JP3684516B2

JP3684516B2 - 磁気共鳴装置

Info

Publication number: JP3684516B2
Application number: JP32239495A
Authority: JP
Inventors: ジェイ．ロンカーマーク; ビー．マードックジェームズ; ピー．ガラパーリィレイオウ
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1994-11-23
Filing date: 1995-11-16
Publication date: 2005-08-17
Anticipated expiration: 2015-11-16
Also published as: EP0714034A1; DE69530656D1; JPH08215173A; US5500593A; EP0714034B1; DE69530656T2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気共鳴方法および装置に関する。特に本発明は、定常状態磁気共鳴撮像技術に関するものであり、以下詳細な例を用いて説明する。
【０００２】
【従来の技術】
これまで、多くの定常状態磁気共鳴撮像技術が開発されてきた。定常状態撮像技術では反復時間が非常に短い。検査材料が人間の組織である場合、通常緩和時間Ｔ１およびＴ２は反復時間を超える。つまり、最初のＲＦパルスにより生成された横磁化成分は、次のＲＦパルスが適用されたときにもまだ存在するのである。従ってシーケンス中はどの時点においても、最初の反復から継続する全ての退化成分の重畳である累積横同期信号が存在する。緩和時間Ｔ２が反復時間に対して長ければ長いほど、累積同期信号のＴ２加重はより大きくなる。
【０００３】
定常状態シーケンスの連続反復のインターバルで形成される横同期を妨害する技術の一つは、スポイラ傾斜の適用である。Crawley他による「フラッシュＭＲＩにおける横同期の除去」^Elimination of Transverse Coherences in FLASH MRI"、医学における磁気共鳴、Vol.8, pp.248-260, 1988を参照。Crawley技術では、振幅が位相符号化工程と共に線形に変化するスポイラ傾斜が適用される。傾斜に沿って与えられた位置におけるこのようなスポイラの効果は、無線周波パルスに適用された増大位相シフトの全ビュー領域上の効果に等しい。適切なＲＦ位相シフトを実行することにより、定常状態における残留磁化成分は無効にされる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
２次元および容量撮像においては、一般的に前飽和ＲＦパルスが定常状態撮像シーケンスの前に存在する。多くの技術において、ＲＦパルスはスライス選択傾斜と同時に適用される。前飽和パルスおよびスライス選択傾斜は、容量の選択領域を飽和してそこからの効果を除去する。３つの直交傾斜軸各々に沿ったスポイラ傾斜は、前飽和パルスと定常状態撮像シーケンスとの間に適用される。いくつかの技術においては、前飽和ＲＦパルスの位相は他の適用において逆転する。この技術の欠点の一つは、スポイラ傾斜パルスの持続が定常状態シーケンスの非常に短い反復時間をかなり持続させることである。
【０００５】
定常状態技術は、スペクトル飽和を要するシーケンスにも使用される。例えば脂肪のメチルおよびメチレン共鳴を飽和して脂肪からの反応を抑制するように、スペクトル飽和シーケンスでは、選択スペクトル帯域のみ飽和されるように狭ＲＦパルスを調整して選択周波数が照射される。
【０００６】
