JP2018538057A - 磁気共鳴検査システム用の無線周波数コイルアレイ - Google Patents

Abstract

磁気共鳴検査システム用の複数の無線周波数（ＲＦ）コイル素子を有するＲＦコイルアレイが開示される。ＲＦコイル素子の分離は、トランスのセット（対）を伴い、隣接するコイルの幾何学的オーバーラップも含む。トランス間の相互結合は調整可能である。これは、ＲＦコイル素子を互いから完全に分離する追加の自由度を提供する。

Description

今日では、２次元又は３次元画像を形成するために磁場と核スピンとの相互作用を利用する磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）方法は、軟組織の撮像について他の撮像方法よりも多くの点において優れ、電離放射線を必要とせず、また、通常、侵襲的ではないので、特に医療診断の分野において広く使用されている。

ＭＲＩ方法では、一般に、検査される患者の身体は、強力な均一磁場Ｂ０内に配置される。当該磁場の方向は、同時に、測定が関連付けられる座標系の軸（通常はｚ軸）を規定する。磁場Ｂ０は、所定の周波数（いわゆるラーモア（Larmor）周波数又はＭＲ周波数）の交流電磁場（ＲＦ場）の印加によって励起（スピン共鳴）される磁場強度に依存して、個々の核スピンに対し様々なエネルギーレベルを引き起こす。巨視的観点では、個々の核スピンの分布は、適切な周波数の電磁パルス（ＲＦパルス）の印加によって、このＲＦパルスの対応する磁場Ｂ１がｚ軸に垂直に延在する間に、平衡状態から外れる全体磁化を生成し、これにより、磁化はｚ軸周りの歳差運動を行う。歳差運動は、円錐面を描き、その開口角はフリップ角と呼ばれる。フリップ角の大きさは、印加される電磁パルスの強度及び持続時間に依存する。いわゆる９０°パルスの例では、磁化は、ｚ軸から横断面へと偏向される（フリップ角９０°）。

ＲＦパルスの終了後、磁化は緩和して元の平衡状態に戻る。平衡状態では、第１の時定数Ｔ１（スピン格子又は縦緩和時間）でｚ方向における磁化が再び増大し、ｚ方向に垂直な方向における磁化が、第２の且つより短い時定数Ｔ２（スピンスピン又は横緩和時間）で緩和する。横方向磁化及びその変化は、当該磁化の変化がｚ軸に垂直な方向において測定されるように、磁気共鳴検査システムの検査ボリューム内に配置及び方向付けられる受信ＲＦアンテナ（コイルアレイ）によって検出される。横方向磁化の減衰は、同じ信号位相を有する秩序状態からすべての位相角が均一に分布する状態までの遷移を容易にするディフェージング（局所的な磁場の不均一性によって引き起こされるＲＦ励起後に生じる）が伴う。ディフェージングは、リフォーカシングＲＦパルス（例えば１８０°パルス）によって相殺される。これは、受信コイル内でエコー信号（スピンエコー）を生成する。

検査患者といった撮像される被験者内の空間分解能を実現するために、３つの主軸に沿って延在する定磁場勾配が、均一磁場Ｂ０に重ね合わされ、スピン共鳴周波数の線形空間的依存性につながる。このとき、受信アンテナ（コイルアレイ）において捕捉される信号は、身体内の様々な場所に関連付けられる様々な周波数成分を含む。受信コイルを介し得られる信号データは、磁気共鳴信号の波動ベクトルの空間周波数領域に対応し、ｋ空間データと呼ばれる。ｋ空間データは、通常、異なる位相エンコーディングで取得される複数のラインを含む。各ラインは、幾つかのサンプルを集めることによって、デジタル化される。ｋ空間データのセットは、フーリエ変換によって、ＭＲ画像に変換される。

