JP6887845B2

JP6887845B2 - 核磁気共鳴装置

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Publication number: JP6887845B2
Application number: JP2017062994A
Authority: JP
Inventors: 博保淺野; 剛塚田
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Priority date: 2017-03-28
Filing date: 2017-03-28
Publication date: 2021-06-16
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Description

本発明は、核磁気共鳴装置に関し、特に、静磁場の変動を観察するための信号の送受信を制御する技術に関する。

磁気共鳴測定装置として、核磁気共鳴（NMR：Nuclear Magnetic Resonance）測定装置、及び、電子スピン共鳴（ESR：Electron Spin Resonance）測定装置が知られている。ＮＭＲ測定装置に類する装置として、磁気共鳴画像（MRI：Magnetic Resonance Imaging）装置も知られている。以下、ＮＭＲ測定装置について説明する。

ＮＭＲ測定装置は、静磁場中におかれた試料に高周波信号を照射し、その後、試料から出る微小な高周波信号（ＮＭＲ信号）を検出し、ＮＭＲ信号に含まれる分子構造情報を抽出することで分子構造を解析する装置である。

ＮＭＲ測定においては、一般的に、静磁場が均一であるほど、得られるスペクトルの分解能と感度が向上する。そこで、通常のＮＭＲ測定装置では、補助コイルとして、試料の近傍にシムコイルが設けられ、そのシムコイルに流れるシム電流の量を制御することで、静磁場の均一化を図っている。

静磁場を均一に保つために、通常、シムコイルに流れるシム電流を、静磁場の変動に合わせて僅かずつ変化させ、観測されるＮＭＲ信号の分解能を追尾する方法が採用される。この方法はロックと呼ばれている。この目的のためのＮＭＲ信号には、通常、試料中の重水素溶媒に由来する重水素核（^２Ｈ核）のＮＭＲ信号（ロック受信信号）が用いられる。

静磁場の均一度が高いと、装置分解能が高まることでロック受信信号の線幅が細くなり、その結果、信号の高さが高くなる。すなわち、ロック受信信号の高さと装置分解能には相関関係があり、ロック受信信号の高さが高いほど装置分解能も高いことになる。

上記のロックを行うために、ＮＭＲ測定装置にはロック送受信回路が設けられる。ロック送受信回路は、静磁場の変動を観察するための重水素核（ロック核）を励起するためのロック送信信号をＮＭＲプローブに送信し、重水素核のＮＭＲ信号（ロック受信信号）を受信する回路である。重水素核のＮＭＲ信号（ロック受信信号）をモニタし、そのＮＭＲ信号の強度が最も高くなるように、シムコイルに流れるシム電流の量が制御される（特許文献１参照）。

特開２０１０−２５８９６号公報

ところで、従来のロック送受信回路は、一定の時間間隔で、ロック送信信号の送信とロック受信信号の受信とを繰り返しているに過ぎず、様々な用途に対応して送受信を行っているわけではない。

本発明の目的は、ロック送受信回路を備えた核磁気共鳴装置において、ロック送受信回路による送受信を用途に応じて制御できるようにすることにある。

本発明は、核磁気共鳴測定用の静磁場の変動を観察するためのロック核を励起するためのロック送信信号をＮＭＲプローブに送信し、ロック核のＮＭＲ信号をＮＭＲプローブから受信するロック送受信回路と、前記ロック送受信回路に接続され、振幅変調、周波数変調及び位相変調の中の少なくとも１つを組み合わせたパルスシーケンスに基づいて前記ロック送信信号の生成を制御するロック用シーケンサーと、を有することを特徴とする核磁気共鳴装置である。

上記の構成によれば、ロック用シーケンサーを用いて、振幅変調、周波数変調及び位相変調の中の少なくとも１つを実行することで、用途に応じたロック送信信号を生成して送信することが可能となる。これにより、核磁気共鳴装置の自由度が高くなる。

前記ロック送信信号はパルス状の信号であり、前記ロック用シーケンサーは、前記ロック送信信号に対する振幅変調の適用を制御することで、前記ロック送信信号の立ち上がり部分と立ち下がり部分を鈍らせてもよい。

上記の構成によれば、ロック送信信号の立ち上がり部分と立ち下がり部分における振幅を緩やかに変化させることができるので、ロック送信パルスのスペクトルの帯域を狭くして、ロックに起因する不要信号を小さくすることが可能となる。

前記ロック用シーケンサーは、前記ロック送信信号の送信タイミングを可変制御してもよい。例えば、用途に応じて、その送信タイミングを変えてもよい。

前記ロック送受信回路は、前記ロック送信信号を送受信切替回路を介して前記ＮＭＲプローブに送信するロック送信回路と、ロック核のＮＭＲ信号を前記送受信切替回路を介して前記ＮＭＲプローブから受信するロック受信回路と、を含み、前記送受信切替回路は、送信時、前記ロック送信回路と前記ＮＭＲプローブとを接続し、受信時、前記ロック受信回路と前記ＮＭＲプローブとを接続し、送信時と受信時とでその接続先を切り替えるスイッチであり、前記ロック用シーケンサーは、ロック送信信号毎に、送信のタイミングを変えてもよい。

上記の構成によれば、スイッチの切り替えに起因するノイズが拡散されるので、不要信号の周波数成分を分散させて、ロックに起因するノイズを小さくすることが可能となる。

前記ロック用シーケンサーは、ロック核のＮＭＲ信号の受信期間後に待機期間を設定し、その待機期間後に、ロック送信信号が送信されるように前記ロック送信回路を制御し、ロック送信信号が送信される度に、前記待機期間を変更してもよい。

上記の構成によれば、ロック送信信号の送信毎に待機期間が変更されるので、スイッチの切り替えに起因するノイズを拡散させることが可能となる。

前記ロック用シーケンサーは、ロック送信信号が送信される度に、前記待機期間の長さをランダムに変更してもよい。

前記ロック用シーケンサーのシステムクロックに対して周波数拡散が適用されることで、前記ロック用シーケンサーは、ロック送信信号の送信タイミングをロック送信信号毎に変更してもよい。

