JP4365112B2 - Nmr共振器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はNMR(核磁気共鳴)共振器に関し、特に、z軸の方向に均一な磁場B0を生成する手段を有するNMR装置の、座標原点(x,y,z=0)を中心に配置された研究容積内の測定サンプルへ及び/又は測定サンプルから1つ以上の所望の共振周波数でRF(無線周波数)信号を放出し、且つ/又は受信する少なくとも1つのRF共振器を有するNMR共振器であって、誘導的に作用し且つ部分的には容量的にも作用する該RF共振器の常伝導構造が、z=−|z1|とz=+|z2|との間で測定サンプルから所定の半径方向(x,y)間隔にあってz方向に平行移動不変な(=z不変な)表面上に実質的に配置されていることを特徴とするNMR共振器に関する。
【0002】
【従来の技術】
このタイプの装置は特許文献1から公知である。
【0003】
本発明は、高分解能核磁気共鳴(NMR)の分野に関し、特に、NMR測定サンプルからのNMR信号を受信する常伝導共振器の構成に関する。
【0004】
常伝導共振器の大きな問題点の1つは、その透磁率、すなわち導体の反磁性と常磁性、が測定容積内の静磁場の均一性を大きく損なってNMRスペクトルの分解能を低下させる可能性があるということである。これを防ぐために、導体は、一般に反磁性と常磁性が異なるいくつかの材料成分から構成され、個々の材料成分の質量比率は、導体の全体としての透磁率が可能な限り正確にゼロになるように選ばれる。
【0005】
このような対策を講じても、全体としての透磁率をゼロに補償する際の許容公差によって生ずる残留透磁率があるのが普通である。銅導体はその一例である。銅は、反磁性が強く、常磁性材料を部分的に加えることによって、その透磁率の値を銅の値の約1%になるまで補償できる。
【0006】
【特許文献1】
独国特許発明第34 14 559 A1号明細書
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、製造時にこのような精密な補償は達成困難であり、一般に不良率を増加させることになる。このため、補償の誤差が大きい場合にも満足できる結果を与えるような方法を見出すことが望ましい。
【0008】
本発明の根底にある目的は、実際のRF共振器との結合から最適に切り離され、導体の透磁率によって生ずる擾乱的な影響を最適に補償することができる付加的導体構造を有する新しいタイプの常伝導NMR共振器を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、本発明に従って、上記の特徴を備えた次のようなNMR共振器において達成される。すなわち、付加的補償装置は、少なくともz<−|z1|−0.5|r|及びz>+|z2|+0.5|r|(ここで、|r|は測定サンプルから補償装置までの最小間隔である)という値まで延伸するz方向に平行移動不変な(z不変な)表面上に設けられ、RF共振器からほぼRF分離された別の導体構造を含み、補償装置及びRF共振器の導体構造は、該z不変な表面上に配置され、それぞれが補償装置及びRF共振器の導体構造のz方向の全長にわたって延伸する導体構造を含む個々の表面セクション(「Z構造」)から成り、その導体構造は、Z構造の区域を複数の小さな、等しいサイズの表面エレメントに適当に概念的に分解したとき、z位置だけが異なる全ての表面エレメントにほぼ同一の質量の常伝導物質が存在するように配置されているNMR共振器によって上記目的は達成される。
【0010】
本発明の共振器においては、無線周波数(RF)電流が流れることによってRF共振器を構成する個々の常伝導導体部分が、RF電流が流れないようにRF共振器から可能な限りRF分離された、RF共振器内部に準連続的に配置され、且つz方向にそれを超えて延伸する付加的な常伝導導体部分によって補われる。図13は、この原理に従って構築された装置を示し、RF共振器は斜線のハッチングで示され、活性測定領域におけるB0磁場を均一化する役目だけをしている付加的導体部分は黒で示されている。明らかに、導電物質は、z軸と平行に向いた3つの垂直構造表面の各々の内部でかなり均一に分布して、導体物質の透磁率によって生ずる双極子モーメントの一様な分布を実現している。これによって、測定容積における擾乱磁場がほぼ消滅して、NMRスペクトルにはもはや著しい影響は生じない。
【0011】
以下の記述において、NMR共振器、RF受信コイル装置、及びRF共振器という用語の意味は似ているので、明確に区別できるように以下にはっきりと定義する。
【0012】
NMR共振器とは、共振器装置の全体を表す。それは、1つ以上、好ましくは2つ又は4つの受信コイル装置が測定容積のまわりに配置されて構成され、それらが互いにRF結合(RFエネルギーが全てのRF受信コイル装置間でやりとり可能となるように、RF受信コイル装置が設計・配置されていること)していることもある。 RF受信コイル装置自体はRF共振器と補償装置とから成り、RF共振器は、実質的にRF受信コイル装置のうちでRF電流が流れる部分になっている。
【0013】
本発明のRF受信コイル装置を構成し分析するためには、それらの導体構造全体を、各表面が一列の同一な小さな表面エレメントから形成され、z軸と平行なストリップ状の表面に概念的に分割することが有益である。透磁率の影響を効果的に補償できるようにするためには、個々のストリップの各表面エレメント内部に、同一の量の磁気双極子モーメントを設けるように、すなわち同一の量の導体物質を設けるようにしなければならない。
【0014】
