JP4382777B2 - 共鳴器システムとの結合を低減する勾配シールド構造を備えた核磁気共鳴装置 - Google Patents

Description

本発明は、均一な静磁場をｚ方向に発生させる核磁気共鳴装置に関し、この核磁気共鳴装置は、１以上の測定周波数で無線周波数（ＲＦ）信号を送信およびまたは受信する１以上のコイル／共振器システムと、パルス磁場勾配を１以上の空間方向に発生させる勾配装置と、１以上のコイル／共振器システムと勾配装置との間に半径方向に位置づけられたシールド構造とを備え、このシールド構造が１以上の連続スロットを具備した１以上の導電層を備え、導電層はｚ軸に関してシールド構造のほぼ中心について軸対称に配されている。

この種の核磁気共鳴装置は例えば特許文献９に記載されている。

勾配シールド構造は、コイル／共振器システムの無線周波数磁場に対して不浸透性を有しなければならず、また、１０ｋＨｚ以下の周波数範囲内にある（ＤＣ）勾配パルスのスイッチングを不安定にしてはならない。

これを達成するため、従来のシールド構造は、勾配スイッチング中に生起する渦電流が流れる電流経路を遮断するスロットを有している。同時に、ＲＦ磁場をシールド可能にするミラー電流の流れを許容しなければならない。これは、勾配スイッチング中にＲＦ電流を通過させる一方で準直流電流を阻止する容量性要素を備えたスロットの間を橋渡しすることにより、実現することができる。

スロット構造に対して現在２つの解決策がある。

特許文献４、５、７および１０の従来装置では、ＲＦ電流のミラー電流を「模擬」するよう環状導電体要素により導電金属層が構成されている。これらの環状導電体要素の各々は、勾配からの渦電流を停止させるべく切断される。ＲＦ経路を生成させるため、ＲＦシールド電流のための容量性結合を生じさせる誘電体を用いて、第２層が別個に配される。或いは、スロットを横断して別個のコンデンサが配置される。

別のアプローチは、軸方向におけるｎ回折り分割を示唆している。ここで、別個の容量性要素をオーバラップさせおよびまたは設置することにより、帯状区間同士を充分に容量性結合する（特許文献１〜３、６、８及び９）。更なるスロットを半径方向に設けることができる。幾つかの好適例では、ｚ方向において全スロットが導電層と完全に交差しているわけではない。

スロットの位置づけ、とくに、コイル／共鳴器システムの領域におけるスロットの位置づけは、一般にはＲＦ条件の影響を受ける。一方、残りの渦電流を更に減衰させるべく更なるスロットを一定部位に設けることができる。

スロット効果を説明するための簡略モデルが２つある。

第１のモデルでは、スロットが存在するにもかかわらず、スロットなしのシールド構造の場合と同様に渦電流が流れつづけると仮定する（図１９ａ）。

図１９ｂは、スロット付きシールド構造（展開図で示す）において、更なる電流が垂直スロットに沿ってのみ流れることを示す。これによりシールド電流に対する抵抗が増大し、減衰期間が低減する。スロット導入量が大きいほど渦電流が迅速に減衰する。図１９ｃもまた、中心での半径方向スロットが有用であることを示し、同スロットが特にｚ勾配について有用であることを示す。これは、電流が左回りである領域が、電流が右回りである領域から半径方向スロットにより分離されるからである。

第２番目のモデルは、磁束は分布しないが個々の区間における電流が当該区間を流れる磁束に応じて分布するとの前提に基づく。これにより、電流がスロットにより停止されたときに電流が最終的に阻止されると仮定する（すなわち、図２０ｂにｚ勾配について示すように、軸方向スロットは１つだけ必要であり、残りは半径方向スロットでよい）。

第１のモデル（図１９ｂ）では、最大電流（同時に最小垂直磁束）の領域が最大スロット量を必要とするが、これとは対照的に、第２のモデル（図２０ｂ）では、端部領域（勾配の反転点の外側）および中心に最も細かい分割が必要になる。これは、磁束の大部分が、この部位でスロットを通って拡散しなければならないからである。図２０ａは垂直磁束が軸方向座標ｚに依存することを示す。

実際、両モデルは、実際の状況を充分に記述するものではない。双方のモデルは２つの制限のある観点（第１のモデルでは分布電流でない、第２のモデルでは分布磁束でない）を表している。スロットの理想位置につきより正確な情報を得るには、具体的な場合についてスイッチオフ後における勾配磁場の一時的減衰を示すことのできるシミュレーション計算が必要になる。スロットは反復的に位置決めを行うことができる。これによる１つの問題は、共振器システムに対するカップリング、おそらくはシムコイル、チューブ、共振器システムの要素などに対するカップリングを考慮する必要が生じるということである。

上記従来の好適例におけるＲＦ磁場に対するシールド構造のシールド効果は、ＲＦシールド構造の第１番目の固有共振がＮＭＲコイルの共振周波数より小さいという点に基づいている。もしそうでなければ、ＲＦ磁場をシールドするには容量性結合は不十分になる。

導電層の厚さは、各々の場合において、ＲＦ損失を最小にすると同時にＤＣ抵抗を最大にするように選択される。（ＮＭＲ周波数に対して）表皮深さが約３の層厚が現在用いられている。

特に、特許文献１〜３、６、８及び９に記載のシールド構造は、基本的には金属片の半径方向構造を表すものであるが、これらのシールド構造では、シールド構造に複数の共鳴周波数が発生して問題になる。原理的には、その様な構造は金属片と同数のモードを有する。図２１は、これを４つの金属片を備えた構造について例示する。寸法に比べて波長が減少したときに、より高次の更なるスペクトルを得る。そのようなシールド構造で使用される要素の数が多くなるほど、シールド構造はより多くの共鳴を含むものになる。勾配磁場につき通過性を最大にするには、サブ分割を非常に微細にする必要がある（例えばｎ＝８，１６，３２）。この場合、スペクトルは、測定周波数に対する周波数帯域が殆ど残らないほど緻密なものになる。

