JPH06502491A - 核磁気共鳴のための高周波体積共鳴器 - 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】 ＮＭＲ法は、奇数の陽子と中性子を含む核の磁気的な性質に基づいている。これ らの核は、その電荷に関連した角運動量をもつ。磁気モーメントは、それぞれの 核のスピン軸に沿った方向を向いている。Ｂで表す強力でほぼ均一な静磁場の中 に核をおくと、与えられた磁場の向きと同方向、または逆方向のどちらかに整列 し、与えられた場に対しか、ＮＭＲでは、その核の正常な歳差運動の周波数と一 致する周波数をもつ第二の回転すＲＦ信号を発生する。核が歳差運動を行なう周 波数はラーモア周波数として知られ、ω票γＢで表す角周波数で与えられる。磁 気回転比γは、それぞれの核または核同位体に固有の定数であり、与えられた一 定の磁場の強度Ｂ０に対しラーモア周波数は、通常は広範囲に分離している。Ｂ は核に作用する磁場であり、Ｂ−Ｂ（１−６）に従い、核の分子環境によって修 正される。δは、局所的電子分布によって化学的に等価な核に印加される化学シ フトというずれである。特定の核または核同位体の化学シフトは、通常はｐｐｍ で測定される非常に小さな周波数の差を生じ、それによって得られるスペクトル は、試料分子に関する量的、構造的、および力学的な情報を得るために利用する ことができる。ラーモア周波数は与えられた場Ｂ０に比例するので、化学的に等 価な核の共鳴周波数は、磁場の強度に従って、試料を横切って変化することにな る。均一なり０場を得ることには技術的な困難が伴うが、高磁場を得る磁石は通 常、磁石の残留歪み、試料または検査対象の組織、あるいはＮＭＲのプローブを 構成する材料に由来する磁化率歪みの両方を打ち消すために、電子的なシムコイ ルを用いて提供される。高度に分解した試料スペクトルの獲得に先立って、通常 は、水素の陽子または池の豊富な核から得られる高感度なＮＭＲ信号を使用した 「シミング」処理を行なう。

医ｆｌＮＭＲスペクトロスコピーを行なう際には、一般的に、水素陽子（１）（ ）、リン３１（３１Ｐ）、あるいは炭素１３（１３Ｃ）のような単一の核を観測 するためにＮＭＲ装置は構成されている。リンを含んでいる代謝産物は組織の状 態を示す重要な指標であるため、組織のリンスベクトルの獲得と分析に向け、相 当な努力が行なわれてきた。リンの高感度な獲得と、ヒトの組織からの他のスペ クトルは、組織の確認と特徴付け、および治療に対する反応の追跡のために利用 されてきた。他の構成においては、通常は均一である磁場Ｂ０に、ＮＭＲ信号の 中に空間的に情報をエンコードする目的で、試料を横断するバイアスまたは勾配 を導入する。このデータに含まれる情報をもとに、その後撮影像を再構成し、医 療診断に広く用いられている手法であるＮＭＲ映像法の基砿を形成する。磁場Ｂ ０の均一性は陽子映倫の質に反映し、磁場が均一なほど発生する歪み強度が小さ くなる。

試料に送信する磁場Ｂ１は、試料に近接した位置に置かれ、ＲＦ送信装置に接続 した共鳴ＲＦコイルから最も効果的に誘導される。核の歳差運動の磁気によって コイルに誘導されるＮＭＲ信号を受信するために、同一コイルまたは第二のＲＦ コイルをＲＦ受信装置に接続することができる。勾配を印加した磁場Ｂ、におけ る化学的にシフトした核および試料から得られる自由誘導信号は、通常は核のラ ーモア周波数に同調した単一共鳴コイルによって受信する。より一様なスペクト ル測定と映像を得るためには、この受信コイルによって発生する磁場Ｂ、が、試 料全体にわたって均一でなければならない。

コイルを円偏波モードで動作させることができれば、感度を改善し、送信機出力 を低減することができることは、よく知られている。（Ｃ，−Ｎ　ＣｈｅｎＳＤ 、ＩＨｏｕ　ｌ　ｔ、Ｖ、Ｊ、５ａｎｋ、Ｊ、Ｍａｇｎ、Ｒｅ５ｏｎ、５４．３ ２４−３２７　（１９８３）を参照）。単純な共鳴コイルによって生じるような 直線的に振動する磁場は、振幅が等しい二つの円偏波成分の和として与えられる 。同様に、十分に絶縁した２個の単一同調交差コイルの直線的に振動する磁場、 あるいはのちに記述する「鳥かご状」コイルのようなマルチモード構造の十分に 絶縁した基底モードを、位相をずらして組み合わせることによって、核の歳差運 動に一致する単一の円偏波磁場を発生することができる。円偏波コイルは、二つ の共鳴回路を同調させることが必要な交差コイル二重同調プローブと類似してい る。しかし後で示すように、同じ周波数にするには、独立して動作させるために 高度な電気的絶縁を必要とするという点で後者は異なっている。

従来の「鳥かご状」コイルでは、コイルの直線状導体の中に正弦曲線状に分布し た電流によって、コイル軸に対して垂直な平面内での均一性を改善することがで きる。直線状導体の長さが有限であることと、端部のリングに流れ込む電流が、 コイル内部の磁場の不均一性の原因となる。コイル長を延長することによって直 線状導体の長さが増し、さらにコイルの中心から端部のリングが遠ざかるので、 コイル軸に平行な均一性の改善が得られる。しかし、コイルの延長によってコイ ルの感度が低下するという矛盾が存在する。本発明の共鳴器は、コイル内の電流 を再分布し、これらの電流を両端にある二つの導体のバンドに集中させる。それ によって、コイルの長さを延長することなく、縦軸方向に沿った領域と、その内 部におけるＢ１の均一性を向上させる。コイル軸に関して正弦曲線状の分布を維 持することによって、コイル軸に垂直な平面での均一性を維持する。

したがって本発明の目的は、コイル軸に沿った領域と内部に、より均一な磁場の 形状を提供するために、コイルの外側バンドに電流を集中させるＲＦ共鳴器を提 供することである。

本発明のもう一つの目的は、コイル軸と垂直な平面に十分均一な磁場Ｂを提供す るために、コイル軸に対して正弦曲線的に電流が分布するＲＦ共鳴器を提供する ことである。

本発明のまたもう一つの目的は、関心の対象である体積にわたってＳＮ比を向上 させだ円偏波動作が可能なＲＦ共鳴器を提供することである。

本発明のさらにもう一つの目的は、コイルを構成するために複数の導体を使用し 、与えられたあらゆるＮＭＲ周波数の中の−っに対してコイル全体が共鳴するよ うに外側のバンドに沿って同調用コンデンサーを分布させたＲＦ共鳴器を提供す ることである。

発明の概要 本発明は、与えられたあらゆるＮＭＲ周波数において円偏波モード（空間的に直 角）での動作が可能な体積共鳴器を提供することを主要な目的としている。

本発明の共鳴器の利点は以下のように要約することができる。

（１）コイルの外側構造に集められた電流によって、コイル中央の縦軸方向に沿 った領域とその内部のＲＦ磁場Ｂ、の均一性を高め、コイルの末端近くで急峻に 減衰する磁場を提供する。

（２）共鳴器の全体にわたって外側構造と強力に結合した内側構造の中の電流が 、外側構造と同じ正弦曲線分布に従い、それによってコイル軸に垂直な平面内に 均一な磁場の一部が内側構造を横切って流れることを可能にする。

（４）円偏波モードで動作させたときに共鳴器から受信した信号の感度またはＳ Ｎ比を向上させる。

（５）共鳴器を円偏波モードで動作させたときに必要とする送信器出力を低減す る。

このように、これらの共鳴器は、臨床および高磁場の調査環境の両方で有効とな る。

臨床ＮＭＲでは、全身ＮＭＲ装置での身体用コイルとしてこれらの共鳴器を利用 することができる。本発明の共鳴器はまた、ヒトの頭部および人体四肢の映像撮 影と分光学的研究用に設計することもできる。この共鳴器は、高磁場の調査環境 では、動物研究や体積の大きな試料、特に細胞と組織に血液が潅流している、動 物の　ｉｎ　ｖｉｖｏ　での調査といった従来からの研究に使用することが期待 される。５ｍｍおよび１０ｍｍの試料管を使用する規模を縮小した設計も有効で ある。さらに最新の適用としては、現在得られる６００Ｍｈｚの装置のような最 も高いレベルの高磁場、高解像度スペクトロスコーププローブでの適用が期待で きる。

さらに具体的には、本発明はＮＭＲで使用するほぼ円筒形状のＲＦ体積共鳴器に 関連するものである。本共鳴器のコイルは、４つのリング状の高周波電流経路を もつ。本コイルはまた、それぞれの組が互いに等間肩で配置されたほぼ平行な３ 組の経路をもつ。

