１５（第４図および第
５図参照）が利用される。前記バラン１１５は、
0.80または0.66の速度フアクタで50オームの同軸
ケーブルから形成される。バランの全長は、64M
Hzで0.80の速度フアクタを用いて1.875メートル
にしている。このケーブル内を移動する信号は半
波長だけ遅延されるので、前記ケーブルの一端に
おける電圧の移相は、もう一方の端部から180度
ずれている。よつて、前記ケーブルの各端部にお
ける電圧の振幅は等しく、かつ移相は反対にな
る。入力結合点１１６における電流は、前記負荷
およびバラン整相線間で等しく分割される。よつ
て、共振器整合回路網は、入力電圧の２倍の電圧
となり、与えられた電流の二分の一に等しい電流
となる。このことによつて、整合回路網の出力に
おけるインピーダンスが入力線のインピーダンス
の４倍になる。

三つの調節可能なコンデンサ１２２，１２４，
１２６を有する整合回路網１２０が、共振器２０
を同調させ、200オームの平衡入力で高インピー
ダンス共振器２０をインピーダンス整合させるの
に使用される。カリフオルニア州、サンホセの米
国ITT Jennings社製真空コンデンサ モデル
CACA125が好適である。これらのコンデンサ適
正な値は、並列コンデンサ１２２に対しては60ピ
コフアラド、二つの直列コンデンサ１２４，１２
６に対しては12ピコフアラドである。これらの適
正な容量値によつて、共振器２０の性能を最適化
するよう同調される。

共振器２０を送信機および受信機双方に利用す
るため、マルチプレツクサ回路１３０（第５図参
照）は、該共振器ならびに平衡回路網を送信機１
１２および前置増幅器１３２の双方に結合してい
る。前記マルチプレツクサ回路網には、複数のダ
イオード１３４と二つの四分の一波長ケーブル１
３６，１３８とが設けられている。

送信モードでは、送信機１１２からの大信号に
よつて、ダイオード１３４は順方向にバイアスが
かけられる。前記四分の一波長ケーブル１３６に
よつて終端インピーダンスが反転され、前置増幅
器１３２には送信機からの信号が一切到達しない
ので、前記ケーブル１３６は何らの有効電力も消
費しない。

受信モードでは、最終目的は、共振器２０中に
誘起された信号を前置増幅器１３２に結合するこ
とである。これらの信号は、二つの四分の一波長
ケーブル１３６，１３８が単一の半波長ケーブル
として働くので半波長ケーブルとなる。

雑音フイルタ回路１４０（第６図参照）は、送
信機１１２をマルチプレツクサ回路１３０に結合
すると共に、複数のダイオード１４２と二つの四
分の一波長ケーブル１４４，１４６とを備えてい
るが、該ダイオード１４２および該四分の一波長
ケーブル１４４，１４６は、マルチプレツクサ回
路１３０のダイオード１３４およびケーブル１３
６，１３８と同じ態様で機能する。送信モードで
は、ダイオードが順方向にバイアスをかけられ、
ケーブル１４６を四分の一波長ケーブル１４４に
短絡する。ケーブル１４４は、何らの純電力も消
費しない。受信モードでは、前記二つのケーブル
１４４，１４６が単一の半波長ケーブルとして働
く。送信機からの雑音は、半波長ケーブルが仮想
短絡を示すため、いずれも阻止される。

前置増幅器１３２は、先行の核磁気共鳴技術で
周知の他の装置と結合され、共振器からの信号を
写像に適した信号に変換する。共振器２０は、約
300の無負荷時のＱと、および約50の負荷時のＱ
とを有している。50オームの電送線に対する非常
に良好な整合は、反射電力レベルが２％以下で達
成される。

第７図〜第９図には磁界の均一性の示してあ
り、第１図に定められたＸ，ＹならびにＺ方向の
位置における磁界の強さ、およびその変化のプロ
ツトが開示されている。この座標軸の原点は、短
絡導体ならびに翼形導体間の中間にある共振器２
０内に中心づけられた点である。第７図から第９
図に示したデータは、64.5MHzのプローブコイル
付勢と、260の無負荷時のＱと、および55の負荷
時のＱとによつて発生されたものである。磁界に
おけるＸおよびＹの均一性が特にすぐれており、
Ｚ軸に沿つて共振器２０を適切に位置決めするこ
とによつて、磁石１２の磁界勾配により区定され
た当該領域内の均一性を達成することができる。

