JPH0636025B2

JPH0636025B2 - Ｎｍｒ用無線周波コイル

Info

Publication number: JPH0636025B2
Application number: JP60223893A
Authority: JP
Inventors: ウイリアム・アラン・エデルステイン; ジヨン・フレデリツク・シエンク; オトワード・マリア・ミユエラー; セシル・エドワード・ハイエス
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1984-10-09
Filing date: 1985-10-09
Publication date: 1994-05-11
Anticipated expiration: 2009-05-11
Also published as: EP0177855A2; JPS6195234A; KR860003521A; KR900002467B1; IL76250A; EP0177855B1; EP0177855A3; IL76250A0; FI853150A7; FI853150L; FI853150A0; DE3583103D1; CN85106676A; CN1003612B

Description

【発明の詳細な説明】関連出願との関係この出願は１９８３年１１月４日に出願された係属中の
米国特許出願通し番号第５４８，７４５号の発明と関係
を有する。

発明の背景この発明は核磁気共鳴（ＮＭＲ）装置にする。更に特定
して云えば、この発明はＲＦ信号の発信並びに／又は受
信の為にこういう装置に役立つ無線周波（ＲＦ）コイル
に関する。

従来、ＮＭＲ現象は、有機分子の分子構造を生体内で研
究する為に構造化学者によって利用されて来た。典型的
には、この目的に利用されなＮＭＲ分光計は研究しよう
とする物質の比較的小さなサンプルを受入れる様に設計
されている。然し、ごく最近、ＮＭＲは例えば生体とし
ての被検体の解剖学的な特徴の像を求めるのに使われる
作像様式が開発されている。核スピン（典型的には組織
内の水に関連した水素の陽子）に伴うパラメータを表わ
す像は、検査領域に於ける組織の健康状態を判定する上
で、医学的に診断価値があることがある。ＮＭＲ方式
は、例えば燐及び炭素の様な元素の生体内の分光法にも
拡張されており、生きている器官内の化学的なプロセス
を研究する手段を初めて研究者に提供した。像を発生す
る為、並びに人体の分光学的な研究の為にＮＭＲを使う
には、磁石、勾配コイル及びＲＦコイルの様に、装置の
特別に設計された部品を使うことを必要とする。

背景の説明として云うと、核磁気共鳴現象は奇数個の陽
子又は中性子を持つ原子核で起こる。陽子及び中性子の
スピンの為、各々の原子核が磁気モーメントを持ち、こ
ういう原子核で構成されたサンプルが均質な静磁界Ｂ_０
の中に配置された時、多数の核磁気モーメントが磁界と
整合して、磁界の方向に正味の巨視的な磁化Ｍを発生す
る。磁界Ｂ_０の影響で、整合した磁気モーメントが、原
子核の特性並びに印加磁界の強さに依存する周波数で、
磁界の軸線の周りに歳差運動をする。この歳差運動の角
周波数ωは、ラーマ周波数とも呼ばれるが、ラーマ方程
式ω＝γＢ（こゝでγは磁気回転比であって、各々のＮ
ＭＲ同位元素に対して一定、Ｂは核スピンに作用する磁
界であって、Ｂ_０に他の磁界を加えたもの）によって表
わされる。従って、共鳴周波数がサンプルをその中に配
置した磁界の強さに関係することは明らかである。

磁化Ｍの向きは、普通は磁界Ｂ_０の方向であるが、ラー
マ周波数か又はそれに近い周波数で振動する磁界を印加
することにより、摂動させることが出来る。典型的に
は、この様な磁界（Ｂ_１で表わす）が、無線周波発信装
置に接続されたコイルを通るＲＦパルスにより、磁界Ｂ
_０の方向と直交する様に印加される。ＲＦ励振の影響
で、磁化Ｍが磁界Ｂ_１の方向の周りに回転する。ＮＭＲ
による研究では、磁化Ｍを磁界Ｂ_０の方向と垂直な平面
まで回転されるのに十分な大きさ及び持続時間を持つＲ
Ｆパルスを印加することが希望されるのが典型的であ
る。この平面を普通横平面と呼ぶ。ＲＦ励振が止むと、
横平面に回転した核磁気モーメントが静磁界の方向の周
りに歳差運動をする。スピンのベクトル和が歳差運動を
するバルクの磁化を形成し、これをＲＦパルスによって
感知することが出来る。ＲＦコイルによって感知された
信号をＮＭＲ信号と呼ぶが、これは磁界と、原子核をそ
の中に配置した特定の化学的な環境とに特有である。Ｎ
ＭＲ作像の用途では、こういう信号に空間情報を符号化
する為に使われる磁界勾配の存在の下に、ＮＭＲ信号を
観測する。後でこの情報を使って、研究する物体の像を
再生するが、そのやり方は周知である。

全身ＮＭＲ検査を行なう時、均質な磁界Ｂ_０の強さを強
めるのが有利であることが判った。これは陽子作像の場
合、ＮＭＲ信号の信号対雑音比を改善する為に望まし
い。然し、分光法の場合、検査される或る化学的な種目
（例えば燐及び炭素）は身体の中に比較的稀にしかな
く、その為使える信号を検出する為には、強い磁界が必
要であるから、これは必要条件である。ラーマ方程式か
ら明らかな様に、磁界Ｂを強くすと、それに伴って周波
数が高くなり、従って発信及び受信コイルの所要の共振
周波数が高くなる。これが人体を収容する位の大きいＲ
Ｆコイルの設計を復雑にする。困難の１つの原因は、コ
イルによって発生されるＲＦ磁界が、より一様な測定値
及び像を発生する為には、検査する身体領域にわたって
均質でなければならないからである。大きな容積にわた
って一様なＲＦ磁界を発生することは、ＲＦコイルの異
なる部分の間、並びにＲＦコイルとその周りの物体又は
ＮＭサンプル自体との間の漂遊静電容量の望ましくない
影響の為、高い周波数では次第に困難になる。こういう
静電容量が、コイルを共振させることの出来る最高周波
数を制限する。

