JP5903222B2 - Ｒｆコイルアセンブリ、その保護方法および磁気共鳴イメージングシステム - Google Patents

Description

本明細書は、全体として、ＲＦ（Radio Frequency）コイルがＲＦ送信機能を有する磁気共鳴イメージング（Magnetic Resonance Imaging：ＭＲＩ）用のＲＦコイルアセンブリ（たとえば、送信／受信ＲＦコイルアセンブリ）の構成要素内における誘導高周波（ＲＦ）電流からのフェールセーフ保護（安全保護）に関するものである。

ＭＲＩ用の送信／受信ＲＦコイルアセンブリ（すなわち、または、局所送信機能を有する送信専用コイルアセンブリ）は、ＭＲＩシステムへの接続部から切り離されているとき（すなわち、使用されていないとき）、撮像工程中の強いＲＦ磁場の影響下にあるＭＲＩシステムの架台領域内に間違って残される場合がある。そして、送信／受信ＲＦコイルアセンブリが、送信のデカップリング手段を備えていない場合には、ＲＦコイルアセンブリの各種構成要素内に大きな誘導ＲＦ電流が流れる可能性がある。そのため、通常、着脱可能なＲＦ受信専用コイルは、あらかじめ内蔵保護装置を備えている（たとえば、それら受信専用コイルは、撮像される被検体から発せられる弱いＲＦ磁場のみが存在する場合に限って受信可能となる）。

米国特許第５１３６２４４号明細書

Ｌ．Ｋｙｌｅ Ｈｅｄｇｅｓ，"Ａ Ｆｕｓｅ ｆｏｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｐｒｏｂｅｓ"，Ｍａｇ Ｒｅｓ Ｍｅｄ，Ｖｏｌ．９，ｐａｇｅｓ ２７８−２８１ （１９８９）

しかし、一般的に、送信機能を有する着脱可能なＲＦコイル（たとえば、送信／受信コイル）は、適切な内蔵自動保護装置を備えていない。内蔵自動保護装置は、大きな誘導ＲＦ電流を受けた後もＲＦコイルアセンブリを損傷させないように保ち、誘導ＲＦ電流を受けている間中も、ＲＦコイルアセンブリに接触している被検体その他に対してＲＦコイルアセンブリの安全性を保ち、かつ、誘導ＲＦ電流を受けた後も直ちにＲＦコイルアセンブリの使用を（たとえば、ＲＦコイルアセンブリのヒューズなどのあらゆる構成要素を交換する必要もなく）続けることができるように準備された状態にしておくものである。なお、大きな誘導ＲＦ電流は、送信または送信／受信ＲＦコイルアセンブリに損傷を与えたり、アセンブリ表面の温度を非常に高くする可能性があるので、このアセンブリに接触した被検体や他の人を危険にさらしたりする可能性がある。たとえば、そのような大電流は、（たとえば、その瞬間、大型の内蔵固定ＲＦコイルのような他のＲＦ送信コイルの使用によって）一部の構成要素を過熱させる可能性があり、撮像されているあらゆる被検体に火傷を負わせる恐れのある危険を与える場合がある。

そのような誘導ＲＦ電流から送信専用ＲＦコイルまたは送信／受信ＲＦコイルを保護するための安全保護を実現するために、後述のいくつかの実施形態では、好適な可変インピーダンス（たとえば、電気制御式スイッチ）およびそれぞれ対応する方法を使用する。実施形態では、そのような可変インピーダンスは、ＲＦコイルをＭＲＩシステムに接続したときに自動的に出力される電気制御電流に応じて、異なるインピーダンスの値に変化する。そのような「接続」状態では、電気的に制御されたインピーダンスによって、ＭＲＩシステムと保護付きＲＦ送信／受信コイルとの間で実質的に妨害を受けることなくＲＦ電流が流れるようになる（すなわち、接続受信モードと接続送信モード）。しかし、フェールセーフ「非接続」状態では、送信／受信ＲＦコイルアセンブリ内で有害な誘導ＲＦ電流が流れるのを実質的に妨害するように、可変インピーダンスの異なるインピーダンス状態が構成される。実際には、このスイッチは、３モードを有する。すなわち、２つの「接続」ＭＲＩ動作モード、および１つのフェールセーフ「非接続」ＭＲＩ非動作モードである。

図１は、送信／受信ＲＦコイルアセンブリ内の誘導ＲＦ電流からの安全保護を含むＭＲＩシステムの実施形態を示す。 図２は、図１の実施形態に使用できる種類の送信／受信ＲＦコイルアセンブリの実施形態の概略ブロック線図である。 図３Ａは、ＭＲＩシステムがＲＦ磁場送信中に、ＭＲＩシステム内に非接続状態で残された場合に、ＭＲＩシステム内の周囲ＲＦ磁場からの誘導電流の影響下にある従来技術の装置で通常見られるようなＲＦ送信／受信コイル要素とその給電回路との概略等価回路を示す。 図３Ｂは、意図しない誘導ＲＦ電流にさらされるが、フェールセーフ電気制御式スイッチの実施形態によって当該誘導ＲＦ電流から保護されるＲＦ送信／受信コイル要素のための概略等価回路を示す。 図４は、送信／受信ＲＦコイルアセンブリの誘導ＲＦ電流からの安全保護を備えるために使用できる典型的な電気制御式スイッチの概略線図である。 図５は、図４に示した線図に類似するが、ＤＣバイアス回路の部品が含まれている実施形態のより詳細な概略線図である。 図６は、送信／受信ＲＦコイルアセンブリの誘導ＲＦ電流からの安全保護を備えるために使用できる電気制御式スイッチの他の実施形態の概略回路線図である。 図７Ａは、安全スイッチがＲＦ送信／受信コイル要素の給電点以外の位置に置かれている他の実施形態を示す。 図７Ｂは、安全スイッチがＲＦ送信／受信コイル要素の給電点以外の位置に置かれている他の実施形態を示す。 図８は、安全スイッチがＲＦ送信／受信コイル要素の給電点以外の位置に置かれている他の実施形態を示す。

