JP6018355B2 - スペクトル−空間形成の励起エコーを用いて代謝産物を組織特異的にｍｒ撮像するためのシステム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は全般的には磁気共鳴（ＭＲ）撮像に関し、さらに詳細にはスペクトル−空間形成の励起エコーを用いて代謝産物を組織特異的にＭＲ撮像することに関する。

人体組織などの物質を均一な磁場（偏向磁場Ｂ_０）にかけると、組織中のスピンの個々の磁気モーメントはこの偏向磁場と整列しようとして、この周りをラーモアの特性周波数によってランダムな秩序で歳差運動することになる。この物質や組織に、ｘ−ｙ平面内にありラーモア周波数に近い周波数の磁場（励起磁場Ｂ_１）がかけられると、正味の整列モーメント（すなわち、「縦磁化」）Ｍ_Ｚは、ｘ−ｙ平面内に来るように回転させられ（すなわち、「傾けられ（ｔｉｐｐｅｄ）」）、正味の横方向磁気モーメントＭ_ｔが生成される。励起信号Ｂ_１を停止させた後、励起したスピンにより信号が放出され、さらにこの信号を受信し処理して画像を形成することができる。

これらの信号を用いて画像を作成する際には、磁場傾斜（Ｇ_ｘ、Ｇ_ｙ及びＧ_ｚ）が利用される。典型的には、撮像しようとする領域は、使用する具体的な位置特定方法に従ってこれらの傾斜を変更させている一連の計測サイクルによりスキャンを受ける。スキャンシーケンスから得られた受け取った核磁気共鳴（ＮＭＲ）信号の組は、ディジタル化されてデータ処理ユニットに送られ、よく知られている多くの再構成技法のうちの１つを用いて画像再構成される。データ収集から再構成までの撮像過程は、患者の快適性及びスループットを向上させるためにできる限り迅速に実施することが望ましい。

幾つかの手技や検査ではさらに、空間情報に加えてＭＲ画像にスペクトル情報も表示させることが望ましい。こうした画像作成のための従来式の方法のことは「化学シフト撮像」（ＣＳＩ）と呼ばれる。ＣＳＩは、患者の代謝過程その他の内部過程を監視するために利用されてきており、１３Ｃラベル付けしたコントラスト薬剤及びその代謝産物などの過分極物質の撮像を含む。こうした１３Ｃ撮像ではスペクトル組成は、組織種別及び当該組織の健康状態だけではなく、過分極１３Ｃ薬剤の注入を基準とした画像の収集される時刻にも依存する。コントラスト薬剤の過分極は非常に限られた寿命を有する傾向がある。典型的なＴ１寿命はインビボにおいて概ね数分である。

過分極した物質を撮像するためのシーケンスであるＣＳＩは、組織種別及び該組織の健康状態に関する貴重な情報を提供するが、従来技術ＣＳＩは１３Ｃ過分極式代謝撮像収集の際に代謝産物がどこでいつ形成されたのかを識別していない。すなわち、１３Ｃ−１−ピルビン酸塩とその代謝産物の乳酸塩、アラニン及び重炭酸塩とに関する過分極式１３Ｃ撮像によって組織特異的な代謝フィンガープリント（スペクトル）の提供が可能であるが、これらのフィンガープリントはその関心対象組織内で形成されていない代謝産物の局所的取り込みによる混乱を生じる可能性がある。例えば心臓または赤血球によって形成された血流中の乳酸塩が関心対象組織によって取り込まれ、これにより局所的に形成された乳酸塩の計測を混乱させることがある。

米国特許第５８０４９６６号

したがって、局所的な代謝活動から全身性のものを分離することを可能としたスペクトル情報及び過分極によるＭＲ撮像のためのシステム及び方法があることが望ましい。具体的には、ある関心対象ボリュームについて過分極させた薬剤及びその代謝産物を励起し撮像する一方、該関心対象ボリュームの外部で形成された代謝産物は有効に除外することが望ましい。

本発明の一態様では、磁気共鳴（ＭＲ）スペクトロスコピーシステムは、複数の傾斜コイル、ＲＦコイルアセンブリ及びシステム制御部を含む。このシステム制御部はＲＦコイルアセンブリに対して、その少なくとも１つがスペクトル選択性でありかつその少なくとも１つが空間選択性であるような第１のＲＦパルス及び第２のＲＦパルスを放出させるようにプログラムされている。このシステム制御部はさらにＲＦコイルアセンブリに対して、事前規定の時間遅延の後に第３のＲＦパルスを放出して励起エコーを生成させると共に該励起エコーから得られたＭＲ信号を検出させるようにプログラムされている。

本発明の別の態様では、磁気共鳴（ＭＲ）撮像のための方法は、コントラスト薬剤の励起をあるスライスまたは関心対象ボリュームに空間的に制限しながらコントラスト薬剤の共鳴周波数を励起する工程と、該コントラスト薬剤の空間的に制限された励起から第１組のＭＲ信号を検出する工程と、を含む。本方法はさらに、代謝混合時間の後にコントラスト薬剤と該コントラスト薬剤から形成された少なくとも１つの代謝産物とに関する共鳴周波数を励起する工程と、代謝混合時間の後に該コントラスト薬剤及び少なくとも１つの代謝産物の励起から得られる第２組のＭＲ信号を検出する工程と、検出された第１及び第２組のＭＲ信号からスペクトロスコピー画像を作成する工程と、を含む。

