JP3556005B2 - 磁気共鳴診断装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、^１３Ｃにスピン結合（Ｊ結合）した１ Ｈを観測する磁気共鳴診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気共鳴診断装置は、水分子の ^１Ｈを検出することによって、生体内の水の分布を非侵襲に画像化することができる装置であり、臨床的に広く使われている診断装置である。しかし、現状の水分布の画像では、形態学的な情報しか得ることができない。
【０００３】
これに対し例えば代謝物の ^１Ｈ、^１３Ｃあるいは^３１Ｐを検出することによって、生体内の代謝情報を得ることができるため、多核種のＮＭＲ（Ｎｕｃｌｅａｒ ＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｓｏｎａｎｃｅ）の研究が数多くなされてきた。このうちで近年注目を集めているのが、^１３Ｃ−ＮＭＲである。^１３Ｃは天然存在比が１．１ パーセントと低いために^１３Ｃ標識物質投与後の代謝の様子を追跡することが可能で、 ^１Ｈや^３１Ｐとは異なる代謝情報を得ることができるためである。
【０００４】
しかし、この^１３Ｃ−ＮＭＲには検出感度が低いという問題があり、デカップリングや分極移動といった方法が開発されてきた。この中で近年最も注目を集めている方法が、^１３Ｃに結合した ^１Ｈを観測することによってＳ／Ｎを向上させる ^１Ｈ観測法である。
【０００５】
この ^１Ｈ観測法の一つに多量子コヒーレンスを利用したＬ．Ｊ．Ｍｕｌｌｅｒが開発し、Ａ．Ｂａｘ が改良したＨＭＱＣ法（Ｈｅｔｅｒｏｎｕｃｌｅａｒ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ）という方法がある（Ｌ．Ｊ．Ｍ ｌｌｅｒ，Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１０１，４４８１，（１９７９），Ａ．Ｂａｘ ｅｔ ａｌ．，Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１０５，７１８８（１９８３） ）。このシーケンスを図８に示す。
【０００６】
このシーケンスでは、 ^１Ｈのみを選択的に励起するように周波数調整された９０゜パルスを印加することにより ^１Ｈのみを励起し、この９０゜パルスから１／２Ｊ（Ｊは ^１Ｈと^１３ＣのＪ結合定数）経過後に、^１３Ｃのみを選択的に励起するように周波数調整された９０゜パルスをｘ軸に関して印加することにより２量子コヒーレンスを生成する。これ以後のｔ１ 期間に^１３Ｃの化学シフトの情報が信号に付加される。ｔ１ 期間後の^１３Ｃの９０゜パルスによって磁化が ^１Ｈ側に戻り、結合している^１３Ｃの情報が付加された ^１Ｈ信号をｔ２ 期間に観測（サンプリング）する。
【０００７】
ｔ１ の長さを変化させながらデータ収集を繰り返し、２次元データ列Ｓ（ｔ１ ，ｔ２ ）を取得し、ｔ１ 軸及びｔ２ 軸に関して２次元フーリエ変換を実行することにより図９のような^１３Ｃの化学シフトと ^１Ｈの化学シフトをそれぞれ軸とする２次元スペクトルを取得することができる。
【０００８】
しかし、このＨＭＱＣ法では水信号の除去が行えないため、ＣＨＥＳＳ（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｈｉｆｔ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ）パルス等の水信号除去のためのプリパルス、且つ残留水信号の除去のためのフェーズサイクリング及び差分の必要があった。
