(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
だ円状で非円形状の直角駆動バード・ケージ共鳴体であって，
（a）共通の軸線に平行に配置され，前記軸線を取り囲むだ円状の境界の周辺に分布するＮ個の脚部材と（Ｎは四の倍数で，だ円状の境界は軌道長軸ｍと軌道短軸ｎをもち，前記脚部材が，ｐ番目の脚部材に対し
θp＝tan-1（n/m tanφp）の角度で配置され，
ここで，φp＝2πｐ/N＋φO，φO＝０またはπ/Nで，これにより隣接した脚の間の電気的位相角は一定値の，２π/Nとなる。）
（b）隣接した前記脚を結合するリアクタンス要素であって，前記脚部材およびリアクタンス要素が，前記境界により定義される，前記軸線に対して横向きの面に配置される伝送線を形成するところのリアクタンス要素と（当該リアクタンス要素が，
Ｉp＝Cejωt（m+n）sinπ/N（-cosφp+j sinφp）（ここでＣは定数）
のように対応する振幅において，前記各脚部材により支持されるように前記脚部材の各々の間で電流を分配する電流ディバイダーを含む），
を含み，
（c）二つの前記脚部材が，それぞれのRF電源と通信する，間の位相角の差が90°をもち，前記電源が等しいピーク値をもち，直角関係にある，だ円状の直角駆動バード・ケージ・共鳴体。
【請求項２】
前記二つの脚部材が長および短だ円軸線のそれぞれと実質的に整合する，ところの請求項１に記載の，だ円状の直角駆動バード・ケージ・共鳴体。
【請求項３】
前記二つの脚部材が，45°の電気的位相角で，それぞれの長および短だ円軸線と実質的に整合する，ところの請求項１に記載のだ円状の直角駆動バード・ケージ・共鳴体。
【請求項４】
前記二つの脚部材が，前記電源への誘導性結合を通して，前記RF電源と通信する，請求項１に記載の，だ円状の直角駆動バード・ケージ・共鳴体。
【請求項５】
前記二つの脚部材が，前記電源への非誘導性結合を通して，前記RF電源と通信する，請求項１に記載の，だ円状の直角駆動バード・ケージ・共鳴体。
【請求項６】
前記二つのリアクタンス要素が，前記電源への誘導性結合を通して，前記RF電源と通信する，請求項１に記載の，だ円状の直角駆動バード・ケージ・共鳴体。
【請求項７】
前記二つのリアクタンス要素が，前記電源への非誘導性結合を通して，前記RF電源と通信する，請求項１に記載の，だ円状の直角駆動バード・ケージ・共鳴体。
【請求項８】
前記リアクタンス要素が，隣接する脚の間で実質的に等しい位相角度とするため，選択された値のトリムコンデンサを含む，請求項１に記載のだ円バード・ケージ共鳴体。
【請求項９】
前記脚部材が，隣接する脚の間で実質的に等しい位相角度とするため，選択された値のトリムコンデンサを含む，請求項１に記載のだ円バード・ケージ共鳴体。
【請求項１０】
さらに，当該共鳴体を横向きに取り囲み，そこから間隔があけられた伝導性シールドを含む，請求項１に記載のだ円バード・ケージ共鳴体。
【請求項１１】
前記誘導性シールドが前記だ円状の境界と共焦となる，ところの請求項１に記載のだ円バード・ケージ共鳴体。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は，NMR装置の分野に属し，実質的にだ円状の断面をもつ研究対象にNMR送信器/受信器を結合させることに関する。
発明の背景
サンプルにrfを照射し，その結果の共鳴信号の採取が，ヘリカルコイル，サドル・コイル共鳴空洞またはバード・ケージ共鳴体である，サンプルを取り囲む構成物中で達成される。後者の構成物が本研究の目的であり，その場合，断面が実質的にだ円をしたサンプルに結合することが望ましい。バード・ケージ・コイルはそれ自身閉じているはしご型回路であり，その中でコイルの電流は正弦曲線状に分布する。同調rf回路として，それらは核磁気共鳴装置中で，rf励起および信号検知の一方または双方のために用いられる。
バード・ケージ・コイルはサドル・コイル，ヘイカルおよび同様の幾何学的構造をもつものと，その不連続の構成により，基本的な点で異なっている。バード・ケージ・コイルには，位相シフトを不連続にコイルの外周囲にゼロから2π（またはnが整数のとき，2πn）まで分配することが要請される。各要素の位相シフトは完全な周波数依存であり，その結果として，バード・ケージ・コイルは望ましい位相のシフトの拘束を達成するために別個独立の周波数で同調する。
