JP3432896B2 - 核スピントモグラフィ装置の高周波装置 - Google Patents

核スピントモグラフィ装置の高周波装置

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JP3432896B2 JP17327794A JP17327794A JP3432896B2 JP 3432896 B2 JP3432896 B2 JP 3432896B2 JP 17327794 A JP17327794 A JP 17327794A JP 17327794 A JP17327794 A JP 17327794A JP 3432896 B2 JP3432896 B2 JP 3432896B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、核スピントモグラフィ
装置の高周波装置に関する。この装置は検査すべき身体
内に核スピンを励起するための高周波送信装置と、核ス
ピン励起により生ぜしめられる高周波のＢ場成分を検出
するための高周波受信装置とを有し、この高周波受信装
置はその他の部分から電気的に隔てられて身体に配置さ
れる局部コイル装置と、この局部コイル装置を囲みこれ
と誘導的に結合されている外部の受信アンテナとを有す
る。このような高周波装置はドイツ特許出願公開第 350
0456号明細書に記載されている。
【０００２】
【従来の技術】核磁気共鳴を応用して検査すべき対象
物、特に人体またはその部分の断層像を発生するための
装置自体は公知である。その際に検査すべき身体は、身
体内に原子核、特に水に結合された水素原子核（陽子）
の核スピンのオリエンテーションを生じさせる強く均等
な磁場、いわゆる基本磁場のなかに入れられる。高周波
の励起パルスによりこれらの核が歳差運動をするように
励起される。励起パルスの終了後に原子核は、基本磁場
の強さに関係する周波数で歳差運動をし、また次いでそ
のスピンに基づいて予め定められた緩和時間の後に再び
基本磁場により予め定められた優先方向に向く。積分し
た高周波の核信号の計算および／または測定技術的解析
により身体層に関して空間的スピン密度からまたは緩和
時間の分布から像を発生することができる。歳差運動の
結果として検知可能な核共鳴信号とその生成の場所との
対応付けは線形の場勾配の応用により行われる。そのた
めに相応の勾配場が基本場に重畳され、また撮像すべき
層内でのみ核の励起が行われるように制御される。これ
らの物理的効果を基礎とする撮像は核スピントモグラフ
ィまたは核磁気共鳴トモグラフィの名称のもとに知られ
ている。
【０００３】核スピンの高周波励起のためには少なくと
も１つのアンテナを有する送信装置が必要である。文献
「エヌテーツェット・アルヒーフ（ｎｔｚ Ａｒｃｈｉ
ｖ）」第１１巻（１９８９年）、第５号、第２３７〜２
４３またはヨーロッパ特許第B-0073375号明細書に記載
されているように、このようなアンテナはいわゆる全身
共振器として構成することができる。
【０００４】特に比較的小さい寸法を有する身体範囲を
撮像すべきときには、局部コイル装置を有する受信装置
が使用される。このような局部コイル装置は、撮像すべ
き身体部分、たとえば椎骨、中耳または眼の上に簡単に
載せられる表面または局部コイルを有する。このような
局部コイルは最も簡単な場合には、少なくとも１つの個
所においてコンデンサにより橋絡された分離個所を有
し、また高周波的に配線されているワイヤーから成る円
形のアンテナループから成っている（前記文献参照）。
一般にこのような局部コイルはＢ場の形態で核スピン励
起により生ぜしめられる高周波信号を受信するためにの
み使用され、他方において核スピンの励起は送信アンテ
ナ、たとえば円形導波路アンテナとして構成された全身
アンテナにより行われる。高周波装置の相応の実施例で
はこうして像発生のために２つの異なる高周波装置、す
なわち高周波送信装置および高周波受信装置を設ける必
要がある。
【０００５】公知の高周波装置では局部コイルにより検
出された高周波信号はしばしば供給または接続ケーブル
を経てそのつどの装置の検査範囲から外方に信号処理用
電子回路に供給される。しかしその際に供給ケーブルが
