JP2008058315A - 試料チップを挿入するスロットを備えた傾斜磁場チップを有するnmrプローブ構成部材及びnmr分光計 - Google Patents

試料チップを挿入するスロットを備えた傾斜磁場チップを有するnmrプローブ構成部材及びnmr分光計 Download PDF

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Abstract

【課題】RFコイルと傾斜磁場システムとの良好な位置合せを可能にするNMRプローブ構成部材を提供する。
【解決手段】核磁気共鳴プローブ構成部材は、2つの外面(12a、13a)の夫々に3つのマイクロ機械加工された平らな部分傾斜磁場コイル(10a〜10f)を担持した基板厚さdgcが3mm以下のマイクロ製造された平らな傾斜磁場チップ1であって、傾斜磁場チップ1の部分傾斜磁場コイルと、マイクロ製造された平らなRFコイル21を有し、NMR試料を試料位置に担持するための試料チップ2とを備え、傾斜磁場チップ1が、2つの外面(12a、13a)間に中央案内/位置決めスロット15を有し、試料チップが、測定位置において試料位置が傾斜磁場システムの中心と一致するように、試料チップが中央案内/位置決めスロット15の中に正確に嵌まり、RFコイルと傾斜磁場チップとの良好な位置合せが出来る。
【選択図】図6

Description

本発明は、小試料用のNMRプローブ構成部材に関する。このようなNMRプローブ構成部材は米国特許第5416414号明細書で知られている。
核磁気共鳴画像化は、試料の体積を画像化する非破壊法である。マイクロコイル(microcoil)磁気共鳴画像化(例えば、D.A.Seeber他、「Rev.Sci.instrum」、2000年、第71巻、第11号、p4263〜4272参照)は、空間寸法が約100μmである小さな試料、例えば生体組織試料を調べるために使用される。
NMR画像化では、強い静磁場の中に試料が置かれ、この試料に高周波(RF)パルスが当てられる。次いで、励起されたその試料によって生成されたRF信号が記録される。空間コード化を可能にするため、この静磁場に傾斜磁場が重ね合わされる。良好な空間分解能を達成するためには、試料位置において大きな磁場勾配が必要である。
Bruker Biospin AG社の小冊子「Surface microcoils for MR imaging」(スイス、Fallanden、2006年)では、RFマイクロコイルと共にガラスチップ上に試料ウェルを提供することが知られている。このガラスチップは、NMRプローブの交換可能な挿入部に取り付けられる。
米国特許第5416414号明細書では、一体型のRFコイルを有するスライドの2枚のカバーガラス間に試料を置くことが知られている。このスライドは、NMRプローブの一部分であり、傾斜磁場コイルシステムを含むNMR装置の中に置かれるプラスチックホルダに収容される。
米国特許第5416414号明細書 D.A.Seeber他、「Rev.Sci.instrum」、2000年、第71巻、第11号、p4263−4272 「Surface microcoils for MR imaging」、Bruker Biospin AG、(スイス、Fallanden)、2006年
この後者のNMRプローブ構成部材の概念は、画像化において達成可能な空間分解能が幾つかの試料タイプに対して不十分であるという点で不利である。また、RFコイルと傾斜磁場との位置合せが精確でない可能性がある。
本発明の目的は、NMRプローブ構成部材、特に小試料のNMR画像化用のNMRプローブ構成部材であって、改良された空間分解能での画像化を実行することができ、RFコイルと傾斜磁場システムとの良好な位置合せを可能にするNMRプローブ構成部材を提供することにある。
この目的は、本発明に従い、
