JP5963490B2 - ２重同調ｒｆ共振器 - Google Patents

Description

本発明は、第１の測定周波数をもつ信号を送受信する鳥かご型共振器を含むＮＭＲ装置用のＲＦ共振器であって、このＲＦ共振器は、Ｚ軸を有するデカルト座標系のｘｚ平面およびｙｚ平面に関して対称であり、Ｚ軸に関して同軸に配置されると共に互いから離隔された少なくとも２つの導電性リング素子と、Ｚ軸に平行に配置された４よりも大きい偶数であるＮ個の導体棒とを備え、各リング素子がＮ個の全ての導体棒に電気的に接続されるＲＦ共振器に関する。

このようなＲＦ共振器は非特許文献１（参照文献［１］）から知られている。

鳥かご型共振器は、Ｎ個の導体棒と、少なくとも２つのリング素子とを備える。導体棒は、通常はｚ軸に平行な円筒形の覆いの表面近くにあり、上端および下端を有する、ｚ方向に長い導電性素子であると理解される。

リング素子は、Ｎ個の導体棒の上端または下端に電気的に（ガルバニックに、または容量的に）接続された、通常は少なくとも断面が円形または楕円形の、リング形または管形の導電性素子であると理解される。

鳥かご型共振器はさらに、導体棒またはリング素子あるいはその両方を遮断することがあるコンデンサを有する。１つの導体棒と複数のリング素子の各接続点の間にある少なくとも１つのリング素子上、または、各導体棒と複数のリング素子の２つの接続点間にあるその各導体棒上にいずれかにおいて、少なくとも１つの容量性遮断が生じなければならない。したがって、鳥かご型共振器の導体棒の容量性遮断に関してはＮ個、１つのリング素子の容量性遮断に関しては少なくともＮ−２個のコンデンサが必要である。

鳥かご型共振器は、ＮＭＲにおいて非常に活用できる双極子場を発生させる直交する２つの直線偏波モードを有する。ローパス型の鳥かご型共振器では、これらのモードが最も低い２つのモードである。

図１Ｂは、図１Ａに示すような、８つの導体棒を有する対称な鳥かご型共振器のモードスペクトルであって、２つの直線偏波モード１４を有するモードスペクトルを示す。鳥かご型共振器が回転対称である場合、これらの２つの直線偏波モード１４は縮退し、これらの２つの直線偏波モード１４を１つの周波数での直角位相制御に対して同時に使用して、円偏波場を生み出すことができる。図１Ｂの矢印は、周波数Ｆ_１で発振する２つの縮退直線偏波モード１４を示している。直角位相検出および直角位相励振の利点は、信号対雑音比が直線偏波モードを用いた検出／励振の√２倍あり、特に、この信号対雑音比が損失を生じやすい測定試料であっても達成されることである。さらに、直角位相励振では、同じフリップ角および同じパルス長に対して必要な電力が半分だけですむ。

共振器の直角位相制御では通常、結合回路網を用いた互いに直交した２つの配向が好ましく、したがって、これらの２つの配向は、ｘｚ平面およびｙｚ平面に沿った互いに直角な２つの鏡面対称を形成する。円偏波を発生させ、これを検出するためには、９０°の位相差で直線偏波モードを発生させ、これを検出する。したがって、これらの関連モードは相互に直交する。すなわち、第１の縮退モードの電気対称面が第２の縮退モードの磁気対称面に一致し、第１の縮退モードの磁気対称面が第２の縮退モードの電気対称面に一致する。

図１Ａは、２つのリング素子１２に電気的に接続された８つの導体棒１１を有するこのようなローパス型の鳥かご型共振器の個別素子回路図を示す。導体棒は、静電容量Ｃ１〜Ｃ８を有する１６個のコンデンサ１３によって容量的に遮断されている。図１Ａには、導体棒１１間、リング素子１２間および導体棒とリング素子の間の誘導結合は示されていない。

非特許文献１（参照文献［１］）の４１５ページに開示されているように、ＮＭＲのために鳥かご型共振器上で使用することができる２つ以上の周波数を同調させるために、鳥かご型共振器の対称性を（例えば導体棒の幾何学的位置をずらしたり、コンデンサの静電容量を変更したり、これらの２つを組み合わせたりすることによって）壊し、これによって、異なる周波数Ｆ_１およびＦ_２の直交する２つのモードを生じさせることが可能である。この方法では通常、全てのコンデンサが標準値Ｃを有する代わりに、例えば、それぞれの場合に２つのコンデンサの静電容量値が小さくなり（Ｃ_１＝Ｃ_５＜Ｃ）、別の２つのコンデンサの静電容量値が大きくなる（Ｃ_３＝Ｃ_７＞Ｃ）ような方式で、静電容量を変更する。残りの４つのコンデンサの静電容量値は変更しない（Ｃ_２＝Ｃ_４＝Ｃ_６＝Ｃ_８＝Ｃ）。この操作は、直線モードの縮退を解消し、一方の直線モードをより高い周波数へ移動させ、もう一方の直線モードをより低い周波数へ移動させる。このような非対称鳥かご型共振器のモードスペクトルを図２Ａに示す。この方法は一般に、互いに比較的に近い周波数に関して共振を分離するために使用される。これは例えば^１Ｈと^１９Ｆの場合である。対称性を壊すことによって、残りのモードの縮退が解消され、その結果、鳥かご型共振器は、異なる周波数において合計８つのモードを有することになり、このうち、最も低い２つのモードだけが、ＮＭＲにおいて非常に活用できる双極子場を発生させる（直線偏波）。これらのモードは図２Ａの矢印で示されている。

従来技術において知られている２重同調鳥かご型共振器のこの第１の変形例では、鳥かご型共振器の導体棒およびリング素子が、両方の周波数に対して全く同じである。すなわち、両方の周波数が、同じ導体棒および同じリング素子上で発振する。このようにすると、第２の周波数が存在することによって損なわれる共振器の効率は、両方の測定周波数においてわずかでしかない。場プロファイルはほぼ同一であり、そのため、両方の周波数により厳密に同じ測定体積が「調べられる」。しかしながら、これらの２つのモードは直線偏波でしか生じさせることができない。すなわち直角位相制御はもはや不可能である。

この第１の変形例では、モード間の周波数差があまりにも大きい場合に、導体棒の全体にわたって電流が正弦状に均一に分布しないため、両方のモードの場の均質性がひどく損なわれる。ここで、場の均質性は特に、場の半径方向の分布と理解され、場プロファイルは軸方向の分布と理解される。電流が一部の導体棒だけを使用するため、品質、したがって効率もさらに低下する。残りの導体棒は場を「遮り」、追加の損失を生み出し、測定体積内の場を部分的に遮蔽する。周波数が非常に異なる極端なケースでは、両方の共振モードで、８つの導体棒のうちのほとんど２つの導体棒にしか電流が流れない。

この場合には、非特許文献１（参照文献［１］）の４１７ページに開示されているように、鳥かご型共振器が、異なる静電容量値、Ｃ_ａ＜＜Ｃ_ｂである、Ｃ_２＝Ｃ_４＝Ｃ_６＝Ｃ_８＝Ｃ_ａおよびＣ_１＝Ｃ_３＝Ｃ_５＝Ｃ_７＝Ｃ_ｂを有するコンデンサを含む２つのサブグリッドを備える、２重同調鳥かご型共振器の第２の変形例を構築することが理にかなっている。この鳥かご型共振器では、周波数Ｆ_１およびＦ_２のそれぞれにおいて２つの縮退モードが生じる。合計８つの導体棒を有する鳥かご型共振器においてこれらの２つのモードの場の均質性を使用することができるのは、（導体棒を４つだけ有する共振器に関する）直角位相制御における励振中および受信中だけである。このような鳥かご型共振器のスペクトルを図２Ｂに示す。２つの縮退直線偏波モードはそれぞれ矢印によって示されている。

核磁気共鳴分光法において、特にＦ_１が^１Ｈまたは^１９Ｆの周波数であり、Ｆ_２が、低周波数の核、特に^３１Ｐ、^１３Ｃまたは^１５Ｎの核の周波数である場合に、２つの測定周波数が遠く離れるという状態になる。

