JP4155988B2

JP4155988B2 - 鳥かご型コイルおよびｎｍｒ装置

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Description

本発明は磁気共鳴に関し、さらに詳しくは、核磁気共鳴装置における共鳴の励起及び観測のための鳥かご型に設計されたＲＦコイル、およびそれを用いたＮＭＲ装置に関する。

磁気共鳴は医学的又は化学的あるいは両方に係わるサンプルの分析に使用される。特に多種類の化学的成分やサンプルにおけるかかる成分の特殊な分布は、磁気共鳴現象を適用することにより分析できる。磁気共鳴現象を起こすには、サンプルに対してそれを取り囲む構造からＲＦ放射を加える。それにより得られる共鳴信号を、上記と同じか又は異なる取り囲む構造により検出し分析する。サンプルを取り囲む構造としてはらせん型コイル、サドル型コイル、共鳴空洞又は鳥かご型共鳴器などが使用できる。鳥かご型コイルは、医療分野での像形成や生体に対する分光分析のための装置で日常的に扱う体積の大きなサンプルには、特に適している。鳥かご型コイルについては、下記非特許文献１で説明されている。

鳥かご型コイルは、それ自身で閉じており、コイルを回って流れる電流が正弦波形の分布をするはしご型回路として記述されることが多い。鳥かご型コイルは本質的に伝送線路であるとされることが多い。チューニングされた（同調が取られた）ＲＦ回路としては、これは核磁気共鳴（ＮＭＲ）装置におけるＲＦ励起や信号検出機能のために使用される。
鳥かご型コイルは、適切な正弦波形の電流分布を形成するために位相シフトを採用する離散的な構造という点で、サドル型コイル、らせん型コイルその他の構造と異なる。鳥かご型コイルについては、位相シフトがコイルの周囲にゼロから２π（あるいはｎを整数として２πｎ）まで離散的に分布することが要求される。各要素の位相シフトは周波数に大きく依存し、そのために鳥かご型コイルは所望の位相シフトの制約を実現するために離散的な周波数でチューニングされる。

上で述べたように、鳥かご型コイルの構造はそれ自体で閉じた周期構造と考えることが出来る。この構造の周期的要素が位相シフトを発生するが、この位相シフトは閉じたループにわたって足し合わされたときに２πの整数倍でなければならない。幾何学的には、共鳴器は円筒状の対称性を持つが、軸方向にこの構造の外周に沿って流れるＲＦ電流は、円筒の軸の回りの方位角をθとしてｓｉｎθに比例することが望ましい。

サンプルの広範囲の化学成分を調べるためには、多周波数チューニング鳥かご型コイルを実現して、複数の共鳴周波数におけるデータを同時又は別々に行われる複数の測定で得られるようにすることが望ましい。従来の２周波数チューニング鳥かご型コイルでは２つのＮＭＲ周波数で、すなわち２つの異なる核に対して動作するようにしている。分光的な検査では、典型的にはプロトンチャンネルから得られた画像は検査対象の核の位置を求めるのに使用され、２番目のチャンネルは、位置決め分光又は２番目の核の像形成のための³He、³¹P、¹²⁹Xe、²³Na、¹³CのようなＸ核にチューニングするために使用できる。通常、単一周波数チューニング鳥かご型コイルを２基使用するよりも２周波数チューニング鳥かご型コイルを使用する方が好まれるが、これは２周波数チューニング鳥かご型コイルはコイルの切り替え時に患者の位置を変更する必要が無く、また２周波数チューニング鳥かご型コイルはプロトンデカップリングの実験が可能になるからである。

鳥かご型コイルは対称性が高い構造であるから、コイルの部品の品質が揃っていることが必須である。部品の１つの値又は位置が少しでも違うと、磁場の一様性が損なわれて、チューニング工程が複雑になる可能性がある。市販のインダクタの定格のバラツキの範囲は通常５％から１０％であるから、ほとんどの従来の２周波数チューニング鳥かご型コイルはもっと良く定格が揃った手巻きのソレノイドインダクタを必要とする。しかし手巻きのソレノイドインダクタは製作が困難で費用がかかる。また手巻きのソレノイドインダクタは正確に再現することが困難である。鳥かご型コイルにとって、部品の品質が揃っていることが必須であるから、手巻きのソレノイドインダクタの値又は位置にわずかでもずれがあると磁界の一様性が損なわれ、チューニング工程を複雑にする可能性がある。ソレノイドインダクタの別の欠点は、その端部の近くで強い局所的な磁場を発生することである。この局所的な磁場は鳥かご型コイルの主要磁場に望ましくない影響を及ぼすことがある。

