JP5007992B2 - 三同心コイル・アレイ - Google Patents

Description

本発明は、一般的に云えば、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）方法及び機器に関し、より具体的には、ＭＲＩ機械の信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を増大させるための表面コイル集成体に関するものである。

磁気共鳴イメージングは、原子核の共鳴現象に基づくものである。共鳴は、周期的な力に曝された系の振動の振幅の増大と定義される。共鳴周波数はその系の固有周波数にほぼ等しい。イメージングは、原子核自体と同じ固有周波数を持つ無線波に応答して原子核から放出された信号を測定することを含む。

人体組織のような物質が一様な磁場（分極磁場Ｂ_０ ）を受けているとき、該組織内のスピンの個々の磁気モーメントがこの分極磁場と整列しようとするが、それらの固有のラーモア周波数でその周りを無秩序に歳差運動する。該物質すなわち組織が、Ｘ−Ｙ平面内にあってラーモア周波数に近い周波数を持つ磁場（励起磁場Ｂ_１ ）を受けた場合、正味の整列したモーメントＭ_Ｚ がＸ−Ｙ平面の方へ回転すなわち「傾倒」して、正味の横磁気モーメントＭ_ｔ を生じる。励起信号Ｂ_１ が終了した後、励起されたスピンによって核磁気共鳴（ＮＭＲ）信号が放出され、この信号は受信して処理することにより画像を形成することができる。

一般的に云えば、結果として生じる無線周波（ＲＦ）信号は、身体の近くに配置されたＲＦコイル装置によって検出される。典型的には、このようなコイルは、特定の用途に応じて表面型コイル又は容積型コイルである。通常、励起と検出とに別々のＲＦコイルが使用されるが、両用途のために同じコイル又はコイル・アレイを使用することができる。

初期には、ＮＭＲイメージング・システムは、イメージング対象のサンプル（例えば、患者）全体を取り囲む受信コイルを利用していた。これらのリモート・コイルは、感度がイメージング中の領域全体にわたって第一近似まで一定であると云う利点を有している。この感度の一様性は厳密にはこのようなリモート・コイルの特徴ではないが、該感度は、殆どの再構成技術が一定のコイル感度とみなす程度までにほぼ一定である。リモート・コイルは、それらの寸法が大きいので、個々のスピンに対する相対感度が影響を受ける。

用途によっては、表面コイルの方がリモート・コイルよりも好ましい。表面コイルはリモート・コイルよりも幾何学的形状が遥かに小さくなるように作ることができ、また医学的診断に使用するために患者の身体の近くに、又は身体上に、又は身体の内部に適用することができる。これは、解剖学的断面全体よりはむしろ、患者内の小さい領域をイメージングすることに注意を差し向ける場合に特に重要である。表面コイルの使用はまた、対応するリモート・コイルに対して、所望の信号を最大にしながら、身体内での電気的損失からノイズの寄与分を低減する。従って、ＮＭＲイメージング・システムでは、典型的には局部的な高分解イメージングのために小さい表面コイルを使用する。

ところで、表面コイルの欠点はその視野（受信範囲）が制限されていることである。単一の表面コイルでは、該表面コイルの直径に匹敵する横寸法を持つサンプルの領域しか有効にイメージングすることができない。従って、表面コイルは必然的に視野を制限しており、分解能と視野との間で二律相反を招くことが避けられない。また、表面コイルの寸法はコイルの固有のＳＮＲによって制約される。一般的に云えば、コイルが大きくなると患者サンプルの損失が大きくなり、従って、ノイズ成分が大きくなり、他方、コイルが小さくなるとノイズは小さくなるが、視野がより狭い領域に制限される。

鳥籠形コイル及びサドル形コイルのような直交コイルの使用によりＳＮＲの更なる改善を得ることができる。直交コイルは、その磁化が陽子スピンにより完全な円を描くように回転する無線パルスを送出する。直交コイルでは、ＲＦ電力消費が大幅に低減され且つＳＮＲが増大する。

しかしながら、このようなコイルを使用すると、イメージング面積が実効的に表面コイルの寸法に制限される。表面コイルを大きくすると患者サンプルの損失が大きくなり、従って、ノイズ抵抗が高くなる。このため、視野をオーバーラップさせるように配列した一組の表面コイルを設けることが非常に望ましい。同時に、単一の表面コイルによる高いＳＮＲを保持することが望ましく、これにはコイル間の相互作用を最小にすることが必要である。

