JPH02191433A - 表面電気コイル構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は１表面電気コイル構造と、ＮＭＲイメージング
及びＮＭＲスペクトル法のための磁場を発生させるコイ
ル構造とに関する。また特に、本発明は、ＮＭＲイメー
ジングに用いられる表面コイルに関する。

（従来の技術） 医療用ＮＭＲイメージングに表面コイルを使用するとい
うアイデアは直感的に魅力的なものであり、その理由は
、良く知られているように、画像化される対象にコイル
が近接すればするほど、より多くの信号が得られること
が期待されるからである。確かに、非導電性の物質を調
べる場合にはそのとおりである。しかしながら生物の体
組織は導電性であり、そのためにコイルが体表面に近接
するに従って更なるコイル負荷が発生する。

Ｄ、１．ホールトとＲ，Ｅ、　リチャーズ（０，１゜Ｈ
ｏｕｌｔ　ａｎｄ　Ｒ，Ｅ、　Ｒｉｃｈａｒｄｇ、　Ｊ
、Ｎａｇ、　Ｒｅｓ、　２４゜７１−８５　（１９７１
ｉ））　、並びにり、１．ホールトとｐ、ｃ、ローター
バ（０，１，Ｈｏｕｌｔ　ａｎｄ　Ｐ、Ｃ。

Ｌａｕｔｅｒｂｕｒ、　Ｊ、　）ｌａｇ、　Ｒｅｓ、　
３４．４２５−４３３　（１９７９））は、導電性のサ
ンプルの周囲を囲繞しているコイルからの、インダクタ
ンスを利用したのピックアップの問題に考察を加えてい
る。しかしながら表面コイル構造の場合には、コイルは
通常、サンプルの周囲を囲繞することはなく、むしろ調
査される対象に密接して配置される０表面コイルに関し
ては非常に多くの研究の成果が刊行されており（Ｗ、　
Ｆｒｏｎｃａｓｚ、Ａ、　Ｊｅｓｍａｎｏｗｉａｚ、Ｊ
、Ｂ、　Ｋｎｅａｌａｎｄａｎｄ　Ｊ、Ｓ、　Ｈｙｄｅ
、　Ｗａｇ、　Ｒｅｓ、　Ｍａｄ、　８．５１９−６０
３（１９８６）、Ｉｔ、Ａ、　Ｅｄｅｌｓｔｅｉｎ、Ｇ
、Ｓ、　Ｃ１ｏｖｅｒ、　Ｃ，Ｊ。

Ｈａｒｄ７　ａｎｄ　Ｒ，Ｗ、　Ｒｏｄｉｎｇｔｏｎ、
　ｌａｇ、　Ｒｅｓ、　ｌｅｄ、　３゜６０１−６１９
　　（１９８６）、　Ｊ、Ｓ、　　Ｈ７ｄｅ、　　Ａ、
　　Ｊｅｓｍａｎｏｗｉｅｚａｎｄ　Ｊ、Ｂ、　Ｋｎｅ
ｅｌａｎｄ、　Ｐｒｏｃ、　ＳＭＲＮ、　Ｎｅｗ　Ｙｏ
ｒｋ、　１．９５　（１９８７）、Ｊ、Ｆ、　５ｃｈｅ
ｎｅｋ、　Ｍ、Ｈ，Ｕｓｇａｉｎ　ａｎｄＨ，Ｒ，Ｈａ
ｒｔ、　Ｐｒｏｃ、　ＳＭＲＭ、　Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ、
　１．９４（１９８７）、　Ｔ、Ｍ、　Ｇｒｉｓｔ、　
Ａ、　Ｊｅｓｍａｎｏｗｉｅｚ、　Ｊ、Ｂ。

Ｋｎｅｅｌａｎｄ、　Ｗ、　Ｆｒｏｎｃｉｓｚ　ａｎｄ
　Ｊ、’；、　Ｈｙｄｅ、　ｌａｇ。

Ｒｅｓ、　Ｗｅｄ、　Ｉｌｉ、　２５３−２６４　（１
９８Ｂ））　、　これらの研究は、表面コイル構造の最
適化を試みたものである。

（発明が解決しようとする課題） 具体的な構成の中には、下肢、上肢１手のための目的別
に構成された一連の構造や、それにを椎を調べるための
切換式アレイ（Ｓ、＞１．　Ｗｒｉｇｈｔ、Ｒ，Ｌ、Ｗ
ａｇｏｎ　　ａｎｄ　　Ｊ、Ｒ，ＫｅＨｏｎ、Ｐｒｏｃ
、５）ＩＲＮ。

Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ、　！、９Ｇ　（１９８７）　）があ
る、これらの研究成果の多くは「カットψアンド拳トラ
イ」の範鴫に入るものであり、理論的な基礎付けは殆ど
なされておらず、従って明確な指標となる原理によって
裏付けられていない。

本発明の目的は、単ループ表面コイルの基本的原理と、
導電性サンプルに密接して配置されたときの消散のメカ
ニズムとを考察することにある。

このコイル設計法を用いて、受信用に使用され及び／ま
たは送信コイルとして使用される場合に大寸法の単ルー
プと比較して優れた遠隔場性能を有するコイル・アレイ
が設計される。

