高いＱファクタを得るために最適化されたＮＭＲ共鳴装置
【課題】ギャップと棒の寸法とを最適化することによりＱ値を最大にするように設計されたバードケージ共鳴装置用コイルを提供する。
【解決手段】中心軸に沿って互いに間隔を開けて配置された一対の導電性リングと、前記リングの間にわたって延び前記中心軸のまわりに等間隔に配置され軸方向に配設された複数の導電性の棒を有するバードケージ共鳴装置。棒の各々は、厚みすなわち半径方向の寸法が、幅すなわち方位角方向の寸法と同程度かまたはそれよりも大きい断面形状を有する。棒の幅と厚みの大きさは、それらをパラメータとして、Ｑの最大値に対応するパラメータ値の範囲を求める解析的手順により求めることができる。フィリングファクタに対する形状計算により、適切な兼ね合いを実現するパラメータの値が得られる。半径方向に向けられた導電体の横断面により、サドルコイルでＱ値に関する同様の改善を示すことが見出された。
【解決手段】中心軸に沿って互いに間隔を開けて配置された一対の導電性リングと、前記リングの間にわたって延び前記中心軸のまわりに等間隔に配置され軸方向に配設された複数の導電性の棒を有するバードケージ共鳴装置。棒の各々は、厚みすなわち半径方向の寸法が、幅すなわち方位角方向の寸法と同程度かまたはそれよりも大きい断面形状を有する。棒の幅と厚みの大きさは、それらをパラメータとして、Ｑの最大値に対応するパラメータ値の範囲を求める解析的手順により求めることができる。フィリングファクタに対する形状計算により、適切な兼ね合いを実現するパラメータの値が得られる。半径方向に向けられた導電体の横断面により、サドルコイルでＱ値に関する同様の改善を示すことが見出された。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＮＭＲ共鳴装置に関する。より詳しくは、本発明は、バードケージおよびそれに関連する共鳴装置を最適化して高いＱ値を得る方法、ならびにそのように最適化されたバードケージ共鳴装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高周波共鳴装置用コイルをバードケージ形状に構成して、非常に一様性の高い磁界を得ることが知られており、例えば１９８７年９月１５日にＣ.Ｈａｙｅｓに交付された特許に係る下記特許文献１および下記非特許文献１で述べられている。バードケージ共鳴装置は、長手方向に互いに離して配置されて共鳴装置の軸を規定する大略的に円形の一対の導電性要素（リング）と、リングの円周に沿って等間隔に配置されて２つのリング要素を結合する複数の導電性部材（棒（ラング））を有するという、その一般的な構造のために、このように呼ばれる。「棒」という言い方は、バードケージコイルを平面に展開するとラダー（はしご）型ＬＣ回路と見なされるという、その形状から来るものである。
【０００３】
望ましい特徴に応じて、種々のタイプのバードケージ共鳴装置が製造されてきた。コンデンサ（キャパシタ）は、低域通過（ローパス）コイルでは棒の中に挿入され、高域通過（ハイパス）コイルではリング内に挿入される。本発明では、「コイル」および「共鳴装置」という言葉は、対象が典型的には一体のＬＣ構造をなすことを反映して、互いに交換可能に使用される。
【０００４】
バードケージコイルの方位角方向に等間隔に配置されたＮ本（Ｎ＞１）の棒は、等しい増分で隔てられたＲＦ相をサポートする。極端な例では、下記特許文献２で説明されているように、磁界の一様性を高めるために、棒の数を大幅に増やしていわゆるムカデコイルを形成する。
従来の多くのバードケージコイルは、表面を半径方向に垂直にした銅製のシートまたは箔からなる棒で構成されている。これは構成が容易にできるというだけでなく、高周波シールドの内径の観点で、試料に利用可能なスペースを最大にするためでもある。本発明では、バードケージコイルの棒の横断面の寸法が、コイルのＱ値に影響を与えることが見出された。コイルのフィリングファクタ（試料のための空間的容積の割合）が直接に影響され、占有率が低いとＮＭＲ共鳴装置の実現可能な信号雑音比が低下する。
【０００５】
ソレノイド構成の従来のＮＭＲ共鳴装置では、ａとｂとが同程度となるような横断面寸法ａ、ｂを有する導電体を使用した。意図的にそのように作られたソレノイド構成の共鳴装置のある種ものは、かなり改善されたＱ値を示すことが見出された。下記特許文献３参照。
バードケージコイルの設計に関する従来の研究のほとんどは、無負荷状態でのコイルのＱ値にはあまり注意を払わなかった。比較的大きな（数十ｃｍ）生物学的サンプルのイメージングにコイルを使用する場合は、１／Ｑｔｏｔａｌ＝１／Ｑｓａｍｐｌｅ+１／Ｑｃｏｉｌであり（ここでＱｔｏｔａｌ、ＱｓａｍｐｌｅおよびＱｃｏｉｌはそれぞれ全体のＱ値、試料のＱ値およびコイルのＱ値であり、そのような用途のほとんどにおいてＱｓａｍｐｌｅ＜＜Ｑｃｏｉｌ）であるから、上で述べたような従来のやり方は妥当である。しかしコイルおよび試料の寸法が小さくなると、コイルのＱ値が性能に強い影響を与え始める。これは、コイルおよび試料の長さがＬの程度であるとして、ＱｓａｍｐｌｅおよびＱｃｏｉｌがそれぞれＬ-4およびＬに比例して変化するからである。
【特許文献１】米国特許第４，６９４，２５５号明細書
【特許文献２】米国特許第６，２８５，１８９号明細書
【特許文献３】米国特許第６，０８７，８３２号明細書
【特許文献４】米国特許第４，６４１，０９８号明細書
【非特許文献１】「磁気共鳴画像形成のためのバードケージ共鳴装置の実験的設計および製作」（Ｔ.Ｖｕｌｌｏ他、医療における磁気共鳴、２４，２４３（１９９２））
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで本発明の利点は、ギャップおよび棒の寸法を最適化することによりＱ値を最大にするように設計されたバードケージ共鳴装置用コイルを提供することである。
本発明は棒の横断面形状を適切に設計することによりバードケージ共鳴装置用コイルを製造する方法を提供する。
本発明の別の利点は、前記の利点を関連する共鳴装置用コイルの構造に拡張することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記および他の目的を達成する本発明のバードケージ共鳴装置用コイルは、中心軸に沿って互いに間隔を開けて配置された一対の導電性リングと、前記リングの間にわたって延び前記中心軸のまわりで方位角方向に等間隔に配置された複数の直線的で細長い導電性の棒とを備え、前記棒の各々はその半径方向の寸法（厚み）が少なくともその方位角方向の寸法（幅）よりも大きくなるようにその横断面の寸法にされていることを特徴とする。Ｑ値のいくつかの依存性のうち、棒（誘導性の要素）の抵抗が低いとＱ値が高くなる。これらの誘導性の要素の断面積を大きくすれば抵抗が小さくなるが、大きくなった横断面の半径方向の成分が入り込むことによりフィリングファクタが低下する可能性がある。半径方向に外側に延びると、周囲のシールドに対して更にＲＦ損失を増加させる。インダクタの横断面の方位角方向の成分が増加すると、棒の間の空間的な間隔が狭まり、コイルのＢ磁界に対する制約によりその磁界の局所的なひずみが生じる。更に重要なことは、局所的に高い磁界の領域は近接する導電体の表面電流密度が局所的に高くなることを意味し、その結果オーミック損失が増加することになる。従って、棒の間の間隔を小さくしたバードケージコイルのＱ値は低下する。マクスウェル方程式の二次元での数値解法により磁界ベクトルのポテンシャルを求め、このポテンシャルからコイル内部の体積の横断面に対する磁界分布を導くことにより、フィリングファクタに大きな影響を与えずにＱ値を改善できることが確認されている。