導体構造のエレメントが小さいほど、RF受信コイル装置の全表面を同一の小さな表面エレメントを有するストリップにより細かく分割することができる。表面エレメントの最小寸法は、構造エレメントの最小寸法よりも小さくなってはならない。何故なら、そうでないと、個々の表面エレメントが導体物質を全く含むことができなくなり、もって表面エレメント当たりの双極子モーメントが同一であるという条件に反するからである。個々の表面エレメントの導体物質の磁気双極子モーメントによって生ずる活性測定領域における擾乱磁場のうねりを小さくするためには、できるだけ細かい表面分割が必要である。表面エレメントの総数が50より大きい場合、好ましくは200よりも大きい場合、十分に細かい分割が得られる。
【0015】
この分割の最も重要な側面は、z位置に関してのみ異なる、すなわちz軸と平行に向いたストリップに配置される同一な表面エレメントの数である。この数は20よりも大きく、好ましくは50よりも大きくすべきである。
【0016】
本発明のRF受信コイル装置のある特に好ましい実施の形態では、補償装置の導体構造が、z方向で、RF共振器の両側から、RF共振器の全長の少なくとも半分、好ましくは約2倍突出している。これによって、活性測定領域における擾乱的な影響の主な原因となっている補償装置のエッジ領域が活性測定領域から空間的に遠くに移されて、その場所に著しい影響を及ぼすことがなくなる。
【0017】
NMR共振器は通常、充填因子を最適にするためにいくつかのRF受信コイル装置で構成される。したがって。本発明のある有利な実施の形態では、NMR共振器が、いくつか、好ましくは2つ又は4つの結合したRF受信コイル装置をz不変な表面の異なる部分領域に含む。
【0018】
幾何形状及び生産の点で特に簡単な本発明のある実施の形態では、誘導的に作用し且つ部分的には容量的にも作用するRF共振器の導体構造、及び補償装置の導体構造が、両方共、互いにそしてz軸と平行に向いた平面的な基板エレメントに配置されている。
【0019】
誘導的に作用し且つ部分的には容量的にも作用するRF共振器の導体構造及び補償装置の導体構造が、互いに同心的でありz軸と平行に配置された円筒状基板エレメントに配置される場合、特に良い充填因子が得られる。
【0020】
本発明のRF受信コイル装置のある実施の形態では、誘導的に作用し且つ部分的には容量的にも作用するRF共振器の導体構造及び関連する補償装置の導体構造が同じ平面内又は同じ円筒面上に配置され、生産するのが特に簡単である。
【0021】
別の実施の形態は、RF共振器及び関連する補償装置の導体構造が、2つ以上の互いに平行な又は互いに同心的な平坦又は円筒状部分表面に配置され、第1の部分表面は、誘導的に作用し且つ部分的には容量的にも作用するRF共振器の導体構造及び補償装置の導体構造の一部を含み、該補償装置の導体構造の残りの部分は、他の部分表面に配置されることを特徴とする。多少複雑なこの配置が物理的な自由度をさらに生み出し、それが導体構造の透磁率によって生ずる擾乱的な影響を非常に精密に補償することを可能にする。
【0022】
この実施の形態の別の発展例では、部分表面の間隔が、部分表面に直角な方向で測って600μm以下であり、好ましくは50から200μmまでの間である。これらの間隔は、透磁率の影響の補償における誤差を最小にするためにできるだけ小さく抑えなければならない。
【0023】
本発明のある簡単な実施の形態は特に好ましいものであり、補償装置及びRF共振器の導体構造がz不変な表面の同じ部分表面に配置されている。簡単な構造を特徴とする複数の別の実施の形態をこの実施の形態から導くことができる。
【0024】
本発明の別の特に好ましい非常に簡単な実施の形態では、導体構造セクションの少なくとも一部がz軸と平行又は直角であるストリップのように配置される。この実施の形態は単純な幾何形状を有し、いろいろなz構造の生産の出発点として役立つ。
【0025】
変型オプションを増やすある実施の形態では、z不変な表面上の導体構造が異なる幾何形状を有し、その形状が、例えばいろいろな方向及び幅のストリップ形や正方形、円形、台形等である。これは全体の幾何形状の設計におけるフレキシビリティーを高めて、誤差の補償をさらに最適化する。
【0026】
本発明のRF受信コイル装置で単独に又は多重で用いることができる非常に有用なZ構造は、z方向に狭い間隔で周期的に且つ連続的に配置される同一の細い導体から成り、隣接する導体の間隔は研究容積からの最小間隔|r|に比べて小さい。
【0027】
本発明のRF受信コイル装置で単独に又は多重で用いることができる別の非常に有用なZ構造は、z軸と平行に向いた、相互間隔が同一又は異なる個別導体から成る。
【0028】
本発明のRF受信コイル装置のある実施の形態では、RF共振器に属さない導体構造がいくつかの狭い中断部を含み、それらは個別導体セクションの一部又は全長にわたって分布する。導体構造に通常生ずる電流が該中断部によって小さくなるか又は抑制されるので、これによってRF共振器と補償装置との間のRF分離がかなり改善される。
【0029】
本発明の別の実施の形態では、RF共振器がZ構造の所望の領域から、導体又はその一部をZ構造の小さな表面エレメントの内部で回転若しくは移動させることによって生成され、且つ/又は導体の間の狭い間隔が導電的に結合され、且つ/又は導体に狭い中断部が設けられ、且つ/又は傾斜したZ構造が用いられ、且つ/又はZ構造が2つ以上の部分表面に分布される。
【0030】
比較的単純な幾何構造を有する非常に具体的な好ましい実施の形態は、RF受信コイル装置が3つのZ構造、すなわち左と右の2つの垂直なストリップと、中央の真っ直ぐな水平のストリップとから構成されることを特徴とする。
