JPH1033497A

JPH1033497A - 無線周波数コイル

Info

Publication number: JPH1033497A
Application number: JP9088415A
Authority: JP
Inventors: Michael A Morich; エイモーリッチマイケル; Labros S Petropoulos; エスペトロポウロスラブロス; Hiroyuki Fujita; フジタヒロユキ; Shmaryu Shvartsman; スヴァルツマンスマリュー; Robert W Brown; ダブリューブラウンロバート
Original assignee: Picker International Inc
Current assignee: Philips Nuclear Medicine Inc
Priority date: 1996-04-26
Filing date: 1997-04-07
Publication date: 1998-02-10
Also published as: EP0803737A2; US5689189A; EP0803737A3

Abstract

(57)【要約】【課題】磁気共鳴映像装置用の無線周波数コイルの提
供【解決する手段】１つの無線周波数コイルは、２つのコ
イル・セクション（60、62)を含む。その２つのコイル・
セクションは、各々、対称ｚ＝０平面に関して対称的に
配置される１対の内側ループ（64₁、64₂）と、該対称
平面に関して対称的に配置される第２ループ対（68₁、
68₂）とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は磁気共鳴映像装置用
の無線周波数コイルに関する。本発明は、更に、振幅、
方位、及び空間内変化等の所定の電磁界特性を満たす無
線周波数コイル構造又はフローパターンを設計する技術
に関する。

【０００２】

【従来の技術】初期の磁気共鳴映像システムでは、送信
機能及び受信機能の双方についてＢ₁場を作るためにサ
ドル型コイルが使用された。通常、銅製の管等の２個の
矩形ループが誘電体シリンダの回りに曲げて取り付けら
れた。最適均一度を得るために、その矩形ループは一般
に約120 °の円弧に対する。該ＲＦコイルの長さはその
直径にほぼ等しかった。該コイルを選択された磁気共鳴
周波数に同調させ整合させるために集中要素コンデンサ
が使用された。適切な位相を持った無線周波数電流がこ
のサドル対を流れると、同心(isocenter) Ｂ_xの回りに
対称の場が生じ、該ループの実効軸ｙ及びｚ方向に垂直
な所定のｘ軸に沿っている。通常、Ｂ_O場が沿っている
シリンダーの軸が前記方向と定義される。しばしば第２
のサドル型コイル対が同様の周波数で共振するように調
整されて、Ｂ_y場を作るために第１サドル型コイル対か
ら90°ずらされて取り付けられる。この第２コイル対を
第１サドル型コイル対から90°位相がずれている無線周
波数電流で励振すると、円偏光した無線周波数場が生じ
る。この、直角位相無線周波数コイルと呼ばれている装
置は、直線偏光コイルと比べると約1.４：１等の有利な
信号対雑音比を磁気共鳴の研究にもたらした。

【０００３】この様な直角位相サドル型ＲＦコイルは初
期の市販磁気映像システムに充分な性能を与えたけれど
も、Ｂ₁場には、特に送信モード時の不均一問題があっ
た。或る種のアプリケーションでは軟組織コントラスト
対雑音比は不均一度より重要であるので、受信機能につ
いてはＢ₁場の或る程度の不均一度は許容できる。けれ
ども、送信装置のコイルの主な役割は場の中の全てのダ
イポールを均一に励振することであった。より大きなＲ
Ｆ均一度を得るために、鳥かご型コイルが殆どの最新型
磁気共鳴映像装置に特に送信のために好んで用いられる
ＲＦコイルとなっている。鳥かご型コイルはサドル型コ
イルに対して均一度の点で優れている。鳥かご型コイル
は本来はその横断平面全体にわたって高いＢ₁均一度を
持っているのであるが、設計の自由度が比較的に限られ
ている。鳥かご型コイルを特定のアプリケーションに適
合させるために、その長さを直径と同じく調節すること
ができる。勿論、その周波数は共振周波数に合わされ、
そのインピーダンスはシステムの他の部分と整合させら
れる。

【０００４】受信機能のために単純なループコイルが種
々の形で表面コイル又は局部コイルを作るために使われ
ている。表面コイルは、問題のターゲット領域の近傍に
位置して、有利な信号対雑音比のために高い局部Ｂ₁／
感度・率を与えるけれども、均一度は比較的に低い。ル
ープの軸に沿うＢ₁場を検出するために円形及び矩形の
ループ形状が使われている。図８のループ対等の交差型
ループ対が、特に１対の交差コイルの中央平面の領域で
のループ軸に直交するＢ₁場を検出するために使われて
いる。ループ形状及び交差型ループ形状を組み合わせる
ことにより、直角位相平面型コイルを含む直角位相表面
コイルが作られている。ループ型コイルの他に、サドル
型及び鳥かご型のコイルも表面受信コイルとして改造さ
れている。コイルの形状は、頭、胴、膝、又はその他の
結像される身体部分にぴったり合うように正確に調整さ
れる。

