JP5352130B2 - 磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Description

本発明は、被検体中の水素や燐等からの核磁気共鳴（Nuclear Magnetic Resonance：以下、「ＮＭＲ」という）信号を測定し、核の密度分布や緩和時間分布等を画像化する核磁気共鳴イメージング（Magnetic Resonance Imaging：以下、「ＭＲＩ」という）装置に関し、特に、傾斜磁場による騒音を静音化する技術に関する。

ＭＲＩ装置は、被検体、特に人体の組織を構成する原子核スピンが発生するＮＭＲ信号を計測し、その頭部、腹部、四肢等の形態や機能を２次元的に或いは３次元的に画像化する装置である。撮影においては、ＮＭＲ信号には、傾斜磁場によって異なる位相エンコードが付与されるとともに周波数エンコードされて、時系列データとして計測される。計測されたＮＭＲ信号は、２次元又は３次元フーリエ変換されることにより画像に再構成される。

このとき、実際に画像化されるＮＭＲ信号を取得する前に、まず画像化する被検体のスライス位置を高周波磁場と傾斜磁場によって予備励起する。これにより、安定した信号を取得することが可能となる。

従来、定常状態自由歳差運動（Steady State Free Precession：以下、「ＳＳＦＰ」という）においては、第一の過程では、予備励起中の高周波磁場のフリップ角の絶対値を変化させながら複数の高周波磁場を印加し、第二の過程では、フリップ角の絶対値を一定として複数の高周波磁場を印加することによって、短時間に磁化の振動を抑制し、コントラストの良好な画像を得る（特許文献１）手法が提案されている。

一方、特許文献２に見るように、パルスシーケンスに従った傾斜磁場コイルの駆動により電磁気力が発生し、傾斜磁場コイルに機械的歪み（振動）を生じさせて騒音が発生するという問題点があり、種々の対応が取られている。

特開２００４−３２９２６８号公報 特開２００１−３０９９０２号公報

しかしながら、繰り返し時間が短い、撮像視野が小さい、位相エンコード・周波数エンコード数、バンド幅（band width：、以下、「ＢＷ」とする）が大きいなどの条件の場合、傾斜磁場強度が大きくなり、傾斜磁場の立ち上がりも急峻になるため、騒音が大きくなる。このため、被検体からすると計測開始前の無音の状態から、計測開始時に突発的に最大の騒音となり被検体の負荷が大きくなるという未解決の課題が残されている。

そこで、本発明の目的は、被検体の負荷を低減するため、計測開始時の突発的な騒音を抑制することのできるＭＲＩ装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明においては、静磁場中に置かれた被検体に高周波磁場を印加する高周波磁場印加手段と、被検体に傾斜磁場を印加する傾斜磁場印加手段と、被検体から発生する核磁気共鳴信号を検出する検出手段と、核磁気共鳴信号をもとに被検体の画像を再構成する画像形成手段と、これら高周波磁場印加手段、傾斜磁場印加手段、検出手段及び画像形成手段を制御し、画像再構成に必要なデータの計測を繰り返し実行するよう制御する制御手段と、画像を表示する表示手段とを備えた磁気共鳴イメージング装置であって、制御手段が、計測開始直後の予備励起期間に、被検体を予め高周波磁場により複数回励起してから核磁気共鳴信号を取得すると共に、この予備励起期間の前に、傾斜磁場の強度を徐々に増加させながら印加するよう制御するＭＲＩ装置を提供する。