集中定数型のインダクタンス又は手巻きのインダクタを使用しない従来型の２周波数チューニング鳥かご型コイルが、下記非特許文献２に報告されている。マーフィー・ボシュは、集中定数型のインダクタンスの代わりに、２つのインダクタンスの値を与えるために異なるコイル長を使用する、すなわち長さの異なるリングを備える構成について述べている。異なるコイル長を使用することの１つの問題は、リング導体が取り得る長さが寸法上の制限によって限られている、別言すれば鳥かご型コイルはその大きさにしかできないということである。寸法上の制限はとり得るインダクタンスの値を制約する。またコイルの導体を長くすれば、磁場の集中度が低下し、その結果性能が制約される。更に、長さを異ならせると磁場の一様性が低下し、低い共鳴周波数と高い共鳴周波数とに対する磁場の形状が異なってしまう。

マーフィー・ボシュが述べたものを含むいくつかの従来の２周波数チューニング鳥かご型コイルの別の欠点は、共鳴周波数のチューニングの難しさである。従来の２周波数チューニング鳥かご型コイルは従属チューニングを持っている。２周波数チューニング鳥かご型コイルの一例が本発明の譲受人に譲渡された特許に係る下記特許文献１に記載されており、その記載内容は本明細書の一部として組み込まれている。例えば、鳥かご型コイルを低い共鳴周波数にチューニングし、インダクタンスの値が固定されると、鳥かご型コイルの１組の静電容量の調整は低い周波数だけでなく高い周波数にも影響を与える。ある種の２周波数チューニング鳥かご型コイルでは、少なくとも２組の静電容量が低周波及び高周波電流の経路に存在するため、１組の静電容量を調整すれば低周波と高周波の両方に影響を与えるのである。そのため従来の２周波数チューニング鳥かご型コイルでは、低周波又は高周波電流のいずれかのチューニングを行うためにコイル上の複数の組の静電容量を調整しなければならないという、従属チューニングが行われた。従来の２周波数チューニング鳥かご型コイルの共鳴周波数のチューニングには普通、可変コンデンサが使用されているので、反復チューニングのプロセスにかなりの時間を要することがあった。

従って、独立にチューニングすることができ、ほぼ一様な磁場を形成できる２周波数チューニング鳥かご型コイルの開発が望まれている。更に、ソレノイドインダクタに関わる問題を最小に抑える鳥かご型コイルの開発が望まれる。
米国特許第４９１６４１８号明細書ヘイズ外、J. Mag. Res., vol.63, pp.622-628(1985) マーフィー・ボシュ外、J. Mag. Res., vol.103, pp.103-114 (1994)

ほぼ一様な磁場を形成する鳥かご型コイルの開発が望まれている。

サンプル領域内にほぼ一様な磁界を生成する２周波数で独立にチューニングされる鳥かご型コイルが提供される。この２周波数チューニング鳥かご型コイルは複数のレッグ導体と、サンプル領域を取り囲む円筒形状を定義する少なくとも内部及び外部のリング（輪形の）導体とで構成される。レッグ導体とリング導体は、低域通過鳥かご型コイルと高域通過鳥かご型コイルとの組み合わせを形成する。低域通過鳥かご型コイルはレッグ導体の各々の一部を高域通過鳥かご型コイルと共有し、高周波電流と低周波電流との両方がレッグ導体の各々の共有部分を流れて、コイルの内部体積の中にほぼ一様な磁場を生成するようにしている。高域通過鳥かご型コイルは、その静電容量が各レッグの共有部分上のレッグインダクタンスによって互いに結合された第一及び第二の内部リングを有する。低域通過鳥かご型コイルは、そのインダクタンスがそれぞれ共有部分上のレッグインダクタンスとレッグ静電容量とを有するレッグ導体によって互いに結合された第一及び第二の外部リングを有する。固定したインダクタンスの値を持つ独立に２つの周波数にチューニングされる鳥かご型コイルにおいて、低い共鳴周波数はレッグの静電容量を調整するだけでチューニングされ、高い共鳴周波数はリングの静電容量を調整するだけでチューニングされる。

また、円筒形サンプル領域内にほぼ一様な磁場を生成する多周波数チューニング鳥かご型コイルが提供される。この多周波数チューニング鳥かご型コイルは軸から間隔を置いて配置された複数のレッグ導体と、軸の周囲に配置されレッグ導体に結合されてレッグ導体と共に円筒形のサンプル領域を定義する第一及び第二の内部リング導体と、第一、第二、第三及び第四の外部リング導体とを有する。第一及び第二の内部リング導体は直列に接続されたリング静電容量を有し、内部リング導体は前記レッグ導体のレッグインダクタンスによって互いに結合されている。第一、第二、第三及び第四の外部リング導体は、直列に接続されたリングインダクタンスを有する。第一の外部リング導体は、前記レッグ導体の各々の第一のレッグ静電容量によって第一の内部リング導体に結合され、第二の内部リング導体はレッグ導体の各々の第二のレッグ静電容量によって第二の外部リング導体に結合されている。第三の外部リング導体は、第三のレッグ静電容量によって第一の外部リング導体に結合され、第四の外部リング導体は、第四のレッグ静電容量によって第二の外部リング導体に結合されている。

