JP2010512924A - Ｍｒイメージングシステムに用いられるｒｆコイル - Google Patents

Abstract

ＲＦ励起信号を送信し、及びＭＲ緩和信号を受信するための、ＭＲイメージングシステムのためのＲＦアンテナとして使用されるＲＦコイルが提案される。本発明のＲＦコイルは、互いに容量結合されるパッチ１のアレイを含む。このパッチのアレイは、少なくとも１つの磁場様式を生成するよう表面電流が共振的に励起される共振表面を形成する。

Description

本発明は、ＲＦコイル、ＲＦアンテナ、又は１つ若しくは複数のＲＦコイル若しくはＲＦアンテナを有するＲＦアンテナシステムに関し、特にＲＦ励起信号（Ｂ_１場）を送信及び／又はＭＲ緩和信号を受信するためのＭＲイメージングシステムに用いられるＲＦアンテナシステムに関する。本発明は更に、斯かるＲＦアンテナシステムを有するＭＲイメージングシステムに関する。

ＭＲイメージングシステムのためのＲＦ／ＭＲアンテナは、特に検査される全身を撮像するためＭＲイメージングシステムの検査空間内に固定して取り付けられるＲＦ／ＭＲボディコイルの形で、及び検査される局所ゾーン又は領域に直接配置され、かつ例えば頭部コイルといった柔軟なパッド、スリーブ又はケージの形式で構築されるＲＦ／ＭＲ表面コイル又は局所コイルの形で知られる。

米国特許出願公開第２００６／０２３８１９７号は、検査ボリュームに配置される検査対象物における磁気共鳴信号を励起させるための送信アンテナと、検査ボリュームに相対的に配置され、励磁周波数で振動する電場を放出する追加的なＲＦ源と、上記追加的なＲＦ源により生成される電場から上記検査ボリュームを保護する、上記追加的なＲＦ源と上記検査ボリュームとの間のバリアとを有する磁気共鳴装置を開示する。このバリアは、それぞれが励磁周波数で固有に共振する複数の個別の共振器を有する。各個別の共振器は、２つのコンデンサ面を有し、第１の面が上記ＲＦ源に面する。第２の面は、検査ボリュームに面する。この場合、両方のコンデンサ面は、コイルのみを介して互いに電気的に接続される。

一般に、他のＲＦアンテナと同様特にボディコイルが、ＭＲイメージングシステムの周囲の空間及び他の外側の要素に対するＲＦスクリーンを用いて保護又は遮蔽されることになることが明らかにされた。他の外側要素は、例えば、基本的な磁場（Ｂ_０場）を生成するための磁石システム、及び傾斜磁場を生成するための傾斜磁場コイルがある。斯かるシールドにより、これらの要素との有害な交互作用、例えばこれらの要素によるＲＦ放射の乱れが回避され、関連するＲＦアンテナに関するうまく規定されたＲＦ環境が与えられ、ＲＦ損失及びＲＦアンテナの最大撮像野（ＦＯＶ）の外側にある空間の望ましくないＲＦ励起が最小化される。

頭部コイルといったより小さなＲＦ／ＭＲコイル、又はＲＦ／ＭＲ表面ループでさえ通常、ＲＦスクリーンから利益を受ける。なぜなら、ＲＦスクリーンが、ＲＦ／ＭＲボディコイルへの、及び検査される身体の外部領域への望ましくない結合を減らすからである。

高磁場強度（例えば７Ｔ）において、ＲＦスクリーンは、患者の頸部及び肩領域に対する放射及び結合を介しての過剰なＲＦ損失を回避するため、頭部コイルにとっても不可欠である。後者の目的に関して、国際公開第２００６／１２０５８８号にて開示されるように、頸部側開口部における追加的なリングタイプＲＦシールドが、多くの改善を与えることがわかった。

いわゆる「完全電気導体」（ＰＥＣ）のできるだけ近くに来るようなシールド面を提供するため、ＲＦスクリーン又はシールドは通常、良好な電気導体のシート又は狭いメッシュから作られる。

ＭＲ／ＲＦアンテナ又はコイル構造体の一方の側の金属スクリーンのシールド機能について考慮すべき不都合点は、ＲＦスクリーンによりもたらされるミラー電流であって、ＲＦアンテナ若しくはコイル構造体のプライマリ電流、又はＲＦアンテナ若しくはコイル構造体におけるプライマリ電流に対して反対方向を持つミラー電流によって、アンテナ又はコイル構造体の電流感度が大幅に減らされるということである。

より詳細には、シールド金属表面において、ＲＦコイル構造体の導線におけるプライマリ電流とは反対方向に電流は流れる。こうして、ＲＦスクリーンの外側で所望のシールド機能が与えられる。しかしながら、この電流は、送信ＲＦコイルの場合におけるその撮像野（ＦＯＶ）に含まれるＲＦコイル構造体により生成される磁場もかなり減らす。相互関係が原因で、ＲＦ／ＭＲ受信アンテナ又はコイル構造体の感度に関して、上記減少状態が成立する。

