(57)【要約】【課題】目的となるスピン種の信号を精度よく選別できる磁気共鳴装置を提供する。【解決手段】磁気共鳴装置１００は、試料１０１に勾配磁場を与える勾配磁場発生手段１０４と、試料１０１のスピンの位相を変化させるための変動磁場を与える変動磁場発生手段１０３と、スピンを制御するためのパルスシーケンスを与える高周波磁場発生手段１０２と、試料１０１の磁気共鳴信号を受信する受信手段１０２と、を含み、変動磁場発生手段１０３は、第１高周波磁場パルス照射後、第２高周波磁場パルス照射前の間、および、第２高周波磁場パルス照射後、第３高周波磁場パルス照射前の間に、試料１０１に変動磁場を与え、受信手段１０２は、第３高周波磁場パルス照射後に、試料１０１の磁気共鳴信号を受信する。【選択図】図１
2012103172.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に勾配磁場を与える勾配磁場発生手段と、
前記試料のスピンの位相を変化させるための変動磁場を与える変動磁場発生手段と、
前記スピンを制御するためのパルスシーケンスを与える高周波磁場発生手段と、
前記試料の磁気共鳴信号を受信する受信手段と、
を含み、
前記試料に印加される前記変動磁場の方向は、前記勾配磁場の方向と同じであり、
前記パルスシーケンスは、
前記スピンを９０°回転させる第１高周波磁場パルスと、
前記第１高周波磁場パルスの照射後に照射され、前記スピンを１８０°回転させる第２高周波磁場パルスと、
前記第２高周波磁場パルスの照射後に照射され、前記スピンを９０°回転させる第３高周波磁場パルスと、
を有し、
前記変動磁場発生手段は、前記第１高周波磁場パルス照射後、前記第２高周波磁場パルス照射前の間、および、前記第２高周波磁場パルス照射後、前記第３高周波磁場パルス照射前の間に、前記試料に前記変動磁場を与え、
前記受信手段は、前記第３高周波磁場パルス照射後に、前記試料の磁気共鳴信号を受信する、磁気共鳴装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記高周波磁場発生手段は、前記試料に前記パルスシーケンスを複数回与える、磁気共鳴装置。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記勾配磁場発生手段および前記受信手段は、磁性探針を有するカンチレバーである、磁気共鳴装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項において、
前記勾配磁場発生手段は、磁石であり、
前記受信手段は、前記試料の磁気共鳴信号にチューニングされたコイルである、磁気共鳴装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気共鳴装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気共鳴装置として、例えば、磁気共鳴法を用いた画像処理装置（MRI：Magnetic Resonance Imaging）や磁気共鳴力顕微鏡（MRFM：Magnetic Resonance Force Microscopy）が知られている。
【０００３】
MRIは、検体に静磁場を与え、検体内部にある水素原子核などのスピンが静磁場に共鳴して微弱な電波を発生し、その電波を受信して画像処理を行い、スピンの空間分布を画像として作成する。
【０００４】
MRFMは、MRIと試料表面の原子像を観測できる原子間力顕微鏡（AFM：Atomic Force Microscopy）の技術を融合させた、原子レベルの空間分解能が期待されるMRI装置である。その利用目的は、単一の遺伝子・蛋白質・生体分子ほか、極微小試料に対しその立体構造を画像化し解析する事を主とした定量分析である。以下、ＭＲＦＭについて、詳細に説明する。
【０００５】
図７は、従来のMRFMの一例を示す機能ブロック図である。MRFM１０は、試料１が載ったステージ２を走査して、各位置でカンチレバー３に掛かる磁気共鳴力のデータを収集する。そして、磁気共鳴力マップを取得し、適切な画像処理を施して、試料１のスピン密度分布の情報を画像化する。
【０００６】
