JP3638342B2 - 両面ｒｆ遮蔽体を含む磁気共鳴システム - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は無線周波（ＲＦ）遮蔽体に関し、更に詳しくは核磁気共鳴（ＮＭＲ）イメージング装置の中の全身用ＲＦコイルと一組の勾配コイルとの間に配置するための新規な両面ＲＦ遮蔽体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＮＭＲイメージング装置は通常、空間選択的な情報を得るために一組３個の勾配コイルを使用する。これらの勾配コイルの各々は一般に、全長が数百メートルまでの導電性ワイヤの多数のターンを含む。ＲＦ磁界が勾配コイルの導電性ワイヤに当たると、ＲＦ磁界はそれらのエネルギのかなりの部分を失う。この損失の機構は完全には理解されていないが、多分、高電流の共鳴により勾配構造を励起するのに関連して高損失を生じると思われる。勾配コイル等のＲＦ電力損失は、ＲＦコイルのＱの低下として現れ、その結果、イメージング装置で達成し得る信号対雑音比（ＳＮＲ）の低下として現れる。したがって、取り囲んでいる勾配コイルへのＲＦ磁界の侵入を防止することが非常に望ましく、これを達成するために通常はＲＦコイルと勾配コイルとの間に遮蔽体が配置される。しかし、ＲＦ遮蔽体は勾配磁界に対しては事実上透明でなければならないので、勾配周波数（通常、約１０ＫＨｚより低い）で遮蔽体に有意の電流が誘導されるのを防止して、画像に悪影響を及ぼす時間依存磁界不均一性や空間依存磁界不均一性が現れないようにしなければならない。
【０００３】
従来、最も普通に使用されたＲＦ遮蔽体は、銅−誘電体−銅の積層薄板を使用する両面遮蔽体であった。各銅薄板の導電路のパターンは、大体、ＲＦコイルによって生じる磁界により連続形遮蔽体に誘導される電流経路を近似するものになっている。このような構造の１つは、１９８９年１１月７日に付与された、発明の名称「ＮＭＲイメージング装置の勾配コイルの内側に配置されるＲＦコイル用の両面ＲＦ遮蔽体（Ｄｏｕｂｌｅ−Ｓｉｄｅｄ ＲＦ Ｓｈｉｅｌｄ Ｆｏｒ ＲＦ Ｃｏｉｌ Ｃｏｎｔａｉｎｅｄ Ｗｉｔｈｉｎ Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ｃｏｉｌｓ Ｏｆ ＮＭＲ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ）」の米国特許第４，８７９，５１５号に開示されている。
【０００４】
勾配磁界パルスによって銅薄板に渦電流が流れないようにするために、閉ループが形成されないように、導電性パターンは切断され、すなわち開路される。しかし、（このような切れ目の配置を除けば）銅のパターンは誘電体層の両側で同じであるので、銅のパターンはコンデンサを形成し、このコンデンサはＲＦコイルのラーモア周波数で非常に低いインピーダンスを提供する。このコンデンサの容量によって、切れ目が事実上短絡され、ＲＦ周波数で遮蔽体の完全性が維持される。
【０００５】
高速イメージング（ＨＳＩ）およびエコープラナイメージング（ＥＰＩ）においては、スルー（ｓｌｅｗ）レートが２３０Ｔ／ｍ／ｓまでの非常に高速の勾配パルスが用いられる。全身ＭＲイメージングシステムの標準的な勾配コイル、勾配増幅器、ＲＦコイルおよび遮蔽体構成要素は、これらのプロトコルを遂行する際にある程度の成功しか得られなかった。その主要な理由は、ＲＦ遮蔽体と勾配増幅器との間の望ましくない反応であり、これにより勾配増幅器が不安定になったり、飽和したりするとともに、ＲＦ遮蔽体が加熱される。このようなプロトコルを使用すべき場合には、ＲＦコイルと勾配コイルとの間の遷移環境を改善しなければならない。
【０００６】
