JP3663004B2 - 核磁気共鳴装置の高周波アンテナ系 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、担持管によって支持され、アンテナ系の縦軸の方向に連続的に配置された複数個のアンテナ要素を備え、これらのアンテナ要素がそれぞれ送信及び／又は受信装置に接続され、それらのアンテナ要素は２つの端部側導体リングを備えたかご形にそれぞれ形成され、その２つの端部側導体リング間では複数個の導体片が縦軸に対して少なくともほぼ平行に延び、相互に磁気的に少なくとも十分に減結合され、隣接するアンテナ要素はその相互減結合のためにその互いに向き合う端部側導体リングの領域では予め決められた長さだけオーバーラップし、少なくともそのオーバーラップする端部側導体リングの領域では異なった直径を有する核磁気共鳴装置の高周波アンテナ系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のアンテナ系はドイツ連邦共和国特許出願公開第４３３１０２１号公報に記載されている。
【０００３】
核磁気共鳴を使用して診察すべき対象物、特に身体又はその一部分の断層像を作成するための装置は知られている。この場合、診察すべき身体は強い均一磁界いわゆる基底磁界内に置かれ、この基底磁界が身体内に原子核、特に水素に結合した水素原子核（プロトン）の核スピンの整列を生ぜしめる。高周波励起パルスによってこれらの核は歳差運動へ励起される。当該励起パルスの終了後、原子核は基底磁界の強度に依存する周波数でもって歳差運動を行い、その後予め決められた緩和時間後にそのスピンのために再び基底磁界によって予め定められた優先方向に安定する。整数の高周波核信号の算術的及び／又は測定技術的解析によって身体層に関しては空間的スピン密度又は緩和時間の分布から像を作成することができる。歳差運動の結果として検出可能な核共鳴信号をその信号生成部位に割当てることは直線的磁界勾配の適用によって行われる。このために当該勾配磁界が基底磁界に重畳され、結像すべき像内でのみ核の励起が行われるように制御される。このような物理的効果を基礎とする像形成は核共鳴トモグラフィー又は核磁気共鳴トモグラフィーという名称で同様に知られている。
【０００４】
核スピンを高周波（ＨＦ）励起するためには少なくとも１つのアンテナを備えた送信装置が必要である。刊行物「エヌ・テー・ツェット‐アルヒーフ（ｎｔｚ−Ａｒｃｈｉｖ）」（１９８９年発行、第１１巻、第５号、第２３７頁〜第２４３頁参照）又はヨーロッパ特許第００７３３７５号公報に記載されているように、当該アンテナはいわゆる全身共鳴器として形成することができる。
【０００５】
この核磁気共鳴装置においては部位及び大きさに関する送信アンテナの磁界特性をＨＦパルス毎にすなわち像撮影中に迅速に切換えることができるという利点がある。このために、互いに出来るだけ減結合する必要のある個々のアンテナ要素から成るアレイとして形成されるＨＦアンテナ系が必要である。
【０００６】
受信用のＨＦアンテナ系は国際特許出願公開第ＷＯ８９／０５１１５号公報によって公知である。このアンテナ系は並置され磁気的に減結合された多数のアンテナ要素から構成されており、これらのアンテナ要素が磁気共鳴信号の受信のために診察領域に割当てられる。アンテナ要素は矩形状導体ループとして形成されている。それらの磁気的減結合のために隣接するアンテナ要素はオーバーラップする。個々のアンテナ要素によって受信された信号は、個々の信号間の位相差がアンテナ要素の空間的オリエンテーションに基づいて考慮されることによって、１つの共通の信号に纏められる。
【０００７】
受信目的用のＨＦアンテナ系は同様にヨーロッパ特許出願公開第０２７３４８４号公報に記載されている。
【０００８】
