JP6195708B2 - 磁気共鳴分光システムを用いた化学平衡比の測定 - Google Patents

Description

本開示は、化学的性質または相対濃度を測定するために磁気共鳴（ＭＲ）分光法を用いることに関する。

磁気共鳴分光法および（ＭＲＳ）および磁気共鳴分光イメージング（ＭＲＳＩ）技術が、医療診断および医療診断イメージングの分野で知られている。磁気共鳴（ＭＲ）モダリティでは、均一磁場に１または複数の高周波（ＲＦ）パルスによる摂動を加えたものの中に、被検者を入れる。詳細には、均一磁場によって対象物内の応答材料のスピンが均質化されて、スピンが効果的に並べられるようになる。次に励起ＲＦパルスを印加して応答材料のスピンを同期させることを、均一磁場を横断する平面内にスピンを方向的に「チッピングする」ことによって行なう場合がある。励起ＲＦパルスを取り除くと、スピンは均一磁場と再び揃い、その過程で、共鳴信号が放出される。それぞれの核種に起因するこれらの共鳴信号の差は、イメージング・システムによって検出されて、ＭＲＳシステムを用いて分析される化学種に関する有用な情報が得られる。

詳細には、応答材料（たとえば水素（Ｈ）または炭素１３（¹³Ｃ）原子）が分子の構成要素である場合、分子の電子雲が、応答材料が受ける磁場強度に影響を及ぼす。有効な磁場強度が変動することによって、応答材料の歳差周波数（またはスピン）に対して小さい変化が起きることになる。この歳差周波数の変動は、応答材料を含む異なる分子を互いと区別することを可能にする化学シフトとして示される。たとえば、この化学シフトによって、身体内の異なる化学物質を特定すること、およびこのような化学物質の濃度を決定することが可能になる場合がある。

化学的性質または相対濃度を測定する方法を提供する。

本開示には、平衡交換する２つ以上の化学種に対する磁気共鳴データを生成するための実施形態が含まれる。たとえば、一実施形態においては、交換する２つ以上のスペクトル的に識別可能な化学種の割合を測定するための方法が提供される。この方法によれば、第１の化学種を選択的に励起する３０°以上の第１のチップ角を有するスペクトル選択ＲＦ励起パルスを発生させる。第１の化学種と第２の化学種との間の平衡状態下で、少なくとも第２の化学種を励起する３０°未満の第２のチップ角を有する非選択ＲＦ励起パルスを発生させる。スペクトル選択ＲＦ励起パルスを発生させるステップと非選択ＲＦ励起パルスを発生させるステップとを、設定した反復回数だけ繰り返す。交換する第１の化学種および第２の化学種の割合が、第１のチップ角および第２のチップ角の効果差に基づいて得られる。

さらなる実施形態においては、１または複数の実行可能ルーチンを物理的にエンコードするメモリ構造が提供される。実行されると、ルーチンは、第１の化学種を選択的に励起する３０°以上の第１のチップ角を有するスペクトル選択ＲＦ励起パルスを発生させること；第１の化学種と第２の化学種との間の平衡状態下で、少なくとも第２の化学種を励起する３０°未満の第２のチップ角を有する非選択ＲＦ励起パルスを発生させること；スペクトル選択ＲＦ励起パルスを発生させるステップと非選択ＲＦ励起パルスを発生させるステップとを、設定した反復回数だけ繰り返すこと；第１のチップ角および第２のチップ角の効果差に基づいて、交換する第１の化学種および第２の化学種の割合を得ること、を含む行為を行なわせる。

別の実施形態においては、磁気共鳴分光システムが提供される。磁気共鳴分光システムは、少なくとも、容積内に一次磁場を発生させるように構成された一次場コイルと、ＲＦパルスを発生させるように構成された高周波（ＲＦ）コイルと、一次場コイルおよびＲＦコイルの動作を制御するための１または複数の制御回路と、を含んでいる。磁気共鳴分光システムはまた、パルス・シーケンスを実施するために１または複数の制御回路によって実行されるべき命令を記憶するメモリを含んでいる。パルス・シーケンスは、実行されると、第１の化学種を選択的に励起する３０°以上の第１のチップ角を有するスペクトル選択ＲＦ励起パルスを発生させること；第１の化学種と第２の化学種との間の平衡状態下で、少なくとも第２の化学種を励起する３０°未満の第２のチップ角を有する非選択ＲＦ励起パルスを発生させること；スペクトル選択ＲＦ励起パルスを発生させる行為と非選択ＲＦ励起パルスを発生させる行為とを、設定した反復回数だけ繰り返すこと、を行なわせる。

本開示のこれらおよび他の特徴、態様、および優位性は、以下の詳細な説明を添付図面を参照して読むことでより良好に理解される。なお図面の全体に渡って同様の文字は同様の部品を表わしている。

本明細書で説明したデータ取得を行なうように構成された磁気共鳴分光イメージング・システムの実施形態の概略図である。 従来のアプローチを用いて得られるＨ¹³ＣＯ₃ ^-および¹³ＣＯ₂に対する共鳴データを示す図である。 本開示による、インターリーブド・パルス・シーケンスを印加すること、および結果として生じる共鳴データをその後に取得して用いることに対する制御ステップまたはロジックのフローチャートを示す図である。 本開示による、インターリーブドＲＦパルス組を用いて生体外で得られた共鳴データを示す図である。 本開示による、インターリーブドＲＦパルスを用いて得られた共鳴データに基づいて計算されたｐＨを示す図である。 本開示による、インターリーブドＲＦパルス組を用いて生体内で得られた共鳴データを示す図である。

