JP2009517133A - 磁気共鳴システム用の空洞共振器 - Google Patents

Abstract

本発明の実施例における磁気共鳴装置は、（ａ）コイルは、少なくとも２つのセクションを有すること、（ｂ）上記少なくとも２つのセクションは、共振回路を有すること、（ｃ）上記少なくとも２つのセクションは、反応性結合又は結合解除されること、（ｄ）上記少なくとも２つのセクションは、分離可能であること、（ｅ）コイルは、被検者による観察又は聴取と被検者に対するコイルを通じたアクセスを実現する開口部を有していること、（ｆ）クッションを有するヘッドレストを含むこと、および（ｇ）視覚データを被検者に提供する被検者入出力装置を含むこと、の中から１つ以上の特徴が包含可能である。このとき、上記入出力装置は、ミラー、プリズム、ビデオモニア、ＬＣＤ装置、及び光学モーショントラッカから構成される群から選択される。

Description

（関連出願に対する相互参照）
本出願は、２００５年１１月２５日付で出願された米国仮特許出願第６０／７３９，６８７号の優先権を主張するものであり、この内容は、本引用により、そのすべてが本明細書に包含される。

（発明の分野）
本発明は、磁気共鳴システムにおいて使用される空洞共振器コイルに関するものである。

画像生成及び分光分析用の磁気共鳴（ＭＲ：Magnetic Resonance）システムに使用される共振器としては、以前から既知のものが多数存在している。例えば、以前から既知の装置の１つは、一般に、バードケージ型共振器（birdcage resonator）と呼ばれている。以前から既知のこれらのバードケージ型共振器は、通常、誘導性／容量性エンドリング素子によって接続された複数の円周状に離隔した誘導性／容量性素子を有しており、これらは、核磁気共鳴（ＮＭＲ：Nuclear Magnetic Resonance）システムに有用であるラーモア高周波数によって共振状態において駆動されている。分析対象の物体は、ＭＲシステムの動作の際に共振器内に配置される。

しかしながら、これらの以前から既知の共振器の１つの欠点は、これらが、通常、集中定数素子回路（個別のインダクタ及びコンデンサからなる回路）を使用して、選択された高周波数において共振を実現させようとしている点にある。集中定数素子回路は、その回路が１／１０波長を上回っている高周波数の放射に対して相対的に多くのエネルギーを失うため、集中定数素子共振器は、相対的に低いフィールド強度と比べて、高フィールドのＭＲ画像生成アプリケーションにおいては、相対的に効率が低い。集中定数素子回路は、相対的に大きな放射性を有しているため、電気的な効率が相対的に低く、且つ、具備するＱファクタも相対的に小さい。又、バードケージ型などの従来の集中定数素子回路は、相対的に高い誘導性を有しているため、相対的に誘導性が低い伝送線路（ＴＥＭ）回路の場合よりも、低い周波数において共振している。

以前から既知のこれらの集中定数素子回路を使用する共振器は、いくつかの更なる欠点を有している。これらの欠点の１つが不均一な電流分布であり、これは、結果的に、均質性の低下、フィルファクタの低下、及び電界損失の増大をもたらしている。特に、相対的に高い周波数において、且つ、相対的に大きな（臨床）容積の場合に、集中定数素子共振器は、所望の動作周波数未満における自己共振と電磁放射損失の増大をもたらすことになる。

ボーガンによって米国特許第５，７４４，９５７号に開示されているＮＭＲシステム用の分布定数回路空洞共振器は、このような以前から既知の装置の欠点を克服している。ボーガンは、誘電体領域によって分離された同軸状の内部及び外部円筒形壁を具備した空洞共振器を開示している。離隔した導電性端部壁がコイルのそれぞれの同軸端部において内部及び外部壁に跨って延長しており、この結果、内部、外部、及び端部壁が一緒に１つの近似空洞を形成している。内部、外部、及び端部壁は、例えば、銅、銀、又は金などの薄いフォイルの導電材料によってコーティング可能である。この結果、このコイルは、６４ＭＨｚ（１．５Ｔ）、１７５ＭＨｚ（４．１Ｔ）、又は１７０ＭＨｚ（４Ｔ）などのＭＲに有用なラーモア周波数において共振する同軸線路セグメントを模擬している。

ボーガンによって開示された装置は、前述の従来のコイルの問題を克服する空洞共振器コイルを提供しており、これにより、信号対雑音比（ＳＮＲ：Signal to Noise Ratio）の大きな改善を提供している。又、このコイルは、３Ｔ以上において現在利用可能である相対的に高い静的磁石用の相対的に高いラーモア周波数において効率的に共振及び動作することになる。ＭＲサンプルからのＳＮＲは、磁界強度に伴って増大するため、相対的に高い周波数において効率的に共振及び動作するこのコイルの能力は、高フィールド強度において使用することにより、更なるＳＮＲ利得を得ることが可能であることを意味している。この信号対雑音比における向上は、例えば、ＭＲシステムの動作の際に、共振器内の分析対象の物体の画像の大幅な改善を提供することになる。

ボーガンによって開示された共振器は、ＭＲシステムにおいて有効であることが立証されており、ＳＮＲ、均質性、伝送効率、フィルファクタの増大、電界損失の低減、及び相対的に高い動作周波数を提供している。しかしながら、ボーガンによって開示された共振器及び以前から既知である集中定数素子共振器の両方に関連したいくつかの問題点が依然として存在している。

理想的な臨床頭部コイルとは、例えば、最も容易に且つ最も快適に被検者を位置決めするのに有用であり、被検者を位置決めした後には、被検者の顔面が覆われていない状態となり、且つ、コイルの性能、安全性、及び信頼性を損なうことなしに、これらのアクセス及び快適性という特徴を含むものであろう。頭部コイルは、被検者にとって快適であり且つアクセス可能であると共に、技術者にとっても使い易いものであることが好ましい。しかしながら、被検者に対して快適性及びアクセス性を、そして、技術者に対しては、使い易さを提供しつつ、高いコイル性能を維持することは困難である。理想的なコイルは、コイル内における快適な被検者の位置決めを実現するべく、着脱自在の上部部分を具備する必要もあろう。更には、いくつかの市販のシステムは、被検者の頭上においてスライドするコイルのための空間を提供してはいない。従って、いくつかの市販コイルの設計は、この「缶上部の引き上げ（pop top）」機能を既に内蔵している。しかしながら、半体に分離されるこれらの市販のコイルは、ｆＭＲなどのいくつかの研究用途において評判が芳しくない。新しい被検者を装填するたびにコイルを開閉するべく切断及び再接続される電気的な接触が、損耗及び酸化に起因して時間の経過と共に不安定化し、この結果、例えば、ＥＰＩ画像においてしばしば観察される雑音「スパイク」及び時間的な不安定性をもたらすことが明らかである。これらの電気的な接触は、バードケージ型及びこれに類似したコイル構造におけるエンドリングの電流経路を完成させるべく必要である。市販のコイルは、厳格なＦＤＡの安全基準を満足しなければならないが、コイル内における電気的な接触は、特定の状況において、特に、電解体腔液が存在する場合には、安全上のリスクを課す可能性があることが想像される。

同様に、理想的な体幹コイルとは、可能な限り小型であり、且つ、対象領域との間における効率的な送受信のために人間の体幹に十分近接してフィットしつつ、被検者の快適性及びアクセスのための余地を実現可能であるものであろう。現在の体幹コイルは、アクセス及び快適性を実現するべく、非常に大きく構築されており、この結果、非常に非効率的であると共に、身体内の対象のＭＲ領域に対する結合が良好ではない。例えば、３Ｔ磁石において使用される体幹コイルの非効率性を補償するには、３５ｋＷ以上のＲＦ電力増幅器が必要である。更には、これらのコイルは、最も大きなサイズの被検者の場合には、肩の周辺にほとんど余裕を残していない。

四肢コイル、特に脚部コイルも、同様に、従来の方式によって制限されている。例えば、脚部ボリュームコイルは、足と共に脚部が円筒形の構造を貫通するための余地を生成するべく、オーバーサイズにしなければならない。又、脚部コイルは、相対的に緊密にフィットする相対的に効率的なコイルに相対的に容易なアクセスを提供するべく、着脱自在の上部を具備している。しかしながら、従来の設計によるこのコイルも、先程の頭部コイルについて説明した問題の電気的な接触を必要としている。

一般的な既存の頭部専用ＭＲシステムは、一体型ユニットである。この構造に伴う大きな問題点は、多数の医療被検者が、大きな困難又は痛みを伴うことなしには、自身の頭部及び身体をＭＲが必要としている位置に操作する物理的な能力を有してはいないという点にある。通常、被検者は、自身の頭部を頭部専用システムの小さな直径の中に挿入するべく試みなければならない。これは、この実行を仰向けの状態おいて求められる大部分の医療被検者にとって、苦痛であるか又は不可能なことであろう。

ＭＲ信号の本質的に低いＳＮＲに起因し、これらの信号は、ＳＮＲを有意な値に改善するべく、十分な回数にわたって取得及び平均化しなければならない。信号の平均化によるＭＲデータの取得は、ＭＲサンプル又は被検者の動きに対して極めて不寛容である。従って、被検者は、ＭＲスキャンの持続時間にわたって不動の姿勢に留まることが必要とされており、これは、３０分以上にも及ぶ場合がある。動きは、結果的に、相対的に低い分解能の画像と、画像の「ゴースト」をもたらし、これにより、画像の診断品質が制限されると共に、しばしば、撮像セッションの反復が必要となる。例えば、頭部の動きを極小化するべく、ＭＲオペレータは、しばしば、被検者の頭部の周りに詰め物を挿入して頭部の拘束を提供することになる。これは、被検者の頭部の動きを低減する効果を具備してはいるものの、患者の頭部の動きを完全に除去するものではない。更には、被検者の頭部の周りに配置された詰め物は、そのすべてが不快な圧力を加えると共に被検者の閉所恐怖症の意識を増大可能である。従って、相対的に良好な信号対雑音比を有する高性能コイルを具備するということの背後にある目的は、被検者が静止状態に留まることができなければ、無効となる。

多くのＭＲ手順に関連した更なる問題点は、その騒音がひどく大きいという点にある。通常、被検者には、雑音を消音するべく、耳栓又はヘッドフォンが付与されている（大部分のＭＲセンタにおいては、被検者は、聴取するべく自身のカセット又はＣＤを持参することも可能である）。音響雑音の原因は、磁石の勾配コイルのワイヤ内のスイッチング電流によって生成される起電力である。磁界が強力であるほど、且つ、勾配電流のスイッチングが強力又は高速であるほど、生成される音響振幅も大きくなる。前述の方法は、勾配雑音の低減に一般的に有効ではあるが、頭部の周りに配置されるヘッドレスト（head restraint）及び聴力保護装置を収容するべく、コイルを相対的に大きく且つ効率性の低い寸法に構築しなければならない。

ＭＲ試験を受ける被検者には、しばしば、診断又は研究のために、視覚的な入出力が必要である。これらの視覚的な入出力装置は、閉所恐怖症を極小化し、視覚的な合図を提供すると共に、ＭＲオペレータから情報を中継するのに有用である。視覚的な入出力装置は、通常、被検者の眼の上方に配置されたミラー、プリズム、又は能動的なディスプレイである。この種の既存のシステムに伴う問題点は、１）これらは、その位置が、しばしば、固定されており、被検者を装置に対して調節する必要があるという点と、２）これらは、通常、頭部コイルの上方に突出しており、この結果、緊密にフィットする頭部専用ＭＲシステムと、全身ＭＲシステムにおいて使用される頭部用の勾配がある挿入部の内部においては、使用することができないという点にある。

ＲＦコイル上のバックプレーンは、ＲＦミラーとして機能し、コイルの回転軸又は「ｚ」軸に沿ってコイルの横断ＲＦ磁界の均一性を拡張可能であることが判明している。エンドキャップとも呼ばれるバックプレーンをコイル内において使用することにより、望ましい視野のために、相対的に短く、従って、相対的に人間工学的であり、相対的に良好に遮蔽されており、且つ、相対的に電気的に効率的であるコイルを製造可能である。従来の円筒形のバードケージ型頭部コイルは、前述のように、通常、バックプレーンを具備していない。このバックプレーンの欠如と、バードケージの本質的に短い軸方向フィールドに起因し、バードケージ型の頭部コイルにおいては、通常、相対的に長くすることにより、被検者の口及び顎を覆う必要がある。バードケージのこのような長さの増大は、多くの問題点を具備している。この結果、被検者の閉所恐怖症の意識を増大可能である頭部コイルが生成されることになる。頭部コイルの内部に配置された後に、被検者の口は、内部コイル壁のすぐ前面に位置することになる。内部コイル壁によってその顔面に押し戻される被検者の息は、被検者の非常に不快な／閉所恐怖症の意識を生成する。ＭＲ試験は、２０〜９０分を所要可能であるため、この結果は、望ましいものではない。更には、被検者の口及び顎の上方に延長しているコイルにより、一般的な医療上のアクセス及び音声通信が妨げられる。更には、被検者が、大きな頭、鼻、及び／又は顎を具備している場合には、被検者の頭部をコイル内にフィットさせることが益々困難になる。エンドキャップを具備していないコイルにおける別の更なる欠点は、コイルの上部から更なる電磁エネルギーが失われ、この結果、コイルの高周波数における効率が低下するという点にある。

頭部コイル内の後部壁は、コイルの性能及び被検者の口及び顎との関係における人間工学的にも望ましいものであるが（即ち、後部壁により、頭部コイルの本体を短くすることが可能であり、この結果、頭部コイルは、顎の上方に延長する必要がなくなる）、後部壁は、いくつかの理由から望ましいものではない。第１に、バックプレーンは、コイルの一端を閉鎖し、これにより、人間の頭部を、開放した円筒にではなく、バケツに挿入するという状況をもたらすことになる。これは、患者の閉所恐怖症の意識を増大可能である。第２に、バックプレーンは、磁石の背後からの被検者に対するアクセスを制限している。バックプレーンを有していないコイルにおいては、生理学的なモニタのリード線、麻酔及び／又は呼吸器のホース、ＥＥＧのリード線、通信線などを通すことが可能である。これらのシステムにおいては、しばしば、磁石の背後から、コイルの背後を通じて、被検者の眼の上方に取り付けられたミラー又はプリズムシステムに対して、視覚信号の投影を実行している。従って、現在、頭部コイルの製造者は、コイルのバックプレーン又はエンドキャップを具備することにおける利益と、エンドキャップを有していない頭部コイルによって提供される被検者に対するアクセスに関連した利益の間における選択を余儀なくされている。

前述のように、頭部コイルと関連した１つの問題点は、コイルの内部に提供される空間の量にある。ＲＦコイルは、コイルが被検者に可能な限り接近している場合に、最も効率的にＭＲ刺激を被検者に対して伝送すると共に、返送された信号を受信する。従って、ＲＦコイルの性能の観点においては、コイル内部の空間は、被検者の快適性と、安全性、頭部の安定性、及び被検者との間の通信に有用な装置の包含にとって十分なものにのみなっておればよい。前述のように、通常、被検者は、聴力を保護するべくイアフォン又は耳栓を装着すると共に、ＭＲ試験のために不動の状態に頭部を保持するべく頭部の周りに別個の詰め物を挿入しなければならない。更には、ＭＲオペレータが被検者と通信することができるように、通常は、頭部の近傍に、なんらかの種類の視覚及び／又は聴覚通信装置が存在している。しかしながら、詰め物、聴力保護、及び通信装置は、被検者にとってＭＲ検査を不快なものにする可能性があるのみならず、これらは、頭部コイル内の限られた空間をも占有している。

