JPH02105045A - 磁気共鳴分光学での異核減結合方法およびスペクトル決定装置 - Google Patents

磁気共鳴分光学での異核減結合方法およびスペクトル決定装置

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JPH02105045A
JPH02105045A JP1210825A JP21082589A JPH02105045A JP H02105045 A JPH02105045 A JP H02105045A JP 1210825 A JP1210825 A JP 1210825A JP 21082589 A JP21082589 A JP 21082589A JP H02105045 A JPH02105045 A JP H02105045A
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pulse
nuclei
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JP1210825A
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Peter R Luyten
ペテル ルドルフ ルイテン
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Philips Gloeilampenfabrieken NV
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は磁気共鳴分光学での異核減結合の方法に関する
もので、物体内の第1形式の核から起こる磁気共鳴信号
が少なくとも無線周波数電磁励起パルスで第1形式の核
を照射することにより発生され、この第1形式の核は物
体内の第2形式の核ヘスピン結合されており、第1形式
の核を第2形式の核から減結合するために、少なくとも
磁気共鳴信号の信号捕捉中は反転パルスのパルス列が第
2形式の核へ当てられている。
本発明はまた少なくとも一つの磁気共鳴信号からスペク
トルを決定する装置にも関係し、その装置は安定した一
様な磁界を発生する手段と、物体内の第1形式の核を励
起するための無線周波数電磁励起パルスを送信する第1
送信機手段と、第2形式の核が第1形式の核ヘスピン結
合されているので、第1形式の核を第2形式の核から減
結合するために、物体内の前記第2形式の核へ反転パル
スを送信する第2送信機手段と、その物体から共鳴信号
を受信する受信機手段と、少なくとも一つの磁界の勾配
を発生する手段と、磁気共鳴信号をサンプリングするサ
ンプリング手段と、及びそのスペクトルを表示する表示
手段とを具え、且つ前記サンプリング手段によって得ら
れたサンプリング値からスペクトルを決定するプログラ
ムされた計算手段を含む処理手段をも具え、このプログ
ラムされた計算手段は、少なくとも磁気共鳴信号の信号
捕捉期間中は、反転パルスを送信するための第2送信機
手段を活性化するのにも適している。
〔従来の技術とその問題点〕
この種の方法は、空間的に局限された分光学あるいは分
光学的結像に特に適しており、なかんずく生体内の13
0及び31p分光学に用いられ得る。
そのような方法は米国特許明細書No、4470014
から既知である。そのような方法に従って、物体が安定
した一様な磁界内に置かれ、例えば100同位体の第1
形式の核から磁気共鳴信号を得るために、無線周波数電
磁励起パルスが第1送信機手段を介してこの物体へ当て
られ、そのパルスはこの第1形式の核の磁気共鳴周波数
に近い周波数内容を有する。この第1形式の核は例えば
1H水素の第2形式の核へ分子的に結合され、分子の種
類に依存して、第1形式の核は第2形式の1個又は1個
以上の核ヘスピン結合され得る。分子内の結合の方法が
例えばフーリエ変換によって磁気共鳴信号から形成され
るスペクトルに関して影響を有する。
単一結合は第2形式の核1Hの場合にはスペクトル中に
二重項(doublet)を生じ、これは関連する分子
に対して二つの共鳴ピークが生じることを意味する。こ
れは角スピンによって水素の1/2であり(スピン・ア
