JP3884489B2 - 磁気共鳴作像装置用のプレチスモグラフ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の背景】
この発明はプレチスモグラフ（plethysmograph）を利用して心臓の活動を検出する装置、更に具体的に云えば、磁気共鳴作像の際、患者からの脈動を感知するこの様な装置に関する。
磁気共鳴は診断装置に役立つ作像方法として開発されて来た。当業者に理解されている磁気共鳴作像（ＭＲＩ）では、作像される身体が、デカルト座標系のＺ軸の方を向く一様な磁界の中に保持される。
【０００２】
身体内の原子核の正味の磁化が、無線周波（ＲＦ）パルスによって歳差運動をする様に励振され、スピンの減衰する歳差運動がＭＲＩ信号を発生する。ＭＲＩ信号の振幅は、取分け、作像される身体内の容積当たりの歳差運動をする原子核の数に関係し、これが「スピン密度」と呼ばれている。
位相及び周波数符号化を通じて、ＭＲＩ信号に位置情報を加える為、Ｘ、Ｙ及びＺ軸に沿って勾配磁界Ｇ_x 、Ｇ_y 及びＧ_z が印加される。この時、１組のＭＲＩ信号を「再生（reconstruct ）」して、像を作ることが出来る。各組のＭＲＩ信号は多くの「ビュー（view）」で構成され、ビューは、同じＸ及びＹ勾配磁界のもとで行なわれた１回又は更に多くのＭＲＩ信号の収集と定義される。
【０００３】
像を再生するのに十分な数のビューを収集するのに必要な時間の長さは何分にもなることがある。従って、心臓及び呼吸運動を含めた被検体の動きは不可避である。この様な運動により、使われる像再生方法に応じて、像のぼやけ又はその他の像の人為効果（artifact）が起こり得る。普通の２つの像再生方法が、米国特許第５，０５１，９０３号に記載されている様な「スピン捩れ形（spin-warp ）」作像又は米国特許第４，４７１，３０６号に記載されている様な多重角度投影形再生に関連している。
【０００４】
ＭＲＩ像を収集する時の対象の動きは、位相符号化方向の「ゴースト」及びぼやけの両方を生ずる。動きが周期的であるか或いは周期的に近い場合、特にゴーストが目立つ。ぼやけもゴーストも、データの収集を対象の機能的なサイクルと同期させれば、減少させることが出来る。この方法はゲート形ＭＲＩ走査として知られており、その目的は、対象が各々のビューで同じに「見える」様に、相次ぐ機能サイクル中の同じ点で、ＭＲＩデータを収集することである。収集データから人為効果を取除く為のこの他の方式も工夫されている。例えば、米国特許第４，５８０，２１９号、同第４，６６３，５９１号及び同第４，７０６，０２６号には、対象の機能的なサイクルを表わす信号を使って像データを処理し、ぼやけ及びゴースト効果を減少する方法が記載されている。
【０００５】
ＭＲＩ像に影響を与える１つの周期的な生理学的な機能は心臓サイクルである。心電計又は動脈動プレチスモグラフ用の普通のセンサをＭＲＩ装置に利用することが出来ない。前に述べた様に、患者には非常に強い磁界が印加され、そのあるものは無線周波数で変化する。こう云う電磁界は普通の心電計又はプレチスモグラフのセンサ及びケーブルに大きな電流を誘起することがあり、その為ＭＲＩ走査の間、患者が電撃を受けたり或いは火傷をする危険にさらすことがある。従って、ＭＲＩ走査を受ける患者の周期的な生理学的な機能を感知する為の装置は、磁気共鳴の環境に耐えると共に、大きな勾配磁界及び無線周波磁界が存在する場合でも、患者の適切な安全性を保つ様に特別に設計されていなければならない。更にＭＲＩオペレータは、生理学的な感知装置をどの様に設定するか、並びにＭＲＩ磁石の中孔の中のどこに患者とのインターフェース・ケーブルを配置するかについて慎重に注意を払わなければならない。
【０００６】
