(57)【要約】【課題】選択されたボリュームに印加されるＲＦ（高周波）磁場において高い均一性を得る。コイルを構成するコンダクタにより維持される電流密度における不均一性を回避する。【解決手段】ネスト状かつ同心円状の螺旋部分を備え、その端子が次第にオフセットされた位相シフトコイル。異なる寸法の同心円状コイルを個別にチューニングすると、ある次元において比較的小さな隙間がコイル間に生じ、この次元に直交する次元に比較的大きな隙間が生じ、選択的ＲＦ結合用の異なる戻り磁束の特徴が付与される。【選択図】図３ａ
2005503907.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々が内側端部と外側端部とを有する複数の略同心円状かつネスト状の単体螺旋コンダクタであって、隣接する前記単体螺旋コンダクタの前記内側端部の相対的なオフセットにより前記単体螺旋コンダクタ間に所望のＲＦ位相差が得られるように配置された単体螺旋コンダクタを備えた、所望のＲＦ共鳴特性を発揮するコイル。
【請求項２】
各単体コンダクタが、所望の共鳴特性の定常波を実質的に維持する長さである、請求項１に記載のコイル。
【請求項３】
前記隣接する単体螺旋コンダクタが、それらの間の選択された分布静電結合を有する、請求項１に記載のコイル。
【請求項４】
各々が内側端部と外側端部とを有する複数の略同心円状かつネスト状の第２の単体螺旋コンダクタであって、隣接する当該単体螺旋コンダクタの前記内側端部の相対的なオフセットによりこれらの単体螺旋コンダクタ間に所望のＲＦ位相差が得られるように配置された第２の単体螺旋コンダクタをさらに備え、前記第１および第２の複数の単体螺旋コンダクタがヘルムホルツ対コイルを形成するように間隔をあけて設けられている、請求項２に記載のコイル。
【請求項５】
前記位相差が、全ての前記隣接する単体螺旋について一定である、請求項２に記載のコイル。
【請求項６】
前記第１および第２の複数物が略同一である、請求項４に記載のコイル。
【請求項７】
各コイル面の法線が対向し、かつ相互に直線的である、請求項６に記載のコイル。
【請求項８】
前記螺旋コンダクタが平面基板上に設けられている、請求項２に記載のコイル。
【請求項９】
前記コンダクタがＨＴＳ材料から構成される、請求項８に記載のコイル。
【請求項１０】
一対のコイルを備えた、ＮＭＲ装置で用いられるＮＭＲプローブであって、
前記一対のコイルは各コイルが、各々が内側端部と外側端部とを有する複数の略同心円状かつネスト状の単体螺旋コンダクタであって、隣接する前記単体螺旋コンダクタの前記内側端部の相対的なオフセットにより前記単体螺旋コンダクタ間に所望のＲＦ位相差が得られるように配置された単体螺旋コンダクタを備えた一対のコイルであって、前記対が間隔をあけて共通軸上に設けられて相互にコミュニケートすることで、前記対の隙間に所望のＲＦ磁場が形成されて、前記コイル対とＲＦ端子との間にＲＦ結合を生じさせる、ＮＭＲプローブ。
【請求項１１】
特性が制御可能な磁場と、
ＲＦ源およびＲＦプローブアセンブリと選択的に結合されるＲＦ受信機とを備えた物質組成を検査するＮＭＲ装置であって、
前記プローブアセンブリが、少なくとも一対のＲＦコイルであって、各コイルが間隔をあけた同心円状の螺旋コンダクタを有する、少なくとも一対のＲＦコイルを含み、
各螺旋コンダクタがインダクタンスを有し、前記螺旋コンダクタの各対がその間に分布容量および相互インダクタンスを有することで、前記部品が少なくとも一つの共鳴により特徴づけられ、
各螺旋コンダクタが少なくとも前記一つの共鳴に対応する定常波を実質的に維持しており、
各螺旋コンダクタの、少なくとも一つの隣接する前記螺旋コンダクタに関する物理的なオフセットにより前記螺旋コンダクタ間に位相シフトが誘導される、ＮＭＲ装置。
【請求項１２】
小さな間隔をあけた少なくとも２つの同心円状の螺旋コンダクタを備えたＲＦ共鳴部品であって、
各螺旋コンダクタはインダクタンスを有し、前記螺旋コンダクタの各対がその間に分布容量および相互インダクタンスを有することで、前記部品が少なくとも一つの共鳴により特徴づけられ、
各螺旋コンダクタは少なくとも前記一つの共鳴に対応する定常波を実質的に維持しており、
各螺旋コンダクタの、少なくとも一つの隣接する前記螺旋コンダクタに関する物理的なオフセットにより前記螺旋コンダクタ間に位相シフトが誘導される、ＲＦ共鳴部品。
【請求項１３】
共通基板上に同軸上に配置された、隣接する内側および外側螺旋コンダクタを備えた多重共鳴ＲＦコイル構造であって、
前記外側コイルが前記表面上に第１および第２の対称軸を有しており、
前記内側コイルが前記第１の軸に沿って前記外側コイルに近接しており、前記第２の軸に沿って前記内側コイルと前記外側コイルとが選択された分離で隙間をあけている、多重共鳴ＲＦコイル構造。
【請求項１４】
前記外側コイルが第１の共鳴周波数を呈し、前記内側コイルが第２の共鳴周波数を呈する、請求項１３に記載の多重共鳴ＲＦコイル構造。
【請求項１５】
前記第２の共鳴周波数で選択的にＲＦパワーを前記内側ループへ結合させる第１の結合ループをさらに有し、前記結合ループが自身の突起を前記内側ループの内部領域、および前記内側ループの外側かつ前記外側ループの内側にある別の領域の両領域上に同時に重なるように配置されている、請求項１３に記載の多重共鳴ＲＦコイル構造。
