JP2004261591A - 磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 傾斜磁場パルスを印加する方向と波形を色々変えて傾斜磁場パルスによって誘起される渦電流磁場や残留磁場の不整磁場を時間的および空間的に計測することで、不整磁場の各種依存性に関する較正データを取得し、較正データに基づいてシムコイルや局在コイル若しくは傾斜磁場パルス発生系に対して補正電流を即時印加する。
【選択図】 図2
Description
そのため、傾斜磁場パルスの印加量を所望の値で印加できなくなり、その結果としてエコー信号強度の低下や、再構成画像上において歪みやゴースト等のアーチファクトが発生し、画質が劣化する。
[特許文献1]の方法は、傾斜磁場パルスの印加によって誘起される渦電流磁場の時間変化を自由誘導減衰信号(以下、FID信号と略記する)にエンコードして計測し、これを減衰時定数の異なる2又は3個の指数関数でフィッティングすることにより、渦電流磁場の時間変化を近似して求める。
[特許文献4]では、撮影の前に装置として印加可能な最大傾斜磁場パルスを準備パルスとして付加する。これにより永久磁石装置固有のヒステリシス曲線上で最大領域を走査し、発生する残留磁場を一定値にしている。
(4-1)準備パルスと同じ極性を持つ傾斜磁場パルスの印加に対しては有効であるが、逆極性の傾斜磁場パルスを印加した時点で残留磁場は準備パルスで設定された値から逸脱してしまう。MRI撮影において傾斜磁場パルス極性の反転は必須であり、これへの対応が必要である。
(4-2)準備パルスを付加することにより撮影時間が延長する。
等の解決すべき問題が残されている。
(5-1)発生する残留磁場の分極(B0)成分についてのみ補正を行っており、他の成分が考慮されていない。
(5-2)残留磁場は印加する傾斜磁場パルス波形に対して非線形な応答であり、且つ撮影空間の場所によって異なる空間依存性を有する事が考慮されていない。
(5-3)テスト傾斜磁場パルスは1方向のみに印加されるだけであり、永久磁石装置で問題となる2方向、3方向同時に印加した時の応答が考慮されていない。
等の解決すべき問題が残されている。
また、本発明の第2の目的は、不整磁場の補正を、それ自身の時間・空間依存性に対応して行うことである。
また、本発明の第3の目的は、特に残留磁場の補正を、傾斜磁場パルスの印加履歴に対する依存性に対応して行うことである。
(1)計測空間に静磁場を与える静磁場発生手段と、スライス方向と位相エンコード方向と周波数エンコード方向のそれぞれに傾斜磁場を与える傾斜磁場発生手段と、前記傾斜磁場の印加によって誘起される不整磁場を補正する補正コイル及び較正データを空間成分毎に備え、該較正データに基づいて該補正コイルに供給する電流を制御することによって、前記不整磁場の前記空間成分毎の時間変化に対応して補正磁場を制御する補正磁場制御手段を備えたMRI装置において、
前記補正磁場制御手段は、前記傾斜磁場に対して非線形に応答して発生する不整磁場を補正する(請求項1)。
特に、前記パラメータが前記傾斜磁場波形の振幅を有して、前記補正磁場制御手段は、該振幅に対応して前記補正磁場を制御する(請求項3)。さらに/或いは、前記パラメータが前記傾斜磁場波形の形状を有して、前記補正磁場制御手段は、該形状に対応して前記補正磁場を制御する(請求項4)。
これらにより、不整磁場が持つ傾斜磁場パルス波形に対する各種依存性に詳細に対応して、精密に不整磁場を補正することができる。その結果、前記第2の目的をも達成することができる。
特に、前記較正データは前記空間成分毎のヒステリシス曲線を有し、前記補正磁場制御手段は、該ヒステリシス曲線にもとづいて前記補正磁場を制御する(請求項6)。
これによれば、特に永久磁石装置において発生する残留磁場が持つ、ヒステリシス特性に対応して残留磁場を補正することが可能になる。その結果、前記第3の目的をも達成することができる。
これらによれば、不整磁場を空間成分毎にきめ細かく補正することが可能になる。特に、空間成分を球面調和関数の所望の次数項に対応する成分とすることで、既知の球面調和関数に基づいた計算処理によって不整磁場の殆どの成分を補正することが可能になる。さらに、空間成分毎の補正コイルでも補正しきれない残りの局所成分をそれに対応する局在コイルを追加することによって、更にきめ細かく不整磁場を補正することができる。