−2つの外面の夫々に3つのマイクロ機械加工された(micromachined)平らな部分傾斜磁場コイルを担持する、基板厚さdgcが3mm以下のマイクロ製造された(microfabricated)平らな傾斜磁場チップであって、該傾斜磁場チップの部分傾斜磁場コイルが3次元傾斜磁場システムを形成する傾斜磁場チップと、
−マイクロ製造された平らなRFコイルを有し、NMR試料を試料位置に担持するための試料チップとを備え、
傾斜磁場チップは、2つの外面間に中央ガイド/位置決めスロットを有し、
試料チップは、測定位置において試料位置が傾斜磁場システムの中心と一致するように、中央ガイド/位置決めスロットの中に正確に嵌まる核磁気共鳴(NMR)プローブ構成部材によって達成される。
本発明の基本的な着想は、その中に試料チップを容易に、かつ高い精度で挿入することができる傾斜磁場チップを提供することである。この傾斜磁場チップは傾斜磁場コイルシステムを担持する。傾斜磁場チップの中に試料チップが配置されたとき、傾斜磁場システムは常に、試料チップ上に位置するRFコイルとよく整列する。さらに、傾斜磁場システムは非常にコンパクトで、試料チップ上の試料位置に近く、このことは、試料位置における非常に高い勾配強度(一般に>10T/m)を可能にし、したがって優れた空間分解能を可能にする。一般的な試料チップの厚さdscは1mm以下である。試料は、試料位置に試料を担持した試料チップを交換することによって非常に簡単に取り替えることができる。これらの傾斜磁場チップ及び試料チップは、精密なフォトリソグラフィプロセスによって製造することができる。
本発明のNMRプローブ構成部材の好ましい一実施形態では、傾斜磁場チップが少なくとも部分的に、熱伝導率が75W/(mK)以上の材料からなり、特に、傾斜磁場チップが少なくとも部分的にシリコンから成る。また、傾斜磁場チップの少なくとも半分が、熱伝導率が75W/(mK)以上の材料からなることが好ましい。このことは、傾斜磁場コイル導体内での抵抗損失によって生成された熱を吸収することによって、試料及び傾斜磁場ホルダの加熱を最小限に抑える。
傾斜磁場チップが、2つの外基板、特にシリコンの2つの外基板と、中間基板、特にガラスの中間基板とを含む実施形態がさらに好ましい。この設計は、傾斜磁場チップの製造、特に中央ガイド/位置決めスロットの製造を単純にする。中間基板と外基板の間の接合を容易にするために、中間基板は、外基板の材料とは異なる材料からなることが好ましい。しかし、同一の材料の基板間(シリコンとシリコンなど)の十分な接合が実現可能な場合には、傾斜磁場チップを2つの外基板だけから製作することも可能である。
好ましい一実施形態では、スロットが、試料チップがスロットの中にある場合に3つの側面で試料チップに接する2つの対向するガイド溝を有し、スロットがさらに、試料チップがスロットの中にある場合に試料チップの試料位置に面し、試料チップを取り囲む試料溝を有する。この単純な設計は、良好な位置決め精度及び容易な取扱いを保証する。
この実施形態の有利な他の発展形態では、試料チップの挿入方向に垂直な断面において、スロットが実質的にT字形である。このT字形スロットの側部を使用して、試料チップを導くことができ、T字形スロットの中心部は、試料位置又は試料、例えば試料ウェルを収容するのによく適している。このT字形の形状は製作が特に単純である。
特に好ましい一実施形態では、傾斜磁場システムが、10T/m以上、特に50T/m以上の磁場勾配を生み出すように適合されている。部分傾斜磁場コイルを担持した傾斜磁場チップの2つの外面間の約3mm以下である小さな距離のため、このような高い勾配強度が簡単に使用可能である。高い勾配強度は、試料のNMR画像化の際に優れた空間分解能を可能にする。一般にこの実施形態ではさらに、傾斜磁場システムが、10A以上又は50A以上の高い傾斜磁場電流でさえも伝えるように適合されることに留意されたい。
試料チップが、プローブに誘導又は容量結合するための結合手段を有する実施形態がさらに好ましい。ワイヤなどの電気コンタクトが不要となり、このことは試料チップの交換を単純にする。
