KR20000015998A - Quadrature elliptical birdcage resonator for nmr - Google Patents
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Abstract
Description
샘플에 rf 여기를 인가하여 결과로 나온 공진 신호를 취하는 것은 샘플을 에워싸는 구조에서 달성되며, 이 샘플은 나선형 코일, 새들 코인, 공진 공동, 혹은 버드케이지 공진기일 수 있다. 후자의 구조가 본 발명의 목적이며, 단면이 거의 타원형인 샘플에 결합할 것이 요구된다. 버드케이지 코일은 그 자체가 폐쇄된 래더 회로이며 코일 주위의 전류흐름은 정현파적으로 분포된다. 동조된 rf 회로로서, rf 여기 및 신호 검출 기능 중 하나 혹은 이들 모두를 위해 핵자기 공명 장치에서 사용된다.Applying rf excitation to the sample to take the resulting resonant signal is accomplished in the structure surrounding the sample, which may be a spiral coil, a saddle coin, a resonant cavity, or a bird cage resonator. The latter structure is an object of the present invention, and it is required to join a sample that is almost elliptical in cross section. The bird cage coil is itself a closed ladder circuit and the current flow around the coil is sinusoidally distributed. As a tuned rf circuit, it is used in nuclear magnetic resonance devices for one or both of rf excitation and signal detection functions.
버드케이지 코일은 근본적으로 그 이산 구조에 의해서 새들 코일, 나선 및 기하구조가 다르다. 버드케이지 코일에 있어서, 위상 시프트는 제로에서 2π(혹은 2πk, k는 정수)까지 코일의 원주 둘레에 이산적으로 분포되어 있어야 한다. 각각의 요소의 위상 시프트는 상당히 주파수 의존적이며, 결국 버드케이지 코일은 원하는 위상 시프트 요건을 달성하기 위해서 이산 주파수에 동조된다.Bird cage coils are fundamentally different in saddle coils, spirals, and geometries by their discrete structure. For bird cage coils, the phase shift should be distributed discretely around the circumference of the coil from zero to 2π (or 2πk, k being an integer). The phase shift of each element is quite frequency dependent, so that the bird cage coil is tuned to discrete frequencies to achieve the desired phase shift requirement.
버드케이지 코일은 의료 영상 장치 및 생체내 해석 분광에서 으레 접하게 되는 부피가 큰 샘플에 특히 매우 적합하다. 종래 기술의 버드케이지 코일은 1985년 Mag. Res., vol. 63, 622-628페이지, 헤이스 등에 의해 다루어져 있다.Bird cage coils are particularly well suited for bulky samples encountered in medical imaging devices and in vivo analytical spectroscopy. Prior art bird cage coils were published in 1985 by Mag. Res., Vol. 63, 622-628, Hayes et al.
버드케이지 구조는 그 자체 폐쇄된 주기적인 구조로서 간주될 수 있다. 구조물의 주기적인 요소들은 폐쇄된 루프에 대해 위상 시프트를 합하였을 때 합계가 2π의 몇배가 되어야 하는 위상 시프트가 생기게 한다. 기하학적으로, 공진기는 원통 대칭성을 가지며 구조물의 주변을 따라 축 방향으로 rf 전류는 sin kθ 및/또는 cos kθ에 비례할 것이 요구되며, 여기서 θ는 원통축에 관한 방위각이다. k=1 모드에서, 분석적인 NMR 응용에서 공통적으로 사용되는 바와 같이 가장 균일한 횡 자기장이 나온다.The bird cage structure can be regarded as a closed periodic structure itself. Periodic elements of the structure result in a phase shift where the sum must be several times 2π when the phase shift is summed over the closed loop. Geometrically, the resonator has a cylindrical symmetry and the rf current in the axial direction along the periphery of the structure is required to be proportional to sin kθ and / or cos kθ, where θ is the azimuth with respect to the cylindrical axis. In k = 1 mode, the most uniform lateral magnetic field is produced, as is commonly used in analytical NMR applications.
조사되는 대상과 NMR 전송기/수신기간에 불완전한 결합 구성요소에 의해 몇가지로 측정 수행이 제한된다. 먼저, 약한 공진신호가 본연의 잡음을 초과할 정도로 충분히 수신기에 결합되지 않은 때에 기구 성능의 감도에 한계가 있다. 비적합한 점유 인자, 예를 들면 대상이 전체 감응 크기 미만을 점유한 경우의 결과인 신호 대 잡음비에 한계가 있다. 또한 감응 크기 전체에 걸쳐 rf 자기장이 분포되는 비균질에 기인한 정밀성 상실이 있다.Measurement performance is limited in some ways by incomplete coupling components in the subject under investigation and the NMR transmitter / reception period. First, there is a limit to the sensitivity of the instrument performance when the weak resonant signal is not coupled enough to the receiver to exceed the natural noise. There is a limit to the signal-to-noise ratio, which is the result of inadequate occupancy factors, e. There is also a loss of precision due to heterogeneity in which the rf magnetic field is distributed throughout the magnitude of the response.
결합 구성요소는 조사 중의 대상을 에워싸는 유도성 구조 형태를 취한다. 전형적으로 이것은 공동 형태(예를 들면 주파수)를 취할 수 있으며, 혹은 더욱 일반적으로, 솔레노이드, 새들 혹은 버드케이지 기하구조를 취할 수 있다. 버드케이지 기하구조가 본 발명에서 다루어지며, 이 구조는 의료 영상 목적으로 인체의 단면에 더욱 양호하게 일치하는 타원형 단면의 버드케이지 기하구조를 이용하는 것이 바람직하다.The binding component takes the form of an inducible structure that encloses the subject under investigation. Typically this may take the form of a cavity (eg frequency) or, more generally, a solenoid, saddle or bird cage geometry. Bird cage geometries are addressed in the present invention, which preferably employs an oval cross-section bird cage geometry that better matches the cross section of the human body for medical imaging purposes.
