JP4955361B2 - 核磁気共鳴分光用送受信コイル - Google Patents

Description

本発明は、核スピンを有する原子核を含むサンプルの核磁気共鳴（ＮＭＲ）信号を検出する核磁気共鳴分光用プローブに関する。

ＮＭＲ信号を検出するには、観測対象の核スピンを含むサンプルに静磁場を印加し、さらに振動磁場を照射する必要がある。照射する振動磁場の周波数は、印加する静磁場の大きさとサンプルに含まれる核スピンの種類に応じて決められる。核スピンを含むサンプルは、静磁場の印可、そして、振動磁場の照射という手順を経て、ＮＭＲ信号を放出する。

サンプルへの振動磁場を照射するアンテナ素子と、サンプルからのＮＭＲ信号を検出するアンテナ素子を、それぞれ送信コイル、受信コイルと呼ぶ。送信コイルと受信コイルのこれらの機能を考慮した上で、核磁気共鳴分光用プローブに実装した場合、シングルコイル方式と呼ばれる実装方法と、送受分離型コイル方式と呼ばれる実装方法の２種類が有効であることが知られている。シングルコイル方式は、ひとつのコイルで送信コイルと受信コイルの機能で担るように実装した回路を用いるＮＭＲの計測法である。また、送受分離型コイル方式は、２つのコイルを用いる計測方法で、それぞれのコイルは、一般にそれらがつくる磁場の向きを直交させるように配置される。

送受分離型コイル方式の利点は、送信コイルと受信コイルをそれぞれ独立に設計し、実装することができる。例えば、Ｂ１均一度を向上させる手段としては、送信コイルの形状を受信コイルよりも大きくすると実現するが、送受分離型コイル方式では、そういった設計と実装が可能となる。ここで、Ｂ１均一度とは、振動磁場強度の空間的均一性のことである。

Ｂ１均一度を向上させる目的で送受分離型コイル方式が採用されている例としては、核磁気共鳴分光と類似の技術で構築される磁気共鳴映像（ＭＲＩ）装置が挙げられる。送受分離型コイル方式の課題としては、送信コイルと受信コイルの結合があり、これは公知である。送信コイルと受信コイルの間に、電気的、磁気的に結合が生じると、送信コイルと受信コイルが接続された共振回路の整合と同調をとることが困難となる。また、振動磁場照射時に、送信コイルから受信コイルへ磁場が漏れる場合は、照射した振動磁場が受信コイルに接合されたプリアンプを飽和させ、プリアンプを一時的、あるいは恒久的に使用不可能な状態にする。つまり、ＮＭＲ信号の受信が一時的あるいは恒久的に不可能となる。このように、送信コイルと受信コイル間が結合した場合、装置の性能を低下や破壊を招く原因となる。従って、このような性能低下を防ぐ為に、送信コイルと受信コイルの結合を低下させることが課題となる。

この課題を解決させる手段として、スイッチ回路を用いる方法がとられてきた。その方法とは、スイッチ回路の動作によって、振動磁場照射時は送信コイルを同調整合させ、且つ受信コイルは同調整合させないようにし、受信時は逆に送信コイルを同調整合させないようにし、且つ受信コイルは同調整合させることである。

特許文献１には、スイッチング可能なインピーダンス回路（スイッチ回路）をＮＭＲ界磁コイル（送信コイルや受信コイル）とそれを部分的に取り囲む接地されたシールドの間を接合するように設置している。そして、スイッチング作用によってＮＭＲ界磁コイルの周波数を所定の周波数から離調させ、ある界磁コイルと他の界磁コイル等の相互作用を無くす記載がある。また特許文献２には、送信アンテナと受信アンテナに整合兼同調ユニットが配置され、このユニットが共振の同調と回路整合に影響を与えることで、送信コイルと受信コイルが相互に減結合する記載がある。特許文献１、２は、スイッチ回路を用いることで送信コイルと受信コイルの結合を低下させることを可能としている。また、特許文献１、２では、スイッチ回路として、ＰＩＮダイオードやＰＩＮダイオードとλ／４線伝送線路を組み合わせた構成の回路を開示している。

