JP2731178B2 - 磁気共鳴診断装置 - Google Patents

磁気共鳴診断装置

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JP2731178B2 JP63246456A JP24645688A JP2731178B2 JP 2731178 B2 JP2731178 B2 JP 2731178B2 JP 63246456 A JP63246456 A JP 63246456A JP 24645688 A JP24645688 A JP 24645688A JP 2731178 B2 JP2731178 B2 JP 2731178B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は磁気共鳴診断装置に係り、特に被検体内の所
定の原子核の化学シフト情報を得る磁気共鳴診断装置に
関する。
(従来の技術) 磁気共鳴法によって被検体内の特定の原子核の化学シ
フト情報を得る方法としては、従来、BME vol.1,No.3,p
p169〜180,1987等に記載された局所スペクトロスコピー
(1ポイントスペクトロスコピーともいう)と、文献
“T.F.Budinger,Medical Magnetic Resonance Imaging
and Spectroscopy,pp81〜95,Society Magnetic Resonan
ce in Medicine,Berkeley,Ca,1986"等に記載された化学
シフトイメージング法(多点スペクトロスコピーまたは
位相エンコード法ともいう)が知られている。
局所スペクトロスコピーは、1回の計測で1点の化学
シフト情報を得る方法であるため、多数の点の化学シフ
ト情報を得るには長い時間を必要とする。従って、正常
部と病変部の多数の点のデータを収集して比較する臨床
の分野には適さない。
一方、化学シフトイメージング法では、比較的短い時
間で広い領域にわたる化学シフト情報を映像化できる反
面、磁気共鳴信号の収集及び映像化の過程において、被
検体内の位置情報を磁気共鳴信号の位相情報に変換する
ための位相エンコードという操作が必要であることか
ら、T2(横緩和時間)の短い核種では、磁気共鳴信号が
減衰してしまい、得られる化学シフト情報のS/Nが低下
するという問題がある。
(発明が解決しようとする課題) 上述したように、従来の化学シフト情報の取得法であ
る局所スペクトロスコピーは、多数の点の化学シフト情
報を得るのに長時間を必要とするため臨床に適さず、ま
た化学シフトイメージング法は磁気共鳴信号の収集及び
映像化の過程において、位相エンコードのための時間が
必要であるため、T2の短い核種の化学シフト情報をS/N
良く取出せないという問題があった。
本発明は、同時に多点の化学シフト情報を取得でき、
しかも位相エンコードのような操作を必要とせず、T2
短い核種でも良好なS/Nで化学シフト情報を得ることが
できる磁気共鳴診断装置を提供することを目的とする。
[発明の構成] (課題を解決するため手段) 本発明の一つの実施態様によれば、磁気共鳴信号列収
集手段において被検体に勾配磁場を印加しつつ、高周波
磁場として周波数の異なる選択反転パルスを複数回印加
した後、勾配磁場の印加を伴わずに高周波磁場として非
選択励起パルスを印加し、次いで該非選択励起パルス印
加後に発生される磁気共鳴信号を収集する一連のシーケ
ンスを、各選択反転パルスによってアダマール行列にお
ける「−1」または「1」に対応する領域の原子核スピ
ンが反転されるように選択反転パルスの周波数を順次変
えて複数回繰返す。そして、この磁気共鳴信号列を該信
号列の並び方向に逆アダマール変換した後、時間軸方向
に逆フーリエ変換することによって化学シフト情報を得
る。
本発明の他の実施態様によれば、上記と同様のシーケ
