KR100313207B1 - Nqr에의한폭발물검사시음향링잉의현상을제거시키며온도영향을감소시키는시스템및방법 - Google Patents

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윌리엄 씨. 가버트
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Abstract

본 발명의 목적은 폭발성 물질들과 마취제들의 NOR 검출시에 변화로 인한 음향 링잉 및 악영향 현상들을 극소화 또는 제거시키는데 있다. 위상-교대 펄스 시퀸스(PAPS)와 비-위상-교대 펄스 시퀸스(NPAPS)를 결한시킨 변형된 정상 상태 자유프리세션(SSFP) 펄스 시퀸스로 샘플을 조사시킨다. PAPS 및 NPPAS로부터 생성된 신호들을 공가산시켜 신호들에 대한 FID 기여물들을 상쇄시킨다. 신호들에 대한 FlD 기여물들을 상쇄시킴으로써, 프로브 링잉 및 다른 외부로부터의 응답에 대한 현상 및 온도 변화 영향을 극소화 또는 제거시킨다. 본 발명의 방범은 특히14N 또는35, 37Cl 핵을 갖는 폭발성 물질들 및 마취제들의 검출시에 효과적이다. 본 발명의 방법에 특히 유용한 정상 상태 자유 프리세션 펄스는 강한 오프-공진 코움(SORC) 이다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 프로브 링잉 현상들은 또한 프로브-링잉 등과 같은 단지 주파수에만 무관한 현상들만을 관찰할 수 있도록 충분히 오프-공진하는 주파수에서 검출 절차를 반복시킴으로써 극소화 또는 제거될 수 있다.

Description

[발명의 명칭]
NQR에 의한 폭발물 검사시 음향 링잉의 현상을 제거시키며 온도 영향을 감소시키는 시스템 및 방법
[발명의 배경]
[발명의 분야]
본 발명은 개괄적으로 핵사중극 공명(nuclear quadrupole resonance, NQR)에
관한 것으로, 보다 상세하게는 핵사중극 공명에 의해 폭발물(exp10sives) 및 마취제(narcotics)의 검출에 관한 것이다.
[배경 기술]
본 명세서의 참고가 되는 1991년 5월 23일자 미국특허출원 07/704, 744호 및
1991년 7월 16일자 미국특허출원 O7/730, 772호에 기술된 바와같이, NQR은 폭발물 및 마취제를 검출함에 있어서 효과적인 수단이 될 수 있다. 특히, NQR은 예를 들어, 수화물, 우편물, 소형 화물에 포함되어 있는 질소 함유 또는 염소 함유 폭발물이나 사람들이 지니고 있는 마취제(또는 보다 일반적으로는14N,35, 37Cl 등과 같은 4중극 핵을 함유한 물질들)의 검출에 유용하다. 이러한 일반적인 NQR 해결방법은 외부에서 인가되는 정자기장(static magnetic field)을 필요로 하지 않는다는 점에서 "순수" NQR이라 불리기도 한다.
그러나, 불행하게도 전형적인 NQR 폭발성 및 마취제 검출 시퀀스에서 사용되는 무선주파수(Radio Frequency) 펄스들은 어떤 품목들(전형적으로는 자화철(magnetized iron) 또는 세라믹)에서 음향 링잉(acoustic ringing) 현상을 유발시키는데, 이것은 때때로 수화물에서도 찾아 볼 수 있다. 이러한 링잉 현상은 수 밀리초 (millisecond) 정도 지속될 수 있으며, 크기면에서 우려할만한 양의 폭발물에 해당하는 NQR 신호 진폭에 필적한다.
이러한 링잉 현상을 제거하지 않으면, 사람들은 그러한 물질들을 포함한 가방에 대해서 점점 더 많은 오류 경보율(false alarm rate, false positive)을 겪게될 수 있다. 선택적으로, "경보" 임계치를 증가시킴으로써 오류 경보율의 감소를 달성할 수 있지만, 검출가능한 최소량을 증가시키는 댓가를 지불하여야 한다.
음향 링잉(때로는 자기음향 링잉(magnetoacoustic ringing) 또는 프로브 링잉(probe ringing)으로도 칭함)은 비록 완전하게는 잘 알려지지 않았지만, 외부 정자기장을 사용하는 종래의 핵자기 공명(Nuclear Magnetic Resonance, NMR)에서는 잘 알려진 현상이다. 기본적인 메카니즘(basic mechanism)은 RF 펄스가 도체에서 와전류(eddy currents)를 유도시키는 것이다. 자기장내에서 힘(force)은 이들 전류와 도체에 작용하여 도체내에서 앞뒤로 튀어 오르는 음향 에너지를 유발시킨다. 이러한 음향 에너지의 펄스는 수신기의 코일에 결합된 자계를 번화시킴으로써, 구동 RF 펄스와 동상이며 음향 에너지가 시스템 내에서 소모될 때까지 지속되는 "신호"가 발생된다.
순수 NQR에는 정자기장이 존재하지 않으므로, 이 음향 링잉 메카니즘은 NMR의 메카니즘과는 다르다. 인가된 자계에 응답하여 자성을 띤 물질들 중의 강자성 구역들이 재배열을 시도하는 것으로 설명이 가능하다. 이들(부분적인) 재배열이 일으키는 격자 왜곡(lattice distortion)에 의해 음향 에너지가 발생되어 샘플내에서 앞뒤로 반사된다.
본 발명의 개시를 구체화하기 위해, 본원에서는 음향 링잉의 제거를 고려하고 있지만 외부의 프로브 링잉에 기여하는 다른 메카니즘도 또한 본원에서 기술된 방법에 따른 제거를 행하도록 정정가능하다.
핵자기 공명 관련기술의 경우, 외부로부터의 프로브 링잉을 감소 또는 제거하기 위한 여러 가지 방법이 있다. 이러한 링잉은 검사 중인 샘플(specimen)에서 보다는 프로브 본체나 RF 코일에서 대개 나타나므로, 음향파를 신속하게 감쇄시키는 물질을 사용하는 프로브를 기계적으로 재설계하는 것이 NMR에서 선택할 수 있는 방법이다.