従来のＲＦコイルは１ターン又は並列の２ターンを用い
て、インダクタンスを最小限に抑え、共振周波数を高く
する。普通の２ターン・コイルの１例が所謂「サドル形
コイル」であり、これは後で詳しく説明する。共振電流
をこの様な少ないターン数に集中すると、磁界Ｂ_１の均
質性、並びにサンプル領域の異なる部分で発生された信
号に対する感度の均質性が低下する。更に、１ターン・
コイルの同調コンデンサと漂遊静電容量の位置に対称性
がないことにより、コイルの電流分布が一様でなくな
り、それに対応して磁界Ｂ_１の一様性並びに信号感度が
低下する。

従って、この発明の目的は、略均質な磁界Ｂ_１を発生す
ることが出来ると共に、関心のある領域にわたって略一
様な信号感度を持つＲＦコイルを提供することである。

この発明の別の目的は、円偏波磁界を発生することが出
来ると共に、改善された信号対雑音比を持つＮＭＲ用Ｒ
Ｆコイルを提供することである。

この発明の別の目的は、数多くのターンに電流及び同調
静電容量が分布しているＮＭＲ用ＲＦコイルを提供する
ことである。

発明の概要この発明では、共通の縦軸線に沿って相隔たる１対の導
電ループ素子を持つＮＭＲ用無線周波コイルを提供す
る。各々のループ素子がループの周縁に沿って相隔たる
直列接続の複数個の容量素子を持っている。複数個の軸
方向導電素子が、直列接続の隣接する容量素子の間の点
で、導電ループ素子を電気的に相互接続する。「高域通
過形」の実施例のＲＦコイルでは、軸方向導電セグメン
トは、コイルの適正な動作の為にその固有のインダクタ
ンスを必要とするワイヤ、導電管又は平坦な導電テープ
であってよい。各々の軸方向導電セグメントに容量素子
を入れることにより、「帯域通過形」実施例のコイルが
実現される。

この発明の新規と考えられる特徴は特許請求の範囲に具
体的に記載してあるが、この発明自体の構成、作用並び
その他の目的及び利点は、以下図面について説明する所
から明らかになろう。

発明の詳しい説明多くのＮＭＲ装置は、典型的にはデカルト座標系のＺ軸
に沿う様に選ばれた静磁界の方向に沿って、サンプル空
間に接近出来る様になっている。これは超導電磁石を用
いるＮＭＲ装置では一般的に云えることであり、効率の
観点から、殆んど全ての人体規模のＮＭＲ作像装置でも
そうである。従って、サンプル又は被検体が静磁界の方
向に沿って挿入され、ＲＦ発信及び受信コイルは、その
軸線が静磁界と平行な円筒形コイル巻型に巻装される場
合が多い。ＲＦ磁界は静磁界に対して垂直でなければな
らないので、円筒形コイル巻型に対して垂直でなければ
ならない。

第１Ａ図及び第１Ｂ図に普通の設計のサドル形ＲＦコイ
ルを図式的に示す。コイルは１ターン１，３を並列に接
続することによって構成され、同調コンデンサ８の両端
の点７，９で駆動する。こういうコイルは典型的には、
第１Ｂ図に見られる様に、非導電（高誘電体）の円筒形
巻型１１の上に銅管５を取付けることによって形成され
る。コイルの各ターンは円筒の円周の１２０゜をカバー
する寸法である。点７，９の接続をするコイルの領域は
円周の約６０゜をカバーする寸法にする。ＲＦ磁界の一
様性を最大にする為、円筒の縦軸線と平行なコイル辺は
円筒の直径（Ｄ）２個分に等しくすべきある。然し、１
辺の長さが直径２個分であるコイルは実用的でない。こ
れは、ＲＦエネルギが患者の関心のない領域に入るから
である。その為、実際には、コイル辺の長さは直径約１
個の長さに縮める。

第１Ｃ図は第１Ａ図に示したのと同様であるが、コイル
のターン１５，１７が直列に接続されていて、コンデン
サ１８の両端の点１９，２０で駆動される従来のＲＦコ
イルの別の形式を示す。第１Ｃ図に示すコイルは典型的
には頭のＮＭＲ検査に使われる。

第１Ａ図及び第１Ｃ図に示した各々のコイルの場合、発
生されるＲＦ磁界はどちらかと云えば一様ではなく、従
ってＮＭＲ作像の用途には望ましくない。

従って、一様な磁界Ｂ_１を発生する為に、多数のコイル
巻線に電流分布を制御する必要があることは明らかであ
る。更に、既に述べたことであるが、コイルの形状は、
患者又はその他のＮＭＲサンプルを位置ぎめする為に、
その縦軸線に沿って自由に出入りが出来る様にすべきで
ある。磁界Ｂ_１は、磁界Ｂ_０の方向と平行に選んだ円筒
の対称軸線に対しても、垂直でなければならない。

