JP3598411B2

JP3598411B2 - 磁気共鳴診断装置

Info

Publication number: JP3598411B2
Application number: JP24364997A
Authority: JP
Inventors: 智嗣平田; 良孝尾藤
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 1997-09-09
Filing date: 1997-09-09
Publication date: 2004-12-08
Anticipated expiration: 2017-09-09
Also published as: JPH1176191A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気共鳴診断装置に係り、特にケミカルシフトに関する情報の空間分布を測定するのに好適な装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
磁気共鳴診断装置は、静磁場中に置かれた被検体に対し、特定周波数の高周波磁場を照射することにより、磁気共鳴現象を引き起こし、前記被検体から発生する磁気共鳴信号を利用して、物理的・化学的情報を取得することができる。現在、広く普及している磁気共鳴イメージング（ＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｓｏｎａｎｃｅＩｍａｇｉｎｇ以下、ＭＲＩと略す）は、被検体中（主に水分子に含まれる）の水素原子核の密度分布を反映した画像を取得している。また、水素原子核を含む様々な分子の化学結合の違いによる磁気共鳴周波数の差異（以下、ケミカルシフトと呼ぶ）を手掛かりに、分子ごとの信号を分離する方法を、プロトン磁気共鳴スペクトロスコピ−（_１Ｈ−ＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｓｏｎａｎｃｅＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ以下、_１Ｈ−ＭＲＳと略す）と呼び、特定領域を対象にする場合、ｌｏｃａｌｉｚｅｄＭＲＳあるいはｓｉｎｇｌｅ−ｖｏｘｅｌＭＲＳと呼んでいる。従来から_１Ｈ−ＭＲＳを用いた臨床研究が行われているが、スペクトルの解析に専門知識が必要とされることや、１回の測定で１点の情報しか得られないなどの理由により、臨床に応用されるには到っていない。これに対しプロトン磁気共鳴スペクトロスコピックイメ−ジング（_１Ｈ−ＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｓｏｎａｎｃｅＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃＩｍａｇｉｎｇ以下、_１Ｈ−ＭＲＳＩと略す、また、ｍｕｌｔｉ−ｖｏｘｅｌＭＲＳとも呼ばれる）では、多数の画素のスペクトルを同時に取得し、分子ごとに画像化を行うことができるため、代謝物質ごとの濃度分布を視覚的に捉えることが可能となる。
【０００３】
本発明は、前記_１Ｈ−ＭＲＳＩで得られる複素磁気共鳴スペクトルの位相を修正する位相歪補正法に関するものである。位相歪を大別すると、（１）装置由来（検出器およびフィルタ等の特性に依存）の０次位相回り、（２）化学シフト由来（磁気共鳴信号発生時刻と該信号検出のタイミングに依存）の１次位相回りからなり、静磁場不均一等の影響を受け、各画素毎に異なる位相歪を有する。従来の_１Ｈ−ＭＲＳＩにおける位相歪補正法では、微少な各種代謝物質の信号を捕らえるために、巨大な水信号および脂肪信号を予め抑圧し、得られた代謝物質のスペクトルから位相歪を推定し、補正が行われていた。通常、少なくとも２つ以上の代謝物質の信号の位相から、最小２乗法等により各画素毎の位相回りを推定していた。図９は、従来の_１Ｈ−ＭＲＳＩにおける位相歪補正法の一例である。図９（ａ）のＭＲＩ（プロトン密度分布像）に対応する_１Ｈ−ＭＲＳＩ（ｍｕｌｔｉ−ｖｏｘｅｌＭＲＳ）を示しているのが図９（ｂ）であり、ある一つの画素（斜線部）のスペクトルを示しているのが図９（ｃ）である。図１０（ａ）は、図９（ｃ）のスペクトルの吸収波形（実部＝ｒｅａｌｐａｒｔ、以下、Ｒｅと略す）と分散波形（虚部＝ｉｍａｇｉｎａｒｙｐａｒｔ、以下、Ｉｍと略す）を表している。各ピーク位置での位相は、