カンチレバー３の先端に載った磁石は、試料１に磁場ならびに磁場勾配を作る。この磁場を、高周波磁場発生器４が作る高周波磁場と区別するため、静磁場と呼ぶことにする。静磁場は、試料に含まれるスピンを磁化する。そして、その磁化とカンチレバーに付いた磁性探針との間で磁気力が発生する。その力は、カンチレバー３に作用する。
【０００７】
さらに、磁気共鳴原理に基づき、発生した力に対して、力の強度を変調させる。高周波発振器６で生成された高周波信号は、電力送信部５に依って増幅され、高周波磁場発生器４に送信される。
【０００８】
高周波磁場発生器４は、入力された高周波電気信号を高周波磁場に変換して試料１に照射する。ここで、高周波発振器６のキャリア周波数を、試料１の局所部分にできた静磁場に対して磁気共鳴条件を満たすように設定しておく。このとき、磁気共鳴条件が満たされた局所部分のスピン磁化は、飽和し減少する。さらに、キャリア周波数を、高周波周波数変調用信号発振器７に依って変調させる。キャリア周波数が変動すると、磁気共鳴条件を満たしていた局所部分のスピン磁化は、飽和−非飽和の間を行き来して変調される。そして試料１とカンチレバーについた磁性探針との磁気力が定常的に変調される。その磁気力の変調量は、磁気共鳴力と呼ばれている。磁気共鳴力をＦＺとする。
【０００９】
高周波周波数変調用信号発振器７の周波数をカンチレバー３の機械的共振角周波数ω０に一致させると、カンチレバー３は振幅Ａ＝ＦＺＱ／ｋで共振する。ここで、Ｑはカンチレバー３の共振Ｑ値、kはカンチレバー３のバネ定数である。カンチレバー３が共振する振る舞いは、カンチレバー変位検出器８で検出される。検出された信号は、変調源である正弦波を参照信号としたロックイン増幅器９で検波され、カンチレバー３の振幅値Ａが取得される。この読み取られたＡから、ＦＺ＝Ａｋ／Ｑとして磁気共鳴力に換算される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】"Paramagnetic and ferromagnetic resonance imaging with a tip-on-cantilever magnetic resonance force microscope", K.Wago, D.Botkin, C.S.Yannoni and D.Rugar, Appl. Phys. Lett. 72(1998)2757-2759
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
MRIやMRFMでは、出力される画像の空間分解能を向上させるために、試料に高い磁場勾配を発生させる。磁場勾配が高くなれば、試料に照射されている一様な高周波磁場高周波周波数：ωに対して、共鳴する静磁場Ｂ＝ω／γが存在している領域を細かく分解できるからである。ここで、γは磁気回転比であり、スピン種に固有の定数である。
【００１２】
試料に、ａとｂの二種類のスピンが含まれ、それぞれのγの差が小さいものとする。この場合に、磁場勾配が高くなると、スピン種の信号を分離することは難しい。ａは、Ｂｒａ＝ω／γａを満たす位置ｒａで磁気共鳴を起こす。ｂは、Ｂ（ｒｂ）＝ω／γｂを満たす位置ｒｂで磁気共鳴を起こす。磁場勾配が高ければ、位置ｒａと位置ｒｂとは接近し、観察範囲に含まれる場合がある。このとき、得られた像はどちらのスピン種を表しているのか帰属できない。また、像の帰属が不十分であるが故に、得られた信号から位置情報を得る際に、共鳴条件としてＢｒａ＝ω／γａを使うべきなのか、Ｂ（ｒｂ）＝ω／γｂを使うべきなのかが決定できない。したがって、画像処理においてスピンが存在する位置を正しく導くことができない。
【００１３】
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様によれば、目的となるスピン種の信号を精度よく選別できる磁気共鳴装置を提供することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
（１）本発明に係る磁気共鳴装置は、
試料に勾配磁場を与える勾配磁場発生手段と、
前記試料のスピンの位相を変化させるための変動磁場を与える変動磁場発生手段と、
前記スピンを制御するためのパルスシーケンスを与える高周波磁場発生手段と、
