JP4193382B2

JP4193382B2 - 磁場計測装置

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Publication number: JP4193382B2
Application number: JP2001218951A
Authority: JP
Inventors: 明彦神鳥; 豪宮下; 啓二塚田; 宏一横澤; 大介鈴木; 塚本　　晃
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Priority date: 2001-07-19
Filing date: 2001-07-19
Publication date: 2008-12-10
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微弱な磁場を計測するSQUID（Superconducting Quantum Interference Device：超伝導量子干渉素子）磁束計装置に関するものであり、特に高周波電流を生体内に流して得られる磁場変化または核磁気共鳴信号を、該SQUIDと磁気結合または電気接続されている検出コイルによって検出する方法に関し、該検出コイルがクライオスタットの外部に配置されている常伝導部材で構成されている構成に関するものでる。
【０００２】
【従来の技術】
従来、磁場計測装置は、超伝導部材で作成された検出コイルを使用して超伝導量子干渉素子（Superconducting Quantum Interference Device:以後SQUIDと略す）と同時に検出コイルを超伝導状態に冷却し、脳細胞内のニューロンの活動に伴う磁場変化（脳磁図）や心筋細胞の活動電流に伴う磁場変化（心磁図）を検出することが一般的である。そのため、検出コイルが測定対象から遠くなることが問題であった。
【０００３】
一方，血液の流れや心臓の収縮拡張といった機械的な動きに伴う動きをモニタするため，高周波電流を生体に流して生体を流れる血液の変化量に伴う電位を計測するimpedance cardiograph法が開発されてきた（Aerospace Medicine Vol.37, pp.1208-1212,1966, Aviation, Space, and Environmental Medicine Vol.70, No.8, 1999)。
同様に生体に高周波電流を印可して磁場で計測する方法も報告されてきている(Phys. Med. Biol. Vol. 46, N45-48,2001)が、クライオスタットの内部に配置した検出コイルを利用したものであった。
【０００４】
特開平６−２２５８６０号公報には，産業上の利用分野の記載として，生体の検査領域の中へ，少なくとも２つの供給電極を介して電流を供給し，電気インピーダンスの分布と電極の位置に相応する電流分布を生じさせ，電流分布により生じた磁界の特性量の空間分布を，磁界測定装置により検査領域の外側の測定点で検出し，特性量の空間分布から検査領域の内側の等価電流密度分布を再構成し，再構成された電流密度分布は測定点に於いて電流分布により生ぜしめられた磁界と最も良好に一致する理論的な磁界を発生すべきものである形式の電気インピーダンスの空間分布の測定装置に関する記載があり，発明の解決すべき課題として，検査領域於ける電流線路により発生する磁界に対して大きい感度を有する装置の提供についての記載がある。
一方、磁気共鳴信号を高感度に検出するために、SQUIDを利用した試みも行なわれている(Appl. Phys. Lett Vol. 70-8, No. 24 pp. 1037-1039, 1997; Rev. Sci. Instrum. No. 69 No. 3, pp. 1456-1462, 1998)。従来の生体磁場計測装置と同様、クライオスタットの内部に検出コイルが配置して検出する方法と、サンプルもクライオスタット内に入れて極低温内で検出する方法とが行なわれてきた。前者の方法では、十分測定対象に近づける事が出来ない上に、静磁場下に検出コイルを配置するため、SQUID磁束計が誤動作し検出が困難であった。また後者の方法では、サンプルを極低温まで冷却しなければならず、サンプルの常温の状態での計測は不可能であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術の電位計測に基づくimpedance cardiographでは，局所の血液の状態を計測するには多数の電極を必要とし，一般的な計測法として不向きであった。そのため，非接触で血液の流れや心臓の収縮拡張といった機械的な動きに伴って変化する磁場をリアルタイムにモニタする手法の開発が行なわれてきた(Phys. Med. Biol. Vol. 46, N45-48,2001)。通常のクライオスタットの内部に配置してある超伝導の検出コイルを使用して、血液の流れや心臓の収縮拡張といった機械的な動きに伴って変化する磁場の検出は可能であったが、検出コイルを十分測定対象に近づけないという問題があった。
