JP2005152657A - 送信コイルアレイを用いて望ましい励起プロフィールに一致するrf励起を発生する方法及び装置 - Google Patents

送信コイルアレイを用いて望ましい励起プロフィールに一致するrf励起を発生する方法及び装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 本発明は、一般に、MRイメージングに関し、より詳細には、望ましい励起プロフィールを実現するための、送信コイルアレイによる並列励起の方法及び装置に関する。
【解決手段】 対応するRFパルス合成増幅器(74)を備える複数送信コイル(70、72)から構成されるシステムが開示される。また、コンポジットB磁場の空間時間変動を誘起する各送信コイル(72)に特有のRFパルスを設計する方法が開示される。本発明は、望ましい励起プロフィールの正確な形成に対応し、どのようなコイルアレイ幾何形状の使用にも適合する。本発明はまた、励起パルス長の低減にも対応する。各送信コイルに対する効果的なB磁場マップにより、相互結合及び他のコイル間相関関係がRFパルス設計において考慮される。
【選択図】 図2

Description

本発明は、一般に、MRイメージングに関し、より詳細には、望ましい励起プロフィールを実現するための、送信コイルアレイによる並列励起の方法及び装置に関する。更に本発明は、コイルアレイのコイル間の相互結合を考慮し且つ任意のコイル幾何形状に適用される並列励起パルス設計方法に関する。更に本発明は、MRイメージングを高速化するためのイメージングボリューム全体にわたる目標RF励起に関する。
ヒト組織などの物質が均一な磁場(分極磁場B)にさらされると、組織内のスピンの個々の磁気モーメントは、この分極磁場と整列しようとするが、これら固有のラーモア周波数で分極磁場の周りをランダムに歳差運動する。物質又は組織が、x−y平面内にあり且つラーモア周波数の近傍にある磁場(励起磁場B)にさらされると、正味の整列したモーメント、又は「縦磁化」Mzは、x−y平面に向かって回転又は「傾斜」して、正味の横磁気モーメントMtを生成することができる。励起信号Bを停止させた後、励起されたスピンによって信号が放出され、この信号を受信して処理し、画像を形成することができる。
これらの信号を利用して画像を作成する際には、磁場勾配(Gx、Gy及びGz)が用いられる。典型的には、撮像対象領域は、使用される特定の局所化方法に従ってこれらの勾配が変化する一連の測定サイクルによって走査される。結果として得られた受信NMR信号のセットは、多くの周知の再構成技法のうちの1つを用いてデジタル化され、処理され、画像が再構成される。
空間的選択励起は、信号寄与ボリュームのサイズを制限しながら横方向磁化を励起するためにMRイメージングにおいて広く使用される。スライス選択励起は最も一般的に使用されており、信号寄与ボリュームを信号収集中の空間エンコーディングを簡素化する固定スライスに限定して、データ収集又は走査時間を短縮させる。1つよりも多い次元に沿った局所化をもたらす多次元励起が、走査時間のこの短縮を促進するために使用されてきた。例えば、局在化スペクトロスコピー、関心領域の縮小された撮影領域走査、独特な形状の目標生体組織のイメージング、及び短縮されたエコートレイン長を用いるエコープラナー・イメージング(EPI)は、これらが短縮された走査時間に対応していることから通常実施されるアプリケーションである。更に、選択励起を用いるかなり大きなボリュームにわたるプロフィール(反転、位相及び周波数)制御が、Bの不均一性又は勾配の非直線性の存在下における励起プロフィール忠実度を改善するため及び磁化率アーチファクトを低減するために利用されている。
選択的励起は、全ボリュームにわたって送信し比較的均一なB磁場をもたらす、例えばバードケージコイルである単一送信コイルを用いて通常実施される。高性能パルスアルゴリズムが、このような構成に適合する励起パルスを設計するために開発されている。これらのパルス設計ツールによって達成された利点にもかかわらず、技術的な問題が依然としてある。励起パルス持続、励起プロフィール精度、及びRF電力吸収(SAR)に伴う諸問題は、種々の用途における未解決の課題の一部を示すものである。1D励起と比較して、2D又は3D励起での多次元に沿ったフレキシブル・プロフィール制御は、パルス機能の増強を必然的に伴い、且つ試験中のパルス持続を維持するために強力な勾配を必要とする場合が多い。この制限は、一般用の勾配を用いるスキャナへの多次元励起の適用を妨げる。波動作用の増大から生じるB磁場の大きい被検体依存性及び高周波での信号源−被検体相互作用もまた、励起プロフィール制御を困難にする。高周波での高い割合のRF電力蓄積は、RF送信モジュール及び/又は励起パルスの設計及び適用に対して有意に影響する追加要因を示すものである。
断熱パルスの使用は、Bの不均質性に関係する励起プロフィール制御の問題に対処するパルス設計方法を示している。この方法は、特定のプロフィールへの適用に限られ、高いRF出力を伴う傾向にあることから限定的なものである。Bの全体的な均質性を最大化することを目的とするB磁場最適化方法は、送信モジュールの改善を通じてこの制御問題に対処するものである。送信コイル幾何形状又は駆動機構の適合性は、Bの不均質性を低減することが分かっている。しかしながら、高周波では磁場最適化の能力には限界がある。駆動ポート重み付けの較正誘導調整を行っても、コンポジットB磁場の空間的変動が望ましいレベルに近づく度合いは、各コンポジットB磁場の特性に高度に依存し、この結果は相当な残留非均質性を受ける傾向にある。
