JPH0261251B2 - - 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
magneticresonance 以下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NMRイメージ
ング装置に関するものであり、特に、１回のシー
ケンス内で各局所のスピンに異なる履歴の摂動磁
界を与えて、超高速で信号を収集するチヤープト
ラツキング方式を用いたNMRイメージング装置
に関するものである。

（従来の技術） 従来から超高速のNMRイメージング装置は多
数知られている。それらは、各局所のスピンに異
なる履歴の摂動磁界を与えながらNMR信号を検
出し、検出された信号を処理して２次元または３
次元のイメージを再構成するものである。そし
て、検出された信号の処理は、ベツセル逆変換を
施したり、または、デコンボリユーシヨンを施し
たり複雑な処理をしていた。

（発明が解決しようとする課題） しかし、これらの従来の装置は、１回の励起と
信号検出で超高速でデータを収集するにもかかわ
らず、信号の処理が複雑なため、画像再構成まで
の時間が長くなつてしまうという問題があつた。

本発明は上記に鑑みて成されたものであり、そ
の目的は、検出された信号の処理が単純で高速処
理でき、画像再構成までの時間が短いチヤープト
ラツキング方式を用いたNMRイメージング装置
を実現するにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するチヤープトラツキング方式
を用いたNMRイメージング装置は、空間内のス
ピンを励起する励起手段と、スピンからのNMR
信号を検出する手段と、磁場強度の時間的推移が
変化しつつも互いに他の局所における時間推移と
は異なるように摂動磁界を印加する手段と、前記
各局所における摂動磁界の時間的変化に応じて検
出された信号の時間軸の圧縮・伸長をして当該局
所における摂動磁界がなかつた場合のNMR信号
を合成する時間軸圧伸手段と、合成された信号を
周波数分析し各局所からの信号を抽出して画像再
構成をする演算手段とを備えた構成になつてい
る。

（作 用） 摂動磁界の変化による時間軸の変化を元に戻す
ように時間軸の圧伸を局所毎に行い、局所毎に周
波数の時間的変化を取り除く。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明について詳細に説
明する。第１図は本発明の一実施例を示す構成図
である。図において、Ｌ１はRF用と検出用を兼
ねたコイル、OSCはRF信号を発生する発振器、
BM１はOSCからの信号を変調信号Smで変調す
る平行型の変調器、RAはコイルで検出された
FID（free induction decay）信号を受信し増幅
する受信増幅器である。また図示しない勾配コイ
ル等からなる摂動磁界（H₀（ｘ，ｙ，ｔ））印加
手段を備えている。DCは時間軸圧伸手段であり、
受信増幅器RAの出力を記憶する波形記憶装置Ｍ
１、波形記憶装置Ｍ１の出力の時間軸圧伸をどの
ように行うかを記憶している換算表Ｔ、換算表Ｔ
の記憶内容を基に波形記憶装置Ｍ１からの出力に
時間軸圧伸を施す処理ユニツトPU、処理ユニツ
トPUによつて時間軸圧伸された信号を記憶する
波形記憶装置Ｍ２からなる。更に、波形記憶装置
Ｍ２からの出力をフーリエ変換等による周波数分
析をし画像再構成をする図示しない演算手段を備
えている。そして、コイルＬ１の軸とは直角な方
向から静磁場H₀を印加しておく。また、OSCの
周波数f_OSCは、ほぼγH₀（γは磁気回転比）であ
る。尚、コイルＬ１はコンデンサＣ１を並列に接
続し、OSCの周波数f_OSCに同調するように構成し
てある。

