(57)【要約】【課題】信号が微弱になる連続波ＨＦ帯磁気共鳴装置において、重要な課題はあらゆる態様のスプリアスおよび雑音を的確に除去し磁気共鳴信号を抽出することである。【解決手段】スプリアスはさまざまな態様で現れるが、装置の動作パラメータが一定の時には、静磁界の変調周波数を基本波とする周期関数として定常的に現れ、磁気共鳴信号とは統計的な相関がない。本発明はこの点に着目し、静磁界を強、弱成分に分離し、弱成分を変調磁界に重畳して静磁界をシフトさせ、信号が表示画面から消失した状態でスプリアスを平均化し、その波形を記憶する。静磁界をシフトバックさせ、信号が表示画面に現れたとき、記憶されている平均化されたスプリアス波形を減算する。この除去法を具備したシステムによりどのような態様のスプリアスも確実に除去され正確な信号が抽出される装置を提供する。【選択図】図２ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
変調の幅の範囲から共鳴条件をシフトさせて、表示器画面内に信号のリアルタイム波形が存在しないようにした後に、表示器画面内に存在するスプリアスのリアルタイム波形を平均化しＣＰＵに記憶するステップと
共鳴条件を変調の幅の範囲に戻して、表示器画面内に信号のリアルタイム波形が存在するようにした後に、信号のリアルタイム波形より記憶されている前記平均化されたスプリアス波形を減算した波形を表示器画面内に表示するステップと
前記減算された波形を平均化してＣＰＵに記憶し、表示器上に表示させるステップとから構成されたプロセスによるスプリアス除去法を用いた、すべての操作を手動で行う磁界変調法による連続波ＨＦ帯磁気共鳴装置
【請求項２】
請求項１と同様な前記ステップから構成された前記プロセスによるスプリアス除去法を用いた、前記プロセスをＣＰＵ制御により自動化し、その他の操作を手動で行う磁界変調法による連続波ＨＦ帯磁気共鳴装置
【請求項３】
請求項１と同様な前記ステップから構成された前記プロセスによるスプリアス除去法を用いた、前記プロセスを含む、すべての操作をＣＰＵ制御により自動化した磁界変調法による連続波ＨＦ帯磁気共鳴装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は連続波ＨＦ帯磁気共鳴における信号抽出法に関わる。
【背景技術】
【０００２】  凝縮体の核磁気共鳴、ＮＭＲが第二次大戦直後にＰｕｒｃｅｌｌ、Ｂｌｏｃｈのグループより報告された。数年の間に、基本的な問題が理論、実験両面で解明された。電子スピン共鳴ＥＳＲも同様である。
【非特許文献１】Ｅ．Ｍ．Ｐｕｒｃｅｌｌ，Ｈ．Ｃ．Ｔｏｒｒｅｙ，ａｎｄ  Ｒ．Ｖ．Ｐｏｕｎｄ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．６９，３７−３８，１９４６．
【非特許文献２】Ｆ．Ｂｌｏｃｈ，Ｗ．Ｗ．Ｈａｎｓｅｎ，ａｎｄ  Ｍ．Ｐａｃｋａｒｄ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．６９，１２７，６８０，１９４６．
【非特許文献３】Ｄ．Ｊ．Ｅ．Ｉｎｇｒａｍ，Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ  ａｔ  Ｒａｄｉｏ  ａｎｄ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ，Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈｓ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ，１９５５．
【０００３】  技術の進歩は分子構造を決定する化学研究の要求に沿ったものであった。
【特許文献１】特公昭  ３８−００７５９５
【特許文献２】特公昭  ４５−００４２３３
【０００４】  化学、薬学、生化学などへの応用が急速に拡大した。
