JP4369497B2 - ダイレクト・デジタル・シンセサイザおよびそれを用いた核磁気共鳴装置 - Google Patents

ダイレクト・デジタル・シンセサイザおよびそれを用いた核磁気共鳴装置 Download PDF

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Description

本発明は、位相一貫性(phase coherency)を保つ周波数スイッチングが可能なダイレクト・デジタル・シンセサイザ(Direct Digital Synthesizer、以下DDS)およびそれを用いた核磁気共鳴装置(Nuclear Magnetic Resonance Instrument、以下NMR装置)に関する。
NMR装置は、強い静磁場の中に置かれた分子に高周波の交流磁場を測定しようとする照射し、該分子内の核スピンに摂動を与え、該核スピンの応答を測定する装置である。
交流磁場は、一定の周波数を位相および振幅を持つパルスを基本単位とする。NMR装置を用いた実験では、周波数や位相、振幅の異なる一連のパルスを、前記分子に照射する。このような一連のパルスを、パルス・シーケンスと呼ぶ。パルス・シーケンスは、実験の目的に応じて核スピンの状態を制御することを目的に、NMR研究者により注意深く設計されるものであり、非特許文献1でその例を見ることができる。パルス・シーケンスの数は既に数百を上回っており、NMR研究の進展と共に日々増え続けている。
NMR装置の高周波送信部(以下、送信部)は、パルス・シーケンスに応じて、数マイクロ秒以下の時間で周波数や位相、振幅を変えた高周波パルスを生成する。高速で且つ高精度な動作が必要な送信部において、DDSの導入は大きなブレーク・スルーであった。DDSはディジタル技術を用いた信号生成・変調用の集積回路であり、出力信号を高速且つ高分解能で変調できる。DDSに関しては多くの文献があり、例えば非特許文献2がその一つである。高速且つ高分解能の変調を特徴とするDDSの一例が、Analog Devices社のAD9956であり。非特許文献3によれば、AD9956は僅か10ナノ秒の時間でDC〜200MHzの帯域の信号を1.42マイクロHzの周波数分解能と0.02度の位相分解能で変調できる。従来のアナログ回路に比べるとDDSの性能は数桁高い。アナログ回路は、0.1〜1Hzの周波数分解能と数度の位相分解能を持ち、変調には数十〜数百マイクロ秒が必要であった。
NMR装置の送信部にDDSを利用する上で1つの問題は、周波数変調における位相一貫性の維持であった。図2は位相一貫性の問題点を示し、Aの如く周波数をF1からF2に変えて再びF1に戻す場合に、DDSの出力波形はBの如く周波数の境目で位相連続的に変化する。しかし、NMR装置では位相情報が重要なため、Cのように位相一貫性を保った波形が必要である。位相一貫性とは、図2のCとDとEを比べると分かり易い。図2のDとEは各々F1とF2の周波数を保つ2つの仮想的な出力波形であり、図2のCは出力周波数がF1の時にはDの波形に、出力周波数がF2の時にはEの波形を持つ。
NMRでは、図2のCの如く同じ周波数を持つパルスの間で位相一貫性を保つ必要があるが、DDSの波形はBのように位相一貫性を保つことができなかった。この問題に対する1つの明快な解決方法が特許文献1に提案された。特許文献1によれば、1つのDDSに複数の位相集積器(Phase Accumulator、以下PA)を実装し、PA毎に1つの出力周波数を割り当てるとする。各周波数における位相一貫性は割り当てられたPAにより維持される。複数のPAの中から出力に使うPAを変えることで、DDSの出力周波数を変える。特許文献1に開示された技術は、DDSを用いた周波数変調と位相一貫性の維持の両方を満足させることができた。
