JPH0228821B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 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
による検査方法及び検査装置に関するものであ
る。

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、核スピン角運動量Ｉ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で表わ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⁺をもつて
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、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
Hoを印加すると、各原子核がHoの方向に揃う
（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の二つの準位に分かれる。二つのエネルギー
準位間のエネルギー差ΔEは、(1)式で表わされる。

ΔE＝γhHo ……(1) ただし、γ：磁気回転比 ｈ＝ｈ／2π ｈ：ブランク定数 ここで各原子核には、静磁場Ho→によつて、 μ→×Ho→ なる力が加わるので、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＝γHo（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とり
だすことができる。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。この緩和時間のうち、特にT₁と
呼ばれるスピン一格子間緩和時間（縦緩和時間）
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
で同様の測定を行な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の種々の化学
的情報を得ることにより、被検体内の種々の検査
を行なうことができる。

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と同様な原理で、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ω＝γ（Ho＋ΔGz）とな
る面だけのプロトンが励起され、磁化Ｍを第５図
イに示すようなωで回転する回転座標系上に示せ
ば、y′軸方向に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ゆくので、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による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、を少しづつ変える。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。

このような動作をなす従来装置においては、第
４図において、NMR共鳴信号が無くなるまでの
時間τは、10〜20ｍＳであるが、次のシーケンス
に移るまでの所定時間τ′は、緩和時間T₁のため
1sec程度は必要となる。それ故に、一つの被検体
断面を、例えば128プロジエクシヨンで再構成す
るものとすれば、その測定には少なくとも２分以
上の長い時間を必要とする。

ここにおいて、本発明は、従来の手法および装
置におけるこのような欠点を除去することを目的
になされたものである。

本発明に係る方法は、磁化Ｍが緩和時間T₁に
より熱平衡状態（Ｍがz′軸方向を向く）になるま
で待たず、パルス系列を用いて、磁化Ｍをz′方向
へ強制的に向けるようにした点、および投影復元
法（projection recons traction）によつて各プ
ロジエクシヨンのデータを得るようにした点に特
徴がある。

第６図は本発明の手法を実現するための装置の
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Ho（この磁場の方向をＺ方
向とする）を発生させるための静磁場形成手段と
しての静磁場用コイル、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Hoは、0.1T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は勾配磁場発生手段としての勾配磁場用コイ
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（制御手段）で、勾配磁場用コ
イルに流す電流を切替えることにより、勾配磁場
用コイルが発生する勾配磁場を制御するものであ
る。

第７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、図示していないが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３は、一様静磁場Ho
と同一方向磁場で、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手段としての励磁
コイルで、その構成を第７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知
手段としての検出コイルで、その構成は第７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演算手段とし
て用いられるコンピユータ、９は得られた断層像
を表示するテレビジヨンモニターのような表示器
である。

このように構成した装置の動作を、次に第８図
及び第１２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Ho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
３１に電流を流し、第８図ロに示すようにｚ勾配
磁場Gz⁺を与える。これによつて第１０図に示す
ようにｚ軸に対して垂直な面PLを切り出す。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８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１面を励起する。なお、第８図ロにおいて、
Gz⁺に続くGz^-は、Ｓ／Ｎ比を良好にするためで
あつて、公知の手法である。

この時点t_pにおいては、磁化Ｍは第９図イの回
転座標系に示すようにy′軸方向に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８図ハ，
ニに示すように所定の大きさの磁場Gx，Gyを印
加する。第１１図はこの状態を図示化したもので
ある。ここでHBは被検体を示す。この状態の下
で、検出コイル７から得られる第８図ホに示すよ
うなNMR共鳴信号を検出する。NMR共鳴信号
が検出されている時点（例えばt₁の時点）では、
磁化Ｍは第９図ロに示すように、x′、y′面内で破
線矢印方向に次第に分散してゆく途中にある。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。第１２図はこの状態を図示化したもので
ある。すなわち、２つの勾配磁場の和が存在する
状態の信号をフーリエ変換することにより、面の
投影がスペクトル分布として得られる。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τ時間経過
後、コントローラ６０は、再びｚ勾配磁場用コイ
ル３１に電流を流し、第８図ロに示すようにｚ勾
配磁場Gz⁺を与えるとともに、ゲート回路６１を
開とし、励磁コイル５に電流を流し、今度は第８
図イに示すように同一面に180゜−ｘパルス（180゜
−ｘは発振器６からの信号の位相を反転したも
の）を印加する。続いて、第８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
ルに電流を流し、前回と同様の所定の大きさの磁
場Gz，Gyを同時に印加させる。

180゜−ｘパルスを印加すると、分散した磁化Ｍ
は、第９図ハに示すように再び集合し始め、検出
コイル７からは、第８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。180゜−ｘパルスを印加して
から、τ時間経過後、エコー信号は第８図ホに示
すように最大となる。このエコー信号は、τ時間
の間、被検体の状態が変らないものとすれば、は
じめに出力されたNMR共鳴信号と時間軸に対し
て対称な信号波形となる。この時点t₃で、ゲート
回路６１を開とし、Gz⁺の下で励磁コイル５に電
流を流し、今度は第８図イに示すように90゜パル
スを印加し、磁化Ｍをz′軸方向に強制的に向け
る。この時点t₃では、磁化Ｍは、第９図ニに示す
ように、緩和時間T₂のためにz′軸に一致せず、少
し分散した状態にある。

