JP2007021008A - Ｄｎｐ過分極手段を備えた磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＭＲＩ装置が備える静磁場磁石を分極用磁石として用いことができ、従来のＭＲＩ装置の構成を変更することなく、装置内でＤＮＰ分極を行なうことができるＭＲＩ装置を提供する。
【解決手段】 ＤＮＰ分極手段は、試料を入れるための試料管301と、試料管内の試料を冷却して固体化する冷却ユニット304a〜304cと、試料にマイクロ波を照射するためのマイクロ波照射ユニット302と、金属管303とを備え、ＭＲＩ装置に設置される。少なくともＭＲＩ装置の撮像空間近傍（５ガウスライン）に設置される部材は、非磁性材料からなり、分極のために試料に磁場を与える磁場印加手段として、ＭＲＩ装置の静磁場発生磁石を用いる。ＤＮＰ分極によって生成した造影剤は、直ちに患者に投与し撮像を行なうことができ、高Ｓ/Ｎの画像を得ることができる。
【選択図】 図３

Description

本発明はＤＮＰ過分極装置を備えた磁気共鳴イメージング装置（以下、ＭＲＩ装置という）に関する。

ＭＲＩ装置では、静磁場に置かれた被検体の組織を構成する原子の原子核を、その共鳴周波数の高周波磁場を印加することによって励起し、これによって生じるＮＭＲ信号を計測し画像化する。従来、ＮＭＲ信号のＳ/Ｎの向上は静磁場磁石の強度を上げることにより図られてきた。

これに対し、近年、生体外で分極した物質を用いて核スピンの分極を増強し（過分極という）、ＮＭＲ信号のＳ/Ｎを向上させることが提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２、非特許文献１など）。過分極を実現する方法はいくつかあり、例えば、特許文献２や非特許文献１に記載されたダイナミック核分極（ＤＮＰ）では、試料にフリーラジカルを加え、これを極めて低い温度に保たれた状態で磁石のコア内に設置する。この固体状態においてマイクロ波を照射することにより、電子スピン分極が13Ｃなどの核スピンに交差分極により転移し、過分極された造影剤（13Ｃ造影剤）が生成される。

このように過分極により生成した造影剤を、固体状態から液体状態に変換した後、ＭＲＩの被検体に投与し、撮像することにより、極めて高いＳ/ＮのＮＭＲ信号を得ることができる。ＤＮＰ分極を利用したＭＲＩは、例えば血管造影や局所的な潅流撮像におけるサブトラクションを不要とし診断に有効な高画質の画像を得ることが期待されている。

非特許文献１には、ＤＮＰ過分極を行なうための装置が開示されている。この装置は、試料を入れた容器を保持する試料ホルダー、試料を冷却し固体状態に保つための冷却ユニット、分極用の磁石装置、試料にマイクロ波を照射するためのマイクロ波源や導波管などを含むマイクロ波ユニットなどを備えている。

ところでＤＮＰ分極によって生成した造影剤を用いてＭＲＩ装置で撮像する場合、ＭＲＩ装置の外にＤＮＰ分極装置が設けられている場合には、生成した試料を溶解した後、被検体に注入するまでに経過する時間により、試料の緩和時間、即ち消滅時間を著しく早めることになる。従ってＤＮＰ分極装置は、ＭＲＩ装置の特性を阻害しない範囲で、できるだけ被検体の近傍にあることが好ましい。

一般に生体外分極物質を利用したＭＲＩ装置では、例えば特許文献１に、上下に磁石を配置したオープンＭＲＩ装置において、上下の磁石を連結する支柱内に分極用の磁石を組み込むことが提案されている。しかしＭＲＩ装置に２種の磁石を設けることは、静磁場空間の均一化のため設計が複雑になり磁石の作成が困難である。また特許文献２には、一つの磁石を分極とＭＲ撮像の用途に用いることが可能であることが記載されているが、具体的な構成については記載されていない。
特開平９−１７３３１７号公報 特表２００２−５０１００６号公報 「Increase in signal-to-ratio of >10,000 times in liquid-state NMR」, Jan H. Ardenkjaer-Larsen et al, PNAS vol.100, no.18, 10158-10163, 2003