타원형 버드케이지 단면의 RF 코일은 인체의 두부 및 신체에 대한 의료 영상화에 사용하는 것으로 알려져 있다. Proc. SMRM, 272페이지(1992)의 빈슨, 마틴, 그리피스 및 에드워드; Proc. SMRM, 1342(1993), 라이 및 스미스; Proc. SMRM, 4025페이지(1992), 쿠레제브스키, 파블로비치, 스티들리 및 롤린스; Proc. ISMRM, 1411페이지(1996), 라이 등에 의해 보고된 논문을 참조할 수 있다.The oval bird cage cross section RF coil is known for use in medical imaging of the head and body of a human body. Proc. SMRM, Vinson, Martin, Griffith and Edward, p. 272 (1992); Proc. SMRM, 1342 (1993), Ly and Smith; Proc. SMRM, p. 4025 (1992), Kurezevsky, Pavlović, Steedley and Rawlins; Proc. See paper reported by ISMRM, p. 1411 (1996), Li et al.
빈슨 등에 의한 논문은 코일 요소 및 타원형 실린더(그의 단면이)의 중심축에 의해 형성된 세그먼트가 동일 영역을 포함하며, 전류는 코일의 단부 링에 관하여 정현파적으로 몇 개의 레그 사이에 분배되도록 한 레그 요소 배열을 교시하였다.The paper by Vinson et al. Describes a leg element in which segments formed by the central axis of the coil element and the elliptical cylinder (with its cross section) contain the same region, and the current is distributed sinusoidally between several legs with respect to the end ring of the coil. The array was taught.
라이 및 스미스는 외주 상에 주변 거리 증분으로 등간격으로 이격된 16개의 요소(레그)를 갖는 타원형 코일로부터 얻어질 수 있는 B1필드를 연구하였다. 반장축 A 및 반단축 B인 타원형에 대해서, 타원형의 표면 상의 전류밀도에 대한 근사화 공식은 단축에 거의 평행한 자기장을 제공하도록Lie and Smith studied the B 1 fields that could be obtained from elliptical coils with 16 elements (legs) spaced at equal intervals on the outer periphery increments. For ellipses with half-long axis A and half-axis B, the approximation formula for current density on the surface of the ellipse is to provide a magnetic field nearly parallel to the single axis.
Jc(θ) = J0cos(θ)/(B2cos2(θ) + A2sin2)J c (θ) = J 0 cos (θ) / (B 2 cos 2 (θ) + A 2 sin 2 )
로서 주어진다.Is given by
쿠프체브시키 등은 동일 각도 증분으로 레그가 이격된 타원형 버드케이지 코일을 구성하였다.Kufchevshik et al. Constructed an elliptical bird cage coil with the legs spaced apart by the same angle increments.
본 발명은 NMR 기기 분야에 관한 것으로, 특히 거의 타원형 단면을 나타내는 조사 대상에 NMR 전송기/수신기 결합에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to the field of NMR devices, and in particular, to NMR transmitter / receiver coupling to irradiated objects having a nearly elliptical cross section.
도1은 본 발명에 따른 개략도.1 is a schematic view according to the present invention;
도2a는 직교 동작에 맞게 된 저역통과 버드케이지 코일의 개략도.2A is a schematic diagram of a lowpass bird cage coil adapted for orthogonal operation.
도2b는 도 2a에 대응하는 단순화한 전송선을 도시하는 도면.FIG. 2B shows a simplified transmission line corresponding to FIG. 2A. FIG.
도2c는 직교 동작에 맞게 된 고역통과 타원형 버드케이지 코일의 개략도.2C is a schematic diagram of a highpass elliptical bird cage coil adapted for orthogonal operation.
도2d는 도 2c에 대응하는 단순화한 전송선을 도시하는 도면.FIG. 2D shows a simplified transmission line corresponding to FIG. 2C. FIG.
도3a는 비교를 위해 사인 및 코사인 곡선과 함께, 3:2 타원의 타원경계 둘레에 2개의 직교 모드에 대해 식 1의 연속 전류 밀도를 도시한 도면.FIG. 3A shows the continuous current density of Equation 1 for two orthogonal modes around an elliptic boundary of a 3: 2 ellipse, with sine and cosine curves for comparison.
도3b는 여현파 여기로, 종래의 3:2 타원형 버드케이지 코일에 대해 계산된 (수직) 필드 균질성을 도시한 도면.FIG. 3B shows the (vertical) field homogeneity calculated for a conventional 3: 2 elliptical birdcage coil with cosine wave excitation. FIG.
도3c는 정현파 여기로, 종래의 3:2 타원형 버드케이지 코일에 대해 계산된 (수평) 필드 균질성을 도시한 도면.FIG. 3C shows sinusoidal excitation, calculated (horizontal) field homogeneity for a conventional 3: 2 elliptical birdcage coil. FIG.
도4a는 본 발명에 의한 3:2 타원형 버드케이지 코일에 대해 계산된 (수직) 필드 균질성을 도시한 도면.FIG. 4A shows (vertical) field homogeneity calculated for a 3: 2 elliptical birdcage coil in accordance with the present invention. FIG.
도4b는 본 발명에 의한 3:2 타원형 버드케이지 코일에 대해 계산된 (수평) 필드 균질성을 도시한 도면.FIG. 4B shows calculated (horizontal) field homogeneity for a 3: 2 elliptical bird cage coil in accordance with the present invention. FIG.