OSCからの信号を変調器BM１にて第２図のイ
に示すような変調信号により変調した後コイルＬ
１に印加する。このようにして90゜パルスを印加
した直後（第２図に示す時刻t₀）から、現れる
FID信号をコイルＬ１で検出し、これを受信増幅
器RAにて増幅して第２図ロに示すようなFID信
号を得る。このFID信号は、各局所からのFID信
号の合成であり、各局所からのFID信号は摂動磁
界（H₀（ｘ，ｙ，ｔ））による各局所毎の磁界の
時間的変化に応じて周波数が漸次変化している。
時間軸圧伸手段DCは所定の局所の磁界の摂動に
よる周波数の変動すなわち時間軸の変化（周波数
の変動による時間軸の変化をチヤープという）を
元に戻すように信号の時間軸を圧縮・伸長して、
所定の局所からの信号の時間による周波数変化を
取り除く（信号のチヤープに応じて時間軸を圧伸
しチヤープを取り除くことをチヤープトラツキン
グという）。尚、チヤープのあたえ方は実質上無
数にあり、１回の励起及び信号の検出により全セ
ルのデータを含むFID信号を得ることができる。
このチヤープされた信号は、所定局所からの周波
数変化の取り除かれた信号成分と、チヤープとチ
ヤープトラツキングの履歴が一致しないため周波
数変化が取り除かれない他の部位からの乱れた信
号成分からなる。上記のようにチヤープトラツキ
ングされた信号を演算手段によりフーリエ変換す
ると、周波数の変化しない成分に対しては大きな
局在した値が得られ、乱れた信号成分に対しては
分散した小さな値が得られる。このようにして、
所定局所以外からの乱れた信号の中から、所定局
所からの信号を抽出して画像の再構成をする。

また、FID信号を増幅したものを波形記憶装置
Ｍ１に直接収録するのは大変であるから、その比
帯域幅（静磁界H₀と、摂動分ΔHの比で決まり、
通常大きくて１／100程度）の小さいことに注目
して、第３図のようにヘテロダインをして中間周
波数におとして収録するものが好ましい。

次に、摂動磁界を印加する手段について説明す
る。摂動磁界の与えかたは、公知のごとくヘルム
ホルツコイルと酷似したセツトアツプにて第４図
に示すように両コイルに逆相の電流を流せばよ
い。ただし、磁気はベクトルであるから、ｚ方向
成分のみに注目してはいけない。特に、スピンは
静磁場の各ベクトル成分ではなく、そのスカラー
値（マグニチユード）によりその共鳴周波数が決
定されることに注目しなければならない、しか
し、一般に、 H₀₀＞＞ΔH （但しΔHは摂動項） であるから、スピンの軸が狂うという情況を呈す
ることはない。また、第５図のように摂動として
まともに加法的に影響を及ぼすのはH₀₀と同じ向
きの成分だけと見做して差し支えない。

ここで、摂動磁界印加手段の動作、すなわちチ
ヤープのあたえかたの一例を紹介する。この摂動
磁界は、ｘ，ｙ方向に各独立な関数であればよく
（注目するｘ，ｙ面内のスピンが選択的に励起さ
れているとする）、例えば、 H₀（ｘ，ｙ，ｔ） ＝H₀₀＋ΔH_MAX｛axsin（ω_Xｔ） ＋bysin（ω_Yｔ）｝ のような関数で与えればよい。上式において、ｘ
とｙが係数として含まれているが、これはｘ，ｙ
各々の方向の勾配として摂動磁界が存在すること
を意味する。ｘに関する項とｙに関する項が１次
独立ならば、FIDシーケンス中に少なくとも何サ
イクルかは全工程をやりおえるような摂動であれ
ば、必ず目的に適う。

しかし、１次独立たるべしとの要求は比較的ゆ
るいものである。というのは、これらの摂動の関
数それ自体が直交性を問われるのではなく、それ
らがもたらしたスピンの周波数の変化つまり上式
にγを掛けたものを角周波数とするシニユソイダ
ル（sinusoidal）波形の直交性が問題だからであ
る。ということは、摂動の周波数や振幅が一致し
ていても僅かに位相がずれていればFID信号の周
波数変化の履歴（チヤープ）は異なり、時間軸圧
伸が摂動の振幅及び位相と一致していなければ信
号の周波数変化を取り除くことは出来ない（これ
から分解能が良いことも理解できる）。この様な
見地から上式に代えて、 H₀（ｘ，ｙ，ｔ） ＝H₀₀＋ΔH_MAX｛axsin（ωt＋φ） ＋bycos（ωt＋φ）｝ でもよいこことが分かる。この式はある摂動状態
の回転を意味する。