特開平２−４３２９号公報 特開平３−１１２５３９号公報 Ｒ．Ｄ．Ｂｌａｃｋ等、ＳＣＩＥＮＣＥ、２５９巻、７９３頁、１９９３年

近年、ＮＭＲ装置の開発課題は、多種多様なタンパク質の構造解析をＮＭＲ計測で行えるようにすることであって、それは計測感度をより高感度にすることで実現する。高感度化のために、超伝導線を用いたＱ値の高い受信回路（共振回路）を用いて、ＮＭＲ信号の受信感度を向上させる技術が確立されつつある。この技術の要点は、超伝導線を用いて受信回路のＱ値を高くする点である。

Ｑ値と受信感度の関係は、非特許文献１によれば、受信感度の指標となる信号雑音比ＳＮＲ対し、ＳＮＲ∝√Ｑの関係にある。つまりＱ値が高くなると受信感度は向上する。しかし、Ｑ値の高い受信コイルとＱ値の低い送信コイルが結合している場合、Ｑ値は互いのコイルの低い値に合わせて低下し、受信感度は低下する。コイルのＱ値は、銅材料を用いた場合、室温でＱ＝４００程度であり、超伝導材料を用いた場合、Ｑ＝４０００以上の値となる。

図４はＭＲＩの計測で使用される共振回路で、ＬＣ並列回路を用いていることを特徴としている。コイル１０（受信コイルもしくは送信コイル）とコンデンサ５５でＬＣ並列回路１１を構成し、これと直列にコンデンサ５６の整合回路を接続する構成である。ここで、抵抗１７はコイルに付随する直列抵抗成分ｒである。コイルのＱ値と抵抗成分ｒとの関係は式（１）に示される。
Ｑ＝２πｆＬ／ｒ （１）
図４における同調回路と整合回路については、回路共振周波数の同調は主としてコイル１０を含むＬＣ並列回路のコンデンサ５５の調整により、回路のインピーダンス整合は主としてコンデンサ５６の調整による。コンデンサ５５とコンデンサ５６の静電容量ＣとＣ'の値は、図４のポート１からみたコイル側のインピーダンスＺ_０が、式（２）の関係を満たす値となる。
Ｚ_０＝１／（ｊωＣ'）＋ｒ＋ｊ｛ωＬ−１／（ωＣ）｝ （２）
ここで、ｊは虚数単位、角振動数ω＝２πｆである。式（１）を満たすＣとＣ'を解くには、式（２）を実数部と虚数部に分解し、実数部の式（３）に基づいてＣを求め、虚数部の式（４）に基づいてＣ'を求める。
実数部：Ｚ_０＝ｒ／{（１−ω^２ＬＣ）^２＋（ωＣｒ）^２} （３）
虚数部：１／(ωＣ')＝{ωＬ（１−ω^２ＬＣ）−ωＣｒ^２}
／{（１−ω^２ＬＣ）^２＋ω^２Ｌ^２Ｃ^２} （４）
つまり式（３）と条件式Ｃ≧０、Ｃ'≧０により、式（５）からＣを求める。Ｚ_０は整合の条件で、一般にＺ_０＝５０Ωである。
Ｃ＝〔ωＬ−√{(ωＬ)^２−（(ωＬ)^２＋ｒ^２）（１−ｒ／Ｚ_０）}〕／〔ω{(ωＬ)^２＋ｒ^２}〕 （５）
Ｃ'は、式（５）から得られるＣを式（６）に代入すればよい。
Ｃ'＝〔(１−ω^２ＬＣ)^２＋(ωＣｒ)^２〕／〔ω{ωＬ（１−ω^２ＬＣ）−ωＣｒ^２}〕 （６）
次に、ＣとＣ'の値を具体的に見てみる。高感度なＮＭＲ計測で使用される電磁波の周波数はｆ＝３００ＭＨｚ以上である。近年では高感度計測を行うため、共振周波数はｆ＝６００ＭＨｚが標準となりつつある。共振周波数をｆ＝６００ＭＨｚとし、コイルのインダクタンスをＬ＝１２０ｎＨとし、コイルのＱ値をＱ＝４００とすれば、ｒ＝２πｆＬ／Ｑ＝１．１３Ωとなる。式（５）（６）よりＣ＝０．５０ｐＦとＣ'＝０．０９ｐＦとなる。また、Ｑ値をＱ＝４０００とした場合、ｒ＝２πｆＬ／Ｑ＝０．１１Ωとなり、式（５）（６）よりＣ＝０．５６ｐＦとＣ'＝０．０３ｐＦとなる。

