JP2006017486A - Spectral analysis method and nuclear magnetic resonance apparatus using nuclear magnetic resonance - Google Patents
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Abstract
【課題】NMR装置において、周波数変換を行うため受信処理にミキサーを設けるためにノイズの発生や特性の変化により性能が劣化する恐れがある。従来の位相補正法ではA/Dサンプリングクロックの位相変化など速い変化に対応できず、積算処理によるS/N向上ができない。
【解決手段】受信信号をA/D変換器のクロック周波数を受信周波数より低くし、両者より計算される周波数の信号によりデジタル化された受信信号を検波することにより、ミキサーが不要となる。受信信号から位相変化を検出し、周波数領域にて位相を補正し再び時間領域に変化した受信信号を積算することにより、時間変化の速い位相変化を補正することが可能で高性能化を図れる。
【選択図】図1
In an NMR apparatus, since a mixer is provided for reception processing in order to perform frequency conversion, there is a risk that performance may deteriorate due to generation of noise or change in characteristics. The conventional phase correction method cannot cope with a fast change such as the phase change of the A / D sampling clock and cannot improve the S / N by the integration process.
An A / D converter clock frequency is made lower than the reception frequency of the received signal, and a received signal digitized by a signal having a frequency calculated from both is detected, thereby eliminating the need for a mixer. By detecting the phase change from the received signal, correcting the phase in the frequency domain, and integrating the received signals that have changed in the time domain again, it is possible to correct the phase change that has a fast time change and to improve performance.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、核磁気共鳴(NMR)を利用して被測定試料の化学的結合状態等を計測する核磁気共鳴を用いるスペクトル分析方法および核磁気共鳴装置に関するものである。 The present invention relates to a spectrum analysis method using nuclear magnetic resonance and a nuclear magnetic resonance apparatus for measuring a chemical bond state or the like of a sample to be measured using nuclear magnetic resonance (NMR).
核磁気共鳴装置においては、被測定試料を静磁場内に配置し、その周囲に配置した送受信コイルを介して共鳴周波数を持つ高周波磁場をパルス的に送信する。その結果、送受信コイルに誘起された共鳴信号は、自由誘導減衰信号(以下FID信号と略称する)として受信される。NMRスペクトルは、このFID信号をフーリエ変換することによって得られ、計測されたスペクトルの周波数、強度から被測定試料の化学的結合状態等を分析することができる。この技術は、特許文献1(特許第3478924号明細書)、特許文献2(特開平5−154128号公報)、特許文献3(特開平10−99294号公報)に記載されている。 In a nuclear magnetic resonance apparatus, a sample to be measured is arranged in a static magnetic field, and a high-frequency magnetic field having a resonance frequency is transmitted in a pulse manner via a transmission / reception coil arranged around the sample. As a result, the resonance signal induced in the transmission / reception coil is received as a free induction decay signal (hereinafter abbreviated as FID signal). The NMR spectrum is obtained by Fourier-transforming this FID signal, and the chemical bonding state of the sample to be measured can be analyzed from the frequency and intensity of the measured spectrum. This technique is described in Patent Document 1 (Japanese Patent No. 3478924), Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 5-154128), and Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 10-99294).
送信される高周波信号は、分析する核種及びマグネットにより与えられる静磁場により異なるが、通常、数十MHzから数百MHzの周波数である。受信信号には送信周波数の近傍の周波数を持つ複数のスペクトルが存在し、送信周波数を中心として数kHzから数百kHz離れた範囲に分布する。このように中心周波数となる送信周波数は高いが、観測帯域幅は中心周波数に比べると非常に狭い。 The high-frequency signal transmitted varies depending on the nuclide to be analyzed and the static magnetic field applied by the magnet, but is usually a frequency of several tens to several hundreds of MHz. The received signal has a plurality of spectra having frequencies in the vicinity of the transmission frequency, and is distributed in a range away from several kHz to several hundred kHz centering on the transmission frequency. Thus, although the transmission frequency which is the center frequency is high, the observation bandwidth is very narrow compared to the center frequency.