【請求項１６】
前記内側および外側コイルの各々が、前記表面上で略矩形である、請求項１３に記載の多重共鳴ＲＦコイル構造。
【請求項１７】
前記コンダクタがＨＴＳＣ材料から構成される、請求項１３に記載の多重共鳴ＲＦコイル構造。
【請求項１８】
同心円状の単体部分であって、各部分が２πの倍数とは実質的に異なる角度を有し、かつ前記部分が隣接する前記部分と静電結合する単体部分を備えたＲＦ共鳴構造上にＲＦ電流密度を均一に分布させる方法であって、
ＲＦパワーを前記単体部分へ結合させることと、
隣接する前記部分間にＲＦ位相シフトを生じさせることを含む方法。
【請求項１９】
前記シフトを生じさせる工程は、前記隣接する部分を幾何学的にオフセットすることを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記結合工程において、第１の位相を有するＲＦパワーと第１の前記部分とを個別に結合させ、第２の位相を有するＲＦパワーと第２の前記部分とを個別に結合させる、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）の分野において、特に平面基板上に実現される超伝導プローブコイルに関する。
【背景技術】
【０００２】
身体特性の研究に用いられる各種のＮＭＲ装置においては、装置と身体との結合（カップリング）が重要であり、該結合はプローブコイルを介して生じる。プローブコイルはＲＦ磁場を身体へ印加して共鳴を励起させ、典型的には、身体やサンプル（試料）との誘導結合により共鳴信号が印加される部品としても機能する。装置の感度は該結合の性質および効率に大きく依存する。近年、平面基板に種々の幾何学形状で成膜された高温超伝導（ＨＴＳＣ）膜を用いた超伝導プローブコイルが導入されている。
【０００３】
効率的なＮＭＲコイルの寄与要因には、フィリング要因ξ、質要因（Ｑ）、および固有結合効率ζが含まれる。フィリング要因は、サンプルに使用可能なコイルにより定義される内部ボリューム部分を測定する幾何学的な特徴である。明確には、励起され共鳴非励起する多量なサンプルは、より大きな信号の一因である。コイルは総インダクタンスにより特徴づけられて観察されるかもしれないが、検出信号に寄与しない容量はいずれの部分も感度損失を示している。Ｑは共鳴回路内の抵抗損失に対する共鳴回路の磁場に蓄積されたパワー（電力）の比を示す。感度はＱ1/2に比例する。従って、ξ、ζ、およびＱを最大量にすることが望ましい。
【０００４】
ＨＴＳコイルのＱの値は非常に高く、１０4程度の範囲にも及ぶ。これらのコイルはＨＴＳＣ材料の特性により平面基板上に形成される。このような応用のコイルやコイル対が従来技術において扱われている。例えば、下記特許文献１を参照されたい。しかしながら、残念なことに臨界電流、例えば、このようなＨＴＳＣコンダクタ（導体）で維持可能な最大電流は、超伝導相の乱れにより制約されてしまう。
【０００５】
従来技術においては、単平面（プラナ）ＨＴＳＣコイルがＮＭＲ用として知られている。例えば、下記特許文献２を参照されたい。複数のＨＴＳＣコンダクタをネスト状のループにして用いることは公知である。ブレイ（Ｂｒｅｙ）およびウイザーズ（Ｗｉｔｈｅｒｓ）に発行された特許の下記特許文献３を参照されたい。各ループはそれ自体誘導共鳴の一因であり、ネスト状のループが内側・外側隣接ループの隣接部分である範囲では、分布容量リアクタンス部品が実現される。
【特許文献１】
米国特許第５，５６５，７７８号明細書
【特許文献２】
米国特許第６，２０１，３９２号明細書
【特許文献３】
米国特許第５，５９４，３４２号明細書
【特許文献４】
米国特許第５，３５１，００７号明細書
【特許文献５】
米国特許第５，５９４，３４２号明細書
【特許文献６】
米国特許第５，９８６，５４３号明細書
【非特許文献１】
グプタ（Gupta）、ガーグ（Garg）およびバール（Bahl）著、「マイクロストリップラインズ・アンド・スロットラインズ（Microstrip Lines and Slotlines）」、第３章（アーテック社（Artech）、1975）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の要求は、選択されたボリュームに印加されるＲＦ（高周波）磁場において高い均一性を得ることである。また、コイルを構成するコンダクタにより維持される電流密度における不均一性を回避するという別の要望もある。ＨＴＳＣ素子の電流密度が不均一になると、超伝導相が不安定になる場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の好ましい実施例の幾何学形状は、Ｍ（Ｍは整数）個の単体螺旋部分から成るネスト状構成である。Ｍ個の単体螺旋は、ネスト状構成が可能な連続ディメンションとなる。各単体螺旋は内側・外側端部を有する。隣接するネスト状螺旋単体の内側（外側）端部では、角度量Δθでの幾何学的変位により、相対位相でΔφのＲＦオフセット（ずれ）を生じさせている。好ましくは、同様の相対位相が全ての隣接対に対し維持される。単体螺旋の各隣接対がコイルの並列インダクタンスとの分布静電結合の一因となり、これにより所望のＲＦ共鳴特徴が達成される。
