(57)【要約】【課題】  ピックアップコイルとインプットコイル及びそれらに対するＳＱＵＩＤ磁気センサの配置を工夫することにより、ＮＭＲ信号のＳ／Ｎを改善することができる、超低磁場におけるＳＱＵＩＤ検出核磁気共鳴装置を提供する。【解決手段】  超低磁場におけるＳＱＵＩＤ検出核磁気共鳴装置において、外部に室温空間２が形成される非磁性クライオスタット（低温保持断熱容器）１の極低温の内部に配置される、差動型に巻かれた巻き数が同じで巻き方向が逆になった一対のピックアップコイル３と、この一対のピックアップコイル３に接続されるインプットコイル４と、このインプットコイル４の近傍に配置されるＳＱＵＩＤ磁気センサ５と、前記室温空間２に配置される、前記一対のピックアップコイル３の軸方向長さと略同じ軸方向長さを有する分極コイル９と、この分極コイル９内で前記一対のピックアップコイル３の一方のコイル３Ｂに対応する位置に配置される検体１０に対して、超低磁場を印加する静磁場コイル１１とを具備する。【選択図】  図１
2012211813.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）外部に室温空間が形成される非磁性クライオスタットの極低温の内部に配置される、差動型に巻かれた巻き数が同じで巻き方向が逆になった一対のピックアップコイルと、この一対のピックアップコイルに接続されるインプットコイルと、このインプットコイルの近傍に配置されるＳＱＵＩＤ磁気センサと、
（ｂ）前記室温空間に配置される、前記一対のピックアップコイルの軸方向長さと略同じ軸方向長さを有する分極コイルと、
（ｃ）該分極コイル内で前記一対のピックアップコイルの一方のコイルに対応する位置に配置される検体に対して、超低磁場を印加する静磁場コイルとを具備することを特徴とする超低磁場におけるＳＱＵＩＤ検出核磁気共鳴装置。
【請求項２】
請求項１記載の超低磁場におけるＳＱＵＩＤ検出核磁気共鳴装置において、前記一対のピックアップコイルは超伝導線材からなることを特徴とする超低磁場におけるＳＱＵＩＤ検出核磁気共鳴装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の超低磁場におけるＳＱＵＩＤ検出核磁気共鳴装置において、前記ＳＱＵＩＤ磁気センサを囲むように配置され、分極磁場や外部からの磁気雑音を遮蔽する円筒形状の磁気シールド体を具備することを特徴とする超低磁場におけるＳＱＵＩＤ検出核磁気共鳴装置。
【請求項４】
請求項３記載の超低磁場におけるＳＱＵＩＤ検出核磁気共鳴装置において、前記円筒形状の磁気シールド体が高透磁率材料からなることを特徴とする超低磁場におけるＳＱＵＩＤ検出核磁気共鳴装置。
【請求項５】
請求項３記載の超低磁場におけるＳＱＵＩＤ検出核磁気共鳴装置において、前記円筒形状の磁気シールド体が高温超伝導材料からなることを特徴とする超低磁場におけるＳＱＵＩＤ検出核磁気共鳴装置。
【請求項６】
請求項１又は２記載の超低磁場におけるＳＱＵＩＤ検出核磁気共鳴装置において、前記インプットコイルが前記ＳＱＵＩＤ磁気センサと一体に薄膜配線により形成されることを特徴とする超低磁場におけるＳＱＵＩＤ検出核磁気共鳴装置。
【請求項７】
請求項１又は２記載の超低磁場におけるＳＱＵＩＤ検出核磁気共鳴装置において、前記非磁性クライオスタットが直立円筒形状の外観を有し、前記静磁場コイルと前記分極コイルとは互いに直交する位置に配置されることを特徴とする超低磁場におけるＳＱＵＩＤ検出核磁気共鳴装置。
【請求項８】
請求項１又は２記載の超低磁場におけるＳＱＵＩＤ検出核磁気共鳴装置において、前記非磁性クライオスタットが垂直円筒形部と水平円筒形部からなる逆Ｔ字形状の外観を有し、前記静磁場コイルと前記分極コイルとは互いに同軸上に配置されることを特徴とする超低磁場におけるＳＱＵＩＤ検出核磁気共鳴装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超低磁場におけるＳＱＵＩＤ検出核磁気共鳴装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
