(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＲ測定システムのＨ０磁場を安定させるために、高い磁場均一性を有する電磁石の磁場における磁場乱れを補償する装置であって、
複数の干渉信号（Ｕｉｎ）を検出する少なくとも１つのＮＭＲロック用磁場検出器（３１）と、制御ブランチ（３６）と、前記制御ブランチ（３６）からの複数の干渉出力信号が転送されるとともに、前記複数の干渉信号（Ｕｉｎ）を補償するための補正磁場を生成する少なくとも１つの補償コイル（３４）とを備える、前記複数の干渉信号（Ｕｉｎ）を処理して、複数の干渉出力信号を出力するための少なくとも１つの制御ループを備え、
前記制御ブランチ（３６）は、前記制御ブランチ（３６）に並列接続される付加的な制御ブランチ（３７）を備え、
前記付加的な制御ブランチ（３７）は、並列接続されかつ中心周波数が補償されるべき前記複数の干渉信号（Ｕｉｎ）のうちの対応する１つの周波数値に同調されうる１つ又は複数の選択フィルタ素子を含む選択フィルタシステム（３５）を備え、
前記１つ又は複数の選択フィルタ素子の出力部が、前記少なくとも１つの補償コイル（３４）に接続され、
前記１つ又は複数の選択フィルタ素子夫々の中心周波数の同調が、１回又は適応回行われることを特徴とする装置。
【請求項２】
加算装置が、前記出力された前記複数の干渉出力信号（Ｕｏｕｔ）を加算するために、前記１つ又は複数の選択フィルタ素子の出力部と前記少なくとも１つの補償コイル（３４）との間に設けられることを特徴とする、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記１つ又は複数の選択フィルタ素子のうちの少なくとも１つが、前記複素伝達関数ＵＢＰ（ｊω）を有する２次の帯域通過フィルタ（４０）であり、
ＵＢＰ（ｊω）＝１／（１＋ｊ・Ｑ・Ω）、ただし
ｊ＝√−１
Ｑ≒ω０／Ｂ
ω０＝前記帯域通過フィルタの中心周波数
Ｂ＝前記帯域通過フィルタの−３ｄｂ帯域幅
Ω＝（ω／ω０）−（ω０／ω）
（ω−ω０）／ω０＜＜１であるとき、Ω≒２・（ω−ω０）／ω０
ω＝周波数軸の周波数値
であることを特徴とする、請求項１又は２記載の装置。
【請求項４】
前記１つ又は複数の選択フィルタ素子の夫々が、前記帯域通過フィルタ（４０）の中心周波数を前記複数の干渉信号（Ｕｉｎ）のうちの１つの周波数に制御する制御部（４１）を備え、前記制御部（４１）が、周波数が調整されうる周波数発生器（４６）と、前記周波数発生器（４６）の出力信号および前記帯域通過フィルタ（４０）からの前記複数の干渉出力信号の１つを検出する位相検出器（４２）と、増幅器（４３）と、前記増幅器（４３）の下流に接続された低域通過フィルタ（４４）と、数値が前記周波数発生器（４６）の前記周波数を定義しかつ前記制御部（４１）の出力値を表すレジスタ（４５）を備え、前記位相検出器（４２）からの得られた検出信号が、前記増幅器（４３）および前記低域通過フィルタ（４４）を経由して、前記レジスタ（４５）に供給されることを特徴とする請求項３記載の装置。
【請求項５】
前記１つ又は複数の選択フィルタ素子の少なくとも１つが、
前記複数の干渉信号（Ｕｉｎ）の周波数の１つとほぼ同じであり、且つ互いの位相が９０度ずれている基準信号（ＵＡ、ＵＢ）を生成する基準発生器（５６）と、
前記少なくとも１つの磁場検出器（３５）から供給される複数の干渉信号（Ｕｉｎ）の前記１つおよび前記基準信号（ＵＡ、ＵＢ）から、互いの位相が９０度ずれている非常に低い周波数の２つの干渉信号を生成する直交検波器（５０）と、
２つの信号チャネル（Ａ、Ｂ）を介して、前記直交検波器（５０）で生成された２つの干渉信号の夫々を誘導する転送ユニット（５９）と、
前記基準発生器（５６）から供給される前記基準信号（ＵＡ、ＵＢ）及び前記転送ユニット（５９）から転送される前記２つの干渉信号から、互いの位相が１８０度ずれている２つの干渉信号を生成し、前記生成された２つの干渉信号を加算し、前記複数の干渉出力信号（Ｕｏｕｔ）の１つを出力する直交変調器（５３）と、
を備え
前記転送ユニット（５９）が、前記２つの信号チャネル（Ａ、Ｂ）の夫々に対して、１つの増幅器（５１ａ、５１ｂ）と、１つの低域通過フィルタ（５２ａ、５２ｂ）又は１つの積分器のいずれかとを備えることを特徴とする請求項１又は２記載の装置。
【請求項６】
前記１つの低域通過フィルタ（５２ａ、５２ｂ）が、
ＵＴＰ（ｊω）＝１／［１＋ｊ（ω／ωＣ）］、ただし
ｊ＝√−１
ω＝前記周波数軸の周波数値
ωＣ＝前記低域通過フィルタのカットオフ周波数
で定義された複素伝達関数ＵＴＰ（ｊω）を有することを特徴とする請求項５記載の装置。
【請求項７】
前記選択フィルタシステム（３５）は、前記直交検波器（５０）の出力部と前記基準発生器（５６）の入力部に接続し、それによって、前記２つの信号チャネル（Ａ、Ｂ）の一方の、前記直交検波器（５０）によって変換された前記２つの干渉信号の一方を、検出でき、且つ基準発生器（５６）に供給することができる制御部（５８）をさらに備え、
前記制御部（５８）が、１つの増幅器および１つの低域通過フィルタを備えることを特徴とする、請求項５又は６記載の装置。
【請求項８】
前記選択フィルタシステム（３５）は、前記直交変調器（５３）の入力部に接続される前記移相器（５４）が、前記２つの信号チャネル（Ａ、Ｂ）からの前記２つの干渉信号の線形結合を演算して、前記２つの互いに直交する干渉信号を規定角度Δφだけシフトさせ、それによって、前記直交変調器（５３）から出力される前記複数の干渉出力信号（Ｕｏｕｔ）の１つを、前記直交検波器（５０）に入力される前記複数の干渉信号（Ｕｉｎ）の１つに対して前記規定角度Δφだけシフトすることができる移相器（５４）をさらに備え、