直線偏波だけを用いた動作では、この既知の第２の変形例でも均質性は極めて低く、導体棒の数を少なくとも２倍にしなければならない。さらに、低い方の周波数が高い方の周波数を部分的に遮蔽し、その結果、対称な共振器に比べて共振器の効率がひどく低下する。この遮蔽効果は、導体棒の数が増えるにつれて増大するが、場の均質性を良好にするには、多数の導体棒の存在が欠かせない。

２つのサブグリッドを有する２重同調鳥かご型共振器のこの第２の変形例では、リング素子が両方の測定周波数において使用されるのに対して、導体棒は、一方の測定周波数でしか使用されない。使用されていない導体棒はＲＦ場を「遮り」、正味の電流を共振にほとんど使用しないため、結果として損失が生じる。

これらの変形例のより具体的なものの１つは、高い方の周波数で発振しているレッグを帯域阻止フィルタによって低い方の周波数の影響から隔離し、それによって高い方の周波数の効率を、低い方の周波数の効率の損失と引き換えに向上させる鳥かご型共振器によって形成される。

例えば特許文献１（参照文献［４］）に記載されているように、複数の端部リングを使用する２重同調鳥かご型共振器の第３の変形例が記載されている。ローパス型の鳥かご型共振器とハイパス型鳥かご型共振器の組合せが存在する。しかしながら、これらの第３の全ての変形例では常に、低い方の周波数のリング素子内において、高い方の周波数を、スイッチまたはローパスフィルタによって遮断しなければならない。これらのフィルタまたはスイッチは追加の損失または雑音を生み出し、その結果、効率、特に、高い方の周波数における効率が低下する。多数のリングが存在することにより、もはや、異なる周波数における場プロファイルは通常、同一ではない。しかしながら、実際にはこのことは特に重要であるわけではない。ここで、場プロファイルは、ｚの関数として表した測定試料内における場の分布であると理解される。

複数の端部リングを有する鳥かご型共振器では、２つの共振周波数を２つの縮退モードにそれぞれ同調させることができ、それによって２つの共振周波数を直角位相で使用することができる。このような鳥かご型共振器のスペクトルは、技術的な特定の実施態様に非常に左右され、そのため、ここではこれを説明することはしない。

さらに、この第３の変形例によれば、鳥かご型共振器の製造は極めて複雑となる。なぜなら、帯域阻止フィルタを全く同じに同調させなくてはならず、帯域阻止フィルタが、ＮＭＲアクティブな場を発生させてはならず（すなわち測定体積内の静磁場Ｂ_０に垂直な場成分をゼロとする）、帯域阻止フィルタの磁気感受性によって、帯域阻止フィルタが、静磁場Ｂ_０の均質性を妨げてはならず、同調中（すなわち共振器の共振周波数を、所与の静磁場Ｂ_０中で測定する核のラーモア周波数に調整している最中）に、および共振器が結合されているときに、対称性を壊してはならないからである。これらの数多くの技術的困難性のため、この実施例のコンセプトは、ＮＭＲにおいて広く受け入れられてはいない。

フィルタが組み込まれたこのような鳥かご型共振器を実現する異なる方法は数多くあるので、非特許文献１（参照文献［１］）、特許文献１，２（参考文献［３］，［４］）を参照されたい。本明細書では、それらの鳥かご型共振器をこれ以上詳細に記述し、説明することはしない。

米国特許第０６１００６９４号明細書 米国特許第０４９１６４１８号明細書

ミハエラ ルプー、アンドレ ブリゲット、ジョエル ミスペルター著、「ＮＭＲプローブヘッド：生物物理学および生医学実験のために（ＮＭＲ Ｐｒｏｂｅｈｅａｄｓ：Ｆｏｒ Ｂｉｏｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ）」、インペリアルカレッジ（Ｉｍｐｅｒｉａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ）刊、第１版（２００６年５月５日）、ＩＳＢＮ：１８６０９４６３７２

本発明の目的は、一方の周波数が第２の周波数よりも明らかに高い、２つの測定周波数で送受信するように最適化された磁気共鳴測定ヘッド用のＲＦ共振器であって、特に、周波数差が７％よりも大きいＲＦ共振器を提供することにある。可能ならば、場の均質性および効率は両方の周波数に関して最大であるべきであり、場プロファイル、特にｚ方向の長さおよび変化率（ｚ方向に関する、場プロファイルの端における低下）は同一であるべきである。

この目的は、請求項１に記載のＲＦ共振器によって発明的に達成される。

本発明によれば、第２の測定周波数をもつ信号を送受信するために、鳥かご型共振器の諸素子に加えて、少なくとも１対の導電性リングセグメントが配置される。この対をなすリングセグメントは、Ｚ軸に関して互いに離隔されており、Ｎ個の導体棒のうちの正確に２つの導体棒間の追加の電気接続を形成する。この１対の導電性リングセグメントは、これらの２つの導体棒とともに電流経路を形成し、この電流経路は、少なくとも１点で容量的に遮断されている。このリングセグメントおよびこのリングセグメントに電気的に接続された導体棒は、ｙｚ平面に関して対称に配置される。

本発明の共振器を使用すると、ＮＭＲアクティブなそれぞれの共振周波数に対して、非縮退直線偏波モードが１つだけ生成される。本発明のＲＦ共振器の諸要素はｘｚ平面およびｙｚ平面に関して対称に配置されるため、異なる周波数を有する独立した２つのモードを生み出すことが可能である。本発明のＲＦ共振器の対称性が、コンデンサの静電容量値の対称性を必ずしも指しているわけではない。なぜなら、コンデンサの静電容量値を非対称にすることによって、構造上必要なある種の非対称性を、ＲＦ場が再び直交するように補正することができるためである。好ましい一実施形態では、静電容量値に関してもコンデンサが対称である。本発明のＲＦ共振器によって生み出される（第２の周波数Ｆ_２を有する）第２のモードは鳥かご型モードではない。なぜなら、本発明のＲＦ共振器では、第２のモードが、第１のモード（鳥かご型モード）とは違い、導体棒要素（ｚ軸に関して軸方向の要素）を２つだけ含む電流経路上で発振するためである。これらの電流経路上のインダクタンス間の相互インダクタンスの結果、全ての電流経路が同位相で発振している双極子モードが生じる。特に、第２の周波数で動作している共振器の電気対称面（ｘｚ平面）に関して鏡面対称に配置されていない導体棒は、リング素子を介した、ガルバニック結合またはコンデンサによる容量結合だけを有し、リングセグメントを介した結合を持たない（寄生容量は考慮しない）。

本発明の目的上、リングセグメントは、ＲＦ共振器の２つの導体棒だけによって電気的に直接に接続された導電性のリングまたはリングの断片であると理解される。この追加の電気接続は、ガルバニックにまたは容量的に達成することができる。したがって、これらの２つの導体棒間のこの追加の接続は、その１対のリングセグメントのみによって形成される。本発明のリングセグメントは対をなし、対をなすリングセグメントおよびこれらのリングセグメントに接続された２つの導体棒は、第２の周波数を発生させる電流経路を形成する。このＲＦ共振器を第２の周波数で動作させた場合、電流の大部分は、（リングセグメントを含む）これらの電流経路を流れる。また、電流経路が少なくとも１点で容量的に遮断されるように、対をなすリングセグメントのうちの少なくとも一方のリングセグメントが容量的に遮断されているか、またはこれらのリングセグメントを有する２つの導体棒のうちの少なくとも一方の導体棒が容量性遮断を有していなければならない。したがって、本発明のＲＦ共振器のリングセグメント、リング素子および導体棒は、それぞれの電流経路が少なくとも１点で容量的に遮断されている限りにおいて、容量的に全く遮断されていなくてもよく、または容量的に何回遮断されていてもよい。異なる電流経路は互いに誘導的に結合される。リング素子を介したリングセグメントの短絡は回避しなければならない。この短絡の回避は、リング素子の対応する容量性遮断によって達成することができる。