その様な勾配シールドがＭＲＩでは一般に使用されており、この勾配シールドは１つの測定周波数、最大でも２つの測定周波数を備えるものとなっており、両周波数は２００ＭＨｚよりも相当低いのが一般的である。この場合、最大で２つ計測周波数のいずれもがシールド構造の共鳴モードと衝突しないように金属片間の容量を選択することにより、シールド構造を設計することができる。その場合、シールド効果は相当に低減することがあり、Ｑ値およびまたは共鳴システムの効率が劣化する。

ＮＭＲシステムに関しては状況が異なる。一般に、４つ以上の測定周波数があり、非常に広い周波数帯域があることもある。これらの周波数はすべて調整可能でなけれならない。数個の要素からなるシールド構造を測定周波数のいずれもがシールド構造の固有共振に近接せずしかも全てのモードに対するシールド効果を充分に確保することは、基本的には不可能である。

特許文献１１及び１２には、更なるコイルのウインドウに関してｎ＊２π回転される導体の幾何学的構成により２つのコイルの結合を幾何学的に相殺するコイル形態が記載されている。この場合、他のコイルと相互作用する１つのコイルの磁束の積分はゼロである。
米国特許第４，３１０，７９９号明細書 米国特許第４，５０６，２２４号明細書 米国特許第４，６４２，５６９号明細書 米国特許第４，８７１，９６９号明細書 米国特許第４，８７９，５１５号明細書 米国特許第５，２４３，２８６号明細書 米国特許第５，３８１，０９３号明細書 米国特許第５，５７２，１２９号明細書 米国特許第５，５７４，３７２号明細書 米国特許第５，６８０，０４６号明細書 米国特許第６，４２０，８７１号明細書 米国特許出願公開第２００４／１８９０３０４号明細書

本発明の目的は、共鳴器／コイルシステムからシールド構造へのエネルギ結合が殆どなく或いは全く存しないように設計されたシールド構造を具備した核磁気共鳴装置を提案することにある。

この目的は本発明によって達成され、ｚ１＜ｚ＜ｚ２の軸方向区間においてシールド構造はｚ軸まわりに１対以上の領域を備え（ｚ２−ｚ１＞Ｌであり、Ｌはコイル／共鳴器システムの磁場エネルギの９０％以上を含むコイル／共鳴器システムのウインドウ長さ）、該領域はシリンダエンベロップ形状を有し、そして、各対をなす２つの領域の各々はｚ軸まわりを回る２つの閉じた限界線により画成される。各領域の２つの限界線の相互の軸方向間隔ａは（ｚ２−ｚ１）／２以下であり、両限界線はｘｙ平面に対して平行な平面上に配されている。その様な一対をなす２つの領域は、両領域がシールド構造の共鳴モードの少なくとも１部分について１以上のコイル／共鳴器システムに対して反対の誘導性結合を有するように幾何学的に配される。

シールド構造の要素のこの幾何学的構造により、共鳴器システムとシールド構造の一定数の共鳴モードとの誘導性結合を無視することができる。斯かる条件下で、シールド構造の固有共鳴が測定周波数と同一またはその近傍である場合にも、共振器システムは低損失で動作可能である。本発明装置によれば、領域の結合が各対につき少なくとも大幅に低減されるようｚ軸に沿って反対の結合（可能ならば結合強度が同一）を具備したペア領域により、単に幾何学的に２つのシステムを減結合することができる。

有利な実施形態では、シールド構造の導電層の１以上のスロットは、ｚ成分がゼロでない方向において１以上の導電層を完全に遮断して１以上のコイル／共鳴器システムのウインドウ長さ内でｚ軸まわりで１以上の完全回転をなす。シールド構造の最小固有共振がＮＭＲ原子核の共鳴周波数よりも低くなるよう、スロットを容量的に閉じることができる。

本発明の核磁気共鳴装置の特別な実施形態において、シールド構造の導電層の１以上のスロットの勾配は、シールド構造の全区間ｚ１＜ｚ＜ｚ２にわたって均一に延びる。

シールド構造の導電層の１以上のスロットは、好ましくは１つまたは全てのＲＦコイル／共振器システムのウインドウ長さに沿ってｚ軸まわりで整数倍回転をなす。この場合、ＲＦコイル／共鳴器システムの結合を無視することができる。

本発明の特に好適な実施形態では、シールド構造の導電層に完全に交差する１以上のスロットに加えて、１以上のスロットが設けられる。このスロットは、シールド構造の端縁から出発するが、導電層に完全には交差しない。これは、例えば、勾配スイッチング中、或る領域での渦電流の振幅がその他の領域での渦電流振幅よりも大きいときに有用である。

これは主としてウインドウ長さの外側の領域で生じ、従って、この実施形態の更なる展開において、追加スロットの１つ以上は、１以上のコイル／共鳴器システムのウインドウ長さの外側のみで延在する。

これに代わる実施形態では、追加スロットは、１以上のコイル／共鳴器システムのウインドウ長さ内でｚ軸のまわりに１完全回転以上回転される。

追加スロットは、これにより、１以上のＲＦコイル／共鳴器システムのウインドウ長さ内でｚ軸まわりで整数倍の完全回転をなすように回転されるのが好ましい。

本発明の有利な実施形態では、１以上のＲＦコイル／共振器システムのウインドウ長さの外側のスロットの勾配は、ウインドウ長さ内のスロットの勾配よりも小さく、これによりウインドウ長さの外側のより強力な磁場を補償可能にする。

