JP2016030017A - 磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素なシステムによりＲＦパルスの最適化を高精度に行うと共に、最適化の時間を短縮することが可能な磁気共鳴イメージング装置を提供する。【解決手段】ＭＲＩ装置の制御部は、被検体ごとにＲＦパルスの最適強度を決定する前計測パルスシーケンスを備える。この前計測パルスシーケンスはＲＦパルス（励起パルス）２０１の強度を変えながらエコー信号２３１の計測を繰り返すものであり、エコー信号の計測から次のＲＦパルスの印加までの間に、縦磁化を一定にする断熱パルス２０３を備える。断熱パルス印加から一定時間経過後、次のＲＦパルスを印加する。【選択図】図２

Description

本発明は、被検体中の水素や燐等からの核磁気共鳴（以下、「ＮＭＲ」という）信号を計測し、核の密度分布や緩和時間分布等を画像化する核磁気共鳴イメージング（以下、「ＭＲＩ」という）装置に関し、特に、印加する高周波磁場パルスの強度を調整する技術に関する。

ＭＲＩ装置は、被検体、特に人体の組織を構成する原子核スピンが発生するＮＭＲ信号を計測し、その頭部、腹部、四肢等の形態や機能を２次元的に或いは３次元的に画像化する装置である。ＭＲＩ装置では、傾斜磁場によって位相エンコードおよび周波数エンコードされたＮＭＲ信号が、時系列データとして計測される。計測されたＮＭＲ信号は、２次元又は３次元フーリエ変換されることにより画像に再構成される。

静磁場内で静磁場方向を向いている被検体内の原子核スピン（以下「スピン」という）は、高周波磁場の印加を受けて傾く。ここで、高周波磁場は印加時間と振幅が定められたＲＦパルスとして印加される。ＲＦパルスの強度はＲＦパルスの印加時間と振幅で決まる。スピンが傾く角度、すなわちフリップ角は、ＲＦパルスの強度に応じて定まる。なお、一般にフリップ角がθとなる強度で印加されるＲＦパルスは、θパルスと呼ばれる。例えば、フリップ角が９０°となるＲＦパルスは９０°パルスと呼ばれる。

ＭＲＩでは、被検体の形状、体内組織等の属性の相違に応じて、ＮＭＲ信号を受信する受信コイル系の状態が変化する。このため、同じ強度のＲＦパルスを印加しても、被検体の部位によってスピンのフリップ角が異なる場合があり、正確な計測の妨げとなっている。これを防ぐため、計測するＮＭＲ信号（以下、「エコー信号」という）自体を用いて、被検体が異なっても同じフリップ角が得られるよう、被検体毎に適切なＲＦパルスの強度を求める技術が知られている。

このような計測では、ＲＦパルスの印加を、通常ＲＦパルスにより傾けられたスピンが熱平衡状態に戻るのを待ち繰り返す必要があるため、適切なＲＦパルスの強度を求めるのに要する時間は、ＲＦパルスにより傾けられたスピンが熱平衡状態に戻るまでの時間（以下、「緩和時間」という）に依存し、適切なＲＦパルスの強度を求める工程全体として２０〜３０秒程度の時間を要していた。高磁場であればあるほど緩和時間が長くなるため、この工程の全体時間は長くなる。

また緩和時間の短縮のためにフリップバックパルスを印加するという手法があるが、ＲＦパルスの強度を求める計測では、１８０°パルスの出力自体が未知であるため、この方法を使用することは困難である。

これに対し、特許文献１には、適切なＲＦパルスを求めるための計測行う際に、縦磁化と横磁化が実質的に飽和した準定常状態を生成することで、緩和時間を待たずに次のＲＦパルスを印加する技術が開示されている。この技術では、準定常状態を生成する過程でエコー信号を計測し、エコー信号の値が所定の閾値以下になったことで準定常状態になったことを判定している。

