JP6349320B2 - 無線周波数の分離が改善された送受切替回路 - Google Patents

Description

本発明は、磁気共鳴（magnetic resonance；ＭＲ）撮像システムにおいて使用されるＭＲ無線周波数（radio frequency；ＲＦ）アンテナのための送受（transmit/receive；Ｔ／Ｒ）切替回路に係る。

磁気共鳴（ＭＲ）撮像の分野において、第１の動作期間の間に、関心のある対象における原子核の共鳴励起のために共振周波数で無線周波数（ＲＦ）電力を伝送し、そして、第１の動作期間とは異なる第２の動作期間で、原子核によって放射されたＭＲ ＲＦエネルギを受けるために設けられるＭＲ ＲＦアンテナを用いることが知られている。

ＭＲ撮像システムを作動させる最先端の技術において、ＲＦ電力を伝送する期間及び磁気共鳴撮像信号を受信する期間は、ＭＲ撮像セッション中に連続的に行われている。ＲＦ電力を伝送する期間及びＭＲ撮像信号を受信する期間は、送受（Ｔ／Ｒ）スイッチによってＭＲアンテナを制御することで生じてよい。

先行技術のＴ／Ｒスイッチは、スイッチング素子としてＰＩＮ（positive intrinsic negative）ダイオードを適用してよい。通常、順方向バイアスをかけられたＰＩＮダイオードによって形成される低ＲＦインピーダンスは、４分の１波長伝送線路を介して、対応する接続点でその両数として高ＲＦインピーダンスに変換される。このようなＴ／Ｒスイッチは、例えば、アメリカ合衆国マサチューセッツ州ウォータータウン（ＭＡ０２４７２）プレザント通り５８０にあるマイクロセミ社によって１９９８年に著された“The Pin Diode Circuit Designers’ Handbook”（DOC.#98=WPD-RDJ007）（非特許文献１）の図２．１１において記載されている。ＭＲ撮像信号を受信する期間中に、受信端にある前置増幅器と、共鳴励起のためのＲＦ電力を供給するＲＦ増幅器との間の十分なＲＦ分離を達成するために、４分の１波長変換は複数の段において繰り返される必要がある。ほとんどの場合に、２つの段があれば十分なＲＦ分離を提供する。

４分の１波長変換に必要とされる伝送線路は極めて長く且つかさばる傾向があるので、それらは、同じ変換特性を示す対応するネットワークによって置換され得る。結果として、このネットワークの各構成要素が与えられる。

先行技術のＴ／Ｒスイッチの典型的な実施形態が図１ａに示される。図１ｂは、π型ネットワークを用いる等価集中素子回路を表し、必要とされるインダクタＬ及びキャパシタＣは個々に厳密に決定される。図１ａにおいて、ＲＦ入力線路ＴＸ’は、ＲＦ増幅器（図示せず。）から原子核の共鳴励起のためのＲＦ電力を供給している。ＲＦ入力線路ＴＸ’は、ＰＩＮダイオードＤを介してＭＲ ＲＦアンテナＭ’へ接続されており、言い換えると、４分の１波長ＲＦ伝送線路（λ／４）へ接続されている。４分の１波長ＲＦ伝送線路の遠位端は、受信されたＭＲ信号を増幅するよう設けられたＲＦ前置増幅器を備える受信ポートＲＸ’へ且つ他のＰＩＮダイオードＤ’へ接続されている。ＰＩＮダイオードは、ＤＣバイアス電流を制御することによって、低ＲＦインピーダンスの状態と高ＲＦインピーダンスの状態との間で転移され得る。なお、ＤＣバイアス電流の供給回路は、明りょうさのために図示されない。

図１ｂから分かるように、ＲＦ電力を伝送する期間の間の受信ポートＲＸ’の段ごとのＲＦ分離は、主に、インダクタンスＬ及びダイオードＤ’の低ＲＦインピーダンスによって形成される分圧器によって与えられる。両方の値が、４分の１波長伝送線路（λ／４）と等価なπ型ネットワークによって原理上は固定されるので、段ごとのＲＦ分離も決定される。

通常、１つの段は、約４０ｄＢの、ＲＦ電力を伝送する期間の間のＲＦ分離を可能にする。例えば、６２ｄＢｍのＲＦ電力レベル（おおよそ１．６ｋＷ）が受信ポート（ＲＸ’）へ適用される場合には、ＲＦ前置増幅器を確実に保護するに足りるほどの安全マージンは存在しない（約２５ｄＢｍの最大許容電力レベルでたった６２ｄｍ−４０ｄｂ＝２２ｄＢｍ）。このために、第２の段ＳＴ’が加えられるべきであるが、このことは、Ｔ／Ｒスイッチの複雑性及び物理サイズを増大させる。加えて、より高い総バイアス電流が供給される必要がある。

示された理由により、現在のＴ／Ｒスイッチは、通常、必要とされる分離を達成するために２つの段から成る。先行技術の二段Ｔ／Ｒスイッチ及びその等価集中素子回路の例が夫々図１ｃ及び１ｄにおいて示される。それらは、高い総ＤＣバイアス電流を必要とするかさばった伝送線路又は多数の要素を有する。
欧州特許出願公開第１００４８８６（Ａ２）号明細書（特許文献１）は、２つの異なる共振周波数で働くことができる、磁気共鳴撮像システムにおいて使用されるＲＦインターフェース回路を開示する。ＲＦインターフェース回路は、ＶＨＦローパスフィルタＪと、高インピーダンスの並列共振回路Ｋと、第２のフィルタ回路Ｌと、バンドパスフィルタＭとを有する、どちらかといえば複雑な構造を持つ。

