JP6931892B2 - 磁気共鳴装置および方法 - Google Patents
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Description
(項1)
試料に印加するための磁場を発生する磁場発生部と、
励起高周波を発生する励起高周波発生部と、
前記磁場内に配置されている前記試料に、前記励起高周波を照射する送信コイルと、
前記励起高周波によって励起された前記試料が発生する磁気共鳴信号を受信する受信コイルと、
前記磁気共鳴信号の電圧を、容量結合性の膜の振動に変換する電気機械トランスデューサと、
光の干渉に基づいて前記膜の振動を測定する振動測定部と、
を備える、磁気共鳴装置。
(項2)
前記励起高周波の周波数と前記膜の振動数とに基づいて、前記磁気共鳴信号を取得する検波部をさらに備える、項1に記載の磁気共鳴装置。
(項3)
前記電気機械トランスデューサに印加するための駆動高周波を発生する駆動高周波発生部をさらに備え、
前記検波部が、前記励起高周波の周波数と、前記膜の振動数と、前記駆動高周波の周波数とに基づいて、前記磁気共鳴信号を取得する、項2に記載の磁気共鳴装置。
(項4)
前記励起高周波の周波数が一定であり、
前記磁場発生部が、共鳴磁場強度を含む所定の範囲にわたって前記磁場の強度を掃引する、項1から3のいずれかに記載の磁気共鳴装置。
(項5)
前記受信コイルが超伝導コイルである、項1から4のいずれかに記載の磁気共鳴装置。
(項6)
前記磁場の強度が一定であり、
前記励起高周波発生部が、共鳴周波数を含む所定の範囲にわたって前記励起高周波の周波数を掃引する、項1から3のいずれかに記載の磁気共鳴装置。
(項7)
前記電気機械トランスデューサが、容量結合性の前記膜と、前記膜と離隔して配置された複数の電極とを備え、
前記磁気共鳴信号の電圧を前記膜の振動に変換する、項1から6のいずれかに記載の磁気共鳴装置。
(項8)
前記振動測定部が、マイケルソン干渉計、ファブリ・ペロー干渉計およびマッハ・ツェンダー干渉計のいずれかである、項1から7のいずれかに記載の磁気共鳴装置。
(項9)
前記磁気共鳴信号が、核磁気共鳴法、電子スピン共鳴法、および磁気共鳴画像法のいずれかによる信号である、項1から8のいずれかに記載の磁気共鳴装置。
(項10)
磁場内に配置されている試料に、励起高周波を照射するステップと、
前記励起高周波によって励起された前記試料が発生する磁気共鳴信号を受信するステップと、
前記磁気共鳴信号の電圧を、容量結合性の膜の振動に変換するステップと、
光の干渉に基づいて前記膜の振動を測定するステップと、
を含む、磁気共鳴方法。
本発明では、キャビティ・オプトメカニクスに基づいた電気機械トランスデューサを用いて、核磁気共鳴信号を、容量結合性の膜の振動に変換して測定する。
図1は、本発明の実施の形態に係る核磁気共鳴信号の検出原理を説明するためのコイル配置を示す模式図である。
・核磁気共鳴信号(VS)
・送信信号のリーク(VL)
である。
・補償信号(VC)
を受信コイル41に印加する。さらに、電気機械トランスデューサでの電気−機械結合のために、
・駆動信号(VD)
も印加する。すなわち、受信コイル41の両端の間の電圧VRは、
核磁気共鳴信号VSは、受信コイル41のループを貫く核磁化に起因する磁束ΦNの時間微分で与えられる。すなわち、
を用いて、
と書けるので、(3)式より、
リーク信号VLは、送信コイル31が発する磁力線が受信コイル41のループを貫く成分ΦL[Wb]の時間微分で与えられる。すなわち、
の場合、電気機械トランスデューサ42内に構成されている容量素子を通して光検出される信号の大部分は、リーク信号VLによる寄与であり、微弱な核磁気共鳴信号VSはそこに摂動が加わる程度の大きさである。そこで、VC=−VLとなるように補償信号VCを受信コイル41に加えることで、リーク信号VLの影響を打ち消すと、微弱な核磁気共鳴信号VSを取得することができる。