以上において列挙したこれらの問題点のいずれもが、個別的に且つ集合的に、ＮＭＲ画像及びスペクトルの全体的な品質を低下させ、被検者の不快さを増大させると共に、医師又は研究者の被検者に対するアクセスを制限している。従って、前述の問題点を克服しつつ、信号対雑音比の向上とＭＲ画像品質の改善を提供する高性能な装置が明らかに求められている。

（発明の概要）
本発明の実施例における磁気共鳴装置は、（ａ）コイルが、少なくとも２つのセクションを有すること、（ｂ）上記少なくとも２つのセクションは、共振回路を有すること、（ｃ）上記少なくとも２つのセクションは、無線で結合又は結合解除されること、（ｄ）上記少なくとも２つのセクションは、分離可能であること、（ｅ）いくつかの開口部は、コイルを介して被検者に対する観察とアクセスを実現させること、（ｆ）少なくとも１つのクッションを有するヘッドレストを含むこと、および（ｇ）コイルの前面及び背後から、それぞれ視覚データを提供する被検者用入出力装置を含むこと、の中から１つ以上の特徴が包含可能である。この際、上記入出力装置は、ミラー、プリズム、ビデオモニタ、ＬＣＤ装置、及び光学モーショントラッカから構成された群から選択される。

本発明の実施例における磁気共鳴装置は、（ａ）少なくとも１つのヘッドレストを有するコイル、（ｂ）ヘッドレストに接続された被検者に対するオーディオ通信用の手段、（ｃ）被検者の聴力用の能動的又は受動的な保護手段、（ｄ）３点ヘッドレストを提供するための少なくとも３つのヘッドレスト、（ｅ）上記ヘッドレストを被検者の頭部に固定する手段、及び（ｆ）頭部クッション、の中から１つ以上の特徴が包含可能である。

本発明の実施例におけるＭＲ画像生成を提供するＴＥＭコイルは、（ａ）少なくとも２つのヘッドレストを提供するコイル、（ｂ）被検者に対するオーディオ通信用の手段を具備したヘッドレスト、（ｃ）被検者の聴力用の能動的又は受動的な保護手段、（ｄ）３点ヘッドレストを提供する頭部クッション、（ｅ）前述のヘッドレストを被検者の頭部に固定する手段、及び（ｆ）オーディオ信号入力を受け付ける手段、の中から１つ以上の特徴が包含可能である。

本発明の実施例における磁気共鳴装置は、（ａ）少なくとも２つの分離可能なセクションを具備したコイル、（ｂ）入出力装置、（ｃ）コイル内のオープンフェイスエリアに配置されたトラックシステム、及び（ｄ）前述のトラック上に摺動可能に取り付けられた入出力装置、の中から１つ以上の特徴が包含可能である。

本発明の実施例におけるＴＥＭコイルは、（ａ）入出力装置、（ｂ）コイル内のオープンフェイスエリアに配置されたトラックシステム、（ｃ）上記トラック上に摺動自在に取り付けられた入出力装置、並びに、（ｄ）入出力装置は、双方向通信又は刺激を提供するべく、視覚トランスデューサ、臭覚トランスデューサ、味覚トランスデューサ、及び聴覚トランスデューサから構成された群から選択されること、の中から１つ以上の特徴が包含可能である。

本発明の実施例における磁気共鳴用のＲＦコイルは、（ａ）コイルは、複数のセクションを有すること、（ｂ）複数のセクションは、無線接続を有すると共に、複数のセクション間において電磁エネルギーを無線で結合可能であり、又は複数のセクションは、反応的に結合解除されること、（ｃ）複数のセクションは、分離可能であること、並びに、（ｄ）上記複数のセクション間における相互のアライメント（alignment）を保証するガイド手段、の中から１つ以上の特徴が包含可能である。

本発明の実施例における磁気共鳴装置を製造する方法は、（ａ）分離可能である複数のセクションを具備したコイルを提供する段階、（ｂ）ヘッドレスト手段を装着して被検者の頭部の動きを防止し、被検者との間の通信を提供すると共に、前述の被検者の聴力を保護する段階、（ｃ）摺動可能な入出力装置を上記の上部セクション上のオープンウィンドウに挿入して双方向通信を被検者に提供する段階、（ｄ）後部投影スロットを生成し、前述のコイルのバックプレーン内に配置されたチャネルを提供することにより、後部視覚投影システム用のアクセスを提供する段階、の中から１つ以上の段階が包含可能である。

本発明の実施例における磁気共鳴画像生成を実行する方法は、（ａ）上部セクション及び下部セクションを具備したコイルを提供する段階であって、前述の上部セクション及び下部セクションは、分離可能であると共に無線で接続されている、提供の段階、（ｂ）下部セクション内に被検者を配置する段階、（ｃ）下部セクションとの電磁通信状態に上部セクションを配置する段階、（ｄ）上部セクション内の複数の開口部を提供することにより、被検者による前述のコイルを通じた観察と被検者に対する前述のコイルを通じたアクセスを実現する段階、及び（ｅ）ヘッドレストのための少なくとも１つのクッションを有する装置を提供する段階、の中から１つ以上の段階が包含可能である。

本発明の実施例におけるＴＥＭ磁気共鳴装置は、（ａ）コイルが、少なくとも２つのセクションを有すること、（ｂ）少なくとも２つのセクションは、共振回路を有すること、（ｃ）少なくとも２つのセクションは、反応性結合又は結合解除されること、（ｄ）少なくとも２つのセクションは、分離可能であること、及び（ｅ）少なくとも１つのセクション上をシールドするオーバーラップ処理、の中から１つ以上の特徴が包含可能である。

本発明の実施例におけるＴＥＭ磁気共鳴装置を製造する方法は、（ａ）複数のセクションを具備したコイルを提供する段階であって、複数のセクションは、分離可能である、提供の段階、及び（ｂ）既定のニーズに基づいて伝送線路素子の最適なプロファイルを判定する段階、の中から１つ以上の段階が包含可能である。

本発明の実施例におけるＴＥＭ磁気共鳴装置は、（ａ）送信セクションを有するコイル、（ｂ）レシーバセクションを有するコイル、（ｃ）これらのコイルは、共振回路を有すること、（ｄ）これらのコイルは、動作可能に結合又は結合解除されること、及び（ｅ）これらのコイルは分離可能であること、の中から１つ以上の特徴が包含可能である。

本発明の実施例におけるＴＥＭ磁気共鳴装置を製造する方法は、（ａ）送信セクションを具備したコイルを提供する段階、（ｂ）レシーバセクションを具備したコイルを提供する段階、（ｃ）これらのコイルが、動作可能に結合され、又は分離可能である段階、及び（ｄ）既定のニーズに基づいて所望の伝送線路素子を選択する段階、の中から１つ以上の段階が包含可能である。

以下、本発明の理解を促進するべく、好適な１つ又は複数の実施例について詳細に説明する。「図面の簡単な説明」の節に要約されている図面を頻繁に参照する。参照符号を使用することにより、図面中の特定の部分及び場所を示している。特記されていない限り、同一の参照符号を使用して図面中の同一の部分又は場所を示している。

本発明は、分布定数回路の空洞共振器頭部コイルにのみ限定されるものではなく、且つ、多数の様々なタイプのＭＲ頭部コイル装置に利用可能である。更には、本発明は、多数の様々なタイプのＭＲ装置に利用可能であって、頭部コイルに限定されるものでもないことを更に理解されたい。尚、以下においては、空洞共振器頭部コイルの文脈において、本発明を説明しているが、これは、説明を目的としたものに過ぎない。

図１及び図１ａとの関連において、空洞共振器の一般的な構造が示されている。尚、本発明において利用可能である空洞共振器の構成の更なる構造及び開示については、米国特許第５，５５７，２４７号、米国特許第５，７４４，９５７号、米国特許第５，８８６，５９６号、米国仮特許出願第６０／１３５，２６９号、米国仮特許出願第６０／２２２，１４４号、米国仮特許出願第６０／３７８，１１１号、及び米国仮特許出願第６０／３７３，８０８号に記述されており、これらの内容は、本引用により、そのすべてが本明細書に包含される。一般的に、空洞共振器（コイル）１０は、電気回路チューブ／基板１２、前面空洞壁コンポーネント１４、横空洞壁コンポーネント１６、背面空洞壁コンポーネント１８から構成されており、これらは、いずれもコイルシェル２２内に収容されている。

図２を参照すれば、本発明の一実施例による共振器の内部構造の分解図が示されている。一般的に、コイル２４は、電気回路チューブ／基板１２及び１２’、前面空洞壁１４及び１４’、横空洞壁１６及び１６’、背面空洞壁１８及び１８’から構成されており、これらは、いずれもコイルシェル２２及び２２’内に収容されている。電気回路チューブ１２及び１２”は、一般的に、回路素子から構成されており、これらの回路素子は、同軸線路、フラット線路、ストリップ線路、マイクロストリップ、導波路又はその他の分布定数素子、インダクタ、コンデンサ、ピンダイオード、又はその他の集中定数素子、印刷又はエッチングされた回路基板、プリアンプ、ＴＲスイッチ、位相シフタ、振幅変調器、及びその他の電子装置を含む伝送線路素子であってよい。チューブ１２及び１２’は、それぞれの内部における電流素子の相互インダクタンスによって誘導結合されている。空洞壁１４、１４’、横空洞壁１６、１６’、及び背面空洞壁１８、１８’は、いずれも、回路を完成させ、放射損失を制限すると共に、コイル２４にＦａｒａｄａｙシールドを提供するための導電性フォイルからなる電磁シールド又は導電性ストリップである。コイルシェル２２、２２’は、前述のコイル２４の内部コンポーネントを収容するべく、プラスチック又はガラス繊維などの非導電性パッケージング材料から構成されている。組み合わせられた際に、前面壁１４’、チューブ１２’、横壁１６’、背面壁１８’、及びコイルシェル２２’は、結合して上部セクション２８を形成する。更には、前面壁１４、チューブ１２、横壁１６、背面壁１８、及びコイルシェル２２は、結合して下部セクション２６を形成する。尚、このコイル２４の内部構造の本発明における重要性は、図２ａ〜図６に示されている外部構造と合致すると共に、いくつかの好適な製造方法及び材料を提供するという範囲におけるものに過ぎない。コイル２４は、大部分の任意のタイプの内部ＭＲ構造を具備可能であるが、好ましくは、共振器２４は、米国特許第５，５５７，２４７号、米国特許第５，７４４，９５７号、米国特許第５，８８６，５９６号、米国仮特許出願第６０／１３５，２６９号、米国仮特許出願第６０／２２２，１４４号、米国仮特許出願第６０／３７８，１１１号、又は米国仮特許出願第６０／３７３，８０８号の開示内容のものに類似した一般的な内部構造を具備するものと想定される。

調査によれば、病院、医師、及びＭＲシステムのオペレータは、被検者に対して容易にアクセスできるように、２つの半体に分離された状態で提供されるコイルを具備することを選好することが判明している。図２ａとの関連において、本発明のコイルの実施例の分解図が示されている。好適な実施例においては、コイル２４は、上部セクション２８、及び下部セクション２６から構成されている。尚、図２〜図６は、上部セクション２８及び下部セクション２６のみを具備したコイル２４を示しているが、コイル２４は、本発明の精神を逸脱することなしに、複数のセクションを具備可能であることが十分に想定される。但し、以下の説明においては、コイル２４は、上部セクション２８及び下部セクション２６を具備することを特徴としている。一般的に、コイル２４の２つの半体は、誘導性又は容量性結合によって無線で結合されているため、上部セクション２８を下部セクション２６と結び付けるための電気的な接触に対するニーズは存在していない。基本的に、コイル２４は、下部セクション２６内の素子に相互結合された上部セクション２８内に配置された導体素子から構成されている。この反応性結合は、米国特許第５，５５７，２４７号、米国特許第５，７４４，９５７号、米国特許第５，８８６，５９６号、米国仮特許出願第６０／１３５，２６９号、米国仮特許出願第６０／２２２，１４４号、米国仮特許出願第６０／３７８，１１１号、又は米国仮特許出願第６０／３７３，８０８号におけるものに類似した構造を利用することにより、可能である。コイル２４は、そのすべてが互いに反応性結合された（それぞれのユニットが、空洞セグメントを有する導電性素子から構成された）共振ユニットのアレイであると見なすことができる。従って、上部セクション２８と下部セクション２６の間においてエネルギーを転送するための電気的な接触に対するニーズは存在しておらず、即ち、エネルギーは、無線で転送されている。図２ｅ及び図２ｆに示されているように、複数のセクション１１２は、１つおきに、独立したトランスミッタによって反応性結合解除及び駆動されるか、又は独立したレシーバによって受信されるか、或いは、パラレル画像生成において使用されているものなどのように、送信及び受信の両方を実行している。これらの別個の共振器回路は、互いに分離可能である上部セクション２８及び下部セクション２６を構成しているのみならず、これらは、コイル２４内におけるスイッチング勾配電流による渦電流の誘発を防止するという更なる利益をも具備している。

図２ｃを参照すれば、前述のバードケージ１００などの以前から既知の装置は、それぞれの端部においてエンドリング１０２を完成させるべく、電気的な接触を必要としている。バードケージ型コイル１００の設計は、コイル設計のそれぞれの端部において１つ以上のエンドリング１０２の回路を具備しており、これらの回路は、２つのリング１０２間を横断する脚部を分離するための電流帰還路を提供している。従って、バードケージ型コイル１００の設計の動作は、エンドリング１０２を通じた電流のフローに依存している。従って、バードケージ１００を２つの半体に分離するには、２つの半体の間における電気的なハード接触を切断する必要がある。電気的な接触は、損耗、酸化、中断、並びに、被検者における潜在的な安全上の災害が発生し易いということを含む多数の問題をもたらしている。

従来のバードケージコイル１００における電流経路は、エンドリング１０２に依存しており、この結果、バードケージ１００のインダクタンスは、コイルの直径に依存している。頭部及び体幹コイルなどの大きなコイルは、大きな誘導性を有しており、従って、相対的に低い周波数において共振する。

図２ｄ、図２ｅ、及び図２ｆを参照すれば、本発明の共振器空洞１１０の回路は、バードケージ１００のように、エンドリング１０２の電流帰還路に依存してはいない。好適な実施例における電流の帰還は、その関連する空洞壁１０８のセグメント上において実行されており、この結果、等価なサイズのバードケージ１００と比べて、電気的に短く、従って、低い誘導性を有し、電流の均一性が高く、高い周波数の、効率性の高い回路が生成されている。バードケージ１００の動作周波数は、誘導性のエンドリング１０２に依存しており、且つ、これによって制限される。しかしながら、その動作周波数がエンドリング１０２に依存又は限定されないＴＥＭ又は空洞共振器１１０は、格段に高い周波数を得ることが可能である。

