(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高振幅変調器を用い、傾斜磁場コイル、傾斜増幅器、および冷却システムを不要とする電子常磁性共鳴撮像装置であって、
マイクロ波領域の電磁放射線源（１３）、減衰および移相要素で構成されるマイクロ波ブリッジを有し、電磁放射線源（１３）の出力は、サーキュレータまたはハイブリッドまたはマジックＴ（１４）の一方のアームに接続され、サーキュレータまたはハイブリッドまたはマジックＴ（１４）のもう一つのアームは、アイリス結合を介して共鳴器（１５）に結合され、第三のアームは、マイクロ波検出器（１７）に接続され、マイクロ波検出器または検波器（１７）の出力は、位相検波器（１８）の一方の入力に接続され、位相検波器（１８）の第二の入力には少なくとも２０００マイクロテスラの大きな振幅の磁界変調を発生可能な高振幅変調器（１６）の一方の出力が接続され、変調器（１６）の第二の出力は、大きな振幅の磁界変調の発生に適応するとともに、共鳴器（１５）に連関された変調コイル（２２）に接続され、位相検波器（１８）の出力は、アナログ−ディジタル変換器（１９）に接続されており、アナログ−ディジタル変換器（１９）の出力は、コンピュータ（２０）に接続され、共鳴器（１５）は、磁石（２１）のＮ極とＳ極間の磁界の中心に配置され、サンプルは前記共鳴器内部に配置されて、前記共鳴器に対する角度が調整されるようにコンピュータ制御されたゴニオメータに連結されることを特徴とする電子常磁性共鳴撮像装置。
【請求項２】
使用される電磁放射線源は、クライストロン、ガンダイオード発振器、インパットダイオード（IMPATT）であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記マイクロ波検出器は、ダイオード検波器（１７）である請求項１に記載の装置。
【請求項４】
磁界変調は、２０００−７８００マイクロテスラの範囲の高振幅で行われる請求項１に記載の装置。
【請求項５】
使用される共鳴器は、螺旋状遅波構造共鳴器、誘電体共振器、円筒共鳴器、矩形共鳴器、スロット式共鳴器で成る群より選択される請求項１に記載の装置。
【請求項６】
サンプルの再配向は、磁界に対するサンプルの極または方位角を変化させる請求項１に記載の装置。
【請求項７】
電子常磁性共鳴撮像装置は、傾斜磁場コイルなしで構成される請求項１に記載の装置。
【請求項８】
電子常磁性共鳴撮像装置は、傾斜増幅器なしで構成される請求項１に記載の装置。
【請求項９】
電子常磁性共鳴撮像装置は、傾斜磁場コイルに連関された冷却システムなしに構成される請求項１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高振幅変調器を用いた電子常磁性共鳴撮像装置に関するもので、特に、フリーラジカル、ある種の遷移金属複合物又は錯塩、ある種の希土類金属複合物又は錯塩、三重項分子等をこうした種（スピン）の不対電子の存在によって検出するための無線周波数（ｒｆ）またはマイクロ波分光技術によって、一次元、二次元及び三次元電子常磁性共振（ＥＰＲ）撮像に用いる電子常磁性共鳴撮像装置に関するものである。この種の装置の用途としては、皮革工業における皮革中のクロムの存在及び分布の検出がある。また、この種の装置は、製薬工業、薬品工業及び化粧品工業においても使用される。医学的な目的で代謝物質中の窒素ラジカルを含むラジカルの存在及び分布を検出するために使用可能であると予想される。さらに、この種の装置は、鉱物学的な用途や食品工業においても使用可能である。
【０００２】
【従来の技術】
電子スピン共鳴（ＥＳＲ）とも呼ばれる電子常磁性共鳴（ＥＰＲ）は、有機性フリーラジカルや無機複合物又は錯塩の分子構造を研究するための道具である。測定は、空間的に均等な磁界中に配置された適当な共鳴器（例えば、キャビティ、徐波構造等）に（通常、液状又は固体）の対象サンプルを配置して、外部フィールドにおける電子スピンの特徴的回転周波数に一致する周波数を持つ電磁（ｅｍ）放射線を照射することによって行う。共鳴周波数は、以下の式で与えられる。
【０００３】
【数１】
0004391005.tif 000002
【０００４】
ここで、ｇはスペクトル分岐因子（ランデのg因子または単にg因子）、βはボーア磁子、Ｂ0は磁界の強度、ｈ（アッパーバー）は２πで除したプランク定数である。
【０００５】
