JP2007152128A - 飽和移転からのコントラスト強調を用いた試料特性の定量化 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】MRI撮像過程と連係し、CEST薬剤がその内部に投与された対象に対するRF照射の操作を利用して生物学的パラメータをインビボで決定する。このCEST薬剤の交換速度は、標準的な較正技法を通じた生物学的パラメータの決定を可能とさせるRF操作を介して決定される。CEST薬剤の交換速度は、pHなどの多くの生物学的パラメータの関数とした変調を受ける。さらに、CEST薬剤の交換速度をインビボで決定するように構成したMRI装置及びコンピュータ・プログラム成果物についても開示している。
【選択図】図2
Description
CEST薬剤の共鳴照射を用いた画像(または、スペクトル)と無照射あるいは薬剤や水と共鳴しないコントロール照射を用いた画像(または、スペクトル)とを作成することによってCESTの効果が計測される。簡単な例として、定常状態を達成できる(すなわち、磁化がもはや変化しない)ような十分な長さをもつCESTパルスの直後における信号の計測について検討する。簡略とするためにさらに、ロングTRと無CEST照射による計測を利用することによって信号を正規化させることがある。TRは反復時間を意味することは当業者であれば理解されよう。(式1)では、薬剤を含まない組織における磁化移転コントラストの可能性については無視していることに留意されたい。定常状態では、緩和による磁化の増大はCESTによるその低下と同じ速度となる。
上式において、mは磁化、rは放射のない組織の1/T1、cは薬剤結合の陽子プールのサイズを水ライン陽子プール(希釈を前提とする)で除した値として表現される当該薬剤に関する交換可能陽子の濃度、w1は角周波数を単位とするRF照射の強度、またkは交換速度(当該薬剤に関する陽子の平均寿命の逆数)である。関数fはその薬剤が照射を受けたときに磁化をどの程度容易に破壊するかを記述している。これを整理すると次式となる。
上式においてrocはr/cである。2つのRF強度で計測を実施することによって2つの未知数(kとroc)を有する次の2つの式が得られる。オペレータによって、これらの磁化が計測される共にRF強度が制御される。
f(w1b,k)=(1/mb−1)roc
完全な飽和を未照射またはコントロール照射のみと比較する実験では、w1a=0及びw1b=無限大としてmaとmbを計測している。これによってf(w1,k)をそれぞれ0及びkとした式が得られる。
f(w1b,k)=(1/mb−1)roc=k
このケースでは、これら2つの式をkについて解くことができない。第1の式は単に、無照射においてmが1であることを示しているに過ぎない。第2の単一の式には2つの未知数rocとkが含まれている。
これを(式3)に代入することにより次式が得られる。
この式はk及びrocについて解くことができる。kの2乗は(まとめると)次式となる。
したがって、(式7)及び以下に記載する別の式は、様々な取得値または既知値を利用することによってkを外挿し交換速度を提供することができる。(式7)の左辺はk(2乗値)を提供している。この式の右辺に含まれるのはすべてが既知量または計測量である。maとmbは計測した磁化である(これらの値はロングTR(RF無し)に対して正規化され、これによりこれらの値は本質的に2つの計測した磁化の比となる)。w1aとw1bは機械設定値である。
(例2:変調RFパルスを介した交換の外挿)