【０００９】
これに対して、Ｒ．Ｅ．Ｈｕｒｄ等は勾配磁場を利用してコヒーレンス選択を行う方法を提案した（Ｒ．Ｅ．Ｈｕｒｄ ｅｔ ａｌ．，Ｊ．Ｍａｇｎ．Ｒｅｓｏｎ，０９９，１９１，６４８，１９９１ ）。このシーケンスを図１０に示す。この方法では、ｔ１ 期間内に印加する勾配磁場Ｇｓｅｌｅｃｔｉｏｎ により、２量子コヒーレンスのみを選択し、１量子コヒーレンスである水を除去する。つまり、１回の計測で^１３Ｃに結合した ^１Ｈのみを検出することができるようになり、動きの影響を低減することが可能となった。実際、Ｐ．Ｃ．Ｍ ｖａｎ Ｚｉｊｌ等はＭａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｉｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅのｖｏｌ．３０ ｐ．５４４〜ｐ．５５１（１９９３） において図１１のシーケンスを用いてｉｎ ｖｉｖｏ の２次元ＮＭＲスペクトルを報告している。
【００１０】
Ｐ．Ｃ．Ｍ ｖａｎ Ｚｉｊｌ等は図１１のシーケンスに示すように、９０°パルスをスライス選択励起パルスとして用いることで、１軸方向の選択励起のみ行っている。しかし、１軸方向の選択励起のみでは部位ごとの診断は不可能であるという問題があった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来のＨＭＱＣ法あるいはｇｅ−ＨＭＱＣ法では局所領域からの信号を検出することができず、診断上問題であった。
本発明の目的は、ＨＭＱＣ法あるいはｇｅ−ＨＭＱＣ法において、信号を検出する領域の局所化を可能とする磁気共鳴診断装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、^１Ｈと、^１Ｈとスピン結合している他の核種それぞれの共鳴周波数に対応するＲＦパルスを印加する磁気共鳴診断装置において、前記^１Ｈに第１軸のスライス選択パルスとして第１のＲＦパルスを印加する手段と、前記第１のＲＦパルスの印加の後に前記他の核種に第２のＲＦパルスを印加することにより、前記^１Ｈと前記他の核種との間で多量子コヒーレンスを生成させる手段と、前記第２のＲＦパルスの印加の後に前記^１Ｈに第２軸のスライス選択パルスとして第３のＲＦパルスを印加する手段と、前記第３のＲＦパルスの後に、前記他の核種に対して第４のＲＦパルスを印加することにより、前記^１Ｈの１量子コヒーレンスを生成し、前記^１Ｈから磁気共鳴信号を収集する手段と、前記第３のＲＦパルスと共にスライス選択し且つ前記他の核種とスピンスピン結合していない前記^１Ｈからの磁気共鳴信号を抑圧するために、勾配磁場パルスを
４・Ｇ１＋５・Ｇ２−３・Ｇ３−４・Ｇ４＝０
４・Ｇ１＋３・Ｇ２−５・Ｇ３−４・Ｇ４＝０
なお、Ｇ１は、前記第１のＲＦパルスから前記第２のＲＦパルスまでの期間に関する前記勾配磁場パルスの時間積分値、
Ｇ２は、前記第２のＲＦパルスから前記第３のＲＦパルスの中心までの期間に関する前記勾配磁場パルスの時間積分値、
Ｇ３は、前記第３のＲＦパルスの中心から前記第４のＲＦパルスまでの期間に関する前記勾配磁場パルスの時間積分値、
Ｇ４は、前記第４のＲＦパルスの印加以降の前記勾配磁場パルスの時間積分値、
の２式のいずれか一方を満たすように印加する手段とを具備する。
【００１４】
【作用】
