JP4897212B2 - Ｍｒデータ収集中のｒｆ電力蓄積を低減する方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、ＭＲイメージングに関し、より詳細には、望ましい励起プロフィールを実現するための、送信コイルアレイによる並列励起の方法及び装置に関する。更に本発明は、コイルアレイのコイル間の相互結合を考慮し且つ任意のコイル幾何形状に適用される並列励起パルス設計方法に関する。更に本発明は、被検体へのＲＦ電力蓄積を低減させる、イメージングボリューム全体にわたる目標ＲＦ励起に関する。

ヒト組織などの物質が均一な磁場（分極磁場Ｂ_０）にさらされると、組織内のスピンの個々の磁気モーメントは、この分極磁場と整列しようとするが、これら固有のラーモア周波数で分極磁場の周りをランダムに歳差運動する。物質又は組織が、ｘ−ｙ平面内にあり且つラーモア周波数の近傍にある磁場（励起磁場Ｂ_１）にさらされると、正味の整列したモーメント、又は「縦磁化」Ｍｚは、ｘ−ｙ平面に向かって回転又は「傾斜」して、正味の横磁気モーメントＭｔを生成することができる。励起信号Ｂ_１を停止させた後、励起されたスピンによって信号が放出され、この信号を受信して処理し、画像を形成することができる。

これらの信号を利用して画像を作成する際には、磁場勾配（Ｇｘ、Ｇｙ及びＧｚ）が用いられる。典型的には、撮像対象領域は、使用される特定の局所化方法に従ってこれらの勾配が変化する一連の測定サイクルによって走査される。結果として得られた受信ＮＭＲ信号のセットは、多くの周知の再構成技法のうちの１つを用いてデジタル化され、処理され、画像が再構成される。

空間的選択励起は、信号寄与ボリュームのサイズを制限しながら横方向磁化を励起するためにＭＲイメージングにおいて広く使用される。スライス選択励起は最も一般的に使用されており、信号寄与ボリュームを信号収集中の空間エンコーディングを簡素化する固定スライスに限定して、データ収集又は走査時間を短縮させる。1つよりも多い次元に沿った局所化をもたらす多次元励起が、走査時間のこの短縮を促進するために使用されてきた。例えば、局在化スペクトロスコピー、関心領域の縮小された撮影領域走査、独特な形状の目標生体組織のイメージング、及び短縮されたエコートレイン長を用いるエコープラナー・イメージング（ＥＰＩ）は、これらが短縮された走査時間に対応していることから通常実施されるアプリケーションである。更に、選択励起を用いるかなり大きなボリュームにわたるプロフィール（反転、位相及び周波数）制御が、Ｂ_０の不均一性又は勾配の非直線性の存在下における励起プロフィール忠実度を改善するため及び磁化率アーチファクトを低減するために利用されている。

選択的励起は、全ボリュームにわたって送信し比較的均一なＢ１磁場をもたらす、例えばバードケージコイルである単一送信コイルを用いて通常実施される。高性能パルスアルゴリズムが、このような構成に適合する励起パルスを設計するために開発されている。これらのパルス設計ツールによって達成された利点にもかかわらず、技術的な問題が依然としてある。励起パルス持続、励起プロフィール精度、及びＲＦ電力吸収（ＳＡＲ）に伴う諸問題は、種々の用途における未解決の課題の一部を示すものである。１Ｄ励起と比較して、２Ｄ又は３Ｄ励起での多次元に沿ったフレキシブル・プロフィール制御は、パルス機能の増強を必然的に伴い、且つ試験中のパルス持続を維持するために強力な勾配を必要とする場合が多い。この制限は、一般用の勾配を用いるスキャナへの多次元励起の適用を妨げる。波動作用の増大から生じるＢ１磁場の大きい被検体依存性及び高周波での信号源−被検体相互作用もまた、励起プロフィール制御を困難にする。高周波での高い割合のＲＦ電力蓄積は、ＲＦ送信モジュール及び／又は励起パルスの設計及び適用に対して有意に影響する追加要因を示すものである。
米国特許第６８２８７９０号

従って、並列送信素子アーキテクチュアを用いて望ましい励起プロフィールを実現し且つＲＦ電力蓄積を低減させることができるシステム及び方法を有することが望ましい。

本発明は、前述の欠点を克服する、イメージングボリュームにおけるＲＦ励起を行うための送信コイルアレイの送信コイルを独立して制御するシステム及び方法を提供する。

本発明は、複数送信コイルの統合駆動による多次元励起の加速及びＳＡＲの制御に関する。本発明は、望ましい励起プロフィールの正確な形成を加速しながらＲＦ電力吸収及び多次元パルス長を効果的に管理するために、コンポジットＢ_１磁場における適切なＢ_１の空間時間的変動を生じる複数送信素子の調整に重点を置く。本発明はまた、空間的及び空間周波数領域重み付けを用いる並列励起パルスの設計に関する。

従って、１つの態様によれば、本発明は、コンピュータ可読記憶媒体に格納され、且つコンピュータによって実行されたときにコンピュータに、送信コイルアレイの各送信コイルについてＢ_１磁場マップを収集させ、該Ｂ_１磁場マップからコンポジットＢ_１磁場の空間時間的変動を決定させる命令を有するコンピュータプログラムで具現化される。コンピュータは、更に、ＭＲイメージング中のＲＦ電力蓄積が低減されるように各それぞれの送信コイルに合わせたＲＦパルスシーケンスを発生させる。

別の態様によれば、本発明は、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システムを備えるＭＲＩ装置を含む。ＭＲＩシステムは、分極磁場を印加するマグネットと、磁場勾配を加えるためのマグネットボアの周りに配置された複数の勾配コイルと、ＭＲ画像を収集するＲＦコイル組立体にＲＦ信号を送信するようにパルスモジュールによって制御されるＲＦ送受信器システム及びＲＦスイッチとを有する。複数の送信コイルを有する送信コイルアレイもまた開示される。該装置はまた、複数の送信コイルを独立して制御することにより、ＭＲイメージング中の被検体へのＲＦ電力蓄積（ＳＡＲ）を調整するようにプログラミングされたコンピュータを含む。