도5은 본 발명의 타원형 버드케이지 코일의 단일 망 요소를 도시한 도면.5 illustrates a single mesh element of an elliptical bird cage coil of the present invention.
도6은 바람직한 공초점의 차폐물과 함께 타원형 단면을 도시한 도면.Figure 6 shows an elliptical cross section with a shield of the preferred confocal.
도7은 상의 중앙 평면을 통한 부분을 따라 취한 이미지 밀도 분포와 더불어 균일한 밀도 상의 이미지를 도시한 도면.7 shows an image of a uniform density image with an image density distribution taken along a portion through the center plane of the image.
본 발명의 출발점은 타원형 실린더의 표면 상에 연속한 표면 전류 분포 Ks(θ)를 얻는 것으로, 이 전류분포는 타원체 내부에서 직교 동작을 위한 균일하고 직각인 자기장을 제공할 것이다. 원통형 기하구조의 보다 단순한 경우로 변환하기 위해 공지된 등각 매핑기술이 사용될 수 있다. 다음에, 이산 전류 분포가 얻어지는데, 이것은 연속한 전류 경우에 등가 필드 분포를 제공한다. 이산 전류는 직교 동작을 달성하기 위해서 4M개의 레그(M은 정수)에 지원될 수 있는 것이 바람직하다. 이산 경우는 동일한 파워 분할 포트를 제공하기 위해 수동 직교 혼성 결합기가 사용될 수 있도록 직각 모드를 구동하는 동일 피크 진폭의 상황으로 더욱 제약된다. 상호관계에 의해서, rf 전류원으로부터 버드케이지 코일의 여기에 대한 분석은 근본적으로 코일 내에 샘플로부터 코일에 도입된 신호 수신과 동일하다. 본 발명에서, 코일에 대한 샘플 여기 기능은 서로 같은 신호 수신 기능을 기술하는 것으로 이해된다.The starting point of the present invention is to obtain a continuous surface current distribution Ks (θ) on the surface of the elliptical cylinder, which will provide a uniform and perpendicular magnetic field for orthogonal operation inside the ellipsoid. Known conformal mapping techniques can be used to convert to simpler cases of cylindrical geometry. A discrete current distribution is then obtained, which gives an equivalent field distribution in the case of continuous currents. It is desirable that discrete current can be supported for 4M legs (M is an integer) to achieve orthogonal operation. The discrete case is further constrained by the situation of the same peak amplitude driving the quadrature mode so that a passive quadrature hybrid coupler can be used to provide the same power split port. By correlation, the analysis of the excitation of the bird cage coil from the rf current source is essentially the same as the reception of the signal introduced into the coil from the sample in the coil. In the present invention, the sample excitation function for the coil is understood to describe the same signal reception function as each other.
본 발명에서, 이산 레그는 기하구조면에서 타원형 주변 상에 동일하지 않게 이격되어 있으며 전기 위상의 동일 각도 간격으로 이격되어 있다.In the present invention, the discrete legs are unequally spaced on the elliptical periphery in the geometry plane and spaced at equal angular intervals of the electrical phase.
본 발명의 물리적인 배경은 NMR 장치이다. 이상적인 예시를 도 1에 도시하였다.The physical background of the present invention is an NMR apparatus. An ideal example is shown in FIG. 1.
내경(11)을 갖는 자석(10)은 주 자장을 제공한다. 시간 및 방향에서 정밀하게 자기장을 제어하기 위해서, 자기장 증감 코일(도시없음)이 설치된다. 이들은 증감 전원(16, 18, 20)에 의해서 각각 구동된다. 또한, 기본 자기장에서 바람직하지 못한 잔류 공간 비균질을 보상하기 위해서 다른 증감 코일(도시없음) 및 전원(도시없음)이 필요할 수도 있다. 분석할 대상(이하 "샘플"이라 함)을 내경(11) 내 자기장 내에 두고 rf 자기장이 내경(11) 내부 내의 자기장과 바람직한 직교관계로 정렬되게 하여 이 샘플에 rf 파워를 조사한다. 이것은 내경(11) 내부에 전송기 코일(12)를 통해서 달성된다. 공진 신호는 내경(11) 내에 샘플에 가까운 수신기 코일 내에 유도된다. 전송기 및 수신기 코일은 동일한 구조, 혹은 개별적인 구조일 수 있다.The magnet 10 having an inner diameter 11 provides a main magnetic field. In order to precisely control the magnetic field in time and direction, a magnetic field sensitization coil (not shown) is provided. These are driven by the sensitized power supplies 16, 18, and 20, respectively. In addition, other sensitizing coils (not shown) and power sources (not shown) may be needed to compensate for undesirable residual space heterogeneity in the basic magnetic field. The sample to be analyzed (hereinafter referred to as "sample") is placed in a magnetic field in the inner diameter 11 and the rf magnetic field is irradiated with the desired orthogonal relation with the magnetic field in the inner diameter 11 to investigate the rf power. This is achieved through the transmitter coil 12 inside the inner diameter 11. The resonant signal is induced in the receiver coil close to the sample in the inner diameter 11. The transmitter and receiver coils can be of the same structure or of separate structures.