このため、受信信号をミキサーに入力し、中心周波数を低い周波数に変換し、さらにIQ検波器(In−Phase Quadrature検波器)を用いて中心周波数をDC成分へ変換する。従って、IQ検波後の信号は最大数kHzから数百kHzの成分を持つ信号に変換される。その信号をアナログデジタル変換(A/D変換)し、フーリエ変換(FFT)処理すると、FID信号のスペクトル分布が検出される。 Therefore, the received signal is input to the mixer, the center frequency is converted to a low frequency, and the center frequency is converted into a DC component using an IQ detector (In-Phase Quadrature detector). Therefore, the signal after IQ detection is converted into a signal having a maximum component of several kHz to several hundred kHz. When the signal is subjected to analog-digital conversion (A / D conversion) and Fourier transform (FFT) processing, the spectral distribution of the FID signal is detected.
また、各スペクトルの強度は一定ではなく、試料によっても異なる。このため、上述した送信及び受信処理を複数回繰返し、各信号を時間領域で積算することによりノイズの影響を低減している。また、FID信号のスペクトル強度の吸収成分を用いて分析処理するが、その場合、送信及び受信の位相差が異なると吸収成分に分散成分が混入し、測定精度が低下するので、その位相差を補正することが必要であった。 Further, the intensity of each spectrum is not constant and varies depending on the sample. For this reason, the transmission and reception processes described above are repeated a plurality of times, and the influence of noise is reduced by integrating the signals in the time domain. Also, analysis processing is performed using the absorption component of the spectral intensity of the FID signal. In this case, if the transmission and reception phase differences are different, the dispersion component is mixed into the absorption component and the measurement accuracy is reduced. It was necessary to correct.
受信処理には上述したようにミキサー及び検波器が必要である。これらの装置は、アナログ回路で構成されるため、回路製作時の調整作業が必要で、素子の経年変化による特性変化に対する補正も必要である。さらに、ミキサーでは周波数の異なる局部発信信号をFID信号と掛け合わせることにより周波数変換するが、回路配置上で局部発信信号線とFID信号線が近接ずるため、信号間で干渉が発生しノイズ発生源となる恐れがある。 As described above, the mixer and the detector are required for the reception process. Since these devices are composed of analog circuits, adjustment work at the time of circuit manufacture is necessary, and correction for characteristic changes due to aging of elements is also necessary. Furthermore, the mixer performs frequency conversion by multiplying local transmission signals with different frequencies with the FID signal. However, because the local transmission signal line and the FID signal line are close to each other on the circuit layout, interference occurs between the signals and the noise generation source. There is a risk of becoming.
上述したように送信信号と受信信号の位相差は一定にする必要がある。位相変化の要因は、測定の遅延、フィルタなどの回路素子の位相特性、アンプのゲイン、オフレゾナンスによる位相変化であり、その補正方法もいくつか提案されている。しかし、IQ変換し、さらに積算処理した後に位相変化を補正する方式では、1回の送受信ごとに位相変化する場合には対応できない。また、A/D変換器を用いてデジタル化する際のサンプリングクロックの周波数及び位相変化に伴う位相変化に対しては考慮されていない。本発明の目的は、受信回路のミキサーによる上述の課題を解決し、また位相変化を補正することにより、高性能なNMR装置を提供することである。 As described above, the phase difference between the transmission signal and the reception signal needs to be constant. The causes of the phase change are measurement delay, phase characteristics of circuit elements such as filters, amplifier gain, and phase change due to off-resonance, and several correction methods have been proposed. However, the method of correcting the phase change after IQ conversion and further integration processing cannot cope with a phase change for each transmission / reception. Further, no consideration is given to the phase change accompanying the frequency and phase change of the sampling clock when digitizing using the A / D converter. An object of the present invention is to provide a high-performance NMR apparatus by solving the above-described problems caused by a mixer of a receiving circuit and correcting a phase change.