リングセグメントまたは導体棒の容量性遮断の静電容量値を選択することによって、所望の第２の周波数を規定することができる。さらに、同じ導体棒に接続されていない、すなわち異なる電流経路に割り当てられた、異なるリングセグメント上のコンデンサの比を選択することによって、これらの異なる導体棒上の電流分布、すなわち生み出される場の均質性を設定することができる。それらの導体棒が容量性遮断を有する場合には、導体棒上の静電容量値の比の選択にもこのことがあてはまる。

共振周波数の設定には以下の経験則があてはまる。第２の周波数を第１の周波数よりも低くする場合には、第２の周波数用の電流経路を遮断するコンデンサの静電容量値を、リングセグメントとともに第２の周波数用の電流経路を形成しない、リング素子上または導体棒上にあるコンデンサの静電容量値よりも大きくしなければならない。一方、電流経路を遮断するコンデンサに対して、第２の周波数用の電流経路の部分を形成しないコンデンサの静電容量値よりも小さな静電容量値を選択した場合には、第１の周波数よりも高い第２の周波数が生じる。細かく見れば、電流経路のインダクタンスも考慮に入れなければならないため、この経験則から外れることもある。第２の周波数は通常、第１の周波数よりも低くなるように選択される。こうすることで、これらの２つの周波数の互いに対する影響が最小になるからである。

リングセグメントは、第１の周波数で動作している間の電位差ができるだけ小さい導体棒に接続されていることが好ましい。鏡面対称の鳥かご型共振器では、２つのそれぞれの導体棒が同じかまたはほとんど同じ電位を有する。同じ電位の導体棒が１対のリングセグメントによって接続されている場合、第１の周波数におけるリングセグメントおよび追加の容量性遮断の影響は最小となる。なぜなら、第１の周波数で動作している間は、この追加された追加の電流経路に電位差は生じず、したがって、第１の周波数で動作している間は電流が変化しないからである。従来技術を使用する場合とは違い、第２の周波数の電流経路内において第１の周波数を遮断しなくてもよく、帯域阻止フィルタに関連した抵抗損失を防ぐことができる。したがって、本発明の好ましい一実施形態では、第１の周波数で動作している間、第２の周波数の一の電流経路の複数の導体棒が同じ電位を有する。

本発明のＲＦ共振器では、第１の周波数が、ＲＦ共振器のＮ個の全ての導体棒上で発振する。このようにすると、第１の周波数に関して最高の効率を達成することができる。第２の周波数用の電流経路が存在することによって生じる追加の損失は、第１の周波数の発生したＲＦ場を遮る可能性があるリングセグメント上の場の変位によるものだけである。このようにすると、第１の周波数で動作している間のこのＲＦ共振器の効率は、第２の周波数用の追加の電流経路を持たないＲＦ共振器に比べてほとんど変化しない。

このＲＦ共振器の導体棒は、円筒の側面に配置することが好ましい。座標系のＺ軸はこの円筒の軸に等しい。このような配置は、測定する対象物が円筒形である場合に特に有利である。なぜなら、測定する対象物のできるだけ近くにこの通電素子を配置することができ、ＲＦ共振器の効率をできる限り高くすることできるからである。

本発明の共振器のリングセグメントはｙｚ平面に関して対称に配置される。したがって、第２の測定周波数で動作している間、ＲＦ磁場は、ｙｚ平面内において接線成分だけを有する。ＲＦ共振器が第１の測定周波数で動作している間、ＲＦ磁場は、ｘｚ平面内において接線成分だけを有し、したがって、第２の測定周波数で動作している間のＲＦ磁場に対して直角である。

リング素子は、１つのリング、または互いに容量的に接続されていない２つの部分リングからなる。漂遊容量、すなわち個別コンデンサまたは分布コンデンサ、あるいはこれらに匹敵する素子によって生じたものではない静電容量はここでは無視する。漂遊容量は通常、導体棒およびリングセグメントを容量的に遮断する最も小さな静電容量よりも少なくとも１桁小さい。

好ましくは、リング素子は、円形のリング、正多角形のリング、楕円形のリングまたはこれらのリングの断片の形状を有する導体素子であり、任意の断面を有する。Ｚ方向の延長を最小化するためには、正方形、円形またはリング形の断面が好ましい。半径方向の寸法を制限するためには、軸方向に長い長方形または楕円形の断面が好ましい。

ここでも、漂遊容量を無視することができる。これは特に、共振器の構造が対称であるため、動作中の電流経路上の電流分布に対して漂遊容量はわずかな影響しか与えないためである。

リング素子のリングまたは部分リングはそれぞれ容量的に遮断することができる。「容量性遮断」とは、遮断された素子が、互いに容量的に結合された２つの部分に物理的に分割されていること、すなわちこれらが１つのコンデンサを形成していることを意味する。導体棒およびリングセグメントを容量的に遮断することもできる。リング素子への移行部に直接配置された導体棒の遮断は、導体棒の遮断であるとみなす。容量性遮断は、フィンガコンデンサまたは平板コンデンサなどの個別コンデンサまたは分布容量性素子によって実現することができる。平板コンデンサでは極板が導体棒またはリングの一部を形成する。

導体棒、コンデンサおよびリングセグメントの数は、所望の性能、ならびに構造の所望の寸法・複雑さに依存する。一般に以下のことが言える。導体棒の数が多いと均質性が向上する。コンデンサの数が多いと、容量性遮断が巧みに配置されている場合には特に、電場が弱くなり、信号送信中の絶縁耐力が高まる。リングセグメントの数が多いと、すなわち、第２の周波数で機能する誘導結合された電流経路の数が多いと、場の均質性が向上し、通常は、第２の周波数におけるこのモードの効率も向上する。リング素子およびリングセグメントの半径方向の寸法をできるだけ小さくすると、変化率が増大し、したがって場プロファイルが改善される。使用する構成要素が少ないほど、共振器の構造が占有する空間を節約することができ、共振器の構造を単純にすることができる。

前述のとおり、リング素子はそれぞれ１つの導電性リングを備えることができる。しかしながら、この場合には、第２の周波数での動作中に、リング素子およびリング素子の容量性遮断に一部の電流が流れる。本発明のＲＦ共振器の好ましい一実施形態では、リング素子が遮断され、互いに容量的に接続されていない２つの部分リングを含み、部分リングがそれぞれ、Ｎ／２個の導体棒に電気的に接続される。

この非容量性遮断は、第１の周波数の共振モードの磁気対称面、すなわちｘｚ平面上に位置することが好ましい。あるいは、この遮断を、ｘｚ平面に最も近い導体棒間の任意の位置に配置することもできる。少なくとも１つのリング素子のこの非容量性遮断を使用して、リング素子を介したリングセグメントの短絡を防ぐことができる。

リング素子の対称面（ｘｚ平面）に垂直に配置された、リングセグメントのｙｚ平面に関して対称な構成によって、第２の周波数のモードは第１の周波数のモードの影響を受けない。リング素子は部分リングに分割されているため、第２の周波数での動作中にｘｚ平面を横切ってリング素子内を電流が流れることはもはやできない。リング素子の部分リングが、全体として、完全なリングを構成する必要はない。すなわち、部分リングの中心角（その部分リングが囲む円／楕円／多角形の部分の角度）は通常＜１８０°である。

これらの２つのモードの共振周波数を独立に設定するためには、残留する結合および取り付けられた素子の数を最小化するため、少なくとも１つのリングセグメントが、容量性遮断を１つだけ有し、その容量性遮断がｙｚ平面上に配置されると有利である。ｙｚ平面に関して対称な複数の容量性遮断を配置することもできる。これによって構成要素の数は増すが、電圧は下がり、第２の周波数で動作している間ゼロ電位にある共振器上の潜在的な接続点が得られる。

