(57)【要約】  基板と、基板の測定面上に集積化されて設けられ、核磁気共鳴の測定領域１２に磁場を印加して、領域１２内で局所的な測定位置を設定するための磁場印加用電極群２０と、基板に対して所定位置に設けられ、測定領域１２に対してＲＦパルスを照射するためのＲＦアンテナ１５とによって核磁気共鳴撮像素子１Ａを構成する。また、電極群２０を、領域１２に均一磁場を印加する均一磁場用電極２５と、ｘ軸方向について傾斜磁場を印加する第１傾斜磁場用電極３０、３５と、ｙ軸方向について傾斜磁場を印加する第２傾斜磁場用電極４０、４５とを有する構成とする。これにより、測定対象物の画像取得を高い分解能で行うことが可能な核磁気共鳴撮像素子、及びそれを用いた撮像システム、撮像方法が実現される。
2008066146.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の一方の面である測定面上に集積化されて設けられ、前記基板に対して所定領域に設定された核磁気共鳴の測定領域に磁場を印加して、前記測定領域内で局所的な測定位置を設定するための磁場印加用電極群と、
前記基板に対して所定位置に設けられ、前記基板での前記測定領域に対してＲＦパルスを照射するためのＲＦ照射手段とを備え、
前記磁場印加用電極群は、
前記測定領域に対して、設定すべき前記測定位置に応じた均一磁場を印加する均一磁場用電極と、
前記測定領域に対して、前記基板の前記測定面に平行な第１軸方向について傾斜磁場を印加する第１傾斜磁場用電極と、
前記測定領域に対して、前記測定面に平行で前記第１軸と直交する第２軸方向について傾斜磁場を印加する第２傾斜磁場用電極と
を有することを特徴とする核磁気共鳴撮像素子。
【請求項２】
前記磁場印加用電極群において、
前記均一磁場用電極は、前記測定領域を囲むように形成されたループ電極を含み、
前記第１傾斜磁場用電極は、前記第１軸方向について前記測定領域を挟むように形成された一対の第１スプリット電極を含み、
前記第２傾斜磁場用電極は、前記第２軸方向について前記測定領域を挟むように形成された一対の第２スプリット電極を含む
ことを特徴とする請求項１記載の撮像素子。
【請求項３】
前記磁場印加用電極群において、
前記第１傾斜磁場用電極は、前記第１軸方向について前記測定領域を挟むように形成された一対の第１スプリット電極を含み、
前記第２傾斜磁場用電極は、前記第２軸方向について前記測定領域を挟むように形成された一対の第２スプリット電極を含むとともに、
前記均一磁場用電極は、前記一対の第１スプリット電極及び前記一対の第２スプリット電極を合わせたループ状の電極パターンによって構成されている
ことを特徴とする請求項１記載の撮像素子。
【請求項４】
前記磁場印加用電極群は、電極群を構成する各電極のパターン幅が１０ｎｍ〜１０μｍの範囲内の幅であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の撮像素子。
【請求項５】
前記磁場印加用電極群は、電極群を構成する電極パターンの内側の幅が１００ｎｍ〜１００μｍの範囲内の幅であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の撮像素子。
【請求項６】
前記ＲＦ照射手段は、前記基板の前記測定面上に、前記磁場印加用電極群に対して絶縁層によって絶縁されて形成されたＲＦアンテナを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の撮像素子。
【請求項７】
前記ＲＦ照射手段は、前記基板の前記測定面とは反対側の面上に形成されたＲＦアンテナを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の撮像素子。
【請求項８】
前記基板において、前記測定領域内での測定対象物は、前記測定面上、または前記測定面から所定深さの前記基板内に配置されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項記載の撮像素子。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項記載の核磁気共鳴撮像素子と、
前記均一磁場用電極に均一磁場発生用の電流を供給する均一磁場用電流源と、
前記第１傾斜磁場用電極に傾斜磁場発生用の電流を供給する第１傾斜磁場用電流源と、
前記第２傾斜磁場用電極に傾斜磁場発生用の電流を供給する第２傾斜磁場用電流源と、
前記ＲＦ照射手段に対して前記ＲＦパルスを供給するＲＦパルス供給手段と、
前記核磁気共鳴撮像素子の前記測定領域内での測定対象物からの核磁気共鳴信号を検出する検出手段と、
前記測定対象物に対する核磁気共鳴による撮像を制御する撮像制御手段と
を備えることを特徴とする核磁気共鳴撮像システム。
【請求項１０】
前記撮像制御手段は、
前記第１傾斜磁場用電極または前記第２傾斜磁場用電極への電流の供給、及びそれによって前記測定領域に印加される傾斜磁場を制御することで、前記測定位置を設定する軸方向を選択するとともに、
前記均一磁場用電極への電流の供給、及びそれによって前記測定領域に印加される均一磁場を制御することで、前記測定領域内において、前記測定位置を走査することを特徴とする請求項９記載の撮像システム。
【請求項１１】
前記撮像制御手段は、
前記第１傾斜磁場用電極への電流供給をＯＮ、前記第２傾斜磁場用電極への電流供給をＯＦＦとして、前記第１軸方向について傾斜磁場が印加されて前記測定位置が選択された状態で、前記測定領域に前記ＲＦパルスを照射する第１期間と、
前記第２傾斜磁場用電極への電流供給をＯＮ、前記第１傾斜磁場用電極への電流供給をＯＦＦとして、前記第２軸方向について傾斜磁場が印加されて前記測定位置が選択された状態で、前記測定領域に前記ＲＦパルスを照射する第２期間と
を含む測定期間を用いて、前記測定対象物に対して前記核磁気共鳴による撮像を行うことを特徴とする請求項９または１０記載の撮像システム。
【請求項１２】
前記撮像制御手段は、前記測定期間での測定モードについて、
前記第１期間において前記ＲＦパルスとして所定位相の９０°パルスを照射するとともに、前記第２期間において前記ＲＦパルスとして前記第１期間と同じ位相の９０°パルスを照射する第１測定モードと、
前記第１期間において前記ＲＦパルスとして所定位相の９０°パルスを照射するとともに、前記第２期間において前記ＲＦパルスとして前記第１期間と異なる位相の９０°パルスを照射する第２測定モードと
の２種類の測定モードを用いることを特徴とする請求項１１記載の撮像システム。
【請求項１３】
請求項１〜８のいずれか一項記載の核磁気共鳴撮像素子を用い、
前記均一磁場用電極、前記第１傾斜磁場用電極、及び前記第２傾斜磁場用電極のそれぞれに対して必要に応じて磁場発生用の電流を供給する電流供給ステップと、
前記ＲＦ照射手段に対して前記ＲＦパルスを供給するＲＦパルス供給ステップと、
前記核磁気共鳴撮像素子の前記測定領域内での測定対象物からの核磁気共鳴信号を検出する検出ステップと、
前記測定対象物に対する核磁気共鳴による撮像を制御する撮像制御ステップと
を備えることを特徴とする核磁気共鳴撮像方法。
【請求項１４】
前記撮像制御ステップにおいて、
前記第１傾斜磁場用電極または前記第２傾斜磁場用電極への電流の供給、及びそれによって前記測定領域に印加される傾斜磁場を制御することで、前記測定位置を設定する軸方向を選択するとともに、
前記均一磁場用電極への電流の供給、及びそれによって前記測定領域に印加される均一磁場を制御することで、前記測定領域内において、前記測定位置を走査することを特徴とする請求項１３記載の撮像方法。
【請求項１５】
前記撮像制御ステップにおいて、
前記第１傾斜磁場用電極への電流供給をＯＮ、前記第２傾斜磁場用電極への電流供給をＯＦＦとして、前記第１軸方向について傾斜磁場が印加されて前記測定位置が選択された状態で、前記測定領域に前記ＲＦパルスを照射する第１期間と、
前記第２傾斜磁場用電極への電流供給をＯＮ、前記第１傾斜磁場用電極への電流供給をＯＦＦとして、前記第２軸方向について傾斜磁場が印加されて前記測定位置が選択された状態で、前記測定領域に前記ＲＦパルスを照射する第２期間と
を含む測定期間を用いて、前記測定対象物に対して前記核磁気共鳴による撮像を行うことを特徴とする請求項１３または１４記載の撮像方法。
【請求項１６】
前記撮像制御ステップにおいて、前記測定期間での測定モードについて、
前記第１期間において前記ＲＦパルスとして所定位相の９０°パルスを照射するとともに、前記第２期間において前記ＲＦパルスとして前記第１期間と同じ位相の９０°パルスを照射する第１測定モードと、
