(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＮＭＲイメージング方法において、
イメージング対象（ただし、ヒトを除く）における原子核双極子と電子殻との相互作用を電場によって制御し、
前記制御を行うことによって前記イメージング対象中の核スピンの位置による共鳴周波数の相違を生じさせること、
を特徴とするＮＭＲイメージング方法。
【請求項２】
ＮＭＲイメージング方法において、
イメージング対象（ただし、ヒトを除く）における電子殻のひずみ、または、イメージング対象（ただし、ヒトを除く）における電子による反磁性電流を電場によって制御し、
前記制御を行うことによって前記イメージング対象中の核スピンの位置による共鳴周波数の相違を生じさせること、
を特徴とするＮＭＲイメージング方法。
【請求項３】
ＮＭＲイメージング方法において、
イメージング対象（ただし、ヒトを除く）における原子核双極子と電子殻との相互作用を、複数の電極によって生じる電場によって制御し、
前記制御を行うことによって前記イメージング対象中の核スピンの位置による共鳴周波数の相違を生じさせること、
を特徴とするＮＭＲイメージング方法。
【請求項４】
ＮＭＲイメージング装置において、
イメージング対象における原子核双極子と電子殻との相互作用を制御するための電場を、円筒状または、楕円状または、長方形状の電極の多層構造によって生じさせる電場制御手段、
を備えたことを特徴とするＮＭＲイメージング装置。
【請求項５】
ＮＭＲイメージング装置において、
イメージング対象における原子核双極子と電子殻との相互作用を制御するための電場を、対向配置された電極によって生じさせる対向電極用電場制御手段、を備え、
前記対向配置された電極のそれぞれは、
金属層と絶縁体層とを積層することによって構成され、
前記金属層のそれぞれは、
対向する金属層と接続されることにより所望の電圧を印加されるようにしたこと、
を備えたことを特徴とするＮＭＲイメージング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電場勾配によるＮＭＲイメージング装置およびその方法に関するものであり、特に、イメージング（物質の空間的構造の計測）の分解能の向上に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＮＭＲイメージングでは、スピンに位置情報をエンコードするための磁場勾配（Ｆｉｅｌｄ  Ｇｒａｄｉｅｎｔ）を加えるために、傾斜磁場コイルを用いていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の磁場勾配によるＮＭＲイメージングでは、ミリメーター単位程度の空間分解能しか有しておらず、例えばオングストローム単位での空間分解能が必要となる材料分野等での使用は困難であった。従来のそのような空間分解能の限界は、主として磁場勾配の均一度（勾配の直線性）の精度が低いことが原因となっている。また、磁場勾配の均一性を調整するために、カレント・シムによる制御も行っているが、調整が困難で磁場勾配の均一度の精度も高くはなかった。
【０００４】
この発明は、上記のような問題に鑑みて、空間分解能に優れ、かつ、厳密な電場勾配の調整が可能となるＮＭＲイメージング装置およびその方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
１）本発明のＮＭＲ方法は、
ＮＭＲを利用して対象物の物理量を測定するＮＭＲ方法であって、
前記対象物における原子核双極子と電子殻との相互作用を電場によって制御し、
前記制御を行うことによって前記対象物中の核スピンの共鳴周波数に相違を生じさせ、
前記共鳴周波数の相違に基づいて前記対象物の物理量を測定すること、
を特徴としている。
【０００６】
すなわち、前記核スピンは、前記電場による制御を介して共鳴周波数の相違が与えられることになる。したがって、前記ＮＭＲ方法は、前記対象物の物理量の測定のために前記核スピンの共鳴周波数の相違が必要となる場合において、効果的に利用することができる。
【０００７】
２）本発明のＮＭＲイメージング方法は、
イメージング対象における原子核双極子と電子殻との相互作用を電場によって制御し、
前記制御を行うことによって前記イメージング対象中の核スピンの位置による共鳴周波数の相違を生じさせること、を特徴としている。
【０００８】
これにより、前記核スピンは、共鳴周波数の変化を与えられる。さらに、前記電場の強度を勾配とすることによって前記原子核双極子と電子殻との相互作用を制御することにより、前記核スピンは、前記ＮＭＲイメージングにおける位置情報を与えられる。したがって、前記ＮＭＲイメージング方法は、電場による制御によって前記イメージング対象をイメージングすることができる。
【０００９】
３）本発明の前記ＮＭＲイメージング方法は、