本発明のＲＦ共振器の特殊な実施形態では、少なくとも一部のリングセグメントが、Ｚ軸に関して、リング素子と同軸方向の位置に配置される。リングセグメントの半径方向距離（Ｚ軸からの距離）を、リング素子の半径方向距離とは異なる距離にすることができる（しかし、そのようにする必要はない）。リングセグメントとリング素子が同じ軸方向位置にある場合、２つの共振モードのｚ方向の場プロファイルは特によく相似する。

これの代わりに、またはこれに加えて、少なくとも一部のリングセグメントを、Ｚ軸から、リング素子と同じ半径方向距離のところに配置することもできる。楕円形のリング素子の場合には、「同じ半径方向距離」が、リングセグメントがリング素子と同じ半軸を有することを意味する。遮断されたリング素子の場合には、遮断の結果生じた隙間にリングセグメントを配置し、その結果、リング素子とこの隙間に配置されたリングセグメントとが互いに補完して円／楕円などを形成するようにすることができる。同じ半径方向位置のところに配置すると、共振器の半径方向の寸法をできる限り小さくすることができ、本発明の共振器の周囲に、別の共振器または送受信コイルを同心に取り付けることが容易になる。

リングセグメントの数が導体棒の数Ｎに等しいと特に好ましい。導体棒はそれぞれ、厳密に２つのリング素子を介して別の導体棒に接続される。この場合には、全ての導体棒が両方の周波数に対して使用される。この結果、第２の周波数に関して効率は最高になり、両方の共振モードの動作中に最大数の自由度で場の均質性を設定することができる。

有利な一実施形態では、少なくとも１つのリング素子が、ｙｚ平面に配置された同調コンデンサによって容量的に遮断される。このコンデンサを使用して第２の共振周波数を変更することができる。この同調コンデンサは、共振器の外部にあるリード線を介して配線することもできる。

他の有利な実施形態では、リングセグメントとｙｚ平面との交点に接続点が位置するような態様で、互いに関して鏡面対称に配置された２つのリングセグメントが、同調コンデンサによって互いに接続される。この同調コンデンサを使用して第１の共振周波数を離調させることができる。

特に有利な実施形態では、第２の共振周波数の電流経路の１つのリングセグメントが容量的に遮断されない。この第２の共振周波数の電流経路は、２つの関連リングセグメントのうちの一方のリングセグメント上にのみ容量性遮断を有する。これによって「ＤＣ電流経路」が形成され、このＤＣ電流経路を介して、任意の数の追加の周波数を、鞍型コイルまたはソレノイドコイルに対する知られている方法を使用して結合することができる。

本発明のＲＦ共振器は、ＮＭＲ分光法とＭＲイメージング法の両方で使用することができる。

他の利点は、本明細書の説明および添付図面から明らかになる。また、以上に記載した特徴および以下に記載する特徴は、単独で使用し、または任意の組合せで一緒に使用することができる。図示し、説明する実施形態を網羅的なリストとすることは意図されておらず、それらの実施形態はむしろ、本発明を説明するための例にすぎない。

本発明を図面に示す。

８つの導体棒と、２つの端部リングと、導体棒とリング素子の間の移行部にあるコンデンサとを備える、従来技術に基づくローパス型の鳥かご型共振器の電気回路図である。導体棒のインダクタンスとリングのインダクタンスの間の誘導結合は示されていない。 広帯域結合回路網による弱いカップリングおよびカップリングアウトを有する、図１Ａにおける８つの導体棒を備えた対称な６００ＭＨｚ（^１Ｈ）ローパス型の鳥かご型共振器の伝送スペクトルを示す図である。Ｆ_１における共振は２つの縮退双極子モードからなる。このスペクトルを生み出す際、この共振器の全てのモードが得られるように、弱い誘導結合によって、カップリングインおよびカップリングアウトを実行した。 図１Ｂの共振器に比べて電気的な対称性が壊されている８つの導体棒を有する従来技術に基づく鳥かご型共振器であり、^１９Ｆおよび^１Ｈに対して２重に同調された共振器の伝送スペクトルを示す図である。Ｆ_１およびＦ_２における２つのモードは直交双極子モードである。 それぞれが４つの導体棒を有する２つのサブグリッドを備える鳥かご型共振器であり、^１３Ｃおよび^１Ｈに対して２重に同調された共振器の伝送スペクトルを示す図である。Ｆ_１およびＦ_２における２つのモードはそれぞれ２つの縮退双極子モードである。 ８つの導体棒、追加の８つのリングセグメントおよび追加の１６個のコンデンサを備える本発明のＲＦ共振器を示す図である。２つの端部リングはそれぞれ、それぞれの端部リングに対応するリング素子の２つの部分を除去することによって分断され、開いている。 図３Ａの本発明の２重同調ＲＦ共振器の^１Ｈおよび^１３Ｃに対する伝送スペクトルを示す図である。Ｆ_１およびＦ_２におけるモードは２つの直交双極子モードである。 図１Ｂと図３Ｂの伝送スペクトルの比較を示す図である。鳥かご型共振器の最初の３つのモードの周波数は影響を受けない。最も高いモードだけがより高い周波数へ移動する。 ローパス型の鳥かご型共振器を基にする本発明の２重同調共振器の略展開図である。モードはともに、この図において上方へ延びるｚ軸に関して対称である。 第２のモード用のＤＣ電流経路を有する本発明の２重同調共振器の略展開図である。 バンドバス型の鳥かご型共振器を基にする本発明の２重同調共振器の略展開図である。２つのモードはｚ軸に関して対称である。 ハイパス型の鳥かご型共振器を基にする本発明の２重同調共振器の略展開図である。２つのモードはｚ軸に関して対称である。 ６つの導体棒を有するローパス型の鳥かご型共振器を基にする本発明の２重同調共振器の略展開図である。この場合、Ｆ_２での共振は、４つのリングセグメントおよび４つの導体棒によって実現される。 ６つの導体棒を有するローパス型の鳥かご型共振器を基にする本発明の２重同調共振器の略展開図である。この場合、Ｆ_２での共振は、２つのリングセグメントおよび２つの導体棒によって実現される。 ローパス型の鳥かご型共振器を基にする本発明の２重同調共振器の略展開図である。この実施形態では、第１のモードのリング素子が遮断されていない。 ローパス型の鳥かご型共振器を基にする本発明の２重同調共振器の略展開図である。第２の共振モード用の同調コンデンサが、第１の共振モードのリング素子の容量性遮断である。 ローパス型の鳥かご型共振器を基にする本発明の２重同調共振器の略展開図である。第１のモードの対称点に第２のモードの調整器が結合されており、この調整器は、対称な実施態様を達成するために２つの結合コンデンサによって実現される。 ＤＣ電流経路が組み込まれたローパス型の鳥かご型共振器を基にする本発明の２重同調共振器の略展開図である。第２のモードのＤＣ電流経路を介して、追加の周波数が、共振回路によって結合される。 第１の共振周波数を変更するための同調コンデンサが第２の共振モードの対称点に結合された、ローパス型の鳥かご型共振器を基にする本発明の２重同調共振器の略展開図である。 ローパス型の鳥かご型共振器を基にする本発明の２重同調共振器の略展開図である。第２のモードのリングセグメントの１つの上の対称点に、第１のモードの調整器が結合されている。 ＤＣ電流経路が組み込まれたローパス型の鳥かご型共振器を基にする本発明の２重同調共振器の略展開図である。第１のモードのＤＣ電流経路を介して、追加の周波数が、共振回路を使用して結合される。 ローパス型の鳥かご型共振器を基にする本発明の２重同調共振器の略展開図である。構造の非対称性を補償し、同時に、２つの双極子共振モードの互いに対する直交性を維持し、両方の周波数における場の均質性を最適化するために、異なるコンデンサが異なる静電容量値Ｃ_１ａ〜Ｃ_１ｐまたはＣ_２ａ〜Ｃ_２ｈを有する。 第１の共振モードのリング素子と同じ半径方向位置の軸方向に第２の共振モードのリングセグメントが構成された、図４Ａにおける本発明の共振器の電流経路の略透視図である。この図にコンデンサは示されていない。 第１の共振モードのリング素子と同じ軸位置について半径方向に第２の共振モードのリングセグメントが構成された、図４Ａにおける本発明の共振器の電流経路の略透視図である。この図にコンデンサは示されていない。 ^１Ｈおよび^１３Ｃの周波数に同調させた本発明の共振器の２つのＮＭＲモードのｘｙ平面内の半径２．２ｍｍのところの磁場の振幅を示す図である。場の振幅は、２つの構成ＡおよびＢならびに両方の共振周波数に対して示されており、構成Ａと構成Ｂとでは、図７における共振器のコンデンサの静電容量値Ｃ_２ａからＣ_２ｆの選択が異なる。