Ｑ値に影響を与える導電体の寸法の形状特性と磁界分布との兼ね合いを調整することにより、コイル設計に関して満足の行く妥協的な結果が得られるであろう。あるいは、バードケージ共鳴装置を最適化するためにここに述べる原理に基づいて、十分な幅と厚みとを有するようにつぶした形状のワイヤで構成される、いわゆるサドルコイルの形態に、ＮＭＲ共鳴装置を構成することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明を、複数本（Ｎ＝８）の棒を有するタイプのバードケージ共鳴装置用コイルの形状の典型的な例で説明する。図１はその外観を示し、ｚ方向に互いに間隔を開けて配置された２つの導電性のリング１５および１５’の間に軸方向（ｚ方向）に延設された８本の棒１０を示す。この図における棒１０の幅、厚みおよび大略的な横断面形状が、本発明の特徴を示す。図２は図１の共鳴装置のｚ方向における断面図であり、リング１５の円周に沿って方位角方向に等間隔で配設された棒１０を示す。実際には図１のコイルは、符号Ｒ2で示された内径を有する高周波シールド２０（図１には図示せず）の中に配設されている。各棒１０は内部に面する表面１１と、外部に面する表面１２と、２つの側面１３および１４とを有し、図１に示す横断面形状は、棒１０の（半径方向の）厚みを表す長さｔの２つの横の辺と、前記の内部に面する表面１１を表す曲率半径Ｒ1を有する幅がｗの短い円弧と、外部に面する表面１２を表す長い円弧とで囲まれた幾何学形状である。
【０００９】
コイルの寸法と比較して波長は長く、コイルの長さはＲ1と比較して大きく、また棒の金属材料の高周波に対する表皮厚さδは棒の横断面寸法と比較して小さいと仮定してある。これらの仮定を立てると、マクスウェル方程式を解くことは二次元のラプラス方程式を解いて磁界ベクトルのポテンシャルＡｚのｚ成分を求めることに帰する。図１に示したコイルの断面に適合する解の境界条件は、シールドの半径ではＡｚ＝０であり、ｎ番目の棒の表面上ではＡｚ＝Ａ0ｃｏｓ（２πｎ／Ｎ）であり、ここでｎ＝１，２,…,ＮでありＡ0は任意の定数である。Ａｚが求まれば、横方向の磁界Ｂ（ｒ，θ）はＢ＝∇×Ａｚから計算できる。
【００１０】
更に棒１０の抵抗損失がコイルのＱ値（Ｑｃｏｉｌ）に対して支配的な影響を有することも、前提とされている。するとＱｃｏｉｌの抵抗依存性は形状条件に基づいて以下のように求められることが示される。
【００１１】
【数１】
【００１２】
ここでＡ＝２πＲ1／Ｎは図１に示した円弧長であり、関数ｆは以下のラプラス方程式の数値解から計算できる無次元関数である：
【００１３】
【数２】
【００１４】
記号∫ｄｌは各々図１に示した金属の境界上で取った線積分であり、ｎ0は境界（または微小線分ｄｌ）に垂直な局所的な単位ベクトルを示す。前記のラプラス方程式は特に長さの単位においてＡｚに対して解かれており、Ｒ1＝１であると仮定されている。
図３はｆ（ｗ／Ａ,ｔ／（Ｒ2−Ｒ1）,８,３）の値を示す二次元の等高線図（コンタダイアグラム）である。すなわちＮ＝８かつＲ2／Ｒ1＝３のときに、ｗ／Ａとｔ／（Ｒ2−Ｒ1）とを２つのパラメータとする関数ｆの値を示す。コイルの両端での導電損失、輻射損失および誘電損失が全て無視されているので、数式（１）で得られるＱファクタは過大な値となる。比較的長いバードケージコイルのその半径に関する最適な棒の形状は、より良い情報が得られない場合に実際の設計を行う上で好ましい出発点となり、かかる出発点としては、等高線関数の拡がりを持つ最大領域に対応してＮ＝８かつＲ2／Ｒ1＝３であればｗ／Ａが約０.２でありｔ／（Ｒ2−Ｒ1）が約０.４となることが、図３によって示される。
【００１５】
実際問題として、コイル設計者はＲ2／Ｒ1比が外部条件によって一定値に固定されていると見なし、棒の数Ｎは通常は実際の構成上の考慮からある範囲に制限される。本発明者が行った関数ｆの実際の試算によれば、Ｒ2／Ｒ1の値が十分に大きければＮの値が小さくてもＱ値は向上できるが、Ｎがあまり小さいとコイルの高周波での一様性が損なわれる。このことが、ここでＮ＝８とした例だけを説明している理由であるが、これは本発明の範囲を限定するものではない。
【００１６】
重要な問題は、コイルのフィリングファクタを好適にはコイルのＱ値と同時に最大にするべきだということである。コイルのフィリングファクタは以下のように規定される無次元パラメータである：
【００１７】
【数３】
【００１８】
ここで分子の積分は試料体積、すなわちバードケージコイルの内部空間に対する体積積分であり、分母の積分は全空間にわたる体積積分である。フィリングファクタηは様々な棒の横断面形状に対して、上で述べたマクスウェル方程式の数値解を使用して、数式（３）で計算できる。図４はＮ＝８かつＲ2／Ｒ1＝３の場合について計算したフィリングファクタの値を示す。
【００１９】
図３と図４とを比較することにより、ηとＱ値とは同一の形状パラメータについてそれぞれ独立に最大にすることはできないので、パラメータＮおよびｔ／（Ｒ2−Ｒ1）の最適な組み合わせを得るための兼ね合いが必要であることがわかる。その兼ね合いを実現する１つの方法は、積η×Ｑを最大にすることである。別の方法はηを選択された限界値よりも大きな値に維持しながらＱを最大にすることである。
【００２０】
これらの原理を試すために、高いＱ値と大きなフィリングファクタの両方を同時に向上する実施形態が構成された。本発明者らは本発明の試作品として、Ｒ2／Ｒ1＝３（ｗ／ｔが１よりも大幅に小さく約０.６５となるように）のときに使用されるコイルとしてＮ＝８、ｗ／Ａ＝０.２５かつｔ／（Ｒ2−Ｒ1）＝０.１５の銅製のものを設計した。８本の銅箔製の棒を有する従来型の試作品と比較するために、Ｒ1は３.４ｍｍに等しくし、窓の長さは１４ｍｍとし、静電容量は窓の底で石英製チューブを介して内部の銅箔製の円筒まで分布するようにし、コイルは窓の上部で短絡されるようにした。（「窓」は、棒の間の空間に対する標準的な呼び方である）。上記の寸法を有するバードケージ共鳴装置について通常の方法で測定した無負荷状態でのＱ値は、ＲＦシールドを取り付けた状態で、５５０ＭＨｚで５６２であった。比較のために、全体の寸法を同様として、Ｎ＝１２の箔製棒を有し、ｗ／Ａ＝１／３、ｔ／（Ｒ2−Ｒ1）＝０.００８かつＲ2／Ｒ1＝３とした対照バードケージ共鳴装置を構成し、両方の共鳴装置の測定を行った。対照品に対する発明品の比Ｑinvention／Ｑreference＝１.６が求められた。計算ではこの比は１.８と予想された。従って本発明を使用することにより実際のＱ値の向上が６０％以上となることが示された。
【００２１】
本発明をその一例について説明してきたが、この例は本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の基礎となる考え方を説明するに過ぎない。本発明の範囲内で、様々な変形や変更が可能である。例えばバードケージ形状のままで、図３に示すような対応するＱ値の等高線図がパラメータｗ／Ａおよびｔ／（Ｒ2−Ｒ1）の適切な値に対応する最大値を示す限り、棒の本数Ｎは８である必要はない。互いに同心円の関係にある一対の円弧と半径方向の直線によって囲まれた形の横断面を有する棒を考えたが、これは上で述べたラプラス方程式（数式（２））を解くための便宜的なものである。一般に、電流が流れる導電体の鋭い縁は取り除くものである。図５および図６に示すような長円、楕円または角を丸めた長方形の横断面が好適である。図２に示すような横断面形状を有する棒の場合でも、鋭い縁は通常は研磨され（例えば化学研磨または＃４仕上げにより）、加工の後で角を丸めるが、同図では角の丸めは示してない。
