JP3404030B2 - 磁気共鳴診断装置 - Google Patents

磁気共鳴診断装置

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JP3404030B2 JP2002033816A JP2002033816A JP3404030B2 JP 3404030 B2 JP3404030 B2 JP 3404030B2 JP 2002033816 A JP2002033816 A JP 2002033816A JP 2002033816 A JP2002033816 A JP 2002033816A JP 3404030 B2 JP3404030 B2 JP 3404030B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、磁気共鳴現象を
利用して、被検体の解剖学的情報や生化学的情報を得る
磁気共鳴診断装置に係り、特に所望局所領域からの情報
を短時間に得る磁気共鳴診断装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、疾病の早期診断、癌治療効果の判
定等に有効な方法として、MRSI(Magnetic
Resonamce Spectraoscoopi
c Imaging)が注目されている。MRSIと
は、磁気共鳴現象を利用して1H、31P等の核種を含
む生体内の微少な代謝産物を観測するものである。例え
ば、1H−MRSIでは、NAA(N−アセチルアスパ
ラギン酸),Cho(コリン),PCr/Cr(クレア
チンリン酸/クレアチニン),Glx(グルタミン及び
グルタミン酸),Lac(乳酸)等を観測することがで
き、31P−MRSIでは、ATP(アデノシン3リン
酸),PCr(クレアチンリン酸),Pi(無機リン
酸),PME(フォスフォモノエステル),PDE(フ
ォスフォジエステル)等の代謝産物の3次元的な分布を
観測することができる。
【0003】このようなMRSIにおいては、生体内に
存在するNAA等のプロトン化合物が生体水の濃度に比
べて4桁程度小さいので、通常のA/D変換器のビット
数では代謝産物からの信号を十分検出することができ
ず、水信号を選択的に抑圧しなければ該プロトン化合物
を観測することができなかった。
【0004】この水信号を抑圧する方法としては、水と
所望するプロトン化合物との化学的性質の差を利用する
さまざまな方法が提案されており、大別して、(1)化
学シフトの差を利用する方法、(2)縦緩和時間(T
1)の差を利用する方法、(3)横緩和時間(T2)の
差を利用する方法、(4)スピン−スピン結合の有無
(差)を利用する方法、(5)拡散定数の差を利用する
方法、等が考案されている。
【0005】これらのうち、(1)の化学シフトの差を
利用した方法はさらに、(a)選択励起法、(b)選択
飽和法の2つが知られており、特に近年、局所励起手法
と組み合わせて(b)の選択飽和法が頻繁に用いられて
いる。この選択飽和法では、CHESS(CHEmic
al Shift Selective)パルス(A.
Haase,et al.,Phys.Med.Bio
l.30,341(1968) )と呼ばれる選択励起
パルスによって、水信号の磁化のみを横平面に倒し、そ
の後水信号による横磁化を勾配磁場パルスによってスポ
イルすることによって水信号を抑圧する。そして、この
ような水信号抑圧技法によって微小な代謝産物の信号を
観測することが可能となる。
【0006】また、例えば脳内のプロトン化合物を観測
する場合に、脳の周辺領域に存在する脂肪組織もまた、
プロトン化合物に比べてはるかに大きな存在比を示すた
めにMRSIを行う際に脂肪信号の混入が大きな問題と
なる。これは、MRSIにおけるマトリクスサイズが比
較的粗いために、ボクセル間の信号混入が生じるためで
ある。
【0007】さらに、脳周辺部分の磁場均一性は、おお
むね均一な組織で占められる脳中央部に比べて、通常、
磁化率等の影響で悪くなることが知られている。このよ