本発明の一つの課題解決手段によれば、NMR装置は、受信回路側にミキサーを設けず、FID信号を周波数変換すること無くにA/D変換し、その周波数はFID信号の持つ周波数より低いサンプリング周波数とし、FID信号の中心周波数foとサンプリング周波数fsから計算される周波数でIQ検波するものである。これにより、ミキサーを省略することができるために高性能なNMR装置を実現できる。
さらに、本発明の他の課題解決手段によれば、NMR装置は、FID受信信号を受信する毎に位相補正する。これにより、時間変動の比較的早いサンプリングクロックの位相変化にも対応できるために、高性能なNMR装置を実現できる。
According to one problem solving means of the present invention, the NMR apparatus does not provide a mixer on the receiving circuit side, performs A / D conversion without frequency conversion of the FID signal, and the frequency is lower than the frequency of the FID signal. The sampling frequency is IQ detected at a frequency calculated from the center frequency fo and sampling frequency fs of the FID signal. Thereby, since a mixer can be omitted, a high-performance NMR apparatus can be realized.
Furthermore, according to another problem solving means of the present invention, the NMR apparatus corrects the phase every time an FID reception signal is received. Thereby, since it can respond also to the phase change of the sampling clock with comparatively quick time fluctuation, a high-performance NMR apparatus can be realized.
本発明によれば、受信回路からミキサーを削除できるため、製作、調整時間を短縮でき、ノイズの混入を低減できる。また、時間的変動の速い位相変化も補正できるため、観測スペクトル幅の拡がりを抑えることができる。このようなことから、ノイズが少なくスペクトル幅の狭い信号が得られる高性能のNMR送信を実現することができる。 According to the present invention, the mixer can be deleted from the receiving circuit, so that the time for manufacturing and adjustment can be shortened, and the mixing of noise can be reduced. Moreover, since the phase change having a fast temporal variation can be corrected, the spread of the observation spectrum width can be suppressed. For this reason, it is possible to realize high-performance NMR transmission that can obtain a signal with little noise and a narrow spectrum width.
以下、本発明の実施の形態を示す図1,図2を用いて説明する。図1は核磁気共鳴(NMR)装置の全体構成を示すブロックダイアグラムである。図2は自由誘導減衰信号(FID信号)の周波数と、デジタル変換器(A/D変換器)によりデジタル化された後の周波数変化を示すグラフである。 The present invention will be described below with reference to FIGS. 1 and 2 showing an embodiment of the present invention. FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of a nuclear magnetic resonance (NMR) apparatus. FIG. 2 is a graph showing the frequency of the free induction attenuation signal (FID signal) and the frequency change after digitization by a digital converter (A / D converter).
図1において、NMR装置のユーザがパソコン10を用いて、送信周波数、位相、強度、送信幅、送信間隔などのパルスシーケンスや、積算処理回数や受信観測幅等を設定する。設定されたそれらの情報は、タイミング制御回路12及び受信処理回路14に送られる。受信処理回路14は、A/D変換器16,IQ検波処理部18,位相補正部20,積算処理部22等によって構成されている。
In FIG. 1, a user of an NMR apparatus uses a
タイミング制御回路12からの信号情報に従って周波数・位相可変発信器24は信号を生成する。安定度の高い基準発信器26は、送受信コイル28に送信される周波数より低い周波数を発振し、周波数・位相可変発信器24及び2つの周波数シンセサイザ30a、30bへその出力信号を供給する。周波数シンセサイザ30a及び30bは、送受信コイル28に送信される周波数より低い周波数で、安定度の高い基準発信器26からの出力信号を高周波に変換する。
According to the signal information from the
ミキサー32は、周波数・位相可変発振器24からの信号と周波数シンセサイザ30aとの信号に応じて、ユーザより指定された送信周波数に変換する。さらに、可変アンプ34a、パワーアンプ36を経て所定の強度の送信信号を送受信コイル28に送信する。送信信号の送信幅は、数μsecから数百μsecであって、短くパルス的な送信信号である。
The
送信終了後に、送受信コイル28から出力される信号を可変アンプ34b、バンドパスフィルタ(BPF)38を介して受信処理回路14のアナログ−デジタル変換器(以下A/D変換器と略称する)16に入力する。A/D変換器16のサンプリング周波数は、周波数シンセサイザ30bから供給される周波数により決定される。アナログ−デジタル変換された信号は、IQ検波処理部18,位相補正部20,積算処理部22によって処理され、パソコン10へ与えられる。
