特許 6495930 ＮＭＲシステム用の集積回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6495930

(24)【登録日】2019年3月15日

(45)【発行日】2019年4月3日

(54)【発明の名称】ＮＭＲシステム用の集積回路

(51)【国際特許分類】

   G01N 24/00 20060101AFI20190325BHJP

   G01N 24/08 20060101ALI20190325BHJP

   A61B 5/055 20060101ALI20190325BHJP

【ＦＩ】

   G01N24/00 580B

   G01N24/00 580C

   G01N24/08 510D

   A61B5/055 350

   A61B5/055 355

【請求項の数】25

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2016-550687(P2016-550687)

(86)(22)【出願日】2014年10月28日

(65)【公表番号】特表2016-535284(P2016-535284A)

(43)【公表日】2016年11月10日

(86)【国際出願番号】US2014062621

(87)【国際公開番号】WO2015066005

(87)【国際公開日】20150507

【審査請求日】2017年8月21日

(31)【優先権主張番号】61/896,464

(32)【優先日】2013年10月28日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】516125495

【氏名又は名称】シュルムバーガー テクノロジー ベスローテン フェンノートシャップ

(73)【特許権者】

【識別番号】507044516

【氏名又は名称】プレジデント アンド フェローズ オブ ハーバード カレッジ

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100092624

【弁理士】

【氏名又は名称】鶴田 準一

(74)【代理人】

【識別番号】100114018

【弁理士】

【氏名又は名称】南山 知広

(74)【代理人】

【識別番号】100165191

【弁理士】

【氏名又は名称】河合 章

(74)【代理人】

【識別番号】100151459

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 健一

(72)【発明者】

【氏名】イー−チヤオ ソーン

(72)【発明者】

【氏名】ジェフリー ポールセン

(72)【発明者】

【氏名】トンヒ ハム

(72)【発明者】

【氏名】ドーンワン ハー

【審査官】 藤田 都志行

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０１５４６３５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／００５７６５４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１２／１１０９０１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平０４−０２４５８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−１５１７１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−３３５９５８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２４／００−２４／１４

Ｇ０１Ｒ ３３／２０−３３／６４

Ａ６１Ｂ ５／０５５

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

外部アンテナと共に用いられる集積回路であって、
ＮＭＲパルスシーケンスの一部である励起期間、励起のない遅延期間及び取得期間に関連するユーザ定義パラメータデータを格納するように構成されている記憶回路と、
前記記憶回路に格納されている前記ユーザ定義パラメータデータに従って無線周波数（ＲＦ）信号を生成するように協働するパルスシーケンス制御装置及びＮＭＲ送信回路であって、前記ＮＭＲ送信回路は、前記ＮＭＲパルスシーケンスの励起期間中に励起信号を前記外部アンテナから発するために前記ＲＦ信号を出力するように構成されているパルスシーケンス制御装置及びＮＭＲ送信回路と、
前記ＮＭＲパルスシーケンスの前記取得期間中に前記外部アンテナによって生成された電気信号を受信するＮＭＲ受信回路と、
を備え、
前記記憶回路、前記パルスシーケンス制御装置、前記ＮＭＲ送信回路及び前記ＮＭＲ受信回路は全て単一の集積回路チップのパーツとして集積されている集積回路。

【請求項2】

前記ユーザ定義パラメータデータは、複数のＮＭＲパルスシーケンスに対応する複数のデータ要素を備え、各データ要素は、対応するＮＭＲパルスシーケンスの一部である励起期間、励起のない遅延期間及び取得期間に関連するデータ値のセットを有し、前記データ値のセットは、前記対応するＮＭＲパルスシーケンスの励起期間中に前記外部アンテナから発した前記励起信号のパルス振幅を特定するデータ値を有する請求項１に記載の集積回路。

【請求項3】

前記データ値のセットは、（ｉ）前記励起期間の持続時間、（ｉｉ）前記励起信号のパルス位相、（ｉｉｉ）前記取得期間の持続時間、（ｉｖ）取得のない遅延期間の持続時間、（ｖ）前記励起期間と前記取得期間との間の期間、（ｖｉ）前記ＮＭＲパルスシーケンスのループに対するループ開始及びループ終了、並びに、（ｖｉｉ）前記取得期間中に前記ＮＭＲ受信回路を有効又は無効にする情報のうちの少なくとも一つを更に特定する追加のデータ値を有する請求項２に記載の集積回路。

【請求項4】

ホストシステムに対するデータ通信インタフェースであって、前記ユーザ定義パラメータデータを前記ホストシステムから受信するとともに、受信したユーザ定義パラメータデータを、前記記憶回路に格納するために前記記憶回路に移すように構成されているデータ通信インタフェースを更に備え、前記データ通信インタフェースも単一の集積回路チップのパーツとして集積されている請求項１に記載の集積回路。

【請求項5】

前記データ通信インタフェースは、前記ホストシステムからの同期したシリアルデータ通信をサポートするシリアル周辺インタフェースを備える請求項４に記載の集積回路。

【請求項6】

前記ＮＭＲ受信回路によって生成されるアナログ形式の電気信号を出力する少なくとも一つの出力ポートを更に備える請求項１に記載の集積回路。

【請求項7】

基準発振ＲＦ信号を入力するように構成されている入力ポートを更に備える請求項１に記載の集積回路。

【請求項8】

前記ＮＭＲ送信回路は、前記基準発振ＲＦ信号に対するデジタル制御された位相オフセットで発振ＲＦ信号のパルスを生成するように構成されており、前記デジタル制御された位相オフセットは、前記記憶回路によって格納された特定のユーザ定義パラメータデータによって規定される請求項７に記載の集積回路。

【請求項9】

前記ＮＭＲ送信回路は、前記デジタル制御された位相オフセットに対する９０°の位相オフセットで発振ＲＦ信号を生成するように更に構成されている請求項８に記載の集積回路。

【請求項10】

出力部がデジタル制御マルチプレクサに結合された複数の直列結合されている遅延セルを有する遅延ロックループによって実現される多相生成器であって、前記デジタル制御マルチプレクサは、前記デジタル制御された位相オフセットを表す前記記憶回路によって格納されたユーザ定義パラメータデータの制御の下で動作するように構成されている多相生成器を更に備える請求項８に記載の集積回路。

【請求項11】

前記ＮＭＲ送信回路は、前記ＮＭＲ送信回路からの少なくとも一つのＲＦ信号出力の制御電圧減衰を行うデジタル制御電圧減衰器を含み、前記デジタル制御電圧減衰器は、前記記憶回路によって格納されたユーザ定義パラメータデータの制御の下で動作するように構成されている請求項１に記載の集積回路。

【請求項12】

前記デジタル制御電圧減衰器は、パワーアンプ段の一部であるカスコードトランジスタを備え、前記カスコードトランジスタは、デジタル−アナログコンバータに操作的に結合されているゲート電極を有し、前記デジタル−アナログコンバータ及び前記カスコードトランジスタは、前記デジタル−アナログコンバータに供給されるデジタル制御信号に従って前記パワーアンプ段からの少なくとも一つの発振ＲＦ信号出力の制御電圧減衰を行うように協働し、前記デジタル制御信号は、前記記憶回路によって格納されたユーザ定義パラメータデータに基づく請求項１１に記載の集積回路。

【請求項13】

前記デジタル制御電圧減衰器は、前記ＮＭＲパルスシーケンスの前記励起信号のパルス振幅を表した前記記憶回路によって格納されたユーザ定義パラメータデータに従って制御される請求項１１に記載の集積回路。

【請求項14】

前記ＮＭＲ受信回路は、前記ＮＭＲパルスシーケンスの取得期間中に前記外部アンテナから取得した少なくとも一つの電気信号の制御電圧減衰を行うデジタル制御電圧減衰器を含み、前記デジタル制御電圧減衰器は、前記記憶回路によって格納されたユーザ定義パラメータデータの制御の下で動作するように構成されている請求項１に記載の集積回路。

【請求項15】

前記ＮＭＲ受信回路は、二つの固定利得増幅段を含み、前記デジタル制御電圧減衰器は、前記二つの固定利得増幅段の間に操作的に配置される請求項１４に記載の集積回路。

【請求項16】

前記デジタル制御電圧減衰器は、供給されるデジタル制御信号によって制御される少なくとも一つのアナログマルチプレクサに操作的に結合される抵抗回路網を含む請求項１４に記載の集積回路。

【請求項17】

前記パルスシーケンス制御装置は、前記集積回路に送信されたイネーブル信号に応答して少なくとも一つのＮＭＲパルスシーケンスを伴うＮＭＲ実験を開始するように構成されている請求項１に記載の集積回路。