この状態から少しの時間τo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τoは、
t₃の時点では磁化Ｍがz′軸から僅かに分散してい
るだけであるところから、緩和時間T₁に比較し
て十分短かく、例えば30ｍＳ程度でよい。

τo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。各
シーケンスでは、被検体に与えるGx，Gyの大き
さを少しづつ変え、これによつて勾配磁場を前回
より少し回転し、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共鳴信号をフーリ
エ変換し、Ｘ線CTと同様な公知の手法（filtered
back projection）によつて再構成演算を行ない、
断層像を得、これを表示器９に表示する。

なお、上記ではコンピユータ８は、エコー信号
を利用しないことを想定したものであるが、各シ
ーケンスにおいて、はじめに出力されるNMR共
鳴信号（これを単にNMR信号と略す）と、続い
て出力されるエコー信号の両方を利用してもよ
い。この場合、利用の仕方としては例えば次のよ
うなものがある。

(i) NMR信号とエコー信号の時間軸を反転した
信号との平均値を演算し、これを１プロジエク
シヨンのデータとして、再構成演算を行ない、
ひとつの断層像を得る。

(ii) NMR信号を利用してプロトン密度画像を得
るとともに、NMR信号とエコー信号の時間軸
を反転した信号との差信号を演算し、これを１
プロジエクシヨンのデータとして再構成演算を
行ない、T₂と呼ばれる横緩和時間（T₂は近傍
の電子核同志のスピンの相互作用に起因してい
る）に基づくT₂画像の両方の画像を得る。

(iii) 前記(ii)において、プロトン密度画像とT₂画
像とを合成して他の別の画像を得る。

(iv) 複数のシーケンスのNMR信号とエコー信号
をいくつか平均し、これを１プロジエクシヨン
のデータとする。

これらの手法をとることによつて、Ｓ／Ｎ比を
良好にし、良質の画像を得ることができる。ま
た、診断の目的に応じて、これらの手法を選択す
ることにより、目的に適した断層像を得ることが
できる。

なお、上記の説明において、被検体に印加する
電磁波のパルス系列として、（90゜＋ｘ）→（180゜
−x′）→（90゜＋ｘ）の場合を説明したが、これ
に代えて、（90゜＋ｘ）→（180゜y′）→（90゜−ｘ）
の電磁波のパルス系列を使用してもよい。

第１３図は、（90゜＋ｘ）→（180゜y′）→（90゜−
ｘ）の電磁波のパルス系列を使用した場合、第８
図に示す各時点t₀、t₁、t₂、t₃における磁化Ｍの
向きを示したものである。この場合、エコー信号
が最大となる時点t₃で、90゜パルスを印加すると、
磁化Ｍは第１３図ニに示すようにy′軸側からz′軸
方向に強制的に向けられることとなる。

ここで、180゜y′パルスは、発振器６からの信号
の位相を90゜遅れさせたものであり、90゜−ｘパル
スは、発振器６からの信号の位相を180゜遅れさせ
たものを表わしている。

第１４図は本発明に係る手法の他の例を示す動
作波形図である。この手法は、第８図に示す手法
において、90゜パルスを被検体に印加する前
（τ″時間前）に、第１４図イに示すように180゜パ
ルスを印加するようにしたものである。なお、
180゜パルスと同時に、第１４図ロに示すように
Gz⁺を与える。ここで、180゜パルスを印加してか
ら90゜パルスを印加するまでの時間τ″は、180゜パル
スによつて方向が180゜反転した磁化Ｍが、もとに
戻るまでの時間が必要である。この手法によれ
ば、τ″時のT₁の緩和により、NMR信号の強度が
変わり、これからT₁画像を得ることができる。

以上説明したように、本発明に係る手法は、Ｚ
軸勾配磁場を印加している下で、それぞれ細い周
波数スペクトルを含む90゜パルス、180゜パルス、
90゜パルスの電磁波を被検体に印加するもので、
磁化Ｍの向きを強制的に変え、短時間で磁化Ｍを
熱平衡状態へ戻すようにすることができ、短時間
で、被検体内の特定原子核分布等に関連する断層
像を得ることができる。