そこで、励起、FID信号の受信及び摂動磁界の
印加とを第６図を参照して説明する。初めに被検
体に第６図イに示すように勾配磁場G_Zと、同図
ロに示すように周波数スペクトルｆ（＝f₀）のRF
パルス（90゜パルス）を印加する。続いてイに示
すようにH₀₀＋ΔHの勾配磁場を加え、ハに示す
ようなFID信号を検出する。このFID信号をなん
らかの形で記憶しておき（後述する）、それを読
出してチヤープトラツキングの処理すなわち局所
毎の摂動に応じた時間軸圧伸をする。同図ニはそ
の間の磁界の摂動成分の色々な例を示す。すなわ
ち、選択励起区間においてはａ−ｅはγH₀＝f₀と
なり励起される面に含まれるが、そのほかのｆ，
ｇ，ｈ等ではそれより外れるので励起されない。
一方FID信号の受信期間においては、ａ，ｂ，ｄ
等のように位相があつていても振幅が異なるなら
ば周波数変化の履歴（チヤープ）は異なり、干渉
しない。

また、ｂとｃは位相が異なつているので振幅が
同じでも干渉しない。ｅとｆは振幅等は等しいが
位相が異なつているために干渉しない。

また、第７図ニ，ホに示すように、H₀₀の静磁
場の上に摂動磁場を重畳させる場合も事情は同じ
である。

次に、時間軸圧伸手段DC、及びその動作（チ
ヤープトラツキング）について説明する。

第１図及び第３図に示したように、時間軸圧伸
手段DCは、波形記憶装置Ｍ１，Ｍ２、換算表Ｔ、
処理ユニツトPUからなる。波形記憶装置Ｍ１に
は受信増幅器RAからの出力がデイジタル変換さ
れて原始データフアイルとして収録されている。
換算表Ｔはメモリであり、局所毎のチヤープに応
じて局所毎にどのように時間軸圧伸をするかが記
憶されている。すなわち、原始データフアイルの
アドレスと波形記憶装置Ｍ２の新しいフアイルの
アドレスとの局所毎の対応が記憶されている。処
理ユニツトPUは波形記憶装置Ｍ１の原始データ
フアイルからデータを読出し、換算表Ｔの内容に
従つて、波形記憶装置Ｍ２の新しいフアイルにデ
ータを書き込んで、データの局所位置シフト（並
べ換え）、補間（案分、内挿）等により時間軸の
圧縮・伸長が行われる。この時間軸の圧伸による
チヤープトラツキング処理のための換算表Ｔは、
時間軸圧伸の前後の時間軸の対応表を作ることに
より求められる。これは、第８図に見られるよう
に t′＝ｔ なる45゜の１本線を上下に僅かに摂動
させる形となる。同図下方に示す圧伸すべき成分
とは磁界の摂動成分に相当する（点線は結果とし
てもたらされるべき時間差を示す）。同図からも
容易に理解できるが、周波数の変化を積分すれば
時間軸の変化が、時間軸の変化を微分すれば周波
数の変化がそれぞれ得られる。すなわち、摂動に
よる周波数の時間的揺らぎ（チヤープ）は、チヤ
ープを与える関数（すなわちγH（x₁，y₁，ｔ））
の積分に鑑み時間軸の圧伸をすれば局所（x₁，
y₁）からの信号はチヤープなしのFID信号に変換
される。この信号は（x₁，y₁）以外からの乱れた
信号が混入しているので、更に演算手段によつて
周波数分析して（x₁，y₁）のみからの信号を抽出
する。尚、静磁場H₀₀よりも摂動分は小さいの
で、第８図に示したt′とｔの関係は単調な関係に
あり、１対１の写像であり２値関数となることは
ない。また、時間軸の圧伸（チヤープトラツキン
グ）におけるデータの並べ換えでは、個々のデー
タの順番が入れ換わるようなことはない。

このように、時間軸圧伸手段DCにおける処理
は、個々のデータの順序は変わらず、位置シフ
ト、補間等でできるので、１つの処理についてデ
ータ列の先頭から最後まで通して１回処理するだ
けでよい。従つて、簡単な処理で迅速に周波数変
化を取り除くことができる。

