JP2008122203A - 核磁気共鳴装置およびその操作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＭＲ装置の感度を低下させることなく実験核送受信信号とロック核送受信信号間の干渉を低減すると共に、試料の温度安定度に関する要求を緩和させる。
【解決手段】磁石、プローブ、交流電気信号送信システム、低ノイズ増幅器、プローブの中に配置された１つ以上のプローブコイル、プローブコイルの一つと接続された同調回路、同調回路と前記交流電気信号送信システム及び前記低ノイズ増幅器を接続する送受スイッチング回路、前記低ノイズ増幅器と接続された検波器、前記磁石と前記プローブとの間に配置されたロックコイル、前記ロックコイルに電流を供給するロック電源、前記ロック電源が供給する電流量を制御するロック制御器を備えた核磁気共鳴装置において、前記低ノイズ増幅器と前記同調回路と前記送受スイッチング回路を単一にして、観測する原子核から検出される信号の一部周波数成分の信号を前記ロック制御器の入力とする。
【選択図】図１

Description

本発明は核磁気共鳴装置とその操作方法に関する。

核磁気共鳴装置（Ｎｕｃｌｅａｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ装置。以下、ＮＭＲ装置という）は、磁石の中に置かれた試料に交流磁場を照射し、試料中の実験対象分子（以下、実験分子という）を構成する原子核スピンの状態を変化させて、原子核スピンの応答である自由誘導減衰信号（Ｆｒｅｅ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｄｅｃａｙ信号。以下、ＦＩＤ信号という）を検出する装置である。ＦＩＤ信号は減衰時定数Ｔｄを持って指数関数的に減衰する。交流磁場の照射とＦＩＤ信号の検出は試料近傍に配置した一つ若しくは複数のプローブコイルにより行われる。ＮＭＲ装置が検出する前記ＦＩＤ信号の分解能は磁石の磁場が持つ空間的均一度および時間的安定度に依存する。そのため、磁場均一度調整（シミング）の方法および装置、磁場安定度制御（ロック）の方法および装置は重要である。

従来技術は、例えば特許文献１と特許文献２に記載の如く、ＮＭＲ装置の実験対象核（例えば、水素核。以下、実験核という）とは共鳴周波数が数十〜数百ＭＨｚ異なるロック用核（例えば、重水素核。以下、ロック核という）を含むロック用物質を試料の中に入れ、ロック用物質に対し上記の如くＮＭＲ測定を行っている。そして、検出したＦＩＤ信号から測定時点でロック用核が持った共鳴周波数Ｆｒを求め、Ｆｒと予め決めていた希望共鳴周波数Ｆ０の差が０になるように磁石の磁場強度もしくはＮＭＲ装置の基準周波数を変えることで、ロックを達成した。ロック核に交流磁場を照射しＦＩＤ信号を検出するためには、非特許文献１に記載されているように、観測核用コイルをダブル・チューニング（２重同調）して用いる必要がある。特許文献３には２重同調回路の一例が記載されている。

２重同調回路を用い、試料の近傍に配置した１つのプローブコイルを実験核のＮＭＲ測定と共用する従来のロック技術において、実験核への送受信信号とロック核への送受信信号が共に通る２重同調回路からプローブコイルまでの回路では、実験核およびロック核との送受信信号間で干渉が生じやすい。実験核送受信信号とロック核送受信信号間に干渉が生じると、プローブコイルの共振特性を示すＱ値の低下、実験核のＦＩＤ信号やロック核のＦＩＤ信号に望ましくない変調の発生、実験核用およびロック核用受信回路のアンプが飽和するなどの好ましくない現象が現われる。この干渉を低減するために多数の技術が考案されており、特許文献３はその一例である。特許文献３によれば、送受信信号の振幅が最大になる位置に、一段を開放し、外部導体の両端を接地したｎ／４波長同軸共振器（ただし、ｎは正の奇数）を設けることで、電気的干渉を防ぐことができるとする。