本明細書で説明する実施形態は、好適な磁気共鳴（ＭＲ）システム、たとえば磁気共鳴分光法（ＭＲＳ）または磁気共鳴分光イメージング（ＭＲＳＩ）システムによって行なっても良い。本明細書で述べるように、このような磁気共鳴システムで構成される１つの使用方法は、患者（または他の好適な生存生物）内の局所環境（たとえば心臓環境または疑腫瘍内）のｐＨの測定を、¹³Ｃ重炭酸塩／¹³ＣＯ₂の割合を測定することによって行なうことである。磁気共鳴モダリティを用いることによって、ｐＨ情報が非侵襲的におよび生体内で得られる場合がある。ｐＨ情報は、臨床または診断コンテキストにおいて特に関心が持たれる場合がある。なぜならば、ｐＨの変化が、対象とする多くの疾患または他の状態に関係するからである。

このことを念頭において、図１を参照して、磁気共鳴分光学システム１０が、スキャナ１２、スキャナ制御回路１４、およびシステム制御回路１６を含むとして、概略的に例示されている。図示した実施形態では、ＭＲＳシステム１０は、一般的に、分光イメージングを行なうように構成されている。分光イメージングでは、空間および時間分解の分光分析データが得られる。システム１０はさらに、遠隔アクセスおよび記憶用のシステムまたは装置（たとえば、画像保存通信システム（ＰＡＣＳ）１８）または他の装置（たとえば、テレラジオロジー機器）を含んでいるかまたはこれらと通信して、システム１０が取得したデータに現地または現地外でアクセスし得るようになっている。このように、取得データを取得し、その後に、現地または現地外で処理および評価を行なっても良い。ＭＲＳシステム１０は、任意の好適なスキャナまたは検出器を含んでいても良いが、例示した実施形態では、システム１０は、全身スキャナ１２を含んでいる。全身スキャナ１２は、ハウジング２０を有し、ハウジング２０を通して穴２２が形成されている。テーブル２４が、穴２２内に移動可能となっていて、患者２６を内部に配置して患者内の選択した生体構造を画像化することが図れるようになっている。好適なシステム１０の一例は、３ＴＧＥＭＲ７５０スキャナに多核分光（ＭＮＳ）ハードウェア・パッケージを取り付けたものである（両方とも、ＧＥヘルス・ケア（ウォーキシャー（Ｗａｕｋｅｓｈａ）、ＷＩ）から入手可能である）。

スキャナ１２には、一連の関連付けられたコイルであって、制御された磁場を生成するため、および画像化する被検者の生体構造内の１または複数の磁気回転材料からの放出を検出するためのコイルが含まれている。一次電磁コイル２８が、穴２２と大まかに位置合わせされた一次磁場を発生させるために設けられている。取得信号が空間分解されるスキャナ１２には（すなわち、分光イメージング・システムには）、制御された磁場勾配を検査シーケンス中に発生させることができる一連の傾斜磁場コイル３０、３２、および３４が存在している。高周波（ＲＦ）コイル３６が、磁気回転材料を励起する（たとえば、スピン摂動またはスライス選択用に励起する）ための高周波パルスを発生させるために設けられている。別個の受信コイルまたは同じＲＦコイル３６によって、検査シーケンス中に磁気回転材料から磁気共鳴信号を受信しても良い。

スキャナ１２の種々のコイルは、外部回路によって制御されて、所望の磁場およびパルスを発生させ、磁気回転材料からの放出を制御された方法で読み取る。例示した実施形態においては、主電源３８が、一次場コイル２８にパワー供給するために設けられている。駆動回路４０が、傾斜磁場コイル３０、３２、および３４をパルス状に駆動するために設けられている（このような傾斜磁場コイルが存在する場合に）。このような駆動回路４０は通常、電流をコイルに供給するための増幅および制御回路を含んでいる。これはたとえば、スキャナ制御回路１４によって出力されるデジタル化パルス・シーケンスに従って行なわれる。別の制御回路４２が、ＲＦコイル３６の動作を調整するために設けられている。制御回路４２は通常、能動および受動モードの動作（それぞれＲＦコイルが信号を送信し、受信する）の間で交互に代わるためのスイッチング素子を含んでいる。制御回路４２はまた、ＲＦパルスを発生させるとともに受信した磁気共鳴信号を処理するための増幅回路を含んでいる。本開示によれば、制御回路は、ＲＦコイル３６を、２つ以上の異なるターゲット材料を差をつけて刺激する（すなわち、チップさせる）インターリーブド・パルスまたは同時発生パルスを発生させるように動作させても良い。