共鳴周波数の「一次」式は、通常、他の不対電子及び／または核スピンからの内部（又は局部）磁界を含む他の関与条件を付加することによって変形される。こうした状態における電磁放射線の共鳴吸音又は放出は、通常、外部磁界の強度を共鳴条件を越えて変化させ、連続波（ｃｗ）モードにおける電磁放射定数の周波数を保持することによって習慣的に記録される。フィールドスキャン中におけるＤＣ（直流）ドリフトを最小化し、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）比を改善するために、共鳴器／キャビティに取り付けられた変調コイルの組を用いた一般的に１００Ｈｚから１００ｋＨｚへのフィールド変調(field modulation)を用いるとともに、電磁検波器（例えば、ダイオード検波器）の出力の位相検波（ＰＳＤ）を行うことを採用するのが一般的である。通常、ＥＰＲ計測は、電子構造、形状及び分子種の動特性に関する詳細情報を得るために採用され、サンプルや磁界は、出来うる限り空間的に均質にする必要がある。
【０００６】
これは、研究者に、撮像技術を用いて不均一な系の分子配分および分子構造の研究を促した。対象物を空間的に変化する、すなわち傾斜を持つ磁界中の適当な共鳴器内に配置し、このタイプの情報にアクセスする。こうした状態における共振周波数は、以下の式によって表される。
【０００７】
【数２】
0004391005.tif 000003
【０００８】
ここで、Ｇは、傾斜ベクトル(gradient vector）であり、サンプル中のｒは位置ベクトルを示している。
【０００９】
ＥＰＲ像の解像度は、傾斜磁界の強度、対象種の基本ＥＰＲ共鳴の固有幅（「線幅(linewidth)」、サンプルのボリュームエレメント当たりの信号対雑音比、分子拡散過程等のパラメータの数によって決定される。一般に、ＥＰＲ線幅は、数ガウス  （１ガウス  ≡  １０-4テスラ）程度、若しくは周波数単位で数メガヘルツ程度である。最初の二つのパラメータに基づいて予測される解像度Ｒは、以下の式より得られる。
【００１０】
【数３】
0004391005.tif 000004
【００１１】
ここで、Δｖ1/2は線幅を示し、Ｇは傾斜振幅(gradient amplitude)である。
【００１２】
スワルツ等(Swartz et al) (ジャーナル・オブ・マグネティック・リゾナンス(Journal of Magnetic Resonance, 84, 247, 1989年））、イートン等(Eaton et al)(「ＥＰＲ撮像及び内部のＥＰＲ(EPR Imaging and in vivo EPR)」CRC Press, Boston, 1991年）、イートン等(Eaton et al)（共鳴に関する概念(Concepts in Magnetic Resonance)7，49，1994年）、イートン等(Eaton et al)（化学物理学誌(Chemical Physics Letters), 142, 567, 1987年）、シモン等(Symons et al) (ジャーナル・オブ・マグネティック・リゾナンス(Journal of Magnetic Resonance, 92, 480, 1991年））に報告されているように、ＥＰＲ撮像は、従来、標準的なＥＰＲ分光計を用いて連続波（ＣＷ）法によって行われている。このＥＰＲ撮像において、磁界が掃引されている間、放射線周波数は、一定に保持される。実験の性質上、傾斜流は、一次元、二次元、三次元ＥＰＲ撮像又はスペクトルー空間撮像(spectral-spatial work)を行うために投入される。
【００１３】
主磁界中に配置する付加的な非ヘルムホルツ(anti-Helmholts)またはアンダーソンコイルの組によって傾斜を生じさせることが一般的である。電流が水冷式または強制空冷式コイルに流されると、１Ｔｍ-1（１００Ｇｃｍ-1）程度までの相当の大きさの傾斜が生じる。空間内の三つの直交方向のそれぞれに対して各一組のコイルを用いるのが一般的である。ＥＰＲ線幅の反転は、傾斜切り替え時間に比べて短いので、傾斜の存在下で信号を得ることが一般的であり、傾斜に対してサンプルの向きを再設定して（たとえば、傾斜を回転させ、二組の傾斜磁場コイルの電流の振幅を調整する等）、二次元像を得る。適当なシフト、逆重畳、逆投影動作を含んで、この結果得られた一連の投影像を再構成する事によって、所望の像が得られる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の主な目的は、特別な、要求、制限および上記の欠点を未然に防止することが出来る電子常磁性共鳴撮像装置を提供しようとするものである。