(5)MRI装置において、傾斜磁場の印加よって誘起される不整磁場を補正する方法であって、
(a)テスト傾斜磁場の印加によって誘起される前記不整磁場を空間成分毎に求めて、該不整磁場を補正する較正データを空間成分毎に得る工程と、
(b)前記(a)の工程を前記テスト傾斜磁場の振幅を変えて繰り返し、該振幅毎でかつ前記空間成分毎に前記較正データを得る工程と、
(c)前記較正データに基づいて、印加される傾斜磁場の振幅に対応して前記不整磁場を空間成分毎に打ち消すような補正電流を求める工程と、
(d)前記(c)の工程で求めた空間成分毎の補正電流を、対応する空間成分の補正磁場を発生する補正コイルに、前記傾斜磁場の印加に同期して供給する工程
とを備える。
これにより、傾斜磁場の振幅に対して非線形的に応答して発生する不整磁場を、その空間成分毎に補正することが可能になる。その結果、前記第1の目的を達成することができる。
(e)前記(b)の工程を前記テスト傾斜磁場の形状を変えて繰り返し、該形状毎に前記較正データを得る工程
を有し、前記(c)の工程において、印加される傾斜磁場の形状にも対応して前記不整磁場を打ち消すよう補正電流を求める。
これにより、傾斜磁場の波形毎に異なって発生する不整磁場を、その空間成分毎に補正することが可能になる。その結果、前記第2の目的を達成することができる。
これにより、特に残留磁場の補正において、それが持つヒステリシス特性に対応して補正することが可能になる。その結果、前記第3の目的を達成することができる。
その結果、不整磁場に起因する再構成画像の劣化を低減することができ、特に、永久磁石装置特有の残留磁場に起因する画像劣化を大きく低減することができる。そのため、大振幅傾斜磁場パルスを利用するRF脂肪抑制撮影や拡散強調撮影、エコープラナー法による撮影における画質向上が可能となる。
最初に、本発明が適応されるMRI装置の概略を図1により説明する。図1は本発明が適用されるMRI装置の一例の全体構成を示すブロック図である。このMRI装置は、NMR現象を利用して被検体の断層画像を得るもので、同図に示すように静磁場発生系1と、傾斜磁場発生系2と、送信系3と、受信系4と、信号処理系5と、シーケンサ6と、中央処理装置(CPU)7と、操作部8とを備えて構成される。
また、静磁場不均一を補正するためのシムコイルや局在コイル27を備えて、これらに供給する電流を調整して静磁場不均一を補正して、静磁場均一度を向上させる。
本発明を適用したMRI装置においては、後述する補正磁場調整装置を備えてこの補正を行う。
(D1)時間依存性
渦電流磁場は時間的に複雑に変動しながら減衰していくが、残留磁場は減衰せずに時間的に一定(これも時間依存性の一種と言える)のまま残留し続ける。
(D2)空間依存性
不整磁場の発生の分布が空間的に異なり、MRI装置座標系における3次元座標位置に応じた分布を持つ。これはMRI装置の構造や材質に依存して変わる。
(D3)線形的波形依存性
傾斜磁場パルス波形の時間変化率に線形的に依存して渦電流磁場が生じる。例えば、傾斜磁場パルス波形の時間変化率が倍になれば、渦電流磁場も倍になり、傾斜磁場パルス波形の時間変化率の極性が反転すれば、渦電流磁場の極性も反転する。
(D4)履歴依存性
渦電流磁場は傾斜磁場パルスの印加履歴に対する依存性が無いが、残留磁場はそれまで受けた傾斜磁場パルスの印加履歴に依存して応答が異なるヒステリシス特性をもつ。
(A)渦電流磁場の時間・空間依存性に関する補正
一般に、MRI装置の誘電性構造物にパルス状磁場が印加されると、その磁場の変化を打ち消すように導電性構造物に渦電流が流れて、この渦電流が渦電流磁場の発生をもたらし、被検体が受ける傾斜磁場パルスの波形および印加量に悪影響を与える。この渦電流磁場の時間・空間依存性は、[特許文献2]にも開示されている以下の一般的な方法により求めることができる。
Be=Be (t,x,y,z) (1)
=ζ00
+ζ10z+ζ11y+ζ12x
+ζ20z2+ζ22(x2−y2)+ζ22xy+ζ23yz+ζ24zx+ζ30z3+… (2)
