JPH0332015B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、核磁気共鳴（N.M.R.）技術による
試料検査方法に関する。

核磁気共鳴技術を用いた従来の通常の方法で
は、得られる結果は検査の行なわれる試料の平均
的特性に関するものであるが、最近では、試料の
異なる部分の特性が個々に識別され得る方法がか
なり注目されている。この種の方法は、例えば、
不均質試料中における核スピン密度や核スピン緩
和時間の様なパラメータの値の分布に関する情報
が得られ得る。

広く言えば、かかる方法は（特殊な場合には、
組み合せて使用され得る）二つの異なる原理に基
づく。

二つのうちの一方は、便宜には空間的選択と呼
び得るものであつて、試料の選択された領域から
の信号のみを受信したり処理したりする為の
NMRシステムを含む。

前記空間的選択原理に基づく方法の例として
は、英国特許第1508438号明細書および米国特許
第4015196号明細書が参考になる。

もう一つの原理は便宜的には信号のコード化と
呼び得るものであり、試料から受信される信号が
試料の異なる部分（あるいは、空間的選択原理を
用いて選択される領域のうち異なる部分）に関す
る識別可能な情報を含んでいるものである。

信号コード化原理を用いて、試料のイメージン
グを行なう種々の方法が提案されているが、従来
のこの種の方法には、一般に、そして大きな試料
の場合には特に顕著に、NMRシステムの一つ以
上の構成乃至特性に関して非常に厳しい実際上の
要件が課されるという欠点がある。例えば、ある
場合には、この種の従来の方法では、試料にかけ
られるある磁気成分がきわめて速く変化せしめら
れる必要があるのみならず、変化後磁場が短い期
間安定である必要があることが多い。又、他の場
合には、満足し得るような像の形成のためには、
試料にかける磁場をきわめて正確に制御する必要
がある。

後者は、例えば、ローテルブール
（Lauterbur）によつて「ネイチヤー誌
（Nature）」第242巻190〜191頁）（1973年３月16
日発行）に発表された方法に対してあてはまる。
この方法ではNMRスペクトルは、直線的な磁場
勾配を生じさせるような不均一磁場成分を有する
磁場がかけられた試料から得られる。個々のスペ
クトルは、試料中の核スピン密度を前記磁場勾配
の方向に垂直な各平面上で積分してなる一次元的
な投影を表わす。さらに二次元あるいは三次元の
イメージングを行なうためには、一群の異なる方
向の磁場勾配に対するスペクトルを得、更にその
結果に基づいて「像の再構成」処理を行なつてい
る。

この方法では、磁場の誤差は像の鮮明度の低下
をもたらす。

本発明は、NMR技術を用いて試料の検査方法
であつて、種々の空間的に識別される情報を試料
から得ることが可能なように、ことに、上述の欠
点を招くことなく像を得ることができるように、
信号コード化が用いられた方法を提供することを
目的とする。

より、詳細には、本発明は、試料の各部分毎に
別個の結果で空間的に識別される情報が得られる
ようにNMRN技術を用いた試料調査方法を提供
することを目的とする。

本発明によれば、前記した目的は、 試料の所与の方向に実質的に直線的な磁場勾配
を生じさせる不均一磁場成分を有する磁場を試料
にかけること、 試料が前記磁場にさらされている間に、試料に
対して各回毎に前記磁場勾配の大きさのみが実質
的に異なる一群の操作を、 前記一群の操作のうちの前記各回の操作におい
て、 少なくとも一つのrfパルスエネルギを試料に照
射することによつて試料中に所与の核種の核磁気
共鳴を生ぜしめ、且つ 前記照射の結果として試料から放出される信号
のコヒーレント検出で得られるサンプリング信号
によつて、照射パルスのタイミングに関連づけて
時間領域での所与の一組の時間区間毎のデータを
導出するように 行なうこと、及び 前記一群の全操作から導出されたデータに対し
て、前記磁場勾配の大きさに関するフーリエ変換
を含む処理を施すことによつて、前記所与の方向
に対応する次元で空間的に区別された試料に関す
る情報を得ること からなることを特徴とする試料の検査方法によつ
て達成される。

前記一群の操作のうちの一つの操作に対して、
前記磁場勾配の大きさが（前記不均一成分の消失
に対応する）０値をとり得ることは理解されよ
う。

上述の特徴は、以下では、詳述する付加的な特
徴と、種々の方法で組み合わされ得る。

しかしながら、説明の便宜のために、上述の不
均一磁場成分を除外した場合には、磁場が均一で
あると仮定し、上記の単一群の操作から得られる
データを第一の磁場勾配の大きさに関してフーリ
エ変換することにより与えられる情報の特性につ
いて最初に説明する。

かかる目的の為に、試料中のある点における磁
場の値をＨで示し、一群の操作うち、どの操作に
おいてもＨがH₀＋gxに等しいと考えるのが便利
である。ここでｇは、該操作のための磁場勾配の
大きさであり、又H₀は不均一磁場成分がない場
合の磁場の値であり、ｘは磁場勾配の方向に垂直
で且つＨ＝H₀の平面から該当する点までの距離
である。簡単の為に、この説明においては、ｇも
ｘも負の値をとらないと仮定する。

この場合該当の点での共鳴核種の存在に起因す
るNMR信号は、γ（H₀＋gx）（γは磁気回転比）
に等しい角周波数をもち、試料から出される信号
をコヒーレントに検出することにより得られる信
号中に［Acos（γgxt）］の形の成分を生じさせる。
変数ｇおよびｔは数字的に等価であることによ
り、ｔおよびｇの特定の値に対するこの成分の値
は、（適当なｇの値に対する）時間領域での従来
の信号のサンプル値あるいは、（適当なｔの値に
対する）磁場勾配の大きさ領域での（仮想）信号
のサンプル値とみなされ得る。