φ（ｆｉ）＝Ｔａｎ_−１（Ｉｍ（ｆｉ）／Ｒｅ（ｆｉ））
で決まり、ここでφ（ｆｉ）は、共鳴周波数ｆｉをピークとする信号の位相値で、Ｉｍ（ｆｉ）とＲｅ（ｆｉ）はそれぞれ共鳴周波数ｆｉの複素磁気共鳴スペクトルの虚部と実部である。図１０の３つのピーク（コリン、クレアチンおよびＮＡＡ）の位相値（φ（ｆ１）、φ（ｆ２）、φ（ｆ３）、黒丸で示す）に対して、最小２乗最適化法を用いた多項式近似を行うことにより、スペクトル全域に渡る位相回りを推定することができる。すなわち、多項式
φ ＝ φ_０＋ｆｉ×φ_１＋ｆｉ_２×φ_２＋．．．
の、φ（ｆ１）、φ（ｆ２）、φ（ｆ３）に対する最小２乗近似により、係数φ_０、φ_１、φ_２．．．を決定することができる。図１０の曲線ｌは、前記近似により得られた位相変動を表している。このようにして推定した位相回りを用いて、スペクトル全域に渡る全信号の位相歪を補正することができる（各信号の位相回りを０にする）。全画素のスペクトルに対して、同様の補正を行うことにより、位相歪のないＭＲＳＩ（ｍｕｌｔｉ−ｖｏｘｅｌＭＲＳＩ）を取得することが可能となる。
【０００４】
なお、ここで図９及び図１０のスペクトルには、抑圧しきれなかった水および脂肪の信号が残留しているが、この信号は高周波磁場あるいは静磁場強度の不均一による歪を生じているため、位相回りの推定に用いることはできなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の_１Ｈ−ＭＲＳＩにおける位相歪補正法では、微少な代謝物質の信号から位相歪を推定していたため、推定値が誤差を含みやすいという問題があった。本発明の目的は、各画素におけるスペクトルの位相歪を正確に検出し、位相補正の精度を向上させることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明では、前記目的を達成するために、下記２種類の計測を行う。
【０００７】
計測１：水あるいは水および脂肪の信号を抑圧せずに、_１Ｈ−ＭＲＳＩを計測する。
【０００８】
計測２：水および脂肪の信号を抑圧して、_１Ｈ−ＭＲＳＩを計測する（通常の計測）。
【０００９】
次に、前記計測１で得られた水あるいは水および脂肪の信号を用いて、各画素の位相歪の推定を行い、該推定によって得られた位相補正値に基づき、前記計測２で得られた代謝物質のスペクトルの位相補正を行う。
【００１０】
特に、上記２種類の計測を行うことにより、全体の計測時間が増大してしまうが、ＭＲＩで用いられている超高速撮影技術のエコープラナー法を応用したエコープラナーＭＲＳＩで計測することにより計測時間を短縮する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図２に、本発明が適用される磁気共鳴イメ−ジング装置の構成例を示す。被検体１は、静磁場発生マグネット２により生成される静磁場および傾斜磁場発生コイル３により生成される異なる３方向の傾斜磁場が印加される空間に置かれる。各コイルに流す電流を変化させることにより、該静磁場の均一度を調整することのできるシムコイル１１を備えている場合もある。該被検体１に対し、プロ−ブ４により生成される高周波磁場を照射し磁気共鳴現象を生じさせ、該被検体１から発生する磁気共鳴信号を該プロ−ブ４により検出する。演算装置５を用いて、該信号から画像情報を生成し、ディスプレイ６に表示させる。該シムコイル１１の駆動用電源部１２、傾斜磁場発生コイル３の駆動用電源部７、送信器８および受信器９は、シ−ケンス制御装置１０により制御される。また必要に応じて、記憶媒体１３に測定条件、計測信号等を記憶させる。
