JP3817585B2 - 磁気共鳴撮像システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気共鳴撮像システムに関する。本発明は、Ｃ字形永久磁石を用いる磁気共鳴撮像システムにおける脊柱の磁気共鳴撮像に関して特に用途があり、これを特に参照しながら説明する。しかし、本出願はまた、Ｂ₀ 一次磁界が無線周波数コイルの面に直交する他の磁気共鳴撮像および分光システムに関しても用途があることが理解される。
【０００２】
【従来の技術】
従来、磁気共鳴撮像の手順は、患者を実質的に均一な一次磁界Ｂ₀ 中に配置することを含む。Ｂ₀ 磁界と優先的に一直線に並ぶ双極子中、無線周波数励起信号を試験領域に伝送し、共鳴する双極子から発される無線周波数磁気共鳴信号を受信することにより、磁気共鳴が励起される。
【０００３】
非常に一般的には、Ｂ₀ 磁界は、環状の磁石アセンブリの中央内腔に沿って発生する。すなわち、Ｂ₀ 磁界は、患者の体の中心軸と一直線に並ぶ。円筒形の無線周波数および傾斜磁界コイルが内腔を包囲する。信号対雑音比を改善するために、直角位相面コイルを利用して、対象の領域を直角位相で試験し、すなわち、コイルに対して垂直である信号成分およびコイルに対して平行である成分を受信してきた。例えば、いずれも同じ領域から共鳴信号を受信するループ形コイルおよび平坦なヘルムホルツ・コイルを記載するMehdizadehの米国特許第４，９１８，３８８号明細書を参照すること。ループ形コイルおよび平坦なヘルムホルツ・コイルは、水平方向の磁界と一直線に並んだ双極子から発される磁気共鳴信号の直交成分に対して感度を示す。ループ形コイルおよび平坦なヘルムホルツ・コイルのいずれかの出力を９０°だけ転移させ、これら二つの信号を合成すると、信号対雑音比は約√２だけ改善される。
【０００４】
水平方向Ｂ₀ 磁界を用いる撮像装置の内腔に配置された患者のより広い領域を検査するためには、複数のループ形コイルからなる面コイルも使用してきた。例えば、RoemerおよびEdelstein の米国特許第４，８２５，１６２号明細書を参照すること。具体的には、隣接する領域を検査するためには、一連のループ形コイルを部分的に重ね合わせる。Groverにより「Inductance Calculations 」（１９４６）の中で数学的に説明され、前記RoemerおよびEdelstein の特許明細書中に概説されているように、コイルをわずかに重ね合わせて配置すると、隣接するコイル間の相互インダクタンスが最小限になる。重ね合わせたループ形コイルを最小限の誘導で使用することで、より広い区域を検査することが可能になったが、各コイルが線形になった。すなわち、各コイルは、一つの成分にだけ感度を示し、直交成分に対しては感度を示さず、その結果、直角位相検出が得られなくなった。
【０００５】
Hydeらの米国特許第４，７２１，９１３号明細書は、水平方向界磁石に用いるためのもう一つの面コイル技術を記載している。一連の線形コイルが互いに連続して、ただし各コイルが隣接するコイルとで位相を９０°ずらされた状態で配設される。したがって、各コイルは、その隣接コイルに対して直交する無線周波数磁気共鳴信号成分を受信するものであった。
【０００６】
Molyneaux の米国特許第５，３９４，０８７号明細書では、ループ形コイルと平坦なヘルムホルツ・コイルとを重ね合わせて、平坦な直角位相コイルを設けている。これらの平坦な直角位相コイル複数を部分的に重ね合わせて、平坦な直角位相コイル配列を画定している。
【０００７】
