JP4128150B2 - 任意波形発生器を用いたラジオ波送信回路およびそれを用いた核磁気共鳴装置 - Google Patents

Description

本発明はラジオ波送信回路を有する核磁気共鳴装置に関するものである。

一般に核磁気共鳴（以下ＮＭＲと略称する）測定装置は、高周波を数マイクロ秒の幅をもつパルスに成形し、試料へ照射することによって試料中の核スピンの準位を励起し、励起された核スピンからの自由減衰信号を受信する。周波数領域を選択的に与えて試料を励起する際に、従来は純粋なサイン波の位相、振幅を数十ナノ秒単位でそれぞれ独立に変化させて励起パルスを得てきた。

ＮＭＲ測定装置においては、ある単一の周波数の周囲に広がった広範囲の励起周波数を作り出すことが必要である。これまでにＭＲＥＶ，ＷＡＬＴＺなどと呼ばれる位相だけを細かく変えて実現する方法、Ｅ−ＢＵＲＰなどの振幅を変える方法などが実現されてきた。その一方で、断熱パルスとしてＣＨIＲＰ、ＷＵＲＳＴなどのパルス作成方法も開発されてきている。

また、ＮＭＲ測定装置の高周波送信系にＩＱ型の変調器を用いる方法が、非特許文献１（レビュー オブ ザ サイエンティフィック インスツルメンツ62巻2810頁から2815頁（Review of the Science Instruments. 62(11) 2810〜2815 (1991)）に記載されている。

レビュー オブ ザ サイエンティフィック インスツルメンツ62巻2810頁から2815頁（Review of the Science Instruments. 62(11) 2810〜2815 (1991)）

マグネットの技術開発が進み、ＮＭＲ測定装置の磁場強度が増加した結果、ユーザーにとっては感度の向上などの利点がもたらされた。しかし、磁場強度の増加と共に必要な高周波パルスのパワーが増大し、試料に与えるエネルギーが大きくなりすぎて試料の温度が上昇するという問題がある。

特に広い周波数範囲をデカップルするパルスを照射する際には、試料の温度上昇が問題となる。これを避けるためには、入射パワーを少なくする、パルスの時間を短くするなどの方法があるが、一長一短がある。近年、ＣＨIＲＰ，ＷＵＲＳＴなどの断熱パルスが登場し、試料の温度上昇を防ぎながら広範囲の周波数のスペクトルをデカップルする手法が開発されてきている。

ここで、デカップルとは、カップリングを解くという意味である。一般にNMRで測定されるスペクトルは、そのスペクトルを出している原子核の付近にある、他の原子核の影響を受けて僅かに数Ｈｚ***する。この***したスペクトルをカップリングしたスペクトルという。デカップルするために、ラジオ波パルスを照射するとこのカップリングがとれてその部分のスペクトルが1本になる。

この方法は、純粋なサイン波の位相と振幅のみを100ナノ秒程度以上の時間間隔で制御し、ＣＨIＲＰ型の波形を作り出しており、理想的なチャープ波形を模擬しているに過ぎない。また、実際にユーザーが作ったパルス波形のプログラムがうまく働くかどうかは、ブロッホ方程式を解いてシミュレーションしないと分からないことが多い。

その上、従来のような位相と振幅のみを細かく変調する方式では、単一周波数の周囲を励起することはできるが、選択的に２つ、あるいは、３つの周波数領域を励起したり、デカップルしたりするようなパルス列を作るのは非常に難しい作業になる。

本発明の目的は、この選択的励起方法の自由度を更に増すことである。ユーザーが自由に選択的励起周波数をプログラミングできれば、測定試料にもっとも適切な励起パルスを自由に設定することができるようになる。その結果試料の温度上昇を防ぎ安定して効率的にスペクトルを取ることができるようになる。また、試料の出すスペクトルパターンに合わせた効率的な励起パルスを自由に設計することができるようになる。

