(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
動作時に電流が流れる少なくとも１つの平坦又は円柱形のコイル（１８）を有しており、前記コイルは、ｘ軸に平行に配向された試料（１６）の位置に高周波磁場Ｂ１（Ｂ１場）を生成すると共に、チューニングネットワークへの接続の目的で、動作時に同相の電流が流れる少なくとも２本の給電線（１１）に接続され、前記少なくとも２本の給電線は、前記Ｂ１場の方向と角度αをなす方向に高周波磁場Ｂ２（Ｂ２場）を前記試料（１６）内に生成する核磁気共鳴コイルの構成であって、
前記角度αは、
α＝１８０°±Δα、ここでΔα＜９０°
であることを特徴とする核磁気共鳴コイルの構成。
【請求項２】
Δα≦４５°であり、好ましくはΔα≦１５°であることを特徴とする請求項１に記載の核磁気共鳴コイルの構成。
【請求項３】
前記給電線（１１）のうちの少なくとも２本は交差部（１４）を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の核磁気共鳴コイルの構成。
【請求項４】
前記給電線（１１）のうちの少なくとも２本は、前記コイルの構成の下部領域のリングエレメント（１３）に電磁的に結合し、前記リングエレメント（１３）は交差部（５１）を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の核磁気共鳴コイルの構成。
【請求項５】
少なくとも１つのＨＦスクリーン（５２）が設けられ、当該少なくとも１つのＨＦスクリーン（５２）は、前記Ｂ１場及び前記Ｂ２場の合計が少なくとも前記試料（１６）の部分領域において広範囲にわたってゼロになるように配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の核磁気共鳴コイルの構成。
【請求項６】
給電線（１１）の少なくとも２対を形成すると共に、それらの間に高周波磁場Ｂ２ｉ（Ｂ２ｉ場）が動作時に前記試料（１６）内に生成される少なくとも４本の給電線（１１）が、前記核磁気共鳴コイルの構成に接続され、前記少なくとも４本の給電線（１１）は、前記Ｂ２ｉ場の合計が、少なくとも前記試料（１６）の部分領域において広範囲にわたってゼロであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の核磁気共鳴コイルの構成。
【請求項７】
給電線（１１）の少なくとも一対が、前記コイルの構成の両側に取り付けられることを特徴とする請求項６に記載の核磁気共鳴コイルの構成。
【請求項８】
動作時に高周波磁場Ｂ１ｉ（Ｂ１ｉ場）を夫々生成する少なくとも２つのコイル（１８、７４）を備え、前記Ｂ１ｉ場は間に角度βをなすように整列させられており、前記角度βは、
│β│＜１０°、又は│β−１８０°│＜１０°
であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の核磁気共鳴コイルの構成。
【請求項９】
測定周波数のうちの少なくとも１つにおいて動作するときに、前記Ｂ１ｉ場及び前記Ｂ２ｉ場の合計が少なくとも前記試料（１６）の部分領域において広範囲にわたってゼロになるように、少なくとも１つのＨＦスクリーン（５２）を有することを特徴とする請求項８に記載の核磁気共鳴コイルの構成。
【請求項１０】
前記ＨＦスクリーン（５２）の少なくとも１つが開口（７１）を有し、特にスロットを有していることを特徴とする請求項９に記載の核磁気共鳴コイルの構成。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動作時に電流が流れる少なくとも１つの平坦又は円柱形のコイルを有しており、このコイルは、ｘ軸に平行に配向された試料の位置に高周波磁気Ｂ１場を生成すると共に、該コイルは、チューニングネットワークへの接続の目的で、動作時に同相の電流が流れる少なくとも２本の給電線に接続され、該少なくとも２本の給電線は、Ｂ１場の方向と角度αをなす方向に高周波磁気Ｂ２場を試料内に生成する核磁気共鳴コイルの構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
そのような構成が、特許文献１（米国特許第７，３９７，２４６号Ｂ２明細書）に開示されている。
【０００３】
マルチターン（ｍｕｌｔｉ−ｔｕｒｎ）サドルコイル及びそれらの給電線が、特許文献１（米国特許第７，３９７，２４６号Ｂ２明細書）示されている。特許文献２（米国特許第６，８１２，７０３号Ｂ２明細書）が、給電線を備える共振器を示している。給電線を備えるコイル及び共振器は、非特許文献１（“ＮＭＲ  Ｐｒｏｂｅｈｅａｄｓ  ｆｏｒ  Ｂｉｏｐｈｙｓｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ  Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ：Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ  Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ＆Ｐｒａｃｔｉｃａｌ  Ｇｕｉｄｅｌｉｎｅｓ；”Ｊｏｅｌ  Ｍｉｓｐｅｌｔｅｒ，Ｍｉｈａｅｌａ  Ｌｕｐｕ，Ａｎｄｒｅ  Ｂｒｉｇｕｅｔ；Ｉｍｐｅｒｉａｌ  Ｃｏｌｌｅｇｅ  Ｐｒｅｓｓ，２００６；ＩＳＢＮ  １８６０９４６３７２）の図８．２２、図８．２６、図８．３３、図８．３６、図８．６１、図８．６８、及び図８．７６にも示されている。
【０００４】
