JPH0619426B2 - 分布位相ラジオ周波数コイル装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は核磁気共振（ＮＭＲ）、特に核磁気共振映像化
に特に適したラジオ周波数コイル装置に関する。上記ラ
ジオ周波数コイルは１方で核磁気共振（ＮＭＲ）分析用
サンプルにラジオ周波数磁界を加える励振あるいは励磁
コイルとして、また他方ではサンプルのラジオ周波数磁
化状態を検知する検出コイルとしての２つの機能をもつ
ている。

超伝導磁石の近年における進歩は６００メガヘルツに及
ぶ周波数で動作しうる核磁気共振（ＮＭＲ）スペクトロ
メータの実現を可能にした。このような高周波数におい
てはラジオ周波数コイル（以下ＲＦコイルと呼ぶ）の動
作特性がこれらスペクトロメータの全体的性能の主たる
制限要素となる。分析されるべきサンプルを取囲むＲＦ
コイルはスペクトロメータをサンプルと磁気結合させる
機能をもつ。６から３２メガヘルツの共振範囲をもつ核
磁気共振測定装置に使用されるＲＦコイルの１例が米国
特許第4,095,168号に示されている。

高周波においてそのようなコイルの分布容量が顕著とな
り、従つて単一巻のコイルであつても個有振動可能とな
る。この限界に近づくにつれてＲＦコイルの均一性は、
コイルの各部分における位相シフトのため減少せしめら
れる。さらにコイルの巻数が減少すると共に、磁界を発
生しあるいは信号を検出する双方の場合におけるコイル
の均一性および効率が減少せしめられる。高周波超伝導
磁石における他の問題はその静電磁界がこの磁石中の円
筒形空所の軸と同軸である点にある。ＲＦ磁界はこの軸
に対し垂直でなければならないため従来のコイル構造で
は円筒形サンプルの両側に夫々単一ループを配置する構
成となつていた。この構成は然しながらそれ自体非能率
であり、種々の変形がＮＲＭスペクトロメータにおける
最近の技術傾向となつている。

上記スペクトロメータとは異なるがそれと関連するＮＭ
Ｒ映像化技術の分野においてもサンプルの寸法、周波
数、および磁石の形状は同様であり、従つて上記と同様
な問題が生じ、上記コイルの構成がその技術状態を示
す。ＮＭＲ映像技術において投射する磁界の均一性、受
信感度の均一性がＮＭＲスペクトル分析の場合に比しさ
らに重要となる。上記均一性は例えばＲＦコイルの直径
を増加しかつそれをサンプルから離すことにより増大せ
しめられる。このような方法は然しながら原理的に非能
率でありかつコイルとサンプルとの間の磁気結合を減少
せしめる。

ＮＭＲ信号の受信は例えば静磁界の強度と動作周波数と
を増大することにより改善される。ＮＭＲ映像形成の場
合、使用可能周波数を制限するものはサンプルのＲＦ吸
収作用である。上記周波数およびコイル寸法が限定され
る医療分野においては上記問題のすべてがＲＦコイルに
生起する。任意の磁界強度において上記能率およびサン
プルとスペクトロメータとの間の均一結合はえられる映
像の質に重大な影響をおよぼす。

我々は主としてＲＦコイル導体に固有の位相シフト、す
なはち伝搬遅れを考慮し、この現象を、ＲＦコイルルー
プの各寸法増分に対する上記遅れが予定された値に等し
くかつサンプルとの磁気結合を高レベルに保つよう上記
コイルの設計に利用することにより、上述の問題を克服
しうるＲＦコイルの新規な構造を発見した。すなはち、
コイル導体に固有の伝搬遅れが制限的現象として取扱わ
れる代りにコイルの設計に取入れられ、上記遅れは計算
されて正しい電流を正しい場所に導入するため用いられ
る。換言すればコイルの形状とその伝搬遅れの分布によ
り、磁界を生じるため用いられる導線の各セグメントに
おける電流位相を希望の磁界を生ずる正しい状態に持来
たす。上記結果はＲＦコイルおよび共振伝送線としての
両面から考慮される。