음향 링잉의 현상들을 대부분 제거함에 있어서 효과적인 것으로 입증된 다수
의 NMR 펄스 시퀀스들이 있다. 이러한 시퀀스들은 일반적으로 회전하는 기준 프레임에서 NMR 신호의 부호를 반전시키는 능력에 좌우되지만, 동일 프레임에서의 음향 링잉 신호의 부호에는 의존하지 않는다(또는 그 반대의 경우도 성립). 따라서, 위반 음향 링잉 신호가 시간 중에 재생되면, 사람들은 입력 신호를 선택적으로 가산 및 감산하도록 배열할 수 있으므로, NMR 신호는 일관되게 가산되고(실제로) 반면에 음향 신호는 선택적으로 제로로 가산 및 감산된다. 이하에서 알 수 있는 바와 같이, NMR 에서 통상적으로 사용되는 제거 기술들은 NQR에 직접 적용할 수 엾다.
NMR 에서의 음향 링잉을 제거하기 위한 공지된 제2 방법은 NMR 자화를 통상 180도 또는펄스만큼 반전(NMR 자화의 부호를 변경)시키는 능력에 의존하는 것이다. 가능한 시퀀스 중의 하나로 예를 들어, 포지티브 NMR 신호 및 포지티브 음향링잉 부호를 발생시키는/2 여기펄스로 구성된다. 스핀-격자 이완 시간인 시간 T1에서 자화가 재생되면,반전 펄스가 인가되며, 다음에 시간 td동안은/2 펄스가 인가된다. 모든 펄스는 동상을 갖는다. td가 T1보다 훨씬 더 적으면, NMR 신호는 반전될 것이다. 또한, td가 음향 링잉 신호와 비교하여 길면, 음향 신호는 초기/2 펄스 후의 상태와 동일하게 될 것이다. 최종 생성된 신호들을 가산 및 감산시킴에 의해 NMR 신호는 보전되면서 음향 링잉 성분은 제거된다.
그러나, 앞서 상술된 간단한 방법들은 일반적인 NQR의 경우에 대해서 적절하지 않다. 화물에서의 폭발물 또는 사람이 지니고 있는 마취제를 NQR에 의해 검출함에 있어서, 여행 가방이나 수화물 등의 샘플에서 자성을 띤 물질들로부터 음향 링잉이 발생된다. 위반 내용물을 식별하여 제거시키는 것은 바람직한 해결방법이 아니다. 더욱이, NMR에 대해 상술된 간단한 시퀀스는 NQR에는 적용되지 않는다. 다결정 샘플인 경우, NQR "자화" 전체를 반전시키는 RF 펄스는 엾는 것으로 알려져 있다.
또한, 정확한 NQR 공명 주파수는 온도에 따라 변화하는 것으로 알려져 있다. 명백하게, 이러한 온도 번화는 NQR 검출방식에서 일부 불만족스러운 현상들을 나타낸다. 비록 이들 불만족스러운 현상들을 최소화하기 위한 통상적인 방법이 존재하지만, 본 발명의 방법은 효율적으로 프로브 링잉을 제거시키고 온도 영향을 극소화 시킬 수 있다.
[발명의 요약]
따라서, 본 발명의 목적은 폭발물 및 마취제 검출수단으로서의 NQR의 성능을향상시키는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 NQR에 의한 폭발물 및 마취제 검출시의 오류를 감소 시키는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 폭발물 및 마취제에 대한 NQR 검출시에 외부로부터의 프로브 링잉에 기인된 간섭을 감소시키는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 NQR에서 나타나는 온도 영향을 극소화시키는데 있다.
본 발명의 상기 및 그 밖의 목적들은 위상-교대 펄스 시퀸스 (phase-alternated pulse sequence, PAPS)와 비-위상-교대 펄스 스퀸스(non-phase-alternated pulse sequence, NPAPS)를 결합시키는 수정된 정상 상태 자유 프리세션(Steady State Free Precession, SSFP) 펄스 시퀸스로 샘플을 조사하는 NQR 방식에 의해 달성된다. 수정된 시퀀스의 PAPS 및 NPAPS 부분들에서의 신호들을 적절하게 가산함으로써, 다른 신호는 보존하면서 NQR 신호에 기여하는 자유 유도 감쇄(Free Induction Decay, FID)나 에코우를 제거할 수 있다. FID 기여를 제거하는 공가산(coadding) 절차도 단지 선행 펄스에 의해서만 정해지는 위상 및 진폭을 갖는 자기음향 링잉과 같은 외부로부터의 응답들을 완전히 상쇄시킨다. 이러한 공가산 절차 역시 NQR 신호에 대한 온도 번화의 영향을 극소화시킬 수 있다.
[도면의 간단한 설명]
발명의 보다 상세한 설명은 동일 소자나 구조체에 대해서는 동일번호를 사용한 도면과 바람직한 실시예로부터 완전하게 이해할 수 있다.
제1도는 본 발명의 NQR 시스템에 대한 블럭선도.
제2a 및 제2b도는 샘플(sample)에 대한 본 발명의 일 실시예의 미앤더라인(meanderline) 표면코일에 대한 평면도 및 측면도.
제3도는 XY 평면중에서 미앤더라인 표면코일의 자계강도에 대한 등고선을 도시한 도면.
제4 및 제5도는 본 발명의 NQR 검출 시스템의 실례도.
제6도는 음향 링잉을 제거시키는데 사용되는 SSFP 시퀀스의 변형된 타이밍 선도.
제7도는 t=22US, Y =5ms, n=64의 조건하에서 코카인 주약(cocaine base, 12.9g)에 대하여 3.817 MHz의 공명 주파수에서 결합된 시퀀스(PAPA + 주NPAPS)를 사용하여 실온에서 얻어진14N NQR 신호를 도시한 도면.
제8도는 코카인 주약 샘플과 함게 RF 코일에 2g의 희토류 자석(rare earth magnet)을 설치한 것을 제외하고는 제7도의 조건과 동일한 조건하에서 수정된 시퀀스의 결과치들을 도시한 도면.
제9a 내지 9c도는 SSFP RF 펄스 시퀀스의 3가지 변형을 사용하여 아질산 나트륨(sodium nitrite)의 4.645 MHz 라인의 NQR 신호강도 크기의 공명 옵셋 종속성을도시.