特許第５３４２４６１号公報

特許文献１では、準定常状態を生成することで、緩和時間を待たずに次のＲＦパルスを印加する方法が開示されているが、この手法では準定常状態に達したことをエコー信号の大きさで判断しているために、準定常状態の時点で縦磁化の大きさが十分小さくならず、次に励起される横磁化の大きさに影響を与える場合がある。また制御部が、準定常状態に達したかを一回のエコー信号を得るごとに判断しなければならず、高速な信号処理制御システムが不可欠となる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、簡素なシステムにより適切なＲＦパルスの強度の決定を高精度に、かつ短時間で行うことが可能な磁気共鳴イメージング装置を提供することを課題とする。

本発明にかかるＭＲＩ装置は、傾斜磁場印加部、ＲＦパルス印加部、計測部および制御部を備え、制御部が、ＲＦパルスの強度を変えながらエコー信号を計測して、基準となるＲＦパルスの強度（基準出力）を決定する前計測パルスシーケンスを実行する。この前計測パルスシーケンスは、強度の異なる複数のＲＦパルスの印加と、各ＲＦパルス印加後のエコー信号の計測とを含み、エコー信号の計測から次のＲＦパルスの印加までの間に、縦磁化を一定にする断熱パルスを備える。

本発明によれば、前計測のＲＦパルス印加の前に、縦磁化を一定の状態にしておくことにより、ＲＦパルスで励起される横磁化の大きさに与える影響のばらつきをなくし高精度に、かつ短時間で基準となるＲＦパルスの強度を決定できる。また断熱パルスを用いることにより、縦磁化の状態をエコー信号から判定する必要がなく、システムを簡素化できる。これにより、前計測（ＲＦ強度計測）及び撮像全体の計測時間を短くできる。

本発明の実施形態にかかるＭＲＩ装置のブロック構成図である。 図１のＭＲＩ装置で用いる前計測パルスシーケンスの説明図である。 図２の前計測パルスシーケンス内のＡＨＰの説明図である。 図２の前計測パルスシーケンス実行時のスピンの挙動を示す説明図である。 断熱パルス印加後の時間と縦磁化の強度との関係を示したグラフである。 図２の前計測パルスシーケンスを用いたＲＦパルスの強度決定の動作フロー図である。 前計測パルスシーケンスにおけるＲＦパルスの強度と、エコー信号の強度との関係を示したグラフである。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明が適用されるＭＲＩ装置の全体構成を示すブロック図である。このＭＲＩ装置は、磁気共鳴現象を利用して被検体の断層像を得るもので、同図に示すように静磁場発生部２と、傾斜磁場印加部３と、送信部５と、受信部６と、信号処理部７と、シーケンサ４と、制御部である中央処理装置（ＣＰＵ）８と、操作部２５とを備えている。

静磁場発生部２は、被検体１の周りにその体軸方向または体軸と直交する方向に均一な静磁場を発生させるもので、永久磁石方式又は常電導方式あるいは超電導方式の磁場発生手段が配置されている。

傾斜磁場印加部３は、Ｘ、Ｙ、Ｚの三軸方向に巻かれた傾斜磁場コイル９と、それぞれのコイルを駆動する傾斜磁場電源１０とから成り、シーケンサ４から命令にしたがってそれぞれのコイルの傾斜磁場電源１０を駆動することにより、静磁場発生部２が発生する静磁場にＸ、Ｙ、Ｚの三軸方向の傾斜磁場を与える。この傾斜磁場の加え方により、被検体１に対するスライス面を設定することができ、またエコー信号をエンコードし位置情報を付与する。

送信部５は、シーケンサ４からの指令により被検体１の生体組織を構成する原子の原子核に核磁気共鳴を起こさせるために高周波信号を照射するＲＦパルス印加部であり、高周波発振器１１と、変調器１２と、高周波増幅器１３と、送信側の高周波コイル１４ａとを備える。送信部５は、高周波発振器１１から出力された高周波パルスを高周波増幅器１３で増幅した後に被検体１に近接して配置された送信側の高周波コイル１４ａに供給することにより、電磁波（高周波信号）が被検体１に照射されるようになっている。

ここで、本実施形態に係る高周波発振器１１は、後述する断熱パルス２０３を生成するためにＲＦパルスの共振周波数を変調する機能を有すると共に、高周波増幅器１３はこの断熱パルス２０３の振幅を変更する機能を有する。