本発明のさらに別の態様では、コンピュータ読み取り可能記憶媒体は、コンピュータによって実行したときに該コンピュータに対して第１の周波数におけるスペクトル−空間パルスの送信を要求しかつフォローアップＲＦパルスの送信を要求し該スペクトル−空間パルス及びフォローアップＲＦパルスによってスピンエコーを生成させる命令からなるシーケンスを表したコンピュータプログラムをその上に保存して含む。この命令シーケンスはさらにコンピュータに対して、１つまたは複数の周波数を包含した少なくとも１つの読み取りＲＦパルスの送信を要求し、スペクトル−空間パルス、フォローアップＲＦパルス及び該少なくとも１つの読み取りＲＦパルスによって励起エコーを生成させている。この命令シーケンスはさらにコンピュータに対して、スピンエコー及び励起エコーから磁気共鳴（ＭＲ）信号を収集してスペクトロスコピー画像を作成させかつＭＲ信号をコンピュータメモリ内に保存させている。

これらの利点及び特徴、並びにその他の利点及び特徴は、添付の図面に関連して提供した本発明の好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明を読むことによってより容易に理解できよう。

本発明の一実施形態を組み込んだ例示的なＭＲ撮像システムのブロック概要図である。 本発明の一実施形態による例示的なＲＦパルス列及びスペクトル−空間パルスのスライス傾斜波形のグラフである。 本発明の一実施形態によるスペクトル−空間パルスに関する励起プロフィールの３Ｄグラフである。 本発明の一実施形態による撮像シーケンスの図である。 本発明の別の実施形態による撮像シーケンスの図である。 本発明の一実施形態による代謝産物を選択励起周波数でＭＲ撮像するための技法の流れ図である。 本発明の一実施形態による１３Ｃ−１−ピルビン酸塩とその代謝産物のスペクトル分離に関する２Ｄグラフである。 本発明の一実施形態による例示的なスペクトル−空間式励起エコー撮像シーケンスのタイミングを基準とした１３Ｃ−１−ピルビン酸塩の代謝挙動に関するグラフである。

図面では、本発明を実施するために目下のところ企図される実施形態を図示している。

代謝反応物に関する共鳴周波数をスライス選択的に励起するため並びに得られる代謝過程をスペクトロスコピー画像として読み出すためのシステム及び方法を提供する。このためには、関心対象内で指定の代謝反応物に関する周波数をスペクトル−空間励起するように１対のＲＦパルスを放出することができる。隣り合うスライスや近傍の周波数レンジに大きな影響を及ぼさずに指定の周波数プロフィールの磁化を生成するためにスペクトル−空間無線周波数（ＲＦ）パルスが使用されることがある。次いで、励起エコーを発生させると共に代謝反応物からインビボで導出される複数の代謝産物に関して関心対象内にレンジが広い周波数を励起するために第３のＲＦパルス（非スペクトル選択性かスペクトル選択性のいずれか）が放出されることがある。これらのパルスから得られた信号は、よく知られた幾つかの読み出しシーケンスのうちの１つまたは幾つかを用いて読み取られる。

図１を参照すると、本発明の実施形態を組み込んだ例示的な磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）システム１０の主要コンポーネントを表している。このシステムの動作は、キーボードその他の入力デバイス１３、制御パネル１４及び表示画面１６を含むオペレータコンソール１２から制御を受けている。コンソール１２は、オペレータが画像の作成及び表示画面１６上への画像表示を制御できるようにする単独のコンピュータシステム２０と、リンク１８を介して連絡している。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、画像プロセッサモジュール２２、ＣＰＵモジュール２４、並びに画像データアレイを記憶するためにフレームバッファを含むことがあるメモリモジュール２６が含まれる。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記憶するためにアーカイブ用媒体デバイス、永続的やバックアップ用メモリあるいはネットワークとリンクしており、さらに高速シリアルリンク３４を介して単独のシステム制御部３２と連絡している。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、光学読取り棒、音声制御器、あるいは同様な任意の入力デバイスや同等の入力デバイスを含むことができ、また入力デバイス１３は対話式幾何学指定のために使用することができる。

システム制御部３２は、バックプレーン３２ａ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３６や、シリアルリンク４０を介してオペレータコンソール１２に接続させたパルス発生器モジュール３８が含まれる。システム制御部３２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４０を介して受け取っている。パルス発生器モジュール３８は、各システムコンポーネントを動作させて所望のスキャンシーケンスを実行させ、発生させる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３８は、スキャン中に発生させ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４２と接続させている。パルス発生器モジュール３８はさらに、生理学的収集制御器４４から患者データを受け取ることができ、この生理学的収集制御器４４は、患者に装着した電極からのＥＣＧ信号など患者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３８はスキャン室インタフェース回路４６と接続されており、スキャン室インタフェース回路４６はさらに、患者及びマグネット系の状態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。このスキャン室インタフェース回路４６を介して、患者位置決めシステム４８はスキャンのために患者を所望の位置に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３８が発生させる傾斜波形は、Ｇｘ増幅器、Ｇｙ増幅器及びＧｚ増幅器を有する傾斜増幅器システム４２に加えられる。各傾斜増幅器は、収集した信号の空間エンコードに使用する磁場傾斜を生成させるように全体を番号５０で示す傾斜コイルアセンブリ内の物理的に対応する傾斜コイルを励起させている。傾斜磁場コイルアセンブリ５０は、偏向マグネット５４及び全身用ＲＦコイル５６を含むマグネットアセンブリ５２の一部を形成している。システム制御部３２内の送受信器モジュール５８は、ＲＦ増幅器６０により増幅を受けて送信／受信スイッチ６２によりＲＦコイル５６に結合されるようなパルスを発生させている。患者内の励起された原子核が放出して得られた信号は、同じＲＦコイル５６により検知し、送信／受信スイッチ６２を介して前置増幅器６４に結合させることができる。増幅したＭＲ信号は、送受信器５８の受信器部分で復調され、フィルタ処理され、さらにディジタル化される。送信／受信スイッチ６２は、パルス発生器モジュール３８からの信号により制御し、送信モードではＲＦ増幅器６０をコイル５６と電気的に接続させ、受信モードでは前置増幅器６４をコイル５６に接続させている。送信／受信スイッチ６２によりさらに、送信モードと受信モードのいずれに関しても単独のＲＦコイル（例えば、表面コイル）を使用することが可能となる。