バード・ケージ・コイルは医療用の映像または生体の分析的な分光分析用の装置で，日常見られる大容量サンプルに特に好適である。従来のバード・ケージ・コイルは，HayesらのJ. Mag. Res.第63巻第622〜628頁（1985年）で論じられている。
バード・ケージ構成は，それ自身で閉じている周期的構成とみることができる。当該構造の周期的要素が位相シフトを起こし，それは閉じたループにわたって合計されると2πの何倍かに合計されなけらばならない。幾何学的には，共鳴体は円筒状に対称であり，その構成の円周にそった軸線方向のrf電流はsin kθおよび/またはcos kθに比例することが望ましく，ここでθは円筒軸線に関しての方位角である。モードk＝1は最も一様な横方向の場を形成し，分析NMR装置において一般的に利用されている。
研究対象とNMR送信器/受信器との不完全な結合成分は，いろいろに測定性能を限定する。まず，弱い共鳴信号が，固有のノイズを超えるのに充分な程度に，受信器に結合しないとき，機器性能の感度に限界がある。非最適な充填因子（たとえば，対象物が全感度容積よりも狭く占める場合）の結果である信号対ノイズ比が限定される。
結合成分は研究対象物を取り囲む誘導構成物の形を取る。典型的に，このことは，（最大周波数に対して）空洞の形，またはより一般的に，ソレノイド，サドルまたはバード・ケージ幾何学的形状の形を仮定する。バード・ケージ幾何学形状は本研究の対象で，ここでは医療用映像のために，人体の断面とのよりよい整合をもつだ円の断面をもつバード・ケージ幾何学形状を利用することが望ましい。
断面がだ円のバード・ケージのRFコイルは人の頭および人の体部の医療用の映像化のために使用されている。次の文献を参照。Binson, Martin, GriffithsおよびEdwardsのProc.SMRM，第272頁（1992），LiおよびSmithのProc. SMRM, 1342（1993），Kurczewski, Pavlovich, StiedlyおよびRollinsのProc. SMRM，第4025頁（1992），LiらのProc.ISMRM，第1411頁（1996）
Bison等の研究は，コイルの要素およびその（断面において）だ円状の筒体の中心の軸線により形成されるセグメントが等しい領域をもつような脚要素の配置を教示し，ここで電流は，複数の脚の間でコイルの端部のリングの周りに正弦的に分布する。
LiおよびSmithは周囲上の周辺において等間隔となった16個の脚部を有するだ円コイルから得られる磁場B1を研究した。軌道長軸Aおよび軌道短軸Bのだ円において，だ円の表面上の電流密度の近似式は次の通りとなる。
Jc（θ）＝J0cos（θ）/（B2cos2（θ）+A2sin2）
これは短軸に実質的に平行な磁場を形成する。
Kurczewskiらは，等しい角度で間隔が開けられた脚をもつ，だ円バード・ケージ・コイルを構成した。
本開発研究はまず，だ円の筒体の表面における連続表面電流分布Kz（θ）を得ることで，ここで電流分布はだ円体の内側で，直角動作に対して一様で直交する磁場を形成する。等角写像の周知技術が，円筒状の幾何学というより単純な場合に変換するために使用できる。次に，別個の電流分布が得られるが，これは連続した電流の場合に対するように，同等の場の分布を生じさせる。別個の電流は，好適に直角動作を達成するために，4M個の脚（Mは整数）上で支持される。個別の場合はさらに，正の直角ハイブリッドコンバイナーが，ポート間に等しいパワーの分離を形成するために使用されるように，直交モードを駆動する等しいピーク振幅の場合に拘束される。相互関係により，rf電流源からのバード・ケージ・コイルの励起のための分析は，基本的に，コイル内のサンプルからコイルに誘導される信号の受信に対して再現される。
本開発研究において，別個の脚は，幾何学的な意味で，だ円の周囲部において等間隔になく，電気的な位相の等しい角度間隔となっている。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の概要を略示する。
図２aは，直角動作用のローパスだ円状のバード・ケージの略示する。
図２bは図２aに対応する単純化した送信ラインである。