イメージング対象における電子殻のひずみ、または、イメージング対象における電子による反磁性電流を電場によって制御し、
前記制御を行うことによって前記イメージング対象中の核スピンの位置による共鳴周波数の相違を生じさせること、を特徴としている。
【００１０】
これにより、前記核スピンは、共鳴周波数の変化を与えられる。さらに、前記電場の強度を勾配とすることによって前記電子殻のひずみ、または、前記反磁性電流を制御することにより、前記核スピンは、前記ＮＭＲイメージングにおける位置情報を与えられる。したがって、前記ＮＭＲイメージング方法は、電場による制御によって前記イメージング対象をイメージングすることができる。
【００１１】
４）本発明のＮＭＲイメージング方法は、
イメージング対象における原子核双極子と電子殻との相互作用を、複数の電極によって生じる電場によって制御し、
前記制御を行うことによって前記イメージング対象中の核スピンの位置による共鳴周波数の相違を生じさせること、を特徴としている。
【００１２】
これにより、前記核スピンは、共鳴周波数の変化を与えられる。さらに、前記電場の強度を勾配とすることによって前記原子核双極子と電子殻との相互作用を制御することにより、前記核スピンは、前記ＮＭＲイメージングにおける位置情報を与えられる。したがって、前記ＮＭＲイメージング方法は、電場による制御によって前記イメージング対象をイメージングすることができる。
【００１３】
また、前記複数の電極によって前記電場を制御するのであるから、前記電場の調節が容易であり、勾配の均一性（勾配の直線性）の高い電場勾配を得ることができる。よって、その電場勾配は、前記核スピンの共鳴周波数を精度の高い勾配の均一性（勾配の直線性）とすることができる。したがって、前記ＮＭＲイメージング方法は、優れた空間分解能によってイメージングを行うことができる。
【００１４】
５）本発明のＮＭＲイメージング装置は、
イメージング対象における原子核双極子と電子殻との相互作用を制御するための電場を、円筒状または、楕円状または、長方形状の電極の多層構造によって生じさせる電場制御手段、
を備えたことを特徴としている。
【００１５】
これにより、前記電場制御手段は、前記電場の強度が勾配となるように前記原子核双極子と電子殻との相互作用を制御することにより、前記イメージング対象における核スピンに対して前記ＮＭＲイメージングにおける位置情報を与えることができる。したがって、前記ＮＭＲイメージング方法は、前記電場制御手段による制御によって前記イメージング対象をイメージングすることができる。
【００１６】
６）本発明のＮＭＲイメージング装置は、
イメージング対象における原子核双極子と電子殻との相互作用を制御するための電場を、対向配置された電極によって生じさせる対向電極用電場制御手段、
を備え、
前記対向配置された電極のそれぞれは、
金属層と絶縁体層とを積層することによって構成され、
前記金属層のそれぞれは、
対向する金属層と接続されることにより所望の電圧を印加されるようにしたこと、
を備えたことを特徴としている。
【００１７】
これにより、前記電場制御手段は、前記電場の強度が勾配となるように前記原子核双極子と電子殻との相互作用を制御することにより、前記イメージング対象における核スピンに対して前記ＮＭＲイメージングにおける位置情報を与えることができる。したがって、前記ＮＭＲイメージング方法は、前記電場制御手段による制御によって前記イメージング対象をイメージングすることができる。
【００１８】
また、前記金属層は、前記対向する金属層に対して接続されることにより所望の電圧を印加され、さらに、隣接する前記金属層とは前記絶縁体層によって電気的に分離されている。よって、前記対向する金属層への所望の電圧の印加を、前記絶縁体層を隔てて隣接する金属層による電気的な影響を受けることなく容易に行うことができる。したがって、前記電場制御手段は、前記電場の強度が勾配となるように前記原子核双極子と電子殻との相互作用を制御することをより容易に行うことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を説明する前提として、以下、本発明に係る電場勾配ＮＭＲイメージングの原理の説明を行い、次に実施形態を説明する。
目次
１．電場勾配ＮＭＲイメージングの原理
１−１．ＮＭＲイメージングにおける電子−原子核相互作用
１−２．従来の磁場勾配ＮＭＲイメージングの原理
１−３．本発明による電場勾配ＮＭＲイメージングの原理
２．電場勾配ＮＭＲイメージングの適用例
３．電場勾配ＮＭＲイメージング装置１００による実施形態の説明
３−１．回路図の説明
３−２．電極の構造
３−３．電極の作製方法
３−４．特許請求の範囲に記載した用語と実施形態との対応
３−５．実施形態によるイメージング方法の概要
３−６．実施形態による効果
４．その他の実施形態等
−−−−−−−−−
【００２０】
