JP5854735B2

JP5854735B2 - 核磁気共鳴イメージング装置及び核磁気共鳴イメージング方法

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Description

本発明は、核磁気共鳴イメージング装置及び核磁気共鳴イメージング方法に関する。

アルカリ金属ガスの電子スピンを利用した高感度の光磁力計が提案されている。
この光磁力計を用いて磁気共鳴の計測（磁気イメージング）を行う際に、この磁力計を動作させるためのバイアス磁場と試料に印加する静磁場との関係には一定の制約がある。
アルカリ金属やプロトンのラーモア周波数ω₀は、磁場の大きさ｜Ｂ｜に比例して、ω₀＝γ_A｜Ｂ｜となるためである。
比例定数のγ_Aが磁気回転比と呼ばれる量である。
アルカリ金属の電子スピンに起因する磁気回転比に対して、プロトンの核スピンの磁気回転比は小さく、例えばプロトンの磁気回転比はカリウムの磁気回転比の１／１６７ほどとなっている。

そこで、このような性質を有するアルカリ金属の光磁力計を用いた核磁気共鳴イメージングにおいて、アルカリ金属のラーモア周波数とプロトンのラーモア周波数を一致させるという方法がある。
例えば、非特許文献１においては、アルカリ金属に印加するバイアス磁場を調整するヘルムホルツコイルと試料を囲むソレノイドコイルとの組み合わせが開示されている。
この組合わせによって、バイアス磁場と試料に印加する静磁場とを独立に調整し、プロトンのラーモア周波数がカリウムのラーモア周波数と一致するようにして、磁気共鳴信号を取得するようにされている。

また、光磁力計のバイアス磁場と試料に印加する静磁場とを同じ均一磁場にする方法も知られている。
このような方法として、例えば非特許文献２では、試料内の磁気ダイポールのうちバイアス磁場に垂直な方向を向いた振動成分に着目し、この成分が発生する磁場がバイアス磁場と平行な方向を向く位置にセルのアクティブボリュームを配する手法が開示されている。
このような非特許文献２の方法では、静磁場中のプロトンの核磁気共鳴から発する自由誘導減衰（ＦｒｅｅＩｎｄｕｃｔｉｏｎＤｅａｃｙ）の磁場がカリウムのバイアス磁場に重畳して、そのラーモア周波数に周波数変調が加えられる。そして、この周波数変調された信号を復調することで、自由誘導減衰の信号を取り出す。

Ｉ．Ｓａｖｕｋｏｖ，Ｓ．Ｓｅｌｔｚｅｒ，ａｎｄＭ．Ｒｏｍａｌｉｓ，ＤｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆＮＭＲｓｉｇｎａｌｓｗｉｔｈａｒａｄｉｏ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｔｏｍｉｃｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｓｏｎａｎｃｅ，１８５，２１４（２００７）．Ｇ．Ｂｅｖｉｌａｃｑｕａ，Ｖ．Ｂｉａｎｃａｌａｎａ，Ｙ．Ｄａｎｃｈｅｖａ，Ｌ．Ｍｏｉ，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｓｏｎａｎｃｅ，２０１，２２２（２００９）．

光磁力計を用いた核磁気共鳴イメージングに際し、非特許文献２のように磁力計のバイアス磁場と試料に印加する静磁場とを同じ均一磁場にする方法によれば、非特許文献１のように複雑な磁場の調整を回避することができる。
すなわち、非特許文献１のように、アルカリ金属のラーモア周波数とプロトンのラーモア周波数を一致させるため、バイアス磁場と試料に印加する静磁場とを独立に調整する等、複雑な磁場の調整が必要となる。
これに対して、非特許文献２ではこのような複雑な磁場の調整を必要とすることなく、光磁力計のバイアス磁場と試料に印加する静磁場とに、共通の磁場を使うことができる。
しかしながら、このように光磁力計のバイアス磁場と試料に印加する静磁場とを共通のものとして使う際に、光磁力計の感度がゼロとなる領域を避け、強い磁気共鳴によるイメージングに必要な条件等については、これまで明らかにされていない。

そこで、本発明は、光磁力計のバイアス磁場と試料に印加する静磁場とを共通のものとして使う際に、
光磁力計の感度がゼロとなる領域を避け、強い磁気共鳴によるイメージングが可能となる核磁気共鳴イメージング装置及び核磁気共鳴イメージング方法の提供を目的とする。