上述の実施形態は、未変調のロング共鳴パルスに関する相互の及び無パルスとの結果比較、あるいはオフレゾナンスのコントロールパルスとの結果比較であった。パルスを変調すると、CESTの効果を予測可能で潜在的に有用な方式で修正することが可能である。例えば(図1)、薬剤に結合された陽子の化学交換寿命と比べてかなり短い180度パルスを生成させ、かつこの寿命と比べて長い遅延量だけこれらを分離させると、kがパルス持続時間δ及び介在パルスの遅延持続時間Δによって設定される限界範囲内のままであるという条件で、CESTの効果がkと比較的独立となる(δ<<1/kかつΔ>>1/kである限り、kはCESTの効果にほとんど影響を及ぼすことがないが、CEST効果は薬剤濃度と比例することになる)。組織緩和速度が既知または計測されていれば、この「kに独立の」CEST実験によって薬剤濃度が分かることになる。濃度及び緩和速度が分かると、標準的な未変調CESTの実験結果によってkについて(式1)を解くことができる。したがって、これが交換速度の決定に関する別の実施形態となる。
上式において、flipは一連のパルス内のCESTパルスの各々のフリップ角であり、またDELTAはあるCESTパルスの開始から次のパルスの開始までの時間である。右辺の第1項は、mが平衡値1に向かって緩和する際の速度である。右辺の第2項は、CEST薬剤との交換によってmが失われる(0に至る)際の速度である。この喪失速度は、存在するCEST薬剤の量並びにmそれ自体に比例する。(mが0であれば、薬剤との交換による喪失を無くすことができる。)大量プールから薬剤に移動する陽子はこれと一緒に磁化を運ぶ。薬剤から大量プールに至る陽子によってその一部が戻されるため、この式の1−cos(flip)がある。flipが90度であれば、薬剤に関する磁化のすべてがパルスによって破壊されると共にこれが次のパルスの前に交換され、これによりこの係数はちょうど1になる。flipが180度であれば、薬剤はその効果が2倍になり、薬剤結合の陽子磁化の方向が反転してからこれが大量の水プールに戻されるため1−cos(flip)が2倍になる。
便宜上、rocは2つの変数rとcの商という単一の変数を意味している。
(例3:多重ショートパルスを介した交換速度の外挿)
TRまたはCESTパルス持続時間は、必ずしもT1と比較して長くする必要はない。別のパルスシーケンスがCESTと共に使用されることがある。例えば(恐らく、時間の節約のために)、ショートTR、低フリップ角、傾斜エコーシーケンス内で各観測パルスの前にCEST照射パルスを追加することができる。反復される観測パルスによって(式1)に別の項が追加され、またCEST照射は観測工程中はオン状態のままではないため、CEST照射のデューティサイクルによってCEST効果をスケールダウンさせなければならない。(式5)で規定した関数を用いると、(式1)は次式となる。
各観測パルスによって縦磁化が元の値の1−cos(flip)分の1(ここで、flipは観測パルスを意味する)に低下される。flipが小さくかつTR<<T1であるならば、これをTRで割り算すること(これを扱う際の妥当な方法)によって速度が得られる。上述のこの速度のことをrtrfと呼ぶ。
flipが十分に小さくかつTRが十分に短ければ、(式10)は妥当であり、またrtrf<<rであればrtrfを無視することができかつその解はロングパルスの実施形態の場合と同じとなり、組織緩和速度が相殺されて既知である必要がなくなる。rtrfが緩和と比較して小さくない場合には、k及びpHを知るために緩和が既知でなければならない。この第3の実施形態は、幾つかの有益な点を提供する。これによれば、より高速な撮像が可能となる以外に、複数のスライスの同時撮像を可能にする一方法の一例が提供される。当業者であれば、複数のスライスを同時に撮像するための別の方法も存在することを理解されよう。
(例4:生物学的パラメータを決定するためのMRIシステム、並びにこれを用いるためのコンピュータ・プログラム成果物)