従って本発明は、信号の受信器及び／または送信器とし
て用いられる所望の磁場特性を備えた表面電気コイル構
造であって、そこから信号を受信するところの定められ
た空間の表面ないし周囲に配設された複数の小コイルを
含み、それらの各コイルの内部の電流の流れが所望の磁
場ないし信号応答を発生させるようにそれらの各コイル
が電気的に接続されている２表面電気コイル構造を提供
するものである。

（実施例） 以下に具体例として本発明の実施例を添付図面を参照し
つつ説明する。

１土二１Ｌ１１ 半径ａ、巻数Ｎ、そしてインダクタンスがＬのコイルに
ついて考察することにする。このコイルは半径がＲの球
体の表面上に位置しており、点Ｐから発信される信号を
受信している（第１図）。

ここで、点Ｐは抵抗率がρの均質な導電性媒質の内部に
位置しているものとする。媒質の積分体積における予期
される信号−雑音比（Ｓ／Ｎ）は次の式［１］で与えら
れる。

Ｓ／Ｎ　−ωＩ　Ｂｌ　！！　ｄｖ／（４ｋＴΔｆｒ）
’　　　［１］この式は、ＢＪがこの積分体積において
有意の変化をしないならば、小体積の媒質ＶＳについて
次のように近似することができる。

Ｓ／Ｎ　ｓ　（１）　ＢＩ　Ｎ　ｃｏｓθＶｓ／（４ｋ
ＴΔｆｒ）　’　［１ａ］上記の両式において、ωはラ
ーモア角周波数、阿は標本の単位体積あたりの核磁気、
ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度（ここでは標本の温
度とする）、Δｆは受信帯域中、そして、ｒはコイル負
荷を発生する標本の等価抵抗である。　　Ｂｔはコイル
の中を単位電流が流れるときに点Ｐに発生されるコイル
１巻きあたりの磁場であり、次の式で与えられる。

ここでＱはコイルのクォリティ・ファクタ、Ｒは等価シ
ャント抵抗である。単ループのインダクタンスｔ、ｏは
、Ｌとの関係が次の式によって表わされる。

Ｌ　＝　Ｎ２Ｌ。

［４］ 更に、 Ｑ＝ｑＬＩ２ω／ＨＪρＪ２ｄｖ□ωＬ／ｒ　　［５］
Ｂｉ　＝　　４ｏ　ａ２／２Ｒ３ ［２］ 角座標θが、標本の偏極ベクトルＸに対する磁場ベクト
ルＢｌの方向を定める。温度と帯域巾とが一定で周波数
が固定されているとするならば２式［１ａ］は次のよう
に変形される。

Ｓ／Ｎ　　＝　　Ｋ　　Ｎ　　Ｂ＋／ｒ’＝　　Ｋ　　
Ｑ　　Ｎ　　Ｂ＋／Ｒ’　　　　　　［３］ここで、■
はコイルを流れる電流、Ｊ−Ｎｊは導電性媒質の体積要
素ｄマの内部の銹導電流密度である。この式は次のよう
に変形される。

Ｑ　−ωＬｏ／ｌ。

［６］ ここで。

ｔｏ　＝　（ｐ／ｌ２）ｆｊ２ｄｖ　＝　（ｃｒ／ｌ２
）ｆＥ２ｄｖ　　［７］ｙ　ｃｃ　６３ ［９］ この式においてσは導電率、Ｅは誘起された電場である
。抵抗ｒｅは、ｒとの関係が次の式によって表わされる
。

ｒ　＝　Ｎ２ｒ。

［８］ 比例定数はコイルの形状によって定まる無次元の積分値
であり、従ってあらゆる平面円形コイルについて同一で
ある。しかしながら単ループのインダクタンスＬｏは式
［４］によって与えられ、次のようになる。

式［３］〜式［５］と式［８］とを組み合わせることに
よって、巻数を更に増してもコイル性能が向上しないの
は何故かが明らかとなる。ここではコイルのダンピング
が完全に標本との結合だけから生じるということが前提
とされている。電流密度の積分は２πラジアン（即ち半
空間）に亙って行なわれる６式［７］の体積積分は、無
次元変数ξ＝ｌ／ａ（ここで、１２　、、．２　÷ｙ２
　、　ｚ２である）を用いて書直すことができ、その結
果は次のようになる。

Ｌｏ−ｇｏ　ａ　　［ｌｏｇ（８ａ／ｄ）　　−２］　
　　　　　　　［１０］ここで、ＪＡＧは自由空間にお
ける透磁率、ｄはコイル導線の線径であるｍ　ａ／ｂの
値が一定とすれば式［ｌＯ］により　Ｌｏはコイル半径
に直接比例することになる。即ち次のとおり。

１＠ｃｘ６ ［１０ａ１ 式［５］・、式［９］、及び式［１０］から、次の式が
得られる。

Ｑ・ωに／ａ２ ［１１］ ここで、鷲は定数である。

式［２］と式［１１］とを用いれば、コイル内からピッ
クアップされる信号Ｓは次のようになる。

Ｓ　　＝　　Ｂ＋　　Ｑ　　−に ［！２］ ここでにはコイルの半径に応じて定まる定数である。こ
の結果の意味するところは、点Ｐに位置している信号源
は、この球体の表面上のどのコイルにも同一の電圧を誘
起するということである。無論、この結果の中には雑音
についての考慮は含まれていない、それを含めた場合に
は１式［３］を式［２］及び式［９］と組み合わせるこ
とによって次の式が得られる。

