JPS6029686A - 核磁気共鳴による検査装置 - Google Patents

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
ｉｃ　ｒｅｓｏ−ｎａｎｃｅ　）　（以下これをｒ　Ｎ
　Ｍ　ＲＪと略称する。）現象を利用して、被検体内に
おりる特定原子核分布等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および検査装置に関する。

特に、医療用装置に通ずるＮＭＲ画像装置の改良に関す
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おり、これらは全
体として、核スピン角運動１１で回転し７ているとみな
される。

第１図は、水素の原子核（１１−１＞を示したもので、
（イ）に示すように１個の陽子■）からなり、スピンは
手数２で表される回転をしている。ここで、陽子Ｙ）は
、（ロ）に示すよ・うに正の電荷ｅ＋を持っているので
、原子核の回転に１７ｔい、磁気モーメントメ１が生ず
る。ずなわら、−・っ−っの水素の原子核は、それぞれ
一つ一つの小さなに’を石とめなせる。

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（・ｆ）に示す
ように揃っており、全体として磁化が観測される。これ
に対して、水素等の場合は、微小磁石の方向（θ２気モ
ーメン１−の向き）はく口）に示すようにランタン・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−Ｚ方向の静磁場Ｈ。

を印加すると、各原子核カ月Ｉｎの方向に揃う。ずなわ
ち核のエネルギー準位がＺ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２であるから
、第３図（ロ）に示すように、−２と→−％の２つのエ
ネルギー準位に分かれる。２つのエネルギー準位間のエ
ネルギー差ΔＥは、（１）式で表される。

ΔＢ　＝　ｒ　’Ｂ　ＨＯ−−−−−−（１，またたし
、γ：磁気回転比 上−ｈ／２π ｈニブランク定数 ここで各原子核には、静磁場）１　ｏによって、μＸｌ
ｌ。

なる力が加わるので、原子核はＺ軸のまわりを、（２）
式で示すような角速度ωで歳差運動する。

ω−γＨｏ（ラーモア角速度）　・・・・・・（２）こ
の状態の系に角速度ωに列名する周波数の電磁波（通當
うソオ波）を印加すると、共鳴がおこり、原子核は（］
）式で示されるエネルギー差へ已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数ＩｆＬ類混在していても
、各原子核によって磁気回転比γが異なるノコめ、共鳴
する周波数が異なり、したがって特定の原子核の共１１
５のめを取り出ずごとができる。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、緩和時間と呼はれる時定数で定まる時間の
後に、高い単位へ励起された原子核は、（１（い準位へ
もどる。

この緩和時間は、スピン−格子緩和時間（縦緩和時間）
Ｔ１と、スピン−スピン緩和時間（横暖和時間）Ｔ２と
に分類され、この緩和時間を観ｉｊすすることにより物
質分布のデータを１１７るごとができる。一般に固体で
は、スピンは結晶格子の」−に決まった位置にほぼ゛固
定されているので、スピン同士の相互作用が起こりやす
い。し７たがって緩和時間Ｔ２は短く、核磁気共鳴で１
９だ１ネルキーは、まずスピン系にゆきわたってから格
子系に移ってゆ（。したがって時間′Ｆ１は′１゛２に
比べて著しく大きい。これに対して、液体では分子が自
由に運動しているので、スピン同士スピンと分子系（格
子）のエネルギー交換の起こりやすさは同程度である。

したがって時間Ｔ１と′［２はほぼ等しい値になる。特
に時間Ｔ１は、各化合物の結合の仕方に依存している時
定数であり、正雷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）について説明したが、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
行うことが可能であり、水素原子核以外に、リン原子核
（Ｐ）、炭素原子核（１３Ｃ）　、−ｊ−１−’Ｊ　ラ
ム原子核（２３Ｎａ、）フ・ノ素原子核＜　ｌ？　Ｆ＞
　、酸素原子核（′７０）等に通用可能である。

このように、ＮＭＲによって、１１￥定ｊ３；（イ核の
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種々の化学的情報を得る
ことにより、被検体内に種々の検査を行うことができる
。

従来より、このようなＮ　Ｍ　Ｒを利用した検査装置と
して、被検体の仮想輪切り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Ｎ　Ｍ　Ｒ共鳴信号を、被
検体の数多くの方向についてめ、Ｘ線ＣＴと同様の原理
で、被検体の各位置におりるＮ　Ｍ　Ｉ？共鳴信号強度
をｉ′ＩＴ構成法によってめることができる。