【００１２】
図３は、本発明で使用する、高速にケミカルシフト画像が得られる高速ＭＲＳＩ法の一手法である、特開昭６１−１３１４３等に記載された松井らによる提案のエコープラナーＭＲＳＩのパルスシ−ケンスの一例である。このパルスシ−ケンスでは、まず初めに、スライス選択用の第１の傾斜磁場Ｇｓ１と９０°パルスと呼ばれる第１の高周波磁場ＲＦ１を同時に印加することにより、選択スライス内の核磁化だけを回転（励起）させる。次に、Ｔｅ／２後にスライス選択用の第２の傾斜磁場Ｇｓ２と１８０°パルスと呼ばれる第２の高周波磁場ＲＦ２を同時に印加し、前記９０°パルスによって励起されていた核スピンを１８０°反転させることにより、さらにＴｅ／２後の時点を中心とするエコ−信号Ｓｉｇを発生させる。そして、該エコ−信号Ｓｉｇを計測する際に、傾斜磁場Ｇｘの勾配を周期的に反転させたリ−ドアウト用の傾斜磁場Ｇｒを印加することにより、Ｘ軸方向の空間情報を含む連続的なエコ−信号（以下、エコ−トレイン信号と呼ぶ）を発生させることができる。なお、Ｙ軸方向の空間情報は、位相エンコ−ド用の傾斜磁場Ｇｅにより該エコ−信号Ｓｉｇに付加される。そして、前記Ｇｅの勾配を段階的に変化させ、磁化の励起および信号の計測を繰返し時間Ｔｒで繰り返す。得られた一連の信号に対し、３次元逆フ−リエ変換を施すことにより、ケミカルシフト画像を得ることができる。このエコープラナーＭＲＳＩを用いれば、現在、最も一般的なＭＲＳＩとして知られている３ＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＣｈｅｍｉｃａｌＳｈｉｆｔＩｍａｇｉｎｇ（以下、３Ｄ−ＣＳＩと略す）に比べ、測定の次元を１次元減少させることができ、高速化が可能となる。これは、１回の磁化の励起および信号の計測で取得できるエコ−トレイン信号から、ケミカルシフト情報とＸ軸方向の空間情報を含む２次元情報を同時抽出できるためである。
【００１３】
以下、本発明の実施の形態例について説明を行う。まず、第１の計測として、図２のエコープラナーＭＲＳＩシーケンスを用いて、水信号、脂肪信号を抑圧せずに、_１Ｈ−ＭＲＳＩの計測を行う。次に、第２の計測として、水および脂肪の信号を抑圧して、_１Ｈ−ＭＲＳＩを計測する。この第２の計測では、前記エコープラナーＭＲＳＩシーケンスの直前に、マグネティックレゾナンスイメージング第１０巻：第３１５−３１９頁（１９９２年）記載のＯＶＳ（ＯｕｔｅｒＶｏｌｕｍｅＳａｔｕｒａｔｉｏｎ）と呼ばれる方法による脂肪信号の抑圧と（図４（ａ））、特開昭６０−１６８０４１記載のＣＨＥＳＳ（ＣＨＥｍｉｃａｌＳｈｉｆｔＳｅｌｅｃｔｉｖｅ）と呼ばれる方法による水信号の抑圧を行う（図４（ｂ））。前記ＯＶＳでは、高周波磁場ＲＦｉ（ｉ＝１，２．．．，ｎ）とスライス選択用傾斜磁場ＧＳｉ（ｉ＝１，２．．．，ｎ）を同時に印可して多量の皮下脂肪が存在する領域を選択励起した後、スポイル用の傾斜磁場Ｇｓｐｉ（ｉ＝１，２．．．，ｎ）を印加することにより、皮下脂肪領域（スライスｎ内）の磁化だけを疑似飽和させることができる。また、前記ＣＨＥＳＳでは、中心周波数を水信号の共鳴周波数に合わせ、励起帯域を水信号のピーク幅に制限した高周波磁場ＲＦｊ（ｊ＝１，２．．．，ｍ）を印加することにより、水の磁化だけを選択的に励起させた後、スポイル用の傾斜磁場Ｇｓｐｊ（ｊ＝１，２．．．，ｍ）を印加することより、水の磁化だけを疑似飽和させることができる。このようにして、脂肪および水の磁化を疑似飽和させた後、代謝物質の_１Ｈ−ＭＲＳＩを計測する。図５に、水及び脂肪の信号を抑圧する場合の計測手順を示す。
【００１４】
次に、前記計測１で得られた（１）水および脂肪の信号、もしくは（２）水の信号を用いて、各画素の位相歪の推定を行い、該推定によって得られた位相補正値に基づき、前記計測２で得られた代謝物質のスペクトルの位相補正を行う。
【００１５】
（水および脂肪の信号を用いる場合）
