JPH0255047B2 - - 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＝γ〓H₀ …(1) ただし、γ：磁気回転比 〓＝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H₀によつて、 μ×H₀ 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＝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たわ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、正常組識と悪性腫瘍
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、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、
Ｘ線CTと同様の原理で、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。

このような装置で、磁化ベクトルＭを反転させ
るための高周波パルスを用いる方法がある。その
一例はインバージヨン・リカバリ法であつて、
NMR信号の観測に先立つてひとつのシーケンス
の先頭に、磁化ベクトルＭを反転させるための
180゜パルスを被検体に印加する。その後所定の時
間をおいてから、勾配磁界をいろいろに変化させ
て所望のNMR信号を検出するものである。

第１１図は、このインバージヨン・リカバリ法
でのパルス系列波形図を示すものであり、第１１
図イに示すように、原子核を励起するための90゜
パルスを印加するとともにｚ軸方向の勾配磁場
Gzを与え、ｘ軸方向の勾配磁場Gx、ｙ軸方向の
勾配磁場Gyを与えて核磁気共鳴信号を測定する
場合において、90゜パルスを印加するに先立つて
磁場ベルトルＭを反転するための180゜パルスを印
加し、所定時間τをおいてから90゜パルスを印加
するものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

この方法では、はじめに磁化ベクトルＭを正確
に反転させておくことが必要であるが、励磁コイ
ルの形状その他の影響により、高周波磁界の大き
さが被検体の部分により異なり、被検体のある部
分では磁化ベクトルＭが180゜回転しても、別の部
分では回転が不足しあるいは過剰になつて、測定
結果の誤差の原因となることがある。また、印加
する高周波パルスを正しく180゜に設定したつもり
でも、パルス幅やパルスの電力に誤差があると、
磁化ベクトルＭは正しく回転しないことになる。

第４図は磁化ベクトルＭが180゜パルスにより回
転する様子を説明する図である。いま、磁化ベク
トルＭのはじめの方向をｚ軸にとり、そのｚ軸に
垂直な直交平面をｘ，ｙとすると、第４図Ａはは
じめの状態で、同Ｂは回転が不足した場合を示
し、同Ｃはちようど正しく180゜回転した場合を示
し、同Ｄは例えば磁界が大きすぎて回転が過剰に
なつた場合を示す。

本発明は、高周波磁界あるいは高周波パルスの
パルス幅や電力に多少の誤差があつても、その誤
差を打ち消して、磁化ベクトルＭを正しく180゜回
転させることができる装置を提供することを目的
とする。

〔発明の要旨〕

本発明は、核磁気共鳴を与える高周波パルスの
印加に先立ち磁場ベクトルＭを回転させるための
高周波パルスを与える核磁気共鳴による検査装置
において、ｚ軸方向に磁化ベクトルＭを180゜回転
させるためのパルスは、ｘ軸の周りに90゜回転さ
せるパルスと、ｙ軸の周りに180゜回転させるパル
スと、さらにｘ軸の周りに90゜回転させるパルス
とを順次印加させるものであることを特徴とす
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５図は本発明の実施例による磁化ベクトルＭ
の回転を説明するための図である。第５図１は磁
化ベクトルＭのはじめの状態を示す。はじめの磁
化ベクトルＭの方向をｚ軸の方向とし、このｚ軸
に直交する平面をｘ，ｙ平面とする。本発明で
は、この磁化ベクトルＭを反転させて−ｚの方向
に向かせるために、180゜パルスを一度に印加する
のではなく、ｘ軸の周りに90゜回転させる第一の
高周波パルスと、ｙ軸の周りに180゜回転させる第
二の高周波パルスと、ｚ軸の周りにさらに90゜回
転させる第三の高周波パルスとの３段階にパルス
を印加する。

まず、高周波磁界が所定の強度よりやや小さい
場合について説明すると、第一の高周波パルスで
磁化ベクトルＭはｘ軸の周りにほぼ90゜回転する
が、高周波磁界がやや小さいために、第５図２に
示すように90゜よりやや少なめの角度に回転して
いる。次に、第二の高周波パルスが印加されてこ
れをｙ軸の周りに180゜回転させると、第５図３に
示すようになる。さらに第三の高周波パルスによ
り、さらにｘ軸の周りに90゜回転させると、この
場合にも同様に高周波磁界が小さいので、その回
転角度が小さくなり、ちようど180゜回転したよう
な状態になる。

第５図５〜７は高周波磁界の大きさが正しい場
合である。この場合は、第一の高周波パルスで正
しく90゜回転し、その次に第二の高周波パルスが
印加されてｙ軸の周りに180゜回転を与えても実効
的に変化がなく、さらに第三の高周波パルスによ
り90゜回転させることにより、正しく180゜回転す
ることになる。

次に、高周波磁界が所定の強度よりやや大きい
場合について説明すると、第５図８に示すように
第一の高周波パルスにより磁化ベクトルＭは90゜
より大きく回転する。つづいて第二の高周波パル
スによりｙ軸の周りに180゜回転を与えると、第５
図９のように戻りを与えた形になる。さらに、第
三の高周波パルスによりｘ軸の周りに90゜の回転
を与えると、この場合にも高周波磁界の大きさは
所定の大きさより大きいので、磁化ベクトルＭは
所定の90゜より大きく回転して、第５図に示す
ように正しく180゜回転したことになる。