そこで本発明は、ＭＲＩ装置が備える静磁場磁石を分極用磁石として用いることができ、従来のＭＲＩ装置の構成を変更することなく、装置内でＤＮＰ分極を行なうことができるＭＲＩ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明のＭＲＩ装置は、被検体が置かれる空間に静磁場を発生する静磁場発生手段と、前記空間に傾斜磁場を発生する傾斜磁場発生手段と、前記被検体に高周波磁場を印加する送信手段と、前記被検体から発生する磁気共鳴信号を検出する受信手段と、前記磁気共鳴信号を用いて前記被検体の画像を再構成する信号処理手段と、前記被検体に投与される物質を過分極処理する過分極手段とを備えている。過分極手段は、試料を設置する試料管と、前記試料管内の試料を冷却し固体化する冷却ユニットと、前記試料に磁場を与える磁場印加手段と、前記試料にマイクロ波を照射するためのマイクロ波照射ユニットとを備え、前記磁場印加手段が前記静磁場発生手段である。

また本発明のＭＲＩ装置は、マイクロ波照射ユニットと試料管と冷却ユニットとを一体として静磁場発生手段が発生する静磁場空間に設置する手段を備える。
過分極手段の、少なくとも静磁場空間に載置される部材は、非磁性材料により形成されている。
さらに本発明のＭＲＩ装置は、好適には、過分極手段から試料管を取り出し、把持する手段を有する。
また本発明のＭＲＩ装置において、過分極手段は複数の試料管を備えたものとすることができ、冷却ユニットは、高熱伝導材料からなる試料管支持部材と、支持部材の内部及び／外周に形成され、ヘリウムガス供給源から供給されるヘリウムガスを循環させるガス流路とを含むものとすることができる。

以下、本発明のＭＲＩ装置に実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態によるＭＲＩ装置の外観を示す図である。このＭＲＩ装置は、被検体が置かれる空間（静磁場空間）が開放されたオープンＭＲＩ装置で、静磁場空間を挟んで上下に一対の磁石201、202が配置されている。上側の磁石201は支柱205によって支持され、下側の磁石202とともにガントリ203に収納されている。磁石201、202が超電導磁石の場合には、クライオスタットなどもガントリ内に収納されている。また下側のガントリには被検体を寝かせて静磁場空間に挿入するためのベッド206が設けられている。さらに本発明のＭＲＩ装置は、静磁場空間に可動式のＤＮＰ過分極装置300が設置される。ＤＮＰ過分極装置300の詳細は後述する。

図２はＭＲＩ装置の全体構成の概要を示す図で、静磁場発生磁石101と、この空間に傾斜磁場を与える傾斜磁場コイル102と、被検体103に高周波磁場を照射するための照射コイル107と、被検体103から発生されるＮＭＲ信号を受信する受信コイル106と、磁石101、傾斜磁場コイル102及び照射コイル107を駆動する駆動系と、受信コイル106からの信号を処理する信号処理系とを備えている。通常、磁石101と傾斜磁場コイル102は、ガントリ203内に収納されている。なお図２では、説明を簡単にするために磁石101及び傾斜磁場コイル102は、それぞれ一つしか示していないが、図１に示すようなオープンＭＲＩ装置では、静磁場空間を挟んでそれぞれ一組が上下に配置される。

傾斜磁場コイル102は、互いに直交する３軸の傾斜磁場コイルから構成されており、３軸の傾斜磁場コイルは、それぞれ傾斜磁場電源105に接続されている。シーケンサ104からの指令によって傾斜磁場電源105を駆動することにより静磁場空間に所望の方向の傾斜磁場を与えることができる。照射コイル107は、ＲＦパルス発生器116とＲＦパワーアンプ115を介して接続されている。ＲＦパルスは、シーケンサ104からの指令によってＲＦパルス発生器116の出力をＲＦパワーアンプ115で増幅し、照射コイル107に印加することにより照射される。

受信コイル106は、Ａ/Ｄ変換器、直交位相検波器などからなる受信器108に接続されており、被検体103から発生し受信コイル106で受波されたＮＭＲ信号は、受信器108でサンプリング、検波され、計算機109に送られる。ＮＭＲ信号は計算機109でリサンプリング処理された後、画像再構成等の処理に供される。計算機109の処理結果（例えば画像）はディスプレイ110に表示されるとともに、必要に応じて記憶装置111に記憶される。

ＤＮＰ分極装置300は、図３に示すように、被検体103に投与する物質（例えば造影剤）を入れる試料管301と、試料にマイクロ波を照射するためのマイクロ波照射装置302及びマイクロ波を密閉する金属管（導波管を含む）303と、試料を極低温状態に保つための冷却ユニット304（304a、304b、304c）と、ＤＮＰ分極後の試料を加熱するための加熱ユニット307とを備えている。