前記試料の磁気共鳴信号を受信する受信手段と、
を含み、
前記試料に印加される前記変動磁場の方向は、前記勾配磁場の方向と同じであり、
前記パルスシーケンスは、
前記スピンを９０°回転させる第１高周波磁場パルスと、
前記第１高周波磁場パルスの照射後に照射され、前記スピンを１８０°回転させる第２高周波磁場パルスと、
前記第２高周波磁場パルスの照射後に照射され、前記スピンを９０°回転させる第３高周波磁場パルスと、
を有し、
前記変動磁場発生手段は、前記第１高周波磁場パルス照射後、前記第２高周波磁場パルス照射前の間、および、前記第２高周波磁場パルス照射後、前記第３高周波磁場パルス照射前の間に、前記試料に前記変動磁場を与え、
前記受信手段は、前記第３高周波磁場パルス照射後に、前記試料の磁気共鳴信号を受信する。
【００１５】
このような磁気共鳴装置によれば、対象とするスピン種を平衡状態にし、対象としないスピン種を平衡状態とは異なる状態に設定することができる。これにより、目的となるスピン種からの磁気共鳴信号を強調することができる。したがって、目的となるスピン種の磁気共鳴信号を精度よく選別できる。
【００１６】
（２）本発明に係る磁気共鳴装置において、
前記高周波磁場発生手段は、前記試料に前記パルスシーケンスを複数回与えてもよい。
【００１７】
このような磁気共鳴装置によれば、対象とするスピン種の位相をコヒーレントに、対象としないスピン種の位相をインコヒーレントに選択的に変化させることが可能である。これにより、目的となるスピン種からの磁気共鳴信号を強調することができる。したがって、目的となるスピン種の磁気共鳴信号を精度よく選別できる。
【００１８】
（３）本発明に係る磁気共鳴装置において、
前記勾配磁場発生手段および前記受信手段は、磁性探針を有するカンチレバーであってもよい。
【００１９】
このような磁気共鳴装置によれば、磁気共鳴力顕微鏡として機能することができる。
【００２０】
（４）本発明に係る磁気共鳴装置において、
前記勾配磁場発生手段は、磁石であり、
前記受信手段は、前記試料の磁気共鳴信号にチューニングされたコイルであってもよい。
【００２１】
このような磁気共鳴装置によれば、磁気共鳴法を用いた画像処理装置として機能することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１実施形態に係る磁気共鳴装置を模式的に示す図。
【図２】第１実施形態に係る磁気共鳴装置において、試料に照射される高周波磁場のタイムチャート。
【図３】第１実施形態に係る試料のスピンの状態を示す図。
【図４】第２実施形態に係る磁気共鳴装置において、試料に照射される高周波磁場のタイムチャート。
【図５】第２実施形態に係る試料のスピンの状態を示す図。
【図６】第３実施形態に係る磁気共鳴装置を模式的に示す図。
【図７】従来の磁気共鳴力顕微鏡装置の一例を示す機能ブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【００２４】
１．  第１実施形態
１．１．  第１実施形態に係る磁気共鳴装置の構成
まず、第１本実施形態に係る磁気共鳴装置の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る磁気共鳴装置１００を説明するための模式図である。なお、ここでは、本実施形態に係る磁気共鳴装置１００が磁気共鳴力顕微鏡である場合について説明する。
【００２５】
磁気共鳴装置１００は、図１に示すように、高周波磁場発生器１０２と、変調磁場発生器１０３と、磁性探針を有するカンチレバー１０４と、を含む。
【００２６】
試料１０１は、例えば、遺伝子、蛋白質、生体分子等の生物試料や、磁性体等である。磁気共鳴装置１００は、図示はしないが、ステージを有し、試料１０１はステージ上に置かれてもよい。磁気共鳴装置１００は、このステージを走査して、各位置でカンチレバー１０４に係る磁気共鳴力のデータを収集し、磁気共鳴力マップを取得する。この磁気共鳴力マップに適切な画像処理を施して、試料１０１のスピン密度分布の情報を画像化する。
【００２７】