本発明の別の態様によれば、ＭＲイメージングの方法は、被検体内の関心領域を決定する段階と、被検体へのＲＦ電力蓄積が低減されるように送信コイルアレイの複数の独立送信コイルによるＲＦ励起を制御する段階とを含む。

本発明の、種々の他の特徴、目的及び利点は、以下の発明の実施の形態及び図面から明らかとなるであろう。

図面は、本発明を実施するために現在企図されている１つの好ましい実施形態を示す。

図１を参照すると、本発明を組込んだ好ましい磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システム１０の主要な構成要素が示されている。本システムの動作はキーボード又は他の入力デバイス１３、制御パネルパネル１４、及び表示画面１６を含むオペレータコンソール１２から制御される。コンソール１２は、オペレータが画像の作成及び表示スクリーン１６上への表示を制御可能にする別個のコンピュータシステム２０とリンク１８を介して通信する。コンピュータシステム２０は、バックプレーン２０ａを介して互いに通信する幾つかのモジュールを含む。これらは、画像プロセッサモジュール２２、ＣＰＵモジュール２４、及び画像データアレイを格納するためのフレームバッファとして当該技術分野で公知のメモリモジュール２６を含む。コンピュータシステム２０は、画像データ及びプログラムを格納するためのディスク記憶装置２８及びテープドライブ３０にリンクしており、更に高速シリアルリンク３４を介して別個のシステム制御装置３２と通信する。入力デバイス１３は、マウス、ジョイスティック、キーボード、トラックボール、タッチ作動スクリーン、光学読み取り棒、音声制御装置、又は類似の任意の入力デバイスもしくは同等の入力デバイスを含むことができ、更に対話式の幾何学的指定に用いることができる。

システム制御装置３２は、バックプレーン３２ａによって共に接続されたモジュールセットを含む。これらは、ＣＰＵモジュール３６、及びシリアルリンク４０を介してオペレータコンソール１２に接続しているパルス発生器モジュール３８を含む。システム制御装置３２は、実行すべき走査シーケンスを示すオペレータからの指令をリンク４０を介して受け取る。パルス発生器モジュール３８は、システム構成要素を作動させて所望の走査シーケンスを実行し、発生されたＲＦパルスのタイミング、振幅及び形状、並びにデータ収集ウィンドウのタイミング及び長さを示すデータを発生する。パルス発生器モジュール３８は、走査中に発生される勾配パルスのタイミング及び形状を示すために勾配増幅器４２のセットに接続されている。パルス発生器モジュール３８はまた、患者に装着された電極からのＥＣＧ信号などの患者に接続された幾つかの異なるセンサからの信号を受け取る生理学的収集制御装置４４からの患者データを受け取ることができる。更に最終的に、パルス発生器モジュール３８は、患者の状態及びマグネットシステムと関連する種々のセンサからの信号を受け取る走査室インターフェース回路４６に接続されている。患者位置決めシステム４８は、この走査室インターフェース回路４６を介して走査のために患者を所望の位置に移動させる指令を受け取る。

パルス発生器モジュール３８によって発生される勾配波形は、Ｇｘ、Ｇｙ、及びＧｚ増幅器を有する勾配増幅器システム４２に印加される。各勾配増幅器は、全体を５０で示す勾配コイル組立体内の対応する物理勾配コイルを励起して、収集された信号を空間的に符号化するために用いられる磁場勾配を発生する。勾配コイル組立体５０は、分極マグネット５４及び全身型ＲＦコイル５６を含むマグネット組立体５２の一部を形成する。システム制御装置３２内の送受信器モジュール５８はパルスを発生し、該パルスはＲＦ増幅器６０によって増幅され、送信／受信スイッチ６２によってＲＦコイル５６に結合される。結果として、患者内の励起原子核によって放出された信号は、同じＲＦコイル５６によって感知され、送信／受信スイッチ６２を介して前置増幅器６４に結合することができる。増幅されたＭＲ信号は、送受信器５８の受信器部において復調され、フィルタ処理され、及びデジタル化される。送信／受信スイッチ６２は、パルス発生器モジュール３８からの信号によって制御されて、送信モード中はＲＦ増幅器６０をコイル５６に電気的に接続し、受信モード中は前置増幅器６４をコイル５６に接続する。更に、送信／受信スイッチ６２により、別個のＲＦコイル（例えば、表面コイル）を送信モード又は受信モードのいずれにおいても使用することが可能になる。

ＲＦコイル５６によって取り込まれたＭＲ信号は、送受信器モジュール５８によりデジタル化されて、システム制御装置３２内のメモリモジュール６６に転送される。未処理ｋ空間データのアレイをメモリモジュール６６内に収集完了すると１回の走査が完了する。この未処理ｋ空間データは、再構成されることになる各画像に対して別個のｋ空間データアレイに再配置され、これらの各々は、データをフーリエ変換して画像データのアレイにするよう動作するアレイプロセッサ６８に入力される。この画像データは、シリアルリンク３４を介してコンピュータシステム２０に送られ、該コンピュータシステム２０においてディスク記憶装置２８などのメモリ内に格納される。オペレータコンソール１２から受け取った指令に応答して、この画像データをテープドライブ３０上などの長期記憶装置にアーカイブしてもよく、或いは画像プロセッサ２２によって更に処理してオペレータコンソール１２に送るか、又はディスプレイ１６上に表示することができる。