上記に参照した面コイルは、水平方向Ｂ₀ 磁界を用いる磁気共鳴撮像装置には有効であるが、すべての磁気共鳴撮像装置が水平方向Ｂ₀ 磁界を利用するわけではない。Ｃ字形磁石を用いる磁気共鳴撮像装置は、平行に配置され、Ｃ字形またはＵ字形の鉄要素によって相互接続されている磁極片の対を含む。鉄要素は、永久磁石であることができるか、包囲するコイルによって磁性状態まで電気的に刺激されることができる。通常、磁極片は、それらの間に垂直方向の磁界が生じるよう、水平方向に配置される。したがって、環状の内腔磁界を用いる撮像装置では、Ｂ₀ 磁界は患者の頭と足との間（または足と頭との間）に延びるが、Ｃ字形磁石を用いるものでは、Ｂ₀ 磁界は患者の背面と前面との間（または前面と背面との間）に延びる。Ｂ₀ 磁界の９０°の転回により、直角位相面コイル、例えば上記で参照した米国特許第５，３９４，０８７号明細書に記載のものは、垂直方向Ｂ₀ 磁界を用いる磁気共鳴撮像装置中で患者の脊柱に沿って配置されたならば、直角位相には機能しないであろう。これらは、そのモードの一つに対して感度を失うことになる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、垂直方向Ｂ₀ 界磁石中で直角位相の送受信を提供する新規で改良された無線周波数コイルを提供する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一つの態様によると、磁気共鳴撮像システムが提供される。時間的に一定の垂直方向Ｂ₀ 磁界がほぼ水平方向の磁極片の対の間に画定される。ほぼＣ字形の鉄製の磁束経路がこれらの磁極片を接続している。時間的に一定のＢ₀ 磁界にかけて傾斜磁界を生じさせるために、傾斜磁界コイルが磁極片に隣接して配置されている。双極子が固有共鳴周波数で共鳴信号を発生するよう、選択された双極子中、磁極面と磁極面との間で共鳴を励起するための手段が設けられている。無線周波数コイルアセンブリが、共鳴する双極子から共鳴信号を受信する。少なくとも１個の無線周波数受信装置が無線周波数コイルからの共鳴信号を復調し、再構成処理装置が、その復調された信号を画像表示に再構成する。無線周波数コイルは導電性の外側ループを含む。第一の導電性要素が、ループ上で対称的に１８０°反対側にある点どうしの第一の対の間を延びている。第二の導電性要素が、ループ上で対称的に１８０°反対側にある点どうしの第二の対の間を延びている。１８０°反対側にある点どうしの第二の対は、１８０°反対側にある点どうしの第一の対から実質的に９０°ずらされている。このようにして、第一の導電性要素からの共鳴信号と第二の導電性要素からの共鳴信号とは、位相が実質的に９０°ずれた直角位相の関係にある。第一および第二の導電性要素は、導電線を介して少なくとも１個の受信装置と接続している。
【００１０】
本発明の一つの利点は、垂直方向磁界システム上で人体の広い領域にわたって直角位相検出を提供することにある。
【００１１】
本発明のもう一つの利点は、信号対雑音比を改善し、取得時間を短縮するために受信を直角位相で同時に行うことにある。
【００１２】
本発明のもう一つの利点は、被検者の体の区域に合わせた輪郭を付けることができることにある。
【００１３】
【発明の実施の形態】
例として添付の図面を参照しながら本発明をさらに説明する。
【００１４】
図１を参照すると、磁極片１２、１４の間に撮像領域１０が画定されている。これらの磁極片は、鉄製の磁束経路１６、例えばＣ字形またはＵ字形の鉄要素によって相互接続されている。好ましい実施態様では、鉄要素１６は、磁極面と磁極面との間で撮像領域にかけて垂直方向Ｂ₀ 磁界を生じさせる永久磁石である。あるいはまた、鉄製の磁束経路１６中で磁束を誘導し、磁極面と磁極面との間にＢ₀ 磁界を生じさせるための巻き線を設けてもよい。能動型または受動型のシムが磁極片または鉄製の磁束経路１６中の磁極片に隣接するところに配置されて、垂直方向Ｂ₀ 磁界を撮像領域１０にかけてより線形にしている。
【００１５】
撮像に備えて、磁界傾斜コイル２０、２２が磁極片１２、１４に配置されている。好ましい実施態様では、傾斜コイルは、傾斜増幅器２４によって傾斜磁界制御装置２６に接続されている平面コイル構造である。傾斜磁界制御装置は、当該技術に公知であるとおり、傾斜コイルに印加されるパルス流を生じさせて、均一な磁界中で、縦軸またはｚ軸、垂直軸またはｙ軸および横軸またはｘ軸に沿って傾斜が発生するようにする。