電気導電平面の単純なシナリオに関して、アンテナの平行なプライマリ電流と反対方向を持つ、スクリーンの後で同じ距離にある画像電流により、その効果が正確に記述されることができることはよく知られている。（無限長の）円筒状スクリーンに対して、振幅は等しいが、スクリーン半径（Ｒ_{ｉｍａｇｅ}＝Ｒ^２ _{ｓｃｒｅｅｎ}／Ｒ_{ｏｒｉｇｉｎａｌ}）での「ミラー化された」元の電流の放射状位置により与えられる放射状位置で反対方向を持つ画像電流のモデルは、スクリーン自体において励起された電流分布と同じ効果を持つ。結果として、ＦＯＶにおけるある距離での送信コイルの電流担持導体により生み出されるＲＦ磁場は、電流の大きさ、及び導体とスクリーンとの間の距離におよそ比例する。

特にＲＦボディコイルを設計するときに、これらの関係は通常考慮すべき問題を課す。なぜなら、ＭＲシステムのＲＦボディコイルにおける最大フリーアクセス直径が、売上げ／マーケット・シェアに非常に影響する基本的なシステムパラメータの１つになったからである。それに従って、ＲＦスクリーン分離に対するできるだけ最小のＲＦ／ＭＲコイルを用いてデザインを作り出すことが望ましい。即ち、上記の関係を保ちつつ、確立された又は必要とされる値を下回るまでＢ_１（ＲＦ）磁場強度を減らすことなしに、全体としてできるだけ薄いコイルを作ることが望ましい。

ＲＦヘッドコイルの場合、外側の円筒状スクリーンへの分離は、ほとんどの場合デザイン上の問題としては大きなものではない。なぜなら通常、コイルの外側では十分なスペースが利用可能だからである。しかしながら、コイルがより薄いと通常軽量化という利点を持つことになり、外径を同じに保って内径が広げられる場合、患者に対する快適性が一層得られることになる。より重要なのは、コイル構造体の１つの端部に近いことが原因で非対称性をもたらす、頸部側開口部における横断リングタイプシールドの影響である（近接する端部リングと結合することが原因で、ＴＥＭ要素で作られるコイルよりも鳥かごタイプコイルにおいてより重要になる）。

ＲＦスクリーンを備えるループタイプＲＦコイルに対して、ループデザインに対する薄いＲＦスクリーンが好まれる観点から４つの理由が挙げられることができる。即ち、軽量であること、スペース消費が小さいこと、必要とされる領域が過剰でないこと、隣接ループに対する結合が減らされることである。

頭部コイル及びループタイプコイル周辺の近接ＰＥＣ（完全電気導体）シールド、又は他のＲＦアンテナの共通の主要な欠点は、（電流）感度の減少である。詳細には、ループ又は他のコイル要素からの距離の関数として、感度がより急速に減少することである。後者は、ＰＥＣスクリーンによりもたらされる「プライマリ」ループ（即ちＲＦアンテナ）及び反対電流フローを備える「ミラーループ」が、ＲＦ送信の場合第１のオーダーのＲＦ傾斜コイル、又はＭＲ受信の場合ＦＯＶから生じる磁束に関する第１のオーダーの磁気傾度計を形成することを認識することにより理解されることができる。近接ＰＥＣスクリーンが、小さなループを磁気双極子タイプセンサから四極子センサに変換すると言うこともできる。

近接ＰＥＣスクリーンの第２の欠点は、それが、ＲＦ／ＭＲループ又は他のコイル要素若しくはアンテナのインピーダンスレベルをかなり減らすということである。これは、増幅器に対するマッチングをより困難なものにする。（単一のミラーループに対する結合係数が０＜ｋ＜１である場合、インピーダンスは、プライマリループの自由空間値の（１−ｋ）倍にまで落ちる。）

これらのＲＦ／ＭＲアンテナ、特に局所ループタイプコイルの別の側面は、通常アンテナ又はコイルの感度機能の半分が「無駄」である点である。なぜなら、（患者といった）検査対象物は、アンテナ一方の側にのみ配置されるからである。一方、検査対象物の向こうへ又は検査対象物から離れて向けられるその反対又は「背面」には、アンテナにより受信されることができる有益な「情報」が存在しない。

本発明の基礎をなす１つの目的は、上述されたように反対側で金属ＲＦスクリーンを具備するＲＦ／ＭＲアンテナシステムと比べて、片側での改善された効果又は感度を持つ、冒頭部で述べたようなＲＦ／ＭＲアンテナシステム又はＲＦ／ＭＲコイルを与えることである。

