JP5105410B2 - 核磁気共鳴撮像システム及び撮像方法 - Google Patents

Description

本発明は、核磁気共鳴現象を用いて測定対象物の画像を取得する核磁気共鳴撮像素子を用いた撮像システム、及び撮像方法に関するものである。

核磁気共鳴撮像（ＭＲＩ：Magnetic Resonance Imaging）法は、磁場中に置かれた測定対象物に高周波（ＲＦ波）を照射し、測定対象物中の原子核に生じる核磁気共鳴現象を用いて、その内部の画像情報を非破壊で取得する方法である。このＭＲＩ法では、測定対象物に傾斜磁場を印加することによって対象物中での測定位置を特定して、その画像情報を取得する方法が用いられている。

核磁気共鳴撮像装置（ＭＲＩ装置）は、一般には、核磁気共鳴測定用のＲＦパルスを測定対象物に照射するためのＲＦ照射コイル、測定対象物に静磁場、傾斜磁場を印加するための磁石またはコイル、及び測定対象物からの核磁気共鳴（ＮＭＲ：Nuclear Magnetic Resonance）信号を検出するための検出コイルなどによって構成される（例えば、特許文献１参照）。このようなＭＲＩ法は、例えば、医療分野における被検体の画像取得などに広く利用されている。
特開２００６−１５８７６７号公報

上記した従来の核磁気共鳴撮像装置では、その核磁気共鳴測定の位置分解能は、通常、数ｍｍ程度である。一方、例えばナノメートル（ｎｍ）スケールなどの微細構造についても、微細構造を測定対象物としたＭＲＩ法による画像取得の可能性が考えられる。しかしながら、従来の核磁気共鳴撮像装置の構成では、そのような微細構造を測定可能な、高い位置分解能を実現することは困難である。

本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、核磁気共鳴撮像法による測定対象物の画像取得を高い分解能で行うことが可能な核磁気共鳴撮像素子を用いた撮像システム、及び撮像方法を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明による核磁気共鳴撮像システムは、（１）核磁気共鳴の測定領域に磁場を印加して、測定領域内で局所的な測定位置を設定するための磁場印加用電極群、及び測定領域に対してＲＦパルスを照射するためのＲＦ照射手段を含む核磁気共鳴撮像素子と、（２）磁場印加用電極群を構成する電極のそれぞれに対して磁場発生用の電流を供給する電流供給手段と、（３）ＲＦ照射手段に対してＲＦパルスを供給するＲＦパルス供給手段と、（４）核磁気共鳴撮像素子の測定領域内での測定対象物からの核磁気共鳴信号を検出する検出手段と、（５）測定対象物に対する核磁気共鳴による撮像を制御する撮像制御手段とを備え、（６）磁場印加用電極群は、測定領域について測定面を想定するとともに、測定領域に対して、設定すべき測定位置に応じた均一磁場を印加する均一磁場用電極と、測定面に平行なｘ軸方向について傾斜磁場を印加する第１傾斜磁場用電極と、測定面に平行でｘ軸と直交するｙ軸方向について傾斜磁場を印加する第２傾斜磁場用電極とを有して構成され、（７）撮像制御手段は、ｘ軸方向の位置Ｘｍ及びｙ軸方向の位置Ｙｍが選択された測定位置（Ｘｍ，Ｙｍ）に対し、それぞれ所定条件で磁場印加用電極群による磁場の印加、及びＲＦ照射手段によるＲＦパルスの照射を行う複数段階の操作過程を含む測定過程によって、測定位置における測定対象物の原子核の核スピンを操作した後、検出手段によって核磁気共鳴信号の検出を行って、測定位置における局所的な核スピンの情報を取得することを特徴とする。

また、本発明による核磁気共鳴撮像方法は、（ａ）核磁気共鳴の測定領域に磁場を印加して、測定領域内で局所的な測定位置を設定するための磁場印加用電極群、及び測定領域に対してＲＦパルスを照射するためのＲＦ照射手段を含み、磁場印加用電極群が、測定領域について測定面を想定するとともに、測定領域に対して、設定すべき測定位置に応じた均一磁場を印加する均一磁場用電極と、測定面に平行なｘ軸方向について傾斜磁場を印加する第１傾斜磁場用電極と、測定面に平行でｘ軸と直交するｙ軸方向について傾斜磁場を印加する第２傾斜磁場用電極とを有して構成された核磁気共鳴撮像素子を用い、（ｂ）磁場印加用電極群を構成する電極のそれぞれに対して磁場発生用の電流を供給する電流供給ステップと、（ｃ）ＲＦ照射手段に対してＲＦパルスを供給するＲＦパルス供給ステップと、（ｄ）核磁気共鳴撮像素子の測定領域内での測定対象物からの核磁気共鳴信号を検出する検出ステップと、（ｅ）測定対象物に対する核磁気共鳴による撮像を制御する撮像制御ステップとを備え、（ｆ）撮像制御ステップは、ｘ軸方向の位置Ｘｍ及びｙ軸方向の位置Ｙｍが選択された測定位置（Ｘｍ，Ｙｍ）に対し、それぞれ所定条件で磁場印加用電極群による磁場の印加、及びＲＦ照射手段によるＲＦパルスの照射を行う複数段階の操作過程を含む測定過程によって、測定位置における測定対象物の原子核の核スピンを操作した後、検出ステップによって核磁気共鳴信号の検出を行って、測定位置における局所的な核スピンの情報を取得することを特徴とする。

上記した撮像システム及び撮像方法において用いられる核磁気共鳴撮像素子では、測定対象物を含む測定領域を設定し、この測定領域について２次元の測定面（ｘｙ面）を設定するとともに、均一磁場用電極、第１傾斜磁場用電極、及び第２傾斜磁場用電極の３種類の電極からなる磁場印加用電極群を用いて撮像素子を構成している。このような電極構成を用いることにより、測定領域内での局所的な測定位置の設定、及びそれによる測定対象物の画像情報の取得を好適に実現して、測定対象物についての画像情報を高い分解能で取得することが可能となる。

また、このような構成の撮像素子を用いた核磁気共鳴撮像システム、及び撮像方法において、電極群を構成する３種類の電極に対して、それぞれ電流供給手段から磁場発生用の電流を供給して測定を行っている。さらに、測定対象物の画像取得において、設定された測定位置（Ｘｍ，Ｙｍ）に対し、複数段階の操作過程を含む測定過程によって測定対象物の原子核の核スピンを操作した後に核磁気共鳴信号の検出を行って、測定位置における局所的な核スピンの情報を取得している。このように、測定過程において所定の手順で核スピンを操作した後に、核磁気共鳴信号の検出を１回のみ行って測定位置での核スピンの情報を取得する構成により、上記した測定対象物についての画像取得を効率的に、精度良く実行することが可能となる。

ここで、核磁気共鳴撮像素子の具体的な構成については、撮像素子は、一方の面が測定面となっている基板を有し、磁場印加用電極群は、基板の測定面上に集積化されて設けられ、基板に対して所定領域に設定された測定領域に磁場を印加して、測定領域内で局所的な測定位置を設定し、ＲＦ照射手段は、基板に対して所定位置に設けられ、基板での測定領域に対してＲＦパルスを照射することが好ましい。

上記構成の撮像素子では、基板に対して所定領域において、測定対象物を含む測定領域を設定するとともに、その基板上に磁場印加用電極群を集積することによって、撮像素子を構成している。このように、核磁気共鳴測定に必要な磁場印加用の電極等が集積化された構成の素子を用いることにより、測定対象物についての画像情報を充分に高い分解能で取得することができる。

また、撮像素子における磁場印加用電極群の具体的な構成については、均一磁場用電極は、測定領域を囲むように形成されたループ電極を含み、第１傾斜磁場用電極は、ｘ軸方向について測定領域を挟むように形成された一対の第１スプリット電極を含み、第２傾斜磁場用電極は、ｙ軸方向について測定領域を挟むように形成された一対の第２スプリット電極を含むことが好ましい。これにより、３種類の電極を用いた測定領域への均一磁場、ｘ軸（第１軸）方向の傾斜磁場、及びｙ軸（第２軸）方向の傾斜磁場の印加を、基板上への集積化等が可能な簡単な電極構成で実現することができる。また、電極群の具体的な電極構成については、これ以外にも様々な構成を用いて良い。

また、測定領域へのＲＦパルスの照射に用いられるＲＦ照射手段については、基板の測定面上に、磁場印加用電極群に対して絶縁層によって絶縁されて形成されたＲＦアンテナを含む構成を用いることができる。あるいは、基板の測定面とは反対側の面上に形成されたＲＦアンテナを含む構成を用いることができる。これらの構成では、ＲＦアンテナは、磁場印加用電極群とともに基板に集積化される。

また、撮像素子による画像取得の対象となる測定対象物については、基板において、測定領域内での測定対象物は、測定面上、または測定面から所定深さの基板内に配置されることが好ましい。

複数段階の操作過程を含む測定過程による核スピンの操作方法については、撮像システムは、撮像制御手段が、複数段階の操作過程を含む測定過程を経た段階において、測定位置で核スピンが中間状態となり、測定位置を除く測定領域内の全ての位置で核スピンが初期状態となるように、測定対象物の原子核の核スピンを操作することが好ましい。

同様に、撮像方法は、撮像制御ステップが、複数段階の操作過程を含む測定過程を経た段階において、測定位置で核スピンが中間状態となり、測定位置を除く測定領域内の全ての位置で核スピンが初期状態となるように、測定対象物の原子核の核スピンを操作することが好ましい。

このように、複数段階の操作過程を含む測定過程において、測定領域内で測定位置での核スピンのみが中間状態となるように核スピンの操作を行うことにより、測定過程を経た後に核磁気共鳴信号の検出を行うことで、測定位置のみについての局所的な核スピンの情報を確実に取得することが可能となる。

具体的には、撮像システムは、測定面において、測定位置を通りｙ軸に平行なｘ＝Ｘｍの直線をＸｍ線、測定位置を通りｘ軸に平行なｙ＝Ｙｍの直線をＹｍ線とし、撮像制御手段は、３段階以上の操作過程を有し、測定位置の核スピンを所定状態とし、Ｘｍ線上及びＹｍ線上で測定位置を除く位置の核スピンを中間状態とする前過程と、３段階以上の操作過程を有し、測定位置の核スピンを中間状態とし、Ｘｍ線上及びＹｍ線上で測定位置を除く位置の核スピンを初期状態とする後過程とを含む測定過程によって、測定対象物の原子核の核スピンを操作することが好ましい。

同様に、撮像方法は、測定面において、測定位置を通りｙ軸に平行なｘ＝Ｘｍの直線をＸｍ線、測定位置を通りｘ軸に平行なｙ＝Ｙｍの直線をＹｍ線とし、撮像制御ステップにおいて、３段階以上の操作過程を有し、測定位置の核スピンを所定状態とし、Ｘｍ線上及びＹｍ線上で測定位置を除く位置の核スピンを中間状態とする前過程と、３段階以上の操作過程を有し、測定位置の核スピンを中間状態とし、Ｘｍ線上及びＹｍ線上で測定位置を除く位置の核スピンを初期状態とする後過程とを含む測定過程によって、測定対象物の原子核の核スピンを操作することが好ましい。

測定対象物の原子核の核スピンの操作方法において、このように、前過程と後過程とによって構成された測定過程を用いることにより、測定領域内で測定位置での核スピンのみを中間状態とする核スピンの操作を、少ない段階数の操作過程で確実に実現することが可能となる。

また、このように前過程と後過程とを有して構成される測定過程において、前過程及び後過程のそれぞれは、ｙ軸方向に延びるＸｍ線上で中間状態になっている核スピンに対する２段階の操作過程によるｙ軸勾配エコー操作、またはｘ軸方向に延びるＹｍ線上で中間状態になっている核スピンに対する２段階の操作過程によるｘ軸勾配エコー操作の少なくとも一方を含むことが好ましい。

また、上記した測定過程において、後過程は、３段階以上の操作過程において、ＲＦ照射手段によるＲＦパルスの照射を行わない操作過程を含み、前過程を経た段階において、測定位置で核スピンが反転状態または初期状態となることが好ましい。あるいは、前過程は、３段階以上の操作過程において、ＲＦ照射手段によるＲＦパルスの照射を行わない操作過程を含み、前過程を経た段階において、測定位置で核スピンが中間状態となるとともに、後過程の最初の操作過程を経た段階において、測定位置で核スピンが反転状態または初期状態となることが好ましい。