ＲＦコイル５６により取り込まれたＭＲ信号は送受信器モジュール５８によりディジタル化され、システム制御部３２内のメモリモジュール６６に転送される。未処理のｋ空間データのアレイをメモリモジュール６６内に収集し終わると１回のスキャンが完了となる。この未処理のｋ空間データは、各画像を再構成させるように別々のｋ空間データアレイの形に配置し直しており、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に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、コンピュータシステム２０において画像データはメモリ内に格納される。この画像データは、オペレータコンソール１２から受け取ったコマンドに応じて長期記憶内にアーカイブしたり、画像プロセッサ２２によりさらに処理してオペレータコンソール１２に伝達しディスプレイ１６上に表示させたりすることができる。

ここで図２を参照すると、スペクトル−空間タイプの例示的な励起パルス８０を表している。上で検討したようにスペクトル−空間撮像は、撮像中の物質の種類に関するスペクトルデータを一般のＭＲ撮像の典型的なスライス選択と組み合わせたタイプの撮像である。励起パルス８０は多くのＲＦ下位要素８２を含む。図示のようにこれらのＲＦ下位要素８２は、振幅が段階的に増加し次いで減少するような周期的なｓｉｎｃ関数を示す。しかしＲＦ下位要素８２は、ガウス波形など単なるｓｉｎｃ関数以外の多くの形態を取ることがあり得ることを理解されたい。ＲＦ下位要素８２の周波数は、スペクトルエンコードのためにある具体的な関心対象物質の共鳴周波数に対応するように選択されることがある。例えば、過分極物質の原子核の共鳴周波数をパルス８０の標的とすることがある。

ＲＦ下位要素８２に加えて、スライスエンコード傾斜８４が印加される。スライスエンコード傾斜８４はその符号が交替する周期的傾斜である。ＲＦ下位要素８２及び傾斜８４は組み合わされて、指定の周波数レンジ内部のスライス選択励起を可能にする。パルス８０のスペクトル励起プロフィール（以下で説明する）は、１／ΔＨｚ（ここで、ΔはＲＦ波形８０の下位要素８２同士の時間間隔を意味する）の周期をもつ周期性となっている。好ましい一実施形態では、概ね９０度の総フリップ角を生じさせるように励起パルス８０が印加されている、別のフリップ角も適当なものと企図される。例えば、コントラスト薬剤のＲＦ磁化破壊に対する偏向及び感度、所望の励起数、あるいは所望の画像分解能は、印加しようとするパルスの強度に影響を及ぼすことがある。

ここで図３を参照すると、任意のスペクトル−空間パルス（例えば、図２に関連して説明したパルス）の磁化に対する効果を示している。上側のプロット８６は横磁化Ｍｘｙを表しており、また下側のプロット８８は縦磁化Ｍｚを表している。プロット８６、８８の水平軸はスペクトル周波数を意味し、前後軸はｚ軸に沿った幾何学的位置を意味し、また垂直軸は磁化を意味している。図示したように、主横磁化９２はｚ位置軸に沿った０ｍｍのマークを付けた位置に沿った中央に来ている。このスペクトル軸の方向で、磁化９２は０Ｈｚの位置の中央に揃った周期性を示している。上で検討したように、磁化９２の周期性は印加したスペクトル−空間パルスのΔ成分に依存する。したがってスペクトル−空間パルスのこの特性を変化させることによって所望の周期１／ΔＨｚを実現することができる。比較すると主スライスの外部の磁化９４はかなり弱い。同様に、主磁化９２の両側にあるスペクトル位置１００Ｈｚにおける磁化はほとんど存在していない。

図３の下側のプロット８８は縦磁化に対する逆の効果を表している。対応する縦磁化９６の主低下はｚ位置（前後）軸に沿った０ｍｍマークを付けた位置で中央に揃っている。磁化９６の主低下は横磁化の場合と同様に０Ｈｚの位置の中央に揃った周期性を示している。主縦磁化低下９６の周期も同じく１／ΔＨｚであり、印加したスペクトル−空間パルスに依存する。主磁化低下９６の両側の概ね１００Ｈｚの位置における磁化は元の強度のままである（すなわち、スペクトル−空間パルスの印加によって本質的に変化していない）。同様に、ｚ位置軸に沿った主スライスの外部の磁化９８も比較的変化しないままである。

