JP4383568B2 - 磁気共鳴スペクトロスコピー・イメージング方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般的には、磁気共鳴スペクトロスコピーに関し、より具体的には、化学シフト誤差が減少したボリューム・スペクトロスコピーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ボリューム局在化磁気共鳴スペクトロスコピーは、脳内の拡散的化学変化をもたらす異常の検出に特に有用なルーチン的な臨床ツールとなっている。関心領域（volume of interest）内のスピンを直接励起して、３次元の選択を実現する手法としては、誘導エコーの利用及びカー・パーセル（Carr-Purcell）エコーの利用を含めて様々なものが知られている。これらの手法は、１回の走査で局在化されたスペクトルを取得するものである。例えば、ポイント分解スペクトロスコピー（ＰＲＥＳＳ：point resolved spectroscopy ；米国特許第４，４８０，２２８を参照されたい。）は、各々が周波数選択性である３つのパルス・シーケンスを用いている。
【０００３】
プロトン磁気共鳴スペクトロスコピー・イメージング（ＭＲＳＩ）の多くの重要な臨床的応用は、限定された励起領域の位相エンコーディング(pahase encoding) に基づいている。典型的には、領域の励起は、ＰＲＥＳＳを用いて行われており、この方法は、２重のスピン・エコーの形態で３つの直交するスライスを利用して、特定の関心領域を選択している。残念なことに、この手法の１つの弱点は、化学シフト周波数の範囲（１．５Ｔにおいてプロトンの場合で２００Ｈｚを上回る）が、殆どの励起パルス（１０００Ｈｚ〜２０００Ｈｚ）の限定された帯域幅に対して小さいものではないということである。その結果、送信器の周波数以外の周波数では化学シフト周波数のために関心領域の位置ずれ（misregistration ）が起こる。このことを図１に示す。化学シフト誤差は、ＲＦプロファイルの遷移帯域部分（ｆ）によって励起される信号について最大の難点を生ずる。関心のある化学シフト周波数と共通の通過帯域の部分（ｃ）を除いては、各々の共鳴が異なって励起されてしまう。従って、ＰＲＥＳＳ領域をＭＲＳＩによって分解すると、化学レベルが組織レベル、すなわちＴ１及びＴ２に依存するばかりでなく、関心領域内での位置にも依存することになる。唯一の例外は、共通通過帯域［ＲＦ通過帯域（ａ）−化学シフト誤差（ｄ）」の限度内にある場合である。遷移帯域内では、誤差の大きさは化学シフト誤差及び遷移帯域の形状に依存する。評価尺度（figure of merit ）の１つに、遷移帯域の９０％にわたる所望の化学シフトの両極における励起の差、すなわち、最大誤差＝（化学シフト帯域幅）×（遷移帯域の傾き）がある。これは、遷移帯域が比較的直線的であり、また励起がピーク値の５％から９５％まで増大する範囲の遷移帯域を傾斜が表しているものと仮定している。これらの値は、ＰＲＥＳＳで用いられる９０°励起については４０％を上回り、再収束（リフォーカシング）パルスについては６０％を上回る可能性がある。
【０００４】
ＭＲＳＩの限局的（focal ）応用での組織レベル及びピーク比の測定における空間依存的な変化の不確定性を減少させるためには、選択度百分率（これは［通過帯域／（通過帯域＋遷移帯域）］×１００として定義される）を最大化すると共に、化学シフト誤差百分率（これは［化学シフト帯域幅／有効ＲＦ帯域幅」×１００として定義される）を最小化することが重要である。典型的な臨床用スキャナの０．２ガウス程度のＢ₁ 磁場では、１．５Ｔにおいて３．４ｐｐｍの化学シフト範囲について、選択度を５９％よりも高くすると共に化学シフト誤差を２０％未満として、ＰＲＥＳＳに要求される再集束パルスを設計することは困難である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