励起パルス長を低減する別の提案される解決策は、並列励起アーキテクチャ、すなわち独立した駆動回路によって駆動される複数の送信素子に基づくものである。個々のB磁場パターンを利用して、励起k空間におけるサンプリング密度の低下により起こるエイリアシング・ローブを抑制する。並列励起構造により励起パルス長の低減が達成されたにもかかわらず、このような構造の適用では、特定の送信素子が充分には考慮されていないことが分かった。すなわち、これらの既知の並列送信アーキテクチャは、送信素子間の相互結合を考慮しておらず、極めて単純な送信アレイ幾何形状に依存する場合が多い。従って、送信素子によって生成される空間的変動は、充分には活用されていない。
従って、望ましい励起プロフィールを実現し、且つ、適切なB磁場の空間時間的な変動が送信コイルアレイにより生成されるコンポジットB磁場で生じる並列送信素子アーキテクチャを用いることによって励起パルス長を低減させることができるシステム及び方法を有することが望ましい。
本発明は、前述の欠点を克服する、送信コイルアレイにより生成されるコンポジットB磁場における効果的な空間時間的変動を生じさせるシステム及び方法を提供する。
本発明は、複数送信コイルの統合駆動による多次元励起の加速に関する。本発明は、望ましい励起プロフィールの正確な形成を加速しながら多次元パルス長の管理を改善するために、コンポジットB磁場における適切なBの空間時間的変動を生じる複数送信素子の調整に重点を置く。本発明はまた、空間的及び空間周波数領域重み付けを用いる並列励起パルスの設計に関する。
従って、本発明の1つの態様によれば、望ましいRF励起プロフィールを求める段階を含む方法が提示される。本方法は更に、送信コイルアレイによって生成される結果として得られる全体の励起が望ましいRF励起プロフィールと実質的に一致するように、送信コイルアレイの各送信コイルを駆動する段階を含む。
本発明の別の態様によれば、MRI装置は、分極磁場を印加するマグネットと、磁場勾配を加えるためのマグネットボアの周りに配置された複数の勾配コイルとを有するMRIシステムを含む。RF送受信器システム及びRFスイッチは、MR画像を収集するためのRFコイル組立体とRF信号を送受するパルスモジュールにより制御される。MRI装置はまた、イメージングボリュームにわたって結果として得られる全体のRF発生が、送信コイルアレイ幾何形状と独立した望ましいRF励起プロフィールと実質的に一致するように、送信コイルアレイによるRF発生の制御用に構成されている複数のRFパルス波形を設計するようプログラミングされたコンピュータを含む。
本発明の別の態様によれば、本発明は、コンピュータによって実行されたときに、該コンピュータに送信コイルアレイの複数の送信コイルによるRF送信を制御させて、同期した状態にある適切な勾配変化が伴うコンポジットB磁場の空間及び時間変動が、RF送信完了時に望ましい励起プロフィールを生成するようにする命令を有する、コンピュータ可読記憶媒体上に格納されたコンピュータプログラムにおいて具現化される。
本発明の、種々の他の特徴、目的及び利点は、以下の発明の実施の形態及び図面から明らかとなるであろう。
図面は、本発明を実施するために現在企図されている1つの好ましい実施形態を示す。
図1を参照すると、本発明を組込んだ好ましい磁気共鳴イメージング(MRI)システム10の主要な構成要素が示されている。本システムの動作はキーボード又は他の入力デバイス13、制御パネルパネル14、及び表示画面16を含むオペレータコンソール12から制御される。コンソール12は、オペレータが画像の作成及び表示スクリーン16上への表示を制御可能にする別個のコンピュータシステム20とリンク18を介して通信する。コンピュータシステム20は、バックプレーン20aを介して互いに通信する幾つかのモジュールを含む。これらは、画像プロセッサモジュール22、CPUモジュール24、及び画像データアレイを格納するためのフレームバッファとして当該技術分野で公知のメモリモジュール26を含む。コンピュータシステム20は、画像データ及びプログラムを格納するためのディスク記憶装置28及びテープドライブ30にリンクしており、更に高速シリアルリンク34を介して別個のシステム制御装置32と通信する。入力デバイス13は、マウス、ジョイスティック、キーボード、トラックボール、タッチ作動スクリーン、光学読み取り棒、音声制御装置、又は類似の任意の入力デバイスもしくは同等の入力デバイスを含むことができ、更に対話式の幾何学的指定に用いることができる。
システム制御装置32は、バックプレーン32aによって共に接続されたモジュールセットを含む。これらは、CPUモジュール36、及びシリアルリンク40を介してオペレータコンソール12に接続しているパルス発生器モジュール38を含む。システム制御装置32は、実行すべき走査シーケンスを示すオペレータからの指令をリンク40を介して受け取る。パルス発生器モジュール38は、システム構成要素を作動させて所望の走査シーケンスを実行し、発生されたRFパルスのタイミング、振幅及び形状、並びにデータ収集ウィンドウのタイミング及び長さを示すデータを発生する。パルス発生器モジュール38は、走査中に発生される勾配パルスのタイミング及び形状を示すために勾配増幅器42のセットに接続されている。パルス発生器モジュール38はまた、患者に装着された電極からのECG信号などの患者に接続された幾つかの異なるセンサからの信号を受け取る生理学的収集制御装置44からの患者データを受け取ることができる。更に最終的に、パルス発生器モジュール38は、患者の状態及びマグネットシステムと関連する種々のセンサからの信号を受け取る走査室インターフェース回路46に接続されている。患者位置決めシステム48は、この走査室インターフェース回路46を介して走査のために患者を所望の位置に移動させる指令を受け取る。