Ｓ／Ｎ＝　ａ’ ［１３］ １狡亙】 以上の結果とその結果の基礎を成している前提とを実験
によって検証するために、半径が７　ｃｍ４．２５　ｃ
ｍの２つの単ループ・コイルを用いて幾つかの簡単な実
験を行なった。それらのループは１４　ＳＷＧの銅線で
作られたものである。測定を行なうに際しては、食塩水
を入れた小容器の表面にそれらのコイルを固定した。誘
起された信号の測定は、ダイポール放射体を模した半径
７腸層で１０回巻きの小コイルを、第２図に示すように
、間にこの小容器を介在させてそれらの単ループ・コイ
ルの一方ないし他方とカプリングさせるという方法が取
られた。各コイルは２０　）ＩＨｚに同調させ、そして
ダイポールの磁場に反応してそれらのコイルの両端に発
生した電圧が測定された。小容器の厚さは、２枚の厚さ
３１１層のガラス板を含めて６．８　ｃｍであった。ダ
イポール放射体コイルは２．０ボルト、　２０　ＭＨｚ
の一定のＲＦ倍信号駆動した。小容器が空の状態と、こ
の小容器に濃度２Ｍの食塩水を入れた状態とについて、
実験結果を得た。測定された信号の値を第１表に示す。

第２表 濃度Ｑ＋　　Ｃ＋　　Ｌ＋　　　ｒ＋　　　Ｑ２　０２
　　Ｌ２　　ｒ２ｃ　　　　　（ｐｆ）　　（μＨ）　
　（Ω）　　　　（ｐｆ）　　（ＪＩＨ）　　（Ω）空
１３０１９００．３３．３＋９　８５２６００．２４．
３５５０　　　　　　３．０　　　　　２．７１３　　
　　　３．６　　　　　　１．２ＩＮ　　　７２　　２
１５ 実験誤差の範囲内において、第１表に示されている結果
並びにその他の実験の結果（６）は、式［１２］がおお
むね正しいものであることを証明しているものと判断さ
れる。

Ｑ測定器を用いて各コイルの独立パラメータを測定した
結果を第２表に示す。

小容器を空の状態としたときの測定結果から分ることは
、コイル導線の抵抗とコイルのインダクタンスのいずれ
もが、予想されたような半径に対する線形の従属性を有
していないということであり、何故それが分るかといえ
ば、その場合には双方のコイルのＱが同一の値にならな
ければならないからである。そのような不一致のうちの
幾分かは、コイル導線の長さが有限であることと、それ
らのコイルをＱ測定器に結合させるために用いられた接
続とに起因している可能性もある。しかしながらそれで
も尚、この測定結果は２食塩水製度Ｃが上昇するにつれ
て大きい方のコイルのコイル負荷が著しく増加したこと
を明らかにしている。

食塩水濃度Ｃに対するＱの低下の度合はコイル１の方が
より急激であり、これは導線抵抗ｒ２と比較して導線抵
抗Ｔ１の寄与がより小さなものであることを反映してい
る。

表面コイル番アレイ 局部化されているという表面コイルの特質は、結果的に
、第３図に示すように点Ｐを囲む球面の上に幾つかの小
コイルを密集させて配設することを可能としている。そ
れらのコイルがそれほど強くカプリングしていないと仮
定すれば、各々のコイルにおける信号のピックアップは
互いに独立していると見なすことができる。アンペール
の回路理論に拠れば、電流ｌが流れている半径すの単ル
ープによって発生されるＰにおける磁場は、それより小
さく半径がａの、各々に電流Ｉが流れている、キャップ
形状の球面の上に分散して配設されたＮ個のコイルと等
価となる。Ｒ＞＞ｂとすれば。

Ｎの最大値は次の式で与えられる。

Ｎｍａｘ　　ｓ　　（ｂ／ａ）２ ［１４］ しかしながらこのケースにおいては、コイルとコイルと
が接触しており、従って強い相互作用を生じており、弐
Ｌ１０］からは次のようになる。

Ｌ　　ｍ　　ｋ　　ｂ　　＜　　Ｎ＋ｍａｘ　　ｋ　　
ａ［１５］ 互いに接触している複数のコイルの、その極限の状態に
おいては、その１巻きのインダクタンスがＬＨ−Ｎｍａ
ｘ　Ｌ２となるため、Ｌ２はちょうど他の全てのコイル
との相互インダクタンスの分だけ減少している。この場
合、標本損失は１つの大コイルであっても多数の小コイ
ルであっても同一である。しかしながらコイルが互いに
離隔しており、しかも相互インダクタンスが小さい値に
抑えられている場合には、独立性は保持される。相互作
用を減少させるためには、従って、次式で示されるＮ個
のコイルが必要である。

イルの信号−雑音比（Ｓ／Ｎ）　ａは次の式で表わされ
る。

Ｎ　＝　ａ”Ｎｍａｘ ［１６］ （Ｓ／Ｎ）ａ　・（Ｓ／Ｎ）山／ｂｌｙ２ｃｏｓθ［１
７］ ここでαくｌである。

重要な問題は、相互作用の弱い半径がａのＮ個のコイル
から成る組において、それらのコイルが一緒になること
によって、半径がｂの１個のコイルより優れたＳ／Ｎを
提供し得るか否かである。

