JP2619398B2 - 核磁気共鳴を用いた検査装置 - Google Patents

核磁気共鳴を用いた検査装置

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、核磁場共鳴(以下、「NMR」という)を用
いた検査装置に関し、特に化学シフトイメージングを高
速で行なうことが可能なNMRを用いた検査方法、及び検
査装置に関する。
〔従来の技術〕
従来、人体の頭部,腹部などの内部構造を非破壊的に
検査する装置として、X線CTや超音波撮像装置が広く利
用されて来ている。近年、核磁気共鳴現象を用いて同様
の検査を行う試みが成功しX線CTや超音波撮像装置では
得られない情報を取得できることが明らかになつて来
た。核磁気共鳴現象を用いた検査装置においては、検査
物体からの信号を物体各部に対応させて分離・識別する
必要がある。その1つに、検査物体に傾斜磁場を印加
し、物体各部の置かれた静磁場を異ならせ、これにより
各部の共鳴周波数あるいはフエーズ・エンコード量を異
ならせることで位置の情報を得る方法がある。
その基本原理については、ジヤーナル・オブ・マグネ
テイツク・レゾナンス誌(J.Magh.Reson.)第18巻,第6
9頁(1975年)に、あるいはフイジツクス・オブ・メデ
イシン・アンド・バイオロジー誌(Phys.Med.&Biol.)
第25巻,第751頁(1980年)に報告されている。
このようなイメージングの1方法として、化学シフト
イメージングがある。化学シフトとは、同一の核種であ
つても各スピンの感じる磁場がその周囲の分子構造の相
違により異なるため、各スピンの共鳴周波数が分子構造
上での位置に応じて変化する現象である。化学シフトは
検査物体の分子構造に関する情報を与えてくれるため、
極めて重要な現象である。化学シフトの異なる核スピン
を分離してイメージングする方法としては、これまで幾
通りもの方法が提案されているが、その1つにCHESSと
呼ばれる方法がある。それについてはラジオロジー誌
(Radiology)第156巻,第441頁(1985年)に報告され
ているので詳細は省略するが、複数の化学シフトの中の
1つだけに対応する画像を1回の撮影で得る方法であ
る。化学シフトがn本あれば、n回の撮影で全ての像を
得ることができる。複数の化学シフトの中から1つだけ
を選択するのは、高周波磁場の帯域を限定することで行
なう。すなわち、目的とする化学シフトに対応する周波
数成分だけを有する高周波磁場を検査物体に照射するこ
とにより、その化学シフトを有する核スピンだけを励起
することができる。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかし、上記従来技術は画像のSN比については配慮さ
れておらず、1回の撮影で1つの化学シフトに対応する
核スピンからの信号を検出するため、SN比が低いという
問題があつた。
本発明の目的は、化学シフト像のSN比を高めることに
ある。
〔問題点を解決するための手段〕
上記目的は、1回の撮影で複数の化学シフトの重なつ
た像を得ることにより達成される。
〔作用〕
以下、本発明の動作原理について詳細に説明する。
まず、2次元面の化学シフト像を撮影する場合を例に
とつて、通常よく用いられるフーリエイメージング法へ
本発明を適用した場合について述べる。
第1図は、最初に選択励起を行ない、次で2次元のフ
ーリエイメージングを実施するための高周波磁場の照射
パルスとx,y方向の傾斜磁場と核スピンからの信号のタ
イミングを示すものである。ここではxy面に平行なある
断面を選択するものとしている。図において、RFは上記
照射パルスを、GyおよびGxはそれぞれyおよびx方向の
傾斜磁場を示している。また、Sは核スピンからの信号
を示している。
まず、90゜RFパルスを照射し、検査物体内の核スピン
を90゜倒す。この時照射する90゜RFパルスは、一般にそ
の後で照射するRFパルスに比べ、パルス長が長い特徴が
ある。それは後で照射するRFパルスの周波数帯域に比
べ、最初の90゜RFパルスの周波数帯域の方が狭いことに
よる。またその時の中心周波数は、複数ある化学シフト
の中の1つに対応させる。例えば、第2図(a)のスペ
クトルを有する核スピンの化学シフトの中で、の成
分を励起するとしよう。この場合、最初に照射するRFパ
ルスの中心周波数をに設定し、その帯域を隣接した
1,に対応する化学シフトを有する核スピンが影響
を受けない程度に狭くする。これにより、に対応す
る核スピンだけが90゜倒れる。
次に、Gzを印加すると、90゜倒れた核スピンの位相は
場所により大きく変化するため互いに打消し合い、信号
には寄与しない。
その後は通常よく用いられるフーリエイメージングの
手法により信号を検出し、像再構成する。
この時得られる画像には、に対応する核スピンを
除く全ての核スピンが寄与している。これをより一般化
すると周波数の化学シフトに対応する核スピンの密
度分布をρ(x,y)とした時、次式が成立する。