前記移相器（５４）の上流又は下流にサンプルホールド装置が接続され、前記移相器（５４）が前記基準発生器（５６）に同期して動作することを特徴とする請求項５乃至７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記１つ又は複数の選択フィルタ素子のうちの少なくとも１つが、制御入力（「ホールド」）を有し、それによって、前記１つ又は複数の選択フィルタ素子の各Ｑ値が、前記１つ又は複数のフィルタ素子が前記複数の干渉信号Ｕｉｎの変動の影響を受けなくなるように、非常に高い値に一時的に切り替えられうることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
ＭＲ測定システムのＨ０磁場を安定させるために、高い磁場均一性を有する電磁石の磁場における磁場乱れを補償する方法であって、
複数の干渉信号（Ｕｉｎ）が、少なくとも１つのＮＭＲロック用磁場検出器（３１）によって検出され、
検出された前記複数の干渉信号（Ｕｉｎ）が、制御ブランチ（３６）を有する制御ループによって処理され、複数の干渉出力信号が出力され、
出力された前記複数の干渉出力信号が少なくとも１つの補償コイル（３４）に転送され、前記少なくとも１つの補償コイル（３４）によって、前記複数の干渉信号（Ｕｉｎ）による磁場乱れを補償するための補正磁場が生成され、
前記制御ブランチ（３６）は、前記制御ブランチ（３６）に並列接続され、選択フィルタシステム（３５）を有する付加的な制御ブランチ（３７）を備え、
前記複数の干渉信号（Ｕｉｎ）が、前記選択フィルタシステム（３５）の並列接続された１つ又は複数の選択フィルタ素子によって誘導され、前記１つ又は複数の選択フィルタ素子夫々の中心周波数が、補償されるべき前記複数の干渉信号（Ｕｉｎ）のうちの対応する１つの周波数値に同調され、
前記１つ又は複数の選択フィルタ素子夫々の中心周波数の同調が、１回又は適応回行われ、前記１つ又は複数の選択フィルタ素子から出力される前記複数の干渉出力信号（Ｕｏｕｔ）が、個々に又は加算後に増幅され、それによって必要に応じて位相補正された状態で前記少なくとも１つの制御ループの安定条件が満たされることを特徴とする方法。
【請求項１１】
帯域通過フィルタ（４０）として設計された前記１つ又は複数の選択フィルタ素子の夫々の中心周波数が、位相検出器（４２）、増幅器（４３）、低域通過フィルタ（４４）、周波数が調整されうる周波数発生器（４６）、及び数値により前記周波数発生器（４６）の周波数を定義するレジスタ（４５）を有する制御部（４１）によって調節され、これにより、前記中心周波数が前記複数の干渉信号（Ｕｉｎ）の周波数の１つに追随し、前記周波数発生器（４６）の出力信号、および前記帯域通過フィルタ（４０）からの前記複数の干渉出力信号（Ｕｏｕｔ）の１つが、前記位相検出器（４２）において検出され、前記複数の干渉出力信号（Ｕｏｕｔ）の前記検出された１つがその後、前記増幅器（４３）および前記低域通過フィルタ（４４）を経由して誘導され、前記レジスタ（４５）に供給され、この数値が、前記帯域通過フィルタ（４０）の中心周波数を前記複数の干渉信号（Ｕｉｎ）の周波数の１つに調整するために使用されることを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
各フィルタ素子において、前記複数の干渉信号（Ｕｉｎ）および基準発生器（５６）の基準信号（ＵＡ、ＵＢ）が直交検波器（５０）に供給され、これらの基準信号（ＵＡ、ＵＢ）の周波数が前記複数の干渉信号（Ｕｉｎ）の１つの周波数とほぼ同じであり、それらの位相が互いに９０度回転され、それによって、前記直交検波器（５０）の出力部から、前記２つの信号チャネル（Ａ、Ｂ）のそれぞれにおいて２つの直交干渉信号を非常に低い周波数の互いに９０度シフトされた位相で生成し、前記２つの干渉信号のそれぞれが、増幅器（５１ａ、５１ｂ）および低域通過フィルタ（５２ａ、５２ｂ）を経由して誘導され、基準信号が前記直交検波器（５０）の前記基準信号（ＵＡ、ＵＢ）と同じである直交変調器（５３）に供給され、移相器（５４）において前記信号チャネル（Ａ、Ｂ）からの前記２つの干渉信号の線形結合が演算され、これにより、前記２つの互いに直交する干渉信号が前記直交変調器（５３）の入力部において規定角度Δφだけシフトされ、サンプルホールド装置が、前記移相器（５４）の上流又は下流に接続され、前記基準発生器（５６）に同期して動作することを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１３】
前記直交検波器（５０）で生成された、前記信号チャネル（Ａ、Ｂ）における前記２つの干渉信号の一方が、前記直交検波器（５０）の出力部で検出され、制御部（５８）を経由して前記基準発生器（５６）に供給され、前記基準発生器（５６）の周波数が、前記複数の干渉信号（Ｕｉｎ）の周波数の１つに正確に調整される（適応プロセス）ことを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記１つ又は複数の選択フィルタ素子のＱ値が、制御入力（「ホールド」）によって非常に高い値に一時的に切り替えられ、それによって前記１つ又は複数の選択フィルタ素子を、前記複数の干渉信号（Ｕｉｎ）の影響を受けないようにすることを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高い磁場均一性を有する電磁石の磁場における磁場乱れ（field disruptions）を補償する装置、詳細にはＭＲ測定システムのＨ０磁場を安定させる装置に関し、この装置は、干渉信号（interfering signals）を検出する少なくとも１つの磁場検出器と、検出された干渉信号を処理する少なくとも１つの制御ループと、検出され処理された出力干渉信号が転送されるとともに干渉信号補償用の補正磁場を生成する少なくとも１つの補償コイルとを備える。