【００１６】
試験領域１０に配された被検者の双極子中で磁気共鳴を励起するために、無線周波数コイル３０、３２が傾斜コイルと撮像領域との間に配置されている。無線周波数伝送装置３４、好ましくはデジタル伝送装置が、無線周波数コイルをして、無線周波数パルス制御装置３６によって要求される無線周波数パルスを撮像領域１０に伝送させる。シーケンス制御装置４０が、オペレータ制御の下、シーケンスメモリ４２から撮像シーケンスを検索する。シーケンス制御装置４０は、無線周波数および傾斜磁界パルスが、選択されるシーケンスにしたがって発されるよう、シーケンス情報を傾斜制御装置２６および無線周波数パルス制御装置３６に提供する。
【００１７】
無線周波数面コイルアセンブリ５０が被検者の対象領域に沿って配置されている。通常、無線周波数コイル３０、３２は、汎用コイルであり、内蔵されている。他方、特殊な面コイルは、融通性を高めるために取外し自在である。しかし、面コイル５０および以下に記す代替態様は、システム中の唯一の無線周波数コイルであることができる。図１の実施態様では、面コイルアセンブリ５０は、患者担持面に対し、患者担持面に横たわる患者の脊柱の直下に配置される細長い脊柱形コイルである。面コイルアセンブリ５０は、無線周波数受信装置５２とともに、内蔵型および／または取外し自在の無線周波数コイルによって受信された無線周波数共鳴信号を復調する。図３および４とともに以下さらに詳細に説明するように、面コイルアセンブリ５０は、それぞれが１個以上の受信装置５２と接続されたコイルの配列である。受信装置からの信号は、アナログ・デジタル変換器５４の配列によってデジタル化され、再構成処理装置５６によって体積測定画像表示に処理されて、これが体積測定画像メモリ５８に記憶される。ビデオ処理装置５９が、オペレータ制御の下、選択された画像データを体積メモリから検索し、それを、人間読取り可能な表示装置６１、例えばビデオモニタ、アクティブマトリックスモニタ、液晶表示装置などに表示するのに適切なフォーマットにフォーマットする。
【００１８】
図２を参照すると、コイル配列５０は、同様な構成の複数の窓ガラス形コイル５０₁ 、５０₂ などを有している。窓ガラス形コイルそれぞれは、二つのモードを、一方をｘ方向に、もう一方をｚ方向に有している。具体的には、各窓ガラス形コイルは、図示する実施態様では、直交パターンに配置されて正方形を画定する等しい長さの４本の脚もしくはセグメント６０₁ 、６０₂ 、６０₃ および６０₄ を有する外周ループ６０を含む。第一の交差部材６２₁ が、外周ループ上で１８０°反対側に位置する点、具体的には、向き合わせて配置された外周要素６０₁ および６０₃ の中央に接続されている。信号取出し点６４₁ が導線によって第一の交差部材から受信装置５２に接続されている。第二の交差部材６２₂ が、外周ループ上の、第一の交差部材接続点に対して９０°ずらされた、１８０°反対側にある接続点、具体的には、対向する脚６０₂ および６０₄ の中央点に接続されている。２個の交差部材６２₁ および６２₂ は、互いに対して垂直に交差するが、互いに接続されてはいない。第二の交差部材６２₂ 上の取出し点６４₂ の第二の対が導線によって受信装置５２と接続している。窓ガラス形コイル５２₁ 、５２₂ などのそれぞれは、類似したコイル取出し口を有している。交差部材６２₁ およびループ形コイル６０によって画定されるコイルが、極性６６_x をもつ無線周波数信号を受信する。対照的に、ループ形コイル６０および交差部材６２₂ によって画定されるコイルは、ｚ方向に延びる無線周波数信号成分６６_z に感度を示す。コイルを同調させて、第一の対の接続点が第二の取出し点に対して仮想接地面にあり、第二の対の接続点が第一の取出し点に対して仮想接地面にあるように、必要に応じてコンデンサが加えられる。
【００１９】
