JPS6155058B2

JPS6155058B2 -

Info

Publication number: JPS6155058B2
Application number: JP48067678A
Authority: JP
Inventors: Aaru Erunsuto Richarudo
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1972-06-15
Filing date: 1973-06-15
Publication date: 1986-11-26
Also published as: JPS4952694A; DE2328472A1; US3810001A; FR2190276A5; CA990795A; DE2328472B2; DE2328472C3

Description

【発明の詳細な説明】今日の核磁気共鳴分光装置では、スペクトルは
極めて狭い周波数範囲内に多数の良く分解された
共鳴線をなしている。種々の共鳴周波数を絶対測
定するには、周波数及び磁界を極めて正確に測定
する必要がある。従つて殆んどの測定は、絶対測
定ではなくて、適当な参照線に対する周波数差を
求めている。

公知の１つの方法では（この方法は極めて長た
らしいものである）、高周波或は磁界の１つを変
調して参照線の側帯波を作つてスペクトル中に多
くの参照マーク即ち目盛マークを得ている。次で
補間法によつて線の位置を測定し、変調周波数と
同じ精度で決定することができる。

別の技術では、磁界・周波数ロツクを用いてお
り、参照線の共鳴周波数を無線周波発振器から得
た周波数_１に等しく維持するように磁界を安定
させる。可変周波数_２の第２の無線周波発振器
を用いて試料共鳴を検出する。周波数の測定は、
各共鳴線の位置における差周波数_１−_２を決
定することに変換される。この磁界・周波数ロツ
ク技術はやゝ複雑であり、高価である。

本発明はインパルス型磁気共鳴分光計において
分析中の試料の出力スペクトルを直接に供する新
しい装置を提供するものであつて、試料の分離し
た複数の共鳴線と参照物質の単一の強い共鳴線と
の間の差周波数を求めるものである。これらの直
接に得られる差周波数は極めて良い近似を得るよ
うに、分極磁界の変動には無関係であり、従つて
磁界の安定化は必要なく分光計は大幅に簡易化さ
れるようになる。更に、感度はフーリエ分光法と
同じように高いものである。

この新しい磁気共鳴分光計装置では、分析すべ
き試料と強い単独の共鳴線を有するような参照物
質とを分極用磁界内に位置ぎめし、これらに駆動
用無線周波磁界パルスを複数回印加して試料及び
参照物質にそれぞれの無線周波共鳴周波数におい
て同時に磁気共鳴を起させ、複数の連続複合減衰
信号を発生させる。これらの連続複合減衰信号は
試料及び参照物質に結合されている受信機回路に
おいて検出され、次で包絡線検波器で復調され、
全ての共鳴の差周波数が求められる。単独の参照
線と複数の試料共鳴線との間の優勢差周波数が低
域通過フイルタによつて抜き出される。本発明の
１実施例では、合成複合信号をアナログ・デイジ
タル（AD）変換器によつてサンプルし、連続減
衰信号を平均化し、参照物質のレスポンスを除去
し、残余の信号をフーリエ変換して参照線の位置
に一致する零周波数を有する（記録用）試料共鳴
スペクトルを得ている。別の実施例では、合成複
合信号を逐次的に位相感応アナログ・フーリエ分
析器に印加して差周波数スペクトルを得ている。
分析器の出力は１つの周期を通して平均化され、
安定状態の出力スペクトル信号が記録される。

以下に添付図面を参照して本発明の特定の実施
例を説明する。

第１図に示す本発明の１つの好適実施例は現在
の高分解能核磁気共鳴（以下にNMRと略記す
る）分光計装置において代表的な、強い一方向性
磁界を発生する電磁石手段（図示せず）を備えて
いる。使用する電磁石手段は、例えば「Varian
Associates」製モデルDA―60高分解能NMR分光
計に用いられているものでよく、このモデルは電
流安定回路及び自動均質制御回路を有する電源を
含んでいる。この自動均質制御回路は、米国特許
第3443209号に開示されているような態様で一方
向性磁界のH₀の均質性を自動的に制御するもの
である。

分析するプロトン試料は、参照物質と共に公知
の形状のスピニング試料プローブ１１に入れて磁
界中に位置ぎめされ、在来型のフーリエ変換分光
計と同じパルス技術によつて、試料及び参照物質
の共鳴が励起される。

例えば60MHzの送信機１２の無線周波出力は在
来の設計の計算機制御のダイオード・ゲート１３
内にゲートされ、試料及び参照物質のスピン系の
励起のために所望の順序の無線周波パルスが作ら
れる。これらのパルスは適当な電力増幅器１４
（例えば4.5ワツトの増幅器で約50マイクロ秒の巾
の90゜パルスを発生）で増幅されプローブ１１内
の送信コイル１５を介して試料及び参照物質に印
加される。第１図にブロツクダイアグラムで示す
フーリエ差分光装置の各点Ａ乃至Ｇにおけるこれ
らのパルスの波形を、第２図Ａ〜Ｇに示してあ
る。