前に引用した係属中の米国特許出願に詳しく記載されて
いる改良されたＲＦコイルが、第２Ａ図及び第２Ｂ図に
略図で示されている。最初に第２Ａ図について説明する
と８個の部分から成る実施例のＲＦコイルが示されてい
る。このコイルは相隔たる２つの導電ループ素子２３，
２５を持ち、これが８個の軸方向導電セグメント２７乃
至３４によって相互接続されている。各々の導電セグメ
ントは、セグメント２７乃至３４あるコンデンサに夫々
対応して３５乃至４２で示す様な、少なくとも１つの容
量素子を持っている。導電ループ素子２３，２５が何れ
も、隣合った軸方向導体の間にあるループ部分にある直
列接続された８個の誘導素子（８個の部分から成るコイ
ルの場合）を持つことが示されている。これらの誘導素
子は、全般的にループ２３では参照数字４３、ループ２
５では参照数字４５で示してあるが、ループ素子を構成
する導体に固有の分布インダクタンスを表わす。こうい
うインダクタンスが、コイルの適正な動作の為には、所
望の移相を達成する為に必要である。１つの導電セグメ
ントにある（コンデンサ３５の様な）入力コンデンの両
端の導線２０，２２にＲＦエネルギ源（図に示してな
い）を接続することにより、ＲＦコイルが励振される。
第２Ａ図に示すＲＦコイルは、第２Ｂ図に示した集中定
数遅波遅延線構造を基本としている。第２Ｂ図でも同様
な部分には同じ参照数字を用いている。

次に第２Ｂ図について説明すると、導電ループ素子２
３，２５が、直列接続の一組の誘導素子４３，４５を夫
々持つ真直ぐな導体として示されている。勿論、セグメ
ント２７乃至３４の導電部分にも同様なインダクタンス
が関連している。然しこれは第２Ｂ図には示してない。
一般的に、導電セグメント２７乃至３４に関連するイン
ダクタンスは、各々のセグメントに付設された個別の容
量素子３５乃至４２による容量効果よりも効果が一層小
さい。第２Ａ図に示したＲＦコイルは、導体２３，２５
の端Ｐ−Ｐ′及びＱ−Ｑ′（第２Ｂ図）を夫々電気的に
結合することによって形成される。第２Ａ図に示すＲＦ
コイル及び第２Ｂ図に示す対応する集中定数回路は「低
域通過形」と呼ばれる。これは低周波信号が誘導素子に
沿って通過するが、高周波信号は誘導子によって遮ら
れ、コンデンサによって短絡される傾向があるからであ
る。偶数個又は奇数個の軸方向導体を含むコイルを含め
て、８個よりも多い又は少ない数の軸方向導体を持つコ
イルも可能である。

第２Ｃ図は、第２Ａ図に示した８個の部分から成るコイ
ルと同様な１６個の部分から成る実施例の低域通過ＲＦ
コイルで得られる様な、１つの導電ループ（例えば第２
Ａ図の２３又は２５）にある１つの誘導素子を通る電流
（アンペアで表わして縦軸に示す）の計算値を周波数
（ＭＨｚ単位で横軸に沿って示す）に対して示すグラフ
である。電流を計算する為、第２Ａ図のループ素子２３
又は２５の一方の１つの誘導子の両端にＲＦ源を接続し
てコイルを駆動すると仮定する。第２Ｃ図の８個の電流
ピーク５２乃至５９の各々は、ＲＦコイルの２つの共振
モードを表わす。電流ピーク５２は、ＮＭＲ作像の用途
で特に関心のある大体６４ＭＨｚ（１．５ステラの磁界
Ｂ_０内の陽子のラーマ周波数）で起る２つの直交共振モ
ードに対応する。ＲＦエネルギの適当な源（図に示して
ない）を用いてこの周波数でコイルを励振すると、ルー
プ素子２３，２５には cos（（ｋ−１）２π／１６）（１）に比例する電流分布を発生する。こゝでｋ＝１乃至１６
は入力誘導子から数え始めた導電セグメントの番号であ
る。軸方向導電セグメントを通る電流は sin（（ｋ−１）２π／１６）（２）に従って正弦状に変化する。こゝでもｋ＝１乃至１６で
前に説明した通りである。２番目の共振モードは、１番
目に対して直角の所にある２番目の入力誘導子の所でＲ
Ｆコイルを付勢することによって、励振することが出来
る。

この発明の８個の部分から成る実施例のＲＦコイルが第
３Ａ図に示されている。全般的に、この発明のコイルの
全体的な形は、第２Ａ図について説明した低域通過コイ
ルと同様である。更に、８個より多い又は少ない数の部
分を持つコイルもこの発明の範囲内である。この発明の
コイルは１対の導電ループ素子６１，６３で構成され、
これらが夫々６５乃至７２及び７５乃至８２で示す様な
直列接続の複数個のコンデンサを持っている。導電ルー
プ素子６１，６３が、全体的に平行な８本の軸方向導電
セグメント８５乃至９２によって電気的に相互接続され
る。導電セグメントが導電ループの周縁に沿って相隔た
っていて、隣合ったセグメントが各々の導電ループにあ
る容量素子によって隔てられる様に配置されている。各
々の導電セグメント８５乃至９２には、コイルの適正な
動作に必要な固有のインダクンタスが関連している。こ
のインダクタンスを第３Ａ図及び第３Ｂ図では全体的に
参照数字９５で示してある。前と同じく、導電素子６１
の端Ｒ−Ｒ′及び導電素子６３の端Ｓ−Ｓ′を結合し
て、導電ループ素子を作ることにより、コイルが形成さ
れる。

第３Ｂ図は、第３Ａ図に示したコイルを高域通過ＲＦコ
イルと好便に呼ぶことが出来る様な遅波「高域通過形」
梯形回路の構造を示している。「高域通過形」と云う言
葉は、高い周波数では、誘導子が比較的高いインピーダ
ンスを呈するのに対し、コンデンサが比較的低いインピ
ーダンスを呈する為に、高周波信号が導電ループの容量
素子を通過する傾向を持つことを表わしている。逆に、
低周波信号は比較的高いインピーダンスを呈する容量素
子によって遮られ、比較的低いインピーダンスを呈する
誘導素子によって短絡される傾向を持つ。