本発明は、複数の送信コイルによってＲＦパルス送信を加速する方法及びシステムに関する。このような送信コイルアレイが図２に示される。送信コイルアレイ組立体７０は、並列ＲＦ送信用に設計された複数のＲＦコイル又は素子７２と、複数のＲＦ増幅器７４とを含む。１つの好ましい実施形態においては、各送信コイル７２は専用のＲＦ増幅器７４によって駆動される。この点に関して、各ＲＦ増幅器は、ＭＲＩシステム内の被検体７８の励起ボリュームを定めて操向するためにそれぞれのコイル内に制御電流を発生させるように構成される。また後述されるように、送信コイルの各々は、コイル間の相関関係すなわち相互結合が考慮されるような方法で制御される。図２に示されるように、送信コイルは実質的に線形で配置される。更に、より詳細に後述されるように、ＲＦ増幅器は、横方向磁化の誘起を特定の関心領域内に局所化して被検体へのＲＦ電力蓄積を低減できるように、複数のＲＦ送信コイルに制御信号を供給する。更に後述されるように、送信コイルの各々はＲＦ電力蓄積が更に低減されるような方法で制御される。

次に図３を参照すると、別の実施形態における送信コイルアレイ組立体７０が示される。この実施形態において、送信コイル７２は、ラップアラウンド方式で位置付けられる。この点に関して、コイルは被検体の周囲に分配された様態で配置される。図２に関して図示され且つ説明されたのと同様に、各ＲＦコイル７２は専用のＲＦ増幅器７４に接続される。図２−図３は、送信コイルアレイのコイルの可能な配列のペアを例証するものであり、具体的には示されていない他の配列も可能であり企図されることは、当業者であれば容易に理解するであろう。

上で示されたように、本発明は、送信コイルによるＲＦ励起が並列に行われるように送信コイルアレイを用いて実施可能な方法及びシステムに関する。この並列励起は、ＲＦパルスの加速及び目標励起の局所化による走査時間の短縮に対応するだけでなく、被検体へのＲＦ電力蓄積の低減にも対応する。

本発明は、小先端角度励起に関して説明されることになるが、本発明が他の励起レジームにも拡張できることは当業者であれば理解するであろう。単励起コイルを用いた小先端角度励起により得られる横方向磁化は、励起中に横断され重み付けされたｋ空間トラジェクトリのフーリエ変換によって解析することができる。

式中Ｓ（ｋ）は、スイッチング勾配によって制御される空間周波数サンプリングトラジェクトリを表し、Ｗ（ｋ）は、駆動ＲＦ信号源によって誘起される空間周波数重み付けであり、ｂ（ｘ）は、コイルのＢ_１磁場パターンによって誘起される空間重み付けである。

数セットのパルス合成器及び増幅器が、励起中対応するコイルを同時に駆動する並列ＲＦ信号源を形成するときに、多重空間周波数及び空間重み付けは、横方向磁化の生成に影響を与える。小先端角度近似の範囲内で、式１によって表されるｋ空間透視図は、直線性の特性に基づいて並列励起系を解析するために拡張することができ、

である。

式２において、Ｎは送信コイルの全体の数を示し、ｎ及びｌはコイルの指数であり、ｃ_ｎ.ｌはコイル間の相互結合を特徴付ける係数であり、Ｗ_ｌ（ｋ）は独立して制御されるＲＦ信号源によって誘起される空間周波数重み付けを表し、ｂ_ｎ（ｘ）は、コイルのそれぞれのＢ_１磁場パターンによって誘起される空間重み付けを表す。

式２で励起プロフィールを定める項をｇ（ｘ）で示すと、ｇ（ｘ）は

として表され、この式は、並列送信系の解析において、

である有効空間重み付けが、結合誘起されたコイル間相関関係を説明するために使用できることを示している。

１つの実施例として、２Ｄ励起の場合が考察され、ここで、ｋ_ｘがスロー方向であり且つΔ_ｋｘがサンプリング周期として、エコープラナー（ｋ_ｘ、ｋ_ｙ）トラジェクトリが使用され、且つ、｛（ｘ、ｙ）｜ｘ_ｍｉｎ≦ｘ≦ｘ_ｍａｘ、ｙ_ｍｉｎ≦ｙ≦ｙ_ｍａｘ｝が、被検体が収容されている撮影領域を特定する。ｋ空間重み付け及びサンプリングは、２Ｄ励起プロフィールを生じさせ、該プロフィールは、式３によって定められるような、Ｎ周期関数の重み付けされた重ね合わせであり、すなわち、

式４において、記号ｕ_ｌ（ｘ）及びΔは、それぞれ、

と、１／Δ_ｋｘを表す。Ｚ−従属項は簡略化のため削除されている。

式４から、ｋ_ｘに沿った離散的性質が、ｘに沿ったエイリアシング・ローブを必然的に示すことは明らかである。有意には、式４はサイドローブの抑制が空間

及び空間周波数（Ｗ_ｌ（ｋ））領域における多重重み付けによって達成することができることを示している。このことは、ボディコイル（ｂ（ｘ）≒１であるボリュームコイル）を用いた励起の場合と比較することができ、ここで、典型的なパルス設計は、サンプリング周期Δｋｘを１／Ｄ（Ｄ＝ｘ_ｍａｘ−ｘ_ｍｉｎ）未満であるように制限することによって被検体の外側に突き出たサイドローブを有する。

小先端角度レジームの範囲内で、望ましい励起プロフィールが与えられる勾配及びＲＦパルスの設計は、式３によって定められる逆問題を解くことによって得ることができる。例証の目的で、２Ｄ励起を説明する。

ｇ（ｘ，ｙ）によって与えられ、ｕ_ｌ（ｘ，ｙ）＝ｈ_ｌ（ｘ，ｙ）ｇ（ｘ，ｙ）の型の解を伴う２Ｄ励起プロフィールを得るため、式４は次式のように書換えられる。すなわち、

これは、撮影領域内の全ての（ｘ，ｙ）について、一般的に次式の関係を必要とする。

式を並べかえることによって（例えば変数を変えることによって）、｛ｈ_ｌ（ｘ，ｙ），ｌ＝１，．．．，Ｎ｝は、典型的には、各（ｘ，ｙ）で式７のＫ個の一次方程式（ＫはＤ／Δ以上である最小の整数として定められる）により制約され、

