JP4633131B2 - Ｎｍｒプローブ - Google Patents

Description

本発明は核磁気共鳴（ＮＭＲ：Ｎｕｃｌｅａｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）用プローブに関する。

一般にＮＭＲまたはＭＲＩにおいて、高周波磁場の照射領域や、ＮＭＲまたはＭＲＩ信号の受信領域を所望する位置に制御したい場合には、複数のコイルを切替えて使用することが行われていた。たとえば特許文献１には、受信系として、複数の高周波磁場コイルからなるコイル群を、隣接するコイル群の高周波磁場コイルの少なくとも一つと空間的に干渉しない位置に複数配置した構成にするとともに、各コイル群を構成する高周波磁場コイルを順次切替えて使用することが開示されている。

特開２００７−１８５４２１号公報

従来は、ＮＭＲ信号受信領域を高周波磁場照射領域の一部に制御し、受信領域における高周波磁場照射強度の均一性を高めるために、複数のコイルを利用していた。しかし、試料近傍に配置する照射・受信用コイルは、試料領域の静磁場均一度を低下させる要因になるため、照射・受信用コイルの個数は少ない方が望ましい。

本発明の目的は、一本のワイヤーあるいは一枚の箔からなるコイルに複数コイルの役割を持たせて、コイルの個数を少なくできるようにしたＮＭＲ用プローブを提供することにある。

本発明は、高周波磁場照射用コイルおよびＮＭＲ信号受信用コイルを有するＮＭＲ用プローブにおいて、前記高周波磁場照射用コイルが一本のワイヤーまたは一枚の箔からなり、前記高周波磁場照射用コイルの一部から前記ＮＭＲ信号受信用コイルが形成されることを特徴とする。

本発明では、一本のワイヤーまたは一枚の箔からなるコイルに複数コイルの役割を持たせるために、コイル巻き線途中からリード線対を延ばし、このリード線対間のコイル部分を第二のコイルとみなす。同様に第三、第四のコイルも考えられる。そして、第二のコイルをＮＭＲ信号受信用コイルとする。第三、第四のコイルは、照射のみに用いてもよいし、受信のみに用いてもよい。照射かつ受信に用いてもよい。

ただし、対称性を保つために、リード線対は巻き線中心からできるだけ等距離のところに設けることが望ましい。

本発明の好ましい実施態様では、一本のワイヤーまたは一枚の箔からなるコイルの両端から高周波磁場照射用に第一リード線対を引き出し、コイルの巻き線途中から受信用に第二リード線対を引き出す。第一リード線対を引き出す部分は、第二リード線対を引き出す部分よりも巻き線中心から遠い所とする。

そして、第一リード線対を形成する二つのリード線のそれぞれに選択回路を接続し、選択回路の後段に同調・整合回路を接続する。同様に、第二リード線対を形成する二つのリード線のそれぞれにも選択回路を接続し、選択回路の後段に同調・整合回路を接続する。選択回路と同調・整合回路を接続する順番は、逆であってもよい。たとえば、先に同調・整合回路を接続し、その後段に選択回路を接続してもよい。

選択回路は、高周波電流の遮断回路または通過回路を、高周波磁場照射時とＮＭＲ信号受信時に合わせて切替え可能とする。

本発明により、一つのコイルでも、ＮＭＲ信号受信領域を高周波磁場照射領域の一部に制御することが可能となる。これにより、受信領域における照射磁場均一度が高まり、信号強度の増大、エコーや選択励起などの精度向上が図れる。また、試料近傍に配置するコイルが一つになるため、コイルに起因する試料領域の静磁場均一度の低下を防ぐことができる。さらに、コイルが一つになることで製作も容易になる。

以下では、説明の簡略化のために、ある照射周波数を第一周波数とし、ある受信周波数を第二周波数と記載する。第一周波数と第二周波数は同一の周波数であっても良いし、異なっていてもよい。なお、同一の周波数には、１％以内の誤差があるものも含まれる。

まず、第一リード線対につながる選択回路対を共に通過回路にし、第二リード線対につながる選択回路対を共に第一周波数に対する遮断回路として、コイルと第一リード線対から構成されるインダクタンスに対し、第一周波数における同調整合を行う。

次に、第二リード線対につながる選択回路対を共に通過回路にし、第一リード線対につながる選択回路対を共に第二周波数に対する遮断回路として、コイルと第二リード線対から構成されるインダクタンスに対し、第二周波数における同調整合を行う。