【請求項18】

前記集積回路は、ボーリング孔ツール(wellbore tool)の一部である請求項１に記載の集積回路。

【請求項19】

前記集積回路は、多次元分光実験と多次元緩和及び拡散実験の少なくとも一方を実行するように構成されている請求項１に記載の集積回路。

【請求項20】

前記集積回路は、研究室のＮＭＲ装置、小型のＮＭＲ装置又は携帯用のＮＭＲ装置の一部である請求項１に記載の集積回路。

【請求項21】

複数の集積回路を備え、前記集積回路はそれぞれ、
ｉ）ＮＭＲパルスシーケンスの一部である励起期間、励起のない遅延期間及び取得期間に関連するユーザ定義パラメータデータを格納するように構成されている記憶回路と、
ｉｉ）前記記憶回路に格納されている前記ユーザ定義パラメータデータに従って無線周波数（ＲＦ）信号を生成するように協働するパルスシーケンス制御装置及びＮＭＲ送信回路であって、前記ＮＭＲ送信回路は、前記ＮＭＲパルスシーケンスの励起期間中に励起信号を外部アンテナから発するために前記ＲＦ信号を出力するように構成されているパルスシーケンス制御装置及びＮＭＲ送信回路と、
ｉｉｉ）前記ＮＭＲパルスシーケンスの前記取得期間中に前記外部アンテナによって生成された電気信号を受信するＮＭＲ受信回路と、
を含み、前記記憶回路、前記パルスシーケンス制御装置、前記ＮＭＲ送信回路及び前記ＮＭＲ受信回路は全て単一の集積回路チップのパーツとして集積され、前記集積回路のそれぞれの前記パルスシーケンス制御装置は、前記集積回路に送信されたイネーブル信号に応答して少なくとも一つのＮＭＲパルスシーケンスを伴うＮＭＲ実験を開始するように構成されているマルチチャネルＮＭＲシステム。

【請求項22】

ホストシステムと、
少なくとも一つの集積回路を備え、前記集積回路は、
ｉ）ＮＭＲパルスシーケンスの一部である励起期間、励起のない遅延期間及び取得期間に関連するユーザ定義パラメータデータを格納するように構成されている記憶回路と、
ｉｉ）前記記憶回路に格納されている前記ユーザ定義パラメータデータに従って無線周波数（ＲＦ）信号を生成するように協働するパルスシーケンス制御装置及びＮＭＲ送信回路であって、前記ＮＭＲ送信回路は、前記ＮＭＲパルスシーケンスの励起期間中に励起信号を外部アンテナから発するために前記ＲＦ信号を出力するように構成されているパルスシーケンス制御装置及びＮＭＲ送信回路と、
ｉｉｉ）前記ＮＭＲパルスシーケンスの前記取得期間中に前記外部アンテナによって生成された電気信号を受信するＮＭＲ受信回路と、
ｉｖ）ホストシステムに対するデータ通信インタフェースであって、前記ユーザ定義パラメータデータを前記ホストシステムから受信するとともに、受信したユーザ定義パラメータデータを、前記記憶回路に格納するために前記記憶回路に移すように構成されているデータ通信インタフェースと、
を含み、
前記記憶回路、前記パルスシーケンス制御装置、前記ＮＭＲ送信回路及び前記ＮＭＲ受信回路は全て単一の集積回路チップのパーツとして集積されているＮＭＲ装置。

【請求項23】

前記集積回路は、前記集積回路の前記ＮＭＲ受信回路によって生成されるアナログ形式の電気信号を出力する少なくとも一つの出力ポートを更に含み、
前記ＮＭＲ装置は、前記少なくとも一つの出力ポートに操作的に結合されるとともに前記出力ポートから出力された前記電気信号を処理する信号処理回路を更に含む請求項２２に記載のＮＭＲ装置。

【請求項24】

前記ＮＭＲ装置は、ボーリング孔ツールの一部である請求項２２に記載のＮＭＲ装置。

【請求項25】

請求項１に記載の集積回路と、
外部アンテナと、
前記集積回路のＮＭＲ送信回路と前記外部アンテナとの間に操作的に結合される外部ＲＦ増幅器と、
を備えるＮＭＲ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、２０１３年１０月２８日に出願された「ＩＣベースのＮＭＲシステム」(IC-based NMR systems)の表題の米国仮出願第６１／８９６，４６４号からの優先権を主張し、参照により全体をここに組み込む。

【0002】

本願は、一般的に、ＮＭＲ（核磁気共鳴）システム及び方法に関する。

【背景技術】

【0003】

核磁気共鳴（ＮＭＲ）分光計は、長年用いられており、検査されるサンプルの撮像及び／又は分析を行うのに用いることができる。一般的には、典型的な単一チャネルＮＭＲ分光計は、三つの主要な構成要素：パルスシーケンス制御装置、ＮＭＲ送信器及びＮＭＲ受信器から構成されている。ＮＭＲ送信器及びＮＭＲ受信器の両方は、サンプルを受け入れるＮＭＲプローブの典型的には一部である外部アンテナ（すなわちコイル）に結合されている。ＮＭＲ実験中にサンプルに（典型的にはＢ_０磁場と称する）静磁場を加えるために外部磁石を設けることもできる。パルスシーケンス制御装置及びＮＭＲ送信器は、サンプル中の巨視的な核スピン(macroscopic nuclear spin)を励起するために発振ＲＦ（無線周波数）信号のパルスの列を外部アンテナに供給するように協働する。ＮＭＲ受信器は、外部アンテナによって検出されたＮＭＲ信号を受信し、受信したＮＭＲ信号を低雑音及び高利得で増幅する。ＮＭＲ受信器によって生成されたＮＭＲ信号は、有用な物理的及び化学的情報を取得するために（典型的にはアナログ−デジタルコンバータによるデジタル化及びデータプロセッサによるデータ処理を伴う）信号処理回路によって処理される。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ＮＭＲ検層は、確立されたタイプのＮＭＲ測定であり、この場合、ＮＭＲ分光計が地中のボーリング孔に下げられ、ボーリング孔の内部及び／又は周辺の特性を決定するためにＮＭＲ測定が実行される。しかしながら、現存するＮＭＲ検層分光器は、高価であること及びＮＭＲ実験のための制限されたパルスシーケンスフォーマット(pulse sequence format)のサポートを含む複数の欠点を有する。さらに、ボーリング孔内に適合するように設計されているダウンホールセンサパッケージ(downhole sensor package)は、サイズが大きくなるとともに非常に重くなることがある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

この概要を、詳細な説明において以下で更に説明する概念の選択を導入するために設ける。この概要は、請求する主題の鍵又は本質的特徴を確認することのを意図するものではなく、請求する主題の範囲を制限するのに役立つのに用いることを意図するものでもない。

【0006】

対象となる開示の一実施の形態において、記憶回路、パルスシーケンス制御装置、ＮＭＲ送信回路及びＮＭＲ受信回路を含む集積回路（ＩＣ）を設ける。ＩＣを、ＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）及び／又はＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）集積回路のようなモノリシックＩＣによって実現することができる。記憶回路は、ＮＭＲパルスシーケンスの一部である励起期間及び取得期間に関連するユーザ定義パラメータを格納するように構成されている。パルスシーケンス制御装置及びＮＭＲ送信回路は、記憶回路に格納されたユーザ定義パラメータに従ってＲＦ信号を生成するように協働し、そのようなＲＦ信号は、ＮＭＲパルスシーケンスの励起期間中に外部アンテナから励起信号を発するために外部アンテナに供給される。ＮＭＲ受信回路は、ＮＭＲパルスシーケンスの取得期間中に外部アンテナによって生成された電気信号を受信する。

【0007】

他の態様において、ここで説明するような複数の集積回路を含むマルチチャネルＮＭＲシステムを設け、各集積回路のパルスシーケンス制御装置は、各集積回路に送信されたイネーブル信号に応答して、少なくとも一つのＮＭＲパルスシーケンスを伴うＮＭＲ実験を開始する。

【0008】

更に別の態様において、ＮＭＲ装置は、ホストシステムと、ホストシステムに対するデータ通信インタフェースを含むここで説明するような少なくとも一つの集積回路と、を含む。データ通信インタフェースは、ホストシステムからユーザ定義パラメータデータを受信し、受信したユーザ定義パラメータデータを、格納のために集積回路の記憶回路に移す。少なくとも一つの集積回路は、集積回路のＮＭＲ受信回路によって生成されたアナログ形式の電気信号を出力するための少なくとも一つの出力ポートを更に含むことができる。ＮＭＲ装置は、少なくとも一つの出力ポートに操作可能に結合されるとともに出力ポートからの電気信号出力を処理する信号処理回路を更に有することができる。

