JP4426420B2

JP4426420B2 - 電磁波送信装置及びそれを用いた核磁気共鳴分析装置

Info

Publication number: JP4426420B2
Application number: JP2004306499A
Authority: JP
Inventors: 秀太羽原; ミンソク朴
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2004-10-21
Filing date: 2004-10-21
Publication date: 2010-03-03
Anticipated expiration: 2024-10-21
Also published as: JP2006118961A

Description

本発明は電磁波送信装置、及びそれを用いた核磁気共鳴分析装置（以下、「ＮＭＲ装置」という）に関する。

ＮＭＲ装置は、静磁場下に置かれた試料に数マイクロ秒周期程度のラジオ波やマイクロ波等の電磁波を照射し、試料から発せられる自由減衰信号を受信することで試料の構造を特定する装置であり、近年、蛋白質の組成や構造の特定等に期待されている。

ＮＭＲ装置は静磁場を発生させるマグネット装置、試料周囲に配置され試料に電磁波を照射する送信コイル、電磁波を生成、送信する送信装置、試料からの自由減衰信号を受信する受信コイル、受信した自由減衰信号を処理する受信装置、とを有している。なお、局部発振器（ローカルオシレーター）など送信装置、受信装置の両方に属する機器もあり、送信装置、受信装置の機能を双方含めた形で送受信装置としている場合もある。

近年、ＮＭＲ装置の送信装置、受信装置にデジタル技術が導入されつつある。特に１０ＭＨｚ程度の低い周波数領域でのデジタル技術が実現されてきており、回路基板上で数十ＭＨｚから数百ＭＨｚの電磁波の信号をデジタル信号で作成、処理することが可能となってきた。デジタル信号による処理（以下「デジタル処理」という）は、基板上の配線長の違いによる信号のずれや、コンデンサー、インダクター等の回路要素が持つ温度変化による特性の違いから生ずる周波数や位相のずれを抑えることができ、より正確な測定を行うことができる。

特にデジタルダイレクトシンセサイザー（ＤＤＳ）と呼ばれるデジタル数値をクロックに同期させて出力する装置は、周波数の変化制御や、位相制御に優れた性能を有するのでＮＭＲ分光計に用いられてきている。

ＮＭＲ分光装置においては、ある１つの周波数、位相で信号を送信し、その後少し離れた周波数で送信し、また元の周波数、位相で信号を送信するという機能の必要な場合がある。例えば、１３Ｃ炭素核のスペクトルは１２０ｐｐｍにわたる広い範囲を持つので、そのスペクトル全領域を一様に励起させるためには周波数を２０ｋＨｚ程度切り替えて、送信ラジオ波パルスを照射する。

一般にＤＤＳを使って周波数を変化させ、また元の周波数へ戻ると、その位相情報は失われてしまう場合が多い。その理由は、周波数を切り替えた際に起こる時間的不確定性および誤差、元の周波数に戻った際の位相オフセット計算の誤差などによる。この問題の解決のために、従来はＮＭＲ用ラジオ波送信回路にＤＤＳを２つ以上搭載していた。

ＮＭＲ用ラジオ波送信回路としての機能には、ＤＤＳを用いて位相を断続的に数千回変化させ、１つの送信周波数を用いて広帯域の周波数を励起させる複合パルスデカップリングと呼ばれる方法がある。また、送信波の振幅と位相をガウス型やサイン波形に変化させ、ある狭い帯域のみを励起させるシェープドパルスなどの方法がある。

これらのパルスを生成させるために、ＤＤＳは２つ以上組み合わせて用いられる。なおＤＤＳに関するものとして、送信装置におけるデジタル処理が特許文献１に記載されている。

特開２００４−４０８９号公報

しかしながら、前出のようにデジタル処理を採用したＮＭＲ装置であっても、例えばチャープ波形と呼ばれる周波数を掃引する波形を作り出すにはＤＤＳを時間的に正確に制御する必要がある。チャープ波形は少ないパワーで前出の複合パルスよりも、より広帯域な周波数を励起できるという特徴がある。