ップ又はスピン・ダウン)、従って関連部分内の第2形
式の核の角スピン固体群(population)の一
部が補足的な事実上同一の部分により経験される環境か
ら僅かに異なる化学的環境を経験する。この部分の磁気
共鳴周波数は、それ故、僅かに異なる。複数結合はスペ
クトル内に多重線(multiplet)を生じる。よ
り高度な分解能及びより高度な信号対雑音比を得るため
に、磁気共鳴信号の信号捕捉期間中は、既知の方法では
第2形式の核の核達は、第2送信機手段を用いて、第2
の形式の核の磁気共鳴周波数に近い周波数内容を有する
反転パルスのパルス列で照射される。
反転パルスは変動する位相パターンを有する複合パルス
である。第1形式と第2形式の核の減結合が実現される
条件に対して、前記米国特許明細書No、447001
4を参照できる。減結合の結果として、減結合されてい
ないスペクトル内の二重項又は多重線は減結合されたス
ペクトル内の単一の共鳴ピークのように見え、それの強
さは個別のピークの強さの和である。このスペクトルは
より高度な分解能を得て、それは第1形式の核を有する
種々の分子がよりよく区別され、且つ信号対雑音比がよ
り高度であることを意味する。なかんずく、物体内でス
ペクトルが決定される量部分が選定される空間的に局限
された分光学の場合には、重要な全体量にわたって適当
な減結合を達成するために反転パルスが均質であること
が必要であり、これは無線周波数電磁界の強さが送信機
コイル全体でほぼ同一でなければならぬことを意味する
。例えば、物体の上部を囲む送信機コイル又は物体全体
を囲む送信機コイルを含む第2送信機手段が使用される
場合には、前記均一性の要求が一般的に満たされる。表
面コイルが使用される場合には、充分な強さの電磁界が
部分的に届けられるのみなので、必要な一様な感度パタ
ーンは一般的に達成されない。その場合には、既知の方
法に従った反転パルスはコイルの全感度範囲にわたって
適当な減結合を達成することはできない。非常に弱い3
IP−IH結合(5〜l0H2)が比較的低電磁界強さ
(1,57)でスペクトルの分解能に関して有力な役割
を演じ始める燐のような核に対してさえも、不均一な感
度パターンを超えて固体群反転を達成することが必要で
ある。
減結合磁界内での不均質性に非常に鈍感な異核減結合方
法を提供することが本発明の目的の一つである。
〔問題点を解決するための手段〕
これを達成するために、本発明による方法は、反転パル
スが周波数又は位相でと同時に振幅でも変調されたパル
スであることを特徴とする。これにより、非常に良好な
減結合が達成される。更に、反転パルスの最適化に関し
てきびしい要求は何ら課せられない。この振幅及び周波
数変調パルスは断熱高速通過パルス(adiabati
c fast passagepulses)  とも
呼ばれ、反転は周波数掃引を介して達成される。
欧州特許明細書[EP 0195404が核スピンを減
結合するために核磁気共鳴(NMR)過程で高周波数電
磁パルスの振幅及び周波数変調を本質的に参照すること
は注意されるべきであるが、欧州特許明細書EP 01
95404で参照される周波数変調は、減結合さ゛れる
べきラーモア周波数(Rarmor frequenc
y)の近くの周波数範囲へその帯域幅が調節された高周
波数電磁パルスを得るために用いられる。欧州特許明細
書EP 0195404は周波数変調とパルス角との間
の関連性は指示していない。本発明による方法は“反転
パルス”なる語により表現されるそのような関連性を留
意させる。均質な減結合磁界が強烈に不均質な高周波数
電磁界の場合にも造られるように、一方ではそのような
変調周波数と変化率及び振幅変調の大きさとの間の関連
性が、他方では減結合されるべき全ての核スピンが所定
の周波数帯域内で一様な応答を有することが存在しなけ
ればならず、それで均質な減結合磁界が強烈に不均質な
高周波電磁界の場合にも造られる。
本発明による方法の一変形は、振幅変調は双曲線セカン
ト関数に追従し、周波数変調は双曲線正接関数に追従す
ることを特徴とする。そのような反転パルスが最良の減
結合を提供することが見出された。この種のパルスは双