試料及び参照物質の自由誘導減衰信号Ｂは受信
コイル１６によつて検知され、増幅器１７で増幅
され、在来のダイオード検波器１８を通過する。
ダイオード検波器１８はレイセオン社製の
CK5704型熱イオン・ダイオードを用いている
が、OA85型のゲルマニウム・ダイオードを用い
ても同じ結果が得られる。検波器１８からの信号
出力Ｃは周波数500Hz、3dBの特性を有する低域
通過フイルタ１９によつて波され（信号出力
Ｄ）、例えば米国カリフオルニア州パロアルトの
Varian Associates社製「Varian
Spectrosystem100」のような９ビツト＋符号AD
変換器２０によつて1024点デイジタル表示に変換
され、そして8Kメモリを有する例えば
「Varian620i計算機」のような適当な小型計算機
２１内で前の減衰信号の和に加えられる（信号
Ｅ）。和は２つの16ビツト語に二倍精度（double
precision）で蓄積される。参照物質のレスポン
スは、後述のように浮動点演算を用いた６次のル
ジヤンドル多項近似によつて抑制される（信号
Ｆ）。

データは単精度（single precision）に換算さ
れ、高速フーリエ変換ルーチンを用いる公知の方
法でフーリエ変換される（信号Ｇ）。周波数依存
の位相及び振幅調整によつて、純粋な吸収モー
ド・スペクトルが得られる。最終スペクトルは２
つの14ビツト＋符号デイジタル・アナログ
（DA）変換器２３，２４（Varian
Spectrosystem100）を用いてXYレコーダ２２に
プロツトされる。磁界の均質性は以下のようにし
て自動的に調整される。即ち、次の無線周波パル
スを印加する前に、磁化の残留ｘ及びｙ成分は強
いパルスを線形ｙグラジエント補正コイルに供給
することによつて消去される。

使用する参照物質は、関係のあるスペクトル範
囲の外側に位置している強い単一の参照線を呈す
るべきである。本参照線の強さを試料線よりも
100乃至1000倍にすることは容易であるから、発
生可能な炭素１３のサテライト（Satellites）の
参照線は、弱い差周波数スペクトルの中に強い線
となつて現われ、従つて参照物質の核に炭素１３
の核を結合させてはならない。一方発生可能な炭
素１３のサテライトは較正の目的に利用できる。

サテライトの無い適当な参照物質と考えられる
物質には次のものが含まれる。

プロトン共鳴には；水及びトリフルオル酢酸。
これらの参照線の化学シフトは強い温度依存性を
呈するから注意深い温度制御が必要である。

炭素１３共鳴には；二硫化炭素及び四塩化炭
素。

燐共鳴には；燐酸、三酸化二燐及び二硫化炭素
中の黄燐。

試料のスピンに基く側帯波もフーリエ差スペク
トル内に現われ得るから、これらの強い参照線の
側帯波も避けるべきである。これは試料の中心に
参照物質毛細管を配置することによつて達成する
ことができる。このようにすると試料のスピンか
らは殆んど影響を受けることが無くなり、また高
度に均質な磁界（これは包絡線検波器を正しく動
作させるのに重要である）のためにゆつくり減衰
する参照自由誘導信号が得られるという別の長所
も得られる。磁化率効果には無関係の、良く知ら
れた型の周波数マークを設定するために、別の内
部参照を用いることが好ましい。

第３図の曲線Ａは、四塩化炭素中のエチル・エ
ーテルの0.2％溶液を、〔H₂O〕：〔D₂O〕＝１：
３からなる混合体を参照毛細管として60MHzの無
線周波数で励起し、包絡線検波した後のプロトン
共鳴自由誘導減衰信号を示すものであり、合計
256秒の作業時間中の128個の自由誘導減衰信号を
総平均して得た曲線である。参照信号強度は合計
試料信号強度の20倍であつた。励起用無線周波パ
ルスの振幅は、最高の信号強度が得られるように
最適のものとしてあつた。第３図の曲線Ｂは多項
近似法によつて参照物質のレスポンスを除いた後
の同じ自由誘導減衰信号を示すものである。

第３図の信号Ｂをフーリエ変換すると第４図の
曲線Ａが得られる。零周波数附近の弱い信号は、
三重線の中心線よりも67倍も強い参照信号が完全
に抑制されなかつたために生じたものである。参
照用の水の線の比較的強いスピニング側帯波
（SSB）が見られる。比較のために、第４図には
同一試料を同一作業時間（250秒）費して単一走
査した時のスペクトルを曲線Ｂに示してある。こ
のスペクトルは同じ装置を用いて、プローブ或は
前置増幅器の再同調を行なわずに水の線に内部ロ
ツクをかけて得たものである。これらを比較すれ
ば、フーリエ差分光法が、理論的な結論に近い
9.5倍の感度増大を得ていることが解る。

試料線と参照線との間の差周波数の形成には、
非線形検波素子（第１図の１８）が必要である。
包絡線検波器及び自乗検波器が、２つのこのよう
な適当な検波器である。理想的な包絡線検波器
は、正の信号のみを通過させ負の信号を阻止す
る。検波器出力信号の低周波成分は、元の信号の
包絡線に比例する。参照周波数の振幅が各試料共
鳴周波数の振幅の和よりもはるかに大きい場合に
は、後述の多項近似法による試料共鳴からの参照
共鳴の分離が容易になる（第３図参照）ので、包
絡線は各試料共鳴と参照共鳴との間の差周波数信
号の１次結合に近似する。その差周波信号の１次
結合の各差周波の相対的振幅は、それぞれの試料
共鳴信号の振幅により決定される。実際の包絡線
検波器は半導体ダイオード又は熱イオン・ダイオ
ードを用いており、これらの素子の低振幅時の非
理想特性を避けるためには充分大きい入力信号
（数ボルト）を必要とする。

