JP4293296B2

JP4293296B2 - 磁気共鳴スペクトロスコピイ・シーケンスを実行するｎｍｒ装置

Info

Publication number: JP4293296B2
Application number: JP06938399A
Authority: JP
Inventors: ラルフ・ユージーン・ハード
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1998-03-17
Filing date: 1999-03-16
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2019-03-16
Also published as: IL128887A0; DE19911734A1; US6104191A; JPH11313812A; DE19911734B4

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般的には磁気共鳴スペクトロスコピイに関し、より具体的には、水のベースライン・アーティファクト信号が減少したボリューム・スペクトロスコピイに関する。
【０００２】
【発明の背景】
領域局在化（volume localized）磁気共鳴スペクトロスコピイは、脳内の拡散的化学変化をもたらす異常の検出に特に有用なルーチン的な臨床ツールとなっている。関心領域（volume of interest）内のスピンを直接励起して、３次元の選択を実現する手法としては、誘導エコーの利用及びカー・パーセル（Carr-Purcell）エコーの利用を含めて様々なものが知られている。これらの手法は、局在化スペクトルを１回の走査で取得するものである。例えば、ポイント・リソルブド・スペクトロスコピイ（ＰＲＥＳＳ、point resolved spectroscopy 。米国特許第４，４８０，２２８号を参照されたい）は、各々のパルスが周波数選択性である３つのパルス・シーケンスを用いている。
【０００３】
プロトン磁気共鳴スペクトロスコピイの多くの重要な臨床的応用は、限定された励起領域の利用に基づいている。典型的には、領域（ボリューム）の励起は、ＰＲＥＳＳを用いて行われており、この方法は、２重のスピン・エコーの形態で３つの直交するスライスを利用して、特定の関心領域を選択している。
脳の局在化プロトン・スペクトロスコピイの絶対的定量化が現在強く求められている。これは、甚だしい信号の重畳、残基の水のスプリアス・サイドバンドによるベースライン・アーティファクト、未知のＴ₂ 損失、及び場合によってはパーシャル・ボリュームの問題の絡む重大な課題である。アーティファクトの除去、スペクトルの単純化又は編集、Ｔ₂ 推定、及びパーシャル・ボリューム補正に対する個別のアプローチは数多くあるが、これらの方法を組み合わせても、所望の情報をすべて抽出するには多大な誤差及び非効率性が存在している。
【０００４】
Magnetic Resonance Imaging誌、第１３巻、第６号、第８５３頁〜第８６９頁（１９９５年）のRyner 等の論文「局在化２次元Ｊ分解 ¹Ｈ磁気共鳴スペクトロスコピイ：イン・ビトロ及びイン・ビボにおける強い結合の効果（LOCALIZED 2D J-RESOLVED ¹H MR SPECTROSCOPY: STRONG COUPLING EFFECTS IN VITRO AND IN VIVO）」には、２次元（２Ｄ）Ｊ分解ＭＲスペクトロスコピイ・シーケンス（２Ｄ・Ｊ−ＰＲＥＳＳ）が開示されており、このシーケンスは、３次元で完全に局在化されており、全身型ＭＲスキャナ上で実現されている。