JPH0693009B2 - 磁界均質性の改良のために誘電体を装填したｎｍｒ無線周波コイル - Google Patents
磁界均質性の改良のために誘電体を装填したｎｍｒ無線周波コイルInfo
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- JPH0693009B2 JPH0693009B2 JP3502728A JP50272891A JPH0693009B2 JP H0693009 B2 JPH0693009 B2 JP H0693009B2 JP 3502728 A JP3502728 A JP 3502728A JP 50272891 A JP50272891 A JP 50272891A JP H0693009 B2 JPH0693009 B2 JP H0693009B2
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- G01R33/48—NMR imaging systems
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- G01R33/56—Image enhancement or correction, e.g. subtraction or averaging techniques, e.g. improvement of signal-to-noise ratio and resolution
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- G01R33/5659—Correction of image distortions, e.g. due to magnetic field inhomogeneities caused by a distortion of the RF magnetic field, e.g. spatial inhomogeneities of the RF magnetic field
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Description
【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、核磁気共鳴（NMR）装置に関する。更に詳し
くは、本発明はRF信号を送信および／または受信するた
めのこのような装置に有益な無線周波（RF）コイルに関
する。
くは、本発明はRF信号を送信および／または受信するた
めのこのような装置に有益な無線周波（RF）コイルに関
する。
従来、NMR現象は、有機分子の分子構造を試験管の中で
研究するために構造化学者によって利用されていた。一
般に、このために利用されるNMR分光計は比較的小さな
サンプルの調査対象物質を収容するように設計されてい
た。しかしながら、更に最近では、NMRは例えば人体の
構造上の特徴の画像を得るのに利用される結像化モデル
に関発されている。核スピン（典型的には組織内の水に
関連する水素の陽子）に関連するパラメータを表すこの
ような画像は被検査領域における組織の健康状態を決定
するための医学的診断値である。また、NMR技術は例え
ばリンおよび炭素のような元素の分光学にまでおよび最
初は生体における化学的処理を研究する道具を研究者に
与えていた。人体のNMR像作成および分光学的研究を行
うためにNMRを使用するには、磁石、勾配コイルおよびR
Fコイルのような特別に設計されたシステムの部品を使
用することが必要であった。
研究するために構造化学者によって利用されていた。一
般に、このために利用されるNMR分光計は比較的小さな
サンプルの調査対象物質を収容するように設計されてい
た。しかしながら、更に最近では、NMRは例えば人体の
構造上の特徴の画像を得るのに利用される結像化モデル
に関発されている。核スピン（典型的には組織内の水に
関連する水素の陽子）に関連するパラメータを表すこの
ような画像は被検査領域における組織の健康状態を決定
するための医学的診断値である。また、NMR技術は例え
ばリンおよび炭素のような元素の分光学にまでおよび最
初は生体における化学的処理を研究する道具を研究者に
与えていた。人体のNMR像作成および分光学的研究を行
うためにNMRを使用するには、磁石、勾配コイルおよびR
Fコイルのような特別に設計されたシステムの部品を使
用することが必要であった。
背景としては、核磁気共鳴現象は奇数個の陽子または中
性子を有する原子核に発生する。陽子および中性子のス
ピンによって、このような各原子核は磁気モーメントを
示し、このような原子核からなるサンプルが静的な均質
磁界B0内に配置されると、非常に多くの核磁気モーメン
トが磁界と整列し、磁界の方向に正味の巨視的磁化Ｍを
発生する。磁界B0の影響の下で、整列した磁気モーメン
トは印加された磁界の強さおよび原子核の特性に依存す
る周波数で磁界の軸の周りで歳差運動を行う。また、ラ
ーモア周波数と称される歳差運動の角周波数ωは、ラー
モアの式ω＝γＢによって与えられる。この式におい
て、γは回転磁気比（これは各NMRアイソトープに対し
て一定である）であり、Ｂは核スピンに作用する磁界
（B0に他の磁界を加えたもの）である。この式から共鳴
周波数はサンプルが配置されている磁界の強さに依存し
ていることがわかるであろう。
性子を有する原子核に発生する。陽子および中性子のス
ピンによって、このような各原子核は磁気モーメントを
示し、このような原子核からなるサンプルが静的な均質
磁界B0内に配置されると、非常に多くの核磁気モーメン
トが磁界と整列し、磁界の方向に正味の巨視的磁化Ｍを
発生する。磁界B0の影響の下で、整列した磁気モーメン
トは印加された磁界の強さおよび原子核の特性に依存す
る周波数で磁界の軸の周りで歳差運動を行う。また、ラ
ーモア周波数と称される歳差運動の角周波数ωは、ラー
モアの式ω＝γＢによって与えられる。この式におい
て、γは回転磁気比（これは各NMRアイソトープに対し
て一定である）であり、Ｂは核スピンに作用する磁界
（B0に他の磁界を加えたもの）である。この式から共鳴
