JP4808885B2 - 磁気共鳴解析流量計および流動測定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は材料と、パイプ等の規定された容積との間の相対的な流動の測定、特に核磁気または電子磁気共鳴による流体の流量と組成の測定に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気共鳴による流動研究のアイディアは初期のパイオニアの業績にさかのぼり、例えばMansfield 、P.Morris、P.G.の“NMR Imaging in Biomedicine”、Advanced in Magnetic Resonance、増刊２、1982年、Academic Press社、Orlando 32887 、235 頁、セクション7.3.5 に記載されている。流量測定または流動マッピングの従来の装置は２つのよく知られた方法、即ち飽和されたまたは飽和されていないスピンの“飛行時間”または流動方向に沿った勾配磁界の適用による“位相エンコード”に基づいている（Cho.Z の“Foundations of Medical Imaging”John Wiley & Sons 社、ニューヨーク、1993年、374 〜386 頁）。“飛行時間”方法の例はLew の米国特許第4,782,295 号明細書であり、“位相エンコード”方法の例はManeval の米国特許第5,532,592 号明細書である。化学的シフトによる化学組成の解析は“Principles of Magnetic Resonance”、第３版、第４章Slichter、C.P.、Springer-Verlag 、Ｎ．Ｙ．1989年に記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の１つの好ましい特徴は、調節可能で均一なＨ₁ ラーモア無線周波数励起磁界を含む規定された空間内で流動するスピンの停滞時間に基づいて、種々の流動ドメインの平均値を非侵襲的に測定するか、その速度プロフィールをマップする全般的に応用可能で簡単な方法を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の別の好ましい特徴は、ラーモア周波数を中心とするラインまたは帯域スペクトルをスピンに放射させるように、周期的な勾配磁界によりＨ₀ の強い主磁界を周期的に位相変調することによってＨ₁ ラーモア無線周波数励起磁界が連続して存在する規定された空間内で運動するスピンから受信された信号を測定またはマップする方法を提供し、そのラーモア周波数の側波帯の振幅はスピンにより放出される中心帯域のラーモア周波数信号の振幅の既知の関数であり、前記放出される中心帯域のラーモア周波数信号の振幅はＨ₁ ラーモア無線周波数励起磁界内の規定された空間内のスピンの停滞時間の既知の関数である。
【０００５】
本発明の別の好ましい特徴は、受信された信号を復調し、その後それを周期的な勾配磁界の位相変調周波数の整数倍の数と相互相関することによって、非常に強いＨ₁ の中央ラーモア磁界の存在する位相変調されたスピンから放出された信号の非常に弱い側波帯を連続的に測定する方法を提供する。
【０００６】
本発明の別の好ましい特徴では、位相変調されるＨ₀ 磁界の振幅は、Ｈ₁ 励起ラーモア磁界内の規定された容積内のスピンの停滞時間を空間的にマッピングすることを許容するため空間的に順序付けされる。
【０００７】
本発明の別の好ましい特徴では、パルス化されたラーモア無線周波数磁界とパルス化された勾配磁界は除去され、それによって、渦電流、過渡現象、ギブズの打切りアーチファクト（truncation artifacts）を減少または除去する。
【０００８】
本発明の別の好ましい特徴は、Ｈ₁ ラーモア励起磁界の規定された部分の既知の形状内のスピンの停滞時間の測定またはそのマッピングからスピンの速度または灌流ベクトルを測定またはマッピングする方法を提供し、前記既知の形状は、Ｈ₁ ラーモア励起磁界から雑音および信号を実質上分離するために好ましくはＨ₁ ラーモア励起磁界コイルに直交して巻回された受信コイルにより規定されている。
【０００９】
本発明の別の好ましい特徴は、Ｈ₁ ラーモア励起磁界の既知の調節可能な強度で測定されるようなＨ₁ ラーモア励起磁界の規定された部分のスピンの停滞時間に依存し、未知のＴ₁ スピン−格子、未知のＴ₂ スピン−スピン、未知のＤ拡散またはスピン磁化、スピン拡散またはスピンコヒーレンスに影響するその他の未知のパラメータにはそれ程依存しないで、測定から構成されたＨ₁ ラーモア励起磁界の規定された部分の既知の形状内の流速または灌流ベクトルの測定またはマッピングを行うことである。これらの未知のパラメータは本発明の測定の信号対雑音比に影響するが、本発明にしたがってこれらの測定の規定された最終点にはそれ程影響しない。
【００１０】
本発明のさらに好ましい特徴は、流体材料の化学的および物理的解析を同時に実行することである。
【００１１】
