JP2011510261A - アーチ状鞍形核磁気共鳴用無線周波数コイル - Google Patents

Abstract

【課題】シム調整が容易な、ＮＭＲ ＲＦコイルを提供する。
【解決手段】１つの態様によると、核磁気共鳴（ＮＭＲ）分光計のＮＭＲ無線周波数（ＲＦ）コイルは、コイルの遮蔽領域に沿ってコイルウィンドウの長手方向両端に、対向するアーチを有する。アーチ状のコイル形状は、追加コイル長ひいては横方向導体を境界面から離すために必要とされるコイルインダクタンスおよびキャパシタンスを最小限にしながらも、サンプルの測定空間とコイルのシールドとの境界からコイルの横方向部分を離して位置させることができる。コイルの横方向部分を測定空間から離すことによりシム調整が容易になる。コイルは、コイルと関連するシールドとの間のキャパシタンスを減少させるために、コイルの周囲に沿って離間した複数の長手方向支持ロッドに持ち上げられていてもよい。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は一般的には核磁気共鳴（ＮＭＲ）分光計に関し、詳細には、ＮＭＲ無線周波数（高周波；ＲＦ）コイルに関する。

核磁気共鳴（ＮＭＲ）分光計は、一般に、静磁場Ｂ_０を生成するための超電導磁石と、前記磁場Ｂ_０に対して垂直な経時変化する磁場Ｂ_１を生成して、印加された磁場に対するサンプルの反応を検出するための１以上の専用無線周波数（ＲＦ）コイルを含むＮＭＲプローブとを備えている。各ＲＦコイルおよび関連する回路は、サンプル内に存在する対象原子核のラーモア周波数において共鳴することができる。一般的なＮＭＲ用途において分析される対象原子核には、^１Ｈ（陽子）、^１３Ｃ（炭素）および^１５Ｎ（窒素）が含まれる。ＲＦコイルは、一般に、ＮＭＲプローブの一部として提供され、サンプルチューブまたはフローセル内に位置するサンプルを分析するために使用される。静磁場Ｂ_０の方向は、通常、ｚ軸すなわち縦方向で示される一方、ｚ軸に対して垂直な平面は、通常、ｘ−ｙすなわち横方向と呼ばれる。

何種類かのＲＦコイルがＮＭＲシステムで用いられている。詳細には、ＮＭＲシステムの多くは横磁場ＲＦコイルを含み、このコイルはｘ−ｙ平面に沿った向きのＲＦ磁場を発生させる。横磁場コイルには、鞍（サドル）形コイルや鳥かご形コイルがある。鳥かご形コイルは、一般に、２つの横方向リングと、前記リングを接続する比較的多くの縦桟とを含む。鳥かご形コイルは多重共鳴構造であり、特定の位相関係が複数の縦桟に沿って流れる電流に対して確立される。鞍形コイルは、通常、コイルウィンドウ周辺の導体パターンによって画定される電流経路を有している。

対象ＮＭＲ周波数は、対象原子核と、印加された静的磁場Ｂ_０の強度とによって決定される。ＮＭＲ測定の精度を最大化するために、励起／検出回路の共鳴周波数は、対象周波数と等しくなるように設定する。励起／検出回路の共鳴周波数は下記のように変化する。

ここで、ＬおよびＣは、それぞれ、励起／検出回路の実効インダクタンスおよびキャパシタンスである。
高分解能ＮＭＲスペクトルの生成は、時空間的に均一な静磁場を採用することで容易になる。静磁場の強度は、とりわけ温度の変動や付近の金属性物体の移動のために時間とともに変化する。静磁場の空間的な変動は、サンプルチューブもしくはサンプルの特性の変化、付近の物質の存在、または磁石の設計によって引き起こされる。静磁場の小さな空間的不均一性は、通常、一組のシムコイルを用いて修正される。シムコイルは印加された静磁場の不均一性に対抗して打ち消す小さな磁場を発生させる。従って、ＮＭＲプローブの種々の部品が静磁場に極小の不均一性をもたらすのであれば、シム調整は一般に容易になる。