−−１．電場勾配ＮＭＲイメージングの原理−−
本発明は、従来のＮＭＲイメージングとは全く異なる新しいＮＭＲイメージングの原理を与えるものである。本発明のＮＭＲイメージングの原理は、電場勾配を利用して核スピンに共鳴周波数の変化を生じさせ、その共鳴周波数の変化によって核スピンの歳差運動に位置情報をコーディングすることを特徴とするものである。このことを可能にするのは、核スピンの共鳴周波数は、原子核の周りの電子の状態に依存するためである。言いかえれば、核スピンは、外場（磁場）を直接感じるのではなく、電子の反磁性電流による局所的な磁場を合わせたトータルな磁場においてラーマー周波数（核スピンの共鳴周波数および核スピンの位相の両方を情報として含む）で回転しているのである。
【００２１】
すなわち、本発明による電場勾配ＮＭＲイメージングでは、電場勾配を利用して電子の反磁性電流を変化させ、その結果、核スピンの共鳴周波数を変化させて核スピンの歳差運動に位置情報をエンコードすることを特徴としている。
【００２２】
以下、本発明の原理を説明する上で前提となる、ＮＭＲイメージングにおける電子−原子核相互作用について最初に説明し、次に、本発明と対比される磁場勾配ＮＭＲイメージングの原理、及び、本発明による電場勾配ＮＭＲイメージングの原理を説明する。
【００２３】
１−１．ＮＭＲイメージングにおける電子−原子核相互作用
磁場Ｈの下での電子の運動は、電子のハミルトニアンにおいて、
【数１】
0003677540.tif 000002
により定義される磁気ベクトルポテンシャル（ｄｉｖ：発散、Ａ：ベクトルポテンシャル）を、
【数２】
0003677540.tif 000003
により定義される磁気ベクトルポテンシャル（ｃｕｒｌ：回転）で置き換えることによって得られる。
【００２４】
電磁気学によれば、磁気双極子μはそれよりベクトルｒだけ離れた点にベクトルポテンシャル、
【数３】
0003677540.tif 000004
により導かれる磁場を生ずる。
【００２５】
μ：磁気双極モーメント
ｒ：距離
【数４】
0003677540.tif 000005
ここで、電子のシュレディンガー方程式は、
【数５】
0003677540.tif 000006
ｍ：質量
ｐ：運動量
ｃ：光速
β：ボーア磁子
ｅ：電荷
ｓ：電子スピン
で与えられる。一次の摂動計算では、Ａについて一次の項、
【数６】
0003677540.tif 000007
だけを残せばよい。従って、
【数７】
0003677540.tif 000008
を得る。ここで、スピンに依存する部分は
【数８】
0003677540.tif 000009
で与えられるが、これを
【数９】
0003677540.tif 000010
と書き換えてみると、核磁気モーメントと電子と磁気的相互作用はこれに電子密度を掛けたものになる。つまり、
【数１０】
0003677540.tif 000011
ｄｒｄΩ：極座標（ｄｒ：動径、ｄΩ：角度成分）
従って、電子と原子核との相互作用ハミルトニアンは明確に、
【数１１】
0003677540.tif 000012
と書くことができる。
【００２６】
Ｉ：軌道角運動量
δ（ｒ）：デルタ関数
【数１２】
0003677540.tif 000013
よって、ベクトル演算子、
【数１３】
0003677540.tif 000014
は、電子によって原子核の位置に作られる局所磁場によって記述されることがわかる。
【００２７】
つまり、電子―原子核相互作用の意味するところは、物質中の原子核（周りに電子がある原子核）と裸の原子核（周りに電子がない原子核）とでは、共鳴周波数が異なるということである。これには、以下の２つの原因がある。
【００２８】
（１）外場（磁場）Ｈ０をかければ電子の電荷は磁場の周りにラーマー才差運動を行うが、これは電流と同等であって原子核の位置に局所磁場Ｈｄを生じ、この磁場が外場に加わる。この磁場大きさは外場Ｈ０に比例する。
【００２９】
（２）外場Ｈ０は電子殻を分極する。このようにして出来る殻のひずみは、原子核の位置に局所磁場ＨＰを生じ、この磁場が外場に加わる。この磁場の大きさは外場Ｈ０に比例する。
【００３０】
これらの原因により、原子核から見た全磁場は、
Ｈ＝Ｈ０＋Ｈｄ＋Ｈｐ＝Ｈ０（１−σ）
となる。ここで、σは相対的な共鳴周波数のずれであって、外場Ｈ０の大きさに依存しない。
【００３１】
以上説明したように、核スピンは、外場を直接感じるのではなく、電子の反磁性電流による局所的な磁場を合わせたトータルな磁場において、ラーマー周波数で回転しているのである。すなわち、核スピンの共鳴周波数は、原子核の周りの電子の状態に依存しているのである。
【００３２】
１−２．従来の磁場勾配ＮＭＲイメージングの原理
