JP2883980B2 - 核磁気共鳴画像化用の勾配磁界を発生する方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （イ） 産業上の利用分野 本発明は核磁気共鳴画像化に関するものであり、より
特定すれば磁気共鳴画像化用の勾配磁界を発生する方法
および装置に関するものである。 （ロ） 従来技術および解決しようとする問題点 核磁気共鳴画像化手続きは、医学的診断情報を非侵入
的に発生するのに利用される。そのような手続きの際、
患者は大きい環状磁石の開口部に位置ぎめされる。該磁
石は強力な静止した磁界を発生し、それによつて患者の
体内の水素ならびに他の化学元素を該静磁界と整列させ
る。 診断情報を発生させようとする場合、一連の無線周波
数（RF）パルスが静磁界に直交して印加される。これら
のRFパルスは、当該化学元素の共振周波数に合わせられ
る。現在受け入れられている手続きによる人間の診断に
対して、RFパルスは、体内での高比率の水分のために人
間には豊富にある水素の共振周波数に合わせられる。RF
パルスは水素の分子をその磁気的整列位置から無理に離
して該分子を歳差させるすなわち「動揺させる」が、そ
の運動は回転する頂点がその回転の終りに達する場合の
該頂点の運動に類似している。この分子の歳差運動は感
知され、自由誘導崩壊信号として周知の電気信号を発生
し、該信号は診断画像を発生する。 患者の断面の平面画像を発生するために、該平面にお
ける水素分子と他の領域におけるそれとの間で区別する
必要がある。勾配磁界は高い強さの静磁界上に重畳され
て、この区別を行なう。 勾配コイルも脈動して、静磁界に直交する磁束を発生
する。画像を発生するために、今日の標準二次元フーリ
エ変換符号化技術は、RFパルスの当該領域への印加と調
時した関係で勾配コイルによつて発生された位相符号化
勾配磁界を利用する。符号化勾配が与えられると、該領
域内の磁気モーメントの遷移が監視される。この遷移デ
ータが収集された後、二次元フーリエ変換再構プロセス
が実施されて、被験者内の構造変化例の画像を形成す
る。 位相符号化勾配磁界は、典型的には、1msecから200ms
ecまで持続するパルスの形式で与えられる。これらのパ
ルスの大きさは、代表的には0.5から10mT・m^-1となつて
いる。そのような勾配磁界パルスは、静磁界に挿入され
た円筒形に設置された勾配磁界コイルによつて発生され
る。これらの勾配磁界コイルは適切な高電力電流源によ
つて付勢される。 周知の通り、勾配磁界コイルが付勢される場合、該コ
イルが金属物体に近接して置かれていると、発生する磁
界は付勢電流波形に正確には対応しなくなる。この対応
性の不足は該金属物体内で誘導されたうず電流の効果に
よるものである。うず電流の大きさは、うず電流が誘導
されている材料の量および導電率、この材料の勾配磁界
コイルに対する近接性ならびにパルス磁界の大きさによ
つて左右される。時間に関してのうず電流減衰は、該う
ず電流が誘導される材料の導電率によつて支配的に判定
される。 うず電流は、勾配磁界を発生するのに利用される入力
波形に比較して、該磁界を「低域通過」フイルタする効
果を有している。核磁気共鳴画像化において、そのよう
なうず電流は、高品質診断走査を行なうことの妨げとな
つている。理想的には、勾配磁界波形は「オン」の場合
は実質的に平坦であり、「オフ」の場合は平坦でゼロで
あればよい。うず電流によつて発生した磁界は、勾配コ
イル付勢に対するこの理想的応答の鋭いエツジを丸めて
しまう。 勾配コイルに対する付勢入力を変化させ、うず電流効
果に対して補正する諸提案がなされている。この変化
は、うず電流の効果を打消す量だけ入力信号に指数関数
的に重みづけすることによつて完成される。波形入力は
通常、コンピユータによつて発生されるので、ソフトウ
エア技術を利用して適切な変化を発生することができ
る。これらの変更を行なうために、うず電流の大きさを
測定する方法が必要となり、従つて与えられた入力のプ
ロフイールに対する変更が設定される。 核磁気共鳴画像化において利用される非常に多くの異
なる波形は、この問題についてのコンピユータ補正を、
不可能ではないとしても、困難にしている。一様な磁界
内に置かれた各種の金属成分は、種々の時定数を有する
うず電流を発生する種々の導電率を有している。これら
