特開 2024-7502 ＭＡＳ ＮＭＲプローブヘッドのためのトランシーバコイル装置、およびトランシーバコイル装置を設計するための方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024007502

(43)【公開日】2024-01-18

(54)【発明の名称】ＭＡＳ ＮＭＲプローブヘッドのためのトランシーバコイル装置、およびトランシーバコイル装置を設計するための方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 24/00 20060101AFI20240110BHJP

   H01F 5/00 20060101ALI20240110BHJP

【ＦＩ】

G01N24/00 570A

G01N24/00 510B

H01F5/00 F

【審査請求】有

【請求項の数】18

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2023108131

(22)【出願日】2023-06-30

(31)【優先権主張番号】10 2022 206 768.1

(32)【優先日】2022-07-01

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(71)【出願人】

【識別番号】591148048

【氏名又は名称】ブルーカー スウィッツァーランド アー・ゲー

【氏名又は名称原語表記】Ｂｒｕｋｅｒ Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ ＡＧ

(74)【代理人】

【識別番号】100125254

【弁理士】

【氏名又は名称】別役 重尚

(74)【代理人】

【識別番号】100118278

【弁理士】

【氏名又は名称】村松 聡

(72)【発明者】

【氏名】ニコラス フレイタグ

(57)【要約】      （修正有）

【課題】視野内の軸方向および半径方向の均一領域が改善されるＮＭＲ－ＭＡＳ用途のトランシーバコイルを提供する。
【解決手段】第１のトランシーバコイル１ａは、導体経路幅ＷおよびＮ≧３巻線を伴う電気導体を有する少なくとも１つのソレノイド形状部を有し、すべての巻線はトランシーバコイルの長手方向軸の周りを通り、電気導体はスロープを有し、各半巻線は長手方向軸に対して傾斜Ｔで傾斜する。結果として、均一領域が視野内において軸方向および半径方向に改善され、ならびに／または、トランシーバコイルによって生成されるＨＦ磁場の強度が所与の電力で増加するように、トランシーバコイルを最適化できる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１のＨＦ磁場Ｂ１を生成するための長手方向軸Ｚ’を伴う第１のトランシーバコイル（１ａ～ｇ）を有するＭＡＳ ＮＭＲプローブヘッド用のトランシーバコイル装置（１００ａ～ｆ）であって、
前記第１のトランシーバコイル（１ａ～ｇ）は、導体経路幅ＷおよびＮ≧３巻線を伴う電気導体（２）を有する少なくとも１つのソレノイド形状部を有し、すべての巻線が前記トランシーバコイル（１ａ～ｇ）の前記長手方向軸Ｚ’の周りを通り、前記電気導体（２）はスロープＳを有し、各半巻線は前記長手方向軸Ｚ’に対して傾斜Ｔで傾斜し、前記半巻線の少なくとも一部についてＴ≠０であり、
●傾斜Ｔ＝Ｔ（ｔ）、
●スロープＳ＝Ｓ（ｔ）、
●導体経路幅Ｗ＝Ｗ（ｔ）
の変数のうちの少なくとも２つは、前記トランシーバコイル（１ａ～ｇ）の前記電気導体（２）の前記長さの前記進路ｔにわたって変化する、
ことを特徴とする、
ＭＡＳ ＮＭＲプローブヘッド用のトランシーバコイル装置（１００ａ～ｆ）。

【請求項2】

前記第１のトランシーバコイル（１ａ～ｇ）の前記電気導体（２）は、帯状導体として設計されている、ことを特徴とする、請求項１に記載のトランシーバコイル装置（１００ａ～ｆ）。

【請求項3】

前記スロープＳは、前記電気導体の前記長さの前記進路ｔにわたって変化し、前記導体経路幅Ｗは、各巻線内で変化し、特に前記導体経路幅Ｗは、各巻線内で少なくとも１回増加し１回減少すること、を特徴とする、請求項１から２のいずれか一項に記載のトランシーバコイル装置（１００ａ～ｆ）。

【請求項4】

前記第１のトランシーバコイル（１ｄ～ｆ）の前記電気導体（２）の前記スロープＳおよび前記傾斜Ｔは、前記電気導体（２）の前記進路に沿って変化すること、を特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のトランシーバコイル装置（１００ｄ～ｆ）。

【請求項5】

前記第１のトランシーバコイル（１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ）の前記軸方向端部（４ａ，４ｂ）における前記傾斜Ｔは、前記軸方向中心よりも小さいこと、を特徴とする、請求項４に記載のトランシーバコイル装置（１００ｄ～ｆ）。

【請求項6】

前記トランシーバコイル装置（１００ｂ，１００ｃ）は、前記第１のトランシーバコイル（１ｂ、１ｃ）の半径方向外側に第２のＨＦ磁場Ｂ２を生成するための少なくとも１つの別のトランシーバコイル（１１）を備え、
前記第１のトランシーバコイル（１ｂ、１ｃ）および前記別のトランシーバコイル（１１）は、前記第１のトランシーバコイル（１ｂ、１ｃ）、および前記別のトランシーバコイル（１１）によって生成されるＨＦ磁場Ｂ１、Ｂ２が互いに垂直に整列するように、前記共通の長手方向軸Ｚ’の周りに配置されること、
を特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のトランシーバコイル装置（１００ｂ，１００ｃ）。

【請求項7】

前記第１のトランシーバコイル（１ｃ）の前記電気導体（２）は、順巻線部および逆巻線部を備え、前記順巻線部は、順巻線（１４）を備え、接続領域から開始して、前記トランシーバコイル（１ｃ）の軸方向端部（４ａ）に所定の巻線の向きで導き、前記逆巻線部は、逆巻線（１５）を備え、前記第１のトランシーバコイル（１ｃ）の前記軸方向端部（４ｂ）から開始して、前記所定の巻線の向きで前記接続領域に導き、前記逆巻線部の前記巻線は、前記順巻線部の符号とは反対の符号を有するスロープＳを有し、
前記電気導体（２）の前記順巻線および前記逆巻線は、前記順巻線および前記逆巻線が互いに交差する交差領域を除いて、前記長手方向軸Ｚ’の周りの共通の円筒形ジャケット表面上に配置されること、
を特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のトランシーバコイル装置（１００ｃ）。

【請求項8】

請求項１から７のいずれか一項に記載のトランシーバコイル装置（１００，１００ａ－ｆ）を有する、ＭＡＳ ＮＭＲプローブヘッド（２３）。

【請求項9】

最適化が実行され、
最適化のための前記目標関数として、所定のＮＭＲ実験の前記信号対雑音比ＳＮＲが選択されるか、または、前記目標関数が前記信号対雑音比ＳＮＲに影響を及ぼす少なくとも２つの変数を備えるかのいずれかであること、を特徴とし、
かつ、
最適化が、最適化パラメータによって実行され、そのうちの少なくとも２つの選択された最適化パラメータは、前記電気導体（２）の前記長さの前記進路にわたって変動し、
●スロープＳ、
●傾斜Ｔ、
●導体経路幅Ｗ、
のパラメータから選択されること、
を特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のトランシーバコイル装置を設計するための方法（１００ａ～ｆ）。

【請求項10】

最適化は、
ａ）巻線の数Ｎを規定するステップであって、Ｎ≧３である、ステップと、
ｂ）それぞれの場合に、前記最適化パラメータの開始値を決定するステップと、
ｃ）前記最適化パラメータの前記決定された開始値を有する前記目標関数を決定するステップと、
ｄ）前記最適化パラメータを調整するステップであって、前記少なくとも２つの選択されたパラメータについて、前記トランシーバコイル装置（１００ａ～ｆ）の０と巻線数Ｎとの間で実行する実行パラメータｔの関数として非定数関数が使用され、ｔ∈Ｒ’’（Ｒ’’：実数全体からなる集合）および０≦ｔ≦Ｎである、ステップと、
ｅ）前記調整された最適化パラメータを用いて前記目標関数を決定するステップと、
ｆ）前記目標関数が所定の目標間隔内になるまでステップｄ）～ｅ）を繰り返すステップと、を備えること、
を特徴とする、請求項９に記載の方法。

【請求項11】

前記信号対雑音比ＳＮＲに影響を及ぼす前記目標関数の前記少なくとも２つの変数のうちの１つは、前記視野内での動作中に前記トランシーバコイル（１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ）によって生成される前記ＨＦ磁場Ｂ１の前記半径方向均一性であり、前記選択された最適化パラメータは、前記巻線の前記スロープＳおよび前記傾斜Ｔであること、を特徴とする、請求項９または１０に記載の方法。

【請求項12】

前記巻線の前記傾斜は、前記第１のトランシーバコイル（１ｄ，１ｅ，１ｆ）の前記軸方向端部（４ａ，４ｂ）における前記傾斜Ｔが前記第１のトランシーバコイル（１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ）の前記軸方向中心よりも小さくなるように、前記電気導体（２）の前記長さの前記進路にわたって適合されること、を特徴とする、請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