非特許文献２によれば、ロック核として重水核を用いる場合、特にタンパク質など生体高分子を対象にするＮＭＲ測定において、測定対象の温度を設定温度に対し０．０５度Ｋの範囲内に維持する必要がある。タンパク質など生体高分子に対するＮＭＲ測定では重水素を含む重水を溶媒中に入れロックに用いることが多いが、重水中の重水素が持つ共鳴周波数は温度に対し１０ｐｐｂ／Ｋのシフトを示すため、測定対象の温度が例えば０．１度Ｋ変動すると重水素の共鳴周波数が１ｐｐｂ変化してしまう。ロックではこの変動が０になるように磁場を制御するため、結果として磁場に１ｐｐｂの誤差が生じることになる。従って、ロックのためには測定対象の温度を一定範囲内に維持しなければならないとされる。

特許第２５０４６６６号公報 米国特許第４１９３０２４号明細書 特開２００６−２１４８４３号公報 荒田洋治、「ＮＭＲの書」、丸善株式会社、２０００年 Ｇ．Ｗｉｄｅｒ，"Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ＮＭＲ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｗｉｔｈ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ ａｎｄ ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｆ ｈｙｄｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｏｌｕｔｉｏｎ"，Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，ｖｏｌ．３２，ｐ２２１〜２２３，１９９８

しかし、干渉を低減するために回路素子が増えれば、信号減衰が大きくなりＮＭＲ装置の感度を低下させてしまう。従って、従来技術において、ＮＭＲ装置の感度を低下させることなく前記干渉を低減することは、不可能ではないとしても、極めて困難であった。

また、従来のロック技術は、生体高分子を実験分子としたＮＭＲ測定において、試料の温度を設定温度に対し０．０５度Ｋの範囲内に制御することが求められる。温度をこの精度で制御することはＮＭＲ装置の温度制御性能を改善することだけでは達成できないため、ＮＭＲ装置を設置する施設の空調設備を増設することが要求され、０．０５度Ｋ以内と言った温度安定性の要求はＮＭＲ装置を導入するユーザーの負担であった。

本発明の目的は、ＮＭＲ装置の感度を低下させることなく実験核送受信信号とロック核送受信信号間の干渉を低減することと、試料の温度安定度に関する要求を緩和させることにある。

本発明は、磁石と、磁石に挿入されその中に試料空間を有するプローブと、交流電気信号を出力する送信システムと、電気信号を増幅する低ノイズ増幅器と、プローブの中に前記試料空間を囲む形で配置された一つ若しくは複数のプローブコイルと、前記プローブコイルの一つと電気的に接続され該プローブコイルの共振周波数を観測しようとする原子核の核磁気共鳴信号の周波数に同調すると共に該プローブコイルの入力インピーダンスを調整する同調回路と、前記同調回路と前記送信システム若しくは前記同調回路と前記低ノイズ増幅器を電気的に接続する送受スイッチング回路と、前記低ノイズ増幅器と電気的に接続された検波器と、前記磁石と前記プローブとの間に配置されたロックコイルと、前記ロックコイルと電気的に接続され電流を供給するロック電源と、前記ロック電源が前記ロックコイルに供給する電流量を制御するロック制御器とを備えた核磁気共鳴装置において、前記低ノイズ増幅器と、前記同調回路と、前記送受スイッチング回路を単一にして、観測しようとする原子核から検出される信号の一部周波数成分の信号を前記ロック制御器の入力とすることを主要な特徴とする。

また、本発明は、前記した構成を有する核磁気共鳴装置に試料を挿入し、試料中の分析しようとする分子に含まれた観測しようとする原子核に由来する核磁気共鳴信号を取得する核磁気共鳴装置操作方法において、前記低ノイズ増幅器と、前記同調回路と、前記送受スイッチング回路を単一にして、観測しようとする原子核から検出される信号の一部周波数成分の信号を前記ロック制御器の入力とすることを主要な特徴とする。

本発明では、実験核と同じ核種のロック核を使うため、ＮＭＲ装置の感度を低下させることなく実験核送受信信号とロック核送受信信号間の前記干渉が解消される。また、タンパク質など生体高分子に対するＮＭＲ測定においても、実験核と同じ核種のロック核を使うため、試料の温度安定度に関する要求が緩和される。

