JP2005103308A - 磁気共鳴コイルとその形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 サーフェイスコイルアレイの設計時間と製造時間とを最小化し、専有面積の問題と性能の問題と人間工学的な問題とに対処し、未来のＭＲスキャニングシステムと歩調を合わせて進歩するための柔軟性を実現するＭＲコイルシステムを実現する。
【解決手段】 基板上に取り付けられている導電性トレースを有し、かつ、各回路が信号を生成するようになっている複数の回路と、前記回路の少なくとも２つを互いに連結して整列する各基板内の手段とによって構成されているＭＲコイルアレイ。回路を連結して整列する手段は、その他の基板内の対応する穴または開口と一致するように設計されている、基板内に形成されている穴または開口であることが好ましい。好ましい実施形態では、このコイルアレイは、さらに、回路の各々に配置されている、信号を予増幅するための手段を含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は磁気共鳴（ＭＲ）イメージングに関し、特に、ＭＲコイルモジュールと、このＭＲコイルモジュールから作られているモジュール型ＭＲコイルアレイとに関する。

ＭＲスキャナシステムが、多数のサーフェイスコイルアレイから同時にますます多くの情報を受け取る能力において進化している。すなわち、このシステム内の受信器は最初は４つであったが、現在では８つに増加している。この数字は１６個以上の受信器へと増加し続けるだろう。こうした進歩は、パラレルイメージングとして知られている画像捕捉における新しい技術を原因としている。

フェーズドアレイコイルとパラレルイメージング技術は、より短い画像捕捉時間を示している。撮像されている物体の同時独立視像を得ることによって、画像捕捉時間が２以上のうちの１つのファクタによって短縮されることが可能である。これは、アレイコイルの空間感度パターンの形に符号化された情報を使用することによって可能である。追加の独立した変換器素子を使用して得られる独立視像の増加が、捕捉時間を短縮させる。より短い捕捉時間が、患者がＭＲスキャナ内で過ごさなければならない時間の量に影響を与える（患者スキャナ滞留時間（ｐａｔｉｅｎｔ ｓｃａｎｎｅｒ ｄｗｅｌｌ ｔｉｍｅ）がより短い）。さらに、より短い時間は、動きの影響を受けやすい用途（例えば、心臓の、および、呼吸）において、より高品質の画像をもたらす。

したがって、パラレルイメージングの利点を利用するためには、より多くの素子がサーフェイスコイルアレイに付加されなければならない。したがって、個々の素子を収容するために、ＭＲスキャナ内の受信器の数を増加させる必要がある。さらに、アレイ素子の数と共に、（感度パターンを決定する）アレイ素子の構成も画像捕捉時間を決定するだろう。

サーフェイスコイルアレイの素子数が増加し始めると、人間工学的な問題点と電気的な問題点とが生じる。これらの問題点は、重量の増加と、素子の回路系の混雑と、コイルに関連した雑音の増大と、信号損失の増大とを含む。こうしたアレイを作るための研究開発時間と生産時間さえもが、基本的な４素子形のアレイまたは８素子形のアレイに比較してより多大なものとなるだろう。

現在および未来のＭＲシステムは前置増幅器（プリアンプ）なしで構成されている。前置増幅の負担はサーフェイスコイルアレイに移行されている。現在のＭＲ前置増幅器は１平方インチよりも大きい。このプリアンプが占有するフットプリントが、そのデバイスが配置されることが可能な場所を限定する。このことは、フレキシブルサーフェイスコイルの場合に特に当てはまる。このタイプのコイルは、患者の撮像に使用される時に低プロファイルかつ同形であるように設計されている。受信素子変換器の個数が増大しているアレイの場合には、プリアンプのための場所が、回路基板上に比較的わずかしか存在しないか、または、全く存在しない。