周波数はサンプルが配置されている磁界の強さに依存し
ていることがわかるであろう。
通常、磁界B0に沿って向いている磁化Ｍの方向は、ラー
モア周波数またはそれに近い周波数の磁界の振動を加え
ることによって摂動する。一般には、B1で示されるこの
ような磁界が無線周波送信装置に接続されたコイルを介
してRFパルスによってB0の磁界の方向に対して直交する
方向に印加される。RF励起の影響の下で、磁化ＭはB1の
磁界の方向の周りを回転する。NMRの研究においては、
一般に充分な大きさおよび継続期間を有するRFパルスを
印加して、B0の磁界の方向に対して直角な平面内に磁化
Ｍを回転させることが望まれている。この平面は通常横
断平面（transverse plane）と称されている。RF励起を
停止すると、横断面で回転していた原子核モーメントは
静磁界の方向を中心に歳差運動を行う。スピンのベクト
ル和は歳差運動を行うバルク磁化を形成し、これはRFコ
イルによって検知できる。RFコイルによって検知された
信号は、NMR信号と呼ばれるが、原子核が存在している
特定の化学的環境および磁界の特性を表している。NMR
撮像（イメージング）用途においては、NMR信号は空間
情報を信号に符号化するのに利用される磁界勾配の存在
下で観察される。この情報は本技術分野に専門知識を有
する者に周知の方法で被調査対象物の画像を再構成する
のに後で使用される。
モア周波数またはそれに近い周波数の磁界の振動を加え
ることによって摂動する。一般には、B1で示されるこの
ような磁界が無線周波送信装置に接続されたコイルを介
してRFパルスによってB0の磁界の方向に対して直交する
方向に印加される。RF励起の影響の下で、磁化ＭはB1の
磁界の方向の周りを回転する。NMRの研究においては、
一般に充分な大きさおよび継続期間を有するRFパルスを
印加して、B0の磁界の方向に対して直角な平面内に磁化
Ｍを回転させることが望まれている。この平面は通常横
断平面（transverse plane）と称されている。RF励起を
停止すると、横断面で回転していた原子核モーメントは
静磁界の方向を中心に歳差運動を行う。スピンのベクト
ル和は歳差運動を行うバルク磁化を形成し、これはRFコ
イルによって検知できる。RFコイルによって検知された
信号は、NMR信号と呼ばれるが、原子核が存在している
特定の化学的環境および磁界の特性を表している。NMR
撮像（イメージング）用途においては、NMR信号は空間
情報を信号に符号化するのに利用される磁界勾配の存在
下で観察される。この情報は本技術分野に専門知識を有
する者に周知の方法で被調査対象物の画像を再構成する
のに後で使用される。
全身のNMR調査を行うには、均質磁界B0の強さを増大す
ることが有益であるとわかっている。これは陽子（プロ
トン）撮像の場合にはNMR信号の信号対雑音比を改良す
るために好ましいものである。しかしながら、分光法の
場合には、磁界の増大は必要なものである。これは調査
対象の化学種のあるもの（例えば、リンおよび炭素）が
体内には比較的少ないので、使用可能な信号が検出でき
るようにするためには高い磁界が必要となるからであ
る。ラーモアの式から明らかなように、磁界Ｂが増大す
ることによって周波数が対応して増大し、従って送信機
および受信機コイルの必要な共鳴周波数も対応して増大
する。これは、人体を収容するのに充分な大きさのRFコ
イルの設計を複雑にする。困難さの１つの原因は、コイ
ルによって発生するRF磁界が更に均一な測定値および画
像を得るために被調査対象である人体の領域の全体にわ
たって均質でなければならないということである。大き
な部分全体にわたって均一なRF磁界を発生するというこ
とは、RFコイルの異なる部分の間の漂遊容量やRFコイル
と周囲の物体またはNMRサンプルとの間の漂遊容量の好
ましくない影響により高い周波数ではますます困難にな
っており、これはコイルが共鳴できる最高周波数を制限
することになる。
ることが有益であるとわかっている。これは陽子（プロ
トン）撮像の場合にはNMR信号の信号対雑音比を改良す
るために好ましいものである。しかしながら、分光法の
場合には、磁界の増大は必要なものである。これは調査
対象の化学種のあるもの（例えば、リンおよび炭素）が
体内には比較的少ないので、使用可能な信号が検出でき
るようにするためには高い磁界が必要となるからであ
る。ラーモアの式から明らかなように、磁界Ｂが増大す
ることによって周波数が対応して増大し、従って送信機
および受信機コイルの必要な共鳴周波数も対応して増大
する。これは、人体を収容するのに充分な大きさのRFコ
イルの設計を複雑にする。困難さの１つの原因は、コイ
ルによって発生するRF磁界が更に均一な測定値および画
像を得るために被調査対象である人体の領域の全体にわ
たって均質でなければならないということである。大き
な部分全体にわたって均一なRF磁界を発生するというこ
とは、RFコイルの異なる部分の間の漂遊容量やRFコイル
と周囲の物体またはNMRサンプルとの間の漂遊容量の好
ましくない影響により高い周波数ではますます困難にな
っており、これはコイルが共鳴できる最高周波数を制限
することになる。
大きな体積の全体にわたって高い周波数でほぼ均質な磁
界を発生する種々のRFコイルが設計されてきた。このよ
うなコイルの例として1.5テスラで水素原子核を撮像す
る全身用のものが米国特許第4,680,548号に開示され、
また1.5テスラで水素およびリンの原子核の両方を撮像
する局部コイルとして使用するものが米国特許第4,799,
016号に開示されている。このようなコイルは、対象物
が存在しない場合には、コイルの中心の関心領域（regi
on of interest）内に均質なRF磁界を発生することがで
きるが、典型的な対象物が関心領域内に配置された場合
には、均質なRF磁界を発生しない。米国特許第4,820,98
5号及び欧州特許EP−Ａ−0,290,187号に示されているNM
R機器用のRFコイル組立体では、円筒形RFコイルが中心
軸のまわりに配設されて円筒形空胴を画成し、該空胴内
には被検体が配置されてRFコイルにより発生された横方
