MRIバラン用ケーブルトラップコンデンサの同相除去

MRIバラン用ケーブルトラップコンデンサの同相除去

抽象

ケーブルトラップは、ケーブルシールド上にλ/4の空洞を形成し、画像アーチファクト、SNR損失、および過剰なSARを引き起こすコモンモード電流を遮断します。トラップ内部のコンデンサは共振点とノッチの深さを設定します。その部分の損失とESLはノッチを平坦化し、その周波数を変化させます。この記事では、トラップモデル、返却されたコイルで見つかった4つの欠陥経路、およびヘッドコイルを25 dBから48 dBに向上させるカスケード接続とチューニング手順について説明します。

はじめに

MRI受信回路は、コイル信号を同軸ケーブルを通して受信機に送信します。このケーブルの外皮に流れる電流はコモンモード経路を形成します。この電流は撮像領域に干渉場を放射し、差動信号にノイズを加え、局所的なSAR値を制限値以上に上昇させる可能性があります。

ケーブルトラップ（バズーカまたはバランとも呼ばれる）は、その経路を遮断します。ケーブルシールドの上に金属製のスリーブが被せられ、高電圧コンデンサによってシールドから分離されています。スリーブの遠端は接地されているため、スリーブは1/4波長共振器を形成します。動作周波数において、この共振器はコモンモード電流に対して高いインピーダンスを示し、差動信号に対しては低いインピーダンスを示します。

トラップ内部のコンデンサは共振点とインピーダンスの高さを決定します。HVCは、トラップのアップグレード前後で32チャンネル3Tヘッドコイルを測定しました。単一トラップ除去比は、トラップなしの場合の5dB未満から38dBに向上し、画像アーチファクトは80%以上減少し、SNRは12%向上し、SARは8%低下しました。

この記事では、トラップモデル、ノッチを平坦化する4つの欠陥経路、および32チャンネルアレイ全体で35dB以上の除去比を維持するためのサイズ決定とカスケード接続の手順について説明します。

2. コアメカニズム

2.1 拒否率

トラップの性能は、差動信号とコモンモード信号をどれだけ分離できるかによって評価される。

CMRR_dB = 20 · log10(V_diff / V_common).

ここで、V_diffは受信機における差動モード信号、V_commonはケーブルシールド上のコモンモード信号、CMRR_dBはデシベル単位の除去比である。

医療用コイルの設計では通常30dB以上の性能が求められます。これは、コモンモード電流を30分の1以下に低減する必要があることを意味します。HVCは、32チャンネル3Tヘッドコイルにおいて、アレイ平均で38.5dBの性能を計測しており、最も性能の低いチャンネルでも36dBとなっています。

2.2 スリーブの共振周波数

スリーブの長さによって共振器の周波数が決まります。

f_0 = c / (4 · L · √ε_r).

ここで、cは3×10^8 m/s、Lはスリーブの長さ、ε_rはスリーブ内部の媒質の比誘電率、f_0はトラップの共振周波数である。

3 Tシステムは128 MHzで動作するため、空気で満たされたスリーブ（ε_r = 1）の長さは約58.6 cmになります。7 Tシステムは298 MHzで動作するため、同じトラップの長さは約25 cmになります。したがって、スリーブの長さは磁石によって固定され、残りの許容誤差はコンデンサで吸収する必要があります。

2.3 共振時のトラップインピーダンス

コンデンサの値は、コモンモード電流に対するインピーダンスを決定します。

Z_trap ≈ 1 / (2π · f · C).

ここで、fは動作周波数、Cはトラップ容量、Z_trapはトラップがコモンモード電流に対して示すインピーダンスである。

128 MHzにおいて、100 pFのトラップは約12.4 kΩを示します。この値はケーブルシールドのインピーダンスをはるかに上回るため、コモンモード電流は遮断されます。容量を大きくするとZ_trapは1対1で低下し、47 pFの部品では2倍になります。

2.4 負荷品質係数

切り欠きの高さは、トラップの総損失量によって決まります。

1/Q_total = tan δ + 1/(2π · f · ESR · C).

ここで、tan δ は誘電損失正接、ESR はコンデンサの等価直列抵抗、C はその静電容量、f は動作周波数、Q_total はトラップの負荷品質係数です。

どちらの項もコンデンサに由来する。tan δ = 0.0006、ESR = 35 mΩのN4700部品では、最初の項は小さく保たれる。tan δ = 0.02、ESLが8～15 nHの範囲のX7R部品では、ノッチの深さがほとんど失われ、測定された除去比は25 dB付近にとどまる。

図1 — 1本のケーブル上の2つの1/4波長スリーブが128MHzと298MHzをカバーし、トラップコンデンサの損失が各段のノッチ深さを決定します。

3. エンジニアリング上の課題

問題点1：ESLがトラップの共振周波数を変化させる

トラップはベンチ上で公称コンデンサを用いて調整され、スリーブはそれに合わせて切断されます。次に、部品ESLがキャビティに直列インダクタンスを追加します。ノッチが狭いため、シフトはパーセントで見ると小さいですが、インピーダンスで見ると大きくなります。3 Tトラップの測定帯域幅は約8 MHzで、Q値は16付近なので、数メガヘルツのシフトで数デシベルの減衰量が低下します。