本発明によれば、信号を検出する領域の局所化が可能となる。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明に係る磁気共鳴診断装置の好ましい実施例を図面を参照して説明する。なお、本発明では、濃厚スピンと希釈スピンの例として全て ^１Ｈと、 ^１Ｈとスピン結合している他の核種である^１３Ｃに関してのみ記するが、他の核種としては^１３Ｃに限定されず、 ^１Ｈとスピン結合している例えば^１５Ｎ等であってもよい。
【００１７】
図１は、本発明の一実施例に関わる磁気共鳴診断装置の構成図である。同図において、静磁場磁石１とその内側に設けられた勾配コイル２及びシムコイル３により、図示しない被検体に一様な静磁場と、互いに直交するｘ、ｙ，ｚの３軸方向に線形傾斜磁場分布を持つ勾配磁場が印加される。勾配コイル２は、勾配コイル電源５により駆動され、シムコイル３はシムコイル電源６により駆動される。勾配コイル２の内側に設けられた送受信コイルとしてのプローブ４は、 ^１Ｈ送信部７あるいは^１３Ｃ送信部８から高周波信号が供給されることによって被検体に高周波磁場（ＲＦパルス）を印加し、被検体からの磁気共鳴信号を受信する。プローブ４は、 ^１Ｈ送受信および^１３Ｃ送信が可能であれば良く、 ^１Ｈ専用プローブと^１３Ｃ専用プローブとを別々に設けても良いし、二重同調として同一のコイルとしても両核種に兼用させてもよい。プローブ４で受信された磁気共鳴信号は ^１Ｈ受信部９で検波された後、データ収集部１１に転送され、ここでＡ／Ｄ変換されてから計算機システム１２に送られ、データ処理がなされる。送信部、受信部およびプローブは、 ^１Ｈの共鳴周波数で送受信可能であり、かつ ^１Ｈ以外の少なくとも１つの核種（図１には^１３Ｃの例を示した）の共鳴周波数で送信可能なように構成される。
【００１８】
以上の勾配コイル電源５、シムコイル電源６、 ^１Ｈ受信部９およびデータ収集部１１は、全てシーケンス制御部１０によって制御され、またシーケンス制御部１０は計算機システム１２によって制御される。計算機システム１２はコンソール１３からの指令により制御される。データ収集部１１から計算機システム１２に入力された磁気共鳴信号は、フーリエ変換等が行われ、それに基づいて被検体内の所望原子核の密度分布の画像データが再構成される。この画像データは画像ディスプレイ１４に送られ、画像として表示される。
【００１９】
次に本実施例による局所化について説明する。本発明においては、局所励起化は、全て ^１Ｈに対して印加されるＲＦパルスで行なうことを必須とする。これは、^１３Ｃでは化学シフトによる位置ずれが問題となるのに対し、 ^１Ｈでは位置ずれの影響が小さいためである。
【００２０】
図２（ａ）に本実施例によるパルスシーケンス示す。このパルスシーケンスでは、ｘ軸方向とｙ軸方向の２軸に関して各々、スライス選択励起を適用することにより柱状領域を選択的に励起する。さらに、残るｚ軸方向に関しては、エンコードをかけることによって局所領域のＣ−Ｈ相関２次元スペクトルを取得することを可能とするものである。
【００２１】
このシーケンスでは、 ^１Ｈのみ選択的に励起する ^１Ｈの９０゜パルスを、特定のスライス領域を選択的に励起するように周波数調整して、ｘ軸のスライス選択励起パルスとして、スライス勾配磁場（図ではＧｘ ）の存在下で、印加する。これにより１番目の軸（ｘ軸）に関して局所化が達成される。
【００２２】
この ^１Ｈの９０°パルスから、^１３Ｃのみ選択的に励起する^１３Ｃへの最初の９０゜パルスを印加するまでの時間間隔を、１／２Ｊに設定する。この時間間隔は、^１Ｈの９０°パルスのピーク付近と^１３Ｃの９０゜パルスの間隔とし、ファントムを用いて^１３Ｃの９０゜パルスの印加時刻を調整すれば良い。ここでＪとは、^１３Ｃと ^１Ｈ間のスピン結合定数である。例えば、ＣＨ_２ の結合ではＪ＝１６０ Ｈｚであり、１／２Ｊ＝３．１ｍｓ となる。ＣＨの結合では、Ｊ＝２４０Ｈｚ であり、１／２Ｊ＝２．１ｍｓ となる。この間隔は３／２Ｊ，５／２Ｊ，…，（１＋２ｎ）／２Ｊ（ｎは整数）に設定することができるが、上記のように、実際には異なるＪが存在するので、磁化移動の効率の点から、１／２Ｊが好ましい。例えば、ＣＨ_２ の場合、Ｊ＝１６０Ｈｚ であり、１／２Ｊ＝３．１ｍｓ となる。
