JPH09503855A - パルス式低周波ｅｐｒ分光計および撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ＥＰＲ撮像装置および分光計は、生体試料による吸収が大きくないＲＦ共鳴周波数を有する広帯域パルスを発生させるパルス発生システムを含む。パルス発生システムは、搬送周波数パルスを周波数変調し、周波数変調されたパルスを圧縮して、高エネルギーの広帯域励起パルスを形成するためのアップ・チャープ変換器およびダウン・チャープ変換器を含む。このような機械は、人体内の遊離基種に対して高感度の臨床撮像装置の基礎となろう。

Description

【発明の詳細な説明】 パルス式低周波ＥＰＲ分光計および撮像装置 発明の背景 電子常磁性共鳴（ＥＰＲ）分光法および撮像法は、生体（水様）組織の研究に ますます応用されつつある。新しい非侵襲性診断手段を開発する胸躍る可能性が 、ＥＰＲ技法の興味を刺激した。 生体組織の１つの特性は、水様媒体中の誘電効果のために約５００ＭＨｚ以上 の電磁放射の吸収が大きいことである。したがって、無線周波数（５００ＭＨｚ 以下）で常磁性システムの研究用の計装を開発する試みに全力が注がれてきた。 ＮＭＲ分光法および撮像法において通常使用される多数のループ間隙型、鳥かご 型およびその他の種類の共鳴器は、定常波（ＣＷ）分光法および撮像法と、パル スＲＦ ＥＰＲ分光法および撮像法の両方に直接使用できる。比較的Ｑが小さく フィリングファクタの大きいことが、時間領域の実験には好適である。 既存のＲＦ ＥＰＲ撮像法では、ＣＷ技法を使用し、したがって励起信号は本 来帯域幅の狭い信号である。しかしながら、ＥＰＲ撮像法では、共鳴周波数が約 １００ＭＨｚの帯域幅にわたる不均一な内部磁界を必要とする。フーリエ分析か ら周知であるように、３００ＭＨｚの搬送周波数は、１００ＭＨｚをカバーする ために１０ｎ秒のパルス包絡線を必要とする。しかしながら、共鳴可能パルス持 続時間が最短のＲＦ分光法では、約２５ｎ秒であり、したがってパルスの立上り 時間の制限およびダイオードのスイッチングのために、周波数の広がりはわずか 約４０ＭＨｚである。時間領域において平均して非常に速い信号を実行するため には、持続時間の短いパルスも必要である。 発明の概要 本発明は、生体組織内でＥＰＲを励起するための励起放射を提供する改善され たシステムである。ＲＦ搬送信号パルスを発生させ、周波数変調ユニットに供給 して、帯域幅の大きい広帯域パルスを発生させる。広帯域パルスは、振幅が大き く持続時間の短い広帯域圧縮パルスを発生させるために、パルス圧縮ユニットに 供給される。この広帯域パルスは、試料内でＥＰＲを励起するために共鳴器に供 給される。搬送周波数は、生体試料内の吸収が小さくなるように選択される。そ のような機械は、人体内の遊離基核種に対して高感度の臨床撮像装置の基礎とな る。 本発明の他の様態によれば、パルス発生網は、それぞれ直列に接続された周波 数変調ユニットおよび整合フィルタ・パルス圧縮ユニットを含む複数の並列経路 を含む。パルス発生網は、ＲＦ搬送信号を受け取るように結合された入力部と共 鳴器に結合された出力部とを有する。 本発明の他の様態によれば、共鳴器は、円筒形共鳴器胴体および胴体から調整 可能な間隔で分離された導電キャップを含む。共鳴無線周波数は、胴体とキャッ プの間の空間を調整することによって選択される。 本発明の他の利点および特徴は、以下の詳細な説明および添付の図面から明ら かとなろう。 図面の簡単な説明 第１図は、ＲＦ発生システムのブロック図である。 第２Ａ図ないし第２Ｄ図は、ＦＭパルス圧縮の原理を示す一連のグラフである 。 第３図は、共鳴器のブロック図である。 第４図は、磁気コイルの概略図である。 発明の好ましい実施形態 第１図は、本発明の好ましい実施形態のブロック図である。第１図では、周波 数発生器１０がパルス発生構造１２に結合されている。パルス発生構造１２は、 １組の並列経路１４によって形成されている。各並列経路は、ＲＦ減衰器２０、 位相シフタ３０、２ピン式スイッチ４０、チャープ・アップ変換器５０、および チャープ・ダウン変換器６０によって形成される。ＲＦ電力増幅器７０は、その 入力がパルス発生構造の出力に結合され、その出力がタイミング入力を含む出力 ＲＦブロッキング回路８０に結合されている。 