JP4237735B2

JP4237735B2 - 共振器システム

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Inventors: フレイタグニコラス
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Description

本発明は、核磁気共鳴（ＭＲ）装置の測定容積内にラジオ周波数（ＲＦ）磁場を発生する共振器システムに関し、詳しくは、測定容積を包囲すると共に平坦な誘電体基板にｚ軸まわりに配設されたＮ個の個別共振器を含み、個別共振器は窓を有し、各窓を通して個別共振器の単一動作中に１つの個別磁場が測定容積に発生され、個別共振器が協同することにより有効ＲＦ磁場が測定容積に発生され、遠隔ＲＦ磁場が共振器システムの外側遠くに漸近的に発生され、有効ＲＦ磁場の空間分布はｚ軸を含む第１の平面Ａに関して実質的に鏡像対称であり、漸近的な遠隔ＲＦ磁場の空間分布はｚ軸を含む第２の平面Ｂに関して実質的に鏡像対称であり、有効な磁場は測定容積において第１の平面と実質的に平行であり、個別共振器の数はＮ＞４であり、１つ以上の時点における共振器システムの動作中、少なくとも１つの個別共振器の基板平面が測定容積における有効ＲＦ磁場の方向に対して４０°より大きい角度を張り、少なくとも１つの別の個別共振器が測定容積における有効ＲＦ磁場の方向に対して４０°より小さい角度を張ることを特徴とする共振器システムに関する。

この種の共振器システムは特許文献９に開示されている。

ＮＭＲは、非常に独自且つ厳密な化合物構造解析方法である。サンプルへのＲＦパルス照射およびラジオ周波数電磁場の検出には、ＲＦ共振器システムが用いられる。ＲＦ共振器システムは、ＮＭＲ測定用サンプルのすぐ近くに配置された１つ以上のＲＦ共振器からなる。冷却された特に超伝導ラジオ周波数共振器を利用することにより、共振器における損失を最小にして感度を大きく増大させ、最大の受信感度すなわち最大のＳ／Ｎ比を得る。

現在のところ、ＨＴＳ材料が超伝導体として最適である。ＨＴＳ材料は転移温度が高く、他の超伝導体に比べて静磁場に影響されにくい。このプラスの性質、とくに高い臨界電流密度は、超伝導体が、定方位の単結晶基板上に形成された非常に薄いエピタクティック（epitactic）層から成る場合のみに得られるに過ぎず、また、これらの基板は通常は平板として入手可能であるに過ぎない。したがって、個々の共振器の幾何形状を任意に選択することはできず、共振器は平板上に形成しなければならない。そのため、可能な幾何形状デザインが強く制約される。

この種の装置は、例えば特許文献１−９に開示されている。超伝導受信共振器の使用に係る大きな問題は、超伝導体によって発生される静磁場であり、この静磁場が磁場を不均一にして高分解能ＮＭＲにおいて幅狭のラインを得る上で強い制約になる。さらに、超伝導体における臨界電流が制限されると、送信パルスの最大コイル電流が制約され、これにより、特定のＮＭＲフリップ角に対するパルス幅を短くすることが複雑になり或いは妨げられる。

共振器システムは、従来、スピン系を効果的に励起するため、直交位相で動作する。これは、幾つかの共振器を有する共振器システムでのみ可能である。このため、空間的に回転する磁場が発生される。すなわち、第２の共振器は、第１の共振器の送信パルスに対してラジオ周波数位相が９０°ずれた送信パルスで励起される。これにより発生される空間的な回転磁場は、通常の空間的に定常な磁場に比べ一層効率的にスピン系を励起する。また、直交位相法は２つの共振器のノイズに相関がないので、１つの共振器のみを有する従来のシステムに比べてＳ／Ｎ比が２の平方根倍になる。共振器システムが発生する最大Ｂ_１励起磁場（有効ＲＦ磁場）も２の平方根倍だけ増加する。この方法は、損失が大きいサンプルたとえば塩溶液を高Ｓ／Ｎ比で測定するのに特に適している。

共振器システムの動作モードにかかわりなく、このシステムは最適な均一性を有するＢ_１磁場を発生すべきであり、また、第２の共振器をサンプルにできるだけ近くに装着可能でなければならない。

特許文献１０は、中実または溝つきの超伝導ストリップ導体１０１で構成されたハイブリッドバードケージ型共振器を開示し、超伝導ストリップ導体は、サンプルの軸線と平行にサンプルまわりに最適に配置される（図１３）。これらの超伝導ストリップ導体１０１は、各端に常伝導チューブ状要素１０２を形成したキャパシタを介して相互に電気的に結合されている。超伝導ストリップ導体１０１はサンプルの非常に近く配置され、実際には純誘導的な効果を生じ、容量として機能しないので、臨界電流をフルに流すことができる。この２つの理由により、測定容積内に発生可能な最大Ｂ_１磁場が最適値かつ均一になる。したがって、この種の共振器は、所望のＮＭＲフリップ角で最適な短いパルス幅を与えることができる。また、構成がきわめてコンパクトであるので、特に直径が大きく残存スペースを大きく制約するサンプルに対して、最適に設置可能である。サンプル直径が小さい場合、多少複雑な構造により幾何形状が制限される。これらの共振器はまた、直交位相モードでの動作に特に適しており、非常に効率的である。しかし、チューブ状要素１０２に常伝導体を用いるためＱ因子は比較的小さい。さらに、ハイブリッドバードケージ型共振器を構成することはきわめて難しい。

