JP5584384B2 - 並列ｒｆ送信による空間−スペクトル励起のための方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明は、全般的には磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）に関し、またさらに詳細には、ＭＲＩで使用される送信コイルアレイに関する。

一般に、ＭＲＩはよく知られたイメージング技法である。従来のＭＲＩデバイスは、例えばＭＲＩ手技を受ける対象者の体軸に沿って均一な磁場を確立させている。この均一磁場は、原子核の核スピン（身体組織を形成する原子や分子内の核スピン）をこの磁場の軸に沿って整列させることによって撮像する対象者の身体内部を条件付けする。この核スピンの向きが乱されて磁場との整列から外れると、これらの原子核はその核スピンを磁場の軸と再整列させようとする。核スピンの向きの乱れは、無線周波数（ＲＦ）パルスの印加によって引き起こされることがある。再整列過程の間に、原子核はその磁場軸の周りで歳差運動して電磁的信号を放出し、これを対象者上または対象者の周りに配置させた１つまたは複数のコイルによって検出することができる。

歳差運動する所与の原子核から放出される磁気共鳴（ＭＲ）信号の周波数は、その原子核の位置における磁場の強度に依存する。当技術分野でよく知られているように、人体内の様々な箇所から発生する放射は、人体を横切るように磁場に磁場傾斜を付与することによって識別することが可能である。便宜上、この磁場傾斜の方向を左右方向と呼ぶことがある。ある特定の周波数の放射は、その磁場傾斜内の所与の位置（したがって、人体内部の所与の左右位置）で発生していると見なすことができる。こうした磁場傾斜を付与することは周波数エンコードとも云う。

しかし、所与の左右位置にあるすべての原子核が同じ磁場強度を受けており、したがって同じ周波数の放射を放出するため、磁場傾斜のこうした付与では２次元分解能に対応できない。したがって、周波数エンコード傾斜の付与それ自体では、人体の所与の左右位置にあるような上端部から発生した放射と下端部から発生した放射を区別することができない。直角方向で強度を変化させた傾斜を付与し、原子核を様々な量だけじょう乱させることによって、この第２の方向での分解能が可能となることが分かっている。こうした追加的な傾斜の付与のことを位相エンコードとも呼んでいる。

１回の位相エンコード工程中にコイルによって検知した周波数エンコード・データは、ｋ空間マトリックスとして知られているデータ・マトリックス内の１本のデータラインとして格納される。ｋ空間マトリックスの複数のラインを満たすには複数回の位相エンコード工程が実行される。ｋ空間マトリックスに対してフーリエ変換を実行する様々な撮像アプリケーションを用いて、周波数情報を核スピンの分布または撮像素材の原子核密度を表している空間情報に変換することによって、画像を作成することができる。

多くの撮像用途では、臨床ニーズ（アテローム硬化性プラークを検査するための水／脂肪イメージングや、スキャンを高速化するためのＦＯＶ縮小型（ｒｅｄｕｃｅｄ−ＦＯＶ）イメージングなど）と、品質要件（例えば、ＳＳＦＰや高速ＧＲＥシーケンスにおける周波数シフトに起因する画像アーチファクトの低減）と、の両者を満足させるためには、空間−スペクトル選択性を用いた対象の検査（すなわち、ある特定の関心領域内においてある特定のスペクトル成分を撮像すること）が望まれる。

空間−スペクトル選択性を誘導するには、指定の関心領域内において指定のラーモア周波数レンジのすべてのスピンに対して横方向磁化を誘導する核磁気共鳴（ＮＭＲ）励起を使用することができる。しかし、ＲＦ送信を得るために比較的均一なＲＦ磁場を生じさせるボリューム送信コイル（例えば、直角位相駆動（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ ｄｒｉｖｉｎｇ）によるバードケージコイル）を使用している既存の方法では、多くの場合、空間−スペクトル選択性を達成するＮＭＲ励起にパルス動作の増大が不可欠となり、パルス持続時間を抑制できるような強力な傾斜が必要となる。臨床スキャナについては、傾斜強度や切り替え速度の限界により通常、複数の空間次元に沿って選択できる空間−スペクトル・パルスの使用は実現不可能である。
米国特許第４９９９５８０号

