(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＲＦコイルを有するＮＭＲプローブであって、波長がλである第一の周波数における少なくとも１つのＲＦ電力源に前記コイルを同調させ整合させるための構成要素をさらに有し、前記第一の周波数において０．８λ／４〜１．２λ／４の軸方向の長さを有するスペースの中に前記構成要素が配置され、軸方向に延びる導電性シールドが前記構成要素をそれから間隔を置いて取り囲み、前記シールドは一端に平面上の接地囲いを持ち他端で開放され、また前記コイルが前記スペースを超えて配置され、軸方向の導電性シールドが前記コイルを超えて延びることを特徴とするプローブ。
【請求項２】
ＲＦ電力が前記ＲＦコイルを介して、複数の共鳴励起用電源から供給され、前記ＲＦ電源の間のＲＦ絶縁が実質的に維持されている請求項１記載のＮＭＲプローブ。
【請求項３】
物の組成を調べるためのＮＭＲ装置であって、
所望の特性の磁場を前記組成の物に印加するための磁石と、
前記組成内の第一の選択された原子核を励起して前記磁場内で共鳴させる高周波ＲＦ電源及び前記組成内の第二の選択された原子核を励起して前記磁場内で共鳴させる低周波ＲＦ電源と、
ＲＦコイルを有し、更に、波長がλである第一の周波数における少なくとも１つのＲＦ電力源に前記コイルを同調させ整合させるための構成要素を有するＮＭＲプローブとを有してなり、前記構成要素が前記第一の周波数において０．８λ／４〜１．２λ／４の軸方向の長さを有するスペースの中に配置され、軸方向に延びる導電性シールドが前記構成要素をそれから間隔を置いて取り囲み、前記シールドは一端に平面上の接地囲いを持ち、前記シールドは他端で開放され、また前記コイルが前記スペースを超えて配置され、軸方向の導電性シールドが前記コイルを超えて延びることを特徴とするＮＭＲ装置。
【請求項４】
共鳴波長λによって特徴づけられ、ＲＦコイルを備え、このコイルを同調および整合させるための構成要素が非平衡に配置されたＮＭＲプローブに対称形の軸方向のＲＦ磁場を印加する方法であって、
（ａ）構成要素の前記配置を０．８λ／４〜１．２λ／４の軸方向の長さを有するスペースに制限する工程と、
（ｂ）前記非平衡に配置された構成要素の側方を導電性表面で取り囲み、前記配置から間隔を開けた横方向の導電性囲いを形成する工程と、
（ｃ）前記囲いの一方の端に平面状の接地囲いを備える工程と、
（ｄ）前記囲いを、Ｎを奇数の整数として少なくともＮλ／４の距離にわたって軸方向に延長して、前記囲いに対する開放端を形成する工程と、
（ｅ）前記ＲＦコイルを前記λ／４の軸方向の長さを有するスペースを超えて配置する工程と、
（ｆ）前記コイルにＲＦシールドを与えるために前記囲いの前記軸方向の延長部を前記ＲＦコイルを超えて大きくする工程を有してなることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
本発明は一般に磁気共鳴の分野に属し、具体的には磁気共鳴プローブのための改良された平衡型回路の性能に関する。
【０００２】
【発明の背景】
ＲＦ発振源を伝送線を介して負荷に結合する場合、従来は負荷インピーダンスを伝送線のインピーダンスに注意深くマッチングし、それを更にＲＦ発振源にマッチングしていた。負荷をＲＦ発振源の周波数に同調させることは、独立に調整することにより（ＲＦの）自由度が別途得られることを意味する。これら両方の操作により、負荷において利用できるＲＦ電力消費が最大にされる。検討しなければならないのはインピーダンス及び周波数応答だけではないが、波長が負荷の物理的な寸法に近い大きさの場合は特にそうである。無線通信の分野では、負荷がアンテナである場合は得られる輻射場が設計の最終的な目標であり、放射器の電気的な対称性によって場の強度分布及び偏り分布が甚だしい影響を受けることがよく知られている。非平衡の発振源が平衡型負荷を駆動する、または平衡型の発振源が非平衡の負荷を駆動する場合、輻射場の対称性が乱れることが長く知られていた。