一定の周波数ωの高周波信号を送信コイル31に送りつつ、受信コイル41に駆動信号VD及び補償信号VCを送る。静磁場が核スピンの共鳴条件を満たすときに発生する(7)式の核磁気共鳴信号は、電気機械トランスデューサ42内に備えられている容量結合性の膜M上において、周波数が薄膜Mの固有振動数ωmに変換される。すなわち、核磁気共鳴信号が容量結合性の薄膜Mの変位となって現れる。この薄膜Mの変位を、例えばレーザーを用いた光干渉計で検出する。この薄膜変位の測定を様々な強度の静磁場のもとで行い、薄膜変位の静磁場強度依存性をプロットすると、核磁気共鳴信号のスペクトルが得られる。
図2は、本発明の実施の形態に係る核磁気共鳴装置の概略ブロック図である。
磁場発生部1は、直流電源11と、メインコイル12と、電圧掃引部13とを備える。
励起高周波発生部2は、高周波発生源21と、スイッチ22と、増幅器23,24と、変調器25と、分配器26,27とを備える。励起高周波は、試料Sを励起させるための振動磁場エネルギーを与えるための信号であり、励起高周波の周波数ωは、ω=(LC)−0.5に設定されている。ここで、LおよびCは、受信部4に構成されているLC並列共振回路のインダクタンスLおよび静電容量Cであることから、励起高周波の周波数ωは、受信部4に構成されているLC並列共振回路の電気的な共振周波数ωである。
送信部3は、送信コイル31と、コンデンサ32,33,34とを備える。
受信部4は、受信コイル41と、電気機械トランスデューサ42と、コンデンサ43,44,45と、位相分配器46とを備える。
振動測定部5は、本実施形態では公知の光干渉計であり、具体的にはマイケルソン干渉計である。振動測定部5は、電気機械トランスデューサ42が備えている容量結合性の膜Mの変位を測定対象とする。公知のマイケルソン干渉計の例示的な構成として、振動測定部5は、光源51と、ビームスプリッタ(ハーフミラー)52と、反射鏡53と、光検出器54とを備える。
駆動高周波発生部6は、高周波発生源61と、スイッチ62と、増幅器63,64と、分配器65と、合成器66とを備える。駆動高周波は、電気機械トランスデューサ42における電気−機械結合のために出力する信号であり、駆動高周波の周波数ωd=励起高周波の周波数ω−容量結合性の膜Mの機械的な共振周波数ωmに設定されている。
検波部7は、帯域通過フィルタ71,73と、混合器72と、直交検波器74と、データ取得部75と、増幅器76とを備える。
図4は、本発明の実施の形態に係る核磁気共鳴装置における核磁気共鳴方法のフローチャートである。
以上、本発明によると、磁気共鳴信号を高感度に検出する新たな要素技術として、オプトエレクトロメカニクスに基づいた磁気共鳴装置を提供することができる。本発明では、キャビティ・オプトメカニクスに基づいた電気機械トランスデューサ42を用いて、磁気共鳴信号を、容量結合性の膜Mの共振振動に変換して測定している。これにより、磁気共鳴信号の感度を向上(約5〜10倍程度)させることが可能となる。これは、信号強度に関連する縦方向の問題を解決する要素技術である。
以上、本発明を特定の実施の形態によって説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではない。
磁場B0の強度が約1テスラの永久磁石を用いて、42.7MHz帯におけるプロトン(1H)NMRを実施した。
まずは、以下に説明するように、通常の電気的検出が可能であることを確認した。
次に、図8のPort Aに接続していた低雑音増幅器を取り外し、Port Aに駆動信号源を接続した。このような接続により、Port Aはこれまでは出力ポートとして機能していたが、以降はPort Aは入力ポートとして機能する。Port Bはこれまでと同様に、励起パルスの入力ポートとして機能する。
図10に、薄膜の振幅変調の包絡線すなわち光変換されたNMR信号を取得するための構成の一例を示す。