邪魔となる。さらに供給ケーブルには、検査すべき身体
における望ましくない高い電力密度に通じ得る有害な表
面波が生ずる。これらの問題は、局部コイル装置が受信
装置のその他の部分から電気的に隔てられるならば、も
はや生じなくなる。冒頭に記載したドイツ特許出願公開
第 3500456号明細書に記載されているこのような受信装
置では局部コイル装置により、局部コイル装置の少なく
とも１つのアンテナループに相応の電流を生ぜしめる、
身体から生ぜしめられたＢ場の特定の成分が検出され
る。それと結び付けられるＢ場は検査すべき身体、従っ
てまた局部コイル装置を囲む対応付けられている受信ア
ンテナにより検出される。こうしてこの外部アンテナに
誘導された信号は次いで公知の仕方で後段に付設されて
いる電子回路に爾後処理のために供給される。
【０００６】この受信装置では局部コイル装置と外部受
信アンテナとの間の誘導結合のために局部コイル装置の
測定信号は結合に相応してのみ弱められて外部受信アン
テナに伝達され得る。しかしその場合後段に付設されて
いる電子回路に供給される信号の外部受信アンテナによ
り惹起されるノイズ成分がもはや無視できなくなる。後
段に付設されている信号処理電子回路に供給される高周
波信号におけるＳＮ比に関するこの問題は、局部コイル
装置の場に敏感な部分が比較的小さいときまたは外部受
信アンテナが比較的悪いＱ値を有するときに特に意味が
ある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の課題
は、冒頭に記載した種類の高周波装置を、ＳＮ比の悪化
に関する前記の問題が少なくとも減ぜられ、またその際
に使用される電子回路の擾乱のない作動が補償されるよ
うに構成することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この課題は、本発明によ
れば、局部コイル装置が少なくとも２つのアンテナルー
プを含み、それらの間に増幅器ユニットが接続され、ま
た局部コイル装置により、それにより検出された元来の
Ｂ場成分に基づいて、外部の受信アンテナにより検出す
べき、元来のＢ場成分に対して少なくともほぼ直交して
いる新しいＢ場成分が発生されることにより解決され
る。
【０００９】本発明による措置は一方では、誘導により
外部受信アンテナに伝達すべき局部コイル装置の信号が
十分に高められているので、外部受信アンテナのノイズ
成分がＳＮ比において有利に副次的な意味しかないこと
を保証する。他方では有利なことに増幅器ユニットの振
動傾向に関する問題が抑制される。すなわち、特に増幅
器ユニットの増幅率が比較的高い際には検査すべき身体
により影響されて望ましくない振動傾向に通じ得る増幅
器ユニットの入力端および出力端の結合のずれが生ず
る。従って、本発明によれば、２つの脱結合された信号
経路、すなわち一方では検査すべき身体から局部コイル
装置への信号伝達のための経路、他方では局部コイル装
置から外部の受信アンテナへの増幅された信号の伝達の
ための経路が設けられている。この脱結合は、両信号経
路に対して互いに直交するＢ場成分のみが顧慮されるこ
とにより達成される。そのために局部コイル装置は少な
くとも２つのアンテナループを有していなければならな
い。その場合、Ｂ場成分の上記の選択のために２つの原
理的な可能性が生ずる。１）第１のアンテナループによ
り予め定められたＢ場成分のみを検出し、第２のアンテ
ナループによりそれと直交するＢ場成分を発生するよう
に、第１および第２のアンテナループを互いに直交させ
て配置する。２）両アンテナループにより予め定められ
たＢ場成分のみを検出する。その場合には増幅器ユニッ
トにより、これらの両アンテナループによりそれと直交
するＢ場成分のみが放射されることが保証されなければ
ならない。
【００１０】本発明の高周波装置の有利な実施態様は請
求項２以下に記載されている。
【００１１】
【実施例】以下、図面を参照して本発明を説明する。図
面中で対応する部分には同一の符号が付されている。
【００１２】図１に縦断面図で概要を示されて全体とし
て符号２を付されている核スピントモグラフィ装置の高
周波装置はたとえば図面には示されていない中空円筒状