これから分かることは、整合回路のコンデンサ５６の値がＣ'＝０．１ｐＦ以下となる点である。一般に、このような共振回路は０．１ｐＦ程度の浮遊容量の影響を受けるので、浮遊容量以下に静電容量を合わせることは現実的に不可能となる。つまり、図４のようなＬＣ並列回路を含む共振回路では、共振周波数が６００ＭＨｚでＱ＝４００、あるいはＱ＝４０００を実現させることが不可能となる。また、共振周波数が６００ＭＨｚでＱ＝４０程度の場合、Ｃ＝０．３１ｐＦとＣ'＝０．２８ｐＦとなる。これは、Ｑ＝４０であれば、ＣとＣ'はそれぞれ０．３ｐＦ近くの値となり、同調と整合の調整が可能であることを示している。しかし、Ｑ値が４０と低いために、高感度な計測は実質的に不可能となる。つまり、使用周波数が比較的高くなる高感度なＮＭＲ計測には、図４に示すようなＬＣ並列共振回路を含む回路は適用不可ということになる。

医療検査用のＭＲＩ装置の技術とタンパク質の構造解析などを対象とするＮＭＲ装置の技術は、一見同じと思われるが、対象とする周波数はそれぞれ１００ＭＨｚ以下と３００ＭＨｚ以上となる点で大きく異なっている。

仮にＭＲＩで用いられている図４のＬＣ並列共振回路をもつ共振回路で３００ＭＨｚ以上のＮＭＲ計測を行うことを考える。その場合、同調は取れるが整合を取れない回路を使用することになる。あるいは、同調整合は取れるがＱ値の低い回路を使用することになる。すなわち、３００ＭＨｚ以上の高周波で且つ高感度な計測は不可能になる。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、送受分離型コイル方式のプローブであって、高感度なＮＭＲ計測に必要な受信コイルと送信コイルの結合をより高いレベルで低下させ、ＮＭＲ計測に必要な同調と整合がとれる核磁気共鳴分光用プローブを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の核磁気共鳴分光用プローブは、サンプルに核磁気共鳴信号を励起するための電磁波を照射する送信コイルと、上記電磁波によってサンプル内で励起される核磁気共鳴の電磁波信号を受信する受信コイルとが、それぞれ分離した形態で実装された核磁気共鳴分光用プローブにおいて、前記核磁気共鳴分光用プローブ内の回路は、前記送信コイルとコンデンサによってＬＣ直列を構成する送信用同調回路と、前記受信コイルとコンデンサによってＬＣ直列回路を構成する受信用同調回路を備え、それら同調回路がスイッチを介しインピーダンス整合を行う１つの整合回路と並列に接続され、且つ前記同調回路はスイッチの動作によって相互に前記整合回路と電気的に接続されることを特徴とする。

また、本発明の核磁気共鳴分光用プローブは、前記スイッチが、ＰＩＮダイオードとλ／４線伝送線路とで構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、３００ＭＨｚ以上の高い周波数での同調整合が可能で、且つ、送受分離型コイル方式を適用した場合の、送信コイルと受信コイルの結合をより高いレベルで低下させ、送受分離型コイル方式での高感度計測を可能とした。またＱ値が１００以上となる回路構成となる。