【０００６】
特開平６−２２５８６０号公報では、供給電極を介して流される電流によって生じるある時刻の電気インピーダンスの分布を検出することは可能であるが、時間的に変化する電気インピーダンスの変化量をリアルタイムに検出することは不可能であった。
本発明の目的は、生体の臓器等を流れる血液の流れ等に伴って生じる機械的な動きを、常伝導材料で作成された検出コイルを用いたSQUID磁束計によって、クライオスタットの外部で高感度に検出することにある。
本発明の第２の目的は、磁気共鳴信号を低磁場でも高感度に検出可能で、常温の測定対象に密着が可能な常温コイルを用いたSQUID磁束計を実現することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、本発明によれば、次のような構成を実現する。磁場を計測する常伝導部材で作成された検出コイルをクライオスタットの外部に1個以上配置し、該検出コイルと電気的または磁束的に結合された1個以上のSQUIDがクライオスタットの内部に配置され、該クライオスタットの内部に極低温冷媒を貯蔵する事によってSQUIDが超伝導状態である構成とし、前記SQUIDを駆動する駆動回路を有し、被験者の頭部や足部などの2箇所以上にまたは金属導体の２個所以上に電極を有し、前記電極に高周波電流を流すための発振器を有し、駆動回路の出力は高域通過フィルタ回路と位相検波回路と帯域通過フィルター回路とアンプに接続されている構成とし、前記アンプの出力（以下被験者に流した場合の出力をインピーダンス心磁図と呼ぶ）を、コンピューターにデータ収集し、表示および加算処理を有する手段を有し、前記検出コイル近傍には逆位相の補償磁場を印可するコイルを有し、前記補償磁場を印可するコイルは前記被験者または前記金属導体に流れている高周波電流の電流値を差動増幅する手段から得られた電流値を制御する手段によって最適な値に調整する手段を有する構成とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図を参照して説明する。
（実施例１）
図１に第１の実施例の全体構成を示す。ＳＱＵＩＤ１１１は、クライオスタット１１０の中に配置してあり、クライオスタット１１０内に貯蔵された液体ヘリウムによって超伝導状態となっている。本実施例で用いたＳＱＵＩＤ１１１は、ニオブ等の部材で構成されたＳＱＵＩＤリング、該ＳＱＵＩＤリング上に配置されたインプットコイル、該インプットコイルの外周に配置してあるフィードバックコイルがそれぞれ、１つのチップ上にパターンニングしてある。前記インプットコイルにリード部１１９が電気接続され、該リード部１１９を介して検出コイル１０８に電気接続されている。ＳＱＵＩＤ１１１は、クライオスタット１１０の外部に配置してあるＦＬＬ(Flux locked loop)回路107に接続され、磁束計動作される。ＦＬＬ回路１０７の出力は、カットオフ周波数が１ｋＨｚであるハイパスフィルター１０６を通して低周波雑音を除去し、ハイパスフィルター１０６の出力は位相検波回路１０５に伝達される。位相検波回路１０５では被検体１２１に印加している交流電流（本実施例では１０ｋＨｚの電流）の周波数（参照信号１０４）を用いて位相検波を行う。本実施例では、被検体は生体である。ここで、参照信号１０４は発振器１１４により発生されるが、ファンクションジェネレータ等、発振周波数を変えることのできる信号発生手段を用いれば、参照信号を所望の値に制御できるため都合が良い。
位相検波器を通過した信号はバンドパスフィルター１０３とアンプ１０２を通して、コンピューター１０１によってデジタルデータに変換される。コンピューター１０１では、図６や図７に示す波形表示および波形解析などの処理が行われる。
本実施例で説明したクライオスタット１１０は液体ヘリウムや液体窒素といった冷媒を貯蔵するタイプだけでなく、クライオスタット１１０に冷凍機が連結された構成でもかまわない。また本構成では低周波の磁場雑音を無視できるため、クライオスタットの部材もGFRP（繊維強化プラスチック）等の非磁性材料に限る事無く、ステンレス製などの金属材料を用いることも可能である。ステンレス製のクライオスタットを用いることにより、クライオスタットの真空等のメンテナンスが簡略化でき、冷媒の蒸発量を抑える可能となる上に、冷凍機とクライオスタットとを簡易に連結が行えるというメリットがある。