ＴＥＭ共振器１１０における電流経路は、エンドリング１０２にではなく、むしろ、空洞壁１０８に依存することにより、電流素子１０９用の「帰還」路を提供している。従って、ＴＥＭコイル１１０は、大きな体幹コイルなどのように、直径において任意の大きさであってよいと共に、依然として、個々の線路素子のサイズによってのみ制限されている周波数において共振可能である。図２ｅ及び図２ｆに示されているセグメント化されたＴＥＭコイル１１０は、そのＴＥＭコイル１１０を構成する個々のセグメント１０８又は線路素子１０９を強調するべく示されている。ＴＥＭコイル１１０の動作は、エンドリング１０２に依存していないため、図示のように、動作中のコイルに影響を与えることなしに、セグメント１１２をコイル１１０から除去可能である。

従って、本発明は、誘導的に及び／又は容量的に、下部セクション２６に対して反応性結合された上部セクション２８を利用することにより、電気的なハード接触の必要性を伴うことなしに、分離可能な設計を実現している。コイル２４の２つのセクションは、互いに反応性結合されており、この結果、コイル２４のすべての電気回路は、誘電性のコイルパッケージ２７内において密封シーリングされている。本発明は、コイル２４の被検者のアクセス性を向上させているのみならず、被検者に対する電気ショック災害を極小化又は防止している。更には、上部セクション２８及び下部セクション２６の分離は、渦電流の防止にも有用である。

コイル２４の反応性の設計の更なる利益は、上部セクション２８の実質的に最上部の近傍にオープンウィンドウ２９を生成する能力にある。前述のように、本システムに伴う共通の問題点は、コイルが、閉所恐怖症の増大した意識を被検者に付与するか、又は大きな頭、鼻、及び／又は顎を有する被検者に対して十分な余地を提供していないという点にある。上部セクション２８は、コイル２４の誘導結合された素子間においていくつかの開口部２５を具備しているため、被検者は、コイルから外を自由に観察可能であり、従って、閉所恐怖症の意識が大幅に低減される。更には、オープンセクション２９及び２５に起因し、一般的な医療上のアクセス及び音声通信も妨げられることがない。更には、被検者が大きな頭、鼻、及び／又は顎を具備している場合にも、オープンウィンドウ２９により、図２ｂに示されているように、被検者は、コイル２４内において快適にフィットすることが可能である。オープンウィンドウ２９を使用することにより、相対的に小さく、緊密にフィットしており、従って、相対的に効率的であるコイル２４内に、相対的に大きな頭部をフィットさせることが可能である。

図３は、図２ａの拡大図を示している。図３との関連において、組み合わせ型のヘッドレスト３０及び頭部カップ形クッション３１が示されている。前述のように、被検者の頭の動きを防止するべく使用される詰め物の量とは無関係に、依然として、不可避になんらかの動きが存在している。更には、詰め物は、圧迫に伴うなんらかの不快感と閉所恐怖症の増大した意識を被検者にもたらす可能性がある。本発明の組み合わせ形のヘッドレスト３０及び頭部クッション３１は、人間工学的観点において改善されたクッションを有する３点ヘッドレストシステムを提供しているのみならず、ヘッドレスト３０は、ＭＲオペレータから被検者に対する通信、被検者用のリラックスするための音楽又はその他のエンターテインメント、並びに、受動的又は能動的な音響抑圧手段による聴力の保護をも提供している。ヘッドレスト３０内へのオーディオ入力は、ケーブル、光ファイバ、サウンドチューブ、又は無線手段によるものであってよい。

図３からわかるように、任意の方向においてヘッドレスト部であるイアピース３０を配置することにより、被検者の頭部のサイズに対応可能である。更には、ヘッドレスト３０及び頭部クッション３１は、様々な被検者に使用するべく様々なサイズにおいて提供可能である。ヘッドレスト３０及び頭部クッション３１は、被検者の頭部のサイズに応じて、被検者の頭部をコイル２４内においてぴったりと、但し、痛みを引き起こすほどにはぴったりにではなく保持することによって動きを防止できるように、選択されることになろう。更には、ヘッドレスト３０及び頭部クッション３１は、小型であるため、コイル２４を満たすことがなく、従って、閉所恐怖症の意識を低減しつつ、相対的に小さく且つ効率的なコイルの使用を実現している。尚、本発明の精神を逸脱することなしに、時計回り−反時計回りの方向に単純に回転させることによって被検者の頭部に向かって膨張又は収縮可能であるクッション、カム、又はその他手段を具備するなど、ヘッドレスト３０及び頭部クッション３１を調節するその他の方法も考えられる。図３を更に参照すれば、ガイドスロット３２が示されている。ガイドスロットは、上部セクション２８と下部セクション２６の間の相互アライメントを保証するのに有用である。

図４及び図５を参照すれば、本発明のＩ／Ｏ装置が示されている。Ｉ／Ｏ装置４０は、ミラー、プリズム、ビデオモニタ、ＬＣＤ装置、光学モーショントラッカなどを含む、但し、これらに制限されない任意のタイプのＩ／Ｏ装置であってよい。一実施例においては、Ｉ／Ｏ装置４０は、それぞれ、コイル２４の前面及び背面に対向している前面ミラー４４及び背面ミラー４６を具備すると共に、被検者の顔面の上方のトラック４２上に取り付けられている。この結果、Ｉ／Ｏ装置４０は、被検者を動かすことなしに、複数の位置、方向、及び構成について調節可能である。更には、１つ又は複数のＩ／Ｏ装置をコイルの上部に取り付ける又はこれから延長させることによってコイルの外部半径が増大する従来のシステムとは対照的に、Ｉ／Ｏ装置４０は、完全に又は部分的にコイル２４の半径又は外部寸法内に取り付けられている。Ｉ／Ｏ装置４０は、コイル２４内の顔面の上方の（更に詳しく前述した）オープンウィンドウ内に取り付けるのに特に好適であることを図４及び図５から観察可能である。Ｉ／Ｏ装置４０は、コイルの一端から他端にトラック４２に沿って移動可能である。Ｉ／Ｏ装置４０は、トラック４２に沿って移動させることにより、前方又は後方の観察を含む任意の被検者の有用な視角について調節可能である。例えば、ＭＲ磁石の前方又は背後から被検者に対して投影された視覚的情報を受信している（後程詳述する）。Ｉ／Ｏ装置４０の多用途であり且つ低プロファイルの構造に起因し、コイル２４は、頭部専用ＭＲシステムに緊密にフィットした状態において、且つ、全身ＭＲシステムにおいて使用される頭部用の勾配がある挿入部において使用可能である。更には、温度、空気、酸素、麻酔、ＩＶのチューブ、又は被検者の口又は鼻と関連したこれらに類似したものを配置するなどのその他のＩ／Ｏ機能を実行する類似したプラットフォームによってＩ／Ｏ装置４０を置換又は補完することも可能であると考えられる。更には、入出力装置４０は、双方向通信又は刺激を提供する任意の視覚的、臭覚的、味覚的、又は聴覚的トランスデューサであってもよいと考えられる。又、Ｉ／Ｏ装置は、治療の提供、手術のロボットによる実行、並びに、温度、血圧、呼吸、ＥＥＧ、ＥＫＧなどを含む生理学的な監視に使用することも可能である。

図６との関連において、共振器の正面図が示されている。前述のように、ＲＦコイルのバックプレーンは、ＲＦミラーとして機能することにより、コイルの横断ＲＦ磁界の均一性をコイルの回転軸又は「ｚ」軸に沿って拡張している。ＴＥＭコイルにおけるエンドリングの欠如が、ｚ軸上におけるフィールドの範囲を更に向上させている。背面壁６２内に配置されたコイル２４内においてバックプレーン又はエンドキャップを使用することにより、ｚ軸上においてコイルを相対的に短くし、これにより、所望の視界において、相対的に人間工学的であって、良好にシールドされており、且つ、電気的に効率の良いコイルを生成可能である。コイル２４内においては、例えば、バックプレーンを収容するコイル２４の背面壁６２により、標準的な頭部コイルに望ましい全体的な頭部の視野を依然としてカバーしつつ、被検者の口を完全に露出させるのに十分なほどにコイルを短く構築すると共に、相対的に高い周波数においてコイルを更に効率的にすることが可能である。これとは対照的に、エンドキャップを有していない従来の円筒形のバードケージ型頭部コイルは、長さにおいて２倍であって、高周波数における効率が低く、且つ、閉所恐怖症を引き起こしやすいであろう。頭部コイル内の背面壁は、コイルの性能と、コイルの「口」側の端部における人間工学の面において、より望ましいものである。

しばしば、磁石の背後から、コイルの背面を通じて、被検者の眼の上方に取り付けられているミラー又はプリズムシステムに対して、視覚信号の投影を実行している。従って、このアクセスをコイルのバックプレーン又はエンドキャップによって遮断すれば、視覚信号の投影が妨げられることになる。本発明は、コイル２４の背面壁６２内に大きなチャネル６０を提供することにより、少なくとも部分的に、この背面磁石アクセスの問題を解決している。開口部６０は、背面視覚投影システムに最大限のアクセスを付与しつつ、コイル２４の頭部エリア内の画像生成性能に対する影響を最小限にするべく、コイル２４内の高いところに配置されている。従って、開口部６０により、コイル２４は、端部開放型コイルの利益の大部分を実現しつつ、端部閉鎖型コイルの利点を保持可能である。更には、チャネル６０は、温度、空気、酸素、麻酔、ＩＶのチューブ、ＥＥＧのリード線、生理学的なモニタ、又はこれらに類似したもののための一般的な医療上のアクセスをも提供している。

本発明のチューニング済みＴＥＭ共振器は、ＴＥＭモードにおいて共振状態にある伝送線路チューニング済み同軸空洞によって例示される。同軸線路チューニング素子は、この同軸空洞の「スロット化」された中空中央導体に対応している。

図８ａ及び図８ｂには、クライストロン及びマイクロ波トロイドに使用されるものなどのリエントラント（reentrant）な空洞１２１の形態において、ＴＥＭ空洞ボリュームコイルが示されている（８）。この空洞は、その導電性境界１２２、１２３、１２４、１２５、及び１２６が、空洞によって囲まれた容積内に延長又は最進入しているという点においてリエントラントである。伝送線路理論を使用することにより、この空洞の分布インピーダンス係数Ｒ、Ｌ、Ｃ、基本ＴＥＭモード共振周波数、並びに、共振Ｑの近似を実行する。この同軸空洞は、２つの端部において短絡されており、リングコンデンサＣ_cによって中央において結合されており、且つ、外径＝２ｂ_c、内径＝２ａ_c、長さ≒２ｌという寸法を具備した同軸線路に類似している。

それぞれの低損失の短絡された同軸半体空洞に対する入力インピーダンスは、次式によって付与される。
Ｚ_in＝Ｚ_o ｔａｎ ｈ（α＋ｊβ）ｌ （１）

この同軸空洞の特性インピーダンスは、次の式２から導出される。
Ｚ_o＝√（Ｌ／Ｃ）＝（η／２π）（ｌｎ ｂ／ａ） （２）

ここで、η＝√（μ／ε）である。その外部半径がｂ_cであり、その内部半径がａ_cである同軸空洞の場合には、次式のとおりであり、
Ｚ_oc＝（η₀／２π）ｌｎ（ｂ_c／ａ_c） （３）

Ｚ_inc＝Ｚ_0c ｔａｎ ｈ（α_c＋ｊβ_c）ｌ、α_c≒Ｒ_c／２Ｚ_0c
α＝０においては、次式のとおりである。
Ｚ_inc＝Ｚ_oc ｔａｎ β_cｌ （５）

Ｚ_inc＝Ｘ_inc（式（１２））の場合に、低損失空洞の分布インダクタンスＬ_cは、次式のとおりである。
Ｌ_c＝２Ｘ_inc／ω２Ｚ_0c ｔａｎ ｈ（α_c＋ｊβ_c）ｌ／ω

低損失同軸空洞の場合には、次式のとおりである。
Ｌ_c＝２Ｚ_0c ｔａｎ （β₀ｌ）／ω＝２Ｚ_0cｌ／υ₀ （７）

所与の容積を取り囲む集中定数素子コイル回路と比較し、同一の容積を収容する同軸空洞のインダクタンスＬｃは、格段に低い。この空洞を設計周波数ｆ＝ω／２πにおいて共振させるのに必要な中央ギャップ直列容量Ｃｃは、次式のとおりである。
Ｃ_c＝(1/2)ωＸ_inc＝(1/2)（Ｚ₀ ｔａｎ ｈ（α_c＋ｊβ_c）ｌ） （８）

そして、低損失近似の場合には、次式のとおりである。
Ｃ_c＝ｌ／（２ωＺ₀ ｔａｎ β₀ｌ） （９）

この中央導体ギャップ容量は、集中定数素子において、又は図８ａ及び図８ｂに示されている容量性リング１２７により、供給可能であろう。同軸空洞の内部及び外部壁の間の漂遊容量Ｃｓは、値Ｃｃのわずかな部分に寄与している。究極的には、Ｃｓは、同一容積の集中定数素子コイルのものよりも格段に高い空洞の自己共振周波数を制限しており、人間の頭部コイルのサイズの空洞は、例えば、５００ＭＨｚ超において共振することになる。無損失同軸空洞の漂遊容量は、次式によって近似される。
Ｃ_s＝πεｌ／ｌｎ（ａ／ｂ） （１０）

式９、式１０によって付与される空洞の基本ＴＥＭモード共振周波数ｆ₀は、次式のとおりである。
ｆ₀＝１／（２π√（Ｌ_cＣ_c））

空洞内の直列導体抵抗Ｒ_cは、次式のように、周波数依存表面抵抗Ｒｓによって決定される。
Ｒ_c＝（Ｒ_s／２π_c）（１／ａ_c＋１／ｂ_c）２ｌ （１２）
ここで、Ｒ_s＝√（ωμ₀／２σ）＝ｌσδである。

良好な導体σ＝δ（１０⁷）、Ｓ／ｍにおける電流束の浅い表皮深さδが、Ｒを極小化するための空洞の大きな表面エリアの要件をもたらしている。例えば、１００ＭＨｚにおける銅の表皮深さδは、０．００６６ｍｍである。
δ＝１／√（πｆμｍｕσ）
但し、小さな寸法の高周波表皮深さは、ＲＦ電流及びフィールドを十分に伝導（並びに、収容）する非常に薄いフォイル又は表面堆積導体の使用を許容し、ＭＲアプリケーションにおいてＢ₀フィールド勾配電流をスイッチングすることによって誘発される低周波渦電流の伝播を効果的に減衰させる。この空洞の特徴である高い共振Ｑ_rcは、次式のとおりである。
Ｑ_rc＝βｃ／２αｃ＝２πｆ₀Ｌ_c／Ｒ_c＝２πｆ₀Ｚ₀／Ｒ_c~c （１４）

３．６のｂ／ａ比において発生する最適なＴＥＭモードのＱは、メートルボア磁石における頭部及び体幹コイルアプリケーションにおいては、容易に実現可能ではないが、実際的なコイル寸法は、１０００を上回る非装填時のＱ値を実現している。いまや、この同軸空洞におけるインダクタンスの減少、抵抗の減少、周波数の増大、高いＱ、及び自己シールドという有利な特性が明らかであろう。