式中、

であり、｛ｘ，．．．，ｘ＋ｍΔ（ｍ≠０），．．．｝は撮影領域内のｘ座標のセットを表し、これらは均等に間隔を置いて配置され、且つエイリアシングによって相互に結合されている。１／Ｄより大きいサンプリング周期Δ_ｋｘを用いたとき、式７の第１の方程式を除いた全てのものは、撮影領域内に位置するエイリアシング・サイドローブの抑制を表す。

撮影領域全体にわたる位置について式７を繰り返し解くと、ｈ_ｌ（ｘ，ｙ）が得られ、これは、式１１に従ったｋ空間重み付けの計算を可能にする。

従って、ｋ空間重み付け及びｌ番目コイルに関連するＲＦパルス波形は、望ましい励起プロフィールの空間的に重み付けされたバージョンのフーリエ変換を用いて計算することができ、その場合、空間重み付けは、各送信コイルのＢ_１磁場マップ及びｋ空間横断トラジェクトリから導出される。

Ｂ_１磁場マップの品質は、励起プロフィール精度に対し直接の影響を及ぼす。マップは１つずつ実験的に較正することができる。この手法では、各較正は、送信用に送信アレイの単一素子（他の素子への入力をゼロとする）を用い、受信用にボディコイルを用いるイメージング試験を含む。被検体コントラストの変調を除去するためにこの結果を基準画像で除算すること、及びノイズの影響を抑制するために追加の処理をすることにより、送信コイルに付随する有効Ｂ_１マップの推定が得られる。別法として、Ｂ_１マップは相反性の原理に基づく感度マップから推測することができる。較正時間を短縮するために複数の感度マップを並行して較正できる点に留意されたい。しかしながら、送信及び受信間のコイル結合特性における逆位相及び起こり得る変化は、考慮されない場合には、推定された有効Ｂ_１マップの精度を損なう可能性がある。

２Ｄ励起の実施例におけるシステムの２つの型を比較すると、本発明はシングルチャンネルのボディコイル・システムを越える最大Ｎ倍の励起加速をもたらす。形式的には、このことは、ボディコイル送信の場合における、Δ_ｋｘ≦１／Ｄのより厳しい要件とは対照的である、Ｎ≧Ｄ／Δ或いは同等にΔ_ｋｘ≦Ｎ／Ｄの場合に式７が少なくとも１つの解を可能とすることにより示される。直感的には、励起ｋ空間サンプリング密度の低下によりエイリアシング・ローブを被検体内に位置付けるようにし、空間周波数領域重み付け（Ｗ_ｌ（ｋ））の適切な設計が、空間領域重み付け

とエイリアシングパターン（サンプリングによって決定されるような）とを結合してインコヒーレントな付加にすることができ、その結果エイリアシング・ローブの最終振幅の低減又は消滅が実現することを認識することによって、加速能力或いは励起ｋ空間サンプリング密度の低下が、恐らくは最もよく理解される。

Ｎより小さい加速係数、或いは同等にＮ／Ｄよりも小さいサンプリング周期については、式７が次元Ｎ−Ｋの一群の解を可能とする。これにより、望ましい励起プロフィールに適合するメインローブを全て生成することができ、適用時には同時にエイリアシング・ローブを抑制する励起パルス設計の選択をもたらす。最小ノルムの意味で式７を解くことによって計算されたｈ_ｌ（ｘ，ｙ）を使用する特定の設計は、変動に対する励起プロフィールの感度を低下させ、或いはＲＦ増幅器への出力要件を低減させる傾向があるので、これは注目に値することである。

また、送信コイルアレイの送信コイルの独立駆動はＳＡＲ管理をサポートする。単一送信コイルを用いる被検体ボリュームの均一な可能範囲と比較して、極めて接近したコイルを使用することによって分散型局所送信コイルのアレイを用いる関心領域のみの集中励起は、領域外への大きなＲＦ電力蓄積を防止する。更に、信号源を統合して所望の励起プロフィールを実現する多くの方法から、結果として起こるＲＦ電力蓄積ができるだけ少ないＥ磁場を誘起するものを選択することができる。

本発明は、幾つかのＳＡＲ低減技法、すなわち集中ＲＦ励起をサポートするが、被検体ボリューム及び励起周期にわたって平均されたＳＡＲの最小化を中心とするＳＡＲ管理をより詳細に以下に説明する。該平均化されたＳＡＲは次式によって定められる。

式１２において、σは組織の伝導率、ρは密度、Ｖは照射される被検体ボリュームの大きさ、Ｐは時間的平均を定量化するために使用されるタイムポイントの合計を表す。

例えば、伝導性材料の大型スラブの表面に面して配置された複数のループコイルを仮定する。低周波数において、スラブ内部の磁場は、コイル内電流によって生成される入射磁場が支配的な傾向にある。近距離電場及び磁場の解析における準静的手法に続いて、該磁場は次式のベクトルポテンシャルＡを用いて特徴付けることができ、

この場合、コイル内電流にわたる線積分は、コイル導体のフィラメント近似に基づいており、磁場は、
Ｂ＝∇×Ａ
及び
Ｅ＝−ｄＡ／ｄｔ
に関連する。この場合、式１２の｜Ｅ（ｘ，ｐΔｔ）｜^２の項は、次式で評価することができ、

該式は、時間ｐΔｔでの電流波形の値を有するベクトル［Ｉ_１（ｐΔｔ）Ｉ_２（ｐΔｔ）．．．Ｉ_Ｎ（ｐΔｔ）］の２次形式である。ボリューム積分及び時間的総和を解けば、ＳＡＲ_ａｖｅは電流波形のサンプルの２次関数として次式で表すことができ、

この場合、上付き文字Ｈは共役転置を示し、行列Ｆは式１２及び式１４に基づいて評価された成分を有し、且つベクトルｓは電流波形のＮ×Ｐサンプルの全体を対応する順序で収集する。