適正な保護措置を講じても、センサからその結果得られる信号は、変化する磁界によって生ずる大きな雑音スパイクを持つ場合が多い。こう云う雑音スパイクは生理学的な信号と同じ周波数帯にあることがあり、フィルタ作用によってデータから除くのが困難である。更に、ケーブル及びセンサが磁気共鳴像の中で目に付く。
【０００７】
【発明の要約】
磁気共鳴作像装置が、集成体の中に配置された動物の原子核を励振する為の電磁石コイル集成体を有する。装置は、励振された原子核から放出される磁気共鳴信号を感知して、感知された情報を使って動物の像を再生する手段を含む。
磁気共鳴作像装置の動作のゲート作用に使う為、動物の動脈の脈動を表わす電気信号を発生するプレチスモグラフを設ける。プレチスモグラフは第１及び第２の光ファイバを有する光ファイバ・ケーブルを持っている。ケーブルの一端が動物に取付けられたプローブに接続される。１実施例のプローブは２つの部分を持つ本体を有し、各々の部分は細長い凹形であって、一端で他方の部分に枢着されている。一方の部分は他端に爪フィンガを持ち、それが他方の部分にある歯と解放自在に係合する。閉じた状態では、２つの部分が動物の指を受入れる開口を形成する。プローブ及び光ファイバ・ケーブルは非金属の非導電材料で作られる。
【０００８】
コネクタが光ファイバ・ケーブルの一端に設けられ、第１及び第２の光ファイバの端が動物の皮膚に隣接する様に、プローブに取付けられる。光ファイバ・ケーブルの他端は、光源に第１の光ファイバを接続する手段、及び第２の光ファイバを受信器に接続する手段を持ち、この受信器が、光ファイバから受取った光に応答して変化する電気信号を発生する。
【０００９】
この発明の目的は、磁気共鳴作像装置によって検査される動物の周辺動脈の脈動を検出する為のプレチスモグラフに使われるセンサを提供することである。
別の目的は、磁石集成体の中に入り込むセンサの部分の非金属の非導電部品を提供することである。この様な材料を使うことにより、金属で導電性の部品と強力な無線周波数の電磁界との相互作用から起こり得る患者の電撃又は火傷の惧れをなくす。更に、好ましい材料を使うセンサは、磁気共鳴像では目に付かなくなる。
【００１０】
この発明の別の目的は、磁石集成体内部からの生理学的な情報を伝達する媒質として、強力な無線周波数の電磁界による電気雑音の影響を受けない媒質を提供することである。
【００１１】
【詳しい説明】
最初に図１について説明すると、ＭＲＩ装置１０が、普通の円筒形の恒温室の中に封入された複数個の超導電電磁石コイルによって形成された磁石集成体１２を有する。磁石集成体１２は、縦軸線の周りに全体的に円筒形であって内部容積１４を限定し、その中に例えば作像する為に患者１６が配置される。
【００１２】
患者１６の指に光学式プレチスモグラフプローブ２０が取付けられる。光ファイバ・ケーブル２２がプローブ２０から磁石集成体１２の中をプレチスモグラフまで伸びる。このプレチスモグラフは、ＭＲＩ装置１０を制御する電子装置を持つ遮蔽区域２３内に配置されている。
ＭＲＩ装置１０の制御回路が図２に示されており、パルス制御モジュール２４を含む。このモジュールは、コンピュータ２５の制御のもとに、普通の正しいタイミングのパルス順序を発生する。パルス制御モジュール２４が、集成体１２内の勾配コイル２８により、磁界勾配Ｇ_x ，Ｇ_y ，Ｇ_z を発生する勾配電源２６を制御する。
【００１３】
パルス制御モジュール２４は、ＲＦトランシーバ装置の一部分である無線周波合成器２９をも制御する。このトランシーバ装置の一部分が破線のブロック３０の中に囲まれている。パルス制御モジュール２４はＲＦ変調器３１をも制御する。この結果得られるＲＦ信号が電力増幅器３２によって増幅され、送信／受信スイッチ３４を介して集成体１２の中にあるＲＦコイル集成体３３に印加される。こう云うＲＦ信号は、患者１６内の原子核のスピン運動を励振する為に使われる。
