JP2008523943A - 磁気共鳴装置及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、身体の磁気共鳴画像化のための装置であって、検査域内での定常的且つ実質的に一様なメイン磁場の発生のためのメイン磁石２と、検査域内又はその近くに置かれた複数の無線受信ユニット１０ａ，１０ｂと、受信したＭＲ信号をサンプリングして、それらをデジタル信号サンプルに変換するよう可変サンプリング周波数で動作するサンプリング手段２１ａ，２１ｂとを有する装置に関する。検査対象７の核スピンシステムに支障を与えずに無線受信ユニット１０ａ，１０ｂに誘導的に給電するよう配置され、無線受信ユニット１０ａ，１０ｂの動作のために巨大なエネルギー蓄積手段を必ずしも要しないＭＲ装置１を提供するために、本発明は、無線受信ユニット１０ａ，１０ｂへ誘導的に給電するために検査域内にＲＦ電圧印加場を発生させる電圧印加手段１７を設けることを提案する。ＲＦ電圧印加場の周波数はサンプリング周波数の整数倍である。

Description

本発明は、磁気共鳴（ＭＲ）画像化のための装置に関する。

更に、本発明は、ＭＲ画像化の方法と、ＭＲ画像化装置用コンピュータプログラムとに関する。

ＭＲ画像化では、切換ＲＦ磁場（Ｂ１）及び傾斜磁場パルスから成るパルス列が、定常的且つ実質的に一様なメイン磁場（Ｂ０）に置かれた対象（通常は患者の身体）へ印加され、位相変調された磁気共鳴信号を発生させる。この信号は、その後、対象からの情報を取得して、その画像を再構成するために走査される。その最初の開発以来、ＭＲＩが利用される臨床治療関連分野の数は大幅に増加した。ＭＲＩは、身体のほぼ全ての部分へ適用可能であり、人体の多数の重要な機能に関する情報を取得するために使用され得る。ＭＲ走査の間に加えられるパルス列は、対象における位置及び座標、容量、信号対雑音比、コントラスト、動作感度など、再構成される画像の特性を完全に決定する。ＭＲＩ装置の操作者は、適切なシーケンスを選択すべきであり、夫々の用途のためにそのパラメータを調整して最適化すべきである。

通常、ＭＲ画像化装置は、検査域における定常磁場Ｂ０の発生のための超伝導メイン磁石と、画像化シーケンスの間の切換傾斜磁場の発生のための傾斜コイルと、ＲＦコイルアセンブリとを有する。既知のＭＲシステムのＲＦコイルアセンブリは、核スピンのために上記Ｂ１磁場を発生させるよう送信コイルを有し、更に、検査対象からＭＲ信号を検出して受信するよう送信コイルとともに使用される１又はそれ以上の受信アンテナを有する。受信アンテナは、通常、ＭＲ装置の受信回路へ接続される。この受信回路は、ＭＲ信号の狭帯域低雑音検出を可能にするために、更に、検出したＭＲ信号をデジタル信号サンプルに変換するために、ＲＦ増幅器と、減衰器と、変調器と、フィルタと、デジタイザとを有する。これらの信号は、最終的に、コンピュータによって処理されて、対象のデジタル画像に変換される。

既知の並列ＭＲＩ技術で、異なった空間感度プロフィールを有する複数の受信アンテナは、例えば、局所感度を高めるために、あるいは診断画像の走査時間を低減するために用いられる。後者は、例えば、ナイキスト定理に従って所定の視野を完全にカバーするために実際に必要とされるよりも少ない位相変調磁気共鳴信号を取得することによる既知のＳＥＮＳＥ技術に従って達成される。