これに代わる実施形態では、１以上のＲＦコイル／共振器システムのウインドウ長さの外側のスロットは、ウインドウ長さ内のスロットの勾配よりも大きい勾配を有し、或いは軸方向に延びる。これにより、ウインドウ長さの外側の、より弱い磁場を補償する。

シールド構造と１以上のコイル／共振器システムとの結合が最小になるよう、スロットの勾配を調節することが基本的には有利である。

ＮＭＲ装置の更なる実施形態は本発明の範囲内に入るが、これは、シールド構造の導電層の１以上のスロットが連続的に半径方向に延びかつシールド構造の導電層を２つ以上の領域に分割する。ここで、半径方向スロットの構造はｘｙ平面に関して鏡面対称である。そして、軸方向スロットの１以上の更なる対が、ウインドウ長さの１以上の中央領域に設けられる。これは２つの隣接する半径方向スロットを接続し、または半径方向スロットとシールド構造の導電層の端縁とを接続する。スロットの全体構成は、シールド構造の中心に関して点対称であるが、ｘｙ平面に関して鏡面対称ではない。シールド構造は、１以上のコイル／共振器システムとシールド構造との結合が最小になるよう、コイル／共振器システムに関して位置づけられる。

シールド構造が点対称であるので、この場合、対をなす領域も正反対の結合を有する。

スロットを具備しないシールド構造の１領域をウインドウ長さの中心に設けても良い。減衰中、そこに小さい渦電流が発生する。

シールド構造の全領域は、好ましくはｚ方向に軸方向スロットを具備する。個々の領域の軸方向スロットは点対称に配される。

本発明の特別な実施形態では、隣接する半径方向スロットの間隔は全て同一である。この実施形態は、特に構成が簡易である。勾配の回復電流を算出する必要がないからである。 これに代わる実施形態では、ウインドウ長さの中心の領域において隣接する半径方向スロットの間隔は、ウインドウ長さの外側のものの間隔よりも小さい。これは、ウインドウ長さの中心において特に大きい勾配渦電流を有する構造に対して特に有利である。

あるいは、ウインドウ長さの中心の領域において隣接する半径方向スロットの間隔は、ウインドウ長さＬの外側のものの間隔よりも大きい。これによりＲＦ損失が低減する。ＲＦミラー電流が、少数のコンデンサを横断するスロットのない経路を流れるからである。本発明のＮＭＲ装置の全ての実施形態において、シールド構造は有利にはちょうど１つの導電層と、測定周波数領域でＲＦ電流の安定な流れが充分確保されるよう１以上のスロットを横断して配された容量性要素とを備える。

シールド構造は２つの導電層を備えても良く、両導電層の間には誘電性の非導電層が配される。ここで、２つの導電層でのスロットは合致しない。更なる容量性要素を除去することもできる。

最も重要なＮＭＲ原子核の測定周波数が２つの「群」で現れる（図１ａ）。

^３Ｈ，^１Ｈおよび^１９Ｆは２５〜２８ １０^７ｒａｄ／Ｔｓのγを有する。次に関連する原子核は^３１Ｐであり、１０．８ １０^７ｒａｄ／Ｔｓのγ（これは他の３つの原子核よりも２．５倍低い）を有する。更なる関連する原子核がスペクトルを埋めるが、γ＝０．６９ １０^７ｒａｄ／Ｔｓ（４１Ｋ）まで低下する。８００ＭＨｚのプロトン周波数に対して、これは、例えば、３２４ＭＨｚと７５３ＭＨｚとの間に測定周波数のないギャップがあることを意味している。

これは基本的には、高いガンマを有する１つの原子核（または３つの原子核のうちの２つ以上）の近傍に固有共鳴を有せず低い共鳴周波数と原子核を幾何学的に減結合するシールド構造の設計に使用される。このため、固有モードが高周波数の群の上下になるよう、容量性結合の調整により、シールド構造のスペクトルのギャップのみを要素間に位置づける必要がある。

実際には、大部分のプローブヘッドは、調整可能な共鳴周波数を１組だけ有する。典型的なＮＭＲプローブヘッドは、^１５Ｎ，^２Ｈ，^１３Ｃ、^１Ｈの測定周波数を含む。そのスペクトル（１８．７９Ｔでの）を図１ｂに示す。

無線周波数スペクトロスコピでは^１H共振周波数が５００乃至８００ＭＨｚの範囲にあることは通常であるが、この様な^１Ｈ共振周波数をもつ様々な磁場強度についてプローブヘッドを検討すると、スペクトルには大きいギャップがある。このため、シールド構造の設計が可能であり、このシールド構造は通常の測定周波数に対して広く使用することができる。

図２ないし図９に示す本発明のシールド構造の実施形態は、局所的な矩形ＨＦ磁場分布を基準とする。より現実的な磁場プロフィルの場合、スロットの勾配および周期は下記の特別な実施形態に示すものから外れることがある。

より低い周波数について幾何学的な減結合を得るには、本発明のシールド構造の一実施形態は、ｚ成分がゼロでない方向においてシールド構造の導電層を完全に遮断するスロット１（ｉ＝１，２，３，４，・・・）を備える。図２は、４つのスロットを具備した本発明のスロット付きシールド構造の展開図である。これらのスロット１は、シールド構造の最小固有共鳴が全てのＮＭＲ原子核よりも相当に小さいが２つの任意の周波数の間にあるよう、（下記のオーバラップするコンデンサまたは離散的なコンデンサにより）容量的に閉じられる。

図３ａないし図３ｃは、コイル／共鳴器システムに対するシールド構造を例示し、シールド構造は、様々な周期性を具備し且つ個数が異なるスロット１を備える。図示の実施形態の共通の特徴は、コイル／共振器システム２のおおよそウインドウ長さＬにわたってスロット１がｎ＊２πの周期で配されている点にある。シールド構造の寸法は、シールド構造がコイル／共振器システム２のウインドウ長さＬを越えて軸方向に広がるように選択される。