うな磁場の不均一性の影響により水の共鳴信号が数pp
m程度ずれ、さきに述べた水信号の抑制のためのCHE
SSパルスの励起帯域からずれることによって、水信号
を抑圧することができず、観測しようとするNAA,C
ho,Cr等の化合物の存在するケミカルシフト領域に
重なってしまう可能性がある。
【0008】このような場合においても、MRSIを行
った際にボクセル間に信号の混入が起こるために、本来
のプロトン化合物のスペクトルと、残留水信号によるス
ペクトルとの同定が困難になる。
【0009】そこで、従来より、頭部のプロトンMRS
Iを行う場合には頭部全体の代謝画像を得るのではな
く、脂肪等による信号の影響を除去するため、図13に
示されるように、脳の中央部分を局所的に励起して該励
起部分のみからの信号を収集する方法、すなわち、局所
励起法が用いられている。
【0010】しかしながら、局所励起を行うために印加
する高周波励起パルスは、通常、標本化関数に基づく形
状(或いは、これにフィルタ処理を施した関数波形)を
持つパルスであるので、その励起特性は、図14に示す
ように、両端部にサイドローブ141,142を持つ形
状となる。
【0011】このため、励起する領域を大きくとった場
合には脳周辺領域の脂肪等が混入するので、局所励起で
きる領域の大きさ(代謝画像化できる領域)が限られる
ことはもちろん、不要な信号成分が混入するため、正し
い代謝物画像を得ることができなかった。
【0012】一方、代謝産物の定量化においては、各々
の代謝産物の核種の緩和時間が異なるため、十分に長い
励起パルス繰り返し時間(TR)でデータ収集しない
と、各々の代謝産物の相対量でさえ単純に比較できない
という問題があった。1H−MRSIでは、通常Lac
の1Hの緩和時間が最も長く約1秒であるためTRとし
て5秒以上に設定することが好ましい。31P−MRS
Iでは、PCrの31Pの緩和時間が2〜3秒なのでT
Rは15秒程度に設定することが好ましい。
【0013】しかしながら、このTRで空間3次元のM
RSIデータを得るためには、例えば1H−MRSIで
分解能1.5cm、16×16×16マトリックスの場
合では、6時間弱の計測時間がかかり、31P−MRS
Iで分解能3cm、8×8×8マトリックスの場合で
は、約2時間の計測時間がかかり実用的でなかった。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】このように、従来にお
ける磁気共鳴診断装置を用いて局所化MRSIを行う場
合には、局所励起させる際に印加する高周波励起パルス
の励起特性が図14に示すごとくサイドローブ141,
142を持つため、観測対象領域内に不要な信号が混入
し、正しい代謝物画像が得られないという欠点があっ
た。
【0015】本発明は、このような従来の課題を解決す
るためになされたもので、観測対象領域内に混入する不
要な磁気共鳴信号を抑圧し得る磁気共鳴診断装置を提供
するとともに、さらに、局所励起手段にマルチスライス
法を組み合わせて適用し、効率よく局所の空間3次元領
域からの磁気共鳴信号を短時間に収集し得る磁気共鳴診
断装置を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】本発明は上記従来の課題
を解決するために、一様静磁場中に置かれた被検体に対
して所定の周波数を持つ一の90度パルス及び勾配磁場
を印加することによって前記被検体の一の画像化断層面
を選択励起する第1の過程と、この第1の過程から所定
時間経過後に、前記被検体の一の画像化断層面に直交す
る2方向に対して各々選択励起する180度パルス及び
勾配磁場を印加する第2の過程と、この第2の過程によ
って前記被検体から生じる磁気共鳴信号を観測する第3
の過程とからなり、所定の時間間隔で前記第1の過程か
ら前記第3の過程までを複数回繰り返し、所望とする代
謝産物からの磁気共鳴信号を収集し、この磁気共鳴信号
に基づいて画像処理を行うマルチスライス方式による磁