上記目的は、請求項１に記載の、ＲＦ励起信号を送信する及び／又はＭＲ緩和信号を受信する、ＭＲイメージングシステムのためのＲＦコイルであって、磁気導体又は磁壁といったＲＦ／ＭＲ周波数帯において作動するメタ物質と結合して与えられる又はメタ物質を有するＲＦコイルにより解決される。

従属項は、本発明の有利な実施形態を開示する。

一般に、本発明によれば、ＲＦ／ＭＲ送信／受信アンテナ又はコイル構造体又は磁気共鳴イメージングシステムのためのコイルを、アンテナのＲＦスクリーンをＲＦ／ＭＲ動作周波数帯における磁壁のように振る舞わせるいわゆるメタ物質と組み合わせることが提案される。組合せは、特にＰＥＣスクリーンをメタ物質で置換する形で、及び／又はＰＥＣスクリーンの前にメタ物質を配置する形で、及び／又はＰＥＣスクリーンとメタ物質とを別の態様で組合せる形で与えられることができる。

メタ物質自体は、通常、金属的な接地面（ＰＥＣ）上に配置される誘電体、ワイヤ及び金属パッチ（「パッチアレイ」）を有する共振周期的構造体である。この構造体は、少なくともＲＦ／ＭＲ動作周波数帯においてできるだけ「完全磁気導体」（ＰＭＣ）のように振る舞うようチューニングされる。

ＰＭＣは、アブストラクション（abstraction）（即ち、デュアルＰＥＣ）である。これは、特定の対称性特性を用いて問題を解析するために「理論的な電磁気学」において使用される。ＰＭＣは、天然材料の形では存在しない。

ＰＥＣにおいては、電場ＥがＰＥＣ平面に対して垂直であることを強いられ、磁場Ｈは平行であることを強いられる。ＰＭＣ平面での境界条件はちょうど逆である。その結果、電場ＥがＰＭＣ平面に対して平行であることを強いられ、磁場Ｈは垂直であることを強いられる。

本文脈において、最も興味深い特性は、ＰＭＣスクリーンの「後ろ側」に存在する均等なミラー電流が、（スクリーン表面に平行な）元の電流と同じ向きを持つということである。スクリーン面に対して垂直な（normal）電流は、ＰＥＣ面に対して同じ符号を持ち、ＰＭＣ面に対して反対の符号を持つ。

ＰＭＣ物質は天然材料の形では存在しないが、制限された帯域幅における高周波数でＰＭＣ挙動を模倣する、良く知られた技術的な物質の組合せが発見され、デザインされた。斯かるメタ物質は、略語ＨＩＳ（高インピーダンス表面）、ＡＭＣ（人工的磁気導体）、ＥＢＧ（電磁バンドギャップ物質）及びＦＳＳ（周波数選択表面）の下でのマイクロ波領域における用途に関する最近のアンテナ文献に記載される。

ＨＩＳ、ＡＭＣ又はＥＢＧは、磁気導体であり、（「完全な」磁気導体であるＰＭＣに反して）特定の（制限された）周波数帯においてのみ電気的ＡＣ電流を導通しない。それに応じて、制限された周波数帯のみにおいて同様に、電場ＥはＨＩＳ−、ＡＭＣ−又はＥＢＧ−平面に平行であることを強いられ、磁場Ｈは垂直であることを強いられる。しかしながら、この周波数帯がＲＦ／ＭＲ周波数帯である場合、斯かるＨＩＳ−、ＡＭＣ−又はＥＢＧ−平面を用いるとき、ＲＦ／ＭＲプライマリ（アンテナ）電流のＲＦ／ＭＲ画像電流は、（ＰＥＣスクリーンの場合における位相外れではなく）同相に見える。このことは、プライマリアンテナ又は構造体によるＲＦ場生成を補助する。更に表面波の伝播はサポートされない。こうして、隣接構造体への不必要な結合が減らされ、スクリーンエッジからの不必要な放射が減らされる。

本発明によれば、特に典型的なＲＦ／ＭＲ周波数での動作のために設計されるＡＭＣメタ物質をＲＦ／ＭＲアンテナ又はコイルと結合することが提案される。

斯かるＡＭＣメタ物質の形で構築されるＲＦスクリーンは、コイルの「外界」の方へ向かう法線方向の金属スクリーン（ほぼＰＥＣスクリーン）の特性と、少なくともＲＦ／ＭＲ動作可能周波数帯において、コイルの方へ向かうほぼＰＥＣスクリーン特性とを結合する。それ自身のＡＭＣ帯域幅の外側の周波数において、コイル側でのスクリーンの挙動は、およそＰＥＣタイプのスクリーンに近づく。

メタ物質自体はチューニングされた共振表面である。これは、新規なＭＲコイル特性をもたらす。従来のＲＦスクリーンの代わりに特にＡＭＣメタ物質を利用するＲＦ／ＭＲコイルは、電流感度を犠牲にすることなくより薄く又はより短くなることができる。また、これらのコイルは、従来の大きさでより高い電流感度を実現することができる。