図４は、２つのコイル／共振器システム２ａ，２ｂを備えたＮＭＲ装置のシールド構造を示す。スロット１が２πの唯一の周期性をもつことが有利である。コイル／共振器システム２ａ，２ｂのウインドウ長さＬ１，Ｌ２にわたって１つの周期性（最小公約数）であることが特に有利である。この場合、コイル／共振器システム２ａ，２ｂの全ての結合を無視することができるからである。

しかしながら、シールド全体にわたって勾配を同一に維持する必要はない。このため、例えば、Ｌ_２ｎ＊２πにわたる回転が可能であり、そしてＬ１−Ｌ２にわたって再びｍ＊２πとなる。外側領域は如何なる設計でもよい。図５はシールド装置のその様な実施形態を示し、このシールド装置は、ウインドウ長さＬ１内では４πの周期性を有する一方、ウインドウ長さＬ２内では２πの周期性を有する。

コイル／共振器システム２とシールド構造との結合を最小にするには、スロット１の周期性の厳格さをなくし、これに代えて、シールド装置から減結合すべきコイル／共振器システム２の磁場振幅の勾配を調節してもよい。スロット１の周期性の厳格さはコイル／共振器システム２の矩形磁場振幅分布に基づくが、現実には勿論あてはまらない。ウインドウ長さＬの縁領域における最も弱い磁場（またはそれよりも強い磁場でさえも）を、スロット１の勾配を局所的に増大（または低減）することにより補償することができる。これは、特に外側領域（またはウインドウ長さＬの上下）で合理的である。外側領域では磁場が相当に減少し、スロット１の２πの周期性により減結合が不十分になる。

上記の説明により、コイル／共振器システムの磁場振幅が大きい領域においてシールド装置に「周期性」を付与しなければならないことが明確になった。従来の設計、すなわち、（回転なしの）軸方向スロット区間４を備えるものを、外側領域に使用することができる。図６ａは導電層のそのような実施形態を示し、図６ｂはこのシールド構造の導電装置の区間３の展開図を示している。

勾配スイッチング中の渦電流振幅がウインドウ長さＬ内よりもウインドウ長さＬの外側で大きい場合には、更なるスロット５（図７ａ、図７ｂ）によりウインドウ長さＬの外側のシールド装置を更に分割することが助けになる。これは、連続周期スロット１を具備したシールド構造にあてはまり、また、外側領域に軸方向スロット区間４を具備したシールド構造にもあてはまる。更なるスロット５の最大長さは例示的にのみ与えられる。シールド装置は、より短い領域のみにスロットを付してもよい。勾配スイッチング中に渦電流がウインドウ領域で最大である場合にも、縁領域に更なるスロットを導入することは依然として合理的である。アクティブ領域におけるスロットの各々が、小さいが一定の損失を生じるからである。ＲＦ特性を最適化するには、外側領域におけるよりも中央領域に少数のスロットを設ける必要があるであろう。

図８ａ、図８ｂは、本発明のシールド構造の導電層の平面図、およびウインドウ長さＬの外側に広いスパイラルスロット５を具備した導電層の区間３の展開図である。

スロット２の周期性がウインドウ長さＬにわたって２πよりも大きい場合には、追加スロットの各々が全体としてウインドウ長さＬ内で２πにわたって回転するのであれば、ウインドウ長さＬの領域におけるシールド構造部分に対して追加スロット５を用いて更にスロットを付けるようにしてもよい。これにより例えば上下縁の各々で追加スロット５を各々例えばπだけ回転させることができる（図９）。

上記の導電層の構造は、特許文献１１および１２の「多重調整式共振構造」の構造に極めて類似しているが、これには下記の欠点がある。

１．シールド構造が「共振コイル構造」でないこと。動作中、シールド構造の外側に磁場を発生しないので、コイル／共振器システムにより発生される磁場を内側空間に制限するからである。

２．シールド構造の内側空間に磁場を限定するので、ＮＭＲ装置の動作中にシールド構造が発振するとは思われない。すなわち、このシールド構造は、測定周波数で放射を行うとは思われない。

３．高解像度ＮＭＲ装置のシールド構造は試料から遠隔に配されると共に十分な長さを有し、従来のコイルシステムと同様、感受性補償材料からなる必要がない。

４．シールド構造は頂部および底部に２つの閉じた導電リングを有するべきではない。これが不利になることがある。導電リングは、勾配スイッチング中に渦電流用の連続経路を生じるおそれがあるからである。

従って、装置は類似してはいるが、本発明の構成は実際は完全に別の構造に関するものである。

特許文献１１または１２の捻りコイルをコイル／共振器システム２として使用した場合、本発明のシールド構造はコイル回転方向と反対方向に向けるべきである。また、回転方向が同一である場合には、シールド構造を捻りコイルよりも少なくとも２π以上にわたって回転させるべきである。シールド装置におけるスロット１，５の使用数が少ないほど、シールド構造のスペクトルが簡易になる。勾配システムのスイッチング中の渦電流の減衰率が同一の場合には、スロット１，５の数が少なければ回転数を増大する必要がある。これによりシールド構造の固有共振が低減する。しかしながら、これらは「バードケージモード」などの「パッケージ」では出現せず、個々に出現する。これは、幾つかの測定周波数への調整に便宜である。

