JPS5983040A - 核磁気共鳴による検査方法及び検査装置 - Google Patents

核磁気共鳴による検査方法及び検査装置

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JPS5983040A
JPS5983040A JP57193154A JP19315482A JPS5983040A JP S5983040 A JPS5983040 A JP S5983040A JP 57193154 A JP57193154 A JP 57193154A JP 19315482 A JP19315482 A JP 19315482A JP S5983040 A JPS5983040 A JP S5983040A
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直 杉山
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    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
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    • G01R33/44Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance using nuclear magnetic resonance [NMR]
    • G01R33/48NMR imaging systems
    • G01R33/483NMR imaging systems with selection of signals or spectra from particular regions of the volume, e.g. in vivo spectroscopy
    • G01R33/4833NMR imaging systems with selection of signals or spectra from particular regions of the volume, e.g. in vivo spectroscopy using spatially selective excitation of the volume of interest, e.g. selecting non-orthogonal or inclined slices

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、核磁気共鳴(nuclear magnet
icresonance ) f以下これを「NMRJ
と略称する)現象を利用して、控検体内における特定原
子核分布尋を被検体外部より知るようにした核磁気共鳴
による検査方法及び検査装置に関するものである。
本発明の説明に先だって、はじめにNMRの原理につい
て概略を説明する。
原子核は、陽子と中性子とからなって変り、これらは全
体として、核スピン角運動量工で回転しているとみなさ
れる。
第1図は、水素の原子核(1H)を示したもので、(イ
)に示すように1個の陽子Pからなり、スピン量子数A
で表わされる回転をしている。ここで陽子Pは、(ロ)
に示すように正の電荷e をもっているので、原子核の
回転に従い、磁気モーメントμが生する。すなわち、一
つ一つの水素の原子核は、それぞれ一つ一つの小さな磁
石とみなせる。
第2図は、この点を模式的に示した説明図で、鉄のよう
な強磁性体では、この微小磁石の方向が(イ)に示すよ
うに揃ってお9、全体として磁化が観測される。これに
対して、水素等の場合、微小磁石の方向(磁気モーメン
トの向き)は(ロ)に示すようにランダムであって、全
体として磁化は見られない。
ここで、このような物質に、2方向の静磁場)10を印
加すると、各原子核がHOの方向に揃う(核のエネルギ
準位が2方向に量子化される)。
第3図(イ)は、水素原子核についてこの様子を示した
ものである。水素原子核のスピン量子数は強であるから
、第3図(ロ)に示すように、−汐と十歿の2つの準位
に分かれる。2つのエネルギー準位間のエネルギー差Δ
Eは、(1)式で表わされる。
ΔE=γtIT(o         ・・・・・・(
1)たたし、γ:磁気回転比 ?+=h/2π hニブランク定数 ここで各原子核には、静AG 場Hoによって、μ X
  H。
なる力が加わるので、原子核はZ軸の1わりを、(2)
式で示すような角速Fi+ωで歳差運動する。
ω=γ)(Q(ラーモア角速1W)・・・・・(2)こ
