JP4846582B2 - マイクロコイルを備える医療機器の位置を突きとめるための方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＭＲ装置の検査ボリューム内で、マイクロコイルが取り付けられた医療機器の位置を突きとめるためのＭＲプロセス（方法）に関する。

本発明は、更に、上記のプロセスを実施するためのＭＲ装置及び上記のプロセスをＭＲ装置において実現するためのコンピュータプログラムにも関する。

インターベンショナルラジオロジー（interventional radiology，干渉放射線科）の分野では、磁気共鳴（ＭＲ）に基づくプロセスは、現在、ますます重要になっている。この分野で従来から一般に用いられる放射診断法とは対照的に、磁気共鳴は、作業を実施する医師も患者も電離性放射線に曝されないという利点をもつ。更に、ＭＲプロセスは、放射診断法のプロセスよりも一層良好な軟組織コントラストを示す利点も有する。

インターベンショナルラジオロジーのプロセスについては、使用されるインターベンショナル医療機器の位置が、常に、決定的な役割を果たす。これらの機器は、例えば、血管内カテーテル、生検針、最小の侵襲性（invasive）外科用手術器具又は類似の器具であり得る。インターベンショナルラジオロジーのある重要な使用は、アンギオグラフィ、即ち、患者の血液系の解剖学的な細かい部分を明らかにする放射線プロセスである。血管造影用ＭＲプロセスは、先端に位置を突きとめるための特別なマイクロコイルを備えている血管内カテーテルによって、血管を検査するために特に重要である。

米国特許第６，２３６，２０５Ｂ１号は、マイクロコイルが取り付けられた医療機器の位置を突きとめるＭＲに基づくプロセスを開示する。従来から知られているプロセスにおいて、マイクロコイルは、使用されるＭＲ装置の共鳴周波数に同調される共鳴回路の一部として用いられる。従来から知られているプロセスによれば、共鳴回路は、光ファイバを介して共鳴回路に供給される光制御信号を介して影響を受ける。従来から知られているプロセスでは、まず、通常のやり方で、ＭＲ装置の全検査ボリュームにおいて、高周波励起が１以上の高周波パルスによって実施される。高周波放射がマイクロコイルに結合し、そのため、共鳴回路は励起されて共鳴する。その後、励起された共鳴回路は、順に高周波信号を発し、この高周波信号が、マイクロコイルの局所環境において高周波パルスの磁場の強さを増幅する。共鳴回路に供給された光制御信号の時間的な変化によって、従来から知られているプロセスによれば、共鳴回路は、光学的に制御可能なインピーダンスによって、オン及びオフに交互に切り換えられる。その結果、マイクロコイルによって発せられる高周波信号も、制御信号に応じて時間的に変化する。その結果、マイクロコイルの局所環境からもたらされ受け取られたＭＲ信号の成分が、検査ボリュームの他の領域からもたらされる信号の成分と区別されることができる。このようにして、従来から知られているプロセスによれば、記録されたＭＲ信号から再構成されるＭＲ画像においてマイクロコイルを識別し、それゆえ、医療機器の位置を決定することが可能である。

従来から知られているプロセスの欠点は、共鳴回路を制御するために特別なハードウェア、即ち、上記に説明されたオプトエレクトロニクスを必要とすることである。更に、ＭＲ装置の中央制御ユニットによって制御可能でなければならない、特別な信号処理用及び信号生成用の素子が必要とされる。これらの素子の例は、適切な光源及び医療機器の光ファイバに結合される光源の光を変調するモジュレータである。モジュレータがＭＲ装置の中央制御ユニットによって制御可能であることが必要であり、そのため、入力された光信号の時間的な進展（temporal development）は、高周波パルスの生成及びＭＲ信号の記録と同期させて制御されることができる。これらの素子は、臨床用途に一般に存在するＭＲ装置の標準的設備の一部を形成していない。従って、従来から知られているプロセスによれば、このような装置を動作させることを可能にするためには、不利なことに、ハードウェア及びソフトウェアを適応化するために、かなりの投資額が必要である。

これに基づき、本発明の目的は、何らかの特別な適応化を必要とするＭＲ装置のハードウェアを使用することなく、マイクロコイルを備えた医療機器の位置を特に簡単に突きとめることを可能にする、ＭＲプロセスを開発することにある。

この目的は、本発明により請求項１に記載されたＭＲプロセスであって、ＭＲ装置の検査ボリューム内で、ＭＲ装置の共鳴周波数に同調される外部制御をもたない共鳴回路の一部であるマイクロコイルが取り付けられた医療機器の位置を突きとめるためのＭＲプロセスであって、検査ボリューム内に、少なくとも２つの時間的に連続する高周波パルスが生成され、高周波パルスの各パルス後に、検査ボリュームから周波数符号化されたＭＲ信号が記録される、ＭＲプロセスによって達成される。本発明によれば、医療機器の位置は、記録されたＭＲ信号間の差分を解析することによって決定される。