横方向磁化は、定磁場勾配の存在下でもディフェーズする。この過程は、ＲＦ誘導（スピン）エコーの形成と同様に、いわゆる勾配エコーを形成する適切な勾配反転によって反転可能である。しかし、勾配エコーの場合、ＲＦリフォーカス（スピン）エコーとは対照的に、主磁場不均一性の効果、化学シフト及び他のオフレゾナンス効果はリフォーカスされない。

本発明は、磁気共鳴検査システム用の無線周波数コイルアレイに関する。

このような無線周波数（ＲＦ）コイルアレイは、米国特許第８２５８７８９号から知られている。既知のＲＦコイルアレイは、プリント回路基板（ＰＣＢ）に組み込まれる第１及び第２のＲＦコイルを有する。チューニング部材がＰＣＢに隣接して配置され、ＲＦコイルに誘導結合される。チューニング部材は、ＲＦコイル間の相互インダクタンスを最小限に抑える。米国特許出願公開第２００７／０２７９０６２号は、複数のコイル対を有する二重共振コイルについて開示している。１対のコイルにおいて、コイルループはトランスによって互いから分離される。コイルループのキャパシタンス及びインダクタンスは、トランスを形成するインダクタループのインダクタンス及び（固有）（自己）キャパシタンスと共に二重共振構造を作成する。共振周波数は、トランスを形成するインダクタンス間の距離を変化させることによって調整される。

本発明は、ＲＦコイルの分離が向上されるＲＦコイルアレイを提供することを目的とする。

上記目的は、複数のＲＦコイル素子と、隣接するＲＦコイル素子間に配置されるトランスのセット（具体的には対）とを含み、当該セットのトランスは、隣接するＲＦコイル素子間の相互結合を相殺する相互結合を有するＲＦコイルアレイによって達成される。

本発明は、磁気共鳴撮像システム用の複数の無線周波数（ＲＦ）コイル素子を有するＲＦコイルアレイに関する。ＲＦコイル素子の分離は、トランスのセット（対）を伴い、隣接するコイルの幾何学的オーバーラップも含む。トランス間の相互結合は調整可能である。これは、ＲＦコイル素子を互いから完全に分離する追加の自由度を提供する。１セットにおけるトランスの相互結合は、同じセットにおける１つのトランスの他のトランスへの結合を示し、また、その反対も同様である。トランスのセットは、隣接するＲＦコイル素子（ループ）間に配置されるトランスによって形成される。

本発明の無線周波数（ＲＦ）コイルアレイは、第１及び第２の主軸によってスパンされる２次元パターンに配置される複数のコイルを含む。通常は、２次元パターンは、正方形又は長方形グリッドである。或いは、三角形、五角形、六角形グリッドパターンが使用されてもよい。２次元パターンは、第１及び第２の主軸間の向きをそれぞれ有する相互に横断する対角軸を有する。ＲＦコイルアレイでは、第１のトランスが、第１の対角軸に沿ってオフセットされるコイルを電磁気的に分離する。第２のトランスが、第２の対角軸に沿ってオフセットされるコイルを分離する。第１の主軸に沿ってオフセットされるコイル間に幾何学的オーバーラップが設けられてよい。第１及び第２のトランスは、第２の主軸に沿ってオフセットされるコイル間の結合を相殺するように結合される。本発明の見識は、コイル間のオーバーラップによる分離量、トランス結合強度、及び、対角コイル間の相互トランス分離強度が、アレイを完全に分離する十分に大きい自由度を提供するということである。分離は、これらの３自由度を調整することによって正確に行われる。更に、これらの３自由度は、比較的単純な構造のアレイによって、また、追加のコンポーネントをほとんど必要とすることなく得られる。更に、コイルの構成もほとんど影響を受けないため、コイルは、磁気共鳴信号の高感度のために別々に最適化される。本発明の関連見識によれば、コイル間のオーバーラップを調整する代わりに、トランスは、３つ以上のコイルが出会う位置において使用され、これらの３つ以上のコイルを分離するだけでなく、当該位置におけるトランス間の結合を調整する。なお、第１のトランスは、これらの３つのコイルのうちの１つを残りの対のコイルから分離する。第２のトランスは、当該残りの対のコイルを相互に分離する。一例では、第１のトランスは、第１の共通コアを、当該第１の共通コアに沿って変位されている２つのサブ巻線と共に含む。第２のトランスは、第２のコアの周りの単一の巻線から形成される。第１の共通コアの周りの巻線間の変位量は調整可能である。第２の巻線の向きは、サブ巻線の向きに対して調整可能である。これは、第２の巻線を（その）第２のコアに対して傾斜させることによって、又は、第２のコアをその第２の巻線と共に第１の共通コアに対して傾斜させることによって実現される。

