JP6104631B2 - 磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents
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Description
傾斜磁場コイルの温度が上昇すると、その近傍の鉄シムの温度が上昇して、鉄シムの透磁率が変化し、撮像空間の磁場が変化するため、被検体内の水素原子の磁気共鳴の中心周波数が変化する。以下の説明では、「水素原子の磁気共鳴の中心周波数」を「共鳴中心周波数」と略記する。
しかし、撮像準備段階で脂肪抑制プレパルスの条件を設定後、撮像中に傾斜磁場コイルの発熱に伴って脂肪組織における共鳴中心周波数がシフトすると、脂肪抑制の効果が十分に得られないことがある。
このMRI装置は、ズレ算出部と、候補算出部と、シーケンス設定部と、信号収集部と、画像再構成部とを備える。
ズレ算出部は、パルスシーケンスの開始後における、撮像領域の水素原子の磁気共鳴の中心周波数と、RFパルスの中心周波数とのズレを算出する。
候補算出部は、RFパルスの送信を伴って水素原子の磁気共鳴の中心周波数を計測する中心周波数スキャンがパルスシーケンスの途中に挿入される場合に、画像データの再構成に用いられるMR信号に対する中心周波数スキャンのRFパルスの影響が回避されるように、中心周波数スキャンの挿入の候補タイミングを撮像条件に基づいて複数算出する。
シーケンス設定部は、パルスシーケンスの途中に、ズレ量算出部により算出されたズレ及び複数の前記候補タイミングに応じたタイミングで中心周波数スキャンが挿入されるように、パルスシーケンスを設定する。
信号収集部は、中心周波数スキャンの実行の都度、RFパルスの中心周波数が中心周波数スキャンの実行結果に基づく値に再設定されてからパルスシーケンスが継続されるようにパルスシーケンスを実行することで、撮像領域からMR信号を収集する。
画像再構成部は、信号収集部により収集されたMR信号に基づいて画像データを再構成する。
図1は、第1の実施形態におけるMRI装置10の全体構成を示すブロック図である。ここでは一例として、MRI装置10の構成要素を寝台ユニット20、ガントリ30、制御装置40の3つに分けて説明する。
また、天板22内には、被検体PからのMR信号を検出する受信RFコイル24が配置される。さらに、天板22の上面には、装着型のRFコイル装置が接続される接続ポート25が複数配置される。
図1では一例として、被検体PにMR信号の受信用のRFコイル装置100が装着されているが、RFコイル装置100は必須ではない。
天板移動機構23は、天板22がガントリ30外に位置する場合に、寝台21の高さを調整することで、天板22の鉛直方向の位置を調整する。
また、天板移動機構23は、天板22を水平方向に移動させることで天板22をガントリ30内に入れ、撮像後には天板22をガントリ30外に出す。
同様に、Y軸傾斜磁場コイル33myは、後述のY軸傾斜磁場電源46yから供給される電流に応じたY軸方向の傾斜磁場Gyを撮像領域に形成する。
同様に、Z軸傾斜磁場コイル33mzは、後述のZ軸傾斜磁場電源46zから供給される電流に応じたZ軸方向の傾斜磁場Gzを撮像領域に形成する。
ここでは一例として、撮像領域は、厚さの薄い領域であればスライスと称し、ある程度の厚みのある領域であればスラブと称する。
シーケンスコントローラ58は、記憶した所定のシーケンスに従って傾斜磁場電源46、RF送信器48及びRF受信器50を駆動させることで、傾斜磁場Gx、Gy、Gz及びRFパルスを発生させる。
上記撮像部位とは、例えば、頭部、胸部、腹部などの被検体Pのどの部分を撮像領域として画像化するかを意味する。
スキャンとは、MR信号の収集動作を指し、画像再構成を含まないものとする。
較正スキャンとは例えば、本スキャンの撮像条件の内の未確定のものや、画像再構成処理や画像再構成後の補正処理に用いられる条件やデータを決定するために、本スキャンとは別に行われるスキャンを指す。