気共鳴診断装置であって、前記第3の過程の後から次の
第1の過程までの間に、前記一の90度パルスとは異な
る周波数を持つ他の90度パルス及び勾配磁場を印加す
ることによって前記被検体の他の画像化断層面を選択励
起し、前記被検体の他の画像化断層面に直交する2方向
に対して各々選択励起する180度パルスを印加し、前
記被検体から生じる他の磁気共鳴信号を観測することを
特徴とする。
【0017】上述の如く対象領域の周辺領域に、選択飽
和パルスを印加して、この領域から発生する磁気共鳴信
号を抑圧し、その後、水信号抑圧用のパルスによって水
信号を抑圧し、前記対象領域に選択励起パルスを印加し
て、この領域内のプロトン化合物を励起させればプロト
ン化合物を選択性良く励起させることができ、周辺組織
からの脂肪信号及び残留水信号の混入を抑制できるた
め、脳の広い領域の代謝画像化が可能となるばかりでな
く、不要な信号による代謝画像の偽像による誤診断を除
去することができる。
【0018】また、被検体の所望の画像化断層面を選択
励起し磁気共鳴信号を観測した後、この画像化断層面に
平行な他の画像化断層面を選択励起し磁気共鳴信号を観
測するので、所望の局所3次元領域からの磁気共鳴画像
を短時間に得ることが可能となる。
【0019】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の一実施例について説明する。
【0020】第1は本発明の一実施例に係る磁気共鳴診
断装置の構成を示すブロック図である。同図に示す磁気
共鳴診断装置は、静磁場を発生するための静磁場磁石1
0と磁石電源11と、複数のシムコイルを含むシムコイ
ル系12及びシムコイル電源13と、直交するX,Y,
Zの3軸方向に各々線形の磁場分布を持つ勾配磁場を生
成するための勾配コイル系14及び勾配コイル電源15
と、高周波磁場を印加し、かつ磁気共鳴信号を検出する
高周波プローブ16と、該プローブ16に高周波パルス
を供給する送信器17と、プローブ16で検出された磁
気共鳴信号を受信し増幅および検波する受信器18と、
シーケンスコントローラ19及び計算機20によって構
成される。シーケンスコントローラ19は、計算機20
から送られるシーケンスプログラムに従い、送信器1
7、勾配コイル電源13等に制御信号を送出し、高周波
パルス及び勾配磁場パルスを印加させる。計算機20
は、シーケンスコントローラ19やシムコイル電源出力
を制御したり、受信機からの信号を収集・処理する。
【0021】図2は、上述した磁気共鳴診断装置を用い
てプロトン化合物(代謝物)を観測するためのMRSI
パルスシーケンス図であり、以下同図を参照しながら本
実施例の動作について説明する。
【0022】まず、図2に示す区間t1に示されるパル
ス系列において、対象領域外の磁気共鳴信号を抑圧する
ために、周波数帯域ΔFをもつ高周波パルスP1を印加
する。また、この高周波パルスP1と同時に、選択飽和
させる領域に対応する各方向の勾配磁場S1,S2,S3
を印加する。これによって、対象領域外の磁化を飽和さ
せることができ、この領域からの磁気共鳴信号を抑圧す
ることができる。この時、勾配磁場パルスS1,S2,S
3は、励起された磁気共鳴信号をスポイルする効果も含
んでいる。
【0023】また、周波数帯域ΔFと勾配磁場強度G、
及び飽和領域の大きさ(幅)ΔXの関係は、次の(1)
式で示される。
【0024】G=ΔF/ΔX (1) 従って、高周波励起パルスP1の中心周波数を適宜選択
することによって、飽和させる領域の位置を任意に設定
することができる。
【0025】図3は励起領域のプロファイル(1次元)
を示す説明図であり、高周波パルスP1による局所飽和
特性S12と、高周波励起パルスP3,P4若しくはP5
よる局所励起特性S11を示している。そして、図から明
らかなように、選択飽和のための高周波パルスP1の中
心周波数、及び領域の大きさは、後に印加される高周波
数励起パルスP3,P4若しくはP5の特性を補うように
設定される。つまり、図3に示す局所励起特性S11の持