試料管301には、試料として、例えば被検体に注入するための13Ｃ造影剤が入れられている。試料には、13Ｃとの間で交差分極を生じさせるためのニトロオキサイド等のフリーラジカルが混合されている。マイクロ波照射装置302は、導波管を介して金属管303に連結されており、例えば最大出力100mWのマイクロ波を試料管301内の試料に照射できるようになっている。
また試料管301の外側にはＨ（水素）からＣ（炭素）に交差分極するためのＲＦ照射コイル305が設置されている。ＲＦ照射コイル305は、1Ｈスピン系をロックするための高周波磁場を照射するコイルと、1Ｈスピン系をロックした状態で13Ｃスピン系を1Ｈの周波数と同期させるための高周波磁場Ｈ_1C（γ_HＨ_1H＝γ_CＨ_1Cを満足する高周波磁場）を照射するコイルの二つの照射系を用いる。このようなＲＦ照射コイル305として、例えばサドルコイルを使用することができる。

冷却ユニットは、内側から順に、液体ヘリウム槽304a、真空槽304b、液体窒素槽304cからなり、試料管301内の試料を数Ｋ（ケルビン）程度の極低温に冷却する。真空槽304bは熱伝導を遮断するためのもので、外部の真空ポンプ310に連結されており、適切な真空度に保たれている。液体ヘリウム槽304aの内側には、図示していないが、フッ素樹脂等で形成された、試料管301を支持するためのホルダーが備えられている。

加熱ユニット307は、冷却ユニットによって冷却され固体状態である試料を被検体に投与可能な状態にするためのもので、水、生理食塩水など生理的に許容される液体であって常温或いは加温したものを貯蔵するタンクとこの液体を試料管301に供給するためのパイプ315等を備えている。

これらＤＮＰ分極装置300を構成する部材のうち、静磁場空間或いは静磁場近傍の空間（５ガウスライン内）に置かれる部材、具体的には試料管301、マイクロ波照射装置302、金属管303及び冷却ユニット304a〜304cは、全て非磁性材料で作成されている。非磁性材料としては、具体的には、ベリリウム銅、ステンレス、チタン、アルミニウム、セラミックス、プラスチックなどが挙げられる。加熱ユニット307も５ガウスライン内に置かれる場合には、非磁性材料で作成される。

このように構成されるＤＮＰ分極装置300は、上述した非磁性材料で構成された部材を一体としたものを可動式にして、静磁場空間に設置される。図１に示す実施形態では、ガントリの下側に、非磁性材料からなる可動式台座204が設置され、この台座204の上にＤＮＰ分極装置300が載置される。好適には台座204の下面には、車輪が備えられており、ＤＮＰ分極装置300を任意の位置に移動させることができる。ＤＮＰ分極装置300自体に車輪をつけてもよい。車輪をつけておくことにより、ＤＮＰ分極装置300と台座204との切り離しを容易に行なうことができる。

また上部ガントリには、図４に示すように、過分極後の試料管301をＤＮＰ分極装置300から取り出すための把持具207が備えられていることが好ましい。把持具207は、先端に開閉自在の把持部と把持部を少なくとも一つの方向（例えば上下方向）に伸縮させる機構を有するものであればよく、汎用のマニピュレータに用いられている機構を採用することができる。把持具207も非磁性材料からなることが好ましい。また把持具207は、リンクやアームを介してガントリに取り付けられており、必要に応じ静磁場空間内に入れたり、静磁場空間の外の位置に退避させたりすることができるようになっている。

このような構成におけるＤＮＰ分極手段付きＭＲＩ装置の動作を説明する。
まずＤＮＰ分極装置300をガントリ内に置かれた台座204に載せ、必要に応じてＤＮＰ分極装置300を載せた台座204を移動し、静磁場空間内に所定の場所にセットし、台座204を取り外す。ＤＮＰ分極で用いられる静磁場は、撮像に要求されるような高い静磁場均一度は要求されないので、撮像領域の中心から少し離れた位置にセットすることができる。これによりＤＮＰ分極装置300を置いたままでも、撮像時に被検者の入るスペースを邪魔することなく、造影剤の注入等の作業を行なうことができる。