第３Ａ図に示すＲＦコイルは、入力コンデンサ７２の両
端の導線１０１，１０３に接続されたＲＦ電源（図に示
してない）によって励振された時、多数の共振モードを
持つ。その内の２つの共振モードだけがこゝで関心が持
たれる。具体的に云うと、関心が持たれるモードは、第
３Ａ図に示す様に、φをコイルに沿って円周方向に測っ
た方位角として、導電ループ素子の電流が大体 cosφ又
は sinφの形で分布しているモードである。こういう正
弦状電流が、ＮＭＲ測定及び作像の用途に望ましい非常
に一様な横方向のＲＦ磁界を発生する。

第３Ｃ図は第２Ｃ図と同様であり、横軸に示したＭＨｚ
単位の周波数に対し、１つの導電ループの１つの容量素
子を通るアンペア単位の計算された電流を縦軸に示すグ
ラフである。この計算を行うのに用いた特定のコイルの
形は１６個の部分から成る高域通過形ＲＦコイルであっ
た。１つの容量素子を入力点として選択し、それに１ア
ンペアの入力電流を印加した。８のピーク１０５乃至１
１の各々は高域通過形梯形コイルの２つの共振モードを
表わす。ピーク１０５及び１０６は、グラフの分解能の
欠如の為に、みかけ上一緒になっている。大体６４ＭＨ
ｚで発生するピーク１１２が、１．５ステラの磁界Ｂ_０
内で陽子のＮＭＲ測定及び作像の用途にとって関心が持
たれるピークである。前に述べた様にこの周波数でコイ
ルを励振すると、導電ループには、 cos（（ｋ−１）２π／１６）（３）に比例する電流分布が生ずる。こゝでｋ＝１乃至１６
は、導電セグメントの番号であり、ｋ＝１が入力コンデ
ンサから始まる。この為、第３Ａ図で、コンデンサ７２
が入力コンデンサとして選択されており、この為ｋ＝１
は導電セグメント８６に対応する。導電セグメント８６
乃至９３を通る電流は、 sin（（ｋ−１）２π／１６）（４）に従って変化する。こゝでｋの定義は前と同じである。
最初の入力コンデンサに対し、導電ループに沿って物理
的に９０゜離れた所にある２番目のコンデンサの両端
で、ＲＦコイルを励振することに対応して、同じ周波数
の別の直交共振モードがある。この場合、導電ループ素
子及び導電セグメントを通る電流は上に述べたのと同じ
であるが、ｋ＝１が２番目の入力コンデンサに対応す
る。

前に第３Ａ図について述べた様に、１個の励振点でＲＦ
コイルを励振すると、直線偏波のＲＦ磁界Ｂ_１が出来
る。この直線偏波の磁界は、反対周りの２つのベクトル
成分に分解することが出来る。１つの成分はスピンの歳
差運動の方向に回転し、スピンの摂動に効果がある。こ
れを同回転成分と呼ぶ。他方の成分はスピンの方向に対
して反対向きに回転し、スピンの摂動には何の影響も持
ち得ない。これを反回転成分と呼ぶ。両方の成分がＲＦ
コイルに電力を送込み、サンプル内に渦電流を誘起する
ことによって、ＮＭＲサンプル（又は作像される被検
体）にエネルギを送込む。従って、同回転成分だけを発
生する様にＲＦコイルを作ることが出来れば、原子核の
磁化に対して同じ影響を生ずる直線偏波のＲＦ磁界の消
費電力に較べて、消費電力を大体１／２に節約すること
が出来ることは明らかである。この場合、ＲＦ磁界は円
偏波と云う。直角励振と云う言葉は、円偏波を発生する
様にコイルを励振する為に使われる方式に対して用い
る。

直角励振及びＮＭＲ信号の検出は、第３Ａ図について説
明したこの発明のコイルを用いると、簡単に達成するこ
とが出来る。これは、１つの導電ループ素子の円周に沿
って互いに直角の位置にある２つの入力コンデンサの所
でコイルを励振することによって達成し得る。第３Ａ図
について云うと、この為、コイルを前と同じくコンデン
サ７２の両端の導線１０１，１０３で励振し、更にコイ
ルをコンデサ６６の両端の第２の１対の導線１１３，１
１５の所で励振する。更に、所望の円偏波を達成する
為、２点でコイルを励振するのに使われているＲＦ源は
互いに電気的に９０゜位相がずれていなければならな
い。即ち、一方の源の位相が cosωｔに比例し、他方の
源の位相が sinωｔに比例していなければならない。こ
うすると、上に述べた様に大体一様な横方向磁界を持つ
２つのモードが励振される。

コイルを付勢するのに多数のＲＦ増幅器（図に示してな
い）を用いることにより、このコイルの別の特徴を実現
することが出来る。各々の増幅器が異なる入力コンデン
サに取付けられ、各々の増幅器を通る信号は所望のＲＦ
励振（即ち、直線偏波又は円偏波）を発生する様に正し
い位相にする。こうすると、１つ又は２つの増幅器を用
いてコイルを駆動する場合に較べて、各々の増幅器の電
力条件が低下する。これは、ＲＦ電力出力を発生する為
に高周波固体トラジスタを使う時、最初の増幅器で電力
組合せ装置を使わずに、幾つかの回路の出力を組合せる
簡単な方法になるので、特に有利である。

円偏波励振を達成する為に多数のＲＦ源を使う１例は、
４つのＲＦ増幅器を使うことである。２つの増幅器が第
３Ａ図に示すように、コンデンサ６６，７２の両端に接
続される。他の２つの増幅器が、夫々角度φ＝１８０゜
及び２７０゜にあるコンデンサ６８，７０の両端に接続
される。電気的には、増幅器の位相は隣合った増幅器の
間で９０゜離れている。この例では、４つのＲＦ増幅器
の位相は、増幅器がφ＝０゜，９０゜，１８０゜及び２
７０゜に夫々接続されている場合、０゜，９０゜，１８
０゜及び２７０゜にすることが出来る。

