JP4105646B2 - 核磁気共鳴装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の周波数を同時に発生させて、複数の核の共鳴を測定する多重共鳴計測が可能な核磁気共鳴（ＮＭＲ）装置に関する。

核磁気共鳴（ＮＭＲ）分光における分解能を高める目的で、均一な高磁場（Ｂ_０）下で、高い共鳴周波数の高周波信号を印加できるＮＭＲ装置が開発されている。１０テスラ（Ｔ）以上の高磁場を発生するために、超電導マグネットが一般的に使われる。現在では、タンパク質の構造解析を主要な目的とした高磁場ＮＭＲ装置が開発されており、２１．６Ｔ（９２０ＭＨｚ）のＮＭＲ装置が作られている。高精度に分析するためには、磁場強度の均一度は高くする必要があり、測定試料の存在する領域におけるばらつきは１０^−９以下が望まれる。

一方、印加した高周波パルスに対応して発生する自由誘導減衰（ＦＩＤ）信号を受信するプローブには、高い感度が求められる。これはタンパク質のように、試料の量が少ない場合は、ＦＩＤ信号強度がとくに低く、測定に長時間を要してしまうためである。プローブの主要なノイズは、共鳴器を構成するプローブの電気抵抗に起因して発生し、温度と材料の高周波損失抵抗に依存する。このノイズを下げるために、米国特許第５,２４７,２５６号に記載されているように、低温下にプローブコイルやプリアンプを設置する他に、最近では、高周波損失抵抗が銅などの通常金属に比較して２桁以上低い高温超電導体が使われている。

高温超電導体をプローブコイルに用いた例は、米国特許第５,５８５,７２３号に示されている。超電導体としては薄膜が用いられ、膜面は静磁場の方向と水平に配置する必要がある。これは静磁場と直交する方向に超電導体の膜面があると、超電導体の完全反磁性の特性により静磁場強度の均一度を劣化させるためである。

また、プローブコイルに給電したときに、コイル中心に発生する高周波磁場は静磁場と直交するように、プローブコイルを配置する必要がある。また、測定試料の入ったサンプル管は鉛直方向に挿入されるため、以下の配置が用いられている。

以下の説明では、水平方向に静磁場を発生する超電導マグネットを用いるＮＭＲ装置を「水平型ＮＭＲ装置」と記載し、また、鉛直方向に静磁場を発生する超電導マグネットを用いたＮＭＲ装置を「鉛直型ＮＭＲ装置」と記載する。

図１は、従来の水平型ＮＭＲ装置を示し、（Ａ）は超電導ソレノイドコイル１１の斜視図、（Ｂ）はサドルコイル１２の斜視図、（Ｃ）は超電導ソレノイドコイル１１とサドルコイル１２の配置を示す斜視図である。

図２は、従来の鉛直型ＮＭＲ装置を示し、（Ａ）は超電導サドルコイル２１の斜視図、（Ｂ）はサドルコイル２２の斜視図、（Ｃ）は超電導サドルコイル２１とサドルコイル２２の配置を示す斜視図である。

静磁場の方向３が水平方向である水平型ＮＭＲ装置では、受信プローブコイルとしては、図１（Ａ）に示すようなソレノイドコイル１１が用いられ、静磁場の方向３が鉛直方向である鉛直型ＮＭＲ装置では、受信プローブコイルとしては図２（Ａ）に示すようなサドルコイル２１が用いられる。

常伝導金属を用いてプローブコイルを構成した場合は、このプローブコイルで高周波磁場の送信と受信を行う場合が多い。

一方、超電導薄膜を用いてプローブコイルを構成した場合、超電導薄膜が大きな高周波電流に耐えられないことから、このプローブコイルは高周波磁場の受信のみに用いられる場合が多い。この場合、高周波磁場送信用に、プローブコイルの外側にサドルコイルが配置される。受信コイルと送信コイルは互いの電磁気的干渉を避けるために、それぞれに給電したときにコイル中心に発生する高周波磁場は互いに直交するようにプローブコイルを配置する必要がある。

以上のような制約から、水平型ＮＭＲ装置では、受信プローブコイル１１と送信プローブコイル１２は、図１（Ｃ）に示すような配置が用いられ、鉛直型ＮＭＲ装置では、受信プローブコイル２１と送信プローブコイル２２は、図２（Ｃ）に示すような配置が用いられる。

米国特許第５,２４７,２５６号

米国特許第５,５８５,７２３号

ＮＭＲ計測では、複数の周波数を同時に発生させて、複数の核の共鳴を測定する多重共鳴が行われる。１Ｈ、２Ｈ、１３Ｃ、１５Ｎ等の核種の計測が行われることが多い。それぞれの核種の共鳴周波数は異なり、例えば、静磁場強度１４.１テスラにおける１Ｈの共鳴周波数は約６００ＭＨｚ、２Ｈの共鳴周波数は約９２.１ＭＨｚ、１３Ｃの共鳴周波数は約１５０.９ＭＨｚ、１５Ｎの共鳴周波数は約６０.８ＭＨｚである。２種類の周波数を１個のコイルによって取り扱うには、２つの同調回路を組み込んでダブルチューニングをする。ただし、ダブルチューニングをすると一般的に性能が２０〜３０％程度低下する。原理的には３つの同調回路を組み込んでトリプルチューニングをすることも可能であるが、核種の周波数が近接していると互いの周波数を遮断できず、実施が困難である。例えば、２Ｈと１５Ｎは共鳴周波数が近く、互いの周波数を遮断することが困難である。