【背景技術】
【０００２】
このタイプの装置は、例えば米国特許公開第５３０２８９９号公報に開示されており、具体的には核磁気共鳴（ＮＭＲ）分光装置に使用される。
【０００３】
分光装置に追加される装置や、建物に取り付けられた設備（エレベータ、コンプレッサなど）又は外部外乱源（路面電車など）に関連するシステムおよび機械によって引き起こされる磁場乱れは、装置の高い感度および分解能のために、このタイプの磁石構成においてはますます問題になってきている。
【０００４】
ＮＭＲ磁石の静磁場Ｂ０と平行であり、かつＮＭＲ試験物質の領域内にある磁場変動（ΔＢ）Ｚは、これに比例する試験物質内の磁気核スピンの共鳴周波数の変化Δωを引き起こすため、ＮＭＲスペクトルに影響を与える。これは、従来のＮＭＲの式Δω＝γ（ΔＢ）Ｚからわかる。最新のＮＭＲ分光装置は高スペクトル分解能および高感度であるため、１・１０−９テスラ未満のわずかな乱れ磁場でも、ＮＭＲスペクトルが乱される。
【０００５】
より高い磁場強度を用いてＮＭＲ感度を上昇させたときに得られる大きな進歩、より大きな測定範囲内での磁場均一性の向上、ならびに、複数の要因によって感度が上昇してきている、低温で冷却された測定プローブ（クライオプローブ）の使用のせいで生じる、すべての関連する磁場乱れを補償することはこれまで不可能であった。
【０００６】
これまで解決されていなかったこれらの問題のうちの１つは、超伝導ＮＭＲ磁石を冷却するための冷凍機の使用に関するものである。そのようなシステムでは避けられない低周波振動により、強いＮＭＲ線の側波帯の形でスペクトル中に現れる磁場変調が生じる。これらの側波帯は、ＮＭＲスペクトルの最も敏感な領域（中心部や、水線の領域など）にあることが多く、したがって、ユーザを非常に悩ます。
【０００７】
ドイツ特許第３６２８１６１号公報は、低温液体を冷却するために冷凍機が搭載されているクライオスタットにおける超伝導磁石を開示している。冷凍機からの干渉信号は、冷凍機に取り付けられたセンサ手段を用いた誘導コイル又は加速度センサによって検出され、制御装置を経由して補償コイルに供給される。補償コイルは、冷凍機にかつ／又は磁石の室温ボア（ＲＴボア）内に取り付けられることが好ましい。制御装置は、調整可能な増幅器を有する結合行列（「重み」用）および動作線図を含む。しかし、経験から、外乱源における測定は、サンプル容積内の磁場乱れについて不十分な情報しか与えないことがわかっている。
【０００８】
米国特許公開第５１９１２８７号公報は、不均一なＢ０磁場内で回転する試験サンプルを用いて試験サンプルの磁気スピンの周期的磁界乱れを引き起こし、それによってＮＭＲ信号内に外乱側波帯が生じることを図示する。しかし、これらは、追加の側波帯を生成して既存の外乱側波帯を補償する、第２の手動で同調可能に、ＮＭＲ信号が振幅および位相の変調を受けるＮＭＲ受信機において、即座には補償されず後で補償される。変調に必要な補助周波数は、回転する試験サンプルに同期する周波数発生器によって生成される。これは、制御ループがないので、補償であり制御プロセスではない。事後補償は、不可能であるか、あるいは大きな労力を必要とするであろう。分光装置を使用する人は、ＮＭＲ測定の進め方をおおむね自由に計画しうるからである。
【０００９】
上記問題には他に、最適でない環境におけるＮＭＲシステムの使用によって生じる外乱に関するものがある。高価で複雑なインフラ（建物、部屋など）に代金を支払う覚悟ができている顧客の数は減っているからである。同じ建物内にあるシステムによって生じる床振動は、その一例である。
【００１０】
米国特許公開第４７８８５０２号公報は、遠隔外乱源（例えば路面電車）からの乱れ磁場を誘導コイルによって検出することを提案しており、それらを逆方向に制御増幅器を経由して補償コイルに転送して、乱れ磁場を反結合させる。誘導コイルおよび補償コイルは、主としてＮＭＲ磁石システムの外側に配置され、かつそれを取り囲む。しかし、この方法は、外乱が機械的振動によって磁石システム内で結合されたときを考慮していない。
【００１１】
米国特許公開第５３０２８９９号公報は、ＮＭＲ内の時変磁場乱れ（time-variant field disruptions）を補償する方法を開示しており、この方法では、ＮＭＲ基準物質（ロック物質）のＮＭＲ分光信号ｕＸおよびＮＭＲ吸収信号ｕＹが、デジタルＮＭＲ磁場安定器（デジタルロック）を用いて得られ、それから補正電流が導出される。この補正電流は、磁場補正コイルに誘導され、時変磁場外乱（time-variant field disturbances）を補償する。それによって値ｕＸ／ｕＹと値１／ｕＹ・（ｄｕＸ／ｄｔ）との組合せが、単一積分および／又は二重積分されて、増幅器を備える制御部に供給される。これにより、実質的に、測定値ｕＸ／ｕＹのＰＩＤ制御を実現する。つまり、上記制御パラメータ値が適切に調整されたとき、このＰＩＤ制御によって磁場乱れが十分に補償される。しかし、制御パラメータ値を満足がいくまで調整することは、より高い周波数成分を有する外乱がある場合は不可能であることが多い。ＰＩＤ制御による増幅が小さい場合は発生する雑音部分も小さくなるが、同時に制御帯域幅も小さくなる。その結果、より高い周波数成分の外乱抑制は不十分になる。逆に、増幅を大きくすると制御帯域幅が増大するので、外乱抑制の改善が期待されうるが、同時に雑音部分も増大する。したがって満足のいく結果を得ることはできない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