良好なＲＦ遮蔽体の設計に対するもう１つの課題は、そのコストである。最新式のＭＲイメージングシステムで使用されるＲＦコイルは、分極（ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ）磁界の方向に垂直な平面内で測定したとき互いに９０°の方向を向いた２つのＲＦ磁界を作成する。その結果、このような直角磁界を使用する従来のシステムでは、２つの別々の遮蔽体（すなわち、銅薄板−誘電体−銅薄板）が用いられる。それらの導電性パターンは、ＲＦコイルが生じるそれぞれの直角磁界と一致するように別々に位置合わせされる。このような２つの遮蔽体を使用することは費用がかかる。
【０００７】
【発明の概要】
本発明は、勾配磁界サブシステムの性能またはＲＦコイルの性能を著しく変えない直角ＲＦ磁界コイルに対するＲＦ遮蔽体である。更に詳しく述べると、本発明の遮蔽体は、（１）直角ＲＦ磁界コイルのまわりに配置された誘電体薄板、（２）誘電体薄板の一方の表面に取り付けられた第１の銅薄板であって、直角ＲＦ磁界コイルによって発生される磁界の一方により誘導される電流と一致する導電路が形成されている第１の銅薄板、および（３）誘電体薄板の他方の表面に取り付けられた第２の銅薄板であって、直角ＲＦ磁界コイルよって発生される磁界の他方により誘導される電流と一致する導電路が形成されている第２の銅薄板を含み、上記第１および第２の銅薄板に形成された導電路は複数の閉ループを含み、更にこれらの閉ループの各々を開路するための切れ目が形成されている。
【０００８】
本発明の一般的な目的は、直角ＲＦコイル用の遮蔽体を提供することである。導電性パターンを互に対して９０°移動して各導電性パターンを直角ＲＦ磁界の１つと一致させることにより、単一の銅−誘電体−銅の遮蔽体を直角ＲＦ磁界コイルに対して使用できることが見出された。誘電体薄板の両面上の導体はもはや相互にそろっていないので、閉ループの中で切れ目を短絡するために必要な容量は小さくなる。これは、誘電体薄板の厚さを小さくすることにより、また切れ目を食い違いに配置して各直角コイルモードの性能（すなわちＱ）の間の平衡を維持することにより、相殺される。
【０００９】
本発明のより特定の目的は、電圧絶縁破壊事象が２つの銅薄板の間および同じ銅薄板の隣り合う導電路の間に発生しないようにすることである。これは、遮蔽体の円周に沿った複数の位置で２つの銅薄板を短絡することにより、そしてこれらの位置の間で銅薄板に短絡路を設けて遮蔽体の円周に沿った導電性リングを形成することにより、達成される。導電性リングは、銅薄板相互の間および各銅薄板中の隣り合う導電路の間の勾配誘導電圧が誘電体材料を通しての又は誘電体材料を横切る絶縁破壊を生じさせるレベルに達しないようにする。
【００１０】
【好適実施態様の説明】
まず図１を参照して説明する。本発明による無線周波（ＲＦ）遮蔽体１０は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）イメージング装置の（図示されない）磁石の内腔４内に、全身用ＲＦコイル１１と一組の磁界勾配コイル２との間に配置された中空の円筒形の導電性部材である。慣例により、ＮＭＲシステムの（内腔４のまわりに形成された磁気手段によって作られる）主磁石の主静磁界Ｂ₀ はデカルト座標系のＺ軸とそろえられる。ＲＦ信号に応動して、ＲＦコイル１１はコイル１１の内腔内にＲＦ磁界Ｂ₁ を形成する。磁界Ｂ₁ は通常Ｘ−Ｙ平面内にある。コイル１１の外側にもかなりのＲＦ磁界が存在し、このＲＦ磁界は、当業者には周知のように、ＲＦ遮蔽体１０が設けられて事実上ＲＦ短絡回路として動作していなければ、勾配コイル２に当たる。遮蔽体１０は、勾配磁界がＲＦコイル１１の内腔に入って、その中の容積に空間符号化情報を加えることができるように、勾配コイル２からの磁界に対して事実上透明でなければならない。
【００１１】