ＭＲプロセスでは、２つ以上の時間的に連続する高周波パルスを発生することにより、検査ボリューム内のコア磁化が、定常状態（steady state）に到達しようとすることが知られている。この定常状態では、高周波パルスによる横コア磁化の生成とコア磁化の緩和との平衡が保たれている。定常状態は、通常、幾つかの高周波パルスの照射後にのみ達成される。定常状態において、記録されたＭＲ信号は、ほぼ一定の振幅をもつ。定常状態に到達するまで、ＭＲ信号振幅は、振動の影響を受けやすい傾向があり、特に、こうした振動の強さ又は定常状態が達成される状態の速度は、高周波パルスに割り当てられたコア磁化の回転角度に依存する。上記に説明されたように、高周波パルスによる共鳴回路の励起は、医療機器に取り付けられたマイクロコイルの局所環境にて高周波磁場の増幅をもたらす。その結果、マイクロコイルの局所環境における高周波パルスの有効回転角度は、ＭＲ装置の検査ボリュームの他の領域における場合よりも大きい。或る程度までのコア磁化は、マイクロコイルから離れた領域よりもマイクロコイルの近傍において、高周波パルスの一層大きい回転角度を「検知する」。本発明によるプロセスは、マイクロコイルから離れた検査ボリュームの領域におけるコア磁化の定常状態が、マイクロコイルの直の局所環境におけるものとは異なるやり方で達成されるという認識に基づいている。本発明によれば、高周波パルスのそれぞれのパルス後に、検査ボリュームから周波数符号化されたＭＲ信号が記録される。このことは、予め定められた空間方向における磁場勾配によって適切に行なわれる。マイクロコイルの局所環境における定常状態までの遷移は、検査ボリュームの他の領域における遷移とは異なるので、本発明によれば、医療機器の位置は、記録されたＭＲ信号間の差分の簡単な解析によって、決定されることができる。

従来技術に関して本発明によるプロセスの本質的な利点は、医療機器に付けられたマイクロコイルにより、ＭＲ装置の共鳴周波数に確実に同調されていなければならない、１つの共鳴回路だけが適用される必要があるということである。共鳴回路は、いかなる外部制御も有していない、単に受動的な高周波回路を構成する。最小限の費用及びコストで、例えば、血管内カテーテル、最も簡単な場合にはマイクロコイルを有する適切な共鳴回路、及びその機器に並列に接続されたキャパシタを、医療機器に取り付けることが可能である。特に、使用されるＭＲ装置の追加のハードウェア素子が必要とされないことが有利である。本発明によるＭＲプロセスは、臨床用途の任意の標準のＭＲ装置によって簡単に実施されることができる。

本発明によるプロセスでは、適切に、記録されたＭＲ信号の減算によって差分信号が決定されることができるので、医療機器の位置は、差分信号の周波数スペクトルから決定されることができる。記録されたＭＲ信号間の差分は、差分信号によって特に良好に解析されることができる。医療機器の位置は、差分信号の周波数スペクトルから直接記録されたＭＲ信号の周波数符号化に基づいてもたらされる。差分信号の周波数スペクトルは、周波数符号化方向によって予め定められた座標軸上の検査ボリュームの投影画像をある程度まで構成する。本発明によるプロセスの使用により、異なる周波数符号化方向におけるＭＲ信号を記録することによって、検査ボリュームの中での医療機器の正確な三次元位置が決定され得る。特に、検査ボリューム内での医療機器の動きが、リアルタイムで追跡されることもできる。本発明によるプロセスは、有利なことに、全検査ボリュームのＭＲ画像を再構成するために設定される完全なＭＲ信号データセットを記録する必要がないので、非常に迅速に動作する。有利なことに、本発明によるプロセスは、ＭＲ層画像に対する画像平面の位置及び配向性が、本発明により決定される医療機器の位置の関数として予め定められる「スライストラッキング（slice-tracking）」のために用いられることができる。

請求項３に記載された本発明によるＭＲプロセスにおいて適切には、高周波パルスに割り当てられたコア磁化の回転角度は、明らかに９０°より小さい。請求項４及び５に記載されたように、有利なことに、検査ボリュームの他の領域から記録されたＭＲ信号成分の振幅が本質的に一定であると同時に、医療機器に取り付けられたマイクロコイルの局所環境におけるコア磁化の励起に基づく連続的に記録されたＭＲ信号成分の振幅が大幅な差異を示すように、高周波パルスに割り当てられた回転角度を選択することが可能である。従って、回転角度の適切な選択によって、医療機器の位置の本発明による決定は、マイクロコイルの局所環境にて定常状態まで遷移中のコア磁化の振幅が大きく振動し、マイクロコイルから離れた領域のコア磁化の振幅がほぼ同じままであることを確実にすることによって、最適化され得る。但し、本発明によるＭＲプロセスの信頼できる機能のためには、高周波パルスの回転角度は、医療機器の上記の環境における定常状態までのコア磁化の遷移が、検査ボリュームの他の領域におけるものとは異なるように選択されることが重要である。