ＲＦサーキュレータ１６０は、出力ＲＦブロッキング回路８０の出力、共鳴器 １７０、および入力ＲＦブロッキング回路１８０に結合されたポートを有する。 出力ＲＦブロッキング回路８０の出力は、ＲＦプリアンプ１９０および２００ を介して、直交ミキサ２２０の信号入力に結合される。周波数発生器１０の出力 は、ＲＦ減衰器２４０、位相シフタ２６０、および基準ゲート２８０を介して、 直交ミキサ２２０の基準入力に結合される。 直交ミキサ２２０の出力ＩおよびＱは、低域通過フィルタ３００および３０２ を介して、サンプラー・アベレージャ３２０に結合される。コンピュータ３３０ は、サンプラー・アベレージャ３２０の出力を受信し、信号処理機能を実行する 。 次に、第１図に示される実施形態の動作について説明する。周波数発生器１０ によって約３００ＭＨｚの搬送信号を発生し、パルス発生網１２の入力に供給す る。特定の並列経路１４について、ＲＦ減衰器２０および位相シフタ３０が搬送 信号の振幅および位相を所望の値に調節する。スイッチ４０は、直列に接続され たアップ・チャープ変換器５０およびダウン・チャープ変換器５０の入力に搬送 周波数パルスを出力するように制御される。 線形ＦＭパルス圧縮の原理は、レーダの応用分野において周知であり、Ｍ．Ｉ ．Ｓｋｏｌｎｉｋ著、Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ Ｒａｄａｒ Ｓｙｓｔ ｅｍｓ 、第２版、マグローヒル（１９８０）のＰ４２２〜４２６に記載されてい る。これらの原理が第２Ａ図ないし第２Ｄ図に示されている。持続時間Ｔの搬送 信号のパルス４００は、幅Ｂの線形周波数ランプ４２０（ｆ₁〜ｆ₂）によって変 調される。時間領域内のアップ・チャープ・パルス４３０の形状が第２Ｃ図に示 されている。このパルスは、可聴パルスの周波数を大きくすると小動物の鳴き声 のように聞こえるので、チャープと呼ばれる。 アップ・チャープ・パルス４３０は、フィルタを通る速度伝搬が周波数に比例 するように設計されたパルス圧縮フィルタに通され、第２Ｄ図に示す圧縮パルス ４４０を形成する。エネルギー変換によって、圧縮パルス４４０の振幅は増大し 、周波数の全範囲Ｂをカバーするようになる。さらに、時間領域内のパルスの幅 は、Ｂを増大させると減少する。 第１図を再度参照すると、アップ・チャープ変換器５０およびダウン・チャー プ変換器６０はそれぞれ、第２Ｂ図および第２Ｄ図に示す線形周波数変調機能お よびパルス圧縮機能を実行する。上述の文献に記載されているように、レーダ・ システムでは、一般に、送信機の利得限界のために、圧縮されていない周波数変 調された搬送信号パルスが伝送され、反射された受信信号は、パルス圧縮のため に処理されて、信号対雑音比が改善され、距離分解能が向上する。 本システムでは、共鳴器に伝送される信号発生網の出力は、第２Ｄ図に示す圧 縮パルス４４０である。このパルスを利用して、広帯域励起を行い、かつ時間分 解能を改善する。これは、圧縮パルスの異なる周波数要素の位相シフトが一定に なるので特に重要である。 好ましい実施形態では、アップ・チャープ変換器５０およびダウン・チャープ 変換器６０は、表面音波（ＳＡＷ）遅延線として実現される。これらの装置は、 周知であり、それらの特性は、上述の文献に記載されている。 共鳴器１７０の出力信号は、周知の標準的な技法を利用した直交ミキサで検出 される。 第１図を再度参照すると、各並列経路１４内のＲＦ減衰器２０、位相シフタ３ ０、スイッチ４０は、デジタル遅延線パルス発生器（ＤＤＬ）５００によって交 互に実行される。図面に概略的に示されているように、各ＤＤＬ５００の出力は 、対応する経路１４内でアップ・チャープ変換器の入力に結合される。 信号発生網１２内の各種の並列経路１４では、正確な時間位相関係を有する圧 縮励起パルスの発生が可能である。例えば、スピン・エコー効果を観測するのに 必要な２つのカー・パーセル・パルス間の正確な関係を独立に発生させることは 実現不可能である。さらに、高度に正確な直交検出では、位相関係の不正確さを 補償するために１組のシクロプス・パルスが必要である。