JPH11502017A

JPH11502017A - 核クアドラポール共鳴あるいは核磁気共鳴を使用した物質探知のための自動チューニング装置及び方法

Info

Publication number: JPH11502017A
Application number: JP8527033A
Authority: JP
Inventors: イー．マグヌソン，エリク
Original assignee: クウォンタムマグネティックス，インク．
Priority date: 1995-03-08
Filing date: 1996-03-05
Publication date: 1999-02-16
Also published as: AU699023B2; AU5419396A; US5594338A; IL117389A0; IL117389A; US5986455A; EP0813686A1; WO1996027803A1

Abstract

(57)【要約】ＮＱＲあるいはＮＭＲの使用を介して標的物質を探知させるシステムをチューニングする装置が開示されている。この装置はテスト対象の物質を励起させるように採用されたＲＦコイル（３４）をチューニングする。このチューニング装置（３６）はコントロール可能なスイッチ（９４）でチューニング回路にスイッチ処理された一連の固定値キャパシタ（９３）を含んでいる。そのスイッチ処理をコントロールし、コイルのチューニングをコントロールするようにプログラム可能なコントローラ（２１）が採用されている。

Description

【発明の詳細な説明】核クアドラボール共鳴あるいは核磁気共鳴を使用した物質探知のための自動チューニング装置及び方法技術分野本発明は一般的に、核クアドラボール共鳴(nuclear quadrupole resonance）あるいは核磁気共鳴（nuclear magnetic resonance）のいずれかを利用した、隠蔽された爆発物や薬物を検出するための物質探知システムに関し、さらに特定すれば、そのような探知システムのチューニングのための実用的なシステムと方法とに関する。背景技術原子核によっては、特に１／２のスピン量子数（spin quantum number）を有する原子核は、それらが外部から適用された磁界内に存在するとき固有の磁気サイン（magnetic signature）を提供する。この磁気共鳴効果は¹Ｈにて最も普通に観測され、核磁気共鳴（ＮＭＲ）として知られている。１／２以上のスピン量子数を有する原子核もその核と電界との相互作用に関係した別な固有の磁気サインを示す。この現象は核クアドラポール共鳴（ＮＱＲ）として知られている。これら両現象では、エネルギーレベル移動（energy level transition）は主として無線周波数（ＲＦ：radio frequency）領域で観測される。従って、これらエネルギーレベル移動の検出は、その移動を励起（excite）させるためのＲＦ周波源と、信号を検出するためのＲＦ周波受信機構とを必要とする。通常は、これら信号は所定の周波数で現れる。その所定の周波数にチューニングされているか近接（close）されているＲＦコイルはこれら信号を励起あるいは検出することができる。これら信号は非常に弱く、約１０マイクロ秒から２ミリ秒程度の短時間でのみ観測が可能である。その結果、（普通の場合）高Ｑにチューニングが可能で、非常に低ノイズで、高電圧ＲＦパルス後に急速に復帰できるＮＱＲあるいはＮＭＲ受信機が必要となる。たいていの磁気共鳴（ＮＭＲとＮＱＲ）実験においては、小型で非常に均質なサンプルが調査の対象となっている。ここ数年間はＮＱＲとＮＭＲの大型スケールの”実用的”な適用が重要視されるようになってきた。これらの実用的な適用の場合は、小型スケールの実験的調査手段では充分な成果が得られない。それらはたいてい非常に異質な物理的／化学的材料で満たされた大型物体の調査を要求する。爆発物あるいは薬物の存在を知るための郵便物あるいは手荷物の内容物の探知がその１例である。爆発物に関しては、ＲＤＸやＰＥＴＮを含んだＣ−４やセムテックス（Semtex ）のごときプラスチック爆薬は、ほぼ無限の形状を有することができ、テロリストによる爆弾戦法に利用されている。プラスチック爆弾は非常に安定したものであり、粘土のような塑性を有しており、比較的に少量でも爆発力は強力である。封筒内の少量のプラスチック爆薬、起爆装置及びトリップワイヤで殺人的な爆発力を発揮する。残念ながら、危険を伴う視覚的検査を経なければプラスチック爆弾は発見することが困難である。特にシート状の爆弾は僅か６ｍｍ程度の厚みであり、従来技術ではその検出は困難であった。不法な薬物売買の撲滅キャンペーンの存在は、麻薬類の探知も非常に重要であることの証拠である。梱包された容器、郵便物、その他の手荷物内部の薬物の検出のための簡単で精度が高い方法の必要性は非常に高い。従来の薬物探知方法は時間とコストがかかり、せいぜい大まかな信頼度しか提供しなかった。ＮＱＲやＮＭＲを利用した探知は爆発物と薬物類の両方において有効である。理由の一部は、それらは結晶状態で¹⁴Ｎの成分要素（constituent element）を有しているからである。特に薬物に関しては、コカイン類、コカイン塩酸塩（co ca ine hydrochloride）及びヘロイン類で該当する。コカイン塩酸塩等の塩酸塩形態の薬物はクアドラボール核³⁵Ｃｌや³⁷Ｃｌをも含んでいる。特にＮＱＲ手段による禁制品探知で重要な要素は、薬物と爆薬に共通して存在し、容易に検出ができるであろうクアドラポール核が、他の核に混じって窒素（¹⁴ Ｎ）と塩素（³⁵Ｃｌと³⁷Ｃｌ）を含んでいることである。