電場が適用される信号源関数によって線形的に拡縮する条件では、平均ＳＡＲと信号源関数サンプルとの間で式５の形式における２次関係が一般に保たれる。しかしながら、生物学的被検体の存在或いは高い周波数では、マックスウェル方程式を解くことは困難であり、場合によってはＦ行列の構成は、較正結果或いは直接のＥ磁場測定に依存する必要がある。

適用された信号源関数に関する吸収速度及び横方向磁化の依存性を仮定すれば、最小のＳＡＲを誘起しながら望ましい励起プロフィールを生成する調整された信号源関数のセットを決定することが可能である。小先端角度レジーム又はブロッホ方程式の線形処理が適切である拡張においては、多次元励起設計において閉じた形の解が存在し、広い設計スペースを探す必要が無くなる。

前述の２Ｄ励起の実施例を続けると、エイリアシング・ローブを回避しながら被検体内に望ましいメインローブを生成する必要性に由来する、式７の形の方程式は、ｈ_ｌ（ｘ）の空間パターンを全体として制約する。従って、これらの方程式を共にプールすれば、行列形式で次式で表すことができる設計制約が得られる。

式１６において、Ｃ_ａｌｌは、対角線上の成分がＣ_{（ｘ，ｙ）}で他のいずれの成分もゼロであるブロック対角行列であり、ｈ_ａｌｌ及びｅ_ａｌｌは、連結されたｈ_{（ｘ，ｙ）}及びｅ_ｌをそれぞれ表すベクトルである。重み付け関数のサンプルの移動が一定の速度で行われる場合、Ｗ_ｌ（ｋ（ｔ））は電流波形に比例する。Ｗ_ｌ（ｋ）とｈ_ｌ（ｋ）との間のフーリエ変換関係により、式１５をｈ_ａｌｌに関して書き換えることができる。

フーリエ変換のままである２次形式は、ｈ_ｌ（ｘ）からＷ_ｌ（ｋ）への線形写像を定義する。可変サンプルレートは、行列Ｖの成分を勾配振幅の変化に一致するように修正するだけである。従って、ＳＡＲ管理のためのパルス設計は、線形の制約を受ける２次関数を最小化することによって達成することができる。

上式は、公知の数値計算法を用いて解くことができる。

上述のような小先端角度並列励起パルスの設計原理をシミュレーション実験及びファントム実験によって評価した。加速多次元励起の設計原理を評価するために、送信コイルアレイを用いる並列励起がシミュレーションスタディで最初に試験された。送信アレイは、ｘ軸方向に沿って一列に平形に並べられた９個の同じ１９．８ｃｍ×６．４ｃｍループコイルから構成された。このアレイは、アレイ表面の下の薄いスラブ対象物に面していた。並列励起パルスを用いて、ｇ（ｘ）＝ｇ_ｘ（ｘ）・ｇ_ｚ（ｚ）の形の該対象物にわたる望ましい励起プロフィールを有する２Ｄ励起を試みた。この場合において、均等にΔ_ｋｘの間隔を空けたｋ_ｘ＝一定ラインからなるエコープラナーｋ_ｘ−ｋ_ｚトラジェクトリ、局所的ボリュームにおいて無視できるｙ方向及びｚ方向Ｂ_１変動、及びｇ（ｘ）の可分性を使用すると、形式Ｗ_ｌ（ｋ）＝Ｕ_ｋｘ，ｌ（ｋ_ｘ）・Ｕ_ｋｚ（ｋ_ｚ）の式１１に対する解が得られた。ここで、

である。

この第１の実験のために、式７の形式の方程式が構成され、ｋ_ｘ−ｋ_ｚにわたる重み付けが決定された。次いで、ＲＦパルス波形が式１１に基づいて計算された。対照として、同じ２Ｄ局所化を目的としたボディコイル励起パルスが設計された。

加速励起の設計原理をファントムスタディで更に評価し、１．５テスラＭＲＩスキャナ（ＣＶｉ、ＧＥ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ、ウィスコンシン州ウォーキシャ所在）で上述のシミュレーションスタディとほぼ同様の設定を用いて行った。当該送信コイルは同じ幾何形状のものであり、水を満たした４１×１９×１ｃｍ^３のブリックファントムの３ｃｍ上に置かれた。スキャナは単一チャンネルのＲＦパルス送信だけに対応するものであったので、該スタディは、一連の９つの単一チャンネル実験を通して９つのアレイ素子の同時駆動を模擬することにより間接的に並列励起を試験した。該手法の正当性は、小先端角度レジームにおける線形特性によって裏付けられ、これにより、単一チャンネル励起実験から観測された横方向磁化分布の重ね合せから並列励起実験の結果を予測することができる。

詳細には、１９．８ｃｍ×６．４ｃｍサイズの単一送信／受信ループコイルがスキャナのＲＦインターフェースに取付けられた。９つの実験の間、コイルは一度に１つの構成で配置されて駆動され、各々、シミュレートを望む仮想コイルアレイの９つの素子の１つに対応する位置及びＲＦパルスを有していた。各送信の完了後にコイルは直ちに受信機能に切換えられたが、スキャナのボディコイルは、実験中はデチューン状態に維持された。２Ｄ励起及び収集は、勾配エコーシーケンスを用いて行われた。１つの実験から別の実験に至るまで、励起ｋ空間横断は同様に保たれた（すなわち、ｋ_ｘがスロー方向であるエコープラナーｋ_ｘ−ｋ_ｚトラジェクトリ）が、重み付け（ＲＦパルス）は、励起パルス設計に従って変更された。２Ｄ収集は、ｘ及びｚ方向に沿って水ファントムを描いた（且つ１ｃｍスラブの垂直方向であるｙ方向に沿って投影された）画像を生成した。２Ｄ横方向磁化分布は、画像からコイルの感度プロフィールを除去することによって定量化された。次いで、該分布は重ね合され、対応する並列励起実験から結果として得られる分布の推定値をもたらした。このスタディの設計に関しては、コイル結合は要因ではない。ビオ−サバールの法則に基づいて推定されたＢ_１マップは、ＲＦパルス計算及び感度プロフィール除去の両方において使用された。