ＤＤＳを用いて周波数と位相を変調させるためには、ＤＤＳの周波数と位相レジスタに高速にアクセスして値を書き替えるという動作が必要である。そのため典型的には８０ＭＨｚで動作しているＤＤＳの位相や周波数を変化させるのに必要な時間は、１００〜３００ナノ秒かかるのが普通である。この時間は前出のチャープ波形などの連続的に周波数が変化する波形を作り出すのには充分短くない。また、ＤＤＳの周波数と位相のレジスタを正確なクロックに合わせて変化させるこの方法は、出力波はサイン波形の組み合わせしか、取り得ないという欠点を持つ。

また、ＮＭＲ送信装置用に２つ以上のＤＤＳを組み込み、それらの周波数と位相を変化させる回路を作るためにはアプリケーション特化集積回路（ＡＳＩＣ）などの技術が必要で、汎用で価格の低い一般的なＤＤＳを構成するＩＣが使えない。このため開発コストが増加するという欠点がある。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、より高速な周波数、位相変調を実現し、また、変調の自由度を大幅に向上させる電磁波送信装置と、製作コストの観点からも実装性能に優れたＮＭＲ装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明は、核磁気共鳴分析装置に電磁波を供給する電磁波送信装置であって、位相、周波数それぞれの変調を制御するコントローラと、デジタル数値を周期的に発振する数値制御発振器と、前記コントローラからの位相または周波数の変調情報を蓄えるロングメモリと、前記数値制御発振器からの出力と前記ロングメモリに蓄えられた変調情報とを足し合わせる加算器と、前記加算器からのデジタルデータ（鋸波）をサイン波形の振幅へと変換する変換テーブルと、前記変換テーブルからの振幅変調データを出力する振幅変調レジスタと、前記振幅変調レジスタからのデジタルデータをアナログ波形へと変換するＤ／Ａコンバータと、を備えることを特徴とする。

また、上記の電磁波送信装置であって、前記ロングメモリに所定期間、所定値の波形データを蓄積することで、位相変調を可能にする。あるいは、前記ロングメモリに所定期間、鋸波状の波形データを蓄積することで、周波数変調を可能にする。

また、上記の電磁波送信装置であって、前記数値制御発振器の動作クロックと前記加算器の加算クロック及び前記ロングメモリのデータ読み出しクロックを同一にすることを特徴とする。これにより、周波数または位相変調を高速に行うことができる。

また、前記加算器の加算機能を動作中に休止する、または前記ロングメモリの変調情報としてゼロを出力して前記加算器により加算することにより、周波数または位相変調を動作中に休止させることを特徴とする。

さらに本発明の核磁気共鳴分析装置は、静磁場を発生させるマグネット装置と、マグネット装置に挿入され試料に電磁波を照射する送信コイルと試料から発せられる信号を検出する受信コイルとを有するＮＭＲプローブと、ＮＭＲプローブにおける送信コイル若しくは受信コイルに電気的に接続される電磁波送信装置及び電磁波受信装置を備えるものであって、前記電磁波送信装置として本発明の電磁波送信装置を用いることを特徴とする。

本発明の電磁波送信装置によれば、これまでよりも高速な周波数、位相変調を実現し、また、変調の自由度を大幅に向上できる効果がある。

本発明のＮＭＲ装置によれば、１台のＤＤＳによる電磁波送信装置を用いるので、製作コストを引き下げ、実装性能に優れた効果がある。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお本発明はこれら実施の形態として開示する技術的思想を利用して種々の変更が可能であり、本明細書に記載の実施形態だけに限定されるものではない。