前記信号対雑音比ＳＮＲに影響を及ぼす前記目標関数の前記少なくとも２つの変数のうちの１つは、前記トランシーバコイル（１ａ～ｅ、１ｇ）によって生成される前記ＨＦ磁場Ｂ１の軸方向均一性であること、を特徴とする、請求項９から１２のいずれか一項に記載の方法。

【請求項14】

前記信号対雑音比ＳＮＲに影響を及ぼす前記目標関数の前記少なくとも２つの変数のうちの１つは、前記Ｂ１の振幅／定格であり、前記選択された最適化パラメータが前記スロープＳおよび前記導体経路幅Ｗであること、を特徴とする、請求項９または１０に記載の方法。

【請求項15】

前記トランシーバコイル（１ａ～ｇ）の前記中心における前記巻線の前記傾斜Ｔは、前記Ｂ１の振幅／定格が、導体経路幅Ｗに対するスロープＳの所与の比Ｓ／Ｗに対して最大化されるように、選択されること、を特徴とする、請求項９から１４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項16】

前記トランシーバコイル装置（１００ｂ，１００ｃ）は、別のＨＦ磁場Ｂ２を生成するための別のトランシーバコイル（１１）を備え、前記信号対雑音比ＳＮＲに影響を及ぼす前記目標関数の前記少なくとも２つの変数のうちの１つは、前記第１のＨＦ磁場Ｂ１および前記別のＨＦ磁場Ｂ２の前記振幅／定格の前記比Ｂ１／Ｂ２であること、を特徴とする、請求項９から１５のいずれか一項に記載の方法。

【請求項17】

前記電気導体（２）は、導体厚さｄおよび丸み半径ｒを有し、前記電気導体（２）の前記導体厚さｄおよび／または前記丸み半径ｒが、前記電気導体（２）の前記長さの前記進路にわたって変動する追加の最適化パラメータとして使用されること、を特徴とする、請求項９から１６のいずれか一項に記載の方法。

【請求項18】

前記トランシーバコイル（１ａ～ｇ）は、請求項９から１７のいずれか一項に記載の方法に従って設計され、
前記トランシーバコイル（１ａ～ｇ）の前記幾何学形状は、金属管から前記設計に従って、特にミリング、レーザまたはウォータジェット切断によって製造されること、を特徴とし、または、前記トランシーバコイル（１ａ～ｇ）の前記幾何学的形状は、コーティングされたキャリアによって前記設計に従って実現され、前記コーティングは、構造化、例えばエッチング、ミリングまたはレーザアブレーションによって製造されること、
を特徴とする、トランシーバコイル（１ａ～ｇ）を製造するための方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、第１のＨＦ磁場Ｂ１を発生させるための長手方向軸Ｚ’を伴う第１のトランシーバコイルを有するＭＡＳ ＮＭＲプローブヘッド用のトランシーバコイル装置に関し、第１のトランシーバコイルは、導体経路幅ＷおよびＮ≧３巻線を伴う電気導体を有する少なくとも１つのソレノイド形状部を有し、すべての巻線はトランシーバコイルの長手方向軸Ｚ’の周りを通り、電気導体はスロープＳを有し、各半巻線は長手方向軸Ｚ’に対して傾斜Ｔで傾斜し、半巻線の少なくとも一部についてＴ≠０である。本発明はまた、トランシーバコイル装置を設計するための方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ＭＡＳ ＮＭＲプローブヘッドのための傾斜した巻線を有するトランシーバコイル装置は、［Ｓｕｎら］および［Ｂａｒｂａｒａら］から知られている。

【0003】

ＭＡＳプローブヘッドでは、トランシーバコイル装置は、通常、静磁場Ｂ０（主磁場磁石）に対して５４．７°のマジック角で立っている。

【0004】

［Ｓｕｎら］および［Ｂａｒｂａｒａら］から、ＮＭＲ－ＭＡＳプローブヘッド用のソレノイド形状トランシーバコイルは、ソレノイドコイルによって生成される高周波Ｂ１磁場が静Ｂ０磁場に対して可能な限り垂直になるように、ソレノイドコイルの軸に対して傾斜角で設計されることが知られている。

【0005】

［Ｓｕｎら］では、傾斜角ψ＝９０－φ_ＭＡＳを用いてＮＭＲコイルの高感度化を試みている。それらは、ＭＡＳ配置に対して同じ送信電力で最大１７％短いパルス角に達する。［Ｓｕｎら］では、生成されたＢ１磁場は空間的に一定の角度を生成し、延長された導体断面部を有するコイルの特定の実施態様とは無関係であると仮定する。コイルの縁部領域における軸外効果は、［Ｓｕｎら］では調査されていない。

【0006】

［Ｂａｒｂａｒａら］では、より複雑なコイル幾何学形状を設計することによって、生成されたＨＦ磁場Ｂ１の解を見つける試みが行われ、この場合、ＨＦ磁場Ｂ１は、コイルの活性領域全体においてＸＹ平面内に位置するようになる。したがって、［Ｂａｒｂａｒａら］における最適化の目標関数は、円筒形の測定体積に生成されたＢ１磁場のｚ成分が存在しない。特に、コイルの長手方向軸の周りを通っていない巻線を有するソレノイド形状から逸脱する幾何学形状が提案されている。［Ｂａｒｂａｒａら］で示されるコイルの幾何学形状は、第２のコイル／共振器と組み合わせて使用されるべきであり、第２のコイルによって生成されるＨＦ磁場は、Ｂｚ成分を有するべきではない。［Ｂａｒｂａｒａら］では、Ｂ＝ＢｘｙのＨＦ磁場を生成するコイルを有するＮＭＲ測定ヘッドはまた、２つ以上のトランシーバコイル装置を有する測定ヘッドで使用されるとき、すなわち交差分極測定のためにも、最大感度を有すると仮定される。コイルの導体による遮蔽効果は考慮されていない。

【0007】

［Ｓｕｎら］および［Ｂａｒｂａｒａら］の解は、（拡張されていない導体）の導体経路幅の消失から始まり、有限の導体経路の最良の解を表すものではないが、特に導体経路間の距離は非常に小さい。

【0008】

円形または楕円形の断面部を有する導体に基づくコイルの幾何学形状に加えて、ＮＭＲプローブヘッドにストリップ形状の導体を使用することも知られている。特に、そのようなコイルの幾何学形状は、円筒形のジャケット形状導体上に構造化することができ（例えば、円筒形の表面を有する基材上に金属層を構造的に適用することによって、または減算的な製造プロセスを使用して均一に適用された導体を構造化することによって）、あるいは、円筒形のジャケット形状導体から切り出すことができる。これらの製造方法は、コイルの幾何学形状、特に可変ピッチの設計においてより大きな自由度を可能にする。

【0009】

［Ｐｒｉｖａｌｏｖら］は、帯状導体を有するトランシーバコイルを記載している。軸方向の均一性を最適化するために、導体経路幅は軸方向端部に向かって縮小される。半径方向の不均一性を最小限に抑えるために、巻線間の導体距離は可能な限り小さく一定に保たれる。しかしながら、このトランシーバコイルの効率は最適ではない。

【発明の概要】

【0010】

本発明の目的は、視野内の軸方向および半径方向の均一領域（検査されるプローブがＮＭＲによって位置決めされ得る、かつ検査され得る、トランシーバコイル内の領域）が改善され、および／または、トランシーバコイルによって生成されるＨＦ磁場Ｂ１の強度が所与の電力で増加するように、ＮＭＲ－ＭＡＳ用途のトランシーバコイルを最適化することである。

【0011】

この目的は、本発明によれば、請求項１に記載のトランシーバコイル装置および請求項８に記載の方法によって達成される。

【0012】

本発明によれば、トランシーバコイルの電気導体の長さの進路ｔにわたって、スロープＳ＝Ｓ（ｔ）、傾斜Ｔ＝Ｔ（ｔ）、導体経路幅Ｗ＝Ｗ（ｔ）の変数の少なくとも２つが変化する。

【0013】

スロープＳ＝Ｓ（ｔ）の変化は、ピッチＰ（巻線のスロープ）の変化によって実現できるが、一定のＰの巻線内での局所的スロープＳの変化によっても実現できる。

【0014】

第ｎの巻線のピッチＰ（ｎ）は、

【数1】

、巻線の局所的スロープＳ（ｔ）、（すなわち、Ｚ’方向の巻線にわたって覆われた距離）として規定され、ここで、Ｓ（ｔ）は局所的スロープであり、ｔｎは第ｎの巻線（すなわち、ｔｎ＝０，１，．．．）の開始時の導体プロファイルの実行パラメータｔである。

