JPH0345243A - 固体試料の限定した小さな体積範囲内で磁気共鳴を多次元測定する方法 - Google Patents

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！ｌ！ＪＳ） 本発明は、囲体試料の限定した小さな体積範囲内で磁気
共鳴を多次元測定する方法であって、試料を一定した均
質な磁場内に配置し所定の仕方で一連の高周波パルスを
照射し且つ一連の勾配磁場パルスに曝し、勾配磁場パル
スの遮断時間より長い時間の間スピンの測定すべき磁化
を維持する方法に関する。

（従来の技術） 」二連の方法は米国の雑誌「ジャーナル・オブ・マグネ
チック・レゾナンスＪ　６６　（１９８６）。

５３０〜５３５頁により知られている。

試料の限定した小さな体積範囲内での二次元又は三次元
測定に磁気共鳴技術、特に核磁気共鳴技術を利用するこ
とは広く知られている。特に医用研究、医ｍ診断におい
てこうして人間の生体組織又は死体組織で測定が行われ
る。その際、小さな体積範囲についてだけ核共鳴スペク
トルを記録する局部分光測定と、身体部分の二次元又は
二次元表示をスピン密度又は緩和時間の像として記録す
る画像法とが区別される。

従来かかる体積選択測定は主として液状試料について行
われてきた。これが簡単に可能であるのは、液状試料は
分子運動の故に脈動核共鳴信号の線が比較的狭く又は減
衰時間が長く、又数百ｍｓというこれらの信号の比較的
長い持続時間の間に、小さな体積範囲を選択し読出すの
に必要な測定ステップを行うことができるからである。

この測定ステップは主に勾配磁場パルスを印加すること
にあり、該パルスには技術上の理由から特定の最低投入
時間と最低遮断時間が必要である。

固体についてかかる測定を実施したいとき生じる問題と
して固体の場合内部場の故に線幅がかなり大きく、又は
励起された核共鳴信号の減衰時間がかなり短く、つまり
数１０μｓにすぎない。この理由からこの極端に短い信
号持続時間の間に所要の読出し勾配又は位相符号化勾配
を入切することは、特に強い勾配が必要とされるとき技
術的に不可能であ−る。

それ故、固体について体積選択測定を行う従来周知の個
別化試験では固体信号の線幅を低減するため又は信号減
衰時間を長くするためさまざまな技巧が適用された。

冒頭述べた種類の周知方法では線幅減少を達成するため
マルチパルスシーケンス（ＭＲＥＶ−８）が利用される
。その際このマルチパルスシーケンスは更に勾配磁場パ
ルスを再び遮断するのに十分な時間の間離化の「記憶」
を惹き起こすよう設計しである。

しかし、この周知方法は欠点として信号の記録に読出し
勾配を利用しなければならない。しかしながら、この読
出し勾配は定磁場の均質性を劣化させ、それに伴って線
幅を系統的に拡張する。従ってこの周知方法は線の細い
試料のときの適用に限定されており、測定した線形状が
前記理由から純粋の線形状に比べ読出し勾配の故に幅広
になっているので、線形状の検査が可能ではない。

更に、固体側定時線幅が広く又は信号が急速に減衰する
という問題に対処するため試料を所謂「魔法の角度」だ
け回転させることが知られている。しかしながら、液体
の迅速な分子運動を固体の迅速な回転によって模擬する
ことができ、従って局部場を突き止めることかできるよ
う、この回転は数ｋｌｌｚという比較的高い回転周波数
で行わねばならない。だが回転周波数がこのように高い
とき試料は機械的理由から回転対称でなければならない
。しかし回転対称な試料の場合でも、回転周波数がきわ
めて商いため試料に変形が現れる虞かある。

従って、この周知方法は生物試料、例えば抜歯した歯に
ついての測定には利用できないが、それはこのように自
然の試料は任意の不規則形状であり、例えば測定後に生
物試料がなお必要とされるとき試料の変形が許されない
からである。このことは現在の南科学において例えば生
肉をまず抜歯し次に１ｉｌ１１定し更に治療し最後に再
び移植する場合がそうである。