よって、商業的な利用の場合には、郵便物、郵便袋、あるいはチェック済み荷物等の航空貨物に含まれるクアドラボール核の検出能力が要求される。これら物質内の窒素の共鳴周波数は各々の化学構造によって異なるが、これら共鳴周波数は定義されており、一定値である。これら存在が疑われる物質を含んだ容器にＲＦ信号を適用し、ＲＦパルスの適用で発生されたクアドラボール共鳴を検出することで禁制品物質の特定が容易に可能である。ＮＱＲ信号とＮＭＲ信号は特定の核に関連するエネルギー移動で発生される。これらエネルギー移動は普通はＲＦ領域で行われる。従って、ＮＱＲ信号とＮＭＲ信号の両方の検出は普通はＲＦ発信／受信装置を必要とする。ノイズとＲＦパワーを低減させ、受信機の感度を改善させるため、従来のＮＱＲシステムとＮＭＲシステムは送信と受信に狭バンドで高Ｑのサンプルコイルを使用している。しかし、この種の狭バンドで高Ｑの検出装置の使用では、ＮＱＲ信号とＮＭＲ信号の検出性能を大きく損なう多数の要因が存在する。そのいくつかは次のものである。（１）サンプルコイル内での導伝材料の存在。（２）サンプルコイル内での高誘電率（dielectric constant）を有した材料の存在。（３）ＲＦコイルをチューニングしてマッチングさせるのに使用されるキャパシタンスの値に影響を及ぼす温度の変化。（４）コイルの物理的な移動。これら要因の全ては検出装置の脱チューニング（de-tuning）を引き起こし、サンプルコイル内の材料からのＮＱＲ信号とＮＭＲ信号の検出精度を下げる原因となる。たいていのＮＱＲとＮＭＲの適用において、これらは過去において重大な弱点を現さなかった。この装置は通常は最良条件下でセットアップされ、通常の場合、調査対象物質はその特性が良く知られていたからである。しかし、この数年、逆境条件（例えば、大容量のほとんど特性が知られていない物質が調査対象となる適用ケース）での対象物質の検出のためにＮＱＲやＮＭＲを利用する新しい適用の需要が高まってきた。発明の開示大まかに言えば、本発明は、最良条件にはない環境下で、ＮＭＲあるいはＮＱＲを使用した大容量物体内の物質検出ための実用的な方法と装置とを提供する。本発明はそのような悪条件下でＮＱＲあるいはＮＭＲ検出コイル／ヘッドの自動精密チューニング（automatic fine tuning）の方法と装置を提供する。このシステムは真空リレー（vacuum relay）でスイッチされる一連の固定値キャパシタ（fixed value capacitor）を含む。チューニング回路にスイッチされるキャパシタンス量は、ＲＦアンプからＲＦ検出コイルへと送られるパワー量（さらに正確に定義すれば、”前方(forward)”パワーから”反射(reflected)”パワーへのパワー量）を計測することで決定される。このパワー移動効率（power transfer efficiency）の計測手段は、多様な一般的ＲＦ技術で提供される。１適用例においては、方向性ワットメータ（directional watt meter）が使用され、”前方 ”から”反射”へのパワー量が測定される。このパワー移動効率に基づいて、キャパシタはチューニング回路内外にスイッチ操作され、ＲＦアンプからＲＦコイルへのパワー移動効率を最大にする。このシステムはこのように再チューニングされ、最も効率的で感度が良好なＲＦコイルを提供する。本質的には本発明は自動チューニング装置であり、所定の物質が被検体内に存在するならば検出システムにその核クアドラポール周波数あるいは核磁気共鳴周波数を検出させるように、ＮＱＲ／ＮＭＲ検出システムの検出要素内に被検体が挿入されたとき、ＮＱＲ／ＮＭＲ検出システムの少なくとも１つの選択された所定周波数で最大パワーの移動効率を確立させるものである。その所定の物質とは、所定の特徴的な核共鳴周波数を有したものであり、この核共鳴周波数とは、分子電界グラジエント（molecular electric field gradient）とのクアドラボール作用（ＮＱＲ）か、適用静磁界（applied static magnetic field）（ＮＭＲ）かのいずれかによる核プレセッション（nuclear presession）の周波数である。この装置は、装置にタイミング／プログラミングパルスを提供する手段を有したシーケンスコントローラ（sequence controller）と、一般的には所定の物質の核共鳴周波数に対応した所定の周波数でパルスされたＲＦ励起（excitation）を提供する可変周波数ＲＦソース（源）と、内部に所定の容積のキャビティ（ca vity：孔部）を定義し、コイルによって定義されたそのキャビティ内で被検体を受領するように形状化された１巻型ＲＦコイルシート（single turn distribute d RF coil sheet）と、を含んでおり、そのＲＦソースからのＲＦ信号はそのキャビティ内で送信され、そのＲＦコイルキャビティ内の被検体に対して均質に適用され、そのキャビティ内で均質な磁界を発生させるものであり、そのＲＦコイルは被検体からのＮＱＲ／ＮＭＲ信号のためのピックアップコイルとしても機能して出力信号を提供するものであり、この装置はさらに、その所定の核共鳴周波数におけるＲＦコイルのパワー移動効率を測定する手段と、この装置内で接続されており、そのＲＦコイルで回路内に選択的にスイッチ処理が可能な複数個の固定値キャパシタのアレイと、それらキャパシタをそのＲＦコイル回路内に選択的に接続するための個々に制御が可能な複数のスイッチ手段と、を含んでおり、前記のシーケンスコントローラは、そのＲＦコイルで回路内外へそれらキャパシタのスイッチングを前記の測定手段からのパワー移動効率の測定値に応じて制御し、その所定の核共鳴周波数でそのＲＦコイルの最大パワー移動効率を確立させて維持する。