After the transmission is completed, a signal output from the transmission /
従来のNMR装置の構成は、図3に示すように、送受信コイル28からの受信信号は、可変アンプ34b、バンドパスフィルタ(BPF)38を介してミキサー32bに入力され、受信信号の周波数をより低い周波数に変換する。ミキサー32bの出力信号は、検波回路40を経てA/D変換器16へ供給される。
As shown in FIG. 3, the conventional NMR apparatus is configured such that the received signal from the transmitting / receiving
受信信号には周波数と強度の異なる複数スペクトルが存在するため、ノイズの影響を受けやすい。ミキサー32bでは、周波数シンセサイザ30からの信号と受信信号をミキシングするために、両者の信号線は近接し、干渉によるノイズが発生しやすい。このため、回路実装上で干渉しないような対策が必要であった。
Since the received signal has a plurality of spectra having different frequencies and intensities, it is easily affected by noise. In the
また、アナログ回路は、素子の経年変化が避けられず、特に位相変化に関しては上述したようにスペクトル幅が広がるため、補正が必要となる。しかしながら、図1に示すような実施形態では、受信したFID信号を低周波側に周波数変換することなくA/D変換するので、上述したような問題は発生しない。なお、図3の参照符号のうち図1と同じものは同じ機能を有し、その動作は省略する。 In addition, the analog circuit cannot avoid the aging of the element, and especially the phase change needs to be corrected because the spectrum width is widened as described above. However, in the embodiment as shown in FIG. 1, since the received FID signal is A / D converted without frequency conversion to the low frequency side, the above-described problem does not occur. 3 that are the same as those in FIG. 1 have the same functions, and their operations are omitted.
信号の周波数をfとすると、この信号をデジタル化し、その周波数成分として検出するには、サンプリング定理によれば2倍の周波数2f以上の周波数でサンプリングする必要がある。受信信号の周波数は最大で1GHz近くに達するため、2GHz以上のサンプリング周波数fsが必要となる。このような高速なA/D変換器は高価であり、振幅分解能は8bit程度と低い。さらにA/D変換した後のデータの処理も、データが2GHzの速度で入力されるため高速の処理回路が必要になり、非常に高価なものとなる。 Assuming that the frequency of the signal is f, in order to digitize this signal and detect it as its frequency component, it is necessary to sample at a frequency that is twice the frequency 2f or higher according to the sampling theorem. Since the frequency of the received signal reaches a maximum of close to 1 GHz, a sampling frequency fs of 2 GHz or more is required. Such a high-speed A / D converter is expensive, and the amplitude resolution is as low as about 8 bits. Furthermore, the data processing after A / D conversion also requires a high-speed processing circuit because the data is input at a rate of 2 GHz, and is very expensive.
A/D変換する場合には、fs/2以上の周波数を除去するためにローパスフィルター(以下LPFと略称する)をその前段に挿入する。ローパスフィルター(LPF)がないとエアリアス効果によりfs/2以上の周波数はfs/2以下の周波数に変換されて検出される。図2を用いてこれを説明する。受信信号の周波数がf1、f2であり、その周波数をfN=fs/2で割り算した結果の整数値nが、偶数か奇数かによって、変換される周波数F1,F2が次式のように異なる。 In the case of A / D conversion, a low-pass filter (hereinafter abbreviated as LPF) is inserted in the preceding stage in order to remove frequencies of fs / 2 or higher. Without a low-pass filter (LPF), the frequency of fs / 2 or higher is detected by being converted to a frequency of fs / 2 or lower due to an aerial effect. This will be described with reference to FIG. The frequencies of the received signal are f1 and f2, and the converted frequencies F1 and F2 differ as shown in the following formulas depending on whether the integer value n obtained by dividing the frequency by fN = fs / 2 is an even number or an odd number.