前記ロック用シーケンサーは、広帯域パルスを含む送信信号の送信を更に制御してもよい。

前記ロック用シーケンサーは、デカップリング用の送信信号の送信を更に制御してもよい。

本発明によれば、ロック送受信回路を備えた核磁気共鳴装置において、ロック送受信回路による送受信を用途に応じて制御することが可能となる。

本発明の実施形態に係るＮＭＲ測定装置を示す図である。送信タイミングと受信タイミングを説明するための図である。振幅変調が適用されていないロック送信パルスをオシロスコープで観測した結果の一例を示す図である。振幅変調が適用されたロック送信パルスをオシロスコープで観測した結果の一例を示す図である。バンドパスフィルターを通したロック送信パルスをオシロスコープで観測した結果の一例を示す図である。振幅変調が適用されていないロック送信パルスをスペクトルアナライザーで観測した結果の一例を示す図である。振幅変調が適用されたロック送信パルスをスペクトルアナライザーで観測した結果の一例を示す図である。バンドパスフィルターが適用されたロック送信パルスをスペクトルアナライザーで観測した結果の一例を示す図である。ロック送信パルスとスペクトルの一例を示す図である。矩形波とｓｉｎｃ関数との関係を説明するための図である。各種の窓関数の特性を説明するための図である。ロック用のシーケンスの一例を示す図である。ＷＵＲＳＴデカップリングプロファイルの一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係るＮＭＲ測定装置について説明する。図１には、本実施形態に係るＮＭＲ測定装置の一例が示されている。ＮＭＲ測定装置１０は、試料中の観測核によって生じたＮＭＲ信号を測定する装置である。

ＮＭＲ測定装置１０は、大別して、図示しない静磁場発生装置と、ＮＭＲプローブ１２と、ホストコンピューター１４と、ＮＭＲ分光計１６と、を含む。

ＮＭＲプローブ１２は、図示しない送受信コイルを備えた挿入部１２Ａと、その根元部分に相当する筐体部１２Ｂと、によって構成される。ＮＭＲ測定では、ＮＭＲ測定用の高周波信号（ＲＦ送信信号）が生成され、そのＲＦ送信信号がＮＭＲプローブ１２内の送受信コイルに供給される。図１に示す例では、ＮＭＲプローブ１２は、３つのポートを備えており、３つのＲＦ送信信号がＮＭＲプローブ１２に供給される。もちろん、１つ又はそれ以上の個数のポートを備えたＮＭＲプローブを利用することも可能である。挿入部１２Ａは、円筒形を有し、図示しない静磁場発生装置に形成された円筒状の空洞部内に挿入される。送受信コイルにＲＦ送信信号が供給されると、そこで電磁波が生じ、観測核において共鳴吸収現象が生じる。その後、送受信コイルに誘起されるＮＭＲ信号（ＲＦ受信信号）がＮＭＲプローブ１２からＮＭＲ分光計１６に送られ、そのＮＭＲ信号のスペクトルが解析される。

ＮＭＲプローブ１２は、３つのポートとして、主に水素核（^１Ｈ核）やフッ素核（^１９Ｆ核）を測定するための観測チャンネル１８（ＨＦチャンネル）と、リン核（^３１Ｐ核）の周波数以下の共鳴周波数を有する核（例えば、^１３Ｃ核、^１５Ｎ核、^２９Ｓｉ核、^３１Ｐ核）を測定するための観測チャンネル２０（ＬＦチャンネル）と、ロック核としての重水素核（^２Ｈ核）を測定するための観測チャンネル２２（ＬＯＣＫチャンネル）と、を備えている。

ホストコンピューター１４は、パルスシーケンスプログラムを生成する機能を有する。パルスシーケンスプログラムは、所望のＮＭＲ測定を実現するためのパルスシーケンスを記述したものであり、それはユーザーによって又は自動的に生成される。パルスシーケンスプログラムはホストコンピューター１４からＮＭＲ分光計１６の分光計制御コンピューター２４へ送られる。ホストコンピューター１４は、一般的なパーソナルコンピューターで構成され得る。

分光計制御コンピューター２４は、以下に説明する送受信ユニット２６の動作を制御し、また送受信ユニット２６から得られる受信データを解析する機能を有する。分光計制御コンピューター２４は、パルスシーケンスプログラムを命令列に変換する命令列生成部２８を備えている。命令列生成部２８は、例えばコンパイラーとして構成される。命令列生成部２８は、送受信ユニット２６を制御するための命令列を生成しており、命令列が送受信ユニット２６に送られる。なお、送受信ユニット２６がパルスシーケンスプログラムを解釈して命令列を生成してもよい。また、分光計制御コンピューター２４において、圧縮構造等によって構成される中間命令列を生成してそれを転送し、送受信ユニット２６において中間命令列を展開することで非圧縮の命令列を再構成してもよい。特に、転送時の転送レート（データ量）が問題となる場合、上述のように圧縮された中間命令列を転用するのが望ましい。

また、分光計制御コンピューター２４は、受信信号解析部３０を備えている。受信信号解析部３０は、ＮＭＲ信号（ＲＦ受信信号）をスペクトル解析するＦＦＴ演算機能を備えている。分光計制御コンピューター２４は、スペクトル解析機能の他、ＮＭＲ測定において必要となる制御機能、解析機能及び管理機能を備えている。

分光計制御コンピューター２４は、通信バス３２を経由して、送受信ユニット２６に接続されている。図１に示す例では、分光計制御コンピューター２４は、ホストコンピューター１４に対してネットワークを介して接続されている。分光計制御コンピューター２４は、例えば、専用又は汎用のコンピューターによって構成される。

なお、ホストコンピューター１４と分光計制御コンピューター２４が一体化されていてもよい。また、複数の分光計制御コンピューター２４が構成されてもよい。更に、分光計制御コンピューター２４の機能の一部又は全部をホストコンピューター１４に搭載してもよい。