高周波磁場発生器１０２（高周波磁場発生手段の一例）は、試料１０１に磁気共鳴を励起するための高周波磁場を与えることができる。高周波磁場発生器１０２は、この高周波磁場のパルス系列、すなわちパルスシーケンスを試料１０１に与えることで、試料１０１のスピンを制御することができる。高周波磁場発生器１０２は、例えば、ＲＦコイルである。
【００２８】
変調磁場発生器１０３（変動磁場発生手段の一例）は、試料１０１に時間に対して変動する静磁場（変動磁場）を試料１０１に作り出すことができる。なお、時間に対して変動する「静磁場」とは、高周波磁場発生器１０２が発生する高周波磁場と比べて変動周期が長いため、便宜上、当該高周波磁場に対して静磁場と呼ぶのであって、時間的に変化しない定常磁場をいうものではない。変調磁場発生器１０３は、例えば、時間で変動しない一様な大きな静磁場を発生する磁石と、時間変動する静磁場を発生させるコイルと、を有する。
【００２９】
カンチレバー１０４（勾配磁場発生手段の一例かつ受信手段の一例）は、磁性探針を有する。カンチレバー１０４は、この磁性探針と試料１０１中のスピンとの間に発生する磁気力を、カンチレバー１０４のたわみとして力学的に検出することができる。すなわち、カンチレバー１０４は、試料１０１の磁気共鳴信号を受信する受信手段として機能する。カンチレバー１０４のたわみは、例えば、光ファイバー干渉計（図示しない）で検出される。また、さらに、磁性探針を有するカンチレバー１０４は、試料１０１に勾配磁場を作る機能を有する。すなわち、カンチレバー１０４は、試料１０１に勾配磁場を与える勾配磁場発生手段としても機能する。
【００３０】
１．２．  第１実施形態に係る磁気共鳴装置の動作
次に、磁気共鳴装置１００の動作について説明する。磁気共鳴装置１００では、スピン種の違いを区別あるいは強調する手続きとして、Phase modulated pulse技術を応用した分離法を用いている。Phase modulated pulse技術は、構成に静磁場を変調する要素を加え、静磁場を回転軸として歳差運動しているスピンの位相を変化させる技術である。具体的には、時間τの間に静磁場をＢ０からＢ０＋δＢだけ変化させると、角振動数γＢ０で回転しているスピンの位相がγδＢτだけシフトする。Phase modulated pulse技術は、例えば、文献（C. P. Slichter, Principles of Magnetic Resonance,(Springer, Heidelberg, 1996)）に記載されている。
【００３１】
ここで、δＢの磁場変動を時間τだけ行った際に発生する位相シフトγδＢτは、外部パラメーター以外に、スピン固有の定数γのみにしか依存していない。したがって、Phase modulated pulse技術を用いることにより、２つのスピン種の位相シフトをそれぞれに独立に設定可能である。例えば、スピン磁化を検出する位相をゼロとして、スピンａの位相シフトをゼロに、スピンｂの位相シフトをπ／２に調整することができる。この調整によって、選択的にスピンａに限った信号を検出することができる。
【００３２】
試料１０１は、図１に示すように、領域Ａに位置するスピンａと領域Ｂに位置するスピンｂを有している。スピンａは、領域Ａにω／γａの静磁場が発生していると磁気共鳴を起こす。スピンｂは、領域Ｂにω／γｂの静磁場が発生していると磁気共鳴を起こす。ここで、例えば、スピンａの磁気回転比γａとスピンｂの磁気回転比γｂとが近い値を持つ場合、変調磁場発生器１０３が発生する時間に依存しない磁場分布は、スピンａとスピンｂ両方を磁気共鳴状態に励起する。このような場合には、磁気共鳴信号のみからスピンａからの信号とスピンｂからの信号とを区別することはできない。そこで、磁気共鳴装置１００では、Phase modulated pulse技術を用いた前置工程を設けて、スピンａからの信号を、スピンｂからの信号に比べて強調させることができる。以下、詳細に説明する。
【００３３】
図２は、第１実施形態において、試料１０１に照射される高周波磁場ＲＦのタイムチャートおよび変調磁場発生器１０３が試料１０１に作る変調磁場（変動磁場）ＨＭのタイムチャートである。
【００３４】