曲線セカント周波数変調反転パルスとも呼ばれ、フィジ
カル・レビューA、  第31巻、第4号、  198
5年4月の2753〜2755頁のエム・エフ・シルバ
ー他による“核磁気共鳴における選択的スピン反転及び
ブロッホ・リカノチの方程式の正確な解を通した干渉光
学”なる論文に掲載されている。
本発明による方法の一変形は、反転パルスのパルスパワ
ーが所定のしきい値を超えることを特徴とする。コイル
の全感度範囲に対して断熱通過の原理が満足されねばな
らない。しきい値が充分高く選ばれた場合に減結合磁界
法が180°反転を生じることが見出された。然し乍ら
、しきい値は高過ぎるように選ばれるべきではない。J
連結器と呼ばれるものを通してさえも、31p−l)(
の場合には反転パルスの比較的低い繰返し数を許容する
のに定数は充分小さく、パルスパワーが生体内の分光学
期間中に高過ぎる場合には安全基準が犯され得る。例え
ば部分的分光学は4W/kgの安全基準を受ける。
本発明による方法の一変形は、第1形式の核は第1表面
コイルにより照射され、第2形式の核は第2表面コイル
により照射されることを特徴とする。減結合は第2表面
コイルの全感度範囲にわたって達成される。
本発明による方法の一変形は、磁気共鳴信号が物体の指
部分から選択されることを特徴とする。
局限図形が生体内分光学で選ばれる映像(ISIS)と
して用いられる場合には、表面コイルによって適用され
る周波数変調された励起パルスと反転パルスとによる指
部分の選定に対して、本発明による方法が第2形式の核
に対する磁界内と同様に第1形式の核に対する磁界内の
不均質性に対して鈍感であることが見出された。生体内
分光学で選ばれ映像に対しては、米国特許明細書Nα4
714883が参考となる。
〔実施例〕
以下、図面を参照しつつ本発明の詳細な説明する。
第1図は本発明による装置1を図式的に示す。
この装置1は、抵抗磁石又は超伝導磁石の場合に、磁石
コイル2及び直流電源3を具える。磁石コイル2及び直
流電流3が、例えば1.5Tの強さを有し得る安定した
一様な磁界を発生する手段4を構成する。磁石コイル2
が永久磁石として建造される場合には、直流電流3は省
略される。磁石コイル2の内側に物体5が配設できる。
物体5は第2形式の核にスピン結合された第1形式の核
を含む。
生体内燐分光学の期間中、物体はその中で31p核が1
個又はそれ以上の陽子へ結合されている、例えば、グリ
セリン酸−2,3−二燐酸、ホスホ・エタノールアミン
、ホスホ・コリン、グリセロ・ホスホ・エタノールアミ
ン、グリセロ・ホスホ・コリン及びアルファ・アデノシ
ン三燐酸を含む。
この結合は結合定数37秒で表現できる。装置lの動作
中に、物体5は磁石コイル2内に配設されており、(磁
気双極子モーメントを有する核の)核スピンの若干の超
過量が平衡の状態にある安定した一様な磁界の方向へ向
けられる。巨視的観点からはこれは平衡磁化である磁化
Mと考えられる。
装置lは物体5内の例えば31pの第1形式の核を励起
するために無線周波数電磁励起パルスを送信する第1送
信機手段6も具える。この第1送信機手段6は搬送波信
号を発生する発振器7と、搬送波信号の振幅及び/又は
位相あるいは周波数変調用変調器8と、増幅器9と、及
び無線周波数電磁パルス送信用と電磁共鳴信号受信用の
第1コイル11へ結合された方向性結合器IOを具える
。このコイル11は、物体全体を囲むコイル、物体の一
部を囲むコイル、あるいは表面コイルであり得る。発振
器7は処理手段12へ結合され、また変調器8は処理手
段12へ結合されている処理計算機13へ結合される。
この処理手段12はプログラムされた計算手段14を具
える。第1形式の核として例えば31pの磁気共鳴の近
くの周波数内容を有する励起パルスが、プログラムされ
た手段の制御のもとて第1送信機手段6により物体へ当
てられた場合には、磁気共鳴信号が起こる。1.5Tに
対してこれは25MHzの近くの周波数レンジである。
装置1は物体5からの磁気共鳴信号を受信するための受
信機手段15を具え、この受信機手段15は発振器7.
方向性結合器10及びコイル11を具え、且つまた増幅
器16、 例えば位相感応性検波器である復調器17.