特許第3855237号 Stefan Berger、Siegmar Braun、「200 And More NMR Experiments: A Practical Course」、Wiley-VCH、2004年 「A Technical Tutorial on Digital Signal Synthesis」、Analog Devices、1999年 「AD9956データシートRev.A」、Analog Devices、2004年
しかし、特許文献1の技術は、パルス・シーケンスで使える周波数の数が大きく制限される。特許文献1の技術では、PA毎に出力周波数を割り当てるため、パルス・シーケンスで使える出力周波数はDDSに実装したPAの数と一致する。NMR研究の進展と共にパルス・シーケンスの数が日々増え続けている現状を考慮すると、仮にNMR装置を製作する時点では余裕を持った数のPAを実装したとしても、NMR装置の寿命内にパルス・シーケンスに必要な周波数の数がPAの数を越すことは容易に予想できる。更に悪い場合は、NMR装置に実装されたPAの数がパルス・シーケンスの研究そのものを偏った方向に導くことである。即ち、NMR装置で使える周波数の数が少ないがために、周波数変調を用いるパルス・シーケンスの研究がためらわれる恐れさえある。
本発明の目的は上記従来技術の問題点に鑑み、位相一貫性を維持しながら出力できる周波数の数を大幅に増やしたDDS及びそれを用いたNMR装置を提供することにある。
本発明は、位相集積部と位相/振幅変換部を有するダイレクト・デジタル・シンセサイザ(ダイレクト・デジタル・シンセサイザ、以下DDS)において、2の乗数の固定位相増分で動作する複数の位相集積器と、周波数設定値の各ビットを制御信号として出力する制御器と、前記制御器の制御信号が1の場合は前記位相集積器の出力を出力し、また前記制御信号が0の場合は0を出力する複数のスイッチと、前記複数のスイッチの出力を加算する加算器を備えたことを特徴とする。
本発明のDDSおよびそれを用いたNMR装置によれば、位相一貫性を維持しながら出力できる周波数の数を大幅に増やすことができる効果がある。
位相増分を2に固定したN個のPAと、各PAの出力を選択的に加算回路に連結するN個のスイッチ回路と、周波数設定値の2進ビット表現を利用して前記スイッチ回路の選択を制御する制御回路と、前記複数のスイッチ回路の出力を加算する加算回路を設けることで、位相一貫性を維持しながら出力できる周波数の数を2個に増やした。
図1は本発明のDDS(ダイレクト・デジタル・シンセサイザ)を用いるNMR装置の簡単な構成を示すブロック図である。強い静磁場を発生する静磁場発生手段2の中に、高周波の交流磁場を与える高周波交流磁場手段(プローブ)4を収納した筐体3を挿入する。高周波交流磁場手段4は高周波ケーブルにより高周波調整回路5を介し筐体3の端部で外部ケーブルと接続される。
測定の際には、先ず測定試料1を高周波交流磁場手段4の近傍に置く。測定を開始すると、NMR装置の全体制御部6からDDSを用いたパルス生成部7にパルス・シーケンスのデータを送る。パルス生成部7が出力したパルス信号は、高周波送信部のフロントエンド8で増幅され、送受切替回路9に入力される。高周波送信部のフロントエンド8は、必要に応じて周波数のアップ/ダウン・コンバージョンも行う機能と、高周波受信部10に受信用の参照信号を出力する機能をも有する。送受切替回路9は調整回路5を、フロントエンド8と連結するか、或いは高周波受信部10と連結する機能を持つ。送受切替回路9の連結状態は制御部6が出力する制御信号により制御される。
先ず調整回路5とフロントエンド8が連結され、フロントエンド8が出力したパルス信号が交流磁場手段4により測定試料1に照射される。試料の応答は、交流磁場手段4により検出される。検出された応答信号を高周波受信部10に送るため、送受切替回路9は調整回路5と高周波受信部10を連結する。応答信号は高周波受信部10で受信処理を受け、制御部6でユーザに提供される。
図3は、本発明によるDDSの実施例1を示すブロック図である。DDSは、上位システムからNビットの周波数設定値(Frequency Tuning Word)FTWと、Pビットの位相設定値(Phase Tuning Word)PTWの入力を受ける。DDSは、また、ディジタル回路が動作するための周期信号となる参照クロック信号(Reference Clock)CLKの入力も上位システムから受ける。