上記ＳＥＮＳＥ技術及び他の既知の並列ＭＲＩ技術は、実際の用途にとって極めて効率的であることが判明している。従って、現在のＭＲＩシステムは、ますます、超並列画像化を要する。これは、ＭＲ装置の検査域に置かれた多数のＭＲ受信アンテナ（コイル）の使用を必然的に要する。夫々のアンテナは、別個の受信チャネルに割り当てられる。個々の受信アンテナを、通常は実際の検査室の外に置かれたＭＲ装置の後部電子機器（受信回路）へ接続するために、多数のケーブルが必要とされる。このケーブル布線は、高価であり、また扱いにくくもある。このことは、一般的なＭＲ装置の検査容量範囲内の限られた空間を考えた場合には主な懸念事項である。特に、移動式患者支持体に組み込まれた受信アンテナの場合には、必要なケーブル布線は技術的難関であり、ひいては原価集中となる。ＭＲ画像化に際して使用されるアンテナが多くなればなるほど、検査される患者の身体の周りでのケーブルの取り扱いはますます複雑になる。通常、検査域の近くに置かれた所謂コンバイナ・ボックスが使用される。この中で、個々の受信コイルからのケーブルは束ねられる。コンバイナ・ボックスから多機能ケーブルがＭＲ装置の後部電子機器へ繋がる。当然、それらの多機能ケーブル及び対応するコンバイナ・ボックスは、複数の部品及びワイヤーを有する。これらの部品及びワイヤーは、検査域内のＲＦ磁場を乱す傾向を有し、夫々の部品及びワイヤーの近くにある検査される身体の組織中で高い局所吸収率（ＳＡＲ）を引き起こしうることが、既知の問題としてある。これは、ＭＲ装置の動作の安全性に関する主な問題である。例えば、患者は、ＭＲ装置の中央処理ユニットへ受信アンテナを接続するワイヤーの近くの領域で局所火傷を負うことがある。

例えば、米国特許公開２００３／０２０６０１９Ａ１から知られるように、ＭＲ受信アンテナとＭＲ装置の遠隔信号処理電子装置との間のケーブル布線は、検査域の近くに置かれた受信ユニットからＭＲ装置の中央処理ユニットへの受信信号の無線送信を用いることによって取り除くことができる。受信アンテナとＭＲ装置の後部電子機器との間の無線テレメトリを確立するために、既知のシステムの受信ユニットは適切な送信器を組み込む。この送信器は、ＭＲ装置の中央信号処理電子装置に結合された遠隔受信器へ変調信号を送信する。既知のシステムの受信ユニットは、送信器及び関連する部品へ電力を供給するよう、再充電可能な電池を更に有する。このようにして、ケーブル接続は、給電のためでさえ、受信ユニットとＭＲ装置の後部電子機器との間に全く必要とされない。受信ユニットの電池を充電状態に保つために、既知のＭＲシステムの送信コイルによって発生したＲＦパルスは、必要な電力を供給するよう取り出されて整流される。

既知のシステムの無線受信ユニットの給電に関連する主な欠点は、受信ユニットに電圧を加えるためのＲＦ送信磁場（Ｂ１）のタッピングが、必然的に励磁ＲＦ場の非均一性をもたらす点である。ＲＦ場は、検査域で乱され、結果として、極めて望ましくない画像アーティファクトが起こる。この問題は、予測不可能な不穏な方法で核スピンの励起に同様に作用するので、受信ユニットの誘導的給電のために付加的なＲＦ電力を供給することによって簡単には回避され得ない。安全性の問題も考えられるべきである。従って、受信ユニットの給電及び所望の核磁化励磁にとって常に十分である程には、ＲＦ場の強さを増大させることが容認され得ないことがある。既知の技術に伴う更なる問題は、誘導的給電が、信号取得が進行中でない時間間隔の間にしかすることができない点である。そうでない場合に、既知のシステムとともに使用される励磁ＲＦ場は、高感度受信電子機器、特に、受信回路のサンプリング手段に干渉しうる。これは、先と同じく、画像品質において非常に不利な歪曲効果を有する。結果として、既知のシステムは、誘導的給電がオフに切り替えられている場合に、ＭＲ信号取得期間中の十分な給電を確かにするために、エネルギー蓄積用の比較的巨大な電池を必要とする。
米国特許公開２００３／０２０６０１９Ａ１

従って、無線で動作する受信ユニットを用いて超並列画像化を可能にするＭＲ画像化のための改善された装置が必要とされることが、容易に理解される。その結果、本発明は、検査対象の核スピンシステムに支障を与えずに無線受信ユニットに誘導的に電力を供給するよう配置されたＭＲ装置を提供することを主な目的とする。本発明は、更に、無線受信ユニットの動作のために（例えば、再充電可能な電池として）巨大なエネルギー蓄積手段を必ずしも必要としないＭＲ画像化装置を提供することを目的とする。

