(57)【要約】  試料から生成される信号を解析するためのシステムが、記載されている。ここで、このシステムは、少なくとも１つの磁力計を備え、この磁力計は、試料により作り出された磁場を検出することができる。上記磁力計は、試料のすぐ近くに配置され、小型化されている（例えば、一辺あたり６ｃｍ未満のサイズを有する）。雑音生成要素は、試料及び磁力計を囲み雑音を均一に生成するように構成され、ここで、生成された雑音は、試料における確率共鳴を引き起こして試料の特性信号を増幅することができる。少なくとも１つの遮蔽構造が、外部電磁放射から試料及び第１の磁力計を電磁的に遮蔽する。
2015524920.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料から生成された分子信号を解析するための装置であって、前記装置は、
（ａ）前記試料を保持するように構成された信号源ホルダと、
（ｂ）ガス原子で満たされた蒸気チャンバを含む２つ以上の小型磁力計とを備え、
前記磁力計は、前記試料により作り出された磁場を検出することができ、
第１の磁力計が、第２の磁力計に隣接して配置されており、
少なくとも１つの磁力計は、前記信号源ホルダ及び前記試料のすぐ近くにあり、前記装置はさらに、
（ｃ）前記試料及び前記磁力計を囲む雑音を均一に生成するように構成されたコイルであって、生成された前記雑音が、前記試料における確率共鳴を引き起こして前記試料の特性信号を増幅することができるコイルと、
（ｄ）信号源及び前記磁力計を外部電磁放射から電磁的に遮蔽する少なくとも１つの磁気遮蔽と、
（ｅ）２つ以上の光ケーブルを受け入れることができる前記磁気遮蔽内の少なくとも１つの開口とを備え、
前記２つ以上の小型磁力計のそれぞれが、１つ又は複数のケーブルに結合され、
少なくとも１つのケーブルは、光／放射を前記磁力計へ送るために利用され、
少なくとも１つのケーブルは前記磁力計から光／放射を受け取ることができる装置。
【請求項２】
前記磁気遮蔽をコーティングするミューメタル合金の層をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
電流を前記コイルへ届けるように構成された電気ケーブルを受け入れることができる前記磁気遮蔽内の第２の開口をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記磁力計は、前記第１の磁力計が前記試料のすぐ近くにある第１の微分構成で構成され、前記第２の磁力計は、第１の微分構成中の前記第１の磁力計に隣接している、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記磁力計は、磁力計の第１のセットが前記試料の異なる側面に同様に配置され、各セットが前記試料のすぐ近くにある第１の磁力計と前記第１の磁力計に隣接する第２の磁力計とを有する第２の微分構成で構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
少なくとも１つの側面開口及び前記磁気遮蔽の外部に結合された減衰管をさらに備え、前記減衰管は、前記磁気遮蔽に電気的に結合される、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記磁力計のそれぞれが、光検出器から出力された光放射を受け取ることができる光ケーブルに結合される、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記コイルはヘルムホルツ・コイルであり、前記コイルは可動枠に結合される、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記信号源ホルダは管であり、前記装置は、前記管を通じると共に前記２つ以上の小型磁力計を通り越して複数の試料を移動させるように蠕動ポンプをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
試料から生成される信号を解析するシステムであって、前記システムは、
試料により作り出された磁場を検出することができ、
前記試料のすぐ近くに配置され、
一辺あたり６ｃｍ未満のサイズを有する少なくとも第１の磁力計と、
前記試料及び前記第１の磁力計を囲む雑音を均一に生成するように構成された雑音生成要素であって、
生成された前記雑音は、前記試料における確率共鳴を引き起こして前記試料の特性信号を増幅することができる雑音生成要素と、
前記試料及び前記第１の磁力計を外部電磁放射から電磁的に遮蔽する少なくとも１つの遮蔽構造とを備えるシステム。
【請求項１１】
ケーブルを受け入れることができる前記磁気遮蔽内の少なくとも１つの開口をさらに備え、
前記第１の磁力計は、前記ケーブルに結合され、
少なくとも１つのケーブルは、光／放射を前記磁力計へ送るために利用され、
少なくとも１つのケーブルは、前記磁力計から光／放射を受け取ることができるケーブルであり、
前記ケーブルの少なくとも１つは、受信信号中の不要な周波数を減衰させる長さを有する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記遮蔽構造をコーティングするミューメタル合金の層をさらに備える、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
電流を前記コイルへ届けるように構成された電気ケーブルを受け入れることができる前記遮蔽構造内に開口をさらに備える、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１４】
複数の磁力計は、前記第１の磁力計が前記試料のすぐ近くにある第１の微分構成で構成され、第２の磁力計は、第１の微分構成中の前記第１の磁力計に隣接している、
請求項１０に記載のシステム。
【請求項１５】
複数の磁力計は、磁力計の第１のセットが前記試料の異なる側面に同様に配置され、各セットが前記試料のすぐ近くにある第１の磁力計と前記第１の磁力計に隣接する第２の磁力計とを有する第２の微分構成で構成されている、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１６】
少なくとも１つの側面開口及び前記遮蔽構造の外部に結合された減衰管をさらに備え、前記減衰管は、前記遮蔽構造に電気的に結合される、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１７】
前記第１の磁力計が、ガス原子で満たされた蒸気チャンバを備え、光検出器から出力された光放射を受け取ることができる光ケーブルに結合される、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１８】
前記雑音生成要素はヘルムホルツ・コイルを含み、前記コイルは可動枠に結合される、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１９】
化学用又は生化学用試薬に応答した系に対するそのような試薬の効果を解析する方法であって、
遮蔽構造内且つ少なくとも１つの磁力計のすぐ近くに試料を用意するステップと、
磁気遮蔽と電磁遮蔽の両方を有する容器内に前記試薬を収容する試料であって、分子信号用の信号源として機能する試料を配置するステップと、
別の信号源からの別の信号が存在しない場合に前記試料の中に、確率共鳴を発生させるのに十分な雑音振幅で、複数の周波数にわたってほぼ均一な振幅を有する雑音を導入するステップと、
前記試料からの出力放射を検出し、少なくとも１つの室温小型磁力計を介して得られる信号であって、前記別の生成信号が存在しない場合に前記導入した雑音に重畳した試料源放射で構成されている電磁的な時間領域信号を記録するステップと、
前記試料源放射が前記導入した雑音と十分に区別できない場合、前記重畳信号が前記確率共鳴を通じて前記信号源により生成された信号の特性を帯びるまで、選択した雑音レベルの範囲内の複数の雑音レベルそれぞれにおける前記導入及び前記検出を繰り返すステップと、
前記時間領域信号の有力な特性を示す周波数を特定するステップと、
前記試料の前記特定した複数の周波数から少なくとも１つの周波数を選択する、又は
２つ以上の試薬試料の前記特定した複数の周波数から選択した複数の周波数を組み合わせることにより応答生成信号を合成するステップと、
試薬応答系を電磁変換器の電磁場又は磁場内に置くことにより前記試薬応答系を前記合成した応答生成信号にさらし、ある信号振幅で、前記試薬応答系に試薬特有の効果をもたらすのに十分な期間の間、前記変換器により合成した信号を印加するステップと
を含む方法。
【請求項２０】
前記合成した応答生成信号は、
前記試料の化学的又は生物学的な効果を示す１つ又は複数の試薬試料の前記特定した複数の周波数、或いは
各試薬試料の化学的又は生物学的な効果のいくつかの態様を示す１つ又は複数の試薬試料の特定した複数の周波数から選択された周波数の組合せである、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記合成するステップは、
（ｉ）ｆを、前記時間領域信号をサンプリングするサンプリング・レートとした場合に、ＤＣから８ｋＨｚの範囲内の選択した周波数範囲にわたる各事象のビンｆについて、いくつかの事象がビンごとに計数することを示すヒストグラムを生成し、所与の閾値より大きいビンの個数に関連している得点を前記ヒストグラムに割り当て、前記得点に基づいて時間領域信号を選択するステップ、
（ｉｉ）前記時間領域信号を自己相関させ、前記ＤＣから８ｋＨｚの範囲内の選択した周波数範囲にわたって前記自己相関信号のＦＦＴ（高速フーリエ変換）を生成し、平均雑音値より大きいいくつかのピークに関連している得点をＦＦＴ信号に割り当て、前記得点に基づいて時間領域信号を選択するステップ、
（ｉｉｉ）ＤＣから８ｋＨｚの間の選択した周波数範囲内の複数定められた期間それぞれにわたって前記時間領域信号の一連のフーリエ・スペクトルを計算し、前記フーリエ・スペクトルを平均し、平均雑音値より大きいピークの個数に関連している得点を前記平均したＦＦＴ信号に割り当て、前記得点に基づいて時間領域信号を選択するステップ
のうちの１つにより行われる、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記電磁石変換器は、前記さらす前に生物系に埋込まれる埋込み可能なコイルと携帯移動装置との一方又は両方を含み、信号が有線通信又は無線通信を介して前記変換器に到着し、無線信号が直接又は衛星を介して送られる、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、小型分子インターロゲーション・データ・システム（ＭＩＮＩＡＴＵＲＩＺＥＤ  ＭＯＬＥＣＵＬＡＲ  ＩＮＴＥＲＲＯＧＡＴＩＯＮ  ＡＮＤ  ＤＡＴＡ  ＳＹＳＴＥＭ）と題され、２０１２年７月１１日に出願した米国仮特許出願第６１／６７０，５６６号の優先権を主張するものであり、その出願は、全体として本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
磁力計は、様々な応用において磁場の向き及び強さを測定するために利用されている。これらの装置は、自動車から携帯電話にわたるあらゆるものに含まれ、磁場の強さ及び向きの変化を検出し、金属検出器、ブレーキ・システム、及びコンパスなどの装置内のセンサとして働く。大規模な磁力計は、核磁気共鳴（ＮＭＲ：ｎｕｃｌｅａｒ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）に関する医療分野に利用され得、そこから磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ：ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  ｉｍａｇｉｎｇ）機器などの機械が開発された。医療及び科学の分野において、ＮＭＲ分光計内などで、磁力計の感度は、試料の磁場の大きさが極低であり、大きい信号対雑音（ＳＮＲ：ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ）比により検出することが困難であるときに極めて重要である。ＭＲＩなどの一部の装置の場合、高緩和能造影剤が、磁場の変化を検出するために利用されている。
【０００３】
高感度をもたらすより最近の磁力計は、超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ：ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  ｄｅｖｉｃｅ）を用いることができる。このＳＱＵＩＤは、極低雑音レベルを有するベクトル磁力計である。したがって、ＳＱＵＩＤは、とても小さい磁場の方向成分を測定して磁場の強さを決定するのにとても役立つ。
【０００４】
最近、別の携帯型磁力計が開発された。小型の原子ベースの磁気センサは、ＳＱＵＩＤよりも高い感度すらもたらす。この小型装置は、ガス状のルビジウム原子を有する容器と、低出力赤外線（ＩＲ：ｉｎｆｒａｒｅｄ）レーザと、磁場強度を示す光信号を検出するための光ファイバとを備える。赤外線（ＩＲ）レーザからの光は、光ファイバを介してルビジウム原子を収容する容器へ向けられる。原子が光を吸収し、吸収された光量は、磁場が増大するにつれて増加する。これは、原子が光子を吸収し、磁場の増大に伴ってより高いエネルギー状態（エネルギー・レベル）に入るからである。次いで、光検出器は、発せられた光量を検出し、ここで、検出される光は、磁場強度が増加するのに対応して減少する。ＩＲ光は、ルビジウム原子を特定の状態に励起することが知られている。したがって、印加磁場を利用して、原子をより高い状態に入らせるこの印加磁場に対応する周波数を決定することができる。原子磁力計の一例は、ＳＥＲＦ（ｓｐｉｎ−ｅｘｃｈａｎｇｅ  ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ−ｆｒｅｅ）磁力計である。
【０００５】
これらの高感度なセンサを用いる多くの応用が可能であり得る。例えば、このセンサは、人間の心臓及び脳の活動を測定するために使用されてきた。Ｓ．Ｋｎａｐｐｅ，ｅｔ  ａｌ．，”Ｃｒｏｓｓ−ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  ｍｉｃｒｏ−ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  ａｔｏｍｉｃ  ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒｓ  ｗｉｔｈ  ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  ｄｅｖｉｃｅｓ  ｆｏｒ  ｂｉｏ−ｍａｇｎｅｔｉｃ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ９７，１３３７０３（２０１０）。しかし、他の多くの応用も可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願第２０１１／００３１９６９（Ａ１）号
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｓ．Ｋｎａｐｐｅ，ｅｔ  ａｌ．，”Ｃｒｏｓｓ−ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  ｍｉｃｒｏ−ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  ａｔｏｍｉｃ  ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒｓ  ｗｉｔｈ  ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  ｄｅｖｉｃｅｓ  ｆｏｒ  ｂｉｏ−ｍａｇｎｅｔｉｃ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ９７，１３３７０３（２０１０）
【非特許文献２】Ｂｅｎｄａｔ＆Ｐｉｅｒｓｏｌ，”Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｓｐｅｃｔｒａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ”，１９９３
【非特許文献３】Ａｌｅｘａｎｄｅｒ  Ｇａｒａｃｈｔｃｈｅｎｋｏ，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｓａｎｔａ  Ｃｌａｒａ  ＣＡ，ＵＳＡ，Ａｎｄｒｅｉ  Ｍａｔｌａｓｈｏｖ，Ｒｏｂｅｒｔ  Ｈ．Ｋｒａｕｓ，Ｊｒ．，Ｌｏｓ  Ａｌａｍｏｓ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｌｏｓ  Ａｌａｍｏｓ  ＮＭ，ＵＳＡ，”Ｂａｓｅｌｉｎｅ  Ｄｉｓｔａｎｃｅ  Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  ＳＱＵＩＤ  Ｇｒａｄｉｏｍｅｔｅｒｓ”
