JP2021533954A - 調整可能なメタマテリアルデバイス - Google Patents

Abstract

【解決手段】ＭＲシステム内でＲＦ信号の磁場を集中させるデバイス、このデバイスを備えるＭＲシステム、画像化対象にＲＦ信号の磁場を集中させる方法が開示される。本開示に係るデバイスは、アレイ内に配置された複数の導電部品と、導電部品の２つの箇所の間に接続された複数の半導体デバイスと、各半導体デバイスのバイアス電圧を制御し、これによりアレイの共鳴周波数を制御する制御器と、を備える。アレイは、各導電部品の長さより長いＲＦ波長を持つＲＦ信号を受信するときに、共鳴ＲＦ周波数におけるＲＦ放射の電場と磁場との間でエネルギーを再分布するように構成される。本開示に係る方法は、アレイ内に配置された複数の導電部品を備えるデバイスを画像化対象の近辺に置くステップと、画像化対象にＲＦ信号を照射するステップと、導電部品および画像化対象からの帰還ＲＦ信号を受信するステップと、導電部品の共鳴周波数を変えるために、導電部品に接続された複数の半導体デバイスの各々のバイアス電圧を制御するステップと、を備える。アレイは、各導電部品の長さより長いＲＦ波長を持つＲＦ信号を受信するときに、共鳴ＲＦ周波数におけるＲＦ放射の電場と磁場との間でエネルギーを再分布するように構成される。【選択図】図７

Description

本開示は、磁気共鳴（ＭＲ）システム内の信号の磁場を集中させるデバイスおよび方法ならびにこのようなデバイスを含むＭＲシステムまたは前述の方法を実行するためのシステムに関する。

核磁気共鳴画像法（ＭＲＩ）は、脳信号活動の測定、癌細胞の早期検出、生物学的構造ナノスケール画像化、流体力学の制御、および機能的循環器系画像化を可能とする唯一の方法である。ＭＲＩスキャンの需要は常に増している。その結果、機器の数が限られることに起因する待ち時間が延びている。より高解像度の画像への需要が増加していることにより、より強い静磁場（３Ｔ以上）のスキャナーが開発されているが、これは一層高価なものとなる。より高品質の画像およびＭＲＩスキャン量への需要が時間ととともに増加しているため、国民皆健康保険制度は、既存の設備、リソースおよび予算制約線における待ちリストの短縮を強いられる。従って、医療画像および診断の改善のために、こうした条件下でのＭＲＩスクリーニングの効率向上が必要となる。

国際出願公開第２０１７／００７３６５号（２０１７年１月１２日）は、ＭＲＩシステムにおける信号帯雑音比（ＳＮＲ）を改善し、比吸収率（ＳＡＲ）を低減するメタマテリアルデバイスを開示する。このデバイスは電磁場集中器として機能し、被検対象物近辺にラジオ周波数電場の局所的再分布を生成する。これは、電磁場集中器内の各導電体の長さが半波長共鳴の出現条件を満足するという事実に基づく。このデバイスは、特に比較的低パワーのＭＲＩシステムに向く。このデバイスによって電磁（ＥＭ）場の著しい集中のためのポテンシャルが与えられると、高パワーシステムでは、ＲＦ信号が許容不可能なレベルのＳＡＲにまで集中するリスクが生じる。さらなる問題として、画像化対象がＭＲＩシステムの内部にあるとき、対象の誘電性が当該ＭＲＩシステムの送信コイルまたは受信コイルを離調させるということがある。離調量は、対象の個々の特性による。コイルがラーモア周波数から離れることから、この離調はコイルの動作が最適から外れることを意味する。

第１の態様では、ＭＲシステム内でＲＦ信号の磁場を集中させるデバイスは、アレイ内に配置された複数の導電部品を備える。導電部品のアレイは、導電部品の長さより長いＲＦ波長を持つＲＦ信号を受信するときに、共鳴ＲＦ周波数におけるＲＦ放射の電場と磁場との間でエネルギーを再分布するように構成される。エネルギーの再分布は、アレイの第１の場所におけるＲＦ信号の局所的磁場の強さを強めることと、アレイの第１の場所におけるＲＦ信号の局所的電場の強さを弱めることと、を含んでもよい。この再分布により、ＲＦ信号の磁場が、第１の場所に効果的に「集中」する。原子の磁気モーメントに対する入射ＲＦ信号パルスの効果は磁場の強さに依存するので、この再分布によりＲＦ信号の効果が改善される。さらに、第１の場所における電場の減少により、画像化対象の望まれない加熱を低減することができる。従って画像化対象を第１の場所の近辺に置くことにより、ＭＲＩシステムの信号帯雑音比を改善し、比吸収率を低減することができる。

ＲＦ放射の電場と磁場との間でのエネルギーの再分布は、一部は、共鳴ＲＦ周波数におけるアレイ内の導電部品の共鳴に依存する。すなわち再分布は、共鳴周波数で起こる現象である。この周波数を含むＲＦ信号を受信するとき、アレイ内の導電部品は共鳴する。ＲＦ信号は、当該ＲＦ信号が画像化対象に到達する前に、ＲＦ送信器から受信されてもよいし。あるいはＲＦ信号は、画像化対象が照射された後に、当該画像化対象から（すなわち、帰還ＲＦ信号として）受信されてもよい。ＲＦ信号は、各導電部品の長さより長いＲＦ信号波長を持つ。言い換えれば、導電部品は「サブ波長」の長さを持つ。

デバイスは、導電部品の２つの箇所の間に接続された複数の半導体デバイスをさらに備える。この２つの箇所は、単一の導電部品の２つの箇所であってもよい。代替的に、第１の箇所は第１の導電部品上にあり、第２の箇所は第２の導電部品上にあってもよい。言い換えれば、各半導体デバイスは、単一の導電部品に接続されてもよいし、複数の導電部品に接続されてもよい。アレイの共鳴周波数は、各半導体デバイスの導電状態および／またはキャパシタンスに依存する。これは、半導体デバイスのバイアス電圧によって決定する。導電状態は、半導体デバイスが２つの箇所の間に電気を通すか、あるいはどれだけの量の電気を通すか、を表す。例えば、半導体デバイスが２つの箇所の間に電気を通すとき、導電状態は「オン」または「閉」と呼ぶことができる。逆に、半導体デバイスが２つの箇所の間に電気を通さないとき、導電状態は「オフ」または「開」と呼ぶことができる。一般に半導体デバイスは、完全に絶縁であることも、完全に導電であることもない。しかし導電／非導電状態は、実質的に２つの箇所の間を短絡／遮断する。特に「非導通状態」は、接続されていない導電部品を持てば、アレイの共鳴周波数と実質的に等しい共鳴周波数を生む。同様に、「導通状態」は、抵抗の無視できるコンダクタで接続された導電部品を持てば、アレイの共鳴周波数と実質的に等しいアレイの共鳴周波数を生む。バイアス電圧は、半導体デバイスの電気的特性を制御するために、半導体デバイスの２つの箇所の間に与えることのできる電圧である。例えばトランジスタのバイアス電圧は、トランジスタゲートとトランジスタソースとの間にある。これに対しバラクタダイオードのバイアス電圧は、当該バラクタダイオードのアノードとカソードとの間にある。半導体が順バイアスされると、バイアス電圧は半導体デバイスの導電状態を決定する。代替的に半導体が逆バイアスされると、バイアス電圧は半導体デバイスのキャパシタンスを決定する。導電部品間で導電状態またはキャパシタンスを制御することにより、当該導電部品のアレイの共鳴周波数を制御することができる。

デバイスは、各半導体デバイスのバイアス電圧を制御する制御器をさらに備える。一般に制御器は、各半導体デバイスのバイアス電圧を独立に制御してよいし、あるいはすべての半導体デバイスのバイアス電圧をまとめて制御してもよい。共鳴周波数は半導体デバイスのバイアス電圧（これは、半導体デバイスの導電状態またはキャパシタンスを与える）に依存するので、バイアス電圧を制御することにより、共鳴周波数を選択的に変える（すなわち、「調整」または「離調」する）ことができる。例えば共鳴周波数は、ＲＦ信号の周波数に合致するように「調整」することができる。これによりデバイスは、前述のような電場と磁場の間でのエネルギーを再分布をする。代替的に、共鳴周波数は、ＲＦ信号の周波数から「離調」することができる。これによりデバイスは、前述のような電場と磁場の間でのエネルギーの再分布をしない。例えば、ＲＦ信号が「離調された」共鳴周波数を含まない場合（あるいは少なくとも、そのスペクトルが共鳴周波数を多く含まない場合）、これは共鳴しない。