【０００５】大容積ターゲットでの信号対雑音比及び撮
影深度を改善するために、個別に共振する単ループ構造
のアレイをコイル形に又は多コイル形に並べて取り付け
ている。この様な表面コイルアレイの感度低下は、常識
の範囲内で許容できる。例えば、脊柱映像時には、脊柱
は被験者の背面から遠くないので、コイルのアレイは被
験者の背面に置くだけでよい。例えば、腹部を結像する
ためには、浸透するＢ ₁を回路の上側及び下側の両方に
置くと共に好ましくは被験者の側部にもコイルを置く必
要がある。一般に、該アレイの各要素は単一の簡単なル
ープ又は局所的に直角位相の場を作る単一のループと交
差対との組み合わせである。この場合にも、ループの形
や配置には通常は長さ及び直径という限られた設計上の
自由度があるに過ぎない。

【０００６】従来技術のサドル型、鳥かご型、或いはル
ープ型コイルのサイズ特性を調整する他、該コイルの共
振点も調整する。コイルの共振点は回路網解析器で決定
する。共振周波数が選択された磁気共鳴周波数と一致す
るまで同調キャパシタンスを調整する。一般に給電点の
並列キャパシタンスから成る電気整合回路網を使ってコ
イルのインピーダンスを磁気共鳴結像システムの所望の
インピーダンス（例えば50オーム）に整合させる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】通常、サドル型、鳥か
ご型、及びループ型コイルは試行錯誤により設計されて
いる。勿論、各コイルの基本的形態は知られている。コ
イルの相対的サイズは結像されるべき領域のサイズに応
じて選択される。特にサイズの調整や、或いはコイルの
折り曲げ、折り畳み等の種々の調整がコイルに対してな
される。コイルの物理的特性が変更される毎に、そのコ
イルの実際の特性を決定するために該コイルの解析が行
われる。この様な調整の信頼度は設計者の技量と経験と
に比例するのであって、解析的ないし数値的解析や指針
に基づいてはいない。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は磁気共鳴映像装
置を提供するものであって、この磁気共鳴映像装置で
は、主界磁石は試験領域を通る時間的に一定の磁場を生
成し、無線周波数勾配磁場コイルは前記の時間的に一定
の磁場の中の被験者の一部分の磁気共鳴を励起するため
の無線周波数パルスを生成し、且つその磁気共鳴を符号
化し、受信装置は受信した符号化された磁気共鳴信号を
復号し、再構成処理装置はその復号された磁気共鳴信号
を再構成して画像表現とし、無線周波数コイルは少なく
とも前記の符号化された磁気共鳴信号を受信するように
なっており、この無線周波数コイルは：中央対称平面の
両側に対称的に配置された第１ループ対と；該対称平面
の両側に対称的に配置された第２ループ対を特徴する。

【０００９】本発明は更に磁気共鳴映像方法を提供する
ものであって、この方法では、時間的に一定の磁場が磁
気共鳴映像装置の円筒状ボアを通して生成され、少なく
とも無線周波数コイルを担持する局在コイルが該コイル
に隣接する領域から磁気共鳴信号を受信するように設計
され、患者と該局在コイルとは該ボアに挿入され、該局
在コイルに隣接する該患者の一部分の中に磁気共鳴が励
起されて磁場勾配で符号化され、その符号化された磁気
共鳴は該局在コイルで受信され、復号され、再構成され
て画像表現とされるようになっており、この方法は：静
的コイル幾何学的形状及びベクトル電流密度成分を定義
する静的問題定式化ステップと；該無線周波数コイルの
予め選択されたＢ₁場特性を定義する、連続電流密度関
数を定める１組の電流密度展開係数を得る静的電流解明
ステップと；該連続電流密度関数を離散化する離散化ス
テップと；その離散化された電流密度関数を模倣する電
流ループを定義するループ結合ステップと；電流を運ぶ
モノポール又はＶ−ダイポールを該電流ループに沿って
定義し、無効素子（reactive element) を付加して共振
周波数及び整合特性を調整し、受信された共振信号を復
調及び再構成させるべく運ぶ給電点を選択する高周波解
明ステップ；とを含む、無線周波数コイルの設計を特徴
とする。

【００１０】本発明の１つの利点は、Ｂ₁場の所定の空
間内挙動を有するＲＦコイルの設計と構築を可能とする
ことである。本発明のもう１つの利点は、例えば64MHz
等の比較的に高い磁気共鳴周波数で有益なＢ₁場特性を
生じさせる多巻構造の設計を容易にすることである。本
発明のもう１つの利点は、指定された給電、同調、及び
整合方式での無線周波数コイル構造についての磁気共鳴
アプリケーションでの適切な共振点を好ましくは静的又
は準静的逆解明から決定することを可能としていること
である。本発明の他の利点は、Ｂ₁コイル特定を最適化
するための、実験的手順ではなくて解析的／数値的手法
を提供していることである。次に、添付図面を参照して
実例を通して本発明を説明する。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１を参照すると、主磁場制御装
置10は、試験領域14を貫いてｚ軸に沿って実質的に均一
な、時間的に一定の磁場が生成されるように超伝導の又
は抵抗のある磁石12を制御する。磁気共鳴エコー手段
は、一連の無線周波数（ＲＦ）磁場勾配パルスを印加し
て磁気スピンを反転又は励起させ、磁気共鳴を誘起し、
磁気共鳴の焦点を合わせなおし、磁気共鳴を操作し、磁
気共鳴を空間的に又はその他の様式で符号化し、スピン
を飽和させ、等々の操作を行って磁気共鳴映像分光シー
ケンスを生成する。より具体的には、勾配パルス増幅器
20は、全身勾配コイル22のうちの選択されたコイル又は
コイル対に電流パルスを流して試験領域14のｘ、ｙ、ｚ
軸に沿って磁場勾配を作り出す。デジタル無線周波数送
信装置24は全身ＲＦコイル26に無線周波数パルスを送っ
てＲＦパルスを試験領域に送出する。各々の典型的な無
線周波数パルスは単持続時間の隣接するパルスセグメン
ト同士の束から成っていて、そして勾配が印加されるこ
とにより、選択された磁気共鳴操作を達成する。該ＲＦ
パルスを用いて、飽和させ、共鳴を励起し、磁化を反転
させ、共鳴の焦点を合わせなおし、或いは試験領域の選
択された部分における共鳴を操作する。全身への適用の
ために、全身ＲＦコイル26によって共鳴信号を検出する
ことができる。