【非特許文献４】Ｒｉｃａｒｄｏ  Ｊｉｍｅｎｅｚ−Ｍａｒｔｉｎｅｚ，Ｗ．Ｃｌａｒｋ  Ｇｒｉｆｆｉｔｈ，Ｓｖｅｎｊａ  Ｋｎａｐｐｅ，Ｊｏｈｎ  Ｋｉｔｃｈｉｎｇ，ａｎｄ  Ｍａｒｋ  Ｐｒｏｕｔｙ，Ｔｈｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ  Ｂ  ｜  ＯＰＴＩＣＡＬ  ＰＨＹＳＩＣＳ  Ｖｏｌ．  ２９，Ｉｓｓ．１２−Ｄｅｃ．１，２０１２  ｐｐ：３３９８〜３４０３（Ｅｄｉｔｏｒ：Ｈｅｎｒｙ  ｖａｎ  Ｄｒｉｅｌ，ＪＯＳＡ  Ｂ，Ｖｏｌ．２９，Ｉｓｓｕｅ  １２，ｐｐ．３３９８〜３４０３（２０１２））
【発明の概要】
【０００８】
本明細書で用意された見出しは、単に便宜のためであり、権利主張した本発明の範囲又は意味に必ずしも影響を及ぼさない。
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
化合物によりもたらさられる低い周波数確率事象を観察する能力を強化するレベルでガウス性白色雑音の刺激を記録装置に導入しつつ、とても小さい振幅の信号を検出して遮蔽環境内の試料又は化合物により生成される信号を記録することにより時間領域信号を生成する小型検出器が以下詳細に説明される。さらに以下に述べられる共有の米国仮出願第６０／５９３，００６号及び第６０／５９１，５４９号では、変換信号は、エフェクター化合物の実際の化合物時間領域信号であった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
エフェクター・エージェントが実際に存在していることを必要とすることなく、目標系を特性エフェクター分子信号にさらすことにより、エフェクター分子機能を実現する可能性は、いくつかの重要で興味をそそる応用を有する。薬物を塗布することにより生体を治療する代わりに、同じ効果は、生体を薬物特定信号にさらすことにより実現することができる。ナノファブリケーションの分野において、自己組織化の所望のパターンを助長することができる多価のエフェクター分子の信号の特性を組織化系に導入することにより、自己組織化パターンに触媒作用を及ぼす又はそれを促進することが現在可能であり得る。
【発明の効果】
【００１１】
高感度でしかし小型である磁力計を使用することにより生物学的試料により生成した低レベル周波数を検出する装置及び方法を、以下詳細に説明する。一実施例では、既知の均一の白色又はガウス性雑音信号が試料に導入される、低周波数の電磁放射又は関心の試料の信号を検出、処理、及び提示する装置及び方法が提供される。この雑音は、試料からの電磁放射が信号検出システムにより十分に検出される可能にするように構成される。検出信号のセットは、一緒に処理されて、再現性及び統計的関連性を確かなものにする。結果として得られる放射パターン又はスペクトルは、特定の物質として表示、記憶、及び／又は特定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施例により形成された分子電磁信号検出装置の一実施例の等角図である。
【図２】図１に示されたファラデー箱及びその内容物の拡大詳細図である。
【図３】図１及び図２に示された減衰管の一方の拡大断面図である。
【図４】図２に示されたファラデー箱及びその内容物の断面図である。
【図５】代替の電磁放射検出システムを示す図である。
【図６】上記の各図の検出システムに含まれる処理ユニットを示す図である。
【図７】図６の処理ユニットの代替処理ユニットを示す図である。
【図８】本システムによって実行される信号検出及び処理を示す流れ図である。
【図９】本発明の各態様のヒストグラム・スペクトル描画法のデータフローの高レベル流れ図である。
【図１０】スペクトル描画ヒストグラムを生成するためのアルゴリズムを示す流れ図である。
【図１１】最適な時間領域信号を識別する各ステップの流れ図である。
【図１２】第３の実施例による最適な時間領域信号を識別する各ステップの流れ図である。
【図１３】典型的な変換実験における変換機器レイアウトを示す図である。
【図１３Ａ】雑音コイルと共に使用されるコイル配置の概略図である。
【図１３Ｂ】雑音コイルと共に使用されるコイル配置の概略図である。
【図１３Ｃ】雑音コイルと共に使用されるコイル配置の概略図である。
【図１３Ｄ】雑音コイルと共に使用されるコイル配置の概略図である。
【図１３Ｅ】雑音コイルと共に使用されるコイル配置の概略図である。
【図１３Ｆ】雑音コイルと共に使用されるコイル配置の概略図である。
【図１４】典型的な変換実験において使用される変換コイル及び容器を示す図である。
【図１５Ａ】除草剤化合物を４０％含む試料の時間領域信号の一部分を示す図である（１５Ａ）。
【図１５Ｂ】雑音レベル−７０．９ｄＢｍで記録された図１５Ａの試料の自己相関時間領域信号のＦＦＴを示す図である（１５Ｂ）。
【図１５Ｃ】雑音レベル−７４．８ｄＢｍで記録された図１５Ａの試料の自己相関時間領域信号のＦＦＴを示す図である（１５Ｃ）。
【図１５Ｄ】雑音レベル−７４．８ｄＢｍで記録された図１５Ａの試料の自己相関時間領域信号のＦＦＴを示す図である（１５Ｄ）。
【図１５Ｅ】雑音レベル−７８．３ｄＢｍで記録された図１５Ａの試料の自己相関時間領域信号のＦＦＴを示す図である（１５Ｅ）。
【図１５Ｆ】図１５の試料の雑音設定に対する自己相関得点の描画である。
【図１６】生物系に印加される信号を試料から生成するプロセスのブロック図である。
【図１７】本発明のシステムで試料から生成された信号から作り出され電磁波を患者に印加するのに適したシステムを示すブロック図である。
【図１８】１つ又は複数の開始時の波形を修正するための信号処理ルーチンを示す流れ図である。
【図１９Ａ】グラフィカル・ユーザ・インタフェース（ＧＵＩ：ｇｒａｐｈｉｃａｌ  ｕｓｅｒ  ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）を用いたスペクトルの描画の修正を示す図である。
【図１９Ｂ】グラフィカル・ユーザ・インタフェース（ＧＵＩ）を用いたスペクトルの描画の修正を示す図である。
【図１９Ｃ】グラフィカル・ユーザ・インタフェース（ＧＵＩ）を用いたスペクトルの描画の修正を示す図である。
【図１９Ｄ】グラフィカル・ユーザ・インタフェース（ＧＵＩ）を用いたスペクトルの描画の修正を示す図である。
【図２０】検出システム及び処理ユニットによって生成され処理された信号を分配するための代替形態を示すブロック図である。
【図２１】図２０の分散システムの変換器・受信機／送受信機を示すブロック図である。
【図２２】図２０のシステム内で使用されるヘルムホルツ型誘導コイルを示す図である。
【図２３】試料を変換するための埋込み可能なコイルを示す図である。
【図２４】小型原子磁力計ベースの分子インターロゲーション・データ・システム（ＭＩＤＳ：ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｄａｔａ  ｓｙｓｔｅｍ）を示す図である。
【図２５】図２４の小型ＭＩＤＳシステムと共に使用される追加の構成要素を示すブロック図である。
【図２６】雑音コイルを枢動及び伸縮させるコイル配置システムを示す概略図である。
【図２７】分子インターロゲーション用の光学磁力計フロー・スルー・デバイスを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の追加の各実施例は、電磁波の場に置かれた目標系に作用できる化合物特有の電磁波を生成する変換システム及びそのような信号を生成する対応する方法と共に使用するための信号を説明する。他の実施例は、そのような信号の発生及び分配に関する。
【００１４】
次に本発明の様々な実例を説明する。以下の説明は、これらの実例に関して完全に理解しそれらの説明を可能にするためにある特定の詳細を与える。しかし、当業者は、これらの詳細の多くがなくても本発明を実施することができることが理解されよう。同様に、当業者は、本発明が、本明細書に詳細に説明されていない他の多くの明白な特徴を含み得ることも理解されよう。加えて、いくつかのよく知られている構造又は機能は、様々な実例の関連した説明を不必要にあいまいにしないように、以下において詳細に図示又は説明されない。
【００１５】
以下に使用される専門用語は、本発明のある特定の実例の詳細な説明と共に使用されているけれど、その最も広い合理的なやり方で解釈されるべきである。実際には、ある種の用語は、以下強調されることさえあり得るが、任意の限られたやり方で解釈されるべきことが意図されている任意の専門用語は、この詳細な説明の節においてそのようなものとして明白且つ具体的に定義される。
【００１６】
本出願は、以下のようにまとめられるものであり、第１に、いくつかの定義が用意される。第２に、本発明者の以前のＳＱＵＩＤベースのシステムが、一部において、基本的な信号収集の理解を与えるように記載されている。第３に、最適化された時間領域信号を生成する方法、及び変換信号を形成する方法が述べられている。第４に、ある変換装置及びプロトコルが用意される。最後に、小型検出器又は小型分子インターロゲーション・データ・システムを詳細に説明する。当業者は、ＳＱＵＩＤベースのシステムの各態様、通知信号を生成する方法の各態様、及び変換装置及びプロトコルの各態様を、個々に又はひとまとめで小型検出器に適用して信号収集を可能にし小型検出器により使用する本発明のいっそうさらなる実施例を提供できることを認識されよう。
【００１７】
Ｉ．定義
以下の用語は、断りのない限り、以下の定義を有する。そのような定義は、短いが、当業者が、本明細書に与えられた詳細な説明に基づいて本発明の適切な態様をより十分に理解することを助ける。そのような定義は、（特許請求の範囲を含む）全体として且つ単にそのような定義によるだけでなく本発明の説明によりさらに定義される。
【００１８】
「磁気遮蔽」は、遮蔽材料の透磁能の結果として磁束の通過を減少させ、阻害する、又は防止する遮蔽を指す。
【００１９】
「電磁遮蔽」は、電磁放射の通過を減少させるための、例えば、標準的なファラデー電磁遮蔽又は他の方法を指す。
【００２０】
「時間領域信号」又は「時系列信号」は、継時的に変化する過渡信号特性を有する信号を指す。
【００２１】
「試料源放射」は、磁場内の分子双極子の回転などの試料の分子運動から結果として生じる磁束放射又は電磁束放射を指す。試料源放射は、導入された磁場刺激の存在下でもたらされる」ので、それは、「導入された磁場刺激に重畳された試料源放射」とも呼ばれる。
【００２２】
「刺激磁場」又は「磁場刺激」は、（ｉ）０と１Ｇ（ガウス）の間の試料における選択した磁場をもたらすように計算された電圧レベルで導入された白色雑音、（ｉｉ）０と１Ｇの間の試料における選択した磁場をもたらすように計算された電圧レベルで導入されたＤＣオフセット、及び（ｉｉｉ）少なくとも約０〜１ｋＨｚの間の掃引範囲にわたって、及び０と１Ｇの間の試料における選択した磁場をもたらすように計算された導入電圧で連続的に導入された低周波数範囲にわたっての掃引を含み得るいくつかの電磁信号の１つを、試料を囲む磁気コイルに導入（加える）ことにより作り出された磁場を指す。導入コイルの形状及び巻き数、コイルに印加された電圧、及び導入コイルと試料の間の距離を知っている場合、試料において作り出された磁場は、既知の電磁的関係を用いて容易に計算することができる。
【００２３】
「選択した刺激磁場の状態」は、白色雑音若しくはＤＣオフセット信号に印加した選択した電圧、又は印加した掃引刺激磁場の選択した掃引範囲、掃引周波数、及び電圧を指す。
【００２４】
「白色雑音」は、不規則雑音又は同時の複数の周波数を有する信号、例えば、白色不規則雑音又は決定性雑音を指す。白色雑音及び他の雑音のいくつかの変形例は、本発明に記載した実施例に利用することができる。例えば、「ガウス性白色雑音」は、ガウス・パワー分布を有する白色雑音である。「定常ガウス性白色雑音」は、予測できる未来の成分がない不規則ガウス性白色雑音である。「構造化雑音」は、スペクトルのある領域から別の領域へエネルギーをシフトする対数特性を含み得る白色雑音であり、又はそれは、振幅が一定のままでありつつランダム時間要素を与えるように設計することができる。これら２つは、予測できる未来の成分を有さない真に不規則雑音と比較して、ピンク且つ均一な雑音を表す。「均一な雑音」は、ガウス分布ではなく矩形分布を有する白色雑音を意味する。
【００２５】
「周波数領域スペクトル」は、時間領域信号のフーリエ周波数描画を指す。
【００２６】
「スペクトル成分」は、周波数領域、振幅領域、及び／又は位相領域内で測定できる時間領域信号内の単独又は繰り返しの品質を指す。スペクトル成分は、典型的には、周波数領域内に存在する信号を指す。
【００２７】
「ファラデー箱」は、不要な電磁放射のための大地までの電気的経路を用意し、それにより電磁環境を穏やかにする、電磁遮蔽構成を指す。
【００２８】
ＩＩ．時間領域信号を生成及び処理する装置
本発明の各実施例は、外部干渉なしで極低閾値分子電磁信号を検出する方法及び装置を提供する。それらは、多種多様な信号記録機器及び処理機器により容易に使用可能なフォーマットでこれらの信号の出力をさらに供給する。したがって、本発明の各実施例は、低閾値分子電磁信号の繰り返し可能な検出及び記録のための装置及び方法を提供することに向けられている。磁気遮蔽されたファラデー箱は、外部の電磁信号から試料材料及び検出装置を遮蔽する。磁気遮蔽されたファラデー箱内で、コイルは均一な雑音又は白色雑音を導入し、非鉄金属皿が試料を保持し、グラジオメータが低閾値分子電磁信号を検出する。この装置は、超伝導量子干渉デバイス（「ＳＱＵＩＤ」）及び前置増幅器をさらに備える。
【００２９】
この装置は、磁気遮蔽されたファラデー箱内で雑音コイル及びグラジオメータのすぐ近くに試料を置くことにより利用される。白色雑音は、雑音コイルを通じて導入され、分子電磁信号が確率共鳴を通じて強化されるまで変調される。ファラデー箱により外部干渉から遮蔽されていると共に雑音コイルが発生した場から遮蔽されている強化された分子電磁信号は、次いで、グラジオメータ及びＳＱＵＩＤにより検出及び測定される。次いで、この信号は、増幅され、任意の適切な記録機器又は測定機器へ送られる。
【００３０】
図１〜図５は、先の段落に記載された装置の様々な図を与える。例示したこの装置は、本発明の一実施例を提供するが、追加の各実施例は、本発明の範囲内で記載され及び考えられている。
【００３１】
図１を参照すると、振幅調整可能な白色雑音発生器８０は、磁気遮蔽籠４０の外部にあり、電気ケーブル８２によりフィルタ９０を介してヘルムホルツ変圧器６０（図示せず）に電気的に接続されている。ヘルムホルツ・コイルすなわち変圧器６０は、図２を参照して例示され、さらに説明される。白色雑音発生器８０は、ゼロから１００キロヘルツまでの周波数スペクトルにわたってほぼ均一な雑音を生成することができる。例示した実施例では、フィルタ９０は、５０キロヘルツを上回る雑音を取り除くが、他の周波数範囲が使用されてもよい。白色雑音発生器８０は、パッチ・コード１６４を介して二重掃引オシロスコープ１６０の他の入力に電気的に接続されてもいる。
【００３２】
磁束同期回路１４０は、ＳＱＵＩＤ１２０から受信した信号をさらに増幅し、高レベル出力回路１４２を介してｉＭＣ−３０３  ｉＭＡＧ（登録商標）ＳＱＵＩＤコントローラ１５０へ出力する。ＳＱＵＩＤは、以下の段落において図２をさらに参照して説明される。磁束同期回路１４０は、モデルＣＣ−６０  ６メートル光ファイバ複合材接続ケーブル１４４を介してＳＱＵＩＤコントローラ１５０にも接続される。光ファイバ接続ケーブル１４４及びＳＱＵＩＤコントローラ１５０は、Ｔｒｉｓｔａｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，  Ｉｎｃ製である。コントローラ１５０は、磁気遮蔽籠４０に外部装着される。光ファイバ接続ケーブル１４４は、ＳＱＵＩＤコントローラ１５０から磁束同期回路１４０まで制御信号を伝送し、測定される信号との電磁干渉の可能性をさらに減少させる。他の磁束同期回路、接続ケーブル、及びＳｑｕｉｄコントローラが使用されてもよいことは、当業者に明らかである。
【００３３】
ＳＱＵＩＤコントローラ１５０は、高分解能アナログ・デジタル・コンバータ１５２と、デジタル化信号を出力するための標準的なＧＰ−ＩＢバス１５４と、アナログ信号を出力するためのＢＮＣコネクタ１５６とをさらに備える。例示した実施例では、ＢＮＣコネクタは、パッチ・コード１６２を通じて二重掃引オシロスコープ１６０に接続される。
【００３４】
図２を参照すると、図１中の遮蔽構造１０内の要素の断面図が示されている。この遮蔽構造１０は、外側から内側に向って、磁気遮蔽である伝導性金属線籠１６と、電磁遮蔽をもたらす内側伝導性金属線籠１８及び２０とを備えている。別の実施例では、外側磁気遮蔽１６は、アルミニウム・ニッケル合金コーティングを有する固体アルミニウム板材で形成され、電磁遮蔽は、固体アルミニウムでそれぞれ形成された２つの内壁構造により与えられる。
【００３５】
図２に示されるように、ファラデー箱１０であり得る遮蔽構造は、上部で開放しており、側面開口１２及び１４を備えている。ファラデー箱１０は、互いに入れ子式に配置された３つの銅網籠１６、１８及び２０でさらに構成される。各銅網籠１６、１８及び２０は、各籠間の誘電体バリア（図示せず）により他の籠から電気的に隔絶されている。
【００３６】