【００２３】
このように ^１Ｈの９０°パルス（選択励起パルス）から、^１３Ｃへの最初の９０゜パルスまでの時間間隔は短く、スライス勾配磁場に対するリフォーカス用勾配磁場を、従来のように点線で示したタイミングで印加するのは臨床機の制約により厳しい場合がある。そこで、本発明では、リフォーカス用勾配磁場を、多量子コヒーレンスｔ１ 以後、つまり２番目の^１３Ｃの９０゜パルスの印加後から、データ収集までの ^１Ｈの１量子コヒーレンスＴ４ の期間に印加することにより、この制約からの解放を実現する。これにより、１軸の局所化をスライス選択励起により実現することが可能となる。
【００２４】
次に２つめの軸（図ではｙ軸）の局所化を説明する。これは多量子コヒーレンスのｔ１ 期間内に ^１Ｈに対して印加される１８０°パルス（再結像パルス）を、スライス勾配磁場（ここではＧｙ ）の存在下で、スライス選択パルスとして用いることで実現する。図では、ｙ軸方向を２つめの選択の軸としている。
【００２５】
ただし、ｔ１ 期間に印加する勾配磁場は、多量子コヒーレンス選択（多量子遷移選択）に関与する。したがって、本発明では、１８０°パルスによるスライス領域選択と共に、多量子コヒーレンスをも実現させるために、このスライス勾配磁場と同軸の勾配磁場Ｇｙ の大きさを、次のように設定する。まず、区間１乃至４を次のように定義する。
【００２６】
区間１； ^１Ｈの９０°パルスから^１３Ｃへの最初の９０゜パルス（多量子コヒーレンス生成前）までの期間。
区間２；^１３Ｃへの最初の９０゜パルスの印加後（多量子コヒーレンスの生成開始）から、 ^１Ｈへの１８０°パルス（再結像パルス）の印加までの期間。
区間３； ^１Ｈへの１８０パルスの印加から、^１３Ｃへの２回目の９０゜パルスの印加（多量子コヒーレンスの終了）までの期間。
【００２７】
区間４；^１３Ｃへの２回目の９０゜パルス印加後からデータ収集まで、つまり多量子コヒーレンス後の ^１Ｈに関する１量子コヒーレンスの期間。
ここで、各区間１乃至４に印加する勾配磁場に関する強度の時間積分を、それぞれＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４と定義する。この勾配磁場は、 ^１Ｈの１８０°パルスと共に印加するスライス勾配磁場Ｇｙ と同方向とされる。なお、時間積分とは次の（１）式で定義される。
【００２８】
【数１】

【００２９】
勾配磁場Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４の面積の比率は、多量子コヒーレンスを実現するために、Ｊｅｓｕｓ Ｒｕｉｚ−Ｃａｂｅｌｌｏ等がＪｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ，ｖｏｌ．１００，ｐ．２８２，１９９２に記されている方法にしたがって設定される。図３に図２のシーケンスのコヒーレンス経路図を示す。図３において、Ｉは ^１Ｈの磁化スピンを示し、Ｓは他の核種ここでは^１３Ｃの磁化スピンとする。位置をｒとしたとき、Ｉ、Ｓの勾配磁場の面積Ｇによる位相φＩおよびφＳはそれぞれ以下の（２）式、（３）式で与えられる。
【００３０】
φＩ ＝ γＨ ・Ｇ・ｒ …（２）
φＳ ＝ γＣ ・Ｇ・ｒ …（３）