励起中において多次元空間−スペクトル選択性パルスの高速化を可能とするための方法及びシステムが必要とされている。

簡単に述べると本発明の一実施形態では、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システムを提供する。本ＭＲＩシステムは、複数の無線周波数（ＲＦ）送信コイル及び傾斜モジュールを備えている。複数のＲＦ送信コイルは、互いに空間的に異なるように配列され、かつ空間次元及び化学シフト・スペクトルの両者について選択可能な核磁気共鳴（ＮＭＲ）励起を誘導するように構成されている。複数の送信コイルは、傾斜モジュールに加えられた傾斜パルスと同時に複数の無線周波数（ＲＦ）パルスによって駆動されている。

別の実施形態では、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）のための方法を提供する。本方法は、対象の選択された空間領域及び選択された共鳴周波数帯域にわたって核磁気共鳴（ＮＭＲ）励起が誘導されるように複数の送信コイルのそれぞれの電流を制御する工程を含む。

本発明に関するこれらの特徴、態様及び利点、並びにその他の特徴、態様及び利点については、同じ参照符号が図面全体を通じて同じ部分を表している添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによってより理解が深まるであろう。

図１は、本発明の実施形態に従って画像を作成するためのシステムの簡略ブロック図を表している。一実施形態では、そのシステムは本発明の実施形態を組み込んだＭＲイメージング・システムである。このＭＲシステムは、本発明の方法を実施するように適合させている、ただし別のシステムも同様に使用可能である。

ＭＲシステムの動作は、キーボード／制御パネル１０２及びディスプレイ１０４を含むオペレータ・コンソール１００から制御を受けている。コンソール１００は、オペレータが画像の作成及び画面１０４上への画像表示を制御できるようにする独立のコンピュータ・システム１０７と、リンク１１６を介して連絡している。コンピュータ・システム１０７は、バックプレーンを介して互いに連絡している多くのモジュールを含んでいる。これらのモジュールには、画像処理装置モジュール１０６、ＣＰＵモジュール１０８、並びに当技術分野でフレーム・バッファとして知られている画像データ・アレイを記憶するためのメモリ・モジュール１１３が含まれる。コンピュータ・システム１０７は、画像データ及びプログラムを記憶するためにディスク記憶装置１１１及びテープ駆動装置１１２とリンクしており、さらに高速シリアル・リンク１１５を介して独立のシステム制御部１２２と連絡している。

システム制御部１２２は、バックプレーンにより互いに接続させたモジュールの組を含んでいる。これらのモジュールには、ＣＰＵモジュール１１９や、シリアル・リンク１２５を介してオペレータ・コンソール１００に接続させたパルス発生器モジュール１２１が含まれる。システム制御部１２２は、実行すべきスキャンシーケンスを指示するオペレータからのコマンドをこのリンク１２５を介して受け取っている。

パルス発生器モジュール１２１は、所望のスキャンシーケンスを実行させるように各システム・コンポーネントを動作させている。これによって、発生させようとする無線周波数（ＲＦ）パルスのタイミング、強度及び形状、並びにデータ収集ウィンドウのタイミング及び長さを指示するデータを発生させている。パルス発生器モジュール１２１は、スキャン中に発生させようとする傾斜パルスのタイミング及び形状を指示するために１組の傾斜増幅器１２７と接続させている。パルス発生器モジュール１２１はさらに、生理学的収集制御器１２９から被検体データを受け取っており、この生理学的収集制御器１２９は、電極からのＥＣＧ信号やベローズからの呼吸信号など被検体２００に接続した異なる多数のセンサからの信号を受け取っている。また最終的には、パルス発生器モジュール１２１は、被検体２００の状態及びマグネット系に関連付けした様々なセンサからの信号を受け取っているスキャン室インタフェース回路１３３と接続させている。このスキャン室インタフェース回路１３３を介してさらに、位置決めデバイス１３４がスキャンのために被検体２００を所望の位置まで移動させるコマンドを受け取っている。

パルス発生器モジュール１２１が発生させる傾斜波形は、Ｇｘ、Ｇｙ及びＧｚ増幅器から構成される傾斜増幅器システム１２７に加えられる。各傾斜コイルは、対応する傾斜パルスによって励起され、ＲＦ送信及び信号収集の間の空間エンコードのために使用する磁場傾斜を発生させている。ＲＦ送信の間にＧｘ及びＧｙコイルを駆動している傾斜パルスを図２に表している。