以下、送受信ユニット２６について説明する。送受信ユニット２６は、ＮＭＲ測定で必要となるＲＦ送信信号を生成し、またＮＭＲ測定結果であるＮＭＲ信号（ＲＦ受信信号）を処理する機能を備えている。送受信ユニット２６又はそれと分光計制御コンピューター２４とを合わせた部分（ＮＭＲ分光計１６）をＮＭＲ測定装置と称することも可能である。

命令用メモリー３４には、分光計制御コンピューター２４から送られてきた命令列が格納される。例えば、命令列が一旦、中間命令列に変換されている場合、図示しない演算処理部によって、その中間命令列から最終的な命令列が生成（再構成）される。もちろん、他の回路によって命令列が生成されてもよい。命令用メモリー３４上には、命令列を後述のシーケンサー単位で格納する複数の記憶領域（例えばＦＩＦＯ）が設けられている。各シーケンサーの内部にそのような記憶領域が設けられてもよい。

本実施形態においては、命令用メモリー３４に加えて、制御レジスター用メモリー３６が設けられている。制御レジスター用メモリー３６上にはレジスター領域が設定され、そのレジスター領域には設定値が書き込まれる。

また、送受信ユニット２６は、ＨＦ送受信ユニット３８と、ＬＦ送受信ユニット４０と、ＬＯＣＫ送受信ユニット４２と、を含む。

ＨＦ送受信ユニット３８は、ＮＭＲプローブ１２の観測チャンネル１８（ＨＦチャンネル）に接続され、主に水素核（^１Ｈ核）やフッ素核（^１９Ｆ核）を測定するためのＲＦ送信信号を観測チャンネル１８に送信し、ＮＭＲ信号（ＲＦ受信信号）を受信するユニットである。

ＬＦ送受信ユニット４０は、ＮＭＲプローブ１２の観測チャンネル２０（ＬＦチャンネル）に接続され、リン核（^３１Ｐ核）の周波数以下の共鳴周波数を有する核（例えば、^１３Ｃ核、^１５Ｎ核、^２９Ｓｉ核、^３１Ｐ核）を測定するためのＲＦ送信信号を観測チャンネル２０に送信し、ＮＭＲ信号（ＲＦ受信信号）を受信するユニットである。

ＬＯＣＫ送受信ユニット４２は、ＮＭＲプローブ１２の観測チャンネル２２（ＬＯＣＫチャンネル）に接続され、ロック核としての重水素核（^２Ｈ核）を測定するためのＲＦ送信信号（ロック送信信号）を観測チャンネル２２に送信し、ロック受信信号としてのＮＭＲ信号（ＲＦ受信信号）を受信するユニットである。

ＨＦ送受信ユニット３８内の送信シーケンサー４４は、送信信号生成部４６が有する送信信号生成器等の動作を制御する機能を有する。具体的には、送信シーケンサー４４は、自己のために用意された命令列を先頭から順次実行する。

送信信号生成部４６は、送信信号生成器としての信号発生器、ＤＡ変換器（ＤＡＣ）、信号処理回路、周波数変換回路等を備えている。

送信信号生成部４６内の信号発生器の動作は、基本的に送信シーケンサー４４によって制御される。具体的には、信号発生器の動作を規定するパラメータセットが送信シーケンサー４４から信号発生器へ与えられる。信号発生器は、ＮＣＯ（Numerical Controlled Oscillator）を含む。ＮＣＯは、位相アキュムレーター、サイン波ルックアップテーブル等を含む。ＮＣＯを利用して、周波数変調、位相変調、及び、振幅変調を行える。すなわち、それぞれ独立して変調処理等が施されたＲＦ送信信号（原信号）が信号発生器において生成される。当然ながら、ＮＣＯにおいて生成される信号の周波数を自在に定めることが可能である。

送信信号生成部４６によって、ＮＭＲ測定用のＲＦ送信信号（主に水素核（^１Ｈ核）やフッ素核（^１９Ｆ核）を測定するためのＲＦ送信信号）が生成される。ＲＦ送信信号はアナログ信号であり、ＨＦ送信回路４８に送られる。ＨＦ送信回路４８では、ＲＦ送信信号の強度が適切な強度に調整される。調整されたＲＦ送信信号が、ＨＦ送受信切替回路４９内のＴ／Ｒスイッチ５０を介してＮＭＲプローブ１２の観測チャンネル１８（ＨＦチャンネル）に送られ、ＮＭＲプローブ１２内の送受信コイルに供給される。ＲＦ送信信号は、場合によっては、ＨＦ送信回路４８において、ローカル信号とミキシングすることによって、周波数変換することもある。

ＨＦ送受信ユニット３８内の受信シーケンサー５２は、基本的に送信シーケンサー４４と同一の構成を備えており、自己のために用意された命令列を先頭から順番に実行する。これによって、受信信号処理部５４が有する各回路の動作が制御される。

送受信コイルにＲＦ送信信号が供給されると、そこで電磁波が生じ、観測核において共鳴吸収現象が生じる。その後、送受信コイルに誘起されるＮＭＲ信号（ＲＦ受信信号）が、ＮＭＲプローブ１２の観測チャンネル１８（ＨＦチャンネル）からＨＦ送受信切替回路４９内のＴ／Ｒスイッチ５０を経由して受信信号処理部５４へ送られる。

Ｔ／Ｒスイッチ５０は、送信時にＲＦ送信信号をＮＭＲプローブ１２の観測チャンネル１８（ＨＦチャンネル）へ送り、受信時にＮＭＲプローブ１２の観測チャンネル１８（ＨＦチャンネル）からのＲＦ受信信号を受信信号処理部５４へ送るルーティング機能を備えている。Ｔ／Ｒスイッチ５０からのＲＦ受信信号はプリアンプ５６で増幅され、増幅されたＲＦ受信信号の強度が、ＨＦ受信回路５８にて適切な強度に調整され、調整されたＲＦ受信信号が受信信号処理部５４に送られる。なお、Ｔ／Ｒスイッチ５０は、明示的に接続先を切り替えないこともある。