ＮＭＲイメージングにおいては、磁場勾配（傾斜磁場）をイメージング対象に与える前に、静磁場Ｈ０をかける必要がある。この静磁場Ｈ０をかけると、上で説明したように、局所磁場Ｈｄと局所磁場ＨＰが生じる。このとき、反磁性電流が生じていることから、ＨｄとＨｐは、外場Ｈ０とは反対方向の磁場となる。したがって、原子核から見た全磁場Ｈは、外場Ｈ０よりも弱くなる。なお、外場Ｈ０の磁場の大きさを１とすると、Ｈｐ、Ｈｄの磁場の大きさは、それぞれ約１０−５程度である。
【００３３】
ここで、局所磁場ＨＤ及び局所磁場Ｈｐ は、イメージング対象全体に存在する静磁場Ｈを均一にすることの妨げとなっている。なぜならば、局所磁場Ｈｄ及び局所磁場Ｈｐが存在することによって、イメージング対象全体にわたって存在する個々の核スピンの共鳴周波数がずれてしまう（不均一になる）からである。
【００３４】
静磁場の印加の後は、核スピンの歳差運動に位置情報をエンコードするために磁場勾配を与えることになる。より具体的には、外場Ｈ０に加わる磁場勾配によって核スピンの共鳴周波数に変化を与えることになる。磁場勾配ＮＭＲイメージングでは、さらに、コイルとカレントシムとを利用し、コンピュータで磁場勾配の制御を行っている。しかし、上記したように、磁場勾配をかける以前の静磁場Ｈ自体には、精度の高い均一性がない。
【００３５】
すなわち、原子核から見た全磁場Ｈを示す次式、
Ｈ＝Ｈ０＋Ｈｄ＋Ｈｐ＝Ｈ０（１−σ）
において、磁場勾配は、直接的には、外場Ｈ０の大きさに加えて磁場勾配を与えているのである。なぜならば、外場Ｈ０に加わる磁場の大きさの変化にしたがい、局所磁場Ｈｐ  と磁場Ｈｄの大きさも変化するが、σは相対的な共鳴周波数のずれであってＨ０ の大きさに依存しないから、結局（１−σ）の値は変化しないからである。
【００３６】
したがって、もともと均一性がない“イメージング対象全体にわたって存在する静磁場Ｈ”に対して磁場勾配を与えても、得られる勾配は、均一性（勾配の直線性）がないものとならざるをえない。また、コイルやカレントシム等による磁場の微調整は困難であることから、磁場勾配をかける前段階の静磁場Ｈの均一性を高めることや、磁場勾配をかけた後の勾配の均一性を高めることも困難であり、結局、磁場勾配によっては均一性の高い勾配は得られない。以上が、従来の磁場勾配ＮＭＲイメージングでは充分な空間分解能が得られない主な原因である。
【００３７】
１−３．本発明による電場勾配ＮＭＲイメージングの原理
本発明は、上述した磁場勾配に代えて、電場勾配を利用したＮＭＲイメージングを行うものである。なお、磁場勾配、電場勾配のいずれであっても、核スピンに位置情報をコーディングする仕組み、すなわち、原子核の位置によって共鳴周波数の違いを生じさせてイメージングするという原理そのものは同様である。
【００３８】
以下、本発明による電場勾配によるＮＭＲイメージングの原理を説明する。本発明は、電場勾配によって、核スピンの共鳴周波数の変化を生じさせて核スピンの歳差運動に位置情報をコーディングすることを特徴とする。より具体的には、本発明による電場勾配は、上述した外場Ｈ０に加えて磁場勾配を与えるのではなく、原子核双極子と電子殻との相互作用を制御することにより、電子殻のひずみの生じさせ方に勾配を与えるものある。
【００３９】
すなわち、原子核から見た全磁場Ｈを示す次式、
Ｈ＝Ｈ０＋Ｈｄ＋Ｈｐ＝Ｈ０（１−σ）
において、電場勾配は、外場Ｈ０が一定のものとされた状態で、局所磁場Ｈｄ、局所磁場Ｈｐの磁場の強度に勾配を与えているのである。ここで、電場勾配は、電子核のひずみ方に影響を与えるのであるから、電場勾配は、直接的には局所磁場Ｈｐに対して影響を与えており、さらに、そのような電子殻のひずみを介して電子がひずんで反磁性電流が変化することにより、局所磁場Ｈｄに対しても影響を与えているといえる。すなわち、本発明の電場勾配ＮＭＲイメージングでは、電子殻のひずみ方の勾配を与えることを介して、従来の磁場勾配イメージングでは分解能の向上の妨げとなっていた局所磁場Ｈｄ、及び局所磁場Ｈｐの磁場の大きさに対し、均一性の高い勾配を与えることを特徴としている。その結果、イメージング対象全体にわたって存在する静磁場Ｈは、電場勾配をかけられて均一性の高い勾配が与えられることになり、核スピンの歳差運動に位置情報をエンコードするための共鳴周波数の変化が均一性の高い勾配となる。
【００４０】
したがって、電場勾配によるＮＭＲイメージングによれば、高い空間分解能によってイメージングを行うことができる、という効果が得られる。また、電場を利用するのであるから、磁場と比較して勾配の均一性の調整も容易であるという効果もある。
【００４１】
なお、ＮＭＲに電場勾配を用いる技術も従来から知られているが、それらの技術は、単にイオンの濃度分布を生ぜしめることに電場勾配を用いているのみである。そして、それらの従来の技術では、イメージング自体はレシーバーコイルの中で動かせるという内容で、分解能も低く対象物体も限られており、電気泳動をＮＭＲで観測するといった技術内容であるから、本発明の原理とは異なるものである。
【００４２】