図１に示す典型的なＭＲＩシステムの実施形態は、架台１０（概略断面で示す）と、互いに接続され機能する各種の関連システム構成要素２０とを含む。少なくとも架台１０は、通常、シールドルームに配置される。図１に示す一つの典型的なＭＲＩシステムの形状は、実質的には静磁場Ｂ₀磁石１２と、Ｇｘ、Ｇｙ、Ｇｚ傾斜磁場コイルセット１４と、内蔵固定型のＲＦコイルアセンブリ１５とが同軸円筒状に配置される。この円筒状の配置の水平軸線に沿って、実質的には被検体テーブル１１によって支持された被検体９の頭部を取り囲むように示された撮像領域１８がある。

ＭＲＩシステム制御部２２は、表示部２４、キーボード２６、およびプリンタ２８に接続される入力／出力ポートを備える。言うまでもなく、表示部２４は、制御入力もまた備えるような多様性のあるタッチスクリーンであるとよい。

ＭＲＩシステム制御部２２は、ＭＲＩシーケンス制御部３０とインタフェース接続し、ＭＲＩシーケンス制御部３０は、順次、Ｇｘ、Ｇｙ、Ｇｚ傾斜磁場コイルドライバ３２、ならびにＲＦ送信部３４、および送信／受信スイッチ３６を制御する。ＭＲＩシーケンス制御部３０は、ＭＲＩシーケンス制御部３０に有用なＭＲＩシーケンスを実行するための適切なプログラムコード構造３８を含む。

各種の関連システム構成要素２０からなるＭＲＩシステムは、表示部２４へ送るための処理された画像データを作成するＭＲＩデータ処理部４２に入力を供給するＲＦ受信部４０を含む。本実施形態では、着脱可能な送信／受信ＲＦコイルアセンブリ１６のプリアンプ６３に相互接続インタフェース１６ａ、１６ｂを介して接続されたＲＦ受信部４０を示す。しかし、当業者には明らかであるが、ＲＦ受信部４０は、図１に不図示の別な制御方式のＲＦスイッチ回路を介して、他のＲＦコイルに接続してもよい（たとえば、ＭＲＩシステムの内蔵固定型のＲＦコイルアセンブリ１５からの接続を図１に点線で概略的に示す）。

ＭＲＩデータ処理部４２はまた、（たとえば、実施形態およびプログラムコード構造４４に従った処理から得られたデータを格納するために）プログラムコード構造４４および記憶装置４６にもアクセスできるように構成してもよい。

また、図１には、ＭＲＩシステムプログラム格納部５０が一般化されて示されている。ＭＲＩシステムプログラム格納部５０では、格納されるプログラムコード構造は、ＭＲＩシステムの各種データ処理構成要素にアクセス可能なコンピュータ可読格納媒体に格納される。当業者には自明であるが、ＭＲＩシステムプログラム格納部５０は分割され、少なくともその１部分は、正常使用時にそのような格納されたプログラム構造がすぐに必要なシステム処理コンピュータに直接接続されてもよい（すなわち、ＭＲＩシステム制御部２２に普通に格納したり、直結したりする代わりに）。

実際のところ、当業者には自明であるが、図１は、本明細書で後述する実施形態を実行できるように若干の変更を加えた一般的なＭＲＩシステムの非常に高度に簡素化した線図を示している。システムの構成要素は、各種論理集合の「ボックス」に分けられ、通常、多数のデジタル信号処理装置（ＤＳＰ）、超小型演算処理装置、特殊用途向け処理回路（たとえば、高速Ａ／Ｄ変換、高速フーリエ変換、アレイ処理用など）を含む。これら処理装置のそれぞれは、通常、各クロックサイクル（または所定数のクロックサイクル）が発生すると、物理データ処理回路がある物理的状態から他の物理的状態へ進むクロック動作型の「ステートマシン」である。

動作中に、処理回路（たとえば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、レジスタ、バッファ、計算ユニット、など）の物理的状態が、あるクロックサイクルから他のクロックサイクルへ漸進的に変化するだけでなく、連結されているデータ格納媒体（たとえば、磁気記憶媒体のビット格納部）の物理的状態も、そのようなシステムの動作中に、ある状態から他の状態へ変わる。たとえば、撮像工程の終了時、物理的格納媒体のコンピュータ可読アクセス可能データ値格納場所のアレイは、いくつかの事前の状態（たとえば、全部一律の「ゼロ」値、または全部「１」値）から新しい状態に変わる。その新しい状態では、そのようなアレイの物理的場所の物理的状態は、最小値と最大値の間で変動し、現実世界の物理的事象および状況（たとえば、撮像される体積空間内の物理的構造）を表現する。当業者には自明であるが、格納されたデータ値のそのようなアレイは、物理的構造を表しかつ構成する。つまり、命令レジスタの中に順次読み込まれてＭＲＩシステムの１つ以上のＣＰＵによって実行されたときに、動作状態の特定シーケンスを発生させてＭＲＩシステム内で転送させるコンピュータ制御プログラムコードの特定構造を表しかつ構成するようにである。

図１の実施形態に示すように、送信／受信ＲＦコイルアセンブリ１６は、取り外しができ（たとえば、いくつかの撮像手順で使用される他の着脱可能なＲＦコイルアセンブリや取り外せないように設置されたＲＦコイルアセンブリ１５のために（たとえば、送信されたＲＦを固定されたＲＦコイルアセンブリ１５または着脱可能なコイルアセンブリの接続インタフェース１６ｂに通すことができるコイルスイッチ１７参照））、かつ手動で接続したプラグ／ソケットアセンブリインタフェース１６ａ、１６ｂを介してＭＲＩシステムから手動で切り離すことができるように構成される。さらに、電気制御式フェールセーフ安全スイッチ６０ａ、６０ｂが、着脱可能な送信／受信ＲＦコイルアセンブリ１６に含まれる（たとえば、複数のＲＦコイル要素が存在する場合は、それぞれに対して１つずつ含まれる）。

