JP2021519178A - チューニングシステムを有する無線周波数（ｒｆ）アンテナ素子 - Google Patents

Abstract

チューニング／デチューニングシステムを備えたＲＦアンテナ素子であって、ＲＦアンテナ素子は、共振導電性ループを有する。チューニング／デチューニングシステムは、共振導電性ループをチューニング又はデチューンするためのスイッチング素子を有する。チューニング／デチューニングは、共振導電性ループに結合されるエレクトロルミネッセンス素子を有する。チューニング／デチューニングシステムは、エレクトロルミネッセンス素子からのエレクトロルミネセンス信号を検出するための光電変換素子を有する。

Description

本発明は、チューニングシステムと共振導電性ループとを有する高周波（ＲＦ）アンテナ素子に関する。

磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）方法は、磁場と核スピンの相互作用を利用して２次元又は３次元の画像を形成する方法であり、軟部組織のイメージングに関して多くの点で他のイメージング方法より優れていること、電離放射線を必要としないこと、通常は非侵襲であることなどから、今日特に医療診断の分野で広く利用されている。

一般的なＭＲＩ方法では、被検体の身体が、強い均一磁場Ｂ０の中に配置され、磁場Ｂ０の方向は、同時に、測定が関連付られる座標系の軸（通常はｚ軸）を規定する。磁場Ｂ０は、磁場強度に依存して個々の核スピンに対して異なるエネルギーレベルを引き起こし、個々の各スピンは、定められた周波数（いわゆるラーモア周波数、又はＭＲ周波数）の交流電磁場（ＲＦ場）を印加することによって、励起（スピン共鳴）されることができる。巨視的に見ると、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）を印加することによって平衡状態から逸れた全体的な磁化を生成し、このＲＦパルスの対応する磁場Ｂ１は、ｚ軸に垂直に延びおり、従って磁化は、ｚ軸を中心に歳差運動を行う。歳差運動は、その開口角がフリップ角と呼ばれる円錐の表面を表す。フリップ角の大きさは、印加された電磁パルスの強度と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軸から横平面に逸れる（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り、この場合、ｚ方向の磁化は、第１の時定数Ｔ１（スピン格子又は縦方向の緩和時間）で再び構築され、ｚ方向に垂直な方向の磁化は、より短い第２の時定数Ｔ２（スピン−スピン又は横方向緩和時間）で緩和する。横磁化及びその変動は、磁化の変動が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され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ことができる。横磁化の減衰は、ＲＦ励起後に局所的な磁場の不均一性によって起こるディフェージングを伴い、同じ信号位相を持つ秩序状態からすべての位相角が一様に分布する状態への移行を促進する。ディフェージングは、リフォーカスＲＦパルス（例えば１８０°パルス）によって補償されることができる。これにより、受信コイルにエコー信号（スピンエコー）が発生する。

検査対象の患者のような撮像対象の空間分解能を実現するために、３つの主軸に沿って延びる磁場勾配が一様磁場Ｂ０に重畳され、スピン共鳴周波数の線形空間依存性をもたらす。こうして、受信アンテナ（コイルアレイ）でピックアップされた信号は、体内の異なる位置に関連付けることができる異なる周波数の成分を含む。受信コイルを通じて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ドメインに対応しており、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た複数のラインを含む。各ラインは、多数のサンプルを収集することによりデジタル化される。一組のｋ空間データが、フーリエ変換によりＭＲ画像に変換される。

横磁化は、磁場勾配の存在下でもディフェーズする。このプロセスは、ＲＦ誘導（スピン）エコーの形成と同様に、いわゆるグラジエントエコーを形成する適切なグラジエント反転によって反転されることができます。しかし、グラジエントエコーの場合は、ＲＦのリフォーカス（スピン）エコーとは異なり、主磁場の不均一性、化学シフト、その他のオフレゾナンス効果の影響がリフォーカスされない。

文献"Optically detunable, inductively coupled coil for self-gating in small animal magnetic resonance imaging", by M. Korn et al. in MRM65(2011)882-888は、ＲＦアンテナ素子を光学的にデチューンするために配置されたデチューニングシステムを有する無線周波数（ＲＦ）アンテナ素子を開示している。知られているＲＦアンテナ素子は、フォトダイオードに接続された２つのピンダイオードを有するシャントされたキャパシタによって動的に離調可能な小型共振表面コイルの単一ループコイルによって形成されている。照明下で、フォトダイオードの光電流が、ピンダイオードを導電状態に切り替え、表面コイルをデチューン（離調）する。