特許文献１１は、直交位相に適したバードケージ型共振器を開示し、この共振器は超伝導体のみからなり、また、バー部材１０３はサンプル軸に平行に延びると共に蛇行伝導構造１０４を備えている（図１４）。共振器全体が超伝導体材料から構成されているので、そのＱ因子は高い。共振器の蛇行構造は、不所望な電場を付加的に発生し、この電場は導電性サンプルの損失にマイナスの影響を及ぼす。さらに、この装置は、ｚ方向での磁場の均一性が非常に乏しく、そのためＳ／Ｎ比が小さくなり、また通電容量が非常に小さく、パルス角を小さくすることは不可能になる。これは、蛇行バー部材が自己共振モードで動作せず、常伝導リングを介して容量的に結合している場合にもあてはまる。

また、特許文献１１は、ｚ軸に関して半径方向に対称に星形に配置された複数の個別要素１０５からなる共振器システムを開示している（図１５ａ）。個別要素１０５の各々は、基板に配置されて容量１０６を形成する２つの平行なＨＴＳ層から成る。個々の基板プレートは、相隣る個別共振器１０５のＨＴＳ層の間に別の容量１０７が形成されるよう、組立時に相互に充分近接して配される。共振周波数が電極間容量１０６だけで決まるよう付加的な容量１０７を無視できるようにするためには、マイクロメーター領域の間隔でなければならない。しかし、これは技術的に不可能である。図１５ｂは、このような共振器システムの等価図を示す。大きく図示したキャパシタは、隣接する個別共振器１０５間の容量１０７を表し、空気／真空ギャップ１０８によって与えられる。小さく図示したキャパシタは基板の電極間容量１０６を表す。図１５ｂのドットは、同様のキャパシタを有した更なるバー部材が両側に設けられていることを記号化したものである。この構造は閉じている。すなわち、左縁は右縁に容量的に結合している。共振器システムが共振するとき、個別要素の両端にあるキャパシタを通して電流が１つの個別要素から次の個別要素へ流れる。頂部と底部における「ループ」電流は、キャパシタ１０６，１０７の実効変位電流として定義される。キャパシタ１０６，１０７を組み合わせると、図１５ｃの等価図が得られる。この等価図は、通常の高域通過バードケージ共振器を表す。この装置のｘｙ平面における磁場分布は図１５ｄに示されている。

特許文献１−８は、ＨＴＳ材料のみを用いているためにＱが非常に高いヘルムホルツ共振器を開示している。適切な幾何的配置（２つの導体１０９を図１６に示すように１２０°の角度で配置）により、この装置は比較的良好な磁場均一性を得ることができる。しかし、通電要素がサンプルから遠くにあるため、効率が低い。さらに、従来の装置は広いスペースを必要とする。このため、別の周波数のための共振器は、サンプルからかなり遠くに離して配置され、或いはスペースがないために全く設置することができなくなる。別の欠点は、これらの装置は限定的にのみ、すなわち、導体１０９が９０°よりも小さな角度で配置される場合にのみ、直交位相適合性（quadrature−suitable）があるということである。

特許文献９は、平面誘電体基板１１０に取付けられた幾つかの同一の個別共振器１１１から構成された「ツインＶ」共振器を開示している（図１７）。共振回路に特定の電流が流れると、この装置は最適に大きなＢ_１磁場を測定容積１１２の中心に発生する。Ｂ_１磁場の方向は基板１１０の面にほぼ平行であり、平行変位は４０°を超えない。高いＱ因子と良好な磁場均一性に加えて、上記の共振器では比較的良好な効率が実現される。欠点として、この装置は小さなサンプルのみに使用可能であるに過ぎず、また、その他の共振器と強い結合を生ずる大きな漂遊磁場を発生する。さらに、図１７に示された実施の形態では、装置は直線偏極モードでのみ作動可能であるに過ぎない。

また、特許文献９は、空間的な回転磁場を発生するための幾つかの個別共振器を備えたコンポーネント１１３を具備した装置の使用を開示している。この種の装置が図１８ａに示されている。コンポーネント１１３は、軸線まわりに風車形状で配置されている。図１８ｂは、１つの個別共振器により発生される磁場１１４（個別ＲＦ磁場）を示す。個別共振器の個別ＲＦ磁場の一部のみが、この例では電流（＋）により発生される磁場１１４のみが、測定容積１１２に有効ＲＦ磁場を発生するために用いられる。個別共振器の他側の反対電流（−）によって発生される磁場１１５は、有効ＲＦ磁場を打ち消したり不要な擾乱を与えないよう、サンプルからできるだけ遠くに離して配置される。回転磁場は、図１８ａに示すように設計され且つ測定容積１１２に関して対称に配置されたｎ個のコンポーネント１１３を用いることにより、効率的に発生させることができる。コンポーネント１１３は、導体１１６が測定容積１１２の中心上に垂直に配置されるように配される。第１のコンポーネント１１３の次に、更なるｎ−１個の同一のコンポーネント１１３が追加される。これらのコンポーネントは測定容積１１２の長手軸線まわりに３６０／ｎ°だけ第１のコンポーネントに対して回転される。回転磁場を励起する薔薇状の対称的な構造が得られる。図１８ｃは、コンポーネント１１３に８つの個別共振器を配置してなるこの種の装置を示す。そのような共振器システムの遠隔ＲＦ磁場の対称面Ｂは、有効ＲＦ磁場の対称面Ａに対して３６０°／ｎ、すなわち、図１８ｃの例では４５°だけ回転される。より多数の個別共振器を用いる場合、この角度は次第に小さくなる。高分解能ＮＭＲの場合、幾何形状に起因して、実際には遠隔磁場の角度が有効ＲＦ磁場に対して３６°よりも大きく回転するようにＮ＞８−１０を実現することは困難である（特許文献９に説明されているように）。遠隔ＲＦ磁場に対して有効ＲＦ磁場がこのような回転する結果、共振器システムと追加の周波数のための別の共振器との結合を無視できるように、別の共振器を設置すること、特に別の共振器を誘導結合することは、きわめて困難である。なお、共振器システムは有効ＲＦ磁場よりもかなり強い磁場（個別ＲＦ磁場）を含む。この実施の形態は、別の周波数のための共振器をサンプルからかなり大きく離して配置するか又はスペースがなくて全く配置できなくなるほど、ヘルムホルツ対を具備した装置に比べてより多くのスペースを必要とする。
米国特許第６５９０３９４号明細書米国特許第６５５６０１３号明細書米国特許第５６１９１４０号明細書米国特許第５５９４３４２号明細書米国特許第５５８５７２３号明細書米国特許第５５６５７７８号明細書米国特許第５３５１００７号明細書米国特許第５２７６３９８号明細書米国特許出願公開第２００２０１９０７１５号明細書米国特許第６１２１７７６号明細書米国特許第６３７７０４７号明細書