同調・整合回路が互いに影響を受け共振特性がずれる場合は、上記の調整方法を繰り返し行うことで微調整できる。

実際に第一周波数磁場の照射、第二周波数磁場の受信を行う際は、照射時に第一リード線対につながる選択回路対を共に通過回路、第二リード線対につながる選択回路対を遮断回路にし、受信時には逆の組み合わせとなるよう受動、能動的に切替える。

このように高周波磁場照射時と受信時で高周波電流経路を変化させることで、コイル形状が異なるかのように一つのコイルを使い分けることができる。

本発明によれば、溶液ＮＭＲ、固体ＮＭＲにおける測定感度を総合的に上げることが可能である。

以下、本発明の実施例を示すが、これらの例により本発明が限定されるものではない。

図１は、高周波磁場コイル１を４ターン用意し、第一リード線対２を両端から引き出し、第二リード線対３は第一リード線対よりも１ターンずつ中央に寄せたところから引き出したものである。

第一リード線対２を形成しているリード線には、遮断回路と通過回路を切替えられる選択回路を第一系統用選択回路４として接続する。同様に、第二リード線対３を形成しているリード線には、遮断回路と通過回路を切替えられる選択回路を第二系統用選択回路５として接続しておく。さらに、第一系統用選択回路４の通過回路側には第一系統用同調整合回路６を接続し、第二系統用選択回路５の通過回路側には第二系統用同調整合回路７を接続する。

第一系統用同調整合回路６につながる第一系統用信号線８と、第二系統用同調整合回路７につながる第二系統用信号線９には、照射系統としてパワーアンプなど、受信系統としてプリアンプなど、さらに照射系統と受信系統を切替えるスイッチなどが接続されるが、これらは従来のＮＭＲプローブと同様であるため図示するのを省略した。

第一系統を高周波磁場照射用に用い、第二系統をＮＭＲ信号受信用に用いた場合の照射時概略図を図２に示し、ＮＭＲ信号受信時概略図を図３に示す。

照射時には、第一系統用選択回路４を通過回路に設定し、第二系統用選択回路５を遮断回路に設定するため、高周波磁場コイル１は第一系統時みなしコイル２１のように、４ターンのコイルとみなされる。よって、照射磁場領域２２は図２に示してあるように４ターンコイルに囲まれた領域とその外側領域となる。

ただし、本実施例のようにソレノイドコイルを用いた場合、コイルに囲まれた領域は照射磁場強度が比較的均一にできる。さらに、送信時には、コイルから見て第二系統用選択回路５よりも後段に位置する素子／素子群における高周波磁場照射エネルギーの損失が抑制され、照射回路のＱ値が向上し、照射エネルギーを効率良くコイルに伝えることができる。

一方、受信時には、第一系統用選択回路４を遮断回路に設定し、第二系統用選択回路５を通過回路に設定するため、高周波磁場コイル１は第二系統時みなしコイル２３のように、２ターンのコイルとみなされる。よって、ＮＭＲ信号受信領域２４は図３に示してあるように２ターンコイルに囲まれた領域とその外側領域となり、照射磁場領域２２の中に含まれ、かつ、照射磁場強度の均一度が高い領域となる。

さらに、受信時には、コイルから見て第一系統用選択回路４よりも後段に位置する素子／素子群におけるＮＭＲ信号エネルギーの損失が抑制され、受信回路のＱ値が向上し、ＮＭＲ信号を受信機に効率良く伝えることができる。

照射磁場強度の均一度を高めるコイル形状については、巻きピッチを調整するなどの方法がある。巻きピッチの調整などで、例えば４ターン高さに相当する領域の照射磁場強度均一度を高めた後、本発明を適用することで、例えば３ターン高さに相当する、ＮＭＲ信号受信領域２４すべてで照射磁場強度均一度を高くすることができる。

本実施例のコイル形状を一本のワイヤーから作製する場合は、コイルと一組のリード線対は接続する必要がなく、一体物として作製することも可能である。一枚の箔から作製する場合は、図４に示すようなパターンを作製し、コイル部３１を巻き、コイル部３１と第一リード線対２および第二リード線対３との境界部を折り曲げることで高周波磁場コイル１の形状となる。

図５に選択回路の概略構成図を示した。主な構成要素はスイッチ４３、遮断回路４４、通過回路４５の３つである。コイル側端子４１にはコイルから引き出したリード線が接続され、通過回路側端子４２には同調整合回路が接続される。

スイッチ４３には、受動的スイッチと能動的スイッチがある。受動的スイッチには、例えばダイオードを利用したスイッチがあり、駆動電圧やスイッチタイミングを制御する信号などをスイッチング用線４６で伝える必要がある。能動的スイッチには、例えば超電導特性を活かしたものがあり、電流、磁界、温度特性を用いて、常伝導体と超電導体を切替えることで、スイッチ動作を行える。