好適には、本発明においては、計測開始時の予備励起のさらに前に、同一のシーケンスパターンであって、高周波磁場を印加せず、傾斜磁場の強度を線形的に増加させながら印加するＭＲＩ装置を提供する。すなわち、静磁場中に置かれた被検体に高周波磁場を印加する高周波磁場印加手段と、被検体に傾斜磁場を印加する傾斜磁場印加手段と、被検体から発生する核磁気共鳴信号を検出する検出手段と、核磁気共鳴信号をもとに被検体の画像を再構成する画像形成手段と、高周波磁場印加手段、傾斜磁場印加手段、検出手段及び画像形成手段を制御し、画像再構成に必要なデータの計測を繰り返し実行する制御手段と、画像を表示する表示手段と、計測開始直後に被検体を予め前記高周波磁場により複数回励起してから核磁気共鳴信号を取得する予備励起手段とを備え、この予備励起手段は、計測開始時の従来の予備励起のさらに前に、同一のシーケンスパターンではあるが、高周波磁場を印加せず、傾斜磁場の強度を線形的あるいは２次関数的に増加させながら印加するＭＲＩ装置を提供する。

本発明によれば、計測開始時の突発的な騒音を抑制し、被検体の負荷を低減することが出来るようになる。

以下、添付図面に従って本発明のＭＲＩ装置の好ましい実施形態について詳説する。なお、発明の実施形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。

最初に、好ましい実施形態に係るＭＲＩ装置の全体概要を図１に基づいて説明する。図１は、ＭＲＩ装置の全体構成を示すブロック図である。このＭＲＩ装置は、ＮＭＲ現象を利用して被検体の断層画像を得るもので、図１に示すように、ＭＲＩ装置は静磁場発生系2と、傾斜磁場発生系3と、送信系5と、受信系6と、信号処理系7と、シーケンサ4と、中央処理装置（central processing unit：以下、「ＣＰＵ」とする）8とを備えて構成される。

静磁場発生系2は、垂直磁場方式であれば、被検体1の周りの空間にその体軸と直交する方向に、水平磁場方式であれば、体軸方向に均一な静磁場を発生させるもので、被検体1の周りに永久磁石方式、常電導方式あるいは超電導方式の静磁場発生源が配置されている。

傾斜磁場発生系3は、ＭＲＩ装置の座標系（静止座標系）であるX，Y，Zの3軸方向に巻かれた傾斜磁場コイル9と、それぞれの傾斜磁場コイルを駆動する傾斜磁場電源10とから成り、後述のシ−ケンサ4からの命令に従ってそれぞれのコイルの傾斜磁場電源10を駆動することにより、X，Y，Zの３軸方向に傾斜磁場Gx，Gy，Gzを印加する。撮影時には、スライス面（撮影断面）に直交する方向にスライス方向傾斜磁場パルス（Gs）を印加して被検体1に対するスライス面を設定し、そのスライス面に直交して且つ互いに直交する残りの2つの方向に位相エンコード方向傾斜磁場パルス（Gp）と周波数エンコード方向傾斜磁場パルス（Gf）を印加して、エコー信号にそれぞれの方向の位置情報をエンコードする。

シーケンサ4は、高周波磁場パルス（radio frequency 磁場パルス：以下、「ＲＦパルス」という）と傾斜磁場パルスをある所定のパルスシーケンスで繰り返し印加する制御手段で、ＣＰＵ8の制御で動作し、被検体1の断層画像のデータ収集に必要な種々の命令を送信系5、傾斜磁場発生系3、および受信系6に送る。なお、シーケンサ4はＣＰＵ8の制御で動作するため、これら両者を併せて制御手段と呼んで良いことは言うまでもない。

送信系5は、被検体1の生体組織を構成する原子の原子核スピンに核磁気共鳴を起こさせるために、被検体１にＲＦパルスを照射するもので、高周波発振器11と変調器12と高周波増幅器13と送信側の高周波コイル（送信コイル）14aとから成る。高周波発振器11から出力された高周波パルスをシーケンサ4からの指令によるタイミングで変調器12により振幅変調し、この振幅変調された高周波パルスを高周波増幅器13で増幅した後に被検体1に近接して配置された高周波コイル14aに供給することにより、ＲＦパルスが被検体1に照射される。