単一スロット１のみをシールド構造に導入する場合、基底モードおよび励起モードではｘｙ平面での磁場は小さく、磁場の大部分はｚ方向に向く。これによりコイル／共振システム２とシールド構造との結合が相当に低減する。磁場振幅がスロット１と反対側のシールド構造の領域で最大になるので、残留ｘや磁場が生じる。これは、シールド構造が励起モード領域で動作されおよびまたは測定周波数領域での波長がシールド構造の寸法よりも相当大きくはないことに起因する。これはシールド構造での定常波を主に含み、非定常電流を生じる。この領域は、本発明のシールド構造でのスロット１のスパイラル構成によりｚ軸まわりに回転される。これによりｘｙ方向成分を有する。結合は、適宜の回転により全体的には最小化される。

勾配磁場が摂動を受けずに浸透することを保証するには、単一の軸方向スロット１は一般には十分でない。ｚ軸まわりのスロット１の回転は渦電流に対する抵抗を増大させ、これにより時定数を低減させる。しかしながら、シールド構造の様々なモードがｘｙ平面で均一でないことから、単一スロット付きシールド構造との残留結合があることも分かっている。

勿論、半径方向サブ分割をも導入して渦電流の減衰時間に積極的に影響を及ぼすようにしてもよい。これは、ウインドウ長さ内で２π以上にわたって発生区間の各々が回転するばかりではなく区間同士間のキャパシタンスが測定周波数領域内での固有モードに対して電気的（容量的）に結合するに足るほど大きい場合、特に有利である。これらの追加的な半径方向サブ分割は、サブ分割が勾配の対称平面内でシールド構造と交差する場合、ｚ勾配に対して特に有利である。上下半部平面上のシールド電流が反対方向に流れるからである。特に、シールド構造の区間がウインドウ長さＬ内で２π以上にわたってｚ方向に回転する場合には、ｚ方向に沿う追加のスロット４がｚ方向全体にわたって連続である必要はない。

スロット１同士の回転方向は同一であってはならない。シールド構造のスロット１は、ウインドウ長さＬにわたって回転可能であり、例えば、右に合計２πにわたって回転可能であり、他のものは左に２πにわたって回転可能である。

更に、ウインドウ長さＬにわたって周期性がちょうど２πである必要はない。この規則は、矩形磁場プロフィルにのみ適用される。図１０ａは、（理論的に）理想的なコイル／共振器システム２の（静磁場に平行な）ｚ方向における矩形状磁場プロフィルを示す。該システムのスロット１のｚ位置は、図１０ｂでは回転角Φに応じてグラフ表示されている。

図１０ａの磁場プロフィルにおいて、ｚ方向は等間隔領域６に分割されている。スロット１は、磁場長さにわたって２π回転され、一対の領域６（同一のハッチングでマーク付けされている）が常に存する。この領域対は結合が正反対である。両者の相互の幾何学的オフセットがπであるからである。

これは、シールド構造のモードがコイル／共振器システム２のウインドウ長さＬにわたって準一定電流を有する場合に適用される。この条件は、シールド構造の導電層の区間の容量結合が充分に大きいか或いはシールド構造が充分に長くて、コイル／共振器システム２の磁場領域で充分に一定な電流をシールド構造に提供する場合に成立する。

現実的なコイル／共振器システム２は平坦な側面を有すると共に、長さに応じて「ラクダのこぶ」（図１１ａ）または「隆起」（図１２ａ）を有する。この場合、内側シールドの回転スロット１の勾配は、結合を低減させるために変化可能でもよい（図１１ｂ、図１２ｂ）。これは、シールド構造のより高次のモード（ｉ個のノードを有する）に対する補償が望まれ且つ基礎モードでない場合にもあてはまる。本発明のシールド構造は、直交コイルにも完全に適合するという利点がある。シールド構造が優先方向を有しないからである。

シールド構造のスロット１の勾配が漸次平坦になる場合には（＝ｎ＊２πの周期性。ｎはほぼ無限の値）、ウインドウ長さＬにわたる周期性の正確さはその重要度が低くなる。極端な場合、周期性に関連なく各モードが常に垂直であり従って減結合されるよう、スロット１がシールド構造の周辺方向に回転する。残留結合は、高い回転回数により平均化される。しかしながら、この場合、ＲＦ磁場をシールドするのに充分なキャパシタンスを確保することが非常に困難である。これは回転回数を制限する。ウインドウ長さＬが２０ｍｍの範囲内である典型的なＮＭＲプローブヘッドに対し、４ないし５回の最大回転が合理的である。実験によれば、結合の絶対的除去が不要であるよう回転の数が小さい場合（２πないし８π）であっても、残留結合は充分に小さい。この場合、正確な「周期性」を維持する必要はない。

本発明のシールド構造の上記実施形態の機能は、「２πの周期性」を用いて積分結合を最小化することになる。

本発明のシールド構造の代替実施形態（第２実施例）では、この周期性が１つの点で「崩壊」している。この代替実施形態は、３以上のスロット７，８と、１以上の半径方向スロット７と、各半径方向スロット７から軸方向に延びるスロット８とを備え、該スロット８はシールド構造の上端縁９または下端縁１０に延びている。ここで、２つの軸方向スロット８は互いに１８０度回転されている（図１３）。

一対の領域６が反対方向の結合を有するように点対称が導入される（図１４）。これは、理想的なコイル／共振器システム２がｘｙ平面において磁気な対称性を有するという事実による（非理想的コイル／共振器システム２についてはこの対称は完全ではなく、おおよそ満足するものである）。これに対する唯一の要件は、シールド構造の軸方向上部１１が、下部に対してπにわたって回転されるということである。すなわち、コイル／共振器システム２の中心に関して点対称であるということである。この点対称は、コイル／共振器システム２の鏡面対称とは対照的であり、コイル／共振器システム２とシールド構造との結合を除去する。