隣接した経路と隣接したリングは、それによって電流閉回路を形成する。平行な 各経路の中のそれぞれの外側閉回路には少なくとも一つの独立したコンデンサー が配置され、導体の固有インダクタンスを含む各閉回路のインダクタンスとの組 み合わせによって、共鳴周波数閉回路を形成する。しかし、いずれの内側閉回路 もコンデンサーを含まないようにコンデンサーを配置しているため、それぞれの 内側閉回路は単独では共鳴周波数をもたない。

図 本発明をさらによく理解するために、以下の図面に対し引例を設けた。

図１は、先行技術のローパス型鳥かご状コイルの部分展開図である：１］２ａは 、本発明に従う１６セグメント、４リング式ローパスＲＦ共鳴器の好ましい物理 的実施例の透視図である。

＠２ｂは、図２８の共鳴器を回路図として同様に描いた図であるが、コンデンサ ーの配置と入力／出力結合部を示す； 図３ａは、独立して動作することが可能な外側のローパス体積共鳴器の一つの、 コンデンサーを検討するために示した図式的な図である；図３ｂは、図３８のコ ンデンサーを含む円筒状共鳴器のメツシュの等価回路の展開図の一部である： 図３０は、図３ｂの回路の個々の反復回路ユニットを描いた図である；図３ｄは 、図３８から３０の回路の周波数応答に対する反射出力を、図３８に示した共鳴 器のローパス部分上に配置された結合誘導閉回路について描いた図である：図４ ２は、図２ｂに図式的に示した全ＲＦ体積共鳴器の、構造内の全コンデンサーを 含む等価回路の展開図の一部である： 図４ｂは、図４ａ（Ｄ回路の個々の反復回路ユニットを描いた図である；図４ｃ は、図４ａ、！−図４ｂの回路の周波数応答に対する反射出力を、一つの外側構 造上に配置された誘導結合について描いた図である；図４ｄは、共鳴器中心部に 配置された誘導結合閉回路を用いて、同一の回路の周波数を描いた図である。

図５８は、２２ＭＨｚ付近で動作可能な二つのローパス共鳴器のうちの第一の共 鳴器の、二つの線形なに一１モードの配向を示す図である；図５ｂは、２２ＭＨ ｚ付近で動作可能な第二のローパス共鳴器の、二つの線形なに一１モードの配向 を示す図である。

ｍ６ａは、２２ＭＨｚ付近で動作する本発明の共鳴器の逆回転基底モードの配向 を示す囚である： 図６ｂは、２５ＭＨｚ付近で独立して動作する本発明の共鳴器の同一＠転基底モ ードの配向を示す図である。

図７ａは、外側構造の一つの線形モードの正弦曲線状に分布した逆回転電流と、 二つの外側構造の間の電流によってその中に内側構造を横切って同じ極性で発生 した電位を描いた図である。

図７ｂは、外側構造の一つの線形モードの正弦曲線状に分布した同一回転電流と 、内側構造の導体部分を電流が流れることを可能にすることによって、内側構造 を横切ってその中に反対の極性で発生した電位を描いた図である：図８２は、点 線で示した先行技術のコイルと、実線で示した本発明の共鳴器のＺ軸に沿った正 規化したＲＦ磁場Ｂを描いた図である。

１Ｗ８ｂは、点線で示した先行技術のコイルと、実線で示した本発明の共鳴器の Ｘ軸、Ｙ軸に沿った正規化したＲＦ磁場Ｂ＠描いた図である；図９は、本発明の 好ましい物理的なコイル形状を平面状に展開した表現で描き、好ましい実施例で 利用する取付は支持部を示す囚である、図１０は、以下の図との直接の比較を提 供する、図２ｂと図９の好ましい実施例の回路の部分的な展開図である： 図１１は、４リング式単一端バイパス体積共鳴器と呼ぶことができる本発明の共 鳴器の平面状に展開した実施例を部分的に描いた図である：図１２は、４リング 式バンドパス体積共鳴器と呼ぶことができる本発明の共鳴器の平面状に展開した もう一つの実施例を部分的に描いた図である；そして１１Ｎ１３．１ｇ１４およ び図１５は、本発明の別の回路構成の実施例を示す、図１ｏと同様な部分的な展 開図である。

先行技術 従来の方法により与えられた磁場Ｂ０は、ＮＭＲのＺ−の方向を向いており、ま たその方向に限定されていると考えられる。単純な共鳴回路の一部であるＲＦコ イルは、同相で振動する１種類の電流分布をもち、試料の各点に線形に偏波した ＲＦ磁場Ｂ１を発生する。与えられた磁場Ｂ０を横切るＢ１の線形に振動する成 分Ｂ１□は、送信の間、既定の方法で核を駆動させる。同様に、相反性原理によ りコイルは、Ｂ１□の大きさによる重みが加わった形状をもつ、試料の核からの 信号を受信する。（Ｄ、１．ＨｏｕｔとＲ，Ｅ。

Ｒｉｃｈａｒｄｓ、Ｊ、Ｍａｇｎ、Ｒｅ５ｏｎ、２４．７１−８５　（１９７６ ）を参照）。

すでに述べたように、与えられた磁場Ｂ０を横断する円偏波磁場Ｂ、を試料の中 に生じるようなコイル構造を使用することによって、ＮＭＲプローブの送信効率 の向上を得ることができる。次にわれわれは、一つの高周波ポートによってそれ ぞれを独立に操作できるような、空間的に直交する二つの線形に振動する磁場Ｂ １を、試料領域の中に発生することができるコイル構造について考察する。線形 に振動する磁場の中では、送信器出力は左回りおよび右回りの円偏波の間で等分 に分れている。これらの偏波のうちの一つのみが核の歳差運動に一致するので、 単一の偏波を直接発生させることによって、必要な゛送信器出力を半分に低減す ることかできる。相反性により、試料から検知された信号も同様に２倍になる。

一方、それぞれの線形偏波を検知するために使用する二つの線形チャネルからの ノイズには相関性がないので、足し合わされても２の平方根、例えば直角ハイブ リッドの範囲内で増大する。したがって、円偏波コイルを使用することによって 、２の平方根での感度の正味の増大を得ることができる。

円偏波コイルの簡単な実施例は、２（１ｔの同一な円形リング状コイルを共通の 開始点に配置し、互いに対して９０度の方向に向けたものである。電気的な位相 を９０度ずらした二つの送信信号を各単一同調コイルのそれぞれのポートに適用 すると、二つのコイルの中央部に単一の円偏波が発生する。同じ方法で、コイル の各ポートからの自白誘導信号を直角に結合するか、あるいは９０度ずらせば、 試料からは単一の偏波のみが検出される。円偏波コイルの他の実施例は、その外 観から「鳥かご状」と呼ばれている共鳴器である。　（Ｃ，Ｅ、Ｈａｙｅｓら、 Ｊ、Ｍａｇｎ、Ｒｅ５ｏｎ、６３．６２２−６２８（１９８５）と合衆国特許Ｎ ｏ、４．６９２，７０５と４，６９４．２５５を参照）。

インダクタンス−コンデンサーが分布したこの型に特徴的な構造は、多くの電気 的なモードをもっている。−次電気モード（ｋ＝１）を含む、この共鳴器のほと んどのモードは、コイル内部に、はぼ同じ周波数で発生する線形に振動する空間 的に直交した二つのモードをもつ。　（Ｊ、Ｔｒｏｐｐ、Ｊ、Ｍａｇｎ、Ｒｅ５ ｏｎ、８２．５ｌ−６２（１９８９）を参照）。これらのモードは、コイル表面 で電流が正弦曲線状に分布することによって、試料を横断する均一な磁場Ｂ１を 提供する。（Ｈｉｎｓｈａｗ特許、Ｎｏ。

４．４３９，７３３．　も参照）。

整合回路はそれぞれの電気モードとしか結合しないということは、非常に重要で ある：与えられたポートと両方の電気モードとの結合は、結合の相対的な極性に 従って、送信器または受信機のどちらかの能率を急速に低下させる。結合ポート の間で測定した電気的絶縁度は、各ポートがその指定された（ｋ−１）モードと のみ結合する程度の尺度となる。コイルの表面に取り付けられた可変コンデンサ ーは、空間モードを回転させ、揃えるために使用する。この共鳴器の円偏波モー ドでの駆動は、図２ｂに示すように入力／出力語Ｃ点を容量的に横切って、ある いはその一つを図３ａに示すように、９０度ずらして配置した結合閉回路で誘導 的に行なうことができる。モードが適切に揃うと、ポートはそれらの各モードと だけ結合し、ポート間には高水準の電気的絶縁が実現する。整合するポート間の 弱い結合の条件のもとでは、他のポートにおける出力電圧と入力電圧の比はにＱ ／２となる。ここでには電磁結合係数で、Ｑは回路のＱである。したがって、Ｑ が高いコイルでは、電圧比を１よりもずっと小さくするためには、高水準のモー ド絶縁が必要となる。実際問題としてわれわれは、この値を０．０３　（−３０ ｄＢ）、あるいは、優れた送信器／受信器性能の場合はこれよりも大きくするべ きであることを見いだした。