【００２２】
上で説明したように、本発明の方法はＱ値とフィリングファクタとの間の兼ね合いという要素を含んでおり、従ってこの方法は棒の断面形状を特徴付けるパラメータの最適な組を一意的に決定するものではない。しかし本発明の驚くべき結果は、従来技術のバードケージ共鳴装置では全く反対の関係であった厚みｔと幅ｗとについて、ｔをｗよりも大きく選択することが最も良いという事実である。換言すれば、本発明のバードケージ共鳴装置用コイルの棒は、半径方向の寸法（すなわち厚み）が方位角方向の寸法（すなわち幅）よりも大きいということで特徴付けられる。その様に寸法を選定することにより、Ｑ値を改善する一方でフィリングファクタが多少犠牲にされるが（誘導性要素が半径方向に出っ張ってコイルの内部容積内に食い込むことにより）、しかしこの問題は設計の選択に関わることであり、容易に対処できるものである。かかる棒の形状は図２に示したものに限定されず、長方形や楕円形でもよい。この結果は、本発明により、Ｑ値が従来技術による最良の結果と比べて、約５０％向上することができるが、コイルのフィリングファクタは約２０％低下することを示している。
【００２３】
図５（図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃ）と図６（図６Ａ、図６Ｂおよび図６Ｃ）は本発明の実施形態によるバードケージコイルの別の例であって、それぞれ低域通過（図５）および高域通過フィルター（図６）として機能し、横断面が円形をなす棒を有することを特徴とするものを示す。図５Ｄは棒の横断面の半径方向および方位角方向の寸法（ｔおよびｗ）を示す。これらの例は、棒のいずれかの端にある導電性リングが誘電性リングを備えており、この誘電性物質（ポリテトラフルオロエチレン等）が、互いに隣接して静電容量を構成する金属片の対（コンデンサバンク）の各々の間の隙間を充填して、それらの間の静電容量を増加していると共に構造の機械的な強度を向上させていることによって、さらに特徴付けられる。これらの隙間の形状は、本発明の範囲を限定するものではない。構成要素が鋭い縁を持たないことが一般に望ましいこと、また製造の容易さという観点からも、図６に示した設計が好適と考えられる。図５Ｃは下部リング１５’が棒１０の下端（またはコンデンサバンクの上端）よりも（プラスの距離ｄだけ）高い位置にあることを示す。下部リング１５’と上部リング１５とはそれらの間にＲＦ窓を規定しており、下部リング１５’は内部リング１５’と下部コンデンサバンクの間の電界をシールドしている。
【００２４】
本発明は上記特許文献４で説明されているような、いわゆるサドルコイルにも適用可能であることがわかっている。１つの例は、直列２巻きのサドルコイルを形成するようなパターンに従って曲げられた１本の導電性ワイヤで構成され、従ってコイルの軸方向に平行に延びる互いに平行なワイヤ部分の複数（図示の例では４本）の対を含むことを特徴とする。各対のワイヤ部分は方位角方向に一様でなく互いに近接するが間隔を開けて配置され、同じ方向に電流を流す。上記特許文献４で開示されているような従来技術によれば、通常の種類のワイヤまたは円形断面のワイヤを使用してサドルコイルが形成された。そのようなワイヤはコイルの寸法と比べると非常に小さな横断面寸法を有し、ワイヤの横断面の検討を通してＱ値を改善することはない。箔形状の導電体でサドルコイルを構成することも一般に行われているが、この場合は上で説明した理由によりＱ値を制限する可能性がある。図４に示したようなサドルコイルは、従来ヘルムホルツ対として知られており、電流を流すループが第一のグループを形成しており、この第一のグループは第二のグループと対向して直列に配設されている。ＮＭＲの用途では、これらのループは（普通は）曲面（有感体積の方位角方向の寸法）に制約されており、各ループの２つの部分が感度を有する体積の円筒形の軸と平行／逆平行となっている。ヘルムホルツ対はまた、電気的にも並列の関係となっている。これらのタイプのサドルコイルとバードケージコイルとは、全く異なる形状を有する。
【００２５】
図７（図７Ａ、図７Ｂおよび図７Ｃ）は、本発明の実施形態による２巻きの直列サドルコイルを示す。これは同一のパターンに従って曲げられたワイヤで形成されるが、ワイヤは円形に近い横断面を有する通常のタイプのものではなく、角度方向の幅ｗが半径方向の厚みよりもかなり小さい扁平な形状をしている点で異なる。図７Ｃは図７Ａ〜図７Ｂのサドルコイルの断面を分かりやすく示すものである。このサドルコイルは、部分２５によって結合された軸方向の部分２０を有する導電体で構成された巻き線を備えている。１つの巻き線部分は次の巻き線部分に隣接する（図示の２巻きのサドルコイルの場合）か、またはコイルの軸に関して反対側に配設された巻き線部分と直列に接続される。軸方向の導電体２０は通常、少なくとも一対の広い窓２８、すなわち同じ１巻きを構成する隣接する導電体２０の間の開口の角度方向の開きをなすように、間隔を開けて配置されている。従って、これらの導電体の間には広い間隔があいている一方で、異なる巻き線部分の隣接する導電体（２０および２０’）は比較的近接して配置されている。この典型的な間隔は明らかに方位角方向に一様ではない。相対的な横断面寸法ｔおよびｗは上で述べた理由に一般的に従って選定され、寸法０.０２”×０.０７”の扁平な楕円形横断面を有する導電体からなる直列のサドルコイルが構成された。同じ形状と全体の寸法とを有する第二のサドルコイルを、０.０２５”の円形断面のワイヤを使用して構成した。扁平な楕円形横断面に対するＱ値の測定により、従来の横断面の例における３８０という値に対して９.５％向上した４２０という値が得られた。これらの典型的な結果は、バードケージコイルに対するＱ値の最適化と一致するものである。これらの結果を検討すると、直列サドルコイルの形状はバードケージ共鳴装置の周期的なラダー形状と全く異なるが、Ｑ値の一般的な抵抗依存性は類似していることを想起させられる。この結果は、ＮＭＲ共鳴装置のＱ値を改善する有力な道を示すものである。ＮＭＲ共鳴装置の誘導性要素の断面が内側に向かって延びることで、フィリングファクタを犠牲にしてＱ値を改善する方法を提供する。実際問題として、後者の量は試料の寸法および／または実現可能な信号雑音比を制限するが、しかしこれらはそれぞれ独立にユーザーの判断にゆだねられるものである。誘導性要素の断面が外側に向かって延びることで周囲のＲＦシールドに関するＲＦ損失と引き換えにＱ値の同じ改善が得られるが、後者は通常は固定した寸法的制約を表すものである。
【００２６】
本発明によるアプローチは、主に小さな試料のイメージング、またはコイルのＱ値が重要となる分光目的に有用であると考えられるが、ＮＭＲの感度はＱ値の平方根に比例する。
本発明を特定の実施形態について説明してきたが、当業者であれば上記の教示について他の変形や変更を思いつくであろう。本発明は、広範囲のタイプのＮＭＲ共鳴装置のＱ値を向上するために有用に使用できる。添付の特許請求の範囲内において、本発明はここに説明した以外の仕方で実施可能であることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態によるバードケージ共鳴装置コイルの斜視図である。
【図２】図１のバードケージコイルとそれを取り囲む高周波シールドとを軸方向に見た断面図である。
【図３】２つの選択されたパラメータの関数としての図１および図２のコイルのＱ値に関わる関数の値の二次元等高線図である。
【図４】図３と同じ２つのパラメータの関数としての図１および図２のコイルのフィリングファクタの二次元等高線図である。
