JP2005199043A - 複数撮像領域傾斜コイルのための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 加算及び差分手法を利用して多重撮像領域傾斜コイルから画像を生成する。
【解決手段】 イメージングボリュームを得るために第１のコイルと第２のコイルとを有する磁気共鳴イメージングシステム（１０）を作動させる方法は、第１のモードで双方のコイルからの加算磁場を用いてイメージングボリュームを得る段階と、第２のモードで双方のコイルからの差分磁場を用いてイメージングボリュームを得る段階とを含む。別の様態において提供される磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システムは、少なくとも１つの第１のコイルと、第１のコイルに電磁気的に結合された少なくとも１つの第２のコイルとを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一般に磁気共鳴に関し、より具体的には、加算及び差分手法を利用して多重撮像領域傾斜コイルから画像を生成するための方法及びシステムに関する。

磁気共鳴イメージングシステムは、空間符号化に使用される線形傾斜磁場を発生させる傾斜コイルを含む。傾斜コイルは、通常、強さ、スルーレート、及び有効イメージングボリュームを最適化するように設計される。傾斜コイルのイメージング速度は、大まかには、強さとスルーレートの積に比例する。一般に、有効イメージングボリュームが大きいほどイメージング速度は小さくなる。従って、全身イメージング用に設計されたコイルは、例えば頭部用途のような小さいボリューム用途のものに比べると最適に動作しない。

二重撮像領域傾斜コイルは、この問題を克服する試みで導入された。二重撮像領域傾斜コイルでは、２つ又はそれ以上の電気的に分離した巻線のセットが、各傾斜軸に対して設けられ、巻線の単一のセットは、２つ又はそれ以上の異なるモードで作動するように切換えることができ、１つのモードは、低イメージング速度で大イメージングボリュームを提供する他のモードと比較して、より小さな画像ボリュームでより高いイメージング速度を提供する。

しかしながら、二重撮像領域傾斜コイルは、一次巻線とシールド巻線の物理的なスペース要件に起因して、所与のイメージングボリュームに対して最適化された単一コイルによって提供される性能が得られない。所与のイメージングボリュームに対するイメージング効率は、イメージング速度（強さ×スルーレート）を、傾斜アンプから供給される電流と電圧の乗算結果で除算したものである。一次巻線とシールド巻線間の分離が大きいほど、イメージング効率は大きくなる。

最良のイメージング効率を与える最適な二重撮像領域コイル接続形態の決定に対して多くの試みがなされている。二重撮像領域コイル接続形態を最適化する手法の１つは、単一の一次及びシールド形成器を用いて、各形成器上に２つ又はそれ以上の切換可能な回路を生成するものである。この手法の問題点は、磁場の線形性の最適化に関して柔軟性が低いこと、或いは、多重導線クロスオーバの構成が困難であることである。

第２の手法は、一次コイル及びシールドコイルの２つの個別のセットを使用する。一次コイルとシールドコイルの１つのセットは、１つのイメージングボリュームを提供し、一次コイルとシールドコイルの他方のセットは、別のイメージングボリュームを提供する。この手法の問題点は、コイルの一方のセットの効率が極めて悪いか、又は、双方のセットの効率が中程度に悪いことである。この手法は通常、「ツイン」構成として良く知られている。

最近、「主コイルプラス補正コイル」手法が開発された。主コイルプラス補正コイル手法では、１つのコイル（主コイル）が両方のイメージングボリュームに対して使用され、他方のコイル（補正コイル）がイメージングボリュームを増大させるのに使用される。従って、主コイル単独で小イメージングボリュームが得られ、主コイルと補正コイルとの同時作動によって大イメージングボリュームが得られる。この手法は、各ボリュームに対し２つの個別のコイルのセットの使用に優る改良されたイメージング効率をもたらす。
Ｊｉａｎｍｉｎｇ Ｊｉｎ著「Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｉｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｚｉｎｇ」、ＣＲＣＰｒｅｓｓ、１９９９年

しかしながら、主コイルプラス補正コイル構成では、双方のボリュームのゲイン（単位電流当たりの傾斜磁場強さ）は主コイルのゲインによって決まり、一般的には大イメージングボリューム構成よりもより高いゲインで作動するより小さいイメージングボリューム構成を有することが好まれることから、このことは問題となる可能性がある。

１つの様態において、イメージングボリュームを得るために第１のコイルと第２のコイルとを有する磁気共鳴イメージングシステムを作動させる方法が提供される。本方法は、第１のモードで、双方のコイルからの加算磁場を使用することによってイメージングボリュームを得る段階と、第２のモードで、双方のコイルからの差分磁場を使用することによってイメージングボリュームを得る段階とを含む。