前記第１期間において前記ＲＦパルスとして所定位相の９０°パルスを照射するとともに、前記第２期間において前記ＲＦパルスとして前記第１期間と異なる位相の９０°パルスを照射する第２測定モードと
の２種類の測定モードを用いることを特徴とする請求項１５記載の撮像方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、核磁気共鳴現象を用いて測定対象物の画像を取得する核磁気共鳴撮像素子、及びそれを用いた撮像システム、撮像方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
核磁気共鳴撮像（ＭＲＩ：Magnetic Resonance Imaging）法は、磁場中に置かれた測定対象物に高周波（ＲＦ波）を照射し、測定対象物中の原子核に生じる核磁気共鳴現象を用いて、その内部の画像情報を非破壊で取得する方法である。このＭＲＩ法では、測定対象物に傾斜磁場を印加することによって対象物中での測定位置を特定して、その画像情報を取得する方法が用いられている。【０００３】
核磁気共鳴撮像装置（ＭＲＩ装置）は、一般には、核磁気共鳴測定用のＲＦパルスを測定対象物に照射するためのＲＦ照射コイル、測定対象物に静磁場、傾斜磁場を印加するための磁石またはコイル、及び測定対象物からの核磁気共鳴（ＮＭＲ：Nuclear Magnetic Resonance）信号を検出するための検出コイルなどによって構成される（例えば、特許文献１参照）。このようなＭＲＩ法は、例えば、医療分野における被検体の画像取得などに広く利用されている。
【特許文献１】特開２００６−１５８７６７号公報
【特許文献２】特開２００３−３２９７５６号公報
【特許文献３】特開２００６−６６６０３号公報
【特許文献４】特開２００６−１３５０５４号公報
【特許文献５】特開２００６−２０４５５１号公報
【非特許文献１】D. Gammon et al., "Nuclear Spectroscopy in Single Quantum Dots: NanoscopicRaman Scattering and Nuclear Magnetic Resonance", Science Vol.277, pp.85-88 (1997)
【非特許文献２】G. Yusa et al., "Controlled Multiple Quantum Coherences of Nuclear Spins in a Nanometre-Scale Device", Nature Vol.434, pp.1001-1005 (2005)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した従来の核磁気共鳴撮像装置では、その核磁気共鳴測定の位置分解能は、通常、数ｍｍ程度である。一方、例えばナノメートル（ｎｍ）スケールなどの微細構造についても、微細構造を測定対象物としたＭＲＩ法による画像取得の可能性が考えられる。しかしながら、従来の核磁気共鳴撮像装置の構成では、そのような微細構造を測定可能な、高い位置分解能を実現することは困難である。【０００５】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、核磁気共鳴撮像法による測定対象物の画像取得を高い分解能で行うことが可能な核磁気共鳴撮像素子、及びそれを用いた撮像システム、撮像方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このような目的を達成するために、本発明による核磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）素子は、基板と、基板の一方の面である測定面上に集積化されて設けられ、基板に対して所定領域に設定された核磁気共鳴の測定領域に磁場を印加して、測定領域内で局所的な測定位置を設定するための磁場印加用電極群と、基板に対して所定位置に設けられ、基板での測定領域に対してＲＦパルスを照射するためのＲＦ照射手段とを備え、磁場印加用電極群は、測定領域に対して、設定すべき測定位置に応じた均一磁場を印加する均一磁場用電極と、測定領域に対して、基板の測定面に平行な第１軸方向について傾斜磁場を印加する第１傾斜磁場用電極と、測定領域に対して、測定面に平行で第１軸と直交する第２軸方向について傾斜磁場を印加する第２傾斜磁場用電極とを有することを特徴とする。【０００７】
上記した核磁気共鳴撮像素子では、基板に対して所定領域において、測定対象物を含む測定領域を設定するとともに、その基板上に磁場印加用電極群を集積することによって、撮像素子を構成している。このように、核磁気共鳴測定に必要な磁場印加用の電極等が集積化された構成の素子を用いることにより、測定対象物についての画像情報を高い分解能で取得することができる。【０００８】
さらに、測定領域への磁場の印加に用いられる電極群について、均一磁場用電極、第１傾斜磁場用電極、及び第２傾斜磁場用電極の３種類の電極を設けている。これらの電極を用いることにより、測定領域内での局所的な測定位置の設定、及びそれによる測定対象物の画像情報の取得を好適に実現することが可能となる。【０００９】
本発明による核磁気共鳴撮像システムは、上記した核磁気共鳴撮像素子と、均一磁場用電極に均一磁場発生用の電流を供給する均一磁場用電流源と、第１傾斜磁場用電極に傾斜磁場発生用の電流を供給する第１傾斜磁場用電流源と、第２傾斜磁場用電極に傾斜磁場発生用の電流を供給する第２傾斜磁場用電流源と、ＲＦ照射手段に対してＲＦパルスを供給するＲＦパルス供給手段と、核磁気共鳴撮像素子の測定領域内での測定対象物からの核磁気共鳴信号を検出する検出手段と、測定対象物に対する核磁気共鳴による撮像を制御する撮像制御手段とを備えることを特徴とする。【００１０】
また、本発明による核磁気共鳴撮像方法は、上記した核磁気共鳴撮像素子を用い、均一磁場用電極、第１傾斜磁場用電極、及び第２傾斜磁場用電極のそれぞれに対して必要に応じて磁場発生用の電流を供給する電流供給ステップと、ＲＦ照射手段に対してＲＦパルスを供給するＲＦパルス供給ステップと、核磁気共鳴撮像素子の測定領域内での測定対象物からの核磁気共鳴信号を検出する検出ステップと、測定対象物に対する核磁気共鳴による撮像を制御する撮像制御ステップとを備えることを特徴とする。【００１１】
上記した核磁気共鳴撮像システム、及び核磁気共鳴撮像方法では、上記したように磁場印加用の電極等が基板に集積化された構成の撮像素子を用い、電極群を構成する３種類の電極に対して、それぞれ対応する電流源から磁場発生用の電流を供給して測定を行っている。これにより、測定領域内での局所的な測定位置を確実に制御しつつ、測定対象物の画像情報の取得を高い分解能で好適に実現することが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の核磁気共鳴撮像素子、及び撮像システム、撮像方法によれば、測定対象物を含む測定領域が設定された基板上に磁場印加用電極群を集積するとともに、その電極群を、均一磁場用電極、第１傾斜磁場用電極、及び第２傾斜磁場用電極の３種類の電極から構成することにより、測定領域内での局所的な測定位置を好適に設定して、測定対象物についての画像情報を高い分解能で取得することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、核磁気共鳴撮像素子の一実施形態の平面構成を概略的に示す図である。
【図２】図２は、図１に示した撮像素子の断面構造を示す断面図である。
【図３】図３は、核磁気共鳴撮像システムの一実施形態の構成を示すブロック図である。
【図４】図４は、撮像素子における電極パターンの作製例を示す電子顕微鏡写真である。
【図５】図５は、撮像素子の変形例（ａ）、（ｂ）の断面構造を示す断面図である。
【図６】図６は、測定領域に照射されるＲＦパルス、及び磁場印加用電極群に供給される電流パルスについて示すタイミングチャートである。
【図７】図７は、第１測定モードでの核磁気共鳴の測定方法について示す模式図である。
【図８】図８は、第２測定モードでの核磁気共鳴の測定方法について示す模式図である。
【図９】図９は、核磁気共鳴撮像素子の他の実施形態の平面構成を概略的に示す図である。
【図１０】図１０は、核磁気共鳴撮像システムの他の実施形態の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００１４】
