JP5579194B2 - 磁気共鳴スペクトロスコピーのための、インターリーブされた中断を有する広帯域デカップリングパルス列 - Google Patents

Description

本発明は磁気共鳴スペクトロスコピー技術に関する。本発明は特に、無線周波数増幅器とともに、広帯域デカップリング方式を用いる医用撮像用核磁気共鳴スペクトロスコピーに適用される。

核磁気共鳴スペクトロスコピー（nuclear magnetic resonance spectroscopy；ＭＲＳ）撮像は、ヒトの様々な臓器における例えば代謝活動レートなどの代謝産物の分析に基づく化学組成の生体内（インビボ）測定を可能にする。ＭＲＩと同様に、ＭＲＳは静磁場と特定の共鳴周波数にある無線周波数（ＲＦ）パルスとを用いて、特定の原子核の応答を観察する。最も一般的に観察される生体内の原子核は、^１Ｈ、^１３Ｃ、^１５Ｎ、^１７Ｏ、^１９Ｆ、^２３Ｎａ及び^３１Ｐであり、大抵の研究は^１Ｈ、^１３Ｃ及び^３１Ｐに関係している。

ＭＲＳシステムは、静磁場Ｂ_０を作り出す永久磁性電磁石又は超電導電磁石を含んでいる。Ｂ_０場内に配置された被検体では、正味のスピンを有する、すなわち、奇数の原子番号を有する原子核が互いに、そしてそれらの周囲と相互作用し、核スピンが静磁場と選択的に整列する秩序立った平衡状態に至る。この平衡は、その後、観察される原子核のラーモア周波数で振動する横断方向の第２の磁場Ｂ_１によって乱される。この摂動が、観察される原子核の整列されたスピンを、Ｂ_０面から横断Ｂ_１面に向けて回転させる。無線周波数帯域内にあるラーモア周波数のパルスＢ_１は、関心対象の表面又は周りに配置された無線周波数コイル又はアンテナによって送信される。無線周波数コイル又はアンテナは送信器に接続されており、送信器は典型的に、デジタルのＲＦ周波数エンベロープを作り出す周波数合成器（シンセサイザ）と増幅器とを含む。Ｂ_１場が終了された後、読み出しフェーズにおいて、観測される原子核はＢ_０場を中心に歳差運動を開始し、受信コイル又はアンテナ内に電流を誘起する磁気共鳴を放出する。この電流は、その後、増幅され、フィルタリングされ、デジタル化され、更なる処理のために保存される。

ラーモア周波数は、観察される複数の原子核間で一定ではない。例えば結合パートナー、結合距離及び結合角などの局所的な化学構造の相違に起因して、観察される核種の異なる複数の観察原子核は、それらのラーモア周波数において僅かな変化すなわちシフトを受ける。このシフトは、電子が実効的に原子核をＢ_０場から遮蔽することで、複数の原子核が相異なる静磁場を経験させられるために起こる。周波数シフト及び基本共鳴周波数は磁場強度に正比例し、故に、これら２つの値の比は、化学（ケミカル）シフトとして知られる磁場に依存しない無次元の値をもたらす。化学シフトは、時間に基づく自由誘導減衰（Free Induction Decay；ＦＩＤ）信号を様々なフーリエ変換を用いて周波数ドメインに変換することによって形成される周波数領域スペクトルである。このスペクトルは、化学シフトに対応する周波数軸と、濃度に対応する振幅軸とを有する。周波数軸に沿って、特定の原子核は、固有の位置の単一のピーク又は複数のピークを生じさせる。ピークの下の面積が、該特定の原子核の濃度に直接的に関連付けられる。

ピーク下の面積を数値化することは、難しい作業を提起する。重なり合った、或いは分裂した共鳴、歪み、スピン−スピン結合（カップリング）による信号損失、及び関心領域若しくは関心ボリュームの外側の種からの干渉のため、スペクトルは解釈することが困難である。重なり合った共鳴又は分裂した共鳴は、より高い磁場強度では、化学シフトの分散の増大及び高次結合の抑制によって解決され得る。高磁場強度でのスペクトロスコピーは更に、感度に関して有益である。カップリングの問題は、化学結合した陽子（プロトン）のカップリングによる多重項（マルチプレット）構造を崩壊させることで分解能及び感度を向上させる広帯域デカップリングスキームによって解決される。例えば単一ボクセルスペクトロスコピー（例えば、ＳＴＥＡＭ及びＰＲＥＳＳ）及び複数ボクセルスペクトロスコピー（例えば、ＣＳＩ）などの局所化スキームは、関心領域若しくは関心ボリュームの外側の抑圧信号によって干渉を抑制し得る。