図１は、鳥かご状コイルの部分平面図である。これは、閉じたリング状導体１０ および１２の対を事実上含むもので、その対は、一様な間隔を置いて配置され、 それぞれがバイパスコンデンサー１６を含む同一の接続導体１４をもつ。図１に 示したコイルは、代表的には頭部のＮＭＲ研究で利用する。コイルのｉｉ！線部 分に正弦曲線状に分布する電流のために、鳥かご状コイルの半径方向の均一性は サドルコイルに比べ、特にコイル導体に近いコイル内部のリング状領域で大幅に 向上している。（合衆国特許Ｎｏ、４゜６９４．２５５を参照）。後者の領域で の均一性は、直線部分工４の数を、例えば８から１６に増やすことによってさら に向上する。鳥かご状コイルはその直径に等しいか、あるいはそれよりも小さい 長さをもつので、コイルの縦軸に沿ったＲＦ［Ｂ、の断面は、その形状がガウス 曲線状であり、コイル中心付近の最大値から、コイル末端付近ではそのおよそ半 分にまで減衰する。コイル軸に沿ったＲＦ磁場Ｂ１の均一性は、コイルの長さを 増すことによって向上する。コイルの感度を犠牲にすれば、さらに高い磁場の均 一性が得られるが、過度に長いコイルは試料、あるいは組織、そしてコイル導体 の抵抗による大きな損失を招＜、（ＢｏｔｔｏｍＩｅｙら、Ｍａｇｎ、Ｒｅ５ｏ ｎ、Ｍｅｄ、９．３１９−３３６　（Ｌ９８８）を参照）。このコイル感度の損 失は、頭部の複数の領域から得られる信号雑音比が低いデータが、有効な情報を 提供するような、頭部の　！ｎｖｉｖｏ　でのわれわれのＮＭＲ研究では許容で きないものである。

したがって、一様な磁場Ｂ１を提供するためには、コイル構造の中の電流分布を 制御しなければならないことは明らかである。さらに、調査を受ける試料全体に わたって、コイルが適切な感度をもたなければならないことも明らかである。

発明の詳細な説明 図２ａに示し、図２ｂに図式的に示す本発明のＲＦ共鳴器の好ましい実施例は、 「４リング」鳥かご状共鳴器と呼ぶことができる。この点に関しては、１９９０ 年８月２日に出願した、われわれの同時係属出願の合衆国特許出願番号５６１， ８９８で開示したわれわれのＲＦ共鳴器にその幾何学形状がよく似ている。同じ 直径をもち、コイル軸に沿って配置され、ｒ侮かごＪの円筒の範囲を限定する同 軸の４つの導体リング５９．５６．５８．６０は、上記に列挙した目的を連成す るために必要である。この実施例は、二つの項目において好ましい、第一にそれ は先行技術と電気的に異なっており、第二にわれわれの出願番号５６１．８９８ の好ましい実施例の形状に類似した独自の形状をもっためである。形状に対応し て、図２ａに見ることができるように、好ましくは透明な絶縁材料で作られた仕 切りのある管４０の上に、コイルが支持されている。さらにこれは、患者の頭部 をその管の中に入れることができるように、十分大きなサイズで製造可能である ことが望ましい。管の円筒状の表面は、複数の長方形あるいは矩形の開口４４． ４６．４８をそなえた箔またはシート４２で覆われる。この例では、円筒の構成 要素に沿って開口が整列し、中央の開口４４はその構成要素と同じ周囲の幅をも ち、普通は端から端までの軸方向の長さが開口４６から開口４８までの長さと同 じであるが、必ずしも同じである必要はない。開口４４．４６、および４８はそ れぞれ周辺の長さが互いに等間隔になるように配列する。開口が互いに等間隔に 配置され、その大きさが同じであるだけでなく、導体部分５０．５２、および５ ４の間もそれぞれ同一である。開口４４と４６の間は周囲が連続したリング５６ であり、４４と４８の間は連続したリング５８である。外側の端部には連続した リング５９と６０がそれぞれそなわる。連続したリング５６と５８の間の細長い 部分５０は遮られていないが、細長い部分５２と５４は、コンデンサー６２と６ ４によってそれぞれ埋められた間隙によって同じように遮られている。

好ましい実施例を管状の支持体で形成される平らなシートという表現によって記 述してきたが、ワイヤ、導電性チューブ、平面導体テープあるいはそれらを組み 合わせた個々の導体要素によって導体を構成できることは、技術に精通した者に よって理解される。

図２ｂの好ましい実施例では、選別した周波数に共鳴するローパス外側構造の対 は、二つの内側リング５６．５８で区切られる非共鳴閉回路と、それらの間の導 電性セグメントによる接続５０によって分割される。導体セグメントはコイルの 縦軸に対して、および互いに平行であり、リングで区切られた円筒のまわりに均 等に配置される。内側の、均等に配置された導体リングの対と、均等に配置され たそれらを接続する導体セグメントによって形成されるコイルの部分を、ここか らは「内側構造」と呼ぶ。二つの外側共鳴構造は、内側構造と共通のリング５６ ．５８を共有する。内側リング５６．５８と外側リング５９．６０の間に伸びて いるのは導体セグメント５２．５４である。セグメント５２．５４はコイルの縦 軸に対して、および互いに平行であり、リングで区切られた円筒のまわりに均等 に配置される。コンデンサー６２．６４は導体セグメント５２．５４の中にそれ ぞれ付加される。コイルのそれぞれの「外側構造Ｊは、コンデンサー６２または ６４のうちの一つの組のみを同時に使用し、同じ数で同じ分布の、はぼ同じ周波 数で共鳴する各モードと共鳴する。内側構造の導体セグメント５０と外側構造の セグメント５２．５４は共鳴器の縦軸に対して平行であり、この実施例において は互いに一列をなしている。共鳴器に対する入力と出力の結合は、誘導性または 容量性のどちらにもすることができる。図２ｂの円偏波動作を行なう容量性結合 は、入力／出力端子６３ａまたは６３ｂあるいはその両方の場合は選別した周波 数で、入力／出力端子６５ａまたは６５ｂあるいはその両方の場合は、同じ周波 数で位相を９０度ずらして使用することによって実現する。線形偏波モードの動 作は、６３ａ、６３ｂまたは６５ａ１６５ｂのうちの一つの組のみを使用して実 現する。

図３８から図３０に示す外側構造の集中素子隻価回路のそれぞれと、図４８およ び図４０に見られる構造を結合することによって形成される複合構造を研究する ことによって、図２ｂに図式的に描いたコイルについてさらによく理解すること ができる。集中素子のインダクタンスは、添え字りを付けて表すセグメントの番 号すなわち５０Ｌ１５６Ｌ、５８Ｌ、５９Ｌ、６０Ｌとして示し、あるいはコン デンサーがセグメントを分割する例では、ＬおよびＬｏを用いて、５２．５２Ｌ ’、５４と５４Ｌとする。

１６セグメント共鳴器の構造の好ましい物理的な実施例を表す図３ａを参照する と、検討を目的として一つの端部のみにコンデンサーを配置しているが、各導体 セグメント５４の間隙を横断してコンデンサー６４が取付けられ、外側構造のそ れぞれは、ローパス体積共鳴器として独立して動作可能である。コンデンサー６ ２がない場合は、反対側の外側構造の中には電流が流れない。図３ｂは、図３８ に示す４リングロ一パス体積共鳴器の、外側共鳴構造の一つの集中素子の等価回 路である。端子へとＢを端子Ａ゛とＢ゛にそれぞれ接続することによって、外側 構造の完全な回路が形成される。ｍ３ｃに示す１６個の反復回路ユニットによっ て、はしご状回路網が形成される。誘導子６０Ｌは、各端部の導体リングセグメ ント６０を結合したインダクタンスを表し、誘導子５８Ｌは、内側構造と共有す る隣接した内側導体リングセグメント５８のインダクタンスを表す。