このデバイスを配置するためのその次の論理的な場所が、コネクタハウス（ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ ｈｏｕｓｅ）内であり、このコネクタハウスはＭＲスキャナとインタフェースする。しかし、コイルからプリアンプの入力へのケーブル線の距離が１フィートから６フィート以上である可能性がある。その余分なケーブル長に起因する余分な損失が、実現可能なプリアンプの減結合の量を低下させる。プリアンプ減結合は、コイルアレイの信号対雑音性能を向上させるために使用される技術である。ケーブルにおける余分な損失が、プリアンプ減結合共振回路のＱを最小化する。さらに、スキャナの磁界強さが増大するにつれて、変換器受信周波数が増大するだろう。より高い磁界では、ケーブル内での周波数に依存した損失が増大し、したがってＱを低下させ、一方、このことはプリアンプ減結合を低下させる。さらに、各素子からの雑音が集合的に画像を劣化させる。これは、特に素子数が増加するにつれて、重大な問題である。

当業分野におけるこの長年の要求を満たすために、
− サーフェイスコイルアレイの設計時間と製造時間とを最小化し、
− 基板上の占有面積の問題点と、性能上の問題点と、人間工学上の問題点とに対処し、
− パラレルイメージング技術を使用するように設計されている未来のＭＲスキャニングシステムと歩調を合わせて進歩することが可能である
システムが必要とされている。

本発明は、基板上に取り付けられている導電性トレースを有し、各回路が信号を生成するようになっている複数の回路と、少なくとも２つの回路を互いに連結して整列するための各基板内の手段とで構成されているＭＲコイルアレイを提供する。回路を連結して整列するための手段は、その他の基板内の対応する穴すなわち開口と一致するように構成されている、基板内に形成されている穴すなわち開口であることが好ましい。好ましい実施態様では、そのコイルアレイは、さらに、各回路上に配置されている、信号を前置増幅する手段を含む。この前置増幅器は、低い雑音数値と高いコイル対コイル絶縁とを確保するための整合回路系を含む。この回路はフレキシブル回路であることが好ましく、および、好ましい実施態様では、このアレイは、８個、１６個、または、３２個の回路を有する。回路（チャンネル）の数が多くなるにつれて、コアキシャルインタフェースの重量および負荷が著しく大きくなる。この回路は、アナログＭＲ信号のディジタル信号表現を出力するために、前置増幅器の後にアナログ−ディジタル（ＡＤ）変換器を含んでもよい。一実施態様は、コイルアレイからスキャナにインタフェースするように軽量のフレキシブル光ファイバまたはフォトニック導波管（ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）を使用するために、光ファイバ出力を含む。回路基板はポリイミドまたはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）であることが好ましい。ＭＲコイルアレイは、０．２テスラから８テスラの磁界強さを生じさせるシステム内で動作するように構成されることが可能である。生理学的用途および分光学的用途のために最適化が行われることが可能である。本発明は、さらに、この回路が、モジュール型ＭＲコイルアレイが形成されるように、個々の用途の要件に応じて互いに交換可能でありかつ互いに重なり合うようになっているモジュールであることを可能にする。この回路は、互いに同じサイズかまたな異なるサイズであり、および、互いに同じ形状かまたは異なる形状である。

本発明は、別の側面では、基板上に取り付けられている導電性トレースを有し、信号を生成するようになっている回路と、モジュール型ＭＲコイルアレイを形成するように少なくとも２つの回路モジュールを互いに連結して整列するための各基板内の手段とを含む、ＭＲコイルモジュールを提供する。

本発明は、さらに別の側面では、基板上に取り付けられている導電性トレースを有し、各回路が信号を生成するようになっている複数の回路を設ける段階と、少なくとも２つの回路を互いに連結して整列するための各基板内の手段を設ける段階と、モジュール型ＭＲコイルアレイを形成するように少なくとも２つの回路を連結して整列する段階とを含む、モジュール型ＭＲコイルアレイを形成する方法を提供する。

図１は、本発明の例示的な実施形態によるＭＲコイルモジュール１０を示す。ＭＲコイルモジュール１０は、基板１２上に取り付けられている導電性トレース１１を有する回路である。この回路がフレキシブル回路（ｆｌｅｘ−ｃｉｒｃｕｉｔ）であり、基板１２が導電性トレース１１のような機能性電気素子を収容する軽量の可とう性材料であることが好ましい。ポリイミドが基板１２用の材料として好ましく、ポリテトラフルオロエチレンが代替の材料である。基板１２は、導電性トレース１１とその関連のパッドと他の電気素子と共に、基板処理加工施設内で大量生産されることが可能である。この特徴が、従来の変換器アレイを形成するために導体をリベット留めすることに比較して組立時間を削減する。