本発明の１つの態様によれば、コイルの円筒形サンプル領域内にほぼ一様なＲＦ磁場を生成し、かつ少なくとも１つの基本共鳴周波数を示すタイプの鳥かご型コイルが提供される。この鳥かご型コイルは複数のレッグ導体と、レッグ導体に結合されて円筒形のサンプル領域を定義する少なくとも２つのリング導体とを含み、レッグ及びリング導体はインダクタンスを有する。この鳥かご型コイルは、リングインダクタンスを有する蛇行ラインインダクタを備えている。蛇行ラインインダクタは、前記円筒形のサンプル空間の軸を取り囲むように配置されている。

本発明は種々の変形や変更形態が可能であるが、その特定の実施形態を添付図面を参照して以下に詳細に説明する。ただし、ここに説明する特定の実施形態は本発明を開示された特定の形態に限定するものではなく、添付の請求項で定義する本発明の精神及び範囲に適合する全ての変形、同等及び変更形態を含むものである。
本発明の他の態様及び利点は、以下の詳細な説明と添付図面を参照することにより、明らかになるであろう。

本発明の物理的な内容は一般に、核磁気共鳴（ＮＭＲ）検査又は磁気共鳴撮影（ＭＲＩ）のための鳥かご型コイル装置である。模式図を図１に示す。
穴１１を有する磁石１０が主磁場を形成する。時間及び方向に関して正確に磁場を制御するために、勾配磁場コイル（図示せず）が備えられている。各勾配コイルはそれぞれ勾配電源１６、１８及び２０によって駆動される。基本磁場内に残留する望ましくない空間的な非均一性を補正するために、更にシミングコイル（図示せず）と電源（図示せず）が必要となる場合もある。分析の対象物又は流体（以下「サンプル」と呼ぶ）は穴１１内の磁場中に置かれる。サンプルにＲＦパワーを照射し、ＲＦ磁場が穴１１の内部の磁場と望ましい直交関係に整列されるようにする。これは穴１１の内部の送信コイル１２を通じて行われる。穴１１内のサンプルに近接した受信コイル内に共鳴信号が誘導される。送信コイルと受信コイルとは同一構造であっても、また別々の構造であっても良い。

図１に示すように、ＲＦパワーは第一の送信機２４ａから供給されて増幅器３１で増幅され、次ぎにマルチプレクサ２７を通って、穴１１内に設置されたＲＦ送信コイル１２に送られる。送信機２４に対して振幅変調、周波数変調もしくは位相変調、またはそれらを組み合わせたものを、発生時又は変調器２６で行うことが出来る。異なる磁気回転共鳴器、例えばプロトン及びＣ¹³を独立に励起するためには、送信機２４ｂ／変調器２６ｂを追加して使用することが多い。これらの互いに独立な励起は、ここで述べる多周波数共鳴コイルによって好適にサポートされる。送信機能と受信機能とは同時に作動することはない。その方が望ましい場合は、これら両機能に同一のコイルを使用できる。マルチプレクサ２７は受信器を送信機から分離するために備えられる。送信コイルと受信コイルが別々の場合は、構成要素２７は厳密にはマルチプレクサではないが、類似の分離機能を実行して受信器の動作を制御する。

変調器２６は、ＲＦ搬送波に対して望みの振幅、パルス長及び位相のＲＦパルスを所定の時間間隔で与えるように、パルスプログラマー２９によって制御される。パルスプログラマーはハードウェア又はソフトウェア、あるいはその両方の性格のものであって良い。パルスプログラマーはまた、傾斜が必要な場合は傾斜電源１６、１８及び２０をも制御する。これらの傾斜電源は必要に応じてそれぞれの傾斜コイル中の選択された静磁場の傾斜を維持することができる。

過渡的な核共鳴波形は受信器２８によって処理され、更に位相検出器３０を介して位相クァドラチャに分解される。位相検出器３０からの位相分解された時間ドメインの信号はフーリエ変換器３２に送られて、必要とされる処理内容に従って周波数ドメインに変換される。アナログ共鳴信号のディジタル信号への変換は、便宜的に位相検出器３０の構成要素と見なすことの出来るアナログ・ディジタル変換器（ＡＤＣ）によって、位相分解された信号に対して行われる。