新規な薄いＲＦ／ＭＲアンテナ又はコイルは、本コイル構造体の代わりに励起されたＡＭＣメタ物質自体を用いて与えられることができる。

例えばメタ物質のパッチ間に接続されるコンデンサの１つ又は複数をオン／オフに切替えることにより、メタ物質の共振周波数が制御可能にされるとき、これは、結合又は減結合、インピーダンス及び他の特性に関して制御されることができる新規なＲＦ／ＭＲアンテナ又はコイルをもたらす。

背部にＡＭＣがあるコイル要素と「金属スクリーン」があるコイル要素との組み合わせが、幾何学的に低い(low)コイルプロファイル内で横方向の電流感度プロファイリングを実現することを可能にする。

コイル特性を改善することに加えて、電気導体表面から磁気導体表面への変化に対応して、（ＡＭＣに対して平行な）Ｅ場及び（ＡＭＣに対して垂直な）Ｈ場に関する２つの境界条件を反転させるため、ＲＦ場に露出されるＭＲイメージングシステムの金属表面をＡＭＣ物質で少なくとも部分的に覆うことが有利である。これは、空間Ｂ_１場品質の改良をもたらすことができる。

例えば頭部コイルの頸部側端部での横断リングシールドといったコイル特性に関する望ましくない逆動があるＲＦスクリーンの場合、ＰＥＣスクリーンをＰＭＣで部分的に覆うことは、この効果を最小化するために使用されることができる。

結果的に、実質的な有益な利点は、ＲＦ送信アンテナ又はコイルの観点からは、上記したようにミラー電流が元の電流を減らす代わりに、元の電流の効果を強化する点にある。ＰＭＣスクリーンがプライマリ電流担持導体に近ければ近いほど、この効果はより大きいものになる。

実質的に有益な利点は、ＭＲ受信アンテナ又はコイルの観点からは、磁気傾度計（四極子）効果が観察されない点にある。上記したようなループコイルの「背面」の感度を利用してこなかったこれまでのものが、ＦＯＶ側に正の符号で「反射」され、（理想的な限界において）感度が２倍まで上昇された。即ち、ＳＮＲの２倍でなく、電流又は電圧感度の２倍である。

ＲＦ／ＭＲアンテナ又はコイルのインピーダンスレベルは、自由空間における、同じアンテナ又はコイルのインピーダンスレベルの２倍（（１＋ｋ）倍）にまで形成されることができる。これは、プリアンプに対する整合をより容易にし、従って、結局アンテナ又はコイルのＳＮＲが改善される。

最終的に、新たな平面共振パッチアレイＲＦ／ＭＲアンテナ又はコイルが与えられる。これは、円形偏光を含むＢ_１場の３軸制御が可能であり、３つの直交基本共振モードを持つことができる。これらのモードは、同じＲＦ周波数にチューニングされることができる。パッチアレイにおける関連電流分布によるこれらのモードの励起は、３つの軸におけるＲＦ励起場（Ｂ_１場）を制御することを可能にする。これは、選択可能な法線方向を持つ円形偏光の生成を含む。

ＰＥＣ接地面より上にパッチアレイ構造の形で実現されるＡＭＣ構造体の概略的な表示を示す図である。 本発明の第１の実施形態による、パッチアレイ構造体上の表面電流密度分布の概略的な表示を示す図である。 図２に記載の構造体の接地までの法線距離と磁場強度とのグラフを示す図である。 本発明の第２の実施形態による、パッチアレイ構造体上の表面電流密度分布の概略的な表示を示す図である。 本発明の第３の実施形態による、パッチアレイ構造体の概略的な第１の表示を示す図である。 図５に記載のパッチアレイ構造体の概略的な第２の表示を示す図である。 電流ループの第１の位置決めに対する異なるタイプの接地面に関して、図５に記載の構造体の接地までの法線距離と磁場強度とのグラフを示す図である。 電流ループの第２の位置決めに対する異なるタイプの接地面に関して、図５に記載の構造体の接地までの法線距離と磁場強度とのグラフを示す図である。 電流ループの異なる位置決めに対する接地までの法線距離と図５に記載のパッチアレイ構造体の感度との関係を比較するためのグラフを示す図である。 電磁場計算プログラムにおいて実現される正方形ユニット要素を備える平面共振パッチアレイアンテナの第１のモデルの概略的な表示を示す図である。 ループ励起を備える図１０に記載のアンテナ上の表面電流密度分布の概略的な表示を示す図である。 線形励起を備える図１０に記載のアンテナの上の表面電流密度分布の概略的な表示を示す図である。 異なるフリンジ容量に関して図１１及び図１２に記載のアンテナに対する共振周波数のグラフを示す図である。 線形励起を備える図１０に記載のアンテナであって、ループ及び対角モードでの等しい共振周波数に対するフリンジ容量を用いて調整されるアンテナ上の表面電流密度分布の概略的な表示を示す図である。 ループ励起を備える図１０に記載のアンテナであって、ループ及び対角モードでの等しい共振周波数に対するフリンジ容量を用いて調整されるアンテナ上の表面電流密度分布の概略的な表示を示す図である。 対角及びループ励起に関する接地面より上の高さと磁場の大きさの相対的な減少とのグラフを示す図である。 電磁場計算プログラムにおいて実現される円形環セクターユニット要素を備える平面共振パッチアレイアンテナの第２のモデルの概略的な表示を示す図である。 線形励起を備えるＰＥＣ接地の上の図１７に記載のアンテナ上の表面電流密度分布の概略的な表示を示す図である。 線形励起を備える円形下部プレートの上の図１７に記載のアンテナ上の表面電流密度分布の概略的な表示を示す図である。 ループ励起を備えるＰＥＣ接地の上の図１７に記載のアンテナ上の表面電流密度分布の概略的な表示を示す図である。 ループ励起を備える円形下部プレートの上の図１７に記載のアンテナ上の表面電流密度分布の概略的な表示を示す図である。