１回の励起によるFID信号の局所毎の投影デー
タを一斉に得るには、次のような装置を構成する
のが都合がよい。すなわち、あるスライス（例え
ばxy平面内のスライス）をｚ方向の静止勾配磁
場内にて選択的に励起する手段と、FID信号の検
出中にスライス面内の例えばｙ方向に読出し勾配
を印加する手段と、FID信号の検出中にｘ方向
（読出し勾配の方向に直交した方向）に変化した
１次元の摂動磁界を印加する手段を備えて本発明
を実施するのがよい。（動作は第７図を参照）こ
うすればチヤープトラツキングによりスライス全
体の中から特定のx₁上におけるｙ軸に沿つた線分
ｌ上の部位からの信号の周波数変化を取り除き、
演算手段による周波数分析によつて他の線分上の
部位からの乱れた信号の中から特定の線分ｌから
の周波数変化のない信号を抽出できると同時に、
周波数の場所による違いにより特定の線分ｌの中
からｙ方向の各部位による信号を分解できる。こ
のようにすれば簡単な構成で画像再構成ができ
る。尚、チヤープが恒常的にゼロになる部位の線
分に関しても（この場合はチヤープトラツキング
の処理が必要ないからFID信号をそのままフーリ
エ変換でスペクトラム分析すればよい）矛盾や撞
着を生ずることなく分析できる様になるために
は、そこにあらかじめ静的な勾配がなくてはなら
ない。好ましくは全体として被検体断面（スライ
ス）内ではこの静的な勾配が主力で、スピンのチ
ヤープをもたらす時変的摂動成分はややそれより
小さいことが望まれる。基底となる勾配を摂動磁
界が打ち消してしまうような瞬間があると、その
とき全スピンが一斉して、ある周波数にてFID信
号をもたらすため大きな振幅となり、受信系のダ
イナミツクレンジや、続く演算処理上での困難さ
をもたらしやすい。

このようにしてチヤープをある軸の方向のみの
分布としても、その振幅や位相が各線分の部位で
異なれば、分解能が得られる。

尚、１回の励起及び信号検出で得られる１枚の
画像データのＳ／Ｎ比が悪い場合は、多数回繰り
返して得たデータを平均化処理することにより容
易にＳ／Ｎ比を改善できる。

（発明の効果） 以上の説明の通り、本発明のチヤープトラツキ
ング方式を用いたNMRイメージング装置は、空
間内のスピンを励起する励起手段と、スピンから
のNMR信号を検出する手段と、磁場強度の時間
的推移が変化しつつも互いに他の局所における時
間推移とは異なるように摂動磁界を印加する手段
と、前記各局所における摂動磁界の時間的変化に
応じて検出された信号の時間軸の圧縮・伸長をし
て当該局所における摂動磁界がなかつた場合の
NMR信号を合成する時間軸圧伸手段と、合成さ
れた信号を周波数分析し各局所からの信号を抽出
して画像再構成をする演算手段とを備えた構成に
なつている。このような構成により、周波数の変
化を取り除くことが、個々のデータの順序の変更
がなく単純な処理である時間軸の圧伸（位置シフ
ト、補間等）により行うことができる。従つて、
検出された信号を高速処理でき、画像再構成まで
の時間を短くすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２
図は基本的な動作波形図、第３図は本発明の他の
実施例を示す構成図、第４図は摂動磁界のあたえ
かたを示す図、第５図は摂動磁界として作用する
磁界成分を示すための図、第６図及び第７図は本
発明の動作波形図、第８図はチヤープトラツキン
グ前後の時間軸の対応関係を示す図である。 Ｌ１……コイル、Ｃ１……コンデンサ、OSC
……発振器、BM１……平衡変調器、RA……受
信増幅器、VA……ビデオアンプ、DC……時間
軸圧伸手段、Ｍ１，Ｍ２……波形記憶装置、PU
……処理ユニツト、Ｔ……換算表。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 目的空間内を必要十分に均一なる基底磁界で
   満たした上で前記空間内に分布するスピンの密度
   ないし性質に関する空間分布のイメージを得る核
   磁気共鳴イメージング装置において、前記空間内
   の全部あるいは一部のスピンをRF信号を送信し
   て励起する励起手段と、励起されたスピンからの
   核磁気共鳴信号を検出する手段と、核磁気共鳴信
   号の検出の際に励起された空間内の各局所の総て
   における磁場強度の時間的推移が変化しつつも互
   いに他の局所における時間推移とは異なるように
   摂動磁界を印加する手段と、前記各局所における
   摂動磁界の時間的変化に応じて検出された信号の
   時間軸の圧縮・伸長をして当該局所における摂動
   磁界がなかつた場合の核磁気共鳴信号を合成する
   時間軸圧伸手段と、合成された信号を周波数分析
   し各局所からの信号を抽出して画像再構成をする
   演算手段とを備えたチヤープトラツキング方式を
   用いた核磁気共鳴イメージング装置。