JPH0222648B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、核磁気共鳴（nuclear magnetic
resonance）（以下これを「NMR」と略称する。）
現象を利用して、被検体内における特定原子核分
布等を被検体外部より知るようにした核磁気共鳴
による検査装置に関するものである。特に、医療
用装置に適するNMR画像装置の改良に関する。

〔原理の説明〕

本発明の説明に先だつて、はじめにNMRの原
理について概略を説明する。

原子核は、陽子と中性子とからなつており、こ
れらは全体として、核スピン核運動量→で回転し
ているとみなされる。

第１図は、水素の原子核（ ¹H）を示したもの
で、イに示すように１個の陽子Ｐからなり、スピ
ン量子数1/2で表される回転をしている。ここで、
陽子Ｐは、ロに示すように正の電荷e⁺を持つてい
るので、原子核の回転に従い、磁気モーメントμ→
が生ずる。すなわち、一つ一つの水素の原子核
は、それぞれ一つ一つの小さな磁石とみなせる。

第２図は、この点を模式的に示した説明図で、
鉄のような強磁性体では、この微小磁石の方向が
イに示すように揃つており、全体として磁化が観
測される。これに対して、水素等の場合は、微小
磁石の方向（磁気モーメントの向き）はロに示す
ようにランダムであつて、全体として磁化は見ら
れない。

ここで、このような物質に、Ｚ方向の静磁場
H₀を印加すると、各原子核がH₀の方向に揃う。
すなわち核のエネルギー準位がＺ方向に量子化さ
れる。

第３図イは水素原子核についてこの様子を示し
たものである。水素原子核のスピン量子数は1/2
であるから、第３図ロに示すように−1/2と＋1/2
の２つのエネルギー準位に分かれる。２つのエネ
ルギー準位間のエネルギー差ΔEは、(1)式で表さ
れる。

ΔE＝γhH₀ ……(1) ただし、γ：磁気回転比 ｈ＝ｈ／2π ｈ：プランク定数 H₀：磁気強度 ここで各原子核には、静磁場Ｈ→₀によつて、 μ→×Ｈ→₀ なる加が加わるので、原子核はＺ軸のまわりを、
(2)式で示すような角速度ωで歳差運動する。

ω＝γH₀（ラーモア角速度） ……(2) この状態の系に角速度ωに対応する周波数の電
磁波（通常ラジオ波）を印加すると、共鳴がおこ
り、原子核は(1)式で示されるエネルギー差ΔEに
相当するエネルギーを吸収して、高い方のエネル
ギー準位に遷移する。核スピン角運動量を持つ原
子核が数種類混在していても、各原子核によつて
磁気回転比γが異なるため、共鳴する周波数が異
なり、したがつて特定の原子核の共鳴のみを取り
出すことができる。また、その共鳴の強さを測定
すれば、原子核の存在量も知ることができる。ま
た、共鳴後、緩和時間と呼ばれる時定数で定まる
時間の後に、高い準位へ励起された原子核は、低
い準位へもどる。

この緩和時間は、スピン―格子緩和時間（縦緩
和時間）T₁と、スピン―スピン緩和時間（横緩
和時間）T₂とに分類され、この緩和時間を観測
することにより物質分布のデータを得ることがで
きる。一般に固体では、スピンは結晶格子の上に
決まつた位置にほぼ固定されているので、スピン
同士の相互作用が起こりやすい。したがつて緩和
時間T₂は短く、核磁気共鳴で得たエネルギーは、
まずスピン系にゆきわたつてから格子系に移つて
ゆく。したがつて時間T₁はT₂に比べて著しく大
きい。これに対して、液体では分子が自由に運動
しているので、スピン同士スピンと分子系（格
子）のエネルギー交換の起こりやすさは同程度で
ある。したがつて時間T₁とT₂はほぼ等しい値に
なる。特に時間T₁は、各化合物の結合の仕方に
依存している時定数であり、正常組織と悪性腫瘍
とでは、値が大きく異なることが知られている。

ここでは、水素原子核（ ¹H）について説明し
たが、この他にも核スピン角運動量をもつ原子核
で同様の測定を行うことが可能であり、水素原子
核以外に、リン原子核（ ³¹P）、炭素原子核（
¹³C）、ナトリウム原子核（ ²³Na）、フツ素原子
核（ ¹⁹F）、酸素原子核（ ¹⁷O）等に適用可能で
ある。

このように、NMRによつて、特定原子核の存
在量およびその緩和時間を測定することができる
ので、物質内の特定原子核について種々の化学的
情報を得ることにより、被検体内に種々の検査を
行うことができる。