請求項６に記載されたように適切には、本発明により連続的に生成された高周波パルス間の時間的な間隔は、コア磁化の縦緩和時間よりも短い。

本発明によるＭＲプロセスを実施するためには、請求項７又は８に記載のＭＲ装置が適している。このようなＭＲ装置において、上記に説明されたプロセスが、中央制御ユニット及び／又は再構成／表示ユニットの適切なプログラム制御によって、実施されることができる。

本発明によるプロセスは、請求項９に記載の対応するコンピュータプログラムの形態において、このようなＭＲ装置のユーザに利用可能にされ得る。このコンピュータプログラムは、例えば、ＣＤ−ＲＯＭ又はディスケットのような適切なデータ担体に記憶され得るか、又はインターネットを介してＭＲ装置の制御ユニットにダウンロードされることもできる。

本発明は、更に、図面に示される実施形態の実施例を参照して説明されるが、これらの実施例に本発明は制限されるものではない。

図１は、本発明によって、マイクロコイルを備える医療機器の位置を決定するための、高周波パルスＲＦ及び切り換えられる磁場勾配ＧＲの時間的なシーケンスを示す。第１の高周波パルスに割り当てられるものは、回転角度α_１である。磁場勾配ＧＲは、第１の高周波パルスの生成後に予め定められた空間方向に切り換えられ、そのため、時間ｔ_１において勾配エコーが生成され、この勾配エコーはＭＲ信号Ｓ_１として記録される。その直後に第２の高周波パルスが回転角度α_２で生成され、この場合も、時間ｔ_２において勾配エコーがＭＲ信号Ｓ_２として記録される。これらの２つの高周波パルス間の時間的な間隔は、コア磁化の縦緩和時間よりも明らかに短く、回転角度α_１，α_２は、明らかに９０°より小さくなるように選択される。図１から、ＭＲ信号Ｓ_１及びＳ_２は、明らかに異なる振幅をもつことが分かる。本発明によれば、これらの記録されたＭＲ信号Ｓ_１とＳ_２との間の差分を解析することによって、医療機器の位置が決定され得る。時間ｔ_１及びｔ_２に存在する磁場勾配ＧＲによって、記録されたＭＲ信号Ｓ_１及びＳ_２の周波数符号化がもたらされる。この周波数符号化を用いて、医療機器に取り付けられたマイクロコイルの局所環境におけるコア磁化の励起に基づいたＭＲ信号成分が、検査ボリュームの他の領域におけるコア磁化の励起に基づいたＭＲ信号成分と区別されることができる。本発明によれば、例えば、記録されたＭＲ信号Ｓ_１及びＳ_２を減じることによって差分信号が計算されることができ、その場合、医療機器の位置は、差分信号の周波数スペクトルを用いて決定されることができる。周波数スペクトルは、一次元投影画像を或る程度まで構成しており、この一次元投影画像では、投影方向が磁場勾配ＧＲの方向によって予め定められる。

図２は、マイクロコイルの局所環境から記録されたＭＲ信号成分Ｓ_μの振幅と、検査ボリュームの他の領域から記録されたＭＲ信号成分Ｓ_０の振幅とを時間の関数として示す。上記に説明されたように、磁気コイルの局所環境では高周波パルスの磁場の強さが増幅されるので、この領域のコア磁化について、事実上、検査ボリューム内の他の領域における場合よりも大きい回転角度が必要とされる。これにより、ＭＲ信号成分Ｓ_０の振幅は、ほぼ一定であるのに対し、時間ｔ_１及びｔ_２で記録されたＭＲ信号成分Ｓ_μは、著しく異なる振幅をもつことにつながる。図２から明らかなように、マイクロコイルの局所環境におけるコア磁化について、図１に示されるパルスシーケンスによる定常状態までの遷移は、マイクロコイルから離れた検査ボリュームの領域におけるものとは異なる。本発明によれば、医療機器の位置は、こうした差異から決定される。