本発明は、上記およびその他の問題を克服するような磁気共鳴装置を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様によれば、少なくとも被検体の一部が一時的に一定な磁界の検査領域内に配置され、前記検査領域内の前記被検体部分は周期的に、１）前記被検体部分の選択材料のみを飽和するために集束された飽和無線周波数パルスを適用、２）スポイラ傾斜を適用、３）受信・処理される磁気共鳴信号を前記検査領域の非飽和材料から生成するために磁気共鳴シーケンスを適用することにより検査される磁気共鳴装置において、前記飽和無線周波数パルスの位相は各周期的反復で変化することを特徴とする磁気共鳴装置が提供される。
【０００８】
前記飽和無線周波パルスの前記位相は、各周期的反復において線形増加インクリメントで増加することが好ましい。
【０００９】
前記無線周波数パルスの前記位相は、各周期的反復において予め選択された同じ位相段階でインクリメントしてもよい。
【００１０】
本発明の第２の態様によれば、検査領域内に一時的に一定な磁界を生成する磁石と、無線周波飽和、共鳴励起および共鳴操作パルスを前記検査領域内に送信する送信器機構と、前記検査領域から発せられる磁気共鳴信号を受信する受信器と、磁界傾斜を前記検査領域を横切る直交軸に沿って適用する傾斜コイルおよび傾斜パルス増幅器と、前記傾斜増幅器および送信器に交流飽和パルスおよび磁気共鳴シーケンスを含む撮像および他の磁気共鳴処理を実行させるために前記傾斜増幅器および送信器を制御するシーケンス制御器と、受信された磁気共鳴信号を処理する再構成プロセッサとを有する磁気共鳴装置において、前記飽和パルスの位相を、各周期的反復で前記位相が変化するように制御する手段を特徴とする磁気共鳴装置が提供される。
【００１１】
前記位相制御手段は、前記飽和無線周波パルスの前記位相を各周期的反復において増加インクリメントで増加させることが好ましい。
【００１２】
本発明の１つの利点は、ｘ、ｙおよびｚ傾斜スポイラパルスの持続が６０％にまで引き下げられることである。
【００１３】
本発明の別の利点は、誘発反響を減少できることである。
【００１４】
本発明のまた別の利点は、残留横磁化を減少できることである。
【００１５】
本発明のさらにまた別の利点は、磁気共鳴スキャナにおいてスループットを増加できることである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に添付図面を参照しながら、本発明による磁気共鳴装置について説明する。
【００１７】
図１を参照すると、医療撮像で使用される本装置は、実質的に均一で一時的に一定な磁界がｚ軸に沿って検査領域１４内に生成されるように超伝導または抵抗性の磁石１２を制御する主磁界制御１０を含む。磁気共鳴反響手段は、一連の無線周波（ＲＦ）および磁界傾斜を適用して磁気スピンを転化または励起、磁気共鳴を誘導、磁気共鳴を操作、磁気共鳴に空間符号化等を適用、スピンを飽和等して磁気共鳴撮像および分光シーケンスをもたらす。より明確に言えば、傾斜パルス増幅器２０は全身傾斜コイル２２の選択されたもの、または一対に電流パルスを適用して、検査領域内にＲＦパルスを送信するために送信器２４に全身ＲＦコイル２６へ無線周波パルスまたはパルスパケットを送信させる。一般的な無線周波パルスは、結合されることにより選択の磁気共鳴操作が得られる短持続の連続パルスセグメントパケットにより構成される。ＲＦパルスは、飽和、共鳴の励起、磁化の転化、または検査領域の選択部分における共鳴の操作のために使用される。全身適用の場合は、共鳴信号は通常全身ＲＦコイル２６により捕捉される。
【００１８】
