JP5162473B2 - 核磁気共鳴信号の検出に用いる電位センサ - Google Patents
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Description
ω0=γH0
によって導かれる角度θ、速度ω0で、スピンはZ軸の周りを歳差運動する。ここで、γは検査中の被検体のジャイロ磁気係数である。付加的な高周波(RF)電磁場H1が、静磁場H0に対して垂直な方向において、
ωRF=ω0
の周波数で印加される場合、共鳴吸収により角度θは大きくなる。
公知の連続波NMR装置では、静磁場H0は振幅の中でゆっくりと掃引される。
ω0=ωRF
であるとき、吸収が生じ、誘導結合全体の信号電圧にディップが見られる。静磁場の振幅を調整することによって、およびRF周波数を掃引することによっても、同じ結果を得ることができる。信号電圧のディップを明らかにするためには、大きな増幅が必要となるため、信号電圧は、出力用の増幅器18に印加される。
パルスNMR装置において、RF磁場H1は、RF電力の短パルスから構成される。このRFパルスは、歳差運動スピンの角度θが90℃になるように選択された振幅によって印加され、それによってZ平面からX−Y平面に傾く。これは、図4に示される。明らかに、これは歳差運動の最大振幅に相当し、この振れを作り出すパルスは、90°またはπ/2パルスと呼ばれている。180°またはπパルスは、単にスピンを印加静磁場に対して逆平行のZ軸の方向へ反転させる。パルス幅は、
θが90°で回転する場合はπ/2
θが180°で回転する場合はπ
に指定される。RFパルスが終わると、スピンは歳差運動を続ける。しかし、歳差運動の振幅、角度θは、互いの核スピンの相互作用によって時間とともに減少する。これが、回転の歳差運動から、ラーモア歳差運動周波数で指数関数的に減衰する正弦波、いわゆる自由誘導減衰(FID)信号を引き起こす。パルスNMRにおいて検出されるのがFID信号である。
本発明は好ましい実施形態として示す、以下の特性のいずれか一つまたは全てを更に含むことができる。
電極は、先端に取り付けられたホイル電極板を有する電極ピンを備えてもよく、薄い誘電体層により絶縁されてもよい。
電磁石を静磁場発生器として用いてよい。
装置は、連続波核磁気共鳴装置として用いられてよく、またはパルス核磁気共鳴装置として用いられてよい。
本発明の方法は、2つの電位センサを使用する工程と、2つのセンサの電極を振動磁場の軸から異なる半径方向距離に位置づける工程と、を含んでよい。
本発明の方法は、検出出力を発生する電極に接続された演算増幅器を使用する工程と、演算増幅器の入力インピーダンスを増加する正帰還素子を利用する工程と、を含んでよい。例えば、本発明の方法は、演算増幅器の回路網のそれぞれの高インピーダンス部をガードする工程および/または、DC入力バイアス電流を演算増幅器に提供する入力バイアス素子をブートストラップする工程を含んでよい。本発明の方法は、演算増幅器の利得をゼロ周波数で1に減少する工程も含んでよい。本発明の方法は、演算増幅器をゲート制御する工程も含んでよい。
本発明の方法は更に、静磁場および振動磁場のうち、いずれか一つの時間変化を発生する工程を更に含んでよい。
本発明の方法は、振動磁場を生成する高周波パルスシーケンスを発生する工程も含んでよい。この場合、本発明の方法は、パルスシーケンスの中の高周波パルス間において、高周波パルスシーケンスを発生する手段を分離する工程を含んでよい。更に、本発明の方法は、パルスシーケンスでの各パルスの端部において、振動磁場を被検体に誘導結合するために、共振回路に溜められたエネルギーを消散する工程を含んでよい。例えば、本発明の方法は、エネルギーの消散のタイミングを制御するためにブランキングパルスを発生する工程を含んでよい。
本発明の方法は、例えば分離のタイミングを制御するためにブランキングパルスを発生することで、振動磁場を被検体に誘導結合する共振回路を、パルスシーケンスでの各パルスの端部に続く検出出力から分離する工程も含んでよい。
従来装置における送信側と受信側コイルの間の交差結合の課題は回避されるため、受信システムの回復および不感時間を減らす。
フロントエンド同調回路、1/4波長線路、または受信側の交差ダイオードネットワークが必要ないため、より容易な実装が可能である。簡単な前置増幅器のゲート制御で十分であることが分かる。
同調していない(広域帯)受信器システムは、複数の核種を同時に測定可能である。
より小さなサイズのプローブを使用することにより、従来のシステムに存在する充てん率(filling factor)の課題を軽減し、非常に小さな被検体量のイメージングも可能になる。
電界プローブの固有分解能を使用することにより、高空間分解能が達成され得る。これは、イメージングの用途において、磁場勾配に関する技術よりもむしろ、ラスタスキャニングを可能にする。
本発明は、添付の図面を参照しながら、例示によって更に説明される。本発明は、NMR装置の信号検出において、図2に示す公知の誘導センサ装置の代わりに、電界センサを使用することを提案する。
