JP2004248683A - Magnetic resonance imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、核磁気共鳴(以下、NMRと記す)現象を利用して被検体の所望部位の断層画像を得る磁気共鳴イメージング装置(以下、MRI装置と記す)に関し、特に、穿刺針等のデバイスが被検体外に在る時にも磁気共鳴画像(以下、MR画像と記す)上に被検体に対するその位置および方向が描出可能な機能を有するMRI装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
MRI装置は、NMR現象を利用して被検体中の所望の検査部位における原子核スピン(以下単にスピンと記す)の密度分布、緩和時間分布等を計測して、その計測データから被検体の検査部位の任意の断面を画像表示するものである。
【0003】
そして、MRI装置における、撮像シーケンスとしては、スピンエコー法やグラジエントエコー法などの基本的な撮像シーケンスの他、エコープラナー(EPI:Echo Planar Imaging)法や高速スピンエコー(FSE:Fast Spin Echo)法等の、より高速な撮像シーケンスが知られている。
【0004】
これら高速な撮像シーケンスの応用の一つとして、フルオロスコピー(透視撮像)と呼ばれるリアルタイム動態画像化法が臨床応用されつつある。このフルオロスコピーでは、1秒以下程度の周期で撮像と画像再構成を繰り返すことにより、あたかもX線の透視撮影のように、体内組織の動態画像を生成、表示する。このようなフルオロスコピーは、最近では、特に最小の侵襲(Minimum Invasive)を目的としたインターベンショナルMRI(以下、「IVMR」と記す)と総称される術中撮像への応用が行われつつある。IVMRにおけるフルオロスコピーの用途として、最も期待されているのが、穿刺針やカテーテル等のデバイス、ツールを患部に誘導する際のモニタリングである。このようなフルオロスコピーにおいて、穿刺開始位置及び腫瘍を含む断面を描出するため、従来はまず、スライス位置あるいは角度等を変えて被検体中の腫瘍の位置を確認し、次に穿刺針等に取り付けられた光学位置検出ポインタおよびカメラ等のデバイス位置追従装置等を有するMRI装置の光学位置検出系のデスプレイで穿刺針をモニタしながら穿刺開始位置を確認し、その後穿刺開始位置および腫瘍を含むMR断層像を撮影し、そして穿刺に必要な情報を含むMR断層像が得られるまでこの作業を繰り返した。これは穿刺針が被検体の外に在る時にはMR断層像には現われないため光学的位置検出系のデイスプレイで穿刺針の位置をモニタしているにもかかわらず、穿刺方向の決定に必要なMR断層像を得るのに時間を要すると共にその正確性も十分ではないという問題を生じていた。
【0005】
なお、このような問題点を解決するため、例えば、米国特許第6,026,315号では、MRI装置の撮像空間中の複数の所定位置に発光体およびMR信号発生体を設けたファントムを配置し、光学系画像とMR画像の座標系のずれを事前に較正することを提案している。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の目的は穿刺針あるいはその固定具に取り付けられたマーカーを含む任意の撮像断面(位置及び角度)を連続的に描出可能とする機能を備えたMRI装置を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明は、被検体の計測対象領域の計測データを収集する計測を、所定の計測周期毎に繰り返し行うMRI装置において、
上記MR画像上で高信号で描出されるマーカー(比較的短いTIの物質、例えば造影剤、脂肪など)を移動および取り外し自在な構造として穿刺針又は固定具に取り付けることで、体外においても穿刺針位置を描出可能とした。
【0008】
このように構成されたMRI装置では、例えばEPI法によるマルチエコー信号を取得、再構成後、各計測周期において、マーカーを含む任意のMR断層像を連続取得することができるので、従来のように穿刺開始位置と腫瘍位置を別々に計測し、穿刺可能な断面を見つけるのに比べて、短時間で穿刺までのガイディングを行うことができる。
【0009】
なお、本発明でいう計測は、2次元計測および3次元計測のいずれであっても良い。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて詳細に説明する。
【0011】
図1は本発明によるMRI装置の全体構成を示すブロック図である。このMRI装置は、静磁場発生磁石2と、傾斜磁場発生系3と、送信系5と、受信系6と、信号処理系7と、シーケンサ4と、中央処理装置(CPU)8とを備えている。
【0012】
静磁場発生磁石2は、被検体1の周りにその体軸方向または体軸と直交する方向に均一な静磁場を発生させるもので、永久磁石方式または常電導方式あるいは超電導方式の磁場発生手段から成る。この静磁場発生磁石2に囲まれる磁場空間内に後述する傾斜磁場発生系3の傾斜磁場コイル9、送信系5の高周波コイル14a、受信系6の高周波コイル14bが設置される。
【0013】