被検体の有限領域画像を生成するにあたり、通常局部コイルは選択領域と隣接して配置される。例えば挿入式頭部コイル３０は、穴のアイソセンタにおいて選択脳領域を包囲するように挿入することが好ましい。挿入式頭部コイルは、傾斜増幅器２０から電流パルスを受信して頭部コイル内の検査領域においてｘ、ｙおよびｚ軸に沿った磁界傾斜を生成する局部傾斜コイル３２を選択的に含む。局部無線周波コイル３４は、磁気共鳴を励起し、患者の頭部より発せられる磁気共鳴信号を受信するために使用される。その他に、受信専用局部コイルを身体コイル送信と共に使用することも可能である。ＲＦスクリーン３６は、ＲＦ傾斜コイル内およびその周囲の構造体へのうず電流の誘導を防止するためにＲＦ頭部コイルからのＲＦ信号を遮断する。
【００１９】
シーケンス制御４０は傾斜パルス増幅器２０、デジタル送信器２２およびデジタル無線周波受信器３８を制御する。より明確に言えば、シーケンス制御手段は、一連の磁気共鳴撮像シーケンスに対して基本タイミング信号を供給するタイミング手段またはプロセッサ４２を含む。タイミング手段４２は、飽和パルス生成器４４、スポイラ傾斜生成器４６および定常状態シーケンス制御４８を周期的に動作する。
【００２０】
図１、さらに図２を参照すると、飽和パルス生成器４４は空間またはスペクトル集束される飽和パルス波形を生成し、これはＲＦ送信チェーン５０に送られる。ＲＦパルスは狭帯域であることが好ましい、すなわち、脂肪のような選択組織の飽和で特定的な周波数、またはスライス選択傾斜が現存する状況で適用された場合に適切限定スライスを飽和できる周波数ということである。ＲＦパルス位相制御器５４は、ＲＦ飽和パルス５２の位相を制御する。空間抑制の実施例では、スライス選択制御器５６は電流増幅器２０を制御して、飽和する関心容量領域を制御する。スライス選択傾斜は、所定厚の適切限定スライスや間隔を空けた平行スライス対等において空間的に飽和を集束できる。別々に図示されてはいるが、スライス選択傾斜は、ｘ、ｙおよびｚ軸のいずれに沿っても適用可能で、また斜めにも適用できることを認識されたい。空間飽和パルス５２および傾斜５８の後には、スポイラ傾斜パルス６２、６６および７０が続く。飽和パルスＲＦ位相が適切にシフトされた場合に、画質への悪影響なしに短くできるのはこのような傾斜パルスである。他の実施例では、スペクトル飽和パルス５２’は撮像容量を通して脂肪または他の選択組織からの信号を抑制するために適用される。スペクトル飽和パルスのすぐ後には、スポイラ傾斜６２、６６および７０が続く。ここでも、これらのスポイラ傾斜はパルス５２’の位相が適切にシフトされた場合に短くできる。他の実施例では、空間およびスペクトル予飽和の結合において示されるように、スペクトル飽和パルス５２’、空間飽和パルス５２およびスライス選択傾斜５８の全てが適用される。
【００２１】
スポイラ傾斜生成器４６は、ｘスポイラ傾斜６２を生成するｘスポイラ傾斜制御６０、ｙスポイラ傾斜６６を生成するｙスポイラ傾斜制御６４、およびｚスポイラ傾斜７０を選択的に生成するｚスポイラ傾斜制御６８を含む。
【００２２】
予飽和およびスポイラ傾斜が適用された後、タイミング手段４２は、ＦＡＳＴシーケンスまたは反復７２等の定常状態シーケンスを動作する定常状態シーケンス制御器４８を動作する。好ましいのは、シーケンスメモリ７４が操作者が選択できるＦＬＡＳＨ、ＣＥＦＡＳＴ、３次元撮像シーケンス等、他の定常状態シーケンスを記憶することである。シーケンスメモリはさらにＭＴＣ、ＦＡＴＳＡＴ等のスペクトル飽和シーケンスを記憶する。
【００２３】
磁気共鳴撮像シーケンス中の磁化の発生については、一連の軸に周囲における一連の磁化ベクトルの回転として説明できる。各磁化回転は、次のように表される。
【００２４】
ｍ₂＝Ｒ・ｍ₁ …（１）
【００２５】
ここで、ｍ₁は初期磁化（３要素ベクトルで表される）、ｍ₂は最終磁化、Ｒは回転演算子（３×３行列で表される）である。さらに、２つの回転が生み出すものもまた回転である。