本DDSの特徴は位相合成ユニット(Phase Synthesis Unit)PSU20にある。PSU20は、FTWのビット数Nに対応したN個のPA21−1〜21−Nを有する。21−1〜21−Nの各PAは、数1に示す固定位相増分値M(1)〜M(N)で動作する。
Figure 0004369497
例えば、21−2のPA(2)はM(2)=2の固定位相増分で動作し、その出力p(2)はCLK毎に数2の如く変化する。Tは任意のCLK回数である。
Figure 0004369497
一般にCLK回数Tにおける21−nのPA(n)の出力p(n,T)は数3の如くなる。
Figure 0004369497
ここで、Mod(x,a)は、xをaで除算した残り値を返す関数である。21−1のPA(1)〜21−NのPA(N)から出力されたp(1)〜p(N)は、スイッチ23−1のSW(1)〜23−NのSW(N)に入力される。23−1〜23−Nの各スイッチは、制御器22が出力する制御信号c(1)〜c(N)により制御される。例えば、スイッチ23−1の出力は、c(1)信号がHIGH状態ならp(1)になり、c(1)信号がLOW状態ならゼロになる。23−2〜23−Nのスイッチもスイッチ23−1と同じ動作をする。
制御器22の出力c(1)〜c(N)はFTWにより以下の如く決まる。先ずNビットのFTW入力は、ビット毎に制御器22の中にあるN個のレジスタに保持される。レジスタの値b(1)〜b(N)は0若しくは1の値を持ち、数4の如くFTWを2進数で表現した各桁の値である。
Figure 0004369497
ここで、c(1)〜c(N)はb(1)〜b(N)値と一致させればよい。スイッチ23−1〜23−Nの出力を以下で説明する。例えば、CLK回数Tにおけるスイッチ23−2の出力ps(2,T)は、21−2のPA(2)の出力p(2、T)と制御器22の出力c(2)により、数5の如く決まる。
Figure 0004369497
数5を一般化すると、23−nのスイッチの出力ps(n、T)は数6の如くなる。
Figure 0004369497
加算器24は、スイッチ23−1〜23−Nの出力ps(1、T)〜ps(N,T)を加算する。加算器24の出力ph(T)は、数7の如くなる。
Figure 0004369497
ここで、b(n)は0若しくは1の値だけを持つため、数7は数8の如く書き改めることができる。
Figure 0004369497
加算器24の出力phがPSU20の出力であり、位相変調用の第2加算器12でPTWと加算され位相/振幅変換ルックアップテーブル(Phase−Amplitude Conversion Look Up Table)PA−LUT13に入力される。第2加算器12の機能はPSU20内の加算器24と統合してもよい。第2加算器12の出力はPビットのデータであり、P≦Nである。Nビットのphから上位Pビットのみ使われ、下位N−PビットはPA−LUT13内に実装するデータ量を減らすために切り捨てられる。切り捨て及び対称性などを利用してPA−LUT13に実装するデータ量を減らす技術は非特許文献2に開示されている。PA-LUT13は入力値と出力値の対を保持し、第2加算器12から入力される位相情報に対応するAビットの振幅データを出力する。Aビットの振幅データは、ディジタル/アナログ変換器(Digital/Analog Converter)14で出力信号OUTに変換され、DDS外に出力される。D/A14はDDSから削除し、別途のD/A素子を使ってもよい。別途のD/A素子を使う場合、PA−LUT13の出力がDDSの出力となる。
図4はPAの出力とDDS出力の関係を説明するディジタル・フェーズ・フィール(Digital Phase Wheel)の概念図であり、N=4でPA(2)の例を示す。図4の円周上に配置された16個の黒い点はN=4のPAが出力できる0〜15の値を表す。PA(2)の位相増分はM(2)=2であるため、PA(2)の出力p(2)はCLK1回毎に2点ずつ進む。
