JP4489744B2 - 直列接続された巻線を備える電気的に対称なｎｍｒコイル - Google Patents

Description

本発明は２つ以上のコイル／共振器構成Ａ１、Ａ２を備える原子核磁気共鳴コイルプローブに関し、少なくとも１つのコイル／共振器構成（Ａ１）は２つのサドル形状のコイルＳ１、Ｓ２を備え、各コイルは１つのウィンドウを有し、前記１つのウィンドウのまわりに直列接続されたＮ個の巻線が配され、Ｎ≧２であり、コイル／共振器構成Ａ１、Ａ２により発生されるＲＦ磁場は互いに垂直に整列され、コイル／共振器構成Ａ１、Ａ２の共振周波数は異なる。

この種のプローブヘッドは、特許文献１および同文献で引用された参考文献に記載されている。

特許文献２には画像ＮＭＲ装置が記載され、同装置は、ボリュームコイルとして設計された送信コイルと、平面コイルとして設計された受信コイルとを備える。測定ボリューム外からの外乱信号の入力を防止するため、受信コイルは対称にされる。受信コイルは直列接続された２つの巻線を有している。

特許文献３には、幾対かの平面コイルを具備したＮＭＲプローブが記載され、平面コイルの少なくとも１対はＨＴＳコイルである。各対の第１のコイル同士は互いに同一平面上に置かれ、各対の第２のコイル同士は互いに同一平面上に置かれ、コイル対の結合が最小化される。

原子核磁気共鳴（ＮＭＲ）スペクトロスコピィは最も有力な機器分析法の１つである。電磁パルスが静磁場に晒された試料に照射される。試料は、同試料中の原子核の性質に基づき特性電磁応答（characteristic electromagnetic response）を放出する。

ＮＭＲプローブは、検出用の１つまたは２つの好適な測定周波数を有する。更なる測定周波数が減結合パルスの送信に主として用いられる。減結合パルスは、観察対象の原子核とその周囲にあるその他の原子核との相互作用を除去し、あるいは、高γを有する原子核（特に^１Ｈ）のスペクトルにおける、低ジャイロ磁気関係（low gyromagnetic relationship）γを有する減結合原子核の効果を調べる「逆実験」に用いられる。

２つの入れ子コイル構成が一般に使用され、幾つかの測定周波数で同時に動作可能になっている。検出測定周波数の１つ以上が内方コイル構成に置かれ、これらのコイル構成の損失の最小化が試みられる。これにより、検出中のプローブヘッドの感度が最適になる。

コイル構成は、典型的には、フィードラインを用いて通常は並列接続または直列接続された２つのコイルからなる。直流電流的または容量的に相互に接続されていないコイル構成または１つのみのコイルからなるコイル構成を実現することもできる。複雑なコイル構成は複数のコイルから形成される。各コイルは、ウィンドウを包む幾つかの巻線を備えてもよく、また、全長またはその任意の区間にわたる幅に沿って延びる１経路または幾つかの平行経路として設計可能であり、また、コンデンサおよびフィードライン接続により長さに沿って断続可能である。

コイル巻線は直列接続または並列接続可能である。多重巻線コイル構成は、並列−並列コイル構成と、並列−直列コイル構成と、直列−直列コイル構成と、直列−並列コイル構成とに区別される。第１の項はコイル内の巻線の配線を特徴づけ、第２の項はコイル構成の２つのコイルの配線を特徴づけるものである。

ＮＭＲでは以前には主として直列−直列コイル構成が使用されていた（例えば特許文献４を参照）。この構成は、インダクタンスが比較的高く、フィードラインの損失性インダクタンスならびに多重周波数プローブヘッドの同調回路で用いられている追加インダクタンスがコイル構成全体において無視可能である。これによりコイルの効率が高まる。しかしながら、多重巻線直列−直列コイル構成は、インダクタンスが高いことに起因して高磁場ＮＭＲ（静磁場Ｂ_０＞７Ｔ）用には固有共振が低すぎるものになっている。このため、ＲＦ磁場の均一性に乏しく、例えば^１３Ｃ及び^３１Ｐ用の測定周波数の同調は困難である。この問題は、多重巻線直列−並列コイルの低減されたインダクタンスにより解決可能である（例えば特許文献１を参照）。例えばＭＲＩ（磁気共鳴映像法）で用いられる極めて大きい測定試料には、単一巻線コイルまたは並列−並列コイルを用いる必要がある（例えば特許文献５を参照）。但し、この場合、フィードラインおよび回路のインダクタンスが、コイル構成のインダクタンスよりも相当速く増大することがある。

ヘルムホルツコイルおよびサドルコイルに加えて、ＮＭＲでは、ソレノイドコイル、バタフライコイルおよび波形コイルならびに各種形状の平面コイルが用いられる。

或いは、１以上の共振器で構成可能な共振器構成をプローブヘッドで使用してもよい。ＮＭＲでは、いわゆるバードケージ共振器、オールダーマン・グラント共振器または送信ライン（スロット付きチューブ）共振器およびスパイラル共振器などの平面自己共振構成（planar, self-resonant structures）が多用される。

１以上の動作周波数用のＮＭＲプローブを作るため、コイルと共振器構成との組み合わせを用いることが多い。これは、例えば、第１のコイルまたは共振器構成を第２のコイルまたは共振器構成と同軸に配置し、発生ＲＦ磁場が互いに略直交するように両者を整列させることにより実現される。

コイルおよび共振器構成の重要な目的の１つはコイル／共振器構成間の結合を最小にすることである。明記しない場合、コイル構成と共振器構成とで観測結果が等価であるので、以下、両者を同等に取り扱う。

２以上のコイル構成間の結合は多くの理由で望ましくない。

１．共振では、一方のコイル構成から他方のコイル構成へ結合を介して電流が流れる。これにより「内方」コイル構成の電流が測定試料から除去され、構成の効率が減少し、これにより内方コイル構成で共振する測定周波数におけるプローブヘッドの感度が低減する。