本発明のさらに好ましい特徴は、１以上の前述の方法を行うための流量計である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、全ての磁気共鳴装置で必要とされる強力で比較的均質のＨ₀ 静電磁界が流動の平均軸に垂直に位置されている１実施形態を示している。図１では、本発明の原理にしたがって構成された核磁気共鳴流量計の１実施形態の断面が示されており、断面は流体路の中心軸を含む平面に沿って取られている。一方の端部２から導管４の他方の端部３まで延在する流体路１は流体の流動方向にほぼ垂直な一定の磁界を横切って延在し、その一定の磁界は、１対の磁極フェースプレート６、７と、１対の永久プレート磁石８、９と、相互に接続されている磁束路構造10、11からなる磁石アセンブリ５によって与えられる。磁石アセンブリ５と導管４は、非強磁性材料から作られている固定ボルトおよびスペーサ14、15により２つのフランジ12および13によって１つの一体化アセンブリにパッケージされる。流体路１を与える導管４は３つのセクション、即ちステンレス鋼、銅、プラスティックまたはガラス等の非強磁性材料から作られる２つの端部セクション17、18と、フロロカーボンプラスティック、ガラスまたはセラミック材料等のゼロのパリティの非導電性の反磁性材料から作られるＮＭＲ（核磁気共鳴）検出器セクション19とから構成されている。ＮＭＲ検出器セクション19はその外部表面に巻付けられた送信コイル20と、送信コイル20の入口付近でＮＭＲ検出器セクション19の外部表面またはその内部に巻付けられている受信コイル21を含んでいる。ＮＭＲ検出器セクション19はリングシール22と23を含んでもよい耐浅構造での２つの端部セクション17に接続されるかまたは結合部に接合されている。磁極フェースプレート６、７はシリコンスチール等の高品質の強磁性材料から作られた研磨された表面を有するプレートであり、流体の流動方向で寸法調整可能な長さにわたって磁石の２つの磁極フェースに均一な磁界を介在させるために使用される。素子10と11を含む磁束路構造も強磁性材料から作られる。
【００１３】
図２は、Ｈ₀ 磁界が流動の平均軸と整列されている別の構造であるが等価な装置を示している。この図面は技術でよく知られているように、典型的な導電または超導電のソレノイドＨ₀ 磁界用の螺旋状メイン磁石と直交バードケージラーモアｒ．ｆ．Ｈ₁ コイルを示している。
【００１４】
図１または図２の実施形態の長さは、検出された信号対雑音比を統計的に許容する適切な磁化を与えるように、スピン速度の測定範囲の最速部分の転移時間を大部分のＴ₁ スピン−格子緩和時間に適合させるように選択されている。磁石セクションが長いと、後の展開で明白になるように、測定の信号対雑音比が改良され、装置の構造価格と寸法を増加するが、論理的な最終点にそれ程影響しない。図１の装置はLew の米国特許第4,782,295 号明細書に記載された装置に類似し、図２の装置はMistretta の米国特許第5,408,180 号明細書に記載されている装置に類似する。
【００１５】
図３は１つの方法を説明するが、それが唯一の方法ではなく、それによって位相変調されるＨ₀ の周期的な勾配成分ｈ_φは図１の実施形態で与えられることができる。本発明の好ましい特性では、位相変調の周期的な勾配は極低周波数（ＥＬＦ）または超低周波数（ＶＬＦ）勾配磁界である。図３は、周波数Ωの周期的な磁界が勾配コイル25を通る周期的な電流によって生成される図１の実施形態に対して好ましい検出器セクションに振幅ｈ_φの変調磁界24を発生する方法を示している。ゼロのパリティの非導電性の常磁性材料から作られるスペーサ22は検出器セクションを固定するために使用されてもよい。他の一般的な勾配コイルの構造は技術でよく知られているように、図１または図２と結合されることができ、それによって周期的に空間的に順序付けされた素子をＨ₀ メイン磁界へ与える（Shenberg、Itzhak; Macovski、Albert; “Applications of time-varying gradients in existing magnetic resonance imaging systems ”; Med Phys. 13(2) 巻、164 〜169 頁、1982年３月、N.Y.、USA を参照）。
【００１６】
図４は図１の実施形態の検出器セクションに好ましいラーモアｒ．ｆ．励起（章動）コイル20を示している。図４はＨ₁ ラーモア周波数励起磁界が図１の実施形態のＨ₀ 主（メイン）磁界に垂直に連続して与えられることができる態様を示している。種々の構造の通常のＨ₁ ｒ．ｆ．励起コイルは図１の構造と図２の構造の両者において技術でよく知られている。Ｈ₁ 磁界の強度は技術でよく知られているように電流増幅器を通るｒ．ｆ．コイルの無線周波数電流の振幅により制御されることができ、この電流強度は本発明にしたがって受信コイルのスピンにより放射される信号分布を変更するために変化されることができる。
【００１７】
図５は図１の構成に対する受信コイルの好ましい実施形態を示している。図５は図１の実施形態の検出器セクションに好ましい長さＬ₂ のｒ．ｆ．受信コイル21を示している。この受信コイルおよび図１の構造と図２の構造に適したその他のコイルは技術でよく知られている。図５の受信コイルは好ましくはＨ₁ ラーモアｒ．ｆ．励起磁界中へのスピン流の入口付近に位置され、技術でよく知られているようにパワー増幅器の雑音と信号を実質上結合しないようにするためにＨ₁ 励起磁界コイルの巻回に垂直に巻き付けられることが好ましい。受信コイルの長さは、測定される最低の流速の転移時間がＴ₂ ＊スピン−スピンとＤ拡散時間効果に関して短いように十分に短い長さであることが好ましく、これは信号振幅を指数関数的に減少させる。これは測定の信号対雑音比に影響するが、本発明による測定の論理的最終点にはそれ程影響しない。