の環境の下で、勾配磁界波形は、異なる時定数と大きさ
を有する種々の指数関数の和となる。この複雑性のため
にうず電流補正のコンピユータモデル化の作業を極めて
困難にしている。 （ハ） 作用 このうず電流効果問題を克服する代わりの方法および
装置を提供することが本発明の目的である。 従って、本発明は、核磁気共鳴画像化用の勾配磁界を
発生する方法であって、第１の較正段階と第２の画像化
段階とから構成され、（ａ） 第１の較正段階は：所望
の勾配磁界の波形に対応する第１の波形を有する第１の
勾配付勢信号（50）を有する磁界発生手段を付勢するこ
とによって勾配磁界を発生する発生段階と、この付勢に
よって生じた磁界を直接に感知（57）して前記生じた磁
界を表わす信号（64）を発生する感知段階と、前記第１
の勾配付勢信号（50）を可変周波数応答と可変利得とを
有する複数のフィルタ手段（54,56）を含むフィルタ装
置に入力してそれらを調整することにより前記第１の勾
配付勢信号（50）を変更して前記生じた磁界を表わす信
号（64）に実質的に等しい振幅の補正信号（59）を発生
する変更段階と、前記補正信号（59）と第１の勾配付勢
信号（50）とを結合して第２の勾配付勢信号（70）を発
生する結合段階とからなり、（ｂ） 第２の画像化段階
は：前記第２の勾配付勢信号（70）を前記磁界発生手段
に与えることによって所望の勾配磁界に一層近似する勾
配磁界を発生する段階とからなることを特徴とする。 本発明はさらに、前記感知段階は磁界発生手段を付勢
することによって発生する磁界の測定を含んでおり、そ
して、結合段階は前記補正信号（59）と第１の勾配付勢
信号（50）を加算する。 本発明はさらに、前記感知段階は前記勾配磁界に配置
されたコイルの誘導信号を測定することによって実行さ
れる。 本発明はさらに、核磁気共鳴画像化のための勾配コイ
ル付勢装置であって、該装置は、所望の勾配磁界の波形
に対応する第１の波形を有する第１の勾配付勢信号（5
0）を有する磁界発生手段を付勢することによって勾配
磁界を発生する発生手段と、この付勢によって生じた磁
界を直接に感知して前記生じた磁界を表わす信号（64）
を発生する感知手段（57）と、前記第１の勾配付勢信号
（50）を可変周波数応答と可変利得とを有する複数のフ
ィルタ手段（54,56）を含むフィルタ装置に入力してそ
れらを調整することにより前記第１の勾配付勢信号（5
0）を変更して前記生じた磁界を表わす信号（64）に実
質的に等しい振幅の補正信号（59）を発生する変更手段
（54,56,58,67）と、前記補正信号（59）と第１の勾配
付勢信号（50）とを結合して前記第１の勾配付勢信号
（50）の代わりに前記磁界発生手段に適用するための第
２の勾配付勢信号（70）を発生する結合手段（66,68）
とからなることを特徴とする。 本発明はさらに、前記補正信号（59）と前記第１の勾
配付勢信号（50）との差を前記第１の勾配付勢信号（5
0）に加算することによって第２の勾配付勢信号（70）
を発生する加算増幅手段（66,68）を備えている。 本発明はさらに、前記フィルタ装置は前記補正信号
（59）を発生するために並列で接続された複数の調整可
能な抵抗器／コンデンサ回路（54）を備えている。 本発明はさらに、前記変更手段は共に加算できる２つ
の入力を有するオシロスコープ（67）を備えており、第
１の前記入力は前記磁界を表わす信号（64）に結合さ
れ、そして、第２の前記入力は前記フィルタ装置からの
出力に結合されている。 本発明はさらに、前記磁界発生手段は勾配コイルアセ
ンブリを備え、そして、前記装置は、一様な磁界を発生
して対象内の構造の磁気モーメントを整列させる手段
と、前記対象内の領域内の構造の磁気モーメントを新し
い方向に向け直すために摂動磁界を発生する手段（20）
を備えている。 （ニ） 実施例 次に本発明による方法および装置を、添付の図面を参
照して一例として説明する。 第１図には、被験者の内部構造を判定する核磁気共鳴
画像化走査装置10が示される。走査装置10は、当該領域
にわたつて高い強さの均一磁界を発生する大きい環状磁
石を囲むハウジング12を有する。ハウジング12内に設置
された１つ以上の勾配コイルによつて、勾配磁界が発生
される。これらのコイルの形状ならびに位置ぎめは、勾