本発明のＲＦ共振器は、コンデンサが、リング素子を容量的に遮断するのか（ハイパス型）または導体棒を容量的に遮断するのか（ローパス型）、あるいはリング素子と導体棒の両方を容量的に遮断するのか（バンドパス型）によって、ハイパス型、ローパス型およびバンドパス型の共振器として構成することができる。導体棒の数、追加のコンデンサ、対称性、リング素子およびリングセグメントの構成に関して示された全ての変異を、ハイパス型、ローパス型およびバンドパス型の共振器に対して使用することができる。

図３Ａは、図１Ａの鳥かご型共振器をどのように改善すると、本発明の２重同調共振器を製作することができるのかを概略的に示す。さらに、複数の上部のリングセグメント３２ａ、複数の下部のリングセグメント３２ｂ、ならびに複数のコンデンサ３１を追加することによって、第１の測定周波数に対して使用するモードの縮退を解消することが可能である。上部のリングセグメント３２ａの１つと下部のリングセグメント３２ｂの１つから、各リングセグメント対が構成される。ＮＭＲアクティブな両方の共振モードに関してできるだけ対称な共振器を得るために、これらをｘｙ平面に関して対称に配置するのがよい。それぞれのリングセグメント対は、ＲＦ共振器の電流経路の一部を形成し、厳密に２つの導体棒１１に導電的に接続される。

図３Ａに示したＲＦ共振器の実施形態は、ｙｚ平面（第１の共振モードＦ_１の磁気対称面）に遮断３０を有するリング素子３３を有する。それぞれのリング素子３３は、８つの導体棒１１のうちの４つに接続された２つの部分リングを含む。分断されて開いているリング素子３３は、３つ以上の導体棒１１とガルバニック接続されているため、本発明の目的上、リングセグメントではない（例示のため、図３Ａでは、図１Ａに比べて除去されたリング素子３３の部分が点線で囲まれ、且つハッチングされている）。リングセグメント３２ａ、３２ｂおよび追加のコンデンサ３１は、それらが、第１の周波数Ｆ_１の磁気対称面（ｙｚ平面）に関して対称に位置するように配置されていなければならない。リングセグメント３２ａ、３２ｂとリングセグメント１２の間にガルバニック接続はない。

追加のコンデンサ３１およびリングセグメント３２ａ、３２ｂを追加することによって、共振器の少なくとも２つの直交する対称面が得られる。

図３Ｂは、図３Ａの本発明の鳥かご型共振器の伝送スペクトルを示す。Ｆ_１およびＦ_２における各モードは直交する２つの双極子モードである。追加の素子（リングセグメント３２ａ、３２ｂおよび追加のコンデンサ３１）が第１の周波数Ｆ_１（直線鳥かご型モード）の磁気対称面に関して対称に配置されているため、影響を受けないモードがある（図３Ｃ参照）。（最も高いモードである、８つの導体棒を有するこのローパス型の鳥かご型上の）８重極モードだけがより高い周波数へ移動する（図３Ｃの矢印参照）。

第１の共振モードに関して、追加のコンデンサ３１およびリングセグメント３２ａ、３２ｂは、Ｆ_１での動作中に存在する可能性があるリングセグメント３２ａおよび３２ｂの場の変位効果によってのみ生じる小さな摂動でしかない。この理由から、第１の共振周波数においては、同一の直線偏波鳥かご型共振器に関して品質および効率の損失はほとんど確認されない。

第２の共振周波数Ｆ_２においては、Ｆ_２の直線偏波で動作する鳥かご型共振器と比較することができる。本発明の共振器の効率および品質が、Ｆ_２のみで発振するような共振器と異なるのは、リングセグメント３２ａおよび３２ｂに対して必要な通常はいくぶん長い電流経路、および追加のリング素子の存在によって生じる場の変位効果だけである。直径がその長さよりも小さい共振器に関して、この差は特にほとんど意味をなさない。

一般的なケースでは、第２のモードは、図３Ｂに示されているように、＜Ｆ_１である周波数Ｆ_２に存在することできるだけでなく、＞Ｆ_１である周波数Ｆ_２、すなわち直線鳥かご型モードよりも高いモードでも存在することができる。実際には、目的を達成するのにどちらの変形例を選択した方が良いのかを考えなければならない。ローパス型の鳥かご型共振器では、Ｆ_２＜Ｆ_１を選択した方が有利なことがある。これは、この場合には、本発明の共振器の追加のモードと同じ周波数帯に、鳥かご型共振器の双極子モード以外のモードが含まれないためである。これは、幾何学的欠陥および電気的欠陥の場合のデカップリングをより容易にする。ハイパス型の鳥かご型共振器では、反対の状況の方が有利なことがある。

図４Ａ〜Ｆ、図５Ａ〜Ｄおよび図６Ａ〜Ｃは、本発明の２重同調共振器のさまざまな変形例の展開図を概略的に示す。

図４Ａに示す実施形態は図３Ａと等価である。この実施形態は、両方のモードの対称性が最大となる点が特徴である。しかしながら、Ｆ_２における追加のモードの追加のコンデンサ４４はｙｚ平面（＝周波数Ｆ_１の鳥かご型モードの磁気対称面）上に置かれており、図３Ａの追加のコンデンサ３１のように２重には構成されていない。普通ならば全く同じパラメータを有する同じモードを生み出すため、図３Ａに示した実施形態の追加のコンデンサ３１は、図４Ａの追加のコンデンサ４４の２倍の静電容量値を有し、ｙｚ平面に関して鏡面対称に配置されている。素子間のガルバニック接続は黒丸で示されている。

図４Ａに示した実施形態は、２つに分割されたリング素子３３と、図４Ａの構成では追加のコンデンサ４４によって遮断されたリングセグメント４０とを有する。それぞれのリングセグメント対は、２つの導体棒１１とともに、灰色で示された電流経路４１を形成する。

点線は、Ｆ_１における鳥かご型モードの電気対称面を表し、この電気対称面はｘｚ平面と一致する。一点鎖線は磁気対称面を表し、この磁気対称面はｙｚ平面と一致する。図４Ａに、ｘｙ平面と一致する電気対称面は示されていない。

Ｆ_２における共振モードに関しては、電気対称面がｙｚ平面と一致し、磁気対称面がｘｚ平面と一致し、したがって、これらの電気対称面および磁気対称面は、Ｆ_１における鳥かご型モードの対称性とは直交関係にある。この電気対称面および磁気対称面の直交性から、理想的には、これらの２つのモードをその夫々の結果から電磁的に完全にデカップリングすることができる。すなわち、両方のモードを互いに完全に別々に励振することができ、それらの共振周波数を互いに完全に別々に調整する（同調させる）ことができる。

この直交性はさらに、少なくとも２つの点４６の間では、一方のモードが動作中に高い電位差を示し、もう一方のモードが電位差を示さないことを意味する。このような複数の点は、この構造が、一方のモードの磁気対称面であると共にもう一方のモードの電気対称面と交差する部分に位置する。これらの点は、かかる接続の影響を他方のモードに及ぼすことなく、一方の共振モードの選択的なカップリングインおよびカップリングアウトに対して使用することができる。

一定条件下では、共振器が、ｘｙ平面に関して幾何学的および電気的に対称であることが望ましいが、共振器が機能するためにこのことが必須であるわけではない。この追加の対称性によって、動作中の電場および磁場の対称性が増し、したがって、通常は、感度が増し、動作中における測定試料内での損失が減ることによって、本発明の共振器の性能が向上する。誘導結合の場合を除き、ｘｙ平面に関する対称性は通常、リード線によって破られる。