従って第１の態様に係るデバイスは、有利なことに、ＲＦ信号の磁場の再分布／集中が起こるか否かを制御することができる。例えば、ＲＦ信号の磁場の再分布／集中の現象が、ＭＲシステムのＲＦパルスサイクルの特定の位相においてのみ起こるように制御することができる。

デバイスは、複数の半導体デバイスの各々が、導電材料の各ペアの間に接続されるように構成されてもよい。これにより、各半導体デバイスが導電状態にあるとき、各ペアの導電部品は短絡する。例えば半導体デバイスの２つの箇所が、導電部品のペアを接続する。これにより、半導体デバイスが「非導電状態」にあるとき、当該ペアは電気的に絶縁される。逆に半導体デバイスが「導電状態」にあるとき、当該ペアは電気的に接続される（または短絡する）。導電部品のペアは、アレイ内の導電部品に隣接してもよい。任意の個々の導電部品は、１つ以上の対をなしてもよい。例えば半導体デバイスは、複数の半導体デバイスが「導電状態」のときすべての（または大半の）導電部品が電気的に接続されるように、導電部品を接続してもよい。

デバイスは、各々が各導電部品と列をなして配置された（すなわち、各導電部品と平行かつ同一線上に配置され、各導電部品の一端に配置された）１つ以上の導電部品エクステンションを備えてもよい。この構成では、複数の半導体デバイスの各々は、各導電部品と、対応する導電部品エクステンションとの間に接続する。これにより、各半導体デバイスが導電状態にあるとき、各導電部品の有効長が延びる。一般に、共鳴周波数（従って、エネルギーの再分布の効果）は、導電部品の長さまたは有効長に依存する。従って、導電部品の有効長を延ばす（さもなければ、変える）ことにより、デバイスを調整／離調することができる。

各導電部品は、細長くてもよい。すなわちこの場合、各導電部品の第１の次元（長さ）は、第２および第３の次元より数倍長い。例えば導電部品は、ワイヤであってもよい。細長い導電部品の各々は、共鳴周波数に相当する波長の約半分の長さを持つ。これにより、導電部品の長さ方向の中点付近で、磁場が局所的に強くなる（これに対応して、電場が弱くなる）ように電場と磁場との間でエネルギーが再分布する。細長い導電部品は、実質的に互いに平行に（すなわち、導電部品の長さ方向が実質的に平行となるように）配置される。実質的に平行とは、例えば、各導電部品におけるエネルギーの再分布現象が協働した結果、局所的に磁場が増加し電場が減少した画像化ターゲット領域が生まれるのに十分なほど平行であることを意味する。導電部品は、当該導電部品の長さ方向と直行する方向に、互いに離れてもよい。

アレイは、１次元（単一の列内で並んで配置される）、２次元（積層された層または列内に配置される）または３次元（２次元アレイの積層に配置される）であってよい。

導電部品は、１つ以上の曲線状部品を備え、当該１つ以上の曲線状部品は、１つ以上の分割リング、分割ループまたはスイスロール状部品を備えてもよい。この場合、各半導体デバイスは、曲線状部品の各端部の間に接続される。従って、導電部品が「導電状態」にあるとき、曲線状部品の端部は短絡する。従って、共鳴周波数が変わる。

導電部品は、曲線状ワイヤ部品を備えてもよい。この場合、各半導体デバイスは、曲線状ワイヤ部品の隣接するワイヤのペアの間に接続される。導電部品が「導電状態」にあるとき、曲線状ワイヤ部品の対は短絡する。従って、共鳴周波数が変わる。

制御器は、受信したＲＦ信号に対応して、各半導体デバイスのバイアス電圧を変えるように構成されてもよい。例えば制御器は、ＲＦ信号が受信されていると当該制御器が判断したとき各半導体デバイスの導電状態を「導電」とし、その逆のとき「非導電」とするように、バイアス電圧を制御してもよい。同様に制御器は、所定の電力閾値より高いＲＦ信号が受信されていると当該制御器が判断したとき各半導体デバイスの導電状態を「導電」とし、その逆のとき「非導電」とするように、バイアス電圧を制御してもよい。代替的に制御器は、ＲＦ信号が受信されていると当該制御器が判断したとき各半導体デバイスの導電状態を「非導電」とし、その逆のとき「導電」とするように、バイアス電圧を制御してもよい。同様に制御器は、所定の電力閾値より高いＲＦ信号が受信されていると当該制御器が判断したとき各半導体デバイスの導電状態を「非導電」とし、その逆のとき「導電」とするように、バイアス電圧を制御してもよい。ＲＦ信号の受信に応じて各半導体デバイスのバイアス電圧を変えるための基準として、他にも多くのものが考えられる。

制御器は、ＲＦ信号を受信するように構成された受信部品（例えば、アンテナまたはインダクタ）を備えてもよい。制御器は、受信部品がＲＦ信号を受信するとき、各半導体デバイスのバイアス電圧を変えるために、ＲＦ信号をクロック信号に変換するように構成された変換器をさらに備えてもよい。変換器は、ＲＦ信号をデジタル化する（すなわち、アナログＲＦ信号をデジタル信号に変換する）ための比較器を備えてもよい。変換器は、ＲＦ信号の周波数を低下させるための周波数分割器と、ＲＦ信号を固有周波数にまでさらに低下させるマルチバイブレータと、をさらに備えてもよい。固有周波数は、ＲＣ回路によって決定されてよい。

複数の半導体デバイスの１つまたはいくつかは、トランジスタ、ダイオードまたはバラクタであってよい。そして制御器は、アレイの共鳴周波数を変えるために、各トランジスタまたは各バラクタのバイアス電圧を制御するように構成された可変ＤＣ電圧供給器を備えてもよい。従って可変ＤＣ電圧供給器は、半導体デバイスが順バイアスされているとき半導体デバイスの導電状態を決定し、半導体デバイスが逆バイアスされているとき半導体デバイスのキャパシタンスを決定することができる。可変ＤＣ電圧供給器は、ＤＣ電源からのＤＣ電圧を受信し、トランジスタまたはバラクタに可変ＤＣ電圧を供給するように構成されたポテンショメータであってもよい。

各半導体デバイスは、ＭＯＳＦＥＴまたはダイオードであってもよい。すべての半導体デバイスが同じタイプであってもよいし、複数の半導体デバイスの中に互いに異なるものがあってもよい。

各導電部品は、誘電体材料によって支持されてもよい。誘電体材料は、導電部品同士が（位置および方向に関して）互いに動かないように、導電部品を支えてもよい。例えば導電部品は、誘電体材料内に埋め込まれてもよいし、誘電体材料の表面上に固定されてもよい。

各導電部品は、非磁性金属から作られてもよい。例えば非磁性金属は、１テスラ以上３テスラ未満または７テスラまでの磁場に置かれたとき安全であるのに十分なほど非磁性であってよい。例えば、典型的には相当量の鉄またはニッケルを含む金属材料は不適であるのに対し、銅、真鍮、銀などは好適である。

本開示の別の態様のＭＲシステムは、画像化対象を受け入れるように構成された画像化領域と、画像化領域内に静磁場を生成するように構成された磁場生成器と、を備える。生成される静磁場は、傾斜磁場であってもよい。ＭＲシステムは、画像化対象にＲＦ信号を照射するように構成されたＲＦ送信器と、画像化対象からの帰還ＲＦ信号を受信するように構成されたＲＦ受信器と、をさらに備える。ＭＲシステムは、前述のＭＲシステム内で、ＲＦ信号の磁場を集中させるデバイスをさらに備える。このデバイスは、ＲＦ信号のＲＦ周波数に合致する共鳴周波数を持ってもよい。ＲＦ信号は、各導電部品の各寸法より長い波長を持つ。このデバイスは、画像化領域とＲＦ送信器またはＲＦ受信器のいずれか（もしくはその両方）との間に配置される。このようにしてデバイスは、ＲＦ信号を受信する画像化領域内で、電場と磁場との間でエネルギーを再分布することができる。従ってデバイスは、画像化対象が置かれる画像化領域のすべてまたは一部にわたって、ＲＦ信号の磁場を局所的に強めてもよい。代替的または追加的に、デバイスは、ＲＦ受信器で、帰還ＲＦ信号の磁場を強めてもよい。