−−２．電場勾配ＮＭＲイメージングの適用例−−
本発明は、原子核双極子と電子殻との相互作用を、電場によって制御することをを特徴とするＮＭＲイメージング方法を提示するものであるが、以下、そのような電場による原子核双極子と電子殻との相互作用の制御を利用したＮＭＲイメージングの適用例を説明する。
【００４３】
最初に、電場勾配ＮＭＲイメージングの原理を利用した装置構成例を、図１に示す。図１Ａは、円筒状のＭＲＩ装置の構成例である。円筒状のＭＲＩ装置は、円筒状の電極２と、円筒状の絶縁体層４とを交互に積み重ねて構成される。そして、図に示すように、装置全体では、高電圧から低電圧の電場勾配が与えられる（特許請求の範囲における「電場制御手段」に対応）。イメージング対象６は、例えば、ヒトであり、この装置構成によって身体の断層イメージングを得ることができる。なお、電極及び絶縁体層の構成の詳細、装置の操作ステップ等については、後述する装置の実施形態と同様である。
【００４４】
図１Ｂは、楕円状の電極２と、楕円状の絶縁体層４とを交互に積み重ねて構成されるＭＲＩ装置の構成例である。図１Ｃは、長方形の電極２と、長方形の絶縁体層４とを交互に積み重ねて構成されるＭＲＩ装置の構成例である。
【００４５】
以上、本発明による電場勾配ＮＭＲイメージングの原理を利用した装置構成例を説明したが、電極及び絶縁体層の構成の詳細、装置の操作ステップ等については、図１で示す適用例とは別の装置を実施形態として例に挙げて説明することとする。
【００４６】
−−３．電場勾配ＮＭＲイメージング装置１００による実施形態の説明−−
実施形態は、電場勾配によるＮＭＲイメージング装置を例示するものであり、これにより、従来の磁場勾配を用いた場合よりも空間分解能が高いイメージング解析を行うことができる。実施形態の説明では、まず始めに、実施形態によるＮＭＲイメージング装置の回路図の概略を説明し、次に、本装置に使用する電極の構造、電極の作製方法の概略等の説明を行う。
【００４７】
３−１．イメージング装置１００の回路図の説明
本実施形態によるＮＭＲイメージング装置の回路図の概略について、従来のＮＭＲイメージング装置の回路図と比較しつつ説明する。なお、イメージング対象である試料の大きさは、例示として約１ｃｍのサイズのものとする。
【００４８】
図２は、本実施形態によるイメージング装置１００の回路図の概略である。イメージング装置１００は、ＲＦオシレータ１０、ゲート１２、ＲＦ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）アンプ１４、パルスジェネレータ１６、ミキサ１８、ローカルオシレータ２０、プリアンプ２２、ＲＦアンプ１５、ＩＦ（Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）アンプ２８、位相敏感検波（Ｐｈａｓｅ  ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  ｄｅｔｅｃｔｏｒ）３２、コンピュータ３０、電源３３、電源３４、トランスミッタ（トランスミッタコイル）３６、レシーバ（レシーバコイル）３８、静磁場コイル１１、電極３５０、電極３６０を備えている。
【００４９】
静磁場コイル１１は、イメージング測定を行う試料の核スピンが励起するように均一な磁場を作るためのものである。電極３５０及び電極３６０は、核スピンの歳差運動に位置情報を与えるために場所により強さの異なる電場（電場勾配、傾斜電場）を作るためのものである。電極３５０は正の電極であり、電極３６０は負の電極である。ＲＦオシレータ１０及び、ゲート１２、ＲＦアンプ１４、パルスジェネレータ１６、トランスミッタ３６は、高周波磁場（ラジオ波）を照射し核スピンに共鳴を起こさせるものである。レシーバ３８、プリアンプ２２、ＲＦアンプ１５は、その共鳴の結果、励起された核スピンの運動を検知するものである。なお、トランスミッタコイルとレシーバコイルは直交するものとし、レシーバコイルには励起ラジオ波が入力されないようにする。ＩＦアンプ２８は、中間周波を増幅するためのものである。コンピュータ３０は、電場勾配の切り換えや高周波磁場の発生のタイミング（パルスシーケンス）を制御したり、レシーバ３８が受信した信号をもとに位相敏感検波３２から出力される信号をフーリエ変換して、周波数ないし位相にコーディングされて画像を作り出す計算等を行うものである。
【００５０】
図３は、イメージング装置１００と従来の磁場勾配ＮＭＲイメージング装置との相違部分の概略を示す図である。図３中、点線で囲った部分２５０が、図２中の点線で囲った部分５０との相違部分を示している。従来の磁場勾配ＮＭＲイメージング装置は、図２の部分５０以外の構成の他に、傾斜磁場２０１、静磁場コイル２０３、シムコイル２０５、電源２０７、電源２０９、電源２１１を備えている。傾斜磁場コイル２０１は、核スピンの歳差運動に位置情報を与えるために場所により強さの異なる磁場（磁場勾配、傾斜磁場）を作るためのものである。シムコイル２０５は、静磁場コイル２０３による静磁場の空間的な不均一を改善するために補正磁場を発生させるためのものである。