高周波磁場発生器１０２は、図２に示すように、試料１０１に対して、ｔ０〜ｔ１の間にπ／２パルスを照射し、ｔ２〜ｔ３の間にπパルスを照射し、ｔ４〜ｔ５の間にπ／２パルスを照射する。ここで、π／２パルスとは、スピンａの方向を９０°回転させるのに等しい高周波磁場をいう。π／２パルスの幅は、（π／２）／（γａＢ１）（但しＢ１は高周波磁場強度）である。また、πパルスとは、スピンａの方向を１８０°回転させるのに等しい高周波磁場をいう。πパルスの幅は、π／（γａＢ１）である。γａとγｂとが近い値を持つため、スピンａに調整されたπ／２パルスやπパルスは、スピンｂに対しても同様の働きをする。なお、パルス間隔（ｔ１〜ｔ２間、ｔ３〜ｔ４間）τは、例えば、Ｔ２（試料１０１のスピンの横緩和時間）によって決まる。
【００３５】
変調磁場発生器１０３が試料１０１に作る変調磁場ＨＭは、図２に示すように、時刻ｔ０以前および時刻ｔ５以降では、スピンａとスピンｂとが磁気共鳴を起こす磁場分布になり、時間変動する静磁場はゼロである。ｔ０からｔ５の間は、時間変動する静磁場が加わる。変動する静磁場の関数は、ｔ＝ｔ０，ｔ２，ｔ５でゼロであり、周期２τを持つ正弦波である。
【００３６】
図３は、試料１０１中のスピンａ，ｂの状態を示す図である。なお、図３（ａ）は、試料１０１中のスピンａの状態を示す図であり、図３（ｂ）は、試料１０１中のスピンｂの状態を示す図である。また、図３において、座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、Ｚ軸を回転軸としてＺ軸の正の方向に右回りに角速度ωで回転している回転座標系である。なお、試料１０１に印加される変調磁場ＨＭの方向は、勾配磁場の方向と同じであり、ここでは、Ｚ軸に沿う方向である。また、高周波磁場の方向は、＋Ｙ軸に沿う方向である。また、図３では、スピンａ，ｂを、原点を基点としたベクトルで示している。
【００３７】
時刻ｔ０では、スピンａおよびスピンｂともに熱平衡状態にあり、静磁場に磁化されてスピンはＺ方向に沿っている。
【００３８】
時刻ｔ０からｔ１にかけて、スピンａには、π／２パルスが照射され、時刻ｔ１においてスピンａは−Ｘ方向を向く。スピンｂにも、近似的にπ／２パルスが照射され、ｔ１においてスピンｂは−Ｘ方向を向く。
【００３９】
時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけて、スピンａおよびスピンｂは、２つの運動（第１の運動、第２の運動）を行う。
【００４０】
まず、スピンａの第１の運動について説明する。スピンａに存在している静磁場は、磁場の不均一性により、分布を有している。仮に、Ｂ０−ΔからＢ０＋Δの範囲で静磁場が分布しているとする。ただし、Ｂ０＝ω／γａである。スピンａにおいて、Ｂ０の静磁場を感じているスピンは停止している。スピンａにおいて、Ｂ０＋Δの静磁場を感じているスピンは、ＸＹ平面内を角振動数＋γａΔで回転し、ｔ１からｔ２の間にγａΔτの位相シフトが発生する。スピンａにおいて、Ｂ０−Δの静磁場を感じているスピンは、ＸＹ平面内を角振動数−γａΔで回転し、ｔ１からｔ２の間に−γａΔτの位相シフトが発生する。したがって、スピンａは、図３（ａ）に示すように、時刻ｔ２において、ＸＹ平面内に広がりを持つ。
【００４１】
次に、スピンａの第２の運動について説明する。スピンａにおいて、ｔ１からｔ２の時間間隔で発生している静磁場の時間変動δＢ（ｔ）によって位相シフトθａ１−２が発生する。位相シフトθａ１−２は、下記式（１）で表される。
【００４２】
【数１】
2012103172.tif 000003
【００４３】
スピンｂについても同様に、第１の運動で、−γｂΔτからγｂΔτまで分布した位相シフトが発生し、第２の運動で、位相シフトθｂ１−２が発生する。位相シフトθｂ１−２は、下記式（２）で表される。
【００４４】
【数２】
2012103172.tif 000004
【００４５】
ｔ２からｔ３にかけて、スピンａには、πパルスが照射され、時刻ｔ２におけるスピン分布からＹ軸を中心に１８０°回転した分布に変換される。スピンｂにも近似的にπパルスが照射され、時刻ｔ２におけるスピン分布からＹ軸を中心に１８０°回転した分布に変換される。
【００４６】
ｔ３からｔ４にかけて、静磁場を時間変化させる。静磁場の時間関数は、ｔ１からｔ２の静磁場変化関数に対して、ｔ２を中心に反対称なものである。ｔ１からｔ２の時間域と同様に、この時間域では、スピンａ，ｂは、２つの運動を行う（第３の運動、第４の運動）。