なお、γＨ 、γＣ はそれぞれ ^１Ｈ、^１３Ｃの磁気回転比である。
【００３１】
（Ｉ＋ Ｓ＋ →Ｉ− Ｓ＋ ）と、（Ｉ− Ｓ− →Ｉ＋ Ｓ− ）との経路を辿る多量子コヒーレンスは、次の（４）式を満たすようにＧ１乃至Ｇ４の比率を設定することにより実現される。
【００３２】
４・Ｇ１＋５・Ｇ２−３・Ｇ３−４・Ｇ４＝０ …（４）
また、（Ｉ＋ Ｓ− →Ｉ− Ｓ− ）と、（Ｉ− Ｓ＋ →Ｉ＋ Ｓ＋ ）との経路を辿る多量子コヒーレンスは、次の（５）式を満たすようにＧ１乃至Ｇ４を設定することにより実現される。
【００３３】
４・Ｇ１＋３・Ｇ２−５・Ｇ３−４・Ｇ４＝０ …（５）
（４）式、（５）式のいずれかの式が満たされるように、スライス勾配磁場を含むそれと同方向の勾配磁場が区間１乃至４において設定されれば、上記いずれかの経路の多量子コヒーレンスが可能となる。
【００３４】
図２（ａ）、図２（ｂ）では、（４）式を満たすように、
Ｇ１：Ｇ２：Ｇ３：Ｇ４＝０：２：２：１と設定される。
図２（ｃ）では、（５）式を満たすように、
Ｇ１：Ｇ２：Ｇ３：Ｇ４＝０：３：５：０と設定される。
【００３５】
このように（４）式又は（５）式を満たすように勾配磁場を設定することにより、 ^１Ｈへの１８０°パルスを使った２番目の軸に関する局所化を、多量子コヒーレンス選択と共に実現することができる。
【００３６】
３軸めの選択は、^１３Ｃに対する２番目の９０゜パルスの直後の区間４に行なわれる位相エンコードにより実現する。以上のようにして柱状励起内のマルチボクセルスペクトルを取得することができる。
【００３７】
本発明は上述の実施例に限定されず、種々変形して実施可能である。図２には、多量子コヒーレンス選択のための勾配磁場がスライス勾配磁場のＧｙのみである実施例を示している。スライス選択励起パルスとしての ^１Ｈに対する１８０゜パルスと共に印加するスライス勾配磁場のＧｙは、必ず（４）式又は（５）式を満たすように遷移選択比に設定しなければならないが、これに加えて他の勾配磁場Ｇｘ，Ｇｚを遷移選択の設定とすることも可能である。この例を図４に示した。
【００３８】
また、図２のシーケンスでは、スライス選択は ^１Ｈ側で行ない、^１３Ｃ側では行なっていないが、２次元ＮＭＲのステップ数を減少させる目的で^１３Ｃの９０゜パルスを、ｓｉｎｃ関数等のスライス選択励起パルスとして用いても良い。このシーケンスを図５に示す。
【００３９】
また、図２では、３軸目の選択にはエンコード勾配磁場を用いるが、１軸選択のＩＳＩＳ法あるいは選択飽和法というようなプリパルスを用いる方法を使用しても良い。選択飽和法を用いた例を図６に示す。
【００４０】
また、エコー時間ＴＥを一定にした局所励起ＨＭＱＣシーケンスを図７に示す。この場合も図２の方法と同様にして局所励起化を達成している。
さらに、上記実施例では勾配磁場により遷移選択を行う方法に関してのみ述べたが、 ^１Ｈの９０゜パルス（スライス選択励起パルス）と共に印加する勾配磁場のリフォーカス用勾配磁場を^１３Ｃの９０゜パルス以降に印加する方法は、水信号抑圧を行う方法でも用いることができる。この場合、３次元の選択は選択飽和等の方法を用いて行う。
【００４１】
なお、上記 ^１Ｈに印加される９０゜パルス及び１８０°パルスはそれぞれ励起パルス、再結像パルスであればよく、フリップ角が必ずしも９０゜、１８０°に設定される必要はない。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、信号を検出する領域の局所化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実現する磁気共鳴診断装置の概略的な構成を示す図。