平衡型負荷とは、電気的な対称面が存在して、この場所がある静電位、例えば事実上のアース電位によって特徴づけることができるものである。現在の装置に伝送線として選択されるのは同軸ケーブルであるが、これはグランドに対して電気的に非平衡な対称性を与える。そのようにして駆動されたＮＭＲコイルは、平衡を回復する追加の回路素子が存在しない限り、非平衡である。負荷が非平衡であることの１つの結果は、負荷からの輻射に加えて、非対称的なＲＦ電流を維持するこの非平衡の伝送線からも輻射が発生し、輻射場の正味の幾何学的形状が歪められることである。ＮＭＲプローブがコイル中のサンプルからの共鳴非励磁を受けるという、時間的関係を逆にした場合にも、得られる信号は同様に劣化する。
【０００３】
ＲＦ通信技術ではこれまで長い間、一般にバランと呼ばれる平衡／非平衡変換装置を介在させることにより、この問題に対処してきた。低い周波数では、中央にタップを取って平衡端子を備え、非平衡端子から駆動される変圧器回路の形態をとった。高い周波数、例えば数百ＭＨｚでは、変圧器による結合は実際的ではない。従来技術ではいくつかの方法によるバラン装置が開発されたが、これらはStutzmanとThieleの「アンテナの理論と設計」pp.183-187（John Wiley and Sons, 1998）にまとめられている。
【０００４】
コイル（負荷）の各部とアースの間の電位差を低減するためには、また特にプローブの動作に関連する波長が負荷の物理的な寸法に近い場合は、平衡型ＮＭＲプローブの使用が望ましい。平衡型プローブは対称形の場の分布を生じ、非平衡の回路はＲＦ磁場を非対称に分布させ、従ってサンプルの体積に対して一様でない分布を生じる。更に非平衡回路は最大電位からアース電位までの全電位差をサンプル全体に渡って印加し、その結果大きなＲＦ電場を生じるが、これはサンプルの望ましくない加熱、近傍の表面にアーク放電が生じる可能性の増大、また回路中のコンデンサーに対する高い電圧耐久性の要求がもたらされる。平衡型ＮＭＲプローブは周知のものであるが、これらは回路素子（通常は集中定数回路素子）を追加して実現するのが普通である。Murphy-BoschおよびKoretsky, J. Mag. Res., v.54, 526-532(1983)；プローブ構造には非平衡を生じる要因、例えば内部の非平衡伝送線構造が含まれることが多い。固体サンプルにおける磁気共鳴を調べる場合、伝送線素子を利用して、これらのサンプルに必要な高いＲＦ電力を実現することが多い。多周波共鳴プローブは回路素子を追加しなくても、基本的に非平衡状態を維持しながら優れた同調とそのいくつかのポートにおけるマッチングを示す可能性がある。ＲＦ場の分布が異なると、同時に起きる共鳴励起が空間的に異なって分布し、その結果共鳴スピン系同士の相互作用が減少する。
【０００５】
【発明の概要】
本発明にはいくつかの目的と利点とがあるが、外部導体を持つ同軸伝送線を含む非平衡型のプローブ構造を、プローブの共鳴周波数に対応する波長をλとして、全ての外部導体から間隔を保って非平衡型プローブ構造の接地面からλ／４だけ延設された導体面で取り囲む（側方を覆い、また、接地面において覆い、反対側は開放）することにより実現される平衡型ＮＭＲプローブが提供される。（λ／４という表現は以下に述べる理由により近似的な意味で使用される。）プローブ回路の同調及び整合素子の位置は、上で述べた導電性材料のλ／４の共鳴長の範囲内に制限され、コイルはλ／４延長部をちょうど超えた位置に配置される。この少なくともλ／４にわたって延長された取り囲む導電性材料はバランとしての機能を持ち、コイルの両側でグランドに向かう（大まかな言い方で）実質的に並列のλ／４伝送線を供給することにより、対称形のＲＦ場を回路に印加する。取り囲む導体は、通常の仕方でのＲＦ遮蔽を実現するためにλ／４よりも長く延びている。
【０００６】