図２は、本発明に関わるＮＭＲ計測装置の全体構成図を示す。図２の拡大図は、プローブ３の先端部分の構成図で、本発明に係る核磁気共鳴分光用検出コイル（１０及び２０）のプローブ３内での配置を示す。超伝導磁石４は、ＮＭＲ計測に必要なサンプルに静磁場を印加するための装置である。計測コンソール５は、超伝導磁石４に組み込まれた室温シムコイル磁石の制御や、ＮＭＲ信号を取得する際の振動磁場送信機やＮＭＲ信号の受信機の制御を行うための装置である。

図３は、本発明に関わるプローブの全体断面図を示す。プローブ３の先端（図３の右側）は、サンプル１００の挿入を可能とする構造で、サンプルに振動磁場を照射する送信コイル２０とＮＭＲ信号を受信する受信コイル１０がある。図２の超伝導磁石４には、プローブ３の先端（図の右側）を先に挿入する形で接地する。共振回路８は、送信コイル２０、あるいは、受信コイル１０と任意の周波数での同調と、ある特性インピーダンスをもつ同軸ケーブル８０との整合をとるためのものである。本発明に関わるプローブの凡その寸法は、図３に記載されている。この寸法と形状からは、人体の計測を対象とするＭＲＩ装置のプローブとは大きく異なることが分かる。

ＮＭＲ計測では、水素（Ｈ）核、重水素（Ｄ）核、炭素１３（Ｃ）核、窒素１５（Ｎ）核、リン３１（Ｐ）核など、核スピンをもつ様々な原子核の核磁気共鳴信号を検出する。例えば１４テスラの印加磁場中の水素（Ｈ）の核磁気共鳴信号を観測するには、水素（Ｈ）核に６００ＭＨｚの振動磁場を照射し、その振動磁場を受けて核磁気共鳴した水素（Ｈ）核の振動数６００ＭＨｚの核磁気共鳴信号を受信する手順が必要である。

送受分離型コイルの場合、振動磁場を照射する送信コイルは、接続した共振回路を用いて６００ＭＨｚで共振するよう同調整合させ、受信コイルも接続した共振回路が６００ＭＨｚで共振するよう同調整合させる。

Ｂ１均一度の向上と、受信感度を向上の両立を実現させるには、送受分離型コイル方式を用いることが望ましい。ただし、送受分離型コイル方式で問題となる送信コイルと受信コイルの間で存在する結合を完全に低下させるという課題解決が必要となる。本発明は、送受分離型コイル方式で３００ＭＨｚ以上の周波数で同調整合し、且つ、送信コイルと受信コイルを回路的に結合させないという課題を解決するものである。

図１は本発明を適用するＬＣ直列回路と整合回路の関係を示す回路図である。この共振回路は、６００ＭＨｚの周波数で、同調整合の調整が可能であることを示す。コイル２０（送信コイルもしくは受信コイル）とコンデンサ５５によるＬＣ直列回路１１と、コンデンサ５６の整合回路１３を並列に接続する構成である。抵抗１７はコイル２０に付随する直列の抵抗成分ｒである。抵抗成分ｒとＱ値の関係は上記した式（１）で示される。この回路の同調と整合は、コンデンサ５５とコンデンサ５６の静電容量ＣとＣ'を可変なもので構成し、それらを変化させることで可能となる。

ＣとＣ'は、ポート１からコイル側のコンダクタンス(１／Ｚ_０)をみた場合、式（７）を満たす値となれば、整合と同調がとれる状態となる。
１／Ｚ_０＝ｊωＣ'＋１／{ｒ＋ｊ｛ωＬ−１／（ωＣ）｝} （７）
式（７）を満たすＣとＣ'を解くには、式（７）を実数部と虚数部に分解する。
実数部：１／Ｚ_０＝ｒ／{ｒ^２＋｛ωＬ−１/（ωＣ）｝^２} （８）
虚数部：０＝ωＣ'−{ωＬ−１/(ωＣ)}／{ｒ^２＋｛ωＬ−１/(ωＣ)｝^２} （９）
式（８）からＣを求め、このＣを式（９）に代入することでＣ'を求めることができる。具体的には、式（８）と条件式Ｃ≧０、Ｃ'≧０より、式（１０）からＣを求める。
Ｃ＝〔ω{ωＬ−√｛(ωＬ)^２−｛ｒ^２−Ｚ_０ｒ＋(ωＬ)^２｝｝}〕／ω （１０）
Ｃ'は、式（１０）から得られるＣを式（１１）に代入する。