図１の実施形態では、典型的な着脱可能な送信／受信ＲＦコイルアセンブリ１６は、たとえば、複数のコイル要素を含む直交検波（ＱＤ）ＲＦ「ヘッド」コイルを構成してもよい。これら複数のコイル要素それぞれは、ＭＲＩシステムの架台１０内で撮像される被検体（たとえば、被検体の頭部）にＲＦ場を電磁的に結合させるように構成される。明らかなように、実施形態で提供した安全保護は、直交コイルに限定されるものではなく、たとえば、アレイ型送信コイルやアレイ型送信／受信コイルなどで利用されてもよい。

典型的な送信／受信ＲＦコイルアセンブリ１６のより詳細なブロック線図を図２に示す。当業者には自明であるが、一般的なＱＤヘッドコイルは、空間的かつ電気的に互に対して９０度偏移する２つのＲＦコイル要素（たとえば、ＲＦコイル要素６１ａ、６１ｂ）を含む。そのため、図２には、２つのＲＦコイル要素間で電気的ＲＦ位相偏移をもたらすための９０度ハイブリッド電力結合器／分配器の概略図が含まれている。当業者には自明であるが、そのようなハイブリッド電力結合器／分配器は、（図２に概略示したように）送信／受信スイッチ内、または送信／受信スイッチの前後のいずれか（たとえば、ＭＲＩシステム内で離れた位置に置かれた電力増幅器とコイルループ要素との間のいずれか）に配置されるとよい。当然のことながら、このような位相偏移は、すべての多重コイル要素ＲＦコイルアセンブリで必ずしも必要になるとは限らない。

本実施形態では、フェールセーフ安全スイッチ（たとえば、安全スイッチ６０ａ、６０ｂ）は、各ＲＦコイル要素と直列に接続される。すなわち、本実施形態では、各ＲＦコイル要素とそれぞれ連動する別個に直列接続された安全スイッチが用いられる。しかし、当業者には自明であるが、特定のＲＦコイルアセンブリ構成では、フェールセーフ安全スイッチの他の配置が効果的であることが明白な場合もある（たとえば、スイッチが、ＲＦコイル要素の給電点、ＲＦコイル要素の内部、またはＲＦ回路内の他の好適なＲＦ波長に関連したインピーダンスに敏感な制御位置に配置されてもよい）。

送信／受信スイッチ３６（ＭＲＩシステムの一部として離れた場所に配置されてもよい）は、シーケンス制御部３０によって制御され、特定のデータ収集シーケンス、もちろん特定のＲＦコイルアセンブリ構造／構成に適したように、ＭＲＩシステムの適切なＲＦ送信部（ＲＦ送信／増幅回路）３４またはＲＦ受信部（ＲＦ受信回路）４０を他のＲＦコイル要素に有効に接続する。送信／受信スイッチが必要とされない場合は、専用の分離型送信用ＲＦコイルおよび受信用ＲＦコイルを使用してもよい。図２の実施形態では、好適なＲＦ受信バッファ／プリアンプ回路６３を送信／受信ＲＦコイルアセンブリ１６内に共同配置する。もちろん図２に概略的に図示したように、複数Ｎの受信チャンネルを収容するために複数の受信アンプがあるとよい。また図２にも示したように、送信／受信ＲＦコイルアセンブリ１６は、プラグ接続インタフェース１６ａ（およびＭＲＩシステムに付随する結合ソケット１６ｂ）を介してＭＲＩシステムに手動接続するのに好適である。

図２の実施形態では、ＲＦコイル要素と送信／受信スイッチとのインタフェース接続は、同軸ケーブル伝送線６４、６５の全長（たとえば、６０ｃｍほどの長さ）を介して行われる。もちろん「ケーブル」の代わりに他のインタフェース接続回路が採用されてもよい。通常、そのようなインタフェース回路は、５０オームの特性インピーダンスを有する伝送線回路を含むとよい。図２の実施形態では、安全スイッチ６０ａ、６０ｂは、安全スイッチと送信／受信スイッチ３６との間に延在する相互連結伝送線長６４、６５と共にコイル要素給電点に近接して配置および接続されるのが望ましい。しかし、明らかなように、安全スイッチに対する他の適切な機能的位置が採用されてもよい。

当業者には自明であるが、送信／受信ＲＦコイルアセンブリ１６は、通常、特定の被検体の身体部分（たとえば、この典型的な事例では頭部）を収容するように、好適な筐体内に機能的かつ美的に配置される。

ＲＦコイル要素、送信／受信スイッチ、送信アンプ、受信アンプ、ＭＲＩシステムなどの構造は、従来設計のものでよいので、これらの要素に対するさらなる詳細な記述は必要ない。しかし、本実施形態では、関連するＲＦ構成要素によるＤＣバイアス回路が既存でない場合、ＭＲＩシステムから（単数または複数の）安全スイッチへＤＣバイアス電流を通すために、必要に応じてコネクタ１６ａ、１６ｂおよび各種のＲＦ回路を介して（たとえば、ＤＣバイアス電流を通すための好適なローパス周波数フィルタ要素（たとえば、インダクタ）や、ハイパスＤＣブロッキングコンデンサを使用することによって）、ＤＣバイアス回路が形成される。