図５には、遮断回路４４の一例として、並列共振回路を示した。並列共振回路を構成するインダクタンスとキャパシタンスの値から決まる共振周波数を、遮断したい周波数に設定することで、所望の周波数信号を遮断する回路となる。遮断回路の例としては、λ／４線も挙げられる。

図５においては、通過回路４５を普通のリード線としているが、必要に応じて、インダクタンスやキャパシタンスなどの素子／素子群を入れてもよい。

図６はＮＭＲ信号取得装置におけるプローブの概略図を示したものである。超電導磁石等の静磁場発生装置および静磁場補整装置により静磁場方向１０１の静磁場が作られる。上記した高周波磁場コイル１はプローブ１０２に搭載され、静磁場の中心付近に配置される。プローブ内に配置された同調整合回路１０３により、照射・受信系統は所定の周波数で共振するように調整される。計測コンソール１０４からパワーアンプ１０５で増幅された高周波信号がプローブ１０２に入力され、試料１０６に照射される。受信信号はプリアンプ１０７を介して計測コンソール１０４に伝えられる。プローブ内にはこの他にも傾斜磁場コイル群などが含まれる場合もあるが、図示を省略する。静磁場方向１０１の向きにより、プローブ長手方向は図６（ａ）に示す水平方向や、図６（ｂ）に示す鉛直方向になり得る。

図６では、図の簡略化のため、照射用コイルと受信用コイルとを別々に記載しているが、これは本発明を限定するものではない。図６では選択回路も省略した。

試料１０６が溶液の場合は溶液ＮＭＲ、固体の場合は固体ＮＭＲなどと表現されるが、本発明は溶液、固体の区別なく適用できる。

図７に別の実施例を示す。実施例１では、第一系統時みなしコイル２１が４ターン相当、第二系統時みなしコイル２３が２ターン相当であったが、本実施例は第二系統時みなしコイルを３ターン相当となるように、第二リード線対３を高周波磁場コイル１から引き出している。

このように、リード線対を引き出す位置を変化させることで、みなしコイルのターン数を所望のターン数に設定することができる。

図７では、第一系統と第二系統が高周波磁場コイル１を挟む形となっているが、プローブ実装時に図７のような配置が困難であれば、リード線を迂回させるなどして、高周波磁場コイル１の片側に配置してもよい。

実施例１では、第一系統を照射系統とし、第二系統を受信系統としていた。図８に示す本実施例では、さらに第三系統を追加し、第一系統や第二系統で用いた周波数と同一または異なる周波数の系統とした。

第三系統の構成要素は第三リード線対５１、第三系統用選択回路５２、第三系統用同調整合回路５３および第三系統用信号線５４である。第三系統は、照射のみ、受信のみ、照射かつ受信のいずれにも用いてよい。

このように第三系統、第四系統と増やすことが可能である。増やした系統に異なる周波数を割り当てることで、測定する原子核の種類を増やすことが可能となる。

実施例３に示すように、複数の周波数を取り扱う場合は、遮断回路も複数周波数に対応すべきである。遮断したい周波数が二種類の場合には、図９に示すように、並列共振回路を二段接続し、それぞれの共振周波数を遮断したい周波数となるようにＬとＣを設定すればよい。

実施例１ないし４では、高周波磁場コイル１がソレノイドコイルの場合を例に示した。本実施例では高周波磁場コイル１をサドルコイルとした。図１０のように構成すると、第一系統時みなしコイルが４ターン、第二系統時みなしコイルが２ターンであるサドルコイルとして利用可能である。

以上の実施例１ないし５では、選択回路を高周波磁場コイル１と同調・整合回路の間に配置した場合を示した。本実施例では選択回路を高周波磁場コイル１から見て同調・整合回路の後段に配置し、図１１に示すようにした。

この構成にすることで、選択回路を配置する領域の空間制限が緩やかになり、選択回路に印加される静磁場強度が小さくなることで、選択回路に使用する素子の仕様が緩やかになり、選択回路が作製しやすくなる。また、選択回路の個数も少なくなる。本実施例は実施例２ないし５の例にも適用できる。