１Ａ…核磁気共鳴撮像素子、１０…基板、１１…測定面、１２…測定領域、１３…測定対象物、１５…ＲＦアンテナ、１６…絶縁層、２０…磁場印加用電極群、２５…均一磁場用電極、２６、２７…配線、３０、３５…第１傾斜磁場用電極、３１、３２、３６、３７…配線、４０、４５…第２傾斜磁場用電極、４１、４２、４６、４７…配線、５０…均一磁場用電流源、５１…第１傾斜磁場用電流源、５２…第２傾斜磁場用電流源、５４…検出器、５６…制御装置、６０…ＲＦ波発生器、６１…分配器、６２…位相調整器、６３…第１スイッチ、６４…第２スイッチ、６５…合成器。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面とともに本発明による核磁気共鳴撮像素子、及び撮像システム、撮像方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。【００１６】
まず、本発明による核磁気共鳴撮像素子の構成について説明する。図１は、核磁気共鳴撮像素子の一実施形態の平面構成を概略的に示す図である。また、図２は、図１に示した撮像素子の断面構造を示す断面図である。【００１７】
ここで、図１においては、核磁気共鳴撮像素子１Ａの構成のうちで、後述する磁場印加用電極群２０の構成、及びＲＦアンテナ１５の設置位置（設置範囲）等を具体的に示すとともに、その他の素子構造については模式的に図示している。また、以下の説明においては、図１の平面構成において、基板の測定面に平行で互いに直交する２つの軸をそれぞれｘ軸（第１軸）、及びｙ軸（第２軸）とし、測定面に垂直な軸をｚ軸とする。また、図２は、撮像素子１Ａにおける電極群２０の中心位置を通りｘ軸及びｚ軸に平行な面での断面構造を示している。【００１８】
本実施形態による核磁気共鳴撮像素子１Ａは、基板１０と、磁場印加用電極群２０と、ＲＦアンテナ１５とを備えて構成されている。本撮像素子１Ａでは、基板１０に対して所定領域に核磁気共鳴の測定領域１２が設定される。図２に示す構成では、測定領域１２の設定の具体的な一例として、基板１０の一方の面である測定面（図２中の上面）１１から所定深さの基板１０内の領域が測定領域１２として設定されており、その測定領域１２内に測定対象物１３が配置されている。【００１９】
撮像素子１Ａは、図２に示すように、基板１０に対して磁場印加用電極群２０とＲＦアンテナ１５とが集積化された素子構造となっている。磁場印加用電極群２０は、基板１０の測定面１１上に集積化されて設けられた複数の電極から構成され、測定領域１２に対して核磁気共鳴測定に必要な磁場を印加して、測定領域１２内で局所的な測定位置を設定するために用いられる。また、この電極群２０は、測定面１１上において測定領域１２を囲むように、領域１２からみてｘ軸方向、及びｙ軸方向に略対称となる電極パターンで形成されている。【００２０】
具体的には、磁場印加用電極群２０は、均一磁場用電極２５と、第１傾斜磁場用電極３０、３５と、第２傾斜磁場用電極４０、４５との３種類の電極によって構成されている。均一磁場用電極２５は、測定領域１２に対して、設定すべき測定位置に応じた均一磁場を印加するための電極であり、測定領域１２を囲むように形成された矩形のループ電極によって構成されている。このループ電極２５は、図１中の左下を起点とした一巻きコイルを構成しており、その両端部にそれぞれ電流供給用の配線２６、２７が設けられている。【００２１】
本撮像素子１Ａでは、この電極２５によって測定領域１２に印加される均一磁場の大きさを制御することにより、領域１２内での測定位置を所望の位置に設定することが可能な構成となっている。例えば、電極２５による均一磁場の大きさを変えていくことにより、領域１２内においてｘ軸方向またはｙ軸方向に測定位置を走査することができる。なお、測定領域１２に対する均一磁場の印加については、この基板１０上に集積化されて測定位置の制御に用いられる均一磁場用電極２５に加えて、磁石、コイル等による通常の静磁場印加装置２２（図３参照）が合わせて用いられる。【００２２】
第１傾斜磁場用電極３０、３５は、測定領域１２に対して、基板１０の測定面１１に平行な第１軸であるｘ軸方向について傾斜磁場を印加するための電極であり、ｘ軸方向について測定領域１２を挟むように形成された一対の第１スプリット電極によって構成されている。スプリット電極３０は、図１中で領域１２からみて左側（ｘ軸の負の側）で、電極２５の左辺の外側にｙ軸に沿って延びる直線状の電極パターンで形成されており、その両端部にそれぞれ電流供給用の配線３１、３２が設けられている。また、スプリット電極３５は、領域１２からみて右側（ｘ軸の正の側）で、電極２５の右辺の外側に同じくｙ軸に沿って延びる直線状の電極パターンで形成されており、その両端部にそれぞれ電流供給用の配線３６、３７が設けられている。【００２３】
第２傾斜磁場用電極４０、４５は、測定領域１２に対して、基板１０の測定面１１に平行な第２軸であるｙ軸方向について傾斜磁場を印加するための電極であり、ｙ軸方向について測定領域１２を挟むように形成された一対の第２スプリット電極によって構成されている。スプリット電極４０は、図１中で領域１２からみて下側（ｙ軸の負の側）で、電極２５の下辺の外側にｘ軸に沿って延びる直線状の電極パターンで形成されており、その両端部にそれぞれ電流供給用の配線４１、４２が設けられている。また、スプリット電極４５は、領域１２からみて上側（ｙ軸の正の側）で、電極２５の上辺の外側に同じくｘ軸に沿って延びる直線状の電極パターンで形成されており、その両端部にそれぞれ電流供給用の配線４６、４７が設けられている。【００２４】
これらの各電極からなる電極群２０に対し、基板１０に対して所定位置にＲＦアンテナ１５が設けられている。ＲＦアンテナ１５は、基板１０での測定領域１２に対して、測定対象物１３中の原子核に生じる核磁気共鳴を測定するためのＲＦパルスを照射するＲＦ照射手段である。本実施形態においては、図２に示すように、基板１０の測定面１１上には電極群２０を覆う絶縁層１６が設けられており、この絶縁層１６上にＲＦアンテナ１５が形成されている。これにより、ＲＦアンテナ１５は、基板１０の測定面１１上に、電極群２０に対して絶縁層１６によって絶縁された状態で集積化されている。【００２５】
次に、上記の撮像素子１Ａを用いた本発明による核磁気共鳴撮像システムについて説明する。図３は、核磁気共鳴撮像システムの一実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態による撮像システムは、核磁気共鳴撮像素子１Ａと、均一磁場用電流源５０と、傾斜磁場用電流源５１、５２と、ＲＦ波発生器６０と、検出器５４と、制御装置５６とを備えて構成されている。これらのうち、撮像素子１Ａの構成については、図１及び図２に関して上述した通りである。【００２６】
均一磁場用電流源５０は、撮像素子１Ａの電極２５に均一磁場発生用の電流Ｉｓｔを供給するための電流源であり、図１に示すように、配線２６、２７の間に接続されている。第１傾斜磁場用電流源５１は、電極３０、３５にｘ軸方向の傾斜磁場発生用の電流Ｉｘを供給するための電流源であり、配線３１、３２の間、及び配線３６、３７の間に接続されている。第２傾斜磁場用電流源５２は、電極４０、４５にｙ軸方向の傾斜磁場発生用の電流Ｉｙを供給するための電流源であり、配線４１、４２の間、及び配線４６、４７の間に接続されている。これらの電流源５０、５１、５２としては、例えば、立ち上がり時間がナノ秒程度の高速スイッチを有する直流電流源が好適に用いられる。【００２７】
ＲＦ波発生器６０は、分配器６１、位相調整器６２、第１スイッチ６３、第２スイッチ６４、及び合成器６５とともに、撮像素子１ＡのＲＦアンテナ１５に対してＲＦパルスを供給するＲＦパルス供給手段を構成している。このＲＦパルス供給手段からＲＦアンテナ１５へのＲＦパルスは、具体的な測定内容に応じて単一のＲＦパルス、または複数のＲＦパルスからなるＲＦパルス列として供給される。【００２８】
具体的には、ＲＦ波発生器６０から出力されたＲＦ波は、分配器６１によって等分配される。そして、分配された一方のＲＦ波は、スイッチ６３を介して合成器６５へと入力される。また、他方のＲＦ波は、位相調整器６２で位相が調整された後にスイッチ６４を介して合成器６５へと入力される。そして、合成器６５で合成されたＲＦ波が、核磁気共鳴測定用のＲＦパルスとして撮像素子１ＡのＲＦアンテナ１５へと供給される。【００２９】
このような構成において、発生器６０からのＲＦ波出力のＯＮ／ＯＦＦ、及び位相調整器６２、スイッチ６３、６４の動作を制御することにより、撮像素子１ＡのＲＦアンテナ１５へと供給されるＲＦパルスを制御することができる。なお、ＲＦパルス供給手段の具体的な構成については、図３はその一例を示すものであり、これ以外にも様々な構成を用いて良い。【００３０】