代表的な全身用ＲＦコイル１１が図２に示されている。絶縁性材料の円筒形基板１２上に形成されたこの高域通過「鳥かご形」コイルは、間隔を置いて配置された第１および第２の端リング１３および１４を含む。各端リングは、容量性素子１６によって相互に接合された複数（図示のものでは８個）の導電性部分を有する。したがって、各端リング１３、１４は、ＲＦ磁界Ｂ₁ と同様に、事実上Ｘ−Ｙ平面内にある。同じ数の軸方向の導電性部材１５が、第１の端リング１３の１つの導電性部分と第２の端リング１４の同じ位置にある導電性部分との間にＺ方向に伸びる。したがって、第１の細長い導電性部材１５は角度θ＝０に配置され、残りの７個の細長い導電性部材１５は各々、外周のまわりに逐次、より大きな角度の所に配置される。コイルが円筒対称であるために、Ｒ，θの形式の円筒座標を使用してＲＦ磁界および電流が解析される。ここでθは、Ｚ軸および導電性部材１５の１つを通って形成される平面に対する回転角度である。コイル１１の軸方向中心はＺ＝０の座標に配置される。そして鳥かご形コイル電流は、非常に薄い層に制限され、端リングの内側寸法Ｚ₁ および端リングの外側寸法Ｚ₂ によって規定される端リングの領域を通って流れる傾向がある。単一の励起モードを有するコイルを展開して平たく置いた場合の、電流の流線に平行な仮定のコイル分布等値線が、図３に示されている。等値線により電流を等しい間隔で表しており、電流は矢印Ａの向きに流れる。
【００１２】
前掲の米国特許第４，８７９，５１５号に説明されているように、図３の電流等値線を形成する磁界に対する遮蔽体が図４に示されている。この特許の教示するところによれば、等値線２１で示される通りに銅薄板２０を切ることにより、ＲＦコイル１１によって形成される直角磁界の１つにより誘導される電流Ｉｓに対する別々の導電路２２が形成される。結果として得られるパターンは、一対の中心導電性パッド２３をそれぞれ取り巻く多数の導電性ループを含む。これらの導電性ループは、開路されなければ、勾配磁界によって誘導される渦電流を流れさせる。従来の構造では、開路は、各導電性パッド２３から銅薄板２０の１つの縁まで伸びる切れ目２４を形成することによって行われる。これらの切れ目２４によって渦電流は止められるが、電流Ｉｓの流れも妨げられ、ＲＦ遮蔽体としての有効性が低下する。
【００１３】
米国特許第４，８７９，５１５号に開示された解決策は、第２の銅薄板２０に同じ切れ目を形成することにより同じ構造を構成し、図６に示すように２つの銅薄板２０の間に誘電体材料の薄い板をはさむことによりＲＦ遮蔽体１０を形成するものである。各銅薄板２０の導電路はそろえられて、コンデンサの極板を形成する。コンデンサは、高いＲＦ周波数ではそれぞれの導電性ループの低インピーダンス接続を行うが、変化する勾配磁界のより低い周波数では低インピーダンス接続を行わない。したがって、電流Ｉｓは銅薄板２０に流入してＲＦ遮蔽体として作用することができるが、より低い周波数の渦電流は切れ目２４により阻止される。
【００１４】
本発明によれば、２つの銅薄板および１つの誘電体層で構成されるＲＦ遮蔽体１０に同じパターンの導電路２２を使用することにより、ＲＦコイル１１によって発生される直角磁界を両方とも阻止することができる。これを達成するため、一方の銅薄板に形成されたパターンを直角磁界の一方とそろえ、他方の銅薄板に形成されたパターンを直角磁界の他方とそろえる。このような直交パターンが図５に示されている。図５（Ａ）は円筒形のＲＦコイル１１のまわりに巻かれた一方の銅薄板３０上のパターンを示し、図５（Ｂ）は他方の銅薄板３１上のパターンの位置を示す。図７に示すように、銅薄板３０および３１は誘電体薄板３２の両側に配置され、銅薄板３０および３１のパターンはそろっていないので、銅薄板３０および３１の中の等値線に沿った切れ目２１はそろっていず、銅薄板３０および３１相互間の総容量は小さくなる。