つサイドローブ31が局所飽和特性S12によって打消さ
れるようになる。これによって、サイドローブによる不
要な信号の混入を防止することができるのである。
【0026】また、図4は人間の脳の断面図であり、脂
肪成分41の画像を示している。しかし、実際にはケミ
カルシフト成分の違いによる位置ずれが生じるので、符
号42に示すように、実際の脂肪成分41とはずれた画
像が得られる。従って、高周波パルスP1の中心周波数
を設定する際には、このケミカルシフト成分による位置
ずれを考慮して選択すれば良い。
【0027】一方、このケミカルシフトの位置ずれを利
用して、例えば脳右側を飽和するときには、脂肪成分が
図4中(+)方向にずれるように高周波パルスP1と同
時に印加する領域限定のための勾配磁場S1,S2,S3
の極性を設定し、その反対に脳左側を飽和する場合には
勾配磁場の極性を反転させ脂肪組織のずれを(−)側に
すれば、より効果的に脂肪信号を飽和させることができ
る。
【0028】また、高周波パルスP1は、1回の印加に
限定されるものではなく、対象領域の選択励起特性が改
善されるように、同一の領域、又は励起する領域を移動
させた複数の高周波パルスを印加しても良い。この際に
は、対象領域を励起する時点、即ち、図2における高周
波パルスP3の印加時点において縦磁化が最小となるよ
うに、各高周波パルスP1のRFパワーを調整すること
が望ましい。
【0029】特に、目的領域を直方体状にし、その周辺
領域を飽和させる場合には、高周波パルスP1の印加回
数Nは6回となる。また、図5(a)〜(e)に示す如
く、励起領域51と飽和領域52との位置関係を任意に
設定することができるので、撮影対象領域の形状、組織
の成分等を考慮して最適に設定することが可能となる。
【0030】そして、図2に示す区間t2において、水
信号抑制のためのパルス系列(M回)が印加され、その
後、区間t3において、プロトン化合物の分布を得るた
めの多次元MRSI(図は3D−MRSIを示す)パル
スシーケンスが行われ、プロトン代謝物の分布が得られ
るのである。
【0031】このようにして、本実施例では、局所励起
パルスシーケンスを実行する前に、局所励起する対象領
域の周辺領域を飽和させるための高周波パルスを印加し
ている。従って、対象領域から得られる磁気共鳴信号に
他の領域からの不要な信号が混入することがなくなり、
正確な代謝物画像を得ることができる。
【0032】また、ケミカルシフトによる代謝物画像の
位置ずれを考慮して、飽和させる領域を設定すれば、よ
り効果的に周辺からの不要な信号を抑圧することができ
る。
【0033】なお、本実施例では、局所励起方法として
スピンエコーシーケンスを例に示したが、本発明はこれ
に限定されず、他の局所励起シーケンスを用いても良
い。
【0034】図6は、本発明の第2の実施例に係る磁気
共鳴映像装置において用いられるパルスシーケンスを示
す図であり、高周波パルス、磁場勾配パルスの印加及び
信号観測のタイミングが示されている。空間の特定の方
向におけるスライス面1において空間2次元のMRSI
を得るためのパルス列は、エンコード磁場勾配強度GS
2又はGS3を変えながら繰り返し時間TRの間隔で繰り
返される。スライス面2において空間2次元のMRSI
を得るためのパルス列は、スライス面1からの信号を観
測した後繰り返し時間TRの間に印加される。必要に応
じて、また、繰り返し時間TRの間に入るかぎり、さら
に別のスライス面からの信号を得るため同様のパルス列
をn回印加することができる。
【0035】次に、一のスライス面において空間2次元
のMRSIを得るためのパルス列について説明する。9
0度パルス(π/2)のスライス方向に対する磁場勾配
パルスGS1が印加された後、2つの180度パルス
(π)がそれぞれのスライス面内にて直交する方向の磁
場勾配パルスGS2及びGS3と共に順次印加される。τ
は90度パルス(π/2)のほぼ中心から次の180度
パルス(π)の中心までの時間を表し、τ+τ´は最初