ンスを各選択反転パルスによってアダマール行列におけ
る「−1」に対応する領域の原子核スピンが反転される
ように選択反転パルスの周波数を順次変えて複数回繰返
す第1の磁気共鳴信号列収集手段と、同様のシーケンス
を各選択反転パルスによってアダマール行列における
「1」に対応する領域が反転されるように選択反転パル
スの周波数を順次変えて複数回繰返す第2の磁気共鳴信
号列収集手段とが備えられる。そして、これら第1及び
第2の磁気共鳴信号列収集手段によりそれぞれ得られた
磁気共鳴信号列の差をとり、さらにその差信号列を該信
号列の並び方向にそれぞれ逆アダマール変換した後、時
間軸方向に逆フーリエ変換することによって化学シフト
情報を得る。
上記のシーケンスで用いる選択反転パルスは、単一パ
ルスでもよいが、より好ましくはそれぞれ所望の中心周
波数より所定量高い周波数の第1の選択励起パルスと、
中心周波数より所定量低い周波数の第2の選択励起パル
スとの対が用いられ、また勾配磁場は第1の選択励起パ
ルスが印加されるときと第2の選択励起パルスが印加さ
れるときとで、互いに逆極性の勾配磁場パルスの対が用
いられる。
また、本発明では上記のシーケンスを実行する前に、
高周波磁場として被検体内の磁気共鳴信号を収集すべき
関心領域以外の領域の磁化を飽和させる選択励起パルス
の印加を行ない、関心領域の3次元的位置決めを行なう
ことが望ましい。
(作 用) 本発明では、磁気共鳴信号収集手段において、アダマ
ール行列に対応する棒状の関心領域からの磁気共鳴信号
列がアダマール変換された形で得られる。これを信号列
の並び方向に逆アダマール変換すると、アダマール行列
の要素に対応する大きさの部分領域からの信号が分離し
て得られる。これを時間軸方向に逆フーリエ変換する
と、各部分領域毎の化学シフト情報が得られることにな
る。
また、第1及び第2の磁気共鳴信号列収集手段により
得られた各磁気共鳴信号列間の差信号列をアダマール変
換すると、各部分領域からの信号に他の領域からの信号
が混入しなくなり、領域選択性が向上する。
さらに、選択反転パルスとして所望の中心周波数より
所定量高い周波数の第1の選択励起パルスと、中心周波
数より所定量低い周波数の第2の選択励起パルスとの対
を用いるとともに、勾配磁場として第1及び第2の選択
励起パルスの印加時で逆極性の勾配磁場パルスを用いる
と、勾配磁場によるスピンの乱れが相殺されることによ
り、選択反転パルスによる領域選択性が向上し、磁気共
鳴信号の検出感度も高くなる。
このように棒状の関心領域における複数の部分領域か
らの磁気共鳴信号が分離して検出され、多点の化学シフ
ト情報が同時に得られる。しかも、位相エンコードが不
要であるために短時間で各部分領域からの磁気共鳴信号
が分離して検出されることにより、T2の短い核種につい
てもS/Nの良い化学シフト情報が得られる。
(実施例) 第1図は本発明の一実施例に係る磁気共鳴診断装置の
構成を示す図である。
同図において、静磁場磁石1および勾配磁場生成コイ
ル3はシステムコントローラ10により制御される励磁用
電源2および駆動回路4によってそれぞれ駆動され、寝
台6上の被検体5(例えば人体)に対して一様な静磁場
と、所定方向に磁場強度が変化する勾配磁場を印加す
る。
被検体5にはさらにシステムコントローラ10の制御の
下で、送信部8からの高周波信号によりプローブ7から
発生される高周波磁場が印加される。本実施例において
は、プローブ7を高周波磁場の発生のための送信コイル
と、被検体5内からの磁気共鳴信号を受信する受信コイ
ルとに共用しているが、送信および受信コイルを別々に
設けてもよい。
プローブ7により受信された磁気共鳴信号は、受信部
9で増幅および検波された後、システムコントローラ10
の制御の下でデータ収集部11に送られる。データ収集部
11では受信部9を介して取出された磁気共鳴信号をシス