【0009】

本願の他の特徴及び利点は、添付図面と共に考察するときに以下の詳細な説明から容易に分かるであろう。

【0010】

本願を、本願の実施の形態の限定されない例として上記の複数の図面を参照しながら以下の詳細な説明において更に説明し、図面の複数の図を通じて、同様な参照番号は同様なパーツを表す。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本願の一部の実施の形態によるＮＭＲ ＡＳＩＣの写真である。

【図2】本願の一部の実施の形態によるＮＭＲ ＡＳＩＣ及びそのようなＮＭＲ ＡＳＩＣを用いるＮＭＲ分光計の機能ブロック図である。

【図3】ＮＭＲパルスシーケンスの略図である。

【図4】図２のＮＭＲ ＡＳＩＣのパルスシーケンス制御装置の一実施の形態の略図である。

【図5】図４のパラメータメモリに格納することができるパラメータデータの６４ビットベクトルの構成の図である。

【図6】図２のＮＭＲ ＡＳＩＣの多相生成回路の実施の形態の回路図である。

【図7】図２のＮＭＲ ＡＳＩＣのＮＭＲ送信器の実施の形態の回路図である。

【図8】図２のＮＭＲ ＡＳＩＣのＮＭＲ受信器のパワーアンプ段の実施の形態の回路図である。

【図9】図２のＮＭＲ ＡＳＩＣのＮＭＲ受信器のデジタル制御電圧減衰器及びパワーアンプ段の実施の形態の回路図である。

【図10】図２のＮＭＲ ＡＳＩＣのＮＭＲ受信器の直交ヘテロダイン復調段及びローパスフィルタ段の実施の形態の回路図である。

【図11A】図２のＮＭＲ ＡＳＩＣを用いる種々のマルチチャネルＮＭＲ形態の回路図である。

【図11B】図２のＮＭＲ ＡＳＩＣを用いる種々のマルチチャネルＮＭＲ形態の回路図である。

【図11C】図２のＮＭＲ ＡＳＩＣを用いる種々のマルチチャネルＮＭＲ形態の回路図である。

【図12】本開示の一実施の形態による掘削同時検層（ＬＷＤ）システムを示す。

【図13】本開示の一実施の形態によるＬＷＤ ＮＭＲ検層モジュールを示す。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本開示の具体例は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）システムの集積回路を対象にする。集積回路を、外部アンテナと共に用いるために設ける。集積回路は、記憶回路、パルスシーケンス制御装置、ＮＭＲ送信回路及びＮＭＲ受信回路を含むことができる。記憶回路は、ＮＭＲパルスシーケンスの一部である励起期間及び取得期間に関連するユーザ定義パラメータデータを格納するように構成されている。パルスシーケンス制御装置及びＮＭＲ送信回路は、記憶回路に格納されたユーザ定義パラメータに従ってＲＦ信号を生成するために協働するように構成されており、そのようなＲＦ信号は、ＮＭＲパルスシーケンスの励起期間中に外部アンテナから励起信号を発するために外部アンテナに供給される。ＮＭＲ受信回路は、ＮＭＲパルスシーケンスの取得期間中に外部アンテナによって生成された電気信号を受信するように構成されている。種々の実施の形態の詳細を、後に説明する。

【0013】

図１は、約４ｍｍ^２の領域内に単一の集積回路チップのパーツとして集積されるデジタルプログラマブルパルスシーケンス制御装置１１、デジタル制御ＮＭＲ送信器１２及びデジタル制御ＮＭＲ受信器１３を集積する本願によるＮＭＲ ＡＳＩＣ１０の実施の形態を示す。他の実施の形態は、異なる寸法を有する集積回路チップを用いてもよい。ＮＭＲ ＡＳＩＣ１０を、（台湾セミコンダクターマニュファクチャリングカンパニー（ＴＳＭＣ）のＴＳＭＣ０．１８μｍプロセスのような）商業的に利用可能であるプロセス技術を用いて製造することができる。ＮＭＲ受信器１３を、ＮＭＲ受信器１３の利得がＮＭＲ ＡＳＩＣ１０の動作中に予測される温度の変化に反応しないように温度補償することができる。この形態は、高温でのＮＭＲ ＡＳＩＣ１０のパフォーマンスを向上させることができる。

【0014】

ＮＭＲ ＡＳＩＣ１０のデジタルプログラマブルパルスシーケンス制御装置１１及びデジタル制御ＮＭＲ送信器１２を、ＮＭＲ送信器１２が多種多様なＮＭＲパルスシーケンス（すなわち、サンプル中の巨視的な核スピンを励起するために外部アンテナに供給される発振ＲＦ信号のパルスのシーケンス）を生成するように構成することができる。この形態によって、複数のＮＭＲパルスシーケンスを、ＮＭＲ ＡＳＩＣ１０に対するハードウェアの変更を行うことなく種々のＮＭＲ実験に対してＮＭＲ ＡＳＩＣ１０によって検査するとともに用いることができる。この形態は、新規のＮＭＲ技術の研究及び開発並びにその分野に対する技術の展開に有用である。

【0015】

図２は、ＮＭＲ ＡＳＩＣ１０及びそのようなＮＭＲ ＡＳＩＣ１０を用いるＮＭＲ分光計１００の実施の形態のアーキテクチャを示す。ＮＭＲ ＡＳＩＣ１０のデジタルプログラマブルパルスシーケンス制御装置１１は、図３に示すようなＮＭＲパルスシーケンスの一部である励起期間及び取得期間に関連する一つ以上のユーザ定義パラメータを表すデータ（ユーザ定義パラメータデータ）を受信するためにホストシステム２３０に結合されている通信インタフェース２０１を含む。そのようなユーザ定義パラメータデータは、（ｉ）励起期間の持続時間、（ｉｉ）ＮＭＲパルスシーケンスの一部である励起信号のパルス振幅、（ｉｉｉ）そのような励起信号のパルス位相、（ｉｖ）取得期間の持続時間、（ｖ）（図３に「クエンチ」を付した）励起期間と持続期間との間の期間、（ｖｉ）ＮＭＲパルスシーケンスのループに対するループ開始及びループ終了、（ｖｉｉ）取得期間中にＮＭＲ受信器１３の利得を規定する情報、並びに、（ｖｉｉｉ）取得期間中にＮＭＲ受信器１３を有効又は無効にする情報を表すことができる。ホストシステム２０３を、市販のマイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ又は他のデータ処理システムとすることができる。ホストシステム２０３は、ユーザがユーザ定義パラメータデータを定義（又は選択）するとともにそのようなデータをＮＭＲ ＡＳＩＣ１０のデジタルプログラマブルパルスシーケンス制御装置１１に移すことができるグラフィカルユーザインタフェース又はユーザ入力機構を用いることができる。デジタルプログラマブルパルスシーケンス制御装置１１は、通信インタフェース２０１によって受信されるユーザ定義パラメータデータを格納する（レジスタファイルのような）記憶回路２０５も含む。通信インタフェース２０１は、シリアルペリフェラルインタフェース（ＳＰＩ）プロトコル、ＲＳ−４２２インタフェースプロトコル、有線及び無線ＵＳＢプロトコル、無線ブルートゥース（登録商標）プロトコル又は他の適切なデータ通信インタフェースを含むがそれに限定されないホストシステム２０３と通信するための一般的な通信プロトコルを利用することができる。パルスシーケンス制御回路１１の通信インタフェース２０１によって、ＮＭＲ ＡＳＩＣ１０のＩＣは、スタンドアローンＮＭＲ装置又は衛星用センサとして動作することができ、これによって、マルチチャネルＮＭＲアプリケーションに対して適切となる。

【0016】

ＮＭＲ実験中、ユーザ定義パラメータデータは、メモリ回路２０５に格納され、記憶回路２０５に格納されたユーザ定義パルスパラメータデータに従ってそのような実験中にＮＭＲ送信器１２及びＮＭＲ受信器１３の動作を制御するために、ＮＭＲ ＡＳＩＣ１０のデジタル制御ＮＭＲ送信器１２及びデジタル制御ＮＭＲ受信器１３に供給されるデジタル制御信号を生成するためのパルスシーケンス制御回路２０７によってアクセスされるとともに用いられる。例えば、ＮＭＲ送信器１２及び／又はＮＭＲ受信器１３は、記憶回路２０５に格納されたユーザ定義パラメータデータに従ってそのようなＮＭＲ実験中に減衰のレベルを制御することができる後に説明するようなデジタル制御減衰段を有することができる。ＮＭＲ送信器１２及び／又はＮＭＲ受信器１３の他のパーツを、記憶回路２０５に格納されたユーザ定義パラメータデータに従って制御することもできる。