[실시예]
. 본 발명이 사용할 수 있는 예시적 방법 및 장치
본 발명을 사용하는 바람직한 실시예를 완전하게 설명하기 위해서는 폭발물에 대한 NQR 검출과 종래기술에서 유용한 개선점들을 포함한 일반적 기술이 도움이된다. 비록 이러한 기술이 본 발명에 유용한 특정의 장치 및 방법에 대해서만 집중되었더라도, 본 발명은 다른 여러 NQR 방법 및 장치에도 효과적으로 사용될 수 있다는 것에 주목할 필요가 있다.
제1도는 본 발명의 일 실시예의 NQR 검출 시스템에 대한 블럭선도를 도시한것이다. 무선 주파수원(radio frequency source, 60), 펄스 프로그래머 및 RF 게이트(50), 및 RF 전력 증폭기(40)가 제공되어 코일(10)에 인가되어질 소정의 주파수를 갖는 무선 주파수 펄스열을 발생시킨다. 결합 네트워크(coupling network, 20)는 무선 주파수원(60), 펄스 프로그래머 및 RF 게이트(50), 및 RF 전력 증폭기(40)로부터의 무선 주파수 펄스열을 코일(10)에 전달한다. 결합 네트워크(20)는 또한 무선 주파수 펄스열이 샘플에 조사된 후 코일(10)로부터의 신호를 수신기/RF 검출기(30)로 전달시킨다. 중앙처리장치(CPU, 70)는 폭발물(예를 들어, 모든 RDX-기제의 폭발물) 또는 마취제 형태의14N,35' 37C1 등의 NQR 주파수와 일치하거나 근접하는 소정의 주파수가 바람직하게 검출된 수 있도록 무선 주파수원(60) 및 펄스프로그래머 및 RF 게이트(50)를 제어한다. CPU(70)는 또한 전체(즉, "통합된") 질소 신호(또는, 보다 일반적으로는 해당 4중극 핵으로부터 나온 전체 신호)를 소정의 임계치와 비교한다. 소정의 임계치를 초과하면, CPU(70)에 의한 비교치에 응답하여 경보 장치(80)가 작동한다. 결합 네트웍(20), 수신기/RF 검출기(30), RF 전력 증폭기(40), 펄스 프로그래머 및 RF 게이트(50), 무선 주파수원(60), CPU(70) 및 경보(80)는 콘솔(100) 내에 포함될 수 있으며, 코일(10)만이 콘솔(100)의 외부에 있게된다.
제2a 및 2b도에서는 코일(10)을 샘플(1)의14N 순수 NQR 신호들을 검출하기 위한 폭 W 및 길이 1을 가진 미앤더라인(meanderline) 표면코일(11)로서 도시한 것 이다. 미앤더라인 표면코일(11)은 소정거리 b만큼 떨어져 있는 꼬불꼬불한 (serpentine) 배열의 평행 도체들로 이루어져 있다. 도체 스트립(conductor strips)들은 이론적으로는 무한히 얇지만, 유한폭 S를 갖는 것으로 생각할 수 있다. 제2b도는 두께가 d이며, 미앤더라인 표면코일(11)의 표면으로부터 높이가 h인 샘플(1)을 도시한다.
4중극 핵으로부터의 순수 NQR 신호들을 검출하기 위해서는, 코일을 사용하여가능한 많이 해당 영역에 국한된 RF 자계를 발생시킬 필요가 있다. 미앤더라인 표면코일(11)의 표면과 평행한 평면들내의 자계는 미앤더라인 간격 b의 주기를 가지며 자계의 강도는 거의 exp(-/h/b)로 강하되어, 코일의 전체 크기가 아닌 평행 도체들 간의 간격 b에 의해 결정되는 관통 깊이(penetration depth)로 미앤더라인 표면코일(11)에 인접한 영역에 유효 RF 자계를 국한시킬 수가 있다. 결과적으로, 미앤더라인 표면코일(11)은 상당한 크기의 표면 영역을 제한된 깊이까지 검사하는데 최적으로 적합하다. 대조적으로, 보다 일반적인 원형 표면코일의 관통 깊이는 코일 반경에 의해 결정되며, 원형 표면코일을 크게 할수록 관통 깊이는 증가한다.
코일(10)에 의해 행해지는 여기(excitation) 및 검출(detection)의 경우 무자계(zero magnetic field)에서 행해지는 순수 핵사중극 공명 절차를 이용하므로 자석을 필요로 하지 않는다. 바람직한 실시예에서는 제2a 및 2b도에서 도시된 바와 같은 미앤더라인 표면코일(11)을 사용하였다. 그러나, 어떤 특정 기하학에 있어서는 다른 코일이 아주 적합한데, 예를 들어 통상의 솔레노이드, 구형 솔레노이드, Helmholtz, 또는 토로이달(toroidal) 코일이 사용될 수 있다. RF 전력 증폭기(4O), 펄스 프로그래머 및 RF 게이트(50), 무선 주파수원(60), 및 CPU(70)에 의해 발생된 무선 주파수 펄스열이 샘플(1)에 가해져, 검출하고자 하는 폭발물 또는 마취제 형태의14N,35' 37C1 등의 NQR 주파수에 근사한 주파수가 검출된다. 예를 들어, RDX가 1.8, 3.4 및 5.4MHZ에 근사한 NQR 공명 라인들을 가지며, PETN은 0.4, 0.5 및 0.9MHZ에 근사한 공명 라인들을 갖는다. 따라서 모든 RDX형의 폭발물을 1.8, 3.4 또는 5.2MHZ 부근에서 조사함으로써 검출할 수 있다.