配磁界がいずれの所望の方向にでも静磁界上に重畳され
得るようなものとなつている。 ハウジング12は、被験者がその中に入れられて核磁気
共鳴走査される開口部18を定めている。第１図は、環状
磁石の高い強さの磁界上に摂動磁界を重畳するRFパルス
コイル20を示す。頭支持部24を有する患者の支持台22
は、患者の頭が頭支持部24の上で支えられるように、コ
イル20に関して位置ぎめされる。コイル20、患者の支持
台22および患者は、走査開口部18の中へ移動されて、核
磁気共鳴画像化が行なわれる。 第１図に示されるコイル20はRF磁界を発生し、被験者
の当該領域内に磁気モーメントを再整列させる。コイル
20はまた、患者内の構造からの出力信号を測定する。こ
れらの信号は、高強度磁石、勾配コイルおよびパルスコ
イル20によつて発生された磁界の組合わせに対する患者
内の構造の応答によつて発生される。走査装置10の後部
から外部へ送信することによつてコイル20に結合された
回路はパルスコイル20を付勢する。 既知の磁気画像化技術によれば、勾配磁界は高い強さ
の磁界に重畳されて、被験者の画像化に十分な情報を得
る。勾配磁界の方向と大きさはこの情報を得るために制
御される。適切な勾配コイルの構成は、「核磁気共鳴シ
ステム」と称する、ヤング（Yong）他への米国特許第4,
355,282号で例示されている。 第4A図は、患者の当該領域において符号化勾配磁界を
発生するために利用される付勢波形を示す。電子回路に
与えられて勾配磁界を付勢する場合、この信号は、理論
上では、所望の振幅と形状の磁界を発生し、磁気画像化
シーケンスを位相符号化する。しかし、パルスコイル20
およびパルスコイルに結合した回路のような導電成分が
存在する場合、走査開口部18内にうず電流が誘導され
る。該うず電流のために磁界の劣化を生じさせる。第4B
図は、第4A図の入力付勢波形に類似しているがかなりの
点で異なる典型的勾配磁界を示す。 本発明により入力波形を変更し、変更入力を発生して
勾配磁界を付勢する。典型的な変更入力は第4C図で見ら
れる。この入力は、第4A図で示された入力に類似した出
力磁界を発生する。この信号変更は、走査開口部18内の
うず電流による磁界効果を感知し、そして入力波形を変
更することによつて達成され、第4D図に見られるような
出力磁界を発生する。 第２図には、入力波形（第4A図）を変更する回路40が
示される。入力50における波形はコンピユータによつて
発生され、デイジタル／アナログ変換器（図示されてい
ない）によつてアナログ形式に変換される。該波形は、
利用される特定の核磁気共鳴パルスシーケンスの要件に
適した振幅および持続時間を有する典型的な台形となつ
ている。 入力50はＮ＋１単位利得演算増幅器バツフア52によつ
て緩衝される。第２図はＮ＝３による回路を示す。Ｎバ
ツフア52は、抵抗器／コンデンサの組合わせからなる低
域フイルタ54を駆動する。抵抗器54rは可変であつてフ
イルタ時定数の調整が可能である。該時定数はうず電流
効果によつて発生されたそれを代表している。可変利得
増幅器バツフア56は、０から１までの利得を有して、フ
イルタ54からの出力を増幅する。バツフア出力55は反転
モードで接続されている加算演算増幅器58に結合され
る。可変利得増幅器56は、加算出力における様々な時定
数の重みづけを可能にする。調整可能抵抗器／コンデン
サ回路網はうず電流の効果を原波形にエミユレートする
（書変える）。 原台形入力はまた、勾配コイルを駆動する増幅器52に
結合される（「直接出力」）。勾配磁界dBz/dx（または
Ｙ、またはＺ）は、画像化電子回路とコイル（勾配およ
びRFコイル）をその走査位置で有する、中空部18に置か
れたさぐりコイル57（第１図）を利用して感知される。
該さぐりコイル57は、20cmの直径で1000巻きのワイヤを
有する。さぐりコイルからの出力は積分されて、磁界プ
ロフイールを与える。 探りコイル出力を整形する適切な積分器61は第３図に
示している。該積分器は、フィードバック充電コンデン
サ65によつて共に結合される入力63と出力64を有する演
算増幅器62を備えている。積分器出力64は二重チヤネル
オシロスコープ67（第１図）の１チヤネルへの入力とな
つており、加算増幅器58の加算出力59（第２図）は、こ
のオシロスコープ67の別のチヤネルへの入力となつてい
