JP2022552828A - 共振周波数を変化させるのに役立つ非線形でスマートなメタマテリアル - Google Patents
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Abstract
Description
本特許出願は、2019年10月8日に「Nonlinear and Smart Metamaterials Useful to Change Resonance Frequencies」と題され、Xin Zhang、Stephan Anderson、Xiaoguang Zhao及びGuangwu Duanらを発明者として指定して出願された米国仮特許出願第62/912,369号の優先権を主張するものであり、また、2019年6月17日に「Apparatus for Improving Magnetic Resonance Imaging」と題され、Xin Zhang、Stephan Anderson、Guangwu Duan及びXiaoguang Zhaoらを発明者として指定して出願された米国非仮特許出願第16/443,126号[実務者ファイル32730-12503]にも関連している。これは、2018年6月7日に「Apparatus for Improving Magnetic Resonance Imaging」と題され、Xin Zhang、Stephan Anderson、Guangwu Duan及びXiaoguang Zhaoらを発明者として指定して出願された米国非仮特許出願第16/002,458号、現行の米国特許第10,324,152号明細書[実務者ファイル32730-12501]の継続出願であり、2017年6月7日に「Apparatus for Improving Magnetic Resonance Imaging」と題され、Xin Zhang、Stephan Anderson、Guangwu Duan及びXiaoguang Zhaoらを発明者として指定して出願された米国仮特許出願第62/516,376号[実務者ファイル32730-11901]の優先権を主張している。従って、前述した各々の開示は、その全体が参照により、本明細書に組み込まれる。
本発明は、国立衛生研究所によって授与された契約番号EB024673の下で政府支援を受けて行われたものである。従って、本発明においては政府が一定の権利を有している。
本発明は、共振回路に関し、より詳細には、共振周波数が制御可能な回路に関する。
磁気共鳴撮像(「MRI」)は、X線を使用せずに被検体の内部構造の画像を捕捉する医療用画像診断技術である。MRI装置は、被検体に強力な磁場と電磁刺激とを与え、被検体の原子はそれに応じて電磁信号の放出を引き起こす。このMRI装置は、被検体によって放出された電磁信号を捕捉し、捕捉されたそれらの信号から画像を構築する。
例示的な実施形態は、MRI装置のボア内において使用するための信号拡大アクセサリを開示する。MRI装置は、送信モードにおいて、送信周波数を有する励起信号をボア内の被検体に送信するように配置された送信コイルと、受信モードにおいて、応答周波数を有する応答信号を被検体から受信するように配置された受容コイルとを備えている。
複数の共振器を有する装置は、被検体によって放出され、MRI装置によって捕捉される高周波(「RF」)信号の信号対雑音比を増加させ、MRI装置によって送信される電力を増加させることなくこれを実現する。いくつかの実施形態においては、本装置は、MRI装置から被検体への高周波エネルギーの信号送信及び被検体からMRI装置への高周波信号の送信の両方の間で高周波エネルギーの磁場成分を増加させるが、他の実施形態においては、本装置は、高周波エネルギーの磁場成分を被検体からMRI装置への高周波信号の送信中にのみ増加させ、MRI装置から被検体への高周波エネルギーの送信中には増加させない。その上さらに、本装置は、不要な電界の発生や増加を実質的に回避することによって被検体の安全性を高める。本装置の使用により、MRI装置によって生成される画像が向上し、及び/又は、画像の捕捉のためにMRI装置に必要とされる時間が短縮される。
MRI装置に関連する用語「送信モード」とは、MRI装置がMRI装置のボア内の被検体に励起信号を提供するモードを意味する。
共振器アレイ300の例示的な実施形態は、図3A及び図3Bに概略的に示されている。本実施形態のアレイ300は、16個のユニットセル301を4×4アレイにおいて含むが、他の実施形態においては、より多くの又はより少ないユニットセル301を使用することができ、例えば、正方形状、ハニカム状(図3C)、又は、矩形状などの異なる配置構成で配置されるものとしてもよい。
ヘリカル共振器500の形態のユニットセル301の例示的な実施形態500が、図5A及び図5B及び図5Cに概略的に示されている。共振器500は、低誘電性のコア520を取り巻くヘリカル導体510を含む。
動作中に、共振器アレイ300は、例えば、図1A、図1B、図1C及び図1Dに概略的に示されるように、MRI装置100内の被検体99上又はその近傍に配置される。