ＭＲ撮像信号を受信するとともに共鳴励起のためのＲＦ電力を伝送するために設けられる局所的な多素子ＭＲ ＲＦアンテナアレイへの関心の高まりとともに、改善された送受スイッチの必要性が高まっている。そのために、ＲＦ電力を伝送する期間の間及びＭＲ撮像信号を受信する期間の間の両方で改善されたＲＦ分離を提供することが望ましい。他の目的は、Ｔ／Ｒスイッチの更なる設計自由度を提供し且つＲＦ分離効果に関して全体の必要とされるＤＣバイアス電流を下げることである。

欧州特許出願公開第１００４８８６（Ａ２）号明細書 マイクロセミ社，"The Pin Diode Circuit Designers’ Handbook"（DOC.#98=WPD-RDJ007），１９９８年、米国マサチューセッツ州ウォータータウン

従って、本発明の目的は、ＭＲ撮像システムにおいて使用される磁気共鳴（ＭＲ）無線周波数（ＲＦ）アンテナのための送受（Ｔ／Ｒ）切替回路であって、改善されたＲＦ分離特性を有するＴ／Ｒ切替回路を提供することである。加えて、本発明のＴ／Ｒ切替回路は、更なる設計自由度を提供することができる。

本発明の一態様において、目的は、
ＲＦ電力を前記ＭＲ ＲＦアンテナへ伝送するために設けられるＲＦ入力伝送線路と、
ＭＲ周波数で前記ＭＲ ＲＦアンテナによって受信されるべきＭＲ信号を前記ＭＲ ＲＦアンテナから離れて移すために設けられるＲＦ出力伝送線路と、
少なくとも２つのＲＦソリッドステートスイッチング部材のうちの第１のＲＦソリッドステートスイッチング部材を介して前記ＲＦ入力伝送線路が前記ＭＲ ＲＦアンテナへ接続される前記少なくとも２つのＲＦソリッドステートスイッチング部材と、
前記少なくとも２つのＲＦソリッドステートスイッチング部材のためのＤＣバイアス電流を生成するために設けられ、該バイアス電流の変化によって前記少なくとも２つのＲＦソリッドステートスイッチング部材のＲＦインピーダンスは略非導電状態と略導電状態との間で制御可能であるバイアス電流生成回路と、
前記少なくとも２つのＲＦソリッドステートスイッチング部材のうちの前記第１のＲＦソリッドステートスイッチング部材を介して接続される少なくとも第１のインダクタ及び少なくとも第１のキャパシタであり、前記少なくとも２つのＲＦソリッドステートスイッチング部材のうちの前記第１のＲＦソリッドステートスイッチング部材と、前記第１のインダクタ及び前記第１のキャパシタのうちの１つとは、前記ＲＦ入力伝送線路と前記ＲＦ出力伝送線路との間で直列に接続され、前記第１のインダクタ及び前記第１のキャパシタは、前記ＭＲ周波数と略等しい共振周波数を有し、且つ、前記少なくとも２つのＲＦソリッドステートスイッチング部材が前記略導電状態にある場合に、前記ＲＦ入力伝送線路に対して前記ＭＲ ＲＦアンテナと並列に接続される並列共振回路を形成する、前記第１のインダクタ及び前記第１のキャパシタと、
前記第１のキャパシタが前記ＲＦ入力伝送線路と前記ＲＦ出力伝送線路との間で直列に接続される場合に、前記第１のインダクタ及び前記第１のキャパシタのうちの前記１つと前記ＲＦ出力伝送線路との間で直列に接続される少なくとも第２のインダクタ、又は
前記第１のインダクタが前記ＲＦ入力伝送線路と前記ＲＦ出力伝送線路との間で直列に接続される場合に、前記第１のインダクタ及び前記第１のキャパシタのうちの前記１つと前記ＲＦ出力伝送線路との間で直列に接続される少なくとも第２のキャパシタと、
を有し、
前記第２のインダクタ及び前記第１のキャパシタ、又は前記第２のキャパシタ及び前記第１のインダクタは、前記ＭＲ周波数と略等しい共振周波数を有し、且つ、前記少なくとも２つのＲＦソリッドステートスイッチング部材のうちの前記第１のＲＦソリッドステートスイッチング部材と前記ＲＦ出力伝送線路との間で直列に接続される第１の直列共振回路を形成し、
前記少なくとも２つのＲＦソリッドステートスイッチング部材のうちの第２のＲＦソリッドステートスイッチング部材は、前記第１の直列共振回路のインダクタ及びキャパシタの共通ノードへ接続される、
Ｔ／Ｒ切替回路によって達成される。

本願で使用される“ソリッドステートスイッチング部材”との語句は、半導体テクノロジに基づく電子スイッチングデバイスとして特に理解されるべきである。ソリッドステートスイッチング部材の例は、ＰＩＮダイオード又はトランジスタである。

本願で使用される“周波数がＭＲ周波数と略等しい”との言い回しは、ＭＲ周波数の望ましくは±５％の、そして最も望ましくは±２％の幅を有してＭＲ周波数に関して対称な範囲内にある周波数として特に理解されるべきである。

バイアス電流を介するスイッチング部材の制御によって、連続したＲＦ送信期間及びＲＦ受信期間が、動作のどの時点でもＲＦ入力伝送線路及びＲＦ出力伝送線路並びにその接続されるＲＦ構成要素の間の高いＲＦ分離を提供しながら、Ｔ／Ｒ切替回路の低減された複雑性、サイズ及び費用で生成され得る。

本発明の好適な実施形態において、当該Ｔ／Ｒ切替回路は、
前記ＭＲ周波数と略等しい共振周波数を伴う、少なくとも１つのキャパシタ及び少なくとも１つのインダクタを備える第２の直列共振回路と、
少なくとも第３のＲＦソリッドステートスイッチング部材と
を更に有し、
前記第２の直列共振回路は、前記第１の直列共振回路と前記ＲＦ出力伝送線路との間で直列に接続され、前記少なくとも第３のＲＦソリッドステートスイッチング部材は、前記第２の直列共振回路のインダクタ及びキャパシタの共通ノードへ接続される。