上記論文に記載されているように、９０°ＲＦパルスによって形成される横磁化は、１８０°ＲＦパルスで再集束されて、進展(evolution) 後でエコー時間ＴＥの間にスピン・エコーを形成することができる。化学シフト、静磁場の不均一性、共鳴オフセット等のような１次の相互作用は、ＴＥの間に平均されて消失する。横磁化の減衰は、Ｔ₂ 緩和のみによるものであるので、スピン拡散及び化学交換による影響は無視される。双１次的な（bilinear）相互作用すなわちＪ結合は再集束パルスによる影響を受けないので、ＴＥの間に磁化のＪ変調が生ずる。
【０００５】
このような２次元Ｊ分解シーケンスは、２０年以上前に初めて実現されており、このときには、高分解能ＮＭＲ分光計上で従来のスピン・エコー・パルス方式が用いられていた。２次元Ｊ分解データ・セットとしての処理は、２つの軸（ｔ１，ｔ２）に沿ったフーリエ変換を含んでおり、その結果のＦ２軸に沿って存在する化学シフト及びＪ結合周波数、並びにその結果のＦ１軸に沿って分離されたＪ結合周波数が得られる。
【０００６】
より具体的には、この磁気共鳴スペクトロスコピイ方法は、（ａ）物体を磁場内に配置する工程と、（ｂ）横磁化を発生させて、エコー時間ＴＥにおいてエコー信号を形成する工程と、（ｃ）段階的にＴＥをインクリメント（増分）して２次元データ・セットを収集する工程と、（ｄ）このデータ・セットを処理して、Ｆ２軸に沿って化学シフト及びＪ結合周波数を求めるから共に、Ｆ１軸に沿ってＪ結合周波数を求める工程とを含んでいる。工程（ｃ）は、プロトン・プロトンＪ結合の帯域幅よりも広いＦ１帯域幅でＴＥをインクリメントする。２次元（２Ｄ）水信号を分解して、２Ｄスペクトル内のすべての信号の２Ｄ位相補正に用いることができる。更に、完全な（Ｆ１，Ｆ２）マップを用いて、先験的知識（prior knowledge ）マップに基づいて複素（Ｆ１，Ｆ２）モデル・スペクトルに当てはめる(fit) ことができる。
【０００７】
【発明の概要】
本発明は、Ｆ１オーバサンプル(oversampled) Ｊ分解２Ｄスペクトロスコピイによる改良された定量的イン・ビボ・スペクトロスコピイを実現するものである。Ｆ１のオーバサンプリングによって、干渉性の水のサイドバンドを分解してフィルタ処理により除去することが可能になり、これによって、全水及び代謝物質信号を同時に収集することができる。ベースライン・アーティファクトが存在しないので、全水信号が２Ｄ線形状参照基準として用いられ、また更に、Ｔ₂ 及びパーシャル・ボリューム補正に用いられる。その結果として得られる「アーティファクトのない」位相感受性２次元（２Ｄ）Ｊ分解スペクトルは、２Ｄ位相感受性モデル・スペクトルに当てはめられる。この新規の方法の好ましい実施態様は、これらの特徴を脳のＰＲＥＳＳ局在化スペクトロスコピイに統合し、水抑制を必要とせずに実行される。
【０００８】
より具体的には、本発明の磁気共鳴スペクトロスコピイ方法は、（ａ）物体を磁場内に配置する工程と、（ｂ）横磁化を発生させて再集束することにより、エコー時間ＴＥにエコー信号を形成する工程と、（ｃ）段階的にＴＥをインクリメント（増分）して２次元（ｔ₁ ，ｔ₂ ）データ・セットを収集する工程と、（ｄ）このデータ・セットを処理して、Ｆ２軸に沿って化学シフト及びＪ結合周波数を求めると共に、Ｆ１軸に沿ってＪ結合周波数を求める工程とを含んでいる。
【０００９】
工程（ｃ）は、プロトン・プロトンＪ結合の帯域幅よりもかなり広いＦ１帯域幅でＴＥをインクリメントする。２Ｄ水信号は分解して、Ｆ１でのＦＦＴの前と後の両方でｔ２の関数としてのスペクトルの２Ｄ位相補正に用いることができる。更に、完全な位相感受性（Ｆ１，Ｆ２）マップを用いて、位相感受性（Ｆ１，Ｆ２）モデル・スペクトルに当てはめることができる。