添付の請求項により規定される本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の特徴が、任意の組合せにおいて結合されることができることを理解されたい。

本発明の更なる詳細、特徴及び利点は、図面を参照して与えられる本発明の好適かつ例示的な実施形態についての以下の説明から明らかになるだろう。

以下、少なくとも部分的なＡＭＣ接地面を備える基本的なコイル要素のいくつかの例示的な組合せが与えられる。これらの定量的な例は、ＡＭＣタイプの構造を備える典型的なＭＲコイル要素の組合せの改善された特性を示す。

「電磁場計算」プログラムは、これらの例における電流密度分布、並びに（ユビキタスＴＥＭ要素といった）接地面より上の金属ストリップ導体ブリッジの電流感度及び正方形ループの電流感度をシミュレーション及び解析するために使用されてきた。計算された電流密度分布を示す図２、４、１１、１２、１４、１５及び１８〜２１において、密度の度合いは、暗さの程度として示される。その結果、電流の密度が高ければ高いほど、関連する領域はより暗く示される。その逆も成り立つ。

ＡＭＣメタ物質は、図１に示されるように、ＰＥＣ接地面３によりその反対側において区切られる「空気」基板（即ちε_ｒ＝１）の形で、基板２の一方の側にパッチサイズが４×４ｃｍである正方形パッチ１を備えるパッチアレイ構造の形で実現される。全体の構造は、１ｃｍの高さを持つ。代替的に、平面に対してパッチ１のアレイが、曲面を形成することもできる。

パッチ１間の間隔は、計算プログラムを用いてのシミュレーションのため無限に狭いものとして規定され、この構造体がほぼ１２８ＭＨｚで共鳴するようにするエッジ容量で満たされる。実際的な実現においては、（構造体の共振周波数を制御するために、例えば切換可能である）間隔及びエッジ容量が、所望の共振周波数を得るためパッチサイズと共に選択される。

図２は、図１に記載のＡＭＣ構造体の表面電流密度分布を示す。図２に示されるようにこの構造体のプライマリストリップ４は、長さ２５ｃｍ、幅４ｃｍであり、ＰＥＣ接地面３より上２．５ｃｍの位置に配置される。このＡＭＣは、ストリップ４によりブリッジされる領域の下でかつこの領域内に対称的に配置される６ｘ５のパッチ１により構成される。ストリップ４は、ＰＥＣ接地３上に立つその端部から非対称に供給される。一般に、パッチアレイは、プライマリストリップ４（４２）を用いる代わりにパッチアレイにおける１つ又は複数の位置で電流を供給するための供給ラインに直接パッチアレイを接続することにより同様に励起されることができる。

図３は、グラフＡにおいて、ストリップ４の中心の上にある図２に記載のＡＭＣ構造体の磁場Ｈ１と距離との、中央を通る電流に対して正規化された関係を示す。ストリップ４に近いｚ＝４ｃｍでは、ＰＥＣ接地３単独の上の、即ちパッチアレイなしでのストリップ４の磁場強度Ｈ１（グラフＢ）と比較すると、磁場強度Ｈ１が３倍以上増加する。

更に離れてｚ＝２０ｃｍでは、裏にＡＭＣを持つストリップ４は、ＰＥＣ接地３単独の上のストリップ４と比較してほぼ１０倍の感度を持つ。上記したように、これは、ＡＭＣ構造体の距離に対する感度の減少があまり急峻でないことが原因である。

図４は、図２に記載のＡＭＣ構造体の表面電流密度分布を示す。しかしながら、図４では、プライマリストリップが、上部のＡＭＣ表面（パッチ１）とＰＥＣ接地３との間の半分の高さに配置され、（中央のパッチ柱のため）２つの平行なストリップ４２に分割される。このＡＭＣ構造体は、わずか１ｃｍの高さしかない。この構造体で得られる結果は、図２に記載の構造体と非常に類似する。