도 1에 도시한 바와 같이, rf 파워는 전송기(24)로부터 제공되고, 변조기(26)를 통해 변조되어 변조된 rf 파워 펄스(진폭 혹은 주파수 또는 위상 혹은 이의 조합)가 출력되고 증폭기(31)에 의해 증폭된 후 멀티플렉서(27)를 통해 내경(11) 내에 있는 전송기 코일(12)로 보내진다. 전송기 및 수신기 코일은 명백히 그 자체로선 동시에 동작하지 않는다. 양 기능을 위해서 필요하다면 동일한 코일을 채용할 수도 있다. 따라서, 멀티플렉서(27)는 전송기로부터 수신기를 격리시키기 위해서 제공된다. 별도의 전송기 및 수신기 코일인 경우, 구성요소(27)는 엄밀하게 멀티플렉서가 아니지만 수신기 동작을 제어하는 유사한 격리 기능을 수행할 것이다.As shown in FIG. 1, rf power is provided from the transmitter 24, and modulated and modulated rf power pulses (amplitude or frequency or phase or a combination thereof) are output through the modulator 26 and supplied to the amplifier 31. After being amplified, it is sent through a multiplexer 27 to the transmitter coil 12 in the inner diameter 11. The transmitter and receiver coils obviously do not operate simultaneously in themselves. The same coil may be employed if necessary for both functions. Thus, the multiplexer 27 is provided to isolate the receiver from the transmitter. In the case of separate transmitter and receiver coils, component 27 is not strictly a multiplexer but will perform a similar isolation function that controls receiver operation.
변조기(26)는 미리 선택된 시간 간격으로 rf 캐리어에 대한 원하는 진폭, 기간 및 위상의 rf 펄스를 제공하는 펄스 프로그래머(29)에 의해 제어된다. 펄스 프로그래머는 하드웨어 및/또는 소프트웨어 속성을 가질 수 있다. 펄스 프로그래머는 증감이 필요하다면 증감 전원(16, 18, 20)을 제어한다. 이들 증감 전원은 필요하다면 각각의 증감 코일에서 선택된 정적 증감을 유지할 수도 있다.The modulator 26 is controlled by a pulse programmer 29 which provides rf pulses of desired amplitude, duration and phase for the rf carrier at preselected time intervals. Pulse programmers may have hardware and / or software attributes. The pulse programmer controls the increase and decrease power supplies 16, 18, and 20 if increase or decrease is required. These increase and decrease power supplies may maintain a selected static increase and decrease in each increase and decrease coil if necessary.
과도 핵공진 파형은 수신기(28)에 의해서 처리되며 위상 검출기(30)를 통해 위상 쿼드래처로 분해된다. 위상 검출기(30)로부터 위상 분해된 시간 영역 신호는 프리에 변환기(32)로 보내져 처리의 특정 요건에 따라 주파수 영역으로 변환된다. 위상 분해된 신호에 대해 편의상 위상 검출기(30)의 구성요소로서 간주될 수 있는 아날로그 디지털 변환기(ADC) 구조를 통해 아날로그 공진 신호를 디지털 형태로의 변환이 통상적으로 수행된다.The transient nuclear resonant waveform is processed by the receiver 28 and resolved into a phase quadrature via the phase detector 30. The time-domain signal phased out from the phase detector 30 is sent to the pre-transformer 32 and converted into the frequency domain according to the specific requirements of the process. Conversion of the analog resonant signal to digital form is typically performed through an analog-to-digital converter (ADC) structure that can be considered as a component of the phase detector 30 for the phase resolved signal.
실제로 프리에 변환기(32)는 위상 분해된 데이터가 저장된(저장부(34)에) 것에 대해 작용함이 이해된다. 이것은 신호 대 잡음비를 향상시키기 위해서 시간 영역 위상 분해된 많은 파형을 평균화하는 일반적인 실행을 반영한다. 이때 변환기능은 평균화된 결과적인 파형에 적용된다. 표시장치(36)는 조사를 위해 획득된 데이터를 나타내기 위해서 그 데이터에 대해 동작한다. 대부분 하나 이상의 컴퓨터를 포함하는 제어기(38)는 장치 전체의 동작을 제어 및 상호 관련시킨다.In practice, it is understood that the pre-transformer 32 acts on storing (in storage 34) the phase resolved data. This reflects a common practice of averaging many waveforms that are time domain phase resolved to improve the signal to noise ratio. The conversion function is then applied to the averaged resulting waveform. The display device 36 operates on the data to represent the data obtained for the survey. The controller 38, most often including one or more computers, controls and correlates the operation of the device as a whole.