高周波磁場照射用コイルの一部をＮＭＲ信号受信用コイルとした場合の一例を示す概略図。 照射時の構成を示した概略図。 ＮＭＲ信号受信時の構成を示した概略図。 一枚の箔からなる高周波磁場コイルの展開図。 選択回路の一例を示した概略図。 ＮＭＲ信号取得装置におけるプローブの基本構成を示した概略図。 高周波磁場照射用コイルの一部をＮＭＲ信号受信用コイルとした別の例を示す概略図。 高周波磁場照射用コイルの一部をＮＭＲ信号受信用コイルとした、さらに別の例を示す概略図。 選択回路の別の例を示した概略図。 高周波磁場コイル１をサドルコイルとした例を示す概略図。 択回路を高周波磁場コイルから見て同調・整合回路の後段に配置した例を示す概略図。

符号の説明

１…高周波磁場コイル、２…第一リード線対、３…第二リード線対、４…第一系統用選択回路、５…第二系統用選択回路、６…第一系統用同調整合回路、７…第二系統用同調整合回路、８…第一系統用信号線、９…第二系統用信号線、２１…第一系統時みなしコイル、２２…照射磁場領域、２３…第二系統時みなしコイル、２４…ＮＭＲ信号受信領域、３１…コイル部、４１…コイル側端子、４２…通過回路側端子、４３…スイッチ、４４…遮断回路、４５…通過回路、４６…スイッチング用線、５１…第三リード線対、５２…第三系統用選択回路、５３…第三系統用同調整合回路、５４…第三系統用信号線、１０１…静磁場方向、１０２…プローブ、１０３…同調整合回路、１０４…計測コンソール、１０５…パワーアンプ、１０６…試料、１０７…プリアンプ。

Claims (8)

1. 高周波磁場照射用コイルおよびＮＭＲ信号受信用コイルを有するＮＭＲ用プローブであ
   って、一本のワイヤーまたは一枚の箔からなるコイルの両端から第一リード線対が引き出され、該第一リード線対よりも中央寄りの前記コイルの途中から第二リード線対が引き出され、前記第一リード線対によって前記高周波磁場照射用コイルが形成され、前記第二リード線対によって前記ＮＭＲ信号受信用コイルが形成されていることを特徴とするＮＭＲ用プローブ。
2. 請求項１に記載のＮＭＲ用プローブにおいて、前記第二リード線対が前記コイルの巻き
   線中心から等距離あるいはほぼ等距離のところに設けられていることを特徴とするＮＭＲ
   用プローブ。
3. 請求項１に記載のＮＭＲ用プローブにおいて、前記第一リード線対を構成する二つのリ
   ード線にそれぞれ選択回路が接続され、その選択回路の後段に同調・整合回路が接続され
   、前記第二リード線対を形成する二つのリード線にそれぞれ選択回路が接続され、その選
   択回路の後段に同調・整合回路が接続され、前記選択回路が高周波電流の遮断回路または
   通過回路を高周波磁場照射時とＮＭＲ信号受信時に合わせて切替え可能であることを特徴
   とするＮＭＲ用プローブ。
4. 請求項１に記載のＮＭＲ用プローブにおいて、一本のワイヤーまたは一枚の箔からなる
   前記コイルの両端部に新たにコイルが追加され、その追加されたコイルの両端から第三リード線対が引き出され、この第三リード線対を構成する二つのリード線にそれぞれ選択回路が接続され、その選択回路の後段に同調・整合回路が接続されていることを特徴とするＮＭＲ用プローブ。
5. 請求項１に記載のＮＭＲ用プローブにおいて、前記高周波磁場照射用コイルにおけるコ
   イル両端および前記ＮＭＲ信号受信用コイルにおけるコイル両端にそれぞれ同調・整合回
   路が接続され、それぞれの前記同調・整合回路の後段に選択回路が接続され、前記選択回
   路が高周波電流の遮断回路または通過回路を高周波磁場照射時とＮＭＲ信号受信時に合わ
   せて切替え可能であることを特徴とするＮＭＲ用プローブ。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載のＮＭＲ用プローブにおいて、前記高周波磁場照
   射用コイルの照射周波数と前記ＮＭＲ信号受信用コイルの受信周波数とが一致あるいはほ
   ぼ一致することを特徴とするＮＭＲ用プローブ。
7. 請求項１から５のいずれか１項に記載のＮＭＲ用プローブにおいて、前記高周波磁場照
   射用コイルの照射周波数と前記ＮＭＲ信号受信用コイルの受信周波数とが異なることを特
   徴とするＮＭＲ用プローブ。
8. 請求項１から５のいずれか１項に記載のＮＭＲ用プローブにおいて、一本のワイヤーま
   たは一枚の箔からなる前記高周波磁場照射用コイルがソレノイドコイルまたはサドルコイルよりなることを特徴とするＮＭＲ用プローブ。

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