Curl E=−δB/δt
によって関連付けられている。これは、電界成分を得るために、センサの電極装置を位置付けるのに必要な情報を提供する。後述するように、電極装置はRF入力を供給するコイルの軸に対して垂直に配置される。電極装置は、シグナルグラウンドに対する電位を測定するために配置された1つの電極を備えてよく、または1組の電極を備えてもよい。以下の説明において、各センサは1つの電極のみを含むこととする。雑音除去によって信号対雑音比を向上させるために、差動装置において2つの電位計またはセンサを使うと有利である。これを効果的に動作させるには、増幅する差分信号を供給するために、2つのセンサの電極がコイルの軸の中心から2つの異なる半径方向距離になくてはならない。
図6は電界センサ装置20におけるこの理論の実施を示す。これは、連続波NMRおよびパルスNMR両方の用途に適用可能である。図6の装置は、2つの電界センサE1とE2が加えられたこと以外は、図2の装置と類似している。したがって、同じ構成要素を示す同様の参照番号は、更に説明しないこととする。増幅器18は必ずしも必要ではないが、磁気信号と電気信号とを比較するために、磁気信号が電気信号と同時に得られるように保持されている。
図9は図6のセンサEのうち片方の回路図を示す。
利得帯域幅積 − 200MHz
スルーレート − 200V/μs
入力容量 − 0.5pF
ゲート制御機能 − オフ 25ns、オン 200ns
電圧雑音
図10は、本発明に係る連続波NMRシステムのブロック図を示す。ここで、連続波励起信号は、従来のマージナル発振器によって供給され、静磁場H0は、簡単な電磁石によって生成される。より具体的には、RF電源および信号増幅器の機能は、被検体12を囲む共振回路42に接続されたマージナル発振器40に含まれる。システムの静磁場部は、定電流を保つために設計されたフィードバック安定化電源(PSU)44を含み、それ故、電磁石48のコイル46を介して定磁場を保つ。この目的で、PSU44のフィードバックループ50は、PSU制御回路を備え、PSU44の出力はローパスフィルタ54によってコイル46に供給される。この静磁場に、関数発生器48によって生成されたゆっくりとした時間変動磁場が加えられ、電磁石48の棒状の部分58にはめ込まれた第2の一対のコイル56に供給される。上述の、図6および図9に示されている2つの電界検出センサ20は、差動演算増幅器60に接続され、差動演算増幅器60の出力はバンドパスフィルタ62へ供給され、そこから精密整流器64と、ローパスフィルタ66およびハイパスフィルタ68を介して、出力70へと供給される。
本発明による他のNMRシステムはパルスNMRシステムを備え、図11に示されている。このパルスNMRシステムは、図10に示す連続波NMRシステムといくつかの同じ部分を備える。同じ部分は同じ参照符号により示し、更なる説明の必要はないとする。具体的には、図11のパルスNMRシステムは、連続波システムに使用される静磁場電源部分と同じものを備える。しかしながら、パルスシステムを実装するにあたり、RF電子機器は、高出力(10W程度)コヒーレント光源、パルス変調器、適切なダイオード分離回路、および共鳴送信プローブ用のアクティブQダンピングメカニズムを備えるように、変更されなければならない。加えて、パルス振幅および持続時間ならびにパルスシーケンスのマーク周波数とスペース周波数との振幅比などのパラメータを最適化することが必要である。
Claims (36)
- 検査対象の被検体に静磁場を印加する手段と、
前記静磁場に略垂直に置かれた振動磁場によって前記被検体に誘導結合するように配置され、核スピンの歳差磁場を発生させるために励起信号を前記被検体に印加する高周波回路と、
前記励起信号に応答する前記被検体の励起を検出し、核スピンの歳差磁場と関連する電界に基づいて検出出力を発生することで信号の検出に用いる電位センサとを備え、
前記電位センサは、前記振動磁場の軸に対して略垂直に位置し、前記電位センサを前記被検体に容量結合する電極を備える、核磁気共鳴装置。 - 2つの前記電位センサを備え、前記2つの電位センサの電極が前記軸に対して略垂直に位置し、前記軸から異なる半径方向距離に位置する、請求項1に記載の装置。
- 前記電位センサが、
前記電極に接続された入力部を有し、検出出力を供給するように調整された演算増幅器と、
前記演算増幅器の入力インピーダンスを増加する正帰還素子と
を備える、請求項1に記載の装置。 - 前記正帰還素子がセンサ回路網の高インピーダンス部を囲むガード部を備え、前記ガード部は前記演算増幅器の出力によって駆動される、請求項3に記載の装置。
- 前記ガード部は、前記電極、および前記演算増幅器への入力部を囲む、請求項4に記載の装置。
- 前記正帰還素子はブートストラップ回路を備える、請求項3乃至請求項5のいずれか1項に記載の装置。
- 前記ブートストラップ回路が、