少なくとも１つのサドルコイルと、少なくとも１つの鳥かご（ｂｉｒｄｃａｇｅ）と、Ａｌｄｅｒｍａｎ−Ｇｒａｎｔ型又は同等の共振器とで構成されるコイル構成を備えることが一般的であるプローブヘッドが、液体の高分解能ＮＭＲに用いられる。平面コイル又は共振器も、特に微小な試料のためのプローブヘッドの分野に使用され、送信及び／又は受信コイルの構成に高温超電導材料を使用するプローブヘッドにも使用される。以下において、コイル及び共振器は、明確には区別されず、すなわちコイル１８が論じられるとき、それはコイル及び／又は共振器について述べている。平坦な基板上のコイルと円筒形の基板上のコイルとの間に区別は存在しない。
【０００５】
これらのコイル１８は、給電線１１によってネットワークに接続され、このネットワークによって、コイルを、プローブヘッドの動作時に送信及び受信周波数として働く１つ以上の共振周波数に同調することができる。図１ａ、図１ｄ、図１ｅ、及び図１ｆが、いずれの場合も給電線１１を備える単巻きサドルコイルの構成、２重巻きサドルコイルの構成、鳥かご型共振器の構成、及び２連単巻き直列コイルの構成を、例として展開図にて示している。
【０００６】
図１ａにおいて、ｘｚ平面の正の方向の展開との交わりが０°によって示され、ｘｚ平面の負の方向との交わりが１８０°によって示されている。ｙｘ平面は、コイルに中央において交わり、切断面Ａ−Ａ’として概略的に示されている。座標系に関する同等の位置が、たとえ明示的には示されないか、又は指定されない場合でも、他の図面にも当てはまる。
【０００７】
この種のコイルの構成は、給電線を２つ（図１ｅ及び１ｆ）、３つ（図１ｄ）、又は４つ（図１ａ）備えることができ、コイルの半分を、互いに直列又は並列に接続することができる。接続は、コイルの内部において行うことができ（図１ｄ〜図１ｆ）、又は外部で行うことができる（図１ａ及び１ｄ）。鳥かご型共振器を、高域通過、低域通過、又は帯域通過の鳥かごとして設計することができ、図１ｅの特別な実施の形態は、単に共振器の説明の役目を果たすにすぎない。自己共振モードで動作する導体間に一体化された静電容量を有するサドルコイルも、共振器を構成する。一般に、共振器は、動作時に電流が実質的に共振器の内部に限られ、多数の給電線を使用することによる利点が見込まれないため、わずか２本の給電線によってネットワークに接続される。特に、共振器に対して、共振器を誘導的に結合させることも一般的であり、その場合には、結合インダクタンスが共振器の一部となる。ここで、そのような結合コイルへの給電線は、コイル給電線となると理解される。
【０００８】
使用されるサドルコイル並びに共振器は、通常は円筒形であり、「バーエレメント」１２、すなわち円筒の軸に実質的に平行に配向された構成要素と、「リングエレメント」１３、すなわち円筒の軸に対して実質的に直角に向けられた構成要素とで構成される。
【０００９】
一般に、試料１６も、円筒形又は楕円形であり、円筒の軸又は主軸を有する。コイル及び試料の軸は、座標系のｚ軸に一致する。静磁場の磁場の方向は、一般に、この軸に対して平行、直角、又は約５４°のいわゆるマジック角（ｍａｇｉｃ  ａｎｇｌｅ）に配向される。
【００１０】
一般に、試料１６及びコイルの双方は、少なくとも実質的に円筒形であるように設計され、コイルの導体エレメント（バーエレメント１２及びリングエレメント１３の双方）は、１つ又は２つの半径上に位置する。含まれる可能性がある交差部１４のうち恐らくは含まれる交差部１４だけが、これらの半径から外れる。コイルは、誘電材料（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｍａｔｅｒｉａｌ）で作られた支持エレメント１８をさらに含むことができる。半径間の接続を、容量的に作用する構成要素（例えば、重なり合う導体エレメント及び誘電支持材料１８によって形成される一体化された板状コンデンサによる分布容量、又は個別の素子、すなわちはんだ付けされたコンデンサによって実現される局所的な容量）又は電気的接続（ｇａｌｖａｎｉｃ  ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）によって達成することができる。
【００１１】
バーエレメント及びリングエレメントを、平坦な（平面又は２平面）コイルの場合において区別することもでき、そのようにする際に、バーエレメントがｚ軸に実質的に平行に配向され、リングエレメントがそれに実質的に直角に向けられると常に仮定されるべきである。
【００１２】
給電線を、リングエレメントに接続でき（図１ａ）、又はバーエレメントに接続してもよい（図１ｅ）。１つの給電線をリングエレメントに接続し、第２の給電線をバーエレメントに接続することも可能である（図１ｄ及び１ｆ）。
【００１３】
動作時、コイルが、本明細書では、Ｂ１場と称される高周波（ＨＦ）磁気（Ｂ）場を生成する。Ｂ１場は、コイルの導体（及び、任意の一体化されたコンデンサ）を通過する電流によって生み出される高周波磁場の部分のみと理解されるべきであり、例えばコイルへの給電線などの他の導体を通過する電流によるものではないと理解されるべきである。そのようにする際に、周波数が、所定の静磁場Ｂ０において検出されるべき核種の共振周波数に実質的に対応するように同調される。
【００１４】
このＢ１場は、直線偏波又は円偏波のいずれかであってよい。円偏波の場の場合には、少なくとも２対の給電線が励起のために必要である。後者は、一般に、互いに直角に設計され、同じ周波数に同調されたコイルの２つのモードを励起する。これらの給電線の対を、共通の給電線を有するように、すなわち３本の給電線だけで構成されるように、形成することもできる。
【００１５】