パルス発生器モジュール38によって発生される勾配波形は、Gx、Gy、及びGz増幅器を有する勾配増幅器システム42に印加される。各勾配増幅器は、全体を50で示す勾配コイル組立体内の対応する物理勾配コイルを励起して、収集された信号を空間的に符号化するために用いられる磁場勾配を発生する。勾配コイル組立体50は、分極マグネット54及び全身型RFコイル56を含むマグネット組立体52の一部を形成する。システム制御装置32内の送受信器モジュール58はパルスを発生し、該パルスはRF増幅器60によって増幅され、送信/受信スイッチ62によってRFコイル56に結合される。結果として、患者内の励起原子核によって放出された信号は、同じRFコイル56によって感知され、送信/受信スイッチ62を介して前置増幅器64に結合することができる。増幅されたMR信号は、送受信器58の受信器部において復調され、フィルタ処理され、及びデジタル化される。送信/受信スイッチ62は、パルス発生器モジュール38からの信号によって制御されて、送信モード中はRF増幅器60をコイル56に電気的に接続し、受信モード中は前置増幅器64をコイル56に接続する。更に、送信/受信スイッチ62により、別個のRFコイル(例えば、表面コイル)を送信モード又は受信モードのいずれにおいても使用することが可能になる。
RFコイル56によって取り込まれたMR信号は、送受信器モジュール58によりデジタル化されて、システム制御装置32内のメモリモジュール66に転送される。未処理k空間データのアレイをメモリモジュール66内に収集完了すると1回の走査が完了する。この未処理k空間データは、再構成されることになる各画像に対して別個のk空間データアレイに再配置され、これらの各々は、データをフーリエ変換して画像データのアレイにするよう動作するアレイプロセッサ68に入力される。この画像データは、シリアルリンク34を介してコンピュータシステム20に送られ、該コンピュータシステム20においてディスク記憶装置28などのメモリ内に格納される。オペレータコンソール12から受け取った指令に応答して、この画像データをテープドライブ30上などの長期記憶装置にアーカイブしてもよく、或いは画像プロセッサ22によって更に処理してオペレータコンソール12に送るか、又はディスプレイ16上に表示することができる。
本発明は、複数の送信コイルによってRFパルス送信を加速する方法及びシステムに関する。このような送信コイルアレイが図2に示される。送信コイルアレイ組立体70は、並列RF送信用に設計された複数のRFコイル又は素子72と、複数のRF増幅器74とを含む。1つの好ましい実施形態においては、各送信コイル72は専用のRF増幅器74によって駆動される。この点に関して、各RF増幅器は、MRIシステム内の被検体78の励起ボリュームを定めて操向するためにそれぞれのコイル内に制御電流を発生させるように構成される。また後述されるように、送信コイルの各々は、コイル間の相関関係すなわち相互結合が考慮されるような方法で制御される。図2に示されるように、送信コイルは実質的に線形で配置される。更に、より詳細に後述されるように、RF増幅器は、RF励起を特定の関心領域内に局所化して被検体へのRF電力蓄積を低減できるように、複数のRF送信コイルを駆動する。更に後述されるように、送信コイルの各々はRF電力蓄積が更に低減されるような方法で制御される。
次に図3を参照すると、別の実施形態における送信コイルアレイ組立体70が示される。この実施形態において、送信コイル72は、ラップアラウンド方式で位置付けられる。この点に関して、コイルは被検体の周囲に分配された様態で配置される。図2に関して図示され且つ説明されたのと同様に、各RFコイル72は専用のRF増幅器74に接続される。図2−図3は、送信コイルアレイのコイルの可能な配列のペアを例証するものであり、具体的には示されていない他の配列も可能であり企図されることは、当業者であれば容易に理解するであろう。
上で示されたように、本発明は、送信コイルによるRF励起が並列に行われるように送信コイルアレイを用いて実施可能な方法及びシステムに関する。この並列励起は、RFパルスの加速及び目標励起の局所化による走査時間の短縮に対応する。
本発明は、小先端角度励起に関して説明されることになるが、本発明が他の励起レジームにも拡張できることは当業者であれば理解するであろう。単励起コイルを用いた小先端角度励起により得られる横方向磁化は、励起中に横断され重み付けされたk空間トラジェクトリのフーリエ変換によって解析することができる。
式中S(k)は、スイッチング勾配によって制御される空間周波数サンプリングトラジェクトリを表し、W(k)は、駆動RF信号源によって誘起される空間周波数重み付けであり、b(x)は、コイルのB磁場パターンによって誘起される空間重み付けである。
数セットのパルス合成器及び増幅器が、励起中対応するコイルを同時に駆動する並列RF信号源を形成するときに、多重空間周波数及び空間重み付けは、横方向磁化の生成に影響を与える。小先端角度近似の範囲内で、式1によって表されるk空間透視図は、直線性の特性に基づいて並列励起系を解析するために拡張することができ、
である。
式2において、Nは送信コイルの全体の数を示し、n及びlはコイルの指数であり、cn.lはコイル間の相互結合を特徴付ける係数であり、W(k)は独立して制御されるRF信号源によって誘起される空間周波数重み付けを表し、b(x)は、コイルのそれぞれのB磁場パターンによって誘起される空間重み付けを表す。
式2で励起プロフィールを定める項をg(x)で示すと、g(x)は
として表され、この式は、並列送信系の解析において、
である有効空間重み付けが、結合誘起されたコイル間相関関係を説明するために使用できることを示している。
1つの実施例として、2D励起の場合が考察され、ここで、kがスロー方向であり且つΔkxがサンプリング周期として、エコープラナー(k、k)トラジェクトリが使用され、且つ、{(x、y)|xmin≦x≦xmax、ymin≦y≦ymax}が、被検体が収容されている撮影領域を特定する。k空間重み付け及びサンプリングは、2D励起プロフィールを生じさせ、該プロフィールは、式3によって定められるような、N周期関数の重み付けされた重ね合わせであり、すなわち、