DC入力バイアス電流を前記演算増幅器に供給する入力バイアス素子と、
抵抗器の両端の電位を最小化するために前記演算増幅器の出力電圧を前記入力バイアス素子に印加するコンデンサと
を備える、請求項6に記載の装置。 - 前記電位センサは、前記演算増幅器の利得をゼロ周波数で1に減少するハイパスフィルタを備える、請求項3に記載の装置。
- 前記電位センサは、前記演算増幅器に用いるゲート制御素子を更に備える、請求項3に記載の装置。
- 前記電極は、先端に取り付けられたホイル電極板を有する電極ピンを備える、請求項1に記載の装置。
- 前記電極は、薄い誘電体層により絶縁されている、請求項1に記載の装置。
- 静磁場発生器としての電磁石を備える、請求項1に記載の装置。
- 連続波核磁気共鳴装置として用いられる、請求項1に記載の装置。
- 前記静磁場に時間変化を供給する関数発生器を備え、
前記高周波回路は、高周波源を供給するマージナル発振器を備える、請求項13に記載の装置。 - 検出出力を供給する差動演算増幅器に接続された2つの前記電位センサを備える、請求項13に記載の装置。
- パルス核磁気共鳴装置として使用される、請求項1に記載の装置。
- 前記高周波回路は、位相ロックされた高周波シンセサイザを含む高周波発生器およびパルス変調器を備える、請求項16に記載の装置。
- 前記高周波回路は、
高周波パルスシーケンスを発生する高周波発生器と、
前記被検体に対する誘導結合を供給する共振回路と、
この高周波パルスシーケンスでの高周波パルスの間において、高周波発生器を前記共振回路から分離するパルス分離ネットワークと
を備える、請求項16に記載の装置。 - 前記高周波回路は、
高周波パルスシーケンスを発生する高周波発生器と、
前記被検体に対する誘導結合を供給する共振回路と、
前記共振回路に蓄えられたエネルギーを、この高周波パルスシーケンスにおける各パルスの端部において消散するQダンピング回路と
を備える、請求項16に記載の装置。 - 前記Qダンピング回路を制御するためにブランキングパルスを発生する手段を更に備える、請求項19に記載の装置。
- 前記電位センサの出力部において、以後の信号処理段を保護するように配置されたセンサ分離回路を更に備える、請求項16に記載の装置。
- センサ分離回路を制御するためにブランキングパルスを発生する手段を更に備える、請求項20に記載の装置。
- 検査対象の被検体に静磁場を印加する工程と、
前記静磁場に略垂直に置かれた振動磁場を用いて、核スピンの歳差磁場を発生させるために誘導的に励起信号を前記被検体に印加する工程と、
信号検出のための電位センサを用いて、前記励起信号に応答した前記被検体の励起を検出する工程であって、前記検出する工程は、前記電位センサの電極を前記振動磁場の軸に対して略垂直に位置づける工程と前記被検体に前記電極を容量結合する工程とを含む前記工程と、
核スピンの歳差磁場と関連する電界に基づいて検出出力を発生させる工程と、
を含む、核磁気共鳴信号の検出方法。 - 2つの前記電位センサを使用する工程と、
前記2つの電位センサの前記電極を前記軸に対して略垂直に位置づけ、前記軸から異なる半径方向距離に位置づける工程と
を含む、請求項23に記載の方法。 - 前記電極に接続された演算増幅器を用いて前記検出出力を発生する工程と、
正帰還を用いて前記演算増幅器の入力インピーダンスを増加させる工程と
を含む、請求項23に記載の方法。 - 前記演算増幅器の回路網のそれぞれの高インピーダンス部をガードする工程を含む、請求項25に記載の方法。
- DC入力バイアス電流を前記演算増幅器に供給する入力バイアス素子をブートストラップする工程を含む、請求項25に記載の方法。
- 前記演算増幅器の利得をゼロ周波数で1に減少する工程を含む、請求項25に記載の方法。
- 前記演算増幅器をゲート制御する工程を含む、請求項25に記載の方法。
- 前記静磁場および前記振動磁場のうち、いずれか1つの時間変化を発生する工程を含む、請求項23に記載の方法。
- 前記振動磁場を生成する高周波パルスシーケンスを発生する工程を含む、請求項23に記載の方法。
- 前記高周波パルスシーケンスでの高周波パルス間において、前記高周波パルスシーケンスを発生する手段を分離する工程を含む、請求項31に記載の方法。
- 前記高周波パルスシーケンスでの各パルスの端部において、前記振動磁場を前記被検体に誘導結合するために、共振回路に溜められたエネルギーを消散する工程を含む、請求項31に記載の方法。
- 前記エネルギーの消散のタイミングを制御するためにブランキングパルスを発生する工程を更に含む、請求項33に記載の方法。
- 前記振動磁場を前記被検体に誘導結合する共振回路を、高周波パルスシーケンスでの各パルスの端部に続く前記検出出力から分離する工程を更に含む、請求項23に記載の方法。
- 前記分離のタイミングを制御するためにブランキングパルスを発生する工程を更に含む、請求項35に記載の方法。
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