フーリエ変換器３２は実際上、位相分解された形態の（記憶装置３４に）保存されたデータに対して作用すると考えて良い。これは、多くの時間ドメインの位相分解された波形の平均を取り、信号・雑音比を向上するという、通常のやり方を反映するものである。次ぎにこの変換機能を平均化された波形に対して行う。収集されたデータに対して、表示装置３６が検査のための表示を行う。コントローラー３８はほとんどの場合1台又はそれ以上のコンピュータを備えており、全装置の動作を制御し、調整する。

本発明の主題は、ＲＦ送信及び受信コイル１１の特殊な構造である。特に、本発明は多くの共鳴周波数で同時に動作させることができ、鳥かごの円筒形の内部空間にほぼ一様なＲＦ磁場を形成する多周波数チューニング鳥かご型コイルである。図２ａは、本発明の１つの実施形態による２周波数チューニング鳥かご型コイル４０の等価電気回路を模式的に示し、図２ｂは図２ａの２周波数チューニング鳥かご型コイル４０の斜視図である。鳥かご型コイル４０は４つのリング、すなわち輪状導体４２ａ，４２ｂ、４２ｃ及び４２ｄと、鳥かごの円筒部を形成する１２本のレッグ導体４４とを有する。

図２ｂに物理的に示すように、リング４２ａ，４２ｂ、４２ｃ及び４２ｄは同軸的にコイル軸に沿って間隔を置いて配置され、鳥かごの円筒形状を形成している。また鳥かご型コイル４０は単層構造をなし、リング４２ａ，４２ｂ、４２ｃ及び４２ｄはほぼ同じ直径を持っている。あるいは図２ｃに示すように、２周波数チューニング鳥かご型コイル４０は、リング４２ａと４２ｂとがリング４２ｃと４２ｄとの上にそれぞれ重ねられた多層構造をなしてもよい。図２ｃに示す多層鳥かごの場合、リング４２ａと４２ｄとはリング４２ｂと４２ｃとよりも大きな直径を有する。

４つのリング４２ａ，４２ｂ、４２ｃ及び４２ｄは便宜的に第一の外部リング４２ａ，２つの内部リング４２ｂ及び４２ｃ、ならびに第二の外部リング４２ｄと呼ぶことが出来る。内部リング４２ｂ及び４２ｃの間の間隔はサンプル領域の長手方向の長さであり、そのため通常この空間は大きなサンプルを収容するために可能な限り大きくする。他方、リング４２ａと４２ｂとの間の空間およびリング４２ｃと４２ｄとの間の空間は通常、内部リング４２ｂと４２ｃとの間の空間よりもかなり小さくすることが望ましい。

レッグ導体４４は互いにほぼ平行として、鳥かごの円筒形の境界を形成する。レッグ４４はそれらがリング４２と共に定める円筒形の周囲にほぼ等間隔で配置される。各レッグ４４はリング４２ａと４２ｂとの間の部分、リング４２ｂと４２ｃとの間の部分、及びリング４２ｃと４２ｄとの間の部分からなる。図２ｂに示す鳥かご型コイル４０の単層構造においては、レッグ４４の全部分がコイルの長手方向の軸とほぼ平行となる。図２ｃに示す鳥かご型コイル４０の多層構造においては、レッグ４４の４２ｂと４２ｃとの間の部分だけがコイルの長手方向の軸とほぼ平行となる。図２ａに示す２周波数チューニング鳥かご型コイル４０の実施例は１２本のレッグを持っているが、使用するレッグの本数は何本でも良い。レッグの本数は４、８、１２、１６、２０、２４、２８または３２の様に４の倍数であることが好適で１２又は１６が好適であるが、その様にする必要はない。

図２ａは１つの実施例による２周波数チューニング鳥かご型コイル４０の電気的な等価回路を模式的に示す。回路の左側４６は折り曲げられて回路の右側４８とつなげられ、図２ｂ及び２ｃに示すような円筒形の鳥かご型コイル４０を形成する。外部リング４２ａ及び４２ｄは直列のインダクタンスＬ₁を有し、内部リング４２ｂ及び４２ｃは直列の静電容量Ｃ₂を有する。レッグの共通部分のインダクタンスＬ₂は内部リング４２ｂを内部リング４２ｃに結合し、静電容量Ｃ₁は外部リング４２ａを内部リング４２ｂに結合し、外部リング４２ｄを内部リング４２ｃに結合する。図２ａに示すように、レッグ４４はリング４２ａ及び４２ｄ上の隣接するインダクタンスＬ₁の間のリングと、リング４２ｂ及び４２ｃ上の隣接する静電容量Ｃ₂の間のリングとに結合する。図２ａの鳥かご型コイル４０は平衡型の設計となっている。しかし静電容量Ｃ₁で結合された２つのリング４２ｃと４２ｄとの組み合わせの代わりに導体リングを使用して、非平衡型の３リング鳥かごを形成することにより、コイル４０を非平衡型の設計としても良い。