このように、高周波磁界の大きさが多少相違し
ても、結果的には磁化ベクトルＭの回転は自動的
に補償されて、180゜だけ正しく回転することにな
る。高周波磁界に限らず、パルス幅あるいはパル
ス電力その他の影響で、磁化ベクトルＭがやや少
なくあるいはやや大きく回転する場合についても
同様である。

第６図は本発明実施例装置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８図を参照
して説明する。第８図は本実施例におけるパルス
系列波形図である。

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
に示すように高周波パルスは被検体を励起する。

ここで本発明の特徴とするところは、この高周
波パルスが、ｘ軸の周りに90゜の回転を与える第
一の高周波パルスと、ｙ軸の周りに180゜の回転を
与える第二の高周波パルスと、さらにｘ軸の周り
に90゜の回転を与える第三の高周波パルスとの３
個の異なる高周波パルスが順次印加されるところ
にある。

この高周波パルスの印加の後に、所定の時間τ
が経過してから、第８図ロ，ハ，ニに示すように
勾配磁界Gz，GxおよびGyを与えるとともに、高
周波パルスを印加して被検体に核磁気共鳴を励起
させて、第８図ホに示すようなNMR信号を観測
する。この手法については本発明の要旨ではない
ので、ここでは詳しい記述を省略する。

第９図は本発明の別の実施例についてのパルス
系列波形図である。この例はインバージヨン・リ
カバリ法による被検体の緩和時間T₁を測定する
ものであつて、第９図イに示すようにはじめに高
周波パルスを与えてから、次に90゜の高周波パル
スを印加するまでの時間τを変化させて、このと
きのNMR信号を観測するものであつて、この場
合にもはじめの180゜パルスが、ｘ軸の周りに90゜
の回転を与える第一の高周波パルスと、ｙ軸の周
りに180゜の回転を与える第二の高周波パルスと、
さらにｘ軸の周りに90゜の回転を与える第三の高
周波パルスとの３個の異なる高周波パルスにより
構成される。

この他、高周波パルスとして磁化ベクトルＭを
反転させるパルスを印加する方法はさまざまな応
用があり、これらの応用についても同様に本発明
を実施することができる。

次に、本発明の方法の効果についてシミユレー
シヨンを行つた結果を示す。第１０図は横軸に印
加する高周波パルスの振幅を基準化した値で示
し、縦軸に磁化ベクトルＭのｚ成分を示す。第１
０図の曲線Ａは本発明実施例により３段階に高周
波パルスを印加した場合であり、同Ｂは比較例と
して、従来方法で180゜パルスを一度に与える方法
である。この図からパルス振幅に±20％程度の誤
差があつても、磁化ベクトルＭの反転にはほとん
ど誤差が発生することなく、本発明がきわめて有
効であることがわかる。この効果については、パ
ルスの振幅による場合も、高周波パルスの磁界の
大きさについても、そのほか高周波パルスにより
磁化ベクトルＭを反転させる作用に影響を与える
あらゆる要素について同様である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、高周波
パルスの大きさあるいは高周波パルスの幅などに
多少の誤差があつても、磁化ベクトルＭは正しく
180゜反転する。したがつて、測定の精度が向上す
るとともに、高周波パルスを印加するための装置
の精度は緩やかになり経済化される。特に、被検
体の部分によつて高周波パルスの強度が相違する
場合にきわめて有効であり、被検体の部分により
測定の誤差が相違するようなことがなくなつて、
測定の結果が正確になる。

【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180゜パルスにより磁化
ベクトルＭを反転させる従来例方法を示す図。第
５図は本発明実施例の磁化ベクトルＭの反転を説
明する図。第６図は本発明を実施する装置の構成
例を示す図。第７図は磁場用コイルの一例を示す
構造図。第８図は本発明実施例パルス系列波形
図。第９図は本発明実施例パルス系列波形図。第
１０図は本発明の効果をシミユレーシヨンにより
求めた一例を示す図。Ａは本発明実施例、Ｂは従
来方法による比較例を示す。第１１図は従来例の
パルス系列波形図。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被検体に一様な静磁場を印加する手段と、 被検体の組織を構成する原子の原子核を励起し
   て核磁気共鳴を与えるための高周波パルスの印加
   を行う手段と、 上記原子核に生じる核磁気共鳴信号の測定を行
   い、この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
   るまでの自由誘導振動を測定する手段と を備え、 上記核磁気共鳴を与えるための高周波パルスの
   印加に先立つて磁化ベルトルを反転するための高
   周波パルスを印加する手段を備えた 核磁気共鳴による検査装置において、 上記磁化ベクトルを反転するための高周波パル
   スを印加する手段は、 上記磁化ベクトルを反転するための高周波パル
   スの反転すべきベクトルの方向をｚ軸方向とし、
   そのｚ軸に直交する平面直交座標軸をそれぞれｘ
   軸およびｙ軸とするとき、 ｘ軸のまわりに90゜回転させる高周波パルスと、 ｙ軸のまわりに180゜回転させる高周波パルス
   と、 さらにｘ軸のまわりに90゜回転させる高周波パ
   ルスと を順次印加する手段を含む ことを特徴とする核磁気共鳴による検査装置。