したがって、２コイル構造の場合、四つモード、すなわち二つのｘモードおよび二つのｚモードがある。各コイル内のｘモードおよびｚモードは、互いに対して直交し、その対称性のため、最小限の相互インダクタンスしかもたない。あるいはまた、特に、上記に論じた対称性を欠くとき、図３に示すように、リアクタンス素子を交差部材の間に接続してモードの直交性を調節することもできる。同様に、一方のコイルのｘモードと他方のコイルのｚモードとは直交し、その対称性のため、最小限の相互インダクタンスしかもたない。コイルどうしは重なり合って、２個の隣接するコイルどうしで、ｘモードが、空間位置のため、最小限の相互インダクタンスしかもたないようになっている。好ましくは、２個のコイルのｚモードもまた、重複部分で最小限の相互インダクタンスしかもたない。
【００２０】
図４を参照すると、２個のコイルが、ｘモードが最小限の相互インダクタンスを有するところまで重ね合わされている。この地点でｚモードが最小限の相互インダクタンスをもたないならば、リアクタンス素子７０を加えて、最小限の相互インダクタンスが達成されるまで、一方または両方のコイルのｚモードの電流分布を変化させる。あるいはまた、図５に示すように、リアクタンス素子７２を２個のコイルの間に配置すると、コイルの間に電流を供給して最小限の相互インダクタンスを達成することができる。リアクタンス素子７２をｚモード交差部材の間に設けると、ｚモードの間の相互インダクタンスを最小限にすることができる。さらに別の代替態様として、図６に示すように、一方または両方のコイルのｚ方向の寸法を拡大または収縮して、幾何学形状を変えることにより、最小限の相互インダクタンスを達成することもできる。
【００２１】
図７を参照すると、コイル５０₁ からのｘおよびｚ直交コイル導線が別個に整合回路の対８０_x および８０_z と接続している。同様に、窓ガラス形コイル５０₂ のｘおよびｚモードコイルが整合回路８２_x および８２_z と接続している。回路８０、８２のコンデンサまたは他のリアクタンス素子の一部または全部は、コイル５０に組み込むことができる。窓ガラス形コイル５０₁ のｘ成分とｚ成分とは、移相・合成回路８４によって９０°ずらされ、合成される。同様に、窓ガラス形コイル５０₂ のｘ成分とｚ成分とは、移相・合成回路８６によって９０°ずらされ、合成される。コイル５０₁ 、５０₂ などのそれぞれからの合成された単体出力は、増幅器８８₁ 、８８₂ と接続される。好ましくは、これらの増幅器はコイルアセンブリに搭載されている。複数の受信装置５２は、コイル５０₁ からの合成信号を復調するための受信装置５２₁ と、コイル５０₂ からの合成出力信号を復調するための第二の受信装置５２₂ とを含む。アナログ・デジタル変換器配列５４は、受信装置５２₁ の出力をデジタル化するためのアナログ・デジタル変換器５４₁ と、無線周波数受信装置５２₂ の出力をデジタル化するためのアナログ・デジタル変換器５４₂ とを含む。
【００２２】
図８を参照すると、コイルの各成分の出力は、個々に復調することができる。具体的には、ここでもまた、コイル５０₁ のｘおよびｚ成分は整合回路８０_x ′、８０_z ′に運ばれ、コイル５０₂ のｘおよびｚ成分は整合回路８２_x ′、８２_z ′に運ばれる。これらの整合回路の出力は、個々の前増幅器９０₁ 、９０₂ 、９０₃ および９０₄ に運ばれる。受信装置５２の配列は、ｘおよびｚ成分それぞれを復調するための個々の受信装置９２₁ 、９２₂ 、９２₃ および９２₄ を含む。同様に、アナログ・デジタル変換器配列５４は、成分それぞれをデジタル化するための個々のアナログ・デジタル変換器９４₁ 、９４₂ 、９４₃ および９４₄ を含む。これらの信号を、図７の合成回路と同様、デジタル形態で合成し、当該技術に公知であるような他のタイプの処理に使用してもよい。さらに別の代替態様として、共鳴信号を面コイルアセンブリ上でデジタル化し、デジタル受信装置によって復調することもできる。