本発明の核磁気共鳴イメージング装置は、イメージングする領域に配置された試料に静磁場を印加する静磁場印加手段と、ＲＦパルスを印加するＲＦパルス印加手段と、勾配磁場を印加する勾配磁場印加手段と、核磁気共鳴信号を検出する核磁気共鳴信号手段と、
を備え、核磁気共鳴イメージングを行う核磁気共鳴イメージング装置であって、
前記核磁気共鳴信号手段として、前記核磁気共鳴信号を検出するセンサがアルカリ金属セルによって構成されたスカラ磁力計を有し、
前記スカラ磁力計を動作させるバイアス磁場と、前記静磁場印加手段における試料に印加する静磁場とに、共通の磁場が使用可能に構成され、
前記静磁場印加手段によって前記試料に静磁場を印加する方向をｚ方向とするとき、
前記スカラ磁力計のアルカリ金属セルの位置が、前記イメージングする領域と前記ｚ方向において重ならず、且つ、前記ｚ方向と垂直な面内方向において交差しない位置に配置されていることを特徴とする。
また、本発明の核磁気共鳴イメージング方法は、イメージングする領域に配置された試料に静磁場を印加する静磁場印加手段と、ＲＦパルスを印加するＲＦパルス印加手段と、勾配磁場を印加する勾配磁場印加手段と、核磁気共鳴信号を検出する核磁気共鳴信号手段と、
を用いて、核磁気共鳴イメージングを行う核磁気共鳴イメージング方法であって、
前記核磁気共鳴信号手段として、前記核磁気共鳴信号を検出するセンサがアルカリ金属セルによって構成されたスカラ磁力計を有し、
前記スカラ磁力計を動作させるバイアス磁場を、前記静磁場印加手段における試料に印加する静磁場と共通の磁場として作用させる際において、
前記静磁場印加手段によって前記試料に静磁場を印加する方向をｚ方向とするとき、
前記イメージングする領域と前記ｚ方向において重ならず、且つ、前記ｚ方向と垂直な面内方向において交差しない位置に、前記スカラ磁力計のアルカリ金属セルを配置することを特徴とする。

本発明によれば、光磁力計のバイアス磁場と試料に印加する静磁場とを共通のものとして使う際、光磁力計の感度がゼロとなる領域を避け、強い磁気共鳴によるイメージングが可能となる核磁気共鳴イメージング装置及び核磁気共鳴イメージング方法が実現できる。

本発明の実施形態における原点に配置したスカラ磁力計の感度分布を示す図。本発明の実施形態におけるスカラ磁力計で磁気共鳴計測を行うときの不感領域を示す図。本発明の実施形態における核磁気共鳴イメージングを行う際のアルカリ金属セルの配置例を示す図であり、（ａ）はアルカリ金属セルの配置の平面図、（ｂ）はその側面図。本発明の実施例１における核磁気共鳴イメージング装置の構成例を説明する図。本発明の実施例１におけるモジュールを外部の光源、フォトディテクタ、制御システムと接続して、スカラタイプの光磁力計として動作させるように構成した光磁力計システムのブロック図。本発明の実施例１で用いるスカラ磁力計モジュールの１例を示す図。本発明の実施例１における試料からの磁気共鳴信号を計測してイメージングを行う際に用いるスピンエコーのパルスシーケンスを示す図。本発明の実施例２における核磁気共鳴イメージングを行うためのアルカリ金属セルの配置例を示す図であり、（ａ）はアルカリ金属セルの配置の平面図、（ｂ）はその側面図。本発明の実施例３における核磁気共鳴イメージングを行うためのアルカリ金属セルの配置例を示す図であり、（ａ）はアルカリ金属セルの配置の平面図、（ｂ）はその側面図。

本発明は、前記スカラ磁力計を動作させるバイアス磁場を、前記静磁場印加手段における試料に印加する静磁場と共通の磁場として作用させる際、光磁力計の感度がゼロとなる領域を避け、強い磁気共鳴によるイメージングが可能となる核磁気共鳴イメージングにおける原理を見出したものである。
以下に、このような光磁力計の感度がゼロとなる領域について説明するため、本実施形態では、まず、光磁力計としてスカラ磁力計を用いた構成例について説明する。
スカラ磁力計は、核磁気共鳴イメージングを行う核磁気共鳴イメージング装置において、核磁気共鳴信号を検出する核磁気共鳴信号手段として用いられる。
すなわち、本実施形態の核磁気共鳴イメージング装置は、
イメージングする領域に配置された試料に静磁場を印加する静磁場印加手段と、ＲＦパルスを印加するＲＦパルス印加手段と、勾配磁場を印加する勾配磁場印加手段と、核磁気共鳴信号を検出する核磁気共鳴信号手段と、を備える。
スカラ磁力計は、このような核磁気共鳴イメージング装置において核磁気共鳴信号手段を構成している。
このようなスカラ磁力計は、磁場の大きさ｜Ｂ｜に応じた出力を生じる磁力計であり、アルカリ金属のラーモア周波数ω₀が、ω₀＝γ_A｜Ｂ｜となることを測定の原理に用いるものである。

ここで、静磁場の大きさをＢ_dc、試料からのＦＩＤ信号の大きさをＢ_ac、アルカリ金属セルを配した測定点で静磁場とＦＩＤ信号の磁場のなす角度をθとしたときに、静磁場Ｂ_dcがＦＩＤ信号の磁場Ｂ_acよりも十分大きいという条件の下では、次式となる。