図４Ｂでは、第２の周波数Ｆ_２におけるｘｙ平面に関する電気的な対称性が壊されている。図４Ａに示した実施形態の電流経路４１はそれぞれ、２点で容量的に遮断されているが、図４Ｂに示す実施形態は、追加のコンデンサ４５によって１点でのみ容量的に遮断された電流経路４２を含み、この電流経路４２は灰色で示されたＤＣ電流経路を形成する。この変型例では、追加のコンデンサ４５が、図４Ａのコンデンサ４４よりも小さい静電容量値を有していなければならないため、Ｆ_２を同調させるのがより容易になる。しかしながら、図４Ｂに示す実施形態では、このＲＦ共振器内に取り付けるための要件を満たす十分な静電容量値を有するコンデンサを製作することが不可能な場合には、ごく単純に、これらのコンデンサを、延長されたリード線によって、ＲＦ共振器の少し外側に取り付けてもよい。これにより、それぞれの電流経路に単一のコンデンサのみが組み込まれるからである。

図４Ｃは、２つに分割された部分リングがコンデンサ４８によって容量的に遮断されたリング素子４７を有する本発明のＲＦ共振器のバンドバス型の変形例を示す。この変形例では、リングセグメントは、容量的に遮断されておらず、且つ、２つの導体棒１１間の直接のガルバニック接続を形成する。第２の共振周波数の電流経路は、このケースでは導体棒１１上のコンデンサ１３によって、共振に同調される。

図４Ｄは、容量的に遮断されたリング素子４７を有する本発明のＲＦ共振器のハイパス型の変形例を示し、Ｆ_２での共振用の電流経路に関するこれまでに説明した本発明の全ての変形例と組み合わせることができる。

図４Ｅは、６つの導体棒１１と、単一の部分からなるリング素子１２と、２点で容量的に遮断されたリングセグメント４０とを備える本発明のＲＦ共振器の一実施形態を示す。第２の周波数を発生させるのに、このケースでは、６つの導体棒１１のうちの４つの導体棒１１だけが使用される。

本発明によれば、２つからＮ個の追加のリングセグメントを挿入することができる。本発明のＲＦ共振器の鳥かご型モードの対称性に対する影響をできるだけ小さくするために、Ｎ＝４ｉ＋２個の導体棒を有し、追加のリングセグメントを２つだけ使用する共振器を使用し、互いの反対側にある２つの導体棒をこれらのリングセグメントに電気的に接続することが得策である。図４Ｆは、６つの導体棒を有し、中心角が３６０°のリングセグメント４３（閉じたリング）を２つだけ有するこのような実施形態を示す。しかしながら、本発明の目的に照らしてこれらのリングセグメントを定義すると、これらのリングセグメントは、リング素子ではなく、リングセグメントであることが理解される。なぜなら、リングセグメントは、２つの導体棒とだけガルバニック接続を有するのに対して、リングセグメントは、Ｎ個の全ての導体棒とのガルバニック接続を有するためである（すなわち、リング素子は、単一の部分からなり、Ｎ個の全ての導体棒にガルバニック接続されているか、または、２つの部分からなり、部分リングの形態を有し、それぞれの部分リングがＮ／２個の導体棒に接続されており、その結果として、この２つの部分からなるリング素子が、全体として、Ｎ個の全ての導体棒にガルバニック接続されている）。本発明によれば、図４Ｆの実施形態を、中心角が１８０°の２つのリングセグメントを有するように構成することもできる。しかしながら、実際には、このように構成すると、非対称なリングセグメントと対称なリング素子の間の誘導結合のために、本発明のＲＦ共振器の２つの双極子モードをデカップリングすることがより困難になる。

生み出される場の均質性およびＦ_２における効率がより高くなるため、通常は、４つの導体棒１１および４つのリングセグメント３２を使用する図４Ｅの変形例の方が、Ｆ_２における第２の共振モードに対して２つのリングセグメント４３および２つの導体棒１１だけを使用する図４Ｆの変形例よりも好ましい。

したがって、リング素子を切断して開くことによって、存在する可能性がある鳥かご型共振器の回転対称性を壊す必要はない。図５Ａは、リング素子１２が遮断されていない変形例に含まれる、図４Ａとは異なる本発明の２重共振ＲＦ共振器の実施例を示す。閉じたリング素子１２を使用すると、鳥かご型共振器のコンデンサ１３は、リングセグメント４０内の追加のコンデンサ４４と並列に接続される。しかしながら、リング素子を切断して開いて２つの部分リングにすると、共振周波数の設定およびコンデンサから独立した周波数Ｆ_２における場の均質性の設定によって、構造を単純にすることができる。さらに、それによってＦ_２における第２のモードの共振周波数を変更することができる同調コンデンサ５２をリングに挿入し（図５Ｂ）、またはリード線によって部分リングの端に接続することができる。

第２の周波数Ｆ_２は、第１の周波数Ｆ_１での共振モードの電気対称面（ｘｚ平面）（Ｆ_１での動作中のゼロ電位点）上にカップリングインすることができる。この結合は対称に構成されることが好ましく、図５Ｃに示すように、この結合は、第１のモードの対称点４６への結合を提供し、対称にするための２つの結合コンデンサ５３によって実現された調整器５４によって容量的に達成することができる。対称な制御を達成するため、（同軸変成器、バラン変成器などの）従来技術により知られている全ての接続が使用される。しかしながら、原則として、両方の周波数を誘導的に結合する方が好ましいようである。なぜなら、このようにすることが、ＲＦ共振器の対称性に対する影響が最も小さく、ＲＦ共振器をどの点においても接地する必要がない、すなわちＲＦ共振器の制御を「浮動」制御とすることができる結合を実現する最も単純な方法であるからである。

図５Ｄは、図４Ｂの実施形態に似ているが、第３の測定周波数Ｆ_３を、コイル中のＤＣ電流経路４２に結合することができ、サドルコイルまたはソレノイドコイルによってＲＦ場を発生させる従来技術により知られている全ての方法で第３の測定周波数Ｆ_３を使用することができる、実施形態を示す。発生するＲＦ場の均質性がより良好になるため、４つのＤＣ電流経路４２全てに対してこの結合を実現することが基本的には望ましい。

簡略化するため、この結合は図示されていない。ＤＣ電流経路は１回巻きのコイルのように振る舞い、そのため、１つ、２つまたは３つ以上の共振周波数を同調させるそれぞれの変形例が、従来技術の発明の共振器と併用して使用される。２つの共振周波数に対する同調の一例は帯域阻止フィルタによる構成である。この回路では、リングセグメントのコンデンサ４５に並列に接続された共振回路５７を使用して、共振器の周波数Ｆ_２を遮断し、Ｆ_３＜Ｆ_２の場合に第３の周波数を接続することを可能にする。他の実施形態は、この分路構成だけでなく、例えば参照文献［１］の６章において説明されているように、スイッチ、複数の極、結合された共振回路などをも含む。

異なるＤＣ電流経路上に異なる周波数を結合することもできる。しかしながら、この場合には一般に、それぞれの場合に、より高い周波数を全て遮断して、より低い周波数の共振サークルによる場の遮蔽を防がなければならないであろう。