受信系6は、被検体1の生体組織を構成する原子核スピンの核磁気共鳴により放出されるエコー信号（ＮＭＲ信号）を検出するもので、受信側の高周波コイル（受信コイル） 14bと信号増幅器15と直交位相検波器16と、Ａ／Ｄ変換器１７とから成る。送信側の高周波コイル１４ａから照射された電磁波によって誘起された被検体1の応答のＮＭＲ信号が被検体１に近接して配置された高周波コイル14bで検出され、信号増幅器15で増幅された後、シーケンサ4からの指令によるタイミングで直交位相検波器16により直交する二系統の信号に分割され、それぞれがA／D変換器17でディジタル量に変換されて、信号処理系7に送られる。
信号処理系７は、各種データ処理と処理結果の表示及び保存等を行うもので、光ディスク19、磁気ディスク18等の外部記憶装置と、ＣＲＴ等からなるディスプレイ20とを有し、受信系6からのデータがＣＰＵ8に入力されると、ＣＰＵ8が信号処理、画像再構成等の処理を実行し、その結果である被検体1の断層画像をディスプレイ20に表示すると共に、外部記憶装置の磁気ディスク18等に記録する。

操作部25は、ＭＲＩ装置の各種制御情報や上記信号処理系7で行う処理の制御情報を入力するもので、トラックボール又はマウス23、及び、キーボード24から成る。この操作部25はディスプレイ20に近接して配置され、操作者がディスプレイ20を見ながら操作部25を通してインタラクティブにＭＲＩ装置の各種処理を制御する。

なお、図１において、送信側の高周波コイル14aと傾斜磁場コイル９は、被検体1が挿入される静磁場発生系2の静磁場空間内に、垂直磁場方式であれば被検体1に対向して、水平磁場方式であれば被検体１を取り囲むようにして設置されている。また、受信側の高周波コイル14bは、被検体1に対向して、或いは取り囲むように設置されている。

現在ＭＲＩ装置の撮像対象核種は、臨床で普及しているものとしては、被検体の主たる構成物質である水素原子核（プロトン）である。プロトン密度の空間分布や、励起状態の緩和時間の空間分布に関する情報を画像化することで、人体頭部、腹部、四肢等の形態または、機能を2次元もしくは3次元的に撮像する。

次に、第1の実施例について図２を用いて説明する。図２は、TrueＦＩＳＰ(true fast imaging with steady state precession)と呼ばれるＳＳＦＰ系シーケンスの中でも代表的なシーケンスで、高周波磁場であるＲＦパルス：201、スライス選択用のスライス方向傾斜磁場パルスGs：202、位相エンコーディング用の位相方向傾斜磁場パルスGp：203、周波数エンコーディング用の周波数方向傾斜磁場パルスGf：204、ADタイミング：205により、その形状を現している。このシーケンスは、制御手段であるシーケンサ4、ＣＰＵ5によって作成、制御される。

従来のTrueＦＩＳＰシーケンスは、予備励起（以下、空打ち計測）期間207によりＳＳＦＰと呼ばれる定常状態に達してから、実際に被検体からのエコー信号を取得する本計測期間206に移行する。なお、208は繰り返し時間（以下、ＴＲとする）を示している。

本実施例では、空打ち計測期間207のさらに前に、傾斜磁場パルスのみを強度を線形的に増加させながら印加する騒音抑制期間210を設ける。この期間210においては、傾斜磁場の強度はスライス選択傾斜磁場パルスの各立ちあがり開始時刻209からＴＲ毎に、Gs/Gp/Gfの全軸を一定の割合に増加させることとし、ＲＦパルスを印加せず、エコー信号も取得しない。このときの計測開始からの時間tにおける傾斜磁場強度の計算式を式（１）に示す。

ここで、Ｇo ：静音化後の傾斜磁場強度[mT/m]
Ｇorg ：静音化前の傾斜磁場強度[mT/m]
Ｃounto ：静音化用空打ち回数[mT/m]
TR ：繰り返し時間[s]
ｔ ：計測開始からの時間[s]
[ ]は小数点以下切捨てでの整数値である。

