JP2957013B2

JP2957013B2 - 磁気共鳴像作成装置

Info

Publication number: JP2957013B2
Application number: JP2417303A
Authority: JP
Inventors: ゴスタ・ヤコブ・エーンホルム
Original assignee: Instrumentarium Oyj
Current assignee: Instrumentarium Oyj
Priority date: 1989-12-29
Filing date: 1990-12-28
Publication date: 1999-10-04
Anticipated expiration: 2014-10-04
Also published as: GB9027136D0; FI906290A; GB8929300D0; FI89213C; US5144238A; GB2240628B; FI89213B; JPH04138130A; DE4042212A1; FI906290A0; GB2240628A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁気共鳴像作成方法に
おける改良及び磁気共鳴像作成方法に関し、特に、電子
スピン共鳴により増幅された磁気共鳴像作成方法及びそ
の作成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】磁気共鳴像作成（ＭＲＩ）は、医師が医
学的診断を行なう際に広く用いられる様になりつつあ
る、非破壊的像技術である。該技術は、１９７３年に磁
気共鳴（ＭＲ）像作成に関して最初に刊行を行なったＬ
ａｕｔｅｒｂｕｒにより開発されたものである。又、全
世界では、１９８５年までに少なくとも５００台のＭＲ
像装置が臨床学的に用いられるべく設置した（例えばＬ
ａｕｔｅｒｂｕｒのＮａｔｕｒｅ２４２（１９７３年）
の第１９０〜１９１頁、ＳｔｅｉｎｂｅｒｇのＡ．Ｊ．
Ｒ．１４７（１９８６年）の第４５３〜４５４頁、及
び、ＳｔｅｉｎｅｒのＡ．Ｊ．Ｒ．１４５（１９８５
年）の第８８３〜８９３頁を参照）。

【０００３】ＭＲ像は、磁場中に置かれるとともに脈動
する放射線に晒された例えば人体或いは動物体等の検体
から検出されたＭＲ信号を処理操作することにより行な
われ、又、上記放射線は典型的には、検体中で選択され
た非ゼロスピン核（“像作成核”）におけるＭＲ遷移を
励起すべく選択された周波数を有する高周波の放射線と
される。

【０００４】像作成段階において空間情報をＭＲ信号に
変換する為に、一様な一次磁場Ｂ ₀に磁場勾配を掛ける
ことにより、検体が置かれる磁場は変化せしめられる。
従って、例えば、像作成核の共鳴周波数は、像作成核が
存在する磁場（Ｂ）の強度、並びに、当然ではあるが、
化学的環境、及び、（例えば¹Ｈ、¹³Ｃ、¹⁹Ｆともされ
得る）核の同位体性の如き要因、に依存することから、
ＭＲ遷移を励起する脈動放射線に検体が晒される間、検
体に対しｚ方向に磁場勾配をかけることにより、ＭＲ信
号が発せられるｘｙ平面内にて検体を貫通する切片のｚ
方向における位置及び幅は、一次磁場Ｂ ₀の強度、加え
られた磁場の勾配ｄＢ／ｄｚ、及び、励起脈動の周波数
及び帯域幅により限定される。

【０００５】次に、ＭＲ遷移を励起する放射線の最初の
パルスと、ＭＲ信号が検出される期間及び検出期間との
間において更なる磁場勾配を掛けることにより、ｘ及び
ｙ空間情報もまたＭＲ信号に変換され得る。

【０００６】当該技術分野においては幾つかの異なる変
換技術が知れれているが、それらの全ては、一次磁場に
対し、ＭＲ遷移励起／ＭＲ信号検出サイクルにおいて特
定のシーケンスで、種々の強度及び／或いは種々の方向
の磁場勾配を掛けることにより行なわれている。

【０００７】更に、例えばスピン共鳴、スピン転化、ス
ピン復帰等の、種々の脈動及び検出シーケンスを用いる
ことにより、検出信号からは、例えば、検体の対応体積
要素においてピクセル（ｐｉｘｅｌ）強度が像作成核の
密度に比例する様な像（例えばプロトン密度像）、Ｔ₁
及びＴ₂等の、種々の型のＭＲ像が作成される。

【０００８】ＭＲＩ原理を概略的に論ずるためには、Ｂ
ｏｔｔｏｍｌｅｙのＲｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ
５３（１９８２年）の第１３１９〜１３３７頁、Ｈｉｎ
ｓｈａｗｅｔａｌ．のＰｒｏｃ．ＩＥＥＥ７１
（１９８３年）の第３３８〜３５０頁、ＨｏｕｓｅのＩ
ＥＥＥＴｒａｎｓ．Ｎｕｃｌ．Ｓｃｉ．ＮＳ−２７
（１９８０年）の第１２２０〜１２２６頁、Ｋｏｕｔｃ
ｈｅｒｅｔａｌ．のＪ．Ｎｕｃｌ．Ｍｅｄ．２５
（１９８４年）の第３７１〜３８２頁、ニューヨークの
アカデミックプレスのＷａｕｇｈにより編集された“磁
気共鳴における進歩”におけるＭａｎｓｆｉｅｌｄｅ
ｔａｌ．、ＴｗｉｅｇのＭｅｄ．Ｐｈｙｓ．１０（１
９８３年）の第６１０〜６２１頁、及び、Ｌｏｎｄｏ
ｎ、ＨｅｉｎｅｍａｎｎのＫｅａｎｅｔ．ａｌ．によ
る“磁気共鳴像作成”（１９８６年）等の論文を参照さ
れたい。