基板１２には、さらに、整列穴１３が設けられている。整列穴１３は、他の基板上の対応する開口と一致する開口である。整列穴１３は、基板を整列するための例示的な手段である。特に、整列穴１３は、隣接するモジュール上の整列穴の上に重なり、および、整列穴１３の中を通して配置されているピン、リベット、ファセット、または、他の取り付け装置のような、基板を取り付けるための手段を使用して取り付けられることが可能である。基板は、横方向に、垂直方向に、または、この両方向に取り付けられることが可能である。このモジュール方式という能力によって、様々なアレイ構成が製造可能である。このアレイは、基板１２を互いに関して特定の位置に案内するために戦略的に配置されているピンを有する製造固定具を使用して生産されることが可能である。これは、アレイを製造する迅速で効率的な方法である。

本明細書に開示されているＭＲコイルアレイのモジュール方式は明瞭な利点を提供する。このＭＲサーフェイスコイルは、この場合に、スキャナ受信器数が増加するのに歩調を合わせて、および、スキャニング時間を減少させるように構成されているパラレルイメージングソフトウェアの進歩と共に、増加させられることが可能である。サーフェイスコイルアレイを構成するためにモジュールを使用することによって、スキャナ受信器の数に対応するようにコイル素子の数を増加させることが容易である。基板モジュールが、より多くの素子を組み込むように作られている。既存のモジュールが取り除かれ、新しいモジュールが取り付けられる。コイル素子のこの増加が、横方向または垂直方向に生じることが可能である。

ＭＲスキャナソフトウェアが、変換器素子の磁界パターンから得られる情報を使用することによって、より一層高度化されるようになってきている。スキャニング時間の短縮は、その素子の数と形状とに基づいている。この形状は特定の磁界パターンを生じさせるだろう。変換器素子を追加することによって、または、その幾何学的形状を操作することによって、スキャニング時間が短縮されることが可能である。スキャニングシステムとソフトウェアとが進歩するのに応じて、その素子の数を増加させるために、または、特定の用途により一層適合化されている形状を既存の形状の代わりに使用するために、モジュールを追加することが可能である。この新たに構成された形状は、横方向または垂直方向に追加されることが可能である。新たなモジュールは、特有の変換器形状の積み重ねを生じさせるように、垂直方向に既存モジュールの上に重なることさえ可能である。このオープンアーキテクチャ型モジュールシステムは、研究開発および生産タイムラインを短縮することによって、こうしたスキャナのためのより迅速な順応性を可能にするだろう。より多くの変換器素子または異なる変換器形状を有するオーバーレイ（ｏｖｅｒｌａｙ）によるモジュールの置き換えは、迅速で効率的である。多数のコイルユニットを持たない可能性があるより小さい機会でさえ、短い開発時間および生産時間の故に実現されるだろう。異なるサイズと形状のモジュールが、非常に短時間の内に最適な構成を創出するために、組み合わされ適合させられることも可能である。最適なモジュール構成が、生理学的用途と分光学に基づいた用途とに適用されることが可能である。

図２は、１６個までのコイルモジュール１０の横方向の構成を示す。図３は、３２個のコイルモジュール１０の構成を示す。図４（Ａ）は、例示されている実施形態では互いに異なるサイズである２つのモジュールを使用することによる、垂直方向の構成を示す。この構成は、パラレルイメージング用のアレイを最適化するための別の自由度を提供し、こうして撮像捕捉時間を短縮する。図４（Ｂ）は、上部コイルが底部コイルとはサイズも形状も異なっている垂直方向に積み重ねられたアレイの別の実施形態である。図４（Ｃ）は、垂直方向に積み重ねられたアレイのさらに別の実施形態の例示である。本発明を使用することによって、個々の用途によって求められる通りに任意の数のコイルが積み重ねられることが可能である。