それによって、ＲＦ入力伝送線路及びＲＦ出力伝送線路並びに接続されるＲＦ構成要素の間の極めて改善されたＲＦ分離が達成され得る。

本発明の更なる好適な実施形態において、前記ＲＦソリッドステートスイッチング部材のうちの少なくとも１つは、ＰＩＮダイオードを含む。考慮中である無線周波数（水素原子^１Ｈについて４２．６ＭＨｚ／テスラ）で、ＰＩＮダイオードは、それを流れる順方向ＤＣ電流の逆関数であるＲＦインピーダンスを有する電気部品として機能する。従って、ＲＦインピーダンスは、バイアス電流の変化によって略非導電状態と略導電状態との間で容易に制御可能であり、そして、ＲＦソリッドステートスイッチング部材のための費用効果的な解決法が提供され得る。ここで、本願で使用される“略非導電状態”及び“略導電状態”との語句は、５００よりも、望ましくは１０００よりも、そして最も望ましくは１００００よりも大きい２つの状態におけるＲＦインピーダンスの比として特に理解されるべきである。

本発明の他の目的は、ＭＲ撮像システムにおいて使用される磁気共鳴（ＭＲ）無線周波数（ＲＦ）アンテナユニットであって、
少なくとも１つのＭＲ ＲＦアンテナと、
前記少なくとも１つのＭＲ ＲＦアンテナへ接続される、Ｔ／Ｒ切替回路の開示される実施形態のうちの少なくとも１つ又はそれらの組み合わせと
を有するＭＲ ＲＦアンテナユニットを提供することである。

それによって、ＭＲ撮像システムは、ＲＦ入力伝送線路とＲＦ出力伝送線路との間の優れたＲＦ分離特性を備えた極めてコンパクトなＭＲ ＲＦアンテナユニットを提供され得る。

本発明の更なる他の目的は、
夫々のＭＲアンテナが局所ＲＦコイルとして設計される複数のＭＲ ＲＦアンテナと、
Ｔ／Ｒ切替回路の複数の開示される実施形態又はそれらの組み合わせと
を有し、
前記複数のＴ／Ｒ切替回路のうちの少なくとも１つのＴ／Ｒ切替回路は、前記複数のＭＲ ＲＦアンテナのうちの各々のＭＲ ＲＦアンテナへ接続される、
磁気共鳴（ＭＲ）無線周波数（ＲＦ）アンテナユニットのアレイを提供することである。

本願で使用される“局所ＲＦコイル”との語句は、ＲＦコイルの最大線寸法よりも小さい関心のある対象までの距離において配置されるよう設けられるＲＦアンテナとして特に理解されるべきである。局所ＲＦコイルは、関心のある対象の部分の近くに通常は配置され、関心のある対象と接触さえしてよく、高い信号対雑音比を有することが知られている。局所ＲＦコイルは、平面において配置される環状設計又は二次設計を有してよいが、多角形設計をなお有してよい。

このように、局所ＲＦコイルの極めてコンパクトな配置が提供可能であり、それは、ＲＦ入力伝送線路とＲＦ出力伝送線路との間の十分に大きいＲＦ分離を有しながら、関心のある対象の大部分をカバーすることができる。

その上更なる好適な実施形態において、前記複数のＴ／Ｒ切替回路のうちの各々のＴ／Ｒ切替回路は、当該Ｔ／Ｒ切替回路が接続されるＭＲ ＲＦアンテナに近接近して配置される。本願で使用される“近接近して”との言い回しは、平面にある方向においてＭＲ ＲＦアンテナの最大伸長よりも小さい、望ましくは、平面にある方向においてＭＲ ＲＦアンテナの最大伸長の５０％よりも小さい、そして最も望ましくは最大伸長の３０％よりも小さいＭＲ ＲＦアンテナまでの最接近距離を持った空間内の領域として特に理解されるべきである。それによって、コイルごとに小さい物理サイズを有する局所ＲＦコイルのアレイが、ＲＦ入力伝送線路とＲＦ出力伝送線路との間の十分に大きいＲＦ分離を有しながら提供され得る。

本発明の他の態様において、ＭＲ撮像システムの連続したＲＦ送信期間及びＲＦ受信期間を発生させる方法が提供され、前記ＭＲ撮像システムは、
Ｔ／Ｒ切替回路の開示される実施形態のうちの少なくとも１つ又はそれらの組み合わせと、
ＲＦ送信期間の間にＲＦ電磁界を送信し且つＲＦ受信期間の間にＲＦ電磁界を受信するよう設けられる少なくとも１つのＭＲ ＲＦアンテナと
を有し、当該方法は、
ＲＦ送信期間を発生させるよう前記ＲＦソリッドステートスイッチング部材を前記略非導電状態から前記略導電状態へ移すために、前記バイアス電流を、所定の第１の閾電流を越えるように制御するステップと、
ＲＦ受信期間を発生させるよう前記ＲＦソリッドステートスイッチング部材を前記略導電状態から前記略非導電状態へ移すために、前記バイアス電流を、所定の第２の閾電流を下回るように制御するステップと
を有する。

当該方法は、ＭＲ撮像システムの連続してＲＦ送信期間及びＲＦ受信期間の容易な、部品を削減された、且つ費用効果がある発生を可能にすることができる。

本発明の他の態様は、連続したＲＦ送信期間及びＲＦ受信期間を発生させるための開示される方法の実施形態のステップの実行を制御するソフトウェアモジュールであって、前記ステップは、ＭＲ撮像システムの制御ユニットのメモリ素子において実装可能であり且つ前記制御ユニットのプロセッシングユニットによって実行可能であるプログラムコードに変換される、ソフトウェアモジュールを提供することである。それによって、柔軟且つ可搬な解決法が、あらゆるＭＲ撮像システムに容易に実装され得る。