本発明の一局面によれば、核磁気共鳴用無線周波数コイル組立体は、コイル支持部と、前記コイル支持部に装着された鞍形核磁気共鳴用無線周波数コイルとを備え、前記無線周波数コイルは一対の対向する横向きコイルウィンドウを画定し、各コイルウィンドウは、その長手（縦）方向両端に一対の対向するアーチを備えている。
別の局面によれば、核磁気共鳴装置は、サンプルに静磁場を印加するための磁石と、前記磁石に結合され、静磁場の空間的不均一性を減少させるためのシムコイルと、前記磁石に結合され、前記サンプルに無線周波数磁場を印加するための鞍形核磁気共鳴用無線周波数コイルであって、当該無線周波数コイルは一対の対向する横向きコイルウィンドウを画定し、各コイルウィンドウは、その長手（縦）方向両端に一対の対向するアーチを含む無線周波数コイルを備えている。

さらに別の局面によれば、核磁気共鳴測定方法は、長手（縦）方向両端に一対の対向するアーチをそれぞれ備えた一対の対向する横向きコイルウィンドウを画定し、一組の無線周波数パルスをサンプルに印加するための鞍形核磁気共鳴用無線周波数コイルを採用する工程と、前記一組の無線周波数パルスに対する前記サンプルの反応を検出する工程とを含む。

本発明の上記態様および利点は、以下の詳細な説明を読み、図面を参照すれば、よりよく理解できよう。

本発明のいくつかの実施形態に係る例示的ＮＭＲ分光計の模式図である。 本発明のいくつかの実施形態に係るアーチ状鞍形ＲＦコイルを含む無線周波数（ＲＦ）ＮＭＲコイル組立体の等角図である。 本発明のいくつかの実施形態に係る、図２−ＡのＲＦコイル組立体の支持／遮蔽構造の等角図である。 本発明のいくつかの実施形態に係る、縦軸を中心に巻かれた図２Ｂに示すようなコイルを作製するために使用されるパターン化された箔を示す図である。 本発明のいくつかの実施形態に係る、円状湾曲を有する例示的ＲＦコイルのアーチ形状を示す図である。 本発明のいくつかの実施形態に係る、楕円状湾曲を有する例示的ＲＦコイルのアーチ形状を示す図である。 本発明のいくつかの実施形態に係る、鋭尖アーチ頂部を有する例示的ＲＦコイルのアーチ形状を示す図である。

以下の説明において、一連の要素は１つ以上の要素を含む。要素に対する如何なる言及も、１つ以上の要素を包含するものと理解される。各記載される要素または構造は、一体（モノリシック）構造によって形成することができるか、一体構造の一部とすることができ、または複数の異なる構造から形成することができる。長手方向に一体構造の箔とは、複数の長手方向に分離された部分を接続することによって形成されていない箔である。よって、長手方向に一体構造の箔は、非長手方向に沿って積み重ねた複数の層を含んでいてもよい。コイルを使用してサンプルの核磁気測定を実施するという記述は、そのコイルが送信機、受信機、または両方として用いられることを意味するものと理解される。特に記載しない限り、記載される電気的または機械的接続は、直接的接続、または中間の回路要素または構造を介する間接的接続とすることができる。導電性リングは、リング状の電流経路をＲＦ電流に提供する構造である。このような構造は２つまたは３つの同軸状容量結合型物理リングを備えることができ、このような物理リングのいくつかまたはすべては長手方向の細長い孔を備えていてもよい。また、このような物理リングは、例えば、中心箔、容量性シールド、および容量帯の一部によって形成することができる。また、導電性リングは、ＤＣ電流にリング状の経路を提供する単一の一体構造の物理リングを含むこともできる。長手方向導体が２つの導電性リングを電気的に結合するという記述は、長手方向導体が２つのリング間を流れるＲＦ電流に電流経路を提供することを意味すると理解される。このような長手方向導体は、（ＤＣおよびＲＦ電流経路の両方を提供する）リングの一方または両方に物理的（抵抗的）に接続することができるか、リングの一方または両方に容量的に結合することができる。