（発明が解決しようとする課題） そこで、本発明は、読出し勾配の助けを借りることなく
二次元測定、三次元測定を可能とし、固体：Ｊ（料につ
いて体積選択測定する場合線形状の分析も可能となるよ
うに冒頭述べた種類の方法を改良することを課題とする
。

（課題を解決するための手段） この課題が本発明によれば、二次元測定の場合、まず第
一時間間隔のとき試料の１スライスのみの磁化を９０°
傾いた横方向磁化に変え、次に第二時間間隔のとき体積
選択勾配磁場パルスを投入し、第三時間間隔のとき体積
選択勾配磁場パルスの持続する間高周波パルスを試料に
照射し、該パルスが体積範囲内で測定すべき横方向磁化
を多極状態に変え、該状態は体積選択勾配磁場パルスに
鈍感でありそして体積選択勾配磁場パルスの遮断される
時点を超えるまで持続し、並換に第四時間間隔のとき多
極状態を再び横方向磁化に戻し、これを信号として読出
すことにより解決される。

本発明の課題は更に、二次元測定の場合、本発明によれ
ば第一時間間隔のとき体積選択勾配磁場パルスを投入し
、第二時間間隔のとき体積選択勾配磁場パルスの持続す
る間高周波パルスを試料に照射し、該パルスが体積範囲
内で測定すべき磁化を多極状態に変え、該状態は体積選
択勾配磁場パルスに鈍感でありそして体積選択勾配磁場
パルスの遮断される時点を超えるまで持続し、最後に第
四時間間隔のとき多極状態を再び戻して信号として読出
すことにより解決される。

（作　用） 本発明の課題がこのようにして完全に解決される。つま
り体積選択勾配磁場パルスの持続する間に高周波パルス
を照射することで当該磁化が成る状態（双極状態又は四
極状態）に変わり、この状態のとき磁化は磁場パルスに
もはや敏感でなく十分長く持続するので、磁場パルスは
技術的に遂行可能な仕方で遮断することができる。次に
信号の読出しが行われるが、これは読出し勾配を利用す
ることなく行われるので、信号の線形状はそのまま維持
され分析することができる。

こうして全く新しい体積選択測定を固体について行うこ
とができる。有利なことに生物試料だけでなく例えば竹
類又は既に挙げた抜歯した南も測定することができ、む
しろ例えば合成樹脂について、例えば合成樹脂の鎖配向
を求めるため測定を行うこともできる。例えば合成樹脂
を押出し成形して容器等を製造する場合加工品の体積選
択測定によって、押出し成形にまり合成樹脂の分子配向
又は鎖配向が加工品のさまざまな箇所でどのような状態
であるかを確認することができる。合成樹脂の鎖配向は
その強さの主要な尺度であるので例えば容器（プラスチ
ック瓶）の場合容器がどの範０ 囲でも十分に安定しているかどうかを確認することかで
きる。

（好ましい実施態様） 本発明による二次元測定方法の格別好ましい実施態様で
は横方向磁化を第一時間間隔のとき第一パルス系列によ
り生成し、該系列は第一の硬い９０°高周波パルスと第
一９０°高周波パルスとは９０°ずれた位相位置でこれ
に直接続いたスピンロックパルスと第一９０°高周波パ
ルスとは１８０°ずれた位相位置でこれに直接続いた第
二高周波パルスとからなる。

横方向磁化を生成するこのパルス系列は１９９０年３月
１４０の先行優先権を・ｈ゛する未公開国際出廓ＰＣＴ
／ＤＥ９０１００１９０により知られており、その利点
としてこのパルス系列の終了後、選択した層の磁化全体
が２方向に整列して「ロック」され、即ち移相となる一
方、この層を除く残りの体積全体の磁化は制御されるこ
となく移相となり、それ故その後の測定経過の間信号戊
分を提供しない。

冒頭述べた２つの方法において更に、多極状態に変え又
この状態から変えるため照射される第二パルス系列が９
０°高周波パルスと時間間隔を置いて続いた第一４５°
高周波パルスと更に時間間隔を置いて続いた第二４５°
高周波パルスとからなり、４５°高周波パルスの位相位
置を好ましくは９０°高周波パルスに対し交互に同相又
は両方を９０°ずらして設定すると格別好ましい。