一方、フリーラジカルとなる所定の化合物を均一に混ぜた試料（13Ｃ造影剤）を試料管301に入れ、この試料管301を冷却ユニット304a〜304c内の試料ホルダー内に挿入し、ホルダーと金属管との連結を確保した状態で冷却ユニットをシールする。試料が冷却ユニットにより極低温に冷却された固定状態で、マイクロ波照射装置302より金属管303を介してマイクロ波を試料に照射する。ＤＮＰ分極は強い磁場（ここでは静磁場磁石201、202が生成する磁場）及び極低温中に置かれた試料にマイクロ波を照射することによって行なわれ、冷却して固体にした試料の電子スピンをＤＮＰすることにより1Ｈを過分極する。この状態でＲＦ照射コイル305より高周波磁場を照射し、1Ｈスピン系をロックした状態で、γ_HＨ_1H＝γ_CＨ_1Cを満足する高周波磁場を照射する。13Ｃ−1Ｈ間双極子相互作用により両スピン間によるエネルギー交換が可能となり、交差分極により1Ｈから13Ｃに分極を移す。

マイクロ波の照射を止めた後、冷却ユニットのシールを解除し、把持具207を冷却ユニットの上部に移動すると共に操作し、ホルダー内から試料管301を取り出す。或いは冷却ユニットが置かれた台座204を移動して試料ホルダーが把持具207の真下に位置するようにしてもよい。把持具207で試料管301をホルダーから取り出したならば、加熱ユニット307内の液体を試料管301に液体を注入し、固体試料を被検体に投与できる状態（液体）に加熱する。この際、図５に示すように、把持具207に把持された試料管301以外のＤＮＰ分極装置300は、必要に応じて、静磁場空間の外或いは撮像空間から外れた場所に移動させる。固体試料を加熱する作業と併せて被検者の撮影の準備を行い、被検者をガントリ内の撮像空間に入れ、カテーテル400等により造影剤を被検者に投与する。加熱ユニット307や把持具207を静磁場空間から退避させて、ＭＲＩによる撮像、典型的には血管撮像或いは潅流撮像を開始する。

このように本実施の形態によれば、ＭＲＩ装置の静磁場空間内でＤＮＰ分極を行なうことができ、しかも生成した造影剤を直ちに撮像に使用することができるので、造影剤の緩和時間の経過による信号値の低下を極力低減した良好なＭＲ画像を得ることができる。
なお本実施の形態では、冷却ユニットから試料管301を取り出すための把持具207がＭＲＩ装置のガントリに設けられている場合を説明したが、ＭＲＩ装置とは別にロボットアーム等の把持具207を用意し、これによって試料管301を取り出したり加熱ユニット307による加熱を行なったりすることも可能である。

また図３にはマイクロ波照射装置302を金属管（導波管）303の上部に設置したＤＮＰ過分極装置300を例示したが、マイクロ波照射装置302の設置位置は、ＭＲＩ装置の構造、例えば上下磁石間の距離に応じて適宜変更することが可能である。例えば図６に示すように、マイクロ波照射装置302は冷却ユニット304と並べて設置することも可能である。

次に本発明の第２の実施の形態を説明する。図７は、本発明の第２の実施の形態によるＭＲＩ装置の外観を示す図である。この実施の形態でも、内部の構成は図２に示した第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。

本実施の形態では、上部磁石201と下部磁石202とを連結する支柱205の空間にＤＮＰ分極装置300を収納する収納室209を形成している点が特徴である。ＭＲＩ装置の静磁場発生磁石として超電導磁石を用いる場合には、支柱205には、上部磁石201のクライオスタットと下部磁石202のクライオスタットを連結する連結管（熱遮蔽板を含む）が通っているが、連結管以外の空間を利用して収納室209を設けることができる。

ＤＮＰ分極装置300の構成は、図３に示した第１の実施の形態と同様であり、ＤＮＰ分極装置300を構成する部材のうち、試料管301、マイクロ波照射装置302、金属管303及び冷却ユニット304a〜304c（試料ホルダーを含む）は非磁性材料で作成されており、一体として収納室209に収納される。冷却ユニットの真空槽304bは外部に置かれた真空ポンプ310に連結され、所定の真空度に保たれる。

本実施の形態において、ＤＮＰ分極装置300は収納室209に固定されていてもよいが、好適には、必要に応じて収納室209から取り出し、操作することができるようになっている。その場合には、第１の実施の形態と同様に台座204を用いることができる。
本実施の形態によれば、上下磁石によって支柱内に形成されている静磁場を利用してＤＮＰ分極を行なうことができる。またガントリ内の空間を撮像のために広く利用することができる。

以上、本発明のＤＮＰ分極手段付ＭＲＩ装置の各実施の形態を説明したが、ＤＮＰ分極手段はＭＲＩ装置に組み込むために、上記実施の形態に限定されず、種々の改良を加えることが可能である。