このような装置で〜磁化ヘラ１−ル るための高周波パルスを用いる方法がある。その−例は
インバージョン・リカバリ法であって、ＮＭ　Ｒ信号の
観測に先立ってひとつのシーケンスの先頭に、磁化−、
クトルＭを反転さ・Ｕるための　１８０°パルスを被検
体に印加する。その後所定の時間をおいてから、勾配磁
界のをいろいろに変化させて、所望のＮ　Ｍ　Ｒ信号を
検出するものである。この方法では、１．、Ｉシめに磁
化ベクトルＭを正６１「に反転させておくことが必要で
あるが、励磁コイルの形状その他の影響により、高周波
磁界の大きさが被検体の部分により異なり、被検体のあ
る部分では磁化ベクトルＭが１８０“回転しても、別の
部分では回転が不足しあるいは過剰になって、測定結果
の誤差の原因になることがある。また、印加する高周波
パルスを正しく１８０°に設定したつもりで４−）、パ
ルス１陥やパルスの電力に誤差があると、磁化ベクトル
Ｍは正しく回転しないことになる。

第４図は磁化ベクトルＭが１８０゛パルスにより，）回
転する様子を説明する図である。いま、磁化−１りｌ−
ルＭのはじめの方向を２軸にとり、そのＸ軸に垂直な直
交平面をｘ．　ｙとすると、第４図（Δ）ははじめの状
態で、同（Ｂ）は回転が不足した場合を示し、同（Ｃ）
はちようど正しく１８０゛回転した場合を示し、同（Ｄ
）は例え（４研界が大きずぎで回転が過剰になった場合
を示す。

本発明は、高周波磁界あるいＬＪ：　＋ｔＴｉ周波パル
スのパルス幅や電力に多少の誤差があっても、その誤差
を打ち消して、磁化ベクトルＭを正しく　１８０’回転
させることができる方法を提供することを目的とする。

本発明は、Ｘ軸の周りに磁化ヘク］−ルＭを１８０’回
転させるためのパルスは、Ｘ軸の周りに９０　’回転さ
せるパルスと、ｙ軸の周りに　１８０゛回転さ・Ｕるパ
ルスと、さらにＸ軸の周りに９０°回転させるパルスの
組合せにより構成することを特徴とする。

第５図は本発明実施例方法による磁化ハク１−ルＭの回
転を説明するだめの図である。第５図■は磁化ベタ１−
ルＭのはじめの状態を示ず。はしめの磁化ベクＩ−ルＭ
の方向を２軸の方向とし、このＸ軸に直交する平面をｘ
，ｙ平面とする。本発明の方法ばごの磁化ベクトルＭを
反転さ七て−２の方向に向かせるために、　１８０°パ
ルスを一度に印加するのではノｌ　＜、Ｘ軸の回りに９
０°回転させる第一の高周波パルスと、ｙ軸の周りに　
１８０゛回転さセる第二の高周波パルスと、Ｘ軸の周り
にさらに９０　°回転さ−する第三の高周波パルスとの
３段階にパルスを印加する。

まず、高周波磁界が所定の強度よりやや小さい場合につ
いて説明すると、第一の高周波パルスで磁化ベクトルＭ
はＸ軸の回りにほぼ９０°回転するが、高周波磁界がや
や小さいために、第５図■に示すように９０°よりやや
少なめの角度に回転している。つぎに、第二の高周波パ
ルスが印加され′ζこれをｙ軸の周りに１８０゛回転さ
せると、第５図■に示すようになる。さらに第三の高周
波パルスにより、さらにＸ軸の周りに９０°回転させる
と、この場合にも同様に高周波磁界が小さいので、その
回転角度が小さくなり、らようど１８０゛回転したよう
な状態になる。

第５図■〜■ば高周波磁界の大きさが正しい場合である
。この場合は、第一の高周波パルスで１１しく９０°回
転し、その次に第二の高周波パルスが印加されてｙ軸の
周りに９０°回転を与えても実効的に変化がなく、さら
に第三の高周波パルスにより９０°回転させることによ
り、正しり１８０゛回転することになる。

つぎに、高周波磁界が所定の強度よりやや大きい場合に
ついて説明すると、第５図■に示ずように第一の高周波
パルスにより磁化ヘクＩ・ルＭは９０　’より大きく回
転する。つづいて第二の高周波パルスによりｙ軸の周り
に１８０゛回転を与えると、第５図■のように戻りを与
えた形になる。さらに、第三の高周波パルスによりｘ！
Ｉｌ＋の周りに９０　’の回転を与えると、この場合に
も高周波磁界の大きさは所定の大きさより大きいので、
磁化ヘタトルＭは所定の９０°より大きく回転して、第
５図［相］に示すように正しく　１＋３０“回転したこ
とになる。