測定領域に対するＲＦパルスの照射については、測定過程において、前過程は、ＲＦパルスとして位相０°の９０°パルスを照射する操作過程と、位相９０°の９０°パルスを照射する操作過程とを含み、後過程は、ＲＦパルスとして位相１８０°の９０°パルスを照射する操作過程と、位相２７０°の９０°パルスを照射する操作過程とを含むことが好ましい。

あるいは、測定過程において、前過程は、ＲＦパルスとして位相０°の９０°パルスを照射する操作過程と、位相２７０°の９０°パルスを照射する操作過程とを含み、後過程は、ＲＦパルスとして位相１８０°の９０°パルスを照射する操作過程と、位相９０°の９０°パルスを照射する操作過程とを含むことが好ましい。

本発明の核磁気共鳴撮像システム、及び撮像方法によれば、測定領域について想定されたｘｙ測定面に対し、均一磁場用電極、第１傾斜磁場用電極、及び第２傾斜磁場用電極からなる磁場印加用電極群を用いて撮像素子を構成し、これらの３種類の電極に対してそれぞれ磁場発生用の電流を供給して測定を行うとともに、測定対象物の画像取得において、設定された測定位置に対し、複数段階の操作過程を含む測定過程によって測定対象物の原子核の核スピンを操作した後に核磁気共鳴信号の検出を行って、測定位置における局所的な核スピンの情報を取得することにより、測定対象物の画像取得を高い分解能で効率的に行うことが可能となる。

以下、図面とともに本発明による核磁気共鳴撮像システム、及び核磁気共鳴撮像方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

まず、本発明による核磁気共鳴撮像システム、及び撮像方法において用いられる核磁気共鳴撮像素子の構成について説明する。図１は、核磁気共鳴撮像素子の一実施形態の平面構成を概略的に示す図である。また、図２は、図１に示した撮像素子の断面構造を示す断面図である。

ここで、図１においては、核磁気共鳴撮像素子１Ａの構成のうちで、後述する磁場印加用電極群２０の構成、及びＲＦアンテナ１５の設置位置（設置範囲）等を具体的に示すとともに、その他の素子構造については模式的に図示している。また、以下の説明においては、図１の平面構成において、基板の測定面に平行で互いに直交する２つの軸をそれぞれｘ軸（第１軸）、及びｙ軸（第２軸）とし、測定面に垂直な軸をｚ軸とする。また、図２は、撮像素子１Ａにおける電極群２０の中心位置を通りｘ軸及びｚ軸に平行な面での断面構造を示している。

本実施形態による核磁気共鳴撮像素子１Ａは、基板１０と、磁場印加用電極群２０と、ＲＦアンテナ１５とを備えて構成されている。本撮像素子１Ａでは、基板１０に対して所定領域に核磁気共鳴の測定領域１２が設定される。図２に示す構成では、測定領域１２の設定の具体的な一例として、基板１０の一方の面である測定面（図２中の上面）１１から所定深さの基板１０内の領域が測定領域１２として設定されており、その測定領域１２内に測定対象物１３が配置されている。

撮像素子１Ａは、図２に示すように、基板１０に対して磁場印加用電極群２０とＲＦアンテナ１５とが集積化された素子構造となっている。磁場印加用電極群２０は、基板１０の測定面１１上に集積化されて設けられた複数の電極から構成され、測定領域１２に対して核磁気共鳴測定に必要な磁場を印加して、測定領域１２内で局所的な測定位置を設定するために用いられる。また、この電極群２０は、測定面１１上において測定領域１２を囲むように、領域１２からみてｘ軸方向、及びｙ軸方向に略対称となる電極パターンで形成されている。

具体的には、磁場印加用電極群２０は、均一磁場用電極２５と、第１傾斜磁場用電極３０、３５と、第２傾斜磁場用電極４０、４５との３種類の電極によって構成されている。均一磁場用電極２５は、測定領域１２に対して、設定すべき測定位置に応じた均一磁場を印加するための電極であり、測定領域１２を囲むように形成された矩形のループ電極によって構成されている。このループ電極２５は、図１中の左下を起点とした一巻きコイルを構成しており、その両端部にそれぞれ電流供給用の配線２６、２７が設けられている。

本撮像素子１Ａでは、この電極２５によって測定領域１２に印加される均一磁場の大きさを制御することにより、領域１２内での測定位置を所望の位置に設定することが可能な構成となっている。例えば、電極２５による均一磁場の大きさを変えていくことにより、領域１２内においてｘ軸方向またはｙ軸方向に測定位置を走査することができる。なお、測定領域１２に対する均一磁場の印加については、この基板１０上に集積化されて測定位置の制御に用いられる均一磁場用電極２５に加えて、磁石、コイル等による通常の静磁場印加手段（図示していない）が合わせて用いられる。

第１傾斜磁場用電極３０、３５は、測定領域１２に対して、基板１０の測定面１１に平行な第１軸であるｘ軸方向について傾斜磁場を印加するための電極であり、ｘ軸方向について測定領域１２を挟むように形成された一対の第１スプリット電極によって構成されている。スプリット電極３０は、図１中で領域１２からみて左側（ｘ軸の負の側）で、電極２５の左辺の外側にｙ軸に沿って延びる直線状の電極パターンで形成されており、その両端部にそれぞれ電流供給用の配線３１、３２が設けられている。また、スプリット電極３５は、領域１２からみて右側（ｘ軸の正の側）で、電極２５の右辺の外側に同じくｙ軸に沿って延びる直線状の電極パターンで形成されており、その両端部にそれぞれ電流供給用の配線３６、３７が設けられている。

第２傾斜磁場用電極４０、４５は、測定領域１２に対して、基板１０の測定面１１に平行な第２軸であるｙ軸方向について傾斜磁場を印加するための電極であり、ｙ軸方向について測定領域１２を挟むように形成された一対の第２スプリット電極によって構成されている。スプリット電極４０は、図１中で領域１２からみて下側（ｙ軸の負の側）で、電極２５の下辺の外側にｘ軸に沿って延びる直線状の電極パターンで形成されており、その両端部にそれぞれ電流供給用の配線４１、４２が設けられている。また、スプリット電極４５は、領域１２からみて上側（ｙ軸の正の側）で、電極２５の上辺の外側に同じくｘ軸に沿って延びる直線状の電極パターンで形成されており、その両端部にそれぞれ電流供給用の配線４６、４７が設けられている。

これらの各電極からなる電極群２０に対し、基板１０に対して所定位置にＲＦアンテナ１５が設けられている。ＲＦアンテナ１５は、基板１０での測定領域１２に対して、測定対象物１３中の原子核に生じる核磁気共鳴を測定するためのＲＦパルスを照射するＲＦ照射手段である。本実施形態においては、図２に示すように、基板１０の測定面１１上には電極群２０を覆う絶縁層１６が設けられており、この絶縁層１６上にＲＦアンテナ１５が形成されている。これにより、ＲＦアンテナ１５は、基板１０の測定面１１上に、電極群２０に対して絶縁層１６によって絶縁された状態で集積化されている。

次に、上記の撮像素子１Ａを用いた本発明による核磁気共鳴撮像システムについて説明する。図３は、核磁気共鳴撮像システムの一実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態による撮像システムは、核磁気共鳴撮像素子１Ａと、均一磁場用電流源５０と、傾斜磁場用電流源５１、５２と、ＲＦ波発生器６０と、検出器５４と、制御装置５６とを備えて構成されている。

これらのうち、撮像素子１Ａの構成については、図１及び図２に関して上述した通りである。また、本構成において、電流源５０、５１、５２によって、磁場印加用電極群２０を構成する電極のそれぞれに対して磁場発生用の電流を供給する電流供給手段が構成されている。

均一磁場用電流源５０は、撮像素子１Ａの電極２５に均一磁場発生用の電流Ｉｓｔを供給するための電流源であり、図１に示すように、配線２６、２７の間に接続されている。第１傾斜磁場用電流源５１は、電極３０、３５にｘ軸方向の傾斜磁場発生用の電流Ｉｘを供給するための電流源であり、配線３１、３２の間、及び配線３６、３７の間に接続されている。第２傾斜磁場用電流源５２は、電極４０、４５にｙ軸方向の傾斜磁場発生用の電流Ｉｙを供給するための電流源であり、配線４１、４２の間、及び配線４６、４７の間に接続されている。これらの電流源５０、５１、５２としては、例えば、立ち上がり時間がナノ秒程度の高速スイッチを有する直流電流源が好適に用いられる。

ＲＦ波発生器６０は、分配器６１、位相調整器６２、第１スイッチ６３、第２スイッチ６４、及び合成器６５とともに、撮像素子１ＡのＲＦアンテナ１５に対してＲＦパルスを供給するＲＦパルス供給手段を構成している。このＲＦパルス供給手段からＲＦアンテナ１５へのＲＦパルスは、具体的な測定内容に応じて単一のＲＦパルス、または複数のＲＦパルスからなるＲＦパルス列として供給される。

具体的には、ＲＦ波発生器６０から出力されたＲＦ波は、分配器６１によって等分配される。そして、分配された一方のＲＦ波は、スイッチ６３を介して合成器６５へと入力される。また、他方のＲＦ波は、位相調整器６２で位相が調整された後にスイッチ６４を介して合成器６５へと入力される。そして、合成器６５で合成されたＲＦ波が、核磁気共鳴測定用のＲＦパルスとして撮像素子１ＡのＲＦアンテナ１５へと供給される。

このような構成において、発生器６０からのＲＦ波出力のＯＮ／ＯＦＦ、及び位相調整器６２、スイッチ６３、６４の動作を制御することにより、撮像素子１ＡのＲＦアンテナ１５へと供給されるＲＦパルスを制御することができる。なお、ＲＦパルス供給手段の具体的な構成については、図３はその一例を示すものであり、これ以外にも様々な構成を用いて良い。

検出器５４は、撮像素子１Ａにおける測定領域１２内での測定対象物１３からの核磁気共鳴信号を検出する検出手段である。この検出器５４は、静磁場印加手段による静磁場、及び磁場印加用電極群２０による磁場を含む所定の磁場が測定領域１２に印加された状態で、ＲＦアンテナ１５から測定領域１２へとＲＦパルスを照射することによって生じた核磁気共鳴信号を、光学的または電気的な方法等で検出して外部へと取り出す。このような核磁気共鳴信号の取得を、測定領域１２への磁場の印加条件、及びＲＦパルスの照射条件を変えながら実行することにより、測定領域１２内にある測定対象物１３の２次元の画像情報を取得することができる。

これらの電流源５０、５１、５２、ＲＦ波発生器６０を含むＲＦパルス供給手段、及び検出器５４に対して、制御装置５６が設置されている。制御装置５６は、撮像素子１Ａにおいて測定領域１２内に配置されている測定対象物１３に対する核磁気共鳴による撮像を制御する撮像制御手段である。本撮像システムにおける制御装置５６は、測定領域１２内でｘ軸方向の位置Ｘｍ及びｙ軸方向の位置Ｙｍが選択された測定位置（Ｘｍ，Ｙｍ）に対し、所定の操作方法で測定対象物１３の原子核の核スピンの操作を行うように、撮像システムの各部の動作を制御する。

すなわち、制御装置５６は、それぞれ所定条件で磁場印加用電極群２０による磁場の印加、及びＲＦアンテナ１５によるＲＦパルスの照射を行う複数段階の操作過程を含む測定過程によって、測定位置における測定対象物１３の原子核の核スピンを操作した後、検出器５４によって核磁気共鳴信号の検出を行って、測定位置（Ｘｍ，Ｙｍ）における局所的な核スピンの情報を取得する。また、このような核スピンの情報の取得を測定位置を変更しながら繰り返して実行することにより、測定対象物１３の２次元の画像が取得される。なお、制御装置５６による撮像の制御方法については、具体的にはさらに後述する。

本実施形態による核磁気共鳴撮像素子、及びそれを用いた撮像システム、撮像方法の効果について説明する。

図１及び図２に示した撮像素子１Ａでは、素子１Ａを構成する基板１０に対して所定領域において、測定対象物１３を含む測定領域１２を設定するとともに、その基板１０上に磁場印加用電極群２０等を集積することによって、撮像素子１Ａを構成している。このように、核磁気共鳴測定に必要な磁場印加用の電極等が集積化された構成の素子を用いることにより、測定対象物１３についての画像情報を高い分解能で取得することができる。