米国の雑誌「フィジカル・レビュー」１５７（１９６７
）、２３２〜２４０頁により知られているこのパルス系
列を使用すると利点として多極状態に移行する事実を利
用して磁化を体積選択勾配磁場パルスの遮断に鈍感とし
又同時に当該磁化を、磁場パルスを十分な時間遮断でき
るほどに時間的に延長することができる。この場合信号
の読出しは磁場パルスが存在しなくとも行うことができ
、線形状がそのまま維持される。

本発明を以下では陽子核共鳴を例に説明するが、別の種
類の磁気共鳴（例えばＥＳＲ）でも勿論それは利用可能
である。

１ その他の利点は明細書及び添（＝Ｊ図面から門らかとな
る。

前記特徴及び以下なお説明する特徴はその都度記載した
組合せにおいてだけでなく、本発明の枠を逸脱すること
なく別の組合せでも又は単独でも勿論使用することがで
きる。

（図示した実施例） 本発明の実施例を図面に示し以下詳しく説明する。

第１図ではＲＦ軸に各種の高周波パルス、ＧＸ軸、ＧＹ
軸、Ｇ２軸に勾配磁場パルスが時間ｔに関連して上下に
示しである。

固体試料の核共鳴信号を二次元体積選択測定するにはま
ずパルス系列１０を利用してスライスの選択が行われ、
パルス系列は第一９０°パルス１−１とこれに直接続く
スピンロックパルス］２と第二９０°パルス１３とから
なり、パルス系列１０全体は勾配磁場パルス１４が存在
するときＺ方向に照射される。

パルス系列］０は第一の「硬い」９０°パルス］　３ ２ でもって、勾配磁場パルス１４により定義されたスライ
ス又は層の磁化全体を２軸上に整列させ、こうして横方
向磁化を生成する。

それに続くスピンロックパルス１２は位相が第一９０°
パルス１１とは９０°ずれており、高周波場は正しく磁
化方向を向き、共振中のスピンにのみ、即ち選択したス
ライス上に配置したスピンにのみ有効である。こうして
スライスの磁化が「ロック」され、即ちそれは移相でな
く、その状態で保持される。それに対し試料の残りの体
積範囲の磁化は制御されることなく移相であり、それ以
−ヒの信号生成に寄与し得ない。

先行の優先権を有する国際出願Ｐ　ＣＴ／Ｄ　Ｅ９０１
００１９０のなかでＬＯ８Ｙパルス系列としても記載さ
れているパルス系列１０は利点として底形した高周波パ
ルス（正弦波パルス等）が必要でなく又Ｚ勾配磁場パル
ス１４は単に線幅に一致した程度に制限されている。

パルス系列１０によって決まった時間間隔τ１の経過後
、第二時間間隔τ２が続き、そこでは２つの位相勾配磁
場パルス１５．１６がＸ方向又はｙ方向に投入される。

この２つの磁場パルス１５゜１６は第１図に示唆したよ
うに位相付会化しであり、即ちその位相は徐々に接続さ
れる。

更に第１図にはっきり認められるように磁場パルス１４
，１５．１６を入切するにはその都度特定の時間か必要
であり、この時間はここで問題にしている脈絡のなかで
はかなりの長さである。

位相勾配磁場パルス１５．１６が投入された後第三時間
間隔τ３が続き、その初端で９０°高周波パルス１７、
そしてその終端で４５°高周波パルス１８か試料に照射
される。こうして試料ホリ定のたびに双極状態又は四極
状態が生成され、この状態は一方で固体信号の自然の線
幅に一致した持続時間よりも長く有効であり、たが他方
で信号はこの状態のとき勾配磁場パルス１５．１６に鈍
感となる。

それ故、それに続く第四時間間隔τ４のとき第１図には
っきり認められるように２つの位相勾配磁場パルス１．
５，１．６を再び遮断することが可能であり、しかも希
望する情報、即ち磁化を早期減衰によって失うことなく
可能である。

位相勾配磁場パルス１５．１６を遮断した後、再びτ３
の長さを有する第五時間間隔のとき第二４５°高周波パ
ルス１９により信号は再び双極状態又は四極状態から戻
され信号２０として読出すことができる。

