JP3656654B2 - 移動流体の速度および加速度分布の同時検出方法 - Google Patents
移動流体の速度および加速度分布の同時検出方法 Download PDFInfo
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Description
発明の背景
1.発明の分野
本発明は磁気共鳴イメージングの分野に関し、更に詳しくは磁気共鳴を用いて移動する物質をイメージングする分野に関する。
2.関連技術の説明
運動(motion)、特に流体の運動は、多数のシステムにおいて重要なパラメータである。速度および加速度の勾配についての情報は、流体流システムの設計および解析で有用である。速度および加速度の勾配は、乱流の起こりやすい領域およびよどみ領域を示す。これらにより、金属パイプの腐食、障害領域等が生じる。また、生体の脈管を通るゆっくりした流れの領域は動脈硬化症の発生で中心的な役割を果たすことが判っている。
インク流線として知られる伝統的な流体流分析法では、流れる流体に造影剤を入れて、造影剤の運動を観察する必要がある。
物質の運動を測定するもう1つの方法では、レーザドップラ法を用いる。この方法では、被測定物質の中に懸濁している粒子からレーザビームを反射させて、短時間の間の各粒子の変位を測定することにより、選定された位置での物質の速度を表示することが必要になる。
上記の方法のどちらも、侵襲的すなわち破壊的であり、被試験物質への直接のアクセスを必要とする。物質が管の内側にあるか生体内の深いところにある場合には、これらの方法は有用でない。更にこれらの方法は、生体内の試験または非侵襲的な試験の用途には適していない。
磁気共鳴を用いて流体の運動を検出し測定するための多数の方法が以前に開示されてきた。これらの方法では、移動する流体のボーラス(bolus)の磁化を変えて追従するボーラス追跡方式を使用するか、もしくは運動符号化(motion encoding)磁界勾配パルスを使用して速度、加速度およびジャークのような所望の運動成分に比例した位相シフトを誘起する方式を使用する。磁気共鳴を用いて運動を検出するための従来の方法は、一度に1つの運動成分しか検出できないので、用途が限られている。
運動のいくつかの成分を非侵襲的に同時に測定する方法を提供することは有用である。
発明の概要
運動の2つ以上の成分から情報を含む画像を取得するために磁気共鳴(MR)パルスシーケンスを使用する方法が開示される。これらのパルスシーケンスには、スライス選択無線周波(RF)パルス、および空間符号化のための従来の読出し勾配パルスが含まれる。少なくとも2つの運動符号化勾配パルスがパルスシーケンスに組み入れられる。運動符号化勾配波形は、速度を画像に位相シフトとして符号化するために双極性(bipolar)とすることができ、また加速度を結画像に位相シフトとして符号化するために三極性(tripolar)とすることができ、もしくは一層高次の運動を符号化するために一層多数のローブを持つことができる。
運動符号化勾配は2つのやり方の内の1つで印加される。第1の運動符号化勾配は選択された振幅で印加されるが、後続の取得の間に極性が変調される。この変調に応動して取得されたデータは、差を計算することにより、第1の運動符号化勾配から生じるデータの成分を抽出するように処理される。振幅を変えて第2の運動符号化勾配パルス(そして存在する場合には、すべての付加的な運動符号化パルス)を印加することにより、画像の位相符号化次元が形成される。この形式で符号化された運動は、変化するパルス振幅に対してフーリエ変換を適用することにより分解される。運動次元は、被検体の中の速度のような運動パラメータの分布を評価する手段を提供する。
発明の目的
本発明の1つの目的は、被検体の中の2つ以上の選択された運動成分を同時に検出して表示するための方法を提供することである。本発明のもう1つの目的は、被検体の中の速度の2つの直交成分を検出して表示するための方法を提供することである。
本発明の更にもう1つの目的は、被検体の中の速度および加速度を検出して表示するための方法を提供することである。
新規と信じられる本発明の特徴は、請求の範囲に明確に記述されている。しかし、本発明の他の目的および利点とともに、本発明の構成および動作方法は、付図を参照した以下の説明により最も良く理解することができる。
【図面の簡単な説明】
図1は、本発明で使用するのに適した磁気共鳴(MR)イメージングシステムの概略ブロック図である。
図2は、図1の磁石集合体の詳細図である。
図3aは、せん断イメージングパルスシーケンスに組み込まれた速度符号化磁界勾配パルスシーケンスの一実施例を示すグラフである。
図3bは、速度符号化磁界勾配パルスシーケンスのもう1つの実施例を示すグラフである。
図4a乃至4cは、双極性磁界勾配パルスが不動のスピン磁化に及ぼす効果を示すベクトル図である。
図4d乃至4fは、双極性磁界勾配パルスが移動するスピン磁化に及ぼす効果を示すベクトル図である。
図5は、2つの速度符号化磁界勾配パルスを組み合わせることによる加速度符号化磁界勾配パルスの形成を示すグラフである。
図6は、加速度測定値が画像の1つの次元を定める場合に、速度および加速度を測定するために使用することのできる本発明の第2の実施例のパルスシーケンスを示す線図である。
発明の詳しい説明
本発明の一実施例では、磁気共鳴イメージングシステムの磁石の中に被検体が配置される。運動成分の画像が希望される領域は、従来のMRイメージングシーケンス等の助けを借りて操作者により定められる。次に、パルスシーケンスが印加され、データが分析される。
図1は、ここで説明する本発明で使用するのに適した磁気共鳴(MR)イメージングシステムの主要構成要素の概略ブロック図である。このシステムは、デイスク記憶装置2aおよびインタフェース装置2bに機能的に結合された汎用ミニコンピュータ2を含む。無線周波(RF)送信器3、信号平均器4ならびに勾配電源5a、5bおよび5cがすべて、インタフェース装置2bを介してコンピュータ2に結合される。勾配電源5a、5bおよび5cは勾配コイル12−1、12−2および12−3を付勢して、イメージング対象の被検体に対してそれぞれX、YおよびZ方向に磁界勾配Gx、GyおよびGzを作成する。RF送信器3は、コンピュータ2からのパルスエンベロープでゲート駆動されることにより、被検体からMR応答信号を励起するために必要な変調を持つRFパルスを発生する。RFパルスは、イメージング方法に応じて100ワットから数キロワットまで変わるレベルにRF電力増幅器6で増幅され、送信コイル14−1に印加される。全身イメージングのようにサンプル体積がより大きい場合、またより大きいNMR周波数帯域幅を励起するために短時間パルスが必要な場合には、より高い電力レベルが必要になる。