この場合、いずれの信号もｘの特定の値と関連
づけられている。

ここで、簡単化の為にコヒーレントな検出が一
個の位相敏感検波器（位相感知デテクタ）のみを
用いて行なわれると仮定して、この場合サンプリ
ングによつて導出されるデータを考える。一般
に、データは、Ｍ×Ｎ個からなる。ここでＭは前
記操作の回数であり、Ｎは各操作においてサンプ
リングが行なわれる時間区画の数である。データ
は、一群の操作に対する種々のｇの値（一群の操
作のうちの各回の操作毎に磁場勾配の大きさが異
なる故）にそれぞれ対応するＭ個の行と、一組の
時間区画に対する種々のｔの値にそれぞれ対応す
るＮ個の列とをもつＭ×Ｎ長方行列で表わされ
る。ここで、各行中の数は適当なｇの値に対する
時間領域での信号を表わし、一方、各列中の数
は、適当なｔの値に対する磁場勾配の大きさの領
域での信号を表わす。時間に関する従来のフーリ
エ変換は、もちろんデータを行毎に処理すること
を含むか、ここではデータが列毎に処理される方
法について考える。ことに、各列にあるデータを
ｇに関してフーリエ変換することによつて列中の
磁場勾配の大きさ領域での信号表現から、ｘの
種々の値に対する空間的領域での信号の値を与え
る一組の数の形で空間的領域での信号表現を効果
的に導出することが可能である。適当な変換を実
行することによつて各列毎に相互にｘの値が同一
にされ得るが、周知の高速フーリエ変換（FFT）
アルゴリズムが用いられる場合、変数演算の変化
を含む処理をFFTアルゴリズムの適用前か後に
行なう必要がある。変換されたデータは、種々の
ｔの値に対応する列と、種々のｘの値に対応する
行とからなる第二の長方行列の形で導出される。
第二の行列中の一連の行は、磁場勾配の方向に垂
直な一連の平面に近似される一連の試料の薄片
（スライス）から出る時間領域での信号を表わす。

従つて、このような手順によれば、各スライス
に対して得られる個々の結果を用いて（従来のパ
ルスNMR実験における様に多くの異なる種類の
NMR測定が可能となる。単に例示的にいえば、
照射パルスをスピン格子緩和時間T₁よりも大き
な間隔だけ離れた90°パルスとし、時間領域での
時間区画が、上述の第二のマトリツクスの各行中
の数が試料中の対応する薄片に対する自由誘導減
衰信号を表わすように選択してもよい。この場
合、各薄片に対するNMRスペクトルは、第二の
マトリツクスの当該行中のデータをｔに関してフ
ーリエ変換することによつて得られる。

上述した可能性は、本発明による方法における
全データ処理が磁場勾配の大きさについてのフー
リエ変換と時間についてのフーリエ変換との両方
を含む場合の一例である。前記の説明において
は、そのような場合には磁場勾配についての変換
がまず実行されると仮定するのが簡便であつた。

しかし乍ら、二つのタイプの変換の順序を逆に
しても等価な結果を得ることが可能である故、順
序は重要ではない。

以上では、一次元的に空間的に区別される情報
をいかにして得ることが可能かを説明した。しか
し乍ら同様にして、磁場を、試料の互いに直交す
る夫々の方向にほぼ直線的な磁場勾配をそれぞれ
生起せしめる二つあるいは三つの不均一磁場成分
をもつように構成し、一次元における場合と同種
の一団の適当な操作を試料に対して行なうことに
より、本発明の方法に従つて、二次元あるいは三
次元の空間的識別を行ない得る。

二次元の場合、夫々が試料の相互に直交する各
方向に実質的に直線的な第一及び第二の磁場勾配
を生じさせる二つの不均一磁場成分を有するよう
に前記磁場を形成し、試料が前記磁場にさらされ
ている間に、試料に対して、各群中の各操作毎に
前記第一の磁場勾配の大きさのみが実質的に異な
り且つ各群毎に前記第二の磁場勾配の大きさのみ
が実質的に異なるような群の一組の操作からなる
一段の操作を行なう。

三次元の場合、夫々が試料の相互に直交する各
方向に実質的に直線的な第一、第二及び第三の磁
場勾配を生じさせる三つの不均一磁場成分を有す
るように前記磁場を形成すること、試料が前記磁
場にさらされている間に、試料に対して、各群中
の操作毎に前記第一の磁場勾配の大きさのみが実
質的に異なり、各組中の群毎に前記第二の磁場勾
配の大きさのみが実質的に異なり、且つ各組毎に
前記第三の磁場勾配の大きさのみが実質的に異な
るような群の組の一グループの操作からなる一団
の操作を行なう。

各群の操作のうちの一つの操作に対して、第一
の勾配の大きさが０値をとりえ、又、一つ又は各
組を構成する複数の群のうちの一つの群に対し
て、第二の勾配の大きさが０値をとり得、そし
て、グループを構成する複数の組のうちのつの組
に対して、第三の勾配の大きさが０値をとり得る
ことがわかる。