４つ以上の表面コイルを同じ平面内に配置し且つ互いからデカップリング（decoupling；結合の除去）しようとした以前の試みでは、通常の直交コイルと比べてＳＮＲの改善が得られなかった。そこで、従来の構成では、２つの隣接してオーバーラップしたコイルの上に配置される第３の大きなコイルを設けている。この大きい方の第３のコイルはＳＮＲを改善することができるが、３つのコイルの内の１つのみが最適なＢ_１ 磁場に寄与しているに過ぎない。その上、このような大きな第３のコイルは、小さい方のコイルのＢ_１ 磁場寄与分を与えることなくノイズを増大させる。
米国特許第４８２５１６２号 米国特許第５３９４０８７号 米国特許第６３２３６４８号

本発明は、複数のコイル・アレイのＳＮＲ比を改善する新規でユニークなコイル構成を提供する。本発明は、２つの同心の表面コイルを持つコイル・アレイを提供する。このような構成における第１のコイルは「二重バタフライ」コイルと呼ばれており、後で詳しく説明する。二重バタフライ・コイルはループ・コイルと組み合わせて対にされる。二重バタフライ・コイルを通る正味の磁束は、バタフライ・コイルのループの寸法を互いに対して変えることによって、ゼロまで調節可能である。本発明はまた、２つの同心のコイル、すなわち、二重バタフライ・コイルとバタフライ・コイルとを持つコイル・アレイを提供する。

本発明は更に、３つの全てのコイルが同じ視野を共有するようにした三同心コイル・アレイを提供する。この三同心コイル・アレイは、二重バタフライ・コイルと、該二重バタフライ・コイルの上に重ねて配置されたバタフライ・コイルと、これらの二重バタフライ・コイル及びバタフライ・コイルの両方の上に重ねて配置されたループ・コイルとを有する。本発明ではまた、一対の直交コイルと第３の平面状コイルとを提供する。本発明はまた、同じ幾何学的中心を持つ全部で３つのコイルを提供する。

本発明は、各々のコイルが関心のある領域内の最適なＢ_１ 磁場に寄与するようにした３つの相互誘導的にデカップリングした同心の表面コイルより成るアレイを提供する。この新規でユニークなコイル・アレイではＳＮＲが増大する。この新規なコイル・アレイはまた二重バタフライ・コイルとループ・コイルとの間の磁気的結合を除去する。また別の実施形態では、コイル・アレイは二重バタフライ・コイルとバタフライ・コイルとの間の磁気結合を除去する。本発明はまた、フェイズ(phase) アレイ技術を使用して、リニア表面コイルに比べてＳＮＲを改善し、また３つの全てのＢ_１ 磁場とノイズとが同等な大きさである領域において一対の直交コイルに比べてＳＮＲの改善さえも行う。

本発明は、大きな視野を達成するために複数の三同心表面コイル・アレイで構成された多重ステーションＲＦコイル・アレイを提供する。本発明のまた別の実施形態では、同じ平面を共用することなく３つのコイル素子を有するＲＦコイル・アレイを提供する。

次いで、図面について詳しく説明する。図面全体を通じて、同じ参照番号は同様な素子に対応する。図６には、本発明の一実施形態の三コイル同心アレイ６０を示す。簡単に云えば、本発明は３つの同心の表面コイルで構成され、例えば、バタフライ・コイル６１と二重バタフライ・コイル６２とループ・コイル６３とで構成される。

ここで、図３Ａ及び図３Ｂ図について説明すると、これらの図は本発明で使用されるような「二重バタフライ」コイルを示す。図３Ａに示されているように電流Ｉが二重バタフライ・コイル３２に流れている場合、その軸を中心にして対称にＢ_１ 磁場が発生される。従って、２つの対向するＢ_１ 磁場、すなわち、図３Ａに示されているように、中央窓３５の内部の磁場Ｂ_ｏｕｔ と該中央窓３５の右側及び左側に位置する側窓３６及び３７の内部の磁場Ｂ_ｉｎとがある。

図４は、二重バタフライ・コイル４２がループ・コイル４３に同心にオーバーラップしていることを示す。二重バタフライ・コイル４２からのＢ_１ 磁場が２つの反対の方向からループ・コイル４３を通り抜ける。従って、ループ・コイル４３についての正味の磁束Φは、内向きの磁束（Φ_ｉｎ）と外向きの磁束（Φ_ｏｕｔ ）との差であり、次のように表すことができる。