スキャナ制御回路１４は、インターフェース回路４４を含んでいる。インターフェース回路４４は、傾斜磁場コイル３０、３２、３４、およびＲＦコイル３６を駆動するため、および検査シーケンス中に生成された磁気共鳴信号を表わすデータを受信するための信号を出力する。インターフェース回路４４は制御回路４６に結合されている。制御回路４６は、システム制御回路１６を介して選択された規定されたプロトコルに基づいて回路４２および回路４０を駆動するためのコマンドを実行する。制御回路４６はまた、磁気共鳴信号を受信して、以後の処理を、データをシステム制御回路１６に送信する前に行なう働きをする。スキャナ制御回路１４にはまた、構成パラメータ、パルス・シーケンス記述、検査結果などを動作中に記憶する１または複数のメモリ構造または回路４８が含まれている。インターフェース回路５０が制御回路４６に結合されていて、データをスキャナ制御回路１４とシステム制御回路１６との間で交換することを図っている。このようなデータには通常、行なうべき特定の検査シーケンス（たとえば、本明細書で述べるように、インターリーブドまたは同時ＲＦパルスを発生させるための検査シーケンスまたはルーチン）の選択、これらのシーケンスの構成パラメータ、および取得データ（たとえば、アンダーサンプリング・データ）が含まれており、これらは、スキャナ制御回路１４から、未処理または処理済みの形態で、以後の処理、記憶、送信、および表示用に送信されても良い。

システム制御回路１６には、データをスキャナ制御回路１４から受信してデータおよびコマンドをスキャナ制御回路１４に再び送信するインターフェース回路５２が含まれている。インターフェース回路５２は制御回路５４に結合されている。制御回路５４では、ＣＰＵが、汎用または特定用途向けコンピュータまたはワークステーションに含まれていても良い。制御回路５４は、メモリ構造または回路５６に結合されていて、ＭＲＳシステム１０の動作用のプログラミング・コードを記憶するとともに、処理済みの画像データを、後で再構成、表示、および送信するために記憶している。たとえば、プログラミング・コードは、本明細書で述べるように、堅固なｐＨ測定に適したインターリーブドＲＦパルス信号を実施することができる１または複数のアルゴリズムを実行しても良い。さらなるインターフェース回路５８を、画像データ、構成パラメータなどを外部のシステム構成要素（たとえば、遠隔アクセスおよび記憶装置１８）と交換するために設けても良い。最後に、システム制御回路５４には、オペレータ・インターフェースを容易にするためおよび再現画像のハード・コピーを生成するための種々の周辺デバイスが含まれていても良い。例示した実施形態では、これらの周辺機器には、プリンタ６０、モニタ６２、およびユーザ・インターフェース６４（たとえば、キーボードまたはマウスなどの装置）が含まれている。

スキャナ１２およびそれに付随する制御回路４６によって、磁場および高周波パルスが、制御された方法で生成され、患者２６内の特定の磁気回転材料が励起されてエンコードされる。スキャナ１２および制御回路４６はまた、このような材料から発した信号を検知し、これらの信号に基づいて計算を行なって、たとえば生理学的に局在のｐＨ測定値を２つ以上のターゲット材料の測定差に基づいて決定する。本明細書で説明するＭＲＳシステムは単に好適なシステムの一例として示しており、他の磁気共鳴分光システムタイプを用いても良いことに注意されたい。同様に、このようなシステムを、その一次磁石の強度によって定格化しても良く、また後述するデータ取得および処理を行なうことができる任意の好適に定格化したシステムを用いても良い。

前述したＭＲＳシステム１０は、本明細書で説明するデータ取得技術を行なっても良く、いくつかの実施形態では、本明細書で説明するデータ処理技術を行なっても良い。本明細書で説明するデータ取得の後に、システム１０は単に、取得データを、後で局所的および／または遠隔にアクセスするために、たとえばメモリ回路（たとえば、メモリ５６）に記憶しても良いことに注意されたい。したがって、局所的および／または遠隔にアクセスされたら、取得データを、特定用途向けまたは汎用コンピュータ内に収容された１または複数のプロセッサによって操作しても良い。１または複数のプロセッサは、取得データにアクセスして、本明細書で説明したように、データの処理または分析に適したルーチンを実行しても良い。

前述した好適なシステム１０の説明を念頭において、このようなＭＲベースの分光法システムを用いて、局在のｐＨ測定を計算することについて以下に述べる。一例として、生理系では、局所環境のｐＨの計算は、ヘンダーソン・ハッセルバルヒの式に基づいて行なうことができる。

ｐＨ ＝ ｐＫ_a＋ｌｏｇ（［ＨＣＯ₃ ^-］／［ＣＯ₂］）
これは、対象とする環境において観察された重炭酸塩（ＨＣＯ₃ ^-）と二酸化炭素（ＣＯ₂）との割合を用いて行なう。このような生理的環境では、ＨＣＯ₃ ^-対ＣＯ₂の割合は、炭酸脱水酵素の作用によって確立および維持される場合がある。このような酵素の平衡状態下では、［ＨＣＯ₃ ^-］／［ＣＯ₂］の割合は、通常の生理学的ｐＨ（たとえば、ｐＨ７．０〜７．４）において約１５〜２０のオーダーの場合があり、重炭酸塩の方が、平衡状態で、１０超〜１だけ多い。