上述のように、従来の共振器タイプはすべて何らかの重大な欠点を有する。

本発明の目的は、特許文献９の共振器システムをさらに発展させ、単純且つコンパクトな構造により、高効率且つ直交位相適合性（quadrature suitability）および良好な磁場均一性を実現することにある。

この目的は、第１の平面Ａの第２の平面Ｂに対する角度が０°又は３６０°／（Ｎ＋１）未満である共振器システムにより達成される。

最適には、第１の平面Ａは第２の平面Ｂに対して回転されておらず、遠隔ＲＦ磁場が有効ＲＦ磁場と同一方向に向くか又は遠隔ＲＦ磁場が有効ＲＦ磁場に対して１８０°回転されるものになっている。平面Ｂに対する平面Ａの３６０°／（Ｎ＋１）未満の角度の回転は、有効ＲＦ磁場に対する遠隔ＲＦ磁場の角度α（ここでα＜３６０°／（Ｎ＋１））の回転（第１の場合）に対応し、または、角度α（ここで１８０°＜α ＜１８０°＋３６０°／（Ｎ＋１））の回転（第２の場合）に対応する。本発明の共振器システムの第１の場合、平面Ａ、Ｂ間の角度を慎重に３６０°／（Ｎ＋１）未満にし、有効ＲＦ磁場が個別ＲＦ磁場と同じ大きさになるようにして高効率の共振器システムを得る。第２の場合の構成では、平面Ａ、Ｂ間の角度が１８０°と１８０°＋３６０°／（Ｎ＋１）との間にあり、個別ＲＦ磁場は有効ＲＦ磁場よりもかなり大きい。これらの構成はＲＦ磁場の外部アクティブシールド（active outward shielding）に対してフレキシビリティを与える。

本発明の好適な実施の形態では、個別共振器は高いＱ因子を生ずる超伝導材料を含む。

特に好適な実施の形態では、個別共振器は、誘電体基板とオプションとしての常伝導金属クエンチ保護層を除いてもっぱら超伝導材料で構成される。これは、共振器システムの構造により本発明の装置における大きい電流の流れと発生損失とを最小にすることができるので、特に有利である。

本発明の実施の形態では、個別共振器又は個別共振器のグループがｚ軸に関して２重回転対称で配置される。この装置は、直線偏極モードで共振器システムを動作させるのに特に好適である。

特に単純な構成では、個別共振器の数はＮ＝２（ｉ＋２）である。ここでｉは自然数である。

本発明の共振器システムの別の実施の形態では、個別共振器は、その個数Ｎに対応してｚ軸に関してＮ重回転対称で配置される。

この実施の形態の別の発展例では、個別共振器の数はＮ＝４（ｉ＋１）である。ここでｉは自然数である。この構成は、対応する位相ずれを有する９０°での結合を可能にするので、主として円偏極モードで共振器システムを動作させることを容易にする。

本発明の共振器システムの有利な実施の形態では、個別共振器は多面体の表面に配置される。個別共振器は、上向き及び下向きに流れる電流を部分的に排除するように配置することができる。結果として得られる電流分布は個別共振器の差動電流によって特徴づけられる。この構成は、ここで提示される全ての構成に比べて所要スペースが最小であり、最も単純な技術的手段で実現することができる。

別の実施の形態では、個別共振器は、基板の表面法線が接線成分を有するように配置される。この場合、個別共振器は、反対向きの電流が流れる導体同士が互いの後ろにあるよう部分的に重なるものでも良い。これは、最小スペースで差動電流を生成するのに最も効果的な構成であり、有効ＲＦ磁場の均一性が特に高くなる。

本発明の共振器システムの特別な実施の形態では、基板の表面法線が接線方向に向くよう、星状に、個別共振器が半径方向外方に配置される。この構成では、測定対象サンプルの全周が通電導体に利用される。これにより、特に短いパルス角が得られる。この構成はまた、ＲＦ磁場のアクティブシールドに適している。

本発明の共振器システムにおける個別共振器として、スパイラル共振器及び又は分布容量を有する共振器及び又は局所容量を有する共振器及び又は両面共振器を用いることができる。共振器形状は用途とは無関係に選択することができる。

発生ＲＦ磁場をｚ方向にアクティブシールドするため、幾つかの個別共振器をｚ方向に有利に配置することができる。それによってｚ方向の電流分布を設計することができる。

特に有利な仕方では、発生ＲＦ磁場をアクティブシールドするため、ｚ方向と直交するｘｙ平面で幾つかの個別共振器が半径方向に入れ子にされる。これは星型の配置を用いて最も単純な仕方で実現される。

特に有利な実施の形態では、１つ以上の個別共振器が設けられた幾つかの基板がｚ方向及び又は半径方向に積み重ねられ又は入れ子にされる。このように、小さな基板及びそれに対応して小さな個別共振器を用いて、比較的大きな共振器システムを構成することができる。