システムは、ＲＦ送信器を制御するように構成された送信制御器をさらに備えてもよい。送信制御器は、ＲＦ信号の周波数、パルス持続時間またはパワー、あるいはＲＦ送信器によって定められるその他の任意のパラメータを制御してもよい。デバイスの制御器（これは、デバイス内で各半導体デバイスのバイアス電圧を制御するように配置される）は、ＲＦ信号の送信に適合するように半導体デバイスのバイアス電圧を変えるために、送信制御器からの制御信号を受信するように構成されてもよい。例えば制御器は、ＲＦ信号が送信中であることを制御信号が示すとき「導電状態」とし、ＲＦ信号が送信中でないことを制御信号が示すとき「非導通状態」とするように半導体デバイスを制御してもよい。あるいはその逆でもよい。制御器は、送信制御器からの制御信号を無線で受信してもよい。

本開示の別の態様の方法は、ＭＲシステム内の画像化対象にＲＦ信号の磁場を集中させる方法である。この方法は、アレイ内に配置された複数の導電部品を備えるデバイスを画像化対象の近辺に置くステップを備える。アレイは、各導電部品の長さより長いＲＦ波長を持つＲＦ信号を受信するときに、共鳴ＲＦ周波数におけるＲＦ放射の電場と磁場との間でエネルギーを再分布するように構成される。導電部品およびアレイは、前述のＭＲシステム内でＲＦ信号の磁場を集中させるデバイスに関して説明したものであってよい。この方法は、導電部品および画像化対象にＲＦ信号を照射するステップを備える。ＲＦ信号は、画像化対象により帰還ＲＦ信号を生じさせる。この方法は、対象を画像化するために、帰還ＲＦ信号を受信するステップを備える。この方法は、導電部品の共鳴周波数を変えるために、導電部品に接続された複数の半導体デバイスの各々のバイアス電圧を制御するステップをさらに備える。

複数の半導体デバイスのバイアス電圧を制御するステップは、導電部品および画像化対象にＲＦ信号（「送信信号」とも呼ばれる）を照射するときは、画像化対象内でＲＦ信号の磁場を集中させないものであってもよい。制御するステップはまた、導電部品および画像化対象から帰還ＲＦ信号を受信するときは、ＲＦ信号の磁場を集中させるものであってもよい。代替的に、複数の半導体デバイスのバイアス電圧を制御するステップは、導電部品および画像化対象から帰還ＲＦ信号を受信するときは、画像化対象内でＲＦ信号の磁場を集中させないものであってもよい。あるいは複数の半導体デバイスのバイアス電圧を制御するステップは、導電部品および画像化対象にＲＦ信号を照射するときは、画像化対象内でＲＦ信号の磁場を集中させるものであってもよい。

複数の半導体デバイスのバイアス電圧を制御するステップは、デバイスの共鳴周波数をＲＦ信号周波数に調整するものであってもよい。例えば共鳴周波数は、信号周波数を変える画像化対象の誘電率および／または透磁率に応じて、ＲＦ信号となるように調整されてもよい。

前述の方法におけるデバイスは、上記で説明した任意のデバイスであってよい。

以下、図面を参照しながら、特定の実施の形態を例示により説明する。
ＭＲシステム内でＲＦ信号の磁場を集中させるデバイスの等角図である。 図１のデバイスのスイッチ回路を示す図である。 図１のデバイスの制御回路を示す図である。 図１のデバイスのスイッチ回路を示す図である。 図１のデバイスのスイッチ回路を示す図である。 導電部品の３つの代替的な形状を示す図である。 導電部品の３つの代替的な形状を示す図である。 導電部品の３つの代替的な形状を示す図である。 磁気共鳴システムを示す図である。 ＭＲシステム内で画像化対象のＲＦ信号の磁場を集中させる方法を示す図である。

全体を通して本開示は、ＲＦ場を再分布させ、ある領域（例えば、ＭＲＩシステム内で診断を受ける患者の近辺の領域）に入射するＲＦ信号の磁場を拡大するように構成された、調整可能なデバイスに関する。
デバイスがＲＦ磁場を拡大するときの共鳴周波数は、入射ＲＦ信号の周波数に（または入射ＲＦ信号の周波数から）調整することができる。これによりデバイスは、ＭＲＩ ＲＦ信号が連続する間、選択的に、有利な回数のみ動作する。

ＭＲＩ場集中デバイスの概論
図１を参照すると、ＭＲＩシステム内でＲＦ信号の磁場を集中させるのに適したデバイス１０は、アレイ１４に配置された複数のワイヤ１２を備える。ワイヤ１２は、誘電体層１６によって支持される。これらのワイヤは細長い導電体部品であり、第１の方向に幅方向および高さ方向より大分長い長さを持つ。これらのワイヤは、非磁性金属または非鉄金属で作られる。ワイヤ１２の各縦軸は、実質的に互いに平行である。

ワイヤ１２は、２次元の周期的アレイ１４で構成される。アレイ１４は、デバイス１０の高さおよび幅に沿った２次元方向に、間隔を置いて均等に配置されたワイヤ１２を備える。図１に示されるように、アレイ１４は、１４本のワイヤ１２からなる２つの列を備える。ワイヤ１２のアレイ１４は、誘電体層１６内に埋め込まれる。誘電体層１６は、ワイヤ１２をアレイ内に支持し、ワイヤ１２の各々を互いに配置する。

アレイ１４およびアレイのワイヤ１２は、ＲＦ信号がアレイ１４に入射したとき、当該ワイヤ１２が、各ワイヤ１２の長さ方向の中点の近辺でＲＦ電磁場を変化させるように配置される。

場の再分布現象を生成するために、各ワイヤの長さは、ＭＲＩシステムの動作周波数における第１固有モードに関するファブリ−ペロー条件を満足するように選択される。このときのワイヤの長さが動作周波数の媒体内におけるほぼ半波長に相当することから、この条件は半波長共鳴としても知られる。例えば１．５Ｔの機器の場合、動作周波数は６３．８ＭＨｚである。デバイス１０のワイヤ１２の長さは、以下の式を用いて選ぶことができる。

ここで、εはワイヤ周辺の環境の誘電率、Ｌは各ワイヤの長さ、ｃは光速、ｆは周波数である。ワイヤの環境の誘電率は、主にワイヤが埋め込まれる物質の誘電率の影響を受けるが、他の近辺の物質の影響も受ける。比誘電率が８１の媒体内の周波数が６３．８ＭＨｚの場合、これは２６．１ｃｍのワイヤ長に相当する。これは、動作周波数（すなわち、デバイスが磁場を集中させるように構成されるときのＲＦ信号の周波数）に相当する波長より短いことに注意する。この部品は細長いので、幅および高さもまたサブ波長である。与えられた周波数に関し、およその長さは式（１）に代えて、実験またはシミュレーションにより決定することもできる。

本開示によれば、第１ファブリ−ペローモードに関し、最大となる磁場はデバイス１０の中央部に局在化され、電場はワイヤ１２の縁部近辺に局所化される。ワイヤ間の近接場相互カップリングに起因して、第１ファブリ−ペローモードは変化する。しかし、半波長共鳴周波数に関し、アレイのモード構造は単一のワイヤのモード構造に極めて近い。特に、磁場の最大値は中央付近に存在し、電場の最大値はワイヤ１２の端部付近に局在化される。

上記のデバイスは、対象の画像化のためのＲＦ信号を改善するために、磁気共鳴（ＭＲ）システム（ＭＲＩシステムおよび磁気共鳴スペクトロスコピー（ＭＲＳ）を含む）内で使うことができる。これは、画像化対象領域における磁場の増加によりＳＮＲが増加し、当該領域における電場の減少によりＳＡＲが減少することによる。本明細書で開示される特定の実施の形態は主にＭＲＩシステムの文脈で説明されるが、ＭＲＳシステムにも同様に適用可能である。

図１のデバイスの構成は、磁場および電場を再分布するデバイスの特定の一例である。しかしこのデバイスには、同等の仕方で動作する多くの変形がある。例えば、分割リング、ループ、スイスロール状、曲線状ワイヤといった、ワイヤ以外の導電体部品が使われてもよい。代替的な構成では、周期的なアレイに代えて、非周期的な（すなわち、不規則な間隔で配置された）アレイが使われてもよい。さらに、図１に示される２次元のアレイに代えて、１次元または３次元のアレイが使われてもよい。設計上、特定の応用からの要求に応じて、アレイは、場の再分布現象を生成するのに必要な数より多いまたは少ない導電体部品を備えてもよい。

