JPS5812543B2 - 擬似ランダム２進系列及び時分割変調による確率的共鳴を用いた磁気共鳴分光計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、被分析試料から磁気共鳴スペクトルを取り出
すための方法及び磁気共鳴分光計に関するものである。

これまで、該磁気共鳴分光計のような磁気共鳴システム
は、被分析試料中に雑音か励起した共鳴を用いており、
試料の中に複数の分かれた共鳴線の同時共鳴を励起する
ために、分極磁界中に置かれた試料に高周波の雑音が加
えられていた。

いろいろな要素を含む雑音が励起した共鳴信号は記録さ
れ、それからフーリエ変換（解析）されて、試料の共鳴
スペクトルの別々のフーリエ周波数成分を導き出すので
ある。

？ Ｐｈａｓｅ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ Ｆｏｒ
Ａｎ ＲＦ Ｓｐｅｃｔｒ−一ｏｍｅｔｅｒ Ｅｍｐｌ
ｏｙｉｎｇ Ａｎ ＲＦ Ｃａｒｒｉｅｒ Ｍｏｄｕｌ
ａｔｅｄＢｙ Ａ Ｐｓｅｕｄｏｒａｎｄｏｍ Ｓｅ
ｑｕｅｎｃｅ ”（擬似ランダム系列によって変調
された高周波搬送波を用いて高周波分光計のための位相
相関）と題して、昭和４６年５月２５日に発行されたダ
ブリュ・アンダーソンの米国特許第３ ５８１ １ ９
１号に述べられているような１つのシステムにおいて、
試料の共鳴を励起するのに使われる雑音エネルギーは、
高周波送信器を位相変調する反復性の擬似ランダム２進
系列の手段によって導き出され、ｓｉｎ ｘ ２ （） の形のスペクトル密度分布を有する高周波雑音
エネルギーの高周波スペクトルを導き出している。

結果として雑音が励起した、試料から放射される複合共
鳴信号は、雑音励起を導くのに使われる擬似ランダム２
進系列の各系列ごとに同期した時間間隔でサンプリング
される。

各サンプル間隔は、それぞれのチャネルに記憶される。

擬似ランダム２進系列の反復サイクルごとに結果として
の共鳴信号は、同じ連続した時間間隔でサンプリングさ
れ、ある時間ごとのサンプリング点における共鳴信号の
振幅は、メモリの各チャネルに加えられて、連続した２
進系列の情報がメモリチャネルごとに積算され、時間平
均された複合共鳴信号が得られる。

それから、この複合共鳴信号はフーリエ変換され、被分
析試料の別々のフーリエ共鳴線成分を導き出す。

出力共鳴信号のサンプリング点と試料を励起するのに用
いられる擬似ランダム２進系列とが同期しているために
、フーリエ変換した共鳴信号から共鳴線成分の分散モー
ド吸引モードのいずれでもが導かれる。

米国特許第３５８１１９１号の第７図に示された実施例
においては、雑音源発信器と、各々完全な擬似ランダム
２進系列の端子のすぐあとにある試料の検出器とを分離
するのに、ゲート手段が用いられており、また受信器シ
ステムにおける共鳴出力のサンプリングは、このような
送信器の分離が有効になるまで遅らされる。

このようにして、時分割が採用されているので、送信器
の物分と受信器の部分との間で生ずる高周波エネルギー
の不要なもれこみは、読み出し期間においては十分除去
される。

しかしながら、この機構では読み出しは完全な２進系列
が生じたあとにだけ有効に利用できることが分った。

従ってサンプリングは、各完全な擬似ランダム２進系列
のある一部分の時間でのみ行なわれる。

このサンプリング周期の間はどんな信号も駆動用高周波
エネルギーにより刺激されないし、横スピン緩和効果の
ため及び磁界の不均一のためにこの読み出し周期の間の
信号の振幅は減衰する。

本発明方法及び装置においては、駆動用高周波磁界は複
数個のくり返し短パルス列の形で、検出器の中の試料物
質に加えられ、また各パルス列中のこれらの個個のパル
スは、試料に必要な広い帯域幅の駆動用高周波エネルギ
ーを発生するため、確率的に時間又はパルス幅が変えら
れ、域いは位相が切換えられる。