本発明の共振器システムの別の実施の形態では、少なくとも１つの個別共振器はその他の個別共振器と異なる共振周波数を有する。これにより、２つの異なる原子核の測定に使用可能な異なる周波数を有する２つの直線偏極モードを具備した共振器システムを構成することができる。

個別共振器同士は、好ましくは誘導的及び又は容量的及び又は直流的に（galvanically）結合される。

有利な共振器システムは、上記の共振器システムと従来の常伝導及び又は超伝導個別共振器及び又は共振器システムとの組み合わせからなるものでも良い。

また、本発明は、上記共振器システムの個別共振器の固有共鳴（eigen resonances）を調整する方法に関し、下記のステップを含む。

ａ．任意の共振器システムの設計
ｂ．測定容積での磁場を個別共振器の特定の幾何的配置で最大に均一化可能にする電流Ｉ_０の計算
ｃ．所望の共振モードについての、共振器システムでの電流分布の計算および測定容積での磁場の計算
ｄ．個別共振器の導体要素における平均電流の計算
ｅ．個別共振器の固有共鳴の補正、ここで、これらの変化は値Ｉ_０からの電流のそれぞれのずれに略比例する
ｆ．測定容積における磁場の均一性が最大になるまでステップｂないしステップｅを繰り返す。

本発明のその他の利点は、以下の説明と図面から明らかになる。上述の及び以下で述べる特徴は、単独または任意の組み合わせで併せて用いることができる。図示され説明される実施の形態はすべてを列挙するものではなく、本発明を説明するための例示的な性格のものである。

図１（ａ）〜（ｄ）および図２（ａ）〜（ｄ）は、本発明の共振器システムの種々の実施の形態のｘｙ平面と平行な断面を示す。平面状基板１に配設されたＮ = ４（ｉ＋１）個の個別共振器２（図１（ｂ）及び（ｄ）ならびに図２（ｂ）及び（ｄ））は、好ましくはサンプルに関して対称に配置される。直線偏極コイルについては、Ｎ = ２（ｉ−２）個の個別共振器２でも良い。

図１（ａ）〜（ｄ）は、個別共振器２を多面体の表面に配設した共振器システムを示す。図示した実施の形態はＮ重回転対称性及び平面対称性を有し、円偏極コイル（直交位相放出及び直交位相検出（quadrature emission and detection））に好適である。一方、図２に示された実施の形態は、２重回転対称性及び平面対称性を示すものに過ぎず、直線偏極コイルのみに好適である。

図３の例に示されるように、個別共振器２のサイズは同一であってはならない。しかし、このシステムの少なくとも１つの対称面、最適には両方の対称面を考慮して、すべての個別共振器２を複数対または４つのグループで提供することが有用である。

共振器システムの電流容量を増大させるため、幾つかの個別共振器２を積み重ねたり入れ子にすることができ、その場合、直線偏極共振器システムでは（図２（ａ）〜（ｄ）及び図３）、「重要な」ものだけを強化すればよい。このため、両側の超伝導構造を基板１に配置することができる（図４（ａ））。または片側に個別共振器２を設けた基板１を積み重ねることができる（図４（ｂ））。さらに、両側に個別共振器２を設けた基板１を入れ子にすることができる（図４（ｃ）〜（ｆ））。個別共振器２を２重にする場合、共振器システムの固有周波数は略２の平方根分の１だけ減少する。これを利用して、幾何学的な限界に起因した単純な共振器システムで得られる共振周波数よりも低い共振周波数を得ることができる。積み重ねは、わずかに異なる共振周波数を有する個別共振器２を積み重ねることにより共振器システムを適度な大きさにするために使用することもできる。

図５は、本発明の共振器システムにおける時刻ｔ_０での個別共振器の導体路における電流方向（＋は電流上向き、−は電流下向き）及び幾つかの磁力線３を例示している。共振器システムの磁場が直線偏極された場合、共振器ループを通る（＋）の電流方向と（−）の電流方向が１相中に交替する。磁場に直交する２つの個別共振器２には電流が流れない。円偏極した磁場が発生される場合、すべての個別共振器に１周期にわたって電流が流れる。時刻ｔ_ｉ＝ｔ_０＋（ｉπ/６）／ｆにおいて、図５に図示したものを間隔をおいて３０°回転可能である。各個別共振器の（＋）の電流と（−）の電流は、両方の電流方向が有効ＲＦ磁場に寄与するようできるだけサンプル近くに流れる。ここで、２つの共振器は、一部互いに打ち消しあう反対向きの磁場を生じる。通電導体同士の距離が小さいほどこの打ち消しあいは良好になる。高い磁場均一性を得るためには、通電導体間距離は、測定対象サンプルからの間隔よりもかなり小さくなければならない。