発振器１１４によって発生した交流電圧はトランス１１５を介して伝達され、カーボン電極１１２と１１３を通して被検体１２１へと交流電流が印加される。トランス１１５は、被検体の感電防止のために挿入されている。また印加されている電流の周波数をモニタするため、差動アンプ１１７によって抵抗１１６の両端を増幅して検出している。差動アンプ１１７の出力は、位相検波器１０５の参照信号１０４と逆位相補償用コイル１０９に流すための逆位相磁場発生用のリード部１２０とに分岐される。逆位相補償用磁場は逆位相補償用コイル１０９に検出コイル１０８が検出している磁場と逆位相の電流を流す事により、検出コイル１０８で検出される大きな磁場をキャンセルすることができる。また、逆位相補償用コイル１０９に流す電流量は可変抵抗１１８によって調整を行う。可変抵抗の代わりにアンプとアンプのゲイン調整器を設けて電流量を調整しても良い。
逆位相補償用コイル１０９は、検出コイルがクライオスタット１１１の内部に配置された構成の磁場計測装置においても、クライオスタット１１１の外部に配置することに卯より、検出コイルに入力される大きな磁場を逆位相補償磁場でキャンセルする構成も可能である。
図２に磁場検出部の構成を示す。塩化ビニール製の直径３０ｍｍのボビン１２２上に検出コイル１０８と、逆位相補償用コイル１０９とが巻き付けられている。検出コイル１０８と、逆位相補償用コイル１０９とはエナメル被覆の銅線（常伝導線）を使用している。検出コイル１０８は75ターンを2層に巻きつけて合計１５０ターン巻き付けてあり、インダクタンスが0.7mHに成るように構成してある。リード部１１９はツイストを行って検出磁場方向と同方向に配置し検出コイル１０８と反対方向に向かって配置している。また逆位相補償用コイル１０９のリード部１２０も同様にツイストを行って検出磁場方向と同方向に配置し検出コイル１０８と反対方向に向かって配置している。ここでリード部１１９と１２０には高周波の電波障害を避けるため、外部電磁波の遮蔽手段、例えばアルミなどのシールド線等を外皮にもつケーブルを使用し、シールド線をFLL回路のグランドと接地しておくことが望ましい。また電磁波ノイズがひどい場合には検出コイル全体をアルミなどのシールド材でシールドしておくことが望ましい。
図３に本実施例の常伝導の部材によって検出コイルを作成した場合の模式図を示す。常伝導コイルによって誘起された電圧をjωΦpと考える((3)式)。検出コイルに入ってきた磁束φｐがＳＱＵＩＤリングに伝達される磁束φｓｑとの関係を計算する。
【０００９】
【数１】

【数２】

【数３】

ここでVは検出コイルに誘発される電圧、Riは検出コイルからインプットコイルまでの抵抗値（９Ω）、Lpは検出コイルのインダクタンス(0.7 mH)、Liはインプットコイルのインダクタンス（250 nH)、iはインプットコイルと検出コイルのループ内を流れる電流、ωは各周波数、MsqはＳＱＵＩＤの自己インダクタンスを示している。ただし、実際にはインプットコイルと並列にダンピング抵抗（22Ω）とコンデンサ(0.47μF)が接続されているが、これらの値は本質的に大きな影響を及ぼさないので計算を簡略化するために図示していない。式（１）（２）（３）から
【００１０】
【数４】

と表される。さらにΦsqとＦＬＬ回路の出力Voutの関係は、次のように表すことができる。
【００１１】
【数５】

【数６】

なお、Bpは検出コイルが関知する磁束密度、Sは検出コイルの面積である。ここでφｓｑとφｆとは等しいとし、（４）（５）（６）式から検出コイルに入力される磁場とＦＬＬ回路の出力電圧の関係は
【００１２】
【数７】

となる。
【００１３】
式（7）は検出コイルに誘起される電圧と検出コイルに加えられる外部磁界の比、つまり１Ｖが何Ｔの磁場に換算できるかを意味している。言い換えれば、１Ｔの外部磁界によって何Ｖの電圧が検出コイルに生じるかということの逆数に相当する値であり、磁束計の感度に相当する値である。式(7)から、磁束計の感度は、高周波ほど小さい値をとることが分かる。つまり高周波ほど微弱な磁場を検出する能力が高いことになる。ここで、式（７）のカットオフ周波数fc1は
【００１４】
【数８】

で表され、本実施例のカットオフ周波数はfc1=2.0 kHzであった。
次に検出コイルの抵抗Ｒｉから発生する磁束ノイズを計算する。Ｒｉから発生する電圧ノイズVnは、Vn=√(4・k・T・Ri)で表される。ここでｋはボルツマン定数（1.37×10^-23）で、Ｔは温度を表している。このVnは本実施例の場合、T=300K、Ri=9Ωとすると、Vn=3.6×10^-10 V/√Hzとなる。ＳＱＵＩＤリングが検出する磁束ノイズΦnは次式で与えられる。
【００１５】
【数９】