図１を再び参照すると、コイルモジュール１０には、基板１２上に取り付けられている前置増幅器２０も備えられている。基板に付加されている関連の接続回路系（図示せず）が、信号情報を受信して「手渡す（ｈａｎｄｉｎｇ ｏｆｆ）」ことが可能な電気的に独立したモジュールを生じさせる。前置増幅器２０は、基板製造施設において面実装されることが可能であり、したがって、アレイ生産中における基板集団時間（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ）を排除する。

専有面積と電気的性能との必要条件を満たすために、前置増幅器２０は、現行の提供品のサイズの何分の一かに小型化される。このことが、変換器素子に隣接した配置または変換器素子の上への配置を可能にし、空間と重量とを節約する。既存のＭＲ前置増幅器は、内部プリアンプ回路系をシールドするために金属製容器内に収められている。この余分な金属は重量と体積面積とを追加する。前置増幅器２０のサイズを小さくすることによって、金属遮蔽物も小型化される。これは、コイルアレイの内側に６４個以上の前置増幅器が存在する可能性がある場合に、非常に重要である。前置増幅器２０が変換器に直接取り付けられる場合には、電気的損失が低減させられ、および、プリアンプ減結合が最大化される。

図５を特に参照すると、本発明による小型化されたプリアンプが次のように構成されている。無線周波（ＲＦ）信号、サーフェイスコイル２１が、低雑音指数（ＮＦ）とＭＲコイルの最適な絶縁とのために最適化されている入力整合ネットワーク２３によって、超低雑音砒化ガリウム（ＧａＡｓ）電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）２２（Ａｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓから部品番号ＡＴＦ−５３１Ｐ８として入手可能）に結合されている。アクティブバイアス電流ミラー（ａｃｔｉｖｅ ｂｉａｓ ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｉｒｒｏｒ）と共に、適正なゲートバイアス２４をＦＥＴ ２２に供給するために誘導子２５が使用された。ＮＦのために最適化されている出力ネットワーク２６が、適正なドレイン・ソース間電圧（Ｖｄｄ）２８をＦＥＴ ２２に供給するために、および、増幅器ＲＦ信号２７のための５０オーム出力を供給するために使用された。

したがって、本発明は、自己完結型の受信システムまたはモジュールを提供し、この受信システムまたはモジュールは、Ｅ＆Ｍ変換器と、小型化された前置増幅器と、関連の回路系とから成る。変換器を含むすべての電気素子が軽量のフレキシブル基板に取り付けられている。この基板は、基板の外周部上の整列穴すなわち整合穴を含み、この整列穴すなわち整合穴は他の類似のモジュールの縁部の上に重なって、この縁部と連結する。この取り付けは、横方向に、垂直方向に、または、この両方向に行われることが可能である。

本発明は、サーフェイスコイルアレイの設計時間と製造時間とを最小化し、専有面積の問題と性能の問題と人間工学的な問題点とに対処し、および、未来のＭＲスキャニングシステムと歩調を合わせて進歩するための柔軟性を実現するＭＲコイルシステムを提供する。これらは、本発明の以前には適切な解決策が全く提供されてこなかった当業分野におけるすべての長年にわたる要求である。

本発明の特定の実施形態を本明細書で説明してきたが、本発明はこうした説明に限定されることは意図されていない。特許請求項の範囲内において変更と変形とが本発明の一部として組み入れられて具体化されてもよいということが明らかであるはずである。

本発明の例示的な実施形態によるＭＲコイルモジュールの平面図である。 本発明の例示的な実施形態によるモジュール型ＭＲコイルアレイの平面図である。 本発明の別の例示的な実施形態によるモジュール型ＭＲコイルアレイの平面図である。 本発明の別の例示的な実施形態による垂直に積み重ねられたモジュール型ＭＲコイルアレイの斜視図である。 本発明の例示的な実施形態による前置増幅器の概略図である。