この式から、非特許文献２には記載されていない以下の事柄を新たに見出した。すなわち、試料からのＦＩＤ信号Ｂ_acの静磁場方向成分が大きくなる場所にセンサを配置したときに、磁気共鳴信号が強く得られるのである。
ここで、静磁場Ｂ_dc中でのＦＩＤ信号は、角周波数ω_H＝γＢ_dcで振動する成分Ｂ_acと、緩和時間Ｔ₂で横緩和する成分とからなる。
ここでは、緩和時間よりも短い時間スケールでの共鳴について注目する。

静磁場Ｂ_dc中に置かれた磁化ｍは、静磁場に平行な成分ｍ_//、および静磁場に垂直で角周波数ωＨ＝γＢ_dcで振動する成分ｍ⊥との重ね合わせと考えることができる。
ベクトルである磁化ｍ⊥が静磁場となす角度をφとすると、ｍ_//＝｜ｍ｜ｃｏｓφとなりまたｍ⊥の大きさは、｜ｍ⊥｜＝｜ｍ｜ｓｉｎφとなる。
核磁気共鳴イメージングにおける信号の観察においては、ベクトルｍ⊥によって生じてその回転に伴って角周波数ωＨで振動する磁場を観測することになる。
ちなみに、ｓｉｎφの項は比例係数で、緩和時間Ｔ₂で緩和していく。
そこで、センサを配置する位置を考える上では、試料位置で磁場に垂直な磁化ｍ⊥が作るＦＩＤ信号の磁場分布を考える。
その磁場の静磁場方向の成分が大きくなる配置を考えれば、スカラ磁力計で大きな信号が得られることがわかる。
原点に配置した磁化ｍ⊥が位置ｄに作る磁場Ｂ（ｄ）は、ベクトルｄ方向の単位ベクトルをｎとして、次式で表される。

Ｂ（ｄ）のうち静磁場方向の成分Ｂ_//（ｄ）について計算して等強度線の図を描くと、図１のような図が得られる。
この図は、ｚを静磁場の方向として、原点に軸方向に向けて置いた磁化ｍ⊥＝（１，０，０）の作る磁場のｚ成分についての計算結果を示している。

ここまで計算してきた内容をもとに、核磁気共鳴イメージングを行うときのセンサの感度分布を考えることができる。そのためには、図１の磁場強度の分布から、センサ感度の分布として読み換えればよい。
図１は、原点においた磁化ｍ⊥が、位置ベクトルｄの場所に作る磁場（のｚ成分）を考えたものである。
これは、センサを中心に考えると、センサからベクトル−ｄ離れた位置に磁化ｍ⊥を配置した時の幾何学的配置から定まる感度に他ならない。
こうして、図１を読み換えて、スカラ磁力計を原点に配置した時に、空間上のいろいろな点に置かれた磁化ｍ⊥による信号に対する感度の分布を表したものと考えることができる。
分布が原点に関して対称なので、ベクトルｄをベクトル−ｄに置きかえる変換も不要である。

上記図１から、センサの感度に関して符号が切り替わる領域があることがわかる。センサから静磁場方向に伸びる軸上とセンサを含んで静磁場に垂直な面内である。
核磁気共鳴イメージングにおける各画素からの信号は、ボクセル内からの磁気共鳴信号の空間平均値とみなすことができる。
核磁気共鳴イメージングのあるボクセルが、このようなセンサ応答の符号が切り替わる領域をまたいでいるときには、ボクセル内の空間平均は符号の異なる信号の足し合わせとなる。
このときこのボクセルから得られるシグナルは著しく小さなものとなり、実質的にはゼロに近くなる。
また、ここまでの説明ではセンサを理想的な点とみなしてきた。実際は、センサは有限の大きさを有したアルカリ金属セルを用いて磁場を読みだすものである。上記のセンサ感度が低減する空間については、（アルカリ金属セルのサイズ＋ボクセルのサイズ）程度の拡がりを考慮しておく必要がある。
結局、アルカリ金属セルを中心として、図２に示すような柱状の部分の幅や奥行きと円盤状部分の厚さによる領域が、核磁気共鳴イメージングにおける感度がゼロまたはゼロに近い領域となる。
２０６は、光磁力計で磁場を検出するためにアルカリ金属を封入したガラスセルを表している。ただし、ボクセルサイズは、撮像時に定めるパラメータである。

図２の領域のサイズは、予め正確に定まっているわけではない。
典型的にはミリメートルオーダーのボクセルサイズに対して、アルカリ金属セルのサイズがセンチメートルのオーダーである場合には、この不感領域の広がりについては、アルカリ金属セルのサイズの影響が支配的である。
すなわち、図２に示す不感領域のサイズ（柱状の部分の幅や奥行きと円盤状部分の厚さ）は、ほぼアルカリ金属セルのサイズで定まると考えてよい。
そこで、試料の中で核磁気共鳴イメージングの画像化をする領域を定めた上で、この不感領域を避けたところにアルカリ金属セルが配置されるように、光磁力計のセンサモジュールの位置を定める必要がある。