受信部６は、被検体１の生体組織の原子核の核磁気共鳴により放出されるエコー信号を検出する計測部であり、受信側の高周波コイル１４ｂと、増幅器１５と、直交位相検波器１６と、Ａ／Ｄ変換器１７とを備える。送信側の高周波コイル１４ａから照射された電磁波による被検体１の応答の電磁波（ＮＭＲ信号）は、被検体１に近接して配置された受信側の高周波コイル１４ｂで検出され、増幅器１５及び直交位相検波器１６を介してＡ／Ｄ変換器１７に入力されディジタル量に変換され、さらにシーケンサ４からの命令によるタイミングで直交位相検波器１６によりサンプリングされた二系列の収集データとされ、その信号が信号処理部７に送られる。

なお、図１において、送信側及び受信側の高周波コイル１４ａ、１４ｂと傾斜磁場コイル９は、被検体１の周りの空間に配置された静磁場発生部２の静磁場空間内に設置されている。

信号処理部７は、受信部６で検出したエコー信号を用いて画像再構成演算を行うと共に画像表示をするもので、エコー信号についてフーリエ変換、補正係数計算、画像再構成等の処理及びシーケンサ４の制御を行うＣＰＵ８と、ＣＰＵ８で再構成された画像データを記録するデータ格納部となる光磁気ディスク１９及び磁気ディスク１８と、これらの光磁気ディスク１９又は磁気ディスク１８から読み出した画像データを断層像として表示する表示部となるディスプレイ２０とを備える。また、経時的な画像解析処理及び計測を行うプログラムやその実行において用いる不変のパラメータなどを記憶するＲＯＭ（読み出し専用メモリ）や、前計測で得た計測パラメータや受信部６で検出したエコー信号や計測に必要なパラメータなどを記憶するＲＡＭ（随時書き込み読み出しメモリ）を合わせて備える。

シーケンサ４は、上述したＲＦパルスおよび傾斜磁場パルスを所定のパルスシーケンスで繰り返し印加する制御手段となるもので、ＣＰＵ８の制御で動作し、被検体１の断層像のデータ収集に必要な種々の命令を送信部５及び傾斜磁場発生部３並びに受信部６に送る。また、操作部２５は、信号処理部７で行う処理の制御情報をユーザーが入力するためのもので、トラックボール２３及び、キーボード２４などの操作装置を備えている。

パルスシーケンスは、撮像方法に応じて種々のものが予めプログラムされてメモリ（ＲＯＭ）に格納されており、シーケンサ４は所定のパルスシーケンスをメモリから読み出すとともに操作部２５から入力されたパラメータを用いて、当該パルスシーケンスに則って高周波パルスおよび傾斜磁場パルスの印加並びにエコー信号のサンプリングを制御する。

パルスシーケンスとしては、被検体の画像を再構成するためのエコー信号を計測する本撮影に用いるものと、本撮影前に、本撮影に必要なデータ等の計測を行う前計測パルスシーケンスとがある。本実施形態のＭＲＩ装置は前計測パルスシーケンスとして、ＲＦパルスの強度を決定するための前計測パルスシーケンスを備えている。

図２に、本実施形態で用いる前計測パルスシーケンスの一例として、スピンエコー型のパルスシーケンスを示す。この前計測パルスシーケンスでは、まず第一のＲＦパルス（励起パルス）２０１、スライス傾斜磁場パルス２１１を印加する。これにより所定のスライスのスピンが倒される。このとき、励起パルス２０１によるスピンの傾き角がフリップ角である。励起パルス２０１の照射からエコー信号２３１の検出までの時間ＴＥに対して、第二のＲＦパルス（反転パルス）２０２を、ＴＥの半分のタイミングで照射し、スピンを反転させる。この際にもスライス傾斜磁場パルス２１２を同時に印加する。

時間ＴＥの経過後、エコー信号２３１を検出する。なお、反転パルス２０２の照射前、およびエコー信号２３１の検出時に、読出方向傾斜磁場パルス２２１、２２２が印加される。反転パルス２０２照射前の読出方向傾斜磁場パルス２２１の印加時間は、エコー信号２３１検出時の読出方向傾斜磁場パルス２２２の印加時間の半分である。このようにすることで、ＴＥにおいて読出方向に位相拡散したスピンが収束しエコー信号２３１（スピンエコー）が得られる。