デカップリングは、結合した種の共鳴周波数を中心とする無線周波数パルスで関心領域を励起することによって実行される。最も単純なデカップリング方式は、単一のデカップリング周波数の連続波（ＣＷ）であるが、より広い範囲のスペクトルにわたってデカップリングを実現することが望ましく、これは広帯域デカップリングとして知られている。上述のように、スペクトル分解能すなわち化学シフトの分散を向上させるために、静磁場強度が増大されるが、ラーモア周波数及びデカップリング帯域幅が増大されるという犠牲を伴う。広帯域デカップリングは、より高い磁場強度で既存のデカップリング方式を用いることで依然として達成され得るが、組織（tissue）加熱、比吸収率（specific absorption rate；ＳＡＲ）の上昇、及び増幅器のローディング（loading）時間に起因するアーチファクトをもたらし得る。例えば７テスラ以上といった高磁場ＭＲＩシステムのＲＦ増幅器は、高振幅の短パルスを印加するように設計される。高磁場ＲＦ増幅器は、何十マイクロ秒程度の、短いものではあるが有限のローディング時間を有する。例えばＷＡＬＴＺ−１６、Ｇａｒｐ及びこれらに類するものなどの広帯域デカップリング技術において、合成インバージョン（反転）パルスのトレイン（パルス列）は、短い間隔で、例えば位相、周波数といった特性を周期的に変化させる。短いが有限のローディング時間は、印加される広帯域ＲＦ場に誤差を生じさせてしまう。

本出願は、上述及びその他の問題を解決する改善された新たな磁気共鳴スペクトロスコピー装置及び方法を提供する。

一態様によれば、磁気共鳴スペクトロスコピーのためのハイパワー（高電力）広帯域デカップリング方法が提供される。観察される核種内に磁気共鳴が誘起される。結合した核種のスペクトルを観察される核種からデカップリングするように構成された複数の広帯域デカップリング無線周波数パルスを含むデカップリングパルス列が印加される。デカップリングパルス列の隣接し合う広帯域デカップリング無線周波数パルス間に中断が導入される。観察される核種の磁気共鳴データが収集される。

他の一態様によれば、磁気共鳴スペクトロスコピーにおけるハイパワー広帯域デカップリングのための磁気共鳴スペクトロスコピー装置が提供される。磁石が静磁場を生成する。観察される核種内に磁気共鳴を誘起するように、磁気共鳴励起システムが構成される。観察される核種の磁気共鳴データを収集するように、磁気共鳴データ収集システムが構成される。結合した核種のスペクトルを観察される核種からデカップリングするように構成された複数の広帯域デカップリングパルスを含むデカップリングパルス列を印加するように、デカップリングシステムが構成される。デカップリングパルス列の隣接し合う広帯域デカップリングパルス間に中断を導入するように、デカップリング遅延発生器が構成される。

１つの利点は、ＲＦ増幅器が回復するのに十分な長さでありながら、観察されるデカップリング又は核オーバーハウザー効果（Nuclear Overhauser Effect；ＮＯＥ）に有意に影響を及ぼさないように依然として十分な短さの小休止又は中断（ポーズ）を、広帯域パルス列が有することである。