さらに、測定領域１２への磁場の印加に用いられる電極群２０について、均一磁場用電極２５、第１傾斜磁場用電極３０、３５、及び第２傾斜磁場用電極４０、４５の３種類の電極を設けている。これらの電極を組み合わせて用いることにより、測定領域１２内での局所的な測定位置の設定、制御、測定位置の変更、走査、及びそれによる測定対象物１３の画像情報の取得を好適に実現することが可能となる。

また、図３に示した撮像システムでは、上記したように磁場印加用の電極等が基板１０上に集積化された構成の撮像素子１Ａを用い、電極群２０を構成する３種類の電極に対して、それぞれ対応する電流源から磁場発生用の電流を供給して測定を行っている。これにより、測定領域１２内での局所的な測定位置を確実に制御しつつ、測定対象物１３の画像情報の取得を高い分解能で好適に実現することが可能となる。

さらに、測定対象物１３の画像取得において、設定された測定位置（Ｘｍ，Ｙｍ）に対し、複数段階の操作過程を含む測定過程によって測定対象物１３の原子核の核スピンを操作した後に核磁気共鳴信号の検出を行って、測定位置における局所的な核スピンの情報を取得している。このように、測定過程において所定の手順で核スピンを操作した後に、検出器５４による核磁気共鳴信号の検出を１回のみ行って測定位置での核スピンの情報を取得する構成により、上記した測定対象物についての画像取得を効率的に実行することが可能となる。

また、図１に示した構成例では、測定領域１２に磁場を印加するための電極群２０での各電極の具体的な構成として、ループ電極２５、一対の第１スプリット電極３０、３５、及び一対の第２スプリット電極４０、４５によって電極群２０を構成している。このような電極パターンとすることにより、測定位置設定用の均一磁場、ｘ軸方向の傾斜磁場、及びｙ軸方向の傾斜磁場の測定領域１２への印加を、基板１０上に好適に集積することが可能な簡単な電極構成で実現することができる。

図４は、図１に示した構成の電極群２０を有する撮像素子１Ａにおける電極パターンの作製例を示す電子顕微鏡写真である。ここでは、素子１Ａの基体となる基板１０として厚さ０．５ｍｍのＧａＡｓ半導体基板を用い、金によって電極群２０の各電極パターンを形成している。本作製例では、基板上に厚さ２０ｎｍのチタンを介して金の電極パターンを形成している。なお、チタン層は基板と金との密着性を高めるためのものであり、不要であれば設けなくても良い。また、電極パターンについては、均一磁場用電極２５のループ形状の内側の幅（電極間隔）を５０μｍとし、各電極のパターン幅を１μｍとしている。図４より、図１に示した構成の電極群２０の電極パターンが良好に得られていることがわかる。また、電極群２０の具体的な電極構成については、これ以外にも様々な構成を用いて良い。

一般には、撮像素子１Ａを構成する基板１０としては、上記したＧａＡｓ基板のように表面が充分に平坦な材質の基板を好適に用いることができる。また、電極群２０の各電極については、例えば金、アルミなどの材質による電極パターンを用いることができる。あるいは、測定が超伝導転移温度以下の低温で行われる場合には、超伝導材料からなる電極パターンを用いても良い。また、各電極の厚さについては、例えば２００ｎｍ〜１μｍ程度の厚さとすることが好ましい。

また、撮像素子１Ａの断面構造についても、図２に示した構造以外にも様々な構成を用いることが可能である。図５は、図１及び図２に示した撮像素子の変形例（ａ）、（ｂ）の断面構造を示す断面図である。

図５の変形例（ａ）は、測定領域１２にＲＦパルスを照射するＲＦアンテナ１７が基板１０の測定面１１とは反対側の面、すなわち、基板１０に対して電極群２０とは反対側の面上に形成されている点で図２に示した構成と異なっている。このように、ＲＦアンテナについては、基板の測定面１１上、または測定面１１とは反対側の面上に集積化される構成など、必要に応じてその設置位置を変更して良い。一般には、ＲＦアンテナなどのＲＦ照射手段は、電極群２０が測定面１１上に集積化される基板１０に対して、測定領域１２にＲＦパルスを照射することが可能な所定位置に設けられていれば良い。

図５の変形例（ｂ）は、基板１０に対する測定領域の設定が図２の構成例、及び図５の変形例（ａ）と異なっている。すなわち、変形例（ｂ）では、測定領域の設定の他の例として、基板１０の測定面１１上の領域が測定領域１８として設定されており、その測定領域１８内に測定対象物１９が配置されている。このように、測定領域及び測定対象物については、具体的な測定対象物の種類等に応じて、基板１０の測定面１１上、または測定面１１から所定深さの基板１０内の領域など、必要に応じて測定領域を設定して良い。

例えば、図２の構成例、及び図５の変形例（ａ）のように、基板１０の測定面１１から所定深さの基板１０内に測定対象物１３が配置される構成では、測定対象物１３はあらかじめ基板１０内に埋め込まれて配置される。このような測定対象物１３の具体的な例としては、例えば量子ドット、量子ビットなどが挙げられる。すなわち、このような構成の撮像素子は、量子コンピュータ等に用いられる量子ビットの読み出しに利用することが可能である。この場合、基板１０中での量子ビットの深さは、例えば測定面１１から数１００ｎｍ〜数μｍ程度とすることが好ましい。

また、図５の変形例（ｂ）のように、基板１０の測定面１１上に測定対象物１９が配置される構成では、測定対象物１９はあらかじめ基板１０上に配置されていても良く、あるいは必要に応じて基板１０上に配置、交換される構成であっても良い。

ここで、本発明における核磁気共鳴による「撮像」とは、例えば、医療分野においてＭＲＩ装置を用いて行われている画像取得のような例に限られるものではない。例えば、測定領域内において、ナノ領域の核スピンによる量子ビットが複数配列されている場合に、測定位置を制御しながら、個々の量子ビットについて局所検出を行っていくような場合も「撮像」、すなわち測定領域１２についての画像取得に含んでいる。一般には、設定された測定領域内において、測定位置を特定、制御しながら、局所的な情報を核磁気共鳴信号によって検出することが可能であれば良い。

測定領域１２内での測定対象物１３からの核磁気共鳴信号を検出する検出器５４（図３参照）に用いられる核スピン検出方法については、上記したように、例えば光学的または電気的な方法で核磁気共鳴信号を検出する方法を用いることができる。あるいは、それら以外の方法で核磁気共鳴信号を検出する方法を用いても良い。

核磁気共鳴信号を光学的に検出する方法は、例えば図５に示す変形例（ａ）、（ｂ）のような構造において好適に用いることができる。このような光学的な検出方法の一例について説明する（例えば非特許文献「D. Gammon et al., "Nuclear Spectroscopy in Single Quantum Dots:Nanoscopic Raman Scattering and Nuclear Magnetic Resonance", ScienceVol.277, pp.85-88 (1997)」を参照）。この方法では、まず、円偏光した光を測定対象物に照射することにより、対象物中の原子核での核スピンを偏極させる。そして、核スピンの偏極の度合いによって量子ドットの発光エネルギーがシフトすることを利用し、ＲＦパルスを照射して核スピンの状態を変化させた際のエネルギーシフト量を核磁気共鳴信号として検出する。

一方、核磁気共鳴信号を電気的に検出する方法は、例えば図２に示す構成例、及び図５に示す変形例（ａ）のような構造において好適に用いることができる。このような電気的な検出方法の一例について説明する（例えば非特許文献「G. Yusa et al., "Controlled Multiple Quantum Coherences ofNuclear Spins in a Nanometre-Scale Device", Nature Vol.434, pp.1001-1005(2005)」を参照）。この方法では、まず、スピン偏極した電流をナノ領域に流して、対象物中の原子核での核スピンを偏極させる。そして、核スピンを偏極させると対象物の電気抵抗が変化することを利用し、ＲＦパルスを照射して核スピンの重ね合わせ状態を生成した際の電気抵抗を核磁気共鳴信号として検出する。

図１〜図３に示した核磁気共鳴撮像システムの構成について、本発明による核磁気共鳴撮像方法とともにさらに説明する。なお、以下において、図６に示すように、全体の測定領域１２内での測定位置（測定範囲）について、核磁気共鳴測定によって情報を得ようとする測定位置が、位置Ｐ（Ｘｍ，Ｙｍ）に設定されているものとする。

上記実施形態の撮像素子１Ａ及び撮像システムでは、上記したように、検出器５４による核磁気共鳴信号の取得を、測定領域１２への磁場の印加条件、及びＲＦパルスの照射条件を適宜に設定して実行することにより、測定領域１２についての２次元の画像情報が取得される。また、このような測定領域１２への磁場の印加条件、及びＲＦパルスの照射条件は、例えばパーソナルコンピュータなどを用いて構成される撮像制御手段である制御装置５６によって制御される（図３参照）。

ここで、電極群２０の各電極に供給される電流パルス、及び測定領域１２に照射されるＲＦパルスは、制御装置５６によってパルス幅、強度、パルスの同期等が制御される。また、検出器５４で取得された核磁気共鳴信号は制御装置５６へと入力され、この制御装置５６において、測定対象物１３の画像化処理、あるいは量子ビットの読み出し処理などの必要な処理が行われる。

このような構成では、制御装置５６が、第１傾斜磁場用電極３０、３５、または第２傾斜磁場用電極４０、４５への電流の供給、及びそれによって測定領域１２に印加される傾斜磁場を制御することで、測定位置を設定する軸方向を選択するとともに、均一磁場用電極２５への電流の供給、及びそれによって測定領域１２に印加される均一磁場を制御することで、領域１２内において、測定位置を走査することが好ましい。

このように、第１傾斜磁場用電極３０、３５または第２傾斜磁場用電極４０、４５によって傾斜磁場を印加して、測定位置を設定する軸方向（ｘ軸方向またはｙ軸方向）を選択するとともに、均一磁場用電極２５によって測定領域１２に印加される均一磁場の大きさの設定または変更を制御することにより、領域１２内における測定位置の設定、及びその変更、走査を好適に実現することができる。

具体的には、制御装置５６が、複数段階の操作過程を含む測定過程について、（１）第１傾斜磁場用電極３０、３５への電流供給をＯＮ、第２傾斜磁場用電極４０、４５への電流供給をＯＦＦとして、ｘ軸方向について傾斜磁場が印加されて測定位置Ｘｍが選択された状態で、測定領域１２にＲＦパルスを照射する操作過程と、（２）第２傾斜磁場用電極４０、４５への電流供給をＯＮ、第１傾斜磁場用電極３０、３５への電流供給をＯＦＦとして、ｙ軸方向について傾斜磁場が印加されて測定位置Ｙｍが選択された状態で、測定領域１２にＲＦパルスを照射する操作過程とを含む測定過程を用いて、測定対象物１３に対して核磁気共鳴による撮像を行うことが好ましい。

このような測定領域に対する磁場の印加、及びそれによる測定位置Ｐの選択について、図６〜図８を用いて説明する。ここで、図６に示すように、測定領域１２内で設定された測定位置Ｐ（Ｘｍ，Ｙｍ）に対し、２次元の測定面であるｘｙ面内において、測定位置Ｐを通りｙ軸に平行なｘ＝Ｘｍの直線をＸｍ線、測定位置Ｐを通りｘ軸に平行なｙ＝Ｙｍの直線をＹｍ線とする。

また、測定領域１２に印加される磁場について、静磁場印加手段によって印加される磁場Ｂ０が測定対象物１３の原子核の核スピンに共鳴する周波数に対応する磁場に固定されていると仮定する。このとき、測定領域１２内の各位置（ｘ，ｙ）において、磁場Ｂ０に加えて電極群２０によって印加される測定位置設定用の磁場をΔＢ（ｘ，ｙ）とすると、測定領域１２内で測定位置設定用の磁場がΔＢ＝０となる位置（範囲）において、核磁気共鳴が発生する。

このような条件において、第１傾斜磁場用電極３０、３５への電流供給をＯＮ、第２傾斜磁場用電極４０、４５への電流供給をＯＦＦとして、ｘ軸方向の測定位置Ｘｍを選択する場合を考える。具体的には、均一磁場用電極２５に対して電流源５０から均一磁場発生用の電流Ｉｓｔが供給されて、測定領域１２に均一磁場Ｂｓｔが印加されているものとする。また、第１傾斜磁場用電極３０、３５に電流源５１からｘ軸方向の傾斜磁場発生用の電流Ｉｘが供給されて、測定領域１２にｘ軸方向傾斜磁場Ｂ１（ｘ）が印加されているものとする。