図２ａに示す２周波数チューニング鳥かご型コイル４０は、図３ａに示す低域通過鳥かご５０と図３ｂに示す高域通過鳥かご５２との組み合わせと見なすことが出来る。低域通過鳥かご５０は、それぞれ直列のインダクタンスＬ₁を有する２つの外部リング４２ａ及び４２ｄと、静電容量Ｃ₁、インダクタンスＬ₂及び静電容量Ｃ₁を直列に組み合わせたものをそれぞれ有するレッグ４４とで構成される。図２ａと図３ａに示す実施例では、低域通過鳥かご５０は２つの静電容量Ｃ₁を持つが、これらの静電容量は回路の平衡を取ると同時に各コンデンサにかかる電圧を低下させてアークが発生する危険を少なくする。あるいは、各レッグ４４を静電容量Ｃ₁とインダクタンスＬ₂との直列の組み合わせで構成し、外部及び内部リング４２ａ及び４２ｂ又は４２ｃ及び４２ｄの間の静電容量Ｃ₁の一方を無くすことにより、低域通過鳥かごを非平衡にしてもよい。低域通過鳥かごは、Ｃ₁の値を適切に設定することにより低い共鳴周波数にチューニングされる。図３ａの低域通過鳥かごの共鳴周波数が下記の関係を満たすことを示すことが出来る。

ω_Low＝［ＬＣ₁］^-1/2ｓｉｎ（ｋπ／Ｎ）
ここでｋは一般の場合における整数であり、Ｎはレッグの本数である。ＬはＬ₁とＬ₂との両方、隣接するレッグの間のカップリング及び一般的なコイル寸法に依存する。本発明では、ｋ＝１のモードを検討するだけでよい。低い共鳴周波数にチューニングすると、レッグ４４の共有部分上のインダクタンスＬ₂を通って低周波数電流が流れる。

図３ｂに示すように高域通過鳥かご５２は、各々が直列の静電容量Ｃ₂を有する２つの内部リング４２ｂ及び４２ｃと、インダクタンスＬ₂を有するレッグ４４の共有部分とからなる。高域通過鳥かご５２はＣ₂の値を適切に設定することにより高い共鳴周波数にチューニングされる。図３ｂの高域通過鳥かごの共鳴周波数が下記の関係を満たすことを示すことが出来る。

ω_High＝［Ｌ’Ｃ₂］^-1/2ｓｉｎ（ｋπ／Ｎ）
ここでＬ’はＬ₂、コイル寸法及びレッグＬ₂の間のカップリングの関数であるが、Ｌ₁には依存しない。高い共鳴周波数にチューニングすると、レッグ４４の共有部分上のインダクタンスＬ₂を通って高周波電流が流れる。
インダクタンスＬ₁及びＬ₂の選ばれた値について、サンプル領域内にほぼ一様な磁場を持つ低域通過鳥かご５０のｋ＝１モードは静電容量Ｃ₁の値だけによって定まる。またインダクタンスＬ₁及びＬ₂の選ばれた値について、サンプル領域内にほぼ一様な磁場を持つ高域通過鳥かごのｋ１モードは静電容量Ｃ₂の値だけによって定まる。従って、本発明の２周波数チューニング鳥かご型コイル４０は低い及び高い共鳴周波数に対して独立にチューニングすることができる。すなわち、Ｃ₁の値を調節しても低い周波数に影響を与えるだけで、高い周波数には影響しない。同様に、Ｃ₂の値を調節しても高い周波数に影響を与えるだけで、低い周波数には影響しない。２周波数チューニング鳥かご型コイル４０の独立チューニングは、普通は従属的なチューニングを特徴とする従来の２周波数チューニング鳥かご型コイルに対して大きな利点を提供する。従来の２周波数チューニング鳥かご型コイルの１組のコンデンサを調節して低い周波数にチューニングすると、調節された静電容量は高い周波数にも影響を与えてしまう。同様に従来の２周波数チューニング鳥かご型コイルの１組のコンデンサを調節して高い周波数にチューニングすると、調節された静電容量は低い周波数にも影響を与えてしまう。

本発明の多周波数独立チューニング型の鳥かご型コイル４０は、鳥かご型コイルの設計を単純化する。一度に１つの要素だけを変化させて１つの共鳴周波数をチューニングするようにコイルを設計できる。エンドユーザーが鳥かご型コイルをチューニングできるように、固定値のコンデンサではなく可変コンデンサを鳥かご型コイル４０に使用しても良い。これによりユーザーは可変コンデンサＣ₁とＣ₂との一方を調節することにより、一方の周波数を簡単にチューニングできる。独立にチューニングされる鳥かご型コイル４０はまた、インダクタンスＬ₁及びＬ₂の選ばれた値に対してコイルを最適化するプロセスを単純化する。