本発明はさらに、コイルによって形成されたキャビティ内に被検体が挿入されたとき、そのコイル内の所定の周波数で最大パワー移動効率を確立させる自動チューニング装置の使用方法をも含んでおり、その被検体内に存在するのであれば、そのコイルに所定の物質のＮＱＲあるいはＮＭＲ周波数を検出させるものである。その所定の物質は所定の特徴的な核共鳴周波数を有しており、この核共鳴周波数とは、分子電界グラジエントでのクアドラボール相互作用（ＮＱＲ）か、あるいは適用静磁界（ＮＭＲ）による核プレセッションの周波数である。この方法は、所定の容積を内部に有するキャビテイを定義する１巻型ＲＦコイルシートを形成させるステップを含んでおり、このキャビティは所定の物質の存在を確認するために被検体を受領するように採用されており、この方法はさらに、そのＲＦコイルによって形成されているキャビティ内に被検体を挿入するステップと、その被検体を収容したコイル内のキャビティ内に均質な磁界を確立させ、そのＲＦコイルキャビティ内の被検体に均質なＲＦ信号を適用させるようにＲＦコイルに対して所定の特徴的な核共鳴周波数のＲＦパルスを提供するステップと、その所定の核共鳴周波数でのコイルのパワー移動効率を測定するステップと、その所定の核共鳴周波数で内部に被検体を収容したコイルの最大パワー移動効率を確立させるようにそのＲＦコイルで回路内部に複数の固定値キャパシタを選択的にスイッチ処理するステップと、を含んでいる。図面の簡単な説明本発明の目的、利点及び特徴は添付の図面を利用した以下の詳細な説明によってさらによく理解されるであろう。図１は、本発明の自動チューニング装置を含んだＮＱＲ検出システムのブロック図である。図２は、その自動チューニングサブシステムをさらに詳細に示している。図３は、図２の自動チューニングサブシステムの操作フロー図である。発明の最良実施態様この方法と装置は、ＲＦコイルに直接的に伝達されるパワー量（”前方”パワー）と、回路内でのロスとミスチューニングによるパワーロス量（”反射”パワー）とを測定することで検出ヘッド内のＲＦコイルのチューニング状態を決定する。このＲＦコイルのチューニング状態が前方パワーと反射パワーの値で決定されたなら、そのコイルは以下に説明するアルゴリズムに従ったキャパシタンスのスイッチ処理により再チューニングされる。本発明のチューニング装置を詳細に説明する前に、まず図１を説明する。これは一体的な重要器材として本発明のチューニング装置を含むＮＱＲ検出システムである。このシステムはブロック２１がシーケンスコントローラサブシステムである検出システムである。このサブシステムは本発明の全ての他の要素とサブシステムの正確なタイミングとその他の制御機能を提供する。これは一般的にマイクロプロセッサー装置を含んでおり、全ての他のサブシステムに対してシーケンスコントロール情報をダウンロードして所期化するものであり、さらにデータ保存手段すなわちメモリ手段を含むであろう。これはさらに将来の利用に備えて個々のスキャニングの結果をも保存する。１実施例においては、このマイクロプロセッサーベースの制御及び保存装置はハードディスクを備えたパーソナルコンピュータ（ＰＣ）である。このシーケンスコントローラサブシステムはさらに、標準コンピュータバス（ computer bus）をランオフ（run off）する高精度／高解析装置であるパルスプログラマーを含んでいる。このパルスプログラマーは図示のＮＱＲスキャナーの全ての他の主要器材の正確な操作に必要な正確なシーケンスコントロールを提供する。そのパーソナルコンピュータとの組み合せで、それは正確に定義されたパルスを提供し、それが接続されているサブシステムを起動させる。このサブシステムに関しては後述する。ＲＦサブシステム２２は、ＲＦ信号ソース２３、ＲＦパワーアンプ２４、レシーバＲＦプレアンプ２５、レシーバＲＦアンプ２６、検出器２７と２８を含んだいくつかの機能的な要素を有している。これら検出器はフェーズ（位相）感知検出器（phase-sensitive detector）として図示されている。９０°フェーズシフト発生器３１もこのＲＦサブシステムの一部である。これは本発明の１実施例であり、検出器２７と２８とがフェーズシフト検出器であるときに使用される。通常のアンプ保護装置２９もこのＲＦサブシステムの一部である。ＲＦ信号ソース２３はサンプル材料の共鳴周波数に応じた周波数にて連続式またはパルス式のＲＦ励起を提供する。例えば、ＲＤＸベースのプラスチック爆薬は約３．４１０ＭＨｚの共鳴周波数を有しており、ＰＥＴＮベースのプラスチック爆薬は約８９０ＫＨｚの共鳴周波数を有している。この励起ソースは適当なパワーレートを有したアンプリファイヤ２４にフィードされ、コイル内に約１ガウスのＲＦ磁界を発生させる。この励起周波数は標的物質のＮＱＲ周波数と正確に同一である必要はないが、その約５００から１０００Ｈｚ内に納まるべきである。ＮＱＲ検出のためのＲＦ励起は、対象の物質にもよるが１０μｓ（マイクロ秒）から５００μｓ（マイクロ秒）の単一パルス（single pulse）でもよい。このような単一パルスはＮＱＲリターンを引き起こすかも知れないがその核は安定したプリセス（precess）状態に達していないかも知れず、よって、そのＮＱＲリターンは検出あるいは利用が可能となる程度には充分に強力ではないであろう。郵便爆弾スキャナーの場合には、毎秒６６７パルスの反復レートで約３秒のＲＦパルス、すなわち各々が２００μｓのパルス幅を有した２０００パルスのパルストレン（pulse train）が好適に適用できるであろう。これらパルスの周波数は３００Ｈｚから２ＫＨｚの範囲でよい。