これらのモードの各々を、直線偏波の場によって表現することができる。この直線偏波の場は、優先方向及び少なくとも実質的に対称面を有し、測定体積における場は、これに対して平行に位置する。直線偏波のコイルにおいては、この平面は、ｘｚ平面に一致するはずである。
【００１６】
円偏波のコイルにおいては、第１の直線偏波モードのＢ１場によって規定される平面が、ｘｚ平面に一致するはずである。したがって、第２のモードによって規定される平面は、一般に、ｙｚ平面に一致する。直線偏波モード又は１つのモードだけを有するコイルを励起するために使用されるすべての給電線は、同相の電流を有する。直角位相で動作するコイルの縮退した第２の直線偏波モードのための給電線の電流は、第１の直線偏波モードを励起するために約＋９０°又は９０°の位相シフトを有する。直角位相で動作するコイルを、２つの直線動作のコイルの組み合わせであって、双方のコイルが共通の導体エレメントを有しているものと考えることができる。直線偏波のコイルだけが、以下では考慮され、したがって、すべてが同じ位相を有しているコイル又は共振器への給電線だけが検討される。異なるコイルへの給電線（したがって、１つの同じコイルの異なるモードも）は、明確には考慮されない。１つの給電線を「上方に」流れ、第２の給電線を「下方に」流れる電流が、同相であると考えられるべきである。
【００１７】
コイルは、Ｂ１場の最大振幅が達成される中央領域２１、及びＢ１場が減少し、その大きさが０に向かう（ゼロ交差を有し、又は有さない）上縁領域２２及び下縁領域２３で構成される。ゼロ交差が存在する場合、コイルは、縁領域に極大２４を有する。下部領域は、その領域の近傍に給電線が取り付けられる領域、又はその領域方向に給電線がもたらされる領域（この方向が空間において効果的にどのように配向されるかに関係なく）を意味すると理解される。上部領域は、給電線を持たない縁領域であると理解される。給電線が両側に取り付けられるコイルも存在する。この場合、このコイルは、下部領域だけを有し、上縁領域を有さない。後者の場合、ｚ軸の正の方向を自由に選択することができ、そうでない場合、正のｚ方向は、上縁領域の方向に向かなければならない。
【００１８】
公知の先行技術において、給電線は、通常は、いずれの場合も２本の給電線の対として、コイルの同じ端部に取り付けられ、次いで円柱の軸に実質的に平行に下方に送られる。給電線の対は、通常は、ｘｚ平面に関して対称に位置するように設計され（図１ａ、１ｅ）、又はそれに対して直角に、すなわちｙｚ平面に関して対称に位置するように設計される（図１ｄ、図１ｆ）。後者は、２つのコイル半分が直列に接続される場合に特に一般的である。
【００１９】
給電線の数が奇数である場合、動作中に、例えば１つの給電線における電流の大きさが２本の給電線を通る電流の合計に等しくなるように、２本の給電線は、通常は、コイルの外部において互いに接続される。接続が電気的にではなく、容量性的によって行われる場合、コイルの静的モードを抑制することができる。接続がストップフィルタによって実現される場合、さらなるコイルとの結合を減らすことができる。２本の給電線が単一のものと同じ方法で効率的に作動するので、この方法で接続された給電線は、「給電線の対」であると理解されるべきである。
【００２０】
給電線を、コイルに電気的に接続することができる（図１ａ、図１ｄ、図１ｆ）。容量結合１５（図１ｅ）又は誘導結合も、先行技術において、特に共振器の場合に一般的である。
【００２１】
試料が変更されるとき、測定物質及び溶媒が通常はコイルの共振周波数及びインピーダンスを変更させる異なる誘電定数及び損失を有するので、周波数の同調及びインピーダンスの整合を試料に適合させなければならない。この変更は、ネットワークによって訂正されなければならない。
【００２２】
最も単純な同調の変形例は、一対の給電線によってインダクタンスに並列に接続された可変コンデンサである。そうする場合は、このインダクタンスがコイルのインダクタンスの最大の部分を構成するのが最も効率的である。同様に、最も簡単な整合の変形例は、ポートのインピーダンスが上方又は下方に変換され且つコイルの給電線に加えられるインピーダンスに整合するように、入力ポートをネットワークに接続するか、又は入力ポートを接地させる単一の可変コンデンサによって実現される。インピーダンス及び周波数の整合の別の形態は、可変の結合、伝送線、変成器、容量ブリッジ、及び例えば直角位相ハイブリッド回路又はラットレース回路、又は伝送線などのカプラ、並びにディスクリート素子によって生成されるそれらの等価回路のインダクタンスを含む。
【００２３】
コイルの構成及び給電線によって生成される磁場への異なる回路の影響は、特定の設計とは実質的に無関係である。すべての変形例における目標は、通常は、一対の給電線に対して等しいが反対の電流及び電位を生じさせることであり、したがって異なるネットワークの変形例に関して給電線における測定周波数におけるインピーダンスが実質的に同一、又は少なくともきわめて類似である。
【００２４】
多核の回路の場合、すべての共振周波数が給電線において等しいが反対の電位という要件を達成することは些細な問題ではない。したがって、異なるネットワーク間の不一致が生じる可能性がある。しかしながら、共振周波数が使用されるコイルの固有の共振を大きく下回る限りにおいて、給電線を通る電流の大きさは実質的に同一であると仮定することができる。固有の共振が動作周波数に近くか又は下回りさえする場合は、コイルを可能な限り効率的に動作させることができるように電位が同調されることを保証しなければならない。これは、可能な限り小さい試料内のＢ１場の減少につながるように、動作時の電流ゼロを給電線若しくはコイル内においてできるだけ遠く、又は可能な限り対称的かつ給電線にできるだけ近く配置することによって達成することができる。
【００２５】