【００１０】
本発明、並びにその目的及び特徴は、以下の詳細な記載及び請求項を図面と共に参照することにより、より容易に明らかとなろう。
【００１１】
【発明の実施の形態】
ここで、図面を参照要して説明する。図１（Ａ）は、ＭＲＩシステムのコイル装置を部分的に断面で示す斜視図であり、図１（Ｂ）〜図１（Ｄ）は、図１（Ａ）の装置内で発生させることのできる磁場勾配を示す図である。この装置は、"Proceedings of the IEEE" 誌、第７１巻、第３号、１９９３年３月、第３３８頁〜第３５０頁所載のHinshaw 及びLentによる論文「ＮＭＲイメージング入門：Bloch 方程式からイメージング方程式まで（An Introduction to NMR Imaging: From the Bloch Equation to the Imaging Equation ）」で議論されている。簡単に述べると、コイル対１０を含んでいるマグネットによって、一様な静磁場Ｂ₀ が発生される。円筒１２上に巻回することの可能な複合型勾配コイル・セットによって、勾配磁場Ｇ（ｘ）が発生される。ＲＦ磁場Ｂ₁ が、ＲＦコイル１４によって発生される。被検サンプルが、ＲＦコイル１４の内部にＺ軸に沿って配置される。
【００１２】
図１（Ｂ）には、Ｘ勾配磁場が示されており、Ｘ勾配磁場は、静磁場Ｂ₀ に垂直で且つＸ軸に沿って距離と共に直線的に変化するが、Ｙ軸又はＺ軸に沿って距離と共に変化することはない。図１（Ｃ）及び図１（Ｄ）はそれぞれ、Ｙ勾配磁場及びＺ勾配磁場についての同様の図である。
図２は、ＮＭＲ装置の機能ブロック図である。コンピュータ２０が、ＭＲＩ装置の動作を制御すると共に、ＭＲＩ装置から検出されるＦＩＤ（自由誘導減衰）信号を処理するようにプログラムされている。勾配増幅器２２が勾配磁場を発生させ、また、ラーモア周波数のＢ₁ 磁場を発生するＲＦコイル２６が送信器２４によって制御されている。選択された核が励起された後に、ＲＦコイル２６を用いてＦＩＤ信号が検出され、ＦＩＤ信号は、受信器２８へ伝送された後に、ディジタイザ３０を通過してコンピュータ２０で処理される。
【００１３】
前述したRyner 等の論文には、１８０°ＲＦパルスを用いてスピン・エコーを進展時間ＴＥで形成する局在化２次元Ｊ分解（２Ｄ・Ｊ−ＰＲＥＳＳ）シーケンスについて記載している。化学シフト、静磁場の不均一性及び共鳴オフセットのような１次の相互作用はＴＥの間に平均されて消失するが、Ｊ結合のような双１次的な相互作用は再集束パルスによる影響を受けない。
【００１４】
本発明によれば、２次元Ｊ分解スペクトルは、標準的な非対称ＰＲＥＳＳシーケンスにおいて、＋／−２００ＨｚのＦ１帯域幅については持続時間２．５ｍｓの１２８段階でＴＥをインクリメントすることにより得ることができる（実用上は、＋／−１２Ｈｚより外側の帯域幅が折り返しアーティファクト周波数をも補足することが出来るので、Ｆ１の帯域幅＋／−１００Ｈｚについて５ｍｓの６４段階にまで減少させることができる。）。これにより、代謝物質の固有の結合を分解するのに十分なＦ１における約３Ｈｚの分解能が得られる。ＰＲＥＳＳの場合には、典型的な初期ＴＥは３５ｍｓであり、最終ＴＥは３５５ｍｓである。ＳＮ比は、非結合スピンについてはＴＥ１４４のＰＲＥＳＳ走査と概略で同等であるが、結合スピンについては遥かに良好である。特に、短いエコーの１次元スペクトルでは埋没してしまう結合スピンについてこのことが言える。
【００１５】