ＨＦ送受信ユニット３８内の受信信号処理部５４は、入力されたＲＦ受信信号に対して周波数変換、ＡＤ変換、直交検波、等の処理を行う回路である。処理後のＲＦ受信信号（複素信号）が受信データとして受信メモリー６０に一旦格納される。受信メモリー６０から読み出された受信データが分光計制御コンピューター２４へ送られ、そこで受信データの解析が実行される。但し、送受信ユニット２６内において受信データの解析を行うようにしてもよい。

ＬＦ送受信ユニット４０内の送信シーケンサー６２は、送信信号生成部６４が有する送信信号生成器等の動作を制御する機能を有する。具体的には、送信シーケンサー６２は、自己のために用意された命令列を先頭から順次実行する。

送信信号生成部６４は、送信信号生成器としての信号発生器、ＤＡ変換器（ＤＡＣ）、信号処理回路、周波数変換回路等を備えている。

送信信号生成部６４内の信号発生器の動作は、基本的に送信シーケンサー６２によって制御される。具体的には、信号発生器の動作を規定するパラメータセットが送信シーケンサー６２から信号発生器へ与えられる。信号発生器は、ＮＣＯ（Numerical Controlled Oscillator）を含む。ＮＣＯは、位相アキュムレーター、サイン波ルックアップテーブル等を含む。ＮＣＯを利用して、周波数変調、位相変調、及び、振幅変調を行える。すなわち、それぞれ独立して変調処理等が施されたＲＦ送信信号（原信号）が信号発生器において生成される。当然ながら、ＮＣＯにおいて生成される信号の周波数を自在に定めることが可能である。

送信信号生成部６４によって、ＮＭＲ測定用のＲＦ送信信号（リン核（^３１Ｐ核）の周波数以下の共鳴周波数を有する核（例えば、^１３Ｃ核、^１５Ｎ核、^２９Ｓｉ核、^３１Ｐ核）を測定するためのＲＦ送信信号）が生成される。ＲＦ送信信号はアナログ信号であり、ＬＦ送信回路６６に送られる。ＬＦ送信回路６６では、ＲＦ送信信号の強度が適切な強度に調整される。調整されたＲＦ送信信号が、ＬＦ送受信切替回路６７内のＴ／Ｒスイッチ６８を介してＮＭＲプローブ１２の観測チャンネル２０（ＬＦチャンネル）に送られ、ＮＭＲプローブ１２内の送受信コイルに供給される。ＲＦ送信信号は、場合によっては、ＬＦ送信回路６６において、ローカル信号とミキシングすることによって、周波数変換することもある。

ＬＦ送受信ユニット４０内の受信シーケンサー７０は、基本的に送信シーケンサー６２と同一の構成を備えており、自己のために用意された命令列を先頭から順番に実行する。これによって、受信信号処理部７２が有する各回路の動作が制御される。

送受信コイルにＲＦ送信信号が供給されると、そこで電磁波が生じ、観測核において共鳴吸収現象が生じる。その後、送受信コイルに誘起されるＮＭＲ信号（ＲＦ受信信号）が、ＮＭＲプローブ１２の観測チャンネル２０（ＬＦチャンネル）からＬＦ送受信切替回路６７内のＴ／Ｒスイッチ６８を経由して受信信号処理部７２へ送られる。

Ｔ／Ｒスイッチ６８は、送信時にＲＦ送信信号をＮＭＲプローブ１２の観測チャンネル２０（ＬＦチャンネル）へ送り、受信時にＮＭＲプローブ１２の観測チャンネル２０（ＬＦチャンネル）からのＲＦ受信信号を受信信号処理部７２へ送るルーティング機能を備えている。Ｔ／Ｒスイッチ６８からのＲＦ受信信号はプリアンプ７４で増幅され、増幅されたＲＦ受信信号の強度が、ＬＦ受信回路７６にて適切な強度に調整され、調整されたＲＦ受信信号が受信信号処理部７２に送られる。なお、Ｔ／Ｒスイッチ６８は、明示的に接続先を切り替えないこともある。

ＬＦ送受信ユニット４０内の受信信号処理部７２は、入力されたＲＦ受信信号に対して周波数変換、ＡＤ変換、直交検波、等の処理を行う回路である。処理後のＲＦ受信信号（複素信号）が受信データとして受信メモリー７８に一旦格納される。受信メモリー７８から読み出された受信データが分光計制御コンピューター２４へ送られ、そこで受信データの解析が実行される。但し、送受信ユニット２６内において受信データの解析を行うようにしてもよい。

ＬＯＣＫ送受信ユニット４２内のＬＯＣＫ送信シーケンサー８０は、送信信号生成部８２が有する送信信号生成器等の動作を制御する機能を有する。具体的には、ＬＯＣＫ送信シーケンサー８０は、自己のために用意された命令列を先頭から順次実行する。

送信信号生成部８２は、送信信号生成器としての信号発生器、ＤＡ変換器（ＤＡＣ）、信号処理回路、周波数変換回路等を備えている。

送信信号生成部８２内の信号発生器の動作は、基本的にＬＯＣＫ送信シーケンサー８０によって制御される。具体的には、信号発生器の動作を規定するパラメータセットがＬＯＣＫ送信シーケンサー８０から信号発生器へ与えられる。信号発生器は、ＮＣＯ（Numerical Controlled Oscillator）を含む。ＮＣＯは、位相アキュムレーター、サイン波ルックアップテーブル等を含む。ＮＣＯを利用して、周波数変調、位相変調、及び、振幅変調を行える。すなわち、それぞれ独立して変調処理等が施されたＲＦ送信信号（原信号）が信号発生器において生成される。当然ながら、ＮＣＯにおいて生成される信号の周波数を自在に定めることが可能である。

送信信号生成部８２によって、ＮＭＲ測定用のＲＦ送信信号（重水素核（^２Ｈ核）を測定するためのＲＦ送信信号）が生成される。ＲＦ送信信号はアナログ信号であり、ＬＯＣＫ送信回路８４に送られる。ＬＯＣＫ送信回路８４では、ＲＦ送信信号の強度が適切な強度に調整される。調整されたＲＦ送信信号が、ＬＯＣＫ送受信切替回路８５内のＴ／Ｒスイッチ８６を介してＮＭＲプローブ１２の観測チャンネル２２（ＬＯＣＫチャンネル）に送られ、ＮＭＲプローブ１２内の送受信コイルに供給される。ＲＦ送信信号は、場合によっては、ＬＯＣＫ送信回路８４において、ローカル信号とミキシングすることによって、周波数変換することもある。