符号の説明

１０ ＭＲコイルモジュール
１１ 導電性トレース
１２ 基板
１３ 整列穴
２０ 前置増幅器
２１ サーフェイスコイル
２２ ＦＥＴ
２３ 入力整合ネットワーク
２４ ゲートバイアス
２５ 誘導子
２６ 出力ネットワーク
２７ 増幅器ＲＦ信号
２８ Ｖｄｄ

Claims (22)

1. ＭＲコイルアレイであって、
   （ａ）基板上に取り付けられている導電性トレースを有し、各回路が信号を生成するようになっている複数の回路と、
   （ｂ）少なくとも２つの前記回路を互いに連結して整列するための、前記各基板内の手段と、を備えるＭＲコイルアレイ。
2. 前記回路の各々の上に配置されている前記信号を前置増幅する手段をさらに備える請求項１に記載のＭＲコイルアレイ。
3. 前記回路はフレキシブル回路である請求項１に記載のＭＲコイルアレイ。
4. ８個の前記回路を備える請求項１に記載のＭＲコイルアレイ。
5. １６個の前記回路を備える請求項１に記載のＭＲコイルアレイ。
6. ３２個の前記回路を備える請求項１に記載のＭＲコイルアレイ。
7. 前記基板はポリイミドを備える請求項１に記載のＭＲコイルアレイ。
8. 前記基板はＰＴＦＥを備える請求項１に記載のＭＲコイルアレイ。
9. ０．２テスラから８テスラの磁界強さで動作するようになっている請求項１に記載のＭＲコイルアレイ。
10. 少なくとも２つの前記回路は互いに重なり合う請求項１に記載のＭＲコイルアレイ。
11. 少なくとも２つの前記回路は互いに交換可能である請求項１に記載のＭＲコイルアレイ。
12. 少なくとも２つの前記回路は互いに異なるサイズである請求項１に記載のＭＲコイルアレイ。
13. 少なくとも２つの前記回路は互いに異なる形状である請求項１に記載のＭＲコイルアレイ。
14. 少なくとも２つの前記回路を互いに連結して整列する前記手段は、前記回路の前記基板内に形成されている複数の開口を備える請求項１に記載のＭＲコイルアレイ。
15. 前記前置増幅する手段は整合回路系を備える請求項２に記載のＭＲコイルアレイ。
16. 前記前置増幅する手段の出力において光ファイバインタフェースをさらに備える請求項２に記載のＭＲコイルアレイ。
17. 前記前置増幅する手段はディジタル信号を出力するようになっている請求項２に記載のＭＲコイルアレイ。
18. 前記前置増幅する手段はアナログ信号を出力するようになっている請求項２に記載のＭＲコイルアレイ。
19. 前記前置増幅する手段はアナログ信号およびディジタル信号の両方を出力するようになっている請求項２に記載のＭＲコイルアレイ。
20. ＭＲコイルアレイであって、
    （ａ）基板上に取り付けられている導電性トレースを有し、各回路が信号を生成するようになっている少なくとも８個のフレキシブル回路と、
    （ｂ）前記フレキシブル回路を互いに連結して整列するための前記各基板内の手段と、
    （ｃ）前記フレキシブル回路の各々に配置されている前記信号を前置増幅する手段
    とを備えるＭＲコイルアレイ。
21. ＭＲコイルモジュールであって、
    （ａ）基板上に取り付けられている導電性トレースを有し、信号を生成するようになっている回路と、
    （ｂ）モジュール型ＭＲコイルアレイを形成するように少なくとも２つの前記回路モジュールを互いに連結して整列するための前記基板内の手段と、を備えるＭＲコイルモジュール。
22. モジュール型ＭＲコイルアレイを形成する方法であって、
    （ａ）基板上に取り付けられている導電性トレースを有し、各回路が信号を生成するようになっている複数の回路を設ける段階と、
    （ｂ）少なくとも２つの前記回路を連結して整列するための前記各基板内の手段を設ける段階と、
    （ｃ）モジュール型ＭＲコイルアレイを形成するように少なくとも２つの前記回路を互いに連結して整列する段階と、を含む方法。

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