【0031】
非常に正確な補償を与え多くの変形例を可能にする本発明の別の実施の形態では、RF受信コイル装置全体が2つの平面に配置され、3つのZ構造、すなわちz軸と平行に互いに一定の間隔で配置されたストリップによる第1及び第2の構造と、z方向で周期的でz軸と直角なストリップによる第3の構造とから構成され、該第3のZ構造が最初の2つの構造の上に位置してそれらを正確に覆い、3つのZ構造が部分的に分解されて1つ又は2つの基板に属する2つの別々の部分表面に分配されるという形でRF共振器と補償構造が生成され、第1の部分表面がRF共振器全体と補償構造の主な部分を含み、且つ第2の部分表面が補償構造の残りの部分を含むように生成された構造が2つの部分表面上に互いに重なるように位置して、それらの構造の総和が元の3つのZ構造の総和と再び等しくなって効果的なNMR共振器が生成される。
【0032】
その他の利点は図面と以下の記述から明らかになる。上述の特徴及び以下で述べる特徴は、本発明に従って、単独でも、又は任意の組み合わせによっても利用できる。図示され説明される実施の形態は、全てを列挙したものと解すべきではなく、本発明を説明するための例示的な性格のものと理解すべきである。
【0033】
以下、本発明を図面で示し、実施の形態によってさらに詳しく説明する。
【0034】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態の機能について以下でさらに詳しく説明する。
【0035】
導電物質のストリップは、一般に、物質内の磁気双極子によって生ずる有限の透磁率を有する。これらの双極子は、物質がおかれる静磁場B0で分極して周囲の磁場を歪ませNMRスペクトルの質も低下させる。NMRスペクトルは、活性測定容積内のB0磁場と平行に向いた磁場成分の影響しか受けない。B0磁場と直角に向いたx成分とy成分は無視できる。
【0036】
物質がほぼ等しい質量比率の常磁性部分と反磁性部分から構成されている場合も透磁率は存在するが、この場合、合成された透磁率は非常に小さく、例えば銅の透磁率の1〜数パーセントになるであろうが、依然として高分解能NMRスペクトルに悪影響を及ぼすに十分な大きさである。
【0037】
したがって、本発明の根底にある目的は、用いられる物質の透磁率が適当な常磁性及び反磁性物質部分によって精密に又は全く補償されない場合も含めて、透磁率の影響をさらに減少させることができる新しい方法を提供することである。この新しい方法は、物質の透磁率に直接影響を及ぼすものではなく(これは変化しないままである)、適当なNMR共振器の幾何的な構成によって物質の透磁率がNMRスペクトルに及ぼす影響をかなり減少させるものである。
【0038】
導体のストリップが正確にB0磁場と平行に向いているならば、内部の磁気双極子は全てストリップの長手軸と平行に向く。これらの磁気双極子の影響全体は、複数の正又は負の磁気モノポールによって表すことができ(図5)、それらは専らストリップの一端又は他端に位置し、これらの両端の領域でのみ顕著になる擾乱磁場ΔBを生ずる。ストリップの両端が互いに大きな間隔にある場合、すなわち活性測定容積とストリップの両端との間の最小距離が、活性測定容積の中心とストリップとの間の間隔sに比べて大きい場合、活性測定容積の領域には擾乱成分は実際上何もない((ΔBz)1を見よ)。
【0039】
導体のストリップが正確にB0磁場と平行に向いていない場合、ストリップの表面と平行に向いている磁気双極子の他に、表面と直角に向いた磁気双極子も発生する。B0磁場に対するストリップの傾きの角度は小さいので、後者は前者に比べて、その影響が何桁も小さく無視できる。このため、導体のストリップは、正確にB0磁場と平行に向いていると共に、ストリップの表面と平行に向いた磁気双極子だけを含むと想定することができる。
【0040】
本発明に導いた主要な所見は5つあり、それらは以下の順で用いられる。
【0041】
1. 静磁場B0と平行な擾乱成分だけを考慮に入れなければならない。
【0042】
NMR分光学では、共振周波数は測定サンプルの場所における磁場の絶対値に依存する。この絶対値は、強い静磁場B0と、ずっと弱い3つの擾乱成分ΔBx,ΔBy,ΔBzとのベクトル和で構成される。2つの擾乱成分ΔBx,ΔByはB0磁場と直角なので、B0磁場と平行に向いた成分ΔBzに比べて該絶対値には無視できるほど小さな影響しか及ぼさない。このため、NMR観測では、擾乱磁場のBz成分だけを考慮すれば十分である。
【0043】
2. 静磁場B0と平行な導体ストリップはその両端でのみBz成分を生ずる。
【0044】
長手軸がB0磁場に平行に向いた透磁率がχLの薄い導体ストリップ(図5)は、全てB0磁場に平行に、したがってまたストリップの表面とも平行に向いた内部磁気双極子を有する。これは各端に磁気モノポールを生じ、この2つの端の領域で不均一な磁場を、したがってまた不均一なBz成分を生ずる。もしもこの2つの端が互いに大きな間隔を有する場合、すなわちストリップの2つの端からの活性測定容積の最小間隔が活性測定容積の中心とストリップとの間隔sに比べて大きい場合、活性測定容積の領域には不均一な磁場は実際上何も生ぜず、したがって、NMRスペクトルに実際上何も影響はない。
【0045】
3. 静磁場B0と直角又は斜めに向いた導体のストリップで、B0磁場の方向の長い距離にわたって周期的又は連続的に繰り返すストリップは、巨視的にはz方向に均一な構造を形成し、z方向におけるその2つの端でのみ顕著なBz成分を生ずる。
【0046】