と表せる。ここで、(1)式におけるtは傾斜磁場パルス印加直後からの経過時間、x,y,zは空間座標である。また(2)式のζpqは球面調和関数の係数で、最初の添字pは空間依存性の次数、2番目の添字qは空間次数pについてのq番目の成分を示している。(2)式の様に渦電流磁場を空間成分毎に展開することにより、渦電流磁場の空間依存性を求めることができる。
ζpq=ζpq(t) (3)
と表せる。この係数ζpqの傾斜磁場パルス印加直後からの経過時間に対する変化を求めることにより、渦電流磁場の空間成分毎の時間依存性を求めることができる。
以上の様にして、渦電流磁場の時間・空間依存性を求めることができる。
不整磁場補正コイルとしては、前述の球面調和関数の各次数項に準じたシムコイルを用いる。さらに、MRI装置毎にカスタマイズした局在コイルを新たに追加しても良い。
そして、不整磁場の補正は、静磁場発生系1の一部を形成している静磁場不均一補正を行うシムコイルや局在コイル204、あるいは、傾斜磁場発生系2に対して傾斜磁場パルスの印加に同期して補正電流を供給することにより行うものである。この補正は、例えば前記補正磁場調整装置201によって行うことができる。
なお、履歴依存性は印加される傾斜磁場パルスの波形に対する非線形な応答の一種であることから、傾斜磁場パルスの波形に対する非線形波形依存性とみなすことも可能である。
以下、線形及び非線形を含めて単に波形依存性と表記し、空間依存性のある履歴依存性を単に履歴依存性と表記する。つまり、前記(D3),(D4)は、以下のように改められる。
傾斜磁場パルス波形(振幅(強度とその極性)、形状、印加時間、印加タイミング等で表される傾斜磁場パルスの時間的変化の様子)に依存して、不整磁場の応答が異なる。例えば、渦電流磁場は傾斜磁場パルスの振幅や形状に対して非線形に応答する。残留磁場は傾斜磁場パルスの振幅や形状によって応答が異なり、印加時間や印加回数にも依存する。
渦電流磁場は傾斜磁場パルスの印加履歴に対する依存性が無いが、残留磁場はそれまで印加された傾斜磁場パルスの印加履歴に依存して応答が異なるヒステリシス特性をもつ。そしてこのヒステリシス特性は、残留磁場の空間成分毎に異なる。つまり、残留磁場の空間成分毎に異なるヒステリシス曲線をもつ。
したがって、不整磁場は以上の(D1)〜(D4)の依存性が絡み合って複雑に変動することになる。
(B)渦電流磁場の波形依存性に関する補正(第1の実施形態)
渦電流磁場の時間・空間依存性を計測する方法は、前記(A)において説明したが、本発明では、さらに印加する傾斜磁場パルス波形の形状や振幅に対する依存性も併せて計測する。つまり、前記(A)で説明した方法を用いて渦電流磁場の時間・空間依存性と共に波形依存性も計測する。これは、(1)式において、ある傾斜磁場パルスの印加によって誘起される渦電流磁場Beが、
Be=Be (Gj,ti,x,y,z) (4)
と表されることを意味する。ここで、(4)式におけるGjは波形jを持つ傾斜磁場パルス、tiは傾斜磁場パルスGj印加直後からの経過時間である。なお、波形依存性を明示的に表すためにGjを(4)式の括弧中の変数に新たに追加しているが、より詳細にはGjのみならずその時間変化率(1次微分)も含まれるべきであるところ、表現を簡単にするためにGjで代表してその時間変化率は省略した。以下、渦電流磁場Beにおいて同様とする。この結果、(4)式を球面調和関数で展開したときの各次数項の係数が傾斜磁場パルス波形Gjと傾斜磁場パルスGj印加直後からの経過時間tiに対する依存性をもち、(3)式が
ζpq=ζpq(Gj,ti) (5)
と表せることになる。この係数ζpqの傾斜磁場パルス波形と傾斜磁場パルス印加直後からの経過時間への依存性を求めることにより、渦電流磁場の時間・空間依存性に加えて更に波形依存性をも求めることができる。
こうして得られた波形依存性は、渦電流磁場の時間・空間依存性と共に、傾斜磁場パルスの波形(つまり、形状,振幅などのパラメータ)と対応づけて較正データとして較正データテーブル202に保持される。
(C)残留磁場の空間依存性に関する補正(第2の実施形態)
永久磁石装置では磁気回路を形成するために強磁性特性を持つ装置構造物を用いる場合がある。この場合、傾斜磁場パルスを印加すると、強磁性特性を持つ装置構造物に残る磁化(残留磁化)が原因で残留磁場が発生し、被検体が受ける傾斜磁場パルスの波形および印加量に悪影響を与える。