【図５】低域通過フィルターとして機能する本発明の実施形態による別のバードケージ共鳴装置用コイルを示しており、図５Ａは斜視図であり、図５Ｂは図５Ｃの５Ｂ−５Ｂ断面での断面図であり、図５Ｃはその側面図であり、図５Ｄは導電体の横断面を示す詳細図である。
【図６】高域通過フィルターとして機能する本発明の実施形態による更に別のバードケージ共鳴装置用コイルを示しており、図６Ａは斜視図であり、図５Ｂは図５Ｃの６Ｂ−６Ｂ断面での断面図であり、図６Ｃはその側面図である。
【図７】図７Ａおよび図７Ｂは本発明の実施形態によるサドルコイルの斜視図であり、７Ｃはこの構造の断面図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明はＮＭＲ共鳴装置に関する。より詳しくは、本発明は、バードケージおよびそれに関連する共鳴装置を最適化して高いＱ値を得る方法、ならびにそのように最適化されたバードケージ共鳴装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高周波共鳴装置用コイルをバードケージ形状に構成して、非常に一様性の高い磁界を得ることが知られており、例えば１９８７年９月１５日にＣ.Ｈａｙｅｓに交付された特許に係る下記特許文献１および下記非特許文献１で述べられている。バードケージ共鳴装置は、長手方向に互いに離して配置されて共鳴装置の軸を規定する大略的に円形の一対の導電性要素（リング）と、リングの円周に沿って等間隔に配置されて２つのリング要素を結合する複数の導電性部材（棒（ラング））を有するという、その一般的な構造のために、このように呼ばれる。「棒」という言い方は、バードケージコイルを平面に展開するとラダー（はしご）型ＬＣ回路と見なされるという、その形状から来るものである。
【０００３】
望ましい特徴に応じて、種々のタイプのバードケージ共鳴装置が製造されてきた。コンデンサ（キャパシタ）は、低域通過（ローパス）コイルでは棒の中に挿入され、高域通過（ハイパス）コイルではリング内に挿入される。本発明では、「コイル」および「共鳴装置」という言葉は、対象が典型的には一体のＬＣ構造をなすことを反映して、互いに交換可能に使用される。
【０００４】
バードケージコイルの方位角方向に等間隔に配置されたＮ本（Ｎ＞１）の棒は、等しい増分で隔てられたＲＦ相をサポートする。極端な例では、下記特許文献２で説明されているように、磁界の一様性を高めるために、棒の数を大幅に増やしていわゆるムカデコイルを形成する。
従来の多くのバードケージコイルは、表面を半径方向に垂直にした銅製のシートまたは箔からなる棒で構成されている。これは構成が容易にできるというだけでなく、高周波シールドの内径の観点で、試料に利用可能なスペースを最大にするためでもある。本発明では、バードケージコイルの棒の横断面の寸法が、コイルのＱ値に影響を与えることが見出された。コイルのフィリングファクタ（試料のための空間的容積の割合）が直接に影響され、占有率が低いとＮＭＲ共鳴装置の実現可能な信号雑音比が低下する。
【０００５】
ソレノイド構成の従来のＮＭＲ共鳴装置では、ａとｂとが同程度となるような横断面寸法ａ、ｂを有する導電体を使用した。意図的にそのように作られたソレノイド構成の共鳴装置のある種ものは、かなり改善されたＱ値を示すことが見出された。下記特許文献３参照。
バードケージコイルの設計に関する従来の研究のほとんどは、無負荷状態でのコイルのＱ値にはあまり注意を払わなかった。比較的大きな（数十ｃｍ）生物学的サンプルのイメージングにコイルを使用する場合は、１／Ｑｔｏｔａｌ＝１／Ｑｓａｍｐｌｅ+１／Ｑｃｏｉｌであり（ここでＱｔｏｔａｌ、ＱｓａｍｐｌｅおよびＱｃｏｉｌはそれぞれ全体のＱ値、試料のＱ値およびコイルのＱ値であり、そのような用途のほとんどにおいてＱｓａｍｐｌｅ＜＜Ｑｃｏｉｌ）であるから、上で述べたような従来のやり方は妥当である。しかしコイルおよび試料の寸法が小さくなると、コイルのＱ値が性能に強い影響を与え始める。これは、コイルおよび試料の長さがＬの程度であるとして、ＱｓａｍｐｌｅおよびＱｃｏｉｌがそれぞれＬ-4およびＬに比例して変化するからである。
【特許文献１】米国特許第４，６９４，２５５号明細書
【特許文献２】米国特許第６，２８５，１８９号明細書
【特許文献３】米国特許第６，０８７，８３２号明細書
【特許文献４】米国特許第４，６４１，０９８号明細書
【非特許文献１】「磁気共鳴画像形成のためのバードケージ共鳴装置の実験的設計および製作」（Ｔ.Ｖｕｌｌｏ他、医療における磁気共鳴、２４，２４３（１９９２））
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで本発明の利点は、ギャップおよび棒の寸法を最適化することによりＱ値を最大にするように設計されたバードケージ共鳴装置用コイルを提供することである。
本発明は棒の横断面形状を適切に設計することによりバードケージ共鳴装置用コイルを製造する方法を提供する。
本発明の別の利点は、前記の利点を関連する共鳴装置用コイルの構造に拡張することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記および他の目的を達成する本発明のバードケージ共鳴装置用コイルは、中心軸に沿って互いに間隔を開けて配置された一対の導電性リングと、前記リングの間にわたって延び前記中心軸のまわりで方位角方向に等間隔に配置された複数の直線的で細長い導電性の棒とを備え、前記棒の各々はその半径方向の寸法（厚み）が少なくともその方位角方向の寸法（幅）よりも大きくなるようにその横断面の寸法にされていることを特徴とする。Ｑ値のいくつかの依存性のうち、棒（誘導性の要素）の抵抗が低いとＱ値が高くなる。これらの誘導性の要素の断面積を大きくすれば抵抗が小さくなるが、大きくなった横断面の半径方向の成分が入り込むことによりフィリングファクタが低下する可能性がある。半径方向に外側に延びると、周囲のシールドに対して更にＲＦ損失を増加させる。インダクタの横断面の方位角方向の成分が増加すると、棒の間の空間的な間隔が狭まり、コイルのＢ磁界に対する制約によりその磁界の局所的なひずみが生じる。更に重要なことは、局所的に高い磁界の領域は近接する導電体の表面電流密度が局所的に高くなることを意味し、その結果オーミック損失が増加することになる。従って、棒の間の間隔を小さくしたバードケージコイルのＱ値は低下する。マクスウェル方程式の二次元での数値解法により磁界ベクトルのポテンシャルを求め、このポテンシャルからコイル内部の体積の横断面に対する磁界分布を導くことにより、フィリングファクタに大きな影響を与えずにＱ値を改善できることが確認されている。Ｑ値に影響を与える導電体の寸法の形状特性と磁界分布との兼ね合いを調整することにより、コイル設計に関して満足の行く妥協的な結果が得られるであろう。あるいは、バードケージ共鳴装置を最適化するためにここに述べる原理に基づいて、十分な幅と厚みとを有するようにつぶした形状のワイヤで構成される、いわゆるサドルコイルの形態に、ＮＭＲ共鳴装置を構成することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明を、複数本（Ｎ＝８）の棒を有するタイプのバードケージ共鳴装置用コイルの形状の典型的な例で説明する。図１はその外観を示し、ｚ方向に互いに間隔を開けて配置された２つの導電性のリング１５および１５’の間に軸方向（ｚ方向）に延設された８本の棒１０を示す。この図における棒１０の幅、厚みおよび大略的な横断面形状が、本発明の特徴を示す。図２は図１の共鳴装置のｚ方向における断面図であり、リング１５の円周に沿って方位角方向に等間隔で配設された棒１０を示す。実際には図１のコイルは、符号Ｒ2で示された内径を有する高周波シールド２０（図１には図示せず）の中に配設されている。各棒１０は内部に面する表面１１と、外部に面する表面１２と、２つの側面１３および１４とを有し、図１に示す横断面形状は、棒１０の（半径方向の）厚みを表す長さｔの２つの横の辺と、前記の内部に面する表面１１を表す曲率半径Ｒ1を有する幅がｗの短い円弧と、外部に面する表面１２を表す長い円弧とで囲まれた幾何学形状である。