【０００９】これまでのＭＲ像作成装置においては、一
次磁場Ｂ ₀は超伝導性磁石、抵抗性磁石、或いは、永久
磁石により発生されていた。ＭＲＩにおいて用いられる
一次磁場の強度を如何に選択するかにより、発生される
像の質及び特性、並びに、像作成時間及びＭＲ像作成装
置の製造及びランニングコストが影響を受ける。従っ
て、例えば、所定の像獲得処理に対してより高強度の一
次磁場を用いた場合には、信号／ノイズ（Ｓ／Ｎ）比は
改善される。その結果、超伝導磁石により発生され得る
大きな一次磁場を用いることにより、現在において得ら
れるもの内で最も優れたＭＲ像が作成される。と言うの
も、斯かる磁石は、強さ、安定性及び均一性が夫々極め
て高いと同時に、外部磁場を或る程度遮蔽する磁場を生
成するからである。しかし乍ら、斯かる磁石は極めて高
価であるとともに管理及び保持が極めて困難であるとい
う欠点があり、また、最近では、強磁場を用いた場合に
は危険が伴なうことが分かってきた。

【００１０】例えば２０００ガウス（０．２Ｔ）の様な
低磁場では抵抗性磁石を使用することが可能であり、ま
た、２００ガウス（０．０２Ｔ）以下の磁場に対して
も、斯かる磁石は廉価であり且つ操作取付が簡単であ
る。しかし乍ら、弱い磁場においては特にＭＲ信号の振
幅及び周波数が低いことに起因してＳＮ比が悪い、とい
う技術的問題が生ずる。

【００１１】この技術的問題は、種々の手法により解決
が試みられてきた。例えばＨａｆｓｌｕｎｄＮｙｃｏ
ｍｅｄ及びＬｕｒｉｅｅｔａｌ．は、夫々、ＷＯ−
Ａ−８８／１０４１９、及び、Ｍａｇｎ．Ｒｅｓｏｎ．
７６（１９８８年）の第３６０〜３７０頁において、結
合電子スピン共鳴（ＥＳＲ）遷移を引起こすことにより
生ずる動的分極を用いてＭＲ信号強度を増大することを
記述している。また、１９８８年８月２０〜２６日に行
なわれた医学磁気共鳴学会の第７年次会合の記録の第１
０６０頁において、Ｓｔｅｐｉｓｎｉｋｅｔａｌ．
は、ＭＲ信号の検出に先駆けて像作成核を高磁場で振動
せしめることにより分極が増大されることを示した。ま
た、高周波受信コイルを、液体窒素で冷却し、且つ／或
いは、超伝導材料で作ることにより、ＭＲ信号検出器、
高周波受信コイルのノイズを減少せしめることにより、
ＳＮ比を増大せしめることも可能である。

【００１２】電子スピン共鳴により強められた磁気共鳴
像作成（ＥＳＲＥＭＲＩ）において動的な分極効果を用
いると、その絶対的大きさが幾つかの要因に依存し乍ら
も実際には１００以上の値を有する係数（Ｅ）を乗じた
だけＭＲ信号の強度は増大する。

【００１３】ＥＳＲＥＭＲＩにおいて常磁性材料（“対
比物質”）はＥＳＲ遷移の源になるとともに、通常は像
作成を行なう前に、例えば人間、或いは、例えば哺乳類
などの人間以外の体内、或いは、無生物試料等の像作成
被験者内に取入れられる。被験者は、対比物質のＥＳＲ
遷移の幾らか或いは全てを励起すべく選択された第一の
周波数及び振幅を有する放射線（これは、ＭＷ周波数程
度とされるが、簡素化の為、以下においてはＭＷ放射線
と称する）により照射される。ＭＲ像を作成するため
に、被験者は、像作成核中で核スピン遷移を引起こすべ
く選択された第２の周波数を有する放射線（これは、ラ
ジオ波程度の周波数とされるが、簡素化の為、以下にお
いてはＲＦ放射線と称する）に晒される。ＥＳＲにより
強められたＧＲ像を得ることのできるＭＲ信号を得るべ
きＲＦ放射線を印加する時期、及び、磁場勾配を加える
手法は、ＷＯ−Ａ−８８／１０４１９に記述された如き
従来のものとすることが出来る。