の状態の系に角速度ωに対応する周波数の電磁波(通常
ラジオ波)を印加すると、共鳴がおこり、原子核は(1
)式で示されるエネルギー差ΔEに相当するエネルギー
を吸収して、高い方のエネルギー準位に遷移する。核ス
ピン角運動量を持つ原子核が教程類混在していても、各
原子核によって磁気回転比γが異なるため、共鳴する周
波数が異なシ、しグζがつで特定の原子核の共鳴のみを
とりだすことができる。また、その共鳴の強さを測定す
れば、原子核の存在量も知ることができる。また、共鳴
後、緩和時間と呼ばれる時定数で定まる時間の後に、冒
い準位へ励起された原子核は、低い準位へもとる。この
緩オロ時間のうち、特にT1と呼ばれるスピン−格子間
緩和時間(縦緩和時間)は、各化合物の結合の仕方に依
存している時定数であり、正常組織と悪性腫瘍とでは、
値が大きく異なることが知られている。
ここでは、水素原子核(1H)につい−〇説明したが、
この他にも核スピン角運動量をもつ原子核で同様の測定
を行なうことが可能であり、水素原子核以外に、リン原
子核(5jp)、  炭素原子核(13c )、 ナト
リウム原子核(” Na )、フッ素原子核< 19 
F )、酸素原子核(’17o)等に適用可能である。
このように、NMRによって、特定原子核の存在量およ
びその緩和時間を測定することができるので、物質内の
特定原子核についての種々の化学的情報を得ることによ
り、被検体内の棹々の検査を行なうことができる。
従来より、このようなN M ’Ri利用した検査装置
として、X線CTと同様な原理で、被検体の仮想輪切9
部分のプロトンを励起し、各プロジェクションに対応す
るNMR共鳴信号を、被検体の数多くの方向について求
め、被検体の各位置におけるNMR共鳴信号強度を再構
成法によって求めるものがある。
第4図は、このような従来装置Vこおける検査手法の一
例を説明するだめの動作波形図である。
被検体に、はじめに第4図(ロ)に示すように2勾配磁
場GZ+と、(イ)に示すように細い周波数スペクトル
(f)のRFパルス(90°パルス〕を印加する。
この場合、ラーモア角速度ω=γ(Ho+ΔCZ)とな
る面だけのプロトンが励起され、磁化Mを第5図(イ)
に示すようなωで回転する回転座標系−ヒに示せば、y
′軸方向に90°向きを変えたものとなる。続いて、第
4図(ハ)、に)に示すようにX勾配磁場GZとy勾配
磁場Gyを加え、これによって2次元勾配磁場を作シ、
(ホ)に示すようなNMR共鳴信号を検出する。ここで
、磁化Mは第5図(ロ)に示すように、磁場の不均一性
によって1./、 yi面内で矢印方向に次第に分散し
ていくので、やがてNMR共鳴信号は減少し、第4図(
ホ)に示すように7時間経過して無くなる。このように
して得らnたNMR共鳴信号をフーリエ変換すれば、X
勾配磁場Gx。
y勾配磁場G?/により合成された勾配磁場と直角方向
のプロジェクションとなる。
以下、同じようにして、所定の時間τ′たけ待って、次
のシーケンスを繰り返す。各シーケンスにおいては、G
z、 Gy  を少しずつ変える。これによって、各プ
ロジェクションに対応するNMR共鳴信号を被検体の数
多くの方向について求めることができる。
このような動作をなす従来装置においては、第4図にお
いて、NMR共鳴信号が無くなるまでの時間τは、10
〜20m5 であるが、次のシーケンスに移る捷での所
定時間τ′は、緩和時間T1 のため−1sec程度は
必要となる。それ故に、一つの被検体断面を、例えば1
28プロジエクシヨンで再構成するものとすれば、その
測定には少なくとも2分以上の長い時間を必要とする。
ここにおいて、本発明は、従来の手法及び装置における
このような欠点を除去することを目的になされたもので
ある。
本発明に係る方法は、被検体に印加する電磁波として、
(90″)→(180°)n、(nは1.2.3・・・
)のパルス系列でエコー信号列を作り、各エコー信号を
利用して画像を再構成する点に特徴がある。
第6図は本発明の手法を実現するだめの装置の一実施例
の構成を示すブロック図である。図において、1は一様
静磁場Ho  (この磁場の方向をZ方向とする)を発
生させるための静磁場用コイル、2はとの静磁場用コイ
ル1の制御回路で、例えば直流安定化電源を含んでいる
。静磁場用コイル1によって発生する磁束の密度HOは
、0.1T程度であり、また均一度は10−4以上であ
ることが望捷しい。
3は勾配磁場用コイルを総括的に示したもの、4はこの
勾配磁場用コイル3の制御回路である。
第7図(イ)は勾配磁場用コイル3の一例を示す構成図
で、Z勾配磁場用コイル31.y勾配磁場用コイル32
.33、図示してないがV勾配磁場用コイル32.33
