(57)【要約】【課題】製造したスピン偏極ガスの偏極度を定量的かつ簡便に測定することができ、測定による偏極度の減少２を抑制可能なスピン偏極ガスの製造装置、偏極度測定装置、および測定方法を提供する。【解決手段】収容セル５中の原料１２９ＸｅガスＧＳ１およびルビジウムに対して、静磁場を印加し、かつ励起光を照射してスピン偏極状態の１２９ＸｅガスＧＳ２を製造するスピン偏極ガス製造部２と、１２９ＸｅガスＧＳ２を製造部２から離れた領域まで導く配管１５と、傾斜磁場を印加する傾斜磁場用コイル２０と、回転磁場を印加するＲＦ送信コイル２２と、１２９ＸｅガスＧＳ２からの核磁気共鳴信号を検出するＲＦ受信コイル２４とを有し、１２９ＸｅガスＧＳ２の流速と傾斜磁場の磁界の強度の変化率と回転磁場の磁界強度とが断熱励起条件を満たすように傾斜磁場用コイル２０および送信コイル２２を作動させたときの核磁気共鳴信号を受信コイル２４で検出する。【選択図】  図１
2004325293.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
収容セル中の原料ガスおよび触媒に対して、静磁場を印加し、かつ、前記原料ガスのスピン偏極状態を励起する励起光を照射して前記原料ガスがスピン偏極状態となったスピン偏極ガスを製造するスピン偏極ガス製造部と、
前記収容セルから取出された前記スピン偏極ガスを、前記スピン偏極ガス製造部から離れた領域まで導くガス通路と、
前記ガス通路に対し前記スピン偏極ガスの進行方向に沿って磁界の強度が変化する傾斜磁場を印加する傾斜磁場印加手段と、
前記傾斜磁場が印加された前記ガス通路内を通過する前記スピン偏極ガスに回転磁場を印加する回転磁場印加手段と、
前記傾斜磁場内を通過する前記スピン偏極ガスが前記回転磁場を受けて出力する核磁気共鳴信号を検出する検出手段とを有し、
前記傾斜磁場内を通過する前記スピン偏極ガスの流速と前記傾斜磁場の磁界の強度の変化率と前記回転磁場の磁界強度とが前記スピン偏極ガスの断熱励起条件を満たすように、前記傾斜磁場印加手段および前記回転磁場印加手段を作動させ、前記スピン偏極ガスが前記断熱励起条件のもとで出力する前記核磁気共鳴信号を前記検出手段により検出するように構成した
スピン偏極ガスの製造装置。
【請求項２】
前記検出手段により検出された前記スピン偏極ガスからの前記核磁気共鳴信号に基づいて前記スピン偏極ガスの偏極度を算出する処理部をさらに有する
請求項１に記載のスピン偏極ガスの製造装置。
【請求項３】
前記傾斜磁場の方向と前記回転磁場の方向とが直交するように前記傾斜磁場印加手段と前記回転磁場印加手段とが配置され、かつ、前記検出手段は、前記傾斜磁場の方向および前記回転磁場の方向のいずれにも直交する方向において前記核磁気共鳴信号を検出するように構成された
請求項１または２に記載のスピン偏極ガスの製造装置。
【請求項４】
前記傾斜磁場印加手段は、前記回転磁場印加手段からの前記回転磁場を受ける前記スピン偏極ガスに対して、断熱励起を２回生じさせる前記傾斜磁場を印加する
請求項１〜３のいずれかに記載のスピン偏極ガスの製造装置。
【請求項５】
スピン偏極ガス製造部によって製造され、原子核のスピンが偏極状態となったスピン偏極ガスのスピン偏極度を測定するスピン偏極ガスの偏極度測定装置であって、
前記スピン偏極ガス製造部から取出された前記スピン偏極ガスを、前記スピン偏極ガス製造部から離れた領域まで導くガス通路と、
前記ガス通路に対し前記スピン偏極ガスの進行方向に沿って磁界の強度が変化する傾斜磁場を印加する傾斜磁場印加手段と、
前記傾斜磁場が印加された前記ガス通路を通過する前記スピン偏極ガスに回転磁場を印加する回転磁場印加手段と、
前記傾斜磁場内を通過する前記スピン偏極ガスが前記回転磁場を受けて出力する核磁気共鳴信号を検出する検出手段とを有し、
前記傾斜磁場内を通過する前記スピン偏極ガスの流速と前記傾斜磁場の磁界の強度の変化率と前記回転磁場の磁界強度とが前記スピン偏極ガスの断熱励起条件を満たすように前記傾斜磁場印加手段および前記回転磁場印加手段を作動させ、前記断熱励起条件を満たすように励起された前記スピン偏極ガスから出力される前記核磁気共鳴信号を、前記検出手段により検出する
スピン偏極ガスの偏極度測定装置。
【請求項６】
前記検出手段により検出された前記スピン偏極ガスからの前記核磁気共鳴信号に基づいて前記スピン偏極ガスの偏極度を算出する処理部をさらに有する
請求項５に記載のスピン偏極ガスの偏極度測定装置。
【請求項７】
前記傾斜磁場の方向と前記回転磁場の方向とが直交するように前記傾斜磁場印加手段と前記回転磁場印加手段とが配置され、かつ、前記検出手段は、前記傾斜磁場の方向および前記回転磁場の方向のいずれにも直交する方向において前記核磁気共鳴信号を検出するように構成された