側面開口１２及び１４は、減衰管２２及び２４をさらに備え、外部の干渉源から籠の内部を隔絶しつつファラデー箱１０の内部へのアクセスを可能にするようになっている。図３を参照すると、減衰管２４は、互いに入れ子式に配置された３つの銅網管２６、２８及び３０で構成されている。外側の銅網籠１６、１８及び２０は、各々、銅網管２６、２８及び３０の１つに電気的にそれぞれ接続されている。減衰管２４は、蓋３２がさらにかぶされ、この蓋は、穴３４をさらに備えることができる。減衰管２２は、銅網管２６、２８及び３０で同様に構成されるが、蓋３２を備えていない。
【００３７】
低密度非鉄試料皿５０が、ファラデー箱１０の内部に装着されている。試料皿５０は、それが減衰管２２及び側面開口１２を通じてファラデー箱１０から取り出すことができるように装着されている。３本の棒５２は、その各々がファラデー箱１０の中心垂直軸から減衰管２２の最外縁部までの距離より長さが大きく、試料皿５０に取り付けられる。この３本の棒５２は、減衰管２２の内部曲線に適合するようになされており、減衰管内に棒を置くことにより試料皿５０をファラデー箱１０の中央に配置することができるようになっている。例示した実施例では、試料皿５０及び棒５２は、グラス・ファイバ・エポキシ製である。試料皿５０及び棒５２は、他の非鉄材料で作製することができ、皿は、他の手段、例えば単一の棒によりファラデー箱１０に装着することができることは当業者に容易に明らかとなろう。
【００３８】
ファラデー箱１０内且つ試料皿５０上に、極低温デュアー１００が装備される。開示した実施例では、デュアー１００は、ファラデー箱１０の上部にある開口内に嵌るようになされており、Ｔｒｉｓｔａｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，  Ｉｎｃ製のモデルＢＭＤ−６液体ヘリウム・デュアーである。デュアー１００は、グラス・ファイバ・エポキシ複合材で構成される。視野の非常に狭いグラジオメータ１１０は、その視野が試料皿５０を包含するようにデュアー１００内の所定の位置に装備されている。例示した実施例では、グラジオメータ１１０は、通常は直径１センチメートル、２％バランスの一次軸検出コイルであり、超伝導体で形成される。グラジオメータは、平面型グラジオメータを除く任意の形態のグラジオメータとすることができる。グラジオメータ１１０は、１つの低温直流超伝導量子干渉デバイス（「ＳＱＵＩＤ」）１２０の入力コイルに接続されている。開示した実施例では、このＳＱＵＩＤは、Ｔｒｉｓｔａｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ製のＭｏｄｅｌ  ＬＳＱ／２０  ＬＴＳ  ｄｃ  ＳＱＵＩＤである。当業者であれば、高温又は交流ＳＱＵＩＤが使用されてもよいことが理解されよう。代替の実施例では、ＳＱＵＩＤ１２０は、雑音抑制コイル１２４を備える。グラジオメータ１１０及びＳＱＵＩＤ１２０の開示した組合せは、磁場を測定するとき、感度は５マイクロテスラ／√Ｈｚである。
【００３９】
ＳＱＵＩＤ１２０の出力は、Ｔｒｉｓｔａｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，  Ｉｎｃ製のモデルＳＰ極低温ケーブル１３０に接続されている。極低温ケーブル１３０は、デュアー１００内の温度及びデュアーがない場合の温度に耐えることができ、ＳＱＵＩＤ１２０からファラデー箱１０及びデュアー１００の外部に装備される磁束同期回路１４０まで信号を伝達する。開示した実施例における磁束同期回路１４０は、Ｔｒｉｓｔａｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，  Ｉｎｃ製のｉＦＬ−３０１−Ｌ磁束同期回路である。
【００４０】
図２を引き続き参照すると、２要素ヘルムホルツ変圧器６０が、試料皿がファラデー箱１０内に完全に挿入されているときに試料皿５０の両側に設置されている。例示した実施例では、ヘルムホルツ変圧器６０のコイル巻き線６２及び６４は、中心周波数２５キロヘルツ及び自己共鳴周波数８．８メガヘルツで、５０キロヘルツ範囲まで直流で動作するように設計されている。例示した実施例では、コイル巻き線６２及び６４は、形状が概して矩形であり、約高さ２０．３ｃｍ（８インチ）×幅１０．２ｃｍ（４インチ）である。他のヘルムホルツ・コイルの形状が使用されてもよいが、グラジオメータ１１０及び試料皿５０がヘルムホルツ・コイルにより作り出される磁場内に配置されるように形状及びサイズで作製されるべきである。各コイル巻き線６２及び６４は、２つの低密度の非鉄枠６６及び６８の１つに装備される。枠６６及び６８は、互いにヒンジで接続され、脚７０により支持されている。枠６６及び６８は、脚７０に摺動可能に取り付けられて、デュアー１００の下部に対して枠の垂直移動を可能にする。枠の移動は、グラジオメータ１１０で受信した白色雑音の振幅を変えるためにヘルムホルツ変圧器６０のコイル巻き線６２及び６４の調整を可能にする。脚７０は、ファラデー箱１０の底の上へ載せられる又はエポキシ接着される。例示した実施例では、枠６６及び６８並びに脚７０は、グラス・ファイバ・エポキシ製である。変圧器又はコイルの他の配置が、試料皿５０の周りで使用されてもよい。
【００４１】
次に図３を参照すると、ケーブル８２は、側面開口１２、減衰管２４を通り抜けると共に、穴３４を介して蓋３２を通り抜ける。ケーブル８２は、内側磁気遮蔽８６及び外側磁気遮蔽８８によりそれぞれ囲まれた撚り対線の銅導体８４をさらに備えた同軸ケーブルである。他の実施例では、導体は、銀や金などの任意の非磁性導電材料とすることができる。内側磁気遮蔽８６及び外側磁気遮蔽８８は、蓋３２で末端を成し、撚り対線８４を後にしてエンド・キャップから図１に示したヘルムホルツ変圧器６０までの残りの距離に及ぶ。内側磁気遮蔽８６は、蓋３２を介してファラデー箱１６に電気的に接続され、一方、外側磁気遮蔽は、図１に示された磁気遮蔽された籠４０に電気的に接続されている。
【００４２】
次に図４を参照すると、ファラデー箱及びその内容物の断面図が、さらに示されている。この箱は、デュアー１００及びファラデー箱１０に関連してヘルムホルツ変圧器６０の巻き線６２を示す。
【００４３】
次に、図１〜図４を参照して、例示的な実施例を説明する。測定される物質２００の試料が試料皿５０上に置かれており、試料皿は、ファラデー箱１０内に置かれている。第１の実施例では、白色雑音発生器８０を使用してヘルムホルツ変圧器６０を通じて白色雑音を導入する。この雑音信号は、グラジオメータ１１０に誘導電圧をもたらす。次いで、グラジオメータ１１０の誘導電圧は、ＳＱＵＩＤ１２０により検出及び増幅され、ＳＱＵＩＤからの出力は、磁束同期回路１４０によりさらに増幅され、ＳＱＵＩＤコントローラ１５０へ送られ、次いで、二重掃引オシロスコープ１６０へ送られる。二重掃引オシロスコープ１６０は、白色雑音発生器８０により生成された信号を表示するためにも使用される。
【００４４】
白色雑音信号は、白色雑音発生器８０の出力を変えると共に図２に示された試料２００の周りでヘルムホルツ変圧器６０を回転させることにより調整される。枠６６及び６８のヒンジ式接続の軸を中心にしてヘルムホルツ変圧器６０を回転することによりグラジオメータ１１０に対してその位相整合を変える。所望の位相の変更に応じて、枠６６及び６８のヒンジ式接続は、巻き線６２及び６４が、試料皿５０の周りで約３０度から４０度回転しつつ、互いに平行のままであることを可能にする。このヒンジ式接続は、グラジオメータ１１０に対してヘルムホルツ変圧器６０により作り出された場の信号の位相整合を変えるために、巻き線６２及び６４が平行から約６０度程度回転することも可能にする。
【００４５】
典型的な位相調整は、この平行から外れた向きを含むが、例えば、不規則な形状の試料２００を収容するために、ある状況では他の向きが好ましい場合もあり得る。雑音は、検出しようとしている分子電磁放射を３０から３５デシベル上回るまで印加及び調整される。この雑音レベルでは、雑音は、よく知られている確率共鳴の現象を通じて分子電磁信号の特性を帯びる。求められる確率的プロダクトは、グラジオメータ１１０により検出された信号を反映しているオシロスコープのトレースが白色雑音発生器８０からの信号を直接反映しているトレースから変わるときに観察される。代替実施例では、この信号は、任意の市販の装置により記録及び／又は処理することができる。
【００４６】
代替の実施例では、分子電磁信号を検出する方法は、ＳＱＵＩＤ１２０の雑音抑制コイル１２４を通じてヘルムホルツ変圧器６０で印加した元の雑音信号と１８０度位相がずれた雑音を導入することをさらに含む。次いで、求められる確率的プロダクトは、グラジオメータ１１０により検出された信号を反映しているオシロスコープのトレースがランダムでなくなるときに観察することができる。
【００４７】
雑音の導入及び調整の仕方に関わらず、確率的プロダクトは、スペクトル・ピークの増加が起きるときに観察することにより決定することもできる。このスペクトル・ピークは、オシロスコープ１６０上のライン描画又は数値として観察することができ、或いは他のよく知られている測定デバイスにより観察することができる。
【００４８】
次に図５を参照すると、上記の各図の分子電磁放射検出処理システムの代替実施例が示されている。システム７００は、処理ユニット７０４に結合された検出ユニット７０２を備える。処理ユニット７０４は、検出ユニット７０２の外部に示されているが、少なくとも処理ユニットの一部が、検出ユニット内に位置してもよい。
【００４９】
図５の断面図に示されている検出ユニット７０２は、互いに入れ子式に配置され又は互いに同心である複数の要素を備えている。試料チャンバ又はファラデー箱７０６は、金属籠７０８内に入れ子式に配置されている。試料チャンバ７０６及び金属籠７０８の各々は、アルミニウム材料で構成することができる。試料チャンバ７０６は、真空に維持することができると共に、予め設定された温度に制御された温度とすることができる。金属籠７０８は、低域通過フィルタとして機能するように構成されている。
【００５０】
１セットの平行な加熱コイル又は要素７１０は、試料チャンバ７０６と金属籠７０８の間にあり、試料チャンバ７０６を取り囲んでいる。１つ又は複数の温度センサ７１１も、加熱要素７１０及び試料チャンバ７０６のすぐ近くに設置されている。例えば、４つの温度センサは、試料チャンバ７０６の外側の周りで異なる位置に配置することができる。加熱要素７１０及び（１つ又は複数の）温度センサ７１１は、試料チャンバ７０６の内部である温度を維持するように構成することができる。
【００５１】
遮蔽７１２は、金属籠７０８を取り囲む。遮蔽７１２は、試料チャンバ７０６に追加の磁場遮蔽又は隔絶をもたらすように構成されている。遮蔽７１２は、鉛又は他の磁気遮蔽材料で構成することができる。遮蔽７１２は、十分な遮蔽が試料チャンバ７０６及び／又は金属籠７０８により与えられる時には任意である。
【００５２】
Ｇ１０断熱が施された冷却材層７１６が、遮蔽７１２を囲んでいる。冷却材は、液体ヘリウムとすることができる。冷却材層７１６（極低温デュアーとも呼ばれる）は、４度ケルビンの動作温度にある。冷却材層７１６を囲んでいるのは、外側遮蔽７１８である。この外側遮蔽７１８は、ニッケル合金で構成され、磁気遮蔽であるように構成されている。検出ユニット７０２により与えられる磁気遮蔽の総量は、直角座標系の３つの直交する平面に沿って約−１００ｄＢ、−１００ｄＢ、及び−１２０ｄＢである。
【００５３】
上述の様々な要素は、空隙又は誘電体バリア（図示せず）により互いに電気的に絶縁されている。これらの要素は、説明を簡単にするために互いに対して縮尺通りには示されていないことも理解されたい。
【００５４】
試料ホルダ７２０は、試料チャンバ７０６内に手動で又は機械的に配置することができる。試料ホルダ７２０は、試料チャンバ７０６の上部から降ろしたり、持ち上げたり、取り外したりすることができる。試料ホルダ７２０は、渦電流を引き起こさない材質で構成され、固有の分子回転をほとんど又はまったく示さない。一例として、試料ホルダ７２０は、高品質ガラス又はＰｙｒｅｘ（登録商標）で構成することができる。
【００５５】
検出ユニット７０２は、固体試料、液体試料、又は気体試料を取り扱うように構成されている。様々な試料ホルダを検出ユニット７０２に利用することができる。例えば、試料のサイズに応じて、より大きいホルダを使用することができる。別の例としては、試料が空気と反応する場合、試料ホルダは、試料の周囲をカプセル化するか、又は気密シールを形成するように構成することができる。さらに別の例では、試料が気体状態にある場合、試料は、試料ホルダ７２０を用いずに試料チャンバ７０６内に導入することが可能である。そのような試料の場合、試料チャンバ７０６は真空に保たれる。試料チャンバ７０６の上部にある真空シール７２１は、真空を維持及び／又は試料ホルダ７２０を収納するのに役立つ。
【００５６】
感知コイル７２２及び感知コイル７２４は、検出コイルとも呼ばれ、それぞれ、試料ホルダ７２０の上下に設けられている。感知コイル７２２、７２４のコイル巻き線は、直流（ＤＣ）から約５０キロヘルツ（ｋＨｚ）範囲まで動作し、中心周波数は２５ｋＨｚ、自己共鳴周波数は８．８ＭＨｚである。感知コイル７２２、７２４は、二次微分形式であり、約１００％のカップリングを実現するように構成されている。一実施例では、コイル７２２、７２４は、概して形状が矩形であり、Ｇ１０の留め具で所定の位置に保持される。コイル７２２、７２４は二次微分グラジオメータとして機能する。
【００５７】
ヘルムホルツ・コイル７２６及び７２８は、本明細書に説明したように、遮蔽７１２と金属籠７０８の間で垂直に配置することができる。各コイル７２６及び７２８は、互いに独立して昇降することができる。コイル７２６及び７２８は、白色又はガウス雑音生成コイルとも呼ばれ、室温又は周囲温度になっている。コイル７２６、７２８が発生する雑音は、約０．１０ガウスである。
【００５８】
試料及びコイル７２２、７２４からの各放射間のカップリングの程度は、コイル７２２、７２４に対して試料ホルダ７２０を再配置することにより、又は試料ホルダ７２０に対してコイル７２６、７２８の一方又は両方を再配置することにより変更することができる。
【００５９】
処理ユニット７０４は、コイル７２２、７２４、７２６、及び７２８に電気的に結合されている。処理ユニット７０４は、コイル７２６、７２８により試料に導入される白色雑音又はガウス雑音を特定する。処理ユニット１０４は、導入されたガウス雑音と混合された試料の電磁放射からのコイル７２２、７２４における誘導電圧を受け取りもする。
【００６０】
図６を参照すると、本発明の各態様を用いる処理ユニットは、試料皿８４０を含み、この試料皿８４０は、試料８４２がファラデー箱８４４及びヘルムホルツ・コイル７４６に挿入されると共にそこから取り出されることを可能にする。ＳＱＵＩＤ／グラジオメータ検出器組立体８４８は、極低温デュアー８５０内に配置されている。磁束同期回路８５２は、ＳＱＵＩＤ／グラジオメータ検出器組立体８４８とＳＱＵＩＤコントローラ８５４の間に結合される。ＳＱＵＩＤコントローラ８５４は、Ｔｒｉｓｔａｎ社により提供されたモデルｉＭＣ−３０３  ｉＭＡＧマルチチャネル・コントローラとすることができる。
【００６１】
アナログ雑音発生器８５６は、（上述したような）雑音信号を位相同期回路８５８に供給する。位相同期回路のｘ軸出力は、ヘルムホルツ・コイル８４６に送られ、例えば２０ｄＢだけ減衰され得る。位相同期回路のｙ軸出力は、信号スプリッタ８６０により分割される。ｙ軸出力の一部分は、グラジオメータ用に別個の入力を有するＳＱＵＩＤにおける雑音除去コイルに入力される。ｙ軸信号の他の部分は、Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ  ＴＤＳ  ３０００ｂ（例えば、モデル３０３２ｂ）のようなフーリエ関数を有するアナログ／デジタル・オシロスコープなどのオシロスコープ８６２に入力される。すなわち、位相同期回路のｘ軸出力により、ヘルムホルツ・コイルを駆動し、反転した形式であるｙ軸出力は、分割されてＳＱＵＩＤとオシロスコープとに入力される。したがって、位相同期回路は、信号インバータとして機能する。例えば、非定常スペクトル成分を生成するのに十分なレベルの雑音が達成されたときを決定するために、オシロスコープのトレースを使用してアナログ雑音信号を監視する。コントローラ８５４に結合されたアナログ・テープ・レコーダ又は記録デバイス８６４は、このデバイスから出力された信号を記録し、好ましくは広帯域（例えば、５０ｋＨｚ）レコーダである。ＰＣコントローラ８６６は、例えば、ＲＳ２３２ポートを介してコントローラ８５４と接続するＭＳ  Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標）ベースのＰＣとすることができる。
【００６２】
図７には、処理ユニットの別の実施例のブロック図が示されている。二重位相ロックイン増幅器２０２は、第１の信号（例えば、「ｘ」又は雑音信号）をコイル７２６、７２８に供給すると共に、第２の信号（例えば、「ｙ」又は雑音除去信号）を超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）２０６の雑音除去コイルに供給するように構成されている。増幅器２０２は、外部参照なしでロックするように構成され、Ｐｅｒｋｉｎｓ  Ｅｌｍｅｒモデル７２６５ＤＳＰロックイン増幅器とすることができる。この増幅器は、初期参照周波数にロックし、次いで参照周波数を除去して、それが自由に動作し「雑音」にロックすることを可能にする「仮想モード」で動作する。