ＬＯＣＫ送受信ユニット４２内のＬＯＣＫ受信シーケンサー８８は、基本的にＬＯＣＫ送信シーケンサー８０と同一の構成を備えており、自己のために用意された命令列を先頭から順番に実行する。これによって、受信信号処理部９０が有する各回路の動作が制御される。

送受信コイルにＲＦ送信信号が供給されると、そこで電磁波が生じ、観測核において共鳴吸収現象が生じる。その後、送受信コイルに誘起されるＮＭＲ信号（ＲＦ受信信号）が、ＮＭＲプローブ１２の観測チャンネル２２（ＬＯＣＫチャンネル）からＬＯＣＫ送受信切替回路８５内のＴ／Ｒスイッチ８６を経由して受信信号処理部９０へ送られる。

Ｔ／Ｒスイッチ８６は、送信時にＲＦ送信信号をＮＭＲプローブ１２の観測チャンネル２２（ＬＯＣＫチャンネル）へ送り、受信時にＮＭＲプローブ１２の観測チャンネル２２（ＬＯＣＫチャンネル）からのＲＦ受信信号を受信信号処理部９０へ送るルーティング機能を備えている。Ｔ／Ｒスイッチ８６からのＲＦ受信信号はプリアンプ９２で増幅され、増幅されたＲＦ受信信号の強度が、ＬＯＣＫ受信回路９４にて適切な強度に調整され、調整されたＲＦ受信信号が受信信号処理部９０に送られる。なお、Ｔ／Ｒスイッチ８６は、明示的に接続先を切り替えないこともある。

ＬＯＣＫ送受信ユニット４２内の受信信号処理部９０は、入力されたＲＦ受信信号に対して周波数変換、ＡＤ変換、直交検波、等の処理を行う回路である。処理後のＲＦ受信信号（複素信号）が受信データとして受信メモリー９６に一旦格納される。受信メモリー９６から読み出された受信データが分光計制御コンピューター２４へ送られ、そこで受信データの解析が実行される。但し、送受信ユニット２６内において受信データの解析を行うようにしてもよい。

また、ＮＭＲプローブ１２の挿入部１２Ａ内には、試料の近傍に図示しないシムコイルが設けられており、ロック受信信号の強度が最も高くなるようにシムコイルに流れるシム電流の量が制御される。

ここで、図２を参照して、通常のＮＭＲ測定時におけるＲＦ送信信号の送信タイミングとＮＭＲ信号（ＲＦ受信信号）の受信タイミングについて説明する。シーケンス９８は、観測対象の試料のＮＭＲ信号を測定するためのシーケンスであり、ＨＦチャンネル又はＬＦチャンネルでの送受信タイミングを示している。ＲＦ送信信号がＮＭＲプローブ１２に送信された後（ＲＦ照射後）、予め定められた受信期間、ＮＭＲ信号（ＲＦ受信信号）が受信される（ＮＭＲ信号検波）。

シーケンス１００は、従来のロック用のシーケンスであり、ＬＯＣＫチャンネルでの送受信タイミングを示している。ロック送信信号がＮＭＲプローブ１２に送信された後（ＲＦ照射後）、予め定められた受信期間、ロック受信信号が受信される（ＮＭＲ信号検波）。ＮＭＲ測定中、ロック用のＲＦ照射とＮＭＲ信号検波とが交互に繰り返し実行される。ロック送信信号の送信開始時点から次のロック送信信号の送信開始時点までの期間（つまり、ＲＦ照射から次のＲＦ照射までの期間）を１サイクルと定義すると、従来のロック用シーケンスでは、各サイクルの長さは一定となっている。

以下、従来のロック用シーケンスを実行した場合に生じると想定される問題について説明する。通常、ロック送信信号をＮＭＲプローブ１２に送るためのロック用ＲＦラインには、ロック核としての重水素核（^２Ｈ核）の周波数以外の周波数を有する信号を遮断するためのバンドパスフィルター（Band Pass Filter）が設けられており、他の観測用のＲＦ送信信号をＮＭＲプローブ１２に送るためのＲＦラインに、ロック送信信号が漏れないように対策がとられている。しかし、重水素核の周波数に近い周波数を有する観測核（例えば^２９Ｓｉ核）のＮＭＲ信号を取得すると、重水素核の周波数成分がＮＭＲプローブ１２を介してＨＦチャンネルやＬＦチャンネルに漏れて、ノイズとして観測されてしまう場合がある。また、上記のＴ／Ｒスイッチ８６の切り替わり時に出力されるＲＦノイズ成分が、観測帯域に不要信号として観測されてしまう場合がある。

上記の理由によって、重水素核の周波数により近い観測核（例えば^１７Ｏ核）のＮＭＲ信号を測定する場合、漏れ込みノイズが大きくなり、ロック機能を利用することができない。また、観測核の帯域に漏れ込む不要な周波数成分をより減衰させるために、高次のアナログフィルターを利用することが考えられるが、フィルターの挿入損失によってロック受信信号のＳ／Ｎが悪化し、また、コストが増大する。

^２Ｈ核以外の核（例えば^１９Ｆ核や^１Ｈ核等）を用いたロックについても、^２Ｈ核を用いた場合と同様の問題が生じる。

また、ロックにおいては、通常、ロック送信信号の送信とロック受信信号の受信とを繰り返し行いながら、ロック受信信号の強度が最大となるように、シムコイルに流れるシム電流をスイープさせることで磁場をスイープさせている。この場合において、静磁場がシム電流のスイープ範囲を超える程度にずれていた場合、シム電流の調整によって静磁場を均一に保てないという問題が生じる。これに対処するために、スイープ時間を変えずにシム電流のスイープ範囲を広げた場合、測定されるロック受信信号の強度が低くなり、その結果、ロック受信信号強度の最大位置を誤検出する可能性がある。また、シム電流のスイープ範囲を広げたことに伴い、スイープ時間を長くすると、ロックに要する時間が増大するという問題が生じる。