CFスキャンは、RFパルスを送信することで、検出されるMR信号の周波数スペクトラムの極大値等に基づいて共鳴中心周波数を計測するスキャンである(例えば特開2009−34152号公報参照)。候補タイミングの算出方法については、後述する。
入力装置72は、撮像条件や画像処理条件を設定する機能をユーザに提供する。
画像再構成部62は、k空間データに2次元フーリエ変換などを含む画像再構成処理を施すことで、被検体Pの画像データを生成する。画像再構成部62は、生成した画像データを画像データベース63に保存する。
なお、図2に示す温度センサの配置および個数は、一例にすぎず、温度センサの数および配置は、上記の例に限定されるものではない。
鉄シムは、撮像空間における静磁場の磁場強度分布を均一化する作用がある。
即ち、撮像領域の磁場強度に直接的に関わる要素の温度を直接的且つ正確に検出する構成が望ましく、その点では、冷却管38周囲よりも、鉄シムを含むシムトレイ37やメインコイル33mの温度を検出する方が優るからである。
図4は、FFE(Fast Field Echo)法に基づくパルスシーケンスの一例において、CFスキャン挿入の候補タイミングを示す局所的なタイミング図である。
即ち、各セグメントでは、位相エンコードステップ4つ分のMR信号が収集される。位相エンコードステップ1つ分のMR信号の収集を1サイクルとする。
次に、フリップ角が90°の励起RFパルスの送信と共に、スライス選択方向傾斜磁場が印加される。
次に、位相エンコード方向傾斜磁場が印加され、読み出し方向傾斜磁場の印加の下でMR信号が検出される。
ここまでが位相エンコードステップ1つ分のMR信号の収集である。
ここまでが1のセグメントであり、第1セグメントの後、第2セグメントとして、同様に位相エンコードステップ4つ分のMR信号が収集される。
プレパルスは、各セグメントの始めのみ印加される。
従って、上記の「CFスキャンのRFパルスの影響が回避される」とは、「RFパルスの影響が完全に回避される」という意味ではなく、前後のタイミングと比較すれば、CFスキャンのRFパルスの影響が相対的に少ない、という意味である。
例えば、CFスキャンにおけるRFパルスの送信領域(MR信号の収集領域)が、撮像断面から離れているほど、CFスキャンのRFパルスの影響が相対的に少なくなる。
即ち、候補算出部66は、パルスシーケンスの開始後に送信される全RFパルス(CFスキャンのRFパルスを除く)に対応するMR信号の収集が完了後のタイミングとなるように、最先の候補タイミングを算出する。
さらに、候補算出部66は、直前の候補タイミングの後に送信される全てのRFパルス(CFスキャンのRFパルスを除く)に対応するMR信号の収集が完了後のタイミングとなるように、残りの候補タイミングをそれぞれ算出する。
第1セグメントのMR信号の収集が終了したタイミングにおいて、送信済のプレパルスに対応するMR信号の収集は完了し、送信済の4つの90°励起RFパルスに対応するMR信号の収集も完了する。
空打ちのRFパルスは、各セグメント間に挿入される場合には、その後に収集される1セグメント分のMR信号に対応するものとする。
また、空打ちのRFパルスは、各繰り返し時間TR間に挿入される場合には、その後に収集される1位相エンコードステップ分のMR信号に対応するものとする。
このような場合、パルスシーケンスにおけるCFスキャン挿入以後の部分を遅らせなくとも、CFスキャンの影響は、画像用に収集されるMR信号に対して殆ど影響しないからである。
また、上記のように「CFスキャンの実行期間」を定義すれば、CFスキャンが空間的に局所的な領域に実行されても、撮像領域を包含するように実行されても、前述のCFスキャンのRFパルスの影響を回避できる。
挿入タイミングがパルスシーケンスにおいて元々空き時間の部分に該当し、且つ、その空き時間の長さがCFスキャンの実行期間以上である、という2条件を満たさない場合、CASE2にすることが望ましい。
次に、フリップ角が90°の励起用RFパルスの送信と共に、スライス選択方向傾斜磁場が印加される。