【００１２】被験者の限られた領域の画像を生成するた
めに、その選択された領域の近傍に表面コイル又は局在
コイルが置かれる。例えば、挿入可能な頭部コイル30
は、このコイルの同心(isocenter) の位置に選択された
問題の脳領域が位置するように、挿入される。局所無線
周波数コイル32は、問題の領域から発した磁気共鳴信号
を受信する。より具体的には、共鳴は無線周波数コイル
26により励起され、その結果として磁気共鳴信号は局在
する無線周波数コイル32により受信される。また、局在
コイル組立体30はそれ自身の勾配コイルと該ＲＦコイル
及び勾配コイルの間のＲＦシールドとを含むこともでき
る。局所無線周波数コイル32を送信装置24と結合して送
信モード及び受信モードの両方で動作させることができ
る。シーケンス制御装置34には、例えば勾配エコー、ス
ピンエコー、勾配及びスピンエコー、高速スピンエコ
ー、エコー平面映像、等の選択された磁気共鳴映像シー
ケンスが装填されていて、それらに従って勾配増幅器20
及びデジタル送信装置24を制御する。より詳しくは、シ
ーケンス制御装置は、選択された結合シーケンスのため
に勾配増幅器及びデジタル送信装置に適当な時に適当は
強さの勾配無線周波数パルスを生成させる。該シーケン
ス制御装置はクロックに割り出されて、選択されたシー
ケンスの繰り返し毎に位相符号化変数又はその他の変数
を進行させる。

【００１３】磁気共鳴が誘起された後、局在無線周波数
コイル32は磁気共鳴映像信号を受信し、この信号は受信
装置36に送られる。通常、読み出し勾配印加時に受信さ
れた磁気共鳴信号は復調され、デジタル化38され、デジ
タルデータ列(line)又は画像(view)に変換される。この
画像又はデジタルデータ列は通常は再構成処理装置42に
より再構成されて画像表現とされるまで一時記憶域又は
メモリー40に記憶される。画像表現は画像メモリー44に
記憶される。選択されたシーケンスの性質により、その
画像表現はスライス画像、ボリューム画像、画像列、な
どである。ビデオ処理装置46は、画像表現のうちの選択
された部分を取り出して該データを適当なフォーマット
に変換して、ＣＲＴ、アクティブ・マトリックス、ＣＣ
Ｄ、又はその他の在来のビデオ表示装置等のモニター48
上に選択された表示を生成する。

【００１４】図２を参照すると、ＲＦコイル30は、理論
的に一連の解析ステップにより分布型ＲＦコイル・デザ
インを実現するように設計されている。最初に、静的問
題定式化ステップ50で、コイルの幾何形状及びベクトル
電流密度成分が定義される。頭部コイルを例として取り
上げると、電流密度成分Ｊφ及びＪ_zを有する円形円筒
状の幾何形状が選択される。好ましくは、コイルは選択
された有限の長さに制限される。電流密度成分は展開級
数として表現される。例示されている円形円筒状の例で
は、決定されるべき未知の展開係数を伴うフーリエ正弦
及び余弦級数が有利である。第２に、静的電流解明ステ
ップ52は、予め選択されているＢ₁場特性の集合をもた
らす電流密度成分展開係数の集合を得る。好ましい実施
例では、場に関する束縛条件の集合に従いながら、蓄積
される磁気エネルギーが最小にされる。この様にして、
磁気共鳴結像勾配コイル設計のために前に使用された手
法を静的Ｂ₁場問題に適応させる。