したがって、本発明の目的は、乱れ磁場を補償し、それによって高い信号対雑音比（ＳＩＮＯ）を確保するだけでなく、周期的磁場外乱の補償の改善を、特にその磁場外乱が高い周波数成分を有する場合において確実にする装置および方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明の装置は、制御ループのうちの少なくとも１つが、各中心周波数が補償されるべき干渉信号の周波数値に１回又は適応回同調されうる１つ又は複数の並列接続された選択フィルタ素子を有する複数選択フィルタシステム（multi-selective filter system）（ＭＳＦ）を備え、これらのフィルタ素子の出力部が補償コイルのうちの少なくとも１つに接続されることを特徴とする。
【００１４】
本発明の装置によれば、ＭＳＦフィルタ素子の出力信号は、補償コイルに供給されて外乱とは逆の磁場を発生させるものであり、個々に又はそれらの加算後に増幅されるので、制御ループの安定性基準を守ることができ、位相を補正することもできる。それによって本発明の装置は、例えばＭＲ装置内のより高い周波数成分を有する周期的磁場乱れを選択的に検出することができる磁場安定器として働き、したがって、既存の雑音のごく一部しか検出されないようにする。これにより、ＳＩＮＯを改善し、特に、高周波を有する周期的干渉信号の抑制を改善することができる。
【００１５】
本発明の装置は、いくつかの制御ループを含むことができ、そのうちの少なくとも１つはＭＳＦを含み、これらのＭＳＦの中心周波数は、１回又は適応回補償されるべき干渉信号の周波数値に同調される。さらに、従来の制御ループに、本発明の選択的補償に加えて、広帯域の磁場乱れ、特に低周波数領域におけるものの補償を行う制御増幅器を設けるのがより好ましい。
【００１６】
いくつかのＭＳＦが使用される場合、それらは、本発明の装置内の異なる制御ループに配置される。これにより、すべてのＭＳＦに１つの単一磁場検出器からの信号を供給することを可能とするか、又は、各ＭＳＦが独立した系に組み込まれるように、様々なＭＳＦの少なくとも一部に別個の磁場検出器を設けることが可能となり、それに対応して別の補償コイルを設けることも可能とな。
【００１７】
測定サンプル、誘導コイル又はホールプローブを含むＲＦ共振器は、例えば磁場検出器として使用されうる。
【００１８】
フィルタ素子の干渉出力信号を加算するために、加算装置が設けられることが好ましい。
【００１９】
本発明の装置の有利な実施形態では、複数選択フィルタ素子のうちの少なくとも１つが、複素伝達関数ＵＢＰ（ｊω）を有する２次の帯域通過フィルタである。ただし、
ＵＢＰ（ｊω）＝１／（１＋ｊ・Ｑ・Ω）、ただし
ｊ＝√−１
Ｑ≒ω０／Ｂ
ω０＝帯域通過フィルタの中心周波数
Ｂ＝帯域通過フィルタの−３ｄｂ帯域幅
Ω＝（ω／ω０）−（ω０／ω）
（ω−ω０）／ω０＜＜１であるとき、Ω≒２・（ω−ω０）／ω０
ω＝周波数軸の周波数値
この実施形態の他の発展形態では、選択フィルタ素子は、帯域通過フィルタの中心周波数を干渉信号のうちの１つの周波数に制御する制御部を備え、この制御部は、調整可能な周波数を有する周波数発生器と、周波数発生器の出力信号および帯域通過フィルタからの出力信号を検出する位相検出器と、増幅器と、この増幅器の下流に接続された低域通過フィルタとを備え、得られた検出信号は、位相検出器から増幅器および低域通過フィルタを経由して、数値が周波数発生器の周波数を定義しかつ制御部の出力値を表すレジスタに供給される。
【００２０】
他の実施形態は、複数選択フィルタ素子のうちの少なくとも１つが、干渉信号および２つの基準信号が２つの信号チャネルを経由して供給される直交検波器を備え、基準信号の周波数は、干渉信号の周波数とほぼ同じであり、基準信号の位相は、互いに９０度シフトされる。さらに、加算装置付きの直交変調器に誘導される転送ユニットを設け、その加算装置において、信号チャネル内で転送ユニットを経由して直交変調器に誘導された干渉信号が加算され、直交変調器内の基準信号は、直交検波器内の基準信号と同じである。基準信号の位相が互いに９０度シフトしているため、２つの信号チャネルのそれぞれにおいて直交検波器の出力部に、１つの干渉信号が、非常に低い周波数でかつ互いに９０度シフトされた位相で現れる。転送ユニットを通過した後、２つの干渉信号は、直交変調器において加算されて、干渉出力信号となる。この加算の後、干渉出力信号はその元の周波数を有するが、元の干渉信号と違ってこの干渉出力信号に対してはフィルタ処理が行われる。このフィルタリングは、帯域幅が転送ユニット内の低域通過フィルタのカットオフ周波数の２倍である帯域通過フィルタのフィルタリングプロセスに対応する。
【００２１】
転送ユニットは、各信号チャネルに対して、１つの増幅器および１つの低域通過フィルタを備えることが好ましい。
【００２２】
また、低域通過フィルタは、下記で定義される複素伝達関数ＵＴＰ（ｊω）を有することが好ましい。
【００２３】
ＵＴＰ（ｊω）＝１／［１＋ｊ（ω／ωＣ）］、ただし