ｐＨを測定するための特定のアプローチでは、¹³Ｃ標識分子の測定（たとえば、過分極化されたＨ¹³ＣＯ₃ ^-および¹³ＣＯ₂の測定濃度）を、患者内の対象とする測定部位で行なうことができる磁気共鳴分光法システムを用いる。これらの分子は、静脈内投与され事前分極された溶解状態のＨ¹³ＣＯ₃ ^-から得ることができるか、または事前分極された［１−¹³Ｃ］ヒルビン酸塩から身体中で生成しても良い。［１−¹³Ｃ］ヒルビン酸塩は、ピルビン酸デヒドロゲナーゼの作用を通して、¹³ＣＯ₂およびＨ¹³ＣＯ₃ ^-に分解される。そして、システム内に存在する炭酸脱水酵素によって、Ｈ¹³ＣＯ₃ ^-と¹³ＣＯ₂との平衡状態が、システムのｐＨに基づいて確立される。

過分極化されたＨ¹³ＣＯ₃ ^-および¹³ＣＯ₂の濃度の測定を、対象とする局在部位において、ＭＲＳまたはＭＲＳＩシステム（たとえば、前述したシステム１０）を用いて行なっても良い。図２を参照して、共鳴測定値の組を示す。これは、従来の小チップ角ＲＦ励起パルス（たとえば、５°）を、ｐＨ７．４において、¹³ＣＯ₃ ^-／¹³ＣＯ₂の割合が約２０の状態で用いて、生成されたものである。このような測定プロトコルでは、¹³ＣＯ₂共鳴８０に起因する測定信号は、堅固で正確なｐＨ測定には不適切な場合がある。なぜならば、測定を受ける¹³ＣＯ₂のプールのサイズが小さいこと、ならびに時間および空間分解データを得るために使用されるＲＦ励起パルスのチップ角が小さいこと（たとえば、５°〜１０°または２０°未満）の一方または両方があるからである。詳細には、従来の小チップ角ＲＦパルスは非選択性の場合があり、したがって、両方の種（たとえば、Ｈ¹³ＣＯ₃ ^-および¹³ＣＯ₂）のスピンを等しくチップさせる場合がある。しかし、Ｈ¹³ＣＯ₃ ^-および¹³ＣＯ₂の対応するプールのサイズに差があるために、Ｈ¹³ＣＯ₃ ^-共鳴８２に対して観察される信号の方が、¹³ＣＯ₂のより小さいプールの場合よりも実質的に大きい場合がある。このような実施において¹³ＣＯ₂に対して観察される潜在的に小さい信号対雑音比によって、対象とする局所環境中でｐＨの正確で堅固な測定を行なうことが妨げられる場合がある。

このことを念頭において、また本アプローチによれば、測定を受ける個々の種を差をつけて励起する（たとえば、チップさせる）一続きのインターリーブドＲＦ励起パルスを用いても良い。たとえば、図３のフローチャート１００に示したように、さらした種において小チップ角（たとえば、５°〜３０°）を誘起する第１の組のＲＦ励起パルス１０２を発生させても良い（ブロック１０４）。この例で説明する１つの実施では、第１の組のＲＦ励起パルスはスペクトル非選択性であっても良いが、他の実施では、ＲＦパルスは、対象とする１または複数の化学種に対してスペクトル選択性であっても良い。たとえば、１つの実施においては、非選択ＲＦ励起パルス１０２はそれぞれ２００μｓハード・パルスであっても良い。本明細書で説明するｐＨ測定の文脈では、第１の組のパルス１０２によって、より一般的な種であるＨ¹³ＣＯ₃ ^-とともに、他の種を、小チップ角だけチップさせる。共鳴データの読み取り（ブロック１０６）を、各パルスの後に開始して、非選択パルスによって励起された種に対応する共鳴データ１０８を生成しても良い。

小チップ角ＲＦパルス１０２の発生の間に、第２の組のＲＦ励起パルス１１２を発生させる（ブロック１１０）。ＲＦ励起パルス１１２は、スペクトル選択性で、スペクトル選択された種において大チップ角（たとえば、約４０°以上）を誘起する。たとえば、本明細書で説明するｐＨ測定の文脈では、第２の組のパルス１１２によって、¹³ＣＯ₂を大チップ角だけチップさせる。その結果、スペクトル選択された種に対する共鳴データ１１６が生成されて、取得される（ブロック１１４）。このような１つの実施形態では、スペクトル選択ＲＦパルス１１２は、１０ｍｓのガウス形状パルスであり、たとえば１５０Ｈｚパスバンド（９５％）と１０^-4ストップバンド（パスバンドの中心から４００Ｈｚ）とを有するようにデザインされた１０ｍｓのスペクトル選択ＲＦパルスである。このような実施形態では、インターリーブドＲＦ励起パルス１１２のチップ角が相対的に大きいために、¹³ＣＯ₂感度が高まり（すなわち、¹³ＣＯ₂共鳴に対する信号対雑音が大きくなり）、一方で、インターリーブド・パルスのスペクトル選択性によって、Ｈ¹³ＣＯ₃ ^-プールの飽和が防止される。前述の例では、別個の離散的なインターリーブド・パルスを用いることについて説明しているが、他の実施形態においては、小チップ角ＲＦパルス１０２およびスペクトル選択ＲＦパルス１１２を、マルチバンドＲＦパルスを用いて同時に発生させても良い。