このとき、図７に示すように、測定領域１２内の各位置（ｘ，ｙ）に対し、測定位置設定用の磁場として、ｘ座標に依存する磁場ΔＢ＝Ｂｓｔ＋Ｂ１（ｘ）が印加される。そして、ΔＢ＝Ｂｓｔ＋Ｂ１（Ｘｍ）＝０となるｘ＝Ｘｍの直線であるＸｍ線上の各位置において、核磁気共鳴が発生するための条件が満たされることとなる。均一磁場Ｂｓｔ、及び傾斜磁場Ｂ１（ｘ）を設定する際には、選択しようとするｘ軸方向の測定位置Ｘｍについてこのような条件ΔＢ＝０が満たされるように、各磁場の値、及び電極に供給される電流の値が設定される。

また、ｙ軸方向の測定位置Ｙｍの選択についても、均一磁場Ｂｓｔ、及びｙ軸方向傾斜磁場Ｂ２（ｙ）によって同様に、測定位置Ｙｍを選択することができる。この場合、ΔＢ＝Ｂｓｔ＋Ｂ２（Ｙｍ）＝０となるｙ＝Ｙｍの直線であるＹｍ線上の各位置において、核磁気共鳴が発生するための条件が満たされることとなる。均一磁場Ｂｓｔ、及び傾斜磁場Ｂ２（ｙ）を設定する際には、選択しようとするｙ軸方向の測定位置Ｙｍについてこのような条件ΔＢ＝０が満たされるように、各磁場の値、及び電極に供給される電流の値が設定される。

また、図８に示すように、ｘ軸方向の測定位置Ｘｍの選択については、上記したように測定位置Ｘｍに対応して設定された均一磁場Ｂｓｔ、及び傾斜磁場Ｂ１（ｘ）を測定領域１２に印加した場合（図８（ａ））に加えて、逆符号の均一磁場−Ｂｓｔ、及び反転した傾斜磁場−Ｂ１（ｘ）を測定領域１２に印加した場合（図８（ｂ））にも同様に、測定位置Ｘｍを選択することができる。これは、ｙ軸方向の測定位置Ｙｍの選択についても同様である。このような２種類の測定位置の設定方法は、後述するように勾配エコー操作において好適に用いることができる。

次に、複数段階の操作過程を含む測定過程による核スピンの操作方法について、その具体例とともにさらに説明する。以下の説明においては、ＲＦパルス照射前の磁場中での核スピンの状態を「初期状態」、核スピンが９０°パルスの照射によって９０°倒れた状態を「中間状態」、核スピンが１８０°倒れて反対方向を向いている状態を「反転状態」と定義する。

複数段階の操作過程を含む測定過程による原子核の核スピンの操作方法については、撮像システムの制御装置５６が、複数段階の操作過程を含む測定過程を経た段階において、測定位置Ｐで核スピンが中間状態となり、測定位置Ｐを除く測定領域１２内の全ての位置で核スピンが初期状態となるように、測定対象物１３の原子核の核スピンを操作することが好ましい。

このように、複数段階の操作過程を含む測定過程において、測定領域１２内で測定位置Ｐでの核スピンのみが中間状態となるように核スピンの操作を行うことにより、測定過程を経た後に検出器５４によって核磁気共鳴信号の検出を行うことで、測定位置Ｐ（Ｘｍ，Ｙｍ）のみについての局所的な核スピンの情報を確実に取得することが可能となる。

具体的には、核スピンを操作する測定過程について、（１）３段階以上の操作過程を有し、測定位置の核スピンを所定状態とし、Ｘｍ線上及びＹｍ線上で測定位置を除く位置の核スピンを中間状態とする前過程と、（２）３段階以上の操作過程を有し、測定位置の核スピンを中間状態とし、Ｘｍ線上及びＹｍ線上で測定位置を除く位置の核スピンを初期状態とする後過程とを含む測定過程によって、測定対象物の原子核の核スピンを操作することが好ましい。

測定対象物の原子核の核スピンの操作方法において、このように構成された測定過程を用いることにより、測定領域１２内で測定位置Ｐでの核スピンのみを中間状態とする核スピンの操作を、少ない操作過程で確実に実現することが可能となる。具体的には、前過程を３段階の操作過程とし、後過程を同じく３段階の操作過程とした場合に、最少で６段階の操作過程によって測定過程を構成することができる。

また、このように前過程と後過程とを有して構成される測定過程において、前過程及び後過程のそれぞれは、ｙ軸方向に延びるＸｍ線上で中間状態になっている核スピンに対する２段階の操作過程によるｙ軸勾配エコー操作、またはｘ軸方向に延びるＹｍ線上で中間状態になっている核スピンに対する２段階の操作過程によるｘ軸勾配エコー操作の少なくとも一方を含むことが好ましい。

この場合、２段階の操作過程によるｘ軸勾配エコー操作は、図８に模式的に示したように、均一磁場用電極２５によって均一磁場Ｂｓｔ１が印加されるとともに、第１傾斜磁場用電極３０、３５によってｘ軸方向について傾斜磁場Ｂ１（ｘ）が印加されてｘ軸方向の位置Ｘｍが選択される第１操作過程と、均一磁場用電極２５によって第１操作過程とは逆符号で均一磁場−Ｂｓｔ１が印加されるとともに、第１傾斜磁場用電極３０、３５によってｘ軸方向について第１操作過程とは反転した傾斜磁場−Ｂ１（ｘ）が印加されてｘ軸方向の位置Ｘｍが選択され、第１操作過程とともにｘ軸方向の勾配エコー操作を構成する第２操作過程とによって構成することができる。

同様に、２段階の操作過程によるｙ軸勾配エコー操作は、均一磁場用電極２５によって均一磁場Ｂｓｔ２が印加されるとともに、第２傾斜磁場用電極４０、４５によってｙ軸方向について傾斜磁場Ｂ２（ｙ）が印加されてｙ軸方向の位置Ｙｍが選択される第１操作過程と、均一磁場用電極２５によって第１操作過程とは逆符号で均一磁場−Ｂｓｔ２が印加されるとともに、第２傾斜磁場用電極４０、４５によってｙ軸方向について第１操作過程とは反転した傾斜磁場−Ｂ２（ｙ）が印加されてｙ軸方向の位置Ｙｍが選択され、第１操作過程とともにｙ軸方向の勾配エコー操作を構成する第２操作過程とによって構成することができる。

図９は、複数の操作過程を含む核磁気共鳴の測定過程の第１実施例を示すタイミングチャートである。また、図１０は、図９に示した実施例における核スピンの操作方法を示す模式図である。なお、以下の第１〜第５実施例においては、いずれも、測定過程を最少の６段階の操作過程Ｔ１〜Ｔ６によって構成した例を示している。ただし、このような測定過程に含まれる操作過程については、７段階以上の操作過程によって測定過程を構成しても良い。

図９は、第１実施例において、測定領域１２に照射されるＲＦパルス、及び磁場印加用電極群２０に供給される磁場発生用の電流パルスについて示している。これらのうち、磁場発生用の電流パルスは、測定領域１２に印加される磁場パルスに対応している。

また、以下の各実施例において核スピンの操作に用いられるＲＦパルスは、全て９０°パルス（π／２パルス）である。この９０°パルスについては、例えば、静磁場印加手段から印加される磁場Ｂ０の条件下で、測定対象物１３を構成している原子核の核スピンに共鳴する周波数に固定することが好ましい。また、各ＲＦパルスのパルス時間幅τは、所定のＲＦ強度において、９０°パルスとなる時間幅として設定される。

なお、図９のタイミングチャートにおいては、連続する操作過程のＲＦパルス間の時間を０とした例を示しているが、操作過程ごとにＲＦパルス間に時間を空ける構成としても良い。ただし、この場合のパルス時間間隔については、測定対象物１３における核スピンのコヒーレント時間に比べて充分に短い時間間隔に設定することが好ましい。

また、本実施例においては、図９のチャート（ａ）〜（ｄ）に示すように、ＲＦ強度、及びパルス時間幅τが同じで位相が異なる４種類のＲＦパルスとして、（ａ）位相０°の９０°パルス、（ｂ）位相９０°の９０°パルス、（ｃ）位相１８０°の９０°パルス、及び（ｄ）位相２７０°の９０°パルスを用いて核スピンの操作を行っている。これらのＲＦパルスの位相については、図３に示した構成において、位相調整器６２の動作を制御することによって、ＲＦパルスの位相を制御することができる。

また、図９において、チャート（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）は、それぞれ、電極群２０から測定領域１２に印加される磁場発生用に各電極へと供給される電流パルスを示すタイミングチャートである。具体的には、チャート（ｅ）はｘ軸方向の第１傾斜磁場用電極３０、３５へと供給される電流パルスＩｘを、チャート（ｆ）はｙ軸方向の第２傾斜磁場用電極４０、４５へと供給される電流パルスＩｙを、また、チャート（ｇ）は均一磁場用電極２５へと供給される電流パルスＩｓｔを示している。

基板１０上に集積化された電極群２０によって測定領域１２に印加される磁場（局所磁場）を発生させるための磁場発生用電流パルスとしては、図３に関して上述したように、電流源５０から電極２５に供給される電流パルスＩｓｔ、電流源５１から電極３０、３５に供給される電流パルスＩｘ、及び電流源５２から電極４０、４５に供給される電流パルスＩｙの３種類の電流パルスがある。

電流パルスＩｓｔは、均一磁場Ｂｓｔを発生させるための電流パルスである。また、電流パルスＩｘは、ｘ軸方向についての傾斜磁場（磁場勾配）Ｂ１（ｘ）を発生させるための電流パルスである。また、電流パルスＩｙは、ｙ軸方向についての傾斜磁場Ｂ２（ｙ）を発生させるための電流パルスである。図９のタイミングチャートにおいては、これらの電流パルスＩｘ、Ｉｙ、Ｉｓｔは、上記したように、それぞれチャート（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）に示されている。

電流パルスＩｘ、Ｉｙ、Ｉｓｔの電流値は、設定すべき測定位置（Ｘｍ，Ｙｍ）に対応する磁場Ｂ１（ｘ）、Ｂ２（ｙ）、Ｂｓｔに応じた値に設定される。ここで、これらの磁場のうちで均一磁場Ｂｓｔについては、以下において、ｘ軸方向の位置Ｘｍを選択する際の均一磁場をＢｓｔ＝Ｂｓｔ１、ｙ軸方向の位置Ｙｍを選択する際の均一磁場をＢｓｔ＝Ｂｓｔ２とする。

本実施例の核スピンの操作方法では、操作過程Ｔ１〜Ｔ６のうち、前半の３段階の操作過程Ｔ１〜Ｔ３が、測定位置Ｐの核スピンを反転状態とし、Ｘｍ線上及びＹｍ線上で測定位置Ｐを除く位置の核スピンを中間状態とする前過程を構成している。また、後半の３段階の操作過程Ｔ４〜Ｔ６が、測定位置Ｐの核スピンを中間状態とし、Ｘｍ線上及びＹｍ線上で測定位置Ｐを除く位置の核スピンを初期状態とする後過程を構成している。

具体的には、まず、第１操作過程Ｔ１において、均一電流パルスＩｓｔ１及びｘ軸傾斜電流パルスＩｘが電極群に供給され、測定領域１２に対して均一磁場Ｂｓｔ１及びｘ軸方向傾斜磁場Ｂ１（ｘ）が印加される。このとき、ｘ軸方向の位置Ｘｍが選択され、Ｘｍ線上において核磁気共鳴の発生条件が満たされた状態となる。また、ＲＦパルスとして、位相０°のＲＦパルスが測定領域１２に照射される。これにより、図１０（ａ）に示すように、測定位置Ｐを含むＸｍ線上の各位置の核スピンが、初期状態からｘ軸の正の方向を向く中間状態へと遷移する。