바람직한 실시예에서는, 무선 주파수 펄스열은 정상 상태 자유 프리세션(SSFP) 펄스 시퀀스이다. SSFP 시퀀스들은 1958년에 Carr에 의해 "Steady State Free Precession in Nuclear Magnetic Resonance, " Phys. Rev.112, 1693-1701(1958)로부터 NMR에 처음으로 도입되어, 개발 및 분석되어왔다(R. R. Ernst and W. A. Anderson, "Application of Fourier Transform Spectroscopy to Magnetic Resonance, " Rev. Sci. Instrum. 37, 93-102(1966), W. S. Hinshaw, "Image Formation by Nuclear Megnetic Resonance: The Sensitive Point Method, "J. Appl. Phys. 47 3709-3721(1976): M. L. Gyngel1, "The Steady-State Signals in Short-Repetition-Time-Sequence, " J. Magn. Reson. 81, 478-483 (1989)). 그 명칭은 간격 r에 의해 각각 이격되어 있는 연속되는 RF 펄스열로 스핀 시스템을 조사 할 때 나타내는 정상상태에 관련된다. r 동안, 핵 스핀은 자유로이 프리세스(precess)된다.
Marino(S. M. Klainer, T. B. Hirschfeld, and R. A. Marino, "Fourier Transform Nuclear Quandrupole Rosonance Spectroscopy", in "Fourier, Hadamard, and Hilbert Tramsorms in Chemistry" A. G. Marshal1, Ed, ; Plenum Press : NewYork(1982))에 의해 NQR에 도입된, 동일 위상의 RF 펄스들의 강한 오프-공명 코움(Strong Off-Resonance comb, SORC)이 SSFP 펄스 시퀀스의 일례이다. 스핀-스핀 이완 시간 T2보다 적은 펄스 간격들 r의 경우, 매 펄스 후의 정상 상태 응답 신호의크기는 평행 상태 자화의 약 1/2이다. 특정 기하학의 경우, RF 펄스들은 약 50밀리초 길이이며 약 1밀리초 이격되어 있다.
스핀-격자 이완 시간 T1과 거의 동일한 지연을 필요로 하는 단일 펄스 또는 통상의 데이타 획득 방법과 비교할 때, 신호 대 잡음비를 개선시키기 위해서 약 5초동안, 예를 들어 5000개의 신호들이 공가산될 수 있다.14N의 T1이 전형적으로는 수 초정도이므로, SORC 시퀀스를 사용함으로써 주어진 시간동안 얻어진 신호대 잡음비는 (T1/r)½ 또는 본 실시예에서 약 30분의 1로 개선되었다.
무선 주파수 펄스열이 코일(10)에 인가된 후, 코일로부터의 전체 질소 신호는 수신기/RF 검출기(30)를 통과하여 CPU(70)로 전송된다. 전체 질소 신호는 소정의 임계치와 비교되어 전체 질소 신호가 소정의 임계치를 초과하면 경보 장치(80)가 작동된다.
통상적으로, NQR 라인을 여기시키기 위해서는 강한 RF 자계가 사용되고 이러한 강한 자계를 발생시키기 위해서는 상당량의 RF 전력을 필요로 하며, 이것에 관련하여 스캔된(scanned) 물체에 허용할 수 없는 양의 전력이 퇴적(deposition)될 가능성이 있다. 이러한 전력 퇴적은 수화물과 소형 화물을 스캐닝함에 있어서 바람직하지 않은 결과를 낳을 수 있으며, 임의의 적당히 높은 전력 레벨에서 전계의 정전결합이나 자계의 유도결합으로 인한 과전압이나 국부적 가열에 의해 전자장치에 손상이 발생할 수 있다. 인체를 스캐닝할 경우, 주로 와전류 손실에 의한 RF전력 퇴적이 이러한 주파수들(1 내지 5MHz)에서 문제가 될 수 있다. 물품과 사람에 대한 RF 전력 및 자계 강도치의 영향과 RF 에너지에 대한 허용가능한 노출레벨에 관한 상세한 설명은 여기서는 불필요하며 본 명세서의 범위를 벗어난다.
공명 주파수 근처에서 인가된 B1의 RF 자계 강도는 2γB1tw의 각을 통해서 스핀(스핀 I=1인 핵의 경우)을 진동시키며(nutate), 여기서, γ는 핵 스핀의 마그네 토지릭비(magnetogyric ratio)이며, tw는 펄스폭이다. 고정된 진동각의 경우, 강한펄스는 단기간 지속되며, 이에 따라 광대역의 스펙트럼을 여기시킨다. 통상적으로는스핀이 최대 자화인 약 119°로 진동할만큼 충분히 긴 펄스로 NQR 공명을 여기시킨다. 실험실 환경에서 상업용 분광계(spectrometer)의 경우, 119° 팁 각(tip angle)을 얻는데 필요한 펄스는 전형적으로 20 내지 50μs의 폭을 가지며, 50 내지 20kHz의 대역폭 1/tw를 커버한다. 따라서 이런 경우에 이용되는 RF 전계강도 B1은 10 내지 25 가우스(gauss)이다.
상기 미국특허출원 07/730, 722에 기재된 발명에서는, RF 자계강도의 크기가오직 2중극-2중극(dipole-dipole) 물질에 의한 국부적 자계강도보다 크거나 같을 필요가 있음만이 밝혀졌다. 필요한 RF 자계강도 Bmin은 1/γT2이며, 여기서 T2는 2중극 결합에 의한 스핀-스핀 이완시간이다. 따라서, 예를 들어 강한 오프-공명 코움 여기가 이러한 낮은 RF 강도에서 아주 만족스럽게 일어날 것이다. RDX-기제 폭발물의 경우, 본 발명은 0.7C(0.07mT)만큼 낮은 RF 자계를 성공적으로 이용하였다. (14N NQR 라인의 폭은 또한 변형, 불순물 및 온도 변화에 의해 유발되어진 4중극 결합상수 분포(distribution)에 기인하여 비동질성 상호작용에 의해 부분적으로 결정된다. 폭에 대한 이러한 비동질성 기여는 2중극-2중극 결합으로부터의 동질성 기여만큼 중요하지 않다.)
따라서, 종래 기술이 비록 국소 자계의 크기보다 적어도 100배 큰 RF 자계강도를 인가하더라도, 1부터 약 1대 약 50, 적합하게는 1에 가까운 RF 자계 강도 대국소 자계를 이용함으로써, 질소 함유 폭발물과 마취제의 성공적인 검출을 할 수 있다. 통상 약 2 대 약 30, 좀 더 일반적으로 약 2 대 약 20, 가장 일반적으로는 약 2 대 약 10의 비율을 이용한다.