コイルが多周波同調される（はるかに低い周波数に追加の共鳴点を持つ）場合は、低周波での共鳴（λがプローブの寸法よりも大幅に大きい）、周波数の低いＲＦ磁場強度はコイル寸法にわたって半正弦波の形で分布する。高周波共鳴モードを対称形にすることで、高周波ＲＦ場は半正弦波の形で低周波分布に重ね合わされる。これにより、それぞれの共鳴スピン系の相互作用を利用した実験が最適化される。
【０００７】
【好適な実施態様の詳細な説明】
図１において、典型的なＮＭＲ装置のブロックダイアグラムを示す。穴１１を持つ磁石１０が主磁場を発生する。磁場を時間及び方向に関して正確に制御するために、磁場傾斜コイル（図示せず）が備えられている。これらはそれぞれ傾斜電源１６、１８及び２０によって駆動される。基本磁場内に残留する望ましくない空間的な非均一性を補正するために、他のシミングコイル（図示せず）と電源（図示せず）とが必要となる場合もある。分析の対象物（以下「サンプル」という。）は穴１１内の磁場中に置かれ、サンプルにＲＦのエネルギーを照射し、ＲＦ磁場が穴１１の内部の磁場と望ましい直交関係に整列されるようにする。これは穴１１の内部の送信コイル１２を通じて行われる。共鳴信号は穴１１内のサンプルに近接した受信コイル中に誘導される。送信コイルと受信コイルとは同一の構造であってもよく、また分離した構造であってもよい。
【０００８】
図１に示すように、ＲＦ電力は第一の送信機２４ａから供給されて増幅器３１で増幅され、次ぎに送信／受信（Ｔ／Ｒ）分離器２７を通って、穴１１内に設置されたＲＦ送信コイルを含むプローブ１２に送られる。送信機２４は振幅変調、周波数変調もしくは位相変調、またはそれらを組み合わせたものが、発生段階で、又は変調器２６によってなされる。異なる磁気回転共鳴粒子、例えば陽子や13Ｃを独立に励起するために、追加の素子である送信機２４ｂ／変調器２６ｂを使用することが多い。このような独立の励起は、ここで述べる多周波共鳴コイルによって好適に実現することができる。送信機能と受信機能とは同時に働くことはない。必要であれば、プローブ１２内の同一のコイルを両方の機能のために使用できる。この場合、Ｔ／Ｒ分離器２７は受信機を送信機から分離するために備えられている。送信機と受信機とに別々のコイルを使用する場合は、素子２７は受信機の動作を制御するために同様の分離機能を果たす。
【０００９】
変調器２６は、望みの振幅、パルス長、及びＲＦ搬送波に対する相対的位相を持つＲＦパルスを事前に選ばれた時間間隔で与えるパルスプログラマー２９を含むコントローラー３８に応答する。パルスプログラマーはハードウェアもしくはソフトウェア、またはその両方の性格のものであって良い。パルスプログラマーはまた、傾斜印加が必要な場合は傾斜電源１６、１８及び２０をも制御する。これらの傾斜電源は、必要に応じてそれぞれの傾斜コイル中に傾斜パルスを印加し、または選択された静磁場の傾斜を維持することができる。
【００１０】
過渡的な核磁気共鳴波形は受信器２８によって処理され、更に位相検出器３０を介して位相クァドラチャに分解される。位相検出器３０からの位相分解された時間ドメインの信号はフーリエ変換器３２に送られて、必要とされる処理内容に従って周波数ドメインに変換される。アナログ共鳴信号のディジタル信号への変換は、便宜的に位相検出器３０の構成要素と見なすことの出来るアナログ・ディジタル変換器（ＡＤＣ）によって、位相分解された信号に対して共通に行われる。
【００１１】
フーリエ変換器３２は実際上、位相分解された形態の（プロセッサーの記憶装置３４に）保存されたデータに対して作用することができると理解される。これは、多くの時間ドメインの位相分解された波形の平均を取り、信号／雑音比を向上するという、一般的なやり方を反映するものである。次ぎに平均化の結果得られた波形に対して、変換機能を適用する。収集されたデータに対して、表示装置３６が検査のための表示を行う。コントローラー３８はほとんどの場合1台又はそれ以上のディジタルプロセッサーで構成され、パルス列の処理のようなタイミングが極めて重要な動作の制御及び関連付けを行う。コントローラー３８は通常、共鳴スピン系との同期を維持するために、独立の時間ベースを内蔵する。プロセッサー３４内の全装置の全体の動作には、操作する人による入力、タイミングが余り問題でない計算、およびその後の処理又は表示のための出力などが含まれる。