二次元および三次元のどちらの場合においても
一団の全操作から導出されるデータの処理は一次
元の場合に対して適切な処理と似ているが、一次
元の場合に用いられる単一の磁場勾配の大きさに
関するフーリエ変換が第一および第二の勾配の大
きさについての二次元のフーリエ変換（二次元の
場合）、又は、第一、第二、第三の磁場勾配の大
きさについての三次元のフーリエ変換（三次元の
場合）のいずれかによつて適切に置き換えられ
る。一次元の場合には、試料の一連の異なる部分
から生起する時間領域での信号（あるいは、デー
タ処理が時間についてのフーリエ変換を含む場合
には周波数領域での信号）を表わす情報が得られ
る。二次元の場合には、これらの部分は、二つの
磁場勾配の方向に垂直な線の二次元的配列に近似
するものであり、三次元の場合には、これらの部
分は点の三次元的配列に近似するものである。

試料中の核スピンの密度の分布の二次元あるい
は三次元の像を得るにあたつて、本発明による方
法を用いるために、上述の技術を含む方法は、異
なるNMRスペクトル周波数が磁場勾配の方向に
沿つた異なる位置に対応するようにNMRスペク
トルを得る直線状磁場勾配を用いる周知の方法と
組合せて用いられ得る。かかる目的の為に、磁場
は、試料に互いに直交する各方向中にはぼ直線的
な磁場勾配を生ぜしめる二つ又は三つの不均一成
分をもつように構成される。

二次元的イメージングの場合、前記磁場は、
夫々が試料の相互に直交する各方向に実質的に直
線的な第一及び第二の磁場勾配を生じさせる二つ
の不均一磁場成分を有するように構成され、前記
群の操作は、各操作毎に前記第一の磁場勾配の大
きさのみが異なる点で実質的に異なるようにさ
れ、前記第二と磁場勾配の大きさは前記群の全操
作の間同一にされる。

前記群の全操作から導出されたデータに対し
て、前記第一の磁場勾配の大きさに関するフーリ
エ変換及び時間に関するフーリエ変換を含む処理
を施すことによつて第一の磁場勾配の方向に垂直
な平面に近似している試料の一連の薄片のそれぞ
れに対するスペクトルを別々に表わす情報を得る
ことができる。この情報は、試料中のスピンの濃
度分布の二次元的イメージを与えるべく容易に表
示される。このイメージは第一及び第二の磁場勾
配の方向に垂直な方向に投影させられた分布の影
イメージである。

三次元的イメージの場合、夫々が試料の相互に
直交する各方向に実質的に直線的な第一、第二及
び第三の磁場勾配を生じさせる三つの不均一磁場
成分を有するように前記磁場を形成し、試料が前
記磁場にさらされている間に、試料に対して、各
群中の操作毎に前記第一の磁場勾配の大きさのみ
が実質的に異なり、各群毎に前記第二の磁場勾配
の大きさのみが実質的に異なり、群の一組からな
る一団の全操作の間に対して前記第三の磁場勾配
の大きさが同一であるようにして一団の操作を行
なう。この場合のデータの取扱いは二次元的イメ
ージングの場合の取扱いに似ているが第一の勾配
の大きさについてのフーリエ変換を第一および第
二の勾配の大きさについてのフーリエ変換に置き
換えたものであり、従つて、得られる情報は第一
および第二の勾配の方向に垂直な線の二次元的配
列に近似する試料の一連の各部分に対するスペク
トルを別々に表わすものである。

上述のイメージング技術はローテルプールによ
つて明らかにされ、上述したような、像の再構成
を含む方法と比較して大きな利点を有している。
これは本発明の技術を使用する場合には、磁場の
誤差は鮮明度の低下よりもむしろ像の幾何学的ゆ
がみを生じさせるためである。たいていの応用に
対しては、ゆがみは不鮮明よりもはるかに重大で
ない欠点である。

本発明による方法を用いるある場合において
は、空間的選択原理を上述の技術と組合わせて用
いるのが適当である。たとえば、二次元的イメー
ジングの場合には、その原理は、該当する（共鳴
の）信号を、二つの磁場勾配の方向に平行な平面
に近似する試料断面部分から生じる信号に限定す
るのに使用され得る。この場合、イメージングは
全試料の陰影画像ではなくその断面部分での核ス
ピン密度の分布を表わす、空間的選択原理もま
た、本発明に従う上述のNMR測定の一次元およ
び二次元のケースと組合わせて用いられ得る。

前記の空間的選択原理は、別の従来の手段、た
とえば英国特許第1508438号明細書及び米国特許
第4015196号中に示されたタイプの方法と共に用
いられ得る。

従来のパルスNMR実験の場合のように、信号
雑音比を改善するために、本発明による方法にお
ける各操作の間試料の照射をパルス列すなわちパ
ルスシーケンスの形態で行ない、全パルス列にわ
たつて適当な組のサンプル値を平均することによ
つて各操作毎にデータを得るようにしてもよい。

各操作中高速で繰り換すパルス列の使用もま
た、英国特許第1601816号明細書及び米国特許第
4184110号に示されている方法で用いられる多数
のサイドバンド技術の利点を得る為に適してい
る。

本発明による方法中で形成されねばならない磁
場勾配の大きさの変化は、信号コード化原理を用
いた従来のある種の方法で必要とされている程高
速で行なわれなくても良い。通常は各操作の実行
の間、磁場勾配を一定に保持し、後続の操作との
間に磁場勾配の大きさを不連続的に変化させるの
が望ましいが、ある場合には、各操作毎に磁場勾
配の大きさが実質的に異なるようにする限り、磁
場勾配の大きさを連続的にスイープするようにし
てもよい。

本発明の具体例を図面に参照しつつ実質例を用
いて述べる。

この具体例においては、検査される試料はプロ
トン共鳴による単一の狭いNMR線スペクトルを
もつ水の不均一な分布を含む。イメージングシス
テムはこの分布の二次元的描写を可能にし得るも
のであり、以下で充分に説明がなされる様に、こ
れらの画像は試料全体の陰影画像か、試料の断面
の画像かのいずれかであり得る。