【００４７】
スピンａの第３の運動について説明する。スピンａにおいて、分布した静磁場によってＢ０＋Δの静磁場を感じているスピンは、ＸＹ平面内を角振動数−γａΔで回転する。スピンａにおいて、分布した静磁場によってＢ０−Δの静磁場を感じているスピンは、ＸＹ平面内を角振動数＋γａΔで回転する。ｔ１からｔ２の運動でシフトした位相を考慮すると、この第１の運動および第３の運動による位相シフトは、静磁場分布に無関係にπとなる。
【００４８】
スピンａの第４の運動について説明する。スピンａにおいて、ｔ３からｔ４の時間間隔で発生している静磁場の時間変動δＢ（ｔ）によって位相シフトθａ３−４が発生する。位相シフトθａ３−４は、下記式（３）で表される。
【００４９】
【数３】
2012103172.tif 000005
【００５０】
スピンｂについても同様に、第３の運動で、−γｂΔτからγｂΔτまで分布した位相シフトが発生し、第４の運動で、位相シフトθｂ３−４が発生する。位相シフトθｂ３−４は、下記式（４）で表される。
【００５１】
【数４】
2012103172.tif 000006
【００５２】
結果としてｔ４において、スピンａの位相シフトはπ−θａ１−２＋θａ３−４になり、スピンｂの位相シフトは、π−θｂ１−２＋θｂ３−４になる。
【００５３】
ここで、下記式（５）（６）を満たすように、δＢ（ｔ）の時間波形や、時間間隔τ（＝ｔ３−ｔ２＝ｔ４−ｔ３）を調整する。
【００５４】
【数５】
2012103172.tif 000007
【００５５】
但し、ｎａ、ｎｂは、整数である。
【００５６】
この条件が満たされれば、ｔ４において、スピンａは＋Ｘ軸または−Ｘ軸のいずれかに集束し、スピンｂは、＋Ｙ軸または−Ｙ軸のいずれかに集束する。図示の例では、スピンａは、＋Ｘ軸に集束し、スピンｂは、−Ｙ軸に集束している。
【００５７】
例えば、δＢ（ｔ）として正弦波δＢ（ｔ）＝δＢｓｉｎ（πｔ／τ）を選ぶ。このとき、ｔ４における位相シフトは下記式で表される。
【００５８】
【数６】
2012103172.tif 000008
【００５９】
よって、式（５）および式（６）の条件は、ｎａ＝−１、ｎｂ＝−１として、下記式で表される。
【００６０】
【数７】
2012103172.tif 000009
【００６１】
ｔ４からｔ５にかけて、スピンａではπ／２パルスが照射される。ｔ４においてスピンａがＸ軸に集束していた場合に、π／２パルスをＹ軸に与えると、ｔ５においてＺ方向を向く。なお、ｔ４においてスピンａが−Ｘ軸に集束していた場合には、π／２パルスを−Ｙ軸に与えると、ｔ５においてＺ方向を向く。スピンｂでは近似的にπ／２パルスが照射される。ｔ４において−Ｙ軸あるいは＋Ｙ軸に集束していたスピンｂは、Ｙ軸の周りのπ／２回転では変化せず、ｔ５においてスピンは維持される。この時点で、スピンａとスピンｂとは明瞭に区別がつき、スピンａは平衡状態に戻り、スピンｂは、スピン磁化のＺ方向成分がゼロになる。これにより、スピンａとスピンｂとの差異を、カンチレバー１０４で検出されるか、否かといった明確な違いとして反映させることができる。
【００６２】
このようにして、前置工程を行った後に、例えば、スピン磁化測定として一般的なフリーインダクション信号検出法を適用すると、測定開始時のスピン磁化<ＩＺ>の大きさを読み取ることができる。このように磁気共鳴装置１００では、前置工程でスピンａを熱平衡状態に、スピンｂをスピン飽和状態に仕込んでおくことができるため、スピン磁化測定では、スピンａのみを検出することができる。
【００６３】
磁気共鳴装置１００は、例えば、以下の特徴を有する。
【００６４】
磁気共鳴装置１００では、上述のように、対象とするスピン種を平衡状態にし、対象としないスピン種を平衡状態とは異なる状態に設定することができる。これにより、目的となるスピン種からの磁気共鳴信号を強調することができる。したがって、目的となるスピン種の磁気共鳴信号を精度よく選別できる。
【００６５】
なお、ここでは、スピンａを熱平衡状態とし、スピンｂをスピン飽和状態とする条件として、式（５）、（６）に含まれるｎａおよびｎｂを整数に選んだ。しかしながら、ｎａおよびｎｂは、厳密に整数である必要はなく、近い数値であれば、スピンａとスピンｂとの差異を、ｔ５における磁化のＺ成分の差として反映させることができる。