本発明の共振器システムの電流分布は従来のバードケージ型共振器（ＢＣ）の電流分布に非常に近い。従来のバードケージ型共振器では個々のバー部材の各々に電流が流れる。これに対して、これまで述べてきた本発明の共振器システムでは、この電流が２つの電流に分けられる。すなわち、（＋）方向に上向きに流れる電流４ａと（−）方向に下向きに流れる電流４ｂとに分けられる。本発明の共振器システムでは、各メッシュが隔離され且つノードが排除されるようにノードおよびメッシュがキルヒホッフの法則に従って分布する。図６は、個別共振器２と時刻ｔ_０における関連する電流４ａ、４ｂの概略を示す。ｚ軸は上方に向いている。左外方側の個別共振器が右外方側の個別共振器に続いている（図では周方向に展開されている）。差動電流は、個別共振器２の導体部対５ａ、５ｂに全体として略正弦波状の電流分布を生ずる。電流分布は従来のＢＣの電流分布とほとんど同一である。明らかに、共振器システムを流れる電流の量は、原理的には過大であって、一見して不要な損失を生じるように見える。共振器システムは、従来のＢＣの電流の大きさのオーダーである差動電流を含む。電流４ａ、４ｂは上向き及び下向きに流れ、各電流は差動電流よりもかなり大きい（最大で従来のＢＣのすべてのバー部材にわたる電流の和の約４分の１）。常伝導の個別共振器では、これは非常に大きい損失を発生可能である。ここで用いるタイプの超伝導個別共振器の場合、固有のＱ因子は十分に高く、いずれにしてもＱ因子を磁気共鳴測定に「有用な」値にまで強制的に下げる手段を講じなければならない。したがって、部分的に補償する電流による付加的な損失は重要ではなく、無視することができる。

個別共振器のそれぞれが同一である場合、所望の（正弦波状）電流分布は誘導的結合によって自動的に得られる。例えば臨界電流による制約のために電流分布を変化させるべきであれば、対応する個別共振器２の共振周波数のみを増加させるべきであり（誘導Ｌの減少、即ちより小さいループ、或いは、容量Ｃの減少、即ちより少ない重なり合い）、または、減少させるべきである。したがって、本発明の共振器システムは、直線偏極コイルに対して個別共振器の電流分布を任意かつ簡単に調整可能にするものである。円偏極の場合、対称性の理由によりすべての個別共振器２は同一でなければならない。

共振器が異なる共振周波数を有するコイルは、共振器システムが、共振周波数を異にする２つの直交する直線偏極モードを有するように設計することができる。最も近接する原子核の共鳴周波数は、２つのモードの磁場均一性を良好に維持するのに特に適している。そのような原子核の対は、例えば、^１Ｈと^３Ｈ、^１Ｈと^１９Ｆ、または、^１３Ｃと^２３Ｎａ、^６３Ｃｕまたは^６５Ｃｕなどである。特に、図１（ｂ）、（ｄ）などのタイプおよび図８または図９のタイプの本発明の変形例はそのような共振器システムに適している。

すべての従来のバードケージ型共振器に対する基本的な差異は、本発明の共振器システムが、共振器の１つのバー部材１０３から別のバー部材へ通電可能なチューブ状又は円環状の要素１０２なしに、「円電流」を流すことができる個別共振器から設計される点、すなわち、本発明の共振器システムでは個別共振器２同士間が容量的に結合されていない点にある。

図７は、図１（ｂ）による幾何形状を有した共振器システムについて、遠隔ＲＦ磁場６および有効ＲＦ磁場７の磁場分布を示す。ｚ軸を含む第１の平面Ａに対する有効ＲＦ磁場７の空間分布と、ｚ軸を含む第２の平面Ｂに対する漸近的な遠隔ＲＦ磁場６の空間分布は、それぞれ鏡像対称である。有効ＲＦ磁場７は、測定容積で第１の平面Ａと実質的に平行に延びる。第１の平面Ａと第２の平面Ｂが一致し且つ有効ＲＦ磁場が遠隔ＲＦ磁場と反対方向に延びることは明らかである。有効ＲＦ磁場は遠隔ＲＦ磁場に対して１８０°回転されている。追加の周波数のための別の共振器を備えたＭＲプローブヘッドの設計はこれによりかなり容易である。第２の共振器システムは、第１の共振器システムと直交するように配置可能である。ここで、内側の共振器システムは、外側の共振器システムと顕著な結合を生ずることなく、単純な仕方で例えば誘導的に依然として結合可能である。平面Ａと平面Ｂとが互いに回転されている場合には、これはあてはまらない。

図１、図４、図５及び図７の実施の形態では、個別共振器２は多面体の表面に配設される。これは必須ではなく、原理的には他の幾何形状も可能である。例えば、図８（ａ）は、基板１の表面法線が小さな接線成分を有する幾何形状を示す。基板１は、互いの「後ろに」配置された導体部５ａ、５ｂにおける電流４ａ、４ｂが部分的に打ち消し合うよう、重なって配置されている。この実施の形態は本発明の共振器システムの１つの可能な構造を示し、この構造によれば、差動電流が最小スペース内に形成されるので、有効ＲＦ磁場が特に均一になる。図８（ｂ）は、関連する遠隔ＲＦ磁場６と有効ＲＦ磁場７の磁場分布の概略図を示し、共振器システムの「バー部材」付近の局所的な磁場のひずみは無視している。この図示は、図７の例におけるように、平面Ａと平面Ｂがこの場合も相互に回転されていないことを示している。この原理は、上述の実施の形態の場合と同様である。図８（ｂ）に示された磁力線は電流路付近の局所的な磁場分布を無視している。上記の図示は、導電導体同士が互いに十分近くなって導体間のスペースにおける磁場が有効ＲＦ磁場よりも実質的に大きくなくなるまで当てはまる。この磁場が有効ＲＦ磁場と同一の大きさになったときに初めて、遠隔ＲＦ磁場が有効ＲＦ磁場に対して実質的に回転し始める。

本発明の共振器システムは、（＋）方向の電流４ａと（−）方向の電流４ｂが互いに近くを流れて部分的に互いに打ち消しあう点が従来の共振器システム（図１８ａ〜図１８ｃ）と異なる。従来の共振器システムと異なり、差動電流は決定的である。図１８ａに示された共振器システムの原理は、「擾乱」電流（本発明の共振器システムにおける電流４ｂに対応）をサンプルからできるだけ遠くに移動させることであるが、上述の本発明の共振器システムでは差動電流の形成が利用される。これは特に、２つの共振器システムにおける有効ＲＦ磁場７と遠隔ＲＦ磁場６の磁場分布から明らかである。従来の共振器システムの平面Ａと平面Ｂは互いに回転されているが（図１８ｃ）、図７及び図８（ｂ）に示された本発明の共振器システムの平面Ａと平面Ｂは一致している。