本発明の更なる他の態様は、少なくとも１つのＭＲ ＲＦアンテナを備えるＭＲ撮像システムにおいて使用されるスイッチング制御ユニットであって、前記ＭＲ撮像システムの連続したＲＦ送信期間及びＲＦ受信期間を発生させるために設けられるスイッチング制御ユニットにおいて、
Ｔ／Ｒ切替回路の開示される実施形態のうちの少なくとも１つ又はそれらの組み合わせと、
開示されているソフトウェアモジュールの実施形態又はその変形例と、
プロセッシングユニットと、
少なくとも１つのメモリ素子と
を有し、
前記ソフトウェアモジュールは、前記メモリ素子において実装可能であり且つ前記プロセッシングユニットによって実行可能である、
スイッチング制御ユニットを同じ目的のために提供することである。一般に、当該スイッチング制御ユニットは、他のＭＲ撮像制御ユニットに組み入れられてよい。

本発明の他の目的は、
少なくとも１つのＭＲ ＲＦアンテナと、
開示されているスイッチング制御ユニットの少なくとも１つの実施形態又はその変形例と
を有するＭＲ撮像システムを提供することである。

このように、連続したＲＦ送信期間及びＲＦ受信期間を有するＭＲ撮像システムが、部品及び動作の複雑性、ＭＲ ＲＦアンテナのサイズ、ＭＲ信号の品質、並びに敏感な電子装置の内在的な保護に関して改善された性質を有しながら提供され得る。

４分の１波長伝送線路を用いる先行技術の送受（Ｔ／Ｒ）スイッチを示す。 図１ａに従う先行技術の送受（Ｔ／Ｒ）スイッチの等価集中素子回路を示す。 ２つの４分の１波長伝送線路を用いる二段の先行技術の送受（Ｔ／Ｒ）スイッチを表す。 図１ｃに従う二段の先行技術の送受（Ｔ／Ｒ）スイッチの等価集中素子回路を表す。 本発明に従うＭＲ撮像システムの実施形態の略部分図である。 本発明に従う送受（Ｔ／Ｒ）切替回路の実施形態を表す。 本発明に従う送受（Ｔ／Ｒ）切替回路の他の実施形態を表す。 図２に従うＭＲ撮像システムのＭＲ ＲＦアンテナアレイの略詳細図を示す。

本発明のそれら及び他の態様は、後述される実施形態から明らかであり、それらを参照して説明される。そのような実施形態は、必ずしも発明の全範囲を表すわけではなく、従って、発明の適用範囲を解釈するために本明細書とともに特許請求の範囲が参照される。

図１ａ乃至１ｄは、既に背景技術において説明された先行技術の送受スイッチを表す。

図２は、ＭＲスキャナ１２を有する、本発明に従う磁気共鳴（ＭＲ）撮像システム１０の実施形態の部分の概略図を示す。ＭＲスキャナ１２は、略静的な磁場を発生させるために設けられるメイン磁石１４を含む。メイン磁石１４は、内部に位置付けられるべき関心のある対象２０、通常は患者のために中心軸１８の周囲に検査空間を定める中心ボアを備える。原理上、発明はまた、静磁場内に検査領域を設けるあらゆる他のタイプのＭＲ撮像システムに適用可能である点が留意されるべきである。更に、ＭＲ撮像システム１０は、静磁場に重畳される傾斜磁場を発生させるために設けられる磁場傾斜コイルシステム２２を有する。磁場傾斜コイルシステム２２は、当該技術でよく知られているように、メイン磁石１４のボア内に同心円状に配置される。

更に、ＭＲ撮像システム１０は、ＭＲ撮像システム１０のＲＦ送信期間の間に関心のある対象２０内で原子核を励起するようＲＦ磁界を適用するために設けられる磁気共鳴（ＭＲ）無線周波数（ＲＦ）アンテナユニット３６（図５）のアレイ３４を含む。ＭＲ ＲＦアンテナユニット３６のアレイ３４はまた、以下で記載されるように、励起された原子核からＲＦ受信期間の間にＭＲ信号を受信するよう設けられる。ＭＲ撮像システム１０の作動状態において、ＲＦ送信期間及びＲＦ受信期間は連続的に起こっている。

加えて、ＭＲ撮像システム１０は、当該技術で広く知られているように、取得されたＭＲ信号からＭＲ画像を再構成するために設けられるＭＲ画像再構成ユニット３８と、ＭＲスキャナ１２の機能を制御するよう設けられる、モニタユニットを備えたＭＲ撮像システム制御ユニット２４とを有する。制御ラインは、ＭＲ撮像システム制御ユニット２４とＲＦ送信器ユニット３０との間に設置される。ＲＦ送信器ユニット３０は、ＲＦ送信期間の間にＲＦスイッチング制御ユニット３２を介してＭＲ ＲＦアンテナユニット３６のアレイ３４へＭＲ無線周波数のＲＦ電力を供給するよう設けられる。同様に、ＲＦスイッチング制御ユニット３２もＭＲ撮像システム制御ユニット２４によって制御され、他の制御ラインが、その目的を果たすためにＭＲ撮像システム制御ユニット２４とＲＦスイッチング制御ユニット３２との間に設置される。ＲＦ受信期間の間、ＲＦスイッチング制御ユニット３２は、取得されたＭＲ信号をＭＲ ＲＦアンテナユニット３６からＭＲ画像再構成ユニット３８へ前置増幅器ユニット（図示せず。）を介して導く。