対のトランス間のトランス結合強度は、トランスのコアの相対向きに基づいて、又は、トランスのトランス巻線間の空間的隔離に基づいて変えられる。例えば各トランスは、１対の平面巻線として形成される。平面巻線は、当該平面巻線の（平行又は一致）面と平行に変位可能である。別の例では、トランスは、共通又は平行長手軸に沿って変位可能である複数のサブ巻線を含む巻線のうちの少なくとも１つで形成される。

トランスの相互向き又は空間的隔離は、ＲＦコイルアレイの製造において粗く又は微細に決定されてよい。更に、個々の患者に対するアクティブチューニング手段によって、微細なチューニングが任意選択的に行われてもよい。コアの相互向き又は巻線間の間隔は、検査される各患者に対して調整される。トランス結合も、コイルアレイの変形を相殺するように調整される。トランスによる斜めにオフセットされるコイルの分離強度は、検査中に気圧式に又はリモートモータドライブによって駆動されるネジによって調整される。

本発明のこれら及び他の態様は、従属請求項に規定される実施形態を参照して更に説明される。

本発明の一実施形態では、第１及び第２のトランスは、それぞれ、トランス間の直接結合に作用する角度に向けられる細長トランスコアを有する。例えばたった１つか又は幾つかのワイヤループであるトランス巻線は、トランスコアの周りに巻き付けられる。細長トランスコアは、非磁性の導電性材料から作られる。好適には、アルミニウム又は銅といった非磁性金属が好ましい結果を達成する。更にトランスコアは、単にトランス巻線をそれらの適切な位置及び向きに保持するように機能するプラスチックといった非磁性の非導電性材料で作られてもよい。

本発明の別の実施形態では、個別の結合素子を使用してトランス間の結合がもたらされる。具体的には、送信線のコンデンサ、インダクタが、個別の結合素子として使用される。

本発明のこれら及び他の態様は、以下に説明される実施形態及び添付図面を参照して説明される。

図１は、本発明の無線周波数コイルアレイの一例の模式図を示す。 図２は、図１の無線周波数コイルアレイの二重トランス結合の一例の模式図を示す。 図３は、本発明の六角形コイルアレイの模式例を示す。 図４は、トランス間の相互結合の調整の詳細を示す。 図５は、トランス間の相互結合の調整の詳細を示す。 図６は、トランス間の相互結合の調整の詳細を示す。 図７は、本発明の無線周波数コイルアレイが使用される磁気共鳴検査システムの模式図を示す。