次に、MR信号の検出時に印加される読み出し方向傾斜磁場の半分の時間で、読み出し方向傾斜磁場が印加される。
次に、位相エンコード方向傾斜磁場が印加される。
次に、読み出し方向傾斜磁場を印加しつつ、MR信号が検出される。
そして、各サイクルの終わりには、各サイクルで先に印加された位相エンコード方向傾斜磁場パルスとは極性が反転された補償傾斜磁場が位相エンコード方向に印加される。
これにより、位相エンコード方向傾斜磁場の影響が、次のサイクルの前に消去される。
ここまでが位相エンコードステップ1つ分のMR信号の収集である。
ここまでが第1セットであり、第1セットの後、第2セットとして、同様に位相エンコードステップ4つ分のMR信号が収集される。
プレパルス及び90°励起パルスは、各セットの始めのみ印加される。
同様に、通常のフィールドエコー法の場合、位相エンコードステップ1つ分のMR信号の収集が終了する各タイミングが、候補タイミングとなる。
次に、180°再収束パルスの送信と共にスライス選択方向傾斜磁場が印加される。
次に、位相エンコード方向傾斜磁場のプレパルスが印加され、読み出し方向傾斜磁場の印加が開始される。
その後、読み出し方向傾斜磁場の極性の反転の都度、プレパルスとは極性が逆で、短時間の位相エンコード方向傾斜磁場パルスが印加される。
このようにアベレージング(Averaging)が実行される場合、上述した「CFスキャンのRFパルスの影響が回避される」という条件を満たす限り、各ループ間を候補タイミングとすればよい。
鉄シムの温度上昇に伴い、図9の中段に示すように、ガントリ30内の被検体P内の水素原子の共鳴中心周波数がシフトするため、RFパルスの中心周波数と、その時点の共鳴中心周波数とのズレが次第に大きくなる。
CFスキャンの実行の都度、RFパルスの中心周波数は、CFスキャンの実行結果に基づいて補正されるので、RFパルスの中心周波数と、その時点の実際の共鳴中心周波数とのズレがほぼゼロになる。
図10は、本実施形態におけるMRI装置10の動作の流れの一例を示すフローチャートである。以下、前述した各図を適宜参照しながら、図10に示すステップ番号に従って、MRI装置10の動作を説明する。
なお、初期温度については、例えば、温度センサ36A〜36Dの検出温度の平均値を用いることができる。
ここでは一例として、本スキャンのパルスシーケンス開始時において、使用されるRFパルスの中心周波数は、ステップS2で算出された値である。
ズレ算出部65は、温度センサ36A〜36Dの検出温度の平均値が撮像領域周囲の鉄シムの温度であると近似し、この平均値に基づいて、実際の共鳴中心周波数を算出する。なお、実際には冷却液が循環するため(図3参照)、傾斜磁場コイルユニット33の温度と、鉄シムの温度とは若干異なる。
また、ズレ算出部65は、現在設定されているRFパルスの中心周波数と、上記のように算出した実際の共鳴中心周波数とのズレを算出し、算出結果をシステム制御部61に入力する。
上記のズレの所定値については、以下のトレードオフを考慮しつつ、画質が許容範囲内となる程度に設定されることが望ましい。即ち、ズレの所定値が小さいほど、CFスキャンの頻度が多くなって画質が向上する反面、撮像時間が長くなる、SARが増加する、といったおそれがある。
挿入方法については、挿入タイミングがパルスシーケンスにおいて元々空き時間となっている部分に該当し、且つ、その空き時間の長さが「CFスキャンの実行期間」以上であるか否かに応じて、CASE1又はCASE2(図6参照)でパルスシーケンスの途中にリアルタイムで挿入される。
入力装置72からシステム制御部61に撮像開始指示が入力されると、システム制御部61は、パルスシーケンスを含む撮像条件をシーケンスコントローラ58に入力する。シーケンスコントローラ58は、入力されたパルスシーケンスに従って傾斜磁場電源46、RF送信器48及びRF受信器50を駆動させることで、被検体Pの撮像部位が含まれる撮像領域に傾斜磁場を形成させると共に、RFコイルユニット34からRFパルスを発生させる。
RF受信器50は、MR信号に前述の処理を施すことでMR信号の生データを生成し、これら生データを画像再構成部62に入力する。