送信コイルが１つしかないと、１Ｈの周波数の送信と１５Ｎの周波数の送信と２Ｈの送信を同じサドルコイルで送信することが困難であるため、例えば、１５Ｎの周波数を送信し続けながら、２Ｈで周波数ロックを行い、１Ｈの受信を行うような計測シーケンスには対応できないという課題があった。

本発明の目的は、超電導受信コイルと送信コイルの感度を大きく劣化させずに多重共鳴計測が可能な核磁気共鳴装置を提供することにある。

受信コイルと電磁気的に直交したもう１つ別のコイルを用意できれば、上述したような計測シーケンスにも対応できるが、前述したように、コイルに給電したときにコイル中心に発生する高周波磁場は静磁場と直交するように配置することが必要で、かつ、互いの電磁気的干渉を避けるために、各コイルに給電したときにコイル中心に発生する高周波磁場は互いに直交するようにプローブコイルを配置する必要がある。このような制約を満足するプローブコイル配置はこれまで知られていない。

そこで、上記目的を達成するために、本発明の核磁気共鳴（ＮＭＲ）装置では、３種類以上の核種を対象とした多重共鳴計測を行うために、以下の構成を用いる。すなわち、超電導受信コイルと、送信コイルと、４つの電流ループから構成され、内側ループと外側ループに流れる電流の向きは逆方向であるコイル（以下、付加コイル（あるいは、自己シールド型コイル）とを有することを基本構成とする。この付加コイルに給電したときにコイル中心に生成される高周波磁場の向きは、送信コイルに給電したときに送信コイル中心に生成される高周波磁場の向きとほぼ同じになるように配置される。また、送信コイルの電流ループは、付加コイルの内側ループと外側ループの間、望ましくはほぼ中間に配置される。

以下、本発明のＮＭＲ装置の構成について、具体的に以下に説明する。

本発明のＮＭＲ装置の第１の構成では、ほぼ均一な磁場Ｂ_０を発生する手段と、磁場Ｂ_０中に置かれた管状容器内の試料に対して、所定の共鳴周波数で高周波信号を送信、及び／又は、自由誘導減衰（ＦＩＤ）信号を受信するためのプローブと、４つの電流ループから構成され内側ループと外側ループに流れる電流の向きは逆方向である付加コイルとを有し、３種類以上の核種を対象とした多重共鳴計測を可能とする。

第１の構成において、送信コイルが、２つの電流ループから構成され電流の向きが２つのループ上で同方向であり、送信コイルの２つの電流ループのそれぞれが、付加コイルの内側ループと外側ループのほぼ中間に配置される。

第１の構成において、付加コイルに給電したときにコイル中心に生成される高周波磁場の向きが、送信コイルに給電したときに送信コイル中心に生成される高周波磁場の向きとほぼ同じであるように、送信コイル、付加コイルが配置される。

本発明のＮＭＲ装置の第２の構成では、水平方向又は鉛直方向にほぼ均一な静磁場を発生する超電導マグネットと、静磁場中に置かれた管状容器内の試料に対して、所定の共鳴周波数で高周波信号を送信する送信コイルと、自由誘導減衰（ＦＩＤ）信号を受信する超電導受信コイルと、４つの電流ループから構成され内側ループと外側ループに流れる電流の向きは逆方向である付加コイルとを有し、送信コイルが２つの電流ループから構成され電流の向きが２つ電流のループ上で同方向であり、送信コイルの２つの電流ループのそれぞれが、付加コイルの内側ループと外側ループのほぼ中間に配置され、３種類以上の核種を対象とした多重共鳴計測を可能とする。

この結果、本発明のＮＭＲ装置では、超電導受信コイルと送信コイルの感度の大きな劣化を生じることなく、多重共鳴計測が可能となる。

以下、本発明のＮＭＲ装置の代表的な構成例について列挙する。

（１）ほぼ均一な磁場を発生する手段と、前記磁場中に置かれた管状容器内の試料に対して、所定の共鳴周波数で高周波信号を送信する送信コイルと、自由誘導減衰信号を受信するための受信コイルと、４つの電流ループから構成され内側ループと外側ループに流れる電流の向きは逆方向である付加コイルとを有し、かつ、前記付加コイルの前記内側ループと前記外側ループとの間に前記送信コイルを配置したことを特徴とするＮＭＲ装置。

（２）前記（１）のＮＭＲ装置において、前記送信コイルが、２つの電流ループから構成され電流の向きが２つの電流ループ上で同方向であることを特徴とするＮＭＲ装置。

（３）前記（２）のＮＭＲ装置において、前記送信コイルの２つの電流ループのそれぞれが、前記付加コイルの前記内側ループと前記外側ループのほぼ中間に配置されていることを特徴とするＮＭＲ装置。

（４）前記（１）又は（３）のＮＭＲ装置において、前記付加コイルに給電したときに付加コイル中心に生成される高周波磁場の向きが、前記送信コイルに給電したときに送信コイル中心に生成される高周波磁場の向きとほぼ同じであるよう構成したことを特徴とするＮＭＲ装置。

（５）ほぼ均一な磁場を発生する手段と、前記磁場中に置かれた管状容器内の試料に対して、所定の共鳴周波数で高周波信号を送信、及び／又は、自由誘導減衰信号を受信するためのプローブコイルと、４つの電流ループから構成され内側ループと外側ループに流れる電流の向きは逆方向である付加コイルとを有し、かつ、前記付加コイルの前記内側ループと前記外側ループとの間に前記プローブコイルを配置したことを特徴とするＮＭＲ装置。