別の様態において、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システムが提供される。本システムは、少なくとも１つの第１のコイルと、第１のコイルに電磁気的に結合された少なくとも１つの第２のコイルとを備える。本画像システムは、第１のコイルと第２のコイルからの加算磁場を使用することによってイメージングボリュームを得るように第１のモードで作動し、第１のコイルと第２のコイルからの差分磁場を使用することによってイメージングボリュームを得るように第２のモードで作動するように構成されている。

更に別の様態において、磁気共鳴システムを利用して対象物をイメージングする方法が提供される。本方法は、第１のコイルと第２のコイルからの加算磁場を用いて第１のボリュームをイメージングする段階と、第１のコイルと第２のコイルからの差分磁場を用いて第２のボリュームをイメージングする段階とを含む。

更に別の異なる様態において、コンピュータ可読媒体が提供される。該媒体は、第１のモードで第１のコイルと第２のコイルを励磁して、第１のコイルと第２のコイルからの加算磁場を使用することによってイメージングボリュームを取得し、第２のモードで第１のコイルと第２のコイルを励磁して、第１のコイルと第２のコイルからの差分磁場を使用することによってイメージングボリュームを取得するようにコンピュータに命令するよう構成されたプログラムが符号化されている。

他の様態において、コンピュータが提供される。本コンピュータは、小モードと大モードを含むモード指示を受け取り、該指示が大モードであるときには、第１のモードで第１のコイルと第２のコイルを励磁して、第１のコイルと第２のコイルからの加算磁場を使用することによってイメージングボリュームを取得し、該指示が小モードであるときには、第２のモードで第１のコイルと第２のコイルを励磁して、第１のコイルと第２のコイルからの差分磁場を使用することによってイメージングボリュームを取得するように構成されている。

本明細書では、ＭＲＩ及びＮＭＲの磁場生成で使用される二重撮像領域傾斜コイルにおける加算及び差分手法を利用する方法及び装置を説明する。２つの巻線が各軸に対して利用され、双方の巻線は、小イメージングボリューム及び大イメージングボリュームの両方に対して使用される。しかしながら、１つのモードでは、コイルの一方からの磁場は反転している。より具体的には、第１のモードでは、イメージングボリュームは、双方のコイルからの加算磁場を用いることによって実現され、第２のモードでは、イメージングボリュームは、双方のコイルからの差分磁場を用いることによって実現される。

本明細書で使用されているように、単数形で記載され単数を表す数詞が付記された要素又は段階は、排除を明記していない限り、このような要素又は段階の複数を排除するものではないことを理解されたい。更に、本発明の「１つの実施形態」に対する参照は、記載された特徴を同様に組み入れている他の実施形態の存在を排除するものとして解釈することを意図するものではない。加えて、主コイルへの言及は、複数のコイルを企図しており、従って、用語「主コイル」と「複数の主コイル」とは、本明細書では互換的に使用される。同じ理由で、用語「シールドコイル」と「複数のシールドコイル」も本明細書では互換的に使用される。

図１は、本明細書で説明するシステム及び方法を実施する磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システム１０のブロック図である。ＭＲＩ１０は、キーボード及びコントロールパネル１４とディスプレイ１６とを含むオペレータコンソール１２を含む。オペレータコンソール１２は、別個のコンピュータシステム２０とリンク１８を通じて通信し、これによってオペレータがスクリーン１６上の画像の生成及び表示を制御可能となる。コンピュータシステム２０は、バックプレーンを通じて互いに通信する複数のモジュール２２を含む。例示的な実施形態では、モジュール２２は、画像プロセッサモジュール２４、ＣＰＵモジュール２６、及びメモリモジュール２８を含み、該メモリモジュール２８は本明細書では画像データアレイを記憶するためのフレームバッファとも呼ばれる。コンピュータシステム２０は、ディスク記憶ユニット３０とテープドライブ３２に接続され、画像データ及びプログラムの格納を容易にする。コンピュータシステム２０は、個別のシステム制御装置３４と高速シリアルリンク３６を介して通信する。