Φ＝Φ_ｉｎ−Φ_ｏｕｔ

Φ＝２∫_ｓ Ｂ_ｉｎ ｄｓ−∫_ｓ Ｂ_ｏｕｔ ｄｓ

Φ＝２∫_０ ^ｈ∫_０ ^ｄ Ｂ_ｉｎ ｄｙｄｘ−∫_０ ^ｈ∫_０ ^ｄ Ｂ_ｏｕｔ ｄｙｄｘ

この関係は、図示のように、中央窓４５の幅（距離Ｄ）と側窓４６及び４７の幅（距離ｄ）との関係に依存する。上記の式を使用すると、コイル間の磁気的デカップリングを実現するために距離Ｄとｄとの比を調節することによって正味の磁束をゼロに設定することが可能である。

図５に表されているように、バタフライ・コイル５１は常に該バタフライ・コイル５１の各々の窓５５内に反対向きのＢ_１ 磁場を発生するので、二重バタフライ・コイル５２が同じ軸を共有する場合は、二重バタフライ・コイル５２を通る正味の磁束はゼロになる。従って、コイルの磁気的デカップリングはどんなコイル寸法でも実現可能である。

このような二重バタフライ・コイルとループ・コイル又はバタフライ・コイルとの間の磁気的結合の除去により、図５に示されているように、誘導的にデカップリングした同心の表面コイル・アレイが確立される。図５は、バタフライ・コイル５１にオーバーラップした二重バタフライ・コイル５２を示している。これにより、コイル５１及び５２の各々は関心のある領域内の最適なＢ_１ 磁場に寄与することができる。

本発明はまた三コイル・アレイを提供し、このアレイでは、３つの全てのコイルが同じ幾何学的中心を共有し且つリニア表面コイルに対して信号対ノイズ比を（３）^１／２ だけ改善する。これは、３つの全てのＢ_１ 磁場とノイズとが匹敵する大きさである領域において一対の直交コイルに対して２２％の改善と等価である。図６は、１つの可能なコイル構成を持つこのような実施形態を示し、この場合、バタフライ・コイル６１と二重バタフライ・コイル６２とループ・コイル６３とが、関心のある領域内の最適なＢ_１ 磁場に寄与する同心構成で用いられる。図７は、バタフライ・コイルを個別に用いた場合（７１）、ループ・コイルを個別に用いた場合（７３）及び二重バタフライ・コイルを個別に用いた場合（７２）に達成される特定の信号強度及び磁場均質性を例示する。個別に用いたときの各々のコイルは、相対的に低い信号強度の区域を示し、例えば、バタフライ・コイル７１は、関心のある領域の中央に相対的に低い信号強度の区域７５を示す。二重バタフライ・コイル７２は、関心のある領域の周辺を意味するコイルの両端で相対的に低い信号強度の区域７６を示す。右下の図は、図６に示したようなコイル６１,６２,６３の組合せを使用することによって、改善された信号強度７４及び磁場均質性が得られることを示している。明らかに、コイル６１,６２,６３の組合せを使用すると、それぞれのコイルの相対的に低い信号強度の区域が除かれる。

本発明は多数の変形が可能である。例えば、一実施形態では、視野をより大きくするために複数の三コイル同心表面コイル・アレイを有する多重ステーションＲＦコイル・アレイを構成することができる。この特別な実施形態では、隣接するアレイのコイルに互いにオーバーラップさせることができる。別の可能な実施形態では、３つのコイル素子、すなわち、同心コイル素子の何らかの組合せを含むことができる。しかし、これらのコイル素子は必ずしも同じ平面を共有することは必要でないことに注意されたい。その上、本発明は、１つの二重バタフライ・コイルと１つのループ・コイル又はバタフライ・コイルとを有するＲＦコイル・アレイを更に含むことができる。

付加的な利点及び修正は当業者には直ぐに考えられよう。従って、本発明は、広義には、本書に開示し詳述した特定の細部に限定されない。従って、特許請求の範囲によって規定した一般的な発明の概念の精神又は範囲及びそれらの等価物から逸脱することなく様々な修正を行うことができる。