【0015】

一定のピッチＰの場合、局所的スロープＳは、１つの巻線内で変動する可能性があり、符号が反転する可能性さえある。巻線のピッチＰは、ｔｎ＋１の中心線のＺ’座標がｔｎでＺ’座標よりも大きい場合に、正と呼ばれる。これは、ｔｎとｔｎ＋１との間の間隔におけるＺ’座標が、ｔｎにおけるよりも小さい値をとる場合でも成り立つ。巻線のスロープＳと導体経路幅Ｗ、または、スロープＳと導体経路幅Ｗとの比Ｓ／Ｗは、軸方向の均一性に影響を与える。

【0016】

トランシーバコイルの複数の巻線は、誘導的または容量的に結合された個々の巻線として実現することもできる。次いで、ピッチは、２つの隣接する個々の巻線の中心線の距離を表す。

【0017】

巻線の傾斜Ｔは、Ｂ１振幅（トランシーバコイルによって生成されるＨＦ磁場Ｂ１の振幅）および半径方向の均一性に影響を及ぼす。傾斜Ｔは、１つの巻線にわたる導体中心面のＺ’位置の正弦波変調の振幅として規定される。Ｔ≠０の傾斜を有するコイルの場合、第１の巻線半部内の局所的スロープＳは、第２の巻線半部の局所的スロープＳとは異なる。電気導体の長さの進路ｔにわたって変動する傾斜Ｔ＝Ｔ（ｔ）の場合、傾斜は、特に少なくとも１つの半巻線について、部分で一定であることが好ましい。これにより、半巻線から半巻線へ、傾斜Ｔが変化する。

【0018】

Ｔ≠０の傾斜を有するコイルは、原則として、可変スロープＳ’（ｔ）＝Ｓ（ｔ）＋Ｔ（ｔ）ｃｏｓ（２πｔ＋φ）（一般的なスロープ）で表すこともできる。Ｓ’（ｔ）がフーリエ級数として書かれている場合、Ｔはスロープの（ｔ＝１）周期部分を表す。巻線ごとに、スロープは次のように書くことができる。

【数2】

ここで
Ｓ（ｔ）＝Ｓ’（ｔ）－（Ｓ_１，ａｃｏｓ（２πｔ）＋Ｓ_１，ｂｓｉｎ（２πｔ））である。
（Ｓ_１，ａｃｏｓ（２πｔ）＋Ｓ_１，ｂｓｉｎ（２πｔ））は、Ｔ（ｔ）ｃｏｓ（２πｔ＋φ）と書くことができ、式中、Ｔは傾きであり、φは傾きの方向である（通常、φ＝０またはφ＝９０°）。

【0019】

導体経路幅Ｗは、導体中心に対して垂直な導体経路の幅である。電気導体の長さの進路ｔにわたって変動する導体経路幅Ｗ＝Ｗ（ｔ）の場合、導体経路幅はまた、１つの巻線内で変動し得る。

【0020】

本発明によるトランシーバコイルの巻線は、トランシーバコイルの長手方向軸Ｚ’の周りに完全に通る巻線、すなわち、長手方向軸Ｚ’に垂直な投影内に円を描く巻線である。特に好ましくは、トランシーバコイルはソレノイド形状であるか、またはトランシーバコイルは、ソレノイド形状巻線部（例えば、ソレノイド形状の順巻線部およびソレノイド形状の逆巻線部、以下を参照）のみを備える。

【0021】

本発明によるトランシーバコイルでは、トランシーバコイルの感度に対するトランシーバコイルの様々な幾何学的要因の影響が利用される。導体が延長された（導体の進路に垂直な）トランシーバコイルのコイル感度の最適化を達成するために、本発明によれば、上記のパラメータの少なくとも２つは、トランシーバコイルの電気導体に沿った、すなわち電気導体の経路に沿った実行パラメータｔに依存するように選択される。

【0022】

好ましくは、第１のトランシーバコイルの電気導体は、帯状導体として設計される。帯状導体は、導体経路幅に対して小さい（特に少なくとも１桁小さい）厚さを有し、略矩形の断面部を有する。帯状導体は、好ましくは、薄い金属めっき、特にＨＴＳコーティングを有する基材を備える。

【0023】

好ましくは、導体の導体厚さｄ（すなわち、トランシーバコイルの長手方向軸Ｚ’に対する半径方向の電気導体の延長部）は、最大１ｍｍ（好ましくは最大２００μｍ）であり、および／または、電気導体へのＲＦ電流の侵入深さの少なくとも２倍である。さらに、導体経路厚さｄが少なくとも２０μｍ、好ましくは少なくとも１００μｍであると有利である。侵入深さは、電流密度が導体表面での値の１／ｅに低下した深さとして理解されるべきである（表皮効果）。これは、電気導体の材料およびそれと共に発生するＲＦ磁場の周波数の関数である。

【0024】

円形の導体断面部を有する導体（円形導体）の場合、ピッチ対導体経路幅の比Ｐ／Ｗは、Ｐ／Ｗ≒１．５－１．６６７（ソレノイドコイルの長さ／直径比に依存）で、最適な品質係数が達成されることが知られている。本発明の文脈において、ストリップ導体からのトランシーバコイルでは、この比は著しく小さく、すなわち、円形導体とは対照的に、ストリップ導体厚さが小さい場合、２つの巻線間の導体距離（ギャップ幅Ｄ）は、導体経路幅よりも著しく小さいことが認識されている。さらに、このギャップ幅Ｄは導体の全長にわたって均一ではない。有限ソレノイドコイルの縁部効果により、縁部領域の磁場はもはやＺ’軸に平行には延在せず、「外向きに」回転する。この結果、トランシーバコイルの縁部領域における巻線間のギャップ幅Ｄは、中央よりも大きくなるように選択されるべきであり、すなわち、導体経路幅に対するギャップ幅の比Ｄ／Ｗは、中央よりも縁部で大きくなるべきである。円筒形導体とは対照的に、ストリップ形状導体から製造されたトランシーバコイルは、特に管状金属めっきから構造化することによって製造される場合、著しく高い設計柔軟性を可能にする。

【0025】

本発明によるトランシーバコイルの好ましい実施形態では、スロープＳは、電気導体の長さの進路ｔにわたって変化し、導体経路幅Ｗは、各巻線内で変化する。特に、各巻線内の導体経路幅は、各場合に少なくとも１回増減する。好ましくは、導体経路幅は周期的に変動する。

【0026】

巻線当たりの導体経路幅の２つの最大値および２つの最小値を有する、特に、交差コイル構成の２つのトランシーバコイルを有するトランシーバコイル装置のための実施形態が特に好ましい。好ましくは、導体経路幅の最小値を有する電気導体の領域は、長手方向軸Ｚ’を中心とした回転に関して１８０°オフセットして配置される。最小導体幅を有する電気導体の領域は、好ましくは、長手方向軸Ｚ’を中心とした回転に関して最大導体幅を有する領域に対して９０°回転して配置される、すなわち、巻線の４分の１だけ互いに離間される。

【0027】

導体幅Ｗは、０．１ｍｍ～２ｍｍの間で変動することが好ましい。

【0028】

さらに、デカルトＸ’、Ｙ’、Ｚ’座標系のＸ’Ｚ’平面において測定試料内に実質的に存在するＨＦ磁場を生成するＴ≠０の第１のトランシーバコイルと、測定試料において実質的にＹ’Ｚ’平面に存在する第２のＨＦ磁場Ｂ２を生成する第２のコイルとの組み合わせの場合、第１のトランシーバコイルの実施形態は、巻線当たり４つの最大値および４つの最小値を有し、最小値はＸ’およびＹ’方向にあり、最大値はＸ’とＹ’との間の４５°にあることが有利である。

【0029】

本発明によるトランシーバコイル装置の特定の実施形態では、第１のトランシーバコイルの電気導体のスロープＳおよび傾斜Ｔは、電気導体の進路に沿って変化する。

【0030】

傾斜Ｔには２つの効果がある。第一は、Ｘ’方向に磁場成分が生じる。これは、トランシーバコイルがＺ軸に沿って配向された静磁場で使用され、Ｚ軸がトランシーバコイルの長手方向軸Ｚ’と同一直線上にない場合に、特に有利である。所与のトランシーバコイルについて、核の歳差運動と同じ方向に回転する円偏波成分は核励起（励起磁場Ｂ１＋）に関連し、核の歳差運動の方向と反対の方向に回転する円偏波成分は信号受信（励起磁場Ｂ１－）に関連し、Ｂ１＋＝（Ｂ１ｘ＋ｉＢ１ｙ）／２およびＢ１－＝Ｂ１ｘ－ｉＢ１ｙ）／２である。言い換えれば、Ｘ面およびＹ面内、すなわち静磁場の方向に垂直な、磁場成分のみが、ＮＭＲ信号の励起および受信に関連する。