n:偶数の場合 F2=f2−n*fN
n:奇数の場合 F1=(n+1)*fN−f1
例えば、受信周波数f1が450MHz、サンプリング周波数fs=125MHzの場合には、nは奇数となり、A/D変換された後の信号の周波数は50MHzとなる。すなわち、f1/fN=f1×(2/fs)=450/(125/2)=450/62.5≒7であるから、F1=(7+1)62.5−450=50MHZである。また、受信周波数が150MHz、fs=125MHzの場合には、nは偶数となり、A/D変換された後の信号の周波数は25MHzとなる。すなわち、f1/fN=f1×(2/fs)=150/(125/2)=150/62.5≒2であるから、F2=f2−2×62.5=150−125=25MHZとなる。
n: even number F2 = f2-n * fN
n: When odd number F1 = (n + 1) * fN−f1
For example, when the reception frequency f1 is 450 MHz and the sampling frequency fs = 125 MHz, n is an odd number, and the frequency of the signal after A / D conversion is 50 MHz. That is, since f1 / fN = f1 × (2 / fs) = 450 / (125/2) = 450 / 62.5≈7, F1 = (7 + 1) 62.5−450 = 50 MHZ. When the reception frequency is 150 MHz and fs = 125 MHz, n is an even number, and the frequency of the signal after A / D conversion is 25 MHz. That is, since f1 / fN = f1 × (2 / fs) = 150 / (125/2) = 150 / 62.5≈2, F2 = f2-2 × 62.5 = 150-125 = 25 MHZ .
このように、本実施形態によれば、従来のようなミキサー32bを使用しないで、かつ、低いサンプリング周波数でA/D変換するだけで周波数変換が可能であり、比較的安価なA/D変換器16と信号処理回路を用いてNMR装置を実現することが可能である。
As described above, according to the present embodiment, frequency conversion is possible without using the
上述したように送信周波数をfoとすれば、受信信号はfoの近傍の周波数成分を持つ。本実施形態で受信信号を周波数変換した場合には、その変換した周波数でIQ検波する必要がある。このようにすれば、fo周波数がDC成分となり、fo近傍のスペクトルを低いサンプリングレートによって検出し、フーリエ変換処理(以下FFT処理と略称する)することが出来る。 As described above, if the transmission frequency is fo, the received signal has a frequency component in the vicinity of fo. When the received signal is frequency-converted in this embodiment, it is necessary to perform IQ detection at the converted frequency. In this way, the fo frequency becomes a DC component, and the spectrum in the vicinity of fo can be detected at a low sampling rate, and Fourier transform processing (hereinafter referred to as FFT processing) can be performed.
図4は、IQ検波処理部18およびその出力信号が与えられる位相補正部20の詳細な構成を示すブロックダイアグラムである。IQ検波器(In−Qadurature検波器)は、2相検波器とも呼ばれ、被検波信号yと参照信号xとの周波数差及び位相差を検出するものである。信号yは、2つの乗算器に入力され、信号xは、一方は乗算器に入力され、他方は移相器によって位相が90°変化したものが乗算器に入力される。各乗算器の出力は、ローパスフィルタに入力され、検出すべき帯域幅のみを通過させてI及びQ信号を検出する。信号xとyの周波数が同じであれば、検波された信号は、IQ平面上の座標で時間的には変化しない。周波数が異なればIQ平面上を回転し、回転速度が周波数差となる。
FIG. 4 is a block diagram showing a detailed configuration of the IQ
A/D変換された信号は上述したように周波数がFoに変換された成分を持つ。周波数Fo成分をDCに変換するのがIQ検波処理部18であり、数値制御発信器(NCO)42から周波数Foで位相θの信号sinとsinに対して位相が90度ずれたcos信号を生成する。
The A / D converted signal has a component whose frequency is converted to Fo as described above. The IQ
これらの信号は、デジタル値である。A/D変換後の信号をそれぞれsin及びcos信号と乗算器44a,44bにより乗算することによって、中心周波数FoをDC成分に周波数変換する。乗算器44a、44bの出力は、ローパスフィルタ46a、46bを通して、フーリエ変換器(FFT変換器)48,位相変化検出器50を介して逆フーリエ変換器52へ与えられる。このようにして実数部信号I及び虚数部信号Qが得られる。
These signals are digital values. The center frequency Fo is frequency-converted into a DC component by multiplying the signal after A / D conversion by the sin and cos signals by the
このように、デジタル的に処理するために従来のアナログミキサーを2台用いる方式に比較すると、ノイズが混入する恐れが無いため、高精度に検波することが出来る。さらに、アナログ回路でIQ検波する場合にもsin,cos信号を生成する必要があるが、これは一方の信号を90度移送器に入力して生成する。 In this way, compared to a method using two conventional analog mixers for digital processing, there is no possibility of noise being mixed, and therefore, detection can be performed with high accuracy. Furthermore, when IQ detection is performed by an analog circuit, it is necessary to generate sin and cos signals, which are generated by inputting one of the signals to a 90-degree transporter.