図１は、本発明の無線周波数コイルアレイの一例の模式図を示す。この例では、ＲＦコイルアレイ１６は、４つのコイル１６−１、１６−２、１６−３、１６−４のみを有するものとして示される。コイルは、破線グリッド線１０１で示される正方グリッドパターンに配置される。対角軸１０３−１、１０３−２が、グリッド線１０１に対してπ／４の角度における一点鎖線によって示される。グリッド線は、第１の主軸１０１−１及び第２の主軸１０１−２を形成する。第１の主軸は互いに平行であり、第２の主軸も同様である。第１の主軸は、第２の主軸に対して直角である。図１は、第１の主軸１０１−１に沿って空間的にオフセットされているコイル間の幾何学的オーバーラップ１０５を示す。第２の主軸１０１−２に沿って空間的にオフセットされているコイル間の幾何学的オーバーラップ１０７も示される。主軸に沿った空間的オフセットは、横方向オフセットと呼ばれる。更に、第１のトランス１０９が、第１の対角軸１０３−１に沿ってオフセットされている、即ち、斜めにオフセットされているコイル１６−３、１６−２を結合するように配置される。第２のトランス１１１が、第２の対角軸１０３−２に沿ってオフセットされているコイル１６−１、１６−４を結合するように配置される。第１及び第２のトランスは、それらのトランスコアが角度θだけ互いに向けられるように向けられる。

図２は、図１の無線周波数コイルアレイの二重トランス結合の一例の模式図を示す。トランス１０９及び１１１は、それぞれ、コア２０１、２０３を含み、コアの周りに、それぞれのトランスのトランス（一次及び二次）巻線２０５、２０７が巻かれる。トランス１０９及び１１１は、それぞれ、斜めにオフセットされているコイル１６−１、１６−４及び１６−２、１６−３の導体ループの対角突起部２０９、２１１に結合される。トランスコア２０１、２０３は、角度θに向けられる。トランス間の相互結合は角度θに依存する。

図３は、本発明の六角形コイルアレイの模式例を示す。六角形コイル（コイルループ）１６−１、１６−２、１６−３は、第１の主軸１０３−１及び第２の主軸１０３−２について六角形パターンで配置される。分離トランス１０９、１１１は、３つの六角形コイルが出会う場所に配置される。トランスのうちの１つ１０９は、コア上に１対の巻線を有し、コアの長さに沿って相互に変位される。もう１つのトランス１１１は、そのコアに対して傾斜される単一の巻線を有する。単一の巻線との角度を変更し、対の巻線間の距離を調整することによって、分離が調整される。１つのトランス１０９は、対のコイル１６−２、１０６−３を分離する。もう１つのトランス１１１は、残りのコイル１０６−１を対のコイル１６−２、１０６−３から分離する。

図４、図５及び図６に、トランス間の相互結合の調整の詳細が説明される。図４は、トランスを形成する１対の平面巻線を示す。巻線は、分離を調整するように、巻線の平行平面を横断するように変位可能である。図５は、それぞれ２対の巻線を有する１対のトランス１０９、１１１を示す。１対の巻線が、シリンダによって担持され、もう１対の巻線が、シリンダの直径よりも大きい直径を有するリングによって担持される。したがって、リングとシリンダとが、互いに対して傾斜されてもよい。リングの高さは、シリンダの高さよりも（はるかに）小さくてよい。