図面を参照すれば、試料（第１図及び第２図で
は１）は（第２図に示されるように）４つの同軸
コイル２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの組からなる磁石
２によつて生起される均一な定常磁場の中に配置
されている。（以下H₀で示される）磁場の値は約
1.2キロガウスに選ばれるが、これは、プロトン
の場合磁気回転比が１ガウス当りγ／2π＝4.26K
Hzで与えられる故、約5MHzのプロトン共鳴周波
数に対応する。さらに配列の幾何学的特性を考慮
すれば、Ｚ軸がコイル２ａ−２ｄの軸（磁場の方
向と平行）と一致し、かつ、コイル２ｂ，２ｃ間
のまん中に原点が位置するデカルト座標系を使用
するのが便利である。試料１は、Ｚ軸に対してほ
ぼ中央に配置されており、さらに試料中に原点が
位置するように配置されている。ここで部分的イ
メージングが必要とされるときは、サンプル（試
料）１は、当該セクシヨンがＺ＝０平面に対応す
るように配置される。

無線周波数エネルギ（rfエネルギ）を、サンプ
ル１に照射しサンプル１からNMR信号をとり出
す為のコイルセツト３は磁石２の中央部分内に、
サンプルを囲繞するように配置される。コイルセ
ツト３はrf磁場がＺ軸と垂直に方向づけられるよ
うに設計されている。簡明にする為に、rf磁場
は、Ｘ軸に平行に向くようにとられている。第３
ａ図は、コイルセツト３をさらに明確に説明する
もので、該コイルセツトは、Ｘ＝０平面について
たがいに鏡像であるように配置された２つの相似
ループ３ａ，３ｂから構成されているループ３
ａ，３ｂは各々Ｙ＝０の平面について対称に配置
されており、Ｚ軸に平行に伸長する２つのまつす
ぐな部分と、Ｚ＝０平面から同距離だけ離れたＺ
軸に垂直な平面にある２つの弓状部分とから構成
されている。ループ３ａ，３ｂは電気的に直列に
接続されており、電流の相対的な向きは、第３ａ
図の矢印で示されるごとくである。

コイルセツト３の囲りには、非磁性絶縁材料か
らなる筒状成形体４があり、さらに筒状成形体４
には、試料１に磁石２によつて生じる主磁場と重
ね合される不均一磁場を与える為の３つの磁場勾
配生成用乃至傾斜（gradient）コイルセツト５，
６，７が巻かれている。明瞭化の為に、コイルセ
ツト５，６，７は第２図からは省略されている
が、個々については、第３ｂ図、第３ｃ図及び第
３ｄ図中で説明されている。これらのコイルセツ
ト５，６，７は、各コイルセツト５，６，７によ
つて生じる磁場が原点の近傍でＺ軸に平行なベク
トル成分をもつように設計されており、この成分
は軸（ｘ、ｙおよびｚは、各々コイルセツト５，
６，７に対応する）の１つに平行な位置とともに
単調に変化するが、他の２軸に平行な位置ととも
には変化しない強さをもつ。他方コイルセツト
５，６，７によつて生じた不均一磁場は各々ｘ、
ｙ、ｚに平行で且つ３つの互いに垂直な方向に磁
場勾配を有する。磁場勾配は、ｘおよびｙ方向に
対しては試料１全体でほぼ直線状であることが必
要であるが、ｚ方向に対しては、肝要ではない。

コイルセツト５は４つの相似ループ５ａ，５
ｂ，５ｃ，５ｄからなり、それぞれはループ３
ａ，３ｂと類似形状をなしており、ループ５ａ−
５ｄのそれぞれはＺ軸に平行なまつすぐな部分で
はＹ＝０平面について対称的に配置されており、
さらにループ５ａ−５ｄはループ５ａがＺ＝０平
面について５ｂの鏡像であるとともにＸ＝０平面
についてループ５ｃの鏡像であり、さらに、ルー
プ５ｄが、Ｘ＝０平面についてループ５ｂの鏡像
であるとともにＺ＝０平面についてループ５ｃの
鏡像であるごとく配列されている。ループ５ａ−
５ｄは、電気的に直列接続されており、その電流
の相対的向きは第３ｂ図中の矢印で示される如く
である。

コイルセツト６はコイルセツト５とよく似てい
るが、ｘおよびｙ座標が交換されている。

コイルセツト７は、ヘルムホルツ対の形で対向
して巻かれておりこのコイルセツト７のループ７
ａ，７ｂはＺ軸上に中心をもつ様にＺ軸に垂直で
かつＺ＝０平面から等距離にある平面に配置され
ている。コイルセツト５，６，７によつて生起さ
れる磁場はｘ＝０、ｙ＝０、ｚ＝０、平面内では
それぞれゼロ値をもつことが理解されよう。

像を得るあたり、互いに方向の異なる電流によ
つて励起されるコイル５，６によつて一群の操作
が実行されるが、コイルセツト５への供給電圧の
値（およびこれによつてきまるｘ方向の磁場勾配
の値）は、各操作に対して異なつているが、コイ
ル６への供給電圧の値（およびこれによつてきま
るｙ方向の磁場勾配の値）は全操作に対して同一
である。

コイルセツト７は、部分的な描写を得るときに
のみ用いられる。その場合については、後で考え
るが以下ではコイルセツト７の存在が打ち消され
るべく、初めは、陰影画像が得られると仮定す
る。