MR応答信号は受信コイル14−2によって検知されて、低雑音前置増幅器9で増幅された後、受信器10に送られて、そこで更に増幅され、検出され、フィルタリングされる。次に、信号はディジタル化されて、信号平均器4によって平均され、コンピュータ2で処理される。前置増幅器9および受信器10は、送信の間、能動ゲーティングまたは受動フィルタリングによって、RFパルスから保護される。
コンピュータ2は、MRパルスに対するゲーティングおよびエンベロープ変調、前置増幅器およびRF電力増幅器に対するブランキング、ならびに勾配電源に対する電圧波形を供給する。コンピュータはフーリエ変換、画像再構成、データのフィルタリング、画像の表示および記憶機能のようなデータ処理も行う(これらの機能のすべては従来のものであり、本発明の範囲外にあるものである)。
希望する場合には、送信コイル14−1および受信RFコイル14−2は単一のコイルで構成することができる。このかわりに、電気的に直交する2つの別々のコイルを使用してもよい。後者の構成では、パルス送信の間に受信器に漏れるRFパルスが小さくなるという利点がある。どちらの場合も、コイルは磁石手段11が発生する静磁界B0の方向に直角である。コイルはRF遮蔽室で囲まれることによってシステムの残りの部分から隔離される。
サンプル体積にわたって単調で線形である勾配Gx、GyおよびGzを供給するために磁界勾配コイル12−1、12−2および12−3がそれぞれ必要とされる。多値勾配磁界により、ひどい画像アーチファクトの原因となるエイリアシングとして知られているMR応答信号データの劣化が生じる。非線形勾配により、画像の幾何学的ひずみが生じる。
図2に概略図で示されている磁石集合体11は中心の円筒形の内腔11aを有する。内腔11aは、通常、軸方向すなわちデカルト座標系のZ軸方向に静磁界B0を発生する。図1のコイル12−1、12−2および12−3のような一組のコイル12は、入力接続部12aを介して電気信号を受けて、内腔11aの体積の中に少なくとも1つの勾配磁界を形成する。内腔11aの中には、RFコイル14も配置されている。RFコイル14は少なくとも1つの入力ケーブル14aを介してRFエネルギを受けて、通常X−Y平面の中にRF磁界B1を形成する。
図3aおよび3bは、速度符号化(velocity encoding)磁界勾配パルスシーケンスの2つの実施例を示す。図3aにおいて、磁界勾配は、時点t=0まで、強度がほぼ零である。t=0からt=aまで、第1の磁界勾配パルス300が印加される。t=bからt=cまで、第2の磁界勾配パルス310が印加される。第2の磁界勾配パルスは継続時間および強度が第1の勾配パルスとほぼ同じであるが、極性が逆である。2つの勾配パルスの間の時間間隔はTである。
この速度符号化勾配パルスの代替実施例が図3bに示されている。この実施例は図3aに示された実施例と同様であるが、勾配波形320と330の間に再集束RFパルス340が付加され、第2の波形330の極性が第1の勾配パルス320の極性と同じである点が異なっている。
図3aおよび3bの磁界勾配パルスシーケンスのような磁界勾配パルスシーケンスの印加により、横スピン磁化に位相シフトが生じる。この横スピン磁化の位相シフトは、速度、パルスシーケンスの各ローブの面積Ag、核種の磁気回転比γ、および相次ぐ勾配ローブの間の時間間隔Tに正比例する。この関係は熟練した当業者には周知であり、次式で表すことができる。
Φ=γVTAg [1]
ここで、Φは速度により誘起される位相シフトであり、Vは印加された磁界勾配に平行な核スピンの速度成分である。
速度符号化磁界勾配パルスが不動のスピン磁化の物体に及ぼす効果が図4a乃至4cに示されている。説明の目的で、印加された速度符号化勾配の方向の異なる位置に於ける2つのスピンの横磁化に対応するベクトルだけが示されている。RFパルスによる横スピン磁化の発生後、すべてのスピンは同じ位相を持ち、図4aに示すように時点t=0で単一のベクトル400として表すことができる。しかし、各スピンは、図4bに示すように時点t=aで、磁界勾配に沿ったその位置に正比例する位相シフトを生じる。これらの個々のベクトル410、420は不動のスピンすなわち位置を変えないスピンから生じる。したがって、第2の勾配パルスが印加されたとき、第1の勾配パルスにより生じた位相シフトは第2の勾配パルスによって正確に相殺される。したがって、各スピンの時点t=cにおける位相シフトは同じになり、2つのベクトルは一致して、図4cの単一のベクトル430として表される。時点t=cでの位相シフトは、時点t=0における位相シフトとほぼ同じである。
速度符号化磁界勾配パルスが移動するスピン磁化の物体に及ぼす効果が図4d乃至4fに示されており、これは、図4a乃至4cに示した上記の速度符号化磁界勾配パルスが不動のスピン磁化の物体に及ぼす効果とは異なる。説明のために、図には、同じ速度で移動するが、印加された速度符号化勾配の方向の異なる位置に於ける2つのスピンの横スピン磁化に対応するベクトルだけが示されている。RFパルスによる横スピン磁化の発生後、図4dに示されるようにすべてのスピンは同じ位相を持ち、時点t=0で単一のベクトル450として表すことができる。しかし、時点t=aで、各スピンは、図4eのベクトル460、470で示されるように磁界勾配に沿ったその位置に正比例する位相シフトを生じる。これらの個々のベクトルは、時間とともに位置を変えるスピンから生じるので、第2の勾配パルスが印加されたとき、第1のパルスによる生じた位相シフトは第2の勾配パルスによって完全には相殺されない。したがって、図4fに示されるように時点t=cにおける位相シフトは単一のベクトル480によって表され、時点t=0における位相シフトから量Φだけ異なる。この位相シフトは式[1]の速度Vに正比例する。