このように、高周波磁界の大きさが多少相違しても、結
果的にはωヶ化ベク１−ルＭの回転は自動的に７市償さ
れて、　１８０°だけＩＦシク回転することになる。高
周波ω磁界に限らず、パルス幅あるいはパルス電力その
他の影響で、磁化ベクトルＭがやや少なくあるいｉＪや
や大きく回転する場合についても同様である。

第６図は本発明の手法を実現するた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、■は一様
静舛場Ｌｌｏ（この場合の方向をＺ方向とする。）を発
生さセるための静磁場用コイル、２はこの静磁場用コイ
ル１の制御回路で、例えは直流安定化電源を含んでいる
。静磁場用コイル１によ−ｙで発生ずる磁束０）　’ｖ
ｉ’、度１（、ｌは、（１，１’ｌ゛Ｒ４度であり、ま
た均一度は１’Ｏ−”以上であることが望ましい。

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３
２．３３、図示してないがｙ勾配磁場用コイル３２．３
３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は、
一様静磁場１１、〕と同一方向磁で、ｘ、ｙ、ｚ軸方向
にそれぞれ直線勾配をもつ磁場を発生ずる。６０は制御
回路４のコン］・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パルスを電
磁液として与える励磁コイルで、その構成を第７図（ロ
）に示す。

６はｆｆ１１１定しようとする原子核のＮ　Ｍ　Ｒ共鳴
条（’１に対応する周波数（例えばプロトンでは、　４
２．６Ｍ１−１ｚ／Ｔ）の信号を発生ずる発振器で、そ
の出力は、コン１−ローラ６０からの信号によって開閉
が制御されるケート回路６１、パワーアンプ６２を介し
て励磁コイル５に印加されている。７は被検体におりる
ＮＭＲ共鳴信号を検出するための検出コイルで、その構
成は第７図（ロ）に示す励磁コイルと１１１シで、励鏝
二１イル５に対して９０　’回転して設置されている。

なお、この検出二１イルは、被検体にてきるだＬ）近接
して設置されることが望ましいが、必要に応して、励は
コイルと兼用させてもよい。

７１は検出コイル７から１ｑられるＮ　Ｍ　Ｒ共鳴信月
（Ｆ　Ｉ　Ｉ）　：　ｆｒｅｅ　１ｎｄｕｃｔｉｏｎ　
ｄｅｃａｙ）を増幅する増幅器、７２は位相検波回路、
７３は位相検波された増幅器７１からの波形信号を記憶
するウェーブメモリ回路で、Δ／ｌ）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・イハで構成される伝送路７４を介して人力し、所
定の信冒処理を施して断層像を得るコンピュータ、９は
冑られた断層像を表示するテレビジョンモニタのような
表示器である。

このように構成した装置の動作を第８図を参１１（（し
て説明する。第８図は本発明実施側力法のパルス系列波
形図である。

まず、はじめに制御回路２は静磁場用コイルｌに電流を
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はグーｌ−回路６１を開とし、発
振器６からの信号を増幅器６２を介して励磁コイル５に
印加し、第８図（イ）に示すように高周波パルスは被検
体を励起する。

ここで本発明の特徴とするとごろは、この高周波パルス
が、Ｘ軸の周りに９０°の回転を与える第一の高周波パ
ルスと、ｙ軸の周りに　１８０°の回転を与える第二の
高周波パルスと、さらにＸ軸の周りに９０°の回転を与
える第三の高周波パルスとの３個の異なる高周波パルス
が順次印加されるところにある。

この高周波パルスの印加の後に、所定の時間τが経過し
てから、第８図（ロ）　（ハ）　（ニ）に示すように勾
配磁界Ｇｚ、Ｇｘおよびｃｙを与えるとともに、高周波
パルスを印加して被検体に核磁気共鳴を励起させて、第
８図（ホ）に示すようなＮＭＲ信号を観測する。この手
法については本発明の要旨ではないので、ここては詳し
い記述を省略する。