理想的な自乗検波器の出力は印加された入力信
号の２乗に等しく、全ての信号成分間の双一次ク
ロス項を含んでいる。試料及び参照レスポンス間
のクロス項は、参照信号の大きさに依存するので
充分に強い参照信号を用いれば後述の多項近似法
により選別可能にすることができる。自乗検波器
は、ダイオード検波器の低振幅における自乗特性
を利用してダイオードに充分に弱い信号を印加す
るか、アナログ乗算器を使用するか、或は二重平
衡変調器を用いて両入力に同一信号を加えればよ
い。自乗検波器は、本質的に、試料レスポンスと
参照レスポンスとを乗ずることによつて整合した
波効果を生ずるものである。これは試料レスポ
ンスを局部的信号対雑音比によつて重みをつける
ことと同じ効果（試料及び参照線の線の形状が同
じであるものとして）を生じ、フーリエ変換され
るスペクトルの信号対雑音比を自動的に最適化す
ることになるが、同時に分解能は低下する。

本発明では、包絡線検波器の方が自乗検波器に
比べてダイナミツク・レンジが広く、分解能が高
いので好ましい。

第５図は試料線の振幅と参照線信号の振幅との
比が結合周波数の振幅に及ぼす影響を示す図であ
つて、外部参照物質として毛細管内にシクロヘキ
サンを用いた時の濃度の異なるアセトン及び四塩
化炭素中のジメチルスルホキシドのフーリエ差ス
ペクトルを示すものである。相対信号強度は、
Ａ：（シクロヘキサン）：（アセトン）：（ジメ
チルスルホキシド）＝100：６：６、Ｂ：＝100：
12：12、Ｃ：＝100：30：30、Ｄ：＝100：60：60
である。種々な組合せ周波数に対して発生する周
波数組合せはｃ＝（シクロヘキサン）、ａ＝
（アセトン）及びｄ＝（ジメチルスルホキシ
ド）で示してある。直線検波器としてゲルマニウ
ム・ダイオードOA85を用い、ピーク信号電圧は
７ボルトであつた。最も強い不要成分は試料共鳴
間の差周波数である。満足すべき結果を得るため
には、参照信号強度が合計試料強度の10倍である
ことが好ましいことが解る。

信号レスポンスの感度が失われる可能性があつ
て、参照信号と信号との間にこのような大きな差
（即ち10倍というような）が望ましくない場合に
は、例えば第５図のスペクトルＤの右側に示され
ている不要の高い結合周波数は、計算機２１にお
いて公知のデコンボルーシヨン
（deconvolution）法を用いてこれらの高い結合線
を元のスペクトルに作用させて除去し、これらの
線を適当に低下させた、或は除去した最終的なス
ペクトルを得ることができる。検波器の非線形効
果によるランダムな雑音が強まるのを避けるため
には減衰信号の殆んどの部分において参照レスポ
ンスをランダム雑音よりも相当に大きくしなけれ
ばならず、信号電圧／雑音電圧の２乗平均平方根
≧25とすべきである。上記の２つの条件から最小
の使用可能参照信号振幅が決定される。

第６図はダイオード検波器に加えられる信号の
振幅が、結合周波数の現われ方にどのように影響
するかを示す図であつて、本図は第５図と同じ試
料及び参照物質の差スペクトルを示してあり、相
対信号強度は100：30：30を用いている。スペク
トルＡはゲルマニウム・ダイオードOA85を用い
たダイオード検波器に７ボルトのピーク信号電圧
を加えて得たものであり、スペクトルＢは信号電
圧を0.7ボルトにした時のものである。振幅が大
きいと検波器は包絡線検波器として働き高い結合
周波数（第６図Ａ）が現われ、一方振幅が小さい
と自乗検波器のように働いて高調波部分は現われ
ず差周波数だけが現われる（第６図Ｂ）。

振幅が小さい時には整合した波効果によつて
線が広げられているのが解る。

検波過程における非線形効果を最低にするよう
に参照物質のレスポンスは試料レスポンスよりも
数次のオーダーで遥かに大きくすることができる
ので、自由誘導減衰信号をフーリエ変換する前に
参照レスポンスを除去するのが有利である。これ
によつて精度が向上し、変換されたスペクトルの
見掛けが良くなる。参照レスポンスを除去するの
に、検波器出力に設けられた高域通過フイルタ、
デイジタル高域通過フイルタ、或はデイジタル近
似法を含む幾つかの技術の何れを用いてもよい。

検波器の出力に遮断の急峻な高域通過フイルタ
を設けると、指数関数的な参照減衰信号における
低い周波数が除去され、高い差周波数が通過す
る。参照信号の初期の不連続部分（第２図Ｄ参
照）によつて自由誘導減衰信号の始めにトランジ
エントが残るが、その形状はフイルタの特性に依
存する。また、試料レスポンスに位相のシフト及
び振幅変動を生ずるが、このため最終的なスペク
トルを得るには微妙な調整が必要となる。高域通
過フイルタを用いると高分解能を有するAD変換
器を用いずに済むが、この方法は参照線が試料共
鳴線から充分に離れている場合だけにしか適用で
きない。