水および脂肪の磁化を疑似飽和させずに計測した_１Ｈ−ＭＲＳＩを示しているのが図６（ｂ）であり、ある一つの画素（斜線部）のスペクトルを示しているのが図６（ｃ）である（図６（ａ）はＭＲＩ）。図１（ａ）及び（ｂ）は、図６（ｃ）のスペクトルの吸収波形（Ｒｅ）と分散波形（Ｉｍ）を表している。まず、図６（ｃ）のスペクトルにおいて水信号のピ−ク位置を検出する。通常、最大強度をとる位置を水信号のピ−ク位置（４．７ｐｐｍ）とし、この水信号のピ−ク位置から約３．５ｐｐｍ離れた信号のピークを脂肪信号のピーク位置（１．２ｐｐｍ）とする。なお部位によっては、脂肪信号の強度が水信号の強度を越えることがあり得るが、２番目に強い信号のピーク位置が１番目のピークの高周波（ｐｐｍ値が大きい）側か低周波（ｐｐｍ値が小さい）側にあるかで、水の信号（２番目の信号が低周波側）と脂肪の信号（２番目の信号が高周波側）を見分けることができる。次に、検出した図１（ｃ）の水および脂肪のピークの位相値（φ（ｆｗ）、φ（ｆｌ）黒丸で示す）に対して、最小２乗最適化法を用いた線型近似を行うことにより、スペクトル全域に渡る位相回りを推定することができる。すなわち、１次方程式
φ ＝ φ_０＋ｆｉ×φ_１
の、φ（ｆｗ）、φ（ｆｌ）に対する最小２乗近似により、係数φ_０、φ_１を決定することができる。図１の直線ｌは、前記近似により得られた線型位相変動を表している。全画素のスペクトルに対して、同様の操作を行い、推定した各画素毎の補正値を前記記憶媒体に記憶する。そして、推定した各画素毎の位相補正値に基づき、前記計測２で得られた代謝物質のスペクトルの位相補正を行うことができる。
【００１６】
（水の信号だけを用いる場合）
脂肪の磁化だけを疑似飽和して計測した_１Ｈ−ＭＲＳＩを示しているのが図７（ｂ）であり、ある一つの画素のスペクトルを示しているのが図７（ｃ）である（図７（ａ）はＭＲＩ）。図８（ａ）は、図７（ｃ）のスペクトルの吸収波形（Ｒｅ）と分散波形（Ｉｍ）を表している。まず、図７（ｃ）のスペクトルにおいて水信号のピ−ク位置を検出する。通常、最大強度をとる位置を水信号のピ−ク位置（４．７ｐｐｍ）とする。なお部位によっては、抑圧されなかった残留脂肪信号の強度が水信号の強度を越えることがあり得るが、２番目に強い信号のピーク位置が１番目のピークの高周波（ｐｐｍ値が大きい）側か低周波（ｐｐｍ値が小さい）側にあるかで、水の信号（２番目の信号が低周波側）と脂肪の信号（２番目の信号が高周波側）を見分けることができる。次に、検出した図８（ｃ）の水信号全域の位相値（φ（ｆｉ）黒丸で示す）に対して、最小２乗最適化法を用いた多項式近似を行う。従来の技術で述べた通り水の信号は、他の代謝物質の信号に比べ非常に大きいため、ピーク位置だけではなく、ピークの立ち上がり部分や立ち下がり部分においても十分なＳＮＲを有する。このため、水信号全域の位相値から、スペクトル全域に渡る位相回りを推定することができる。すなわち、多項式
φ ＝ φ_０＋ｆｉ×φ_１＋ｆｉ_２×φ_２＋．．．
の、φ（ｆｉ）に対する最小２乗近似により、係数φ_０、φ_１、φ_２．．．を決定することができる。図８の曲線ｌは、前記近似により得られた位相変動を表している。全画素のスペクトルに対して、同様の操作を行い、推定した各画素毎の補正値を前記記憶媒体に記憶する。そして、推定した各画素毎の位相補正値に基づき、前記計測２で得られた代謝物質のスペクトルの位相補正を行うことができる。なお、水のピークの立ち上がり部分あるいは立ち下がり部分において、信号のリンギングが生じ、正しい位相値が得られない場合があるが、フーリエ変換前にハミング関数等を乗じる信号処理を行っておくことにより、前記リンギングの影響を減じることができる。
【００１７】
なお、第２の計測と同等の計測条件下で計測した他のケミカルシフト画像に対しても、前記位相歪補正を適用することができる。
【００１８】
また、高速ＭＲＳＩ法として、前記エコープラナーＭＲＳＩ法以外に、マグネティックレゾナンスインメディスン第１巻：第３７０−３８６頁（１９８４年）記載のマンスフィ−ルドによる提案のＥＰＳＭ法およびＰＲＥＰ法を用いた場合も、同等の効果が得られる。