【００２３】
図９を参照すると、窓ガラス形コイルは、患者の体の部分に適合するよう、非平面形であってもよい。例えば、交差部材は、胸部の撮像の場合には患者の胸部の輪郭をたどるように、対称的に面の外に延びてもよい。図１０の実施態様では、外側ループ形コイルの一部を面からもりあがらせて、例えば患者の頚部をよりうまくカバーするように設けている。さらに別の代替態様として、コイルを弓形の曲線に沿って配置してもよい。
【００２４】
図１１を参照すると、配列の対を患者の身体の両面に対して配置して、撮像体積をより完全に包囲することができる。図１１の実施態様は、標準的な全体積無線周波数コイルとして磁極片に内蔵されるように適合されている。
【００２５】
図１２を参照すると、窓ガラス形コイルの交差部材を中心点１００で接続することができる。これは、二つのさらなるモードを用いるコイルを提供する。特に、窓ガラス形コイルが対称であるとき、二つの余分のモードは、ｘおよびｚモードに対して４５°にあり、より高い周波数にある。これが、多チャネル分光撮像に備えてコイルを複同調することができる。上記に示したように、窓ガラス形コイルは対称であることが好ましいが、そうである必要はない。モードとモードとの間にリアクタンス素子を設けて、それらの相対直交性を調節してもよい。
【００２６】
図１３に示すように、窓ガラス形コイル５０₁ 、５０₂ などのそれぞれは、互いに対して９０°転回させた２個の同様なダブルＤ形コイルまたはバタフライコイルから構成することができる。図１３の実施態様では、コイル５０₁ は、取出し点１１２を有する第一のダブルＤ形コイル１１０と、取出し点１１６を有する第二のダブルＤ形コイル１１４とを含む。これらのアセンブリもまた、重ね合わせて配列に形成することもできるし、リアクタンス素子を加えて直交性を調節することもできる。図１４に示すように、窓ガラス形コイルは、８の字形コイルまたはダブルダイアモンド形コイルの対１２０、１２２によってまねることができる。ここでもまた、これらのコイルは、接続することなく互いに対して垂直に交差する実質的に直線状のセグメントを有している。これらのコイルもまた、好ましくはその外側ループ部分が正方形または長方形になる配列で重ね合わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による磁気共鳴システムを示す略図である。
【図２】図１のコイルアセンブリの拡大図である。
【図３】１個のコイルの直交性を調整するための技法を示す図である。
【図４】２個以上のコイルの相互インダクタンスを調節するための技法を示す図である。
【図５】コイルを調節してそれらの相互インダクタンスを最小限にするためのもう一つの技法を示す図である。
【図６】コイルの相互インダクタンスを最小限にするためのさらに別の技法を示す図である。
【図７】直角位相成分がコイルで合成されるところの図２のコイル配列の略図である。
【図８】各コイルからの信号が別個に処理されるところの図２のコイル配列の略図である。
【図９】患者の体に合わせるためにコイルが非平面形である代替態様を示す図である。
【図１０】患者の体に合わせるためにコイルが非平面形であるもう一つの代替態様を示す図である。
【図１１】体積撮像のために２個の平行な配列が患者の体の両側に設けられるもう一つの代替態様を示す図である。
【図１２】四つモードを用いる本発明のもう一つの代替態様を示す図である。
【図１３】ダブルＤ形コイルの対を用いるもう一つの代替態様を示す図である。
【図１４】直交させて８の字形にしたコイルの対を用いるもう一つの代替態様を示す図である。
【符号の説明】
１０ 撮像領域
１２、１４ 磁極片
１６ 磁束経路
２０、２２ 磁界傾斜コイル
３０、３２ 無線周波数コイル
５０ 無線周波数コイルアセンブリ
５２ 無線周波数受信装置
５６ 再構成処理装置

Claims (6)