【００６３】
アナログ雑音発生器２００は、増幅器２０２に電気的に結合される。発生器２００は、増幅器２０２を介してコイル７２６、７２８にアナログ白色ガウス雑音を生成又は誘導するように構成されている。一例として、発生器２００は、Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｒａｄｉｏ製のモデル１３８０とすることができる。
【００６４】
インピーダンス変換器２０４は、ＳＱＵＩＤ２０６と増幅器２０２の間に電気的に結合されている。インピーダンス変換器２０４は、ＳＱＵＩＤ２０６と増幅器２０２の間でインピーダンス整合をとるように構成されている。
【００６５】
ＳＱＵＩＤ２０６の雑音除去機能は、オン又はオフすることができる。雑音除去機能がオンされるとき、ＳＱＵＩＤ２０６は、検出された放射から導入された雑音成分を除去又は無効にすることができる。雑音除去を行うために、コイル７２６、７２８への第１の信号は、検出しようとしている分子電磁放射より２０ｄＢ又は３５ｄＢ大きな雑音信号である。このレベルで、導入した雑音は、確率共鳴を通じて分子電磁信号の特性を帯びる。ＳＱＵＩＤ２０６への第２の信号は、雑音除去信号であり、（例えば、第１の信号に対して１８０°位相がずれている）ＳＱＵＩＤ出力で雑音を無効にするのに十分な振幅で第１の信号から反転される。
【００６６】
ＳＱＵＩＤ２０６は、低温直接素子ＳＱＵＩＤである。一例として、ＳＱＵＩＤ２０６は、Ｔｒｉｓｔａｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ製のモデルＬＳＱ／２０  ＬＴＳ  ｄＣ  ＳＱＵＩＤとすることができる。代替として、高温ＳＱＵＩＤ又は交流ＳＱＵＩＤが使用されてもよい。組み合わされたコイル７２２、７２４（例えば、グラジオメータ）及びＳＱＵＩＤ２０６（ＳＱＵＩＤ／グラジオメータ検出器アセンブリと総称する）は、約５マイクロテスラ／√Ｈｚの磁場測定感度を有する。コイル７２２、７２４内の誘導電圧が、ＳＱＵＩＤ２０６により検出され増幅される。ＳＱＵＩＤ２０６の出力は、およそ０．２〜０．８マイクロボルトの範囲内の電圧である。
【００６７】
ＳＱＵＩＤ２０６の出力は、ＳＱＵＩＤコントローラ２０８への入力である。ＳＱＵＩＤコントローラ２０８は、ＳＱＵＩＤ２０６の動作状態を制御し、さらに検出された信号の条件を設定するように構成される。一例として、ＳＱＵＩＤコントローラ２０８は、Ｔｒｉｓｔａｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ製のｉＭＣ−３０３  ｉＭＡＧマルチチャネルＳＱＵＩＤコントローラとすることができる。
【００６８】
ＳＱＵＩＤコントローラ２０８の出力は、増幅器２１０に入力される。増幅器２１０は、０〜１００ｄＢの範囲内の利得を与えるように構成されている。約２０ｄＢの利得は、雑音除去ノードがＳＱＵＩＤ２０６でオンにされているときに得られる。約５０ｄＢの利得は、ＳＱＵＩＤ２０６が雑音除去機能を行っていないときに得られる。
【００６９】
増幅された信号は、レコーダ又は記憶装置２１２に入力される。レコーダ２１２は、アナログ増幅信号をデジタル信号に変換し、デジタル信号を記憶するように構成されている。一実施例では、レコーダ２１２は１Ｈｚ当たり８６００個のデータ点を記憶し、２．４６Ｍビット／秒で処理することができる。一例として、レコーダ２１２は、Ｓｏｎｙ製デジタル・オーディオテープ（ＤＡＴ：ｄｉｇｉｔａｌ  ａｕｄｉｏｔａｐｅ）レコーダとすることができる。ＤＡＴレコーダを使用することにより、生の信号又はデータの組が、必要に応じて、表示又は特定の処理のため第三者に送られることが可能である。
【００７０】
低域通過フィルタ２１４は、レコーダ２１２からのデジタル化したデータの組をフィルタ処理する。低域通過フィルタ２１４は、アナログ・フィルタであり、バターワース・フィルタとすることができる。遮断周波数は約５０ｋＨｚである。
【００７１】
次に、帯域通過フィルタ２１６は、フィルタ処理したデータの組をフィルタ処理する。帯域通過フィルタ２１６は、ＤＣから５０ｋＨｚの間の帯域幅を有するデジタル・フィルタになるように構成される。帯域通過フィルタ２１６は、異なる帯域幅に調整することができる。
【００７２】
帯域通過フィルタ２１６の出力は、フーリエ変換プロセッサ２１８への入力である。フーリエ変換プロセッサ２１８は、時間領域にあるデータの組を周波数領域内のデータの組に変換するように構成されている。フーリエ変換プロセッサ２１８は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）タイプの変換を実行する。
【００７３】
フーリエ変換されたデータの組は、相関比較プロセッサ２２０への入力である。またレコーダ２１２の出力は、プロセッサ２２０への入力である。プロセッサ２２０は、このデータの組とすでに記録されているデータの組との相関を求め、閾値を決定し、（雑音除去がＳＱＵＩＤ２０６で行われない場合）雑音除去を実行するように構成されている。プロセッサ２２０の出力は、試料の分子低周波電磁放射のスペクトルを表す最終データの組である。
【００７４】
グラフィカル・ユーザ・インタフェース（ＧＵＩ）などのユーザ・インタフェース（ＵＩ：ｕｓｅｒ  ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）２２２を、信号処理パラメータを特定するために、少なくともフィルタ２１６及びプロセッサ２２０に接続することもできる。フィルタ２１６、プロセッサ２１８、及びプロセッサ２２０は、ハードウェア、ソフトウェア、又はファームウェアとして実装することができる。例えば、フィルタ２１６及びプロセッサ２１８は、１つ又は複数の半導体チップに実装されることができる。プロセッサ２２０は、コンピューティング・デバイスに実装されるソフトウェアとすることができる。
【００７５】
この増幅器は、初期参照周波数にロックし、次いで参照周波数を除去して、それが自由に動作し「雑音」にロックすることを可能にする「仮想モード」で動作する。アナログ雑音発生器（Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｒａｄｉｏ社製の真のアナログ雑音発生器）は、ヘルムホルツ・コイル及び雑音除去コイルそれぞれについて−２０ｄＢ及び−４５ｄＢの減衰を必要とする。
【００７６】
ヘルムホルツ・コイルは、１％の１／１００のバランスで約１６．４ｃｍ３（約１立方インチ）のスイート・スポットを有することができる。代替実施例では、ヘルムホルツ・コイルは、垂直方向にあるいは（垂直アクセスを中心に）回転移動すると共に、平行形状から、パイ型形状に広げることができる。一実施例では、ＳＱＵＩＤ、グラジオメータ、及び駆動変圧器（コントローラ）は、それぞれ、１．８、１．５、及び０．３マイクロ・ヘンリの値を有する。ヘルムホルツ・コイルは、スイート・スポットにおける１アンペアあたり０．５ガウスの感度を有することができる。
【００７７】
確率論的応答には約１０から１５マイクロボルトが必要になり得る。このシステムは、雑音を導入することにより、ＳＱＵＩＤデバイスの感度を上げた。ＳＱＵＩＤデバイスの感度は、雑音がなければ約５フェムトテスラであった。このシステムは、雑音を導入し、この確率共鳴応答を用いることによって２５から３５ｄＢだけ感度を高めることができており、これは約１５００％の増大に相当する。
【００７８】
システムから信号を受け取って記録した後、メインフレーム・コンピュータ、スーパーコンピュータ、又は高性能コンピュータなどのコンピュータは、Ｆｌｅｘｐｒｏソフトウェア製品が後処理をしている間に、前処理のためにカリフォルニア州ＲｉｃｈｍｏｎｄにあるＳｙｓｔａｔ  ＳｏｆｔｗａｒｅによるＡｕｔｏｓｉｇｎａｌソフトウェア製品などを用いることで前処理及び後処理の両方を実行する。ＦｌｅｘｐｒｏはＤｅｗｅｔｒｏｎ，Ｉｎｃ．により供給されているデータ（統計）解析ソフトウェアである。このＡｕｔｏｓｉｇｎａｌ及びＦｌｅｘｐｒｏの各製品では、以下の式又はオプションを使用することが可能である。
【００７９】
システム１００によって実行される信号検出及び処理の流れ図が、図８に示されている。試料が関心あるものであるとき、少なくとも４回の信号検出又はデータ・ランが実行され、すなわち、第１のデータ・ランは試料なしで時間ｔ１に実行され、第２のデータ・ランは試料を用いて時間ｔ２に実行され、第３のデータ・ランは試料を用いて時間ｔ３に実行され、第４のデータ・ランは試料なしで時間ｔ４に実行される。複数のデータ・ランからデータの組の実行及び収集を行うことにより、最終的な（例えば、相関した）データの組の精度が向上する。４回のデータ・ランでは、システム１００のパラメータ及び条件（例えば、温度、増幅量、コイルの位置、雑音信号など）は、一定に保持される。
【００８０】
ブロック３００において、適切な試料（又は、第１又は第４のデータ・ランの場合である場合、試料はない）は、システム１００内に置かれる。雑音が導入されていない場合、所定の試料は、約０．００１マイクロテスラ以下の振幅で、ＤＣ〜５０ｋＨｚの範囲内で電磁放射を放出する。このような低放射を捉えるために、ブロック３０１で、白色ガウス雑音が導入される。
【００８１】
ブロック３０２において、コイル７２２、７２４は、試料の放射及び導入した雑音を示す誘導電圧を検出する。誘導電圧は、データ・ランの持続時間に対する時間の関数として電圧値（振幅と位相）の連続ストリームを含む。データ・ランは長さ２〜２０分とすることができ、したがって、このデータ・ランに対応するデータの組は、時間の関数として２〜２０分の電圧値を含む。
【００８２】
ブロック３０４において、導入した雑音は誘導電圧が検出されていると除去される。このブロックは、ＳＱＵＩＤ２０６の雑音除去機能がオフにされると省略される。
【００８３】
ブロック３０６において、データの組の電圧値は、雑音除去がブロック３０４で行われたかどうかに応じて、２０〜５０ｄＢだけ増幅される。ブロック３０８において、増幅されたデータの組は、アナログ・デジタル（Ａ／Ｄ：ａｎａｌｏｇ  ｔｏ  ｄｉｇｉｔａｌ）変換を受け、レコーダ２１２に記憶される。デジタル化したデータの組は、数百万個のデータ列を含み得る。
【００８４】
収集したデータの組が記憶された後、ブロック３１０において、試料について少なくとも４回のデータ・ランが行われたか（例えば、少なくとも４つのデータの組を収集したか）を知るためにチェックが行われる。所定の試料について４つのデータの組が得られている場合、ブロック３１２において、低域通過フィルタ処理が行われる。そうでない場合、次のデータ・ランが開始する（ブロック３００に戻る）。
【００８５】
デジタル化したデータの組を低域通過フィルタリング（ブロック３１２）及び帯域通過フィルタリング（ブロック３１４において）した後、このデータの組は、フーリエ変換ブロック３１６にて周波数領域に変換される。
【００８６】
次に、ブロック３１８において、同様のデータの組は、各データ点で互いに相関が求められる。例えば、第１のデータ・ラン（例えば、ベースライン又は周囲雑音データ・ラン）に対応する第１のデータの組及び第４のデータ・ラン（例えば、別の雑音データ・ラン）に対応する第４のデータの組は、互いに相関が求められる。所与の周波数における第１のデータの組の振幅値が、所与の周波数における第４のデータの組の振幅値と同じである場合、この所与の周波数についての相関値又は相関数は１．０となる。代替として、相関値の範囲は、０〜１００の間で設定されてもよい。そのような相関又は比較は、第２及び第３のデータ・ラン（例えば、試料データ・ラン）についてやはり生じる。取集したデータの組は記憶されるので、残りのデータ・ランが完成したときに後になってこのデータの組にアクセスすることができる。
【００８７】
ＳＱＵＩＤ２０６が雑音除去を行わない場合、所定の閾値レベルが各相関データの組に適用され、統計的に無関係な相関値を排除する。データ・ランの長さ（データ・ランが長いほど、収集データの精度は高まる）と他の種類の試料に対する試料の実際の発光スペクトルの可能性ある類似性とに応じて、様々な閾値を使用することができる。閾値レベルに加えて、相関が平均される。閾値及び平均相関の使用により、導入した雑音成分は結果として得られた相関データの組内で非常に小さくなる。
【００８８】
雑音除去がＳＱＵＩＤ２０６で行われる場合、閾値及び平均相関の使用は必要ない。
【００８９】
２つの試料データの組が相関試料データの組に精緻化されると共に、２つの雑音データの組が相関雑音データの組に精緻化されると、相関雑音データの組は相関試料データの組から減算される。結果として得られたデータの組は最終的なデータの組（例えば、試料の発光スペクトルを表すデータの組）である（ブロック３２０）。
【００９０】
１Ｈｚ当たり８６００個のデータ点が存在できると共に、最終的なデータの組にはＤＣ〜５０ｋＨｚの周波数範囲のデータ点を有することができるので、最終的データの組は、数億個のデータ列を含むことができる。各データ列は、周波数、振幅、位相、及び相関値を含むことができる。
【００９１】
ＩＩＩ．最適化された時間領域信号を生成する方法
所与の試料について得られた低周波時間領域信号の試料依存スペクトル特徴は、雑音レベルの範囲にわたって試料の時間領域信号を記録することにより最適化することができることが分かっている。この範囲は、信号記録中に試料に導入される雑音に関する電力利得を与えることができる。次いで、記録された信号は処理されて、スペクトル信号特徴を明らかにする。後述されるように、最適なスペクトル特徴得点を有する時間領域信号が選択される。最適化された時間領域信号又はほぼ最適化された時間領域信号を選択することは有用であるが、これは、本発明によれば、最適化された時間領域信号を用いて化学的系又は生物系を変換することにより、最適化されていない時間領域信号を用いるよりも強く予測可能な応答が得られることが分かっているからである。言い換えると、最適化された（又はほぼ最適化された）時間領域信号を選択することは、目標系が試料信号により変換されたときに信頼できる検出可能な試料効果を実現するのに役立つ。
【００９２】
一般に、典型的には約０から１ボルトの間で典型的には時間領域信号が記録される導入した雑音レベルの範囲、又は代替として、好ましくは、導入した雑音は、検出しようとしている分子電磁放射より約３０から３５デシベル高く、例えば、−７０〜−８０ｄＢｍの範囲内である。記録される試料の個数、すなわち、時間領域信号が記録される雑音レベルの間隔の数は、典型的には１０個〜１００個又はそれ以上に変わり得る。この変動は典型的なものであり、良好な最適信号が識別できるように十分に小さい間隔にわたって生じる。例えば、雑音発生器レベルの電力利得は、５０２０ｍＶ間隔にわたって変化させられ得る。以下に分かるように、信号に対するスペクトル特徴得点が導入雑音のレベルに対して描画されるとき、この描画は、雑音レベル増分が適当に小さいときにいくつかの異なる雑音レベルにわたって広がるピークを示す。
【００９３】
本発明の実施例は、記録された時間領域信号に対するスペクトル特徴得点を計算する３つの異なる方法を考える。これらの方法は、（１）ヒストグラム・ビン法、（２）自己相関信号のＦＦＴの生成、及び（３）ＦＦＴの平均化であり、これらのそれぞれについて以下に詳述する。
【００９４】
具体的には説明されていないが、各方法は、使用者がスペクトル特徴得点に基づいてスペクトルを評価し、次の記録に対する雑音レベル調整を行い、ピーク得点にいつ達したかを決定する手動モードで実行することができ、或いは各方法は、雑音レベルの連続増分及び／又はスペクトル特徴得点の評価がコンピュータ駆動プログラムにより実行される自動モード又は半自動モードで行うことができると理解されよう。
【００９５】
Ａ．スペクトル情報を生成するヒストグラム法
図９は、スペクトル情報を生成するヒストグラム法における高レベル・データ流れ図である。ＳＱＵＩＤから収集したデータ（ボックス２００２）又は記憶されたデータ（ボックス２００４）は、１６ビットのＷＡＶデータ（ボックス２００６）として保存され、倍精度浮動小数点データに変換される（ボックス２００８）。変換されたデータは、保存することができ（ボックス２０１０）、又は生波形として表示することができる（ボックス２０１２）。次いで、変換されたデータは、図１０に関して以下に説明されるアルゴリズムに渡され、「フーリエ解析」という見出しが付いているボックス２０１４により示される。ヒストグラムは、２０１６で表示することができる。代替として、以下で説明されるように、変換されたデータは、２つの追加のａｌのうちの１つに渡すことができる。
【００９６】