問題点2：コンデンサの損失によりノッチが平坦化する

理論上は42 dBの除去性能を持つはずのトラップが、最初の部品を取り付けた状態では38 dBしか除去できなかった。不足していた4 dBは誘電損失とESRによるものだった。tan δ = 0.02、ESLが8～15 nHのX7R部品では、除去性能は25 dB程度となり、ほとんどのコイル仕様で求められる30 dBの要件を満たしていない。損失項はキャビティと直列に接続されているため、ピークインピーダンスを直接低下させる。

問題点３：トラップ１つでカバーできる周波数が１つ

単一のトラップは、1つの周波数で高いインピーダンスを示します。多核イメージングには複数のトラップが必要です。7 Tシステムでの1H/13C検査では、298 MHzと75 MHzを同時に必要とし、広帯域のプレスキャニングでは、さまざまな周波数範囲を掃引します。1つの空洞では、この範囲の両端に対応できず、シーケンス間の再調整は臨床ワークフローでは実用的ではありません。

問題点4：スリーブと半田の欠陥によりノッチが移動する

スリーブは、その嵌合によってケーブルシールドと結合します。直径の差が0.5mmを超えると隙間が生じ、実効共振器長が変化します。長さの誤差が±2mmを超えると、ノッチが動作周波数からずれます。スリーブ周囲の半田付けが不完全な場合、局所的な接触抵抗が増加し、Q値が低下して共振周波数がずれます。これらの欠陥は振動や温度変化によっても変化するため、ベンチテストでは合格したトラップでも、1年間の使用後には位置がずれる可能性があります。

4. 設計手順

戦略1：目標インピーダンスからコンデンサのサイズを決定する

まずトラップインピーダンスを選択し、次に静電容量を選択します。5～10 kΩを目標とすると、一般的なコイルでは30 dB以上の除去比が得られます。128 MHzでは100～200 pF、298 MHzでは47～100 pFとなります。在庫部品から始めるのではなく、必要な除去比から静電容量を逆算して決定してください。

戦略2：低損失・低ESLの部品を選択する

ESLは3 nH未満、tan δは0.001未満、ESRは50 mΩ未満である必要があります。これらの数値は損失方程式の両方の項を小さく保ち、ノッチを計算された深さの近くに維持します。クラスI N4700誘電体など N4700 100 pF で tan δ = 0.0006、ESL = 2.5 nH に達し、計算値 42 dB に対して実測値は 38 dB でした。

戦略3：多周波作業のためのカスケードトラップ

2つのトラップをλ/4間隔で設置し、それぞれ異なる周波数に調整します。128 MHzトラップと298 MHzトラップを組み合わせることで、3 Tおよび7 Tにおける1Hイメージングをカバーできます。各ステージは30～35 dBの寄与を持ち、カスケード接続では60 dB以上の増幅率が得られます。3 T～7 Tのマルチ周波数システムの場合、3つのトラップをカスケード接続することで、各ステージを個別に調整しながら64 MHz～500 MHzの周波数範囲をカバーできます。

戦略4：ネットワークアナライザで調整する

S21をスイープしてノッチを確認します。スリーブの長さを±2cm以内に調整し、小さな部品を並列接続して静電容量を微調整します。スリーブの長さの変化を制限し、調整ステップによってトラップが隣接周波数にずれないようにします。このように調整したトラップは、ベンチテストで38dBの感度を維持し、32チャンネル構成でも±1.5dB以内に収まりました。

戦略5：スリーブの嵌合と半田接合部を制御する

スリーブとケーブルの直径差を0.5mm以内、スリーブの長さを±2mm以内に収めてください。スリーブをシールドの周囲360°に半田付けし、局所的な高抵抗接触部が残らないようにしてください。スリーブに銀または金メッキを施し、接触抵抗を低く保ちます。これらの3つの手順により、32チャンネル構成におけるユニット間のばらつきの大部分が解消されます。

戦略6：電圧マージンと電界適合性についてスクリーニングする

コイルのピーク電圧は1～3 kVに達するため、500 V～1 kVの部品を使用すると3倍のマージンが確保されます。1.5 T～7 Tの磁場が局所的に磁場を歪ませるため、非磁性パッケージを使用してください。10年間の耐用年数で10年あたり0.1%未満の劣化率を要求し、トラップを 高速回復ダイオード コイルには送受信経路も必要となる。

コンポーネントパラメータ	標準値	試験条件
定格電圧（HVCT8Gシリーズ）	10kV DC	60秒間、1.5倍の高電圧試験
キャパシタンス	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz、1 V rms
1MHzにおけるESR	50 mΩ未満	-
ループインダクタンス（E40コード）	8 nH未満	端子間隔40mm
絶縁抵抗	500V DCで10GΩ以上	25℃、相対湿度60％
使用可能温度範囲	−40℃～+125℃	IEC 60068-2シリーズ
パルスdv/dt機能	50 kV/µs以上	定格電圧で