と同じ形であって、90°回転して設置されるX勾配磁
場用コイルを含んでいる。
この勾配磁場用コイル3は、一様静磁場)IOと同一方
向磁場で、ZIVl’Z軸方向にそれぞれ直線勾配をも
つ@場を発生する。60は制御回路4のコントローラで
ある。
5は被検体に細い周波数スペクトルfのRFパルスを’
ML(ぬ波として与える励磁コイルで、その構成を第7
図1(ロ)に示す。
6は測冗しようとする原子核のNMR共鳴条件に対応す
る周波数(例えばプロトンでは、42.6MHz/T)
  の信号を発生する発振器で、その出力は、コントロ
ーラ60からの信号によって開閉か制御されるゲート回
路61、パワーアンプ62を介して励磁コイル5に印力
■芒れている。7 tj、被検体におけるNMR共鳴信
号を検出するだめの検出コイルで、その構成は第7図(
ロ)に示ず励磁コイルと同じで、励磁コイル5に対して
90’回転して設置されている。なお、この検出コイル
は、被検体にできるたけ近接して設置されることが望ま
しいが必要に比、して、励磁コイルと兼用させてもよい
71は検出コイル7から得られるNMR共鳴信号(F1
丁) : free 1nduction decay
 )  を工曽巾する増巾器、72に位相検波回路、7
3は位相検波された増幅器71からの波形信号を記憶づ
−るウェーブメモリ回路で、A/D  変換器を含んで
いる。
8はウェーブメモリ回路73からの信号を例えば光ファ
イバで構成きれる伝送路74を介して入力し、所定の信
号処理を施して断層像を得るコンピュータ、9は得られ
た断層像を表示するテレビジョンモニターのような表示
器である。
このように構成した装置の動作を、次に第8図及び第9
図を参照しながら説明する。
まず、はじめに、制御回路2は静磁場用コイル1に市、
流を流し、被検体(被検体は各コイルの円筒内に設置さ
れる)に静磁場HOを与えた状態とする。この状態にお
いて、コントローラ60は、はじめに制御回路4を介し
て2勾配磁場用コイル31に電流を流し、第8図(ロ)
に示すように2勾配磁場aZ  を与える。また、Gz
が与えられている下で、ゲート回路61を開とし、発振
器6からの信号を増巾5621介して励磁コイル5に印
加し、第8図(イ)に示すように細いスペクトルを持っ
た90゜パルスの電磁波を印加する。これによって、被
検体内の一面を励起する。この時点t。においては、磁
化Mは第9図(イ)の回転座標系に示すようにV′軸方
向に90“向きを変える。
続いて、2勾配磁場用コイル及びy勾配磁場用コイル3
2.33に電流を流し、第8図(ハ)9に)に示すより
に所鼠の太き芒の磁場Gz1.G’J/1  を同時に
印加し、検出コイル7から得られる第8図(ホ)に示す
ようlNMR共鳴信号全検出する。このNMR共鳴信号
が検出されている時点(例えばtl の時点)では、磁
化Mは第9図(ロ)に示すように、x′。
17面内で破線矢印方向に次第に分散していく途中にあ
る。検出コイル7で検出されるFqMa共鳴信号E、は
、時間とともに次第に減衰するもので、この信」は、増
巾器71で増巾ぢれ、位相検波回路72で位相検波され
、ウェーブメモリ回路73を介してコンピュータ8に印
加される。ここで、NMR共鳴信号はツー IJ工変換
され、第1のプロジェクションの信号となる。
続いて、90°パルスを印加(7てから所定時間τだけ
経過17た時応で、コノ)o−ラ60は、再ひ2勾配磁
場用コイル31に電流を流[7、角1,8図(ロ)に示
すように2勾配磁場GZを与え、6とともに、ゲート回
路61を開とし、励磁コイル5に電流を流し、今度は第
81ffi(イ)に示すように180°、/  、: 
、Iレスの電磁波を印加し、これによって、エコー信号
E 、/をつくる。なお、この際、Z勾配磁場aZは与
えなくともよい。
そして、このエコー信号E 、/が増大する間(τ期間
の間)、第8図(ハ)、に)に示すように前回と同じ大
きさのX勾配磁場Gx1とy勾配磁場Gyiとを同時に
印加する。
ここで、180°X′パルスの′電磁波を印加すると、
分散した磁化Mは、第9図(ハ)に示すように再び集合
し始め、検出コイル7からは、第8図(ホ)に示すよう
に次第に増大するNMR共鳴信号E1′(この、信号を
エコー信号と呼んでいる)が検出される。
180″2X′ パルスを印加してから、1時間経過後
、エコー信号は第8図(ホ)に示すように最大となる。
このエコー信号E 、/は、はじめに出力されたNMR
共鳴共鳴信号表位相が逆な関係を有している。エコー信
号が最大となった時点(180°X′パルスを印加して
からτ時間経過した時点)で、X勾配磁場Gχ、y勾配
磁場Gyのそれぞれの大きさを、GxlからG2;2.