図１０を参照すると、ヒストグラム・アルゴリズムの一般的な流れは、離散サンプリング時間領域信号をとり、フーリエ解析を使用して、それをさらなる解析のために周波数領域スペクトルに変換する。時間領域信号は、ＡＤＣ（アナログ／デジタル・コンバータ）から収集され、２１０２で示されているバッファ内に記憶される。この試料は、ＳａｍｐｌｅＤｕｒａｔｉｏｎ秒の長さであり、１秒当たりＳａｍｐｌｅＲａｔｅ個でサンプリングされ、したがってＳａｍｐｌｅＣｏｕｎｔ（ＳａｍｐｌｅＤｕｒａｔｉｏｎ×ＳａｍｐｌｅＲａｔｅ）個の試料が得られる。信号から回復できるＦｒｅｑｕｅｎｃｙＲａｎｇｅは、ナイキストにより定義されているように、ＳａｍｐｌｅＲａｔｅの半分として定義される。そのため、時系列信号が１秒当たり試料１０，０００個でサンプリングされる場合、ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＲａｎｇｅは０Ｈｚから５ｋＨｚとなる。使用できるフーリエアルゴリズムの１つは、基数２の実数高速フーリエ変換（ＲＦＦＴ：Ｒｅａｌ  Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）であり、ＲＦＦＴは、この選択可能な周波数領域分解能（ＦＦＴＳｉｚｅ：）が最大２１６までの２のべき乗である。ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＲａｎｇｅが８ｋＨｚ以下に留まる限り１ヘルツあたり少なくとも１つのスペクトル・ビンを有するのに十分な分解能を与えるように、ＦＦＴＳｉｚｅは８１９２が選択される。信頼できる結果を保証するため、ＳａｍｐｌｅＤｕｒａｔｉｏｎは、ＳａｍｐｌｅＣｏｕｎｔ＞（２×）ＦＦＴＳｉｚｅ×１０となるように十分に長くなければならない。
【００９７】
このＦＦＴは、一度にＦＦＴＳｉｚｅ個の試料にのみ作用できるので、最終的なスペクトルを得るためには、プログラムは、ＦＦＴを各試料に対し順次実行し、結果をまとめて平均しなければならない。ＦＦＴごとにＦＦＴＳｉｚｅ個の試料をスキップすることを選択する場合、１／ＦＦＴＳｉｚｅ＾０．５の統計誤差が入り込む。しかし、ＦＦＴＳｉｚｅの半分だけＦＦＴ入力をオーバーラップすることを選択した場合、この誤差は、１／（０．８１×２×ＦＦＴＳｉｚｅ）＾０．５に縮小される。これにより、誤差は、０．０１１０４８５４３５から０．００８６８０５５５６に減少する。一般的な誤差及び相関分析に関するさらなる情報は、Ｂｅｎｄａｔ＆Ｐｉｅｒｓｏｌ，”Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｓｐｅｃｔｒａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ”，１９９３を参考にされたい。
【００９８】
所与のウィンドウ上でＦＦＴを実行する前に、データ逓減（ｔａｐｅｒｉｎｇ）フィルタを適用してサンプリング偽信号（ａｌｉａｓｉｎｇ）によるスペクトルの漏れを回避することができる。このフィルタは、例えば、Ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ（フィルタなし）、Ｈａｍｍｉｎｇ、Ｈａｎｎｉｎｇ、Ｂａｒｔｌｅｔｔ、Ｂｌａｃｋｍａｎ、及びＢｌａｃｋｍａｎ／Ｈａｒｒｉｓから選択することができる。
【００９９】
例示的な方法では、ボックス２１０４に示されているように、変数ＦＦＴＳｉｚｅに対し８１９２を選択しており、これは、一度に操作する時間領域試料の個数であると共に、ＦＦＴによって出力される離散周波数の個数でもある。ＦＦＴＳｉｚｅ＝８１９２は分解能、又はサンプリング・レートにより指示される範囲内のビンの数であることに留意されたい。多数の離散ＲＦＦＴ（実数ＦＦＴ）がどのように実行されるかを示す変数ｎは、ＦＦＴビンの数であるＳａｍｐｌｅＣｏｕｎｔをＦＦＴＳｉｚｅ×２で除算することにより設定される。アルゴリズムで理にかなった結果を生み出すために、この数ｎは、（他の値も可能であるが）少なくとも１０から２０とすべきであり、ただし、弱い信号を拾うためにはより多いものが好ましいものであり得る。これは、所定のＳａｍｐｌｅＲａｔｅ及びＦＦＴＳｉｚｅについて、ＳａｍｐｌｅＤｕｒａｔｉｏｎは十分に長くなければならないことを示唆する。０からｎまで計数するカウンタｍは、ボックス２１０４にやはり示されるように０に初期化される。
【０１００】
まず、プログラムは、３つのバッファ、すなわち、各ビン周波数での計数を累計するＦＦＴＳｉｚｅ個のヒストグラム・ビンに関するバッファ２１０８と、各ビン周波数での平均パワーに関するバッファ２１１０と、ｍごとのＦＦＴＳｉｚｅ個のコピーされた試料を含むバッファ２１１２とを確立する。
【０１０１】
このプログラムは、ヒストグラム及び配列を初期化し（ボックス２１１３）、２１１４において、波形データのＦＦＴＳｉｚｅ個の試料をバッファ２１１２にコピーし、波形データに対しＲＦＦＴを実行する（ボックス２１１５）。ＦＦＴは、最高振幅が１となるように正規化され（ボックス２１１６）、ＦＦＴＳｉｚｅ個のビンすべてに対する平均パワーが、正規化された信号から決定される（ボックス２１１７）。ビン周波数ごとに、その周波数でＦＦＴから正規化された値が、バッファ２１０８内の各ビンに加えられる（ボックス２１１８）。
【０１０２】
ボックス２１１９において、次いで、プログラムは、上で計算した平均パワーに関して、ビン周波数ごとのパワーを調べる。パワーが平均パワーの特定の係数イプシロンの範囲内（０から１の間）にある場合、そのパワーが計数され、対応するビンは１６においてヒストグラム・バッファ内で増分される。そうでない場合は、破棄される。
【０１０３】
比較している平均パワーは、このＦＦＴの事例だけに対するものであることに留意されたい。低速とはいえ強化されたアルゴリズムは、そのデータを通して２つのパスをとり、ヒストグラム・レベルをセットする前に、すべての時間にわたって平均を計算することが可能である。イプシロンとの比較は、１つの周波数ビンに対して十分に有意であるパワー値を表すのを助ける。又は、より広く言えば、イプシロンを使用したこの式は、「この時、この周波数で信号があるか？」という質問に答えるのに役立つ。答えがイエスの場合、それは、以下の２つのうちの１つによるものであり得る：（１）ちょうどこの一時だけビンにある定常雑音、又は（２）ほぼ毎回起こる実際の低レベル周期信号。したがって、ヒストグラム計数は、雑音ヒットを除去し、低レベル信号ヒットを強化する。そのため、平均化及びイプシロン係数は、有意と考えられる最小パワー・レベルを選択することを可能にする。
【０１０４】
カウンタｍは、ボックス２１２０で増分され、上記プロセスは、ｍがｎに等しくなるまで（ボックス２１２１）ＷＡＶデータのｎセットごとに繰り返される。２１１８において、サイクルごとに、それぞれのビンの平均パワーが、関連するビンに加えられ、各ヒストグラム・ビンは、２１１４における電力振幅条件が満たされたときに１だけ増分される。
【０１０５】
データのｎ個のサイクル全部が検討されたとき、各ビンの合計累算平均パワーを総サイクル数ｎで除算することにより各ビンの平均パワーが決定され（ボックス２１２２）、その結果が表示される（ボックス２１２３）。構造化雑音が存在する場合を除き、例えばＤＣ＝０又は６０Ｈｚの倍数で、各ビンの平均パワーはある比較的低い数となる。
【０１０６】
この方法の関連する設定は、雑音利得及びイプシロンの値である。この値は、平均値を超える事象を区別するために使用されるパワー値を決定する。値１では、パワーが平均パワーよりも大きいことはないので、事象は検出されない。イプシロンが０に近づくにつれて、事実上すべての値がビンに置かれる。０と１の間で、典型的には構造化雑音に対する合計ビン個数の約２０〜５０％のビン個数数を与える値で、イプシロンは、この確率的共鳴事象が純粋な雑音よりも最高に好ましいことを意味する最大「スペクトル特性」を有する。
【０１０７】
したがって、雑音入力に対する電力利得を系統的に、例えば０から１Ｖの間で５０ｍＶ刻みで増大させることができ、それぞれのパワー設定で、はっきりしたピークを有するヒストグラムが観察されるまでイプシロンを調整することができる。例えば、処理中の試料が２０秒の時間間隔を表す場合、それぞれの異なるパワー及びイプシロンに対する合計処理時間は約２５秒である。はっきりした信号が観察されたら、特定可能なピークを最も多く有するヒストグラムを意味する最適ヒストグラムが生み出されるまで、パワー設定又はイプシロン或いはその両方を洗練することができる。
【０１０８】
このアルゴリズムで、多数のビンを満たすことができ、関連ヒストグラムを、低周波数に対して、その低周波数での全般的な雑音発生（環境雑音など）により、表現することができる。したがって、このシステムは、所与の周波数よりも低い（例えば１ｋＨｚよりも低い）ビンを単に無視することができるが、依然として、より高い周波数で十分なビン値を表現して、試料間の一意的な信号象徴（ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）を決定することができる。
【０１０９】
代替として、変数イプシロンの目的は、サイクルごとに決定される様々な平均パワー・レベルに対応することであるので、このプログラムは、平均パワー・レベルをイプシロンの最適値に関係づける定義済みの関数を使用して、イプシロンをそれ自体で自動的に調整することができる。
【０１１０】
同様に、このプログラムは、それぞれのパワー設定におけるピーク高さを比較することができ、最適ピーク高さ又は特性がヒストグラム中に観察されるまで、雑音パワー設定を自動的に調整することができる。
【０１１１】
イプシロンの値はすべての周波数に対して固定値とすることができるが、周波数に依存する値をイプシロンに用い、それにより低周波数（例えばＤＣ〜１，０００）で観察できる平均エネルギーをより高い値に調整することも考えられる。周波数依存イプシロン係数は、例えば、多数の低周波ＦＦＴ領域を平均し、平均値をより高い周波数で観察される値と同等の値に「調整する」イプシロンの値を決定することにより求めることができる。
【０１１２】
Ｂ．自己相関信号のＦＦＴ
スペクトル特徴得点を決定する第２の一般的な方法では、選択された雑音において記録された時間領域信号は、自己相関が求められ、自己相関信号の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を使用してスペクトル特徴描画、すなわち、周波数領域内の信号の描画を生成する。次いで、ＦＦＴを使用して、選択された周波数範囲、例えば、ＤＣから１ｋＨｚ又はＤＣから８ｋＨＺまでの範囲にわたって平均雑音レベルよりも高いスペクトル信号の個数を記録する。
【０１１３】
図１１は、第２の実施例による記録された時間領域信号の記録時に実行されるステップの流れ図である。時間領域信号は、上述のようにサンプリング、デジタル化、フィルタ処理され（ボックス４０２）、４０４で、雑音レベルに関する利得が初期レベルに設定される。４０８において、試料化合物に対する典型的な時間領域信号４０２が、標準自己相関アルゴリズムを用いて自己相関され、４１０において、標準ＦＦＴアルゴリズムを用いて、自己相関させた関数のＦＦＴが生成される。
【０１１４】
４１２で、自己相関させたＦＦＴにおいて観察された平均雑音よりも統計学的に大きいスペクトル・ピークの数を計数することによって、ＦＦＴ描画が記録され、４１４において、得点が計算される。このプロセスは、ステップ４１６及び４０６を通じて、ピーク得点が記録されるまで、すなわち、雑音利得の増大に伴って所与の信号に対する得点が低下し始めるまで繰り返される。４１８において、ピーク得点が記録され、プログラム又は使用者が、４２２の時間領域信号のファイルから、ピーク得点に対応する信号を選択する（ボックス４２０）。
【０１１５】
上述のように、本実施例は、使用者が雑音設定を増分単位で手動により調整し、ＦＦＴスペクトル描画を手動で解析し（ピークを計数し）、このピーク得点を使用して１つ又は複数の最適な時間領域信号を特定する手動モードで実施することができる。代替として、各ステップの１つ又は複数の態様を自動化することもできる。
【０１１６】
Ｃ．平均ＦＦＴ
スペクトル・ピーク得点を決定する別の実施例では、各雑音利得における多数の、例えば、１０〜２０個の時間領域信号のＦＦＴを平均して、スペクトル・ピーク描画を生成し、上述のように得点を計算する。
【０１１７】
図１２は、第３の実施例による記録された時間領域信号を記録する際に実行されるステップの流れ図である。時間領域信号は、上述のようにサンプリング、デジタル化、フィルタリングされ（ボックス４２４）、４２６で、その雑音レベルに対する利得が初期レベルに設定される。次いで、４２８において、このプログラムは雑音利得ごとに（１つ又は複数の）時間領域信号の一連のＦＦＴを生成し、４３０において、これらの描画が平均される。平均されたＦＦＴ描画を用いて、４３２、４３４で、平均ＦＦＴで観察された平均雑音よりも統計的に大きいスペクトル・ピークの個数を計数することにより記録が行われる。このプロセスは、４３６及び４３７の論理を通じて、ピーク得点が記録されるまで、すなわち雑音利得の増大に伴って所与の信号に対する得点が低下し始めるまで繰り返される。４３８で、ピーク得点が記録され、プログラム又は使用者が、４４２の時間領域信号のファイルから、ピーク得点に対応する信号を選択する（ボックス４４０）。
【０１１８】
上述のように、この方法は、手動、半自動、又は完全自動モードで実行することができる。
【０１１９】
ＩＶ．変換信号の形成
様々な治療用途のための信号、又は別の方法で生物系に影響を及ぼすために使用する信号を、処理した時間領域信号から直接生成することができる。信号は、特定の識別されたピーク周波数を有する信号を構築することによって形成することもできる。例えば、このシステムは、化合物の分子信号特徴、例えば特性ピーク周波数がその化合物の実際の化学活性に関係づけられた、従来の薬物設計に使用される構造活性関係に類似する、「信号−活性関係」を利用することができる。一般的な一応用では、信号−活性関係は、一例では以下の方法に従って、薬物スクリーニングに使用される。
【０１２０】
最初に、所望の活性を有する１つ又は複数の化合物、例えば生物系に所望の反応を生じさせることができる１つ又は複数の化合物が識別される。システムは、これらの化合物のうちの１つの時系列信号を記録し、波形が処理又は他の方法で最適化されて、その化合物の低周波ピークを識別する（この場合「低周波」は１０ｋＨｚ以下のピークを指す）。これらのステップは、構造的に関連した化合物の一群ごとに繰り返される。構造的に関連した化合物には、試験された生物反応に対して活性な（所望の反応を生じさせる）化合物、及び試験された生物反応に対して不活性な化合物が含まれる。これらの２群の化合物のスペクトル成分を比較して、化合物活性に一意的に関連したスペクトル成分を識別する。例えば、３つの活性化合物及び２つの不活性化合物の形を解析することによって、活性化合物には見られるが、不活性化合物には見られない信号中のピークを識別することができ、そのうちのいくつかは、所望の生物反応をもたらすと推定される。
【０１２１】
同様に、このシステムは、何らかの未知の化合物を記録すると共に最適化することができる。次いで、結果として生じた波形を、既知の化合物に関連づけられた信号を用いて解析して、活性化合物の識別を助けるために、その未知の化合物が所望の活性に関連した構造特徴を示し、且つ不活性成分に関連した成分を欠くかどうかを見ることができる。多数の構造変数とではなく、比較的に少数のピーク周波数と活性を相関させることができるため、信号構造関係から導き出される規則は、構造活性関係から導き出される規則よりも利用しやすく、予測的である。したがって、薬物設計における使用では、あるいくつかのピーク周波数の有無を使用して改良された薬物動態又は標的活性を有する薬物の合成を手引きすることができる。例えば、劣等な薬物動態特性、又は望ましくない副作用を、あるピーク周波数と相関させることができる場合、これらの周波数において振幅を欠き又は低い振幅を有する新規の化合物が提案されるであろう。その結果、本発明のシステムは、これらの規則が比較的に少数のピーク周波数に基づくことができるので、有用な薬物設計規則を策定する作業を大幅に単純化する。
【０１２２】
多数の化合物を表すスペクトル・ピーク周波数の大きなデータベースは、事実上任意の所望の薬物又は薬物組合せ特性を「合成する」ために、信号特徴を組み合わせることを可能にする。このデータベースを化学化合物データベースと組み合わせることによって、所望のピーク周波数セットを示す化学構造を生成することができる。この手法は、関心の新規の化合物の化合物合成を生成するために使用される現行のコンピュータ支援の化学合成プログラムに似ている。
【０１２３】
このシステムは、本明細書に記載されるように、多数の信号処理技法を使用することができる。例えば、構造的に関連した２つ以上の化合物からの信号を、構造的に関連しているが不活性の又は望ましくない化合物からの１つ又は複数の信号と比較して、それらの信号間で所望の周波数成分だけを識別することができる。したがって、所望のピークだけを含む結果として生じる信号を構築することができる。次いで、時間領域信号を生成することによって、その時間領域信号を治療目的に使用することができる。
【０１２４】
もちろん、時間領域信号は、単一の化合物の処理された周波数領域信号から生成することができる。例えば、所望の試料についての周波数領域信号を獲得し、処理された所望の信号を生成することができる。この処理された信号から、既知の技法を使用して時間領域信号を生成することができ、次いでこの時間領域信号は、その化合物自体の類似物として治療又は他の用途に使用することができる。
【０１２５】