冒頭で述べたドイツ連邦共和国特許出願公開第４３３１０２１号公報により、互いに減結合されかつ位相及び振幅を調整可能である独立した送信信号によって給電される導波管共鳴器又は導体ループから構成されたＨＦアンテナ系（アレイ）は公知である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、出来るだけ高い横方向均一性、アンテナ系によって使われる診察用容積の良好な活用、及び個別アンテナ要素相互の減結合が同時に実現できるように冒頭で述べた種類のＨＦアンテナ系を改良することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この課題は本発明によれば、３つ又は５つ又は７つの事前に作成されたアンテナ要素が設けられ、これらのアンテナ要素は縦軸の方向に担持管の内側及び外側に交互に配置され、その相互減結合を調整するために縦軸の方向に互いに相対的に移動可能に形成されていることによって解決される。
【００１１】
本発明によるＨＦアンテナ系の有利な実施態様は請求項２以降に記載されている。
【００１２】
このような本発明による手段により、いわゆる“バードケージ共鳴器”の形態のかご形に形成されたアンテナ系が端部リング電流によって助成された比較的急峻な縦方向の磁界降下のために全身アンテナ系に特に好適であるという事実が利用される。従って比較的急峻な磁界降下のために磁界領域を有効に利用することができるという利点が得られる。
【００１３】
【実施例】
次に本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
本発明による核磁気共鳴装置のＨＦアンテナ系は冒頭で述べたドイツ連邦共和国特許出願公開第４３３１０２１号公報に記載されているようなアンテナアレイに基づいている。しかしながら本発明によるアンテナ系はそれに対してＮ（Ｎ≧２）個のかご形アンテナ要素から構成されており、その場合対称理由から個々のアンテナ要素を３個、５個、７個等設けることが有利である。一般にアンテナ系にとっては最高７個のアンテナ要素が必要であり、特に３個又は５個のアンテナ系が設けられる。勿論、Ｎは同様に２又は４のような偶数であってもよい。個々のアンテナ系は縦軸（例えば核共鳴装置のｚ軸）に沿って一列に連続的にかつそれぞれこの軸の周りに同心的に配置されている。核スピンを励起するために補助的に必要な基底磁界は同様にこの軸方向に延びている。このアンテナ系は、個々のアンテナ要素のこの軸に関して見た横方向磁界特性が実際上変化せずに上記軸に沿った磁界特性のみが変化することが特徴である。
【００１５】
本発明によるＨＦアンテナ系の個々のアンテナ要素の特殊な実施形態が図１に示されている。２n （１≦ｎ≦Ｎ）を付されたこの要素は公知である（例えばヨーロッパ特許出願公開第０１４１３８３号公報参照）。この要素は長さＬで離間している２つの端部側導体リング３ａ、３ｂを含んでおり、これらの導体リングは軸ｚに対して同心的に配置されている。これらの導体リングはこの実施形態の場合円形形状をしている。しかしながらこれらの導体リングは他の形態、例えば正多角形又は楕円の形態をとることもできる。導体リング３ａ、３ｂはその場合軸ｚに垂直に向いた１つの面内にそれぞれ配置されている。導体リング３ａ、３ｂ間では軸ｚに対して平行に例えばｊ＝８のワイヤ形又は帯形導体片４ｊが延びており、これらの導体片はアンテナ要素２ｎの周囲方向に見て規則的に分割されて配置されている。これらの導体片４ｊにはそれぞれ１つの容量５ｊが設けられている。例えばこの容量（ここでは５ｆ）には端子６ａ、６ｂに図示されていない公知のＨＦ送信装置及び／又は受信装置を接続することができる。しかしながらこれらの容量はアンテナ要素の他の個所、例えば端部側導体リングに設けることもできる。図１にはさらに矢印７によって、ＨＦ送信装置でアンテナ要素２_n を駆動する際に発生する電流の電流流れ方向が示されている。
【００１６】
本発明によるＨＦアンテナ系においては、相互に少なくとも十分に磁気的に減結合しているような多数のかご形アンテナ要素２ａが縦軸（例えばｚ軸）の方向に連続的に配置されなければならない。図２は面Ｆ１、Ｆ２を形成する２つの任意のループＳ１、Ｓ２のためにこの種の減結合にとって重要な原理を示す。減結合はここではループの縁部領域Ｕでのオーバーラップによって達成されている。この縁部領域Ｕは本発明によるアンテナ系の隣接するかご形アンテナ要素の端面側又は端部側オーバーラップ領域に相当している。ループＳ１はこのループ内に流れる電流Ｉ₁ に基づいて紙面に垂直に向く磁界Ｈを発生し、この磁界Ｈは同様に特にオーバーラップ領域Ｕ内の面Ｆ２を貫通している。磁束はオーバーラップ領域Ｕ及び面Ｆ２の残余領域内では同じ大きさであり、面Ｆ２の残余領域では逆方向に貫通している。これによって、ループＳ２内に誘起された電圧Ｕ₂ は零になる。すなわちループＳ１、Ｓ２は磁気的に減結合されている。
