JP2012529956A

JP2012529956A - 軌道角運動量を有する光子を用いた過分極装置を有するｍｒｉ

Info

Publication number: JP2012529956A
Application number: JP2012515592A
Authority: JP
Inventors: レムスアルブ，ルーシャン; アールエルゴー，ダニエル
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2009-06-19
Filing date: 2010-06-09
Publication date: 2012-11-29
Also published as: RU2012101803A; WO2010146502A1; CN102803941A; US20120086453A1; RU2526895C2; EP2443443A1

Abstract

被検査対象物−具体的には細胞組織−の材料を実質的な深さまで侵入する光放射線を放出する電磁源を備えた、光に基づく過分極装置が開示されている。たとえば（超）軟X線が用いられる。特に当該光に基づく過分極装置は、静磁場を発生させる磁石を内蔵している。あるいはその代わりに、当該光に基づく過分極装置は、磁気共鳴検査システムに内蔵されている。

Description

本発明は、光に基づく過分極装置が供された磁気共鳴検査システムに関する。

係る磁気共鳴検査システムは特許文献1に記載されている。

特許文献1に記載された磁気共鳴検査システムは、光に基づく過分極装置を有する。具体的には当該過分極装置は、軌道角運動量が与えられた光ビームを発生させる。光ビームの軌道角運動量(OAM)は、（核又は分子）の双極子（又はスピン）と結合して、（核又は分子）の分極を発生させる。この分極はRF放射線によって励起される。前記励起の緩和の際、磁気共鳴信号が生成される。これらの磁気共鳴信号から、磁気共鳴画像が再構成される。分極は光ビームの軌道角運動量によって生成されるので、比較的高い信号対雑音比を有する磁気共鳴信号を発生させるのに、外部磁場は必要とされないか、あるいはわずかな弱い磁場しか必要とされない。既知の光に基づく過分極装置では、ビーム径が小さくなればなるほど、OAM相互作用の確率は高くなる。既知の磁気共鳴検査システムは、被検査対象物−具体的には非検査患者−の内部で分極を生じさせるのに介在処置を必要とする。具体的には、関心領域からの血流を過分極させるのに、カテーテル又は針状プローブが用いられる。

国際公開第2009/081360号パンフレット

本発明の目的は、被検査対象物の内部を撮像するのに、より高い自在性を有する光に基づく磁気共鳴検査システムを供することである。

上記目的は、本発明による磁気共鳴検査システムによって実現される。当該磁気共鳴検査システムは、分極した双極子での共鳴を誘起し、かつ被検査対象物からの磁気共鳴信号を受信するRFシステム、及び光に基づく過分極装置を有する。

当該光に基づく過分極装置には、
− 前記被検査対象物−具体的には細胞組織−の材料を実質的な深さまで侵入する光放射線を放出する電磁源、
− 前記光放射線へ軌道角運動量を与えるモード変換器、
− 与えられた軌道角運動量前記によって双極子を分極させるため、前記モード変換器から、角運動量が与えられた回折光ビーム又は屈折光ビームを選ぶ空間フィルタ、
が備えられている。

軌道角運動量(OAM)が与えられた光放射線は、材料−たとえば被検査患者の細胞組織−へ侵入するので、前記のOAMが与えられた光放射線は、前記対象物の外部から可視化される関心対称に到達することができる。よって前記材料−たとえば細胞組織−の過分極は、介在器具−たとえばカテーテル又は針状装置−を必要とすることなく、前記対象物内部で実現される。特に、0.1keV以上の範囲のエネルギーを有する光放射線が、数cmの皮膚、脂肪分、代謝産物流体、脳細胞組織などへの侵入に適し、又は、最大10keVの範囲のエネルギーを有する光放射線は、数cmの頭蓋骨又は骨組織への侵入に適している。X線範囲のエネルギーを有する光放射線は、内殻電子軌道−特にK,L,M殻電子に関する軌道−を励起する。よって多数の電子が光と相互作用することで、光−分子相互作用断面積が増大する。従って分子回転へのOAMの移行及び電子スピンが増大する。それは最終的に、信号対雑音比の大きな磁気共鳴信号を得るのに必要な磁気過分極状態を発生させる。