本実施形態では、ＬＯＣＫ送信シーケンサー８０によって、振幅変調、周波数変調及び位相変調の中の少なくとも１つを組み合わせたパルスシーケンスに基づいてロック送信信号の生成が制御される。これにより、上記の問題が解決される。以下には、そのための各実施例について詳しく説明する。

（実施例１）
実施例１では、ＬＯＣＫ送信シーケンサー８０は、ロック送信信号に対して振幅変調（ＡＭ変調）が適用されるように、送信信号生成部８２によるロック送信信号の生成を制御する。送信信号生成部８２は、ＬＯＣＫ送信シーケンサー８０の制御の下、ロック送信信号としてのロック送信パルスに対して振幅変調を適用することで、例えば、ロック送信パルスの立ち上がりと立ち下がりを鈍らせる。つまり、パルスの立ち上がり部分と立ち下がり部分の振幅が緩やかに変化するロック送信パルスが生成される。

以下、図３から図５を参照して、実施例１について詳しく説明する。図３には、振幅変調が適用されていないロック送信パルスをオシロスコープで観測した結果の一例が示されている。図４には、振幅変調が適用されたロック送信パルスをオシロスコープで観測した一例が示されている。図５には、バンドパスフィルターを通したロック送信パルスをオシロスコープで観測した結果の一例が示されている。

ロック送信信号は矩形波状の高周波信号であり、図３には、ロック送信パルス１０２として示されている。ロック送信パルス１０２は、振幅変調が適用されていない信号である。ロック送信パルス１０２の立ち上がり部分１０４では、振幅が０％から１００％に急峻に変化（増加）しており、ロック送信パルス１０２の立ち下がり部分１０６では、振幅が１００％から０％に急峻に変化（減少）している。

図４に示されているロック送信パルス１０８は、図３に示されているロック送信パルス１０２に対して振幅変調を適用することで生成された信号である。ＬＯＣＫ送信シーケンサー８０は、振幅変調命令を送信信号生成部８２に実行させることで、ロック送信パルス１０２の立ち上がり部分の振幅を、例えば４００ｎｓ程度の時間をかけて０％から１００％に変化（増加）させ、ロック送信パルス１０２の立ち下がり部分の振幅を、４００ｎｓ程度の時間をかけて１００％から０％に変化（減少）させる。つまり、ＬＯＣＫ送信シーケンサー８０は、立ち上がり部分の振幅を、ロック送信パルス１０２の立ち上がり部分１０４の振幅よりも緩やかに０％から１００％に変化させ、立ち下がり部分の振幅を、ロック送信パルス１０２の立ち下がり部分１０６の振幅よりも緩やかに１００％から０％に変化させる。図４に示されているロック送信パルス１０８は、このようにして生成された信号である。ロック送信パルス１０８の立ち上がり部分１１０では、振幅が、例えば４００ｎｓ程度の時間をかけて０％から１００％に変化しており、ロック送信パルス１０８の立ち下がり部分１１２では、振幅が、例えば４００ｎｓ程度の時間をかけて１００％から０％に変化している。このように、立ち上がり部分と立ち下がり部分とで、ロック送信パルスの変化を鈍らせることで、ロック送信パルスのスペクトル帯域を絞ることが可能となる。これにより、ＨＦチャンネルやＬＦチャンネルで観測されてしまうロック信号に起因する不要信号を小さくすることが可能となる。なお、上記の数値は一例に過ぎず、他の数値が用いられてもよい。

図５に示されているロック送信パルス１１４は、図３に示されているロック送信パルス１０２を、ＲＦ周波数を通過帯域としたバンドパスフィルターに通すことで生成された信号である。ロック送信パルス１１４の立ち上がり部分１１６では、振幅が、ロック送信パルス１０２の立ち上がり部分１０４よりも緩やかに０％から１００％に変化しており、ロック送信パルス１１４の立ち下がり部分１１８では、振幅が、ロック送信パルス１０２の立ち下がり部分１０６よりも緩やかに１００％から０％に変化している。

上記のように、ロック送信パルス１０２に振幅変調を適用することで、バンドパスフィルターを用いなくても、ロック送信パルス１０２にバンドパスフィルターを適用した場合と同様にサイドローブの減衰が大きいスペクトルが得られる。バンドパスフィルターを用いたことによる損失の発生を防止し、また、コストの増大を防止することができる。

以下、振幅変調による効果について詳しく説明する。

図６には、振幅変調が適用されていないロック送信パルスをスペクトルアナライザーで観測した結果の一例が示されている。ロック送信パルスは、矩形状のパルスであるため、^２Ｈ核の周波数を中心に広い帯域を持った特性（ｓｉｎｃ関数）を有している。バンドパスフィルターを用いても除去しきれなかった^２９Ｓｉ核の周波数成分がノイズとして観測された。

図７には、振幅変調が適用されたロック送信パルスをスペクトルアナライザーで観測した結果の一例が示されている。振幅変調によってロック送信パルスの立ち上がり部分と立ち下がり部分を鈍らせることで、バンドパスフィルターを用いることなく、ロック送信パルスのスペクトル帯域を絞ることができた（スペクトル帯域が狭くなっている）。

図８には、バンドパスフィルターが適用されたロック送信パルスをスペクトルアナライザーで観測した結果の一例が示されている。図６に示す結果よりも、ロック送信パルスのスペクトル帯域が狭くなっている。

以下、振幅変調を適用して立ち上がり部分と立ち下がり部分を緩やかにすることでスペクトル帯域が狭くなる理由について説明する。

図９に示すように、ロック送信パルス１２０は、矩形波１２２と高周波の連続波信号１２４とを掛け合わせることで得られた信号である。ロック送信パルス１２０のスペクトル（周波数ドメイン）１２６は、高周波の周波数を中心にｓｉｎｃ関数の絶対値を有する帯域が広がったスペクトルである。