ロック核及び実験核として同じ核種を用い、ロック分子に実験分子と異なる分子を用いることで、ロック専用の送信システムや受信回路を大幅に低減しながら、ＮＭＲ装置の感度を低下させることなく実験核送受信信号とロック核送受信信号間の前記干渉を低減すると共に、試料の温度安定度に関する要求を緩和させることができた。以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する、ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

図１は実施例の構成を示すブロック図である。試料１は実験分子とロック分子を溶媒とともに試験管に入れたものである。実験分子と実験核は例えばエチルベンゼンとその水素核を用い、ロック分子は例えばＮＭＲスペクトルの周波数基準として一般的に用いられるＴＭＳ（ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌｓｉｌａｎｅ）を用いる。試料１は磁石２中に挿入されたプローブ３の試料挿入空間４に配置される。プローブ３の内部空間は分離壁５で試料挿入空間４から分離され、分離壁５を囲む形で実験核用プローブコイル６が配置される。非特許文献１に開示された従来技術の実験核用プローブコイルがロック核用に兼用されているのに対し、実験核をロック核として用いる本発明ではプローブコイルが実験核専用に設計され実装される。プローブの種類によっては実験核用プローブコイル６の周辺に更にデカップリング用プローブコイルを配置することもあるが、本発明を単純に拡張することで以下説明する効果を同様に得ることができるため、デカップリング用プローブコイルを備えた構成に関する説明は省略する。また、実験核への交流磁場照射と実験核からのＦＩＤ信号検出に異なるプローブコイルを用いる構成も可能であり、この構成でも本発明を単純に拡張することで対応できるため、別途の説明を省略する。

実験核用プローブコイル６は同調回路７に接続される。同調回路７は、実験核用プローブコイル６の共鳴周波数をユーザーが設定する同調周波数に同調させると共に、前記同調周波数における実験核用プローブコイル６のインピーダンスをユーザーが設定する特定インピーダンスに整合させる。前記同調周波数は例えば実験分子が発するＦＩＤ信号のスペクトルの中心周波数であり、前記特定インピーダンスは例えば５０Ωである。ロックに関する例えば特許文献１〜３の従来技術では、同調回路７で同調させる周波数が実験核の共鳴周波数とロック核の共鳴周波数の２つであったのに比べ、本発明の同調回路７は１つの周波数に同調させるだけで済むため、同調回路は単純で少ない素子で実現できる。同調回路を単純にすることで、回路損失が減りＮＭＲ装置の感度が向上される。また、実験核とロック核の区別がないため、実験核送受信信号とロック核送受信信号間の干渉も解消される。

同調回路７は、プローブケーブル８を介し、送受スイッチング回路９に接続される。送受スイッチング回路９にはまた制御信号ケーブル１０、送信信号ケーブル１１、受信信号ケーブル１２が接続される。送受スイッチング回路９は、制御信号ケーブル１０から入力される信号電圧がしきい値以上なら送信モードになり、送信信号ケーブル１１から入力される信号をプローブケーブル８に出力する。制御信号ケーブル１０から入力される信号電圧がしきい値より低い時に、送受スイッチング回路９は受信モードになり、プローブケーブル８から入力される信号を受信信号ケーブル１２に出力する。

送信システム１３が出力する交流電気信号は、送信信号ケーブル１１、送受スイッチング回路９、プローブケーブル８、同調回路７を経由し実験核用プローブコイル６に送られ、そのプローブコイルに流れる電流を変化させる。実験核用プローブコイル６で変化する電流は試料１の周辺に交流磁場を発生させ、試料１中の実験分子およびロック分子に含まれた実験核の核スピン状態を変化させる。送信される交流電気信号はパルス変調された複数のパルスからなり、その中心周波数Ｆ＿ＲＦは実験核の共鳴周波数若しくはその近傍の数ＭＨｚ以内の値である。一般的に交流電気信号にはパルス変調の他に、目的とする実験核の核スピン状態の変化を達成するために振幅変調、周波数変調、位相変調など種々の変調を施す。交流電気信号を構成する複数のパルス間のタイミングとその変調内容を合わせてパルスシーケンスと称す。本発明はロック分子中の実験核と実験分子中の実験核を異なる核スピン状態に変化させるため、周波数選択的パルスを用いる。