傾斜磁場発生系3は、X,Y,Zの三軸方向に巻かれた傾斜磁場コイル9と、それぞれの傾斜磁場コイル9を駆動する傾斜磁場電源10とから成り、後述のシーケンサ4からの命令に従ってそれぞれのコイルの傾斜磁場電源10を駆動することにより、X,Y,Zの三軸方向の傾斜磁場GX,GY,GZを被検体1に印加するようになっている。この傾斜磁場の加え方により被検体1に対するスライス面を設定することができる。
【0014】
シーケンサ4は、上記被検体1の生体組織を構成する原子の原子核に核磁気共鳴を起こさせる高周波磁場パルスをある所定のパルスシーケンスで繰り返し生成するもので、CPU8の制御で動作し、被検体1の断層像のデータ収集に必要な種々の命令を、送信系5、傾斜磁場発生系3および受信系6に送るようになっている。
【0015】
送信系5は、上記シーケンサ4の制御により被検体1の生体組織を構成する原子の原子核にNMR現象を起こさせるために高周波磁場を照射するもので、高周波発振器11と変調器12と高周波増幅器13と送信側の高周波コイル14aとから構成される。高周波発振器11から出力された高周波パルスをシーケンサ4の命令にしたがって変調器12で振幅変調し、この振幅変調された高周波パルスを高周波増幅器13で増幅した後に被検体1に近接して配置された高周波コイル14aに供給することにより、電磁波が上記被検体1に照射されるようになっている。
【0016】
受信系6は、被検体1の生体組織の原子核のNMR現象により放出されるエコー信号(NMR信号)を検出するもので、被検体1に近接して配置された受信側の高周波コイル14bと増幅器15と直交位相検波器16と、A/D変換器17とから構成される。高周波コイル14bが検出したエコー信号は、増幅器15及び直交位相検波器16を介してA/D変換器17に入力してディジタル量に変換され、さらにシーケンサ4からの命令によるタイミングで直交位相検波器16によりサンプリングされた二系列の収集データとされ、その信号が信号処理系7に送られる。
【0017】
信号処理系7は、CPU8と、磁気ディスク18及び磁気テープ19等の記録装置と、CRT等のディスプレイ20とから成り、受信系6からの信号をCPU8でフーリエ変換、補正係数計算、画像再構成演算の処理を行い、任意断面の信号強度分布や複数の信号に適当な演算を行って得られた濃度分布等を画像化してディスプレイ20に表示する。
【0018】
光学位置検出装置系22としては、例えば、Northern Digital Instrument社の POLARISなどが利用できる。デバイス位置追従装置23は赤外線カメラで、穿刺針等のデバイスに取りつけられた位置検出光学ポインタ21と基準ポインタを同時に検出する。位置検出装置系には、アクティブ型とパッシブ型がある。アクティブ型は、赤外線発光ダイオードを最低3個医療用のデバイス、ツールにつけ、これらを2個のカメラで検出し、リアルタイムでツールの6次元の動きを表示する。表示速度は、20〜60HZである。位置精度は0.35mm。パッシブ型は、発光ダイオードがカメラ側についており、ツール(位置検出光学ポインタ21)には、直径10mmほどの反射球が3個つく。カメラは球の反射光を検出する。測定精度は、アクティブ型と同等で、ツールに電源供給ラインが不要となるため、IVMRでの使い勝手が良い。パッシブ型には、赤外線反射球が3−4個取り付けてある。反射球の直径は例えば10mmである。基準ポインタは、静磁場中心に対してある特定の固定位置に設置される。光学カメラは、MRI装置の静磁場発生領域の中心から1mから1.5m離れた距離に、アームで吊り下げられており自在に向きや位置を変えられる。
位置検出光学ポインタ21は術者が手に持って移動できる。基準ポインタは、例えばMRI装置のガントリーの上面に取り付けてある。基準ポインタに対する位置検出光学ポインタ21の位置、傾きが、カメラで撮影され、その画像信号を用いてパーソナルコンピュータ26が常にその位置を計算する。データ更新レートは2−20画像/s程度が良い。位置データは、パーソナルコンピュータ26に例えばRS232Cケーブルで送られる。MR画像へのノイズ混入を防ぐには、光ファイバーケーブル27を使うとよい。位置データは、MRIフルオロスコピーシーケンスの撮影断面へ0.5s以内に反映される。撮影シーケンスはグラジエントエコーシーケンスやマルチショットEPIなどのフルオロスコピー用シーケンスである。これらのシーケンスでは、0.5s−4sごとに画像が更新できる。
【0019】
次に上記MRI装置による穿刺針あるいはその固定具に取り付けられたマーカーを含む任意の撮像断面(位置及び角度)を連続的に描出する方法を説明する。まず被検体を静磁場磁石内の測定空間に配置し、目的とする撮像領域について連続撮像を行う。
【0020】
上記の連続撮像において、穿刺開始位置及び腫瘍を含む断面を短時間で描出する方法として、図2に示すような穿刺針400にMR信号を放出するマーカー401,402(中心が空洞でストッパーがついたMR信号を発する円形物質)を複数個取り付け、更に光学デバイス追従装置405とデバイス検出用光学マーカー404を用いることで現在位置を把握し、光学デバイス追従装置405で取得した位置情報をMRI装置にフィードバックさせることで、穿刺針あるいはその固定具に取り付けられたマーカーを含む任意の撮像断面(位置及び角度)を連続的に描出することが可能となる。これにより、穿刺針が体外にある場合においても穿刺針位置を画面(画像)上で確認しながら、腫瘍403を探索することが容易になる。また、MR信号を放出するマーカー401,402は移動および取り外し自在で、穿刺を始めた時は状況に応じて脱着が可能である。