ωが小さい場合（ω＝０）、Φsq=1.3×10^-4Φ₀/√Hz となる。この値は、図５の１ｋＨｚ以下の磁束ノイズレベルとよく一致している。式（9）のカットオフ周波数fcは、
【００１６】
【数１０】

と表すことができる。本実施例でのカットオフ周波数はfc2=2 kHzとなる。ここでfc1とfc2とは同じ式になり、カットオフ周波数は同じとなる。
図４に測定結果と式（７）による計算結果を示す。両者の結果は良く一致しており、高周波ほど感度がよいことが分かる。なお、５０ｋＨｚからの測定値の感度の低下は、インプットコイルと並列接続されているダンピング用のコンデンサ(0.47 μＦ)によるローパスフィルタの効果（カットオフ周波数がfc2=1/(2πRi C)=38 kHz）によるものである。
図５に磁束ノイズの実測値を示す。図の右側縦軸は磁束ノイズを出力電圧へ換算した換算値である。図５より、１kＨｚ以下では、式（9）で計算されるように、主にＲｉのノイズで1.3×10^-4Φ₀/√Hzとノイズレベルが高いことが分かる。また（10）式で計算されるカットオフ周波数もほぼ計算値と一致していることが分かる。
図４の感度と図５の出力電圧を掛け算すると、磁束計全体としての磁場分解能が計算できる。例えば１０ｋＨｚで９０ｆＴ／√Ｈｚである。磁場分解能が最も小さい値となるのがおよそ１０ｋＨｚの場合であった。
図６に３４歳の健康な男性の胸壁上の２点で計測されたインピーダンス心磁図波形を示している。電流は７mA peak-to-peak流し計測した。測定時は肺の動きを止めるため呼吸を１５秒間吸気の状態で止めて計測した。ポジション１は動脈に近い位置と考えられるため、かなりはっきりした心拍と同期していると思われるインピーダンス心磁図波形が観測された。ポジション２ではやや弱いながらインピーダンス心磁図が生波形で観測されている。
これらの波形をより詳細にみるため、各インピーダンス波形のピークを用いて１０回加算平均した結果を図７に示す。図７に示したように加算を行う事により、よりきれいな波形を得る事が可能である事が分かる。以上のように加算波形または生波形を複数個表示するモニターを有す事も本実施例の特徴である。
以上説明してきた第１の実施例の検出コイル部１２２はクライオスタット１１０の外部に独立に配置してある構成で説明したが、検出コイル部をクライオスタット１１０の外層に接着して配置し、リード部１１９をクライオスタットの真空層部を貫通してＳＱＵＩＤ１１１と電気接続または磁気結合させても構わない(図１６参照)。リード部１１９をクライオスタット１１０の真空層部を貫通することにより、リード部１１９を短くでき、リード部のインダクタンスによる磁束をＳＱＵＩＤ１１１へと伝達する効率の劣化を防ぐ効果がある上に、高周波電磁波がリード部に誘導させる妨害電磁波量も軽減できるという効果がある。
（実施例２）
第２の実施例について、図８を用いて説明を行う。円筒部８５の内部は空洞となっており、流路入口８４−１から流路出口８４−２に向けて水などの電気伝導度のよい部材を流す。本実施例では、円筒部８５を銅などの電気伝導のよい部材で作成し、電極８６−１と８６−２から高周波電流を印加する構成とする。発振器１１４によって発生された高周波電圧はトランス１１５を介して伝達され、抵抗１１６を通して電極８６−１と８６−２から印加される。印加された高周波電流は、円筒部８５の導体中と円筒部内部に送られている水との両方に流れる。送られている水の内部に不純物などが混入した場合、不純物による変化量を検出コイル１０８で検出する事が可能である。この時、検出コイル１０８の近傍には逆位相磁場を発生させる逆位相補償用コイル１０９が配置してある。
逆位相補償用コイル１０９は第１の実施例と同様に実際に導体部に流れている電流を検出するため、抵抗１１６の両端を差動アンプ１１７で増幅を行う。差動アンプ１１７の出力を用いて可変抵抗１１８によって逆位相補償用コイル１０９に流す電流のコントロールを行う。逆位相補償用コイル１０９による逆位相補償磁場によって、変化量だけを高感度に検出が可能となる。検出コイル１０８で検出された変化量は、冷媒が貯蔵してあるクライオスタット１１０の内部に配置してあるＳＱＵＩＤ１１１に伝達され、電圧へと変換される。
ここで図１に示したＦＬＬ回路１０７内の構成を簡単に図８を用いて行う。ＦＬＬ回路１０７の中にはＳＱＵＩＤを磁束計動作させるための、バイアス電流を印加する電流バイアス８１と、アンプ８２と積分器８３とフィードバック抵抗８７とが配置してある。またフィードバックコイル８８はＳＱＵＩＤ１１１の内部に内蔵されている。フィードバック抵抗８７とフィードバックコイル８８によって、フィードバック回路を構成し、磁場を電圧に線形な関数として変換が可能である。