直線励振を達成する為に多数のＲＦ源を使う簡単な例
は、第３Ａ図のコンデンサ７２及び６８（夫々φ−０゜
及び１８０゜）の両端に接続されていて、互いに１８０
゜位相をずらして付勢される２つのＲＦ増幅器を使うこ
とである。４つの増幅器を使う変形では、更に２つの増
幅器を導電ループ６３のコンデンサ７８，８２の両端に
接続して、これらの増幅器の位相が夫々０゜及び１８０
゜であれば、コンデンサ６８及び７２の両端に接続され
た増幅器の位相が夫々１８０゜及び０゜になる様にする
ことである。

上に述べた多数の増幅器を使う形式は例にすぎず、４つ
又は更に多くの増幅器を使うこの他の数多くの組合せが
可能であることを承知されたい。

２つの直交モードを使って、磁化Ｍの歳差運動によるＮ
ＭＲ信号を受信することが出来る。この様にＮＭＲ信号
を受信すると、信号対雑音比がに改善される。第３Ａ図の各々のコンデンサ７２，６６
の両端に接続された導線からの受信信号を組合せて、そ
の結果出来る組合せ信号がコイル内の一方向に回転する
ＲＦ磁界に対して最大であって、反対方向の回転ＲＦ磁
界に対して実質的にゼロになる様にすれば、ＮＭＲ信号
の直角検出を達成することが出来る。

この発明のＲＦコイルは任意の適当な構成方法を用いて
作ることが出来る。１６本の軸方向導電セグメント（即
ち１６個の部分）を夫々持つ頭及び身体用コイルを約６
４ＭＨｚで使う様に構成した。頭用コイルは、外径０．
２８ｍ及び長さ０．４ｍのプレキシ硝子のコイル巻型の
上に構成した。この頭用コイルでは、軸方向導電セグメ
ントは細い導電性銅管で作ることが好ましいが、銅被覆
の印刷配線板又はワイヤで作ることも出来る。適当な銅
管の外径は３mm（１／８吋）であることが判った。管を
使う利点は、電流の分布が一層よくなる為に損失が最小
限になることである。頭用コイルを構成するのに管を使
う場合の別の利点は、管が細い為、隣合った導電セグメ
ントの間でコイル巻型内に大きな溝孔をあけることが出
来、この為通気がよくすることが出来ると共に、患者に
とってもオペレータにとっても視界の妨げが少なくなる
ことである。導電ループ素子は、例えばテフロン樹脂を
コンデンサの誘電体として作用する基板材料として用い
た銅被覆の両側を持つ印刷配線板材料によって構成する
ことが出来る。コンデンサの極板は基板の両側にある重
なり合う銅の導電区域で構成されるコンデサの１つの極
板に複数個の別々のパッドを形成し、必要に応じてそれ
らを架橋して、極板の間の重なりの面積を増減し、こう
して静電容量を増減することが望ましいことがある。複
数個のこの様なコンデンサを１つのループ内で電気的に
相互接続して、導電ループ素子を形成する。６２．５Ｍ
Ｈｚで共振する様にする為の頭用コイルに対するコンデ
ンサは、約９５ピコファラド（ pＦ）の値を持つ。

身体用コイルは頭用コイルについて述べたのと同様に構
成することが出来る。軸方向導電セグメントは、長さ約
０．５６m 及び外径０．５１m の円筒形の硝子繊維のコ
イル巻型の上に幅３８mmの銅のテープを用いて作られ
た。コイル自体は約０．５ｍの長さである。容量素子は
大体１０５ pＦに選んだ。軸方向導電セグメントに外径
６mmの銅管を用いたこの他の身体用コイルも作った。

ＲＦコイルを構成する方法の他の細部については、前に
引用した関連する特許出願を参照されたい。

比較すると、この発明のコイル（梯形回路コイル）はサ
イド形コイルよりも、目立って一様性の高いＲＦ磁界を
発生する。これは、所望のモードで励振された時、この
発明のコイルにおける電流分布が、完全に一様な横方向
ＲＦ磁界を生ずる理想的な表面電流分布に一層近づく為
である。即ち、完全に一様な磁界Ｂ x（Ｘ軸方向のＲＦ
磁界）は次の式で表わされる表面電流密度を持つコイル
によって発生される。

こゝでλは表面電流密度、φは方位角、μ 0は自由空間
の透磁率である。

実際のコイルでは、戻り電流を加え、コイルを有限の長
さに制限することが必要である。Ｎ個（例えば８個又は
１６個）の部分から成る有限の長さを持つ梯形回路コイ
ルでは、Ｍを共振モードの番号、ｋをコイル上の或る基
準点から数え始めた部分の番号（例えばｋ＝１乃至ｋ＝
８又はｋ＝１６）として、 cos｛２πＭ（ｋ−１）／
Ｎ｝又は sin｛２πＭ（ｋ−１）／Ｎ｝に比例する電流
分布を発生する多数の共振モードがある、Ｍ＝１の共振
モードが所望の sin（φ）電流分布に対するよい近似に
なり、残留する非均質性の主な源はコイルの有限の長さ
である。

梯形回路コイルの磁界の均質性をサドル形コイルの均質
性と較べる時、各々のコイルよって発生される磁界の球
面調和関数展開を評価すればよい。コイルの中心に於け
る磁界が球面調和関数の展開として、例えば次の様に表
わすことが出来る。

こゝでｒ，θ，φは考えている点の球面極座標であり、
添時ｘはＸ軸方向の展開であるとを表わし、Ｐは関連す
るルジャンドル関数である。特に、コイルの中心に於け
る磁界Ｂ 1はである。係数Ａ▲^xc ₀₀▼はＢ 1の均質な成分を表わす
が、コイル表面の電流を積分するこによって計算するこ
とが出来る。この時Ａ▲^xc ₀₀▼は次の様に表わすことが
出来る。