パルス発生網の各種の 並列経路では、パルス発生網１２の入力で受信される単一の搬送周波数信号から 、１組のカー・パーセル・パルスまたはシクロプス・シーケンス内のパルスを、 並列経路１４上に発生させることができる。 第３図は、本発明の好ましい実施形態において使用される改良された鳥かご型 共鳴器６００を示す。第３図では、共鳴を達成するのに使用される標準的な装置 に組み込まれているランプ容量要素の代わりに、導電キャップ６１０が使用され ている。共鳴器６００とキャップ６１０の間の空間は、共鳴器が所望の共鳴周波 数に同調するまで、自動的に調整できる。 この改良された鳥かご型設計には、標準的なＥＰＲ共鳴器設計よりも優れた以 下の利点がある。 １．ＴＭ₁₀モードにおいてほぼ均一な内部磁界が得られる。 ２．磁界の方向が縦方向の直流静磁界に適合するように横方向である。 ３．共鳴器は、現場での放射化学用の光源およびレーザを容易に利用できるよ うに設計されている。 第４図は、本発明の好ましい実施形態において使用される磁気コイルの設計を 示す。第４図では、１組のコイルを使用して、ｘ、ｙ、ｚ方向に磁界のｚ成分の 勾配を発生させ、またｚ方向に均一な磁界を発生させる。 第４図では、ヘルムホルツ・コイル対７００がｚ方向に均一な直流磁界を発生 する。マクスウェル・コイル対７１０と７１２は、ｚ方向に勾配磁界を発生させ 、２組のゴレー・サドル・コイル７１４と７１６は、ｘ方向およびｚ方向にｚ成 分の勾配磁界を発生する。 勾配コイルは、磁気共鳴撮像装置に使用されるコイルと同じものであるが、Ｅ ＰＲ撮像に必要な大きい磁界勾配（１００Ｇ／ｃｍ）を発生させるために、かな り大きい電流を伝える。第４図のコイル設計の独自の様態は、ｚ方向の均一磁界 が勾配磁界と同じ強度を有することである。反対に、ＮＭＲ撮像システムでは、 ｚ方向の均一磁界は、勾配磁界よりもはるかに大きい。 この小さい均一磁界は、ＥＰＲ撮像装置の動作周波数を、ＲＦ搬送信号が吸収 による大きい損失なしに生体（水様）繊維に浸透できるほど十分小さく（約３０ ０ＭＨｚ）保つのに必要である。一般的なＥＰＲスペクトルの線幅の場合、十分 な空間分解能（約１ｍｍ）を得るためには、大きい勾配磁界が必要である。均一 磁界を小さくするには、均一磁界の空間の均一度がＮＭＲイメージングの場合よ りもはるかに小さいことが必要である。したがって、均一磁界を発生するには、 簡単なヘルムホルツ対で十分である。 第４図に示すように、各コイルは、それ自体の電源を有する。勾配コイルには 、大電流が流れ、熱放散のために水冷が必要である。電源は、コンピュータ３３ ０ によって制御される。 本発明について好ましい実施形態を参照して説明した。当業者には、修正およ び置換例は明らかであろう。例えば、アップ・チャープ変換器およびダウン・チ ャープ変換器は、ＳＡＷ遅延線によって実施したが、これらの変換器は、当分野 において周知の他のデジタル技法およびアナログ技法を使用しても実施できる。 同様に、搬送周波数パルスを提供する別のシステムが周知である。したがって、 添付の請求の範囲に示されている以外は、本発明を制限するものではない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ)，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，Ｃ Ｚ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＴ，ＬＵ， ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，Ｐ Ｌ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 ミロツニク，マーク アメリカ合衆国 20906 メリーランド 州・シルバー スプリング・ウィスパリン グ パインズ ドライブ・3209 (72)発明者 ロス，ブラッドレー アメリカ合衆国 20895 メリーランド 州・ケンジントン・ローレンス アヴェニ ュ・4003 (72)発明者 サブラマニアン，サンカラン アメリカ合衆国 600042 インディアナ 州・マドラス・アヨドゥーヤ コロニー・ 10 (72)発明者 チェルクリ，ムラリ アメリカ合衆国 20855 メリーランド 