従って信号読出しの時点は位相勾配磁場パルス１５．１
６の終了後にあり、付加的磁場パルスによる磁場の均質
性劣化が存在しないので測定した核共鳴信号の線形状は
不変である。

以ト述べた測定では位相勾配磁場パルス１５゜１６の各
位相調整用に２つの個別測定が行われる。

これは第一個別測定の間に２つの４５°高周波パルス１
８．１９を両方とも先行する９０°高周波パルス１７と
同相に調整し、それに続く個別測定において２つの４５
°高周波パルス１８．１９の位相を９０°回すことで行
われる。この処理法は逐次直角検出法と呼ぶこともでき
、信号を記録する間反射の現れるのを防止する。こうし
て全測定］　５ 時間は倍になるのではあるか、しかしこのことは固体試
料の場合波体、特に生きた人体組織についてｄｌす定す
る場合に比べあまり決定的ではない。というのも後者の
場合１１１１定時間が長くなるとエイリアシングによる
障害を懸念しなければならないからである。

従って４５°高周波パルス１８．１９の９０゜捩じれた
位相を使って２つの連続した個別７ｆ（ＩＩ定により時
間範囲内で実部と虚部、従って当該スペクトル情報全体
が測定される。

時間間隔τ３の持続時間は、最適な信号振幅を達成する
ため、自由誘導信号の最も急激な減衰にそれがほぼ一致
するよう調整される。こうして初期磁化の約５６％がエ
コー信号として分析される。

第２図に示す変種では三次元測定が行われる。

第２図の場合試験の開始時スライスの励起が省かれ、第
２図にはっきり認められるように直ちに３つの位相勾配
磁場パルス３０，３］、、３２がＸ方向、ｙ方向、Ｚ方
向に投入される。３つの磁場パルス３０〜３２が投入さ
れたなら第三時間間隔　７ ６ τ３以降第１図と同様の方法で試験が行われる。

このため第２図の試験ではまず９０°高周波パルス３３
、そして次に時間間隔τ３を置いて第一４５°高周波パ
ルス３４が照射され、その際物理現象は第１図の試験に
ついて先に説明したのと同じである。

次に３つの勾配磁場パルス３０〜３２が遮断され、持続
時間τ４の経過後直ちに第二４５°高周波パルス３５が
試料に照１１され、次に信号３６が読出される。

この場合にも、２つの連続した部分測定において２つの
４５°高周波パルス３４．３５の位相がともに９０°往
復接続されることになる。

以下、第１図に図示した方法の測定結果を幾つか説叩す
る。この測定は陽子測定周波数２００Ｍ１ｌｚのとき電
界強度４．７丁の超伝導磁気系を有する断層撮影装置で
実施した。直径３０ｃｍ又は１．５　ｃｍの管状勾配コ
イルを使用した。最大位相勾配は７．５Ｇ／ｃｍ０勾配
スイッチング時間は２ｍｓであった。位相勾配はそれぞ
れ３２ステツプに調整し１Ｐ。

た。

以下説明する測定には直径１　ｃｍの高周波ソレノイド
コイルを有する特殊な試料ヘッドを使用した。

９０″高周波パルスの長さは５μｓ。位相符号化時間τ
３は８５μｓに設定。勾配磁場パルスのスイッチング時
間は約２ｍｓであり、多極状態に移行するための時間τ
４は約１０ｍ５に設定した。

測定はへキサメチルベンゼン、ポリテトラフルオロエチ
レン（テフロン）からなる試料について実施した。室温
、測定周波数２００　ＭＪｌｚのときへキサメチルベン
ゼンのスピン・格子緩和時間は約３６０ｍ５である。双
極緩和時間は１００ｍ５未満と推測することができ、横
緩和時間は約４０μｓである。

第３，４図にはそれぞれ画像測定結果が示しである。

第３ａ図に示す第一試料４０は第一材料範囲４１と空所
４２と第二材料範囲４３とからなる。

４４はそれに付属した撮影像であり、２つの材料範囲４
１．４３がその他は黒いイテ景のなかに白い斑点として
はっきり認められる。選択した３２の位相ステップを基
に３２Ｘ３２の位相符号化とそれに対応した数の画素と
を遠戚することができた。