【００６６】
また、ここでは、磁気回転比γが異なるスピン種（スピンａおよびスピンｂ）を選別する場合について説明したが、同種のスピンであってもケミカルシフトが異なるスピンであれば同様の方法で選別が可能である。
【００６７】
２．第２実施形態
次に、第２実施形態に係る磁気共鳴装置の動作について説明する。なお、第２実施形態に係る磁気共鳴装置の構成は、上述した第１実施形態に係る磁気共鳴装置と同様であり、その説明を省略する。
【００６８】
図４は、第２実施形態において、試料１０１に照射される高周波磁場ＲＦのタイムチャート、および変調磁場発生器１０３が試料１０１に作る変調磁場（変動磁場）ＨＭのタイムチャートである。
【００６９】
図５は、試料１０１中のスピンａ，ｂの状態を示す図である。なお、図６（ａ）は、試料１０１中のスピンａの状態を示す図であり、図６（ｂ）は、試料１０１中のスピンｂの状態を示す図である。また、図６において、座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、Ｚ軸を回転軸としてＺ軸の正の方向に右回りに角速度ωで回転している回転座標系である。なお、試料１０１に印加される変調磁場ＨＭの方向は、勾配磁場の方向と同じであり、ここでは、Ｚ軸に沿う方向である。また、図６では、スピンａ，ｂを、原点を基点としたベクトルで示している。
【００７０】
上述した第１実施形態では、変動する静磁場を使って磁気回転比に比例する歳差運動の回転位相を調整し、目的のスピン種のみをＺ方向に設定し、それ以外のスピン種をＺ方向から傾ける手順を説明した。第１実施形態では、スピン種の違いを磁気共鳴信号に反映できる程度に、位相シフトθａ１−２，θａ３−４，θｂ１−２，θｂ３−４が得られていた。これに対して、第２実施形態では、例えば、τの制約やδＢの強度の上限が制限されることにより、スピン種の違いによる位相シフトの差が大きくできない場合に、集団スピンのコヒーレント性を目的のスピン種では高く目的外のスピン種では低く操作して、スピン種を差別化することができる。以下、詳細に説明する。
【００７１】
ｔ０からｔ５までは、上述した第１実施形態（図３、図４参照）と同様である。ただし、スピンａの位相シフトθａ１−２，θａ３−４、およびスピンｂの位相シフトθｂ１−２，θｂ３−４は、第１実施形態と比べて小さい。また、式（６）は満たされていないので、ｔ５において、スピンｂは、Ｚ軸から傾き、かつＸＹ平面内にない方向に集束している。
【００７２】
ｔ５からｔ７まで、高周波磁場も与えず、変調磁場も与えないで放置する。スピンａは、ｔ５において、Ｚ軸に集束し、平衡状態にあるため、時間を経過しても平衡状態は変わらない。
【００７３】
しかしながら、スピンｂは、ｔ５、ｔ６，ｔ７と時間が経過するにしたがい、静磁場分布に因って回転座標系に静止せずに拡散を開始する。図５では緩和過程を考慮していないが、実際には拡散したスピンには相互に横緩和過程が働きコヒーレント性が失われ集団スピンの磁化総和は減衰していく。ｔ５〜ｔ７の時間間隔は、例えば、スピンｂの横緩和時間Ｔ２の５〜１０倍である。
【００７４】
ｔ７の後に、ｔ０に戻って、再度前置工程（ｔ０〜ｔ７）を行う。再びｔ７を迎えると、スピンａは平衡状態、スピンｂは一回目にくらべてさらにコヒーレント性が失われ磁化総和は減衰する。したがって、この前置工程を繰り返すことにより、スピンａは平衡状態を維持した状態で終了できるが、スピンｂはコヒーレント性を失いスピン磁化の総和ゼロの飽和状態にできる。
【００７５】
このことは、飽和パルスについて、一つのπ／２パルスだけではなく、いくつかのπ／２パルスをくし状に並べて構成することと類似している。一つのπ／２パルスだけでは、磁気共鳴スペクトルにおいてγＢ１なる限られた幅しか飽和させることができない。ここで、Ｂ１は高周波磁場発生器が発生する高周波磁場の強度である。有限な時間間隔を隔てた数本のπ／２パルス列を利用すると、飽和状態に励起できるスペクトルの範囲が広がり、さらに歳差運動のコヒーレント性も低下させることができる。
【００７６】