실제적으로, 여행가방 크기의 샘플 용량을 적당한 피크와 평균 RF 전력 레벨로 검사할 수 있다. 더욱이, 이 방법은 미앤더라인 같은 큰 표면의 코일이나 솔레노이드 같은 "용적" 코일에 의해서도 사람에 의한 조사가 가능하도록 한다.
비록 모든 코일이 똑같이 작용하지는 않지만, 본 발명에 따라 다양한 코일을이용할 수 있다. 예를 들어, 미앤더라인 코일, 원형 표면코일, 팬 케이크 코일 및 다른 코일을 성공적으로 사용할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 스캐너 코일이 검출될 샘플 옆에 놓일 수 있도록 결합 네트워크(20), 수신기/RF 검출기(30), RF전력증폭기(40), 펄스 프로그래머 및 RF 게이트(50), 무선주파수원(60), CPU(70) 그리고 경보 장치(80)가 코일(10)이 부착된 콘솔(100)안에 들어 있다.
제 2a도는 꼬불꼬불한 배열내에서 전류흐름의 방향을 나타낸다. 전류밀도 Js(x)는 다음 식에서와 같이 전체 전류I와 관계가 있다.
[1]
정자기 경계조건을 이용함으로써, 전도 스트립간의 Js(x)는 O이고, 전도스트립 내의 Js(x)는 다음 식과 일치한다.
[2]
여기서 β=I[2bk(q)]-1이며, k(q)는 계수 q=sin(πs/2b)를 갖는 제1 완전 타원 간격이다. z > 0 와 Bγ=0의 영역에서의 자계성분은 다음과 같다.
[3]
여기서 Pn[cos(πs/b)] 는 n차 Legendre 다항식이다. 미앤더라인 표면코일에 근접하는 얇은 층의 샘플인 경우, RF 자계의 강도 및 방향은 식 [3]에 따라 샘플에서 변화한다. NQR 신호강도를 얻기 위해서 샘플내의 각각의 위치에서 평균을 취해야한다. NQR 검출에 있어 중요한 양은 바로 RF 자계 B1=2[BX 2+Bz 2]xa의 크기이다. 제3도는 식 [3]으로부터 자계강도의 개형을 예시한 것이며, RF 자계 프로파일을 예측한다. 제3도에서 예시한 바와 같이, 자계의 z성분은 도체 스트립 사이의 중간지점에서 최대에 이르며 자계 계수(modulus of nngnetic fie1d)는 Bx가 큰 스트립 끝부분 가까이에서 최대이지만, 자계는 Bz의 기여로 인하여 도체 스트립들간에서 결코 소멸되지 않는다.
제4도 및 5도는 폭발물과 마취제를 검출하기 위한 NQR시스템의 실제 사용가능한 예를 보여 준다. 제4도를 명확히 하기 위해서 두 개의 미앤더라인 검사 코일이 검사할 수하물에서 꽤 멀리 떨어져 도시되어 있다. 이러한 응용에서, 코일을 가방쪽으로 좀더 가까이 가져가도록 변경할 수도 있다. 선택적으로, 큰 원형이나 직각 솔레노이드 코일을 이용할 수도 있다.
(본 발명의 특징)
본 발명의 일 실시예는 상술한 SSFP 펄스시퀀스의 변형을 이용한다. SSFP 시퀀스를 이용하는 본 실시예의 성공은 다음과 같은 사실에 의존한다. 즉, RF 펄스에 의해 유도되는 자기음향 링잉이 그 펄스와 동상을 이루는 반면, SORC와 같은 SSFP 시퀀스하에서는 펄스 다음에 오는 NQR 신호가 두 개의 기여물(contributions), 즉 해당 펄스와 동상을 이루는 자유 유도 감쇄(FID)와 해당 펄스와 선행 펄스에 의해 결정되는 위상을 가진 에코우(echo)를 가진다. 이 변형된 시퀀스에서 FID 기여물은 어떠한 자기음향 신호도 상쇄시키는 반면, NQR 신호에 대한 에코우 기여물은 그대로 남게 된다.
제6도는 음향링잉을 제거하기 위해서 본 발명에서 사용되는 SSFP 시퀀스 변형의 타이밍 선도이다. 제6도에서 x는 지속 시간 tw와 검출해야 할 폭발물 또는 마취제의 NQR 피크들 중 하나와 동일한 주파수를 갖는 RF 펄스를 나타내는 반면에,는 x와 지속 기간 및 주파수는 같지만 반대의 RF 위상을 갖는 RF 펄스를 나타낸다. 이 변형된 시퀀스는 특이한 방법으로 SSFP 펄스 시퀀스의 두 개의 빈형, 즉 위상-교대 펄스시퀀스(PAPS) 또는와, 비-위상교대시퀀스(NPAPS) 또는[x-ι-x-ι]n가 사실상 결합된 것이다(NPAPS 펄스열은 본래의 SORC 시퀀스의 펄스열과 동일하며, NPAPS 명명은 위상-교대와 비-위상교대 SSFP 펄스열을 명확히 구별하기 위하여 본원에서 도입되었다). NPAPS와 PAPS는 중첩되지 않는 시간 간격(time interval) 동안에 인가된다. PAPS와 NPAPS는 연결되거나(예를 들어 연속되거나) 또는 NPAPS에 의한 샘플의 조사와 PAPS에 의한 샘플의 조사 사이에 시간지연이 일어날 수 있다. 통상적으로, NPAPS와 PAPS 시퀀스는 검출하기 위해 요구되는 시간을 최소화하도록 연결되어 있다. NPAPS와 PAPS는 임의 순서로 샘플에 인가될 수있다. 또한, NPAPS와 PAPS가 통상 같은 길이의 시간 동안 샘플에 인가되지만, NPAPS가 인가되는 시간이 PAPS가 인가되는 시간과 같을 필요가 없다. 만약 NPAPS 와 PAPS가 동일하지 않은 시간 동안 샘플에 인가된다면, 각 신호에 대한 전체 NQR 응답은 응답신호에 대한 FID 기여의 상쇄를 보장하기 위하여 공가산 단계(coadded step)에서 가중처리될 필요가 있다. 게다가, PAPS와 NPAPS는 동일한 장치에 의해서, 덜 바람직하게는 별개의 신호 발생기에 의해서 발생될 수 있다. 마찬가지로, PAPS와 NPAPS가 동일 코일에 의해, 또는 덜 바람직하게는 별개의 코일에 의해 샘플에 인가될 수도 있다. 제6도가 사각 펄스를 도시하고 있지만, 다른 펄스형태를 사용할 수도 있다.