図5は、図3に示された速度符号化磁界勾配パルスからどのようにして、より高次の運動符号化磁界勾配パルスを作成できるかを示す。加速度は時間に対する速度の変化と定義されるので、第1の速度符号化勾配パルス510を印加した後、第2の速度符号化勾配パルス520を印加することにより加速度を測定することができる。第2の速度符号化勾配パルス520は、第1の速度符号化パルス510とは逆の極性になっている。したがって、速度が一定のスピン磁化の場合、第1の速度符号化パルス510によって生じる速度誘起位相シフトは、第2の速度符号化パルス520によって生じる速度誘起位相シフトにより相殺される。しかし、検出されるスピン磁化の速度が第1の速度符号化パルスと第2の速度符号化パルスとの間の期間内に変化する場合、位相の相殺は不完全となり、その残留位相シフトが加速度に正比例する。
加速度符号化(acceleration encoding)勾配パルスを発生するために、第1の速度符号化パルス510と第2の速度符号化パルス520が図5の2つの異なるやり方で組み合わされる。速度符号化パルスを組み合わせて勾配波形の振幅を保存するときは、振幅の等しい加速度符号化勾配パルス530が作成される。これと異なり、速度符号化パルスを組み合わせて勾配波形のローブの継続時間を保存するときは、継続時間の等しい加速度符号化勾配パルス540が作成される。振幅が等しい加速度符号化勾配パルス530の加速度誘起位相シフトは、継続時間の等しい加速度符号化勾配パルス540の場合の2倍になることに注意すべきである。勾配パルス530の場合に観測される位相シフトΦAccは
ΦAcc=4γVT2Ag [2]
であり、勾配パルス540の場合に観測される位相シフトΦAccは
ΦAcc=2γVT2Ag[3]
である。
図6は、図1および図2のMRイメージングシステムで実行することができる本発明の第2の実施例で用いられる無線周波(RF)パルスおよび磁界勾配のパルスシーケンスを示す。パルスシーケンス700では、スライス選択磁界勾配パルス740の存在する状態でRF励起パルス730が印加される。励起パルス730は、被検体の選択された部分内のスピン磁化を章動させる。章動の量は、励起パルス730の継続時間および振幅を選択することによって選ぶことができる。選択される部分の位置および大きさは、RFパルス730の周波数および帯域幅ならびにスライス選択磁界勾配パルス740の振幅を適切に選択することによって調整することができる。
RF励起パルス730およびスライス選択磁界勾配パルス740が印加された後、スライス再集束磁界勾配パルス750が印加される。スライス再集束勾配パルス750は、被検体の選択された部分の中のすべての横スピン磁化がスライス再集束勾配パルス740の印加後にほぼ同相となるように選択された振幅および継続時間を持つ。本実施例では、当業者には周知のように、スライス再集束勾配パルス750の振幅と継続時間との積は、スライス選択勾配パルス740の振幅と継続時間との積のほぼ半分であり、極性が逆である。
RF励起パルス730およびスライス選択磁界勾配パルス740が印加された後、選択された方向に双極性速度符号化磁界勾配パルスが印加される。速度符号化パルスは、第1の速度符号化磁界勾配パルスローブ755aおよび第2の速度符号化磁界勾配パルスローブ755bで構成される。第2の速度符号化パルスローブ755bのパルスの継続時間と振幅との積は、図3について説明したように、第1の速度符号化パルスローブ755aのパルスの継続時間と振幅との積にほぼ等しく、極性が逆である。
横スピン磁化に第1の速度符号化パルスローブ755aおよび第2の速度符号化パルスローブ755bを相次いで印加することにより、速度符号化磁界勾配の方向に平行な磁化の速度成分に比例した位相シフトが横スピン磁化に生じる。この位相シフトを使用することにより、不動の横スピン磁化から移動する横スピン磁化を区別することができる。
RF励起パルス730およびスライス選択勾配パルス740が印加された後、選択された振幅の三極性位相符号化磁界勾配パルスが印加される。この三極性位相符号化パルスは、第1の位相符号化磁界勾配パルスローブ760a、および第2の位相符号化磁界勾配パルスローブ760bおよび第3の位相符号化磁界勾配パルスローブ760cで構成される。位相符号化勾配パルスローブ760a、760b、760cは速度符号化勾配パルス755a、755bに対してほぼ直角な方向に印加され、また希望する場合にはスライス再集束パルス750と同時に印加することができる。明瞭にするため、図6では、位相符号化パルスローブ760a、760b、760c、速度符号化パルス755a、755b、およびスライス再集束パルス750は同時であるように図示されていないが、これらのパルスの組み合わせを同時に印加することは可能である。
RF励起パルス730およびスライス選択勾配パルス740が印加された後、選択された振幅の読出し位相外し磁界勾配パルス770が印加される。読出し位相外し勾配パルス770は、スライス選択勾配パルス740と位相符号化パルスローブ760a、760b、760cとの両方に対してほぼ垂直な方向に印加される。読出し位相外しパルス670は、希望する場合にはスライス再集束パルス750または位相符号化パルスローブ760a、760b、760cと同時に印加することができる。読出し位相外しパルス770により、読出し位相外し磁界勾配の方向に沿った異なる位置の横磁化は読出し方向の位置に比例した位相シフトを生じる。
スライス再集束パルス750、位相符号化パルスローブ760a、760b、760c、および読出し位相外しパルス770の印加に続いて、読出し磁界勾配パルス780が印加される。読出しパルス780は読出し位相外しパルス770と同じ方向に印加されるが、極性は逆になっている。読出しパルス780の間の選択された点で事実上すべての横スピン磁化が同じ位相シフトを持つように、読出しパルス780の振幅および継続時間が選択される。
読出しパルス780とほぼ同時に、データ取得信号パルス790がイメージングシステムの一部であるデータ取得サブシステムに送られる。データ取得パルス790の間に、MR信号がディジタル化される。被検体の選択された部分の中の横スピン磁化から到来するMR信号は読出し磁界勾配780の間に取得されるので、検出される各MR信号は、上記信号を発生した横スピン磁化の位置に比例する周波数を持つことになる。当業者には周知のやり方で、取得された信号データをフーリエ変換することにより、各信号源の位置を決定することができる。