検出器５４は、撮像素子１Ａにおける測定領域１２内での測定対象物１３からの核磁気共鳴信号を検出する検出手段である。この検出器５４は、静磁場印加装置２２による静磁場、及び磁場印加用電極群２０による磁場を含む所定の磁場が測定領域１２に印加された状態で、ＲＦアンテナ１５から測定領域１２へとＲＦパルスを照射することによって生じた核磁気共鳴信号を、光学的または電気的な方法等で検出して外部へと取り出す。このような核磁気共鳴信号の取得を、測定領域１２への磁場の印加条件、及びＲＦパルスの照射条件を変えながら実行することにより、測定領域１２内にある測定対象物１３の２次元の画像情報を取得することができる。【００３１】
これらの電流源５０、５１、５２、ＲＦ波発生器６０を含むＲＦパルス供給手段、及び検出器５４に対して、制御装置５６が設置されている。制御装置５６は、撮像素子１Ａにおいて測定領域１２内に配置されている測定対象物１３に対する核磁気共鳴による撮像を制御する撮像制御手段である。なお、制御装置５６による撮像の制御方法については、具体的には後述する。【００３２】
本実施形態による核磁気共鳴撮像素子、及び撮像システムの効果について説明する。【００３３】
図１及び図２に示した撮像素子１Ａでは、素子１Ａを構成する基板１０に対して所定領域において、測定対象物１３を含む測定領域１２を設定するとともに、その基板１０上に磁場印加用電極群２０等を集積することによって、撮像素子１Ａを構成している。このように、核磁気共鳴測定に必要な磁場印加用の電極等が集積化された構成の素子を用いることにより、測定対象物１３についての画像情報を高い分解能で取得することができる。【００３４】
さらに、測定領域１２への磁場の印加に用いられる電極群２０について、均一磁場用電極２５、第１傾斜磁場用電極３０、３５、及び第２傾斜磁場用電極４０、４５の３種類の電極を設けている。これらの電極を組み合わせて用いることにより、測定領域１２内での局所的な測定位置の設定、制御、測定位置の変更、走査、及びそれによる測定対象物１３の画像情報の取得を好適に実現することが可能となる。【００３５】
また、図３に示した撮像システムでは、上記したように磁場印加用の電極等が基板１０上に集積化された構成の撮像素子１Ａを用い、電極群２０を構成する３種類の電極に対して、それぞれ対応する電流源から磁場発生用の電流を供給して測定を行っている。これにより、測定領域１２内での局所的な測定位置を確実に制御しつつ、測定対象物１３の画像情報の取得を高い分解能で好適に実現することが可能となる。【００３６】
また、図１に示した構成例では、測定領域１２に磁場を印加するための電極群２０での各電極の具体的な構成として、ループ電極２５、一対の第１スプリット電極３０、３５、及び一対の第２スプリット電極４０、４５によって電極群２０を構成している。このような電極パターンとすることにより、測定位置設定用の均一磁場、ｘ軸方向の傾斜磁場、及びｙ軸方向の傾斜磁場の測定領域１２への印加を、基板１０上に好適に集積することが可能な簡単な電極構成で実現することができる。【００３７】
図４は、図１に示した構成の電極群２０を有する撮像素子１Ａにおける電極パターンの作製例を示す電子顕微鏡写真である。ここでは、素子１Ａの基体となる基板１０として厚さ０．５ｍｍのＧａＡｓ半導体基板を用い、金によって電極群２０の各電極パターンを形成している。本作製例では、基板上に厚さ２０ｎｍのチタンを介して金の電極パターンを形成している。なお、チタン層は基板と金との密着性を高めるためのものであり、不要であれば設けなくても良い。また、電極パターンについては、均一磁場用電極２５のループ形状の内側の幅（電極間隔）を５０μｍとし、各電極のパターン幅を１μｍとしている。図４より、図１に示した構成の電極群２０の電極パターンが良好に得られていることがわかる。また、電極群２０の具体的な電極構成については、これ以外にも様々な構成を用いて良い。【００３８】
一般には、撮像素子１Ａを構成する基板１０としては、上記したＧａＡｓ基板のように表面が充分に平坦な材質の基板を好適に用いることができる。また、電極群２０の各電極については、蒸着可能な金属を用いることが好ましく、例えば金、アルミ、チタンなどの材質による電極パターンを用いることができる。あるいは、測定が超伝導転移温度以下の低温で行われる場合には、超伝導材料からなる電極パターンを用いても良い。【００３９】
磁場印加用電極群２０を構成する電極パターンについては、電極群２０を構成する各電極のパターン幅を、１０ｎｍ〜１０μｍの範囲内の幅とすることが好ましい。上記したパターン幅１μｍは、この条件を満たしている。また、電極群２０を構成する各電極の厚さについては、２００ｎｍ〜１μｍの範囲内の厚さとすることが好ましい。このような条件を満たす電極パターンを用いることにより、測定領域１２内で局所的な測定位置を設定するための磁場印加用電極群２０を好適に構成することができる。【００４０】
また、磁場印加用電極群２０を構成する電極パターンのサイズについては、電極パターンの内側の幅、図１に示す構成においては均一磁場用電極２５のループ形状の内側の幅を１００ｎｍ〜１００μｍの範囲内の幅とすることが好ましい。上記した幅５０μｍは、この条件を満たしている。同様に、ループ電極２５の各辺の長さ、及びスプリット電極３０、３５、４０、４５のそれぞれの長さを１００ｎｍ〜１００μｍの範囲内の長さとすることが好ましい。【００４１】
また、撮像素子１Ａの断面構造についても、図２に示した構造以外にも様々な構成を用いることが可能である。図５は、図１及び図２に示した撮像素子の変形例（ａ）、（ｂ）の断面構造を示す断面図である。【００４２】
図５の変形例（ａ）は、測定領域１２にＲＦパルスを照射するＲＦアンテナ１７が基板１０の測定面１１とは反対側の面、すなわち、基板１０に対して電極群２０とは反対側の面上に形成されている点で図２に示した構成と異なっている。このように、ＲＦアンテナについては、基板の測定面１１上、または測定面１１とは反対側の面上に集積化される構成など、必要に応じてその設置位置を変更して良い。【００４３】
一般には、ＲＦアンテナなどのＲＦ照射手段は、電極群２０が測定面１１上に集積化される基板１０に対して、測定領域１２にＲＦパルスを照射することが可能な所定位置に設けられていれば良い。また、ＲＦアンテナ１５、１７のサイズについては、ＲＦアンテナの幅を２００ｎｍ〜３００μｍの範囲内の幅とすることが好ましい。また、ＲＦアンテナは、印加された静磁場に対して垂直にＲＦ電磁波を照射できるように、上記のように測定対象物の上、または下に配置されていることが好ましい。【００４４】
図５の変形例（ｂ）は、基板１０に対する測定領域の設定が図２の構成例、及び図５の変形例（ａ）と異なっている。すなわち、変形例（ｂ）では、測定領域の設定の他の例として、基板１０の測定面１１上の領域が測定領域１８として設定されており、その測定領域１８内に測定対象物１９が配置されている。このように、測定領域及び測定対象物については、具体的な測定対象物の種類等に応じて、基板１０の測定面１１上、または測定面１１から所定深さの基板１０内の領域など、必要に応じて測定領域を設定して良い。【００４５】
例えば、図２の構成例、及び図５の変形例（ａ）のように、基板１０の測定面１１から所定深さの基板１０内に測定対象物１３が配置される構成では、測定対象物１３はあらかじめ基板１０内に埋め込まれて配置される。このような測定対象物１３の具体的な例としては、例えば量子ドット、量子ビットなどが挙げられる。すなわち、このような構成の撮像素子は、量子コンピュータ等に用いられる量子ビットの読み出しに利用することが可能である。この場合、基板１０中での量子ビットの深さは、例えば測定面１１から数１００ｎｍ〜数μｍ程度とすることが好ましい。【００４６】
また、図５の変形例（ｂ）のように、基板１０の測定面１１上に測定対象物１９が配置される構成では、測定対象物１９はあらかじめ基板１０上に配置されていても良く、あるいは必要に応じて基板１０上に配置、交換される構成であっても良い。【００４７】
上記した核磁気共鳴撮像素子による測定対象物の例としては、半導体材料からなりサイズが１０ｎｍ〜１００μｍ程度の対象物が挙げられる。また、ＲＦアンテナなどのＲＦ照射手段によって測定領域に照射されるＲＦパルスの周波数の例としては、１０ＭＨｚ〜２ＧＨｚの範囲内の周波数が挙げられる。また、測定領域に印加される静磁場（均一磁場）の値は、例えば０．１Ｔ〜１０Ｔ（テスラ）程度である。また、傾斜磁場の値の範囲は、例えば１０μＴ〜１Ｔ程度である。また、ＲＦの強度は、例えば１０μＴ〜１００ｍＴ程度である。【００４８】