상기에 언급된 바와 같이, 펄스들 사이의 간격 γ중에 발생하는 NQR 신호는 자유 유도 감쇄(FID)와 에코우의 두 가지 기여물을 갖는다. 제6도에서 도시된 바와 같이, 변형된 시퀀스의 PAPS(A와 B로 도시된 NQR 모의신호들)와 NPAPS(C와D) 내의 FID 신호의 부호 또는 상대 위상은 이것에 선행하는 RF 펄스의 위상에 의해서만 정해진다. 그러나, PAPS NQR 에코우 신호의 부호는 동일 간격에서 FID 신호의 부호와 동일하지만, NPAPS FID와 에코우는 반대부호를 갖는다. 따라서 번형된 시퀀스의 PAPS와 NPSPS 부분에서 신호들을 적절히 공가산함으로써, NQR 신호에 대한 FID 또는 에코우 기여물을 하나는 보유하면서 다른 하나는 제거시킬 수 있다. 제6도에서 도시된 공가산 처리는 에코우 기여물을 유지하면서 FID 기여물은 제거시킨다.
제7도는14N NQR 신호를 보여 주고 있는데, 이것은 tw=22μs, ι=5ms 와 n=64의 조건하에서 코카인 주약(12.9g)의 3.817 MHz 공명 주파수에서 결합된 시퀀스(PAPS+NPAPS)를 이용해 실내온도에서 얻어졌다. 펄스 시퀀스는 신호 대 잡음비를 증가시키기 위해서 512번 반복되었다. 궤적 A 내지 D는 제6도에서와 같은 방법으로 표시된 NQR 모의신호들이다. 제7도의 하단부 궤적은 적당히 공가산된 궤적 A
내지 D의 합계이며 FID 신호가 제거되었음을 보여준다.
선택적으로, NPAPS 신호 (제6도에서 C와 D)의 공가산 부호를 -에서 +로 변경함으로써, 에코우 기여물을 제거하면서 FID 기여물을 보유시킬 수 있다. 그러나, 제6도에 예시된 공가산 처리가 바람직한데, 이것은 선행펄스에 의해서만 결정되는 위상과 진폭을 가진, 자기음향 링잉과 같은 외부응답과 상쇄되기 때문이다.
제8도에서는 자기음향 링잉으로부터의 매우 큰 외부 신호를 공급하기 위하여코카인 주약 샘플과 함께 RF 코일에 2g의 희토류자석이 설치된 것을 제외하고는 제7도와 동일한 조건하에 번형된 시퀀스의 결과를 도시한다. 적절히 공가산된 하단부 에서는 궤적 A 내지 D의 시작시 존재하는 강한 음향링잉이 없음에 주목하자.
음향 링잉의 상쇄가 완벽하지 않으면, 덜 적합한 방법이 하나 있다. NQR 신호는 협소한 주파수 영역에서만 일어나는 반면에 음향링잉은 본질적으로 주파수와 무관하며, 샘플에서 발생된 음향 정재파(stading wave)에 달려 있다. 따라서, 충분히 공명하지 않는 NQR 폭발물 검출절차의 반복은 NQR 신호가 아닌 실질적으로 동일한 음향신호를 제공한다. 이러한 오프-공명 검출절차로부터 얻은 임의 신호는 관심 대상의 협소 주파수 영역내에서 실행되는 검출절차에서 얻은 NQR 신호로부터 감산될 수 있다. 이러한 방법은 상기의 펄스시퀀스에 의해 불완전하게 제거된 음향 링잉으로부터 경보조건이 발생하는지를 판정할 수 있다.
응답 신호의 공가산과 결합된 본 발명에 따라 변형된 SSFP 시퀀스를 사용함으로써 신호에 의한 온도번화의 영향을 또한 최소화할 수 있다.14N 스핀-1 NQR의 SSFP 시퀀스에 대한 전체 이론은 아직 제시되어 있지 않다. 그러나, 유사한 SSFP 시퀀스를 NMR에서 수 년 동안 사용되어 왔으며, Klainer에 의해 NQR에 대해서 현상학적으로 논의되었다. 상술한 바와 같이, SSFP 펄스의 경우 생성된 NQR 신호는 FID 및 에코우 기여물의 결합체이다. RF 펄스의 위상에 종속되는 것 이외에도, 에코우 기여물의 위상은 공명 옵셋으로 생긴 RF 펄스들간의 간격 동안 프리세션의 크기에 또한 종속한다. 이 공명 옵셋은 온도영향으로 일어날 수도 있다. 따라서, 공명 옵셋의 함수로서, 에코우 및 FID 기여물은 이완 시간 T1및 T2와 펄스간 간격에 의해 정해지는 간섭의 실제 정도로 건설적으로 또는 파괴적으로 간섭할 것이다. 폭발물 또는 마취제의 검출 관점에서, 순수 신호에서의 이러한 간섭 현상은 공명옵셋과 온도의 함수로서 폭발물 또는 마취제 검출능력에 주기적 변화를 가져온다. 전형적으로 검출 능력에 있어서의 이러한 번화는 약 ± 20%이다.
SSFP 시퀀스에 대한 상기 변형으로 RF 위상의 적당한 선택에 의해 NQR 신호에 대한 FID 기여물을 제거시킴으로써 온도 변화로 인한 공명 옵셋들로부터 기인되는 간섭 영향은 더 이상 존재하지 않는다. NQR 신호에 대한 FID 기여물을 제거시킴으로서 또한 음향 링잉도 제거된다.
