JP3996431B2 - 磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
この発明は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）現象を利用した磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）装置に関し、特に定常状態（SSFP:Steady State Free Precession）を保ったパルスシーケンスにおいて、傾斜磁場の変化に伴う渦電流の発生及び残留磁場を抑制し、SSFP状態の不完全性に起因する偽像の発生を抑制する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＭＲＩは、静磁場中に置かれた被検体に高周波磁場を印加することにより被検体に生じたＮＭＲ信号を検出し、これを信号処理し画像化する手法である。高周波磁場を連続的に印加することによって核スピン系を定常状態にすることができ、このような定常状態でＮＭＲ信号を計測する連続撮像方法が広く実用化されている。連続して印加される高周波磁場と高周波磁場との間、即ち繰り返し時間ＴＲの間で、ＮＭＲ信号に位置情報をエンコードするために傾斜磁場が印加される。
【０００３】
通常、１枚の断層像を得るために必要な位相エンコード数は64、128、256などに設定され、それに応じて傾斜磁場の強度を０を中心として負の最大値から正の最大値まで段階的に設定し、ＴＲ毎に正から負へ或いは負から正へ変化させている。複数の画像を撮像する場合には、1枚の画像について位相エンコードを正から負に制御したならば、続く画像でも同様に段階的に正から負に制御している。
【０００４】
ここで、完全なSSFP状態を保つためには、傾斜磁場の印加によって分散したスピンの位相が再び揃うように傾斜磁場を印加しなければならない。次の高周波磁場が印加される際スピンの位相が揃っていないと、SSFP状態の不完全性に起因する偽像（濃淡縞アーチファクト）が発生する。スピンの位相を揃えるために、SSFP状態を利用したパルスシーケンスでは、ＮＭＲ信号計測後、ＮＭＲ信号をエンコードするための傾斜磁場と同じ強度で逆極性の傾斜磁場（リワインドパルス）をＴＲ内で印加している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したようにSSFP状態を利用したパルスシーケンスでは、次の高周波磁場が印加される際にスピンの位相が揃っていなければならないが、傾斜磁場を印加する際に発生する渦電流及び残留磁場が原因で、スピンの位相が揃わないことがある。このような渦電流及び残留磁場の影響は、隣接するＴＲで用いる傾斜磁場の強度の差が小さいほど少なくできるが、従来の連続撮像法では画像毎に同一の傾斜磁場の制御方法を採用しているため、隣接するＴＲ間で位相エンコード量が、例えば、負の最大値から正の最大値に変化する場合を生じ、これによって大きな渦電流或いは残留磁場が発生し、それに起因する偽像が発生していた。
【０００６】
そこで本発明は、SSFP状態を利用した撮像において、傾斜磁場による渦電流や残留磁場に起因するアーチファクトの発生を抑制し、画質の良好な連続画像を得ることができるＭＲＩ装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明のＭＲＩ装置は、静磁場中に置かれた被検体中に核磁気共鳴を起こさせる高周波磁場を発生する手段と、核磁気共鳴によって被検体が発生するＮＭＲ信号を位相エンコードする傾斜磁場を発生する手段と、前記ＮＭＲ信号を用いて前記被検体の断層像を形成する画像形成手段と、前記高周波磁場発生手段及び傾斜磁場発生手段を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、高周波磁場を繰り返し印加するとともに繰り返し時間内で位相エンコードとＮＭＲ信号の計測を行うパルスシーケンスを連続して実行し、その際、繰り返し時間毎に変化させる位相エンコードの順序を、極性が負から正に変化する順序(昇順)と正から負に変化する順序（降順）とが交互になるように、傾斜磁場を制御することを特徴とする。
【０００８】
このＭＲＩ装置によれば、例えば、１セットのＮＭＲ信号を繰り返し時間毎に位相エンコードを昇順で変化させて計測した後、次の繰り返し時間から次の１セットのＮＭＲ信号を計測するときに、今度は位相エンコードを降順で変化させるので、１つの繰り返し時間における位相エンコードと次の繰り返し時間における位相エンコードの差をできるだけ小さくすることができ、これにより傾斜磁場に起因する渦電流や残留磁場の影響を抑制することができ、濃淡縞アーチファクトを抑制した画像を得ることができる。
【０００９】