例えば、陰影画像の場合には、一群の操作のい
かなるものに対しても、全磁場のＺ軸の平行な成
分は、サンプル１中のいかなる点でもH₀＋gx＋
hyに等しい値をもつ。ここではｇは当該操作に
対するｘ方向の傾き（磁場勾配）の大きさであ
り、ｈはｙ方向の傾き（磁場勾配）の大きさであ
る。そして対応する共鳴周波数はもちろんγ（H₀
＋gx＋hy）／2πに等しい。ｈは正でｘ、ｙそし
てｇは正か負のいずれかをとり得るようにするの
が簡便である。サンプル１のサイズ｜×｜および
｜ｙ｜がＬ未満であり、一群の操作のいずれに対
しても、｜ｇ｜の最大値がＧであると仮定すると、
サンプル１中での共鳴周波数の可能な最大および
最小値は、Ｆがγ（Ｇ＋ｈ）Ｌ／2πであるとき
（γH₀／2π）±Ｆとして与えられる。

とくに第１図（ここでは全アセンブリは、要素
２〜７を含んでおり、全体として参照符号８で示
されている）を参照すればコイルセツト６に対す
る電流は、直流電源９から得られ、また一方コイ
ルセツト５に対する電流は、直流増幅器１０の出
力から供給されており、増幅器１０の入力はデジ
タル−アナログ変換器１１の出力に接続されてい
る。又、該変換器１１の入力には、コンピユータ
１２から生起されデジタル信号が供給される。一
群の操作の数を2Pととると、像を得るときデジ
タル信号値は−ＰからＰ−１までの一続きを構成
する2P個の連続した異なる値をとることになる。
従つて、Δgが正で且つｍが一群の操作のうち各
操作毎に2P個の数うちの異なる値を採るとする
と、ｇの値をmΔgとし得る。この場合、一群の
操作のうちの１つに対してｇの値がゼロであり、
Ｇが値がPΔgに等しい。デジタル信号値の変化は
規則正しい間隔で起り、その持続時間は、試料１
中のプロトンに関するスピン格子緩和時間T₁よ
りも大きい様に調整されている。ｍの値がそれぞ
れの場合に同じ向きで一単位ずつ変化するように
調整されていると便利であるが、それは必ずしも
必要ではない。多くのタイプの試料の場合、デジ
タル信号値変化の持続間隔は0.3〜１秒程度の値
をとるのが適している。

第１図を参照しつつさらに以下説明するよう
に、一群の走査のうちの各操作毎に、周波数が
γH₀／2πに等しく、一群の操作を通してすべての
パルスに対し、持続時間、振幅およびrf位相が同
一であり、デジタル信号値の変化を生じる間隔に
対するパルスのタイミングが一群の操作中すべて
の操作に対して同一であるような１個以上のrfエ
ネルギパルスが試料１に照射される。サンプル１
中で可能なすべての共鳴周波数値で一群の操作中
の全操作に対して効果的な照射が確保されるのに
充分な程度に各パルスの持続時間は短かくされ
る。これのためには、各パルスの持続時間が１／
2Fよりも大きくないことが必要である。パルス
の持続時間及び振幅は、各パルスによつてサンプ
ル１中で90°程度の各磁気の回転が生ぜしめられ
るように選ばれる。

結果としてサンプル１から取り出されたNMR
信号に対して、直角位相検波システムを用いたコ
ヒーレント検出が行なわれる。もちろん検出信号
は、γH₀／2πとサンプル１の共鳴周波数との間の
差に対応する周波数成分を含んでいる。これらの
成分に対する最大周波数はＦに等しい。自由誘導
減衰技術が用いられるとき、すなわち、各操作に
対して単一のパルス又はT₁より大きな間隔で繰
り返されるパルスのシーケンスのいずれかが使用
されるとき、これらの成分は過渡的である。しか
しながら、各操作に対して、サンプル１中のプロ
トンに対するスピン−スピン緩和時間T₂と比較
して短い間隔で規則的に繰り返すパルスシーケン
スを用いるならば、データ収集により大きな成果
が達成される。この場合磁場の準安定状態がサン
プル１中で達成され、検出信号の当該成分はほぼ
連続波成分である。

いずれの場合にも各パルスの直接のある期間の
間、検出信号はｔ＝nΔtで区切られた規則的な一
連の時間区画でサンプリングされる。このとき、
ｔは、パルスの持続時間のまん中から測つた時間
を表わし、ｎは１からＮ（Ｎは偶数）までの一連
の数中にある整数である。サンプリング定理を満
足させるためには、サンプリング間隔Δtは１／
2Fより大きくてはいけない。

従つて、Δgの大きさは、拘束されている。す
なわちｇが2Δgだけ変化するときｎのいかなる値
に対してもｇの関数として取扱われるサンプリン
グデータが１サイクル分以上進まないことが確実
にされるのに充分に程度にΔgの大きさが小さく
なければならない。これは、Δgがπ／γLNΔtよ
りも大きくないことを要する。