シールド構造の上部１１とコイル／共振器システム２との間に生じる結合は、下部１２において生じる結合と正反対である（これによりコイル／共振器システムの接続脚による対称性遮断を無視する）。コイル／共振器システム２はシールド構造に結合している。２つの軸方向スロット８を有するシールド構造を具備した単一のコイル／共振器は、コイル／共振器システム２およびシールド構造のモード全てが互いに垂直であるよう、方向づけをすることができる。シールド構造が１つのみのスロット８または３つ以上のスロット８を軸方向に有する場合、この方向づけはもはや可能ではない。この場合、シールド構造が、コイル／共振器システム２の電気的および磁気的な対称面（ｘｚ面およびｙｚ面）を遮断するからである。勿論、第１のコイル／共振器システム２に対しておおよそ垂直に方向づけられた更なるコイル／共振器システム２についても同様である。

図１５ａ、図１５ｂおよび図１５ｃに示すように、より多くのスロット７，８を設けることができる。これには、シールド構造の中心のまわりの点対称を維持するだけでよい。２つのコイル／共振器システム２に対してシールド構造を位置決め可能にするには、シールド構造の２つの部分１１，１２（中心の上下））への結合が全てのコイル／共振器システム２についておおよそ同一であるよう、コイル／共振器システム２のｘ、ｙ平面において磁気的および電気的な対称性を遮断することもまた好適である。これは、直交コイル／共振器システム２のシステムを減結合すべきならば、２つのコイル／共振器システム２の対称面に関して軸方向スロット８を４５度に向けなければならないことを意味する。従って、シールド構造の各部に奇数個のスロット７，８を挿入することが、この方向付けを行うのに便宜である。

図１６は、ウインドウＬの中心における領域１３内にスロットを設けないことが基本的には可能であることを示す。対称性があるので、勾配の減衰中にミラー電流が発生せず、発生しても小さいからである。

シールド構造の回復特性を最適にするため、ｚ方向でのそれぞれの領域６を通過する、シールド構造に対して垂直方向である方向における磁束は殆ど分布しない（図１７ａ）。図１７ｂは、ｚ勾配につきその様な場合を示す。

双方のタイプのシールド構造において、コイル／共振器システム２同士の結合ならびにシールド構造の種々のモードは、対称性が遮断されたモードについてのみ除去されることは明らかである。一般の設計は、最低モードがこの基準に合致するように行われる。一方、シールド構造は、より高次のモードが除去されるように設計することができる。一般に、最適化されていないモードにあっても、軸方向スロットのみを具備した従来のシールド構造での結合度よりも相当に結合度が低いという利点がある。

本発明のシールド構造の更に好適な実施形態は、上記２つの代替実施形態（図示略）の組み合わせである。これによりシールド構造の各々の点対称部分領域は、ｚ軸方向で１回転以上にわたって回転する１つのスロット１を具備したものでよい。全体構造は点対称である。この実施形態は、シールド構造の個々の部分３と共振器システム２との結合を最小とし、２つの領域６の幾何学的除去による残留結合を低減する。

本発明の非結合式シールド構造の種々の実施形態におけるＲＦ損失を最小化するため、シールド構造の導電層の個々の部分３の間の容量結合が提供される（図１８ａ）。これは、離散的な従来のコンデンサによって達成され、あるいは導電層の個々の部分３をオーバラップさせることによる分布コンデンサによって達成される（図１８ｂ、図１８ｃ）。その組み合わせもまた可能である。容量要素の装着は、シールド構造の固有スペクトルを変形させる（固有モードの周波数は減少する）。

ｚ成分がゼロでない１つの方向におけるシールド構造の導電層と完全に交差するスロット１を具備した本発明のシールド構造の実施形態において、分布容量は、反対方向の回転または同一方向の回転を具備する対応構造により生じさせることができる。更に、導電層は、スロット１が同一の周期性および数を有する必要はない。さらに追加の導電層は、「漏洩」可能な追加のシールド磁場に対して設けることができる。第２の実施形態において、導電層の等価構造は、第１の導電層に対して半分の高さだけシフトすることができる。ここで、中心に対してセンタリングされた領域１３は理想的にはスロット１を具備しない。

製造が最も簡単な分布式コンデンサの実施形態は、薄い誘電体である積層シート上の実施形態であり、この誘電体は、２〜１０の表皮深さを持つ金属で両側が被覆されている。

幾何学的にもっとも簡易な形状（但し製造はより困難）は、キャリアに薄い金属フォイルを搭載しこれらのフォイルを非導電シート（例えばフッ素重合体、カプトンなどからなる）を用いて製造される。これによりキャパシタンスはオーバラップにより発生される（図１８ｂ、図１８ｃ）。

更なる実施形態では、スロットに沿ってフィンガコンデンサ１５を用いることにより、導電層の区間３の間にキャパシタンスが実現される（図１８ｄ）。

誘電性キャリア（サファイヤ管／多面体、プラスチック材料、窒化アルミニウムなど）を、良好な導電特性の薄い層で被覆してもよい。この装置は、シールド構造側に構成可能である。離散的容量要素を設置し或いは分布式キャパシタンスを発生可能である。後者は、誘電体を用いた被覆および第２の導電層１６を用いた更なる被覆またはフィンガキャパシタンスを再び構成することにより実施可能である。或いは、一側に被覆された積層シートを構成化キャリア（引っ張り、クランプ、貼着）に配置可能であり、あるいは誘電層および金属フォイルを装着可能である。