の基本場磁石内に配置されている。その際に円筒軸線は
直交ｘ、ｙ、ｚ座標系のｚ方向に位置している。高周波
装置２は高周波送信装置を含んでおり、その送信アンテ
ナ３によりたとえば検査すべき身体４または身体範囲内
に核スピンを励起させるための全身共振器が示されてい
る。身体４は図面中にハッチングを施された面のみによ
り概要を示されており、また全身共振器により囲まれた
空間内に位置している。送信アンテナ３はたとえば直線
偏波のために、たとえばｚ方向に延びている２つのアン
テナ導体３ａおよび３ｂを有する。これらのアンテナ導
体は共振コンデンサ５および６を介して、ｚ軸線の周り
に配置されている中空円筒状の同心の高周波シールド７
と結合されている。このたとえば銅箔から成る高周波シ
ールドは低周波の勾配場に対しては透過性であるが、高
周波場に対しては実際上不透過性である。高周波シール
ド７はアンテナ導体３ａおよび３ｂと一緒に円形導波路
アンテナを形成し、その結合要素はアンテナ導体３ａお
よび３ｂである。このアンテナにより送信時に発生され
るパルス状の磁場はその磁束密度ＢS により示されてお
り、その方向は図中に周知の仕方で丸の中の点および×
印により示されている。このような全身共振器はたとえ
ばドイツ特許出願公開第 4113120号明細書に記載されて
いる。円形導波路アンテナの形態のこのような全身共振
器の代わりに、共振回路をなすそれ自体は公知の他のア
ンテナ構成ももちろん高周波送信装置に対して使用可能
である。
【００１３】高周波装置２はさらに、核スピン励起によ
り身体４内に生ぜしめられた高周波信号を受信し、また
後段に付設されている信号処理用電子回路に伝送する高
周波受信装置を有するものとして構成されている。本発
明によれば、この受信装置は比較的狭く限られている身
体範囲内での測定のために、少なくとも２つのアンテナ
ループ１１および１２ならびに増幅器ユニット１３を有
する局部コイル装置１０（図面中には概要のみを示され
ている）を含んでいる。身体４に、すなわち身体表面の
付近に配置すべきこの局部コイル装置は、身体４から核
スピン励起に基づいて発せられる高周波信号（場）に対
応付けられている高周波のＢ場の予め定められた成分に
関してのみ感度を有する。この成分は以下ではＢ１と呼
ばれる。局部コイル装置により検出された高周波場は、
この装置と結合されている接続導体を介さずに、後段に
付設されている信号処理用電子回路に伝達される。より
正確に言うと、増幅された信号は、検出されたＢ場成分
（Ｂ１）と直交しており以下ではＢ２と呼ばれるＢ場成
分の形態で誘導的に対応付けられている受信アンテナに
伝達される。従って局部コイル装置は“ケーブルレス”
とみなされる。Ｂ２成分を検出するアンテナは身体４の
検査すべき部分および局部コイル装置１０の外側に配置
されるべきである。従ってこのアンテナは以下では局部
コイル装置を囲む外部の受信アンテナと呼ばれる。図２
に示されている実施例によれば、送信アンテナ３は同時
に、符号３´を付されている外部の受信アンテナとして
も使用される。さらに、特別な受信アンテナを設けるこ
とも同様に良好に可能である。その場合、外部の受信ア
ンテナ３´から、検出された高周波信号が後段に付設さ
れている信号処理用電子回路に公知の仕方で導きだされ
る。
【００１４】本発明により構成された高周波受信装置内
の信号経路は図２中に原理図の形態で示されている。全
体として符号１５を付されている高周波受信装置では２
つの脱結合された信号経路Ｗ１およびＷ２が、一方では
身体４の検査すべき部分から局部コイル装置１０への信
号伝達用として、また他方では局部コイル装置１０から
受信アンテナ３´への増幅器ユニット１３により増幅さ
れた信号の伝達用として利用される。その際にたとえば
第１のＢ場成分Ｂ１の形態の身体部分からの核共鳴信号
はアンテナループ１１により受信され、増幅器ユニット
１３で増幅され、またアンテナループ１２により第１の
Ｂ場成分Ｂ１と直交する第２のＢ場成分Ｂ２として受信
アンテナ３´に伝送される。その場合、増幅器ユニット
１３は２ゲート増幅器であり、その増幅率は両伝送経路
の脱結合により制限される。図２中には局部コイル装置
１０の破線１６により、両アンテナループ１１および１