【００１８】
図６は、基準位相変調周波数の整数倍の数と相互相関することにより、Ｈ₁ ラーモアｒ．ｆ．励起磁界からの強力な中心帯域信号を拒否し、関連する側波帯の振幅を検出するための側波帯復調検出器27の好ましい実施形態を示している（本発明の参考文献とされるWollinの米国特許第5,757,187 号明細書）。図６では、磁気共鳴流量計の受信コイル21の磁気共鳴のアンテナ100 はインピーダンス整合回路102 に結合され、保護回路106 を経て雑音整合前置増幅器104 に供給される。雑音整合前置増幅器の出力はＲＦ増幅器108 へ与えられ、その出力は二重平衡復調器110 、112 へ誘導される。二重平衡復調器110 、112 の出力は加算増幅器114 を通って交流電流積分器116 と低周波数増幅器118 へ与えられる。各復調器110 と112 は図８で示されている磁気共鳴マスター無線周波数発振器28からの直角位相出力により与えられる。復調された出力はその後加算器114 で加算され、相互相関された入力を積分器116 （直流電流Ｊ₀ （ ）項を評価する）と増幅器118 とへ与えられ、その出力は付加的なセットの二重平衡復調器120 へ与えられ、それらの各加算された相互相関された出力も加算器122 により加算され、積分器124 により積分され、それによってスペクトルＪ_n （ ）の各側波帯の相対強度を評価する。
【００１９】
図７および８は、復調および相互相関技術と、スピンの流速が測定またはマップされることができる一般化された出力式を示した図６の信号解析を与える。このように図７および８は図６の回路の信号処理の段階的な算術解析を与える（Poularikas、Alexander D.、“The Transforms and Applications Handbook”、CRC-IEEE出版、Boca Raton、フロリダ、1996年、29、185 、214 、221 頁）。
【００２０】
図９は本発明の全体的なシステムブロック図である。図９では流量計アセンブリ26の受信コイルの出力は、ラーモアｒ．ｆ．ω₀ 発振器28と同期復調して、周波数分割器29からの位相変調周波数Ωの整数倍の数と相互相関するために、同期復調器と相互相関検出器27に与えられる。復調器−検出器27の出力はｒ．ｆ．パワー増幅器32の利得を制御する制御装置30に与えられ、その周波数はラーモアｒ．ｆ．ω₀ 発振器28により制御され、その出力は流量計アセンブリ26のＨ₁ ラーモアｒ．ｆ．コイルの電流を調節して制御装置30により設定されるように復調器−検出器27の出力を所望のレベルに設定する。この制御ループは迅速な応答用に設計され、ω₀ ｒ．ｆ．増幅器32の電流出力は後述するように流速を測定する。周波数分割器29はｒ．ｆ．発振器28から信号を供給され、増幅器31の周波数Ωを制御し、これは流量計アセンブリ26の位相変調コイル25を供給する。増幅器31の利得はサーボ−機構理論でよく知られているように、本発明で説明されるように最高の信号対雑音比レベルを固定するために、強力に制動されたゆっくりと応答する方法で制御装置30の出力により制御される。ω₀ ラーモア周波数発振器28の周波数も技術でよく知られているように物理的変化または化学的シフトにより生じるＨ₁ ｒ．ｆ．コイルの可変の負荷インピーダンスを補償することによって、最高の信号対雑音比レベルを固定するため、非常に強力に制動された非常にゆっくりと応答する方法で制御装置30の出力により制御される（“Principles of Magnetic Resonance”、第３版、第４章、Sichter 、C.P.、Springer-Verlag 、N.Y.、1989年、35−39頁）。ここで説明するように、ラーモアｒ．ｆ．増幅器32の電流出力は所望の測定品質であり、平均流速の関数であり、計器その他の適切なインジケータまたは記録装置33に供給される。ω₀ ラーモア周波数発振器29の周波数は流動材料の化学的および物理的組成の尺度である（“Principles of Magnetic Resonance”、第３版、第４章、Sichter 、C.P.、Springer-Verlag 、N.Y.、1989年）。
【００２１】
従来技術の飛行時間技術はさらに複雑であり、Ｔ₁ 、即ち温度と分子組成で変化するスピン−格子緩和定数に関して、短いインターバルで反復的なラーモアｒ．ｆ．パルスを必要とする。従来技術の位相エンコード技術は疑似定常状態の流動ベクトルに沿ってスピン−エコーまたは刺激されたエコーシーケンスの勾配を必要とする。本発明は好ましくはパルス技術を使用せず、比較的スピン緩和および拡散と無関係であり、高いレイノルズ数の測定モードの平均流速の変化、または低いレイノルズ数のマッピングモードの速度プロフィールの変化に迅速に応答できる。
【００２２】
［動作方法］
動作の測定モードでは、Ｈ₁ ラーモア周波数のｒ．ｆ．励起コイルの電流の振幅は好ましくは検出回路中の測定された側波帯の振幅を制御するために調節される。Ｈ₁ 磁界は連続的に与えられ、好ましくはパルス化されない。最大の信号または最小の信号または選択された側波帯の信号の特定値は速度プロフィールの平均値の測定の最終点として選択されることが好ましく、選択された信号レベルを得るのに必要なＨ₁ ｒ．ｆ．励起コイルの電流の大きさは測定されたパラメータであり、ここで示すように、受信コイルの規定された形状のスピンの停滞時間の測定された関数である。