同調及び整合の構成要素（通常は、コンデンサ又はインダクタンス）の変更の結果として、給電線を通る異なる電流が、異なる試料における動作において生じ、これがコイル／共振器のほぼすべての変形例において、試験の体積におけるコイルの磁場プロフィル（ｐｒｏｆｉｌｅ）の横腹（ｆｌａｎｋ）に大きな影響を及ぼす。これは、自身の固有の共振の付近で動作する共振器又はコイルの場合に特に当てはまり、動作において、給電線を通る電流が、コイルの構成における電流と比べて大幅に小さい大きさを有することになる。
【００２６】
プローブヘッドの設計の１つの目標は、可能な限り矩形の試料における高周波Ｂ１場プロフィルを生成することである。特に、中央領域から遠く離れた試料の領域からの信号の検出が、防止されなければならない。この理由は、ＮＭＲ測定の分解能が、測定体積における達成可能な静的なＢ０磁場の均一性に依存するからである。この体積が大きいほど、充分な均一性の達成が難しくなる。特に問題となるのは、溶媒抑制（ｓｏｌｖｅｎｔ  ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ）の場合の「平坦な」ＨＦ磁場プロフィルであり、その理由は、静的な場をシミング（ｓｈｉｍｍｉｎｇ）することによって、通常は検出体積の縁領域が中央領域とはわずかに異なる静磁場をもたらすからである。測定される信号の中央領域のより大きな大きさの結果として、シミング時に優先順位付け（ｐｒｉｏｒｉｔｉｚａｔｉｏｎ）が生じ、利用可能なシム関数の数が限られているがゆえに、これが縁領域でズレをもたらす。一般に、関連の信号は、信号全体の数パーセントでしかないか、又は１パーセントにも満たないわずかな重みしか運ばず、共振線の「麓」における線の広がりをもたらす。
【００２７】
しかしながら、試料の縁領域において共振周波数が変化する結果として、ここでの溶媒抑制は不充分である。溶媒信号は試験物質の信号よりも数桁大きい可能性があるため、測定されるスペクトルは、強すぎる（且つ周波数がずれている）信号が縁領域から採取される場合、アーチファクト又は溶媒信号が上手く抑制されていない広い領域を有する。
【００２８】
図２ａは、サドルコイルのＨＦ磁場の典型的な大きさのプロフィルを対数−線形目盛りにて示している。上端において、場のゼロ交差を見て取ることができるが、これは、下部領域においては、給電線を通る電流によって生じたＨＦ磁場によって隠されている。このゼロ交差は、ＨＦ磁場の力線がそれ自身で閉じられているために生じる。コイルの内部を通過し、特に試料も通過するすべての力線が空間において閉じられる。これらの力線の一部が、ｘｙ平面に平行な平面において閉じられる一方で、他の力線は、ｘｚ平面において閉じられるか、又は任意に閉じられる。これは、「逆にされた」場の方向を有する試料内の領域をもたらし、その大きさは、一般に、コイルの中央における場よりも約１桁小さい。上部領域においては、狭い範囲へのＨＦ磁場の限定を、ＨＦスクリーンの熟練の配置によって達成することができるが、下部領域においては、残りの場の指数関数的な減衰だけがＨＦスクリーンにおいて可能であるため、同じ程度まで不可能である（図２ｃを参照）。
【００２９】
先行技術においては、下部領域のスクリーンを、最も下方のリングエレメントに直接配置できるか、又は最も下方のリングエレメントのレベルの下方に配置することができる。Ｂ場のゼロ公差が存在しないので、スルーレート（ｓｌｅｗ  ｒａｔｅ）は、ＨＦスクリーンにおける減衰ゆえにより大きくなり得ない。
【００３０】
上部領域と下部領域との間の違いは、給電線の導体が互いから離間することで解決される。この離間は、外縁に沿って（角度をもって）生じ得、径方向にも生じ得る。結果として、向きが中央領域におけるコイルのＢ１場に関して−９０°≦α≦９０°の角度αを有するＢ２場が、給電線の間に生み出される。
【００３１】
Ｂ１場と同等に、Ｂ２場は、コイルに給電線を通過する電流の結果として生じる高周波磁場の一部分を意味すると理解される。この場を最小にするために、先行技術においては、給電線ができる限り密接に集められ、可能であれば最初に径方向外側に引き出され、その後にのみ下方に平行に引き出される。
【００３２】
大きな電位差が動作時に給電線の間に生じるため、異なる電位（及び、反対の電流）を有する給電線の間隔が制限される。近付き過ぎると、コイルの誘電耐力が低下し、したがって送信動作における最大の達成可能なＢ１場の大きさも小さくなる。加えて、給電線の間の静電容量が大きくなり、これは多くの場合に望ましくなく、特に陽子及びフッ素の検出のためのコイル及び共振器において望ましくない。
【００３３】
図１ａにおいて規定された切断の平面Ａ−Ａ’及びＢ−Ｂ’についてのＢ１場及びＢ２場が、図１ｂに示されている。Ａ−Ａ’は、Ｂ１場の振幅が試料における最大のＢ１場の振幅の少なくとも５０％に達するコイルの中央領域を通る切断の平面である。図１ａに示された平面Ａ−Ａ’は、ｘｙ平面に一致する。平面Ｂ−Ｂ’は、給電線を横切る平面であり、特にコイルのＢ１場が方向を変えた領域において、コイルの最も下方に位置する導体要素の下方でｚ軸に沿って配置される。
【００３４】
当然のこととして、本明細書では、円筒柱形である試料１６の内部において、Ｂ１場の力線は、ｘ軸に実質的に平行に配向される（図１ｂの上側）。Ｂ１場の向きは、図１ｃの上側の図において大きな矢印として概略的に示されており、ｘ軸と０°の角度をなす。Ｂ１場の力線は、Ｂ−Ｂ’平面におけるＢ１場の向きがｘ軸と１８０°の角度をなすように、自身において閉じられる（図示せず）。
【００３５】