ＦＬＬ回路の出力は図１と同様に高域通過フィルター１０３へ伝達され、位相検波器１０５によって、流れている電流の周波数で参照信号１０４を用いて検波を行っている。位相検波１０５の出力は帯域通過フィルター１０６を通って、アンプ１０２で増幅された後、コンピューター１０１へとデジタルデータがとして保存され、波形表示および波形解析などがコンピューター１０１で行われる。
帯域通過フィルター１０３の出力８９はインピーダンスの絶対値を計測するときに用いられる。インピーダンスの絶対値は、逆位相補償用コイル１０９による逆位相補償磁場を印加しない状態で測定するか、既知量の逆位相補償磁場を印加することにより、差動アンプ１１７の出力から得られる導体に流れている電流量と印加している周波数の磁場の絶対値から計算する事ができる。したがって図示していないが、インピーダンスの絶対値を計測する場合の逆位相補償磁場のコントローラーを付属する構成でも可能で、可変抵抗１１８は該コントローラーによって自動的に補償磁場量を決定する制御機構を有する構成とすることもできる。前記自動的に補償磁場量を決定する制御機構は、例えば、出力８９から得た高周波磁場の絶対値または最大値をコンピューター１１０によって自動で検出し、可変抵抗１１８を制御して得られる高周波磁場を少なくするように制御することで可能である。前記自動的に補償磁場量を決定する制御機構は図１の第１の実施例においても実施は可能である。
第２の実施例では、円筒部８５を導体として説明を行ったが、電極８６−１と８６−２を円筒部８５の内部に配置し、円筒部を非導体で構成する事も可能である。
本実施例の磁場計測装置は、円筒部内部の水質変化を高精度に検出可能であるので、例えば、配管内を流れる水、流体等の水質モニタリング装置等に利用可能である。
（実施例３）
第３の実施例について図９を用いて説明する。ＦＬＬ回路、検波方法、回路構成などは図８で説明した実施例と同様なため説明を省略する。図９の実施例では図８で示したものと異なり、検出コイル１０８の検出方向が高周波電流の流れる方向と直角な方向をなす位置に配置したことを特徴としている。本構成のように検出コイル１０８がクライオスタットなどの内部で冷却が必要でないため、検出コイルの中を被測定対象が常温のままで配置できるというメリットがある。
（実施例４）
第４の実施例について図１０を用いて説明する。ＦＬＬ回路、検波方法、回路構成などは図８で説明した実施例と同様なため説明を省略する。本実施例では、検出コイル１０８を巻き付けた検出プローブ１００１を使用して、空間分解能に優れた計測を実現する実施例を示している。検出プローブをパーマロイのような透磁率の高い軟磁性部材で構成するとプローブの磁場に対する感度が上がる。また、プローブ先端を幅数１０μｍ程度に尖らせることでプローブの感度を更に向上することが可能である。
検出プローブ１００１には、プローブを保持し、検査対象に対する相対位置を変化する手段１００３を取り付け、直交するＡ方向とＢ方向、高さＺ方向へのスキャンニングを可能とする。スキャンニングの手段としては、ステッピングモータやアクチュエータを用いるが、ピエゾ素子などの圧電素子を用いれば数μｍ程度のオーダの微少な移動が可能となる。測定対象１００２は銅やアルミといった交流電流を流すことの可能な導体を用いるものとする。本構成は検出される磁場は定常的に流れている高周波電流の偏りの変化量を検出するものであり、物質内部の亀裂を検出するような非破壊検査を高感度に行える構成である。図１０などの場合で、空間的な磁場の変化量を求める場合は、帯域通過フィルター１０６をローパスフィルタ機能だけにし、測定面内全体で検出される直流バイアス成分は逆位相磁場コイル１０９によってキャンセルする構成とする。以上の構成により、導体内の亀裂などによって生じる微小な磁場の変化量を高感度に検出が可能で、非破壊検査などに利用することができる。
（実施例５）
図１１を用いて第５の実施例について説明を行う。ＦＬＬ回路、検波方法、回路構成などは図８で説明した実施例と同様なため説明を省略する。本実施例では、図１の構成を複数個設けた構成をしている。検出コイル１０８が常温コイルでクライオスタット１１０の外部に配置してあるため、頭部に密着させて検出コイル１０８を配置する事が出来る。本実施例ではキャップ１１０１上に検出コイルを固定しておき、キャップ１１０１をかぶるだけで検出が可能である。以上の正確な検出コイルの位置関係が選られる事から、磁場を用いたインピーダンスCT（Computed Tomography）が可能となる。
（実施例６）