２により第１のコイルモードで受信され、第２のコイル
モードで送信され得ることが示されている。受信アンテ
ナ３´と身体４の組織との直接的な結合は矢線１４によ
りシンボル化して示されている。
【００１５】直線偏波を有する高周波装置では有利なこ
とに身体４から局部コイル装置１０への信号経路Ｗ１に
対して、送信アンテナ３から発生される送信場ＢS と直
交するＢ場成分Ｂ１が利用される。その場合、送信アン
テナ場ＢS の方向と一致する方向のＢ場成分Ｂ２は局部
コイル装置１０から受信アンテナ３´への結合の役割を
する。そのために必要な局部コイル装置１０ａのアンテ
ナループ１１および１２の配置方法は図３に示されてい
る。アンテナループ１１により張られる面の法線Ｎ１
は、アンテナループ１２により張られる面の法線Ｎ２と
直交している。その際にＮ１およびＮ２の方向をＢ場成
分Ｂ１またはＢ２も向いている。局部コイル装置１０ａ
内で、受信された信号はアンテナループ１１内の共振コ
ンデンサＣ１において取り出され、また増幅器ユニット
１３に供給される。増幅された信号は次いでアンテナル
ープ１２内の共振コンデンサＣ２に供給される。さらに
図３に示されているように、放射するアンテナループ１
２は受信するアンテナループ１１よりも小さい幾何学的
寸法（面）を有し得る。各アンテナループは少なくとも
１つの巻回を有し得る。もちろん、各アンテナループに
対して多数のアンテナループから成る装置を設けること
も可能である。
【００１６】局部コイル装置１０ｂの構成の別の方法が
図４に示されている。この場合、原理的には「Ｍａｇ．
Ｒｅｓｏｎ．Ｍｅｄ．」第４巻、１９８７年第１７９〜
１８４頁から公知のように、いわゆる“バタフライ形
式”の二重ループ装置がもとになっている。この形式で
は両アンテナループ１１および１２は、図３による局部
コイル装置１０ａの実施例と異なり、共通の平面内に位
置している。符号１０ｂを付されている装置の増幅器ユ
ニット１３はその入力信号を、ループ１１および１２に
より占められている面と直交するＢ場成分Ｂ１から得る
ので、両ループ１１および１２内に同じ向きの電流が励
起される。増幅器ユニット１３は次いでその入力信号を
それと直交しており電流として両ループを逆方向に貫く
Ｂ場モードＢ２で与える。コンデンサＣ３およびＣ４は
両振動モードの等しい共振周波数に対するループ結合の
補償の役割をする。増幅器ユニット１３を含んでおり両
アンテナループ１１および１２を結び付ける回路網は図
４中に符号１７を付されている。
【００１７】円偏波する高周波装置では身体から右回転
するＢ場成分Ｂ１のみが受信される。受信された信号は
増幅され、また再び、成分Ｂ２を有する左回転するＢ場
が生ずるようにアンテナループに供給される。ここでも
使用される増幅器ユニットの入力端および出力端は脱結
合されている。このような高周波装置に対しては図３に
よる局部コイル装置１０ａも図４による局部コイル装置
１０ｂも基礎とされ得る。図４に相応する二重ループ配
置内の２つのアンテナループ１１および１２を有する局
部コイル装置１０ｃの実施例が図５に示されている。こ
の実施例では直交するＢ場成分は右回転する円偏波の受
信器のために増幅器ユニット１３のπ／２ハイブリッド
とも呼ばれる９０°ハイブリッド回路１３ａに一緒に導
かれる。ハイブリッド回路１３ａにおける終端抵抗は符
号１３ｃを付されている。反射増幅器１３ｂにより増幅
された信号は次いで再び同じハイブリッド回路に供給さ
れ、このハイブリッド回路がそれからループ１１および
１２により左回転する円偏波信号をＢ場成分Ｂ２の構成
のもとに外部の受信アンテナに送り出す。ハイブリッド
回路１３ａが接続され両アンテナループ１１および１２
の間に設けるべき回路網は図５中に符号１８を付されて
いる。
【００１８】直線偏波する送信アンテナ３が直線偏波す
る局部コイル装置１０と共に使用される際には本発明に
よる措置に基づいて、アンテナループ１１および１２と
結合された増幅器ユニット１３の入力端および出力端が
脱結合されている。同一の状況が、Ｂ場の逆向きの回転
方向を有する円偏波する送信アンテナおよび円偏波する
局部コイル装置が使用される際にも増幅器ユニットの入
力端および出力端に対して生ずる。すなわち、本発明に