ブロードサイド結合型スプリットリング共振器600(「BC-SRR」)の形態のユニットセル301の一実施形態が、図6Aに概略的に示されている。このBC-SRR共振器600は、2つの「C字」形状スプリットリング共振器610,620を含み、各々がギャップ611,621をそれぞれ画定している。スプリットリング共振器610,620は、図6AのX-Y平面において相互に平行に配置され、相互に交差したり又は物理的に接触したりしていない。図6Aに示されるように、スプリットリング共振器610,620は、それらのギャップ611,621が対角線上で相互に対向するように(即ち、相互に180度の位置にあるように)配置されている。BC-SRRユニットセルは、ギャップ611,621が相互に180度の位置にない場合においても良好に共振するが、発明者らはこの配置構成が最も低い電界を生成することを発見したためこれが好適な配置構成とした。上方のスプリットリング共振器610は、BC-SRR600の上面601を画定し、参考までに、BC-SRR600の下面602を画定する。
いくつかの用途においては、MRI装置100によって被検体99に提供される励起信号を増幅することなく、メタマテリアルアレイ300にMRI装置100内の被検体99からの応答信号を増幅させるようにメタマテリアルアレイ300を制御することが望まれる場合がある。その上さらに、MRI装置又は別個のコントローラが、MRI装置の送信モード及び受信モードの動作を用いてメタマテリアルアレイの制御を調整することを必要とせずに、その目的のためにメタマテリアルアレイ300を自動的に制御することが望まれる場合もある。
図14Aには、制御可能なアイソレータアセンブリ1400の一実施形態が概略的に示されている。図14Bには、集積回路1401上の制御可能なアイソレータアセンブリ1400の一実施形態が概略的に示されている。
99 被検体
100 MRI装置の断面
101 架台
102 MRI装置のボア
110 主要磁場コイル
111 シムコイル
115 勾配コイル
120 本体コイル
130 被検体コイル
140 MRI装置のコントローラ
150 コンピュータ
151 コンピュータの通信リンク
300 共振器アレイ
301 ユニットセル
302 ユニットセルの上部
303 ユニットセルの中央部
310 X方向ピッチ
311 Y方向ピッチ
400 共振器の応答
401 中心周波数
402 上方3dB点
403 下方3dB点
405 ノイズレベル
410 周波数差分
450 MRI装置の作業周波数を下回る周波数
452 MRI装置の作業周波数
454 MRI装置の作業周波数を上回る周波数
460 MRI装置の作業周波数を下回る周波数に同調されたアレイの共振応答
461 MRI装置の作業周波数を下回る周波数に同調されたアレイの共振周波数
462 MRI装置の作業周波数に同調されたアレイの共振応答
463 MRI装置の作業周波数に同調されたアレイの共振周波数
464 MRI装置の作業周波数を上回る周波数に同調されたアレイの共振応答
465 MRI装置の作業周波数を上回る周波数に同調されたアレイの共振周波数
500 ヘリカル共振器
501 共振器の上端部
502 共振器の下端部
503 共振器の内部
510 導体
511 導体の端部
512 電気絶縁性被覆
513 ターン
515 導体のギャップ
520 コア
521 コア内径
522 コア外径
523 コアの外面
525 コア高さ
530 溝
550 付加的なリアクタンス
560 シャーレ
561 結合ループ
565 水
566 水面
567 乾性の共振周波数
568 水10%の共振周波数
569 水20%の共振周波数
600 BC-SRR共振器
601 BC-SRRの上面
602 BC-SRRの下面
610 第1のスプリットリング共振器
611 第1のギャップ
612,613 第1のギャップの相対向する端部
620 第2のスプリットリング共振器
621 第2のギャップ
650 高誘電性基板
700 可撓性基板
799 被検体の四肢
801 結合器
802 ヘリカルコイルの内部
810 半導体パッチ
820 スイッチ
1000 非線形共振器
1010 非線形共振器ループ
1011,1012 非線形共振器ループの端部
1013 ギャップ
1020 非線形共振器制御結合器
1100 制御可能なアレイアセンブリ
1110 スペーサ
1111 スペーサギャップ
1400 アイソレータシステム
1401 集積回路
1410 第1のトランシーバ又はネットワーク
1411 第1のポート
1420 第2のトランシーバ又はネットワーク
1421 第2のポート
1430 線形メタマテリアル共振器
1440 送信ギャップ
Claims (30)
- 特性共振周波数を有する第1の共振器と、
非線形共振器が前記特性共振周波数に等しい第1の共振周波数を有する第1の共振状態と、前記非線形共振器が前記第1の共振周波数とは異なる第2の共振周波数を有する第2の共振状態とに制御可能に構成可能である非線形共振器と、