ここで再び、特に関心が向けられているのは遠隔場にお
ける応答であるということを強調しておきたい、より小
さなコイルの近接場における応答が大きなコイルのもの
より常に優れていることは明らかであるが、ただし観察
領域は制限〜れる。その場合、目的とされるのは観察領
域の維持であり、特に深部の体組織における観察領域の
維持である。

式［１３］に拠れば、半径がｂであるコイルの信号−雑
音比（Ｓ／Ｎ）　ｂに対する、半径がａであるコここで
θは第３図に示されている角座標である。

半径がいずれも同一のａであるＮ個の小コイルについて
は、信号−雑音比は次のようになる。

（Ｓ／Ｎ）　−（Ｓ／Ｎ）ｂ　ｃｏｓθ［Ｎａ／ｂｌ’
−（Ｓ／Ｎ）　ｂ　ａ　［ｂ／ａｌ　’　ｃｏｓθ［１
８］ 従って解明すべきは、感度係数を次のように定めるため
の条件である。

Ｆ　＝　［Ｎａ／ｂｌ’ｃｏｓθ −ａ　［ｂ／ａｌ’ｃｏｓθ〉ｌ ［１９］ Ｒが大きければＣＯａθ＝１とすることができる。

その場合に、　ａ／ｂ　ｗａ　４　、　Ｎ　−１８であ
るとするならＩｆ、　Ｆ　−１，４１４となる。この具
体的な数字の組合せからは、α２−０．５が得られ、こ
れは、このアレイが大コイルが占有する面積の半分の面
積しか占有しないことを意味している。ただし興味深い
ことに式［１９］は、アレイの下方部分に相当するα２
の値の小さい部分に関しては、　ｂ／ａを増大させるこ
とによって、即ちアレイに非常に小さいコイルを用いる
ことによって、Ｆの値を尚、１より大きいままにしてお
くことができることを示している。

以上は、コイルとコイルとの間に、雑音抵抗の相互関係
が存在しないことを前提としている。これは即ち、合計
雑音抵抗が、１つの小コイルの雑音抵抗のちょうどＮ倍
になるということである。

相互関係が存在する場合には、感度係数Ｆは低下する。

花弁形レゾネータ 以上に説明した原理を用いて第４図に示す表面コイル・
アレイが設計され、このアレイは半径が３　ｃｍの８個
のコイルを含んでおり、これは、半径が１２　ｃｍ　　
の、１個のコイルに相当する。

式［１９］に拠れば、相互作用のない複数のコイルの場
合には、１．４１４の信号−雑音比を期待することがで
きる０図示の具体的な構成においては、コイル間の相互
作用は無視し得るものではないが、磁束ファネルを使用
することによってこれを減少させることができる。この
コイル・アレイの等価回路は第５図に示すハイ・バス回
路となっており、同回路におけるインダクタンスしは次
の式で与えられる。

Ｌ　富　Ｌｏ　　−εに ［２０］ ここで、Ｌｏは孤立している１個の花弁コイルのインダ
クタンス、葺は隣接するコイルとの相互インダクタンス
、モしてε〉１は、全ての相互インダクタンスの影響を
考慮に入れた係数である。この回路をレゾネータとして
機能させるためにはＡとＢとを接続する。更には、全て
の磁場が同位相でなければならない、この条件は次の式
を満足することによって満たされる。

ω　冨　ωｏ　／　［４５ｉｎ２（β／２月　　　　　
　［２１１路を１周したときの合計の位相が２πＸに等
しければ、第Ｎ送信モードが実行可使である。これは次
式が満たされるとき保証される。

この式において。

Ｎ　β　冨　２？ｒＭ ［２２ａｌ ωｏ２・１／　Ｌ　Ｃ ［２２］ であり、ωくω０はＲＦ作動周波数、βはセクシ曹ン１
つあたりの位相のシフト量である。ここではβ＝１８０
°であることが要求されており、それからωＯ＝２ωが
得られる。電流の位相は花弁コイルごとに交互に正と負
とになっているため、それらのコイルへの接続の極性を
交互に変えることによって全ての磁場を同位相に保つこ
とも、必要である。

以上のレゾネータ・コイルは、別のモードでの送信を行
なう能力をも持っている。一般に、レゾネータ中のに個
のセクションが互いに接続されて１つの閉ループを形成
している場合には、この回ここでｌ≦Ｘ≦Ｎ／２　　で
ある。

このレゾネータのＱの値は、次の式で与えられる。

Ｌｎ−Ｌ、Ｉｎ−１、且つｒｎ　−ｒであるとき、この
式［２３］から、Ｑ−ωＬ／ｒという周知の結果が導か
れる。

最も周波数の低い、Ｍ＝１の送信モードは、各々のセク
ションごとに１８０°の位相のシフトをもたらすモード
である。このモードにおいては、複数の点Ｐ（第４図）
は正の等電位を持ち、複数の点Ｑは負の等電位を持つ、
この場合、点Ｐどうしをまとめて接続してしまうことが
でき、それができるのは、電流が流れないからである０
点Ｑについても同じことができる。そのように接続して
しまうことにより、このレゾネータは強制的にシングル
・モードのものとされ、より大きなＭの値を持つモード
は禁止される。

以上のものとは異なり、花弁誘導素子（花弁コイル）が
直列に接続されたロー・バス回路としての構成が、第６
＆図に部分的に示されている。この回路を共振させるた
めにはＡをＢに接続する。