このように、計測開始時の傾斜磁場強度を線形的に立ち上げることにより、突発的な騒音を抑制し、被検体の負荷を抑制することが可能となる。

なお、図２のシーケンスでは、期間210の空打ちの傾斜磁場強度を線形的に増加させているが、これを２次関数的に増加させてもよい。

制御手段の機能の内、これら予備励起期間207、騒音抑制期間210を制御する機能を予備励起手段と呼ぶこともできる。

また、この新たに追加した空打ち期間中はＲＦパルスを印加しないとしたが、もしＲＦパルスを印加しながら空打ちを行う場合は、スライス選択傾斜磁場の強度が変化するので、制御手段、或いは予備励起手段は、励起するスライスが含まれるように、ＲＦパルスの励起周波数も変化させながら印加する。もしくは、高周波磁場を印加すると共に、高周波磁場印加時に印加するスライス選択用の傾斜磁場のみ変化させず、その他の傾斜磁場を徐々に増加させながら印加し、励起される位置が変化しないよう制御することも可能である。

さて、第１の実施例ではＳＳＦＰ系計測の場合を例示してが、他のシーケンスにおいても適用することができる。例えばファーストスピンエコー（fast spin echo、以下、「ＦＳＥ」とする）シーケンスに適用することが可能で有り、その場合を第２の実施例として説明する。

第２の実施例のシーケンスの概略図を図３に示す。ＦＳＥシーケンスでは、１ＴＲ間305に複数のスライス304が計測されるが、図はマルチスライス数が“３”の場合を示す図である。スライス304を表す枠の高さが、傾斜磁場強度を模擬的に表す。

従来は、本計測303の前に空打ち302を印加していたが、本実施例では、さらにその前にRFパルスを印加しない傾斜磁場パルスの強度を線形的に増加させる空打ち期間301を印加する。前述の図２で示したシーケンスでは、ＴＲ毎に傾斜磁場強度を増加させたが、本実施例では、ＴＲ内のスライスが変わるたびに強度を増加させている。

なお、以上説明した各実施例における静音化の実施の有無は、制御手段により、撮像条件から想定される騒音が大きくなるときだけ実施するよう制御できる。

又は、実際に装置の物理軸（Ｘ軸／Ｙ軸／Ｚ軸）のうち、傾斜磁場強度と、傾斜磁場強度の立ちあがりの少なくとも一方が所定の閾値以上の軸でのみ実施するよう制御してもよい。

もしくは、装置を使用するユーザーが静音化の実施の有無を撮像パラメータから設定することを可能とする構成としても良い。

続いて、各実施例の静音化実施判定を含んだ処理フローと操作画面の例を図４、図５を用いて説明する。

図４において、401は従来の装置における処理ステップと同一のステップを示し、402に上述した実施例において実行される静音化実施判定ステップを示す。処理ステップ401において、撮像パラメータが入力されると、制御手段において、パルスシーケンスが作成され、パルスシーケンスデータGs、Gp、Gfが得られる。続いてオブリーク角度情報に基づき、オブリーク分解が実行される。そして、最終的にＸ軸コイル、Ｙ軸コイル、Ｚ軸コイルへの出力電流値Gx、Gy、Gzが決定される。

次に、静音化実施判定ステップ402について説明すると、まず、上述のようにユーザー自身、或いはユーザーが設定した撮像パラメータに基づき自動で、対象軸の静音化が必要か否かを判断し、想定される騒音が所定のレベル未満と評価され、静音化が必要なしと判断された場合、通常の空打ちがパルスシーケンスに追加される。想定される騒音が所定のレベル以上と評価され、静音化が必要ありと判断された場合、上述の実施例で説明した静音化用の空打ちシーケンスが追加される。この判定を全軸にて実施し、最後に全軸静音化要否判断を行い、必要有りの場合はそのまま、全軸静音化必要なしの場合、追加分の全軸の空打ちを削除して静音化実施判定ステップ402を終了する。