引き続き図１を見ると、この傾斜モジュール１３９は、偏向用マグネット１４０及びＲＦコイル・システム１５２を含むマグネット・アセンブリ１４１の一部を形成している。一実施形態では、そのＲＦコイル１５２は、互いに空間的に異なるように配列させた複数の送信コイルを備えている。送信コイル２０２〜２０７を対象２００の周りに配置させる方法を図３に表している。

送信コイルは、対象２００上にある関心領域上に核磁気共鳴（ＮＭＲ）励起を誘導するように構成されている。送信コイルは、パルス発生器１２１が発生させた複数の無線周波数（ＲＦ）パルスによって駆動されている。本発明の実施形態では、そのＲＦパルス及び傾斜パルスは空間−スペクトル選択性を実現するように構成されている。

例えば、（ｘ，ｙ，ｆ）における選択性（すなわち、ｘ軸、ｙ軸及び化学シフト周波数軸に沿った選択性）を実現するためにボリュームコイル送信の従来方法によりＮＭＲ励起が加えられる。選択励起に対するｋ空間解釈に基づくと、（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ，ｋ_ｆ）空間の適正なサンプリングにはＲＦパルスの途中における適当な（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）近傍値に対する反復的横動が必要であるため、ｋ_ｆ方向での時間的に定速の横動には空間選択性傾斜を振動させることが要求される。この反復や振動の回数は、適正なスペクトル選択性プロフィールを含むケースではかなりの回数となる可能性があり、これに相当する非スペクトルパルスの場合と比較してパルス長が数倍長くなることが含意される。これを従来の方法による時間のかかる（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）横動と複合させると、典型的には、臨床的利便性を極めて制限するような極端に長い３Ｄパルスとなってしまう。

本発明の一実施形態では、（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）横動がサンプリング密度の低下によってかなり高速化されるように空間選択性傾斜の振動が維持されており、これにより全体のパルス長が短縮される。並列ＲＦパルスに関する適当な設計は、空間領域重み付け（複数の送信素子に関連付けされたＢ１パターンによる）、及びエイリアシング・パターン（パルス式傾斜により決定される）を用いて機能させ、エイリアシング・ローブの正味の振幅をこの並列励起方式を用いて低減または消滅させている。

図４は、本発明のための例示的なｋ空間サンプリング・スキームの１つを表している。（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ，ｋ_ｆ）空間は、ｋ_ｘ−ｋ_ｙにわたって内方渦巻き線及び外方渦巻き線を反復させる間に、ｋ_ｆに沿って一定速度で横動させる。従来の単一コイル送信方式による設計と同様に、この渦巻き線の範囲は空間選択性プロフィールに対する分解能要件に一致させている。一方、渦巻き線により要求されるｋ_ｘ−ｋ_ｙにわたるサンプリング密度は並列の送信コイルの支援によってかなり低減される。この低減によって、ｋ_ｆに沿った反復によるパルス長の増加が相殺されると共に、３Ｄパルスの全長にわたって有効な制御が提供される。渦巻き線スキームの別の例には、ｋ_ｘ−ｋ_ｙにわたる放射方向の反復スキャン、その他が含まれる。

本発明の具体的な一実施形態では、そのＲＦパルス及び傾斜パルスは、１つの空間周波数軸に沿ったｋ空間サンプリングを高速化するようなＮＭＲ励起を誘導する。別の実施形態では、そのＲＦパルス及び傾斜パルスは、２つの空間周波数軸に沿ったｋ空間サンプリングを高速化するようなＮＭＲ励起を誘導する。代替的な一実施形態では、そのＲＦパルス及び傾斜パルスは、３つの空間周波数軸に沿ったｋ空間サンプリングを高速化するようなＮＭＲ励起を誘導する。

このＲＦパルスはさらに、空間周波数軸に沿ったｋ空間サンプリング密度の低減を可能にするように構成されている。このサンプリング密度の低減によって、ＲＦパルスのｋ空間横動の高速化が得られる。ＲＦパルスのｋ空間横動の高速化によって、ＲＦパルスの全体のパルス長が短縮される。２つの空間周波数次元から観察した場合のｋ空間軌道は、図４に示すような外方渦巻き線／内方渦巻き線の反復パターンを仮定している。