図２cは，直角動作用のハイパスだ円状のバード・ケージの略示する。
図２dは図２cに対応する単純化した送信ラインである。
図３aは，比較のための正弦曲線および余弦曲線とともに，3：2のだ円に対するだ円状の境界の周りの二つの直角モードに対する，式1の連続電流密度を示す。
図３bは，余弦励起をともなう，従来技術の3：2のだ円状バード・ケージ・コイルに対する，計算された（垂直）場の一様性を示す。
図３cは，正弦励起をともなう，従来技術の3：2のだ円状のバード・ケージ・コイルに対する，計算された（水平）場の一様性を示す。
図４aは，本発明の3：2のだ円状のバード・ケージ・コイルに対する，計算された（垂直）場の一様性を示す。
図４bは，本発明の3：2のだ円状のバード・ケージ・コイルに対する，計算された（水平）場の一様性を示す。
図５は3：2のだ円における16個の脚に対する場のグラフである。
図６は本発明のだ円状のバード・ケージ・コイルの一つのメッシュ要素を示す。
図７は好適な共焦点シールドをもつ，断面がだ円のコイルを示す。
発明を実施するための最良の形態
本発明はＮＭＲ装置に関する。理想化した図が図１に示されている。
孔１１を有するマグネット１０が主磁場をもたらす。その磁場の時間および方向を正確に制御するために、磁場勾配コイル（図示せず）が与えられている。これらは各々勾配電源１６、１８および２０によって起動される。加えて、他の勾配コイル（図示せず）および電源（図示せず）が、基本磁場の残余の好ましくない空間的不均一性を補正するために必要とされてもよい。分析の対象物（以下“サンプル”と記す）が孔１１内の磁場中に置かれ、該サンプルはrf出力により照射を受ける。rf磁場は孔１１の内側の磁場と所望の直交関係をもって合わせられる。このことは孔１１の内側の送信器コイル１２を通じてなされる。共鳴信号が孔１１内のサンプルに最も近い受信器コイル内に誘導される。この送信器および受信器コイルは同一の構造あるいは別個の構造でよい。
図１に示したように、rf出力は送信器２４から与えられ、増幅器３１によって増幅されるrf出力の変調されたパルス（振幅あるいは周波数あるいは位相またはそれらの組合わせ）をもたらすために変調器２６を通じて変調され、その後、マルチプレクサー２７を介して孔１１内に置かれたrf送信器コイル１２に向けられる。送信器および受信器コイルはこのように明らかに同時には起動されない。もし望まれるならば、同じコイルが両機能のために用いられてもよい。従って、マルチプレクサー２７が受信器を送信器から分離するために与えられる。別個の送信器および受信器コイルである場合は、要素２７はマルチプレクサーそのものではないが、同様な分離機能を果たして受信器動作を制御する。
変調器２６は、rf搬送波に関して所望の振幅、継続時間および位相を予め定められた時間間隔で与えるようにパルスプログラマー２９によって制御される。パルスプログラマーはハードウエアーおよび／またはソフトウエアー特性を有してもよい。パルスプログラマーはもし勾配が望まれるならば、勾配電源１６、１８および２０をも制御する。これらの勾配電源はもし望まれるならば、個々の勾配コイルに選択された静的勾配を維持してもよい。
過渡核共鳴波形は受信器２８により処理され、さらに、位相検知器３０を通じて直角位相に分解される。位相検知器３０からの位相分解された時間領域信号が処理の空間的要求に従って、周波数領域への変換のためのフーリエ変換器３２へもたらされる。アナログ共鳴信号のデジタルへの変換は、便宜のために位相検知器３０の要素として知られるアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）構成を介して、通常、位相分解信号についてなされる。
フーリエ変換器３２は実際には、位相分解データの（記憶器３４に）記憶された表現において機能する。これは多くの時間領域位相分解波形の平均化の通常実施をもたらし、信号対ノイズ比を高める。変換機能は次に結果としての平均化信号を与えられる。ディスプレイー３６は取得データに働き、検査のためにそのデータを示す。制御器３８は殆どが１つ又はそれ以上のコンピュータからなり、装置全体の動作を制御し、関係を維持する。