この実施形態の他の発展形態では、結合手段が、RFコイルから分離されたマイクロ機械加工された平らな結合コイルを有する。これは、実証された結合の単純な実現である。一般に、結合コイル領域はRFコイル領域よりも大きい(すなわち結合コイルはRFコイルよりも大きい)。
本発明のNMRプローブ構成部材の他の好ましい実施形態は、傾斜磁場チップの外面が、傾斜磁場コイルの一部分を受け入れるエッチングされた溝を有し、エッチングされた溝の中に、傾斜磁場コイルの導電部が付着されていることを特徴とする。この方法によって、傾斜磁場コイルワイヤ内での抵抗損失によって生成された熱が非常に効率的に除去される。
他の有利な実施形態では、試料チップが試料ウェルを有する。この試料ウェルは、液体試料を収容するのによく適している。
NMR分光計のプローブヘッドに試料チップを供給する自動試料チップ取扱システムを備え、上述の本発明のNMRプローブ構成部材を備えるNMR分光計も本発明の範囲に含まれる。スロットを有する傾斜磁場チップは、特に試料チップを自動的に配置するときに、試料チップの精密な位置決めを可能にする。そのため、本発明によって、特により良好な空間分解能を得るために、自動試料調査を改良することができる。
本発明のNMR分光計の好ましい一実施形態では、試料チップ取扱いシステムが、加圧された気体、特に空気又はN2又は希ガスに基づいて試料チップを移動させる気体輸送手段を有する。これは、試料チップを輸送する穏やかな方法である。加圧された気体を用いて試料チップを取り扱うときには、傾斜磁場チップ内に気体流路を提供することができることに留意すべきである。
非常に好ましい他の実施形態では、このNMR分光計が、1mm以下の試料の磁気共鳴画像化(MRI)に対して適合されている。さらに、本発明によって達成可能な精度及び高い空間分解能は特に有用である。
この説明及び添付図面から追加の利点を引き出すことができる。上記及び下記の特徴は、本発明に従って、個別に又は任意の組合せで集合的に用いることができる。記載された実施形態は、網羅的な列挙として理解すべきではなく、むしろ、本発明の説明の例示としての性格を持つものと理解すべきである。
図1は、拡散によるNMR信号の減衰を示す図である。図中に示される減衰率Aは、純水試料と周波数コード化法とに対して計算され、夫々勾配強度2T/m(商業的に使用可能な強度)及び40T/mについて、空間分解能Δrの関数としてプロットされたものである。商業的に使用可能な勾配強度2T/mでは、5μm未満の分解能に関して、信号は強く減衰することに留意すべきである。3μm程度の空間分解能を達成するためには、少なくとも10T/mの勾配強度が必要であると結論付けることができる。
図2は、z方向に沿った直線磁場勾配を生み出すための一般的なコイル配置を示す。この配置は現状技術で知られているが、本発明で使用するのにも適している。大きな勾配強度を生み出すためには、部分コイル間の距離gが小さくなければならない(図3参照)。
図3には、部分傾斜磁場コイルの距離(又はギャップ(gap))の逆数1/g(図2参照)の関数としてのz勾配強度Gが示されている。
図2の傾斜磁場コイル配置内の最大電流を約60Aと仮定すると、10T/mよりも大きな勾配強度を達成するためには、部分コイル間の距離又はギャップgが3mm以下でなければならないことが分かる。
図4は、ギャップが1.5mmの図2のコイル配置について、z勾配強度∂をz方向の位置関数として示す。この配置は、中心から+/−0.2mmの距離に亘って比較的一定な0,71T/m/Aの勾配強度を生み出す。最大電流を約60Aと仮定すると、勾配強度は42T/Aという高いものになる。
図5は、一般的な傾斜磁場パルスのために傾斜磁場コイルワイヤを流れる電流によって引き起こされた爆発的発熱後の異なる基板材料、すなわちシリコン及びガラスの温度上昇を示す。基板ごとに、2つの時点が示されている(加熱後10μ秒及び100μ秒)。ガラスよりもはるかに良好な熱伝導率を有するシリコンでは、熱は、ガラスよりもはるかに速く吸収され、そのため最高温度は大幅に低減される(対数目盛であることに留意すべきである)。