請求項５または６に記載のスピン偏極ガスの偏極度測定装置。
【請求項８】
前記傾斜磁場印加手段は、前記回転磁場印加手段からの前記回転磁場を受ける前記スピン偏極ガスに対して、断熱励起を２回生じさせる前記傾斜磁場を印加する
請求項５〜７のいずれかに記載のスピン偏極ガスの偏極度測定装置。
【請求項９】
原子核のスピンが偏極状態となったスピン偏極ガスのスピン偏極度を測定するスピン偏極ガスの偏極度測定方法であって、
前記スピン偏極ガスの製造領域から離れた領域に前記スピン偏極ガスを導き、
前記スピン偏極ガスの断熱励起条件を満たすように、導いた前記スピン偏極ガスに対して該スピン偏極ガスの進行方向に沿って磁界の強度が変化する傾斜磁場を印加すると共に回転磁場を印加し、
前記傾斜磁場内を通過する前記スピン偏極ガスが前記回転磁場を受けて出力する核磁気共鳴信号を検出する
スピン偏極ガスの偏極度測定方法。
【請求項１０】
前記断熱励起条件を満たすように励起された前記スピン偏極ガスから検出された前記核磁気共鳴信号に基づいて、前記スピン偏極ガスの偏極度をさらに算出する
請求項９に記載のスピン偏極ガスの偏極度測定方法。
【請求項１１】
導いた前記スピン偏極ガスに対する前記傾斜磁場および前記回転磁場の印加に際し、前記スピン偏極ガスを２回断熱励起させる前記傾斜磁場を印加する
請求項９または１０に記載のスピン偏極ガスの偏極度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子核のスピンの配向方向が偏ったスピン偏極ガスを製造するスピン偏極ガスの製造装置、製造したスピン偏極ガスの偏極度を測定するスピン偏極ガスの偏極度測定装置および偏極度測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原子核の磁化の回転運動に応じて生じる核磁気共鳴信号に基づいて画像を生成する磁気共鳴イメージングが知られている。
磁気共鳴イメージングの一種として、たとえば、１２９Ｘｅ、３Ｈｅ等の希ガスのスピン偏極（超偏極とも言う）状態の原子核の集団から核磁気共鳴信号を発信させることが試みられている。スピン偏極状態の原子核の集団からは通常の原子核の集団よりも格段に高い核磁気共鳴信号が得られるため、スピン偏極状態のガスを用いた磁気共鳴イメージングの有用性が明らかになってきている。
【０００３】
スピン偏極状態のガス（以下、単にスピン偏極ガスと呼ぶ）は、主として光ポンピングと呼ばれる手法によって製造する（たとえば、特許文献１参照。）。
光ポンピングは特殊な装置を必要とし、手順が複雑であり時間がかかるため、製造されたスピン偏極ガスは非常に貴重である。この貴重なスピン偏極ガスを有効に活用するためには、その偏極度の測定が重要になる。詳細には、磁気共鳴イメージングにおいて得られる画像の画質を良好にするためにはスピン偏極ガスの偏極度の情報が必要となる場合があり、偏極度を変動させることなく簡便にスピン偏極ガスの偏極度を測定することが望まれている。
【０００４】
従来は、たとえば特許文献１に示されているように、核磁気共鳴信号受信用のコイル等の偏極度測定のための機器を、スピン偏極ガスの製造装置の内部や近傍に配置していた。
また、スピン偏極ガスに印加する磁界の強度を掃引しながらスピン偏極ガスへ核磁気共鳴励起のための回転磁場を送信し、スピン偏極ガスから出力された核磁気共鳴信号を受信して偏極度を測定していた。このとき、核磁気共鳴信号を生成するための磁界の強度等の条件は考慮されていなかった。
【０００５】
【特許文献１】
特表２０００−５０７６８８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このようにスピン偏極ガスの製造装置の内部や近傍に偏極度の測定装置を配置するのでは、製造装置と測定装置との相互干渉が高まる。このため、製造装置および測定装置の構成の複雑化、設計自由度の低下、メンテナンス性の低下等の不都合を引き起こす。
また、スピン偏極ガスに印加する磁界の強度を掃引して核磁気共鳴信号を得る手法では、磁場発生装置の制御や磁場送信シーケンスの制御が必要となり、測定手順が複雑である。さらに、従来は核磁気共鳴信号を生成するための磁界の強度等の条件は考慮されていなかったために、スピン偏極ガスの偏極度が損なわれる可能性があり、偏極度の定量的測定は困難であった。
【０００７】
本発明の目的は、製造したスピン偏極ガスの偏極度を定量的かつ簡便に測定することができ、測定による偏極度の減少を抑制可能なスピン偏極度測定装置を備えたスピン偏極ガスの製造装置を提供することにある。