その好適な実施例において、 (a) ＲＦ磁界のような交番磁界によりＮＭＲ分析され
るべきサンプルを励起すること、および (b) 上記サンプルの核磁気共振を検知すると共にサン
プルとの間に比較的高度の磁気結合をうるに適合するこ
と、の少くも１つを満足する分布位相ＲＦコイルの配列
が設けられる。

上記ＲＦコイルの配列はその中にＮＭＲサンプルを収容
する領域を規定する少くも１個の導伝ループを含み、上
記ループは交互に設けられた遮蔽セグメントと非遮蔽区
間とをもつている。遮蔽セグメントは上記ループの不動
作部分を形成しかつ非遮蔽セグメントの各対向をそれを
通じて互いに接続する。非遮蔽セグメントはループの動
作部分を形成しそれらはサンプルと磁気的に結合され
る。上記不動作部分および動作部分の長さおよび各動作
部分間の誘導性結合のために、ループの動作部分上の各
点間の伝搬遅れは位相シフトを生じ、この位相シフトは
上記コイル配列の共振あるいは動作周波数において上記
動作部分上の上記各点間の角位相にほぼ等しく、これに
よりＮＭＲサンプル領域を通じて上記静磁界に対しほぼ
垂直な成分をもつた希望の磁界が発生される。同様に上
記ループは垂直成分をもつた磁界に対し感度をもつてい
る。

この好適な実施例において上記ＲＦコイル配列は概して
円筒形で、かつ上記導電性のループを支持する絶縁部材
と、上記ＮＭＲサンプル領域の１部をＲＦ照射から遮蔽
する導電部材とを含み、上記ＮＭＲサンプル領域の遮蔽
された部分はその中に第１の不稼動部分を規定してこの
サンプル領域の非遮蔽稼動部分を限定し、上記コイル配
列はさらに上記遮蔽部材と接続され上記ＮＭＲサンプル
領域の稼動部分中のサンプルと上記ループとの静電的結
合を防止する装置を含んでいる。

上述の新規な配列はそれが励起用のコイルとして使用さ
れる場合均一な磁界を生じると共に検出用コイルとして
使用される場合均一な感度を与える利点を有している。
映像形成に適用された場合これは良質の映像を与えると
共に上記コイルをサンプルにより近く配置しうることに
より高能率がえられる。さらにこの新規なコイル配列は
同一の周波数および寸法に対し従来のコイルよりもより
多くの巻数を設けることができる。上述の均一性の改善
に加えて、上記コイル巻数の増加はコイルの効率をさら
に増大せしめる。励起用コイルとして用いた場合これは
同一量の電流によつてより強い磁界を生じることを意味
する。また検出用コイルとして用いた場合、上記は同一
のサンプル磁化によりより多きな起電力がえられること
を意味する。

以下、添付図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明
する。

第１図を参照すると、本発明による分布位相ＲＦコイル
装置が全体として数字10で示されている。上記コイル装
置10はコイル支持体あるいはコイルフオーマ12を含んで
おり、このコイル支持体12は例えばガラスから作られそ
の両端が開放された8.255センチメートル（３−1/4イン
チ）直径、22.86センチメートル（９インチ）長さの絶
縁管からなつている。ガラス管12の双方の端部には7.62
センチメートル（３インチ）幅の黄銅箔14が緊密に巻付
けられその両端縁は線16に沿つて半田付けされている。

ＮＭＲ分析されるべきサンプルが上記ガラス管12の１端
からほぼその中央部の領域中に挿入される。上記２枚の
黄銅箔片14はガラス管12の両端においてＲＦ遮蔽体を形
成し、また管12の中央部に稼動部分18を規定する。