5. ケーブルトラップ用HVCコンデンサ

ノッチの深さは、トラップコンデンサの2つの特性、すなわち動作周波数における損失と直列インダクタンスによって決まります。HVCは、東莞にある自社工場（6,000平方メートル）で、1kVから150kVまでの電圧範囲において、HVCTシリーズをこれらの両方の特性についてスクリーニングしています。

ここで重要な6つのパラメータ

• ESLは3 nH未満です。100 pFの部品では2.5 nHとなるため、トラップ共振はスリーブの長さによって決まる位置に留まります。
• tan δが0.001未満の場合、誘電損失項はESR項よりもはるかに小さくなるため、ノッチは計算された深さに達します。
• ESRは50mΩ未満。低い直列損失により、128MHzトラップにおけるキャビティのピークインピーダンスは12.4kΩに維持されます。
• 100MHzでQ値が1500以上。 HVCT8G HVCT9Gシリーズは1500～2000に達するのに対し、一般的なX7R部品は50、一流RFシリーズは200～330である。
• 定格電圧の1.5倍において、部分放電（PD）は5 pC未満です。部分放電遮蔽により、誘電体を10年間の耐用年数にわたって保護します。
• 連携した構成要素。 HVRGXPサンプリング抵抗器, HVR-BSP 厚膜抵抗器また、HVD高速リカバリダイオードは、検出経路、ダンピングネットワーク、およびT/Rスイッチ用に同じセットで出荷されます。

相互参照と配送

HVC部品は、以下の電気的パラメータおよび信頼性データに適合します。 ビシェイ 715C、村田製作所DHS、AVX HP、TDK RFシリーズを同じサイズで提供。標準部品は4～8週間、マッチングセットは6～10週間で出荷可能。これは、これらのブランドの通常納期である20～30週間と比べて大幅な短縮です。

電界強度、目標周波数、ケーブル径、目標除去比をお送りください。HVCは、動作周波数におけるESL、ESR、tan δの測定値が記載されたトラップコンデンサシート、スリーブ長の調整に関するメモ、および2つのサンプルキットを5営業日以内に返送します。

6。 よくある質問

Q1：ケーブルトラップはどのようにしてコモンモード電流を抑制するのですか？

この方式では、ケーブルシールド上に1/4波長共振器を形成します。シールドの上には金属スリーブが被せられ、高電圧コンデンサを介してシールドと分離されています。スリーブの遠端は接地されています。動作周波数において、共振器はシールド電流と直列に高インピーダンスを示すため、コモンモード信号は遮断され、差動信号は0.3dB未満の挿入損失で通過します。

Q2：トラップコンデンサのサイズはどのように決めればよいですか？

部品番号ではなく、インピーダンスから始めましょう。5～10 kΩを目標にすると、30 dB以上の除去比が得られます。128 MHzでは100～200 pF、298 MHzでは47～100 pFになります。次に、f_0 = c / (4 · L · √ε_r) からスリーブの長さを設定します。128 MHzで空気を充填したスリーブの場合、長さは58.6 cmになります。

Q3：測定された拒否率が計算値よりも低いのはなぜですか？

計算では損失のないコンデンサを前提としているため、実際の部品では誘電損失とESRが加算され、これらは両方ともキャビティと直列に接続されてピークインピーダンスを低下させます。tan δ = 0.0006、ESR = 35 mΩの100 pF N4700部品は、計算値42 dBに対し、実測値は38 dBでした。X7R部品では、ノッチ深さが10 dB以上低下します。

Q4：1本のケーブルで2つの周波数をカバーするにはどうすればよいですか？

2つのトラップをλ/4間隔でカスケード接続し、それぞれ異なる周波数に調整します。3T 1Hの場合は128MHz、7T 1Hの場合は298MHz、13Cの場合は75MHzです。各段は単独で30～35dBの増幅率を示し、カスケード接続では60dB以上の増幅率が得られます。各段は独立して調整されるため、相互に影響し合うことはありません。

Q5：どのようなスリーブのフィット感とハンダ付け品質が必要ですか？

スリーブとケーブルの直径差は0.5mm以内、スリーブの長さは±2mm以内に収めてください。局所的な高抵抗接触を避けるため、スリーブをシールドの周囲360°に半田付けしてください。スリーブには銀または金メッキを施してください。フィット不良や半田付け不足は、ノッチのずれ、Q値の低下、振動や熱サイクルによるドリフトの原因となります。

Q6：トラップが故障したかどうかは、どのように判断すればよいですか？

年に一度、ネットワークアナライザでスイープ測定を行い、ノッチの位置と深さをコミッショニング記録と比較してください。コンデンサが断線するとノッチは消え、短絡するとノッチの位置が移動し、スリーブが緩んでいるとノッチの位置がずれます。LCRメーターでコンデンサを測定し、スリーブを目視で確認すれば、残りの原因は特定できます。予防保守として、3年ごとに部品を交換してください。

7。 リファレンス

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, 医用電気機器 ― 第１部：基本安全及び必須性能に関する一般要求事項ジュネーブ：IEC、2012年。
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