【００１４】結果、対比物質を含む被験者の体積を示す
とともに、理論的には３３０もの大きな値を有する係数
Ｅだけ信号強度が増幅された増大ＭＲ像が得られる。

【００１５】この様に、ＥＳＲＥＭＲＩは、像作成にお
いて極めて大きなＳＮ比を有する、という利点を有して
いる。従って、一次磁場が比較的低磁場であっても、良
質な像を得ることが出来る。別の利点としては、対比物
質を含む部分が対比物質を含まない部分よりも像中で相
当に強く示されることが挙げられる。この事は、検体或
いは患者の体内における循環切換機能を検査する上で特
に有用である。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】但し、ＥＳＲＥＭＲＩ
にも幾らかの制限があり、例えば、ＭＷ放射線が被験者
を加熱する傾向が有ることは確かである。従って、一定
の寸法形状を有するとともに一定の像体積を有する被験
者に対しては、被験者により吸収された電力Ｐ_aはＭＷ
放射線の振幅Ａ_mの２乗及び周波数Ｆ_mの２乗とに比例す
る。従って、ｋ₀を定数、Ｄ_mをＭＷ放射線のデューテイ
サイクル即ち被験者がＭＷ放射線に晒される像作成合計
時間の相対的割合とすれば、上記電力Ｐ_aは、下記の数
式１により表される。デューティサイクルが数式１に含
まれるのは、ＭＷ照射を短いパルス内に行なうことによ
りＭＷ加熱は制限されるからである。従って、実際は、
電力Ｐ_aは、組織により負担されたＭＷ電力吸収値であ
る。１９８２年におけるＡＮＳＩのＣ９５．１０の安全
レベルに依れば、この種の負担は０．１時間に亙り行な
うことが可能である。この電力吸収は、固有の吸収速度
（ＳＡＲ）が許容限度を越えない程度に小さくしなけれ
ばならない（ＳＡＲの定義及び勧告上限値は、各国の省
庁、例えば、米国においては連邦薬品局、により定めら
れる）。

【００１７】

【数１】

【００１８】ＥＳＲＥＭＲＩの別の問題或いは制限は、
“自然な”像、即ち、例えば検体のうちで対比物質を含
まない部分の像の様な、強められない像と関わりが有
る。過剰加熱を回避する為には、ＭＷ放射線の周波数Ｆ
_mとして十分に低い値を選択する必要が有るが、その様
にすれば、周波数Ｆ_mは磁場Ｂ_eに比例することから、周
波数Ｆ_mで電子が共鳴する磁場Ｂ _eを自動的に制限するこ
とになる。説明した様にＭＷ放射線を脈動させてデュー
ティサイクルＤ_mを小さくすることにより、大きな値の
Ｆ_mに耐え得るが、実際には限度が有る。上記数式１か
らは、この限度がＡ_m、即ち、ＥＳＲ線を適切に励起或
いは飽和する為に必要とされるＭＷ振幅、により強い影
響を受けることが分かる。例えば酸化窒素の安定なフリ
ーラジカルの様な公知の常磁性材料は入熱に関して相当
に大きなＡ_mの値を必要とする。例えば、ＷＯ−Ａ−９
０／００９０４においてＨａｆｓｌｕｎｄＮｙｃｏｍ
ｅｄにより論じられた如き重水素置換が行なわれた安定
なフリーラジカルの様な、改良が為された対比物質を用
いたとしても、加熱の問題を考慮すべきことは明らかで
ある。

【００１９】不当なＭＷ加熱の回避の為には比較的低磁
場（Ｂ_e）を用いる必要が有る、ということは、磁場の
強さに比例する核分極が減少されて、ＭＲ信号の強度及
び像の質も低下することを意味する。それでも、ＭＲ信
号の増大が大きいことからＥＳＲＥＭＲＩ像はまだ良質
といえるが、自然像の品質は問題であり、また、実際の
臨床学的な応用の為には、良質な自然ＭＲＩ像を得る事
が極めて望ましい、と言うのも、そうでなければ、“強
調”対比物質を含む部位のＥＳＲＥＭＲＩ像の解釈が妨
げられるからである。

【００２０】上記先行技術によれば、被験者をＥＳＲＥ
ＭＲＩ像作成装置から従来のＭＲＩ像作成装置に移動す
るという、厳密に重ね合わせ得るＥＳＲＥＭＲＩ像及び
ＭＲ像を直ちには発生し得ないであろう手順を踏むこと
無く、ＥＳＲＥＭＲＩ像及び適切な自然ＭＲ像が作成さ
れ得る、という２種類の方法が示唆される。これらの方
法はいずれも、一次磁場を第１の値と第２の値との間で
急激に循環切換させるものであり、一次磁場が第１の値
のときには、いずれの方法においても、ＲＦ放射により
核スピン遷移が励起されてＭＲ信号が検出され、且つ、
一次磁場が第２の値となったときに、一方の方法では核
分極が行なわれるとともに他方の方法ではＭＷ照射が行
なわれる。

【００２１】斯かる方法の第１のものにおいては、（上
記した）Ｓｔｅｐｉｓｎｉｋｅｔａｌ．の方法が採
用されるとともに、一次磁場は、スピン格子緩和時間Ｔ
_1Pと略等しい時間だけ継続する核分極の為の大きな値Ｂ
_pと、ＥＳＲＥＭＲＩ像或いは自然ＭＲ像が作成される
像作成の為の低い値Ｂ₀との間で急激に循環切換され
る。分極期間において像作成核は適宜に高い程度の分極
を行ない、該分極は、像作成核のスピン−スピン緩和時
間Ｔ_2pよりも相当に短い時間内に一次磁場をＢ_pからＢ₀
まで急激に循環切換させることにより持越される。この
様にすれば、自然ＭＲ像を適切なものとするに十分な核
分極を達成し乍らも、ＭＷ加熱に耐え得る程十分に低い
値Ｂ₀を選択することが可能となる。