これらの誘導子はすべて相互に誘導性に結合している。同様に、外側構造の円筒 素子である導体セグメントと結合した誘導子５４Ｌおよび５４Ｌ°は、相互に誘 導性に結合している。図３ｂの回路網は、従来のローパスフィルターの回路網と 反復回路ユニットが類似していることから、「ローパスコ構造と呼ぶ。与えられ た周波数における反復回路素子を通る電圧は、Δθだけ位相がずれる。図３ｂの コイルは、端子Ａ−Ａ’　と端子Ｂ−Ｂ゛の間の累積した位相のずれが、２πラ ジアンの整数倍であるときのみ共鳴する。すなわち、Ｎ個の支柱のコイルでは、 ＮΔθ＝に２π、となる。ここでＮ／２≧に≧１である。図３ｂ（７）構造は「 前進波」送信ラインと等価であり、図３０の各回路ユニットでは、周波数の増大 に応じてΔθの位相のずれの増大を示す。したがって、ｌＮ５ｄに反射出力の測 定結果を示したように、高い周波数の位置に対応して高次のモードが発生する。

図３ｄを参照すると、コンデンサー６４の一つを中央におき、その上に配置した 直径８ｃｍの誘導閉回路６７を使用して、この１６セグメントローパス構造８つ のモード８１．８２．８３．８４．８５．８６．８７．８８を測定した。Ｙ軸は 、インピーダンスブリッジとＨｅｗｌｅｔｔ−Ｐａｃｋａｒｄのネットワークア ナライザー４１９５Ａを使用して測定した、閉回路からの反射出力である。コン デンサー６４の値は約１２７ピコフアラツドであった。これらのモードの中で、 ｋ＝１のモードのみが均一なＲＦ磁場をコイルの中央領域に発生する。ｋ＝１の モード８１は直交モード、すなわち、一般に二つの直交するモードあるいは独立 に動作するモードで構成され、コイルの導体素子の中にそれぞれコイル軸Ｊこ関 して正弦曲線状および余弦曲線状の電流分布を発生するモードである。後者はそ れぞれ二つの線形に振動する垂直な磁場Ｂ、をコイル内部に発生する。

高次モード（ｋ＞１）は不均一なＲＦ磁場を発生し、それらのすべては図３８の コイル中央で振幅がゼロになる。コイル軸に関してＮ倍の対称性をもつ理想的な 共鳴器、すなわち、等しい大きさの容量、等しい大きさをもつ等間隔で配置され た導電性セグメント、等しい誘導をもつ端部のリングセグメント、そして等しい 誘導をもつ内側リングセグメントをもつコイルは、ｋ＝１モードが識別不能であ り、同一の周波数で共鳴し、選択的な配向性をもたない。通常存在する僅かに非 対称なコイルでは、モードは線形で空間的に互いに直交し、選択的な配向をもち 、僅かに異なる周波数で共鳴する。図３ａに示す結合６７は誘導性で、コイルの 単一線形偏波モードとの結合に適した単一誘導性結合器である。円偏波動作のた めにコイルの両方の線形偏波モードを結合する場合、コイル軸に対して９０度離 したこのような２個の結合器を必要とする。

図４８の回路網は、ｌｆｆ１２ｂ１．：１１式的な形式で示した本発明の共鳴器 の集中素子の等価。

回路である。本共鳴器の完全な回路は端子Ａ、Ｂ、Ｃ，およびＤを、端子Ａ’　 、Ｂ”　、Ｃ’　、Ｄ’　にそれぞれ接続することによって形成される。図４ａ の複合平衡はしご状回路網は、図４ｂに示した１６個の反復回路ユニットで構成 される。すべてのコンデンサーを取付け、すべての電流経路を閉じると、本発明 の共鳴器の二つの外側構造は、付加相互インダクタンスと付加回路接続を経て接 続する。内側構造は、それぞれの外側構造と、共通の内側リングセグメント５６ および５８を共有するので、内側構造とそれぞれの外側構造の間の誘導性結合は 強力である。二つの外側構造は分離されているため、誘導によって相互に弱く結 合しているだけである。このことは、内側セグメント５０を切断し、連続的な方 法で二つの外側構造を励起させ、最初にコンデンサー６２を、続いて６４を取り 付けることによって確認することができる。第二の外側構造を励起すると、２２ Ｍ）（ｚの共鳴周波数の位置に、１Ｎ３ｄの結合した外ｇＩＪ構造のに一１モー ド８１の僅かな周波数（０，６ＭＨｚ）のスプリッティングが観察された。下記 に示すように、二つの外側構造のさらに強い結合が、導電性内側セグメント５０ を通して発生する。

この型の複合体積共鳴器のための正規な分析理論は存在しない。しかし、以下に 記述したものは、その動作の一般的な性質と、独自の共鳴器を測定することによ るこれらの性質の説明である。図３ｄのモードは、外側構造の中の一つを励起す ることによって観察した。両方の外側構造のコンデンサー６２および６４に１２ ７ピコフアラツドの値を与えたときに、１６個の別々の共鳴を観察した。これら の共鳴は、図３ａに示すような同一の誘導性結合閉回路６７によって観察した。

下記で説明するように、これらの１６のモードの中の８１．８２．８３．８４． ８５．８６．８７．８８の８つのモードを「逆回転」モード、他の８つのモード ９１，９２．９３．９４．９５．９６．９７．９８を「同一回転」モードと呼ぶ 。ｅ３ｄのモードの位置と図４ｃのものを比較すると、外側構造を励起すること の効果は、逆回転に＝１モード８１と逆回転に一２モード８２の周波数を僅かに 低い方へずらすことである（０．２ＭＨｚ）；逆回転のに−３からに＝８モード ８３．８４．８５．８６．８７．８８は、はとんど影響を受けていない。

図４ｄは、４リングローパス共鳴器を、図示していない同一の誘導性閉回路６７ で完全に励起したときの周波数に対する反射出力応答を示すグラフである。体積 共鳴器の中央では、ただ一つのモードである同一回転に＝１モード９１が観察さ れた；このモードのめである。

図３ａに示した形のコンデンサー６２または６４のうちの一つの組を使用して外 側構造の一つを励起すると、図５ａに示すように、ｋ−１モードの対はその固有 の選択的な配向をもつ。この配向は、コイル軸に関するコイルの対称性を乱す、 容量性素子と導体の小さな変化を反映する。第一の外側構造のコンデンサーを取 り除くと、指定された位置に取り付けた第二のコンデンサーの組によって、第二 の構造もまたそのに＝１モードの選択的な配向をもつ。両方の外側構造にコンデ ンサーを取付け、内側構造の導体５０を再接続すると、ｍ６ａと図６ｂに示すよ うに、それぞれの外側構造のに＝１モードの対は過結合し、配向が固定する。配 向が固定することで、コイルの延長にわたる新しいモードの対が形成される。外 側構造は互いに協力して動作するので、図６３と１ｇ６ｂでは、二つのに一１モ ード対だけを描いている。内側結合を介した過結合は、単純な共鳴回路とまった く同じ方法で、新しいモードの周波数スプリッティングを引き起こす（下記のＭ 、Ｄ、５ｃｈｎａｌｌらを参照）。この新たなに一１モード対の周波数スプリッ ティングは、図７ａと図７ｂにそれぞれ示すように、半径方向に同一な配向と正 弦曲線状の電流分布をもつ。

図７８のモードは、それぞれの外側構造の電流が反対の向きをもつことから、逆 回転に一１モードと呼ぶ。右手の法則によれば、コイル内に生じるＲＦ磁場は反 対の方向をもつ。これらのモードのＲＦ磁場は、ＲＦ強度の縦軸に沿った線形の 勾配を生じ、その結果、コイル中央ではＲＦ磁場の強度はゼロになる。このＲＦ 磁場の勾配は、Ｚ軸方向に空間的な選択性を提供することで、回転フレーム実験 において有効性をもつことができる。図７ａに示すように、それぞれの外側構造 の電流の向きもまた、内側リングセグメント５６および５８を横切る正味の電圧 を発生しないようになっている。したがって、内側構造の結合インダクタンス内 に流れる電流がないので、図４０の逆回転に＝１モード８１は、図３ｄに示す内 側導電性セグメント５０を切断した絶縁された共鳴外側構造のに一１モードに非 常に近い共鳴周波数をもつ。図７ｂのモードは、それぞれの外側構造の電流が同 じ方向であり、右手の法則によれば、コイルに生じるＲＦ磁場が同じ方向である ため、同一回転に＝１０−パスモードと呼ぶ。図７ｂに示すように、それぞれの 外側構造の電流の向きは、内側リングセグメント５６および５８を横切る協調的 な電圧を発生し、その電圧が内側構造の内側セグメント５ｏの中に電流の流れを 引き起こすようになっている。内側構造のセグメント５０内部のメツシュ電流の 強度は、外側構造のものよりは小さいが、それは、内側構造は外側構造を結合す るためだけにはたらくが、外側セグメント５２および５４の電流と同じように正 弦曲線状の強度分布を内側構造カイもっためである。内側構造を通じて流れる電 流の効果は、縦軸方向に沿った領域と縦軸内の領域のＲＦ磁場の均一性を向上さ せることである。内側構造の効果は、外側構造の誘導性結合（容量性結合とは異 なる）を提供することなので、この同一回転に一１モード９１の周波数は、逆回 転に一１モード８１より上向き（下向きとは異なる）にずれる。