第９図は本発明の別の実施例についてのパルス系列波形
図である。この例はインバージョン・リカバリ法による
被検体の緩和局間′■゛１を測定方法であって、第９図
（イ）に示すようにはじめにｉＲ１周波パルスを与えて
から、つぎに９０　’の１ｌｌｉ周波パルスを開力Ｉ目
°るまでの時間τを変化させて、このときのＮ　Ｍ　Ｒ
信号を観測するものであって、この場合にもはしめの１
８０°パルスが、Ｘ軸の周りに１］Ｏ°の回転を与える
第一のｉＲｉ周波パルスと、ｙ軸の周りに１８０°の回
転を与える第二の■口ｉ　１？ｉ］波パルスと、さらに
Ｘ軸の周りに９０　’の回転を与える第三の高周波パル
スとの３個の異なる高周波パルスにより構成される。

この他、高周波パルスとしてθ番化−・りトルＭを反転
させるパルスを印加する方法はさまざまな応用があり、
これらの応用についても同様に本発明を実施することが
できる。

つきに、本発明の方法の効果についごソミュレーション
を行った結果を示す。第１（１図は横軸に印加する高周
波パルスの振幅を基準化した値で示し、縦軸に磁化ベク
トルＭの２成分を示す。第１Ｏ図の曲線Ａは本発明の方
法により３段階に高周波パルスを印加した場合であり、
同Ｂは比較例として、従来方法で１８０°パルスを一度
に与える方法である。この図からパルス振幅に±２０％
程度の誤差かあっても、磁化ヘクｌ〜ルＭの反転にはほ
とんど誤差が発生ずることなく、本発明の方法がきわめ
て有効であることがわかる。この辺Ｊ果については、パ
ルスの振幅による場合も、高周波パルスのθヶ界の大き
さについても、そのほか高周波パルスにより磁化ヘクＩ
−ルＭを反転させる作用にｔＷを与えるあらゆる要素に
ついて同様である。

以上説明したように、本発明によれば、高周波パルスの
大きさあるいは高周波パルスの幅なとに多少の誤差があ
っても、磁化ハク１−ルＭは正しく１８０°反転する。

したがって、測定の精度が向」二するとともに、高周波
パルスを印加するための装置の精度は緩やかになり経済
化される。特に、被検体の部分によって高周波パルスの
強度が相違する場合にきわめて有効であり、被検体のｆ
ｊ！ｆ、分により測定の誤差が相違するようなことがな
くなって、測定の結果が正６７Ｆになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は水素原子のスピンを説明する図。 第２図は水素原子の磁気モーメントを模式化し）こ１釆
１ 第３図は水素原子の原子核が磁場の方向に揃う状態を説
明する図。 第４図は１８０°パルスにより磁化ヘクｌ−）しＭ　全
反転させる従来例方法を示す図。 第５図は本発明実施例方法により磁化ハク１−ルＭを反
転させる方法を説明する図。 第６図ＩＪ本発明実施例装置の構成図。 第７１ン１は（＆？、場用コイルの一例を示す構造図。 第８図は本発明実施例方法のパルス系列波形図。 第９図は本発明実施例方法のパルス系列波形図。 第１０図は本発明の効果をシュミレーションによりめた
一例を示す図。Δは本発明実施例、Ｂは従来方法による
比較例を示す。 特許出願人　横河北辰電機株式会社 代理人　弁理士　井　出　直　孝 （イ）　（ロ） （イ）　（ロ） （イ）　（ロ） 第３図 第４図 第５図 第８図 第９図 第１０図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１，１被検体に一様な静磁場を印加してこの被検体の
   組織を構成する原子の原子核に核磁気共鳴を与えるため
   の高周波パルスの印加を行い、上記原子核に生じる核磁
   気共鳴信号の測定を行い、 この原子核が共鳴している高いエネルギーレベルから熱
   平衡状態の低いエネルギーレベルに戻るまでの自由誘導
   振動を測定する方法を含み、さらに、上記高周波パルス
   の印加には、磁化ベクトルを反転するための高周波パル
   スの印加を含む核磁気共鳴による検査方法において、」
   二軸磁化ベクトルを反転するための高周波パルスの反転
   すべきベクトルの方向を２軸方向とし、そのｚ軸に直交
   する平面直交座標軸をそれぞれＸ軸およびＸ軸とすると
   き、」二軸磁化ヘク１−ルを反転するための高周波パル
   ス力、 Ｘ軸のまわりに９０°回転させる高周波パルスと、Ｘ軸
   のまわりに１８０°回転さ・Ｕる高周波パルスと、 さらにＸ軸のまわりに９０°回転さ・ける高周波パルス
   と の組合せにより構成されることを特徴とする核磁気共鳴
   による検査方法。