図２に、周波数選択的パルスの一例として文献「Ｒ．Ｆｒｅｅｍａｎ，“Ｓｈａｐｅｄ ｒａｄｉｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｐｕｌｓｅｓ ｉｎ ｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ＮＭＲ”，Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，ｖｏｌ．３２，ｐ．５９〜１０６，１９９８．」に開示されているＥ−ＢＵＲＰ−１パルスを示す。図２（ａ）の横軸は時間、縦軸は振幅を示す。振幅が縦軸の中心線より下に現れている部分は、位相を１８０度反転させることを指す。送信する交流電気信号の振幅と位相を図２（ａ）の如く変調すると、図２（ｂ）の如く周波数選択的に核スピンを励起させることができる。図２（ｂ）の横軸は共鳴周波数を、縦軸は励起の度合を示す。実線と破線は各々吸収モードと分散モードと呼ばれる信号の励起を示す。図２（ｂ）の中央部にある周波数選択的に励起された部分の周波数幅は、図２（ａ）に示した周波数選択的パルスの時間幅により決まる。例えば、図２（ａ）に示したパルスの全体横幅が１０ｍ秒であれば、図２（ｂ）の全体横幅は２０００Ｈｚとなり、周波数選択的に励起される領域の幅は約６００Ｈｚとなる。

受信ケーブル１２は低ノイズ増幅器１５に接続される。低ノイズ増幅器１５は実験核用プローブコイル６で検出されたＦＩＤ信号を増幅し、ケーブル１６を通じて増幅されたＦＩＤ信号を中間周波数変換回路１８に出力する。中間周波数変換回路１８は増幅されたＦＩＤと送信システム１３から入力される周波数Ｆ＿ＬＯの局部発信信号１９を乗算し、フィルタリングし中間周波数に変換された中間周波数ＦＩＤ信号２０を出力する。中間周波数ＦＩＤ信号２０において、実験分子から検出した中心周波数Ｆ＿ＲＦのＦＩＤ信号はＮＭＲ装置で決まっている中間周波数Ｆ＿ＩＦを中心周波数として持つ。Ｆ＿ＲＦは実験核の種類および磁石２の強度により決まり、例えば磁場強度１４テスラの磁石２で水素核を実験核とした場合、６００ＭＨｚである。詳細な値は更に実験分子の分子構造により数十ｐｐｍ以下の範囲でシフトされる。ロック分子から検出するＦＩＤ信号の中心周波数は、前記Ｆ＿ＲＦからＦ＿ＬＸ離れた値、即ちＦ＿ＲＦ＋Ｆ＿ＬＸである。前記の中間周波数Ｆ＿ＩＦは一般的に数ＭＨｚから数十ＭＨｚ間の或る値であり、例えば、１３．１ＭＨｚである。中間周波数ＦＩＤ信号２０はロック分子から検出したＦＩＤ信号と実験分子から検出したＦＩＤ信号を同時に含む。

中間周波数ＦＩＤ信号２０は送信システム１３から入力されるクロック信号２１により動作するアナログ／ディジタル変換器３０でデータ系列３１に変換される。アナログ／ディジタル変換されたデータ系列３１はマルチプレクサ３２で同じデータからなる２つのデータ系列データとなり、ロック分子用ディジタル検波器３３と実験分子用ディジタル検波器３４に入力される。これらのディジタル検波器は各々実験分子からと、ロック分子からのＦＩＤ信号を検波するためのものである。ロック分子用ディジタル検波器３３は同位相信号（ｉｎ−ｐｈａｓｅ ｓｉｇｎａｌ、以下Ｉ信号）と直交信号（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ ｓｉｇｎａｌ、以下Ｑ信号）の２チャンネルを持つ直交検波器であり、数値制御発信器（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ。以下、ＮＣＯという）３５、チャンネル毎の数値乗算器３６と３７、ディジタルフィルタ３８と３９を有する。実験分子用ディジタル検波器３４も同じ構成である。ディジタル検波器３３と３４は前記クロック信号２１により動作する。ロック分子用ディジタル検波器３３は入力データをＩとＱの２チャンネルに複製しＮＣＯ３５で発生させたＦ＿ＩＦ＋Ｆ＿ＬＸの周波数を持つ余弦波と正弦波の参照データと数値乗算器３６と３７、ディジタルフィルタ３８と３９を用いて検波する。