核磁気共鳴（Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：ＮＭＲ）および磁気共鳴画像法（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  Ｉｍａｇｉｎｇ：ＭＲＩ）は、磁場中で原子が固有周波数の電磁エネルギーを吸収・放出するという現象を利用する技術で、化学、医学など様々な分野で用いられている。ＮＭＲ信号は交流信号であり、その強度と周波数は磁場強度に比例するため、信号検出器として誘導コイルを用いるこれまでの方法では、検出信号は静磁場の２乗に比例することとなり、高磁場にするほど高感度な測定が可能となる。このため、より高精度な解析を行うためにより強い磁場（ＮＭＲでは２０Ｔ以上、ＭＲＩでは３Ｔ以上）を用いたシステムの開発が行われている。しかしながら、さらに強い磁場を発生させるためにはより大型の超伝導磁石が必要であり、システムの大型化と高コスト化という問題が発生する。
【０００３】
そこで最近では、大型の超伝導磁石を用いない方式で、低コスト、かつ小型化が可能な超低磁場ＮＭＲ／ＭＲＩが注目されている。超低磁場ＮＭＲでは、信号の周波数が数百Ｈｚから数ｋＨｚになるので、検出器として誘導コイルを用いると感度が不十分となる。そこで、低周波数帯域において優れた感度を有するＳＱＵＩＤ磁気センサを用いた方法が近年提案されている。検出器に高温超伝導ＳＱＵＩＤを用いれば、冷却に液体窒素を使用できるため、より低コストで取り扱いが容易なシステムとなる。ＭＲＩではＮＭＲ信号を取得する際にＸＹＺそれぞれの方向から勾配磁場を印加して、それぞれの位置固有のＮＭＲ信号を検出し、それをフーリエ変換した後にイメージを再構成するというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２５６３１８号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】福元  翔平  外６名，「ＨＴＳ−ｒｆ−ＳＱＵＩＤを用いた超低磁場ＭＲＩシステムの開発」，社団法人電子情報通信学会，信学技報  ＩＥＩＣＥ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｒｅｐｏｒｔ  ＳＣＥ２０１０−３８，ｐｐ．１３−１６（２０１１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記したような、高温超伝導ＳＱＵＩＤ磁気センサを用いて超低磁場ＮＭＲ信号を検出し、イメージングするＭＲＩ法では、検体からの磁気信号を効率良く検出することが重要になる。ここでは簡略化のため、勾配磁場は印加せず静磁場だけを印加してＮＭＲ信号を取得するシステム構成を用いて説明する。
図４は従来のＮＭＲ信号計測装置の模式図である（上記非特許文献１参照）。
【０００７】
この図において、液体窒素１０１を入れることができる非磁性クライオスタット（低温保持断熱容器）１０２内の底部にＳＱＵＩＤ磁気センサ１０３が設置されている。その外側底部に近いところには分極コイル１０４が設置されており、その中に検体１０５が置かれている。それらから少し離れたところには、均一な静磁場を印加する静磁場コイル１０６が分極コイル１０４と直交するように配置されている。
【０００８】
ＮＭＲ信号を検出する方法としては、あらかじめ静磁場コイル１０６に直流電流を流して１００マイクロテスラ程度の超低磁場を検体１０５に印加した環境を与える。その状態で最初に分極コイル１０４に電流を流して、その内部に設置された検体１０５に数ミリテスラ程度の比較的大きな磁場を印加することで、検体１０５中のプロトン１Ｈの巨視的核磁気モーメントが配向される。その後、電流を止めることで、配向した巨視的磁気モーメントが静磁場の方向に戻っていくという現象が発生し、その際に検体１０５から交流の磁場が放出される。この信号をＳＱＵＩＤ磁気センサ１０３で検出するが、この信号は微弱であるため、高いＳ／Ｎ（信号雑音比）を得るためには、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１０３で検出する際に、検体１０５とＳＱＵＩＤ磁気センサ１０３との間の距離をできるだけ近づけることが重要となる。しかし、現実には、クライオスタット１０２の底板の厚さや分極コイル１０４の厚さなどを小さくするには限界があるために、検体１０５とＳＱＵＩＤ磁気センサ１０３との間の距離を十分に小さくできず、十分なＮＭＲ信号を得ることができないといった問題があった。