特別の場合に対しては、当該パラメータに、ふ
さわしい数値を代入することによつて、前述のご
とく適切に説明することができる。この場合（通
常実行に適切であるように）Ｎは2Pに等しく、
（つまり、時間区間の数は一群の操作の数に等し
く）選ばれ、ｈは、Ｇに等しく（つまりｙ方向の
磁場の傾きの大きさが、ｘ方向の磁場の傾きの大
きさの最大の絶対値に等しく）選ばれると仮定す
る。以上のことから、この場合ΔgおよびΔtを特
徴づける条件ΔgΔtをπ／2γPLに等しくすること
によつて、その範囲内でいずれも満たされること
はすみやかに推測できるであろう。さらに、Ｚ軸
に垂直ないかなる平面内にある試料１の大きさ
も、20×20cm越えることはなく、Ｌを10cmとし得
ると仮定する。所与のＬの値に対するＰの選択
は、像中で必要とされる分解能に依存する。128
をとることにより、この場合１個の大きさがほぼ
0.8×0.8mmの像セルが得られる。そこで、Δtの値
を20マイクロ秒に選ぶならば、ΔgおよびΔtを特
徴づける条件は、Δgを2.29ミリガウス／cmに等
しくすることによつて満足される。Ｇおよびｈの
値は、Ｆの値が25KHzであるとき、丁度0.3ガウ
ス／cm以下である。各パルスの持続時間はまた、
都合良く20マイクロ秒に等しくされ得る。これら
の値については、NΔtで与えられる最後のサン
プリング時間区画のタイミングに対応して５ミリ
秒以上の適切な値が得られる。各操作に高速で繰
り返すパルスのシーケンスを用いるのが望ましい
ときは、パルスの繰返し周波数は、この場合は、
適当には（丁度100Hz以下の値を与える）1/2
NΔtに等しくされ得る。

第１図を再び参照すれば、サンプル１に照射す
るrfエネルギは、γH₀／2πに等しい周波数をもつ
主オシレータ１３から得られる。オシレータ１３
の出力は、振動のサイクルの計数を対応してシス
テム中で使用される種々のタイミング信号を生起
するタイミングユニツト１４に供給される。さら
にオシレータ１３の出力は、タイミングユニツト
１４からの信号で制御されるゲート１５に供給さ
れる。ゲート１５は、必要とされるパルスを作る
のに開放される。これらのパルスは、rf出力増幅
器１６に供給され、rf出力増幅器の出力は方位カ
プラ−17を介してコイルセツト３に供給される。
コイルセツト３によつてとり出されたNMR信号
は、方位カプラー１７に介して、低ノイズゲート
増幅器１８に供給される。低ノイズゲート増幅器
１８は、タイミングユニツト１４から得られる信
号によつて、各rfパルスの間、閉じられるもので
ある。増幅器１８の出力は、２つの同一の位相敏
感検波器１９，２０に供給されるが、このデテク
タ１９，２０の参照信号は、オシレータ１３から
得られるものである。このように、オシレータ１
３からの出力はカスケド接続された可変位相シフ
タ２１および90°の位相シフタ２２に供給され、
位相シフタ２１，２２からの出力は、デテクタ１
９，２０が互いに90°をなす位相で動作するよう
に参照信号を個別に与える。デテクタ１９，２０
の出力は、Ｆより幾分大きなカツトオフ周波数を
もう同一の低減フイルタ２３，２４を介して、一
対の同一のアナログ−デジタル変換器２５，２６
に、個々に供給される。コンバータ２５，２６
は、タイミングユニツト１４からのストローブ信
号の制御下で、検出信号を必要とされる時間区画
において、サンプンリングする為に作動する。以
下に示す処理の為にサンプリング値を表わす合成
デジタル信号は、コンピユータに供給される。

一群の操作のうちの各操作に対して１個以上の
パルスが用いられる場合、処理の第１段階では、
各操作の各時間区画に対する平均値を与える為に
各操作に対して時間区画毎にサンプリング値を加
算することを含む。言うまでもなく、各操作に対
して、単一パルスのみが使用される場合には、こ
の段階は必要でない。いかなる場合にも2PN対
の数の組は、２つの信号チヤネルに各々対応する
各対の数とともに有効である。さらに処理中、各
対の数は、好ましくはS_noで示される複素数の実
数部分と虚数部分として個々に取扱われる。ここ
で添字ｍおよびｎは各々、当該操作および時間区
画を示すものである。2PN個の複素数からなる
データをｘ方向の磁場傾きの大きさについてフー
リエ変換すると、その結果、次式で表わされるよ
うな複素数f_roの値が計算される。

f_ro＝ｎ_P-1 〓^m=-P Smn_exp(-iγnΔtmΔgrΔx) ここで、ΔxはＬ／Ｐに等しく、ｎは１からＮ
までのすべての値であり、ｒは−ＰからＰ−１ま
でのすべての値である。この計算は、フーリエ変
換アルゴリズムを用いることによりスピードアツ
プされるが、このとき、変数の演算の変化を又、
行なわれねばならない。2PN個の複素数f_roから
なるデータは、時間についてフーリエ変換され
る。その結果次式で表わされるような複素数F_rs
の値が計算される。

F_rs＝ｎ_P=1 〓ⁿ⁼¹ f_roexp(-iγnΔthsΔy) ここでｒは−ＰからＰ−１のすべての値であ
り、ｓは−Ｎ／２からＮ／２−１までのすべての
値であり、Δyは2L／Ｎに等しい。信号の位相に
ついていかなる必要な是正をも行なうべく、
2PN個の複素数F_rsからなるデータは、そこで通
常のNMR実験で使用されるタイプのアルゴリズ
ムによつて処理される。吸収モードのスペクトル
に対応する最終データのうちの（同位相）の実数
成分は、維持され、分散モードのスペクトルに対
応する（位相のずれた）虚数成分は捨てられる。
そこで2PN個の実数セツトA_rsが得られるが、A_rs
はそれぞれ（ｘの値がrΔxに等しくｙの値がsΔy
に等しくなるように表わすと、）ｚ方向に沿つて
試料１の全体で積分された試料１中の含水量を表
わすものである。これらの数は、必要な陰影画像
を生起せしめる為にデイスプレイ装置２７の操作
を制御するのに用いられる。装置２７はたとえ
ば、明るさがA_rsの数値によつて各々セツトされ
るような2PXN個の長方形のアレーを作り出すべ
く操作される蓄積形CRT装置を内蔵し得る。