また、スピン偏極ガスの偏極度を定量的かつ簡便に測定することができ、測定による偏極度の減少を抑制可能なスピン偏極ガスの偏極度測定装置、および偏極度測定方法を提供することも本発明の目的である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るスピン偏極ガスの製造装置は、収容セル中の原料ガスおよび触媒に対して、静磁場を印加し、かつ、前記原料ガスのスピン偏極状態を励起する励起光を照射して前記原料ガスがスピン偏極状態となったスピン偏極ガスを製造するスピン偏極ガス製造部と、前記収容セルから取出された前記スピン偏極ガスを、前記スピン偏極ガス製造部から離れた領域まで導くガス通路と、該ガス通路に対し前記スピン偏極ガスの進行方向に沿って磁界の強度が変化する傾斜磁場を印加する傾斜磁場印加手段と、前記傾斜磁場が印加された前記ガス通路内を通過する前記スピン偏極ガスに回転磁場を印加する回転磁場印加手段と、前記傾斜磁場内を通過する前記スピン偏極ガスが前記回転磁場を受けて出力する核磁気共鳴信号を検出する検出手段とを有し、前記傾斜磁場内を通過する前記スピン偏極ガスの流速と前記傾斜磁場の磁界の強度の変化率と前記回転磁場の磁界強度とが前記スピン偏極ガスの断熱励起条件を満たすように、前記傾斜磁場印加手段および前記回転磁場印加手段を作動させ、前記スピン偏極ガスが前記断熱励起条件のもとで出力する前記核磁気共鳴信号を前記検出手段により検出するように構成した、スピン偏極ガスの製造装置である。
【０００９】
また、本発明に係るスピン偏極ガスの偏極度測定装置は、スピン偏極ガス製造部によって製造され、原子核のスピンが偏極状態となったスピン偏極ガスのスピン偏極度を測定するスピン偏極ガスの偏極度測定装置であって、前記スピン偏極ガス製造部から取出された前記スピン偏極ガスを、前記スピン偏極ガス製造部から離れた領域まで導くガス通路と、該ガス通路に対し前記スピン偏極ガスの進行方向に沿って磁界の強度が変化する傾斜磁場を印加する傾斜磁場印加手段と、前記傾斜磁場が印加された前記ガス通路を通過する前記スピン偏極ガスに回転磁場を印加する回転磁場印加手段と、前記傾斜磁場内を通過する前記スピン偏極ガスが前記回転磁場を受けて出力する核磁気共鳴信号を検出する検出手段とを有し、前記傾斜磁場内を通過する前記スピン偏極ガスの流速と前記傾斜磁場の磁界の強度の変化率と前記回転磁場の磁界強度とが前記スピン偏極ガスの断熱励起条件を満たすように前記傾斜磁場印加手段および前記回転磁場印加手段を作動させ、前記断熱励起条件を満たすように励起された前記スピン偏極ガスから出力される前記核磁気共鳴信号を、前記検出手段により検出する。
【００１０】
本発明に係るスピン偏極ガスの偏極度測定方法は、原子核のスピンが偏極状態となったスピン偏極ガスのスピン偏極度を測定するスピン偏極ガスの偏極度測定方法であって、前記スピン偏極ガスの製造領域から離れた領域に前記スピン偏極ガスを導き、前記スピン偏極ガスの断熱励起条件を満たすように、導いた前記スピン偏極ガスに対して該スピン偏極ガスの進行方向に沿って磁界の強度が変化する傾斜磁場を印加すると共に回転磁場を印加し、前記傾斜磁場内を通過する前記スピン偏極ガスが前記回転磁場を受けて出力する核磁気共鳴信号を検出する。
【００１１】
本発明においては、スピン偏極ガス製造部は収容セル中の原料ガスおよび触媒に静磁場および励起光を印加して原料ガスを励起しスピン偏極状態にさせる。
原料ガスがスピン偏極状態となったスピン偏極ガスは、ガス通路によりスピン偏極ガス製造部から離れた領域まで導かれる。傾斜磁場印加手段は、スピン偏極ガスが通過するガス通路に対して、このスピン偏極ガスの進行方向に沿って磁界の強度が変化する傾斜磁場を印加する。回転磁場印加手段は、傾斜磁場印加手段によって傾斜磁場が印加されたガス通路を通過するスピン偏極ガスに、回転磁場を印加する。検出手段は、傾斜磁場内を通過するスピン偏極ガスが回転磁場印加手段からの回転磁場を受けて出力する核磁気共鳴信号を検出する。
核磁気共鳴信号の検出において、傾斜磁場印加手段と回転磁場印加手段とは、ガス通路により導かれるスピン偏極ガスの流速と、傾斜磁場印加手段がスピン偏極ガスの進行方向に沿ってガス通路に印加する傾斜磁場の磁界の強度の変化率と、回転磁場印加手段がスピン偏極ガスに印加する回転磁場の強度とが、スピン偏極ガスの断熱励起条件を満たすように作動される。断熱励起条件下において励起されたスピン偏極ガスから発生し、検出手段によって検出された核磁気共鳴信号が、スピン偏極ガスの偏極度の算出に用いられる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら述べる。
【００１３】
第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態に係るスピン偏極ガスの偏極度測定装置、およびこの偏極度測定装置を有するスピン偏極ガス製造装置の概略構成図である。