しかしこの減少分は、誘電体薄板３２の厚さを小さくすることにより相殺される。好ましい実施例では誘電体薄板３２はアライドシグナル社（Ａｌｌｉｅｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）製の厚さが０．０３２インチ±０．０００３インチで、誘電率が２．５７のポリテトラフルオルエチレン（ＰＴＦＥ）ガラス繊維の積層板である。銅薄板３０および３１は、厚さが２．８ミルの２オンスの銅から形成される。銅薄板３０および３１のパターンを形成する等値線の切れ目２１の幅は約２０ミルである。
【００１５】
直角ＲＦコイル１１によって発生される２つの直角ＲＦ磁界がこの単一の三部品遮蔽体によって事実上阻止され、２つの直角ＲＦ磁界と周囲の勾配コイル２との相互作用が防止されるということが見出された。これを達成する際、連続形の銅遮蔽体を使用したときの性能に比べて、ＲＦコイル１１に対する信号対雑音比の測定された減少分は４％未満であった。
【００１６】
勾配磁界によって誘導される渦電流は、銅薄板３０および３１に形成されたパターンの各導電ループを開路にすることにより阻止される。これを行うために必要とされる切れ目のパターンは、遮蔽体のＲＦ性能を改善するために著しく変更された。中心パッド３４から１つの縁まで単一の切れ目を伸ばす代わりに、図５に示すように、各銅薄板３０、３１の全円周（θ）範囲に沿って伸びる一連の短い切れ目３５によって一つ置きの導電性ループが開路される。導電性ループの切れ目をこのように１つ置きに配置することにより、短い切れ目３５が中心パッド３４から両方向に等しく分布し、両方の直角ＲＦ磁界に対する遮蔽体１０の性能が平衡する。
【００１７】
やはり図５および７に示すように、勾配によって誘導される電圧差がＲＦ遮蔽体１０の中で増加して、雑音を発生する絶縁破壊を引き起こす場合を無くすために、多数の措置が講じられる。このような絶縁破壊は銅薄板３０および３１相互の間の誘電体層３２を通して、または銅薄板３０および３１の等値線の切れ目２１を横切って生じ得る。銅薄板３０および３１相互間の過大な電圧は、銅薄板３０および３１を３つの点４０、４１および４２で短絡することによって防止される。これは、誘電体層３２を貫通して細孔をあけ、各細孔に導電性帯を通し、導電性帯を各銅薄板３０、３１にはんだづけすることによって行われる。短絡点４０、４１および４２は中心パッド３４に位置している。また短絡点４０、４１および４２は、各導電性パターンの半分にわたって円周方向に伸びる導電性条片４４−４７の端に位置している。短絡点４０、４１および４２は導電性条片４４−４７を一緒に接合することにより、ＲＦ遮蔽体１０の中心でＲＦ遮蔽体１０の周りを完全に伸びる連続した導電性リングを形成する。しかし、このリングは１点で開路されるので、渦電流を支持する経路を構成しない。各導電性条片４４−４７は対応する中心パッド３４を取り囲むすべての導電性ループを短絡するので、各導電性ループを形成する切れ目２１を横切って過大な差電圧が蓄積することはあり得ない。これらの短絡用の導電性条片４４−４７にもかかわらず、パターンの試験によって明らかになったことは、１つ置きの短い切れ目３５により、完全な導電性ループの形成が防止され、また勾配誘導渦電流が阻止される。
【００１８】
勾配誘導渦電流を更に減らすために、各導電性パターンの隅にある銅領域も直線状切れ目４９によって中断される。これらの直線状切れ目４９は各導電性パターンを取り囲む導電性領域を分割するように間隔を置いて配置されるので、渦電流を支持することができる円形の電流経路は存在しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＭＲイメージングシステムの全身用ＲＦコイル、ＲＦ遮蔽体および勾配コイル集合体の簡略斜視図である。