これでＮＱＲ信号のシリーズが創出され、デジタル信号プロセッサー４４で加処理（add）されて平均化される。この操作は従来技術の適用であり、標的信号は一次式に加処理されるが、ノイズはランダムに加処理され、信号−ノイズ比（ＳＮＲ）を改善させることで明瞭に定義が可能なパルスが構築される。ＳＮＲを改善させるいかなる方法でも利用が可能であろう。このＮＱＲスキャナーに必要なパワーは一般的に検出コイル容積と比例する。２５リットルの検出コイル容積を備えた郵便小包の爆薬スキャナーは、例えば約２５ワットのピーク値でレートされたＲＦパワーアンプを備えることもできよう。このアンプは２５リットルの容積全域にわたって約１ガウスの均質なＲＦ磁界を創出する。薬物探知のごとき他の適用においては、このＲＦ磁界はこの値よりも大きいであろう。航空貨物の場合、約３００リットル（１０フィート³）の爆薬検出ヘッドは１から２ＫＷのＲＦパワーアンプを必要とする。これらのパラメータはあくまでも参考までに列挙したものであり、実際のＮＱＲシステムの実際の特徴を定義するものでも制限もするものでもない。これらＲＦ励起パルスはアンプ２４から検出ヘッド３３へとフィードされる。この操作は後述する。検出ヘッド内のサンプルがこのＲＦパルスで励起された後、短時間のＲＦコイル”リングダウンタイム（ring-down time）”あるいはデッドタイム（dead time）が発生し、その間はレシーバは検出が実行される以前には”デフ状態（deaf）”となる。このリングダウンタイムは、例えば５００μｓである。その後、ＲＦコイル３４はＮＱＲ信号を検出し、そのレスポンスは２０から３０ｄＢのゲインと１から２ｄＢのノイズ値（noise figure）を有する低ノイズ／高ゲインプレアンプ（low-noise，high-gain preamplifier）２５でアンプ処理される。このようなプレアンプの例は、ＡｎｚａｃモデルＡＭ−１１０とＭｉｎｉ−ＣｉｒｃｕｉｔｓモデルＺＦＬ−５００ＬＮＳである。本発明の手荷物あるいは手紙スキャナーサイズのものにおいては、受信された信号が、アンプ保護器材２９と共に適当な従来型フィルター機能を含んだＲＦアンプ２５で充分にアンプ処理された後、それはフェーズシフト要素３１の手段で互いから９０°シフトされた基準信号を有した２体のフェーズ感知検出器２７と２８にフィードされる。ＲＦソース２３からの基準ＲＦ信号はフェーズ感知検出器２７に適用され、一方、フェーズ感知検出器２８への基準信号はフェーズシフト要素３１を通過することに注意。これら２つの相互にフェーズシフトされたアナログ信号は信号捕獲／データ処理サブシステム（signal-capture and data pr ocessing subsystem）４１にフィードされる。これを後述する。検出ヘッドサブシステム３３は４つの主要器材を含んでいる。これらはＲＦコイル３４、ＲＦチューニング／マッチングネットワークであるＲＦプローブ回路３５、ＲＦシールド３７、及び品発明の自動チューニングサブシステム３６である。この検出ヘッドは２つの主要な目的のために利用される。一方はこのＲＦコイル内に均質なＲＦ磁界を創出させることである。他方は、対象物質が存在するときに、探知対象物からの末処理のＮＱＲ信号を受信することである。アンテナと呼ぶこともできるＲＦコイル３４は銅のごとき非常に導電性が高い材料で作製される。このコンダクターは操作周波数にてコンダクター材料の浸透厚（skin depth）の少なくとも５倍程度の厚みを有するべきである。これによってコイルがＲＦでエネルギーを与えられたときの電流への最低抵抗量が確実となる。２５リットルの検出容積（郵便スキャニング装置）は１枚シートで作製された１巻型高Ｑ、０．０１０インチ（約０．２５４ｍｍ）厚の銅コイルを有している。３．４ＭＨｚでの銅の浸透厚は約０．００１インチ（約０．０２５ｍｍ）であり、９００ＫＨｚでの銅の浸透厚は約０．００２（約０．０５１ｍｍ）インチである。直接的なコイルチューニングによって、本発明の郵便スキャニングの実施例の増強されたた全体的効率が達成される。このチューニングは本発明のサブシステム３６で達成される。サンプルが存在しないとき、すなわちコイル内が空のとき、この１巻型高Ｑコイルは、ＲＤＸ爆薬の¹⁴Ｎ共鳴周波数を検出するには約３．４ＭＨｚでのチューニング用の約３０，０００ｐＦのキャパシタンスを必要とする。異なるロード条件でこのコイルを再チューニングするためにキャパシタンスを追加（add）あるいは削減（remove）るための一連のスイッチの使用で、このシステムをチューニングキャパシタンスの１０％の変化のために再チューニング可能とすることは有益であることが確認された。この特定の適用において、キャパシタンスの粗チューニング増分（coarse tuning increment）は約８０ｐＦと選択され、精密チューニングモード（fine tuning mode）では約１０ｐＦと選択された。この自動チューニングサブシステムを利用するのに使用されるＲＦサブシステム２２のＲＦ信号ソース／アンプ（２３、２４）は、物質検出の目的に使用されるＲＦコイルの励起用のものと同一である。この自動チューニングサブシステムの詳細は以下で述べる。悪条件下でのＮＱＲ検出コイル／ヘッドの自動精密チューニングのための本発明の装置は図２に詳細に示されている。シーケンスコントローラ２１内には自動チューニングサブシステム３６用のソフトウェアすなわちコントロールプログラム９１が存在する。この自動チューニングサブシステムは好適にはＲＦコイル３４とマッチングネットワーク３５と同様にＲＦシールド３７内に内蔵される。