【０００９】
コイルの寸法と比較して波長は長く、コイルの長さはＲ1と比較して大きく、また棒の金属材料の高周波に対する表皮厚さδは棒の横断面寸法と比較して小さいと仮定してある。これらの仮定を立てると、マクスウェル方程式を解くことは二次元のラプラス方程式を解いて磁界ベクトルのポテンシャルＡｚのｚ成分を求めることに帰する。図１に示したコイルの断面に適合する解の境界条件は、シールドの半径ではＡｚ＝０であり、ｎ番目の棒の表面上ではＡｚ＝Ａ0ｃｏｓ（２πｎ／Ｎ）であり、ここでｎ＝１，２,…,ＮでありＡ0は任意の定数である。Ａｚが求まれば、横方向の磁界Ｂ（ｒ，θ）はＢ＝∇×Ａｚから計算できる。
【００１０】
更に棒１０の抵抗損失がコイルのＱ値（Ｑｃｏｉｌ）に対して支配的な影響を有することも、前提とされている。するとＱｃｏｉｌの抵抗依存性は形状条件に基づいて以下のように求められることが示される。
【００１１】
【数１】
【００１２】
ここでＡ＝２πＲ1／Ｎは図１に示した円弧長であり、関数ｆは以下のラプラス方程式の数値解から計算できる無次元関数である：
【００１３】
【数２】
【００１４】
記号∫ｄｌは各々図１に示した金属の境界上で取った線積分であり、ｎ0は境界（または微小線分ｄｌ）に垂直な局所的な単位ベクトルを示す。前記のラプラス方程式は特に長さの単位においてＡｚに対して解かれており、Ｒ1＝１であると仮定されている。
図３はｆ（ｗ／Ａ,ｔ／（Ｒ2−Ｒ1）,８,３）の値を示す二次元の等高線図（コンタダイアグラム）である。すなわちＮ＝８かつＲ2／Ｒ1＝３のときに、ｗ／Ａとｔ／（Ｒ2−Ｒ1）とを２つのパラメータとする関数ｆの値を示す。コイルの両端での導電損失、輻射損失および誘電損失が全て無視されているので、数式（１）で得られるＱファクタは過大な値となる。比較的長いバードケージコイルのその半径に関する最適な棒の形状は、より良い情報が得られない場合に実際の設計を行う上で好ましい出発点となり、かかる出発点としては、等高線関数の拡がりを持つ最大領域に対応してＮ＝８かつＲ2／Ｒ1＝３であればｗ／Ａが約０.２でありｔ／（Ｒ2−Ｒ1）が約０.４となることが、図３によって示される。
【００１５】
実際問題として、コイル設計者はＲ2／Ｒ1比が外部条件によって一定値に固定されていると見なし、棒の数Ｎは通常は実際の構成上の考慮からある範囲に制限される。本発明者が行った関数ｆの実際の試算によれば、Ｒ2／Ｒ1の値が十分に大きければＮの値が小さくてもＱ値は向上できるが、Ｎがあまり小さいとコイルの高周波での一様性が損なわれる。このことが、ここでＮ＝８とした例だけを説明している理由であるが、これは本発明の範囲を限定するものではない。
【００１６】
重要な問題は、コイルのフィリングファクタを好適にはコイルのＱ値と同時に最大にするべきだということである。コイルのフィリングファクタは以下のように規定される無次元パラメータである：
【００１７】
【数３】
【００１８】
ここで分子の積分は試料体積、すなわちバードケージコイルの内部空間に対する体積積分であり、分母の積分は全空間にわたる体積積分である。フィリングファクタηは様々な棒の横断面形状に対して、上で述べたマクスウェル方程式の数値解を使用して、数式（３）で計算できる。図４はＮ＝８かつＲ2／Ｒ1＝３の場合について計算したフィリングファクタの値を示す。
【００１９】
図３と図４とを比較することにより、ηとＱ値とは同一の形状パラメータについてそれぞれ独立に最大にすることはできないので、パラメータＮおよびｔ／（Ｒ2−Ｒ1）の最適な組み合わせを得るための兼ね合いが必要であることがわかる。その兼ね合いを実現する１つの方法は、積η×Ｑを最大にすることである。別の方法はηを選択された限界値よりも大きな値に維持しながらＱを最大にすることである。
【００２０】
これらの原理を試すために、高いＱ値と大きなフィリングファクタの両方を同時に向上する実施形態が構成された。本発明者らは本発明の試作品として、Ｒ2／Ｒ1＝３（ｗ／ｔが１よりも大幅に小さく約０.６５となるように）のときに使用されるコイルとしてＮ＝８、ｗ／Ａ＝０.２５かつｔ／（Ｒ2−Ｒ1）＝０.１５の銅製のものを設計した。８本の銅箔製の棒を有する従来型の試作品と比較するために、Ｒ1は３.４ｍｍに等しくし、窓の長さは１４ｍｍとし、静電容量は窓の底で石英製チューブを介して内部の銅箔製の円筒まで分布するようにし、コイルは窓の上部で短絡されるようにした。（「窓」は、棒の間の空間に対する標準的な呼び方である）。上記の寸法を有するバードケージ共鳴装置について通常の方法で測定した無負荷状態でのＱ値は、ＲＦシールドを取り付けた状態で、５５０ＭＨｚで５６２であった。比較のために、全体の寸法を同様として、Ｎ＝１２の箔製棒を有し、ｗ／Ａ＝１／３、ｔ／（Ｒ2−Ｒ1）＝０.００８かつＲ2／Ｒ1＝３とした対照バードケージ共鳴装置を構成し、両方の共鳴装置の測定を行った。対照品に対する発明品の比Ｑinvention／Ｑreference＝１.６が求められた。計算ではこの比は１.８と予想された。従って本発明を使用することにより実際のＱ値の向上が６０％以上となることが示された。
【００２１】
本発明をその一例について説明してきたが、この例は本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の基礎となる考え方を説明するに過ぎない。本発明の範囲内で、様々な変形や変更が可能である。例えばバードケージ形状のままで、図３に示すような対応するＱ値の等高線図がパラメータｗ／Ａおよびｔ／（Ｒ2−Ｒ1）の適切な値に対応する最大値を示す限り、棒の本数Ｎは８である必要はない。互いに同心円の関係にある一対の円弧と半径方向の直線によって囲まれた形の横断面を有する棒を考えたが、これは上で述べたラプラス方程式（数式（２））を解くための便宜的なものである。一般に、電流が流れる導電体の鋭い縁は取り除くものである。図５および図６に示すような長円、楕円または角を丸めた長方形の横断面が好適である。図２に示すような横断面形状を有する棒の場合でも、鋭い縁は通常は研磨され（例えば化学研磨または＃４仕上げにより）、加工の後で角を丸めるが、同図では角の丸めは示してない。
【００２２】
上で説明したように、本発明の方法はＱ値とフィリングファクタとの間の兼ね合いという要素を含んでおり、従ってこの方法は棒の断面形状を特徴付けるパラメータの最適な組を一意的に決定するものではない。しかし本発明の驚くべき結果は、従来技術のバードケージ共鳴装置では全く反対の関係であった厚みｔと幅ｗとについて、ｔをｗよりも大きく選択することが最も良いという事実である。換言すれば、本発明のバードケージ共鳴装置用コイルの棒は、半径方向の寸法（すなわち厚み）が方位角方向の寸法（すなわち幅）よりも大きいということで特徴付けられる。その様に寸法を選定することにより、Ｑ値を改善する一方でフィリングファクタが多少犠牲にされるが（誘導性要素が半径方向に出っ張ってコイルの内部容積内に食い込むことにより）、しかしこの問題は設計の選択に関わることであり、容易に対処できるものである。かかる棒の形状は図２に示したものに限定されず、長方形や楕円形でもよい。この結果は、本発明により、Ｑ値が従来技術による最良の結果と比べて、約５０％向上することができるが、コイルのフィリングファクタは約２０％低下することを示している。