【００２２】第２の方法においては、Ｓｅｐｐｏｎｅｎ
（フィンランド特許出願第８８３１５３号参照）の方
法、或いは、Ｌｕｒｉｅｅｔａｌ．の方法（Ｊ．Ｍ
ａｇ．Ｒｅｓｏｎ．８４、１９８９年、の４３１頁、及
び、医学磁気共鳴学会の第８年次会合の記録の第３２９
頁参照）が用いられ、一次磁場は、低い値Ｂ_eと高い値
Ｂ₀との間で急激に循環切換され、低い値Ｂ_eは、ＥＳＲ
飽和の為に、比較的低いＭＷ加熱を生じながら像作成核
の動的核分極を達成する為に被験者が比較的低周波数の
ＭＷ照射に晒されるという時間Ｔ_1pと略等しい時間だけ
継続し、又、高い値Ｂ₀はＭＲ像作成の励起検出切換が
行なわれる像作成時間の為のものである。

【００２３】しかし乍ら、これらの方法では、一次磁場
の値を急激に循環切換させる必要が有るという限りにお
いて重大な欠点を有しており、且つ、今日において上記
問題は、ＥＳＲＥＭＲＩ装置に、ＥＳＲＥＭＲＩ核スピ
ン遷移を励起する共鳴信号を検出する間だけ第１の値の
一次磁場を発生せしめる手段と、自然ＭＲ像作成を行な
う為の核スピン遷移を励起する共鳴信号を検出する間だ
け第２の高い値の一次磁場を発生せしめる手段とを配備
することによりより効率的に解決されることが分ってい
る。

【００２４】

【課題を解決するための手段】従って、一つの見地から
は、本発明は、被験者のＥＳＲＥＭＲＩ像を作成する為
の核スピン遷移励起及び磁気共鳴信号を検出する間だけ
第１の値の一次磁場を発生する手段と、被験者の自然Ｍ
Ｒを作成するための核スピン遷移励起及び磁気共鳴信号
を検出する間だけ第２の高い値の一次磁場を発生せしめ
る手段と、更に好適には、その様に作成されたＥＳＲＥ
ＭＲＩ像及び自然ＭＲ像とを例えば重ね合わせたりして
組合せる手段と、を有するＥＳＲＥＭＲＩ装置を提供す
る。

【００２５】本発明は又、更なる見地からは被験者の磁
気共鳴像を作成する方法であって、第１の値の一次磁場
を上記被験者に掛ける間に検出された磁気共鳴信号から
上記被験者の少なくとも一部のＥＳＲＥＭＲＩ像を作成
する段階と、第２の一層高い値の一次磁場を上記被験者
に掛ける間に検出された磁気共鳴信号から上記被験者の
少なくとも一部の自然ＭＲ像を作成する段階と、更に好
適には、上記ＥＳＲＥＭＲＩ像と自然ＭＲ像とを例えば
重ね合わせにより組合せる段階、とから成っている。

【００２６】

【作用】ＭＷ加熱効果を確実に最小限にする為に、本発
明の装置は好適には、例えば被験者のＭＷ露出が６分間
で体重に関してｋｇ当り２Ｗ以下に維持されるごとき周
波数にて、一次磁場を第１の値と第２の値との間で循環
切換させる手段を備えて成る。斯かる循環切換手段は、
像作成装置全体の作用を制御すべく配置されたコンピュ
ータにより達成されれば好都合である。好適には、環境
切換は例えば１秒乃至６０秒の間隔で切換えることによ
り急激に行なわれる。特に好適には、第一の値の一次磁
場を掛ける間、即ちＥＳＲＥＭＲＩ期間、を十分な長さ
とすることにより少なくとも１個のＥＳＲＥＭＲＩ像が
作成され得る一方、第２の値の期間は自然像の作成に必
要な信号データセットの一部を検出するだけに十分な長
さとする様に、循環切換が行なわれる。この様にして、
時的に変化するＥＳＲＥＭＲＩ像作成シーケンスは、同
一の全体時間に対して時的に平均化された自然像に匹敵
し得るものとなる。従って、本発明の方法では、ＥＳＲ
ＥＭＲＩ像作成に対し、例えば断見技術の様な所謂る高
速作像技術を用いることが特に好適である。