各パルス列の中のパルス間の時間間隔で、送信器は検出
器から分離され、受信器は検出器に結合されるので、共
鳴信号検出期間内には、送信器部分と受信器部分の間に
は、いかなる直接的な高周波のもれこみも起らない。

このようにして、各系列の時間間隔の間中、試料中に信
号が励起され、共鳴の検出か、全系列の間中、断続的に
できる。

確率的共鳴技術を利用することにより、あるピーク送信
器電力に対して大きい実効高周波磁界強度が得られ、ま
たこれに加えて、分光計の分離能と感度は、擬似ランダ
ム系列の長さの増加を許すこにより、両方を最良にでき
るし、更にまた、試料の別々の共鳴線を同時に連続的な
励起もできる。

時分割変調というこの暫新な形態を確率的共鳴技術と統
合することにより、確率的共鳴技術の主な欠点、すなわ
ち送信器エネルギーの受信器部分への直接結合は除かれ
、更に、確率的技術で得られる高い分解能と感度が保持
される。

以下図面に従って本発明を説明する。

今第１図を参照しながら説明すると、例えば高分解能Ｎ
ＭＲ分光計のような磁気共鳴型分光計は、高い強度の単
一方向性磁界Ｈｏを発生する磁石の間隙に調査しようと
する試料を置くための検出器１１を有している。

高周波発生器１２は、分極した磁界中に試料の磁気共鳴
周波数の駆動用高周波ｆｏを発生する。

この技術分野でよく知られているように、この周波数ｆ
ｏは、特別な磁界Ｈｏ中の試料の磁気共鳴の値と１対１
で関係する値である。

駆動用高周波エネルギー発生器１２は、ゲート回路１３
と位相変調回路１４を通して検出器１１に結合されてい
る。

ゲート回路１３は、パルス発先器１５から制御されてお
り、パルス発生器はクロツク回路１６から受けた周期的
タイミングパルス（第２ａ図参照）に応じて順に動作す
る。

位相変調器１４は、クロツク回路１６により順に制御さ
れる擬似ランダム系列発生器１７により制御される。

ゲート回路１３からの出力は、高周波パルスの同様な列
の連続であり、各列のパルスは各連続パルスの間の時間
間隔が等しく、パルスの幅も同じ長さである（第２ｂ図
参照）。

位相変調回路１４は、系列発生器１７からの出力に応じ
て動作？（第２ｃ図参照）、これによって、高周波パル
スの位相をランダム系列でＯ度と１８０度の間に切換え
る（第２ｄ図参照、ここでは送信器パルスの相対的位相
がＡとーＡとで表わされている）。

この同じランダム系列は、一連の各連続したパルス列に
対してくり返される。

０と９０°のようなほかの相対的位相シフトを用いても
よい。

上述のような高周波搬送信号の２進位相変調においては
、相対的に広い帯域幅にわたって一様なスペクトル密度
で分布している試料に加えられる高周波エネルギーは一
様に分布しているパワーということになり、変調搬送信
号の包絡線は、ＳｌｎＸ２ （） の形の関係になる。

Ｘ 検出器１１に加えられるこの位相変調した送信器信号は
、分析される試料の色々な共鳴線を同時に励起し、それ
から複合共鳴信号出力をとり出す。

検出器１１からの複合出力共鳴信号は、ゲート回路２１
を通して、高周波増幅器２２へ送られる。

ゲート回路２１は、クロック回路１６によって順順に制
御される。

パルス発生器２３により制御される。

パルス発生器２３は、高周波発生器１２と位相変調器１
４の間のゲート１３が閉じている間は、検出器１１と高
周波増幅器２２の間のゲート２１を開き、前者が開いて
いる時は後者か閉じるように動作する。

（第２図ｅ参照）。従って、送信器１２から検出器１１
を付勢している期間は受信器回路はそれから分離し受信
器回路か検出器１１に結合している期間には送信器がそ
れから分離している。