励起加速の別のスタディにおいて、オールアラウンド・アレイ幾何形状が試験された。アレイは７つの送信素子からなり、これらはスキャナの患者ボア内部にラップアラウンド形式で方位方向に分布された。コンピュータシミュレーションにより、ｘ及びｙ次元の両方に沿って局所化する２Ｄ励起設計が評価された。素子間の結合は無視できず、相互インダクタンス計算から決定された結合行列により考慮された。該設計は、当初の式７及び式１１を用いた。

並列パルス設計に統合されて上述されたＳＡＲ管理方式の有効性が更に評価された。評価は、式７の代わりに式１８によって定められた設計の形式の並列励起パルスを適用したことを除いては、第１のシミュレーションスタディと同じ様式で行われた。計算されたｈ_ｌ（ｘ，ｙ）を用いて、式１１がｋ_ｘ−ｋ_ｚにわたる重み付けを与え、これがＲＦパルス波形を決定した。得られた励起プロフィール及び平均ＳＡＲは、第１のシミュレーションスタディものと比較された。

上述の実験の結果の論議は次の通りである。スラブ対象物の内側のｘ＝８ｃｍ及びｚ＝０に中心を置く５ｃｍ×５ｃｍ領域の集束励起が、第１のシミュレーションスタディで調べられた。ボディ送信コイルに基づき、対照設計は、Δ_ｋｘ＝１／３１．６サイクル／ｃｍで５７のｋ_ｘ＝一定ラインを横断するパルスを使用した。この対照設計から得られたｘ方向局所化が図４−図７に示される。並列励起設計は、送信コイルアレイを使用する２Ｄ局所化処理を達成する。４倍加速を表す場合には、設計はΔ_ｋｘ＝１／７サイクル／ｃｍで１４のｋ_ｘ＝一定ラインを横断するパルスを使用した。ｘ＝４ｃｍ及びｘ＝８ｃｍにそれぞれ位置したコイルによって与えられたｋ_ｘ方向重み付けＵ_ｋｘ，４（ｍΔ_ｋｘ）及びＵ_ｋｘ，７（ｍΔ_ｋｘ）は、図５及び図６に示される。９個のコイルの各々によるｘに沿った局所化は図７に示される。サンプリング密度の低減の結果として第１のエイリアシング・サイドローブはターゲットに４．５倍近接した（中心−中心の間隔＝７ｃｍ）、これらの最終振幅、並びに４０ｃｍＦＯＶ内に位置する他のエイリアシング・ローブは、図４に示されるようにインコヒーレント付加により無視される点に留意されたい。ボディコイル手法の結果と比較すると、並列励起の局所化は、同様に再集束され（図示されない虚数成分は無視された）、匹敵する空間分解能のものであった。図４を参照されたい。

ファントムスタディにおいて、エイリアシング・サイドローブへのインコヒーレント付加の効果が調査の中心であった。この目的のため、２Ｄ励起パルスは、中心素子の真下の水ファントムの領域を対象とするように設計された。調査を容易にするために、パルス計算は９つの素子のアレイの代わりに拡張線形アレイを更に想定した。設計されたパルスの長さは５．７ミリ秒であった。中心素子実験において、図８は、印加ＲＦパルス（振幅及び位相）と共に、連続の全ての実験で同様に実行される勾配パルスGｘ、Gｚを示す。結果として得られる画像からのコイルの感度プロフィールの除去は、図９に示されるように、素子によって誘起される２Ｄ横方向磁化分布の推定値をもたらす。図１０は、使用されたＢ_１／感度マップを示す。参考として、図１１は、ボディコイル送信−受信実験での非選択性励起からの横方向磁化分布を示す。感度プロフィール除去において用いられた分割操作に基づくノイズ増幅作用が図９において顕著であり、これは感受領域から遠い程極めて大きくなる傾向がある。過度のノイズ増幅により調査が曖昧なものとならないように、分割操作は遠位領域内に抑えられた。

全ての９つの試験からの結果は図１２に要約され、実験の各々に対応するマッピングされた横方向磁化を列１から列９までに示している。最も下の列（列１０）は、対応する並列励起の結果予測として意図された、個々のマップを重ね合わせた結果を示している。この場合も同様に、インコヒーレント付加に起因するエイリアシング・サイドローブの実質的な減少が観測された。この設定では、メインローブの構築における素子からの寄与及びエイリアシング・ローブの抑制が容易に理解された。中心素子単独からの結果、及び中央の５つの素子と中央の９つの素子からの結果は、局所励起プロフィール制御が主として近くのコイルによって達成されることを示唆している。パルス計算において拡張アレイの使用を想定することにより、９素子アレイの境界に向けた残留エイリアシング（不完全な消滅）のほとんどが明らかになった。９を越える素子でアレイを増強すると、この影響を是正することができる。９素子アレイのパルス設計もこの影響を取り除くことができ、この場合においては、境界コイルの重み付けは最大の変化を受けることになる。

ラップアラウンド型アレイの２Ｄ並列励起パルスが設計され評価された。シミュレーションは、４０ｃｍ×２３ｃｍの軸方向撮影領域内で任意に位置決付けられた局所ボリュームを選択的に励起する処理に集中した。式７が、有効Ｂ_１磁場パターン及びΔ_ｋｘ＝１／６．９サイクル／ｃｍでの１４のｋ_ｘ＝一定ラインを含むＥＰＩトラジェクトリに基づいて繰り返し解かれた。次いで、ｌ＝１，２，．．．，７であるｌ番目のコイルについて、計算されたｈ_ｌ（ｘ，ｙ）での望ましい２Ｄ局所化プロフィールの積がフーリエ変換され、並列励起によるコイルのｋ空間重み付け及びＲＦパルス波形が導出された。最終結果は、実質的にエイリアシング・サイドローブがなく、４倍長い従来型のＲＦパルスのボディコイル送信を含む対照励起に対して優れた一致を示した。