る。感度（利得）制御は、各入力に対するオシロスコー
プ表示装置上で、実質上同じ振幅を与えるように調整さ
れる。さぐりコイル57からの入力63は、単発マルチ72を
介して、オシロスコープ67の掃引数をトリガするのに利
用される。オシロスコープが「加算」モードに置かれる
場合、RC回路54および増幅器56を手動で調整することに
よつて、表示装置を実質的に零の掃引線を与えるよう調
整することができる（加算増幅器出力59は積分器出力64
に対して反対の記号であるので）。この実質的零の出力
が一旦達成されると、回路は較正される。このことは、
回路40からの加算出力59が、未補正波形（第4A図）によ
つて発生された磁界（第4B図）をモデル化することを意
味する。 該較正加算増幅器出力59は、原増幅波形「直接出力」
と共に第２加算増幅器66に与えられる。第１加算増幅器
58からの出力は、原入力50と反対の記号の信号であるの
で、これら２つの信号を加算することによつて原信号か
らRCフイルタ信号を減算して、差の信号を発生する。次
いでこの差の信号は、第３の加算増幅器68によつて、原
信号に加算される。この加算増幅器68の出力70は、原入
力波形（第4A図）に実質的に等しい磁界プロフイール
（第4D図）を発生する波形（第4C図）となつている。従
つて、回路40を同調するために、「直接出力」が利用さ
れて勾配コイルを駆動し、走査装置10を較正する。画像
化が行なわれる場合、増幅器68からの「出力」70と称す
る信号は、勾配コイルを駆動するのに利用される。走査
装置10は３つの相互に直交する勾配磁界を発生するの
で、３つの較正テストが必要とされる。 このように、本発明の勾配磁界発生方法は、うず電流
による影響の校正を実現する２つの段階を利用している
ことが分かる。第１は較正段階であり、第２は画像化動
作に対応する通常の勾配コイル駆動段階がそれに続いて
いる。第１の段階では、出力59及び積分器出力64はそれ
ぞれ異なるオシロスコープの「Ｙ」入力に送られ、その
間勾配コイルは第２図の「直接出力」（第4A図の波形）
で駆動する。この段階において、RCフィルタ54は、入力
50における「所望の」波形（第4A図）が、第4B図に示さ
れる実際に生成された勾配磁界の波形に略一致するよう
に調整される。しかし、ここでの一致とは逆転した形、
即ち反転されて一致するということである。オシロスコ
ープ自身のこれらの二つの「Ｙ」入力を加算しフィルタ
を調整することにより零の掃引線が得られる。こうして
システムは較正される。 第２の段階では、「直接出力」が勾配コイルから排除
され、その代りに第4C図の補正入力をコイルに出力する
「出力70」が適用される。この波形は、較正段階におい
て存在する同じうず電流により影響される実際の勾配磁
界が、最初の「所望の」入力50（第4A図）と所望の近似
形になるもので、即ち、勾配磁界は第4D図の波形にな
る。このように、うず電流による影響が校正される。 第２図の回路はいずれの勾配波形に対しても補正を行
ない、そしてそれぞれの新規な勾配付勢信号に対する別
々のコンピユータモデル化手続きを行なう必要性を回避
している。本発明は特定して説明されてきたが、本発明
には添付の特許請求の範囲の精神または範囲内に含まれ
るすべての変更例および／または代替例が含まれている
ことを意図するものである。

【図面の簡単な説明】 第１図は核磁気共鳴画像化システムの斜視図、第２図は
勾配コイル付勢信号を発生する回路の概略図、第３図は
勾配コイル付勢によつて発生される磁界を感知する際に
利用される回路、第4A図と第4B図は磁界整形におけるう
ず電流を示す入力と出力の波形、第4C図と第4D図はうず
電流効果に対して補正する変更勾配コイル付勢プロフイ
ールを示す入力と出力の波形となつている。 図中、10は核磁気共鳴画像化走査装置、12はハウジン
グ、18は開口部、20はRFパルスコイル、22は患者支持
台、24は頭支持部、57はさぐりコイル、および67は二重
チヤネルオシロスコープをそれぞれ示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−224045（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−235741（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．核磁気共鳴画像化用の勾配磁界を発生する方法であ