図２ａに示す２周波数チューニング鳥かご型コイル４０の１つの実施形態において、インダクタンスＬ₁は図４に示す蛇行ラインインダクタ５４である。図４の蛇行ラインインダクタンスＬ₁は好適にはジグザグパターンを有するが、しかし物理的に制約する寸法がもっと短い場合にもっと長い導体を実現するために他のパターンを使用することもできる。当該分野で経験を持つものには周知であるように、ジグザグの蛇行ラインインダクタのインダクタンスの値は、蛇行ラインの長さと幅とが与えられた場合、線を曲げる回数の関数である。通常は、蛇行ラインの厚みは長さおよび幅と比べて無視できる。例えば通常の厚みは蛇行ラインの幅の約１０分の１程度である。蛇行ラインは銅、金、銀、その他の適切な導電性材料からなる。

蛇行ラインインダクタ５４の１つの利点は、ジグザグパターンの蛇行ラインは標準的な回路基板技術を使用して、切削加工又はエッチングにより精密に作成できることである。ジグザグの蛇行ラインインダクタはバラツキの少ないインダクタンスアレイを提供し、通常は１％よりも大きな定格適合性を持つ。それに対して従来の鳥かご型コイルで使用される手巻きソレノイドインダクタは精密に作るのは困難である。鳥かご型コイルは対称性の高い構造を必要とするので、部品のバラツキが少ないことが非常に重要である。部品の値又は位置のわずかなずれが磁場の一様性を損ない、チューニング工程を複雑にする可能性がある。手巻きソレノイドはバラツキがないように製造するのが困難なため、磁場の一様性が損なわれ、従来の鳥かご型コイルのチューニングは複雑で反復的なプロセスとなる。

蛇行ラインインダクタ５４の別の利点は、設計の柔軟性である。蛇行ラインインダクタ５４のインダクタンスの値は与えられた長さに対してジグザグの幅と数とを変更するだけで変えることが出来るが、このことはコイルの設計のような空間が制限された用途にとって極めて有用である。更に蛇行ラインインダクタ５４はそのインダクタに関連する抵抗値を全長に渡って分散させるので、ＲＦパルスの印加中の局部的な加熱が緩和される。

蛇行ラインインダクタ５４のジグザグパターンはまた、ソレノイドインダクタによって生じる望ましくない局部的な磁場の影響を無くすことにより、従来のソレノイドインダクタに無い利点を提供する。ソレノイドインダクタはその両端付近で強い局部的な磁場を生じる。この局部的な磁場は望ましくない磁場を発生する場合がある。ソレノイドは鳥かご型コイルの主磁場と直交するように配列することが出来るが、この配列は応用が難しく、また終端効果のために鳥かご型コイルの主磁場に平行な局部的磁場成分が存在する。それに対して蛇行ラインインダクタ５４はそのジグザグパターンにより、隣接する経路と反対の向きに電流を流す。それにより望ましくない局部的磁場を第一次まで相殺する。蛇行ラインインダクタ５４もまた局部的磁場をその全長にわたって分散させることで分布定数インダクタとして作用することにより、局部的磁場をその全長にわたって一様に分布させる。これら２つの効果が組み合わされて、鳥かご型コイルの構造ではソレノイドのインダクタよりも蛇行ラインインダクタ５４の方が望ましい。別の実施例では、インダクタンスＬ₁に手巻きソレノイド又は導電性の線材からなるラインインダクタのような集中定数型インダクタを備えても良い。

図２ａに示す２周波数チューニング鳥かご型コイル４０の１つの実施例において、インダクタンスＬ₂は図４の蛇行ラインインダクタンスを組み込んだ図５に示す矩形のラインインダクタンスである。図５は２周波数チューニング鳥かご型コイル４０の設計の一部を示す。鳥かご型コイル４０は標準的な回路基板技術を使用してエッチングで容易に製作できる。インダクタンスＬ₂の値は矩形の長さと幅とで決まる。当該技術に習熟した者には明らかなように、矩形導体のインダクタンスの値は矩形の長さと幅との関数である。蛇行ラインインダクタＬ₁の場合と同様、インダクタンスＬ₂の厚みはインダクタンスＬ₂の幅及び長さと比較して無視できる。インダクタンスＬ₂は銅、金、銀、その他任意の適切な導電性材料からなる。別の実施例では、インダクタンスＬ₂には蛇行ラインインダクタンス又は手巻きソレノイドのような集中定数型インダクタンスを備えても良い。

２周波数チューニング鳥かご型コイル４０に流れる電流は、レッグ４４の共有部分のインダクタンスＬ₂を通って流れ、サンプル領域５６内にほぼ一様な磁場を生成する。高周波及び低周波の電流は両方ともＬ₂を流れるので、高周波及び低周波の両方でほぼ同一の形状の磁場が作られる。図５に示す設計では、電流の集中やアークの可能性を低下するために全ての角を丸めるべきである。