Srinivasanによって開示されたコイルの概略図である。 Boskamp 等によって開示されたコイルの概略図である。 本発明に従って構成された二重バタフライ・コイルの概略上面図である。 コイルを通る電流の流れの方向を示した、二重バタフライ・コイルの軸方向断面図である。 同心のループ・コイルがその上に重ねて配置されている二重バタフライ・コイルの概略図である。 同心の二重バタフライ・コイルがその上に重ねて配置されているバタフライ・コイルの概略図である。 図５の二重バタフライ・コイル及びバタフライ・コイルの上に重ねて配置された第３の同心のループ・コイルの概略図である。 バタフライ・コイル、二重バタフライ・コイル及びループ・コイルのそれぞれの磁場分布、並びにそれらを組み合わせた磁場分布を示すグラフである。

符号の説明

３２ 二重バタフライ・コイル
３５ 中央窓
３６、３７ 側窓
４２ 二重バタフライ・コイル
４３ ループ・コイル
４５ 中央窓
４６、４７ 側窓
５１ バタフライ・コイル
５２ 二重バタフライ・コイル
５５ 窓
６０ 三コイル同心アレイ
６１ バタフライ・コイル
６２ 二重バタフライ・コイル
６３ ループ・コイル

Claims (7)

1. 共鳴イメージング用の無線周波（ＲＦ）コイル・アレイであって、
   二重バタフライＲＦコイル（６２）と、
   前記二重バタフライ・コイル（４２）に同心にオーバーラップするループ・コイル（６３）と、
   を有し、
   前記二重バタフライ・コイル（６２）は横幅Ｄの中央ループ（４５）と横幅ｄの２つの側ループ（４６，４７）とで構成されており、該コイルを通る正味の磁束は、下記の関係式
   

   

   に従って横幅Ｄとｄとの比を調節することによってゼロに調節可能である、
   ＲＦコイル・アレイ。
2. 更に、前記二重バタフライ・コイル（６２）及び前記ループ・コイル（６３）に同心にオーバーラップするバタフライ・コイル（６１）であって、前記二重バタフライ・コイル（６２）と同じ対称軸を共有する当該バタフライ・コイル（６１）を含んでいる請求項１記載のＲＦコイル・アレイ。
3. 前記二重バタフライ・コイル（６２）及び前記ループ・コイルは同じ又は同様な視野を共有している、請求項１記載のＲＦコイル・アレイ。
4. 共鳴イメージング用の無線周波（ＲＦ）コイル・アレイであって、
   二重バタフライＲＦコイル（６２）と、
   前記二重バタフライ・コイル（４２）に同心にオーバーラップするバタフライ・コイル（６１）とを有し、
   前記二重バタフライ・コイル（６２）及び前記バタフライ・コイル（６１）が対称軸を共有していること、
   前記二重バタフライ・コイル（６２）は横幅Ｄの中央ループ（４５）と横幅ｄの２つの側ループ（４６，４７）とで構成されており、前記バタフライ・コイル（６１）及び前記二重バタフライ・コイル（６２）を通る正味の磁束は、下記の関係式
   

   

   に従って横幅Ｄとｄとの比を調節することによってゼロに調節可能であること、
   を特徴とするＲＦコイル・アレイ。
5. 前記二重バタフライ・コイル（６２）及び前記バタフライ・コイル（６１）は同じ又は同様な視野を共有している、請求項４記載のＲＦコイル・アレイ。
6. 複数のＲＦコイル・アレイを有する多重ステーション無線周波（ＲＦ）コイル・アレイであって、前記複数のＲＦコイル・アレイの各々は、
   バタフライ・コイル（６１）と、
   前記バタフライ・コイル（６１）に同心にオーバーラップする二重バタフライ・コイル（６２）と、
   前記バタフライ・コイル（６１）及び前記二重バタフライ・コイル（４２）の両方に同心にオーバーラップするループ・コイル（６３）と、
   を含み、
   前記二重バタフライ・コイル（６２）は横幅Ｄの中央ループ（４５）と横幅ｄの２つの側ループ（４６，４７）とで構成されており、前記バタフライ・コイル（６１）及び前記二重バタフライ・コイル（６２）を通る正味の磁束は、下記の関係式
   

   

   に従って横幅Ｄとｄとの比を調節することによってゼロに調節可能である、
   多重ステーションＲＦコイル・アレイ
7. 前記コイル・アレイ内の各個別のコイル（６１，６２，６３）は同じ又は同様な視野を有している、請求項６記載の多重ステーションＲＦコイル・アレイ。
   

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