入力／出力ライン９２はチューニング処理されたＲＦコイルをアンプ処理されたＲＦ励起信号に接続し、ＮＱＲ信号のレシーバとしてのコイルを１／４ウェーブライン（wave line）３８（図１）に接続する。このシステムは等数の真空リレー９４でスイッチ処理された一連の固定値キャパシタ９３を含む。このチューニング回路にスイッチ処理されたキャパシタンス量はＲＦアンプ２４からＲＦコイル３４に移されているパワー量（さらに正確に言えば、”前方”パワーから”反射”パワーへのパワー量）を測定することで決定される。このパワー移動効率の測定手段は多様な一般的ＲＦ技術で提供される。１適用例では方向性ワットメータが使用され、”前方”パワーから”反射”パワーへの量を測定する。このパワー移動効率に基づいてキャパシタンスは回路内外にスイッチ処理され、ＲＦアンプからＲＦコイルへのパワー移動効率を最大化させる。このシステムはこのように再チューニングされ、最も効率的で感度が高いＲＦコイルを提供する。このＲＦコイルのチューニング状態が前方パワーと反射パワーの値から決定されたら、このコイルは以下に説明するアルゴリズムに従ってキャパシタンスのスイッチ処理によって再チューニングされる。ＲＦコイルのチューニングは２段階で実行される。すなわち、粗チューニングと精密チューニングとである。このシーケンスのフロー図は図３に提供されている。図２の”Ｃ”値は１０ｐＦと選択されており、各キャパシタは”Ｃ”値の倍数となる。その他の値は希望通りに決定できる。粗チューニング前方パワーと反射パワーの両方が測定される。反射パワーが前方パワーの所定のパーセントよりも大きければ、このシステムは前述した大ジャンプ（large ju mp）を実行することで（精密チューニングモードが扱える反射パワーの最大値以下に反射パワーが降下するまでキャパシタンスを増加させることで）粗チューニングに自己調整する。この条件が達成されたとき、このシステムは精密チューニングされる。キャパシタンスジャンプのサイズの上限は精密チューニングサブシステムのキャパシタンス範囲によって決定される。反射パワーが所定の上限サイズ以下となるまで降下したら、このシステムは精密チューニングを開始するであろう。これは”精密チューニングモード開始（start fine tuning mode）”ポイントである。精密チューニング（キャパシタンスの増か処理あるいは減少処理の）いずれかのステップを実行した後、その反射パワーは再度測定される。この反射パワーが増加され、その方向（すなわち、キャパシタンスの増加か減少）が先行ステップの反対となれば、このシステムは”精密チューニングモード開始”ポイントにまで１ステップ戻る。精密チューニングが再度開始されるが、今回は反対方向（すなわち、キャパシタンスを差し引く代わりに加える）で行う。しかし、もし反射パワーが増加しなかったら、別ステップが同一方向（キャパシタンスの加処理あるいは減処理）で行われる。この処理は方向の逆転に遭遇するまで継続される。この段階でシステムは１ステップ戻り、精密チューニングが完了する。これで反射パワーは最小値となっている。このＲＦトランスミッターの正確な機能を提供するためにこの前方パワーは測定され、所定値と比較される。自動チューニングサブシステム３６は２つの主要な機能を果たす。１つはコイルローディング条件範囲内でそのＲＦコイルを再チューニングして最良の機能を発揮させることである。他方は、所定の”ゼロ”セッティングと比較することでそのチューニング状態を判定することである。このシステムは、ＲＦパワーソースと、方向性ワットメータと、チューニングリアクタンスを変更させるスイッチ処理されたキャパシタとで成る。コントロールユニット２１はそのＲＦパワーソースを操作し、その反射パワーを測定し、反射パワーの最低値が達成されるまでそのチューニングリアクタンスを変化させる。サンプルコイルをチューニングするこのシステムの能力によって全効率の増加が直接的に導かれる。通信電子機器に通常に使用されるアンテナチューニングシステムはＮＱＲやＮＭＲの適用におけるコイル精密チューニングには不必要に複雑である。それらはＮＱＲとＮＭＲ適用に対する非効率性をも併せて有している。すなわち、それらはコイルを直接的にはチューニングできず、より高いフィードラインロスを発生させ、ノイズを高める。さらに、アンテナチューニングシステムはマッチされている対象（例えば、チューニング範囲）に照らして一般的に過ぎる傾向がある。図１の検出システムをさらに詳細に説明すると、ＲＦプローブ３５はマッチングネットワークとバラン（Balum）であり、コイルのチューニングとマッチングとを提供し、さらに、プレアンプ２５をＲＦ励起中のコイル内の高電圧から保護する。ＲＦプローブ３５はＲＦコイル３４を５０Ω非バランス入力（unbalanced input）にマッチさせる。これで、そのコイルは５０Ωトランスミッター／レシーバのように振舞うが、これは従来のマッチング技術である。１／４ウェーブライン３８の機能はこのレシーバをトランスミッターから絶縁させることである。トランスミッター絶縁ダイオード３９と４０は関連機能を有している。この自動サブシステムは、ＲＦコイルを検出容量体内のロードにマッチングさせることで検出ヘッド内のＲＦコイルのチューニング状態を判定する。これはＲＦコイルへと直接的に送られたパワー量（”前方”パワー量）と、回路のロスやミスチューニングによるロスを原因とする反射されたパワー量（”反射”パワー量）を測定する。これら前方パワーと反射パワーの値を比較することでそのチューニング状態が決定されたら、そのコイルは前述の所定のシーケンス処理に従ってキャパシタンスをスイッチ処理することで再チューニングされる。コイル３４が未知の内容物を含んだ手荷物でロードされているときそれは脱チューニングされる。