向のRF磁界を受ける。上記RFコイル組立体はまた、円筒
形RFコイルの周りに同心に、該円筒形から外側に隔たっ
て配設された円筒形シールドを有し、円筒形コイルの外
側面と円筒形シールドの内側面との間に環状のスペース
が画成されている。
界を発生する種々のRFコイルが設計されてきた。このよ
うなコイルの例として1.5テスラで水素原子核を撮像す
る全身用のものが米国特許第4,680,548号に開示され、
また1.5テスラで水素およびリンの原子核の両方を撮像
する局部コイルとして使用するものが米国特許第4,799,
016号に開示されている。このようなコイルは、対象物
が存在しない場合には、コイルの中心の関心領域（regi
on of interest）内に均質なRF磁界を発生することがで
きるが、典型的な対象物が関心領域内に配置された場合
には、均質なRF磁界を発生しない。米国特許第4,820,98
5号及び欧州特許EP−Ａ−0,290,187号に示されているNM
R機器用のRFコイル組立体では、円筒形RFコイルが中心
軸のまわりに配設されて円筒形空胴を画成し、該空胴内
には被検体が配置されてRFコイルにより発生された横方
向のRF磁界を受ける。上記RFコイル組立体はまた、円筒
形RFコイルの周りに同心に、該円筒形から外側に隔たっ
て配設された円筒形シールドを有し、円筒形コイルの外
側面と円筒形シールドの内側面との間に環状のスペース
が画成されている。
対象物内におけるRF磁界の均質性の欠如は、対象物の導
電率（σ）および誘電率（ε）が空気のもの（σ０＝
０、ε０＝8.854×10-12ファラッド/m）よりもはるかに
大きいためである。導電率（σ）によって生ずる作用
は、ジャーナル・オブ・マグネティック・レゾナンス
（Journal of Magnetic Resonance）64、255−270（198
5年）においてG.H.グローバ（G.H.Glover）他による論
文「磁気共鳴撮像用の直線および円偏波の比較（Compar
ison of Linear and Circular Polirization for Magne
tic Resonance Imaging）」において説明されているよ
うによく理解されている。この導電性のために、渦電流
が印加RF磁界によって対象物に発生し、またこの渦電流
によってRF磁界が発生し、このRF磁界はRFコイルによっ
て発生するRF磁界に加えられる。この結果、不均質なRF
磁界が生じ、磁界の強さは中心軸からの距離の関数とし
て変化する。この結果、明るい領域が２つの象限に現
れ、暗い領域が他の２つの象限に現れる画像が発生す
る。この問題に対する周知の解決方法は、横断平面にお
けるRF磁界B1を回転させて渦電流による不均質性を除去
する直角励起および受信を使用することである。
電率（σ）および誘電率（ε）が空気のもの（σ０＝
０、ε０＝8.854×10-12ファラッド/m）よりもはるかに
大きいためである。導電率（σ）によって生ずる作用
は、ジャーナル・オブ・マグネティック・レゾナンス
（Journal of Magnetic Resonance）64、255−270（198
5年）においてG.H.グローバ（G.H.Glover）他による論
文「磁気共鳴撮像用の直線および円偏波の比較（Compar
ison of Linear and Circular Polirization for Magne
tic Resonance Imaging）」において説明されているよ
うによく理解されている。この導電性のために、渦電流
が印加RF磁界によって対象物に発生し、またこの渦電流
によってRF磁界が発生し、このRF磁界はRFコイルによっ
て発生するRF磁界に加えられる。この結果、不均質なRF
磁界が生じ、磁界の強さは中心軸からの距離の関数とし
て変化する。この結果、明るい領域が２つの象限に現
れ、暗い領域が他の２つの象限に現れる画像が発生す
る。この問題に対する周知の解決方法は、横断平面にお
けるRF磁界B1を回転させて渦電流による不均質性を除去
する直角励起および受信を使用することである。
また、従来の設計のRFコイルでは空気に対して対象物の
誘電率（ε）が高い結果として対象物内に不均質なRF磁
界が発生する。RF磁界の波長は対象物内において短くな
り、これにより定在波が発生し、ここにおいてはRF磁界
の強さは半径方向の距離の関数として変化する。例え
ば、1.5テスラにおいて、人体の胴体部分に発生する定
在波は撮像体の中心軸に沿って最大になり、再構成画像
に明るい領域を発生する。より高い磁界の強さおよびRF
周波数においては、定在波は中心軸からの半径方向の距
離の関数として山と谷を繰り返し、その結果の画像は一
連の明暗リング（体軸断層像）または縞（矢状または冠
状断層像）になる。画像の明るさにおけるこれらの変動
は診断を困難にしたり、またはある場合には診断を不可
能にすることがある。
誘電率（ε）が高い結果として対象物内に不均質なRF磁
界が発生する。RF磁界の波長は対象物内において短くな
り、これにより定在波が発生し、ここにおいてはRF磁界
の強さは半径方向の距離の関数として変化する。例え
ば、1.5テスラにおいて、人体の胴体部分に発生する定
在波は撮像体の中心軸に沿って最大になり、再構成画像
に明るい領域を発生する。より高い磁界の強さおよびRF
周波数においては、定在波は中心軸からの半径方向の距
離の関数として山と谷を繰り返し、その結果の画像は一
連の明暗リング（体軸断層像）または縞（矢状または冠
状断層像）になる。画像の明るさにおけるこれらの変動
は診断を困難にしたり、またはある場合には診断を不可
能にすることがある。
発明の概要 本発明は、磁界の強さの半径方向の変動がRFコイルと周
囲のシールドとの間に高い誘電率の物質を挿入すること
によって低減されるようにしたRFコイルの改良にある。
更に詳しくは、RFコイル組立体は中心軸の周りに配設さ
れたほぼ円筒形のコイルと、該円筒形コイルの周りに同
心に配設され、両者間に環状スペースを形成している円
筒形シールドと、該環状スペース内に中心軸に沿って設
けられた、対象物内におけるRF磁界の強さの変動を低減
するように選択された誘電率を有する高誘電材料とを有