２．コイル構成のＱ値が他のコイル構成のＱ値よりも相当に高い場合、残留結合（residual coupling）によりＱ値の高いコイル構成が強く減衰する。特に、これが生じるのは、一方のコイル構成で超伝導材料が用いられ且つ他方のコイル構成で通常の導体が用いられる場合である。

３．コイル構成間での結合を無視できる場合、各コイル構成を１以上の測定周波数に別個に同調することができる。これにより、プローブヘッドの構造ならびに動作中に試料が変化する場合での同調プロセスが単純になる。

４．結合を無視することができる場合、測定チャンネル間でのクロストークは測定不能である。これは例えば実験に便宜である。

特に、特許文献１および同文献で引用された参考文献に記載のように従来の多重巻線直列−並列コイルシステムに対し、２つのコイルシステム（コイル構成）の結合を最小化することはできるが、除去することはできない。
米国特許第６，１７５，２３７号明細書 米国特許第４，７３９，２６９号明細書 米国特許第６，２０１，３９２号明細書 米国特許第４，３９８，１４９号明細書 米国特許第６，０６０，８８２号明細書

本発明の基礎的な目的は、２つのコイル／共振器構成間の結合を更に低減したＮＭＲプローブヘッドを提供することにある。

この目的は本発明によれば上記タイプのＮＭＲプローブヘッドにより達成され、同プローブヘッドは、各コイルＳ１、Ｓ２がそれぞれのコイルの中心面に対して鏡面対称に形成され、該中心面は各コイルが有する１つのウィンドウに対して垂直であり、コイルＳ１、Ｓ２の中心面が同一であってＡ２の共振周波数における２つのコイル／共振器構成Ａ１、Ａ２間の電磁結合を最小にすることを特徴とする。

ここで、鏡面対称とは、コイルの導体上の任意の点が、導体上でこの点に対して鏡面対称に配置された点を有することを意味し、特に、コイルと中心面との交点（特に中心面上の任意の交点）と導体上の点との経路長さが、該交点と導体上の点の鏡面点との経路長さに等しいことを意味する。配置が対称であると共に導体部分の交点で単に遮断され或いは平行にまたは半径方向に僅かに偏倚している場合にも、コイルは鏡面対称であると見なす。後者は、例えば、基板の異なる側に配された２つの導体層を用いる場合に生じる。

幾つかの導体平面からなると共に導体全体が同一平面に配されていると見なされるよう導体平面でコイル寸法より相当に（特に５ないし１０倍以上また好ましくは１００倍以上）小さく平面離間した平面コイルについては、この鏡面対称が本発明に従って正確に評価される。幾つかの導体平面を用いること自体により生じる非対称性あるいは導体部分と別の平面との間に移行部を用いることにより生じる非対称性は、本発明によれば無視される。幾つかの「導体平面」からなるサドル形状のコイルにつき、シリンダジャケット形状の導体表面間の離間がコイル寸法より相当に小さい場合には、上記評価は平面コイルと同様である。

本発明によれば、２つのコイル／共振器構成が９０±５度の角度で方向づけられている場合、両者は互いに垂直に向いていると見なされる。上記角度範囲にある２つのコイル／共振器構成の結合は特に小さい。９０度に可能な限り近い角度が好ましい。２つのコイル／共振器構成間の角度は、動作中にコイルにより発生されるＲＦ磁場の間の角度に関連する。

以下に詳細に説明するように、対称的なコイルＳ１、Ｓ２と更なるコイル構成Ａ２との結合が一定条件下では大幅に除去される。本発明により設計された本発明のコイル構成Ａ１が別のコイルシステムＡ２に与える影響は従来のコイル構成に比べて格段に少ない。

本発明の原子核共鳴プローブヘッドの特に好適な実施の形態では、コイルＳ１，Ｓ２の各々が導体部分間にＮ−１個以上の交点を有し、交点はそれぞれのコイルの中心面上に配される。これは、電気的に対称なコイルを形成する単純な方法である。２つの導体部分は、導体部分間に電気的接点を生じることなく、１つの交点でオーバラップしている。導体部分は、コイルの導電部分である。

２以上の交点は、導体部分が２以上の導体部分と交差することを意味している。

更なる実施の形態が好適であり、この実施の形態では、コイルＳ１および／またはＳ２の各々が導体部分間に２＊Ｊ個の更なる交点を有し、更なる交点がそれぞれの中心面に対して対称的に対をなして配され、Ｊは１以上である。この配置により、高次共振モードにおけるコイル構成の磁気結合が低減する。

０度から１８０度までの任意の所望角度で導体部分を交差させることができる。９０度の角度では交点は導体幅に制約される。角度が小さくなるほど或いは大きくなるほど交点が広くなる。極端な場合、交点はコイルの全範囲を占めることがある。両方の極端な場合を図５ｄに図示する。すなわち、頂部では０度で交差し、両側では１８０度で交差している。交差が９０度である場合、交点で容量が最小になり、従って、与えられたコイル配置に対して固有共振が最大になる。これを例えば図１ａに示す。交差が０度である場合には寸法が最小になり、これは特にｚ方向で望ましい。交差が１８０度である場合、ｘｙ平面でのＲＦ磁場の均一性が最大になる。

好適な実施の形態では、コイルの共振動作中それぞれのコイルＳ１、Ｓ２上の電位が鏡面対称に分布すると共にそれぞれの中心面に対して反対であるよう、コイルＳ１、Ｓ２が形成される。

本発明の原子核共鳴プローブヘッドの有利な実施の形態では、各コイルＳ１および／またはＳ２がワイヤコイルとして設計される。この場合、ワイヤを屈曲させることにより交点を生じさせることができ、交点には特段の接続技術は不要である。

有利な代替の実施の形態では、コイルＳ１および／またはＳ２がシートまたは薄膜として設計される。これは自動生産に大変便宜である。シートコイルでは、導体は、金属シートから（切断、エッチングなどにより）処理され（糊付け、プレス、溶融などにより）、基板に配される。薄膜コイルでは、（例えば、蒸着、スパッタリング、電気メッキ（galvanically）などにより）金属被膜を基板に直接配置する。