本発明によつて開示された構成は、1.5テスラ
の磁界の強さにおける高品質の頭部写像に対する
全ての必要条件を満たしている。しかしながら、
共振器２０の動作パラメータは、本発明を制限す
るものではなく、85MHzの共振周波数が可能なも
のとして理解されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図は核磁気共鳴写像装置の写像台の斜視図
であり、第２図は患者の頭部に近接してRF信号
を発生する本発明による核磁気共鳴写像用無線周
波アンテナ装置の斜視図であり、第３図は第２図
のアンテナ装置を形成するよう構成されたフオイ
ル最上部の平面図であり、第４図は同調およびイ
ンピーダンス整合用の三つの調節可能なコンデン
サを備えたインターフエイス回路を介して発生器
に結合された前記アンテナ装置の回路図であり、
第５図は当該領域内からの共振信号の送信ならび
に受信双方を行なう本発明による前記核磁気共鳴
写像用無線周波アンテナおよび結合装置を示す図
であり、第６図は送信機の雑音を低減するフイル
タを示す図であり、更に第７図〜第９図は前記ア
ンテナ装置に取り囲まれた領域の磁界の均一性を
示すグラフの好例を示したものである。 図中、１０は核磁気共鳴走査装置の写像台、１
２は磁石、１４は患者用開口、１６は患者用寝
台、１８はヘツドレスト、２０は共振器（プロー
ブコイル）、２２はローラー、３０は円筒状基板、
３２は銅フオイル共振器部分、３４は短絡回路ス
トリツプ、３６は翼形ストリツプ、３８は導体ス
トリツプ、４０は導電フイードストリツプ、４２
は中間点、１１０はバラン整合回路（インターフ
エイス回路）、１１２は送信機、１１４は電送線、
１１５は半波長バラン、１１６は入力結合点、１
２２〜１２６はコンデンサ、１３０はマルチプレ
ツクサ回路、１３２は前置増幅器、１３４はダイ
オード、１３６および１３８は四分の一波長ケー
ブル、を夫々示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 核磁気共鳴写像に使用する30〜95メガヘルツ
   の範囲の高周波エネルギーを送信および受信する
   核磁気共鳴写像用無線周波アンテナ装置におい
   て、前記装置は、 円筒状の絶縁基板３０と、前記基板上の２つの
   金属フオイル３２とから形成され、30〜95メガヘ
   ルツの範囲の共振周波数を有するアンテナ構造体
   を有し、 前記フオイル３２は、所定の円弧を成し、前記
   基板３０上に円弧状に正反対に配置され、前記フ
   オイル３２の導体部３８，３８に平行に配置され
   ている円弧状導体部３８，３８と、前記導体部３
   ８，３８と相互接続する短絡回路ストリツプ３４
   と、前記導体部３８，３８の各側から外周上に延
   びている翼形ストリツプ３６と、対応する導体部
   ３８，３８の翼形ストリツプ３６と相互接続する
   と共に前記短絡回路ストリツプ３４面に対して横
   方向の面にある２つの導電フイードストリツプ４
   ０とを有することを特徴とする核磁気共鳴写像用
   無線周波アンテナ装置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の装置において、
   前記導体部３８，３８の夫々は写像に使用中発生
   された磁界の均一性を強めるよう構成されている
   ことを特徴とする上記核磁気共鳴写像用無線周波
   アンテナ装置。 ３ 特許請求の範囲第２項記載の装置において、
   前記導体部３８，３８の夫々はその長さの中心か
   ら各端部に向けて断面積が夫々増大する複数の外
   周上に間隔を置いて並べられた平行な導体ストリ
   ツプ３８となるように整形されていることを特徴
   とする上記核磁気共鳴写像用無線周波アンテナ装
   置。 ４ 特許請求の範囲のいずれか１項に記載の装置
   において、前記の各導体部３８，３８は75°〜85°
   の円弧をなしていることを特徴とする上記核磁気
   共鳴写像用無線周波アンテナ装置。 ５ 特許請求の範囲のいずれか１項に記載の装置
   において、前記アンテナ装置はインターフエイス
   回路を介して高周波の電気信号を発生し、前記ア
   ンテナ装置をインピーダンス整合すると共に同調
   させる発生器１１２に結合されており、 前記インターフエイス回路は、前記発生器１１
   ２に一端で接続され、ほぼ等しい振幅および反対
   の振幅がその反対側の末端に現れるようにある長
   さの波形を有する同軸ケーブル１１５と、同軸ケ
   ーブル１１５の両端間と、前記同軸ケーブル１１
   ５の末端に結合されたさらに２つの容量性結合回
   路１２４，１２６の間に結合されている第１のコ
   ンデンサ１２２を有する調節可能な容量性結合回
   路１２２，１２４，１２６と、前記二つのフイー
   ドストリツプ４０とを有し、 前記容量性回路１２２，１２４，１２６と組合
   わされた前記同軸ケーブル１１５は前記発生器か
   らの前記二つのフイードストリツプ４０に対して
   平衡付勢を与えることを特徴とする上記核磁気共
   鳴写像用無線周波アンテナ装置。 ６ 特許請求の範囲第５項記載の装置において、
   前記は送信機および受信機双方の役割を果たすと
   共にマルチプレクサ１３０を介して前記発生器１
   １２に結合していることを特徴とする上記核磁気
   共鳴写像用無線周波アンテナ装置。 ７ 特許請求の範囲第６項記載の装置において、
   前記発生器１１２は電気的に不平衡であることを
   特徴とする上記核磁気共鳴写像用無線周波アンテ
   ナ装置。