ＭＲ ＲＦアンテナユニット３６のアレイ３４は、図５に示されるように、複数の７つのＭＲ ＲＦアンテナＭと、複数の７つの送受（Ｔ／Ｒ）切替回路４０とを有する。夫々のＭＲ ＲＦアンテナＭは、環状形状の局所ＲＦコイルとして設計される。ＭＲ ＲＦアンテナユニット３６のアレイ３４は、全ての局所ＲＦコイルが、実質的に、図５の観測面と並行に整列される面内にあるように配置される。

ＭＲ ＲＦアンテナユニット３６の夫々は、複数のＭＲ ＲＦアンテナのうちの１つのＭＲ ＲＦアンテナＭと、そのＭＲ ＲＦアンテナＭへ接続される１つのＴ／Ｒ切替回路４０とを有する。ＭＲ ＲＦアンテナユニット３６のうちの夫々１つのＭＲ ＲＦアンテナＭは、その隣接するＭＲ ＲＦアンテナユニット３６の各々のＭＲ ＲＦアンテナＭに突き出して部分的に重なり合う。隣接するＭＲ ＲＦアンテナユニット３６の数は２から４まで様々である。複数のＴ／Ｒ切替回路のうちの夫々のＴ／Ｒ切替回路４０は、Ｔ／Ｒ切替回路のうちの夫々１つからそれが接続されているＭＲ ＲＦアンテナＭまでの最接近距離が平面と平行な方向においてＭＲ ＲＦアンテナＭの最大伸長の３０％に満たないとして、そのＴ／Ｒ切替回路４０が接続されているＭＲ ＲＦアンテナＭに近接近して配置される。

図３は、図２に従うＭＲ撮像システム１０において使用される、図５に従う複数のＭＲ ＲＦアンテナのうちの１つのＭＲ ＲＦアンテナのための本発明に従う送受（Ｔ／Ｒ）切替回路４０の実施形態を表す。

Ｔ／Ｒ切替回路４０は、ＲＦ電力を伝送する期間の間に、関心のある対象２０における原子核の共鳴励起のために、ＲＦ電力を共振周波数でＭＲ ＲＦアンテナへ伝送するために設けられるＲＦ入力伝送線路ＴＸを有する。更に、Ｔ／Ｒ切替回路４０は、ＭＲ信号を受信する期間の間に、励起された原子核から放射されてＭＲ ＲＦアンテナＭによって受信されたＭＲ信号をＭＲ ＲＦアンテナから離れてＭＲ画像再構成ユニット３８へ移すために設けられるＲＦ出力伝送線路ＲＸを有する。

加えて、Ｔ／Ｒ切替回路４０は、第１のＲＦソリッドステートスイッチング部材Ｄ１及び第２のＲＦソリッドステートスイッチング部材Ｄ２を有し、それらの両方がＰＩＮダイオードを含む。２つのＲＦソリッドステートスイッチング部材Ｄ１，Ｄ２のＲＦインピーダンスは、ＤＣバイアス電流の変化によって、１０ｋΩよりも大きいインピーダンスを有する略非導電状態と、０．５Ωに満たないインピーダンスを有する略導電状態との間で制御可能である。ＤＣバイアス電流は、ＲＦスイッチング制御ユニット３２に組み入れられる電流生成回路（明りょうさのために図示せず。）によって供給され、２つのＲＦソリッドステートスイッチング部材Ｄ１，Ｄ２を通って流れる。望ましくは、２つのＲＦソリッドステートスイッチング部材Ｄ１，Ｄ２は、部品を削減するために、バイアス電流生成回路に対して直列に接続される。しかしながら、バイアス電流生成回路は、２つのＲＦソリッドステートスイッチング部材Ｄ１，Ｄ２の夫々について個別のＤＣバイアス電流を生成する独立した回路を更に有してよい。

ＤＣバイアス生成回路は、供給線路からの如何なるＲＦ電流も遮る直列インダクタを有して実現される必要がある。加えて、大きいＤＣ遮断キャパシタが、ＲＦ接続ポートに流れ込む如何なるＤＣ電流も回避するために、ＲＦ接続において実装され得る。更には、略非導電状態にあるＰＩＮダイオードでの如何なる浮遊／残留容量も並列インダクタによって補償され得る。それらの技術は、一般的であり、当業者に知られている。

図３に示されるように、ＲＦ入力伝送線路ＴＸは、第１のＲＦソリッドステートスイッチング部材Ｄ１を介してＭＲ ＲＦアンテナＭへ接続されている。Ｔ／Ｒ切替回路４０は、第１のＲＦソリッドステートスイッチング部材Ｄ１を介して接続されている第１のインダクタＬ１及び第１のキャパシタＣ１を更に含み、第１のＲＦソリッドステートスイッチング部材Ｄ１及び第１のインダクタＬ１は、ＲＦ入力伝送線路ＴＸとＲＦ出力伝送線路との間で直列に接続されている。

第１のインダクタＬ１及び第１のキャパシタＣ１は、ＭＲ周波数と略等しい共振周波数を伴う並列共振回路４２を形成する。並列共振回路４２は、２つのＲＦソリッドステートスイッチング部材Ｄ１，Ｄ２が略導電状態にある場合に、ＲＦ入力伝送線路ＴＸに対してＭＲ ＲＦアンテナＭへ並列に接続される。よく知られているように、並列共振回路４２は、共振周波数で最大のＲＦインピーダンスを有する。

加えて、Ｔ／Ｒ切替回路４０は、第１のインダクタＬ１とＲＦ出力伝送線路ＲＸとの間で直列に接続される第２のキャパシタＣ２を有する。第２のキャパシタＣ２及び第１のインダクタＬ１は、ＭＲ周波数と略等しい共振周波数を伴う第１の直列共振回路４４を形成する。直列共振回路４４は、第１のＲＦソリッドステートスイッチング部材Ｄ１とＲＦ出力伝送線路ＲＸとの間で直列に接続されている。よく知られているように、直列共振回路４４は、共振周波数で最小のＲＦインピーダンスを有する。