図１は、本実施形態に係るＮＭＲ装置の概要を示す構成図である。（ａ）はＮＭＲ装置を側面から見た場合の断面図、（ｂ）は（ａ）におけるマグネット装置を装置上部からみた平面図、（ｃ）は（ａ）におけるマグネット装置をプローブ挿入方向からみた平面図を、それぞれ示している。

本実施形態のＮＭＲ装置は、試料に対し静磁場を印加する超電導マグネット１０１を低温容器１０２に備えてなるマグネット装置１０３を備える。その超電導マグネット装置に挿入され、試料に対してラジオ波などの電磁波を送信する送信コイルと、試料から発せられる自由減衰信号を受信する受信コイルとを有するＮＭＲプローブ１０４を備える。このＮＭＲプローブ１０４に接続され、送信コイルから照射される電磁波を作成及び送信、並びに受信コイルからの自由減衰信号に基づいて信号の処理を行うＮＭＲ送受信回路１０５と、この回路の出力に応じて種々の情報処理を行う情報処理装置１０６から構成されている。

マグネット装置１０３は低温容器１０２と、その内部に配置される超伝導マグネット１０１とを有して構成されており、低温容器１０２内には液体窒素、液体ヘリウムなどの冷媒が注入され超伝導マグネット１０１を冷却する。超伝導マグネット１０１は水平方向に巻き軸を有し、一対に配置された超伝導コイルであり、この一対の超伝導コイルの間は試料を挿入する又は配置する試料挿入空間１０７となっている。試料はこの試料挿入空間１０７の上部から挿入される。

また、超伝導マグネット１０１を構成する各超伝導コイルは、本実施形態においては説明の簡略化のため単層のマグネットで表示している。しかし複数層の超伝導コイルを用いることは各超伝導コイル間の調整を必要とするものの、磁場の均一性を高める上で有用である。また、超伝導コイルの水平方向の巻き軸を貫くように空間が形成されており、低温容器１０２もその空間に対応して空間が形成されている。

ＮＭＲプローブ１０４はこの超伝導コイル及び低温容器の空間に沿って挿入される。ＮＭＲプローブ１０４は詳細な図示をしていないが、試料を鉛直方向から挿入するために垂直方向に試料空間を有するコイルを採用しており、送信コイルは鞍型、受信コイルはソレノイド型を採用している。また、これらコイルは感度を向上させるために超伝導物質により形成されており、ＮＭＲプローブ内部にはこれらコイルを流すための冷却構造が配置されている。

以上の構成により、本実施形態にかかるＮＭＲ装置は、静磁場下に置かれた試料に数マイクロ秒周期程度の電磁波を照射し、その電磁波に基づき試料から発せられる自由減衰信号を受信し、信号処理を行い、ＮＭＲ計測を行うことができる。

図２にＮＭＲ送受信回路のブロック図を示す。ＮＭＲ送受信回路１０５は、ラジオ波デジタル変調装置２０１、ラジオ波デジタル変調装置２０１が作成した変調波に基づいて試料に対して送信される電磁波を作成する送信用周波数アップコンバータ２０２を有する。この電磁波がＮＭＲプローブ２０３の送信コイルに印加され、この結果ＮＭＲプローブ２０３の受信コイルが受信した自由減衰信号（Free Induction Decay：以下、「ＦＩＤ信号」という）を処理する受信用周波数ダウンコンバータ２０４を有する。さらにアナログのＦＩＤ信号をデジタルのＦＩＤ信号（以下「デジタルＦＩＤ信号」という）に変換するアナログ−デジタル変換器２０５（以下「Ａ／Ｄ変換器」という。）と、基準信号発生装置２０６とを有している。またアナログ−デジタル変換器２０５に接続される検波器２０７を有し、この出力は情報処理装置１０６へ送信される。

本実施形態においては、ラジオ波デジタル変調装置２０１、アナログ−デジタル変換器２０５、検波器２０７、基準信号発生装置２０６がデジタル処理の部分である。ラジオ波デジタル変調装置２０１とアナログ−デジタル変換器２０５のクロックは、基準信号発生装置２０６のクロックを元にして同期している。これにより、回路全体の周波数関係を安定させることができる。