【００２３】
その代わりに、マッピングモードでは、Ｈ₁ ラーモア周波数の励起磁界の振幅は好ましくは一定に保持され、主要な強いＨ₀ 磁界の位相変調成分の振幅は“勾配コイル”により空間的に分散され（Shenberg、Itzhak; Macovski、Albert，“Applications of time-varing gradients in existing magnetic resonance imaging systems”、Med. Phys.、13(2) 巻、164 −169 頁、1982年３月、N.Y.、U.S.）、受信された側波帯は図８（ｄ）の端の式のマトリックス近似式で使用される。マトリックスの反転またはクラーメルの規則を解くことは全体が本発明の参考文献とされるWollinの米国特許第5,757,187 号明細書にさらに十分に記載されているように信号分散の空間的マップを与える。
【００２４】
図９で示されているように、制御装置30は設計者により選択された側波帯の検出された振幅を設計者の選択された制御条件（即ち最大値（式17）、最小値（式18、19）または最適のシステム性能用に選択された幾つかの中間値）と比較し、それによってこの設計条件を満たすためラーモアｒ．ｆ．パワー増幅器32の利得を調節するために適切な意味のエラー信号を生成する。ラーモアｒ．ｆ．パワー増幅器32の出力電流はコイル20のラーモアｒ．ｆ．励起（章動）磁界強度Ｈ₁ に比例し、それ故、平均流速の尺度である（式17、18）。
【００２５】
低速度の較正ループは制御装置30から出力された平均二乗エラー信号出力を測定し、（式25にしたがって）位相変調電流の振幅を調節する。
【００２６】
同様に、さらに低速度の較正ループは、技術でよく知られているように（“Principles of Magnetic Resonance”、第３版、第４章、Slichter、C.P.、Springer-Verlag 、Ｎ．Ｙ．1989年）コイル負荷の変化を補償するためにラーモアｒ．ｆ．マスター発振器28の周波数を調節し、流動材料の化学的および物理的組成の変化の評価を可能にする。
【００２７】
［動作理論］
ゼロではないスピンまたはゼロではないパリティを有する反磁性材料の固体または流体媒体が一定の磁界内に位置されている以下の式にしたがって磁化されることはよく知られている。
ｍ＝Ｋ₁ Ｈ₀ （１−ｅ^-t1/T1） （１）
（Lew の米国特許第4,901,018 号明細書参照）
ここでｍは媒体の磁化であり、Ｋ₁ は磁化率であり、Ｈ₀ は均一なメイン磁界近くの大きい静電気の強度であり、ｔ₁ はＨ₀ 磁界のスピンの平均停滞時間であり、Ｔ₁ はスピン格子緩和時間であり、これはスピンから周囲の媒体へのエネルギの転送レートの尺度である。Ｈ₁ 励起磁界により規定される測定セクションに入る前に、媒体は統計的に大きな磁化を獲得する。入力からＨ₁ 励起磁界を含む測定セクションまでの装置の長さは最高速度で移動するスピンの十分な磁化が装置の全ての雑音が存在する場合に適切な信号強度を生成することを可能にするように選択され、それによって各動作モードでの所望の測定の確実な評価を許容する。これはさらに高い流速で測定またはマッピングするために付加的な同一の磁化セクションを付加することにより実現されることが好ましい。
【００２８】
Ｈ₀ のメイン磁界はスピンをラーモア周波数ω₀ 近くで歳差運動（precess ）させる。ここで、
ω₀ ＝γＨ₀ （２）
γは地球磁場比であり、各スピン種に対する定数である。図３のように位相変調コイルによりＨ₀ を周期的に変化すると、ω_φを生成するためにω₀ を変化し、ここで、
ω_φ＝γ（Ｈ₀ ＋ｈ_φｃｏｓΩｔ） （３）
ここで、ｈ_φとΩはＨ₀ の周期的な成分の振幅および時間周波数であり、ω_φはＨ₀ の軸を中心にしたスピンの歳差運動の瞬間的な角速度である。この振幅ｈ_φはマッピング速度または灌流（perfusion ）分散のための既存の勾配コイルセットを時間変化して励起することにより空間関数を作ることができる（Shenberg、Itzhak; Macovski、Albert，“Applications of time-varing gradients in existing magnetic resonance imaging systems”、Med. Phys.、13(2) 巻、164 −169 頁、1982年３月、N.Y.、U.S.およびWollinの米国特許第5,412,322 号、第5,757,187 号明細書）。
【００２９】
Ｈ₁ 励起磁界は図４で例示されているようにＨ₀ 磁界に直交して与えられ、周波数ω₀ である。これは角度周波数ω₁ でスピンの励起または章動を発生し、ここで、
ω₁ ＝γＨ₁ ＝ｄθ／ｄｔ （４）
この章動はＨ₀ 磁界に垂直の磁化成分を発生し、受信コイル中にそれが誘起する電圧によって検出されることができ、その面積ベクトルは図５で例示されているコイルで検出されるようにマクスウェルの第２の法則にしたがってＨ₀ 磁界に垂直である（ここで参考文献とされているWollinの米国特許第5,412,322 号、第5,757,187 号明細書参照）。
【００３０】