この実施の形態の好適な更なる発展形態では、交点および／または更なる交点が半田ブリッジまたは溶接ブリッジを用いて設計され、突出部の厚さの変化により交点でのコイルの「閉」を制御する。

上記実施の形態の別の好適な更なる発展形態では、コイルＳ１および／またはＳ２がフレキシブルＰＣＢ（プリント基板）のシートコイルとして設計される。これは製造に便宜である。ＰＣＢ材料の誘電体は、プラスチック材、セラミック、ガラス、半導体、酸化物、窒化物などから製造することができる。金属被膜は、糊付け、溶融、蒸着、スパッタリング、電気メッキなどにより配置することができる。

上記更なる発展形態の実施形態では、コイルＳ１および／またはＳ２が、異なる平面上に配されたＮ個以上のコイル部分から設計され、各々２つのコイル部分を電気的に接続するＮ−１個以上の貫通接点が誘電体を通って設けられる。貫通接点は、レベルが異なる導体部分を接続する上で特に単純な方法である。

別の好適な実施の形態では、それぞれのコイルＳ１および／またはＳ２における交点上には貫通接点は配されていない。

本発明のＮＭＲプローブヘッドの特に好適な実施の形態では、コイル／共振器構成Ａ１の２つのコイルＳ１、Ｓ２が並列接続される。このコイル構成Ａ１は、ＮＭＲプローブヘッドでの直列−並列コイル構成として使用することができ、プローブヘッドにおける第２のコイルまたは共振器構成Ａ２に対する結合が最小になる。コイル構成Ａ１のコイルは、同一構成かつ鏡面対称配置であるのが好ましいが、構成を異にしてもよい。

更なる実施の形態では、コイル／共振器構成Ａ２が１以上の平面コイルまたはサドル形状のコイルＳ３を備え、コイルＳ３がウィンドウを有し、直列接続されたＮ個の巻線が前記ウィンドウのまわりに配され、Ｎ≧２であり、前記ウィンドウに垂直なコイルＳ３の中心面に対してコイルＳ３が鏡面対称の構造を有する。

本発明のＮＭＲプローブヘッドの好適な実施の形態では、コイル／共振器構成Ａ２がバードケージ共振器として設計される。バードケージ共振器が実用上有用であることが分かっており、特に対称的にすることができる（理想的な場合、２つの電気的な対称性および１つの磁気的対称性）。

本発明のＮＭＲプローブヘッドの好適な実施の形態では、他のコイル／共振器構成Ａ２が共振しているときにコイル／共振器構成Ａ１のフィードラインに対称的な電位が生じるよう、コイル／共振器構成Ａ１のフィードラインにおけるインピーダンスが選択される。換言すれば、別のコイル／共振器構成（本発明によれば対称化可能）が共振動作しているときに、本発明により対称化される多重巻線コイル構成のフィードラインに対称的な電位が発生する。そのため、外方コイル構成と内方コイル構成のフィードライン間の少なくとも実質的な結合領域でフィードラインの構成が対称である必要がある。

本発明の更なる利点は詳細な説明および図面から抽出可能である。上述の及び下記の特徴は個々にまたは任意に組み合わせて使用可能である。図示および記載した実施の形態は網羅的なものと解すべきものではなく、本発明を記載するための例示的な性質のものであると解すべきである。

本発明は、添付図面により詳細に記載され且つ説明されている。

序論
原子核磁気共鳴ではサドルコイルシステムおよびヘルムホルツコイルシステムが長年使用されてきた。サドルコイルは、アーク形状の横断方向要素とロッド形状の長手方向要素とからなるコイルである。これは、（導体部分間に存することのある交点を除き）シリンダジャケット形状の表面に配置されるように構成される。

ＮＭＲでは２以上の測定周波数が通常使用される。１以上の測定周波数に用いる磁気共鳴（ＭＲ）プローブヘッドを実現する１つの可能性は、１以上の共鳴周波数に各々同調された２つの異なるコイル構成を使用することである。これにより、共振器とコイル構成とが区別される。コイルは一般にはサドルコイルであるが、共振器は一般にはバードケージ共振器またはオールダーマン・グラント共振器の群から選択される。特に固体ＮＭＲではフローセルが使用される場合には、ソレノイドコイルも使用される。

特別なプローブヘッドもまた平面コイルおよび共振器を使用する。その例は、極端な質量制約がある試料に用いられ表面コイル（螺旋、バタフライおよび波形）を使用するプローブヘッドや、検出システムが極低温まで冷却されると共に共振器が高温超伝導材料から製造されるプローブヘッドである。

２つのコイル／共振器構成が１つのプローブヘッドに装着される場合、従来技術によれば、コイル／共振器構成は、同軸に装着されると共に互いに９０度で配置されて相互に誘導的に結合されないように設計される。従来技術によれば、多重巻線コイルの概念は、各コイル構成が磁気的な対称性のみが高い場合に２つのコイル／共振器構成間の結合が除去されるというものである。

電気力学における電気的に対称な平面との用語は、接線方向のＥ場（tangential E fields）を有しない平面を示し、すなわちＥ場が平面に対して垂直であることを示す。磁気的に対称な平面は、接線方向のＨ場が消滅することにより、すなわちＨ場が磁気的に対称な平面に対して垂直であることにより特徴づけられる。

例えば、米国特許第６，１７５，２３７号の図１のコイル構成において、要素３０の中心を通ると共に要素１６、２６間を延びる平面は、磁気的に対称な平面を画成する。コイル構成は更なる対称面を有しない。更に、個々のコイル（１０，２０）は対称ではない。

下記のものは、一般的な妥当性を妨げることなく、磁気共振（ＭＲ）構成に基づいており、内方コイル／共振器構成の電気的および磁気的な対称性が最大である。これは、内方コイル／共振器構成が１以上の電気的対称性および１つの磁気的対称性を有することを意味している。第３の対称面は電気的に対称的でなければならないが、フィードラインに起因して一般にはこの対称面を完全に実現することはできない。第２のコイルシステムは内方コイル構成のまわりに配置すべきであり、２つのコイル構成間の相互結合を防止し或いは少なくとも最小化するように設計される。一般的な状況を阻害せずに、装着を反転可能であり、すなわち問題にしているコイル構成が内側になる。