【００１５】第３に、離散化ステップ54は、連続的電流
密度関数を離散化する。好ましい実施例では、ワイヤの
各ループの電流は予め選択された束縛条件に合うように
押さえられ、流れ関数手法が適用される。設計を簡単に
するために、定ループ電流が好ましい。しかし、多数の
ループ又はループ・セグメントの各々に多数の電源が設
けられる場合には、複数の種々のループ電流値を割り当
てることができる。第４に、電流ループ結合ステップ56
は、電流密度関数を複数の離散化コイルループに濃縮す
る。全てのループが一定の電流に制約される場合には、
ワイヤのループ同士が直列に接続されて、連続的電流密
度が作り出すＢ₁場に似ているＢ₁場を生じさせるよう
な静的解を発見することができる。しかし、直列に接続
されるワイヤの巻数が大きくなるに連れてＲＦ構造の自
己共振点は低下してゆく。例えば64MHz 等の高い共振周
波数を必要とする高磁場磁気共鳴結像装置のためには、
ＲＦ想像の共振周波数は通常は低すぎる。従って、好ま
しい実施例では、該構造のインダクタンスを低く保つた
めに、ループ同士を並列に接続し、回路の各並列脚部、
素子、及びループに電流が適宜分布することとなるよう
にインピーダンス素子を回路に分布させる。適当なＲＦ
給電点を選択する。コイルの対称性に応じてＲＦ給電点
を選択するのが好ましい。

【００１６】第５に、高周波解明ステップ58を使用して
磁気共鳴周波数解を選択する。所定のワイヤ接続方式、
初期集中素子、及び給電点が与えられたならば、モーメ
ント法又はその他の全波場解明手法を適用して該構造の
共振特性を調べる。市販用全身ＮＭＲシステムのために
例えば10−100 MHz 等の問題の範囲の中のいろいろな周
波数で解が得られる。自己共振を特定するために給電点
入力インピーダンス対周波数（図３）のグラフを描く。
各自己共振点で、高周波電流を解析して、どの共振が好
ましいＢ₁場特性、特に原点の回りに対称で束縛条件と
矛盾しない均一性を有するＢ₁、をもたらすか判定す
る。好ましい実施例では、各脚部において実質的に均等
な電流振幅をもたらし且つその脚部の枝路に沿って位相
変化が最小であるような共振を探す。このプロセスにお
いて、最適のＢ₁特性をもたらすように回路中の集中素
子を適宜修正する。回路を接続ケーブルの特性インピー
ダンスに整合させるために少なくとも１つの集中素子を
組み込んで調整する。異なる共振周波数を有する他のダ
イポールからの磁気共鳴信号を調べるなどの他のアプリ
ケーションには他の共振モードを使用し得ることに注意
しなければならない。

【００１７】図４を参照すると、図２の方法に従って設
計された無線周波数コイル32の円筒状巻回パターンが示
されている。コイルは、誘電体シリンダの両側に 180°
離れて配置された同じ構造の２つのコイル部分60、62 を
有する。図を簡明にするために、部分60について詳しく
解説する。同じ解説が部分62にも該当することが理解さ
れよう。第１コイルセクションは、局在コイル30の同心
を通る中央（即ちｚ＝０）平面の両側に対称的に配置さ
れた２つの内側ループ64₁、64₂を含む。これらのルー
プは、その外側の端で、共振周波数を予め選択された周
波数に調節するコンデンサ又はその他の負荷66₁、 66₂
により完全なループ形に仕上げられている。コイル部分
60は、更に、中央平面の両側に対称的に配置された外側
のループ68 ₁、 68₂の対も含んでいる。これらのループ
も、その外側の端で、周波数調節用インピーダンス6
6₁、66₂により完全なループ形に仕上げられている。
並列接続するために接続部70が内側ループと外側ループ
との間に設けられている。接続部70は直接接続部である
けれども、特に多数のループを接続する場合にはインピ
ーダンスを用いてもよい。

【００１８】受信装置へ延びているケーブル72の一端が
整合インピーダンス回路網74に接続されている。整合イ
ンピーダンス回路網74は１対の対称給電点76に接続され
ている。コイル部分60及び62における電流分布が揃う様
に、これら２つの部分は直列接続部78によって直列に接
続されている。図２に関して上記したコイル設計手法を
もっと詳しく検討し、エネルギー／インダクタンス最適
化された無線周波数（ＲＦ）コイルの数学的定式化は２
部分の重ね合わせと見られる。第１部分50、52、54は、全
ての対称性条件と、ＲＦコイルにより生成される磁場が
持たなければならない場の性質とを満たすエネルギー／
インダクタンス最小化された静磁場形状の数学的展開に
ついて論じる。第１部分で作られた離散的電流パターン
を用いて、第２部分56、58 は、モーメント法〈the Meth
od of Moments(MOM)〉によるその様な電流形状を共振さ
せる数学的方法を論じる。

【００１９】軸方向ボア・システムでは、通常はＢ_O＝
Ｂ_Ozを横断する方向のＲＦ磁場、即ちＢ_1z＝Ｂ_1y磁場を
生じさせることに興味が持たれる。１例として、次に円
形円筒状の有限の長さのコイル構造を設計する。有限の
長さの円筒状ＲＦコイルの幾何学的形状が図１に示され
ており、Ｌはコイルの全長で、ａはコイルの半径であ
る。ＲＦ磁場のＢ_Z成分を生成するために、電流密度分
布は、２つの成分のベクトル重ね合わせであると見ら
れ、その一方は軸ｚ方向に沿う成分で、他方は方位角方
向に沿う成分である。電流密度分布の一般的表現は下記
の通りである：

