JP4365112B2

JP4365112B2 - Ｎｍｒ共振器

Info

Publication number: JP4365112B2
Application number: JP2003034303A
Authority: JP
Inventors: マーレックダニエル
Original assignee: Bruker Switzerland AG
Current assignee: Bruker Switzerland AG
Priority date: 2002-02-12
Filing date: 2003-02-12
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2023-02-12
Also published as: EP1335212A2; DE10205625C1; EP1335212B1; DE50309560D1; US6781377B2; US20030151409A1; EP1335212A3; JP2004003968A

Description

【０００１】
【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３４１４５５９Ａ１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（（ΔＢ_z）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ΔＢ_x，ΔＢ_y，ΔＢ_zとのベクトル和で構成される。２つの擾乱成分ΔＢ_x，ΔＢ_yはＢ₀磁場と直角なので、Ｂ₀磁場と平行に向いた成分ΔＢ_z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Ｂ_z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Ｂ_z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χ_L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Ｂ_z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Ｂ_z成分を生ずる。
【００４６】
透磁率がχ_L、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Ｂ_z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Ｂ_z成分が活性測定容積の領域にも発生する（＝図６の（ΔＢ_z）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Ｂ_z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Ｂ_z磁場は（ΔＢ_z）_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Ｂ_z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。Ｂ_z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Ｂ_z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χ_L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Ｂ_z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Ｂ_z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Ｂ_z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１０１１８８３５．８−３３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Ｂ_z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Ｌ_Bは図１５（ａ）の２つのＺ構造の幅Ｌ_A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Ｂ_z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（ΔＢ_z）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（ΔＢ_z）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Ｂ_z成分（ΔＢ_z）₁は重畳して磁場（ΔＢ_z）_totを生ずる。活性測定容積１の領域では、（ΔＢ_z）_totは実際上ゼロであり、非常に小さなＢ_z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Ｂ_z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
５Ｂ₀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，７ｄＲＦ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，８ｂＢ₀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，９ｂＢ₀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，１０ｂＢ₀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
（ΔＢ_z）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
（ΔＢ_z）_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

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＞＋｜ｚ_２｜＋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。