２つのコイル構成間の結合を最小化することには下記の利点がある。

１．２つのコイル構成の影響が互いに最小になる。すなわち、それぞれのコイル構成の周波数、Ｑ値および効率が、第２のコイル構成の存在から大幅に独立したものになる。

２．個々の測定周波数の共振モードが、両周波数が結合されるコイル構成に制約される。これは共振が励起されたときに第２のコイル構成に電流が流れず或いは殆ど流れないことを意味する。

３．少なくとも、異なるコイル構成に２つのチャンネルが接続される場合、１つのチャンネルから次のチャンネルへのクロストークが相当低減する。

４．クロストーク、結合および偽の共振を改善するトラップフィルタを除去可能なので、回路が単純になる。

２つのコイル構成間の結合が、単一巻線並列−並列コイルおよび多重巻線並列−並列コイルにより簡単に除去可能である。直列−並列コイル、並列−直列コイルおよび直列−直列コイルについては、配列が結合を最小化するが結合を除去するものではない。
本発明による結合除去の改良
本発明の範囲内で、上記の直列コイルが１つの共通な問題点を有することがわかっている。すなわち、これらのコイルは対称性をもたない。これにより、プローブヘッドの２つ以上のコイル構成間に残留結合が生じる。本発明は、（少なくとも大幅に且つ或るモードについて）残留結合を除去する１つの可能性を示す。本発明により設計されたサドル形状のコイルＳ１、Ｓ２を具備した第１のコイル構成は、従来のコイルよりも第２のコイル構成Ａ２に対する影響を相当に低減する。

多重巻線直列コイルＳ１、Ｓ２の設計では結合が低減される。コイルは（幾何学的な）対称性を有し、特に導体部分間にＮ−１個（Ｎは巻線数）以上の交点を有し、また、交点は対称面上に配され或いは対称面に対して対称に対をなして配される。Ｎ−１個の交点は対称面上になければならず、また、任意の更なる交点が対称面に対して対称に対をなして配されなければならない。

図１ａは２巻線コイル用のものを示し、図２は３巻線コイル用のものを示す。対称性は、２つのコイルを独立にスイッチングすることにより（例えば誘導的な結合により）或いは２つのコイルを並列接続することにより維持される。

図１ａは、本発明の磁気共鳴プローブヘッド用のコイル構成の展開図を示し、このコイル構成は、参照符号１、２によっても示される２つのコイルＳ１、Ｓ２を備える。例として、２つのコイル１、２の配置がコイル１について図示されている。コイル１は、直列接続される２つの巻線３、４を有している。コイル１は、図面の平面に対して垂直な中心面５に対して鏡面対称である。交点６において内方巻線４の導体部分７は外側にガイドされ、外方巻線３の導体部分８は内側にガイドされる。導体部分７、８はこれにより交点６においてオーバラップする。導体部分７はこれにより導体部分７、８間の導電性の接続を生じることなく、導体部分８にわたってガイドされる。交点６は中心面５上にある。勿論、２つの導体部分の一方７または８はコイル表面に留まってもよく、第２の導体部分のみが内側または外側にガイドされる。内方巻線４はコイル１のウィンドウ９を包囲する。

図１ｂは、接合前における図１ａのコイル構成を示す。フィードライン１０が破線で示され、２つのコイル１、２が実線で示されている。コイル１、２は、フィードライン１０の交点１１で未だ遮断されていない。

図２は本発明の磁気共鳴プローブヘッド用のコイルＳ１、Ｓ２を示し、すなわち３つの巻線２６、２８、３０を有するコイル２１を示す。コイル２１は２つの交点２３、２４を有している。中央巻線２６の導体部分２５と外方巻線２８の導体部分２７は上方交点２３で交差する。中央巻線２６の導体部分３１と内方巻線３０の導体部分２９は下方交点２４で交差する。交点２３、２４は中心面５上にある。点２２は、導体を遮断するのに適し、例えば、コンデンサを用いてコイル２１が共振するよう調節し又はフィードラインを提供するのに適している。

図１ａ、図１ｂおよび図２ならびに下記の図面は、コイルおよびコイル構成を簡単に示し、すなわち、例えばシリンダジャケット形状の表面を形成する丸いコイル形状が展開図で示されている。ｚ軸は上方に向き、ｘ軸は「０」において図面の平面から突出し、ｙ軸は「π／２」，「−π／２」において図面の平面から突出している（図１ａを参照。ｘ、ｙ、ｚは直交システムを形成する）。

図３ａおよび図３ｂの各々は磁気共振プローブヘッドを示し、同プローブヘッドは、（外方）コイル構成Ａ１と（内方）バードケージ（ＢＣ）共振器Ａ２（参照符号３２）とを備える。外方コイル構成Ａ１のコイル３６、３８は実線で図示され、一方、フィードライン１０は破線で示されている。ＢＣ３２またはＡ２はハッチングラインで示されている。ＢＣ３２が最大の対称性を有するものとし、すなわちｙｚ平面がＢＣの磁気的な対称面３３であり、ｘｚ平面およびｘｙ平面はＢＣ３２の電気的な対称面３４、３５である。

図３ａおよび図３ｂは、動作中の１時点における内方ＢＣ共振器３２上の電位分布を示す。ポテンシャルは対称面３３に対して対称であり、２つの平面３４，３５に対しては非対称である。

外方コイル３６、３８上の電位を考慮すると、得られる電位は図３ａおよび図３ｂに示したものと同様である（ＢＣからの外方コイルの距離が大きいほどコイル上の電位の絶対値は小さい）。

完全に対称的なバードケージ上の電位は、空間内でのＲＦ磁場の発生により生じる電位の代表的な概念を単に示すものである。対称性を殆ど有しない場がコイルまたは共振器構成を用いて発生された場合、これに応じて場の対称性が低くなる。