式4において、記号u(x)及びΔは、それぞれ、
と、1/Δkxを表す。Z−従属項は簡略化のため削除されている。
式4から、kに沿った離散的性質が、xに沿ったエイリアシング・ローブを必然的に示すことは明らかである。有意には、式4はサイドローブの抑制が空間
及び空間周波数(W(k))領域における多重重み付けによって達成することができることを示している。このことは、ボディコイル(b(x)≒1であるボリュームコイル)を用いた励起の場合と比較することができ、ここで、典型的なパルス設計は、サンプリング周期Δkxを1/D(D=xmax−xmin)未満であるように制限することによって被検体の外側に突き出たサイドローブを有する。
小先端角度レジームの範囲内で、望ましい励起プロフィールが与えられる勾配及びRFパルスの設計は、式3によって定められる逆問題を解くことによって得ることができる。例証の目的で、2D励起を説明する。
g(x,y)によって与えられ、u(x,y)=h(x,y)g(x,y)の型の解を伴う2D励起プロフィールを得るため、式4は次式のように書換えられる。すなわち、
これは、撮影領域内の全ての(x,y)について、一般的に次式の関係を必要とする。
式を並べかえることによって(例えば変数を変えることによって)、{h(x,y),l=1,...,N}は、典型的には、各(x,y)で式7のK個の一次方程式(KはD/Δ以上である最小の整数として定められる)により制約され、
式中、
であり、{x,...,x+mΔ(m≠0),...}は撮影領域内のx座標のセットを表し、これらは均等に間隔を置いて配置され、且つエイリアシングによって相互に結合されている。1/Dより大きいサンプリング周期Δkxを用いたとき、式7の第1の方程式を除いた全てのものは、撮影領域内に位置するエイリアシング・サイドローブの抑制を表す。
撮影領域全体にわたる位置について式7を繰り返し解くと、h(x,y)が得られ、これは、式11に従ったk空間重み付けの計算を可能にする。
従って、k空間重み付け及びl番目コイルに関連するRFパルス波形は、望ましい励起プロフィールの空間的に重み付けされたバージョンのフーリエ変換を用いて計算することができ、その場合、空間重み付けは、各送信コイルのB磁場マップ及びk空間横断トラジェクトリから導出される。
磁場マップの品質は、励起プロフィール精度に対し直接の影響を及ぼす。マップは1つずつ実験的に較正することができる。この手法では、各較正は、送信用に送信アレイの単一素子(他の素子への入力をゼロとする)を用い、受信用にボディコイルを用いるイメージング試験を含む。被検体コントラストの変調を除去するためにこの結果を基準画像で除算すること、及びノイズの影響を抑制するために追加の処理をすることにより、送信コイルに付随する有効Bマップの推定が得られる。別法として、Bマップは相反性の原理に基づく感度マップから推測することができる。較正時間を短縮するために複数の感度マップを並行して較正できる点に留意されたい。しかしながら、送信及び受信間のコイル結合特性における逆位相及び起こり得る変化は、考慮されない場合には、推定された有効Bマップの精度を損なう可能性がある。
2D励起の実施例におけるシステムの2つの型を比較すると、本発明はシングルチャンネルのボディコイル・システムを越える最大N倍の励起加速をもたらす。形式的には、このことは、ボディコイル送信の場合における、Δkx≦1/Dのより厳しい要件とは対照的である、N≧D/Δ或いは同等にΔkx≦N/Dの場合に式7が少なくとも1つの解を可能とすることにより示される。直感的には、励起k空間サンプリング密度の低下によりエイリアシング・ローブを被検体内に位置付けるようにし、空間周波数領域重み付け(W(k))の適切な設計が、空間領域重み付け
とエイリアシングパターン(サンプリングによって決定されるような)とを結合してインコヒーレントな付加にすることができ、その結果エイリアシング・ローブの最終振幅の低減又は消滅が実現することを認識することによって、加速能力或いは励起k空間サンプリング密度の低下が、恐らくは最もよく理解される。
Nより小さい加速係数、或いは同等にN/Dよりも小さいサンプリング周期については、式7が次元N−Kの一群の解を可能とする。これにより、望ましい励起プロフィールに適合するメインローブを全て生成することができ、適用時には同時にエイリアシング・ローブを抑制する励起パルス設計の選択をもたらす。最小ノルムの意味で式7を解くことによって計算されたh(x,y)を使用する特定の設計は、変動に対する励起プロフィールの感度を低下させ、或いはRF増幅器への出力要件を低減させる傾向があるので、これは注目に値することである。
また、送信コイルアレイの送信コイルの独立駆動はSAR管理をサポートする。単一送信コイルを用いる被検体ボリュームの均一な可能範囲と比較して、極めて接近したコイルを使用することによって分散型局所送信コイルのアレイを用いる関心領域のみの集中励起は、領域外への大きなRF電力蓄積を防止する。更に、信号源を統合して所望の励起プロフィールを実現する多くの方法から、結果として起こるRF電力蓄積ができるだけ少ないE磁場を誘起するものを選択することができる。
本発明は、幾つかのSAR低減技法、すなわち集中RF励起をサポートするが、被検体ボリューム及び励起周期にわたって平均されたSARの最小化を中心とするSAR管理をより詳細に以下に説明する。該平均化されたSARは次式によって定められる。
式12において、σは組織の伝導率、ρは密度、Vは照射される被検体ボリュームの大きさ、Pは時間的平均を定量化するために使用されるタイムポイントの合計を表す。
例えば、伝導性材料の大型スラブの表面に面して配置された複数のループコイルを仮定する。低周波数において、スラブ内部の磁場は、コイル内電流によって生成される入射磁場が支配的な傾向にある。近距離電場及び磁場の解析における準静的手法に続いて、該磁場は次式のベクトルポテンシャルAを用いて特徴付けることができ、