本発明では、パルスシーケンス700を複数回すなわちN回繰り返すことにより、単一フレームのデータを形成する。この単一フレームのデータは、少なくとも1つの運動成分の測定を行うのに充分な情報を有している。フレームの取得は、複数回すなわちY回繰り返される。各フレーム取得で、位相符号化パルスローブ760a、760b、760cに異なる振幅が与えられる。位相符号化パルスローブ760a、760b、760cによって、検出されるMR信号に位相シフトが生じる。位相シフトは、位相符号化磁界勾配ローブ760a、760b、760cの方向の横スピン磁化の加速度に比例する。当業者には周知のやり方で、位相符号化勾配ローブ760a、760b、760cの異なる振幅に応動して取得されたデータをフーリエ変換することにより、横スピン磁化を生じる信号の(位相符号化勾配ローブ760a、760b、760cの方向の)加速度を求めることができる。
本発明の第2の実施例では、各フレームはパルスシーケンス700のN=2回の印加で構成される。第1の印加では、速度符号化勾配パルス755a、755bは選択された極性で印加される。これにより、横スピン磁化の位相は速度符号化勾配パルス755a、755bの方向の速度の成分に比例することになる。しかし、横スピン磁化の各部分の位相には、速度以外の要因からの寄与もある。これらの要因には、送信器のオフセット、化学シフト効果および渦電流が含まれ得る。
速度以外のすべての要素からの寄与を除去するために、パルスシーケンス700の第2の印加が行われ、第2のデータセットが取得される。第2の印加におけるRFパルスおよび磁界勾配パルスは、第1の速度符号化パルスローブ755aおよび第2の速度符号化パルスローブ755bを除いて、第1の印加の場合と同じである。第1および第2の速度符号化パルスローブの代わりに、第3の速度符号化パルスローブ755cおよび第4の速度符号化パルスローブ755dが印加される。第3の速度符号化パルスローブ755cおよび第4の速度符号化パルスローブ755dは、極性が逆になっている点を除けば、第1の速度符号化パルスローブ755aおよび第2の速度符号化パルスローブ755bとそれぞれ同じである。次に、第1の印加で収集されたデータを第2の印加で収集されたデータから減算することにより、差データセットが得られる。第3および第4の速度符号化勾配ローブによって誘起される位相シフトは、第1および第2の速度符号化勾配ローブによって誘起される位相シフトに対して逆極性となる。パルスシーケンス700の第1の印加に応動して取得されたデータの位相をパルスシーケンス700の第2の印加に応動して取得されたデータの位相から減算すると、すべての非速度要因からの位相寄与が実質的に相殺され、速度から生じる位相シフトだけが残る。この位相シフトは速度に正比例し、この位相シフトを使用して速度を量的に表すことができる。
本発明は医学用イメージングに幾つかの用途がある。たとえば本発明は、血管狭窄の領域の中およびその周りの血流加速度を検出して定量化するのに使用することができる。
血流加速度の異常な値の測定は、血管が狭くなっている程度の有用な指標となり得ると共に、治療方針の決定に使用することができる。
当業者には、本発明の上記以外の多数の実施態様が容易に考えられよう。たとえば、前に説明した実施例で使用される速度および加速度の符号化勾配パルスは、ジャークのような高次の運動から位相シフトを誘起する符号化勾配パルスに置き換えることができる。これらの勾配パルスは、図5に示したのと同様なやり方で速度および加速度の符号化勾配の線形組み合わせを行うことにより、構成することができる。付加的な位相符号化勾配パルスを追加して、その結果の画像に付加的な次元を形成することにより、本発明の他の実施態様を作ることができる。これらの次元は、運動の空間、速度、加速度またはより高次の成分とすることができる。
新規なMR運動イメージング方法の好ましい幾つかの実施例について詳細に説明してきたが、多数の変形および変更を行いうることは当業者には明らかであろう。したがって、本発明の趣旨の中に入るこのようなすべての変形および変更を包含するように請求の範囲が記載されていることを理解されたい。
1.発明の分野
本発明は磁気共鳴イメージングの分野に関し、更に詳しくは磁気共鳴を用いて移動する物質をイメージングする分野に関する。
2.関連技術の説明
運動(motion)、特に流体の運動は、多数のシステムにおいて重要なパラメータである。速度および加速度の勾配についての情報は、流体流システムの設計および解析で有用である。速度および加速度の勾配は、乱流の起こりやすい領域およびよどみ領域を示す。これらにより、金属パイプの腐食、障害領域等が生じる。また、生体の脈管を通るゆっくりした流れの領域は動脈硬化症の発生で中心的な役割を果たすことが判っている。
インク流線として知られる伝統的な流体流分析法では、流れる流体に造影剤を入れて、造影剤の運動を観察する必要がある。
物質の運動を測定するもう1つの方法では、レーザドップラ法を用いる。この方法では、被測定物質の中に懸濁している粒子からレーザビームを反射させて、短時間の間の各粒子の変位を測定することにより、選定された位置での物質の速度を表示することが必要になる。
上記の方法のどちらも、侵襲的すなわち破壊的であり、被試験物質への直接のアクセスを必要とする。物質が管の内側にあるか生体内の深いところにある場合には、これらの方法は有用でない。更にこれらの方法は、生体内の試験または非侵襲的な試験の用途には適していない。
磁気共鳴を用いて流体の運動を検出し測定するための多数の方法が以前に開示されてきた。これらの方法では、移動する流体のボーラス(bolus)の磁化を変えて追従するボーラス追跡方式を使用するか、もしくは運動符号化(motion encoding)磁界勾配パルスを使用して速度、加速度およびジャークのような所望の運動成分に比例した位相シフトを誘起する方式を使用する。磁気共鳴を用いて運動を検出するための従来の方法は、一度に1つの運動成分しか検出できないので、用途が限られている。
運動のいくつかの成分を非侵襲的に同時に測定する方法を提供することは有用である。