図３は、本発明の電磁波送信装置の一実施例を示し、ラジオ波デジタル変調装置のブロック図である。ＮＭＲ測定用の送信変調波を生成するラジオ波デジタル変調装置２０１は本発明の電磁波送信装置の主要部をなしており、以下の構成を供えている。位相または周波数の変調数値レジスタ３０１、数値制御発振器３０２、位相または周波数の変調データを蓄積するロングメモリ３０３、数値制御発振器３０２からのデジタルデータとロングメモリ３０３からの変調データを加算する加算器３０４を有する。さらに、加算器３０４からの出力をサイン波の出力へ変換する鋸波−サイン波（位相―振幅）変換テーブル３０６、この振幅変調データを出力する振幅変調数値レジスタ３０７、レジスタ３０７のデジタルデータをアナログ波形へ変換するＤ／Ａコンバータ３０９を有する。変調数値レジスタ３０１、ロングメモリ３０３、振幅変調数値レジスタ３０７はコントローラ３０５を通じて制御される。
なお、変調数値レジスタ３０１、数値制御発振器３０２、加算器３０４、変換テーブル３０６、振幅変調数値レジスタ３０７を合わせると、前出のダイレクトデジタルコンバータ（ＤＤＳ）の構成となる。
ここで注意すべき点は、数値制御発振器３０２、加算器３０４、鋸波−サイン波（位相―振幅）変換テーブル３０６、振幅変調数値レジスタ３０７、Ｄ／Ａコンバータ３０９がすべて同じ同期クロック３１０で動いていることである。通常、このクロックは８０〜１００ＭＨｚ程度である。

Ｄ／Ａコンバータ３０９からの出力は、図２の送信周波数アップコンバータ２０２に送られる。Ｄ／Ａコンバータ３０９からの出力は、典型的には１０〜２０MHzである。その出力を送信周波数アップコンバータ２０２において、ＮＭＲ計測装置、特にマグネットの磁場強度に対応した周波数、例えば６００MHzのラジオ波まで周波数を高く変換する。そうすることでＮＭＲプローブ２０３の中に入った測定試料中の水素原子核のスピンに適した周波数で励起することが可能になる。
一般にＮＭＲ測定は、ラジオ波送受信装置から送信コイルへのラジオ波パルスの送信、送信コイルから試料へのラジオ波の照射、試料からのＦＩＤ信号の受信、試料の緩和、という一連の手順が繰返されることによって行われる。なお、試料が液体である場合、パルスの送信時間は約０．１秒、ＦＩＤ信号の受信時間は約０．５秒、試料の緩和時間は約１秒程度であり、ＮＭＲ測定の長いものでは１週間ほど、これら手順を繰返して行うものもある。

試料からのFID信号は励起に使用した周波数、例えば６００MHz±１０ｋHz程度に広がった周波数成分を持つ。そのFID信号を受信用周波数ダウンコンバータ２０４において今度は数MHz〜２０MHｚ程度の低い周波数に変換する。変換の際に使用する周波数源は、受信信号の位相情報を保持するためにラジオ波デジタル変調装置２０１からのものを使用する。このような方法でダウンコンバートされた数MHz〜２０MHz程度の信号をアナログーデジタル変換器２０５でデジタル信号に変換する。