の180度パルス(π)の中心から2番目の180度パ
ルス(π)の中心までの時間を表す。このτとτ´は等
しくても良い。磁場勾配パルスGS2及びGS3の強度を
各々変えながら上記のパルスシーケンスを時間TRで繰
り返しながらデータを収集する。所望のスライス面を得
るためには、静磁場から決まる磁気共鳴周波数f0に所
望のスライス位置における勾配磁場強度から決まるオフ
セット周波数を加算した周波数で90度パルスを変調す
ることによって行われる。図6においてはスライス面1
及びスライス面2を選択するためにオフセット周波数f
1,f2を用いている。本実施例のようにスライス面の選
択に90度パルスを用いれば、それ以外のスライス面は
次の2つの180度パルスで励起されてしまうものの3
60度回転して励起前の状態に戻るため、初めのスライ
ス面からの信号観測後においても、他の面の励起が可能
となる。この際τ+τ´の時間で磁化が緩和しないよう
にτ+τ´はなるべく短いほうがよい。
【0036】1H−MRSIにおいては、図7に示すよ
うに、90度パルスを印加する前に水信号抑圧のための
周波数選択飽和パルス21を付加する。周波数選択飽和
パルス21は、図8に示すように、水信号のみを励起す
るための狭帯域パルスP21と、励起されて生じる横磁化
の位相を分散させ見掛け消失させるために必要に応じて
印加する磁場勾配パルスGS1,GS2,GS3からな
る。狭帯域パルスP21は、通常1〜2ppmの狭帯域を
持つように設定され、sinc関数、ガウス分布関数或
いは、最終的な励起特性が矩形になるように最適化され
た関数を用いる。これは、磁化の運動を記述するBlo
ch方程式の解が矩形の励起特性になるように、初期値
として入力する高周波パルス波形を最適化の手法を用い
て修正していく方法である。1回の周波数選択飽和パル
スで飽和が不十分な場合は磁場勾配の方向を変えながら
数回繰り返す。
【0037】また、1H,31PのMRSIにおいて興
味のない領域の信号をあらかじめ飽和させる空間選択飽
和パルス22を付加してもよい。図9は、空間選択飽和
パルス22を用いた場合のパルスシーケンスを示す図で
あり、空間選択飽和パルス22の印加後に、上述した周
波数選択飽和パルス21を印加している。空間選択飽和
パルス22は、図10に示すように、局所励起に用いら
れるのと同様に所望の帯域の高周波パルスP22と、同時
に印加される磁場勾配パルスGS1,GS2,GS3から
なる。残留横磁化が存在する場合には必要に応じて磁場
勾配パルスを印加する。空間選択飽和パルス22は、例
えば図11に示すような撮像領域23の外側の選択飽和
面24の信号を飽和させるのに用いられる。この場合の
選択飽和の方向は選択飽和面24に直交する方向に磁場
勾配パルスを印加することにより決定できる。また、選
択飽和面24の位置は、高周波パルスのオフセット周波
数fx(x=1,2,…)を変えることにより制御する
ことができ、選択飽和面24の幅は磁場勾配の大きさ及
び高周波パルスの帯域幅を変えることによりの制御する
ことができる。さらに、撮像領域21の前後・左右・上
下を選択飽和したい場合は、空間選択飽和パルス22を
繰り返して印加しても良い。
【0038】図12は、局所高分解能画像を得るための
パルスシーケンスを示す図である。図12において、G
S1 ,GS2 及びGS3 は各々スライス方向、リ
ード方向及びエンコード方向を示している。このマルチ
スライスを行う局所励起パルスシーケンス25は、局所
の水分布画像を高分解能で得るためにも用いることが可
能である。撮像領域を局所化しているため同じマトリッ
クス、すなわち同じエンコード回数でも高分解能の画像
を得ることができる。観測時間後印加されている磁場勾
配パルスは残留横磁化の位相を分散させるために必要に
応じて印加する。
【0039】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
対象領域の周辺からの不要な信号の混入を防ぎ、なおか
つ所望の局所3次元領域からの磁気共鳴信号を短時間に