먼저, 타원형 실린더 내부 내에 균일하고 직각인 자기장을 제공하게 되는 타원형 실린더 주위에 적합한 연속한 전류 분포가 되게 하는 것이 바람직하다. 총계 2πk가 되는 위상 시프트에 대응하는 공진 모드 및 k=2, 3,...에 대해 4배, 6배 및 그 이상의 고차 다극 필드 패턴의 처리는 k=1에 대해 이하 주어지는 것들과 유사한 전개에 이어서 얻어져 발생됨이 이해된다. 이하 자기 공진 응용에 가장 유용한 거의 균질의 필드를 제공하는 k=1 모드로 한정한다. 그 결과를 얻기 위해서 대안 실시예가 사용될 수 있으나, 베쓰의 결과(IEEE 트랜색션, Nuc. Sci. vol. 14, 386-388페이지, 1967년)가 간편하다. 반장축 m, 반단축 n, 초점이 a = {m2-n2}1/2에 있고 편심률 e=a/m인 타원형을 고찰한다. 표준 극좌표로 변환후에 전류밀도는First, it is desirable to have a suitable continuous current distribution around the elliptical cylinder which will provide a uniform and perpendicular magnetic field within the elliptical cylinder. Resonance modes corresponding to phase shifts totaling 2πk and processing of quadruple, six-fold, and higher higher order multipole field patterns for k = 2, 3, ... are similar to those given below for k = 1. It is understood that it is subsequently obtained and generated. We will now limit to k = 1 mode, which provides a nearly homogeneous field that is most useful for magnetic resonance applications. Alternative embodiments may be used to obtain the results, but Beth's results (IEEE Transactions, Nuc. Sci. Vol. 14, pages 386-388, 1967) are straightforward. Consider an ellipse with the major axis m, the minor axis n, and the focal point at a = {m 2 -n 2 } 1/2 and the eccentricity e = a / m. After conversion to standard polar coordinates the current density
로 구해진다. 여기서, θ는 장축으로부터 측정된 기하학적 각도이며, 이 식의 실수부는 장축 및 단축 각각에 평행한 필드를 제공하는 모드를 나타낸다. 진동 여기는 진공 주파수 ω에서 인가되며, 물리적인 양은 이 식의 실수부 및 식 3의 실수부에 의해서 주어짐이 이해된다. -j로 표현된 90˚ 위상 시프트는 원형 버드케이지 코일에 대해 일반적인 실행에 따라 코일 내에 원형으로 분극된 필드를 제공하기 위해서 사인 모드와 코사인 모드 사이에 도입되었다. 비교를 위해 사인곡선과 코사인 곡선이 제공된 상태에서, 어스펙트 비가 3:2인 타원형에 대해서 도 3a에 공간적인 변화를 도시하였다.Obtained by Here, θ is the geometric angle measured from the long axis, and the real part of the equation represents a mode providing a field parallel to each of the long axis and the short axis. It is understood that vibration excitation is applied at the vacuum frequency ω and the physical quantity is given by the real part of this equation and the real part of equation (3). A 90 ° phase shift, represented by -j, was introduced between the sine and cosine modes to provide a circularly polarized field in the coil according to a common practice for circular bird cage coils. Spatial changes are shown in FIG. 3A for ellipses with an aspect ratio of 3: 2 with sinusoidal and cosine curves provided for comparison.
N개의 도전 레그로 된 어레이에 이산 전류를 흘려 타원형 실린더를 물리적으로 실현할 수 있다. 그러므로 전류를 전달하는 레그가 배치된 타원형에 대해 각도 위치, 그에 지원되는 전류를 명시해야 한다. 연속 전류 모델에 대한 많은 이산 근사화가 가능하다. 공진 구조물은 2개의 모드를 직교로 지원해야 하며 거의 균질의 횡 필드를 제공해야 하는 요건에 의해서 선택이 제약된다. 원형 직교 구동된 버드케이지 코일에 있어서는 구조물의 원주에 등간격으로 있는 N=4M의 도전 레그를 필요로 하며, 더욱이 2개의 모드에 대한 동일한 피크 구동 전류가 동일한 크기의 필드를 제공할 것을 필요로 한다. 원형 버드케이지 코일의 이와 같은 균일한 각도 간격을 타원형 표면에 매핑하게 되면 다음과 같은 각도에 있는 레그에 대해 각도 간격이 균일하지 못하게 된다.Discrete currents can flow through an array of N conductive legs to physically realize an elliptical cylinder. Therefore, you must specify the angular position with respect to the ellipse in which the leg carrying the current is placed and the current supported by it. Many discrete approximations for the continuous current model are possible. The resonant structure is limited by the requirement to support the two modes orthogonally and provide a nearly homogeneous lateral field. For a circular orthogonally driven bird cage coil, it requires N = 4M conductive legs at equal intervals around the circumference of the structure, and furthermore, the same peak drive currents for the two modes need to provide fields of the same magnitude. . Mapping this uniform angular spacing of a circular bird cage coil onto an elliptical surface will result in an uneven spacing for legs at the following angles.
여기서, φp는 전기 위상각이며, p = 0, 1, 2, ..., N-1은 직교 동작을 지원하는 4의 정수배이다. 오프셋 각 φ0= 0은 완성된 버드케이지 코일의 레드들을 축상에 있게 하는 한편, φ0= π/N은 이들 위치에 윈도우가 있게 한다. 제1 경우는 레그(들)에 전기적인 결합을 사용할 때 유용하며 제2 경우는 링 부재에 전기적인 결합이 사용될 때 유용하다. 어느 구성이든 유도성 결합에 적합하다. 당업자는 다른 대안으로서의 결합 방법 및 오프셋 각도의 상이한 값의 효능을 알 것이다. 따라서, 레그는 등각도로 이격되지도 않으며 극좌표로 타원형에 관한 주변 거리 증분으로 등간격으로 있지 않고 전기 위상각이 균일하게 분포된다. 도6에 도시되어 있고 변위 및 각도 단위 u 및 v를 각각 명시하기 위해 공초점의 타원형 및 쌍곡선에 의해 기술된 바와 같이, 타원형 원통좌표로 이러한 시스템을 고찰한다. 타원형 코일은 u = ln b, 여기서
위상각 φp- π/N에서 φp+ π/N까지 식 1을 적분하여, P번째 레그에 의해 지원되는 전류에 대한 식을 얻는다.Equation 1 is integrated from the phase angles φ p −π / N to φ p + π / N to obtain an equation for the current supported by the P-th leg.
동일한 피크 전류는 각각의 직각 모드에서 기술됨에 유념한다.Note that the same peak current is described in each quadrature mode.