【0017】

ＮＭＲ送信器１２は、コンデンサ及びダイオード回路網２１１を介して外部アンテナ２０９（すなわち、ＲＦコイル）に結合している。回路網２１１のコンデンサを、回路のインピーダンスがアンテナ２０９のインダクタンスに整合するように構成することができる。回路網２１１のダイオードを、ＮＭＲパルスシーケンスの励起期間中のダイオード間の導通及びＮＭＲパルスシーケンスの取得期間におけるＮＭＲ受信器１３のＮＭＲ送信器１２からの切り離しを行うデュープレクサとして構成することができる。アンテナ２０９を、サンプルを受け入れるＮＭＲプローブ２１３の一部とすることができる。外部磁石２１５を、ＮＭＲ実験中にサンプルに（通常Ｂ_０磁場と称される）静磁場を加えるために設けることもできる。

【0018】

外部クロック生成器２１７は、ラーモア周波数の基準発振ＲＦ信号を生成する。この基準発振ＲＦ信号は、パルスシーケンス制御装置１１の位相生成回路２１９に供給される。パルスシーケンス制御回路２０７は、多相生成回路２１９に供給されるデジタル制御信号を生成するように動作し、多相生成回路２１９は、基準発振ＲＦ信号に対するデジタル制御された位相のオフセット及びラーモア周波数を有する発振ＲＦ信号（Φ）のパルスのシーケンスを、直交位相（Φ＋π）及びラーモア周波数を有する発振ＲＦ信号とともに生成する。このデジタル制御された位相オフセットを、記憶回路２０５に格納されたユーザ定義パラメータデータによって規定するとともにパルスシーケンス制御回路２０７によって多相生成回路２１９に供給することができる。

【0019】

ＮＭＲ送信器１２は、外部アンテナ２０９に出力するために多相生成回路２１９によって生成されるパルス信号（Φ，Φ＋π）の可変利得増幅を行うことができる。可変利得を、記憶回路２０５に格納されたユーザ定義パラメータデータによって規定するとともにパルスシーケンス制御回路２０７によってＮＭＲ送信器１２に供給することができる。一実施の形態において、ＮＭＲ送信器１２は、外部アンテナ２０９に出力するために多相生成回路２１９によって生成されるパルス信号（Φ，Φ＋π）を処理するパワーアンプ段２２１及びデジタル制御電圧減衰段２２３を含むことができる。パワーアンプ段２２１は、パルス信号（Φ，Φ＋π）のパワーの線形的な増幅を行う。デジタル制御電圧減衰段２２３は、パルス信号（Φ，Φ＋π）の電圧レベルの制御された減衰を行うことができる。減衰の量を、記憶回路２０５に格納されたユーザ定義パラメータデータに従って制御することができ、又は、ＡＳＩＣへの追加のデジタル入力によって制御することができる。パルスの持続時間は、記憶回路２０５に格納されたパルス幅パラメータデータに従って制御される。パルス幅パラメータデータは、クロックサイクルごとに１ずつパラメータを減少させるカウントダウンクロックにロードされる。このようにして、ＮＭＲ送信器１２の構成要素は、記憶回路２０５に格納されたユーザ定義パラメータデータに従って種々の振幅、位相及び持続時間のパルスを有するＮＭＲパルスシーケンスを生成することができ、その結果、サンプル中の核スピンを、意図的に操作することができる。

【0020】

ＮＭＲ ＡＳＩＣ１０のＮＭＲ受信器１３は、外部受信スイッチング回路２２５によって外部アンテナ２０９に結合されている。ＮＭＲ受信器１３は、例えば、磁場の周りの非平衡核スピンの磁化の歳差運動(non-equilibrium nuclear spin magnetization precessing)によって生成された自由誘導減衰（ＦＩＤ）である外部アンテナ２０９によって検出されるＮＭＲ信号の可変利得増幅を行うことができる。可変利得を、記憶回路２０５に格納されるとともにパルスシーケンス制御回路２０７によってＮＭＲ受信器に供給されるユーザ定義パラメータデータ又は追加のデジタル入力によって規定することができる。一例において、ＮＭＲ受信器１３は、外部アンテナ２０９によって検出されるＮＭＲ信号の低雑音増幅のための固定信号利得の二つの低雑音増幅段２２７Ａ，２２７Ｂを含むことができる。デジタル制御電圧減衰段２２９を、二つの低雑音増幅段２２７Ａ，２２７Ｂの間に結合することができ、記憶回路２０５に格納されるＮＭＲ受信器の利得を規定するユーザ定義パラメータデータに基づいてＮＭＲ受信器１３の信号利得を制御するために用いることができる。そのような動作を、種々のアンテナ２０９に対するＮＭＲ受信器１３の信号利得を調整又は調節するために用いることができる。受信スイッチング回路２２５を、記憶回路２０５に格納されるＮＭＲパルスシーケンスの期間の持続時間データ（すなわち、励起期間の持続時間を表すデータ、励起期間と取得期間との間の時間を表すデータ及び取得期間の持続時間を表すデータ）によって規定されるようなＮＭＲパルスシーケンスの取得時間外の所望の時間間隔でＮＭＲ ＡＳＩＣ１０のＮＭＲ受信器１３からアンテナ２０９及びＮＭＲ送信器１２を物理的又は電気的に切り離すように制御することができる。受信スイッチング回路２２５を、記憶回路２０５に格納されるＮＭＲパルスシーケンスの期間の持続時間データによって規定されるようなＮＭＲパルスシーケンスの取得時間の所望の時間間隔でＮＭＲ ＡＳＩＣ１０のＮＭＲ受信器１３にアンテナ２０９及びＮＭＲ送信器１２を物理的又は電気的に接続するように制御することができる。

【0021】

ＮＭＲ受信器１３は、図２に示すような直交ヘテロダイン復調段２３１及びローパスフィルタ段２３３を含むこともできる。直交ヘテロダイン復調段２３１には、クロック生成器２１７によって生成された基準発振ＲＦ信号が供給される。直交ヘテロダイン復調段２３１は、同相信号成分（この場合、基準発振ＲＦ信号は、増幅段２２７Ｂによって出力された増幅したＮＭＲ信号出力と混合される。）及び直角位相信号成分（この場合、基準発振ＲＦ信号の直角位相は、増幅段２２７Ｂによって出力された増幅したＮＭＲ信号出力と混合される。）を生成するために増幅段２２７Ｂによって出力された増幅したＮＭＲ信号を処理する。直交ヘテロダイン復調段２３１によって生成された同相信号成分と直角位相信号成分の両方には、ローパスフィルタ段２３３によってローパスフィルタ処理が施される。ローパスフィルタ段２３３によって出力されたフィルタ処理した同相信号成分及び直角位相信号成分を、信号処理回路２３５に供給することができ、信号処理回路２３５は、図示したようなデュアルチャネルデジタイザ（すなわち、デュアルチャネルアナログ−デジタルコンバータ）及び関連のデータプロセッサを有することができる。大抵のＮＭＲ信号がラーモア周波数よりも狭い周波数帯域を示すので、低周波数フィルタは、ＮＭＲ信号帯域幅の外の雑音を除去し、したがって、ＮＭＲ信号の信号対雑音比を向上させる。アナログ−デジタルコンバータは、アナログＮＭＲ信号をデジタル形式に変換し、したがって、取得したデジタル信号を、デジタルフィルタ処理、最適フィルタ、フーリエ変換等のように更に処理することができる。振幅成分、位相成分、周波数成分等のような信号の特性を、サンプルの特性（例えば、化学組成、物理的特性、粘性、水素密度等）を決定するために用いることができる。信号処理回路２３５（及び／又はその一部）をＮＭＲ受信器１３において実現することができ、又は、フィルタ処理されたデータを、分析のためにデータプロセッサに更に送信することができる。データプロセッサを、ホストシステム２０３の一部又は個別のシステムとすることができる。このようにして、ＮＭＲ受信器１３を、一つ以上のＮＭＲパルスシーケンスの取得期間中にＮＭＲ信号を処理するように構成することができ、任意の取得パターンを実行することができる。