本発明の１適用例では、このコイル再チューニングには８体の真空リレーが、Ｉ０、２０、４０、８０である２倍のパワーのｐＦ値でアレンジされたキャパシタをスイッチ処理する。この特殊なアレンジは、最大全量３０００ｐＦであるシステムの再チューニングのためのキャパシタンスの２５６の値を創出させることができる。キャパシタンスの各々の値のために１リレーでこのシステムをオーバーローディングするのではなく、このパワーアレンジは所定のキャパシタンス（例えば、１０＋２０＝３０；２０＋８０＝１００）を創出させるのに必要なリレー数を最小にとどめ、非常に迅速な作動スピードを提供する。連続可変キャパシタンスシステムの場合も同じアルゴリズムが使用可能である。ステッパモータの採用が可能であり、実際のチューニングシーケンスはディスクリートで直接的なキャパシタチューニングで説明したものと非常に類似したものでよいであろう。前述した直接的なコイルチューニングキャパシタンスアレンジは本発明に好適である。真空リレーによりスイッチ処理されたキャパシタの使用は、それらリレーを操作させ、その反射パワーに安定状態値を達成させるために約６ｍｓ以下の”セトリングタイム（settling time）”を必要とする。固定スイッチキャパシタスキームによる全体的なシステムの頑丈さ、効率、精度、及び小型化の利点は、さらに多くの通常タイプの可変キャパシタを使用して達成が可能であるかも知れない精密チューニングの如何なる利点にも勝るものである。しかも、このシステムはコンピュータを利用したシーケンス制御装置によって制御されるスイッチコマンドを使用するため、このシステムの脱チューニング量の正確な情報が得られる。この検出システムのこのチューニング装置は、サンプルコイル（ＲＦコイル）の最良自動精密チューニングによってＮＱＲシステムのための改善された精度を提供する。今までのコイル精密チューニングはシステムの手動チューニングを必要とした。これは研究室では問題がないが実用的ではない。このシステムは、大型で時間を要する可変キャパシタではなく真空リレー（高ＲＦスイッチング用にデザインされたもの）によってスイッチ処理される固定キャパシタに基づいた自動チューニングの利点を提供する。このシステムは、コイルローディングの変化を測定するが、これは他の検出システムでは不可能であった。このシステムは手動チューニングされるサンプルコイルよりも使用が迅速で容易であり、コイルの内容物（サンプル）の種類に関する情報を提供することができるＲＦコイルのチューニング状態の情報を提供する。このシステムはコントロールユニットに対してそのＲＦアンプの作動状態の情報をも提示することもできる。この自動チューニングステップが完了したらスキャニングステップが開始される。このスキャニングステップは現実の調査におけるＮＱＲ信号の検出の基準である。本発明の１適用例では、このステップは、ＳＳＦＰ（steady state free precession）のＰＡＰＳ（phase-alternated pulse sequence）とＮＰＡＰＳ（n on-phase-alternated pulse sequence）のバージョンとして一般的に知られるＲＦパルスの組み合せで成る。これらシーケンスは米国特許第５，３６５，１７１号に解説されており、本文にその内容を援用する。しかし、本発明に適用が可能なＮＱＲステップに通常に使用される他のＲＦパルスシーケンスも存在する。これらは周知の技術であり、この技術分野の通常技術者であれば容易に使用が可能である。テストが開始されると、コイルは前述のようにチューニングされ、手荷物のスキャニングは実行され、少なくとも１つの光源が点灯する。チューニングとテスドが完了しつつあるときには白光灯９１がフラッシュする。緑光灯９２の点灯は禁制品が存在しないことを示す。赤光灯９３の点灯は問題となる量の標的物質が発見されたことを示す。黄光灯９４が点灯すれば、さらに調査が必要な何かが存在することを示す。相当量の金属が存在することを示しているかも知れない。黄光灯と緑光灯の両方の点灯は、明瞭なＮＱＲ信号が存在せず、金属あるいは他の導伝性物体が存在することを示す。赤光灯と黄光灯の点灯の場合は、標的物質は存在するであろうが少なくとも部分的に金属で遮蔽されていることを示す。これらは中間的な結論である。ユニット８１の非可視側のＯＮ／ＯＦＦボタンは図示されていない。研究室から航空貨物のスキャニング用の実用ＮＱＲ検出システムへの転用で克服されなければならない１つの問題は音響発生現象（acoustic ringing）の問題である。パルスされるＲＦ磁界内に設置されるコンダクタには定在波（standing wave）をセットすることが可能である。この音響定在波はＲＦコイルでピックアップされる。創出された信号はしばしばＮＱＲ信号の一部の強度（magnitude ）と近似し、非常に類似した特徴を有しており、偽の警告音を発生させることがある。この音響信号はしばしば励起ＲＦパルスとコヒーレントであり、これも励起ＲＦパルスとコヒーレントであるＮＱＲ信号と誤認される可能性がある。さらに、信号平均及び／又はＲＦフェーズのリバースのような研究室のＮＱＲシステムでの音響発生現象（spurious ringing effect）を減少させる通常の方法はではこの問題に充分に対処できない。バネ鋼のような通常に存在する材料等は特に音響発生現象を引き起こしやすい。本発明の好適実施例では、ＮＱＲ検出での音響発生現象を減少させる単純で効果的な方法が採用される。音響発生信号とのＮＱＲ信号の特徴の主な相違点はＮＱＲ信号が所定の周波数でのみ発生することである。一方、音響発生信号はＲＦ励起パルスのいかなる周波数でも発生することが可能である。