まず，一様で直交する磁場を中に形成するだ円状の筒体の周りに適切な連続電流分布を示すことが望ましい。2πkの集合した位相シフトに対応し，k＝2，3．．．に対する四重極，六重極および高次の多重場のパターンを含む共鳴体のモードが，k＝1に対して，以下で与えたのに類似した展開にそって得られ，形成されることは分かる。以下，磁気共鳴装置に対し最も有用な実質的に均一な場を形成するk＝1のモードに限定する。他の手段もその結果を得るために使用できるが，Bethの結果は回りくどくない。軌道長軸m，軌道軸n，a＝{m2-n2}1/2に焦点があり，偏心率e＝a/mのだ円を考える。標準極座標への変換後の電流密度は次のように与えられる。
Kz＝B1ejωt（m+n）/μ0（-jm sinθ+n cosθ）{m4sin2θ+n4cos2θ}1/2  式1
ここで，θは長軸からの幾何学的な角度で，この実部は長軸および短軸にそれぞれ平行な場を形成するモードを表記する。振動励起共鳴振動数ωで印加され，物理量はこの式の実部および式3の実部により与えられる。-jで表される90°位相シフトが円形バード・ケージ・コイルに対する一般的な実算に従ってコイルに円形分極場を形成するために，正弦モードおよび余弦モードの間に導かれた。3：2のアスペクト比をもつだ円に対して，空間的な変化は，比較のための正弦曲線および余弦曲線を一緒に示す図３aに示されている。
だ円状の筒体の物理的な実現は，N個の伝導性脚の配列に流れる個別の電流により得られる。したがって，電流が流れる脚が配置される，だ円全体にわたる角度位置およびそこで支持される電流を特定することが必要となる。連続した電流のモデルへの，多くの個別的な近似が可能である。その選択は，共鳴構成体が直角の二つのモードを支持し，実質的に一様な横場を形成するという要件に拘束される。円形直角駆動バード・ケージ・コイルに対して，構成体の周囲のまわりに等間隔にN＝4M個の伝導性脚があること，二つのモードに対して等しいピーク駆動電流が等しい強度をもつ場を形成することが必要となる。円形バード・ケージ・コイルの，この一様な角度間隔を，だ円表面に写すと，以下の角度の脚に対して，不均一な角度間隔となる。
θp＝tan-1（n/m tanφp）  式2a
φp＝2πp/N+φ0  式2b
ここで，φpは電気的位相角を与え，p＝0,1,2...N-1で，Ｎは直角動作を支持するため，4の整数倍である。オフセット角φo＝0のときは最終的なバード・ケージ・コイルの脚を軸線上に配置するが，φ＝π/Nのときは窓をこれらの位置に配置する。最初の場合は，脚への電気的な結合が採用されるときは有用となり，二番目の場合は，リング部材への電気的な結合が採用されるときは有用となる。いずれの配置も誘導性結合に対して適している。当業者であれば，他の結合方法も，種々の値のオフセット角の有用性を認識するであろう。したがって，脚は，極座標でのだ円体のまわりにおける周囲長さの増加に関しても，角度に関しても等しく間隔があけられていないが，電気的な位相角においては均一に分布している。図７に示されているようなだ円柱座標における，それぞれ変位および角度の単位uおよびvで記述される共焦だ円曲線および双曲線により記載されるこのシステムを考える。だ円コイルは，今やu＝In  b（b＝｛（m＋n）/（m-n）｝1/2）で記述される。円形バード・ケージ・コイルにおける電気的位相角変数φが，このだ円曲線における変数vに写されることを立証できる。したがって，脚は等しい位相間隔で分離され，まただ円曲線の通常の座標でみたとき，等しい間隔があけられている。これは，だ円体上の脚が双曲線v＝｛0, 2π/N, 4π/N...｝との交点に位置する図６に示されている。位相角が一様に増加する脚の間隔は，線形および直角動作に対して非常に重要である。
式1を位相角φp-π/Nからφp+π/Nにわたって積分すると，p番目の脚により支持される電流に対する式が得られる。つまり，
Ip＝2Cejwt（m+n）sinπ/N（-j sinφp+cosφp）      式3
同じピーク電流が直交モードのそれぞれで記述できることに注視すべきである。
だ円体のまわりに所望の電流分布を形成するために，脚の間に等しい位相間隔を与えることが必要となる。実際のコイルにおいて，有限の長さの脚が送信線を形成するために，リアクタンスリング導電体により連結される。等しい位相間隔を達成することは，円形バード・ケージ・コイルの伝送線の特徴をだ円についての幾何学に写すことと同等である。このことを行う回路成分変換が容易に導かれる。