図２の実施形態では、安全スイッチ６０ａ、６０ｂは、各対応するＲＦコイル要素内の適切なインピーダンス制御点またはＲＦコイル要素に接続された少なくとも１つの可変インピーダンス素子を有する電気制御式スイッチを含む。可変インピーダンス素子は、プラグ１６ａをＭＲＩシステムに接続するたびに、ＭＲＩシステムから自動的に出力される電気制御信号（たとえば、ＤＣバイアス制御電流）に応じて異なるインピーダンス状態の間で、電流の流れに対するインピーダンスを変えるように構成される。ＤＣバイアス電流の経路は、ＤＣバイアス制御電流を安全スイッチ６０ａ、６０ｂへも誘導する構成要素であるＲＦ受信アンプ６３と、ＲＦ送信部３４と、コイルスイッチ１７と、送信／受信スイッチ３６と、接続インタフェース１６ａおよび１６ｂと、プリアンプ６３と、同軸ケーブル伝送線６４および６５とを含むＲＦ回路内に形成するとよい。フェールセーフモードでは（すなわち、送信／受信ＲＦコイルアセンブリ１６が、プラグ１６ａを介してＭＲＩシステムに接続されていないとき）、ＤＣバイアス制御電流が利用できないため、安全スイッチ６０ａ、６０ｂは、たまたま送信／受信ＲＦコイルアセンブリ１６が架台領域内に間違って残されてしまい、ＭＲＩシステムが動作したときに送信／受信ＲＦコイルアセンブリ１６が非常に強いＲＦ磁場にさらされることにより発生する、コイル要素へ向かう誘導ＲＦ電流を減らすインピーダンス状態に戻る。

一方、送信／受信ＲＦコイルアセンブリ１６が手動操作式プラグインタフェースコネクタ１６ａを介してＭＲＩシステムに接続されると、ＤＣバイアス制御電流が安全スイッチに供給され、このバイアス制御電流によって、可変インピーダンス素子が異なったインピーダンス状態に移行される。この異なったインピーダンス状態では、送信／受信ＲＦコイルアセンブリ１６を使用する撮像手順の間、送信／受信ＲＦコイルアセンブリ１６との往路や復路で、実質的に妨害を受けることなくＲＦ電流が流れるようになる。

図２の実施形態では、図示されるとおり、ＲＦコイル要素６１ａ、安全スイッチ６０ａおよび伝送線６４は、ＭＲＩシステムに手動で（この特定事例では間接的に）接続されるＲＦコイルデバイスサブアセンブリを構成する。ＲＦコイル要素６１ａは、ＭＲＩシステムの架台内で撮像される被検体（たとえば、被検体の頭部）に送信し、あるいは、被検体から受信するＲＦ磁場に電磁的に結合するように構成される。電気制御式の安全スイッチ６０ａは、ＲＦコイル要素６１ａに関連付けられている適切なインピーダンス制御点に接続された少なくとも１つの可変インピーダンス素子を有する。この可変インピーダンス素子は、ＲＦコイルデバイスをＭＲＩシステムに接続したときに出力される電気制御電流または信号（たとえば、ＤＣバイアス電流）に応じて、第１のインピーダンス状態と第２の異なるインピーダンス状態との間で、電流の流れに対するインピーダンスを変えるように構成される。

本実施形態では、送信／受信ＲＦコイルデバイスサブアセンブリもまた、送信／受信スイッチ３６を含むと考えることができる。この実施形態では、送信／受信スイッチ３６を送信／受信ＲＦコイルアセンブリの一部として含めて、ＲＦ電流およびＤＣバイアス電流の両方をＲＦ送信／受信回路に往復通過させるように構成する。なお、そのような送信／受信スイッチは、実施形態によってはＭＲＩシステム内でより遠くに配置されてもよい。

典型的なデバイスサブアセンブリは、このデバイスサブアセンブリの一部として、通常、ＭＲＩシステム内のＲＦ受信部４０に（接続インタフェース１６ａ、１６ｂを介して）手動で接続も可能なＲＦ受信プリアンプ回路６３を含むことができる。通常、ＲＦ受信プリアンプ６３は、ＲＦコイル要素に比較的近接して配置される。

自明なように、この実施形態では、送信用ＲＦ回路または受信用ＲＦ回路の少なくとも１つは、ＭＲＩシステムから発せられ（かつＭＲＩシステムに沿ってＲＦ電流と並行して補助ＤＣバイアス電流経路を通過し）、少なくとも（単数または複数の）可変インピーダンス素子の方へ進むＤＣバイアス制御電流を通すように構成する。

当業者には自明であるが、図２のＮ番目の要素までつながる一連の点によって表したように、単一のＲＦ入／出ポート、対になったＲＦ入／出ポート、またはそれ以上のＲＦ入／出ポートを有するＲＦコイルアセンブリがあってもよい。特に、いくつかの現在公知のＲＦコイルアセンブリでは、（たとえば、改善された画質、特に高静磁場レベル用には）４つの独立したＲＦ入／出ポートが利用されている。

図３Ａでは、コイル要素８０を有する一般的な従来技術の回路の概略等価回路を示す。このコイル要素８０は、他のコイルを使用する撮像手順の間、ＭＲＩ架台内に非接続の状態で放置された場合に、コイル要素８０に結合された強いＲＦのＢ１磁束８１にさらされる可能性がある。図３Ａに示すように、給電回路（インタフェース伝送経路６４、送信／受信スイッチ３６、ＲＦ受信アンプ６３、および図２に示すコネクタ１６ａを通る好適な電気インタフェース回路（たとえば、他のＲＦ伝送経路）を含む）は、図３Ａに示す簡略化された等価ＬＣＲ回路としてみなすことができる。所与の装置内に流れる正確な電流値は大きく変動する場合があるが、図３Ａには、誘導電流として発生しうるシミュレートされた電流の大きさを示す。たとえば、３アンペアの電流がＲＦ給電回路に流れる（そして越える）可能性があると同時に、４．７アンペアの電流がコイル要素８０自体に流れる可能性があると考えられる。コイル要素およびキャパシタンスは、比較的低損失部品であるため、それらはあまり発熱しないと思われる。しかし、自明なように、そのような大きな誘導ＲＦ電流（特に時間が経つにつれて）は、より損失の大きい（すなわち、抵抗値の大きい）給電回路の部品や、周囲のＲＦ磁気エネルギをより効率的に吸収できる遠方に連結された回路を実質的に加熱する可能性がある。この加熱は、そのような構成要素に（おそらく交換を必要とするほどひどく）損傷を与えたり、むしろ極端な高温を発生させたりする可能性があり、従って、そのような置き場所を誤ったＲＦコイルアセンブリに接触する可能性がある技術者や被検体、または、偶然に接触する可能性がある技術者や被検体の安全を脅かすことになる。たとえば、表面温度は、（従来技術の回路ではヒューズが含まれていたとしても、ヒューズが飛ぶ前でさえ）４１℃以上に達する可能性がある。そのような極端な高温は、そのような置き場所を誤ったＲＦコイルアセンブリに接触した被検体、技術者およびその他のものに重傷を負わせる原因となる。