ｐＨ測定を対象とした生体内実施に関して、¹³ＨＣＯ₃ ^-および¹³ＣＯ₂のプールの飽和が、取得中に、インターリーブドＲＦパルス間のチップ角の差に起因して異なる量で起きることが理解され得る。しかし、炭酸脱水酵素の存在下では、¹³ＨＣＯ₃ ^-と¹³ＣＯ₂との平衡状態が、共鳴データの取得間に（すなわち、次の時間点またはｋ空間点が取得される前に）復元される。したがって、安定な時間分解ｐＨ測定値または正確なｐＨマップを取得することが、この飽和差があるにもかかわらず、やはり可能である。すなわち、炭酸脱水酵素作用によって成立する平衡状態では、選択性ＣＯ₂磁化による¹³ＨＣＯ₃ ^-および¹³ＣＯ₂組み合わせプールの磁化の飽和は小さい。なぜならば、¹³ＣＯ₂が相当しているのは、総¹³Ｃプールの１０％未満であるからである。したがって、¹³ＨＣＯ₃ ^-の信号対雑音比は、実質的に影響を受けないであろう。

図３に戻って、ＲＦパルス１０２とスペクトル選択ＲＦパルス１１２とのインターリーブされた発生は、スキャン・プロトコルが終了したと判定される（ブロック１１８）まで続いても良い。このようにして、複数のインターリーブされた共鳴データ１０８、１１６の組を、対象とする対応する第１および第２の種に対して、収集しても良い。共鳴データ１０８、１１６の繰り返し測定値を取得することによって、より弱い信号の信号加算平均が可能となる場合があるか、または個々の種の化学交換比の時間分解測定または空間符号化を得ることができる場合がある。

前述のアプローチに従って収集されたＭＲＳデータをその後に処理することを、たとえばＳＡＧＥ（商標）ソフトウェア（ＧＥヘルス・ケア）を用いて行なっても良い。１つの生体外実施においては、過分極化された¹³Ｃファントム・データを、ＦＦＴの前に時間ドメインにおいて５Ｈｚガウシアン・フィルタによってアポダイズドしても良い。１つの生体内実施においては、¹³Ｃデータを、１０Ｈｚガウシアン・フィルタによってアポダイズドしても良い。ピーク高さの測定を、過分極化されたＨ¹³ＣＯ₃ ^-／¹³ＣＯ₂ファントム・スペクトルおよび生体内スペクトルから行なっても良く、またこの共鳴データを用いて、対象とする診断パラメータを計算しても良く、たとえば、患者内の対象とする局所ｐＨ１２２を計算しても良い（ブロック１２０）。

前述したことを念頭に置いて、また図４および６を参照して、本アプローチにより取得される共鳴データの対応する生体外および生体内の実施例を示す。

実施例１−生体外測定。本生体外および生体内の実施例に関して、すべての検討を、３ＴＧＥＭＲ７５０スキャナ（ＧＥヘルス・ケア、ウォーキシャー、ＷＩ）に多核分光（ＭＮＳ）ハードウェア・パッケージを取り付けたものを用いて行なった。マイクロ・ストリップ二重同調型の¹Ｈ−¹³Ｃ容積コイル（内径８ｃｍ）を、ファントム測定（マグベール（Ｍａｇｖａｌｅ）、サン・フランシスコ、ＣＡ）に対して用いた。ハイパーセンス（ＨｙｐｅｒＳｅｎｓｅ）ＤＮＰ偏光子（オックスフォード・インストゥルメンツ（ＯｘｆｏｒｄＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）、アビンドン（Ａｂｉｎｇｄｏｎ）、英国）を用いて、基板の分極を、３．３５Ｔおよび１．４Ｋにおいて、既知の分極アプローチを用いて行なった。ナトリウム¹³Ｃ重炭酸塩（アイソテック（Ｉｓｏｔｅｃ）、マイアミズバーグ（Ｍｉａｍｉｓｂｕｒｇ）、ＯＨ）を、グリセロール中で、ＯＸ０６３トリチルラジカル（オックスフォード・インストゥルメンツ）を用いて調製した。無希釈の［１，２−¹³Ｃ₂］ピルビン酸（アイソテック）に、１５ｍＭのＯＸ０６３トリチルラジカル（オックスフォード・インストゥルメンツ）と１ｍＭのＧｄキレート（プロハンス（Ｐｒｏｈａｎｃｅ）（登録商標）、ブラッコ・インターナショナル（ＢｒａｃｃｏＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ））とを添加した。

¹³Ｃ重炭酸塩ファントム測定に対しては、〜３０μｌの¹³Ｃ重炭酸ナトリウム／グリセロール混合物を、〜８０分間、分極して、４ｍｌの脱イオン水／ＥＤＴＡ（１００ｍｇ／）を用いて溶解した。溶解直後に、¹³Ｃ重炭酸塩溶液を、４ｍｌの５００ｍＭナトリウムリン酸塩緩衝剤（ｐＨ７．２５）と混合した。このナトリウムリン酸塩緩衝剤には、６μｇの炭酸脱水酵素（アイソザイム（Ｉｓｏｚｙｍｅ）ＩＩ、牛赤血球より、≧３，０００Ｗ−Ａ単位／ｍｇタンパク質、シグマ・アルドリッジ（ＳｉｇｍａＡｌｄｒｉｄｇｅ）、セント・ルイス、ＭＯ）が含まれていた。そして、約５ｍｌのこの最終混合物を、各ファントム実験で用いた。

