JP4347590B2 - 磁気共鳴装置用の高周波アンテナ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２つのエンドリングおよび複数のアンテナロッドを備え、２つのエンドリングがアンテナ軸線に対して同心的にかつ軸線方向に互いに向かい合ってずらされて配置され、アンテナロッドがアンテナ軸線の周りに配置されエンドリングを互いに結合し、結合要素により、送信時に高周波の電磁エネルギーがエンドリングおよびアンテナロッドに入射し、受信時にそのエンドリングおよびアンテナロッドから出射する磁気共鳴装置用の高周波アンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の高周波アンテナは鳥かご形共鳴器として一般的に公知である。この種の高周波アンテナでは通常、アンテナロッドはアンテナ軸線に対して平行に配置されている。
【０００３】
鳥かご形共鳴器は、それぞれの固有の共鳴周波数を有することができるような多数の振動モードを有する。磁気共鳴装置へ適用する際には通常、個々の振動モードが同一の共鳴周波数に同調されているのが有利である。これは、ある専門家会議論文に記載されているような適正な同調手段により達成される（例えば非特許文献１参照）。
【０００４】
同じ共鳴周波数（すなわちラーモア周波数）へのこのような同調に基づいて、周波数に依存するインピーダンスによってもはやモード分離が、送信時にも受信時にも不可能となる。
【０００５】
【非特許文献１】
Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈ Ｌｅｕｓｓｌｅｒ， Ｊａｒｏ ＳｔｉｍｍａおよびＰｅｔｅｒ Ｒｏｅｓｃｈｍａｎｎ著 「Ｔｈｅ Ｂａｎｄｐａｓｓ Ｂｉｒｄｃａｇｅ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ Ｍｏｄｉｆｉｅｄ ａｓ ａ Ｃｏｉｌ Ａｒｒａｙ ｆｏｒ Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ ＭＲ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ（同時ＭＲ捕捉用コイルアレイとして変形された帯域通過鳥かご形共鳴器）」、ＩＳＭＲＭ １９９７年発行、ｐ１７６
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、個々の振動モードの共鳴周波数が同一であるかあるいは互いに異なっているか否かに無関係に、常に予め決定されたモードのみが励起される結合要素を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この課題は、結合要素が、アンテナ軸線をアンテナロッドの領域で接線方向に取り囲む導体システムとして形成され、送信時にこの導体システムへ給電モジュールから高周波電流が入力され、受信時にこの導体システムから高周波電流が出力され、この導体システムがエンドリングおよびアンテナロッドに専ら誘導結合され、導体システムがアンテナ軸線の周りを周回する少なくとも１つの導体を有し、この導体がエンドリングの１つから、接線角により変化する距離を有することにより解決される。
【０００８】
本発明において、１つのどのモードが励起されるかないしは複数のどのモードが励起されるかは、結合要素の幾何学的構成により決定される。
【０００９】
導体システムの最小の構成は、導体システムがアンテナ軸線の周りを周回する単一の導体を有し、この導体がエンドリングの１つから、接線角により変化する距離を有することにある。この場合、結合要素は比較的大きな磁界をアンテナ軸線に対して平行に発生させる。従って、２つ以上の導体を有する導体システムが望ましい。
【００１０】
アンテナ軸線方向での磁界成分の補償は例えば、導体システムが２つの導体を備えた基本導体群を有し、２つの導体がアンテナ軸線の周りを周回し、交差接線角で交差し、その間に導体が偶数のウインドウを形成するような相互距離を有し、送信時には位相が１８０°電気的にずれた電流が導体に入力されないしは受信時には位相が１８０°電気的にずれた電流が導体から出力されることによって達成される。
【００１１】
この構成により、高い励起効率が達成される。どのモードが励起されるかは導体の具体的な構成に依存する。
【００１２】