ここで、本実施例のＮＭＲ装置に適用される電磁波送信方法、すなわちＮＭＲ測定のための送信変調波の生成方法を具体的に説明する。

図４はＮＭＲ送信回路の出力波形の説明図である。本発明の電磁波送信装置の一例であるＮＭＲ送信回路は、図２のラジオ波デジタル変調装置２０１に相応する。まず、数値制御発振器３０２は位相と周波数のデータを、コントローラ３０５から位相、周波数変調レジスタ３０１経由で受け取り、図４（ａ）に示すような一定周波数、一定位相の鋸波４０１を発振する。鋸波４０１は（１）式のように表すことができる。
ｆ（ｔ）＝Mod（a＊ｔ＋ｐｈ，２^３２） …（１）
このとき、ａは周波数、ｐｈは位相の設定値である。Ｍｏｄ関数は、Ｍｏｄ（ｘ，ｙ）の場合のｘをｙで割ったときの余りをＭｏｄ（ｘ，ｙ）とする。
ここで出力波の位相を変化させるためには、ある時間ｔ１からｔ２までゼロでない一定数値を持つデータ（図４（ｂ）の波形４０２）を、コントローラ３０５からロングメモリ３０４に蓄えておく。この一定数値を変えれば、変調される位相も変化する。

ロングメモリ３０４に蓄えられるデータは（２）−（４）式で表される。この波形４０２は、鋸波４０１を位相変調する場合のｇ（ｔ）である。ｇ（ｔ）は任意の０〜２^３２−１の数である。
ｇ（ｔ），０≦ｇ（ｔ）≦２^３２−１ …（２）
ｇ（ｔ）＝０，０<ｔ<ｔ１，ｔ２<ｔ …（３）
ｇ（ｔ）＝ｐｈ１／３６０＊２^３２，ｔ１<ｔ<ｔ２ …（４）
ここで、ｐｈ１は位相を変化させる角度であり、波形４０２の一定数値の値を変えることでｐｈ１を変化させ、位相を制御できる。加算器３０４は（５）式の演算を行う。
Ｍｏｄ（ｇ(ｔ)＋ｆ(ｔ)，２^３２） …（５）
すなわちｇ(ｔ)とｆ(ｔ)を足して、２^３２を超えた場合は割った余りを取る。すると、ロングメモリ３０３と数値制御発振器３０２との加算結果である加算器３０４の出力は、図４（ｃ）のようにｔ１からｔ２までの間、点線から実線のように位相が変化した鋸波４０３となる。

同様に、周波数変調を行うときのｇ(ｔ)には図４（ｄ）に示す波形４０４を用いる。ロングメモリ３０３には、ｔ１からｔ２まで時間的に緩やかに変化する鋸波４０４をデータとして蓄えておく。このｇ(ｔ)は（６）−（７）式で表される。
ｇ（ｔ）＝０，０<ｔ<ｔ１，ｔ２<ｔ …（６）
ｇ（ｔ）＝Ｍｏｄ（ｂ＊ｔ＋ｐｈ２，２^３２），ｔ１<ｔ<ｔ２ …（７）
ここで、ｂは変調周波数、ｐｈ２はその時のオフセット位相である。式（５）に従って、加算器３０４からの出力周波数はａ＋ｂになる。ｂの値を変えると、出力周波数も変化する。

このｇ(ｔ)を用いれば、加算器３０４からの出力は図４（ｅ）のようにｔ１からｔ２までの間、点線から実線のように、周波数が少し高くなった鋸波４０５が出力され、ｔ２の時点では元の鋸波に戻り、周波数が変調された出力が得られる。

なお、周波数や位相の変調を休止させたいときは、加算器３０４の機能を動作中に休止する。あるいは、休止したい時間にロングメモリ３０３にｇ(ｔ)＝０を与え、ロングメモリ３０３の変調データとしてゼロを出力して加算器３０４により加算する。これにより、ロングメモリ３０３経由の周波数、位相変調を動作中に休止させることができる。

以上のように、本実施形態ではロングメモリ３０３に蓄えるデータを様々に変化させる。これにより、従来のように数値制御発振器３０２を複数台切り替えたり、数値制御発振器の位相、周波数を多数回切り替える場合よりも、はるかに滑らかで精緻な変調を高速に行うことができる。