本発明に従って、検査域に置かれた身体の磁気共鳴画像化用ＭＲ装置が提供される。当該装置は、前記検査域内での定常的且つ実質的に一様なメイン磁場の発生のためのメイン磁石を有する。前記検査域内又はその近くに置かれた複数の無線受信ユニットが設けられる。該受信ユニットは、夫々、前記身体からＭＲ信号を受信する受信アンテナを有する。個々の受信ユニットは、中央処理ユニットへ前記受信したＭＲ信号を無線送信する送信器を有する。本発明の装置は、前記受信したＭＲ信号をサンプリングして、それらをデジタル信号サンプルに変換するよう可変サンプリング周波数で動作するサンプリング手段を更に有する。本発明の基本的な特徴は、前記無線受信ユニットへ電力を誘導的に供給するよう、前記検査域内でＲＦ電圧印加場（ＲＦ ｅｎｅｒｇｉｚｉｎｇ ｆｉｅｌｄ）を発生させる電圧印加手段が設けられる点である。このＲＦ電圧印加場の周波数は、前記サンプリング周波数の整数倍に等しくなるように選択される。

本発明の主旨は、エネルギー蓄積容量が受信ユニットの動作のために全く必要とされないか、あるいは、必要とされるとしても著しく低減されるように、無線受信ユニットへの電力の連続的な伝送を可能にすることである。前記ＲＦ電圧印加場の周波数は、当該ＭＲ装置の共振（ラーモア）周波数とは異なるべきである。このようにして、電圧印加放射と核磁化との間の干渉は効果的に回避される。

本発明の装置は、前記ＲＦ電圧印加場の周波数が前記サンプリング周波数の整数倍であることを特徴とする。このため、前記電圧印加場の瞬時強さは、前記ＭＲ信号がサンプリングされる夫々の時点で常に同じである。更に、前記ＲＦ電圧印加場の波形は、夫々のサンプリング期間に亘る積分が零になるように選択されるべきである（例えば、正弦波が適切であり得る。）。従って、誘導的給電と高感度の受信電子機器との間のスプリアス干渉は心配される必要がない。本発明の前記ＲＦ電圧印加場は、如何なる画像歪みも生じずに画像取得期間全体を通して作動することができる。

通常のＭＲシステムでは、前記ＭＲ信号の帯域幅は可変であって、約５００Ｈｚから１．５ＭＨｚの範囲にある。前記サンプリング周波数は、個々の画像化の状況に依存して、当該ＭＲ装置のユーザによって然るべく指示される。サンプリング定理（ナイキスト基準）の必要条件を満足するために、前記ＲＦ電圧印加場の周波数は、本発明に従って、少なくとも２ＭＨｚから３ＭＨｚの間の範囲で可変でなければならない。このようにして、前記ＲＦ電圧印加場の周波数は、前記サンプリング周波数の整数倍に等しい周波数を常に求められる。当該ＭＲ装置の前記サンプリング手段の可変設定に基づいて前記ＲＦ電圧印加場の周波数の自動制御を実施することが、有利に可能である。

本発明の実用化のために、前記無線受信ユニットは、夫々、前記ＲＦ電圧印加場を捕捉する離調可能な共振捕捉回路を有する。共振回路は、誘導的給電プロセスの最適な効率を可能にする。前記捕捉回路は、その共振周波数を（上述されたように前記サンプリング周波数によって決定される）前記ＲＦ電圧印加場の可変周波数へ一致させるために離調可能であるべきである。前記捕捉回路は、自動制御された離調を可能にするよう可変コンデンサ（例えば、所謂バリキャップ）を組み込んでも良い。本発明の好ましい実施例に従って、内蔵型装置としての無線受信ユニットは、夫々、前記ＲＦ電圧印加場を取り除かれたエネルギーが正確に夫々の無線受信ユニットの電力需要に等しくなるように前記捕捉回路の共振周波数を自動制御する制御論理回路を有する。これは、画像取得の間のサンプリング周波数が制限なく選択可能であるという利点を有し、当該ＭＲ装置のユーザは、無線受信ユニットの動作及びその給電に関して全く気をつける必要がない。