デバイス１０による場の再分布現象の上記の説明は第１ファブリ−ペローモードに相当する半波長共鳴に沿って説明したが、ＭＲＩシステム内でＲＦ信号の磁場を集中させるために、デバイスを調整または離調するための開示された構成は、任意の場の再分布メカニズムに当てはまる。例えば導電体部品の他のアレイが、特定の動作周波数で入射する放射をフォーカスまたは操作してもよい。入射放射に特定の操作を行うためにアレイ状に配置されたサブ波長の導電体部品の集合は、一般にメタマテリアルとして知られる。本明細書で開示された原理は、ＭＲシステム内のＭＲ信号の磁場を集中させるために使われる任意のメタマテリアルに適用できる。

ＲＦ信号の磁場を集中させるための調整可能なデバイス
デバイス１０（または、ＭＲシステム内のＭＲ信号の磁場を集中させるための他のデバイス）の共鳴周波数を変えるために、デバイス１０には、以下で図２を参照して説明される構成が与えられる。

図２を参照すると、デバイス１０はスイッチ回路２０を備える。スイッチ回路２０は、ワイヤ１２に接続された複数のトランジスタ２２を含む。トランジスタ２２の各々は、隣接するワイヤのペアの間に接続される。各トランジスタ２２のソース２２Ｓは当該ペアの一方に接続され、ドレイン２２Ｄは当該ペアの他方に接続される。例えば図１に示される２つの導電体部品の列を持つアレイでは、トランジスタ２２の各々は、同じ列内で隣接するワイヤ１２の間に接続される。図２は模式的であり、すべてのトランジスタを示すものではない。これらのトランジスタに関し、全部でＮ個のワイヤのペアを持つアレイ１４の第１のペアに接続されるものは「１」、第２のペアに接続されるものは「２」といったように番号付けがされる。他の構成では、ワイヤ１２の各々は、２個以上のトランジスタを介して他のワイヤに接続されてもよい。この場合すべてのワイヤ１２は、トランジスタを介して互いに電気的に接続される。

制御回路で生成されたクロック信号２４が、各トランジスタ２２のゲート２２Ｇに与えられ、各トランジスタ２２のソース２２Ｓにインダクタ２６を介して与えられる。クロック信号は、各トランジスタ２２のゲート電圧を決定し、従って当該トランジスタのソース−ドレイン接続の導電性を決定する。クロック信号２４がオンのとき、各トランジスタはソースとドレインとの間が接続される。その結果、隣接するワイヤ１２の間は接続されたペアで短絡され、デバイスの共鳴周波数が変わる。例えば、動作周波数でトランジスタソース２２Ｓとワイヤ１２とを互いに絶縁するために、インダクタ２６が含まれる。これは、動作周波数（例えば６３．８ＭＨｚ）では高インピーダンスを持ち、バイアスを可能とするためのＤＣ電圧に関しては低インピーダンスを持つ。従ってこのインダクタのインダクタンスは、動作周波数でワイヤを絶縁するのに十分なほど大きく、１０ｋＨｚオーダの周波数の単一クロック供給でトランジスタを起動するのに十分なほど小さい。各インダクタの典型的なインダクタンスは３．３μＨである。各トランジスタは、クロック信号２４に関し、ソースに与えられるポテンシャルよりも高いポテンシャルがゲートに与えられることにより、順バイアスされる。ゲート電圧が閾値電圧（Ｖｔｈ）に達すると、トランジスタは、ドレインとソースとの間に非常に低いインピーダンスを生む。一方、ゲート電圧が閾値電圧より低いときは、トランジスタは、ドレインとソースとの間に高いインピーダンスを持つ。トランジスタ２２の各々は、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）または他の任意の種類のトランジスタであってよい。同様に、トランジスタに代えて、バイアス電圧によって電気的に制御可能な導電状態を持つ任意の半導体デバイス、例えばダイオードが使われてもよい。アノードとカソードとの間にポテンシャルを与えることにより、クロック信号２４を用いて、ダイオードの導電状態を制御することができる。

スイッチ回路２０は、デバイス１０の誘電体層１６の中で（または上で）支持されてもよい。代替的に、スイッチ回路２０の一部（例えばトランジスタ２２）が、誘電体層によって支持され、１つ以上の電気的接点を介してクロック信号に接続されてよい。

図３を参照すると、第１の構成では、クロック信号２４は、制御回路３０を用いて生成される。制御回路３０は、ＲＦ信号３１を受信し、当該ＲＦ信号３１をクロック信号２４に変換する。制御信号３０は、ＲＦ信号を受信するためのインダクタ３２を有する。インダクタ３２は、比較器３４の入力に電気的に接続される。比較器３４は、インダクタ３２で受信した弱い正弦波を、レール・ツー・レール方形波に変換する（すなわち、参照電圧と比較することにより、アナログ信号をデジタル信号に変換する）。比較器は、ＭＲＩシステムの動作周波数（ラーモア周波数）と等しい速さで（またはそれより速く）ＲＦ信号を変換するのに十分なほど速い応答時間を持つ。比較器３４の出力は、デジタル化されたＲＦ信号をより低周波数に変換するように構成された周波数分割器３６の入力に電気的に接続される。約６４ＭＨｚのＲＦ信号３１適した周波数分割器３６は、デジタル化されたＲＦ信号３１を数１０ｋＨｚまたは数１００ｋＨｚ中間信号に変換する非同期カウンタ（８−１２ビット）である。周波数分割器３６の出力は、周波数分割器３６からの信号を、マルチバイブレータ３８のＲＣ時定数により定まる特定の周波数の組にまでさらにダウンコンバートするように構成されたマルチバイブレータ３８に電気的に接続される。好適なマルチバイブレータ３８は、１ｋＨｚから１０ｋＨｚの固定的な出力周波数と、８０％より大きなデューティサイクルを持つ単安定マルチバイブレータである。言い換えれば単安定マルチバイブレータ３８は入力信号を受信するが、１サイクルの８０％以上の時間で比較的高い（オン）出力電圧を持ち、それ以外の時間で比較的低い（オフ）出力電圧を持つ。１サイクルの期間（すなわち、出力の立ち上がりのエッジ間の時間）は、固定された出力周波数で分割されることによって与えられる。デューティサイクルの値は、マルチバイブレータを特徴づけるＲＣ回路によって定まる。マルチバイブレータ３８の出力は、前述のスイッチ回路に供給されるクロック信号２４である。

図３を参照して説明した構成は、制御回路３０の一例である。しかし、ＲＦ信号３１からクロック信号を生成するために、別のおよび／または追加的な部品が含まれてもよい。例えばインダクタ３２に代えて、アンテナその他の受信部品が使われてもよい。同様に、比較器３４、周波数分割器３６およびマルチバイブレータ３８以外の部品であって、アナログＲＦ信号３１をより低周波数のデジタルクロック信号に変換する回路を提供できるものが存在する。代替的に、ＲＦ信号をデジタルクロック信号に変換しない制御回路が使われてもよい。例えばアナログ信号を維持し、２つのトランジスタ（その一方は、アナログ信号の各半サイクルのためのもの）を持つものである。ＲＦ信号周波数が回路部品の動作可能な周波数とどれだけ異なるかによっては、代替的に、制御回路はＲＦ信号を低周波数に変換しなくてもよい。