ストリップ４、４２を用いずにコーナーの柱を介して直接パッチアレイを励起することも可能である。しかし、この動作モードは、比較される「従来の」ＭＲコイルに相当するものを持たない。

その後、（ストライプ４、４２の代わりに）エッジ長が１２ｃｍである図５及び図６に記載の正方形ループコイル５を備えるＡＭＣ構造体の感度が、ＰＥＣ接地３の上の２５ｍｍ及び１５ｍｍの高さに関して解析された。ＡＭＣモデルは上述したように６ｘ６のパッチ１を有する。結果として、全体の構造体の側部長が２４×２４ｃｍとなる。ループコイル５は、ＰＥＣ接地３の上１５ｍｍの所にあるか、又はＰＥＣ接地３の上の１０ｍｍの高さを持つ有限なＡＭＣ構造体の上５ｍｍの所にある。

図６は、（図２及び図４において図示省略される）接地柱１１も示す。各柱は、パッチ１とＰＥＣ接地３との間で中央的に延在する。しかしながら、これらの柱１１の代わりに、接地戻り経路を形成するための金属ストリップが与えられることができる。

図７は、異なるタイプの接地面に対するＰＥＣ接地面３までの距離ｚと、１アンペアのループ電流に正規化されるループコイル５の中央の上の磁場Ｈとを示す。即ち、グラフＡはＰＭＣに関するものであり、グラフＤはＰＥＣに関するものであり、グラフＣは上記のＡＭＣモデルに関するものであり、及びグラフＢは自由空間、即ち接地面がないものに関するグラフである。

４〜１２ｃｍの間の距離において、有限なサイズのＡＭＣを使用することは、コイルの自由空間感度をほぼ再確立する。理想的な無限のサイズＰＭＣ（グラフＡ）は、自由空間値に対して約１．４〜１．５４倍分感度を上昇させる。

図８は、接地３の上１５ｍｍの位置、即ちＡＭＣ表面の上５ｍｍの位置に配置される同じループコイル５に対する、対応する結果に関するこれらのグラフを示す。ここで、理想的なＰＭＣ（グラフＡ）は、自由空間値（グラフＢ）に対して、約１．５６〜１．６９倍分感度を上昇させる。

図９は、ＰＥＣ接地３（グラフＣ）の上２５ｍｍに配置されるループコイル５の感度と、有限なサイズＡＭＣモデル（グラフＢ）を用いて接地３の上１５ｍｍに配置される同じループコイル５の感度とを比較する。１０ｍｍ薄いにもかかわらず、後者のコイルが更により高い感度を持つ。グラフＡは、ここでも、理想的な無限サイズのＰＭＣ接地の上１５ｍｍに配置されるループコイル５の感度を示す。

受信コイルのＡＭＣ構造体がＭＲ測定シーケンスの送信位相の間にチューニングを外される（detune）又は停止されなければならない場合、これは、存在する遮蔽されていないループコイルにおいて実現される、適切な能動スイッチ（例えば制御されたＰＩＮダイオード）又は受動スイッチ（例えば非並列ダイオードペア）により、隣接ユニット間の容量素子（図１におけるパッチ１間の間隔）を短絡させることにより例えば実行されることができる。

これらのコイルの好適な用途は、特に薄いボディコイル、ボアチューブ一体型ループコイル、薄い遮蔽頭部コイル、及び平坦な遮蔽ループコイルである。

更に、回転偏光を含む３軸Ｂ_１制御が可能な、新たな平面共振パッチアレイＭＲ／ＲＦコイルが、本発明により与えられる。それは、３つの直交する基本共振モードを持つことができる上記の構造体により実現されることができる。これらのモードは、同じＲＦ周波数にチューニングされることができる。電流を用いてこれらのモードを励起させることが、３つの軸におけるＲＦ励起場（Ｂ_１場）を制御することを可能にする。これは、選択可能な法線方向を持つ回転偏光の生成を含む。

図１０に記載のデザイン例は、６ｘ６の金属プレート又はパッチ１によるパッチアレイを有する。それぞれは、４×４ｃｍのサイズであり、金属接地面（ＰＥＣ）３の上１ｃｍに配置される。隣接パッチエッジは、エッジコンデンサにより接続される。アレイの外側のフリンジでのパッチエッジは、フリンジコンデンサＣｆを用いて、接地面３に対する接続を生み出す垂直な円周金属ストリップ３１に接続される。２つの基本モードは、パッチアレイにわたり実質的に対角の電流パターンである。例えば、表面の近くで対角のライン電流により励起される。正規方向（例えば正方形又は円）の周辺で９０度回転させてもパッチアレイ形状が不変であるようにするため、これらのモードは、中央の上の直交接線場を生み出す。これらの２つのモードのすべての線形結合も、同じ共振周波数を持つ。第３のモードは、例えばアレイ表面の近くで正方形電流ループにより励起されることができるリングタイプモードである。パッチアレイの内側及び外側エッジでのコンデンサ値をそれに従って選択することにより、リングタイプモードに関する共振周波数は、対角のモードの共振周波数に等しくされることができる。このモードは、アレイ中央の上の垂直磁場を生み出す。３つのモード全ての励起により、パッチアレイの上のＲＦ励起場（Ｂ_１場）は、３つの軸において制御されることができる。