本発明のＭＲ装置の前記無線受信ユニットは、夫々、前記捕捉回路へ接続された再充電可能な電池パック又はエネルギー蓄積コンデンサを有しても良い。これらのエネルギー蓄積手段の容量は、従来の装置に対して著しく低減され得る。それでも尚、一定のエネルギー蓄積は、前記受信ユニットの電力需要が一時的に増大する場合でさえ信頼できる機能を保証するために有用でありうる。

本発明は、装置だけではなく、ＭＲ装置の検査域に置かれた身体の少なくとも一部の磁気共鳴画像化の方法にも関連する。当該方法は、ＲＦパルス及び切換傾斜磁場を含むＭＲ画像化シーケンスによって前記身体内で核磁化を引き起こすステップと、受信アンテナ及び、前記検査域から離れた中央処理ユニットへ前記受信したＭＲ信号を無線送信する送信器を夫々が有し、前記検査域内又はその近くに置かれた複数の無線受信ユニットによって、前記身体からＭＲ信号を取得するステップと、サンプリング周波数で前記受信したＭＲ信号をサンプリングして、該信号サンプルをデジタル信号サンプルに変換するステップと、前記ＭＲ信号の取得及びサンプリングの間に前記検査域内で、前記サンプリング周波数の整数倍であるよう選択された周波数を有するＲＦ電圧印加場を連続的に発生させて、前記無線受信ユニットへ電力を誘導的に供給するステップと、前記遠隔中央処理ユニットへ前記デジタル信号を送信するステップと、前記デジタル信号サンプルからＭＲ画像を再構成するステップとを有する。

本発明の画像化手順を実行するよう構成されたコンピュータプログラムは、有利に、磁気共鳴スキャナの制御のための一般的コンピュータハードウェアにおいて実施可能である。当該コンピュータプログラムは、例えばＣＤ−ＲＯＭ又はディスケットなどの適切なデータ媒体で提供され得る。代替的に、それは、また、インターネットサーバからユーザによってダウンロードされ得る。

以下の図面は、本発明の好ましい実施例を開示する。しかし、当然、図面は、説明の目的のためだけに設計され、本発明の限定の定義として設計されたわけではない。

図１で、本発明に従う磁気共鳴画像化装置１がブロック図として示される。装置１は、定常的且つ一様なメイン磁場を発生させるひと組のメイン磁石コイル２と、制御可能な強さを有する付加的な磁界を重ね合わせ、また、選択された方向に傾斜を有する３組の傾斜コイル３、４及び５とを有する。従来、メイン磁場の方向はｚ方向で表される。ｚ方向に対して垂直な２つの方向は、ｘ方向及びｙ方向である。傾斜コイルは、電源９を介して励磁される。装置１は、装置１の検査域に置かれた身体７へ無線周波数（ＲＦ）パルスを放射する放射線発射部６、アンテナ又はコイルを更に有する。放射線発射部６は、ＲＦパルスを発生させて変調する変調器８へ結合されている。また、装置１の検査域内又はその近くに置かれた受信ユニット１０ａ、１０ｂが設けられている。受信ユニット１０ａ、１０ｂの夫々は、身体７からＭＲ信号を夫々受信する受信アンテナ１１ａ、１１ｂを有する。これらの受信アンテナ１１ａ、１１ｂは、並列画像化の目的のためにコイルアレーを形成している。受信アンテナ１１ａ、１１ｂは、例えば、それらがＳＥＮＳＥ画像化のために必要とされる場合には、異なった空間感度プロフィールを有する別個の表面コイルであっても良い。受信したＭＲ信号は、個々の受信ユニット１０ａ、１０ｂに組み込まれたサンプリング手段（図示せず。）によってサンプリングされ、デジタル信号に変換される。受信ユニット１０ａ、１０ｂは、例えば既知のＳＥＮＳＥ技術に従って、受信したデジタル磁気共鳴信号を画像に変換するための、例えば無線アンテナ１４を備えたコンピュータなど、対応するデータ処理ユニット１３に対する多重形式でのデジタル信号の無線送信のために、信号送信アンテナ１２ａ、１２ｂを備える。デジタル磁気共鳴信号から変換された画像は、画像表示ユニット１５に表示可能である。変調器８、放射器６、並びに傾斜コイル３、４及び５用の電源９は、並列画像化のための実画像化シーケンスを発生させるよう制御システム１６によって制御される。制御システム１６は、更に電圧印加ユニット１７へ接続されており、アンテナ１８を介して受信ユニット１０ａ、１０ｂへ放射されるＲＦ電圧印加場を発生させる。ＲＦ電圧印加場は、別個の受信アンテナ（コイル）１９ａ、１９ｂを用いて受信ユニット１０ａ、１０ｂによって捕捉される。それによって、電力は、無線受信ユニット１０ａ、１０ｂへ誘導的に供給される。表される実施例で、電圧印加ユニット１７は、ＲＦ電圧印加場の周波数が本発明に従うサンプリング周波数の整数倍であるように、ＭＲシステム１６によって制御される。このようにして、電力は、画像化手順全体を通して、電圧印加ユニット１７を介して連続的に受信ユニット１０ａ、１０ｂへ供給され得る。