以下の説明は、本発明の実施形態を例として説明するものであって、必ずしも限定するものではない。
図１は本発明のいくつかの実施形態に係る例示的な核磁気共鳴（ＮＭＲ）分光計１２を示す模式図である。分光計１２は、磁石１６と、磁石１６の筒状孔に挿入されたＮＭＲプローブ２０と、磁石１６およびプローブ２０に電気的に接続された制御／取得システム（コンソール）１８とを備えている。プローブ２０は、入れ子状の無線周波数（ＲＦ）コイル２４ａ，２４ｂおよび関連する電気回路部品を含む。いくつかの実施形態では、コイル２４ａ，２４ｂの一方はプロトンコイルであり、他方はＸコイルである。また、いくつかの実施形態では、プローブ２０は単一のＲＦコイルを備えていてもよい。対象ＮＭＲサンプルの測定が実施されている間に、当該サンプルをコイル２４ａ，２４ｂ内に保持するために、サンプル容器２２がプローブ２０内に配置されている。サンプル容器２２はサンプルチューブまたはフローセルとすることができる。一組のシムコイル３０がコイル２４ａ，２４ｂを横方向に取り囲んでいる。

測定を実施するには、サンプルをコイル２４ａ，２４ｂ内に画定された測定空間に挿入し、磁石１６がサンプル容器２２内に保持されたサンプルに静磁場Ｂ_０を印加する。そして、シムコイル３０を使用して、静磁場Ｂ_０の空間的不均一性を修正する。制御／取得システム１８は、所望の無線周波数パルスをプローブ２０に印加して、プローブ２０内のサンプルの核磁気共鳴特性を示すデータを取得するように構成された電子部品を備えている。コイル２４ａ，２４ｂを使用して、無線周波数磁場Ｂ_１をサンプルに印加し、かつ／または印加された磁場に対するサンプルの反応を測定する。ＲＦ磁場は静磁場に対して垂直である。同一のコイルを、ＲＦ磁場を印加するためと、印加された磁場に対するサンプル反応を測定するためとの両方に用いてもよい。あるいは、１つのコイルをＲＦ磁場を印加するために使用し、別のコイルを印加された磁場に対するサンプルの反応を測定するために使用してもよい。

図２Ａは、本発明のいくつかの実施形態に係る、支持／遮蔽組立体（アセンブリ）４４と、支持／遮蔽組立体４４に装着されたアーチ状鞍（サドル）形ＲＦコイル２４とを含む無線周波数（ＲＦ）ＮＭＲコイル組立体４０の等角図を示している。図２Ａの例では、ＲＦコイル２４は２回巻きコイルである。
ＲＦコイル２４は、２つの反対側の側面（図２Ａにおける前後）のそれぞれに、横方向に対向するコイルウィンドウ４６を包囲する２つの同軸状ループ５２ａ，５２ｂを備えている。電流はループ５２ａ，５２ｂを通って同一方向（時計回りまたは反時計回り）に流れるため、２つのループによって発生したＲＦ磁場は互いに補強し合う。コイル２４により発生したＲＦ磁場の方向は一般に、図２Ａにおける紙面に入る方向／紙面から出る方向である。各ループ５２ａ，５２ｂは、一直線状の長手方向導体８０ａ，８０ｂと、導体８０ａ，８０ｂの間に横方向接続を提供する長手（縦）方向に離間した対向接続アーチ８２ａ，８２ｂとを備えている。長手方向導体８０ａ，８０ｂは、サンプル測定空間に沿って延びている一方、アーチ８２ａ，８２ｂは、組立体４０の遮蔽された長手方向部分に沿って位置している。各アーチ８２ａ，８２ｂは支持組立体４４の筒状外側面をたどり、それに沿って方位角方向に湾曲している。

図２Ｂは、支持／遮蔽組立体４４の等角図を示している。組立体４４は略長手方向の筒状絶縁コイル支持部５０と、コイル支持部５０の内側側面に沿って配設された一対の導電性シールド６０ａ，６０ｂとを備えている。シールド６０ａ，６０ｂは、対象サンプルを収容する測定空間６４の長手方向両側に配設された、長手方向の細長い孔を有する筒状導体によって形成されている。各シールド６０ａ，６０ｂの中心軸は組立体４４の長手方向中心軸と整合している。対象ＮＭＲサンプルを測定空間６４内に配置するために、サンプルを収容するサンプル容器（サンプルチューブおよび／またはフローセル）を、支持組立体４４によって画定される縦孔４８を通じて、順次、挿入して取り出す。シールド６０ａ，６０ｂは、コイル導線や他の導電性構造からのＲＦピックアップによるＮＭＲサンプルの寄生励起を減少させ、好ましくない外部電場からＮＭＲサンプルを遮蔽するよう作用する。また、シールド６０ａ，６０ｂは、測定空間６４内の静磁場をアーチ８２ａ，８２ｂを貫ぬいて流れる電流の影響から遮蔽する。また、追加分布キャパシタンスをコイル組立体４０に提供してもよい。