【００２７】

【実施例】本発明の装置及び方法においては、Ｓｔｅｐ
ｉｓｎｉｋｅｔａｌ．（上述）及び／或いはＳｅｐ
ｐｏｎｅｎ（上述）の装置及び方法におけるのと同様の
急激な循環切換方法を採用し得ることは勿論であるが、
以下に詳細に述べる理由に依り、その様な方法は採用さ
れない。但し、もし採用するとすれば、ＥＳＲＥＭＲＩ
像を作成する為に、一次磁場を、ＥＳＲ励起期間に対す
る第３の値と、像期間に対する第１の値との間で循環切
換し、第３の値を第１の値よりも低くしても良い。これ
に加え或いは代替的に、自然ＭＲ像の作成の為に、一次
磁場を、分極期間に対する第４の値と、像作成期間に対
する第２の値との間で循環切換し、第４の値をこの場合
には第２の値よりも大きくしてもよい。従って、本発明
にかかる装置は上記第３の値及び／或いは第４値の一次
磁場を発生する手段を所望に応じて備えてもよい。

【００２８】本発明の装置がＥＳＲＥＭＲＩ像或いはＭ
Ｒ像を作成するに必要な種々の構成要素を備えているこ
とは勿論である。例えば、該装置は、ＷＯ−Ａ−８８／
１０４１９の図面中に示された構造要素を備え得るもの
であり、又、該公報は該参照により本明細書に取入れた
ものとする。従って、本発明の装置は、磁場勾配を掛け
る手段と、ＭＷ放射線及びＲＦ放射線を掛ける手段と、
ＲＦ放射線検出手段と、検出されたＭＲ信号から像を作
成する手段とを備えて成れば好都合であり、該像作成手
段は、一般的には磁場発生手段及び放射線発生／検出手
段の作動を制御する作用を有するコンピュータとすれば
好都合である。勿論、斯かる構成要素自体は常用のもの
であることから、此処では説明を省略する。

【００２９】本発明の装置は、上記強められた像と上記
自然磁気共鳴像とを発生する為に上記磁気共鳴信号を励
起及び／或いは検出するための一体的な或いは別体的な
手段を好適に備えて成る。

【００３０】但し、好適実施例において本発明の装置
は、例えば広帯域電極の様な、対比物質内でひとつ以上
のＥＳＲ遷移を同時に励起し得るＭＷ放射線発生手段、
或いは、特に好適には、２種以上の周波数帯域のＭＷ放
射線を発する手段、を備え得る事を銘記する必要が有
る。

【００３１】又、種々の一次磁場発生手段が、当該装置
と同一の構成要素或いは別体の構成要素とされ得ること
は理解されよう。同様に、ＥＳＲＥＭＲＩ像作成及び自
然ＭＲ像作成の為のＦＲ放射線印加手段及び検出手段も
同一でもよく或いは別体でもよい。

【００３２】診断専門医は、ＥＳＲＥＭＲＩ像或いは自
然ＭＲ像を個々に検査する必要が無く、或いは、検査す
る意志が無いことも有り、又、両像を組合せたものを欲
する可能性も有ることから、本発明の方法により作成さ
れた像は実際に視認し得る形態である必要は無く、その
代わり、単に、有形の像を形成すべく処理され得るデー
タ形態としてコンピュータメモリ或いは他のデータ記憶
手段に適宜に記憶しても良い。

【００３３】本発明の一つの好適実施例に係る装置にお
いては、磁気共鳴信号（自由誘導減衰信号）を検出する
とともに、核スピン遷移を励起する放射線（ＲＦ放射
線）を被験者に照射する為に選択的に用いられ得るコイ
ルは、ＥＳＲＥＭＲＩ像及びＭＲ像の両者に関して共用
である。この場合、当該装置は、ＲＦコイルをＥＳＲＥ
ＭＲＩ像期間と自然ＭＲ像期間との間で切換える手段を
備えるものとするが、代りに、切換えの不要な広帯域コ
イルを用いることは可能である。代替的な好適実施例に
おいて本発明の装置は、交換可能な２つのＲＦコイル
（或いはコイルセット）を備え、第１のコイルをＥＳＲ
ＥＭＲＩ像期間中に作動させ、且つ、第２のコイルを自
然ＭＲ像期間中に作動させる。該２つのコイル或いはコ
イルセットは、例えば、各々を作動位置に適宜に出し入
れし得る機械的案内機構を夫々配備することにより交換
される。

【００３４】いずれの場合にも、本発明の装置は、被験
者の移動無しに、特に、磁場勾配を掛けるコイルに関す
る被験者の位置を保持し乍ら、ＥＳＲＥＭＲＩ像作成モ
ードから自然ＭＲ像作成モードに切換えることができ
る。

【００３５】同一の一次磁場を用いてＥＳＲ励起を行な
う場合は特に、一次磁場の強度の第１の値（ＥＳＲＥＭ
ＲＩ像作成期間中における強度）として好適な強度を選
択することは或る程度の妥協を意味する。従って、ＭＷ
加熱により定まる安全限度内において可能な限り数値を
高くする必要が或るが、この事は、ＭＷ放射線の強度を
十分に高くして、例えば、増大がＭＷ増幅に比例しない
様な点まで遷移を飽和させる様にして、像作成部位内で
ＥＳＲ遷移を励起してＳＮ比の増大を満足し得る程度に
十分に達成しなければならない、ということを考慮して
行なわねばならず、同様に、実用上の理由からは、ＭＷ
デューティサイクルは好適には２０％を越えないよう
に、特に好適には１０％までとし、特に５〜１０％、そ
して更に詳細には略５％とすべきことを優先的に考慮し
て行なわねばならない。