【0031】

励起場Ｂ１＋および励起場Ｂ１－は、傾斜Ｔを調整することによって最大化することができる。ピッチ対導体経路幅の比Ｐ／Ｗ＞＞１を有するトランシーバコイルの場合、すなわち、非常に狭い／薄い導体の場合、トランシーバコイルによって生成された磁場がＸ’Ｚ’平面に位置するようになると、励起場Ｂ１＋の最大値に達する。しかしながら、導体上の遮蔽電流がトランシーバコイルの効率を低下させるので、この最大値は、広範な導体が使用されるとき、すなわち導体幅Ｗが増加するとき、より低い傾斜Ｔに向かって押される。

【0032】

上述したように、Ｂ１磁場の向きは、有限トランシーバコイルの縁部領域のように中心の向きと等しくないことが本発明の範囲内で認識された。ここで、トランシーバコイルの長手方向軸Ｚ’がＺ軸に対して０°または９０°に等しくない角度をとる場合、長手方向軸Ｚ’の上方のＢ１＋（すなわち、Ｘ’＞０の場合）は、長手方向軸Ｚ’の下方のＢ１＋（すなわち、Ｘ’＜０の場合）と等しくない。縁部領域で傾斜Ｔを適合させることにより、Ｂ１＋を縁部領域の試料体積全体にわたって均質化できる。

【0033】

導体の長さに沿った傾斜Ｔの変動は、縁部領域内のＢ１＋磁場の半径方向最小均一性の条件下でトランシーバコイルの効率を最大化できる。

【0034】

好ましくは、第１のトランシーバコイルの軸方向端部の傾斜Ｔは、トランシーバコイルの軸方向中心よりも小さい。

【0035】

トランシーバコイルの長手方向軸Ｚ’がＺ軸に対してマジック角にある条件下で、トランシーバコイルの軸方向端部における半径方向均一性の同時最適化による効率の最大化は、軸方向端部におけるより低い傾斜Ｔによって達成される。

【0036】

本発明によるトランシーバコイル装置の特定の実施形態では、トランシーバコイル装置は、第１のトランシーバコイルの半径方向外側に第２のＨＦ磁場Ｂ２を生成するための少なくとも１つの別のトランシーバコイルを備え、第１のトランシーバコイルおよび別のトランシーバコイルは、第１のトランシーバコイルおよび別のトランシーバコイルによって生成されるＨＦ磁場Ｂ１、Ｂ２が互いに垂直に配向されるように、共通の長手方向軸Ｚ’の周りに配置される。

【0037】

２つのトランシーバコイルは、好ましくは異なる周波数に調整される。ＨＦ磁場Ｂ１、Ｂ２が互いに垂直であるということは、ベクトルＢ１（ｘ、ｙ、ｚ）とＢ２（ｘ、ｙ、ｚ）とのスカラー積の体積積分が、少なくとも測定試料が位置する２つのトランシーバコイルの視野（ＦＯＶ）の領域にわたってほぼ０であることを意味する。すなわち、測定試料内のＨＦ磁場Ｂ１、Ｂ２のみが考慮される。特定の実施形態では、２つのＨＦ磁場Ｂ１およびＢ２の直交性は、整合ネットワークによって達成され、すなわち、２つのトランシーバコイルによって直接生成されるＨＦ磁場Ｂ１およびＢ２は、互いに正確に直交する必要はない。

【0038】

特に、第１のトランシーバコイルの表面法線が第２のＨＦ磁場Ｂ２に平行である領域において、第１のトランシーバコイルの電気導体の導体経路幅Ｗは、最小値を有するべきである。言い換えれば、視野内で測定試料を励起するためにＨＦ磁場Ｂ２が侵入しなければならない第１のトランシーバコイルの表面の領域では、Ｂ２の透明領域を形成するために、第１のトランシーバコイルの電気導体の導体経路幅Ｗは最小である。

【0039】

別のトランシーバコイルは、好ましくは、鞍型コイルまたは共振器（例えば、鳥かご共振器、Ａｌｄｅｒｍａｎ－Ｇｒａｎｔ共振器、．．．）である。

【0040】

本発明によるトランシーバコイル装置のさらに別の特定の実施形態では、第１のトランシーバコイルの電気導体は、順巻線部および逆巻線部を備え、順巻線部は、順巻線を備え、接続領域から開始して、トランシーバコイルの軸方向端部に所定の巻線の向きで導き、逆巻線部は、逆巻線を備え、第１のトランシーバコイルの軸方向端部から開始して、接続領域に所定の巻線の向きで導き、逆巻線部の巻線は、順巻線部のピッチとは反対の符号のピッチＰを有し、電気導体の順巻線および逆巻線は、順巻線および逆巻線が交差する交差領域を除いて、長手方向軸Ｚ’の周りの共通の円筒形ジャケット表面上に配置される（「交差幾何学形状」）。

【0041】

したがって、順巻線および逆巻線は、長手方向軸Ｚ’の周りで同じ半径方向距離にあり、すなわち、共通の表面上で反対方向を通る巻線がある。接続領域は、電気コイル部を整合ネットワークに接続するために使用され、複数の電気コイル部のための接続部を備えることができる。順巻線部および逆巻線部は、端子部の２つの端子間を通るコイル部を形成し、それにより、印加電圧は、それぞれのコイル部の順巻線の開始と逆巻線の終了との間に印加される。共通の円筒表面上に順巻線および逆巻線を配置するために、順巻線および逆巻線は互いに交差しなければならない。交差は、可能な限り小さい延長部を有する円周部（交差領域）で実行され、好ましくは、順巻線部または逆巻線部の電気導体は円筒表面に残るが、それぞれの他の電気導体はブリッジ要素の形態で第１の電気導体を交差する。

【0042】

この特定の実施形態によって、トランシーバコイルの動作中の電位が隣接する巻線の同等の位置（例えば、巻線の開始または中央または最後）と大きさが等しいかまたは類似するように、巻線および接続領域の配置を選択できる。Ｕ１／ＵＮ＝（Ｎ／２－１）／（Ｎ／２）であり、Ｕ１が第１の巻線にわたる電圧で、ＵＮがＮ巻線の電圧ある場合、電位は同様であると考えられる。コイル部が、動作時に電位０の点を有する反転巻線（いわゆる平衡回路網によって設定される）を備える好ましい実施形態では、したがって、コイル部の順巻線および逆巻線は、反転巻線を除いて、好ましくは交互に配置される。このようにして、導電性試料に見える電場を低減することができ、同時に他の性能損失を低減できる。この実施形態は、導電性測定試料または高い誘電損失を有する測定試料の検査に特に有利である。本発明による共通の円筒表面上の導体部の幾何学形状の配置は、測定試料中のＮＭＲプローブヘッドのコイルによって生成される電場を大幅に最小化できる。電場は、送信中および受信中の両方の性能損失、例えば測定試料の加熱、制限された送信電力でのパルス角の延長、信号対雑音比の低減などにつながる可能性がある。

【0043】

複数のコイル部を設けることもでき、各コイル部は、順巻線部および逆巻線部を備える。

【0044】

好ましくは、順巻線部および逆巻線部の両方は、ソレノイド形状になるように設計される。順巻線と逆巻線とは、交互に配置されていることが好ましい。

【0045】

本発明はまた、先に記載されたトランシーバコイル装置を有するＭＡＳ ＮＭＲプローブヘッドに関し、ＮＭＲプローブヘッドは、ＮＭＲ磁石の細長いボア内に配置されるように設計される。ＮＭＲ磁石の細長いボアおよびＮＭＲ磁石によって生成される静磁場Ｂ０は、Ｚ方向に沿って配向される。ＮＭＲプローブヘッドハウジングの細長い延長部もＺ方向に延び、それにより、ＮＭＲプローブヘッドをＮＭＲ磁石のボアに挿入できる。Ｘ方向は、Ｘ’Ｚ’平面内にあり、Ｙ＝Ｙ’である。

【0046】

本発明はまた、最適化が実行される、前述のトランシーバコイル装置を設計するための方法に関する。本発明によれば、所定のＮＭＲ実験の信号対雑音比ＳＮＲが最適化のための目標関数として選択されるか、または、目標関数が信号対雑音比（ＳＮＲ）に影響を及ぼす少なくとも２つの変数を備える。本発明によれば、最適化は、最適化パラメータによって実行され、そのうちの少なくとも２つの選択された最適化パラメータは、電気導体の長さの進路にわたって変動し、以下のパラメータ、スロープＳ、傾斜Ｔ、導体経路幅Ｗから選択される。

【0047】

ＮＭＲ実験は、特に、試料、特に励起されるべきスピンの種類および数、ならびにこれらのスピン間の結合定数、静磁場Ｂ０に対するトランシーバコイルの長手方向軸Ｚ’の角度Θ（Ｚ方向）、励起パルスシーケンス（１つまたは複数のチャネル上の送信電力を含む）、スピンの緩和時間、トランシーバコイルの長手方向軸Ｚ’を中心とした測定試料の回転速度を提供する。