システム制御装置３４は、バックプレーン（図示せず）を用いて電気的に結合された複数のモジュール３８を含む。例示的な実施形態では、モジュール３８は、ＣＰＵモジュール４０と、シリアルリンク４４を用いてオペレータコンソール１２に電気的に結合されたパルス発生器モジュール４２とを含む。リンク４４は、オペレータコンソール１２とシステム制御装置３４との間での指令の送受信を容易にし、これによりシステム１０が実施することになる走査シーケンスをオペレータが入力できるようになる。パルス発生器モジュール４２は、システム構成要素に所望の走査シーケンスを実行するように指示して、生成されるべきＲＦパルスのタイミング、強さ及び形状と、データ収集ウインドウのタイミング及び長さとを表すデータを生成する。パルス発生器モジュール４２は、傾斜増幅器システム４６に電気的に結合され、走査中に発生すべき傾斜パルスのタイミング及び形状を表す信号を該傾斜増幅器システム４６に供給する。パルス発生器モジュール４２は又、生理学的収集コントローラ４８から患者データを受け取るように構成されている。例示的な実施形態では、生理学的収集コントローラ４８は、限定ではないが、患者に取り付けられた電極からＥＣＧ信号のような患者の生理学的状態を表す複数のセンサからの入力を受け取るように構成されている。パルス発生器モジュール４２は、患者の状態を表す種々のセンサ及びマグネットシステムから信号を受け取るように構成された走査室インターフェ−ス回路５０に電気的に結合される。走査室インターフェ−ス回路５０は又、限定ではないが、患者を望ましい位置へ移動させる指令信号などの指令信号を患者位置決めシステム５２に送信するように構成される。

パルス発生器モジュール４２によって発生された傾斜波形は、Ｇｘ増幅器５４、Ｇｙ増幅器５６、及びＧｚ増幅器５８を含む傾斜増幅器システム４６に入力される。各増幅器５４、５６及び５８は、傾斜コイル組立体６０内の対応する傾斜コイルを励起させて収集された信号を位置符号化するのに使用される複数の磁場傾斜を発生する。例示的な実施形態では、傾斜コイル組立体６０は、分極マグネット６４と全身型ＲＦコイル６６とを含むマグネット組立体６２を含む。

使用に際しては、システム制御装置３４内に置かれた送受信器モジュール７０は、送信／受信スイッチ７４によりＲＦコイル６６に電気的に結合されたＲＦ増幅器７２によって増幅される複数の電気パルスを発生する。患者内の励起原子核によって放出された結果として生じる信号は、ＲＦコイル６６によって感知されて、送信／受信スイッチ７４を介して前置増幅器７６に送信される。次に、増幅されたＮＭＲ（核磁気共鳴）信号は、送受信器７０の受信部内で復調され、フィルタ処理され、及びディジタル化される。送信／受信スイッチ７４は、パルス発生器モジュール４２からの信号によって制御され、送信モード中はＲＦ増幅器７２をコイル６６に電気的に接続し、受信モード中は前置増幅器７６を電気的に接続する。送信／受信スイッチ７４は又、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かにおいて使用することが可能となる。

ＲＦコイル６６によって受信されたＮＭＲ信号は、送受信器モジュール７０によってディジタル化されて、システム制御装置３４内のメモリモジュール７８に転送される。走査が完了する時点で、未処理のｋ空間データアレイがメモリモジュール７８内に収集されている。未処理のｋ空間データは、再構成されることになる各心拍時相画像の別個のｋ空間データアレイに再配置され、これらのデータアレイの各々は、データを画像データアレイにフーリエ変換するように構成されたアレイプロセッサ８０に入力される。この画像データは、シリアルリンク３６を介してコンピュータシステム２０に送られ、そこで画像データは、ディスク記憶装置３０内に格納される。１つの実施形態では、オペレータコンソール１２から受取った指令に応答して、この画像データがテープドライブ３２上にアーカイブされ、第２の実施形態では、この画像データが、画像プロセッサ２４によって更に処理され、オペレータコンソール１２に送信されてディスプレイ１６上に表示される。

例示的な実施形態では、主コイルプラス補正コイル構成に類似して２つの巻線又はコイルが各軸に対して利用される。しかしながら、１つのモードではコイルの一方からの磁場が反転しているので、主コイルプラス補正コイル構成とは異なり、両方の巻線が小イメージングボリュームと大イメージングボリュームの両方に対して使用される。この実施例において、小イメージングボリュームに対して要求される磁場がＢ１であり、大イメージングボリュームに対して要求される磁場がＢ２である。更に、第１のコイルからの磁場をＣ１で表し、第２のコイルからの磁場をＣ２と表す。次に、Ｃ１とＣ２をＣ１＋Ｃ２＝Ｂ１及びＣ１−Ｃ２＝Ｂ２となるように選定する。換言すれば、１つのイメージングボリュームは、両方のコイルからの加算磁場を使用することによって実現され、他方のイメージングボリュームは、双方のコイルからの差分磁場を使用することによって実現される。この実施例では、用語「コイル」は、１次コイル及びシールドコイルの双方を含むように使用される。このように、２つのコイルだけが上記で言及されたが、実際には２つのコイルからなる２セットが存在する。