発明の概要
運動の2つ以上の成分から情報を含む画像を取得するために磁気共鳴(MR)パルスシーケンスを使用する方法が開示される。これらのパルスシーケンスには、スライス選択無線周波(RF)パルス、および空間符号化のための従来の読出し勾配パルスが含まれる。少なくとも2つの運動符号化勾配パルスがパルスシーケンスに組み入れられる。運動符号化勾配波形は、速度を画像に位相シフトとして符号化するために双極性(bipolar)とすることができ、また加速度を結画像に位相シフトとして符号化するために三極性(tripolar)とすることができ、もしくは一層高次の運動を符号化するために一層多数のローブを持つことができる。
運動符号化勾配は2つのやり方の内の1つで印加される。第1の運動符号化勾配は選択された振幅で印加されるが、後続の取得の間に極性が変調される。この変調に応動して取得されたデータは、差を計算することにより、第1の運動符号化勾配から生じるデータの成分を抽出するように処理される。振幅を変えて第2の運動符号化勾配パルス(そして存在する場合には、すべての付加的な運動符号化パルス)を印加することにより、画像の位相符号化次元が形成される。この形式で符号化された運動は、変化するパルス振幅に対してフーリエ変換を適用することにより分解される。運動次元は、被検体の中の速度のような運動パラメータの分布を評価する手段を提供する。
発明の目的
本発明の1つの目的は、被検体の中の2つ以上の選択された運動成分を同時に検出して表示するための方法を提供することである。本発明のもう1つの目的は、被検体の中の速度の2つの直交成分を検出して表示するための方法を提供することである。
本発明の更にもう1つの目的は、被検体の中の速度および加速度を検出して表示するための方法を提供することである。
新規と信じられる本発明の特徴は、請求の範囲に明確に記述されている。しかし、本発明の他の目的および利点とともに、本発明の構成および動作方法は、付図を参照した以下の説明により最も良く理解することができる。
【図面の簡単な説明】
図1は、本発明で使用するのに適した磁気共鳴(MR)イメージングシステムの概略ブロック図である。
図2は、図1の磁石集合体の詳細図である。
図3aは、せん断イメージングパルスシーケンスに組み込まれた速度符号化磁界勾配パルスシーケンスの一実施例を示すグラフである。
図3bは、速度符号化磁界勾配パルスシーケンスのもう1つの実施例を示すグラフである。
図4a乃至4cは、双極性磁界勾配パルスが不動のスピン磁化に及ぼす効果を示すベクトル図である。
図4d乃至4fは、双極性磁界勾配パルスが移動するスピン磁化に及ぼす効果を示すベクトル図である。
図5は、2つの速度符号化磁界勾配パルスを組み合わせることによる加速度符号化磁界勾配パルスの形成を示すグラフである。
図6は、加速度測定値が画像の1つの次元を定める場合に、速度および加速度を測定するために使用することのできる本発明の第2の実施例のパルスシーケンスを示す線図である。
発明の詳しい説明
本発明の一実施例では、磁気共鳴イメージングシステムの磁石の中に被検体が配置される。運動成分の画像が希望される領域は、従来のMRイメージングシーケンス等の助けを借りて操作者により定められる。次に、パルスシーケンスが印加され、データが分析される。
図1は、ここで説明する本発明で使用するのに適した磁気共鳴(MR)イメージングシステムの主要構成要素の概略ブロック図である。このシステムは、デイスク記憶装置2aおよびインタフェース装置2bに機能的に結合された汎用ミニコンピュータ2を含む。無線周波(RF)送信器3、信号平均器4ならびに勾配電源5a、5bおよび5cがすべて、インタフェース装置2bを介してコンピュータ2に結合される。勾配電源5a、5bおよび5cは勾配コイル12−1、12−2および12−3を付勢して、イメージング対象の被検体に対してそれぞれX、YおよびZ方向に磁界勾配Gx、GyおよびGzを作成する。RF送信器3は、コンピュータ2からのパルスエンベロープでゲート駆動されることにより、被検体からMR応答信号を励起するために必要な変調を持つRFパルスを発生する。RFパルスは、イメージング方法に応じて100ワットから数キロワットまで変わるレベルにRF電力増幅器6で増幅され、送信コイル14−1に印加される。全身イメージングのようにサンプル体積がより大きい場合、またより大きいNMR周波数帯域幅を励起するために短時間パルスが必要な場合には、より高い電力レベルが必要になる。
MR応答信号は受信コイル14−2によって検知されて、低雑音前置増幅器9で増幅された後、受信器10に送られて、そこで更に増幅され、検出され、フィルタリングされる。次に、信号はディジタル化されて、信号平均器4によって平均され、コンピュータ2で処理される。前置増幅器9および受信器10は、送信の間、能動ゲーティングまたは受動フィルタリングによって、RFパルスから保護される。
コンピュータ2は、MRパルスに対するゲーティングおよびエンベロープ変調、前置増幅器およびRF電力増幅器に対するブランキング、ならびに勾配電源に対する電圧波形を供給する。コンピュータはフーリエ変換、画像再構成、データのフィルタリング、画像の表示および記憶機能のようなデータ処理も行う(これらの機能のすべては従来のものであり、本発明の範囲外にあるものである)。
希望する場合には、送信コイル14−1および受信RFコイル14−2は単一のコイルで構成することができる。このかわりに、電気的に直交する2つの別々のコイルを使用してもよい。後者の構成では、パルス送信の間に受信器に漏れるRFパルスが小さくなるという利点がある。どちらの場合も、コイルは磁石手段11が発生する静磁界B0の方向に直角である。コイルはRF遮蔽室で囲まれることによってシステムの残りの部分から隔離される。
サンプル体積にわたって単調で線形である勾配Gx、GyおよびGzを供給するために磁界勾配コイル12−1、12−2および12−3がそれぞれ必要とされる。多値勾配磁界により、ひどい画像アーチファクトの原因となるエイリアシングとして知られているMR応答信号データの劣化が生じる。非線形勾配により、画像の幾何学的ひずみが生じる。