エコー信号２３１を検出した後、断熱パルス２０３を印加する。この断熱パルス２０３は、１つのパルス内で周波数と振幅が変化するパルスであり、振幅と位相を変調することで、有効磁場に沿って磁化を操作できる。この断熱パルス２０３を用い、縦磁化を一定にする。本実施形態で用いる断熱パルスは、縦磁化を０にする、９０度のフリップ角を生じさせるＡＨＰ（Adiabatic Half Pulse）である。図３にこのＡＨＰのパルス強度（Ｂ１）と共鳴周波数との差（Δω）の時間変化を示す。図示するようにＡＨＰは、初期段階では時間Ｔの経過に従い、パルスの強度Ｂ１が急激に大きくなると共に、共鳴周波数との差Δωが急激に小さくなり、時間の経過とともに、パルスの強度及び共鳴周波数との差は一定となる。

一般に断熱パルスは、脂肪抑制パルスシーケンスのＩｎｖｅｒｓｉｏｎパルスとして利用される例があるが、本実施形態では、断熱パルス（ＡＦＰパルス）を「ＲＦパルス励起後に縦磁化を一定にするためのパルス」として用いる。

このようなＡＨＰ印加をし、縦磁化を０にした後、更に時間ＴＳが経過したときに、次の前計測パルスシーケンスを実行する。ＴＳは、ある程度縦磁化が回復するのに必要な時間であり、この時間を一定にすることにより縦磁化は同じ状態に回復する。具体的には、ＴＳは数百ｍＳという短い時間に設定することができる。これにより、繰り返し時間ＴＲを短くでき、適切なＲＦパルスの強度を決定する時間を短くできる。

この前計測パルスシーケンスを、フリップ角が変化するように励起パルス２０１の強度を変更しながら所定回数実行する。

この前計測パルスシーケンスの実行によるスピンの挙動を図４及び図５を用いて説明する。図４は、前計測パルスシーケンス実行時のスピンの挙動を示した説明図であり、図４（ａ）は、励起パルス２０１を最初に印加した際のスピンの状態、図４（ｂ）はＡＨＰを印加した後のスピンの状態、図４（ｃ）は２回目以降の励起パルスを印加した際のスピンの状態を示す。図５は時間と縦磁化の強度との関係を示したグラフである。

まず、一回目の前計測パルスシーケンスを実行する。この一回目の前計測パルスシーケンスの励起パルス２０１が印加されると、図４（ａ）に示すように、スピンがフリップ角αで傾いた後、スピンの縦磁化が回復し、点線で示すような、縦磁化Ｍｚが残留している状態となる。この状態で一回目のＡＨＰを印加すると、縦磁化Ｍｚが０になり、スピンはＸＹ平面内に励起されて、スライス傾斜磁場パルス２１３、読出方向傾斜磁場パルス２２３でスポイルされる。そして所定時間ＴＳが経過すると、図４（ｂ）の点線で示すように縦磁化が一定の値にまで回復する。

図５には、断熱パルス２０３により縦磁化が０となった時間を０として、時間ＴＳを経過したときに縦磁化が回復する状態を示す。ここで、所定時間ＴＳを縦緩和時間Ｔ１よりも短い一定の時間にした場合、縦磁化は完全には回復せず、一定の値にまで回復する。時間ＴＳ経過後に、二回目の前計測パルスシーケンスの励起パルス２０１を印加すると、図４（ｃ）に示すように、縦磁化が一定になった図４（ｂ）の点線の状態から、スピンがフリップ角αｎで倒される。三回目以降の前計測パルスシーケンスを実行する場合も、一つ前の前計測パルスシーケンスで断熱パルス２０３が印加され、所定時間ＴＳが経過することで、スピンの縦磁化は、図４（ｂ）に示す一定の状態となる。

この前計測パルスシーケンスを用いて、適切なＲＦパルスの強度を決定する手順について、図６、７を用いて説明する。図６は装置の動作フロー図、図７は前計測パルスシーケンスの、ＲＦパルスの強度と、エコー信号との関係を示したグラフである。