を備えている回路。 - 前記第1の共振器は、第1のポートに結合するように構成され、前記非線形共振器は、第2のポートに結合するように構成され、前記第1の共振状態においては、前記非線形共振器は、前記第1の共振器からの信号が前記第2のポートに通信可能に結合されるように前記第1の共振器に誘導結合するように構成され、前記第2の共振状態においては、前記非線形共振器は、前記第2のポートを前記第1の共振器から分離するように構成される、請求項1に記載の回路。
- 前記非線形共振器は、第1の端部及び第2の端部を有するメタマテリアル共振器と、前記第1の端部と前記第2の端部との間に電気的に配置された結合器とを含み、前記結合器は、複数のインピーダンス状態に制御可能に構成可能であり、前記非線形共振器を前記第1の共振状態に構成する第1のインピーダンス状態と、前記非線形共振器を前記第2の共振状態に構成する第2のインピーダンス状態とを含む、請求項2に記載の方法。
- 前記メタマテリアル共振器は、スプリットリング共振器を含む、請求項3に記載の方法。
- 前記結合器は、バラクタを含み、前記バラクタは、
(a)前記第2のポートから前記結合器に入射する高周波信号に応じて前記第2のインピーダンス状態を有するように構成され、それによって、前記非線形共振器は、前記第2の共振状態にありかつ前記第2のポートが前記第1の共振器から分離され、さらに前記バラクタは、
(b)前記第2のポートからの搬送波周波数においてそのような高周波信号がない場合には前記第1のインピーダンス状態を有するように構成され、それによって、前記非線形共振器は、前記第1の共振状態にありかつ前記第1の共振器を前記第2のポートに通信可能に結合するように構成される、請求項3に記載の回路。 - 前記結合器は、バラクタを含み、前記バラクタは、
(a)前記第2のポートから前記結合器に入射する高周波信号に応じて前記第1のインピーダンス状態を有するように構成され、それによって、前記非線形共振器は、前記第1の共振状態にありかつ前記第2のポートを前記第1の共振器に通信可能に結合するように構成され、さらに前記バラクタは、
(b)前記第2のポートからの搬送波周波数においてそのような高周波信号がない場合には前記第2のインピーダンス状態を有するように構成され、それによって、前記非線形共振器は、前記第2の共振状態にありかつ前記第2のポートは前記第1の共振器から分離される、請求項3に記載の回路。 - 前記結合器は、スイッチを含む、請求項3に記載の回路。
- 前記スイッチは、トランジスタを含む、請求項7に記載の回路。
- 前記第1の共振器は、線形共振器である、請求項2に記載の回路。
- 前記線形共振器は、ヘリックス共振器である、請求項9に記載の回路。
- 分離モード共振周波数を有する分離構成、及び、前記分離モード共振周波数とは異なる受容モード共振周波数を有する受容構成に制御可能に構成された非線形共振器、並びに、前記受容モード共振周波数に等しい第2の共振周波数を有する第2の共振器を設けるステップと、
第1のモードにおいて、前記非線形共振器を前記分離構成に構成するステップであって、それによって、前記非線形共振器は、実質的に前記第2の共振器から通信可能に分離される、ステップと、
を含む方法。 - 第2のモードにおいて、前記非線形共振器を前記受容構成に構成するステップであって、それによって、前記非線形共振器は、前記第2の共振器と共振通信するように構成される、ステップをさらに含む、請求項11に記載の方法。
- 前記非線形共振器を前記受容構成に構成した後、前記第2の共振器に信号を提供するステップと、
前記非線形共振器において信号を受信するステップと、
をさらに含む、請求項12に記載の方法。 - 前記非線形共振器において信号を受信した後、前記非線形共振器を前記第2の共振器上の信号から分離しかつ前記第2の共振器を前記非線形共振器上の他の信号から分離するように前記非線形共振器を前記分離構成に構成するステップをさらに含む、請求項12に記載の方法。
- 前記分離構成における前記第2の共振器と非線形アイソレータとの間の共振結合は、前記受容構成における前記第2の共振器と前記非線形アイソレータとの間の共振結合より少なくとも9dB小さい、請求項14に記載の方法。
- MRI装置のボア内において使用するための信号拡大アクセサリであって、
前記MRI装置は、送信モードにおいて、送信周波数を有する励起信号を前記ボア内の被検体に送信するように配置された送信コイルと、受信モードにおいて、応答周波数を有する応答信号を前記被検体から受信するように配置された受容コイルとを備え、
前記アクセサリは、
複数のメタマテリアル共振器を含み、かつ、前記メタマテリアル共振器の各々は共振周波数を有し、かつ、前記メタマテリアル共振器は、印加された電磁信号に応じて相互に誘導結合するように配置されている共振器アレイと、
共振器コイル及び前記共振器コイルに結合された制御可能なインピーダンスを含む非線形制御共振器であって、前記制御共振器は、前記制御可能なインピーダンスが第1のインピーダンス状態にある場合には第1の共振周波数を有し、前記制御可能なインピーダンスが第2のインピーダンス状態にある場合には第2の共振周波数を有する、非線形制御共振器と、