この「加算及び差分」構成の利点は、磁場Ｂ１及びＢ２に対する有効ゲインが同じである必要がないことである。従って、２つの異なるイメージングボリュームにおける性能を構成する際にはるかに柔軟性がある。その上、小さな撮像領域モードでのインダクタンスが主コイルプラス補正コイル接続形態を超えて増大したとしても、Ｂ１とＢ２間のゲイン比を調節することによって、この増大を極めて軽微なものとすることができる。主コイルプラス補正コイル構成よりも優れる更なる利点は、大きな撮像領域コイルがより小さな抵抗を有することである。従って、加算及び差分構成によって、小イメージングボリュームモードと大イメージングボリュームモードとの間の熱損失に関する良好なトレードオフが可能となる。

コイルＣ１及びコイルＣ２に対する所要電流密度を構成する多くの方法がある。例証的な構成は以下の通りである。
（１）Ｐ１、Ｐ２、Ｓ１、Ｓ２をそれぞれコイル＃１およびコイル＃２における１次半径及びシールド半径とする。更に、Ｐ１＜Ｐ２＜Ｓ１＜Ｓ２とする。
（２）小イメージングボリュームコイルにおける電流密度は、１次半径及びシールド半径がそれぞれＰ２及びＳ１と仮定することによって得られる。この電流密度をＤ１で表す。
（３）大イメージングボリュームコイルにおける電流密度は、１次半径及びシールド半径がそれぞれＰ２及びＳ２と仮定することによって得られる。この電流密度をＤ２で表す。
（４）コイルＣ１の初期電流密度は、Ｅ１＝０．５＊（Ｄ１＋Ｄ２）によって与えられる。
（５）コイルＣ２の初期電流密度は、Ｅ２＝０．５＊（Ｄ１−Ｄ２）によって与えられる。
（６）次に、電流密度Ｅ１（コイル１に対する）は、半径Ｐ２及び半径Ｓ１に対して定義される。次いで、この電流密度Ｅ１は、半径Ｐ１及び半径Ｓ１での等価電流密度Ｅ１’に変換される。この変換は、以下に説明する手順を用いることによって解析的に実行することができる。

コイルの電流密度は、異なる半径を有する円筒の等価電流密度に変換される。電流密度変換パターンは、最適シールド電流の確定で使用されるのと同じ計算を使用し、所与の円筒状電流密度から生成される円筒調和展開に基づく。この理論の大部分は、Ｊｉａｎｍｉｎｇ Ｊｉｎの著書である「Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｉｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｚｉｎｇ」、ＣＲＣＰｒｅｓｓ、１９９９年で説明されている。

理論
半径ａの円筒上でのｚ方向の方位角電流密度のｍ次のフーリエ成分を、

と仮定すると、円筒内の磁場のｚ成分は、

である。

半径ｂでのシールドに対して、シールド条件は、

である。

シールドコイルからの磁場は、式２で、

を設定することによって得られる。

式３を使用すると、右辺は、

として記述することができる。

傾斜コイルを、それぞれ半径ａ及びｂを有する１次巻線及びシールド巻線から、それぞれ半径ｃ及び半径ｄを有する１次巻線及びシールド巻線に変換するために、内部磁場が同一であるようにする新しい半径上の１次電流密度に対する条件は、

である。

この変換は、コイル内部の磁場を変えることなく実行することができる。

コンピュータシステム２０と接続されたオペレータコンソール１２によって、オペレータは、スクリーン１６上の画像を生成及び表示する際にどのモードを使用するかを選択することが可能となる。コンピュータシステム２０は、この選択を受け取り、選択されたモードに基づきコイルを励磁する。オペレータが大イメージングボリュームモードを選択する場合には、コンピュータシステム２０は、該選択を受け取り、第１のコイルと第２のコイルを励磁して、第１のコイルと第２のコイルからの加算磁場を使用することによってイメージングボリュームを取得する。オペレータが、小イメージングボリュームモードを選択する場合には、コンピュータシステム２０は、該選択を受け取り、第１のコイルと第２のコイルを励磁して、第１のコイルと第２のコイルからの差分磁場を使用することによってイメージングボリュームを取得する。

以上のように２重撮像領域傾斜コイルに使用するための加算及び差分手法を提供する方法及びシステムを説明した。上記では、二重撮像領域傾斜コイルのみを説明したが、本手法に関連する利点は２つより多い撮像領域を有する傾斜コイルに全く等しく適用可能であることを理解されたい。