断面の像が得られる代替的なケースについて考
えてみると、この場合、高速の繰返しのパルスシ
ーケンスが用いられ、コイルセツト７は、ｚ方向
に規則的に変化する磁場勾配を生ぜしめるべく、
交流電源２８から得られる正弦波状可聴周波数電
流で励磁される。この配列では一群の操作のうち
の各操作に対して全磁場の強さはＺ＝０平面に近
接する試料１の薄片中では時間的にほぼ不変であ
るが、この薄片の外側のサンプル１中のすべての
点では時間的に変化することがわかる。薄片内で
はＺ軸は平行な全磁場の成分はもちろん上記で陰
影画像の場合すなわちH₀＋gx＋hyに等しいとき
に言及したのと同じ値をもつ。薄片の実効厚さ
は、コイルセツト７に供給される電流の振幅値に
逆比例的に変化するが、たとえば、電流によるｚ
方向のピーク値が0.1ガウス／cm程度であるよう
な場合約２mmにとられる。コイルセツト７への供
給電流の周波数はサンプル１の選択された薄片以
外の部分において、パルス間の各間隔の間での磁
場の平均値が各パルス間隔毎に実質的に変化する
ように選ばれる。これは、パルスの繰返し周波数
と、コイルセツトへの供給電流の周波数の間に同
期関係も低次の高調和関係もないことを意味す
る。たとえば、上記の特殊な場合として、パルス
の繰返周波数が約100Hzであるとき、コイルセツ
ト７への供給電流の周波数は70Hzをとり得る。断
面の像を得るには、他の全ての点では、各操作の
各時間区画でサンプリングされた信号の平均値の
導出を含むデータ処理の第一段階をもつ、陰影像
の場合で述べたのと同様である。ｚ方向に磁場勾
配を有する磁場が規則的に変化する相当数の周期
にわたつて平均化を実行することにより、選ばれ
た薄片の外側にあるサンプル１の部分における共
鳴効果によつて発する受信信号へのいかなる影響
も効果的に取り除かれ、従つて平均データは、選
ばれた薄片内の共鳴効果にのみ対応する。結果と
して、一組の数A_rsはこの場合、選ばれた薄片内
のみの水の分布を効果的に表わす。

以上のように、図面を参照しつつ説明したよう
なイメージング技術は、磁場の誤差が鮮明度の低
下を生じるもむしろ最終的な像の位置のずれとし
て示されているという利点を有している。像中で
許容し得る位置的な誤差の大きさによつて、磁石
２およびコイルセツト５，６によつて生起される
磁場に要求される均一度が決まる。所与のいかな
るシステムに対しても、誤差の大きさは当該磁場
のプロツトから算出され得、また、必要ならば一
組の数F_rs中の数値を適切にずらすことによつて
データ処理中に補正され得る。