【０００８】
ＨＴＳＣプローブコイルのＲＦ電流搬送能力を向上させ、コイル上の電流密度分布を均一とすることが望ましい。これは、複数の近接して隣接する同心円状の螺旋コンダクタから構成される共鳴構造により達成される。各螺旋コンダクタは定常波を維持し、幾つかの螺旋コンダクタが、隣接する螺旋コンダクタに対し位相シフトを生じるように配置される。従って、隣接キャパシタ間の分布容量の大きさは設計において選択できる問題である。
【０００９】
多重共鳴ＨＴＳコイルが、高周波共鳴用に設計された内側コイルを有する平面かつ同心円状の位相シフト（矩形）螺旋により実現される。２つのコイルは一方の平面次元において近接しており、もう一方の次元では比較的遠い関係にある。これは、２つのコイルの磁束戻り領域を、外側コイルに対してはアセンブリの外周へ、また内側コイルに対してはコイル間領域へと導くためである。より大きな分離が望まれる場合は、これらのコイルの螺旋構造が逆であることが好ましい。
【００１０】
上記多重共鳴コイルとＲＦ源またはシンクとの結合は、各ネスト状コイルの戻り磁束に関する結合ループの配列により選択的に向上可能である。外側コイル部分との結合は、単結合ループの突起を外側ループで形成される領域上に配置するだけである。内側コイルとの選択的結合は、バタフライ・ループ、例えば逆螺旋構造の直列対のループ、により達成され、その突起は内側ループの内部および外部に跨っている。
【００１１】
本発明は種々の修正および変更が可能であり、上記の図は例示もしくは構造や現象の理解を助ける目的、またはその両方の目的で呈示されるものである。しかしながら、ここに記載する特定の実施例は、本発明に開示される特定の形態に限定するものではなく、以下に添付の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲に含まれる全ての修正、均等物、および変更を含有するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の物理的背景はＮＭＲ装置である。理想的な図を図１に示す。ボア（開口部）１１を有する磁石１０が主磁場を付与する。磁場の時間および方向を正確に制御するために、複数の傾斜磁場コイル（図示せず）が設けられている。該コイルは、夫々、傾斜電源１６、１８、２０により駆動される。また、基礎磁場に残留する好ましくない空間的な不均一性の補正に他のシムコイル（図示せず）や電源（図示せず）を必要とする場合もある。分析対象（以下、「サンプル」という。）をボア１１における磁場内に配置し、ＲＦ磁場がボア１１内部の磁場と所望の直交関係となるようにサンプルにＲＦパワーを照射する。これはボア１１内部の送信コイル１２を介して実現される。共鳴信号が受信コイルで生じ、ボア１１内でサンプルに近接する。送信・受信コイルの構成は同一でも異なっていてもよい。
【００１３】
図１に示すように、ＲＦパワーが第１の送信機２４ａから供給され、アンプ３１で増幅され、送受信（Ｔ／Ｒ）アイソレータ２７を介してボア１１内に配置されたＲＦ送信コイルを有するプローブ１２へ導かれる。送信機２４は、生成時に、または変調器２６により、振幅、周波数もしくは位相、もしくはそれらの組み合わせにおいて変調される。追加コンポーネントである送信機２４ｂ／変調器２６ｂは、独自に異なるジャイロ磁気共鳴器、例えばプロトンとＣ１３との励起によく用いられる。これらの独自の励起はここに記載する多重共鳴コイルにより容易に維持される。送信および受信機能が同時に起動することはない。所望によりプローブ１２内の同一コイルに両機能を持たせてもよい。従って、Ｔ／Ｒアイソレータ２７が、受信機と送信機との分離を行なうために設けられる。送信コイルと受信コイルとが異なる場合は、素子２７が同様の隔離機能を実施して受信機動作を制御する。
【００１４】
変調器２６はパルス・プログラマ２９を含むコントローラ３８に応答して、ＲＦキャリアに応じた所望の振幅、時間、および位相のＲＦパルスを事前に選択された時間間隔で供給する。パルス・プログラマはハードウェア的もしくはソフトウェア的な属性、または両方の属性を有していてもよい。また、パルス・プログラマは、傾斜が必要な場合は傾斜電源１６、１８、２０を制御する。これらの傾斜電源は、所望される場合に傾斜パルスを印加または選択された静的な傾斜を各傾斜コイルで維持する。
【００１５】
過渡核共鳴波形が受信機２８で処理され、さらに位相検波器３０により直交検波分解される。位相検波器３０からの位相分解時間領域信号はフーリエ変換器３２に付与され、処理の所定要求に従い周波数領域へと変換される。アナログ共鳴信号からデジタル形式への変換は、通常、その利便性から位相検波器３０の部品と見なされるＡ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）構造を介して位相分解信号上で行なわれる。
【００１６】