テムコントローラ10の制御の下で収集し、それをA/D変
換器によりサンプリングしディジタル化した後、電子計
算機12に送る。
電子計算機12はコンソール13により制御され、データ
収集部11から入力された磁気共鳴信号のサンプリングデ
ータについて、後述のように逆アダマール変換及び逆フ
ーリエ変換を含む処理を施すことによって、関心領域の
化学シフト情報を求める。また、電子計算機12はシステ
ムコントローラ10の制御をも行なう。電子計算機12によ
り得られた化学シフト情報のデータは画像ディスプレイ
14に供給され、画像表示される。
次に、第2図及び第3図を参照して、本実施例におけ
る磁気共鳴信号収集のためのシーケンスを説明する。
静磁場中では原子核スピン(以下、単にスピンとい
う)Mは、第2図(a)に示すようにz軸まわりに回転
する回転座標系(x′,y′,z′)のz′(z)方向を向
いている。このようなスピンMに対し、高周波磁場とし
て反転パルス(180゜パルス)を印加すると、同図
(b)に示すようにスピンMは回転して−z方向を向
く。
次に、静止座標系(x,y,z)のx方向に向く90x゜パル
スを印加すると、スピンMはx′軸まわりに回転し、同
図(c)における“−1"方向を向く。一方、反転パルス
が印加されなかったスピンはx′軸まわりに90゜回転
し、同図(c)における“1"方向を向く。従って、この
とき観測される磁気共鳴信号は、反転パルスが印加され
たスピンからの信号と、印加されなかったスピンからの
信号とで符号が異なることになる。
一般に、磁気共鳴信号s(t)は次式で与えられる。
s(t)=∫∫∫∫p(x,y,z,ω)exp[jωt] ・exp[−t/T2(x,y,z,ω)]dxdydzdω …(1) ρ(x,y):スピン密度 ω:磁気共鳴角周波数 x,y,z:位置 t:時間(離散量) 一方、高周波磁場に選択励起パルスを用いると、特定
の部分領域のスピンのみを反転させることができる。こ
のときの磁気共鳴信号s(t)は、 Ai:部分領域 sgn(i):符号関数(部分領域Aiのスピンが反転さ
れた時−1,反転されなかった時は1) さらに、部分領域Aiからの磁気共鳴信号をfiとする
と、 ここで、被検体内の関心領域のうちアダマール行列の
−1に対応する部分領域のスピンのみを反転するとすれ
ば、 jを1からnまで変えて磁気共鳴信号を観測すると、
次式が得られる。
S=H・F …(5) ここで、信号行列Sを逆アダマール変換すると、 となり、領域毎の信号が分離して得られる。
このように関心領域内のスピンが反転された部分領域
及び反転されない部分領域の配列パターンがアダマール
行列Hのパターンと対応するように、選択反転パルスを
関心領域に加え、それにより得られた式(5)に示す磁
気共鳴信号列を式(6)に示すように逆アダマール変換
すれば、各部分領域からの磁気共鳴信号が分離して得ら
れる。そして、この部分領域毎の磁気共鳴信号について
更に時間軸方向に逆フーリエ変換を行なえば、各部分領
域毎のスペクトル(化学シフト情報)が得られることに
なる。
第3図は関心領域ROI内の部分領域がA0〜A3に示す4
つの場合について、高周波磁場RF及び勾配磁場Gの印加
による磁気共鳴信号(FID信号)Sig.の収集のシーケン
スと、部分領域A0〜A3のスピンの反転・非反転状態を示
したものである。なお、“−1"は反転状態、“1"は非反
転状態をそれぞれ表わす。この例では磁気共鳴信号の収
集のための一連のシーケンスは、第3図(a)〜(d)
の4つのシーケンスからなっている。この場合、部分領
域A0〜A3のスピンの反転・非反転配列パターンを対応さ
せるアダマール行列Hは4次(4×4)となる。
まず、このアダマール行列の第1行の要素は全て
「1」であるため、第3図(a)に示す最初のシーケン
スでは高周波磁場RFとして選択反転パルスを加えず、勾
配磁場Gも加えない。このとき、部分領域A0〜A1のスピ