本発明の一つの実施形態は、局部発振器と、入力されたデータに基づいてそれぞれ出力波を発生する２つの任意波形発生器と、２つのミキサーを有し、前記局部発振器の出力と前記２つの任意波形発生器の出力が与えられるＩＱモジュレーターを備え、前記ＩＱモジュレーターは、前記局部発振器からの電磁波を前記２つの任意波形発生器の出力波によって変調するようにした核磁気共鳴用ラジオ波送信回路である。

本発明によればＮＭＲ装置のラジオ波送信パルスの設計自由度が飛躍的に向上する。

図１は、本発明の１実施形態を示すブロックダイアグラムである。２台の任意波形発生器ＡＷＧ１とＡＷＧ２には、計算機などを用いて生成したデータＤＡＴＡ１，ＤＡＴＡ２が入力され、そのデータは、一旦メモリＭ−１，Ｍ−２に溜め込まれる。これらのデータは、例えば、１５０MHz程度の参照クロックＣＬＯＣＫに合わせて蓄積する。

溜め込まれたデータは、デジタル−アナログ変換器ＤＡＣ−１，ＤＡＣ−２によってデジタル−アナログ変換され、電気的な電圧として出力される。この出力電圧は、ＩＱモジュレータＩＱＭへ与えられる。任意波形発生器ＡＷＧ１，ＡＷＧ２によって発生される最高周波数はクロックに依存するが、例えば数ＭＨｚである。

図２は、２台の任意波形発生器ＡＷＧ１とＡＷＧ２の出力波形の一例を示している。波形ＩおよびＱは、それぞれ任意波形発生器ＡＷＧ１およびＡＷＧ２の出力波形であり、波形Ｉは実数部分、波形Ｑは、虚数部分である。位相の異なるこれらの連続波Ｉ，Ｑは、図３のように時間的に直流電圧を変化させることによって作ることが可能である。この実施形態では位相は２２．５度毎に３６０度変化している。

局部発振器ＬＯＳＣは、ＮＭＲ測定の基準となる中心周波数、例えば、６００ＭＨｚを発振する。２つの任意波形発生器ＡＷＧ１，ＡＷＧ２の出力と局部発振器ＬＯＳＣの出力をＩＱモジュレーターＩＱＭを用いて変調する。ＩＱモジュレーターＩＱＭによって変調された出力は、パワーアンプＰＡＭＰによって増幅された後、核磁気共鳴装置のプローブＰＲＣへ供給される。

ＩＱモジュレーターＩＱＭは、具体的にはアメリカのＭＩＴＥＱ社やＭＩＮＩ−ＣＩＲＣＵＩＴＳ社などから販売されている。しかし１０ＭＨｚ、２０ＭＨｚといった特定の周波数の製品が多く、ＮＭＲ用の周波数（６００ＭＨｚや８００ＭＨｚ）に用いるためには、位相補正回路部分を安定化することが必要である。ＮＭＲ装置では一般に周波数純度について、主ピークのスペクトルに対して、スプリアスといわれるノイズとなるスペクトルピークの高さが−30dB以下であることが望ましい。通常のＩＱモジュレーターは、スプリアス対主ピーク比が−20dBである。本実施の形態ではスプリアスノイズが−３０ｄB以下のIQモジュレーターを使用する。

ＩＱモジュレーターＩＱＭは、２つのミキサーＭＩＸ−１、ＭＩＸ−２と、局部発振器ＬＯＳＣからの信号を分岐して一方の位相を９０度シフトさせる位相シフト器ＰＳと、２つのミキサーＭＩＸ１，ＭＩＸ２からの出力を結合する結合器ＣＯＭとからなっている。任意波形発生器ＡＷＧ１，ＡＷＧ２からの出力はそれぞれミキサーＭＩＸ１，ＭＩＸ２に入力される。局部発振器ＬＯＳＣの出力波、例えば、数１００ＭＨｚの電磁波はミキサーＭＩＸ１，ＭＩＸ２において変調される。変調された２つの電磁波は、結合器ＣＯＭで結合されて出力波となる。