図１２を用いて第６の実施例について説明を行う。ＦＬＬ回路、検波方法、回路構成などは図８で説明した実施例と同様なため説明を省略する。本実施例では、図１の構成を複数個設けた構成をしている。検出コイル１０８が常温コイルでクライオスタット１１０の外部に配置してあるため、胸部に密着させて検出コイル１０８を配置する事が出来る。シート１２０１上に検出コイル１０８を配置して２次元的なインピーダンス心磁図の計測を可能とする。また本実施例では、２次元配置した検出コイル１０８で説明を行ったが、導体を１周回るように検出コイル１０８配置することによって、磁場を用いたインピーダンスCT（Computed Tomography）を再構成することが可能となる。
（実施例７）
図１３を用いて第７の実施例について説明を行う。本実施例は、核磁気共鳴（ＭＲ）信号を検出するために、クライオスタットの外部に配置した検出コイル１０８を用いた実施例を示す。静磁場発生マグネット８０１と傾斜磁場発生コイル８０７と高周波磁場発生コイル８０３の中に入った検査対象８０４に検出コイル１０８を近づけMR信号を検出する。静磁場の歪みを補正するシムコイル８０５に接続されたシム電源８０６や傾斜磁場電源８０８はシーケンス８１４によって制御され、各断面MR画像の信号を検出していく。シーケンス８１４は記憶媒体８１１に記憶されているシーケンスに基づいて制御が行われる。FLL回路のMR信号の出力は計算機８１０によって記録され、各断面のMR画像はディスプレイ８０９上に表示される。本構成では、第１から第４の実施例に示した検波回路や補償磁場発生コイルは使用せず、そのままSQUIDをFLL回路１０７によって磁束計動作させて常温の検出コイルでMR信号を検出する構成である。従来ＭＲ信号は常温コイルに誘起される電圧を増幅して検出されている。この誘起電圧は、静磁場発生マグネット８０１の強度が強いほど、共鳴周波数が高くなり誘起電圧が大きくなる事を利用して検出されている。しかしながら、静磁場発生マグネット８０１の強度を弱くすると、常温コイルに誘起される電圧は大変微弱なために検出が不可能であった。本実施例は、常温コイルで検出される微弱磁場をクライオスタット１１０内に配置してあるＳＱＵＩＤで高感度に検出する実施例を示している。一方でＳＱＵＩＤを用いてＭＲ信号を検出する試みも行われているが、いずれもクライオスタットの内部に検出コイル１０８を配置していため、検査対象８０４に十分近づける事ができず十分な信号を得るにはいたっていない。また、本実施例の構成では、図４に示したように直流磁場による誘起電圧は発生しないため、SQUIDを誤動作させる直流磁場の影響を考慮する必要が無い。したがって、静磁場下においても誤動作することなく高感度にMR信号の検出が可能である。
（実施例８）
図１４を用いて第８の実施例について説明を行う。本実施例は遺伝子発現の蛋白質の構造解析に用いられる核磁気共鳴装置に応用した例を示している。静磁場発生マグネット９０１と９０２の間に置かれたサンプル保持容器９０３に巻き付けた検出コイル１０８によって、MR信号を検出する。その他の構成は、ほぼ図１３と同様なため説明を省略する。本構成のように検出コイルを常温のサンプル保持容器９０３の上に巻きつける事が可能なため、高感度な検出が行える。
（実施例９）
図１５に高温超電導ＳＱＵＩＤのデバイス構造の模式図（第９の実施例）を示す。配線基板１５１８には、8の字のパターン１５００が高温超電導部材で作成されている。８の字バターンにすることにより、パターン１５００に入力された磁束による誘導電流が各パターンにＩ１とＩ２とが発生する。これらの誘導電流Ｉ１とＩ２の差分量が、ジョセフソンジャンクション１５０２、１５０３を有するリング内をＩ３の電流として流れる。高温超電導ＳＱＵＩＤは、Ｉ３の電流によって磁束を検知し電圧に変換することになる。したがって、８の字の構成にすることにより、外来からの磁束雑音に強い構成となる。
８の字の片方のリング内にフィードバックコイル１５０９を、もう片方のリング内にインプットコイル１５０８を有する構成とする。さらに、配線基板１５１８には配線パット部１５１４、１５１５、１５１６、１５１７が配置していある。配線パット部１５１４とパターン配線されているパット部１５０４にはボンディング１５１０によってフィードバックコイル部１５０９と電気接続されている。パット部１５０４、配線パット部１５１４、ボンディング１５１０はいずれもアルミなどの金属のボンディングでよい。同様に配線パット部１５１5とパターン配線されているパット部１５０5にはボンディング１５１1によってフィードバックコイル部１５０９と電気接続されている。フィードバックコイル部１５０９は図８のフィードバックコイル８８に対応しており、配線パット部１５１４と１５１５は、クライオスタットの外部に配置してあるフィードバック抵抗８７に電気接続されている。検出コイル側も同様に配線パット部１５１６、１５１７とパターン配線されているパット部１５０６、１５０７にはボンディング１５１２、１５１３によってインプットコイル部１５０８と電気接続されている。