しかしながら、f_roに対して上述のような表現
を考えてみると、ｘ方向に沿つた分布の空間的分
解距離は、ｎは増える程減少することがわかる。
ｎが小さい値であるときの比較的劣悪な空間的分
解能は、本来ないはずのものすなわちアーチフア
クト乃至偽の構造（artifact）を、像中に生ぜし
める。これは、像を導出するときに全操作に対し
て同じ大きさをもつ磁場勾配を利用しているとい
う事実と関連づけられる効果である。このアーチ
フアクトはローテルプールによつて示された様
な、180°よりも小さな角度で伸びる磁場勾配の方
向の範囲に対して集められた場合における像の再
構成を含む方法で観測されたものによく似てい
る。このアーチフアクトはＧに対するｈの値を小
さくすることによつて低減され得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の方法で用いられる好ましい
一例のNMRイメージングシステムのブロツク説
明図、第２図は第１図で説明されたシステムの一
部の部分的破断透視説明図、第３ａ図、第３ｂ
図、第３ｃ図および第３ｄ図は第１図のイメージ
ングシステムで用いられる４個のコイルセツトを
示す概略説明図である。 １……サンプル、２……磁石、３……rf.コイ
ルセツト、４……筒状成形体、３ａ〜３ｂ，５ａ
〜５ｄ，６ａ〜６ｄ，７ａ〜７ｄ……ｘ、ｙ、ｚ
コイルセツトのループ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 試料の所与の方向に実質的に直線的な磁場勾
   配を生じさせる不均一磁場成分を有する磁場を試
   料にかけること、 試料が前記磁場にさらされている間に、試料に
   対して各回毎に前記磁場勾配の大きさのみが実質
   的に異なる一群の操作を、 前記一群の操作のうちの前記各回の操作におい
   て、 少なくとも一つのrfパルスエネルギを試料に照
   射することによつて試料中に所与の核種の核磁気
   共鳴を生ぜしめ、且つ 前記照射の結果として試料から放出される信号
   のコヒーレント検出で得られるサンプリング信号
   によつて、照射パルスのタイミングに関連づけて
   時間領域での所与の一組の時間区間毎のデータを
   導出するように 行なうこと、及び 前記一群の全操作から導出されたデータに対し
   て、前記磁場勾配の大きさに関するフーリエ変換
   を含む処理を施すことによつて、前記所与の方向
   に対応する次元で空間的に区別された試料に関す
   る情報を得ること からなる試料の検査方法。 ２ 夫々が試料の相互に直交する各方向に実質的
   に直線的な第一及び第二の磁場勾配を生じさせる
   二つの不均一磁場成分を有するように 前記磁場を形成すること、 試料が前記磁場にさらされている間に、試料に
   対して、各群中の各操作毎に前記第一の磁場勾配
   の大きさのみが実質的に異なり且つ各群毎に前記
   第二の磁場勾配の大きさのみが実質的に異なるよ
   うな群の一組の操作からなる一団の操作を、 前記一団の操作のうちの各操作において、 少なくとも一つのrfパルスエネルギを試料に照
   射することによつて試料中に所与の核種の核磁気
   共鳴を生ぜしめ、且つ 前記照射の結果として試料から放出される信号
   のコヒーレント検出で得られるサンプリング信号
   によつて、照射パルスのタイミングに関連づけて
   時間領域での所与の一組の時間区画毎のデータを
   導出するように 行なうこと、及び 前記一団の全操作から導出されたデータに対し
   て、前記第一及び第二の磁場勾配の大きさに関す
   る二次元フーリエ変換を含む処理を施すことによ
   つて、 前記試料情報を得ること からなる特許請求の範囲第１項に記載の方法。 ３ 夫々が試料の相互に直交する各方向に実質的
   に直線的な第一、第二及び第三の磁場勾配を生じ
   させる三つの不均一磁場成分を有するように前記
   磁場を形成すること、 試料が前記磁場にさらされている間に、試料に
   対して、各群中の各操作毎に前記第一の磁場勾配
   の大きさのみが実質的に異なり、各組中の各群毎
   に前記第二の磁場勾配の大きさのみが実質的に異
   なり且つ各組毎に前記第三の磁場勾配の大きさの
   みが実質的に異なるような群の組の一グループの
   操作からなる一団の操作を、 前記一団の操作のうちの各操作において、 少なくとも一つのrfパルスエネルギを試料に照
   射することによつて試料中に所与の核種の核磁気
   共鳴を生ぜしめ、且つ 前記照射の結果として試料から放出される信号
   のコヒーレント検出で得られるサンプリング信号
   によつて、照射パルスのタイミングに関連づけて
   時間領域での所与の一組の時間区画に関するデー
   タを導出するように 行なうこと、及び 前記一団の全操作から導出されたデータに対し
   て、前記第一、第二及び第三の磁場勾配の大きさ
   に関する三次元フーリエ変換を含む処理を施すこ
   とによつて、前記試料情報を得ることからなる特
   許請求の範囲第１項に記載の方法。 ４ 前記データ処理が時間に関するフーリエ変換
   を含む特許請求の範囲第１項乃至第３項のいずれ
   かに記載の方法。 ５ 前記磁場は、夫々が試料の相互に直交する各
   方向に実質的に直線的な第一及び第二の磁場勾配
   を生じさせる二つの不均一磁場成分を有するよう
   に構成されており、 前記群の操作は、各操作毎に前記第一の磁場勾
   配の大きさのみが異なる点で実質的に異なつてお
   り、 前記第二の磁場勾配の大きさは前記群の全操作
   の間同一であり、 前記試料情報は、前記群の全操作から導出され
   だデータに対して、前記第一の磁場勾配の大きさ
   に関するフーリエ変換及び時間に関するフーリエ
   変換を含む処理を施すことによつて得られる 特許請求の範囲第１項に記載の方法。 ６ 前記磁場は、試料のうち前記第一及び第二の
   磁場勾配の方向に平行な面の近傍に位置するある
   区域において、前記群の各操作の間時間的に実質
   的に不変であり、試料の他のすべての部分におい
   て時間的に実質的に変動するような規則的に変動
   する不均一磁場成分を有するように構成されてお
   り、 各操作の間、試料の前記照射は、高速で繰り返
   すパルスのシーケンスの形態であり、このシーケ
   ンスの期間は、前記の規則的に変動する磁場成分
   の変動の周期の実質的に多数倍に対応しており、 前記規則的変動磁場成分の前記変動の周波数
   は、各パルス間隔の間毎の磁場の平均値が、一つ
   のパルス間隔と次のパルス間隔とで実質的に変化
   するように選択されており、 前記一組の時間区画の各々に関する前記データ
   の導出は、シーケンスの個々のパルスの後、夫々
   に対応する点で採られた一組のサンプルに対する
   前記パルスシーケンス全体での平均値を得ること
   を含む 特許請求の範囲第５項に記載の方法。 ７ 夫々が試料の相互に直交する各方向に実質的
   に直線的な第一、第二及び第三の磁場勾配を生じ
   させる三つの不均一磁場成分を有するように前記
   磁場を形成し、 試料が前記磁場にさらされている間に、試料に
   対して、各群中の各操作毎に前記第一の磁場勾配
   の大きさのみが実質的に異なり各群毎に前記第二
   の磁場勾配の大きさのみが実質的に異なり、群の
   一組からなる一団の全操作の間に対して前記第三
   の磁場勾配の大きさが同一であるような一段の操
   作を、 前記一団の操作のうちの各操作において、 少なくとも一つのrfパルスエネルギを試料に照
   射することによつて試料中に所与の核種の核磁気
   共鳴を生ぜしめ、且つ 前記照射の結果として試料から放出される信号
   のコヒーレント検出で得られるサンプリング信号
   によつて、照射パルスのタイミングに関連づけて
   時間領域での所与の一組の時間区画に関するデー
   タを導出するように 行なうこと、並びに 前記一団の全操作から導出されたデータに対し
   て、前記第一及び第二の磁場勾配の大きさに関す
   る二次元フーリエ変換と時間に関するフーリエ変
   換とを含む処理を施すことによつて、前記試料情
   報を得ること からなる特許請求の範囲第１項に記載の方法。