前記共振器アレイと前記非線形共振器との間に配置され、かつ、前記共振器アレイと前記非線形共振器との間のギャップ(d)を画定するスペーサ層とを含み、
(i)前記MRI装置が前記送信モードにある場合には、前記共振器アレイと協働して送信周波数からオフセットされた第1のアレイ共振周波数を生成し、(ii)前記MRI装置が前記受信モードにある場合には、前記共振器アレイと協働して応答信号を拡大するように応答周波数に等しい第2のアレイ共振周波数を生成する制御共振器が構成されるように、前記共振器コイル及び前記制御可能インピーダンスは、選択される、信号拡大アクセサリ。 - 前記共振器コイルは、第1の端部と第2の端部とを有し、前記制御可能なインピーダンスは、前記第1の端部と前記第2の端部との間で電気的に結合される、請求項16に記載の信号拡大アクセサリ。
- 前記共振器コイルは、スプリットリング共振器を含み、制御可能なインピーダンスは、バラクタを含み、前記バラクタは、送信モードにおいてMRI装置からの高周波励起信号の受信に応じて第1のキャパシタンスを想定し、MRI装置が受容モードにある場合には、第2のキャパシタンスを想定するように構成されている、請求項16に記載の信号拡大アクセサリ。
- 前記制御可能なインピーダンスは、バラクタダイオードであり、前記バラクタダイオードは、前記MRI装置が送信モードにある場合には、前記MRI装置からの励起信号の前記バラクタダイオードによる受信に応じて前記第1のインピーダンス状態を想定するように構成されている、請求項16に記載の信号拡大アクセサリ。
- 前記バラクタダイオードは、前記MRI装置が受信モードにある場合には前記MRI装置からの励起信号の欠如状態で前記第2のインピーダンス状態を想定するように構成されている、請求項19に記載の信号拡大アクセサリ。
- 前記共振器アレイは、共振器平面を画定し、前記制御共振器は、前記共振器平面からゼロでない距離(d)における共振器平面に対して実質的に平行に配置される、請求項16に記載の信号拡大アクセサリ。
- 前記共振器アレイは、共振器平面を画定し、前記制御共振器は、前記共振器平面から2センチメートルの距離(d)において前記共振器平面に対して実質的に平行に配置される、請求項16に記載の信号拡大アクセサリ。
- 前記共振器アレイは、共振器平面を画定し、前記制御共振器は、前記共振器平面から0センチメートルの距離(d)において前記共振器平面に対して実質的に平行に配置される、請求項16に記載の信号拡大アクセサリ。
- 前記信号拡大アクセサリは、前記共振器アレイと前記制御共振器との間の前記スペーサ層内に配置されたスペーサ装置をさらに含み、前記スペーサ装置は、非金属及び非磁性固体材料を含み、前記スペーサ装置は、前記アレイから所定の距離において前記制御共振器を保持する、請求項16に記載の信号拡大アクセサリ。
- 前記共振器アレイは、少なくとも2つのメタマテリアル共振器を含む、請求項16に記載の信号拡大アクセサリ。
- MRI装置のボア内の被検体からの応答信号を増幅する方法であって、
作業周波数を有する前記MRI装置のボア内に、制御可能なアレイアセンブリを設けるステップであって、前記制御可能なアレイアセンブリは、前記MRI装置の動作周波数において相互に誘導結合するように構成された複数のメタマテリアル共振器を含む共振器アレイと、制御可能なインピーダンスを有する非線形制御共振器とを含む、ステップと、
前記MRI装置が送信モードにある場合には、前記制御可能なアレイアセンブリをパススルーモードに構成するステップと、
前記MRI装置が受信モードにある場合には、前記制御可能なアレイアセンブリを増幅モードに構成するステップと、
を含む方法。 - 前記制御可能なアレイアセンブリをパススルーモードに構成するステップは、前記非線形制御共振器を第1の共振モードに自動的に構成するステップを含み、第1の共振器モードの前記非線形制御共振器は、前記制御可能なアレイアセンブリにおいて、前記MRI装置の作業周波数からオフセットされたアセンブリ共振周波数を生成するために前記共振器アレイに結合される、請求項26に記載の方法。
- 前記非線形制御共振器を第1の共振モードに自動的に構成するステップは、制御可能なインピーダンスに、前記MRI装置から送信された高周波励起信号を提供するステップを含む、請求項27に記載の方法。
- 前記制御可能なアレイアセンブリを増幅モードに構成するステップは、前記非線形制御共振器を第2の共振モードに自動的に構成するステップを含み、第2の共振器モードの前記非線形制御共振器は、前記制御可能なアレイアセンブリにおいて、前記MRI装置の作業周波数におけるアセンブリ共振周波数を生成するために前記共振器アレイに結合される、請求項26に記載の方法。
- 前記非線形制御共振器を第2の共振モードに自動的に構成するステップは、制御可能なインピーダンスから、前記MRI装置から送信された励起信号を差し控えるステップを含む、請求項29に記載の方法。
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