本発明の目的は、より正確な制御が可能なデチューニングシステムを備えたＲＦアンテナ素子を提供することにある。

この目的は、チューニング／デチューニングシステムを有するＲＦアンテナ素子であって、ＲＦアンテナ素子が共振導電性ループを有し、チューニング／デチューニングシステムが、共振導電性ループをチューニング又はデチューン(detune,離調)するスイッチング素子を有し、チューニング／デチューニングは、前記共振導電性ループに結合されたエレクトロルミネッセンス素子を有し、チューニング／デチューニングシステムは、エレクトロルミネッセンス素子からのエレクトロルミネセンス信号を検出するための光電変換素子を有する。

本発明によれば、エレクトロルミネセンス素子が、チューニング／デチューニングシステム内に設けられる。共振導電性ループに結合されたエレクトロルミネッセンス素子は、そのチューニング／デチューニングシステムによって印加される電圧に応答して、エレクトロルミネッセンス光信号を生成する。導電性ループは、ＲＦアンテナを形成する。導電性ループは、円形ループであってもよいが、ピックアップ磁束に対する感度を有する別の導電体形状によって形成されてもよい。このエレクトロルミネセンス光信号は、光電変換器によって検出され、光電変換器は、エレクトロルミネセンス光信号に応答して、共振導電ループのチューニング／デチューニング状態を表す電子フィードバック信号を生成する。このように、電子フィードバック信号は、共振導電性ループのチューニング／デチューニング状態に関する情報を利用可能にする。この情報に基づいて、デチューニングシステムがより正確に制御されることができる。４０５ｎｍ付近の波長帯域で効率的に動作するＧａＩｎＮ系半導体において、非常に効果的なエレクトロルミネッセンスが見られる。ＧａＩｎＮ系デバイスの太陽光発電効率は約４２％であり、エレクトロルミネッセンス効率は約４３％であり、光誘起エレクトロルミネッセンス効率は約１８％である。代替として、Ｓｉベースの半導体材料が使用されることができるが、これらの効率は低いことがある。

共振導電性ループを有する無線周波数（ＲＦ）アンテナ素子における電気光学コンバータの使用は、ドイツ特許出願DE10 2007 056 2333からそれ自体知られている。この知られているＲＦアンテナ素子は、局所コイルアンテナによってピックアップされた磁気共鳴信号を増幅するために信号増幅器に結合された局所コイルアンテナを有する。増幅された磁気共鳴信号は、デジタル化され、次に、デジタル磁気共鳴信号から光信号を導出する電気光学コンバータに印加される。光信号は、光信号経路を介して光受信器に伝送される。光受信器は、受信した光信号をデジタル受信信号に変換し、このデジタル受信信号は、磁気共鳴画像の再構成のために信号処理装置に印加される。この既知のＲＦアンテナ素子は、デチューニングシステムと組み合わされる電気光学コンバータを示していない。

本発明のこれらの側面及び他の側面は、従属請求項に規定される実施形態を参照して更に詳細に説明される。

本発明のチューニング／デチューニングシステムを備えるＲＦアンテナ素子の好ましい実施形態において、エレクトロルミネッセンス素子は、スイッチ素子と直列に接続される光検出器によって形成される。光検出器に結合される制御光源が提供される。光学放射、例えば光（例えば４０５ｎｍ付近の波長を有する青色光）が光検出器に入射すると、光検出器は、導電性ループが共振と非共振との間で切り替わるようにスイッチング素子を開閉するために、スイッチング素子に対して制御電圧を発生させる。エレクトロルミネッセンス素子の形態の光検出器上の電圧に応じて、（光学的な）エレクトロルミネセンス信号が、光検出器によって（エレクトロルミネッセンス及び光誘起エレクトロルミネッセンスの形で）生成される。このエレクトロルミネセンス信号は、共振導電性ループのチューニング／デチューニング状態を表す電子フィードバック信号に変換される。