【０００９】
本発明は、上記状況に鑑みて、ピックアップコイルとインプットコイル及びそれらに対するＳＱＵＩＤ磁気センサの配置を工夫することにより、ＮＭＲ信号のＳ／Ｎを改善することができる、超低磁場におけるＳＱＵＩＤ検出核磁気共鳴装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕超低磁場におけるＳＱＵＩＤ検出核磁気共鳴装置において、外部に室温空間が形成される非磁性クライオスタットの極低温の内部に配置される、差動型に巻かれた巻き数が同じで巻き方向が逆になった一対のピックアップコイルと、この一対のピックアップコイルに接続されるインプットコイルと、このインプットコイルの近傍に配置されるＳＱＵＩＤ磁気センサと、前記室温空間に配置される、前記一対のピックアップコイルの軸方向長さと略同じ軸方向長さを有する分極コイルと、この分極コイル内で前記一対のピックアップコイルの一方のコイルに対応する位置に配置される検体に対して、超低磁場を印加する静磁場コイルとを具備することを特徴とする。
【００１１】
〔２〕上記〔１〕記載の超低磁場におけるＳＱＵＩＤ検出核磁気共鳴装置において、前記一対のピックアップコイルは超伝導線材からなることを特徴とする。
〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の超低磁場におけるＳＱＵＩＤ検出核磁気共鳴装置において、前記ＳＱＵＩＤ磁気センサを囲むように配置され、分極磁場や外部からの磁気雑音を遮蔽する円筒形状の磁気シールド体を具備することを特徴とする。
【００１２】
〔４〕上記〔３〕記載の超低磁場におけるＳＱＵＩＤ検出核磁気共鳴装置において、前記円筒形状の磁気シールド体が高透磁率材料からなることを特徴とする。
〔５〕上記〔３〕記載の超低磁場におけるＳＱＵＩＤ検出核磁気共鳴装置において、前記円筒形状の磁気シールド体が高温超伝導材料からなることを特徴とする。
〔６〕上記〔１〕又は〔２〕記載の超低磁場におけるＳＱＵＩＤ検出核磁気共鳴装置において、前記インプットコイルが前記ＳＱＵＩＤ磁気センサと一体に薄膜配線により形成されることを特徴とする。
【００１３】
〔７〕上記〔１〕又は〔２〕記載の超低磁場におけるＳＱＵＩＤ検出核磁気共鳴装置において、前記非磁性クライオスタットが直立円筒形状の外観を有し、前記静磁場コイルと前記分極コイルとは互いに直交する位置に配置されることを特徴とする。
〔８〕上記〔１〕又は〔２〕記載の超低磁場におけるＳＱＵＩＤ検出核磁気共鳴装置において、前記非磁性クライオスタットが垂直円筒形部と水平円筒形部からなる逆Ｔ字形状の外観を有し、前記静磁場コイルと前記分極コイルとは互いに同軸上に配置されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
（１）差動型に巻かれたピックアップコイルを用いることで、ＮＭＲ信号のＳ／Ｎが改善される。
（２）超伝導線材で差動型に巻かれたピックアップコイルを用いる場合には、抵抗損失を極限まで小さくすることができ、よりＮＭＲ信号のＳ／Ｎが改善される。
（３）磁気シールドでＳＱＵＩＤ磁気センサを囲むことで、分極磁場や外部からの磁気雑音を有効に遮蔽することができ、ＮＭＲ信号のＳ／Ｎが改善される。
（４）クライオスタットの外部に室温空間を設ける構造とすることで、室温検体の計測が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施例を示す超低磁場におけるＳＱＵＩＤ検出核磁気共鳴装置の模式図である。
【図２】本発明の第１実施例を示す超低磁場におけるＳＱＵＩＤ検出核磁気共鳴装置のインプットコイル及びＳＱＵＩＤ磁気センサを示す模式図である。
【図３】本発明の第２実施例を示す超低磁場におけるＳＱＵＩＤ検出核磁気共鳴装置の模式図である。