データ取得に関して、パルス取得パルス・シーケンスを変更して、励起ＲＦパルスのトグリングができるようにした。１５０Ｈｚパスバンド（９５％）と１０^-4ストップバンド（パスバンドの中心から４００Ｈｚ）とを有するようにデザインされた１０ｍｓのスペクトル選択ＲＦパルスを、過渡事象間に２００μｓハード・パルスとインターリーブした。読み取り（１０，０００Ｈｚ／４０９６ｐｔｓ）を各ＲＦパルスの直後に開始した。ダイナミック磁気共鳴分光法（ＭＲＳ）データをインターリーブドＲＦパルス方式を用いて取得することを、溶解状態の事前分極されたＨ¹³ＣＯ₃ ^-をＲＦコイル内部に配置した後に行なった（ｎ＝４、ＴＲ＝２ｓ、９６過渡事象）。ＲＦ送信部を、選択ＲＦパルス使用時には¹³ＣＯ₂共鳴の中心に合わせ、ハード・パルス使用時にはＨ¹³ＣＯ₃ ^-と¹³ＣＯ₂との間の中心に合わせた。選択パルスおよびハード・パルスに対する公称上のチップ角を、それぞれ、４０°および１０°に設定した。ヘンダーソン・ハッセルバルヒの式を適用して、溶液中のｐＨを、ｐＫ_a値６．１５を用いて推定した。選択ＲＦパルスからの¹³ＣＯ₂信号を用いてｐＨを計算した際、チップ角およびエコー時間（有効なエコー時間として５ｍｓを用いた）の補正を行なった。またＴ₁の補正を、Ｈ¹³ＣＯ₃ ^-信号に対して行なった（Ｈ¹³ＣＯ₃ ^-信号が測定された過渡事象と、選択¹³ＣＯ₂信号が測定された次の過渡事象との間で生じるＨ¹³ＣＯ₃ ^-の分極減衰を考慮するため）。エコー時間補正を、スペクトル中で測定された¹³ＣＯ₂の線幅に基づいてＴ₂＊を用いて行なった。Ｈ¹³ＣＯ₃ ^-Ｔ₁を、ハード・パルスのみを用いた実験から推定した。

前述の方法を念頭において、図４に、このような生体外実施で取得した共鳴データの図式表現を示す。図４に示したように、第１の組の取得された共鳴データ１３０は、非選択の小チップ角（たとえば、５°〜３０°）ＲＦ励起パルス１０２（すなわち、２００μｓハード・パルス）に応答して読み取った共鳴データに対応する。サンプル共鳴データに示したように、第１の組の共鳴データ１３０には、Ｈ¹³ＣＯ₃ ^-（共鳴８２）に対する共鳴と¹³ＣＯ₂に対応する微小な共鳴８０とが含まれる。非選択ＲＦパルスに応答して読み取ったデータとインターリーブして、第２の共鳴データ組１３２が、スペクトル選択の大チップ角（たとえば、３０°〜９０°）ＲＦ励起パルス１１２（すなわち、１０ｍｓのスペクトル選択パルス）に応答して読み取られている。第２の組の共鳴データ１３２は、¹³ＣＯ₂に対応する共鳴データ８０が含まれているが、¹³ＣＯ₂共鳴データに対する信号対雑音比は、非選択の取得に対して観察されたものよりも良好である。

図５を参照して、前述のようにして得られた生体外¹³ＣＯ₂測定を用いて計算した２つの別個のｐＨ測定値のグラフ１３８を示す。第１の測定値１４０の計算を、非選択ＲＦパルスのみを用いて生成された¹³ＣＯ₂測定値を用いて行なった。一方で、第２の測定値１４２の計算を、¹³ＣＯ₂選択ＲＦパルスを用いて生成された¹³ＣＯ₂測定値を用いて行なった。ピーク共鳴測定値高さを計算で使用し、チップ角（Ｔ１、Ｔ２＊）補正を、インターリーブされた取得からのデータに対して行なった。グラフ１３８に証明されるように、¹³ＣＯ₂選択ＲＦパルスを用いて生成された¹³ＣＯ₂測定値を用いて計算した第２の測定値１４２は、長時間に渡って安定である。この例では、第２の測定値１４２は、７．３８〜７．４３の範囲のｐＨ測定値に対応しており、ｐＨメータによって測定したｐＨ７．３５に大まかに一致していた。

実施例２−生体内測定。豚に対して行なった生体内測定の組では、¹Ｈブロッキングで直径が５”のカスタム・ビルドの¹³Ｃ送／受信表面コイルを使用した。使用する注入剤に関しては、１０５μｌの［１，２−¹³Ｃ₂］ピルビン酸／トリチル混合物を〜６０分間、分極した後に、〜６ｍｌの１００ｍＭＴＲＩＳ／２５０ｍＭＮａＯＨ溶液に溶解して、公称上のヒルビン酸塩濃度として２５０ｍＭおよびｐＨ７．４を得た。このヒルビン酸塩溶液を生理食塩水を用いて希釈して全体積を３倍にし、１５ｍｌの希釈ヒルビン酸塩溶液を各実験において動物に注入した。