透磁率がχL、長さがc、幅がdの導体ストリップで、dが活性測定容積とストリップとの最小間隔に比べて小さく、B0磁場に対して長手軸が直角で、且つ横方向軸が平行であるストリップは全てB0磁場に平行に、したがってまたストリップの表面とも平行に向いた内部磁気双極子を有する。これにより、長手方向の両エッジで磁気モノポールを生じ、この2つの長手方向両エッジの領域で不均一な磁場を、したがってまた不均一なBz成分を生ずる。2つの長手方向のエッジは互いに近いので、強い不均一なBz成分が活性測定容積の領域にも発生する(=図6の(ΔBz)1)。
【0047】
複数のこのようなストリップをz方向に一様に順次密接に配置すると(図7)、z方向に周期的に連続するストリップ構造が得られ、その中心領域、すなわち活性測定容積の領域には実際上何もBz成分は生じない。その理由は、このストリップ構造の両端にある2つの導体ストリップの最も外側の長手方向のエッジだけが補償されない磁気モノポールを有するということにある。ストリップ構造の中の他の長手方向のエッジも全てモノポールを有するが、それらはある条件が満たされれば互いに打ち消し合う。
【0048】
図7は、z軸と平行な平面上に次々と等しい間隔で重ねられた11のこのようなストリップから成るストリップ構造を示す。生ずるBz磁場は(ΔBz)totの曲線で示されている。ストリップの間隔hがストリップ構造と活性測定容積の中心との間の間隔sに比べて小さく(図7では説明のためにこの条件は満たされなかった)z方向のストリップ構造の長さkが間隔sに比べて大きければ、個々のストリップによって生ずるBzの不均一性は互いに補償し、活性測定容積の領域では実質的に打ち消されて、その場所にはシム・システムによって容易に補償することができるごく小さな2次のグラジエントしかない非常に均一な容積が生じる。Bzの不均一性が高いのは、ストリップ構造の上下の端だけである。
【0049】
ストリップの間隔hが活性測定容積の中心とストリップ構造との間隔sに比べて小さくない場合、ストリップ構造の周期性は活性測定容積の領域にうねりを有するBz成分を生ずる可能性があり、それはもはやシム・システムでは補償することができず、したがって、NMRスペクトルを過度に歪ませることになる。
【0050】
この所見は、z軸に対して直角に向いたストリップ(図7)だけでなく、z軸に対して傾いたストリップにも、z方向に周期的な他のどんな構造にもあてはまる。
【0051】
4. 小さな表面エレメントの内部で導体部分を回転又は移動させても、それらが生ずる磁場は活性測定領域の場所ではほとんど変化しない。
【0052】
支持表面上に形成された透磁率χLのどんな導体構造も、一辺の長さが活性測定領域の中心からの間隔に比べて小さい、等しい小さな正方形の表面エレメントのネットワークに分割することができる。
【0053】
個々の表面エレメントの導体は、B0磁場と平行に向いた多数の微視的に小さな磁気双極子を含んでいる。これらの磁気双極子は、活性測定領域の中心からの間隔に比べて小さな表面エレメント内にあるので、それらを合体させて表面エレメントの中心にある単一の代用的な双極子に代えることができ、活性測定領域の場所における磁場に及ぼす影響は変わらない。
【0054】
個々の表面エレメントの導体を回転させ移動させても、その幾何形状を変化させても、活性測定領域の磁場に変化が生じないようにできる。唯一の条件は、表面エレメント内の導体の質量が、したがって微視的に小さな磁気双極子の数が同じままであるということである。
【0055】
5. 導体のストリップにある個々の狭い中断部の影響は無視できる。
【0056】
導体のストリップにある個々の中断部は、活性測定領域におけるBzの均一性に何も認められるほどの影響を及ぼさない。中断部は、逆向きに分極した磁気双極子を有する体積領域が重なったものとみなすことができる。中断部の体積は一般に非常に小さいので、その代用的な双極子も非常に小さく活性測定領域における磁場への影響は無視できる。
【0057】
幅が一定で、長さが活性測定領域に比べて大きく、長手軸がB0磁場と平行に向いており、導体部分の分布がz方向に巨視的に均一である導体構造は、導体構造の上下の端でのみBz成分を生じ、測定サンプルがある中央領域では実際上何もBz成分を生じないということを上述の所見は示している。この導体構造の両端に生ずる磁場が活性測定領域に無視できるほど小さな擾乱磁場しか生じないためには、これらの導体構造は十分に長くなければならない。
【0058】
z方向に巨視的に均一な導体部分の分布は、導体構造全体の表面を一辺の長さが活性測定領域からの最小間隔に比べて小さい同一の正方形の表面エレメントの格子に分割し、z位置だけが異なる全ての表面エレメントが常伝導物質をほぼ同じ質量含むように導体を個々の表面エレメントに分布させることで得られる。これは、例えば、異なる幾何形状、例えば異なる向きと幅で、正方形、円形、台形等のストリップで構成される導体構造を生じ、それらの導体構造は、活性測定領域に擾乱磁場を生じない。そのような導体構造の例は図2及び図3に示されている。
【0059】
上記の導体構造は、同一の狭い導体セクションを互いに近接させてz方向に周期的及び連続的に配置して構成することもできる。活性測定領域で生ずる擾乱磁場のうねりを無視できるほど小さくするためには、導体セクションは互いに十分に近くなければならない。
【0060】
導体構造の中で導体セクションが真っ直ぐに延伸しB0磁場と平行に向き、さらに導体構造のz方向の全長に対して横に延伸する場合、それらは周期的及び連続的な列である必要はなく、z方向に対して横に互いにどんな間隔であってもよい。何故なら、個々の導体セクション自体はいずれも活性測定領域に不均一磁場を生じないからである。
【0061】