位相シフト器ＰＳは、ＩＱモジュレーターＩＱＭの中に設けられ、キャリアー(搬送波)に対して90度の位相をもった波形を作り出す。位相シフト器ＰＳをアナログ的に製作する際には、ある固定周波数に合わせて製作する必要がある。その理由は、位相シフト器ＰＳは、キャリアーの周波数に敏感であるからである。

ＩＱモジュレーターＩＱＭに任意波形発生器ＡＷＧ１，ＡＷＧ２からの適切な信号を入力した場合、ＩＱモジュレーターＩＱＭは、シングルサイドバンドミキサー（ＳＳＢミキサー）として機能する。シングルサイドバンドミキサーとは、イメージリジェクションミキサーとも呼ばれ、２つの周波数ｆ１とｆ２（ｆ１＞ｆ２）をミキシングした場合、周波数ｆ１＋ｆ２のみ、または周波数ｆ１−ｆ２のみが出力されるミキサーである。

周波数ｆ１＋ｆ２のみが出力される場合、周波数ｆ１−ｆ２の信号をイメージという。周波数ｆ１＋ｆ２に対する周波数ｆ１−ｆ２の信号強度の比を信号抑圧比といい、ＳＳＢミキサーの性能はイメージ信号の抑圧比が高いほうが良い。例えば、−２０ｄＢ以上が要求される。

次に図４、図５を用いてユーザーが自由に励起パルスを作るプロセスについて説明する。図４（ａ）は実際のＮＭＲスペクトル信号である。その一部分の２箇所、四角で囲ってある部分のみを励起しようとする場合を考える。励起したい部分の周波数軸の振幅データを矩形で抽出する。

矩形の振幅情報に合わせた位相データをある一定値にすると、逆フーリエ変換して時間データにしたときに、ダイナミックレンジが非常に大きくなる。このため、位相スクランブルの処理をする。ＮＭＲ測定において、微弱な信号を検出する際に邪魔となる、水などに由来する強い信号を押さえ込むために、特定の周波数帯域を連続的に照射するような要求がある。

その際に位相が一定の周波数を照射するよりも、位相をランダムにスクランブルし(かき混ぜて)照射すると、送信波形の振幅が一定になり、安定した照射ができる。この操作を位相スクランブルという。

ある周波数ｆ１からｆ２までの区間を位相スクランブルの方法を用いて照射したい場合、振幅Ａは
A（ｆ）＝１（ｆ１＜ｆ＜ｆ２）、
A（ｆ）=0（ｆ＜ｆ１、またはｆ＞ｆ２）、
位相はＮ分割してスクランブルすると位相Pは以下のように表せる。

P(f)＝2π＊random (ｋ)（ｆ１+ｋ＊（ｆ２−ｆ１）／N＜ｆ＜ｆ１＋(k＋1)＊(f2
―f1)／N, ｋ＝１…N）
ここで、ramdom (k)は種整数ｋで発生する０から1の間の実数をとる乱数である。A(f)とP(f)を用いると周波数領域の励起用スペクトルS(f)を複素数で表すことができ、S(f)＝A(f)exp(P(f))と表せる。

図４で説明した流れをブロック図で説明すると図５のようになる。このようにして得られた振幅と位相の周波数データを逆フーリエ変換して、時間軸での実数および虚数データに変換する。時間軸から周波数軸に変換することを順フーリエ変換、逆に周波数軸から時間軸にデータを変換することを逆フーリエ変換という。

上記の励起用スペクトルS(f)を逆フーリエ変換して時間領域の複素数データW(t)を作る。

W(t)が求められれば任意波形発生器ＡＷＧ１，ＡＷＧ２が作るIとQのデータはそれぞれW(t)の実数部と虚数部になり、次式で表せる。

I(t)=Real(W(t)), Q(t)=Img(W(t))
これを任意波形発生器ＡＷＧ１，ＡＷＧ２で発生させれば良い。得られたデータを任意波形発生器ＡＷＧ１，ＡＷＧ２への入力データとして用いる。以上のプロセスで自由な励起パルスをユーザーは作り出すことができる。