【0021】
本発明の第二の実施例として、図3に示すようなシース内にMR信号を発する物質を組み込んだ例を示す。MR信号を放出する物質を用いて製作したシース501に穿刺針500を通す。更に光学デバイス追従装置504とデバイス用光学マーカー503を用いることで現在位置を把握し、光学デバイス追従装置504で取得した位置情報をMRI装置にフィードバックさせることで、穿刺針あるいはその固定具に取り付けられたマーカーを含む任意の撮像断面(位置及び角度)を連続的に描出することが可能となる。これにより、穿刺針位置を画面(画像)上で確認しながら、腫瘍502を探索することが容易になる。第一の実施例と比べて、MR信号を放出するマーカー501を取り外す必要がなく、体内おいてもコントラスト差から存在位置を確認できるメリットもある。
【0022】
また、上記MR信号を発するマーカー及びシースはT1,T2の比較的短い物質(例えば、造影剤、脂肪、シリコン)又はT1,T2の比較的長い物質(例えば、水)で構成されており、適用部位、撮像シーケンスなどによって画像コントラストが異なるので、条件によって使い分けることも可能である。
【0023】
その他、以上の説明では基礎となる計測データとして二次元計測データの場合を説明したが、三次元計測データであっても同様に任意の多種のデータ取得が可能であり、同様の効果を得ることができる。
【0024】
【発明の効果】
以上説明したMR信号を発するマーカーを穿刺針又はその固定具に取り付け、穿刺針に取り付けられた光学デバイス追従装置を用いることで、マーカー及び穿刺針を含む断面(位置および角度)を体外においてもMR画像上で確認することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明が適用されるMRI装置の全体構成を示すブロック図。
【図2】本発明の第一の実施例による体外の穿刺針と腫瘍との関係を説明する図。
【図3】本発明の第二の実施例による体外の穿刺針と腫瘍との関係を説明する図。
【符号の説明】
1 ・・・被検体
2 ・・・静磁場発生磁石
3 ・・・傾斜磁場発生系
4 ・・・シーケンサ
5 ・・・送信系
6 ・・・受信系
7 ・・・信号処理系
8 ・・・CPU
9 ・・・傾斜磁場コイル
10 ・・・傾斜磁場電源
14a ・・・送信側の高周波コイル
14b ・・・受信側の高周波コイル
16 ・・・直交位相検波器
17 ・・・A/D変換器
18 ・・・磁気ディスク
19 ・・・磁気テープ
20 ・・・ディスプレイ
21 ・・・デバイス位置検出光学ポインタ
22 ・・・光学位置検出装置系
23 ・・・光学デバイス位置追従装置
24 ・・・モデム
25 ・・・モデム
26 ・・・パーソナルコンピュータ(PC)
27 ・・・光ファイバーケーブル
400,500 ・・・穿刺針
401,402,501 ・・・MR信号放出マーカ
403,502 ・・・腫瘍
404,503 ・・・デバイス用光学マーカ
405,504 ・・・光学カメラ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetic resonance imaging apparatus (hereinafter, referred to as an MRI apparatus) for obtaining a tomographic image of a desired site of a subject by utilizing a nuclear magnetic resonance (hereinafter, referred to as an NMR) phenomenon, and particularly to a device such as a puncture needle. The present invention relates to an MRI apparatus having a function of delineating its position and direction with respect to a subject on a magnetic resonance image (hereinafter, referred to as an MR image) even when the device is outside the subject.
[0002]
[Prior art]
The MRI apparatus measures a nuclear spin (hereinafter simply referred to as spin) density distribution, relaxation time distribution, and the like at a desired examination site in the subject by utilizing the NMR phenomenon, and uses the measured data to determine the inspection site of the subject. Are displayed as images.