最後に記載された実施態様により、励起された１つのモードないしは複数のモードは直線偏波を有する。しかし、磁気共鳴装置への適用には、円偏波を有するモードが望ましい。これを達成するために、導体システムが補助導体群を有し、補助導体群が基本導体群と同様に形成され、そのウインドウが基本導体群のウインドウに対して交互に設置され、送信時に位相が１８０°電気的にずれた電流が補助導体群の導体に入力されないしは受信時に位相が１８０°電気的にずれた電流がその導体から出力され、補助導体群の導体に流れる電流の位相が、基本導体群の導体に流れる電流の位相に対して９０°電気的にずれている。
【００１３】
この実施態様では、円偏波の励起を達成するために４つの導体が必要である。しかし、導体システムが複数の導体を有し、これらの導体がずれ角で周期的にアンテナ軸線の周りを周回し、導体がエンドリングの１つから、接線角により変化する距離を有し、ずれ角と導体の数および導体の周期の数との積が３６０°となり、送信時には位相が位相角だけ電気的にずれた電流が導体に入力されないしは受信時には位相が位相角だけ電気的にずれた電流が導体から出力され、位相角と導体の数との積が電気的に３６０°となる場合、導体の数を３つに減らすこともできる。
【００１４】
導体がアンテナ軸線の周りを周回する周回端部で互いに短絡される場合、導体システムは構造上特に簡単に形成される。
【００１５】
１つの導体ないしは複数の導体がアンテナ軸線をエンドリング間の中央で垂直に切断している中央面に対して対称的に配置されている場合、より小さい容量結合が生じる。
【００１６】
１つの導体ないしは複数の導体に短絡コンデンサが配置されている場合、導体システムは、励起周波数が高くかつ導体が比較的長くても、適用可能である。
【００１７】
１つの導体からエンドリングまでの距離ないしは複数の導体間の相互距離ないしは複数の導体からエンドリングまでの距離がほぼ正弦状に接線角に依存している場合、主として１つのモードのみが励起される。
【００１８】
導体からエンドリングまでの距離ないしは複数の導体間の相互距離ないしは複数の導体からエンドリングまでの距離が最大値および最小値をとり、最小値と最大値との差がエンドリング間のずれの少なくとも３０％、望ましくは５０〜９０％である場合、特に高い励起効率が生じる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
別の利点および詳細について、以下の実施例の記述に基づいて図面と関連させて説明する。図面は原理図である。
【００２０】
図１によれば、磁気共鳴装置は検査スペース１を有する。患者寝台板２を用いて、人間つまり患者３（一般的には検査対象物）は検査スペース１内へ挿入可能である。検査スペース１はほぼ円筒状に形成されている。
【００２１】
検査スペース１は種々の磁石および磁石システムによって取り囲まれている。これは先ず基本磁石４である。この基本磁石４は均質な基本磁界を発生させるために働く。さらに、勾配磁石システム５が存在する。この勾配磁石システム５により、有意と評価できる磁気共鳴信号を発生させるために必要な勾配磁界が発生させられる。次に、磁石システムは全身コイル６も有する。この全身コイル６は高周波アンテナ６として形成されている。全身コイル６は送信アンテナとして動作する際には、検査対象物３において磁気共鳴信号を励起するために働く。全身コイル６は受信アンテナとして動作する際には予め励起された検査対象物３の磁気共鳴信号を受信するために働く。
【００２２】
検査スペース１の内部には通常、さらに少なくとも１つの局部コイル７が取付け可能である。この局部コイル７は同様に高周波アンテナとして形成されている。局部コイル７は通常、全身コイル６により予め励起された磁気共鳴信号を局部的に受信するために働く。しかし、局部コイル７は個々のケースでは全身コイル６と同様に送信アンテナとして動作することもできる。局部コイル７の構造は、かなり小さな寸法であることを除いて、全身コイル６の構造と同様にすることができる。この種の局部コイルの例としては頭部コイルおよび膝コイルが挙げられる。
【００２３】
基本磁石４、勾配磁石システム５およびコイル６，７は最終的に遮蔽磁石８によっても取り囲まれている。勾配磁石システム５およびコイル６，７は制御・評価ユニット９と接続している。この制御・評価ユニット９は公知のように勾配磁石システム５およびコイル６，７を適正に制御して、磁気共鳴信号を励起し、受信しかつ評価する。
【００２４】
図２および３によれば、高周波アンテナ６，７は、全身コイル６の形であれ局部コイル７の形であれ、複数のアンテナロッド１０ならびに２つのエンドリング１１を有する。さらに、アンテナロッド１０及び／又はエンドリング１１には、高周波アンテナ６，７を特定の作動周波数に同調させているコンデンサＣが配置されている。図２によれば、このコンデンサＣはエンドリング１１だけでなく、アンテナロッド１０にも配置されている。というのは、それによって同じ共鳴周波数への高周波アンテナのモードの同調が達成されるからである。しかし、本発明ではこのことはたいして重要ではない。従って、コンデンサＣはエンドリング１１にのみもしくはアンテナロッド１０にのみ配置することもできる。