【００２３】
図５（図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃ）と図６（図６Ａ、図６Ｂおよび図６Ｃ）は本発明の実施形態によるバードケージコイルの別の例であって、それぞれ低域通過（図５）および高域通過フィルター（図６）として機能し、横断面が円形をなす棒を有することを特徴とするものを示す。図５Ｄは棒の横断面の半径方向および方位角方向の寸法（ｔおよびｗ）を示す。これらの例は、棒のいずれかの端にある導電性リングが誘電性リングを備えており、この誘電性物質（ポリテトラフルオロエチレン等）が、互いに隣接して静電容量を構成する金属片の対（コンデンサバンク）の各々の間の隙間を充填して、それらの間の静電容量を増加していると共に構造の機械的な強度を向上させていることによって、さらに特徴付けられる。これらの隙間の形状は、本発明の範囲を限定するものではない。構成要素が鋭い縁を持たないことが一般に望ましいこと、また製造の容易さという観点からも、図６に示した設計が好適と考えられる。図５Ｃは下部リング１５’が棒１０の下端（またはコンデンサバンクの上端）よりも（プラスの距離ｄだけ）高い位置にあることを示す。下部リング１５’と上部リング１５とはそれらの間にＲＦ窓を規定しており、下部リング１５’は内部リング１５’と下部コンデンサバンクの間の電界をシールドしている。
【００２４】
本発明は上記特許文献４で説明されているような、いわゆるサドルコイルにも適用可能であることがわかっている。１つの例は、直列２巻きのサドルコイルを形成するようなパターンに従って曲げられた１本の導電性ワイヤで構成され、従ってコイルの軸方向に平行に延びる互いに平行なワイヤ部分の複数（図示の例では４本）の対を含むことを特徴とする。各対のワイヤ部分は方位角方向に一様でなく互いに近接するが間隔を開けて配置され、同じ方向に電流を流す。上記特許文献４で開示されているような従来技術によれば、通常の種類のワイヤまたは円形断面のワイヤを使用してサドルコイルが形成された。そのようなワイヤはコイルの寸法と比べると非常に小さな横断面寸法を有し、ワイヤの横断面の検討を通してＱ値を改善することはない。箔形状の導電体でサドルコイルを構成することも一般に行われているが、この場合は上で説明した理由によりＱ値を制限する可能性がある。図４に示したようなサドルコイルは、従来ヘルムホルツ対として知られており、電流を流すループが第一のグループを形成しており、この第一のグループは第二のグループと対向して直列に配設されている。ＮＭＲの用途では、これらのループは（普通は）曲面（有感体積の方位角方向の寸法）に制約されており、各ループの２つの部分が感度を有する体積の円筒形の軸と平行／逆平行となっている。ヘルムホルツ対はまた、電気的にも並列の関係となっている。これらのタイプのサドルコイルとバードケージコイルとは、全く異なる形状を有する。
【００２５】
図７（図７Ａ、図７Ｂおよび図７Ｃ）は、本発明の実施形態による２巻きの直列サドルコイルを示す。これは同一のパターンに従って曲げられたワイヤで形成されるが、ワイヤは円形に近い横断面を有する通常のタイプのものではなく、角度方向の幅ｗが半径方向の厚みよりもかなり小さい扁平な形状をしている点で異なる。図７Ｃは図７Ａ〜図７Ｂのサドルコイルの断面を分かりやすく示すものである。このサドルコイルは、部分２５によって結合された軸方向の部分２０を有する導電体で構成された巻き線を備えている。１つの巻き線部分は次の巻き線部分に隣接する（図示の２巻きのサドルコイルの場合）か、またはコイルの軸に関して反対側に配設された巻き線部分と直列に接続される。軸方向の導電体２０は通常、少なくとも一対の広い窓２８、すなわち同じ１巻きを構成する隣接する導電体２０の間の開口の角度方向の開きをなすように、間隔を開けて配置されている。従って、これらの導電体の間には広い間隔があいている一方で、異なる巻き線部分の隣接する導電体（２０および２０’）は比較的近接して配置されている。この典型的な間隔は明らかに方位角方向に一様ではない。相対的な横断面寸法ｔおよびｗは上で述べた理由に一般的に従って選定され、寸法０.０２”×０.０７”の扁平な楕円形横断面を有する導電体からなる直列のサドルコイルが構成された。同じ形状と全体の寸法とを有する第二のサドルコイルを、０.０２５”の円形断面のワイヤを使用して構成した。扁平な楕円形横断面に対するＱ値の測定により、従来の横断面の例における３８０という値に対して９.５％向上した４２０という値が得られた。これらの典型的な結果は、バードケージコイルに対するＱ値の最適化と一致するものである。これらの結果を検討すると、直列サドルコイルの形状はバードケージ共鳴装置の周期的なラダー形状と全く異なるが、Ｑ値の一般的な抵抗依存性は類似していることを想起させられる。この結果は、ＮＭＲ共鳴装置のＱ値を改善する有力な道を示すものである。ＮＭＲ共鳴装置の誘導性要素の断面が内側に向かって延びることで、フィリングファクタを犠牲にしてＱ値を改善する方法を提供する。実際問題として、後者の量は試料の寸法および／または実現可能な信号雑音比を制限するが、しかしこれらはそれぞれ独立にユーザーの判断にゆだねられるものである。誘導性要素の断面が外側に向かって延びることで周囲のＲＦシールドに関するＲＦ損失と引き換えにＱ値の同じ改善が得られるが、後者は通常は固定した寸法的制約を表すものである。
【００２６】
本発明によるアプローチは、主に小さな試料のイメージング、またはコイルのＱ値が重要となる分光目的に有用であると考えられるが、ＮＭＲの感度はＱ値の平方根に比例する。
本発明を特定の実施形態について説明してきたが、当業者であれば上記の教示について他の変形や変更を思いつくであろう。本発明は、広範囲のタイプのＮＭＲ共鳴装置のＱ値を向上するために有用に使用できる。添付の特許請求の範囲内において、本発明はここに説明した以外の仕方で実施可能であることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態によるバードケージ共鳴装置コイルの斜視図である。
【図２】図１のバードケージコイルとそれを取り囲む高周波シールドとを軸方向に見た断面図である。
【図３】２つの選択されたパラメータの関数としての図１および図２のコイルのＱ値に関わる関数の値の二次元等高線図である。
【図４】図３と同じ２つのパラメータの関数としての図１および図２のコイルのフィリングファクタの二次元等高線図である。
【図５】低域通過フィルターとして機能する本発明の実施形態による別のバードケージ共鳴装置用コイルを示しており、図５Ａは斜視図であり、図５Ｂは図５Ｃの５Ｂ−５Ｂ断面での断面図であり、図５Ｃはその側面図であり、図５Ｄは導電体の横断面を示す詳細図である。
【図６】高域通過フィルターとして機能する本発明の実施形態による更に別のバードケージ共鳴装置用コイルを示しており、図６Ａは斜視図であり、図５Ｂは図５Ｃの６Ｂ−６Ｂ断面での断面図であり、図６Ｃはその側面図である。
【図７】図７Ａおよび図７Ｂは本発明の実施形態によるサドルコイルの斜視図であり、７Ｃはこの構造の断面図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイルの中心軸のまわりに間隔を開けて配設された複数の細長い導電体であって、前記導電体の各々は前記軸のまわりに方位角方向に広がる幅ｗと前記軸から半径方向の厚みｔとを有する断面形状を有し、前記厚みｔを前記幅ｗよりも大きくして前記コイルのＱ値を最適化した導電体を備えたＮＭＲ共鳴装置。