Ｃ'＝｛ωＬ−１／（ωＣ）｝／〔{ｒ^２＋｛ωＬ−１／（ωＣ）｝^２}ω〕（１１）
ＣとＣ'の値を具体的に求めてみる。例えば共振周波数をｆ＝６００ＭＨｚとし、コイルのインダクタンスをＬ＝１２０ｎＨとし、コイルのＱ値をＱ＝４００とすれば、ｒ＝２πｆＬ／Ｑ＝１．１３Ωとなる。式（１０）（１１）より、Ｃ＝０．６０ｐＦとＣ'＝３４．９ｐＦとなる。また、Ｑ値をＱ＝４０００とした場合、ｒ＝２πｆＬ／Ｑ＝０．１１Ωとなり、式（１０）（１１）よりＣ＝０．５９ｐＦとＣ'＝１１１ｐＦとなる。

これで分かることは、図１のようなＬＣ直列回路を含む共振回路では、整合回路のコンデンサ５６の値が１０ｐＦから１００ｐＦ程度の値であり、本発明の適用が可能になることを示している。つまり、タンパク質の構造解析などを対象とするＮＭＲ装置では、対象とする周波数が３００ＭＨｚ以上となるので、本発明の適用が可能になる。

図５は、本発明を適用した送受分離型コイル方式の共振回路の簡略な回路図である。サンプル１００より左側に描かれた回路は送信回路であり、振動磁場を照射する送信コイル２０を備えている。サンプルより右側に描かれた回路は受信回路であり、サンプル１００より放出されるＮＭＲ信号を受信する受信コイル１０を備えている。送信回路も受信回路も共通しているのは、整合回路１３、１４と同調回路１１、１２の組合せで構成されていることである。この構成は、プローブの内部回路（共振回路）の同調と整合が正確に調整できることを示す。具体的には、可変コンデンサ５１−５４の静電容量を増減し、調整する。

図５の回路で問題が生じるのは、受信回路１０と送信回路２０間の結合である。この結合を避けるには、送信コイルと受信コイルがつくるそれぞれの磁場の向きを互いに直交させることが挙げられる。しかし送信コイルと受信コイルが作る互いの磁場を完全に直交させることは現実には実現が困難で、ある程度の結合は避けることができない。

そこで、送信コイルと受信コイルの結合を低下させるためにスイッチを用いる。図５における整合回路１４（１３）と同調回路１２（１１）の間を繋ぐ伝送経路上の枠７の位置にスイッチ７５を挿入する。スイッチ７５は必要なときに、一方のスイッチをオフさせると送信コイル２０と受信コイル１０の結合が完全に断たれる。例えば、送信コイル側の枠７の位置にあるスイッチ７５をオフ状態とし、受信コイル側の枠７の位置に入れたスイッチ７５をオン状態とすると、送信側の送信コイル２０は開放された状態となる。受信側からみればコイルというよりも単に金属片があるのと同じことになり、受信回路は送信回路の影響を全く受けないことになる。これは、受信回路の枠７の位置にあるスイッチ７５をオフとし、送信回路の枠７にいれたスイッチ７５をオンにした場合も同様で、送信回路は、受信回路の影響を受けることはない。

次に、仮に枠７ではなく枠８の位置に点線で示したスイッチ７６を設置し、それらをオフにする場合、送信コイル２０は同調回路１４によって有限のインピーダンスを持つ回路に接続された状態となる。受信コイル１０にとっても同じことで、同調回路１３によって有限のインピーダンスを持つ回路が接続された状態となり、受信コイル１０や送信コイル２０の両端が開放される状態とはならない。つまり、送信コイル２０と受信コイル１０間の結合を低下させるためのスイッチの位置は、枠７の位置、つまり同調回路と整合回路の間が良いことになる。以下実施例を挙げて説明する。