３つ以上の共振周波数を同調させる他の構成は、例えば本発明の共振器の外側または内側に同心に配置することができる追加のコイルまたは共振器との結合を含む。

周波数Ｆ_１の同調は、図６Ａに示すように周波数Ｆ_２の電気対称面（ｘｚ平面）（ゼロ電位点）上で結合された１つ以上のコンデンサによって達成することができる。モードＦ_１に対するそれぞれの１つの同調コンデンサ６１が、モードＦ_２におけるそれぞれ１つの下部のリングセグメント３２ｂ上の対称点６３に接続される。対称点６３での結合を可能にするため、コンデンサは、ＲＦ共振器の低周波数領域において、直列に２重に構成される。２つの電流経路４１はそれぞれ、理想的にはｘｚ平面に配置された同調コンデンサ６１に接続される。第２の周波数Ｆ_２での動作中、同調コンデンサによる接続点の間には電位差がないため、第２の周波数Ｆ_２とは独立に第１の周波数Ｆ_１を変更することができる。図６Ａは、可変静電容量により２つの同調コンデンサ６１が一緒に調整される場合に、同調の間、導体棒上の電流分布に影響を及ぼさない同調を示す。このためには、これらの同調コンデンサ６１の静電容量範囲を、共振器で使用される、幾何学的構成および静電容量値に適合させなければならないが、各静電容量範囲は異なってもよい。ｚ方向の対称性に影響が及ぶことをも回避し、ｘｙ平面に関して対称な電位分布を得るため、上部のリングセグメント３２ａ上に、可変静電容量の２つの追加のコンデンサを取り付けることもできる。しかしながら、共振周波数の変更は通常、測定する対象物が共振器に導入されたときの共振シフトを補償するためだけに使用され、したがって、共振周波数の変更は共振器の小さな摂動に対応するため、同調コンデンサを２倍にすることは実際には、別の同調範囲が望ましい場合にのみ正当化される。これは例えば、^１Ｈから^１９Ｆへの鳥かご型モードの共振周波数の調整である。

図６Ｂは、第１の周波数Ｆ_１の同調を接続することができる同じ対称点６３を使用して、信号を結合すること、すなわち周波数Ｆ_１における信号を励振し、測定することもできることを示す。この目的のため、第２のモードのリングセグメントの１つの上の対称点６３に、第１のモードの調整器６２を結合する。しかしながら、コイルの対称性に対する影響が最も小さく、接地接続または差動制御要素を使用せずにすむため、この測定周波数に対しても誘導結合が最も都合がよいようである。

図６Ｃは、第１の周波数Ｆ_１のＤＣ電流経路上に第３の周波数Ｆ_３がカップリングインされた、第２の周波数の電流経路に対する図５Ｄの実施形態と等価のコイルの変形例を示す。ここでも、周波数Ｆ_１を遮断するために共振回路６４が使用され、共振回路６４は、２つのリングセグメント間に配置される。図５Ｄおよび６ｃに示した例では、最初の２つの周波数Ｆ_１およびＦ_２を発生させるために８つの全ての導体棒が使用され、Ｆ_３を発生させるのには、４つの導体棒、すなわち共振回路６４に接続されたリングセグメントとともに電流経路を形成する導体棒だけが使用される。

図５Ｄに示した実施形態を図６Ｃに示した実施形態と組み合わせた場合には、４つの周波数に同調させることができるＲＦ共振器が得られる。

本発明の２重同調共振器の１つの大きな利点は、対応するコンデンサの静電容量および／または導体棒の位置を適合させることによって、ｘｙ平面内の方位角であるφにおける場の均質性、すなわち導体棒上の電流分布を、２つのモードに関して互いに完全に独立に調整することができることである。図７の鳥かご型共振器のコンデンサの静電容量値Ｃ_１ａからＣ_１ｐは同一とすることができるが、同一である必要はない。対称構成では、静電容量値Ｃ_１ａ、Ｃ_１ｄ、Ｃ_１ｅ、Ｃ_１ｈ、Ｃ_１ｉ、Ｃ_１ｌ、Ｃ_１ｍおよびＣ_１ｐが通常、概ね同一（ｘｙ、ｘｚおよびｙｚ平面に関して対称）であり、Ｃ_１ｂ、Ｃ_１ｃ、Ｃ_１ｆ、Ｃ_１ｇ、Ｃ_１ｊ、Ｃ_１ｋ、Ｃ_１ｎおよびＣ_１ｏについても同じことが言える。ｘｙ平面に関して非対称であるような態様で同調を結合する場合、または図６Ａおよび６ｂに示したように結合する場合には、動作の間、電気的な対称性を維持することができるように、静電容量値Ｃ_１ａ、Ｃ_１ｄ、Ｃ_１ｅおよびＣ_１ｈが、Ｃ_１ｉ、Ｃ_１ｌ、Ｃ_１ｍおよびＣ_１ｐとはわずかに異なる。しかしながら、一般的なケースとして、例えば接続レッグまたは追加の非対称共振器との結合のために共振器の対称性がもはや維持されない場合、または製造に起因する対称性の偏差を補正する場合には、全てのコンデンサが異なる静電容量を有することもありうる。目的は常に、ｘｙ、ｘｚおよびｙｚ平面に関する電場の対称性を保証することである。

第２の双極子モードに関しては通常、静電容量値Ｃ_２ａ、Ｃ_２ｄ、Ｃ_２ｅおよびＣ_２ｈが、Ｃ_２ｂ、Ｃ_２ｃ、Ｃ_２ｅおよびＣ_２ｆとは異なる。これは、これらのコンデンサを介して関連する導体棒を接続するリングセグメントは、長さが異なることから、異なるインダクタンスを有するためである。このことは、共振器の全体にわたって、電流が、ほぼ正弦状に分布することを意味し、これにより、静電容量値Ｃ_２ａ、Ｃ_２ｄ、Ｃ_２ｅおよびＣ_２ｈを増大させることによって達成することが容易となる。したがって、これらの追加のコンデンサの静電容量は、共振器の全体にわたって、電流が、ほぼ正弦状に分布するように選択される。

導体棒の位置を変更することによって、一方のモードの効率および／または均質性を、もう一方のモードの損失と引き換えに最適化することができる。上で説明したように導体棒の位置を変更することにより、静電容量値Ｃ_１ａからＣ_１ｐおよびＣ_２ａからＣ_２ｈを補正することによって、場の均質性をできる限り適合させることができる。

本発明の多重同調ＲＦ共振器の特に大きな１つの利点は、静電容量値および／または導体棒の位置を変更することによって、２つのモードのφにおける場の均質性が単独で最適化され、この場の均質性を概ね全く同じに設定することができることであり、これにより、例えば、分極移動実験における磁化移動の効率を増大させる。導体棒の位置は、２つの共振モードの場の均質性（おそらくはさらに図５Ｄまたは図６Ｃに従ってカップリングインされた共振）に影響を及ぼすが、静電容量値Ｃ_１ａからＣ_１ｐおよびＣ_２ａからＣ_２ｈの変更は一方のモードにだけ影響を及ぼす。唯一の例外は、鳥かご型共振器のコンデンサ１３が追加のコンデンサ４４およびリングセグメント４０と並列に接続された、例えば図４Ｅ、Ｆおよび図５Ａ、Ｂのリング素子が遮断されていない構成、ならびに、第２の周波数を同調させるために導体棒上にコンデンサが位置し、したがって第１の周波数の電流経路にもコンデンサが位置する、図４Ｃなどの構成である。

図９は、回転対称に配置された８つの導体棒を有する、^１Ｈおよび^１３Ｃの周波数に同調させた本発明の共振器の２つの構成のｘｙ平面内の半径２．２ｍｍのところの磁場の分布の一例を、２つの双極子モードの磁場の振幅について示す図である。構成ＡとＢの違いは、コンデンサの静電容量値Ｃ_２ａからＣ_２ｆが変更されていることにあり、これによって^１３Ｃの周波数における場の均質性を向上させることができる。この図において、^１Ｈモードの場の分布に対する影響を確認することはできない。

本発明のＨＦ共振器は、φにおける場の均質性に加えて、両方のモードに対するｚ方向の場プロファイルが概ね一致するような態様で構成することができる。Ｆ_２における第２のモードのリングセグメント３２ａ、３２ｂの位置決めにより、場プロファイルの調整がある程度可能となる。一方で、リングセグメント３２ａ、３２ｂを、Ｆ_１における第１のモードのリング素子３３と同じ直径のところに配置することができる。しかしながら、このことは、図８Ａに概略的に示されているように、リングセグメント３２ａ、３２ｂの少なくとも一部分を、リング素子３３に対してｚ方向へ移動させなければならないことを意味する。