また、被検体からは所望のスライス面からの
NMR信号およびエコー信号を得ることができる
ので、これらの各信号を利用することによつて、
Ｓ／Ｎ比が良好で、分解能の良い断層像を得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は核磁気モーメントを説明するための説
明図、第２図は核磁気モーメントの配列について
説明するための説明図、第３図は静磁場による核
磁気モーメントの整列について説明するための
図、第４図は従来の手法の一例を説明するための
動作波形図、第５図は第４図の手法による磁化Ｍ
の方向を説明するための説明図、第６図は本発明
に係る手法を実現するための装置の一例を示すブ
ロツク図、第７図イは第６図装置に用いられてい
る勾配磁場コイルの一例を示す構成図、ロは同じ
く励磁コイルの構成図、第８図は本発明に係る手
法のひとつを説明するための動作波形図、第９図
は本発明の手法によるそれぞれの時点での磁化Ｍ
の方向を回転座標系上に示した説明図、第１０図
〜第１２図は被検体に勾配磁場を与えた場合の切
り出し面を図示化した説明図、第１３図は本発明
に係る手法において、他のパルス系列を使用した
場合のそれぞれの時点での磁化Ｍの方向を示した
説明図、第１４図は本発明の手法の他の例を示す
動作波形図である。 １……静磁場用コイル、２……静磁場用コイル
制御回路、３……勾配磁場用コイル、５……励磁
コイル、６０……コントローラ、７……検出コイ
ル、８……コンピユータ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被検体に一様静磁場を与えると共に被検体に
   核磁気共鳴を誘起させる周波数の電磁波を印加
   し、 更に前記被検体のＺ軸方向に勾配磁場を印加す
   るとともにＸ軸、Ｙ軸方向にもそれぞれ勾配磁場
   を同時に印加して前記被検体からの核磁気共鳴信
   号（NMR信号）の放射部分を特定し、前記被検
   体の特定部分からのNMR信号をフーリエ変換す
   るようにした検査方法において、 前記被検体に印加する電磁波として、細い周波
   数スペクトルの電磁波を用いると共に、はじめに
   被検体にＺ軸勾配磁場を印加している下で90゜パ
   ルスを印加し被検体を励起後、 Ｚ軸勾配磁場を印加している下で180゜パルスを
   印加してエコー信号を作り、 前記エコー信号が最大の時点で再びＺ軸勾配磁
   場を印加している下で90゜パルスを印加して磁化
   を熱平衡状態へ戻すようにし、 以後、前記のシーケンスを所定間隔で繰り返す
   ことを特徴とする核磁気共鳴による検査方法。 ２ 被検体に一様静磁場を与えると共に被検体に
   核磁気共鳴を誘起させる周波数の電磁波を印加
   し、 更に前記被検体のＺ軸方向に勾配磁場を印加す
   るとともにＸ軸、Ｙ軸方向にもそれぞれ勾配磁場
   を同時に印加して前記被検体からの核磁気共鳴信
   号（NMR信号）の放射部分を特定し、 前記被検体の特定部分からのNMR信号をフー
   リエ変換するようにした検査方法において、 前記被検体に印加する電磁波として、細い周波
   数スペクトルの電磁波を用いると共に、はじめに
   被検体にＺ軸勾配磁場を印加している下で180゜パ
   ルスを印加し、 所定時間経過後Ｚ軸勾配磁場を印加している下
   で90゜パルスを印加し被検体を励起し、 その後Ｚ軸勾配磁場を印加している下で180゜パ
   ルスを印加してエコー信号を作り、 前記エコー信号が最大の時点で再びＺ軸勾配磁
   場を印加している下で90゜パルスを印加して磁化
   を熱平衡状態へ戻すようにし、 以後、前記のシーケンスを所定間隔で繰り返
   し、各シーケンスで得られたNMR信号を利用し
   て所定の演算を行つてT1画像を得るようにした
   ことを特徴とする核磁気共鳴による検査方法。 ３ 被検体に一様静磁場を与える静磁場形成手
   段、 前記被検体にＺ軸方向、Ｘ軸方向及びＹ軸方向
   にそれぞれ勾配をもつ勾配磁場を発生し被検体か
   らの核磁気共鳴信号（NMR信号）の放射部分を
   特定する勾配磁場発生手段、 前記被検体に細い周波数スペクトルを含んだパ
   ルス状の電磁波を印加するための励起手段、 この励起手段に与える信号を制御すると共に前
   記勾配磁場発生手段に与える信号を制御する制御
   手段、 前記被検体からのNMR信号を検知する検知手
   段、 この検知手段からの信号をフーリエ変換すると
   ともに所定の演算を行なつて断層像を得るメモリ
   を含んだ演算手段を具備し、 前記制御手段は、 前記勾配磁場発生手段および前記励起手段を介
   して、はじめに被検体にＺ軸勾配磁場を印加して
   いる下で90゜パルスを印加し被検体を励起させ、 続いてＸ軸方向とＹ軸方向の勾配磁場を同時に
   印加し、 その後Ｚ軸勾配磁場を印加している下で180゜パ
   ルスを印加し、前記と同一なＸ軸方向とＹ軸方向
   の勾配磁場を印加してエコー信号を作り、 前記エコー信号が最大の時点で再びＺ軸勾配磁
   場を印加している下で90゜パルスを印加して磁化
   を熱平衡状態へ戻すようにし、 以後、前記のシーケンスを所定間隔で繰り返す
   動作を行なうことを特徴とする核磁気共鳴による
   検査装置。