直交ディジタル検波器の構成と動作は文献「Ｃ．Ａ．Ｍｉｃｈａｌ，Ｋ．Ｂｒｏｕｇｈｔｏｎ，ａｎｄ Ｅ． Ｈａｎｓｅｎ，“Ａ ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｆｏｒ ｈｏｍｅ−ｂｕｉｌｔ ｎｕｃｌｅａｒ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｓ”，Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，ｖｏｌ．７３，ｐ４５３〜４５８，２００２」に詳細に開示されている。図３は、直交ディジタル検波器の構成と動作原理をアナログ直交検波器と比較して示す図である。図３（ａ）と（ｂ）は、各々、アナログとディジタルの直交検波器のブロック図である。直交検波器は、アナログでもディジタルでも、入力信号Ｆ（ｔ）を２つの系統に分割し、正弦波と余弦波の参照信号Ｒｓ（ｔ）とＲｃ（ｔ）を乗算し、フィルタリングする共通の動作原理を持つ。下記にＦ（ｔ）、Ｒｓ（ｔ）、Ｒｃ（ｔ）の信号を表す式を記す。ω０は搬送波の角周波数、ω１は観測しようとする核スピンの状態を表す角周波数である。

Ｆ（ｔ）をＲｓ（ｔ）およびＲｃ（ｔ）と乗算し、またフィルタリングした後の信号を表す式を下記に記す。フィルタリング後の正弦波と余弦波信号を各々ＱとＩ信号と称す。

アナログとディジタルの直交検波器の差は、入力信号Ｆ（ｔ）とＲｓ（ｔ）及びＲｃ（ｔ）との乗算装置が、アナログ／ディジタル変換装置の前段にあるか或いは後段にあるかである。ディジタル直交検波器はアナログ／ディジタル変換装置の後段に位置するディジタル信号処理装置（ＤＳＰ）で乗算およびフィルタリング処理を行う。ディジタル直交検波器は、アナログ回路の代わりにディジタル信号処理装置を用いることで、安定性と周波数選択性の面でアナログ直交検波器より良好とされる。

ロック分子用ディジタル検波器３３が出力する同位相信号データ４０すなわちＩデータと直交信号データ４１即ちＱデータはロック制御器４２で処理され、ロック制御器４２は電流制御値４３をロック電源４４に出力する。ロック制御器４２の構成と処理は後で説明する。ロック電源４４はロック電流ケーブル４５を通じて、磁石２とプローブ３の間に配置されたロックコイル４６に電流制御値４３で指定された量の電流を流す。ロックコイル４６に流れる電流は磁場を生成し、磁石２の磁場強度変動を補正する。ロック制御器４２はまたＮＭＲ装置のシステムバス５０を経由し装置制御コンピュータ５１にロック制御器で処理したデータを送信する。実験分子用ディジタル検波器３４から出力されるデータも信号処理器５３で処理され、システムバス５０を経由し、装置制御コンピュータ５１に送られる。装置制御コンピュータ５１は別途の通信手段、例えばＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）によりユーザーコンピュータ５２と通信を行う。

ロック制御器４２の処理に関して図４を用いて説明する。ロック分子用ディジタル検波器３３から出力されるＩデータとＱデータは、下記の式に示すように指数関数的に減衰する単一周波数成分の余弦波と正弦波で表現される。