次に、第２操作過程Ｔ２において、均一電流パルスＩｓｔ２及びｙ軸傾斜電流パルスＩｙが電極群に供給され、測定領域１２に対して均一磁場Ｂｓｔ２及びｙ軸方向傾斜磁場Ｂ２（ｙ）が印加される。このとき、ｙ軸方向の位置Ｙｍが選択され、Ｙｍ線上において核磁気共鳴の発生条件が満たされた状態となる。また、位相９０°のＲＦパルスが測定領域１２に照射される。これにより、図１０（ｂ）に示すように、測定位置Ｐを除くＹｍ線上の各位置の核スピンが、初期状態からｙ軸の正の方向を向く中間状態へと遷移する。このとき、測定位置Ｐの核スピンは変化しない。また、測定位置Ｐを除くＸｍ線上の各位置の核スピンは、ｙ軸方向の傾斜磁場によって位相がずれる。

次に、第３操作過程Ｔ３において、均一電流パルス−Ｉｓｔ２及びｙ軸傾斜電流パルス−Ｉｙが電極群に供給され、測定領域１２に対して逆符号の均一磁場−Ｂｓｔ２及び反転したｙ軸方向傾斜磁場−Ｂ２（ｙ）が印加される。このとき、ｙ軸方向の位置Ｙｍが選択され、Ｙｍ線上において核磁気共鳴の発生条件が満たされた状態となる。また、位相０°のＲＦパルスが測定領域１２に照射される。これにより、図１０（ｃ）に示すように、測定位置Ｐの核スピンが、中間状態から反転状態へと遷移する。このとき、測定位置Ｐを除くＹｍ線上の各位置の核スピンは変化しない。また、測定位置Ｐを除くＸｍ線上の各位置の核スピンは、第２操作過程Ｔ２とは反転したｙ軸方向の傾斜磁場によって位相が再収束する。

以上により、本実施例での測定過程における、測定位置Ｐの核スピンを反転状態とし、Ｘｍ線上及びＹｍ線上で測定位置Ｐを除く位置の核スピンを中間状態とする前過程が終了する。また、この前過程を構成する操作過程Ｔ１〜Ｔ３のうち、２段階の操作過程Ｔ２、Ｔ３が、前過程におけるｙ軸勾配エコー操作の過程となっている。

続いて、第４操作過程Ｔ４において、均一電流パルスＩｓｔ１及びｘ軸傾斜電流パルスＩｘが電極群に供給され、測定領域１２に対して均一磁場Ｂｓｔ１及びｘ軸方向傾斜磁場Ｂ１（ｘ）が印加される。このとき、ｘ軸方向の位置Ｘｍが選択され、Ｘｍ線上において核磁気共鳴の発生条件が満たされた状態となる。また、位相１８０°のＲＦパルスが測定領域１２に照射される。これにより、図１０（ｄ）に示すように、測定位置Ｐを除くＸｍ線上の各位置の核スピンが、中間状態から初期状態へと遷移する。また、測定位置Ｐの核スピンが、反転状態からｘ軸の正の方向を向く中間状態へと遷移する。また、測定位置Ｐを除くＹｍ線上の各位置の核スピンは、ｘ軸方向の傾斜磁場によって位相がずれる。

次に、第５操作過程Ｔ５において、均一電流パルス−Ｉｓｔ１及びｘ軸傾斜電流パルス−Ｉｘが電極群に供給され、測定領域１２に対して逆符号の均一磁場−Ｂｓｔ１及び反転したｘ軸方向傾斜磁場−Ｂ１（ｘ）が印加される。このとき、ｘ軸方向の位置Ｘｍが選択され、Ｘｍ線上において核磁気共鳴の発生条件が満たされた状態となる。また、本操作過程では、測定領域１２へのＲＦパルスの照射は行われない。これにより、図１０（ｅ）に示すように、測定位置Ｐを除くＹｍ線上の各位置の核スピンは、第４操作過程Ｔ４とは反転したｘ軸方向の傾斜磁場によって位相が再収束する。

最後に、第６操作過程Ｔ６において、均一電流パルス−Ｉｓｔ２及びｙ軸傾斜電流パルス−Ｉｙが電極群に供給され、測定領域１２に対して逆符号の均一磁場−Ｂｓｔ２及び反転したｙ軸方向傾斜磁場−Ｂ２（ｙ）が印加される。このとき、ｙ軸方向の位置Ｙｍが選択され、Ｙｍ線上において核磁気共鳴の発生条件が満たされた状態となる。また、位相２７０°のＲＦパルスが測定領域１２に照射される。これにより、図１０（ｆ）に示すように、測定位置Ｐを除くＹｍ線上の各位置の核スピンが、中間状態から初期状態へと遷移する。また、このとき、測定位置Ｐの核スピンは変化しない。

以上により、本実施例での測定過程における、測定位置Ｐの核スピンを中間状態とし、Ｘｍ線上及びＹｍ線上で測定位置Ｐを除く位置の核スピンを初期状態とする後過程が終了し、６段階の操作過程からなる測定過程が終了する。また、この後過程を構成する操作過程Ｔ４〜Ｔ６のうち、２段階の操作過程Ｔ４、Ｔ５が、後過程におけるｘ軸勾配エコー操作の過程となっている。

このように、測定位置Ｐで核スピンが中間状態となり、測定位置Ｐを除く測定領域１２内の全ての位置で核スピンが初期状態となった図１０（ｆ）の状態で、検出器５４によって核磁気共鳴信号の検出を行う。これにより、測定位置Ｐ（Ｘｍ，Ｙｍ）における局所的な核スピンの情報を選択的に取得することができる。核磁気共鳴信号を取得したら、必要に応じて核スピンを緩和もしくは励起させて、初期状態へと戻す。

また、上記方法において、測定位置（Ｘｍ，Ｙｍ）は、測定領域１２に印加される均一磁場及び傾斜磁場の組合せ、すなわち電極群２０の各電極に供給される電流値の組合せによって設定される。したがって、これらの電流値を制御して測定位置を測定領域１２内で走査することによって、測定領域１２内にある測定対象物１３の２次元の画像情報を、高分解能で取得することが可能である。

また、例えばこのような核磁気共鳴撮像システムを、ナノ領域の核スピンを量子ビットとした量子コンピュータ等における量子ビットの局所検出装置に応用する場合、上記の電流値を制御することにより、読み出す量子ビットを選択することが可能となる。

図１１は、複数の操作過程を含む核磁気共鳴の測定過程の第２実施例を示すタイミングチャートである。また、図１２は、図１１に示した実施例における核スピンの操作方法を示す模式図である。

本実施例の核スピンの操作方法では、操作過程Ｔ１〜Ｔ６のうち、前半の３段階の操作過程Ｔ１〜Ｔ３が、測定位置Ｐの核スピンを反転状態とし、Ｘｍ線上及びＹｍ線上で測定位置Ｐを除く位置の核スピンを中間状態とする前過程を構成している。また、後半の３段階の操作過程Ｔ４〜Ｔ６が、測定位置Ｐの核スピンを中間状態とし、Ｘｍ線上及びＹｍ線上で測定位置Ｐを除く位置の核スピンを初期状態とする後過程を構成している。また、本実施例の測定過程において、操作過程Ｔ１〜Ｔ３を含む前過程については第１実施例と同様である。

続いて、第４操作過程Ｔ４において、均一電流パルスＩｓｔ２及びｙ軸傾斜電流パルスＩｙが電極群に供給され、測定領域１２に対して均一磁場Ｂｓｔ２及びｙ軸方向傾斜磁場Ｂ２（ｙ）が印加される。このとき、ｙ軸方向の位置Ｙｍが選択され、Ｙｍ線上において核磁気共鳴の発生条件が満たされた状態となる。また、位相２７０°のＲＦパルスが測定領域１２に照射される。これにより、図１２（ｄ）に示すように、測定位置Ｐを除くＹｍ線上の各位置の核スピンが、中間状態から初期状態へと遷移する。また、測定位置Ｐの核スピンが、反転状態からｙ軸の正の方向を向く中間状態へと遷移する。また、測定位置Ｐを除くＸｍ線上の各位置の核スピンは、ｙ軸方向の傾斜磁場によって位相がずれる。

次に、第５操作過程Ｔ５において、均一電流パルス−Ｉｓｔ２及びｙ軸傾斜電流パルス−Ｉｙが電極群に供給され、測定領域１２に対して逆符号の均一磁場−Ｂｓｔ２及び反転したｙ軸方向傾斜磁場−Ｂ２（ｙ）が印加される。このとき、ｙ軸方向の位置Ｙｍが選択され、Ｙｍ線上において核磁気共鳴の発生条件が満たされた状態となる。また、本操作過程では、測定領域１２へのＲＦパルスの照射は行われない。これにより、図１２（ｅ）に示すように、測定位置Ｐを除くＸｍ線上の各位置の核スピンは、第４操作過程Ｔ４とは反転したｙ軸方向の傾斜磁場によって位相が再収束する。

最後に、第６操作過程Ｔ６において、均一電流パルス−Ｉｓｔ１及びｘ軸傾斜電流パルス−Ｉｘが電極群に供給され、測定領域１２に対して逆符号の均一磁場−Ｂｓｔ１及び反転したｘ軸方向傾斜磁場−Ｂ１（ｘ）が印加される。このとき、ｘ軸方向の位置Ｘｍが選択され、Ｘｍ線上において核磁気共鳴の発生条件が満たされた状態となる。また、位相１８０°のＲＦパルスが測定領域１２に照射される。これにより、図１２（ｆ）に示すように、測定位置Ｐを除くＸｍ線上の各位置の核スピンが、中間状態から初期状態へと遷移する。また、このとき、測定位置Ｐの核スピンは変化しない。

以上により、本実施例での測定過程における、測定位置Ｐの核スピンを中間状態とし、Ｘｍ線上及びＹｍ線上で測定位置Ｐを除く位置の核スピンを初期状態とする後過程が終了し、６段階の操作過程からなる測定過程が終了する。また、この後過程を構成する操作過程Ｔ４〜Ｔ６のうち、２段階の操作過程Ｔ４、Ｔ５が、後過程におけるｙ軸勾配エコー操作の過程となっている。

このように、測定位置Ｐで核スピンが中間状態となり、測定位置Ｐを除く測定領域１２内の全ての位置で核スピンが初期状態となった図１２（ｆ）の状態で、検出器５４によって核磁気共鳴信号の検出を行う。これにより、測定位置Ｐ（Ｘｍ，Ｙｍ）における局所的な核スピンの情報を選択的に取得することができる。

また、本実施例は、測定過程の前過程、及び後過程での勾配エコー操作についての構成が第１実施例と異なっている。すなわち、図９、図１０に示した第１実施例では、前過程において、ｙ軸方向に延びるＸｍ線上の核スピンに対する２段階の操作過程Ｔ２、Ｔ３によるｙ軸勾配エコー操作を行うとともに、後過程において、ｘ軸方向に延びるＹｍ線上の核スピンに対する２段階の操作過程Ｔ４、Ｔ５によるｘ軸勾配エコー操作を行っている。

これに対して、図１１、図１２に示した第２実施例では、前過程において、Ｘｍ線上の核スピンに対するｙ軸勾配エコー操作を行うとともに、後過程において、同じくＸｍ線上の核スピンに対するｙ軸勾配エコー操作を行っている。このように、測定過程での前過程及び後過程における勾配エコー操作については、両者で同じ軸方向の勾配エコー操作を行う構成としても良い。

一般には、上記したように、測定過程において、前過程及び後過程のそれぞれで、ｙ軸方向に延びるＸｍ線上で中間状態になっている核スピンに対する２段階の操作過程によるｙ軸勾配エコー操作、またはｘ軸方向に延びるＹｍ線上で中間状態になっている核スピンに対する２段階の操作過程によるｘ軸勾配エコー操作の少なくとも一方を実行することが好ましい。これにより、最終的に測定領域１２内で測定位置Ｐでの核スピンのみを中間状態とする核スピンの操作を好適に実現することができる。

図１３は、複数の操作過程を含む核磁気共鳴の測定過程の第３実施例を示すタイミングチャートである。また、図１４は、図１３に示した実施例における核スピンの操作方法を示す模式図である。

本実施例の核スピンの操作方法では、操作過程Ｔ１〜Ｔ６のうち、前半の３段階の操作過程Ｔ１〜Ｔ３が、測定位置Ｐの核スピンを初期状態とし、Ｘｍ線上及びＹｍ線上で測定位置Ｐを除く位置の核スピンを中間状態とする前過程を構成している。また、後半の３段階の操作過程Ｔ４〜Ｔ６が、測定位置Ｐの核スピンを中間状態とし、Ｘｍ線上及びＹｍ線上で測定位置Ｐを除く位置の核スピンを初期状態とする後過程を構成している。