ここで図４を参照すると、上述のようなスペクトル−空間パルス１０４、１０６を組み込んだデータ収集シーケンス１０２の一実施形態を表している。好ましい一実施形態では、シーケンス１０２は代謝過程を撮像するように適応させている。このためには、スペクトル−空間パルス１０４、１０６の励起周波数を過分極コントラスト薬剤（すなわち、代謝反応物）の共鳴周波数に対応させることがある。例えば、スペクトル空間パルス１０４、１０６の励起周波数は過分極１３Ｃラベル付けピルビン酸塩の原子核を励起するように設計されることがある。しかし、別の励起可能原子核をもつ別の物質（１５−Ｎ、３１−Ｐ、１９−Ｆ、２９−Ｓｉ、１２９−Ｘｅの原子核やＮＭＲ対応の別の原子核を有する１３Ｃ濃縮した別の化合物や物質など）も等しく適用可能であることを理解されたい。

収集シーケンス１０２は第１のスペクトル−空間パルス１０４の放出で開始され、これによって対応する共鳴周波数の物質の励起が生じる。次いで第２のスペクトル−空間パルス１０６（すなわち、フォローアップＲＦパルス）が第１のスペクトル−空間パルス１０４と同じ周波数で送信される。第２のスペクトル−空間パルス１０６は第１のスペクトル−空間パルス１０４の印加とスピンエコー１０８のピークの中間の時点（すなわち、エコー時間（ＴＥ）の半分であるＴＥ／２の位置）で印加されることが好ましい。スペクトル−空間パルス１０４、１０６は概ね９０度のフリップ角を有することが好ましい。図４に示すように、第１と第２のスペクトル−空間パルス１０４、１０６の組み合わせによってスピンエコー１０８（すなわち、Ｈａｈｎエコー）が生成される。第２のスペクトル−空間パルス１０６を印加した後に読み出しすなわちデータサンプリング／収集段１０９が開始されると共に、スピンエコー１０８からの信号がサンプリングあるいは収集される（すなわち、第１組のＭＲ信号が収集される）。読み出しはエコープラナー撮像（ＥＰＩ）読み出し（例えば、スピンエコーＥＰＩ）、緩和強調式高速収集（ＲＡＲＥ）読み出し、定常歳差運動真正高速撮像（ｔｒｕｅＦＩＳＰ）読み出し、あるいはこれらの変形法など幾つかのよく知られた収集シーケンスの形態をとることができる。スピンエコーから収集されるＭＲ信号は励起した物質（例えば、１３−Ｃラベル付けピルビン酸塩）からの信号を含んでおり、またあるスライスまたは関心対象ボリュームに限定される。

スピンエコー１０８からのスペクトル及び空間的に制限された信号を収集した後、収集シーケンス１０２は事前規定の遅延期間１１０の残りの間（その長さは第２のスペクトル−空間パルス１０６の印加から計測される）だけ遅延する。図４ではこの事前規定の遅延期間１１０が第２のスペクトル−空間パルス１０６の印加後から計測されているように示しているが、事前規定の遅延期間１１０は患者への過分極コントラスト薬剤の導入から計測した時間期間とすることも可能であることを理解されたい。事前規定の遅延期間１１０は過分極コントラスト薬剤の十分な代謝の発生を可能とするような代謝混合時間Ｔｍ_１を含む。すなわち、代謝混合時間Ｔｍ_１によって過分極コントラスト薬剤の複数の代謝産物への代謝を可能にしている。これらの代謝産物には、乳酸塩、アラニン及び重炭酸塩（ただし、これらに限らない）を含むことができる。代謝混合時間Ｔｍ_１の長さはシステムオペレータによって選択することが可能であり、またＴ１崩壊の数周期（例えば、Ｔ１の３周期）にわたる範囲とすることができ、この長さはコントラスト薬剤が過分極状態に留まる時間長によってのみ制限される。

代謝混合時間Ｔｍ_１が経過した後、第３のＲＦパルス１１２（すなわち、読み取りパルス）を印加して所望の数の周波数を励起させる。一実施形態では、第３のＲＦパルス１１２は、過分極コントラスト薬剤に関する共鳴周波数並びに代謝産物の各々の共鳴周波数を励起させるように設計された非スペクトル選択性の読み取りＲＦパルスである。しかし別の実施形態では、第３のＲＦパルス１１２は指定の代謝産物に関してスペクトル選択性となるように設計したスペクトル選択性パルスである。第３のＲＦパルス１１２を印加した後に励起エコー１１４が形成され、これから第２組のＭＲ信号がサンプリングあるいは収集される。より具体的には、第１のスペクトル空間パルス１０４、第２のスペクトル−空間パルス１０６及び第３のＲＦパルス１１２を組み合わせることによって励起エコー１１４が生成される。印加される第３のＲＦパルス１１２のスペクトル選択性（すなわち、第３のＲＦパルスがスペクトル選択性であるか非スペクトル選択性であるか）に応じて、励起エコー１１４内に包含される信号は、元の過分極コントラスト薬剤、指定の代謝産物、あるいは過分極コントラスト薬剤と代謝混合時間Ｔｍ_１中に形成された代謝産物のうちの幾つかからの信号を含む可能性がある。