図３Ｂでは、給電回路（連結されているあらゆる遠方の回路を含む）の抵抗性インピーダンスを大幅に（たとえば、５０オームから１０００オームに）増加した場合の実施形態における等価回路を概略的に示す。この実施形態では、図３Ａと同様に想定されたシミュレーションの条件のもと、シミュレートされた典型的な誘導電流が（給電回路と、連結されているあらゆる遠方の回路との両方の回路内で）大幅に減少していることがわかる。ＲＦコイルアセンブリ内の典型的な誘導電流は、ほぼ正常使用の水準にまで減少していると同時に、給電回路内ではさらに大幅に誘導電流が減少し、それによって、全ＲＦコイルアセンブリ内では、たとえあったとしても、非常に小さい有効発熱しか起こさないようになる。

この用途に使用するために好適な電気制御式スイッチのより詳細な実施形態を図４の概略線図に示す。図４では、インダクタＬ１−４と、コンデンサＣ１−４およびＣ２−４とを含む並列ＬＣ回路は、ＭＲＩシステムの所定のＲＦ動作周波数（たとえば、１．５テスラシステムで約６３．８６メガヘルツ、および３テスラシステムで約１２７．７３メガヘルツ）で並列共振（すなわち、最大インピーダンス）を生じさせるために必要な大きさに形成されている。また、逆向きに接続された対になったダイオードＤ１−４およびＤ２−４が、並列ＬＣ回路の少なくとも一部の両端に接続され、両ダイオードが順バイアスされたときに（これにより、ＬＣ回路が共振からデチューン（detune）する（外れる））、低下したＲＦインピーダンスが生じるように構成される。このようにして、低下した非共振インピーダンスが、所望のＲＦ撮像電流が実質的に妨害を受けることなくコイル要素へ流れることを可能にする。しかし、両ダイオードが順バイアスされないとき（たとえば、ＲＦコイルアセンブリがＭＲＩシステムに接続されていないとき）に、接続されていないコイルデバイスが、ＲＦ送信場（たとえば、コイル要素／給電回路の部品内で危険なＲＦ電流を誘導すると想定される他のＲＦコイルからのＲＦ磁場）にさらされる可能性があるＭＲＩシステム位置内にそれでもなお放置されている場合には、逆向きに接続されたダイオードが、誘導ＲＦ電流の流れを実質的に遮断する実質的な並列共振インピーダンスをＬＣ回路に生じさせておく。

本実施形態として、ＲＦコイルアセンブリの３つの動作状態、フェールセーフスイッチのインピーダンス状態、およびＤＣバイアス制御電圧の間の典型的な関係を表１に示す。

図５のより詳細な実施形態は、インダクタＬ２−５、Ｌ３−５およびコンデンサＣ１−５を介して形成される典型的なＤＣバイアス制御電流経路を含む。自明なように、コンデンサＣ１−５は、所望のＲＦ動作周波数で実質上の短絡を引き起こすために必要な大きさにする。この実施形態では、並列共振ＬＣ回路は、インダクタンスＬ１−５および直列接続されたコンデンサＣ２−５、ならびに、直列に接続された対になった（並列接続された）コンデンサＣ３−５、Ｃ４−５、Ｃ５−５、Ｃ６−５を含む。（たとえば、バッテリＢで概略表示した）ＤＣバイアス電流源は、ＭＲＩシステムの一部として遠方に配置される。したがって、図５では、ＤＣバイアス電流源を点線接続で示している。

図５の実施形態では、フェールセーフスイッチ１００は、（インピーダンス整合を行うために適した大きさにした）インダクタＬ１６およびＤＣブロッキングコンデンサＣ９６、Ｃ９７を介して、ＲＦコイル要素の給電点に接続されるのが望ましい。しかし、以下でより詳細に説明するように、ＲＦコイル要素やＲＦコイル要素のＲＦ給電経路にある他の好適なインピーダンス制御点が、フェールセーフスイッチ１００のための位置として選択されてもよい。

図５の実施形態では、逆向きに接続された対になったＰＩＮダイオードが、並列共振ＬＣ回路のキャパシタンスの部分のみの両端に接続されるので、ＰＩＮダイオードの両端で電圧を下げることができ、したがって、非接続フェールセーフ状態の間中、最大ダイオード温度を抑える効果がある。しかし、共振ＬＣ回路の分割キャパシタンスの比率によっても、正常接続モードにおける実効ＲＦ損失を変えることができる（正常接続モードで望ましいインピーダンス整合が実現できると同時に、回路内の比較的高いインダクタンス値を実現できた場合、その高いインダクタンス値を使うことによって、実効ＲＦ損失を多少抑制できるであろう）。当業者には当然のことであるが、すべての実施形態で回路値を必要な大きさにするためには、所与の特定ＲＦコイルアセンブリおよび関連するＭＲＩシステムに対する回路部品の値の最適な組を見出すためのいくらかの設計トレードオフおよび試行錯誤を行うことになる。