【００１７】
本発明によるアンテナ系の隣接するかご形アンテナ要素の減結合のために、特にアンテナ要素の互いに向き合う端部領域にはオーバーラップが生じるように施され、この場合そのオーバーラップ領域の軸線方向長さは個々の要素の全長より明らかに小さい。最終リング形状及び特にオーバーラップ長さによって、かご直径、最終リングの直径、最終リングを取巻くＨＦシールドに対する最終リングの距離を適当に変えることにより、アンテナ要素の最適な減結合、ならびに２つのアンテナ要素を同時に励振する際にはオーバーラップ領域内での滑らかな磁界変化が達成され得る。当該減結合は両直交偏波用の直線偏波動作形アンテナ要素だけでなく、円偏波動作形アンテナ要素においても同様に可能である。
【００１８】
軸線方向へ移動可能である事前に作成されたアンテナ要素を利用すると、軸線方向のオーバーラップ長さを変えることは特に簡単に実施することができる。すなわち隣接する要素の相対的な動きによって、図２に示された原理と同じように１つのアンテナ要素を励振し、そのアンテナ要素に隣接する要素を軸線方向の移動によって無電圧にすることができる。
【００１９】
図３は２つの隣接するアンテナ要素２_n、２_n+1（１≦ｎ≦Ｎ−１）を備えた実施形態を示す。本発明によるＨＦアンテナ系は一般に多数の要素、特にｎ＝３又は５の要素を有しているが、図示された実施形態によれば、２つの要素２₁、２₂のみが示されている。両要素は概要を分かり易くするという理由から図では省略されている少なくとも１つの担持管上に配置されており、特にｚ方向へ互いに相対的に移動可能である。このようなアンテナ系を実際に構成するためには絶縁担持管が設けられ、この担持管の内側及び外側に交互に例えば銅箔から成る個々のアンテナ要素が配置される。要素２₁の直径ｄ１は要素２₂の直径ｄ２より若干小さく、それゆえ両要素は領域Ｕでオーバーラップすることができる。各要素は端部側導体リング３ａ、３ｂもしくは３ｃ、３ｄならびに予め決められた軸線方向長さＬ１もしくはＬ２を持つ多数の軸線方向導体片４ｊを有している。要素の長さは絶対に同じ大きさでなければならないという必要はない。例えばその長さはそれぞれの要素の端部側導体リングの直径とほぼ同じであってもよい。個別アンテナの磁界均一性への要求はその場合厳密な長さを決定する。図示された実施形態ではさらにオーバーラップ領域Ｕの軸線方向長さ１_uは要素２₂の長さＬ２の約１／１０の大きさである。
【００２０】
本発明によるＨＦアンテナ系の隣接するかご形アンテナ要素の磁気的減結合はこれらの要素の側方オーバーラップによってのみ達成可能であるとは限らない。すなわち直線偏波動作形アンテナ系の場合、隣接するアンテナ要素の減結合はこれらの要素の９０°回転した磁界オリエンテーションによっても同様に実現することができる。直線偏波において両減結合法すなわちオーバーラップ法と９０°回転法とを同時に使用することは、図４に示すような例えば３つの連続するアンテナ要素の完全な減結合を可能にする。３つのアンテナ要素２₁ 、２₂ 、２₃ を含むアンテナ系１０の２つの隣接するアンテナ要素２₂ 、２₃ は符号ｆによって示されているその磁界オリエンテーションから９０°互いに回転し、それによって減結合されている。それゆえ必要に応じて、互いに向き合う端部側導体リング３ｄ、３ｅの領域ではこれらの両アンテナ要素２₂ 、２₃ のオーバーラップさえもなくすことができる。それに対して、アンテナ要素２₁ 、２₂ は磁界オリエンテーションｆから平行に延びている。互いに向き合う端部側導体リング３ｂ、３ｃのオーバーラップ領域Ｕにおいてこれらの要素を側方でオーバーラップさせることによって、何れにしてもこれらの要素は同様に減結合される。同様に要素２₁ 、２₃ は互いに９０°回転している。従って、端部側導体リング３ａ〜３ｆを有する３つの全ての要素２₁ 、２₂ 、２₃ は互いに減結合される。