同軸空洞のユティリティセンタ内におけるＴＥＭモード磁界の伝播を実現するには、中空中央導体（容量性円筒を有するリエントラントな壁）をスロット化しなければならない（１、２）。空洞のスロット化された中央導体を橋絡するシールドされていない集中定数素子コンデンサ又は容量性プレートは、これらのコンデンサ内に主に保存された保存電（Ｅ）界に「漏洩」する。しかしながら、コイルのチューニング、整合、及び位相安定性、並びに、効率に悪影響を与える問題の漂遊Ｅフィールドは、図９ｂにおけるように、管状のシールドされたコンデンサ１２９（３）としてＮ個の同軸線路素子を使用することにより、良好に閉じ込め可能である。従って、結果的に得られたＴＥＭ共振空洞の保存Ｅフィールドは、同軸素子のフローティング外部導体１３０と、参照符号１３２において中断又はスプリットされた、但し、それ以外の部分においては空洞１２１と連続しているリエントラントな中央導体１３１の間の誘電領域内に大部分が閉じ込められる（図９ｂ）。使用する同軸チューニング素子は、連続外部導体によって中央において結合された端部開放型同軸線路のペアに類似している。

基本ＴＥＭモード共振の場合には、それぞれのミラーリングされたペア同軸素子は、空洞による均衡直列共振状態にある。電流波形のピーク振幅は、これらの均衡素子上に中心を保持しており、チューニング済みの空洞を二等分する横断仮想グランドプレーンをもたらしている。これにより、望ましい横断Ｂ₁フィールドの最大値及びＥフィールドの最小値が、必要に応じて、空洞中央内に生成される。

ＴＥＭ空洞共振器は、線路素子９のリアクタンス（Ｌ及びＣの両方）を調節することにより、設計周波数にチューニングされる。粗調節は、素子及び空洞の寸法設計によって実行されている。微細チューニングは、素子内の中央導体ギャップの操作、即ち、中央導体を適切な挿入深さに配置することによって実行されている。

本発明による伝送線路素子チューニング済み同軸空洞は、ＭＲアプリケーション用の高周波大寸法ボリュームコイルの基礎をなしており、且つ、「チューニング済みＴＥＭ共振器」として簡潔に特徴付け可能である。

伝送線路理論（７）がＴＥＭ共振器用の設計式を提供している。それぞれの開放同軸半体素子に対する入力インピーダンスは、次の式（１５）によって付与されている。
Ｚ_in＝Ｚ₀ ｃｏｔ ｈ（α＋ｊβ）ｌ （１５）

そして、その特性インピーダンスは、式（２）から導出される。入力インピーダンスＺ_in＝Ｘ_ine及び特性インピーダンスＺ₀＝Ｚ_0eにおいて、同軸チューニング素子のそれぞれのものにおける分布容量Ｃ_eは、次式のとおりである。
Ｃ_{e 1/2=ω}Ｘ_ine＝１／（２ωＺ_0e ｃｏｔ ｈ（αｅ＋ｊβｅ）ｌ）

無損失開放線路セグメントの直列ペアの分布容量は、Ｃｅを近似するためのｊＺ₀ｃｏｔβｌを使用することにより、容易に算出される。
Ｃｅ＝ｔａｎ βｅｌ/2ωＺ_0e≒１/２Ｚ_0eυ＝πε_eｌ/ln（ｂ_e/ａ_e） （１７）

図９ｂの空洞長２ｌの同軸チューニング素子は、中央導体半径ａ_e及び外部導体半径ｂ_eの適切な寸法を選択することにより、望ましいＣ_eについて構築されている。これらの素子用の誘電材料は、通常、空気ではなく、従って、ε_e＝ε_rε₀であり、ここで、一般的に使用されるテフロン（登録商標）の相対誘電率は、ε_r＝２である。それぞれの同軸素子の分布インダクタンスＬ_eは、Ｌ_e＝２Ｘ_ine／ωにおいて、式（１５）から同様に導出可能であり、且つ、次式によって近似可能である。
Ｌ_e≒（Ｚ_0e２ｌｅ／υ）＝Ｚ_0e√（μ₀ε_e）２ｌ （１８）

式（１２）から、素子当たりの抵抗Ｒ_eは、次式のとおりである。
Ｒ_e＝（（１／δσ）／２π）（１／ａ_e＋１／ｂ_e）２ｌ

Ｎ素子チューニング済みＴＥＭ共振器における合計直列インダクタンスＬ_t、容量Ｃ_t、及び抵抗Ｒ_tは、次式のとおりである。
Ｌ_t≒Ｌ_c＋Ｌ_e／Ｎ （２０）
Ｃ_t≒ＮＣ_e （２１）
Ｒ_t≒Ｒ_c＋Ｒ_e／Ｎ （２２）

共振周波数は、次式のとおりである。
ｆ_r＝ω_r/２π＝βυ/２π＝ｎυ/４ｌ＝ｎ/（４ｌ√(ＬＣ)）、ｎ＝整数 （２３）

前述のＬ及びＣの近似においては、ＴＥＭ共振器構造内の相互インダクタンス及び漂遊容量の小さな値を考慮していない。式（２０、２１、及び２３）により、チューニング済みＴＥＭ共振器のＴＥＭモード共振は、次式のとおりである。
ｆ_0t≒１／（２π．ｐｉ√（Ｌ_tＣ_t）） （２４）

ＴＥＭ共振器のＱファクタは、次式のとおりである。
Ｑ_t≒２πｆ₀Ｌ_t／Ｒ_t （２５）

整合型トランシーバネットワークに対して誘導又は容量結合された際には、Ｑファクタは、回路が装填されたＴＥＭ共振器の場合には、Ｑ／２となる。

ＴＥＭ共振器モード：チューニング済みＴＥＭ共振器は、進行波マグネトロン発振器に類似した閉リング周期遅延線路である（９）。

進行波タイプの発振においては、Ｎ個の連続チューニング素子の電気的発振間におけるモードＭ依存位相差ΦＭは、共振器の素子と空洞間の相互作用空間内に回転ＡＣフィールド又は周期^τ _Mを有する進行波を生成するようになっている。
Φ_M＝２πＭ／Ｎ＝β₀ ^τ _M （２６）

この進行波は、モードＭの基本高調波及び位相定数β₀において、角位相速度ω_Mにおいて方位方向に伝播し、ここで、角位相速度ω_Mは、対応するモードの共振又は固有周波数に等しい。
＋ω_M３２＋β₀ｄΦ／ｄｔ （２７）

共振器の通過帯域においては、＋Φ＜πであり、従って、式（２７）から、整数Ｍにおいては、０＜Ｍ＜Ｎ／２である。チューニング済みＴＥＭ共振器内においては、（Ｎ／２＋１）個の共振モードが可能である。
Ｍ＝ＮΦ_M／２π （２８）

８素子チューニング済みＴＥＭ共振器の基本モード及び対応する共振周波数が図１０にグラフィカルに示されている。縦軸ｙは、半径ａの閉遅延線路共振器の「スロー波」角速度に対する自由空間伝播速度の単位のない「リターデーション」比である。
ｙ＝ｃ／ａω＝Ｍλ₀／２πａ＝Ｍλ₀／Ｎτ

Ｘ軸は、共振器のモード周期τ_M＝２πａ／Ｍに対する自由空間波長λ₀の比率である。定数Ｍ／Ｎにおける曲線ｙ＝ｆ（λ₀／τ）は、原点を通過する定数ラインである。様々な基本モードの周波数は、次の分散曲線とこれらの定数モード線路の交点によって決定される。
ｃ／ａω＝ｆ（λ₀／τ） （３０）

角位相速度ωは、正及び負の成分を具備しているため（進行波は、閉リング共振器の周りを２つの方向において伝播している）、正及び負の位相Φの別個の分布曲線が存在可能であり、この結果、チューニング済みＴＥＭ共振器の更に多くの可能な周波数がもたらされ、この合計は、Ｎである。

Ｍ＝０（サイクロトロン周波数モード）に対応する最低周波数は、チューニング済みＴＥＭ共振器の自己共振である（式（２４））。すべてのチューニング素子が同相で発振しているこの周波数の場合には、Φ＝０°である。基本モードにおける最高周波数及び上限は、Ｍ＝Ｎ／２に対応しており、πモードである。このモードにおいては、すべてのチューニング素子は、隣接する素子と反対位相にあり、Φ＝＋１８０°である。この結果、単一周波数の定在波が得られる。

共振の残りの（Ｎ／２−１）個のモードは、不完全なＴＥＭ共振器の対称性における縮退ダブレットである。共振器内における円対称性からのわずかな逸脱は、＋の分散曲線の分離を引き起こし、この結果、縮退モードスプリッティングがもたらされる。共振器素子内におけるΦの関数としての方位電流分布を、等しくない振幅及び位相の正の位相（共回転）及び負の位相（逆転）進行波のフーリエ級数として不完全なコイルについて生成可能である。
Ｉ＝Σ₁ ^∞（Ａ_M ^cos（ωｔ−ＭΦ＋δ）＋Ｂ_M ^cos（ωｔ＋ＭΦ＋ζ））

ここで、δ及びζは、任意の位相定数である。Ａ＝Ｂであり、且つ、δ=ζである完全な円対称の場合には、ダブレットは、それぞれの個々のモードにおいて単一周波数に収束する。チューニング素子間における結合の減少に伴って、モード共振は、式（２４）によって近似された単一周波数に向かって収束する。

Φ＝２π／Ｎに対応するモードＭ＝１は、臨床ＭＲアプリケーション用の選択肢であるＴＥＭモードである。このモードは、その最大の大きさ及び均質性がチューニング済みＴＥＭボリュームコイルの中央横断仮想グランドプレーンと一致している横断Ｂ₁フィールドを生成する。改善されたＭＲコイルの送受信効率のために、２π／Ｎモードを直交状態において駆動可能である。このＭ＝１モードは、シングルサイクロトロンモード（Ｍ＝０）に最も近接しており、且つ、非最適化コイル内において最低周波数スプリット共振として容易に識別される。

本発明によれば、共振器の８つの素子のみを所与の周波数についてチューニングする場合には、その他の８つのものを別の周波数にチューニングしている。即ち、ＴＥＭ共振器は、それぞれ、偶数及び奇数の素子を２つの大きく異なる周波数にチューニングすることにより、ダブルチューニング可能である（６）。この結果、２つの共振グループは、それぞれ、（Ｎ／４＋１）個のモードをもたらすことになる。それぞれの共振グループは、（Ｎ／４＋１）個の縮退二重共振によって分離された２つの単一共振から構成されている。

それぞれのグループの第２モードは、ＭＲアプリケーション用の所望の横断Ｂ₁フィールドを生成している。前述のダブルチューニング済みＴＥＭ共振器は、「rising-sun」マグネトロン発振器に類似している（９）。

これらが図１２及び図１８に示されている。図１８は、実際には、図１２を含んでいるため、本発明に関する以下の説明は、主に図１８の観点におけるものとする。

本発明によれば、同一コイル構造により、２つ以上の周波数における動作を実現可能である。例えば、図１２のコイルは、一般的に使用されている７０ＭＨｚ及び１７８ＭＨｚという値のいずれかにおいてフィールドを提供可能である。即ち、コイルが、例えば、（７０〜２００）ＭＨｚなどの対応するレンジ内の任意の単一周波数において動作できるように、図１２の１６個の素子を単一の組としてチューニング可能であるが、コイルが７１ＭＨｚ及び１７５ＭＨｚのいずれか又はこのレンジ内のその他の周波数ペアにおいて良好に動作できるように、これらの素子をチューニングすることも可能である。従って、１６個の素子の中の８つのもの、好ましくは、１つおきのものを調節して７１ＭＨｚの動作を提供可能であると共に、残りの８つのものを調節して１７５ＭＨｚの動作を提供可能である。このような調節は、相互に作用することはなく、この理由は、１つの組の中の素子のインピーダンスの調節がもう１つの組の中に有意なインピーダンスをもたらすほどには、前述の１つの組の中のいずれの素子も、前述のもう１つの組の素子に対して十分密接に結合されていないためである。

当然のことながら、２つ以上の周波数の動作を提供する際には、Ｂ₁などのその他のパラメータに異なる値を提供する必要がある。しかしながら、本発明のコイルは、素子の対応する組を具備することにより、このような値に対応可能であり、これらの組は、チューニングされた後に、素子の更なる調節を伴うことなしに、且つ、コイル自体の物理的な構成の変更を伴うことなしに、望ましい周波数を提供する。この結果、実際には、本発明のコイルの数は、コイルの素子をチューニングする対象である存在する周波数の数と同数である。

図１８からわかるように、図１２の単一周波数の形態と同様に、複数のチューニング済みＴＥＭ共振器の設計は、１６個の素子を使用している。但し、これらは、８個からなる２つのグループに分割されており、このそれぞれは、後程説明する調節メカニズムによる互いに独立した調節のために取り付けられている。

実際には、それぞれのグループは、中央導体の挿入深さを適切に変更し、これにより、素子の分布インピーダンスを固定することにより、なんらかの所望の周波数にチューニングされている。

使用の際には、１つの組又は別の組が、所望のフィールドを提供し、且つ、必要に応じて、まるで１６個の素子の中の８つのものしか存在していないかのように、微細チューニングされる。更に一般的には、全体でｎ個の素子が存在している場合には、その中のｍ個が１つの組を形成可能であり、この結果、（ｎ−ｍ）個の素子が残され、これらの中から１つ以上の更なる組が形成される。

実際には、一般的に、ｋ個のチューニングを提供可能であり、ここで、組の数であるｋは、２を上回るものであってよい。

図１８を参照すれば、図９ａの空洞１２１に対応する空洞１４１は、基本的に、円形プレート１４４及びこれに対して固定されたエンドリング１４５を具備したプラスチック円筒１４２であり、これらの３つの素子には、図９ａ及び図９ｂに示されている導電性空洞構成を提供するべく、その内部に導電性フォイルが提供されている。リング２４により、人間の頭部などの身体の部分を空洞内に挿入可能である。

空洞１２１と同様に、空洞１４１には、素子９のような伝送線路素子１４９が提供されているが、その数は、１６個である。本発明の例示を簡単にするために、例えば、２つ以上の複数のチューニング可能周波数を提供するべく、円形非導電性プラスチックプレート１４６及び１４７のペアは、それぞれに接続された素子１４９の中央導体１５０を具備している。この場合には、１つおきの導体３０が、１つのプレートにのみ接続されている。従って、プレート１４６は、周波数Ａに対応する素子１４９の組の中央導体３０に接続されており、且つ、プレート１４７は、残りの素子１４９の中央導体に接続されており、これらは、周波数Ｂに対応している。すべての１６個の素子１４９の外部導体１５１は、プレート１４４及びエンドリング１４５に固定されており、且つ、シリンダ１４２、プレート１４４、及びエンドリング１４５上の金属フォイルと電気的に連続している。