上記２枚の黄銅箔14の間には複数のワイヤ20がガラス管
12の周りに巻付けられる。上記複数のワイヤ20は導其他
の導電材料からなることが望ましく、クロスワイヤ22に
より複数の閉ループを形成するよう半田付けされてい
る。ワイヤ20の閉ループは上記２枚の黄銅箔片14間の7.
62センチメートル（３インチ）部分に亘つて約相0.3175
センチメートル（1/8インチ）の間隔で配置される。ク
ロスワイヤ12の夫々の端は上記黄銅箔片14に半田付けさ
れると共に上記ワイヤ22の中央部には不連続部24が設け
られる。

上記複数のワイヤ20およびクロスワイヤ22はＮＭＲサン
プル領域中の稼動部分18内にあるサンプルをこのコイル
装置10の電界から遮蔽すると共に上記コイルを周囲の静
電的雑音から遮蔽する“フアラデーシールド”を形成す
る。この“フアラデーシールド”は磁界が上記サンプル
に到達することを許容する。サンプルに供給されるエネ
ルギーは電界と磁界の積と関連せしめられるため上述の
電気的遮蔽はサンプルに加えられるＲＦエネルギーを減
少せしめる。上記遮蔽はまたＲＦコイル装置10の共振に
対するサンプルの影響を減少せしめる。このことは例え
ば僅かに導電性のサンプルでもコイル装置10の分布容量
を増加しその共振周波数を変化させるため重要である。
フアラデーシールドは黄銅箔片14と共にＮＭＲ分析され
るべきサンプルをＲＦコイル装置10から遮蔽するがガラ
ス管12の軸に垂直な希望の磁界成分からサンプルを遮蔽
するものではない。

上記コイル装置10はさらに望ましくは上記ガラス管の周
囲に配置され概してトロイド形状の閉止された導電ルー
プ26を含んでいる。つまり、トロイド形状とは、第３図
に示すように、らせん状のものを例えば円筒の外周面に
巻き付けた形状である。この導電ループ26はガラス管か
ら取外され平面に展開された第３図により明らかに示さ
れる。導電ループ26は遮蔽された同心ケーブル区間（セ
グメント）28と非遮蔽の線区間30とよりなる。上記線区
間30は動作線を構成し、１方遮蔽された同心ケーブル区
間28は不動作の帰線部分を構成する。

角遮蔽区間28の遮蔽の両端は接続点32において黄銅箔片
14に半田付けされる。クロスワイヤ22に不連続部分24を
設けたことにより上記動作線に平行しかつそれらとサン
プルとの間に短絡経路が設けられることを防止する。こ
のような短絡経路が存在すると動作線とサンプルとの間
の磁気結合が減少せしめられる。ＲＦコイル装置10の上
記実施例において装置10の長さは約22.86センチメート
ル（９インチ）であり、上記導電ループ26の遮蔽区間28
はガラス管12から外方に約3.175センチメートル（１−1
/4インチ）まで隔離される。これら遮蔽区間28は0.476
センチメートル（3/16インチ）外径の剛性同心ケーブル
よりなる。各遮蔽区間28の長さは約15.24センチメート
ル（６インチ）である。

１方動作線区間30の長さは約7.62センチメートル（３イ
ンチ）であり、閉止ループ20に直交する方向に延びてい
る。上述の実施例の共振周波数は約６０メガヘルツであ
る。動作線30に沿つて伝搬する電流はサンプル中に磁界
を生じる。同様にサンプル中の共振磁界は動作線区間30
中に電流を生じる。動作線区間30はほぼガラス管12の軸
方向に配列され、従つて上記軸と直交する方向に磁束を
生じる。動作線30は互いに平行で管12の軸に対し僅かに
角度をなしている。動作線の上記角度はその帰線区間28
の距離と組合わされて導電ループ26の分布容量に基づく
位相遅れの問題を解決する望ましい効果を生じる。換言
すれば導電ループ26動作線区間30の相隣る対の間の位相
遅れはこれら動作線対間の角度変異にほぼ等しく、従つ
て上記ＮＭＲサンプル領域の稼動部分18を通じてその軸
にほぼ直交する磁界成分をもつた磁界を発生することが
できる。