타원형에 관하여 원하는 전류 분포를 발생하기 위해서 레그들 간 동일 위상 간격을 제공하는 것이 필요하게 된다. 실제 코일에서, 유한 길이의 레그는 리액티브 링 도체에 의해 접속되어 전송선을 형성한다. 동일 위상 간격을 달성하는 것은 원형 버드케이지 코일의 전송선 특성을 타원형 기하구조에 매핑하는 것과 동일하다. 이에 영향을 미치는 회로 구성요소 변환은 쉽게 도출된다.It is necessary to provide equal phase spacing between the legs in order to generate the desired current distribution with respect to the ellipse. In an actual coil, legs of finite length are connected by reactive ring conductors to form transmission lines. Achieving the same phase spacing is equivalent to mapping the transmission line characteristics of a circular bird cage coil to an elliptical geometry. Circuit component transformations that affect this are easily derived.
타원형 전송선의 단면을 도5에 도시하였으며, 요소들은 이들이 타원형 둘레 위치에 의해 달라지므로, 즉 망의 자기 인덕턴스 및 다른 망에 대한 그의 상호 인덕턴스는 이들의 지수에 의존하므로, 망 번호 p로 표기되었다. 버드케이지 코일의 행동은 망 자기-인덕턴스 및 가장 가까운 인접 커플링에 의해 좌우되므로, 따라서 링 및 레그에 배치된 2세트의 트림 캐패시터를 부가함과 아울러 타원형 주위에 이들 두가지를 동일하게 하면 일반적으로 사용되는 가장 가까운 인접 근사화 내에서 원하는 성분 변환이 달성된다. 그러므로 캐패시터는 링 및 레그 위치로 도시되어 있다. 다음 설명에서 고역통과, 대역통과 및 대역저지 형태로 쉽게 확장되고 본 발명이 이들을 포함할지라도 한정성을 위해 x 축 중심에 레그가 있는 저역통과 버드케이지 구조를 고찰한다. 인접하는 망들간 플럭스 결합은 일단 코일 기하구조가 선택되면 변경될 수 없으나, 이들의 유효 상호 인덕턴스 Mp,q는 공유하고 있는 레그의 유효 인덕턴스 Lp를 변경함으로써 변경될 수 있다. 상호 인덕턴스는 유효 자기 인덕턴스 dMp,q=2dLp의 2배 빨리 변경됨을 알 수 있으므로 Mp,q는 작은 리액턴스를 갖는The cross section of the elliptical transmission line is shown in Fig. 5, and the elements are designated by the network number p, since they vary by the elliptic circumferential position, ie the magnetic inductance of the network and its mutual inductance for other networks depend on their exponents. The behavior of the bird cage coil is governed by the mesh self-inductance and the closest adjacent coupling, so adding two sets of trim capacitors placed in the ring and legs, as well as equalizing them around the ellipse, is commonly used. The desired component transformation is achieved within the nearest adjacent approximation. The capacitor is therefore shown in ring and leg positions. In the following description, we will consider a lowpass bird cage structure that is easily extended to highpass, bandpass and bandstop forms and has legs at the center of the x-axis for the sake of limitation, although the present invention includes them. The flux coupling between adjacent networks cannot be changed once the coil geometry is selected, but their effective mutual inductance M p, q can be changed by changing the effective inductance L p of the shared leg. Since mutual inductance changes twice as fast as the effective magnetic inductance dM p, q = 2dL p , M p, q has a small reactance
인 레그 트림 캐패시터를 부가시켜 가장 작은 결합 MN-1,0과 같게 만들어진다. 개념적으로 이러한 캐패시터는 레그 인덕턴스의 일부이지만, 물리적으로 통상의 레그 캐패시터 C20에 결합되어 하나의 레그 용량The in-leg trim capacitor is added to make it equal to the smallest coupling M N-1,0 . Conceptually, these capacitors are part of the leg inductance, but are physically coupled to the normal leg capacitor C2 0 to provide one leg capacity.
를 제공할 수 있다.Can be provided.
망 인덕턴스로 돌아가서, p번째 망의 자기 인덕턴스를 Mp,p로 표시하고 가장 작은 망의 유효 자기 인덕턴스 M0,0는 =1 망과 공유하는 레그 내에 트림 캐패시터(2개의 가장 작은 망이 공유하는 레그엔 트림 캐패시터가 없다)의 존재에 의해서 감소됨에 유의한다. 즉,Returning to the network inductance, denote the magnetic inductance of the p-th network as M p, p and the effective magnetic inductance M 0,0 of the smallest network is the trim capacitor in the leg that is shared with the = 1 network. Note that it is reduced by the presence of no leg-and-trim capacitors. In other words,
보다 큰 망의 자기 인덕턴스는 통상 저역통과 코일엔 없는 각각의 링 부분에 트림 용량 C1을 부가함으로써 M0,0 (eff)으로 감소될 수 있다. 이들 망의 자기 인덕턴스는 이들의 상호 인덕턴스 트림 캐패시터에 의해서Larger net magnetic inductance can be reduced to M 0,0 (eff) by adding trim capacitance C1 to each ring portion, typically without a lowpass coil. The magnetic inductance of these networks is driven by their mutual inductance trim capacitors.
감소되어
이들 식으로 변환이 완료된다. 또한, 고역통과 코일에 대해 수치적으로 계산된 링 트림 용량 생각은 종래 기술로부터 공지된 것임을 유념한다. 마지막으로, 인접한 망의 가장 가까운 인접 결합은 2개의 망간 공유된 레그에 의해 좌우됨에 유념한다. 그러므로 가장 가까운 인접 결합의 변화는 작으며 편심률이 별로 크기 않은 타원형의 경우엔 무시할 수도 있으므로, 이들 경우 레그 트림 캐패시터를 제거할 수 있다.The conversion is completed in these ways. Also note that the numerically calculated ring trim capacity idea for the highpass coil is known from the prior art. Finally, note that the closest contiguous bond of adjacent networks is governed by the two legs shared legs. Therefore, the change in the nearest adjacent coupling is small and can be neglected for ellipticals with a small eccentricity, so the leg trim capacitor can be eliminated in these cases.