導体１５０は、コレットクランプ１５２によって位置が固定されており、これらのコレットクランプは、中央導体１５０を着脱可能に固定している。クランプ１５２自体は、個々のプレート内に埋め込まれることにより、位置が固定されており、これらのプレートは、透明であるものとして示されているが、これらは、不透明であってもよいであろう。

共振器の組立の際には、コレットクランプを緩めた後に、所望の周波数のＲＦエネルギーを使用してコイルにエネルギーを供給した際に実際の計測によって共振状態が存在する時点まで、導体１５０の挿入の深さを個々に調節することにより、セグメント２９内における導体１５０の挿入深さを設定可能であることは明らかである。このチューニングは、粗いものであるが、この時点において、コレットクランプは、導体１５０の挿入深さを固定するべく設定されている。但し、プレート１４７は、すべての８つの導体を同時に移動させ、これにより、それぞれの挿入の深さを等しい量だけ変化させるべく、（空洞１４１の軸でもある）その軸に沿って並進運動可能である。

（これは、図１２の単一周波数共振器の構造及び動作の説明として解釈することも可能である。即ち、図１２における唯一の相違点は、所望の周波数に対してチューニングするべく、図１８においては、８つの導体のそれぞれの挿入深さが調節されているのに対して、１６個の中央導体１５０が同様に調節されているという点にある。）

図１８の残りの８つの中央導体は、それぞれの外部導体１５１において、コレット３２によってプレート１４７に固定されている。その８つの仲間と同様に、これらの挿入深さも、コイルを別の所望の周波数にチューニングするべく調節されている。以前と同様に、コレットクランプ１５２は、この場合にも透明であるプラスチックの円形プレート１４７内において導体１５０を解放可能に固定している。プレート１４６と同様に、プレート１４７は、空洞軸に沿って並進運動し、これにより、対応する８本の導体の挿入深さを、同時に、且つ、等しい量だけ、変更可能である。

プレート１４６及び１４７を並進運動させるべく様々な機械的な動きを使用可能であって、導体１５０は、素子の誘電体内におけるなんらかの摩擦フィットを具備可能であり、且つ、いずれにしても、プレートは、図示されてはいない明らかな手段によって定位置にクランプ可能であるため、実際には、これらは、手で直接的に移動可能である。

好ましくは、本発明者は、単純なネジメカニズムを提供しており、これは、プレートの軸と同一直線上において機能している。構成の対称性に起因し、プレートは、コッキング不可能であり、従って、ネジの挿入により、基本的にクランピングを提供している。

図１２においては、このようなネジメカニズム１５３は、ちょうど、ネジ１５４である。ネジ１５４は、これを回転させるためのノブ１５５によって終端されたその外部端部を具備していると共に、プレート１４４内の参照符号１５６によって軸受けされたその内部端部を具備している。軸頸１５６は、プレート１４４内においてネジ１５４の端部を回転可能に固定する任意の適切なハードウェアであってよく、この結果、ノブ１５５が回転された際に、ネジ１５４は、回転するが、コイル軸に沿った並進運動は妨げられるようになっている。

ネジ１５４は、プレート１４６に対応するプレート１５７を、プレート内のネジが切られたボア（図示されてはいない）を介して、貫通しており、このボアは、コイル軸と同軸である。従って、ノブ１５５を回転させることにより、プレート１５７がコイル軸に沿って並進運動し、これにより、中央導体の位置が、同時に、且つ、等しい量だけ、調節される。

図１８においては、多少更に複雑なネジメカニズム１５８が提供されている。メカニズム１５８は、これを回転させることによってプレート１４６が並進運動するという点においてノブ１５５に対応するノブ１５９を具備しているが、これは、後程判明するように、多少、構造的にネジ１５３とは異なっているが、それ以外の部分は、同一のチューニング機能を実行している。

軸頸１５６に対応し、メカニズム１５８は、自身をプレート１４４に回転可能に固定している軸頸１６０を具備している。又、これを空洞軸に沿って並進運動させるべく、ネジメカニズム１５８もプレート１４７を貫通している。

図１９は、ネジメカニズム１５８を長手方向の断面において示している。即ち、図１２のネジ１５４及び軸頸１６０に対応し、図１９においては、一端においてノブ１５９内において終端するネジ１６１は、プレート１４４の軸に沿った並進運動を伴うことなしに回転するべく、プレート１４４内において軸受けされている。図示のように、ネジ１６１がプレート１４６を貫通している。その内部においてネジ１６１が自由に回転するスリーブネジ１６３は、スリーブネジ１６３の一端を終端しているノブ１６５が回転された際に並進運動を伴うことなしに回転するべく自身をプレート１４６に対して固定している軸受けされた部分４４を他端に具備している。スリーブネジ１６３は、プレート１４７を貫通しており、従って、ノブ１６５が回転すると、プレート１４７が空洞１４１の軸に沿って並進運動する。

使用の際には、まず、その中心導体がプレート１４６のコレット内においてクランプされている素子１４９をチューニングする。次いで、その中心導体がプレート１４７のコレット内においてクランプされているその他の素子を回転させる。これらの素子間には、無視可能な結合しか存在していないため、いずれの回転も、他方に影響を与えることはない。

前述のチューニング機能は、伝送線路セグメントの他端において、空洞の組立の際に設定された対応する中心導体の挿入の初期深さが、後続の使用の際に変更されることがないものと想定している（当然のことながら、リング１４５は、リング２４と同様に、素子１４９のその他の外部端部を支持することになる）。素子１４９の他端において中央導体の挿入の深さを変更することにより、更なるチューニング効果を具備可能であろう。これは、プレート１４６及び１４７に対応するリングの構成によって実行可能であり、これは、プレート１４６及び１４７と同様に、そのような挿入の深さを一緒に調節するべく機能することになろう。空洞の一端は、身体又は身体の部位を挿入するべく開放状態にある必要があることに留意されたい。

従って、要すれば、１つのセット又はその他のセットは、所望のフィールドを提供しており、且つ、必要に応じて、１６個の素子の中の８個しか存在していないかのように、微細チューニングされる。更に一般的には、全部でｎ個の素子が存在している場合には、その中のｍ個が１つのセットを形成可能であり、この結果、（ｎ−ｍ）個の素子が残されて、これらから、１つ又は複数の更なるセットが形成される。

実際には、一般的に、ｋ個のチューニングを提供可能となり、ここで、セットの数であるｋは、２を上回るものであってよい。

この同一の方法により、コイルを、一般に、複数にわたって、即ち、３つ以上の共振に対してチューニング可能である。

ＴＥＭ共振器Ｂ₁フィールド：８素子ＴＥＭ共振器の５つのモードにおける自由空間磁気ベクトルポテンシャル等高線（フラックス線）が、図１１ａ〜図１１ｅに図式化されている。モードＭ＝１は、対象の中央領域に対する効率的で均質な磁気結合のための明らかな選択肢である。このような自由空間ＡＣフィールドは、しばしば、ＤＣフィールドのビオ・サバールの法則によって近似される。しかしながら、約１００ＭＨｚにおいて始まる高周波においては、人間の構造内におけるＲＦフィールドの静的フィールド近似は、もはや正確ではない。同様に、単純で均質な等方性の形状（球形及び円筒形）は、人間装填物をモデル化するのに適切ではない。

人間の身体を、組織内の波長割合が不均質で多損失な誘電体として見ることにより、屈折、反射、及び減衰の電磁伝播境界の効果を考慮しなければならない。人間の組織内においては、高周波数において、大きな軸方向の渦電流シールド及びＢ₁フィールドの直交変位電流の拡張が観察される。対象の解剖学的領域内の高周波コイルＢ₁フィールド分布を表現するには、完全に時間に依存した式及び複雑な数値モデルが必要である。多損失の異方性を有する不均質なコイル−組織システムにおける時間−高調波磁界Ｂ₁／μは、次のマクスウェル−アンペアの法則の特異な形態によって表現可能である（１０）。
▽ＸＢ₁／μ＝Ｊ_c＋δＤ／δｔ （３２）

オームの法則により、電流密度Ｊ_c＝σＥであり、オイラーの法則により、電界変位δＤ／δｔ＝δεＥ／δｔ＝ｊωεＥであり、この結果、式（３２）は、次のように書き換えることができる。
▽ＸＢ₁／μ＝（σ＋ｊωε）Ｅ

Ｅの複素値は、磁気ベクトルポテンシャルＡ及び電気スカラーポテンシャルΨの観点において表現可能であり、この結果、次のとおりである。
▽ＸＢ₁／μ＝（σ＋ｊωε．）（−ｊωＡ−▽ψ）

Ｂ₁の分布と、コイルに隣接した人間組織内における損失に影響を与えるのは、Ｂ₁フィールド誘発渦電流密度Ｊ_e＝−ｊωσＡと、σ及びεの組織固有の値における付随する電界変位電流密度Ｊ_d＝−ｊωεＥ＝ω²εＡである。指定された共振器素子電流によって人間の頭部モデル内において生成される磁気ベクトルポテンシャル線路Ａ及び等高線Ｂ₁＝▽ＸＡは、次の式中のＡ及びΨを数値的に解くことによって判定可能である。
▽Ｘ１／μ▽ＸＡ＝（σ＋ｊωε）（−ｊωＡ−▽ψ） （３５）

図１２には、有限要素法（ＦＥＭ）を使用することにより、１７５ＭＨｚにおいて動作する人間の頭部が装填された１６素子ＴＥＭ共振器がモデル化されている。ＴＥＭ共振器のモードＭ＝１における磁気ベクトルの等価ポテンシャル・ライン（Ａ／ｍ）は、式（３５）によって数値的に解ける。頭部の２つのレイヤが４．１ＴのＭＲ画像から描かれており、これらは、それぞれ、脳と頭皮／脂肪／頭蓋骨を表している。人間の脳及び頭蓋骨／脂肪の周波数依存のσ、ε、及びμのテーブル値をモデルの適切な組織レイヤに対して割り当てた。ボリュームコイルの中央横断プレーンに対応する断面図は、ｚ軸を無限とするモデルのためのデカルト座標でのｘｙ平面を表す。コイルの１６個のＲＦ電流素子は、通常グランドレベルにある導電性円筒の空洞内に閉じ込められる。位相Φ＝２π／Ｎによって分離された素子内の等しいＲＦ電流振幅により、横断電磁（ＴＥＭ）場が、図示のように、伝送線路モデル内に生成される。図１２の高周波コイル−頭部モデル内には、フラックス線の回転が存在しているが、図１１のＭ＝１の自由空間／静的フィールド表現内には観察されないことに留意されたい。

ファントム及び頭部が装填されたＴＥＭ共振器モデルのための算出されたＢ１等高線Ｔ／ｍが、図１３ａ及び図１３ｂに示されている。図１３ａの電流素子の中心に位置しているのは、５つの同軸円の等高線パターンによって識別された２０ｃｍの人間頭部のファントムである。このファントムには、人間の脳のσ、ε、及びμ値が割り当てられている。コイルシリンダ、素子、又は被検者のヘッドによって占有されていないすべての空間は、空いている。素子に割り当てられている１７５ＭＨｚの２アンペアの電流により、頭部ファントムの表面の自由空間内に１０μＴのＢ₁フィールドが生成されている。１７５ＭＨｚにおいて、頭部は、多損失の誘電共振器となり、Ｂ₁フィールドの分布は、自由空間のものとは大きく異なっている。このモデルは、ファントムの外部の１／３の半径において３μＴ（３０％）だけのＢ₁フィールドの減衰を予測している。これは、渦電流シールドの予測された結果である。又、このモデルは、ヘッドの内部の１／１０の半径における１μＴ（１０％）超のＢ１フィールドの強化を予測している。この変位電流によって誘発されたＢ₁の強化は、Ｂ₁の均質性が４Ｔ以上のフィールドにおいて人間の頭部及び身体の画像生成を実行するのに十分なものになるように、相対的に高い周波数において予測されるシールドの増大を補償している。図１３ｂは、１７５ＭＨｚにおける勾配エコー画像生成に必要な電流レベルによって励起されたコイル内の頭部の図１２のスケールモデルを提示している。このモデルは、コイル素子に対するその近接性に起因し、最高の大きさのＢ１等高線が頭部の前頭部及び後頭部領域内に位置するものと予測している。更に離れている側頭部領域においては、Ｂ₁は、大きさが相対的に小さい。脳の中心は、相対的に高い周波数における組織のσ／εの偶然の一致を示す変位電流Ｂ₁の増強及び人間頭部の電気的な寸法を示している。又、有益であるのは、渦電流が、人間組織及び解剖学的構造の異質性の効果を遅延させる。図８ｂにおけるより異質な２レイヤモデルは、図８ａの単一レイヤ等方性モデルにおける＋１５％の変動と比べて、頭部における＋１０％未満の大きさの変動を有するＢ₁の不均質性を予測している。経験的な観察は、前述のコイル−頭部及びコイル−ファントムモデル（２、４、５、１３、１４）における予測を支持している。

代替のＴＥＭ共振器モデル：これまでは、伝送線路理論を使用することにより、チューニング済みＴＥＭ共振器を、伝送線路をチューニングした同軸空洞共振器として説明した。この代わりに、ＴＥＭ共振器は、図１４ａの集中定数素子回路を使用することにより、均衡型櫛−線路帯域通過フィルタとして近似することも可能である。この回路内の集中定数素子は、伝送線路回路の分布素子係数を近似している。「バードケージ」共振器の文献内における方法に伴うこの集中定数素子フィルタ回路モデルの分析は、不正確な結果を付与する（１５、１６）。本発明の更に正確な方法は、図１４ｂの集中定数素子フィルタの分布ストリップ線路の類似体を考慮している。このネットワークは、破線によって示された対称性の仮想グランドプレーンにおいて、そのミラーリングされた画像とインターフェイスする（図７ａ及び図７ｃと同様の）４分の１波長櫛−線路フィルタである。従って、それぞれの同軸素子は、そのスプリットの中央導体に起因し、その二等分された中央導体１１が両端において空洞にグランドされている共振半波長線路（図７ｂ及び図７ｃの波長ペアと同様に、ミラーリングされた４分の１波長ペア）である。素子９は、ＴＥＭスロー波伝播ｈを介して空洞に結合されている。この分布構造の性能特性は、ＴＥＭ仮説から算出される（１７）。

（方法及び材料）
ＴＥＭ共振器の構造：シングル及びダブルチューニング済みのＴＥＭ共振器を７０〜１７５ＭＨｚの臨床用ＭＲアプリケーション用に構築した。プロトタイプを５００ＭＨｚに対してベンチ試験した。従って、図１５は、１７５ＭＨｚ（４．１Ｔ）の頭部コイルを示している。ここで、このチューニング済みＴＥＭ型の人間の頭部のサイズに設定された共振器のサイズは、外径３４ｃｍ（空洞）×内径２７ｃｍ（素子）×長さ２２ｃｍであった。内径及び長さは、頭部のサイズによって決定されており、外径は、小型化を考慮して選択されており、相対的に大きな空洞において予測される最適なコイルＱの多少の犠牲を伴っていた（式（１４））。空洞自体は、アクリルシリンダの内部及び外部表面にフィットされた１ミルの銅フォイル１３から構築されている（式（１３））。端部のアクリル部材が、リエントラントなチューニング素子を支持しており、銅フォイルが、空洞とのそれらの連続性を生成している。空洞は、プレート１４４上においてフォイルによって拡張可能であろう。