〔従来の技術〕

従来より、このようなNMRを利用した検査装
置として、Ｘ線CTと同様の原理で、被検体の仮
想輪切り部分のプロトンを励起し、各プロジエク
シヨンに対応するNMR共鳴信号を、被検体の数
多くの方向について求め、被検体の各位置におけ
るNMR共鳴信号強度を再構成法によつて求める
ものがある。

第４図は、このような従来装置における検査手
法の一例を説明するための動作波形図である。

被検体に、はじめに第４図ロに示すようにＺ勾
配磁場Gz⁺と、イに示すように細い周波数スペク
トル(f)のRFパルス（90゜パルス）を印加する。こ
の場合、ラーモア角速度は ω＝γ（H₀＋ΔGz） ……(3) となる面だけのプロトンのみが励起され、磁化Ｍ
を第５図イに示すような角速度ωで回転する回転
座標系上に示せば、y′軸方向90゜向きを変えたも
のとなる。続いて、第４図ハ，ニに示すようにｘ
勾配磁場Gxとｙ勾配磁場Gyを加え、これによつ
て２次元勾配磁場を作り、ホに示すようなNMR
共鳴信号を検出する。ここで、磁化Ｍは第５図ロ
に示すように、磁場の不均一性によつて、x′、
y′面内で矢印方向に次第に分散して行くので、や
がてNMR共鳴信号は減少し、第４図ホに示すよ
うにτ時間を経過して無くなる。このようにして
得られたNMR共鳴信号をフーリエ変換すれば、
ｘ勾配磁場Gx、ｙ勾配磁場Gyにより合成された
勾配磁場と直角方向のプロジエクシヨンとなる。

以下、同じようにして、所定の時間τ′だけ待つ
て、次のシーケンスを繰り返す。各シーケンスに
おいては、Gx，Gyを少しずつ変える。これによ
つて、各プロジエクシヨンに対応するNMR共鳴
信号を被検体の数多くの方向について求めること
ができる。

〔発明の目的〕

このような動作をなす従来装置において、本発
明者は、前記RFパルス（90゜パルス）を印加した
後に磁化Ｍが緩和時間T₁により熱平衡状態にな
るまで待たずに、上記τ′の期間に反対極性の勾配
磁界―Gxおよび―Gyを与えて、スピンの動きを
逆転させエコーを発生させて磁化Ｍをｚ軸方向に
戻す方法を発明した。

第６図にこの方法の動作波形図を示す。すなわ
ち、第６図イに示すように原子核を励起させるた
めの第一の高周波パルス（90゜パルス）を印加し
時間Ts₁を経過してから、勾配磁界の極性を反転
させ、さらに時間ts₂が経過してから、熱平衡状
態に戻すための第一の高周波パルスの位相を反転
した第二の高周波パルス（90゜―ｘパルス）を印
加することにより１回のシーケンスを構成し、そ
の後第三の時間Tdを経過してから上記シーケン
スを繰り返す。この第一の時間Ts₁および第二の
時間Ts₂では、第６図ハ，ニに示すように、それ
ぞれ時間Tm₁およびTm₂にわたり、勾配磁界Gx
およびGyを印加する。この方法によれば、NMR
信号強度を観測することにより、緩和時間を待た
ずに緩和時間T₁，T₂および原子核密度を測定す
ることができる。

このようにしてNMR信号を観測する方法にお
いて、本発明者は勾配磁界の強度を制御すると、
反対極性の勾配磁界を印加する時間を短縮するこ
とができることに気付いた。

すなわち本発明は、複数の高周波パルスおよび
勾配磁界を印加するためのシーケンスを短縮し、
核磁気共鳴による検査を行う時間を短縮できる検
査装置を提供することを目的とする。

〔発明の要旨〕

本発明は、原子核を励起するための90゜の第一
の高周波パルスを与えてから熱平衡状態へ回復さ
せるための90゜−ｘの第二の高周波パルスを与え
るまでの時間に、被検体に印加する勾配磁界の強
度を大きくして、その時間を短縮することを特徴
とする。

すなわち、第一の勾配磁界の印加時間Tm₁、
第二の勾配磁界の印加時間Tm₂は、勾配磁界Gx
の強度をgx₁，gx₂、勾配磁界Gyの強度をgy₁，
gy₂とするとき、 gx₁×Tm₁＝gx₂×Tm₂ gy₁×Tm₁＝gy₂×Tm₂ であり、かつ Tm₂＜Tm₁ の関係になるように設定することを特徴とする。