図５にユーザーの静音化関連パラメータ設定のためのＭＲＩ装置における操作画面の一例を示した。この操作画面は例えば、図１の操作部２５、或いはディスプレイ２０の画面上に表示される。ディスプレイ２０は、タッチパネル形式等でパラメータ入力等が可能であるよう構成して良いことは言うまでもない。図５において、静音化関連パラメータ群５０１中、５０２は静音化実行フラグ、５０3は静音化用空打ち回数、５０4は傾斜磁場強度閾値、５０５スルーレート閾値を示している。これらは、図５に示す通り、最右欄の入力部から設定可能に構成するか、或いは操作部２５のキーボード２４から入力設定しても良いことは言うまでのない。

本発明に係るＭＲＩ装置の全体基本構成を示す図である。 第１の実施例に係るＭＲＩ装置のＳＳＦＰ系シーケンスを示す図である。 第２の実施例に係るＭＲＩ装置のＦＳＥシーケンスの概略図である。 ＭＲＩ装置の各実施例における静音化実施判定フローチャートを説明する図である。 ＭＲＩ装置の各実施例における静音化パラメータを示す操作画面の一例を示す図である。

符号の説明

１…被検体、２…静磁場発生系、３…傾斜磁場発生系、４…シーケンサ、５…送信系、６…受信系、７…信号処理系、８…中央処理装置（ＣＰＵ）、９…傾斜磁場コイル、１０…傾斜磁場電源、１１…高周波発信器、１２…変調器、１３…高周波増幅器、１４ａ…高周波コイル（送信コイル）、１４b…高周波コイル（受信コイル）、１５…信号増幅器、１６…直交位相検波器、１７…A/D変換器、１８…磁気ディスク、１９…光ディスク、２０…ディスプレイ、２１…ROM、２２…RAM、２３…トラックボール又はマウス、２４…キーボード、５１…ガントリ、５２…テーブル、５３…筐体、５４…処理装置、２０１…RFパルス、２０２…スライス方向傾斜磁場、２０３…位相方向傾斜磁場、２０４…周波数方向傾斜磁場、２０５…ADタイミング、２０６…本計測、２０７…従来の空打ち、２０８…ＴＲ、２０９…本発明の空打ち、３０１…本発明の空打ち、３０２…従来の空打ち、３０３…本計測、３０４…１スライス分の計測、３０５…ＴＲ、４０１…従来制御、４０２…静音化制御、５０１…静音化関連パラメータ群、５０２…静音化実行フラグ、５０3…静音化用空打ち回数、５０4…傾斜磁場強度閾値、５０５…スルーレート閾値。

Claims (7)