図６は、平行平面巻線の対によって形成される１対のトランスの一例を示す。対の平面巻線は、平面巻線の平面に沿って横方向に変位されている。

図７は、本発明がその中で使用される磁気共鳴撮像システムを図示する。磁気共鳴撮像システムは、主コイル１０のセットを有する主磁石を含む。これにより、定常均一磁場が生成される。主コイルは、例えばトンネル状の検査空間を囲むようにボアを形成するように構成される。検査される患者が、このトンネル状の検査空間内に滑り入れられる患者担体上に置かれる。磁気共鳴撮像システムは更に、幾つかの勾配コイル１１、１２を含む。これにより、特に個々の方向における一時的な勾配の形の空間的変動を示す磁場が、均一磁場に重ね合わされるように生成される。勾配コイル１１、１２は、１つ以上の勾配増幅器と制御可能な電源ユニットとを含む勾配制御部２１に接続される。勾配コイル１１、１２は、電源ユニット２１による電流の印加により動力が与えられる。このために、電源ユニットは、適切な時間形状の勾配パルス（「勾配波形」とも呼ばれる）を生成するように勾配コイルに電流を印加する電子勾配増幅回路が取り付けられる。勾配の強度、方向及び持続時間は、電源ユニットの制御によって制御される。磁気共鳴撮像システムは更に、ＲＦ励起パルスを生成する送信アンテナ（コイル又はコイルアレイ）１３と、磁気共鳴信号を捕捉する受信アンテナ（コイル又はコイルアレイ）１６とを含む。送信コイル１３は、好適には、ボディコイル１３として構成される。これにより、検査される物体（の一部）が取り囲まれる。ボディコイルは、通常、検査される患者３０が磁気共鳴撮像システム内に配置されると、患者３０がボディコイル１３によって取り囲まれるように磁気共鳴撮像システム内に配置される。ボディコイル１３は、ＲＦ励起パルス及びＲＦリフォーカシングパルスを送信する送信アンテナとして機能する。好適には、ボディコイル１３は、送信されたＲＦパルス（ＲＦＳ）の空間的に均一な強度分布を伴う。通常、同じコイル又はアンテナが、送信コイル及び受信コイルとして交互に使用される。通常は、受信コイルは複数の素子を含み、各素子が、通常は、単一のループを形成する。ループの様々な形状及び様々な素子の配置が可能である。送信及び受信コイル１３は、電子送信及び受信回路１５に接続される。

なお、送信及び受信として機能できるＲＦアンテナ素子が１つ（又は幾つか）ある。更に、通常は、ユーザは、受信素子のアレイとして通常形成される特定用途向け受信アンテナを使用することを選択する。例えば表面コイルアレイ１６が受信及び／又は送信コイルとして使用される。このような表面コイルアレイは、比較的小さいボリューム内で高い感度を有する。受信コイルは、前置増幅器２３に接続される。前置増幅器２３は、受信コイル１６によって受信されるＲＦ共鳴信号（ＭＳ）を増幅し、増幅されたＲＦ共鳴信号は、復調器２４に印加される。表面コイルアレイといった受信アンテナは、復調器２４に接続され、受信された増幅前磁気共鳴信号（ＭＳ）は、復調器２４によって復調される。前置増幅器２３及び復調器２４はデジタル的に実現され、表面コイルアレイに組み込まれてもよい。復調された磁気共鳴信号（ＤＭＳ）は再構成ユニットに印加される。復調器２４は、増幅されたＲＦ共鳴信号を復調する。復調された共鳴信号は、撮像される物体の一部内の局所スピン密度に関する実際の情報を含む。更に、送信及び受信回路１５は変調器２２に接続される。変調器２２と、送信及び受信回路１５とは、送信コイル１３を作動させて、ＲＦ励起パルス及びＲＦリフォーカシングパルスを送信させる。具体的には、表面受信コイルアレイ１６は、ワイヤレスリンクによって送信及び受信回路に結合される。表面コイルアレイ１６によって受信される磁気共鳴信号データは、送信及び受信回路１５に送信され、（例えば表面コイルをチューン又はデチューンするための）制御信号が、ワイヤレスリンクを介して表面コイルに送信される。

再構成ユニットは、復調された磁気共鳴信号（ＤＭＳ）から１つ以上の画像信号を導出する。画像信号は、検査される物体の撮像された部分の画像情報を表す。再構成ユニット２５は、実際には、復調された磁気共鳴信号から、撮像される物体の一部の画像情報を表す画像信号を導出するようにプログラミングされたデジタル画像処理ユニット２５として構成されることが好適である。再構成ユニットの出力部にある信号は、モニタ２６に印加され、したがって、再構成された磁気共鳴画像がモニタに表示される。或いは、再構成ユニット２５からの信号を、更なる処理又は表示を待機しつつ、バッファユニット２７に格納することも可能である。

本発明による磁気共鳴撮像システムは更に、例えば（マイクロ）プロセッサを含むコンピュータの形の制御ユニット２０が設けられる。制御ユニット２０は、ＲＦ励起の実行及び一時的な傾斜磁場の印加を制御する。このために、本発明によるコンピュータプログラムが、例えば制御ユニット２０及び再構成ユニット２５にロードされる。