図３を用いて、核磁気共鳴イメージング装置におけるセンサの配置例について説明する。
図３で、２０７は光磁力計モジュールであり、光ファイバーなどで外部のコントローラと接続される。２０６は、このモジュール内に配されたアルカリ金属を封入したガラスセルである。
２０５は、核磁気共鳴イメージング装置で画像化する領域を表す。試料に対する静磁場は、図中ｚの方向に印加されている。
このとき２２１はセルの静磁場方向に広がる不感領域を図示したものである。
また、２２２は、セルを含んで静磁場に垂直な方向に広がる不感領域を図示したものである。
すなわち、イメージングする領域２０５を定めたとき、スカラ磁力計のアルカリ金属セル２０６の位置は、静磁場にそった方向の座標（図３ではｚとしている）が、イメージングする領域２０５と重ならないことが必要である。
また、セル２０６の位置は、静磁場に垂直な面内（図３のｘｙ面内）で、イメージングする領域２０５と交差しないようにすることが必要である。
つまり、静磁場印加手段によって試料に静磁場を印加する方向をｚ方向とするとき、
上記スカラ磁力計のアルカリ金属セル（セル２０６）の位置は、上記イメージングする領域と前記ｚ方向において重ならず、且つ、上記ｚ方向と垂直な面内方向において交差しない位置に配置されるようにする。
これにより、スカラ磁力計を動作させるバイアス磁場と、静磁場印加手段における試料に印加する静磁場とに、共通の磁場が使用可能に構成されている際に、光磁力計の感度がゼロとなる領域を避け、強い核磁気共鳴によるイメージングが可能となる。
さらに、磁気信号は試料に近いほど大きなものが得られるので、セルをイメージングする領域に対して近い位置に配置するため、つぎのような位置に配置することが望ましい。
すなわち、静磁場を印加する方向であるｚ方向と垂直な面内方向のアルカリ金属セルと対向しているイメージングする領域の一端側と他端側のそれぞれと、
アルカリ金属セルの中心と、を結ぶ線とのなす角度θ（セル２０６の中心からイメージング領域２０５を見込む角度θ）が、９０度を超える位置に、セルを配置することが望ましい。
また、セル２０６の中心からイメージング領域２０５を見込む角度θは、上記した最初の２つの制約から９０度を超えることができない場合には、少なくとも６０度以上となる位置に配置することが望ましい。

以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１として、本発明を適用した核磁気共鳴イメージング装置の構成例について、図４を用いて説明する。
本実施例の核磁気共鳴イメージング装置は、図４に示すように、３軸方向それぞれを向いた３つのコイルペア２０１で囲まれている。これは地磁気をキャンセルするためのものである。
さらに、試料に静磁場を印加するためのヘルムホルツコイルペア２０２を有する。
このコイルペアでは、例えば、５０μＴから２００μＴ程度の強さの静磁場Ｂ₀を印加する。
分極コイル２０３は静磁場Ｂ₀と直交する方向の磁場を発生させ、試料にスピン偏極を生じさせるためのものである。例えば、４０ｍＴから１００ｍＴの磁場を印加する。
また、ＲＦコイル２０４は１８０度パルスや９０度パルスを試料に印加して、試料のスピンの向きを操るものである。
この核磁気共鳴装置全体は、測定環境から飛来する磁場ノイズを抑止するために、不図示のアルミニウム製の電磁シールドボックスに収められている。
２０５は、この装置内でイメージングをする領域を模式的に表したものである。装置に入れる試料や生体そのものは、これよりもはるかに大きいことがある。
磁気共鳴を検出するための磁気センサとしてアルカリ金属セルを用いたクローズループのスカラ磁力計モジュール２０７を用いる。この磁力計の中には、アルカリ金属セル２０６があって、このアルカリ金属蒸気のスピンの挙動を光学的に読みだすことで、磁場を検知するものである。スカラ磁力計の詳細は後で詳しく述べる。
図４には、モジュールに接続してスカラ磁力計として動作させるために必要な光源などは表記していない。これらについては以下に詳しく説明する。
また、イメージングを行うための勾配磁場を印加するためのコイルとして２０８のＧｚコイル、２０９のＧｘコイル、２１０のＧｙコイルを有する。
ここで、Ｇｚとは、ｚ方向の磁場Ｂｚが、ｚ座標の値に依存した磁場強度（勾配磁場）を有することを意味している。
同様に、Ｇｙ、Ｇｘもｚ方向の磁場Ｂｚが、それぞれｙ座標、ｘ座標の値に依存した磁場強度（勾配磁場）を有することを表している。

図６に、ここで用いるスカラ磁力計モジュールの１例を示す。
セル４２１はガラスなどプローブ光やポンプ光に対して透明な材料で作られている。
セル４２１の中にはアルカリ金属原子群としてカリウム（Ｋ）を封入し気密にしている。また、バッファーガス及びクエンチャガスとして、ヘリウム（Ｈｅ）と窒素（Ｎ₂）とを封入しておく。
バッファーガスは偏極アルカリ金属原子の拡散を抑えてセル壁との衝突によるスピン緩和を抑制するので、アルカリ金属の偏極率を高めるために有効である。
また、Ｎ₂ガスは励起状態にあるＫからエネルギーを奪って発光を抑えるクエンチャガスであり、光ポンピングの効率を上げるために有効である。