「伝送線路素子」は、導体が並んだ状態の1組のペアにすぎないか、又は複数のペアとなる必要があり、ＡＣがその間の誘電体によって互いに結合されている。従って、「同軸ケーブル」が唯一の形態ではなく、「素子」又は「セグメント」も本発明のプロセスに取り込み可能であることが明らかであろう。

チューニング素子は、２１ｃｍの同軸線路セグメント９であり、この外部部材３１は、銅導体であり、この内径は、１２．７ｍｍ（０．５インチ）であり、その中央導体３０は、二等分された外径６．５ｍｍ（０．２５インチ）の銅のロッドである。テフロン（登録商標）製のスリーブ類の挿入（図示されてはいない）が、導体１５０及び３１の間に誘電体を提供しており、これらの挿入は、２つの導体の間において誘電体を提供し、且つ表面を担うように機械加工される。テフロン（登録商標）製スリーブの厚さ（ｂ_e−ａ_e）は、高ピークパワー伝送の際の誘電絶縁破壊と、この絶縁破壊で生じるアーク放電の可能性を除去するべく、３ｍｍを上回る必要がある。同軸セグメントのそれぞれの端部における５ｍｍのテフロン（登録商標）製スペーサ１５が、素子９の外部導体１１と中央導体が装着されている空洞フォイル１３の間の電気的な絶縁を維持している。この種の模範的な素子構造については、ロシュマン（Roschman）（３）の図７及び図８を参照されたい。

使用するチューニング素子の素子コンポーネントの直径及び数は、式（２５）から始めて、後方に、Ｎ、ａ_e、及びｂ_eについて解く作業を実行することにより、所望の周波数及びコイルサイズについて判定される。線路及び空洞について無損失のケースを仮定することにより、必要な計算が単純化される。設計において４Ｎ個のチューニング素子を使用することより、直交駆動が促進される。Ｎの一般的な値は、人間の頭部コイルの場合には、１２〜１６であり、人間の体幹コイルの場合には、２４〜３２である。均質性は、Ｎに比例しており、周波数は、反比例している。

チューニング素子の分割された中央導体は、その一端において、コレットクランプ１５２により、空洞１２１に対して導電接続されており、且つ、他端において、銅ベリリウムのスプリングガスケット、銅ストラップ、又はこれらに類似したものにより、導電接続されている。コレットクランプは、コイルを組み立てる際の中央導体半体の挿入深さの固定調節を実現している。ガスケットは、コイルの動作の際の可変調節を実現している。その中央導体の挿入深さを変化させることにより、同軸線路素子を所望の一致したモード及び周波数に対してチューニングしている。

前述のように、空洞の一端における中央導体は、モバイルプレート及びネジメカニズムによって機械的にリンクされており、この結果、１つ又は複数のノブを回転させることにより、すべてを調節し、そのフィールドの対称性への影響を伴うことなしに、共振器を一斉にチューニング可能である。９０°の方位角によって分離された２つの線路素子９は、ＴＥＭ共振器の直交駆動のためのストリップ線路直交ハイブリッドの９０°のフェーズドポート２１のペアに接続される。直交励起型共振器の２つの被駆動線路素子の中の１つを示す図１６を参照されたい。

ハイブリッドポークは、適切に位相設定されており、インピーダンスは、図１５に示されてはいない可変直列容量及び／又はバラン回路を有する可変リアクタのリアクタンスを介して、コイル及びその人間の頭部又は身体装填物に対して整合されている。但し、図５は、前述のリアクタンスを変化させるためのノブ１６６を示している。図１８は、この種の追加の回路を必要としており、従って、ノブ１６７が、変化するリアクタンスを提供することになろう。周波数Ａ及びＢにおける直交ハイブリッドは、参照符号１６８及び１６９によって識別されている。参照符号１７０は、図１５の直交ハイブリッドを識別している。

ＴＥＭ共振器の最適化：周波数チューニング、インピーダンス整合、直交位相離隔、Ｂ₁の均質性及び感度、及びＱは、あらゆる直交ボリュームコイルについて最適化することを要する相対的に重要な性能特性に含まれている。ＴＥＭ共振器を構築した後に、最適化に向けての第１段階は、共振器のＭ＝１モード共振を設計周波数に対して調整する等しい容量値に対してすべての素子（２Ｎ個の半体素子）を調節することである。素子の容量計測のためにＲＣＬメーターを使用している。ネットワークアナライザ周波数掃引反射計測を使用することにより、図１７に、１６素子頭部コイルの９つの共振モードを識別する帰還損失プロットを生成している。１７４．５７５ＭＨｚに位置するモード１は、まず、非最適化コイルにおけるモード２として、二重共振として現れることになる。（スポークの調節による自転車ホイールのチューニングと同様の）個々の素子の容量をフリーチューニングする反復的な方法により、モード１のダブレットは、図示のように、十分に整合された高いＱの単一周波数点に縮小することになる。直交コイルの場合には、モード１について、２つの駆動ポイントのそれぞれのものごとに、図１７のプロットを独立的に再生成しなければならない。更には、伝送試験により、設計周波数において、直交駆動ポイント間における４０ｄＢよりも良好な絶縁を確認する必要がある。被駆動素子を収容コイルの二等分の長手方向プレーンに直交する軸上において、最大Ｂ₁フィールド振幅を検証する必要がある。Ｂ１伝送フィールドの大きさ及び均質性は、直交するｘ軸及びｙ軸上において、指向性の磁界プローブレシーバによって計測する。非装填コイル内においてモード１の設計周波数における直交する十分に整合及び絶縁された高いＢ１振幅共振をアライメントした後に、ファントムが装填されたコイルについて最適化プロセスを反復する。このファントムは、容積及び導電性において人間の頭部を電気的に模擬している。次いで、共振器を人間の被検者に関して微細チューニングする。ストリップ線路直交ハイブリッドは、最終的に、共振器の２つの容量的に整合された直交駆動ポイントに接続される。最適化されたコイル内において、モード１周波数に対応する２つの重畳された直交Ｂ₁フィールドを、以前に計測されたシングル駆動ポイントの線形フィールドよりも３ｄＢ小さな利得のピーク振幅によって計測する。すべての調節が完了したら、同軸セグメントの摺動する中央導体を、コイルの固定リング及びモバイルプレート端部の両方の位置にクランプする。磁石内において、図１５に示されている中央ノブ１５５をチューニングすることにより、共振器を様々な装填物に対してチューニングし、直交ハイブリッドの２つのコイルポート間における正確なインピーダンス整合及び９０°の位相の離隔のために４６を調節する。チューニング、整合、及び位相の調節は、それぞれの研究ごとに容易に実行可能である。

（結果）
シングル及びダブルチューニング済みのＴＥＭ共振器は、人間の頭部及び身体アプリケーションにおいて、７０〜１７５ＭＨｚにおいて効率的に機能する。１７５ＭＨｚにチューニングされたＴＥＭ頭部コイル設計のＱレシオは、代表的な共振空洞において高い８４０／９０である。このチューニング済みの空洞設計のチューニングレンジは、適宜１オクターブより大きい又はこれを上回る。このレンジは、様々なフィールド強度において、且つ、様々な原子核について、所与のコイルの使用を促進する。人間の頭部全体の場合に、通常、１ｋＷの２５０μｓｅｃ方形パルスによって９０°の最適化が実現される。実行するそれぞれのＭＲ研究ごとに、いずれもＢ１フィールドの対称性への悪影響を伴うことなしに、ＴＥＭ共振器を両方のコイル駆動ポイントにおいて０．１のＶＳＷＲに整合された周波数にチューニングし、且つ、直交位相を、５０ｄＢを上回るものに離隔させる。この元位置における最適化に要するのは、３つの外部調節と３分未満の時間である。

ファントム及び人間の装填物内において観察されるＢ₁フィールドパターンは、図１３のモデル予測と一致している。等価な素子電流は、コイル内に同軸に配置された軸対称ファントム内のＢ₁フィールド分布の最大均質性に相互に関連している。等価な素子電流を有する共振器からの頭部画像は、最良の実現可能な均質性を示していない。図１３の等価な電流について算出されたＢ₁等高線パターンは、図１８の頭部画像内における不均質性を予測している。最高の大きさのＢ₁結合は、コイル素子に対する頭部の近接性に起因し、頭部の後頭部領域内に位置している。雑音を許容するべくコイル素子から更に離隔している脳の前部領域に対するＢ₁の結合強度は相対的に小さい。更に離れた側頭部領域は、最小の信号強度及び対応するＢ₁フィールド強度を示している。脳の中心は、予測された変位電流のＢ₁強化を示している。高周波数においては、コイルのモード１における最適化された性能特性を維持しつつ、個々の素子電流を非対称に調節することにより、完全な軸対称性及び位置を欠いた頭部又はその他の装填物内における更に均質なＢ１分布を実現可能である。設計及びアプリケーション用の相対的に高い均質性に影響を及ぼす素子電流は、以前と同様に、装填されたコイルの有限素子スケールモデルについて、マクスウェルの方程式を数値的に解くことにより算出可能である。実際に、Ｔ１重み付き勾配エコーシーケンスを使用することにより、１５ｃｍ d.s.v．において１０％の変動の人間の頭部内における均質性が実現されており、この場合に、３ｍｍの５１２²分解能の単一取得画像において、ＴＲ＝２５００ｍｓ、ＴＥ＝１７．５ｍｓ、そして、ＴＩＲ＝１０００ｍｓであった。頭部画像に必要とされたのは、相対的に低レベルの４００ＷピークＲＦ事前合焦パルス励起波形態のみであった。これは、高フィールド臨床画像生成の文献において以前に予測されている過度な高レベルとは対照をなしている。静脈血管内の脱酸素ヘモグロビンの相対的な常磁性によって付与される高フィールド感受性勾配により、経頭蓋血管分布像の高分解能描写が向上するものと考えられる。脳脈管構造及び神経構造のサブミリメートルの詳細を示す５１２²及び１０２４²分解能のスライス厚さが３ｍｍ及び５ｍｍの脳画像が得られた（４、１８）。優れた品質の人間の頭部及び身体の画像が示されている（１９）。

４．１テスラにおけるチューニング済みのＴＥＭ共振器を使用することにより、脳の解剖学的、分光学的、並びに、機能的な画像生成に基づいた科学的な研究及び臨床的な診断の可能性が確実に実証された。３ｍｍのスライスにおける４００μＭのプレーン分解能により、２０人のボランティアにおいて、基底核、赤核、視床、及び中脳黒質などの臨床的に重要な構造が明瞭に視覚化されており、パーキンソン病などの神経変性疾患の画像に基づいた診断の効力を増強している（２０）。８人の健康なボランティア及び側頭葉癲癇を有する７人の患者において、海馬形成の内部構造が良好に描写された。腔及び線毛が隣接する細胞レイヤから分解され、放射状及び網状層がアンモン角から分解された。萎縮症、正常レイヤ破壊、及び／又はＴ１及びＴ２^*逸脱は、研究されたすべての７人の患者内の冒された海馬を明瞭に示唆した（２１）。１０人の健康なボランティア及び３人の多発性硬化症（ＭＳ：Multiple Sclerosis）患者からの高分解能の分光画像（０.５ｃｃボクセルの画像）は、疾病の診断及び理解のために、ＮＡＡ、クレアチン、コリン、及び乳酸塩の空間的な可変性をＭＳプラークにおいて使用する可能性を示唆している（２２）。脳全体の高分解能ＮＡＡ画像内においては、小さな脳卒中の周辺部からのＮＡＡの消失が劇的である（２３）。アミノ酸グルタメート及びグルタミンの高い空間的及び時間的分解能による検出及び認定は、肝性脳症などの代謝異常のメカニズム研究及び診断に重要である。１０人の被検者の高分解能による分光画像生成研究を使用することにより、脳全体の内部の灰白質及び白質代謝物を生体内において定量化した（２５）。チューニング済みのＴＥＭ共振器は、１７５ＭＨｚにおける人間の脳の均質な高分解能の３Ｄ脳活動マッピング（機能的な画像生成）のアプリケーションに有効であることを立証した（２６）。先行する結果及び進行中の研究からの結果は、高フィールド臨床アプリケーションにおけるチューニング済みＴＥＭ共振器の設計の有効性を立証している。

実験的な４．１ＴのＭＲシステムによって得られた人間の画像及びスペクトルは、相対的に高いＢ₀フィールドにおける臨床研究の実行によって得られる利点を示唆している。Ｓ／Ｎ、空間分解能、時間分解能、化学的シフト分解能、並びに、脳及びその他の器官機能の磁気感受性の向上というこれらの利点は、臨床用ＭＲにおける相対的に高いＢ₀フィールドを指し示している。

本発明の実施例によるＲＦコイルは、これらの利点を実現することにより、相対的に高い周波数において臨床サイズの容積に使用されてきた現在の集中定数素子技術によるコイルをこのコイルによって置換することを可能にしている。伝送線路及び共振空洞を利用する本明細書に提示されている分布技術は、人間の頭部及び体幹コイルアプリケーションにおいて、７０〜１７５ＭＨｚの試験帯域にわたって良好に稼動している。これを上回る領域においても、ベンチ試験されたプロトタイプのシングル及びダブルチューニングされた大容量のコイルは、人間のボリュームの場合には、５００ＭＨｚに至る、そして、更に小さなボリュームの場合には、更に高い周波数におけるチューニング済みのＴＥＭ共振器の良好な使用を予見している。

図２０〜図２２を参照すれば、本発明の実施例によるデュアル端部開放型ＴＥＭ共振器が示されている。尚、これらの実施例については、模範的な膝コイルを参照して説明することするが、これらの実施例は、患者の膝の画像を生成するＭＲコイルに限定されるものではなく、且つ、特許請求された発明の範囲を逸脱することなしに、大部分の任意の身体部分を含む多数の対象の構造の画像生成に使用可能であろう。膝コイル２００は、先程参照したコイルに構造及び動作において類似している。コイル２００は、図示のように、いくつかの実施例によれば、両端部２０２において開放状態にあってよい。上部半体２０４及び下部半体２０６は、分離可能であり、この結果、患者は、彼らの脚を下部半体２０６内に配置し、次いで、その脚の上に上部半体２０４を、又はこの反対に、配置することができる。尚、この実施例は、本明細書においては、脚コイル又は膝コイルとして説明されているが、この説明対象の実施例は、限定を伴うことなしに、例えば、足コイル、腕コイル、肘コイル、手首コイル、体幹コイル、動物、食べ物の袋、又は石油の線路を画像生成するコイルとして機能するべく適合可能であると十分に考えられることに留意されたい。この説明対象の実施例は、オペレータがコイル２００を２つ以上のセクションに分離し、画像生成の対象である被検者の周りにフィットさせることにより、例えば、コイル２００が分離可能でない場合には実現不可能である良好なフィット（例えば、ぴったりとしたフィット）を実現が望ましい多数の状況において使用可能になるであろう。