このような改良の一実施の形態を図８に示す。図８に示す実施の形態は、マイクロ波を閉じ込め試料に照射するための金属管303内に、複数の試料管ホルダーを設け、複数の試料管301に収納された試料を一度にＤＮＰ分極できるようにしたことを特徴としている。交差分極のためのＲＦ照射コイル305は、これら複数の試料管301を囲むように設けられる。
一般にＤＮＰ分極によって生成した造影剤等の物質は、液体にした場合、短い緩和時間で緩和する。ＤＮＰ分極装置として複数の試料管を備えることにより、連続して13Ｃ造影剤を用いた撮像が可能となり、短い緩和時間を補い、広範囲の撮像も行なうことが可能となる。

また別の改良の実施の形態を図９に示す。図９の実施の形態は、冷却ユニットとして液体ヘリウムではなく低温ヘリウムガスのような気体状の冷媒を用いていることを特徴としている。このため本実施の形態では、高熱伝導率の材料、例えばアルミニウムなどで試料管301を支持するための１ないし複数の穴が形成された試料管ホルダー320を形成する。試料管ホルダー320には、試料管ホルダー320を囲む位置に、交差分極のためのＲＦ照射コイル305が内蔵されるか、収納されている。金属管303は、この試料管ホルダー320を覆うように設けられる。また試料管ホルダー320の内部及び／又は外周にヘリウムガスの流路308を形成し、ヘリウムガスを循環させる。特に試料管301を支持する穴の近傍に冷媒流路を設けることにより、効率よく試料管301内の試料を冷却することができ、効果的にＤＮＰ分極を行なうことができる。

本実施の形態によれば、液体ヘリウムを使用しないので、装置を小型化することができ、ＭＲＩ装置への設置や支柱への組み込みをより容易にすることができる。

本発明の第１の実施の形態によるＭＲＩ装置の外観を示す図 図１のＭＲＩ装置の構成を示す図 第１の実施の形態によるＭＲＩ装置のＤＮＰ分極装置を示す図 第１の実施の形態によるＭＲＩ装置の使用状態を示す図 第１の実施の形態によるＭＲＩ装置の使用状態を示す図 第１の実施の形態によるＭＲＩ装置のＤＮＰ分極装置の変更例を示す図 本発明の第２の実施の形態によるＭＲＩ装置を示す図 ＤＮＰ分極装置の別の実施の形態を示す図 ＤＮＰ分極装置のさらに別の実施の形態を示す図

符号の説明

101、201、202・・・磁石、102・・・傾斜磁場コイル、103・・・被検体、106・・・受信コイル、107・・・照射コイル、203・・・ガントリ、204・・・台座、205・・・支柱、207・・・把持具、209・・・収納室、300・・・ＤＮＰ分極装置、301・・・試料管、302・・・マイクロ波照射装置、303・・・金属管、304a〜304c・・・冷却ユニット、305・・・ＲＦ照射コイル、307・・・加熱ユニット、310・・・真空ポンプ、320・・・試料管ホルダー

Claims (6)

1. 被検体が置かれる空間に静磁場を発生する静磁場発生手段と、前記空間に傾斜磁場を発生する傾斜磁場発生手段と、前記被検体に高周波磁場を印加する送信手段と、前記被検体から発生する磁気共鳴信号を検出する受信手段と、前記磁気共鳴信号を用いて前記被検体の画像を再構成する信号処理手段と、前記被検体に投与される物質を過分極処理する過分極手段とを備えた磁気共鳴イメージング装置において、
   前記過分極手段は、試料を入れるための試料管と、前記試料管内の試料を冷却して固体化する冷却ユニットと、前記試料に磁場を与える磁場印加手段と、前記試料にマイクロ波を照射するためのマイクロ波照射ユニットとを備え、前記磁場印加手段が前記静磁場発生手段であることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
2. 請求項１記載の磁気共鳴イメージング装置であって、
   前記マイクロ波照射ユニットと、試料管と、前記冷却ユニットとを一体として前記静磁場発生手段が発生する静磁場空間に設置する手段を備えたことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
3. 請求項１又は２に記載の磁気共鳴イメージング装置であって、
   前記過分極手段の、少なくとも前記静磁場空間に載置される部材は、非磁性材料により形成されていることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の磁気共鳴イメージング装置であって、
   前記過分極手段から前記試料管を取り出し、把持する手段を有することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の磁気共鳴イメージング装置であって、
   前記過分極手段は、複数の試料管を備えたことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の磁気共鳴イメージング装置であって、
   前記冷却ユニットは、高熱伝導材料からなる試料管支持部材と、前記支持部材の内部及び／外周に形成され、ヘリウムガス供給源から供給されるヘリウムガスを循環させるガス流路とを含むことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
   

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