実際にはフーリエ変換器３２は、位相分解データの蓄積（プロセッサ３４の蓄積ユニット）発現時に作動する。これは、Ｓ／Ｎ比を向上させるために、多数の時間領域位相分解波形の平均を求める通常の手法を反映している。次に、平均化された波形に対し変換機能が実施される。ディスプレイ装置３６が収集データで作動し検査用呈示を行なう。殆どの場合１つまたは２つ以上のデジタルプロセッサから構成されるコントローラ３８は、パルス列の実行等、タイム・クリティカルな（時間に影響される）動作の制御および関連付けを行なう。コントローラ３８には、通常共鳴スピンシステムとの同調を維持する独立時間基準が組み込まれている。プロセッサ３４内の装置全体の全般動作は、操作者からの入力３７、タイム・クリティカルではない計算、およびさらなる処理や表示のための出力を含む。
【００１７】
図２ａにＮＭＲ装置のＲＦコイル用の公知の単螺旋を示す。等価回路は、分布インダクタンスおよび分布静電結合を明確に示す。このような単螺旋コイルが用いられる目的の一つは、それ自体がトポロジカル（位相的）であるということである。例えば共鳴キャパシタを実現するには、内部および外部端子を共通領域に設置しなくてはならない。ＨＴＳの実現においては、これには実現が困難な交差が必要になる。このようなコイルのもう一つの問題は、数百ＭＨｚ程度の典型的な共鳴周波数に達するのに望ましいものより、インダクタンスが大きくなり過ぎ、また分布容量が小さくなり過ぎるということである。しかしながら、単螺旋コイルは電流密度分布特性に優れており、磁気均一性および熱均一性が良好である。
【００１８】
図２ｂにＮＭＲ装置に用いられる従来のコイル構成の他の幾何学形状を示す。この従来技術の各コンダクタは小さなギャップを伴って、ほぼ２πで相対している。これらの構成は、インターデジット静電結合としてのネスト状コイルの特徴的な結合である。これらのコイルはインダクタンスに関し、望ましい場合は、より大きな容量を供給するが、最大ＲＦ電流が得られないので電流密度分布は最適化されない。これらのコイルは、上記特許文献４、上記特許文献５、および上記特許文献６の主題である。
【００１９】
従来の単螺旋およびネスト状螺旋とは異なり、本発明の位相シフト螺旋コイルは、所望の共鳴挙動に対するインダクタンスを平衡させるべく実質的に設計された容量を付与するものである。本発明の構造は、同心円状にネスト化され、かつ隣接単体螺旋に対し位相シフトされた複数の単体螺旋を含む。本発明で用いる単体螺旋コンダクタの例を、夫々の等価回路と共に図３ａおよび図３ｂに示す。図３ａの等価回路とコイルとの比較には、各螺旋コンダクタの数字／英字符号を用いる。ネスト状単体螺旋対１２２ａ，１２２ｂは面角度（面内角度）２πにわたって相対している。螺旋１２４ａ，１２４ｂは角度９π／２にわたって相対している。これらは単純な例であり、他の仕様による任意の面角を選択して隣接するコンダクタ間で位相シフトを実現させてもよい。コイルを形成するネスト状の螺旋の数は、コイル構成機構、例えばリソグラフィにより制限されるインダクタンスに対し達成される容量により決定される。
【００２０】
図３ａの実施形態と図２ｂの類似従来例とを比較すると、これらは電気的に等価であることが判る。その相違は各トポロジーにおいて明白である。図３ａのコイルは２つのネスト状のループを変位させているが、図２ｂの内側のループは外側のループに完全に包囲されている。この例示レベル（２ターン・２極）では電気的に等価であるが、本発明によりさらにループをネスト化すれば、従来のコイルにターンをネスト状に追加した場合と比べて所定の利点が得られる。まず、追加のターンやターン部分は、基礎コイルに容易に組み込まれて、所望の電気特性が付加される。等価回路は、図に符号２−３や５−４等で示す各部位との各分布静電結合と共に、追加ターン部分のインダクタンスにより補強されている。従来技術のトポロジーへの追加ターンは、基礎等価回路と並列にのみＬＣ素子の付加が可能であるが、本発明の位相シフト・ネスト状螺旋では、付加的変化を生じる等価ラダー回路の該当素子（ターンまたは部分的ターン）の付加が可能である。
【００２１】
本発明の位相シフトコイルの第２の利点は、ＲＦ電流がコイル上により一層均等に分布することである。従来の図２ｂの静電結合（図示しないターンが追加されたもの）を考察すると、外側のターンが隣接ターンのみと結合し、内側のターンが隣接ターンのみと結合している。中間のターンは各隣接ターンと結合する。これに対し本発明を考察すると、例えば図４では、外側（内部）のターンの一部のみが各隣接ターンと結合し、その後該ターンの残りは、内側・外側の両方向において隣接ターンと静電結合関係となる。
【００２２】
図２ｂの従来のコイルと本発明のコイル（例えば、図３ａおよび図３ｂ）との決定的な相違は、従来と本発明とにおける一対のネスト状コイルの容量分布を考察すれば明らかである。参考までに、両タイプのネスト状コイルでの全長さにわたる電流および電圧分布を考慮する。従来および本発明の何れのコイルの端子末においても、ＲＦ電圧は最大であり、ＲＦ電流は消滅する。端子の中間では、ＲＦ電圧は最小まで減少し、ＲＦ電流は最大まで増加する。隣接するネスト状コンダクタ間の容量は、明らかに電圧差に依存する。従来例の場合、図２ｂの従来技術で説明した小さなギャップに関し、該差異は最小である。本発明では、位相シフトはコンダクタ間の選択された重なりを示すので、多数のネスト状コイルが重なり合うと、従来技術で得られるよりも大きな容量がコンダクタの端末近くで蓄積される。
【００２３】