【非特許文献４】Ｗ．Ｋｅｍｐ，ＮＭＲ  ｉｎ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，Ｍａｃｍｉｌｌａｎ  Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，１９８６．邦訳、山崎昶、「化学・生化学・薬学・医学のためのやさしい最新のＮＭＲ入門」、培風館、１９８８．
【非特許文献５】山内淳、「磁気共鳴―ＥＳＲ」、サイエンス社、２００６．
【０００５】  ＮＭＲでは初期より、分解能を向上するこをが追及された。現在ではＶＨＦ帯２００−５００ＭＨｚ，約４．７−１１．８Ｔが標準である。分光器ではパルス法、フーリエ変換法が標準になっている。ＥＳＲでは当初からＳＨＦ帯のマイクロ波、ＸからＱバンドの９ＧＨｚ―３６ＧＨｚ、約０．３−１．２Ｔが使われたが、現在の標準は９ＧＨｚである。【０００６】  このような周波数帯を使う現在の分光装置はＮＭＲでは特殊な超伝導磁石が、ＥＳＲでは空隙６０ｍｍ、１Ｔ以上の大型の電磁石が必要である。分光器も高度な技術を要する。技術的には成熟しており高度な機能、性能を持つ。また０．２−１Ｔ程度の磁界を使うＭＲＩにＮＭＲが応用され、イメージング技術に新分野が開かれた。磁界の測定と制御も重要な応用で、高精度の磁界を使用する機器に使用されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】  上記のように現在の装置は分子構造解析その他の学術研究用、あるいは医療診断用で高度の技術が用いられており高価である。これに対し本発明は微細構造の分解を特に求めず、試料の総スピン数の簡易測定を主たる目的とし、磁気共鳴現象応用の一般化、小型化、低価格化を目指す。【０００８】  ＨＦ帯磁気共鳴装置を実用化する上で重要な問題は、ＳＮ比が低下することである。そのため雑音とともに、スプリアス（擬似信号）が問題になる。スプリアスは装置全体の作動条件、状態さらに外的要因によって変化するとともに、表示装置の窓の位置、大きさにも依存する。本発明の課題は、これらの問題を解決する手段と、それを用いる装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  前記目的を達成するために請求項１記載の各スッテプは、
静磁界発生を強、弱の２つのシステムに分割することと
強磁界発生システムを信号抽出システムから分離することと
弱磁界発生システムを信号抽出システムの一部に組み込むことと、
無信号と有信号の領域を分別できるように、変調磁界の周期と振幅を設定することと
検出器からの信号をＡＤ変換し信号抽出表示をデジタル処理で行うことを手段として実行される。【００１０】  本発明によるスプリアス除去法が可能なのは、信号、スプリアス、雑音の間に相関が無いこと、一定の作動条件下ではスプリアスが安定に存在すること、雑音がランダムプロセスであることである。
【発明の効果】
【００１１】  本発明によるシステムを用いれば、磁界変調法による連続波ＨＦ帯磁気共鳴装置において、雑音および磁界変調法では避けられないスプリアスが、表示装置画面の任意の振幅軸および時間軸の組み合はせによって限られた画面内で確実に除去、低減され正確な磁気共鳴信号が得られる。これによって信号の観察が容易になり、データの正確度が高まる。ＨＦ帯では信号強度が低下するので本発明の実施効果は大きい。スピン濃度の小さな試料、微小量の試料等についても同様である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】  本発明によるシステムを図１ａ，図１ｂ，図３ａを用いて説明する。図１ａに示すような磁気共鳴装置は公知である。図３ａのプローブ８内にある高周波コイルを高周波発振器９で励振して試料に周波数ｆ１の高周波磁界ｈ１を印加する。ｆ１を高周波発振器制御器１０によって所定の共鳴周波数ｆｒに設定する。