受信コイルで誘起される電圧は帯域またはラインスペクトルを有する。このスペクトルは位相変調周波数Ωの整数倍の数により中央ラーモア周波数を中心に同等に分散される側波帯からなり、その振幅分布はゾンマーフェルトの積分に対する種々の解、即ちベッセル、ノイマンまたはハンケル関数により規定され、その幅はＨ₀ 静止磁界の不均等性、および図７、８で解析されるような任意の適用されたまたは固有の静止勾配により規定される。
【００３１】
Ｈ₁ ラーモアｒ．ｆ．磁界の存在する場合に復調により信号の中心ω₀ 周波数を拒否することは図６、７、８で示されているように基準位相変調周波数Ωの整数倍の数との相互相関により側波帯振幅の測定を可能にする。受信コイルにより規定される形状容積を経て転移する期間にスピンが顕著なコヒーレンスを保持するならば、これは必ずしもパルス技術を使用せずに側波帯振幅の評価を可能にする。
【００３２】
Ｈ₁ ラーモアｒ．ｆ．磁界による励起中、またはその後、スピンは多数の異なる機構によりそれらの位相コヒーレンスを急速に失い、その幾らかは断熱性であり、それ故エントロピーに変化を含まない。断熱性ではないスピンは局部磁界における（熱等化により支配される）受動拡散または摂動変位またはランダム変化を含んでいる。実質的に検出可能な磁気ｍ_t は指数関数的にＨ₁ 磁界を通じて転移時間に関連される。
【数１】

【００３３】
ここでθはＨ₁ 磁界により発生される章動の余緯度であり、Ｔ₂ はスピン−スピン緩和定数であり、Ｄは媒体の受動拡散定数であり、Ｋ₃ はγと局部勾配磁界強度を含む係数である。指数関数項の効果は、Ｈ₁ ラーモアｒ．ｆ．磁界中のスピンの停滞時間ｔ₂ により指数関数的に信号強度を減少することであり、この効果は低速度の流の応用で使用される短い受信コイルを指定する。幾つかのこのような短いコイルは逐次的に配列されるか、直列に接続され、測定される流速の最低の範囲を選択することを許容する。
【００３４】
図５の受信コイルの例は励起ｒ．ｆ．パワー増幅器回路と受信機回路との間の雑音結合と励起信号結合を最小にするためにＨ₁ ラーモア無線周波数励起コイルに直交して巻回されることが好ましい。
【００３５】
Ｈ₁ ラーモアｒ．ｆ．磁界を通る転移中に、スピンは技術でよく知られているように（Slichter、C.P; “Principles of Magnetic Resonance”、Springer-Verlag 、ニューヨーク、第３版、1989年、第２章）、余緯度角度θを通じて章動する。検出可能な横断方向の磁化はスピンがＨ₁ 励起磁界内の受信コイルを横切るときに変化する。式（４）から、
ω₁ ＝ｄθ／ｄｔ＝γＨ₁ （６）
θ＝γＨ₁ ｔ₂ （７）
式（１）と式（５）から、
ｍ_t ＝Ｋ₁ Ｋ₂ Ｈ₀ （１−ｅ^-t1/T1）ｅ^-t2/T2* ｓｉｎγＨ₁ ｔ₂ （８） ここでｔ₂ ＊は実効的なＴ₂ であり、これは技術でよく知られているように、スピン−スピン緩和、拡散、均等性の局部磁界等を含んでいる。
【００３６】
次式を規定する。
【００３７】
ｔ₂ ＝ｌ／ｖ；ｔ₁ ＝Ｌ₁ ／ｖ （９）；（１０）
ここでｖは各流動ドメインの速度プロフィールの各素子の速度である。各素子ｖにおける全体的な受信コイルの横断方向の磁化Ｍ_T は以下のとおりである。
【数２】

ここでＫは定数であり、
Ｈ₀ はメイン磁界強度、即ち設計定数であり、
Ｈ₁ は装置中の制御可能な励起磁界強度であり、
Ｌ₁ はそれぞれ最大の流動範囲に対して選択されたＨ₀ 磁界の実効的な長さであり、
Ｌ₂ はそれぞれ最小の流動範囲に対して選択された受信コイルの実効的な長さであり、
ｌは受信コイルの感応体積を通って媒体の各素子が伝播する距離であり、即ち式９、
Ｔ₁ は典型的に０．１−５秒間の媒体のスピン−格子緩和時間であり、
Ｔ₂ ＊は典型的に５０乃至５００ミリ秒の範囲で変化する実効的な自由誘導減衰制動係数であり、
ｖは速度プロフィールの各素子の速度である。
【００３８】
Ｌ₁ 磁化セクションが十分に長く、即ち、
Ｌ₁ ＞＞ｖＴ₁ （１２）であり、
Ｌ₂ 受信コイルが十分短く、即ち、
Ｌ₂ ＜＜Ｔ₂ ＊ （１３）であるならば、
各速度プロフィールの速度ｖの各素子において、
Ｍ_T ＝ＫＨ₀ （ｖ／γＨ₁ ）（１−ｃｏｓ（γＨ₁ Ｌ₂ ／ｖ））
＝ＫＨ ₀ Ｌ ₂ （１−ｃｏｓ／α） （１４）である。
ここで、α＝（αＨ ₁ Ｌ ₂ ／ｖ） （１５）である。
【００３９】
受信コイル内の平均値ｖの速度プロフィールでは、最大の実質磁化Ｍ_T （ｍａｘ）は、 ｃｏｓα＋αｓｉｎα＝１または
α＝２．３３或いはｎａπ （１６）のときに生じ、したがって
ｖ＝（αＬ ₂ ／２．３３）Ｈ₁ は近似的に（１４４・５Ｌ ₂ ）Ｈ ₁ （１７）である。
【００４０】
最小の実質的な磁化は次式のときゼロ、或いは最小である。
【００４１】
γＨ₁ Ｌ₂ ／ｖ＝２π （１８）または、
ｖ＝（γＬ₂ ／２π）Ｈ₁ （１９）。
【００４２】
プロトンでは、γ＝２π（４．２６×１０⁷ ）（μ₀ ）（（秒−アンペア）メータ）^-1または、
ｖ＝（４．２６×１０⁷ ）（４π×１０^-7）Ｌ₂ Ｈ₁ （２０）
ｖ＝５３．７ Ｌ₂ Ｈ₁ であり、Ｈ₁ はアンペア／メータである。４ｃｍ幅の受信コイルでは、例えば、
ｖ＝２．１４Ｈ₁ メートル／秒 （２１）
したがって、特別な側波帯信号を獲得するためＨ₁ 磁界強度を調節することは流速の平均速度を生成する。
【００４３】
Wollinの米国特許第5,757,187 号明細書でさらに完全に示されているように、対称的な偶数の空間スピン信号分布は偶数次の側波帯を発生し、非対称的な奇数の分布は奇数次の側波帯のみを発生し、即ち図８の（ｄ）と次式によるものである。