図１０に示すように、矩形波とｓｉｎｃ関数は対称性があり、時間領域でｓｉｎｃ関数状の波形は、周波数ドメインでは方形の帯域を持った帯域が広がらないスペクトルとなる。

また、ロック送信パルスは、フーリエ変換前の処理として利用される窓関数における方形窓と同等と考えることができる。図１１に示すように、方形窓では、スペクトルはサイドローブの減衰が小さいスペクトルになるが、ハニング窓、ハミング窓、ブラックマン窓といった時間軸波形の立ち上がりと立ち下がりが滑らかになった波形では、方形波と比べてサイドローブの減衰が大きくなる。

以上のことからすると、矩形波状のロック送信パルスの立ち上がり部分と立ち下がり部分を滑らかにすることで、広帯域に広がっていた帯域を制限することができる。

（実施例２）
実施例２では、ＬＯＣＫ送信シーケンサー８０は、ロック送信信号の送信タイミングを可変制御する。具体的には、ＬＯＣＫ送信シーケンサー８０は、ロック送信信号毎に、送信のタイミングを変える。より詳しく説明すると、ＬＯＣＫ送信シーケンサー８０は、ロック受信信号の受信期間後に待機期間を設定し、その待機期間後に次のロック送信信号が送信されるようにロック送信信号の送信を制御し、ロック送信信号が送信される度に、その待機期間を変更する。

以下、図１２を参照して、実施例２について詳しく説明する。図１２には、従来のロック用のシーケンス１２８と実施例２のロック用のシーケンス１３０が示されている。

まず、従来のシーケンス１２８について説明する。従来のシーケンス１２８は、図２に示されているロック用のシーケンス１００と同じシーケンスである。図１２中のＴＸは、ロック送信信号の送信期間を示しており、ＲＸはロック受信信号の受信期間を示している。従来のシーケンス１２８においては、ロック送信信号が送信された後、受信期間ＲＸの間、ロック受信信号が受信され、その受信期間ＲＸの後、次のロック送信信号が送信される。このように、ＮＭＲ測定中、送信（ＴＸ）と受信（ＲＸ）とが交互に繰り返し実行される。１つのＴＸとＲＸとを合わせた期間を１サイクルと定義すると、つまり、ロック送信信号の送信開始時点から次のロック送信信号の送信開始時点までの期間を１サイクルと定義すると、従来のロック用のシーケンス１２８では、各サイクルの長さは一定となっている。一例として、そのサイクル（期間）の長さは１６０μｓである。各サイクルの長さが一定の場合、上述したように、Ｔ／Ｒスイッチ８６の切り替わり時に出力されるＲＦノイズ成分が、不要信号として観測されることがある。

次に、実施例２のシーケンス１３０について説明する。シーケンス１３０では、ロック送信信号の送信前に待機時間が設定されている。例えば、待機時間の初期値として１０ｎｓが設定され、１サイクル毎に待機時間がインクリメントされる。その値が予め定められた値（例えば１０００ｎｓ）になった場合、待機時間が１０ｎｓに戻され、再びインクリメントされる。図１２に示す例では、待機時間として、１０ｎｓ、２０ｎｓ、３０ｎｓ、４０ｎｓ、・・・が設定されている。このように、各サイクルで待機時間を変えることで、１サイクル毎にロック送信信号の送信タイミングがずれるので、Ｔ／Ｒスイッチ８６におけるノイズの発生タイミングがサイクル毎に変わる。そのため、そのノイズが拡散されるので、不要信号の周波数成分を分散させて、ＮＭＲ信号観測用チャンネルで観測されてしまうノイズを小さくすることが可能となる。

なお、上記の数値は一例に過ぎず、他の値が用いられてもよい。

（実施例３）
実施例２のシーケンス１３０では、１サイクル毎に待機時間がインクリメントされているが、実施例３では、ＬＯＣＫ送信シーケンサー８０は、その待機時間をランダムに変更してもよい。例えば、ＬＯＣＫ送信シーケンサー８０は、待機時間の最小値（例えば１０ｎｓ）と最大値（例えば１０００ｎｓ）を定義し、その最小値と最大値との間の範囲内で１サイクル毎に乱数を発生させ、その乱数を待機時間として設定してもよい。これにより、１サイクル毎に待機時間の長さがランダムに変更される。このように待機時間を変更した場合も、１サイクル毎にロック送信信号の送信タイミングがずれるので、Ｔ／Ｒスイッチ８６にて発生するノイズが拡散され、不要信号の周波数成分を分散させて、ＮＭＲ信号観測用チャンネルで観測されてしまうノイズを小さくすることが可能となる。

（実施例４）
実施例４では、ＬＯＣＫ送信シーケンサー８０のシステムクロックに対して周波数拡散（スペクトラム拡散）が適用され、これにより、ＬＯＣＫ送信シーケンサー８０は、ロック送信信号の送信タイミングをロック送信信号毎に変える。そのシステムクロックに対する周波数拡散の適用は、例えば分光計制御コンピューター２４によって行われてもよいし、ホストコンピューター１４によって行われてもよい。周波数拡散の方式として、例えば、直接拡散（ＤＳ）方式（Direct Sequence System）、周波数ホッピング（ＦＨ）方式（Frequency Hopping System）、又は、ハイブリッド（ＤＳ／ＦＨ）方式（Hybrid System）のいずれかが用いられる。

実施例４によれば、実施例２，３と同様に、１サイクル毎にロック送信信号の送信タイミングがずれるので、Ｔ／Ｒスイッチ８６にて発生するノイズが拡散され、不要信号の周波数成分を分散させて、ＮＭＲ信号観測用チャンネルで観測されてしまうノイズを小さくすることが可能となる。

（実施例５）
実施例５では、ＬＯＣＫ送受信ユニット４２及び観測チャンネル２２（ＬＯＣＫチャンネル）をロックの用途ではなく、ＮＭＲ信号観測用として用いられ、ＬＯＣＫ送信シーケンサー８０は、ＮＭＲ信号観測用のシーケンスを実行する。ＬＯＣＫ送信シーケンサー８０は、例えば、振幅変調と位相変調とを組み合わせて生成されたＷＵＲＳＴ（Wideband Uniform Rate and Smooth Truncation）シーケンスと呼ばれる広帯域パルスを送信信号として観測チャンネル２２（ＬＯＣＫチャンネル）に送信する。