ンはどれも反転されないため、高周波磁場として非選択
励起パルスである90x゜パルスの印加直後に得られるFID
信号Sig.=s1(t)は、次式のように各部分領域A0〜A3
からの信号が加算されたものとなる。
s1(t)=f0(t)+f1(t)+f2(t)+f3(t) 次に、第3図(b)のシーケンスではアダマール行列
Hの第2行の「−1」に対応した部分領域A0及びA3のス
ピンをそれぞれ反転させるように周波数を設定した選択
反転パルスIp(f0),Ip(f3)を印加するとともに、勾
配磁場パルスを印加し、その後90゜パルスを印加する。
このとき得られる信号Sig.=s2(t)は、 s2(t)=f0(t)−f1(t)+f2(t)−f3(t) となる。
以下同様に、第3図(c)のシーケンスではアダマー
ル行列Hの第3行の「−1」に対応する部分領域A2及び
A3のスピンをそれぞれ反転させるように周波数を設定し
た選択反転パルスIp(f2),Ip(f3)を印加するととも
に、勾配磁場パルスを印加した後、90x゜パルスを印加
し、また同図(d)のシーケンスではアダマール行列H
の第4行の「−1」に対応する部分領域A1及びA3のスピ
ンをそれぞれ反転させるように周波数を設定した選択反
転パルスIp(f1),Ip(f3)を印加するとともに、勾配
磁場パルスを印加した後、90x゜パルスを印加すること
により、それぞれ信号Sig.=s2(t),Sig.=s2(t)
として s3(t)=f0(t)+f1(t)−f2(t)−f3(t) s4(t)=f0(t)−f1(t)−f2(t)+f3(t) が得られる。
このような第3図(a)〜(d)I示した各シーケン
スにおいて、磁気共鳴信号は90x゜パルスの印加直後に
デッドタイムなく検出され、T2の短い核種の信号もほと
んど減衰なく得られる。このような一連のシーケンスに
よって磁気共鳴信号列Sは、次式(7)で表わされる。
ここで、この磁気共鳴信号列に逆アダマール変換を施
すと次式(8)のようになり、各部分領域A0〜A3毎の信
号が得られる。
上記の実施例で説明した磁気共鳴信号収集のシーケン
スを用い、8個の各部分領域のうちの3個の領域A1,A2,
A3から検出された磁気共鳴信号の検出感度のシミュレー
ション結果を第4図に示す。この例では選択反転パルス
を通常用いられるsinc波形とし、また選択反転パルス印
加後のスポイリング用勾配磁場パルス(第3図参照)の
印加によって横磁化は零になるものとした。また、各ス
ピンの動きはBloch方程式により計算した。
第4図(a)は式(8)の逆アダマール変換信号列D
の第1列に含まれる信号成分を表示したものである。こ
の信号成分は理想的には領域A1からの成分のみの筈であ
るが、選択反転パルスとして用いられるsinc波形が第5
図の実線のように破線で示す理想的な矩形状でないこと
により、選択特性が十分でないために、このように他の
領域A2,…からの信号成分も含まれている。第4図
(b)は磁気共鳴信号列Dの第2列に含まれる信号成分
を示したもので、領域A2以外の成分が若干含まれてい
る。これは領域A2以外の反転されたスピンの影響による
ものである。
次に、本発明の他の実施例を説明する。本実施例では
第3図で説明したようにアダマール行列Hの「−1」に
対応する部分領域のスピンを選択反転パルスにより反転
させて得られた磁気共鳴信号列(SPとする)から、第6
図に示すようにアダマール行列の「1」に対応する部分
領域のスピンを選択反転パルスにより反転させて得られ
た磁気共鳴信号列(SNとする)を差引く。そして、得ら
れた差信号列SP−SNについて次式(9)のように逆アダ
マール変換を行なう。
D=H−1・S =H−1(SP−SN) =DP−DN 但し、DP=H−1・SP DN=H−1・SN …(9) ここで、DPとDNとでは対応する領域A0〜A3からのそれ
ぞれ信号の符号は逆であるが、領域以外からの信号の符