図6は、本発明のNMRプローブ構成部材の概略断面図を示す。この断面図は、傾斜磁場チップ1の中へ試料チップ2を挿入する方向で記載されており、試料チップ2は測定位置にある。
マイクロ製造された平らな傾斜磁場チップ1は、シリコン製の上外基板12と、同じくシリコン製の下外基板13と、Pyrexガラス製の中間基板14とを含む。各基板12,13,14の厚さt1,t2,t3は約0.5mmであり、したがってx方向の傾斜磁場チップの厚さdgcは約1.5mmである。上外基板12の外面12aは、3つのマイクロ機械加工された平らな部分傾斜磁場コイル10a,10b,10cのセットを担持する。図6の断面図では、そのうちの対称な数本のワイヤしか見えていないことに留意すべきある。さらに、下外基板13の外面13aは、3つのマイクロ機械加工された平らな部分傾斜磁場コイル10d,10e,10fのセットを担持する。全ての部分傾斜磁場コイル10a〜10fは一体として、3次元直交傾斜磁場システムを形成する(方向x、yは図6に示されており、z方向は、図6の平面に対して垂直である)。
傾斜磁場チップ1の中には、中央ガイド/位置決めスロット15がある。このスロット15の中に試料チップ2が置かれている。試料チップ2はPyrexガラス製の基板を有する。試料チップ2の側部は、対向する2つのガイド溝16a,16bによって、スロット15の中に断面の3つの側(上、横、下)から密接したまま導かれ、これにより試料チップ2が堅固で精密に固定される。より詳細には、試料チップ2の基板の領域における試料チップ2のy方向の幅は、ガイド溝16a,16bの領域におけるスロット15のy方向の幅に一致する。試料チップ2の基板の領域における試料チップ2のx方向の高さは、ガイド溝16a,16bの領域におけるスロット15のx方向の高さに一致する。
スロット15はさらに、試料のための空間を以下のように与える試料溝17を有する。すなわち、試料チップ2の上面には、カバーガラス22aによって覆われた試料ウェル22がある。試料ウェル22の内部が試料位置を画定し、試料ウェル22の中には液体試料がある(図6では見えない)。このように、試料溝17は試料ウェル22、したがって試料を取り囲み、挿入時の試料の損傷を防ぐために、試料ウェル22とスロット15の壁との間に若干の空間を残す。
試料ウェル22の中には、試料チップ2の表面に位置して、マイクロ製造された平らなRFコイル21がある。RFコイル21、したがってNMR画像化中に情報が集められる位置は、傾斜磁場コイル10a〜10fによって形成された傾斜磁場システムの中心にある。
図7は、傾斜磁場チップ1と方向71に挿入する前の試料チップ2とを含む本発明の他のNMRプローブ構成部材を概略的に示す。
傾斜磁場チップ1は、上外基板12、下外基板13及び中間基板14を有する。これらの基板12,13,14は1つに接着されている。傾斜磁場チップ1は、断面が略T字形のスロット15を有し、図7ではそのT字が下向きである。
「T」字の側部は試料チップ2のガイド溝16a,16bを形成し、試料チップ2は、ガイド溝16a,16bの中にぴったりとはまる。「T」字の中心部分は、試料チップ2上に位置する試料ウェル22を挿入時に収容するのに十分な大きさの試料溝17を形成する。挿入方向については矢印71を参照されたい。
試料ウェル22の中にはRFコイル21がある。RFコイル21は、同じく試料チップ2上にマイクロ機械加工された結合コイル72に接続されている。RFコイル21の共鳴周波数を関心のNMR周波数に調整するためのコンデンサ73が試料チップ2上に取り付けられている。この同調コンデンサ73は、試料チップ2上に直接的にマイクロ機械加工することも可能であることに留意されたい。傾斜磁場チップ1の上面及び下面には傾斜磁場コイルシステムがあるが、簡単にするため、図7には、1つの部分傾斜磁場コイル10aしか示されていない。