図１５Ａは、試料化合物の典型的な時間領域信号を示す。この実施例では、除草剤グリホスファート（ＲｏｕｎｄｕｐＲ）である。ここに図示した部分は、時間間隔１４．０８秒から１４．１６秒でとられたものである。次いで、時間領域信号を、標準自己相関アルゴリズムを用いて自己相関させ、その自己相関関数のＦＦＴが標準ＦＦＴアルゴリズムを用いて生成される。
【０１２６】
例えば図１５Ｂ〜１５Ｅに示されるようなＦＦＴ描画を用いて、この自己相関ＦＦＴにおいて観察される平均雑音よりも統計的に大きなスペクトル・ピークの数を計数することによってその描画が記録される。このプロセスは、ピーク得点が記録されるまで、すなわち、所与の信号に対する得点が、雑音利得の増大に伴って下落し始めるまで繰り返される。このピーク得点は記録され、プログラム又は使用者は、時間領域信号のファイルから、このピーク得点に対応する信号を選択する。
【０１２７】
図１５Ｂ〜１５Ｅの一連の自己相関ＦＦＴ描画は、この方法に含まれる信号解析を例示する。雑音レベル−７０．９ｄＢｍ（図１５Ｂ）では、背景雑音よりも高いピークが非常に少ししか観察されない（最も高いスパイクは６０サイクル雑音を表す）。最適雑音レベル−７４．８ｄＢｍ（図１５Ｃ及び１５Ｄ）（これらは同じ雑音レベルでの異なる記録を表す）では、ＤＣ〜８ｋＨｚの周波数範囲の全体を通じて、平均雑音よりも統計的に大きい多数のピークが観察される。より高い雑音利得−７８．３ｄＢｍ（図１５Ｅ）では、これらのピークのいくつかが小さくなり、又は消失した。
【０１２８】
図１５Ｆに示すように、これらの信号に対するスペクトル特徴得点を、雑音設定の関数として描画すると、雑音設定約−７５ｄＢｍにおけるピーク得点が観察される。この描画から、１又はそのピーク得点に対応する時間領域信号が選択される。
【０１２９】
Ｖ．変換装置及びプロトコル
この節は、本発明の各態様により形成された信号で試料を変換するための機器及び方法を説明し、本発明の時間領域信号に対する様々な生物系の反応を示す実験を概説する。これらの実験に用いられた信号は、前述の方法により形成された最適化した時間領域信号であり、様々な生物系における化合物特有の反応をもたらす本発明による信号の能力を示す。
【０１３０】
図１３は、本発明による試薬特定信号で試料を変換する機器のレイアウトを示す。この特定のレイアウトは、変換コイルの中に保持されると共に電磁信号にさらされる３つの試料４４４、４４６及び４４８と、制御の役目を果たす試料４５０と、化学誘導制御の役目を果たす試料４５２とを含む５つの異なる試料を収容する。図１３のシステムは、実験に使用することができ、患者を治療するために使用する場合には、４４８、４５０、４５２等などのいくつかの要素を省略することができる。
【０１３１】
最適化された試薬特定信号がＣＤ上に記録されており、前置増幅器４５６及び可聴周波増幅器４５８を通して記録されたＣＤ４５４上で再生される場合、試薬特定信号による変換は、最適化された試薬特定信号を試料に「再生」することによって実行される。この信号は、図示のように別個のチャネルを通じて電磁コイル４４４及び４４６に供給される。一実施例では、Ｓｏｎｙ  Ｍｏｄｅｌ  ＣＤＰ  ＣＥ３７５  ＣＤプレーヤが使用される。プレーヤのチャネル１は、Ａｄｃｏｍ  Ｐｒｅ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ  Ｍｏｄｅｌ  ＧＦＰ  ７５０のＣＤ入力１に接続される。チャネル２は、Ａｄｃｏｍ  Ｐｒｅ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ  Ｍｏｄｅｌ  ＧＦＰ  ７５０のＣＤ入力２に接続される。ＣＤは、それぞれのチャネルからの同一の信号を再生するように記録されている。或いはＣＤは、それぞれのチャネルから異なる信号を再生するように記録されている。試料４４８におけるコイルは主に、実験の対照として白色雑音場を作り出すために使用される。例えば、ＧＲアナログ雑音発生器が、このコイルの白色ガウス雑音源を提供する。代替として、このコイルを使用して、予め録音された任意の変換信号を第２のＣｒｏｗｎ増幅器を介して再生することができる。
【０１３２】
図１４は、図１３の試料４４４、４４６及び４４８のいずれかにより表されるような試料変換機器４６６を示す。この機器は、電磁石４７０と室内の条件（例えば温度）を監視するための様々なプローブとを収容した室４６８を備える。この電磁石は、ベース４７４に位置し、従来通り、トロイド強磁性コア及びワイヤ巻き線を含む。
【０１３３】
一実施例では、これらのコイルは、コイル間で性能が均一になるようにＡｍｅｒｉｃａｎ  Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ社によって設計され製造されたコイルである。各コイルは、４１６回巻かれたエナメル・コーティングされたＮｏ．８ゲージ（ａｗｇ）の正方形銅マグネット・ワイヤ、５．０８ｃｍ（２インチ）の空心からなる。それぞれのコイルは、摂氏１５℃を超える温度上昇なしで、実効値１０ボルト、実効値１０アンペア、１１ヘルツで、その中心において約１５００ガウスを生み出すことができる。
【０１３４】
動作時、コイル間の中央に試料、例えば人間の患者又は患者の体の一部が置かれる。したがって、例えば、コイルは、支持ベッドの両端又は当該ベッドの両側、及び患者の頭部の両側に置くことができる。次いで、このコイルは、所定の治療期間、例えば１時間から数時間の間、図１３に示されているような信号発生機器を用いて活動化される。
【０１３５】
図１６は、本発明のシステムで信号を生成し印加するプロセスの一例を示す。ブロック３１０２で、システムは、前述のやり方で１つ又は複数の試料から時間領域信号を受信し記録する。ブロック３１０４で、このシステムは周波数領域信号を生成し、次いで、その信号を処理して、所望の周波数成分を不要な成分から分離する。ブロック３１０６で、処理された周波数領域信号は、再び時間領域信号に変換される。次いで、ブロック３１０８でこの時間領域信号を、所望の結果を生み出すために生物系に適用することができる。
【０１３６】
図１８を参照すると、波形を修正するための方法３３００は、使用者が開始時の波形を得るブロック３３０２で開始される。例えば、使用者は、標準的な使用者・インタフェース技法を用いて、所望の波形を選択し、それをデータ記憶装置から取り出す。代替として、使用者は、試料の「生の（ｌｉｖｅ）」識別中に信号を得てもよい。
【０１３７】
ブロック３３０４で、使用者は、開始時の波形を他の波形と組み合わせることができ、必要であれば、使用者は、ブロック３３０６で、他の波形を取り出す。当然ながら、必要ならば、使用者は、開始時の波形を簡単に修正することができる。
【０１３８】
ブロック３３０８で、使用者は、様々な技法のいずれかを用いて開始時の波形を修正する。図１９Ｃは、使用者が単純に、マウスなどの標準的なユーザ・インタフェース技法を用いてポインタ３４０４を操作し、表示装置上に表示された開始時の波形の１つ又は複数の周波数ピークを減衰（又は増幅）できる一例を示す。例えば、図１９Ｄに示されているように、使用者は、マウスを用いて波形の表示部分のピーク３４０２を単にクリックし、そのピークを下へドラッグしてピークの大きさを減衰させることができる。
【０１３９】
他の多くの技法が用いられてもよい。使用者は、波形の一部分を単に選択し、それを切り取り又はコピーし、次いでそれを開始時の波形に貼り付けることができる。例えば、図１９Ａを参照すると、使用者は、（破線のボックス３４０６として示された）波形の一部分の辺りにカーソルを移動させて、波形のその一部を選択することができる。選択した後、使用者は、波形からその部分を切り取るなどのいくつかのメニュー選択肢から１つを選択することができる。代替として、選択すると、使用者は、例えば、それを平らな線に置き換える、それを減衰させる、それを増幅する、又は他の様々な信号処理技法を実行するなど、波形のその部分を修正することができる。
【０１４０】
このシステムは、必要に応じて使用者が挿入又は使用することができる波形のライブラリを利用することができる。使用者は、信号の一部分を選択し、それに全ピークをフィルタで除去させ、それによってその波形中の雑音又は不要な周波数成分を排除することができる。例えば、図１９Ｂは、ライブラリに記憶できる波形又はフィルタ信号３４０８の一例を示す。信号３４０８を図１９Ａの波形に適用することによって、このシステムは、図１９Ｃに示された結果として得られた処理後の波形を与える。
【０１４１】
このシステムは、ブロック３３０８で、様々な数学的技法を用いて開始時の波形を修正することができる。例えば、開始時の波形は、様々な数学的技法を用いて、ブロック３３０６で取り出された１つ又は複数の波形と組み合わせることができる。そのような数学的操作の例には、加算、減算、乗算、畳み込み、相互相関、他の波形の線形又は非線形関数としての開始時の波形（ＳＷ：ｓｔａｒｔｉｎｇ  ｗａｖｅｆｏｒｍ）をスケーリングすることなどが含まれる。
【０１４２】
ブロック３３１０で、ルーチン３３００は、開始時の波形をさらに修正したいかどうかについて使用者に問い合わせる。さらに修正したい場合、ルーチンは元に戻り、ブロック３３０４から３３０８で再び実行する。そうでない場合には、次いで、ブロック３３１２で、使用者は、結果として得られた波形を記憶することができる。次に、記憶された波形は、他の開始時の波形の将来の修正のために使用、治療効果のために使用、或いは本発明に記載された様々な他の理由で使用することができる。
【０１４３】
以下は、時系列の波形又は波形セットを整形するための追加の技法のいくつかの例である。
【０１４４】
受動フィルタ：単純な電子フィルタは、抵抗器、インダクタ、及びコンデンサの組合せ（或いはそれらの論理又はプログラム表現）に基づく。これらのフィルタを使用して、記録前、処理前、又は変換前に波形を整形することができる。既存の様々なソフトウェア・パッケージ又はルーチンは、使用者が、これらの応答電子フィルタをモデル化することを可能にする。本発明のシステムで、そのようなソフトウェア・ルーチンは、そのような電子フィルタのソフトウェア・モデル・バージョンを使用して周波数領域波形をフィルタ処理するために簡単に用いることができる。
【０１４５】
能動フィルタ：能動フィルタを作り出すために受動部品と増幅器の組合せを用いて、ハードウェア・フィルタ又はソフトウェア・フィルタを実現することもできる。これらは、高いＱを有することができ、インダクタを使用せずに共鳴を実現することができる。受動フィルタと同様に、能動フィルタの応答をモデル化するためのソフトウェア・アプリケーション又はルーチンが存在し、ここにおいてそのようなルーチンを使用し、それにより１つ又は複数の能動フィルタ・モデルを用いて波形を修正することができる。本発明のシステムは、既存の同様のソフトウェア・ルーチンを使用して、これらのフィルタを用いて、後に説明する処理及び整形を実現することができる。
【０１４６】
デジタル・フィルタ：デジタル・フィルタは、通常はデジタル電子計算を介して実現される離散時間の電子フィルタ（通常は線形）である。デジタル・フィルタは、典型的には、有限インパルス応答（ＦＩＲ：ｆｉｎｉｔｅ  ｉｍｐｕｌｓｅ  ｒｅｓｐｏｎｓｅ）又は無限インパルス応答（ＩＩＲ：ｉｎｆｉｎｉｔｅ  ｉｍｐｕｌｓｅ  ｒｅｓｐｏｎｓｅ）フィルタであるが、他のフィルタもあり、例えば、ＩＩＲ構成要素から作製されているにもかかわらず有限インパルス応答を示すトランケート無限インパルス応答（ＴＩＩＲ：ｔｒｕｎｃａｔｅｄ  ｉｎｆｉｎｉｔｅ  ｉｍｐｕｌｓｅ  ｒｅｓｐｏｎｓｅ）フィルタとして知られたハイブリッド型のフィルタがある。
【０１４７】
デジタル信号処理：（例えばコンピュータ・プログラムとして実行される）デジタル信号処理は、例えばタップ付き遅延線を有する櫛形フィルタをシミュレートすることができる。そのプログラムは、タップ付き遅延線の櫛をシミュレートする間隔で、その信号を表すデジタル値列から数値を選択する。これらの数値は定数が乗じられ、互いに加算されて、フィルタの出力を作る。ＤＳＰは、複数の通過帯域又は複数のバンド・ギャップを可能にし、選択セットの周波数だけが出力段にたどり着くことを実質的に可能にする。
【０１４８】
波形整形：（例えば）全波整流器又はパルス幅変調を使用して、その立上り時間、持続時間、及び減衰時間を修正することによって、又は他の方法で正弦波から若しくは正弦波に信号を修正することによって、波形を整形する周知の方法が数多く存在する。
【０１４９】
本明細書に記載された機器はすべて、様々な用途のためにより大きいサイズ若しくはより小さいサイズのシステム、又はより大きい強度若しくはより小さな強度のシステムを作り出すようにスケール変更することができる。例えば、システムが人間の患者を治療するために使用される場合には、患者に向けられる電磁波を生成するためのコイルを有するシステムが構築され得る。一例では、内部に円形又は正方形のヘルムホルツ・コイルを埋め込んだベッドが、処理された周波数領域信号から生成された時間領域信号を受け取る。次いで、患者は、結果として得られた電磁波を受け、それにより、例えば、別の方法として、その信号が生成される基となった化合物を摂取することによりもたらされるであろう所望の生物学的効果がもたらされる。
【０１５０】
より目標を絞って電磁波を患者に印加するシステムももちろん可能である。例えば、小さな装置（例えばヘルメット又はハンドヘルド・ワンド）の中に１つ又は複数のコイルを配置することができる。この出力装置は、前述したように所望の周波数領域信号から生成された時間領域信号を受け取る。結果として生じる電磁波は、出力装置を介して患者の体の特定の部分に向けられて、患者の局所部分に所望の効果を生じさせることができる。
【０１５１】
図１７は、そのような信号出力装置の一例を示す。データベース３２０２は、１つ又は複数の化合物又は試料からの信号を記憶している。代替として、信号は、上述のように生成された未処理の周波数領域信号又は時間領域信号とすることができる。コンピュータ３２０４は、その信号（又は複数の信号）を取り出し、それを信号発生器３２０６に供給する。例えば、コンピュータは、特定の化合物から生成された処理した周波数領域信号より生成された所望の時間領域信号を取り出す。次いで、コンピュータは、その時間領域信号を信号発生器３２０６に供給して、その信号を単に増幅する。代替として、コンピュータが、処理された周波数領域信号を取り出し、信号発生器が、時間領域信号に変換する。信号発生器３２０６から出力された信号は、信号モディファイヤ３２０８によって修正することができる。信号モディファイヤは、追加の増幅、フィルタリングなどを実行することができる。代替実施例では、コンピュータ３２０４が必要な信号の生成及び修正を実行し、したがって信号発生器３２０６及び信号モディファイヤ３２０８のための別個の回路の省略が可能である。代替として、信号発生器３２０６又は信号モディファイヤ３２０８をなくすことができる。
【０１５２】
信号出力装置３２１０は、この信号を受け取り、患者３２１２に適用する。上述の通り、信号出力装置は、電磁波を出力するために１つ又は複数のコイルが内部に埋め込まれた患者ベッドとすることができる。代替として、信号出力装置３２１０は、小さなハンドヘルド装置、ウェアラブル装置（コイルを含む衣料品など）等とすることもできる。
【０１５３】
検出器７０２は、試料２００から信号を取得し、この信号は、処理ユニット７０４によって処理されて、．ｗａｖファイルなどのデジタルファイル１５０１が生成される。次いで、そのファイルは、記憶媒体１５０２に記憶され、リモート・コンピュータ又は他の装置に分配又は移送することができる。信号又はデータ・ファイルの移送には、上述の記憶媒体のいずれかを用いることができる。
【０１５４】
本発明の各態様は、汎用コンピュータ、例えばサーバ・コンピュータ、ワイヤレス装置又はパーソナル・コンピュータによって実行されるルーチンなどのコンピュータ実行可能命令として実現することができる。本発明は、インターネット機器、（パーソナル・デジタル・アシスタント（ＰＤＡ：ｐｅｒｓｏｎａｌ  ｄｉｇｉｔａｌ  ａｓｓｉｓｔａｎｔ）を含む）ハンドヘルド装置、ウェアラブル・コンピュータ、あらゆる種類の携帯又は移動電話、マルチプロセッサ・システム、マイクロプロセッサ・ベースの家電又はプログラマブル家電、セットトップ・ボックス、ネットワークＰＣ、ミニコンピュータ、メインフレーム・コンピュータなどを含む、他の通信、データ処理又はコンピュータ・システム構成を用いて実施することもできることを当業者は理解されよう。実際に、用語「コンピュータ」、「コンピューティング装置」及び同様の用語は、本明細書では一般に、相互に交換可能に使用され、上記の装置及びシステムのいずれか、並びに任意のデータ・プロセッサを指す。
【０１５５】
本発明の各態様は、本明細書の中で詳細に説明されるコンピュータ実行可能命令の１つ又は複数を実行するように特にプログラムされ、構成され、又は構築された専用コンピュータ又はデータ・プロセッサで具体化することができる。本発明の各態様は、ローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ：Ｌｏｃａｌ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ワイド・エリア・ネットワーク（ＷＡＮ：Ｗｉｄｅ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）、又はインターネットなどの通信ネットワークを介してリンクされている遠隔処理装置によってタスク又はモジュールが実行される分散コンピューティング環境で実現することもできる。分散コンピューティング環境では、プログラム・モジュールを、ローカル記憶装置とリモート記憶装置の両方に配置することができる。