セル４２１の周囲にはオーブン４３１が設置されている。
セル４２１内のアルカリ金属ガスの密度を高めて磁力計を動作させるために、セル４２１を最大２００度程度まで加熱する。
このために、オーブン４３１の内部にはヒーターが配置されている。オーブン４３１は、内部の熱が外に逃げないようにする役割も兼ね、断熱材料で表面が覆われている。
また、後に述べるポンプ光とプローブ光が通る光路上には光学窓が配置されて光路を確保している。
なお、図６では上面が開口となっているが、これは中のセル４２１を図示するためであり、実際的には全面がオーブンで覆われている。

４０１から４０４はポンプ光の光学系である。４０１は光ファイバーコネクターである。
ここに接続された不図示の光ファイバーの端面から出射されたレーザ光は、光ファイバーの開口数（ＮＡ）で定まる放射角の範囲内に広がっていく。
この光は凸レンズ４０２で平行光とされて、偏光ビームスプリッター４０３と４分の一波長板４０４とで円偏光のポンプ光として、セル４２１に照射される。
また、４１１から４１５はプローブ光の光学系である。
４１１は光ファイバーコネクタ−であり、ここに接続された不図示の光ファイバーの端面から出射されたレーザ光は、光ファイバーの開口数（ＮＡ）で定まる放射角の範囲内に広がっていく。この光を凸レンズ４１２で平行光とする。
この実施例では、モジュールを小型にするために、ミラー４１３で光路を折り返している。
偏光子４１４を透過した直線偏光の偏光面を２分の一波長板４１５で回転させて調整し、直線偏光のプローブ光として、セル４２１に照射する。
また、４１６から４２０は偏光測定を行うバランス型の受光系である。偏光ビームスプリッタ４１６からの透過光と反射光はそれぞれ、集光レンズ４１７、４１９で集光される。
ファイバーコネクタ−４１８、４２０に接続された光ファイバーの端面に集光された光は、ファイバーの導波モードに結合されて、モジュールの外に取り出される。
このモジュールの中でアルカリセルの位置は、出来るだけ試料に近づけることができるように、中心ではなくモジュールの端に配置している。
しかし、アルカリ金属セルそのものが有限の大きさのものであり、それをヒーターや断熱層などからなるオーブンの中に配置しているために、モジュールの外からアルカリ金属セルの中心までの距離は有限のｄという値となる。ｄの値としては、例えば３ｃｍ程度となる。

このモジュールを図５のように、外部の光源、フォトディテクタ、制御システムと接続して、スカラタイプの光磁力計として動作させる。
図５のブロック図において、５０２はポンプ光用のレーザ光源である。
ポンプ光の波長は、セル内の原子群を偏極出来る波長、例えばアルカリ金属であるカリウムのＤ１共鳴線に合わせてある。これは約７７０ｎｍに相当する。
５０３はこのレーザ光に強度変調を加えるための光変調器であり、ここではＥＯモジュレータを使用している。
ＥＯモジュレータから出力された光は、偏波面保存のシングルモードファイバーに結合される。光ファイバーの出射端は、図６のモジュールの光ファイバーコネクター（図６の４０１）に接続する。
また、５０１はプローブ光用の光源である。レーザの光出力は偏波面保存のシングルモードファイバーに結合される。
光ファイバーの出射端は、モジュール５０４の光ファイバーコネクター（図６の４１１）に接続する。プローブ光は、不要なポンピングを避け、偏光面の回転角を大きくするために、原子の共鳴線の遷移に対して、ある程度の離調をとってあることが望ましい。例えば、７６９．９ｎｍの光などが用いられる。
また、モジュールのバランス型受光器のファイバーコネクタ−（図６の４１８、４２０）には、マルチモードファイバーを接続して、ここからの光をひと組のバランス型フォトディテクタ５０５で受光する。
フォトディテクタに接続された作動増幅回路５０６の出力として偏光面の回転角が測定できる。
この磁力計は、ｚ方向のバイアス磁場下で動作する。ＥＯモジュレータで作りだされたポンプ光の変調は、この周期でセル内のスピン偏極をｘ軸方向に作りだす。
アルカリ金属のスピン偏極は、バイアス磁場の方向であるｚ方向を回転軸としてラーモア周波数で歳差運動を行う。
これは、ｙ方向に通過するプローブ光の偏波面の回転にラーモア周波数での変調を与えることになる。
ロックインアンプ５０７では、シンセサイズド・ファンクション・ジェネレータ５０９の出力を参照信号として用いたロックイン検出を行う。
モジュール内のアルカリ金属セルの磁場に応じたラーモア周波数の変動は、参照信号に対する位相シフトとしてロックインアンプから取り出すことができる。
位相シフト量を誤差信号としてＰＩＤコントローラ５０８を動作させ、誤差信号が０となるようなフィードバック信号をシンセサイズド・ファンクション・ジェネレータ５０９に戻す。
こうしてシンセサイズド・ファンクション・ジェネレータ５０９の発振周波数を制御することで、発振周波数を、モジュールのセル部分での磁場の強さに応じて変化させながら自励発振するスカラ磁力計を構成することができる。