【００２６】
Ｒ_C＝Ｒ_B・Ｒ_A …（２）
【００２７】
いくつかの特定回転は、次のように限定される。
Ｒ_Z（β）…角度βによる回転フレームのｚ軸の周りの回転
Ｒ_X（α）…角度αによる回転フレームのｘ軸の周りの回転
Ｒ_Y（α）…角度αによる回転フレームのｙ軸の周りの回転
Ｒφ（α）…ｘ軸からφ離れた角度αによる回転フレームのｘ−ｙ平面の軸周囲の回転
有効な回転関係は次の通りである。
【００２８】
Ｒφ（α）＝Ｒ_Z（−φ）・Ｒ_X（α）・Ｒ_Z（φ） …（３）
【００２９】
上記の特定回転はある理由のために選抜される。ＲＦパルス間における磁化の発生は回転フレームのｚ軸の周りの回転により表され、回転角は次式により得られる。
【００３０】
β＝２Πγｇ・ｒｔ …（４）
【００３１】
ここで、γはジャイロ磁気率、ｇは磁界傾斜ベクトル｛Ｇ_X、Ｇ_Y、Ｇ_Z｝、ｒはアイソセンタに対する位置ベクトル｛ｘ、ｙ、ｚ｝、ｔはＲＦパルス間の時間間隔である。
【００３２】
強ＲＦパルスは、回転フレームのｘ−ｙ平面の軸周囲の回転により表される。ＲＦ位相φは、どの軸とどの先端角αがその軸の周りの回転を限定するかを明確にする。（弱パルス、すなわち選択パルスは、別の一連の強パルスおよび遅延として表され、故にここでも後続の適用が可能となる。）
【００３３】
高速撮像シーケンスにおいては、一般に反復時間ＴＲは組織のＴ₁およびＴ₂ 値よりも断然小さく、周期的な励起は不均衡な定常状態磁化反応を引き起こす。ＲＦ妨害が適用されず、全ての位相傾斜について適用後に「巻き戻し」が行われた場合、周期的励起の反復単位はＴＲ１つ分長くなる。このようなシーケンスのほとんどにおいて、読み取り傾斜はＴＲ期間内に零平均されず、各画素に対して非位相角が３６０°に拡張する（読み取り傾斜の正味効果によるｚ軸周囲の回転）。よって、得られた信号は画素平均された定常状態となる。
【００３４】
位相符号化傾斜ローブがビューからビューへと線形に増加するが（一般的にそうであるように）、各データ取得後の巻き戻しがない場合は、ｚ軸の周りではＴＲ期間毎に、線形増加し、画像の位相符号化軸に沿った位置に基づいた付加的な回転が存在することになる。インクリメント角χは位相符号化された視界（ＦＯＶ）の一端では１８０°、もう一端では−１８０°、中心では零である（ここでは位相符号化傾斜の影響はない）。位相符号化ＦＯＶの中心から端に向かう線の４分の１のところでは、インクリメントχは４５°である。傾斜がビューからビューへと進んでいくにつれ、ｚ軸の周りの余分な回転は４５°、９０°、１３５°、１８０°、２２５°、…と増加する。この場合、周期的な励起の有効反復の長さは８ＴＲで、残留横磁化の信号に対する正味貢献については上記Crawley, WoodおよびHenkelmanによる論文に詳述されているように、他の位相符号化軸に垂直な線におけるものとは異なる。最も明るい帯域は画像の中心で発生し（ここでχ＝０）、その他の明るい帯域はχがｍ^*３６０°／ｎに等しいときに発生し、ここでｍおよびｎは小さい整数である（例えば４５°ではｍ＝１、ｎ＝８）。ＳＮ比は低いが、帯域とは関係なくより良いＴ₁加重コントラストが得られる。シミュレーションおよび実験の結果、χは１０５°が適切であることが分かった（ｍ＝７、ｎ＝２４）。効果的な飽和では、χ値は画像の好ましくない特徴から発生する残留横磁化の破壊的干渉を最大に行うことが望ましく、χが０°、１８０°、または４５°に近すぎると不適切で、１０５°がちょうど良い。
【００３５】