前述のように、ＴＥＭコイル２００は、従来技術であるバードケージ型の方法と比べて、いくつかの利益を提供している。例えば、ＴＥＭコイル２００内のそれぞれの伝送線路素子２０８（図２３及び図２４）は、独立的な共振器である。本実施例においては、独立した共振器として機能する能力を有するそれぞれの独立した伝送線路素子２０８により、相対的に高い周波数において相対的に高い効率を実現可能である。更には、コイル２００は、セクション２０４及び２０６、或いは、場合によっては、更に多数のセクションなどの複数のセクションに分割されるべく適合可能である。複数の分離可能なセクションを具備することにより、コイルに対する相対的に良好な患者のアクセスが得られる。更には、先程詳述したように、これは、例えば、従来のバードケージ型技術のコイル上におけるエンドリングの接続に必要である電気的なハード接触の生成又は切断を伴うことなしに、実行可能である。

コイル２００は、特定の実施例によれば、シールド（例えば、自己シールド）可能である。シールドは、例えば、伝送線路素子２０８の構成及び組成によって提供可能である。一例として、伝送線路素子２０８のそれぞれの内部導体２１２ごとに、外部シールド部分２１０（例えば、伝送線路素子２０８の外部部分）は、被検者（例えば、脚や腕などの四肢）の周りにおいて閉鎖された際に、自己シールドされたエンクロージャを形成する。脚又は腕の場合には、例えば、自己シールドされたコイルは、コイル２００内において生成されたＲＦフィールドがコイル２００の外部に漏洩することを実質的に防止又は制限することが可能である。従って、コイル２００が四肢（例えば、脚又は腕）に配置された際には、隣接する四肢（又は、身体のその他の部分）は、コイル２００の内部から不可視状態となる。従って、望ましくない信号（例えば、雑音）が受信されることがないと共に／又は、その他の四肢から結合されることもない。この点は、第２の（例えば、画像生成されない）四肢が監視対象の四肢に隣接しうる四肢の監視の際に非常に有益であろう。例えば、患者の脚は、並んだ状態において置くことが可能であり、或いは、腕は、患者の身体に隣接して置くことが可能である。オペレータは、隣接する脚からの信号ではなく、対象の脚からの信号の受信を所望しているのみであり、或いは、患者の身体の残りの部分からの信号ではなく、腕からの信号の受信を所望しているのみである。コイル２００がシールドされていない場合には、望ましくない信号が近隣の構造から「流入」し、これにより、目的の信号に雑音が混入する可能性があろう。

継続して、図２３及び図２４の参照をすれば、それぞれの伝送線路素子２０８は、外部シールド部分２１０及び内部導体２１２から構成されている。内部導体２１２及び外部シールド部分２１０は、いくつかの実施例においては、外部シールド部分２１０が内部導体２１２内の電流の帰還路を形成するように、並列信号素子を形成可能である。又、これにより、この装置内の伝送線路素子２０８には、外部シールドセクション２１０によるシールドが提供される。内部導体２１２は、例えば、限定を伴うことなしに、ストリップ線路、マイクロストリップ、又は同軸線路などの任意の種類の導体から形成可能である。内部導体２１２は、通常、前述のように、外部シールド部分２１０に並列にアライメントされている。図２１を参照すれば、ハウジング２１４は、外部シールド部分２１０をカバーするプラスチック（或いは、その他の保護性及び／又は非導電性の）材料であってよい。いくつかの実施例においては、外部シールド部分２１０は、非導電性材料によってラミネート可能であり、且つ、特定の実施例においては、プラスチックハウジング２１４の内部表面にラミネート可能である。好適な実施例においては、外部シールド部分２１０は、銅材料から製造可能であるが、当業者であれば、特許請求されている発明の範囲を逸脱することなしに、磁性を有していない導電性の材料を選択することも可能である。

本発明のいくつかの実施例においては、コイル２００は、分離可能なコイルであってよく、この場合に、コイル２００の少なくとも１つの分離可能なセクションは、コイル２００の隣接セクションの外部シールド部分にオーバーラップするべく適合された外部シールド部分２１０を具備している。図２０は、セクション２０４の外部シールド部分の両端部から延長するオーバーラップ２１６の一例を示している。オーバーラップ２１６は、セクション２０４及び２０６がコイル２００を形成するべく１つに結合された際に、セクション２０６の外部シールド部分の少なくとも一部とオーバーラップするべく適合されている。いくつかの実施例においては、オーバーラップ２１６は、第２セクション（例えば、この例においては、セクション２０６）の外部シールド部分から薄い誘電材料によって分離可能である。このシールド２１６のオーバーラップ特性は、２つのセクション２０４、２０６の間の相対的に良好なシールド及び結合を提供している。オーバーラップ２１６は、いくつかの実施例によれば、コイル２００の２つ（又は、これを上回る数の）分離可能なセクションの外部シールド部分を容量結合可能である。

いくつかの実施例においては、内部導体２１２は、伝送線路素子２０８内においてコイル２００を横断するべく適合された同軸素子を包含可能である。図２３及び図２４に示されているように、外部シールド部分２１０は、セグメント化可能である（例えば、非導電性ギャップによって分離可能である）。外部シールド部分を別個のセクション２１０にセグメント化可能である場合にも、複数の外部シールド部分から集合的なシールドを形成可能である。

本発明の実施例においては、エネルギーをエネルギー源（例えば、ＲＦ電気エネルギー）から１つ以上の伝送線路素子２０８に転送可能である。エネルギーを単一の伝送線路素子２０８に供給している実施例においては、リアクタンス又は反応性結合を介して、エネルギーをその他の伝送線路素子２０８に提供可能である。リアクタンスは、インダクタンス及び容量を含んでいる（且つ、反応性結合は、誘導性及び容量性結合を含んでいる）。従って、伝送線路素子２０８は、ＲＦ磁界又はフラックスによって互いに反応性結合されている。反応性結合（例えば、誘導結合）は、１つの伝送線路素子２０８から別のものにエネルギーを転送している。又、伝送線路素子２０８は、対応する外部シールド部分２１０によって容量結合されている。

図２５を参照すれば、外部シールド部分２１０は、特定の実施例によれば、両面フォイルから製造可能である。外部シールド部分２１０のオーバーラップをコイル２００の外部部分に形成するように、線路２１８を両面上に交互にエッチング可能である。但し、コイル２００が２つ以上のセクションに分離可能であるコイル２００の実施例においては、図２５に示されているエッチング型のオーバーラップ方式は、連続したシールドをもはや形成しなくなるであろう。これは、セクション２０４及び２０６間における容量性結合の量を低減することにもなろう。従って、図２０に示されている実施例は、余分のオーバーラップシールドセグメント２１６を追加することにより、セクション２０４及び２０６の間の容量性結合を改善すると共に、これにより、提供されるシールドを改善している。セクション２０４及び２０６の間における反応性結合は、セクション２０４及び２０６が１つに結合されてコイル２００を形成した際に、コイル２００の周囲において実質的に連続するように実施可能である。

本発明のいくつかの実施例においては、コイルのサイズを小さく（例えば、直径を小さく）するのに伴って、且つ、従って、ＴＥＭ素子のプロファイルの変更が望ましい場合に、素子の最適なプロファイルの判定を実行可能である。コイル２００の最適なプロファイルの判定とは、ＴＥＭコイルにおいては、外部シールド部分２１０と、これと平行である内部導体又は導電性素子２１２を具備する伝送線路素子２０８は、コイルの制約と、例えば、可能な最も細いコイルが所与のアプリケーションにとって望ましいかどうかに応じて、多数の様々な形態をとることが可能であるという概念である。特定アプリケーションが、磁石内の解剖又はリアル・エステート（real estate）であるかを問わず、上記アプリケーションにとって最適であると考えられる様々な異なる伝送線路セクションが存在する。内部導体は、例えば、様々なサイズであってよく、且つ、様々な材料から製造可能であって、様々な離隔を具備可能であり、所与のコイル内において様々な数を具備可能であり、且つ、様々な空間的な向きを具備可能である。

本発明の別の実施例は、送信及び受信素子の能動的なデチューニングのためのマルチチャネル態様を伴っている。受動型コンポーネントを使用することにより、送信又は受信の際にコイルの画層生成品質を劣化させない素子をデチューニング可能である。これは、特に、端部トランスミッタコイル内に配置されたマルチチャネル素子の受信フェーズにおける、その他のコイル間におけるインピーダンス結合を伴う可能性もあろう。この実施例は、例えば、アレイボリュームコイルなどからＴＥＭ送信コイルを能動的にデチューニングする段階を伴うことになろう。例えば、フェーズドアレイボリュームコイルから、例えば、ＴＥＭ又は伝送線路アレイボリュームコイルなどのパラレルアレイボリュームコイルから。この態様により、オペレータは、ＴＥＭボリュームコイルをデチューニング可能である。

図２６を参照すれば、ＴＥＭコイル３００は、ＴＥＭコイル３００内においてネストされるべく適合された（一般に、フェーズドアレイ又はパラレルアレイとも呼ばれる）ループアレイコイル３０２を有する状態において示されている。コイル３０２のアレイ素子は、伝送線路素子から製造可能であり、又は、標準コイルであってもよく、或いは、これらは、コイル素子が図２６に示されているようにワイヤループ３０４の複数の素子であるか又はフォイルループであるパラレルアレイであってもよいであろう。この実施例は、送信コイルと関連したＴＥＭ技術を、パラレルアレイ又はフェーズドアレイと呼ばれるループアレイ素子３０４を有するネストされたシリンダと組み合わせている。ループアレイ３０２は、ＴＥＭコイル３００内において「ネスト」されるように適合されることになろう。外部ＴＥＭコイル３００を使用することにより、均質な（例えば、均一な）高周波（ＲＦ）磁界を送信可能であり、且つ、次いで、ＴＥＭコイル３００内においてネストされたループアレイ３０２を使用することにより、信号を受信可能であろう。ループアレイ３０２は、画像生成対象である物体（例えば、対象である身体の部分）に相対的に近接してフィットするように適合（例えば、成形及び／又はサイズ設定）可能であり、且つ、従って、この結果、相対的に大きな感度をもたらすことができる。このような実施例は、高度に均質なＲＦ送信の利益を、高感度な受信と、２つのコイルの組み合わせの使用によってもたらされる速度向上の可能性と組み合わせている。ＴＥＭ送信コイル３００は、先程詳述したように、高フィールド強度の均一な磁界を提供可能である。いくつかの実施例においては、ＴＥＭコイル３００を使用することにより、送受信の両方を実行可能であり、従って、オペレータは、ＴＥＭコイル３００によって送信し、次いで、ループアレイ３０２及びＴＥＭコイル３００の組み合わせによって受信し、画像生成信号を生成可能であろう。

継続して、図２６を参照すれば、本発明の１つの実施例は、伝送線路素子３０６及びループ素子３０４の使用を組み合わせ可能である。伝送線路素子３０６及びループ素子３０４の組み合わせは、互いに直交する磁界を生成する。例えば、図２６（Ａ）に示されているように、伝送線路素子３０６は、フィールド３０８を生成可能であり、ループ素子３０４は、フィールド３０８のものに対して実質的に垂直であるフラックス線を有するフィールド３１０を生成可能である。ループ素子３０４は、空間内にダイポールを生成する。このように生成された互いに直交するフィールド成分の使用法は、改善された画像生成を提供し、これにより、信号対雑音比（ＳＮＲ）の改善を提供することが判明している。ＳＮＲの改善は、線路ループの組み合わせ当たりに、約２の平方根の倍率となろう。いくつかの実施例においては、伝送線路素子３０６及びループ素子３０４は、線路ループの組み合わせの所望の数及び構成を提供するべく、数及び形状において整合されている。又、このような線路ループの組み合わせの構成の使用法は、同時に線路ループの組み合わせによる２つの完全な独立したＭＲコンポーネントからの送信及び受信に起因し、伝送効率における改善をも提供可能である。可能な一実施例においては、ループコイル３０２は、線路コイル３００内においてネストされると共に、これと１つに接続可能であり、且つ、組み合わせコイルは、（例えば、前述のように、実質的に反応性結合を介して）２つ以上のセクションに分離可能となるべく適合可能であり、これにより、多数の外部接続に対するニーズを除去している。当然のことながら、当業者であれば、これらの開示の利益を有するように、線路コイル及びループコイルのその他の組み合わせを構成することも可能であり、そのような実施例も、特許請求されている発明の範囲内に属するものと想定され、且つ、判断される。

この概念は、前述のような分離可能なコイルアレイに限定されるものではなく、大部分の任意のタイプのコイルボディタイプに拡張可能であろう。更には、両方のコイルを、２つを安定して効率的な方法によってメーティング（mating）させる任意の機械的な手段などの大部分の任意の方法によってメーティング及びネスト可能であり、且つ、コネクタ手段は、オペレータがネストされたコイルを外部コイル内にスライドできるように、メーティングコネクタを具備可能であり、且つ、ネストされたコイルを受け付けるべく、プラグ（又は、その他の適切な電気機械的な結合）が外部コイル内に提供されることになることが考えられる。例えば、特定の実施例においては、外部コイル内のスロットを使用することにより、ネストされたコイルからのピン接続を受け付け可能であろう。更には、このようなスロット（又は、それらの等価物）を使用することにより、最適な送信及び受信のために両方のコイルをアライメントすることも可能であろう。いくつかの実施例においては、外部コイルは、ドッキングステーションのように機能するべく適合されており、これにより、いくつかの異なるタイプのネストされたコイルを相互交換可能に受け付けて特定のアプリケーションに従ってプラグインする能力を提供可能である。

本発明のいくつかの実施例は、１つにフィットすると共に、性能を改善するべく統合された方式によって協働する（例えば、効率性及び／又は画像生成品質を改善する）コイルのペア（又は、２つ以上のコイルの組み合わせ）を製造する段階を伴っている。図示の実施例においては、外部コイル３００の伝送線路素子３０６は、ネストされたループアレイコイル３０２のループ素子３０４と組み合わせられることにより、画像生成のための最適なフィールドを生成している。様々な代替の組み合わせは、素子ごとの円偏光されたフィールド、特定の所望のフィールド形状を実現するための２つのコイルの組み合わせ、快適な又は人間工学的な配置の特定の空間を実現するための２つのコイルの組み合わせ（例えば、患者の快適さのためのもの）、或いは、異なるサイズの患者に異なるサイズのネストされたコイルを使用する能力を具備した相対的に大きな送信コイルを製造するための２つのコイルの組み合わせを包含可能であろう。

本発明の別の実施例は、多機能画像生成を実現する着脱自在のレシーバアレイを伴っている。このレシーバアレイは、ＴＥＭ送信コイル内に挿入可能であるコイル上に配設されている。様々なコイル構成は、例えば、解剖学的に固有のコイル（例えば、膝コイル、肘コイルなど）や交互軸検知コイルなど、並びに／或いは、１つ以上の多機能変形を実装するべく構成可能である電子回路と共にコイル上に配置可能な異なる数のチャネル（例えば、８、１２、１６チャネル）を実現可能である。パラレル画像生成の場合には、チャネル数の増大は、画像生成速度の向上を更なる利益として提供可能である。