【００１４】
励振された原子核からの磁気共鳴信号がＲＦコイル集成体３３によって拾われ、送信／受信スイッチ３４を介して前置増幅器３６に印加される。前置増幅器３６の出力が直角位相検波器３８の入力に印加される。検波された信号が、高速アナログ・ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器３９によってディジタル化され、患者のＭＲＩ像を表示装置２７に発生する為に、コンピュータ２５に印加される。
【００１５】
ＭＲＩ装置１０に対するプレチスモグラフ４０は、患者１６の動脈の脈動を感知するプローブ２０を含む。図３について説明すると、プローブ２０は、貝殻状に開く様に、一端４３で互いに丁番結合された底部４１及びカバー４２を有する。底部４１及びカバー４２は解放端を持つ凹形要素であって、プローブの他端で開口４４を形成し、それが患者の指を受入れる。プローブ２０の閉じた状態が示されており、この時、カバー４２の他端にある爪フィンガ４６，４７が、底部４１の内面の歯４５と係合する。爪フィンガ４６，４７は溝４８によってカバー４２の本体部分から隔てられていて、フィンガが撓むことが出来る様になっている。押込みレバー４９が底部４１の両側に設けられている。ＭＲＩ技師の向い合った指の間で押込みレバー４９を押しつぶすと、レバーが爪フィンガ４６，４７を内向きに押し、爪を歯４５との係合状態から解放して、カバー及び底部を離すことが出来る様にする。
【００１６】
プローブ２０を患者の指に取付ける時、底部及びカバーを開き、指を底部の中に挿入する。その後、爪フィンガ４６，４７が歯４５と係合して、プローブが患者の指に対してしっかりしたはめ合せになるまで、カバー４１を閉じる。プローブが所定位置になった時、患者の指に対するクッション作用をする様に、底部４１及びカバー４２の両方の内面には弾性パッド（図に示してない）が取付けられている。
【００１７】
プローブのカバー４２の中心に開口が設けられている。光ファイバ・ケーブル２２の一端にあるコネクタ５０がカバー４２の開口を介してプローブ２０に取付けられる。プローブは、患者の動脈の脈動を感知する為に、光ファイバ・ケーブル２２の端を患者の皮膚に抑えつける機構になる。
図４及び５について説明すると、ケーブル・コネクタ５０は、ケーブル２２の光ファイバ束５４の端に取付けられた本体５１を有する。コネクタ５０の管状部分５８が本体５１に対して直角に伸びる。ファイバ束５４は２本の光ファイバ５６，５７を持ち、それらがコネクタ５０の内部で９０°曲がって、部分５８の露出端の開口から出て行く。光ファイバ５６，５７の端はコネクタ部分５８から短かな長さだけ突出する。光ファイバは、使われる光の波長に対して透過性の強い硝子又はプラスチックである。この代りに、個々のファイバ５６，５７を、光ファイバの２つの小さな束に置換えてもよい。
【００１８】
コネクタ部分５８がプローブのカバー４２にある開口を通抜け、固定スリーブ５２が、この固定スリーブの回転を許す様な形で、押えリング６０により、この部分の周りの所定位置に保持される。固定スリーブ５２の一部分が、カバー４２に接着によって取付けられたカラー６２を通抜ける。カラー６２がプローブのカバー４２にある開口、及びカバーの内面に取付けた弾性パッド６１にある開口を通抜ける。固定スリーブ５２は、カラー６２の孔６３を通る突片５５を持ち、ケーブル・コネクタ５０をプローブ２０に取付ける為のバヨネット形緩み止め機構になる。固定スリーブ５２とコネクタ部分５８が回り継手になることにより、コネクタ５０はプローブ２０に取付けたまゝ回すことが出来る。この旋回動作により、プローブ及び患者の手をＭＲＩ装置内に位置ぎめする時の融通性が得られる。