号は同一であるため、DP−DNをとると領域A0〜A3からの
信号はそれぞれ加算され、領域外からの信号は減算され
て0になる。従って、この実施例によれば第7図に示す
ように領域A0〜A3についての選択特性が改善される。ア
ダマール変換の結果は、先と同様に逆フーリエ変換され
る。
第7図は第4図と同様に領域A1,A2,A3から検出された
磁気共鳴信号の検出感度のシミュレーション結果を示し
たものであり、特に同図(b)(c)に示されるように
他の領域からの信号成分はほとんど含まれなくなってい
る。
第8図は本発明のさらに別の実施例における高周波磁
場及び勾配磁場の印加方法を示したもので、選択反転パ
ルスとして所望の中心周波数より所定量高い周波数の第
1の選択励起パルスと、中心周波数より所定量低い周波
数の第2の選択励起パルスとの対を用いたものであり、
例えば選択反転パルスIp(f1)は周波数f1+Δfの選択
励起パルスと周波数f1−Δfの選択励起パルスの対から
なっている。そして、勾配磁場Gは第1の選択励起パル
スが印加されるとき例えば正極性の勾配磁場パルスG+
第2の選択励起パルスが印加されるとき負極性の勾配磁
場パルスG-が印加される。
この場合、各部分領域内のスピンは90゜回転を2回繰
返し、最終的に180゜回転する(反転する)。このよう
にすると、勾配磁場によるスピンの乱れが相殺されるの
で、選択反転パルスによる部分領域の選択性がより向上
する。第9図は本実施例による3個の領域A1,A2,A3から
の磁気共鳴信号の検出感度のシミュレーション結果を示
したもので、各部分領域内での検出感度分布が平坦化さ
れ、選択性がより一層向上している。なお、第8図に示
す選択反転方法は先の2つの実施例のいずれとも組合わ
せることが可能である。
上記した各実施例では、棒状の関心領域からの磁気共
鳴信号の収集について述べた。しかし、臨床的にはこの
棒状の関心領域を3次元的に位置決めし、3次元の関心
領域からの磁気共鳴信号を収集する必要がある。そこ
で、本発明では例えば選択飽和パルスの印加によって第
10図(a)〜(d)の斜線で示す領域内のスピンを飽和
させることにより、同図(e)に斜線で示す棒状の領域
(関心領域)以外の領域の縦磁化をほぼ0にした後、上
記各実施例で説明したシーケンスを行なう。そして、こ
のような操作を複数の棒状関心領域について行なうこと
により、3次元の関心領域からの磁気共鳴信号を収集す
ればよい。
[発明の効果] 本発明によれば、位相エンコード等に要するデッドタ
イムを生じることなく、同時に多点からの化学シフト情
報を取得できる。従って、横緩和時間T2の短い核種、例
えばATP(アデノシン三リン酸)、Pi(無機リン)等の
成分の化学シフト情報を高いS/Nで得ることが可能とな
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例に係る磁気共鳴観測装置の構
成を示すブロック図、第2図は同実施例の基本原理を説
明するための図、第3図は同実施例における磁気共鳴信
号収集のための一連のシーケンスを説明するための図、
第4図は第3図のシーケンスによる各部分領域からの磁
気共鳴信号検出感度のシミュレーション結果を示す図、
第5図は選択反転パルスとして用いるsinc波形の理想波
形及び実際の波形を示す図、第6図は本発明の他の実施
例における磁気共鳴信号収集のための一連のシーケンス
を説明するための図、第7図は第6図のシーケンスによ
る各部分領域からの磁気共鳴信号検出感度のシミュレー
ション結果を示す図、第8図は本発明のさらに別の実施
例における磁気共鳴信号収集のための高周波磁場及び勾
配磁場のシーケンスを説明するための図、第9図は第8
図のシーケンスによる各部分領域からの磁気共鳴信号検
出感度のシミュレーション結果を示す図、第10図は本発
明における棒状の関心領域の3次元的位置決めのための