移送器は周波数特性を持ち、NMR装置は核種により共鳴周波数が数百MHzも異なるために、測定する核種ごとに移送器を設ける必要がある。しかしながら、数値制御発信器(NCO)42は設定周波数によりsin,cos信号が歪むことは無いために上記問題は発生しない。sin,cos信号の位相差が90度からずれるとイメージ信号が現れ、スペクトルを観測する上で問題となる。これは、例えば、受信信号のひとつのスペクトルが周波数Fo+f1に存在した場合に、周波数Fo-f1にも存在しているようにスペクトルが検出される。 Since the transfer device has frequency characteristics and the NMR apparatus has a resonance frequency different by several hundred MHz depending on the nuclide, it is necessary to provide a transfer device for each nuclide to be measured. However, since the numerically controlled oscillator (NCO) 42 does not distort the sin and cos signals due to the set frequency, the above problem does not occur. When the phase difference between the sin and cos signals deviates from 90 degrees, an image signal appears, which causes a problem in observing the spectrum. For example, when one spectrum of the received signal exists at the frequency Fo + f1, the spectrum is detected as if it also exists at the frequency Fo-f1.
図5は、NMR送信における送受信のタイミングの一例である。パルス的に高い周波数foで送信し、送信後に三角で図示した時間にFID信号を送受信コイル28から受信する。FID信号の複数スペクトルには低い強度のものもあり、また試料中の核種密度が低い場合には微弱な信号となる。
FIG. 5 is an example of transmission / reception timing in NMR transmission. The pulse is transmitted at a high frequency fo, and the FID signal is received from the transmission /
このため、送受信コイル28から出力される信号のS/Nが低い場合も多く、S/Nを上げるために図のように送受信を繰返しIQ検波された時間データを積算処理することによって、S/Nを高くしてフーリエ変換(FFT変換)によるスペクトル分析の分解能を向上させる。受信する間隔は、0.1〜数十秒であるが、各受信号を測定する毎に送受信の位相差が変化すると、位相が異なるため積算しても信号強度Sが大きくならずS/Nを向上することは出来ない。さらに、周波数変動とともに位相変化はスペクトル幅の拡がりの原因となるため、NMR装置としての周波数分解能が低下する。
For this reason, the S / N of the signal output from the transmission /
送受信位相差の変動する要因は下記の5つに分類できる。第1の要因は、可変アンプ、送信アンプ、アナログ及びデジタルフィルタ等の位相特性、第2の要因は送信終了から受信開始までの時間による測定遅延、第3の要因は送信パルス期間内に発生するオフレゾナンス効果による位相シフト、第4の要因は検波信号の位相と受信信号の各スペクトルの位相差、第5の要因はA/Dサンプリングクロックの位相変化である。これらの要因による位相変化は、周波数の0次(周波数に対して一定)、1次、及び高次の3つに分類できる。 Factors that cause fluctuations in the transmission / reception phase difference can be classified into the following five. The first factor is the phase characteristics of the variable amplifier, transmission amplifier, analog and digital filter, the second factor is a measurement delay due to the time from the end of transmission to the start of reception, and the third factor is generated within the transmission pulse period. Phase shift due to the offense effect, the fourth factor is the phase difference between the phase of the detected signal and each spectrum of the received signal, and the fifth factor is the phase change of the A / D sampling clock. Phase changes due to these factors can be classified into three categories: zeroth order (constant with respect to frequency), first order, and higher order.