あるいは、同じｚ位置の異なる直径のところにリングセグメント３２ａ、３２ｂを位置決めすることもできる（図８Ｂ）。これらの２つの変形例を組み合わせることも可能である。特に、鳥かご型共振器の分断されて開いているリング素子３３の場合には、第２の共振モードの１つのリングセグメントによって形成される隙間を使用すると都合がよい。

本発明のＲＦ共振器では、少なくとも２つの追加のリングセグメントを取り付けることによって、Ｎ個の導体棒を有する鳥かご型共振器に第２の測定周波数Ｆ_２が追加される。両方の共振経路上に追加の周波数を結合することもできる。本発明の２重または多重同調ＲＦ共振器は、例えばサブグリッドを有する公知の共振器において現れる、半径方向の場の均質性が不十分である問題および効率が悪い問題を解決する。本発明のＲＦ共振器の構造は単純であり、両方の周波数Ｆ_１およびＦ_２を直角位相で機能させ、または導体棒の数を相当に増やす（導体棒の数を２倍にする）ような必要性はこのタイプの共振器にはない。導体棒の数をこのように増やすと、少なくともＦ_１における効率が大幅に低下することになる。鳥かご型モードの縮退を通常は解消する追加の周波数を結合しなければならないため、特にＮＭＲで一般的に使用されている多重共鳴試料ヘッド（３から５個の測定周波数）に対する直角位相制御は大きな問題である。この問題は、多大な手間をかけなければ解消できず、通常は全ての測定周波数において損失が生じる。

フィルタおよび２倍の数の端部リングを有する従来技術の鳥かご型幾何形状とは対照的に、本発明の共振器の設計は極めて単純である。両方の周波数を完全に独立に同調させることが可能である。多数の帯域阻止フィルタを同調させる必要はなく、複数の端部リングを有する鳥かご型共振器を同調させ、結合するときの帯域阻止フィルタの非対称性にまつわる問題も生じない。両方のモードにおいて共振器の効率を低下させるであろう帯域阻止フィルタに起因する追加の損失も生じない。したがって、従来技術の公知の多重同調ＲＦ共振器に比べて、本発明の共振器は、製造がより容易であり、より良好な機能性を有する。

参照文献
［１］ミハエラ ルプー、アンドレ ブリゲット、ジョエル ミスペルター著、「ＮＭＲプローブヘッド：生物物理学および生医学実験のために（ＮＭＲ Ｐｒｏｂｅｈｅａｄｓ：Ｆｏｒ Ｂｉｏｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ）」、インペリアルカレッジ（Ｉｍｐｅｒｉａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ）刊、第１版（２００６年５月５日）、ＩＳＢＮ：１８６０９４６３７２
［２］米国特許第０４６８０５４８号明細書
［３］米国特許第０４９１６４１８号明細書
［４］米国特許第０６１００６９４号明細書

Ｆ_１ 鳥かご型モードの周波数（第１の周波数）
Ｆ_２ 電流経路の追加のモードの周波数（第２の周波数）
Ｆ_３ 電流経路の追加の共振の周波数（第３の周波数）
Ｃ_１〜Ｃ_８ コンデンサ１３の静電容量
１１ 導体棒（誘導性）
１２ 単一の部分からなるリング素子（誘導性）
１３ 鳥かご型共振器の導体棒を容量的に遮断するコンデンサ
１４ 周波数Ｆ_１を有する縮退モード
３０ リング素子の遮断
３１ 追加のコンデンサ（＝第２の周波数を発生させる電流経路内のコンデンサ）
３２ａ 上部のリングセグメント
３２ｂ 下部のリングセグメント
３３ ２つに分割されたリング素子
４０ リングセグメント
４１ 第２の周波数を発生させるための、複数の位置で容量的に遮断された電流経路（背景にハッチングが付けられている）
４２ 第２の周波数を発生させるための、１つの位置で容量的に遮断されたＤＣ電流経路（背景にハッチングが付けられている）
４３ ３６０°の中心角を有するリングセグメント
４４，４５ 追加のコンデンサ（＝第２の周波数を発生させる電流経路内のコンデンサ）
４６ 第１のモードの対称点（＝リング素子とｘｚ平面との交点）
４７ 容量的に遮断され、２つに分割されたリング素子
４８ 鳥かご型共振器のリング素子を容量的に遮断するコンデンサ
５２ 第２の周波数の同調コンデンサ
５３ 第２の周波数の調整器を容量的に結合する結合コンデンサ（整合コンデンサ）
５４ 第２の周波数の調整器
５７ 第２の周波数Ｆ_２を遮断する共振回路
６１ 第１の周波数Ｆ_１に対する同調コンデンサ
６２ 第１の周波数Ｆ_１に対する調整器
６３ 第２のモードの対称点（＝リングセグメントとｙｚ平面との交点）
６４ 追加の周波数を結合するための回路網（共振回路）

Claims (8)

1. 第１の測定周波数（Ｆ_１）をもつ信号を送受信する鳥かご型共振器を含むＮＭＲ装置用のＲＦ共振器であって、
   前記ＲＦ共振器は、Ｚ軸を有するデカルト座標系のｘｚ平面およびｙｚ平面に関して対称であり、
   前記鳥かご型共振器が、前記Ｚ軸を軸に同軸に配置されると共に互いから離隔された少なくとも２つの導電性リング素子（１２、３３、４７）と、前記Ｚ軸に平行に配置された４よりも大きい偶数であるＮ個の導体棒（１１）とを備え、
   各リング素子（１２、３３、４７）がＮ個の全ての導体棒（１１）に電気的に接続されるＲＦ共振器において、
   第２の測定周波数（Ｆ_２）をもつ信号を送受信するために、少なくとも１対の導電性リングセグメント（３２ａ、３２ｂ、４０、４３）がさらに配置されており、
   対をなす前記リングセグメント（３２ａ、３２ｂ、４０、４３）が、前記Ｚ軸に関して互いに離隔されており、
   前記１対の導電性リングセグメント（３２ａ、３２ｂ、４０、４３）が、厳密に２つの導体棒（１１）間の追加の電気接続を形成し、前記１対の導電性リングセグメント（３２ａ、３２ｂ、４０、４３）が、これらの２つの導体棒（１１）とともに電流経路（４１、４２）を形成し、前記電流経路（４１、４２）が、少なくとも１点で容量的に遮断されており、
   前記リングセグメント（３２ａ、３２ｂ、４０、４３）および前記リングセグメント（３２ａ、３２ｂ、４０、４３）に電気的に接続された前記導体棒（１１）が、前記ｙｚ平面に関して対称に配置されている
   ことを特徴とするＲＦ共振器。
2. 前記リング素子（３３、４７）が遮断されており、互いに容量的に接続されていない２つの部分リングを含み、部分リングがそれぞれ、Ｎ／２個の導体棒（１１）に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のＲＦ共振器。
3. 少なくとも１つの前記リングセグメント（３２ａ、３２ｂ、４０、４３）が、前記ｙｚ平面に関して対称に配置された少なくとも１つの容量性遮断を有することを特徴とする請求項１または２に記載のＲＦ共振器。
4. 少なくとも一部の前記リングセグメント（３２ａ、３２ｂ、４０、４３）が、前記Ｚ軸に関して、前記リング素子（１２、３３、４７）と同じ軸方向位置に配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のＲＦ共振器。
5. 少なくとも一部の前記リングセグメント（３２ａ、３２ｂ、４０、４３）が、前記Ｚ軸から、前記リング素子（１２、３３、４７）と同じ半径方向距離のところに配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のＲＦ共振器。
6. 前記リングセグメント（３２ａ、３２ｂ、４０）の数が前記導体棒（１１）の数Ｎに等しいことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のＲＦ共振器。
7. 少なくとも１つのリング素子（１２、３３、４７）が、前記ｙｚ平面に配置された同調コンデンサ（５２）によって容量的に遮断されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のＲＦ共振器。
8. 前記第２の測定周波数（Ｆ_２）の前記電流経路（４２）のリングセグメントが容量的に遮断されていないことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のＲＦ共振器。
   

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