限局的(focal) ＭＲＳＩ応用における選択度は、遷移帯域幅及び化学シフトの両方によって制限されるので、実際の選択度を、ＭＲＳＩ選択度百分率＝［（通過帯域−化学シフト誤差）／（通過帯域＋遷移帯域＋化学シフト誤差）］×１００として定義すると便利である。この定義によれば、上述のような典型的な選択度は、再集束パルスの場合には僅か４６％に留まり、典型的な９０°励起の場合には約５２％となる。選択度が５０％未満である場合には、この選択度部分より外側で分解されるボクセルは、無視するか、又は励起プロファイルについて補正するかしなければならない。しかしながら、最終的には、これらの補正及び付随する仮定を回避するために、限局的ＭＲＳＩ選択度を向上させることが好ましい。
【０００６】
米国特許第５，５３７，０３９号では、事実上この問題を取り扱っていて、位相符号化周波数を歪ませてスライス選択の位置ずれを整合させている。これは、各々の位相符号化増分に対して、展開時間符号化（evolution time encoding ）を加えることにより達成されている。スペクトロスコピー・イメージング用としての短所の可能性としては、展開時間符号化が結合スピンに対して及ぼす影響、及び関心領域より外側の脂質等の大信号を励起してしまうことによる影響がある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、ＰＲＥＳＳのような領域励起を、極めて高い選択性の領域外(out of volume) 飽和パルスと組み合わせて、関心領域より外側からの信号を抑制すると共に、この領域内での化学シフト誤差を最小化する。関心領域の両側で極めて高い選択性の飽和帯域を用いることにより、関心のある位置／周波数帯域より外側でのＰＲＥＳＳ励起及びこれに付随する化学シフトが除去される。次いで、関心領域から信号が検出される。
【０００８】
本発明、並びに本発明の目的及び特徴は、図面と併せて以下の詳細な記載及び特許請求の範囲からより容易に明らかとなろう。
【０００９】
【発明の実施の形態】
ここで、図面について説明する。図２（Ａ）は、ＭＲＩシステムのコイル装置を部分的に断面で示す斜視図であり、図２（Ｂ）〜図２（Ｄ）は、図２（Ａ）の装置内で発生させることのできる磁場勾配を示す図である。この装置は、"Proceedings of the IEEE" 誌、第７１巻、第３号、１９９３年３月、第３３８頁〜第３５０頁に所載のHinshaw 及びLentによる論文「ＮＭＲイメージング入門：Bloch 方程式からイメージング方程式まで（An Introduction to NMR Imaging: From the Bloch Equation to the Imaging Equation ）」で議論されている。簡単に述べると、コイル対１０を含んでいる磁石によって、一様な静磁場Ｂ₀ が発生される。円筒１２上に巻回することの可能な複合的な勾配コイル・セットによって、勾配磁場Ｇ（ｘ）が発生される。ＲＦ磁場Ｂ₁ が、ＲＦコイル１４によって発生される。被検サンプルが、ＲＦコイル１４の内部にＺ軸に沿って配置される。
【００１０】
図２（Ｂ）では、Ｘ勾配磁場が示されており、Ｘ勾配磁場は、静磁場Ｂ₀ に垂直で且つＸ軸に沿って距離と共に直線的に変化するが、Ｙ軸又はＺ軸に沿って距離と共に変化することはない。図２（Ｃ）及び図２（Ｄ）はそれぞれ、Ｙ勾配磁場及びＺ勾配磁場についての同様の図である。
図３は、ＮＭＲ装置の機能ブロック図である。コンピュータ２０が、ＭＲＩ装置の動作をプログラム制御すると共に、ＭＲＩ装置から検出されるＦＩＤ（自由誘導減衰）信号を処理する。勾配磁場は勾配増幅器２２によってエネルギを与えられ、また、ラーモア周波数のＢ₁ 磁場を発生するためのＲＦコイル２６は送信器２４によって制御される。選択された核が励起された後に、ＲＦコイル２６を用いてＦＩＤ信号が検出され、このＦＩＤ信号は、受信器２８へ伝送された後に、ディジタイザ３０を介してコンピュータ２０で処理される。