図６は、本発明に関わる受信コイルと送信コイルの結合度をより低下させる共振回路の実施例１で、回路の実装図を示す。スイッチ７７−７８はＰＩＮダイオード６１−６３とλ／４線伝送線路７１、７２の組合せで構成し、共振回路の同調回路と整合回路の間に挿入している。

ここで、ＰＩＮダイオードのスイッチの作用について簡単に説明する。ＰＩＮダイオードは順方向とよばれる向きに１ｍＡ〜１００ｍＡ程度の直流電流を流す場合、交流電力の通電可能な状態となる。逆に直流電流を流さない場合、交流電力の通電不可能な状態となる。つまりＰＩＮダイオードは、１ｍＡから１００ｍＡ程度の直流電流を流すか、流さないかの制御によってスイッチとして動作する。またλ／４線は、その端部の両方が接地されない場合は、普通の通電可能な導線となるが、どちらかの端部が接地された場合は、もう一方の端部のインピーダンスは非常に高くなる。つまりλ／４線は、その両端のどちらもが設置されない場合と、あるいはどちらか一方の端部が接地される場合かで、スイッチのように動作する。

図６の受信回路側のスイッチ７７と送信回路側のスイッチ７８で素子の構成が異なるのは、ＰＩＮダイオード６１−６３が通電可能か通電不可かの作用によってスイッチ７７とスイッチ７８のオンとオフを入れ替えるためである。具体的には、ＰＩＮダイオード６１−６３を通電可能な状態とすると、スイッチ７８内では、λ／線７０の下端７４がＰＩＮダイオード６３によって接地されるので、その上端７３は非常に高いインピーダンスとなる。また、スイッチ７７内では、λ／４線の右側の端部７４が、ＰＩＮダイオード６１によって接地されるので、その左側の端部７３は非常に高いインピーダンスとなる。つまりスイッチ７７はオフ、スイッチ７８はオンとなる。逆に、ＰＩＮダイオード６１−６３を通電不可能な状態とすると、スイッチ７８では、ＰＩＮダイオード６２、６３によってオフの状態となる。また、スイッチ７７では、ＰＩＮダイオード６１が通電不可能な状態であることからλ／４線７１は通常の導線となることから、それをオンの状態とする。つまり、ＰＩＮダイオード６１−６３にそれらの順方向の向きに正の直流電流を流さない場合は、スイッチ７７はオンとなり、スイッチ７８はオフとなる。

ＰＩＮダイオード６１−６３のオンとオフの制御は、送信回路と受信回路にそれぞれ設けてある制御端子から直流電流を操作し、制御する。インダクタ３１やインダクタ３２は、振動磁場信号やＮＭＲ信号を制御端子側に漏らさないためのチョークコイルである。また、コンデンサ４１とコンデンサ４２は、ＰＩＮダイオード６１−６３を制御するための制御ポートからの直流電流を、送信コイル２０と受信コイル１０に流れるのを防ぐために設けている。

表１は、図６の回路を用いた場合、計測の過程に応じて、スイッチ７７、７８をどのように制御するかを示している。

図６で制御の端子は送信回路と受信回路にひとつずつあるが、制御のタイミングは同じである。つまり、パルス送信時（送信回路整合同調時）は、ＰＩＮダイオード６１−６３が全て通電可能となるように制御ポート２と２‘から直流電流を流し、スイッチ７８はオン、スイッチ７７はオフとなるようにする。ＮＭＲ信号受信時は、逆にＰＩＮダイオード６１−６３が全て通電不可能となるように制御ポート２と２’から直流電流を流すことを止めて、スイッチ７８がオフ、スイッチ７７がオンとなるようにする。

この回路構成で明確に良くなった点は、送信回路と受信回路のそれぞれを独立に整合と同調をさせることができる点である。これにより、例えば受信回路のＱ値が１００００程度と高い場合でも、送信側の送信コイルとの結合を全く無視することができるので、受信回路の感度を落とすことなく、高感度なＮＭＲ計測を行うことができる。送信側と受信側の結合が生じると回路の同調整合の調整が困難となるが、結合を全く無視できる状態なので、同調整合の調整を十分行うことができ、高感度ＮＭＲ計測に必要な条件を整えることができる。