上述したこれらの導体構造を「Z構造」と呼ぶ。本発明は、互いに密接に及び/又は互いに重ね合わされて配置されたいくつかのこのようなZ構造に基づいており、所望のRF共振器をこれらの導体構造のいくつかの領域から構成している。これらの導体構造の残りの部分は、RF共振器の透磁率を補償することにのみ寄与し、理想的な場合、何もRF電流が流れない。RF電流はRF共振器にだけ流れるようにすべきなので、RF共振器を他の導体から最適にRF分離しなければならない。
【0062】
Z構造からRF共振器を構成するためには、選択された個々の導体部分を所見4にしたがって表面エレメント内で回転又は移動させ、個々の導体セクションを結合したり切り離したりする。
【0063】
RF共振器に属さないZ構造の残りの部分も所見4にしたがって変改される。例えば、垂直な導体配置を水平な配置に変えてRF共振器とのRF結合を減らす。
【0064】
Z構造に関して、次の2つの重要な点1,2を以下に述べておく。
【0065】
1.Z構造は、1つの平面に配置する必要はなく、zについて不変などんな表面にでも、特に円筒面でも実現することができる。
【0066】
2.Z構造は、zを横切って一定の幅を有しなければならないが、z方向の2つの端はどんな形であってもよく、例えば、斜めの形又は曲線の形であってもよい。これらの端は、活性測定領域から遠く離れているので、測定領域の磁場の均一性には何も影響を及ぼさない。
【0067】
上述の原理は多くの実施の形態を可能にするが、そのうちのほんのいくつかを以下で記述する。以下の実施の形態は全て3つのZ構造のみに基づいている。このうち2つは導体セクションがB0磁場と平行であり、1つはB0磁場と直角であって、それらが測定サンプルからある半径方向(x,y)間隔にあるz不変な表面上に配置されている。これらの表面は、特に平坦面又は円筒面であってよい。
【0068】
第1の実施の形態
本発明の第1の実施の形態では、第1のZ構造がB0磁場と平行なストリップであり、B0磁場と直角なストリップによる第2の構造がそれに直接続き、そのすぐ後にB0磁場と平行なストリップによる第3の構造が続く。図9は、その1例を示し、3つのZ構造が平面に配置され、例えば特許文献2(独国特許発明第101 18 835.8−33号明細書)の図10aのタイプのRF共振器がそれらから生成できるように選ばれている。図9で、RF共振器が作られるZ構造の領域(領域7a)には斜線のハッチングがつけられている。磁場を主に発生する導体は、測定サンプルに最も近い左側のZ構造8aから生成される。上下の横方向の導体は中央の構造9aから生成され、容量的な部分は右側の構造10aから生成される。右側の導体構造10aは容量部分の生成を可能にするように左側の導体構造の2倍も多くの導体を有する。
【0069】
主要な問題は、導体構造8a,10aの斜線部分から生成しなければならないRF共振器の角の生成である(図9)。この問題は、斜線の導体部分のいくつかを所見4によって許されるように関連する表面エレメント内で回転又は移動させることによって解決される。
【0070】
図11(a)は、この問題の解決方法を示している。表面エレメント(A1+A2+A3)、(B1+B2+B3)、又は(C1+C2+C3)を有する3つの導体に基づいて、導体部分S1,S3,S4,S5,S6が表面エレメントA2,B2,C2内でRF共振器の第1の角を生成するように回転及び移動される。第2の角も同様に表面エレメントB3,C3内で生成される。この変換の結果が図11(b)に示されている。
【0071】
上述の指示に従って全ての角を生成するとRF共振器の全体構造が得られる(図12の斜線の表面)。これは図9の斜線の表面と磁気的にほぼ同一であり、したがって活性測定領域に擾乱的なBz成分を何も生じない。
【0072】
図12の導体構造は、RF共振器のRF磁力線が密接に隣接する水平なストリップの補償構造を貫通しなければならず、RF磁力線の通過のために小さな間隙しか設けられていないため強い抵抗を受けるという欠点を有する。特に、RF共振器で囲まれている領域7aの水平なストリップは最も高密度の磁力線を通過させることができなければならず、最大の障害になる。
【0073】
第2の実施の形態
第1の実施の形態の欠点を最小にするために、本発明の第2の実施の形態では、図9の中央の導体構造9aが図10の「もっと透明な」導体構造9bに置き換えられている。上述の変換を実行すると図13の構造が生成される。これにより、RF磁力線に対して実質的に「もっと透明」であり、したがってRF性能が良くなっている。
【0074】
第3の実施の形態
RF受信コイル装置のZ構造を単一の平面でなく2つの密接に隣接する表面に分布させるともっといろいろな変形例が可能になる。単一の表面では導体の交差や重なりが生ずる導体構造も、追加の表面によって構成することができる。2つの相補的な表面の間隔が活性測定領域の中心からのこれらの表面の間隔に比べて小さい場合、導体の透磁率の補償に関する全ての考察は、2つの表面が単一の共通な表面に融合しているという想定で行うことができる。
【0075】
2つの表面を、例えば薄い電気的に絶縁性のシートによって互いに隔離したり、又は2つの表面の一方が置かれる電気的に絶縁性の支持エレメントの1つがその絶縁シートの機能を果たしたりすることもできる。
【0076】
なお、2つの表面は共通のz不変な表面の部分とみなすこともできる。
【0077】
第3の実施の形態の1例として、特許文献2の図10aのタイプのNMR共振器を構成する。これも3つのZ構造、すなわち導体エレメントがB0磁場に平行な2つの構造(図15(a))と、導体エレメントがB0磁場に直角な第3の構造(図15(b))とに基づいている。図15(a),(b)の2つの導体構造は別々に示されているが、それらは導体エレメントが交差し重なるように互いに正確に積み重なって配置されている。