本発明のデチューニングシステムを有するＲＦアンテナ素子の別の好ましい実施形態において、スイッチング素子は、エレクトロルミネッセンス素子を形成する。注入光源がスイッチング素子に結合され、光放射、例えば（青色）光がスイッチング素子に入射すると、スイッチング素子は、導電性となり、その閉状態に切り替わる。このように、注入光源をオン又はオフにすることにより、スイッチング素子を閉状態と開状態との間で切り替えることができる。従って、導電性ループは、その共振状態と非共振状態の間で切り替えられる。スイッチング素子の両端の電圧、すなわち誘導された高周波電圧は、そのエレクトロルミネッセント特性により、エレクトロルミネセンス信号を発生させる。このエレクトロルミネセンス信号は、共振導電性ループのチューニング／デチューニング状態を表す電子フィードバック信号に変換される。

電子フィードバック信号は、スイッチング素子の状態（開状態か閉状態か）を表し、それに応じて、導電性ループが、共振状態にあるか非共振状態にあるかの情報を提供する。

エレクトロルミネッセンス素子上の電圧は、導電性ループの負荷に依存するので、電子フィードバック信号も負荷に依存する。従って、電子フィードバック信号は、導電性ループへの実際の負荷を監視するために使用されることができる。開回路状態の場合と閉回路状態の場合の電子フィードバック信号の信号レベルの間には、約１桁の差がありうる。

本発明によるチューニング／デチューニングシステムを備えたＲＦアンテナ素子の更なる実施形態において、光路の一部は、エレクトロルミネッセンス素子と制御光源又は注入光源との間、及び光電変換素子とエレクトロルミネッセンス素子との間で重なっている。このようにして、光学接続の数を減らすことができる。更に、単一のファイバのみが、放出された光子を捕捉することができるので、光学効率が改善される。これは、ダイクロイックミラーのような光学分離器を使用して達成される。ダイクロイックミラーは、エレクトロルミネッセンス素子からの光を光電変換素子に反射し、注入光源からの光と制御光源からの光を透過する。ダイクロイックミラー又はダイクロイックビームスプリッタは、透過光信号と反射光信号のほぼ完全な分離を達成する。これにより、光信号間のクロストークが更に回避される。代替として、従来の５０／５０ビームスプリッタや偏光ビームスプリッタが使用されることもできるが、透過と反射の両方で光信号が失われることになる。光分離器の代替例は、回折格子やフレネルのような４５０ビームスプリッタを採用することでありうる。

本発明のこれらの側面及び他の側面は、以下に記載された実施形態を参照して、添付の図面を参照して解明される。

エレクトロルミネセンス素子がデチューニング回路のスイッチング素子によって形成されている本発明のデチューニングシステムを有する無線周波数（ＲＦ）アンテナ素子の一実施形態を示す図である。 エレクトロルミネセンス素子がデチューニング回路内のスイッチング素子によって形成されている、本発明のデチューニングシステム付き無線周波数アンテナ素子の別の実施形態を示す図である。 本発明のデチューニングシステムを有する無線周波数（ＲＦ）アンテナ素子の一実施形態を示す図であり、エレクトロルミネッセンス素子が、光検出器によってデチューニング回路内のスイッチング素子と直列に形成され、制御光源が、スイッチング素子に制御電圧を印加するように光検出器を制御するために含まれている、図。

図１は、エレクトロルミネッセンス素子がデチューニング回路１１１のスイッチング素子によって形成される本発明のチューニング／デチューニングシステムを有する無線周波数（ＲＦ）アンテナ素子の一実施形態の斜視図である。