（６）前記（５）に記載のＮＭＲ装置において、前記プローブコイルは、２つの電流ループから構成され電流の向きが２つの電流ループ上で同方向であり、かつ、前記プローブコイルの２つの電流ループのそれぞれが、前記付加コイルの前記内側ループと前記外側ループのほぼ中間に配置されていることを特徴とするＮＭＲ装置。

（７）前記（５）又は（６）のＮＭＲ装置において、前記付加コイルに給電したときに付加コイル中心に生成される高周波磁場の向きが、前記プローブコイルに給電したときにプローブコイル中心に生成される高周波磁場の向きとほぼ同じであるよう構成したことを特徴とするＮＭＲ装置。

（８）水平方向または鉛直方向にほぼ均一な静磁場を発生する超電導マグネットと、前記静磁場中に置かれた管状容器内の試料に対して、所定の共鳴周波数で高周波信号を送信する送信コイルと、自由誘導減衰信号を受信する超電導受信コイルと、４つの電流ループから構成され内側ループと外側ループに流れる電流の向きは逆方向である付加コイルとを有し、かつ、前記超電導送信コイルは、２つの電流ループから構成され電流の向きが２つ電流のループ上で同方向であり、前記送信コイルの２つの電流ループのそれぞれが、前記付加コイルの内側ループと外側ループのほぼ中間に配置されていることを特徴とするＮＭＲ装置。

（９）前記（８）のＮＭＲ装置において、前記付加コイルに給電したときに付加コイル中心に生成される高周波磁場の向きが、前記送信コイルに給電したときに送信コイル中心に生成される高周波磁場の向きとほぼ同じであるよう構成したことを特徴とするＮＭＲ装置。

本発明によれば、超電導受信コイルと送信コイルの感度を大きく劣化させずに、３種類以上の核種を対象とした多重共鳴計測が可能な核磁気共鳴装置を実現できる。

本発明は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）装置に係わり、均一磁場Ｂ_０中に置かれた試料に対して、所定の共鳴周波数で高周波信号を送信、および自由誘導減衰（ＦＩＤ）信号を受信するためのプローブのコイル形状と実装のための構造に関する。

本発明は、図１に示すような、水平方向に静磁場を発生する超電導マグネットを用いるＮＭＲ装置（水平型ＮＭＲ装置）、および、図２に示すような、鉛直方向に静磁場を発生する超電導マグネットを用いたＮＭＲ装置（鉛直型ＮＭＲ装置）に適用される。

本発明では、核磁気共鳴（ＮＭＲ）分光において、超電導受信コイルと送信コイルの感度を大きく劣化させずに、もう１つ別のコイル（付加コイル）を使用することにより、多重共鳴計測を可能とする。

以下、本発明の実施例について、図面を参照して詳述する。

最初に、本発明に至った経緯について説明する。図３の（Ａ）はサドルコイル（第１のサドルコイル）１２の斜視図、（Ｂ）は第２のサドルコイル３１の斜視図、（Ｃ）はサドルコイル（第１のサドルコイル）１２の感度分布を示す図、（Ｄ）は第２のサドルコイル３１の感度分布を示す図である。

受信コイルと電磁気的に直交したもう１つ別のコイルとして、図３（Ｂ）に示す第２のサドルコイル３１を、図３（Ａ）に示すサドルコイル（第１のサドルコイル）１２の内側に追加配置した場合、第２のサドルコイル３１とサドルコイル（第１のサドルコイル）１２が電磁気的にカップリングし、感度が低下することを計算機シミュレーションにより示す。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）中に示す黒矢印は、電流の流れる方向を示す。

コイルの形状の説明のために、図３（Ａ）中に節37-1〜37−10を示している。例えば、導体61−1は節37−2から節37−3を曲線で結ぶ導体であり、導体61−2は節37−7から節37−8を曲線で結ぶ導体である。節37−1と節37−6はｘｚ平面に対して対称な位置に配置されている。同様に、節37−2と節37−7はｘｚ平面に対して対称な位置に配置されている。同様に、節37−3と節37−8はｘｚ平面に対して対称な位置に配置されている。同様に、節37−4と節37−9はｘｚ平面に対して対称な位置に配置されている。同様に、節37−5と節37−10はｘｚ平面に対して対称な位置に配置されている。

節37−1と37−2と37−3と37−4と37−5を結ぶ導体経路のように、１つのループとして機能する導体経路を本明細書では電流ループと呼ぶ。同様に節37−6と37−7と37−8と37−9と37−10を結ぶ導体経路も電流ループであり、サドルコイル１２は２つの電流ループから構成されている。これら２つの電流ループはｘｚ平面に対して対称な位置に配置されており、かつ、電流の向きが２つの電流ループ上で同方向であるため、サドルコイル１２に給電したときにコイル中心に生成される高周波磁場の向きはｙ方向である。

計算モデルでは、静磁場強度１４.１テスラにおいて、１Ｈ核種に周波数同調（６００ＭＨｚ）させたサドルコイル１２の内側に、２Ｈ核種に周波数同調（９２.１ＭＨｚ）させた第２のサドルコイル３１を配置させた。第２のサドルコイル３１も、寸法は異なるが、サドルコイル１２と同じく２つの電流ループから構成されている。第２のサドルコイル３１に給電したときにコイル中心に生成される高周波磁場の向きはｙ方向である。

図３（Ｃ）は、６００ＭＨｚにおける、サドルコイル（第１のサドルコイル）１２のｙ軸上の感度分布を示す。図３（Ｄ）は、９２.１ＭＨｚにおける、第２のサドルコイル３１のｙ軸上の感度分布を示す。