本発明の更なる利点が、以下の詳細な説明を読んで理解した当業者に認識されることになる。

本発明は、様々な構成要素及びその配置、並びに様々なステップ及びその編成の形態を取り得る。図面は、単に好適実施形態を例示するためのものであり、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。
結合型ＭＲＩ・スペクトロスコピーシステムを示す図である。 （本願で説明するスピンデカップリング技術を用いないときの）この例ではスピン−^１／２プロトンによるスピンカップリングを有するヒトの脚からの^１３Ｃの結合スペクトルを例示する図である。 ここで説明するこの例ではスピン−^１／２プロトン上で実行されるスピンデカップリングを用いたときの、^１３Ｃスペクトルを例示する図である。 パルス列の各パルス間に０．２ｍｓの中断を有するＷＡＬＴＺ−１６と１５μＴ振幅を有するパルスとに基づくデカップリングシーケンスの一例を示す図である。 スーパーサイクル内の各ブロックパルス間の短い中断とスーパーサイクル同士の間の一層長い中断とを有するＷＡＬＴＺ−１６シーケンスに基づく核オーバーハウザー効果（ＮＯＥ）シーケンスの一例を示す図である。 ブロックパルスではなく平滑形状のパルスを用いるデカップリングシーケンス又は核オーバーハウザー効果（ＮＯＥ）シーケンスを例示する図である。

図１を参照するに、磁気共鳴スキャナ１０は、内部に患者１４又はその他の観察される被検体が少なくとも部分的に配置されるスキャナ筐体１２を含んでいる。ボア型ＭＲスキャナの一実施形態において、必要に応じて、スキャナ筐体１２の保護用絶縁性ボアライナー１６が、観察される被検体１４が内部に配置されるスキャナ筐体１２の円筒形のボアすなわち開口部の内側を覆う。スキャナ筐体１２内に配置された主磁石１８が、観察される被検体１４の少なくとも観察領域内に静（Ｂ_０）磁場を生成する。主磁石１８は、典型的に、冷凍シュラウド２２によって囲まれた永続性の超電導磁石であるが、常伝導磁石、永久磁石及びこれらに類するものも意図される。一実施形態において、主磁石１８は、７テスラの主磁場を生成するが、より高い、あるいはより低い磁場強度も意図される。筐体１２の内部又は表面に傾斜磁場コイル２４が配置され、観察される被検体１４の少なくとも観察領域内で、選択された磁場勾配を主磁場に重畳する。典型的に、傾斜磁場コイルは、例えばｘ勾配、ｙ勾配及びｚ勾配などの３つの直交する磁場勾配を作り出すコイル群を含んでいる。１つ以上の局部無線周波数コイル２６、２８がスキャナ１０のボア内に配置され、且つ／或いは全身ＲＦコイル３０がボアを囲むように配置される。例としてボア型ＭＲシステムが示されているが、本発明概念は、例えばオープンＭＲシステム、Ｃ−マグネットシステム及び４−ポスターマグネットシステムなどのその他の種類のＭＲシステムにも適用可能である。同一のコイルがＲＦ信号の送信及び受信を行うために使用され得る。代替的に、異なる複数のコイルが、励起、デカップリング及び読み出しのために使用されてもよい。例えば、スキャナ内に搭載された全身無線周波数コイル３０が、観察される核種の磁気共鳴周波数での磁気共鳴励起に使用され、局部コイル２６が、励起された磁気共鳴を読み出すために使用され得る。他の一選択肢として、局部コイル２６又は第２の局部コイル２８が、デカップリングパルス列及び／又はＮＯＥパルス列を印加するために使用され、全身コイルがＲＦ励起パルスを生成するために使用されてもよい。

スペクトロスコピー、特に単一ボクセルスペクトロスコピー又は複数ボクセルスペクトロスコピー、を実行するとき、印加される無線周波数照射は、結合した核種のスピン状態を或る周波数範囲上で選択的に反転させるために使用される励起パルスと、データ読み出し中に観察される核種から結合した核種をデカップリングする広帯域の中断（interrupted）パルス列とを含む。

この詳細な説明においては、観察される核種として^１３Ｃの例が用いられ、化学結合あるいはその他の方法で結合した核種として^１Ｈの例が用いられる。しかしながら、認識されるように、観察される核種及び結合した核種の何れか又は双方は、その他の種であってもよい。例えば、観察される核種を^１５Ｎ、^１７Ｏ、^１９Ｆ、^２３Ｎａ又は^３１Ｐとし、結合した核種を^１Ｈ、^１３Ｃなどとしてもよい。他の構成において、観察される核種を^１Ｈとし、結合した核種を^１３Ｃ、^１５Ｎなどとしてもよい。ヘテロ核スペクトロスコピーでは、観察される核種及び結合した核種は典型的に、異なる原子番号（Ｚ）の値を有する。例えば、炭素はＺ＝６を有し、水素はＺ＝１を有する。観察される核種及び結合した核種は、当然ながら被検体１４の一部とすることができ、あるいは、注入、吸入又は摂取などによって被検体１４に投与された物質の部分としてもよい。