図６には、本実施形態にかかるＭＲＩ装置の、ＲＦ強度を設定する際の動作フロー図を示す。ステップ００１（以下、「Ｓ００１」のように表記する）で、被検者がＭＲＩ装置の所定位置にいることを確認した後、Ｓ００２で操作部２５の操作者により、制御部は、被検者の生体情報を受け付ける。ここで生体情報とは、身長、体重、性別などエコー信号に影響を与えると考えられる情報を言う。

Ｓ００３では、第一回目の前計測パルスシーケンスを実行する。一回目の前計測パルスシーケンスのＲＦパルスの強度は、入力された被検体の生体情報基づき、ＲＯＭ等に蓄積されたデータベースからＣＰＵ８により自動的に選択することができる。

まず、一回目の前計測パルスシーケンスを実行し、エコー信号２３１を取得する。ただしこの一回目のエコー信号の値は、初期状態が異なるので、その後のＲＦパルスの強度の決定には用いない。一回目の前計測パルスシーケンス実行後（即ち励起パルスの印加後、設定された繰り返し時間ＴＲ経過後）、続けてＳ００４で二回目以降の前計測パルスシーケンスを実行する。二回目以降の前計測パルスシーケンスでは、それぞれ、ＲＦパルスの強度を異ならせる。

ここで実行される複数の前計測パルスシーケンスでは、断熱パルス２０３が印加された後、ＴＲが終了するまでの時間（次の前計測パルスシーケンスが開始するまでの時間）、即ちＴＳが、すべて同じ値に設定されているので、ＲＦパルスが印加されたときの縦磁化の大きさが、二回目以降の前計測パルスシーケンスでは一定になる。

二回目以降の前計測パルスシーケンスの実行により、エコー信号２３１が取得される。こうして励起パルス２０１の強度を変えながらエコー信号２３１の計測を繰り返すことで、異なるＲＦパルスの強度のもとで計測した複数のエコー信号が得られる。こうして計測したエコー信号２３１の強度から基準となるＲＦパルスの強度を決定する。

二回目以降に取得されたエコー信号２３１の強度をプロットしたものを図７に示す。図７の横軸は、フリップ角を生じさせるＲＦパルスの強度を、縦軸はエコー信号２３１の強度を示し、ＲＦパルス強度を変更して６回の前計測パルスシーケンスを実行して得られたエコー信号２３１の強度をプロットした状態である。このプロットした曲線からカーブフィッティング等により近似関数を導出して、エコー信号２３１の強度が最大となるパルス強度を求める。このパルス強度が９０°パルスに相当するＲＦパルスの出力基準値である。その値をＲＦパルスの出力基準値として用いることで、本撮影に使用するパルスシーケンスの高周波磁場パルスの適切な強度が決定される。

本実施形態によれば、適切なＲＦパルスの強度を、被検体ごとに決定する前計測パルスシーケンスが、エコー信号の計測から次のＲＦパルスの印加までの間に、縦磁化を一定にする断熱パルスを備えたことにより、完全に縦磁化が回復する時間を待たずに励起ＲＦパルス印加直前のスピンの状態を一定にできるので、繰り返し時間ＴＲを短くできる。これにより適切なＲＦパルスの強度決定にかかる時間を短縮でき、更にＭＲＩ装置による計測時間を短くできる。

例えば、スピンが完全に縦緩和する時間にＴＲを設定した場合には、ＴＲは２、３秒程度が必要となるが、断熱パルスの印加から次の励起パルス印加までの時間ＴＳは数百ｍｓ程度とすることができるので、ＴＲをＴ１緩和時間よりも短くできる。すなわちＴＲを２秒程度短縮することができ、それに繰り返し回数を乗じた時間の短縮効果が得られる。また、一定の縦磁化の状態にすることをエコー信号計測等で確認する必要がないため、信号処理の負担がなくシステムを簡素化できる。なお、ＴＲは、被検体の代表的組織のＴ１緩和時間の１／１０以上であることが望ましい。