p(2)は14の次に再び0に戻る。N=4のPAが出力できる0〜15の値に対応し、図3のPA−LUT13は0度、22.5度、45度、・・・、337.5度での正弦波振幅を出力する。
図4に示した例でp(2)はCLK1回毎に45度位相を進めることになり、1周期はCLK8回となる。CLK1回の時間はdt=1/FCLKであるため、図4に示したPA(2)のディジタル・フェーズ・フィールは1/(8dt)=FCLK/8Hzの周波数を作っていることになる。PA(2)のビット数を4ビットからNビットに一般化すると、PA(2)の出力p(2)の周期は2/M(2)=2N−1CLKであり、M(2)*FCLK/2Hzの周波数を作っていることになる。
PSU20の出力phを表す数8をディジタル・フェーズ・フィールで考えると、PSU20の出力phはFTW*FCLK/2の周波数を作っている。この周波数がDDSの出力信号OUTの周波数FOUTとなる。ここで注意すべきところは、FTWによりDDSの出力周波数FOUTは変わるが、図3の21−1〜21−Nで示したPA(1)〜PA(N)の位相増分M(1)〜M(N)はFTW値に関係なく固定される点である。FTWを変えても制御器22の出力c(1)〜c(N)が変わるだけで、p(1)〜p(N)は変わらない。このため、PA(1)〜PA(N)の出力p(1)〜p(N)はDDSが動作する間、常に位相一貫性を保持することができる。
図3の構成を持つ本実施例のDDSは、NビットのFTWに対しN個のPA21−1〜21−Nと、1個の制御器22と、N個のスイッチ23−1〜23−Nと、1個の加算器24を持つ。これにより、FTWの取り得る全ての値に対応する周波数を、位相一貫性を保持しながら、自由に出力することができる。
ここで、実施例1におけるPSU20の動作を簡単な例で説明する。FTWのビット数N=3の場合、PSU20は図5の如く3個のPA21−1〜21−3を持つ。各PAはN=3ビットの構成により0〜7の数値を表現できる。各PAの位相増分M(1)〜M(3)は、数1により、M(1)=1、M(2)=2、M(3)=4である。PA(1)〜PA(3)はCLKにより表1のp(1)〜p(3)を出力する。
Figure 0004369497
p(1)〜p(3)は、FTWの設定値変化に関係なく、CLK番号の増加と共に0〜7の数値を表1の如く繰り返し出力する。
実施例1の構成で、周波数変調において位相一貫性が保たれることを例で示す。3ビットのFTW設定値は0〜7の値を持つことができる。FTW設定値=3の場合とFTW設定値=5の場合を例として考える。FTW設定値=3は制御器22で{0、1、1}とビット毎に分解される。制御器22が3つのスイッチ23−1〜23−3に出力する制御信号c(1)〜c(3)は各々1、0、0となる。制御信号c(1)=1とc(2)=1により、スイッチ23−1と23−2は各々p(1)とp(2)を出力し、スイッチ23−3は0を出力する。加算器24は、スイッチ23−1〜23−3の出力を加算し、その下3ビット部分を出力する。このため、その出力は数7(あるいは数8)の如くなる。CLK番号のdは、PAの出力から加算器出力までの固定遅延を表す。表2の加算器出力は、位相増分=3であり、FTWの設定値と一致する。
Figure 0004369497
次に、FTW設定値=5の場合を考えると、制御器22が出力する制御信号c(1)〜c(3)は各々1、0、1となる。スイッチ23−1と23−3がp(1)とp(3)を出力し、スイッチ23−2は0を出力する。加算器出力は位相増分=5であり、やはりFTW設定値と一致する。
Figure 0004369497
最後に、周波数変調の例として、FTW設定値=3から始まり、CLK=4でFTW設定値=5になり、またCLK=8でFTW設定値=3に戻る場合を考える。
Figure 0004369497