図４を参照すると、第２の構成では、ポテンショメータ４４が、トランジスタ２２のバイアス電圧を決定する信号を制御する。今度はこれが、導電部品間のトランジスタのキャパシタンスと、アレイ１４の共鳴周波数を決定する。従って、図３に示される制御回路３０に代えて、ポテンショメータ４４が、図２に示されるスイッチ回路２０の制御器として機能する。ポテンショメータ４４を含むこととは別に、スイッチ回路２０は、図２に示すものであり、任意の変形を有してもよい。ポテンショメータ４４の一端はトランジスタの各ゲート２２Ｇに接続され、他端はインダクタ２６を介してトランジスタの各ソース２２Ｓに接続される。ポテンショメータ４４の高ポテンシャル端は、トランジスタ２２を逆バイアスするために、トランジスタのソース２２Ｓに適用される。ポテンショメータ４４にＤＣ電力が入力されることにより、ポテンショメータ４４の制御された抵抗がトランジスタ２２のゲート電圧を制御する。従って、ＤＣ電力入力を与えられたポテンショメータ４４は、可変ＤＣ電圧供給器として機能する。ポテンショメータ４４に代えて、代替的な可変ＤＣ電圧供給器が使われてもよい。トランジスタが逆バイアスされた場合、ゲート電圧を変えることによりバイアス電圧が変わるので、各トランジスタのドレインとソースとの間のキャパシタンスが変わる。これは今度は、トランジスタのインピーダンス（すなわち導電状態）を変える。このようにポテンショメータ４４は、前述のトランジスタの導電状態を制御する。従ってポテンショメータ４４の抵抗設定を制御することにより、デバイス１０のアレイ１４内のワイヤ１２のキャパシタンスが制御され、これによりデバイス１０の共鳴周波数が制御される。結論として、ポテンショメータ４４の抵抗設定を変えることにより、デバイス１０がＭＲＩシステム内でＲＦ信号の磁場を集中させるときの周波数を調整または離調することができる。ポテンショメータ４４自体は、ＭＲＩシステム内でＲＦ信号を受信する制御回路によって制御することができる。従って、ＲＦ信号が存在するか否かに応じて、あるいはＲＦ信号の強さに応じて、デバイス１０を自動的に調整／離調することができる。代替的に、ポテンショメータ４４は、ＭＲＩシステム内の他の部品からの制御信号を用いて、無線でまたは電気的接続を介して、制御することができる。例えばＭＲＩシステムは、ＲＦ受信コイルの離調をモニタし、デバイス１０の共鳴周波数がラーモア周波数に戻るように調整するためにポテンショメータ４４を制御してもよい。

前述のスイッチ回路２０は、デバイス１０のアレイ１４の共鳴周波数を変えるために、ワイヤ１２間の短絡を使う。しかしこれは、別の方法によっても実現できる。図５を参照すると、同じワイヤ１２のアレイ１４がワイヤエクステンション５２を備える。ワイヤエクステンション５２は、ワイヤ１２と平行に配置される。各ワイヤは、各ワイヤ１２の端部に配置されたワイヤエクステンション５２を有する。ワイヤエクステンション５２は、ワイヤ１２と同じ縦軸を持つ。図５に示されるように、複数のワイヤエクステンション５２が、各ワイヤ１２の端部から列をなして配置される。しかしいくつかの構成では、ワイヤエクステンション５２はワイヤ１２ごとに１本であってもよい。ワイヤエクステンション５２は、対応するワイヤ１２と同じ幅および高さを持ち、同じ材料から作られる。しかしワイヤエクステンション５２の長さは、ワイヤ１２より短くてもよい。例えばワイヤエクステンション５２の長さは、ワイヤの長さの１０分の１であってもよい。しかし長さの比は、デバイスが要求する調整範囲の広さに依存するだろう。図５は理解を助けるための模式図であり、ワイヤ１２とワイヤエクステンション５２との相対的な長さは典型的なものにすぎない。さらに図５は、アレイ１４に接続された、デバイス１０のすべてのトランジスタを示してはいない。

各トランジスタは、ワイヤ１２と対応する第１のワイヤエクステンション５２との間に接続される。このとき、ソース２２Ｓはワイヤ１２に接続され、ドレイン２２Ｄは対応する第１のワイヤエクステンション５２に接続される。追加的なトランジスタが、第１のワイヤエクステンション５２と、同じワイヤ１２に対応する第２のワイヤエクステンション５２との間に接続される。このとき、ソース２２Ｓは第１のワイヤエクステンション５２に接続され、ドレイン２２Ｄは対応する第２のワイヤエクステンション５２に接続される。従ってワイヤ１２は、各トランジスタによってワイヤエクステンション５２に接続される。しかしワイヤ１２およびワイヤエクステンション５２の群は、他のワイヤ１２およびそれに対応するワイヤエクステンション５２からは絶縁される。

スイッチ回路２０の構成について図２を参照して説明したように、クロック信号２４（制御回路３０からの、またはポテンショメータ４４を介してＤＣ電源からの）は、各トランジスタ２２のゲート２２Ｇに、および各インダクタ２６を介して各トランジスタのソース２２Ｓに与えられる。クロック信号は、各トランジスタ２２のゲート電圧を決定し、これによってトランジスタのソース−ドレイン接続の導電性を決定する。クロック信号２４がオンのとき、各トランジスタのソースとドレインとの間は導電するので、各グループの各ワイヤ１２と各ワイヤエクステンション５２との間は短絡する。これによりワイヤ１２の有効長が、ワイヤ１２の長さと接続されたワイヤエクステンション５２の長さとの和に変わる。デバイス１０の共鳴周波数はワイヤ１２の有効長に依存するので、結果として、デバイス１０の共鳴周波数がシフトする。例えばワイヤ１２は式（１）で定まる長さ（６３．８ＭＨｚの周波数での概ね半波長）を持ってもよいが、トランジスタが導電状態のときは有効長の変化により共鳴周波数は約５ＭＨｚシフトする。共鳴周波数のシフト量は、異なる複数のパラメータ（例えば、トランジスタの特性、ワイヤの長さ、ワイヤ周辺の環境など）に依存する。従ってクロック信号は、どの周波数で、本デバイスがエネルギーをＲＦ場の電場と磁場との間で再分布するかを制御する。そしてこれを、ＭＲＩシステムの動作周波数に／動作周波数から、調整／離調させることができる。

図５に示されるスイッチ回路２０は、図１−４の任意の変形（すなわち任意のタイプのトランジスタ、あるいはその他の半導体デバイスであって調整可能な導電状態またはバイアス電圧で決まるキャパシタンス状態を有するもの）を備えてもよい。同様に図５に示されるスイッチ回路２０は、任意のタイプのクロック信号、任意の数のワイヤ１２、等を備えてもよい。

図６を参照すると、実施の形態のデバイス、システムおよび方法は、図１−５に示されるワイヤ１２以外の導電部品のアレイにも適合する。図６Ａ−Ｃを参照すると、いくつかの実施の形態では、ワイヤ１２のアレイに代えて、ＲＦ信号の磁場を集中させるデバイスは、分割リング状アレイ６１、スイスロール状アレイ６３または分割ループ状アレイ６７を備える。図２に示されるスイッチ回路２０は、ワイヤ１１その他の導電部品の場合と同様の方法で、分割リング状アレイ、スイスロール状アレイまたは分割ループ状アレイに使われてもよい。

図６Ａを参照すると、分割リング状アレイ６１の各々は、当該分割リング状アレイ６１の２つの端部の間（「分割部」）をまたいで電気的に接続された分割リングキャパシタ６２を備える。トランジスタ２２が、分割リングキャパシタ６２のそれぞれの側に接続される。このとき、トランジスタのバイアス電圧が、分割リング状アレイ６１の共鳴周波数を制御する。

図６Ｂを参照すると、スイスロール状アレイ６３は、導電性ワインディング６５を備えた主軸６４を備える。導電性ワインディング６５は、主軸６４の周囲を取り巻く。導電性ワインディング６５は、主軸６４の周囲を取り巻く複数の層を形成する。スイスロール状キャパシタ６６が、主軸６４と導電性ワインディング６５の外部層との間に接続される。トランジスタ２２が、スイスロール状キャパシタ６６に接続される。トランジスタ２２のバイアス電圧が、スイスロール状アレイ６３の共鳴周波数を制御する。

図６Ｃを参照すると、分割ループ状アレイ６７は不完全ループを備える。この不完全ループは、当該不完全ループの２箇所に「分割部」を有する。分割ループ状アレイ６７は、当該分割ループ状アレイ６７の２つの端部の間（「分割部」）をまたいで電気的に接続された分割ループキャパシタ６８を備える。トランジスタ２２が、分割ループ状アレイ６７に接続される。トランジスタ２２のバイアス電圧が、分割ループ状アレイ６７の共鳴周波数を制御する。代替的に導電部品のアレイが、曲線状ワイヤを備えてもよい。曲線状ワイヤは、図１に記載されたワイヤ１２の代わりに配置されるが、ワイヤが曲線上である点でワイヤ１２と異なる。

代替的な導電部品（すなわち、分割リング状アレイ６１、スイスロール状アレイ６３、分割ループ状アレイ６７、曲線状ワイヤなど）を持つ構成では、トランジスタは、図２−４に示される制御回路３０内に含まれる。同様にこれらの構成は、図３に示される制御回路、または図４―５に示されるポテンショメータ４４によって制御される。導電部品のアレイ１４内の各トランジスタ２２のゲート電圧および／またはバイアス電圧が各導電部品の共鳴周波数を制御するので、前述の任意の形状を有する導電部品を備えたデバイスの共鳴周波数を調整または離調するために、対応する方法を使うことができる。前述の技術は、さらなる導電部品の形状に適用することもできる。