【００１５】
本発明のもう一つの目的は、付加的な傾斜磁場コイル無しに所望のＥＰＲ像を発生することにある。
【００１６】
本発明のさらにもう一つの目的は、既存の系における１４００−７８００マイクロテスラの範囲内における２０００マイクロテスラよりも大きな高振幅の磁界変調を行うことにある。
【００１７】
本発明のさらにもう一つの目的は、所望の情報を発生するために変調磁界中の固有の不均質又は傾斜を利用することにある。
【００１８】
本発明のさらにもう一つの目的は、既存の連続波ＥＰＲ分光計／撮像システムにおいて固有の傾斜により高振幅変調器を用いる撮像装置を提供することにある。
【００１９】
本発明のもう一つの目的は、サンプルを共鳴器内において回転させ付加機能を設けることにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴は、少なくとも２０００マイクロテスラの大きな磁界変調振幅を可能とする高振幅変調器を用いて磁界変調の不可避の傾斜を利用することによって、二次元、三次元電子常磁性共振像の生成における付加的な傾斜磁場コイルの使用を不要として、従来の装置においては必然的に必要とされた傾斜磁場コイル、傾斜増幅器及びその連関された冷却システムのコストの削減することにある。
【００２１】
本発明の構成によれば、マイクロ波領域の電磁放射線源、減衰および移相要素で構成されるマイクロ波ブリッジを有し、電磁放射線源の出力は、サーキュレータまたはハイブリッド（またはマジック）Ｔの一方のアームに接続され、サーキュレータまたはハイブリッドまたはマジックＴのもう一つのアームは、アイリス結合を介して共鳴器に結合され、第三のアームは、例えばダイオード検波器等のマイクロ波検出器に接続され、マイクロ波検出器または検波器の出力は、位相検波器の一方の入力に接続され、位相検波器の第二の入力には少なくとも２０００マイクロテスラの大きな振幅の磁界変調を発生可能な高振幅変調器の一方の出力が接続され、変調器の第二の出力は、大きな振幅の磁界変調の発生に適応するとともに、共鳴器に連関された変調コイルに接続され、位相検波器の出力は、アナログ−ディジタル変換器に接続されており、アナログ−ディジタル変換器の出力は、コンピュータに接続され、共鳴器は、磁石のＮ極とＳ極間の磁界の中心に配置されることを特徴とする高振幅変調器を用いた電子常磁性共鳴撮像装置が提供される。
【００２２】
使用される電磁放射線源は、クライストロン、ガンダイオード発振器、インパットダイオード（IMPATT)とすることが出来る。前記マイクロ波検出器は、ダイオード検波器とすることが出来る。磁界変調は、１４００−７８００マイクロテスラの範囲の高振幅で行うことが出来る。使用される共鳴器は、徐波螺旋構造、誘電体共振器、円筒共鳴器、矩形共鳴器、スロット式共鳴器で成る群より選択することが出来る。サンプルの向きを調整する手段は、手動設定可能なゴニオメータまたはコンピュータ制御ゴニオメータとする事が出来る。サンプルの再配向は、磁界に対するサンプルの極角度(polar angle)または方位角を変化させることが出来る。電子常磁性共鳴撮像装置は、傾斜磁場コイルなしで構成する事が出来る。電子常磁性共鳴撮像装置は、傾斜増幅器なしで構成する事が出来る。電子常磁性共鳴撮像装置は、傾斜磁場コイルに連関された冷却システムなしに構成することが出来る。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の装置の作用を詳細に説明する。
検査するサンプルは、公知の共鳴器または共振器１５内部に配置されるとともに、ゴニオメータ（図示せず）を用いて外向きとされている。共鳴器１５は、周波数源１３に一致するように回転されて、磁界の変調は、一般に、少なくとも２０００マイクロテスラの振幅に設定される。サンプルのＥＰＲ分光プロフィル(spectral profile)は、公知の磁界掃引法によって記録される。変調周波数を変化させることによって、プロフィルが最適化される。同一の処理を繰り返すことによって、サンプルのそれぞれ異なる位置の少なくとも１２のプロフィルを形成する。これらのプロフィルは、シフト、逆重畳、逆投影を含む公知の方法で投影、再構成されて、所望の二次元または三次元画像が生成される。
【００２４】