全ての磁場を同位相にするための条件は、次の式０式％
［２４］ ω０は、式［２２］に定められたものである。これも同
様に等電位点どうしをまとめて接続した構成とすること
によって、強制的にＭ＝１のシングル−モードとするこ
とができる。

以上の２つのいずれの構成においても、セクシ望ンの数
は偶数とする必要がある。

ダブル・モード花弁形レゾネータ 第４図と第６図の花弁形レゾネータは、それらと等価の
単ループとの比較において、より優れた遠隔場応答を提
供するものではあるが、しかしながら、それら再構成に
おいては、その中央コイルの大部分が失なわれているた
めに、近接場応答は単ループのものと比較してより劣っ
たものとなることが理解されよう、この欠点は、第７図
に示すように花弁形レゾネータの中央に小さな単ループ
を配設することによって矯正することが可能である。そ
のようにしたハイ・バス構成のための花弁コイルの配線
の詳細とその等価回路とが第８図に示されており、同図
において、ＬｌとＣとは花弁コイルのインダクタンスと
シャントφコンデンサとであり、またＬ２は、中央の輪
の部分のインダクタンスと図中に示されている付加的イ
ンダクタンスＬ２’との合計インダクタンスである。こ
の回路に関しそは、次の式の関係が満たされなければな
らない。

ωω＋　＋　（１）　２２／４５ｉｎ２（β／２）　　
　　　［２５］この式においてω〉ω１であり、更に、
ω１２−１／　Ｌｌ　Ｃ ［２６］ 且つ。

ω２２−１／　Ｌ２　Ｃ ［２７〕 であり、また、βはセクション１つあたりの位相のシフ
ト量である。第２モードの中央コイル−セクションの正
しい位相を確保するために、ω１とω２の値を、ω１−
ωＪ「と、ω２−ωＪ「とに選定することにする。この
ように選定すると、その結果、Ｌｌ　−４Ｌ２となる。

これによッテｉ＋−２ｉとなり、これは、中央セクショ
ンの感度を２倍に向上させる＊　　ｂ　＝　５　ａ、且
つｃｇａＪ２とすれば花弁コイルの感度はＦ　−１，６
５３に向上する。

花弁コイル 以上の説明の大部分は、巻線と巻線との間の容量が重要
な意味を持つような高い周波数で作動する共振アレイの
設計に関するものであった。これに対して低い周波数に
おいては、花弁形コイル・アレイを直接同調させること
が可能である０例えば第９図は、９個のコイルを有する
花弁形アレイを示しており、このアレイにおいては、全
てのコイルが直列に接続され、１個の同調用コンデンサ
Ｃが備えられている。それらのコイルの寸法は第７図の
ものと同一である。しかしながら、電流は全てのコイル
を通して同一であるため、感度係数はＦ　−、／（ｔｏ
１５）　　となっている。

これと同一の花弁形アレイをこれとは異なった並列接続
とした構成が第１０図に示されている。

感度係数は少し異なっており、その原因は、一般的に中
央コイルを流れる電流が花弁コイルを流れる電流とは異
なっているということにある。

低温コイル これまでの解析においては、花弁コイルの有限抵抗につ
いては無視してきた。これは、コイル導線の有限抵抗に
起因する雑音入力があるために花弁コイルの性能が予期
したものよりは多少悪化するということを意味している
。この影響は、太い導線を使用することによって幾分か
は減少させることができるが、しかしながら小径のコイ
ルから成る大規模なアレイを作成するには、そのコイル
・アレイを液体窒素の中で、或いは更に液体ヘリウムの
中で冷却することが有利であろう、後者の場合にはコイ
ル導線に超伝導材料を用いることにも利点が有ろう。

相互インダクタンスの影響 これまでのところでは、コイルが近接して配設されるこ
とに起因して生じる相互インダクタンスの影響について
は完全に無視してきた。同一平面上に複数の円形コイル
が配設されている場合には、相互インダクタンスが、コ
イルとカプリングしている標本債域の磁束を減少させる
。これは結果的にコイル応答機能Ｂｌを低下させ、それ
によって所与のコイル−７レイを使用して達成すること
のできる信号−雑音比に対して直接的に影響を及ぼすこ
とになる。従って問題は、この相互インダクタンスの影
響を容易に概算することができるか否か、そして、相互
インダクタンスを考慮に入れた上で所与のコイル・アレ
イを最適化することが可能か否かということである。こ
の点に関連して、所与のコイルとカプリングしている平
均磁場に基づいた。相互インダクタンスを求めるための
概算理論の説明をすることにする。

ファラデーの法則に拠れば、コイル内に誘起されるＥＭ
Ｆは次の式によって与えられる。

ξ　＝　Ｌ　　（ｄｉ／ｄｔ）　　−ｆ　　Ｂ　ｄｓ　
　　　　　　　　［２８］この式において、全ての記号
はそれらの通常の意味で用いられている。磁束の積分に
ついては、それをコイルの面積Ａの全体に亙る平均磁束
に置き換えることとし、その場合には、式［２８］は次
のように変形される。

Ｌ　　＝　　Ｂａｙ　　Ａ　　／　　Ｉ　　ｗａＢＩＡ
［２９］ Ｌ　−）ｌ　ｓ　Ａ＋　Ｂｌｅｔｔ　−Ｌ　Ｂ＋ｅｔｒ
／　ｒ［３２］ ここで８１は単位電流あたりの平均磁場である。