（Ｍ、Ｄ、５ｃｈｎａ　Ｉ　Ｉら、Ｊ、Ｍａｇｎ、Ｒｅ５ｏｎ、　、６７．１２ ９−１３４（１９８６）を参照）。この実施例では、リンの核の同一回転に一１ モード９１を、ｌ。

５テスラの静磁場Ｂ。での共鳴周波数である２６ＭＨｚで共鳴させるためには、 コンデンサーを約１２５ピコフアラツドにするべきであることをわれわれは見い だした。逆回転モード８Ｌは、２２ＭＨｚの周波数をもっことを見いだした。

均一な磁場Ｂ１は、送信中のさらに一様な駆動角分布を発生し、また相反性によ り、さらに一様な受信応答性を引き起こす。正弦曲線状に分布した直流電流が円 筒の表面およびその縦軸に平行に流れると、円筒内部のコイル軸を横切る方向に 完全に一様な静磁場を発生することがよく知られている。円筒の表面に等間隔で 配置され、固定された長さをもつ直線状導体内に正弦分布した電流を用いて、鳥 かご状共鳴器はこの連続したＲＦ周波数の表面電流分布に近付ける。端部の導電 性リングの間の導電性セグメントの数を増やすことによって、コイルの縦軸ある いはＺ軸に関して半径方向に均一性が向上する。

好ましい実施例では、直径２７ｃｍの円筒を使用して、ヒトの頭部が占める領域 全体にわたるＲＦ磁場の均一性を提供するために、１６セグメントのコイルを選 択した。

先行技術のコイルのＺ軸に沿った磁場Ｂ、１０２は、図８ａに示すように、ガウ ス曲線状の形状と、コイル端部付近で最大値の約半分に低下する性質をもつ。コ イルの長さを延長すれば、非常に長いコイルの効果に近付けることで、コイルの 軸方向の均一性の向上が得られる。しかし、コイルの長さを極端に、すなわち直 径の長さを大きく超えて延長すると、コイル内での感度（単位体積当たり）が低 下するという矛盾が存在する。

（上記のＢｏｔｔｏｍｌｅｙらを参照）。図７ｂに示すように、本発明の共鳴器 はコイルの外側構造に電流を集め、それによってコイル端部までＢ、磁場の強さ をさらに広げることに寄与している。少量の電流が内側構造を通して流れ、コイ ル軸に沿った中央領域での磁場の強さを維持する。それによって、コイルの長さ を延長することなく、図８ａに磁場Ｂ、１０１で示すように、コイルの縦軸方向 に沿った領域とその内部における均一性か向上する。外側構造および内側構造の 両方の電流はコイル軸に関して正弦曲線状に分布し、また電気的には互いに同相 で分布する。Ｎセグメントの４リング共鳴器のそれぞれの外側構造の直線セグメ ントの電流は、次の式で与えられる。

ここでｎ−０，１，２、・・・、Ｎ−１は導電性セグメントの数を表し、誘導性 駆動６７はｎ＝Ｑ導電性セグメントの中央に配置し、■。は定電流である。（上 記のＪ。

Ｔｒｏｐｐを参照）。同様に、陰部の導電性リング５９およびａＯＬｖ電流は向 きが逆であり、その大きさは次の式で与えられる。

内側の導電性セグメントは外側構造に対して強く結合するようにはたらくので、 外側導電性セグメント５２．５４を流れる電流の割合ｐは、内側導電性セグメン ト５ｏのそれぞれを流れる。したがって、内側セグメント電流は次の式で与えら れる。

したがって、内側導電性リング５６．５８を流れる電流は外側リングよりもその 大きさが小さい。次の式によって与えられる。

この電流はコイル軸に関してそれぞれの外側リングとは反対の極性または反対の 向きに流れる。図８８と図８ｂに描いた円偏波磁場１０１および１０３は、それ ぞれ係数をｐ−０，２５と仮定してシミュレートしたものであり、動作している コイル（コイルの直径−２６，７ｃｍ、内側構造長−外側構造長−６，３３ｃｍ ）の磁場測定によって確認したＺ軸の図を提供する。図８８と１ｇ８ｂに描いた 磁場１０２および１０４はそれぞれ、同一の直径をもち、４リング共鳴器と同じ １９ｃｍの長さをもつ従来の２リング式鳥かご状共鳴器に対してシミュレートし たものである。１Ｎ８ｂの円偏波磁場の図はＸ方向またはＸ方向に有効であり、 平均的な頭部が占めるおよその領域である、コイル直径の７０％の範囲にあるコ イル中央の磁場の数値とほぼ同じ偏差（±２０％）を示す。頭部が占めるほぼ球 形の体積における偏差は、これより大きくはない。図８ａと図８ｂに示す磁場の 図Ｌｏｔおよび１０３はそれぞれ、従来の鳥かご状共鳴器の１０２および１０４ に比べ、コイル中央領域において非常に平坦な形状を示している。コイル軸に沿 った領域とその内部における同等の均一性を得るためには、従来の共鳴器の場合 、４リング式の共鳴器よりも十分に長いものを使用しなければならないことを、 この図表が示している。

＠９は、図２ａに示したコイルパターン部の一部を描いた平面展開図である。完 全に展開すると１６（ＩＩのセグメントをもつ、好ましい共鳴器を示す’ｒｌＪ ２ａの物理的形式を、頭部のＮＭＲ調査のために大きさを決めて提供した方法に ついて、これから記述する。

本発明の共鳴器のコイル構造は、次のような機械的な段階を経て構成される。コ イルは、はとんどの頭部および鼻の大きさの収容に十分な大きさである、外径２ ６．７ｃｍ（１０５インチ）のルーサイトの円筒に取り付けるように、機械的に 設計されている。

二つの外側導電性リングの中心同士の全長は１９ｃｍであり、内側の二つの導電 性リングの間の間隔は６．３３ｃｍである。導電性コイルの構造には、０．００ ２１インチの厚みをもつ電気的Ｉこ純粋な銅の平坦な金属板を使用した。銅板を 高精度のフライス盤に載せ、内側構造と二つの外側構造のメツシュの開口を切り 取った。内側と外側構造の隣接する各メツシュの間の許容誤差を大きく低減させ るために、高精度フライス盤を使用した。内側構造および外側構造のどちらも、 図９に示すように、導電性セグメント５０．５２．５４とリングセグメント５６ ．５８および５９．６０の輻が０．５インチになるように切り取った。図９の外 側のリングセグメントの間隙５５は、それぞれの構造を調整するための適切な値 のコンデンサーを取り付けるスロットを表す。３枚の別々の銅金属板のうちの２ 枚で外側構造の半分を形成し、他の１枚が内側構造全体と外側構造のそれぞれの 半分を含むが、次にこの銅板を、１ｅｘａｎ支持体７０および７２と、ルーサイ ト円筒４０に固定したナイロンねじ７４を使用して、外径１０．５インチ、壁厚 ０゜２５インチのルーサイトの円筒に取り付けた（図２ｇ）。図９に見られるよ うに、帽の広い長方形の支持体７０が上方の導電性メツシュを保持し、ストリッ プ７２がセグメントを正しい位置に保持するが、これらはナイロンねじ７４によ って補強した。同様に、外側構造セグメントを長方形ストリップ７２によって保 持し、二つのナイロンねじ７４を用いて補強した。共鳴器の内側の円筒状の体積 にその一部が入ることがないように、ナイロンネジの長さを調整した。

端子Ａ、ＢＳＣ，およびＤを端子Ａ’　、Ｂ’　、Ｃ’　、およびＤｏに電気的 に接続し、４つの導電性リングが連続するようにした。１．　５テスラの静磁場 Ｂで共鳴するように共鳴器を調整し、線形モードを駆動点に揃えた。適切で同一 な値のコンデンサーを二つの外側構造のスロットに配置し、結合した外側構造を 選択した周波数に同調させた。４つの同一回転線形モードのそれぞれを同調させ るために、小さな値のトリマコンデンサーを外側構造の固定コンデンサー６２お よび６４を横切るように、それぞれの線形モードの列に対応する場所に加えた。