図３（Ｃ）において、実線はサドルコイル（第１のサドルコイル）１２が単体で存在する場合の感度分布を示し、破線は第２のサドルコイル３１が内側に存在する場合の感度分布を示す。第２のサドルコイル３１が存在することにより、サドルコイル（第１のサドルコイル）１２の中心感度が約１／４に劣化することが分かる。

図３（Ｄ）において、実線は第２のサドルコイル３１が単体で存在する場合の感度分布を示し、破線はサドルコイル（第１のサドルコイル）１２が外側に存在する場合の感度分布を示す。実線と破線はほぼ重なっており、第２のサドルコイル３１の感度は、外側におけるサドルコイル（第１のサドルコイル）１２の配置の有無によらずほとんど変化しないことが分かる。もう１つ別のコイル（第２のサドルコイル３１）を追加配置することで、第１の送信コイル（サドルコイル（第１のサドルコイル）１２）の感度が大きく劣化することは、ＮＭＲ計測において著しく不利となる。

このように、単純にもう一つ別のコイルを追加配置しただけでは、図３（Ｃ）に示すように、性能劣化してしまう。このため、送信コイルの性能を劣化させない本発明になる付加コイルが必要であることが分かる。

（実施例１）
多重共鳴を行うために、他のコイル並びに自分自身の感度を大きく劣化させないもう１つ別のコイル（付加コイル）を配置できる構造について、以下、説明する。

図４は、本発明の第１の実施例になるＮＭＲ装置（水平型ＮＭＲ装置）の概略構成を示す図である。

２つに分割された超電導マグネット３０−１、３０−２により、１４.１テスラ（Ｔ）の均一磁場Ｂ_０を水平方向に発生する。静磁場の向きをｚ方向とする。この静磁場内にプローブコイルを１０Ｋまで冷却できる低温プローブ３３を設置して、低温プローブの断熱された内側に試料を入れた内径５ｍｍのガラス管３２を挿入する。測定試料の入ったサンプル管は鉛直方向に挿入される。

１Ｈ受信プローブコイルとしては、図１（Ａ）に示すソレノイドコイル１１を用いる。ソレノイドコイル１１に給電したときに、コイル中心に発生する高周波磁場の向きをｘ方向と定義する。ソレノイドコイル１１の共振周波数は静磁場強度１４.１テスラにおける１Ｈの共鳴周波数６００ＭＨｚに同調されている。ソレノイドコイル１１は超電導薄膜を用いて構成し、受信コイル専用として使用する。

図５は、本実施例のＮＭＲ装置における、（Ａ）はサドルコイル１２の斜視図、（Ｂ）は４つの電流ループから構成され、内側ループと外側ループに流れる電流の向きは逆方向であるコイル（付加コイル）５５の斜視図、（Ｃ）はサドルコイルの感度分布を示す図、（Ｄ）は（Ｂ）に示すコイルの感度分布を示す図である。図５（Ａ）及び図５（Ｂ）中に示す黒矢印は、電流の流れる方向を示す。

送信コイルとしては、図５（Ａ）に示すサドルコイル１２を用いる。サドルコイル１２は２つの電流ループから構成され、電流の向きは２つのループ上で同方向である。この２つの電流ループが生成する高周波磁場の向きはコイル中心においてｙ方向である。ソレノイドコイル１１とサドルコイル１２は、それぞれに給電したときにコイル中心に発生する高周波磁場の向きは互いに直交しており、かつ、静磁場（ｚ方向）と直交している。それぞれのコイルの中心に発生する高周波磁場の向きは互いに直交するため、両者の間に電磁気的カップリングは無い。

サドルコイル１２は静磁場強度１４.１テスラにおける１Ｈの共鳴周波数６００ＭＨｚと、１５Ｎの共鳴周波数６０.８ＭＨｚにダブルチューニングしている。サドルコイル１２は送信専用に用いても良いし、送信と受信を兼用することもできる。例えば、サドルコイル１２を用いて、１５Ｎの受信を行うこともできる。

付加コイルとして、図５（Ｂ）に示すコイル５５を用いる。コイル５５は４つの電流ループから構成され、内側ループと外側ループに流れる電流の向きは逆方向である。コイル５５は２Ｈの共鳴周波数９２.１ＭＨｚに同調されている。コイル５５は２Ｈの送信と受信を行う。

図５（Ｂ）に示すコイル５５の形状の説明のために、図５（Ｂ）中に節57-1〜57−20を示している。例えば、導体62−1は節57−8から節57−9を曲線で結ぶ導体であり、導体62−2は節57−2から節57−3を曲線で結ぶ導体であり、導体62−3は節57−12から節57−13を曲線で結ぶ導体であり、導体62−4は節57−18から節57−19を曲線で結ぶ導体である。節57−1と節57−11はｘｚ平面に対して対称な位置に配置されている。同様に、節57−2と節57−12はｘｚ平面に対して対称な位置に配置されている。同様に、節57−3と節57−13はｘｚ平面に対して対称な位置に配置されている。同様に、節57−4と節57−14はｘｚ平面に対して対称な位置に配置されている。同様に、節57−5と節57−15はｘｚ平面に対して対称な位置に配置されている。同様に、節57−6と節57−16はｘｚ平面に対して対称な位置に配置されている。同様に、節57−7と節57−17はｘｚ平面に対して対称な位置に配置されている。同様に、節57−8と節57−18はｘｚ平面に対して対称な位置に配置されている。同様に、節57−9と節57−19はｘｚ平面に対して対称な位置に配置されている。同様に、節57−10と節57−20はｘｚ平面に対して対称な位置に配置されている。