【００５１】
以上のように、実施形態によるイメージング装置１００は、従来の磁場勾配ＮＭＲイメージング装置と比較した場合、電場勾配を利用する構成において相違するものである。具体的には、従来は傾斜磁場コイルに電流を流すことによって傾斜磁場を発生させていたのに対し、実施形態によるイメージング装置１００は、電極間に生ずる電場によって電場勾配を発生させている点を特徴としている。
【００５２】
３−２．電極の構造
図４は、本実施形態によるイメージング装置１００において、電場勾配を生じさせるための電極の構造の概略である。本実施形態では、図に示す対向配置された電極３５０及び電極３６０によって電場勾配を生じさせることとしている。正（＋）側の電極３５０は、基板３００上に、金属薄層３１０と絶縁体薄層３２０とが交互に積み上げられた構造となっている。負（−）側の電極３６０は、金属薄層３３０と絶縁体薄層３４０とが交互に積み上げられた構造となっている。金属薄層と絶縁体薄層とが積層された１レイヤーは、０．０１ｍｍ程度としている。測定対象となる試料３０１は、電極３５０と電極３６０との間のほぼ中央に備えられた試料台３０３の上に固定される。
【００５３】
電極３５０、３６０は、図のように２つの電極が対向する面の反対面が階段状となるように、各金属薄層３１０について電場印加用リード線を接着するためのテラスを設けることとしている。電極への電場印加用リード線のワイヤーボンディングは、リード線が接着できる程度のスペースがあれば良く、ここでは、１〜２ｍｍ程度ぐらいの領域であるリード線テラス３１５、３３５を設けることとしている。このリード線により、対向する金属薄層同士は、電気的に接続されることになる。
【００５４】
なお、電極の層数は、対象となる試料について求められる分解能によって決定すればよいが、本実施形態では、１０００レイヤーとしており、したがって、電極の高さは１ｃｍ程度としている。
【００５５】
３−３．電極の作製方法
図５は、本実施形態によるイメージング装置１００の電極の作製方法の概略を示す図である。この電極の作製方法は、通常のＩＣ製造工程と同様のものである。
【００５６】
図５に示すように、まず最初にスパッタリング法によって金属と絶縁体の単原子層を交互に積み上げる（記号１）。本実施形態では、金属として金、絶縁体としてＳｉＯ２を例示する。次に、市販の机上型（卓上型）研磨器によって電極の研磨の前処理を行った後、ＥＥＭ（Ｅｌａｓｔｉｃ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）加工法によって、積み上げた層全体としての断面のポリッシング加工を行う（記号２）。以上の方法によって独立して２つの電極を作製し基板上に積載する（記号３）。
【００５７】
なお、印加する電場勾配の均一度を高めるために、下の金属薄層から上の金属薄層までの全ての対向する薄層間の距離は一定にする必要がある。しかし、電極作製過程において誤差が生じた場合には、そのような誤差を原因として生じる電場勾配の均一度のずれを補整するために、コンピュータ３０により制御すればよい。
【００５８】
なお、薄層作製については、スパッタリング法の他に、レーザーアブレーション法、真空蒸着法等を利用してもよい。ポリッシング加工については、研磨器による物理的な切断の他に、酸によって化学的に切断するようにしてもよい。また、金属の単原子層については、本実施形態で例示した金の他に、銀、銅、白金等を利用してもよい。電極層の厚さは、０．０１ｍｍ程度としているが、分解能を高めるためにこれよりも薄くしてもよい。ただし、電極として電位を加えることができる最低限の厚さは必要である。
【００５９】
３−４．特許請求の範囲に記載した用語と実施形態との対応
特許請求の範囲に記載した用語と実施形態との対応は以下の通りである。「ＮＭＲイメージング装置」は、図２のイメージング装置１００に対応する。「対向配置された電極」は、図２の電極３５０、３６０に対応する。「対向電極用電場制御手段」は、電極３５０及び電極３６０に対して電圧を印加して、それぞれの電極層に電位を発生させるコンピュータ３０の制御に対応する。「金属層」は、図４の金属薄層３１０、３３０に対応する。「絶縁体層」は、図４の絶縁体薄層３３０、３４０に対応する。「接続領域」は、図４のリード線テラス３１５、３３５に対応する。
３−５．実施形態によるイメージング方法の概略
実施形態による電場勾配イメージング装置によるＮＭＲイメージング方法の概略を以下に説明する。
【００６０】
（１）静磁場印加
コンピュータ３０の制御により、静磁場コイル１１を介して、試料台３０３上に設置された試料３０１に対して静磁場を印加する。これにより、試料３０１の核スピンが静磁場方向を軸として回転する。試料３０１は、試験管等に入れられた状態となっている。