앞에 기술한 3개의 단락에 규정한 바에 따라, 저역통과 타원형 코일의 리액턴스는 가장 가까운 인접 근사화 틀 내에서 등가 원통 버드케이지를 정하는 공칭 파라미터 C20, M0,0 (eff)및 MN-1,p로 변환된다. 실제 목적으로, 타원형 버드케이지는 전기적으로 원형 케이지로 변환되었다. 망 결합에서 무시된 변화의 영향은 이러한 원형 코일의 매우 작은 변동이다. 전기 성분 변환은 서두에 기술한 것과 일관성 있는 것으로, 타원형 주위의 유효 성분값을 동일하게 함으로써 임의의 인접한 레그간 전기 위상 시프트가 일정하게 되고, C20는 주변 주위의 전체 위상 시프트를 2π와 같게 만드는 것이다. 타원형 고역 및 대역통과 코일에 대해서, 대응하는 과정 및 결과가 얻어진다.As defined in the preceding three paragraphs, the reactance of the lowpass elliptical coil is the nominal parameters C2 0 , M 0,0 (eff) and M N-1, which define the equivalent cylindrical bird cage within the nearest adjacent approximation framework . converted to p . For practical purposes, elliptical bird cages were converted into circular cages electrically. The effect of the neglected change in mesh coupling is a very small fluctuation of this circular coil. Electrical component conversion is consistent with that described earlier, whereby equalizing the active component values around the ellipse makes the electrical phase shift between any adjacent legs constant and C2 0 makes the total phase shift around the periphery equal to 2π. will be. For elliptical highpass and bandpass coils, corresponding procedures and results are obtained.
본 발명의 특정한 주 요지는 전송기 혹은 수신기 코일(11)의 특정한 구조이다. 물리적으로, 종래 기술의 저역통과 버드케이지 코일은 도 2a의 사시도와 동일할 수 있으며, 전기적으론 도 2b의 회로망과 동일할 수 있다. 동일 축 확장, 흑은 길이방향 부재 Ai는 직렬 LC 성분이며, 이의 직렬 인덕턴스 L2는 도체 길이, 혹은 길이방향 바에 걸쳐 전체적으로 분포된다. 각각의 인접한 한쌍의 바 Ai및 Ai-1이 결합되어 결합 요소의 인덕턴스를 포함하는 환상의 결합 요소 Bi를 통해 바 Ai의 평행한 어레이를 형성한다. 특정한 결합 구성을 제안하기 위해서 예시된 결합점(40, 42, 44, 46)이 도시되었다. 도시 없으나, 트림 캐패시터는 상술한 바와 같다.A particular key aspect of the present invention is the specific structure of the transmitter or receiver coil 11. Physically, the lowpass bird cage coil of the prior art may be identical to the perspective view of FIG. 2A, and electrically identical to the network of FIG. 2B. Coaxial expansion, black longitudinal member A i is a series LC component whose series inductance L 2 is distributed throughout the conductor length, or longitudinal bar. Each adjacent pair of bars A i and A i-1 are joined to form a parallel array of bars A i through an annular coupling element B i containing the inductance of the coupling element. Illustrated coupling points 40, 42, 44, 46 are shown to suggest specific coupling configurations. Although not shown, the trim capacitor is as described above.
무손실 코일에 있어서, 동일한 피크 크기 전류는 각각의 쿼드래처 모드의 구동된 레그에 흐른다.For a lossless coil, the same peak magnitude current flows in the driven leg of each quadrature mode.
도 3b 및 3c는 각각의 횡 직각 필드 모드에 대해 계산된 횡 필드 콘투어도로서, 어스펙트 비 m:n이 3:2이고, 타원형의 주위를 따라 등간격의 변위로 종래기술의 코일 레그로 구성된 이산 16극 타원형의 중심에 필드 강도로 정규화되었다. 도 3b에서 전류 분포는 여현파적이며 도 3c에서 전류 분포는 정현파적이다. 각 경우에 콘투어 간격은 도면의 중심에 정규화된 필드 강도로부터 대략 5%의 변이를 나타낸다.3B and 3C are lateral field contour diagrams calculated for each lateral rectangular field mode, with aspect ratio m: n 3: 3, with prior art coil leg at equal interval displacement along the circumference. Normalized to field strength at the center of the constructed discrete 16-pole ellipse. In FIG. 3B the current distribution is cosine wave and in FIG. 3C the current distribution is sinusoidal. In each case the contour spacing represents a variation of approximately 5% from the field strength normalized to the center of the figure.
도 4a 및 4b는 본 발명에 대해 도 3b 및 3c에 대응하는 계산된 필드 콘투어도를 도시한 것으로, 코일 레그는 식 2a 및 식 2b에 따라 전기 위상의 등간격으로 배치되고, 전류 분포는 식 3에 의해 주어진다. 개선된 동질성이 명백하다.4A and 4B show the calculated field contour diagrams corresponding to FIGS. 3B and 3C for the present invention, wherein the coil legs are arranged at equal intervals of the electrical phase according to equations 2a and 2b, and the current distribution is Is given by 3. Improved homogeneity is evident.
버드케이지 코일은 보통 도전성 차폐되는데, 코일(56)의 타원형 단면과 공초점인 타원형 차폐물(54)은 다극 대칭성이 최상으로 보유된다는 점에서 이론적으론 이점이 있음을 알았다. 그러나, 실제론, 임의의 기하구조의 차폐물이 있음으로해서 도입될 수 있는 변동은 전술한 방법을 사용하여 보상될 수 있어, 전송선의 구간마다 원하는 일정한 위상 시프트를 유지하게 된다.Bird cage coils are usually conductively shielded, and the elliptical shield 54, confocal with the elliptical cross section of the coil 56, has been found to theoretically have an advantage in that it retains the best multipolar symmetry. In practice, however, the variations that can be introduced due to the presence of any geometry shield can be compensated using the method described above to maintain the desired constant phase shift for each section of the transmission line.