1. 時間的に一定の垂直方向Ｂ₀ 磁界が間に画定されるほぼ水平方向の磁極片の対（１２、１４）と、
   磁極片（１２、１４）どうしを接続するほぼＣ字形の鉄製の磁束経路（１６）と、
   時間的に一定のＢ₀ 磁界にかけて傾斜磁界を生じさせるための、磁極片（１２、１４）に隣接して配置された傾斜磁界コイル（２０、２２）と、
   双極子が固有共鳴周波数あたりの共鳴信号を発するよう、選択された双極子中、磁極面と磁極面との間で共鳴を励起するための手段と、
   共鳴する双極子から共鳴信号を受信するための無線周波数コイルアセンブリ（５０）と、
   無線周波数コイルからの共鳴信号を復調するための少なくとも１個の無線周波数受信装置（５２）と、
   復調された無線周波数信号を画像表示に再構成するための再構成処理装置（５６）とを含む磁気共鳴撮像システムにおいて、
   前記無線周波数コイルアセンブリが、
   第１の導電性ループ（６０、５０₁ ）と、
   前記第１の導電性ループ上で対称的に１８０°反対側にある地点どうしの第一の対の間に延びる第一の導電性接続要素（６２₁ ）と、
   前記第１の導電性ループ（６０、５０₁ ）に対し対称的に１８０°反対側にある地点どうしの第二の対の間に接続された第二の導電性接続要素（６２₂ ）とを含み、
   前記第１の導電性ループ（６０、５０₁ ）に対し１８０°反対側にある地点どうしの前記第二の対が、１８０°反対側にある地点どうしの前記第一の対から凡そ９０°で直交して配置してあり、
   前記第一の導電性接続要素（６２₁ ）からの共鳴信号と、前記第二の導電性接続要素（６２₂ ）からの共鳴信号とが、位相が実質的に９０°ずれた直角位相の関係にあり、
   前記第一および第二の導電性接続要素（６２₁ 、６２₂ ）が、導電線を介して前記無線周波数受信装置と接続していて、更に前記第１の導電性ループ（６０、５０₁ ）と部分的に重なり合う第２の導電性ループ（５０₂ ）を含むことを特徴とする磁気共鳴撮像システム。
2. 前記第１の導電性ループ（６０、５０₁ ）ならびに前記第一および第二の導電性接続要素（６２₁ 、６２₂ ）がすべて実質的に共通の平面に位置している請求項１記載の磁気共鳴撮像システム。
3. 前記第２の導電性ループ（５０₂ ）上で対称的に１８０°反対側にある地点どうしの第三の対の間に延びる第三の導電性接続要素と、
   前記第２の導電性ループ上で１８０°反対側にある地点どうしの第四の対の間に接続され、１８０°反対側にある地点どうしの第三の対から実質的に９０°ずれている第四の導電性接続要素とをさらに含む請求項１記載の磁気共鳴撮像システム。
4. 前記第１の導電性ループ（６０、５０₁ ）が正方形であり、１８０°反対側にある地点どうしの前記第一の対が、その正方形の第一の対辺（６０₁ 、６０₃ ）の中間地点に配置され、１８０°反対側にある地点どうしの前記第二の対が、その正方形の第二の対辺（６０₂ 、６０₄ ）の中間地点に配置されている請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気共鳴撮像システム。
5. コイルが四つのモードを支持するよう、前記第一および第二の導電性接続要素（６２₁ 、６２₂ ）の中間地点どうしが接続されて４個の対称なセグメントを画定し、相互接続するセグメントのそれぞれが少なくとも１個の前記無線周波数受信装置と接続している請求項４項記載の磁気共鳴撮像システム。
6. 第一の導電性要素の第一端から第ニの導電性要素と平行に右回りに延び、第一の導電性要素の第二端に向かって左回りに延びて、８の字形のコイルを画定する第１の導体と、
   第二の導電性要素の第一端から第一の導電性要素と平行に右回りに延び、第二の導電性要素の第二端に向かって左回りに延びて、８の字形のコイルを画定する第２の導体とをさらに含む請求項１記載の磁気共鳴撮像システム。

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