図１ａによるコイルの実施の形態に関して、Ｂ２場の力線は、少なくとも平均では、試料を通る断面Ｂ−Ｂ’にわたってやはりｘ軸に平行に整列するが、コイル／試料の中央領域のＢ１場と比べて大幅に不均質であり、振幅も小さい。図１ｃの下側の部分に、Ｂ２場が、ｘ軸に対して０°の角度を有する向きの矢印によってやはり概略的に示されている。
【００３６】
さらなる例が、図１ｆ〜１ｈに示されている。ｙ軸の方向に取り付けられた給電線に関して、ｘ軸に対して９０°（代案の実施の形態においては、−９０°）の角度をなすＢ２場が、切断面Ｂ−Ｂ’において生じる。不均一な場の場合に、Ｂ−Ｂ’平面における試料の断面におけるＢ２場の平均方向が明確になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３７】
【特許文献１】米国特許第７，３９７，２４６号明細書
【特許文献２】米国特許第６，８１２，７０３号明細書
【特許文献３】米国特許第５，９２９，６３９号明細書
【非特許文献】
【００３８】
【非特許文献１】“ＮＭＲ  Ｐｒｏｂｅｈｅａｄｓ  ｆｏｒ  Ｂｉｏｐｈｙｓｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ  Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ：Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ  Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ＆Ｐｒａｃｔｉｃａｌ  Ｇｕｉｄｅｌｉｎｅｓ；”Ｊｏｅｌ  Ｍｉｓｐｅｌｔｅｒ，Ｍｉｈａｅｌａ  Ｌｕｐｕ，Ａｎｄｒｅ  Ｂｒｉｇｕｅｔ；Ｉｍｐｅｒｉａｌ  Ｃｏｌｌｅｇｅ  Ｐｒｅｓｓ，２００６；ＩＳＢＮ１８６０９４６３７２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３９】
本発明は、冒頭において規定された種類の核磁気共鳴コイルの構成を、極めて単純な技術的手段によって、可能な限り矩形かつ両側において極めて急峻である高周波Ｂ場プロフィルを、好ましくは、特に液体の高分解能のＮＭＲ分光のために生成することができるように、改良するという目的にもとづく。
【課題を解決するための手段】
【００４０】
この目的は、角度αが、α＝１８０°±Δα、ここでΔα＜９０°となるように選択されることで、驚くほど単純かつ効果的な方法で、容易に利用可能な技術的手段によって達成される。
【００４１】
上述のように設計されたコイルの構成は、ＨＦスクリーンが取り付けられていない場合に双方の縁において試料内に生成される高周波磁場にゼロ交差を有する。ＨＦスクリーンが巧みに取り付けられる場合、上述のように設計されたコイルの構成は、試料におけるほぼ矩形の場プロフィルを有し、特に残存の高周波磁場がほぼゼロであり、特に中央領域と比べて１桁よりももっと小さい縁領域が存在する。
【００４２】
本発明の動作の原理及び先行技術に対するさらなる利点
動作中に、本発明に係るコイルの構成は、上側の縁領域及び下側の縁領域の双方においてゼロ交差を生じ、又は少なくともＨＦ−Ｂ場の大きさが中央領域におけるＨＦ−Ｂ場の大きさと比べて１桁よりももっと小さい極小値を生む高周波磁場を、試料内に生成する。結果として、試料内のＨＦ−Ｂ場が上側及び下側の双方の縁領域において急峻に衰え、残りの縁領域において大きさが中央領域と比べて１桁よりももっと小さい値に抑えられるように、ＨＦスクリーンを配置することができる。このように設計されたコイルの構成は、試料の測定信号の線形を、シミングによって、先行技術によるコイルの構成と比べて少ない労力で最適化することを可能にし、溶媒信号を適切なＮＭＲパルス列によって可能な限り効率的に抑制することを可能にする。
【００４３】
本発明の好ましい実施の形態
本発明に係る核磁気共鳴コイルの構成について、Δα≦４５°、好ましくはΔα≦１５°である実施の形態が、特に好ましい。高周波磁場の大きさの極小値あるいはゼロ交差の点又は領域を、可能な限り小さいΔαの値に関してコイルの下側の縁領域において試料内に達成することができる。これにより、試料の縁領域からの信号を低減し、シミング及び溶媒抑制を単純化する。
【００４４】
本発明の極めて単純な実施の形態の一種は、給電線のうちの少なくとも２つが交差点を有することを特徴とする。交差点の下方のＢ２場の方向が上方に反転する。したがって、交差点の下方のＢ２場の方向が、少なくとも小さなΔαについて中央領域のＢ１場の方向に対して実質的に反対になる。
【００４５】
別の種類の実施の形態においては、給電線のうちの少なくとも２本がコイルの構成の下部領域のリングエレメントに電磁的に結合し、これらのリングエレメントが交差点を有する。この方法で、Ｂ２場の方向の反転がコイル内ですでに達成され、したがって高周波磁場のスルーレートの最大化が可能になる。
【００４６】
さらなる種類の実施の形態は、少なくとも１つのＨＦスクリーンが設けられ、Ｂ１場及びＢ２場の合計が少なくとも試料の部分領域において実質的にゼロになるように配置されることを特徴とする。したがって、可能な限り矩形の高周波磁場の場プロフィルが生み出され、効率的な溶媒抑制及び効率的なシミングのための可能な限り単純な構成が達成される。
【００４７】
代案として、本発明の別の種類の実施の形態においては、少なくとも４本の給電線をコイルの構成に接続でき、これらの少なくとも４本の給電線は、給電線の少なくとも２つの対を形成し、これらの給電線の少なくとも２対の間において、高周波Ｂ２ｉ場が動作時に試料内に生成され、Ｂ２ｉ場の合計が、少なくとも試料の部分領域において実質的にゼロである。そのように設計されたコイルの構成は、給電線を通る電流に実質的又は完全に無関係な場プロフィルを生む。
【００４８】