【0078】
次の目的は、上述の導体エレメントを、全ての交差や重なりが消失するように2つの表面に分配してRF共振器の機能を与えることである。
【0079】
RF共振器の主に磁場を発生する部分は、図15(a)の左側の、測定サンプルに最も近く位置する第1のZ構造から取り出される。容量的な部分は図15(a)の右側の第2の構造から取り出される。この第2のZ構造は、RF共振器の容量部分を実現するために第1のZ構造より2倍も多くの導体を有している。
【0080】
RF共振器の横方向の結合は第3のZ構造から得られる(図15(b))。このZ構造の幅LBは図15(a)の2つのZ構造の幅LAに等しい、すなわち3つのZ構造は互いに正確に重なり合う。
【0081】
図16(a),(b)は2つの表面へのこれら3つのZ構造の分配を示す。第1の表面(図16(a))は、RF共振器全体と、導体の透磁率を補償するための導体構造の主要部分とを含む。第2の表面(図16(b))は、残留透磁率を補償するための他の導体構造を含む。なお、導体構造は2つの表面で何も交差も重なりも生じない。図16(a),(b)の2つを合体した導体構造は、2つの表面の間の有限な間隔による無視できるほどのエラーを除いて、図15(a),(b)の2つを合体した導体構造と実際上同一である。元の導体構造(図15(a),(b))は活性測定領域に何もBz成分を発生しないが、これは2つの表面上での新しい導体構造(図16(a),(b))にもあてはまる。
【0082】
この第3の実施の形態は、RF受信コイル装置のための新しい導体構造を設計するためのより大きな可能性を提供するという利点がある。欠点としては、2つの個別支持エレメント又は両側がコーティングされた1つの支持エレメントが必要になること、又はそれらの構造を正確に重なるように位置させなければならないことがある。
【0083】
公知の共振器の改良
上で述べた全ての所見は、また、公知の共振器の擾乱挙動を改善するために利用できる。図4(c)は、このような公知のNMR共振器を示し、これは互いにかみ合って容量的に結合した個々のフィンガーから成り、全体としてはいわゆる鳥篭型共振器を表している。この共振器の上下の領域は、かみ合っているフィンガーの領域よりも表面エレメント当たりの質量が大きいことがはっきりと示されている。改善のためには次の2つの方法1,2がある。
【0084】
1.z方向の共振器の寸法を拡げて、共振器の上下のエッジを活性測定容積から遠くに移動させる。この2つのエッジには補償することができない磁気モノポールが生成される。その擾乱的作用を最小にするためには、それらを活性測定容積から最大に隔離しなければならない。
【0085】
2.共振器の上下の領域における高い質量集中を減らすために、これらの領域に孔を設ける。孔はどんな形であってもよく、例えば、正方形や円形であってもよいが、共振器全体においてz位置だけが異なる全ての表面エレメントがほぼ同一の導体質量を有するように分配しなければならない。さらに、孔をあけた領域はz軸と平行にも直角にも電流を流すことができなければならない。
【0086】
これら2つの方法によって、導体の透磁率によって生ずる擾乱的な影響は大きく減少する。図4(a)は、この方法にしたがって改変された共振器を示しており、図4(c)の公知の共振器に比べて擾乱的な影響がずっと小さくなっている。
【0087】
同じ考察は、斜めのフィンガーが円筒面に角度範囲2πにわたってらせん状に巻き付けられている共振器にもあてはまる。図4(d)は未調整の共振器を示し、図4(b)は調整済みの補正された共振器を示す。このタイプの共振器は、互いに同心的に位置するときには実際上互いにRF結合しないという利点がある。
【0088】
RF受信コイル装置をZ構造の所望の領域から構成する全ての手順1〜4を以下にまとめておく。以下の手順は本発明に従って、単独でも、グループででも、又は同時に全てでも適用できる。
【0089】
1.小さな表面エレメントの内部での回転と移動
2.隣接導体間の小さなギャップの架橋
3.導体に小さな中断部を設けること
4.Z構造を分解して、2つの基板に、どの基板上でも交差や重なりが生じないように再分配すること。
【0090】
補償装置の導体には、さらにRF共振器とのRF結合を最小にするために狭い中断部を設けることができる。このような中断部が第2の実施の形態(図13)に対して図14に示されている。これは他の全ての実施の形態でも実現できる。
【0091】
特許文献1はさらに、NMR共振器の透磁率によるNMRスペクトルへの擾乱的影響を少なくとも部分的に減少する装置を開示している。この装置は、活性測定容積全体の内部ではないが、その領域のz軸に沿ってのみ磁場擾乱を排除する。本発明は実質的に2段階で進み、ある直線上だけでなく、ある表面上だけでなく、活性測定領域の全容積の内部で磁場擾乱を補償する。この驚くべき結果は、従来技術からただちに導かれるものではなく、全く新しい道筋に沿って見出され開発されなければならなかった。
【0092】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、実際のRF共振器との結合から最適に切り離され、導体の透磁率によって生ずる擾乱的な影響を最適に補償することができる付加的導体構造を有する新しいタイプの常伝導NMR共振器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のNMR共振器のある実施の形態を示す図であって、導体構造はある円筒面上に配置されている。なお、補償構造とRF共振器の構造との間のRF分離を高める補償構造における通常の電気的な中断部は図示されていない。