ｊ＝√−１
ω＝周波数軸の周波数値
ωＣ＝低域通過フィルタのカットオフ周波数
この１次の低域通過フィルタは、９０度を超える位相シフトを生じさせることはない。
【００２４】
また、各信号チャネル（Ａ、Ｂ）用の転送ユニットは、１つの増幅器および１つの積分器を備えていてもよい。周波数ゼロに対する積分器の増幅は、無限大に近づく。このため、基準信号と同じ周波数を有する干渉信号は、残差なしに補償される。
【００２５】
本発明の装置の特に好ましい実施形態では、直交検波器の出力部に制御部が設けられ、これを介して、２つの信号チャネルの一方の、直交検波器によって変換された２つの干渉信号の一方を、検出され基準発生器に供給することができる。また、制御部は、好ましくは増幅器および低域通過フィルタを含む。
【００２６】
具体的には、増幅値が大きい場合、直交変調器の入力部に移相器を設けるのが好ましい。この直交変調器は、２つの信号チャネル内の互いに直交する信号を規定角度Δφだけずらし、したがって、選択フィルタ素子の干渉出力信号は、転送ユニットの位相応答に加えて、干渉信号に対して一定角度Δφだけずらされる。これにより、不要の振動が防止できる。
【００２７】
この実施形態の好ましい他の発展形態では、移相器の上流又は下流にサンプルホールド装置が接続され、移相器は基準発生器に同期して動作する。それによって、直交検波器内でも生成され低域通過フィルタによって完全には抑制されない上側波帯は、干渉しなくなる下側波帯に折り重ねられる。
【００２８】
選択フィルタ素子のうちの少なくとも１つの中の１つの制御入力には、その制御入力によって選択フィルタ素子のＱ係数が非常に高い値に一時的に切り替えられうるという特別の利点が備わっている。この方法により、帯域通過フィルタは、入力信号の影響を受けなくなる。選択フィルタ素子のＱ係数の増大は、例えば、ＮＭＲ分光装置のサンプル管が変更され、したがって信号Ｕｉｎが大きな変動を受けやすいときに有用である。
【００２９】
本発明は、高感度の磁石構成で特に有利に利用されうる。したがって、本発明の装置は、ＮＭＲ装置又はＭＲＩ装置の一部、特に超伝導磁石を冷却するために冷凍機が使用されるときであることが好ましい。冷凍機により、調査対象の領域に周期的な妨害が生じるからであり、この妨害は、本発明の装置によって効果的に補償されるからである。
【００３０】
本発明はまた、高い磁場均一性を有する電磁石の磁場における磁場外乱を補償する方法、特にＮＭＲ／ＭＲＩ測定システムのＨ０磁場を安定させる方法に関する。この方法では、干渉信号が、磁場検出器によって検出され、制御ブランチを経由して補償コイルに転送される。これにより、磁場乱れ補償のための補正磁場が生成される。本発明の方法では、干渉信号は、複数選択フィルタシステムにおける並列接続された選択フィルタ素子によって誘導され、選択フィルタ素子の中心周波数は、補償されるべき干渉信号の周波数値に１回又は適応回同調される。本発明の方法によれば、これらのフィルタ素子の出力信号は、個々にあるいはそれらの加算後およびそれらの補償コイルへの転送前に増幅されるので、制御ループの安定性基準を達成でき、必要に応じて位相補正を行うことができる。
【００３１】
本発明の方法の有利な変形例では、制御部が、帯域通過フィルタとして設計された選択フィルタ素子の中心周波数を干渉信号の周波数に調節し、調整可能な周波数を有する周波数発生器の出力信号、および帯域通過フィルタからの干渉出力信号が、位相検出器において検出され、得られた検出信号はその後、増幅器および低域通過フィルタを経由して、数値により周波数発生器の周波数を定義するレジスタに誘導される。この数値は、帯域通過フィルタの中心周波数を干渉信号の周波数に調整するために使用される。それによって選択フィルタ素子は、直接計算された２次の帯域通過フィルタとすることができる。
【００３２】
他の変形例は、干渉信号および基準発生器の２つの基準信号が直交検波器に供給されるフィルタ素子で構成される。これらの基準信号の周波数は干渉信号の周波数とほぼ同じであり、それらの信号の位相は互いに９０度シフトされるので、各信号チャネルにおいて直交検波器の出力部に、１つの干渉信号を非常に低い周波数で生成できる。これらの２つの干渉信号は互いに９０度位相シフトされ、各干渉信号は、増幅器および低域通過フィルタを経由して、基準信号が直交検波器の基準信号と同じである直交変調器に誘導される。直交変調器において２つの干渉信号を加算した後、干渉信号の元の周波数を有する干渉出力信号が得られるが、元の干渉信号と違ってこの干渉出力信号に対してはフィルタ処理が行われる。
【００３３】
この変形例の発展形態では、信号チャネルにおける２つの干渉信号の一方が、好ましくは直交検波器の出力部で検出され、制御部を経由して基準発生器に転送される。この基準発生器の周波数は、最高精度で干渉信号の周波数に調整される（適応プロセス）。これにより、干渉信号の周波数変動に即座にかつ効果的に反応することができる。
【００３４】
信号チャネルにおける２つの直交信号は、直交変調器の入力部において移相器を用いて規定角度Δφだけシフトされることが好ましい。
【００３５】
それによって、移相器の上流又は下流にサンプルホールド装置を挿入し、移相器が基準発生器に同期して動作することが有利となる。
【００３６】
さらに、選択フィルタ素子の品質係数を、制御入力（「ホールド」）によって非常に高い値に一時的に切り替えることも有利となりうる。
【００３７】