本発明のＭＲＩ装置の一つの形態として、制御手段は、繰り返し時間毎に変化させる位相エンコードの順序を、極性が負の最大値から正の最大値まで順に変化させ、次いで正の最大値から負の最大値まで順に変化させる。
【００１０】
また本発明のＭＲＩ装置は、高周波磁場を繰り返し印加するとともに繰り返し時間内で２軸方向の位相エンコードとＮＭＲ信号の計測を行うパルスシーケンスを連続して実行するものであり、その際、第1の位相エンコードを固定して第2の位相エンコードを順次変化しながら繰り返し核磁気共鳴信号を取得するステップを、第1の位相エンコードを順次変化させながら繰り返し、各ステップにおける第１の位相エンコードの順序を、昇順と降順とが交互となるように傾斜磁場を制御する。
【００１１】
このＭＲＩ装置では、２軸の位相エンコードのうち一方を固定して他方について一連の位相エンコードを行う際に、他方の位相エンコードの順序を一方の位相エンコードを変える毎に昇順から降順或いは降順から昇順に変化させることにより、外ループとなる一方の位相エンコードを変更する際に他方の位相エンコードの変化を少なくして、SSFP状態の完全性を維持することができる。
【００１２】
また本発明のＭＲＩ装置は、制御手段が、被検体の生体信号に同期して、パルスシーケンスを制御し、１の生体信号と次の生体信号との間を分割した複数の時相の、ある時相では、位相エンコードの順序を、極性が負から正に変化する順序(昇順)となり、次の時相では極性が正から負に変化する順序（降順）となるように、傾斜磁場を制御することを特徴とする。
【００１３】
このＭＲＩ装置では、時相が変わるときの位相エンコードの変化を少なくし、SSFP状態の完全性を維持することができる。これにより時相毎に得られる画像において、SSFPの不完全性に起因するアーチファクトをなくすことができる。
さらに本発明のＭＲＩ装置は、繰り返し時間内に、位相エンコードを付与する傾斜磁場パルスと強度が同じで極性が逆のリワインドパルスを含んでいる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のＭＲＩ装置の実施形態を説明する。
図１は、本発明が適用されるＭＲＩ装置の全体概要を示す図である。このＭＲＩ装置は、被検体101が置かれる空間に均一な静磁場を形成する静磁場磁石102と、この空間内に配置され静磁場に勾配を与える傾斜磁場コイル103と、被検体101の組織を構成する原子の核スピンに核磁気共鳴を起こす高周波磁場を発生するＲＦコイル104と、被検体101から発生するＮＭＲ信号を検出するＲＦコイル105と、静磁場磁石102が形成する磁場空間内に被検体101を挿入するためのベッド112とを備えている。
【００１５】
傾斜磁場コイル103は、互いに直交する３軸方向に巻かれた３つの傾斜磁場コイルから成り、それぞれ傾斜磁場電源109から供給される電流によって駆動され、３軸方向の傾斜磁場を発生する。これら傾斜磁場の加え方により、被検体のスライス面を設定することができ、またＮＭＲ信号（エコー信号）に位置情報を付与することができる。
【００１６】
ＲＦコイル104は、高周波発信器及び変調器を備えた送信系110によって駆動され、高周波発信器から出力された高周波パルスをＲＦコイル104に供給することにより、電磁波が被検体101に照射される。
【００１７】
ＲＦコイル105が検出したエコー信号は、直交位相検波器及びＡ/Ｄ変換器を備えた受信系106を経て信号処理系107に送られる。信号処理系107は、受信系106で受信したエコー信号を用いて、フーリエ変換、補正係数計算、画像再構成等の処理を行う。信号処理系107の処理によって再構成された画像は表示部108に表示される。
【００１８】
傾斜磁場電源109、送信系110及び信号処理系107の動作は、撮像法によって決まるパルスシーケンスに則り制御系111によって制御される。本発明においては、撮像法として短ＴＲのグラディエントエコー系パルスシーケンスを用いた連続撮像を実行し、ＴＲごとの位相エンコードの変化量が少なくなるように、パルスシーケンスにおけるエンコード順序を制御する。このような制御は、具体的にはパルスシーケンスにおいて３軸方向の傾斜磁場の強度及び極性を変化させる順序の制御であり、撮像法として以下具体的に述べるような連続撮像が選択されたときに、自動的に或いはユーザーの指定によって実行される。
【００１９】
次に上記構成のＭＲＩ装置を用いた連続撮像方法について説明する。