また、時間変動するものと、パルス幅などの測定条件にのみにより変化するものに分類される。積算処理するときに問題となるのは、受信信号間で発生する各スペクトルの位相変化である。これらの要因は上記の2,4,5であり、周波数に対して0次と1次の位相特性を持つ。 Moreover, it is classified into those that change with time and those that change only depending on measurement conditions such as pulse width. A problem in the integration process is the phase change of each spectrum that occurs between the received signals. These factors are 2, 4, and 5 described above, and have zero-order and first-order phase characteristics with respect to frequency.
図5において、検波処理部18からの出力信号をフーリエ変換処理(FFT処理)し周波数領域の実数部r,虚数部i成分データに変換する。そのデータを用いて位相変化を検出し、周波数領域で0次、及び1次の位相補正を行い、それを逆フーリエ変換(IFFT変換)処理して再び時間領域のI,Qデータに変換するものである。逆フーリエ変換(IFFT変換)後の吸収成分rのスペクトル分布を図6(a)に示す。その各スペクトルを拡大したものが図(b),(c)であり、位相変化が無ければ(b)のようなピーク波形となるが、位相差が発生すると(c)のようにピーク波形が歪む。
In FIG. 5, the output signal from the
これらを、r,i軸上に図示したのが(d),(e)である。ピーク波形は円形となりピーク波形の前後のデータは位相差に対して90度の傾きを持った直線上に分布する。従って、ピーク波形の最大点のr,iデータか、ピーク波形の前後のr,iデータから位相差を検出することが出来る。スペクトル幅は1Hz以下であり、観測周波数全域に渡り位相差θ(f)を検出し、r(f),i(f)からなる複素数データS(f)を次式により逆方向に周波数軸上で回転させることにより補正できる。 These are shown on the r and i axes as (d) and (e). The peak waveform is circular, and the data before and after the peak waveform are distributed on a straight line having an inclination of 90 degrees with respect to the phase difference. Accordingly, the phase difference can be detected from the r and i data at the maximum point of the peak waveform or the r and i data before and after the peak waveform. The spectrum width is 1 Hz or less, the phase difference θ (f) is detected over the entire observation frequency, and the complex number data S (f) consisting of r (f) and i (f) is on the frequency axis in the reverse direction by the following equation. It can be corrected by rotating with.
S(f){cosθ(f)−j*sinθ(f)}
なお、位相差の変化が問題となるため、1回目の受信信号で検出された位相差を記憶し位相差の補正はせず、2回目の受信信号の位相差を検出し1回目との位相差のみを補正し積算し、同様に3回目以降も前回受信信号との差のみを補正し積算しても良い。その結果、初期の位相差は残るが、時間的に変動しない成分であるため積算された信号に対して補正すれば良い。以上説明したように、本実施形態によれば受信信号ごとに変化する位相差を補正できるため、積算された受信信号の位相変化によるスプクトル幅の拡がりやS/Nの低下が無く、高感度な測定が可能となる。
S (f) {cosθ (f) −j * sinθ (f)}
Since the change in the phase difference becomes a problem, the phase difference detected in the first received signal is stored, the phase difference is not corrected, the phase difference in the second received signal is detected, and the difference from the first time is detected. Only the phase difference may be corrected and integrated. Similarly, after the third time, only the difference from the previous received signal may be corrected and integrated. As a result, although the initial phase difference remains, it is a component that does not vary with time, and therefore it is sufficient to correct the integrated signal. As described above, according to the present embodiment, since the phase difference that changes for each received signal can be corrected, there is no spread of the spectrum width or S / N reduction due to the phase change of the integrated received signal, and high sensitivity. Measurement is possible.