コイル支持部５０は２つの長手方向に離間した剛性支持リング５８ａ，５８ｂと、支持リング５８ａ，５８ｂの間に延びている筒状チューブ５４と、チューブ５４の外面に隣接し、チューブ５４の互いに反対側の側面で支持リング５８ａ，５８ｂの間に延びている一対の長手方向筒状導体スぺーサロッド６２ａ，６２ｂとを有する。コイル２４はロッド６２ａ，６２ｂに取り付けられている。ロッド６２ａ，６２ｂはコイル２４をチューブ５４の表面から離して持ち上げている。

組立体４４の種々部品の材質および寸法は、所望のＮＭＲ用途および／またはシステムと適合するよう選択してもよい。いくつかの実施形態では、ＲＦコイル２４は磁化率を補償された単一の薄い導電性箔である。箔は、材料の１つまたは複数の層を含んでいてもよく、主表面（平面）に沿って一体的（モノリシック）である。また、いくつかの実施形態では、ＲＦコイル２４は磁化率を補償されたＰｄ−ＣｕまたはＡｌ−Ｃｕ−Ａｌ箔から形成され、シールド６０ａ，６０ｂは磁化率を補償されたパラジウムメッキを施した銅製であってもよい。反対符号の磁化率を有する他の材質を使用して、空気または真空の磁化率と同等の磁化率を生じさせることもできる。例えば、ロジウム、白金、銅、およびこれら材料の積層をＲＦコイル２４および／またはシールド６０ａ，６０ｂに使用してもよい。支持リング５８ａ，５８ｂは、ＰＣＴＦＥ（商標名Ｋｅｌ−Ｆ（登録商標）で知られているポリクロロトリフルオロエチレン）などの剛性ポリマー製であってもよい。いくつかの実施形態では、チューブ５４はサファイアまたは石英からなり、ロッド６２ａ，６２ｂはガラスからなる。ＲＦコイル２４は、ミル（ミリインチ、すなわち約２．５×１０^−５メートル）の桁、例えば、約１ミルの厚さを有する導電性シートから形成してもよい。ＲＦコイル２４の導体幅は、ミリメートルの桁、例えば約１ミリメートルでもよい。チューブ５４は、センチメートルの桁、例えば、約１センチメートルの直径と、センチメートルないし数十センチメートルの桁、例えば、約１０センチメートルの長手方向長さとを有していてもよい。ロッド６２ａ，６２ｂは、ミリメートルの桁、例えば、約１ミリメートルの直径を有していてもよい。コイル２４の長手方向長さは、センチメートルないし数十センチメートルの桁、例えば、約１０センチメートルであってもよい。他方、各アーチ８２ａ，８２ｂの長手方向長さは、センチメートルの桁、例えば、約１〜２センチメートルであってもよい。

図３は、本発明のいくつかの実施形態に係る、縦（長手）軸の回りに巻いたコイル２４（図２Ａ）を作製するために使用されるパターン化された箔を示している。パターン化された箔は、２つの２回巻きループ８６，８６’を有し、それぞれがコイル２４の一方の側面（図２Ａにおける前／後）に対応している。ループ８６は、直線状（まっすぐな）長手方向導体８０ａ，８０ｂと、導体８０ａと導体８０ｂとを接続する対向相互接続アーチ８２ａ，８２ｂとを備えている。長手方向外部接続リード８８が導体８０ｂに沿って後方へ曲がり、コイル２４の２つの外部端子の１つとして作用する。一組の一時的安定化ブリッジ９０ａ，９０ｂが、アーチ８２ａ，８２ｂの先端部でループ８６ａの外側および内側導体をそれぞれ相互接続している。ブリッジ９０ａ，９０ｂはコイル２４のパターン成形中に画定され、コイル２４を支持組立体４４（図２Ｂ）に装着した後、取り除かれる。