x方向の傾斜磁場チップ1の一般的な厚さdgcは約1.5〜3.0mmである。基板領域における試料チップ2の一般的な厚さdscは約0.5〜1.0mmである。x方向の試料ウェル22の一般的な高さは約0.3〜0.5mmであり、その直径は一般に約3〜5mmである。
図8は、本発明のNMRプローブ構成部材の傾斜磁場チップ1の上基板12のカットアウト(cut‐out)図を示す。傾斜磁場チップ1の外面12aには、傾斜磁場コイル10a〜10cの一部分を受け入れるエッチングされた溝を有する。一例として、このエッチングされた溝の中に付着させた傾斜磁場コイル10aの導電部が示されている。導電部は、例えば20μmから100μmまでの高さh1及び例えば50μmから200μmまでの幅w1を有することが可能であり、銅からなることが好ましい。
図9は、本発明のNMRプローブ構成部材を含むプローブヘッド91に試料チップ2を供給する自動試料チップ取扱いシステム94を含む本発明のNMR分光計92を概略的に示す。自動試料チップ取扱システム94によって、測定対象の数枚の試料チップ2がチップホルダ95の中に格納され、超伝導磁石93の内穴の中へ輸送され、次いで傾斜磁場チップ1に挿入される。ここでは自動試料チップ取扱システム94が、ガイドレール上をモータ操作/電子制御方式でy及びz方向に移動することができる把持部96を有する。
2段階の勾配強度について、拡散によるNMR信号の減衰を空間分解能の関数として示す図である。 距離gの2つの部分コイルを有する、z勾配を生み出す傾斜磁場コイル配置の概略斜視図である。 図2に示されたコイル配置の部分z傾斜磁場コイルの距離の逆数1/gの関数として勾配強度を示す図である。 ギャップgが1.5mmの図2に示されたコイル配置のz傾斜磁場のプロファイルを示す図である。 局所加熱にさらされた基板の加熱後のさまざまな時点における温度分布を、加熱位置からの距離の関数として示す図である。 試料チップが測定位置に挿入された、本発明のNMRプローブ構成部材の概略断面図である。 挿入準備ができた試料チップが傾斜磁場チップの前に位置する、本発明の他のNMRプローブ構成部材の概略斜視図である。 本発明のNMRプローブ構成部材の傾斜磁場チップの上基板の概略カットアウト図であり、エッチングされた溝の中に傾斜磁場コイルワイヤが付着されている。 本発明のNMRプローブ構成部材を含むプローブヘッドに試料チップを供給する自動試料チップ取扱システムを備えたNMR分光計を概略的に示す図である。
符号の説明
1 傾斜磁場チップ
2 試料チップ
10a 部分傾斜磁場コイル
10b 部分傾斜磁場コイル
10c 部分傾斜磁場コイル
10d 部分傾斜磁場コイル
10e 部分傾斜磁場コイル
10f 部分傾斜磁場コイル
12 上外基板
12a 上外基板の外面
13 下外基板
13a 下外基板の外面
14 中間基板
15 中央ガイド/位置決めスロット
16a ガイド溝
16b ガイド溝
17 試料溝
21 RFコイル
22 試料ウェル
22a カバーガラス
72 結合コイル
73 同調コンデンサ
91 プローブヘッド
92 NMR分光計
93 超伝導磁石
94 自動試料チップ取扱システム
95 チップホルダ
96 把持部

Claims (13)

  1. 2つの外面(12a,13a)の夫々に3つのマイクロ機械加工された平らな部分傾斜磁場コイル(10a〜10f)を担持する、基板厚さdgcが3mm以下のマイクロ製造された平らな傾斜磁場チップ(1)であって、該傾斜磁場チップ(1)の前記部分傾斜磁場コイル(10a〜10f)が3次元傾斜磁場システムを形成する傾斜磁場チップ(1)と、
    マイクロ製造された平らなRFコイル(21)を有し、NMR試料を試料位置に担持するための試料チップ(2)とを備え、
    前記傾斜磁場チップ(1)は、前記2つの外面(12a,13a)間に中央ガイド/位置決めスロット(15)を有し、