節57−1と57−2と57−3と57−4と57−5を結ぶ導体経路は電流ループである。同様に、節57−6と57−7と57−8と57−9と57−10を結ぶ導体経路は電流ループである。同様に、節57−11と57−12と57−13と57−14と57−15を結ぶ導体経路は電流ループである。同様に、節57−16と57−17と57−18と57−19と57−20を結ぶ導体経路は電流ループである。すなわち、図５（Ｂ）に示すコイル５５は４つの電流ループから構成される。

これら４つの電流ループのうち、節57−1と57−2と57−3と57−4と57−5を結ぶ電流ループ（導体経路）と節57−11と57−12と57−13と57−14と57−15を結ぶ電流ループ（導体経路）を本明細書では内側ループと呼ぶ。また、節57−6と57−7と57−8と57−9と57−10を結ぶ電流ループ（導体経路）と節57−16と57−17と57−18と57−19と57−20を結ぶ電流ループ（導体経路）を外側ループと呼ぶ。２つの内側ループはｘｚ平面に対して対称な位置に配置されており、かつ、電流の向きが２つの内側ループ上で同方向であるため、２つの内側ループ上の電流がコイル中心（原点）に生成する高周波磁場の向きはｙ方向である。２つの外側ループはｘｚ平面に対して対称な位置に配置されており、かつ、電流の向きが２つの外側ループ上で同方向であり、かつ、外側ループ上の電流の向きは内側ループ上に流れる電流の向きとは逆方向であるため、２つの外側ループ上の電流がコイル中心に生成する高周波磁場の向きは−ｙ方向である。

外側ループと原点との距離よりも、内側ループと原点との距離の方が近い。このため、図５（Ｂ）に示すコイル５５に給電したときにコイル中心に生成される高周波磁場の向きはｙ方向である。このため、ソレノイドコイル１１とは電磁気的に直交しており、互いに電磁気的カップリングは無い。図５（Ｂ）に示すコイル５５とサドルコイル１２はともに、給電したときに生成する高周波磁場の向きはコイル中心においてｙ方向であるが、図５（Ｂ）に示すコイルを追加してもサドルコイル１２並びに自分自身の感度を大きく劣化させないことを示す。

図５（Ｃ）はサドルコイル１２のｙ軸上の感度分布を示す。図５（Ｄ）は、図５（Ｂ）に示すコイル５５のｙ軸上の感度分布を示す。

図５（Ｃ）において、実線はサドルコイル１２が単体で存在する場合の感度分布、破線は図５（Ｂ）に示すコイル５５がサドルコイル１２とともに存在する場合の感度分布である。実線と破線はほぼ重なっており、サドルコイル１２の感度は、図５（Ｂ）に示すコイル５５の配置の有無によりほとんど変化しなことが分かる。

図５（Ｄ）において、実線は図５（Ｂ）に示すコイル５５が単体で存在する場合の感度分布、破線はサドルコイル１２がともに存在する場合の感度分布である。サドルコイル１２が存在する場合のほうが数％程度感度が低下するが、実線と破線はほぼ重なっており、図５（Ｂ）に示すコイル５５の感度は、サドルコイル１２の配置の有無によってもなくても大きく変化しないことが分かる。

図５（Ｂ）に示すコイル５５を追加しても他のコイル並びに自分自身の感度を大きく劣化させないことから、３種類以上の核種を対象とした多重共鳴を行うことができる。例えば、サドルコイル１２を用いて１５Ｎの周波数を送信し続けながら、図５（Ｂ）に示すコイル５５を用いて２Ｈで周波数ロックを行い、ソレノイドコイル１１を用いて１Ｈの受信を行う計測シーケンスを実施できる。

図６は、本実施例のＮＭＲ装置における、サドルコイル１２と図５（Ｂ）に示すコイル５５を、鉛直方向から見たときの、２つのコイルの鉛直方向に直交する平面（ｙｚ面）上にある導体の配置を示す図である。

６１−１、６１−２は、サドルコイル１２を構成する導体、６２−１、６２−２、６２−３、６２−４は、図５（Ｂ）に示すコイル５５を構成する導体である。２つのコイルの電磁気的カップリングを低減するためには、導体６１−１が、導体６２−１と導体６２−２の間に、導体６１−２が、導体６２−３と導体６２−４の間に配置される必要がある。また、２つのコイルの電磁気的カップリングを最も低減させるのは、導体６１−１を、導体６２−１と導体６２−２の中間に、導体６１−２を、導体６２−３と導体６２−４の中間に配置した場合である。

（実施例２）
図７は、本発明の第２の実施例になるＮＭＲ装置（鉛直型ＮＭＲ装置）の概略構成を示す図である。

超電導マグネット３０−３により、１４.１テスラ（Ｔ）の均一磁場Ｂ_０を鉛直方向に発生する。静磁場の向きをｚ方向とする。この静磁場内にプローブコイルを１０Ｋまで冷却できる低温プローブ３３を設置し、低温プローブの断熱された内側に試料を入れた内径５ｍｍのガラス管３２を挿入する。測定試料の入ったサンプル管は鉛直方向に挿入される。１Ｈ受信プローブコイルとしては、図２（Ａ）に示すサドルコイル２１を用いる。受信プローブコイル２１に給電したときに、コイル中心に発生する高周波磁場の向きをｘ方向と定義する。受信プローブコイルの共振周波数は静磁場強度１４.１テスラにおける１Ｈの共鳴周波数６００ＭＨｚに同調されている。受信プローブコイル２１は超電導薄膜を用いて構成し、受信コイル専用として使用する。