スカラ磁力計の構成方法は、これに限定されるものではなく、例えばアルカリ金属セル内のスピン偏極を静磁場の周りで強制的に歳差運動させるためにＲＦ磁場を印加するタイプのつぎのような磁力計を利用することができる。
すなわち、Ｍ−ｚ磁力計（Ｎ．Ｂｅｖｅｒｉｎｉ，Ｅ．Ａｌｚｅｔｔａ，Ｅ．Ｍａｃｃｉｏｎｉ，Ｏ．Ｆａｇｇｉｏｎｉ，Ｃ．Ｃａｒｍｉｓｃｉａｎｏ：Ａｐｏｔａｓｓｉｕｍｖａｐｏｒｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒｏｐｔｉｃａｌｌｙｐｕｍｐｅｄｂｙａｄｉｏｄｅｌａｓｅｒ，ｏｎＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｏｆｔｈｅ１２ｔｈＥｕｒｏｐｅａｎＦｏｒｕｍｏｎＴｉｍｅａｎｄＦｒｅｑｕｅｎｃｙ（ＥＦＴＦ９８））を利用することができる。
また、Ｍ−ｘ磁力計（Ｓ．Ｇｒｏｅｇｅｒ，Ｇ．Ｂｉｓｏｎ，Ｊ．−Ｌ．Ｓｃｈｅｎｋｅｒ，Ｒ．ＷｙｎａｎｄｓａｎｄＡ．Ｗｅｉｓ，Ａｈｉｇｈ−ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｌａｓｅｒ−ｐｕｍｐｅｄＭｘｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ，ＴｈｅＥｕｒｏｐｅａｎＰｈｙｓｉｃａｌＪｏｕｒｎａｌＤ − Ａｔｏｍｉｃ，Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ，ＯｐｔｉｃａｌａｎｄＰｌａｓｍａＰｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌｕｍｅ３８，２３９−２４７）を利用することもできる。

この装置で、以下の図７に示すようなスピンエコーのパルスシーケンスを用いて、試料からの磁気共鳴信号を計測して、イメージングを行う。
ヘルムホルツペア２０２には測定の最初から最後まで、一定の電流を流し、ｚ方向（図中では、山つきのｚという記号でこのことを表記）の静磁場Ｂ₀を発生させてこれを試料とスカラ磁力計２０７とに印加する。
初めに、分極コイル２０３に電流を流し、８０ｍＴの大きさのｙ方向の磁場を発生させ、試料を分極する。
この磁場の印加時間ｔ_pは、試料のプロトンスピンの縦緩和時間よりも長いことが望ましい。
分極コイル２０３に流す電流を速やかに落として、試料のスピンをｚ方向にそろえる。
遅延時間ｔ_dだけ経過したら、Ｇｚコイル２０８で発生させたスライス選択傾斜磁場を印加しながらＲＦコイル２０４から９０°パルスを印加して、ＦＩＤ信号を発生させる。再収束傾斜磁場パルスを加えてスピンの位相を揃える。
位相エンコード方向のｙ軸に対してＧｙコイル２０９で傾斜磁場を発生させて試料に加える。
また同時に、周波数エンコードを行うｘ軸に対してＧｘコイル２１０に傾斜磁場を加える。
時間τの経過後に１８０°パルスを印加して試料のスピンの回転位相を１８０°反転させ、再び周波数エンコードを行うｘ軸に対してＧｘコイルに傾斜磁場を加える。
最初の９０°パルスから時間２τが経過したところで、スピンエコーのピークを観測する。
ｙ軸方向の分割数だけ位相エンコードステップを繰り返して、異なるＧｙを生成して、全データを取得し、実空間のイメージを生成する。
磁気共鳴信号からイメージングを行うためのパルスシーケンスはこれに限るものではない。
例えば、公知のグラジエントエコー法も適用可能である。スライス選択する代わりに、ｚ軸方向も位相エンコーディング方向としてしまって、３Ｄ領域のイメージングをする方法なども適用可能である。