位置依存方式においてコントラストを改善したり飽和を最大にすることは望ましくない。従って、各取得の後では位相符号化傾斜が巻き戻されて空間依存が取り除かれる。ＲＦ位相循環は、励起された核全てに対して線形に増加するｚ軸周囲の有効的な回転を生成するために用いられる。読み取り傾斜、スライス傾斜、磁界不均質等の結果としてパルス間でｚ軸の周りの正味回転βを経験する核を考えてみる。先端角αの等間隔ＲＦパルスセットおよび位相φ₁、φ₂、φ₃、φ ₄…を適用する。すると磁化は次の通りに展開する。
【００３６】

【００３７】
上記記載のＲφとＲ_Xとの関係を用い、ｚ軸周囲の連続回転を組み合わせると、（５）式は次のようになる。
【００３８】

【００３９】
連続するＲＦパルス間のｚ軸周囲の有効回転は、ＲＦ位相差φ_k−φ_k-1に基づく。パルスの位相が線形に増加すると（例えば０°、４５°、９０°、１３５°、…）、連続パルス間の位相インクリメント△φは一定（例えば４５°）である。その結果、ｚ軸周囲の正味回転はβからβ＋△φに変化する。しかし、画素平均された定常状態では、ｚ軸の周りの３６０°範囲の回転において信号は平均化される。△φ項を付加すると、０°から３６０°まで平均化された角度範囲は△φから３６０°＋△φにシフトされるが、平均信号値は変化しない。さらに、ｚ回転は各インターバルで同じであるため、有効反復の長さは１パルストゥパルスインターバルのままである。一方で、もし位相シフトインクリメントが線形に増加すると（例えば０°、４５°、１３５°、２７０°、４５０°、…またはより一般的に、０χ、１χ、３χ、６χ、１０χ、…）、ｚ軸の周りの正味回転（連続パルス位相差に基づく）は、４５°−０°＝４５°、１３５°−４５°＝９０°、２７０°−１３５°＝１３５°、…（簡易化のため、ここでは定項βの貢献は無視される）というように線形に増加する。結果は、巻き戻しのない位相符号化傾斜の場合と類似するが、面倒なバンディングはない。特に、有効反復の長さは１ＴＲ期間よりも長い。上記値１０５°等の適切なχ値を用いると、残留横磁化の破壊的干渉が最大となり、それによりスポイラ傾斜の長さの必要性は最小となる。
【００４０】
選択撮像シーケンスのフリップ角αがアーネスト角、すなわちｃｏｓα＝ｅｘｐ（−ＴＲ／Ｔ１）に近づくと、定常状態飽和の効果は低下し、位相シフトに対して次第に無感応となる。従って、撮像シーケンスはアーネスト角以外のフリップ角で実行されることが非常に好ましい。同様に、位相インクリメントは選択フリップ角により調整されてもよい。
【００４１】
定常状態シーケンスの各反復により、位相シフト制御器７６は連続飽和パルスの位相φを変化させる。最も単純なケースにおいては、位相シフト△φは定項となり得る。
【００４２】
好ましいのは、連続パルス間の位相を一定量で、すなわち各周期に対して１０５°段階で増加させるのではなく、位相を線形増加量により増加させることである。つまり、位相段階ａにおいて、位相シフトおよび位相は次のように線形増加される。
【００４３】
△φ＝ａ、２ａ、３ａ、４ａ、５ａ、６ａ、… …（７）
【００４４】
φ＝０、ａ、３ａ、６ａ、１０ａ、１５ａ、２１ａ、… …（８）
【００４５】
ここでも、好ましいのは位相段階ａ＝１０５°である。
【００４６】
これ以外に、他の位相周期構成を選択することも可能である。例えば、複数の位相シフト指数付インクリメントシーケンスを交互にまたは周期的に実行してもよい。さらに別の方式として、ランダム位相周期構成を選択してもよい。さらにまた別の方式として、位相シフトインクリメント制御の代わりに、上記構成等に基づいて予め計算される予め選択された一連のＲＦ位相を記憶する位相メモリを用いてもよい。
【００４７】