   って、第１の較正段階と第２の画像化段階とから構成さ
   れ、 （ａ） 第１の較正段階は： 所望の勾配磁界の波形に対応する第１の波形を有する第
   １の勾配付勢信号（50）を有する磁界発生手段を付勢す
   ることによって勾配磁界を発生する発生段階と、 この付勢によって生じた磁界を直接に感知（57）して前
   記生じた磁界を表わす信号（64）を発生する感知段階
   と、 前記第１の勾配付勢信号（50）を可変周波数応答と可変
   利得とを有する複数のフィルタ手段（54,56）を含むフ
   ィルタ装置に入力してそれらを調整することにより前記
   第１の勾配付勢信号（50）を変更して前記生じた磁界を
   表わす信号（64）に実質的に等しい振幅の補正信号（5
   9）を発生する変更段階と、 前記補正信号（59）と第１の勾配付勢信号（50）とを結
   合して第２の勾配付勢信号（70）を発生する結合段階と
   からなり、 （ｂ） 第２の画像化段階は： 前記第２の勾配付勢信号（70）を前記磁界発生手段に与
   えることによって所望の勾配磁界に一層近似する勾配磁
   界を発生する段階とからなることを特徴とする勾配磁界
   発生方法。 ２．特許請求の範囲第１項記載の方法において、感知段
   階は磁界発生手段を付勢することによって発生する磁界
   の測定を含んでおり、そして、結合段階は前記補正信号
   （59）と第１の勾配付勢信号（50）を加算することを含
   む勾配磁界発生方法。 ３．特許請求の範囲第１項記載の方法において、感知段
   階は前記勾配磁界に配置されたコイルの誘導信号を測定
   することによって実行される勾配磁界発生方法。 ４．核磁気共鳴画像化のための勾配コイル付勢装置であ
   って、該装置は、 所望の勾配磁界の波形に対応する第１の波形を有する第
   １の勾配付勢信号（50）を有する磁界発生手段を付勢す
   ることによって勾配磁界を発生する発生手段と、 この付勢によって生じた磁界を直接に感知して前記生じ
   た磁界を表わす信号（64）を発生する感知手段（57）
   と、 前記第１の勾配付勢信号（50）を可変周波数応答と可変
   利得とを有する複数のフィルタ手段（54,56）を含むフ
   ィルタ装置に入力してそれらを調整することにより前記
   第１の勾配付勢信号（50）を変更して前記生じた磁界を
   表わす信号（64）に実質的に等しい振幅の補正信号（5
   9）を発生する変更手段（54,56,58,67）と、 前記補正信号（59）と第１の勾配付勢信号（50）とを結
   合して前記第１の勾配付勢信号（50）の代わりに前記磁
   界発生手段に適用するための第２の勾配付勢信号（70）
   を発生する結合手段（66,68）とからなることを特徴と
   する勾配コイル付勢装置。 ５．特許請求の範囲第４項記載の装置において、前記補
   正信号（59）と前記第１の勾配付勢信号（50）との差を
   前記第１の勾配付勢信号（50）に加算することによって
   第２の勾配付勢信号（70）を発生する加算増幅手段（6
   6,68）を備えている勾配コイル付勢装置。 ６．特許請求の範囲第５項記載の装置において、前記フ
   ィルタ装置は前記補正信号（59）を発生するために並列
   で接続された複数の調整可能な抵抗器／コンデンサ回路
   （54）を備えている勾配コイル付勢装置。 ７．特許請求の範囲第６項記載の装置において、前記変
   更手段は共に加算できる２つの入力を有するオシロスコ
   ープ（67）を備えており、第１の前記入力は前記磁界を
   表わす信号（64）に結合され、そして、第２の前記入力
   は前記フィルタ装置からの出力に結合されている勾配コ
   イル付勢装置。 ８．特許請求の範囲第４項記載の装置において、前記磁
   界発生手段は勾配コイルアセンブリを備え、そして、前
   記装置は、一様な磁界を発生して対象内の構造の磁気モ
   ーメントを整列させる手段と、前記対象内の領域内の構
   造の磁気モーメントを新しい方向に向け直すために摂動
   磁界を発生する手段（20）を備える勾配コイル付勢装
   置。