¹³Ｃ表面コイルを豚の胸の上に配置して、心臓上で行なうその位置決めを３面¹Ｈスカウト画像（身体コイルを用いて取得）によって確認した。このスカウト画像によって、コイル上に配置された基準マーカーが視覚化された。心電同期のダイナミックＭＲＳデータを、３体の動物（〜２０ｋｇ）から取得することを、実施例１で説明した¹³Ｃ重炭酸塩ファントム実験で用いたものと同じパルス・シーケンスおよびインターリーブドＲＦパルス方式を用いて行なった。データ取得の開始を、溶解状態にある１５ｍｌの事前分極された［１，２−¹³Ｃ₂］ヒルビン酸塩（約０．０６ｍｍｏｌ／ｋｇのドーズ）の〜１５ｓ注入の開始と同時に行なった。データ取得は心電同期で行なって、１つの過渡事象が２つのＲ−Ｒ間隔ごとに行なわれる（１つの完全なＲＦインターリーブ・サイクルが４つのＲ−Ｒごとに行なわれる）ようにし、その結果、ＴＲは、心拍数に応じて約１〜１．３であった。

前述の方法を念頭において、図６に、このような生体内実施で取得した共鳴データの図式表現を示す。図６に示したように、第１の組の取得された共鳴データ１５２は、非選択の小チップ角（たとえば、１０°）ＲＦ励起パルス１０２（すなわち、２００μｓハード・パルス）に応答して読み取った共鳴データに対応する。サンプル共鳴データに示したように、第１の組の共鳴データ１５２に含まれているのは、［１−¹³Ｃ₂］ヒルビン酸塩に対する共鳴（共鳴１５０）、Ｈ¹³ＣＯ₃ ^-に対する共鳴（共鳴８２）、および¹³ＣＯ₂に対応する微小な共鳴８０である。非選択ＲＦパルスに応答して読み取ったデータとインターリーブして、第２の共鳴データ組１５４が、スペクトル選択の大チップ角（たとえば、４０°）ＲＦ励起パルス１１２（すなわち、１０ｍｓのスペクトル選択パルス）に応答して読み取られている。第２の組の共鳴データ１５４は、¹³ＣＯ₂に対応する共鳴データ８０が含まれているが、¹³ＣＯ₂共鳴データに対する信号対雑音比は、非選択の取得に対して観察されたものよりも良好である。

本開示の技術的効果には、磁気共鳴分光法において、非選択の小チップ角ＲＦパルスをスペクトル選択の大チップ角ＲＦパルスとインターリーブするインターリーブドＲＦパルス・シーケンスを用いることが含まれる。このようなインターリーブド・パルス・シーケンスを用いることの技術的効果は、２つの共鳴データが取得されることである。１つは、より弱い信号の選択種に特有のものであり、その選択種に対する共鳴データとして、信号対雑音比が、非選択ＲＦパルスに応答して生成される共鳴データ中に観察されるものよりも高いデータを生成する。本開示のさらなる技術的効果は、生理的環境内での局在ｐＨの非侵入性測定を改善することである。

この書面の説明では、実施例を用いて、本発明を、ベスト・モードも含めて開示するとともに、どんな当業者も本発明を実施できるように、たとえば任意の装置またはシステムを作りおよび用いること、ならびに取り入れた任意の方法を実行することができるようにしている。本発明の特許可能な範囲は、請求項によって規定されており、当業者に想起される他の例を含んでいても良い。このような他の例は、請求項の文字通りの言葉使いと違わない構造要素を有する場合か、または請求項の文字通りの言葉使いとの違いが非実質的である均等な構造要素を含む場合には、請求項の範囲内であることが意図されている。

Claims (20)