図７と図８は、実施例２を説明するための簡略の回路図と実装図である。実施例１との違いは、送信回路１２と受信回路１１の整合回路（１３、１４）にインダクタ３５とインダクタ３６を付け加えたことである。例えば、インダクタ３５のインダクタンスＬの値は、可変コンデンサ５３の静電容量Ｃと回路の共振周波数ｆをＬ＝１／{ (２πｆ)^２Ｃ}に代入して得られる値に近い値である。同様に、インダクタ３６についても可変コンデンサ５４の静電容量Ｃと共振周波数ｆから求められる。

このようにして求めたインダクタンスＬを持つインダクタ３５とインダクタ３６を用いても、回路のインピーダンス整合をとることは可能で、実施例１の回路と同様のスイッチの動作と特性を持たせることが出来る。

図９は、実施例３を説明する共振回路の簡略な回路図である。この回路の基本的な構成は、送信コイル２０と可変コンデンサ５２で構成される同調回路１２と受信コイル１０と可変コンデンサ５１が構成する同調回路１１の２つの同調回路と、可変コンデンサ５５からなる整合回路１５と、スイッチ７７である。実施例１と大きく異なる点は、整合回路が１つであることである。また、整合回路１５はコンデンサのみで構成されているが、実施例２のようにコイルと可変コンデンサのＬＣ直列回路の構成でもかまわない。次に回路の動作を説明する。

表２は回路のスイッチ７７を同調回路１２もしくは、整合回路１１に接続させた際の、受信コイル１０と送信コイルの動作を示す。

表２の２行目で示すようにサンプルにパルスを送信する際は、スイッチ７７の接続先を同調回路１２とし、同調回路１２と整合回路１５を接続する。これにより同調と整合の調整が可能な送信回路が構成される状態となる。この状態のときに、同調回路１２の送信コイル２０からサンプルへ送信パルスの照射が可能な状態となる。また、同調回路１１は、整合回路１５から隔離された状態なので、受信コイル１０も切り離された状態となり、送信コイル２０からみれば、コイルではなく金属の塊のようなものがあるのと同じになる。つまり、送信コイル２０と受信コイル１０間の結合は、無視できるほど低下する。

表２の３行目で示すようにサンプルからのＮＭＲ信号を受信する際は、スイッチ７７の接続先を同調回路１１とし、同調回路１１と整合回路１５を接続する。これにより同調と整合の調整が可能な受信回路が構成される状態となる。この状態のときに、同調回路１１の受信コイル１０はサンプルからのＮＭＲ信号の受信が可能な状態となる。また、同調回路１２は、整合回路１５から切り離された状態なので、送信コイル２０は切り離された状態となり、受信コイル１０からみれば、コイルではなく金属の塊のようなものがあるのと同じになる。つまり、ＮＭＲ信号受信時の受信コイル１０と送信コイル２０の結合は無視できるほど低下する。

このように実施例３で示す共振回路は、送信コイルと受信コイルが独立した構成の送受分離型コイル方式の回路であることが分かる。また、スイッチ７７の動作によって、送信コイルと受信コイルの結合は無視できるほど低下することもわかる。つまり、送信コイルの影響を排除したＱ値の高い受信回路でのＮＭＲ信号の計測が可能となる。

図１０は実施例３の共振回路の実装図で、スイッチ７７を構成するＰＩＮダイオードとλ／４線やコンデンサ等の具体的な配置を示す。図１０の制御ポート２とチョークコイルであるインダクタ３３は、スイッチ７７のオンとオフを制御するための回路である。また、コンデンサ４６は制御ポート２から流がすスイッチ７７を制御するための直流電流を遮断するコンデンサである。スイッチ７７の切替の制御と制御電流の関係は、次の通りである。