フェールセーフスイッチ１０２の他の詳細な実施形態を図６に概略的に示す。この図では、並列共振ＬＣ回路は全く含まれていない。その代り、同じ向きに直列接続された複数のダイオードＤ１−６、Ｄ２−６およびＤ３−６と、これらのダイオードと反対の向きに直列接続された複数のダイオードＤ４−６、Ｄ５−６およびＤ６−６とが含まれる。好適なＤＣバイアス制御回路は、インダクタＬ１−６、Ｌ２−６、Ｌ３−６、およびコンデンサＣ１−６、Ｃ２−６によって形成される（たとえば、ＲＦ同軸ケーブルの中心の導線とシステム接地との間の点線で接続されたバッテリＢとして図６に概略的に示したＭＲＩシステムの電源からＤＣバイアス電流を伝えることができる）。（たとえば、ＲＦコイルアセンブリの一部として含まれている場合には、送信／受信スイッチおよび他のＲＦ回路を介して）ＭＲＩシステム内に非接続の状態で残された場合、これらの複数の逆向きに接続されたバイアスされていないダイオードは、誘導電流の流れを実質的に遮断する相当なインピーダンスを引き起こす。しかし、フェールセーフスイッチ１０２をＭＲＩシステムに接続した場合には、ＤＣバイアス制御電流がすべてのダイオードを順バイアスするので、ＲＦインピーダンスの低下が引き起こされるので、ＲＦ撮像電流は、それぞれ関連するコイル要素への往復で実質的に妨害を受けることなく流れることが可能になる。繰り返しになるが、インピーダンス整合インダクタンスＬ１７はコイル要素への給電点に設けられ、この実施形態でも同様に、ＤＣブロッキングキャパシタンスＣ９８、Ｃ９９が採用される。

また、図６の実施形態では、各ダイオードの両端で並列接続された抵抗が用いられる。抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６は、実質的には等しい抵抗値（たとえば、４．４Ｋオーム）のものであり、ダイオードが誘導電流（すなわち、誘導電流にさらされ、かつ順バイアス制御電流が存在しないとき）によって同時に逆バイアスされている間、同一極性方向を有するダイオードの両端で実質的に等しいＲＦ誘導電圧の降下を生じさせる。

図６の実施形態では、複数対の逆向きに接続されたダイオードを使用すると、誘導ＲＦ電流の流れから発生される熱の発散に効果がある。

本実施形態では、ダイオードは、比較的高い逆降伏電圧特性（たとえば、５００ボルトより高い）と比較的小さい順抵抗とを有するＰＩＮダイオードであるとよい。通常、約１５０ミリアンペアのバイアス電流で十分といえる。

本実施形態によれば、（非接続状態の）等価回路の実効線質係数（すなわち、Ｑ値）が（おそらく２０倍まで）高まるため、ＲＦコイル要素自体の発熱量を確実に比較的少なくできるようになる。可能であれば、スイッチの実効高抵抗状態（たとえば、ＭＲＩシステムに非接続の場合）を、約１キロオーム以上にするのがよい。

いくつかの典型的な現在入手可能な好適なＰＩＮダイオードは、Ｍａｃｏｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社からダイオード部品番号ＭＡ４Ｐ７４７０Ｆ−１０７２Ｔ（８００ボルトの逆降伏電圧を有する）、またはＭＡ４Ｐ７４４６Ｆ−１０９１（６００ボルトの逆降伏電圧を有する）として購入可能である。いかなる可変インピーダンス素子を使用しても、逆降伏電圧は、比較的高くするのがよい（たとえば、望ましくは、ＱＤヘッドコイルの分野で使用する場合、少なくとも５００ボルト）。

図５の実施形態は、通常の部品選択であれば、約５オームの等価低インピーダンス抵抗を有する。一方、図６の実施形態では、同様の部品選択のために、約１．８オームの等価低抵抗を用いてもよい。状況によっては、より低い抵抗での実施形態が好ましいかもしれないが、どちらの実施形態も、適切な設計がされていれば、おそらく殆ど等しく良好な結果が得られるであろう。

なお、実施形態の電気制御式スイッチは、ＲＦコイル給電点に比較的近い誘導ＲＦ電流接続路の流れを効果的に絶縁するのが望ましい。すなわち、典型的な電気制御式スイッチは、ＲＦコイル要素給電点に極力近付けて配置されるのが望ましい。その結果として、比較的少量の誘導ＲＦエネルギが、送信／受信スイッチと他のより遠方の（すなわち、よりＭＲＩシステムに近い）ＲＦ回路の部品に伝達される。同時に、給電点での誘導ＲＦ電流による発熱もまた低減される。

安全スイッチを望ましくはコイル給電点に配置した実施形態を説明してきたが、安全スイッチは、あるいは、図７Ａ（単一ループ型）および図７Ｂ（バードケージ型）に示すＲＦコイル要素のループの１つまたは複数の中で直列に配置されてもよい。または、安全スイッチは、図８に示すように、給電点から１／２波長（または１／２波長の整数倍）離れた電気的に等価なインピーダンス制御位置に配置されてもよい。もちろん、安全スイッチの他の好適なインピーダンス点が、給電点から１／４波長（または１／４波長の奇数倍）離れた位置であってもよい（この場合、可変インピーダンスの高インピーダンス状態および低インピーダンス状態は、安全スイッチを給電点から１つ以上の１／２波長の位置に配置した場合と比較して、同等のコイルモードを達成するためには逆転されることになるであろう）。

上述したように、実施形態に係るＲＦコイルアセンブリは、ＲＦ送信機能を有し、かつ磁気共鳴イメージングシステムに接続可能なＲＦコイルアセンブリであって、ＲＦコイルと、ＲＦ給電回路と、少なくとも１つの可変インピーダンスとを備える。前記ＲＦコイルは、ＲＦ電流が流れたときに、磁気共鳴イメージングシステムの架台内で撮像される被検体にＲＦ場を磁気的に送信するように構成される。前記ＲＦ給電回路は、磁気共鳴イメージングシステムとの接続インタフェースから前記ＲＦコイルへＲＦ電流を給電するように構成される。前記少なくとも１つの可変インピーダンスは、前記ＲＦコイルおよび前記給電回路のうちの少なくとも１つの内部または少なくとも１つに電気的に接続されており、前記磁気共鳴イメージングシステムから切断された前記ＲＦコイルアセンブリに呼応して、ＲＦ電流の流れに対するインピーダンスを異なる第１および第２のインピーダンス状態の間で変えるように構成され、前記ＲＦコイルアセンブリが前記磁気共鳴イメージングシステムに接続されていないとき、過大な誘導ＲＦ電流の流れから前記コイルアセンブリを保護する。なお、例えば、ＲＦコイルアセンブリは、磁気共鳴イメージングシステムに手動で接続されてもよい。また、磁気共鳴イメージングシステムとの接続インタフェースは、手動操作式接続インタフェースであってもよい。また、前記少なくとも１つの可変インピーダンスは、過大な誘導ＲＦ電流の流れから前記コイルアセンブリを自動的に保護するように構成されてもよい。