サドル形コイルの場合この発明のコイルの場合但しＭ＝１式（９）及び（１０）で、Ｋはコイルの縦横比（半径に
対する長さの比）であり、Ｎはコイルにある導電セグメ
ントの数、ａはコイル巻型の半径である。この発明の梯
形回路コイルでは、Ｉが第１のループ（即ち、最大電流
を持つコンデンサ）の電流を表わす。

梯形回路コイルの電流を次の様に表わすことが出来るこ
とに注意されたい。

こゝでＩ Zは軸方向電流、Ｉ^φは方位電流、Ｍはモード
の番号である。ＮＭＲ発信器又は受信器としてコイルが
動作する場合、Ｍ＝１のモードによって得られる一様な
横方向磁界が望まれる。

第４Ａ図及び第４Ｂ図は、任意の磁界を球面調和関数展
開で完全に表わすのに必要な全ての係数を示している。
ＲＦコイルの内部にわたって一様な一定の横方向磁界を
希望しているから、項Ａ▲^c ₀₀▼だけが表われるのが理
想である。然し、サドル形コイル並びにこの発明の有限
の梯形回路コイルに於ける電流分布は、理想的な正弦電
流分布に対する不完全な近似にすぎないから、その結果
得られる磁界は不純物があり、不純物はこの磁界の展開
式の中にその他の係数が表われることゝなって現われ
る。第４Ａ図及び第４Ｂ図で、（磁界を歪めるゼロでな
い高次成分を表わす）望ましくない余分の係数を丸で囲
ってある。即ち、第４Ａ図は、サドル形コイルによって
発生される磁界の展開式の中に現われる余分の係数を示
しており、第４Ｂ図は１６個の部分から成る梯形回路コ
イルによって発生される磁界の場合の余分の係数を示し
ている。後者が発生する望ましくない係数がずっと少な
いことに注意されたい。

更に具体的に云うと、第４Ａ図はサイド形コイルの磁界
を歪める高次の成分を表わしている。非均質性は２つの
特徴から生ずる。即ち、コイルの有限の長さと、電流分
布が完全に正弦状でないことである。Ｋ（縦横比）が増
加するにつれて、Ａ▲^xc _m,n▼項（ｍ−ｎ）を除いて、
Ｋ→∽につれてＢ_x の歪みがゼロになることを証明する
ことが出来る。即ち、Ａ▲^xc ₂₂▼，Ａ▲^xc ₄₄▼，Ａ▲^xc
₆₆▼…と云う形の歪みは、縦横比が任意に大きくなって
も、サドル形コイルではゼロではない。ついで云うと、
サドル形コイルでは、標準的な１２０゜の円弧に対し、
Ｋが増加するにつれて、Ａ▲^xc ₂₂▼もゼロに近づくこと
が認められる。

均質性の点で云うと、梯形回路コイルの設計は２つの利
点を有する。第１に、第４Ｂ図に示す様にＫの任意の値
に対し、ｍが特定の値ｍ＝０，２，１４，１６，１８，
３０，３２，３４…（Ｎ＝１６と仮定している）でなけ
れば、係数Ａ▲^xc _nm▼はゼロになる。これは、電流が正
弦状分布である結果である。更に、縦横比が不定に増加
するにつれて、Ａ▲^xc ₀₀▼，Ａ▲^xc _16,16▼，Ａ▲^xc
_32,32▼等の形の項だけがゼロでない。

第５Ａ図乃至第５Ｄ図及び第６Ａ図乃至第６Ｄ図は、サ
ドル形コイル、並びに１６個の軸方向導電セグメントを
持つこの発明のコイルで夫々発生された正規化した一定
のＲＦ磁界強度の輪郭を示すグラフである。各々の場
合、“Ａ”図はコイルの横方向中間平面に於けるＲＦ磁
界強度の輪郭を示す。“Ｂ”図は、コイルの中間平面か
ら半径の粉だけ離れた所にある横方向平面内の磁界を示
す。“Ｃ”図はコイルの円周の対称軸線を通りＲＦ磁界
を含む平面の磁界を示す。最後に“Ｄ”図は、ＲＦ磁界
に対して垂直であって円筒の対称軸線を含む平面内のＲ
Ｆ磁界強度の輪郭を示す。前に述べた球面調和関数の解
析並びに第５図及び第６図から、この発明のコイルの磁
界Ｂ 1が、サドル形コイルによって得られる均質性より
もすぐれた高い均質性を持つことは明らかである縦横比
が増加するにつれて、均質性、並びにサドル・コイルに
較べたこの発明のコイルの利点が増大する。即ち、１．
０がコイルの中心に希望する磁界の基準値を表わすとす
れば、サドル形コイルの磁界は、この発明のコイルより
も一層速く縦方向にも軸方向にもこの値からずれる。

第７図は前に第２Ａ図及び第３Ａ図について説明した抵
域通過及び高域通過ＲＦコイルの若干の特徴を持つこの
発明の別の実施例のＲＦコイルを図式的に示す。この実
例例のコイルを「帯域通過形」ＲＦコイルと呼ぶが、こ
れは２つの導電ループ素子１３１，１３３で構成され
る。高域通過コイルの場合と同じ様に、導電ループ素子
１３１，１３３が直列接続の複数個のコンデサ１３５乃
至１４２及び１４５乃至１５２を持つ。低域通過形コイ
ルの場合と同じく、導電ループ素子が夫々複数個の容量
素子１６５乃至１７２を持つ複数個の軸方向導電セグメ
ント１５５乃至１６２によって相互接続されている。こ
の特定の実施例は、８個の軸方向導電セグメントを持つ
ものとして示してあるが、前と同じく、８個より多い又
は少ない数もこの発明を実施するのに有利に用いること
が出来る。更に、ＲＦ電源（図に示してない）を１つの
導電ループの１つの容量素子の両端又は１つの軸方向セ
グメントの１つの容量素子の両端に接続するとにより、
このコイルを付勢することが出来ることを承知された
い。前に説明したこの他の励振方法もこの帯域通過形コ
イルに適用し得る。導電ループ素子も軸方向導電セグメ
ントもその各々の導電部分には関連した固有のインダク
タンスがあり、これは図面に示してないが、所望の共振
状態を発生する様な正しい移相を達成する為に必要であ
る。