また、本実施形態のラジオ波デジタル変調装置２０１は前出のように、その主要部にＤＤＳの構成を有している。したがって、ＮＭＲ装置に本ラジオ波デジタル変調装置を用いれば、従来のように２台のＤＤＳを用いることなく、位相、周波数の多数回の切り替えが可能になる。

なお、本実施形態に係るＮＭＲ装置における超伝導マグネット装置は水平方向に巻き軸を有する超伝導マグネットであるが、本実施形態に係る電磁波送受信装置を用いる限りにおいて他のＮＭＲ装置に対しても適用可能である。

本発明のＮＭＲ装置に係る一実施形態の概要を示す構成図。ＮＭＲ装置のＮＭＲ送受信回路の構成を示すブロック図。本発明の電磁波送信装置に係る一実施形態の構成を示すブロック図。電磁波送信装置の各部の出力を説明する波形図。

符号の説明

１０１…超伝導マグネット、１０２…低温容器、１０３…マグネット装置、１０４…ＮＭＲプローブ、１０５…ＮＭＲ送受信回路、１０６…情報処理装置、２０１…ラジオ波デジタル変調装置、２０２…送信用周波数アップコンバータ、２０３…ＮＭＲプローブ、２０４…受信用周波ダウンコンバータ、２０５…アナログ−デジタル変換器、２０６…基準信号発生装置、２０７…検波器、３０１…位相・周波数変調レジスタ、３０２…数値制御発振器、３０３…ロングメモリ、３０４…加算器、３０５…コントローラ、３０６…鋸波−サイン波変換テーブル、３０７…振幅変調レジスタ、３０９…D／Aコンバータ、３１０…同期クロック、４０１…数値制御発振器の出力データ、４０２…位相変調する際のロングメモリ上のデータ、４０３…位相変調された加算器の出力データ、４０４…周波数変調する際のロングメモリ上のデータ、４０５…周波数変調された加算器の出力データ。

Claims

核磁気共鳴分析装置に電磁波を供給する電磁波送信装置であって、
位相、周波数それぞれの変調を制御するコントローラと、コントローラからデジタル数値を受け取り、一定周波の鋸波を周期的に発振する数値制御発振器と、前記コントローラからの位相または周波数の変調情報を蓄えるロングメモリと、前記数値制御発振器からの出力と前記ロングメモリに蓄えられた変調情報とを足し合わせる加算器と、前記加算器からのデジタルデータをサイン波形の振幅へと変換する変換テーブルと、前記変換テーブルからの振幅変調データを出力する振幅変調レジスタと、前記振幅変調レジスタからのデジタルデータをアナログ波形へ変換するＤ／Ａコンバータとを備え、
前記ロングメモリに所定期間、鋸波状の波形データを蓄積することで、周波数変調を可能にし、
前記数値制御発振器の動作クロックと前記加算器の加算クロック及び前記ロングメモリのデータ読み出しクロックを同一にすることを特徴とする電磁波送信装置。
請求項１において、前記ロングメモリに所定期間、所定値の波形データを蓄積することで、位相変調を可能にすることを特徴とする電磁波送信装置。
請求項１において、前記加算器の加算機能を動作中に休止する、または前記ロングメモリの変調情報としてゼロを出力して前記加算器により加算することにより、周波数の変調を動作中に休止させることを特徴とする電磁波送信装置。
静磁場を発生させるマグネット装置と、マグネット装置に挿入され試料に電磁波を照射する送信コイル及び試料から発せられる信号を検出する受信コイルを有するＮＭＲプローブと、ＮＭＲプローブにおける送信コイル若しくは受信コイルに電気的に接続される電磁波送信装置及び電磁波受信装置を備える核磁気共鳴分析装置において、
前記電磁波送信装置が請求項１−３のいずれか１に記載の電磁波送信装置を用い、発生した電磁波を送信用周波数アップコンバータにより周波数を高めて、前記ＮＭＲプローブに供給することを特徴とする核磁気共鳴分析装置。