本発明の他の利点は、詳細の説明および図面から抽出されうる。前述および後述の特徴は、個々に又は任意の組合せであわさって使用されうる。図示・説明される実施形態は、最終的なものの列挙として理解されるべきでないが、本発明を説明するための例示的な特徴を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
図１は、例えばＭＲ装置で使用する、磁場内の磁場乱れを補償する装置（磁場安定器）を示す。磁場検出器３１が、外乱磁場ΔＢＳの干渉信号Ｕｉｎを検出するために設けられる。磁場検出器３１は、「ＮＭＲロック」に含まれ、ＲＦ共振器内にあるＮＭＲ試験サンプルを内部に収容し、その出力信号をＮＭＲ受信機３２に、続いて２つの並列制御ブランチ３６、３７に転送する。第１の制御ブランチ３６は、制御増幅器３３を備える。このタイプの制御ループは、従来技術において既に開示されており、主として緩慢な磁場変動を抑制する役割を担う。複数選択フィルタシステム３５は、主として周期的磁場乱れを抑制するために設けられた第２の制御ブランチ３７に配置される。両制御ブランチ３６、３７の信号は、加算装置３８で加算され、補償コイル３４に供給される。補正磁場ΔＢＫが、実際の外乱磁場ΔＢＳを補償する補償コイル３４の出力部に生成され、これにより、わずかな差異部分ΔＢＤ＝ΔＢＳ−ΔＢＫしか磁場検出器３１に到達しないようになるので、全制御ループを閉じることができる。
【００３９】
本発明の装置の中心的な素子は、抑制されるべき各周期的外乱成分に対して１つの選択フィルタ素子を与えるＭＳＦ３５であり、すべてのフィルタ素子は、互いに並列であり、磁場安定器全体に個々の制御ブランチ３７を形成するように組み合わされる。個々のフィルタ素子は、中心周波数が個々の外乱周波数Ｕｉｎに調節された選択周波数範囲を転送する。この調節は、磁場安定器が起動する前に行って全制御プロセスの間は不変とするか、あるいは、全制御プロセスの間に連続的かつ自動的に行う（調節手法）。
【００４０】
ＭＳＦ３５の利点をよりよく理解するため、最初に従来の磁場安定器３３の制御挙動について説明する。
【００４１】
磁場安定器３３の制御帯域幅およびそれによる磁場安定化の品質は、増幅の制御を増すにつれて向上する。これは、制御ループが不安定になり始めるかあるいは制御システム内の雑音部分が増大して、磁場安定化の品質が再び低下する時点まで適用される。この時点により有用な制御帯域幅を画定する。
【００４２】
図２（ａ）は、磁場検出器３１の出力部における、磁場安定器内に現れる可能性がある信号の一例を示す。広帯域雑音ＢＮ、および抑制されるべき様々な外乱成分ｆＳを見ることができる。周波数ｆ＝０の外乱成分（直流干渉信号）は、緩慢な磁場変動を抑制することができる。この例では、基本周波数の調波と考えられるより高い周波数の４つの周期的干渉成分を見ることもできる。
【００４３】
図２（ｂ）は、周波数応答が低域通過特性を有する制御増幅器３３の出力部における外乱成分ｆＳおよび雑音帯域を示す。描かれている関数曲線は、開制御ループの振幅応答を表している。この曲線の増幅が１（＝０ｄＢ）である場合の周波数は、制御帯域幅ＲＢを画定している。ｆ＝０での直流信号は、最大の制御増幅を受けるため、最大に抑制される。制御帯域幅内にある周期的外乱成分ｆＳも抑制される。その周期的外乱成分ｆＳが制御帯域幅ＲＢの高周波端に近づくほど、それらの抑制は小さくなる。制御帯域幅ＲＢの外側にある周期的外乱成分は、最小限しか抑制されない。
【００４４】
本発明の装置は、ＭＳＦ３５を使用することにより、改善されたＳＩＮＯを有する個々の周期的外乱成分ｆＳを検出し、したがって、これらの外乱成分ｆＳの制御増幅が増大されうる。これは、有用な制御帯域幅の増大につながり、したがって、外乱成分ｆＳの抑制の増大にもつながる。従って、調整安定化条件が考慮されなければならないが、ＭＳＦ３５の選択領域の側面があまり急勾配でないときは、その条件は問題にはならない。この調整安定化条件は、例えば、２次の帯域フィルタ４０がＭＳＦ３５内で周波数選択のために選択されるときに、確保されうる（図４）。帯域フィルタ４０の２つの側面は、制御帯域幅の限界を画定する。これらの側面が非常に急勾配である場合、それらは、２つの限界における強い位相シフトを生じさせ、それによって閉制御ループの不安定性の原因となりうる大きな群遅延時間をもたらす。制御帯域幅の２つの限界における全位相シフトが、それぞれ＋約９０度および−約９０度を超えないときに、良好な結果を得ることができる。
【００４５】
２次の帯域フィルタ４０は、複素伝達関数
ＵＢＰ（ｊω）＝１／（１＋ｊ・Ｑ・Ω）、ただし
ｊ＝√−１
Ｑ≒ω０／Ｂ
ω０＝帯域通過フィルタの中心周波数
Ｂ＝帯域通過フィルタの−３ｄｂ帯域幅
Ω＝（ω／ω０）−（ω０／ω）
（ω−ω０）／ω０＜＜１であるとき、Ω≒２・（ω−ω０）／ω０
ω＝周波数軸の周波数値
を有する。
【００４６】
図３（ａ）〜（ｃ）は、ＭＳＦ３５を用いた場合の利点を示す。図３（ａ）は、個々の外乱周波数成分ｆＳおよび広帯域雑音ＢＮからなる、磁場検出器３１からの信号を示す。ｆ＝０での直流成分は、緩慢な磁場変動に関与している。他の４つの周波数成分ｆＳは、ＭＳＦ３５によってより強力に抑制されることになる周期的干渉信号を表す。図３（ｂ）は、個々の周期的外乱成分がＭＳＦ３５をどの程度通過するかを示している。図３（ｃ）は、雑音全体ＢＮのほんの一部しかＭＳＦ３５を通過できないことを明確に示している。したがって、ＭＳＦ３５の出力部における干渉信号は、高ＳＩＮＯで検出することができ、したがって、本発明の装置を用いて最適に抑制することができる。
【００４７】