アンテナ素子１１は、導電性コイルループ１１によって形成され、この場合、チューニングキャパシタ１５は、この導電性コイルループが、ラーモア周波数帯域で共振し、磁気共鳴によるピックアップ磁束に敏感になるよう、直列に接続されている。デチューニング回路が、導電性コイルループ１１に電気的に結合され、インダクタンス１６を有するスイッチング素子１４を有し、インダクタンス１６は、スイッチング素子１４と直列に接続される。スイッチング素子１４を閉じるために、注入光源１３からの光放射（例えば光）が、光リンク１１２を介してエレクトロルミネッセンススイッチング素子１４、例えばピンダイオードに入射する。このスイッチング動作は、注入光源１３をオン又はオフするように制御する制御部１７によって、又は、光リンク１１２の遮断を制御することによって、制御される。エレクトロルミネッセンススイッチング素子が導電状態になる（すなわち、スイッチが閉じられる）と、インダクタンス１６が、チューニングキャパシタ１５と直列接続され、導電性ループ１１の共振周波数がシフトする。このように、注入光源１３をオン又はオフに切り替えることにより、導電性ループの状態が共振状態と非共振状態との間で切り替わる。スイッチング素子はエレクトロルミネッセンスであるため、ルミネセンス放射（ルミネセンス光）１１３を発生させ、ルミネセンス放射１１３は、光電変換素子１８によって検出され、電子フィードバック信号に変換される。フィードバック信号は、スイッチング素子の状態に関する情報を担持する。フィードバック信号の変動は、温度変化によるバイアス電流の変動に関連する可能性があり、熱負荷に対する洞察を与えることができる。加えて、ＲＦ送信パルスの誘導電圧は、ダイオード／スイッチング素子の電圧／電流変動につながる。実際の実装に依存して、変動は、さまざまな周波数範囲で生じる。例えば、ＰＩＮダイオードによるＲＦ信号の部分的な整流が発生し、これは低周波（＜１０ｋＨｚ）範囲の電流をもたらす。光発電電源の対応する負荷変動は、このようにしてＰＥＬ信号を生じさせる。ＰＩＮダイオードの順方向抵抗もまた、印加されるＲＦ電力によって変化する傾向があり、その結果、印加される周波数のより高い高調波の信号を作成する。これらの信号は、誘導ＲＦ電圧を示す。誘導ＲＦ信号についての洞察を得るために、ＭＲ（ラーモア）周波数又はＭＲ周波数の倍数でＰＥＬ信号を測定することは有利でありうる。誘導ＲＦ信号自体は、コイルの位置での実際のＲＦ送信電界強度及び／又はＲＦコイルの適切な機能についての重要な結論を与える（低すぎる信号が、送信チェーンの問題や受信コイルの破損によって引き起こされることがある）。一般には複数のコイルチャンネルがあるので、送信フィールドの大まかな局所的特性評価が取得されることができる。

図２は、エレクトロルミネッセンス素子がデチューニング回路１１１内のスイッチング素子１４によって形成されているデチューニングシステムを有する無線周波数アンテナ素子の別の実施形態を示す。この実施形態は、図１の実施形態と同様である。図２の実施形態では、注入光放射の光路１１２，１１３とエレクトロルミネッセンス素子からのエレクトロルミネッセンスの光路１１２，１１３とが部分的に重なっている。スイッチング素子への入射光と、スイッチング素子からのエレクトロルミネッセンス光は、光分離器、例えばダイクロイックミラー３１によって分離される。典型的には、単一の青色ＬＥＤ光検出器の場合、約２．６Ｖはエレクトロルミネッセンスを生成するのに十分である。これらのデバイスのいくつかを直列に採用することにより、合計電圧が増加されることができる。生成されたルミネセンス放射（ルミネセント光）１１３は、光電変換素子１８によって検出され、電子フィードバック信号に変換される。