ＭＲＩシステム
図７を参照して、前述のデバイス１０を備えたＭＲＩシステムを説明する。

ＭＲＩシステム７０は、画像化対象（例えば、人体７１Ａまたは人間の手足７１Ｂ）を受け入れるように構成された画像化領域７１を備える。第１コイル７２Ａが、画像化領域７１内に静磁場を生成する。動作中に傾斜磁場コイル７２Ｂが、画像化領域７１内で、静磁場に対する傾斜磁場を生成する。第１コイル７２Ａと傾斜磁場コイル７２Ｂとは、ともに磁場生成器７２である。システムはさらに、対象にＲＦ信号（図示せず）を照射するためのＲＦ送信コイル７３を備える。ＲＦ送信コイル７３は、ＲＦ信号をパルスとして伝え、パルス間に遅延を持たせるように構成される。この遅延の間に帰還ＲＦ信号が受信される。画像化対象を支持するために、テーブル７４が、画像化領域７１内に配置される。ＭＲＩ前述のシステム７０内のＲＦ信号の磁場を集中させるデバイス１０が、画像化領域７１内における画像化対象の近辺に、または画像化対象の特定のターゲット領域７５の近辺に配置される。このデバイスは、ＲＦ送信コイル７３と対象との間に配置される。従って、ＲＦ信号周波数に調整されると、デバイス１０は、ＲＦ送信コイル７３からのＲＦ信号の磁場を、ターゲット領域７５の対象に集中させる。これによりＳＮＲが向上する。前述のようにこれは、ＲＦ信号の電場と磁場との間でエネルギーを再分布することによる。すなわちこれは、磁場をターゲット領域７５で増加させ、ＳＡＲを低下させる電場をターゲット領域７５で減少させるものである。

ＲＦ送信コイル７３はまた、ＲＦ受信器としても機能する。これにより、対象を画像化するために、対象からの帰還信号が記録される。代替的にテーブル７４は、ＲＦ受信器として機能する専用コイル（図示せず）を備えてもよい。この専用コイルは、対象を画像化するために帰還信号を受信する。いずれの構成においても、対象とＲＦ受信器（ＲＦ信号に調整された）との間にデバイス１０が配置されると、帰還信号が対象からＲＦ受信器に送られたとき、デバイス１０が当該帰還信号の磁場を集中させる。

デバイス１０は、テーブル７４の上に固定されてもよいし、テーブル７４内に組み込まれてもよい。あるいはデバイス１０は、画像化対象が画像化領域内に入る前にテーブル７４の上に設置されるマットであってもよい。代替的にデバイス１０は、対象の上に配置されてもよい（例えば患者が着る衣服の中で）。

前述のように、スイッチ回路３０によって実現される調整／離調により、デバイス１０は、送信ＲＦ信号または帰還信号のいずれか一方の磁場を選択的に集中させることができる。

ＲＦ信号の磁場を集中させるデバイスを制御する方法
図８を参照すると、前述のＭＲＩシステム内で画像化対象のＲＦ信号の磁場を集中させる方法８０は、ＭＲＩシステム７０で画像化対象の近辺にデバイス１０を置くステップを備える。デバイス１０およびＭＲＩシステム７０は、図１−７に示されるものである。デバイス１０の共鳴周波数は、ＭＲＩシステムの動作周波数に概ね合致するように選ばれる。デバイス１０を画像化対象の近辺に置くステップは、デバイス１０を、ＭＲＩシステム７０の画像化領域内で、テーブル７４の上に置くステップを含んでもよい。代替的にデバイスは、ＭＲＩシステム内にすでに置かれていてもよい。この場合デバイスを対象の近辺に置くステップは、画像化対象を、ＭＲＩシステム内であってデバイス１０の近辺に運ぶステップを伴う。一例として図７を参照すると、デバイス１０は、ＭＲＩシステムの画像化領域７１の外部であって、人体７１Ａ（すなわち患者）の画像化されるべき膝の部分でテーブル７４の上に置かれる。その後患者は、テーブル７４の上に寝かされる。画像化プロセスが開始される前に、デバイス１０の上に置かれた画像化対象の膝が、患者およびデバイス１０とともに画像化領域内に置かれる。ＭＲＩシステムを使って画像化できる人体部位の他の例には、手首、脊髄等がある。実際にはＭＲＩシステムは、体全体を画像化することもできる。ＭＲＩプロセスを開始するために、既知のＭＲＩ技術に従って、画像化領域内に静磁場が生成される。選択的に静磁場は、傾斜磁場を備えてもよい。

方法８０は、デバイスおよび対象をＲＦ送信コイル７３からのＲＦ信号で照射するステップ８２と、対象を画像化するために、対象からの帰還ＲＦ信号を受信するステップ８３と、を備える。照射するステップは、ＲＦ信号をＲＦパルスとして送信するステップを備える。ＲＦ信号パルスは、デバイス１０を介して画像化対象の画像化領域７５に送られる。デバイスがＲＦ信号パルスの周波数に調整されている場合、デバイスは、磁場を増加させ電場を減少させることにより、ＲＦ信号をターゲット領域７５内に集中させる。ターゲット領域７５に衝突した後、ＲＦ信号パルスは、帰還ＲＦ信号としてターゲット領域７５から送信される。帰還ＲＦ信号は、再びデバイス１０を通過し、検出とＲＦターゲット領域７５の画像化のためにＲＦ送信コイル７３に向かう。デバイスがまだ帰還ＲＦ信号の周波数に調整されていれば、デバイスは、ターゲット領域７５からの磁場を増加させ電場を減少させることにより、ＲＦ信号を集中させる。

方法８０は、複数のワイヤ１２の共鳴周波数を変えるために、アレイ１４内のワイヤ１２に接続された複数のトランジスタ２２のバイアス電圧を制御するステップ８４を備える。例えば共鳴周波数は、ＭＲＩ送信／受信シーケンスのある周期でＲＦ信号に実質的に等しいものに変わってもよく、ＭＲＩ送信／受信シーケンスの別の周期でＲＦ信号と実質的に異なるものに再び変わってもよい。

第１の代替例では、前述の調整可能なデバイス１０は、ＲＦ送信コイル７３によってＲＦ信号が送信される間、デバイス１０の共鳴周波数がＲＦ信号３１の周波数から離調されるように制御される。その後、画像化対象からのＲＦ信号が受信されている間、デバイスの共鳴周波数は帰還ＲＦ信号の周波数に調整される。これは、前述の図２および３に示されるデバイスによって実行される。ここでスイッチ回路２０は、ＲＦ信号３１を受信するためのインダクタ３２を持つ制御回路３０によって制御される。ＲＦ送信コイル７３によりＲＦ信号が送信されている間、ＲＦ信号３１がインダクタ３２によって受信されているとき、これは、変換器３４、３６、３８によってクロック信号２４に変換される。クロック信号２４は、ゲート電圧２２Ｇを上げ、ワイヤ１２を短絡させる。従って共鳴周波数は、通常の動作周波数から外れるように調整される。このとき、デバイス１０のワイヤ１２は磁場と電場との間のエネルギーの再分布を実行しない。ＭＲＩシステムの送信期間におけるデバイス１０のこの離調の利点は、望まれない強い場が画像化対象に生成されることを防げることにある。例えば、ＲＦ送信中にデバイスを離調することにより、画像化対象内のＳＡＲを低減することができる。なぜなら、対象のターゲット領域７５内の電場が減少するからである。

ＲＦ信号３１のパルスの送信が終わると、インダクタは信号を受信しなくなり、デジタル信号はクロック信号２４を生成しなくなる。従ってトランジスタ２２のゲート電圧はゼロになり（すなわち、バイアス電圧が低下し）、ワイヤ１２は電気的に絶縁される。これは、デバイス１０の共鳴周波数がＭＲＩシステムの動作周波数に再び調整されることを意味する。従って、対象がＲＦ信号を帰還ＲＦパルスとして送信すると、デバイスは前述の信号の増幅を行う。これによりＳＮＲが改善される。さらに、送信期間中の自動離調により高磁場ＭＲＩシステムを使うことができるので、デバイス１０の磁場の集中によりＳＮＲが改善される前であっても、帰還ＲＦ信号は高品質なものとなる。従って、ここに開示した実施の形態のデバイス及び方法は、ＭＲＩの画像品質を改善することができる、あるいはより短時間で同等の画像品質を実現することができる。

