JP2009297257A - 核磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】異なる複数の核種を同時に核磁気共鳴させる。
【解決手段】核磁気共鳴イメージング装置は、撮像対象の周辺に配置した励起及び検出コイルを備え、共鳴周波数に等しい周波数を持つＲＦ波をパルス状に前記励起及び検出コイルに印加して撮像対象に核磁気共鳴を誘起し、かつ、前記励起及び検出コイルにより検出信号あるいはエコー信号として出力する。この核磁気共鳴イメージング装置は、異なる複数種類の核種を対象にするために、該当する複数種類の周波数を持つＲＦパルスを発生させるＲＦパルス発生器と、前記複数種類の核種の共鳴周波数に合致した受信帯域を有する受信器とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は複数の異なる核磁気共鳴核種を同時に共鳴（ＮＭＲ）させ、その２次元、３次元空間分布およびその時間的な変化を画像や数値データとして提示する多核種用の核磁気共鳴イメージング装置に関するものである。

核磁気共鳴技術は、金属および磁性材料誘電体を除く種々の材料における内部構造や物性の解析（非破壊検査）、流体の可視化、薬学や化学における化学的な構造や薬理効果、動物学、生物学、医学、生理学などにおける生体の組織構造や機能の解析、生体反応、病気の検査・診断などの計測（無侵襲検査）、治療中の計測などに利用することができる（特許文献１参照）。

核磁気共鳴（ＮＭＲ）を原理とするＭＲＩ法（Magnetic Resonance Imaging；核磁気共鳴イメージング装置）およびこれを実現するためにＭＲＩ装置は、撮像対象の周囲に静磁場発生用のマグネットと時間的・空間的に磁場強度が可変できる磁場用の傾斜磁場発生コイルを備え、静磁場発生マグネットで空間的に均一な磁場Ｂｏを形成し、これと共に傾斜磁場発生コイルで局所的に磁場の強さＢ_１を制御する。ＭＲＩ装置は、静磁場Ｂｏ中で核磁気共鳴のためにＲＦ（ラジオ周波数）波を撮像対象に印加し、その状態で傾斜磁場を核磁気共鳴する原子核中のスピンの位相を可変して信号（エコー信号あるいはＦＩＤ（自由誘導減衰）信号）を得る。この信号をフーリエ変換などによって再構成すると画像（ＭＲＩ画像）が得られる。スピンの位相をエンコードしてｋ空間に分布させるためには、x，ｙ，z方向に傾斜磁場を加えて、磁場強度を空間的に変化させる。

ＭＲＩ装置においては、核種間の結合状態に依存して変化する緩和時間および分子の拡散や灌流などの核種の空間的な変位を測定するために、従来からＳＥ（スピンエコー）法、ＩＲ（反転回復）法、拡散強調撮像法、位相コントラスト法、飛行時間法やこれらの高速、超高速撮像法などが提案され、２次元平面や３次元空間における測定が可能になっている。
しかしながら、これまでに提案されたＭＲＩ法およびこれを実現するためのＭＲＩ装置の全ては、１つの核種を共鳴させ、その時空間分布を測定するものである。例えば、化学的に複雑な結合をしている物質の解析には、異なる核種に関して計測することが望まれる。
特開２００６−８７４９９号公報

本発明は、異なる複数の核種を同時に核磁気共鳴させることを可能とすることを目的としている。
複数の核種の同時共鳴により、核種の存在密度および化学的な結合状態から分子構造が把握でき、細胞およびこれに立脚する生体組織の幾何学的な構造および代謝変化などが詳細に解明できる。非生体計測においては、非磁性の物質の内部構造解析、流体解析、薬剤や化学物質の効果などの解析に利用できる。

本発明の核磁気共鳴イメージング装置は、撮像対象の周辺に配置した励起及び検出コイルを備え、共鳴周波数に等しい周波数を持つＲＦ波をパルス状に前記励起及び検出コイルに印加して撮像対象に核磁気共鳴を誘起し、かつ、前記励起及び検出コイルにより検出信号あるいはエコー信号として出力する。この核磁気共鳴イメージング装置は、異なる複数種類の核種を対象にするために、該当する複数種類の周波数を持つＲＦパルスを発生させるＲＦパルス発生器と、前記複数種類の核種の共鳴周波数に合致した受信帯域を有する受信器とを備える。

前記受信器には、画像を再構成する画像再構成装置と、異なる核種の画像を重畳表示する画像表示装置とが接続される。この画像再構成装置は、測定する核種の磁気回転比に依存して決定される画像サイズに補正をする。