複合共鳴信号出力は、高周波増幅器２２で増幅され、そ
れから高周波位相検波器２４の入力の１つに加えられる
。

ここで信号は高周波発生器１２からの基準信号に対して
、よく知られたやり方で位相検波され、可聴周波数範囲
に変換される。

可聴周波出力信号は、可聴周波増幅器２５によって増幅
され、複合共鳴出力信号の時間走査しているアナログ・
デジタル変換器２６の入力に加えられる。

その時間走査はクロック回路１６からの制御信号でもっ
て各送信パルスの列と同期される。

複合共鳴信号は、各２進系列におけるパルス列に対応す
る周期的間隔でサンプリングされる。

アナログ・デジタル変換器２６は、複合共鳴信号の試料
振幅をダジタルデータに変換する。

このデジタルデータは、Ｖａｒｉａｎ Ｄａｔａ Ｍａ
ｃｈｉｎｅ ６ ２ ０ ｉコンピュータのようなコン
ピュータ２７のメモリの対応するメモリチャネルに連続
的に記憶される。

それから記憶された情報は、フーリエ変換プログラム２
８を用いてよく知られたフーリエ変換技術で変換され、
結果としての多重共鳴線スペクトルは、前記の技術文献
に述べられているように、適当な読み出し装置２９に表
示される。

現在の高級なＮＭＲ分光計は、すべてスピンデカップリ
ング能力を備えているので、このような能力は第１図に
示した本発明の実施例にとり入れて来た。

主な駆動用高周波磁界と同じように、スピンデカツプリ
ング界も、受信器回路が検出器１１から分離している期
間の間試料に加えられる。

これらのデカツプリング磁界は、連続波（ＣＷ）でも広
帯域でもよいが、広帯域化は、固定した高周波を擬似ラ
ンダム系列で変調することにより達成される。

デカツプリングをするために、分光計にはｆの第２の高
周波磁界発生器３１が備えられており、この第２の高周
波信号は、ゲート１３と同期するようにパルス発生器１
５により制御されるゲート回路３２を通して、検出器に
結合される。

ゲート３２からの出力パルス列は、スイッチ接点３３を
通して直接検出器１１に加えられてもよいし、これらの
パルスは、最初擬似ランダム系列発生器１７によって制
御される位相変調器３４で位相変調してから２組目のス
イッチ接点３５を通して、検出器中の試料に加えてもよ
い。

デカップリング回路はスイッチを接点３６にして切って
もよい。

このような核磁気共鳴型分光計の１列として、被分析試
料の中のＣ−１３共鳴を観察するための主要周波数ｆｏ
は約２ ５． １ ４ ５ＭＨ２でよいし、またスピン
デカツプリング放射は、試料中のＨ−１原子核について
約１００ＭＨｚの周波数ｆ１で達成できる。

代表的な擬似ランダム系列発生器は、４０９６ビットの
長さであり、クロック周波数は８１９０ｃｐ ｓにセッ
トできるので、擬似ランダム系列の長さは約０．５秒と
なる。

送信パルスの幅は、１０〜２０μｓｅｃが代表的な値で
あり、受信回路は約８０係のデューテイサイクルで動作
する。

上記の実施例では、２進系列の各パルスに対し１点の測
定、すなわち第２ｅ図の黒丸で表わされている点の測定
を示したが、各パルスに対していくつかの測定をしても
よい。

次に第３図について説明すると、本発明の第２の実施例
では、２進強度変調を用いた送信器部を備えており、高
周波パルスは、ランダム系列のパルス列の中のパルスの
有無によって、確率的に加えられる。

このシステムにおいて第１図のシステムと同じ機能を果
す要素は、同じ参照番号となっており、その動作方法に
ついてはくり返して記載しない。

ランダムなパルス化を行なうために、アンドゲート４１
は、タイミングパルス（第４ａ図参照）を出すクロツク
回路１６に接続している１つの入力と、擬似ランダム系
列発生器１７の出力（第４ｂ図参照）に接続しているも
う１つの入力を備えている。

２つの入力が一致した時のみ、パルス発生器１５からパ
ルスか送られ、必要な高周波パルスを検出器１１中の試
料に送るためにゲート回路１３を開く（第４Ｃ図参照）
。

検出とサンプリングは、送信パルスのランダム性と無関
係な規則的な周期（第４ｄ図参照）で行なわれる。

第１図の場合と同様に、単一サンプリングが第４図のｄ
の線上に黒点で示されているけれども各受信周期の間に
何回かのサンプリングを行なってもよい。

本発明のもう１つの実施例が第５図に示されている。

ここでは、送信パルスの幅が、各系列の間ランダムなや
り方で変えられる。

各系列におけるサンプリングの数を同じにするためにこ
の実施例におけるクロツクパルス周波数は第１図及び第
３図のシステムで用いられたクロツク周波数の２培にさ
れる。