具体的には、まず、第１操作過程Ｔ１において、均一電流パルスＩｓｔ１及びｘ軸傾斜電流パルスＩｘが電極群に供給され、測定領域１２に対して均一磁場Ｂｓｔ１及びｘ軸方向傾斜磁場Ｂ１（ｘ）が印加される。このとき、ｘ軸方向の位置Ｘｍが選択され、Ｘｍ線上において核磁気共鳴の発生条件が満たされた状態となる。また、ＲＦパルスとして、位相０°のＲＦパルスが測定領域１２に照射される。これにより、図１４（ａ）に示すように、測定位置Ｐを含むＸｍ線上の各位置の核スピンが、初期状態からｘ軸の正の方向を向く中間状態へと遷移する。

次に、第２操作過程Ｔ２において、均一電流パルスＩｓｔ２及びｙ軸傾斜電流パルスＩｙが電極群に供給され、測定領域１２に対して均一磁場Ｂｓｔ２及びｙ軸方向傾斜磁場Ｂ２（ｙ）が印加される。このとき、ｙ軸方向の位置Ｙｍが選択され、Ｙｍ線上において核磁気共鳴の発生条件が満たされた状態となる。また、位相９０°のＲＦパルスが測定領域１２に照射される。これにより、図１４（ｂ）に示すように、測定位置Ｐを除くＹｍ線上の各位置の核スピンが、初期状態からｙ軸の正の方向を向く中間状態へと遷移する。このとき、測定位置Ｐの核スピンは変化しない。また、測定位置Ｐを除くＸｍ線上の各位置の核スピンは、ｙ軸方向の傾斜磁場によって位相がずれる。

次に、第３操作過程Ｔ３において、均一電流パルス−Ｉｓｔ２及びｙ軸傾斜電流パルス−Ｉｙが電極群に供給され、測定領域１２に対して逆符号の均一磁場−Ｂｓｔ２及び反転したｙ軸方向傾斜磁場−Ｂ２（ｙ）が印加される。このとき、ｙ軸方向の位置Ｙｍが選択され、Ｙｍ線上において核磁気共鳴の発生条件が満たされた状態となる。また、位相１８０°のＲＦパルスが測定領域１２に照射される。これにより、図１４（ｃ）に示すように、測定位置Ｐの核スピンが、中間状態から初期状態へと遷移する。このとき、測定位置Ｐを除くＹｍ線上の各位置の核スピンは変化しない。また、測定位置Ｐを除くＸｍ線上の各位置の核スピンは、第２操作過程Ｔ２とは反転したｙ軸方向の傾斜磁場によって位相が再収束する。

以上により、本実施例での測定過程における、測定位置Ｐの核スピンを初期状態とし、Ｘｍ線上及びＹｍ線上で測定位置Ｐを除く位置の核スピンを中間状態とする前過程が終了する。また、この前過程を構成する操作過程Ｔ１〜Ｔ３のうち、２段階の操作過程Ｔ２、Ｔ３が、前過程におけるｙ軸勾配エコー操作の過程となっている。

続いて、第４操作過程Ｔ４において、均一電流パルスＩｓｔ１及びｘ軸傾斜電流パルスＩｘが電極群に供給され、測定領域１２に対して均一磁場Ｂｓｔ１及びｘ軸方向傾斜磁場Ｂ１（ｘ）が印加される。このとき、ｘ軸方向の位置Ｘｍが選択され、Ｘｍ線上において核磁気共鳴の発生条件が満たされた状態となる。また、位相１８０°のＲＦパルスが測定領域１２に照射される。これにより、図１４（ｄ）に示すように、測定位置Ｐを除くＸｍ線上の各位置の核スピンが、中間状態から初期状態へと遷移する。また、測定位置Ｐの核スピンが、初期状態からｘ軸の負の方向を向く中間状態へと遷移する。また、測定位置Ｐを除くＹｍ線上の各位置の核スピンは、ｘ軸方向の傾斜磁場によって位相がずれる。

次に、第５操作過程Ｔ５において、均一電流パルス−Ｉｓｔ１及びｘ軸傾斜電流パルス−Ｉｘが電極群に供給され、測定領域１２に対して逆符号の均一磁場−Ｂｓｔ１及び反転したｘ軸方向傾斜磁場−Ｂ１（ｘ）が印加される。このとき、ｘ軸方向の位置Ｘｍが選択され、Ｘｍ線上において核磁気共鳴の発生条件が満たされた状態となる。また、本操作過程では、測定領域１２へのＲＦパルスの照射は行われない。これにより、図１４（ｅ）に示すように、測定位置Ｐを除くＹｍ線上の各位置の核スピンは、第４操作過程Ｔ４とは反転したｘ軸方向の傾斜磁場によって位相が再収束する。

最後に、第６操作過程Ｔ６において、均一電流パルス−Ｉｓｔ２及びｙ軸傾斜電流パルス−Ｉｙが電極群に供給され、測定領域１２に対して逆符号の均一磁場−Ｂｓｔ２及び反転したｙ軸方向傾斜磁場−Ｂ２（ｙ）が印加される。このとき、ｙ軸方向の位置Ｙｍが選択され、Ｙｍ線上において核磁気共鳴の発生条件が満たされた状態となる。また、位相２７０°のＲＦパルスが測定領域１２に照射される。これにより、図１４（ｆ）に示すように、測定位置Ｐを除くＹｍ線上の各位置の核スピンが、中間状態から初期状態へと遷移する。また、このとき、測定位置Ｐの核スピンは変化しない。

以上により、本実施例での測定過程における、測定位置Ｐの核スピンを中間状態とし、Ｘｍ線上及びＹｍ線上で測定位置Ｐを除く位置の核スピンを初期状態とする後過程が終了し、６段階の操作過程からなる測定過程が終了する。また、この後過程を構成する操作過程Ｔ４〜Ｔ６のうち、２段階の操作過程Ｔ４、Ｔ５が、後過程におけるｘ軸勾配エコー操作の過程となっている。

このように、測定位置Ｐで核スピンが中間状態となり、測定位置Ｐを除く測定領域１２内の全ての位置で核スピンが初期状態となった図１４（ｆ）の状態で、検出器５４によって核磁気共鳴信号の検出を行う。これにより、測定位置Ｐ（Ｘｍ，Ｙｍ）における局所的な核スピンの情報を選択的に取得することができる。

また、本実施例は、操作過程Ｔ１〜Ｔ３による前過程を経た段階において、測定位置Ｐで核スピンが初期状態となっている点で第１実施例と異なっている。すなわち、図９、図１０に示した第１実施例では、前過程を経た段階において、測定位置Ｐで核スピンが反転状態となっている。これに対して、図１３、図１４に示した第３実施例では、前過程を経た段階において、測定位置Ｐ以外の位置での核スピンは第１実施例と同じ状態であるが、測定位置Ｐの核スピンは反転状態ではなく初期状態となっている。

一般には、前過程を経た段階において、測定位置Ｐの核スピンを反転状態または初期状態とし、Ｘｍ線上及びＹｍ線上で測定位置Ｐを除く位置の核スピンを中間状態とすることが好ましい。これにより、最終的に測定領域１２内で測定位置Ｐでの核スピンのみを中間状態とする核スピンの操作を好適に実現することができる。

図１５は、複数の操作過程を含む核磁気共鳴の測定過程の第４実施例を示すタイミングチャートである。また、図１６は、図１５に示した実施例における核スピンの操作方法を示す模式図である。

本実施例の核スピンの操作方法では、操作過程Ｔ１〜Ｔ６のうち、前半の３段階の操作過程Ｔ１〜Ｔ３が、測定位置Ｐの核スピンを中間状態とし、Ｘｍ線上及びＹｍ線上で測定位置Ｐを除く位置の核スピンを中間状態とする前過程を構成している。また、後半の３段階の操作過程Ｔ４〜Ｔ６が、測定位置Ｐの核スピンを中間状態とし、Ｘｍ線上及びＹｍ線上で測定位置Ｐを除く位置の核スピンを初期状態とする後過程を構成している。

具体的には、まず、第１操作過程Ｔ１において、均一電流パルスＩｓｔ１及びｘ軸傾斜電流パルスＩｘが電極群に供給され、測定領域１２に対して均一磁場Ｂｓｔ１及びｘ軸方向傾斜磁場Ｂ１（ｘ）が印加される。このとき、ｘ軸方向の位置Ｘｍが選択され、Ｘｍ線上において核磁気共鳴の発生条件が満たされた状態となる。また、ＲＦパルスとして、位相０°のＲＦパルスが測定領域１２に照射される。これにより、図１６（ａ）に示すように、測定位置Ｐを含むＸｍ線上の各位置の核スピンが、初期状態からｘ軸の正の方向を向く中間状態へと遷移する。

次に、第２操作過程Ｔ２において、均一電流パルスＩｓｔ２及びｙ軸傾斜電流パルスＩｙが電極群に供給され、測定領域１２に対して均一磁場Ｂｓｔ２及びｙ軸方向傾斜磁場Ｂ２（ｙ）が印加される。このとき、ｙ軸方向の位置Ｙｍが選択され、Ｙｍ線上において核磁気共鳴の発生条件が満たされた状態となる。また、位相９０°のＲＦパルスが測定領域１２に照射される。これにより、図１６（ｂ）に示すように、測定位置Ｐを除くＹｍ線上の各位置の核スピンが、初期状態からｙ軸の正の方向を向く中間状態へと遷移する。このとき、測定位置Ｐの核スピンは変化しない。また、測定位置Ｐを除くＸｍ線上の各位置の核スピンは、ｙ軸方向の傾斜磁場によって位相がずれる。

次に、第３操作過程Ｔ３において、均一電流パルス−Ｉｓｔ２及びｙ軸傾斜電流パルス−Ｉｙが電極群に供給され、測定領域１２に対して逆符号の均一磁場−Ｂｓｔ２及び反転したｙ軸方向傾斜磁場−Ｂ２（ｙ）が印加される。このとき、ｙ軸方向の位置Ｙｍが選択され、Ｙｍ線上において核磁気共鳴の発生条件が満たされた状態となる。また、本操作過程では、測定領域１２へのＲＦパルスの照射は行われない。これにより、図１６（ｃ）に示すように、測定位置Ｐを除くＸｍ線上の各位置の核スピンは、第２操作過程Ｔ２とは反転したｙ軸方向の傾斜磁場によって位相が再収束する。

以上により、本実施例での測定過程における、測定位置Ｐの核スピンを中間状態とし、Ｘｍ線上及びＹｍ線上で測定位置Ｐを除く位置の核スピンを中間状態とする前過程が終了する。また、この前過程を構成する操作過程Ｔ１〜Ｔ３のうち、２段階の操作過程Ｔ２、Ｔ３が、前過程におけるｙ軸勾配エコー操作の過程となっている。

続いて、第４操作過程Ｔ４において、均一電流パルスＩｓｔ２及びｙ軸傾斜電流パルスＩｙが電極群に供給され、測定領域１２に対して均一磁場Ｂｓｔ２及びｙ軸方向傾斜磁場Ｂ２（ｙ）が印加される。このとき、ｙ軸方向の位置Ｙｍが選択され、Ｙｍ線上において核磁気共鳴の発生条件が満たされた状態となる。また、位相０°のＲＦパルスが測定領域１２に照射される。これにより、図１６（ｄ）に示すように、測定位置Ｐの核スピンが、中間状態から反転状態へと遷移する。このとき、測定位置Ｐを除くＹｍ線上の各位置の核スピンは変化しない。また、測定位置Ｐを除くＸｍ線上の各位置の核スピンは、ｙ軸方向の傾斜磁場によって位相がずれる。

次に、第５操作過程Ｔ５において、均一電流パルス−Ｉｓｔ２及びｙ軸傾斜電流パルス−Ｉｙが電極群に供給され、測定領域１２に対して逆符号の均一磁場−Ｂｓｔ２及び反転したｙ軸方向傾斜磁場−Ｂ２（ｙ）が印加される。このとき、ｙ軸方向の位置Ｙｍが選択され、Ｙｍ線上において核磁気共鳴の発生条件が満たされた状態となる。また、位相２７０°のＲＦパルスが測定領域１２に照射される。これにより、図１６（ｅ）に示すように、測定位置Ｐを除くＹｍ線上の各位置の核スピンが、中間状態から初期状態へと遷移する。また、測定位置Ｐの核スピンが、反転状態からｙ軸の正の方向を向く中間状態へと遷移する。また、測定位置Ｐを除くＸｍ線上の各位置の核スピンは、第４操作過程Ｔ４とは反転したｙ軸方向の傾斜磁場によって位相が再収束する。