上記の手順によって、1HのスピンエコーNMR信号の光検出に成功した。その結果を図9(b)に示す。
実験1に引き続き、実験1と同様の装置構成を用いて、実験1にて使用した試料と同じ試料Sに対して、単純な1パルス実験を行った。実験では、通常の電気的な検出と、オプトメカニクスを用いた光検出とを行った。
2 励起高周波発生部
3 送信部
4 受信部
5 振動測定部
6 駆動高周波発生部
7 検波部
11 直流電源
12 メインコイル
13 電圧掃引部
21 高周波発生源
22 スイッチ
23,24 増幅器
25 変調器
26,27 分配器
31 送信コイル
32,33,34 コンデンサ
41 受信コイル
42 電気機械トランスデューサ
421 共振器キャビティ
422 共振器薄膜
423 金属膜
424 平面電極
425 基板
43,44,45 コンデンサ
46 位相分配器
47 伝送線路
51 光源
52 スプリッタ(ハーフミラー)
53 鏡
54 光検出器
55 無偏光ビームスプリッタ
56 偏光ビームスプリッタ
57a 1/4波長板
57b 1/2波長板
58 スクリーン
61 高周波発生源
62 スイッチ
63,64 増幅器
65 分配器
66 合成器
71,73 帯域通過フィルタ
72 混合器
74 直交検波器
75 データ取得部(PC)
81,82,83 コンデンサ
S 試料
M 容量結合性の膜
L 測定光
Claims (9)
- 試料に印加するための磁場を発生する磁場発生部と、
励起高周波を発生する励起高周波発生部と、
前記磁場内に配置されている前記試料に、前記励起高周波を照射する送信コイルと、
前記励起高周波によって励起された前記試料が発生する磁気共鳴信号を受信する受信コイルと、
前記磁気共鳴信号の電圧を、容量結合性の膜の振動に変換する電気機械トランスデューサと、
光の干渉に基づいて前記膜の振動を測定する振動測定部と、
前記励起高周波の周波数と前記膜の振動数とに基づいて、前記磁気共鳴信号を取得する検波部と、
を備える、磁気共鳴装置。 - 前記電気機械トランスデューサに印加するための駆動高周波を発生する駆動高周波発生部をさらに備え、
前記検波部が、前記励起高周波の周波数と、前記膜の振動数と、前記駆動高周波の周波数とに基づいて、前記磁気共鳴信号を取得する、請求項1に記載の磁気共鳴装置。 - 前記励起高周波の周波数が一定であり、
前記磁場発生部が、共鳴磁場強度を含む所定の範囲にわたって前記磁場の強度を掃引する、請求項1または2に記載の磁気共鳴装置。 - 前記受信コイルが超伝導コイルである、請求項1から3のいずれかに記載の磁気共鳴装置。
- 前記磁場の強度が一定であり、
前記励起高周波発生部が、共鳴周波数を含む所定の範囲にわたって前記励起高周波の周波数を掃引する、請求項1または2に記載の磁気共鳴装置。 - 前記電気機械トランスデューサが、容量結合性の前記膜と、前記膜と離隔して配置された複数の電極とを備え、
前記磁気共鳴信号の電圧を前記膜の振動に変換する、請求項1から5のいずれかに記載の磁気共鳴装置。 - 前記振動測定部が、マイケルソン干渉計、ファブリ・ペロー干渉計およびマッハ・ツェンダー干渉計のいずれかである、請求項1から6のいずれかに記載の磁気共鳴装置。
- 前記磁気共鳴信号が、核磁気共鳴法、電子スピン共鳴法、および磁気共鳴画像法のいずれかによる信号である、請求項1から7のいずれかに記載の磁気共鳴装置。
- 磁場内に配置されている試料に、励起高周波を照射するステップと、
前記励起高周波によって励起された前記試料が発生する磁気共鳴信号を受信するステップと、
前記磁気共鳴信号の電圧を、容量結合性の膜の振動に変換するステップと、
光の干渉に基づいて前記膜の振動を測定するステップと、
前記励起高周波の周波数と前記膜の振動数とに基づいて、前記磁気共鳴信号を取得するステップと、
を含む、磁気共鳴方法。
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