する。
囲のシールドとの間に高い誘電率の物質を挿入すること
によって低減されるようにしたRFコイルの改良にある。
更に詳しくは、RFコイル組立体は中心軸の周りに配設さ
れたほぼ円筒形のコイルと、該円筒形コイルの周りに同
心に配設され、両者間に環状スペースを形成している円
筒形シールドと、該環状スペース内に中心軸に沿って設
けられた、対象物内におけるRF磁界の強さの変動を低減
するように選択された誘電率を有する高誘電材料とを有
する。
本発明の全体的目的は、調査中の対象物内のRF磁界の強
さにおける半径方向の変動を低減することである。RFコ
イルとその周囲のシールドとの間に配設された誘電性材
料の誘電率が空気の誘電率よりも実質的に大きい場合に
は、対象物の中心におけるRF磁界の強さの好ましくない
増大が低減するということがわかった。対象物の誘電率
によるRF磁界の強さの変動は実質的に低減することがで
き、その結果画像品質を改良することができる。
さにおける半径方向の変動を低減することである。RFコ
イルとその周囲のシールドとの間に配設された誘電性材
料の誘電率が空気の誘電率よりも実質的に大きい場合に
は、対象物の中心におけるRF磁界の強さの好ましくない
増大が低減するということがわかった。対象物の誘電率
によるRF磁界の強さの変動は実質的に低減することがで
き、その結果画像品質を改良することができる。
本発明の上述したおよび他の目的および利点は次の説明
から明らかになるであろう。この説明においては、その
一部を形成している添付図面が参照され、ここには本発
明の好適実施例が例示されている。しかしながら、この
ような実施例は本発明の全範囲をかならずしも表してい
るものでないので、本発明の範囲を解釈するには請求の
範囲を参照されたい。
から明らかになるであろう。この説明においては、その
一部を形成している添付図面が参照され、ここには本発
明の好適実施例が例示されている。しかしながら、この
ような実施例は本発明の全範囲をかならずしも表してい
るものでないので、本発明の範囲を解釈するには請求の
範囲を参照されたい。
図面の簡単な説明 図１は本発明を使用したコイル組立体の斜視図である。
図２乃至５は、それぞれ図１のコイル組立体の中心を通
る横断面に沿って取ったRF磁界の強さを表すグラフであ
り、これらのグラフは本発明によって使用される誘電体
材料の比誘電率の関数としてRF磁界の均質性への効果を
示している。
る横断面に沿って取ったRF磁界の強さを表すグラフであ
り、これらのグラフは本発明によって使用される誘電体
材料の比誘電率の関数としてRF磁界の均質性への効果を
示している。
図６は、図１のコイル組立体をその中心軸に沿って見た
模式図である。
模式図である。
発明の一般的説明 問題とする電磁放射の伝播はマクウェルの方程式によっ
て支配される。微分形式であって、制限のない直線等方
性媒体の場合には、マクスウェルの方程式は次のように
なる。
て支配される。微分形式であって、制限のない直線等方
性媒体の場合には、マクスウェルの方程式は次のように
なる。
ここにおいて、ρは電荷密度であり、は電流密度であ
る。電気変位および磁界は次式により電界および
磁束密度に関連付けられている。
る。電気変位および磁界は次式により電界および
磁束密度に関連付けられている。
ここにおいて、εおよびμはそれぞれ媒体の誘電率およ
び透磁率である。磁気感受率χが小さい生物学的物質に
おいては、μ＝μ０の自由空間値を仮定することが許さ
れる。MKSA単位においては、これはμ０＝４ρ×10-7ヘ
ンリ/mである。媒体の誘電率は比誘電率ε１＝ε／ε０
によって自由空間値に関連付けられている。ここでε０
＝8.854×10-12ファラッド/mである。電流密度は物質の
導電率σを介してオームの法則によって電界に＝σ
として関連付けられている。
び透磁率である。磁気感受率χが小さい生物学的物質に
おいては、μ＝μ０の自由空間値を仮定することが許さ
れる。MKSA単位においては、これはμ０＝４ρ×10-7ヘ
ンリ/mである。媒体の誘電率は比誘電率ε１＝ε／ε０
によって自由空間値に関連付けられている。ここでε０
＝8.854×10-12ファラッド/mである。電流密度は物質の
導電率σを介してオームの法則によって電界に＝σ
として関連付けられている。
印加されるRF電磁界がωの周波数に従って正弦波として
変化するNMRの実験においては、電気および磁気成分は
空間および時間部分に分けられる。
変化するNMRの実験においては、電気および磁気成分は
空間および時間部分に分けられる。
＝（,t）＝（）ejwt （４） ＝（,t）＝（）ejwt （５） 式（１）に対して上述した置き換えを行うと、前記４つ
の式はおよびの両方に対して波動方程式に変形する
ことができる。これらはベクトルのヘルムホルツの式の
形式になる。
の式はおよびの両方に対して波動方程式に変形する
ことができる。これらはベクトルのヘルムホルツの式の
形式になる。
▽２＋k2＝０ ▽２＋k2＝０ （６） これは進行波ｅ−ｊ・の形を一般解を有する。上の
式において、ｋは伝搬定数である。その値は媒体の誘電
率および導電率の関数であり、次式のように表される。
式において、ｋは伝搬定数である。その値は媒体の誘電
率および導電率の関数であり、次式のように表される。
k2＝ω２με−ｊωμσ （７） 媒体がゼロ導電率を有する場合、ｋは実数であり、RF電
磁界は損失なく空間において正弦波として変化する。他
方の極端な場合として、ｋの実数部→０であり、σ≠０
である場合、RF電磁界は深さが増大するにつれて減衰す
る指数関数である。対象物内に深くなればなるほど、電
磁界の振幅の減衰は大きくなる。この減衰はδによって
示される浸透深さまたは表皮深さによって特徴付けられ
る。変数δは、平面境界に当たる平面波の初期値の1/e
（すなわち37％）までRF振幅が低減する深さとして定義
されている。
磁界は損失なく空間において正弦波として変化する。他
方の極端な場合として、ｋの実数部→０であり、σ≠０
である場合、RF電磁界は深さが増大するにつれて減衰す
る指数関数である。対象物内に深くなればなるほど、電