本発明のある特定の実施形態を説明してきたが、これらの実施形態は、単なる事例として提示したのであって、本発明の範囲を限定するものではない。実際、本明細書で説明した新奇の方法およびシステムは、各種の他の態様で具体化が可能である。さらには、本明細書で説明した方法およびシステムの態様の各種の省略、置換、および変更が、本発明の範囲を逸脱することなく可能である。添付の特許請求の範囲およびその均等物は、本発明の範囲と精神に収まると考えられる態様または変更を有効範囲に含むためのものである。

１６ 送信／受信ＲＦコイルアセンブリ
１６ａ、１６ｂ 相互接続インタフェース
３６ 送信／受信スイッチ
６０ａ、６０ｂ 安全スイッチ
６１ａ、６１ｂ ＲＦコイル要素
６３ ＲＦ受信アンプ
６４、６５ インタフェース伝送経路

Claims (20)

1. ＲＦ送信機能及びＲＦ受信機能を有し、かつ磁気共鳴イメージングシステムに接続可能なＲＦコイルアセンブリであって、
   ＲＦ電流が流れたときに、磁気共鳴イメージングシステムの架台内で撮像される被検体にＲＦ場を磁気的に送信するように構成されたＲＦコイルと、
   磁気共鳴イメージングシステムとの接続インタフェースから前記ＲＦコイルへＲＦ電流を給電するように構成されたＲＦ給電回路と、
   前記ＲＦコイルおよび前記ＲＦ給電回路のうちの少なくとも１つの内部または少なくとも１つに電気的に接続された少なくとも１つの可変インピーダンスであって、前記ＲＦコイルアセンブリが前記磁気共鳴イメージングシステムに接続されていないときに、過大な誘導ＲＦ電流の流れから前記ＲＦコイルアセンブリを保護する、前記少なくとも１つの可変インピーダンスと、を備え、
   前記可変インピーダンスは、
   前記ＲＦコイルアセンブリが前記磁気共鳴イメージングシステムに接続されていないときに高く、
   前記ＲＦコイルアセンブリが前記磁気共鳴イメージングシステムに接続されているときであって前記ＲＦ送信機能が動作するときに低く、及び、
   前記ＲＦコイルアセンブリが前記磁気共鳴イメージングシステムに接続されているときであって前記ＲＦ受信機能が動作するときに低くなるように、
   ３つの動作状態それぞれに対応するようにインピーダンス状態が制御されることを特徴とするＲＦコイルアセンブリ。
2. 前記少なくとも１つの可変インピーダンスは、ＲＦコイル要素内に直列接続されることを特徴とする請求項１に記載のＲＦコイルアセンブリ。
3. 前記少なくとも１つの可変インピーダンスは、ＲＦコイル要素の給電点に直列接続されることを特徴とする請求項１に記載のＲＦコイルアセンブリ。
4. 前記少なくとも１つの可変インピーダンスは、ＲＦコイル要素の給電点と前記接続インタフェースとの間の前記ＲＦ給電回路に接続されることを特徴とする請求項１に記載のＲＦコイルアセンブリ。
5. 前記接続インタフェースとＲＦコイル要素との間の前記ＲＦ給電回路の一部として配置された送信／受信スイッチと、
   前記送信／受信スイッチと前記接続インタフェースとの間に接続され、これによって送信／受信用磁気共鳴イメージングＲＦコイルアセンブリを形成するＲＦ受信増幅回路と、
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のＲＦコイルアセンブリ。
6. 複数の前記ＲＦコイルと、前記ＲＦコイルそれぞれに連結されたＲＦ給電回路と、少なくとも１つの可変インピーダンスと、を含むバードケージ型ＲＦコイルアセンブリを構成し、
   前記少なくとも１つの可変インピーダンスは、前記バードケージ型ＲＦコイルアセンブリが磁気共鳴イメージングシステムから切断されたときに異なるインピーダンス値の間で自動的に変わる、
   ことを特徴とする請求項５に記載のＲＦコイルアセンブリ。
7. 前記少なくとも１つの可変インピーダンスは、逆向きに直列接続された少なくとも２つのダイオードを備えた電気制御式スイッチを含むことを特徴とする請求項１に記載のＲＦコイルアセンブリ。
8. 前記ＲＦコイル、前記可変インピーダンス、および前記ＲＦ給電回路のアレイを備えたことを特徴とする請求項１に記載のＲＦコイルアセンブリ。
9. 前記少なくとも１つの可変インピーダンスは、電気制御式スイッチを含み、
   前記ＲＦ給電回路は、前記磁気共鳴イメージングシステムとの前記接続インタフェースから少なくとも前記電気制御式スイッチへと延在するＤＣバイアス電流経路を含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載のＲＦコイルアセンブリ。
10. 前記可変インピーダンスは、
    前記磁気共鳴イメージングシステムのＲＦ動作周波数で共振する並列ＬＣ回路と、
    前記並列ＬＣ回路の少なくとも一部の両端に接続され、かつ逆向きに接続された少なくとも１対のダイオードと、を含み、
    前記少なくとも１対のダイオードは、
    前記ダイオードを順バイアスさせるバイアス制御電流により前記並列ＬＣ回路を共振からデチューンさせる低下したＲＦインピーダンスを生じさせることで、実質的に妨害されることなく磁気共鳴イメージングのＲＦ撮像電流をＲＦコイル要素へ流すように構成され、もしくは、
    順バイアスされない場合に、前記ＲＦコイルアセンブリが、前記磁気共鳴イメージングシステムに電気的に接続されていないが、前記ＲＦコイルアセンブリ内にＲＦ電流を誘導する磁気共鳴イメージングシステムのＲＦ送信場にさらされる可能性がある磁気共鳴イメージングシステム領域に残されたままの場合には、誘導ＲＦ電流の流れを実質的に遮断する実質的な並列共振インピーダンスを前記並列ＬＣ回路が生じさせた状態にするように構成される、