〔実施例〕

以下図面を参照して本発明実施例を説明する。

第７図は本発明の一実施例の構成を示すブロツ
ク図である。図において、１は一様静磁場H₀（こ
の場合の方向をＺ方向とする。）を発生させるた
めの静磁場用コイル、２はこの静磁場用コイル１
の制御回路で、例えば直流安定化電源を含んでい
る。静磁場用コイル１によつて発生する磁束の密
度H₀は、0.1T〜0.2T程度であり、また均一度は
10^-4以上であることが望ましい。

３は勾配磁場用コイルを総括的に示したもの、
４はこの勾配磁場用コイル３の制御回路である。

第８図イは勾配磁場用コイル３の一例を示す構
成図で、Ｚ勾配磁場用コイル３１、ｙ勾配磁場用
コイル３２，３３、図示してないがｙ勾配磁場用
コイル３２，３３と同じ形であつて、90゜回転し
て設置されるｘ勾配磁場用コイルを含んでいる。
この勾配磁場用コイルは、一様静磁場H₀と同一
方向磁会を発生するもので、ｘ、ｙ、ｚ軸方向に
それぞれ直線勾配をもつ磁場を発生する。６０は
制御回路４のコントローラである。

５は被検体に細い周波数スペクトルｆのRFパ
ルスを電磁波として与える励磁コイルで、その構
成を第８図ロに示す。

６は測定しようとする原子核のNMR共鳴条件
に対応する周波数（例えばプロトンでは、42.6M
Hz／Ｔ）の信号を発生する発振器で、その出力
は、コントローラ６０からの信号によつて開閉が
制御されるゲート回路６１、パワーアンプ６２を
介して励磁コイル５に印加されている。７は被検
体におけるNMR共鳴信号を検出するための検出
コイルで、その構成は第８図ロに示す励磁コイル
と同じで、励磁コイル５に対して90゜回転して設
置されている。なお、この検出コイルは、被検体
にできるだけ近接して設置されることが望ましい
が、必要に応じて、励磁コイルと兼用させてもよ
い。

７１は検出コイル７から得られるNMR共鳴信
号（FID：free induction decay）を増幅する増
幅器、７２は位相検波回路、７３は位相検波され
た増幅器７１からの波形信号を記憶するウエーブ
メモリ回路で、Ａ／Ｄ変換器を含んでいる。８は
ウエーブメモリ回路７３からの信号を例えば光フ
アイバで構成される伝送路７４を介して入力し、
所定の信号処理を施して断層像を得るコンピユー
タ、９は得られた断層像を表示するテレビジヨン
モニタのような表示器である。

このように構成した装置の動作を、第９図を参
照しながら説明する。

まず、はじめに制御回路２は静磁場用コイル１
に電流を流し、被検体（被検体は各コイルの円筒
内に設置される。）に静磁場H₀を与えた状態とす
る。この状態において、コントローラ６０は、は
じめに制御回路４を介してＺ勾配磁場用コイル３
１に電流を流し、第９図ロに示すようにＺ勾配磁
場Gz⁺を与える。また、Gz⁺が与えられている下
で、ゲート回路６１を開とし、発振器６からの信
号を増幅器６２を介して励磁コイル５に印加し、
第９図イに示すように細いスペクトルを持つた
90゜パルスで、被検体の一面を励起する。なお、
第９図ロにおいて、Gz⁺に続くGz^-は、被検体の
異なる部分からのNMR共鳴信号の位相を一致さ
せるための波形信号であつて、この技術は公知の
技術である。

この時点t₀において磁化Ｍはy′の方向に90゜向き
を変える。続いてｘ勾配磁場用コイルおよびｙ勾
配磁場用コイル３２，３３に電流を流し、第９図
ハ，ニに示すように所定の大きさの磁場Gx，Gy
を印加し、検出コイル７から得られる第９図ホに
示すようなNMR共鳴信号を検出する。

検出コイル７で検出されるNMR共鳴信号は、
時間とともに次第に減衰するもので、この信号は
増幅器７１で増幅され、位相検波回路７２で位相
検波され、ウエーブメモリ回路７３を介してコン
ピユータ８に印加される。ここで、NMR共鳴信
号はフーリエ変換され、１プロジエクシヨンの信
号となる。これまでの動作は従来装置と同様であ
る。

NMR共鳴信号が無くなるまでのTs₁時間経過
後にコントローラ６０は、第９図ハ，ニに示すよ
うにｘ勾配磁場用コイルおよびｙ勾配磁場用コイ
ルに反対極性の電流であつて、電流値の大きい電
流を流し、被検体に磁場Gx，Gyを同時に印加さ
せる。