この場合、コイル内電流にわたる線積分は、コイル導体のフィラメント近似に基づいており、磁場は、
B=∇×A
及び
E=−dA/dt
に関連する。この場合、式12の|E(x,pΔt)|の項は、次式で評価することができ、
該式は、時間pΔtでの電流波形の値を有するベクトル[I(pΔt)I(pΔt)...I(pΔt)]の2次形式である。ボリューム積分及び時間的総和を解けば、SARaveは電流波形のサンプルの2次関数として次式で表すことができ、
この場合、上付き文字Hは共役転置を示し、行列Fは式12及び式14に基づいて評価された成分を有し、且つベクトルsは電流波形のN×Pサンプルの全体を対応する順序で収集する。
電場が適用される信号源関数によって線形的に拡縮する条件では、平均SARと信号源関数サンプルとの間で式5の形式における2次関係が一般に保たれる。しかしながら、生物学的被検体の存在或いは高い周波数では、マックスウェル方程式を解くことは困難であり、場合によってはF行列の構成は、較正結果或いは直接のE磁場測定に依存する必要がある。
適用された信号源関数に関する吸収速度及び横方向磁化の依存性を仮定すれば、最小のSARを誘起しながら望ましい励起プロフィールを生成する調整された信号源関数のセットを決定することが可能である。小先端角度レジーム又はブロッホ方程式の線形処理が適切である拡張においては、多次元励起設計において閉じた形の解が存在し、広い設計スペースを探す必要が無くなる。
前述の2D励起の実施例を続けると、エイリアシング・ローブを回避しながら被検体内に望ましいメインローブを生成する必要性に由来する、式7の形の方程式は、h(x)の空間パターンを全体として制約する。従って、これらの方程式を共にプールすれば、行列形式で次式で表すことができる設計制約が得られる。
式16において、Callは、対角線上の成分がC(x,y)で他のいずれの成分もゼロであるブロック対角行列であり、hall及びeallは、連結されたh(x,y)及びeをそれぞれ表すベクトルである。重み付け関数のサンプルの移動が一定の速度で行われる場合、W(k(t))は電流波形に比例する。W(k)とh(k)との間のフーリエ変換関係により、式15をhallに関して書き換えることができる。
フーリエ変換のままである2次形式は、h(x)からW(k)への線形写像を定義する。可変サンプルレートは、行列Vの成分を勾配振幅の変化に一致するように修正するだけである。従って、SAR管理のためのパルス設計は、線形の制約を受ける2次関数を最小化することによって達成することができる。
上式は、公知の数値計算法を用いて解くことができる。
上述のような小先端角度並列励起パルスの設計原理をシミュレーション実験及びファントム実験によって評価した。加速多次元励起の設計原理を評価するために、送信コイルアレイを用いる並列励起がシミュレーションスタディで最初に試験された。送信アレイは、x軸方向に沿って一列に平形に並べられた9個の同じ19.8cm×6.4cmループコイルから構成された。このアレイは、アレイ表面の下の薄いスラブ対象物に面していた。並列励起パルスを用いて、g(x)=g(x)・g(z)の形の該対象物にわたる望ましい励起プロフィールを有する2D励起を試みた。この場合において、均等にΔkxの間隔を空けたk=一定ラインからなるエコープラナーk−kトラジェクトリ、局所的ボリュームにおいて無視できるy方向及びz方向B変動、及びg(x)の可分性を使用すると、形式W(k)=Ukx,l(k)・Ukz(k)の式11に対する解が得られた。ここで、
である。
この第1の実験のために、式7の形式の方程式が構成され、k−kにわたる重み付けが決定された。次いで、RFパルス波形が式11に基づいて計算された。対照として、同じ2D局所化を目的としたボディコイル励起パルスが設計された。
加速励起の設計原理をファントムスタディで更に評価し、1.5テスラMRIスキャナ(CVi、GE Medical Systems、ウィスコンシン州ウォーキシャ所在)で上述のシミュレーションスタディとほぼ同様の設定を用いて行った。当該送信コイルは同じ幾何形状のものであり、水を満たした41×19×1cmのブリックファントムの3cm上に置かれた。スキャナは単一チャンネルのRFパルス送信だけに対応するものであったので、該スタディは、一連の9つの単一チャンネル実験を通して9つのアレイ素子の同時駆動を模擬することにより間接的に並列励起を試験した。該手法の正当性は、小先端角度レジームにおける線形特性によって裏付けられ、これにより、単一チャンネル励起実験から観測された横方向磁化分布の重ね合せから並列励起実験の結果を予測することができる。
詳細には、19.8cm×6.4cmサイズの単一送信/受信ループコイルがスキャナのRFインターフェースに取付けられた。9つの実験の間、コイルは一度に1つの構成で配置されて駆動され、各々、シミュレートを望む仮想コイルアレイの9つの素子の1つに対応する位置及びRFパルスを有していた。各送信の完了後にコイルは直ちに受信機能に切換えられたが、スキャナのボディコイルは、実験中はデチューン状態に維持された。2D励起及び収集は、勾配エコーシーケンスを用いて行われた。1つの実験から別の実験に至るまで、励起k空間横断は同様に保たれた(すなわち、kがスロー方向であるエコープラナーk−kトラジェクトリ)が、重み付け(RFパルス)は、励起パルス設計に従って変更された。2D収集は、x及びz方向に沿って水ファントムを描いた(且つ1cmスラブの垂直方向であるy方向に沿って投影された)画像を生成した。2D横方向磁化分布は、画像からコイルの感度プロフィールを除去することによって定量化された。次いで、該分布は重ね合され、対応する並列励起実験から結果として得られる分布の推定値をもたらした。このスタディの設計に関しては、コイル結合は要因ではない。ビオ−サバールの法則に基づいて推定されたBマップは、RFパルス計算及び感度プロフィール除去の両方において使用された。