従って、本発明は、電子常磁性共鳴撮像装置を提供する。電子常磁性共鳴撮像装置は、マイクロ波領域の電磁放射線源１３、減衰および移相要素で構成されるマイクロ波ブリッジを有し、電磁放射線源１３の出力は、サーキュレータまたはハイブリッド（またはマジック）Ｔ１４の一方のアームに接続され、サーキュレータまたはハイブリッド（またはマジック）Ｔ１４のもう一つのアームは、アイリス結合(iris coupling)を介して共鳴器１５に結合され、第三のアームは、例えばダイオード検波器等のマイクロ波検出器１７に接続される。マイクロ波検出器または検波器１７の出力は、位相検波器（ＰＳＤ）１８の一方の入力に接続される。位相検波器１８の第二の入力には少なくとも２０００マイクロテスラの大きな振幅の磁界変調を発生可能な高振幅変調器１６の一方の出力が接続される。変調器１６の第二の出力は、共鳴器１５に連関された変調コイル２２に接続されている。位相検波器（ＰＳＤ）１８の出力は、アナログ−ディジタル変換器（ＡＤＣ）１９に接続されており、アナログ−ディジタル変換器１９の出力は、コンピュータ２０に接続されている。共鳴器１５は、磁石２１のＮ極とＳ極間の磁界内に配置される。
【００２５】
本発明の実施例において、使用される電磁放射線源は、クライストロン、ガンダイオード発振器、インパットダイオード（IMPATT)等である。
【００２６】
本発明の他の実施例において、マイクロ波検出器は、ダイオード検波器である。
【００２７】
本発明のもう一つの実施例において、使用される共鳴器は、徐波螺旋構造(slow wave helical structure)、誘電体共振器、円筒共鳴器、矩形共鳴器、スロット式共鳴器等である。
【００２８】
本発明のさらにもう一つの実施例において、サンプルの向きを調整する手段は、手動設定可能なゴニオメータまたはコンピュータ制御ゴニオメータ等である。
【００２９】
本発明のさらにもう一つの実施例において、サンプルの再配向は、磁界に対するサンプルの極角度(polar angle)または方位角を変化させること等である。
【００３０】
本発明のもう一つの実施例において、像生成のための最小ＥＰＲプロフィル数は、１２とすることが出来る。
【００３１】
以下の実施例は、発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。
【００３２】
実施例１
０．２５ｍｌのＣｒ（Ｖ）ｈｍｂａ（ｈｍｂａ：２−ヒドロキシ−２−メチルブチル酸 (2-hydroxy-2-methylbutyric acid)）溶液を直径２ｍｍの二本の毛細管にとり、直径３ｍｍの空の管を直径２ｍｍの管の間に介挿し、全サンプルは、Bruker EMX 10/2.7EPR分光計の標準矩形ＴＥ102キャビティ型共鳴器内に、磁界の方向ｚと並列に配置し、磁界変調を１００ｋＨｚの周波数に、振幅を本システムにおける法定最大設定値である３２１８マイクロテスラにそれぞれ設定した。サンプルのプロフィルを取得した。サンプルは、手動ゴニオメータを用いてｚ軸から１５度ずつ角度変位しながら再配置した。この処理が、１２回同様の要領で繰り返され、サンプルは各回ごとに１５度ずつ角度を変化させて再配置して、１２のプロフィルを得た。プロフィルは、形態学的仮想対象に準拠してＩＤＬソフトウエアを用いてサンプルの２次元画像を形成するように処理可能である。図３および図４は、代表的なｘプロフィルおよびｚプロフィルをそれぞれ示している。ｘプロフィルは、サンプルがｘ方向に向けられた状態を示しており、このときすべての管が同一のｚ座標を有しているが、ｘ座標が異なっており、管の軸線は相互に平行であるととともにｙ軸に対して平行であり、ｘ方向は磁界方向ｚに対して垂直である。ｘプロフィルは、水平面上に位置する。ｚプロフィルは、ｚ方向にサンプルが向けられた状態を示しており、この状態で、すべての管は同一のｘ座標を持つとともに異なるｚ座標を有しており、管の軸線は相互に平行であるとともにｙ軸に平行である。
【００３３】
実施例２
０．２５ｍｌの４−ヒドロキシ−ＴＥＭＰＯ（ＴＥＭＰＯ：２，２，６，６−トリメチルピペリジン−１−オキシルラジカル(2,2,6,6-tetramethyl piperidine-1-oxyl radical)）溶液を直径２ｍｍの二本の短い毛細管にとり、直径３ｍｍの空の管を直径２ｍｍの管の間に介挿し、全サンプルは、Bruker EMX 10/2.7EPR分光計に接続された誘電体共振器内に、磁界の方向ｚと並列に配置し、磁界変調を１００ｋＨｚの周波数に、振幅を３２．１８Ｇにそれぞれ設定した。サンプルのプロフィルを取得した。サンプルは、手動ゴニオメータを用いてｚ軸から１０度の向きに再配置した。この処理が、１８回同様の要領で繰り返され、サンプルは各回ごとに１０度ずつ角度を変化させて再配置して、１８のプロフィルを得た。プロフィルは、形態学的仮想対象に準拠してＩＤＬソフトウエアを用いてサンプルの３次元画像を形成するように処理可能である。仮想対象を直交して搭載した後に、前述と同様の回転手順が行われる。図５および図６は、一般的なｘ−およびｚ−プロフィルをそれぞれ示している。