제9a 내지 9c도는 SSFP RF 펄스 시퀀스의 3가지 변형을 이용하여 아질산나트륨의 4.645MHZ 라인의 NQR 신호 강도 크기의 공명 옵셋 종속도를 나타낸다. 제9a 및 9b도는 PAPS 및 NPAPS 변형을 사용하여 얻은 것이며, 제9c도는 제6도의 결합 또는 번형을 사용하여 얻은 것이다. 공가산된 천이들(transient)의 전체 갯수는 3가지 경우에서 모두 동일하였다. SSFP 시퀀스의 모든 3가지 변형에서는 동일한 평균 신호 강도 So가 생성되지만, PAPS 및 NPAPS 시퀀스에서는 1/ι로 주기적으로 변화하는 NQR 응답을 발생시키며, 변형에 대한 응답은 제9a 내지 9c도에서 도시된 공명 옵셋 범위에 대해 일정하다는 것에 주목할 필요가 있다. 이 경우에, 상기 번형을 사용하여 얻어진 NQR 신호는 PAPS 또는 NPAPS 변형으로 얻어질 수 있는 최대 NQR 신호의 약 2/3이다. 그러나, 변형된 SSFP NQR 신호 강도에서의 진동(oscillation)부족은 NQR 주파수에서 온도 관련된 천이에 대해 보다 큰 허용차를 제공한다.
본 발명에 따라 변형된 SSFP 펄스 시퀀스는 유용한 신호 대 잡음비를 제공한다. 다른 펄스 시퀀스는 에코우 및 FID 기여물의 간섭을 받지 않지만, 적당한 신호 대 잡음비를 제공함에 있어서 효율적이지 못하다.
본원에서 기술된 공가산 단계는 디지털 방식으로 수행된다. 신호들을 디지털화하여(+ 또는 -부호를 갖는) 그들 신호 값을 컴퓨터에 기억시킬 수 있다. 선택적으로, 컴퓨터는 연속하여 수치들을 가산할 수 있으므로, 펄스 시퀀스 동안은 단지 실행 합산(running sum)만이 보유된다. 데이타를 디지털화 및 공가산시키는 수단은 공지되어 있으므로 본원에서는 상세히 기술하지 아니한다.
명백하게, 상술한 바로부터 본 발명의 여러 수정 및 변형 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 특허청구의 범위 내에서 다른 변형 실시예가 가능하다는 것은 주지된 사실이다.

Claims (14)

  1. 핵사중극 공명(nuclear quadrupole resonance)에 의해 샘플(specimen)내의 폭발물 및 마취제로 구성된 그룹에서부터 선택된 물질을 검출하기 위한 시스템에 있어서,
    소정의 주파수를 갖는 한 세트의 무선 주파수 펄스 시퀀스들을 발생시키는 펄스 발생 수단;
    - 상기 한 세트의 무선 주파수 펄스 시퀀스들은 제1 정상 상태 자유 프리세션 RF 펄스 시퀀스(steady state free precession RF pu1se sequence)와, 상기 제1 RF 펄스 시퀀스와는 일시적으로 구별되는 제2 정상 상태 자유 프리세션 RF 펄스 시퀀스를 포함하며, 상기 제1 RF 펄스 시퀀스의 각각의 펄스는 동일한 위상, 지속 시간, 펄스 간격 및 주파수를 가지며, 상기 제2 RF 펄스 시퀀스의 각각의 펄스는 상기 제1 펄스 시퀀스의 펄스들과 동일한 지속 시간, 펄스 간격 및 주파수를 가지며, 상기 제2 RF 펄스 시퀀스의 상기 펄스들은 상기 제1 펄스 시퀀스의 펄스들과 동일한 위상 및 상기 제1 펄스 시퀀스의 펄스들과 반대 위상을 교대로 가짐
    - 상기 한 세트의 무선 주파수 펄스 시퀀스들로써 상기 샘플을 조사하고(irradiating) 상기 샘플의 조사에 응답하여 전체 핵사중극 공명 신호를 검출하는 코일 수단;
    - 상기 제1 RF 펄스 시퀀스 및 제2 RF 펄스 시퀀스에 응답하여 발생된 상기전체 핵사중극 공명 신호들은 자유 유도 감쇄 기여물(free induction decay contribution) 및 에코우 기여물(echo contribution)을 각각 포함함
    - 상기 한 세트의 무선 주파수 펄스 시퀀스들을 상기 코일 수단으로 전달하고상기 코일 수단으로부터 상기 전체 핵사중극 공명 신호를 수신하는 결합 수단;
    상기 전체 핵사중극 공명 신호들 각각에 대한 상기 자유 유도 감쇄 기여물들은 상쇄시키고 상기 전체 핵사중극 공명 신호에 대한 에코우 기여물들만 남겨 놓기위해 상기 제1 RF 펄스 시퀀스에 응답하여 발생된 전체 핵사중극 공명 신호를 상기제2 RF 펄스 시퀀스에 응답하여 발생된 전체 핵사중극 공명 신호에 가산시킴으로써, 공가산된(coadded) 신호를 제공하는 수단;
    상기 공가산된 신호를 소정의 임계치와 비교하는 비교 수단; 및
    상기 공가산된 신호가 상기 소정의 임계치를 초과하면 신호 표시를 행하는 경보 장치를 포함하는 물질 검출 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 한 세트의 RF 펄스 시퀀스들의 상기 소정의 주파수는 상기 검출할 물질의14N,35C1 또는37Cl NQR 주파수에 근접하는 물질 검출 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 검출할 물질은14N 핵을 포함하는 폭발물을 포함하는 물질 검출 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 펄스 발생 수단은 무선 주파수원, 펄스 프로그래머, 무선 주파수 게이트 및 무선 주파수 전력 증폭기를 포함하는 물질 검출 시스템.