【００１９】
また、前記各実施形態では、３次元測定（ケミカルシフト軸、Ｘ軸、Ｙ軸）の場合について述べたが、４次元測定（ケミカルシフト軸、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の場合でも、同等の効果が得られる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、水あるいは水及び脂肪の信号から位相歪を推定し、この位相歪を使用してスペクトルを補正することによって、位相歪が無いケミカルシフト画像を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の適用例（水、脂肪抑圧なしの場合）である。
【図２】本発明が適用される磁気共鳴診断装置の構成図である。
【図３】エコープラナーＭＲＳＩ法のパルスシ−ケンスを示す。
【図４】水および脂肪抑圧用のパルスシ−ケンスを示す。
【図５】水および脂肪を抑圧する場合の計測手順を示す。
【図６】本発明が適用されるＭＲＳＩの一例（水、脂肪抑圧なしの場合）である。
【図７】本発明が適用されるＭＲＳＩの一例（脂肪抑圧ありの場合）である。
【図８】本発明の適用例（脂肪抑圧ありの場合）である。
【図９】従来法が適用されるＭＲＳＩの一例である。
【図１０】従来法の適用例である。
【符号の説明】
ＲＦ高周波磁場
ＧｚＺ軸方向の傾斜磁場
ＧｘＸ軸方向の傾斜磁場
ＧｙＹ軸方向の傾斜磁場
ＲＦ１、ＲＦ２、ＲＦ３、ＲＦ４高周波磁場パルス
Ｇｓ１、Ｇｓ２、Ｇｓ３、Ｇｓ４スライス磁場
Ｇｒリ−ドアウト磁場
Ｇｅエンコード磁場
Ｓｉｇ磁気共鳴エコー信号
Ｔｒ繰返し時間
Ｔｅエコー時間
Ｇｓｐ１、Ｇｓｐ２、Ｇｓｐ３、Ｇｓｐ４スポイル磁場

Claims

静磁場発生手段と、互いに異なる３方向の傾斜磁場発生手段と、高周波磁場発生手段と、被検体からの磁気共鳴信号を検出する信号検出手段と、信号検出手段により得られた磁気共鳴信号についての演算を行う演算手段と、データ記憶手段と、上記各手段を制御するシーケンス制御手段とを含む磁気共鳴診断装置において、
前記シーケンス制御手段は、前記傾斜磁場発生手段により３方向の傾斜磁場のうち少なくとも１方向の傾斜磁場の勾配極性を周期的に反転させて印加する動作と、前記信号検出手段により被検体から水素原子核に関する磁気共鳴信号を検出する動作とを同時に実行する機能を有し、
前記シーケンス制御手段により、水および脂肪を抑圧せずに磁気共鳴スペクトロスコピックイメージングを被検体に対して行い第１計測の磁気共鳴信号を計測し、また、水および脂肪を抑圧した磁気共鳴スペクトロスコピックイメージングを前記被検体に対して行い第２計測の磁気共鳴信号を計測し、
前記演算手段により、前記第１計測の磁気共鳴信号を用いて水および脂肪の信号を含むケミカルシフト信号を各画素において取得し、この各画素のケミカルシフト信号の水および脂肪の信号に基づいて前記各画素の位相歪を検出し、前記第２計測の磁気共鳴信号を用いて水および脂肪の信号を抑圧したケミカルシフト信号を前記各画素において取得し、前記水および脂肪の信号から検出された前記各画素の位相歪に基づいて前記第２計測の磁気共鳴信号を用いて取得した前記各画素のケミカルシフト信号の位相歪を補正することを特徴とする磁気共鳴診断装置。
ケミカルシフトに関する情報の空間分布を測定する磁気共鳴診断装置に於いて、水および脂肪の信号を抑圧せずに、プロトン磁気共鳴スペクトロスコピックイメージングを計測する第１のパルスシーケンスと、水および脂肪の信号を抑圧して、プロトン磁気共鳴スペクトロスコピックイメージングを計測する第２のパルスシーケンスとを実行して、前記第１のパルスシーケンスで得られた水および脂肪の信号を用いて、各画素の位相歪を検出し、前記位相歪に基づいて前記第２のパルスシーケンスで得られた代謝物質のスペクトルの位相歪の補正を行うことを特徴とする磁気共鳴診断装置。