図２は、SSFP状態を利用した連続撮像のパルスシーケンスの一例を示す図で、上から順に高周波磁場ＲＦ、スライス選択傾斜磁場Ｇｓ、位相エンコード傾斜磁場Ｇｐ及び読み出し傾斜磁場Ｇｒの印加タイミング、エコー信号Signalの発生タイミング、サンプリングタイミングA/Dを示している(以下、同様)。このパルスシーケンスでは、所望のスライスを選択するスライス選択傾斜磁場パルス202とともにそのスライス内のスピンを励起する高周波パルス201を印加した後、位相エンコードのオフセットを与えるパルス203と読み出し傾斜磁場パルスのオフセットを与えるパルス204を印加する。次に極性を反転した読み出し傾斜磁場パルス205を印加し、それにより発生したグラディエントエコー206を所定の時間207サンプリングする。その後、次の高周波磁場印加前に、スライス内のスピンを揃えるための傾斜磁場208、209、210を印加する。このようなシーケンスを、位相エンコードパルス203の大きさを変えながら、連続して繰り返す。位相エンコードパルス203の大きさを変化させるのに伴い、位相エンコード方向のリワインドパルス209も変化させる
【００２０】
位相エンコードを、例えば負の最大値から始めた場合には、ＴＲ毎に順次１位相エンコード量ずつ増加し、正の最大値まで繰り返すことにより、1枚の画像再構成に必要なエコー信号（１セットのエコー信号）が得られる。次の１セットのエコー信号も同様のシーケンスの繰り返しで計測されるが、このときには、位相エンコードを正の最大値から始めて、ＴＲ毎に順次１位相エンコードずつ減少し、負の最大値まで繰り返す。以下、同様に降順と昇順とを繰り返す。リワインドパルス209は、位相エンコードパルス203と極性が逆で同じ強度のパルスであるので、位相エンコードパルス203とは逆順となる。
【００２１】
この場合の位相エンコード傾斜磁場の強度の変化の様子を図３に示す。図中、位相エンコードパルス203は白のパルスで、リワインドパルス209は斜線を付して示している。また図では簡略化して、通常の位相エンコード数よりも少ないパルスのみを示している。図示するように、傾斜磁場強度はその差が常に最小となるように変化している。従って、一つの高周波磁場パルスと次の高周波パルスとの間で、傾斜磁場による渦電流や残留磁場の影響を最小にすることができる。これによってSSFP状態の完全性が維持され、連続して再構成される画像においてSSFPの不完全性に起因するアーチファクトの発生を抑制することができる。
【００２２】
連続撮像を利用したフルオロスコピーでは、連続して得られる時系列画像の隣接するもの同士で、データの一部を共有する場合がある。同図３（a）は、共有しない場合、（b）は共有する場合である。１セットのデータの位相エンコードが同順である従来法では、データの一部を共有する場合に、１セットのデータ内で位相エンコードが大きく変化し、SSFP状態が乱れる部分を含むことになるが、本発明の方法では、常に位相エンコードの変化が最小となるように位相エンコードが制御されているので、どの部分のデータをとってもSSFP状態が維持されている。従って、データを共有することによって、画像更新の時間分解能を上げた場合にも、連続画像においてSSFPの不完全性に起因するアーチファクトの発生を防止できる。
【００２３】
次に本発明の第２の実施形態として、３次元計測の場合を説明する。３次元計測では、図４に示すように、位相エンコード403の他にスライス方向のエンコード411nを用いる。位相エンコードとスライスエンコードはどちらを内ループにしてもよいが、図示する例では、位相エンコード量を一定にして、ＴＲ毎にスライスエンコードを行う。図中、TR1、TR2はそれぞれ、ＴＲの繰り返しにより一連のスライスエンコードを行うステップ(内ループ)を示している。
【００２４】
即ち、図中一つの高周波パルス4011から次の高周波パルス4012までの間TR1は、位相エンコード4031を一定にして、高周波パルス4011の印加とエコー信号4061の計測を行うシーケンスをスライスエンコード4111（及びそのリワインドパルス4121）を変えながらＴＲで繰り返す。次の高周波パルス4012から高周波パルス4013までの間TR2は、位相エンコード量を１ステップ上げて（或いは下げて）、高周波パルス4012の印加とエコー信号4062の計測を行うシーケンスをスライスエンコード4112（及びそのリワインドパルス4122）を変えながらＴＲで繰り返す。これら一連のスライスエンコードは、最初の繰り返しＴＲにおいて、スライスエンコードを昇順で変化させたとすると、次の繰り返しでは、スライスエンコードを降順で変化させる。以下、昇順と降順とを交互に繰り返し、すべての位相エンコード量について一連のスライスエンコードされた信号を得る。
【００２５】
この場合の位相エンコード傾斜磁場の強度の変化の様子を図５に示す。図示するように、３次元計測において外ループである位相エンコードを変更したときにも、隣接するＴＲにおけるスライス傾斜磁場の強度と極性の差を最小にしているので、SSFPの完全性を維持することができ、３次元画像においてSSFPの不完全性に起因するアーチファクトの発生を抑制することができる。