図４ａに、４極単体π／２位相シフト螺旋を示す。図４ｂにその等価回路を拡大して示す。等価回路は１０ターン、４（分布）キャパシタのπ／２位相シフトＲＦコイルを形成する。該等価回路をラダー形状で、また同一容量および同一インダクタンスについては従来の回路符号を用いて示す。分布容量は隣接ネスト状螺旋コンダクタの分布静電結合から実現される。ＲＦ源やシンクと本発明により構成されたコイルやコイル対とを結合せさる種々の技術が公知である。結合ループ（図示せず）を介在させて、誘導結合用のコイル部分をＲＦ送信機または受信機（本発明では好ましい）へ近接させることが望ましい。
【００２４】
上記は概ねネスト状部分から形成されるコイルの単体部分に関するものであり、ＨＴＳコイルの場合、平面基板内に配置されるものである。実際の装置においては、コイルは調査中のサンプルを包囲するヘルムホルツ対として配置される。典型的なヘルムホルツ対は２つの同一直列コイルから構成され、該コイルは共通の対称軸垂線に沿って略コイル半径と等しい距離で変位されている。該構成は、調査対象のサンプルが通常配置される２つのコイルの中間領域において、実質的にかなり均一な磁場分布を生じさせる。生体測定では、単一コイルをサンプルの表面近くにあてがうが、該幾何形状は医用画像の場で頻繁に用いられるものである。
【００２５】
本発明と従来技術との電流密度分布を比較する為、比較対象のコイルは所定の共通設計特性、例えば同一の外寸法および同一共鳴周波数を有している。図５ａに従来技術のコイル設計（図２ｂ）で得られる電流密度分布、図５ｂに本発明の１０ターン、４キャパシタ設計で実現される電流密度分布を示す。これらのプロットはある位置における特定のコンダクタ内の電流を示し、電流のおおよその大きさを矢印のサイズで示す。隣接コンダクタを視覚的に纏めて、コンダクタ断片の長さ方向の分布を考慮すると、図５ａの従来技術と比べ、本発明（図５ｂ）はより一層均一な電流分布をもたらす。これらの電流密度分布は「ＩＥ３Ｄ」リリース４（ジーランドソフトウェア（Zealand Software, 1977））を用いた積算方程式計算により求めたものである。
【００２６】
ＮＭＲプローブコイルの指針として求められるのは、プローブの内部感度ボリューム内に生じるＲＦ磁場の均一性、該感度ボリューム内の最小ＲＦ電場、およびプローブコイルの高いＱ値である。これらは所望コイルの近距離場特性を特徴づけるものである。該特性がＮＭＲ応用では特に重要であり、該特性は磁気共鳴イメージングや金属検出や所定要素特定検出用の核４極共鳴等、他のＲＦ応用の部品でも有用である。
【００２７】
所望構造の有益な相似は、マイクロ・ストリップラインで実施される結合ラインフィルタとしての実施である。上記非特許文献１を参照されたい。このようなストリップライン部品は、ストリップライン部品寸法上の磁場分布とは無関係な機能的仕様を呈す。ストリップラインに関しては、コイルの共鳴挙動は、分布インダクタンスおよび静電結合の使用に伴い生じるものであるが、本発明の最も重要な目的は、コイル自身に近接した外部領域において均一なＲＦ磁場を生成することである。
【００２８】
２重共鳴コイル構造は簡単に実現できる。図６に示す２重構成のプラナ部材は、１対のプラナ同心位相シフト螺旋コイルから構成され、符号２０８および２１０で表されており、夫々の共鳴性能に対する設計がなされ、都合上「ｈｉ」と「ｌｏ」として表されている。最も内側のコイル２０８は本発明の位相シフトコイルから構成され、高周波数で共鳴する。外側のコイル２１０も好ましくは本発明の位相シフトコイルである。Ｙ方向の最端で、該２つのコイルが、機械的配慮からの制限のみを受けて近接して配置されている。従って、コイル（磁束帰路）２２２の分離は、内側のコイル２０８からアセンブリの外側までの磁束に対して制限されることになる。Ｘ方向に関しては、コイルは比較的大きなギャップ２２４で分離され、内側（「ｈｉ」）コイル用の磁束戻り領域が付与される。ギャップ寸法の選択は、２つのＲＦチャネルの相対的分離と外側コイルの効率向上とのトレードオフである。一例として、内側コイルは６００ＭＨｚで共鳴するように選択された１０ターン、４分布容量の９０°位相シフト螺旋である。外側コイルは、１００ＭＨｚで共鳴するように選択された２０ターン、２分布容量の９０°位相シフト螺旋である。内側コイルの外寸は１．２ｃｍ×１．０ｃｍであり、ターン間の隙間は２ｍｍである。外側コイルの内寸／外寸は、１．６ｃｍ×１．８ｃｍ／１．５ｃｍ×１．７ｃｍであり、ターン間の隙間は１ｍｍである。図７に、内側コイルが同軸ケーブル２３１により駆動されるバタフライ・ループ２３０により選択的にＲＦ源と結合し、外側ループが同軸ケーブル２３３により駆動される単結合ループ２３２により選択的にＲＦ源と結合する、好適な結合構成を示す。バタフライ・ループは、内側コイル２０８の内側および外側の両領域で突出するように配置されている。該配置は内側コイル２０８の内側領域と関連する磁束の方向に対応しており、該磁束はコイル２０８の外側領域の磁束と比較すると反対方向へ導かれている。これら両領域上の外側ループと関連する磁束方向は、バタフライ・ループが遮断する領域内において一定の方向である。同様に、単一結合ループ２３２が、同じく内側コイルの内側および外側の両領域（外側コイルの内部領域内）で突出するように配置されているが、基本的に内側コイルと関連する正味の磁束を遮断することはない。
【００２９】