デイジタル化されたデータに対しては、等価的
なデイジタル高域通過波動作を遂行させること
が可能であり、適当な処理によつて上記のような
トランジエント及び位相シフトを抑えることがで
きる。しかし、参照線と試料共鳴線が大きく離れ
ていることという条件はそのまま生きている。

最も信頼できる方法は、複合レスポンスに対し
てデイジタル近似法を適用することである。近似
プロセスのための試行関数（trial function）
は、参照レスポンスには良く近似しているが、試
料レスポンスの高い周波数に対しては近似しない
ように選ぶ。次で逐次的に近似値を差引いて参照
レスポンスを除去する。簡単な試行関数は自由パ
ラメータａ，ｂ及びｃを持つ指数関数である。即
ちｇ（ｔ）＝ａ＋ｂ exp（ct）〔１〕殆んどの場合、参照レスポンスは多分に非指数関
数的であり、次式のようにより高次の項を加える
必要がある。

係数ｂ_kは、例えばニユーヨーク州MacGrawHill
Publishersより1956年に刊行されたJ.H.Laning等
の「Random Processes in Automatic
Control」という著書の381頁に記載されているよ
うに、指数関数の直交する一次結合で展開するこ
とによつて決定される。

最も都合の良い近似法は、同出版社より1956年
に刊行されたF.G.Hildebrand著「Introduction
to Numerical Analysis」の272頁に記載されて
いるルジヤンドル多項式近似法である。多くの場
合４乃至６項の多項式で充分である。参照レスポ
ンスは1/100以下に抑制される。代表的には最終
的なフーリエ変換されたスペクトルの零周波数附
近に弱いトランジエントが残る。（第４図及び第
５図参照） AD変換器のダイナミツク・レンジは、参照レ
スポンスよりも遥かに弱い試料レスポンスを正確
に回復できるように、充分大きくとるべきであ
る。実際のフーリエ差分光法では、殆んどの場合
試料レスポンスはランダム雑音よりも弱く、信号
平均化によつて埋もれた信号を回復し得るように
雑音を正しくデイジタル化しなければならない。
ランダム雑音中に完全に埋もれた信号は、デイジ
タル化量子が雑音電圧の２乗平均平方根よりも小
さい場合には、信号を平均化することによつて回
復することができ、通常は因子を２とすれば充分
である。同時に相当大きい参照信号をデイジタル
化するには、AD変換器のダイナミツク・レンジ
は2Vref（参照信号電圧）／Vrms（雑音電圧の
２乗平均平方根）とする必要がある。実際にはこ
の比を100乃至200にとる。従つて、一般に、AD
変換器のダイナミツク・レンジを一杯に使用する
ように入力電圧が調整されているならば、９乃至
10ビツトのAD変換器を用いればよいことにな
る。

計算機メモリのダイナミツク・レンジは、信号
平均過程において加え合わされる減衰信号の数だ
けAD変換器のレンジよりも大きくしなければな
らない。このようにするには、多くの小型計算機
では、平均化された信号を二倍精度表示しなけれ
ばならず、メモリ・スペースは２倍になる。これ
は連続するAD変換の差だけを蓄積するようにす
れば避けることができる。強い参照レスポンスは
変化がゆつくりであるから、これらの差は信号全
体よりも遥かに小さくなる。

フーリエ差分光法において調整すべき他のパラ
メータは、磁界の均質性の程度を決定し、測定
し、また制御することである。この目的のため
に、1968年版「Review of Scientific
Instruments」第39巻998頁に所載のR.R.Ernstの
論文「Measurement and Control of Magnetic
Field Homogeneity」による自動調整法を利用す
ることが望ましい。

検出された複合レスポンスの積分値はフーリエ
変換されたスペクトル内の信号ピークの高さに等
しいから、これを均質性を得るための尺度として
用いることができる。自由誘導減衰信号の初期振
幅は、連続する減衰信号の建設的或は破壊的な干
渉のために一回毎に変化する。この干渉は、磁界
の変動に起因する先行周波数の変化によつて生ず
る位置変動に依存している。この干渉は次の無線
周波パルスを印加する直前に磁化のｘ及びｙ成分
を完全に消去することによつて除かれる。この目
的のために、1968年版「Journal ｏ
Chemical Physics」第48巻3831頁に所載のR.
Vold等の論文「Measurment of Spin Relaxation
in Complex Systems」に記載されている方法
で、強いパルスを線形磁界グラジエント補正コイ
ルの１つに印加して先行位相を無作為化してい
る。

単一のパラメータ（例えば試料のスピニング軸
に沿う線形グラジエント）を制御すれば充分であ
ることが多く、先行の積分値が現在のものより大
きいか小さいかに従つて固定増分がシス
（shim）電流に加減される。

フーリエ差分光法は、変調の振幅が参照H₀の
強度に比べて小さい限り、試料体積全体に亘る均
一な磁界変動即ち変調には鈍感である。磁界変調
に鈍感であれば磁石電源の設計が簡略化されるこ
とになり、また線周波数リツプルの抑制が微妙で
なくなる。

しかし次の２つの場合には磁界変調に対して鈍
感ではなくなる。即ち (イ) 狭帯域受信機は、時間依存磁界強度のため
に、周波数変調を周波数依存利得によつて自由
誘導減衰の振幅変調に変えてしまう。従つて受
信機の帯域幅は信号を歪なく通過させるのに充
分な幅に選ぶ。