図１に示すスピン偏極ガス製造装置１は、スピン偏極ガス製造部２にガス通路の一実施態様である配管１５により偏極度測定装置３を接続した構成を有している。
【００１４】
製造部２は、光ポンピング法として知られている手法によってスピン偏極ガスを製造する製造手段である。
図１に示すように、製造部２は、収容セル５と、２個が１組となっている静磁場発生コイル７，７と、レーザーダイオード（ＬＤ）６とを有する。
収容セル５を挟んで対向するように静磁場発生コイル７，７が配置される。
【００１５】
収容セル５には、ガラス等の、金属以外の材料を用いる。本実施形態においては、たとえば、ガラスにより円筒状に収容セル５を形成する。
円筒状の収容セル５の一方の端部には、スピン偏極状態にする原料ガスＧＳ１を収容セル５内に供給するための供給管９を接続する。ただし、収容セル５への供給管９の接続位置は任意に決めることができる。
【００１６】
任意のガスをスピン偏極状態にすることができるが、臨床的観点からは、１２９Ｘｅ、３Ｈｅ等の希ガスが好ましい。希ガスの中でも、１２９Ｘｅおよび３Ｈｅのガスはスピン量子数１／２の原子核を有し、反応特性や取り扱いの容易さの観点から特に好ましい。本実施形態においては、原料ガスＧＳ１として１２９Ｘｅガスを例に挙げて述べる。
【００１７】
供給管９には、図示しないボンベ等の容器から収容セル５に供給される１２９ＸｅガスＧＳ１の流量を調節することが可能なバルブ１０ａが設けられている。
【００１８】
また、収容セル５には、１２９ＸｅガスＧＳ１だけでなく、触媒としてルビジウム（Ｒｂ）等のアルカリ金属原子も供給される。
【００１９】
所定間隔を隔てて対向する１組の静磁場発生コイル７，７は、それらの間に静磁場を発生させる。したがって、対向する静磁場発生コイル７の間に存在する収容セル５中の１２９ＸｅガスＧＳ１とルビジウムとには、この静磁場Ｂが印加される。本実施形態においては、たとえば、図１におけるＹ方向に沿う静磁場Ｂが形成されるように静磁場発生コイル７を形成して配置する。また、円筒状の収容セル５の長手方向が静磁場Ｂの方向に沿うようにする。
【００２０】
ＬＤ６は、レーザー光を放射する。このレーザー光の波長は、たとえば、７９５ｎｍである。ＬＤ６から放射されたレーザー光は、たとえば、図示しないフィルターによって円偏光させられる。本実施形態においては、励起光の一実施態様として、この円偏光させられたレーザー光を用いる。
励起光ＬＴは、たとえば、静磁場Ｂおよび収容セル５の長手方向に沿って、収容セル５内の１２９ＸｅガスＧＳ１およびルビジウムに照射される。
【００２１】
励起光ＬＴが照射されることによってルビジウムの外殻電子が遷移則に従って励起される。これにより、ルビジウムに電子のスピン偏極状態が生成する。なお、スピン偏極状態とは、静磁場を印加したときにそれぞれ異なる方向に別れる原子核または電子のスピンの配向方向の分布が、熱平衡状態における分布に比べて極端に偏った状態のことである。
スピン偏極状態のルビジウムが１２９ＸｅガスＧＳ１に衝突することによって、ルビジウム電子のスピン偏極状態が１２９ＸｅガスＧＳ１の原子核に移り、原子核がスピン偏極状態となった１２９ＸｅガスＧＳ２が生成する。この原子核がスピン偏極状態となった１２９ＸｅガスＧＳ２を、以下では単に偏極ガスＧＳ２と言う。
【００２２】
たとえば、円筒状の収容セル５の供給管９が接続されている端部とは反対側の端部には、配管１５が接続される。ただし、収容セル５に接続する配管１５の接続位置は、任意に決めることができる。
配管１５には、たとえばガラスのような、金属以外の材料を用いる。
収容セル５内において生成され、ルビジウムと分離された偏極ガスＧＳ２が、収容セル５内から取出されて配管１５に供給される。
配管１５は、収容セル５から供給された偏極ガスＧＳ２を、製造部２から離れた領域まで流す。
【００２３】
配管１５には、配管１５を流れる偏極ガスＧＳ２の流量を調節するためのバルブ１０ｂが設けられている。
配管１５の、収容セル５に接続している端部とは反対側の端部は、テドラーバックやガラス瓶、アンプル、シリンジ等の収納媒体１７に接続されている。これらの収納媒体１７は、真空引きされて配管１５から収納媒体１７内に流れ込んできた偏極ガスＧＳ２を収納し、配管１５から取り外されることによって収納した偏極ガスＧＳ２を運搬可能にする。
【００２４】
本実施形態に係る偏極度測定装置３は、上述の配管１５を中心に巻回する傾斜磁場用コイル２０と、たとえば、この傾斜磁場用コイル２０のさらに外側に配置されるＲＦ送信コイル２２およびＲＦ受信コイル２４と、増幅・変換器２６と、ＲＦ受信コイル２４が受信した信号から偏極度を算出する処理部２７とを有する。