図８は、本実施例のＮＭＲ装置における、（Ａ）はサドルコイル２２の斜視図、（Ｂ）は４つの電流ループから構成され、内側ループと外側ループに流れる電流の向きは逆方向であるコイル（付加コイル）８５の斜視図、（Ｃ）はサドルコイル２２の感度分布を示す図、（Ｄ）は（Ｂ）に示すコイル８５の感度分布を示す図である。図８（Ａ）及び図８（Ｂ）中に示す黒矢印は、電流の流れる方向を示す。

送信コイルとしては、図８（Ａ）に示すサドルコイル２２を用いる。サドルコイル２２は２つの電流ループ（導体経路）８１−１、８１−２から構成され、電流の向きは２つのループ８１−１、８１−２上で同方向である。この２つの電流ループが生成する高周波磁場の向きはコイル中心においてｙ方向である。受信プローブコイル２１とサドルコイル２２は、それぞれに給電したときにコイル中心に発生する高周波磁場の向きは互いに直交しており、かつ、静磁場（ｚ方向）と直交している。それぞれのコイルの中心に発生する高周波磁場の向きは互いに直交するため、両者の間に電磁気的カップリングは無い。

サドルコイル２２は、静磁場強度１４.１テスラにおける１Ｈの共鳴周波数６００ＭＨｚと、１５Ｎの共鳴周波数６０.８ＭＨｚにダブルチューニングしている。サドルコイル２２は送信専用に用いても良いし、送信と受信を兼用することもできる。例えば、サドルコイル１２を用いて、１５Ｎの受信を行うこともできる。

もう１つ別のコイル（付加コイル）として、図８（Ｂ）に示すコイル８５を用いる。コイル８５は、４つの電流ループ８２−１、８２−２、８２−３、８２−４から構成され、内側ループ８２−２、８２−３と外側ループ８２−１、８２−４に流れる電流の向きは逆方向である。コイル８５は２Ｈの共鳴周波数９２．１ＭＨｚに同調されている。図８（Ｂ）に示すコイル８５に給電したときに生成する高周波磁場の向きはコイル中心においてｙ方向である。このため、受信プローブコイル２１とは電磁気的に直交しており、互いに電磁気的カップリングは無い。図８（Ｂ）に示すコイル８５とサドルコイル２２はともに、給電したときに生成する高周波磁場の向きはコイル中心においてｙ方向であるが、図８（Ｂ）に示すコイル８５を追加してもサドルコイル２２並びに自分自身の感度を大きく劣化させないことを示す。

図８（Ｃ）はサドルコイル２２のｙ軸上の感度分布を示す。図８（Ｄ）は、図８（Ｂ）に示すコイル８５のｙ軸上の感度分布を示す。

図８（Ｃ）において、実線はサドルコイル２２が単体で存在する場合の感度分布、破線は図８（Ｂ）に示すコイル８５がサドルコイル２２とともに存在する場合の感度分布である。実線と破線はほぼ重なっており、サドルコイル２２の感度は、図８（Ｂ）に示すコイル８５の配置の有無によりほとんど変化しないことが分かる。

図８（Ｄ）において、実線は図８（Ｂ）に示すコイル８５が単体で存在する場合の感度分布、破線はサドルコイル２２がともに存在する場合の感度分布である。サドルコイル２２が存在する場合のほうが数％程度感度が低下するが、実線と破線はほぼ重なっており、図８（Ｂ）に示すコイル８５の感度は、サドルコイル２２の配置の有無により大きく変化しないことが分かる。

図８（Ｂ）に示すコイル８５を追加しても他のコイル並びに自分自身の感度を大きく劣化させないことから、３種類以上の核種を対象とした多重共鳴計測を行うことができる。例えば、サドルコイル２２を用いて１５Ｎの周波数を送信し続けながら、図８（Ｂ）に示すコイル８５を用いて２Ｈで周波数ロックを行い、受信プローブコイル２１を用いて１Ｈの受信を行う計測シーケンスを実施できる。

以上、本発明を特定の形態について説明したが、上記以外の形態についても同様に、超電導受信コイル、送信コイルに加えて、４つの電流ループから構成され、内側ループと外側ループに流れる電流の向きは逆方向であるコイル（付加コイル）を用いることにより、３種類以上の核種を対象とした多重共鳴計測をできる。例えば、送信コイルと、付加コイルは、図９（Ａ）、図９（Ｂ）に示す形状であっても良い。

（実施例３）
図９は、本発明の第３の実施例を示し、（Ａ）は２つの電流ループから構成され、電流の向きが２つのループ上で同方向であるコイル９０の斜視図、（Ｂ）は４つの電流ループ（導体経路）から構成され、内側ループと外側ループに流れる電流の向きは逆方向であるコイル９３（付加コイル）の斜視図である。図９（Ａ）及び図９（Ｂ）中に示す黒矢印は、電流の流れる方向を示す。

図９（Ａ）に示すコイル９０は２つの電流ループから構成され、電流の向きは２つのループ上で同方向である。図９（Ｂ）に示すコイル９３は４つの電流ループから構成され、内側ループと外側ループに流れる電流の向きは逆方向である。