Claims (12)

1. 複数の無線周波数コイル素子と、
   隣接する無線周波数コイル素子間に配置されるトランスのセット又は対と、
   を含み、
   前記セットのトランスは、前記隣接する無線周波数コイル素子間の相互結合を相殺する相互結合を有する、無線周波数コイルアレイ。
2. １つのセットのトランス間の相互結合が調整可能である、請求項１に記載の無線周波数コイルアレイ。
3. 前記複数の無線周波数コイル素子は、第１の主軸及び第２の主軸によってスパンされる２次元パターンに配置され、
   相互に横断する対角軸それぞれが、前記第１の主軸と前記第２の主軸との間の向きを有し、
   第１のトランスが、前記第１の対角軸に沿ってオフセットされる無線周波数コイル素子を分離し、
   第２のトランスが、前記第２の対角軸に沿ってオフセットされる無線周波数コイル素子を分離し、
   前記第１のトランス及び前記第２のトランスは、前記第２の主軸に沿ってオフセットされる無線周波数コイル素子間の結合を相殺するように結合される、請求項１に記載の無線周波数コイルアレイ。
4. 前記第１の主軸に沿ってオフセットされる無線周波数コイル素子間に幾何学的オーバーラップがある、請求項１に記載の無線周波数コイルアレイ。
5. ３つ以上の無線周波数コイル素子が単一位置において出会い、前記第１のトランス及び前記第２のトランスは、前記３つ以上の無線周波数コイル素子を相互に分離するように、前記単一位置に置かれる、請求項１に記載の無線周波数コイルアレイ。
6. 前記第１のトランス及び前記第２のトランスそれぞれは、細長トランスコアを有し、
   前記細長トランスコアは、前記第１のトランスと前記第２のトランスとの間の直接結合に作用する調整可能な角度に向けられる、請求項１乃至３の何れか一項に記載の無線周波数コイルアレイ。
7. 前記第１のトランス及び前記第２のトランスのトランス巻線は、前記第１のトランスと前記第２のトランスとの間の直接結合に作用する調整可能な距離に亘って空間的に離される、請求項１乃至３の何れか一項に記載の無線周波数コイルアレイ。
8. 前記トランス巻線は、平面巻線である、請求項７に記載の無線周波数コイルアレイ。
9. 前記第１のトランスは、共通の第１のコアの周りに、且つ、前記共通の第１のコアの長さに沿って相互に変位されている２つのサブ巻線を含み、
   前記第２のトランスは、第２のコアの周りの単一の巻線によって形成され、前記第２の巻線は、前記第１のトランスの前記２つのサブ巻線について傾斜可能に取り付けられ、
   前記第１のトランスは、１対の無線周波数コイル素子を、第３の無線周波数コイル素子から分離し、前記第２のトランスは、前記１対の前記無線周波数コイル素子を相互に分離する、請求項３に記載の無線周波数コイルアレイ。
10. コンデンサ、送信線のインダクタを含むディスクリート結合素子が、前記第１のトランスと前記第２のトランスとの間の結合を生成する、請求項１又は２に記載の無線周波数コイルアレイ。
11. 請求項１に記載の無線周波数アレイ内のコイルを分離する方法であって、
    前記コイルを所定の２次元パターンに配置するステップと、
    対角軸に沿って相互にオフセットされるコイル素子を分離するステップと、
    前記第２の主軸に沿ってオフセットされるコイル間の結合を相殺するように、前記第１のトランス及び前記第２のトランスを配向する又は相互に変位させるステップと、
    を含む、方法。
12. 請求項７に記載の無線周波数アレイ内のコイルを分離する方法であって、前記第１の主軸に沿ってオフセットされるコイル間の幾何学的オーバーラップを調整するステップを含む、方法。

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