図２を参照すると、本発明に従う複数の受信ユニット１０ａ、１０ｂ及び電圧印加ユニット１７の配置が示される。受信ユニット１０ａ、１０ｂは、検査されている患者の身体からＭＲ信号を受信する受信コイル１１ａ、１１ｂを備える。受信コイル１１ａ、１１ｂは、高感度アナログ無線周波数前置増幅器２０ａ、２０ｂへ接続されている。受信ユニット１０ａ、１０ｂは、受信したＭＲ信号のサンプリング及び、ＭＲ装置の無線通信リンクによるデジタル信号の無線送信のために、サンプリング及び送信ユニット２１ａ、２１ｂを更に有する。この目的のために、受信ユニット１０ａ、１０ｂの夫々は、無線送信アンテナ１２ａ、１２ｂを備える。受信ユニット１０ａ、１０ｂの誘導的給電は、電圧印加ユニット１７によって達成される。電圧印加ユニット１７は、本発明に従って制御可能な周波数を有する交流電源２２を組み込む。対応するＲＦ電圧印加場は、コイル１８によって発生する。この電圧印加場は、受信ユニット１０ａ、１０ｂのコイル１９ａ、１９ｂによって捕捉される。コイル１９ａ、１９ｂは、可変コンデンサ２４ａ、２４ｂとともに、共振回路２３ａ、２３ｂを形成する。受信ユニット１０ａ、１０ｂの構成要素の瞬時電力需要に従って捕捉回路２３ａ、２３ｂの共振周波数を自動的に制御する制御論理回路２５ａ、２５ｂが設けられている。この目的のために、制御論理回路２５ａ、２５ｂは、捕捉回路２３ａ、２３ｂの整流器２６ａ、２６ｂへ接続されている。それによって、制御論理回路２５ａ、２５ｂは、ＲＦ電圧印加場によって捕捉回路２３ａ、２３ｂで引き起こされる（整流）供給電圧を測定することができるようになる。共振捕捉回路２３ａ、２３ｂの自動離調のための閉ループ制御回路はこのようにして確立される。図２に表される配置は、原理上は従来の電力コンバータに対応する。主な違いは、従来のコンバータでは、一次側及び二次側が、例えば変圧器ヨークによって密結合され、一方、大きなエアギャップ２７が本発明のＭＲ装置には存在する点である。これは、一次側（電圧印加手段１７）と二次側（受信ユニット１０ａ、１０ｂ）との間の比較的弱い結合をもたらす。本発明の実用化のために、交流電源２２によって発生した電流は、存在する受信ユニット１０ａ、１０ｂの数とは無関係に一定に保たれ、一方、内蔵型の受信ユニットの捕捉回路２３ａ、２３ｂは、それらの個々の電力需要に従って自動的に調整される。電圧印加ユニット１７から受信ユニット１０ａ、１０ｂへの最大電力輸送のために、捕捉回路２３ａは、交流電源２２の周波数に正確に制御論理回路２５ａ、２５ｂによって合わせられる。必要とされる電力がより少ない場合には、コンデンサ２４ａ、２４ｂは、捕捉回路２３ａ、２３ｂが全く共振状態にないように調整される。