[D]=[A][R] …(1) ここで、[D]はl番目の計測で得られる画像dl(x,
y)を成分とする列ベクトル、[A]はaijを成分とする
行列で、0か1の値をとる。ρ(x,y)が信号に寄与
する場合を1、寄与しない場合を0にとる。[R]はρ
(x,y)を成分とする列ベクトルである。
従来の方法は、[A]として対角成分が1で、他は全
て0の場合に相当する。この場合、l番目の計測におい
て信号に寄与するのはρ(x,y)だけである。
それに対し、本発明の方法というのは、少なくとも2
つ以上の化学シフトに対応する核スピンからの信号を同
時に観測する。この時、(1)式から [D]=[A]-1[R] …(2) が求まるので、[A]-1が存在する限りにおいて[R]
を一意に決めることができる。
さて、雑音の大きさは装置により決まつており、常に
同じ大きさである。従つて、画像のSN比を高めるには、
できるだけ多くの核スピンからの信号を同時に観測すれ
ばい。例えば、n個の化学シフト像の計測を考える。従
来法ではn回計測を行ない、1回に1つの化学シフトに
対する核スピンからの信号だけを検出する。得られた画
像のSN比は次式で与えられる。
(S/N)=Kρ(x,y)/N0 …(3) ここで、Kは比例定数であり、N0は1回の計測で発生
する雑音の大きさである。
一方、本発明の場合、1例として1回の計測で(n−
1)個の化学シフトに対応する核スピンからの信号を同
時に検出するとする。すなわち、各計測においてそれぞ
れ異なる1個の化学シフトに対応する各スピンだけを選
択的に励起し、位相分散により信号への寄与を除く。計
測回数は従来と同じn回とすると、各々の核スピンは
(n−1)回計測されることになる。従つて、得られる
画像のSN比は次式で与えられる。
すなわち、雑音は各計測間で相関がないため、n回の
計測で になるのに対し、信号は(n−1)倍になる。(3),
(4)式より本発明によるSN比の改善率は次式で与えら
れる。
従つて、n3ならば上記改善率は1より大きくなる
ことが分かる。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例を図を用いて説明する。第1図
に本発明で用いるパルスシーケンスの例を示したが、第
3図には本発明で用いる装置の構成を示す。図におい
て、1は計算機、2は高周波パルス発生器、3は電力増
幅器、4は高周波磁場を発生させると同時に対象物体16
から生ずる信号を検出するためのコイル(rfコイル)、
5は増幅器、6は検波器、7はデイスプレイ装置であ
る。また、8,9および10はそれぞれz方向およびこれに
直角の方向の傾斜磁場を発生させるコイル(傾斜磁場コ
イル)、11,12,13はそれぞれ上記コイル8,9,10を駆動す
る電源部である。
計算機1は各装置に種々の命令を一定のタイミングで
出力する機能をも有するものである。高周波パルス発生
器2の出力は電力増幅器3で増幅され、上記コイル4を
励磁する。該コイル4は前述の如く受信コイルを兼ねて
おり、受信された信号成分は増幅器5を通り検波器6で
検波後、計算機1に入力され信号処理後デイスプレイ装
置7で画像に変換される。
なお、静磁場の発生は電源15により駆動される静磁場
コイル14で行う。検査対象物体である人体16はベッド17
上に載置され、上記ベツド17は支持台18上を移動可能な
ように構成されている。19,20は記憶装置(以下、「メ
モリ」という)である。メモリ19には(1)式で示され
る[A]と[A]-1が格納され、メモリ20には同じく画
像[D],[R]が格納される。
次に、第4図を参照して本実施例の動作を説明する。
まず、第4図に示すステツプ401ではメモリ19に格納
されている[A]の第1行をロードし、その値に基づい
て高周波パルス発生器2の周波数を設定する。例えば、
検査対象物体のスペクトルが第2図においてn=7すな
わち7つの化学シフトを有する場合、[A]としては次
の値が考えられる。
従つて、最初に照射するRFの周波数をに設定する
ことになり、2,3,4,5,6,の共鳴周波数を
有する残り全ての核スピンからの信号を同時に検出する
ことができる。
次に、ステツプ402では第1図に示すシーケンスを実
行し、NMR信号を検出する。得られた信号の2次元フー
リエ変換により像を再構成し、結果をメモリ20に格納す
る。ステツプ401〜402を繰返し、[A]の第1行から第
7行までに対応する画像をメモリ20に全て格納する。
ステツプ403ではメモリ19から[A]-1を、メモリ20
から[D]をロードし、(2)式で示される演算を実行
した後、結果[R]をメモリ20に再び格納する。なお、
このようにして得られた化学シフト像[R]は、従来法
に比べると(5)式で示されるように SN比が向上している。
次にステツプ404ではデイスプレイ7に必要に応じて
結果[R]の一部を表示する。すなわち、[R]の第i
行を表示すればρ(x,y)に対応した化学シフト像に
なる。なお、[A]としては(6)式に示す値以外に、
必要とする化学シフト像の数に応じて選択することも可
能である。例えば、化学シフト数は前記例と同じ7つで