これらの同心円コイルは逆の螺旋構造で配置されており、高い精度で分離されている。このようにして得られた複数コイル構造では、内側（「ｈｉ」）コイル２０８が実質的に外側（「ｌｏ」）コイル２１０に対しトランスパレントとなる（他の所定の応用においては、結合を促進させるため螺旋構造を選択する場合もある）。前述のように、上記２重共鳴コイル構造の実用的な形態は、ヘルムホルツ対として構成されたこのような２つのコイルから構成される。該２重共鳴ＮＭＲプローブの変形例は、第１の対に向けられ、共鳴周波数の異なる一義的な対として設計された、２重共鳴コイルの他のヘルムホルツ対から構成される。このような４極共鳴プローブは独自にチューニングおよび結合が可能である。
【００３０】
特定の実施形態および実施例を参照し本発明を説明したが、上記の教示から当業者には修正・変更が可能であろう。本発明は、添付の特許請求の範囲内において、上記記載以外でも実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の背景を示す概略図である。
【図２ａ】従来技術の単螺旋をその等価回路と併せて示す図である。
【図２ｂ】従来技術の別の螺旋共鳴器をその等価回路と併せて示す図である。
【図３ａ】本発明の２極単体π位相シフト螺旋（２π／ターン）コイルをその等価回路と併せて示す図である。
【図３ｂ】本発明の２極単体π位相シフト螺旋（９π／２／ターン）コイルを示す図である。
【図４ａ】本発明の４極π／２位相シフト螺旋コイル（２π／ターン）をその等価回路と併せて示す図である。
【図４ｂ】本発明の４極π／２位相シフト例（５π／ターン）を示す図である。
【図５ａ】従来技術の１０ターン螺旋共鳴器に対する電流密度分布を示す図である。
【図５ｂ】図３の共鳴器の電流密度分布を示す図である。
【図６】２つの広い隙間をあけた共鳴用の本発明の２重共鳴構造を示す図である。
【図７】図６の同心円状２重共鳴構造との選択結合の構成を示す図である。
【図１】
2005503907.tif 000003
【図２ａ】
2005503907.tif 000004
【図２ｂ】
2005503907.tif 000005
【図３ａ】
2005503907.tif 000006
【図３ｂ】
2005503907.tif 000007
【図４ａ】
2005503907.tif 000008
【図４ｂ】
2005503907.tif 000009
【図５ａ】
2005503907.tif 000010
【図５ｂ】
2005503907.tif 000011
【図６】
2005503907.tif 000012
【図７】
2005503907.tif 000013
【国際公開パンフレット】
2005503907.tif 000014
2005503907.tif 000015
2005503907.tif 000016
2005503907.tif 000017
2005503907.tif 000018
2005503907.tif 000019
2005503907.tif 000020
2005503907.tif 000021
2005503907.tif 000022
2005503907.tif 000023
2005503907.tif 000024
2005503907.tif 000025
2005503907.tif 000026
2005503907.tif 000027
2005503907.tif 000028
2005503907.tif 000029
2005503907.tif 000030
2005503907.tif 000031
2005503907.tif 000032
2005503907.tif 000033
2005503907.tif 000034
2005503907.tif 000035
2005503907.tif 000036
2005503907.tif 000037
【手続補正書】
【提出日】平成15年5月13日(2003.5.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所望のＲＦ共鳴特性を発揮するＭＲ／ＲＦコイルであって、
各々が当該ＭＲ／ＲＦコイルの内側に限定された内側端部と当該ＭＲ／ＲＦコイルの外側内に配置された外側端部とを有する複数の略同心円状かつネスト状の単体螺旋コンダクタであって、隣接する前記単体螺旋コンダクタの前記内側端部が幾何学的に互いに角度量Δθで変位されて所望のＲＦオフセット位相差Δφを生じさせる単体螺旋コンダクタを備えた、プラナＭＲ／ＲＦコイル。
【請求項２】
Ｎを前記単体螺旋コンダクトタの数とすると、前記角度量Δθが約２π／Ｎの面角度である、請求項１に記載のＭＲ／ＲＦコイル。
【請求項３】
各単体コンダクタが、所望の共鳴特性の定常波を実質的に維持する長さである、請求項２に記載のＭＲ／ＲＦコイル。
【請求項４】
前記隣接する単体螺旋コンダクタが、前記隣接する単体螺旋コンダクタ間に、当該ＭＲ／ＲＦコイルにわたって均一な電流密度分布となる十分な大きさの容量を蓄積可能である、当該ＭＲ／ＲＦコイル上の選択された分布静電結合を有する、請求項１に記載のＭＲ／ＲＦコイル。
【請求項５】
前記静電結合が、隣接する単体コンダクタ間のＲＦ位相差による前記単体螺旋コンダクタの端部の近くに十分な容量の蓄積を可能である、請求項４に記載のＭＲ／ＲＦコイル。