第３図に示されるようにＲＦコイル装置10は同心ケーブ
ル導体34によりスペクトロメータ（図示せず）に接続さ
れる。上記同心ケーブルの遮蔽線36は前記黄銅箔14に半
田附される。また上記遮蔽36の１部分は取除かれて導体
34の動作部分37を暴出せしめ、同部分37をＲＦコイル装
置10に誘導的に結合せしめる。導体34の動作部分37の端
部は点38において黄銅箔14に半田付けされる。上記動作
部分37は希望の結合がえられるように配置され、例えば
上記導電ループ26の動作区間30の１つに近接して配置さ
れる。導体34の動作部分37の配置により上記動作区間30
との結合が影響され、従つて可変容量80（第５図参照）
を設けることにより点81において50オームのインピーダ
ンスマツチングがえられるよう構成されることが望まし
い。

上記と異る結合もまた可能であり、例えば互いに90゜隔
つた２つの点において結合せしめられる。ＮＭＲサンプ
ルの核スピンは回転磁界あるいは円成極された磁界にの
み感性をもつている。従つてＲＦコイル装置10の導電ル
ープ26と互いに90゜の位相角を隔てた２つの点において
接続し、これらの点を90゜異なる位相で駆動することに
より円成極極れた磁界がえられ、従つてより有効な結合
がえられる。またえられた磁界は２倍の強度を有する。
同様に検出モードの場合、サンプルのＮＭＲ磁化は円成
極されているためその検出効率は上記結合により改善さ
れる。

例えば外部雑音に対し更に遮蔽するため、上記帰りの遮
蔽区間28の外側に追加の黄銅薄板よりなる円筒形の遮蔽
42が設けられ前記黄銅箔片14に半田付けされる。

上記実施例について記載された導電ループ26は８個の動
作区間30と８個の帰り区間28とをもつている。然しなが
らそれらの区間の数を上記以外の数に選定することは勿
論可能である。さらに上記以外の追加の導電ループを設
けることも可能である。導電ループ26と第４図に部分的
に示されたＮＭＲ分析装置との間の結合は遮蔽36を有す
る導体34により与えられ、上記導体34の動作部分37は点
38において上記ＲＦコイル10と接続される。装置10にこ
のように追加された導電ループ26Ａ（その一部分が第３
図に示される）はＲＦ磁界の均一性を増し、さらに導電
ループの巻数を増加するためサンプルに対する磁気結合
の効率を増大せしめる。上記第２の導電ループ26Ａは導
電ループ26と本質的に同等の構造を有し、ガラス管12の
まわりにループ26から1/2巻回に相当する角度をずらせ
て設けられる。このような２連の導電ループを有する実
施例では１方の導電ループは駆動導電ループと考えられ
また他方の導電ループは被駆動導電ループと考えられ
る。駆動ループに対する上記非遮蔽の動作線区間30の結
合は被駆動ループ中に電流を誘起し、それによりループ
26および26Ａがサンプルと結合されるＲＦ磁界の形成に
貢献せしめられる。ＮＭＲ信号を検出する場合は上記と
反対に同信号が双方の導電ループ26および26Ａと結合せ
しめられ、ＮＭＲ分析装置に送られる。

上記ＲＦコイル装置10はその寸法、特に導電ループ26の
遮蔽および非遮蔽区間の全長により定まる共振周波数を
もつている。導電ループの動作を２つの伝送線Ｃおよび
Ｃ′を示す第６図を参照して説明する。点Ａにおいて上
記伝送線の長さがλ／２となる周波数で駆動すると上方
の線Ｃ′を通ずる信号が下方の線Ｃを通ずる信号と点Ｂ
で同一振幅をもつて出会い、従つて点Ｂはこれらの信号
に取つて断路されているのと同様である。各線において
は点Ｂで反射された信号が点Ａに向つて伝搬され、従つ
て信号伝搬の全長はλ、すなはち360゜位相シフトに等
しい。点Ａにおけるインピーダンスは断路の場合とほぼ
等しく、定在波が線ＣおよびＣ′上に発生し、点Ａおよ
びＢにおいては電圧が極大となりＣおよびＣ′には電流
の極大がえられる。これらの電圧電流波形は第７図に示
される。