本発明の共振器システムの別の可能な構成が図９ａ〜図９ｃに示されている。この星形の配置では、電流４ａと電流４ｂは互いに打ち消し合わない。電流が（＋）方向に流れる図９ｃの導体部５ａは半径方向内方に配置され、一方、電流が（−）方向に流れる導体部５ｂは半径方向外方に配置されている。共振器システムの中心で支配的な磁場は、外側領域で個別共振器２によって強く圧縮される。この配置に関連する電流はサンプルから少し遠く離れた位置にあり、より多くのスペースを必要とする。しかし、この「星形」共振器システムの電流容量は、個別共振器２の数を増やすことによって、図１ないし図８による配置に比べてかなり大きくすることができる。

図９ａ及び図９ｂの本発明の共振器システムは、特許文献１１に開示された個別共振器１０５から構成されたバードケージ型装置（図１５ａ）と一見類似しているが、本発明の共振器システムの磁場分布は、文献から公知のものと明きらかに異なる。図９ｃは、本発明の共振器システムに関連する磁場分布を遠隔ＲＦ磁場６及び有効ＲＦ磁場７について示す。ここに示された星形装置では、共振器システムの外側スペースにおける遠隔ＲＦ磁場６は、共振器の中心の有効ＲＦ磁場７と同一方向に向いている。これは、特許文献１１から公知のバードケージ型装置（図１５ｄ）とは全く逆である（図１５ｄ）。この「相違」は、本発明の共振器システムでは、完全な環状電流が各基板１の個別共振器２を通って流れるという事実に起因している。個別共振器での電流の向きは図９ｃに（＋）と（−）で記されている。電流４ａは共振器システムの内側で上方（＋）に流れ、電流４ｂは共振器システムの外側で下方（−）に流れ、それによって窓８の近く及び個別共振器２の中間領域に磁場を発生させる。これと対照的に、図１５ａの共振器システムでは環状電流は流れず、図１５ｄに示された磁場分布では、遠隔ＲＦ磁場は共振器システムの中心における有効ＲＦ磁場と反対に延びている。

これは、本発明の共振器システムと従来のものとの本質的な差異である。本発明の共振器システムでは、各基板１に１つの個別共振器２が規定されており、これは、動作中、個別共振器２それ自体の動作中の電流分布と実質的に同一の電流分布すなわち「円電流」を有する。これにより共振周波数は元の共振周波数の近くにとどまる。図９ｄは、図９ａ及び図９ｂに示された星形共振器システムの等価図を示す。図１５ａの従来装置及び図１５ｂ及び図１５ｄの関連する等価図と対照的に、本発明の共振器システムでは、理想としては共振では１つの個別共振器２から次の個別共振器に電流は流れない。実際には、もちろん個別共振器２間に小さい浮遊容量があって、１つの個別共振器２から次の個別共振器に非常に小さな電流移送を生ずる。現実化されたものでは、浮遊容量は、個別共振器２の材料（サファイア、酸化マグネシウム、又はアルミン酸ランタン）の誘電率と真空の誘電率との差に単に起因して、個別共振器２内の容量に比べて少なくとも５０倍小さい。

図９ａ及び図９ｂの本発明の共振器システムの実施の形態と従来のバードケージ型共振器システム（図１５ａ）とが相違することは、モードが、従来の高域又は低域通過バードケージの順序からなるのではなく、別の順序になっている点、すなわち、「線形、４重極、８重極、・・・」又は「８重極、４重極、線形、・・・」ではなく、「４重極、線形、８重極、・・・」である点においても明らかである。

本発明の共振器システムの上記実施の形態の各々は、一般には、もちろん多面体の表面に個別共振器２を配設したものも、特に直交位相モード（直線偏極磁場でなく円偏極磁場）で動作する場合、任意のＮ個の個別共振器２を用いて製造できる。Ｎは奇数でもよい。

一般に、キルヒホッフ規則分離方法（Kirchhoff rule separation method）はまた、ｚ方向に任意の磁場分布を発生可能にする。大域電流分布は空間を多数の小ループ（補償コイル９）に区分することにより比較的高い精度で形成でき（図１０（ａ））、それにより、例えばｚ方向での有効ＲＦ磁場の非常に急峻なカットオフも可能になる。これは、ｚ方向のコイルのアクティブシールドに対応する。

同じ方法はまた、特に図９の構成でｘｙ平面で用いることができるが、きわめて複雑である。図７又は図８（ａ）の構成では、主共振器に加えて、複数の補償コイル９をｚ方向及び半径方向に配置することができる。これは、図９ａ及び図９ｂによる共振器システムについての例として図１０（ｂ）に概略で示されている。図１０（ｂ）に示された部分の上縁１０は共振器システムの中心に向いている。下縁１１は外側に向いている。ドットとクロスで表される記号は、共振器システムにより発生される磁場の方向を示す。原理的には、完全に超伝導体で構成され且つ無視できるほど小さい浮遊磁場しか生じないコイルを作製することができる。これは、特に、追加の原子核のために別の共振器システムを直交位相コイルに設けるのに非常に効果的な方法である。これらの追加の共振器は、内側の共振器システムのＱ因子に影響を及ぼさない常伝導性のものでも良い。さらに、ｘ、ｙ及びｚ方向に静磁場勾配を発生する勾配システムをＲＦシールドなしに搭載することができる。