得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例に係る磁気共鳴診断装置の構
成を示すブロック図。
【図2】 本発明の一実施例に係る磁気共鳴診断装置に
おいて用いられるパルスシーケンスを示す図。
【図3】 局所励起領域及び局所飽和領域のプロファイ
ルを示す図。
【図4】 ケミカルシフト成分による位置ずれを示す説
明図。
【図5】 局所励起の対象領域と、その周辺の飽和領域
を示す説明図。
【図6】 本発明の一実施例に係る磁気共鳴診断装置に
おいて用いられるパルスシーケンスを示す図。
【図7】 本発明の一実施例に係る磁気共鳴診断装置に
おいて用いられるパルスシーケンスを示す図。
【図8】 周波数選択飽和パルスの例を示す図。
【図9】 本発明の一実施例に係る磁気共鳴診断装置に
おいて用いられるパルスシーケンスを示す図。
【図10】 空間選択飽和パルスの例を示す図。
【図11】 空間選択飽和パルスの働きを説明するため
の図。
【図12】 本発明の一実施例に係る磁気共鳴診断装置
において用いられるパルスシーケンスを示す図。
【図13】 局所励起法を示す説明図。
【図14】 従来の高周波励起パルスによる励起特性を
示す図。
【符号の説明】
10 静磁場磁石 11 磁石電源 12 シムコイル系 13 シムコイル電源 14 勾配コイル系 15 勾配コイル電源 16 高周波プローブ 17 送信器 18 受信器 19 シーケンスコントローラ 20 計算機 21 周波数選択飽和パルス 22 空間選択飽和パルス 23 撮像領域 24 選択飽和面 25 局所励起パルス
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) A61B 5/055

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 静磁場中に置かれた被検体に対して所定
    の周波数を有する一の90度パルス及び勾配磁場を印加
    することにより該被検体の一の断層面を選択する第1の
    シーケンスと、 この第1のシーケンスから所定時間経過後に、前記被検
    体の前記一の断層面に直交する2方向に対して各々選択
    励起する180度パルス及び勾配磁場を印加する第2の
    シーケンスと、 この第2のシーケンスによって前記被検体から生じる磁
    気共鳴信号を観測する第3のシーケンスとを備え、 所定の時間間隔で前記第1のシーケンスから第3のシー
    ケンスまでを複数回繰り返すことにより所望の代謝産物
    からの磁気共鳴信号を収集する磁気共鳴診断装置であっ
    て、 前記第3のシーケンスの後、次の第1のシーケンスまで
    の間に前記一の90度パルスとは異なる周波数を有する
    他の90度パルス及び勾配磁場を印加することにより前
    記被検体の他の断層面を選択励起し、前記他の断層面に
    直交する2方向に対して各々選択励起する180度パル
    スを印加し、前記被検体から生じる他の磁気共鳴信号を
    観測することを特徴とする磁気共鳴診断装置。
  2. 【請求項2】 前記一の90度パルスを印加する前に、
    水信号を抑圧する周波数選択飽和パルスを印加すること
    を特徴とする請求項1記載の磁気共鳴診断装置。
  3. 【請求項3】 前記一の90度パルスを印加する前に、
    所望の対象領域以外の領域における少なくとも一部に対
    して、選択的に励起し飽和させる空間選択飽和パルスを
    印加することを特徴とする請求項1記載の磁気共鳴診断
    装置。
  4. 【請求項4】 前記第3のシーケンスにおける磁気共鳴
    信号の観測後、次の一の90度パルスが印加される前に
    横磁化の位相を分散させる勾配磁場パルスを印加するこ
    とを特徴とする請求項1記載の磁気共鳴診断装置。
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