[0003]
As an imaging sequence in the MRI apparatus, in addition to a basic imaging sequence such as a spin echo method and a gradient echo method, an echo planar (EPI: Echo Planar Imaging) method and a fast spin echo (FSE: Fast Spin Echo) method For example, higher-speed imaging sequences are known.
[0004]
As one application of these high-speed imaging sequences, a real-time dynamic imaging method called fluoroscopy (fluoroscopic imaging) is being clinically applied. In this fluoroscopy, a dynamic image of a body tissue is generated and displayed as if by X-ray fluoroscopy by repeating imaging and image reconstruction at a cycle of about 1 second or less. Such fluoroscopy has recently been applied to intraoperative imaging, which is collectively referred to as interventional MRI (hereinafter, referred to as “IVMR”) for the purpose of minimum invasiveness (Minimum Invasive). The most promising use of fluoroscopy in IVMR is monitoring when guiding devices and tools such as puncture needles and catheters to the affected area. In such a fluoroscopy, in order to depict the puncture start position and the cross section including the tumor, conventionally, the position of the tumor in the subject is first checked by changing the slice position or angle, and then attached to a puncture needle or the like. A puncture start position is confirmed while monitoring a puncture needle with a display of an optical position detection system of an MRI apparatus having a detected optical position detection pointer and a device position tracking device such as a camera, and then an MR tomogram including a puncture start position and a tumor The image was taken and this operation was repeated until an MR tomogram containing the information necessary for puncturing was obtained. This is necessary for determining the puncture direction even though the position of the puncture needle is monitored by the display of the optical position detection system because the puncture needle does not appear in the MR tomographic image when it is outside the subject. There has been a problem that it takes time to obtain an MR tomographic image and its accuracy is not sufficient.