磁界の振幅の減衰は大きくなる。この減衰はδによって
示される浸透深さまたは表皮深さによって特徴付けられ
る。変数δは、平面境界に当たる平面波の初期値の1/e
（すなわち37％）までRF振幅が低減する深さとして定義
されている。
表皮深さの式は円筒形のRFコイルのために円筒形の対象
物内の電磁界に対するものと異なっているが、それでも
式（８）は周波数および導電率の関数として減衰を表す
有益で簡単な目安である。組織の導電率によるRF振幅の
指数関数的低減はときどきRF非均質性に対する導電率効
果と称される。
物内の電磁界に対するものと異なっているが、それでも
式（８）は周波数および導電率の関数として減衰を表す
有益で簡単な目安である。組織の導電率によるRF振幅の
指数関数的低減はときどきRF非均質性に対する導電率効
果と称される。
誘電率によって行われる部分は導電率によるものを補足
するものである。ゼロでない誘電率は界面境界相互間の
定在波を支持する。これらの定在波の波長はRFの周波数
に逆比例する。低い周波数においては、定在波の波長は
人体部分の大きさに比較して大きい。小さな領域にわた
るゆっくりと正弦波状に変化する関数における変動は全
ての実際的な目的においてとるに足らないものである。
しかしながら、波長が短くなる高い周波数においては、
これらの変動は明白になり始める。
するものである。ゼロでない誘電率は界面境界相互間の
定在波を支持する。これらの定在波の波長はRFの周波数
に逆比例する。低い周波数においては、定在波の波長は
人体部分の大きさに比較して大きい。小さな領域にわた
るゆっくりと正弦波状に変化する関数における変動は全
ての実際的な目的においてとるに足らないものである。
しかしながら、波長が短くなる高い周波数においては、
これらの変動は明白になり始める。
高い導電率物資におけるRF波長は低いεｒを有する物質
の波長よりもかなり短い。人間の組織はほとんど水で構
成されているので、εｒは約75と仮定される。これはお
よそεｒ＝78である水の比誘電率に近い。しかしながら
人体が非均質性であることを考えると、58の実効εｒは
正当な近似である。
の波長よりもかなり短い。人間の組織はほとんど水で構
成されているので、εｒは約75と仮定される。これはお
よそεｒ＝78である水の比誘電率に近い。しかしながら
人体が非均質性であることを考えると、58の実効εｒは
正当な近似である。
RF非均質性に対する誘電率の貢献は、境界条件を受ける
ベクトルのヘルムホルツの式に対する解を考慮すること
によりよく説明することができる。これらの境界条件は
マックスウェルの方程式の積分形式から導き出され、界
面を横切る垂直および接線電磁界成分の連続性および不
連続性についての情報を提供する。境界の面における垂
直成分についての条件は次の通りである。
ベクトルのヘルムホルツの式に対する解を考慮すること
によりよく説明することができる。これらの境界条件は
マックスウェルの方程式の積分形式から導き出され、界
面を横切る垂直および接線電磁界成分の連続性および不
連続性についての情報を提供する。境界の面における垂
直成分についての条件は次の通りである。
ここにおいて、 は領域１から領域２への平面に垂直な単位ベクトルであ
り、ρsurは表面変化密度である。同様に、接線成分に
対する条件は次式の通りである。
り、ρsurは表面変化密度である。同様に、接線成分に
対する条件は次式の通りである。
ここにおいて、は表面電流密度である。小さいが有限
の導電率を有する生物学的物質の場合には、＝０であ
る。の接線成分はこの特定の場合には境界を横切って
連続である。
の導電率を有する生物学的物質の場合には、＝０であ
る。の接線成分はこの特定の場合には境界を横切って
連続である。
誘電率および導電率の基本的な効果は簡単な一次元スラ
ブ（slab）モデルにおいてよく証明することができる。
組織から成る30cm幅のスラブがｘ＝±30cmのところに位
置する２つの無限の平行な電流シートの間に発生された
RF磁界内に配置されている場合においてｘ方向の１次元
モデルに対する解について考える。この場合ｘ＝−30cm
およびｘ＝＋30cmにおいてそれぞれ（ｙ軸に沿って）そ
の面に対して出入りする単位電流密度において、１磁
界は垂直すなわちｚ方向にある。空気の有限な波長の作
用を無視した場合、すなわちスラブの外側でｋ＝０と仮
定した場合、RF磁界の振幅はスラブの外側のどこでも一
定である。
ブ（slab）モデルにおいてよく証明することができる。
組織から成る30cm幅のスラブがｘ＝±30cmのところに位
置する２つの無限の平行な電流シートの間に発生された
RF磁界内に配置されている場合においてｘ方向の１次元
モデルに対する解について考える。この場合ｘ＝−30cm
およびｘ＝＋30cmにおいてそれぞれ（ｙ軸に沿って）そ
の面に対して出入りする単位電流密度において、１磁
界は垂直すなわちｚ方向にある。空気の有限な波長の作
用を無視した場合、すなわちスラブの外側でｋ＝０と仮
定した場合、RF磁界の振幅はスラブの外側のどこでも一
定である。
このモデルを拡張して、導電率が優位を占める場合につ
いてまず考える。ε＝１およびσ＝1.0S/mの場合、RF磁
界はスラブの中心へ向かって減衰する。このような対象
物のMR画像は空白すなわち低い信号強度の中心領域を示
す。一方、誘電率が支配する場合には（σ＝０およびε
ｒ＝75）、定在波がスラブ内に設定される。半波長がお
およそ平均的人間の胴体の大きさである約27cmである64
MHzにおいては、MR画像は中心部に高い強度の領域すな
わちこぶを示す。次式で示される波長はより高い周波数
においてより短くなる。
いてまず考える。ε＝１およびσ＝1.0S/mの場合、RF磁
界はスラブの中心へ向かって減衰する。このような対象
物のMR画像は空白すなわち低い信号強度の中心領域を示
す。一方、誘電率が支配する場合には（σ＝０およびε
ｒ＝75）、定在波がスラブ内に設定される。半波長がお
およそ平均的人間の胴体の大きさである約27cmである64
MHzにおいては、MR画像は中心部に高い強度の領域すな
わちこぶを示す。次式で示される波長はより高い周波数
においてより短くなる。