さらなる注意点として、帰還ＲＦ信号自体は、ワイヤ１２を短絡させるためにスイッチ回路２０を起動しないということがある。なぜなら帰還ＲＦ信号はあまりに低パワーであるため、ワイヤを短絡するのに十分な程度にトランジスタ２２のゲート電圧を上げることができるクロック信号を生成できないからである。信号がクロック信号を起動できる閾値は、前述の図３に示される比較器３４の参照電圧を用いて設定することができる。受信された信号が、比較器の入力が参照電圧を超えないような低い電圧を持つ場合、比較器の出力は常にゼロでありクロック信号は生成されない。

第１の代替例を実行するための別の方法は、前述の図５に示されるワイヤエクステンション５２と図４に示される制御回路を使う。この場合、調整可能なデバイス１０は、ＲＦ信号の送信中に離調され、対象からの帰還信号に対して再調整される。インダクタ３２がＲＦ信号３１を受信するとき、トランジスタのゲート電圧はクロック信号２４によって上げられる。各ワイヤ１２の有効長は、接続されたワイヤエクステンション５２により増加する。従って、パルス送信期間中は、デバイスの共鳴周波数はＭＲＩシステムの動作周波数から離調され、デバイスは画像化対象内のＲＦパルスの磁場を集中させない。上記と同様に、送信ＲＦ信号パルスが止まると、ワイヤ１２の有効長はＭＲＩシステムの動作周波数に相当する波長の約半分に戻る。すなわち、帰還ＲＦ信号の共鳴周波数の基準が満たされる。従ってデバイスは、帰還ＲＦ信号の磁場を集中するように再調整される。

第１の代替例を実行するための別の方法は、ポテンショメータ４４を、前述の図４に示される制御回路として使う。この場合、調整可能なデバイス１０は、ＲＦ信号の送信中に離調され、対象からの帰還信号に対して再調整される。ポテンショメータ４４は、共鳴周波数を自由に調整／離調することができる。従って、ポテンショメータへの入力により、調整の正確なタイミングと範囲とを決定することができる。これは、図３に示される受動的制御回路か、ＭＲＩシステムの制御器からの制御信号のいずれかを使うことができる。例えば、ＲＦ信号の送信タイミングと、デバイス１０の離調および帰還ＲＦ信号のためのデバイスの再調整のタイミングとを整合させるために、ＲＦコイル送信制御器から制御信号を送ることができる。従ってこれにより、画像化対象からの帰還ＲＦ信号を受信中にデバイス１０による増幅の利益を得つつ、デバイス１０によって増幅された強い場から対象を保護するための能動的な方法を与えることができる。

第２の代替例では、前述の調整可能なデバイス１０は、ＲＦ送信コイル７３によってＲＦ信号を送信中に、デバイス１０の共鳴周波数がＲＦ信号３１に調整されるように制御される。その後デバイスの共鳴周波数は、画像化対象からのＲＦ信号を受信中に、帰還ＲＦ信号の周波数から離調される。これは、前述の図２および３に示されるデバイスによって実行することができる。この場合、スイッチ回路２０は、ＲＦ信号３１を受信するためのインダクタ３２を持つ制御回路３０によって制御される。しかし、調整された期間および離調された期間を入れ替えるために、制御回路は逆に配置される。これにより、クロック信号は、ＲＦ信号が受信されていないときに生成される。逆も然りである。これは、２入力１出力（２：１）多重化器（この多重化器は、第２入力論理が「０」のとき参照クロック信号を出力し、第２入力論理が「１」のとき「０」を出力するように構成される）の第１の入力に参照信号を使うことによって実現できる。第２入力選択論理は、再起動可能な単安定マルチバイブレータ（例えば、前述の図３に示される制御回路３０に従うもの）によって生成される。代替的に第２入力は、マイクロ制御器からの信号によって制御されてもよい。この場合、当該信号はパルスを備える。このパルスは、送信コイルから受信されるＲＦ信号が存在するとき、一定の持続時間とデューティサイクルを持つ。そしてこのパルスは、送信コイルから受信されるＲＦ信号が存在しないとき、ゼロである。この逆制御回路３０では、ＲＦ送信コイル７３によるＲＦ信号の送信中、ＲＦ信号３１がインダクタ３２によって受信されるとき、スイッチ回路２０にクロック信号２４が送信されない。

しかし、ＲＦ信号が止まると、クロック信号（例えば、参照クロック信号）は、ゲート電圧２２Ｇを上げるスイッチ回路に送られる。これによりバイアス電圧が上昇し、ワイヤ１２が短絡する。従って共鳴周波数は、通常の動作周波数から外れてシフトする。そしてデバイス１０のワイヤ１２は、帰還信号のために、磁場と電場との間でのエネルギーの再分布を行わない。ＭＲＩシステムの帰還期間におけるデバイス１０のこの離調の利点は、専用の受信コイルを使用した場合、この受信コイルはデバイスの集中現象によって最適されなくてもよい点にある。この場合、専用の受信回路は、ＲＦ信号の磁場の集中がなくても、より良好に動作することができる。従って、帰還信号のためにデバイスを離調することにより、受信コイルの性能を向上させることができる。

第２の代替例を実行するための別の方法は、前述の図５に示されるワイヤエクステンション５２および図４に示される制御回路を使う。この場合、調整可能はデバイス１０は、ＲＦ信号を送信中、ＲＦ信号周波数に調整され、対象からの帰還信号のために離調される。例えば、（ワイヤ１２の単独の長さでなく）ワイヤ１２の長さとワイヤエクステンション５２の長さとの和である有効長は、ＲＦ信号周波数の共鳴条件を満たすように設定することができる。インダクタ３２がＲＦ信号を受信するとき、トランジスタのゲート電圧はクロック信号２４によって上げられる。このとき各ワイヤ１２の有効長は、接続されたワイヤエクステンション５２によって延長される。従ってパルス送信期間中、デバイスの共鳴周波数はＭＲＩシステムの動作周波数に調整され、デバイスはＲＦパルスの磁場を対象内に集中させる。前述と同様に、ＲＦ信号パルスの送信が止まると、ワイヤ１２の有効長は、ＭＲＩシステム動作周波数に相当する波長の半分未満に戻る。すなわちワイヤ１２の有効長は、帰還ＲＦ信号の共鳴周波数基準を満たさなくなる。従ってデバイスは、ＲＦ信号の磁場を集中させないように離調される。別の例では、ワイヤ１２およびワイヤエクステンションの新たな長さを選択することに代えて、調整期間／離調期間を交換するために、前述の逆配置された制御回路を使うことができる。

第２の代替例を実行するための別の方法は、クロック信号２４を制御するために、前述の図４に示されるポテンショメータ４４を使う。この場合、調整可能なデバイス１０は、ＲＦ信号の送信中、ＲＦ信号周波数に調整され、対象からの帰還ＲＦ信号のために離調される。ポテンショメータは、共鳴周波数を自由に調整および離調することができる。従って、ポテンショメータへの入力により、調整の正確なタイミングと範囲とを決定することができる。これは、図３に示される受動的制御回路か、ＭＲＩシステムの制御器からの制御信号のいずれかを使うことができる。例えば、ＲＦ信号の送信タイミングと、デバイス１０の調整および帰還ＲＦ信号のためのデバイスの再調整のタイミングとを整合させるために、ＲＦコイル送信制御器から制御信号を送ることができる。従ってこれにより、磁場の集中が受信コイルにとって不利となる場合、専用の受信コイルを最適化するための能動的な方法を与えることができる。

第３の代替例では、調整可能なデバイス１０の共鳴周波数を制御し、共鳴周波数がＭＲＩ信号のＲＦ信号の動作周波数と実質的に等しいように保つことができる。例えばこれを実現する１つの方法は、前述の図２に示されるポテンショメータ４４を使う。ポテンショメータ４４の抵抗値は、制御することができる。従ってＤＣ電源は、トランジスタ２２に、調整可能範囲に任意の可変な値を持つゲート電圧を供給することができる。ゲート電圧（従って、バイアス電圧）の値を変化させることにより、トランジスタのキャパシタンスを変化させることができる。これは、逆バイアスが掛かったとき、トランジスタのキャパシタンスがバイアス電圧に依存するためである。バイアス電圧は、ゲート電圧によって制御することができる。これは今度は、デバイス１０が持つことのできる共鳴周波数の調整可能範囲を生む。従って、ポテンショメータ４４の連続的に可変な設定を共鳴周波数の中間値（すなわち、トランジスタが「導電」のときとも「非導電」のときとも異なる共鳴周波数の値）とすることができる。これにより、異なる画像化対象に応じて、デバイス１０の共鳴周波数をＭＲＩシステムの動作周波数に合致させることができるという利点が得られる。異なる画像化対象が異なると（すなわち、誘電率および／または透磁率が異なると）、ＲＦ送信コイル７３の動作周波数およびデバイス１０の共鳴周波数が影響を受ける。従って、動作周波数に合致するために、デバイス１０の共鳴周波数を可調範囲で調整可能とすることにより、デバイス１０およびＭＲＩシステムの最適化が可能となる。