帯域通過形ＲＦコイルでは、共振モードは高域通過形又
は低域通過形コイルよりも圧縮されている。これらのモ
ードが、軸方向及びループの両方のインピーダンスが主
に容量性である低周波限界と、軸方向及びループの両方
のインピーダンスが主に誘導性である高周波限界の間で
整合している。これらのモードがある周波数帯では、コ
ンデンサの値は、ループ導体が誘導性であって軸方向セ
グメントが容量性であるか、或いはその逆になる様にな
っている。１番目の場合、近似的に一様な横方向ＲＦ磁
界を発生するのが、この組の内の最低周波数のモードで
あるという点で低域通過形コイルと同様である。軸方向
セグメントが誘導性であり、円周方向のセグメントが容
量性である様な静電容量になっている場合、最高周波数
の横方向モードが一様な横方向磁界を発生すものであ
り、この形式は高域通過形ＲＦコイルと同様である。

帯域通過形コイルの形式は、遅波遅延線回路コイルを一
層高い周波数に拡張する場合、又は作像する被検体又は
周囲に対する漂遊静電容量の結合の影響を少なくするの
に有用であることがある。例えば、基本的な形として高
域通過形コイルを使うと、軸方向セグメントに静電容量
を入れることが出来る。こういう軸方向コンデンサが幅
方向セグメントの若干のインダクタンスを相殺し、軸方
向セグメントの合計インピーダンスが小さくなる。その
時、所定の電流に対し、軸方向セグメントに沿った電圧
はコンデンサがない場合より小さくなり、漂遊静電容量
を通る電流が少なくなり、こうして漂遊静電容量に伴う
損失並びに同調外れ効果を減少する。

以上の説明から、この発明では、電流及び同調静電容量
が多数のターンに分布したＲＦコイルの幾つかの実施例
を提供したことが理解されよう。この発明のＮＭＲ用Ｒ
Ｆコイルは磁界Ｂ 1及び信号感度の一様性の点でもかな
りの改善をもたらした。このコイルの形状は、信号対雑
音比及び円偏波励振を改善することが出来る様にする。

この発明を特定の実施例及び例について説明したが、当
業者には、以上の説明からこの他の変更が考えられよ
う。従って、この発明は、特許請求の範囲でこゝに具体
的に説明した以外の形で実施することが出来ることを承
知されたい。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は全身検査に使われる従来の並列接続した２タ
ーンのＮＭＲ用ＲＦコイルの略図、第１Ｂ図は円筒形巻
型に取付けた第１Ａ図に示すコイルの簡略斜視図、第１
Ｃ図は例えば頭のＮＭＲ検査に使われる従来の別の２タ
ーンの直列接続したＮＭＲ用ＲＦコイルの略図、第２Ａ
図は８個の部分から成る低域通過形ＲＦコイルを示す略
図、第２Ｂ図は第２Ａ図に示したコイルに使われる集中
定数低域通過形遅波遅延線構造を示す回路図、第２Ｃ図
は低域通過形ＲＦコイルの円周方向の誘導子に於ける計
算した電流対周波数応答を示すグラフ、第３Ａ図は８個
の部分から成るこの発明の高域通過形ＲＦコイルの略
図、第３Ｂ図は第３Ａ図に示したコイルに使われる集中
定数高域通過形遅波遅延線構造を示す回路図、第３Ｃ図
は円周方向のコンデンサに於ける計算した電流対周波数
応答を第２Ｃ図と同様に示すグラフ、第４Ａ図及び第４
Ｂ図は従来のサドル形コイル及びこの発明のコイルによ
って夫々発生されるＲＦ磁界の展開式の球面調和関数係
数を示す図表、第５Ａ図乃至第５Ｄ図は従来のサドル形
コイルで発生される一定のＲＦ磁界強度の輪郭を示すグ
ラフ、第６Ａ図乃至第６Ｄ図は１６個の部分から成る実
施例のこの発明のコイルで発生される一定のＲＦ磁界強
度の輪郭を示すグラフ、第７図は「帯域通過形」ＲＦコ
イルと呼ぶこの発明のＲＦコイルの別の実施例を示す略
図である。主な符号の説明６１，６３：導電ループ素子６５乃至７２，７５乃至８２：容量素子８６乃至９３：軸方向導電セグメント