本発明における傾斜磁場印加手段の一実施態様が傾斜磁場用コイル２０である。また、本発明における回転磁場印加手段の一実施態様がＲＦ送信コイル２２であり、検出手段の一実施態様がＲＦ受信コイル２４である。
【００２５】
図２（ａ），（ｂ）は、偏極度測定装置３における傾斜磁場用コイル２０とＲＦ送信コイル２２とＲＦ受信コイル２４とを含む領域の正面、および上面の概略図であり、図２（ｃ）は、傾斜磁場用コイル２０による磁界の強度の変化を示すグラフである。
【００２６】
本実施形態においては、傾斜磁場用コイル２０として、たとえば、配管１５中を流れる偏極ガスＧＳ２の進行方向に沿って巻き線密度が変化するソレノイドコイルを用いる。
たとえば、図１および図２（ａ），（ｂ）におけるＺ方向に沿って配管１５を配置し、製造部２側から収納媒体１７側に向かってＺ方向に偏極ガスＧＳ２が流れるものとする。
本実施形態においては、図２（ａ）に示すように、Ｚ方向に沿った製造部２側から収納媒体１７側に向けて徐々に密となるように傾斜磁場用コイル２０としてのソレノイドコイルの巻き線密度を規定している。
【００２７】
このように巻き線密度を規定した傾斜磁場用コイル２０にファンクショナルジェネレータ等の電源を接続することにより、配管１５およびその内部の偏極ガスＧＳ２に、Ｚ方向に沿って磁界の強度が変化する傾斜磁場を印加することができる。このとき、配管１５を流れる偏極ガスＧＳ２が受ける磁界は、たとえば図２（ｃ）に示すようになる。
【００２８】
図２（ｃ）に示すグラフの横軸は、図２（ａ）中の矢印Ａｒに示すような、製造部２側のある所定の初期位置から収納媒体１７側への距離を示している。また、縦軸は、偏極ガスＧＳ２が傾斜磁場用コイル２０から受ける磁界強度を示している。
収納媒体１７側へ向かうに従って巻き線密度が密になっているため、図２（ｃ）に示すように、移動距離が長くなるほど偏極ガスＧＳ２が受ける磁界強度は大きくなる。
【００２９】
傾斜磁場用コイル２０の代わりに、永久磁石を用いてもよい。ブロック状の永久磁石の配置間隔や数等の配置状態をＺ方向に沿って適宜設定することによって、図２（ｃ）に示すような傾斜磁場を形成することができる。
【００３０】
ＲＦ送信コイル２２は、ファンクショナルジェネレータ等の電源に接続されて、傾斜磁場用コイル２０が形成する傾斜磁場内を流れる偏極ガスＧＳ２に対して、偏極ガスＧＳ２を励起して核磁気共鳴状態にさせるＲＦ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）帯の回転磁場を印加する。
ＲＦ送信コイル２２としては、適宜の巻き数のソレノイドコイル、ヘルムホルツコイル、バードケージコイル等の、回転磁場を印加可能な任意のコイルを用いることができる。
【００３１】
本実施形態においては、偏極ガスＧＳ２に効率的に回転磁場を与えるために、好適には、ＲＦ送信コイル２２が形成する磁場の方向が傾斜磁場の方向に直交するようにＲＦ送信コイル２２を構成している。
ＲＦ送信コイル２２が形成する磁場の方向は、たとえば、図１および図２（ａ），（ｂ）におけるＹ方向に沿う方向とする。
【００３２】
ＲＦ受信コイル２４は、ロックインアンプ、プリアンプ、Ａ／Ｄコンバータ等の増幅・変換器２６に接続されており、偏極ガスＧＳ２が出力するＲＦ帯の核磁気共鳴信号を検出する。
ＲＦ受信コイル２４としては、適宜の巻き数のソレノイドコイル、ヘルムホルツコイル、バードケージコイル等の、核磁気共鳴信号を検出可能な任意のコイルを用いることができる。
【００３３】
本実施形態においては、偏極ガスＧＳ２から効率的に核磁気共鳴信号を検出するために、ＲＦ受信コイル２４の検出面は、好適には、ＲＦ送信コイル２２が形成する磁場の方向、および傾斜磁場の方向に直交するように配置される。
詳細には、たとえば、図１および図２（ａ），（ｂ）におけるＸ方向に沿う方向においてＲＦ受信コイル２４は核磁気共鳴信号を検出するものとする。
ＲＦ受信コイル２４が検出したこの核磁気共鳴信号が、偏極ガスＧＳ２の偏極度の算出に用いられる。
【００３４】
増幅・変換器２６は、処理部２７にさらに接続され、処理部２７は表示部２８にさらに接続される。
処理部２７は、増幅・変換器２６から入力された核磁気共鳴信号に基づく信号に対して信号処理や演算処理等の処理を行ない、核磁気共鳴信号の強度のデータや、このデータに基づいて算出した偏極度等の情報を表示可能にする。
偏極度は、偏極ガスＧＳ２中の原子核の全スピンのうちで、互いに反対方向に配向したスピンは互いに打ち消し合うと仮定した結果、残ったスピンの数が占める割合のことである。打ち消されずに残るスピンの数と核磁気共鳴信号の強度とには相関関係が存在するため、予め入手可能な単位時間当たりに配管１５を通過する偏極ガスＧＳ２の流量と、この時間当たりに検出した核磁気共鳴信号の強度とから、処理部２７は偏極ガスＧＳ２の偏極度を算出する。