インプットコイル部１５０８は図８内のＳＱＵＩＤ１１１に検出コイル１０８からの磁束を伝達するインプットコイルと同じものであり、インプットコイル部にはクライオスタットの外部に配置してある常温の検出コイルと電気接続された構成とする。その他、パット部１５１９、１５２０、１５２１、１５２２と配線パット部１５２３、１５２４、１５２５、１５２６とが基板１５１８には構成されており、Ｃ部とＤ部とにボンディング接続することにより、電流バイアスの入力および出力電圧の検出を行うことができる。以上の構成により、パターン１５００の８の字の構成で、外来磁場の強くなる上に、片側のリングにインプットコイルを作成し、もう片側にフィードバックコイルを構成することにより、検出感度のよい高温超電導ＳＱＵＩＤを作成することができる。
図１６に図１５に示した高温超電導ＳＱＵＩＤを使った場合の実施例を示す。ただし図１６の構成はニオブ系のＳＱＵＩＤにおいても作成は可能である。本実施例は図１０に述べた実施例のクライオスタット内のより詳細に構成を示したものである。本実施例では、クライオスタット１１０の内部に配置してあるＳＱＵＩＤ１１１からリード部１１９をクライオスタット下部の真空層を貫通して検出コイル１０８に電気接続してある構成を示すものである。また検出プローブ１００１はクライオスタット１１０の下部に固定された構造を示している。クライオスタットと１１０と検出プローブ１００１が固定されることにより、取り扱いが簡単になるというメリットがある。本実施例のスキャンニングについて説明を行う。測定対象１００２に流れる高周波電流の電流値の大きさを測定対象内でマッピングするため、本実施例の帯域通過フィルター１０６はローバスフィルターのみの構成とし、ハイパスフィルターをいれない構成とする。ハイパスフィルターの効果をつくるため、逆位相補償用コイル１０９を使って、位相検波器１０５の出力に現れる直流成分をキャンセルする構成とする。以上の構成として、Ａ方向、Ｂ方向にスキャンニングすることにより、測定対象１００２の面内での電流パスの流れをマッピングすることが可能となる。
（実施例１０）
図１７に第１０の実施例の詳細を示す。回転体１７１３の上には、磁性マーカーを免疫抗原抗体反応により標識された試料が配置してある。試料の詳細は、図７の下部に示すように、基板１７０６上に抗体１７０５を固定し、抗原１７０４と反応させ、標識である磁性微粒子１７０２を包含した高分子１７０１を標識とする抗体１７０３が抗原１７０４と反応し、結合した状態を示している。また回転体１７１３上のサンプルが回転する際に、磁性微粒子１７０２を磁化させるための磁石１７１１が配置してある。各回転毎に磁石１７１１の近傍を通過することにより、高感度な磁場の検出が行える。回転の制御は、回転制御機構１７０９によってコンピューター１０１の指令の下に、モーター１７０８は回転し回転軸１７１２を中心として回転体１７１３は回転制御される。回転制御機構１７０９は1回点毎にトリガー信号を出力し、コンピューター１０１にトリガー信号は入力され、加算平均処理が施される。また回転のスピードは、測定したい帯域、例えば１０ｋＨｚのスピードに合わせることが望ましい。１０ｋＨｚの場合、10000 回転／秒（600000 rpm）以上の回転が望ましいことになる。しかしながら、実際にはこれらの速さの回転を作ることは難しいため、加算回数を多くとることでＳ／Ｎ比の改善を行うことになる。本実施例では、検出コイル１０８をクライオスタット１１０の外部に配置しているため、測定対象に検出コイル１０８を接近させることが可能であり、より高感度な検出を可能としている。以上述べてきた本実施例の構成を、検出コイルをクライオスタットの内部に配置する従来の構成においても実現可能である。
【００１７】
【発明の効果】
以上説明したように、上記構成を有する本発明によれば、高周波電流を生体内に流して得られる磁場変化または核磁気共鳴信号を、SQUIDと磁気結合または電気接続されている常温中に配置してある検出コイルによって検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例における磁場計測装置の全体構成図。
【図２】第１の実施例における検出コイル部の構成図。
【図３】第１の実施例における等価回路図。
【図４】第１の実施例における周波数と磁束計感度との関係（実測値と計算値）。
【図５】第１の実施例における磁束ノイズの周波数との関係（実測値）。
【図６】第１の実施例におけるインピーダンス心磁図のリアルタイム波形（実測値）。
【図７】図６に示したインピーダンス心磁図の１０回加算平均処理後の波形。
【図８】第２の実施例における磁場計測装置の全体構成図。