【図２】直角ＲＦコイルの概略斜視図である。
【図３】図２のコイルにより発生される直角ＲＦ磁界の内の一方に対する電流分布等値線を図式的に表した線図である。
【図４】図２のＲＦコイルを取り囲むＲＦ遮蔽体の中に、該コイルの直角ＲＦ磁界の内の一方により流れる電流を図式的に表した線図である。
【図５】（Ａ）は直角ＲＦ磁界の内の一方を遮蔽するために一方の銅薄板に形成される導電路を示す平面図であり、（Ｂ）は直角ＲＦ磁界の内の他方を遮蔽するために他方の銅薄板に形成される導電路を示す平面図である。
【図６】従来技術のＲＦ遮蔽体の一部分の断面図である。
【図７】図５の銅薄板を使用して作成された遮蔽体の一部分の断面図である。
【符号の説明】
２ 磁界勾配コイル
４ 内腔
１０ ＲＦ遮蔽体
１１ ＲＦコイル
２１ 等値線の切れ目
３０，３１ 銅薄板
３２ 誘電体薄板
３４ 中心パッド
３５ 短い切れ目
４０，４１，４２ 短絡点
４４−４７ 導電性条片
４９ 直線状切れ目

Claims (6)

1. 磁気共鳴システムに於いて、
   内腔の中に、該内腔を通過する中心軸を中心として互いに直角な方向を向いた一対のＲＦ磁界を発生するためのＲＦコイル、
   上記内腔の中に磁界勾配を作成するために上記ＲＦコイルのまわりに配置された一組の勾配コイル、ならびに
   上記ＲＦコイルのまわりに設けられて、上記ＲＦコイルと上記一組の勾配コイルとの間に配置された遮蔽体であって、（ａ）円筒形に形成されて、内側表面が上記ＲＦコイルに対向し、かつ外側表面が上記一組の勾配コイルに対向する誘電体薄板、（ｂ）上記誘電体薄板の内側表面に配置された第１の導電性薄板であって、該第１の導電性薄板を分割して、上記ＲＦ磁界の一方により遮蔽体の中に誘導される電流とそろう複数の導電性ループで構成されるパターンを形成した等値線切れ目を有する第１の導電性薄板、および（ｃ）上記誘電体薄板の外側表面に配置された第２の導電性薄板であって、該第２の導電性薄板を分割して、上記ＲＦ磁界の他方によって遮蔽体の中に誘導される電流とそろう複数の導電性ループで構成されるパターンを形成する等値線切れ目を有する第２の導電性薄板を含み、上記一組の勾配コイルによって誘導される渦電流の流れを阻止するために各導電性ループに短い切れ目が形成されている遮蔽体
   を含むことを特徴とする磁気共鳴システム。
2. 上記第１の導電性薄板に形成された上記パターンが上記第２の導電性薄板に形成された上記パターンとほぼ同じであるが、上記２つのパターンは上記中心軸を中心として互いに直角の向きに配置されている請求項１記載の磁気共鳴システム。
3. 上記各パターンは中心パッドを含み、上記中心パッドのまわりに上記複数の導電性ループが伸び、上記中心軸のまわりの一方の方向に上記中心パッドから伸びる第１の経路に沿って上記複数の導電性ループの内の１つ置きの導電性ループに上記短い切れ目が形成されると共に、上記中心軸のまわりの他方の方向に上記中心パッドから伸びる第２の経路に沿って上記複数の導電性ループの内の他の１つ置きの導電性ループに上記短い切れ目が形成されている請求項１記載の磁気共鳴システム。
4. 上記第１の経路または第２の経路に沿ってそれに隣接した上記導電性ループを一緒に接続する導電性条片が、上記各パターンの中に形成されている請求項３記載の磁気共鳴システム。
5. 上記第１および第２の導電性薄板がそれぞれの上記パターンの中の一点で一緒に短絡され、そこでそれぞれの上記導電性条片が一緒に結合されている請求項４記載の磁気共鳴システム。
6. 上記の結合された導電性条片が上記中心軸のまわりに完全に一つの導電路を形成している請求項５記載の磁気共鳴システム。

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