【００３５】
処理部２７によって得られた情報は、各種モニターやオシロスコープ等の表示部２８に送信されて表示される。
【００３６】
本実施形態においては、傾斜磁場用コイル２０およびＲＦ送信コイル２２を、傾斜磁場の磁界の強度の変化率と、この傾斜磁場内を流れる偏極ガスＧＳ２の流速と、回転磁場の磁界強度とが、偏極ガスＧＳ２の断熱励起条件を満たすように作動させる。
断熱励起条件とは、原子核または電子の全てのスピンを、位相をそろえて、かつ、スピンの配向方向の分布をほとんど変化させることなく１８０°倒すことであり、下記式が満たされるときに断熱励起条件は満たされる。
【００３７】
【数１】
ｄＢ／ｄｔ  ＜＜  γ（Ｂ１）２…（１）
【００３８】
上式（１）において、偏極ガスＧＳ２の原子核が流れに応じて傾斜磁場から受け取る磁束密度をＢ、時間をｔ、磁気回転比をγ、ＲＦ送信コイル２２が印加する回転磁場の磁界の強度をＢ１として表わしている。
【００３９】
ＲＦ送信コイル２２の送信周波数およびＲＦ受信コイル２４の受信周波数を、予め所定の核磁気共鳴周波数にあわせておく。この状態において配管１５に偏極ガスＧＳ２を流すと、Ｚ方向に沿って変化する傾斜磁場によって決まる偏極ガスＧＳ２のスピンの歳差運動の周波数が上述の核磁気共鳴周波数に一致した時点において、偏極ガスＧＳ２から核磁気共鳴信号が出力される。ＲＦ受信コイル２４は、この核磁気共鳴信号を検出する。
【００４０】
図３（ａ）はＲＦ受信コイル２４が検出する核磁気共鳴信号の一例を表わすグラフであり、図３（ｂ）は他の例を表わすグラフである。たとえばこのようなグラフが、表示部２８に表示される。
図３（ａ），（ｂ）のいずれのグラフにおいても、横軸は時間を表わし、縦軸は受信された核磁気共鳴信号の信号強度を表わしている。
【００４１】
図３（ａ）は、バルブ１０ｂを瞬間的に開閉し、収容セル５から少量の偏極ガスＧＳ２を取出して配管１５に流した場合のグラフである。図３（ａ）においては、×印によって表わされる所定のサンプリング間隔で得られた受信信号を、フィッティングして示している。
少量の偏極ガスＧＳ２が、配管１５のうちの傾斜磁場および回転磁場が印加されている部分を通過し、傾斜磁場によって決まる偏極ガスＧＳ２のスピンの歳差運動の周波数が、予め決めた核磁気共鳴周波数に一致した時点において核磁気共鳴信号が発生したことが、グラフのピークとして現われている。
【００４２】
図３（ｂ）は、バルブ１０ｂの開度を調節し、一定量の偏極ガスＧＳ２を連続的に配管１５に流したときに検出した核磁気共鳴信号のプロットをフィッティングしたグラフを示している。
図３（ｂ）の場合には、配管１５に偏極ガスＧＳ２が連続的に流れるため、核磁気共鳴が励起される偏極ガスＧＳ２が常に存在する。このため、図３（ｂ）のグラフに示すように、所定時間後にほぼ一定値のピークが連続的に観測されるようになる。
【００４３】
図３（ａ），（ｂ）のグラフのピークによって形成される面積は、単位時間当たりに励起される偏極ガスＧＳ２中の打ち消されないスピンの数と相関関係がある。このため、グラフのピークによって形成される面積に基づいて、偏極ガスＧＳ２の偏極度を求めることができる。図３（ｂ）の場合には、たとえば、検出信号の強度のピークが存在しているときの単位時間当たりの面積を、ピークによって形成される面積とする。
【００４４】
ここで、図４を参照して、第１実施形態に係るスピン偏極ガスの偏極度測定方法についてまとめる。
図４は、第１実施形態に係る偏極度測定方法の一例を示すフローチャートである。
【００４５】
本実施の形態においては、偏極ガスＧＳ２の偏極度を測定する際に、製造部２から離れた領域まで、配管１５によって偏極ガスＧＳ２を流す（ステップＳＴ１）。
配管１５を流れる偏極ガスＧＳ２が、流れに沿って強度が変化する磁界を受けるように、傾斜磁場用コイル２０によって配管１５に傾斜磁場を印加する（ステップＳＴ２）。
【００４６】
ＲＦ送信コイル２２によって、傾斜磁場内を流れる偏極ガスＧＳ２に、核磁気共鳴を生じさせるための所定の共鳴周波数の回転磁場を印加する（ステップＳＴ３）。
ステップＳＴ１〜３において、傾斜磁場内を流れる偏極ガスＧＳ２が受ける磁束密度の変化率と、回転磁場の磁界強度とは、偏極ガスＧＳ２の断熱励起条件を満たすように設定しておく。なお、上記の磁束密度の変化率は、偏極ガスＧＳ２の流速と傾斜磁場の磁界の強度の変化率とによって決まる。
式（１）から、ある程度強い回転磁場をＲＦ送信コイル２２から印加すれば、断熱励起条件は容易に満たすことができることが分かる。
【００４７】