励起加速の別のスタディにおいて、オールアラウンド・アレイ幾何形状が試験された。アレイは7つの送信素子からなり、これらはスキャナの患者ボア内部にラップアラウンド形式で方位方向に分布された。コンピュータシミュレーションにより、x及びy次元の両方に沿って局所化する2D励起設計が評価された。素子間の結合は無視できず、相互インダクタンス計算から決定された結合行列により考慮された。該設計は、当初の式7及び式11を用いた。
並列パルス設計に統合されて上述されたSAR管理方式の有効性が更に評価された。評価は、式7の代わりに式18によって定められた設計の形式の並列励起パルスを適用したことを除いては、第1のシミュレーションスタディと同じ様式で行われた。計算されたh(x,y)を用いて、式11がk−kにわたる重み付けを与え、これがRFパルス波形を決定した。得られた励起プロフィール及び平均SARは、第1のシミュレーションスタディものと比較された。
上述の実験の結果の論議は次の通りである。スラブ対象物の内側のx=8cm及びz=0に中心を置く5cm×5cm領域の集束励起が、第1のシミュレーションスタディで調べられた。ボディ送信コイルに基づき、対照設計は、Δkx=1/31.6サイクル/cmで57のk=一定ラインを横断するパルスを使用した。この対照設計から得られたx方向局所化が図4−図7に示される。並列励起設計は、送信コイルアレイを使用する2D局所化処理を達成する。4倍加速を表す場合には、設計はΔkx=1/7サイクル/cmで14のk=一定ラインを横断するパルスを使用した。x=4cm及びx=8cmにそれぞれ位置したコイルによって与えられたk方向重み付けUkx,4(mΔkx)及びUkx,7(mΔkx)は、図5及び図6に示される。9個のコイルの各々によるxに沿った局所化は図7に示される。サンプリング密度の低減の結果として第1のエイリアシング・サイドローブはターゲットに4.5倍近接した(中心−中心の間隔=7cm)、これらの最終振幅、並びに40cmFOV内に位置する他のエイリアシング・ローブは、図4に示されるようにインコヒーレント付加により無視される点に留意されたい。ボディコイル手法の結果と比較すると、並列励起の局所化は、同様に再集束され(図示されない虚数成分は無視された)、匹敵する空間分解能のものであった。図4を参照されたい。
ファントムスタディにおいて、エイリアシング・サイドローブへのインコヒーレント付加の効果が調査の中心であった。この目的のため、2D励起パルスは、中心素子の真下の水ファントムの領域を対象とするように設計された。調査を容易にするために、パルス計算は9つの素子のアレイの代わりに拡張線形アレイを更に想定した。設計されたパルスの長さは5.7ミリ秒であった。中心素子実験において、図8は、印加RFパルス(振幅及び位相)と共に、連続の全ての実験で同様に実行される勾配パルスGx、Gzを示す。結果として得られる画像からのコイルの感度プロフィールの除去は、図9に示されるように、素子によって誘起される2D横方向磁化分布の推定値をもたらす。図10は、使用されたB/感度マップを示す。参考として、図11は、ボディコイル送信−受信実験での非選択性励起からの横方向磁化分布を示す。感度プロフィール除去において用いられた分割操作に基づくノイズ増幅作用が図9において顕著であり、これは感受領域から遠い程極めて大きくなる傾向がある。過度のノイズ増幅により調査が曖昧なものとならないように、分割操作は遠位領域内に抑えられた。
全ての9つの試験からの結果は図12に要約され、実験の各々に対応するマッピングされた横方向磁化を列1から列9までに示している。最も下の列(列10)は、対応する並列励起の結果予測として意図された、個々のマップを重ね合わせた結果を示している。この場合も同様に、インコヒーレント付加に起因するエイリアシング・サイドローブの実質的な減少が観測された。この設定では、メインローブの構築における素子からの寄与及びエイリアシング・ローブの抑制が容易に理解された。中心素子単独からの結果、及び中央の5つの素子と中央の9つの素子からの結果は、局所励起プロフィール制御が主として近くのコイルによって達成されることを示唆している。パルス計算において拡張アレイの使用を想定することにより、9素子アレイの境界に向けた残留エイリアシング(不完全な消滅)のほとんどが明らかになった。9を越える素子でアレイを増強すると、この影響を是正することができる。9素子アレイのパルス設計もこの影響を取り除くことができ、この場合においては、境界コイルの重み付けは最大の変化を受けることになる。
ラップアラウンド型アレイの2D並列励起パルスが設計され評価された。シミュレーションは、40cm×23cmの軸方向撮影領域内で任意に位置決付けられた局所ボリュームを選択的に励起する処理に集中した。式7が、有効B磁場パターン及びΔkx=1/6.9サイクル/cmでの14のk=一定ラインを含むEPIトラジェクトリに基づいて繰り返し解かれた。次いで、l=1,2,...,7であるl番目のコイルについて、計算されたh(x,y)での望ましい2D局所化プロフィールの積がフーリエ変換され、並列励起によるコイルのk空間重み付け及びRFパルス波形が導出された。最終結果は、実質的にエイリアシング・サイドローブがなく、4倍長い従来型のRFパルスのボディコイル送信を含む対照励起に対して優れた一致を示した。
最後のシミュレーションスタディの設計は、第1のシミュレーションスタディのパルスとは形状の異なった並列励起パルスをもたらした。図13−図16は、図4−図7の形式と類似した形式を有する結果を示す。パルスは、第1のシミュレーションスタディのパルスと同じレベルの局所化精度及び空間分解能が維持された(図13)が、設計変更は平均SARにおける38%の低下をもたらし、統合SAR管理方式の大きい影響が確認された。