本発明の実施形態は処理モジュールを含んだデバイスまたはシステム、及び/または少なくとも1つのプログラムコード・モジュールを含んだコンピュータ・プログラム成果物として具現化し得ることは当業者であれば理解されよう。したがって本発明は、全体がハードウェアの実施形態やソフトウェア面とハードウェア面を組み合わせた実施形態の形式を取ることがある。さらに本発明は、その内部にコンピュータ使用可能なプログラムコード手段を有するコンピュータ使用可能記憶媒体上にコンピュータ・プログラム成果物を含むことがある。ハードディスク、CD−ROM、DVD、光学式記憶デバイス、または磁気式記憶デバイスを含む適当な任意のコンピュータ読み取り可能媒体が利用されることがある。
2 検査領域
3 身体
4 テーブル
5 アンテナ
6 発生装置
7 送受切換器
8 受信器
9 増幅/復調回路
10 処理モジュール
11 ディスプレイ
12 スライス
13 傾斜コイル
14 制御装置
205 T1
210 磁化値
215 磁化値
405 T1
410 第1の磁化値
415 第1の正規化磁化値
420 RF強度
425 第2の磁化値
430 正規化磁化値
435 第2の正規化磁化値
510 第1の磁化値
515 第1の正規化磁化値
520 roc値
530 第2の磁化値
535 第2の正規化磁化値
540 第2の正規化磁化値
610 第1の磁化値
615 第1の正規化磁化値
620 RF強度
625 第2の磁化値
630 第2の正規化磁化値
635 r値
640 rtrf値
645 rtrf値
Claims (10)
- MRIまたはNMRスペクトロスコピーあるいはスペクトロスコピー撮像を利用することによって生理学的組織の物理的または化学的パラメータをインビボで決定する方法であって、
CEST造影剤を対象に投与する工程と、
ある特定の位置における前記CEST薬剤の交換速度をインビボで決定する工程と、
前記交換速度を標準曲線と比較し前記特定の位置における物理的または化学的パラメータを決定する工程と、
を含む方法。 - ある特定位置におけるCEST薬剤の交換速度をインビボで決定する前記工程は、
前記対象を磁場内に置いたままで第1のCEST共鳴RF強度でT1に等しいかこれより大きい時間期間にわたって照射する工程と、
前記対象を第1のCEST共鳴RF強度で照射すると同時に前記対象の磁化を計測し第1の磁化値を取得する工程と、
前記対象を磁場内に置いたままで前記第1のCEST共鳴RF強度より大きい第2のCEST共鳴RF強度でT1に等しいかこれより大きい時間期間にわたって照射する工程と、
前記対象を第2のCEST共鳴RF強度で照射すると同時に前記対象の磁化を計測し第2の磁化値を取得する工程と、
前記第1のCEST共鳴RF強度、前記第2のCEST共鳴RF強度、前記第1の磁化値及び前記第2の磁化値を利用して前記CEST薬剤の交換速度を把握する工程と、
を含む、請求項1に記載の方法。 - 前記第1の磁化値を正規化して第1の正規化磁化値を取得する工程と、前記第2の磁化値を正規化して第2の正規化磁化値を取得する工程と、をさらに含むと共に、前記交換速度の把握工程は前記第1及び第2の磁化値の代わりに前記第1及び第2の正規化磁化値を利用している、請求項2に記載の方法。
- CEST薬剤の交換速度を決定する前記工程は、
前記対象を静磁場にかける工程と、
前記対象を2種類以上のCEST共鳴RF強度でT1に等しいかこれより大きい時間期間にわたって照射する工程と、
個々の各共鳴RF強度による前記対象の照射と同時に前記対象の磁化を計測しそれぞれの磁化値を取得する工程と、
前記RF強度及びそれぞれの磁化値を利用して前記CEST薬剤の交換速度を把握する工程と、
を含む、請求項1に記載の方法。 - CEST薬剤の交換速度を決定する前記工程は、
前記対象を磁場内に置いたままで幾つかのT1にわたるCEST共鳴パルス系列で照射する工程であって、CEST共鳴パルス持続時間は前記CEST薬剤に関する陽子の平均寿命より短く、かつCEST共鳴パルス間隔は前記平均寿命より長いがT1よりは短い照射工程と、
前記対象をCEST共鳴パルス系列で照射すると同時に前記対象の磁化を計測し第1の磁化値を取得する工程と、
前記第1の磁化値を利用してrocを把握しroc値を取得する工程と、