上述の式において、ＶはＩデータとＱデータの初期振幅、Ｔｄは減衰時定数、Ｆ＿ＥＲとθはＩデータとＱデータの周波数と位相、ｈｉ（ｔ）とｈｑ（ｔ）はＩデータとＱデータの雑音である。Ｆ＿ＥＲはユーザーが希望する磁石２の磁場強度におけるロック分子の共鳴周波数Ｆ＿ＬＯＣＫと、実際の磁石の中で検出されたロック分子の共鳴周波数Ｆ＿ＲＦ＋Ｆ＿ＬＸの差を示すエラー周波数である。ロックの制御はＦ＿ＥＲを０にする制御である。雑音ｈｉ（ｔ）とｈｑ（ｔ）は、平均回路６０を用いてＩデータとＱデータを平均し、＜Ｉ＞データ６１、＜Ｑ＞データ６２を求めることで低減できる。Ｆ＿ＥＲは通常、数１０Ｈｚのオーダーであり、Ｔｄは数百ミリ秒のオーダーであるため、１０ミリ秒もしくはそれ以下の時間の間にＩデータとＱデータを平均しても誤差は１０％以下である。平均する時間は制御コントローラ６９により設定される。平均されるデータの数Ｎに対し、雑音ｈｉ（ｔ）とｈｑ（ｔ）は√Ｎ分の１に減少することが知られており、アナログ／ディジタル変換器３０に容易に入手できる１秒に１０００万点以上を処理できる素子を用いれば、例え１ミリ秒間平均してもＮ＝１０，０００で、雑音ｈｉ（ｔ）とｈｑ（ｔ）は１／１００に低減できる。ディジタル素子の発展傾向から、平均化による雑音低減効果が益々増大することは言うまでもない。固定位相θを除去するために、＜Ｉ＞データ６１と＜Ｑ＞データ６２データを位相補正回路６３に入力する。位相補正回路６３は、下記の式に示した如く三角関数を乗算し、その結果を加算する回路であり、固定位相θを取り除いたＩ’データ６４とＱ’データ６５を出力する。位相θは制御コントローラ６９により設定される。下記式の処理は、ソフトウェアで実現してもディジタル回路を用いて実現してもよい。アナログ回路を用いる実現方法もあるが、Ｉ’データ６４を出力する部分回路とＱ’データ６５を出力する部分回路間の差により誤差が発生しやすいため好ましくない。

Ｉ’データ６４とＱ’データ６５データは指数関数的に減衰するため、その値を用いて例えば特許文献１の従来技術でロック制御を行うことは困難である。この難点は、Ｉ’データ６４とＱ’データ６５の時間領域Ｓ／Ｎを求める雑音比判断回路６６と、Ｉ’の２乗とＱ’の２乗を加算するパワー演算回路６７を用いることで解決される。雑音比判断回路６６は、一定時間のＩ’データ６４とＱ’データ６５からそれらの平均と標準偏差を求め、平均／標準偏差の比が予め決めた値、例えば１０以下なら、ＮＯＩＳＹ信号６８をハイレベルにする。ＮＯＩＳＹ信号６８がハイレベルになると制御コントローラ６９はロック制御器４２の動作を中止させる。制御コントローラ６９により雑音比判断回路６６も動作を中止するため、ＮＯＩＳＹ信号６８はハイレベルの状態を保つ。制御コントローラ６９は送受スイッチング回路９が送信から受信に切り替わる時から一定遅延、例えば１０マイクロ秒を待ってから雑音比判断回路６６を含むロック制御器４２の動作を再開させる。パワー演算回路６７の出力は下記の式で表現され、このような処理はソフトウェアでもディジタル回路でも容易に実現できる。

ＮＯＩＳＹ信号６８がローレベルの場合、上記の式の第２および第３項は第１項より十分小さく無視できる。上記式の残る第１項から指数関数的に減衰する振幅の情報が得られる。正規化回路７０はＩ’データとＱ’データをパワー演算回路６７の出力のルートで除算し、正規信号データであるＮＩデータ７１とＮＱデータ７２を出力する。下記の式は正規化されたＩ’データであるＮＩデータ７１と正規化されたＱ’データであるＮＱデータ７２の数学的表現である。ＮＯＩＳＹ信号６８がローレベルの場合、雑音は無視できるため省略する。