係る磁気共鳴画像は、検査中の前記対象物−たとえば被検査患者−のモフォロジーを表すことができる。またBOLD（血中酸素レベル依存性）信号として機能に関する情報を表すこともできる。あるいはその代わりに、磁気共鳴分光データも、前記磁気共鳴信号から再構成されて良い。

本発明の上記及び他の態様は、従属請求項に規定された実施例を参照することで明らかとなる。

本発明の磁気共鳴検査システムの一の例では、OAMが与えられた前記光放射線を、標的の特別関心領域に集光する光学系が供される。このようにして、集光領域は狭くなる。そのように前記集光領域が狭くなることで、材料−たとえば細胞組織−の分極度は、前記被検査材料の分子又は核の相互作用によって改善される。前記のように（過）分極度が改善されることで、前記の生成された磁気共鳴信号の信号対雑音比が改善される。

前記電磁源からの光放射線を円偏光させる一組の偏光器、前記軌道角運動量を円偏光した光放射線に与える透過型位相ホログラム及び集光光学系が供された本発明の磁気共鳴検査システムの他の例は、軌道角運動量が与えられた光放射線を集光させる凸ミラーを備える放物円筒ミラーを有する。0.1keV〜10keVの範囲内では、集光はフレネル板によって実現することができる。フレネル板とは、最小値が40nmのピッチ−これは回折格子と同一である−を有する金属の同心円を取り囲む回折ネットワークである。従って所望のエネルギーは、該所望のエネルギーの範囲から外れたエネルギーを有する閉口ビームを阻止するように設けられたビームストップによって選ばれて良い。特にX線の波長に対するホログラム回折格子パターンのピッチの比が、0.1keVで4:1であるとき、又は10keVで400:1であるときに、良好な結果が実現される。0.1keV（波長10nm）での40nmグリッドピッチについては、前記比は4:1である。10keV(0.1nm)で用いられる同一の回折格子は、予想されたOAMビームを発生させる。このときの波長に対する前記グリッドピッチの比は400:1である。いずれの場合についても、回折格子の角度（それぞれ〜5.00°と〜0.05°）は、25cmの短い光路後、0次の回折から1次の回折を分離することを可能にする。K,L,M軌道の吸収遷移は、0.1〜10keV範囲のX線については擬似的に連続なので、誘起された分子トルク遷移は、前記OAMの値に比例して長寿命（大きな断面積）を有する。

本発明の他の態様では、ある視野の角運動量が与えられた光ビームを走査するように、可動式凹面ミラーが供される。このようにして、前記ビームの集光スポットが走査され、かつ、前記過分極視野の連続する複数の地点で、後続の磁気共鳴信号が生成される。従って本発明の他の態様では、前記磁気共鳴信号には、静磁場を供することのみを行う磁石系が供される。

本発明の上記及び他の態様は、以降で詳述される実施例及び添付図面を参照することによって明らかとなる。

本発明による磁気共鳴検査システムと併用される光過分極装置の実施例を概略的に表している。図1の光過分極装置と一体となって動作する本発明による磁気共鳴検査システムを概略的に表している。

図1は、電磁源としての（小型）X線源21を有する光過分極装置の実施例を概略的に表している。小型広帯域X線源は、0.1keV〜10keVの範囲のエネルギー−つまり（超）軟X線−を有する。X線源のアノード材料は、そのアノードの種類（たとえばAlでは1.8keV、Siでは2keV、CuKαでは8keV、CuKβでは9keV）に固有なエネルギーで[0.1keV〜40keV]範囲（後述）内に位置する狭いエネルギーピークとして現れる。一部の用途では、これらのピークは、X線管の出力変換効率を増大させるのに用いられる。X線源は、たとえばLα殻のエネルギー準位をフィルタリングするエネルギーフィルタ31を有する。ビームコリメータ32はフィルタリングされたX線ビームをコリメートする。コリメートされたビームは、一組の偏光器と1/4波長板によって、偏光及び円偏光となる。続いて円偏光となったX線ビームは、X線光子に軌道角運動量(OAM)を与える透過型位相ホログラム22を通過する。その後、第1回折次数が空間フィルタ23によって選ばれ、この空間フィルタは、OAMが与えられた光子を選択する。放物シリンドリカルミラー35は、OAMが与えられたX線の平行ビームを生成する。これにより、X線のエネルギー分離を実行することが可能となる。放物ミラー37と一つになった可動式凹面ミラー36の組は、OAMが与えられたX線ビームを、半球上の幾何学上の位置に集光させる集光光学系24を形成する。図示された例では、焦点はヒトの脳内に存在している。解析領域の中心は、放物ミラーの等価共役焦点である。従って視野(FOV)は、曲率半径が最大5cmで、かつ最大視野角が〜90°（凹面ミラーの焦点の値の関数）の球状の頭蓋冠である。