1. 静磁場中に置かれた被検体に高周波磁場を印加する高周波磁場印加手段と、前記被検体に傾斜磁場を印加する傾斜磁場印加手段と、前記被検体から発生する核磁気共鳴信号を検出する検出手段と、前記核磁気共鳴信号をもとに前記被検体の画像を再構成する画像形成手段と、前記高周波磁場印加手段、前記傾斜磁場印加手段、前記検出手段及び前記画像形成手段を制御し、画像再構成に必要なデータの計測を繰り返し実行するよう制御する制御手段と、前記画像を表示する表示手段とを備えた磁気共鳴イメージング装置であって、
   前記制御手段は、前記被検体を予め前記高周波磁場により複数回励起する予備励起期間と、前記予備励起期間の前に、前記傾斜磁場の強度を徐々に増加させながら印加する騒音抑制期間とを設けるよう制御し、
   前記制御手段は、騒音が所定のレベル以上の撮像条件のときだけ前記騒音抑制期間を設ける、
   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記載の磁気共鳴イメージング装置であって、
   前記制御手段は、前記騒音抑制期間において前記高周波磁場を印加せず、且つ前記傾斜磁場強度を直線的あるいは二次関数的に増加させるよう制御する、
   ことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
3. 静磁場中に置かれた被検体に高周波磁場を印加する高周波磁場印加手段と、前記被検体に傾斜磁場を印加する傾斜磁場印加手段と、前記被検体から発生する核磁気共鳴信号を検出する検出手段と、前記核磁気共鳴信号をもとに前記被検体の画像を再構成する画像形成手段と、前記高周波磁場印加手段、前記傾斜磁場印加手段、前記検出手段及び前記画像形成手段を制御し、画像再構成に必要なデータの計測を繰り返し実行するよう制御する制御手段と、前記画像を表示する表示手段とを備えた磁気共鳴イメージング装置であって、
   前記制御手段は、前記被検体を予め前記高周波磁場により複数回励起する予備励起期間と、前記予備励起期間の前に、前記傾斜磁場の強度を徐々に増加させながら印加する騒音抑制期間とを設けるよう制御し、
   前記制御手段は、前記騒音抑制期間において、印加するスライス選択用の前記傾斜磁場強度に対応した励起周波数で前記高周波磁場を印加する、
   ことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
4. 静磁場中に置かれた被検体に高周波磁場を印加する高周波磁場印加手段と、前記被検体に傾斜磁場を印加する傾斜磁場印加手段と、前記被検体から発生する核磁気共鳴信号を検出する検出手段と、前記核磁気共鳴信号をもとに前記被検体の画像を再構成する画像形成手段と、前記高周波磁場印加手段、前記傾斜磁場印加手段、前記検出手段及び前記画像形成手段を制御し、画像再構成に必要なデータの計測を繰り返し実行するよう制御する制御手段と、前記画像を表示する表示手段とを備えた磁気共鳴イメージング装置であって、
   前記制御手段は、前記被検体を予め前記高周波磁場により複数回励起する予備励起期間と、前記予備励起期間の前に、前記傾斜磁場の強度を徐々に増加させながら印加する騒音抑制期間とを設けるよう制御し、
   前記制御手段は、前記騒音抑制期間において、前記高周波磁場を印加すると共に、前記高周波磁場印加時に印加するスライス選択用の前記傾斜磁場のみ変化させず、その他の前記傾斜磁場を変化させながら印加する、
   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であって、
   前記制御手段は、ＳＳＦＰ系あるいはＦＳＥ系のパルスシーケンスにおいて、前記騒音抑制期間を設ける、
   ことを特徴する磁気共鳴イメージング装置。
6. 静磁場中に置かれた被検体に高周波磁場を印加する高周波磁場印加手段と、前記被検体に傾斜磁場を印加する傾斜磁場印加手段と、前記被検体から発生する核磁気共鳴信号を検出する検出手段と、前記核磁気共鳴信号をもとに前記被検体の画像を再構成する画像形成手段と、前記高周波磁場印加手段、前記傾斜磁場印加手段、前記検出手段及び前記画像形成手段を制御し、画像再構成に必要なデータの計測を繰り返し実行するよう制御する制御手段と、前記画像を表示する表示手段とを備えた磁気共鳴イメージング装置であって、
   前記制御手段は、前記被検体を予め前記高周波磁場により複数回励起する予備励起期間と、前記予備励起期間の前に、前記傾斜磁場の強度を徐々に増加させながら印加する騒音抑制期間とを設けるよう制御し、
   前記制御手段は、前記傾斜磁場強度と、前記傾斜磁場強度の立ちあがりとの少なくとも一方が所定の閾値以上の軸でのみ、前記騒音抑制期間を設ける、
   ことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
7. 請求項１記載の磁気共鳴イメージング装置であって、
   前記制御手段は、前記騒音抑制期間を設けるか否かを、ユーザーに問い合わせする、
   ことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。

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