【００１９】
図６は、光ファイバ・ケーブル２２の端を患者に取付ける別の装置１２０を示す。この装置は弯曲した殻体１２２を持ち、その凹面に弾性材料のパッド１２４が取付けられている。殻体１２２の両側の縁に沿って対の溝孔１２５が設けられ、別々のストラップ１２６，１２７，１２８又は１２９がその中を通る閉ループとして取付けられている。ストラップは鉤及びループ結合材料で形成される。この代りに、４つの別々のストラップ１２６−１２９は、殻体１２２にある向い合った２つの溝孔１２５を通抜ける２つのストラップに置換えてもよい。殻体は、向い合ったストラップを足の指の周りに巻付けて一緒に接続することにより、患者の足の指に対して当てられる様に配置される。殻体１２２は開口を持ち、光ファイバ・ケーブル２２のコネクタ５０がこの開口を介して、プローブ２０の場合と同様に取付けられる。
【００２０】
プローブ２０も装置１２０も、プラスチックの様に、全部非金属の非導電材料で作られる。同様に、光ファイバ・ケーブル２２も非金属の非導電部品で作られる。動脈の脈動を感知する為に、光ファイバ５６，５７の一端を患者の皮膚に当てゝ保持するのに使うことが出来る他の形式の取付け機構でも、これは同じである。このプレチスモグラフ４０の内、磁石集成体２０の内側に配置される部品は非金属の非導電材料で作られているから、強力な電磁界が金属部品と相互作用をすることによる電撃又は火傷を患者が受ける危険がなくなる。
【００２１】
光ファイバ束５４の内、コネクタ２０とは反対の端は、弾力性の応力除去部６４で終端しており、この応力除去部がプレチスモグラフ４０に対するキャビネット６６の開口内に配置される。２本の光ファイバ５６，５７が応力除去部６４から伸びて、夫々別々のコネクタ６７，６８に終端する。図２に示す様に、光ファイバ・コネクタ６７，６８が収集回路７０に接続される。
【００２２】
図７について説明すると、収集回路は、第１の光ファイバ５６を介してプローブに伝達される光を発生する部分と、プローブからの光を第２の光ファイバ５７を介して受取って、その光を電気信号に変換する別の部分とを有する。収集回路７０の第１の部分は、入力７２の制御信号に応答して調整された出力電流を発生する定電流源として構成された調節自在の電圧調整器７１を有する。電圧調整器７１の出力が抵抗７３を介して赤外線光放出ダイオード（ＬＥＤ）７４の陽極に結合され、その陰極は大地に接続されている。電界効果トランジスタ７６の導電通路が、ＬＥＤ ７４と並列に接続されていて、電圧調整器７１の調整入力７２を大地に結合している。電界効果トランジスタ７６のゲートは線７７からオン／オフ制御信号を受取る。線７７がＬＥＤ ７４を選択的にターンオンする。ＬＥＤ ７４から放出された光が第１の光ファイバ５６に光学的に結合され、こうしてプローブ２０に光を送出す。
【００２３】
光が第１の光ファイバ５６のプローブ側の端から放出され、プローブ２０内にある患者の指の皮膚に当たる。指に入った光が指の組織と血液によって散乱され且つ反射され、脈動する血液の流れと共に変化する。その結果、患者の指によって第２の光ファイバ５７に散乱され且つ反射される光の量は、患者の動脈の脈動と共に変化する。第２の光ファイバ５７に入った光がデータ収集回路７０に送られる。
【００２４】
収集回路７０では、第２の光ファイバ５７の端が、ＬＥＤ ７４から放出された赤外線の波長に応答するダーリントン形フォトトランジスタ８０に光学的に結合される。フォトトランジスタ８０の導電通路が大地と節８１の間に接続されている。抵抗８２が節８１を第２の電圧調整器８４の出力に接続する。従って、節８１の瞬時電圧レベルは、第２の光ファイバ５７から受取った光に応答して変化するフォトトランジスタ８０の導電度に依存する。この光が患者の動脈の脈動と共に変化する。