【０１５６】
データ・ファイルなどの本発明の各態様は、磁気的又は光学的に可読なコンピュータ・ディスク、ハード・ワイヤード・チップ又は事前にプログラムされたチップ（例えばＥＥＰＲＯＭ半導体チップ）、ナノテクノロジー・メモリ、生物学的メモリ、或いは他のデータ記憶媒体を含むコンピュータ可読媒体上に記憶又は分散することができる。実際に、コンピュータ実装命令、データ構造、画面表示、ｗａｖｅ／信号ファイル、及び本発明の各態様下の他のデータは、ある期間にわたって、伝搬媒質（例えば電磁波、音波など）上の伝搬信号上でインターネット又は（無線ネットワークを含む）他のネットワークを介して分配することができ、又は、それらは、任意のアナログ・ネットワーク又はデジタル・ネットワーク（パケット交換、回線交換、又は他のスキーム）上で供給することができる。
【０１５７】
代替として、信号収集／処理／伝送システム１５００内の送信機１５０４が、適当なケーブル若しくは有線を介して、又は無線で、ネットワーク１５０６（例えばインターネット）にファイルを送る。次いで、そのファイルは、有線通信又は無線通信を介してコンピュータ１５１２に送ることができる。
【０１５８】
このファイルは、ネットワークを介して遠隔地へ、例えば変換器・受信機１５０８へ送ることができる。例えば、衛星ネットワーク１５１０を使用して、変換器・受信機１５０８にファイルを送ることができる。
【０１５９】
変換器・受信機１５０８は、ファイル受け取り用の標準受信機とすることができ、そのファイルを適用される電磁信号として変換する変換器を含む。一実施例では、埋込み変換器・受信機は、患者の身体又は構造に埋め込まれる。変換器・受信機１５０８の受信機構成要素が無線受信機である場合、この変換器／受信機は、ネットワーク（又は衛星）を介して無線でファイルを受け取ることができる。代替実施例では、携帯電話又は移動装置１５１４が、ネットワークからファイルを受け取り、それを、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などの短距離無線プロトコル，ＩＥＥＥ８０２．１１プロトコルのいずれかなどが含まれる任意の知られている無線プロトコルによって変換器・受信機へ中継する。
【０１６０】
変換器・受信機１５０８と同様の変換器・送受信機１５１６は、センサ１５１８を有する。したがって、変換器・送受信機１５１６は、送信されたファイル１５０１を同様に受け取り、それを変換し又は生物系に適用するだけでなく、センサ１５１８からデータを取得し、そのデータを（例えばネットワークを介して）システム１５００に送信することもできる。
【０１６１】
図２１によれば、装置に電力を供給するための電源１５３０を備えている変換器・受信機１５０８及び変換器・送受信機１５１６の一例が与えられている。受信機・送受信機１５３２は、有線又は無線でファイル１５０１を受け取り、次いでこのファイル１５０１を変換し、又は変換器１５３４を介して被検者又は試料に適用することができる。このファイルは、増幅器１５３６によって増幅することができ、且つ／又はプロセッサ１５３８によって処理することができる。メモリ１５４０は、このファイルを記憶し、或いは任意選択の１つ又は複数のセンサ１５１８から得られたデータを記憶することができる。
【０１６２】
図２２及び図２３は、本発明の各態様に用いるのに適した変換コイルを示す。図２２中の変換器４９４は、例えば、長さが数十ｃｍ（数フィート）までの長いソレノイドである。ソレノイドの内側の場は、ソレノイドの軸に平行であると共にソレノイド内で一定であり、（無限長のソレノイドの近似において）ソレノイドの外側でゼロになる。この有限長のコイルは、その中心の近くだけで実質的に均一な場を有する。したがって、試料又は対象をコイルの中心に置くことにより、実質的に均一な磁場が、コイルがデータ・ファイル１５０１又はＭＩＤＳ信号で励磁されるときに試料で作り出される。
【０１６３】
図２３中のソレノイド４９６における追加の巻き線５００などの追加の巻き線をソレノイドに追加することによって、コイルの両端に追加の磁場強度を追加してその両端でコイルの磁場の低下を補償することができる。
【０１６４】
両方の実施例又は追加の実施例では、この変換コイルは、コイルの両端に取り付けられた電極により、又は（システム１５０８、１５１６のような）埋込み可能なシステムにより、又は患者の胸部に対して体表の近くに電磁石が配置され、この埋め込まれたコイルに信号が誘導的に伝送される遠隔誘導システムにより、変換信号を受け取ることができる血管ステント・コイルなどの埋込み可能な小型の強磁性コイルとすることができる。
【０１６５】
上述の通り、このシステムは、確率的共鳴実験において得られたサウンド・ファイルを入力として利用し、その内容の正弦波の周波数、振幅、及び位相を出力する。このシステムは、「ｐｅａｋｆｉｎｄｅｒ」と呼ばれるソフトウェア・ルーチンを使用することができ、このソフトウェア・ルーチンは、オープン・ソースであると共に現在サポートされているソフトウェア・プラットホームであるＯｃｔａｖｅ、Ｐｄなどの他のソフトウェア・パッケージを使用することができる。
【０１６６】
加えて、２つの環境変数を使用することができる。第１の：ＰＦ＿ＴＭＰは、一時ディレクトリを指定する。第２のＰＦ＿ＢＡＳＥは、ｐｅａｋｆｉｎｄｅｒホルダの場所を指定する。ＰＦ＿ＢＡＳＥが与えられない場合、ｐｅａｋｆｉｎｄｅｒ．ｓｈスクリプトは、自分の呼び出しからそれを推論しようとする（絶対パス名で呼び出されていると想定する）。入力ファイルは、ステレオ・サウンドファイルであり、標準サンプリング・レートは４４１００であると仮定される。ファイル形式は、１６ビット、２４ビット、又は３２ビットのサンプル・フレームで「ｗａｖ」、「ａｕ」、又は「ａｉｆｆ」とすることができる。出力ファイルは、１つの正弦波を指定するＡＳＣＩＩファイルである。例えば、
【表１】
2015524920.tif 000003
である。
【０１６７】
チャート内で、第１のフィールドは後述される基本解析周波数単位での周波数であり、第２のフィールドはヘルツ単位での周波数であり、第３のフィールドは入力サウンド・ファイル固有単位での正弦波のピークの大きさであり、第４及び第５のフィールドは、正弦波の余弦成分及び正弦成分の振幅であり、複素振幅の実部及び虚部である。もちろん、この大きさは、実成分と虚成分とから推論することができる。第１のフィールドは、物理的意味を持たず、デバッグ用である。
【０１６８】
白色雑音の単一正弦波の振幅及び周波数を決定する技法は、最大尤度（ＭＬ：Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄ）法であり、これは、複数の正弦波に拡張されている。この方法は、正弦波の数が予め知られていると仮定する。予め定められていない数の正弦波を見つけるという問題は、数学的取り扱いが難しいが、注目する正弦波は周波数が十分隔てられていると仮定して取り扱うことができる。さらに、正弦波の有無を見分ける方法も必要とされる。
【０１６９】
以下の解析は、白色雑音の単一正弦波を考察することから始まり、複数の正弦波及び非白色（例えば、ピンク）雑音の問題へと進む。測定信号、
ｘ［ｎ］，ｎ＝０，．．．，Ｎ
が与えられたとすると、（離散時間）非正規化フーリエ変換は、
【数１】
2015524920.tif 000004
と定義されるが、ただし、ｋは、解析の基本周波数の単位における周波数であり、試料あたり２π／Ｎラジアンであり、ｋは、整数である必要はなく、実際、ｋの余分な値は、必要に応じて、信号のゼロ詰めで埋めることができる。単一の正弦波が存在すると仮定すると、その最もあり得そうな周波数は、
ｋ＝ａｒｇ  ｍａｘ｜ＦＴ｛ｘ［ｎ］｝（ｋ）｜
で与えられる。
言い換えると、最良の推定は、単にフーリエ変換の大きさが最大になるｋの値である。
【０１７０】
次に、システムは、ｋの推定値が真の正弦波に対応するのか、又は単に不規則変動に対応するのかを決定する。これについて、帰無仮説を解析して、ｘ［ｎ］が、例えば、平均値０及びＲＭＳ振幅σを有する白色雑音のみを含むかどうか決定する。それぞれの点ｋにおけるフーリエ変換は、Ｎ個の独立確率変数の総和であり、それぞれは試料ｘ［ｎ］に単位大きさの複素数を掛けたものに等しく、フーリエ変換の各点の平均は、そのままゼロであり、標準偏差は、
【数２】
2015524920.tif 000005
である。個々の雑音試料のすそ部分の挙動がよい挙動である（例えば、それがガウス又は均一雑音である）場合、結果として得られた確率変数ＦＴ｛ｘ［ｎ］｝（ｋ）は、使用されるＮの値についてガウス分布に非常に近い（約１０６）。したがって、ほぼ
【数３】
2015524920.tif 000006
を超える確率は、非常に小さい。
【０１７１】
他方、ピーク振幅ａ及び周波数ｋを有する実数値の正弦波（２π／Ｎの通常の単位）のフーリエ変換の大きさは、ａＮ／２である。大きさ
【数４】
2015524920.tif 000007
を得るには、ａを少なくとも
【数５】
2015524920.tif 000008
とするだけでよい。
【０１７２】
この方法は、（次の２のべき乗に応じて、２倍から４倍の間で）記録されたサウンド・ファイルにゼロ詰めをし、次いで、この振幅閾値を超えるピークを報告する。ピークは、ｋの所与の値について、その隣接要素についてよりも大きい大きさを有し、さらに、ｋの２０個の隣接値の大きさの少なくとも１倍半の大きさを有するものとして定義される（１分間分のサンプリングについて、おおよそ２０π／Ｎ  Ｈｚ、又は１／３Ｈｚの帯域）。
【０１７３】
いくつかの正弦波が存在する場合、それらの周波数が約２０π／Ｎより大きく相互に間隔があけられているとすると、上記の方法は、別々に分解しなければならず、計算されたフーリエ変換に対するそれぞれの正弦波の影響は、ピークからｋ周波数単位離れると振幅は２／３πｋで減少する。
【０１７４】
雑音信号の非白色の特性を補正するために、測定信号のスペクトル包絡線が推定される。雑音は、それぞれの狭い周波数範囲（上述のように２０π／Ｎ）において局所的に白色であり、σの値は選択された周波数範囲に応じて穏やかに変化すると仮定できる。別の問題は、注入雑音試料を実験の測定出力から減算できるかどうかを決定することである。このような状況では、この２つに関係する容易に測定可能な伝達関数では、たとえそれが非線形であろうと、伝達関数の推定値を使用して測定された信号から雑音の大部分を取り除く。これにより、この方法の感度も高まる。
【０１７５】
上記の説明から分かり得るように、このシステムにより、使用者は、生物系に治療上の影響を及ぼすために使用できる又は他の何らかの形で生物系に反応を誘起するために使用できる波形を生成することが可能になる。２つ以上の化合物から発生する波形又はスペクトル系列を得ることができる。次いで、これら２つの信号を組み合わせて、２つの個別の信号の特性を有する単一の組合せ信号を生成することができる。例えば、２つの元の信号が、２つの異なる治療特性を有する２つの異なる化合物に関係する場合、結果として得られる組合せ信号は、この２つの化合物の組み合わせた治療特性を有する。次いで、組合せ信号を操作して、生物系内の副作用又はネガティブな反応に関連していることが判明している不要な周波数成分を除去することができる。
【０１７６】
代替として、２つの化合物が生物系内に類似の反応を生じさせる場合、これらの化合物から生成される２つの信号を比較して、生物学的効果を生み出すことに関連した共通周波数成分を特定することができる。次いで、生物学的効果に関連するこれらの周波数成分のみを含む第３の信号を生成することができる。このようにして、特定の鎮痛剤からの信号を比較して、共通周波数成分を特定し、次いで、伝送、格納、又は生物系への適用に使用するための結果として得られる信号を生成する。実際、このシステムは、１つ又は複数の化合物から生成される信号に直接的には基づかない新しい信号を形成することを可能にする。その代わりに、このシステムは、所望の周波数においてピークのみを有する信号を生成し、そのようなピークが生物系内に所望の結果を有することを可能にする。したがって、そのような合成した信号は、既存の化合物と無関係である。
【０１７７】
ＶＩ．小型分子インターロゲーション・データ・システム
小型ＭＩＤＳは、先の節に述べたＳＱＵＩＤベースの生物学的検出システムの代替的手法を提供することができる。そのようなＭＩＤＳは、例えば生物学的試料から生じた極低レベル磁場の変化を測定するために改善された感度を示している１つ又は複数の原子磁力計を包含する。加えて、ＳＱＵＩＤの場合、液体ヘリウム又は液体窒素による冷却が必要とされるのに対して、原子磁力計又は検出器の利用は、コイルのない且つ室温ベースのシステムを可能にする。しかし、原子検出器は、動作するために小さい磁場を必要とする。したがって、上述の遮蔽付き装置内の応用は、外部磁場がほとんどない又は全くない環境を与えるものであり、このようにしてそうした動作を可能にする。
【０１７８】
図２４は、生物学的試料と共に用いるための小型原子磁力計ベースのＭＩＤＳ検出装置２４００を示す。図示されたこの装置２４００は、上記図１に示されたものと同様の遮蔽構成を上から見下ろした図であり得、遮蔽２４０２は、上述のシステムに用いられた室温遮蔽と同様である。この遮蔽２４０２は、グラジオメータの使用によって実現される減衰と共に利用される。光ファイバ・ケーブル２４１６及び２４１０は、特定の周波数を原子磁力計へ届けるために特定の長さに切断されている減衰管（例えば、図２〜図４中の要素２２及び２４）を介して遮蔽を通じて入る。ケーブルの長さは、減衰管の幅と共に減衰される周波数にも依存する。遮蔽２４０２、減衰管、及び他の要素は、原子磁力計、試料、及びヘルムホルツ・コイルを取り囲む遮蔽構造を形成する。遮蔽２４０２の囲いは、上部及び底部を含むすべての側にミューメタルの層を備えたファラデー箱を含む。遮蔽の囲いは、丸い又は球形であり得る容器を形成し、他の形状も当然可能であるが、これは、より大きい減衰をもたらすことができる。前述の通り、検出器は、小さい磁場でのみ動作し、したがって高い感度レベルを有する。材料の厚さ及び／又は遮蔽内の層の数は、ＭＩＤＳ装置の特定の用途に基づいて調整することができる。例えば、低レベルの磁場を生成する試料の場合、改善された減衰が、そのレベルで信号を検出するために必要となり得る。
【０１７９】
一実施例では、試料２４０４は、少なくとも２つの小型磁力計又は検出器２４０６及び２４０８の間に又はこれらに隣接して遮蔽囲いの上部から中に降ろすことができる。代替として、このシステムは、（例えば、上記図２のように）水平アクセスを可能にするように構築されてもよく、又は任意の他のやり方で構成されてもよい。（「検出器」及び「磁力計」という語は、一般に、交換可能に使用される）。重要なことには、試料と第１の検出器２４０６の間の間隔、及び第１の検出器２４０６と第２の検出器２４０８の間の間隔は、システムが使用されることになる試料又は特定の応用に基づいてシステムを調節又は最適化するように選択することができる。例えば、外径が２ｃｍである検出器は、間隔が３．２ｃｍの第１の微分グラジオメータを可能にする。試料の磁場は、少なくとも１つの検出器に密接に結合される。共に接続されると共に互いから特定の距離隔てられた２つの磁力計が、グラジオメータを形成することができる。２つの磁力計は、反対に動作し、同じ正確な場を感知した場合、（例えば、場が存在しない場合）互いに相殺するはずである。実際には、磁力計の一方は目標ソース（試料）に密接に結合される一方、他方は目標ソースにゆるく結合される。さらに、両磁力計は、背景環境を等しく感知している。目標磁力計の出力が背景の磁力計の反転出力と合計されるとき、この背景は除去され、検出される目標ソース（信号）だけを残す。
【０１８０】
検出器２４０６及び２４０８はコイルでないが、検出器とコイルの間の分離の比はおよそ同じである。グラジオメータ・コイルの直径とコイル間の距離とは、信号対雑音比を最適化するように調整又は計算される。これらは、グラジオメータ・ベースライン計算と呼ばれ、各コイル要素の半径及び面積に依存している（例えば、”Ｂａｓｅｌｉｎｅ  Ｄｉｓｔａｎｃｅ  Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  ＳＱＵＩＤ  Ｇｒａｄｉｏｍｅｔｅｒｓ”；Ａｌｅｘａｎｄｅｒ  Ｇａｒａｃｈｔｃｈｅｎｋｏ，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｓａｎｔａ  Ｃｌａｒａ  ＣＡ，ＵＳＡ；Ａｎｄｒｅｉ  Ｍａｔｌａｓｈｏｖ，Ｒｏｂｅｒｔ  Ｈ．Ｋｒａｕｓ，Ｊｒ．，Ｌｏｓ  Ａｌａｍｏｓ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｌｏｓ  Ａｌａｍｏｓ  ＮＭ，ＵＳＡ参照）。円形コイルの場合、典型的な分離距離は、（２つの同一のコイル要素の場合）半径の１．６倍である。“環境要素”の直径が増加するにつれて距離も増加する。
【０１８１】