及びGyiからGY2に第8図(ハ)、に)に示すよう
に同時に切り換え、この下におけるNMR信号E2 を
第8図(ホ)に示すように第2のグロジエクゾヨンの信
号として検出する。Gχ2.G3/2に切換えてから1
時間経過後(180°π′ パルスを印加[7てから2
τ時間経過後)、第8図(イ)に示すように180’−
Z’パルス(180°−x′パルスは発振器6からの信
号の位相を反転したもの)を印加する。
また2勾配磁場Gzを与える。続いて、第8図(ハ)。
に)に示すように、前回と同じ大きさのX勾配磁場Gx
2.v勾配磁場G?/2を同時に与え、この下でのエコ
ー信号E2′を検出する。以後、同様にして、180°
X′ パルス、180°x/の電磁波勿交互に印加する
とともに、この180°X′ パルス、18σ−X′パ
ルスを印加する前後の1時間、同時ンこ開力aするX勾
配磁@Gx + y勾配磁場Gyの大きさを少しずつ変
え、その下でのNMR共鳴信号を 各プロジェクション
の信号として検出する。このような動作は、NMR共鳴
信号が得られる間1シーケンスの中で繰シ返して行なう
ことが可能であり、次のシーケンスは、GzO下で90
°パルスの電磁波を開力aする動作からはじまる。各ソ
ーケンスにおいて、各NMR共鳴信号(エコー信号)の
包絡線(*< S図(ホ)の破線)は横緩和時間T2で
減衰している。
コンピュータ8は、180°X′ パルス、180°−
x′パルスを印加する前後において得られる各プロジェ
クションのNMR共鳴共鳴信号表、 E2. E3・・
・及びエコー信号7/ 、 p22/ 、 E、/ 、
・、を入力し、例えばE、。
E2.E3  をフーリエ変換し、X線CTと同様の公
知の手法(月1tered back project
ion )  によって再構成演算を行ない、断層像を
得、これを表示器9に表示する。
なお、上記ではコンピュータ8は、エコー信号J’ +
 E2’ 、 E5′・・・を利用しないことを想矩し
たものであるが、I71しめに出力されるN M R共
鳴信号(これを単にN MR倍信号略す)と、続いて出
力されるエコー信号の両方を利用してもよい。この場合
、利用の仕方としては例えば次のようなものがある。
(i) NMR信号E、 、 (E、、、 E、・・・
〕 とエコー信号E1’ + (E2/ 、 E、、・
・・)の時間軸を反転した信号との平均値を演算し、こ
れを1プロジエクシヨンのデータとして、再構成演算を
行ない、ひとつの断層像を得る。
(11)  エコー信号の包絡線は、緩和時間T2で減
衰していることから、NMR信号E、、E2.・・・を
利用してプロトン密度画像を得るとともに、エコー信号
E1/ 、 E、/・・・を利用して72画像(T2は
近傍の電子核同志のスピンの相互作用に起因している)
を得る。
(iii)  180°xl  パルス、  180′
−x’パルスの…j後において与えるX勾配磁場Gz、
y勾配磁場Gyの大きさをGxn = G+、、 G:
I/n == Gy  とし、■シーケンス中のNMR
信号とエコー信号の全部又はいくつかを平均し、これを
1グロジエクシヨンのデータとする。この場合、高速性
は失なわれるがSlN  比が著しく向上する。
これらの手法をとることによって、SlN  比を良好
にし、良質の画像・2得ることができる。また、診断の
目的に応じて、これらの手法を選歌することによって、
目的に適した断層像を得ることができる。
なお、上記の説明では、被検体に印加する′電磁波のパ
ルス系列として、(90”)→(18o“X′)→(1
80’−x’)−+(] 80°:t′)→(180”
 −z’)−の場合を説明したが、これに代えて、(9
0°)→(180″、/)→(180°−y勺→(18
0°y’)→(180°−V′)・・・のパルス系列を
使用してもよい。
なお、第8図の例において、(ホ)に示すN M R共
鳴信号(エコー信号)のピーク振巾A(包絡線に対応)