従来技術による外方コイル構成Ａ１または３６上の電位（図３ａ）に関し、すなわち外方コイル３６の発生される共振を最初は無視すると、内方共振器３２の動作中、外方コイル３６上に発生する電位は共振器３２の最も近接した金属要素の電位に近いとみなすことができる。そうであればあるほど、離間は小さくなる。この結果、２つのコイル３６（＋および＋＋または−および−−）の接続点１２に印加される電位に差が生じる。各コイル３６が各々１つのコンデンサにより別々に電気的に閉じられるとすれば、内方コイルシステムの動作中、２つの外方コイル３６の各々のフィードラインにおけるコンデンサを通って電流が流れることになる。

フィードライン１０を用いてコイル構成の２つのコイル３６が接続されると、コイル構成Ａ１の２つのコイル３６間での電位差により、２つのフィードライン１０に同一方向に電流が流れる。各場合においてコンデンサ３７が「中心に」接続される場合、コンデンサを通る電流は流れない。「中心に」接続されない場合（図３ａ）、電流の一部がコンデンサ３７を通って流れる。フィードラインでの電流により発生する場は、内方共振器３２の場と同一方向に延び、すなわち、フィードライン１０は共振器と誘導的によく結合する。従来技術によれば内方共振器３２の動作中、コイル構成に発生する電流は、上述のように、不所望のプローブヘッド特性を複数発生させる。

従来のコイル構成Ａ１の２つのコイル３６間の接続は、一般には、フィードライン１０がコイル構成Ａ１を動作させる磁場を発生させないように設計される。これにより、フィードラインが「異なるモード」で動作する場合、おおよそ導体の離間の距離では、発生された場が大幅に相殺される。

内方コイル構成３２またはＡ２の共振周波数では、電流はフィードライン１０上を「共通モード」で流れる。これは、フィードライン１０により発生した場を相殺不能であると共に２つのコイル構成Ａ１、Ａ２がフィードライン１０を介して追加的に結合することを意味している。

コイル３６の非対称性により、誘導性結合を介してアンペールの法則による追加電圧が誘起可能でもある。従来のコイル３６の交点が、内方コイルシステムの磁気的な対称面３２上にはないが、ＢＣ共振器３２の動作中に比較的大きい場の勾配を有する領域にあるという事実が、内方巻線と外方巻線との間に別の結合を生じさせる。結合は相互に相殺せず、また、各々の個々のコイル３６と図３ａの接続されたコイル構成が共振器３２と誘導的に結合する。

回路は、通常、ＭＲプローブヘッドのコイル構成Ａ１のフィードライン１０に接続される。上述のように内方共振器３２ Ａ２の動作中、従来のコイルのフィードライン１０への回路の接続点１２は電位を有し、外方コイル構成Ａ１の接続点１２に電圧が発生する。実用上、この結合は、個々の測定周波数を減結合すると共に同調回路における「偽の共振」に起因する損失を回避するため、回路の接続部にトラップフィルタが必要になる。トラップフィルタは、共振において共振器３２ Ａ２に追加損失を発生する。

フィードラインが対称的に接続される場合、回路の接続点１２は電位を有しない。しかしながら、「下方」フィードラインにおけるよりも「上方」フィードラインに流れる電流が少ないので環状の電流成分が流れ、共通モードに加えて、接続脚における電位差に起因する追加電流が流れ、不所望の損失が生じる。

本発明により設計されたコイル構成Ａ１を具備した本発明のＲＭプローブヘッド（図３ｂ）では、コイル構成Ａ１の参照符号３８を備える両コイルＳ１、Ｓ２の対称構造に起因して、各コイル３８の接続脚は同一の電位（＋、＋または−、−）を有する。

コイル３８の接続点１１がコンデンサ３９を用いるＲＦ電流に対して閉じられる場合、コイル３８のコンデンサ３９には電流が流れない。

図３ｂのコイル構成Ａ１の２つのコイル３８がフィードライン１０を介して接続される場合、これら２つのフィードライン１０における電流は同一方向に流れる。２つのコイル３８間の電位差が従来のコイル間よりも小さいので、２つのコイル３８を具備した本発明の実施の形態はこの問題を解消できず、単にこれを低減するものになる。更に、本発明のコイル構成Ａ１は、対称な特性に起因してフィードラインにおいて円形電流成分を有しない。更に、個々のコイル３８の対称性は誘導性結合を解消する。

フィードライン１０が不適切に設計されている場合、従来技術の場合と同様、誘導性結合を介するコイル／共振器構成Ａ１、Ａ間の結合にフィードラインが相当寄与することがある。外方コイル構成Ａ１と内方共振器Ａ２との結合を防止するためには、共振器Ａ２場が既に非常に小さい空間内における部位で２つのコイル３８間の接続がガイドアウトされるよう、両コイル構成は、外側へ充分離れて中心面５へ対称的にガイドされなければならない。或いは、フィードライン１０をシールドしてもよい。

従来のコイルとは対照的に、回路とコイル３８のフィードライン１０との接続点１２は電位を有しない。このため、損失性のトラップフィルタを省略することができる。これにより、ＭＲプローブヘッドの構造および調節が相当に単純になると共に共振器Ａ２が共振しているときに損失が低減する。

図３ｄ及び図３ｅは、直流電気的に結合されていない２つのコイル構成Ａ１を示す。両コイル構成は例えば誘導的に結合可能である。図３ｅのコイル構成Ａ１は、追加のリアクティブ要素を用いて２つの共振周波数に調節される。フィードラインなしのこれら２つのコイル構成は、フィードラインと内方共振器Ａ２との間の結合の問題を洗練された仕方で解消する。コイル構成Ａ１の２つのコイル間の電位差はフィードラインにおける電流の流れによりバランスさせることができないので、内方共振器Ａ２の動作は小さい損失のみを発生させる。これらのコイル構成Ａ１の単一の残留結合は、内方共振器Ａ１のラングとコイルのラングとの間および共振器Ａ２の環状要素と外方コイルの環状要素との間の電気的な結合である。コイル／共振器構成が合理的に設計されている場合、これらの直流結合が互いに作動的に相殺するので、直流結合を相殺することはできないが、全体モードに重大な影響を及ぼすことはない。