(ロ) 試料体積全体に対して磁界変調が不均質であ
ると振幅変調を生ずるようになり、これは試料
スピニングの場合には重要である。

フーリエ分光法と在来の走査NMR法とは、円
筒形試料の場合には、スピニング側帯波に関して
は等価であり、フーリエ差分光法もスピニング側
帯波に鋭敏である。特に強い参照信号のスピニン
グ側帯波は相当な振幅になり得る。

以上のようにフーリエ差分光法は、比較的簡単
で且つ微妙さを伴なわない装置を用いて精密且つ
鋭敏なNMR測定が可能である。特に磁界の安定
度に対する厳格な要求が除かれている。フーリエ
差分光法により複雑なフーリエ変換技術にまで延
長することが可能であり、例えば、1969年版
「Journal of American Chemical Society」第91
巻7784頁所載のBecker等の論文、1970年版の同
誌第92巻4482頁所載のA.Allerhand等の論文、及
び1970年版「Journal of Molecular
Spectroscopy」第35巻298頁所載のJ.S.Waughの
論文に記載されている型の再集束法と混合可能で
あり、このようにすると適当な条件の下では更に
感度が増大する。またフーリエ差分光法はフーリ
エ分光法によるリラクセーシヨン・タイムの測定
にも適用できる。

以上に説明したように、フーリエ差分光法はフ
ーリエ分光法に高感度と、磁界変動に対する殆ん
ど完全な不感性とを混合したものであつて、自由
誘導減衰信号をフーリエ変換するのに必要な第１
図に示すデイジタル計算機２１を除けば、簡単且
つ安価な装置とすることができる。

第７図に示す別の実施例、即ち差周波分光計は
磁界変動に対しては同じように鈍感であつて、し
かも、デイジタル計算機或はデイジタル蓄積手段
を必要としない。計算機２１は簡単な位相感応ア
ナログ・フーリエ・アナライザに置換されてお
り、在来の連続波（CW）分光計並みの感度を有
している。アナログ・フーリエ・アナライザは、
信号平均化手段内に蓄積されている自由誘導減衰
信号をフーリエ解析するためのものであり、普通
のフーリエ分光計にも用いることができる。

データ解析及び感度を除けば、差周波数分光法
はフーリエ差分光法と等価である。スピン系は送
信機１２、ゲート１３及び増幅器１４を介してプ
ローブ１１内の試料及び参照物質に反覆して印加
される強い無線周波数パルス順序によつて励起さ
れる。レスポンスは受信機１７で増幅され、帯域
幅を制限された後包絡線検波器１８で復調され
る。この包絡線検波によつて全ての発生周波数間
の差が得られる。試料共鳴の周波数ω_iと充分に
強い参照線の周波数ω_pから得られる優勢周波数
ω_i−ω_pが低域通過フイルタ１９によつて抜出さ
れる。第８図はアセトンを磁界物質とするアクリ
ロニトリルのレスポンス（包絡線検波及び低域通
過波後）の一部を示すものである。

複合レスポンスの差周波数スペクトルは、後述
の位相感応アナログ・フーリエ・アナライザ２５
によつて逐次的に決定される。アナライザ２５の
基準周波数は電圧制御発振器（VCO）２６（例
えばWavetek131型）から与えられる。VCO２６
はアナライザ２５の出力信号を記録するのに用い
られているXYレコーダのｘ位置に比例する電圧
によつて駆動される。位相感応動作を行なわせる
ためには、アナライザ２５への入力信号と基準周
波数との間の位相整合（phase coherence）を維
持する必要がある。これはスピン系を励起するパ
ルス順序を基準周波数に同期させることによつて
達成される。順序発生器２９の中に含まれていて
VCO２６によつて制御されている簡単なデイジ
タル回路２８がこの目的のために用いられてい
る。

アナライザ２５の出力は、スピン系の周期的励
起によつて周期的波形になつている。レコーダ２
７に安定した信号を画かせるために、アナライザ
２５の出力を１つの周期に亘つて平均する。この
目的のため、低域通過フイルターが使用される。
しかし最良の方法は、ゲート付き積分器３１の装
置によるものである。ゲート付き積分器３１は、
アナライザ２５の出力を１つの周期に亘つて積分
し、積分値を保持回路に転送し、そして次の周期
を積分する前にリセツトされる。所要スイツチン
グ動作は順序発生器２９によつて制御される。

磁界が不安定であると連続する自由誘導減衰信
号に建設的或は破壊的な影響を及ぼす。磁界の不
安定さに無関係なくレスポンス振幅を得るには、
順序発生器２９の制御の下に、次の無線周波パル
スの直前の短時間の間に試料に強い磁界グラジエ
ントを加えることによつて、残留横方向帯磁を消
去することが望ましい。

所要動作のタイミングは順序発生器２９によつ
て得られる。順序発生器２９は一連の４つの単発
回路３３〜３６を含んでおり、これらの回路は作
動すると括弧内に示してある長さ（時間）のパル
スを１個発生する。各パルスの降下縁が次段の単
発回路をトリガする。可変単発回路のパルス長が
蓄積時間を決定し、そして分解能を決定する。解
析の各周期は、第８図に示すような４つの段階か
らなつている。即ち50マイクロ秒の励起段階に
は送信機ゲートが開いていて受信機ゲートが閉じ
ている。0.5乃至２秒の蓄積段階には送信機ゲ
ートが閉じ、各信機ゲートが開く。50ミリ秒の転
送段階には積分されたものが保持回路に転送さ
れ、横方向帯磁を消去するために磁界を不均質に
する。最後のリセツト段階は50ミリ秒であつて
積分器がリセツトされ、磁界が不均質にされる。
段階が終ると順序発生器２９の入力ゲート３７
が可能化されて、VCO２６からの次のパルスが
アナライザ２５の基準周波数に同期して次の順序
を開始させる。