  5. 핵사중극 공명에 의해 샘플내의 폭발물 및 마취제로 구성된 그룹에서 선택된 물질을 검출하기 위한 방법에 있어서,
    (a) 소정의 주파수를 갖는 제1 정상 상태 자유 프리세션 RF 펄스 시퀀스를 발생시키는 단계로서, 상기 제1 RF 펄스 시퀀스의 각각의 펄스는 동일한 위상, 지속 시간, 펄스 간격 및 소정의 주파수를 갖는 제1 정상 상태 자유 프리세션 RF 펄스 시퀀스를 발생시키는 단계;
    (b) 상기 제1 RF 펄스 시퀀스를 코일로 전달하는 단계;
    (c) 제1 시간 동안 상기 단계 (b)에서 상기 코일로 전달된 상기 제1 RF 펄스시퀀스에 응답하여 샘플을 조사하는 단계;
    (d) 상기 단계 (c)에서의 샘플의 조사에 응답하여 제1 전체 핵사중극 공명 신호를 검출하는 단계;
    (e) 상기 단계 (d)에서 검출된 상기 제1 전체 핵사중극 공명 신호를 수신하는 단계;
    (f) 제2 정상 상태 자유 프리세션 RF 펄스 시퀀스를 발생시키는 단계로서, 상기 제2 RF 펄스 시퀀스의 각각의 펄스는 상기 제1 펄스 시퀀스의 펄스들과 동일한 지속 시간, 펄스 간격 및 주파수를 가지며, 상기 제2 RF 펄스 시퀀스의 상기 펄스들은 상기 제1 펄스 시퀀스의 펄스들과 동일한 위상 및 상기 제1 펄스 시퀀스의 펄스들과 반대의 위상을 교대로 갖는 제2 정상 상태 자유 프리세션 RF 펄스 시퀀스를 발생시키는 단계;
    (g) 상기 제2 RF 펄스 시퀀스를 코일로 전달하는 단계;
    (h) 상기 제1 시간과 겹치지 않는 제2 시간 동안 상기 단계 (g)에서 상기 코일로 전달된 상기 제2 RF 펄스 시퀀스에 응답하여 샘플을 조사하는 단계;
    (i) 상기 단계 (h)에서의 샘플의 조사에 응답하여 제2 전체 핵사중극 공명 신호를 검출하는 단계;
    (j) 상기 단계 (i)에서 검출된 상기 제2 전체 핵사중극 공명 신호를 수신하는 단계;
    (k) 상기 전체 핵사중극 공명 신호들 각각에 대한 상기 자유 유도 감쇄 기여물들은 상쇄시키고 상기 전체 핵사중극 공명 신호에 대한 에코우 기여물들만 남겨놓기 위해 상기 제1 RF 펄스 시퀀스에 응답하여 발생된 전체 핵사중극 공명 신호를 상기 제2 RF 펄스 시퀀스에 응답하여 발생된 전체 핵사중극 공명 신호에 가산하여 공가산된 신호를 제공하는 단계;
    (l) 상기 공가산된 신호를 소정의 임계치와 비교하는 단계; 및
    (m) 상기 공가산된 신호가 상기 소정의 임계치를 초과하면 신호 표시를 행하는 단계를 포함하는 물질 검출 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 시간들은 거의 동일한 지속 시간인 물질 검출 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 한 세트의 RF 펄스 시퀀스들의 상기 소정의 주파수는 검출할 상기 물질의14N,35C1 또는37Cl NQR 주파수에 근접한 물질 검출 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 검출할 물질은14N 핵을 포함하는 마취제를 포함하는 물질 검출방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 검출할 물질은14N 핵을 포함하는 폭발물을 포함하는 물질 검출 방법.
  10. 핵사중극 공명에 의해 샘플내의 폭발물 및 마취제로 구성된 그룹에서 선댁되어진 물질을 검출하기 위한 방법에 있어서,
    (a) 소정의 주파수를 갖는 정상 상태 자유 프리세션 펄스 시퀀스를 발생시키는 단계;
    (b) 상기 정상 상태 자유 프리세션 펄스 시퀀스를 코일에 전달하는 단계;
    (c) 상기 단계 (b)에서 상기 코일로 전달된 상기 정상 상태 자유 프리세션 펄스 시퀀스에 응답하여 샘플을 조사하는 단계;
    (d) 상기 단계 (c)에서의 샘플의 조사에 응답하여 전체 핵사중극 공명 신호를 검출하는 단계;
    (e) 상기 단계 (d)에서 검출된 상기 전체 핵사중극 공명 신호를 수신하는 단계;
    (f) 상기 소정의 주파수에서 검출 가능한 핵의 핵사중극 공명 신호로부터 충분히 오프-공명하며, 상기 핵의 핵사중극 공명 신호가 발생하지 않는 제2 주파수에서 상기 단계 (a) 내지 단계 (e)를 반복하는 단계; 및
    (g) 상기 단계 (e)에서 얻어진 전체 핵사중극 공명 신호로부터 상기 (f) 단계에서 얻어진 전체 핵사중극 공명 신호를 감산하는 단계를 포함하는 물질 검출 방법.
  11. 제5항에 있어서,
    (1) 상기 소정의 주파수에서 검출 가능한 핵의 핵사중극 공명 신호로부터 충분히 오프-공명하며, 상기 핵의 핵사중극 공명 신호가 발생하지 않는 제2 주파수를갖는 제3 정상 상태 자유 프리세션 펄스 시퀀스를 발생시키는 단계;
    (2) 상기 제3 정상 상태 자유 프리세션 펄스 시퀀스를 코일로 전달하는 단계;
    (3) 상기 단계 (2)에서 상기 코일로 전달된 상기 제3 정상 상태 자유 프리세션 펄스 시퀀스에 응답하여 샘플을 조사하는 단계;
    (4) 상기 단계 (3)에서의 샘플의 조사에 응답하여 제3 전체 핵사중극 공명신호를 검출하는 단계;
    (5) 상기 단계 (4)에서 검출된 상기 제3 전체 핵사중극 공명 신호를 수신하는 단계; 및
    (6) 상기 단계 (k)에서 얻어진 공가산된 신호, 상기 단계 (e)에서 얻어진 제1 핵사중극 공명 신호 또는 상기 단계 (j)에서 얻어진 제2핵사중극 공명 신호로부터 상기 단계 (5)에서 얻어진 제3 전체 핵사중극 공명 신호를 감산하는 단계를 포함하는 물질 검출 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 한 세트의 RF 펄스 시퀀스들의 상기 소정의 주파수는 검출할 상기 물질의14N,35C1 또는37Cl NQR 주파수에 근접한 물질 검출 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 검출할 물질은14N 핵을 포함하는 폭발물을 포함하는 물질 검출 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 검출할 물질은14N 핵을 포함하는 마취제를 포함하는 물질 검출 방법.
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