Ｊ_(-n)（Ｚ）＝−１ⁿ Ｊ_(n) （Ｚ） （２２）
（Jahnke, E. : Emde. F. : Tables of Functions 、第４版、Dover Publications、ニューヨーク、1945年、128 頁）。それ故、速度プロフィールが対称的であるならば、偶数次の側波帯が存在し、次式の最大値で好ましい第２の側波帯の検出を行う。
【数３】

【００４４】
位相変調周波数Ωの最小値はラーモア周波数の帯域幅Δω₀ よりも大きくなければならず（Shenberg、Itzhak ; Macovski 、Albert、“Applications of time-variying gradients in existing magnetic resonance imaging systems”; Med. Phys.、13(2) 巻、164 −169 頁、1982年、ニューヨーク、Ｕ．Ｓ．、式３）これは主磁界Ｈ₀ の均一性と任意の与えられたまたは固有の静勾配により決定される。Δω₀ はまた最小のジョンソン−ナイキスト雑音パワーＰ_n を決定し、以下のように、図７の（ｃ）の各側波帯で同一である。
Ｐ_n ＝Ｋ_b τΔω₀ （２６）
ここでＫ_b はボルツマン定数であり、τは絶対温度である。
【００４５】
流動プロフィールの平均流速の測定は乱流のないことを必要としない。流動の平均軸に垂直な流体のモーメントの線形成分は、このような線形成分が平均流体モーメントと比較して小さいので、均一な磁界Ｈ₀ による磁化、均一なＨ₁ 励起ｒ．ｆ．ラーモア磁界によるスピン章動、または短い受信コイルによる信号受信にそれ程影響しない。回転モーメントの比較的低速度の成分は主磁界Ｈ₀ との断熱スピン整列を許容し（“Principles of Magnetic Resonance”、第３版、第４章、Slichter、C.P.、Springer-Verlag 、Ｎ．Ｙ．1989年、23頁）、受信コイルを介する転移時間が短いならばスピンの位相をそれ程ずらさない。しかしながら、“渦電流”を発生するモーメントの強力な並進および回転成分は信号損失を生成することが知られており（Chuo，Z ; “Foundations of Medical Imaging”、John Wiley & Sons 社、ニューヨーク、1993年、374 −386 頁）、これは当業者に知られているように、流量計パイプ設計の適切な方法、および必要ならば流量調節装置により防止される（Spitzer 、 David W. 、“Industrial Flow Measurement ”、Instrument Society of America 、1990年、97頁）。
【００４６】
低いレーノルズ数における低速度の層状のレジメでは、速度プロフィールはマップされ（Wollinの米国特許第5,757,187 号明細書）または前述したように平均値が決定される。しかしながら、パイプ壁付近の非常に低速度の流動スピンはＴ₁ とＴ₂ * 効果による信号損失を受け、測定された平均流速を増加する。
【００４７】
低いレーノルズ数における非均一な速度プロフィールでは、信号分布または信号平均値で可変のＨ₁ の効果はさらに複雑であり、Maneval の米国特許第5,532,592 号明細書とWollinの米国特許第5,757,187 号明細書のマッピングまたは測定の両者でさらに完全に開発される。
【００４８】
それ故、前述したように、受信回路出力で選択された側波帯振幅を発生するためにＨ₁ 励起コイルの電流を制御することは、平均的な流速を測定する。非均一な速度プロフィールは、側波帯の振幅を含むマトリックス式、図８の（ｄ）の近似的積分（Wollinの米国特許第5,757,187 号明細書）を連続的に反転することによりマップされてもよい。Ｈ₁ 励起コイルと流動媒体との間で最大パワーを整合するためのｒ．ｆ．ω₀ 発生器の回転により、流動材料の化学的および物理的組成の評価が生成される（前述のSlichter）。
【００４９】
核磁気共鳴方法について前述したが、本発明の原理および実施形態は核または電子磁気共鳴にも応用可能であることに注意すべきである。
【００５０】
先の説明は流量計を使用したパイプ中の流体の速度の決定に関するが、本発明の好ましい実施形態の方法および装置は流体中の移動パイプ速度の決定（即ち速度計）に使用されてもよい。それ故、前述し図１−３で説明した流量計はパイプと流体との間の相対速度を測定するので、流量計は流体中で移動するボートまたは他の移動体に取付けられてもよく、それによって静止または移動する流体に関するボートその他の移動体の速度を決定する。
【００５１】
さらに、本発明の原理および実施形態はパイプ中の液体または気体の流体の流動だけでなく、混合物、スラリー、アグレゲート、吹込粒子、粘性プラスティック等のその他の材料の流動だけでなく、流量計装置を通る固体材料の伝送にも応用される。
【００５２】
本発明の好ましい実施形態を説明した。このような実施形態は本発明を例示することを意図することが当業者により認識されよう。本発明の種々の他の実施形態は明白であり、本発明の技術的範囲内に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 流体路の中心軸を含む平面に沿った断面における本発明の１実施形態にしたがって構成された核磁気共鳴流量計の実施形態の断面図。