州・ロックヴィル・インディアン ヒルズ テラス・15941 (72)発明者 ザブロッキー，ポール・ジイ アメリカ合衆国 22310 ヴァージニア 州・アレクサンドリア・ロック クリフ レイン・アパートメントアール・6013 (72)発明者 ポヒダ，トムサ・ジェイ アメリカ合衆国 21770 メリーランド 州・モンロヴィア・ミルブルック コー ト・11915 (72)発明者 スミス，ポール・ディ アメリカ合衆国 21403 メリーランド 州・アナポリス・ハーネス クリーク ロ ード・3201 (72)発明者 フリアウフ，ウォルター・エス アメリカ合衆国 20817 メリーランド 州・ベセスダ・オークモント アヴェニ ュ・5616 (72)発明者 チューディン，ロルフ・ゴットフリード アメリカ合衆国 20895 メリーランド 州・ケンジントン・カルヴァー ストリー ト・9628

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．励起信号を受信するための共鳴器を有し、かつ水様試料による吸収が大きく ない選択したＲＦ共鳴周波数において共鳴する電子を含む水様試料を含む電子常 磁性共鳴システム用の改善されたシステムにおいて、 前記選択したＲＦ共鳴周波数にほぼ等しい周波数を有する無線周波数（ＲＦ） 搬送信号を供給する手段と、 前記ＲＦ搬送信号を受信して、ＲＦ搬送信号パルスを形成するように結合され た入力を有するパルス形成手段と、 前記ＲＦ搬送信号パルスを受信し、前記ＲＦ搬送周波数パルスを周波数変調し て、所定の帯域幅を有する広帯域パルスを形成するように結合された周波数変調 手段と、 前記広帯域パルスを受信し、前記広帯域パルスを圧縮して、時間遅延が短く、 帯域幅が前記広帯域パルスとほぼ同じである圧縮された広帯域パルスを形成する パルス圧縮手段と、 前記水様試料が前記圧縮パルスによって励起されるように、前記圧縮パルスを 前記共鳴器に結合する手段とを含むシステム。 ２．前記パルス形成手段が、 前記ＲＦ搬送信号パルスを受信するように結合されたＲＦ減衰器および位相シ フタと、 前記ＲＦ搬送信号パルスを開始し終了するスイッチとを含む請求項１に記載の システム。 ３．前記パルス形成手段が、 前記ＲＦ搬送信号パルスを開始終端するデジタル遅延線パルス発生器を含むこ とを特徴とする、請求の範囲第１項に記載のシステム。 ４．前記周波数変調手段とパルス圧縮手段が表面音波遅延線である請求項１に記 載のシステム。 ５．前記共鳴器が、 ほぼ円筒形の共鳴器胴体と、 前記共鳴器のＲＦ共鳴周波数を選択するために前記共鳴器胴体から調整可能な 間隔で分離された導電キャップとを含む請求項１に記載のシステム。 ６．励起信号を受信するための共鳴器を有し、かつ水様試料による吸収が大きく ない選択したＲＦ共鳴周波数において共鳴する電子を含む水様試料を含む電子常 磁性共鳴システム用の改善されたシステムにおいて、 前記選択したＲＦ共鳴周波数にほぼ等しい周波数を有する無線周波数（ＲＦ） 搬送信号を供給する手段と、 前記ＲＦ搬送信号を受信するように結合され、複数の並列経路を含み、各並列 経路に沿って、選択したタイミングと位相の関係を有する別個の圧縮された励起 パルスを発生させるパルス発生網と、 前記水様試料が前記圧縮された励起パルスによって励起されるように、前記別 個の圧縮された励起パルスを前記共鳴器に結合する手段とを含み、 前記並列経路がそれぞれ、 直列に接続された広帯域周波数変調手段と整合フィルタ・パルス圧縮手段を含 むシステム。 ７．さらに、前記並列経路が、 前記ＲＦ搬送信号を受信するように結合されたＲＦ減衰器および位相シフタと 、 前記ＲＦ搬送信号パルスを開始し終了するスイッチとを含む請求項６に記載の システム。 ８．入力が前記供給手段に結合され、かつ出力が前記広帯域周波数変調手段に結 合された、ＲＦ搬送信号パルスを開始し終了するデジタル遅延線パルス発生器を さらに含む請求項６に記載のシステム。 ９．前記周波数変調手段とパルス圧縮手段が表面音波遅延線である請求項６に記 載のシステム。 １０．前記共鳴器が、 ほぼ円筒形の共鳴器胴体と、 前記共鳴器のＲＦ共鳴周波数を選択するために前記共鳴器胴体から調整可能な 間隔で分離された導電キャップとを含む請求項６に記載のシステム。