【0022】

上述したように、ＮＭＲ受信器１３によって受信したＮＭＲ信号から有用な物理的及び化学的情報を抽出できるようにするために、ＮＭＲ ＡＳＩＣ１９のデジタルプログラマブルパルスシーケンス制御装置１１及びＮＭＲ送信器１２を、サンプルのスピン系に摂動を与えるＮＭＲパルスシーケンスを生成するように構成することができる。例えば、受信したＮＭＲ信号を、一つ以上のＮＭＲパルスシーケンスのスピンエコー振幅を測定するために信号プロセッサ２３５によってデジタル化するとともに処理することができる。これらのＮＭＲ測定から、サンプルの拡散係数及び他の特性を取得することができる。このように取得したＮＭＲ測定は、「拡散エンコード」され、サンプルの流体特性に関連する多次元分布関数を生成するために転化(inverted)される。多次元分布を、拡散係数Ｄをサンプルのスピン−スピン緩和時間（Ｔ_２）に関連させる２次元（２Ｄ）分布関数（Ｄ，Ｔ_２）、拡散係数Ｄをサンプルのスピン−格子緩和時間Ｔ_１に関連させる２次元（２Ｄ）分布関数（Ｄ，Ｔ_１）、又は、拡散係数Ｄをサンプルのスピン−格子緩和時間Ｔ_１及びスピン−スピン緩和時間Ｔ_２に関連させる３次元（３Ｄ）分布関数（Ｄ，Ｔ_１，Ｔ_２）とすることができる。そのような転化技術(inversion technique)の例は、米国特許第６，５７０，３８２号、米国特許第６，９６０，９１３号及び米国特許第７，０５３，６１１号に詳細に記載されており、参照により全体をここに組み込む。フーリエ変換のような他の分析方法を、周波数スペクトルを取得するためにＮＭＲデータを処理するのに用いることもでき、この場合、異なる周波数の個別のピークを、サンプル中の分子種及びその分布を表すのに用いることができる。多次元分光実験を、分子構造、運動状態及び分子間相互作用を解明するために実行することができる。そのような実験の例は、ＣＯＳＹ（相関分光法）、ＮＯＥＳＹ（核オーバーハウザー効果分光法）、ＴＯＣＳＹ（全相関分光法(total correlation spectroscopy)）、ＨＭＱＣ（異種核多量子コヒーレンス分光法(heteronuclear multi-quantum coherence spectroscopy)）等である。

【0023】

図４は、プログラムドコントローラによって実現される図２のパルスシーケンス制御回路２０７の一実施の形態を示すブロック図であり、パルスシーケンス制御回路２０７は、ＣＰＵ４００と、プログラムメモリ４０２と、ホストシステム２０３に対する（ＳＰＩインタフェースのような）通信インタフェース４０４と、多相生成回路２１９、ＮＭＲ送信器１２及びＮＭＲ受信器１３に対する対応するデータ経路を有する入出力（Ｉ／Ｏ）ポート４０６と、を含む。

【0024】

プログラムメモリ４０２は、図３に線形的に示すようなＮＭＲパルスシーケンスの一部である励起期間及び取得期間に関連する複数のユーザ定義パラメータを表す予め規定された数までの固定サイズビットベクトルを格納するように構成されている（「パラメータメモリ」を付した）記憶空間４０８を含む。そのようなユーザ定義パラメータデータは、励起期間の持続時間、ＮＭＲパルスシーケンスの一部である励起信号のパルス振幅、そのような励起信号のパルス位相、取得期間の持続時間、（図３で「クエンチ」を付した）励起期間と取得期間との間の時間、ＮＭＲパルスシーケンスのループのループ開始及びループ終了、取得期間中にＮＭＲ受信器１３の利得を規定する情報、及び、取得期間中にＮＭＲ受信器１２を有効又は無効にする情報を表すことができる。一実施の形態において、パラメータメモリ４０８は、６４ビット長を有するとともに図５に示すように配置された６４個までの固定サイズビットベクトルを格納することができる。ビット＜０＞及び＜１＞は、ＮＭＲシーケンスの所定のループに対するループ終了及びループ開始を表す。ビット＜２＞は、取得期間中にＮＭＲ受信器１２を有効又は無効にする情報を表す。ビット＜３＞〜＜５＞は、（図３で「クエンチ」を付した）励起期間と取得期間との間の時間を表す。ビット＜６＞〜＜２９＞は、取得期間の持続時間を表す。ビット＜３０＞〜＜３４＞は、ＮＭＲパルスシーケンスの励起信号のパルス位相を表す。ビット＜３５＞〜＜３９＞は、ＮＭＲパルスシーケンスの励起信号のパルス振幅を表す。ビット＜４０＞〜＜６３＞は、ＮＭＲパルスシーケンスの励起信号のパルス幅（又は励起期間の持続時間）を表す。このようにして、６４ビットベクトルは、パルス、遅延又はパルスと遅延の組合せを記述することができる。完全なパルスシーケンスは、ベクトルのリストとして記述される。例えば、ＦＩＤ（自由誘導減衰）パルスシーケンスを、四つのベクトル：１秒の遅延、１０マイクロ秒のＲＦパルス、短い遅延（１０マイクロ秒）及び取得による０．１秒の遅延のリストによって記述することができる。

【0025】

プログラムメモリ４０２は、パラメータメモリ格納ルーチン４１０及びパルスプログラミングルーチン４１２を含むＣＰＵ４００によって実行される二つのルーチンのプログラム命令も格納する。通信インタフェース４０４は、上述したようにユーザ定義パルスパラメータを表す固定サイズビットベクトルを受信するためにホストシステム２０３に結合されている。ＣＰＵ４００によるパラメータメモリ格納ルーチン４１０の命令の実行は、通信インタフェース４０４によって受信した固定サイズビットベクトルをパラメータメモリ４０８に書き込むために通信インタフェース４０４と連携する。ＣＰＵ４００によるパルスプログラミングルーチン４１２の命令の実行は、パラメータメモリ４０８に格納された（一つ以上の）固定サイズビットベクトルによって規定されるような一つ以上のＮＭＲパルスシーケンスを伴うＮＭＲ実験の実行に応じてイネーブル信号を受信するとともにデジタル制御信号を位相生成器２１９、ＮＭＲ送信器１２及びＮＭＲ受信器１３に供給するためにＩ／Ｏポート４０６と連携する。そのようなＮＭＲ実験は、（パラメータメモリ４０８のサイズ及びＮＭＲ送信器１２の最大パワーレベルによって制約される）変化する振幅、位相及び持続時間のＮＭＲパルスシーケンスを伴うことができる。

【0026】

６４ビット長を有するとともに図５に示すように配置された６４個までの固定サイズビットベクトルをパラメータメモリ４０８が格納することができる説明した実施の形態において、ＣＰＵ４００によるパルスプログラミングルーチン４１２の命令の実行を、ＮＭＲ送信器が各ＮＭＲパルスシーケンスに対する個別の振幅、位相及び持続時間を有する６４個までのＮＭＲパルスの列を生成するように構成することができる。各ＮＭＲパルスシーケンスは、励起期間中に生成される励起信号（一つのＲＦパルス）を含む。取得期間は、図３に示すように励起期間の後のクエンチ期間の次に生じる。ＮＭＲ送信器１２は、取得期間中にアンテナ２０９から切り離される。ビット＜４０＞〜＜６３＞は、ＮＭＲパルスシーケンスの励起信号のパルス幅（すなわち、励起期間の持続時間）を制御するのに用いられる。ビット＜３＞〜＜５＞は、クエンチ期間を制御するのに用いられる。ビット＜６＞〜＜２９＞は、取得期間の持続時間を制御するのに用いられる。ＮＭＲ受信器１３を、所定のＮＭＲパルスの対応する６４ビットベクトルのビット＜２＞のビット値によって規定されるような取得期間中に選択的に有効にする（すなわち、受信スイッチング回路２２５によってアンテナ２０９に選択的に結合される）。ＣＰＵ４００によるパルスプログラミングルーチン４１２の命令の実行は、一つの６４ビットベクトルに一度にアクセスし、励起期間の特定の持続時間中に特定の励起信号をアンテナ２０９に対して生成するためにＮＭＲ送信器１２を制御する、及び／又は、取得期間の特定の持続時間中にアンテナ２０９から受信するようなＮＭＲ信号を取得するためにＮＭＲ受信器１３を制御する。