ここで、本発明における核磁気共鳴による「撮像」とは、例えば、医療分野においてＭＲＩ装置を用いて行われている画像取得のような例に限られるものではない。例えば、測定領域内において、ナノ領域の核スピンによる量子ビットが複数配列されている場合に、測定位置を制御しながら、個々の量子ビットについて局所検出を行っていくような場合も「撮像」、すなわち測定領域１２についての画像取得に含んでいる。一般には、設定された測定領域内において、測定位置を特定、制御しながら、局所的な情報を核磁気共鳴信号によって検出することが可能であれば良い。【００４９】
測定領域１２内での測定対象物１３からの核磁気共鳴信号を検出する検出器５４（図３参照）に用いられる核スピン検出方法については、上記したように、例えば光学的または電気的な方法で核磁気共鳴信号を検出する方法を用いることができる。あるいは、それら以外の方法で核磁気共鳴信号を検出する方法を用いても良い。【００５０】
核磁気共鳴信号を光学的に検出する方法は、例えば図５に示す変形例（ａ）、（ｂ）のような構造において好適に用いることができる。このような光学的な検出方法の一例について説明する（例えば非特許文献「D. Gammon et al., "Nuclear Spectroscopy in Single Quantum Dots: Nanoscopic Raman Scattering and Nuclear Magnetic Resonance", Science Vol.277, pp.85-88 (1997)」を参照）。この方法では、まず、円偏光した光を測定対象物に照射することにより、対象物中の原子核での核スピンを偏極させる。そして、核スピンの偏極の度合いによって量子ドットの発光エネルギーがシフトすることを利用し、ＲＦパルスを照射して核スピンの状態を変化させた際のエネルギーシフト量を核磁気共鳴信号として検出する。【００５１】
一方、核磁気共鳴信号を電気的に検出する方法は、例えば図２に示す構成例、及び図５に示す変形例（ａ）のような構造において好適に用いることができる。このような電気的な検出方法の一例について説明する（例えば非特許文献「G. Yusa et al., "Controlled Multiple Quantum Coherences of Nuclear Spins in a Nanometre-Scale Device", Nature Vol.434, pp.1001-1005 (2005)」を参照）。この方法では、まず、スピン偏極した電流をナノ領域に流して、対象物中の原子核での核スピンを偏極させる。そして、核スピンを偏極させると対象物の電気抵抗が変化することを利用し、ＲＦパルスを照射して核スピンの重ね合わせ状態を生成した際の電気抵抗を核磁気共鳴信号として検出する。【００５２】
図１〜図３に示した核磁気共鳴撮像素子１Ａ、及び撮像システムの構成について、本発明による核磁気共鳴撮像方法とともにさらに説明する。本発明による撮像素子及び撮像システムでは、上記したように、検出器５４による核磁気共鳴信号の取得を、測定領域１２への磁場の印加条件、及びＲＦパルスの照射条件を変えながら実行することにより、測定領域１２についての２次元の画像情報が取得される。また、このような測定領域１２への磁場の印加条件、及びＲＦパルスの照射条件は、例えばパーソナルコンピュータなどを用いて構成される撮像制御手段である制御装置５６によって制御される（図３参照）。ここで、電極群２０の各電極に供給される電流パルス、及び測定領域１２に照射されるＲＦパルスは、制御装置５６によってパルス幅、強度、パルスの同期等が制御される。また、検出器５４で取得された核磁気共鳴信号は制御装置５６へと入力され、制御装置５６において、画像化処理、あるいは量子ビットの読み出し処理などの必要な処理が行われる。【００５３】
このような構成では、制御装置５６が、第１傾斜磁場用電極３０、３５、または第２傾斜磁場用電極４０、４５への電流の供給、及びそれによって測定領域１２に印加される傾斜磁場を制御することで、測定位置を設定する軸方向を選択するとともに、均一磁場用電極２５への電流の供給、及びそれによって測定領域１２に印加される均一磁場を制御することで、領域１２内において、測定位置を走査することが好ましい。【００５４】
このように、第１傾斜磁場用電極３０、３５または第２傾斜磁場用電極４０、４５によって傾斜磁場を印加して、測定位置を設定する軸方向（ｘ軸方向またはｙ軸方向）を選択するとともに、均一磁場用電極２５によって測定領域１２に印加される均一磁場の大きさの設定または変更を制御することにより、領域１２内における測定位置の設定、及びその変更、走査を好適に実現することができる。また、このような構成では、各電極に供給される電流値を変化させることで測定位置となる共鳴位置をスキャンすることができる。【００５５】
また、制御装置５６が、（１）第１傾斜磁場用電極３０、３５への電流供給をＯＮ、第２傾斜磁場用電極４０、４５への電流供給をＯＦＦとして、第１軸方向について傾斜磁場が印加されて測定位置が選択された状態で、測定領域１２にＲＦパルスを照射する第１期間と、（２）第２傾斜磁場用電極４０、４５への電流供給をＯＮ、第１傾斜磁場用電極３０、３５への電流供給をＯＦＦとして、第２軸方向について傾斜磁場が印加されて測定位置が選択された状態で、測定領域１２にＲＦパルスを照射する第２期間とを含む測定期間を用いて、測定対象物１３に対して核磁気共鳴による撮像を行うことが好ましい。【００５６】
このような構成では、第１期間で第１軸（ｘ軸）方向について測定位置（ｘ座標）が選択された状態で測定を行い、第２期間で第２軸（ｙ軸）方向について測定位置（ｙ座標）が選択された状態で測定を行うことにより、それらを合わせて、第１軸及び第２軸の両方向について測定位置（ｘ，ｙ）が選択された状態で測定対象物１３の情報を取得することが可能となる。【００５７】
また、制御装置５６が、上記測定期間での測定モードについて、（１）第１期間において第１ＲＦパルスとして所定位相の９０°パルスを照射するとともに、第２期間において第２ＲＦパルスとして第１期間と同じ位相の９０°パルスを照射する第１測定モードと、（２）第１期間において第１ＲＦパルスとして所定位相の９０°パルスを照射するとともに、第２期間において第２ＲＦパルスとして第１期間と異なる位相（好ましくは、９０°異なる位相）の９０°パルスを照射する第２測定モードとの２種類の測定モードを用いることが好ましい。【００５８】
このような構成では、上記した第１期間及び第２期間を含む測定期間による核磁気共鳴測定において、測定領域１２へのＲＦパルスの照射条件を変えた２種類の測定モードで、それぞれ核磁気共鳴信号を検出することにより、それらの検出結果を合わせて、設定された測定位置（ｘ，ｙ）についての局所的な情報を確実に取得することが可能となる。【００５９】
このような核磁気共鳴撮像方法について、図６〜図８を参照して、具体的に説明する。図６は、測定領域１２に照射されるＲＦパルス、及び磁場印加用電極群２０に供給される電流パルスについて示すタイミングチャートである。また、図７は、第１測定モードでの核磁気共鳴の測定方法について示す模式図である。また、図８は、第２測定モードでの核磁気共鳴の測定方法について示す模式図である。【００６０】
図６において、チャート（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、ＲＦアンテナ１５から測定領域１２に照射されるＲＦパルスを示すタイミングチャートであり、チャート（ａ）は第１測定モードで照射されるＲＦパルスを、また、チャート（ｂ）は第２測定モードで照射されるＲＦパルスを示している。【００６１】
また、チャート（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は、それぞれ、電極群２０から測定領域１２に印加される磁場発生用に各電極へと供給される電流パルスを示すタイミングチャートであり、チャート（ｃ）は均一磁場用電極２５へと供給される電流パルスＩｓｔを、チャート（ｄ）はｘ軸方向の第１傾斜磁場用電極３０、３５へと供給される電流パルスＩｘを、また、チャート（ｅ）はｙ軸方向の第２傾斜磁場用電極４０、４５へと供給される電流パルスＩｙを示している。【００６２】
図６に示す実施形態の撮像方法では、上記したように、第１期間と、第２期間とを含む測定期間を用いて、測定対象物１３の核磁気共鳴による撮像を行う方法を採用している。これに対応して、図６のチャート（ａ）〜（ｅ）では、測定期間の中心時刻を時刻ｔ＝０とし、この時刻ｔ＝０よりも前の期間を第１期間Ｔ１、後の期間を第２期間Ｔ２としている。また、期間Ｔ１、Ｔ２の期間長さは略同一である。【００６３】