図３に表されるように、第２のＲＦソリッドステートスイッチング部材Ｄ２は、直列共振回路４４の第１のインダクタＬ１及び第２のキャパシタＣ２の共通ノードへ接続されている。

Ｔ／Ｒ切替回路の機能
ＭＲ撮像システム１０のＲＦ送信期間は、次のように、図３に従うＴ／Ｒ切替回路４０を用いて生成され得る。

ＭＲ撮像システム制御ユニット２４は、ＲＦソリッドステートスイッチング部材Ｄ１，Ｄ２を略非導電状態から略導電状態へ移す所定の第１の閾電流をＤＣバイアス電流に越えさせるようＲＦスイッチング制御ユニット３２を制御する。従って、ＲＦ入力伝送線路ＴＸは、並列共振回路４２へ並列に接続されているＭＲ ＲＦアンテナＭへ直接接続される。並列共振回路４２は、共振周波数で最大のＲＦインピーダンスを有しており、ＲＦ入力伝送線路ＴＸから伝来するＲＦ電力をブロックする。このようにして、ＲＦ電力はＭＲ ＲＦアンテナＭへ導かれる。ＲＦ入力伝送線路ＴＸとＲＦ出力伝送線路ＲＸとの間のＲＦ分離に関して、これは、略導電状態にある第２のＲＦソリッドステートスイッチング部材Ｄ２のインピーダンスと、第２のＲＦソリッドステートスイッチング部材Ｄ２をＭＲ ＲＦアンテナＭへ接続する直列共振回路４４の第１のインダクタＬ１とのインピーダンスによって形成される分圧器によって決定される。

ＭＲ撮像システム１０のＲＦ受信期間は、次のように、図３に従うＴ／Ｒ切替回路４０を用いて生成され得る。

ＭＲ撮像システム制御ユニット２４は、ＲＦソリッドステートスイッチング部材Ｄ１，Ｄ２を略導電状態から略非導電状態へ移す所定の第２の閾電流をＤＣバイアス電流に下回らせるようＲＦスイッチング制御ユニット３２を制御する。従って、第１のＲＦソリッドステートスイッチング部材Ｄ１は、ＲＦ入力伝送線路ＴＸから伝来するＲＦ電力をブロックしている。直列共振回路４４は、共振周波数で最小のＲＦインピーダンスを有する。故に、ＭＲ ＲＦアンテナＭによって受信されるＭＲ信号は、ＲＦ出力伝送線路ＲＸへ伝えられる。

所定の第１の閾電流及び所定の第２の閾電流は相異なってよいが、それらは同じであってもよい。

Ｔ／Ｒ切替回路４０の実施形態の設計において、キャパシタＣ１，Ｃ２及びインダクタＬ１の値は、先行技術の設計で見られるように個別的に固定されない。代わりに、設計制約として共振条件のみが存在する。これは、Ｔ／Ｒ切替回路４０が固有の部品値の組を必要としないことから、ＲＦ分離を改善するために使用されるのみならず、更には製造を簡単にすることができる更なる自由度を可能にする。

Ｔ／Ｒ切替回路４０の他の実施形態は、図３に従うＴ／Ｒ切替回路４０におけるキャパシタ及びインダクタの位置を交換することによって、すなわち、キャパシタをインダクタにより置換し、また逆もそうすることによって、実現され得る点が留意されるべきである。これは、当業者に自明であり、請求項１の文言に反映されている。

ＭＲ撮像システム制御ユニット２４がＲＦスイッチング制御ユニット３２を、そしてそれによってＤＣバイアス電流を制御することを可能にするために、ＭＲ撮像システム制御ユニット２４は、ＭＲ撮像システム制御ユニット２４のメモリ素子２８に実装可能であり且つＭＲ撮像システム制御ユニット２４のプロセッシングユニットによって実行可能であるプログラムコードに変換される制御ステップの実行を制御するソフトウェアモジュール２６を提供される。

図４は、本発明に従うＴ／Ｒ切替回路４８の他の実施形態を表す。図４に従う実施形態は、図３に従う実施形態の全ての構成要素と、更なる第２の段ＳＴとを有する。第２の段ＳＴは、ＭＲ周波数と略等しい共振周波数を有する、第３のキャパシタＣ３及び第２のインダクタＬ２を備えた第２の直列共振回路４６と、ＰＩＮダイオードを含む第３のＲＦソリッドステートスイッチング部材Ｄ３とを有する。第２の直列共振回路４６は、第１の直列共振回路４４とＲＦ出力伝送線路ＲＸとの間で直列に接続されている。第３のＲＦソリッドステートスイッチング部材Ｄ３は、第２の直列共振回路４６の第２のインダクタＬ２及び第３のキャパシタＣ３の共通ノードへ接続されており、第１のＲＦソリッドステートスイッチング部材Ｄ１及び第２のＲＦソリッドステートスイッチング部材Ｄ２と略同期ようにＤＣバイアス電流によって制御される。第３のＲＦソリッドステートスイッチング部材Ｄ３は、他のＲＦソリッドステートスイッチング部材Ｄ１，Ｄ２と同じように、ＤＣバイアス電流の変化によって、略非導電状態と略導電状態との間で制御可能である。

ＭＲ撮像システム１０のＲＦ送信期間において、３つのＲＦソリッドステートスイッチング部材Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３が略導電状態にある場合に、ＲＦ入力伝送線路ＴＸは、並列共振回路４２へ並列に接続されているＭＲ ＲＦアンテナＭへ直接接続される。上述されたように、並列共振回路４２は、共振周波数で最大のＲＦインピーダンスを有し、ＲＦ入力伝送線路ＴＸから伝来するＲＦ電力をブロックする。加えて、ＲＦ入力伝送線路ＴＸとＲＦ出力伝送線路ＲＸとの間のＲＦ分離は、略導電状態にある第３のＲＦソリッドステートスイッチング部材Ｄ３のインピーダンスと、第３のＲＦソリッドステートスイッチング部材Ｄ３を第１の直列共振回路４４へ接続する第２の共振回路４６の第３のキャパシタＣ３のインピーダンスとによって形成される第２の分圧器によって強化される。