水の抑制はおそらく、イン・ビボ・プロトン・スペクトロスコピイ及びスペクトロスコピイ・イメージングの最も制約的な側面である。信号の潜在的な低下及びスピン結合による影響は共通の問題点であり、これは、穏当な不均一性によってさえ、多くの場合に悪化する。しかしながら、水の抑制は、水のサイドバンド・アーティファクトのため、従来技術では必要条件であった。水のサイドバンド・アーティファクトは、比較的順調に水を抑制するシステムでも問題となるものである。これらの研究では、定量化、線形状補正及びアーティファクト減少の方法のためには、水を抑制したデータに加えて水を抑制しないスペクトルを別個に収集しなければならない。抑制を行わなければ、水の強度と共に拡大するこれらのサイドバンド・アーティファクトは、実質的にすべてのシステムで、代謝物質のピークを完全に見えなくする。このことは、水抑制を行わないで収集されたＰＲＥＳＳ（ＴＥ３５）スペクトルを示している図３ではっきりとわかる。垂直方向の拡大率は１００倍であり、これにより、１％又はそれよりも少ないにも関わらず、水の広い（ブロード）サイドバンド及び離散的なサイドバンドの両方が、３０Ｈｚと２３０Ｈｚとの間で観測される代謝物質のスペクトルを完全に見えなくしていることがわかる。幸い、図４に示すように、オーバサンプルＪ分解２次元スペクトロスコピイが、この障害を克服する。データは、１２８×１Ｋの配列（２００Ｈｚ×１０００Ｈｚ）として収集されたものである。垂直方向の拡大率は１００倍であり、これにより、＋／−１２Ｈｚの間の代謝物質のピークと並んで、Ｆ１＝Ｆ２及びＦ１＝Ｆ２／２におけるアーティファクトが分解されていることがわかる。このＪ分解スペクトルの１２８×１Ｋ（２００Ｈｚ×１ｋＨｚ）のスタック・プロットでは、障害となるベースライン・アーティファクトがＦ１において明確に分解されている。これらのアーティファクトは、Ｆ１＝Ｆ２で発生する（９０°スライス選択の前または直後の勾配の影響によるものと考えられる）か、又はＦ１＝Ｆ２／２で発生する（最後の１８０°再収束パルスの周囲の勾配からの結合効果によるものと考えられ、従って、ｔ１進展時間の半分にしかさらされない）かのいずれかである。図５は、Ｆ１＝０でのＪ分解スペクトル（実線。以後、Ｊ０スペクトルと呼ぶ）を従来のＰＲＥＳＳスペクトル（点線）に重ね合わせたものを示しており、両者とも、抑制は行われておらず、垂直拡大率１００として示してある。従来のＰＲＥＳＳスペクトルは、離散的ベースライン歪み及び広いベースライン歪みの両方を有しているが、これらのベースライン歪みは、オーバサンプルＪ０スペクトルには明らかに存在していないことに留意されたい。図６は、イン・ビボ（頭頂部白質）のオーバサンプルＪ０スペクトルを垂直拡大率２５０で示している。水抑制を一切行わないで収集されたこのスペクトルの線(line)形状が優れていること、及びアーティファクトが存在していないことに留意されたい。図７は５ｍＭのＧＡＢＡを含有している第２世代ＭＲＳ・ＨＤ球（HD sphere）についてのＪ０スペクトル、図８は元のＭＲＳ・ＨＤ球についてのＪ０スペクトル、及び図９は後頭部のイン・ビボＲＯＩについてのＪ０スペクトルを示している。
【００１６】
強い水の線は、水のｔ２信号の各々のｔ１増分について位相及び残留渦電流の補正に用いることができるばかりでなく、水のｔ２信号をＦ１の関数（Ｆ１，ｔ２）として補正するのにも用いることができる。これにより、非結合スピンについては２次元の純粋な吸収線形状が形成され、また、θＨｚと等しくないＦ１での結合信号の位相が固定される。また、この参照により、極めて長い時定数を有するＢ₀ 渦電流、並びに収集の全時間の経過中に生ずる他の不要な位相及び周波数の変化が除去される。この線形状は、近似的に、Ｆ２においては１／Ｔ₂ ^*であり、Ｆ１においては１／Ｔ₂ である。この工程により、位相感受性（Ｆ１，Ｆ２）マップを位相感受性（Ｆ１，Ｆ２）モデル・スペクトルにフィットさせる（当てはめる）ことができる。