また、個別共振器２を組み合わせるというこの原理は、非常に大きな共振器システム、すなわち、比較的小さな基板を用いた「複合共振器」（例えばＭＲＩ用）に便利である。図１１は「展開された」複合共振器を示し、この複合共振器は、ｚ方向に積み重ねられ概略図示した磁場方向を備えた幾つかの共振器システム１６からなる。幾つかの共振器システム１６（図６を参照）がｚ方向に積み重ねられ、「複合共振器システム」の実効サイズは任意に増大可能である。相互に補償する電流が流れる導体同士の間隔が、導体と測定対象サンプルとの間隔に比べて小さい場合、結果として生ずる磁場のひずみは無視することができる。このようにして、全身又は頭のＭＲＩ測定のためのバードケージを、原理的には２〜３インチのウエハ上のＨＴＳから完全に構成することができる。

従来のすべての共振器を個別共振器として用いることができる。図１２ａ〜図１２ｄは最も一般的な幾何形状を示す。図１２ａは特に低周波数に適するスパイラル共振器を示す。図１２ｂは、複数の導体要素１２で構成される分布容量を有した共振器を示す。局所容量を有する共振器では（図１２ｃ）、Ｕ字状導体要素１３が入れ子にされ且つ均一に外方へ増加する重なり領域を有している。分布容量を有する共振器の変形は、両側がコーティングされている基板上のコイルである。図１２ｄは、両側がＨＴＳ材料でコーティングされたそのような基板の上側１４および下側１５を示す。

本発明の共振器システムの利点は、超伝導個別共振器（例えば、ＹＢＣＯの）を用いた場合に良好に活かされる。そうでない場合、導体での実効電流が約３倍も大きいことに起因して損失が過大になるおそれがあるからである。超伝導材料で作られた個別共振器には、通常、常伝導体のクエンチ保護層が設けられる。この層は一般には貴金属の層（Ａｇ, Ａｕ, ・・・）であり、構成前に超伝導体上に配設される。この層は、クエンチの場合の常伝導並列路（シャント）として働き、また、その導電性（厚さ、材料など）の調整により、共振器のＱ因子を約２０〜３００００の妥当な値に調整可能にする。さらに、反射係数が高いので、赤外線は反射され、吸収されない。

ＹＢＣＯの表面抵抗は、使用するのが好ましい１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚの領域の周波数で十分に小さく、この周波数では純ＨＴＳ共振器のＱ因子は約５０万である。これは、ＮＭＲには高すぎる。妥当な励起及び受信幅を得るためには、２０〜３００００を上回るＱ因子は適切に利用することができない。したがって、超伝導体から「のみ」製造されたコイルは、上記のＱ因子まで低減される。しかし、ハイブリッドコイルは上記の値を達成することは困難である。コイルの値は、主として常伝導体の導電率により決定され、６０００〜１２０００である。

結局、本発明の共振器システムは、ハイブリッドＢＣコイルに関してＳ／Ｎ比を約１.５〜２倍改良することができる（主としてＱ因子を増加させることによる）。これは、平面超伝導共振器のヘルムホルツ対にも適用され、Ｑ因子が同一である場合には効率が約２〜３倍改善され、Ｓ／Ｎ比が１.５倍改善される。

結論として、平坦な基板に配された窓を通して個別ＲＦ磁場が延びる個別共振器を具備し、遠隔ＲＦ磁場の対称面と有効ＲＦ磁場の対称面が互いに回転されず或いは僅かしか回転されない本発明の共振器システムの構造により、磁場均一性が改善され、直交位相適合性が完全で、しかもＱ因子が高く、高効率の共振器システムを容易に実現可能であると言うことができる。さらに、本発明の共振器システムは、略如何なる所望の磁場分布をも生成することができる。これにより、本発明の共振器システムは、超伝導磁気共鳴コイルの公知のすべての問題を解決する。

（ａ）ないし（ｄ）は、Ｎ重回転対称の本発明による共振器システムの幾何形状の示すｘｙ平面での断面図である。（ａ）ないし（ｄ）は、２重回転対称の本発明による共振器システムの幾何形状を示すｘｙ平面での断面図である。２重回転対称でかつ寸法を異にする個別共振器を備えた本発明による共振器システムの幾何形状を示すｘｙ平面での断面図である。（ａ）ないし（ｆ）は、入れ子式の個別共振器を備えた本発明による共振器システムの幾何形状を示すｘｙ平面での断面図である。図１（ｄ）の如き幾何形状の共振器システムについてｘｙ平面での電流方向および磁場を示す概略図である。周方向に展開して示した共振器システムの電流分布を示す図である。図１（ｂ）による幾何形状を備えた共振器システムについて遠隔ＲＦ磁場および有効ＲＦ磁場を示す概略図である。（ａ）は、オフセットした個別共振器を備えた共振器システムについてｘｙ平面での電流方向および磁場を示す概略図であり、（ｂ）は、図８（ａ）による幾何形状を備えた共振器システムについてｘｙ平面での遠隔ＲＦ磁場および有効ＲＦ磁場を示す概略図である。半径方向外方に向いた個別共振器を有した本発明による共振器システムの幾何形状を示すｘｙ平面での断面図である。半径方向外方に向いた個別共振器を有した本発明による共振器システムの幾何形状を示すｘｙ平面での断面図である。半径方向外方に向いた個別共振器を有した共振器システムについてｘｙ平面での遠隔ＲＦ磁場および有効ＲＦ磁場を示す概略図である。図９ａないし図９ｃによる共振器システムの等価図である。（ａ）は、ｚ方向で互いの後ろに配置された幾つかの個別共振器を備えた共振器システムの断面図であって、電流方向および磁場方向を概略図示したものであり、（ｂ）は、ｚ方向及び半径方向で互いの後ろに配置された幾つかの個別共振器を備えた共振器システムの断面図であって、磁場方向を概略図示したものである。ｚ方向に積み重ねられた幾つかの共振器システムからなる本発明による複合共振器の展開図であって、磁場方向を概略図示したものである。従来技術による個別共振器の形状を示す。従来技術による個別共振器の形状を示す。従来技術による個別共振器の形状を示す。従来技術による個別共振器の形状を示す。従来技術によるハイブリッドバードケージ型コイルを示す。蛇行ストライプ構造を有する従来技術によるバードケージ型コイルを示す。複数の個別要素からなる従来技術による超伝導バードケージ型コイルを示す。図１５ａによる超伝導バードケージ型コイルの等価図を示す。図１５ａによる超伝導バードケージ型コイルの等価図を示す。図１５ａによる超伝導バードケージ型コイルについてのｘｙ平面での磁場の概略説明図である。従来技術によるヘルムホルツ共振器を示す。従来技術による「ツインＶ」共振器を示す。従来技術による変位した平行平面配置の共振器システムを示す。図１８ａによる共振器システムを示すものであって、ｘｙ平面における個別共振器の磁場方向および電流方向を概略図示したものである。図１８ａによる共振器システムのｘｙ平面での遠隔ＲＦ磁場および有効ＲＦ磁場の概略説明図である。