傾斜磁場内において回転磁場を受けて偏極ガスＧＳ２が放出した核磁気共鳴信号を、ＲＦ受信コイル２４によって検出し（ステップＳＴ４）、偏極ガスＧＳ２の偏極度の算出に用いる（ステップＳＴ５）。
偏極度は、配管１５の断面積および偏極ガスＧＳ２の流速によって決まる偏極ガスＧＳ２の流量と、ＲＦ受信コイル２４によって検出した核磁気共鳴信号の信号強度とによって、たとえば、処理部２７によって算出される。
【００４８】
以上のように、第１実施形態によれば、製造部２から離れた場所に偏極度測定装置３を配置して偏極度を測定する。このため、製造部２と測定装置３との相互干渉を防止することができ、製造部２および／または測定装置３の構成が簡単になる。また、製造部２および／または測定装置３の設計の自由度が向上し、製造が容易になり製造コストを低下させることができる。
本実施形態においては、傾斜磁場および回転磁場が印加された配管１５内を流れることにより決まる偏極ガスＧＳ２のスピンの歳差運動の周波数が、回転磁場の共鳴周波数に一致した時点において発生する核磁気共鳴信号をＲＦ受信コイル２４により検出する。このため、核磁気共鳴信号を検出するためには、予め規定してある傾斜磁場および回転磁場内に偏極ガスＧＳ２を流すだけでよい。したがって、特別な制御シーケンスを用いて傾斜磁場用コイル２０やＲＦ送信コイル２２を駆動する必要がなく、偏極度の測定が容易になる。特別な制御シーケンスが不要であることから、傾斜磁場用コイル２０およびＲＦ送信コイル２２には、たとえば、所定の一定の磁場を発生させるファンクショナルジェネレータ等の電源を接続するだけでよく、測定装置３の構成が簡潔になるという効果もある。
さらに、本実施形態によれば、断熱励起条件下において核磁気共鳴信号を発生させるため、偏極ガスＧＳ２の原子核の全てのスピンは、位相が揃った状態でスピンの配向方向の分布がほとんど変化することなく１８０°倒れる。このため偏極度の減少を抑制することができ、定量的な測定が可能になる。偏極度の減少を抑制することができるため、製造部２において生じる偏極度をそのまま維持した高い偏極度の偏極ガスＧＳ２を効率的に入手することができる。偏極度の測定後にも偏極状態が維持された偏極ガスＧＳ２の原子核の集団からは通常の原子核の集団よりも高い核磁気共鳴信号が得られるため、たとえば吸入や注射によって被検体に偏極ガスＧＳ２を供給すれば、磁気共鳴イメージングにおいて良好な画像を得ることができる。
【００４９】
第２実施形態
以下では、偏極度を測定する前と測定後とにおいて偏極ガスＧＳ２のスピンの配向方向を同じにするために、偏極ガスＧＳ２に断熱励起を２回生じさせる第２実施形態について述べる。
【００５０】
図５（ａ）は、第２実施形態に係る偏極度測定装置における傾斜磁場用コイル３０とＲＦ送信コイル２２とＲＦ受信コイル２４とを含む領域を、図２（ａ）に示す方向と同じ方向から見た概略的な正面図である。また、図５（ｂ）は、第２実施形態に係る傾斜磁場用コイル３０による磁界の強度の変化を示すグラフである。
【００５１】
図５（ａ）に示すように、第２実施形態においては傾斜磁場印加手段として傾斜磁場用コイル３０、具体的にはソレノイドコイルを使用する。このソレノイドコイルの巻き線密度を、製造部２側から収納媒体１７側に向けてＺ方向に粗→密→粗となるようにしている点が、第１実施形態に係る傾斜磁場用コイル２０とは異なっている。
【００５２】
傾斜磁場用コイル３０によって偏極ガスＧＳ２が受ける磁界は、たとえば図５（ｂ）のようになる。図５（ｂ）に示すグラフの横軸は、図５（ａ）中の矢印Ａｒに示すような、製造部２側のある所定の初期位置から収納媒体１７側への距離を示している。また、縦軸は、偏極ガスＧＳ２が傾斜磁場用コイル３０から受ける磁界強度を示している。
矢印Ａｒの向きに巻き線密度が粗→密→粗となっているため、偏極ガスＧＳ２が受ける磁界強度のグラフは、移動距離が長くなるにつれて高くなり、その後再び減少する三角波型を示す。
このとき、偏極ガスＧＳ２に断熱励起が２回生じるように、傾斜磁場用コイル３０によって形成される傾斜磁場の磁界の強度変化を規定しておく。
【００５３】
なお、上述の傾斜磁場用コイル３０の構成以外は、第２実施形態に係る偏極度測定装置は第１実施形態に係る偏極度測定装置３と同じであるため、同一構成要素には同一符号を付し、詳細な記述は省略する。また、傾斜磁場用コイル２０の代わりに傾斜磁場用コイル３０を用いるだけで、第２実施形態に係る偏極度の測定方法における測定の手順は第１実施形態に係る偏極度の測定方法と同じであるため、測定の手順に関する記載は省略する。
【００５４】
以上のような構成の第２実施形態に係る偏極度測定装置によって偏極ガスＧＳ２から得られる核磁気共鳴信号の一例を示したグラフが図６である。