【００１７】
結果として得られる２次元配列は、生体脳スペクトルを構成する個々の化学物質の各々についての離散的なパターンを含んでおり、モデル・スペクトルである２次元配列に当てはめるのに理想的なものである。Ｆ１分解能が加わったことにより、代謝物質のほとんどすべてについてのフィッティング（当てはめ）を向上させることが可能になる。このことは、図１０乃至図１５に示すように、１次元のＪ０、Ｊ３及びＪ６の各モデル・スペクトル（実線）を第２世代ＭＲＳ・ＨＤ球についてのスペクトル（点線）に重ね合わせることにより示される。例えば、従来のＰＲＥＳＳのＴＥ３５のスペクトルにおいて、ＧＬＮ及びＧＬＵに重なり合ったＮＡＡについて考察する。オーバサンプル２次元Ｊスペクトロスコピイでは、ＮＡＡメチルは、Ｊ０スペクトルでは良好に分解されており、Ｊ６スペクトルではメチレン信号の極めて特徴的なパターンを示している。ラクテートは、Ｊ３スペクトルで編集されている。ＧＬＮ、ＧＬＵ及びＧＡＢＡの分離はもう１つの好例であるが、通常の未編集ＰＲＥＳＳスペクトルでは困難な企てであったものである。１０のスペクトルを用いるだけでも分離は良好である。ＧＬＮ及びＧＬＵは、３．８ｐｐｍの所では重なっているが、２．３５ｐｐｍの所の強度によって分離される。ＧＡＢＡ及びＧＬＵは、２．３５ｐｐｍの所では重なっているが、３．８ｐｐｍ：２．３５ｐｐｍの信号の比によって分離可能である。ＧＡＢＡの定量化の確認は、Ｊ６スペクトルによって行われ、ここでは、ＧＡＢＡのみが２．９５ｐｐｍの所で部分的に反転した信号として見出される。言うまでもなく、２次元配列を２次元配列モデル・スペクトルに当てはめることは、これらの単純な１次元の実例よりも遥かに特殊である。（ｔ１，Ｆ２）データの当てはめから、実際の代謝物質のＴ₂ の推定値が得られ、また、Journal of Magnetic Resonance 誌、Ｂ１０２：９（１９９３年）に所載のKreis 等の方法を用いれば、水のＴ₂ 測定値を用いてＣＳＦのパーシャル・ボリューム及び脳の含水量を推定することができる。
【００１８】
以上、Ｆ１オーバサンプリングを用いて、関心のあるスペクトル範囲にアーティファクトをもたらす水の不要な干渉性サイドバンドを分解して除去し、また、代謝物質及び水のＴ₂ 緩和減衰（ｔ１，Ｆ２）を抽出すると共に密集したプロトン・スペクトルを２つの周波数次元において分解するための生データを提供する定量的イン・ビボ・スペクトロスコピイの改良された方法について記載した。水の線形状を２つの次元における参照に用いることができ、これにより、非結合スピンについての２次元の純粋な吸収線形状を形成すると共に、残留の低周波数渦電流の影響を補正することができる。更に、代謝物質の２次元Ｊ分解モデル・スペクトルに、結果として得られる位相感受性２次元Ｊ分解イン・ビボ・データを当てはめると、代謝物質のＴ２緩和の（ｔ１，Ｆ２）推定及び（ｔ１，Ｆ２）の水の信号の双指数的（biexponential ）当てはめと合わせて、ＣＳＦのパーシャル・ボリューム及び含水量を推定することができる。本発明は、単一ボクセルによる定量的脳検査及び収集時間エンコード式高速スペクトロスコピイ・イメージング検査としても応用することができる。
【００１９】