B=μ0H+M (6)
と関連づけられる。ここで、μ0は真空の透磁率である。外部磁界Hを徐々に大きくしていくと磁化Mは飽和磁化Msに達するため、磁場Bは曲線501をたどる。その後、外部磁界Hを小さくしていくと磁場Bは曲線502をたどり、外部磁界Hをゼロにしても残留磁化Mrに基づく残留磁場Brが残る。残留磁場Brをゼロにするためには、逆方向の外部磁界−Hc(このHcを保磁力という)を印加する必要がある。さらに逆方向外部磁界Hを大きくしても逆方向磁化は飽和磁化以上にはならないので磁場Bは曲線503をたどる。その後外部磁界Hを元に戻していくと磁場Bは曲線504から505をたどる。つまり、外部磁界Hを変化すると磁場Bは図7の様なループ曲線(ヒステリシス曲線)をたどる。
得られた係数の空間依存性データは較正データとして(2)式の係数毎に較正データテーブル202に記憶しておく。その後の補正の仕方は、(A)又は(B)の渦電流磁場の補正と同じである。そして、渦電流磁場と残留磁場の補正はそれぞれ独立に行うことができるので、これら2つの補正による補正電流の加算値が傾斜磁場コイル203とシムコイル204に印加される。
(D)残留磁場の波形依存性と履歴依存性に関する補正(第3の実施形態)
図7に示すヒステリシス曲線に基づいてこれら2つの依存性の原理を以下に説明する。傾斜磁場パルスの印加により、空間のある点に外部磁界Htが印加されて残留磁場Btが残ったとすると、その後の傾斜磁場パルスによって、その点に印加される外部磁界Hが0<H<Htであれば、常にその点には残留磁場Btが残るが、H>Htであれば残留磁場はB>Btとなる。残留磁場B=Br>Btになると、それ以降は外部磁界H>0である限り残留磁場はBrとなる。逆に、傾斜磁場パルスによって外部磁界H<0を印加すると残留磁場は小さくなるが、その強度は外部磁界Hの印加直前の残留磁場に依存する。例えば、残留磁場がB1,B2(B1<B2)の時に同じ外部磁場H<0を印加すると残留磁場はそれぞれB1'<B1,B2'<B2(B1'<B2')となる。つまり、ある点の残留磁化による残留磁場はそれまで受けてきた外部磁界の履歴に依存するため、残留磁場はそれまで印加された傾斜磁場パルスの波形や印加履歴に依存することになる。従って、残留磁場の補正は、それまで印加した傾斜磁場パルスの波形や印加履歴に対応して補正しなければならない。
なお、残留磁場は傾斜磁場パルスによって変更されない限り時間的に変化せず一定となるため、一定の補正磁場、つまり傾斜磁場コイル203又は局在コイルを含むシムコイル204に一定の電流を印加し続ける必要がある。
ここで、残留磁場がその空間成分毎に印加された傾斜磁場パルスの波形や印加履歴に依存するということは、(3)式において、
ζpq=ζpq(G0,G1,‥‥, Gj,ti) (7)
と表せることになる。しかし、あらゆる[G0,G1,‥‥, Gj]の組み合わせについて較正データを求めることは現実的に不可能なので、以下に説明する空間成分毎のヒステリシス曲線を求め、このヒステリシス曲線に基づいて、傾斜磁場パルスの印加履歴に基づく残留磁場を空間成分毎に間接的に求める。
較正パルスシーケンスを使用して残留磁場の空間分布を計測する第2の方法の場合も、第1の方法と同様に、テスト傾斜磁場パルス波形の形状と振幅を変えながら、残留磁場の空間成分毎の係数ζpqのヒステリシス曲線を求める。
こうして得られた波形依存性と履歴依存性は、残留磁場の空間依存性と共に較正データとして較正データテーブル202に保持される。
最後に、この局在コイルのコイルパターンをシムコイルトレー上に配置して、これに流す補正電流を補正磁場調整装置201によって制御することにより局所補正磁場を発生させる。その際、この局在コイルが補正する不整磁場の局所空間成分の時間依存性、及び、傾斜磁場パルスの波形に対する波形依存性と印加履歴に対する履歴依存性を前述の(A)〜(D)に記載した方法又は前述の減算計算によって求め、その較正データを較正データテーブル202に保持して、この較正データを参照して補正電流を随時求めて局在コイルに供給する。
n
ΣBepq(G(ti), t−ti) (t≧tn) (8)
i
と表すことができる。