【0048】

したがって、本発明によれば、最適化の目標関数は、ＳＮＲ自体またはＳＮＲに影響を及ぼすいくつかの変数を備えることができ、これらは重み付きで目標関数に組み込むことができる。あるいは、目標関数は、反復的に最適化される複数の部分関数、例えば、ＳＮＲに影響を及ぼす各選択された変数ごとに１つの部分関数からなることができる。

【0049】

様々な最適化パラメータを用いた本発明による最適化の結果として、トランシーバコイル自体の電気導体によって生成される遮蔽効果を補償できる。これは、トランシーバコイルによって生成されたＨＦ磁場Ｂ１の品質（均一性）およびＮＭＲ信号の信号強度（トランシーバコイルによって生成されたＨＦ磁場Ｂ１の振幅）の改善、特に、例えば帯状導体の延長のための改善をもたらす。本発明による最適化は、好ましくは、トランシーバコイルの長手方向軸Ｚ’の方向に成分を有するＨＦ磁場を可能にする。したがって、本発明による最適化は、ＨＦ磁場Ｂ１のＺ’成分を回避する目的で行われない。したがって、［Ｓｕｎら等］および［Ｂａｒｂａｒａら］とは対照的に、本発明は、生成されたＨＦ磁場Ｂ１がＸＹ平面内に可能な限り完全に位置するようになることが最良の解決策である、とは仮定しない。特に、本発明による方法は、コイル導体上の遮蔽電流に起因して生じる抵抗損失と、これらの遮蔽電流に起因するＢ１磁場の低減とを考慮に入れる。これらの損失は、傾斜Ｔが増加するにつれて延長された導体（導体経路幅が消失しない導体）で増加するため、その結果、ＸＹ平面（主磁場磁石のＢ０磁場に垂直な平面）に完全にはないＨＦ磁場Ｂ１で最良の効率が一般に達成される。

【0050】

３δ～１０δの厚さ、δ＝所与の周波数および所与のコイル材料における侵入深さ、を有するストリップ導体の使用が特に有利である。

【0051】

最適化は、好ましくは、
ａ）巻線の数Ｎを規定するステップであって、Ｎ≧３である、ステップと、
ｂ）それぞれの場合に、最適化パラメータの開始値を決定するステップと、
ｃ）最適化パラメータの決定された開始値を有する目標関数を決定するステップと、
ｄ）最適化パラメータを調整するステップであって、少なくとも２つの選択されたパラメータについて、トランシーバコイル装置の０と巻線数Ｎとの間で実行する実行パラメータｔの関数として非定数関数が使用され、ｔ∈Ｒ’’および０≦ｔ≦Ｎ、Ｎ∈Ｒ’’である（Ｒ’’：実数全体からなる集合）、ステップと、
ｅ）調整された最適化パラメータを用いて目標関数を決定するステップと、
ｆ）目標関数が所定の目標間隔内になるまでステップｄ）～ｅ）を繰り返すステップと、を備える。

【0052】

好ましくは、巻線の数Ｎは、整数または半整数（Ｎ∈Ｎ’’または２Ｎ∈Ｎ’’（Ｎ’’：自然数全体からなる集合））であるように選択される。原則として、Ｎは∈Ｒ’’とすることができる。

【0053】

本発明による方法の好ましい変形例では、ＳＮＲに影響を及ぼす目標関数の少なくとも２つの変数のうちの１つは、ＦＯＶ内での動作中にトランシーバコイルによって生成されるＨＦ磁場Ｂ１の半径方向均一性であり、選択された最適化パラメータは、巻線のスロープＳおよび傾斜Ｔである。

【0054】

したがって、この変形例では、目標関数は、特に、傾斜ＴおよびスロープＳによって最適化される軸方向および半径方向の均一性を備える。

【0055】

目標関数の一部として半径方向の均一性を使用することにより、ＳＮＲは、特に、本発明によるトランシーバコイルを有する交差コイル配置を用いた交差分極（ＣＰ）および二重交差分極（ＤＣＰ）実験によって改善できる。無限に長いソレノイドコイル（巻線のすぐ近くを除く）は、非常に高い半径方向の均一性を特徴とするが、短いソレノイドコイルは、端部領域における巻線のスロープを低減することによって軸方向の均一性が補正されたとしても、端部領域（軸方向端部）における半径方向の均一性が低減されている。このような短いソレノイドコイルがＭＡＳ ＮＭＲ測定ヘッドに使用される場合、トランシーバコイルの長手方向軸Ｚ’は、静磁場の軸Ｚに対してＹ軸を中心とするマジック角だけ傾斜している。これらの状況下では、ＨＦ磁場Ｂ１の半径方向の均一性は、縁部領域で大きく減少する。これは、二重交差分極（ＣＰ）および二重交差分極（ＤＣＰ）実験の達成可能なＳＮＲに悪影響を及ぼし、特に、第１のトランシーバコイルに加えて別のトランシーバコイルが設けられ、２つのトランシーバコイルが異なる測定周波数に一致する場合、特に別のトランシーバコイルが鞍型コイルおよび／または共振器として設計され、Ｂ２磁場はＹ方向を指す（ソレノイドコイルとして設計された第１のトランシーバコイルの長手方向軸Ｚ’はＹＺ平面内に位置する）場合に、悪影響を及ぼす。

【0056】

半径方向の均一性の最適化は、トランシーバコイルの長手方向軸Ｚ’に平行なＦＯＶ内の所定の長さＬ’（プラトー領域）で行われる。プラトー領域に沿ったＢ１強度値がより類似するほど（すなわち、異なる半径に対して）、半径方向の均一性がより良好になる。

【0057】

好ましくは、巻線の傾斜Ｔは、第１のトランシーバコイルの軸方向端部の傾斜Ｔが軸方向中心よりも小さくなるように、電気導体の長さの進路にわたって適合される。

【0058】

各導体断面部（すなわち、特に各導体経路幅Ｗについて）および各スロープＳに対して、Ｂ１磁場振幅が最大化される傾斜Ｔがある。トランシーバコイルの中央領域に最大値を有する可変傾斜Ｔは、同時に補正された半径方向の均一性を有するトランシーバコイルの効率を最大化できる。特に、最も外側の１～２巻線は、より中心に向かって配置された巻線の傾斜Ｔと比較して、より小さい傾斜Ｔを有する。

【0059】

好ましくは、トランシーバコイル装置の中心の少なくとも１つの半巻線は、所定のＮＭＲ実験の静磁場Ｂ０によって規定されたＺ軸に対するトランシーバコイルの長手方向軸Ｚ’よりも、トランシーバコイルの長手方向軸Ｚ’に対してより強く傾斜している。結果として、延長された導体の場合、Ｂ１磁場がＸＹ平面内を通ることを達成できる。本明細書で見出される解決策は、通常、最大効率を有する解決策ではなく、コイル品質係数が低下した単一電流当たりの最大発生磁場強度を有する解決策である。これは、プローブヘッドの他の領域で非常に多くの損失が発生し、したがって、コイル品質係数が導体損失によって支配されない場合（しかし、例えば、誘電損失によって支配される場合）に、特に有利である。

【0060】

隣接する巻線へのギャップ幅Ｄと導体経路幅Ｗとの比Ｄ／Ｗは、好ましくは、巻線の傾斜の関数として設定される。位置ｔにおける導体のギャップ幅Ｄは、位置ｔと位置ｔ＋２πまたはｔ－２πとの間の電気導体の距離である。

【0061】

傾斜Ｔに加えて、ギャップ幅Ｄと導体経路幅Ｗとの比Ｄ／Ｗが最適化パラメータとして選択される場合、比Ｄ／Ｗ、すなわち導体経路幅もしくはギャップ幅のいずれか、または導体の長さに沿った両方のパラメータ、が最適化パラメータとして選択され、比Ｄ／Ｗは傾斜Ｔの関数として選択される。すなわち、巻線傾斜Ｔが大きいほど、ギャップ幅Ｄと導体経路幅Ｗの比Ｄ／Ｗが大きくなるように選択される。特に、Ｄ／Ｗはまた、単一の巻線の長さにわたって変動し、Ｄ／Ｗは少なくとも２つの最小値を有する。

【0062】

本発明による方法の有利な変形例では、信号対雑音比ＳＮＲに影響を及ぼす少なくとも２つの変数のうちの１つは、トランシーバコイルによって生成されるＨＦ磁場Ｂ１の軸方向均一性である。これは、特に巻線のスロープを変動することによって行われる。軸方向の均一性（長手方向軸Ｚ’（軸上）に沿った均一性）を最適化することによって、特に、いくつかの（９０°および１８０°）パルスを有するパルスシーケンスのＳＮＲを改善すること、または、所望の信号品質、特に所望の信号振幅が達成されるトランシーバコイルの活性領域の使用可能な体積を増加させること、が可能である。