ＮＭＲ試験サンプルをＲＦ共振器内で磁場検出器３１として使用し、ＲＦ共振器でその出力信号をＮＭＲ受信機３２（図１に示されているＮＭＲロック）に転送する場合、ＮＭＲ試験サンプル内の磁気スピンの特性のために、この磁場検出器３１は、例えばわずか０．１Ｈｚの帯域幅を有する高Ｑの選択的な「帯域通過フィルタ」に相当することを考慮しなければならない。この「帯域通過フィルタ」の側面領域が磁場検出器の信号を９０度シフトさせうる点、及びその側面領域がその周波数上限に影響を与えるので制御ループの安定性に強い影響を及ぼす可能性がある点で、、この「帯域通過フィルタ」の転送特性は制御ループの制御範囲に強い影響を及ぼす可能性がある。ＭＳＦ３５の個々の選択フィルタ素子もこの位置で約９０度の位相シフトを生じさせうるので、適切な調整のためには、生じた約１８０度の位相シフトは、制御ループ内に取り付けられた位相補正部材を用いて約９０度に減少されなければならない。
【００４８】
図４は、デジタル帯域通過フィルタ４０として実現される、ＭＳＦ３５内の選択フィルタ素子を示す。帯域通過フィルタ４０は、高い品質係数を有し、調整可能な周波数を有する周波数発生器４６を含む制御部４１を備える。制御部４１は、周波数発生器４６の周波数を干渉信号Ｕｉｎの周波数に調整する。すなわち、これにより制御部４１は周波数計として動作し、周波数発生器の周波数を定義する数値は測定値を表す。この測定値は、帯域フィルタ４０の中心周波数を直接補正することができる。
【００４９】
制御部４１としては、位相ロックループ（ＰＬＬ）が特に適している。位相ロックループは、合成正弦振動の周波数を制御して、その合成正弦振動が信号Ｕｏｕｔとの固定した位相関係を有するようにする。周波数発生器４６の周波数は、ＰＬＬを用いて帯域通過フィルタ４０の出力周波数に制御され、周波数発生器４６の周波数値は、帯域通過フィルタ４０の中心周波数を調整するために使用される。それによって、周波数発生器４６の出力信号ならびに帯域通過フィルタ４０からの信号Ｕｏｕｔは、位相検出器４２で検出される。得られた検出信号は、続いて増幅器４３および低域通過フィルタ４４を経由して誘導され、数値により周波数発生器４６の周波数を順々に定義するレジスタ４５に供給される。
【００５０】
入力「ホールド」は、帯域通過フィルタを、好ましくは入力信号（干渉信号Ｕｉｎ）の影響を受けないようにする保持プロセスを開始することができる。保持プロセスは、保持プロセスが再び解除されるまで、注意深く引き起こされた外乱（例えばＮＭＲサンプルの変化）の間、選択フィルタ素子の動作状態を維持するように働く。
【００５１】
これは、帯域通過フィルタの品質係数（Ｑ値）が保持プロセスの間に著しく増大して、帯域幅が非常に小さくなり、帯域フィルタ４０の立ち上がり時間ならびに遅延時間が非常に長くなるので達成される。所要のＱ値は、所望の保持プロセスの持続時間に依存し、立ち上がり時間ならびに遅延時間がその保持プロセスの持続時間よりもずっと長くなるように選択される。したがって、帯域通過フィルタ４０は、干渉信号Ｕｉｎの変化に対して非常に緩慢に反応し、保持プロセスが終了後及びＱ値を元の値にリセットした後、非常に迅速に動作する。実際には新規の時間のかかる立ち上がりプロセスが不要であるからである。
【００５２】
それには、非常に高いＱの帯域通過フィルタ４０を実現するために複雑な計算を必要とする。１に非常に近い係数を有する乗算が必要になるからである。これは、浮動小数点演算にも非常に大きな仮数を必要とする。こうした理由で、図５による他の実施形態は、それが演算量を劇的に低減するので、非常に有利となる場合がある。
【００５３】
図５の実施形態は直交検波器５０を備えており、その中に干渉信号Ｕｉｎ、および基準発生器５６によって生成された２つの基準信号ＵＡ、ＵＢが、２つの信号チャネルＡ、Ｂにおいて供給される。これらの基準信号ＵＡ、ＵＢの周波数は、干渉信号Ｕｉｎの周波数とほぼ同じであり、レジスタ５７内に格納され、干渉周波数の識別用に１回設定される。干渉信号の位相は互いに９０度シフトされ、したがって、２つの信号チャネルＡ、Ｂにおいて直交検波器５０の出力に現れかつゼロ付近の非常に低い周波数を有する２つの干渉信号もまた、互いに９０度位相シフトされる。したがって、入力信号Ｕｉｎは、非常に低い周波数に混合される。２つの干渉信号のそれぞれは、転送ユニット５９に誘導され、そこで増幅器５１ａ、５１ｂにおいて増幅され、低域通過フィルタ５２ａ、５２ｂにおいてフィルタ処理が行われ、それによって所望の周波数選択性がもたらされる。フィルタ済み信号は、続いて直交変調器５３において混合されて元の周波数に戻される。図５の実施形態の基本的な考え方は、干渉信号Ｕｉｎがゼロ付近の低い周波数範囲にシフトされること、所望の選択性が、容易に演算されうる低域通過フィルタ５２ａ、５２ｂを用いてその位置にもたらされること、および、フィルタ処理済み信号が、続いて混合されて元の周波数範囲に戻されることにある。次いで、生成された干渉出力信号Ｕｏｕｔは、低域通過フィルタのカットオフ周波数の２倍の周波数を有する選択帯域通過フィルタでフィルタ処理が行われたように見えるフィルタ済み干渉信号Ｕｉｎに相当する。
【００５４】
干渉信号は、ゼロ周波数に非常に近接しており、直交検波器５０を通過後に互いに直交するので、一定角度の位相補正が、両信号チャネルＡ、Ｂに対して移相器５４を用いるとともに、移相器５４の各出力のためにこの移相器の入力部で２つの信号の線形結合を演算することによって単純な形で実現されうる。あるいは、移相器は２つの基準チャネル内に置かれてもよく、そこで移相器は、直交変調器の２つの基準信号ＵＡ、ＵＢを補正し、全く同じ効果をもたらすことができる。位相補正は、信号が磁場検出器３１、受信機３２および補正コイル３４において受ける位相誤差が、ＭＳＦ３５の中心周波数で補償されるので、所与の増幅で外乱の抑制を改善する。