ＷＵＲＳＴシーケンスは、一般的に広帯域のデカップリングの用途に使用され、矩形状の送信パルスに振幅変調と位相変調を適用するシーケンスである。図１３には、ＷＵＲＳＴデカップリングプロファイルの一例が示されている。

上記のように広帯域にわたってＲＦ送信信号を送信できる仕組みを利用することで、シムの調整量を演算することができる。具体的には、ＷＵＲＳＴシーケンスに従ってＲＦ送信信号を送信し、観測されたＮＭＲ信号の位置（周波数のずれ）から静磁場のずれ量（シムの調整量）を換算し、その調整量によって磁場を補正することができる。

実施例５によれば、静磁場が大きくずれていてもシムの調整量を決めることができる。また、磁場のスイープを行う必要がないため、従来の方式よりも、短時間でロックを行うことが可能となる。

（実施例６）
実施例６では、ＬＯＣＫ送受信ユニット４２及び観測チャンネル２２（ＬＯＣＫチャンネル）をロックの用途ではなく、ＮＭＲ信号観測用やデカップリング用として用いられ、ＬＯＣＫ送信シーケンサー８０は、ＮＭＲ信号観測用のシーケンスやデカップリング用のシーケンスを実行する。

例えば、ＨＦチャンネル、ＬＦチャンネル及びＬＯＣＫチャンネルを用いた３核種測定用のパルスシーケンスを実行することで、ＨＦチャンネルにて、水素核（^１Ｈ核）又はフッ素核（^１９Ｆ核）が観測され、ＬＦチャンネルにて、リン核（^３１Ｐ核）の周波数以下の共鳴周波数を有する核（例えば、^１３Ｃ核、^１５Ｎ核、^２９Ｓｉ核、及び、^３１Ｐ核の中のいずれかの核）が観測され、ＬＯＣＫチャンネルにて、重水素核（^２Ｈ）が観測される。

以上のように、本実施形態によれば、ＬＯＣＫ送信シーケンサー８０とＬＯＣＫ受信シーケンサー８８がＬＯＣＫ送受信ユニット４２に搭載されているので、ＬＯＣＫチャンネルにおいても、ＮＭＲ信号観測用のシーケンサーと同様のパルスシーケンスを実行することが可能となり、ＬＯＣＫチャンネルの自由度が高くなる。そして、上記の実施例１から実施例６を実行することで、様々な課題を解決することが可能となる。

例えば実施例１を実行することで、ＮＭＲ信号観測用チャンネルで観測されてしまうロック信号起因の不要信号を小さくすることが可能となる。また、実施例２，３又は４を実行することで、Ｔ／Ｒスイッチ８６に起因するノイズが拡散されるので、不要信号の周波数成分を分散させて、ＮＭＲ信号観測用チャンネルで観測されてしまうノイズを小さくすることが可能となる。また、従来においては、漏れ込みノイズが大きくて利用できなかったロック核（重水素核）により近い核を測定する場合も、ロックを利用することが可能となる。また、実施例５，６のように、ＬＯＣＫチャンネルをロック以外の用途に用いることが可能となり、ＬＯＣＫチャンネルの自由度が高くなる。

１０ＮＭＲ測定装置、１２ＮＭＲプローブ、１４ホストコンピューター、１６ＮＭＲ分光計、２６送受信ユニット、３８ＨＦ送受信ユニット、４０ＬＦ送受信ユニット、４２ＬＯＣＫ送受信ユニット、８０ＬＯＣＫ送信シーケンサー、８８ＬＯＣＫ受信シーケンサー。

Claims

核磁気共鳴測定用の静磁場の変動を観察するためのロック核を励起するためのロック送信信号をＮＭＲプローブに送信し、ロック核のＮＭＲ信号をＮＭＲプローブから受信するロック送受信回路と、
前記ロック送受信回路に接続され、振幅変調、周波数変調及び位相変調の中の少なくとも１つを組み合わせたパルスシーケンスに基づいて前記ロック送信信号の生成を制御するロック用シーケンサーと、
を有し、
前記ロック用シーケンサーは、前記ロック送信信号の送信タイミングを可変制御し、
前記ロック送受信回路は、
前記ロック送信信号を送受信切替回路を介して前記ＮＭＲプローブに送信するロック送信回路と、
ロック核のＮＭＲ信号を前記送受信切替回路を介して前記ＮＭＲプローブから受信するロック受信回路と、
を含み、
前記送受信切替回路は、送信時、前記ロック送信回路と前記ＮＭＲプローブとを接続し、受信時、前記ロック受信回路と前記ＮＭＲプローブとを接続し、送信時と受信時とでその接続先を切り替えるスイッチであり、
前記ロック用シーケンサーは、ロック送信信号毎に、送信のタイミングを変え、
前記ロック用シーケンサーは、ロック核のＮＭＲ信号の受信期間後に待機期間を設定し、その待機期間後に、ロック送信信号が送信されるように前記ロック送信回路を制御し、ロック送信信号が送信される度に、前記待機期間の長さをランダムに変更する、
ことを特徴とする核磁気共鳴装置。
核磁気共鳴測定用の静磁場の変動を観察するためのロック核を励起するためのロック送信信号をＮＭＲプローブに送信し、ロック核のＮＭＲ信号をＮＭＲプローブから受信するロック送受信回路と、
前記ロック送受信回路に接続され、振幅変調、周波数変調及び位相変調の中の少なくとも１つを組み合わせたパルスシーケンスに基づいて前記ロック送信信号の生成を制御するロック用シーケンサーと、
を有し、
前記ロック用シーケンサーは、前記ロック送信信号の送信タイミングを可変制御し、
前記ロック用シーケンサーのシステムクロックに対して周波数拡散が適用されることで、前記ロック用シーケンサーは、ロック送信信号の送信タイミングをロック送信信号毎に変更する、
ことを特徴とする核磁気共鳴装置。