【００２５】
アンテナロッド１０はアンテナ軸線１２に対して平行に延びている。アンテナロッド１０はアンテナ軸線の周りに均等に配分されて配置され、その上部ないしは下部のロッド端部で各エンドリング１１に結合されている。従って、エンドリング１１はアンテナ軸線１２に対して同心的に配置され、軸線方向に対して互いに向かい合ってずらされている。
【００２６】
高周波アンテナ６，７には結合要素１３が付設されている。この結合要素１３は給電モジュール１４と接続されている。結合要素１３を介して、送信時には給電モジュール１４から高周波電流を結合要素１３に入力し、それにより高周波の電磁エネルギーをエンドリング１１およびアンテナロッド１０に入射させることが可能である。逆に、受信時には結合要素１３を介して高周波の電磁エネルギーをエンドリング１１およびアンテナロッド１０から出射させ、高周波電流として給電モジュール１４に供給することができる。
【００２７】
結合要素１３はアンテナ軸線１２をアンテナロッド１０の領域で接線方向に取り囲んでいる。より正確に言えば、結合要素１３はアンテナロッド１０の内側もしくは外側で半径方向へアンテナ軸線１２の周りを接線方向に周回（一巡）する導体システムとして形成されている。この導体システムはエンドリング１１およびアンテナロッド１０から直流電気的に分離されている。寧ろ、この導体システムはエンドリング１１およびアンテナロッド１０に専ら誘導結合されている。
【００２８】
以下において導体システム１３の種々の構成例について図４〜６と関連させて説明する。
【００２９】
図４によれば、導体システムは単一の導体１５を有する。導体１５はアンテナ軸線１２の周りを周回している。エンドリング１１の１つから導体１５までの距離ａは接線角αにより変化する。
【００３０】
距離ａは最大値Ｍおよび最小値ｍをとる。図４によれば、最大値Ｍと最大値ｍとの差はエンドリング１１相互のずれＶの７０％である。すなわち、この差はエンドリング１１のずれＶの特に５０〜９０％である。しかし、場合によってはこの差はこれよりも小さくすることもできる。しかし、ずれＶの３０％を下回らない方がよい。
【００３１】
図４からはそのほかに、距離ａがほぼ正弦状に接線角に依存すること、および導体１５が、アンテナ軸線１２を２つのエンドリング１１間の中央で垂直に切断している中央面１６に対して対称的に配置されていることが見てとれる。
【００３２】
導体１５へ入力されたないしは導体１５から出力された電流の周波数および導体１５の全長に応じて、導体１５に短絡コンデンサＣ´を配置して、導体１５の各部位でほぼ一定の電流負荷を達成することが必要となることがある。短絡コンデンサＣ´の寸法および間隔は公知である。
【００３３】
図５による実施例では、まず第１に基本導体群が設けられている。この基本導体群は、アンテナ軸線１２の周りを周回する２つの導体１７を有する。導体１７は交差接線角αで交差する。図５では、交差接線角αは交差点により示されている。しかし、導体１７は交差点で電気的に互いに接続されていない。導体１７は交差点間で相互距離ｂを有する。この結果、導体１７は偶数のウインドウ１８を形成している。
【００３４】
送信時には導体１７に位相が１８０°電気的に互いにずれた電流が供給される。これは図５で導体１７における逆向きの２つの矢印により示されている。受信時に導体１７から出力された電流の位相は１８０°互いにずれている。
【００３５】
１８０°の位相ずれに基づいて、導体１７をアンテナ軸線１２の周りを周回する周回端部で互いに短絡させることができる。図５の左側においてこれは２つの導体１７を直接接続することにより示されている。
【００３６】
導体１７は中央面１６の周りを正弦状に延びている。従って、導体１７の相互距離ｂは同様に接線角αに正弦状に依存している。また、導体１７は中央面１６に対して対称的に配置されている。
【００３７】
導体１７間の相互距離ｂは最大値Ｍをとる。最小値は（普通に考えて導体１７が交差するので）０である。最大値Ｍはエンドリング１１のずれＶの３０％を下回らない方がよい。特に、最大値はここでもずれＶの５０〜９０％、例えば７０％である。
【００３８】
導体１７には、図４の導体１５と同様に短絡コンデンサが、導体１７の長さおよび電流の周波数に基づいて必要である場合、配置されていてもよい。しかし、図５では短絡コンデンサは見やすくするために図示されていない。
【００３９】
基本導体群の導体１７により、アンテナ軸線１２に対して平行に向いている磁界成分の相互補償が可能である。しかし、高周波アンテナ６，７の励起モードは直線偏波であるが、磁気共鳴装置へ適用する場合は円偏波の磁界が望ましい。