上述のように、一対のヘルムホルツ・コイル２４２０及び２４２２が、システムに雑音を導入する。このシステムは、確率共鳴を使用して閾下信号を検出可能なレベルまで高める。コイルのペア（コイル２４２０及び２４２２）は、導入した雑音と閾下弱信号の間の確率共鳴を発生させるために不規則雑音を生成するために使用される。雑音と信号とは、検出閾値より上に弱い信号成分に高めるように合わさり、高感度を有する磁力計によりこれらの信号が検出されることを可能にする。場の勾配特性を変えることにより、溶液中の目標分子の周りでの点電荷に可能な分布の仕方に影響を及ぼすと共に、個々のグラジオメータ・コイル要素中の電流の生成にも影響を及ぼす。場の特性の変更により、ソース場の生成の程度に影響を与えると共に、グラジオメータの雑音除去のダイナミクスも変化させる。これらのパラメータの両方は、検出信号の信号対雑音比に影響を及ぼす。例えば、雑音がグラジオメータにより十分に減衰されない場合、低レベルの信号は、必要な閾値より上で検出され得ない。
【０１８２】
白色雑音は、グラジオメータの両磁力計要素に均一に結合した雑音場を生成するヘルムホルツ・コイル対２４２０、２４２２を用いて印加することもできる。白色雑音を使用して確率共鳴を生じさせ、閾下信号を検出可能なレベルまで高めることができる。確率的プロダクトは、第１の磁力計において最も顕著となり、導入した雑音がグラジオメータ内で除去されるときに信号対雑音比のさらなる改善を可能にする。
【０１８３】
２つの検出器２４０６及び２４０８のそれぞれは、ルビジウム・ガス原子を含有する蒸気セルに赤外レーザ光を向ける対応する光ファイバ・ケーブル２４１０を備える。各セルは、光拡散体２４１２と、光ファイバ出力ケーブル２４１６に結合された光センサ２４１４とを備えることができる。そのような単一の磁力計検出器の例は、米国出願第２０１１／００３１９６９（Ａ１）号（Ａｔｏｍｉｃ  Ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  Ｓｅｎｓｉｎｇ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｆｉｅｌｄｓ；Ｋｉｔｃｈｉｎｇ，  ら，ＮＩＳＴに譲渡）に室温分子磁場検出器として記載されている。この検出器は、レーザ光を使用して磁場の存在下で変化するダイナミクスを有する材料の蒸気を加熱する。それ又は第２のレーザ光を使用して、磁場が蒸気雲のダイナミクスを変えるときに吸収又は光散乱の違いを観察する。別個の蒸気加熱器を、レーザ加熱を用いるのではなく、使用することもできる。別の例は、Ｒｉｃａｒｄｏ  Ｊｉｍｅｎｅｚ−Ｍａｒｔｉｎｅｚ，Ｗ．Ｃｌａｒｋ  Ｇｒｉｆｆｉｔｈ，Ｓｖｅｎｊａ  Ｋｎａｐｐｅ，Ｊｏｈｎ  Ｋｉｔｃｈｉｎｇ，ａｎｄ  Ｍａｒｋ  Ｐｒｏｕｔｙ，  ｔｈｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ  Ｂ，  ＯＰＴＩＣＡＬ  ＰＨＹＳＩＣＳ  Ｖｏｌ．  ２９，Ｉｓｓ．１２−Ｄｅｃ．１，２０１２  ｐｐ：３３９８〜３４０３（Ｅｄｉｔｏｒ：Ｈｅｎｒｙ  ｖａｎ  Ｄｒｉｅｌ，ＪＯＳＡ  Ｂ，Ｖｏｌ．２９，Ｉｓｓｕｅ  １２，ｐｐ．３３９８〜３４０３（２０１２））に記載された高帯域幅光学磁力計である。
【０１８４】
一般に、生物系のエネルギー・ダイナミクスは、Ｍａｘｗｅｌｌにより記述されたような電荷の移動による磁気環境の乱れを可能にする。例えば、タンパク質動力学は、ヒンジ・イベントに関連した点電荷の移動だけでなく、電荷の経路に沿った電荷の移動も仕向ける。電荷移動の結果としての磁気の乱れを観察する能力は、測定による材料の診断に役立ち得る。
【０１８５】
このシステムは、雑音削減のための第１の微分構成（ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）又は第２の微分構成であり得る２つの小型磁力計を使用する。一次グラジオメータは、（試料のすぐ近くにある）目標ソース検出器２４０６と隣接した（すなわち、他方の検出器に隣接している）検出器２４０８の反転背景信号との間の差を測定する２つの検出器である。さらなるセットの検出器が加えられる場合、これは、第２の目標ソース検出器２４２６と第２の隣接検出器２４２８の反転背景信号との間の差の第２の読み取り値を測定し、第２の読み取りの反復を行う。再び、一次及び二次として結果を利用するために、磁力計間、グラジオメータ（例えば、磁力計の組）間、及び試料間の間隔は同等である。二次のシステムの場合、試料信号、例えば、目標ソース検出器から検出された信号の変動は、より正確になる。したがって、代替構成として、このシステムは、より大きい減衰を実現するために第２の微分グラジオメータを備えることができる。この第２の微分グラジオメータは、試料の両側に向けられたあと２つの磁力計、すなわち検出器２４２６及び２４２８を（破線で概略的に示された）元のペアの鏡像で備える。
【０１８６】
各磁力計からの光吸収又は光散乱の変化は、検出した光子の個数に比例した電圧を出力する光検出器により測定される。第１の微分構成又は第２の微分構成における各磁力計は、同じ瞬間に環境を感知し、各磁力計の出力は、他方と同相になる。
【０１８７】
雑音削減を達成するために、一方の磁力計は、測定下で材料に（磁場を介して）密接に結合され（検出器２４０６）、一方、第２の磁力計は、試料からある距離で配置される（検出器２４０８）。第１の磁力計は、より密接に試料に結合されるので、試料に関連した磁場は、第２の磁力計との誘導結合よりも大きい第１の磁力計との誘導結合を有する。しかし、各磁力計は、背景環境の場との等しい結合を有する。
【０１８８】
第２の磁力計（検出器２４０８）の出力電圧の位相は、第２の磁力計の位相が第１の磁力計（検出器２４０６）の位相から１８０度であるように電子的に反転することができる。次いで、２つの電圧出力は合計され、環境雑音の産物であった任意の電圧を有効に除去する。残りの電圧は、試料と関係しており、将来の処理のために時系列データとして記憶される。
【０１８９】
図２５を参照すると、レーザ発振器２５０２を有するシステムの一例は、検出器２４０６及び２４０８に光を供給する。Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｒａｄｉｏ  Ｍｏｄｅｌ  １３８１ランダム雑音発生器などの雑音発生器２５０４は、磁場の形態の雑音を遮蔽されたシステムに導入するために、制御された量の雑音をヘルムホルツ・コイル２４２０及び２４２２に供給する。第１の光／電圧変換器２５０６は、第１の検出器２４０６から出力を受け取り、一方、第２の光／電圧変換器２５０８は、第２の検出器２４０８から出力を受け取る。変換器からの出力は、電圧加算器２５１０により合計され、次いで、電圧加算器２５１０の出力は、上述したように時系列として記憶される（ブロック２５１２として示されている）。収集データは、記憶され、スペクトル相関、ウェーブレット、アイゲン解析などが含まれる様々な信号解析技法を用いて処理することができ、研究中の材料の診断に役立つ。
【０１９０】
一般に、エントロピーは、検出信号とコイル・アライメントの信号対雑音比の変化を間接的に決定するために使用することができる。様々な数学的解決策が、検出器の出力でのエントロピーを決定するためにリアル・タイム又は後処理で適用可能である。信号エントロピーを測定する典型的な方法は、信号エネルギーがどのように帯域幅にわたって分布しているかを観察することである。ガウス分布から逸脱しているエネルギーは、純粋な確率事象より低いエントロピーを有すると考えられる。
【０１９１】
様々なスペクトル・アルゴリズムが、エントロピーを決定するのに役立ち、スペクトル自己相関、フーリエ解析、ウェーブレット解析、及びアイゲン解析が含まれる。雑音コイル対の向きの調整は、エントロピーの最大の負の偏差が検出器の出力で観察されるまで行われる。この解析がリアル・タイムで実行中である場合、調整は素早く行うことができ、自動化することができる。
【０１９２】
雑音コイルに関する調整を行うことができる。図１３Ａから図１３Ｆは、システムに異なる応答をもたらすための様々なコイル構成又は幾何学的形状の例を示す。位置調整可能なコイルにより、コイルは、ヘルムホルツ構成から他の形態へ移ることが可能である。各コイルは、様々な勾配及びベクトルを有する場を作り出すために、特許及び出願以外に出願人において示されるように、独立して再配置することができる。
【０１９３】
図２６は、コイル２６０２を調整するシステム２６００の一例を示す。コイル２６０２は、ヘルムホルツ・コイルとするか、本明細書に述べた他のコイルとすることができ、又は検出器２４０６及び２４０８にすることさえもできる。伸縮アーム２６０４は、基部又は枠２６０６とジンバル式ジョイント又はボール・ジョイント２６０８との間に配置される。伸縮アーム２６０４は、一軸に沿ってアームを調整可能に移動させるためにサーボモータ又は他の電気機械調整部（図示せず）を備えることができる。ジョイント２６０８は、コイル２６０２が回転することを可能にする。やはり、別のモータを使用してジョイント周りにコイルを電気機械的に移動させることができる。
【０１９４】
図２７は、一実施例における、２つの原子磁力計から作られたグラジオメータの構成を通じた且つ光流通チューブにより分割された光学磁力計の流れを示す。この構成では、各磁力計内のガス・チャンバ又はセル３１０６及び３１０８は、試料と共に適宜均一にポンプされる。このポンプは、各磁力計間で延びる光流通チューブに結合されたパラスティック・ポンプであり得る。試料は、図２４を参照して説明したものと同様に、特定の時間間隔の間磁力計３１０６と３１０８の間でパラスティック・ポンプ３１０２によりポンプされ、その間にわたって各ガス・セル内に位置する光検出器から測定値が得られる。磁力計３１０６及び３１０８のセルは、流通チューブ３１０４及び試料への任意の結合のために間隔をおいて密接に配置することができる。新しい試料は、各時間間隔が経過した後にポンプされ得る。さらに、図示されていないステップ・モータは、磁力計３１０６及び３１０８を管のより近く又はより遠くに移動させることができる。
【０１９５】
図示されていないが、このシステムは、位相調整器、適切な増幅などを含むことができる。このシステムは、導入した雑音と共にＤＣオフセットを用いることができる。
【０１９６】
当然ながら、多くの代替例も可能である。例えば、いくつかの検出器は、十字配置などにおいて平面内に配置することができる。チューブ又はポートは、検出器の中央に設けることができ、それを通じて試料を移送することができる。したがって、材料は、チューブを通じて流れることができ、検出器により検出でき、それにより試料のストリームのより高い速度の検出を可能にする。
【０１９７】
別の代替例では、検出器は、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸に配置することができ、それにより検出器の３次元アレイを形成する。試料は、検出器の中央に配置することができ、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸に沿って検出がなされる。この代替例は、試料が３次元で解析されることを可能にし、したがって、分子レベルでの試料の幾何学的形状又はモデルを検出することができる。
【０１９８】
上記の実施例の利益の１つは、検出器が室温で有効であり、したがって試料を長期間にわたって測定することができることである。ここで、従来の試料は、典型的には、極端に冷たい環境にさらされ、したがってそのような冷たさに長期間耐えることができなかった。従来のシステムは、加熱器を必要としたが、本明細書では加熱器は、なくすことができる。本システムの他の多くの利点及び利益は、当業者には当然理解できよう。
【０１９９】
結論
システムの各態様に関するさらなる詳細は、共有の米国特許第６，７２４，１８８号、第６，９９５，５５８号、第６，９５２，６５２号、第７，０８１，７４７号、第７，４１２，３４０号、及び第７，５７５，９３４号に見出すことができ、それらの各々は、参照により全体として本明細書に組み込まれる。
【０２００】
文脈上明らかに他の意味に解釈すべき場合を除いて、明細書及び特許請求の範囲の全体にわたって、「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ、ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」などの語は、排他的又は網羅的な意味ではなく、包括的な意味に解釈すべきであり、言い換えると、「含むがそれに限定されない」という意味に解釈すべきである。本明細書中で一般に使用されるとき、「結合される」という語は、直接接続できる又は１つ又は複数の中間要素を介して接続できる２つ以上の要素を指す。さらに、「本明細書中」、「上記の」、「以下の」という語、及び類似の意味の語は、本出願で使用されるとき、本出願全体を指し、本出願の任意の特定の部分を指すのではないものとする。内容が許す場合、上記の詳細な説明中の語は、単数又は複数の使用は、それぞれ複数又は単数も含むことができる。２つ以上の項目のリストを参照する際の「又は」という語は、その語は、リスト中の項目のいずれか、リスト中の項目のすべて、及びリスト中の項目の任意の組合せという語の解釈のすべてを網羅する。
【０２０１】
本発明の実施例の上記の詳細な説明は、網羅的なものではなく、又は上記の開示した厳密な形態に本発明を限定するのではない。当業者は理解するであろうが、本発明の特定の実施例、及び実例を例示の目的で上述したが、本発明の範囲内で様々な等価な修正形態が可能である。例えば、プロセス又はブロックは所与の順序で提示されているが、代替実施例は、異なる順序のステップを有するルーチンを実行することができ、異なる順序でブロックを有するシステムを用いることができ、及びいくつかのプロセス又はブロックを削除、移動、追加、分割、結合、及び／又は改変することができる。これらの各プロセス又はブロックは、様々な異なる形で実施することができる。また、プロセス又はブロックは、一度に直列に実行されるように示したが、その代わりに、これらのプロセス又はブロックは、並列に実行されてもよく、又は異なる時間に実行されてもよい。
【０２０２】
本明細書中に与えられた本発明の教示は、必ずしも上記のシステムに適用する必要はなく、他のシステムに適用することができる。上述の様々な実施例の要素及び動作を組み合わせてさらなる実施例を提供することができる。
【０２０３】
添付の出願書類に列挙され得る任意のものを含む上記の特許及び出願並びに他の参考文献のすべては、参照により本明細書に組み込まれる。必要であれば、上述の様々な参考文献のシステム、機能、及び概念を利用して、本発明のもっとさらなる実施例を提供するように本発明の各態様を修正することができる。
【０２０４】
上記の詳細な説明に照らして、本発明に対してこれら及び他の変更を行うことができる。上記の説明は、本発明のある実施例を詳述し企図される最良の形態を説明するが、上記を文中でどのように詳述したとしても、本発明を多くの方式で実施することができる。信号処理システムの詳細は、その実装の詳細においてかなり異なる場合があるが、それでもなお、本明細書で開示した本発明によって包含される。上述のように、本発明のある機能又は態様を説明する際に使用した特定の専門用語は、この専門用語が関連する本発明の何らかの特定の特徴、機能、又は態様に限定されるように本明細書で再定義されていることを示唆すると理解すべきではない。一般に、添付の特許請求の範囲で使用される用語は、上記の詳細な説明の部分がそのような用語を明示的に定義しない限り、本明細書に開示された特定の実施例に本発明を限定するように解釈すべきではない。したがって、本発明の実際の範囲は、開示の実施例を包含するだけではなく、特許請求の範囲に記載の本発明を実施又は実装するすべての均等なやり方も包含する。
【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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【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１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【図１３Ｅ】
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【図１３Ｆ】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１５Ｅ】
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【図１５Ｆ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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【図１９Ｄ】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【国際調査報告】
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2015524920.tif 000051
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