本発明によれば、複数の異なる核種の同時計測と画像化が可能となる。化学的に複雑な結合をしている物質の解析には、異なる核種に関して計測することが望まれる。本件により、複数の異なる核種を同時に共鳴させて計測し、空間分布を画像として描画できる特徴を有することから、より高精度に生体を含む物質の化学構造の解析を可能にする。

また、本発明によれば、全てのＭＲＩ撮像法に適用可能となる。従来、緩和時間や拡散係数、化学シフトなどの測定量の時・空間分布など、種々のＭＲＩ（核磁気共鳴イメージング）法が提案され、活用されてきたが、本発明は、送受信系のハードウエア（送受信系）およびソフトウエア（周波数分離と磁気回転比に起因する補正）を加えることにより、従来のＭＲＩ装置が転用でき、また、従来のＭＲＩ撮像法が活用できる。

以下、本発明を例示に基づいて説明する。図１に本発明を実現するための核磁気共鳴イメージング装置の構成を示す。本発明を実現するためのＭＲＩ装置のハードウエア構成を示す。核磁気共鳴イメージング装置は、ＮＭＲ（核磁気共鳴）を原理とする。励起・検出コイルの外側には、撮像対象（または測定対象、測定物質）に対して両側に時間的・空間的に一定な磁場を発生するための静磁場発生マグネット（核磁気共鳴（ＮＭＲ）を原理とすることから、空間的に一定な磁場Ｂｏを発生するためのマグネット、及びＢｏの空間的な均一性を向上させるために局所的に磁場強度を調整するためのシムコイル）と、時間的・空間的に磁場強度を変動させる傾斜磁場発生コイルを設ける。静磁場マグネットには、静磁場マグネット・シムコイル電源と磁場の強度を制御する制御装置が接続される。傾斜磁場発生コイルには、傾斜磁場発生コイル電源と磁場の強度を制御する制御装置が接続される。励起・検出コイルには、核磁気共鳴に応じた信号を受信する受信器と、画像を再構成する画像再構成装置と、画像表示装置とからなる画像処理装置が接続される。また、励起・検出コイルには、撮像する対象（または測定対象、測定物質）の原子核が有する核磁気（核磁気共鳴核種の原子核に由来するスピン）を共鳴させるために、共鳴周波数に等しい周波数を持つＲＦ（ラジオ周波数）波をパルス状に印加するＲＦパルス発生器（電磁波（ラジオ波）発生装置）が接続されている。ＲＦパルス発生器および受信器は測定する核種の共鳴周波数に合致させる。図示のＲＦパルス発生器は、異なるＮ種類の核種を対象にするために、該当するＮ種類の周波数を持つＲＦパルスを発生させる。受信器は、異なるＮ種類の核種の共鳴周波数に合致した受信帯域とする。

励起・検出コイルにＲＦパルス発生器のＲＦパルスを印加すると、撮像対象が核磁気共鳴を誘起し、撮像対象の周辺に配置した検出コイルにより、検出信号（ＦＩＤ［自由誘導減衰］信号あるいはエコー信号）として出力される。この信号を励起・検出コイルに接続される受信器により収集する。その後、画像再構成装置により画像が再構成される。

核磁気共鳴現象は用いるマグネット・静磁場強度をＢｏとした場合、共鳴周波数ωは、共鳴する核種に固有な磁気回転比γを比例係数として、ω＝γ・Ｂｏで与えられる。このため、同一のＭＲＩ装置を用いる場合、即ち、Ｂｏが固定される場合には、磁気回転比に基づいて共鳴周波数ωが規定される。複数の核種を同時に共鳴させるためには、核種ごとに異なる共鳴周波数を有するＲＦパルスを印加する必要がある。また、観測される信号の受信系は該当する周波数帯域を受信しなければならない。

ＭＲＩ装置のマグネットに傾斜磁場ｇをｘ方向のみに印加した際に、マグネットの中心から±ｘの距離にある核種の共鳴周波数ω_１は次式で与えられる。
±ω_１＝ω₀₁ ±ω₁₁＝γ₁（Ｂｏ±ｇ*ｘ）＝γ₁*Ｂｏ±γ₁*ｇ*ｘ
ここで、共鳴する核種の磁気回転比をγ₁とする。

他方、他の核種に対しては次式となる。
±ω_２＝ω₀₂ ±ω₁₂＝γ₂（Ｂｏ±ｇ*ｘ）＝γ₂*Ｂｏ±γ₂*ｇ*ｘ
ここでは、簡単のために傾斜磁場をｘ方向に見て印加した場合を仮定したが、傾斜磁場をｙ、ｚ方向に印加した場合も同様に定義される。信号が分布する周波数範囲（スペクトル幅）は、傾斜磁場ｇが両者において等しい場合には、核種に固有な磁気回転比γによって定まる。