本発明により設計されたコイル構成Ａ１をＮＭＲプローブヘッドに設置する結果、内方共振器構成Ａ２の性能が外方コイル構成Ａ１により僅かに影響されるに過ぎなくなる。これは、特に、内方共振器Ａ２が外方コイル構成Ａ１よりもＱ値が相当に高い場合に有用である。更に、本発明のコイルが共振器まわりに装着される場合、内方共振器Ａ２の周波数は僅かに変化するに過ぎない。これは、無視可能な結合を介して達成される。内方コイル構成Ａ２のＱ値または周波数シフトの残りの低減は、外方コイル構成Ａ１のシールド効果および上記の直接結合（ラング−ラングまたはリング−リング）に起因して生じる。

外方コイルコイルＡ１の共振は無視可能であると現在までみなされてきた。電位を介する結合のみが考慮され、結合は対称面５に対して反対称である。実際、この単純化が常に許容されている。外方コイル構成Ａ１は、対称的な電位分布を有することができる複数のモード（固有共振）を有している。特に外方コイルが同調される１以上の周波数が内方共振器Ａ２の最低周波数よりも低い場合には、外方コイルの高次モードとの結合が生じる。

本発明のプローブヘッドのコイルＳ１および／またはＳ２の高次モードは、従来のコイルと類似した問題を発生させることがある。例えば、図１による２巻線コイルの第１の高調波（第３のモードのコイルの直流電気的並列接続すなわち第１の高調波の反ヘルムホルツモードに対する、対構成および第４のモードの誘導性結合の場合）は、このモードが、１つのコイルＳ１、Ｓ２の最低モードに対して垂直な有効Ｈ場を生じさせるので、内方コイル／共振器構成Ａ２に対して非常に強い結合を発生させることがある。それが第２のコイル／共振器構成Ａ２に垂直に整列される場合、内方構成Ａ２は本発明のコイル構成Ａ１の第１の高調波に対して誘導的に結合する。

従来のコイルとは対照的に、参照符号４２のコイルＳ１および／またはＳ２の磁気的結合は、２つ（以上）の追加の交点４３、４４を挿入することにより低減することができる（図４ａ）。表面Ａを介する２つのコイル／共振器構成Ａ１、Ａ２間の結合が減結合モード用の表面Ｂを介するものと等しくかつ反対になるよう、追加の交点が好適に配される。別のモードを減結合すべきならば、追加交点を挿入可能である。この様に、コイル構成Ａ１は、２つのコイル構成Ａ１、Ａ２の基礎モードの結合を大幅に低減し、また高次モードに対する結合を大幅に除去する。

これに関連して、図４ａは、本発明のＭＲプローブヘッド用のコイル（Ｓ１および／またはＳ２）を示し、同コイルは２つの直列巻線を有する。このコイルは、中心面５に交点６を有すると共に、中心面５に対して鏡面対称に配置された２つの更なる交点４３、４４を有している。これらの更なる交点４３、４４は、高調波と反対に領域ＡおよびＢを介して流れの結合を生じさせる。これが磁気的結合を相殺させる。これにより基本的なモードの減結合は影響されない。

注：本発明のＭＲプローブヘッド用のコイルＳ１、Ｓ２は、ドーティリッツコイル（米国特許第６，０６０，８８２号）とは異なる原理に基づいている。ドーティリッツコイルは、多重巻線並列コイルの全ての並列経路で同一の電流を得るために交点を利用している。設計原理は、個々の経路のインダクタンスを等しくするというものである。電気的な対称性は平行コイルにおいて維持可能である。本発明のコイルの交差の原理は、従来の直列型コイルのどれもが有しない交点（６，２３，２４）を用いて直列コイルで電気的な対称性を得ると共に、追加の交点（４３、４４）を用いて高次モードの誘導性結合を低減又は防止することにある。

例えば米国特許第６，０６０，８８２号に示すように直列コイルと並列コイルの組み合わせも可能である。すなわち、１以上の直列巻線は２以上の並列経路に分割可能であり、米国特許第６，０６０，８８２号に記載のように並列経路間に任意の追加交点を挿入可能である。

図４ｂは本発明のＭＲプローブヘッド用の２巻線コイルを示し、内方巻線は２つの並列経路４９、５０に分割される。

図４ｃにおいて、追加の交点４５が対称面上に挿入され、該対称面では並列経路が交差して並列経路で略同一の電流を得る。表面Ｃ、Ｄはこれにより同一のサイズを有することになり、これは対称性によって自動的に達成される。なお、交点６はコイルの対称性を担保し、一方、交点４５は並列経路での電流を均一にする。

図４ｄは２巻線直列コイルを示し、ここで「ラング」は２つの並列ラングとして示されている。４つの追加の交点はラングでの電流をおおよそ同一に維持する。このため、コイルの動作中、表面Ｅ、Ｆを通る磁束が同一でなければならない。

図４ｅは２巻線直列コイルを示し、ここで２つの並列経路が導体の全長にわたって設けられている。これにより交点４５は並列巻線間の電流を均一にし、４つの交点４６は電気的な対称性を提供する。このコイルは全体で５個の交点を既に有している。

図４ｆは、導体の全長にわたって２つの並列経路を有する２巻線直列コイルを示し、図４ｅのコイルに比べ、高次モードとの誘導性結合を低減するために更なる交点４７、４８が挿入される。このコイルは総計１３個の交点を有する。
コイルまたはコイル構成の実施の形態
１．ワイヤコイル
利点：屈曲により交点を形成することができ、交点用の接続技術は不要である。

２．シート／薄膜コイル、（半田／溶接）ブリッジによる交点
利点：自動化プロセスを用いる簡単な製造
３．フレキシブルＰＣＢ材のシートコイル、両側層の間の誘電体を通る交点貫通接続または第２例のようなブリッジを用いた交点貫通接続
利点：両側が導体材料で被覆されたフレキシブルＰＣＢを用いた場合において、交点が幾つか設けられている場合にも理想的には１つの貫通接点のみが必要になるように、コイルを設計することができる。これにより貫通接点は交点から離間可能である。