このような測定期間において、測定領域１２へのＲＦパルスの照射については、図６のチャート（ａ）、（ｂ）に示すように、第１期間Ｔ１において第１ＲＦパルス、第２期間Ｔ２において第２ＲＦパルスの２つのＲＦパルスを照射している。これらの第１、第２のＲＦパルスの時間差τ（τ＞０）は、測定対象物１３における核スピンのコヒーレント時間に比べて充分に短い時間差に設定される。このような設定により、後述するように核スピンが初期状態から中間状態、反転状態へと変化する場合には、中間状態となる時間は、核スピンのコヒーレント状態が保持される時間となる。また、ここでは、上記したように第１期間Ｔ１と第２期間Ｔ２との中心時刻となる測定期間の中心時刻が時刻ｔ＝０に設定されているため、第１ＲＦパルスの終了時刻がｔ＝−τ／２、第２ＲＦパルスの開始時刻がｔ＝τ／２となっている。【００６４】
また、本実施形態では、これらの第１、第２のＲＦパルスについて、測定期間に対して２種類の測定モードを用いている。また、各測定モードにおいては測定領域１２へと照射するＲＦパルスとして９０°パルスを用いているが、この９０°パルスについては、例えば、静磁場印加装置２２から印加される磁場Ｂ０の条件下で、測定対象物１３を構成している原子核の核スピンに共鳴する周波数に固定することが好ましい。【００６５】
具体的には、第１測定モードでは、チャート（ａ）に示すように、第１期間Ｔ１で照射されるＲＦパルスは、所定位相（位相０°）の９０°パルスである。また、第２期間Ｔ２で照射されるＲＦパルスは、第１期間と同じ位相（位相０°）の９０°パルスである。第２測定モードでは、チャート（ｂ）に示すように、第１期間Ｔ１で照射されるＲＦパルスは、上記第１測定モードと同様の所定位相（位相０°）の９０°パルスである。また、第２期間Ｔ２で照射されるＲＦパルスは、第１期間と９０°異なる位相（位相９０°）の９０°パルスである。【００６６】
これらのＲＦパルスの位相については、図３に示した構成において、位相調整器６２の動作を制御することによって、ＲＦパルスの位相を制御することができる。また、第１、第２の測定モードで、条件が異なっているのは第２ＲＦパルスの位相のみであり、第１、第２のＲＦパルスの時間差τ、ＲＦパルスの強度等の条件は同一である。【００６７】
基板１０上に集積化された電極群２０によって測定領域１２に印加される磁場（局所磁場）を発生させるための磁場発生用電流パルスとしては、図３に関して上述したように、電流源５０から電極２５に供給される電流パルスＩｓｔ、電流源５１から電極３０、３５に供給される電流パルスＩｘ、及び電流源５２から電極４０、４５に供給される電流パルスＩｙの３種類の電流パルスがある。【００６８】
電流パルスＩｓｔは、均一磁場Ｂｓｔを発生させるための電流パルスである。また、電流パルスＩｘは、ｘ軸方向についての傾斜磁場（磁場勾配）を発生させるための電流パルスである。また、電流パルスＩｙは、ｙ軸方向についての傾斜磁場（磁場勾配）を発生させるための電流パルスである。図６のタイミングチャートにおいては、これらの電流パルスＩｓｔ、Ｉｘ、Ｉｙは、それぞれチャート（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）に示されている。また、第１期間Ｔ１、及び第２期間Ｔ２のそれぞれでの電流パルスの供給時間幅は、図６に示すように、ＲＦの９０°パルスの照射時間幅よりも若干長めに設定されている。【００６９】
１回の測定期間のうちで前半の第１期間Ｔ１（ｔ＜０）では、ｘ軸方向についての電流パルスＩｘがＯＮ、ｙ軸方向についての電流パルスＩｙがＯＦＦとされる。これにより、測定領域１２においてｘ軸方向に傾斜磁場が発生し、ｘ軸方向についての測定位置ｘが選択可能な状態となる。これに対して、第１期間Ｔ１において、測定位置設定用の均一磁場の電流パルスＩｓｔを、設定したい測定位置Ｘに対応する電流値Ｉｓｔ１で供給する。これにより、第１期間Ｔ１においては、ｘ軸方向で測定位置Ｘが選択された状態で核磁気共鳴の測定が行われる。【００７０】
後半の第２期間Ｔ２（ｔ＞０）では、ｙ軸方向についての電流パルスＩｙがＯＮ、ｘ軸方向についての電流パルスＩｘがＯＦＦとされる。これにより、測定領域１２においてｙ軸方向に傾斜磁場が発生し、ｙ軸方向についての測定位置ｙが選択可能な状態となる。これに対して、第２期間Ｔ２において、測定位置設定用の均一磁場の電流パルスＩｓｔを、設定したい測定位置Ｙに対応する電流値Ｉｓｔ２で供給する。これにより、第２期間Ｔ２においては、ｙ軸方向で測定位置Ｙが選択された状態で核磁気共鳴の測定が行われる。【００７１】
以上の第１期間及び第２期間を有する測定期間と、第１測定モード及び第２測定モードの２種類の測定モードとを用いた場合の核磁気共鳴の測定方法の具体的な例について説明する。ここでは、全体の測定領域１２中で、核磁気共鳴測定によって情報を得ようとする測定位置（測定範囲）が（Ｘ，Ｙ）に設定されているとする。【００７２】
また、以下の説明においては、ＲＦパルス照射前の磁場中での核スピンの状態を「初期状態」、核スピンが９０°パルスの照射によって９０°倒れた状態を「中間状態」、核スピンが１８０°倒れて反対方向を向いている状態を「反転状態」とする。ただし、これらの用語は、説明のための便宜的なものである。【００７３】
まず、測定領域１２に対し、チャート（ａ）に示すＲＦパルスを用いる第１測定モードで核磁気共鳴測定を行う。第１期間Ｔ１では、測定領域１２に対して電流Ｉｓｔ１による均一磁場Ｂｓｔ１が印加され、領域１２での均一静磁場成分はＢ０＋Ｂｓｔ１となる。さらに、電流ＩｘがＯＮとなっていることにより、ｘ軸方向に傾斜磁場が形成される。この状態で、第１ＲＦパルスである位相０°の９０°パルスを測定領域１２に照射すると、図７（ａ）に示すように、ｘ軸方向の位置が均一磁場Ｂｓｔ１によって設定された位置Ｘの帯状領域１２１内で核磁気共鳴が発生し、初期状態にあった原子核の核スピンが９０°倒れて中間状態となる。【００７４】
続いて、第２期間Ｔ２では、測定領域１２に対して電流Ｉｓｔ２による均一磁場Ｂｓｔ２が印加され、領域１２での均一静磁場成分はＢ０＋Ｂｓｔ２となる。さらに、電流ＩｙがＯＮとなっていることにより、ｙ軸方向に傾斜磁場が形成される。この状態で、第２ＲＦパルスである位相０°の９０°パルスを測定領域１２に照射すると、図７（ｂ）に示すように、ｙ軸方向の位置が均一磁場Ｂｓｔ２によって設定された位置Ｙの帯状領域１２２内で核磁気共鳴が発生し、初期状態にあった原子核の核スピンが９０°倒れて中間状態となる。【００７５】
また、このとき、帯状領域１２１、１２２の重なり部分の領域１２０、すなわち、測定位置（Ｘ，Ｙ）に対応する領域１２０では、既に９０°倒れて中間状態となっていた核スピンがさらに９０°倒れて、核スピンが反対方向を向いた反転状態となる。この状態で、核磁気共鳴信号の検出を行い、第１共鳴信号Ｓ１を得る。共鳴信号Ｓ１を取得したら、核スピンを緩和もしくは励起させて、初期状態へと戻す。【００７６】
次に、測定領域１２に対し、チャート（ｂ）に示すＲＦパルスを用いる第２測定モードで２回目の核磁気共鳴測定を行う。今回の測定モードにおいても、第１期間Ｔ１については、図８（ａ）に示すように１回目の測定と同様である。【００７７】
続いて、第２期間Ｔ２では、測定領域１２に対して電流Ｉｓｔ２による均一磁場Ｂｓｔ２が印加され、領域１２での均一静磁場成分はＢ０＋Ｂｓｔ２となる。さらに、電流ＩｙがＯＮとなっていることにより、ｙ軸方向に傾斜磁場が形成される。この状態で、第２ＲＦパルスである位相９０°の９０°パルスを測定領域１２に照射すると、図８（ｂ）に示すように、ｙ軸方向の位置が均一磁場Ｂｓｔ２によって設定された位置Ｙの帯状領域１２２内で核磁気共鳴が発生し、初期状態にあった原子核の核スピンが９０°倒れて中間状態となる。【００７８】
また、このとき、帯状領域１２１、１２２の重なり部分の領域１２０、すなわち、測定位置（Ｘ，Ｙ）に対応する領域１２０では、第２ＲＦパルスの位相が０°ではなく９０°とされているために、９０°倒れて中間状態となっていた核スピンは、中間状態のままとなる。この状態で、核磁気共鳴信号の検出を行い、第２共鳴信号Ｓ２を得る。【００７９】
以上の測定により、第１共鳴信号Ｓ１から第２共鳴信号Ｓ２を差し引くことによって、測定位置（Ｘ，Ｙ）における局所的な核スピンの情報を取得することができる。さらに、この方法では、測定位置（Ｘ，Ｙ）は、均一磁場（Ｂｓｔ１、Ｂｓｔ２）、すなわち均一磁場用電極２５に供給される電流（Ｉｓｔ１、Ｉｓｔ２）によって設定される。したがって、これらの電流値を制御することによって測定位置を測定領域１２内で走査して、測定領域１２内にある測定対象物１３の画像情報を取得することが可能である。【００８０】