だ円伝送線の一部が，図５に示され，そこでは，要素は，だ円のまわりで位置とともに変化し，つまりメッシュの自己インダクタンスおよび他のメッシュとの相互インダクタンスがそれらの指数に依存することから，その要素にはメッシュ番号pが付されている。バード・ケージ・コイルの振る舞いが，メッシュ自己インダクタンスおよび近隣結合により支配されるので，だ円体のまわりのこれら二つの項を，リングおよび脚に位置する二組のトリムコンデンサを付加することでもって等しくすることにより，共通に使用される近隣近似内への所望の成分変換が達成されることが良く証明された。コンデンサは，したがってリングおよび脚の位置の両方に示されている。この発明に含まれ，以下でハイパス，帯域バス，帯域阻止の形に議論が発展するが，特別な場合として，x軸上に中心がある脚をもつローパス・バード・ケージ構成を考える。近隣のメッシュ間のフラックス結合は，コイルの幾何学が選択されると，変化し得ないが，それらの有効相互インダクタンスMq,pは共有した脚の有効相互インダクタンスLpにより変化できる。相互インダクタンスが有効自己インダクタンスdMp,q＝2dLpの倍の速さで変化し，Mp,qが以下の小さなリアクタンアスをもつ脚トリムコンデンサの付加により，最小の結合MN-1,0に等しくなることを示すことができる。
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概念的には，このコンデンサは脚のインダクタンスの一部であるが，次の一つの脚の容量を与えるために，通常の脚のコンデンサと結合され得る。
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一方メッシュのインダクタンスは，p番目のメッシュの自己インダクタンスをMp,pとし，最小のメッシュの有効自己インダクタンスM0,0はp＝1メッシュ（二つの最小のにより共有される脚にはトリムコンデンサはない）と共有する脚のトリムの存在だけ減少する。すなわち
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最大のメッシュの自己インダクタンスは，ローパスコイルでは通常存在しない，各リング片のトリムコンデンサC1の付加により，
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に減少し得る。これらメッシュの自己インダクタンスはまた，それらの相互インダクタンスのトリムコンデンサだけ減少し，
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を与えるが，しかし二つのリングトリマーは，以下の有効インダクタンスの差を補償する必要がある。
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これらの式は変換を完成する。ちなみに，ハイパスコイルに対する数値的に計算されたリングトリムコンデンサが従来より知られている。最後に，隣接したメッシュの最も近接の結合が，その二つのメッシュの間で共有する脚によりされる。最も近接の結合の変化が，したがって，小さく，適度の偏心度のだ円に対して無視することができ，これによりこれらの場合に脚トリムのコンデンサーを除去する。
最後の三つのパラグラフの規定は，ローパスだ円コイルのリアクタンスを，最も近接の近似の枠組み内で，同等の円形バード・ケージ・コイルを定義する
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およびMN-1,0に変換することである。実際の目的において，だ円状のバード・ケージは電気的に円形のものに変換された。メッシュの結合における無視した変化の効果が，この円形コイルの非常に僅かな乱れである。電気的な成分の変換は最初の発明の記述，すなわち，だ円体のまわりの有効な成分値を等しくすることは隣接した脚の間の電気的な位相のシフトを一定にするが，C20は周囲の周りの全位相シフトを2πに等しくするものであるということと一致する。