次に本発明の他の実施形態を、図7、図8を用いて説明する。図7はNMR送信の構成であり、周波数、位相可変発信器37を設け、その出力信号(参照信号)を加算器39によってFID信号と加算し、A/D変換器16によってデジタル化することが、図1の実施形態と異なる点である。
Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 7 shows a configuration of NMR transmission. A variable frequency and
図8は、送信周波数foと観測帯域W及び参照信号との周波数関係を示したものであり、参照信号の周波数はfo−W/2より小さく、fo+W/2より大きい周波数に設定する。すなわち、観測帯域中に存在する検出すべきスペクトルと重ならないようにする。なお、エアリアス効果により周波数を変換できるため、変換後の観測幅に重ならないようにすれば良いことはいうまでもない。参照信号は、送信周波数とは周波数は異なるが初期位相を合わせるためタイミング制御回路12からの信号によって制御する。このように発生させた参照信号はFID信号に比べS/Nが高いため、位相変化を精度よく測定が可能となり、高精度の位相検出が可能となる。
FIG. 8 shows the frequency relationship between the transmission frequency fo, the observation band W, and the reference signal. The frequency of the reference signal is set to be smaller than fo−W / 2 and larger than fo + W / 2. That is, it is made not to overlap with the spectrum to be detected existing in the observation band. Needless to say, since the frequency can be converted by the aerial effect, it is sufficient not to overlap the observation width after conversion. The reference signal is controlled by a signal from the
図9は、送受信と参照波の発生タイミングを示した図であるが、図(c)のように送信と同時に発生させ、受信終了時まで参照波を出力する。この場合には上述したように、観測帯域より外側の周波数域に参照信号を設定する必要がある。一方、図9(d)に示すように、送信と同時に発生させ受信開始時に終了するように参照信号を出力する場合には、観測帯域内に周波数を設定しても良い。 FIG. 9 is a diagram showing transmission / reception and the generation timing of the reference wave. As shown in FIG. 9C, the generation is performed simultaneously with the transmission, and the reference wave is output until the end of reception. In this case, as described above, it is necessary to set the reference signal in a frequency region outside the observation band. On the other hand, as shown in FIG. 9 (d), when a reference signal is output so as to be generated at the same time as transmission and to end at the start of reception, a frequency may be set within the observation band.
次に本発明の他の実施形態を図10を用いて説明する。参照信号を図9(d)の期間出力し、そのIQ検波処理部18から出力される信号を、FFT処理し位相差を検出し、その位相差とパソコンから指示されたNCO42に対する位相と加算し、NCOの位相を変化させるものである。参照信号が2種類以上の周波数成分を持つ場合には、周波数に対して0次と1次の位相変化を検出することが出来る。
Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The reference signal is output for the period of FIG. 9 (d), the signal output from the IQ
周波数に対して1次の変化を補正するには、上述したように周波数領域で周波数ごとに異なるθ(f)で回転させる他に、42NCOの周波数を変化させることによっても補正することが可能となる。従って、図10に示すように、パソコンから指令される周波数と位相に、位相変化検出器50で検出された位相、周波数変化量を加算器52a、52により加算し、NCO42の周波数、位相を変化させれば、0及び1次の位相変化を補正することが出来る。このように本実施例によれば、位相補正に逆フーリエ変換(IFFT)処理する必要が無いため、演算処理量を低減できる。
In order to correct the primary change with respect to the frequency, in addition to rotating at a different θ (f) for each frequency in the frequency domain as described above, it is possible to correct by changing the frequency of 42 NCO. Become. Accordingly, as shown in FIG. 10, the phase and frequency change detected by the
NMR装置の他、位相や周波数の長時間にわたり安定に検出することが必要な分野にも応用することが可能である。 In addition to the NMR apparatus, the present invention can be applied to fields that require stable detection over a long period of phase and frequency.
10…パソコン、12…タイミング制御回路、14…受信処理回路、16…A/D変換器、18…IQ検波処理部、20…位相補正部、22…積算処理部、24…周波数・位相可変発信器、26…基準発信器、28…送受信コイル、30…周波数シンセサイザ、32…ミキサー、34…可変アンプ、36…パワーアンプ、38…BPF、39…加算器、40…検波回路、42…NCO(数値制御発信器)、44…乗算器、46…LPF、48…FFT、50…位相変化検出部、52…IFFT。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
By transmitting a high-frequency signal to the coil, a high-frequency magnetic field is applied to the sample to be measured placed in the static magnetic field, the nuclear magnetic resonance spectrum radiated from the sample to be measured is received by the coil, and the received signal is converted from analog to digital. A spectral analysis measurement method characterized in that the sampling frequency of the analog-digital converter is lower than the frequency of the nuclear magnetic resonance spectrum of the received signal. .
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