【００１２】
図２Ａは、伝送線の同調を採用する既知のＮＭＲプローブ（この場合は２周波共鳴回路）の模式図である。その等価回路を図３Ａに示す。その形態は名目的には平衡回路であるが、伝送線素子５２及び５４はそれぞれの同調／マッチング機能を果たすために数量的に異なり、ＲＦの平衡は乱されている。（平衡を回復する為に、例えばコンデンサーのトリミングネットワークを備えることが知られている。）更に非平衡の伝送線固有の性質により、プローブ全体に非平衡性がもたらされる。図２Ａに示す従来のプローブは、一端で短絡され長さがλ／４（共鳴周波数が６００ＭＨｚ）よりもわずかに長い同軸線８２を使用して負荷を駆動するが、その負荷はこの場合λ／４スタブ８２及び８４の開放した開口部に近接して配置されたソレノイドコイル５８である。１つの例では、コイル５８は長さが約０.２λの導線が巻かれてなる。Ｆ１で加えられるＲＦ（６００ＭＨｚ）電力に対する５０Ω給電線にインピーダンスを整合させるために、可変タップ点６０が備えられている。伝送線８２の同調を取るために、同調用スライド式誘電体スラグ６８’が備えられている。この機能を果たす別の方法として、スライド式接地面がある。伝送線８２の開放端において、中心導体６４がソレノイド５８の一端６６に接続される。同様にして、その中心導体７０がソレノイド５８の他端７２に接続されている伝送線８４の容量を調整するために、誘電体の同調スラグ６８が備えられる。低インピーダンスの伝送線８４は共鳴コイル５８に所望の低周波数Ｆ２において十分な分路容量を与え、結合コンデンサー８１での低周波数源との整合を取る。シールド７４はコイル５８の領域内で通常の利用法に従って、軸方向に延びて輻射を制限する。この形態の２周波共鳴プローブは、Varian Chemagnetics社及びその前身によって、Ｔ３という商品名で製造・販売されてきた。
【００１３】
λ／４伝送線を使って実現された多周波プローブに関する議論において、実際の伝送線は普通、正確にλ／４ではない。共鳴状態では、このような線は共鳴する進行波に対して実効的に開回路となる。そのため例えば図３Ａにおいて、コイルの駆動されない側でアースに対して容量を与える伝送線８４は、Ｆ１ポートに過大なインピーダンスを与えてはならない。その様な状況では、実際のλ／４ラインの長さを１０％〜２０％小さく（または大きく）して、Ｆ１ポートに印加されるＲＦ（高周波）電力に対してアースへの十分な経路を作るのが一般的である。回路の影響を受ける部分に集中容量を追加して、回路の効率を改善してもよい。
【００１４】
ここで図２Ｂを参照して、従来のプローブのシールド７４と伝送線構造８２及び８４との間に、長さがλ／４以上の空間７６を導入することにより、本発明の好適な実施態様を実現できるが、これにより伝送線８２及び８４の外部導体を高周波共鳴Ｆ１においてアースから外すと、空間７６内のＲＦ場が撹乱される。するとシールド７４は、軸方向に開口を超えて（λ／４で）配置された負荷（コイル５８）を持つ長さλ／４の実効的に開放した伝送線の外部導体を形成する。導電性スリーブ７４を軸方向にλ／４点を超えて延長し、コイル５８に対するＲＦシールドとして機能させることができる。
【００１５】