これにより、分散した磁化Ｍは再び集合しはじ
め、検出コイル７からは、第９図ホに示すように
次第に増大するNMR共鳴信号（この信号をエコ
ー信号と呼ぶ。）が検出される。

ここで本発明の特徴とするところは、はじめの
90゜パルスから勾配磁界の極性を反転するまでの
時間Ts₁に与える勾配磁界は時間Tm₁でその強度
はgx₁，gy₁であるが、勾配磁界の極性を反転し
てからつぎの90゜−ｘパルスを与えるまでの時間
Ts₂に被検体に与える勾配磁界の時間Tm₂はその
前の時間Tm₁より短くし、しかもその勾配磁界
の強度gx₂，gy₂は前の勾配磁界の強度gx₁，gy₁
より大きく制御するところにある。

このようにすると、NMR信号は第９図ホに示
すように、時間Ts₂で短い時間に集中的にエコー
信号が現れる。特に、勾配磁界を印加する時間と
勾配磁界の強度との関係を gx₁×Tm₁＝gx₂×Tm₂ gy₁×Tm₁＝gy₂×Tm₂ ……(4) とすることにより、短時間でエコー信号を観測す
ることができるようになる。

ここでTm₁は、データ収集のために必要な時
間であり、これに固定的であるから、原子核のス
ピンの集合に要する時間Tm₂を短くすることに
より全体のシーケンスの時間を短縮することが可
能である。

また、第一の高周波パルス（90゜パルス）を印
加してから第二の高周波パルス（90゜−ｘパルス）
を印加するまでの時間が短くなると、被検体の緩
和時間T₂によるスピンの拡がりが少なくなり、
次に観測するときの信号が大きくなる。

この状態からある時間Tdを経過後、緩和によ
つて磁化ＭはZ′軸に一致する。ここで、t₃の時点
から、磁化ＭがZ′軸に一致するまでの時間Tdは、
t₃の時点では磁化ＭがZ′軸から僅かに分散してい
るだけであることから、緩和時間T₁に比較して
十分短く、例えば4Ts程度でよい。時間Tdが経
過した時点で、第１回目のシーケンスが終了し、
以後同様のシーケンスを繰り返す。それぞれのシ
ーケンスでは、被検体に与えるGx，Gyを少しず
つ変え、それぞれのシーケンスについて、すなわ
ち、それぞれのプロジエクシヨンについて、検出
コイル７からNMR共鳴信号およびエコー信号を
得る。

コンピユータ８は、各シーケンスにおいて、例
えば、はじめに出力されるNMR共鳴信号または
時間反転波であるエコー信号をフーリエ変換し、
Ｘ線CTと同様な公知の手法（例えば
filteredback projection）によつて再構成演算を
行い、断層像を得て、これを表示器９に表示す
る。

このようにして、本発明では得られる情報にか
わりなく、１回のシーケンスの周期を短縮するこ
とができる。

つぎに本発明の他の実施例への応用について説
明する。

第１０図は二次元フーリエ法に本発明を実施し
た場合のパルス系列波形図である。この例は第一
の高周波パルス（90゜パルス）を印加してから、
第二の高周波パルス（90゜−ｘパルス）を印加す
るまでの間に、正負の勾配磁界Gx，Gyを順次印
加するもので、正負の勾配磁界の強度の変更はｙ
方向の勾配磁界についてのみ行えば十分である。
この方法によつても同様に全体の観測の周期を短
縮することができる。

第１１図はセレクテイブ・エクサイテーシヨ
ン・ライン法に本発明を実施した場合のパルス系
列波形図である。この方法は第一の周波数パルス
（180゜パルス）に先立つて90゜パルスを与え、その
90゜パルスと同時にｚ方向に勾配磁界Gzを与え、
上記180゜パルスと同時にｘ方向に勾配磁界Gxを
与えるように構成されたもので、この方法におい
ても正負の勾配磁界の強度の制御は、ｙ方向の勾
配磁界についてのみ行う。この方法によつても同
様に本発明を実施することができる。

第１２図は上記二次元フーリエ法の変形方法に
本発明を適用した場合のパルス系列波形図であ
る。この例は第一のパルスを印加してから第二の
パルスを印加するまでの間に繰り返して、正負の
勾配磁界を印加する方法である。