撮像シーケンス７２中に生成された磁気共鳴信号反響または他の信号は、無線周波コイル３４およびデジタル受信器３８により受信される。受信・復調された共鳴信号は、再構成プロセッサ８０により容量画像表示に再構成される。好ましい実施例では、再構成プロセッサ８０で３次元逆フーリエ変換再構成が用いられる。再構成容量画像表示は、容量画像メモリ８２に記憶される。メモリアクセス制御およびビデオプロセッサ８４は選択的にメモリ８２内の容量画像情報の選択部分を引き出す。既知技術の通り、ビデオプロセッサは１つのデータまたは一連のデータ平面を、画像メモリ、３次元再現、操作者指定による複数のカット平面により構成される画像等から選択的に引き出す。引き出された画像情報は、ビデオモニタ８６により人が読み取り可能な表示に変換される。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば、ｘ、ｙおよびｚ傾斜スポイラパルスの持続が６０％にまで引き下げられ、誘発反響および残留横磁化を減少でき、磁気共鳴スキャナにおいてスループットを増加できる磁気共鳴装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による磁気共鳴装置の概略図である。
【図２】本発明による磁気共鳴方法において使用される撮像シーケンスのタイミング図である。
【符号の説明】
１０主磁界制御
１２超伝導磁石
１４検査領域
２０傾斜パルス増幅器
２２全身傾斜コイル
２４デジタル送信器
２６全身ＲＦコイル
３０挿入式頭部コイル
３２局部傾斜コイル
３４局部無線周波コイル
３６ＲＦスクリーン
３８デジタル受信器
４０シーケンス制御
４２タイミング手段
４４飽和パルス生成器
４６スポイラ傾斜生成器
４８定常状態シーケンス制御
５０ＲＦ送信チェーン
５２、５２’ ＲＦ飽和パルス
５４ＲＦパルス位相制御器
５６スライス選択制御器
５８スライス選択パルス
６０ｘスポイラ傾斜制御
６２ｘスポイラ傾斜
６４ｙスポイラ傾斜制御
６６ｙスポイラ傾斜
６８Ｚスポイラ傾斜制御
７０Ｚスポイラ傾斜
７２撮像シーケンス
７４シーケンスメモリ
７６位相シフト制御器
８０再構成プロセッサ
８２容量画像メモリ
８４ビデオプロセッサ

Claims

検査領域（１４）内に一時的に一定な磁界を生成する磁石（１２）と、
無線周波数飽和、共鳴励起および共鳴操作パルスを前記検査領域（１４）内に送信する無線周波数コイル（２６、３４）および送信器（２４）機構と、
前記検査領域（１４）から発せられる磁気共鳴信号を受信する受信器（３８）と、
磁界傾斜を前記検査領域（１４）を横切る直交軸に沿って適用する傾斜コイル（２２、３２）および傾斜パルス増幅器（２０）と、
前記傾斜増幅器（２０）および送信器（２４）に交流飽和パルス（５２、５２’）および磁気共鳴シーケンス（７２）を含む撮像および他の磁気共鳴処理を実行させるために前記傾斜増幅器（２０）および送信器（２４）を制御するシーケンス制御器（４０）と、
受信された磁気共鳴信号を処理する再構成プロセッサ（８０）とを有する磁気共鳴装置において、
前記飽和パルス（５２、５２’）の位相（φ）を、各周期的反復で前記位相が変化するように制御する手段（７６）を有することを特徴とする磁気共鳴装置。
前記位相制御手段（７６）は、前記飽和無線周波数パルス（５２、５２’）の前記位相（φ）を各周期的反復において増加インクリメント（△φ）で増加させる請求項１記載の磁気共鳴装置。
前記無線周波数コイル（２６、３４）および送信器（２４）機構は周波数特定無線周波数パルスを送信し、
さらに、前記無線周波数パルス（５２）の周波数を選択して前記飽和パルス（５２）を空間的に集束する手段（４４）を含む請求項１または２記載の磁気共鳴装置。
前記シーケンス制御器（４０）は、前記傾斜増幅器（２０）に空間選択傾斜（５８）を前記飽和パルス（５２）と同時に供給させて飽和を空間的に集束させる手段（５６）を含む請求項３記載の磁気共鳴装置。