第１実施形態では、横緩和過程に因るτの制約や実施可能なδＢの上限を理由として、位相シフトの調整が自由にできない場合も想定される。第２実施形態では、上述したように、前置工程（Phase modulated pulse）を何度か繰り返すことで、スピンａの位相をコヒーレントに、スピンｂの位相をインコヒーレントに選択的に変化させることが可能である。したがって、第２実施形態によれば、第１実施形態と同様に、目的となるスピン種の磁気共鳴信号を精度よく選別できる。
【００７７】
なお、上述の例では、変調磁場ＨＭが、図４に示すように、時刻ｔ０以前の時間（ｔ＜ｔ０）、時刻ｔ２（ｔ２〜ｔ３間）、時刻ｔ４以降の時間（ｔ＞ｔ４）において、スピンａとスピンｂとが磁気共鳴を起こす磁場分布になり、時間変動する静磁場はゼロである。また、ｔ１〜ｔ４間において、δＢｓｉｎ（πｔ／τ）である。変調磁場ＨＭはこれに限定されず、変調磁場ＨＭは、時刻ｔ０以前の時間（ｔ＜ｔ０）、時刻ｔ２（ｔ２〜ｔ３間）、時刻ｔ４以降の時間（ｔ＞ｔ４）において、スピンａとスピンｂとが磁気共鳴を起こす磁場分布（時間変動する静磁場はゼロ）になっていればその波形は特に限定されない。
【００７８】
３．第３実施形態
次に、第３実施形態に係る磁気共鳴装置について説明する。図６は、本実施形態に係る磁気共鳴装置２００を模式的に示す図である。
【００７９】
第１実施形態に係る磁気共鳴装置１００は、磁気共鳴力顕微鏡であった。第３実施形態に係る磁気共鳴装置２００は、磁気共鳴法を用いた画像処理装置（ＭＲＩ）である。
【００８０】
磁気共鳴装置２００は、図６に示すように、高周波磁場発生器２０２と、変調磁場発生器２０３と、を含む。
【００８１】
磁気共鳴装置２００の高周波磁場発生器２０２は、試料１０１に磁気共鳴を励起するための高周波磁場を与えることができる。高周波磁場発生器２０２は、この高周波磁場のパルス系列、すなわちパルスシーケンスを試料１０１に与えることで、試料１０１のスピンを制御することができる。すなわち、高周波磁場発生器２０２は、高周波磁場発生手段として機能することができる。さらに、高周波磁場発生器２０２は、試料１０１の磁気共鳴信号を電気的に受信してもよい。すなわち、高周波磁場発生器２０２は、受信手段として機能してもよい。高周波磁場発生器２０２は、例えば、試料１０１の磁気共鳴信号にチューニングされたＲＦコイルである。高周波磁場発生器２０２は、磁気共鳴装置１００の高周波磁場発生器１０２に対応する。
【００８２】
磁気共鳴装置２００の変調磁場発生器２０３は、例えば、試料１０１に磁場勾配を持ち、かつ時間に対して変動する静磁場を試料１０１に作る。すなわち、変調磁場発生器２０３は、変動磁場発生手段および勾配磁場発生手段として機能することができる。変調磁場発生器２０３は、例えば、時間で変動しない静磁場を発生する磁石と、時間で変動しない磁場勾配を持った静磁場を発生する磁石と、時間変動する静磁場を発生させるコイルと、を有する。変調磁場発生器２０２は、磁気共鳴装置１００の変調磁場発生器１０３およびカンチレバー１０４に対応する。
【００８３】
磁気共鳴装置２００の動作は、上述した磁気共鳴装置１００の動作と同様である。したがって、磁気共鳴装置２００では、磁気共鳴装置１００と同様の作用効果を奏することができる。
【００８４】
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【符号の説明】
【００８５】
１  試料、２  ステージ、３  カンチレバー、４  高周波磁場発生器、
５  電力送信器、６  高周波発振器、７  高周波周波数変調用信号発振器、
８  カンチレバー変位検出器、９  ロックイン増幅器、１０  磁気共鳴力顕微鏡、
１００  磁気共鳴装置、１０１  試料、１０２  高周波磁場発生器、
１０３  変調磁場発生器、１０４  カンチレバー、２００  磁気共鳴装置、
２０２  高周波磁場発生器、２０３  変調磁場発生器
【図１】
2012103172.tif 000010
【図２】
2012103172.tif 000011
【図３】
2012103172.tif 000012
【図４】
2012103172.tif 000013
【図５】
2012103172.tif 000014
【図６】
2012103172.tif 000015
【図７】
2012103172.tif 000016