図2に概略図で示されている磁石集合体11は中心の円筒形の内腔11aを有する。内腔11aは、通常、軸方向すなわちデカルト座標系のZ軸方向に静磁界B0を発生する。図1のコイル12−1、12−2および12−3のような一組のコイル12は、入力接続部12aを介して電気信号を受けて、内腔11aの体積の中に少なくとも1つの勾配磁界を形成する。内腔11aの中には、RFコイル14も配置されている。RFコイル14は少なくとも1つの入力ケーブル14aを介してRFエネルギを受けて、通常X−Y平面の中にRF磁界B1を形成する。
図3aおよび3bは、速度符号化(velocity encoding)磁界勾配パルスシーケンスの2つの実施例を示す。図3aにおいて、磁界勾配は、時点t=0まで、強度がほぼ零である。t=0からt=aまで、第1の磁界勾配パルス300が印加される。t=bからt=cまで、第2の磁界勾配パルス310が印加される。第2の磁界勾配パルスは継続時間および強度が第1の勾配パルスとほぼ同じであるが、極性が逆である。2つの勾配パルスの間の時間間隔はTである。
この速度符号化勾配パルスの代替実施例が図3bに示されている。この実施例は図3aに示された実施例と同様であるが、勾配波形320と330の間に再集束RFパルス340が付加され、第2の波形330の極性が第1の勾配パルス320の極性と同じである点が異なっている。
図3aおよび3bの磁界勾配パルスシーケンスのような磁界勾配パルスシーケンスの印加により、横スピン磁化に位相シフトが生じる。この横スピン磁化の位相シフトは、速度、パルスシーケンスの各ローブの面積Ag、核種の磁気回転比γ、および相次ぐ勾配ローブの間の時間間隔Tに正比例する。この関係は熟練した当業者には周知であり、次式で表すことができる。
Φ=γVTAg [1]
ここで、Φは速度により誘起される位相シフトであり、Vは印加された磁界勾配に平行な核スピンの速度成分である。
速度符号化磁界勾配パルスが不動のスピン磁化の物体に及ぼす効果が図4a乃至4cに示されている。説明の目的で、印加された速度符号化勾配の方向の異なる位置に於ける2つのスピンの横磁化に対応するベクトルだけが示されている。RFパルスによる横スピン磁化の発生後、すべてのスピンは同じ位相を持ち、図4aに示すように時点t=0で単一のベクトル400として表すことができる。しかし、各スピンは、図4bに示すように時点t=aで、磁界勾配に沿ったその位置に正比例する位相シフトを生じる。これらの個々のベクトル410、420は不動のスピンすなわち位置を変えないスピンから生じる。したがって、第2の勾配パルスが印加されたとき、第1の勾配パルスにより生じた位相シフトは第2の勾配パルスによって正確に相殺される。したがって、各スピンの時点t=cにおける位相シフトは同じになり、2つのベクトルは一致して、図4cの単一のベクトル430として表される。時点t=cでの位相シフトは、時点t=0における位相シフトとほぼ同じである。
速度符号化磁界勾配パルスが移動するスピン磁化の物体に及ぼす効果が図4d乃至4fに示されており、これは、図4a乃至4cに示した上記の速度符号化磁界勾配パルスが不動のスピン磁化の物体に及ぼす効果とは異なる。説明のために、図には、同じ速度で移動するが、印加された速度符号化勾配の方向の異なる位置に於ける2つのスピンの横スピン磁化に対応するベクトルだけが示されている。RFパルスによる横スピン磁化の発生後、図4dに示されるようにすべてのスピンは同じ位相を持ち、時点t=0で単一のベクトル450として表すことができる。しかし、時点t=aで、各スピンは、図4eのベクトル460、470で示されるように磁界勾配に沿ったその位置に正比例する位相シフトを生じる。これらの個々のベクトルは、時間とともに位置を変えるスピンから生じるので、第2の勾配パルスが印加されたとき、第1のパルスによる生じた位相シフトは第2の勾配パルスによって完全には相殺されない。したがって、図4fに示されるように時点t=cにおける位相シフトは単一のベクトル480によって表され、時点t=0における位相シフトから量Φだけ異なる。この位相シフトは式[1]の速度Vに正比例する。
図5は、図3に示された速度符号化磁界勾配パルスからどのようにして、より高次の運動符号化磁界勾配パルスを作成できるかを示す。加速度は時間に対する速度の変化と定義されるので、第1の速度符号化勾配パルス510を印加した後、第2の速度符号化勾配パルス520を印加することにより加速度を測定することができる。第2の速度符号化勾配パルス520は、第1の速度符号化パルス510とは逆の極性になっている。したがって、速度が一定のスピン磁化の場合、第1の速度符号化パルス510によって生じる速度誘起位相シフトは、第2の速度符号化パルス520によって生じる速度誘起位相シフトにより相殺される。しかし、検出されるスピン磁化の速度が第1の速度符号化パルスと第2の速度符号化パルスとの間の期間内に変化する場合、位相の相殺は不完全となり、その残留位相シフトが加速度に正比例する。
加速度符号化(acceleration encoding)勾配パルスを発生するために、第1の速度符号化パルス510と第2の速度符号化パルス520が図5の2つの異なるやり方で組み合わされる。速度符号化パルスを組み合わせて勾配波形の振幅を保存するときは、振幅の等しい加速度符号化勾配パルス530が作成される。これと異なり、速度符号化パルスを組み合わせて勾配波形のローブの継続時間を保存するときは、継続時間の等しい加速度符号化勾配パルス540が作成される。振幅が等しい加速度符号化勾配パルス530の加速度誘起位相シフトは、継続時間の等しい加速度符号化勾配パルス540の場合の2倍になることに注意すべきである。勾配パルス530の場合に観測される位相シフトΦAccは
ΦAcc=4γVT2Ag [2]
であり、勾配パルス540の場合に観測される位相シフトΦAccは
ΦAcc=2γVT2Ag[3]
である。
図6は、図1および図2のMRイメージングシステムで実行することができる本発明の第2の実施例で用いられる無線周波(RF)パルスおよび磁界勾配のパルスシーケンスを示す。パルスシーケンス700では、スライス選択磁界勾配パルス740の存在する状態でRF励起パルス730が印加される。励起パルス730は、被検体の選択された部分内のスピン磁化を章動させる。章動の量は、励起パルス730の継続時間および振幅を選択することによって選ぶことができる。選択される部分の位置および大きさは、RFパルス730の周波数および帯域幅ならびにスライス選択磁界勾配パルス740の振幅を適切に選択することによって調整することができる。