差周波数分光法の分解能は、在来のフーリエ分
光法と全く同じようにパルス間隔Ｔによつて決定
される。

パルス間隔がＴ秒であれば、スペクトル領域に
おける共鳴信号の半値幅（分解能を意味する）は
0.6／ＴHzとなる。

吸収モードと分解モードを区分する簡単な位相
感応フーリエ・アナライザ２５は、位相感応検波
器（例えばBrookdeal411型）によつて実現でき
る。その基準周波数ω_rは可能な入力周波数範囲
０＜ω_r＜ω_naxに亘つて線形に掃引される。位相
の整合は前述のようにして確立される。出力信号
は低域通過フイルタ或はゲート付き積分器３１を
通つてレコーダ２７に送られる。

基準周波数ω_rで駆動されている理想的な位相
感応検波器は、入力周波数ω＝（2n＋１）ω_r（こ
こにｎ＝１，２，３……）に対して１／（2n＋
１）の相対感度を以て直流出力も発生する。この
ため解析すべき周波数スペクトルが２オクターブ
以上に亘ると、このスペクトルの高い周波数部分
の折れ曲りを生ずるようになり、どのような固定
フイルタを用いても全ての関連入力周波数の奇関
数的高調波を抑制することができなくなる。同時
にある高周波雑音が低く変換されてrms雑音電圧
がホワイト・ノズルの最大11％まで増加する。

この欠陥を補正する幾つかの方法には、電圧制
御フイルタ法、アナログ乗算法及び周波数シフト
法が含まれる。始めの電圧制御フイルタ法では、
VCO２６を駆動する電圧を、同時に低域通過フ
イルタの遮断周波数ω_bを制御するのに用いるこ
とができる。この低域通過フイルタは、常にω_b
〓２ω_rとなるように入力信号の帯域幅を制限す
る。この目的のために適しているフイルタはマサ
チユセツツ州ブライトンのAritech Coで製造さ
れている。

位相感応検波器は、入力信号と基準電圧とを乗
算するアナログ乗算器に置換えることができる。
真に線形の乗算器では、和及び差周波数だけが発
生し、入力信号内に基準周波数が含まれている場
合にだけ直流成分を発生する。この場合奇関数的
高調波に対するレスポンスは発生しない。適当な
乗算器がアリゾナ州フエニツクスのMotorola
Semiconductor Productsにおいて製造されてい
る。

第９図に示す周波数シフト法では、解析すべき
信号は変調器４１において発振器４２からの充分
に高い搬送波周波数ω_c（例えば20〜100KHz）上
に振幅変調され、高域通過フイルタ４３によつて
波された後、XYレコーダ２７によつて駆動さ
れているVCO２６によつて発生する基準周波数
ω_r＝ω_c＋ωを用いて位相検波器４４で位相検波
される。この場合励起用パルス順序は差周波数ω
＝ω_r−ω_cに同期している。差周波数ωはミクサ
４５においてω_rとω_cを混合し、低域通過フイル
タ４６を通して得ることができる。周波数シフト
することによつてω_rの奇関数的高調波を固定フ
イルタ４７によつて容易に除去できるように、ω
_rの相対周波数変動を減少させることが可能であ
る。

後の２つの方法は乗算器或は変調器の線形性に
依存しており、実際には線形性は0.2乃至１％の
オーダーである。アナログ乗算法はより容易に実
現でき、最も魅力のある方法である。

上記のフーリエ・アナライザは差周波数分光法
のみならず、在来のフーリエ分光法における自由
誘導減衰信号のフーリエ解析に、フーリエ技術に
よるリラクセーシヨン・タイムの測定に、そして
Ｊスペクトルの決定にも適用可能である。

信号平均化手段内に蓄積されている自由誘導減
衰信号の和をフーリエ解析するために、信号平均
器の内容は高速でDA変換器を連続的に通過し、
フーリエ・アナライザの入力に印加される。位相
感応検波をするには、各出力順序をフーリエ・ア
ナライザの基準周波数に同期させる必要がある。

CW分光法と比較するために、第１０図に差周
波数分光法(A)とCW分光法(B)による正規化された
信号対雑音比と観測線幅対自然線幅比T₂／T₂ ^*
との関係を示す。感度はT₂ ^*＝T₂の際のCW分光
法の感度によつて正規化してある。差周波数分光
法の感度は横方向リラクセーシヨン即ち磁界不均
質には無関係である。これは線幅が増し且つ自由
誘導減衰信号の振幅が減少するという補償効果に
よるものである。多チヤンネル・フーリエ解析を
伴うフーリエ分光法の場合には、この補償効果が
失われ、感度は線幅の増加に伴つて低下する。
CW分光法では不均質線幅の増加に対して感度も
低下するが、均質線幅には無関係である。