【図２】図１のシーケンス制御部により実現されるパルスシーケンスを示す図。
【図３】図２のシーケンスのコヒーレンス経路を示す図。
【図４】第１の変形例によるパルスシーケンスを示す図。
【図５】第２の変形例によるパルスシーケンスを示す図。
【図６】第３の変形例によるパルスシーケンスを示す図。
【図７】第４の変形例によるパルスシーケンスを示す図。
【図８】従来のＨＭＱＣのパルスシーケンスを示す図。
【図９】図８のＨＭＱＣシーケンスで得られる１ Ｈの化学シフト軸と１３Ｃの化学シフト軸とに関する２次元ＮＭＲスペクトルを示す図。
【図１０】従来の勾配磁場を利用して多量子遷移を選択するＨＭＱＣのシーケンスを示す図。
【図１１】従来の勾配磁場を利用して多量子遷移を選択するＨＭＱＣにおいて１次元の選択励起を行うためのシーケンスを示す図。
【符号の説明】
１…静磁場磁石、 ２…勾配コイル、
３…シムコイル、 ４…プローブ（送受信コイル）、
５…勾配コイル電源、 ６…シムコイル電源、
７…１ Ｈ送信部、 ８…１３Ｃ送信部、
９…１ Ｈ受信部、 １０…シーケンス制御部、
１１…データ収集部、 １２…計算機システム、
１３…コンソール、 １４…画像ディスプレイ。

Claims (3)

1. ^１Ｈと、^１Ｈとスピン結合している他の核種それぞれの共鳴周波数に対応するＲＦパルスを印加する磁気共鳴診断装置において、
   前記^１Ｈに第１軸のスライス選択パルスとして第１のＲＦパルスを印加する手段と、
   前記第１のＲＦパルスの印加の後に前記他の核種に第２のＲＦパルスを印加することにより、前記^１Ｈと前記他の核種との間で多量子コヒーレンスを生成させる手段と、
   前記第２のＲＦパルスの印加の後に前記^１Ｈに第２軸のスライス選択パルスとして第３のＲＦパルスを印加する手段と、
   前記第３のＲＦパルスの後に、前記他の核種に対して第４のＲＦパルスを印加することにより、前記^１Ｈの１量子コヒーレンスを生成し、前記^１Ｈから磁気共鳴信号を収集する手段と、
   前記第３のＲＦパルスと共にスライス選択し且つ前記他の核種とスピンスピン結合していない前記^１Ｈからの磁気共鳴信号を抑圧するために、勾配磁場パルスを
   ４・Ｇ１＋５・Ｇ２−３・Ｇ３−４・Ｇ４＝０
   ４・Ｇ１＋３・Ｇ２−５・Ｇ３−４・Ｇ４＝０
   なお、Ｇ１は、前記第１のＲＦパルスから前記第２のＲＦパルスまでの期間に関する前記勾配磁場パルスの時間積分値、
   Ｇ２は、前記第２のＲＦパルスから前記第３のＲＦパルスの中心までの期間に関する前記勾配磁場パルスの時間積分値、
   Ｇ３は、前記第３のＲＦパルスの中心から前記第４のＲＦパルスまでの期間に関する前記勾配磁場パルスの時間積分値、
   Ｇ４は、前記第４のＲＦパルスの印加以降の前記勾配磁場パルスの時間積分値、
   の２式のいずれか一方を満たすように印加する手段とを具備することを特徴とする磁気共鳴診断装置。
2. 前記第２のＲＦパルスは、Ｊを前記^１Ｈと前記他の核種との間のスピンスピン結合定数とすると、前記第１のＲＦパルスの印加から１／（２・Ｊ）の奇数倍の時間後に印加され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. 前記第４のＲＦパルスの印加後に、前記第１軸に関するスライス選択パルスの印加の際に印加された勾配磁場パルスに対応するリフォーカス勾配磁場パルスを印加する手段とをさらに備え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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