【図９】第３の実施例における磁場計測装置の全体構成図。
【図１０】第４の実施例における磁場計測装置の全体構成図。
【図１１】第５の実施例における磁場計測装置の全体構成図。
【図１２】第６の実施例における磁場計測装置の全体構成図。
【図１３】第７の実施例における磁場計測装置の全体構成図。
【図１４】第８の実施例における磁場計測装置の全体構成図。
【図１５】第９の実施例における高温超電導ＳＱＵＩＤの構成図。
【図１６】第４の実施例を詳細に説明する磁場計測装置の全体構成図。
【図１７】第１０の実施例における磁場計測装置の全体構成図。
【符号の説明】
１０１：コンピューター、１０２：アンプ、１０３：バンドパスフィルター（帯域通過フィルター）、１０４：参照信号、１０５：位相検波器、１０６：ハイパスフィルター（高域通過フィルター）、１０７、１０７−１、…、１０７−ｎ：FLL（Flux locked loop）回路、１０８、１０８−１、…、１０８−ｎ：検出コイル、１０９、１０９−１、…、１０９−ｎ：逆位相補償用コイル、１１０：クライオスタット、１１１：SQUID（超伝導量子干渉素子）、１１２、１１３：電極、１１４：発振器、１１５：トランス、１１６：抵抗、１１７：差動アンプ、１１８：可変抵抗、１１９、１２０：リード部、１２１：被検体、１２２：ボビン、８１：電流バイアス、８２：アンプ、８３：積分器、８４−１：流路入口、８４−２：流路出口、８５：円筒部、８６−１、８６−２：電極、８７：フィードバック抵抗、８８：フィードバックコイル、８９：出力、１００１：検出プローブ、１００２：測定対象、１００３：相対位置変化手段、１１０１：キャップ、１１０２−１〜１１０２−ｎ：検波回路、１２０１：シート、８０１：静磁場発生マグネット、８０２：高周波磁場発生器、８０３：高周波磁場発生コイル、８０４：検査対象、８０５：シムコイル、８０６：シム電源、８０７：傾斜磁場発生コイル、８０８：傾斜磁場電源、８０９：ディスプレイ、８１０：計算機、８１１記憶媒体、８１４：シーケンサ、９０１、９０２：静磁場発生マグネット、９０３：サンプル保持容器、１５００：パターン、１５０１：バイクリスタル合わせ面、１５０２、１５０３：ジョセフソンジャンクション、１５０４，１５０５、１５０６、１５０７：パッド、１５０８：インプットコイル部、１５０９：フィードバックコイル部、１５１０、１５１１、１５１２、１５１３：ボンディング部、Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３：電流の流れの模式図、１５１４、１５１１５、１５１６、１５１７：配線パット部、１５１８：配線基板、１５１９、１５２０、１５２１、１５２２：ボンディング部、１５２３、１５２４、１５２５、１５２６：配線パット部、１７０１：高分子、１７０２：磁性微粒子（例えばFe₂O₃）、１７０３：検出用抗体、１７０４：抗原、１７０５：固定用抗体、１７０６：基板、１７０７：回転方向、１７０８：モーター、１７０９：回転制御機構、１７１０：制御信号、１７１１：磁石、１７１２：回転軸、１７１３：回転体、Ａ、Ｂ、Ｚ：スキャンニング方向、Ｃ、Ｄボンディング部位。

Claims

生体に高周波電流を流す手段と、
超伝導量子干渉素子と、
前記超伝導量子干渉素子を保持するクライオスタットと、
前記超伝導量子干渉素子との接続手段を備え、常伝導部材で構成され、かつ前記クライオスタットの外部に設けられた、前記高周波電流を流す手段により前記生体に誘起された磁場を検出する検出コイルと、
前記生体に流れている前記高周波電流の周波数をモニタし、前記高周波電流の値を差動増幅する差動増幅手段と、
前記超伝導量子干渉素子を駆動させる駆動回路と、
前記駆動回路からの出力の低周波雑音を除去する高域通過フィルタ回路と、
前記高域通過フィルタ回路からの出力が伝達され、前記差動増幅手段の出力を参照信号として用いて位相検波を行う位相検波回路とを有することを特徴とする磁場計測装置。
請求項１に記載の磁場計測装置において、前記生体に流す高周波電流の周波数を１ｋＨｚ以上に制御する制御手段を備えたことを特徴とする磁場計測装置。
請求項１に記載の磁場計測装置において、前記生体に流す高周波電流と逆位相の電流を流す手段と、
前記検出コイルに磁束が伝達可能な位置に配置され、前記逆位相の電流を流す手段により前記生体に誘起された磁場と逆位相の補償磁場を印加する逆位相コイルと、
前記差動増幅手段の出力に基いて、前記逆位相の電流を流す手段の電流量を所望の値に制御する電流制御手段とを有することを特徴とする磁場計測装置。
請求項１に記載の磁場計測装置において、前記検出コイルと前記超伝導量子干渉素子とを接続する手段は電磁波を遮断する電磁波遮断部材を備えていることを特徴とする磁場計測装置。