画像再構成部62は、MR信号の生データをk空間データとして配置及び保存する。
CFスキャンの実行の直後では、RFパルスの中心周波数と、その時点の実際の共鳴中心周波数との差がほぼゼロになる。
このようなリアルタイムでのCFスキャンの挿入により、RFパルスの中心周波数と、共鳴中心周波数との差が閾値を大幅に超えないように制御されつつ、パルスシーケンスが継続され、MR信号が収集される。
パルスシーケンスの終了後、ステップS5に進む。
また、例えばDWI(Diffusion weighted Imaging:拡散強調イメージング)の場合、b値が変わる毎に次のループとなり、第1ループ、第2ループ、同様の収集動作が繰り返される。
このようなリアルタイムでのCFスキャンの挿入により、RFパルスの中心周波数と、共鳴中心周波数との差が閾値を大幅に超えないように制御されつつ、パルスシーケンスが継続される。
また、第2に、各々の候補タイミングは、前述のようにアーチファクトを与えにくいタイミングとしてパルスシーケンスの開始前に算出される。
以上の2点を考慮すれば、パルスシーケンスの継続によってガントリ30の温度が上昇しても、脂肪抑制プレパルスなどのプレパルスの効果が共鳴中心周波数のシフトによって劣化することはない。即ち、傾斜磁場コイルの発熱に起因した共鳴中心周波数のシフトに拘らず、RFパルスの中心周波数を常に共鳴中心周波数にほぼ合致させるため、良好な画像が得られる。
第1の実施形態では、温度計測結果に基づいてCFスキャンの挿入タイミングがリアルタイムで決定される例を述べた。
これに対し第2の実施形態では、CFスキャンの挿入タイミング決定のための温度計測が行われず、撮像条件に基づいてCFスキャンの挿入タイミングがパルスシーケンス開始前に算出される例を述べる。
従って、第2の実施形態のMRI装置は、ハードウェア的には、図1〜図3で説明した第1の実施形態のMRI装置10と同じである。
図11の上段は、パルスシーケンスの開始時刻t0からの傾斜磁場コイルの推定温度変化を示す。図11の上段において、縦軸は傾斜磁場コイルの温度を示し、横軸はパルスシーケンス開始からの経過時間tを示す。
図11の下段は、CFスキャンの候補タイミング(CANDIDATE TIMING)及び挿入タイミング(INSERT TIMING)を示し、横軸は、上段と同じパルスシーケンス開始からの経過時間tを示す。
まず、候補算出部66は、パルスシーケンスの条件に基づいて、第1の実施形態と同様に候補タイミングを算出する(図11下段)。
また、パルスシーケンスの開始直前にCFスキャンが実行されて、その実行結果に基づいて、パルスシーケンス開始時のRFパルスの中心周波数が設定される。
従って、パルスシーケンス開始時刻t0において、共鳴中心周波数と、RFパルスの中心周波数とのズレはないものとする。
上記「閾値を超える時間」は、例えば、パルスシーケンス開始時刻t0を基準に、パルスシーケンス開始からの経過時間で換算できる。
第1に、傾斜磁場コイルユニット33の発熱が伝達されて鉄シムを暖める要素である。
第2に、傾斜磁場の変化により生じる渦電流磁場によって鉄シムが発熱する要素である。
具体的には、鉄シムの透磁率が温度上昇に対して1次関数的に変化すれば、撮像領域の磁場強度(テスラ)も1次関数的に変化するため、撮像領域の共鳴中心周波数も1次関数的に変化する。ラーモア周波数は磁場強度に比例するからである。
なお、所定温度増分TPについては、RFパルスの中心周波数と、共鳴中心周波数とのズレを鑑みて、第1の実施形態で述べたトレードオフを考慮しつつ、画質が許容範囲内となる程度に設定することが望ましい。
このため、傾斜磁場コイルユニット33の推定温度が所定温度増分TPだけ上昇する都度、その直後の候補タイミングでCFスキャンを実行すれば、RFパルスの中心周波数と共鳴中心周波数とのズレが所定レベルを超える都度、CFスキャンを実行することと等価になる。
この後、ステップS15に進む。