提案される回路の性能は、アナログ回路シミュレータソフトウェアを用いて解析されている。ＰＩＮダイオードは、略非導電状態及び略導電状態におけるそれらのＲＦインピーダンスによって夫々モデル化された。回路内のインダクタの直列抵抗は、Ｃｏｉｌｃｒａｆｔコイルに対する測定から導出された。すなわち、それらの部品の損失は、物理的実現に従って正確にモデル化された。ＲＦ分離及びＲＦ減衰は、５０ΩソースのＲＦ入力電力に対する５０Ω負荷でのＲＦ電力を決定することによって計算された。シミュレーションの結果は表１にまとめられており、本発明に従うＴ／Ｒ切替回路により達成できるＲＦ分離が先行技術のＲＦ分離よりも優れていることを実証する。入力インピーダンスは、全ての場合において１２８ＭＨｚのＭＲ周波数で５０Ωに近かった。

提案される回路は、単一段設計として考えても異なる方法において、すなわち、異なるインダクタ値を有して、実現可能である。このようにして、また、異なる性能が表１に示されるように達成され得る。結果として、ＲＦ分離は標準設計と比べて強化され得、それにより、単一段が局所送受コイルに安全に用いられ得る。これは、Ｔ／Ｒ切替回路４０の複雑さ及びサイズを有意に低減する。加えて、用いられるＰＩＮダイオードはより少なく、言い換えると、必要とされるバイアス電流はより小さい。

加えて、第１の直列共振回路４４の第１のインダクタＬ１及び第２のキャパシタＣ２の共通ノードでＰＩＮダイオードＤ２を通るＲＦ電流は、提案される実施形態では低減され得ることが観測され得る。これは、このＰＩＮダイオードの所要電力を下げる。

本発明は、図面及び前述の説明において詳細に図示及び記載されてきたが、そのよう図示及び記載は、例示又は事例であって、限定と見なされるべきではない。本発明は、開示されている実施形態に制限されない。開示されている実施形態に対する他の変形例は、図面、本開示、及び添付の特許請求の範囲の検討から、請求される発明を実施する際に当業者によって理解され達成され得る。特許請求の範囲において、語“有する（comprising）”は他の要素又はステップを除外せず、単称（a又はan）は複数個を除外しない。特定の手段が相互に異なる従属請求項で挙げられているという単なる事実は、それらの手段の組み合わせが有利に用いられ得ないことを示すわけではない。特許請求の範囲における如何なる参照符号も、適用範囲を制限するものとして解釈されるべきではない。

１０ ＭＲ撮像システム
１２ ＭＲスキャナ
１４ メイン磁石
１６ 試験空間
１８ 中心軸
２０ 関心のある対象
２２ 磁場傾斜コイルシステム
２４ ＭＲ撮像システム制御ユニット
２６ ソフトウェアモジュール
２８ メモリ素子
３０ ＲＦ送信器ユニット
３２ ＲＦスイッチング制御ユニット
３４ ＭＲ ＲＦアンテナアレイ
３６ ＭＲ ＲＦアンテナユニット
３８ ＭＲ画像再構成ユニット
４０，４８ Ｔ／Ｒ切替回路
４２ 並列共振回路
４４ 第１の直列共振回路
４６ 第２の直列共振回路
Ｃ１ 第１のキャパシタ
Ｃ２ 第２のキャパシタ
Ｃ３ 第３のキャパシタ
Ｄ１ 第１のＲＦソリッドステートスイッチング部材
Ｄ２ 第２のＲＦソリッドステートスイッチング部材
Ｄ３ 第３のＲＦソリッドステートスイッチング部材
Ｌ１ 第１のインダクタ
Ｌ２ 第２のインダクタ
Ｍ ＭＲ ＲＦアンテナ
ＲＸ ＲＦ出力伝送線路
ＳＴ 第２の段（先行技術）
ＴＸ ＲＦ入力伝送線路

Claims (10)