コイル（例えば、ＲＦ画像生成コイル）をＭＲシステムと共に使用する際には、コイルは、通常、システムの残りの部分に結合される（例えば、ＴＥＭコイルの動作に結合される）。これを実現可能な１つの方法は、ＲＦフロンドエンドを使用することによるものである（図２７及び図２８に示されている）。ＲＦフロントエンドは、様々な画像生成アプリケーション又は構成用のシステムに様々なコイルが結合されることを許容するシステムの一部を形成可能である。例えば、システムは、通常、（例えば、均質なフィールドを生成するべく）相対的に大きな送信コイルを含んでいる。いくつかの異なる受信コイルは、送信コイル内においてメーティングするべく適合可能である。本発明のいくつかの実施例においては、送信コイル及び受信コイル間における電気的及び機械的な接続を標準化することにより、いくつかの異なる（例えば、サイズ、形状、動き、機能などが異なる）受信コイルを効率的な方式（例えば、相互交換可能な方式）によって１つにメーティングすることが実現可能である。この結果、オペレータは、アプリケーションに応じて様々な異なるコイルを利用すると共に、（例えば、電気的及び／又は機械的な）インターフェイスを使用してそれらを結合し、標準化されたシステムを生成可能であろう。現在のシステムは、オペレータが、使用対象の特定のコイルために結合及び接続を再構成することを必要としている。

本発明の様々な実施例においては、送信コイルと電気的及び機械的に結合し（例えば、同一の結合スロット内にスライドし）、単一の送信コイルと共に様々な特殊コイルを使用する能力を提供するために、例えば、患者の頭全体の画像を生成するための、患者の頭の一部の画像を生成するための、患者の１つの眼（又は、複数の眼）の画像を生成するための、又は、患者の膝を画像を生成するためのいくつかの異なるＲＦコイルのすべてが適合されることになろう。従って、オペレータが、特定の画像生成アプリケーションについて、ＲＦコイルをコイル３００内にスライドさせた際に、機械的な接続がコイル並びにＲＦ接続間において生成される。いくつかの実施例においては、ネストされたコイルの一部分内において、同軸コネクタ３１２（図２４、図２６参照）を同軸コネクタ（又は、同軸ケーブル）と接続可能である。又、いくつかの実施例においては、ＤＣ接続３１４（図２６参照）を提供することにより、コイルに対するＤＣ電力を実現することも可能である。例えば、ＤＣ電流を使用して信号をピンダイオード３１５（図３２参照）に提供可能であり、送信動作の際にレシーバ装置を能動的にデチューニングするべく、このピンダイオードを適合することが可能である。

本発明のその他の実施例においては、単一コイルは、多機能又は多用途又は多チャネルコイルとして使用するべく構成可能であってよい。このようなコイルは、例えば、８又は１６チャネルレシーバとして、或いは、単一チャネルＴＥＭボリューム受信コイルとして電子的に構成可能である。特定の実施例においては、単一チャネルＴＥＭコイルは、分光分析のためのトランスミッタ及びレシーバの両方として機能可能である。この実施例においては、単一コイルは、様々な機能をサービスするべく電子的に再構成可能である。例えは、患者の眼の画像を生成するべく、オペレータは、送信ＴＥＭコイルによって送信可能であり、且つ、画像生成信号を（例えば、それぞれの眼ごとに１つのループである）２つのループを有するコイルを使用して受信可能であろう。１つの眼のみの画像生成が望ましい場合には、例えば、ピンダイオード３１５（図３２）を介して１つループをターンオフし、（例えば、対象の眼と関連付けられたループ）もう１つのループをオン状態に残せばよい。両方の目を観察するには、オペレータは、もう１つのループに再度エネルギーを供給可能であろう。これは、既存の２つのループ眼コイルを電子的に再構成することにより、コイルの変更を伴うことなしに、いずれかの眼又は両方の目を観察する一例である。

従って、本発明のいくつかの実施例によるコイルシステムは、電子的に構成可能である。従って、オペレータは、異なる素子をターンオン及びオフすることにより、画像生成における柔軟性を実現可能であろう。患者の内部におけるＲＦ磁界は、それぞれのコイル素子からの重畳されたフィールドの寄与の結果である。本実施例は、線路素子及び／又はループアレイ素子の様々な組み合わせを選択的にターンオン又はオフし、これにより、様々なフィールドの重畳及び状態を生成してＲＦフィールド内における様々な望ましい効果を生成可能であることを示唆している。例えば、頭の全体の画像を生成するべく意図された線路素子を有するコイル内において、オペレータは、後頭部のみの画像を提供するべく、後頭部に近接した素子をターンオン（し、且つ、前頭部に近接したものをターンオフ）可能であろう。このように線路素子を選択する能力は、結果的に、相対的に少ない電力消費量をもたらし、且つ、これは、（例えば、相対的に少ない時間及び相対的に少ない露出という観点において）患者にとっても有益であろう。これは、例えば、それぞれのこのような線路素子内に配置されたピンダイオード３１５を使用して実現可能であり、これにより、オペレータは、アプリケーションに従って素子を選択及び選択解除可能である。又、オペレータは、その他の方法によって素子を制御することも可能である。オペレータは、例えば、それぞれのものの周波数を変更することにより、又は１つ以上の周波数を送信することにより、又はそれぞれのものの位相を変更することにより、素子（並びに、従って、ＲＦフィールドの特性）を制御可能である。ピンダイオード３１５は、位相シフタ、周波数シフタ、及びオン／オフスイッチを制御するべく電子的に構成可能であってよい。

以上の説明は、先程提供されたものなどの分離可能なコイルシステムを包含するべく拡張可能であろう。このような一実施例においては、送信及び受信コイルは、互いに分離可能であってよく、且つ、特定の実施例によれば、互いに反応性結合されるべく適合可能である。

本発明は、多数の形態及び実施例をとることが可能であることを理解されたい。本発明の様々な実施例は、添付の請求項に定義されており、且つ、本明細書に提示されている特定の実施例は、本発明の範囲を限定することを意図したものではない。

共振器の構造の分解図である。 図１による共振器の構造のプロファイル図である。 本発明の一実施例による共振器の内部構造の分解図である。 本発明の一実施例による共振器の分解図である。 本発明における共振器内のシミュレートされた被検者の頭部の側面プロファイル図である。 従来技術によるバードケージ型コイルのプロファイル図である。 ＴＥＭ空洞共振器のプロファイル図である。 本発明の一実施例による共振器のプロファイル図である。 本発明の一実施例による共振器のプロファイル図である。 図２ａに示されている共振器の分解拡大図である。 本発明における共振器の分解正面プロファイルである。 本発明における共振器の背面プロファイル図である。 本発明における共振器の正面プロファイルである。 集中定数素子共振器回路を類似の伝送線路に例える図である。 集中定数素子共振器回路を類似の伝送線路に例える図である。 集中定数素子共振器回路を類似の伝送線路に例える図である。 集中定数素子共振器回路を類似の伝送線路に例える図である。 本発明による高周波ボリュームＭＲコイルに使用される同軸空洞を概略的に示す図である。 本発明による高周波ボリュームＭＲコイルに使用される同軸空洞を概略的に示す図である。 本発明によるチューニング済みＴＥＭ共振器を概略的に示す図である。 本発明によるチューニング済みＴＥＭ共振器を概略的に示す図である。 ８素子ＴＥＭ共振器のモードの図である。 本発明による８素子ＴＥＭ共振器の５のモードにおけるＢ₁フラックス線表現を示す図である。 本発明による８素子ＴＥＭ共振器の５のモードにおけるＢ₁フラックス線表現を示す図である。 本発明による８素子ＴＥＭ共振器の５のモードにおけるＢ₁フラックス線表現を示す図である。 本発明による８素子ＴＥＭ共振器の５のモードにおけるＢ₁フラックス線表現を示す図である。 本発明による８素子ＴＥＭ共振器の５のモードにおけるＢ₁フラックス線表現を示す図である。 本発明による頭部が装填されたコイルのモード１における時間依存Ｂ₁磁気ベクトルイクイポテンシャルを示す図である。 本発明によるファントム及び頭部が装填された共振器のモード１における時間依存Ｂ₁等高線を示す図である。 本発明によるファントム及び頭部が装填された共振器のモード１における時間依存Ｂ₁等高線を示す図である。 本発明によるチューニング済みＴＥＭ共振器の代替回路モデルを示す図である。 本発明によるチューニング済みＴＥＭ共振器の代替回路モデルを示す図である。 本発明による高周波大ボリュームＭＲコイル用のチューニング済みＴＥＭ共振器の斜視正面図である。 本発明において使用される被駆動同軸線路素子の回路図である。 本発明による１６素子共振器の共振を示す伝送帰還損失の図である。 本発明による高周波大ボリュームＭＲコイルのデュアル周波数チューニング可能ＴＥＭ共振器の斜視正面図である。 図１８の一部の断面図である。 本発明の実施例におけるデュアル端部開放型ＴＥＭ共振器の実施例を示す図である。 本発明の実施例におけるデュアル端部開放型ＴＥＭ共振器の実施例を示す図である。 本発明の実施例におけるデュアル端部開放型ＴＥＭ共振器の実施例を示す図である。 本発明の実施例におけるＴＥＭ共振器内のコイル素子の実施例を示す図である。 本発明の実施例におけるＴＥＭ共振器内のコイル素子の実施例を示す図である。 本発明の一実施例におけるコイル用のシールド構造の切取図である。 本発明の実施例におけるＴＥＭ共振器用のいくつかの構造の実施例を示す図である。 本発明の実施例におけるＴＥＭ共振器用のいくつかの構造の実施例を示す図である。 本発明の実施例におけるＴＥＭ共振器用のいくつかの構造の実施例を示す図である。 本発明の実施例におけるＴＥＭ共振器用のいくつかの構造の実施例を示す図である。 本発明の実施例におけるＴＥＭ共振器用のいくつかの構造の実施例を示す図である。 本発明の実施例におけるＴＥＭ共振器用のいくつかの構造の実施例を示す図である。 本発明の実施例におけるＴＥＭ共振器用のいくつかの構造の実施例を示す図である。 本発明の実施例におけるＴＥＭ共振器用のいくつかの構造の実施例を示す図である。 本発明の実施例におけるＴＥＭ共振器用のいくつかの構造の実施例を示す図である。 本発明の実施例におけるＴＥＭ共振器用のいくつかの構造の実施例を示す図である。 本発明の実施例におけるＴＥＭ共振器用のいくつかの構造の実施例を示す図である。 本発明の実施例におけるＴＥＭ共振器用のいくつかの構造の実施例を示す図である。

Claims (24)

1. 磁気共鳴画像生成用の高周波（ＲＦ）装置において、
   分離可能な２つ以上のセクションを具備した共振器コイルであって、前記セクションは、軸を中心として円周状に配設されて前記コイルを形成するべく適合されており、前記コイルは、自身を通じた空洞を定義している、共振器コイルを有しており、
   前記２つ以上のセクションのそれぞれは、少なくとも１つの伝送線路セグメントを含んでおり、
   前記２つ以上のセクションは、前記コイルを形成するべく配設された際に、反応性結合され、前記反応性結合は、前記２つ以上のセクションの任意のものに印加された励起エネルギーが、残りの前記セクション内に励起エネルギーを生成するように構成されており、
   前記２つ以上のセクションは、前記コイルを形成するべく配設された際に、電磁シールドを形成するべく適合されている高周波装置。
2. 前記少なくとも１つの伝送線路セグメントは、内部導体及び外部シールド部分を有しており、前記外部シールド部分は、磁性を有していない導電性材料から形成されている請求項１記載の装置。
3. 少なくとも１つの分離可能なセクションは、隣接する分離可能なセクションの外部シールド部分とオーバーラップする外部シールド部分を含む請求項２記載の装置。
4. 前記外部シールド部分は、銅を含む請求項３記載の装置。
5. オーバーラップする外部シールド部分は、連続したシールドを形成するべくそれぞれのセクションの間に形成されている請求項３記載の装置。
6. 前記伝送線路セグメントの前記内部導体は、電流を搬送するべく適合されており、前記外部シールド部分は、前記電流用の帰還路を提供するべく適合されている請求項３記載の装置。
7. 前記内部導体及び前記外部シールド部分は、前記コイルの軸と実質的にアライメントされている請求項３記載の装置。
8. 前記内部導体及び前記外部シールド部分は、誘電材料によって分離されている請求項３記載の装置。
9. 前記コイルの前記空洞は、両端部において開放し、これにより、略円筒形の構造を形成している請求項３記載の装置。
10. 前記空洞は、患者の四肢の部分に実質的に合致するように適合されている請求項９記載の装置。
11. 前記空洞は、患者の膝に実質的に合致するように適合されている請求項９記載の装置。
12. 前記電磁シールドは、隣接する物体からの雑音信号を低減するべく適合されている請求項９記載の装置。
13. 前記電磁シールドは、隣接する四肢からの雑音信号を低減するべく適合されている請求項１２記載の装置。
14. 前記外部シールド部分は、前記内部導体に電気接触を提供するための半径方向端部を含む請求項７記載の装置。
15. 前記外部シールド部分の間のオーバーラップは、実質的に連続した電磁シールドを形成するべく容量結合されている請求項３記載の装置。
16. 磁気共鳴画像生成用の高周波（ＲＦ）装置において、
    空洞を中心として円周状に配設された複数の伝送線路セグメントを具備したＴＥＭコイルトと、
    前記ＴＥＭコイルの前記空洞内にフィットするべく適合されたループアレイコイルであって、略円筒形の支持部、および前記支持部を中心として円周状に配設された複数のループ素子を有するループアレイコイルと、を有しており、
    前記ループアレイコイルは、前記ＴＥＭコイルによって形成された磁界に略直交するフィールド成分を生成するべく適合されている高周波装置。
17. 前記ＴＥＭコイルは、磁気共鳴画像生成用の送信コイルとして機能するべく適合されている請求項１６記載の装置。
18. 前記ループアレイコイルは、磁気共鳴画像生成用の受信コイルとして機能するべく適合されている請求項１６記載の装置。
19. 前記ＴＥＭコイルは、送信コイル及び受信コイルの両方として機能するべく適合されている請求項１８記載の装置。
20. 前記ループアレイコイルは、前記ＴＥＭコイルと機械的にメーティングするべく適合されている請求項１６記載の装置。
21. 磁気共鳴画像生成用の高周波（ＲＦ）装置において、
    空洞を中心として円周状に配設された複数の伝送線路セグメントを具備したＴＥＭコイルであって、前記ＴＥＭコイルは、前記ＴＥＭコイルの前記空洞内においてループアレイコイルを受け入れるべく適合されており、前記ループアレイコイルは、前記ＴＥＭコイルによって形成された磁界に略直交するフィールド成分を生成するべく適合されている、ＴＥＭコイルを有する高周波装置。
22. 前記ＴＥＭコイルは、前記ＴＥＭコイルの前記空洞内に複数のループアレイコイルを受け入れるべく適合されている請求項２１記載の装置。
23. 前記ＴＥＭコイルは、前記ＴＥＭコイルの前記空洞内にループアレイコイルを受け入れるべく適合されており、前記ループアレイコイルは、特定タイプの物体の画像を生成するべく適合された様々なループアレイコイルから選択可能である請求項２１記載の装置。
24. 前記ＴＥＭコイルは、人間の身体部分の画像を生成するべく適合されたループアレイコイルを受け入れるべく適合されている請求項２３記載の装置。

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