【図2】図1のNMR共振器を平面に開いた図である。なお、図1で言及した電気的な中断部がこの図にははっきりと示されている。
【図3】真っ直ぐな導体の代わりにドット導体を用いた別の可能な補償構造を示す図である。なお、導体の透磁率の最適な補償を実現するためにはz位置だけが異なるドット導体及び水平導体の表面エレメント当たりの質量部分は表面エレメントに沿って等しくなければならない。
【図4】(a)は、共振器が個々の互いに係合するフィンガーから成り、それらが相互に容量的に結合されて全体でいわゆる鳥篭型共振器を構成するNMR共振器を示す図である。なお、個々のフィンガーはz軸と平行に、すなわちB0磁場と平行に配置される。補償構造はフィンガー構造の上下に配置される。それらは、複数の四角の孔を設けることで生成され、電流はz軸と平行にも直角方向にも流れることができる。(b)は、(a)に対応している図であるが、傾斜したフィンガーがらせん状に円筒面に角度範囲2πにわたって巻かれている。この配置は、いくつかの互いに同心的な配置では、個々の配置の間のRF結合が実際上なくなるという利点がある。(c)は、(a)に対応している図であるが、補償構造がない。この配置は従来技術に相当する。(d)は、(b)に対応している図であるが、補償構造がない。この配置は従来技術に相当する。
【図5】長手軸がB0と平行な反磁性導体のストリップによって生成される磁場ΔBを示す図である。なお、磁場ΔBのz成分(ΔBz)1は活性測定容積1で実際上ゼロであり、ストリップの上下のエッジでのみ発生する。
【図6】長手軸がB0と直角な反磁性導体のストリップによって生成される磁場ΔBを示す図である。なお、活性測定容積1の領域で磁場ΔBのz成分(ΔBz)1はきわめて不均一である。
【図7】B0と平行な平面上に、一様に互いに重なるように配置された色々な導体ストリップ4a,4b,4cから4kまでから成る装置を示す図である。なお、個々のストリップのBz成分(ΔBz)1は重畳して磁場(ΔBz)totを生ずる。活性測定容積1の領域では、(ΔBz)totは実際上ゼロであり、非常に小さなBz成分しか持たず、室温のシム・システムによって容易に補償できる。強いBz成分はストリップの上下の端の領域にのみ、すなわち活性測定容積には実際上何も影響がない領域にのみ発生する。
【図8】(a)は、B0磁場と平行及び直角に向いたストリップから構成される導体構造を示す図である。なお、ストリップは、同じ量の導体物質が各表面エレメントに存在するように分布している。したがって、擾乱磁場は導体構造全体の上下のエッジにしか発生しない。(b)は、B0磁場と平行に向いたストリップと円形導体ドットから構成される導体構造を示す図である。なお、ストリップと導体ドットとは各表面エレメントに同じ量の導体物質が存在するように分布している。このために、擾乱磁場は導体構造全体の上下のエッジにしか発生しない。
【図9】一定の幅を有し、z方向に強く延伸し、ストリップがB0磁場と平行な2つと、ストリップがB0磁場と直角に向いている中央のものと、すなわち3つの部分構造から成る導体構造を示す図である。なお、RF共振器は、斜線の領域7aから設計できる。残りの領域はRF共振器の透磁率の影響を補償するために必要である。
【図10】図9と同様な導体構造であるが、中央の部分構造のストリップにおける互いの間隔がもっと大きい点が異なり、この部分構造のRF透明性が高まっている導体構造を示す図である。
【図11】(a)は、図9の部分構造8aの斜線部の上端の断面を示す図である。なお、この図は、RF共振器の角を構成するために、例えば導体構造の表面部分S1,S3,S4,S5,S6を関連する表面エレメントA2,B2,又はC2の内部でどのように移動又は回転させなければならないかを示している。(b)は、(a)に示されているようないくつかの表面部分の移動と回転の後で得られる導体構造を示す図である。
【図12】図9の斜線部の構造から図11(a)の変換プロセスを用いて生成された本発明の共振器の第1の実施の形態を示す図である。なお、RF電流が流れる領域7aが斜線部で示されている。全体の導体構造は活性測定容積に実際上何も擾乱磁場を生じない。
【図13】図10の斜線部の構造から図11(a)の変換プロセスを用いて生成された本発明の共振器の第2の実施の形態を示す図である。なお、RF電流が流れる領域7bが斜線部で示されている。全体の導体構造は活性測定容積に実際上何も擾乱磁場を生じない。
【図14】図13の本発明の共振器の第2の実施の形態を再び示す図であるが、補償構造の導体が細分されている点が図13と異なる図である。なお、細分によってRF共振器と補償構造との間のRF結合を大きく減少させることができるということである。
【図15】(a)は、本発明の共振器の第3の実施の形態の一部を構成する、導体がz軸と平行に向いている2つの導体構造を示す図である。(b)は、本発明の共振器の第3の実施の形態の一部を構成する、導体がz軸と直角に向いている導体構造を示す図である。
【図16】(a)は、本発明の共振器の第3の実施の形態における2つの表面のうち第1の表面上の導体構造を示す図である。なお、この基板はRF共振器7dと補償装置の主な部分とを含む。(b)は、本発明の共振器の第3の実施の形態における2つの表面のうち第2の表面上の導体構造を示す図である。なお、この導体構造は、補償装置の残りの部分を実現している。いろいろな導体が互いに交わるか重なるために、これを第1の表面には取り付けることができない。
【符号の説明】
1 活性測定容積