図４に示すように、収集シーケンス１０２内にはスペクトル選択性または非スペクトル選択性の追加の読み取りＲＦパルス１１６がさらに印加される得ることが企図される。すなわち、元の過分極コントラスト薬剤に関する信号及び／または１つまたは複数の代謝産物からの信号を追加の励起エコー１１８による追加の様々な代謝混合時間（Ｔｍ２、Ｔｍ３、．．．）において収集することが可能である。したがって、過分極コントラスト薬剤の代謝並びに代謝産物の形成を、励起した過分極コントラスト薬剤のＴ１崩壊周期内の様々な時点において（すなわち、励起した過分極コントラスト薬剤の幾つかのＴ１崩壊周期にわたって）計測することができる。１つまたは複数の読み取りＲＦパルス１１２、１１６から形成される励起エコー１１４、１１８の各々の信号強度を維持するために、読み取りＲＦパルス１１２、１１６は低い（例えば、１５度などの）フリップ角（α）を有することができる。低フリップ角のパルスによって、複数の励起エコー１１４、１１８の生成を可能とすると共に、これらの励起エコー１１４、１１８の各々からの信号の収集が可能となる。収集シーケンス１０２に付与できる追加の読み取りＲＦパルス１１６の数は励起した過分極コントラスト薬剤の縦緩和時間のみによって制限される。

図４に示すように、収集シーケンス１０２、１２０の間にＧ１及びＧ２傾斜という傾斜パルス１４０も印加される。傾斜Ｇ１、Ｇ２は任意の１対の軸（例えば、直交する軸）に沿って印加される傾斜に対応すると共に、この傾斜パルス１４０は、スピンエコー応答をスポイルさせると共に励起エコー応答をリフェーズするように機能する粉砕（ｃｒｕｓｈｅｒ）傾斜となる。指定の収集シーケンスからの所望のデータ収集と対応するように様々な傾斜Ｇ１、Ｇ２を印加することが可能であること、また傾斜パルスパターンは図４に示したパターンに限定されないことが企図されよう。

ここで図５を参照すると、スペクトル−空間パルス１２２を組み込んだデータ収集シーケンス１２０の別の実施形態を表している。図５の実施形態では、収集シーケンス１２０はスペクトル−空間パルス１２２の放出で開始されており、これが対応する共鳴周波数をもつ過分極コントラスト薬剤を励起させる。次いで非スペクトル選択性ＲＦパルスの形態をしたフォローアップＲＦパルス１２４が送信される。フォローアップＲＦパルス１２４によって、過分極コントラスト薬剤のインビボ導入に続いて形成が始まる多数の代謝産物に関する励起が生じる。スペクトル−空間パルス１２２及びフォローアップＲＦパルス１２４は概ね９０度のフリップ角を有することがことが好ましく、またフォローアップＲＦパルス１２４はスペクトル−空間パルス１２２の後のＴＥ／２の時点で印加することが好ましい。第１のスペクトル−空間パルス１２２及びフォローアップＲＦパルス１２４から、自由誘導減衰（ＦＩＤ）信号１２６及びスピンエコー信号１２８が生成される。具体的には非スペクトル選択性のフォローアップＲＦパルス１２４によって、過分極コントラスト薬剤関する並びに過分極コントラスト薬剤の代謝から形成された代謝産物の各々に関するＦＩＤ信号１２６が生成される。スペクトル−空間パルス１２２とフォローアップＲＦパルス１２４を組み合わせることによって、過分極コントラスト薬剤のみからのスピンエコー（すなわち、Ｈａｈｎエコー）信号１２８が生成される。フォローアップＲＦパルス１２４の放出後に、ＦＩＤ信号１２６及びスピンエコー信号１２８を収集するための読み出しすなわちデータサンプリング／収集段１２９が開始され、またこのＦＩＤ信号及びスピンエコー信号１２６、１２８は読み出しすなわちデータサンプリング／収集段１２９の間にサンプリングあるいは収集される。

さらに図５を参照すると、スピンエコー１２８から及びＦＩＤ信号１２６からのスペクトル及び空間的に制限された信号を収集した後、収集シーケンス１２０は事前規定の遅延期間１３０（すなわち、代謝混合時間Ｔｍ_１）の残りの部分を経過させている。代謝混合時間Ｔｍ_１によって十分な過分極コントラスト薬剤の代謝が生じ、これによって乳酸塩、アラニン及び重炭酸塩などの複数の代謝産物の形成が可能となる。

代謝混合時間Ｔｍ_１が経過した後、スペクトル選択性または非スペクトル選択性の読み取りＲＦパルス１３２を印加し複数の周波数を励起させる。読み取りＲＦパルス１３２は、指定の代謝産物に関する共鳴周波数、あるいは過分極コントラスト薬剤並びに代謝産物の各々に関する共鳴周波数の励起を可能とするように設計することが可能である。読み取りＲＦパルス１３２が印加されると、励起エコー１３４が形成される。励起エコー１３４内に包含される信号は元の過分極コントラスト薬剤に関する信号、並びに代謝混合時間Ｔｍ_１中に形成された１つまたは複数の代謝産物からの信号を含む可能性がある。

図５に示すように、収集シーケンス１２０内にさらに追加の読み取りＲＦパルス１３６を付与することが可能である。すなわち追加の代謝混合時間（Ｔｍ２、Ｔｍ３、．．．）において、追加の励起エコー１３８によって元の過分極コントラスト薬剤に関する信号及び／または１つまたは複数の代謝産物からの信号を収集することができる。したがって、過分極コントラスト薬剤の代謝と代謝産物の形成を、Ｔ１崩壊周期内の様々な時点で計測することが可能である。