【００４０】
モードを円偏波で励起するために、図５の導体システム１３は補助導体群を有する。この補助導体群も基本導体群と同様に形成されている。つまり、補助導体群は特に、導体１７へ同様に案内される２つの導体１９を有する。しかし、この導体１９はそれらによって形成されるウインドウ２０が基本導体群のウインドウに対して交互に設置されるように案内される。
【００４１】
送信時に導体１９に入力され受信時に導体１９から出力される、導体１９を流れる電流は位相が互いに向かい合って１８０°電気的にずれている。図５ではこれは導体１９の逆向きの矢印により示されている。しかし、導体１９を流れる電流の位相は導体１７を流れる電流の位相に対して９０°電気的にずれている。図５では、これは導体１９の矢印が上向きおよび下向きを示し、一方、導体１７の矢印は左向きおよび右向きを示すことにより表わされている。また、導体１９は導体１７と同様にアンテナ軸線１２の周りを周回する周回端部で互いに短絡されている。この場合、導体１７および１９の供給が種々の接線角αで行われるという事情に基づいて、場合によっては互いに種々の接続を用いることができる。また、アンテナ軸線１２の周りを周回する周回端部が同じ接線角αである場合、４つのすべての導体１７，１９を互いに短絡させることも可能である。
【００４２】
後者の場合は導体１７，１９を有する両方の導体群は、ずれ角βで周期的にアンテナ軸線１２の周りを周回する複数の導体１７、１９ともみなされる。ずれ角βは、ずれ角βと導体１７，１９の数（この場合４個）および導体１７，１９の周期の数（この場合２回）との積が３６０°となることにより決定されている。従って、図５によるずれ角βは４５°である。導体１７，１９に入力されるないしは導体１７，１９から出力される電流は位相がそれぞれ９０°電気的に互いにずれている。
【００４３】
図５による実施例では、導体システム１３の磁界は、アンテナ軸線１２に対して平行な磁界成分をほとんど有しておらず、円偏波を有している。しかし、この磁界は合計４つの導体１７，１９が必要である。
【００４４】
図６による実施例でもやはり円偏波の磁界が発生させられる。しかし、この実施例は３つの導体２１のみを必要とするにすぎない。図６による導体システムは図５の導体システムとほぼ同じである。差異は主として図６ではずれ角βが６０°であり（６０°×周期数２×導体数３＝３６０°）、導体２１に入力されるないしは導体２１から出力される電流の位相が１２０°（３６０°÷導体数３）電気的に互いにずれていることにある。図６による導体システムのその他の構成は図５による導体システムと同じである。図６では、電気的な位相ずれは、図６における個々の電流相が導体２１のフェーザ図に共に記入されることにより示されている。導体２１もアンテナ軸線１２の周りを周回する周回端部で互いに短絡されている。
【００４５】
特に図５および６による実施例では、本発明による結合要素１３により、給電モジュール１４とエンドリング１１およびアンテナロッド１０との良好かつ有効でしかもモード規定された接続が可能である。導体システム１３を相応に形成すると、純粋モード的な入射ないしは出射を達成することも可能である。この場合、結合要素１３とアンテナロッド１０との相互作用だけでなく、結合要素１３とエンドリング１１との相互作用に基づいて、単一のモードとの結合のためには、導体１５，１７，１９，２１の正弦偏位をその最大値範囲内でごくわずか減少させることが必要である。
【００４６】
さらに、例えば、複数の結合要素１３を設け、それらにより励起される磁界の周期数及び／又は回転方向が異なるようにすることも可能である。この場合、相応の入射ないしは出射により１つのどのモードが入射ないしは出射されるか、あるいは複数のどのモードが入射ないしは出射されるかを的確に選定することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】磁気共鳴装置を示す概略図。
【図２】高周波アンテナの斜視図。
【図３】図２の高周波アンテナをアンテナ軸線に沿って見た図。
【図４】導体システムを有する図２の高周波アンテナの展開図。
【図５】導体システムを有する図２の高周波アンテナの展開図。
【図６】導体システムを有する図２の高周波アンテナの展開図。
【符号の説明】
１ 検査スペース
２ 患者寝台板
３ 人間、患者、検査対象物
４ 基本磁石
５ 勾配磁石システム
６ 全身コイル、高周波アンテナ
７ 局部コイル、高周波アンテナ
８ 遮蔽磁石
９ 制御・評価ユニット
１０ アンテナロッド
１１ エンドリング
１２ アンテナ軸線
１３ 結合要素