【００３６】これとは対照的に、一次磁場の強度の第２
の値（自然ＭＲ像期間内における強度）は、経済的制約
及び他の実用上の制約に依る限度内で可能な限り高く選
択することが好適である。ＲＦコイルをＥＳＲＥＭＲＩ
像期間と自然ＭＲ像期間との間で切換える必要が或る場
合には、一層高い周波数に切換える際に、コイルの漂遊
静電容量或いは他の同様の物理的現象により制約を受け
ることから第２の値の強度は制限される。

【００３７】上述した如く、ＥＳＲＥＭＲＩ像期間に対
するＥＳＲ励起を（第１の）中間の一次磁場との間で急
激に循環切換される（第３の）低い一次磁場において行
ない乍ら（第２の）高い一次磁場で自然ＭＲ像を作成す
る場合、一方では、第１の（中間）磁場レベルを注意深
く選択することにより、電力レベルと急激な循環切換に
つきものの渦巻電流の問題とを処理可能な限度内に留め
ることができ、他方では、第１の磁場においてＲＦコイ
ルの効率を良好なものとするとともに、磁場の第１の値
と第２の値との差が小さいことに依り、コイル切換に伴
なう問題が減少される。この様にして、循環切換時の仕
事率は、自然ＭＲ像作成時の仕事率に匹敵し得るものと
なる。

【００３８】従って、本発明は、像作成被験者の位置を
変える事なく、解析を容易なものとすべく迅速且つ正確
に重ね合わせられ得る、同一部位のＥＳＲＥＭＲＩ像及
び自然ＭＲ像を作成し得る、方法及び装置を提供する。

【００３９】本発明の装置に依る利点は、急激な循環切
換に完全に依存する方法の欠点を考慮した場合に、特に
明確に理解されるものであり、且つ、以下に論ずる如
く、像の品質の増大に対して特徴数（ＦＯＭ）を算出す
ることにより特に明確に実証される。

【００４０】一次磁場の急激な循環切換に完全に依存す
ることの欠点は、以下の例により良く示される。即ち、
現在において入手可能であるとともに、妥当な自然ＭＲ
像と考えられる像を作成する市販のＭＲ像作成器におけ
る最も低い磁場強度は、０．０４Ｔである。磁石には１
１５Ｖで１０４Ａの電流が流れ、１２ｋＷの電流が消費
される。この磁石を、例えば１０ミリ秒内にＢ_e＝０．
０１ＴとＢ₀＝０．０４Ｔとの間で脈動させるには、誘
導効果（０．０６ヘンリー）に打ち勝つ為に５００Ｖの
電圧が必要とされる。このとき、電源のピーク電力を６
４ｋＷまで増大する。更に、電源はバイポーラでなけれ
ばならない。これらの高電力レベルで急激な切換えを行
ない得ると同時に、切換え直後に必要とされる安定度を
１００万分の一以下に抑え得る電源を用意することは、
複雑であるとともに費用が嵩むものである。

【００４１】急激な循環切換は、像作成体の近傍及び離
間箇所で生ずる渦巻電流効果によっても困難なものとな
る。磁場に対して直角に配向された数センチメータ以上
の最小寸法の銅片及びアルミニウム片は、１０ミリ秒以
上の時定数を有する渦巻き電流を誘起する。此の事は、
現在のシステムが強磁性目的物を傷つけやすいのと同様
に、上記寸法程度の全ての金属を傷つけやすいことを意
味する。これは何故かといえば、（その内部が渦巻き電
流により遮蔽されて）全体として反磁性の目的物が、時
間に依存するとともに符号が逆ではあるが、同一寸法及
び形状の強磁性目的物と同様の磁場摂動を引起こすから
である。理論的には、渦巻き電流を防止すべく、磁石を
注意深く設計するとともに、巻線中に細片状導体を含ま
ないようにし、更には細分された鉄から成る強磁性カバ
ーを含む様にすれば有用である。しかし乍ら、実際には
この種のカバーは高価であるとともに、渦巻き電流が生
じないように構成すること自体が困難である。

【００４２】この様に、磁場の急激な循環切換自体は、
安全なＭＷ加熱レベルで適切な自然ＭＲ像及びＥＳＲＥ
ＭＲＩ像を作成する解決策を提供するものでない。この
ことは、上述した計算によっても更に立証される処であ
る。

【００４３】品質がＳＮ比とデータ収集に費やされる総
計時間とにより影響を受けるものとすれば（これは、複
数のデータセットを平均化する効果を考慮に入れてい
る）、ＦＯＭを選択するとき、或る特定の品質の像を作
成するに要する時間は正反対になる。従って、ｋ₂を定
数、ＳＮをＳＮ比、データ収集効率Ｄｃｅを、有用な像
データを収集するに要する像作成総時間の割合とすれ
ば、ＦＯＭは下記数式２の様に書ける。但し、上記数式
１の条件が満足される必要がある。此処で、２種類の磁
場強度が用いられることから、上記数式１は下記数式３
の様に書換えられる。