    ことを特徴とする請求項１に記載のＲＦコイルアセンブリ。
11. 前記可変インピーダンスは、逆向きに直列接続された複数のダイオードを含み、
    前記複数のダイオードは、
    前記ダイオードを順バイアスさせるバイアス制御電流により低下したＲＦインピーダンスを生じさせることで、実質的に妨害を受けることなく磁気共鳴イメージングのＲＦ撮像電流をＲＦコイル要素へ流すように構成され、もしくは、
    順バイアスされない場合に、前記ＲＦコイルアセンブリが、前記磁気共鳴イメージングシステムに電気的に接続されていないが、前記ＲＦコイルアセンブリ内にＲＦ電流を誘導する磁気共鳴イメージングシステムのＲＦ送信場にさらされる可能性がある磁気共鳴イメージングシステム領域に残されたままの場合には、誘導ＲＦ電流の流れを実質的に遮断する実質的なインピーダンスを生じさせるように構成される、
    ことを特徴とする請求項１に記載のＲＦコイルアセンブリ。
12. 前記ダイオードのそれぞれの両端に並列に接続された抵抗であって、誘導ＲＦ電流によって逆バイアスされたときに、前記ダイオードの両端に実質的に等しい電圧降下を生じさせるような実質的に等しい抵抗値を有する前記抵抗をさらに備えたことを特徴とする請求項１１に記載のＲＦコイルアセンブリ。
13. 請求項１に記載のＲＦコイルアセンブリを含むことを特徴とする磁気共鳴イメージングシステム。
14. ＲＦ送信機能及びＲＦ受信機能を有し、かつ磁気共鳴イメージングシステムに接続可能なＲＦコイルアセンブリであって、
    磁気共鳴イメージングシステムの架台内で撮像される被検体へＲＦ場を磁気的に送信するように構成されたＲＦコイル回路と、
    前記ＲＦコイル回路に接続され、前記ＲＦコイルアセンブリが磁気共鳴イメージングシステムに接続されていないときに当該ＲＦコイルアセンブリ内で誘導ＲＦ電流の流れを実質的に妨げるための手段と、を備え、
    前記手段は、
    前記ＲＦコイルアセンブリが前記磁気共鳴イメージングシステムに接続されていないときに高く、
    前記ＲＦコイルアセンブリが前記磁気共鳴イメージングシステムに接続されているときであって前記ＲＦ送信機能が動作するときに低く、及び、
    前記ＲＦコイルアセンブリが前記磁気共鳴イメージングシステムに接続されているときであって前記ＲＦ受信機能が動作するときに低くなるように、
    ３つの動作状態それぞれに対応するように制御されることを特徴とするＲＦコイルアセンブリ。
15. 前記ＲＦコイル回路は、ＲＦ受信増幅回路と、ＲＦコイルと、磁気共鳴イメージングとの手動操作式接続インタフェースとに接続された送信／受信スイッチとを含み、
    前記送信／受信スイッチおよび前記ＲＦ受信増幅回路は、接続された磁気共鳴イメージングシステムから、誘導ＲＦ電流の流れを自動的かつ実質的に妨げるための前記手段へＤＣバイアス制御電流を通すように構成されたＤＣバイアス電流回路を含む、
    ことを特徴とする請求項１４に記載のＲＦコイルアセンブリ。
16. 誘導ＲＦ電流の流れを自動的に妨げるための前記手段は、ＲＦコイルと磁気共鳴イメージングシステムへの電気的インタフェースとの間に直列接続されることを特徴とする請求項１４に記載のＲＦコイルアセンブリ。
17. 誘導ＲＦ電流の流れを自動的に妨げるための前記手段は、前記ＲＦコイルの給電点に接続されることを特徴とする請求項１６に記載のＲＦコイルアセンブリ。
18. 誘導ＲＦ電流の流れを自動的に妨げるための前記手段は、ＲＦコイル内に直列接続されることを特徴とする請求項１４に記載のＲＦコイルアセンブリ。
19. ＲＦ送信機能及びＲＦ受信機能を有する接続可能なＲＦコイルアセンブリが磁気共鳴イメージングシステムから分離されても作動中の磁気共鳴イメージングシステムのＲＦ場に磁気的に連結された位置に残されている場合に、当該ＲＦコイルアセンブリを誘導ＲＦ電流から保護するＲＦコイルアセンブリの保護方法であって、
    前記ＲＦコイルアセンブリが使用中であるときに、磁気共鳴イメージングシステムへの電気的インタフェースを含む当該ＲＦコイルアセンブリ内の各ＲＦコイルに可変インピーダンス素子を直列に配置し、
    前記ＲＦコイルアセンブリが、磁気共鳴イメージングシステムに接続されていないとき、過度の誘導ＲＦ電流の流れから当該ＲＦコイルアセンブリを保護するために、当該ＲＦコイルアセンブリが磁気共鳴イメージングシステムから切断されるとき、前記可変インピーダンス素子のインピーダンスを変更すること、を含み、
    前記可変インピーダンス素子は、
    前記ＲＦコイルアセンブリが前記磁気共鳴イメージングシステムに接続されていないときに高く、
    前記ＲＦコイルアセンブリが前記磁気共鳴イメージングシステムに接続されているときであって前記ＲＦ送信機能が動作するときに低く、及び、
    前記ＲＦコイルアセンブリが前記磁気共鳴イメージングシステムに接続されているときであって前記ＲＦ受信機能が動作するときに低くなるように、
    ３つの動作状態それぞれに対応するようにインピーダンス状態が制御されることを特徴とする保護方法。
20. 前記インピーダンスを変更するステップが、前記電気的インタフェースを介して前記可変インピーダンス素子に流れるＤＣバイアス電流を前記可変インピーダンス素子から除去するステップを含むことを特徴とする請求項１９に記載の保護方法。

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