この種類の実施の形態について、給電線の少なくとも対が、コイルの構成の両側に取り付けられる発展が好ましい。この実施の形態は、給電線を先行技術のコイルの構成と比べて決して近付けて配置する必要がないため、技術的に単純に実現でき、絶縁耐力に制限を生じることがない。
【００４９】
コイルの構成が、動作時に高周波Ｂ１ｉ場を生成するコイルの少なくとも２つを備え、それらは角度βをなすように整列させられ、角度β
│β│＜１０°、又は│β−１８０°│＜１０°
である本発明の実施の形態も好適である。そのように設計されたコイルの構成においては、２つの結合モードの少なくとも一方において両側において急峻な場プロフィルを生成することが可能である。これは、陽子に合わせて同調された共振器がサドルコイルと結合される構成に特に関係がある。そのようなコイルの構成は、プローブヘッドにおける多数の核への同調を可能にする。
【００５０】
これらの実施の形態の好ましい発展形において、コイルの構成は、測定周波数のうちの少なくとも１つにおいて動作するときに、Ｂ１ｉ場及びＢ２ｉ場の合計が少なくとも試料の部分領域において実質的にゼロになるように、少なくとも１つのＨＦスクリーンを有する。この実施の形態は、シミングの能力又は溶媒抑制へのいかなる損害も受け入れる必要なく、プローブヘッドにおける多数の核への同調を可能にする。
【００５１】
これらの発展形を、ＨＦスクリーンの少なくとも１つが開口、特にスロットを有することで、さらに改善することができる。Ｂ２場が、試料の領域にスロット又は開口を貫くことができ、したがってコイルの高周波磁場のスルーレートを大きくすることができる。
【００５２】
本発明のさらなる利点を、明細書及び図面から見て取ることができる。同様に、本発明によれば、上述の特徴及びさらに説明される特徴を、各々の場合において、それぞれ個別に適用することができ、又は任意の組み合わせにて一緒に適用することができる。図示及び説明される実施の形態は、最終的な列挙として理解されるべきではなく、むしろ本発明を説明するための例示の性質を有している。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１ａ】先行技術に係る単巻きのサドルコイルと４本の給電線とを有するコイルの構成の展開図である。
【図１ｂ】図１ａに係る構成について平面Ａ−Ａ’及びＢ−Ｂ’のそれぞれにおけるＢ１場及びＢ２場の力線の概略の方向を示す図である。
【図１ｃ】図１ａに係るコイルの構成について平面Ａ−Ａ’及びＢ−Ｂ’のそれぞれにおけるＢ１場及びＢ２場の方向を示す図である。
【図１ｄ】先行技術に係る２つの並列接続された２重巻きのサドルコイルと３本の給電線とを有するコイルの構成の展開図である。
【図１ｅ】先行技術に係る２本の給電線と容量結合とを有する鳥かご型共振器の構成の展開図である。
【図１ｆ】先行技術に係る２つの直列接続された単巻きのサドルコイルと２本の給電線とを有するコイルの構成の展開図である。
【図１ｇ】図１ｆに係る構成について平面Ａ−Ａ’及びＢ−Ｂ’のそれぞれにおけるＢ１場及びＢ２場の力線の概略の方向を示す図である。
【図１ｈ】図１ｆに係るコイルの構成について平面Ａ−Ａ’及びＢ−Ｂ’のそれぞれにおけるＢ１場及びＢ２場の方向を示す図である。
【図２ａ】先行技術に係るコイルの構成におけるＢ１及場及びＢ２場の合計の磁場の推移を対数−線形目盛りにて示す概略図である。
【図２ｂ】本発明に係るコイルの構成におけるＢ１及びＢ２場の合計の磁場の推移を対数−線形目盛りにて示す概略図である。
【図２ｃ】先行技術に係る最適配置のＨＦスクリーンを有するコイルの構成におけるＢ１場及びＢ２場の合計の磁場の推移を対数−線形目盛りにて示す概略図である。
【図２ｄ】最適配置のＨＦスクリーンを有する本発明に係るコイルの構成におけるＢ１場及びＢ２場の合計の磁場の推移を対数−線形目盛りにて示す概略図である。
【図３ａ】給電線に交差点を有する本発明に係るコイルの構成の第１の実施の形態の概略図である。
【図３ｂ】図３ａに係る構成について平面Ａ−Ａ’及びＢ−Ｂ’のそれぞれにおけるＢ１及びＢ２場の力線の概略の方向を示す図である。
【図３ｃ】図３ａに係るコイルの構成について平面Ａ−Ａ’及びＢ−Ｂ’のそれぞれにおけるＢ１及びＢ２場の方向を示す図である。
【図４ａ】直列接続された単巻きのコイルと２本の給電線とを有する本発明の第２の実施の形態に係るコイルの構成の概略図である。
【図４ｂ】図４ａに係る構成について平面Ａ−Ａ’及びＢ−Ｂ’のそれぞれにおけるＢ１及びＢ２場の力線の概略の方向を示す図である。
【図４ｃ】図４ａに係るコイルの構成について平面Ａ−Ａ’及びＢ−Ｂ’のそれぞれにおけるＢ１及びＢ２場の方向を示す図である。
【図５】コイル内に交差点を有する本発明の第３の実施の形態に係るコイルの構成の展開図である。
【図６ａ】２対の給電線を有し、ｘ軸（０°）の方向の一方の対が交差部を含むと共に、ｘ軸（１８０°）の方向の他方の対が交差部を持たないように設計されている本発明の４の実施の形態に係るコイルの構成の概略図である。
【図６ｂ】図６ａと同様のコイルの構成を示す図であり、給電線の双方の対がｘ軸の方向に取り付けられている場合を示す。
【図７】共振器及びサドルコイルで構成され、共振器の給電線が交差部なしで設計され、サドルコイルの給電線が交差点を備えると共に、ＨＦスクリーンが開口を有するコイルの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５４】
本発明が、図面に示され、例示的な実施の形態を参照してさらに詳しく説明される。
【００５５】