図５に示すように、収集シーケンス１０２、１２０の間にはＧ１及びＧ２傾斜という傾斜パルス１４０が印加されており、これは１対の任意の軸（例えば、直交する軸）に沿って印加される傾斜に対応する。傾斜パルス１４０はＦＩＤ及び／またはスピンエコー応答をスポイルさせると共に励起エコー応答をリフェーズするように機能する粉砕傾斜となる。指定の収集シーケンスからの所望のデータ収集と対応するように様々な傾斜Ｇ１、Ｇ２を印加することが可能であること、また傾斜パルスパターンは図５に示したパターンに限定されないことが企図されよう。

図６は、本発明の一実施形態による過分極コントラスト薬剤とその代謝産物をスペクトロスコピー撮像するための技法１４２を表した流れ図である。ブロック１４４では撮像対象内に過分極コントラスト薬剤が導入される。次に１４６において、連続する２つのＲＦパルスが送信される。組織内への潅流を可能にするため、あるいは薬剤が診断対象の臓器まで到達できるようにするため、この連続する２つのＲＦパルスは薬剤の導入後ある指定の時間期間だけ遅延させることがある。２つのＲＦパルスの少なくとも一方はコントラスト薬剤の励起を誘導するようにコントラスト薬剤の共鳴周波数で送信されており、また２つのＲＦパルスの少なくとも一方はその励起があるスライスまたは関心対象ボリュームに制限されたスペクトル−空間パルスを形成するようなスライス選択傾斜を伴って送信される。１４８において、連続する２つのＲＦパルスの第２のパルスを印加した時点で代謝混合時間遅延が開始される。励起が完了した後、１５０において信号読み出しが開始され、この間においてその信号が励起した過分極コントラスト薬剤に限定されるような連続する２つのＲＦパルスから得られたスピンエコー信号からＭＲデータが収集される。さらに一実施形態ではそのＭＲデータは追加として、連続する２つのＲＦパルスのうちの一方が非スペクトル選択性であるときに連続する２つのＲＦパルスから得られたＦＩＤ信号を含む。

１４８において連続する２つのＲＦパルスの第２のパルスの印加の間に開始される代謝混合時間遅延の残りの待機によって技法１４２は継続される。この代謝混合時間遅延によって患者内における過分極コントラスト薬剤の代謝及び代謝産物の形成が可能となる。代謝混合時間遅延が完了した時点で、１５２において読み取りＲＦパルス（スペクトル選択性または非スペクトル選択性）が印加され、過分極コントラスト薬剤及び／または１つまたは複数の代謝産物の共鳴周波数が励起される。励起が完了した後に１５４において信号読み出しが開始され、この間に読み取りＲＦパルス（例えば、スペクトル選択性または非スペクトル選択性パルス）の印加から形成される励起エコーからＭＲデータが収集される。このＭＲデータは、過分極コントラスト薬剤及び／または１つまたは複数の代謝産物からの信号を含む。１５６では、１つまたは複数の追加の読み取りＲＦパルス（スペクトル選択性または非スペクトル選択性）を印加することができる、この各パルスは追加の励起エコー信号を生成しこれが１５８で読み取られる。すべてのＭＲデータを収集し終えた後、そのデータは１６０において周知の再構成技法のいずれかに従って空間マッピングを実施してスペクトロスコピー画像を再構成するように処理される。

技法１４２の応用は指定のタイプの空間マッピングに限定されないことを理解されたい。例えば技法１４２は、直交する傾斜によって代謝関心対象ボリュームの選択するために３つのＲＦパルスからなるシーケンス（上で詳細に記載）を使用しているＳＴＥＡＭなどの単一ボクセルモードにおいて追加の空間マッピングを要することなく使用することができる。しかし技法１４２はさらに、空間的に制限また非空間的に制限された別のスペクトロスコピー撮像技法にも利用可能である。

ここで図７を参照すると、３Ｔにおける１３Ｃ−１−ピルビン酸塩とその代謝産物のスペクトル分離を表している。図示したように、１３Ｃ−１−ピルビン酸塩の選択励起は、スペクトル制限されたＲＦ励起パルスによって実現される。１３Ｃ−１−ピルビン酸塩及び代謝産物からの信号は図６で図示した技法から収集することが可能である。

図８は、図４及び５に示したパルスシーケンスなどのスペクトル−空間励起エコーシーケンスの印加タイミングを基準として、１３Ｃ−１−ピルビン酸塩の動的かつ代謝性の挙動並びにその代謝産物への代謝を表示している。図８に示した例示的なパルスシーケンスに関する図示した実施形態では、連続する２つのＲＦパルス１６２、１６４が送信される。２つのＲＦパルスの少なくとも一方はコントラスト薬剤の励起を誘導するようにコントラスト薬剤（すなわち、１３Ｃ−１−ピルビン酸塩）の共鳴周波数で送信されており、また２つのＲＦパルスの少なくとも一方はその励起があるスライスまたは関心対象ボリュームに制限されるようなスペクトル−空間パルスが形成されるようにスライス選択傾斜と共に送信される。図示のように連続する２つのＲＦパルス１６２、１６４は、第１のＲＦパルス１６２の印加と連続する２つのＲＦパルス１６２、１６４により生成されるスピンエコー（図示せず）のピークとの間の時間の半分にあたる時間ＴＥ／２だけ分離されている。図８でさらに示しているように、励起エコーを生成するための非スペクトル選択性ＲＦパルス１６６の印加は、１３Ｃ−１−ピルビン酸塩の十分な範囲での代謝を可能にさせるための事前決定の遅延期間１６７（すなわち、代謝混合時間、Ｔｍ）が経過する後まで実施されない。次いで、第３のＲＦパルス１６６により生成した励起エコーの読み出しによってスペクトロスコピー画像収集１６８を実施することができる。