表4から、加算器出力の位相増分が変化するFTW設定値と一致していることが分かる。FTW設定値が切り替わるCLK3と4の間とCLK7と8の間では遷移状態として異なる位相増分を持つが、CLK周期が一般的に数十ナノ秒以下であるため、実用上問題ない。位相一貫性が保持されていることは、表4の加算器出力を表2および表3の加算器出力と比較することで明らかである。表4の加算器出力は、FTW設定値=3の間には表2の加算器出力と一致し、FTW設定値=5の期間では表3の加算器出力と一致している。
以上、単純な例を持って、本発明の実施例1におけるPSU20の動作を説明した。実際に使われるFTWのビット長Nは8以上であるが、その場合でも同じ動作により周波数変調時の位相一貫性を保持できる。
図6は、本発明の第2の実施例を示すブロック図である。図6の実施例2では、周波数設定値(Frequency Tuning Word)FTWをパルス・シーケンスの照射中に変わらない定常周波数設定値(Static Frequency Tuning Word)SFTWと、パルス・シーケンス照射中に変わる動的周波数設定値(Dynamic Frequency Tuning Word)DFTWに分離する。
DDSの出力できる周波数範囲は数8から0Hz〜FCLK/2Hzである。現代のDDSで使われるFCLKは数百MHz〜数GHzに達するため、DDSの出力範囲は百MHzのオーダーになる。しかし、NMRのパルス・シーケンスで用いられる周波数の範囲は数MHz以内の場合が多い。この点を考慮すると、NMR実験の自由度を制限することなくパルス・シーケンスで設定する必要のある周波数範囲をDDSが出力できる周波数範囲より小さくことができる。図6の実施例はこの点を反映して、DDSの全周波数設定ビットNを設定するSFTWと、パルス・シーケンスの中で設定する必要のあるLビットを設定するDFTWを分離した。
SFTWはパルス・シーケンスの照射を開始する前に1回設定され、パルス・シーケンスの照射を開始した後はDFTWのみを設定する。SFTWは固定周波数を出力するPA(0)25を設定し、PA(0)25の出力p(0)は常にSFTWの位相増分を持つ。一方、LビットのDFTWは実施例1のFTWと同様に制御器22によりc(1)〜c(L)の制御信号に変換され、23−1〜23−Lのスイッチを制御する。
図6の構成を持つ実施例2のDDSは、実施例1のDDSに比べ位相一貫性を保持しながら出力できる周波数の数が少ないが、DFTWのビット数が少ないため周波数変調にかかる時間が短くなる利点がある。また、PAとスイッチの数が実施例1より少なくなるため、DDS全体の回路規模が小さくなり、実装面積と消費電力が低減される利点もある。
図7は本発明の第3の実施例を示すブロック図である。図7の実施例では、本発明のPSU20の出力ph_iniをもう一つのPA26の初期位相として用いる。FTWはPAU20とPA26の両方に設定される。PH_CNTRLはFTWが変わった時のPA26の初期位相としてPAU20の出力ph_iniを使うか、或はFTWが変わる直前CLKでPA26が持っていた位相を使うかを設定する制御信号である。
図7の構成を持つ本実施例のDDSは、PAが1つ増えるためDDSの回路規模が大きくなるが、PH_CNTRLの設定により、FTWを切替えた時の出力波形を図2のBとCの波形のどちらにもできる利点を持つ。なお、図7では、実施例1の構成を利用しFTWとPAU20を用いたが、実施例2のSFTWとDFTWとPAU20'とPA(0)25を用いる構成にも適用できる。
本発明の装置は、核磁気共鳴装置の他にも、磁気共鳴映像装置(MRI)およびその他の位相一貫性を保持しながら高速で周波数を切り替えて信号を出力する用途に適用できる。
NMR装置とダイレクト・ディジタル・シンセサイザの概略の構成を示すブロック図。 周波数切り替えにおける波形の位相一貫性を説明する概念図。 本発明の実施例1によるダイレクト・デジタル・シンセサイザの構成を示すブロック図。 位相集積器の出力とダイレクト・デジタル・シンセサイザの出力との関係を示す概念図。 実施例1の位相集積ユニットの動作の1例を説明するためのブロック図。 実施例2によるダイレクト・デジタル・シンセサイザの構成を示すブロック図。 実施例3によるダイレクト・デジタル・シンセサイザの構成を示すブロック図。