上記伝送線を第８図に示すようにコイル支持体上にその
巻回数が均一に分布せしめられるよう巻付けられ、伝送
線には複数の非遮蔽区間が設けられ各巻回の内側導線と
外側導線との間に電磁界が鎖交しないようなされる。こ
の場合点ＡおよびＢ，ＣおよびＣ′は夫々コイルの反対
側にある。また所要の周波数においてすべての区間の全
長はほぼその１波長λに等しいものと仮定する。従つて
その巻回数および遮蔽線の長さは上記制限内で変化せし
められる。１個の非遮蔽線からえられる電磁界が隣り合
う非遮蔽線と結合するため実効インダクタンスの増加が
生じ共振周波数は減少せしめられる。インダクタンスの
値は巻回数と非遮蔽線の相対長とに関係する。

伝送線が第８図のように巻付けられると継続する各区間
中の電流はその回転角度に等しい値だけ移相される（第
９図参照）。また伝送線が第10図に示すように形成され
ると区間ＸＸ中の電流は区間ＹＹ中のそれより第12図に
示すように180゜＋θ゜だけ移送される。同様にコイル
支持体上でのコイル位置も第11図に明らかなように180
゜＋θ゜だけずらされており、第８図の場合と同様な均
一ＲＦ磁界分布が与えられる。非遮蔽線上の位置Ｃまた
はＣ′に近く結合用ループを配置することによりＲＦ勢
力をコイルに結合することができる。この結合はトラン
スフオーマの場合と同様で、その巻数比の平方根に従つ
てコイルの高インピーダンスは低インピーダンスの伝送
線と整合する値にまで降下せしめられる。上記インピー
ダンス整合はコイル位置におけると同様に結合回路40の
ような他の位置において行うことも可能である。

映像化さるべきＮＭＲサンプルの形状がガラス管12内の
ような円筒形状に適合しない場合にはＲＦコイル装置を
他の形状に形成することも可能である。そのような形状
の１例は球形の物体のＮＭＲ分析に適する球状であり、
他の１例は例えば胸部の映像化に適するコツプ形であ
る。

第４図に示すＮＭＲ装置において、上記ＲＦコイル装置
10は他の回路成分と関連して示される。上記ＮＭＲ装置
は磁石用電力源52から給電される電磁石50およびラジオ
周波数電気信号を供給するＲＦパルスゲート54を含んで
いる。上記ラジオ周波数信号はＲＦ電力増幅器58により
増幅され結合回路40を通じてＲＦコイル装置に励振用信
号として供給される。検出動作においてはＲＦコイル1
0、結合回路40、および低ノイズ増幅器60の組合せによ
り検出が行われる。結合回路40は検出動作中検出された
信号を励振用信号から分離するよう動作する。低ノイズ
増幅器60はこのようにして検出されたＮＭＲ信号を増幅
する。第５図は上記結合回路40の１例を示す、可変容量
80はＲＦコイルのインピーダンスを市販のＲＦ電力増幅
器58および低ノイズ増幅器60に適した50オームに調整す
るため設けられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるコイル装置の１部切断された平面
図で、第２図は第１図の線２−２による断面図で、第３
図は第１図のコイル装置の導電ループをコイル支持体か
ら取外し平面に展開した展開図で、第４図はＲＦコイル
装置を含むＮＭＲ装置の１部を示すブロック図で、第５
図は結合回路の１例を示す略図で、第６図は１対の線型
伝送線を示し、第７図は第６図の伝送線上の波形を示す
グラフで、第８図は第１図のコイル装置を図式的に示す
斜視図で、第９図は第８図の端面図で、第10図は導電ル
ープの他の巻線方法を示し、第11図は第10図の端面図で
ある。第12図は第10図の線12−12による図式的に示す断
面図である。 10……ＲＦコイル装置、12……コイル支持体、14……黄
銅箔片、18……稼動部分、20……線輪、22……クロスワ
イヤ、24……不連続部分、26……導電ループ、28……遮
蔽区間、30……非遮蔽区間、32……接続点、34……導
体、36……遮蔽、37……動作部分、38……接続点、40…
…結合回路、50……電磁石、52……磁石用電源、54……
ＲＦパルスゲート、58……ＲＦ増幅器、60……低ノイズ
増幅器。