は、 で減衰する。したがって、全測定時間が緩和時間T2 
より十分短かければその影響は問題とならない。全測定
時間が比較的長い場合(il41.1定時間がT2  
より十分短かくない場合、このままではプロトン密度画
像にT2が影響して好捷しくない。この場合、次のよう
な手法をとることによって、T2の影響のないプロトン
密度画像を得ることができる。すなわち、鵠8図(ホ)
において、デー タEn とデータE!1′の場合のt
け、それぞれ、2(n−1)τ。
2(n−1)τ+τであるから、2つのデータEn、E
n’をフーリエ変換し、周波数軸上(プロジェクション
n上)の各点のT2を上式から得る。そして、Enを1
=0に外挿して、T2の減衰による影響を除去したプロ
トン密度だけのデータを得ることができる。
第 10 図 シτ」1、  (90’ )→(180
”?/’ン→(180’−1/’)→(180°7 )
・・の電磁波のパルス系列を使用した場合、第8図に示
す各時点t。、 1.、1.、、15 における磁化M
の向きを示したものである。
ここで1.180′v′パルスは、発振器6からの信号
の位相を90°遅れさせたもの金表わしている。
第11図は、本発明に係る手法の他の例を示す動作波形
図である。この手法は、第8図に示す手法において、9
0°パルスを被検体に印り口するiす(17時間前)に
、第11図(イ)に示すように180゜パルスの電磁波
を開力口するようにした。ものである。
なお、180’パルスと同時に、第11図(ロ)に示す
ように2勾配磁場GZ を与える。ここで、180°パ
ルスを剛力Iしてから、90°パルス金印加するまでの
時間τ″は、180°パルスによって方向が180°反
転した磁化Mが、もとに戻るまでの時間が必要である。
この手法によれば、τ“間のT1 の緩和によシ、NM
R信号の強度が変シ、これからT1画像を得ることがで
きる。
第12図は、3次元PR法と呼ばれる手法に本発明を適
用した場合の動作波形図である。ここでは、(180”
z’)、(180°−X′)パルスの前後において、第
12図(ロ)、(ハ)、に)にそれぞれ示すように、2
勾配磁場GZ、Z  勾配磁場GOc及びy勾配磁場G
7/ を同時に印カロするようにしたものである。
以上n兄明したように、本発明に係る手法は、被検体を
90°パルスの電磁波で励起後、(180°x′)→(
180°−X′)又は(180°γ勺→(180°−V
′)のパルス系列を複数回繰り返し、1回のシーケンス
で複数個のデータを得ることができるようにしたもので
、短時間で、被検体内の特定原子核分布等に関連する断
層像を得ることができる。
また、被検体からNMR信号及びエコー信号を得ること
ができるので、S/N比が良好で、分解能の良い断層像
を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は核磁気モーメントを説明するだめの説明図、第
2図は核磁気モーメントの配列について説明するだめの
説明図、第3図は静磁場による核磁気モーメントの整列
について説明するだめの図、第4図は従来の手法の一例
を説明するだめの動作波形図、第5図は第4図の手法に
よる磁化Mの方向を説明するだめの説明図、第6図は本
発明に係る手法を実現するだめの装置の一例を示すブロ
ック図、第7図(イ)は第6図装置に用いられている勾
配磁場コイルの一例を示す構成図、(ロ)il−j同じ
く励磁コイルの構成図、第8図は本発明に係る手法のひ
とつを説明するだめの動作波形図、第9図は本発明の手
法によるそれぞれの時点での磁化Mの方向を回転座標系
上に示した説明図、第10図は本発明に係る手法におい
て、他のパルス系列を使用した場合のそれぞれの時点で
の磁化Mの方向を示した説明図、第11図及び第12図
は本発明の手法の他の例を示1′動作波形図である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 (1)  被検体に一様静磁場を与えるとともに被検体