磁気共鳴スペクトロスコピーのデータ収集において、観察される核種（例えば、^１３Ｃ）の磁気共鳴周波数で動作する無線周波数増幅器又は送信器３２が、無線周波数切換回路３４を介して全身コイル３０又は局部コイル２６に結合され、観察される核種（例えば、^１３Ｃ）のスピンに磁気共鳴を励起するよう、観察される被検体１４の観察領域内に、観察される核種の磁気共鳴周波数の無線周波数励起パルスを注入する。必要に応じて、磁気共鳴励起を空間的にスラブ（板状）、ボクセル、スライス（断層）又はその他の局在領域に局在化させるよう、磁場勾配コントローラ３６が傾斜磁場コイル２４を動作させる。無線周波数増幅器３２はまた、例えば１つ以上のスピンエコーを生成させるため、例えば、観察される核種の励起磁気共鳴を反転させる磁気共鳴周波数のインバージョンパルスといった、磁気共鳴操作パルスを印加することができる。磁場勾配コントローラ３６は、１つ以上の空間エンコーディング傾斜磁場パルスを印加するように傾斜磁場コイル２４を動作させる。磁気共鳴の読み出しフェーズにおいて、切換回路３４は、無線周波数増幅器３２を局部コイル２６から切断し、無線周波数受信器３８を局部コイル２６に接続して、観察される被検体１４の観察領域から磁気共鳴データを収集する。収集された磁気共鳴データはデータバッファ４０に格納される。

ＲＦ増幅器３２によって、あるいは結合した核の共鳴周波数に同調されたコイルを動作させる第２のデカップリング用の無線周波数増幅器／送信器４４によって実行される無線周波数パルス構成を、デカップリングパルス発生器４２が生成する。例えば、全身コイル３０が多重同調され得る。あるいは、局部コイルのうちの１つ、例えばコイル２８が、結合した核の周波数に同調され得る。デカップリングパルス発生器は、結合した核種（例えば、^１Ｈ）の磁気共鳴周波数付近を中心とする広帯域スペクトルを有する広帯域デカップリング信号を生成する。典型的に、より高いパワー（電力）のデカップリング信号が有利であるとき、全身コイルが使用される。広帯域デカップリングは典型的に、例えばスピンエコーのサンプリング中又は該サンプリングに先立つ自由誘導減衰（ＦＩＤ）中などの読み出し中に適用され、観察される核種を結合した核種からデカップリングして、撮像、分光又はその他の用途のために、観察される核種（例えば、^１３Ｃ）の磁気共鳴データから、向上されたスペクトル分解能を提供する。

複数のデカップリングパルス方式を備えたデカップリングパルスライブラリ４６が構成される。例えばＧＡＲＰ、ＭＬＥＶ、ＷＡＬＴＺといったデカップリングパルス方式は、例えば様々な位相を有する、連続したＲＦパルス列を有する。このパルス列のパルス間の位相の変化は、観察される核種への結合が断たれ、且つ／或いは核オーバーハウザー効果が助長されるように、結合した核種を駆動する。ＲＦ増幅器は、ＲＦドループをもたらす連続した一連のパルスとしてデカップリングパルス列が印加される場合に超過されるエネルギー蓄積容量を有する。

デカップリング遅延発生器４８が、デカップリングパルス列内のパルス間に中断又は間隙を導入するようにデカップリングパルス発生器４２を制御する遅延信号を生成する。これらの中断は、観察される核種と結合する核種との間の結合時間より短く、且つデカップリングＲＦ増幅器３２の位相変化ローディング時間より長くされる。斯くして、結合した核種が、実効的に連続波のデカップリング方式を経験する一方で、デカップリングＲＦ送信器は位相変化の間に短い中断を経験する。典型的には０．０５ｍｓｅｃ−５．０ｍｓｅｃ程度であるこの中断は、送信器が、より長い期間にわたって、より高いピーク振幅で、より低い比吸収率で、低減されたＲＦドループで動作することを可能にする。