図２ａ及び図２ｂを参照して上に述べた２周波数チューニング鳥かご型コイルの例を製作した。Ｃ₁の静電容量の値は約６８ｐＦであり、Ｃ₂は約９．１ｐＦであった。この目的のために、精度が約１％のセラミックチップコンデンサを使用した。インダクタンスＬ₂にはそれぞれ幅が約０．５インチの矩形銅線で長さが約４．５インチのものを備えた。インダクタンスＬ₁にはそれぞれ、ジグザグ１つ当たりの長さ約１／８インチで４回の曲がりを持つ、すなわち全長約０．５インチで幅１／３２インチの銅製のジグザグ蛇行ラインインダクタを備えた。鳥かご型コイルの全体の寸法は、長さが約１１．５ｃｍで直径が約１０ｃｍであった。

２周波数チューニング鳥かご型コイル４０のこの例では、高周波の基本モードの共鳴は約２００ＭＨｚで起き、低周波の基本モードの共鳴は約５０．３ＭＨｚで起きる。これらの周波数は４．７テスラの磁場に適したプロトン及び炭素の共鳴に対して選ばれた。鳥かご型コイル４０のサンプル領域内におかれた炭素サンプルのファントムが描かれた。２００ＭＨｚと５０．３ＭＨｚとで得られた画像をそれぞれ図６ａと図６ｂとに示す。各軸上の各基本モード周波数で矢印で示した値において、２つのパラメータによって断面を取り出した。それらを対応する軸上に示し、鳥かご型コイル内の磁場がほぼ一様であることを示す。

図７ａ及び図７ｂは本発明の別の実施例を示す。図７ａは３周波数チューニング鳥かご型コイル６０の等価電気回路図を図式的に示し、図７ｂは図７ａの３周波数チューニング鳥かご型コイル６０の設計の一部を示す。３周波数チューニング鳥かご型コイル６０は、２周波数チューニング鳥かご型コイル４０に更に２つの外部リングすなわち輪形導体６２ａ及び６２ｂを追加するだけで容易に作れる。追加の外部リング６２ａ及び６２ｂは直列に接続されたインダクタンスＬ₃を有し、静電容量Ｃ₃が追加の外部リング６２ａ及び６２ｂを２周波数チューニング鳥かご型コイルの外部リング４２ａ及び４２ｂにそれぞれ結合する。２周波数チューニング鳥かご型コイルについて上に述べたように、リング６２ａを４２ａに、また６２ｂを４２ｄに結合する静電容量Ｃ₃は回路の平衡を取ると同時に各コンデンサに印加された電圧を低下させてアークの発生を低減する。あるいは、静電容量Ｃ₃の１つを取り除き、静電容量Ｃ₃を介して外部リング４２ａ及び４２ｂに結合された追加の外部リング６２ａ及び６２ｂのうちの１つだけを残し、他を導体を介して接続することにより、鳥かごを非平衡としてもよい（図示せず）。

図７ａの３周波数チューニング鳥かご型コイルは、２周波数チューニング鳥かご型コイル４０に追加の低域通過鳥かご型コイルを組み合わせたものと考えられる。追加の低域通過鳥かご型コイルは追加の外部リング６２ａ及び６２ｂを有するが、これらは各々直列に結合されたインダクタンスＬ₃とレッグ４４とを有し、これらは又各々静電容量Ｃ₃およびＣ₁、インダクタンスＬ₂ならびに静電容量Ｃ₃およびＣ₁が直列に組み合わされたものを有する。第三のｋ１モードの周波数は外部リングのインダクタンスＬ₃、追加の外部リング６２ａと６２ｂとの間および外部リング４２ａと４２ｄとの間の静電容量Ｃ₃、静電容量Ｃ₁及びインダクタンスＬ₂に依存する。第三の周波数の電流もレッグ４４の共有部分のインダクタンスＬ₂を通って流れるため、３周波数チューニング鳥かご型コイル６０は３つの共鳴周波数の全てに対してサンプル領域５６内に同様の形状の磁場を形成する。

図７ｂに設計を示した３周波数チューニング鳥かご型コイル６０の１つの実施例において、インダクタンスＬ₃は上で述べたジグザグパターンを持つ蛇行ラインインダクタ６４である。蛇行ラインインダクタンスはコンパクトな構造であり、広い範囲のインダクタンスを与えることができるので、蛇行ラインインダクタ６４を上記の２周波数チューニング鳥かご型コイル４０に簡単に追加することが出来る。蛇行ラインインダクタの柔軟性のために、ジグザグの幅又は曲がりの数あるいはそれら両方を変化させることにより、外部リング６２ａ及び６２ｂに大きな値のインダクタンスを与えることが出来る。