本発明によれば、コイル又は共振器の給電線が下側のリングエレメントの近傍に少なくとも１つの交差部を有し、両側において急峻なＢ１場プロフィルが生み出される。この交差部の結果として、給電線による磁場の向きが逆になり、したがってコイルの中央領域における高周波磁場の向きとは反対になる。図３ａは、４本の給電線を備える単巻きのサドルコイルの本発明に係る実施の形態を示し、給電線の２対の各々がリングエレメントに直接的に交差部を有している。この場合にも、当然のこととして、Ｂ１場の向きは、ｘ軸に対して０°の角度をなす。しかしながら、先行技術に係る実施の形態と対照的に、Ｂ２場は、平面Ｂ−Ｂ’についての図３ｂに示されるように、ｘ軸に対して１８０°の角度をなす。これは、Ｂ１及びＢ２場が矢印によって概略的に示され、反対の方向を有している図３ｃにおいて、特に明らかである。
【００５６】
給電線の間に生成される高周波Ｂ２場は、コイル又は共振器の中央領域におけるＢ１場に対して９０°＜α＜２７０°の角度αをなす場合、Ｂ１場及びＢ２場のベクトル和が、ゼロ交差を示すことができるが、少なくとも縁領域のサブ領域におけるＢ場の大きさが、増加するのではなく大きく減少する。これは、１８０°に可能な限り近い角度において特に効率的であり、したがって１７０°＜α＜１９０°の角度αが好ましい。結果として得られる高周波磁場のプロフィルが、図２ｂに概略的に示されている。同時に、Ｂ１場のプロフィルの縁領域においてＢ２場がすでにそこから差し引かれているため、場プロフィルの下側の横腹が、上側の横腹よりもさらに急峻である。これと対照的に、Ｂ場が増加した縁領域のさらなるサブ領域が生み出されている。本発明に係るコイルについて、さらにスクリーンが取り付けられる場合、試料の外部の体積へのＢ場の戻りの流れを制限できるので、上側の領域及び下側の領域の双方においてほぼ矩形のＢ場プロフィルを生み出すことができる。
【００５７】
本発明の好ましい実施の形態
２本の給電線が径方向に離間して配置されているだけの特に好適な実施の形態が、図４ａに示されている。展開図において、２本の給電線が互いに重なっている。双方の給電線が、どちらもｘ軸に対して約＋９０°又は−９０°に位置するように取り付けられている（図４ｂ及び図４ｃの下側を参照）。平面Ｂ−Ｂ’における試料内のＢ２場が、図３ｂに力線として示されると共に、図３ｃに概略的に示されているように、ｘ軸に対して約１８０°の角度をなすように導体が接続される。給電線のこの形態は、直列接続された単巻き及び多数巻きのコイルにおいて特に好適である。さらに、ｙ軸に沿って向けられた高周波Ｂ３場を有するさらなるコイルへの電磁結合が軽減される。基本的に、得られるＢ２場がコイルの中央領域のＢ１場に対して理想的には約１８０°の角度をなすように給電線が径方向及び角度の双方についてこの方法で間隔を空けて位置する場合に、径方向における任意の位置を、給電線の取り付けに使用することができる。しかしながら、角度だけ（図３ａ）又は径方向だけ（図４ａ）の間隔を有する実施の形態が、どちらの場合もさらなるコイルの構成を第１のコイルの構成に対して直角に取り付けつつ電気的には切り離すことがきわめて容易であるため、特に好ましい。
【００５８】
コイルが上部及び下部領域にスクリーン５２を有する本発明の変形例が、図５に示されている。下部領域の交差部が、下部のスクリーンの間隔が通常は上部とは異なるように、下部の縁領域における場の部分的な打ち消しを保証する。下部におけるスクリーンの間隔が上部よりも大きいか、又は小さいかは、交差される給電線の詳細な実施の形態に依存し、特に交差点の位置にも依存する。ＨＦスクリーンの理想的な配置についての関連のＢ場プロフィル（すなわち、Ｂ１及びＢ２場の合計）が、図２ｄに対数−線形目盛りで概略的に示されている。
【００５９】
図６ａ及び図６ｂは、特に鳥かご型又はＡｌｄｅｒｍａｎ−Ｇｒａｎｔ型共振器などの自己共振構造を使用する場合に極めて好適であるが、一体化されたコンデンサによって共振に関して同調されるすべてのコイルにおいてもきわめて好適である実施の形態の２つの変形例を示している。ここで、コイルへの給電線の一方の対は交差しているが、第２の対は交差していない。平均で、生成される場の合計は、試料の関連の下部領域において概略ゼロを与え、したがってＢ場プロフィルが、Ｂ１場のプロフィルにほぼ等しく、給電線によって供給される電流とは無関係である。この方法で設計されたコイルは、極めて大きな同調範囲にわたって同じＢ場プロフィルを有することができる。これは、例えば１９Ｆから１Ｈまで同調可能であるように設計された共振器にとって、また部分的には数オクターブにわたって同調可能であるように設計された広帯域のプローブヘッドにとっても極めて興味深い。加えて、この実施の形態においては、第１のコイルの構成の内側に取り付けられるか、又は第１のコイルの構成を囲むさらなるコイルの構成への給電線の結合は、給電線の双方の対が対称に配置されると共に、さらなるコイルの構成が実質的に対称な高周波磁場を生成する限りにおいて、２対の給電線との誘導結合の符号が逆であるが故に自動的に打ち消し合うので、大きく低減される。
【００６０】
図６ａに示される変形例においては、給電線の交差した対が、コイルの片側（０°）に取り付けられる一方で、給電線の交差していない対が反対側（すなわち、１８０°）に取り付けられる。２本の給電線の場が、少なくとも円筒形のコイル／共振器の軸上において互いに打ち消し合い、さもなければ、それらは、少なくとも主軸に対して直角な試料を通る断面における平均で互いに実質的に打ち消される。別の実施の形態においては、給電線をｘ軸に対する任意の角度に取り付けることができる。
【００６１】
これと対照的に、図６ｂに係る変形例においては、供給線の交差していない対及び交差した対の双方が、同じ側に取り付けられ、すなわち約０°に取り付けられる。結果として、２本の給電線の場は、局所的に重ね合わされ、試料においてほぼ完全に互いに打ち消し合う。一対の給電線の２本の給電線は、動作時に大きな電位差を有するので、給電線は、放電を回避するために充分な間隔で配置されなければならない。これらの必要な間隔は、場の打ち消しを或る程度までに制限する。