本発明では、設計されたRFパルスが合成され、増幅され、対応する送信素子に並列に供給されてコンポジットB磁場の空間的及び時間的変化の両方を誘起し、該コンポジットB磁場は、同期して繰り出される適切な勾配変化に付随して、励起の完了時に望ましい励起プロフィールを生成する。このことは、コイル幾何形状の設計及び駆動ポートの位相/振幅のオフセットがB磁場の空間的均一性を目標とし、且つ励起中に出すRFパルスがB磁場の時間的変化のみを処理するように限定される従来型手法とは対照的である。励起に対する適切なBの時間空間的変動の誘起は、RF励起機能に有意な派生的影響を有することは当業者であれば理解されるであろう。すなわち、並列励起は、望ましい励起プロフィールの形成精度を実質的に犠牲にすることなく励起加速及び/又はSAR制御に対応する。
要約すれば、送信素子を駆動するRFパルスは、望ましい励起プロフィールの空間的重み付けされたバージョンのフーリエ変換を用いて計算することができ、k空間サンプリング密度の低減による多次元励起を加速する能力は、エイリアシング・ローブの抑制に左右されると共に、適切に設計された駆動パルス(空間周波数領域重み付け)によって獲得することができ、SAR管理は、駆動信号源の二次関数を最小化することによって達成することができ、該管理は望ましい励起プロフィール及び/又は加速を実現するため信号源を統合しながら結果として起こるRF電力蓄積が最小のE磁場を誘起する方法を探索する。
応用の観点から見ると、高速イメージングは、本発明の並列励起手法が特に適用できる分野である。関心のある解剖学的構造が例えば局所領域に入っている状況下では、該領域に「スポットライトを当てる」多次元励起が、信号収集に対して加えられた空間エンコーディングの負荷を軽減することによりイメージングの加速を可能とする。従来型励起を越える改善が示されると、何倍も早い並列励起は、イメージングボリュームの画定/操向をサポートすると共に、これまで多次元パルスの実際的な使用を妨げていた時間的コスト障壁を打破する。並列収集手法の使用と比較すれば、並列励起手法に基づいた集束イメージングは、幾何形状因子によって説明される固有のSNR劣化の影響を受けない。2つの手法を組合せて使用することが可能であり、更に大きな走査時間短縮能力をもたらすことができる。本明細書で報告された実験は2D局所化に集中したが、並列励起手法は、磁場不完全誘起効果の補正及び非フーリエ空間エンコーディングを含むユーティリティを用いて、一般的な2D励起プロフィールの形成及び加速に適用される。また、本発明は3D収集にも適用できる。
強磁場イメージングにおいて、説明された送信システム及び駆動手段はまた、励起プロフィールの管理とRF電力蓄積の調整の両方に使用することができる。励起パルスの集積処理及び送信コイルを具体化すると、本発明は励起プロフィール制御を容易にする。分配された並列システムを用いる送信、励起の加速、及びSARの管理は更に、強磁場強度での電力蓄積に対する解決策を提供する。
本発明は更に、望ましいRF励起プロフィールを求める段階と、送信コイルアレイによって生成される結果として得られる全体の励起が望ましいRF励起プロフィールと実質的に一致するように送信コイルアレイの各送信コイルを独立して駆動する段階とを含むMRイメージングの方法が提供される。図2及び図3に関して説明されるように、各送信コイルは、対応する送信コイルのRF励起を制御するよう設計された望ましいRF増幅器に接続されている。更に詳細には、各RF増幅器又は他の制御手段は、対応する送信コイルに特有のRFパルス波形を表す制御信号を供給し、コンポジットRF励起が、望ましいRF励起プロフィールと一致するイメージングボリュームにわたって発生されるようにする。本方法は更に、望ましいRF励起プロフィールの空間的に重み付けされたバージョンから各送信コイルに対するRFパルス波形を求める段階を含む。上述のように、各送信コイルの空間的重み付けは、送信コイルアレイのコイル間の相互結合を折り込むよう考慮される。
本発明はまた、分極磁場を印加するマグネットと、磁場勾配を加えるためのマグネットボアの周りに配置された複数の勾配コイルと、MR画像を収集するRFコイル組立体にRF信号を送信するようにパルスモジュールによって制御されるRF送受信器システム及びRFスイッチとを有するMRIシステムを備えるMRI装置に関する。MRI装置はまた、
イメージングボリュームにわたって結果として得られる全体のRF発生が送信コイルアレイ幾何形状と独立した望ましいRF励起プロフィールと実質的に一致するように、送信コイルアレイによるRF発生の制御用に構成されている複数のRFパルス波形を設計するようプログラミングされたコンピュータを含む。このコンピュータはまた、送信コイルアレイの各送信コイルによって全体のRF発生に対して加えられる効果的な空間的重み付けを求め、結合誘起されたコイル間相関関係を折り込むように複数のRFパルス波形を印加するようにプログラミングされている。各送信コイルによって加えられる効果的な空間的重み付けは、送信コイルのRF励起を制御するよう構成されたRF信号源により誘起される空間周波数重み付け、送信コイルアレイの送信コイル間の相互結合に関係する重み付け、並びにアレイの各送信コイルにおけるそれぞれのB磁場に関係する重み付けを含む。コンピュータはまた、送信コイルアレイ、従って送信コイルを線形、ラップアラウンド形式、或いは他の任意の配置で配列することができる場合に、複数のRFパルス波形を設計するようにプログラミングされる。更に、1つ又はそれ以上の送信コイルはまた、MR信号を受信するよう設計することができる。