4.0テスラ（170MHz）の磁界の強さにおいては、少なく
とも3.5波長が30cmの幅のスラブに適合する。この周波
数で得られる体軸断層像は多重リング、すなわち雄牛の
目の形のアーチファクトを示す。
とも3.5波長が30cmの幅のスラブに適合する。この周波
数で得られる体軸断層像は多重リング、すなわち雄牛の
目の形のアーチファクトを示す。
εおよびσの特定の値に対して導電率および誘電率によ
る作用を組み合わせると、これらの作用は互いに打ち消
し合い、ほとんど均一な磁界分布をもたらす。しかしな
がら、εｒ≒75およびσ≒0.3S/mである人体の場合に
は、導電率による作用が優位を占める傾向にある。組織
の導電率はRF振幅を減衰させるが、誘電率は中心におけ
る磁界の振幅を増大して、磁界分布に中心のこぶを形成
する効果を持つ。より高い周波数においては、この効果
は胴体部分のみならず、頭部を撮像するための妨害にな
る。
る作用を組み合わせると、これらの作用は互いに打ち消
し合い、ほとんど均一な磁界分布をもたらす。しかしな
がら、εｒ≒75およびσ≒0.3S/mである人体の場合に
は、導電率による作用が優位を占める傾向にある。組織
の導電率はRF振幅を減衰させるが、誘電率は中心におけ
る磁界の振幅を増大して、磁界分布に中心のこぶを形成
する効果を持つ。より高い周波数においては、この効果
は胴体部分のみならず、頭部を撮像するための妨害にな
る。
調査中の対象物における磁界の非均質性を除去する物理
的方法はないと思われているが、マクスウェルの方程式
によって支配されているので、本発明はマクスウェルの
方程式を利用して問題を解決する。これは、物理学の法
則を破ることによって達成するのではなく、むしろ境界
条件を操作することによって、更に詳しくはシールドと
コイルとの間のスペースを占有する誘電体材料を変える
ことによって達成する。
的方法はないと思われているが、マクスウェルの方程式
によって支配されているので、本発明はマクスウェルの
方程式を利用して問題を解決する。これは、物理学の法
則を破ることによって達成するのではなく、むしろ境界
条件を操作することによって、更に詳しくはシールドと
コイルとの間のスペースを占有する誘電体材料を変える
ことによって達成する。
好適実施例の説明 図１は、固体金属シールド11によって取り囲まれている
所謂「ハイパス（high-pass）」コイル10を使用したコ
イル組立体を示している。コイル10は一組の直線状の導
電素子20を有し、これらの導電素子20は軸方向に延在す
るとともに、シールド11の内面に沿って互いに等しい間
隔をあけて設けられている。円形導体21および22がコイ
ル10の各端部に設けられ、該導体21および22は直線状導
体20のそれぞれの端部を接続し、本技術分野において
「鳥かご」コイルと称される構造を形成している。コン
デンサ23が円形導体21および22の各セグメントに挿入さ
れ、これらのコンデンサはコイルを同調させるのに使用
されている。RF信号源（図示せず）によって駆動される
と、コイル10はRF磁界を発生し、このRF磁界は対象物に
よって占有される円筒形スペース内を満たすとともに、
中心軸14を横切る方向に発生する。上述した米国特許第
4,680,548号に開示されているように、このコイル10は
横切ったRF磁界が中心軸14の周りで回転し、本技術分野
において円偏波RF励起磁界として知られているものを発
生するように多相RF信号源によって駆動できる。
所謂「ハイパス（high-pass）」コイル10を使用したコ
イル組立体を示している。コイル10は一組の直線状の導
電素子20を有し、これらの導電素子20は軸方向に延在す
るとともに、シールド11の内面に沿って互いに等しい間
隔をあけて設けられている。円形導体21および22がコイ
ル10の各端部に設けられ、該導体21および22は直線状導
体20のそれぞれの端部を接続し、本技術分野において
「鳥かご」コイルと称される構造を形成している。コン
デンサ23が円形導体21および22の各セグメントに挿入さ
れ、これらのコンデンサはコイルを同調させるのに使用
されている。RF信号源（図示せず）によって駆動される
と、コイル10はRF磁界を発生し、このRF磁界は対象物に
よって占有される円筒形スペース内を満たすとともに、
中心軸14を横切る方向に発生する。上述した米国特許第
4,680,548号に開示されているように、このコイル10は
横切ったRF磁界が中心軸14の周りで回転し、本技術分野
において円偏波RF励起磁界として知られているものを発
生するように多相RF信号源によって駆動できる。
調査対象物12がコイル10によって形成される円筒形空洞
部内に配置され、またコイル10とシールド11との間に環
状スペース13が存在する。ハイパスコイル10の場合、RF
磁界を発生する電流密度はｚ軸14の方向におけるRF伝搬
波長の関数である。
部内に配置され、またコイル10とシールド11との間に環
状スペース13が存在する。ハイパスコイル10の場合、RF
磁界を発生する電流密度はｚ軸14の方向におけるRF伝搬
波長の関数である。
（θ）＝J0sin（θ）e-jkzz （14） ここにおいて、kzは軸方向の伝搬定数であり、θは直線
状導体20の周辺方向の位置を角度で表したものである。
また、cos（θ）の電流分布も使用される。環状スペー
ス13内の誘電体物質を変えることによって、ハイパスコ
イル10の伝搬特性はkzの値を変えることによって変更さ
れる。
状導体20の周辺方向の位置を角度で表したものである。
また、cos（θ）の電流分布も使用される。環状スペー
ス13内の誘電体物質を変えることによって、ハイパスコ
イル10の伝搬特性はkzの値を変えることによって変更さ
れる。
図１のコイル組立体に対するマックスウェルの方程式に
対する解は、RF磁界の強さにおける半径方向の変動に対
する原因である対象物12における定在波の形が半径方向
の伝搬定数kpの関数であることを示している。より小さ
な半径方向の伝搬定数kpはこの定在波の波長を増大する
ことによって半径方向におけるRF磁界の均質性を改良す
る。
対する解は、RF磁界の強さにおける半径方向の変動に対