（ａ）は最も重要なＮＭＲ原子核の共鳴周波数の周波数スペクトルである。（ｂ）はＢ＝１８．７９Ｔでの典型的なＮＭＲプローブヘッド（^１５Ｎ、^２Ｈ、^１３Ｃ、^１Ｈ）の測定周波数の周波数スペクトルである。（ｃ）はＢ＝１１．７４Ｔ，１４．０９Ｔ，１５．４４Ｔおよび１８．７９Ｔでの、^１５Ｎ、^２Ｈ、^１３Ｃ、^１Ｈにつき共振周波数を有する上記と同一のプローブヘッドの周波数スペクトルである。 本発明のシールド構造のスロット付き導電層の展開図である。 周期２π、４πおよび８πのスパイラルスロットを具備した本発明の導電層の平面図である。 周期２π、４πおよび６πの２つのスパイラルスロットを具備した本発明の導電層の平面図である。 周期２πおよび４πの４つ又は８つのスパイラルスロットを具備した本発明の導電層の平面図である。 ２つのコイル／共振器システムを具備したＮＭＲ装置用のスパイラルスロットを備えた本発明のシールド構造の導電層の平面図である。 ２つのコイル／共振器システムを具備したＮＭＲ装置用の可変スロットを備えたスパイラルスロットを有する本発明のシールド構造の導電層の平面図である。 （ａ）は軸方向スロットを設けた外側領域を具備した本発明のシールド構造の導電層の平面図である。（ｂ）は図６ａのシールド構造の導電層の展開断面図である。 （ａ）は外側領域に更なる軸方向スロットを具備した本発明のシールド構造の導電層の平面図である。（ｂ）は図７ａのシールド構造の導電層の展開断面図である。 （ａ）は外側領域に更なるスパイラルスロットを具備した本発明のシールド構造の導電層の平面図である。（ｂ）は図８ａのシールド構造の導電層の展開断面図である。 コイル／共振器システムのウインドウ長さ内に更なるスパイラルスロットを具備した本発明のシールド構造の導電層の平面図である。 （ａ）は反対の結合を有した本発明のシールド構造の領域を概略的に示す、理想的なコイル／共振器システムの矩形の磁場プロフィルを示す。（ｂ）は図１０ａの矩形の磁場プロフィルに対する本発明のシールド構造の導電層内のスロットの挙動のグラフ表示である。 （ａ）は現実的な磁場プロフィルを示す。（ｂ）は図１１ａの磁場プロフィルに対する本発明のシールド構造の導電層のスロットのトレースのグラフ表示である。 （ａ）は別の現実的な磁場プロフィルを示す。（ｂ）は図１２ａの磁場プロフィルに対する本発明のシールド構造の導電層のスロットのトレースのグラフ表示である。 点対称スロットを具備した本発明のシールド構造の導電層の平面図および展開図である。 コイル／共振器システムの鏡面対称の磁場挙動を示すと共に、点対称のスロットを具備したシールド構造の導電層を示す平面図である。 （ａ）は幾つかの半径方向スロットを備えた点対称のスロットを具備したシールド構造の導電層の平面図および展開図である。（ｂ）は点対称のスロットおよび複数個の軸方向および半径方向スロットを具備した導電層の平面図である。（ｃ）は点対称のスロットおよび複数の軸方向および半径方向スロットを具備した導電層の展開図である。 点対称のスロットを具備しかつスロットのない中央領域を有したシールド構造の導電層の平面図および展開図である。 （ａ）はｚに依存する垂直磁束のグラフ表示である。（ｂ）図１７ａに示した磁束挙動に関連する、点対称かつ不規則な半径方向スロットを具備したシールド構造の導電層の平面図および展開図である。 （ａ）は２つの容量結合された導電層の概略平面図および断面図である。（ｂ）更なる導電層および誘電体を用いて容量結合された２つの導電層の平面図である。（ｃ）はオーバラップを用いて容量結合された２つの導電層の平面図および断面図である。（ｄ）はフィンガコンデンサを用いて容量結合された２つの導電層の平面図である。 （ａ）は従来技術による電流挙動を概略的に示すスロットを具備しないシールド構造の展開図である。（ｂ）は従来技術による電流挙動を概略的に示す、ｚ方向にスロットを付けられたシールド構造の展開図である。（ｃ）は従来技術による電流挙動を概略的に示すスロット付きシールド構造の展開図である。 （ａ）はｚに依存する垂直磁束を示すグラフである。（ｂ）は従来技術による図２０ａの磁束に対する、半径方向かつｚ方向にスロットを付けられたシールド構造の展開図である。 従来技術による対応する共振モードを具備しｚ方向に４つのスロットを有するシールド構造のｘｙ平面での断面図である。

符号の説明

Ｌ コイル／共振器システムのウインドウ長さ
１ ｚ方向部分を有するスロット
２ ＲＦコイル／共振器システム
３ シールド構造の区間
４ 軸方向スロット区間
５ 更なるスロット
６ 領域
７ 周辺の連続スロット
８ 不連続軸方向スロット
９ シールド構造の上端縁
１０ シールド構造の下端縁
１１ シールド構造の上部
１２ シールド構造の下部
１３ ウインドウ長さＬの中心領域
１４ 容量結合
１５ フィンガキャパシタンス
１６ 第２の導電層

Claims (14)