【請求項２】
前記軸上に互いに間隔を開けて対向する関係に配置され、前記細長い導電体によって互いに接続された一対の導電体リングを更に備え、バードケージコイルを構成している、請求項１記載のＮＭＲ共鳴装置。
【請求項３】
少なくとも１巻きのサドルコイルであって、各１巻きにより４本の前記細長い導電体が提供される、請求項１記載のＮＭＲ共鳴装置。
【請求項４】
Ｚ軸を有するサドルコイルを備え、
前記サドルコイルが、横断面の概略の寸法がｔ×ｗであり、ｔ＞ｗである横断面形状を有する導電体で形成され、前記導電体が前記軸に関して半径方向に前記寸法ｔを示すような向きにされている、ＮＭＲ共鳴装置。
【請求項５】
前記サドルコイルが直列のヘルムホルツ対を有する、請求項４記載のサドルコイル。
【請求項６】
前記サドルコイルが並列のヘルムホルツ対を有する、請求項４記載のサドルコイル。
【請求項７】
共鳴装置用バードケージコイルを製造する方法であって、前記コイルが中心軸に沿って互いに間隔を開けて配置された一対の導電性リングと、これらのリングの間にわたって延び前記中心軸のまわりに等間隔に配置された複数の直線状の細長い導電性の棒とを有し、前記棒の各々が前記中心軸のまわりの方位角方向の幅ｗと半径方向の厚みｔとを有する断面形状を有しており、前記方法が、
ｔがｗよりも大きくなるようにｗとｔとの値を決定するステップであって、前記バードケージ共鳴装置用コイルが、前記幅が前記厚みと等しいかそれよりも大きく、同等のバードケージ共鳴装置用コイルよりも高いＱ値を有するようにするステップを含む方法。
【請求項８】
前記棒がその中に半径Ｒ1の円筒形の試料用空間を規定し、前記共鳴装置用コイルが半径Ｒ2の円筒形の内面を有する高周波シールドの内部に配置されており、ｗおよびｔの値が少なくとも部分的にはＲ1とＲ2との関連で、
半径方向および方位角方向の座標系でのマクスウェル方程式を解いて磁界のベクトルポテンシャルＡｚを求めるステップと、
前記磁界のベクトルポテンシャルから横方向の磁界Ｂ（ｒ，θ）を計算するステップと、
ｗとｔとをパラメータとして前記コイルのＱ値の抵抗成分を計算するステップと、
ｗとｔとをパラメータとして前記コイルのフィリングファクタを計算するステップと、
対応するフィリングファクタを所定の限界を超えて低下させずに対応するＱ値を最大にするようにｗおよびｔの値を選定するステップとによって決定される、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記Ｑ値を計算するステップが、∫Ａｚ∇Ａｚ・ｎ0ｄｌ/∫（∇Ａｚ・ｎ0）2ｄｌを計算するステップであって、記号∫ｄｌは各々前記棒の１つの周囲での線積分を示し、ｎ0は前記１つの棒に垂直な局所的な単位ベクトルを示すステップを含む、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
２個の銅の固体片を加工して、前記選定ステップで得られた寸法を有する前記コイルを形成するステップを更に含む、請求項８記載の方法。
【請求項１１】
前記コイルの鋭い縁を滑らかにするステップを更に含む、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記棒を研磨して鋭い縁を丸めるステップを更に含む、請求項８記載の方法。
【請求項１３】
前記研磨するステップが化学研磨を利用して実行される、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記研磨するステップが＃４仕上げを利用して実行される、請求項１３記載の方法。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｚ軸を有するサドルコイルを備え、
前記サドルコイルが、横断面の概略の寸法がｔ×ｗであり、ｔ＞ｗである横断面形状を有する導電体で形成され、前記導電体が前記軸に関して半径方向に前記寸法ｔを示すような向きにされている、ＮＭＲ共鳴装置。
【請求項２】
前記サドルコイルが直列のヘルムホルツ対を有する、請求項１記載のサドルコイル。
【請求項３】
前記サドルコイルが並列のヘルムホルツ対を有する、請求項１記載のサドルコイル。
【請求項４】
共鳴装置用バードケージコイルを製造する方法であって、前記コイルが中心軸に沿って互いに間隔を開けて配置された一対の導電性リングと、これらのリングの間にわたって延び前記中心軸のまわりに等間隔に配置された複数の直線状の細長い電気的に抵抗のある導電性の棒とを有し、前記棒の各々が前記中心軸のまわりの方位角方向の幅ｗと半径方向の厚みｔとを有する断面形状を有しており、前記棒がその中に半径Ｒ1の円筒形の試料用空間を規定し、前記共鳴装置用コイルが半径Ｒ2の円筒形の内面を有する高周波シールドの内部に配置されており、前記方法が、
ｔがｗよりも大きくなるようにｗとｔとの値を決定するステップであって、前記バードケージ共鳴装置用コイルが、前記幅が前記厚みと等しいかそれよりも大きく、同等のバードケージ共鳴装置用コイルよりも高いＱ値を有するようにするステップを含み、ｗおよびｔの値が少なくとも部分的にはＲ1とＲ2との関連で、
半径方向および方位角方向の座標系でのマクスウェル方程式を解いて磁界のベクトルポテンシャルＡｚを求めるステップと、
前記磁界のベクトルポテンシャルから横方向の磁界Ｂ（ｒ，θ）を計算するステップと、
ｗとｔとをパラメータとして前記コイルのＱ値の抵抗成分を計算するステップと、
ｗとｔとをパラメータとして前記コイルのフィリングファクタを計算するステップと、
対応するフィリングファクタを所定の限界を超えて低下させずに対応するＱ値を最大にするようにｗおよびｔの値を選定するステップとによって決定される方法。
【請求項５】
前記Ｑ値を計算するステップが、∫Ａｚ∇Ａｚ・ｎ0ｄｌ/∫（∇Ａｚ・ｎ0）2ｄｌを計算するステップであって、記号∫ｄｌは各々前記棒の１つの周囲での線積分を示し、ｎ0は前記１つの棒に垂直な局所的な単位ベクトルを示すステップを含む、請求項４記載の方法。
【請求項６】
２個の銅の固体片を加工して、前記選定ステップで得られた寸法を有する前記コイルを形成するステップを更に含む、請求項４記載の方法。
【請求項７】
前記コイルの鋭い縁を滑らかにするステップを更に含む、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記棒を研磨して鋭い縁を丸めるステップを更に含む、請求項４記載の方法。
【請求項９】
前記研磨するステップが化学研磨を利用して実行される、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記研磨するステップが＃４仕上げを利用して実行される、請求項９記載の方法。
【請求項１】
コイルの中心軸のまわりに間隔を開けて配設された複数の細長い導電体であって、前記導電体の各々は前記軸のまわりに方位角方向に広がる幅ｗと前記軸から半径方向の厚みｔとを有する断面形状を有し、前記厚みｔを前記幅ｗよりも大きくして前記コイルのＱ値を最適化した導電体を備えたＮＭＲ共鳴装置。
【請求項２】
前記軸上に互いに間隔を開けて対向する関係に配置され、前記細長い導電体によって互いに接続された一対の導電体リングを更に備え、バードケージコイルを構成している、請求項１記載のＮＭＲ共鳴装置。
【請求項３】
少なくとも１巻きのサドルコイルであって、各１巻きにより４本の前記細長い導電体が提供される、請求項１記載のＮＭＲ共鳴装置。
【請求項４】
Ｚ軸を有するサドルコイルを備え、