符号の説明

１基板
２個別共振器
３磁力線
４ａ、４ｂ（＋）方向電流及び（−）方向電流
５ａ、５ｂ導体部
６遠隔ＲＦ磁場
７有効ＲＦ磁場
８窓
９補償コイル
１０上縁
１１下縁
１２導体要素
１３Ｕ字状導体要素
１４コーティングされた基板の上側
１５コーティングされた基板の下側
１０１導体路
１０２チューブ状要素
１０３バー部材
１０４蛇行導体構造
１０５個別共振器
１０６個別共振器の電極間容量
１０７２つの隣接する個別共振器間の容量
１０８空気／真空ギャップ
１０９導体
１１０基板
１１１個別共振器
１１２測定容積
１１３コンポーネント
１１４電流（＋）による発生磁場
１１５電流（−）による発生磁場
１１６導体
１１７遠隔ＲＦ磁場
１１８有効ＲＦ磁場

Claims

核磁気共鳴（ＭＲ）装置の測定容積内にラジオ周波数（ＲＦ）磁場を発生する共振器システムであって、ｚ軸を中心軸とする前記測定容積を包囲すると共に平坦な誘電体基板（１）に前記ｚ軸まわりに配設されたＮ個の個別共振器（２）を含み、前記個別共振器（２）は窓（８）を有し、各窓を通して前記個別共振器（２）の単一動作中に１つの個別磁場が前記測定容積に発生され、前記個別共振器（２）が協同することにより１つの有効ＲＦ磁場（７）が前記測定容積に発生され、遠隔ＲＦ磁場（６）が前記共振器システムの外側遠くに発生され、前記有効ＲＦ磁場（７）の空間分布は前記ｚ軸を含む第１の平面（Ａ）に関して実質的に鏡像対称であり、前記遠隔ＲＦ磁場（６）の空間分布は前記ｚ軸を含む第２の平面（Ｂ）に関して実質的に鏡像対称であり、前記有効ＲＦ磁場（７）は前記測定容積において前記第１の平面と実質的に平行に延び、個別共振器（２）の個数はＮ＞４であり、１つ以上の時点における前記共振器システムの動作中、少なくとも１つの個別共振器（２）の基板平面が測定容積における前記有効ＲＦ磁場（７）の方向に対して４０°より大きい角度を張り、少なくとも１つの別の個別共振器（２）が前記測定容積における前記有効ＲＦ磁場（７）の方向に対して４０°より小さい角度を張り、前記第１の平面（Ａ）の前記第２の平面（Ｂ）に対する角度が０°又は３６０°／（Ｎ＋１）未満である共振器システム。
前記個別共振器（２）が超伝導材料を含む請求項１記載の共振器システム。
前記個別共振器（２）または個別共振器（２）のグループが前記ｚ軸に関してその個数に対応してＮ重回転対称に配置される請求項１または２に記載の共振器システム。
前記個別共振器（２）は多面体の表面に配置され、または、前記個別共振器（２）は前記基板（１）の表面法線が前記ｚ軸を中心とする円の半径方向に直交する接線の成分を有するように配置され、または、前記個別共振器（２）は前記基板（１）の表面法線が前記接線の方向を向くよう星状に半径方向外方に配置される請求項１乃至３のいずれか１項に記載の共振器システム。
個別共振器（２）は、スパイラル共振器及び又は分布容量を有する共振器及び又は局所容量を有する共振器及び又は両側共振器である請求項１乃至４のいずれか１項に記載の共振器システム。
幾つかの個別共振器（２）が、発生ＲＦ磁場をｚ方向にアクティブシールドするためにｚ方向に沿って配設され、または、発生ＲＦ磁場をアクティブシールドするためにｚ方向と直交するｘｙ平面で半径方向に入れ子にされる請求項１乃至５のいずれか１項に記載の共振器システム。
１つ以上の個別共振器（２）が設けられた幾つかの基板（１）が、ｚ方向及び又は半径方向に積み重ねられ又は入れ子にされる請求項１乃至６のいずれか１項に記載の共振器システム。
前記個別共振器（２）の少なくとも１つが、その他の個別共振器と別の共振周波数を有する請求項１乃至７のいずれか１項に記載の共振器システム。
前記個別共振器（２）の少なくとも１つが、誘導的及び又は容量的及び又は直流的に結合している請求項１乃至８のいずれか１項に記載の共振器システム。