最後に、第６操作過程Ｔ６において、均一電流パルス−Ｉｓｔ１及びｘ軸傾斜電流パルス−Ｉｘが電極群に供給され、測定領域１２に対して逆符号の均一磁場−Ｂｓｔ１及び反転したｘ軸方向傾斜磁場−Ｂ１（ｘ）が印加される。このとき、ｘ軸方向の位置Ｘｍが選択され、Ｘｍ線上において核磁気共鳴の発生条件が満たされた状態となる。また、位相１８０°のＲＦパルスが測定領域１２に照射される。これにより、図１６（ｆ）に示すように、測定位置Ｐを除くＸｍ線上の各位置の核スピンが、中間状態から初期状態へと遷移する。また、このとき、測定位置Ｐの核スピンは変化しない。

以上により、本実施例での測定過程における、測定位置Ｐの核スピンを中間状態とし、Ｘｍ線上及びＹｍ線上で測定位置Ｐを除く位置の核スピンを初期状態とする後過程が終了し、６段階の操作過程からなる測定過程が終了する。また、この後過程を構成する操作過程Ｔ４〜Ｔ６のうち、２段階の操作過程Ｔ４、Ｔ５が、後過程におけるｙ軸勾配エコー操作の過程となっている。

このように、測定位置Ｐで核スピンが中間状態となり、測定位置Ｐを除く測定領域１２内の全ての位置で核スピンが初期状態となった図１６（ｆ）の状態で、検出器５４によって核磁気共鳴信号の検出を行う。これにより、測定位置Ｐ（Ｘｍ，Ｙｍ）における局所的な核スピンの情報を選択的に取得することができる。

また、本実施例は、測定領域１２へのＲＦパルスの照射が行われない操作過程が前過程に含まれている点で第１実施例と異なっている。すなわち、図９、図１０に示した第１実施例では、後過程に含まれる操作過程Ｔ５が、測定領域１２へのＲＦパルスの照射が行われない操作過程となっている。これに対して、図１５、図１６に示した第４実施例では、前過程に含まれる操作過程Ｔ３が、測定領域１２へのＲＦパルスの照射が行われない操作過程となっている。

前過程及び後過程において１回ずつ行われる勾配エコー操作に用いられる４段階の操作過程では、そのうちの１回をＲＦ照射なしとして勾配エコーのみを行う操作過程とすることが好ましい。また、このＲＦ照射なしの操作過程については、上記したように前過程及び後過程のいずれに含まれる構成としても良い。また、ＲＦ照射なしの操作過程が前過程に含まれる第４実施例では、図１６に示すように、前過程を経た段階における測定位置Ｐの核スピンが、反転状態または初期状態ではなく中間状態のままとなっており、後過程の最初の操作過程Ｔ４において核スピンが反転状態とされる。

一般には、ＲＦパルスの照射を行わない操作過程が後過程に含まれる場合（第１、２、３実施例）、前過程を経た段階において、測定位置Ｐで核スピンが反転状態または初期状態となることが好ましい。また、ＲＦパルスの照射を行わない操作過程が前過程に含まれる場合（第４実施例）、前過程を経た段階において、測定位置Ｐで核スピンが中間状態となるとともに、後過程の最初の操作過程を経た段階において、測定位置Ｐで核スピンが反転状態または初期状態となることが好ましい。

図１７は、複数の操作過程を含む核磁気共鳴の測定過程の第５実施例を示すタイミングチャートである。また、図１８は、図１７に示した実施例における核スピンの操作方法を示す模式図である。

本実施例の核スピンの操作方法では、操作過程Ｔ１〜Ｔ６のうち、前半の３段階の操作過程Ｔ１〜Ｔ３が、測定位置Ｐの核スピンを反転状態とし、Ｘｍ線上及びＹｍ線上で測定位置Ｐを除く位置の核スピンを中間状態とする前過程を構成している。また、後半の３段階の操作過程Ｔ４〜Ｔ６が、測定位置Ｐの核スピンを中間状態とし、Ｘｍ線上及びＹｍ線上で測定位置Ｐを除く位置の核スピンを初期状態とする後過程を構成している。また、本実施例の測定過程において、操作過程Ｔ１〜Ｔ３を含む前過程については第１実施例と同様である。

続いて、第４操作過程Ｔ４において、均一電流パルスＩｓｔ１及びｘ軸傾斜電流パルスＩｘが電極群に供給され、測定領域１２に対して均一磁場Ｂｓｔ１及びｘ軸方向傾斜磁場Ｂ１（ｘ）が印加される。このとき、ｘ軸方向の位置Ｘｍが選択され、Ｘｍ線上において核磁気共鳴の発生条件が満たされた状態となる。また、本操作過程では、測定領域１２へのＲＦパルスの照射は行われない。これにより、図１８（ｄ）に示すように、測定位置Ｐを除くＹｍ線上の各位置の核スピンは、ｘ軸方向の傾斜磁場によって位相がずれる。

次に、第５操作過程Ｔ５において、均一電流パルス−Ｉｓｔ１及びｘ軸傾斜電流パルス−Ｉｘが電極群に供給され、測定領域１２に対して逆符号の均一磁場−Ｂｓｔ１及び反転したｘ軸方向傾斜磁場−Ｂ１（ｘ）が印加される。このとき、ｘ軸方向の位置Ｘｍが選択され、Ｘｍ線上において核磁気共鳴の発生条件が満たされた状態となる。また、位相１８０°のＲＦパルスが測定領域１２に照射される。これにより、図１８（ｅ）に示すように、測定位置Ｐを除くＸｍ線上の各位置の核スピンが、中間状態から初期状態へと遷移する。また、測定位置Ｐの核スピンが、反転状態からｘ軸の正の方向を向く中間状態へと遷移する。また、測定位置Ｐを除くＹｍ線上の各位置の核スピンは、第４操作過程Ｔ４とは反転したｘ軸方向の傾斜磁場によって位相が再収束する。

最後に、第６操作過程Ｔ６において、均一電流パルス−Ｉｓｔ２及びｙ軸傾斜電流パルス−Ｉｙが電極群に供給され、測定領域１２に対して逆符号の均一磁場−Ｂｓｔ２及び反転したｙ軸方向傾斜磁場−Ｂ２（ｙ）が印加される。このとき、ｙ軸方向の位置Ｙｍが選択され、Ｙｍ線上において核磁気共鳴の発生条件が満たされた状態となる。また、位相２７０°のＲＦパルスが測定領域１２に照射される。これにより、図１８（ｆ）に示すように、測定位置Ｐを除くＹｍ線上の各位置の核スピンが、中間状態から初期状態へと遷移する。また、このとき、測定位置Ｐの核スピンは変化しない。

以上により、本実施例での測定過程における、測定位置Ｐの核スピンを中間状態とし、Ｘｍ線上及びＹｍ線上で測定位置Ｐを除く位置の核スピンを初期状態とする後過程が終了し、６段階の操作過程からなる測定過程が終了する。また、この後過程を構成する操作過程Ｔ４〜Ｔ６のうち、２段階の操作過程Ｔ４、Ｔ５が、後過程におけるｘ軸勾配エコー操作の過程となっている。

このように、測定位置Ｐで核スピンが中間状態となり、測定位置Ｐを除く測定領域１２内の全ての位置で核スピンが初期状態となった図１８（ｆ）の状態で、検出器５４によって核磁気共鳴信号の検出を行う。これにより、測定位置Ｐ（Ｘｍ，Ｙｍ）における局所的な核スピンの情報を選択的に取得することができる。

また、本実施例では、後過程に含まれるｘ軸勾配エコー操作の操作過程Ｔ４、Ｔ５において、ＲＦ照射なしの操作過程が後段の操作過程Ｔ５ではなく、前段の操作過程Ｔ４となっている点で第１実施例と異なっている。このように、ＲＦ照射なしの操作過程については、勾配エコー操作の前段、後段の操作過程のいずれに設定しても良い。これは、前過程に含まれる勾配エコー操作においてＲＦ照射なしの操作過程を用いる構成においても同様である。

本発明による核磁気共鳴撮像システム、及び撮像方法は、上記した実施形態及び実施例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、磁場印加用電極群を構成する各電極の具体的な電極パターンについては、図１に示した構成以外にも様々な構成を用いて良い。一般には、基板に集積化される磁場印加用電極群は、測定領域に対して、設定すべき測定位置に応じた均一磁場を印加する均一磁場用電極と、測定領域に対して、基板の測定面に平行なｘ軸方向について傾斜磁場を印加する第１傾斜磁場用電極と、測定領域に対して、測定面に平行でｘ軸と直交するｙ軸方向について傾斜磁場を印加する第２傾斜磁場用電極とを有して構成されていれば良い。

また、撮像素子における基板、電極群、ＲＦアンテナの積層構造等についても、上記した構成に限らず、様々な構成を用いて良い。また、上記構成の撮像素子を用いた具体的な撮像方法についても、上記した方法に限らず、具体的な測定対象物の種類、配置、電極群の構成等に応じて様々な方法を用いることが可能である。

また、上記実施形態では、核磁気共鳴測定に用いられる核磁気共鳴撮像素子として、一方の面が測定面となっている基板を有し、磁場印加用電極群が基板の測定面上に集積化されて設けられた構成の撮像素子を用いている。一般には、核磁気共鳴撮像素子は、核磁気共鳴の測定領域に磁場を印加して、測定領域内で局所的な測定位置を設定するための磁場印加用電極群、及び測定領域に対してＲＦパルスを照射するためのＲＦ照射手段を含み、磁場印加用電極群が、均一磁場用電極と、ｘ軸方向についての第１傾斜磁場用電極と、ｙ軸方向についての第２傾斜磁場用電極とを有する構成であれば良い。

また、上記した第１〜第５実施例では、いずれも測定過程において、前過程が、ＲＦパルスとして位相０°の９０°パルスを照射する操作過程と、位相９０°の９０°パルスを照射する操作過程とを含み、後過程が、ＲＦパルスとして位相１８０°の９０°パルスを照射する操作過程と、位相２７０°の９０°パルスを照射する操作過程とを含む構成を用いている。

このような測定過程については、上記した構成に限らず、例えば、前過程が、ＲＦパルスとして位相０°の９０°パルスを照射する操作過程と、位相２７０°の９０°パルスを照射する操作過程とを含み、後過程が、ＲＦパルスとして位相１８０°の９０°パルスを照射する操作過程と、位相９０°の９０°パルスを照射する操作過程とを含む構成とすることも可能である。また、前過程及び後過程のそれぞれにおける勾配エコー操作については、その前段、後段の操作過程での傾斜磁場の向きを入れ換えても良い。

本発明は、核磁気共鳴撮像法による測定対象物の画像取得を高い分解能で行うことが可能な核磁気共鳴撮像素子を用いた撮像システム、及び撮像方法として利用可能である。

核磁気共鳴撮像素子の一実施形態の平面構成を概略的に示す図である。 図１に示した撮像素子の断面構造を示す断面図である。 核磁気共鳴撮像システムの一実施形態の構成を示すブロック図である。 撮像素子における電極パターンの作製例を示す電子顕微鏡写真である。 撮像素子の変形例（ａ）、（ｂ）の断面構造を示す断面図である。 測定領域における測定位置Ｐについて示す図である。 測定領域におけるｘ軸方向の測定位置Ｘｍの選択について示す図である。 測定領域におけるｘ軸方向の測定位置Ｘｍの選択について示す図である。 核磁気共鳴の測定過程の第１実施例を示すタイミングチャートである。 第１実施例における核スピンの操作方法を示す模式図である。 核磁気共鳴の測定過程の第２実施例を示すタイミングチャートである。 第２実施例における核スピンの操作方法を示す模式図である。 核磁気共鳴の測定過程の第３実施例を示すタイミングチャートである。 第３実施例における核スピンの操作方法を示す模式図である。 核磁気共鳴の測定過程の第４実施例を示すタイミングチャートである。 第４実施例における核スピンの操作方法を示す模式図である。 核磁気共鳴の測定過程の第５実施例を示すタイミングチャートである。 第５実施例における核スピンの操作方法を示す模式図である。