図３Ａは図２Ａに示した従来のプローブの単純化した等価回路である。まず最初に、集中定数としての表現はこれらの回路における進行波の複雑でダイナミックな現象を図式的に表したに過ぎないが、しかし大事な点に関する議論はそれによって進むということを注意する。分岐引き出しを行った伝送線８２−８２’は分岐点６０で高周波入力を供給し、コイル５８を持ち、低インピーダンスＺ1（主に分布容量）からアースに至る同調された回路の励起を行う。同時に低周波ＲＦが、マッチングコンデンサー８１を通して導入され、コイル５８を介して、Ｚ2を通ってアースに流れる。インピーダンスＺ1及びＺ2はそれぞれアース１１０への全ての結合を含む。これらの結合は圧倒的に周波数に依存し、寄生的効果を含む可能性もある。低インピーダンスの同調コンデンサー８４により、コイル５８の手前側の端をＺ1で短絡する接地電位と見なすことができる。この回路は本質的に非対称である。ここで図３Ｂに示す本発明の構成を見ると、局所的アース１１２は、周波数Ｆ１で非常に高いインピーダンスを持つλ／４ライン１７４によって、アース１１０から絶縁されている。ここではインピーダンスＺ1はアースに短絡されておらず、またコイル５８は本質的にインピーダンスＺ1及びＺ2によって挟まれており、その結果コイル５８の右及び左のインピーダンスのトータルがほぼ等しくなり、コイル５８の両端の間の軸方向中央面に事実上の接地面が形成される。λ／４スタブ１７４の効果は、非平衡であった図３Ａの回路に平衡を回復させることであると考えることができるであろう。
【００１６】
プローブがサポートするＲＦ励起の波長が負荷の寸法に近づくに従い、周波数依存性の効果に影響される寄生電流が大きくなり、ニアフィールド領域におけるＲＦ場分布の歪みが大きくなる。長さλ／４のシールド（プローブ回路の構成要素に関して説明したように配置される）の効果は、次の２つの機能を持っている：λ／４伝送線スタブの外部導体であり、またその拡張として効果的なＲＦシールドでもある。
【００１７】
従来のＮＭＲプローブは、共鳴波長が負荷の寸法に近づく時の６００及び１５０ＭＨｚに対する高周波ＲＦ場の分布への影響をグラフィックに示すものである。ここに示す曲線は、図２Ａに示す既知のＮＭＲプローブの軸に沿う方向における正規化されたＲＦ磁場分布であり、２つの周波数でのＲＦ磁場強度の差を場の偏差として示してある。６００ＭＨｚ（1Ｈ）と標記した曲線は１５０ＭＨｚ（13Ｃ）の曲線からかなりずれている。この偏差は、実験が干渉偏波などの1Ｈと13Ｃとの相互励起に依存する上での効率の低下の程度を表すものである。これらの分布が変位することは、異核スピン（1Ｈと13Ｃとなど）の間の相互作用が存在する場合に、実験を行う上で明らかに不利である。２つの共鳴核に対するＲＦ場の分布がこの様にずれることによって、様々な偏波伝送の実験が悪影響を受けることは、容易に理解できる。これらの場の分布は当該技術において周知の磁場摂動法によって得られる（Ginzton「マイクロ波測定」、McGraw Hill Book Co., Inc. 1957参照）。ＮＭＲ測定の場合、図２Ａに示す既知のプローブが、４スキャンで３ｋＨｚスピンレートの干渉偏波マジックアングルスピン実験において、ヘキサメチルベンゼンに対して１９７という信号雑音比（ＳＮＲ）を達成する。
【００１８】
本発明によれば、図４Ｂに示すような高周波（６００ＭＨｚ）及び低周波（１５０ＭＨｚ）ＲＦ電流分布の合致を実現する。１５０ＭＨｚでは（低周波）ＲＦ電流分布は、シールド７４とプローブ回路部品からのスペース７６とで形成されるλ／４ラインの存在によって実質的な影響を受けない。すなわち装置内の寄生的要素の影響は、高周波で得られるものと比較して無視できる。この場合の低周波とは、波長が負荷の寸法と比較して大きく、かつ寄生的要素の影響が無視できるような周波数である。その場合のＮＭＲ測定はＳＮＲ＝３２０という値を示すが、場の重なりが改善されたことの直接的な結果として６２％の向上となる。本発明の一般的な結果は、短波長での共鳴が負荷に沿って非対称に分布し、長波長での共鳴はほぼ対称形の分布を維持するような、互いの比が十分に大きな任意の２つの共鳴周波数に適用可能である。すなわち、寄生的要素の影響が低周波では無視できる程度であり、高周波ではかなり大きい。この様な状況に本発明を適用して、軸方向での高周波のＲＦ磁場分布を調整して低周波ＲＦ磁場分布に一致させることができる。この比の値の範囲は、多周波共鳴回路が作動する状況とそのための装置の感度を示すものであり、数量的な意味はあまりない。