본 발명의 동작 수행을 도7에 도시하였으며, 여기서 종래의 자기 공진 영상 장치에 본 직교 구동된 버드케이지 코일을 사용하여 균일한 밀도의 상이 형성되었다. 상의 중간면을 통해 취해진 부분을 따라 분포된 이미지 크기는 거의 균일한 프로파일을 나타낸다. 그레이스케일 표시기는 밀도를 대략 추정하기 위해서 이미지 우측에 포함된다. 반단축 상부에 나타나는 필드 균질성이 약간 불완전한 것은 코일의 동작 주파수가 영상 기기의 주파수로 약간 증가되었을 때 도입된 θ=π/2에 놓인 레그의 리액턴스 변화 탓이다. 축 눈금은 센티미터로 되어 있다.The operation of the present invention is shown in FIG. 7, where a phase of uniform density is formed by using a bird cage coil orthogonally driven in a conventional magnetic resonance imaging apparatus. The image size distributed along the part taken through the middle plane of the image shows an almost uniform profile. Grayscale indicators are included on the right side of the image to approximate the density. The slight incompleteness of field homogeneity at the top of the semi-short axis is due to the change in the reactance of the leg at θ = π / 2 introduced when the operating frequency of the coil is slightly increased to the frequency of the imaging device. The axis scale is in centimeters.
타원형 버드케이지 내에 둘러싸인 도전성 타원형 원통 샘플의 경우, 균일한 장축 및 단축 필드는 2개의 모드에 대해 똑같지 않을 것으로 예상될 수 있다. 이러한 행동은 사실, 도전성 타원형 원통 샘플이, 원형 버드케이지 코일을 포함하는, 실제 균일한 자기장을 제공하는 임의의 코일 구조 내에 있을 때 발생한다.For conductive elliptical cylindrical samples enclosed in an elliptical bird cage, the uniform long axis and short axis fields may be expected to be not the same for the two modes. This behavior actually occurs when the conductive elliptical cylindrical sample is in any coil structure that provides a truly uniform magnetic field, including a circular bird cage coil.
직각 모드에 의한 똑같지 않은 로딩의 경우는 샘플에 관하여 여기 필드의 상대적인 회전에 의해 본 실시예에 다루어질 수 있다. 예를 들면, 코일이 RF 전류를 구동된 레그에 결합함으로써 구동되고 레그 수가 8의 정수배일 경우, 타원형의 장축 및 단축에 관하여 45°전기 위상각에 놓인 레그를 구동하는 것은 샘플을 특징화하는 로딩의 동일 선형 조합으로부터 2개의 모드의 동일한 로딩 효과를 가질 수 있다. 이러한 방위로, 각각의 모드는 수평 및 수직 로딩의 동일한 선형 조합을 겪게 될 것이다. 그렇지 않다면 레그가 원하는 구동된 점 각각에 있도록 상기 주어진 바와 같이 레그의 분포 패턴의 회전에 의해서 적당한 필드 방위가 달성될 수도 있다.The case of unequal loading by the orthogonal mode can be addressed in this embodiment by the relative rotation of the excitation field with respect to the sample. For example, if the coil is driven by coupling RF current to a driven leg and the number of legs is an integer multiple of eight, driving the leg at 45 ° electrical phase angle with respect to the major and minor axis of the elliptical load will characterize the sample. It can have the same loading effect of the two modes from the same linear combination of. In this orientation, each mode will experience the same linear combination of horizontal and vertical loading. Otherwise proper field orientation may be achieved by rotation of the distribution pattern of the legs as given above so that the legs are at each of the desired driven points.
본 발명에 대해 특정한 실시예 및 예를 참조하여 기술하였으나, 다른 수정 및 변경이 상기 교시된 바에 따라 이 분야에 숙련된 자들에게 일어날 것이다. 첨부된 청구범위 내에서, 이 발명은 구체적으로 기술된 바와 다르게 실시될 수도 있고 많은 수정은 청구범위와 일관됨을 이해해야 한다. 청구범위에서, 수단 기능 부분은 인용된 기능을 수행할 때 여기 정해진 구조와 구조적인 등가물 뿐만 아니라 등가구조물을 포함하도록 된 것이다.While the invention has been described with reference to specific embodiments and examples, other modifications and changes will occur to those skilled in the art as taught above. Within the scope of the appended claims, it should be understood that the invention may be practiced otherwise than as specifically described and that many modifications are consistent with the claims. In the claims, the means function portion is intended to include equivalent structures as well as structural and structural equivalents as set forth herein when performing the recited functions.
Claims (12)
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Applications Claiming Priority (3)
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---|---|---|---|
US08/823,295 | 1997-03-21 | ||
US8/823,295 | 1997-03-21 | ||
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KR20000015998A true KR20000015998A (en) | 2000-03-25 |
KR100530432B1 KR100530432B1 (en) | 2006-03-03 |
Family
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Family Applications (1)
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Family Cites Families (2)
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US5372137A (en) * | 1993-01-19 | 1994-12-13 | The Mcw Research Foundation, Inc. | NMR local coil for brain imaging |
-
1998
- 1998-03-17 KR KR1019980709559A patent/KR100530432B1/en not_active IP Right Cessation
Also Published As
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