これらのクロツクパルス（１６ａ図参照）は、高周波発
生器１２と試料用検出器１１の間にあるゲート１３をラ
ンダムに変わる周期（第６ｂ図参照）で開くように動作
する擬似ランダム系列発生器１７を制御する。

受信器ゲート２１は、送信器ゲート１３か閉じられる間
、開かれる。

サンプリング（第６ｃ図参照）は受信器側が開いている
時に行なわれるが、このサンプリングはクロツク回路１
６からのクロツクパルスと疑似ランダム系列発生器１７
からのパルスの両者か一致した時アンドゲート４２によ
って同期させられる。

サンプリングは、第１図及び第３図のシステムにおける
と同じ時間間隔ではなされないが、全体の系列期間が同
じなら、同じ数のサンプリングが行なわれる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好ましい実施例のブロックダイヤグラ
ムであり、ここでは送信器パルスは確率的に位相が切換
えられる。 第２ａ〜２ｅ図は、試料の確率的パルス励起及び送信器
と受信器部分の時分割変調を示すパルスチャートである
。 第３図は本発明の第２の実施例のブロックダイヤグラム
であり、ここでは送信器パルスが確率的なやり方で時間
的に変えられる。 第４ａ〜第４ｄ図は第３図のシステムの動作を示すパル
スチャートである。 第５図は本発明のもう１つの実施例のブロックダイヤグ
ラムであり、ここでは送信器パルスが確率的なやり方で
時間幅について考えられる。 第６ａ〜６ｃ図は、第５図のシステムの動作を示すパル
スチャートである。 １１・・・検出器、１２．３１・・・高周波発生器、１
３，２１、 ３２−・・ゲート回路、１４．３４・・・
位相変調器、１５．２３・・・パルス発生器、１６・・
・クロツク回路、１７・・・擬似ランダム系列発生器、
２２・・・高周波増幅器、２４・・・高周波位相検波器
、２５・・・可聴周波数増幅器、２６・・・アナログ・
デジタル変換器、２ ７・・・コンピュータ、２８・・
・フーリエ変換プログラム、２９・・・読み出し装置、
３３，３５．３６・・・スイッチ接点、４Ｌ ４２・
・・アンドゲート。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １（Ａ）被分析試料に印加される高周波エネルギーのス
   ペクトルであって、前記試料中に複数で別個の磁気共鳴
   線を発生させるために、前記スペクトルの範囲が前記試
   料の前記複数の磁気共鳴線をカバーするスペクトルを発
   生する送信手段であって、 （ａ） 駆動用高周波信号を発生する高周波発生手段
   と、 （ｂ） 前記駆動用高周波信号を前記試料に、多数の
   繰り返しパルス列の形で印加する手段であって、 前記パルス列の各々が同一の形を有し、前記列内の、パ
   ルスの位相、パルスの幅及びパルス間の時間間隔のうち
   の少なくとも１つが確率的に変わるところの印加手段と
   、 （ｃ） 前記駆動用高周波信号の周波数と異なる周波
   数の第２高周波信号をパルスの形で前記試料に供給する
   手段と、 （ｄ） 前記第２高周波信号の前記パルスを前記駆動
   用高周波信号の前記パルスと同期させるための手段と、 から成る送信手段と、 （Ｂ） 前記同期に発生される試料の共鳴線を検出し
   て、複合共鳴信号を得るための受信手段であって、（ｅ
   ） 前記複合共鳴信号の多数の連続する時間間隔をお
   いた値を、多数の対応するメモリチャネルの中に時間走
   査して、記憶する手段と、（ｆ） 前記各々のチャネ
   ルの中に前記連続する時間間隔をおいた値を記憶するこ
   とと、前記繰り返しパルスの列と同期させるための手段
   と、（ｇ）前記メモリチャネルの中に記憶された前記信
   号値を読み出す手段と、 から成る受信手段と、 （Ｃ） 前記駆動用高周波パルス列における前記パル
   スの間の時間間隔で前記受信手段を起動させるための、
   前記送信手段と同期される手段と、から成る磁気共鳴分
   光計。