第１３図は上記二次元フーリエ法の別の変形方
法に本発明を適用した場合のパルス系列波形図で
ある。この方法は、ｘ方向の勾配磁界とｙ方向の
勾配磁界とを交互に繰り返し印加する方法であ
り、この方法にも同様に本発明を実施することが
できる。

第１４図は上記第１２図または第１３図で説明
した二次元フーリエ法の変形方法にインバージヨ
ン・リカバリ法を併用する方法であつて、第１４
図の破線の部分は第１２図または第１３図と同じ
ものである。この方法にも同様に本発明を実施す
ることができる。

数値の一例について検討した結果を示すと、信
号の大きさをＶ、被検体の縦緩和時間をT₁、横
緩和時間をT₂とすると、 Ｖ＝Ｋ１−exp（−Td／T₁）／１−exp（−Td／T₁−Ts
₁＋Ts₂／T₂）……(5) なる関係がある。

数値の一例として、鶏卵の卵白について示す
と、 T₁＝713ms、T₂＝124ms、 Ts₁＝10ms、Ts₂＝1ms、 Td＝50ms とすると、 Ｖ＝Ｋ×0.309 となる。一方従来例方法で、 Ts₁＝10ms、Ts₂＝10ms、 とすると、 Ｖ＝Ｋ×0.209 となる。この例についていくつかの時間 Ts＝Ts₁＋Ts₂ について、Ｋ＝１として計算した結果を第１５図
に示す。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、一回の
シーケンスの中で、反対極性の勾配磁界を印加す
る時間、すなわち原子核のスピンの集合に要する
時間を短縮することができ、シーケンスを短くす
ることができる。この時間の短縮によつても、緩
和時間および原子密度についての情報は従前と同
様に得られ、失われる情報はない。また、時間の
短縮により緩和時間T₂によるスピンの拡がりが
少なくなり、次に観測するときの信号が大きくな
る利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は水素原子のスピンを説明する図。第２
図は水素原子の磁気モーメントを模式化した図。
第３図は水素原子の原子核が磁場の方向に揃う状
態を説明する図。第４図はNMRによる検査パル
ス波形の一例を示す図。第５図は磁化Ｍを回転座
標系に表示する図。第６図は従来例方法のパルス
系列を示す図。第７図は本発明を実施する装置の
構成例を示す図。第８図は磁場用コイルの一例を
示す構造図。第９図は本発明実施例パルス系列波
形図。第１０図ないし第１４図は本発明を各種の
方法に実施した場合のパルス系列波形図。第１５
図は本発明実施例による観測結果の一例をシミユ
レーシヨンにより求めたものを示す図。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被検体に一様静磁界を与える手段と、 上記被検体の組織を構成する原子の原子核に核
   磁気共鳴を与えるための90゜の第一の高周波パル
   スを印加する手段と、 この90゜パルスの高周波パルスを印加してから
   第一の時間Tsの経過後に上記原子核に熱平衡状
   態へ回復させるための90゜−ｘの第二の高周波パ
   ルスを印加する手段と を含み、 上記第一ないし第二の高周波パルスを印加する
   ２つの手段で１回のシーケンスを構成し、 上記シーケンスの間に上記原子核に生ずる核磁
   気共鳴信号を測定して、上記原子核が共鳴してい
   る高いエネルギーレベルから熱平衡状態の低いエ
   ネルギーレベルに戻るまでの自由誘導減衰振動の
   測定を行う手段と、 その後第二の時間Tdを経過してから、上記シ
   ーケンスを繰り返えす手段と を備え、 被検体のｘ、ｙ軸方向に勾配磁界を印加する手
   段は、上記シーケンスの上記第一の時間Tsの時
   間中に設定された第一の勾配磁界印加時間Tm₁
   に勾配磁界を印加し、その第一の勾配磁界印加時
   間につづく第二の勾配磁界印加時間Tm₂に上記
   勾配磁界と反対極性の勾配磁界を印加する手段を
   含む 核磁気共鳴による検査装置において、 上記ｘ、ｙ軸方向に勾配磁界を印加する手段
   は、 上記勾配磁界の印加時間Tm₁，Tm₂は、ｘ軸
   方向の勾配磁界GxのTm₁における強度をgx₁、
   Tm₂における強度をgx₂、ｙ軸方向の勾配磁界Gy
   のTm₁における強度をgy₁、Tm₂における強度を
   gy₂とするとき、 gx₁×Tm₁＝gx₂×Tm₂ gy₁×Tm₁＝gy₂×Tm₂ であり、かつ Tm₂＜Tm₁ の関係になるように設定する手段を含む ことを特徴とする核磁気共鳴による検査装置。