図５ａないし図５ｃは、本発明のＭＲプローブヘッド用のコイル構成Ａ１のシートコイル（Ｓ１および／またはＳ２）の構造を示す。第１の導体部分５１はシートの第１の側に配され、また２つの更なる導体部分５２はシートの第２の側に配されている。完成したコイル５３において（図５ａ）、２つの導体部分５１、５２は誘電体シートを通る２つの貫通接点５４を介して接続されている。

図５ｄは、３つの交点と２つの貫通接点を具備したコイルＳ１および／またはＳ２を示す。この実施の形態は図５ａのコイルに比べｚ軸方向のサイズが最小である点で好適である。交点および横断方向接続におけるコイル巻線のオーバラップは、形成された容量によりコイルが計測周波数に同調するよう設計することができる。コイルの上端での導体部分５５、５６間の容量が充分大きい場合、貫通接点を完全に除去することができる。

図５ｇは、図４ｆのコイルのＰＣＢ材上の実施の形態を示す。図５ｇのコイルは１３個の交点を有するが、６つの貫通接点のみを有している。

図５ｈは、図５ａのコイルの代りの実施の形態を示す。交点にある必要のない単一の貫通接点５４で充分であるように、フィードラインはＰＣＢ材の異なる側に接続される。

図５ｉは、この方法の長所を示している。図５ｉのコイルは、１３個の交点を有するが、２つの貫通接点を有するに過ぎない。各種寸法に比べて誘電体の厚さが大きい場合には、この方法を適用する際、必要な電場の対称性に過大な影響が及ぶ。これにより、従来のコイルに対する改善が低下する。この場合、幾つかの貫通接点を設けて対称性を回復させるのが合理的である。

明らかに、実際に形成された全ての交点はコイルの対称性を僅かに損なう。しかしながら、この僅かな非対称性によれば、２つのコイルシステムＡ１、Ａ２に無視可能な追加の結合が生じるに過ぎない。その様な交点での対称性の僅かな破れは、本発明によれば無視すべきである。追加の結合がたとえ誘導的な性質であったとしても、追加の結合はブリッジを好適に位置決めすることにより低減可能である。電気的な非対称性はこれにより局所的にのみ設けられるが、従来のコイルの場合のように全体的ではない。このため、電気的な非対称性は重大な結合を生じさせない。

導体長さに沿って一体化された電圧ディバイダ（一体化された容量または不連続「チップ」コンデンサを使用可能）またはコイルを或る周波数に同調させるための単純な「共振器」を形成する一体化された容量を有する多重巻線コイルも本発明によるものである。一体化された容量によりコイルが１以上の共振周波数に同調された場合、フィードラインはもはや全く不要である。コイルは、直流電気的または容量性の結合に代わり、フィードラインを介して誘導的に結合することもできる。

本発明のコイル構成は、２以上のコイル／共振器構成Ａ１、Ａ２を具備した原子核磁気共鳴プローブヘッドを形成可能であり、両構成の少なくとも一方は、最小の相互結合を具備した多重巻線直列−並列コイル構成である。

（ａ）は各々が２つの直列巻線、１つの交点およびフィードラインを備える本発明の磁気共鳴プローブヘッド用のコイル構成の展開図を示す。（ｂ）は図１ａのコイル構成を示し、フィードライン（破線）の接続により遮断される前のコイル（実線）が示されている。 ３つの直列巻線および２つの交点を備えた本発明の磁気共振プローブヘッド用のコイルを示す。 共振バードケージ共振器のコイル構成の非対称電位分布を備えた従来技術による磁気共鳴プローブヘッドを示す。 共振バードケージ共振器の対称フィードラインおよび対称電位分布を備えたコイル構成を具備した本発明の磁気共振プローブヘッドを示す。 対称的にタップを設けられるが非対称的に設計されたフィードラインを備えた本発明の磁気共鳴プローブヘッド用のコイル構成を示す。 容量性結合用のフィードラインを具備しない本発明の磁気共鳴プローブヘッド用のコイル構成を示す。 ２つの共振周波数で動作するためのフィードラインを具備しない本発明の磁気共鳴プローブヘッド用のコイル構成を示す。 （ａ）２つの直列巻線および３つの交点を備えた本発明の磁気共鳴プローブヘッド用のコイルを示す。（ｂ）２つの直列巻線を具備し、部分的には２つの並列接続された導体経路からなる本発明の磁気共鳴プローブヘッド用のコイルを示す。（ｃ）２つの直列巻線を具備し、内方巻線が中心面上で交差する２つの並列経路からなる本発明の磁気共振プローブヘッド用のコイルを示す。（ｄ）２つの直列巻線を具備した本発明の磁気共鳴プローブヘッド用のコイルを示し、「ラング」は２つの交差した並列経路として設計されている。（ｅ）本発明の磁気共鳴プローブヘッド用のコイルすなわち２巻線直列コイルを示し、導体は全長にわたって２つの並列経路の形式で設計されている。（ｆ）本発明の磁気共鳴プローブヘッド用のコイルすなわち２巻線直列コイルを示し、導体は全長にわたって２つの並列経路の形式で設計され、１３個の交点が導体間に設けられている。 （ａ）２つの導体平面を具備したＰＣＢ材上にシートコイルとして設計された本発明の磁気共鳴プローブヘッド用のコイルを示し、２つの導体平面の導体部分は破線および実線で示されている。（ｂ）図５ａの第１の導体平面の導体部分を示す。（ｃ）図５ａの第２の導体平面の導体部分を示す。（ｄ）３つの交点と交点には設計されていない２つの貫通接点とを具備した図５ａに類似の本発明の磁気共鳴プローブヘッド用コイルを示し、２つの導体平面の導体部分は破線および実線で示されている。（ｅ）図５ｄの第１の導体平面の導体部分を示す。（ｆ）図５ｄの第２の導体平面の導体部分を示す。（ｇ）１３個の交点と５つの貫通接点とを具備した図４ｆのコイルのＰＣＢ材の第１の実施の形態を示す。（ｈ）交点と単一の貫通接点とを具備した図５ａのコイルに代る実施の形態を示す。（ｉ）１３個の交点と単に２つの貫通接点とを具備した図４ｆのコイルの第２の実施の形態を示す。