    に核磁気共鳴を誘起させる周波数の電磁波を印加し、更
    に前記被検体に2種以上の勾配磁場を力え、前記被検体
    からの核磁気共鳴信号f NMR信号、エコー48号)
    を得るようにした検査方法において、 前記被検体に印加する電磁波として、はじめに90パル
    スを印加し被検体を励起後、(180’)n のパルス
    系列を複数回(n回)繰り返して印加することを特徴と
    する核磁気共鳴による検査方法。 (2)(180゛)パルスを印加する前後において等し
    い大きさのX軸方向勾配磁場Gx+1/軸方向勾配磁場
    Gyを同時に印加し、(4,Gy の大きさを1シーケ
    ンス中において少しずつ変えるようにした特許請求の範
    囲第1項記載の核磁気共鳴による検査方法。 (3)  (180°)パルスを印加する前後において
    得られるNMR信号とエコー信号に基ずく各データEn
    、En’をそれぞれフーリエ変換し、周波数軸上の各点
    のT2を得、En 1t−0に外挿してT2による減衰
    の影響を除去したデータを得るようにした特許請求の範
    囲第1項記載の核磁気共鳴による検査方法。 (41(180’)パルスを印加する前後において得ら
    れるNMR信号とエコー信号の時間軸を反転した信号と
    の平均値を演算し、これを1プロジエクシヨンのデータ
    として得るようにした特許請求の範囲第1項記載の核磁
    気共鳴による検査方法。 (5) (180°)パルス金印カロする前後において
    得られるふたつのデータの一力のデータをオリ用してプ
    ロトン密度画像を得るようにし、他方のデータを利用し
    て12画像を刹ノるようにした特許請求の範囲第1項記
    載の核ilK気共鳴による検査方法。 (61(180°)パルスを印加する前後において被検
    体に与えるX勾配磁5GOc、1/勾配磁場Gyの大き
    さをGzn=Gz、 Gyn=Gy  とし、1シーケ
    ンスの中のNMR信号とエコー信号の全部又はいくつか
    を平均し、これを1プロジエクシヨンのデータとする特
    許請求の範囲第1項記載の核磁気共鳴による検査方法。 (7)  被検体に一様静磁場を与えるとともに被検体
    に核磁気共鳴を銹起させる周波数の電磁波を印加し、更
    に前記被検体にこの被検体からの核磁気共鳴信号の放射
    部分を特定するための勾配磁場を与え、前記被検体の特
    定部分からの核磁気共鳴信号(NM、R信号、エコー信
    号)を得るようにした検査方法において、前記被検体に
    印加する電磁波として、はじめに180゛パルスを印加
    し、所定時間経過後90°パルスを印加し被検体を励起
    後、(180’)nのパルス系列を複数回(n回)繰り
    返して印加することを特徴とする核磁気共鳴による検査
    方法。 (8)  被検体に一様静磁場を与える静磁場形成手段
    、前記被検体からの核磁気共鳴信号の放射部分を特定す
    るだめの2種以上の勾配磁場を発生する勾配磁場発生手
    段、前記被検体にパルス状の電磁波を印加するための励
    振手段、との励振手段に与える信号を制御する制御手段
    、前記被検体からの核磁気共鳴信号を検知する手段、こ
    の検知手段からの信号を処理するとともに用足の演算を
    行なって断層像を得る演算手段を具備し、 前記制御手段は、前記励振手段を介してはじめに90°
    パルスを印加し被検体を励起させ、その後、(180’
    )n  のパルス系列を複数回(n回)繰り返して印力
    0する動作をなすことを特徴とする核磁気共鳴による検
    査装置。
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