【００２６】
なお、図４ではTR1、TR2・・において位相エンコードを一定にして、スライスエンコードを変化させる場合を説明したが、逆にスライスエンコードを一定にして位相エンコードを変化させるようにしてもよい。
【００２７】
次に本発明のさらに別の実施形態として、心電同期計測を行う場合を説明する。図６は、心電同期計測のタイムチャートを示す図である。心電同期計測では、例えば心電波形のＲ波のような生体信号P1、P2、・・・の間を複数（例えば7〜10）の時相T1〜T7に分割し、これら各時相で得たエコー信号を元に時相毎の画像を形成する。このため一つの生体信号から次の生体信号までの１周期では各時相毎に一部の位相エンコード量のエコー信号を計測し、複数周期の繰り返しによって全位相エンコードのエコー信号を得る。
【００２８】
図６の例では、１周期R1、R2・・・を７つの時相に分割し、一つの時相では図２に示すシーケンスＴＲを４回繰り返し、４つのエコー信号を計測している。図中、Gpはこれら４つの信号にそれぞれ付される位相エンコード量を示している。この場合、位相エンコード数がＮであるとすると、Ｎ/４周期で１時相の画像再構成に必要なエコー信号を計測することができる。各周期において、４つの信号に付される位相エンコードは、隣接する時相における位相エンコードの順序が互いに異なるようにする。即ち、例えば、最初の時相T1で位相エンコードを降順で行った場合には、次の時相T2では昇順で行う。以下、降順、昇順を繰り返す。２周期目R2の最初の時相T1では、位相エンコードのオフセット量を変えると共に、１周期目R1の最後の時相T7と逆順となるように位相エンコードを行う。図示する例では時相数が奇数であって最後の時相における位相エンコードが降順となっているので、２周期目は昇順の位相エンコードから始まる。周期内の時相数が偶数の場合には、最初の時相は常に同順となる。
【００２９】
尚、図６では、リワインドパルスを省略し、位相エンコード傾斜磁場のみを示しているが、実際には図７に示すように、位相エンコードパルス703と強度が同じで逆極性がリワインドパルス709が挿入される。
【００３０】
このような順序で位相エンコードする場合のｋ空間走査の例を図８に示す。図中、○で囲んだ数字は、位相エンコードの順序を示している。また実線が第１周期R1で計測するエコー信号、点線が第２周期R2で計測するエコー信号を示す。
【００３１】
このように時相が変わるごとに、位相エンコードの順序を異ならせることにより、時相と時相との間においても、位相エンコード傾斜磁場の強度及び極性の変化を最小に保つことができるので、傾斜磁場による渦電流や残留磁場の影響を最小にすることができる。これにより各時相毎に得られる画像において、SSFPの不完全性に起因するアーチファクトを抑制することができる。
【００３２】
尚、図６では、説明を簡単にするために、生体信号の１周期が時相数で割り切れた場合を示したが、実際の生体信号は変動があり、時相数で割り切れず、最後の時相と次の周期の最初の時相との間に間隔を取る必要がある。このように間隔を取った例を図９に示す。Gpは各ＴＲで印加される位相エンコードの極性と強度を示している。この周期と周期との間の間隔においては、最後の時相における最後のエンコード状態を保ってシーケンスを繰り返し、次の周期の生体信号をトリガーとしてその周期最初の時相の位相エンコードを開始する。これによりSSFP状態を保ちながら連続撮像を行うことができる。
【００３３】
以上、本発明のＭＲＩ装置を用いた連続撮像の実施形態を説明したが、本発明のＭＲＩ装置はSSFP状態を保ちながら一連のエンコードを繰り返し行う撮像方法であれば、３次元計測や心電同期撮像の以外の撮像方法にも適用することができる。また以上の実施形態では、ＴＲ内で一つのエコー信号を計測する場合を示したが、ＴＲ内で計測する信号の数は１に限定されない。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、SSFP状態を利用した連続撮像において、ＴＲ毎の位相エンコード量の変化を常に少なくすることにより、傾斜磁場による渦電流や残留磁場の影響を抑制し、安定した定常状態を保つことができる。これによってSSFPの不完全性によるアーチファクトのない良好な画像を提供できる。特に、２軸方向にエンコードする３次元計測や、時相毎の連続画像を得る心電同期撮像において、外ループのエンコードステップが変更させるときや、時相及び生体信号周期が変わるときのエンコードの変化を最小にすることができ、３次元画像や時相毎の画像に濃淡縞アーチファクトが発生するのを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明が適用されるＭＲＩ装置の概要を示す図。