本発明に従う磁気共鳴スキャナの実施例を示す。 本発明に従う複数の受信ユニット及び対応する電圧印加手段の配置を概略的に示す。

Claims (10)

1. 検査域に置かれた身体の磁気共鳴画像化のためのＭＲ装置であって：
   前記検査域内での定常的且つ実質的に一様なメイン磁場の発生のためのメイン磁石；
   前記身体からＭＲ信号を受信する受信アンテナと、前記検査域から離れた中央処理ユニットへ前記受信したＭＲ信号を無線送信する送信器とを夫々が有し、前記検査域内又はその近くに置かれた複数の無線受信ユニット；
   前記受信したＭＲ信号をサンプリングして、それらをデジタル信号サンプルに変換するよう可変サンプリング周波数で動作するサンプリング手段；及び
   前記無線受信ユニットへ電力を誘導的に供給するよう、前記検査域内で、前記サンプリング周波数の整数倍の周波数を有するＲＦ電圧印加場を発生させる電圧印加手段；
   を有する、ＭＲ装置。
2. 前記ＲＦ電圧印加場の周波数は、前記ＭＲ信号の共鳴周波数とは異なる、請求項１記載のＭＲ装置。
3. 前記無線受信ユニットは、夫々、前記ＲＦ電圧印加場を捕捉する離調可能な共振捕捉回路を有する、請求項１又は２記載のＭＲ装置。
4. 前記捕捉回路は可変コンデンサを有する、請求項３記載のＭＲ装置。
5. 前記無線受信ユニットは、夫々、当該夫々の無線受信ユニットの電力需要に従って前記捕捉回路の共振周波数を自動的に制御する中央論理回路を有する、請求項３又は４記載のＭＲ装置。
6. 前記無線受信ユニットは、夫々、前記捕捉回路へ接続された再充電可能な電池パック又はエネルギー蓄積コンデンサを有する、請求項３乃至５のうちいずれか一項記載のＭＲ装置。
7. ＭＲ装置の検査域に置かれた身体の少なくとも一部のＭＲ画像化の方法であって：
   ＲＦパルス及び切換傾斜磁場を含むＭＲ画像化シーケンスによって前記身体内で核磁化を引き起こすステップ；
   受信アンテナと、前記検査域から離れた中央処理ユニットへ前記受信したＭＲ信号を無線送信する送信器とを夫々が有し、前記検査域内又はその近くに置かれた複数の無線受信ユニットによって、前記身体からＭＲ信号を取得するステップ；
   サンプリング周波数で前記受信したＭＲ信号をサンプリングして、該信号サンプルをデジタル信号サンプルに変換するステップ；
   前記ＭＲ信号の取得及びサンプリングの間に前記検査域内で、前記サンプリング周波数の整数倍であるよう選択された周波数を有するＲＦ電圧印加場を連続的に発生させて、前記無線受信ユニットへ電力を誘導的に供給するステップ；
   前記遠隔中央処理ユニットへ前記デジタル信号を送信するステップ；及び
   前記デジタル信号サンプルからＭＲ画像を再構成するステップ；
   を有する方法。
8. 前記ＲＦ電圧印加場の周波数は、前記ＭＲ信号の共鳴周波数とは異なる、請求項７記載の方法。
9. 前記ＲＦ電圧印加場の波形は、前記サンプリング期間に亘る積分が零になるように選択される、請求項７又は８記載の方法。
10. ＭＲ装置によってＲＦパルス及び切換傾斜磁場を含むＭＲ画像化シーケンスを発生させる命令；
    ＭＲ信号の取得及びサンプリングの間に前記ＭＲ装置の無線受信ユニットへ電力を誘導的に供給するよう、サンプリング周波数の整数倍であるＲＦ電圧印加場の周波数を指示して制御する命令；
    サンプリング及びデジタル化をなされたＭＲ信号を処理する命令；及び
    デジタル信号サンプルからＭＲ画像を再構成する命令；
    を有するＭＲ装置用コンピュータプログラム。

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