【００６１】
（２）電場勾配の発生
次に、コンピュータ３０の制御により、電極３５０及び電極３６０に対して電圧を印加して、それぞれの電極層に電位を発生させる。ここで、イメージング装置１００による電場勾配の印加とそのときの試料３０１中の電子の電子殻のひずみを示す模式図を図６に示す。なお、このときの静磁場方向をｚ方向とする。
【００６２】
図６に示すように電場印加は、正の電極３５０中の各電極層と、それら各電極層に対向する位置にある負の電極３６０中の各電極層との間で、低電圧Ｖｍから高電圧Ｖｎへと順番に電圧を変化させることとしている。各電極層に印加する電圧の具体的な量については、０〜数百ボルト程度が適当であるが、イメージング対象である試料について求められる空間分解能によって決定すればよい。
【００６３】
上記のように電極３５０及び電極３６０に電圧を、電圧の変化の傾きがほぼ直線的になるように印加する結果として、両電極間の空間に生ずる電場勾配は、試料が設置された電極間の中央で直線的なものとなると考えられる。ただし、各電極厚みの誤差等が原因で電場勾配の均一性が保てない場合（勾配の直線性が保てない場合等）は、電圧の印加を調整すればよい。このとき、電極間に電界を測定するセンサを入れておき、その測定結果をコンピュータ３０に対してフィードバックをかけて、補整コイル等を利用して調整してもよい。
【００６４】
このような電場勾配を発生させることにより、試料３０１においては、電場による影響を受けて電子殻の歪が生じ、原子核５５０のスピンの遮蔽が変化する結果、電場勾配中の位置によって核スピンの共鳴周波数に変化が生じることになる。具体的には、電場の強いところと弱いところとで、電子殻のひずみに相違が生じ、上で説明した局所磁場Ｈｐ及び局所磁場Ｈｄに変化が生じる結果、試料３０１中の個々の核スピンの共鳴周波数に均一性の高い勾配が生じ、それれの核スピンの歳差運動に位置情報が与えられることになる。
【００６５】
（３）ラジオ波パルス照射及びイメージング
コンピュータ３０は、トランスミッタ３６等を介して試料３０１にラジオ波（π／２パルス）をパルス照射し、核スピンに共鳴を起こさせる。試料３０１中の核スピンは、電場勾配中において異なる電場強度に比例した周波数の電磁エネルギー、すなわち、励起パルス信号を吸収・放出する。励起された核スピンの運動は、レシーバ３８によって検知され、位相敏感検波３２によって自由減衰信号（ＦＩＤ（Ｆｒｅｅ  Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ  Ｄｅｃａｙ）信号）としてコンピュータ３０に取りこまれる。コンピュータ３０は、位相敏感検波３２から出力される信号を取り込んでフーリエ変換し、周波数ないし位相にコーディングされて試料３０１中の画像を作り出す計算を行う。
【００６６】
なお、パルス照射方向及び信号取込み方向の関係は、図６中で示す方向によれば、トランスミッタ３６によるラジオ波のパルス照射の方向をｘ方向とすれば、レシーバ３８によるパルス信号の取込みの方向はｙ方向となる。これは、レシーバ３８が、トランスミッタ３６からのパルス信号を直接受信しないようにするためである。以上の操作により、試料３０１中の核スピンの分布の情報を得ることができる。
【００６７】
なお、上述の説明では、電場勾配を一方向（ｙ方向：図６参照）のみ与えることとしているため、試料３０１中の核スピンの分布の一次元での位置情報を得ることができる。したがって、二次元での位置情報（イメージング情報）を得る場合には、試料３０１中で選択した二次元スライスにおいて、１の電場勾配に加え、これに直交する他の電場勾配（ｘ方向またはｚ方向、あるいはそれらの両方）を同時に印加することとすればよい。また、電場勾配が一方向であっても、本装置に試料台３０３を回転させる装置を備えることにより、一方向毎の位置情報を順次得ることによって、選択したスライスにおける二次元の位置情報を得るようにしてもよい。また、三次元のイメージング情報が必要であれば、直交する３方向（ｘ、ｙ、ｚ方向）での電場勾配を印加すればよい。その他、二次元のイメージング情報を得つつ、試料台３０３をその二次元のスライス断面に直行する方向に移動させながらイメージング情報を得るようにしてもよい。
【００６８】
３−６．実施形態による効果
本実施形態によるイメージング装置１００は、核スピンの歳差運動に位置情報をエンコードすることを目的として、電場勾配を発生させるための対向配置された電極３５０及び電極３６０を備えている。
【００６９】
ここで、従来の磁場勾配ＮＭＲイメージングにおける磁場勾配の直線性及び均一性は、図３に示すように傾斜磁場コイル２０１の巻き数の調整やコイル間の距離の調整、あるいはシムコイル２０５によって調節されていた。そのため、磁場勾配の均一性の精度は高くなく、さらに、その勾配の調節も困難であった。