符号の説明

１ コイル
２ コイル
３ 巻線
４ 巻線
５ 中心面
６ 交点
７ 導体部分
８ 導体部分
９ ウィンドウ
１０ フィードライン
１１ フィードラインの交点
１２ 回路の交点
２１ コイル
２２ フィードラインの接続点
２３ 交点
２４ 交点
２５ 導体部分
２６ 中央巻線
２７ 導体部分
２８ 外方巻線
２９ 導体部分
３０ 内方巻線
３１ 導体部分
３２ バードケージ
３３ Ｈ対称ＢＣ
３４ Ｅ対称ＢＣ
３５ Ｅ対称ＢＣ
３６ コイル
３７ コンデンサ
３８ コイル
３９ コンデンサ
４１ コイル
４２ コイル
４３ 交点
４４ 交点
４５ 交点
４６ 交点
４７ 交点
４８ 交点
４９ 交点
５０ 平行経路
５１ 導体部分
５２ 導体部分
５３ コイル
５４ 貫通孔
５５ 導体部分
５６ 導体部分

Claims (14)

1. ２つ以上のコイル／共振器構成Ａ１、Ａ２を備え、前記コイル／共振器構成の少なくとも１つ（Ａ１）が２つのサドル形状のコイルＳ１、Ｓ２（１，２；２１；４１，４２；５３）を備え、各コイル（１，２；２１；４１，４２；５３）が１つのウィンドウ（９）を有し、前記１つのウィンドウのまわりには直列接続されたＮ個の巻線（３，４；２６，２８，３０）が配され、Ｎ≧２であり、コイル／共振器構成Ａ１、Ａ２により発生されるＲＦ磁場が互いに垂直に整列され、コイル／共振器構成Ａ１、Ａ２の共振周波数が異なるＮＭＲプローブヘッドであって、各コイルＳ１、Ｓ２（１，２；２１；４１，４２；５３）がそれぞれのコイル（１，２；２１；４１，４２；５３）の中心面（５）に対して鏡面対称に形成され、該中心面は各コイルが有する１つのウィンドウ（９）に対して垂直であり、前記コイルＳ１、Ｓ２の中心面（５）が同一であってＡ２の共振周波数における前記２つのコイル／共振器構成Ａ１、Ａ２間の電磁結合を最小にすることを特徴とするＮＭＲプローブヘッド。
2. 各コイル（１，２；２１；４１，４２；５３）が、導体部分（７，８；２５，２９，３１；５１，５２；５５；５６）の間にＮ−１個以上の交点（６；２３，２４）を有し、交点（６；２３，２４）がそれぞれのコイル（１，２；２１；４１，４２；５３）の中心面（５）上に配される請求項１に記載のＮＭＲプローブヘッド。
3. 各コイルＳ１および／またはＳ２（４１，４２）が導体部分（７，８；２５，２７，２９，３１；５１，５２；５５；５６）間に２＊Ｊ個の更なる交点（４３，４４；４７，４８）を有し、前記更なる交点（４３，４４；４７，４８）がそれぞれの中心面（５）に対して対称的に対をなして配され、Ｊ≧１である請求項２に記載のＮＭＲプローブヘッド。
4. コイルの共振動作中に前記それぞれのコイルＳ１、Ｓ２（１，２；２１；４１，４２；５３）上の電位が鏡面対称に分布すると共に前記それぞれの中心面（５）に対して等しく且つ反対であるように、前記コイルＳ１、Ｓ２（１，２；２１；４１，４２；５３）が形成される請求項１ないし３のいずれかに記載のＮＭＲプローブヘッド。
5. 各コイルＳ１および／またはＳ２（１，２；２１；４１，４２；５３）がワイヤコイルとして設計されている請求項１ないし４のいずれかに記載のＮＭＲプローブヘッド。
6. 各コイルＳ１および／またはＳ２（１，２；２１；４１，４２；５３）がシートまたは薄膜として設計されている請求項１ないし４のいずれかに記載のＮＭＲプローブ。
7. 前記交点（６；２３，２４）および／または更なる交点（４３，４４；４７，４８）が半田ブリッジまたは溶接ブリッジを用いて形成されている請求項６に記載のＮＭＲプローブヘッド。
8. 各コイルＳ１および／またはＳ２（１，２；２１；４１，４２；５３）がフレキシブルＰＣＢ（プリント基板）のシートコイルとして設計されている請求項６または７に記載のＮＭＲプローブヘッド。
9. 各コイルＳ１および／またはＳ２（１，２；２１；４１，４２；５３）が、異なる平面上に配されたＮ個以上のコイル部分から形成され、各々２つのコイル部分を電気的に接続するＮ−１個以上の貫通接点（５４）が誘電体を通って設けられている請求項８に記載のＮＭＲプローブヘッド。
10. １つの貫通接点（５４）が、それぞれのコイルＳ１および／またはＳ２（１，２；２１；４１，４２；５３）における交点上には配されていない請求項９に記載のＮＭＲプローブヘッド。
11. 前記コイル／共振器構成Ａ１の２つのコイルＳ１、Ｓ２（１，２；２１；４１，４２；５３）が並列接続されている請求項１ないし１０のいずれかに記載のＮＭＲプローブヘッド。
12. 前記コイル／共振器構成Ａ２が１以上の平面コイルまたはサドル形状のコイルＳ３を備え、前記コイルＳ３がウィンドウを有し、直列接続されたＮ個の巻線が前記ウィンドウのまわりに配され、Ｎ≧２であり、前記ウィンドウに垂直な前記コイルＳ３の中心面に対して前記コイルＳ３が鏡面対称である請求項１ないし１１のいずれかに記載のＮＭＲプローブヘッド。
13. 前記コイル／共振器構成Ａ２がバードケージ共振器（３２）として設計されている請求項１ないし１２のいずれかに記載のＮＭＲプローブヘッド。
14. 前記２つのコイル／共振器構成Ａ１，Ａ２のフィードライン間の少なくとも実質的な結合領域でフィードラインの構成が対称である請求項１ないし１３のいずれかに記載のＮＭＲプローブヘッド。

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