【００２５】
節８１がキャパシタ８６によって第１の増幅器８８の入力に結合され、この入力は抵抗８７によって大地に結合されている。キャパシタ８６及び抵抗８７の組合せが高域フィルタになる。第１の増幅器８８は、２５ヘルツより高い信号を阻止する内部の低域フィルタを有する。第１の増幅器８８の出力がディジタル制御の減衰器９０の入力に接続される。
【００２６】
減衰器９０は、アナログ・デバイセズ・インコーポレーテッド社によって製造されるＡＤ ７５４１Ａ形の様な「反転Ｒ−２Ｒ」梯形構造を利用した掛算形ディジタル・アナログ（Ｄ／Ａ）変換器を有する。増幅器８８の出力がＤ／Ａ変換器の電圧基準端子に印加される。ディジタル・アナログ変換器９２の端子９５に出る出力は、増幅器８８からの入力電圧のレベル、並列データ母線９４から受取るディジタル倍率値、及び端子９３で加えられるフィードバック電圧に関係する。母線９４を介して相異なる倍率値を加えることにより、出力電圧を異なる倍率だけ減衰させることが出来る。
【００２７】
Ｄ／Ａ変換器９２の出力端子９５が減衰器９０内にある増幅器９６の反転入力に接続される。増幅器９６の出力がＤ／Ａ変換器９２のフィードバック入力端子９３に直結になると共に、キャパシタ９７により増幅器の反転入力に結合される。減衰器９０内にある増幅器９６の出力が一定利得増幅器９８の入力に接続され、患者の動脈の脈動を表わす収集回路７０からの出力信号を線９９に発生する。
【００２８】
再び図２について説明すると、収集回路７０からの出力線９９が、アナログ・ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器１００の入力に接続され、この変換器が、プレチスモグラフ４０内にあるプロセッサ１０２に脈動信号のディジタル表示を供給する。プロセッサ１０２は、ランダムアクセス・メモリ（ＲＡＭ）１０４内にあるデータベースに、脈動信号のある値を記憶し、それを主プログラム１０６で使って、ＭＲＩ装置１０のコンピュータ２５に対して、線１０８を介してゲート信号を出すべき時を決定する。主プログラム１０６は、ＭＲＩ装置に対するこれまでのプレチスモグラフに用いられているものと同様である。
【００２９】
主制御プログラム１０６はＭＲＩ装置のコンピュータ２５からの信号に応答して、収集回路７０に対し、線７７を介してオン／オフ制御信号をも発生する。
更にプロセッサ１０２が、収集回路７０内のディジタル・アナログ変換器９２に対する倍率値をも計算する。この倍率値が、収集回路７０からの出力信号を線９９を介して受取る自動利得制御装置１１０によって計算される。自動利得制御装置１１０は、１対の基準レベルに対して出力信号を比較して、図７の回路９０によって加えられた減衰を増加すべきか減少すべきかを決定する。この比較結果が自動利得制御装置１１０内にあるカウンタを制御し、そのカウンタが母線９４にディジタル倍率値を発生する。この利得制御装置は、線９９の患者の脈動信号が、Ａ／Ｄ変換器１００のダイナミック範囲全体に対応する様に保証する。
【００３０】
この発明のプレチスモグラフは、従来の装置に較べて、幾つかの利点を提供する。磁石集成体１２の内側に配置されるプローブ２０の部品及び光ファイバ・ケーブル２２は非金属の非導電材料で作られる。この為、強力な電磁界が金属部品と相互作用することによる電撃又は火傷を患者が受ける危険がなくなる。更に、磁石集成体から生理学的な情報を伝える為に光信号を使うことにより、この信号は無線周波数磁界による電気雑音の影響を受けない。プレチスモグラフの電子部品及び金属部品は、磁石集成体１２から離れた所に配置されていて、この集成体によって発生される強力な磁界からは遮蔽されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明を用いたＭＲＩ装置の電磁石集成体の部分的な断面図。