図２に機器の内部構成を示す。図２は異なる２つの核種を同時に共鳴させるためのハードウエア構成で、核種ＡとＢを同時に共鳴させて画像化する場合を示す。異なるＮ種類の核種を対象にする場合には、該当するＮ種類の周波数を持つＲＦパルスを発生させる。図２は、広帯域の受信系を用いる場合で、一つの受信系で複数の核種からの信号を受信する。ここで、位相を検波して受信する場合には、９０度異なる位相成分（sin成分、cos成分）を受信するために、等しい２チャンネルの受信系を用意する。仮に、２つ以上の核種を対象とする場合には、ＲＦパルスおよび受信系を該当する周波数帯の送受信を実施し、受信後の信号の分離と画像再構成を個々に実施する。

同様に、図３に、該当する周波数ごとに受信する狭帯域の受信系を示す。異なるＮ種類の核種を対象にする場合には、該当するＮ種類の周波数を持つＲＦパルスを発生させ、かつ該当するＮ種類の周波数帯域のアンプを用いる。帯域を狭帯域にすることで必要な信号成分のみが受信でき、不要な雑音が回避できる特徴がある。

異なる核種を同時に共鳴させる場合、共鳴する核種ごとに磁気回転比が異なることに起因して、観測される信号の周波数帯域（共鳴周波数、スペクトル帯域）が異なる。このため、異なる核種を同時に共鳴させて画像化する場合には、以下の何れかの方法をとる必要がある。

共鳴する核種ごとにＡＤ変換器を用い、かつ、異なる周波数間隔でサンプリングすることができる場合には、次式で示す間隔でＮ点のサンプリングをする。磁気回転比γ₁を有する核種のサンプリング周波数Ｓ₁および磁気回転比γ₂を有する核種のサンプリング周波数Ｓ₂は、各々、次式で与えられる。
Ｓ₁＝2*γ₁*ｇ*ｘ／Ｎ
Ｓ₂＝2*γ₂*ｇ*ｘ／Ｎ
従って、サンプリング周波数の比SRはγ₂ ／γ₁となる。ここで、Ｎは整数とするが、一般には２の羃乗が多用される。

図４に観測される信号を示す。図４は２つの異なる核種を対象にした場合で、核種ＡとＢは磁気回転比の差異に起因して、異なった周波数で共鳴する。ＭＲＩでは画像化のために傾斜磁場ｇを印加するが、これに起因して周波数が±ω₁₁あるいは±ω₁₂の範囲で分散する。受信系ではこれらの信号を検出する。信号の検出は複数の核種からの信号の受信（広帯域受信系）あるいは核種ごとに受信（狭帯域受信系）のいずれでも可能である。

図５に信号収集後の画像再構成を示す。図５は２つの核種の場合を示す。異なった周波数で観測される信号を周波数分離して、個々に画像再構成を実施する。画像再構成はフーリエ変換等を用いる。傾斜磁場をｘ，ｙ，ｚの何れか２軸に印加すれば２次元画像が再構成され、３軸に印加すれば３次元画像化を可能にする。信号の受信は信号の位相を検出する必要があることから、９０゜位相検波してｓｉｎ成分とｃｏｓ成分に分離する。勿論、位相情報を不要とする場合にはいずれかの成分のみとすることも可能である。

図６は、再構成した画像のサイズ補正を説明する図である。また、図７は、画像サイズの補正係数を示す図である。上述したように、磁気回転比の差異に起因して共鳴する周波数が異なる。観測周波数はこれと一致することから、サンプリング間隔を異なる核種において同一とした場合には、画像再構成した後にサイズの補正を行う必要がある。例えば、２核種の場合、磁気回転比γ_２持つ他の核種Ｂの画像は、核種Ａの磁気回転比γ_１に対して、係数（γ_１／γ_２）で画像を拡大する。図６の左側に拡大後の画像を、右側に拡大前の画像を例示している。

画像サイズは、磁気回転比γによって規定されることから、次式によって規定される。
M＝ω₁₁／ω₁₂＝γ₁*ｇ*ｘ／γ₂*ｇ*ｘ＝γ₁／γ₂
従って、両核種を重ねあわせて表示する場合には、次式に従ってサイズ補正を行う。
A＝1/M＝γ₂ ／γ₁
例えば、水素1Hとキセノン129Xeを２重共鳴させる場合には、両者の磁気回転比が、42.58MHz/Ｔ（水素）、11.78MHz/T（ゼノン）であることから、
A=１／M＝ 42.58 ／11.78＝3.61
となり、ゼノンの画像を3.61倍に拡大する必要がる。

図８に再構成後の画像サイズの補正と画像合成を示す。画像サイズは測定する核種の磁気回転比に依存して決定され、γ_２の核種をγ_１に合致させるためにはγ_１／γ_２の係数を乗じて拡大する。サイズ補正後は、そのまま重畳すれば異なる核種の画像が同時に表示される。