図６のグラフにおける横軸は時間を表わし、縦軸は受信された核磁気共鳴信号の信号強度を表わしている。
図６に示すグラフは、図３（ａ）と同様にバルブ１０ｂを瞬間的に開閉し、収容セル５から少量の偏極ガスＧＳ２を取出して配管１５に流した場合に得られた受信信号をプロットしたものである。
【００５５】
第２実施形態においては、偏極ガスＧＳ２が偏極度測定装置を通過する間に断熱励起が２回生じるため、図６に示すように受信信号のピークが２箇所発生する。
なお、図６のグラフに示される２つのピークによって形成される面積がほぼ等しいことは、断熱励起条件下において核磁気共鳴信号を検出しているために、偏極ガスＧＳ２の偏極の減少が実際に抑制されていることを表わしている。
【００５６】
第２実施形態においては、たとえば、図５（ｂ）に示す距離Ｄｐまでの移動において、偏極ガスＧＳ２に断熱励起が１回発生して偏極ガスＧＳ２の各スピンの配向方向が１８０°変わる。距離Ｄｐを過ぎ、受け取る磁界強度が元の大きさに戻った時点においてもう一度断熱励起が生じ、各スピンの配向方向はさらに１８０°変わり、元の方向に戻る。
以上のように、第２実施形態によれば、偏極ガスＧＳ２に断熱励起を２回発生させることにより、偏極度の測定のために偏極ガスＧＳ２を励起させたとしても、スピンの配向状態を元の状態に戻すことができる。その結果、収納媒体１７にはスピンの配向状態が揃った偏極ガスＧＳ２が収納される。
【００５７】
前述の第１実施形態および第２実施形態を適宜使いわけることにより、スピンの配向状態が偏極度の測定前の配向状態とは逆向きになった偏極ガスＧＳ２と、測定前の配向状態と逆向きの配向状態とが混在する偏極ガスＧＳと、測定前と同じ配向状態の偏極ガスＧＳ２との、３種類の偏極ガスＧＳ２を、収納媒体１７に収納する偏極ガスＧＳ２として得ることができる。
【００５８】
なお、上述の実施形態および実施例は本発明の内容を説明するための一例であり、本発明は特許請求の範囲内において適宜変更可能である。
たとえば、製造部２の静磁場発生コイル７の代わりに、永久磁石や電磁石等の、静磁場を発生することが可能な磁石を用いてもよい。
また、図４に示すフローチャートの各ステップの順番は、本発明を実施可能な範囲内において適宜変更可能である。
【００５９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、製造部から離れた領域においてスピン偏極ガスを流して偏極度を測定するため、製造したスピン偏極ガスの偏極度を定量的かつ簡便に測定することができ、測定による偏極度の減少を抑制可能なスピン偏極ガスの製造装置、スピン偏極ガスの測定装置および測定方法を提供することができる。
測定のための傾斜磁場、回転磁場、および検出面を、それぞれ直交させることにより、測定効率をさらに向上させることができる。
また、スピン偏極ガスに断熱励起を２回生じさせることにより、スピン偏極ガスのスピンの配向方向を元の状態に戻すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るスピン偏極ガス製造装置の概略構成図である。
【図２】（ａ）は図１に示すスピン偏極ガス製造装置における偏極度測定装置の要部を拡大して示した正面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す偏極度測定装置の上面図であり、（ｃ）は偏極度測定装置における磁界の強度の変化を示すグラフである。
【図３】（ａ）は本発明の第１実施形態において得られる検出信号の一例を示すグラフであり、（ｂ）は他の例を示すグラフである。
【図４】本発明の第１実施形態に係るスピン偏極ガスの偏極度の測定方法の一例を示すフローチャートである。
【図５】（ａ）は本発明の第２実施形態に係るスピン偏極ガスの偏極度測定装置の要部を示す正面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す偏極度測定装置における磁界の強度の変化を示すグラフである。
【図６】図５に示す偏極度測定装置において得られる検出信号の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
１…スピン偏極ガス製造装置
２…製造部
３…偏極度測定装置
５…収容セル
７…静磁場発生コイル
１５…配管
１７…収納媒体
２０…傾斜磁場用コイル
２２…ＲＦ送信コイル
２４…ＲＦ受信コイル
ＧＳ１…原料ガス
ＧＳ２…スピン偏極ガス
ＬＴ…励起光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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