【００２１】
図４に示された連続原理を発展させると、第１アンテナ要素と第５アンテナ要素とはもはや容易に互いに減結合されることができなくなるであろう。何れにしてもこの場合残余結合はこれらの要素の軸線方向間隔が大きいので実際上の使用にとっては無視することができる。
【００２２】
対称配置された３つの直線偏波動作形アンテナ要素を備えた図示されていない他のアンテナ系の場合、第１要素及び第２要素はその磁界オリエンテーションから４５°回転させることができ、この場合それらは同時に側方領域がオーバーラップする。ここで必要な軸線方向のオーバーラップ長さｌ_u は平行に延びる磁界オリエンテーションの場合より若干大きい。第２アンテナ要素及び第３アンテナ要素は同様にオーバーラップしており、その磁界オリエンテーションから４５°回転し、しかもその回転は第１要素の磁界オリエンテーションと第２要素の磁界オリエンテーションとが互いに９０°回転するように行われる。従って、ここでも同様に３つの全ての要素は互いに減結合され、その場合何れにしてもオーバーラップ領域Ｕでは若干大きなオーバーラップ長さｌ_u が必要である。
【００２３】
本発明に基づく円偏波動作形ＨＦアンテナ系の場合、減結合法としては個々のアンテナ要素の端部側導体リング領域でのオーバーラップによる減結合のみが使用される。ここで第１アンテナ要素と第３アンテナ要素との相互減結合がそれらの軸線方向の隔たりのために十分ではない場合、これらの要素の減結合は１個又は複数個の小さな補助減結合ループによって改善することができる。このような実施形態が図５に示されている。全体に１１を付されたアンテナ系は３つのアンテナ要素２₄ 、２₂ 、２₅ を含んでいるが、この場合中央アンテナ要素２₂ は概要を理解し易くするという理由から細い直線によってのみ示されている。図３及び図４に示されたアンテナ要素２₁ の実施形態とは異なり、アンテナ要素２₄ はアンテナ要素２₅ に向き合うその端部側導体リング３ｂ内に分離個所１２を有しており、この分離個所１２のところで２本の軸線方向のリード線１３ａ、１３ｂが１つの補助減結合ループ１４に接続されている。この減結合ループは中央アンテナ要素２₂ の領域内に、特にその中央領域内もしくは全アンテナ系１１の当該対称面の領域内に位置している。導体リング３ｂと減結合ループ１４との間に位置するリード線１３ａ、１３ｂは特に同軸に実施されているので、アンテナ系全体の磁界構造は非常に僅かしか影響を受けない。同じようにして、補助減結合ループ１４を備えた第１アンテナ要素２₄ の端部側導体リング３ｂに対称に、アンテナ要素２₅ の端部側導体リング３ｅも同様に減結合ループ１５及び同軸リード線１６ａ、１６ｂを分離個所１７に備えている。減結合ループ１５はその場合減結合ループ１４と少なくとも十分にオーバーラップしている。勿論、各外側アンテナ要素（２₄ 、２₅ ）も同様に多数のこの種の減結合ループを有することができ、その場合このループの形態は必ずしも図５に示された円形であることを必要としない。それゆえ、減結合ループとして単純な直線形又は湾曲形導体片を使用することができる。このループは同様に必ずしもオーバーラップしていなければならないということも必要としない。十分な減結合はかかるループの隣接配置によっても達成することができる。
【００２４】
本発明によるＨＦアンテナ系のかご形アンテナ要素の図１、図３乃至図５に示された実施形態によれば、端部側導体リングは縦軸ｚに垂直に向く面内にそれぞれ配置されている。このことは、隣接するアンテナ要素が所望通りにオーバーラップする際これらのアンテナ要素は少なくともオーバーラップする端部領域の領域では異なった直径を有しなければならないということを必要とする。そのことを実現するために、隣接するアンテナ要素は異なった直径を有する円筒状容積をそれぞれ囲むことができる。同じように、隣接するアンテナ要素がほぼ同一の円筒状容積を形成し、要素の一方のみがオーバーラップ領域の形成のために小さな直径へ先細りにされるようにすることも可能である。
【００２５】