図９に、水素（1H）とゼノン（129Xe）の核磁気共鳴イメージングの結果をしめす。測定対象は、水素として硫酸銅水溶液、ゼノンは希ガスとした。図示のように、前者はアクリル製容器に、後者はカラス管に封入し、２重構造とした。周辺および各容器間は空隙をなす。

図１０に２テスラ静磁場強度Boを有するＭＲＩ装置を用いて、100mT/mの傾斜磁場gを印加した場合の共鳴周波数および傾斜磁場に印加に起因する周波数分布を水素の場合を示す。サンプリング点数Ｎは256点とした。水素１Hの共鳴周波数が85.160MHzであることから、２テスラＭＲＩ装置で傾斜磁場gを100mT/mと、撮像領域FOVを100mmとした場合の画像の収集データの周波数は±2.129MHzに分布する。データのサンプリング数を256点とすると、サンプリング間隔は±16.633KHz ／点を用いる。一方、129Xeは磁気回転比の差異に起因して、共鳴周波数が23.560MHzとなり、傾斜磁場gを100mT/m、撮像領域FOVを100mmとした場合には、収集データは±2.129MHzに分布する。このため、データのサンプリング数を256点に合致させるためには、サンプリング間隔を±4.501KHz／点とする。

他方、測定する核種ごとにサンプリング周波数が設定できない受信系の場合、同一のサンプリング周波数を設定せざるを得ない。この場合には、再構成した画像を磁気回転比に従って算出される比率で拡大する。

図１１は、水素１Hとゼノン129Xeの場合を示したもので、水素の磁気回転比は42.58MHz/T、ゼノンは11.78MHz/Tであることから、両者を同時の表示するには、ゼノンを3.61倍に拡大（あるいは水素を3.61倍に縮小）する。

図１２に、図１１の条件の際に観測される信号（計算機シミュレーションの結果）を示す。検出コイルからは両者が混在した信号となる。周波数分離して画像を再構成する。

核磁気共鳴イメージング技術は、金属および磁性材料を除く種々の材料における内部構造や物性の解析（非破壊検査）、流体の可視化、薬学や化学における化学的な構造や薬理効果、動物学、生物学、医学、生理学などにおける生体の組織構造や機能の解析、生体反応、病気の検査・診断などの計測（無侵襲検査）、造影剤などに利用することができる。

装置の構成 核種共鳴イメージング装置（広帯域受診系） 核種共鳴イメージング装置（狭帯域受診系） 観測される信号 画像再構成 画像のサイズ補正 画像サイズの補正係数 画像のサイズ補正と合成 測定対象 磁場強度と周波数の分布（水素とゼノンの差異） 画像の拡大（水素とゼノン） ２テスラＭＲＩ装置において観測される信号（計算機シミュレーション）

Claims (7)

1. 撮像対象の周辺に配置した励起及び検出コイルを備え、共鳴周波数に等しい周波数を持つＲＦ波をパルス状に前記励起及び検出コイルに印加して撮像対象に核磁気共鳴を誘起し、かつ、前記励起及び検出コイルにより検出信号あるいはエコー信号として出力する核磁気共鳴イメージング装置において、
   異なる複数種類の核種を対象にするために、該当する複数種類の周波数を持つＲＦパルスを発生させるＲＦパルス発生器と、
   前記複数種類の核種の共鳴周波数に合致した受信帯域を有する受信器と、
   を備える核磁気共鳴イメージング装置。
2. 前記受信器には、画像を再構成する画像再構成装置と、異なる核種の画像を重畳表示する画像表示装置とが接続される請求項１に記載の核磁気共鳴イメージング装置。
3. 前記画像再構成装置は、測定する核種の磁気回転比に依存して決定される画像サイズに補正をする請求項２に記載の核磁気共鳴イメージング装置。
4. 核種ごとに磁気回転比が異なることに起因して、観測される共鳴周波数およびスペクトル幅に依存して受信器ＡＤ変換器のサンプリング周波数を可変する請求項３に記載の核磁気共鳴イメージング装置。
5. 前記受信器は、前記複数の核種からの信号を受信する広帯域の一つの受信系から成り、受信後の信号の分離と画像再構成を個々に実施する請求項１に記載の核磁気共鳴イメージング装置。
6. 前記一つの受信系は、９０度異なる位相成分を受信する２チャンネルの受信系である請求項５に記載の核磁気共鳴イメージング装置。
7. 前記受信器は、前記複数の核種からの信号を該当する周波数ごとに受信する狭帯域の受信系から成る請求項１に記載の核磁気共鳴イメージング装置。