変調電源５によって、変調コイル４を励振して変調磁界ｈｍを高周波磁界ｈｒに直交する方向に発生する。【００１３】  陽子を対象にするときは主コイル電源２、および制御器３によって、強磁界用主コイル１に定電流を供給し静磁界Ｈ０の強磁界成分Ｈｓｆを変調磁界と平行な方向に重畳発生し試料に印加する。Ｈｓｆは共鳴磁界の近傍の値にセットする。【００１４】  ＨＦ帯、３−３０ＭＨｚの磁気共鳴の磁界強度は陽子では０．０７−０．７Ｔ、電子では０．１−１ｍＴである。したがって電子の場合にはＨｓｆを作る電磁石は不要になるから主コイルを含むシステムは、信号抽出システムから分離してある。【００１５】  弱磁界制御器７によって変調コイルに直流バイアス電流を供給して静磁界Ｈ０の弱磁界成分Ｈｗｆを変調磁界に重畳発生する。静磁界と変調磁界の重畳磁界ｈ０は図１ｂのようになる。【００１６】  このような構成においてＨ０±Ｈｍの磁界の範囲内に、共鳴周波数ｆｒに対応する磁界Ｈｒ（ωｒ＝γＨｒ、ωｒ＝２πｆｒ）が存在すれば、高周波発振器制御器１０によって、高周波磁界Ｈ１を調整し、弱磁界制御器７および変調電源制御器６を操作して、磁気共鳴信号が変調磁界の周期Ｔｍで周期的に観測される。Ｈ１、ＨｍおよびＴｍは試料の緩和時間に応じて、高周波発振器制御器１０および、変調電源制御器６によって調節する。【００１７】  共鳴信号を、高周波発振器を介し検出器１１によって受信し、ＣＰＵ１５に取り込み記憶装置１３、平均化装置１２で信号処理して、シンクロスコープ等の表示装置１４上に表示する。表示装置の時間軸は変調磁界Ｈｍと同期させる。【００１８】  次にスプリアス除去のプロセスを説明する。図１ｂのような正弦波で変調された静磁界Ｈ０において共鳴周波数ｆｒに対応する値Ｈｒに向け、弱磁界制御器７によって弱磁界成分Ｈｗｆを増加させていく。図から明らかなようにＨｒ−Ｈｍ＜Ｈ０＜Ｈｒ＋Ｈｍの範囲が信号の出る領域であり、この領域を有信号領域、それ以外の領域を無信号領域と呼ぶ。有信号領域からＨ０を上げても、下げても無信号領域になる。【００１９】  磁界変調法においては、基本波ｆｍとその高調波が混在したスプリアスＳＰの発生が雑音ｎとともに避けられない。これらを除去するために、システムは以下のように操作もしくは作動する。これを実施例の図２ａ、図２ｂによって説明する。図２ａは以下に述べるプロセスを模式的に示す。図中のＡ、Ｃは無信号領域、Ｂ、Ｄは有信号領域の区間である。図３ａは操作が必要な制御器３、６、７、１０のすべてを手動によるシステムである。【００２０】  検出器の出力をＣＨ１に入れて画面を見ながら無信号領域Ａからスタートする。図２ｂ（ｉ）のようにスプリアスと雑音の混在した波形が見られる。ＳＰは変調磁界のみがスプリアス源のときにはｆｍを基本波とする周期関数であり、図２ｂはこのような場合である。周波数ｆｅの周期��の外乱が影響する場合にはｆｍ±ｆｅを基本波とする複雑な波形の周期関数になる。外乱に周期性がなければ雑音の一部になる。【００２１】  弱磁界制御器７によってＨｗｆを上げていくと有信号領域Ｂに入り、図２ｂ（ｉｉ）のように磁気共鳴信号ＳＧ（以下、信号と呼ぶ）が現れる。これはＨ０＝ＨｒでＳＧは等間隔になり、基本波は２ｆｍである。Ｈ０≠Ｈｒのときには信号はペアで不等間隔に現れ基本波はｆｍになる。これを確認したら、Ｈｗｆを下げて図２ｂ（ｉｉｉ）のように再び無信号領域Ｃに戻す。ｎは時間関数だがランダムプロセスで周期性はない。いずれも時間軸の幅、振幅軸の幅とＤＣオフセットによってきまる表示器画面内でサンプリングされた波形を意味する。【００２２】  以下に本発明による信号抽出のプロセスを数式で説明する。
ＣＨ１、ＳＰ、ｎを瞬時値として、図２ｂ（ｉ），図２ｂ（ｉｉｉ）は、どちらも
ＣＨ１＝ＳＰ＋ｎ
である。
これを確認したら、平均化装置１２によって時間平均する。＜Ａ＞を瞬時値Ａの時間平均を表すとして
＜ＣＨ１＞＝＜ＳＰ＋ｎ＞
ＳＰとｎの間には相関がないから
＜ＣＨ１＞＝＜ＳＰ＞＋＜ｎ＞