【００３４】
実施例３
０．２５ｍｌの４−ヒドロキシ−ＴＥＭＰＯ溶液を直径２ｍｍの二本の毛細管にとり、直径３ｍｍの空の管を直径２ｍｍの管の間に介挿し、全サンプルは、Bruker EMX 10/2.7EPR分光計に接続された円筒共鳴器内に、磁界の方向ｚと並列に配置し、磁界変調を１００ｋＨｚの周波数に、振幅を３２．１８Ｇにそれぞれ設定した。サンプルのプロフィルを取得した。サンプルは、手動ゴニオメータを用いてｚ軸から１０度の向きに再配置した。この処理が、１８回同様の要領で繰り返され、サンプルは各回ごとに１０度ずつ角度を変化させて再配置して、１８のプロフィルを得た。プロフィルは、形態学的仮想対象に準拠してＩＤＬソフトウエアを用いてサンプルの２次元画像を形成するように処理可能である。図７および図８は、一般的なｘ−およびｚ−プロフィルをそれぞれ示している。
【００３５】
【発明の効果】
１．常磁性体のＥＰＲ撮像の処理が大幅に簡素化される。
２．本発明の装置は、付加的な傾斜磁場コイルを用いること無しに、一次元、二次元及び三次元のＥＰＲ像を発生することが出来る。
３．傾斜磁場コイルを用いた従来のＥＰＲ撮像システムとは異なり、冷却
を要しない。
４．付加的な傾斜増幅器を使用すること無しに、一次元、二次元及び三次元のＥＰＲ像を発生する。
５．変調コイルは一般に共鳴器の壁に配置されるので、サンプルにより近接し、共鳴器の外部に取り付けられる外部傾斜磁場コイルの場合に比べて単位電流当たりのより大きな変調磁界及び傾斜を生成することが出来る。
６．本発明は、既存のｃｗＥＰＲ分光計／撮像システムにおいて固有の傾斜を持つ高振幅変調を用いる撮像装置を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＥＰＲ撮像に用いられる傾斜増幅器によって駆動される一組の傾斜磁場コイルを含む一般的なＥＰＲ（ＥＳＲ）分光計の概略ブロック図である。
【図２】本発明のＥＰＲ撮像装置の概略ブロック図である。
【図３】実施例１の詳細であるＣｒ（Ｖ）ｈｍｂａのｘプロフィルを示す図である。
【図４】実施例１の詳細であるＣｒ（Ｖ）ｈｍｂａのｙプロフィルを示す図である。
【図５】実施例２の詳細である４−ヒドロキシ−ＴＥＭＰＯのｘプロフィルを示す図である。
【図６】実施例２の詳細である４−ヒドロキシ−ＴＥＭＰＯのｙプロフィルを示す図である。
【図７】実施例３の詳細である４−ヒドロキシ−ＴＥＭＰＯのｘプロフィルを示す図である。
【図８】実施例３の詳細である４−ヒドロキシ−ＴＥＭＰＯのｙプロフィルを示す図である。
【符号の説明】
１      マイクロ波または無線周波数における電磁放射線源
２      サーキュレータまたはマジックＴ
３      アイリス結合を含む共鳴器
４      変調器
５      マイクロ波検出器、たとえばダイオード検波器
６      位相検波器（ＰＤＳ）
７      アナログ−ディジタル変換器（ＡＤＣ）
８      コンピュータ
９      Ｎ極とＳ極を持つ磁石
１０    変調コイル
１１    傾斜増幅器
１２    傾斜磁場コイル
１３    マイクロ波または無線周波数における電磁放射線源
１４    サーキュレータまたはマジックＴ
１５    アイリス結合を含む共鳴器
１６    １４００−７８００マイクロテスラｃｍ-1の範囲内で振幅変調を可能とする高振幅変調器
１７    マイクロ波検出器、たとえばダイオード検波器
１８    位相検波器（ＰＤＳ）
１９    アナログ−ディジタル変換器（ＡＤＣ）
２０    コンピュータ
２１    Ｎ極とＳ極を持つ磁石
２２    変調コイル
【図１】
0004391005.tif 000005
【図２】
0004391005.tif 000006
【図３】
0004391005.tif 000007
【図４】
0004391005.tif 000008
【図５】
0004391005.tif 000009
【図６】
0004391005.tif 000010
【図７】
0004391005.tif 000011
【図８】
0004391005.tif 000012