可動式凹面ミラーを有する集光光学系は、このFOVの表面上の任意の点で焦点を生成する。その焦点では、X線光子のOAMは分子に移される。前述したように、これにより、分子の角運動量が、入射ビームの方向に再度向けられる。電子スピン軌道の分布の飽和と一致するように、この効果は、入射光ビームへ向かう核の配向（超微細結合）に寄与する。従って焦点では、過分極した状態の物質が得られる。この手法によって得られた分極度は、ゼーマン効果によって得ることが可能な値よりも桁違いに大きい。

磁気分極度が大きいことで、非常に小さな磁場B₀を利用することで、核磁気共鳴を起こすことが可能となる。その目的のため、低磁場を生成するコイル38が供される。同時に、外部RF遮蔽は不要となる。その理由は、NMR信号は非常に強力で、かつ、NMRが観測される焦点は、受信用RFコイルに近いためである。コイル38によって生成される磁場（RFコイル及びB₀）は必ずしも均一ではない。B₀の不均一性は、「装置の工場での校正」によって解決される必要がある。この校正は「シミング」とも呼ばれる。シミングでは、X線ビームの（複数の）焦点について、磁場の振幅及び配向が既知となり、かつ広帯域受信コイルが適切に調節されることで、その周波数帯でMRS信号を捕獲するように、B₀の空間分布及びX線焦点の空間マッピングが実行及び相関付けられる必要がある。静磁場を生成するコイルが光過分極装置内に組み込まれているので、本発明の磁気共鳴検査システムが携帯システムとして設計可能となるように、固定された状態で載置された主磁石は不要となる。

従来のMRIとは異なり、勾配コイルは不要である。その代わり、空間符号化が、焦点を順次移動させることによって実行される。焦点の順次移動による空間符号化は、〜10nm³の焦点サイズの基本空間分解能で物質をサンプリングすることができる。実際には、装置の解像度は、標的分子の濃度、集光光学系の能力、及び取得時間によって制限される。どのRF測定手順も、空間内（であって焦点面上）の一の焦点で信号を集光させ、かつX線源（FIDシーケンストリガ）をパルス発生させることによって得られた広帯域FIDを取得する。B₀の不均一効果は、事前校正手法によって補償される。

図2に図示されたような他の実施例では、上述の光に基づく過分極装置20が、磁気共鳴スキャナ40と併用されて良い。たとえば光に基づく過分極装置20は、磁気共鳴スキャナの構造内に組み込まれる。より詳細には、光に基づく過分極装置20は、独立したモジュールとして用いられて良い。磁気共鳴スキャナ40は、垂直主軸集合体42を有するオープン磁場システム（オープンMRIシステム）であって良い。主磁石集合体42は、可視化領域の垂直軸に沿って配向する実質的に一定の主磁場を生成する。垂直主磁石集合体42が図示されているが、他の磁石構成−たとえば円筒形状−及び他の配置も考えられることに留意して欲しい。この実施例では、光過分極装置20のコイル38が一緒に設けられて良い。あるいはその代わりに、光に基づく過分極装置のコイル38の静磁場は、磁気共鳴スキャナの静磁場と平行な静磁場を生成する。

勾配コイル集合体44は、主磁場を空間的に符号化するため、可視化領域内に磁場勾配を生成する。好適には、磁場勾配コイル集合体44は、3つの直交する方向−典型的には長手軸であるZ方向、横軸であるX方向、及び縦軸であるY方向−に磁場勾配パルスを発生させるように備えられたコイル部材を有する。主磁石集合体42と勾配磁場集合体44のいずれも、実施例によっては、偏光と一致するように用いられる。