図３は、本発明によるＭＲ装置をブロック図で示す。この装置は、患者２を含む検査ボリュームに均一な静磁場を生成する、主界磁コイル１を有している。患者の体内には、医療機器３、即ち、血管内カテーテルがあり、このカテーテルにマイクロコイル４が取り付けられている。マイクロコイル４は、図３ではあまり詳細に示されていないＭＲ装置の共鳴周波数に同調される共鳴回路の一部である。本発明によるプロセスの実施に関して、共鳴回路は外部制御をもたない。図示されるＭＲ装置は、更に、検査ボリューム内のさまざまな異なる空間方向に磁場勾配を生成するように、勾配コイル５，６及び７を有している。勾配増幅器９を介して勾配コイル５，６及び７に接続される中央制御ユニット８によって、磁場勾配の時間的な進展が、検査ボリューム内で制御される。図示されるＭＲ装置は、更に、検査ボリュームに高周波磁場を生成し、検査ボリュームからＭＲ信号を記録するために、高周波コイル１０も含む。高周波コイル１０は、トランスミッタ／レシーバユニット１１を介して、中央制御ユニット８と、再構成／表示ユニット１２とにそれぞれ接続される。再構成／表示ユニット１２によって処理されたＭＲ信号は、スクリーン１３によって表示されることができる。ＭＲ装置の中央制御ユニット８及び／又は再構成／表示ユニット１２は、プログラム可能な制御をもち、この制御によって、上記に説明されたＭＲプロセスは、いかなるＭＲ装置においても実施されることができる。

本発明による高周波パルス及び切り換えられる磁場勾配のシーケンスを示す図である。 本発明によって記録されたＭＲ信号の振幅の図である。 本発明によるＭＲ装置である。

Claims (9)

1. ＭＲ装置の検査ボリューム内で、前記ＭＲ装置の共鳴周波数に同調され外部制御をもたない共鳴回路の一部であるマイクロコイルが取り付けられた医療機器の位置を突きとめるための前記ＭＲ装置の作動方法であって、前記ＭＲ装置が、主界磁及び勾配コイルと、高周波コイルと、再構成ユニットと、を有し、前記ＭＲ装置の各部が制御ユニットによって制御される方法であって、
   前記高周波コイルが、前記検査ボリューム照射用の、フリップ角度の異なる少なくとも２つの時間的に連続する高周波パルスを生成するステップと、
   前記高周波コイルが、前記高周波パルスの各パルス後、コア磁化が定常状態になるまでの遷移中、前記検査ボリュームから周波数符号化されたＭＲ信号を記録するステップと、
   前記再構成ユニットが、前記記録されたＭＲ信号の間の差分を解析することによって、前記医療機器の位置を判定するステップと、
   を含む方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、差分信号が、前記記録されたＭＲ信号の減算によって計算され、前記医療機器の位置が、前記差分信号の周波数スペクトルから判定される、方法。
3. 請求項１又は２に記載の方法であって、前記高周波パルスに割り当てられた前記フリップ角度が、明らかに９０°より小さい、方法。
4. 請求項３に記載の方法であって、前記高周波パルスに割り当てられた前記フリップ角度は、前記医療機器の局所環境における前記コア磁化の励起に基づく連続的に記録されたＭＲ信号成分の振幅が大幅な差異を示すように選択される、方法。
5. 請求項４に記載の方法であって、前記高周波パルスに割り当てられた前記フリップ角度は、同時に、前記検査ボリュームの他の領域における前記コア磁化の励起に基づく連続的に記録されたＭＲ信号成分の振幅が本質的に一定であるように更に選択される、方法。
6. 請求項１乃至５の何れか一項に記載の方法であって、前記高周波パルス間の時間的な間隔は、当該コア磁化の縦緩和時間よりも短い、方法。
7. 検査ボリュームに本質的に均一の静磁場を生成する主界磁コイルと、前記検査ボリュームに磁場勾配を生成する複数の勾配コイルと、前記検査ボリュームに高周波磁場を生成し、前記検査ボリュームからのＭＲ信号を記録するための高周波コイルと、マイクロコイルが取り付けられた医療機器と、前記勾配コイル及び前記高周波コイルを制御する中央制御ユニットと、前記記録されたＭＲ信号を処理し表示するための再構成／表示ユニットとを有するＭＲ装置であって、
   前記制御ユニット及び／又は前記再構成／表示ユニットが、プログラム制御部によって請求項１乃至６の何れか一項に記載の方法が当該ＭＲ装置において実現され得る、前記プログラム制御部をもつＭＲ装置。
8. 請求項７に記載のＭＲ装置であって、前記マイクロコイルが、前記ＭＲ装置の共鳴周波数に同調された共鳴回路の一部であり、前記共鳴回路が、前記ＭＲ装置の他の素子の何れにも接続していない、装置。
9. 請求項７又は８に記載のＭＲ装置のためのコンピュータプログラムであって、当該コンピュータプログラムによって、請求項１乃至６の何れか一項に記載の方法が、前記ＭＲ装置の制御ユニット及び／又は再構成／表示ユニットにおいて実現されるコンピュータプログラム。

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