図４、図５で任意波形発生器ＡＷＧ１，ＡＷＧ２に入力するデータ生成方法の一例について記述したが、他にも入力データを生成する方法が考えられる。図４（ａ）に示した実際のスペクトルデータは、時間軸でとった自由減衰信号（ＦＩＤ）をフーリエ変換したものである。

そのＦＩＤ信号をそのまま、あるいは切り出して加工し、入力データとする。ＦＩＤとは自由減衰波形（Ｆree Ｉnduction Ｄecay）である。一般にＮＭＲで観測する信号は、始めは強く次第に減衰していくのでＦＩＤ信号と呼ばれる。具体的にはF(x)=exp(-t)sin(wt)のような関数の波形になる。図６はその一例を示している。

本発明の１実施形態を示す任意波形発生器（ＡＷＧ）を用いたラジオ波送信回路のブロック図である。 任意波形発生器の主力の一例を示す波形図である。 任意波形発生器内で作られる波形の説明図である。 逆フーリエ変換を用いたデータ生成の説明図である。 逆フーリエ変換を用いたデータ生成のフローチャートである。 自由減衰信号の一例を示す図である。

符号の説明

ＩＱＭ…ＩＱモジュレーター、Ｍ−１、Ｍ−２…メモリ、ＡＷＧ１、ＡＷＧ２…任意波形発生器、ＭＩＸ−１、ＭＩＸ−２…ミキサー、ＬＯＳＣ…局部発振器、ＰＡＭＰ…パワーアンプ、ＰＲＣ…ＮＭＲプローブコイル、ＤＡＣ―１、ＤＡＣ−２…デジタル−アナログコンバーター、ＣＯＭ…結合器、ＰＳ…位相シフター、ＣＬＯＣＫ−１、ＣＬＯＣＫ−２…クロック。

Claims (6)

1. 入力された異なる波形データを記憶する２つのメモリと、これらメモリの波形データを所定の周波数に同期してＤ／Ａ変換してそれぞれ出力波を発生する２つの波形発生器を有し、ＮＭＲ測定の基準となる中心周波数を発振する局部発振器と、前記２つの波形発生器の出力と前記局部発振器の出力を変調する２つのミキサーと、これら２つのミキサーの出力を結合する結合器を有するＩＱモジュレーターを備え、前記ＩＱモジュレーターは、前記局部発振器からの電磁波を前記２つの波形発生器の出力波によって変調することを特徴とする核磁気共鳴用ラジオ波送信回路。
2. 請求項１において、前記ＩＱモジュレーターは、前記２つのミキサーと、前記局部発振器からの電磁波の位相を９０度ずらす位相シフターを有し、前記ミキサーの一方には前記局部発振器の出力が入力され、他方には前記位相シフターの出力が入力される核磁気共鳴用ラジオ波送信回路。
3. 請求項１において、前記２つのメモリの一方には所定周波数に対応した振幅データを、他方には前記振幅データの位相をランダムにかき混ぜた位相スクランブルデータ記憶する核磁気共鳴用ラジオ波送信回路。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、前記波形発生器に入力する波形データとして逆フーリエ変換した周波数データを用いる核磁気共鳴用ラジオ波送信回路。
5. 請求項４において、逆フーリエ変換される周波数データの元となるデータとして、測定試料の実スペクトルを参照してつくられたデータ、もしくは前記実スペクトルを加工したデータを用いる核磁気共鳴用ラジオ波送信回路。
6. 請求項１〜５のいずれか一つに記載された核磁気共鳴用ラジオ波送信回路の出力が与えられるプローブコイルを備えた核磁気共鳴装置。

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