【００１９】
図４Ｃは図４Ａと類似しているが、ソレノイドコイル５８（図２Ａ）の代わりに可変ピッチのソレノイドコイルを使用する点が異なる。このような可変ピッチのソレノイドコイルは、軸方向のＲＦ場の一様性を改善するために、両端における巻き線密度と比べてコイルの両端の間の中間領域における軸方向の巻き線密度が低くしてある。高周波での軸方向のＲＦ場の分布にはかなりの歪みが生じるが、本発明の構造の同じコイルは図４Ｄに示すように対称性が大幅に改善した分布、すなわち平衡ＲＦ場分布をサポートすることが明らかである。
【００２０】
図５の別の実施態様では、伝送線８２の外部導体８３を駆動するためにタップ６０’が備えられている（図２Ｂの内部導体６４にタップを付ける代わりに）。別の実施態様では、十分に高い動作周波数では、低周波数の磁場分布も寄生的要素によって大幅に歪められている場合は、多周波共鳴プローブの各々のポートに平衡性を回復することが望ましいということが認識される。
ＮＭＲの分野において物理的に問題となるのは、核磁気モーメント、従って共鳴周波数が４倍の関係にある1Ｈと13Ｃとの場合に起きる。従って本実施態様では、シールド７４は、高い（陽子）周波数Ｆ１に対しては３／４λ（例えば導体７０及び６４への投影で）の延長を示し、同時に低周波（13Ｃ）Ｆ２に対しては長さλ／４を示すことができる。原則として、それぞれの核磁気モーメントの比が２-2Nである任意の核種のペアに対して、本実施態様は有効である。
【００２１】
同時に励起されている複数の核に対するＲＦ電流分布（従って対応するＲＦ磁場Ｂ0）を重ね合わせることができることにより、２つ（またはもっと多く）のスピン系の相互作用のためのHartman-Hahn条件が最大限に満足されることが明らかである。
ＲＦ磁場分布をコイルの中央面に関して対称形することにより、サンプルの中心領域におけるＢ1の偏差の大きさが低減される。この低減は中央面の両側におけるＲＦ磁場のｚ依存性が対称形になることによるものである。
【００２２】
ＮＭＲプローブの特定の応用において、回路への影響を最小にしながら１つの単純な構造で望みの結果が得られることは特に有用である。この１つの構造、例えば導電性のスリーブは、λ／４開放伝送線と、更に軸方向に延長することにより効果的なＲＦシールドの両方を実現する。
本発明を特定の実施態様及び例について説明してきたが、当業者であれば上記の説明を読んで他の様々な変形や変更が考えられるであろう。例えば、説明の大部分において２周波共鳴プローブを例として用いた。本発明は単一、３重、またそれ以上の多周波共鳴ＮＭＲプローブに電気的平衡を回復するために有用に使用できる。請求項の範囲内において、本発明は具体的に説明した以外の実施が可能であることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の環境を構成するシステムを示す
【図２Ａ】従来のＮＭＲプローブを示す。
【図２Ｂ】本発明の改善されたＮＭＲプローブを示す。
【図３Ａ】図２Ａの回路の等価回路を示す。
【図３Ｂ】図２Ｂに示す本発明の実施態様の等価回路を示す。
【図４Ａ】従来の２周波共鳴プローブの軸方向のＲＦ磁場分布を比較するものである。
【図４Ｂ】図４Ａと同じ比較を本発明に対して行ったものである。
【図４Ｃ】可変ピッチソレノイドを持つ従来のプローブに対する図４Ａと同じ図である。
【図４Ｄ】可変ピッチソレノイドを持つ本発明に対する図４Ｂと同じ比較を行った図である。
【図５】本発明の他の実施態様である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５】
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