引き続き図１を見ると、マグネット・アセンブリ１４１の内部の被検体２００を受け入れるためのエリアとしてボリューム１４２を表しており、またこのボリューム１４２は患者ボアを含んでいる。本明細書で使用する場合、ＭＲＩスキャナの使用可能ボリュームとは一般に、その主磁場、傾斜磁場及びＲＦ磁場の均一性が撮像に受け入れ可能な既知のレンジ内にあるような患者ボア内部の連続したエリアであるボリューム１４２内部のボリュームであると規定している。

システム制御部１２２内にある送受信器モジュール１５０は、ＲＦ増幅器システム１５１によって増幅させかつ送信／受信切り替えシステム１５４によってＲＦコイル・システム１５２に結合させるパルスを発生させている。被検体２００内の励起した原子核が放射して得られた信号は、同じＲＦコイル・システム１５２によって検知すると共に、送信／受信切り替えシステム１５４を介して前置増幅器システム１５３に結合させることができる。

増幅したＭＲ信号は、送受信器１５０の受信器セクション内で復調し、フィルタ処理しかつディジタル化している。送信／受信スイッチ１５４は、送信モード（すなわち、励起時）ではＲＦ増幅器システム１５１をコイル・システム１５２に電気的に接続させ、また受信モードでは前置増幅器システム１５３とコイル・システム１５２を電気的に接続させるように、パルス発生器モジュール１２１からの信号によって制御している。送信／受信切り替えシステム１５４はさらに、送信と受信のいずれのモードにおいて単独のＲＦコイル（図示しないが例えば、頭部専用コイルや表面コイル）の使用を可能とさせている。

送信モードでは、パルス発生器モジュール１２１が発生させたＲＦパルス波形を複数の増幅器からなるＲＦ増幅器システム１５１に加えている。各増幅器は、当該増幅器の入力ＲＦパルス波形に従ってコイル・システム１５２の対応する構成コイルの電流を制御している。送信／受信切り替えシステム１５４を用いると、ＲＦコイル・システム１５２を送信のみを実行するように構成させることや、あるいは受信モードにおいてさらに受信コイルアレイの役割をするように構成させることができる。

本明細書で使用する場合、「ように適応させた（ａｄａｐｔｅｄ ｔｏ）」、「構成させた（ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ）」その他の表現は、記載の効果を提供するように構成要素が協働できるような構成要素同士の機械的または構造的な接続に言及したものであり、またこれらの用語はさらに、与えられた入力信号に応答して出力を提供する手順を実行するようにプログラムしたアナログ式やディジタル式のコンピュータ、特定用途向けデバイス（例えば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ））などの電気的構成要素の動作機能に言及したものでもある。

ＲＦコイル・システム１５２または単独の受信コイル（図示しないが例えば、全身用コイル、頭部コイルや表面コイル）により取り込んだＭＲ信号は、送受信器モジュール１５０によってディジタル化され、システム制御部１２２内のメモリ・モジュール１６０に転送される。スキャンが完了しアレイ状データの全体がメモリ・モジュール１６０内に収集された時点で、アレイ処理装置１６１はこのデータを画像データのアレイにするフーリエ変換を行うように動作する。これらの画像データはシリアルリンク１１５を介してコンピュータ・システム１０７に送られて、ディスク記憶装置１１１内に格納される。

これらの画像データは、オペレータ・コンソール１００から受け取ったコマンドに応じて、テープ駆動装置１１２上にアーカイブしたり、あるいは画像処理装置１０６によってさらに処理してオペレータ・コンソール１００に送りディスプレイ１０４上に提示させたりすることができる。画像処理装置１０６によってさらに、収集したＭＲ画像データを用いて画像を再構成するための処置が実行される。ＭＲＩスキャナは、開放性、速度及びコストに関する所与のスキャナ要件によって磁場均一性を達成するように設計されることを理解されたい。

本発明のある種の特徴についてのみ本明細書において図示し説明してきたが、当業者によって多くの修正や変更がなされるであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の精神の範囲に属するこうした修正や変更のすべてを包含させるように意図したものであることを理解されたい。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。