また、断熱パルス２０３が、９０°のフリップ角を生じさせるＡＨＰであることで、前計測パルスシーケンスの第一のＲＦパルスの強度を直接求めることができる。これによっても、制御部内のシステムを簡素化することができる。

一回目の前計測パルスシーケンスのＲＦパルスの強度が、被検体の生体情報により決定されることで、エコー信号２３１の値が図７に示すような曲線となるような、初期のＲＦパルスの概略の強度を得ることができる。

本実施形態では、前計測パルスシーケンスとしてスピンエコー型のパルスシーケンスを用いたが、グラディエントエコー型のパルスシーケンスを用いることもできる。その場合さらに適切なＲＦパルスの強度の決定のための時間を短縮できる。

また、ＲＦパルス印加部が多チャンネルで構成される場合、その多チャンネルのすべてを動作させた状態で、エコー信号を最大にするＲＦパルスの強度を決定する。ＲＦパルスの強度は、そのＲＦパルス印加部の持つ、電気的な固有の値にゲインとして掛け合わせることで設定されるので、まず多チャンネルのすべてのＲＦパルス印加部を動作させた状態で、全体として適切なＲＦパルスの強度を決定する。そして、その強度の値となるように、それぞれのチャンネルの固有の値に対し同じゲインを掛け合わせることで、それぞれのチャンネルごとにＲＦパルスの強度とする。

なお本実施形態では、最初の前計測パルスシーケンスは、ＲＦパルスを印加する前のスピンの状態が２回目以降の状態と異なるため、最初の前計測パルスシーケンスで得られたエコー信号２３１の値を、基準ＲＦパルスの強度決定には用いていないが、最初の前計測パルスシーケンスにおいて、励起パルス２０１印加前に断熱パルス２０３を印加することも可能である。この場合、一回目のエコー信号２３１の強度をＲＦパルスの強度決定に用いることができる。

１…被検体、２…静磁場発生部、３…傾斜磁場印加部、４…シーケンサ、５…送信部、６…受信部、７…信号処理部、８…中央処理装置、９…傾斜磁場コイル、１０…傾斜磁場電源、１１…高周波発信機、１２…変調器、１３…高周波増幅器、１４…高周波コイル、１５…増幅器、１６…直交位相検波器、１７Ａ／Ｄ変換機、１８…磁気ディスク、１９…光磁気ディスク、２０…ディスプレイ、２３…トラックボール、２４…キーボード、２５…操作部、２０１…励起パルス、２０２…反転パルス、２０３…断熱パルス、２１１、２１２、２１３…スライス傾斜磁場パルス、２２１、２２２、２２３…読出方向傾斜磁場パルス、２３１…エコー信号

Claims (7)

1. 静磁場中に配置された被検体に対して傾斜磁場を印加する傾斜磁場印加部と、
   前記被検体の磁化を所定のフリップ角で励起させるＲＦパルスを印加するＲＦパルス印加部と、
   前記被検体が発生するエコー信号を計測する計測部と、
   前記傾斜磁場印加部とＲＦパルス印加部と計測部との動作を制御する制御部とを備え、
   前記制御部が、
   前記ＲＦパルスの強度を変えながら前記エコー信号を計測して、前記ＲＦパルスの基準出力を決定する前計測パルスシーケンスを実行し、
   この前計測パルスシーケンスが、前記エコー信号の計測から次の前記ＲＦパルスの印加までの間に、縦磁化を一定にする断熱パルスを備える、
   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に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
   複数の前記前計測パルスシーケンスで、前記断熱パルスを印加した後、次の前計測パルスシーケンスが開始するまでの時間が、同じ値に設定されている、
   ことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
3. 請求項１に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
   前記断熱パルスが、縦磁化を実質的に０にする断熱パルスである、
   ことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
4. 請求項３に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
   前記断熱パルスが、ＡＨＰ（Adiabatic Half Pulse）である、
   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に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
   前記前計測パルスシーケンスのＲＦパルスの初期強度は、生体情報のデータベースを用いて決定する、
   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に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
   前記前計測パルスシーケンスが、スピンエコー型である、
   ことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
7. 請求項１に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
   前記前計測パルスシーケンスが、グラディエントエコー型である、
   ことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。

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