1. １以上の測定周波数で無線周波数（ＲＦ）信号を送信および／または受信する１以上のコイル／共振器システムと、パルス磁場勾配を１以上の空間方向に発生させる勾配装置と、１以上のコイル／共振器システムと勾配装置との間にｚ方向に関して半径方向に位置づけられたシールド構造とを備え、このシールド構造がシリンダジャケット形状を有し、１以上のスロットを具備した１以上の導電層を備え、導電層はｚ軸に関してシールド構造のほぼ中心について軸対称に配されており、
   前記１以上のスロットは、ｚ成分がゼロでない方向において１以上の導電層と完全に交叉して前記導電層を複数の部分に分割し、
   ｚ１＜ｚ＜ｚ２の軸方向区間においてシールド構造はｚ軸まわりに１対以上の領域を備え（ｚ２−ｚ１＞Ｌであり、Ｌはコイル／共鳴器システムの磁場エネルギの９０％以上を含むコイル／共鳴器システムのウインドウ長さ）、該領域はシリンダエンベロップ形状を有し、各対をなす２つの領域の各々はｚ軸まわりを回る２つの閉じた限界線により画成され、各領域の２つの限界線の相互の軸方向間隔ａは（ｚ２−ｚ１）／２以下であり、両限界線はｘｙ平面に対して平行な平面上に配された、ｚ方向に均一な静磁場を発生させる核磁気共鳴装置であって、
   前記対をなす２つの領域は、シールド構造の幾何学的外形のために、両領域がシールド構造の共鳴モードの少なくとも１つについて１以上のコイル／共鳴器システムに対して反対の誘導性結合を有し、
   前記１以上のスロットは、ｚ方向まわりで１回以上完全回転をなすように配置されている
   ことを特徴とする核磁気共鳴装置。
2. シールド構造の導電層の１以上のスロットの勾配が、シールド構造の全区間ｚ１＜ｚ＜ｚ２にわたって連続であることを特徴とする請求項１記載の核磁気共鳴装置。
3. シールド構造の導電層の１以上のスロットが、１つ又は全てのＲＦコイル／共振器システムのウインドウ長さにわたってｚ方向に整数倍回転をなすことを特徴とする請求項１又は２記載の核磁気共鳴装置。
4. シールド構造の導電層に完全に交差する１以上のスロットに加えて、１以上のスロットが設けられ、このスロットは、シールド構造の端縁から出発するが、導電層に完全には交差しないことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の核磁気共鳴装置。
5. 追加スロットの１つ以上は、１以上のコイル／共鳴器システムのウインドウ長さの外側のみで延在することを特徴とする請求項４記載の核磁気共鳴装置。
6. 追加スロットは、１以上のコイル／共鳴器システムのウインドウ長さ内でｚ方向に１以上の完全回転または整数倍の完全回転をなすことを特徴とする請求項４記載の核磁気共鳴装置。
7. １以上のＲＦコイル／共振器システムのウインドウ長さＬの外側のスロットの勾配は、ウインドウ長さＬ内のｚ方向に関するスロットの勾配よりも小さいか或いは大きいことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の核磁気共鳴装置。
8. シールド構造と１以上のコイル／共振器システムとの結合が最小になるよう、スロットの勾配が調節されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の核磁気共鳴装置。
9. １以上の測定周波数で無線周波数（ＲＦ）信号を送信および／または受信する１以上のコイル／共振器システムと、パルス磁場勾配を１以上の空間方向に発生させる勾配装置と、１以上のコイル／共振器システムと勾配装置との間にｚ方向に関して半径方向に位置づけられたシールド構造とを備え、このシールド構造がシリンダジャケット形状を有し、１以上のスロットを具備した１以上の導電層を備え、導電層はｚ軸に関してシールド構造のほぼ中心について軸対称に配されており、
   前記１以上のスロットは、ｚ成分がゼロである方向において１以上の導電層と完全に交叉して前記導電層を複数の部分に分割し、
   ｚ１＜ｚ＜ｚ２の軸方向区間において、前記シールド構造はｚ軸まわりに１対以上の領域を備え（ｚ２−ｚ１＞Ｌであり、Ｌはコイル／共鳴器システムの磁場エネルギの９０％以上を含むコイル／共鳴器システムのウインドウ長さ）、該領域はシリンダエンベロップ形状を有し、各対をなす２つの領域の各々はｚ軸まわりを回る２つの閉じた限界線により画成され、各領域の２つの限界線の相互の軸方向間隔ａは（ｚ２−ｚ１）／２以下であり、両限界線はｘｙ平面に対して平行な平面上に配された、ｚ方向に均一な静磁場を発生させる核磁気共鳴装置であって、
   前記対をなす２つの領域は、シールド構造の幾何学的外形のために、両領域がシールド構造の共鳴モードの少なくとも１つについて１以上のコイル／共鳴器システムに対して反対の誘導性結合を有すると共に、シールド構造の導電層の１以上のスロットは、ｘｙ平面に平行に連続して延び、
   ｘｙ平面に平行に連続して延びる１以上のスロットの構造は、前記ｘｙ平面に関して鏡面対象に配置されていると共に、１対以上の軸方向のスロットが、ウインドウ長さＬの中央の領域に付加的に配置され、
   軸方向のスロットは、ｚ方向に平行に向けられると共に、ｘｙ平面に対して平行に延びる隣接する２つのスロットを結合するか、または前記ｘｙ平面に対して平行に延びる１つのスロットをシールド構造の導電層の１終端に結合し、
   スロットの全体構造は、シールド構造の中心に関して点対称であるが、コイル／共鳴器システムの中心を通って延びるｘｙ平面に関して鏡面対称でないことを特徴とする核磁気共鳴装置。
10. ウインドウ長さの中心におけるシールド構造の領域にはスロットを設けないことを特徴とする請求項９記載の核磁気共鳴装置。
11. シールド構造の各領域がｚ方向に軸方向スロットを具備することを特徴とする請求項９記載の核磁気共鳴装置。
12. 隣接するｘｙ平面に対して平行に延びるスロット相互の間隔が全て同一であることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項記載の核磁気共鳴装置。
13. ウインドウ長さＬの中心の領域における隣接するｘｙ平面に対して平行に延びるスロットの間隔は、ウインドウ長さの外側のものの間隔よりも小さいかまたは大きいことを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項記載の核磁気共鳴装置。
14. シールド構造はちょうど１つの導電層と測定周波数領域におけるＲＦ電流の安定な流れが充分に確保されるよう１以上のスロットを横断して配された容量性要素とを備え、または、２つの導電層を備え、両導電層の間には誘電性の非導電層が配され、２つの導電層でのスロットは合致しないことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項記載の核磁気共鳴装置。

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