スイッチ７７の接続先を同調回路１２とするには、制御ポートから+１ｍAから+１００ｍＡ程度の直流電流をＰＩＮダイオード６１−６３に向けて流す。するとＰＩＮダイオードは、通電可能な状態となり、また、λ／４線７１、７２の端部７４は接地された状態となる。このとき、λ／４線７１、７２のもう一方の端部７３は、インピーダンスが無限大に近い大きさとなり、同調回路１１は整合回路１５と完全に隔離された状態となり、同調回路１２は整合回路と１５とスイッチ７７を介して接続される状態となる。つまり、送信コイル２０を含む同調回路１２と整合回路１５で、同調と整合が可能な送信回路が構成される。

逆にスイッチ７７の接続先を同調回路１１とするには、制御ポートから−１ｍＡから−１０ｍＡ程度の直流電流を流すか、または電流を流さない状態とする。すると、ＰＩＮダイオード６２は通電不可能な状態となり、同調回路１２は整合回路１５と完全に切り離された状態となる。また同調回路１１に、λ／４線７１、７２は、ＰＩＮダイオード６１、６２が通電不可能な場合、通常の伝送線路となることから、同調回路１１と整合回路１５はスイッチ７７を介して接続される状態となる。つまり、制御ポート２から−１ｍＡからー１０ｍＡ程度の直流電流を流すか、または電流を流さない場合は、受信コイル１０を含む同調回路１１と整合回路１５で、同調と整合が可能な受信回路が構成される。

実施例３の利点は、送受分離型コイル方式で計測可能な回路であるにも関わらず、実施例１や実施例２のように同軸ケーブルの数が１本でよいことである。また整合回路も共通化して１つとし、部品点数を減らすという効果が得られる。特に、同軸ケーブルの数が１本でよいことは、受信コイルを冷却する低温プローブにおいて、同軸ケーブルから受信コイルへの熱の進入を低減できる効果が得られる。

本発明が適用可能なＮＭＲ計測で使用される共振回路図。 ＮＭＲ計測装置の全体構成図。 本発明が適用されるＮＭＲプローブの構成図。 ＭＲI計測で使用される共振回路図。 本発明を適用した共振回路の概略の回路図。 実施例１による共振回路の詳細図。 実施例２を適用した共振回路の概略の回路図。 実施例２を適用した共振回路図の詳細図。 実施例３を適用した共振回路の概略の回路図。 実施例３を適用した共振回路図の詳細図。

符号の説明

１…ポート、３…核磁気共鳴分光用プローブ、４…超伝導磁石、５…計測コンソール、６…共振回路（プローブ内回路）、７，８…枠、１０…受信コイル、１１−１２…同調回路、１３−１５…整合回路、１７…コイルの抵抗成分、２０…送信コイル、３１−３６…インダクタ、４１―４６…コンデンサ、５１−５６…可変コンデンサ、６１−６３…ＰＩＮダイオード、７１−７２…λ／４線伝送線路、７３−７４…λ／４線伝送線路の端部、７５−７８…スイッチ、８０−８３同軸ケーブル、９０…接地、１００…サンプル。

Claims (2)

1. サンプルに核磁気共鳴信号を励起するための電磁波を照射する送信コイルと、上記電磁波によってサンプル内で励起される核磁気共鳴の電磁波信号を受信する受信コイルとが、それぞれ分離した形態で実装された核磁気共鳴分光用プローブにおいて、
   前記核磁気共鳴分光用プローブ内の回路は、前記送信コイルとコンデンサによってＬＣ直列を構成する送信用同調回路と、前記受信コイルとコンデンサによってＬＣ直列回路を構成する受信用同調回路を備え、それら同調回路がスイッチを介しインピーダンス整合を行う１つの整合回路と並列に接続され、且つ前記同調回路はスイッチの動作によって相互に前記整合回路と電気的に接続されることを特徴とする核磁気共鳴分光用プローブ。
2. 請求項１において、前記スイッチが、ＰＩＮダイオードとλ／４線伝送線路とで構成されていることを特徴とする核磁気共鳴分光用プローブ。

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