［実施例２］
実施例２として、イメージングをする領域の形状が、実施例１と異なっている構成例について、図８を用いて説明する。
実施例１ではメージングする領域が、上記ｚ方向における領域の断面形状が薄い板状の形状であり、該ｚ方向と垂直な面内方向の断面形状が、該薄い板状の厚さより大きいサイズを一辺とする方形の形状とされている。
これに対して、本実施例ではイメージングする領域が、上記ｚ方向と垂直な面内方向の断面形状が薄い板状の形状であり、該ｚ方向における領域の断面形状が、該薄い板状の厚さより大きいサイズを一辺とする方形の形状とされている。
すなわち、図８に示されるように、ｙ方向に薄い板状の領域とされている。
この場合にも、発明の実施の形態に記載したのと同じような制約を受ける。
すなわち、イメージングする領域２０５を定めたとき、スカラ磁力計のアルカリ金属セル２０６の位置は、静磁場にそった方向の座標（図８ではｚとしている）が、イメージングする領域２０５と重ならないことが必要である。
また、セル２０６の位置は、静磁場に垂直な面内（図３のｘｙ面内）で、イメージングする領域２０５と交差しないようにすることが必要である。
さらに、磁気信号は試料に近いほど大きなものが得られることから、つぎのような位置に配置することが望ましい。
すなわち、静磁場を印加する方向であるｚ方向と垂直な面内方向のアルカリ金属セルと対向しているイメージングする領域の一端側と他端側のそれぞれと、
アルカリ金属セルの中心と、を結ぶ線とのなす角度θ（セル２０６の中心からイメージング領域２０５を見込む角度θ）は、上記した最初の２つの制約から９０度を超えることはできない場合には、少なくとも６０度以上となる配置が望ましい。
また、このようなセル２０６の中心からイメージング領域２０５を見込む角度θは、イメージング領域の厚みによって規定されるので、必ずしも大きくはならないこともある。

［実施例３］
実施例３では、イメージングする空間の中の試料がイメージング空間を埋めつくさず、イメージの中に空気しかない領域があることが分かっている場合の、可能なセンサ配置例について、図９を用いて説明する。
例えば、イメージングする領域が、該イメージングする領域内の楕円柱状の試料領域を含むとき、具体的には、イメージングする空間２０５に対し、楕円柱状の試料を含んでいるような場合には、図９のように配置する。
すなわち、楕円柱の側面に添わせるような位置にセンサモジュール２０７を配置すれば、必ずしもセルは、イメージング空間の中に侵入しても実用上の障害とならない。
図９に示すように、セル２０６の位置は、静磁場に垂直な面内（図９のｘｙ面内）で、試料と交差していなければ、画像の構成は可能である。

２０５：核磁気共鳴イメージング装置で画像化する領域
２０６：アルカリ金属セル
２０７：光磁力計モジュール
２２１：セルの静磁場方向に広がる不感領域
２２２：セルを含んで静磁場に垂直な方向に広がる不感領域