よって、標準あるいは改良されたＲＦパルスシーケンスを使用してＮＱＲサンプル周波数の範囲外の周波数でＮＱＲスキャニングシステムを操作することで、標的物質からは信号が発生されず、検出されない。この条件下でもし信号が存在するならば、これは音響発生現象によるものである。この方法の適用は本発明のチューニングシステムの直接的利用である。この”音響発生検出”シーケンスは主要サンプル検出シーケンスの前後いずれでも適用でき、プログラムとＲＦ信号発生の一部である。この周波数エクスカーション（excursion）は本発明の自動チューニングの特徴によって容易に提供が可能である。図１のスキャニングシステムにおいて、アナログ検出器を使用するときには、信号捕獲／データ処理サブシステム４１は、２体のアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器４２と４３、及びデジタル信号プロセッサー４４を含む。フェーズ感知検出器２７と２８から受信された信号はＡ／Ｄコンバータ４２と４３にそれぞれフィードされる。サンプルスキャニングとリング検出シーケンス（ring detect sequence）で発生された全信号はＡ／Ｄ変換器にフィードされ、デジタル信号プロセッサーで処理される。このサンプルスキャニングシーケンスを通じて信号は米国特許第５，３６５，１７１号に紹介されたアルゴリズムに従って加処理あるいは減処理される。この加処理／減処理アルゴリズムはＲＦコイルリング−ダウン（ring-down）現象と磁気音響発生現象（magnetoacoustic ringing）を減少させる。本発明のこの部分の実用的な１形態では、信号捕獲と信号処理の大部分はプラグイン（plug-in）ＰＣＡ／Ｄ変換カードで実行される。このカードは２チャンネルである１４ビット解析（resolution）と２ＭＨｚサンプルレートを有している。サブシステム４１はさらに、必要に応じて連続データセットの加処理あるいは減処理のごときオンボード（on-board）デジタル信号処理機能を実行する。この出力信号の処理が完了したら、それはデジタル式にフィルターされて所定のしきいレベル（threshold level）と比較される。あるいは、その信号がアポダイズ処理（apodized）され、フーリエ変換されれば、それは周波数スペクトルの０Ｈｚで、あるいはその近辺でクワドラチャ（直角）”スパイク”（quadrature " spike"）として発生し、フィルターされて検出対象物体の”知られた”信号と比較される。その周波数領域において、この信号捕獲／データ処理サブシステムは他の信号要素を予期される信号要素と比較する。例えば、その信号形状（ローレンツ形あるいはガウス形）をハーフ高（half height）でのライン幅と比較するであろう。前記のこれら信号要素の組み合せは標的物質の存在あるいは非存在の決定に使用が可能である。デジタル信号プロセッサーの出力は表示器４６に送られる。ＮＱＲ検出された信号はデジタル信号プロセッサー４４のメモリに保存された所定のしきいレベルと比較される。もし検出された信号が所定のしきい値と等しいかそれよりも大きければ、赤光灯９３が表示器４６の操作員パネル上でフラッシュし、標的物質の存在を示す。もしその信号が所定のしきい値よりも小さければ、緑光灯９２がフラッシュし、標的物質の非存在を示す。もしこの自動チューニングアルゴリズムが、平均調査値あるいは所定しきい値と比較してコイルの再チューニングの過剰量が必要であると検出したら、あるいは音響発生信号が検出されたら、この状態はフラグ（flagged）され、警告黄光灯９４が点灯する。この警告黄光灯の点灯は、（１）コイル内に異常な量の金属が存在すること、（２）多量の高誘電材料が検出されたこと、あるいは、（３）音響発生信号が検出されたこと、を示す。ＮＱＲテストの不完全な結論を補うため、さらなる別形態のテストあるいは可視検査が利用可能である。前述の点灯表示に加えて、表示器は信号のグラフィック表示９５をオプションで提供することもでき、インフェーズ信号（in-phase signal）やクワドラチャー信号、及び他の信号やシステムの特徴を示すこともできる。さらにオプションとして、時間、日付、信号強度、周波数、コイルチューニングパラメータ、及びスピーカ９７からの音響信号レスポンス等の他の情報を含んだプリントアウト９６を提供することもできる。従来のＮＱＲ信号検出器の効果を低減させてきた要因はこのシステムによって減少あるいは排除される。もしサンプルに導伝性あるいは誘電性物体が存在すれば、この自動チューニングサブシステムは邪魔な物体の影響を中和（neutralize ）させるように採用されるであろう。その理由があれば視覚検査が続いて実行される。この自動チューニング性能は、チューニングキャパシタンスに影響を及ぼす温度変化や、キャビティ内にサンプルが挿入されるときに発生するかも知れないコイルの移動や歪みにも素早く対処することができる。本発明のチューニングシステムはＮＱＲスキャニングシステムの１特定器材として説明されてきた。ＮＭＲ検出器システムも適用して検出される可変ＲＦ周波数を必要とする理由で、本発明はそれらＮＭＲ検出器システムにも同様に適用できる。従って、本発明の自動チューニング機能はＮＱＲとＮＭＲ検出システムのいずれにも適用が可能である。このチューニング装置は、サンプルコイルの最良自動精密チューニングによってＮＭＲとＮＱＲシステムのための改良感度を提供する。使用されるアルゴリズムと、そのアルゴリズムを適用するようにデザインされた装置の双方は、ＮＱＲとＮＭＲの分野の現行のアルゴリズムと装置とはそれぞれに異なる新規性を提供している。さらに、このシステムほど効率性が高い従来装置は存在せず、チューニングの現状を表示したり、その情報を提供することができる従来技術も装置も存在しない。このシステムは広範囲のインピーダンスマッチングと共鳴周波数の維持とを提供する。以上、本発明の実施例を説明してきた。当業者であれば添付の「請求の範囲」のスコープ内でその実施例の改良や改善が可能なことであろう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims

【特許請求の範囲】１．核クアドラポール共鳴（ＮＱＲ）探知システム及び核磁気共鳴（ＮＭＲ）探知システムにおいて、被検体内に存在するときには所定の物質の核クアドラボール共鳴周波数または核磁気共鳴周波数を検出させるようにその被検体がＮＱＲ／ＮＭＲ探知システムの検出要素内に挿入されたとき少なくとも１つの選択された所定の周波数で最大パワー移動効率を確立させる自動チューニング装置であって、その物質とは所定の特徴的な核共鳴周波数を有しており、核共鳴周波数とは、分子電界グラジエントとのクアドラボール相互作用（ＮＱＲ）か、あるいは適用された静磁界（ＮＭＲ）によって生じる核プリセッションの周波数であり、本装置は、タイミングとプログラミングパルスを本装置に提供する手段を有したシーケンスコントローラ（２１）と、一般的には所定の物質の核共鳴周波数に対応した所定の周波数でパルスされたＲＦ励起を提供する可変周波数ＲＦソース（２３）と、内部に所定容積のキャビティを定義するように形状化された１巻型ＲＦコイルシート（３４）であって、そのコイルで定義されたそのキャビティ内に前記被検体を受領するものであり、前記ＲＦソースからのＲＦ信号はそのキャビティ内で伝達され、そのＲＦコイルキャビティ内でその被検体に均質に適用されてそのキャビティ内に均質な磁界を発生させ、そのＲＦコイルはその被検体からのＮＱＲ／ＮＭＲ信号のピックアップコイルとしても機能して出力信号を提供するＲＦコイルと、その所定の核共鳴周波数で前記ＲＦコイルのパワー移動効率を測定する手段（３６）と、本装置に接続されており、前記ＲＦコイルで回路内に選択的にスイッチ処理が可能な固定値キャパシタのアレイ（９３）と、それらキャパシタを前記ＲＦコイル回路内に選択的に接続させる複数の個々に制御が可能なスイッチ手段（９４）と、を含んでおり、前記シーケンスコントローラは、前記測定手段からのパワー移動効率の測定値に基づいて前記キャパシタの前記ＲＦコイルでの回路内外のスイッチ処理を制御し、所定の核共鳴周波数での前記ＲＦコイルの最大パワー移動効率を確立させて維持する、ことを特徴とする自動チューニング装置。２．各々の連続したキャパシタは先行のものの２倍である静電容量値（capaci tive value）を有していることを特徴とする請求項１記載の装置。３．前記コントロール可能なスイッチ手段は前記各キャパシタに対して各々が対応する一連の真空リレー（９４）を含んでおり、その真空リレーは前記シーケンスコントローラ（２１）で個別にコントロールされていることを特徴とする請求項２記載の装置。４．前記ＲＦコイルのパワー移動効率を測定する前記手段は前記ＲＦソースからそのＲＦコイルへと直接的に送られるパワー（前方パワー）の量を測定し、そのコイルへ反射して戻ってくるパワー（反射パワー）の量を測定する手段を含んでいることを特徴とする請求項１記載の装置。５．所定の物質が被検体内に存在するとき、コイルにその所定の物質の核クアドラポールあるいは核磁気共鳴（ＮＱＲ／ＮＭＲ）周波数を検出させるため、そのコイルによって形成されたキャビティ内に前記被検体が挿入されたとき、そのコイル内の所定の周波数で最大パワー移動効率を確立させる自動チューニング装置のための方法であって、前記所定の物質は所定の特徴的な核共鳴周波数を有しており、核共鳴周波数とは、分子電界グラジエントとのクアドラポール相互作用（ＮＱＲ）か、あるいは適用された静磁界（ＮＭＲ）によって生じる核プリセッションの周波数であり、本方法は、前記所定の物質の存在を知るために被検体を受領するように所定の容積を有した前記キャビティを定義するよう１巻型ＲＦコイルシート（３４）を形成するステップと、そのＲＦコイルで形成されたそのキャピティ内にその被検体を挿入するステップと、その被検体を収容するそのコイル内のそのキャビティ内に均質な磁界を確立させ、そのＲＦコイル内の前記被検体に対して均質なＲＦ信号を適用させるように前記所定の特徴的な核共鳴周波数の１つあたりでＲＦパルスを提供するステップと、その所定の核共鳴周波数で前記コイルのパワー移動効率を測定するステップと、その所定の核共鳴周波数で内部に前記被検体を含んだ前記コイルの最大パワー移動効率を確立させるためにそのＲＦコイルで複数の固定値キャパシタ（９３）を回路内に選択的にスイッチ処理するステップと、を含んでいることを特徴とする方法。６．前記ＲＦコイル（３４）での前記キャパシタ（９４）の回路内外への選択的なスイッチ処理は複数の真空リレー（９４）で遂行され、そのスイッチ処理をコントロールするフィードバッタアルゴリズムをコントロール装置で提供し、その信号はそのコントロール装置（２１）から提供されることを特徴とする請求項５記載の方法。７．パワー移動効率を測定する前記ステップは、前記ＲＦコイルへ直接的に送られるパワー（前方パワー）の量を測定するステップと、そのＲＦコイルへと反射して戻ってくるパワー（反射パワー）の量を測定するステップと、前記所定の核共鳴周波数でそのＲＦコイルの最大パワー移動効率を確立させるため、フィードバックアルゴリズムに従ってそのＲＦコイルで前記固定値キャパシタを回路内外に選択的にスイッチ処理するステップと、を含んでいることを特徴とする請求項５記載の方法。