【0027】

ＣＰＵ４００によるパルスプログラミングルーチン４１２の命令は、現在のパルスパラメータアドレスを表すとともに構成される場合にループに戻るためにアドレスを格納するパルスアドレスレジスタを用いることができる。ループを、６４ビットベクトルのビット＜０＞及び＜１＞によって特定することができる。一方のビット（ビット＜１＞、ループ開始ビット）は、ループの開始を表し、他方のビット（ビット＜０＞、ループ終了ビット）は、ループの終了を表す。ループ終了ビットが現在の６４ビットベクトルに設定される場合、既に設定されたループ開始ビットを有する６４ビットベクトルのアドレスは、次のＮＭＲパルスシーケンスに用いられる。このループ構造によって、ＣＰＭＧパルスシーケンス又はそれに関連するもののような繰り返されるパルスセグメント（一群としての複数のＲＦパルス及び遅延並びに関連の取得期間）の実行を可能にする。

【0028】

ＣＰＵ４００によるパルスプログラミングルーチン４１２の命令を、対応する６４ビットベクトルの＜３５＞〜＜３９＞によって規定されるような各ＮＭＲパルスシーケンスの励起信号の振幅を制御するように構成することもできる。

【0029】

ＣＰＵ４００によるパルスプログラミングルーチン４１２の命令を、対応する６４ビットベクトルのビット＜３０＞〜＜３４＞によって規定されるような各ＮＭＲパルスシーケンスの励起信号の位相を制御するように構成することもできる。これによって、励起信号の位相を、所定のＮＭＲパルスシーケンスの各々の間に励起信号（パルス）の各々に対する複数の許容された値のいずれか一つに設定することができる。この形態は、位相サイクリング技術及び向上したパルス設計に対して有用である。この形態によって、１組のパルスシーケンスの間に多相を用いるとともにシフトすることもできる。この形態は、例えば、位相サイクリング技術又は合成パルスのような向上したパルス設計に対して有用である。

【0030】

ＣＰＵ４００によるパルスプログラミングルーチン４１２の命令を、パラメータメモリ４０８に格納された６４ビットパラメータベクトルによって規定されるような個別のパルスシーケンスの組を図４に示すようにＩ／Ｏポート４０６に供給されるイネーブル信号の受信に応答して開始するように構成することもできる。この形態は、複数のＮＭＲ ＡＳＩＣ１０に亘るＮＭＲ実験の同期を取るのに有用である。

【0031】

説明した実施の形態によってＣＰＵ４００によるパルスプログラミングルーチン４１２の命令が１組の６４個の個別のＮＭＲパルスを実行できることに留意されたい。組の中のＮＭＲパルスシーケンスの数を、プロトコルを変更することなくパラメータメモリ４０８を増設することによって増大することができる。また、（６４ビットを超える、例えば、１２８ビットの）更に複雑なＲＦパルスパラメータフォーマットを、パルスの特性を記述するために用いることができ、これによって、必要なオンチップメモリが増加する。

【0032】

図６は、遅延ロックループ（ＤＬＬ）に基づく図２の多相生成回路２１９の実施の形態を示す。ＤＬＬには、クロック２１７によって生成される基準発振ＲＦ信号が供給される。基準発振ＲＦ信号は、数ｋＨｚから６０ＭＨｚまでの周波数を有することができる。この基準発振ＲＦ信号は、３２個の直列結合された遅延セル６０１−１，６０１−２，．．．，６０１−３２を含む遅延線並びに１サイクルの遅延を有する基準発振ＲＦ信号及び１サイクルの遅延を有する基準発振ＲＦ信号を反転したものを生成する１サイクル遅延セルに並列に供給される。１サイクル遅延セル６０３によって生成される１サイクルの遅延を有する基準発振ＲＦ信号及び最後の遅延セル６０１−３２の出力は、位相検出回路６０５に供給され、その出力は、直列結合されているチャージポンプ回路６０７、フィルタ回路６０９及びバイアス生成回路６１１を駆動する。バイアス生成回路６１１の出力は、３２個の遅延セル６０１−１，６０１−２，．．．，６０１−３２の各々に供給され、遅延セル６０１−１，６０１−２，．．．，６０１−３２によって生成される発振ＲＦ信号のデューティサイクルが基準発振ＲＦ信号のデューティサイクルに整合するように構成されている。１サイクル遅延セル６０３によって生成される１サイクル遅延を有する基準発振ＲＦ信号を反転したもの及び中間の遅延セル６０１−１６の出力は、位相検出回路６１３に供給され、その出力は、直列結合されたチャージポンプ６１５、フィルタ回路６１７及びバイアス生成回路６１９に供給される。バイアス生成回路６１９の出力は、３２個の遅延セル６０１−１，６０１−２，．．．，６０１−３２の各々に供給され、適切な遅延が３２個の遅延セル６０１−１，６０１−２，．．．，６０１−３２によって生成されるために位相誤差を最小にするように構成されている。３２個の遅延セル６０１−１，６０１−２，．．．，６０１−３２の出力は、３２対２アナログマルチプレクサ６２１に供給され、そのマルチプレクサ処理動作は、それに供給される５ビット制御信号によって制御される。アナログマルチプレクサ６２１の二つの出力は、ここで説明するようにＮＭＲ送信器１２に対する出力のためにパルス信号（Φ，Φ＋π）を伝送する。（Φ＋π）パルス信号の位相は、Φパルス信号の位相から９０°オフセットされている。

【0033】

図６のＤＬＬが複数（説明する実施の形態では３２）の位相を同時に生成することができるとともに時間遅延を生じることなくこれらの間のスイッチングを行うことができることに留意されたい。ＤＬＬを、１サイクル遅延でロック（するとともに周波数が変化するときの他の課題を回避）し、かつ、周波数の変化に迅速に応答するように設計することができる。

【0034】

図７は、パワーアンプ機能及びデジタル制御可変減衰機能が単一の増幅段に組み合わされたＮＭＲ送信器１２の実施の形態を示す。増幅段は、差動入力段（トランジスタ７０１Ａ及び７０１Ｂ）を有するＥ級設計を採用し、差動入力段の各々は、直列結合されているカスコードトランジスタ（７０３Ａ又は７０３Ｂ）及び対応する負荷素子としてのインダクタ（７０５Ａ又は７０５Ｂ）を用いる。Ｅ級設計は、（Ｄトポロジーと異なり、）広範囲の周波数をカバーするとともにＡ級又はＡＢ級のような線形的なＰＡよりも電力消費及び発熱を減少させるように構成されている。デジタル制御可変減衰機能は、デジタル−アナログコンバータ７０７によって実現され、その出力は、カスケードトランジスタの一方（７０３Ａ）のゲートを駆動し、外部アンテナ２０９への出力のための二つのカスコードトランジスタ（７０３Ａ，７０３Ｂ）のドレインで生成される差動ＲＦパルス信号の可変減衰を行う役割を果たす。減衰のレベルを、デジタル−アナログコンバータ７０７の入力部に供給される５ビット制御信号又はコードによって規定される３２レベルの間で選択することができる。

【0035】

図８は、二つの直列結合されている差動増幅段８０１Ａ及び８０１Ｂを含む図２のＮＭＲ受信器１３の低雑音増幅段２２７Ａの実施の形態を示す。差動増幅段８０１Ｂのダブルエンド出力部は、ダブルエンドレベルシフト段８０３に結合されている。直列結合されている差動増幅段８０１Ａ及び８０１Ｂの平衡構造は、約２００の一定の差動信号利得及び０．８ｎＶ／ｓｑｒｔ（Ｈｚ）まで低くなる入力換算ノイズとなるようにコモンモードノイズの除去を行う。ＮＭＲ受信器１３の段のバイアスを、ＮＭＲ受信器１３の利得がＮＭＲ ＡＳＩＣ１０の動作中の温度の予測される変化により影響を及ぼされないようにするために温度補償することができる。一実施の形態において、利得は、温度が２５℃から１５０℃まで上昇すると４ｄＢ減少する。この形態は、高温でのＮＭＲ ＡＳＩＣ１０のパフォーマンスを向上させることができる。

【0036】

図９は、図２のＮＭＲ受信器１３のデジタル制御減衰段２２９及び低雑音増幅段２２７Ｂの実施の形態を示す。デジタル制御減衰段２２９は、差動入力部（ＩＮ＋及びＩＮ−）と二つのアナログマルチプレクサ９０３Ａ，９０３Ｂの入力部との間に結合されている抵抗回路網９０１を含む。二つのアナログマルチプレクサ９０３Ａ，９０３Ｂのマルチプレクサ処理動作は、それに供給される４ビット制御信号によって制御され、減衰段２２９の減衰レベルを制御する。一実施の形態において、減衰のレベルを、−６ｄＢのステップサイズで−７２ｄＢまで制御することができ、これによって、スピン濃度及び容量が変化する種々のＮＭＲ実験に適合する広いダイナミックレンジを可能にする。二つのアナログマルチプレクサ９０３Ａ，９０３Ｂによって出力される差動信号は、低雑音増幅段２２７Ｂの入力部に供給される。低雑音増幅段２２７Ｂは、ダブルエンドレベルシフト段９０７に結合されている単一の差動増幅段９０５を含む。増幅段の信号利得を、バイアス回路により周辺温度の変化に適応的に調整することができる。