【００１１】
本発明によれば、ＰＲＥＳＳのような領域励起パルスを、領域外飽和パルスと組み合わせて、関心領域より外側からの緩和信号回復を抑制する。１９９６年７月１５日に出願された米国特許出願第０８／６８３，５８９号、「ＮＭＲ測定シーケンスのための実時間ＲＦパルス構成（Real Time RF Pulse Construction for NMR Measurement Sequences ）」には、このような領域外飽和パルスを構成する方法を開示している。
【００１２】
この米国特許出願に記載されているように、ＮＭＲパルス・シーケンスのためのＲＦパルスは、逆ＳＬＲ変換法を用いてＮＭＲシステムにおいて設計される。ＳＬＲ変換に必要な多項式は、重み付き最小平均自乗（ＷＬＭＳ：weighted least mean squares ）法を用いて算出され、この方法では、初期重み関数が、ＮＭＲシステムのオペレータによって入力される所望のパルス・プロファイルと共に用いられる。オペレータはまた、ＷＬＭＳ法に対する入力として位相プロファイルを指定することもできる。より詳しく述べると、所望のパルス・プロファイルｄｅｓ（ω）が入力され、重み関数Ｗ（ω）が算出され、これら所望のパルス・プロファイルｄｅｓ（ω）及び重み関数Ｗ（ω）を入力とする重み付き最小平均自乗法を用いて一組のＳＬＲ多項式が算出され、これらのＳＬＲ多項式を逆ＳＬＲ法において用いて、ＲＦパルス波形Ｒ（ｔ）を発生させる。ＲＦパルスを用いる走査の前にオペレータによって指定されているＲＦパルス・プロファイルに応答して、ＭＲＩシステム内でＲＦパルスを発生させることができる。
【００１３】
励起の大きさを周波数の関数として指定することに加えて、ＲＦパルス・プロファイル指定はまた、位相指定を含むことができる。このような場合には、位相指定もまた重み付き最小平均自乗法の入力となり、この重み付き最小平均自乗法を１回又はそれよりも多い回数繰り返すと、所望の大きさ指定を満たすことができる。
【００１４】
遷移帯域幅が極めて小さいことに加えて、これらの飽和パルスは、極めて大きな有効ＲＦ帯域幅を有しており、従って、極めて小さな化学シフト誤差しか有さない。これらの飽和パルスを用いると、最大９９％のＭＲＳＩ選択度百分率で、局在化された領域を画定することが可能になる。領域外飽和のみを用いて領域を画定することに関連する問題点は、一旦所望の領域が全体の励起領域よりも大幅に小さくなると、選択度が低下し、飽和した信号の比較的穏やかな緩和回復ですら関心領域内の結果を損なう可能性があるということである。
【００１５】
本発明は、ＰＲＥＳＳと、極めて高い選択性の領域外飽和パルスとの組み合わせを用いて、選択度を向上させると共に、限局的ＭＲＳＩにおける化学シフト誤差を大幅に減少させる。この概念を図４に示す。この方法では、極めて高い選択性の飽和帯域（ｇ）を用いて、共通通過帯域（ｃ）より外側のＰＲＥＳＳ励起領域を除去する。関心領域がそのＭＲＳＩ選択度百分率について極めて高い選択性の飽和帯域にのみ依存するように、新たな規定部（ｊ）が関心領域を制限する。飽和帯域の作用量を全遷移帯域（ｆ）に制限することにより、飽和帯域の幅を制約することができ、飽和信号の緩和回復に関連した問題が最小限に抑えられる。図５は、従来の１０ｃｍのＲ_x ＰＲＥＳＳ領域と、極めて高い選択性のＰＲＥＳＳ領域を用いた場合の１０ｃｍのＲ_x とを対比して、１ｃｍ単位のＭＲＳＩ分解能における影響を示している。
【００１６】