【００２０】

【数１】

【００２１】目標は、ｘ方向に沿う指定された均一度の
ある静磁場成分を生じさせる適当な電流密度分布を発見
することである。具体的には、xz平面、yz平面、及びxy
平面に沿って対称なＢ_Z成分を発生させるために、電流
密度の両成分が一定の対称性を持たなければならない。
興味の対象は有限電流分布であるので、下記の連続性方
程式により：

【００２２】

【数２】

【００２３】電流密度の両成分についての式を下記のよ
うに書くことができる：

【００２４】

【数３】

【００２５】ここでｃ_nはフーリエ係数であり、

【００２６】

【数４】

【００２７】である。座標系は円柱座標系であるので、
ＲＦ磁場のＢ_Z成分を半径方向成分Ｂρ及び方位角方向
成分Ｂφとで下記のように表現することができる：

【００２８】

【数５】

【００２９】電流密度分布の２成分のフーリエ変換を考
慮し、連続性方程式を用いてフーリエ定義域内で２成分
を関連付けると、ＲＦ磁場のＢ_Z成分は下記のようにな
る：

【００３０】

【数６】

【００３１】Ｉ_0.1、Ｋ₁は、それぞれ、１次及び２次
の変形されたベッセル関数である。更に、蓄積される磁
気エネルギーＷの式は下記の様になる：

【００３２】

【数７】

【００３３】課題は、下記の束縛方程式（7)に従ってＲ
Ｆ磁場のＢ_x成分を生じさせる電流密度分布を発見する
ことであり：

【００３４】

【数８】

【００３５】ここでＢ_Zso（ｎ）は、点ｎでのＢ_xの束
縛値であり、Ｎは束縛点の数である。これを達成するた
めに、勾配コイル設計に適用されるエネルギー極小化手
法 (Morichの米国特許第5,296,810 号) を採用し、範関
数ξを下記の様に構築する：

【００３６】

【数９】

【００３７】ｃ_nに関してξを極小化すると、全てのｎ
についてのｃ_nについての行列方程式は下記の様にな
る：

【００３８】

【数１０】

【００３９】圧縮行列記法を使用し、無限和に上限
（Ｍ）を設けると、式（8)は下記の様になる：

【００４０】

【数１１】

【００４１】束縛方程式を採用すると、連続電流分布に
ついての最終行列解は下記の式で与えられる：

【００４２】

【数１２】

【００４３】ここでＢ_x は磁場束縛点の行列表示であ
り、^Tはその行列の転置行列である。この様に、エネル
ギー極小化手法を用いて、Ｂ_x成分について所望の磁場
挙動を生じさせる連続的電流分布を定義する。流れ関数
手法 (Morichの米国特許第5,296,810 号を参照）を用い
てその連続的電流密度を離散化し、連続的電流密度挙動
に近い近似である離散的電流パターンを得る。エネルギ
ー極小化手法を独自に確認するために、離散的ループパ
ターンに対してビオ・サバールの法則を適用してＲＦ磁
場のＢ_x成分を評価し直す。始めの原型ＲＦコイルのデ
ザインから検討を進めると、コイルの半径は例えばａ＝
15.25 cmであり、長さはＬ＝30cmである。20cm直径球形
結像ボリューム〈a20cm Diameter Spherical Imaging V
olume (DSIV) 〉の中でのＢ_x成分の性質を定義するた
めに３つの束縛点を用いるのが好ましい。第１の束縛点
はｘ成分の大きさを23.5μＴに設定する。第２束縛点
は、磁場の軸上変化をその理想値から10％以内に、且つ
ＲＦコイルの中心から10cmの距離に、定義する。最後の
束縛は、磁場のｘ成分の軸外変化を該20cmＤＳＩＶの端
で最高30％に制限する。この束縛条件の集合が表１に示
されている。

【００４４】

【表１】エネルギー極小化手法を用いて、ＲＦコイルの線形Ｂ_x
モードについての連続的電流密度を得る。図５Ａ及び５
Ｂはそれぞれ２離散的ループ・パターン及び４離散的ル
ープ・パターンを示す。

【００４５】電磁的解析の根拠は、ベクトルポテンシャ
ル及びスカラーポテンシャルで表現された電場について
のマックスウェルの解である。全ての波長及び時間依存
関係を考慮に入れる。ローレンツのゲージ条件を用いて
スカラー・ポテンシャルを消去し、調和時間依存関係に
より電場を次のように書き表す：

【００４６】

【数１３】

【００４７】ここでΨ（ｒ，ｒ’）は３次元自由空間の
グリーン関数：

【００４８】

【数１４】

【００４９】であり、Ｒは観測点ｒと湧き出し点ｒ’と
の間の距離であり、Ｉ(r')は電流ベクトルでり、βは波
数である。積分は電流の通路Ｃに沿って行う。導電率の
高い材料については、一般条件：

【００５０】

【数１５】

【００５１】を導体の表面及びその内部に対して良い近
似で用いることができる。このアプリケーションでは、
この条件は、散乱された場と入射した場との和が、完全
に電導性のワイヤの表面とその内部とでゼロになること
を意味する。これがポックリントン (Pocklington)の積
分方程式：