付加した小さな値のトリマコンデンサーは、絶縁の調整あるいはモードの調整の ために、同調コンデンサーのそれぞれの側に４５度の角度で付は加えた。

図２ｂの共鳴器への出力と共鳴器からの受信信号を結合するためには、容量性と 同様、従来の誘導性閉回路結合法を使用することができる。誘導性閉回路の取付 は構造は共鳴器の外側に一体化し、個々のヒトの頭部に対する適合性とモード絶 縁を考慮して通常の方法で設計した。直径２６．７ｃｍ、長さ１２．５ｃｍで２ ６ＭＨｚｌ：ｍ整したリンの鳥かご状共鳴器のために、コンデンサー６６への容 量性結合を使用する遠隔調整およびモード位置合わせの構成を開発した。（Ｊ、 Ｍｕｒｐｈｙ−Ｂｏｅｓｃｈら、要約：５ｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　Ｍａｇｎｅｔｉ ｃ　Ｒｅ５ｏｎａｎｃｅ　ｉｎＭｅｄｉｃｉｎｅ、Ｅｉｇｈｔｈ　Ａｎｎｕａｌ 　ＭｅｅｔｉｎｇＳＶｏｌ、２、ｐ。

９４４．５ｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒｅ５ｏｎａｎｃｅ。

Ｂｅｒｋｌｅｙ、ＣＡ、１９８９を参照）。同様な構成をコイルに対する差動容 量性結合に使用することができる。

次に図１０．１３．１４および１５を参照すると、上記に示し、考察した本発明 の共鳴器を提供することができる別の方法を示していることがわかる。図１Ｏは 、リング５６と５８を内側リングとしてもち、リング５９と６０を外側リングと してもつ４リング導体構造を表す。すべての図に描かれているように、リングは その一部分だけが図示されており、端子ＡとＡ’　、ＢとＢ’　、ＣとＣｏ、そ してＤとＤｏを接続することによって、それらのリングが実際のリングとして閉 じることが理解される。図１Ｏ１１３，１４、および１５に示すそれぞれの共鳴 器の構成は、共通のリング構成をもち、図１３の指示子が添え字ｒａＪをもち、 図１４の指示子が「ｂ」、図１５の指示子が「ｃ」をもつことを除いて、それぞ れ同一のリング指示子をもつ。図１Ｏでリングを相互接続しているのは、共鳴器 の軸にほぼ平行なセグメントである。セグメント５２はリング５６と５９を相互 接続する。セグメント５４はリング６０と５８を相互接続し、セグメント５０は リング５６と５８を相互接続する。リングの場合と同様に、対応するリングを互 いに接続している、リング間の相互接続セグメントには同じ番号の指示子が与え られているが、図１３では添え字「ａ」、図１４では添え字「ｂ」１図１５では 添え字「ｃ」で示している。同様にそれぞれの軸エレメント５２はコンデンサー ６２によって遮断され、それぞれの軸エレメント５４はコンデンサー６４によっ て遮断される。

図１０．１３．１４、および１５では、コンデンサーは本来同一の経路をもち、 同じ番号の指示子で指示しているが、図１３では添え字ｒａＪ、図１４では「ｂ 」、図４５ではｒｃＪで指示する。これまでに記述した本構造の好ましい実施例 と同様、図１０に描いたように、素子５４のそれぞれのコンデンサー６４は同じ 値をもち、各素子５２のそれぞれのコンデンサー６２も同じ値をもつ。図７ｂに 描いたものと同様な同一回転の実施例ではコンデンサー６２と６４が同じ値をも つように、図１Ｏに示すこの好ましい実施例のコンデンサー６２と６４も同じ値 をもち、図１３ではコンデンサー６２ａと６４８１図１４ではコンデンサー６２ ｂと６４ｂ１図１５ではコンデンサー６２ｃと６４ｃが、これらの実施例では同 様に同じ値をもつ。

図１０，１３．１４、および１５は、全体の大きさが同一なコイルを考えたとき のシステムの融通性を示すために提供したものである。図１３は、図１０とは異 なり、セグメント５０ａが機能を果たすためには、セグメント５２ａおよび５４ ａと整然と一列になっている必要がないことを示す。個々の閉回路の中を循環す る電流は、図１０および図１３と奉賀的に同じままである。同様な大きさのコイ ルと同一の値のコンデンサーでは、図１０と図１３の構造はどちらも同じＮＭＲ 周波数に共鳴する。ｖｌＪ１４は、素子５０ｂの数が半分しかない、多少異なる 循環パターンを示す。共鳴器のすべての循環電流閉回路は同じ向きを維持するが 、同一のＮＭＲ共鳴周波数を発生するためには、興なる値のコンデンサーを必要 とする。図１４の外側共鳴器の循環電流閉回路は同じ向きを維持するが、同一の ＮＭＲ共鳴周波数を発生するためには、僅かに興なる値のコンデンサーを必要と する。

３つの図は、池の点に加えて、図１Ｏまたは図１３のようなセグメントの再配置 が運転性を無効にしないことを示す。図１５に示すように、相互接続するセグメ ントの数を内側共鳴器と外側共鳴器で変えることもできる。好ましい実施例に記 述した共鳴器は、それぞれの共鳴器のバンドに１６個の接続セグメントを含んで いた。図１５の外側共鳴器は僅か８個しか含んでいない。８個よりも１６個使用 することの方に利点があるが、１ｍ１５の構造は十分優れた動作を行なう。理論 では、本構造が円偏波モードで動作可能であるためには、隣接したリング状経路 のそれぞれに接続された少なくとも４つの、はぼ平行な高周波電流経路が必要で ある。はとんどの場合、このような経路の数を増やすことによって８１の均一性 を向上させることができる。しかし、運転性のためには（ずれにしても、リング のそれぞれの対を接続するこのような経路が最低でも４本は必要である。

選択的に、コンデンサーをリングセグメント５９と６０に移動して、外側バンド を単一端のバイパスにすることが可能である。

図１１と図１２は、図１０の構造の変形についても示している。本発明に従って コンデンサーを外側閉回路の中に配置することが可能であるが、リング５６と５ ８の間の内側閉回路に含めることはできない。図１１は、上記で記述した二つの 単一端のバイパス共鳴構造を示している。図１１では、対応する部分の接頭部と して１００を付けて示しているが、コンデンサー１６２と１６４はそれぞれ、平 行な導電性エレメント１５２と１５４の間の、外側リング１５９と１８０にそれ ぞれ配置している。

２７０と２７２を図１０と対応する位置にもっている。したがって、これはロー パスと単一端バイパスの組み合わせをもつが、それぞれの外側構造に対し、単一 端バンドパス共鳴器を互いに発生する。端部の導電性リング２６２．２６４は同 じ値をもつコンデンサーによって提供され：導電性セグメント２５２．２５４の 中のコンデンサー２７０．２７２は同じ値であるが、導電性の端部のリング２６ ２．２６４の中のものとは異なっている。

１ｍ１Ｏの共鳴器が二重周波の同一回転構造であれば、コンデンサー６２および ６４はコイルに関して同じ値をもたないが、好ましくは対応する直線状セグメン トと同じ数値をもつ。選択的には、それぞれの外側構造を、異なる核のための場 合のように大きく分かれた周波数に同調させ、さらに線形または円偏波モードの どちらでも駆動することが可能である。しかし、この動作モードは、試料の共通 の領域にわたる均一な磁場Ｂを提容量のｃｏｓ２φ変動を平均容量値に重ね合わ せるといった方法によって、単一同調の鳥かご状共鳴器の反対側のコンデンサー を慶大させ、最初のコンデンサーと直角な位置にある同じ側のコンデンサーを低 下させると、太き（分離した周波数に同調する二つの直交する線形モードを生じ ることがよ（知られている。（合衆国特許Ｎｏ、４゜６９４．２５５と、Ｐ、Ｊ ｏｓｅｐｈとり、Ｌｕ、ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ、Ｍｅｄ。

Ｉｍａｇｉｎｇ　８．２８６−２９４　（１９８４）を参照）。コの方法を用い て、それぞれの外側構造を二つの周波数に二重に同調させることが可能である。

例えば、共鳴器の二つの線形モードを炭素−１３（Ｃ−１３）とリン−３１の周 波数に同調させることが可能である。この種類の円筒形共鳴器は、コイル内部に 同心状に置かれた円筒形の試料を横切る画周波数のＲＦ磁場が、本質的に均一で あるという利点をもつ。同様に、外＃Ｉ槽構造の各線形モードを別の周波数に同 調し、最大で４重の共鳴コイルを形成できるようにすることを意図している。こ れらの動作モードでは、コイル内部の磁場の均一性は小さい。これらのさまざま な電気モードと、楕円の２倍対称性を使用するといった、すでに記述したコイル 形状のさまざまな修正を組み合わせた共鳴器の動作は、技術に精通した者には明 らかである。