コイル９０の形状の説明のために、図９（Ａ）中に節37-21〜37−30を示している。例えば、導体91−1は節37−22から節37−23を曲線で結ぶ導体であり、導体91−2は節37−27から節37−28を曲線で結ぶ導体である。節37−21と節37−26はｘｚ平面に対して対称な位置に配置されている。同様に、節37−22と節37−27はｘｚ平面に対して対称な位置に配置されている。同様に、節37−23と節37−28はｘｚ平面に対して対称な位置に配置されている。同様に、節37−24と節37−29はｘｚ平面に対して対称な位置に配置されている。同様に、節37−25と節37−30はｘｚ平面に対して対称な位置に配置されている。

節37−21と37−22と37−23と37−24と37−25を結ぶ導体経路は１つの電流ループである。同様に節37−26と37−27と37−28と37−29と37−30を結ぶ導体経路も電流ループであり、コイル９０は２つの電流ループから構成されている。これら２つの電流ループはｘｚ平面に対して対称な位置に配置されており、かつ、電流の向きが２つの電流ループ上で同方向である。

コイル９３の形状の説明のために、図９（Ｂ）中に節57-31〜57−50を示している。例えば、導体92−1は節57−38から節57−39を曲線で結ぶ導体であり、導体92−2は節57−32から節57−33を曲線で結ぶ導体であり、導体92−3は節57−42から節57−43を曲線で結ぶ導体であり、導体92−4は節57−48から節57−49を曲線で結ぶ導体である。節57−31と節57−41はｘｚ平面に対して対称な位置に配置されている。同様に、節57−32と節57−42はｘｚ平面に対して対称な位置に配置されている。同様に、節57−33と節57−43はｘｚ平面に対して対称な位置に配置されている。同様に、節57−34と節57−44はｘｚ平面に対して対称な位置に配置されている。同様に、節57−35と節57−45はｘｚ平面に対して対称な位置に配置されている。同様に、節57−36と節57−46はｘｚ平面に対して対称な位置に配置されている。同様に、節57−37と節57−47はｘｚ平面に対して対称な位置に配置されている。同様に、節57−38と節57−48はｘｚ平面に対して対称な位置に配置されている。同様に、節57−39と節57−49はｘｚ平面に対して対称な位置に配置されている。同様に、節57−40と節57−50はｘｚ平面に対して対称な位置に配置されている。

節57−31と57−32と57−33と57−34と57−35を結ぶ導体経路は電流ループである。同様に、節57−36と57−37と57−38と57−39と57−40を結ぶ導体経路は電流ループである。同様に、節57−41と57−42と57−43と57−44と57−45を結ぶ導体経路は電流ループである。同様に、節57−46と57−47と57−48と57−49と57−50を結ぶ導体経路は電流ループである。すなわち、コイル９３は４つの電流ループから構成される。

これら４つの電流ループのうち、節57−31と57−32と57−33と57−34と57−35を結ぶ電流ループ（導体経路）と節57−41と57−42と57−43と57−44と57−45を結ぶ電流ループ（導体経路）を内側ループと呼ぶ。また、節57−36と57−37と57−38と57−39と57−40を結ぶ電流ループ（導体経路）と節57−46と57−47と57−48と57−49と57−50を結ぶ電流ループ（導体経路）を外側ループと呼ぶ。外側ループ上の電流の向きは内側ループ上に流れる電流の向きとは逆方向である。

図１０は、本実施例における、図９（Ａ）に示すコイル９０と図９（Ｂ）に示すコイル９３とを鉛直方向から見たときの、２つのコイルの鉛直方向に直交する平面（ｙｚ面）上にある導体の配置を示す図である。

９１−１、９１−２は図９（Ａ）に示すコイル９０を構成する導体、９２−１、９２−２、９２−３、９２−４は、図９（Ｂ）に示すコイル９３を構成する導体である。導体９１−１が、導体９２−１と導体９２−２の間に、導体９１−２が、導体９２−３と導体９２−４の間に配置されている。

また、２つのコイル９０、９３の電磁気的カップリングを最も低減させるのは、導体９１−１を、導体９２−１と導体９２−２の中間に、導体９１−２を、導体９２−３と導体９２−４の中間に配置した場合である。

また、鉛直方向の静磁場が超電導マグネットによって生成される装置において、超電導受信プローブコイルとしては、サドルコイルではなく、バードケージ型コイルを用いることもできる。

また、マグネットとして、１４.１テスラと異なる静磁場強度のマグネットを使用できることや、１５Ｎ、２Ｈ、１Ｈ、１３Ｃ以外の核種を計測対象とすることができることはいうまでもない。また、サドルコイルと付加コイルで取り扱う核種の組み合わせは、任意に設定可能である。例えば、サドルコイルを１Ｈの共鳴周波数と２Ｈの共鳴周波数にダブルチューニングし、１Ｈの送信と２Ｈの送受信に用い、付加コイルを１５Ｎの送受信に用いることもできる。また、サドルコイルを１Ｈの共鳴周波数と２Ｈの共鳴周波数にダブルチューニングし、１Ｈの送信と２Ｈの送受信に用い、付加コイルを１５Ｎの共鳴周波数と１３Ｃの共鳴周波数にダブルチューニングし、１５Ｎと１３Ｃの送信に用いることもできる。

なお、図３（Ｃ）、図３（Ｄ）、図５（Ｃ）、図５（Ｄ）、図８（Ｃ）、図８（Ｄ）では、コイルの中心をｙ＝０ｍｍとして、ｙ軸上の正負の位置での感度分布（Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ［Ａ・ｍ^−１・Ｗ^−１／２］）を示している。ここで、ＮＭＲにおける感度とは、単位体積中の磁化がコイルに誘起する電力であり、この値は相反定理より、１ワットの電力をコイルに与えたときに各位置に発生する磁界強度に等しい。