【図２】 本発明の別の実施形態にしたがって使用されることのできるＨ₀ 磁界用の導電および超導電のソレノイドメイン磁石と直交バードケージラーモアｒ．ｆ．Ｈ₁ コイルを示した斜視図。
【図３】 検出器セクションにおける変調磁界ｈ_φを発生する勾配コイルの配置を概略的に示した図１の流量計の断面図。
【図４】 図１で示されている流量計の検出器セクションのラーモアｒ．ｆ．励起（章動）コイルの概略図。
【図５】 図１の流量計の検出器セクションのｒ．ｆ．受信コイルの概略図。
【図６】 本発明の１実施形態にしたがった図１の流量計で使用するための信号処理回路のブロック図。
【図７】 本発明の１実施形態の図６の回路の動作を示したグラフおよび式。
【図８】 本発明の１実施形態の図６の回路の動作を示したグラフおよび式。
【図９】 本発明の１実施形態の全体的なシステムブロック図。

Claims (36)

1. 材料と容器との間の相対速度の平均値を非侵襲的に決定する方法において、
   強力で時間によって変化しない磁界Ｈ₀ を容器に供給し、
   位相変調する周期的な成分ｈ_φを容器の検出セクションにわたって前記強力で時間によって変化しない磁界Ｈ₀ に供給し、
   ラーモア無線周波数励起（章動）磁界Ｈ₁ を前記強力で時間によって変化しない磁界Ｈ ₀ に直交して容器の前記検出セクションに供給し、
   容器の検出セクションにおける材料の章動する位相変調された磁気共鳴スピンから信号を受信し、
   容器の検出セクションにおいて前記磁気共鳴スピンから受信された信号について材料内の磁気共鳴スピンの平均停滞時間が測定され、その測定された平均停滞時間を使用して材料と容器との間の相対速度の平均値を決定するステップを含んでいる方法。
2. 前記容器は円筒形パイプを具備し、前記検出セクションは磁界成分ｈ_φと磁界Ｈ₁ が与えられるパイプのセクションを具備している請求項１記載の方法。
3. 前記ラーモア無線周波数励起磁界Ｈ₁ はラーモア周波数ω₀ 近くに同調されている受信コイルの信号感知容積に与えられる請求項１記載の方法。
4. さらに、ラーモア周波数ω₀ よりも非常に小さい周波数Ωで検出器セクションの磁界Ｈ₀ を周期的に変調することにより検出セクション内の磁気共鳴スピンを周期的に位相変調する請求項３記載の方法。
5. ラーモア周波数ω₀ 励起磁界Ｈ₁ の周波数とのコンボリューションにより受信コイルにより受信される位相変調された磁気共鳴スピンから信号を復調し、
   位相変調の周期磁界成分ｈ_φの変調周波数Ωの倍数との相互相関により復調された信号を検出するステップをさらに含んでいる請求項４記載の方法。
6. ラーモア無線周波数励起Ｈ₁ 磁界の強度は受信コイルにより検出される最大、最小またはその他の限定されたレベルの信号を発生するために調節される請求項５記載の方法。
7. さらに、容器内で移動する材料とのインピーダンス整合を生成するためにＨ₁ 励起磁界の周波数ω₀ をシフトし、
   ラーモア周波数のシフトにより明白にされる移動材料の化学的および物理的組成の変化を測定する請求項６記載の方法。
8. さらに、最大の獲得可能な検出された信号出力を実現するために磁界Ｈ₀ の位相変調の周期磁界成分ｈ_φの振幅を調節する請求項５記載の方法。
9. 材料はパイプの軸に沿って移動する液体または気体の流体を含んでいる請求項２記載の方法。
10. 材料はパイプの軸に沿って移動するスラリー、アグレゲート、吹込粒子、粘性プラスティックまたは固体材料を含んでいる請求項２記載の方法。
11. 容器は、材料に関して移動し、容器の平均速度を測定またはマップする速度計を構成している請求項１記載の方法。
12. 容器は、移動する材料に関して静止し移動する材料の平均速度を測定またはマップする流量計を構成している請求項１記載の方法。
13. さらに、周期成分ｈ_φによりＨ₀ 主磁界を周期的に変化させてスピンを位相変調し、ラーモア周波数を中心とする線形または帯域スペクトルをスピンに放射させ、その側波帯振幅はスピンにより放射された中心帯域のラーモア周波数信号の振幅の既知の関数であり、前記放射された中心帯域のラーモア周波数信号の振幅は検出セクション中のラーモア無線周波数励起磁界Ｈ₁ に近接して位置された受信コイル内に含まれたスピンの停滞時間の既知の測定された関数である請求項１記載の方法。
14. さらに、相対的な平均速度を連続的に測定またはマップするため、周期成分磁界ｈ_φの位相変調周波数Ωの整数倍の数で受信された信号の側波帯を復調し相互相関する請求項１３記載の方法。
15. ラーモア無線周波数励起磁界Ｈ₁ は連続的でパルス化されていない磁界である請求項１記載の方法。
16. さらに、検出セクション内のスピンの停滞時間を直接空間的にマップするために周期位相変調成分磁界ｈ_φの振幅を空間的に順序付けする請求項１記載の方法。
17. 受信コイルは雑音および信号をラーモア励起磁界Ｈ₁ から分断するためにラーモア励起磁界Ｈ₁ コイルに直交して巻付けられており、
    スピンの速度または灌流ベクトルを測定またはマップするために受信コイルの信号感知容積内のスピンの停滞時間を測定またはマップする請求項３記載の方法。
18. 未知のＴ ₁ スピン−格子、未知のＴ ₂ スピン−スピン、未知のＤ拡散、またはスピン磁化とスピン拡散またはスピンコヒーレンスに影響する他の未知のパラメータに依存しないようにするために、