【００４４】

【数２】

【００４５】

【数３】

【００４６】この点に介し、Ｆ_mは、ＥＳＲ励起時に用
いられる磁場Ｂ_eに比例することから、Ｋ₁を更なる定数
とした場合、Ｋ₀Ｆ_m ²がｋ₁Ｂ_e ²と置き換えられるのであ
る。

【００４７】ＳＮは種々の別個の設計変数に依存する。
“医学における磁気共鳴３”（１９８６年）の第６０４
頁において、ＥｄｅｌｓｔｅｉｎはＳＮに影響を与える
因子を分析し、内因的なものと外因的なものとに分け
た。

【００４８】内因的な因子は、一方では分極期間と像作
成期間との両者において用いられる一次磁場の強度の値
であり、他方では、例えば患者の体組織からの様な、被
験者からの不可避のノイズである。外因的な因子は、Ｒ
Ｆコイル、周囲の磁石構造等における損失から生ずるノ
イズであり、即ち、基本的には設計を改良することによ
り回避される因子である。従って、ＳＮの内因的因子は
Ｂ₀に比例する。ＲＦコイル及び他の出所からの外因的
なノイズは、コイル効率と呼ばれる因子Ｃｅに含まれ得
る。該因子は、被験者の信号電力損失を総計信号電力損
失で除したものと定義されるが、此の事は、ＳＮがＣｅ
の２乗根に比例する事を意味する。

【００４９】動的分極と磁場循環切換とを含む測定時の
像作成核分極は、上記引用公報の如きＢ₀ではなく、Ｅ
・Ｂ_eに比例し、従って、Ｅ・Ｂ_eは式中でＢ₀の場所に
入る。斯くして、ＥをＡ_mの関数とし、ＣｅをＢ₀の関数
とすれば、ＳＮは下記数式４の様に書ける（一次磁場を
循環切換しないシステムではＢ₀＝Ｂ_eである）。

【００５０】

【数４】

【００５１】上記数式２のＳＮの項に上記数式４の右辺
を代入すると、下記数式５が得られ、但し、定数ｋ₄＝
ｋ₁ｋ₃ ²である。

【００５２】

【数５】

【００５３】上記数式３により定義される許容加熱限度
内においてＦＯＭを最適化する事が望ましいことは勿論
であり、これは最初にＥ（Ａ_m）を最適化することによ
り行なわれる。関数Ｅ（Ａ_m）の理論上の式は知られて
いるが、斯かる理論式は、像作成核が対比物質の常磁性
スピンとの相互作用によってのみ格子に向けて緩和す
る、という仮定に基づいている。しかし乍ら、この仮定
は、実用上は役に立たない。理論上は、Ｅ（Ａ_m）がＥ
＝３３０以下の或る値に収束するＳ形状曲線であるとと
もに最も勾配の急な箇所の増加率はＡ_m ²の増加率に近付
く。実際にＥ（Ａ_m）を測定し、測定曲線を最適化の為
に利用し得ることは勿論である。

【００５４】時間に関するパラメーターＤ_m及びＤｃｅ
を相互に結び付けるもう一つの関数も導かれ得る。従っ
て、典型的な像作成シーケンスにおいて各ＭＲ信号は略
Ｔ_2pの時間の間だけ収集される。信号獲得間の反復時間
をＴ_repとすれば、下記数式６が得られる。

【００５５】

【数６】

【００５６】一方、信号獲得期間の各々に先立ち、ＥＳ
Ｒ励起が略Ｔ_1pの時間の間だけ行なわれる。従って、下
記数式７が得られ、ゆえに、Ｄｃｅは下記数式８の様に
簡略化され得る。

【００５７】

【数７】

【００５８】

【数８】

【００５９】上記数式８を用いると、ＦＯＭは下記数式
９の様になり、或いは、Ｂ_e ²Ｄ_mに対し上記数式３を用
いて下記数式１０を得、但し、定数ｋ₅＝ｋ₄Ｔ_2pＰ_a／
ｋ₁Ｔ_1pである。

【００６０】

【数９】

【００６１】

【数１０】

【００６２】該数式より、以下の結論を得る事が出来
る。

【００６３】（Ａ）ＦＯＭは（Ｅ／Ａ_m）²を通じてのみ
Ｂ_e及びＤ_mに依存する。従って、最初に（Ｅ／Ａ_m）²を
最適化し、次に、上記数式３の条件を満足するＢ_e及び
Ｄ_mの組を選択する必要がある。この事が、ＦＯＭに含
まれない基準により導かれることは勿論である。

【００６４】（Ｂ）Ｂ₀はＣｅを通じてのみ、ＦＯＭに
入る。

【００６５】パラメーターの選択は以下の様にして行な
われる。

【００６６】第１に、Ｄ_mが小さくなり過ぎない程度に
十分に低いＢ_eを選択する。非常に小さなＤ_mは、ＭＷ放
射線を大きな振幅とするとともに長間隔で突発的に供給
する事を意味する。これはＭＷ増幅器を酷使することで
あり、適宜な脈動シーケンスを選択する上で障害とな
る。好適には、Ｄ_mは略０．１より大きくなければなら
ない。