【0063】

有限のトランシーバコイルの場合、Ｂ１磁場の振幅は軸方向端部で低下する。軸方向端部のスロープを低減することによって、巻線が互いにより近くに位置することが達成できる。このようにして、トランシーバコイルの有限性に起因して欠落している電流密度を補償できる。したがって、固有周波数から離れて動作する短いトランシーバコイルの長手方向軸Ｚ’に沿った均一性の改善は、特にトランシーバコイルの軸方向端部のスロープが軸方向中心よりも小さくなるように選択された場合に生じる。

【0064】

固有周波数に近い動作中、トランシーバコイルを接続するとき、電流分布が変化するので、トランシーバコイルが対称的に発振するように電位が設定されることを保証しなければならない。あるいは、最大値がソレノイドコイルの中心にないように、整合ネットワークによって電位分布を設定できるが、これはより高い電場、したがって、損失の多い測定試料におけるより高い損失をもたらす。

【0065】

本発明による方法のさらなる変形例は、信号対雑音比ＳＮＲに影響を及ぼす少なくとも２つの変数のうちの１つがＢ１の振幅／定格であり、選択された最適化パラメータがスロープＳおよび導体経路幅Ｗであることを提供する。Ｂ１の振幅／定格の最適化はまた、Ｂ１振幅／単位電流および品質係数の反復最適化を含む。Ｂ１の振幅／定格により、トランシーバコイルの効率が改善される。

【0066】

特に、平坦なストリップ導体を電気導体として使用する場合（δ＝侵入深さであり、３δ～１０δの導体経路厚さを有する）、トランシーバコイルの感度（Ｂ１の振幅／定格）は、ギャップ幅Ｄと導体経路幅Ｗとの比Ｄ／Ｗを変動させることによって影響を受ける可能性がある。特に、ＮＭＲにおけるソレノイドコイルについて従来技術から知られている値Ｐ／Ｗ＝１．５．．．１．６６７に対する偏差が提供される。非常に薄い金属めっき、特に直径よりも著しく長い長さを有するコイルの場合、ソレノイドコイルの最高効率は、本発明によれば、Ｐ／Ｗ＜１．５、特に＜１．２５の比で達成される。（すなわちピッチＰ１ｍｍ、導体経路幅０．８ｍｍ以上）。したがって、導体経路幅に対するギャップ幅Ｄの比Ｄ／Ｗは、好ましくはＤ／Ｗ＜０．５であり、好ましくはＤ／Ｗ＝０．２５である。したがって、好ましくは、巻線間のギャップ幅Ｄは、導体経路幅Ｗの半分以下、特に導体幅の４分の１以下である。

【0067】

トランシーバコイルの軸中心における巻線の傾斜Ｔは、トランシーバコイルによって生成されるＨＦ磁場Ｂ１のＢ１振幅が、導体経路幅Ｗに対するギャップ幅Ｄの所与の比に対して定格ごとに最大になるように選択されることが好ましい。ここでは、傾斜Ｔが最適化パラメータとなる。

【0068】

本発明による方法の特別な変形例は、トランシーバコイル装置が、別のＨＦ磁場Ｂ２を生成するための別のトランシーバコイルを備え、信号対雑音比ＳＮＲに影響を及ぼす少なくとも２つの変数のうちの１つが、第１のＨＦ磁場Ｂ１および別のＨＦ磁場Ｂ２の振幅／定格の比Ｂ１／Ｂ２であることを提供する。

【0069】

コイルの効率を高めるために、電気導体が導体厚さｄおよび丸み半径ｒを有することが有利であり、電気導体の導体厚さｄおよび／または丸み半径ｒは、電気導体の長さの進路にわたって変動する追加の最適化パラメータとして使用される。これにより、コーナー（角）における電流の累積「ぼやけ」が、他のパラメータに大きな影響を与えることなく、品質係数を向上し、したがって、コイルの効率が向上する。

【0070】

本発明はまた、トランシーバコイルを製造するための方法に関する。トランシーバコイルは、前述の方法に従って設計され、コイルの幾何学形状は、金属管からの設計に従って、特にミリング、レーザまたはウォータジェット切断によって生成される。

【0071】

これの利点は、達成可能な小さい導体経路厚さｄである。さらに、そのようなトランシーバコイルは、キャリアなしで、特に導体と測定試料との間にキャリアなしで、製造することができ、その結果、トランシーバコイルの効率が向上する。導電性をさらに改善するために、導体の切断縁部を丸める方法（例えば、トロバリジング）を使用することができ、または切断縁部を、例えばミリングによって丸めることができる。

【0072】

あるいは、設計によるコイルの幾何学形状は、コーティングされたキャリアによって実現することができ、コーティングは、例えばエッチング、ミリング、レーザアブレーションなどの構造化によって製造される。キャリア上のコーティングの製造は、さらに薄い層の製造を可能にする。キャリアは、機械的堅牢性を高めるのに役立ち、例えばコールドフィンガによって極低温コイルを冷却するために熱伝導体として使用することができる。コーティングは、好ましくは超伝導性である。

【0073】

本発明のさらなる利点は、説明および図面から明らかになるであろう。同様に、上記で言及され、以下に記載される本発明による特徴は、それぞれ単独でまたは任意の所望の組み合わせで一緒に使用できる。図示および説明された実施形態は、網羅的な一覧として理解されるべきではなく、本発明を説明するための例示的な性質のものである。

【図面の簡単な説明】

【0074】

【図1】単一のコイル構成のための、中心で一定の傾斜と、最も外側の２つの巻線の減少した傾斜と、巻線当たり２つの最大値を伴う変動するスロープおよび周期的に変動する導体経路幅と、を有する、本発明によるトランシーバコイルを示す。

【図2】交差コイル構成のための、変動する傾斜と、変動するスロープと、巻線当たり２つの最大値を伴う周期的に変動する導体経路幅と、を有する、トランシーバコイルを示す。

【図3a】図２による第１のトランシーバコイルを有する交差コイル構成にある、本発明によるトランシーバコイル装置の平面図を示す。

【図3b】図３ａのトランシーバコイル装置の斜視図を示す。

【図4】交差コイル構成のための、変動する傾斜と、変動するスロープと、巻線当たり４つの最大値を伴う周期的に変動する導体経路幅と、を有する、本発明によるトランシーバコイルを示す。

【図5a】周期的に変動するスロープと周期的に変動する導体経路幅とを伴うゼロピッチ・トランシーバコイルを有する交差コイル構成における、本発明によるトランシーバコイル装置の平面図を示す。

【図5b】図５ａのトランシーバコイル装置の斜視図を示す。

【図6】スロープおよび導体経路幅に加えて、傾斜も変動し、導体経路幅が、各回転において最大値を伴って周期的に変動する、単一コイル構成のための本発明によるトランシーバコイルを示す。

【図7】巻線ごとに変動するスロープと、変動する導体経路幅と、大きく変動する傾斜を伴い、導体経路幅は周期的に変動する、本発明によるトランシーバコイルを示す。

【図8】一定のスロープと、変動する導体経路幅と、変動する傾斜とを有する、本発明によるトランシーバコイルを示す。

【図9】本発明によるＮＭＲプローブヘッドを示す。

【図10a】傾斜した巻線を有するコイルにおけるコイルパラメータを説明するためのソレノイド形状コイル部の詳細を示す。

【図10b】非傾斜巻線を有するコイルにおけるコイルパラメータを説明するためのソレノイド形状コイル部分の詳細を示す。

【発明を実施するための形態】

【0075】

本発明によるトランシーバコイルは、トランシーバコイルの電気導体の進路に沿って変動するコイルパラメータを有する。図１０ａおよび図１０ｂは、ストリップ形状導体２（導体経路）を有するソレノイド形状コイルの部分をそれぞれ示しており、コイルパラメータのいくつかが最初に示されている。図１０ａおよび図１０ｂのソレノイド形状コイルは、長手方向軸Ｚ’（コイル軸）に沿って配置され、長手方向軸Ｚ’は、Ｘ’Ｙ’平面（図示せず）に垂直である。ソレノイド形状のコイルは、導体２の導体経路幅Ｗ、ギャップ１０のギャップ幅Ｄ、巻線の局所的スロープＳ（図示せず）および／またはピッチＰ、巻線の傾斜Ｔ、および巻線の半径Ｒによってパラメータ化される。ここに示す実施形態では、合計３つの巻線が示されている。

【0076】

導体幅Ｗは、導体２の幅を示す。導体経路幅Ｗは、導体中心に対して垂直な導体経路の幅である。図１０ａおよび図１０ｂに示すコイルでは、導体経路幅Ｗは、長手方向軸Ｚ’に沿って一定である（すなわち、Ｗが定数）。