図１０は、電磁場計算プログラムにおいて実現されるモデルのスケッチを示す。パッチ１間の破線６は、パッチ１間のエッジコンデンサの位置を示す。

パッチアレイの表面における共振周波数及び電流パターンが、異なるコンデンサ選択のために計算された。デザイン例に対して、約１２８ＭＨｚである３テスラのラーモア周波数の近くでコイル構造体が共鳴するよう、値が選択された。

図１１は、正方形電流ループ５を備える励起に対する電流パターンを示す。ループ５における電流は、反時計回りに流れる。パッチアレイ表面におけるグレー矢印が示すように、同じことが励起表面電流に関しても支配的にあてはまる。Ｃ_ｅｄｇｅ＝１６９．８８５ｐＦ及びＣ_{ｆｒｉｎｇｅ}＝２６０ｐＦを用いると、このモードは、ｆ_ｌｏｏｐ＝１２５．９７７ＭＨｚで共振する。

図１２は、パッチ１のアレイの上の、対角のライン電流７を備える励起に対する電流パターンを示す。励起された表面電流がそうであるように、励起電流は下部の左角から上部の右角へと流れる。上記の特定のコンデンサ選択を用いると、このモードは、ｆ_ｄｉａｇ＝１１６．１８ＭＨｚで共振する。

図１３は、グラフＡにおいて、図１１に記載の構造体のフリンジ容量Ｃｆ（＝Ｃ_{ｆｒｉｎｇｅ}）に対する共振周波数ｆ_ｌｏｏｐを示し、グラフＢにおいて、図１２に記載の構造体のフリンジ容量Ｃｆに対する共振周波数ｆ_ｄｉａｇを示す。フリンジ容量Ｃｆが１０ｐＦ〜３４０ｐＦの間で変化されるとき、２つの共振周波数がどのように変化するかが見られることができる。Ｃｆ＝９４．３ｐＦでの共振周波数は、およそｆ_ｌｏｏｐ＝１２９．６３９ＭＨｚ、ｆ_ｄｉａｇ＝１２９．６１７ＭＨｚに等しい。

図１４及び図１５は、この特別なチューニングに関する対角のライン電流７（図１４）に対する表面電流パターン、及びループ電流５（図１５）に対する表面電流パターンを示す。電流パターンは、詳細部分においていくらか変化されたが、原理モード特性は、維持されている。図１４の他の対角に沿う励起に関する共振周波数は、対称性の理由のため同じでなければならない。

図１６は、磁場の大きさＨの相対的な減少と、ｚ＝１．５ｃｍの高さでの対角励起（Ｈｄｉａｇ）（グラフＡ）及びループ励起（Ｈｌｏｏｐ）（グラフＢ）に対するｘ＝ｙ＝０での接地面の上の高さｚとの関係を示す。傾斜は、必ずしも同じではないが、類似する。

リングタイプモードが対角のモードと同じ周波数を持つ必要がないとき、及び対角のモードがバタフライタイプ（「８」の字）モードに変わることが許されるとき、外周金属プレート及びコンデンサは省略されることができる。

チューニング曲線が示すように、ループタイプモード又は対角タイプモードの一方をフッ素周波数（９４％低下）にチューニングし、他方を水素周波数に保つことも可能である。

正方形ユニットパッチ要素を備える正方形アレイの代わりに、コイルは、図１７に記載の円形環セクターパッチ要素８からなる円形形状を用いて構築されることもできる。

また、基本モードの電流パターンのシェーピングに関してより自由度を得るため、２つ以上のコンデンサ値が、意図された２Ｄ（直角位相）横断モードに関して必要とされる対称性の制約に含まれると考えられることができる。例えば、放射状エッジのすべてのセグメントが、同じ半径のすべての円形エッジセグメントと同様に個別のＣ値を持つことが許される場合がある。

また、この図１７と違い、個別の円形環が、異なる放射状方向長さを持つ場合がある。これらのパラメータは、利用される共振モードの電流パターンを最適化するために使用されることができる。

図１８及び図１９は、ライン電流７による線形励起を備える斯かる円形コイル構造体上の異なる共振電流分布を示す。一方、図２０及び図２１においては、ループ電流励起に対する直方導体ループ５が示される。図１８及び２０は、ＰＥＣ接地面上のパッチアレイに関し、図１９及び図２１は、円形下部プレート上のパッチアレイに関する。