よる高周波装置に対しては高周波送信装置および高周波
受信装置に対して等しい偏波形式が用いられることが有
利である。
【００１９】直線偏波する送信装置におけるケーブルレ
スの直線偏波する局部コイル装置は、供給ケーブルを経
て接続されている局部コイル装置にくらべて、位置決め
に関する制約を受ける。すなわち、送信装置および局部
コイル装置の送信装置の直交するＢ場方位が回避されな
ければならない。なぜならば、さもなければ信号伝達が
抑制されるおそがあるからである。
【００２０】図１ないし図５に示されている構成部分と
ならんで本発明による高周波装置の局部コイル装置は、
一般に前置増幅器および場合によっては作動のために必
要な追加的電子回路から成る、増幅器ユニット１３に対
する電流供給部をも有していなければならない。最適な
雑音指数に対する１０ないし１５Ｖの作動電圧における
約１０ｍＡの主負荷として通常使用されるデュアルゲー
トＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体電界効果トランジス
タ）が考えられる。これは送信装置の送信パルスの後に
それぞれ数秒間だけ能動化されていればよいので、非磁
性リチウム電池または鉛蓄電池から成る電流供給部は十
分な作動寿命を保証される。
【００２１】送信作動に対して局部コイル装置のアンテ
ナループは離調されなければならない。これはたとえ
ば、２つの逆並列のスイッチングダイオードを介してそ
のつどの導体ループの高い受信レベルの際に等しい大き
さのインダクタンスが並列接続され、またこうして共振
周波数が高められる受動的な離調回路により達成され得
る。同時に、送信パルスの終了後に受信作動が可能であ
るように、有利には離調回路の応答が検出され、またそ
れにより増幅器ユニットの電流供給が予め定め得る時間
にわたり行われ得る。
【００２２】ケーブルレス局部コイル装置の使用に基づ
いて、同時に受信の役割をする送信装置へのいくつかの
整合が必要となることがある。すなわち場合によっては
直線偏波する送信装置の際に受信入力端に追加的な整合
変圧器を設ける必要がある。なぜならば、局部コイル装
置がそれに対して必要な離調回路により送信装置を送信
作動および受信作動の際に相い異なって負荷するからで
ある。整合変圧器の同調はケーブル接続を有する公知の
局部コイル装置の際と類似して小さいレベルにおいて受
信入力端からアンテナへの送信により行われ得る。その
際に局部コイル装置の離調回路はまだ応答しなくてよ
い。
【００２３】円偏波する送信装置では左回転するＢ場成
分が脱結合される。相応の高周波装置の等価回路図が図
６に示されている。この高周波装置は２つのアンテナル
ープ２１および２２を有する局部コイル装置２０と、終
端抵抗１３ｃにより終端されている９０°ハイブリッド
１３ａと、反射増幅器１３ｂとを含んでいる。送信およ
び受信装置２５は９０°ハイブリッド２７に接続されて
いる２つのアンテナ部分装置２６ａおよび２６ｂを有す
る全身共振器２６を含んでいる。ハイブリッド２７はそ
の端子の１つにおいて、正常作動（局部コイル装置２０
なし）の際に使用される受信器２８と接続されている。
ハイブリッド２７の第２の端子は送信‐受信切換スイッ
チ３０に通じている。切換スイッチ３０は送信の場合に
送信器３１をハイブリッド２７と接続し、他方において
局部コイル装置２０による受信の場合にはこの切換スイ
ッチを介して受信器３２がハイブリッド２７と接続され
る。
【００２４】円偏波する送信装置においてその必要な両
アンテナ部分装置（２６ａ、２６ｂ）が隔てられるなら
ば、直線偏波する局部コイル装置と一緒に送信装置の一
方の部分装置を受信のために、また他方の部分装置を送
信作動のために使用することが可能である。追加的な整
合変圧器はその場合には必要でない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による高周波装置の概略構成図。
【図２】この高周波装置の受信装置内の信号経路図。
【図３】この受信装置の局部コイル装置の第１の実施例
の概略構成図。
【図４】２つの相い異なる偏波状況に対する局部コイル
装置の別の実施例の概略構成図。