    前記方法はさらに、Ｈ₁ ラーモア無線周波数励起磁界の強度と分布を調節することにより検出セクション中のスピンの停滞時間を測定し、
    流速プロフィールを構成し、または平均流速またはそこからの灌流ベクトルを評価するステップを含んでいる請求項１記載の方法。
19. パルス化された磁界は平均速度を決定するために使用されない請求項１記載の方法。
20. さらに、局部スピン環境における化学的シフトまたは磁化率の変化により生じる材料のスピンの磁気共鳴周波数の変化を補償するために無線周波数励起磁界Ｈ₁ の周波数をシフトし、
    流動する材料の物理的および化学的組成の変化を同時に評価する請求項１記載の方法。
21. 円筒形の容器と、
    強力な時間不変磁界Ｈ₀ のソースと、
    容器の検出セクションに近接する時間不変磁界Ｈ₀ に与えられる位相変調周期成分ｈ_φのソースと、
    容器の検出セクションに近接するラーモア無線周波数励起磁界Ｈ₁ のソースと、
    容器の検出セクションに近接する受信コイルと、
    受信コイルに電気的に結合された速度決定回路とを具備している速度測定装置。
22. 円筒形の容器はパイプを具備している請求項２１記載の装置。
23. 強力な時間不変の磁界Ｈ₀ のソースはパイプに近接して位置された永久または抵抗磁石またはパイプ周辺に巻付けられているソレノイド磁石とを具備している請求項２２記載の装置。
24. 位相変調周期成分ｈ_φのソースは前記パイプの検出セクションに近接して巻かれているコイルを具備している請求項２３記載の装置。
25. ラーモア無線周波数励起磁界Ｈ₁ のソースは前記パイプの検出セクションに近接する円筒形またはバードケージ無線周波数放射コイルを具備している請求項２４記載の装置。
26. 受信コイルはラーモア無線周波数励起磁界Ｈ₁ 放射コイルに直交して巻回されている請求項２５記載の装置。
27. 速度決定回路は、
    ラーモア周波数発振器と、
    基準位相変調周波数を供給する周波数分割器と、
    基準位相変調周波数の整数倍の数と相互相関することにより受信された信号の側波帯の振幅を検出する側波帯検出器と、
    出力速度信号を与える増幅器とを具備している請求項２１記載の装置。
28. 材料を供給する手段と、
    強力な時間不変の磁界Ｈ₀ のソースと、
    前記強力な時間不変の磁界Ｈ₀ に対して位相変調周期成分ｈ_φを与える手段と、
    ラーモア無線周波数励起磁界Ｈ₁ を与える手段と、
    材料から無線周波数信号を受信する手段と、
    前記受信した無線周波数信号に基づいて磁気共鳴スピンの平均停滞時間を測定し、その平均停滞時間を使用して材料と、前記材料を与える手段との間の相対的な速度を決定する手段とを具備している速度測定装置。
29. 材料を与える手段は移動する材料を与え、決定する手段は移動する材料の速度を決定する請求項２８記載の装置。
30. 流速磁界の速度プロフィールを非侵襲的にマップし、またはその平均値を測定する方法において、
    連続的でパルス化されていないＨ₁ ラーモア無線周波数励起磁界にさらされている規定された空間に配置された材料内において流動スピンの平均停滞時間を測定し、その測定された平均停滞時間を使用して流速磁界の速度プロフィールを非侵襲的にマップし、またはその平均値を測定する方法。
31. さらに、Ｈ₀ の強力な主磁界を材料に与え、
    周期勾配磁界ｈ_φにより前記Ｈ₀ の強力な主磁界を周期的に変化させてスピンを位相変調し、ラーモア周波数を中心とする線形または帯域スペクトルをスピンに放射させ、その側波帯振幅はスピンにより放射された中心帯域のラーモア周波数信号の振幅の既知の関数であり、前記放射された中心帯域のラーモア周波数信号振幅はＨ₁ ラーモア無線周波数励起磁界内の規定された空間内のスピンの停滞時間の直接知られた関数である請求項３０記載の方法。
32. さらに、相対的な平均速度を連続的に測定またはマップするために、周期勾配磁界ｈ_φの位相変調周波数Ωの整数倍の数で受信された信号の側波帯を復調し、相互相関する請求項３１記載の方法。
33. さらに、周期勾配ｈ_φ磁界の振幅を空間的に順序付け、スピンの平均停滞時間を直接空間的にマップする請求項３２記載の方法。
34. 受信コイルは雑音および信号をＨ₁ ラーモア励起磁界と結合しないようにするためにＨ₁ ラーモア励起磁界コイルに直交して巻回されており、
    スピンの速度または灌流ベクトルを測定またはマップするため受信コイルの信号感知容積内におけるスピンの停滞時間を測定またはマップする請求項３２記載の方法。
35. 未知のＴ ₁ スピン−格子、未知のＴ ₂ スピン−スピン、未知のＤ拡散、またはスピン磁化とスピン拡散またはスピンコヒーレンスに影響する他の未知のパラメータに依存しないようにするために、
    前記方法はさらに、Ｈ₁ ラーモア無線周波数励起磁界の強度と分布を調節することにより規定された空間のスピンの停滞時間を測定し、
    流速プロフィールを構成または平均流速またはそこからの灌流ベクトルを評価するステップを含んでいる請求項３０記載の方法。
36. さらに、局部スピン環境における化学的シフトまたは磁化率の変化により生じる材料のスピンの磁化共鳴周波数の変化を補償するためにＨ₁ 無線周波数励起磁界の周波数をシフトし、
    流動材料の物理的および化学的組成の変化を同時に評価する請求項３０記載の方法。

Images