次に、回路ｌ及び回路２と名付けた２つの回路について
考察する６面ＭＡ＋で回路１を回路２とカプリングさせ
ている相互インダクタンス踵は、電流をＩ２．単位電流
あたりの平均磁束を旧ととするとき、次式のようになる
。

ｘ＝ｊ′１ａ＋／ｘｚ ［３０］ コイル１の実効インダクタンスはこの相互インダクタン
スの分だけ低減され、従って以下のように与えられる。

式［３２］を容易に変形することによって、単位電流あ
たりの実効磁場を表わす式を以下のように得ることがで
きる。

Ｂｌｅｆｆ−旧（［Ｌ−Ｍｌ几） ［３３］ 第７図に提示されている花弁形レゾネータの構成におい
て１Ｍを、１つのコイルの、アレイ内の他の全てのコイ
ルに対する相互インダクタンスとする。すると次の式が
得られる。

Ｍ　＝　２Ｍ＋　　＋　２Ｍ２　　＋　２Ｍ３　＋　Ｎ
４　＋２Ｍ５ｔ　　　　　［３４］Ｌ−に−旧　Ａ＋／
Ｉ＋　−ＢＩＡＩ／１２［３１］ ＩＩ　−１２であるとすれば、式［３１］の実効インダ
クタンスは以下のように与えられる。

ここで、　　Ｍｌは最も近接している小コイルのうちの
一方との間の相互インダクタンス、　ｌｌＩ２は２番目
に近接している小コイルのうちの一方との間の相互イン
ダクタンス、Ｎ３は３番目に近接している小コイルのう
ちの一方との間の相互インダクタンス、モしてＭ４は対
角線上に向い合っている小コイルとの間の相互インダク
タンスであり、また更に、　ＭＳｔは大コイルである中
央コイルと、小コイルのうちの１つとの間の相互インダ
クタンスである０式〔３３ｊを用いることによって、小
コイルの単位電流あたりの実効磁場が次のように与えら
れる。

Ｂｌｅｔｒ　＝　（［Ｌｓ　−Ｍ几ｓｌ）　Ｂｆ　　　
　　　　［３５］大コイルである中央コイルについては
同様の式が次のように与えられる。

Ｂ’ｔｅｒｒ　＝　（［Ｌｔ　−８Ｎｔｓｌ／Ｌｔ）　
Ｂ！　　　　　　　［３６］相互関係にあるため、ＭＳ
Ｌ−Ｍｔｓとなる。

コイル平面内の単位電流あたりの磁場の算出は、ただち
に行なうことができる。ここで、中心と中心との間が半
径の３倍の距離だけ離隔している複数のコイルについて
は、その１つのコイルによって第２のコイルの領域に引
き起こされる磁場変動は小さく、且つその磁場変動は、
その領域の全体に亙ってこの第２コイルの中心における
磁場変動と略々等しいものと仮定する。そのように仮定
した場合には、所与のコイル・７センブリについての式
［３４］の中の全ての相互インダクタンスがただちに算
出される。・第７図に図示された構成に関して、ａ　ｍ
　２　ｃｍ、Ｃ＠　２．８２８　Ｃｍ　　であれば、Ｎ
／Ｌｓ　＝　２．８５　ｘ　１０−３と８Ｎ、ｔｓ／Ｌ
ｔ　−４，１７ｘ　１０−３とが得られる。上で説明し
た具体的な例においては、相互インダクタンスの影響は
非常に小さく、感度係数Ｆを１ｚ以下しか減少させてい
ないことが判明している。

ここに説明した具体的な構成は最適化されたものではな
い、しかしながら、例えばコイル半径を僅かに増大する
ことによりＦを最適化することができるようにしておく
ことによって、最適化の手順を実行・し得ることは明ら
かである。

第７図に点線で示された変更例では、花弁コイル１．２
１．、、、Ｎ　　の各々が単独に、即ち個々に。

個別の受信増幅器ＡＩ、Ａ２．　、、、、ＡＭに接続さ
れており、それらの増幅器はＲＦ増幅器ゲインＡｔ、Ａ
２．　。

、、、ＡＮと、ＲＦ位相φｌ、φ２．．．．．φＮとを
持っている。それらの増幅器に対しては個別に調べがな
されるようにしても良く、また、それらの出力を加え合
わせることによって単一の出力を有する能動アレイを形
成するようにしても良い。

以上とはまた別に、コイル１．２１．、、、Ｎ　　を配
線によって直接接続して１つにまとめ、個々の増幅器を
備えない受動的な構成としく例えば第９図の方式で）、
合計された信号が単一の受信増幅器（不図示）に供給さ
れるようにしても良い。

個々のコイル１，２．、、、、Ｈに対して１個別に同調
を施すようにしても良い。

一般　されたコイル・アレイ これまでは遠隔場応答に関心を向けてきたが、以上に述
べた原理並びに解析を一般化することによって、任意の
形状のＲＦ受信用コイルを設計することが可能となる。

即ち、コイル構造を、局部化された表面コイルのみに限
ることなく、対象を完全に囲繞することのできるコイル
も設計することができる。典型的な一例としての一般化
されたアレイが第１１図に示されている。このアレイは
中量の鎖かたびらのよろいの如き外観を呈している。小
環状の小コイルは任意の半径のものであるが、ここでは
良好な寸法として、実際的な範囲内での最小の寸法が選
択されている。電磁石ないし超伝導磁石内のメイン磁場
の方向に沿って軸方向にアクセスされるＲＦ受信用コイ
ルに関しては。