【００７０】
一方、実施形態によるイメージング装置１００は、電極を利用した電場勾配を発生させることとしている。これにより、試料３０１中の核スピンの歳差運動に位置情報をエンコードすることについて、従来の磁場勾配よりも容易に勾配の調節を行うことができる。したがって、イメージング装置１００は、直線性及び均一度の高い電場勾配となるよう調節を行うことにより、優れた空間分解能によってイメージングを行うことができる。
【００７１】
本実施形態によるイメージング装置１００の正の電極３５０及び負の電極３６０のそれぞれは、金属薄層３１０、３３０と絶縁体薄層３２０、３４０とを積層することによって構成され、個々の金属薄層３１０は、空間的に対面する金属薄層と接続されることにより所望の電圧を印加されるようにされている。これにより、電極３５０及び電極３６０との間で発生する電場勾配の均一性及び直線性の調節は、積層された金属薄層３１０、３３０のそれぞれに対して印加する電圧の調整によって行うことができる。したがって、イメージング装置１００は、直線性及び均一度の高い電場勾配となるようにコンピュータ３０の制御を介した調節を行うことにより、優れた空間分解能によってイメージングを行うことができる。
【００７２】
また、電極３５０、３６０は、それぞれ１０００層程度の金属薄層を含んで構成されている。したがって、個々の金属薄層に印加する電圧を段階的に変化させることにより、試料３０１が影響を受ける電極間の空間では、全体として連続的（傾斜的）な電場勾配を発生させることができ、また、そのような電場勾配の均一性は、試料について求められる空間分解能に合わせてデジタル的に調節が可能である。
【００７３】
なお、特許請求の範囲の記載で用いる「対向する金属層と接続される」とは、正（＋）の電極３５０側の金属薄層３１０と、その個々の金属薄層３１０と接続される負（−）の電極３６０側の個々の金属薄層３１０とが、ほぼ平行に配置されている状態を含むものとする。
【００７４】
本実施形態による金属薄層３１０は、対向する金属薄層３３０と電気的に接続するためのリード線テラス３１５、３３５を備えている。これにより、個々の金属薄層３１０、３３０は、対向する金属薄層に対して容易に電気的に接続されることができる。したがって、対向する金属薄層への所望の電圧の印加を、絶縁体を隔てて隣接する金属薄層の電位に影響されることなく容易に行うことができる。
【００７５】
以上説明した、ＮＭＲイメージングを行う際に、電場勾配を利用して核スピンの共鳴周波数に差異を生じさせ、さらに、金属薄層の積層によってその電場勾配の均一性の精度を向上することでイメージング空間分解能を高めることができるという技術は、発明者独自の知見によるものである。
【００７６】
−−４．その他の実施形態等−−
本実施形態のイメージング装置１００は、イメージングを行うために、核スピンの共鳴周波数の相違を測定対象物理量として利用したが、これに限定されるものではない。その他の実施形態として、イオンの移動度（イオンモビリティ、電気伝導度）、イオンの拡散速度、スピンエコー、半導体中のエキシトン、π電子等を、測定対象物理量としてもよい。
【００７７】
本実施形態の電極３５０、３６０は、傾斜磁場コイル２０１に替わるものとして利用したが、これに限られるものではない。その他の実施形態として、電極３５０、３６０を、パルス的な電場勾配（直流または交流による場合を含む）を与える場合等にも適用することができる。
【００７８】
本実施形態では、金属薄層３１０、３３０についてリード線を接着する領域を確保する目的で、電極３５０、３６０を階段状に積層することとしているが（図４参照）、電極の形状はこれに限られるものではない。その他の形状として、電極全体としては階段形状を採用せず、各金属薄層３１０、３３０について、リード線が接着できる程度の領域を有する突起領域を設けるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】電場勾配ＮＭＲイメージングの適用例である。
【図２】イメージング装置１００の回路図の概略図である。
【図３】イメージング装置１００と従来の磁場勾配イメージング装置の相違部分の概略図である。
【図４】イメージング装置１００の電極構造の概略図である。
【図５】イメージング装置１００の電極作製方法の概略図である。
【図６】イメージング装置１００による電場勾配の印加とそのときの試料中の電子の電子殻のひずみを示す模式図である。
【符号の説明】
３５０、３６０・・・電極
３０１・・試料
【図１】
0003677540.tif 000015
【図２】
0003677540.tif 000016
【図３】
0003677540.tif 000017
【図４】
0003677540.tif 000018
【図５】
0003677540.tif 000019
【図６】
0003677540.tif 000020