【0037】

図１０は、図２のＮＭＲ受信器１３の直交ヘテロダイン復調段２３１及びローパスフィルタ段２３３の実施の形態を示す。直交ヘテロダイン復調段２３１には、クロック生成器２１７によって生成される（ＬＯ_Ｉ＋及びＬＯ_Ｉ−を付した）基準発振ＲＦ信号が供給される。直交ヘテロダイン復調段２３１は、増幅段２２７Ｂによって出力される（ＲＦ_＋及びＲＦ₋を付した）増幅したＮＭＲ信号を処理して、同相信号成分（Ｉ_＋及びＩ₋）を生成し、この場合、基準発振信号成分（ＬＯ_Ｉ＋及びＬＯ_Ｉ−）が、増幅段２２７Ｂによって出力される増幅したＮＭＲ信号（ＲＦ_＋及びＲＦ₋）に混合され、直角位相信号成分（Ｑ_＋及びＱ₋）を生成し、この場合、基準発振ＲＦ信号の直角位相（ＬＯ_Ｑ＋及びＬＯ_Ｑ−）が、増幅段２２７Ｂによって出力される増幅したＮＭＲ信号（ＲＦ_＋及びＲＦ₋）に混合される。基準発振信号成分（ＬＯ_Ｉ＋及びＬＯ_Ｉ−）及び増幅段２２７Ｂによって出力される増幅したＮＭＲ信号（ＲＦ_＋及びＲＦ₋）の混合は、２対のトランジスタ１００１Ａ，１００１Ｂによって達成され、トランジスタ１００１Ａ，１００１Ｂは、−３．９ｄＢの一定利得又はトランジスタ１００１Ａ，１００１Ｂの設計によって規定される他の所望の利得でパッシブな混合(passive mixing)を行う。基準発振ＲＦ信号の直角位相（ＬＯ_Ｑ＋及びＬＯ_Ｑ−）及び増幅段２２７Ｂによって出力される増幅したＮＭＲ信号（ＲＦ_＋及びＲＦ₋）の混合は、２対のトランジスタ１００３Ａ，１００３Ｂによって達成され、トランジスタ１００３Ａ，１００３Ｂは、−３．９ｄＢの一定利得又はトランジスタ１００３Ａ，１００３Ｂの設計によって規定される他の所望の利得でパッシブな混合を行う。直交ヘテロダイン復調段２３１によって生成される同相信号成分（Ｉ_＋及びＩ₋）及び直角位相信号成分（Ｑ_＋及びＱ₋）には、ローパスフィルタ段２３３によるローパスフィルタ処理が施される。同相信号成分（Ｉ_＋及びＩ₋）のローパスフィルタ処理を、図示したように差動−シングルエンドローパスフィルタ処理を行うオペアンプフィルタ回路１００５Ａによって達成することができる。遮断周波数を、５００ｋＨｚ又はオペアンプフィルタ回路１００５Ａの設計によって規定される他の所望の周波数に設定することができる。直角位相信号成分（Ｑ_＋及びＱ₋）のローパスフィルタ処理を、図示したように差動−シングルエンドローパスフィルタ処理を行うオペアンプフィルタ回路１００５Ｂによって達成することができる。遮断周波数を、５００ｋＨｚ又はオペアンプフィルタ回路１００５Ｂの設計によって規定される他の所望の周波数に設定することができる。ローパスフィルタ段２３３によって出力されるフィルタ処理した同相信号成分及び直角位相信号成分（Ｉ_ｏｕｔ及びＱ_ｏｕｔ）を、上述したように図２の信号処理回路２３５に供給することができる。

【0038】

図１１Ａ〜１１Ｃは、図２のＮＭＲ ＡＳＩＣを用いる種々のマルチチャネルＮＭＲシステムの回路図である。図１１Ａは、三つの対応するＮＭＲ ＡＳＩＣ１０を有する直列形態で配置されている三つのコイル２０９を有するシステムを示す。ＮＭＲ ＡＳＩＣ１０を、直列結合されているコイル２０９から並列な励起信号を発するためにＮＭＲパルスシーケンスを互いに並列に送信するように構成することができる。これらの測定は、高い信号対雑音比を提供することができる。また、ＮＭＲ ＡＳＩＣ１０を、直列結合されているコイル２０９を用いて（^１Ｈ，^１９Ｆ等のような）異なるスピン種を検査するための励起信号を並列に発するために異なるＮＭＲパルスシーケンスを互いに並列に送信するように構成することができる。図１１Ｂは、二つの対応するＮＭＲ ＡＳＩＣ１０を有する直交形態（すなわち、互いに９０°の向き）で配置されている二つのコイル２０９を有するシステムを示す。直交するコイル２０９を、静磁界Ｂ_０内に配置することができ、例えば、両方のコイルの軸は、Ｂ_０の向きに垂直である。ＮＭＲ ＡＳＩＣ１０を、直列結合されているコイル２０９から並列な励起信号を発するためにＮＭＲパルスシーケンスを互いに並列に送信するように構成することができる。これらの測定は、高い信号対雑音比を提供することができる。図１１Ｃは、四つの対応するＮＭＲ ＡＳＩＣ１０を有するフェーズドアレイ形態で配置されている四つのコイル２０９を有するシステムを示す。フェーズドアレイコイル２０９を、静磁界Ｂ_０内に配置することができ、例えば、両方のコイルの軸は、Ｂ_０の向きに垂直である。ＮＭＲ ＡＳＩＣ１０を、フェーズドアレイコイル２０９から並列な励起信号を発するためにＮＭＲパルスシーケンスを互いに並列に送信するように構成することができる。これらの測定は、高い信号対雑音比を提供することができる。

【0039】

本開示の説明する実施の形態は、検層ツール(wellbore logging tool)のような石油及びガス分野の用途を更に対象とする。特に、図１２は、地層(earth formation)７０４内の物質７０２を現場で調査するとともに堀削作業を行う間に物質の特性を決定する掘削同時検層（ＬＷＤ）システムを示す。ＬＷＤシステム７００は、ドリルストリングを有する。ドリルストリング７０８は、地層７０４を縦貫する(traverse)ボーリング孔７０６内に配置される。ドリルストリング７０８は、ドリルカラー７１０を含み、ドリルカラー７１０は、ドリルカラーの下端に配置されたドリルビット７１２を含む。ＬＷＤシステム７００は、ボーリング孔７０６の上に配置されたデリックアセンブリ(derrick assembly)及びプラットフォームアセンブリ７１４を有する地表システム(surface system)も含む。デリックアセンブリ７１４は、ドリルストリング７０８を回転させ、ドリルストリングが回転すると、ドリルビット７１２は、ボーリング孔７０６を更に深く掘削する。ＬＷＤ ＮＭＲ検層モジュール７１６は、堀削作業を行う時にモジュールが周辺の地層を検層できるようにするためにドリルカラー７１０内に配置されている。検層モジュール７１６は、モジュールと通信を行うオペレータインタフェースを含む地表装置７１８と通信を行う。種々の実施の形態において、ＮＭＲ検層モジュール７１６及びオペレータインタフェースは、ワイヤードドリルパイプ接続(wired-drill pipe connection)、音響テレメトリー接続、光接続及び／又は電気接続のいずれかを介して通信を行うことができる。