その設計の目的は上記磁場の軸に対して横方向の均一な
ＲＦ磁場Ｂｌを作り出すことにある。即ち、上記磁場の
方向が２軸に沿っている場合には、　　Ｂｌ磁場は均一
でしかもその磁場ベクトルがｘ−ｙ平面内にあるように
しなければならない。

ＲＦコイルの支持部を形成している円筒面の上の最適な
表面電流分布は、偏角φと共にｓｉｎ　２φで変化する
関数となる電流分布である。所与の偏角φに対す“る電
流分布は、２から独立しているのが理想的〒ある。その
ような構成は、第１２図に示すように、各々が円筒面の
周上に均一に並べられ、集合した複数の帯状列（バンド
或いはベルト）を形成している、複数の小コイルによっ
て作り上げることができる。花弁形レゾネータと同様に
、鎖かたびらのｌこまｌこまが互いに近接し過ぎていて
はならない６以上の構成例では、全てのコイルが全ての
方向に少なくとも半径１つ分は離隔しているようにする
ことが勧められる。

これらのコイルの帯状列は、その各々の列が。

先に説明した共振アレイを形成している。花弁形レゾネ
ータと同様に、それらのコイルをロー・バス伝送ライン
ないしハイ・バス伝送ラインとして接続することを可能
とする、幾つかの電気的接続方式がある。第１３図のハ
イ−バス回路については、コイルの共振チェーン、即ち
コイルの帯状列の内部に定在波を発生させるための条件
は次の式％式％ ［３７］ これとは別の第１４図のロー・バス構成については、上
式に対応する共振モードの条件は次の式で与えられる。

２２２．２ （１）　　−（１）　ｌ　　＋　　（＋）２　／４　ｓ
ｌｎ　　ｈｒＮ／２８１　　　　　［３８］ここで、Ｎ
は１つの帯状列の中のコイル・セクションの個数、）Ｉ
は不等式！≦に≦Ｎ／２　　を満足する伝搬モード数、
またこれらの式［３７］と［３８］の中の全ての項は、
式［２１１、［２２］、［２５］〜［２７］の中で既に
規定されている意味で用いられている０以上の原理を実
際のものとする実施例においては、複数の帯状列を互い
に少なくとも小コイルの半径１つ分だけ離隔させてｚ軸
方向に重ねる必要があり、しかも全てのコイルが同一の
方向偏位を有するように配設しなければならない、これ
を我々は円筒形銅かたびら形コイルと呼称している。し
かしながら、この鎖かたびら形コイルの原理は、特定の
目的に適合させたコイルへと、ただちに拡張することが
できる。この特定の目的のためのコイルとは、頭部や上
下肢等の、調査対象を完全に囲繞することが可能な人体
部位の調査のための、密着して嵌装される形状としたコ
イルであって、この形状は円筒形であっても良く、また
、楕円形、半球形、両極部にアクセス開口を設けた球形
でも良く、更に、一般的には任意の形状であって良い０
表面形状が複雑である場合には。

実際問題として、局部表面電流を発生させるために必要
な電流駆動を達成することが困難となることもある。し
かしながら既に理解されているように、円筒形コイルで
は必要な電流分布の発生は容易である。同様の状況は、
平面形状の、並列なヘルムホルツ−コイルに類似したコ
イルにおいても認められ、そのようなコイルにおいては
、第１近似では、コイル応答は各々の平面の全体に亙っ
て均一となっている。この状況においては、適当な間隔
で離隔された２つの花弁形レゾネータを用いて、画像化
される対象物をその間に挟むようにすることができる。

単巻きの表面コイルについて測定した結果判明したとこ
ろに拠れば、導電性媒質が存在している場合には、小径
のコイルを使用することによってコイル損失を大幅に減
少させることができる。これは、大寸法で損失の多い表
面コイルを、レゾネータ回路を形成しているより小さな
コイルの７レイに交換することが勧められるケースであ
る。小コイル間の相互インダクタンス並びに雑音の相互
影響が無視し得る場合には、単一の大寸法コイルとの比
較において、コイル性能に関する、小さくはあるが重要
な改善がなされることが判明している。

種々の形式の花弁形レゾネータ回路が提案される。直列
型のものにおいては、花弁コイルを線材や管材ではなく
、銅製の帯材で作成しても良い。

そのような構成は２コイルを通過する磁束を狭い領域に
集中させ、相互インダクタンスの影響を減少させるのに
役立つ、各々の単独の花弁コイルが、スプリット・コイ
ル型ないしスロット形成コイル型の共振回路であって、
低い周波数では同調させるために付加的な容量を必要と
するが高い周波数では自己共振回路要素を構成するよう
に製作することのできる共振回路を、形成しているよう
にしても良い。

これまで、略々平面形状のコイル・アレイと半球形状の
コイル−アレイとについて専ら説明をしてきたが、以上
のレゾネータ番アレイの原理は、上下肢、関節部、頭部
、を椎１等々に適合する。