【００５２】

【数１６】

【００５３】に通じる。上の式の中の電流Ｉ(r')は、発
見されるべき未知の関数である。モーメント法を用い
て、ワイヤ・セグメントについてのポックリントンの積
分方程式を、未知の電流項を含む連立線形代数方程式に
変換する。導体をワイヤ・セグメント（モノポール）に
細分する近似法で導体をモデル化する。そのモノポール
の数を増やすことにより、この近似を所要の精度にす
る。連続する２つのモノポールをＶ形ダイポールと定義
し、その上に試験関数を定義し、電流が該ダイポールの
両端で消失するという境界条件を満たす。ｎ番目の試験
関数は、Ｖ形ダイポールがｎ番目のＶ形ダイポールと一
致するときにのみゼロでなく、その他の場合にはゼロで
ある。好ましい試験関数はＷ_n(r) であり、ｎ番目の正
弦試験関数は下記の様に定義される：

【００５４】

【数１７】

【００５５】１_n-1は２つの点ｒ_n-1及びｒ_nを結ぶベ
クトルであり、１_nは２つの点ｒ_nとｒ_n+1とを結ぶベ
クトルである。１_n-1及び１_nはｎ番目のＶ形ダイポー
ルに沿う単位ベクトルである。電流Ｉ（ｒ')は試験関数
で下記のように展開される：

【００５６】

【数１８】

【００５７】ここでＩ_nは未知の電流係数である。電場
Ｅ_ind(r) の展開は、試験関数手順の同じ集合でなさ
れ、リッチモンド−シェルクノフの個別正弦基 (Richmo
nd-Shelkunoff's piecewise sinusoidal bases) でのガ
ラーキンの方法の実施に対応する。展開式を式（4)に代
入すると、線形問題：

【００５８】

【数１９】

【００５９】が得られ、ここでＺ_mnはセグメントｍ及び
ｎ（ｍ、ｎ＝１，．．．．Ｎ）の間の一般化インピーダ
ンス行列であり、

【００６０】

【数２０】

【００６１】ｍ番目の一般化電圧行列要素は下記の通り
である：

【００６２】

【数２１】

【００６３】Ｅ_n ^scat(r) の式は下記の代入により方程
式(11)から得られる：

【００６４】

【数２２】

【００６５】方程式（18) 及び（19) の積分はｍ番目の
Ｖ形ダイポールに沿って行われる。電圧行列要素Ｖ
_mは、外部の電源の場所により決定される。それらは、
もし対応するダイポールが電源に直接接続されるならば
単位の値に基準化され、それ以外の場合にはゼロに設定
される。この近似は入射電場Ｅ^inc(r) に対してデルタ
関数として作用し、その結果としての数値は、考慮して
いる周波数及び電圧ギャップについては正確である。方
程式（17) の線形行列問題を下記の様に反転させること
により未知の電流係数が得られる：

【００６６】

【数２３】

【００６７】磁場の挙動と回路解析のための実効回路イ
ンピーダンスとを、電流の計算をたどって発見すること
ができる。次に、この解を模範的ＲＦコイルシステムの
寸法にどの様に適用するか、説明する。Ｖ形ダイポール
の長さは波長の20％以下とするという制約に従って、半
径1.5 mmのワイヤについてＶ形ダイポールの集合を選
ぶ。該コイルについての電流パターンは、電流表面の全
平面の中から、その対称性を考慮して、１象限により指
定される。正確な電流パターンを維持しながらＺ_mn逆行
列計算のための数値的要求を処理するために、第１象限
内の最適化されたワイヤ通路の座標の数を25点まで減ら
すことができる。コイルの半径は0.1525ｍであり、長さ
は0.3 ｍである。電流の通路、接続、及び給電点は図４
に示されている。システム全体についての試験関数の数
は206 個である。

【００６８】システムを所望の周波数に合わせるために
電流の道筋に沿って集中コンデンサ66₁、66₂を分布さ
せる。コイル周波数スペクトルはコイル入力インピーダ
ンスの計算：

【００６９】

【数２４】

【００７０】により決定される。同調コンデンサ（コン
デンサＣ）の挿入は、下記の計算：

【００７１】

【数２５】

【００７２】によりｍ番目のＶ形ダイポールに随伴する
対角行列要素Ｚ_mmを変更することを意味する。また、入
力インピーダンス74を外部電源のインピーダンスに合わ
せて調整する。整合コンデンサ（コンデンサＣ_F）を使
用し、入力電流Ｉ_inputを下記の様に修正する：

【００７３】

【数２６】

【００７４】容量の分布は比較的に一定の位相の電流を
生じさせるように設計されているので、磁場は準静的ビ
オ・サバールの計算により評価される。図３に示されて
いる前記の入力インピーダンス周波数スペクトルに見い
だされる各共振周波数で場を調べる。同調をとるため
に、初めに整合コンデンサをＣ_F＝100 pFとし、同調コ
ンデンサＣを10MHz から100 MHz までの周波数範囲内で
20pFから30pFまで変化させる。スペクトルから分かるよ
うに、システムは64MHz で共振し、これは10MHzから上
に向かって数えて３番目の共振ピークであり、このとき
Ｃは23pFである。64MHz での共振が達成されたとき、そ
の結果としてのＲＦコイルの線形モードＢ _Zを再評価し
て、静的解と矛盾しない空間特性をそれが持っているか
否か確かめる（図６Ａ及び６Ｂ）。外付けの電子装置と
整合するように入力インピーダンスを調整しなければな
らない。Ｃ_Fのキャパシタンス値の変化は共振周波数に
敏感ではないことが分かった。従って、システムの共振
特性を維持しながらＺ_input＝50.27 ΩでＣ_Fを142 pF
に調整した。