いくつかの実施形態では、コイル２４は磁化率を補償された平面状のＡｌ−Ｃｕ−Ａｌの３層箔をパターン成形することで作製される。パターン化された平面状箔は縦軸の回りに巻かれてコイル２４を形成し、支持組立体（図２Ｂ）に装着される。その後、一時的安定化ブリッジ９０ａ，９０ｂ（図３）は取り除かれる。
図４Ａ〜図４Ｃは、本発明のいくつかの実施形態に係る３つの例示的なコイルのアーチ形状を示している。アーチ状コイル１２４，２２４，３２４は、直線状の長手方向導体１８０，２８０，３８０と、対応するアーチ１８２，２８２，３８２とをそれぞれ備えている。長手方向導体１８０は対応する測定空間に沿って延びている一方、アーチ１８２，２８２，３８２は対応する遮蔽部分に沿って延びている。測定空間と遮蔽領域との境界面が、図４Ａ〜図４Ｃにおいて１６０，２６０および３６０で模式的にそれぞれ示されている。図示されているように、コイル１２４，２２４，３２４は境界面１６０，２６０，３６０に沿って、それぞれまっすぐである。アーチ１２４は円状湾曲を有し、アーチ２２４は楕円状湾曲を有し、アーチ３２４は鋭角の頂部を有するゴシックアーチである。一般に、図４Ｂに示すような平らな設計は、コイルの横方向部分を遮蔽／測定空間境界に比較的接近させるか、また、横方向部分が当該境界からさらに離れていれば、遮蔽領域に沿ったコイル導体が比較的長くなる可能性がある。図４Ｃに示すような鋭い形状の設計は、遮蔽領域に沿って比較的少ない追加コイル長を導入しつつ、横方向導体を当該境界から離すことができる。

上記例示的なアーチ状ＲＦコイル設計は、ＮＭＲ用ＲＦコイル設計者が一般的に考慮する一連の複雑かつ競合することが多い制約の状況においても、改良されたシム調整性能を達成することができる。理想的には、ＮＭＲ用ＲＦコイルは、高い品質係数（Ｑ）と、対象原子核の共鳴周波数よりはるかに高い自己共鳴周波数（ＳＲＦ）とを有し、シム調整しやすいために、対象サンプルの線形ができるだけ狭くなる。太い導体（例えば、ワイヤ）をコイルに使用すれば、高いＱ値が得られるかもしれないが、シム調整が難しくなる可能性がある。シム調整は、磁化率を補償された薄い箔からコイルを形成することで、そして、さらに、コイルのシム調整が特に難しい部分をサンプルから遮蔽するシールドを使用することで、容易になる。このようなシールドは一般に追加キャパシタンスをサンプルに導入してしまい、コイルのＳＲＦを低くし、コイルのＱに悪影響を及ぼす。コイルのＳＲＦはまた、コイル導体の付加的長さを導入することによっても低くなる可能性があり、コイルのインダクタンスおよびキャパシタンスを増加させる。

横方向導体は一般に、平滑な直線状長手方向導体よりもシム調整と磁場均一性とに著しく大きな影響を与えることが認められている。詳細には、筒状シールドによってサンプルから分離された横方向導体であってもシム調整に影響を及ぼす可能性がある。実際上、横方向導体によって発生した磁場に対する摂動は離れて感知することができる。シールドによって遮蔽されたサンプル領域は、ほとんど、またはまったく線幅拡大を引き起こさない一方、横方向導体が十分近接している場合、コイルウィンドウのすぐ内側のサンプル領域（シールドの縁付近）は著しい磁場摂動を受けやすく、結果として、シム調整が困難であろう広い線形になる。上記のようなアーチ状のコイル形状は、コイルの横向き部分を遮蔽／測定空間境界から離して位置させることができ、コイル導体は、コイル長ひいてはコイルの遮蔽部分によって導入される追加インダクタンスおよびキャパシタンスを過度に増加させることなく、実質的にまっすぐで長手方向である。コイルキャパシタンスは、上述したように、長手方向ロッド上にコイルを持ち上げ、誘電支持部からコイルを分離することによって、さらに減少する。一般に、サファイアは空気／真空よりも非常に大きな（例えば、約１桁大きい）誘電率を有するため、コイルとサファイアコイルの支持チューブとの間の小さな間隙でも、シールドとコイルとの間のキャパシタンスを実質的に減少させることができる。