以上詳述したように、本発明によれば、超電導受信コイルと送信コイルの感度を大きく劣化させずに、３種類以上の核種を対象とした多重共鳴計測が可能な核磁気共鳴（ＮＭＲ）装置を実現できる。

従来の水平型ＮＭＲ装置における、（Ａ）超電導ソレノイドコイルの斜視図、（Ｂ）サドルコイルの斜視図、（Ｃ）超電導ソレノイドコイルとサドルコイルの配置を示す斜視図。 従来の鉛直型ＮＭＲ装置における、（Ａ）超電導サドルコイルの斜視図、（Ｂ）サドルコイルの斜視図、（Ｃ）超電導サドルコイルとサドルコイルの配置を示す斜視図。 本発明の比較例における、（Ａ）サドルコイルの斜視図、（Ｂ）第２のサドルコイルの斜視図、（Ｃ）サドルコイルの感度分布を示す図、（Ｄ）第２のサドルコイルの感度分布を示す図。 本発明の第１の実施例になるＮＭＲ装置（水平型ＮＭＲ装置）の概略構成を示す図。 本発明の第１の実施例における、（Ａ）サドルコイルの斜視図、（Ｂ）付加コイルの斜視図、（Ｃ）サドルコイルの感度分布を示す図、（Ｄ）（Ｂ）に示すコイルの感度分布を示す図。 本発明の第１の実施例における、サドルコイルと図５（Ｂ）に示すコイルを、鉛直方向から見たときの、２つのコイルの鉛直方向に直交する平面（ｙｚ面）上にある導体の配置を示す図。 本発明の第２の実施例になるＮＭＲ装置（鉛直型ＮＭＲ装置）の概略構成を示す図。 本発明の第２の実施例における、（Ａ）サドルコイルの斜視図、（Ｂ）付加コイルの斜視図、（Ｃ）サドルコイルの感度分布を示す図、（Ｄ）（Ｂ）に示すコイルの感度分布を示す図。 本発明の第３の実施例における、（Ａ）２つの電流ループから構成され、電流の向きが２つのループ上で同方向であるコイルの斜視図、（Ｂ）付加コイルの斜視図。 本発明の第３の実施例における、図９（Ａ）に示すコイルと図９（Ｂ）に示すコイルを鉛直方向から見たときの、２つのコイルの鉛直方向に直交する平面（ｙｚ面）上にある導体の配置を示す図。

符号の説明

３…均一磁場Ｂ_０、１１…超電導ソレノイドコイル、１２…サドルコイル、２１…超電導サドルコイル、２２…サドルコイル、３０−１、３０−２、３０−３…超電導マグネット、３１…第２のサドルコイル、３２…ガラス管、３３…低温プローブ、５５、８５、９３…付加コイル、６１−１、６１−２…サドルコイル１２を構成する導体、６２−１、６２−２、６２−３、６２−４…コイル５５を構成する導体、８１−１、８１−２…サドルコイル２２を構成する２つの電流ループ、８２−１、８２−２、８２−３、８２−４…コイル８５を構成する電流ループ、９０…２つの電流ループから構成され、電流の向きが２つのループ上で同方向であるコイル、９１−１、９１−２…コイル９０を構成する導体、９２−１、９２−２、９２−３、９２−４…コイル９３を構成する導体。

Claims (6)

1. ほぼ均一な磁場を発生する手段と、前記磁場中に置かれた試料に対して、所定の共鳴周波数で高周波信号を送信する送信コイルと、自由誘導減衰信号を受信するための受信コイルと、４つの電流ループから構成され内側ループと外側ループに流れる電流の向きは逆方向である付加コイルとを有し、かつ、前記付加コイルの前記内側ループと前記外側ループとの間に前記送信コイルを配置したことを特徴とする核磁気共鳴装置。
2. 請求項１に記載の核磁気共鳴装置において、前記送信コイルが、２つの電流ループから構成され電流の向きが２つの電流ループ上で同方向であることを特徴とする核磁気共鳴装置。
3. 請求項２に記載の核磁気共鳴装置において、前記送信コイルの２つの電流ループのそれぞれが、前記付加コイルの前記内側ループと前記外側ループのほぼ中間に配置されていることを特徴とする核磁気共鳴装置。
4. 請求項１又は３に記載の核磁気共鳴装置において、前記付加コイルに給電したときに付加コイル中心に生成される高周波磁場の向きが、前記送信コイルに給電したときに送信コイル中心に生成される高周波磁場の向きとほぼ同じであるよう構成したことを特徴とする核磁気共鳴装置。
5. 水平方向または鉛直方向にほぼ均一な静磁場を発生する超電導マグネットと、前記静磁場中に置かれた試料に対して、所定の共鳴周波数で高周波信号を送信する送信コイルと、自由誘導減衰信号を受信する超電導受信コイルと、４つの電流ループから構成され内側ループと外側ループに流れる電流の向きは逆方向である付加コイルとを有し、かつ、前記超電導送信コイルは、２つの電流ループから構成され電流の向きが２つ電流のループ上で同方向であり、前記送信コイルの２つの電流ループのそれぞれが、前記付加コイルの内側ループと外側ループのほぼ中間に配置されていることを特徴とする核磁気共鳴装置。
6. 請求項５に記載の核磁気共鳴装置において、前記付加コイルに給電したときに付加コイル中心に生成される高周波磁場の向きが、前記送信コイルに給電したときに送信コイル中心に生成される高周波磁場の向きとほぼ同じであるよう構成したことを特徴とする核磁気共鳴装置。

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