【図４】従来のＮＭＲ信号計測装置の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の超低磁場におけるＳＱＵＩＤ検出核磁気共鳴装置は、外部に室温空間が形成される非磁性クライオスタットの極低温の内部に配置される、差動型に巻かれた巻き数が同じで巻き方向が逆になった一対のピックアップコイルと、この一対のピックアップコイルに接続されるインプットコイルと、このインプットコイルの近傍に配置されるＳＱＵＩＤ磁気センサと、前記室温空間に配置される、前記一対のピックアップコイルの軸方向長さと略同じ軸方向長さを有する分極コイルと、この分極コイル内で前記一対のピックアップコイルの一方のコイルに対応する位置に配置される検体に対して、超低磁場を印加する静磁場コイルとを具備する。
【実施例】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施例を示す超低磁場におけるＳＱＵＩＤ検出核磁気共鳴装置の模式図、図２はそのインプットコイル及びＳＱＵＩＤ磁気センサを示す模式図である。
この実施例では、直立円筒型の超低磁場におけるＳＱＵＩＤ検出核磁気共鳴装置について説明する。
【００１８】
これらの図に示すように、室温空間２を有する直立円筒型の非磁性特殊クライオスタット（低温保持断熱容器）１は、例えば、ガラスエポキシ樹脂からなり、この非磁性特殊クライオスタット１の中に、差動型に巻かれた巻き数が同じで巻き方向が逆になった一対のコイル３Ａ，３Ｂからなる差動型ピックアップコイル３と、図２に示すような薄膜配線で形成されるインプットコイル４と、ＳＱＵＩＤ磁気センサ５と、後述するように分極磁場を遮蔽してＳＱＵＩＤ磁気センサ５を強い磁場から保護する円筒形状の磁気シールド体６とが配置されており、これらは、例えば、ガラスエポキシ樹脂からなる容器８内に封入された液体窒素７により冷却するようにしている。また、室温空間２内には差動型ピックアップコイル３と同程度の長さの分極コイル９が設置される。検体１０はその分極コイル９内に設置されるが、分極コイル９の中央ではなく、差動型ピックアップコイル３の片方のコイル３Ｂの巻き線に位置するところに配置する。さらに、均一な静磁場を印加する静磁場コイル１１が分極コイル９と直交する位置に配置されている。なお、この実施例では、静磁場コイル１１と分極コイル９とを直交する位置に配置したが、静磁場コイル１１と分極コイル９を同軸上に配置することもできる。また、差動型ピックアップコイル３と軸方向長さが略等しい寸法の分極コイル９を配置するので、外部からの磁気雑音を小さくするために、ＳＱＵＩＤ磁気センサ５は差動型センサ（グラジオメータ）であることが望ましい。なお、一対のコイル３Ａ，３Ｂからなる差動型ピックアップコイル３は超伝導線材で作製する場合には、抵抗損失を極限まで小さくすることができ、よりＮＭＲ信号のＳ／Ｎが改善される。
【００１９】
本発明では、あらかじめ静磁場コイル１１に直流電流を流しておくことにより、前記非特許文献１に示したような、例えば、水からなる検体１０に１００マイクロテスラ程度の超低磁場を印加した環境を与えておく。その状態で最初に分極コイル９に電流を流して、その内部に設置された検体１０に数ミリテスラ程度の比較的大きな磁場を印加する。分極磁場は検出するＮＭＲ信号に比べて数桁以上大きいので、差動型ピックアップコイル３にこの大きな磁場が加わると、その信号がインプットコイル４を介してＳＱＵＩＤ磁気センサ５に入力され、ＳＱＵＩＤ磁気センサ５が磁束トラップ状態となり性能が劣化する恐れがある。したがって、分極コイル９の長さを差動型ピックアップコイル３と同程度とすることで、分極磁場が差動型に巻かれた一対のコイル３Ａ，３Ｂの両方に入力されるので、分極磁場が相殺され、ＳＱＵＩＤ磁気センサ５が磁束トラップ状態になることを防止することができる。また、円筒形状の磁気シールド体６でＳＱＵＩＤ磁気センサ５を囲むことで、分極磁場や外部からの磁気雑音を遮蔽することができる。この磁気シールド体６としては、パーマロイなどの高透磁率材料を用いることができるが、高温超伝導材料で作製した超伝導円筒体や底付き超伝導チューブを用いると、より効果的に磁気雑音を遮蔽することができる。
【００２０】