実際的にはCW法も差周波数法も似たような感
度を生ずるが、強い不均質性拡幅に対しては差周
波数分光法の方が感度に良い。一方CW分光法に
おける高速通過実験でも感度は相当に改善されて
いるが、大幅な線の拡幅を伴なつてしまう。何れ
かのフーリエ技術と同様に、差周波数分光法は、
飽和拡幅或は掃引拡幅を生じないという長所を有
している。

第１１図にCW分光法と差周波数分光法の感度
比較を示す。２つの曲線は四塩化炭素内の10容積
％のアセトンを参照物質として用いた３容積％の
アクリロニトリルの60MHzプロトン共鳴スペクト
ルであつて、差周波数分光法によるものが(A)、
CW分光法によるものが(B)に示されている。両実
験に用いた機器及び固有の感度は同一である。走
査時間は共に5000秒であり、低域通過フイルタの
遮断周波数は0.1Hzである。最高信号ピークで測
定した信号対雑音比は、差周波分光法ではVs／
Vrms＝5Vx／Vptp＝90であり、CW分光法では
94である。

最強信号ピークで測定した感度は実験誤差内で
同一である。一方差周波数スペクトルでは弱い線
はCWスペクトルよりも弱く現われていることが
解る。結合スピン系の飽和状態は両実験で異なつ
て現われている。

差周波数分光法は磁界変動に鈍感な簡単な測定
技法であり、感度及び分解能は少なくともCW分
光法と同じである。第７図に示す型の差周波数分
光器の欠点は走査速度が遅いことであり、これは
１つの自由誘導減衰信号の間にスペクトルの単一
の点だけしか記録できないという事実にもとづく
ものである。しかし、データをデイジタル的に蓄
積する在来のフーリエ分光器に対して、差周波数
分光器は広いスペクトルの中の任意の狭い部分を
高分解能と高精度で容易に記録することが可能で
ある。

本発明は、核磁気共鳴だけでなく、すべての共
鳴ボデー（resonant body）に対して適用可能で
ある。すなわち、エネルギーを吸収して磁気モー
メントの方向を変えるような何れの磁気スピン共
鳴現象に対しても適用可能であり、共鳴ボデーと
しては例えば電子スピン共鳴、核スピン共鳴、分
子スピン共鳴によるものがある。

以上に説明した差周波数分光法に係る要因は、
磁界安定度に対する依存度を除いて、磁界・周波
数ロツク型のフーリエ分光法にも適用されるが、
自由誘導減衰信号のフーリエ変換を行なう計算機
の代りに単一チヤンネル・フーリエ・アナライザ
を用いることに注意されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の差周波数分光計の１実施例の
ブロツクダイアグラムであり、第２図は第１図に
示すフーリエ差周波数分光計の動作の各段におけ
る波形の概要図であり、第３図は混合体
（H₂O）：（D₂O）＝１：３を参照毛細管として用
いた時の四塩化炭素中の0.2容積％のエチル・エ
ーテルの60MHzプロトン共鳴自由誘導減衰信号の
包絡線検波後の波形をＡに示し、同一自由誘導減
衰信号から多項式近似法によつて参照レスポンス
を除いたものをＢに示すものであり、第４図は第
３図の信号Ｂのフーリエ変換をＡに示し、同一試
料の単一走査をＢに示すものであり、第５図は毛
細管内の外部参照物質としてシクロヘキサンを用
い、四塩化炭素中のアセトン及びジメチルスルホ
キシドの濃度を変えた場合のフーリエ差周波数ス
ペクトルを示すものであり、第６図は第５図と同
じ物質を用いて、ダイオード検波器に異なる振幅
の信号を印加した時の２つの異なつたフーリエス
ペクトルを示すものであり、第７図は第１図のア
ナログ・デイジタル変換器及び計算器をより簡単
な手段に置換した第２の実施例のブロツクダイア
グラムであり、第８図は第７図のアナログ・フー
リエ・アナライザに与えられる60MHzプロトン共
鳴レスポンスの一部を示すものであり、第９図は
周波数シフトを用いて第７図の装置の参照レスポ
ンスの奇関数的高調波を抑制でききるようにした
アナログ・フーリエ・アナライザの１例のブロツ
クダイアグラムであり、第１０図は第７図の差周
波数分光計における信号対雑音比の不均質線拡幅
による影響を、連続波分光計出力と比較する図で
あり、そして第１１図は連続波分光計と第７図に
示す型の差周波数分光計の感度を比較する図であ
る。１１…プローブ、１２，１３，１４，１５…無
線周波磁界パルス印加手段、１６，１７…検知手
段、１８…復調手段、１９…抽出手段、２１，２
３，２４，２５…フーリエ変換手段、２２，２７
…記録手段。