[0005]
In order to solve such a problem, for example, in US Pat. No. 6,026,315, a phantom in which a light emitter and an MR signal generator are provided at a plurality of predetermined positions in an imaging space of an MRI apparatus is arranged. Then, it is proposed to calibrate in advance the deviation between the coordinate systems of the optical system image and the MR image.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, an object of the present invention is to provide an MRI apparatus having a function of continuously drawing an arbitrary imaging section (position and angle) including a marker attached to a puncture needle or a fixture thereof.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention for achieving the above object is an MRI apparatus that repeatedly performs measurement for collecting measurement data of a measurement target region of a subject every predetermined measurement cycle,
By attaching a marker (a substance having a relatively short TI, for example, a contrast medium, fat, etc.) drawn with a high signal on the MR image to a puncture needle or a fixing device as a movable and detachable structure, the puncture needle can be used outside the body. The position can be drawn.
[0008]
In the MRI apparatus configured as described above, for example, after acquiring and reconstructing a multi-echo signal by the EPI method, an arbitrary MR tomographic image including a marker can be continuously acquired in each measurement cycle. Guidance up to puncturing can be performed in a shorter time as compared with measuring the puncturing start position and the tumor position separately and finding a punctuable cross section.
[0009]
The measurement in the present invention may be either two-dimensional measurement or three-dimensional measurement.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0011]
FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of the MRI apparatus according to the present invention. This MRI apparatus includes a static magnetic field generating magnet 2, a gradient magnetic field generating system 3, a transmitting system 5, a receiving system 6, a signal processing system 7, a sequencer 4, and a central processing unit (CPU) 8. I have.
[0012]
The static magnetic field generating magnet 2 generates a uniform static magnetic field around the
[0013]
The gradient magnetic field generating system 3 includes a gradient magnetic field coil 9 wound in three axes of X, Y and Z, and a gradient magnetic field power supply 10 for driving the respective gradient magnetic field coils 9. By driving the gradient magnetic field power supplies 10 of the respective coils in accordance with the following formulas, gradient magnetic fields G X , G Y , and G Z in three axes of X, Y, and Z are applied to the
[0014]
The sequencer 4 repeatedly generates a high-frequency magnetic field pulse for causing nuclear magnetic resonance in the nuclei of the atoms constituting the living tissue of the
[0015]
The transmission system 5 irradiates a high-frequency magnetic field to cause the nuclei of the atoms constituting the living tissue of the
[0016]
The receiving system 6 detects an echo signal (NMR signal) emitted by the NMR phenomenon of the nucleus of the living tissue of the
[0017]
The signal processing system 7 includes a CPU 8, a recording device such as a
[0018]
As the optical position detecting device system 22, for example, POLARIS manufactured by Northern Digital Instrument can be used. The device
The operator can move the position detection
[0019]
Next, a method for continuously drawing an arbitrary imaging section (position and angle) including a marker attached to a puncture needle or a fixture thereof by the MRI apparatus will be described. First, a subject is placed in a measurement space in a static magnetic field magnet, and continuous imaging is performed on a target imaging area.
[0020]
In the above continuous imaging, as a method of rapidly delineating a puncture start position and a cross section including a tumor,
[0021]
As a second embodiment of the present invention, an example in which a substance that emits an MR signal is incorporated in a sheath as shown in FIG. The
[0022]
In addition, the marker and the sheath that emit the MR signal are made of a relatively short substance of T1 and T2 (for example, contrast agent, fat, silicon) or a relatively long substance of T1 and T2 (for example, water). Since the image contrast varies depending on the region, the imaging sequence, and the like, it is possible to use the image contrast properly depending on the conditions.
[0023]
In addition, in the above description, the case where two-dimensional measurement data is used as the basic measurement data has been described. However, it is possible to obtain any kind of data even with three-dimensional measurement data, and obtain the same effect. Can be.
[0024]
【The invention's effect】
By attaching the marker that emits the MR signal described above to the puncture needle or its fixture and using the optical device following device attached to the puncture needle, the cross section (position and angle) including the marker and the puncture needle can be MR outside the body. It can be confirmed on the image.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing an overall configuration of an MRI apparatus to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a view for explaining the relationship between an extracorporeal puncture needle and a tumor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a view for explaining the relationship between an extracorporeal puncture needle and a tumor according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
9 Gradient magnetic field coil 10 Gradient magnetic
27
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