本発明の特定の主題は，送受信器コイル11用の特定の構成である。物理的に，従来技術のローパス・バード・ケージ・コイルが図２aに略示のものと同じもので，電気的に２bのネットワークと同じものである。軸線に平行に伸びた，または縦方向の部材Aiは直列のLC成分，直列のインダクタンスL2（これは，コンダクタまたは縦方向のバーの長さ全体にわたって一般的に分布する）である。バーAiおよびAi+1の各隣接した対が，結合要素のインダクタンスからなる環状の結合要素Biを介してバーAiの平行列を形成するために連結される。たとえば，連結点41，42および44，46は，特定の結合配置を示す。図示していないがトリムコンデンサは上述の通りである。
損失無しコイルにおいて，等しいピーク値の電流が各直角モードの駆動脚に流れる。
図３bおよび３cは各横直交場モードに対して計算した横場の等高線の図で，ここで，アスペクト比m：nが3：2をもつ個別の16極だ円体の中心で，場が規格化されいる。このだ円体は，だ円体の周辺にそって等しい間隔にコイル脚をもつ，従来技術の配列を有する。図３bでは，電流分布は余弦的であり，図３cでは電流分布は正弦的である。各場合において，各等高線には，図の中心において規格化された場の強度から約5％の偏差がある。
図４aおよびbは本発明に対する，図３bおよびcに対応する計算された場の等高線を示し，ここで，コイルの脚は式2aおよび2bに従った，電気的な位相の等しい間隔でもって配置され，電流分布は式3により与えられる。改良された均一性は明白である。
バード・ケージ・コイルは通常は伝導性シールドにより囲まれている。断面がだ円状のコイルと共焦となるだ円状のシールド54が，多重極対称性が最も良く保存されることから理論的に都合のよいことが分かった。実際上は，しかし，どのような幾何学のシールドの存在でも誘導され得る乱れは，上記方法を使用して補償され，伝送線のセクション当たりの所望の一定の位相シフトを維持する。
本発明の動作性能が図７に示され，ここでは，一様な密度のファントムが在来の磁気共鳴映像装置に本直角駆動バード・ケージ・コイルを使用した映像化されている。ファントムの中間面を通過するスライス面にそって分布する映像振幅は実質的に一様なプロフィールを呈している。グレースケールインディケーターが密度の粗い評価のために映像の右側に含まれている。軌道短軸の頂部に現れる場の均一性にある僅かな不完全性は，コイルの動作周波数が，映像化装置の周波数へと僅かに増加したとき，導入されるθ＝π/2で飽和した脚のリアクタンスの変化による。軸はセンチメーター単位で増加する。
だ円状のバード・ケージに内包された伝導性の円筒状のサンプルの場合，軌道長軸および短軸は二つのモードに対して等しくないと思われる。この振る舞いは，実際に，伝導性のだ円状の筒体のサンプルが円筒形バード・ケージ・コイルを含む，実質的に一様な磁場を形成するコイル構成の内側に配置されるときに，起こる。
直交モードにより不等に負荷される場合は，サンプルに関して励起場が相対回転することにより実施される。たとえば，もしコイルがRF電流を駆動脚に結合することで駆動され，多数の脚は八の整数倍であるとき，だ円体の長軸および短軸に関して，電気的な位相角度が45°で飽和した脚の駆動は，サンプルを特徴化する負荷の等しい線形の組み合わせから，二つのモードの等しい負荷の効果を得ることができる。この方向でもって，各モードは水平および垂直な負荷の等しい線形の組み合わせを経験する。別のやり方では，適切な場の方向は，上記の脚の分布のパターンを回転することにより達成され，その結果脚が所望の駆動点のそれぞれに位置する。
本発明を特定の実施例および例を参照して説明してきたが，他の修正や変形が上記教示から当業者には明らかであろう。請求の範囲内において，本発明は上記説明以外にも実施でき，多くの修正例は本発明の技術的範囲に属することが理解できるであろう。請求の範囲において，ミーンズ・プラス・ファンクションの語意は，記載の機能を達成するときにここで定義した構成および構成的に同等のもののみならず同等の構成を包含する。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図２ｄ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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