即ち、ステップS14で選択されたタイミングでCFスキャンが実行され、CFスキャンの実行の都度、RFパルスの中心周波数がCFスキャンの実行結果に基づく値に更新されてパルスシーケンスが継続される。
このようにしてパルスシーケンスが実行され、撮像領域からMR信号が収集される。この後、ステップS16に進む。
以上が第2の実施形態のMRI装置10の動作説明である。
[1]第1及び第2の実施形態において、演算装置60内の各構成要素による「共鳴中心周波数や候補タイミング等の算出」や、「CFスキャンが挿入されるようにパルスシーケンスを設定し直す計算」などの処理は、自動的に実行される。
但し、CFスキャンの挿入タイミングについて、上記の各実施形態は、演算装置60により完全に自動的に実行する形態に限定されるものではない。
或いは、ステップS3で自動算出された候補タイミングを表示装置74に表示し、入力装置72を介して、CFスキャンが挿入されるタイミングの一部をユーザが選択する構成としてもよい。例えば、候補タイミングに該当する限り、少なくとも所定数の画像のMR信号の収集が終わる都度、CFスキャンが挿入されるように、ユーザが入力設定できるように入力装置72等の各部を構成してもよい。
この場合、第1の実施形態において、例えば、撮像断面に近い温度センサほど、大きい重み係数が乗じられるように、各温度センサが検出した温度差に、重み係数をそれぞれ乗じる。そして、重み係数が乗じられた各温度差を合算する。合算した温度差を、温度センサの数で割ることで、重み付け平均された温度差を算出する。このように重み付け平均された温度差に基づいて、中心周波数のシフト量を求めてもよい。
温度センサは、請求項記載の温度計測部の一例である。
20:寝台ユニット,22:天板,
31:静磁場磁石,32:シムコイルユニット,33:傾斜磁場コイルユニット,
34:RFコイルユニット,40:制御装置,60:演算装置
Claims (10)
- 傾斜磁場の印加及びRFパルスの送信が含まれるパルスシーケンスを実行することで撮像領域から核磁気共鳴信号を収集し、前記核磁気共鳴信号に基づいて画像データを再構成する磁気共鳴イメージング装置であって、
前記パルスシーケンスの開始後における、前記撮像領域における撮像対象原子の磁気共鳴の中心周波数と、前記RFパルスの中心周波数とのズレを算出するズレ算出部と、
前記RFパルスの送信を伴って前記撮像対象原子の磁気共鳴の中心周波数を計測する中心周波数スキャンが前記パルスシーケンスの途中に挿入される場合に、前記中心周波数スキャンの挿入の候補タイミングを撮像条件に基づいて複数算出する候補算出部と、
前記パルスシーケンスの途中に、前記ズレ算出部により算出されたズレ及び前記候補タイミングに応じたタイミングで前記中心周波数スキャンが挿入されるように、前記パルスシーケンスを設定するシーケンス設定部と、
前記中心周波数スキャンの実行の後、前記RFパルスの中心周波数が前記中心周波数スキャンの実行結果に基づく値に再設定されてから前記パルスシーケンスが継続されるように前記パルスシーケンスを実行することで、前記撮像領域から前記核磁気共鳴信号を収集する信号収集部と、
前記信号収集部により収集された前記核磁気共鳴信号に基づいて前記画像データを再構成する画像再構成部と
を備えることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。 - 前記候補算出部は、前記パルスシーケンスの開始後に送信される全ての前記RFパルスに対応する前記核磁気共鳴信号の収集が完了後のタイミングとなるように、最先の前記候補タイミングを算出し、直前の前記候補タイミングの後に送信される全ての前記RFパルスに対応する前記核磁気共鳴信号の収集が完了後のタイミングとなるように、残りの前記候補タイミングをそれぞれ算出する
ことを特徴とする請求項1記載の磁気共鳴イメージング装置。 - 再収束RFパルスの送信及び1位相エンコードステップの前記核磁気共鳴信号の収集を、励起RFパルスの送信後に複数回順次実行する動作を1のセットとして繰り返すことで、1画像の全位相エンコードステップの前記核磁気共鳴信号を収集するFSE(Fast Spin Echo)法の前記パルスシーケンスの場合、前記候補算出部は、各々の前記セット間のタイミングを複数の前記候補タイミングとして算出する