Claims

【特許請求の範囲】１インパルス型核磁気共鳴分光計であつて：分極用磁界中にある分析中の試料と前記試料の
共鳴線から離れた単一の強い共鳴線を有する参照
物質とに同時に駆動用無線周波磁界パルスを、複
数回印加して、前記試料及び前記参照物質からそ
れぞれの無線周波共鳴周波数における自由誘導減
衰信号を同時に生ぜしめ、それらから複数の連続
複合減衰信号を生ぜしめるための手段；前記試料及び前記参照物質からの連続複合無線
周波減衰信号を検知するための検知手段；前記検知手段に接続されていて、前記の検知し
た連続複合減衰信号の分離した試料共鳴線及び参
照共鳴線を復調するための復調手段であつて、最
適の信号対雑音比とするために局部的な信号対雑
音比によつて前記試料の自由誘導減衰信号に重み
をつける手段を含む、復調手段；前記復調手段に接続されていて、試料共鳴と参
照共鳴との差の周波数からなる複合信号を抽出す
るための手段；該複合信号をフーリエ変換して、差周波数スペ
クトルを得るための手段；並びに該差周波数スペクトルを記録するための手段；を具備するところのインパルス型核磁気共鳴分
光計。２インパルス型核磁気共鳴分光計であつて：分極用磁界中にある分析中の試料と前記試料の
共鳴線から離れた単一の強い共鳴線を有する参照
物質とに同時に駆動用無線周波磁界パルスを、複
数回印加して、前記試料及び前記参照物質内の異
なる共鳴ボデーからそれぞれの無線周波共鳴周波
数における自由誘導減衰信号を同時に生ぜしめ、
それらから複数の連続複合減衰信号を生ぜしめる
ための手段；前記試料及び前記参照物質からの連続複合無線
周波減衰信号を検知するための検知手段；前記検知手段に接続されていて、前記の検知し
た連続複合減衰信号の分離した試料共鳴線及び参
照共鳴線を復調するための復調手段であつて、最
適の信号対雑音比とするために局部的な信号対雑
音比によつて前記試料の自由誘導減衰信号に重み
をつける手段を含む、復調手段；前記復調手段に接続されていて、複合信号のう
ち前記の試料共鳴と参照共鳴との差の周波数以下
の全ての周波数を通過させるための低域通過フイ
ルター手段；前記低域通過フイルター手段に接続されてい
て、前記の通過した複合信号をサンプルするため
のアナログ・デイジタル変換手段；前記の変換手段に接続されていて、連続複合減
衰信号から時間平均信号を形成し、該時間平均信
号から参照物質のレスポンスを減じて、補正差周
波数レスポンスを形成するための手段；前記補正差周波数レスポンスをフーリエ変換す
るための手段；並びに前記の変換されたレスポンスを記録するための
手段；を具備するところのインパルス型核磁気共鳴分
光計。３インパルス型核磁気共鳴分光計であつて：分極用磁界中にある分析中の試料と前記試料の
共鳴線から離れた単一の強い共鳴線を有する参照
物質とに同時に駆動用無線周波磁界パルスを、複
数回印加して、前記試料及び前記参照物質からそ
れぞれの無線周波共鳴周波数における自由誘導減
衰信号を同時に生ぜしめ、それらから複数の連続
複合減衰信号を生ぜしめるための送信器手段；前記試料及び前記参照物質からの連続複合無線
周波減衰信号を検知するための受信器手段；前記受信器手段に接続されていて、前記の検知
した連続複合減衰信号の分離した試料共鳴線及び
参照共鳴線を復調するための復調手段であつて、
最適の信号対雑音比とするために局部的な信号対
雑音比によつて前記試料の自由誘導減衰信号に重
みをつける手段を含む、復調手段；前記復調手段に接続されていて、前記の試料共
鳴と参照共鳴との間の差周波数以下の全ての周波
数を前記複合信号から抽出して、差周波数信号を
形成するための低域通過フイルター手段；前記低域通過フイルター手段に接続されている
アナログ・フーリエ・アナライザ、基準周波数発
生器及び順序発生器の３要素から成る手段であつ
て、前記アナログ・フーリエ・アナライザは前記
の複合差周波信号から差周波数スペクトルをもた
らし且つ駆動用無線周波磁界の前記パルスに位相
同期し、前記順序発生器は前記基準周波数に応答
し第１のパルス及び第２のパルスをもたらし、該
第１のパルスは前記送信器手段を開き前記受信器
手段を閉じ、第２のパルスは前記送信器手段を閉
じ前記受信器手段を開く、ところの手段；並びに前記差周波数スペクトルを記録するための手
段；を具備するところのインパルス型核磁気共鳴分
光計。４インパルス型核磁気共鳴分光計であつて：分極用磁界中にある分析中の試料と前記試料の
共鳴線から離れた単一の強い共鳴線を有する参照
物質とに同時に駆動用無線周波磁界パルスを、複
数回印加して、前記試料及び前記参照物質からそ
れぞれの無線周波共鳴周波数における自由誘導減
衰信号を同時に生ぜしめ、それらから複数の連続
複合減衰信号を生ぜしめるための手段；前記試料及び前記参照物質からの連続複合無線
周波減衰信号を検知するための検知手段；前記検知手段に接続されていて、前記の検知し
た連続複合減衰信号の分離した試料共鳴線及び参
照共鳴線を復調するための復調手段であつて、最
適の信号対雑音比とするために局部的な信号対雑
音比によつて前記試料の自由誘導減衰信号に重み
をつける手段を含む、復調手段；前記復調手段に接続されていて、前記試料共鳴
と参照共鳴との差の周波数より低い実質的に全て
の周波数を前記複合信号から除去し、参照レスポ
ンスを除去して、残余の複合信号を形成する手
段；前記の残余複合信号をフーリエ変換し、差周波
数スペクトルを得る手段；並びに前記差周波数スペクトルを記録するための手
段；を具備するところのインパルス型核磁気共鳴分
光計。