【0040】

図１３は、地層にＮＭＲパルスシーケンスを印加するＬＷＤ ＮＭＲ検層モジュール８００を示す。モジュール８００は、地層８０２内の感知区域(zone of sensitivity)８０６内に静磁場を生成する磁石部８０４を含む。モジュール８００は、軸方向スロット８１０を有するドリルカラー８０８も含む。コイル８１２は、軸方向スロット８１０内に配置されており、スロットには、セラミック、エポキシ樹脂又はグラスファイバーが充填されている。上述したように、コイル８１２は、逆極性で配置されている二つのコイル部を含む。コイル部は、軸方向スロット８１０内でドリルカラー８０８を巻いている。軸方向スロット８１０は、カバー８１４を用いて密閉されている。一部の実施の形態において、カバー８１４は、非磁性材料及び／又は非導電材料から形成されている。一端では、コイル部は接地される（例えば、ドリルカラー８０８に接続される）。他端では、コイル部は、例えば、図１及び図２で説明したＩＣベースのＮＭＲ分光計１００を含むＮＭＲ電子機器８１６に結合されている。ＮＭＲ電子機器８１６は、例えば、真空フィードスルー(pressure feed-throughs)を介してコイル８１２に結合されている。コイル８１２は、地層８０２の感知区域８０６内の関心のある領域に発振磁界（例えば、ＮＭＲパルスシーケンス）を加える。一部の実施の形態において、発振磁界は、ドリルストリングの回転中に測定を容易にするために軸方向に対称である。ＮＭＲ ＬＷＤシステムの更なる詳細は、１９９７年５月１３日に発行された米国特許第５，６２９，６２３号及び２００２年５月２１日に発行された米国特許第６，３９２，４１０号に記載されている。これらの特許の各々を、参照により全体をここに組み込む。ＮＭＲ ＬＷＤツールの一つの特定の例は、シュルンベルジエ社のproVISION（登録商標）ツールである。

【0041】

ここで説明したＩＣベースのＮＭＲシステムは、市販されているＮＭＲシステムよりも優れた複数の利点を提供する。ここで説明したＮＭＲ集積回路は、長くて不要な相互接続を必要としなくするために極めて小さな部分内に主要な構成要素を集積する。相互接続は、寄生成分、電磁干渉、ワイヤーの抵抗に起因する雑音及び信号のタイミングの相違を含む多数の問題が生じうる。ＮＭＲ集積回路の寸法が小さいので、ＮＭＲ集積回路を、外部コイルに非常に近接して配置することができる。信号対雑音比に関しては、これは非常に有用である。その理由は、ケーブル及びインピーダンス変換回路網から生じた雑音を減少させることができるからである。

【0042】

ここで説明したＮＭＲ集積回路は、他の市販の分光計より優れた寸法についての非常に大きな利点も有する。また、上述したような効率よく設計されたスイッチングパワーアンプ形態及び低電力形態（無効でないときの電源オフ）によって、電力消費を低くする。これらの二つの形態を組み合わせることによって、ＮＭＲシステムの全体を、非常に小さくかつポータブルにすることができ、化学的実験、生物学的実験又は他の実験に必要な場所ならどこでも配置することができる。

【0043】

ここで説明したＮＭＲ集積回路が簡単なデータ通信インタフェースを通じて構成可能であるので、マルチチャネルＮＭＲシステムを容易に形成することができる。特に、各ＮＭＲ集積回路がそれ自体のチャネルを制御する高度に並列化されたシステムを実現することができる。

【0044】

一実施の形態において、マルチチャネルは、以下のように動作してもよい。各チャネルに対するパルスシーケンスを、各ＮＭＲ集積回路のデータ通信インタフェースを通じてダウンロードすることができる。全てのＮＭＲ集積回路に接続されている単一のイネーブル信号が有効にされると、ＮＭＲチャネルの各々は、それ自体のパルスシーケンスの実行を同期しながら開始することができる。このようにして、マルチチャネル間の正確な同期が可能となる。これは、マルチチャネル異核実験（ＩＮＥＰＴ，ＮＯＥＳＹ，ＨＭＱＣ）に対して特に有益である。

【0045】

好適には、ＮＭＲ集積回路のパルスシーケンス生成器は、任意のパルスシーケンスを実現することができる。これは、ＮＭＲ分光法、拡散、多次元実験及びマルチチャネル（炭素−陽子のような多核）ＮＭＲを含む異なる複雑なシーケンスを実現しようとするＮＭＲの用途において有利である。

【0046】

さらに、ＮＭＲ集積回路は、特定のコア測定モジュールの坑井又は研究室若しくは現場システムにおける岩石コアの分析を含む油田における多数の用途を有する。研究室環境において、従来のＮＭＲシステムは、個別の電子部品を使用し、その結果、電子機器が大きくなるとともに高価なものとなる。ＮＭＲ ＡＳＩＣは、大きい電子機器の多くに取って代わることができるとともに岩石コアのＮＭＲ測定を実行することができる。坑井環境において、ＮＭＲ ＡＳＩＣを、検層ツールの一部として集積することができる。例えば、ＮＭＲ ＡＳＩＣを、坑井コアリングツールのＮＭＲコア分析モジュールの一部として集積することができる。坑井コアリングツールは、ボーリング孔から岩石コアサンプルを取り出し、サンプルをＮＭＲコア分析モジュールに移送する。ＮＭＲ ＡＳＩＣがモジュール内に存在すると、ＮＭＲ ＡＳＩＣを、岩石コアの一連のＮＭＲ測定を実行するのに用いることができる。ＮＭＲ ＡＳＩＣの使用によって、電子機器の容量を著しく減少させることができ、したがって、コストが減少する。更なる用途は、研究室又は原油サンプルの坑井測定にある。特に、坑井の状況でそのような測定を行うことは重要である。その理由は、サンプルが噴き上げる孔(broughtuphole)であり、その結果、圧力及び温度が変化する場合に原油の特性が変化するおそれがあるからである。

【0047】

ＮＭＲ ＡＳＩＣは、油田の用途以外の用途を有する。種々の実施の形態において、ＮＭＲ ＡＳＩＣのパルスシーケンス制御装置をプログラム可能にすることによって、ＮＭＲ ＡＳＩＣは、ＮＭＲ ＡＳＩＣによって実行されるＮＭＲ実験の一部として広範囲のパルスシーケンスを用いることができる。これは、パルスシーケンスがＣＰＭＧに制限される従来のシステムとの主な違いである。したがって、この形態によって、ＮＭＲ ＡＳＩＣは、多次元分光実験及び多次元緩和及び拡散実験を実行することができる。

【0048】

ＮＭＲ ＡＳＩＣは、電子機器の寸法を減少させるのが特に有用である小型又は携帯型のＮＭＲ装置を用いる材料／流体特性化において他の用途を有する。例えば、ＮＭＲ ＡＳＩＣを、小型又は超小型ＮＭＲコイルを用いる小型又は超小型ＮＭＲシステム（例えば、ラブオンチップのような直径０．１ｍｍのキャピラリー及びマイクロ流体素子）の一部とすることができる。そのような小型又は超小型ＮＭＲシステムを、高スループットの分光法を実行するために従来の高磁場の磁石とともに用いることができる、又は、低コストで携帯可能なＮＭＲシステムとなるように（しばしば永久磁石に基づく）小型磁石とともに用いることができる。

【0049】

ＮＭＲ ＡＳＩＣの出力ＲＦパワーが、大きなサンプルサイズに対して、設計により制約されるので、ＮＭＲ ＡＳＩＣのＮＭＲ送信器の出力を外部のＲＦ増幅器に向けるのが有益である。この形態において、外部ＲＦ増幅器は、ＮＭＲ ＡＳＩＣのＮＭＲ送信器と外部アンテナとの間に結合されている。外部ＲＦ増幅器は、大きなサンプルサイズをカバーするために励起信号のＲＦパワーを必要に応じて増大することができる。

【0050】

開示した構成要素、ステップ、形態、目的、利益及び利点は、単なる例示である。これら及びこれらに関する議論のいずれも、保護の範囲を制限することを何ら意図するものではない。更に少ない、追加の及び／又は異なる構成要素、ステップ、形態、目的、利益及び利点を有する実施の形態を含む他の多数の実施の形態も予測される。

【0051】

説明又は図示したことは、あらゆる構成要素、ステップ、形態、目的、利益、利点又は等価物の発明を開放することを意図するものではない。明細書が本開示の特定の実施の形態を説明するが、当業者は、本開示中に開示された発明の概念から逸脱することなく本開示の変形を考え出すことができる。

【0052】

本願において、単数の素子の言及は、特に説明しない場合には「唯一」ではなく「一つ以上」を意味することを意図する。当業者にとって既知である又は後に既知となるであろう本開示全体に亘って説明した種々の実施の形態の素子の全ての構造的及び機能的な等価物は、参照によりここに明示的に組み込まれる。

【0053】

少数の実施の形態のみを詳細に説明したが、当業者は、本発明を実質的に逸脱することなく多数の変形が実施の形態において可能であることを容易に理解する。したがって、全てのそのような変形は、特許請求の範囲で規定されるような本開示の範囲内に含まれることを意図するものである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11A】

【図11B】

【図11C】

【図12】

【図13】