【0077】

ギャップ幅Ｄは、導体経路２の隣り合う巻線のストリップ形状導体間の中間間隔１０の幅を示す。

【0078】

巻線のピッチＰは、完全な巻線のＺ’方向の前進を示し、導体経路２の中心線を介して決定される。一定のピッチＰは、局所的スロープＳが１つの巻線内で変動することを排除するものではない。

【0079】

巻線の傾きＴは、長手方向軸Ｚ’に対する巻線の傾きを示し、１つの巻線にわたる導体中心面のＺ’位置の正弦波変調の振幅に対応する。スロープおよび傾斜がいくつかの巻線にわたって一定である場合、それはＭａｘ（Ｚ（ｔ）－Ｚ（ｔ＋１））－Ｓ）／２から容易に決定することができ、式中、ｔは間隔ｔｎ．．．ｔｎ＋１で変動する。

【0080】

巻線の半径Ｒは、導体２が存在する半径を示す。

【0081】

図１０ａおよび図１０ｂに示すソレノイドコイルは各々、一定の導体経路幅Ｗ、一定のギャップ幅Ｄ、一定のスロープＳ、したがって一定のピッチＰを有し、図１０ａに示すコイルは傾斜コイル（Ｔ≠０）であり、図１０ｂに示すコイルは非傾斜コイル（Ｔ＝０）である。

【0082】

一般に、導体２の中心線は、デカルト座標で次のように規定される。

【数3】

、ｔ∈｛０．．．Ｎ｝であり、
φ：巻線の傾きの向き。

【0083】

デカルト座標における導体２の包絡線は、次のように規定される。

【数4】

、ｔ∈｛０．．．Ｎ｝である。

【0084】

導体経路幅は、特に、Ｗ（ｔ）＝Ｗ_０＋ΣＷ_ｉ（ｓｉｎ（２πｔ＋ｋ））^２ｉであり、傾斜Ｔは、各半巻線にわたって一定である。通常、傾斜方向はφ＝０（Ｙ’軸周りの傾斜）またはπ／２（Ｘ’軸周りの傾斜）であり、半径Ｒ（ｔ）＝Ｒである。

【0085】

以下では、電気導体２の進路に沿った本発明によるＮＭＲコイルヘッドの性能がコイルパラメータを変動させることにより最適化できる、本発明によるトランシーバコイルの幾何学形状の様々な変形例について説明する。

【0086】

図１および図２は、ｘ’方向（すなわち、傾斜の方向φ＝π／２）の周りに一定の傾斜Ｔを有する本発明によるトランシーバコイル１ａ、１ｂを示す。ピッチＰは、トランシーバコイル１ａ、１ｂの中央領域で一定であり、トランシーバコイル１ａ、１ｂの２つの軸方向端部４ａ、４ｂに向かって減少する。導体経路幅Ｗは、周期的に変動し、巻線当たりの導体経路幅が最大となる２つの領域と、導体経路接触が最小となる２つの領域とを有する。また、Ｗ（ｋ）＝Ｗ（ｋ＋０．５）＝Ｗｍｉｎであり、Ｗ（ｋ＋０．２５）＝Ｗ（ｋ＋０．７５）＝Ｗｍａｘである。

【0087】

本発明に従って変動するトランシーバコイル１ａ、１ｂのパラメータは、導体経路幅Ｗ、およびピッチＰ、したがってスロープＳである。これらの実施形態では、スロープＳは巻線ごとに一定である。しかしながら、一般に、巻線の長さにわたって変動することもできる。

【0088】

２つのトランシーバコイル１ａ、１ｂは、トランシーバコイル１ａ、１ｂの傾斜方向φ＝π／２またはφ＝０に対する最小および最大の導体経路幅の配置に関して異なる。

【0089】

原則として、傾斜巻線（Ｔ≠０）の場合、断面平面上の最小導体経路幅が傾斜軸に直交すると有利である。Ｘ’軸周りの傾斜の場合、図１に示すように、導体経路幅の最小値は、Ｙ’Ｚ’平面を有するコイルの断面平面上にある。傾斜により、Ｙ’軸に沿って、すなわちＺ’に対して９０°の磁場成分が生成される。この磁場成分は、トランシーバコイルに「侵入」しなければならず、これは、２つの巻線の導体部の間に、より大きなギャップ幅Ｄが存在する場合に容易になる。遮蔽電流が導体自体に形成され、これは抵抗損失を増加させ、磁場を弱め、したがって、性能損失につながる。導体経路幅Ｗの最小値またはギャップ幅Ｄの最大値をＹ’Ｚ’平面に沿って配置し、かつ、導体経路幅Ｗの最大値またはギャップ幅Ｄの最小値をＸ’Ｚ’平面の方向に配置することによって、性能を向上させることができる。これは、ギャップ幅と導体経路幅との比をすべての空間位置で最適化することができるためである。

【0090】

それらの良好な性能のために、図１に示すトランシーバコイル１ａは、単一コイル構成を有するトランシーバコイル装置１００ａ、１００ｂに特に適している。

【0091】

Ｘ’方向（すなわち、鞍型コイル、共振器、．．．）に配向されたＨＦ磁場Ｂ２を生成する別のトランシーバコイル１１（図３ａおよび図３ｂを参照）が、本発明によるトランシーバコイル１ｂを取り囲むか、またはそれによって囲まれる場合、この磁場Ｂ２は、第１のトランシーバコイル１ｂに侵入しなければならない。第１のトランシーバコイル１ｂの導体経路（巻線）は、「途中」にあり、別のトランシーバコイル１１の磁場を部分的に遮蔽する。この場合、図２に示すように、第１のトランシーバコイル１ｂのＸ’軸方向の導体経路幅Ｗを小さくすることで、別のトランシーバコイル１１の性能を最適化できる。別のトランシーバコイル１１のこの最適化は、第１のトランシーバコイル１ｂの性能を「損なう」が、Ｘ’方向により良好な透磁性を提供する。したがって、図２に示すトランシーバコイル１ｂは、交差コイル構成を有するトランシーバコイル装置１００ｂに特に適している。

【0092】

図３ａおよび図３ｂは、そのようなトランシーバコイル１ｂおよび交差コイル構成の別のトランシーバコイル１１を有するトランシーバコイル装置１００ｂを示す。トランシーバコイル装置１００ｂは、本発明によるＮＭＲプローブヘッド２３（図９参照）のために、第１のＨＦ磁場Ｂ１を生成するための図２に示す第１のトランシーバコイル１ｂと、第２のＨＦ磁場Ｂ２を生成するための別のトランシーバコイル１１とを備える。ここで、第１のトランシーバコイル１ｂは、別のトランシーバコイル１１によって生成される第２の磁場Ｂ２が第１のトランシーバコイル１ｂによって生成される第１の磁場Ｂ１に対して略垂直になるように、別のトランシーバコイル１１の半径方向内側に同軸に配置される。別のトランシーバコイル１１は、ここでは、２つの半部５および５’からなるＡｌｄｅｒｍａｎ－Ｇｒａｎｔ共振器として形成され、第１のトランシーバコイル１ｂを半径方向に囲み、別のトランシーバコイル１１は、２つの対向する開口部１２（「窓」）を備える。第１のトランシーバコイル１ｂおよび別のトランシーバコイル１１は、第１のトランシーバコイル１の電気導体２の導体経路幅Ｗが最小値を有する第１のトランシーバコイル１ｂの領域が別のトランシーバコイル１１の「窓」１２内にあるように互いに対して配向され、その結果、別のトランシーバコイル１１によって生成される第２の磁場Ｂ２は、第１のトランシーバコイル１ａの最小導体経路幅Ｗを有する領域を通る。結果として、第１のトランシーバコイル１ｂは、第２のＨＦ磁場Ｂ２に対して高い透明性を有する。図３ａおよび図３ｂに示す実施形態の代替として、別のトランシーバコイル１１を第１のトランシーバコイル１ｂ（図示せず）内に配置することもできる。同様に、別のトランシーバコイルは、共鳴器（図示せず）としてではなく、鞍型コイル、特に多巻線サドルコイルとして設計することもできる。

【0093】

図４は、本発明によるトランシーバコイル１ｇの非常に具体的な実施形態を示す。導体経路幅Ｗは、トランシーバコイル１ｇに対して周期的に変化し、巻線当たり４つの最大値および４つの最小値を有する。傾斜軸（Ｘ’方向）に沿った２つの最小値は、図２のトランシーバコイル１ｂと同様に、交差コイル構成の第２のＨＦ磁場Ｂ２の透明性を生成するためであり、傾斜軸に垂直な（Ｙ’方向に沿った）２つの最小値は、図１のトランシーバコイル１ａと同様に、「独自の方法でより少なくなる」ためである。これらの最小値は、一般に、傾斜した巻線を伴うトランシーバコイルに対する第１のトランシーバコイル１ｇの性能を最適化するが、透明性を高める最小値は、第１のトランシーバコイル１ｇを犠牲にして、別のトランシーバコイル（図４に図示せず）の性能を最適化する。