より複雑なアレイ形状に対しても、そのまま適用し得る
ものである。事実、ここにその概要を説明した原理は、
表面コイル以外のコイル、即ち我々が鎖かたびら形コイ
ルと呼んでいる円筒形その他の形状のアレイにも、その
まま適用し得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、点Ｐを中心とし距離Ｒだけ離隔した球面上に
位置する半径がａの表面コイルを模式的に示している。 第２図は食塩水試験用の小容器を示し、第１表の測定結
果を得るために使用されたダイポール送信コイルと受信
コイルとの配置を示している。 第３図は、半径Ｒの球体の表面上の半径すの大きなコイ
ルと、このキャップ形状の球体上にその中心を角座標θ
だけ偏位して配設された半径ａの小さな表面コイルの配
設態様とを、模式的に示している。 第４図は、８個のセクションを有するハイ・パス型の花
弁形レゾネータを示す図であり、コイルのｔａ＆！態様
を示している。同図ではｂとａの比の値ｂ／ａ　ｍ　４
　　となっている。 第５図は、第４図に示された花弁形レゾネータの等価回
路を示している。Ｌは各花弁コイルの実効インダクタン
ス、ｒは実効抵抗、モしてＣはコイル間の結合容量であ
る。 第６図は、ロー・パス型の花弁形レゾネータの一部分を
模式的に示しており、（ａ）直列とした花弁コイルとコ
ンデンサとの接続態様、並びに、（ｂ）等価回路である
ロー・パス回路を示している。 第７図は、ダブル・モードの花弁形レゾネータを模式的
に示しており、このレゾネータにおいては、花弁コイル
の寸法は半径ａとされ、中央コイルは半径Ｃ１等価コイ
ルである単巻きコイルは半径すとされている８図に示す
如＜、ｂ／ａ＝５且つｃ”ａであり、また変更例として
、受信増幅器を個別に備えるという概念を説明している
。 第８図は、ハイ・パス型のダブル・モード花弁形レゾネ
ータを模式的に示しており、（ａ）直列としたインダク
タンスがＬｌの花弁コイル、シャント−コンデンサＣ２
及び並列インダクタンスＬ２．並びに、（ｂ）等価回路
であるハイ・バス回路を示している。 第９図は、全ての素子が配線によって直列に接続され１
個の同調用コンデンサＣを備えた、第７図に示されたも
のと同じ花弁コイルを示している。このアレイの信号感
度係数はＦ−Ｊｎ評萄となっている。このケースにおい
ては、全てのフィルが受動的に接続されている。 第１０図は、全ての素子が配線によって並列に接続され
た、第７図に示されたものと同じ花弁コイルを示してい
る。中央の輪の電流は１個の花弁コイルの電流の略々半
分となっている。その結果感度係数は、　Ｆ−、／（９
１５）となっている。 第１１図は、球面上に配列された一般化された表面コイ
ル・アレイを示している。 第１２図は、円筒の面上に配列され、鎖かたびら形コイ
ルを形成している、表面コイルの複数の帯状列を示して
いる０図示の如く、全ての表面コイルは互いに同一であ
り、また円筒の軸方向と周方向とのいずれの方向へも、
コイル中心間の間隔が半径の３倍となるように離隔され
ている。 第１３図は鎖かたびら形コイルのハイ・パス型の配線法
を示している。 第１４図は鎖かたびら形コイルのロー・パス型の配線法
を示している。 （外４名） 図面の浄書（内容に変更なし） （ａ） （ｌフッ Ｆｉｇ、　５ Ｆｉｇ、　６ Ｆｉｇ、　９ Ｆｉｇ、　７０ Ｆｉｇ、　７４ Ｆｉｇ、７３ 事件の表示 平成１年特許願第１５３５７２号 発明の名称 六 表面電機コイル構造 ３゜ 補正をする者 事件との関係　　　特許出願人 住所 名　称　　ナショナル・リサーチ・ディベロブメントφ
コーポレーション ４、代理人 住　所　　東京都千代田区大手町二丁目２番１号新大手
町ビル　２０６区 電話２７０−６６４１〜６６４６ 氏名（２７７０）弁理士湯浅恭三： ５、補正命令の日付 平成　１年　９月２６日　（発送臼）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、信号の受信器及び／または送信器として用いられる
   所望の磁場特性を備えた表面電気コイル構造であって、
   定められた空間の表面ないし周囲に配設された複数の小
   コイルを含み、それらの各コイルの内部の電流の流れが
   所望の信号応答ないし磁場を発生させるようにそれらの
   各コイルが単独ないし個別に電気的に接続されているこ
   とを特徴とする表面電気コイル構造。 ２、有限要素と見なされるアレイを構成している前記小
   コイルの各々によって発生される該アレイから離隔した
   任意の点における磁場が、対象物の内部の同一の点に所
   望の磁場を発生させるために必要な該対象物の表面上の
   等価連続電流分布によって発生されるであろうその点に
   おける磁場を、模擬的に発生させることを特徴とする請
   求項１記載の表面電気コイル構造。 ３、前記コイル・アレイからの信号が並列構成内におい
   て単一の増幅受信回路へ受信されることを特徴とする請
   求項１ないし２記載の表面電気コイル構造。 ４、前記コイルが直列に接続されており、合計信号が単
   一の増幅受信回路へ供給されることを特徴とする請求項
   １ないし２記載の表面電気コイル構造。 ５、前記アレイの中の１つないし複数の前記コイルが個
   別の増幅器に接続されており、それによって、個々に調
   べられないしは加え合わされて単一の信号とされる複数
   の受信器が構成されていることを特徴とする請求項１な
   いし２記載の表面電気コイル構造。