ｒｌＪ２ａと図２ｂを参照すると、内側導電性リング５６．５８が、外側導電性 リング５９．６０と同じ大きさ、形状である必要はないことがわかる。さらに、 導電性リング５６．５８．５９．６０は正確な円でなく、楕円、あるいは試料を 入れることができる他の何らかの幾何学形状にすることができる。この論法を用 いれば、導電性セグメント５０と５２．５４が直線状である必要はなく、あるい は互いに平行でまた縦軸とも平行で、等間隔に配置されている必要もないことが わかる請求める配向と共鳴器の線形モードの同調を不可能にしたり、非現実的に することがないような幾何学形状であることが必要なだけである。

本発明の数多くの修正と変更を示し、記述してきたが、さらに多くのことが明白 であることが、技術に精通した者によって理解される。請求項の範囲内のこのよ うな修正と変更のすべては、本発明の範囲と趣旨の範囲にあることを意図してい る。

ＦＩＧ、６ａ　ＦＩＧ、６ｂ に　１０　＾ ＦＩＧ、１０ ＦＩＧ、１２ ＦＩ　Ｇ、　１４ 国際調査報告 フロントページの続き （７２）発明者　シュリニヴアツサン、ラヴイアメリカ合衆国、ペンシルベニア 州 １９１０２、フィラデルフィア、＃８０２、スプルース・ストリート１５３０ （７２）発明者　カーヴアジャル、ルーカスアメリカ合衆国、ペンシルベニア州 １９０３８、ノース・ヒルズ、ジエンキンタウン・ロード　２７８０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　ＮＭＲに使用するＲＦ共鳴器であり；軸方向に同軸に分布する４つの高周波 リング状電流経路と；隣接するリング状経路のそれぞれの対を相互接続する少な くとも４つの高周波電流経路で、前記相互接続経路が通常は輪平面に配置され、 隣接する相互接続経路がリング状電流経路の接続セグメントとともに電流閉回路 を形成する前記高周波電流経路と；導電体の固有インダクタンスを含む各閉回路 のインダクタンスとの組み合わせによって、外側電流閉回路のそれぞれを遮断す る各外側電流閉回路の間に置かれた少なくとも１個の独立したコンデンサーで、 それによって各外側閉回路は共鳴周波数をもつが、各内側閉回路はコンデンサー によって遮断されていないので各内側閉回路単独では共鳴周波数をもたないよう な、少なくとも１個の独立したコンデンサーと；から構成されることを特徴とす る、ＮＭＲに使用するＲＦ共鳴器。 ２　４象限すべてにわたる軸対称性をもつことを特徴とする、請求項１に記載の ＲＦ共鳴器。 ３　軸に垂直な中央平面の両側に対称性をもつことを特徴とする、請求項１に記 載のＲＦ共鳴器。 ４　軸に垂直な中央平面の両側に対称性をもつことを特徴とする、請求項２に記 載のＲＦ共鳴器。 ５　リング状電流経路のそれぞれの対を相互接続する電流経路が互いに等間隔に 配置されていることを特徴とする、請求項４に記載のＲＦ共鳴器。 ６　すべての２つのリング状電流経路間の閉回路のコンデンサーが本来同じ値を もつことを特徴とする、請求項５に記載のＲＦ共鳴器。 ７　４本のリング状電流経路のみを使用し、外側閉回路のコンデンサーの値が２ 個以下であることを特徴とする、請求項６に記載のＲＦ共鳴器。 ８　ただ１個の値のコンデンサーを使用することを特徴とする、請求項７に記載 のＲＦ共鳴器。 ９　内側構造単独では非共鳴であり、それぞれのリングの間の軸方向外側にある 電流閉回路が、内側リングの間の高周波電流経路を介して結合し、一つのＮＭＲ 周波数に同調されていることを特徴とする、請求項８に記載のＲＦ共鳴器。 １０　線形偏波モードまたは円偏波モードのどちらか一方で一つのＮＭＲ周波数 で駆動することができることを特徴とする、請求項９に記載のＲＦ共鳴器。 １１　それぞれのリングの間の軸方向に外側の電流閉回路が逆回転電流分布をも つことを特徴とする、請求項９に記載のＲＦ共鳴器。 １２　逆回転電流分布が共鳴器の中央部で容易に感知できるような磁場ＢＩを軸 方向に発生しないことを特徴とする、請求項１１に記載のＲＦ共鳴器。 １３　逆回転電流分布が共鳴器の中央部で磁場Ｂ１の中に高度に線形な勾配を軸 方向に発生することを特徴とする、請求項１１に記載のＲＦ共鳴器。 １４　軸方向外側の電流閉回路の中の同一方向回転電流分布がコイル全長にわた る電流分布を内側閉回路と結合して発生することを特徴とする、請求項９に記載 のＲＦ共鳴器。 １５　同一方向回転電流分布が十分均一なＲＦ磁場Ｂ１を共鳴器中央部に発生す ることを特徴とする、請求項１４に記載のＲＦ共鳴器。 １６　外側構造が集中した正弦曲線状の電流分布をもち、それがコイルの軸方向 に沿った領域とその内部に高度に均一なＲＦ磁場Ｂ１をコイル長を延長すること なく発生することを特徴とする、請求項９に記載のＲＦ共鳴器。 １７　軸方向に反対側にある共鳴器の端部のそれぞれの外側電流閉回路に異なる 値のコンデンサーを使用することを特徴とする、請求項７に記載のＲＦ共鳴器。 １８　線形偏波モードまたは円偏波モードあるいは上記を組み合わせたもののい ずれかによって最大２種類までのＮＭＲ周波数で共鳴器を駆動することができる ことを特徴とする、請求項１７に記載のＲＦ共鳴器。 １９　外側閉回路のそれぞれのコンデンサーが異なる値をもつが、共鳴器の反対 側端部の対応する外周位置のコンデンサーは軸に垂直でコイルの中央部を通る鏡 面に対する鏡像分布をもち互いに等しいことを特徴とする、請求項５に記載のＲ Ｆ共鳴器。 ２０　内側構造単独では非共鳴であり、軸方向外側の閉回路は２種類のＮＭＲ周 波数に同調され内側閉回路の高周波電流経路によって結合されていることを特徴 とする、請求項１９に記載のＲＦ共鳴器。 ２１　２種類のＮＭＲ周波数で共鳴器を線形偏波モードで駆動することができる ことを特徴とする、請求項２０に記載のＲＦ共鳴器。 ２２　軸方向外側の電流閉回路内の２つの同一方向回転電流分布がコイル全長に わたる電流分布を内側閉回路と結合して発生することを特徴とする、請求項２０ に記載のＲＦ共鳴器。 ２３　同一方向回転電流分布のそれぞれがコイル中央部に十分均一なＲＦ磁場Ｂ １を発生することを特徴とする、請求項２２に記載のＲＦ共鳴器。 ２４　それぞれのリングの間の軸方向外側の電流閉回路が二つの逆回転電流分布 をもつことを特徴とする、請求項２０に記載のＲＦ共鳴器。 ２５　逆回転電流分布がコイル中央部に容易に感知できる磁場Ｂ１を軸方向に発 生しないことを特徴とする、請求項２４に記載のＲＦ共鳴器。 ２６　逆回転電流分布が共鳴器中央部に高度に線形な勾配を磁場Ｂ１内に軸方向 に発生することを特徴とする、請求項２４に記載のＲＦ共鳴器。 ２７　外側閉回路を円偏波モードで最大２種類までの異なるＮＭＲ周波数で同時 に線形に駆動できることを特徴とする、請求項１９に記載のＲＦ共鳴器。 ２８　外側閉回路のそれぞれが値の異なるコンデンサーを使用することを特徴と する、請求項５に記載のＲＦ共鳴器。 ２９　外側バンドのそれぞれを最大２種類までの異なるＮＭＲ周波数で線形偏波 モードで駆動することができ、共鳴器を最大４種類までの別々のＮＭＲ周波数で 線形偏波モードで駆動できることを特徴とする、請求項２８に記載のＲＦ共鳴器 。 ３０　外側電流閉回路の２個のバンドが同一の値のコンデンサーをもつことを特 徴とする、請求項５に記載のＲＦ共鳴器。 ３１　内側構造によって結合した外側電流閉回路の２個のバンドを線形偏波モー ドまたは円偏波モードのいずれかで同じＮＭＲ周波数で駆動できることを特徴と する、請求項３０に記載のＲＦ共鳴器。 ３２　すべての２個のリング状電流経路の間の閉回路のコンデンサーが本来同じ 値をもたないことを特徴とする、請求項５に記載のＲＦ共鳴器。 ３３　共鳴器を最大４種類までの異なるＮＭＲ周波数で線形偏波モードで駆動で きることを特徴とする、請求項３２に記載のＲＦ共鳴器。 ３４　共鳴器が対称的ではないことを特徴とする、請求項１に記載のＲＦ共鳴器 。 ３５　ＮＭＲに使用するためのほぼ円筒形状のＲＦ共鳴器で；４個のリング状高 周波電流経路と； 隣接した平行な経路と隣接したリング状経路が電流閉回路を形成し、隣接したリ ング状経路のそれぞれと接続されたほぼ平行な少なくとも４個の高周波電流経路 の組と；内側閉回路の間にはコンデンサーがないのでいずれの内側閉回路も遮断 しないが、電流経路の固有インダクタンスを含む各閉回路のインダクタンスとの 組み合わせによって、各外側閉回路の共鳴周波数を限定し、各内側閉回路自体に は共鳴周波数が存在しないような、各外側閉回路の間に置かれ各外側閉回路を遮 断する少なくとも１個の独立したコンデンサーと； から構成されることを特徴とする、ＲＦ共鳴器。 ３６　共鳴器が４象限すべてにわたる軸対称性をもつことを特徴とする、請求項 ３５に記載のＲＦ共鳴器。 ３７　軸に垂直な中央平面の両側に対称性をもつことを特徴とする、請求項３６ に記載のＲＦ共鳴器。 ３８　各組の平行経路が互いに間隔を置いて配置されていることを特徴とする、 請求項３５に記載のＲＦ共鳴器。 ３９　平行経路が互いに等間隔に配置されていることを特徴とする、請求項３８ に記載のＲＦ共鳴器。 ４０　すべての閉回路に配置されているコンデンサーが一つの固有の容量をもつ ことを特徴とする、請求項３５に記載のＲＦ共鳴器。 ４１　リング状導体の少なくとも一つの相互接続された対が本来同一の値のコン デンサーをもっため、その閉回路の共鳴は一つの選別されたＮＭＲ周波数になり 、それによって本来軸に対して９０度離して配置された入力／出力結合が円偏波 入力をその周波数で発生することを特徴とする、請求項３５に記載のＲＦ共鳴器 。 ４２　リング状電流経路の二つの相互接続された対の少なくともどちらか一つが 他と異なる周波数をもつがリング状電流経路のそれぞれの対の中には本来同一の 値のコンデンサーがあるため、その閉回路の共鳴は一つの選別されたＮＭＲ周波 数になり、それによって軸に対して本来９０度離して配置された入力／出力結合 が円偏波入力をその周波数で対応する閉回路に発生することを特徴とする、請求 項３５に記載のＲＦ共鳴器。 ４３　リング状電流経路の二つの相互接続された対の少なくともどちらか一つが 同一の周波数をもち、リング状電流経路のそれぞれの対の中には本来同一の値の コンデンサーがあるため、その閉回路の共鳴は一つの選別されたＮＭＲ周波数に なり、それによって軸に対して本来９０度離して配置された入力／出力結合が円 偏波入力をその周波数で発生することを特徴とする、請求項３５に記載のＲＦ共 鳴器。 ４４　入力／出力結合の対がリングの外側の対の間で同一の外側構造に結合して いることを特徴とする、請求項４３に記載のＲＦ共鳴器。 ４５　入力／出力結合の別の対が、リングのそれぞれの外側の対の間で各高周波 外側構造とそれぞれ結合していることを特徴とする、請求項４４に記載のＲＦ共 鳴器。 ４６　一つの入力／出力結合が外側リングの一つの対の間で一つの外側構造と結 合し、軸のまわりに９０度離れた他の入力／出力結合が外側リングの他の対の間 で他の外側構造と結合していることを特徴とする、請求項４３に記載のＲＦ共鳴 器。 ４７　リングの二つの外側の対のそれぞれを含む二つの外側構造がリングの内側 の対の間で内側構造と結合し、コイル全長にわたる同一方向電流分布を発生する ことを特徴とする、請求項４３に記載のＲＦ共鳴器。 ４８　同一方向電流分布が共鳴器中央部で均一なＲＦ磁場Ｂ１を発生することを 特徴とする、請求項４７に記載のＲＦ共鳴器。 ４９　各リングの間の軸方向外側の電流閉回路が逆回転電流分布をもつことを特 徴とする、請求項４３に記載のＲＦ共鳴器。 ５０　逆回転電流分布が共鳴器中央部に容易に感知できる磁場Ｂ１を軸方向に発 生しないことを特徴とする、請求項４９に記載のＲＦ共鳴器。 ５１　外側構造か電流の集中した正弦曲線状分布をもち、それがコイル軸に沿っ た領域とその内訓こ改善された均一なＲＦ磁場Ｂ１をコイル長を延長することな く発生することを特徴とする、請求項４３に記載のＲＦ共鳴器。 ５２　内側のリング対の間よりも外側の二つのリングのそれぞれの間に少数の平 行な高周波電流経路が存在することを特徴とする、請求項３５に記載のＲＦ共鳴 器。 ５３　外側の対の間の半分の数の平行な高周波電流経路が内側のリングの対のそ れぞれの間にあることを特徴とする、請求項５２に記載のＲＦ共鳴器。 ５４　外側リングの間の平行な高周波電流経路が内側リングの間の他のすべての 平行な高周波電流経路と揃っていることを特徴とする、請求項５３に記載のＲＦ 共鳴器。 ５５　外側のリング対の間よりも内側の二つのリングのそれぞれの間に少数の平 行な高周波電流経路が存在することを特徴とする、請求項３５に記載のＲＦ共鳴 器。 ５６　外側の対のそれぞれ間の半分の数の平行な高周波電流経路が内側のリング の対のそれぞれの間にあることを特徴とする、請求項５５に記載のＲＦ共鳴器。 ５７　外側リングの間の電流経路が内側リングの間の他のすべての電流経路と揃 っていることを特徴とする、請求項５６に記載のＲＦ共鳴器。 ５８　隣接したリング状経路のそれぞれと結合した平行な高周波電流経路が互い に揃っていることを特徴とする、請求項３５に記載のＲＦ共鳴器。 ５９　リング状経路のそれぞれの外側の対の間の高周波電流経路が互いに揃って おり、リングの内側の対の間の高周波電流経路がリングの外側の対の間の高周波 電流経路の中間にあることを特徴とする、請求項３５に記載のＲＦ共鳴器。 ６０　各外側閉回路内のコンデンサーが、リングのそれぞれの外側の対の間の隣 接したリング状経路に結合した平行な高周流電流経路内に配置されていることを 特徴とする、請求項３５に記載のＲＦ共鳴器。 ６１　外側閉回路内のコンデンサーが高周波電流経路の隣接した対の間の外側リ ングに配置されていることを特徴とする、請求項３５に記載のＲＦ共鳴器。 ６２　外側リングと他のリングの一つの間の平行な高周波電流経路のそれぞれに もコンデンサーが配置されていることを特徴とする、請求項６１に記載のＲＦ共 鳴器。 ６３　ＮＭＲに使用する通常円筒形状のＲＦ共鳴器で；電気的なメッシュを形成 する導体が囲む開口によって提供される反復回路の隣接した３つの閉じたバンド 、および外側のバンドのそれぞれが内側バンドと導体を共有するようなバンド； 各バンドの隣接したメッシュを囲む回路が導電性経路を共有し、隣接したバンド が導電性経路を共有し、二つの外側バンド内の各メッシュのまわりの各回路が少 なくとも１個の回路中に置かれ回路を遮断する独立したコンデンサーをもち、前 記コンデンサーは内側バンドと共有された導電性経路の中に含まれないように与 えられ、それによって導体の固有インダクタンスを含むメッシュ内のインダクタ ンスの結合によって各外側バンド内に選別したＮＭＲ共鳴周波数を実現し、さら に内側バンド内の個々のメッシュがコンデンサーも共鳴周波数も含まないように 形成されたそれぞれのメッシュ；とから構成されることを特徴とする、ＲＦ共鳴 器。 ６４　各バンドのメッシュのそれぞれの幅が実質上互いに同一で本来同じ大きさ の誘導を提供するように配置されていることを特徴とする、請求項６３に記載の ＲＦ共鳴器。 ６５　コンデンサーが各メッシュの同じ位置に配置されていることを特徴とする 、請求項６４に記載のＲＦ共鳴器。 ６６　ＮＭＲに使用するほぼ円筒形状のＲＦ共鳴器で；軸上３つの位置に周期的 な開口が提供された管状の絶縁支持体上の薄い導体板と、各開口の周囲に対称的 な導電性回路が与えられコイル周囲の軸上同じ位置にある開口がすべて同じ大き さであるような開口と、各開口のまわりの少なくとも一つの位置にある間隙を覆 う独立したコンデンサーが軸の位置で外側に提供されるような導体板上の間隙と 、軸の各位置で対称的に配列されることによってコンデンサーを含む各閉回路の 容量が固有インダクタンスとともに共鳴周波数回路を発生し、軸中央の位置の周 期的な開口には間隙とコンデンサーを含まないような互いに円筒状共鳴器を形成 するコンデンサーと； から構成されることを特徴とする、ＲＦ共鳴器。