及び復調された磁気共鳴信号に信号サンプリング動作を
実行するへ10変換器18(サンプリング手段)をも具
える。普通は直角検波が行われる。その時は他のA/D
変換器(図示せず)が備えられる。
A/D変換器がディジタル・サンプリング値を処理手段
12へ送る。プログラムされた計算手段14がフーリエ
変換アルゴリズムを用いて、サンプリング値からスペク
トル又は分光映像を決定する。装置1はこのスペクトル
又は分光映像を表示するための表示手段19を具える。
装置1はまた搬送波信号を発生するための発振器21.
搬送波信号の振幅及び周波数又は位相変調用変調器22
.増幅器23及びコイル24を含む第2送信機手段をも
具える。この第2送信機手段を介して、第1形式の核と
第2形式の核とを減結合するために、反転パルスが第2
形式の核へ当てられ得る。このコイル24は、物体全体
を囲むコイル、物体5の一部を囲むコイル。
あるいは表面コイルであり得る。装置1はまた、安定し
た一様な磁界に重畳される磁界の勾配を発生するための
手段25をも具える。この手段25は、磁界の勾配GX
を発生するための勾配磁石コイル26、磁界の勾配G、
を発生するための勾配磁石コイル27.磁界の勾配G2
を発生するための勾配磁石コイル28.及び別々に活性
化され得るこれらの勾配磁石コイル26.27及び28
を付勢するために、処理計算機13により活性化され得
る電源29とを具える。図示した実施例では、勾配磁石
コイルの空間的配置は、磁界の勾配Gx、Gv及びG、
1.の磁界方向が安定した一様な磁界と一致し、第1図
に3つの相互に直角な軸X、Y及びZによって示したよ
うな互いに直角に延びる勾配方向と一致するようになっ
ている。核磁気共鳴装置のもっと一般的な説明及び核磁
気共鳴の理論の一般的な説明については、アイ・アール
・エル出版会社から1987年に出版された、エム・エ
イ・フォスター及びジエイ・エム・ニス・ハッチンソン
による“実際の核磁気共鳴映像化”のハンドブックの1
〜48頁が参照できる。
第2図は装置1に用いるための表面コイルの形状を示し
、方向性結合器lOへ結合するための表面コイル11と
増幅器23へ結合するための表面コイル24とが示しで
ある。燐分光学使用の場合には、第1形式の核の照射の
ために14cmの直径を有する表面コイル11が用いら
れ、!+pと1Hとの減結合用周波数変調断熱高速通過
パルスにより第2形式の核IHを照射するためには16
cmの直径を有する表面コイル24が用いられている。
このコイル11と24とは、3cmの距離で互いに同心
的であるように平行な平面内に配設される。共鳴信号の
測定の期間中、このコイル24に近い高磁束範囲で物体
に当てられている磁束から過大な無線周波数の威力を防
止するために、コイル24はコイル11よりも物体から
3cm余分に離して置かれる。
第3図は双曲線セカント周波数変調反転パルス、すなわ
ち時間tの関数としてのそれの振幅Ωが、Ω=Ωose
ch(βt)を満足するパルスで、周波数掃引がAω=
μβtanh(t)であるパルスを示す。ここにΩ。は
最大振幅であり、μとβとは定数である。優秀な減結合
は、陽子スペクトル中の中心共鳴周波数に近い約600
)1zのスペクトル幅に相当する(安定した一様な磁界
の1,5Tの強さに対し60MHzの10ppm ) 
、8msの期間Tを有する反転パルスによって達成され
る。反転はスピリッチングに関して(例えば二重項)遠
くなければならず、ベクトルと考えられるべき二重項の
2つの磁化はこのとき燐の共鳴周波数で回転する座標系
内で相互に接近したり離間したり交互に動くが、有効に
はそれらは位相離去しない。減結合磁束BはB〉(2π
J)/ガンマ 及び (2π陽子スペクトル帯域幅)/ガンマの条件に支配さ
れ、ここにガンマは陽子のジャイロスコープ比である。
第4図は本発明による異核減結合の第1の変形を示し、
そこでは共鳴信号は空間的に局限された分光学から得ら
れる。第1図の局限する装置1を用いて、例えば前記生
体内分光学で選ばれる映像(+515)のような局限線
図によって、物体5内の量部分が局限される。生体内分
光学で選ばれる映像(ISIS)は磁界の勾配Gx、 