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者セシル・エドワード・ハイエスアメリカ合衆国、ウイスコンシン州、ワウワトサ、ノース・ワンハンドレツドアンドフアースト・ストリート、3766番 (56)参考文献特開昭60−132547（ＪＰ，Ａ) 実開昭61−44560（ＪＰ，Ｕ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】共通の縦軸線に沿って相隔たっていて、各
々がその周縁に沿って相隔たる直列接続の複数個の容量
素子（６５〜７２，７５〜８２，１３５〜１４２，１４
５〜１５２）を含んでいる１対の導電ループ素子（６
１，６３，１３１，１３３）と、前記直列接続の容量素子の間の点で前記導電ループ素子
を電気的に相互接続する複数個の軸方向導電セグメント
（８６〜９３，１５５〜１６２）とを有し、前記導電セ
グメントの隣合った導電セグメントは、それぞれの前記
導電ループ素子内の前記容量素子によって分離されてい
るＮＭＲ用無線周波コイル。
【請求項２】特許請求の範囲１）に記載したＮＭＲ用無
線周波コイルに於て、各々の前記軸方向導線セグメント
と直列に容量素子（１６５〜１７２）が接続されている
ＮＭＲ用無線周波コイル。
【請求項３】特許請求の範囲１）に記載したＮＭＲ用無
線周波コイルに於て、各々の前記軸方向導電セグメント
と直列に誘導素子（９５）が接続されているＮＭＲ用無
線周波コイル。
【請求項４】特許請求の範囲１）乃至３）のいずれか１
項に記載したＮＭＲ用無線周波コイルに於て、該無線周
波コイルは梯形回路として構成された高域通過遅延線構
造を有し、該遅延線構造は略円筒形の形状に形成されて
いてその両端が互いに接続され、前記梯形回路の辺の素
子は円筒の円周と一致し、これに対して梯形の横木の素
子は、円筒の縦軸線と略平行に円筒面に沿って長さ方向
に配置されているＮＭＲ用無線周波コイル。
【請求項５】特許請求の範囲４）に記載したＮＭＲ用無
線周波コイルに於て、前記梯形回路の辺の素子は共通の
縦軸線に沿って相隔たる１対の導電ループ素子（６１，
６３）で構成されており、各々の導電ループ素子はその
周縁に沿って相隔たる複数個の直列接続の容量素子（６
５〜７２，７５〜８２）を含んでおり、前記梯形の横木
の素子は、隣合う前記直列接続の容量素子の間の点で前
記導電ループ素子を電気的に相互接続する複数個の軸方
向導電セグメント（８６〜９３）で構成されているＮＭ
Ｒ用無線周波コイル。
【請求項６】特許請求の範囲１）または２）に記載した
ＮＭＲ用無線周波コイルに於て、該無線周波コイルは梯
形回路として構成された帯域通過遅波遅延線構造を有
し、該遅延線構造は略円筒形の形状に形成されていてそ
の両端が互いに接続され、前記梯形回路の辺の容量素子
は円筒の円周と一致し、これに対して梯形の横木の素子
は、円筒の縦軸線と略平行に円筒面に沿って長さ方向に
配置されているＮＭＲ用無線周波コイル。
【請求項７】特許請求の範囲６）に記載したＮＭＲ用無
線周波コイルに於て、前記梯形回路の辺の素子は共通の
縦軸線に沿って相隔たる１対の導電ループ素子（１３
１，１３３）で構成され、各々の導電ループ素子はその
周縁に沿って相隔たる直列接続の複数個の容量素子（１
３５〜１４２，１４５〜１５２）を含んでおり、前記梯
形の横木の素子は、前記直列接続の容量素子の間の点で
前記導電ループ素子を電気的に相互接続する複数個の軸
方向導電セグメント（１５５〜１６２）で構成されてお
り、各々の軸方向導電セグメントと直列に少なくとも１
つの容量素子（１６５〜１７５）が接続されているＮＭ
Ｒ用無線周波コイル。
【請求項８】特許請求の範囲１），５）又は７）に記載
したＮＭＲ用無線周波コイルに於て、該無線周波コイル
は所望の共振モードの周波数で振動する第１のＲＦ電源
を用いて、前記１対の導電ループ素子の内の一方（６
１）にある第１の入力容量素子（７２）の両端で無線周
波コイルを励振する第１の手段（１０１，１０３）を有
し、こうして前記導電ループ素子に cos（（ｋ−１）２
π／Ｎ）に比例する電流分布を発生すると共に前記軸方
向導電セグメントに sin（（ｋ−１）２π／Ｎ）に従っ
て変化する電流分布を発生する（こゝでｋは１乃至Ｎの
導電セグメントの番号で、入力容量素子を持つ部分のｋ
＝１から始まる）ＮＭＲ用無線周波コイル。
【請求項９】特許請求の範囲８）に記載したＮＭＲ用無
線周波コイルに於て、所望の共振モードの周波数で、第
２のＲＦ電源を用いて、前記１つの導電ループ素子（６
１）の周縁に沿って、前記第１の入力容量素子から９０
゜離れた第２の入力容量素子（６６）の両端で無線周波
コイルを励振する第２の手段（１１３，１１５）を有
し、前記電源が互いに電気的に９０゜位相がずれている
ＮＭＲ用無線周波コイル。
【請求項１０】特許請求の範囲１），４）又は６）に記
載したＮＭＲ用無線周波コイルに於て、該無線周波コイ
ルはＮＭＲ被検体をその中に受入れる円筒形コイル巻型
（１１）の上に構成されていて、前記コイル巻型は溝孔
が形成されていて、ＮＭＲ被検体の通気並びに視界を改
善されているＮＭＲ用無線周波コイル。
【請求項１１】特許請求の範囲１０）に記載したＮＭＲ
用無線周波コイルに於て、前記軸方向導電セグメントが
細い導体で構成されていて、隣接するセグメントの間に
大きなすき間が出来る様になっており、少なくとも１つ
のすき間の領域に溝孔が形成されている、ＮＭＲ用無線
周波コイル。
【請求項１２】特許請求の範囲１），５）又は７）に記
載したＮＭＲ用無線周波コイルに於て、複数個の前記容
量素子が同じ複数個のＲＦ電力増幅器に対する入力素子
を構成しており、該増幅器の出力の相対的な位相は、前
記軸方向及びループ導電素子に誘起される電流によって
包括的に直線偏波のＲＦ磁界が得られる様になっている
ＮＭＲ用無線周波コイル。
【請求項１３】特許請求の範囲１），５）又は７）に記
載したＮＭＲ用無線周波コイルに於て、複数個の前記容
量素子が同じ複数個のＲＦ電力増幅器に対する入力素子
を構成しており、該増幅器の出力の相対的な位相は、前
記軸方向及びループ導電素子に誘起される電流によって
包括的に円偏波のＲＦ磁界が得られる様にしたＮＭＲ用
無線周波コイル。