する原因である対象物12における定在波の形が半径方向
の伝搬定数kpの関数であることを示している。より小さ
な半径方向の伝搬定数kpはこの定在波の波長を増大する
ことによって半径方向におけるRF磁界の均質性を改良す
る。
また、半径方向の伝搬定数kpは上述した軸方向伝搬定数
kzの値および対象物の伝搬定数ｋの関数である。
kzの値および対象物の伝搬定数ｋの関数である。
▲ｋ2 p▼＝k2−▲ｋ2 z▼ （15） 対象物12における伝搬係数ｋは次式の通りである。
k2＝ω２με−ｊωμσ （16） ここにおいて、εおよびμはそれぞれ対象物12の誘電率
および導電率を示している。式15から、kpの小さな値は
軸方向の伝搬定数kzを増大することによって得られ、半
径方向におけるRF磁界の均質性が改良されることが明ら
かである。
および導電率を示している。式15から、kpの小さな値は
軸方向の伝搬定数kzを増大することによって得られ、半
径方向におけるRF磁界の均質性が改良されることが明ら
かである。
図２−図５は、コイル組立体の中心を通る横断面（すな
わち、ｚ＝０における）における円偏波磁界B1のRF磁界
強度を表す等高線を示す。これらの磁界は、64MHzにお
いて動作する0.275メートルの半径を有するローパスコ
イル10によって発生された。シールド11は0.325メート
ルの半径を有し、0.20メートルの半径を有する長い損失
のある誘電体の円柱状ファントムを使用して、人体をシ
ミュレートした。図２は環状スペース13を空気（εｒ＝
１）で満たした場合、図３は環状スペース13を比誘電率
εｒ＝20の誘電体物質で満たした場合、図４は誘電体物
質を40の比誘電率とした場合、図５は誘電物質を60の比
誘電率とした場合を示す。誘電率効果によるRF磁界の強
さの変動は、環状スペース13における比誘電率が増大す
るに従って低減する。20および40の間の値において、磁
界の強さの変動は30cmの直径を有する中心の関心領域に
おいて約30％から約５％に低減する。比誘電率を40以上
に増大した場合には、RF磁界の減衰が増大し、その結果
RF磁界の強さが低減し、均質性における改良はわずかで
ある。従って、誘電物質に対する最適な比誘電率は20≦
εｒ≦40の範囲にある。
わち、ｚ＝０における）における円偏波磁界B1のRF磁界
強度を表す等高線を示す。これらの磁界は、64MHzにお
いて動作する0.275メートルの半径を有するローパスコ
イル10によって発生された。シールド11は0.325メート
ルの半径を有し、0.20メートルの半径を有する長い損失
のある誘電体の円柱状ファントムを使用して、人体をシ
ミュレートした。図２は環状スペース13を空気（εｒ＝
１）で満たした場合、図３は環状スペース13を比誘電率
εｒ＝20の誘電体物質で満たした場合、図４は誘電体物
質を40の比誘電率とした場合、図５は誘電物質を60の比
誘電率とした場合を示す。誘電率効果によるRF磁界の強
さの変動は、環状スペース13における比誘電率が増大す
るに従って低減する。20および40の間の値において、磁
界の強さの変動は30cmの直径を有する中心の関心領域に
おいて約30％から約５％に低減する。比誘電率を40以上
に増大した場合には、RF磁界の減衰が増大し、その結果
RF磁界の強さが低減し、均質性における改良はわずかで
ある。従って、誘電物質に対する最適な比誘電率は20≦
εｒ≦40の範囲にある。
特に、図６を参照すると、本発明の１つの好適実施例に
おいて、RFコイル10は円筒形のファイバガラスの型枠27
の外側面上に形成され、シールド11が外側の円筒形ファ
イバガラスの型枠28の内側表面上に形成されている。環
状スペース13は蒸留水およびイソプロパノールの混合物
を収容した薄壁のポリエチレン袋29で満たされている。
イソプロパノールは約18の比誘電率を有し、水の比誘電
率は78である。水とイソプロパノールの比率およびポリ
エチレン袋29の厚さを変更することによって実効比誘電
率を所定の範囲の値に設定することができる。例えば、
ポリエチレン袋29の厚さが環状スペース13の５％を占有
し、蒸留水が満たされると、実効比誘電率は約30にな
る。
おいて、RFコイル10は円筒形のファイバガラスの型枠27
の外側面上に形成され、シールド11が外側の円筒形ファ
イバガラスの型枠28の内側表面上に形成されている。環
状スペース13は蒸留水およびイソプロパノールの混合物
を収容した薄壁のポリエチレン袋29で満たされている。
イソプロパノールは約18の比誘電率を有し、水の比誘電
率は78である。水とイソプロパノールの比率およびポリ
エチレン袋29の厚さを変更することによって実効比誘電
率を所定の範囲の値に設定することができる。例えば、
ポリエチレン袋29の厚さが環状スペース13の５％を占有
し、蒸留水が満たされると、実効比誘電率は約30にな
る。
代わりの方法として、環状スペース13に適合するように
固体の誘電物質を形成することができる。このような物
質は、エマーソンおよびカミング社（Emerson and Cumm
ing,Inc.）によって商品名「Stycast」として販売され
ており、30の比誘電率を有する。
固体の誘電物質を形成することができる。このような物
質は、エマーソンおよびカミング社（Emerson and Cumm
ing,Inc.）によって商品名「Stycast」として販売され
ており、30の比誘電率を有する。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 カン，ヨン―ウォン アメリカ合衆国、08536、ニュージャージ 州、プレインスボロ、ソリュー・ドライ ブ、124番 (56)参考文献 特開 平２−13872（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−177249（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−38150（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−49840（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−44560（ＪＰ，Ｕ)