G、及びG2を8個の共鳴信号の組に組み合わせる。こ
の勾配は選択的な180°パルスと一致する。生体内分
光学で選ばれる映像(IsIs)のより詳細な説明は前
記米国特許明細書No、4714883を参照できる。
第1送信機手段6を介して、選択的パルスが、例えば3
1pへ当てられる。続いて、第1送信機手段6が励起パ
ルスexを第1形式の核へ当て、その結果として磁気共
鳴信号FIDが発生する。サンプリング手段を用いて、
磁気共鳴信号FIDのサンプルが時刻t1〜t2の各瞬
間取られる。本発明によって、サンプリングの期間中パ
ルスP、、 P、、 P3. ・・・・Pnが第2送信
機手段20を介して第2形式の核へ当てられ、そのパル
スは周波数又は位相に関してと同時に振幅に関して変調
されている。1系列seqは、例えば3Sの継続期間を
有し、時間での距離1.−12は全体で、例えば256
m5となり、パルス期間Tは3msである。前記の表面
コイル形状によって適当な減結合を達成するために、減
結合磁界用に140W以上のピークパワーが必要である
。これが前記の安全制限内である3、5Wの平均パワー
に帰着する。なおさら強い共鳴信号に帰着する核オーバ
ーハウザー効果(NOE)  と呼ばれるものを達成す
るために、非結合パルスが局限期間中第2形式の核へも
当てられ得てさえも、この例では生体内分光学に対する
安全制限がこのとき犯される。快適な信号−雑音比を達
成するために、共鳴信号を多数平均することが必要であ
り、例えば、生体内肝臓スペクトルに対しては2B0信
号が平均される。物体のもっと孤立した範囲が掃査され
る場合には、例えば脚のある幼獣の場合には、量選定が
実施され得る。
第5A図は本発明による方法の第2の変形を図解する。
それは時間tの関数としての分光学的映像の捕捉図を示
す。第1送信機手段6を介して、所定の角を通して例え
ば31pの磁化Mを回転させ、且つ磁気共鳴信号FID
を発生する励起パルスexO後に、磁界の勾配G、、G
y及びG2が手段25によって当てられる。その角は9
0°又はそれ以下である。時刻t1〜t2の信号捕捉の
期間中、第2送信機手段20を介して本発明による反転
パルスpi、 p2゜p3.・・・・pnが第2形式の
核へ当てられる。この手順が磁界の勾配Gx、Gy及び
G2の強さが変化する間繰り返えされ、それで核スピン
が量部分内で普通の映像系列内でのごとく位相符号化さ
れる。勾配に沿う位置で位相が変化し、且つ位相符号化
が起こる。信号捕捉期間中、スピン開始前の周波数が化
学シフトのみに依存するように磁界の勾配は当てられな
い。共鳴信号は化学シフトを表現する。フーリエ変換の
後、位置依存スペクトルが得られる。所定の周波数範囲
が、例えばPCr(燐クレアチン)に相当するスペクト
ルから隔離されている場合及びPCrスペクトルのピー
ク(ピークの下の表面範囲)の値が決定され且つ、例え
ばボクセル(voxels)の薄片(slice)に対
して灰色値として又は色調として表示される場合には、
分光学的映像が得られる。減結合がそのような形成され
るべき映像を可能にするためにスペクトル内で充分な解
像度を保証する。
第5B図は本発明による方法の第3の変形を図解し、そ
の変形は第5A図に示した変形とほとんど一致する。相
当する符号と変数とは相当する参照符号で示した。この
捕捉図は既知のスピンエコー法に基づいており、90°
励起パルスex、180°反転パルスlp及び共鳴信号
ecが示される。磁界の勾配が励起パルスeXと反転パ
ルスIpとの間に当てられ、且つ減結合パルスが時刻t
1〜L2の信号捕捉期間中当てられる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による装置を図式的に示し、第2図は表
面コイルの尼状を示し、 第3図は双曲線セカント周波数変調された反転パルスを
示し、 第4図は本発明による異核減結合の第1の変形を示し、 第5A図は本発明による方法の第2の変形を示し、また