１４ 給電モジュール
１５，１７，１９，２１ 導体
１６ 中央面
１８，２０ ウインドウ
ａ，ｂ 距離
Ｃ，Ｃ´コンデンサ
Ｍ 最大値
ｍ 最小値
Ｖ ずれ
α 接線角
β ずれ角

Claims (11)

1. ２つのエンドリング（１１）および複数のアンテナロッド（１０）を備え、エンドリング（１１）がアンテナ軸線（１２）に対して同心的にかつ軸線方向に互いに向かい合ってずらされて配置され、アンテナロッド（１０）がアンテナ軸線（１２）の周りに配置されエンドリング（１１）を互いに結合し、結合要素（１３）により、送信時に高周波の電磁エネルギーがエンドリング（１１）およびアンテナロッド（１０）に入射し、受信時にそのエンドリング（１１）およびアンテナロッド（１０）から出射し、
   結合要素（１３）が、アンテナ軸線（１２）をアンテナロッド（１０）の領域で接線方向に取り囲む導体システム（１３）として形成され、送信時にこの導体システム（１３）へ給電モジュール（１４）から高周波電流が入力され、受信時にこの導体システム（１３）から高周波電流が出力され、この導体システム（１３）がエンドリング（１１）およびアンテナロッド（１０）に誘導結合され、
   導体システム（１３）がアンテナ軸線（１２）の周りを周回する少なくとも１つの導体（１５，１７，１９，２１）を有し、この導体（１５）がエンドリング（１１）の１つから、接線角（α）により変化する距離（ａ）を有することを特徴とする磁気共鳴装置用の高周波アンテナ。
2. アンテナロッド（１０）がアンテナ軸線（１２）に対して平行に延びていることを特徴とする請求項１記載の高周波アンテナ。
3. 導体システム（１３）が２つの導体（１７）を備えた基本導体群を有し、２つの導体（１７）がアンテナ軸線（１２）の周りを周回し、交差接線角（α）で交差し、その間に導体（１７）が偶数のウインドウ（１８）を形成するような相互距離（ｂ）を有し、送信時には位相が１８０°電気的にずれた電流が導体（１７）に入力されないしは受信時には位相が１８０°電気的にずれた電流が導体（１７）から出力されることを特徴とする請求項１又は２記載の高周波アンテナ。
4. 導体システム（１３）が補助導体群を有し、補助導体群が基本導体群と同様に形成され、そのウインドウ（２０）が基本導体群のウインドウに対して交互に設置され、送信時には位相が１８０°電気的にずれた電流が補助導体群の導体（１９）に入力されないしは受信時には位相が１８０°電気的にずれた電流がその導体（１９）から出力され、補助導体群の導体（１９）に流れる電流の位相が基本導体群の導体（１７）に流れる電流の位相に対して９０°電気的にずれていることを特徴とする請求項３記載の高周波アンテナ。
5. 導体システム（１３）が複数の導体（２１）を有し、これらの導体（２１）がずれ角（β）で周期的にアンテナ軸線（１２）の周りを周回し、ずれ角（β）と導体（２１）の数および導体（２１）の周期の数との積が３６０°となり、送信時には位相が位相角だけ電気的にずれた電流が導体（２１）に入力されないしは受信時には位相が位相角だけ電気的にずれた電流が導体（２１）から出力され、位相角と導体（２１）の数との積が電気的に３６０°となることを特徴とする請求項１又は２記載の高周波アンテナ。
6. 導体（２１）の数が少なくとも３個であることを特徴とする請求項５記載の高周波アンテナ。
7. 導体（１７，１９，２１）がアンテナ軸線（１２）の周りを周回する周回端部で互いに短絡されていることを特徴とする請求項３乃至６の１つに記載の高周波アンテナ。
8. １つの導体（１５）ないしは複数の導体（１７，１９，２１）がアンテナ軸線（１２）をエンドリング（１１）間の中央で垂直に切断している中央面（１６）に対して対称的に配置されていることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の高周波アンテナ。
9. １つの導体（１５）ないしは複数の導体（１７，１９，２１）に短絡コンデンサ（Ｃ´）が配置されていることを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載の高周波アンテナ。
10. １つの距離（ａ，ｂ）ないしは複数の距離（ａ）がほぼ正弦状に接線角（α）に依存することを特徴とする請求項１乃至９の１つに記載の高周波アンテナ。
11. １つの距離（ａ，ｂ）ないしは複数の距離（ａ）が最大値（Ｍ）および最小値（ｍ）をとり、最大値（Ｍ）と最小値（ｍ）との差がエンドリング（１１）のずれ（Ｖ）の少なくとも３０％であることを特徴とする請求項１乃至１０の１つに記載の高周波アンテナ。

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