【図２】プレチスモグラフを用いた１例のＭＲＩ装置のブロック図。
【図３】図１の磁石集成体の中にある患者の動脈の脈動を感知する指プローブの斜視図。
【図４】電子−光学回路に指プローブを接続する光ファイバ・ケーブルの部分断面図。
【図５】図４の線４−４に沿って見たケーブルの端面図。
【図６】患者の身体の異なる部分に対する別のプローブの斜視図。
【図７】光ファイバ・ケーブル及びプローブに関連する電子−光学回路の回路図。
【符号の説明】
１２ 磁石集成体
２０ プローブ
２２ 光ファイバ・ケーブル
４０ プレチスモグラフ
５０ ケーブル・コネクタ
５６，５７ 光ファイバ
７０ 収集回路

Claims (8)

1. 電磁石集成体によりその中に配置された動物内の原子核を励振するようにした磁気共鳴作像装置に用いるプレチスモグラフに於て、
   第１及び第２の光ファイバと、該第１及び第２の光ファイバが露出する端を持つ光ファイバ・ケーブルと、
   動物の解剖学的な肢体の面と同形になる様に弯曲していて、前記光ファイバ・ケーブルの一端を受入れ、前記解剖学的な肢体の一面に隣接する位置に前記第１及び第２の光ファイバの両方を保持する手段と、前記解剖学的な肢体の周りに結合される手段を備える本体と、
   前記光ファイバ・ケーブルの一端に結合する第１の部分と、前記第１の部分から略垂直に突出する第２の部分を有しており、前記第１及び第２の光ファイバが両方の部分、並びに前記第２の部分の開口を通抜けており、前記第２の部分が前記本体に回転自在に接続されている、コネクタと、
   前記電磁石コイル集成体の外部で前記光ファイバ・ケーブルの他端に結合されていて、第１の光ファイバに結合される光を発生する光発生手段と、
   前記電磁石コイル集成体の外側で前記光ファイバ・ケーブルの他端に結合されていて、前記第２の光ファイバから受取った光に応答して変化する電気信号を発生する電気信号発生手段と、
   を有するプレチスモグラフ。
2. 前記本体が、互いに丁番結合した底部とカバーを持つと共に、動物の指を受入れる様にした開口を持つ請求項１記載のプレチスモグラフ。
3. 前記本体が第１及び第２の部分を有し、その各々は細長い凹形であって、一端に隣接して他方の部分に枢着されており、前記第１の部分は他端に爪フィンガを持っていて、該爪フィンガが前記第２の部分の他端にある歯と解放自在に係合し、前記第１及び第２の部分は動物の指を受入れる開口を持ち、一方の部分は前記光ファイバ・ケーブルの一端を受入れる開口を持っている請求項１記載のプレチスモグラフ。
4. 前記本体が向い合った２つの縁を持ち、前記解剖学的な肢体の周りに結合される手段は前記部材の一方の縁に隣接して前記肢体に取付けられる第１のストラップ、及び前記肢体の他方の縁に隣接して前記部材に取付けられる第２のストラップを有する請求項１記載のプレチスモグラフ。
5. 前記コネクタは前記本体に着脱自在に接続されている請求項１記載のプレチスモグラフ。
6. 前記光発生手段が赤外線光放出ダイオードで構成される請求項１記載のプレチスモグラフ。
7. 前記電気信号発生手段が、前記第２の光ファイバの端に光学的に結合されていて、第２の光ファイバから受取った光に対応する電気信号を発生する光センサと、該センサからの電気信号を増幅する手段と、制御信号によって定められた分だけ前記増幅する手段からの出力信号を減衰させる手段とを有する請求項１記載のプレチスモグラフ。
8. 前記電気信号発生手段からの出力に応答して、前記減衰させる手段に対する制御信号を発生する自動利得制御装置を更に有する請求項７記載のプレチスモグラフ。

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