1. 交換する２つ以上のスペクトル的に識別可能な化学種の割合を測定するための方法であって、
   第１のチップ角によって第１の化学種を選択的に励起する第１のＲＦ励起パルスを発生させるステップと、
   前記第１の化学種を、前記第１のＲＦ励起パルスに応答して生成される共鳴信号に基づいて定量化するステップと、
   前記第１の化学種と第２の化学種との間の平衡状態下で、前記第１のチップ角とは異なる第２のチップ角によって少なくとも前記第２の化学種を励起する第２のＲＦ励起パルスを発生させるステップであって、前記第２のＲＦ励起パルスを、前記第１のＲＦ励起パルスの発生の間に又は前記第１のＲＦ励起パルスと同時に発生させるステップと、
   前記第２の化学種を、前記第２のＲＦ励起パルスに応答して生成される共鳴信号に基づいて定量化するステップと、
   設定した反復回数だけ、前記第１のＲＦ励起パルスを発生させるステップ、前記第１の化学種を定量化するステップ、前記第２のＲＦ励起パルスを発生させるステップ、および前記第２の化学種を定量化するステップを繰り返すステップと、
   前記第１のチップ角および前記第２のチップ角の効果差を補正して、交換する前記第１の化学種および前記第２の化学種の割合を得るステップと、を含む方法。
2. 前記第２のＲＦ励起パルスを、前記第１のＲＦ励起パルスの発生の間に発生させる場合、前記第１のＲＦ励起パルスを発生させるステップおよび前記第２のＲＦ励起パルスを発生させるステップをインターリーブする請求項１に記載の方法。
3. 前記第２のＲＦ励起パルスを、前記第１のＲＦ励起パルスと同時に発生させる場合、前記第１のＲＦ励起パルスを発生させるステップおよび前記第２のＲＦ励起パルスを発生させるステップを、マルチバンドＲＦパルスを用いて同時に行なう請求項１に記載の方法。
4. 前記割合に基づいてｐＨを決定するステップを含む請求項１に記載の方法。
5. 前記繰り返すステップによって、前記第１の化学種に対して取得される共鳴信号が平均化される請求項１に記載の方法。
6. 前記繰り返すステップによって、前記第１の化学種と前記第２の化学種との間の交換比の時間分解測定または空間符号化が得られる請求項１に記載の方法。
7. 前記第１のチップ角は、第１のチップ角が３０°以上である請求項１に記載の方法。
8. 前記第１の化学種と前記第２の化学種との平衡状態が共鳴データの取得の間に復元され、第２のチップ角が３０°未満である請求項１に記載の方法。
9. １または複数の実行可能ルーチンを記憶するメモリ構造であって、前記実行可能ルーチンは、実行されると、
   第１のチップ角によって第１の化学種を選択的に励起する第１のＲＦ励起パルスを発生させることと、
   前記第１の化学種を、前記第１のＲＦ励起パルスに応答して生成される共鳴信号に基づいて定量化することと、
   前記第１の化学種と第２の化学種との間の平衡状態下で、前記第１のチップ角とは異なる第２のチップ角によって少なくとも前記第２の化学種を励起する第２のＲＦ励起パルスを発生させることであって、前記第２のＲＦ励起パルスを、前記第１のＲＦ励起パルスの発生の間に又は前記第１のＲＦ励起パルスと同時に発生させることと、
   前記第２の化学種を、前記第２のＲＦ励起パルスに応答して生成される共鳴信号に基づいて定量化することと、
   設定した反復回数だけ、前記第１のＲＦ励起パルスを発生させること、前記第１の化学種を定量化すること、前記第２のＲＦ励起パルスを発生させること、および前記第２の化学種を定量化することを繰り返すことと、
   前記第１のチップ角および前記第２のチップ角の効果差を補正して、交換する前記第１の化学種および前記第２の化学種の割合を得ることと、を含む行為を行なわせるメモリ構造。
10. 前記第２のＲＦ励起パルスを、前記第１のＲＦ励起パルスの発生の間に発生させる場合、前記第１のＲＦ励起パルスおよび前記第２のＲＦ励起パルスはインターリーブされる請求項９に記載のメモリ構造。
11. 前記第２のＲＦ励起パルスを、前記第１のＲＦ励起パルスと同時に発生させる場合、前記第１のＲＦ励起パルスおよび前記第２のＲＦ励起パルスは、マルチバンドＲＦパルスを用いて同時に発生される請求項９に記載のメモリ構造。
12. 前記１または複数の実行可能ルーチンは、実行されると、さらに、前記割合に基づいてｐＨを決定することを含む行為を行なわせる請求項９に記載のメモリ構造。
13. 前記繰り返す行為によって、前記第１の化学種に対して取得される共鳴信号が平均化される請求項９に記載のメモリ構造。
14. 前記繰り返す行為によって、前記第１の化学種と前記第２の化学種との間の交換比の時間または空間分解測定が得られる請求項９に記載のメモリ構造。
15. 磁気共鳴分光システムであって、
    容積内に一次磁場を発生させるように構成された一次場コイルと、
    ＲＦパルスを発生させるように構成された高周波（ＲＦ）コイルと、
    前記一次場コイルおよび前記ＲＦコイルの動作を制御するための１または複数の制御回路と、
    パルス・シーケンスを実施するために前記１または複数の制御回路によって実行されるべき命令を記憶するメモリであって、
    前記パルス・シーケンスは、実行されると、
    第１のチップ角によって第１の化学種を選択的に励起する第１のＲＦ励起パルスを発生させることと、
    前記第１の化学種と第２の化学種との間の平衡状態下で、前記第１のチップ角とは異なる第２のチップ角によって少なくとも前記第２の化学種を励起する第２のＲＦ励起パルスを発生させることであって、前記第２のＲＦ励起パルスを、前記第１のＲＦ励起パルスの発生の間に又は前記第１のＲＦ励起パルスと同時に発生させることと、
    設定した反復回数だけ、前記第１のＲＦ励起パルスを発生させる行為と前記第２のＲＦ励起パルスを発生させる行為とを繰り返すことと、を行なわせるメモリと、を含む磁気共鳴分光システム。
16. 前記ＲＦコイルはまた、前記ＲＦパルスに応答して生成される共鳴信号を検出する受信コイルとして機能するように構成されている請求項１５に記載の磁気共鳴分光システム。
17. 前記ＲＦパルスに応答して生成される共鳴信号を検出する別個の受信コイルを含む請求項１５に記載の磁気共鳴分光システム。
18. 前記第２のＲＦ励起パルスを、前記第１のＲＦ励起パルスの発生の間に発生させる場合、前記第１のＲＦ励起パルスおよび前記第２のＲＦ励起パルスはインターリーブされる請求項１５に記載の磁気共鳴分光システム。
19. 前記第２のＲＦ励起パルスを、前記第１のＲＦ励起パルスと同時に発生させる場合、前記第１のＲＦ励起パルスおよび前記第２のＲＦ励起パルスは、マルチバンドＲＦパルスを用いて同時に発生される請求項１５に記載の磁気共鳴分光システム。
20. 前記メモリはさらに、交換する前記第１の化学種および前記第２の化学種の割合を前記第１のチップ角および前記第２のチップ角の効果差に基づいて決定するために前記１または複数の制御回路によって実行されるべき命令を記憶する請求項１５に記載の磁気共鳴分光システム。

Images