RF励起パルス730およびスライス選択磁界勾配パルス740が印加された後、スライス再集束磁界勾配パルス750が印加される。スライス再集束勾配パルス750は、被検体の選択された部分の中のすべての横スピン磁化がスライス再集束勾配パルス740の印加後にほぼ同相となるように選択された振幅および継続時間を持つ。本実施例では、当業者には周知のように、スライス再集束勾配パルス750の振幅と継続時間との積は、スライス選択勾配パルス740の振幅と継続時間との積のほぼ半分であり、極性が逆である。
RF励起パルス730およびスライス選択磁界勾配パルス740が印加された後、選択された方向に双極性速度符号化磁界勾配パルスが印加される。速度符号化パルスは、第1の速度符号化磁界勾配パルスローブ755aおよび第2の速度符号化磁界勾配パルスローブ755bで構成される。第2の速度符号化パルスローブ755bのパルスの継続時間と振幅との積は、図3について説明したように、第1の速度符号化パルスローブ755aのパルスの継続時間と振幅との積にほぼ等しく、極性が逆である。
横スピン磁化に第1の速度符号化パルスローブ755aおよび第2の速度符号化パルスローブ755bを相次いで印加することにより、速度符号化磁界勾配の方向に平行な磁化の速度成分に比例した位相シフトが横スピン磁化に生じる。この位相シフトを使用することにより、不動の横スピン磁化から移動する横スピン磁化を区別することができる。
RF励起パルス730およびスライス選択勾配パルス740が印加された後、選択された振幅の三極性位相符号化磁界勾配パルスが印加される。この三極性位相符号化パルスは、第1の位相符号化磁界勾配パルスローブ760a、および第2の位相符号化磁界勾配パルスローブ760bおよび第3の位相符号化磁界勾配パルスローブ760cで構成される。位相符号化勾配パルスローブ760a、760b、760cは速度符号化勾配パルス755a、755bに対してほぼ直角な方向に印加され、また希望する場合にはスライス再集束パルス750と同時に印加することができる。明瞭にするため、図6では、位相符号化パルスローブ760a、760b、760c、速度符号化パルス755a、755b、およびスライス再集束パルス750は同時であるように図示されていないが、これらのパルスの組み合わせを同時に印加することは可能である。
RF励起パルス730およびスライス選択勾配パルス740が印加された後、選択された振幅の読出し位相外し磁界勾配パルス770が印加される。読出し位相外し勾配パルス770は、スライス選択勾配パルス740と位相符号化パルスローブ760a、760b、760cとの両方に対してほぼ垂直な方向に印加される。読出し位相外しパルス670は、希望する場合にはスライス再集束パルス750または位相符号化パルスローブ760a、760b、760cと同時に印加することができる。読出し位相外しパルス770により、読出し位相外し磁界勾配の方向に沿った異なる位置の横磁化は読出し方向の位置に比例した位相シフトを生じる。
スライス再集束パルス750、位相符号化パルスローブ760a、760b、760c、および読出し位相外しパルス770の印加に続いて、読出し磁界勾配パルス780が印加される。読出しパルス780は読出し位相外しパルス770と同じ方向に印加されるが、極性は逆になっている。読出しパルス780の間の選択された点で事実上すべての横スピン磁化が同じ位相シフトを持つように、読出しパルス780の振幅および継続時間が選択される。
読出しパルス780とほぼ同時に、データ取得信号パルス790がイメージングシステムの一部であるデータ取得サブシステムに送られる。データ取得パルス790の間に、MR信号がディジタル化される。被検体の選択された部分の中の横スピン磁化から到来するMR信号は読出し磁界勾配780の間に取得されるので、検出される各MR信号は、上記信号を発生した横スピン磁化の位置に比例する周波数を持つことになる。当業者には周知のやり方で、取得された信号データをフーリエ変換することにより、各信号源の位置を決定することができる。
本発明では、パルスシーケンス700を複数回すなわちN回繰り返すことにより、単一フレームのデータを形成する。この単一フレームのデータは、少なくとも1つの運動成分の測定を行うのに充分な情報を有している。フレームの取得は、複数回すなわちY回繰り返される。各フレーム取得で、位相符号化パルスローブ760a、760b、760cに異なる振幅が与えられる。位相符号化パルスローブ760a、760b、760cによって、検出されるMR信号に位相シフトが生じる。位相シフトは、位相符号化磁界勾配ローブ760a、760b、760cの方向の横スピン磁化の加速度に比例する。当業者には周知のやり方で、位相符号化勾配ローブ760a、760b、760cの異なる振幅に応動して取得されたデータをフーリエ変換することにより、横スピン磁化を生じる信号の(位相符号化勾配ローブ760a、760b、760cの方向の)加速度を求めることができる。
本発明の第2の実施例では、各フレームはパルスシーケンス700のN=2回の印加で構成される。第1の印加では、速度符号化勾配パルス755a、755bは選択された極性で印加される。これにより、横スピン磁化の位相は速度符号化勾配パルス755a、755bの方向の速度の成分に比例することになる。しかし、横スピン磁化の各部分の位相には、速度以外の要因からの寄与もある。これらの要因には、送信器のオフセット、化学シフト効果および渦電流が含まれ得る。
速度以外のすべての要素からの寄与を除去するために、パルスシーケンス700の第2の印加が行われ、第2のデータセットが取得される。第2の印加におけるRFパルスおよび磁界勾配パルスは、第1の速度符号化パルスローブ755aおよび第2の速度符号化パルスローブ755bを除いて、第1の印加の場合と同じである。第1および第2の速度符号化パルスローブの代わりに、第3の速度符号化パルスローブ755cおよび第4の速度符号化パルスローブ755dが印加される。第3の速度符号化パルスローブ755cおよび第4の速度符号化パルスローブ755dは、極性が逆になっている点を除けば、第1の速度符号化パルスローブ755aおよび第2の速度符号化パルスローブ755bとそれぞれ同じである。次に、第1の印加で収集されたデータを第2の印加で収集されたデータから減算することにより、差データセットが得られる。第3および第4の速度符号化勾配ローブによって誘起される位相シフトは、第1および第2の速度符号化勾配ローブによって誘起される位相シフトに対して逆極性となる。パルスシーケンス700の第1の印加に応動して取得されたデータの位相をパルスシーケンス700の第2の印加に応動して取得されたデータの位相から減算すると、すべての非速度要因からの位相寄与が実質的に相殺され、速度から生じる位相シフトだけが残る。この位相シフトは速度に正比例し、この位相シフトを使用して速度を量的に表すことができる。