また、例えばこのような核磁気共鳴撮像システムを、ナノ領域の核スピンを量子ビットとした量子コンピュータ等における量子ビットの局所検出装置に応用する場合、上記の電流値を制御することにより、読み出す量子ビットを選択することが可能となる。また、上記した核磁気共鳴撮像素子、及び撮像システムは、高分解能なＭＲＩ装置として、例えば各種の計測分野、先端研究分野などに広く応用することが可能である。【００８１】
ここで、上記構成の核磁気共鳴撮像素子１Ａにおいて、電極群２０によって印加される磁場で設定される測定位置の分解能は、傾斜磁場用の一対のスプリット電極の電極間距離、及び傾斜磁場用電極に供給される電流値等の条件によって決まる。【００８２】
すなわち、上記構成では、核磁気共鳴の読み出しにおいて核磁気共鳴のピークに有限の幅があるため、その幅を分離するために必要なエネルギー差、すなわち周波数の差を見積もることができる。一方、磁場印加用電極群での電極配置によって、得られる傾斜磁場の強さが計算でき、そのときに得られる核磁気共鳴のエネルギーのシフト量を計算することができる。したがって、所望の位置分解能を得るために必要な磁場の値（電極に供給される電流値）が、スプリット電極の電極間距離の関数として求められ、また、その分解能が電極間距離及び供給される電流値によって決まることとなる。【００８３】
例えば、測定位置の分解能を５００ｎｍ以下にするためには、上記した傾斜磁場用の電極間距離と電流値との比を５０ｍ／Ａ以下とする必要がある。具体的な例としては、上記したように傾斜磁場用の一対のスプリット電極の電極間距離（ほぼ均一磁場用電極のループ形状の内側の幅に相当）を５０μｍとした構成では、供給する電流値を１００μＡとした場合、得られる位置分解能は５ｎｍ程度となる。【００８４】
また、均一磁場用電極に供給される電流については、その電流値を傾斜磁場用電極での電流値と同程度に設定することが好ましい。このような条件は、例えば静磁場印加装置から印加される磁場の値を適切に設定することで実現することができる。【００８５】
本発明による核磁気共鳴撮像素子、及びそれを用いた撮像システム、撮像方法は、上記した実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、磁場印加用電極群を構成する各電極の具体的な電極パターンについては、図１に示した構成以外にも様々な構成を用いて良い。一般には、基板に集積化される磁場印加用電極群は、測定領域に対して、設定すべき測定位置に応じた均一磁場を印加する均一磁場用電極と、測定領域に対して、基板の測定面に平行な第１軸方向について傾斜磁場を印加する第１傾斜磁場用電極と、測定領域に対して、測定面に平行で第１軸と直交する第２軸方向について傾斜磁場を印加する第２傾斜磁場用電極とを有して構成されていれば良い。【００８６】
また、撮像素子における基板、電極群、ＲＦアンテナの積層構造等についても、上記した構成に限らず、様々な構成を用いて良い。また、上記構成の撮像素子を用いた具体的な撮像方法についても、上記した方法に限らず、具体的な測定対象物の種類、配置、電極群の構成等に応じて様々な方法を用いることが可能である。【００８７】
本発明による核磁気共鳴撮像素子の構成について、さらに説明する。図９は、核磁気共鳴撮像素子の他の実施形態の平面構成を概略的に示す図である。本実施形態による核磁気共鳴撮像素子１Ｂは、基板１０と、磁場印加用電極群２０と、ＲＦアンテナ１５とを備えて構成されている。また、図９に示す構成において、磁場印加用電極群２０は、電極７０、７５、８０、８５の４つのスプリット電極から構成されている。【００８８】
スプリット電極７０は、測定領域１２からみて左側に直線状の電極パターンで形成されており、その両端部にそれぞれ電流供給用の配線７１、７２が設けられている。また、スプリット電極７５は、領域１２からみて右側に直線状の電極パターンで形成されており、その両端部にそれぞれ電流供給用の配線７６、７７が設けられている。【００８９】
スプリット電極８０は、測定領域１２からみて下側に直線状の電極パターンで形成されており、その両端部にそれぞれ電流供給用の配線８１、８２が設けられている。また、スプリット電極８５は、領域１２からみて上側に直線状の電極パターンで形成されており、その両端部にそれぞれ電流供給用の配線８６、８７が設けられている。【００９０】
このような構成において、測定領域１２に対して均一磁場を印加する均一磁場用電極は、４つのスプリット電極７０、７５、８０、８５を合わせたループ状の電極パターンによって構成されている。また、ｘ軸方向について傾斜磁場を印加する第１傾斜磁場用電極は、一対のスプリット電極７０、７５によって構成されている。同様に、ｙ軸方向について傾斜磁場を印加する第２傾斜磁場用電極は、一対のスプリット電極８０、８５によって構成されている。【００９１】
次に、上記の撮像素子１Ｂを用いた本発明による核磁気共鳴撮像システムについて説明する。図１０は、核磁気共鳴撮像システムの他の実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態による撮像システムは、核磁気共鳴撮像素子１Ｂと、電流源９１〜９４とを備えて構成されている。なお、本実施形態において、ＲＦ発生器６０を含むＲＦパルス供給手段については、図３に示した構成と同様である。また、図１０においては、静磁場印加装置２２、検出器５４、及び制御装置５６について図示を省略している。【００９２】
第１電流源９１は、撮像素子１Ｂの電極７０に電流Ｉｘ１を供給するための電流源であり、図９に示すように、配線７１、７２の間に接続されている。第２電流源９２は、電極７５に電流Ｉｘ２を供給するための電流源であり、配線７６、７７の間に接続されている。第３電流源９３は、電極８０に電流Ｉｙ１を供給するための電流源であり、配線８１、８２の間に接続されている。第４電流源９４は、電極８５に電流Ｉｙ２を供給するための電流源であり、配線８６、８７の間に接続されている。【００９３】
このような構成において、均一磁場用電極に電流を供給する均一磁場用電流源は、４つの電流源９１〜９４によって構成されている。また、第１傾斜磁場用電極に電流を供給する第１傾斜磁場用電流源は、２つの電流源９１、９２によって構成されている。また、第２傾斜磁場用電極に電流を供給する第２傾斜磁場用電流源は、２つの電流源９３、９４によって構成されている。【００９４】
また、上記構成では、左側のスプリット電極７０に供給される電流Ｉｘ１は、図１の構成においてループ電極２５の左辺及びスプリット電極３０に供給される電流を加算したものとなる。また、右側のスプリット電極７５に供給される電流Ｉｘ２は、ループ電極２５の右辺及びスプリット電極３５に供給される電流を加算したものとなる。ここで、ループ電極２５の左辺と右辺とでは、電流の向きが異なることに注意が必要である。【００９５】
同様に、上記構成では、下側のスプリット電極８０に供給される電流Ｉｙ１は、ループ電極２５の下辺及びスプリット電極４０に供給される電流を加算したものとなる。また、上側のスプリット電極８５に供給される電流Ｉｙ２は、ループ電極２５の上辺及びスプリット電極４５に供給される電流を加算したものとなる。ここで、ループ電極２５の下辺と上辺とでは、左辺と右辺と同様に電流の向きが異なることに注意が必要である。【００９６】
図９及び図１０の実施形態に示すように、磁場印加用電極群を構成する各電極の電極パターン、及びそれらの電極に電流を供給する電流源の構成については、具体的には様々な構成を用いることが可能である。【００９７】
ここで、上記実施形態による核磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）素子では、基板と、基板の一方の面である測定面上に集積化されて設けられ、基板に対して所定領域に設定された核磁気共鳴の測定領域に磁場を印加して、測定領域内で局所的な測定位置を設定するための磁場印加用電極群と、基板に対して所定位置に設けられ、基板での測定領域に対してＲＦパルスを照射するためのＲＦ照射手段とを備え、磁場印加用電極群は、測定領域に対して、設定すべき測定位置に応じた均一磁場を印加する均一磁場用電極と、測定領域に対して、基板の測定面に平行な第１軸方向について傾斜磁場を印加する第１傾斜磁場用電極と、測定領域に対して、測定面に平行で第１軸と直交する第２軸方向について傾斜磁場を印加する第２傾斜磁場用電極とを有する構成を用いている。【００９８】