符号の説明

１Ａ…核磁気共鳴撮像素子、１０…基板、１１…測定面、１２…測定領域、１３…測定対象物、１５…ＲＦアンテナ、１６…絶縁層、２０…磁場印加用電極群、２５…均一磁場用電極、２６、２７…配線、３０、３５…第１傾斜磁場用電極、３１、３２、３６、３７…配線、４０、４５…第２傾斜磁場用電極、４１、４２、４６、４７…配線、５０…均一磁場用電流源、５１…第１傾斜磁場用電流源、５２…第２傾斜磁場用電流源、５４…検出器、５６…制御装置、６０…ＲＦ波発生器、６１…分配器、６２…位相調整器、６３…第１スイッチ、６４…第２スイッチ、６５…合成器。

Claims (20)

1. 核磁気共鳴の測定領域に磁場を印加して、前記測定領域内で局所的な測定位置を設定するための磁場印加用電極群、及び前記測定領域に対してＲＦパルスを照射するためのＲＦ照射手段を含む核磁気共鳴撮像素子と、
   前記磁場印加用電極群を構成する電極のそれぞれに対して磁場発生用の電流を供給する電流供給手段と、
   前記ＲＦ照射手段に対して前記ＲＦパルスを供給するＲＦパルス供給手段と、
   前記核磁気共鳴撮像素子の前記測定領域内での測定対象物からの核磁気共鳴信号を検出する検出手段と、
   前記測定対象物に対する核磁気共鳴による撮像を制御する撮像制御手段と
   を備え、
   前記磁場印加用電極群は、
   前記測定領域について測定面を想定するとともに、前記測定領域に対して、設定すべき前記測定位置に応じた均一磁場を印加する均一磁場用電極と、前記測定面に平行なｘ軸方向について傾斜磁場を印加する第１傾斜磁場用電極と、前記測定面に平行でｘ軸と直交するｙ軸方向について傾斜磁場を印加する第２傾斜磁場用電極とを有して構成され、
   前記撮像制御手段は、
   ｘ軸方向の位置Ｘｍ及びｙ軸方向の位置Ｙｍが選択された前記測定位置（Ｘｍ，Ｙｍ）に対し、それぞれ所定条件で前記磁場印加用電極群による磁場の印加、及び前記ＲＦ照射手段によるＲＦパルスの照射を行う複数段階の操作過程を含む測定過程によって、前記測定位置における前記測定対象物の原子核の核スピンを操作した後、前記検出手段によって核磁気共鳴信号の検出を行って、前記測定位置における局所的な核スピンの情報を取得することを特徴とする核磁気共鳴撮像システム。
2. 前記撮像制御手段は、
   前記複数段階の操作過程を含む前記測定過程を経た段階において、前記測定位置で核スピンが中間状態となり、前記測定位置を除く前記測定領域内の全ての位置で核スピンが初期状態となるように、前記測定対象物の原子核の核スピンを操作することを特徴とする請求項１記載の撮像システム。
3. 前記測定面において、前記測定位置を通りｙ軸に平行なｘ＝Ｘｍの直線をＸｍ線、前記測定位置を通りｘ軸に平行なｙ＝Ｙｍの直線をＹｍ線とし、
   前記撮像制御手段は、
   ３段階以上の操作過程を有し、前記測定位置の核スピンを所定状態とし、Ｘｍ線上及びＹｍ線上で前記測定位置を除く位置の核スピンを中間状態とする前過程と、３段階以上の操作過程を有し、前記測定位置の核スピンを中間状態とし、Ｘｍ線上及びＹｍ線上で前記測定位置を除く位置の核スピンを初期状態とする後過程とを含む前記測定過程によって、前記測定対象物の原子核の核スピンを操作することを特徴とする請求項１または２記載の撮像システム。
4. 前記前過程及び前記後過程のそれぞれは、ｙ軸方向に延びるＸｍ線上で中間状態になっている核スピンに対する２段階の操作過程によるｙ軸勾配エコー操作、またはｘ軸方向に延びるＹｍ線上で中間状態になっている核スピンに対する２段階の操作過程によるｘ軸勾配エコー操作の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項３記載の撮像システム。
5. 前記後過程は、前記３段階以上の操作過程において、前記ＲＦ照射手段によるＲＦパルスの照射を行わない操作過程を含み、
   前記前過程を経た段階において、前記測定位置で核スピンが反転状態または初期状態となることを特徴とする請求項３または４記載の撮像システム。
6. 前記前過程は、前記３段階以上の操作過程において、前記ＲＦ照射手段によるＲＦパルスの照射を行わない操作過程を含み、
   前記前過程を経た段階において、前記測定位置で核スピンが中間状態となるとともに、前記後過程の最初の操作過程を経た段階において、前記測定位置で核スピンが反転状態または初期状態となることを特徴とする請求項３または４記載の撮像システム。
7. 前記前過程は、ＲＦパルスとして位相０°の９０°パルスを照射する操作過程と、位相９０°の９０°パルスを照射する操作過程とを含み、
   前記後過程は、ＲＦパルスとして位相１８０°の９０°パルスを照射する操作過程と、位相２７０°の９０°パルスを照射する操作過程とを含むことを特徴とする請求項３〜６のいずれか一項記載の撮像システム。
8. 前記前過程は、ＲＦパルスとして位相０°の９０°パルスを照射する操作過程と、位相２７０°の９０°パルスを照射する操作過程とを含み、
   前記後過程は、ＲＦパルスとして位相１８０°の９０°パルスを照射する操作過程と、位相９０°の９０°パルスを照射する操作過程とを含むことを特徴とする請求項３〜６のいずれか一項記載の撮像システム。
9. 前記核磁気共鳴撮像素子は、一方の面が前記測定面となっている基板を有し、
   前記磁場印加用電極群は、前記基板の前記測定面上に集積化されて設けられ、前記基板に対して所定領域に設定された前記測定領域に磁場を印加して、前記測定領域内で局所的な前記測定位置を設定し、
   前記ＲＦ照射手段は、前記基板に対して所定位置に設けられ、前記基板での前記測定領域に対してＲＦパルスを照射する
   ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項記載の撮像システム。
10. 前記磁場印加用電極群において、
    前記均一磁場用電極は、前記測定領域を囲むように形成されたループ電極を含み、
    前記第１傾斜磁場用電極は、ｘ軸方向について前記測定領域を挟むように形成された一対の第１スプリット電極を含み、
    前記第２傾斜磁場用電極は、ｙ軸方向について前記測定領域を挟むように形成された一対の第２スプリット電極を含む
    ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項記載の撮像システム。
11. 核磁気共鳴の測定領域に磁場を印加して、前記測定領域内で局所的な測定位置を設定するための磁場印加用電極群、及び前記測定領域に対してＲＦパルスを照射するためのＲＦ照射手段を含み、
    前記磁場印加用電極群が、前記測定領域について測定面を想定するとともに、前記測定領域に対して、設定すべき前記測定位置に応じた均一磁場を印加する均一磁場用電極と、前記測定面に平行なｘ軸方向について傾斜磁場を印加する第１傾斜磁場用電極と、前記測定面に平行でｘ軸と直交するｙ軸方向について傾斜磁場を印加する第２傾斜磁場用電極とを有して構成された核磁気共鳴撮像素子を用い、
    前記磁場印加用電極群を構成する電極のそれぞれに対して磁場発生用の電流を供給する電流供給ステップと、
    前記ＲＦ照射手段に対して前記ＲＦパルスを供給するＲＦパルス供給ステップと、
    前記核磁気共鳴撮像素子の前記測定領域内での測定対象物からの核磁気共鳴信号を検出する検出ステップと、
    前記測定対象物に対する核磁気共鳴による撮像を制御する撮像制御ステップと
    を備え、
    前記撮像制御ステップは、
    ｘ軸方向の位置Ｘｍ及びｙ軸方向の位置Ｙｍが選択された前記測定位置（Ｘｍ，Ｙｍ）に対し、それぞれ所定条件で前記磁場印加用電極群による磁場の印加、及び前記ＲＦ照射手段によるＲＦパルスの照射を行う複数段階の操作過程を含む測定過程によって、前記測定位置における前記測定対象物の原子核の核スピンを操作した後、前記検出ステップによって核磁気共鳴信号の検出を行って、前記測定位置における局所的な核スピンの情報を取得することを特徴とする核磁気共鳴撮像方法。
12. 前記撮像制御ステップは、
    前記複数段階の操作過程を含む前記測定過程を経た段階において、前記測定位置で核スピンが中間状態となり、前記測定位置を除く前記測定領域内の全ての位置で核スピンが初期状態となるように、前記測定対象物の原子核の核スピンを操作することを特徴とする請求項１１記載の撮像方法。
13. 前記測定面において、前記測定位置を通りｙ軸に平行なｘ＝Ｘｍの直線をＸｍ線、前記測定位置を通りｘ軸に平行なｙ＝Ｙｍの直線をＹｍ線とし、
    前記撮像制御ステップは、
    ３段階以上の操作過程を有し、前記測定位置の核スピンを所定状態とし、Ｘｍ線上及びＹｍ線上で前記測定位置を除く位置の核スピンを中間状態とする前過程と、３段階以上の操作過程を有し、前記測定位置の核スピンを中間状態とし、Ｘｍ線上及びＹｍ線上で前記測定位置を除く位置の核スピンを初期状態とする後過程とを含む前記測定過程によって、前記測定対象物の原子核の核スピンを操作することを特徴とする請求項１１または１２記載の撮像方法。
14. 前記前過程及び前記後過程のそれぞれは、ｙ軸方向に延びるＸｍ線上で中間状態になっている核スピンに対する２段階の操作過程によるｙ軸勾配エコー操作、またはｘ軸方向に延びるＹｍ線上で中間状態になっている核スピンに対する２段階の操作過程によるｘ軸勾配エコー操作の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１３記載の撮像方法。
15. 前記後過程は、前記３段階以上の操作過程において、前記ＲＦ照射手段によるＲＦパルスの照射を行わない操作過程を含み、
    前記前過程を経た段階において、前記測定位置で核スピンが反転状態または初期状態となることを特徴とする請求項１３または１４記載の撮像方法。
16. 前記前過程は、前記３段階以上の操作過程において、前記ＲＦ照射手段によるＲＦパルスの照射を行わない操作過程を含み、
    前記前過程を経た段階において、前記測定位置で核スピンが中間状態となるとともに、前記後過程の最初の操作過程を経た段階において、前記測定位置で核スピンが反転状態または初期状態となることを特徴とする請求項１３または１４記載の撮像方法。
17. 前記前過程は、ＲＦパルスとして位相０°の９０°パルスを照射する操作過程と、位相９０°の９０°パルスを照射する操作過程とを含み、
    前記後過程は、ＲＦパルスとして位相１８０°の９０°パルスを照射する操作過程と、位相２７０°の９０°パルスを照射する操作過程とを含むことを特徴とする請求項１３〜１６のいずれか一項記載の撮像方法。
18. 前記前過程は、ＲＦパルスとして位相０°の９０°パルスを照射する操作過程と、位相２７０°の９０°パルスを照射する操作過程とを含み、
    前記後過程は、ＲＦパルスとして位相１８０°の９０°パルスを照射する操作過程と、位相９０°の９０°パルスを照射する操作過程とを含むことを特徴とする請求項１３〜１６のいずれか一項記載の撮像方法。
19. 前記核磁気共鳴撮像素子は、一方の面が前記測定面となっている基板を有し、
    前記磁場印加用電極群は、前記基板の前記測定面上に集積化されて設けられ、前記基板に対して所定領域に設定された前記測定領域に磁場を印加して、前記測定領域内で局所的な前記測定位置を設定し、
    前記ＲＦ照射手段は、前記基板に対して所定位置に設けられ、前記基板での前記測定領域に対してＲＦパルスを照射する
    ことを特徴とする請求項１１〜１８のいずれか一項記載の撮像方法。
20. 前記磁場印加用電極群において、
    前記均一磁場用電極は、前記測定領域を囲むように形成されたループ電極を含み、
    前記第１傾斜磁場用電極は、ｘ軸方向について前記測定領域を挟むように形成された一対の第１スプリット電極を含み、
    前記第２傾斜磁場用電極は、ｙ軸方向について前記測定領域を挟むように形成された一対の第２スプリット電極を含む
    ことを特徴とする請求項１１〜１９のいずれか一項記載の撮像方法。