前記サドルコイルが、横断面の概略の寸法がｔ×ｗであり、ｔ＞ｗである横断面形状を有する導電体で形成され、前記導電体が前記軸に関して半径方向に前記寸法ｔを示すような向きにされている、ＮＭＲ共鳴装置。
【請求項５】
前記サドルコイルが直列のヘルムホルツ対を有する、請求項４記載のサドルコイル。
【請求項６】
前記サドルコイルが並列のヘルムホルツ対を有する、請求項４記載のサドルコイル。
【請求項７】
共鳴装置用バードケージコイルを製造する方法であって、前記コイルが中心軸に沿って互いに間隔を開けて配置された一対の導電性リングと、これらのリングの間にわたって延び前記中心軸のまわりに等間隔に配置された複数の直線状の細長い導電性の棒とを有し、前記棒の各々が前記中心軸のまわりの方位角方向の幅ｗと半径方向の厚みｔとを有する断面形状を有しており、前記方法が、
ｔがｗよりも大きくなるようにｗとｔとの値を決定するステップであって、前記バードケージ共鳴装置用コイルが、前記幅が前記厚みと等しいかそれよりも大きく、同等のバードケージ共鳴装置用コイルよりも高いＱ値を有するようにするステップを含む方法。
【請求項８】
前記棒がその中に半径Ｒ1の円筒形の試料用空間を規定し、前記共鳴装置用コイルが半径Ｒ2の円筒形の内面を有する高周波シールドの内部に配置されており、ｗおよびｔの値が少なくとも部分的にはＲ1とＲ2との関連で、
半径方向および方位角方向の座標系でのマクスウェル方程式を解いて磁界のベクトルポテンシャルＡｚを求めるステップと、
前記磁界のベクトルポテンシャルから横方向の磁界Ｂ（ｒ，θ）を計算するステップと、
ｗとｔとをパラメータとして前記コイルのＱ値の抵抗成分を計算するステップと、
ｗとｔとをパラメータとして前記コイルのフィリングファクタを計算するステップと、
対応するフィリングファクタを所定の限界を超えて低下させずに対応するＱ値を最大にするようにｗおよびｔの値を選定するステップとによって決定される、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記Ｑ値を計算するステップが、∫Ａｚ∇Ａｚ・ｎ0ｄｌ/∫（∇Ａｚ・ｎ0）2ｄｌを計算するステップであって、記号∫ｄｌは各々前記棒の１つの周囲での線積分を示し、ｎ0は前記１つの棒に垂直な局所的な単位ベクトルを示すステップを含む、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
２個の銅の固体片を加工して、前記選定ステップで得られた寸法を有する前記コイルを形成するステップを更に含む、請求項８記載の方法。
【請求項１１】
前記コイルの鋭い縁を滑らかにするステップを更に含む、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記棒を研磨して鋭い縁を丸めるステップを更に含む、請求項８記載の方法。
【請求項１３】
前記研磨するステップが化学研磨を利用して実行される、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記研磨するステップが＃４仕上げを利用して実行される、請求項１３記載の方法。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｚ軸を有するサドルコイルを備え、
前記サドルコイルが、横断面の概略の寸法がｔ×ｗであり、ｔ＞ｗである横断面形状を有する導電体で形成され、前記導電体が前記軸に関して半径方向に前記寸法ｔを示すような向きにされている、ＮＭＲ共鳴装置。
【請求項２】
前記サドルコイルが直列のヘルムホルツ対を有する、請求項１記載のサドルコイル。
【請求項３】
前記サドルコイルが並列のヘルムホルツ対を有する、請求項１記載のサドルコイル。
【請求項４】
共鳴装置用バードケージコイルを製造する方法であって、前記コイルが中心軸に沿って互いに間隔を開けて配置された一対の導電性リングと、これらのリングの間にわたって延び前記中心軸のまわりに等間隔に配置された複数の直線状の細長い電気的に抵抗のある導電性の棒とを有し、前記棒の各々が前記中心軸のまわりの方位角方向の幅ｗと半径方向の厚みｔとを有する断面形状を有しており、前記棒がその中に半径Ｒ1の円筒形の試料用空間を規定し、前記共鳴装置用コイルが半径Ｒ2の円筒形の内面を有する高周波シールドの内部に配置されており、前記方法が、
ｔがｗよりも大きくなるようにｗとｔとの値を決定するステップであって、前記バードケージ共鳴装置用コイルが、前記幅が前記厚みと等しいかそれよりも大きく、同等のバードケージ共鳴装置用コイルよりも高いＱ値を有するようにするステップを含み、ｗおよびｔの値が少なくとも部分的にはＲ1とＲ2との関連で、
半径方向および方位角方向の座標系でのマクスウェル方程式を解いて磁界のベクトルポテンシャルＡｚを求めるステップと、
前記磁界のベクトルポテンシャルから横方向の磁界Ｂ（ｒ，θ）を計算するステップと、
ｗとｔとをパラメータとして前記コイルのＱ値の抵抗成分を計算するステップと、
ｗとｔとをパラメータとして前記コイルのフィリングファクタを計算するステップと、
対応するフィリングファクタを所定の限界を超えて低下させずに対応するＱ値を最大にするようにｗおよびｔの値を選定するステップとによって決定される方法。
【請求項５】
前記Ｑ値を計算するステップが、∫Ａｚ∇Ａｚ・ｎ0ｄｌ/∫（∇Ａｚ・ｎ0）2ｄｌを計算するステップであって、記号∫ｄｌは各々前記棒の１つの周囲での線積分を示し、ｎ0は前記１つの棒に垂直な局所的な単位ベクトルを示すステップを含む、請求項４記載の方法。
【請求項６】
２個の銅の固体片を加工して、前記選定ステップで得られた寸法を有する前記コイルを形成するステップを更に含む、請求項４記載の方法。
【請求項７】
前記コイルの鋭い縁を滑らかにするステップを更に含む、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記棒を研磨して鋭い縁を丸めるステップを更に含む、請求項４記載の方法。
【請求項９】
前記研磨するステップが化学研磨を利用して実行される、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記研磨するステップが＃４仕上げを利用して実行される、請求項９記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公表番号】特表２００６−５０００８２（Ｐ２００６−５０００８２Ａ）
【公表日】平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００３−５８４７４７（Ｐ２００３−５８４７４７）
【出願日】平成１５年３月１９日（２００３．３．１９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００３／００８４７２
【国際公開番号】ＷＯ２００３／０８７８６０
【国際公開日】平成１５年１０月２３日（２００３．１０．２３）
【出願人】（５９９０６０９２８）バリアン・インコーポレイテッド (81)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１５年３月１９日（２００３．３．１９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００３／００８４７２
【国際公開番号】ＷＯ２００３／０８７８６０
【国際公開日】平成１５年１０月２３日（２００３．１０．２３）
【出願人】（５９９０６０９２８）バリアン・インコーポレイテッド (81)
【Ｆターム（参考）】
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