従って、本明細書で説明した方法及び装置は、イメージングボリュームの効率的な切換をコスト的に有利な方法で提供する。本明細書で説明した方法及び装置の１つの技術的効果は、本明細書で説明した方法及び装置が、各ボリュームに対するコイルの２つの個別のセットの使用を超える改良されたイメージング効率を提供することである。

本発明を種々の特定の実施形態に関して説明してきたが、当業者であれば、本発明が本発明の請求項の技術的思想及び技術的範囲内で変更を行うことが可能である点を理解するであろう。

磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システムの概略ブロック図。

符号の説明

１０ 磁気共鳴イメージングシステム

Claims (10)

1. イメージングボリュームを得るために第１のコイルと第２のコイルとを有する磁気共鳴イメージングシステム（１０）を作動させる方法であって、
   第１のモードにおいて、双方のコイルからの加算磁場を使用することによってイメージングボリュームを得る段階と、
   第２のモードにおいて、双方のコイルからの差分磁場を使用することによってイメージングボリュームを得る段階と、
   を含む方法。
2. 前記第２のコイルからの磁場を反転させて前記第１のモードから前記第２のモードに変化させる段階を更に含む請求項１に記載の方法。
3. 小イメージングボリュームに対する磁場がＢ１であり、大イメージングボリュームに対する磁場がＢ２であり、第１のコイルからの磁場がＣ１で表され、第２のコイルからの磁場をＣ２で表され、前記方法が、Ｃ１＋Ｃ２＝Ｂ１、及びＣ１−Ｃ２＝Ｂ２となるようにＣ１及びＣ２を選択する段階を含む請求項１に記載の方法。
4. Ｐ１及びＳ１が第１のコイルに対する１次半径及びシールド半径であり、Ｐ２及びＳ２が第２のコイルに対する１次半径及びシールド半径であり、Ｐ１＜Ｐ２＜Ｓ１＜Ｓ２であり、前記方法が、１次半径及びシールド半径をそれぞれＰ２及びＳ１と仮定し且つ電流密度をＤ１で表すことによって、小イメージングボリュームコイルに対する電流密度を得る段階を含む請求項１に記載の方法。
5. １次半径及びシールド半径をそれぞれＰ２及びＳ２と仮定し且つ電流密度をＤ２で表すことによって、大イメージングボリュームコイルに対する電流密度を得る段階を更に含む請求項４に記載の方法。
6. 磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システム（１０）であって、
   少なくとも１つの第１のコイルと、
   前記第１のコイルに電磁気的に結合された少なくとも１つの第２のコイルと、
   を備え、前記画像システムが、
   前記第１のコイルと前記第２のコイルからの加算磁場を使用することによって第１のモードでイメージングボリュームを得るように作動し、
   前記第１のコイルと前記第２のコイルからの差分磁場を使用することによって第２のモードでイメージングボリュームを得るように作動する、
   ように構成されているシステム（１０）。
7. 小イメージングボリュームに対する磁場がＢ１であり、大イメージングボリュームに対する磁場がＢ２であり、前記第１のコイルからの磁場がＣ１で表され、前記第２のコイルからの磁場がＣ２で表され、Ｃ１＋Ｃ２＝Ｂ１及びＣ１−Ｃ２＝Ｂ２となるように、Ｃ１及びＣ２が選択される請求項６に記載のシステム（１０）。
8. 磁気共鳴イメージングシステム（１０）を利用して対象物をイメージングする方法であって、
   第１のコイルと第２のコイルからの加算磁場を用いて第１のボリュームをイメージングする段階と、
   第１のコイルと第２のコイルからの差分磁場を用いて第２のボリュームをイメージングする段階と、
   を含む方法。
9. コンピュータ可読媒体であって、
   第１のモードで第１のコイルと第２のコイルを励磁して、該第１のコイルと第２のコイルからの加算磁場を使用することによってイメージングボリュームを取得し、
   第２のモードで前記第１のコイルと前記第２のコイルを励磁して、前記第１のコイルと前記第２のコイルからの差分磁場を使用することによってイメージングボリュームを取得する、
   ようにコンピュータに命令するよう構成されたプログラムが符号化された媒体。
10. 小モードと大モードを含むモード指示を受け取り、
    前記指示が大モードであるときには、第１のモードで第１のコイルと第２のコイルを励磁して、該第１のコイルと第２のコイルからの加算磁場を使用することによってイメージングボリュームを取得し、
    前記指示が小モードであるときには、第２のモードで前記第１のコイルと前記第２のコイルを励磁して、前記第１のコイルと前記第２のコイルからの差分磁場を使用することによってイメージングボリュームを取得する、
    ように構成されたコンピュータ。

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