選択飽和過程を示す図である。 1……静磁場磁石、3……勾配磁場生成コイル、7……
プローブ、11……データ収集部、12……電子計算機、14
……画像ディスプレイ。ROI……関心領域、A0〜A3……
部分領域。

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一様な静磁場中に置かれた被検体に高周波
    磁場および勾配磁場を印加して被検体内から所定の原子
    核の磁気共鳴信号を収集し、該原子核に関する化学シフ
    ト情報を得る磁気共鳴診断装置において、 被検体に勾配磁場を印加しつつ、高周波磁場として周波
    数の異なる選択反転パルスを複数回印加した後、勾配磁
    場の印加を伴わずに高周波磁場として非選択励起パルス
    を印加し、次いで該非選択励起パルス印加後に発生され
    る磁気共鳴信号を収集する一連のシーケンスを、各選択
    反転パルスによってアダマール行列における「−1」ま
    たは「1」に対応する領域の原子核スピンが反転される
    ように選択反転パルスの周波数を順次変えて複数回繰返
    す磁気共鳴信号列収集手段と、 この手段により得られた磁気共鳴信号列を該信号列の並
    び方向に逆アダマール変換した後、時間軸方向に逆フー
    リエ変換することによって化学シフト情報を得る手段と
    を特徴とする磁気共鳴診断装置。
  2. 【請求項2】一様な静磁場中に置かれた被検体に高周波
    磁場および勾配磁場を印加して被検体内から所定の原子
    核の磁気共鳴信号を収集し、該原子核に関する化学シフ
    ト情報を得る磁気共鳴診断装置において、 被検体に勾配磁場を印加しつつ、高周波磁場として周波
    数の異なる選択反転パルスを複数回印加した後、勾配磁
    場の印加を伴わずに高周波磁場として非選択励起パルス
    を印加し、次いで該非選択励起パルス印加後に発生され
    る磁気共鳴信号を収集する一連のシーケンスを、各選択
    反転パルスによってアダマール行列における「−1」に
    対応する領域の原子核スピンが反転されるように選択反
    転パルスの周波数を順次変えて複数回繰返す第1の磁気
    共鳴信号列収集手段と、 前記シーケンスと同様のシーケンスを、各選択反転パル
    スによってアダマール行列における「1」に対応する領
    域が反転されるように選択反転パルスの周波数を順次変
    えて複数回繰返す第2の磁気共鳴信号列収集手段と、 これら第1及び第2の磁気共鳴信号列収集手段によりそ
    れぞれ得られた磁気共鳴信号列の差をとり、さらにその
    差信号列を該信号列の並び方向にそれぞれ逆アダマール
    変換した後、時間軸方向に逆フーリエ変換することによ
    って化学シフト情報を得る手段とを備えたことを特徴と
    する磁気共鳴診断装置。
  3. 【請求項3】前記選択反転パルスは、それぞれ所望の中
    心周波数より所定量高い周波数の第1の選択励起パルス
    と、中心周波数より所定量低い周波数の第2の選択励起
    パルスとの対からなり、前記勾配磁場は第1の選択励起
    パルスと同時に印加される所定極性の第1の勾配磁場パ
    ルスと、該第1の勾配磁場パルスと逆極性の第2の勾配
    磁場パルスとの対からなることを特徴とする請求項1ま
    たは2記載の磁気共鳴診断装置。
  4. 【請求項4】前記シーケンスを実行する前に、高周波磁
    場として、被検体内の磁気共鳴信号を収集すべき関心領
    域以外の領域の磁化を飽和させる選択飽和パルスを印加
    する手段を備えたことを特徴とする請求項1または2記
    載の磁気共鳴診断装置。
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