シム調整についての配慮は、入れ子式コイルを用いるシステム、例えば、２重コイルシステム、２重広帯域システムおよび切替可能プローブシステムなどにおいては、特に複雑となることがある。このようなシステムでは、外部コイル信号の線形が内部コイルの存在で著しく悪化する可能性がある。入れ子式コイルを用いるシステムでは、上記の例示的アーチ状コイルの設計は、内部コイルとしての使用にとりわけ有用かもしれない。それにもかかわらず、このようなアーチ状のコイル設計は、入れ子式コイルシステムにおける外部コイルにも使用してもよい。

上記実施形態は、本発明の範囲から逸脱することなく様々な方法で変更することができる。例えば、ＲＦコイルは箔ではなくワイヤを備えていてもよく、このようなワイヤは磁化率を補償されていてもよい。いくつかの実施形態では、特に、強化された振動抑制／制御が好ましい場合、多数の持上げ／支持ロッドを使用してもよい。従って、本発明の範囲は、次の特許請求の範囲およびそれらの法的均等物によって決定されるべきである。

Claims (15)

1. サンプル容器に保持されたサンプルに静磁場を印加するための磁石と、
   前記磁石に結合され、前記静磁場の空間的不均一性を減少させるためのシムコイルと、
   前記磁石に結合され、前記サンプルに無線周波数磁場を印加するための鞍形核磁気共鳴用無線周波数コイルであって、当該無線周波数コイルは一対の対向する横向きコイルウィンドウを画定し、各コイルウィンドウは各コイルウィンドウの長手方向両端に一対の対向するアーチを含む無線周波数コイルとを備えている、核磁気共鳴装置。
2. 測定空間の長手方向両側に位置する一対のシールドをさらに備え、前記一対のアーチの各々は前記一対のシールドのうち対応するシールドに沿って位置している、請求項１に記載の装置。
3. 前記無線周波数コイルは、前記対応する一対のシールドと前記測定空間との間の一対の境界に沿って実質的にまっすぐな長手方向電流経路を画定している、請求項２に記載の装置。
4. 円筒の周囲に沿って離間した複数のコイル支持ロッドを有する無線周波数コイル支持部をさらに備えた、請求項１に記載の装置。
5. 前記アーチの各々は鋭角の頂部を有する、請求項１に記載の装置。
6. 前記無線周波数コイルは、長手方向に一体構造のパターン化された単一の箔から形成されている、請求項１に記載の装置。
7. 前記無線周波数コイルは少なくとも２回巻かれている、請求項１に記載の装置。
8. 長手方向両端に一対の対向するアーチをそれぞれ備えた一対の対向する横向きコイルウィンドウを画定し、一組の無線周波数パルスをサンプルに印加するための鞍形核磁気共鳴用無線周波数コイルを採用する工程と、
   前記一組の無線周波数パルスに対する前記サンプルの反応を検出する工程とを含む、核磁気共鳴方法。
9. 前記サンプルを収容する測定空間の長手方向両側に位置する一対のシールドを使用して前記サンプルを前記アーチから遮蔽する工程をさらに含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記無線周波数コイルは、前記対応する一対のシールドと前記測定空間との間の一対の境界に沿って実質的にまっすぐな長手方向電流経路を画定する、請求項９に記載の方法。
11. 前記無線周波数コイルは、円筒の周囲に沿って離間した複数のコイル支持ロッドに装着されている、請求項８に記載の方法。
12. 前記アーチの各々は鋭角の頂部を有する、請求項８に記載の方法。
13. 前記無線周波数コイルは、長手方向に一体構造のパターン化された単一の箔から形成される、請求項８に記載の方法。
14. 前記無線周波数コイルは少なくとも２回巻かれている、請求項８に記載の方法。
15. 前記サンプルに静磁場およびシム調整磁場を印加して、前記静磁場の空間的不均一性を減少させる工程をさらに含む、請求項８に記載の方法。

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