前記対象を磁場内に置いたままでその持続時間がT1に等しいかこれより大きいCEST共鳴パルスで照射する工程と、
前記対象をCEST共鳴パルスで照射すると同時に前記対象の磁化を計測し第2の磁化値を取得する工程と、
前記roc値及び前記第2の磁化値を利用することによって交換速度を把握する工程と、
を含む、請求項1に記載の方法。 - CEST薬剤の交換速度を決定する前記工程は、
前記対象を磁場内に置いたままで第1のCESTパルス系列によって第1のCEST共鳴RF強度で照射する工程であって、各パルス持続時間がT1未満である照射工程と、
前記対象を第1のCESTパルス系列によって照射すると同時に前記対象の磁化を計測し第1の磁化値を取得する工程と、
前記対象を第2のCESTパルス系列によって第2のCEST共鳴RF強度で照射する工程であって、各パルス持続時間がT1未満であり、かつ前記第2のCEST共鳴RF強度が前記第1のCEST共鳴RF強度より大きい照射工程と、
前記対象を第2のCEST共鳴RF強度で照射すると同時に前記対象の磁化を計測し第2の磁化値を取得する工程と、
rtrfを把握してrtrf値を取得する工程と、
前記第1のCEST共鳴RF強度、前記第2のCEST共鳴RF強度、前記第1の磁化値、前記第2の磁化値、及び前記rtrf値を利用することによって前記CEST薬剤の交換速度を把握する工程と、
を含む、請求項1に記載の方法。 - 前記対象の撮像がより迅速に達成されるように前記試料を連続するCESTパルスの間にある観測パルスにかける工程をさらに含む請求項6に記載の方法。
- 検査対象を配置させる空間内に静磁場を発生させるためのマグネット1と、
RFパルスを反復して印加し対象内にNMRを生成させるためのRFパルス発生装置6と、
スライス方向、位相エンコード方向または読み出し方向、あるいはこれらの組み合わせで傾斜磁場を印加するための発生装置6と、
対象から放出された信号を検出するための受信器8と、
前記マグネット、RFパルス発生装置、傾斜磁場発生装置及び受信器を制御するための制御装置14であって、該制御装置は少なくとも1つの処理モジュールとコンピュータ読み取り可能プログラムコード・モジュールを備えたコンピュータ使用可能媒体とを含んでおり、該コンピュータ読み取り可能プログラムコード・モジュールは前記対象に投与された所定のCEST薬剤の交換速度を決定するために該制御装置に対してCEST共鳴RFパルスを発生させ前記対象からの信号を処理させるように構成されている制御装置と、
を備える磁気共鳴撮像装置。 - 前記コンピュータ・プログラムコード・モジュールは、
前記制御装置に対して2種類以上のCEST共鳴RF強度でT1に等しいかこれより大きい時間期間にわたって前記対象を照射させているコンピュータ読み取り可能な第1のプログラムコード・モジュールと、
前記制御装置に対して個々の各共鳴RF強度による前記対象の照射と同時に前記対象の磁化を計測しそれぞれの磁化値を取得させているコンピュータ読み取り可能な第2のプログラムコード・モジュールと、
前記制御装置に対して前記RF強度及びそれぞれの磁化値を利用することによって前記CEST薬剤の交換速度を計算させているコンピュータ読み取り可能な第3のプログラムコード・モジュールと、
を備えている、請求項8に記載の装置。 - MRI装置の制御装置14で利用するように構成されると共にコンピュータ読み取り可能プログラムコード・モジュールを含んでいる、コンピュータ読み取り可能媒体上に記憶されたコンピュータ・プログラム成果物であって、該コンピュータ読み取り可能プログラムコード・モジュールは、前記制御装置に対して対象に投与された所定のCEST薬剤の交換速度を決定するために前記対象に与えるCEST共鳴RFパルスを生成させかつ前記対象からの信号を処理させるように構成されている、コンピュータ・プログラム成果物。
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