【図２】 本発明のＭＲＩ装置が採用する連続撮像のパルスシーケンスの一例を示す図。
【図３】 図２の連続撮像における位相エンコード制御を説明する図。
【図４】 本発明のＭＲＩ装置が採用する連続３次元撮像のパルスシーケンスの一例を示す図。
【図５】 図４の連続撮像における位相エンコード制御を説明する図。
【図６】 本発明のＭＲＩ装置が採用する心電同期撮像のタイムチャートの一例を示す図。
【図７】 心電同期撮像のパルスシーケンスの一例を示す図。
【図８】 図６の心電同期撮像のｋ空間走査を示す図。
【図９】 心電同期撮像のパルスシーケンスの他の例を示す図。
【符号の説明】
101・・・被検体
102・・・静磁場磁石
103・・・傾斜磁場コイル
104・・・照射用のＲＦコイル
105・・・受信用のＲＦコイル
107・・・信号処理系
108・・・表示部
111・・・制御系

Claims (6)

1. 静磁場中に置かれた被検体中に核磁気共鳴を起こさせる高周波磁場を発生する手段と、核磁気共鳴によって被検体が発生する核磁気共鳴信号を位相エンコードする傾斜磁場を発生する手段と、前記核磁気共鳴信号を用いて前記被検体の断層像を形成する画像形成手段と、前記高周波磁場発生手段及び傾斜磁場発生手段を制御する制御手段とを備えた磁気共鳴イメージング装置において、
   前記制御手段は、高周波磁場を繰り返し印加するとともに繰り返し時間内で位相エンコードと核磁気共鳴信号の計測を行うパルスシーケンスを連続して実行し、その際、繰り返し時間毎に変化させる位相エンコードの順序を、全位相エンコードの計測毎に、極性が負から正に変化する順序（昇順）と正から負に変化する順序（降順）とが交互になるように、傾斜磁場を制御することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
2. 請求項１に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
   前記制御手段は、高周波磁場を繰り返し印加するとともに繰り返し時間内で位相エンコードと核磁気共鳴信号の計測を行うパルスシーケンスを連続して実行し、画像データセットの少なくとも一部の取得を、画像データセットを変えて繰り返し、その際、１の画像データセットの少なくとも一部の取得の際に最後に印加される位相エンコード傾斜磁場強度と、次の画像データセットの少なくとも一部の取得の際に最初に印加される位相エンコード傾斜磁場強度との差が最小となるようにすることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
3. 請求項１記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記制御手段は、繰り返し時間毎に変化させる位相エンコードの順序を、極性が負の最大値から正の最大値まで順に変化させ、次いで正の最大値から負の最大値まで順に変化させることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記制御手段は、高周波磁場を繰り返し印加するとともに繰り返し時間内で２軸方向の位相エンコードと核磁気共鳴信号の計測を行うパルスシーケンスを連続して実行し、その際、第１の位相エンコードを固定して第２の位相エンコードを順次変化しながら繰り返し核磁気共鳴信号を取得するステップを、第1の位相エンコードを順次変化させながら繰り返し、各ステップにおける第１の位相エンコードの順序を、昇順と降順とが交互となるように傾斜磁場を制御することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
5. 請求項１記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記制御手段は、前記被検体の生体信号に同期して、パルスシーケンスを制御し、１の生体信号と次の生体信号との間を分割した複数の時相の、ある時相では、位相エンコードの順序を、極性が負から正に変化する順序（昇順）となり、次の時相では極性が正から負に変化する順序（降順）となるように、傾斜磁場を制御することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
6. 請求項１ないし５いずれか１項記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記繰り返し時間内に、位相エンコードを付与する傾斜磁場パルスと強度が同じで極性が逆のリワインドパルスを含むことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。

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