図３は、本発明のデチューニングシステムを有する無線周波数（ＲＦ）アンテナ素子の一実施形態を示す図であり、ここで、エレクトロルミネッセンス素子は、デチューニング回路内のスイッチング素子１４と直列に配置された光検出器２２によって形成され、制御電圧をスイッチング素子に印加するように光検出器を制御する制御光源４１が含まれている。図３の実施形態では、スイッチング素子１４は、光検出器２２からの制御電圧によって制御される。光検出器２２は、エレクトロルミネッセンス素子を形成する。従って、光検出器２２は、ＲＦアンテナ要素１１に起因してそれに印加される電圧に依存してエレクトロルミネッセンスを生成する。制御光源４１は、制御光放射ビームを光検出器２２上に放射することができ、これにより、スイッチング素子に印加される制御電圧が生成される。制御光源は、青色光線レーザ（波長４０５ｎｍ帯）又は青色発光ＬＥＤでありうる。光伝導体は、青色ＧａＩｎＮ系ＬＥＤのようなＧａＮ系半導体素子でありうる。スイッチング素子１４に制御電圧を印加することにより、制御電圧の極性に応じてスイッチング素子が開閉されることができる。このように、制御光源４１をオン又はオフに切り替えることにより、導電性ループ１１は、その共振周波数がラーモア周波数帯に入る又はラーモア周波数帯から出るようにシフトされることができるという点で、その共振状態又はオフ共振状態の間で変化する。例えば、約５ｍＡのバイアス電流では、ブロッキング抵抗は一般に１ｋΩよりも大きい。これは、約５０ｍＷの光電力に対して約１０ｍＡを提供することができるダイオードによって達成されることができる。光検出器２２は、エレクトロルミネッセンス素子を形成し、それにより、導電性ループによって光検出器上に印加される電圧に応じて、光検出器２２は、光電気変換素子１８によって検出され、電子フィードバック信号に変換される発光を発する。光検出器２２から光電変換素子１８へのエレクトロルミネッセンス光１１３の光路と、制御光源４１から光検出器２２への制御放射ビーム４１１の光路は、部分的に重なっている。光分離器３１は、光検出器２２から光電気変換素子１８へのエレクトロルミネッセンス光を偏向させ、制御光源４１から光検出器２２への制御放射ビーム４１１を透過させる。良好な結果は、約１０ｎｍの透過と反射の間の波長の遷移幅を有することができるダイクロイックミラーを用いて達成される。ダイクロイックミラーは、４２０ｎｍ未満の波長（例えば４０５ｎｍ）については反射し、４２０ｎｍ以上の波長（例えば４４０ｎｍ）については透過させることができる。

Claims (8)

1. チューニング／デチューニングシステムを有する無線周波数（ＲＦ）アンテナ素子であって、
   前記ＲＦアンテナ素子は、共振導電性ループを有し、
   前記チューニング／デチューニングシステムは、前記共振導電性ループをチューニング又はデチューンするためのエレクトロルミネッセンススイッチング素子を有し、
   前記エレクトロルミネッセントスイッチング素子は、前記共振導電性ループに結合されており
   前記チューニング／デチューニングシステムは、前記エレクトロルミネセンススイッチング素子からのエレクトロルミネセンス信号を検出するための光電変換素子を有する、ＲＦアンテナ素子。
2. 前記エレクトロルミネセンススイッチング素子は、スイッチング素子と直列に接続された光検出器を有し、
   前記チューニング／デチューニングシステムは、制御光放射ビームによって前記光検出器に光学的に結合される制御光源を有し、前記制御光源は、前記導電性ループの状態を共振と非共振との間で切り替えるように構成され、
   前記光検出器は、前記光検出器からのエレクトロルミネセンス信号を電子フィードバック信号に変換するための光電変換素子に光学的に結合される、請求項１に記載のＲＦアンテナ素子。
3. 前記チューニング／デチューニングシステムは、前記エレクトロルミネッセンススイッチング素子に光学的に結合される注入光源を有し、前記注入光源は、前記導電性ループの状態を共振と非共振との間で切り替えるように構成され、
   前記エレクトロルミネッセンススイッチング素子は、前記エレクトロルミネッセンス素子からのエレクトロルミネセンス信号を電子フィードバック信号に変換するために、前記光電変換素子に光学的に結合される、請求項１に記載のＲＦアンテナ素子。
4. 前記電子フィードバック信号が前記エレクトロルミネセンススイッチング素子の状態を表す、請求項２又は３に記載のＲＦアンテナ素子。
5. 前記電子フィードバック信号が前記導電性ループの実際の負荷を表す、請求項２又は３に記載のＲＦアンテナ素子。
6. 前記電子フィードバック信号が、前記導電性ループ内に誘導されるＲＦ電圧を表す、請求項２乃至４のいずれか１項に記載のＲＦアンテナ素子。
7. 光分離器又はダイクロイックミラーが、前記エレクトロルミネッセンス素子と前記制御光源との間の光路、及び前記光検出器と前記光電変換素子との間の光路に構成される、請求項２、４又は５に記載のＲＦアンテナ素子。
8. 光分離器又はダイクロイックミラーが、前記エレクトロルミネセンススイッチング素子と前記注入光源との間の光路と、前記エレクトロルミネセンススイッチング素子と前記光電変換素子との間の光路内に設けられる、請求項３に記載のＲＦアンテナ素子。

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