2 長手軸がB0磁場と平行に向いた長い平坦導体(ストリップ)
3 ストリップ2の内部の磁気双極子
4 長手軸がB0磁場と直角な平坦導体(ストリップ)
4a,4b,4c,…4k 導体装置5に属するストリップ4のような導体ストリップ
5 B0磁場と平行な平面上にあり、z方向に次々に一様に配置された11の導体ストリップ4a,4b,4c,…4kから成る装置
7a,7b,7c,7d RF電流が流れRF共振器に属する導体セクションが配置されるいろいろなRF受信コイル装置の領域
8a,8b B0磁場と平行に向いた導体エレメントであって、RF共振器の導体部分で活性測定領域に最も近く、その場所のRF磁場の主な部分を生ずる導体部分を生成するために部分的に用いられる導体エレメントを有するZ構造
9a,9b B0磁場と直角に向いた導体エレメントであって、RF共振器の上と下の水平横方向結合を生成するために部分的に用いられる導体エレメントを有するZ構造
10a,10b B0磁場と平行に向いた導体エレメントであって、RF共振器の容量部分を生成するために部分的に用いられる導体エレメントを有するZ構造B0 NMR磁石の静磁場
ΔB 導体の透磁率によって発生される擾乱磁場
(ΔBz)1 単一の導体ストリップ2又は単一の導体ストリップ4によって生ずる擾乱磁場ΔBのz成分
(ΔBz)tot 装置5の全ての導体ストリップにによって生ずる擾乱磁場ΔBのz成分
S1,S3,S4,S5,S6 それらの表面エレメント内で回転及び移動されてRF共振器の角を生成する個々の導体部分
Claims (9)
- z軸の方向に均一な磁場B0を生成する手段を有するNMR(核磁気共鳴)装置のNMR共振器であって、座標原点(x,y,z=0)を中心に配置された測定領域の測定サンプルへ及び/又は測定サンプルから1つ以上の所望の共振周波数でRF(無線周波数)信号を放出し、且つ/又は受信する少なくとも1つのRF共振器を有し、誘導的に作用し部分的には容量的にも作用する該RF共振器の常伝導導体構造が、z軸方向移動に対して不変であるz不変な表面上にz軸と垂直な方向において測定サンプルから間隔をおいて位置し、且つ、実質的にz=−|z 1 |とz=+|z 2 |との間に配置されているNMR共振器において、
さらに、少なくともz<−|z1|−0.5|r|及びz>+|z2|+0.5|r|(ここで、|r|は測定サンプルとの最小間隔)という値まで延伸する該z不変な表面上に設けられた補償装置であって、該RF共振器からほぼRF分離された付加的な常伝導導体構造を含む補償装置を備え、該補償装置及びRF共振器の導体構造は、それぞれ該補償装置及びRF共振器の導体構造のz方向の全長にわたって延伸するz不変な表面上に配置された常伝導導体構造を含むZ構造から成り、その導体構造は、Z構造の表面を適当な理論的分解をすることにより得られるものであって、z位置だけが異なる、複数の小さな、等しいサイズの表面エレメントがほぼ同一の質量の常伝導物質を含むように配置されることを特徴とするNMR共振器。 - 該補償装置の導体構造は、RF共振器の両側から、RF共振器のz方向の延長の少なくとも半分が突出していることを特徴とする請求項1記載のNMR共振器。
- 複数のRF受信コイル装置から構築され、これらのRF受信コイル装置は、互いにRF結合され、z不変な表面の異なる部分表面上にあることを特徴とする請求項1又は2記載のNMR共振器。
- 誘導的に作用し部分的には容量的にも作用するRF共振器の導体構造及び関連する補償装置の導体構造が同じ平面内に又は同じ円筒面上に配置されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のNMR共振器。
- 該RF共振器及び関連する補償装置の導体構造が互いに平行な又は同心的な2つ以上の平坦な又は円筒状の部分表面に配置され、誘導的に作用し部分的には容量的にも作用するRF共振器の導体構造と関連する補償装置の導体構造の一部とが第1の部分表面に配置され、該補償装置の導体構造の残りの部分が他の部分表面に配置されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のNMR共振器。
- 該Z構造の1つ以上がz方向に密に近接して周期的且つ連続的に配置された同一の狭い導体から構築され、隣接する導体間の間隔が測定領域からの最小間隔に比べて小さいことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のNMR共振器。
- 該Z構造の1つ以上が、z軸と平行に向いた、相互の間隔が同一又は異なる導体から成ることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載のNMR共振器。
- 該RF共振器は、Z構造の所望の領域から導体又はその一部をZ構造の小さな表面エレメントの内部で回転若しくは移動させることによって生成されること、及び/又は導体間の小さな間隔が導電的に結合されること、及び/又は導体に狭い中断部が設けられること、及び/又は傾斜したZ構造が用いられ、且つ/又はZ構造が2つ以上の部分表面に分配されることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のNMR共振器。
- 3つのZ構造、すなわち左と右の垂直なストリップによる2つのZ構造と、中央の水平な真っ直ぐなストリップによる1つのZ構造とから構築されることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載のNMR共振器。
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