【請求項６】
各々が当該ＭＲ／ＲＦコイルの内側に限定された内側端部と当該ＭＲ／ＲＦコイルの外側内に配置された外側端部とを有する複数の略同心円状かつネスト状の第２の単体螺旋コンダクタであって、隣接する当該単体螺旋コンダクタの前記内側端部が互いに相対的に角度量Δθで変位されてこれらの単体螺旋コンダクタ間に所望のＲＦオフセット位相差が得られるように配置された第２の単体螺旋コンダクタをさらに備え、前記第１および第２の複数の単体螺旋コンダクタがヘルムホルツ対コイルを形成するように間隔をあけて設けられている、請求項３に記載のＭＲ／ＲＦコイル。
【請求項７】
前記ＲＦ位相差Δφが、全ての前記隣接する単体螺旋について一定である、請求項３に記載のＭＲ／ＲＦコイル。
【請求項８】
前記螺旋コンダクタが平面基板上に設けられている、請求項３に記載のＭＲ／ＲＦコイル。
【請求項９】
前記コンダクタがＨＴＳ材料から構成される、請求項１０に記載のＭＲ／ＲＦコイル。
【請求項１０】
前記第１および第２の複数の略同心円かつネスト状の単体螺旋コンダクタが略同一である、請求項６に記載のＭＲ／ＲＦコイル。
【請求項１１】
各コイル面の法線が対向し、かつ相互に直線的である、請求項８に記載のＭＲ／ＲＦコイル。
【請求項１２】
一対のプラナＲＦコイルを備えた、ＮＭＲ装置に用いられるＮＭＲプローブであって、
各プラナＲＦコイルが複数の略同心円状かつネスト状の単体螺旋コンダクタを有し、各単体螺旋コンダクタが内側端部と外側端部とを有し、隣接する前記単体螺旋コンダクタの前記内側端部を、前記ＲＦコイル対間に限定し、前記単体螺旋コンダクタ間で幾何学的に変位させて、各螺旋コンダクタのＲＦ位相を各隣接する前記単体螺旋コンダクタに対しシフトさせることで所望のＲＦ位相差Δφを生じさせ、前記ＲＦコイル対が隙間をあけて共通軸上に設けられて互いにコミュニケートすることで、前記対の隙間に所望のＲＦ磁場が形成されて、前記コイル対とＲＦ端子との間にＲＦ結合を生じさせる、ＮＭＲプローブ。
【請求項１３】
特性が制御可能な磁場と、
ＲＦ源およびＲＦプローブアセンブリと選択的に結合されるＲＦ受信機とを備えた物質組成の検査を行なうＮＭＲ装置であって、
前記プローブアセンブリが、少なくとも一対のプラナＲＦコイルであって各プラナＲＦコイルが間隔をあけた同心円状の螺旋コンダクタであって、夫々が各ＲＦコイルの内側および外側内に配置された内側および外側端部を有する螺旋コンダクタを有する、少なくとも一対のプラナＲＦコイルから含み、
各螺旋コンダクタはインダクタンスを有し、前記螺旋コンダクタの各対がその間に分布容量および相互インダクタンスを有することで、前記部品が少なくとも一つの共鳴により特徴づけられ、
各ＲＦコイルの各螺旋コンダクタが少なくとも前記一つの共鳴に対応する定常波を実質的に維持しており、
各螺旋コンダクタを少なくとも一つの隣接する前記螺旋コンダクタに関し幾何学的に変位させることで、ＲＦオフセット位相差Δφにより十分な容量を蓄積可能とする位相シフトΔθが前記螺旋コンダクタ間に誘導される、ＮＭＲ装置。
【請求項１４】
小さな隙間をあけた少なくとも２つの同心円状の螺旋コンダクタを備えたプラナＲＦ共鳴コイル部品であって、
各螺旋コンダクタはインダクタンスを有し、前記螺旋コンダクタの各対がその間に分布容量および相互インダクタンスを有することで、前記プラナＲＦ共鳴コイル部品が少なくとも一つの共鳴により特徴づけられ、
各螺旋コンダクタは少なくとも前記一つの共鳴に対応する定常波を実質的に維持しており、
各螺旋コンダクタを少なくとも一つの隣接する前記螺旋コンダクタに関し角度量Δθで幾何学的に変位させることで、ＲＦオフセット位相差Δφにより十分な容量を蓄積可能である位相シフトが前記螺旋コンダクタ間に誘導される、プラナＲＦ共鳴コイル部品。
【請求項１５】
共通基板上に同軸上に配置され、外側および内側ＭＲ／ＲＦコイルを夫々形成し、かつネスト状に隣接する内側および外側螺旋コンダクタを備えた多重共鳴プラナＭＲ／ＲＦコイル構造であって、前記外側および内側ＭＲ／ＲＦコイルの各螺旋コンダクタは各ＭＲ／ＲＦコイルの内側に限定された内側端部と各ＭＲ／ＲＦコイルの外側に配置された外側端部とを有し、前記隣接する単体螺旋コンダクタの前記内側端部が互いに角度量Δθで幾何学的に変位されて所望のＲＦオフセット位相差Δφを生じさせる多重共鳴プラナＭＲ／ＲＦコイル構造であって、
前記外側ＭＲ／ＲＦコイルが前記表面上に第１および第２の対称軸を有しており、
前記内側ＭＲ／ＲＦコイルが前記第１の軸に沿って前記外側ＭＲ／ＲＦコイルに近接しており、前記第２の軸に沿って前記内側ＭＲ／ＲＦコイルと前記外側ＭＲ／ＲＦコイルとが選択された分離で隙間をあけていることで、前記内側および外側ＭＲ／ＲＦコイル間の隔離が最適化されている多重共鳴プラナＭＲ／ＲＦコイル構造。
【請求項１６】
前記内側および外側ＭＲ／ＲＦコイルが逆の螺旋構造を有する、請求項１５に記載の多重共鳴ＭＲ／ＲＦコイル構造。
【請求項１７】
前記内側および外側コイルの各々が、前記表面上で略矩形である、請求項１５に記載の多重共鳴ＭＲ／ＲＦコイル構造。
【請求項１８】
前記コンダクタがＨＴＳＣ材料から構成される、請求項１７に記載の多重共鳴ＭＲ／ＲＦコイル構造。
【請求項１９】