本発明は医学用イメージングに幾つかの用途がある。たとえば本発明は、血管狭窄の領域の中およびその周りの血流加速度を検出して定量化するのに使用することができる。
血流加速度の異常な値の測定は、血管が狭くなっている程度の有用な指標となり得ると共に、治療方針の決定に使用することができる。
当業者には、本発明の上記以外の多数の実施態様が容易に考えられよう。たとえば、前に説明した実施例で使用される速度および加速度の符号化勾配パルスは、ジャークのような高次の運動から位相シフトを誘起する符号化勾配パルスに置き換えることができる。これらの勾配パルスは、図5に示したのと同様なやり方で速度および加速度の符号化勾配の線形組み合わせを行うことにより、構成することができる。付加的な位相符号化勾配パルスを追加して、その結果の画像に付加的な次元を形成することにより、本発明の他の実施態様を作ることができる。これらの次元は、運動の空間、速度、加速度またはより高次の成分とすることができる。
新規なMR運動イメージング方法の好ましい幾つかの実施例について詳細に説明してきたが、多数の変形および変更を行いうることは当業者には明らかであろう。したがって、本発明の趣旨の中に入るこのようなすべての変形および変更を包含するように請求の範囲が記載されていることを理解されたい。
Claims (2)
- 被検体の中の物質の運動の複数の成分を同時に検出する方法に於いて、
a)上記被検体を磁界の中に配置して核スピンを分極するステップ、
b)選択された周波数および振幅の無線周波(RF)パルスを印加するステップ、
c)上記RFパルスの印加と同時に、イメージング対象の所望のスライスに対して直角なスライス選択方向にスライス選択磁界勾配を印加することにより、上記被検体のスライス内の共鳴核すなわち「核スピン」を章動させて、横スピン磁化を生じるステップ、
d)選択された極性の速度符号化磁界勾配パルスを速度符号化方向に上記被検体に印加することにより、上記横スピン磁化に速度によって誘起される位相シフトを生じさせるステップ、
e)上記スライス選択方向および上記速度符号化方向とは独立の位相符号化方向に向いた、加速度に比例する位相シフトを誘起する選択された振幅の磁界勾配パルスである、より高次の位相符号化パルスを印加するステップ、
f)上記スライス選択方向に対してほぼ直角な読出し方向に読出し磁界勾配パルスを印加するステップ、
g)上記読出し磁界勾配パルスが存在する状態でMR応答信号を取得するステップ、
h)上記MR応答信号をフーリエ変換することにより中間データセットを求めるステップ、
i)上記ステップb乃至hを複数回すなわちY回繰り返すことにより、Y個の中間データセットを求めるステップであって、その際、各々の繰り返し毎に上記高次の位相符号化勾配パルスの振幅が独特の振幅に定められるステップ、
j)上記高次の位相符号化パルスの振幅に関して上記Y個の中間データセットをフーリエ変換することにより、空間の第1の次元および加速度の第2の次元を持つ複素二次元変換データセットを求めるステップであって、二次元変換データセットが複数の複素エントリを持ち、各複素エントリの位相が速度を示し、振幅が上記被検体の中の物質の所与の加速度および空間位置における核スピンの数を示すステップ
を含むことを特徴とする複数の運動成分の同時検出方法。 - 被検体の中の物質の運動の複数の成分を同時に検出する方法に於いて、
a)上記被検体を磁界の中に配置して核スピンを分極するステップ、
b)選択された周波数および振幅の無線周波(RF)パルスを印加するステップ、
c)上記RFパルスの印加と同時に、イメージング対象の所望のスライスに対して直角なスライス選択方向にスライス選択磁界勾配を印加することにより、上記被検体のスライス内の共鳴核すなわち「核スピン」を章動させて、横スピン磁化を生じるステップ、
d)選択された極性の速度符号化磁界勾配パルスを速度符号化方向に上記被検体に印加することにより、上記横スピン磁化に速度によって誘起される位相シフトを生じさせるステップ、
e)上記スライス選択方向および上記速度符号化方向とは独立の位相符号化方向に向いた、加速度に比例する位相シフトを誘起する選択された振幅の磁界勾配パルスである、より高次の位相符号化パルスを印加するステップ、
f)上記スライス選択方向に対してほぼ直角な読出し方向に読出し磁界勾配パルスを印加するステップ、
g)上記読出し磁界勾配パルスが存在する状態で第1のMR応答信号を取得するステップ、
h)上記ステップb乃至gを繰り返すことにより、第2のMR応答信号を取得するステップ、
i)上記第2のMR応答信号から上記第1のMR応答信号を減算することにより、差データセットを求めるステップ、
j)上記差データセットをフーリエ変換することにより、中間データセットを求めるステップ、
k)上記ステップb乃至jを複数回すなわちY回繰り返すことにより、Y個の中間データセットを求めるステップであって、その際、各々の繰り返し毎に上記高次の位相符号化勾配パルスの振幅が独特の振幅に定められるステップ、
l)上記高次の位相符号化パルスの振幅に関して上記Y個の中間データセットをフーリエ変換することにより、空間の第1の次元および加速度の第2の次元を持つ複素二次元変換データセットを求めるステップであって、二次元変換データセットが複数の複素エントリを持ち、各複素エントリの位相が速度を示し、振幅が上記被検体の中の物質の所与の加速度および空間位置における核スピンの数を示すステップ
を含むことを特徴とする複数の運動成分の同時検出方法。
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