本発明の実施形態が有用となるような磁気共鳴イメージング・システムの簡略ブロック図である。 ＭＲＩシステムの一実施形態で使用される例示的な傾斜パルスを表したグラフである。 送信コイルを対象の周りに配置させる一方法を表した概要図である。 本発明の一態様によるｋ空間軌道を表したグラフである。

符号の説明

１００ オペレータ・コンソール
１０２ キーボード／制御パネル
１０４ ディスプレイ
１０６ 画像処理装置モジュール
１０７ コンピュータ・システム
１０８ ＣＰＵモジュール
１１１ ディスク記憶装置
１１２ テープ駆動装置
１１３ メモリ・モジュール
１１５ 高速シリアルリンク
１１６ リンク
１１９ ＣＰＵモジュール
１２１ パルス発生器モジュール
１２２ システム制御部
１２５ シリアルリンク
１２７ 傾斜増幅器
１２９ 生理学的収集制御器
１３３ スキャン室インタフェース回路
１３４ 位置決めデバイス
１３９ 傾斜コイル・アセンブリ
１４０ 偏向用マグネット
１４１ マグネット・アセンブリ
１４２ ボリューム
１５０ 送受信器モジュール
１５１ ＲＦ増幅器
１５２ ＲＦコイル
１５３ 前置増幅器
１５４ 送信／受信スイッチ
１６０ メモリ・モジュール
１６１ アレイ処理装置
２００ 被検体
２０２ 送信コイル
２０３ 送信コイル
２０４ 送信コイル
２０５ 送信コイル
２０６ 送信コイル
２０７ 送信コイル

Claims (6)

1. 互いに空間的に異なるように配列され、かつ無線周波数（ＲＦ）パルスに応じた化学シフト・スペクトルについて選択可能な核磁気共鳴（ＮＭＲ）励起を誘導する送信コイル（２０２〜２０７）と、
   第１および第２の傾斜コイルと、
   を備える磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システムであって、
   前記第１の傾斜コイルが第１の空間周波数軸に沿って第１の傾斜パルスに応じた第１の磁場傾斜を発生し、前記第２の傾斜コイルが第２の空間周波数軸に沿って第２の傾斜パルスに応じた第２の磁場傾斜を発生し、
   前記ＮＭＲ励起は、前記第１および前記第２の磁場傾斜による第１および第２の空間次元について選択可能であり、
   前記ＮＭＲ励起中に、前記ＲＦパルスが、前記第１および前記第２の傾斜パルスと同時に印加され、
   前記第１および前記第２の傾斜パルスが、異なる波形であり、
   前記ＲＦパルスならびに前記第１および前記第２の傾斜パルスは、ｋ空間サンプリング密度が小さな、パルス長の短いパルスである、
   磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システム。
2. 前記ＮＭＲ励起は、２つの空間次元と１つの周波数次元について同時に選択可能である、請求項１に記載のＭＲＩシステム。
3. 前記ＮＭＲ励起は、３つの空間次元と１つの周波数次元について同時に選択可能である、請求項１に記載のＭＲＩシステム。
4. ｋ空間サンプリング軌道が外方渦巻き線／内方渦巻き線の反復パターンを備えている、請求項１から３のいずれかに記載のＭＲＩシステム。
5. 磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）のための方法であって、
   複数の送信コイルと複数の傾斜コイルとに同時に電流パルスを印加して、対象の選択された空間領域及び選択された共鳴周波数帯域にわたって核磁気共鳴（ＮＭＲ）励起を誘導する工程を含み、
   前記複数の傾斜コイルは、前記ＮＭＲ励起中に複数の空間周波数軸に沿って振動する複数の磁場傾斜を発生し、前記ＮＭＲ励起に応じた空間領域の少なくとも１つの画像を生成し、
   前記ＮＭＲ励起中に、前記複数の傾斜コイルに異なる波形の電流パルスが印加され、
   前記ＲＦパルスならびに前記第１および前記第２の傾斜パルスは、ｋ空間サンプリング密度が小さな、パルス長の短いパルスである、
   方法。
6. 前記ＮＭＲ励起中に、外方渦巻き線と内方渦巻き線との反復パターンで構成されるｋ空間軌道に沿ったｋ空間サンプリング工程をさらに含む請求項５に記載の方法。
   

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