【図５】２つの相い異なる偏波状況に対する局部コイル
装置の別の実施例の概略構成図。
【図６】円偏波に対する高周波装置の等価回路図。
【符号の説明】
２ 高周波装置 ３ 送信アンテナ ３Ａ、３ｂ アンテナ導体 ３´ 受信アンテナ ４ 検査すべき身体 ５、６ 共振コンデンサ ７ 高周波シールド １０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ 局部コイル装置 １１、１２ アンテナループ １３ 増幅器ユニット １３ａ ハイブリッド回路 １３ｂ 反射増幅器 １３ｃ 終端抵抗 １４ 結合線 １５ 高周波受信装置 １６ 隔離線 １７、１８ 回路網 ２０ 局部コイル装置 ２１、２２ アンテナループ ２５ 送信‐受信装置 ２６ 全身共振器 ２６ａ、２６ｂ アンテナ部分装置 ２７ ９０°ハイブリッド ２８ 受信器 ３０ 送信‐受信切換スイッチ ３１ 送信器 ３２ 受信器
フロントページの続き (72)発明者 マルクス フエスター ドイツ連邦共和国 91056 エルランゲ ン パツペルガツセ 18 (56)参考文献 特開 平４−8348（ＪＰ，Ａ) 米国特許5473252（ＵＳ，Ａ) 独国特許発明4322352（ＤＥ，Ｃ２) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) A61B 5/055

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ａ）検査すべき身体内に核スピンを励起
    するため高周波送信装置が設けられており、 ｂ）核スピン励起により生ぜしめられる高周波のＢ場成
    分を検出するため、 −高周波受信装置のその他の部分から隔てられて身体に
    配置される局部コイル装置と、 −局部コイル装置を囲みこれと誘導的に結合されている
    外部の受信アンテナとを有する高周波受信装置を含んで
    いる高周波装置において、局部コイル装置（１０、１０
    ａ、１０ｂ、１０ｃ、２０）が少なくとも２つのアンテ
    ナループ（１１、１２；２１、２２）を含んでおり、そ
    れらの間に増幅器ユニット（１３）が接続されており、
    また局部コイル装置により、それにより検出された元来
    のＢ場成分（Ｂ１）に基づいて、外部の受信アンテナ
    （３´）により検出すべき、元来のＢ場成分（Ｂ１）に
    対して少なくともほぼ直交している新しいＢ場成分（Ｂ
    ２）が発生されることを特徴とする核スピントモグラフ
    ィ装置の高周波装置。
  2. 【請求項２】 局部コイル装置（１０ａ）の両アンテナ
    ループ（１１、１２）が互いに直交して配置され、また
    一方のアンテナループ（１１）により元来のＢ場成分
    （Ｂ１）が受信され、他方のアンテナループ（１２）に
    より新しいＢ場成分（Ｂ２）が受信されることを特徴と
    する請求項１記載の高周波装置。
  3. 【請求項３】 新しいＢ場成分（Ｂ２）を発生するため
    の他方のアンテナループ（１２）が元来のＢ場成分（Ｂ
    １）を検出する役割をするアンテナループ（１１）より
    も小さい幾何学的寸法を有することを特徴とする請求項
    ２記載の高周波装置。
  4. 【請求項４】 両アンテナループ（１１、１２）により
    元来のＢ場成分（Ｂ１）の検出も新しいＢ場成分（Ｂ
    ２）の発生も行われることを特徴とする請求項１記載の
    高周波装置。
  5. 【請求項５】 外部の受信アンテナ（３´）が同時に高
    周波送信装置の送信アンテナ（３）として用いられるこ
    とを特徴とする請求項１ないし４の１つに記載の高周波
    装置。
  6. 【請求項６】 高周波送信装置が外部の受信アンテナか
    ら独立した送信アンテナを有することを特徴とする請求
    項１ないし４の１つに記載の高周波装置。
  7. 【請求項７】 高周波送信装置および高周波受信装置に
    対して等しい偏波形式が用いられることを特徴とする請
    求項１ないし６の１つに記載の高周波装置。
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