ここでも、これらのコイルの好適な用途は、局所ＳＡＲが減らされ、かつ表面電流が分散された表面送信／受信コイルである。

本発明に記載のコイル構造体は、コイル領域に含まれる電流分布及び結果的にその上のＢ_１場を成形することに関して、コイルデザイナーに新たな自由度を提供する。デザインが自由であることは、金属パッチサイズ及び形状、結合コンデンサ、外側の接地コンデンサ（及び可能であれば内側エッジでの追加的な接地コンデンサ）の選択に由来する。

本発明に記載のコイルは、実質的に垂直なＢ_１場の生成に必要とされるリングタイプ共振モードを持つことができる。十分なデザイン自由度が、その共振周波数を横方向又は対角モードの共振周波数にチューニングするためにも利用可能であり、コイル領域に含まれる電流密度パターンを成形するための自由度をそれでも持つ。

添付の請求項により規定される本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の特徴が、任意の組合せにおいて結合されることができることを理解されたい。

本発明が図面及び明細書において詳細に図示及び説明されたが、斯かる図示及び説明は、説明的又は例示的であると考えられるべきであって限定するものではなく、本発明は開示された実施形態に限定されるものではない。添付の請求項により規定される本発明の範囲から逸脱することなく、前述される本発明の実施形態に対する変形例が可能である。

図面、開示及び添付の特許請求の範囲の研究から、開示された実施形態に対する変形が、請求項に記載された発明を実施する当業者により理解され及び実行されることができる。請求項において、単語「有する」は他の要素又はステップを除外するものではなく、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は複数性を除外するものではない。単一のユニットが、請求項において列挙される複数のアイテムの機能を満たすことができる。特定の手段が相互に異なる従属項に記載されるという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを示すものではない。請求項における参照符号は、発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (18)

1. ＲＦ励起信号を送信する及び／又はＭＲ緩和信号を受信する、ＭＲイメージングシステムのためのＲＦコイルであって、磁気導体又は磁壁といったＲＦ／ＭＲ周波数帯において作動するメタ物質と結合する、又はメタ物質を有する、ＲＦコイル。
2. 前記メタ物質が、ＡＭＣ物質である、請求項１に記載のＲＦコイル。
3. 前記メタ物質が、ＰＥＣスクリーンを置き換えるよう配置され、及び／又はＰＥＣスクリーンの前に配置され、及び／又は前記ＲＦコイルのＰＥＣスクリーンと組み合わされる、請求項１に記載のＲＦコイル。
4. 前記メタ物質が、金属的な接地面上の誘電体、ワイヤ及び金属パッチから構築されるチューニングされた共振周期的構造体の形式で与えられる、請求項１に記載のＲＦコイル。
5. 前記メタ物質が、少なくとも１つの磁場様式を生成するため表面電流が共振的に励起される共振表面を形成するよう、互いに容量結合されるパッチのアレイを有する、請求項４に記載のＲＦコイル。
6. コンデンサを切替えることにより前記メタ物質の前記共振周波数が制御されることができるよう、前記切換可能なコンデンサを用いて、前記記パッチが互いに容量結合される、請求項５に記載のＲＦコイル。
7. 方形フォームを持つ、及び／又は方形形状を持つパッチを有する、請求項４に記載のＲＦコイル。
8. 円形フォームを持つ、及び／又はリングセクター形状を持つパッチを有する、請求項４に記載のＲＦコイル。
9. 前記共振表面電流を励起させるため、導体が、前記パッチのアレイの上又は下に配置される、請求項４に記載のＲＦコイル。
10. 前記導体が、ループの形で与えられる、請求項９に記載のＲＦコイル。
11. 前記導体が、前記パッチのアレイと交差するストリップラインの形で与えられる、請求項９に記載のＲＦコイル。
12. 方形のフォームを持ち、前記導体が、前記パッチのアレイにわたり対角に延在するラインの形で与えられる、請求項１１に記載のＲＦコイル。
13. 前記パッチが、柱を用いて接地面に接続される、請求項５に記載のＲＦコイル。
14. 前記パッチのアレイが、平面又は曲面を形成する、請求項１に記載のＲＦコイル。
15. 前記パッチのアレイが、誘電体基板の一方の側に配置され、前記基板の他方の側には接地面が設けられる、請求項１に記載のＲＦコイル。
16. 実質的に同じ共振周波数での３つの直交する基礎磁場モードを励起させるため、前記パッチのサイズ及び／又は前記結合コンデンサの値を選択することによりチューニングされる、請求項１に記載のＲＦコイル。
17. 請求項１乃至１６のいずれかに記載の少なくとも１つのＲＦコイルを有する、ＭＲイメージングシステムのためのＲＦアンテナ。
18. ＲＦ励起信号を送信し、及び／又はＭＲ緩和信号を受信するための、請求項１乃至１７の少なくとも一項に記載のＲＦ／ＭＲコイル又はアンテナを有する、磁気共鳴イメージングシステム。

Images