【００６２】
図７は、コイルの構成が２つの生成されるＢ１１場及びＢ１２場が同じ（ｘｚ）平面に位置するように互いに誘導的に結合した２つのコイル／共振器を備える実施の形態を示す。本明細書では、第１のコイルは、第２のコイルによって完全に取り囲まれている。２つのコイルの各々が１つの共振周波数に同調される場合、結合の結果として、各場合の動作において電流が２つのコイルを流れる異なる周波数の２つのモードがもたらされる。そうすると、低い方のモードでは、２つのコイルの電流は同じ方向であり（すなわち、場の足し算）、高い方の共振周波数のモードでは、２つのコイルの電流は反対の方向に流れる（すなわち、場の引き算）。一般に、内側のコイル／共振器がより高い周波数に同調され、外側のコイル／共振器がより低い周波数に同調され、その理由は、逆の場合（又は同じ周波数に同調される場合）であると、高い周波数におけるコイルの対の共通の共振が極めて非効率的だからである。単巻き又は多数巻きのコイルが共振器と組み合わせられ、コイルへの給電線が先行技術に従って交差しない場合、急峻なＢ１＋Ｂ２のプロフィル、特に縁領域の残存の場の効率的な抑制が、２つの共振周波数のどちらかに対してスクリーンによって達成することが不可能である。
【００６３】
この問題が、コイルの対のうちの一方のコイルの給電線の少なくとも１つの対が交差することで、驚くほど容易に解決される。結果として、２つの共振周波数の少なくとも一方に関して、Ｂ１ｉ＋Ｂ２ｉ場の和を、コイルの縁領域において互いに打ち消し合うと共に、上部及び下部の双方において急峻な高周波磁場プロフィルを生成するように、調節することができる。加えて、ＨＦスクリーンが取り付けられる場合、縁領域における場の広範囲にわたる打ち消しを伴う高周波Ｂ場プロフィルを、少なくとも１つの周波数について達成することができる。図７において、内側のコイル７４の給電線７２は交差していない一方で、それを囲む外側のコイル１８の給電線は交差部７３を含む。
【００６４】
試料の領域において１つ以上の外側のコイルの給電線を通るＢ２ｉ場の適切な大きさを達成できるように、スクリーンに１つ以上の開口又はスロットを形成することが必要かもしれない。
【００６５】
交差部の配置
給電線の対における交差部を、２つの導体が下側のリングエレメントの上方、リングエレメント上、又はリングエレメントの下方で交差するように設計することができる。好ましい実施の形態において、交差部は、コイルの窓の内側に位置する。結果として、給電線によって生成されるＢ２場の場方向の反転が可能な限り効率的に達成される。
【００６６】
特に実現容易な実施の形態において、交差部が、リングエレメントの直下に位置する。結果として、追加の導体長が最小限にされ、したがってコイルの効率がわずかしか低下しない。
【００６７】
公知のコイルとの比較
場の方向を反転させる交差点がコイルの上部及び下部領域に存在する形式のコイルが、特許文献３（米国特許第５，９２９，６３９号明細書）（例えば、図３ａを参照）に開示されている。本発明と比べた相違は、この場合には、コイルがもはや試験体積に双極子場（ｄｉｐｏｌａｒ  ｆｉｅｌｄ）を生成するためのものではなく、反転させられた場の領域が中央の領域と同じように強く第２のコイルに結合し、すなわち「縁領域」における場の積分が中央領域におけるそれに等しい点にある。結果として、場のプロフィルがより急峻ではなく、むしろ場が２つの追加のゼロ交差を有している。先行技術と同様に、これらのコイルへの給電線は、交差することなく外方向及び下方に送られ、したがってこれらのコイルは、実質的に、試験体積におけるＢ１場の４つのゼロ交差ではなく、３つのゼロ交差を有する。
【符号の説明】
【００６８】
１１  給電線
１２  バーエレメント
１３  リングエレメント
１４  交差部
１５  容量結合
１６  試料
１８  コイル
２１  中央領域
２２  上縁領域
２３  下縁領域
２４  極大
５１  交差部
５２  スクリーン
７１  開口
７２  給電線
７３  交差部
７４  コイル
【図１ａ】
0006456865.tif 000002
【図１ｂ】
0006456865.tif 000003
【図１ｃ】
0006456865.tif 000004
【図１ｄ】
0006456865.tif 000005
【図１ｅ】
0006456865.tif 000006
【図１ｆ】
0006456865.tif 000007
【図１ｇ】
0006456865.tif 000008
【図１ｈ】
0006456865.tif 000009
【図２ａ】
0006456865.tif 000010
【図２ｂ】
0006456865.tif 000011
【図２ｃ】
0006456865.tif 000012
【図２ｄ】
0006456865.tif 000013
【図３ａ】
0006456865.tif 000014
【図３ｂ】
0006456865.tif 000015
【図３ｃ】
0006456865.tif 000016
【図４ａ】
0006456865.tif 000017
【図４ｂ】
0006456865.tif 000018
【図４ｃ】
0006456865.tif 000019
【図５】
0006456865.tif 000020
【図６ａ】
0006456865.tif 000021
【図６ｂ】
0006456865.tif 000022
【図７】
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