なお、以上の処理は補正すべき全ての空間成分についてその成分毎に行う。つまり、補正すべき全てのp,qの値について、その値毎に行う。
次に、傾斜磁場パルスの印加履歴を考慮した残留磁場の空間成分毎の補正を行う手順について図9に基づいて説明する。図9は、この補正手順の一例を示すフローチャートである。以下、それぞれのステップの処理を詳細に説明する。ここで傾斜磁場パルスの印加順序n≧1とし、0回目は最初の状態とする。
ステップ704で、印加した傾斜磁場パルスG(n)と(n-1)回目の残留磁場Br pq(n-1)から、傾斜磁場パルス印加後の残留磁場を求め、n回目の残留磁場Brpq(n)とする。
なお、以上の処理は補正すべき全ての空間成分についてその成分毎に行う。つまり、補正すべき全てのp,qの値について、その値毎に行う。
また、全てのパラメータ範囲に渡って較正データを用意できない場合は、用意された較正データから補間や外挿によって推定することができる。
また本発明の不整磁場補正を行えば、装置として使用できる傾斜磁場パルスの振幅の最大値を飛躍的に増やす事が可能となり、より高分解能かつ高機能な撮影が可能となる。
Claims (7)
- 計測空間に静磁場を与える静磁場発生手段と、スライス方向と位相エンコード方向と周波数エンコード方向のそれぞれに傾斜磁場を与える傾斜磁場発生手段と、前記傾斜磁場の印加によって誘起される不整磁場を補正する補正コイル及び較正データを空間成分毎に備え、該較正データに基づいて該補正コイルに供給する電流を制御することによって、前記不整磁場の前記空間成分毎の時間変化に対応して補正磁場を制御する補正磁場制御手段を備えた磁気共鳴イメージング装置において、
前記補正磁場制御手段は、前記傾斜磁場に対して非線形に応答して発生する不整磁場を補正することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。 - 請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記補正磁場制御手段は、前記傾斜磁場波形を規定する少なくとも一つのパラメータ毎に対応して前記補正磁場を制御することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
- 請求項2に記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記パラメータが前記傾斜磁場波形の振幅を有して、前記補正磁場制御手段は、該振幅に対応して前記補正磁場を制御することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
- 請求項2又は3に記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記パラメータが前記傾斜磁場波形の形状を有して、前記補正磁場制御手段は、該形状に対応して前記補正磁場を制御することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
- 請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記補正磁場制御手段は、前記傾斜磁場の印加履歴に対応して前記補正磁場を制御することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
- 請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記較正データは前記空間成分毎のヒステリシス曲線を有し、前記補正磁場制御手段は、該ヒステリシス曲線にもとづいて前記補正磁場を制御することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
- 請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記空間成分は更に局所空間成分を含み、前記補正磁場制御手段は更に該局所空間成分に対応する補正コイルを備えたことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
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