高周波コイル集合体46（ヘッドコイルとして表されている。ただし表面コイル及び全体コイルも考えられる）は、対象物の双極子における共鳴を励起する高周波パルスを発生させる。高周波コイル集合体46はまた、可視化領域から放出される共鳴信号を検出する機能をも有する。高周波コイル集合体46は、これまでに生じた偏光の光学摂動を補うのに用いられて良い。

勾配パルス増幅器48は、磁場勾配集合体44へ制御された電流を供給することで、選ばれた磁場勾配を生成する。高周波送信器50−好適にはデジタル形式−は、高周波パルス（パケット）を、高周波コイル集合体46へ印加することで、選択された共鳴を励起する。高周波受信器52は、コイル集合体46又は独立した受信コイルと結合することで、誘起された共鳴信号を受信及び復調する。

対象物の共鳴画像データを取得するため、その対象物は可視化領域内に設けられる。シーケンス制御装置54は、勾配増幅器48及び高周波送信器50と通信することで、関心領域の光学操作を補助する。シーケンス制御装置54はたとえば、選択された繰り返しエコー定常状態若しくは他の共鳴シーケンスを生成し、係る共鳴を空間的に符号化し、共鳴を選択的に操作若しくは除去し、又は対象物の選択された磁気共鳴信号特性を生成して良い。生成された共鳴信号は、生成された共鳴信号は、RFコイル集合体46によって検出され、高周波受信器52と通信し、復調され、かつk空間メモリ56内に記憶される。画像データは、再構成プロセッサ58によって再構成されることで、画像メモリ60内に記憶された1つ以上の画像表現を生成する。一の適切な実施例では、再構成プロセッサ58は、逆フーリエ変換再構成を実行する。

再構成の結果得られた（複数の）画像表現は、ビデオプロセッサ62によって処理され、かつ人間が読み取ることの可能なディスプレイが備えられたユーザーインターフェース64上に表示される。ビデオ画像を生成するのではなく、画像表現は、プリンタドライバによって処理され、かつ、コンピュータネットワーク又はインターネット等で印刷及び伝送されても良い。

好適には、ユーザーインターフェース64はまた、放射線技師又は他の操縦者が、シーケンス制御装置54と通信することで、磁気共鳴画像化シーケンスを選択し、画像化シーケンスを修正し、画像化シーケンスを実行する等をも可能にする。

Claims

分極した双極子での共鳴を誘起し、かつ被検査対象物からの磁気共鳴信号を受信するRFシステム、及び光に基づく過分極装置を有する磁気共鳴検査システムであって、
当該光に基づく過分極装置には、
前記被検査対象物−具体的には細胞組織−の材料を実質的な深さまで侵入する光放射線を放出する電磁源、
前記光放射線へ軌道角運動量を与えるモード変換器、
与えられた軌道角運動量前記によって双極子を分極させるため、前記モード変換器から、角運動量が与えられた回折光ビーム又は屈折光ビームを選ぶ空間フィルタ、
が備えられている、磁気共鳴検査システム。
前記光に基づく過分極装置が、OAMが与えられた前記光放射線を集光する光学系を有する、請求項1に記載の磁気共鳴検査システム。
前記光に基づく過分極装置が：
前記電磁源からの光放射線を円偏光させる一組の偏光器；
前記軌道角運動量を円偏光した光放射線に与える透過型位相ホログラム；及び
前記の軌道角運動量が与えられた光放射線を集光させる凸ミラーを備える放物円筒ミラーを有する集光光学系；
を有する、請求項2に記載の磁気共鳴検査システム。
複数の可動式凹面ミラーからなる組が、前記放物円筒ミラーからの射出ビーム路内に設けられる、請求項3に記載の磁気共鳴検査システム。
空間勾配磁場が存在しない状態で検査領域内に実質的に均一な静磁場を発生させる磁石系が供される、請求項1に記載の磁気共鳴検査システム。
検査領域内に静磁場を発生させる磁石系が、前記光に基づく過分極装置内に組み込まれ、かつ
前記光に基づく過分極装置が、前記の角運動量が与えられた光放射線を、前記検査領域へ導光するように構成される、
請求項1に記載の磁気共鳴検査システム。