【００６７】第２に、Ｂ_eが選択される。磁場の急激な
循環切換を用いなければ（上述の理由により一般的には
用いられない）、Ｂ₀＝Ｂ_eである。

【００６８】コイル効率ＣｅがＢ₀に依存することから
単純な公式は無い。問題となる５〜５０ｍＴの磁場範囲
において実際のコイルを測定したところ、リッツ線を用
いるとともに念入りに設計されたＲＦコイルの無負荷時
のＱ値は２５００と３０００との間に維持され得る事が
分った。Ｃｅが下記数式１１により与えられることが分
る。

【００６９】

【数１１】

【００７０】コイル損失及び患者損失は夫々下記数式１
２及び数式１３の様に書くことが出来、又、下記数式１
４が与えられる。

【００７１】

【数１２】

【００７２】

【数１３】

【００７３】

【数１４】

【００７４】これは、実験的にＣｅを測定する方法を示
している。マイクウェーブアンテナ用で十分な内側空間
を有するヘッドコイルに関するＣｅの測定値は、Ｂ₀＝
１０ｍＴで０．２４であり、４０ｍＴで０．６１であ
る。

【００７５】Ｃｅに対する上記式及び測定は、全て、コ
イルを周囲温度としている。液体窒素でコイルを冷却す
ることによりコイルのノイズは更に減少され得るととも
に、その場合には０．８付近のＣｅ値が得られる。

【００７６】この様に、測定により裏付けられた上記計
算は、ＥＳＲＥＭＲＩを行なう場合においてＭＷ加熱が
許容ＭＷ電力の振幅を制限する様に対比物質が用いられ
るとすれば、指定された品質の像を求める為に要する時
間の逆数を決定する特徴数は、コイル効率Ｃｅを通じて
のみ使用磁場強度に依存する。依存性はそれほど強くな
く、もしコイルが液体空気或いは液体窒素で冷却された
ときにはＣｅをその最大値１近傍に近付けることができ
る。

【００７７】

【発明の効果】使用される対比物質の特性に依存し、Ｅ
ＳＲＥＭＲＩ用の一次磁場は特にＢ_e＝Ｂ₀＝５〜２０ｍ
Ｔとされる。（例えば２ｍＴ以下の）相当に低い磁場に
ては、分極は相次いで低くなり、動的核分極効果により
増幅されたとしてもＭＲ信号は弱くなる。２０ｍＴ以上
の磁場においては、ＥＳＲ共鳴周波数の増大に依り、Ｍ
Ｗ放射線を患者の体に透過せしめることが漸進的に一層
困難になる。同様に、相応のデューティサイクルＤ_mは
急激に減少し、良好な脈動シーケンスを企図することが
困難となる。

【００７８】しかし乍ら、ＥＳＲＥＭＲＩの為の斯かる
好適な磁場の値は良質な自然ＭＲ像を作成する為には低
過ぎるが、該欠点は本発明を用いて克服される。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】核スピン遷移励起期間及び磁気共鳴信号
検出期間中に、電子スピン共鳴により強められた被験者
の磁気共鳴像を作成する為に第１の値の一次磁場を発生
する手段と、核スピン遷移励起期間及び磁気共鳴信号検
出期間中に、上記被験者の自然磁気共鳴像を作成する為
に第２の一層高い値の一次磁場を発生する手段とを有す
る、電子スピン共鳴により強められた磁気共鳴像を作成
する装置。
【請求項２】前記強められた像と自然像とを結合する
手段を更に備えて成る、請求項１に記載の装置。
【請求項３】前記一次磁場を前記第１の値と前記第２
の値との間で循環切換させる手段を更に備えて成る、請
求項１又は請求項２に記載の装置。
【請求項４】前記循環切換手段は、１乃至６０秒の間
隔で前記一次磁場を前記両値の間で切換えるべく配置さ
れている、請求項３に記載の装置。
【請求項５】前記循環切換手段は、像作成期間中にお
いて、前記一次磁場の発生時間の２０％まで前記第１の
値とする様に配置されている、請求項３又は請求項４に
記載の装置。
【請求項６】前記循環切換手段は、前記一次磁場を、
前記強められた像を少なくとも１個作成するに十分な期
間だけ前記第１の値とし、且つ、少なくとも１個の更な
る磁気共鳴信号データセットと組合せることにより前記
自然像を十分に作成することができる検出磁気共鳴信号
データセットを発生するに十分な期間だけ前記第２の値
とする様に配置されている、請求項３乃至請求項５のい
ずれか一項に記載の装置。
【請求項７】前記強められた像を断見技術を用いて作
成するように配置された請求項１乃至請求項６のいずれ
か一項に記載の装置。
【請求項８】前記強められた磁気共鳴像と前記自然磁
気共鳴像との両者を作成する為の前記磁気共鳴信号を、
励起及び／或いは検出すべく配置された手段を有する、
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】前記強められた磁気共鳴像を作成する為
の前記磁気共鳴信号を励起及び／或いは検出する手段
と、更に、前記自然磁気共鳴像を作成する為の上記磁気
共鳴信号を励起及び／或いは検出する手段とを有する、
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の装置。