【００７５】モーメント法理論の結果に基づいて、提案
されたＲＦコイルのパターンでＣu箔をエッチングして
直径29cmのアクリル・フォーマットに取り付ける。その
コイルは、28pF同調コンデンサを使うと63.725MHz で共
振する。このコイルを外すと反射係数は−13dBとなり、
コイルを装荷すると−29dBとなる。次のステップとし
て、該コイルを1.5 Ｔ全身ＭＲＩユニットに挿入する。
同じ実験で該コイルを送信及び受信モード構成で操作す
る。該コイルとともに使用されるＭＲＩシーケンスは、
ＴＥ＝30ミリ秒、ＴＲ＝50ミリ秒、ＦＯＶ＝25cmでのス
ピン・エコー（ＳＥ）シーケンスを含む。図７を参照す
る。或る種のアプリケーションではコイルのｚ方向即ち
軸方向沿いの感度を限定するのが有利である。コイルの
端でコイル感度が急に低下しなければならないという束
縛条件を設計に課した場合には、逆回転のコイルセクシ
ョン80、82をコイルの端に付加する。その逆回転セクシ
ョンはコイル64及び68とは逆の回転方向に電流を通す。

【００７６】図８を参照する。コイルを必ずしも円対称
シリンダ上に位置させる必要はない。むしろ、コイルを
例えば楕円形シリンダ、Ｄ形シリンダ、平面、人体のい
ろいろな部位と一致する形状等の、他の形状としてもよ
い。電流が平面上を流れるように構成した場合には、巻
線は図８に示されている様に分布する。図５Ｂの４ルー
プ・コイルを中央平面に沿ってより均一となるように構
成すると、図９に実線で示されているようにコイルは隅
がより四角に近い形になる。当業者は容易に種々の別の
実施例に想到するであろう。円筒状ボア磁石を参照して
説明をしたけれども、同じ設計手法を利用して例えばＣ
形磁石等の他の種類の磁石に用いる無線周波数コイルを
設計することができる。コイルを並列に接続せずに、各
コイルを独立のピックアップに同調させ整合させてアレ
イ型コイル構造を形成することができる。コイルのいず
れかの脚を流れる電流を他の脚を流れる電流と異ならせ
てもよい。同様の構造の第２のコイルをシリンダ上で90
°回転させて取り付けて円筒状直角位相コイルを作るこ
とができる。平面形、２平面形、楕円形、及びその他の
幾何学的形状に直角位相コイルを設計することもでき
る。ループの全部又は一部分を使って該コイルを送信モ
ードで使用することもできる。多ループ実施例では、複
数のループを並列に接続して、並列装置に該構造の他の
１つのループ又は複数のループから別々に給電すること
ができる。更に、或る種の実施例では負の、即ち逆回転
する電流ループが要求されることが理解されよう。その
様なループは、レンツの法則に従って要求される逆向き
に流れる電流を作るために閉じた回路として形成される
のが有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の磁気共鳴映像システムの図である。

【図２】無線周波数コイル設計手法を概説するフローチ
ャートである。

【図３】給電点入力インピーダンス対周波数のグラフで
ある。

【図４】平らに広げた図１の局所コイルからのコイル対
を示す。

【図５】図５Ａ及び５Ｂは、それぞれ本設計手法により
作られる２ループ構造及び４ループ構造である。

【図６】図６Ａは、図４のコイルの空間特性を対称平面
を横断して示す。図６Ｂは、図４のコイルの空間特性の
３次元表示である。

【図７】図４の無線周波数コイル構造の別の実施例であ
るが、その縦方向の端で感度の鋭い低下がある。

【図８】本発明の無線周波数コイル構造の、特に平らな
コイル向きの実施例である。

【図９】問題の領域がより均一にカバーされてゆくとき
のコイルループの形状変化を示す。

【符号の説明】

30 ＲＦコイル 32 無線周波数コイル 60、62 コイル・セクション

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ラブロスエスペトロポウロスアメリカ合衆国オハイオ州 44139 ソーロンブルックランドアベニュー 6559 (72)発明者ヒロユキフジタアメリカ合衆国オハイオ州 44118 クリーヴランドハイツイーストオーヴァールックロード 2750 (72)発明者スマリュースヴァルツマンアメリカ合衆国オハイオ州 44124 メイフィールドハイツメイフィールドロード 6811−476 (72)発明者ロバートダブリューブラウンアメリカ合衆国オハイオ州 44139 ソーロンレイクヴィューロード 34285