Claims (4)
- 【請求項１】中心軸（14）の周りに配設されて円筒形空
洞を画成し、該空洞内部の被検体（12）に加える横方向
のRF磁界を発生する円筒形コイル（10）と、 前記円筒形コイルの周りに同心に、該円筒形コイルから
外側に隔たって配設された円筒形シールドであって、前
記円筒形コイルの外側面と当該シールドの内側面との間
に環状スペース（13）を画成している円筒形シールド
（11）と、 前記環状スペース内に配設され、空気の誘電率よりも実
質的に大きな値に前記環状スペースの誘電率を増大させ
て、被検体内に生じるRF磁界の半径方向の均質性を向上
させる誘電物質（29）と、 を有することを特徴とするNMR機器用のRFコイル組立
体。 - 【請求項２】前記環状スペースの誘電率は空気の誘電率
の20倍と40倍の間の値に調整される請求項１記載のRFコ
イル組立体。 - 【請求項３】前記円筒形コイルは、前記中心軸の方向に
延在すると共に、前記中心軸を囲むように前記中心軸の
周りに周方向に間隔をおいて配置されている一組の直線
状導体（20）を有する請求項１記載のRFコイル組立体。 - 【請求項４】前記直線状導体の両端部は、相互に間隔を
あけて前記中心軸の周りに同心に設けられている一対の
円形導体（21,22）にそれぞれ接合されている請求項３
記載のRFコイル組立体。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/467,475 US5017872A (en) | 1990-01-19 | 1990-01-19 | NMR radio frequency coil with dielectric loading for improved field homogeneity |
| US467,475 | 1990-01-19 | ||
| PCT/US1990/007208 WO1991010915A1 (en) | 1990-01-19 | 1990-12-07 | Nmr radio frequency coil with dielectric loading for improved field homogeneity |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04507004A JPH04507004A (ja) | 1992-12-03 |
| JPH0693009B2 true JPH0693009B2 (ja) | 1994-11-16 |
Family
ID=23855852
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3502728A Expired - Lifetime JPH0693009B2 (ja) | 1990-01-19 | 1990-12-07 | 磁界均質性の改良のために誘電体を装填したｎｍｒ無線周波コイル |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5017872A (ja) |
| JP (1) | JPH0693009B2 (ja) |
| DE (1) | DE4092430T1 (ja) |
| GB (1) | GB2258921A (ja) |
| WO (1) | WO1991010915A1 (ja) |
Families Citing this family (33)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5220302A (en) * | 1990-01-22 | 1993-06-15 | The University Of Texas System Board Of Regents | Nmr clinical chemistry analyzer and method of forming a shield |
| JPH0816694B2 (ja) * | 1991-02-05 | 1996-02-21 | ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ | 動作効率向上のために誘電体をそなえたｎｍｒ無線周波コイル |
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| US5453692A (en) * | 1992-08-06 | 1995-09-26 | Hitachi, Ltd. | RF probe for nuclear magnetic resonance imaging (MRI) devices |
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| US6049206A (en) * | 1996-08-19 | 2000-04-11 | National Research Council Of Canada | Compensation for inhomogeneity of the field generated by the RF coil in a nuclear magnetic resonance system |
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| JP3926111B2 (ja) * | 2001-03-26 | 2007-06-06 | 日本電子株式会社 | 共鳴信号検出器 |
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| US6822448B2 (en) | 2001-04-20 | 2004-11-23 | General Electric Company | RF coil for very high field magnetic resonance imaging |
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