あるが、その中の4つの化学シフト像だけを撮影する場
合を考える。いま、その周波数を1,2,3,とす
ると[A]は次式で与えられる。
上式で5,6行は全て0なので実際の計測は1〜4行に
渡つて行なうだけでよい。なお、1〜4行において、
1,5,6,に対応する核スピンは最初のRFパルスに
より90゜倒さなければならないが、複数の周波数成分を
励起する方法としては次の2つが考えられる。最初の方
法は、各各の周波数ごとに90゜RFパルスを照射する方法
である。すなわち生体の緩緩和時間に比べ十分に短かい
時間内に照射を完了すれば、照射の順序に関係なく所望
の全ての核スピンを励起できる。2番目の方法は所望の
成分を全て含むようにRFパルスを変調する方法である。
この変調波形は所望の成分を逆フーリエ変換することに
より求めることができる。
〔発明の効果〕
本発明によれば、静磁場、傾斜磁場および高周波磁場
内におけるNMR現象を利用する検査装置において、選択
照射により複数の化学シフトに対応する核スピンを同時
に励起し、得られた複数の画像を画素毎に連立させて解
くようにしたので、従来法よりもSN比の高い化学シフト
像が得られる核磁気共鳴を用いた検査方法及び検査装置
を実現できるという効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例のパルスシーケンスを、第2
図は本発明の原理を説明するために対象とするスペクト
ルと照射RFパルスの周波数成分を、第3図は本発明の実
施例である検査装置の概略構成を、第4図は本発明の実
施例の動作フローを示すフローチヤートである。 1……計算機、2……高周波パルス発生器、3……電力
増幅器、4……rfコイル、5……増幅器、6……検波
器、7……デイスプレイ装置、8,9,10……傾斜磁場コイ
ル、11,12,13……電源部、14……静磁場コイル、15……
電源、19,20……メモリ。

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】静磁場、傾斜磁場および高周波磁場の各磁
    場発生手段と、検査対象からの核磁気共鳴信号を検出す
    る信号検出手段と、該信号検出手段の検出信号の演算、
    及び前記各手段の制御を行なう演算・制御手段と、前記
    演算の結果を出力する出力手段とを有する核磁気共鳴を
    用いた検査装置において、前記演算・制御手段は、 (1)前記傾斜磁場を印加しない状態で帯域制限した第
    1の高周波パルスを照射して、複数(3以上)の化学シ
    フトに対応した核スピンのうちの所定の化学シフトに対
    応する核スピンを励起することの制御、 (2)前記(1)で励起された前記核スピンの位相を分
    散させることの制御、 (3)前記傾斜磁場を印加した状態で第2の高周波パル
    スを照射して、前記複数の化学シフトに対応する前記核
    スピンを励起することの制御、 (4)第3の高周波パルスを照射した後に、前記複数の
    化学シフトに対応した前記核スピンのうち、前記
    (1)、前記(2)の結果励起されなかった前記所定の
    化学シフトに対応する前記核スピン以外の複数の前記化
    学シフトに対応する前記核スピンからの核磁気共鳴信号
    を同時に検出することの制御、 (5)前記(4)で同時に検出された信号から、前記所
    定の化学シフトに対応する前記核スピン以外の複数の前
    記化学シフトに対応する前記核スピンの分布を表わす画
    像を求めることの演算、 (6)前記所定の化学シフトを変化させて前記(1)か
    ら前記(5)を複数回繰り返すことの制御及び演算、及
    び (7)前記(1)から前記(6)の制御及び演算の結果
    得られた複数の前記画像を画素毎に連立させて解くこと
    の演算を行ない、 前記(1)から前記(7)の結果、前記検査対象に関す
    る前記複数の化学シフトのそれぞれに対応する前記核ス
    ピンの分布を表わす画像を求めることを特徴とする核磁
    気共鳴を用いた検査装置。
  2. 【請求項2】特許請求の範囲第1項に記載の核磁気共鳴
    を用いた検査装置において、 前記複数の化学シフトに対応した前記核スピンのうちの
    前記所定の化学シフトが単一の化学シフトであることを
    特徴とする特許請求の範囲第1項に記載の核磁気共鳴を
    用いた検査装置。
  3. 【請求項3】特許請求の範囲第1項に記載の核磁気共鳴
    を用いた検査装置において、 前記複数の化学シフトに対応した前記核スピンのうちの
    前記所定の化学シフトが複数の化学シフトであり、前記
    (1)の制御において印加される前記第1の高周波パル
    スは、帯域制限され、かつ各々中心周波数の異なる複数
    の高周波パルスからなることを特徴とする特許請求の範
    囲第1項に記載の核磁気共鳴を用いた検査装置。
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