Claims

イメージングする領域に配置された試料に静磁場を印加する静磁場印加手段と、ＲＦパルスを印加するＲＦパルス印加手段と、勾配磁場を印加する勾配磁場印加手段と、核磁気共鳴信号を検出する検出手段と、
を備え、核磁気共鳴イメージングを行う核磁気共鳴イメージング装置であって、
前記検出手段として、前記核磁気共鳴信号を検出するセンサがアルカリ金属セルによって構成されたスカラ磁力計を有し、
前記スカラ磁力計を動作させるために前記アルカリ金属セルに印加されるバイアス磁場と、前記静磁場印加手段における試料に印加する静磁場とに、共通の磁場が使用可能に構成され、
前記スカラ磁力計は、前記アルカリ金属セルに印加される前記バイアス磁場と同一方向の成分の磁場を測定するものであり、
前記静磁場印加手段によって前記試料に静磁場を印加する方向をｚ方向とするとき、
前記スカラ磁力計のアルカリ金属セルの位置が、前記イメージングする領域と前記ｚ方向において重ならず、且つ、前記ｚ方向と垂直な面内方向において交差しない位置に配置されていることを特徴とする核磁気共鳴イメージング装置。
前記ｚ方向と垂直な面内方向の前記スカラ磁力計のアルカリ金属セルと対向している前記イメージングする領域の一端側と他端側のそれぞれと、
前記アルカリ金属セルの中心と、
を結ぶ線とのなす角度が９０度を超える位置に、前記スカラ磁力計のアルカリ金属セルが配置されていることを特徴とする請求項１に記載の核磁気共鳴イメージング装置。
前記ｚ方向と垂直な面内方向の前記スカラ磁力計のアルカリ金属セルと対向する前記イメージングする領域の一端側と他端側のそれぞれと、
前記アルカリ金属セルの中心と、
を結ぶ線とのなす角度が６０度を超える位置に、前記スカラ磁力計のアルカリ金属セルが配置されていることを特徴とする請求項１に記載の核磁気共鳴イメージング装置。
前記イメージングする領域は、前記ｚ方向における領域の断面形状が薄い板状の形状であり、
前記ｚ方向と垂直な面内方向の断面形状が、前記薄い板状の厚さより大きいサイズを一辺とする方形の形状であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の核磁気共鳴イメージング装置。
前記イメージングする領域は、前記ｚ方向と垂直な面内方向の断面形状が薄い板状の形状であり、
前記ｚ方向における領域の断面形状が、前記薄い板状の厚さより大きいサイズを一辺とする方形の形状であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の核磁気共鳴イメージング装置。
前記イメージングする領域が、該イメージングする領域内の楕円柱状の試料領域を含むとき、
前記スカラ磁力計のアルカリ金属セルの位置が、前記イメージングする領域内の楕円柱状の試料領域と前記ｚ方向において重ならず、且つ、前記ｚ方向と垂直な面内方向において前記楕円柱状の試料領域の側面に添わせた交差しない位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の核磁気共鳴イメージング装置。
前記バイアス磁場と、前記静磁場とは同一の磁場であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の核磁気共鳴イメージング装置。
イメージングする領域に配置された試料に静磁場を印加する静磁場印加手段と、ＲＦパルスを印加するＲＦパルス印加手段と、勾配磁場を印加する勾配磁場印加手段と、核磁気共鳴信号を検出する検出手段と、
を用いて、核磁気共鳴イメージングを行う核磁気共鳴イメージング方法であって、
前記検出手段として、前記核磁気共鳴信号を検出するセンサがアルカリ金属セルによって構成されたスカラ磁力計を有し、
前記スカラ磁力計は、前記アルカリ金属セルに印加されるバイアス磁場と同一方向の成分の磁場を測定するものであり、
前記スカラ磁力計を動作させるために前記アルカリ金属セルに印加される前記バイアス磁場を、前記静磁場印加手段における試料に印加する静磁場と共通の磁場として作用させる際において、
前記静磁場印加手段によって前記試料に静磁場を印加する方向をｚ方向とするとき、
前記イメージングする領域と前記ｚ方向において重ならず、且つ、前記ｚ方向と垂直な面内方向において交差しない位置に、前記スカラ磁力計のアルカリ金属セルを配置することを特徴とする核磁気共鳴イメージング方法。
前記ｚ方向と垂直な面内方向の前記スカラ磁力計のアルカリ金属セルと対向している前記イメージングする領域の一端側と他端側のそれぞれと、
前記アルカリ金属セルの中心と、
を結ぶ線とのなす角度が９０度を超える位置に、前記スカラ磁力計のアルカリ金属セルを配置することを特徴とする請求項８に記載の核磁気共鳴イメージング方法。
前記ｚ方向と垂直な面内方向の前記スカラ磁力計のアルカリ金属セルと対向する前記イメージングする領域の一端側と他端側のそれぞれと、
前記アルカリ金属セルの中心と、
を結ぶ線とのなす角度が６０度を超える位置に、前記スカラ磁力計のアルカリ金属セルを配置することを特徴とする請求項８に記載の核磁気共鳴イメージング方法。
前記イメージングする領域は、前記ｚ方向における領域の断面形状が薄い板状の形状であり、
前記ｚ方向と垂直な面内方向の断面形状が、前記薄い板状の厚さより大きいサイズを一辺とする方形の形状であることを特徴とする請求項８から１０のいずれか１項に記載の核磁気共鳴イメージング方法。
前記イメージングする領域は、前記ｚ方向と垂直な面内方向の断面形状が薄い板状の形状であり、
前記ｚ方向における領域の断面形状が、前記薄い板状の厚さより大きいサイズを一辺とする方形の形状であることを特徴とする請求項８から１０のいずれか１項に記載の核磁気共鳴イメージング方法。
前記イメージングする領域が、該イメージングする領域内の楕円柱状の試料領域を含むとき、
前記イメージングする領域内の楕円柱状の試料領域と前記ｚ方向において重ならず、且つ、前記ｚ方向と垂直な面内方向において前記楕円柱状の試料領域の側面に添わせた交差しない位置に、前記スカラ磁力計のアルカリ金属セルの位置を配置することを特徴とする請求項８に記載の核磁気共鳴イメージング方法。
前記バイアス磁場と、前記静磁場とは同一の磁場であることを特徴とする請求項８から１３のいずれか１項に記載の核磁気共鳴イメージング方法。
イメージングする領域に配置された試料に静磁場を印加する静磁場印加手段と、
前記試料にＲＦパルスを印加するＲＦパルス印加手段と、
前記試料に勾配磁場を印加する勾配磁場印加手段と、
前記試料から出る核磁気共鳴信号を検出する検出手段と、
を備える核磁気共鳴イメージング装置であって、
前記検出手段は、アルカリ金属が封入されたセルを用いて前記核磁気共鳴信号を検出するスカラ磁力計を有し、
前記スカラ磁力計を動作させるために前記セルに印加されるバイアス磁場は前記静磁場と共通の磁場であり、
前記スカラ磁力計は前記バイアス磁場が印加される方向の成分の磁場を測定するものであり、
前記試料に印加される静磁場の方向をｚ方向とするとき、
前記セルの位置が、前記イメージングする領域と前記ｚ方向において重ならず、
且つ、前記ｚ方向に対して垂直かつ前記セルを含む領域において重ならない位置に設けられていることを特徴とする核磁気共鳴イメージング装置。