磁気共鳴データプロセッサ５０が、磁気共鳴データの処理を実行して、有用な情報を抽出する。撮像用途では、データプロセッサ５０は、磁気共鳴データの生成中に適用された、選択された空間エンコーディングとともに、高速フーリエ変換又はその他の画像再構成アルゴリズムを用いて画像再構成を実行する。スペクトロスコピー用途では、処理は例えば、スペクトル高速フーリエ変換処理を実行して例えば１つ又は複数のボクセルに関する化学シフト及びＪカップリングデータを復元することを含む。例えば、複数のボクセルを有する画像が、各画像ボクセルに対応するスペクトルデータを用いて規定され得る。スペクトルデータは、例えば、各ボクセルがスペクトル情報を指し示す対応するスペクトル画像を表示する、あるいは対応するスペクトルデータのポップアップ表示を生じさせるように選択画像ボクセルを目立たせる（ハイライトする）など、様々な手法で表示されることができる。得られた処理データ（例えば、画像又はスペクトルなど）は、データ／画像メモリ５２に好適に格納され、ユーザインタフェース５４上に表示され、印刷され、インターネット若しくはローカルエリアネットワーク上で通信され、不揮発性記憶媒体に格納され、あるいはその他の方法で使用される。図１に示した構成例において、ユーザインタフェース５４はまた、放射線医又はその他のオペレータに、上述のように磁気共鳴スキャナ１０を制御するスキャナコントローラ５６と相互作用させる。他の実施形態において、別個のスキャナ制御インタフェースが設けられてもよい。

図２及び３を参照するに、図２は、デカップリング手法を用いないときの、^１３Ｃが観察される核種であるヒトの脚の化学シフトスペクトルを例示している。図３は、位相変化同士の間に上述の中断を導入したＷＡＬＴＺ−１６デカップリング手法における、^１３Ｃが観察される核種であり^１Ｈがデカップリングされる核種であるヒトの脚の化学シフトスペクトルを例示している。

図４を参照するに、デカップリングパルス列の各パルス間に０．２ｍｓの中断を有するＷＡＬＴＺ−１６の一例が示されている。各デカップリングパルスは、臨床関連構成のＲＦコイルで、臨床用に現在入手可能な大抵のＲＦ増幅器でのＣＷ動作にて利用可能なピークパワー振幅を上回る１５μＴの振幅を有する。この振幅は、高磁場ＭＲＩシステムの全身コイルとともに使用されるＲＦ送信器３２の増幅器で利用可能である。

図５は、スーパーサイクルの各位相変化間の中断とスーパーサイクル同士の間の一層長い中断とを有するＷＡＬＴＺ−１６デカップリング方式に基づく核オーバーハウザー効果（ＮＯＥ）の一例を示している。

図６は、図５に示したブロックパルスに代えて、パルス間に実効的な中断を提供する平滑形状のパルスを用いるデカップリング又はＮＯＥを例示している。

この開示は好適実施形態を参照している。以上の詳細な説明を読んで理解した当業者は、変更及び変形に気付くであろう。この開示は、添付の請求項の範囲又はその均等範囲に入る限りにおいて、そのような全ての変更及び変形を含むものとして解されるものである。

Claims (15)