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】磁気共鳴映像装置において、主界磁石は
試験領域を通る時間的に一定の磁場を生成し、無線周波
数勾配磁場コイルは前記の時間的に一定の磁場の中の被
験者の一部分の磁気共鳴を励起するための無線周波数パ
ルスを生成し、且つその磁気共鳴を符号化し、受信装置
は受信した符号化された磁気共鳴信号を復号し、再構成
処理装置はその復号された磁気共鳴信号を再構成して画
像表現とし、無線周波数コイル（32) は少なくとも前記
の符号化された磁気共鳴信号を受信するようになってお
り、この無線周波数コイル（32) は：中央対称平面（ｚ
＝０）の両側に対称的に配置された第１ループ対（6
4₁、64 ₂）と；該対称平面の両側に対称的に配置され
た第２ループ対（68₁、68₂）とを特徴とする磁気共鳴
映像装置。
【請求項２】電導性ループ（80、82)の第３の対が該第
１及び第２のループ対（64₁、64₂、68₁、68₂）に隣
接して該対称平面に関して対称的に配置されており、該
第３ループ対（80、82)は、電流が該第１及び第２の対の
うちの最も近くに位置する電流ループに対して逆方向に
該電流ループの第３の対を通って流れることとなるよう
に、電流ループの該第１及び第２の対と接続されている
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気共鳴映像システ
ム。
【請求項３】該無線周波数コイル（32) は、該対称平
面に関して対称的に配置された電流ループ（64₁、6
4₂、68₁、68₂）の第１及び第２の対を含むシリンダ
上で対向して配置された第１及び第２のコイル部分（6
0、62)を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気共
鳴映像システム。
【請求項４】第１及び第２のコイル（60、62)は電気的
に直列に接続されており、該第１及び第２のコイル部分
の中のループの対は電気的に並列に接続されていること
を特徴とする請求項３に記載の磁気共鳴映像システム。
【請求項５】該無線周波数コイルは、電流ループの自
己共振周波数を調整するために該ループに接続された無
効素子（66₁、66₂)を含むことを特徴とする請求項１な
いし４のいずれかに記載の磁気共鳴映像システム。
【請求項６】磁気共鳴映像方法において、時間的に一
定の磁場が磁気共鳴結像システムの円筒状ボアを通して
生成され、少なくとも無線周波数コイルを担持する局在
コイルが該コイルに隣接する領域から磁気共鳴信号を受
信するように設計され、患者と該局在コイルとは該ボア
に挿入され、該局在コイルに隣接する該患者の一部分の
中に磁気共鳴が励起されて磁場勾配で符号化され、その
符号化された磁気共鳴は該局在コイルで受信され、復号
され、再構成されて画像表現とされるようになってお
り、この方法は：静的コイルの幾何学的形状及びベクト
ル電流密度成分を定義する静的問題定式化ステップと；
該無線周波数コイルの予め選択されたＢ₁場特性を定義
する、連続電流密度関数を定める１組の電流密度展開係
数を得る静的電流解明ステップと；該連続電流密度関数
を離散化する離散化ステップと；その離散化された電流
密度関数を模倣する電流ループを定義するループ結合ス
テップと；電流を運ぶモノポール又はＶ−ダイポールを
該電流ループに沿って定義し、無効素子を付加して共振
周波数及び整合特性を調整し、受信された共振信号を復
調及び再構成させるべく運ぶ給電点を選択する高周波解
明ステップ；とを含む、無線周波数コイルを設計するこ
とを特徴とする方法。
【請求項７】該ループ結合ステップにおいて、少なく
とも１つのコイル部分を定義し、そのコイル部分は該局
在コイルの中央対称平面の両側に対称的に配置された少
なくとも２対のループを有することを特徴とする請求項
６に記載の方法。
【請求項８】複数のループは、他のループに対して相
対的に逆回転方向に電流を通すために端の領域に隣接し
て配置された少なくとも１対の逆回転ループを含むこと
を特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項９】該高周波数解明ステップは、更に、各側
でループ対を並列に接続して該コイルの共振周波数を高
めるステップを含むことを特徴とする上記請求項のいず
れかに記載の方法。
【請求項１０】静的問題定式化ステップは、局在コイ
ルの幾何形状を定義し、ベクトル電流密度を定義し、該局在コイルに有限長束縛条件を設定し、該電流密度の成分を級数展開するステップを含んでお
り；該静的電流解明ステップは：Ｂ₁場の特性を選択
し、該局在コイルに蓄積されるエネルギーを極小化し、該電流密度展開の級数係数を作成するステップを含んで
おり；該離散化ステップは：該ループ電流を均等に且つ
一定に保ち、該電流密度に流れ関数を適用するステップを含んでお
り；該ループ結合ステップは：定電流ループを定義し、該無線周波数コイルの自己共振周波数を調整し、少なくとも１つのＲＦ給電点を選択するステップを含ん
でおり；該高周波解明ステップは：モーメント法を用い
て該無線周波数コイルの共振特性を解析し、周波数範囲で該モーメント法を解き、周波数に対して入力インピーダンスをプロットして該無
線周波数コイルの自己共振点を特定し、特定された各自己共振点についてＢ₁場特性を決定し、その特定された自己共振点のうちから、予め選択された
Ｂ₁場特性に最も良く似ているＢ₁場特性を有する自己
共振点を少なくとも１つ選びだし、その選択された自己共振点の自己共振周波数を予め選択
された自己共振周波数に調整するステップを含むことを
特徴とする請求項６ないし９のうちのいずれかに記載の
方法。