最後のシミュレーションスタディの設計は、第１のシミュレーションスタディのパルスとは形状の異なった並列励起パルスをもたらした。図１３−図１６は、図４−図７の形式と類似した形式を有する結果を示す。パルスは、第１のシミュレーションスタディのパルスと同じレベルの局所化精度及び空間分解能が維持された（図１３）が、設計変更は平均ＳＡＲにおける３８％の低下をもたらし、統合ＳＡＲ管理方式の大きい影響が確認された。

本発明では、設計されたＲＦパルスが合成され、増幅され、対応する送信素子に並列に供給されてコンポジットＢ_１磁場の空間的及び時間的変化の両方を誘起し、該コンポジットＢ_１磁場は、同期して繰り出される適切な勾配変化に付随して、励起の完了時に望ましい励起プロフィールを生成する。このことは、コイル幾何形状の設計及び駆動ポートの位相／振幅のオフセットがＢ_１磁場の空間的均一性を目標とし、且つ励起中に出すＲＦパルスがＢ_１磁場の時間的変化のみを処理するように限定される従来型手法とは対照的である。励起に対する適切なＢ_１の時間空間的変動の誘起は、ＲＦ励起機能に有意な派生的影響を有することは当業者であれば理解されるであろう。すなわち、並列励起は、望ましい励起プロフィールの形成精度を実質的に犠牲にすることなく励起加速及び／又はＳＡＲ制御に対応する。

要約すれば、送信素子を駆動するＲＦパルスは、望ましい励起プロフィールの空間的重み付けされたバージョンのフーリエ変換を用いて計算することができ、ｋ空間サンプリング密度の低減による多次元励起を加速する能力は、エイリアシング・ローブの抑制に左右されると共に適切に設計された駆動パルス（空間周波数領域重み付け）によって獲得することができ、ＳＡＲ管理は、駆動信号源の二次関数を最小化することによって達成することができ、該管理は望ましい励起プロフィール及び／又は加速を実現するため信号源を統合しながら結果として起こるＲＦ電力蓄積が最小のＥ磁場を誘起する方法を探索する。

応用の観点から見ると、高速イメージングは、本発明の並列励起手法が特に適用できる分野である。関心のある解剖学的構造が例えば局所領域に入っている状況下では、該領域に「スポットライトを当てる」多次元励起が、信号収集に対して加えられた空間エンコーディングの負荷を軽減することによりイメージングの加速を可能とする。従来型励起を越える改善が示されると、何倍も早い並列励起は、イメージングボリュームの画定／操向をサポートすると共に、これまで多次元パルスの実際的な使用を妨げていた時間的コスト障壁を打破する。並列収集手法の使用と比較すれば、並列励起手法に基づいた集束イメージングは、幾何形状因子によって説明される固有のＳＮＲ劣化の影響を受けない。２つの手法を組合せて使用することが可能であり、更に大きな走査時間短縮能力をもたらすことができる。本明細書で報告された実験は２Ｄ局所化に集中したが、並列励起手法は、磁場不完全誘起効果の補正及び非フーリエ空間エンコーディングを含むユーティリティを用いて、一般的な２Ｄ励起プロフィールの形成及び加速に適用される。また、本発明は３Ｄ収集にも適用できる。

強磁場イメージングにおいて、説明された送信システム及び駆動手段は、励起プロフィールの管理とＲＦ電力蓄積の調整の両方に使用することができる。励起パルスの集積処理及び送信コイルを具体化すると、本発明は励起プロフィール制御を容易にする。分配された並列システムを用いる送信、励起の加速、及びＳＡＲの管理は更に、強磁場強度での電力蓄積に対する解決策を提供する。

従って、１つの実施形態によれば、本発明はコンピュータ可読記憶媒体上に記憶され、コンピュータによって実行されたときに、コンピュータに送信コイルアレイの各送信コイルについてのＢ_１磁場マップを収集させ、該Ｂ_１磁場マップからコンポジットＢ_１磁場の時間空間的変動を求める命令を有するコンピュータプログラムにおいて具現化される。コンピュータはまた、イメージング中のＲＦ電力蓄積が低減されるように各それぞれの送信コイルに合わせたパルスシーケンスを発生させるようにもされる。

別の態様によれば、本発明は、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システムを備えるＭＲＩ装置を含む。ＭＲＩシステムは、分極磁場を印加するマグネットと、磁場勾配を加えるためのマグネットボアの周りに配置された複数の勾配コイルと、ＭＲ画像を収集するＲＦコイル組立体にＲＦ信号を送信するようにパルスモジュールによって制御されるＲＦ送受信器システム及びＲＦスイッチとを有する。複数の送信コイルを有する送信コイルアレイもまた開示される。該装置はまた、複数の送信コイルを独立して制御することにより、ＭＲイメージング中の被検体へのＲＦ電力蓄積（ＳＡＲ）を調整するようにプログラムされたコンピュータを含む。

本発明の別の態様によれば、ＭＲイメージングの方法は、被検体内の関心領域を決定する段階と、被検体へのＲＦ電力蓄積が低減されるように送信コイルアレイの複数の独立送信コイルよるＲＦ励起を制御する段階とを含む。