【００５５】
図５の実施形態では、直交検波器５０の出力部は、制御部５８を経由して基準発生器５６に接続される。混合器（直交検波器）の２つの入力の和周波および差周波は、直交検波器の出力部に存在し、差周波は、ゼロ付近の低い周波数範囲（＝直流）にシフトされた外乱成分である。こうした理由で、この信号は、周波数トラッキングに直接使用されうる。直交検波器５０内で転送された２つの干渉信号の一方は、２つの信号チャネルＡ、Ｂの一方において検出され、制御部５８を経由して基準発生器５６に供給される。これにより、基準発生器５６の周波数を干渉信号の周波数の調整が可能になる（＝適応プロセス）。制御部５８は、直交検波器の出力部における干渉信号の上側波帯および他の外乱を除去する低域通過フィルタを含む。基準発生器５６の周波数又は位相は、下側波帯が常にゼロになるように調節される。したがって、他の信号チャネルにおける振幅は、干渉信号Ｕｉｎの全振幅に等しい最大値で現れる。
【００５６】
あるいは、基準発生器５６の周波数は、外乱源に同期する外部トリガ信号との位相比較によって制御されてもよい。この変形例により、わずかな可変外乱に対する性能の改善がが期待される。
【００５７】
図５に示されている本発明の装置の実施形態では、フィルタ素子のＱ値もまた、（例えば、傾斜パルス、サンプル変更、スイッチングプロセス、時分割などによって）磁場安定器の予想される入力外乱が生じた場合に、無限値に又は少なくとも非常に高い値に一時的に拡大されうる。これは、増幅器５１ａ、５１ｂの増幅および低域通過フィルタ５２ａ、５２ｂのカットオフ周波数がゼロになることを意味する。２つの低域通過フィルタ５２ａ、５２ｂは、ゼロ入力を有する積分器として動作し、それによって、外乱の先の補償を維持し、偽りの測定信号をフィルタから遠ざける。フィルタは別途の新たな立上げ処理を必要としないので、外乱がなくなったときに、フィルタは再び以前の品質係数の状態となり、他の処理が直ちに可能となる。
【００５８】
フィルタの帯域幅と中心周波数との比があまり大きくない場合、図５における第１の混合段階を示す直交検波器５０の出力部における上側波帯は、低域通過フィルタ５２ａ、５２ｂによって十分には抑制されない。この場合、サンプルホールド装置は、位相補正の上流又は下流の信号経路に挿入され、基準発生器５６の基準周波数で動作すると、上側の望まれない側波帯は、下側の望ましい側波帯に正確に折り重ねられ、そこではもはや外乱を起こさない。
【００５９】
本発明の装置および本発明の方法は、高周波成分を有する周期的磁場外乱の選択的検出を可能にし、既存の雑音の大部分が遮断され、それによってＳＩＮＯを高める。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】２つの制御ループを備える本発明の実施の形態に係る装置のブロック図である。
【図２】（ａ）は、磁場検出器の外乱成分および広帯域雑音を示す図であり、（ｂ）は、周波数応答が低域通過特性を有する従来の制御増幅器の出力における外乱成分および雑音帯域を示す図である。
【図３】（ａ）は、磁場検出器の外乱成分および広帯域雑音を示す図であり、（ｂ）は、選択フィルタ素子によってフィルタ処理が行われた周期的外乱成分を示す図であり、（ｃ）は、全広帯域雑音の一部であって、選択フィルタ素子を通過するものを示す図である。
【図４】デジタル帯域通過フィルタ形式の選択フィルタ素子を備える本発明の実施形態に係るＭＳＦを示す図である。
【図５】直交検波器形式の選択フィルタ素子を備える本発明の他の実施形態に係るＭＳＦを示す図である。
【符号の説明】
【００６１】
Ａ、Ｂ  信号チャネル
Ｕｉｎ  干渉信号
Ｕｏｕｔ  干渉出力信号
ＵＡ、ＵＢ  基準信号
ＢＮ  磁場検出器から来る広帯域雑音信号（＝広帯域雑音）
ＲＢ  制御帯域幅
ΔＢＳ  磁場値としての干渉信号
ΔＢＫ  磁場値としての補正信号
ΔＢＤ  磁場値としての差分信号（ΔＢＤ＝ΔＢＳ−ΔＢＫ）
ホールド（Ｈｏｌｄ）  保持プロセスを起動又は解除するための制御信号
３１  磁場検出器
３２  受信機
３３  緩慢な磁場変動を抑制するための制御増幅器
３４  Ｂ０に対する補償コイル
３５  複数選択フィルタシステム（＝ＭＳＦ）
３６  制御増幅器を有する制御ブランチ
３７  ＭＳＦを有する制御ブランチ
３８  加算装置
４０  高品質の同調可能な帯域通過フィルタ
４１  制御部（周波数検出器）
４２  位相検出器（混合器）
４３  増幅器（ＰＬＬ制御増幅器）
４４  低域通過フィルタ
４５  周波数値を保持するための保持レジスタ
４６  周波数発生器
５０  直交検波器（ダウンコンバータ）
５１ａ、５１ｂ  調整可能な増幅を有する増幅器
５２ａ、５２ｂ  低域通過フィルタ（又は積分器）
５３  直交変調器（アップコンバータ）
５４  移相器
５６  直交関係を有する２つの出力部を有する基準発生器
５７  周波数用保持レジスタ
５８  基準発生器の周波数を調節するための制御部
５９  ＭＳＦの選択フィルタ素子の周波数応答を定義する低域通過特性を有する転送ユニット
【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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