３周波数チューニング鳥かご型コイル６０によって示されたように、鳥かご型コイル４０に追加の外部インダクタンスリングを付加するという基本的な考えを拡張することにより、多周波数チューニング鳥かご型コイルを設計できる。平衡型のＮ周波数鳥かご型コイルは２Ｎ個のエンドリングを必要とする。コンデンサＣ_Nは追加の外部リングを隣接する外部リングに結合する。Ｎ種類の周波数の電流は全てレッグ４４の共有部分のインダクタンスＬ₂を通って流れるので、Ｎ周波数の鳥かご型コイルはＮ種類の共鳴周波数の全てについてサンプル領域内に同様の形状の磁場を形成する。更に、各周波数はそのクァドラチャー特性を保存する。

図７ａ及び図７ｂでは３周波数チューニング鳥かご型コイル６０を単層構造として図示したが、３周波数チューニング鳥かご型コイル６０その他の多周波数チューニング鳥かご型コイルは多層構造に積み重ねることが出来る。単層構造の場合は、パターン形成が容易で、エッチングにより容易に製造できる。
本発明の特定の実施例及び応用を示し説明してきたが、本発明はここに示した正確な構造及び構成に限定するものではなく、添付の請求項に定める趣旨及び範囲から逸脱することなく種々の変形や変更が可能であることが、これまでに述べたことから明らかであろう。

本発明の内容を形成するＮＭＲ装置の模式図である。図２ａは、本発明の鳥かご型コイルの１つの実施形態の概略的な等価電気回路図である。図２ｂは、図２ａの鳥かご型コイルの単層構造の斜視図である。図２ｃは、図２ａの鳥かご型コイルの多層構造の斜視図である。図３ａは、図２ａの鳥かご型コイルの低域通過鳥かご部分の概略的な等価電気回路図である。図３ｂは、図２ａの鳥かご型コイルの高域通過鳥かご部分の概略的な等価電気回路図である。図２ａの鳥かご型コイルで使用されるジグザグ蛇行型ラインインダクタの斜視図である。図２ａの鳥かご型コイルの設計仕様の模式図である。図６ａは、図２ａの鳥かご型コイルを使用して得られたファントムのプロトン画像である。図６ｂは、図６ａで使用したものと同じファントムの¹³Ｃ画像である。図７ａは、本発明の鳥かご型コイルの三重共鳴を利用した実施形態の概略的な等価電気回路図である。図７ｂは、図７ａの鳥かご型コイルの設計仕様の模式図である。

符号の説明

２４送信機
２６変調器
２７マルチプレクサ
２８受信器
２９パルスプログラマー
３０位相検出器
３１増幅器
３２フーリエ変換器
３４記憶装置
３６ディスプレー
３８コントローラー

Claims

コイルの円筒形のサンプル空間内にほぼ一様なＲＦ磁場を形成して少なくとも１つの基本共鳴周波数を示すタイプであり、複数のレッグ導体と近接する前記レッグ導体に接続された少なくとも２つのリング導体とが前記円筒形のサンプル領域を定義するものを含むタイプであり、前記レッグ導体とリング導体とがインダクタンスを有する鳥かご型コイルであって、
インダクタンスを有する前記リング導体が、前記円筒形のサンプル空間の軸を取り囲むように配置された蛇行ラインインダクタを含むことを特徴とする鳥かご型コイル。
前記蛇行ラインインダクタがジグザグパターンを有する、請求項１記載の鳥かご型コイル。
インダクタンスを有する前記レッグ導体が、蛇行ラインインダクタである、請求項１記載の鳥かご型コイル。
前記鳥かご型コイルが少なくとも２つの基本共鳴周波数を示す多周波数チューニング鳥かご型コイルである、請求項１記載の鳥かご型コイル。
前記鳥かご型コイルが１つの基本共鳴周波数を示す単一周波数チューニング鳥かご型コイルである、請求項１記載の鳥かご型コイル。
望ましい空間依存性を持つ磁場を発生し前記磁場内に配置された磁石と、前記コイルの円筒形のサンプル空間内にほぼ一様なＲＦ磁場を形成して少なくとも１つの基本共鳴周波数を示すタイプの鳥かご型コイルとを有してなるＮＭＲ装置であって、
前記鳥かご型コイルは複数のレッグ導体と近接する前記レッグ導体に接続された少なくとも２つのリング導体で構成されて前記円筒形のサンプル領域を定義し、
前記レッグ導体とリング導体とはインダクタンスを有し、
インダクタンスを有する前記リング導体の少なくとも１つは、前記円筒形のサンプル空間の軸を取り囲むように配置された蛇行ラインであることを特徴とするＮＭＲ装置。