以上、領域励起を領域外飽和パルスと組み合わせて関心領域より外側からの緩和信号回復を抑制することにより、磁気共鳴スペクトロスコピー・イメージングにおける化学シフト誤差を最小化する方法について述べた。特定の実施例を参照して本発明を記載したが、この記載は発明を説明するためのものであって、発明を限定するものと解釈してはならない。特許請求の範囲によって画定される本発明の要旨及び範囲から逸脱しない様々な改変及び応用が、当業者には想到されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】磁気共鳴スペクトロスコピー・イメージングにおける選択されたスライスにおける化学シフトによる誤差を示す図である。
【図２】従来のＭＲＩ装置の構成（Ａ）及びこのＭＲＩ装置において発生される磁場（Ｂ〜Ｄ）を示す図である。
【図３】ＭＲＩ及びスペクトロスコピー用装置の機能ブロック図である。
【図４】本発明に従って飽和パルスを用いることにより化学シフト誤差を減少させる領域励起を示す図である。
【図５】本発明を用いた向上したＭＲＳＩ分解能を示す図である。
【符号の説明】
１０ コイル対
１２ 円筒
１４ ＲＦコイル
２０ コンピュータ
２２ 勾配増幅器
２４ 送信器
２６ ＲＦコイル
２８ 受信器
３０ ディジタイザ

Claims (7)

1. 化学シフト誤差を減少させる磁気共鳴スペクトロスコピー・イメージング装置であって、
   （ａ）磁場内にイメージング対象の物体を載置させる手段と、
   （ｂ）関心領域より外側の周波数に対して極めて高い選択性の領域外飽和パルスを印加し、これにより該関心領域より外側からの信号のあらゆる後続の発生を抑制する手段であって、
   選択性の領域外飽和パルスが
   （ｉ）所望のパルス・プロファイルを示すデータｄｅｓ（ω）を入力し、
   （ii）初期重み関数Ｗ（ω）を算出し、
   （iii）重み付き最小平均自乗法と、前記所望のパルス・プロファイルｄｅｓ（ω）と、前記初期重み関数Ｗ（ω）とを用いて、一組のＳＬＲ多項式を算出しと、
   （iv）算出された前記ＳＬＲ多項式を用いて逆ＳＬＲ変換を実行することにより、ＲＦパルス包絡線Ｒ（ｔ）を発生させること、
   により生成される、前記抑制する手段と、
   （ｃ）前記関心領域が、すべての所望の化学シフト周波数に共通の通過帯域により励起されるように、前記関心領域よりも大きなスライス又は領域を選択的に励起するパルス・シーケンスを印加する手段と、
   （ｄ）化学シフト不感受性の関心領域から信号を検出する手段と、を備えている磁気共鳴スペクトロスコピー・イメージング装置。
2. 前記関心領域は、１次元又は多次元の位相符号化により更に分解される請求項１に記載の磁気共鳴スペクトロスコピー・イメージング装置。
3. 前記関心領域は、位相符号化及び周波数符号化により更に分解される請求項１に記載の磁気共鳴スペクトロスコピー・イメージング装置。
4. 前記パルス・シーケンスの印加は、ポイント分解スペクトロスコピー（ＰＲＥＳＳ）を含んでいる請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気共鳴スペクトロスコピー・イメージング装置。
5. 前記パルス・シーケンスの印加は、誘導エコー取得モード（ＳＴＥＡＭ）を含んでいる請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気共鳴スペクトロスコピー・イメージング装置。
6. 前記パルス・シーケンスの印加は、１次元スライス選択を含んでいる請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気共鳴スペクトロスコピー・イメージング装置。
7. 前記パルス・シーケンスの印加は、２次元スライス選択を含んでいる請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気共鳴スペクトロスコピー・イメージング装置。

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