1. 磁気共鳴スペクトロスコピーのための高電力広帯域デカップリング方法であって：
   観察される核種内に磁気共鳴を誘起するステップ；
   結合した核種のスペクトルを前記観察される核種からデカップリングするように構成された複数の広帯域デカップリング無線周波数パルスを含むデカップリングパルス列を印加するステップであり、前記デカップリングパルス列はＲＦ増幅器によって増幅される、ステップ；
   前記デカップリングパルス列の隣接し合う広帯域デカップリング無線周波数パルス間に中断を導入するステップであり、前記中断は、前記観察される核種と前記結合した核種との間の結合時間より短く、且つ前記ＲＦ増幅器の位相変化ローディング時間より長い、ステップ；及び
   前記観察される核種の磁気共鳴データを収集するステップ；
   を有する方法。
2. 前記中断は、デカップリングが有意に影響されないように十分に短くされる、請求項１に記載の方法。
3. 前記デカップリングパルス列は核オーバーハウザー効果を高める、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記ＲＦ増幅器のエネルギー蓄積容量は、前記中断なしで前記デカップリングパルス列が適用されるときに超過され、前記中断は、前記ＲＦ増幅器に回復時間を提供するのに十分な長さである、請求項１乃至３の何れか一項に記載の方法。
5. 前記中断は０．０５ｍｓｅｃと５．０ｍｓｅｃとの間である、請求項１乃至４の何れか一項に記載の方法。
6. 前記観察される核種は^１３Ｃ又は^３１Ｐであり、前記結合した核種は^１Ｈである、請求項１乃至５の何れか一項に記載の方法。
7. 前記デカップリングパルス列は、ＷＡＬＴＺ−１６などのＷＡＬＴＺシーケンスである、請求項１乃至６の何れか一項に記載の方法。
8. 前記磁気共鳴を誘起するステップは：
   ７Ｔ以上の静磁場内で、観察される核種のスピンを整列させ；且つ
   前記観察される核種の共鳴周波数を中心とする無線周波数パルスを用いて、前記観察される核種の前記スピンを摂動させる；
   ことを含む、請求項１乃至７の何れか一項に記載の方法。
9. 各デカップリングパルス列において、隣接し合うパルスは相異なる位相を有し、前記中断は前記増幅器の負荷変動時間より長い、請求項１乃至８の何れか一項に記載の方法。
10. ソフトウェアを担持するコンピュータ読み取り可能媒体であって、前記ソフトウェアは、磁気共鳴システムの制御コンピュータによって実行されるとき、請求項１乃至９の何れか一項に記載の方法を実行するように該磁気共鳴システムを制御する、コンピュータ読み取り可能媒体。
11. 静磁場を生成する磁石；
    観察される核種内に磁気共鳴を誘起するように構成された磁気共鳴励起システム；
    前記観察される核種の磁気共鳴データを収集するように構成された磁気共鳴データ収集システム；
    収集される前記磁気共鳴データを空間的にエンコードするように構成された磁場勾配システム；
    結合した核種のスペクトルを前記観察される核種からデカップリングするように構成された複数の広帯域デカップリングパルスを含むデカップリングパルス列を印加するように構成されたデカップリングシステムであり、前記デカップリングパルス列を増幅するＲＦ増幅器を含む、デカップリングシステム；及び
    前記デカップリングパルス列の隣接し合う広帯域デカップリングパルス間に中断を導入するように構成されたデカップリング遅延発生器であり、前記中断は、前記観察される核種と前記結合した核種との間の結合時間より短く、且つ前記ＲＦ増幅器の位相変化ローディング時間より長い、デカップリング遅延発生器；
    を有する磁気共鳴スペクトロスコピー装置。
12. 前記デカップリング遅延発生器は、デカップリング及び核オーバーハウザー効果の増大のうちの少なくとも一方が有意に悪影響されないように十分に短い遅延を導入する、請求項１１に記載の磁気共鳴スペクトロスコピー装置。
13. 前記ＲＦ増幅器のエネルギー蓄積容量は、前記中断なしで前記デカップリングパルス列が適用されるときに超過され、前記デカップリング遅延発生器は、前記ＲＦ増幅器に回復時間を提供するのに十分な長さの中断を導入する、請求項１１又は１２に記載の磁気共鳴スペクトロスコピー装置。
14. 収集された前記磁気共鳴データを処理して、複数のボクセルの各々に関するスペクトル情報を生成するＭＲデータプロセッサ、を更に含む請求項１１乃至１３の何れか一項に記載の磁気共鳴スペクトロスコピー装置。
15. 前記デカップリングシステムは、ＷＡＬＴＺパルス列、ＧＡＲＰパルス列及びＭＬＥＶパルス列のうちの少なくとも１つを含む複数の連続したデカップリングパルス列を格納するデカップリングパルス列ライブラリを含み、前記デカップリング遅延発生器は、前記複数の連続したデカップリングパルス列のうちの選択された１つ内に、増幅されて前記結合した核種に適用されるのに先立って、遅延を挿入する、請求項１１乃至１４の何れか一項に記載の磁気共鳴スペクトロスコピー装置。

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