【0094】

本発明に従って変動するトランシーバコイル１ｇのパラメータは、導体経路幅Ｗ、ならびにピッチＰしたがってスロープＳ、および傾斜Ｔである。

【0095】

図５ａおよび図５ｂは、第１のトランシーバコイル１ｃを有する交差コイルの幾何学形状のトランシーバコイル装置１００ｃのさらなる実施形態を示す。トランシーバコイル１ｃの巻線は、それらの長さの大部分にわたって局所的スロープＳ（ｔ）＝０を有する。そのような巻線は、閉じていないリング、すなわち、ｔ＝ｔ０．．．ｔ０＋１－ε、またはｔ＝ｔ０＋ε／２．．．ｔ０＋１－ε／２、について、Ｓ（ｔ）＝０を形成する。ここで、ε＞０であり、ε＞０は短絡を防止し、ｔ＝ｔ０は、巻き始めである。このように設計されたソレノイドコイル１ｃは、巻線の大部分が０の局所ピッチを有するため、「ゼロピッチ」コイルとして知られている。しかしながら、完全な巻線のピッチＰは０に等しくない値を有し、この値は本実施形態では一定である（│Ｐ│＝定数）。したがって、そのようなトランシーバコイル１ｃは、（局所的）スロープのない閉じていない「リング」と、スロープＳ（ｔ）≫０を有する電気コイル部の組み合わせとして設計できる。導体経路幅Ｗとギャップ幅Ｄとの比Ｗ／Ｄは、導体経路幅が一定に設計されていれば、トランシーバコイル１ｃにわたって簡単な方法で一定に保つことができる。結果として、トランシーバコイル１ｃの品質を最大化することができ、および／または電場を特に簡単な方法で最小化することができる。しかしながら、図５ａ、５ｂのトランシーバコイル１ｃは、周期的に変動する導体経路幅Ｗを有し、結果として、巻線間のギャップ幅Ｄも周期的に変動する。１つのトランシーバコイル１ｃの性能の最適化および交差コイル配置の性能へのその影響は、この構成では特に計算が容易である。また、トランシーバコイル１ｃは、一定の傾斜Ｔを有する。

【0096】

本発明に従って変動するトランシーバコイル１ｃのパラメータは、導体経路幅Ｗ、スロープＳまたはピッチＰ、および傾斜Ｔである。

【0097】

図５ａおよび図５ｂに示す第１のトランシーバコイル１ｃは、好ましくは交互に配置された順巻線１４および逆巻線１５を有する交差する幾何学形状に設計されることが好ましい。

【0098】

図６は、局所的スロープＳおよび導体経路幅Ｗの両方、ならびに傾斜Ｔが変動する、本発明によるトランシーバコイル１ｄを示す。導体経路幅Ｗは、各巻線において正確に１つの最大値および１つの最小値を有し、巻線にわたって平均化された導体経路幅Ｗは、軸方向端部４ａ、４ｂに向かって減少する。図６のトランシーバコイル１ｄは、複数のコアに特によく適合することができ、したがって、特に１コイルのトランシーバコイル装置１００ｄに適している。

【0099】

本発明に従って変動するトランシーバコイル１ｄのパラメータは、導体経路幅Ｗ、傾斜Ｔ、およびピッチＰしたがってスロープＳである。コイルの軸方向端部の傾斜ＴはＴ＝０である。結果として、そのようなコイルは、例えばＭＡＳステータのベアリング間の規定の設置スペースに特に容易に取り付けることができ、利用可能な体積を特に良好に利用する。

【0100】

図７は、局所的スロープＳおよび導体経路幅Ｗの両方、ならびに傾斜Ｔが変動する、本発明によるトランシーバコイル１ｅを示す。この実施形態では、巻線のスロープＳは離散的に変化する、すなわち、１つの巻線内でＳ（ｔ）＝一定である。この離散化は最適な均一性を提供しないが、十分に良好な均一性レベルを達成することができる。導体経路幅Ｗおよび傾斜Ｔの両方、ならびにピッチＰは、軸方向端部４ａ、４ｂに向かって減少する。

【0101】

本発明に従って変動するトランシーバコイル１ｅのパラメータは、導体経路幅Ｗ、傾斜、およびピッチＰしたがってスロープＳである。

【0102】

トランシーバコイル１ｅは、特に１コイルのトランシーバコイル装置１００ｅに適している。

【0103】

図８に示すトランシーバコイル１ｆは、一定のピッチＰを有するが、巻線間の傾斜Ｔと導体経路幅Ｗとは変動する。

【0104】

巻線間のギャップ幅Ｄに対する導体経路幅Ｗの比Ｗ／Ｄは、ここでは一定である。傾斜巻線（Ｔは０に等しくない）と組み合わせて、これにより、トランシーバコイル１ｆの左半分の巻線では最大導体経路幅Ｗが底部（－Ｙ’方向）に配置され、トランシーバコイル１ｆの右半分の巻線では最大導体経路幅Ｗが上部（＋Ｙ’方向）に配置される。図８に示すトランシーバコイル１ｆは、例えば、トランシーバコイルを２つの軸受の間に挿入しなければならないトランシーバコイル装置の幾何学形状など、トランシーバコイル装置の全長が制限される場合に、特に有利に使用できる。トランシーバコイル１ｆは、特に、軸方向および半径方向の均一性を最大化する必要がない単純なＦＩＤ実験に使用できる。

【0105】

本発明に従って変動するトランシーバコイル１ｆのパラメータは、導体経路幅Ｗ、ギャップ幅Ｄ、および傾斜Ｔである。

【0106】

トランシーバコイル１ｆは、特に１コイルのトランシーバコイル装置１００ｆに適している。

【0107】

図９は、本発明によるＮＭＲプローブヘッド２３の概略図を示す。ここに示す例では、ＮＭＲ測定を行うための静磁場は、動作中にＺ軸に平行に整列される。ＮＭＲプローブヘッド２３は、本発明によるトランシーバコイル１ａ～ｇまたはトランシーバコイル装置１００ａ～ｆを備え、トランシーバコイル装置１００ａ～ｆは、整合ネットワーク２４に接続され、分光計接続部２１をさらに備える。図９に示すＮＭＲプローブヘッド２３は、トランシーバコイル１の長手方向軸Ｚ’が、ＮＭＲプローブヘッド２３の細長い延長部が延びるＺ軸に対して、好ましくはマジック角θ（θ＝５４．７４°）だけ傾斜している、ＭＡＳ（マジック角回転）プローブヘッドである。

【符号の説明】

【0108】

１ａ－ｇ トランシーバコイル
２ 電気導体
４ａ，４ｂ 軸方向端部
５，５’ 別のトランシーバコイルの半部
１０ 巻線間の中間間隔
１１ 別のトランシーバコイル
１２ 別のトランシーバコイルの開口部／窓
２１ 分光計接続部
２３ ＮＭＲプローブヘッド
２４ 整合ネットワーク
１００ａ－ｆ トランシーバコイル装置
Ｚ’ トランシーバコイルの長手方向軸
Ｗ 導体経路幅
Ｄ ギャップ幅
Ｓ 局所的スロープ
Ｐ ピッチ
Ｔ 傾斜
Ｒ 半径

【0109】

引用文献等一覧
［Ｓｕｎら］Ｙ．Ｈ．Ｓｕｎ，Ｇ．Ｅ．Ｍａｃｉｅｌ，
Ｊ．Ｍａｇｎ．Ｒｅｓｏｎ．，Ｓｅｒｉｅｓ Ａ，Ｖｏｌ．１０５，１４５－１５０ページ（１９９３）
ＮＭＲ実験のための傾斜コイル
［Ｂａｒｂａｒａら］ＵＳ６３５９４３７Ｂ１
［Ｐｒｉｖａｌｏｖら］Ｆ．Ｐｒｉｖａｌｏｖ，Ｓ．Ｖ．Ｄｖｉｎｓｋｉｋｈ，Ｈ．－Ｍ．Ｖｉｅｔｈ
Ｊ．Ｍａｇｎ．Ｒｅｓｏｎ．，Ｓｅｒｉｅｓ Ａ，Ｖｏｌ．１２３，１５７－１６０ページ（１９９６）
固体ＮＭＲ用途のための大体積・高Ｂ１均一性のためのコイル設計
［Ｍｉｓｐｅｌｔｅｒ］Ｊ．Ｍｉｓｐｅｌｔｅｒら
生物物理学的および生物医学的実験のためのＮＭＲプローブヘッド。理論的原理および実用的ガイドライン（第２版）、
Ｗｏｒｌｄ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ、２０１５年
ＩＳＢＮ１７８３２６８０４２；８９ページ

【図1】

【図2】

【図3a】

【図3b】

【図4】

【図5a】

【図5b】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10a】

【図10b】

【外国語明細書】