ことを特徴とする請求項1又は請求項2記載の磁気共鳴イメージング装置。 - 励起RFパルスの送信及び1位相エンコードステップの前記核磁気共鳴信号の収集を、プレパルスの送信後に複数回順次実行する動作を1のセグメントとして繰り返すことで、1画像の全位相エンコードステップの前記核磁気共鳴信号を収集するFFE(Fast Field Echo)法の前記パルスシーケンスの場合、前記候補算出部は、各々の前記セグメント間のタイミングを複数の前記候補タイミングとして算出する
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の磁気共鳴イメージング装置。 - 前記パルスシーケンスがシングルショットのエコープラナーイメージングの場合、前記候補算出部は、1画像に再構成される前記核磁気共鳴信号の収集後、次の画像に再構成される前記核磁気共鳴信号に対応するRFパルスの送信前となるように、複数の前記候補タイミングを算出する
ことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の磁気共鳴イメージング装置。 - 前記シーケンス設定部は、脂肪組織からの前記核磁気共鳴信号を抑制する脂肪抑制プレパルスが前記RFパルスに含まれるように、前記パルスシーケンスを設定する
ことを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の磁気共鳴イメージング装置。 - 前記ズレ算出部は、前記撮像対象原子の磁気共鳴の中心周波数と、前記RFパルスの中心周波数とのズレが所定レベルを超える時間を前記撮像条件に基づいて算出し、
前記シーケンス設定部は、前記ズレが所定レベルを超える時間に基づいて、前記中心周波数スキャンが挿入されるタイミングを複数の前記候補タイミングから選択することで、前記パルスシーケンスを設定する
ことを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の磁気共鳴イメージング装置。 - 供給電流に応じた前記傾斜磁場を前記撮像領域に印加する傾斜磁場コイルユニットをさらに備え、
前記ズレ算出部は、前記撮像条件における前記傾斜磁場コイルユニットへの供給電流の時間変化、又は、前記供給電流の時間積分値に基づいて、前記撮像対象原子の磁気共鳴の中心周波数のシフト量の時間変化を算出することで、前記ズレが所定レベルを超える時間を算出する
ことを特徴とする請求項7記載の磁気共鳴イメージング装置。 - 供給電流に応じた前記傾斜磁場を前記撮像領域に印加する傾斜磁場コイルユニットと、
前記パルスシーケンスの実行中に前記傾斜磁場コイルユニットの温度を計測する温度計測部と
をさらに備え、
前記ズレ算出部は、前記温度計測部の計測結果に基づいて、前記撮像領域における撮像対象原子の磁気共鳴の中心周波数と、前記RFパルスの中心周波数とのズレの時間変化を前記パルスシーケンスの実行中に算出し、
前記シーケンス設定部は、前記ズレの時間変化及び複数の前記候補タイミングに基づいて、次の前記中心周波数スキャンの挿入タイミングを前記パルスシーケンスの実行中に算出し、
前記信号収集部は、前記パルスシーケンスの実行中に、前記挿入タイミングで前記中心周波数スキャンを挿入しつつ、前記パルスシーケンスを継続する
ことを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の磁気共鳴イメージング装置。 - 前記シーケンス設定部は、前記撮像領域における撮像対象原子の磁気共鳴の中心周波数と、前記RFパルスの中心周波数とのズレが所定レベルを超える都度、前記中心周波数スキャンが挿入されるように、前記挿入タイミングを算出する
ことを特徴とする請求項9記載の磁気共鳴イメージング装置。
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