本発明を好ましい実施形態に関して説明してきたが、明記したものの他に、均等物、代替物、及び変更物が可能であり、これらは添付の請求項の範囲内にあることが認識される。

本発明で使用するためのＭＲイメージングシステムの概略ブロックダイアグラム。 本発明の１つの態様による直線状送信コイルアレイ組立体を示すブロックダイアグラム。 本発明の別の態様によるラップアラウンド型送信コイルアレイ組立体を示すブロックダイアグラム。 本発明による送信コイルアレイを用いて達成できるＲＦ励起プロフィールを示すグラフ。 ２つのｘ−軸位置に配置された送信コイルアレイのコイルによるｋ_ｘ方向重み付け寄与を示すプロット。 ２つのｘ−軸位置に配置された送信コイルアレイのコイルによるｋ_ｘ方向重み付け寄与を示すプロット。 送信コイルアレイの各コイルについてｘ軸に沿った局所化プロフィールの大きさを示す図。 本発明の１つの態様によるパルスシーケンスをグラフ的に示した図。 収集された画像からコイル感度重み付けを除去することによって評価されて得られた２Ｄ横方向磁化分布を示す図。 例示的な送信コイルアレイのコイルについてのＢ_１磁場マップを示す図。 参照ボディコイルにおける非選択的励起からの横方向磁化分布を示す図。 送信コイルアレイの各コイルについてのＢ_１磁場マップ、並びに個々のＢ_１磁場マップの重ね合わせによって生成されたコンポジット磁場マップを示す図。 本発明の別の態様によるＲＦ送信を制御し且つ被検体へのＲＦ電力蓄積を最小化するＲＦパルス・プロトコルの結果を示す図。 本発明の別の態様によるＲＦ送信を制御し且つ被検体へのＲＦ電力蓄積を最小化するＲＦパルス・プロトコルの結果を示す図。 本発明の別の態様によるＲＦ送信を制御し且つ被検体へのＲＦ電力蓄積を最小化するＲＦパルス・プロトコルの結果を示す図。 本発明の別の態様によるＲＦ送信を制御し且つ被検体へのＲＦ電力蓄積を最小化するＲＦパルス・プロトコルの結果を示す図。

符号の説明

７０ 送信コイル組立体
７２ 送信コイル
７４ ＲＦ増幅器
７６ 励起ボリューム
７８ 被検体

Claims (9)

1. コンピュータ可読記憶媒体（２６、２８、３０）であって、該媒体上に格納され、コンピュータ（１２、２４、２２、３２、３６）によって実行されたときに該コンピュータに、
   送信コイルアレイ（７０）の各送信コイルについてＢ１磁場マップを収集し、
   前記Ｂ１磁場マップからコンポジットＢ１磁場の時間空間的変動を求め、
   ＭＲイメージング中のＲＦ電力蓄積が低減されるようにそれぞれの送信コイル（７２）に対応した異なるＲＦパルスシーケンスを発生する、
   ように行わせる命令セットを表すコンピュータプログラムを有し、
   前記命令セットが更に、前記コンピュータ（１２、２４、２２、３２、３６）に、複数の送信コイル（７２）によって全体のＲＦ発生に対して加えられる効果的な空間的重み付けを求め、結合誘起されたコイル間相関関係を折り込むように前記複数のＲＦパルス波形を設計させ、
   ｌ番目のコイルに対する前記空間周波数重み付けＷｌ（ｋ）は、
   Ｗｌ（ｋ）＝Ｕｋｘ，ｌ（ｋｘ）・Ｕｋｚ（ｋｚ）
   によって計算され、
   ここで、
   ｈｌ（ｘ）は、ｌ番目のコイルにおける局所化プロフィールであり、
   ｇ（ｘ）＝ｇｘ（ｘ）・ｇｚ（ｚ）であり、
   ｇ（ｘ）は、励起プロフィールを定める項であることを特徴とするコンピュータ可読記憶媒体（２６、２８、３０）。
2. 前記命令セットが更に、前記コンピュータ（１２、２４、２２、３２、３６）に、望ましい励起プロフィールから前記送信コイルアレイによって生成されるＲＦ励起プロフィールの実質的な偏差を生じることなく、イメージングボリュームにわたるＲＦ電力蓄積を最小化させることを特徴とする請求項１に記載のコンピュータ可読記憶媒体（２６、２８、３０）。
3. 前記命令セットが、前記コンピュータ（１２、２４、２２、３２、３６）にＲＦ電力蓄積を最小化させ、任意の送信コイルアレイ幾何形状（７０、７２）に適用で可能な原理を具現化することを特徴とする請求項１に記載のコンピュータ可読記憶媒体（２６、２８、３０）。
4. 前記命令セットが、前記コンピュータ（１２、２４、２２、３２、３６）に前記送信コイル（７０、７２）の少なくとも有効Ｂ１磁場に基づく送信コイル（７０）のためのＲＦパルス方式を決定させ、各有効Ｂ１磁場が送信コイル（７０）と少なくとも１つの別の送信コイル（７２）との相互結合を反映することを特徴とする請求項１に記載のコンピュータ可読記憶媒体（２６、２８、３０）。
5. 前記命令セットは更に、前記コンピュータ（１２、２４、２２、３２、３６）に、前記送信コイル（７０）を用いる並列ＲＦ励起が望ましい励起プロフィールに一致する結果を生成するように各パルスシーケンスを設計させることを特徴とする請求項１に記載のコンピュータ可読記憶媒体（２６、２８、３０）。
6. 前記命令セットが更に、前記コンピュータ（１２、２４、２２、３２、３６）に、２Ｄ又は３ＤのＭＲデータを収集させることを特徴とする請求項１に記載のコンピュータ可読記憶媒体（２６、２８、３０）。
7. 前記送信コイルアレイ（７０）が、直線状に配置された複数の送信コイル（７２）を含むことを特徴とする請求項１に記載のコンピュータ可読記憶媒体（２６、２８、３０）。
8. 各送信コイル（７２）が、専用のＲＦ増幅器（７４）によって駆動され、
   前記命令セットが更に、前記コンピュータ（１２、２４、２２、３２、３６）に、前記送信コイル（７２）の独立制御によってＭＲイメージング中の被検体へのＲＦ電力蓄積を調整させることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のコンピュータ可読記憶媒体（２６、２８、３０）。
9. 前記命令セットが更に、前記コンピュータ（１２、２４、２２、３２、３６）に、望ましい励起プロフィールに一致するＲＦ励起と被検体へのＳＡＲ低減とを同時に達成させることを特徴とする請求項１に記載のコンピュータ可読記憶媒体（２６、２８、３０）。