、 第5B図は本発明による方法の第3の変形を示す。 1・・・装置 2・・・磁石コイル 3・・・直流電源 4.25・・・手段 5・・・物体 6・・第1送信磯手段 7.21・・・発振器 8.22・・変調器 9、 16.23・・・増幅器 10・・・方向性結合器 11、24・・・コイル 12・・・処理手段 13・・・処理計算機 14・・・プログラムされた計算手段 15・・・受信機手段 17・・・復調器 18・・・A/D変換機 19・・・表示手段 20・・・第2送信機手段 26、27.28・・・勾配磁石コイル29・・・電源 特許出願人  エヌ・ベー・フィリフプス・フルーイラ
ンペンファブリケン 代理人弁理士 杉  村  暁  大 同   弁理士   杉    村    興    
作Fl(15B

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、物体内の第1形式の核から起こる磁気共鳴信号が少
    なくとも無線周波数電磁励起パルスで第1形式の核を照
    射することにより発生され、この第1形式の核は物体内
    の第2形式の核ヘスピン結合されており、第1形式の核
    を第2形式の核から減結合するために、少なくとも磁気
    共鳴信号の信号捕捉中は反転パルスのパルス列が第2形
    式の核へ当てられている磁気共鳴分光学での異核減結合
    方法において、反転パルスが周波数又は位相でと同時に
    振幅でも変調されたパルスであることを特徴とする磁気
    共鳴分光学での異核減結合方法。2、振幅変調は双曲線
    セカント関数に追従し、周波数変調は双曲線正接関数に
    追従することを特徴とする請求項1記載の磁気共鳴分光
    学での異核減結合方法。 3、振幅変調は双曲線セカント関数に追従し、位相変調
    は双曲線正接関数の積分に追従することを特徴とする請
    求項1記載の磁気共鳴分光学での異核減結合方法。 4、前記反転パルスのパルスパワーが所定のしきい値を
    超えることを特徴とする請求項1、2又は3記載の磁気
    共鳴分光学での異核減結合方法。 5、第1形式の核が^3^1P燐同位体であり、第2形
    式の核が^1H水素であることを特徴とする請求項1、
    2、3又は4記載の磁気共鳴分光学での異核減結合方法
    。 6、第1形式の核は第1表面コイルにより照射され、第
    2形式の核は第2表面コイルにより照射されることを特
    徴とする請求項1、2、3、4又は5記載の磁気共鳴分
    光学での異核減結合方法。 7、磁気共鳴信号が物体の量部分から選択されることを
    特徴とする請求項1、2、3、4、5又は6記載の磁気
    共鳴分光学での異核減結合方法。 8、少なくとも一つの磁気共鳴信号からスペクトルを決
    定する装置であって、その装置は安定した一様な磁界を
    発生する手段と、物体内の第1形式の核を励起するため
    の無線周波数電磁励起パルスを送信する第1送信機手段
    と、第2形式の核が第1形式の核へスピン結合されてい
    るので、第1形式の核を第2形式の核から減結合するた
    めに、物体内の前記第2形式の核へ反転パルスを送信す
    る第2送信機手段と、その物体から共鳴信号を受信する
    受信機手段と、少なくとも一つの磁界の勾配を発生する
    手段と、磁気共鳴信号をサンプリングするサンプリング
    手段と、及びそのスペクトルを表示する表示手段とを具
    え、且つ前記サンプリング手段によって得られたサンプ
    リング値からスペクトルを決定するプログラムされた計
    算手段を含む処理手段をも具え、このプログラムされた
    計算手段は、少なくとも磁気共鳴信号の信号捕捉期間中
    は、反転パルスを送信するための第2送信機手段を活性
    化するのにも適しているスペクトル決定装置において、 前記プログラムされた計算手段が、反転パルスが周波数
    又は位相でと同時に振幅で変調されたパルスであるよう
    に、第2送信機手段を制御するのにも適していることを
    特徴とするスペクトル決定装置。
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