1. ＭＲ撮像システムにおいて使用されるＭＲ ＲＦアンテナのための送受切替回路であって、
   ＲＦ電力を前記ＭＲ ＲＦアンテナへ伝送するために設けられるＲＦ入力伝送線路と、
   ＭＲ周波数で前記ＭＲ ＲＦアンテナによって受信されるべきＭＲ信号を前記ＭＲ ＲＦアンテナから離れて移すために設けられるＲＦ出力伝送線路と、
   少なくとも２つのＲＦソリッドステートスイッチング部材のうちの第１のＲＦソリッドステートスイッチング部材を介して前記ＲＦ入力伝送線路が前記ＭＲ ＲＦアンテナへ接続される前記少なくとも２つのＲＦソリッドステートスイッチング部材と、
   前記少なくとも２つのＲＦソリッドステートスイッチング部材のためのＤＣバイアス電流を生成するために設けられ、該バイアス電流の変化によって前記少なくとも２つのＲＦソリッドステートスイッチング部材のＲＦインピーダンスは略非導電状態と略導電状態との間で制御可能であるバイアス電流生成回路と、
   前記少なくとも２つのＲＦソリッドステートスイッチング部材のうちの前記第１のＲＦソリッドステートスイッチング部材を介して接続される少なくとも第１のインダクタ及び少なくとも第１のキャパシタであり、前記少なくとも２つのＲＦソリッドステートスイッチング部材のうちの前記第１のＲＦソリッドステートスイッチング部材と、前記第１のインダクタ及び前記第１のキャパシタのうちの１つとは、前記ＲＦ入力伝送線路と前記ＲＦ出力伝送線路との間で直列に接続され、前記第１のインダクタ及び前記第１のキャパシタは、前記ＭＲ周波数と略等しい共振周波数を有し、且つ、前記少なくとも２つのＲＦソリッドステートスイッチング部材が前記略導電状態にある場合に、前記ＲＦ入力伝送線路に対して前記ＭＲ ＲＦアンテナと並列に接続される並列共振回路を形成する、前記第１のインダクタ及び前記第１のキャパシタと、
   前記第１のキャパシタが前記ＲＦ入力伝送線路と前記ＲＦ出力伝送線路との間で直列に接続される場合に、前記第１のインダクタ及び前記第１のキャパシタのうちの前記１つと前記ＲＦ出力伝送線路との間で直列に接続される少なくとも第２のインダクタ、又は 前記第１のインダクタが前記ＲＦ入力伝送線路と前記ＲＦ出力伝送線路との間で直列に接続される場合に、前記第１のインダクタ及び前記第１のキャパシタのうちの前記１つと前記ＲＦ出力伝送線路との間で直列に接続される少なくとも第２のキャパシタと、
   を有し、
   前記第２のインダクタ及び前記第１のキャパシタ、又は前記第２のキャパシタ及び前記第１のインダクタは、前記ＭＲ周波数と略等しい共振周波数を有し、且つ、前記少なくとも２つのＲＦソリッドステートスイッチング部材のうちの前記第１のＲＦソリッドステートスイッチング部材と前記ＲＦ出力伝送線路との間で直列に接続される第１の直列共振回路を形成し、
   前記少なくとも２つのＲＦソリッドステートスイッチング部材のうちの第２のＲＦソリッドステートスイッチング部材は、前記第１の直列共振回路のインダクタ及びキャパシタの共通ノードへ接続される、
   送受切替回路。
2. 前記ＭＲ周波数と略等しい共振周波数を伴う、少なくとも１つのキャパシタ及び少なくとも１つのインダクタを備える第２の直列共振回路と、
   少なくとも第３のＲＦソリッドステートスイッチング部材と
   を更に有し、
   前記第２の直列共振回路は、前記第１の直列共振回路と前記ＲＦ出力伝送線路との間で直列に接続され、
   前記少なくとも第３のＲＦソリッドステートスイッチング部材は、前記第２の直列共振回路のインダクタ及びキャパシタの共通ノードへ接続される、
   請求項１に記載の送受切替回路。
3. 前記ＲＦソリッドステートスイッチング部材のうちの少なくとも１つは、ＰＩＮダイオードを含む、
   請求項１又は２に記載の送受切替回路。
4. ＭＲ撮像システムにおいて使用されるＭＲ ＲＦアンテナユニットであって、
   少なくとも１つのＭＲ ＲＦアンテナと、
   前記少なくとも１つのＭＲ ＲＦアンテナへ接続される、請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の少なくとも１つの送受切替回路と
   を有するＭＲ ＲＦアンテナユニット。
5. 夫々のＭＲアンテナが局所ＲＦコイルとして設計される複数のＭＲ ＲＦアンテナと、
   請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の複数の送受切替回路と
   を有し、
   前記複数の送受切替回路のうちの少なくとも１つの送受切替回路は、前記複数のＭＲ ＲＦアンテナのうちの各々のＭＲ ＲＦアンテナへ接続される、
   ＭＲ ＲＦアンテナユニットのアレイ。
6. 前記複数の送受切替回路のうちの各々の送受切替回路は、当該送受切替回路が接続されるＭＲ ＲＦアンテナに近接近して配置される、
   請求項５に記載のＭＲ ＲＦアンテナユニットのアレイ。
7. 請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の少なくとも１つの送受切替回路と、ＲＦ送信期間の間にＲＦ電磁界を送信し且つＲＦ受信期間の間にＲＦ電磁界を受信するよう設けられる少なくとも１つのＭＲ ＲＦアンテナとを有するＭＲ撮像システムの連続したＲＦ送信期間及びＲＦ受信期間を発生させる方法であって、
   ＲＦ送信期間を発生させるよう前記ＲＦソリッドステートスイッチング部材を前記略非導電状態から前記略導電状態へ移すために、前記バイアス電流を、所定の第１の閾電流を越えるように制御するステップと、
   ＲＦ受信期間を発生させるよう前記ＲＦソリッドステートスイッチング部材を前記略導電状態から前記略非導電状態へ移すために、前記バイアス電流を、所定の第２の閾電流を下回るように制御するステップと
   を有する方法。
8. 請求項７に記載の方法のステップの実行を制御するソフトウェアモジュールであって、
   前記ステップは、ＭＲ撮像システムの制御ユニットのメモリ素子において実装可能であり且つ前記制御ユニットのプロセッシングユニットによって実行可能であるプログラムコードに変換される、
   ソフトウェアモジュール。
9. 少なくとも１つのＭＲ ＲＦアンテナを備えるＭＲ撮像システムにおいて使用されるスイッチング制御ユニットであって、前記ＭＲ撮像システムの連続したＲＦ送信期間及びＲＦ受信期間を発生させるために設けられるスイッチング制御ユニットにおいて、
   請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の少なくとも１つの送受切替回路と、
   請求項８に記載のソフトウェアモジュールと、
   プロセッシングユニットと、
   少なくとも１つのメモリ素子と
   を有し、
   前記ソフトウェアモジュールは、前記メモリ素子において実装可能であり且つ前記プロセッシングユニットによって実行可能である、
   スイッチング制御ユニット。
10. 少なくとも１つのＭＲ ＲＦアンテナと、
    請求項９に記載の少なくとも１つのスイッチング制御ユニットと
    を有するＭＲ撮像システム。

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