開示した方法及び装置の技術的貢献はスペクトル−空間性に形成された励起エコーを用いた代謝産物に対するコンピュータ実現の組織特異的なＭＲ撮像を提供できることである。スペクトル−空間無線周波数（ＲＦ）パルスを用いて隣り合うスライスや近傍の周波数レンジに大きな影響を及ぼすことなく指定の周波数プロフィールの磁化を生成している。次いでスペクトル選択性または非スペクトル選択性ＲＦパルスを用いて励起エコーを生成し、広い周波数プロフィールにわたり磁化が生成されており、これによって代謝過程をスペクトロスコピー画像として読み出すことが可能である。

したがって本発明の一実施形態では、磁気共鳴（ＭＲ）スペクトロスコピーシステムは、複数の傾斜コイル、ＲＦコイルアセンブリ及びシステム制御部を含む。このシステム制御部はＲＦコイルアセンブリに対して、その少なくとも１つがスペクトル選択性でありかつその少なくとも１つが空間選択性であるような第１のＲＦパルス及び第２のＲＦパルスを放出させるようにプログラムされている。このシステム制御部はさらにＲＦコイルアセンブリに対して、事前規定の時間遅延の後に第３のＲＦパルスを放出して励起エコーを生成させると共に該励起エコーから得られたＭＲ信号を検出させるようにプログラムされている。

本発明の別の実施形態では、磁気共鳴（ＭＲ）撮像のための方法は、コントラスト薬剤の励起をあるスライスまたは関心対象ボリュームに空間的に制限しながらコントラスト薬剤の共鳴周波数を励起する工程と、該コントラスト薬剤の空間的に制限された励起から第１組のＭＲ信号を検出する工程と、を含む。本方法はさらに、代謝混合時間の後にコントラスト薬剤と該コントラスト薬剤から形成された少なくとも１つの代謝産物とに関する共鳴周波数を励起する工程と、代謝混合時間の後に該コントラスト薬剤及び少なくとも１つの代謝産物の励起から得られる第２組のＭＲ信号を検出する工程と、検出された第１及び第２組のＭＲ信号からスペクトロスコピー画像を作成する工程と、を含む。

本発明のさらに別の実施形態では、コンピュータ読み取り可能記憶媒体は、コンピュータによって実行したときに該コンピュータに対して第１の周波数におけるスペクトル−空間パルスの送信を要求しかつフォローアップＲＦパルスの送信を要求し該スペクトル−空間パルス及びフォローアップＲＦパルスによってスピンエコーを生成させる命令からなるシーケンスを表したコンピュータプログラムをその上に保存して含む。この命令シーケンスはさらにコンピュータに対して、１つまたは複数の周波数を包含した少なくとも１つの読み取りＲＦパルスの送信を要求し、スペクトル−空間パルス、フォローアップＲＦパルス及び該少なくとも１つの読み取りＲＦパルスによって励起エコーを生成させている。この命令シーケンスはさらにコンピュータに対して、スピンエコー及び励起エコーから磁気共鳴（ＭＲ）信号を収集してスペクトロスコピー画像を作成させかつＭＲ信号をコンピュータメモリ内に保存させている。

本発明を好ましい実施形態に関して記載してきたが、明示的に記述した以外に等価、代替及び修正が可能であり、これらも添付の特許請求の範囲の域内にあることを理解されたい。処理過程または方法の工程の順序及びシーケンスは代替的な実施形態に応じて変更またはシーケンス配列し直すことができる。