本発明はまた、コンピュータによって実行されたときに、該コンピュータに送信コイルアレイの複数の送信コイルによるRF送信を制御させて、コンポジットB磁場の空間及び時間変動がRF送信完了時に望ましい励起プロフィールを誘起するようにする命令セットを表すコンピュータプログラムが格納されたコンピュータ可読記憶媒体において具現化することができる。命令セットは更に、コンピュータに対して、RF送信の空間的及び時間的変動の発生と同期するようにイメージングボリュームにおける勾配の印加を制御させる。命令セットは更に、コンピュータに対して、複数の送信コイルによるRF励起が並行して発生するよう複数の送信コイルへの制御信号の印加を制御させる。また、少なくとも1つの送信コイルの効果的なB磁場マップにより誘起されることになる空間的及び時間的変動を求めるようにコンピュータに行わせる。各送信コイルに対する効果的なB磁場マップは、複数のコイルの相互結合を反映する。好ましくは、効果的なB磁場マップは、送信コイルアレイの較正中に生成される。
本発明を好ましい実施形態に関して説明してきたが、明記したものの他に、均等物、代替物、及び変更物が可能であり、これらは添付の請求項の範囲内にあることが認識される。
本発明で使用するためのMRイメージングシステムの概略ブロックダイアグラム。 本発明の1つの態様による直線状送信コイルアレイ組立体を示すブロックダイアグラム。 本発明の別の態様によるラップアラウンド型送信コイルアレイ組立体を示すブロックダイアグラム。 本発明による送信コイルアレイを用いて達成できるRF励起プロフィールを示すグラフ。 2つのx−軸位置に配置された送信コイルアレイのコイルによるk方向重み付け寄与を示すプロット。 2つのx−軸位置に配置された送信コイルアレイのコイルによるk方向重み付け寄与を示すプロット。 送信コイルアレイの各コイルについてx軸に沿った局所化プロフィールの大きさを示す図。 本発明の1つの態様によるパルスシーケンスをグラフ的に示した図。 収集された画像からコイル感度重み付けを除去することによって評価されて得られた2D横方向磁化分布を示す図。 例示的な送信コイルアレイのコイルについてのB磁場マップを示す図。 参照ボディコイルにおける非選択的励起からの横方向磁化分布を示す図。 送信コイルアレイの各コイルについてのB磁場マップ、並びに個々のB磁場マップの重ね合わせによって生成されたコンポジット磁場マップを示す図。 本発明の別の態様によるRF送信を制御し且つ被検体へのRF蓄積を最小化するRFパルス・プロトコルの結果を示す図。 本発明の別の態様によるRF送信を制御し且つ被検体へのRF蓄積を最小化するRFパルス・プロトコルの結果を示す図。 本発明の別の態様によるRF送信を制御し且つ被検体へのRF蓄積を最小化するRFパルス・プロトコルの結果を示す図。 本発明の別の態様によるRF送信を制御し且つ被検体へのRF蓄積を最小化するRFパルス・プロトコルの結果を示す図。
符号の説明
70 送信コイル組立体
72 送信コイル
74 RF増幅器
76 励起ボリューム
78 被検体

Claims (10)

  1. 分極磁場を印加するマグネット(52)と、磁場勾配を加えるためのマグネット(52)ボアの周りに配置された複数の勾配コイル(50)と、MR画像を収集するRFコイル組立体(56)にRF信号を送信するようにパルスモジュール(38)によって制御されるRF送受信器システム(58)及びRFスイッチ(62)とを有する磁気共鳴イメージング(MRI)システム(10)と、
    送信コイルアレイ(70)によるRF発生を制御して、イメージングボリュームにわたって結果として得られる全体のRF発生が実質的に望ましいRF励起プロフィールと一致するように構成された複数のRFパルス波形を印加するようプログラミングされたコンピュータ(12、24、22、32、36)と、
    を備えるMRI装置。
  2. コンピュータは更に、前記送信コイルアレイ(70)の各送信コイル(72)によって全体のRF発生に対して加えられる効果的な空間的重み付けを求め、結合誘起されたコイル間相関関係を折り込むように前記複数のRFパルス波形を設計するようプログラミングされていることを特徴とする請求項1に記載のMRI装置。
  3. 各送信コイル(72)によって加えられる前記効果的な空間重み付けは、前記送信コイルアレイ(70)に接続された独立制御RF信号源によって誘起される少なくとも空間周波数重み付け、前記送信コイルアレイの送信コイル間で相互結合に関連する重み付け、及びそれぞれのB磁場を含むことを特徴とする請求項2に記載のMRI装置。
  4. 前記複数のRFパルス波形が更に、励起k空間サンプリング密度の低下により短い時間スパンの励起k空間横断を行うよう構成されていることを特徴とする請求項1に記載のMRI装置。
  5. 前記コンピュータ(12、24、22、32、36)が更に、結果として得られる全体のRF発生が送信コイルアレイ(70)幾何形状と独立した望ましいRF励起プロフィールに実質的に一致するようにRF発生を制御するようプログラミングされていることを特徴とする請求項1に記載のMRI装置。
  6. 前記コンピュータ(12、24、22、32、36)が更に、MRIシステム(10)の較正中に各送信コイルに対する効果的なB磁場を求めるようプログラミングされていることを特徴とする請求項1に記載のMRI装置。
  7. 前記送信コイルアレイ(70)が線形に配列されており、更にMR信号を受信するように構成されてることを特徴とする請求項1に記載のMRI装置。
  8. 前記送信コイルアレイ(70)が更に、並列励起パルスの駆動に基づいてRF磁場を誘起するよう構成されていることを特徴とする請求項1に記載のMRI装置。
  9. 前記複数の波形が更に、前記イメージングボリュームにわたる全体のRF発生におけるエイリアシング・サイドローブを低減するよう構成されていることを特徴とする請求項1に記載のMRI装置。
  10. 前記コンピュータ(12、24、22、32、36)が更に、前記送信コイルアレイ(70)に印加されることになる複数のRFパルス波形を設計するようプログラミングされていることを特徴とする請求項1に記載のMRI装置。
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