従って、特定の実施例及び応用に関して本発明を記載したが、この記載は発明を説明するためのものであって、発明を限定するものではない。特許請求の範囲によって定められる本発明の要旨及び範囲から逸脱しない様々な改変及び応用が、当業者には想到されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は従来のＭＲＩ装置の構成、及び（Ｂ）〜（Ｄ）はこのＭＲＩ装置において発生される磁場を示す図である。
【図２】ＭＲＩ及びスペクトロスコピイ用装置の機能ブロック図である。
【図３】水抑制を行わない場合のＭＲＳ・ＨＤ球のＰＲＥＳＳスペクトル図である。
【図４】水抑制を行わない場合のＭＲＳ・ＨＤ球のオーバサンプルＪ分解２次元ＰＲＥＳＳスペクトルのスタック・プロット図である。
【図５】ＭＲＳ・ＨＤ球の「Ｊ０スペクトル」（Ｆ１＝０におけるＦ２の軌跡。実線）をＭＲＳ・ＨＤ球の従来のＰＲＥＳＳスペクトル（点線）に重ねてプロットした図である。
【図６】水抑制を行わないで得られたイン・ビボＲＯＩ（頭頂部白質）のＪ０スペクトルである。
【図７】５ｍＭのＧＡＢＡを含んだ第２世代ＭＲＳ・ＨＤ球のＪ０スペクトル図である。
【図８】元のＭＲＳ・ＨＤ球のＪ０スペクトル（ブレイノ（Braino）としても知られている）図である。
【図９】後頭葉のイン・ビボＲＯＩのＪ０スペクトル図である。
【図１０】ＮＡＡ溶液のＪ０、Ｊ３及びＪ６の各スペクトル（実線）を第２世代ＭＲＳ・ＨＤ球のＪ０、Ｊ３及びＪ６の各スペクトルの上にプロットした図である。
【図１１】ラクテート溶液のＪ０、Ｊ３及びＪ６の各スペクトル（実線）を第２世代ＭＲＳ・ＨＤ球のＪ０、Ｊ３及びＪ６の各スペクトルの上にプロットした図である。
【図１２】ミオイノシトール溶液のＪ０、Ｊ３及びＪ６の各スペクトル（実線）を第２世代ＭＲＳ・ＨＤ球のＪ０、Ｊ３及びＪ６の各スペクトルの上にプロットした図である。
【図１３】グルタメート溶液のＪ０、Ｊ３及びＪ６の各スペクトル（実線）を第２世代ＭＲＳ・ＨＤ球のＪ０、Ｊ３及びＪ６の各スペクトルの上にプロットした図である。
【図１４】ＧＡＢＡ溶液のＪ０、Ｊ３及びＪ６の各スペクトル（実線）を第２世代ＭＲＳ・ＨＤ球のＪ０、Ｊ３及びＪ６の各スペクトルの上にプロットした図である。
【図１５】グルタミン溶液のＪ０、Ｊ３及びＪ６の各スペクトル（実線）を第２世代ＭＲＳ・ＨＤ球のＪ０、Ｊ３及びＪ６の各スペクトルの上にプロットした図である。
【符号の説明】
１０コイル対
１２円筒
１４ＲＦコイル
２０コンピュータ
２２勾配増幅器
２４送信器
２６ＲＦコイル
２８受信器
３０ディジタイザ

Claims

（ａ）物体を磁場内に配置しているときに、横磁化を発生させ再集束することにより、エコー時間ＴＥにエコー信号を形成する手段と、
（ｂ）段階的にＴＥをインクリメントして２次元データ・セットを収集する手段であって、プロトン・プロトンＪ結合の帯域幅よりも広いＦ１帯域幅であって、且つ該Ｊ結合の帯域幅よりも大きなＦ１周波数の所でアーティファクトを離散的にサンプリングするのに十分なＦ１帯域幅で、ＴＥをインクリメントすることを含む、前記収集する手段と、
（ｃ）前記データ・セットを処理して、Ｆ２軸に沿って化学シフト及びＪ結合周波数を求めると共に、Ｆ１軸に沿ってＪ結合周波数を求める手段と有していることを特徴とする磁気共鳴スペクトロスコピイ・シーケンスを実行するＮＭＲ装置。
プロトン・プロトンＪ結合は最大２５Ｈｚであり、前記Ｆ１帯域幅は少なくとも１００Ｈｚである請求項１に記載のＮＭＲ装置。
前記Ｆ１帯域幅は少なくとも２００Ｈｚである請求項２に記載のＮＭＲ装置。
２次元（２Ｄ）水信号が分解される請求項２に記載のＮＭＲ装置。
位相感受性モデル・スペクトルを用いて、前記位相感受性のあるオーバサンプルＪ分解データを当てはめる請求項４に記載のＮＭＲ装置。