ｎはランダムプロセスで、＜ｎ＞＝０  だから
＜ＣＨ１＞＝＜ＳＰ＞
この雑音の低減したスプリアス波形、図２ｂ（ｉｖ）を記憶装置１３に入れる。【００２３】  平均化および記憶を確認したらＨｗｆを上げて再度有信号領域Ｄに戻し、図２ｂ（ｖ）のように信号が現れるようにする。この波形は信号にスプリアスと雑音の混在した
ＣＨ１＝ＳＧ＋ＳＰ＋ｎ
である。これを確認したら＜ＳＰ＞すなわち、記憶されている雑音の低減されたスプリアス波形を減算するようにＣＰＵを操作して
ＭＡＴ＝ＣＨ１―＜ＳＰ＞
を作る。上式により
ＭＡＴ＝ＳＧ＋ＳＰ＋ｎ―＜ＳＰ＞
だが、ＳＧとＳＰの間にも相関がないから
ＭＡＴ＝ＳＧ＋ｎ
となる。すなわちスプリアスが補正された信号と雑音を含む波形図２ｂ（ｖｉ）である。【００２４】  これを更に平均化すれば
＜ＭＡＴ＞＝＜ＳＧ＋ｎ＞
ＳＧとｎの間にも相関がないから
＜ＭＡＴ＞＝＜ＳＧ＞
となり、図２ｂ（ｖｉｉ）のように信号のみが抽出される。この＜ＳＧ＞を記憶装置１３に入れ、必要に応じて表示装置上に表示して観察する。あるいは必要とする各種の試料のパラメータを計算、処理してデータとして取得する。【００２５】  図２ｃは時間幅を狭めて２つの信号が出るようにしたもの、図２ｄはズームアップして１つだけの信号が出るようにしたものである。いずれも異なるスプリアスに対して図３と同様の手順によって信号が抽出されている。【００２６】  実施例の図２ｂ，図２ｃ，図２ｄのデータは１７ＭＨｚ、約０．４Ｔ  でのプロトンの核磁気共鳴で小型の電磁石を使っているが、動作機構と実施効果を説明するために例示したものである。測定の条件などは内容に関わらないので省略する。１７ＭＨｚの電子スピン共鳴では約０．６ｍＴとなり、電磁石はいらないが主旨は変わらず同様に適用されることは明らかである。【００２７】  以上、一具体例を説明したがシステムの各要素は、それらの機能が上記説明のように有機的に結合されていれば、ハードウエアによっても，あるいは又ソフトウエアによってもよい。又それらの一部をいずれかに代えてもよい。いずれを択ぶかは要求される仕様による技術的、経済的な理由による。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１ａ】本発明の装置の動作を説明する概念図である。
【図１ｂ】同静磁界と変調磁界の重畳場を説明する模式図である。
【図２ａ】同実施例の静磁界の変化を示す模式図である。
【図２ｂ】同実施例１、信号抽出のプロセスを説明する実験例である。信号が５つ現れている。
【図２ｃ】同実施例ＩＩ、Ｉをズームアップしたもので信号が２つ現れている。
【図２ｄ】同実施例ＩＩＩ、ＩＩを更にズームアップしたもので信号が１つだけ現れている。
【図３ａ】同全手動操作システムの系統図である。
【図３ｂ】同一部ＣＰＵ制御システムの系統図である。
【図３ｃ】同全ＣＰＵ制御システムの系統図である。
【符号の説明】
【００２９】  １    強磁界用主コイル
２    主コイル電源
３    主コイル電源制御器
４    変調コイル
５    変調電源
６    変調電源制御器
７    弱磁界制御器
８    プローブ
９    高周波発振器
１０  高周波発振器制御器
１１  検出器
１２  平均化装置
１３  記憶装置
１４  表示装置
１５  ＣＰＵ
【図１ａ】
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【図１ｂ】
2009128352.tif 000004
【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
2009128352.tif 000007
【図２ｄ】
2009128352.tif 000008
【図３ａ】
2009128352.tif 000009
【図３ｂ】
2009128352.tif 000010
【図３ｃ】
2009128352.tif 000011