また、検体１０に分極コイル９により分極磁場が印加されることで、検体１０中のプロトン１Ｈの巨視的核磁気モーメントが配向される。その後、電流を止めることで、配向した巨視的磁気モーメントが静磁場コイル１１による静磁場の方向に戻っていくという現象が発生し、その際に検体１０から交流の磁場が放出される。検体１０は差動型ピックアップコイル３の片方のコイル３Ｂの位置に配置されているので、信号は相殺されることなく、インプットコイル４を介してＳＱＵＩＤ磁気センサ５に入力される。差動型ピックアップコイル３は超伝導線材で構成する場合には、信号は極めて低い抵抗損失でＳＱＵＩＤ磁気センサ５に伝達されることとなり、Ｓ／Ｎが改善される。
【００２１】
図３は本発明の第２実施例を示す超低磁場におけるＳＱＵＩＤ検出核磁気共鳴装置の模式図である。
この実施例では、垂直円筒型部２１Ａと水平円筒型部２１Ｂからなる外形が逆Ｔ字形状の非磁性特殊クライオスタット（低温保持断熱容器）２１を有する超低磁場におけるＳＱＵＩＤ検出核磁気共鳴装置について説明する。
【００２２】
この図において、室温空間２２を有する、垂直円筒型部２１Ａと水平円筒型部２１Ｂからなる非磁性特殊クライオスタット（低温保持断熱容器）２１は、例えば、ガラスエポキシ樹脂からなり、この非磁性特殊クライオスタット２１の極低温の内部に、差動型に巻かれた巻き数が同じで巻き方向が逆になった一対のコイル２３Ａ，２３Ｂからなる差動型ピックアップコイル２３と、図２に示すような薄膜配線で形成されるインプットコイル２４と、ＳＱＵＩＤ磁気センサ２５と、分極磁場を遮蔽してＳＱＵＩＤ磁気センサ２５を強い磁場から保護する円筒形状の磁気シールド体２６とが配置されており、これらは、例えば、ガラスエポキシ樹脂からなる容器２８に封入された液体窒素２７により冷却するようにしている。また、室温空間２２内には差動型ピックアップコイル２３と同程度の長さの分極コイル２９が設置される。検体３０はその分極コイル２９内に設置されるが、分極コイル２９の中央ではなく、差動型ピックアップコイル２３の片方のコイル２３Ａの巻き線に位置するところに配置する。なお、一対のコイル３Ａ，３Ｂからなる差動型ピックアップコイル３は超伝導線材で作製する場合には、抵抗損失を極限まで小さくすることができ、よりＮＭＲ信号のＳ／Ｎが改善される。
【００２３】
この実施例によれば、図１に示した第１実施例とは異なり、分極コイル２９がＳＱＵＩＤ磁気センサ２５に対して直交しているので、ＳＱＵＩＤ磁気センサ２５が比較的大きい分極磁場にさらされることがなく、磁束トラップなどのＳＱＵＩＤ磁気センサ２５の感度が低下するような現象を回避することができる。なお、ＳＱＵＩＤ磁気センサ２５は、第１実施例と同様に、外部からの磁気雑音を小さくするために、差動型センサ（グラジオメータ）であることが望ましい。
【００２４】
このように構成したので、以下のようにＮＭＲ信号の高感度での検出が可能となる。
（１）超伝導線材で差動型に巻かれたピックアップコイルを用いる場合には、抵抗損失を極限まで小さくすることができ、ＮＭＲ信号のＳ／Ｎが改善される。
（２）磁気シールドでＳＱＵＩＤ磁気センサを囲むことで、分極磁場や外部からの磁気雑音を有効に遮蔽することができ、ＮＭＲ信号のＳ／Ｎが改善される。
（３）クライオスタットに室温空間を設ける構造とすることで、室温検体の計測が可能となる。
【００２５】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明の超低磁場におけるＳＱＵＩＤ検出核磁気共鳴装置は、ＮＭＲ信号のＳ／Ｎを改善することができる、超低磁場におけるＳＱＵＩＤ検出核磁気共鳴装置として利用可能である。
【符号の説明】
【００２７】
１，２１    非磁性特殊クライオスタット（低温保持断熱容器）
２，２２    室温空間
３，２３    差動型ピックアップコイル
３Ａ，３Ｂ，２３Ａ，２３Ｂ    コイル
４，２４    インプットコイル
５，２５    ＳＱＵＩＤ磁気センサ
６，２６    円筒形状の磁気シールド体
７，２７    液体窒素
８，２８    容器
９，２９    分極コイル
１０，３０    検体
１１，３１    静磁場コイル
２１Ａ    垂直円筒型部
２１Ｂ    水平円筒型部
【図１】
2012211813.tif 000003
【図２】
2012211813.tif 000004
【図３】
2012211813.tif 000005
【図４】
2012211813.tif 000006