ＮＩデータ７１とＮＱデータ７２は、フィードバック補償器７３に入力される。フィードバック補償器７３はＮＩデータ７１とＮＱデータ７２から求めた電流制御値４３を出力する。ＮＩデータ７１とＮＱデータ７２から電流制御値４３を求める方法は多数あるが、最も一般的な方法は、ＮＱデータ７２を用いたＰＩ制御である。前述のとおり、ロックの制御はＦ＿ＥＲを０にする制御である。一般的なロック制御状況において、Ｆ＿ＥＲ×ｔは１より十分小さいため、ＮＱデータ７２は、Ｆ＿ＥＲに近似的に比例する。一方、ＮＩデータ７１は近似的にＦ＿ＥＲの２乗に比例するため、Ｆ＿ＥＲの小さい変化に鈍感である。以上の理由で、ＮＱデータ７２を用いるＰＩ制御が一般的な方法である。ＰＩ制御のゲインＧＰとＧＩは制御コントローラ６９により設定される。

ＮＩデータ７１とＮＱデータ７２から電流制御値４３を求めるもう一つの例が特開２００６−３８５７０号公報に示されている。この公報の記載によれば、電流制御値４３をＮＩデータ７１とＮＱデータ７２から下記式の如く算出することで、制御範囲を狭小化することなく単調整を向上できる。なお、下記の式においてＳＣは電流制御値４３を表す。Ｇはゲインである。

本発明の一実施例によるＮＭＲ装置の全体構成を示すブロック図である。 周波数選択的パルスの一例を示す図である。 直交ディジタル検波器の構成と動作原理を示すブロック図である。 ロック制御器の構成の一例を示すブロック図である。

符号の説明

１…試料、２…磁石、３…プローブ、４…試料挿入空間、５…分離壁、６…実験核用プローブコイル、７…同調回路、８…プローブケーブル、９…送受スイッチング回路、１０…制御信号ケーブル、１１…送信信号ケーブル、１２…受信信号ケーブル、１３…送信システム、１５…低ノイズ増幅器、１６…ケーブル、１８…中間周波数変換回路、１９…局部発振信号、２０…中間周波数ＦＩＤ信号、２１…クロック信号、３０…アナログ／ディジタル変換器、３１…データ系列、３２…マルチプレクサ、３３…ロック分子用ディジタル検波器、３４…実験分子用ディジタル検波器、３５…数値制御発信器、３６…数値乗算器、３７…数値乗算器、３８…ディジタルフィルタ、３９…ディジタルフィルタ、４０…同位相信号データ、４１…直交信号データ、４２…ロック制御器、４３…電流制御値、４４…ロック電源、４５…ロック電流ケーブル、４６…ロックコイル、５０…システムバス、５１…装置制御コンピュータ、５２…ユーザーコンピュータ、５３…信号処理器、６０…平均回路、６１…＜Ｉ＞データ、６２…＜Ｑ＞データ、６３…位相補正回路、６４…Ｉ’データ、６５…Ｑ’データ、６６…雑音比判断回路、６７…パワー演算回路、６８…ＮＯＩＳＹ信号、６９…制御コントローラ、７０…正規化回路、７１…ＮＩデータ、７２…ＮＱデータ、７３…フィードバック補償器。

Claims (7)