１０ 磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）システム
１２ オペレータコンソール
１３ キーボードその他の入力デバイス
１４ 制御パネル
１６ 表示画面
１８ リンク
２０ コンピュータシステム
２０ａ バックプレーン
２２ 画像プロセッサモジュール
２４ ＣＰＵモジュール
２６ メモリモジュール
３２ システム制御部
３２ａ バックプレーン
３４ 高速シリアルリンク
３６ ＣＰＵモジュール
３８ パルス発生器モジュール
４０ シリアルリンク
４２ 傾斜増幅器
４４ 生理学的収集制御器
４６ スキャン室インタフェース回路
４８ 患者位置決めシステム
５０ 傾斜コイルアセンブリ
５２ マグネットアセンブリ
５４ 偏向マグネット
５６ 全身用ＲＦコイル
５８ 送受信器モジュール
６０ ＲＦ増幅器
６２ 送信／受信スイッチ
６４ 前置増幅器
６６ メモリモジュール
６８ アレイプロセッサ
８０ スペクトル−空間タイプの励起パルス
８２ ＲＦ下位要素
８４ スライスエンコード傾斜
８６ 上側プロット
８８ 下側プロット
９２ 主横磁化
９４ 主スライス外部の横磁化
９６ 縦磁化
９８ 主スライス外部の縦磁化
１０２ データ収集シーケンス
１０４ 第１のスペクトル−空間パルス
１０６ 第２のスペクトル−空間パルス
１０８ スピンエコー
１０９ データサンプリング／収集段
１１０ 事前規定の遅延期間／混合時間
１１２ 第３のＲＦパルス
１１４ 励起エコー
１１６ 追加の読み取りＲＦパルス
１１８ 追加の励起エコー
１２０ データ収集シーケンス
１２２ スペクトル−空間パルス
１２４ フォローアップＲＦパルス
１２６ 自由誘導減衰（ＦＩＤ）信号
１２８ スピンエコー信号
１３０ 事前規定の遅延期間／混合時間
１３２ 読み取りＲＦパルス
１３４ 励起エコー
１３６ 追加の読み取りＲＦパルス
１３８ 追加の励起エコー
１４０ 傾斜パルス
１４２ スペクトロスコピー撮像技法
１４４ 過分極コントラスト薬剤を導入する
１４６ 連続する２つのＲＦパルスを送信する
１４８ 代謝混合時間遅延を開始する
１５０ 信号読み出し
１５２ 読み取りＲＦパルスを印加する
１５４ 信号読み出し
１５６ 追加の読み取りＲＦパルスを印加する
１５８ 追加の励起エコー信号を読み出す
１６０ スペクトロスコピー画像の再構成
１６２ ＲＦパルス
１６４ ＲＦパルス
１６６ 非スペクトル選択性ＲＦパルス
１６７ 事前決定の遅延期間
１６８ スペクトロスコピー画像の収集

Claims (9)

1. マグネット（５２）のボアの周りに位置決めされた複数の傾斜コイル（５０）と、
   ＲＦパルスシーケンスを放出するようにパルス発生器（３８）と結合されかつ関心対象から得られるＭＲ信号を受け取るように配列されたＲＦコイルアセンブリ（５６）と、
   前記複数の傾斜コイル（５０）及びＲＦコイルアセンブリ（５６）と結合されたシステム制御部（３２）であって、該ＲＦコイルアセンブリ（５６）に対して、
   そのうちの少なくとも１つが周期性のある励起プロフィールによるスペクトル選択性でありかつそのうちの少なくとも１つが空間選択性であるような第１のＲＦパルス（１０４）及び第２のＲＦパルス（１０６）を放出すること、
   代謝混合時間（Ｔｍ）後に第３のＲＦパルス（１１２）を放出すること、
   前記第３のＲＦパルス（１１２）放出後の励起エコー（１１４）から得られたＭＲ信号を傾斜磁場を印加せずに検出すること、
   を行わせるようにプログラムされたシステム制御部と、
   を備え、
   前記励起エコー（１１４）は、前記第１のＲＦパルス（１０４）、第２のＲＦパルス（１０６）及び第３のＲＦパルス（１１２）の組み合わせにより生成される、
   磁気共鳴（ＭＲ）スペクトロスコピーシステム（１０）。
2. 前記システム制御部（３２）はさらに、第１及び第２のＲＦパルス（１０４、１０６）から得られたスペクトル−空間選択性ＭＲ信号を検出するようにさらにプログラムされている、請求項１に記載のＭＲスペクトロスコピーシステム（１０）。
3. 第１及び第２のＲＦパルス（１０４、１０６）から得られた前記スペクトル−空間選択性ＭＲ信号は、自由誘導減衰（ＦＩＤ）信号（１２６）とスピンエコー信号（１０８）のうちの少なくとも一方を含む、請求項２に記載のＭＲスペクトロスコピーシステム（１０）。
4. 前記第１のＲＦパルスと第２のＲＦパルス（１０４、１０６）のうちのスペクトル選択性である少なくとも一方は代謝反応物を指定の周波数で励起するように設計されている、請求項１から３のいずれかに記載のＭＲスペクトロスコピーシステム（１０）。
5. 前記代謝反応物は１３Ｃ−１−ピルビン酸塩を含む、請求項４に記載のＭＲスペクトロスコピーシステム（１０）。
6. 前記事前規定の時間遅延（１１０）は第２のＲＦパルス（１０６）の放出から計測される混合時間を含んでおり、該混合時間（１１０）は代謝反応物の複数の代謝産物までの代謝を可能にするように設計されている、請求項４または５に記載のＭＲスペクトロスコピーシステム（１０）。
7. 前記システム制御部（３２）はＲＦコイルアセンブリ（５６）に対して、事前規定の時間遅延（１１０）に続く追加の時間遅延の後に追加の励起エコー（１１８）を発生させるための追加のＲＦパルス（１１６）を放出させるようにさらにプログラムされている、請求項１から６のいずれかに記載のＭＲスペクトロスコピーシステム（１０）。
8. 前記第３のＲＦパルス（１１２）と追加のＲＦパルス（１１６）の少なくとも一方は非スペクトル選択性パルスであると共に、前記励起エコー（１１４、１１８）から得られるＭＲ信号は代謝反応物からの信号を包含しかつ事前規定の時間遅延（１１０）の間に形成された複数の代謝産物からの信号を包含している、請求項７に記載のＭＲスペクトロスコピーシステム（１０）。
9. 前記第３のＲＦパルス（１１２）と追加のＲＦパルス（１１６）の少なくとも一方は指定の代謝産物に対するスペクトル選択性である、請求項７に記載のＭＲスペクトロスコピーシステム（１０）。
   

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