上記撮像素子における磁場印加用電極群の具体的な構成については、均一磁場用電極は、測定領域を囲むように形成されたループ電極を含み、第１傾斜磁場用電極は、第１軸方向について測定領域を挟むように形成された一対の第１スプリット電極を含み、第２傾斜磁場用電極は、第２軸方向について測定領域を挟むように形成された一対の第２スプリット電極を含むことが好ましい。これにより、３種類の電極を用いた測定領域への均一磁場、第１軸方向の傾斜磁場、及び第２軸方向の傾斜磁場の印加を、基板上への集積化が可能な簡単な電極構成で実現することができる。【００９９】
あるいは、磁場印加用電極群において、第１傾斜磁場用電極は、第１軸方向について測定領域を挟むように形成された一対の第１スプリット電極を含み、第２傾斜磁場用電極は、第２軸方向について測定領域を挟むように形成された一対の第２スプリット電極を含むとともに、均一磁場用電極は、一対の第１スプリット電極及び一対の第２スプリット電極を合わせたループ状の電極パターンによって構成されていることとしても良い。このような構成によっても、測定領域への均一磁場、第１軸方向の傾斜磁場、及び第２軸方向の傾斜磁場の印加を、基板上への集積化が可能な簡単な電極構成で実現することができる。また、電極群の具体的な電極構成については、これら以外にも様々な構成を用いて良い。【０１００】
磁場印加用電極群を構成する電極パターンについては、磁場印加用電極群は、電極群を構成する各電極のパターン幅が１０ｎｍ〜１０μｍの範囲内の幅であることが好ましい。また、磁場印加用電極群は、電極群を構成する各電極の厚さが２００ｎｍ〜１μｍの範囲内の厚さであることが好ましい。また、磁場印加用電極群は、電極群を構成する電極パターンの内側の幅が１００ｎｍ〜１００μｍの範囲内の幅であることが好ましい。【０１０１】
また、測定領域へのＲＦパルスの照射に用いられるＲＦ照射手段については、基板の測定面上に、磁場印加用電極群に対して絶縁層によって絶縁されて形成されたＲＦアンテナを含む構成を用いることができる。あるいは、基板の測定面とは反対側の面上に形成されたＲＦアンテナを含む構成を用いることができる。これらの構成では、ＲＦアンテナは、磁場印加用電極群とともに基板に集積化される。【０１０２】
また、撮像素子による画像取得の対象となる測定対象物については、基板において、測定領域内での測定対象物は、測定面上、または測定面から所定深さの基板内に配置されることが好ましい。【０１０３】
上記実施形態による核磁気共鳴撮像システムでは、上記した構成の核磁気共鳴撮像素子と、均一磁場用電極に均一磁場発生用の電流を供給する均一磁場用電流源と、第１傾斜磁場用電極に傾斜磁場発生用の電流を供給する第１傾斜磁場用電流源と、第２傾斜磁場用電極に傾斜磁場発生用の電流を供給する第２傾斜磁場用電流源と、ＲＦ照射手段に対してＲＦパルスを供給するＲＦパルス供給手段と、核磁気共鳴撮像素子の測定領域内での測定対象物からの核磁気共鳴信号を検出する検出手段と、測定対象物に対する核磁気共鳴による撮像を制御する撮像制御手段とを備える構成を用いている。【０１０４】
また、上記実施形態による核磁気共鳴撮像方法では、上記した構成の核磁気共鳴撮像素子を用い、均一磁場用電極、第１傾斜磁場用電極、及び第２傾斜磁場用電極のそれぞれに対して必要に応じて磁場発生用の電流を供給する電流供給ステップと、ＲＦ照射手段に対してＲＦパルスを供給するＲＦパルス供給ステップと、核磁気共鳴撮像素子の測定領域内での測定対象物からの核磁気共鳴信号を検出する検出ステップと、測定対象物に対する核磁気共鳴による撮像を制御する撮像制御ステップとを備える構成を用いている。【０１０５】
ここで、撮像システムは、撮像制御手段が、第１傾斜磁場用電極、または第２傾斜磁場用電極への電流の供給、及びそれによって測定領域に印加される傾斜磁場を制御することで、測定位置を設定する軸方向を選択するとともに、均一磁場用電極への電流の供給、及びそれによって測定領域に印加される均一磁場を制御することで、測定領域内において、測定位置を走査することが好ましい。【０１０６】
同様に、撮像方法は、撮像制御ステップにおいて、第１傾斜磁場用電極、または第２傾斜磁場用電極への電流の供給、及びそれによって測定領域に印加される傾斜磁場を制御することで、測定位置を設定する軸方向を選択するとともに、均一磁場用電極への電流の供給、及びそれによって測定領域に印加される均一磁場を制御することで、測定領域内において、測定位置を走査することが好ましい。【０１０７】
このように、傾斜磁場用電極によって傾斜磁場を印加して、測定位置を設定する軸方向を選択するとともに、均一磁場用電極によって測定領域に印加される均一磁場の大きさの設定または変更を制御することにより、測定領域内における測定位置の設定、及びその変更、走査を好適に実現することができる。【０１０８】
また、撮像システムは、撮像制御手段が、第１傾斜磁場用電極への電流供給をＯＮ、第２傾斜磁場用電極への電流供給をＯＦＦとして、第１軸方向について傾斜磁場が印加されて測定位置が選択された状態で、測定領域にＲＦパルスを照射する第１期間と、第２傾斜磁場用電極への電流供給をＯＮ、第１傾斜磁場用電極への電流供給をＯＦＦとして、第２軸方向について傾斜磁場が印加されて測定位置が選択された状態で、測定領域にＲＦパルスを照射する第２期間とを含む測定期間を用いて、測定対象物に対して核磁気共鳴による撮像を行うことが好ましい。【０１０９】
同様に、撮像方法は、撮像制御ステップにおいて、第１傾斜磁場用電極への電流供給をＯＮ、第２傾斜磁場用電極への電流供給をＯＦＦとして、第１軸方向について傾斜磁場が印加されて測定位置が選択された状態で、測定領域にＲＦパルスを照射する第１期間と、第２傾斜磁場用電極への電流供給をＯＮ、第１傾斜磁場用電極への電流供給をＯＦＦとして、第２軸方向について傾斜磁場が印加されて測定位置が選択された状態で、測定領域にＲＦパルスを照射する第２期間とを含む測定期間を用いて、測定対象物に対して核磁気共鳴による撮像を行うことが好ましい。【０１１０】
このような構成では、第１期間で第１軸（ｘ軸）方向について測定位置（ｘ座標）が選択された状態で測定を行い、第２期間で第２軸（ｙ軸）方向について測定位置（ｙ座標）が選択された状態で測定を行うことにより、それらを合わせて、第１軸及び第２軸の両方向について測定位置（ｘ，ｙ）が選択された状態で測定対象物の情報を取得することが可能となる。【０１１１】
また、撮像システムは、撮像制御手段が、測定期間での測定モードについて、第１期間においてＲＦパルスとして所定位相の９０°パルスを照射するとともに、第２期間においてＲＦパルスとして第１期間と同じ位相の９０°パルスを照射する第１測定モードと、第１期間においてＲＦパルスとして所定位相の９０°パルスを照射するとともに、第２期間においてＲＦパルスとして第１期間と異なる位相（好ましくは、９０°異なる位相）の９０°パルスを照射する第２測定モードとの２種類の測定モードを用いることが好ましい。【０１１２】
同様に、撮像方法は、撮像制御ステップにおいて、測定期間での測定モードについて、第１期間においてＲＦパルスとして所定位相の９０°パルスを照射するとともに、第２期間においてＲＦパルスとして第１期間と同じ位相の９０°パルスを照射する第１測定モードと、第１期間においてＲＦパルスとして所定位相の９０°パルスを照射するとともに、第２期間においてＲＦパルスとして第１期間と異なる位相の９０°パルスを照射する第２測定モードとの２種類の測定モードを用いることが好ましい。【０１１３】
このような構成では、上記した第１期間及び第２期間を含む測定期間による核磁気共鳴測定において、測定領域へのＲＦパルスの照射条件を変えた２種類の測定モードで、それぞれ核磁気共鳴信号の検出を行うことにより、それらの検出結果を合わせて、設定された測定位置（ｘ，ｙ）についての局所的な情報を確実に取得することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【０１１４】
本発明は、核磁気共鳴撮像法による測定対象物の画像取得を高い分解能で行うことが可能な核磁気共鳴撮像素子、及びそれを用いた撮像システム、撮像方法として利用可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図４】
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【国際調査報告】
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