1. 磁石と、
   前記磁石に挿入され、その中に試料空間を有するプローブと、
   交流電気信号を出力する送信システムと、
   電気信号を増幅する低ノイズ増幅器と、
   前記プローブの中に前記試料空間を囲む形で配置された一つ若しくは複数のプローブコイルと、
   前記プローブコイルの一つと電気的に接続され、該プローブコイルの共振周波数を観測しようとする原子核の核磁気共鳴信号の周波数に同調すると共に該コイルの入力インピーダンスを調整する同調回路と、
   前記同調回路と前記送信システム若しくは前記同調回路と前記低ノイズ増幅器を電気的に接続する送受スイッチング回路と、
   前記低ノイズ増幅器と電気的に接続された検波器と、
   前記磁石と前記プローブとの間に配置されたロックコイルと、
   前記ロックコイルと電気的に接続され、電流を供給するロック電源と、
   前記ロック電源が前記ロックコイルに供給する電流量を制御するロック制御器とを備えた核磁気共鳴装置において、
   前記低ノイズ増幅器と前記同調回路と前記送受スイッチング回路を単一にして、観測しようとする原子核から検出される信号の一部周波数成分の信号を前記ロック制御器の入力とすることを特徴とする核磁気共鳴装置。
2. 請求項１において、
   前記検波器はディジタル検波器であり、前記プローブコイルで検出され前記低ノイズ増幅器で増幅された電気信号をアナログ／ディジタル変換器で変換したディジタルデータをマルチプレクサで少なくても２つのデータ系列に複製し、その一系列は観察しようとする分子の信号を検波する実験分子用ディジタル検波器に、別の一系列は前記ロック制御器に用いる一部周波数成分の信号を検波するロック分子用ディジタル検波器に入力し、前記ロック分子用ディジタル検波器の出力を前記ロック制御器の入力とすることを特徴とする核磁気共鳴装置。
3. 請求項２において、
   前記実験分子用ディジタル検波器および前記ロック分子用ディジタル検波器は各々その内部に検波用参照信号を生成する数値制御発信器を有し、それらのディジタル検波器の数値制御発信器が出力する参照信号の周波数が異なることを特徴とする核磁気共鳴装置。
4. 請求項３において、
   前記ロック制御器はその内部に制御コントローラと前記ロック分子用ディジタル検波器から出力されたデータを用いその時間領域Ｓ／Ｎを求める雑音比判断回路を有し、Ｓ／Ｎが予め設定した閾値以下に低下すると前記雑音比判断回路が前記制御コントローラに出力する信号の状態が変わり、前記制御コントローラは該信号の状態により前記ロック制御器の動作を停止させ、前記送受スイッチング回路の連結状態が送信から受信になってから所定の遅延時間を待ってから前記ロック制御器の動作を開始させることを特徴とする核磁気共鳴装置。
5. 磁石と、
   磁石に挿入されその中に試料空間を有するプローブと、
   交流電気信号を出力する送信システムと、
   電気信号を増幅する低ノイズ増幅器と、
   プローブの中に前記試料空間を囲む形で配置された一つ若しくは複数のプローブコイルと、
   前記プローブコイルの一つと電気的に接続され該コイルの共振周波数を観測しようとする原子核の核磁気共鳴信号の周波数に同調すると共に該コイルの入力インピーダンスを調整する同調回路と、
   前記同調回路と前記送信システム若しくは前記同調回路と前記低ノイズ増幅器を電気的に接続する送受スイッチング回路と、
   前記低ノイズ増幅器と電気的に接続された検波器と、
   前記磁石と前記プローブとの間に配置されたロックコイルと、
   前記ロックコイルと電気的に接続され電流を供給するロック電源と、
   前記ロック電源が前記ロックコイルに供給する電流量を制御するロック制御器とを備えた核磁気共鳴装置に試料を挿入し、試料中の分析しようとする分子に含まれた観測しようとする原子核に由来する核磁気共鳴信号を取得する核磁気共鳴装置操作方法において、
   前記低ノイズ増幅器と前記同調回路と前記送受スイッチング回路を単一にして、観測しようとする原子核から検出される信号の一部周波数成分の信号を前記ロック制御器の入力とすることを特徴とする核磁気共鳴装置操作方法。
6. 請求項５において、
   前記観測しようとする原子核を含みかつ分析しようとする実験分子とは異なるロック分子を前記試料中に入れ、前記ロック分子中の観測しようとする原子核に由来する核磁気共鳴信号を前記ロック制御器の入力として用いることを特徴とする核磁気共鳴装置操作方法。
7. 請求項６において、
   前記ロック分子の核スピン状態を変化させるために周波数選択的パルスを用いることを特徴とする核磁気共鳴装置操作方法。

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