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ＮＭＲ分析されるサンプルをラジオ周波数
   磁界のような振動磁界で励起し、および（または）前記
   サンプルの核磁気共鳴を検出するための分布位相ラジオ
   周波数コイル装置であって、内部にＮＭＲサンプル領域
   を形成する、中心軸を有するほぼ円筒状のコイル支持体
   と、前記コイル支持体の外周面に配置され、前記ラジオ
   周波数磁界の垂直成分を前記サンプルと磁気的に結合さ
   せて、励起されたときに定在波を生じさせるらせん形状
   を有する導電ループとを備え、該導電ループはラジオ周
   波数信号を発生または検出するための、前記軸にほぼ平
   行に配置されている複数の導電セグメントおよびこれら
   の導電セグメントを相互に接続するための、複数の遮蔽
   された導電セグメントを有することを特徴とする分布位
   相ラジオ周波数コイル装置。
2. 【請求項２】導電ループは、励起されたとき、少なくと
   も２つの電流が極大になる点を有することを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の分布位相ラジオ周波数コイ
   ル装置。
3. 【請求項３】導電ループは、注目するラジオ周波数の１
   波長（λ）のほぼ整数倍の全長を有することを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の分布位相ラジオ周波数コ
   イル装置。
4. 【請求項４】導電ループの前記長さは、１波長の整数倍
   の長さから、インダクタンス効果を補償するための長さ
   だけ異なっていることを特徴とする特許請求の範囲第２
   項記載の分布位相ラジオ周波数コイル装置。
5. 【請求項５】導電ループを励起して前記ＮＭＲサンプル
   領域内に回転磁界を発生させる手段を有していることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の分布位相ラジオ
   周波数コイル装置。
6. 【請求項６】導電ループを励起して前記ＮＭＲサンプル
   領域内に円形分極磁界を発生させる手段を有しているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の分布位相ラ
   ジオ周波数コイル装置。
7. 【請求項７】前記円形分極磁界を発生させる手段は、前
   記中心軸の周りに９０゜離れた複数の点で前記導電ルー
   プにラジオ周波数信号を結合させる手段を有しているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第６項記載の分布位相ラ
   ジオ周波数コイル装置。
8. 【請求項８】前記ラジオ周波数信号結合手段は、注目す
   る周波数において９０゜の位相差を示す前記点で前記導
   電ループにラジオ周波数信号を結合させる手段を有して
   いることを特徴とする特許請求の範囲第７項記載の分布
   位相ラジオ周波数コイル装置。
9. 【請求項９】導電ループは定在波を発生するように励起
   されることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の分
   布位相ラジオ周波数コイル装置。
10. 【請求項１０】導電ループ上の基準点に対する前記導電
    セグメントにおける電流位相は、前記導電セグメントの
    各々が前記コイル支持体の周りに前記基準点に対して配
    置されている角度位置にほぼ対応していることを特徴と
    する特許請求の範囲第１項記載の分布位相ラジオ周波数
    コイル装置。
11. 【請求項１１】導電セグメントの各々に現れる最大電流
    の出現位置が、前記導電セグメントの各々が前記コイル
    支持体の周りに配置されている角度位置にほぼ対応して
    いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の分布
    位相ラジオ周波数コイル装置。
12. 【請求項１２】励起が、前記ＮＭＲサンプル領域内にお
    ける注目するラジオ周波数で、前記中心軸に直角な振動
    磁界を発生することを特徴とする特許請求の範囲第９項
    記載の分布位相ラジオ周波数コイル装置。