符号の説明
1…測定試料、2…静磁場手段(磁石)、3…交流磁場手段を収めた筐体(プローブ)、4…交流磁場手段(プローブコイル)、5…交流磁場手段の高周波調整回路、6…NMR装置の全体制御部、7…ダイレクト・デジタル・シンセサイザ(DDS)、8…高周波送信部のフロントエンド、9…送受信切替回路、10…高周波受信部、12…第2位相加算器、13…位相/振幅変換ルックアップテーブル、14…ディジタル/アナログ変換器、20,20’…位相集積ユニット、21−1〜21−N…位相集積器、22…制御器、23−1〜23−N…スイッチ、24…位相加算器、25…位相集積器、26…位相集積器。

Claims (8)

  1. 位相集積部と位相/振幅変換部を有するダイレクト・デジタル・シンセサイザにおいて、
    2の乗数の固定位相増分で動作する複数の位相集積器と、
    周波数設定値の各ビットを制御信号として出力する制御器と、
    前記制御器の制御信号が1の場合は前記位相集積器の出力を出力し、また前記制御信号が0の場合は0を出力する複数のスイッチと、
    前記複数のスイッチの出力を加算する加算器と、
    を備えることを特徴とするダイレクト・デジタル・シンセサイザ。
  2. 前記周波数設定値とは別に前記ダイレクト・デジタル・シンセサイザの全周波数設定値のビット長と等しいビット長の周波数設定値の第2入力を設定する手段と、
    前記複数の位相集積器とは別途に設けられ前記第2入力の周波数設定値により制御される第2位相集積器を有し、
    前記第2位相集積器の出力と、前記複数のスイッチの出力とを加算する加算器を有することを特徴とする請求項1記載のダイレクト・デジタル・シンセサイザ。
  3. 前記加算器の後段に、
    該加算器の出力と、前記周波数設定値と、位相制御信号を入力として受ける第3位相集積器を有し、
    前記第3位相集積器の出力周波数は前記周波数設定値により制御され、また第3位相集積器の周波数切替時の初期位相は前記位相制御信号により前記加算器の出力と周波数が変わる直前に第3位相集積器が持っていた位相との間で選択されることを特徴とする請求項1記載のダイレクト・デジタル・シンセサイザ。
  4. 前記加算器の後段に、
    該加算器の出力と、前記周波数設定値と、位相制御信号を入力として受ける第3位相集積器を有し、
    前記第3位相集積器の出力周波数は前記周波数設定値により制御され、また第3位相集積器の周波数切替時の初期位相は前記位相制御信号により前記加算器の出力と周波数が変わる直前に第3位相集積器が持っていた位相との間で選択されることを特徴とする請求項2記載のダイレクト・デジタル・シンセサイザ。
  5. 測定試料に静磁場を与える手段と、測定試料に交流磁場を与える手段を備えた核磁気共鳴装置において、
    前記交流磁場を生成するために請求項1記載のダイレクト・デジタル・シンセサイザを用いることを特徴とする核磁気共鳴装置。
  6. 測定試料に静磁場を与える手段と、測定試料に交流磁場を与える手段を備えた核磁気共鳴装置において、
    前記交流磁場を生成するために請求項2記載のダイレクト・デジタル・シンセサイザを用いることを特徴とする核磁気共鳴装置。
  7. 測定試料に静磁場を与える手段と、測定試料に交流磁場を与える手段を備えた核磁気共鳴装置において、
    前記交流磁場を生成するために請求項3記載のダイレクト・デジタル・シンセサイザを用いることを特徴とする核磁気共鳴装置。
  8. 測定試料に静磁場を与える手段と、測定試料に交流磁場を与える手段を備えた核磁気共鳴装置において、
    前記交流磁場を生成するために請求項4記載のダイレクト・デジタル・シンセサイザを用いることを特徴とする核磁気共鳴装置。
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