さらに、端部側導体リングの隣接する軸線方向の導体片間に延びる導体部分は、必ずしも共通の平面内を延びなければならないということを必要としない。すなわち例えば、これらの隣接する軸線方向の導体片を結合する少なくとも幾つかの導体部分が当該ループ又は当該ループ部分として所望のオーバーラップ区域の方向へ外側へ向かって膨らむようにすることも考えられる。図５に示された補助減結合ループ１４、１５はその場合かかる膨らんだ導体部分の特殊な実施形態と見做される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるアンテナ系のかご形アンテナ要素の原理構成を示す概略図。
【図２】磁気的に減結合された２つのアンテナループの原理を示す概略図。
【図３】オーバーラップによって磁気的に減結合された２つのアンテナ要素を示す概略図。
【図４】直線偏波形ＨＦ磁界用の磁気的に減結合された３つのアンテナ要素を示す概略図。
【図５】円偏波形ＨＦ磁界用の補助減結合手段を有する磁気的に減結合された３つのアンテナ要素を示す概略図。
【符号の説明】
２_n ２₁ 〜２₅ アンテナ要素
３ａ〜３ｆ 導体リング
４ｊ 導体片
５ｊ 容量
６ａ、６ｂ 端子
７ 電流流れ方向
１０、１１ アンテナ系
１２ 分離個所
１３ａ、１３ｂ リード線
１４、１５ 減結合ループ
１６ａ、１６ｂ リード線
１７ 分離個所
Ｌ、Ｌ１、Ｌ２ アンテナ要素長さ
ｚ 縦軸
Ｆ１、Ｆ２ ループ面
Ｕ オーバーラップ領域
Ｉ₁ 電流
Ｈ 磁界
Ｕ₂ 電圧
ｄ１、ｄ２ 要素直径
ｌ_u オーバーラップ領域の長さ
ｆ 磁界オリエンテーション

Claims (5)

1. 担持管によって支持され、アンテナ系の縦軸の方向に連続的に配置された複数個のアンテナ要素を備え、これらのアンテナ要素がそれぞれ送信及び／又は受信装置に接続され、それらのアンテナ要素は２つの端部側導体リングを備えたかご形にそれぞれ形成され、その２つの端部側導体リング間では複数個の導体片が縦軸に対して少なくともほぼ平行に延び、相互に磁気的に少なくとも十分に減結合され、隣接するアンテナ要素はその相互減結合のためにその互いに向き合う端部側導体リングの領域では予め決められた長さだけオーバーラップし、少なくともそのオーバーラップする端部側導体リングの領域では異なった直径を有する核磁気共鳴装置の高周波アンテナ系において、３つ又は５つ又は７つの事前に作成されたアンテナ要素（２ _n ）が設けられ、これらのアンテナ要素（２ _n ）は縦軸（ｚ）の方向に担持管の内側及び外側に交互に配置され、その相互減結合を調整するために縦軸（ｚ）の方向に互いに相対的に移動可能に形成されていることを特徴とする核磁気共鳴装置の高周波アンテナ系。
2. 端部側導体リング（３ａ〜３ｆ）は隣接する導体片（４ｊ）間に延びる複数個の導体部分を有し、この複数個の導体部分のうち少なくとも幾つかは縦軸（ｚ）の方向へ膨らんで形成されていることを特徴とする請求項１記載のアンテナ系。
3. ２つの外側アンテナ要素（２₄、２₅）及び１つの中央アンテナ要素（２₂）が設けられ、両外側アンテナ要素（２₄、２₅）の互いに向き合う端部側導体リング（３ｂ、３ｅ）には中央アンテナ要素（２₂）の領域内に存在する少なくとも１つの補助導体ループ（１４、１５）がそれぞれ組込まれ、その場合これらの両補助導体ループ（１４、１５）は減結合されるように配置されていることを特徴とする請求項２記載のアンテナ系。
4. 隣接するアンテナ要素（２₂、２₃）は、適当に回転したオリエンテーションを持つ磁界を発生することができるように縦軸（ｚ）の周囲方向へ回転して配置されていることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載のアンテナ系。
5. アンテナ要素（２₁）は縦軸（ｚ）の方向に見て予め定められた長さ（Ｌ₁）を有し、この長さ（Ｌ₁）は隣接するアンテナ要素（２₂）の対応する長さ（Ｌ₂）とは異なっていることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載のアンテナ系。

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