第３の代替例を実行する（すなわち、共鳴周波数で可調範囲で調整する）ための別の方法は、前述の図５に示されるデバイス１０を使う。デバイス１０を調整可能とするために、各ワイヤ１２に対応する複数のワイヤエクステンション５２が配置される。第１のトランジスタが、各ワイヤ１２と各第１のワイヤエクステンション５２との間に配置される。そして第２のトランジスタが、各第２ワイヤエクステンション５２と各第２ワイヤエクステンション５２との間に配置される。実現可能な共鳴周波数の範囲を拡大するために、追加的なワイヤエクステンションとこれに対応するトランジスタが含まれてもよい。ワイヤ１２の有効長を変えるために、第１のトランジスタおよび第２のトランジスタのゲート電圧は、独立にかつ連続的に制御可能である。例えば各トランジスタまたはトランジスタの群は、当該トランジスタのゲートとソースとの間にＤＣ電力供給源を持ってもよい。代替的に、各トランジスタまたはトランジスタの群は、ゲート電圧を変えるための専用のポテンショメータを持ってもよい。第１のトランジスタおよび第２のトランジスタ２２の両方が非導電状態にあるとき、ワイヤ１２の長さが共鳴周波数を決定する。第１のトランジスタが導電状態にあり、第２のトランジスタが非導電状態にあるとき、ワイヤ１２の長さと第１のワイヤエクステンションの長さの和が有効長を決定し、これにより異なる共鳴周波数が得られる。両方のトランジスタが導電状態にあるとき、ワイヤ１２、第１のワイヤエクステンションおよび第２のワイヤエクステンションの長さの総和が有効長となり、これによりさらに異なる共鳴周波数が得られる。追加的なワイヤエクステンションとこれに対応するトランジスタがあれば、より広い範囲の共鳴周波数が得られる。

Claims (20)

1. ＭＲＩシステム内でＲＦ信号の磁場を集中させるデバイスであって、
   アレイ内に配置された複数の導電部品と、
   前記導電部品の２つの箇所の間に接続された複数の半導体デバイスと、
   前記各半導体デバイスのバイアス電圧を制御し、これにより前記アレイの共鳴周波数を制御する制御器と、を備え、
   前記アレイは、前記各導電部品の長さより長いＲＦ波長を持つＲＦ信号を受信するときに、共鳴ＲＦ周波数におけるＲＦ放射の電場と磁場との間でエネルギーを再分布するように構成されることを特徴とするデバイス。
2. 前記各半導体デバイスは前記導電部品のそれぞれのペアの間に接続され、これにより前記各半導体デバイスが導電状態にあるとき、前記それぞれのペアは短絡することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
3. 各々が前記各導電部品と列をなして配置された１つ以上の導電部品エクステンションを備え、
   前記各半導体デバイスが導電状態のとき前記各導電部品の有効長を延長するために、前記各半導体デバイスが、前記各導電部品とこれに対応する各導電部品エクステンションとの間に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
4. 前記各導電部品は、細長く、前記共鳴周波数に相当する波長の半分の長さを持ち、
   前記導電部品は、実質的に互いに平行であるように構成されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のデバイス。
5. 前記導電部品は、１つ以上の曲線状部品を備え、
   前記曲線状部品は、１つ以上の分割リング、分割ループまたはスイスロール状部品を備え、
   前記各半導体デバイスは、前記曲線状部品の各端部の間に接続されることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
6. 前記導電部品は、曲線状ワイヤ部品を備え、
   前記各半導体デバイスは、前記曲線状ワイヤ部品の隣接するワイヤのペアの間に接続されることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
7. 前記制御器は、受信したＲＦ信号に対応して、前記各半導体デバイスのバイアス電圧を変えるように構成されることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のデバイス。
8. 前記制御器は、
   前記ＲＦ信号を受信するように構成された受信部品と、
   前記受信部品が前記ＲＦ信号を受信するとき前記各半導体デバイスのバイアス電圧を変えるために、前記ＲＦ信号をクロック信号に変換するように構成された変換器と、を備え
   ことを特徴とする請求項７に記載のデバイス。
9. 前記変換器は、
   前記ＲＦ信号をデジタル化するための比較器と、
   前記ＲＦ信号の周波数を低下させるための周波数分割器と、
   前記ＲＦ信号を固有周波数にまでさらに低下させるマルチバイブレータと、を備えることを特徴とする請求項８に記載のデバイス。
10. 前記各半導体デバイスは、トランジスタまたはバラクタであり、
    前記制御器は、前記アレイの共鳴周波数を変えるために、前記各トランジスタまたは前記各バラクタのバイアス電圧を制御するように構成された可変ＤＣ電圧供給器を備えることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のデバイス。
11. 前記各半導体デバイスは、ＭＯＳＦＥＴまたはダイオードであることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載のデバイス。
12. 前記各導電部品は、誘電体材料によって支持されることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載のデバイス。
13. 前記各導電部品は、非磁性金属から作られることを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載のデバイス。
14. 画像化対象を受け入れるように構成された画像化領域と、
    前記画像化領域内に静磁場を生成するように構成された磁場生成器と、
    前記画像化対象にＲＦ信号を照射するように構成されたＲＦ送信器と、
    前記画像化対象からの帰還ＲＦ信号を受信するように構成されたＲＦ受信器と、
    前記画像化領域と前記ＲＦ送信器または前記ＲＦ受信器のいずれかとの間に配置された請求項１から１３のいずれかに記載のデバイスと、を備えることを特徴とするＭＲシステム。
15. 前記デバイスは、請求項１、１０または１１に記載のデバイスであり、
    送信制御器をさらに備え、
    前記デバイスの前記制御器は、前記ＲＦ信号の送信に適合するように前記半導体デバイスのバイアス電圧を変えるために、前記送信制御器からの制御信号を受信するように構成されることを特徴とする請求項１４に記載のＭＲシステム。
16. ＭＲシステム内の画像化対象にＲＦ信号の磁場を集中させる方法であって、
    アレイ内に配置された複数の導電部品を備えるデバイスを前記画像化対象の近辺に置くステップと、
    前記デバイスおよび前記画像化対象に前記ＲＦ信号を照射するステップと、
    前記導電部品および前記画像化対象からの帰還ＲＦ信号を受信するステップと、
    前記導電部品の共鳴周波数を変えるために、前記導電部品に接続された複数の半導体デバイスの各々のバイアス電圧を制御するステップと、を備え、
    前記アレイは、前記各導電部品の長さより長いＲＦ波長を持つＲＦ信号を受信するときに、共鳴ＲＦ周波数におけるＲＦ放射の電場と磁場との間でエネルギーを再分布するように構成されることを特徴とする方法。
17. 前記半導体デバイスのバイアス電圧は、
    前記導電部品および前記画像化対象に前記ＲＦ信号を照射するときは、前記画像化対象内で前記ＲＦ信号の磁場を集中させず、
    前記導電部品および前記画像化対象から前記帰還ＲＦ信号を受信するときは、前記ＲＦ信号の磁場を集中させるように制御されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 前記半導体デバイスのバイアス電圧は、
    前記導電部品および前記画像化対象に前記ＲＦ信号を照射するときは、前記画像化対象内で前記ＲＦ信号の磁場を集中させ、
    前記導電部品および前記画像化対象から前記帰還ＲＦ信号を受信するときは、前記ＲＦ信号の磁場を集中させないように制御されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
19. 前記半導体デバイスのバイアス電圧は、前記デバイスの共鳴周波数をＲＦ信号周波数に調整するように制御されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
20. 前記デバイスは、請求項１から１３のいずれかに記載のデバイスであることを特徴とする請求項１６から１９のいずれかに記載の方法。

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