前記外側コイルが第１の共鳴周波数を呈し、前記内側コイルが第２の共鳴周波数を呈する、請求項１５に記載の多重共鳴ＭＲ／ＲＦコイル構造。
【請求項２０】
ＲＦ源を有する多重共鳴ＭＲ／ＲＦコイルを結合させるシステムであって、
当該多重共鳴ＭＲ／ＲＦコイルが、共通の基板上に同軸状に配置され、外側および内側のＭＲ／ＲＦコイルを夫々形成する、ネスト状の内側および外側の隣接する螺旋コンダクタを備え、
前記外側および内側のＭＲ／ＲＦコイルの各螺旋コンダクタが、各ＭＲ／ＲＦコイルの内側に限定された内側端部と各ＭＲ／ＲＦコイルの外側内に配置された外側端部とを有し、隣接する単体螺旋コンダクタの内側端部が幾何学的に互いに角度量Δθで変位されて所望のＲＦオフセット位相差Δφを生じさせ、
前記外側ＭＲ／ＲＦコイルが前記表面上に第１および第２の対称軸を有し、前記内側ＭＲ／ＲＦコイルが前記第１の軸に沿って前記外側のコイルに近接しており、前記第２の軸に沿って前記内側のＭＲ／ＲＦコイルと前記外側のＭＲ／ＲＦコイルとが選択された分離で隙間をあけており、
前記外側のＭＲ／ＲＦコイルが第１の共鳴周波数を呈し、前記内側のＭＲ／ＲＦコイルが第２の共鳴周波数を呈し、
前記第２の共鳴周波数におけるＲＦパワーを選択的に前記内側のＭＲ／ＲＦコイルと結合させる第１の結合ループであって、自身の突起が前記内側のＭＲ／ＲＦコイルの内部領域、および前記内側のＭＲ／ＲＦコイルの外側かつ前記外側のＭＲ／ＲＦコイルの内側にある別の領域の両領域上に同時に重なるように配置されたバタフライ形状である第１の結合ループと、
前記第１の共鳴周波数におけるＲＦパワーを選択的に前記外側のＭＲ／ＲＦコイルと結合させる第２の結合ループであって、自身の突起が前記内側のＭＲ／ＲＦコイルの内部領域、および前記内側のＭＲ／ＲＦコイルの外側かつ前記外側のＭＲ／ＲＦコイルの内側にある別の領域の両領域上に同時に重なるように配置された単純形状である第２の結合ループとを備えたシステム。
【請求項２１】
各々が２πの倍数とは実質的に異なる角度を有し、同心円状かつネスト状の単体螺旋コンダクタを有する少なくとも一つのＭＲ／ＲＦコイルを設置する工程と、
ＲＦパワーを前記単体螺旋コンダクタへ結合させる工程と、
各隣接する前記単体螺旋コンダクタに幾何学的なオフセットを生じさせ、各隣接する単体螺旋コンダクタ間にＲＦ位相シフトを生じさせて、各単体螺旋コンダクタと各隣接するコンダクタとの間に、ＲＦ共鳴構造上に均一に分布するＲＦ電流密度となる静電結合を生じさせる工程とを含む、ＲＦ共鳴構造上にＲＦ電流密度を均一に分布させる方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
本発明の物理的背景はＮＭＲ装置である。理想的な図を図１に示す。ボア（開口部）１１を有する磁石１０が主磁場を付与する。ＸおよびＹは磁石１０の座標軸である。磁場の時間および方向を正確に制御するために、複数の傾斜磁場コイル（図示せず）が設けられている。該コイルは、夫々、傾斜コイルＸ、Ｙ、Ｚの部品である傾斜電源１６、１８、２０により駆動される。また、基礎磁場に残留する好ましくない空間的な不均一性の補正に他のシムコイル（図示せず）や電源（図示せず）を必要とする場合もある。分析対象（以下、「サンプル」という。）をボア１１における磁場内に配置し、ＲＦ磁場がボア１１内部の磁場と所望の直交関係となるようにサンプルにＲＦパワーを照射する。これはボア１１内部の送信コイル１２を介して実現される。共鳴信号が受信コイルプローブで生じ、ボア１１内でサンプルに近接する。送信・受信コイルの構成は同一でも異なっていてもよい。


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
図１に示すように、ＲＦパワーが第１の送信機２４ａから供給され、アンプ３１で増幅され、送受信（Ｔ／Ｒ）アイソレータ２７を介してボア１１内に配置されたＲＦ送信コイルを有する送信コイルプローブ１２へ導かれる。送信機２４は、生成時に、または変調器２６により、振幅、周波数もしくは位相、もしくはそれらの組み合わせにおいて変調される。送信機２４／変調器２６コンポーネントのような付加的な送信機／変調器（図示せず）は、独自に異なるジャイロ磁気共鳴器、例えばプロトンとＣ１３との励起によく用いられる。これらの独自の励起はここに記載する多重共鳴コイルにより容易に維持される。送信および受信機能が同時に起動することはない。所望により送信コイルプローブ１２内の同一コイルに両機能を持たせてもよい。従って、Ｔ／Ｒアイソレータ２７が、受信機と送信機との分離を行なうために設けられる。送信コイルと受信コイルとが異なる場合は、素子２７が同様の隔離機能を実施して受信機動作を制御する。


【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2005503907.tif 000038
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５ａ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５ａ】
2005503907.tif 000039
【国際調査報告】
2005503907.tif 000040
2005503907.tif 000041