    前記試料チップ(2)は、測定位置において前記試料位置が前記傾斜磁場システムの中心と一致するように、前記中央案内/位置決めスロット(15)の中に正確に嵌まることを特徴とする核磁気共鳴(NMR)プローブ構成部材。
  2. 前記傾斜磁場チップ(1)は、少なくとも部分的に、熱伝導率が75W/(mK)以上である材料からなり、特に、前記傾斜磁場チップ(1)が少なくとも部分的にシリコンから成ることを特徴とする請求項1記載のNMRプローブ構成部材。
  3. 前記傾斜磁場チップ(1)は、2つの外基板(12,13)、特にシリコンの2つの外基板(12,13)と、中間基板(14)、特にガラスの中間基板(14)とを有することを特徴とする請求項1又は2記載のNMRプローブ構成部材。
  4. 前記スロット(15)は、前記試料チップ(1)が前記スロット(15)の中にある場合に3つの側面で前記試料チップ(2)に接する2つの対向するガイド溝(16a,16b)を有し、前記スロット(15)がさらに、前記試料チップ(2)が前記スロット(15)の中にある場合に前記試料チップ(2)の前記試料位置に面し、前記試料チップ(2)を取り囲む試料溝(17)を有することを特徴とする、請求項1乃至3のいずれか1項に記載のNMRプローブ構成部材。
  5. 前記スロット(15)は、前記試料チップ(2)の挿入方向(71)に垂直な断面において実質的にT字形であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のNMRプローブ構成部材。
  6. 前記傾斜磁場システムは、10T/m以上、特に50T/m以上の磁場勾配を生み出すように適合されることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のNMRプローブ構成部材。
  7. 前記試料チップ(2)は、プローブに誘導又は容量結合するための結合手段を有することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載のNMRプローブ構成部材。
  8. 前記結合手段は、前記RFコイル(21)から分離されたマイクロ機械加工された平らな結合コイル(72)を有することを特徴とする請求項7記載のNMRプローブ構成部材。
  9. 前記傾斜磁場チップ(1)の前記外面(12a,13a)は、前記傾斜磁場コイル(10a〜10f)の一部分を受け入れるエッチングされた溝を有し、前記エッチングされた溝の中に、前記傾斜磁場コイル(10a〜10f)の導電部が付着されることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載のNMRプローブ構成部材。
  10. 前記試料チップ(2)が試料ウェル(22)を有することを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載のNMRプローブ構成部材。
  11. NMR分光計(92)のプローブヘッド(91)に試料チップ(2)を供給する自動試料チップ取扱システム(94)を備え、請求項1乃至10のいずれか1項に記載のNMRプローブ構成部材を備えることを特徴とするNMR分光計(92)。
  12. 前記試料チップ取扱システム(94)は、加圧された気体、特に空気又はN2又は希ガスに基づいて前記試料チップ(2)を移動させる気体輸送手段を有することを特徴とする請求項11記載のNMR分光計(92)。
  13. 1mm以下の試料の磁気共鳴画像化(MRI)に対して適合されることを特徴とする請求項11又は12記載のNMR分光計(92)。
JP2007224517A 2006-08-31 2007-08-30 試料チップを挿入するスロットを備えた傾斜磁場チップを有するnmrプローブ構成部材及びnmr分光計 Expired - Fee Related JP4901649B2 (ja)

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