それを基に１．７ｍｍの空間分解能が得られた。スピン
エコー振幅のみ分析した。全測定時間は約４分であった
。

それに相応した測定を第４図が示しており、第二試料４
５は合計３つの材料範囲４６，４８゜５０と２つの空所
４７を有する。撮影像５１が示すようにこの微細構造試
料４５も明確に解像して表示された。

第５図の左上に示す第三試料６０はへキサメチルベンゼ
ンからなる第一材料範囲６１とテトラフルオロエチレン
からなる第二材料範囲６２とポリエチレンからなる第三
材料範囲６３を有する。

６１’　、６２’　、６Ｂ’で示唆したようにこの３つ
の範囲６１，６２．６３内で体積選択核共鳴を励起し第
５図の右下に示すようにそれに対応した核井鳴線を測定
した。この図のａ）、ｂ）、ｃ）に示した３本のスペク
トル線６１’、６２”１つ ６３″は位置６１’　、６２’　、６Ｂ’　における前
記３つの材料範囲６１，６２．６３に属する。

第５図ａ）、ｂ）、ｃ）にはっきり認められるようにさ
まざまな信号強度、さまざまな線形状が測定された。こ
のことは第６図の拡大図から特にはっきりするが、そこ
ではヘキサメチルベンゼンの線６１″とポリエチレンの
線６３’が再度詳しく示しである。

ところで測定した信号線はさまざまな観点から分析する
ことができる。例えば各信号極大に（＝Ｊ属した周波数
、又は線幅又は高次モーメントを求めることができる。

これらのパラメータを特定の材料特性に割当てることが
できることを前提に、各測定値に所定のグレースケール
上の付属した値を割当てることでこれらの測定結果を画
像表示することが基本的には可能である。

第７図にはＫｅｖｌａｒの商品名で市販されているポリ
パラ芳香族アミド試料の測定結果が示しである。試料は
ホＩＩ定時磁場に対しさまざまに整列させ、つまり第７
図の２本の線に該当する記号で示したつ１ ０ ように磁場と平行にそしてそれに垂直に整列させた。線
形状も又極大の位置も外部磁場に対する配向に依存して
変化することがわかる。最後に信号極大の角度伏在性が
第８図に記載しである。ここに示したパラメータは例え
ば合成樹脂の鎖配向を表示すべき画像中にコントラスト
を発生するのに利用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による二次元測定方法の第１実施例のパ
ルス系列。 第２図は第１図と同様の止し三次元測定用の図ボ０ 第３図は異なる材料範囲を有する試料についての画像測
定結果。 第４図は第３図に示す測定の変種。 第５図は異なる材料範囲を有する固体試料についての核
共鳴スペクトルの体積選択測定。 第６図は第５図の２つの核共鳴スペクトルの拡大図。 第７図は磁場に対し試料の向きを変えて記録しつり た合成樹脂試料の２つの陽子スペクトル。 第８図は第７図の測定を考慮し信号極大の周波数の角度
依存性を具体的に示す線図。 ４０、４５．６０・・・・・・・・・・・・試　料１１
．１２．１Ｂ。 １７．１８．１９・・・高周波パルス １４〜１６・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・勾配磁場パルスτ１〜τ４・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・時間間隔２０・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・信　号３０
〜３２・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・勾
配磁場パルス３３〜３５・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・高周波パルス３６・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・信　号Ｆｉ
ｇ、３ １ｃｍ 喝１ Ｆｉｇ、４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）固体試料（４０；４５；６０）の限定した小さな体
   積範囲内で磁気共鳴を二次元測定する方法であって、試
   料（４０；４５；６０）を一定した均質な磁場内に配置
   し所定の仕方で一連の高周波パルス（１１、１２、１３
   、１７、１８、１９）を照射し且つ一連の勾配磁場パル
   ス（１４〜１６）に曝し、勾配磁場パルス（１４〜１６
   ）の遮断時間より長い時間の間スピンの測定すべき磁化
   を維持する方法において、まず第一時間間隔（τ＿１）
   のとき試料（４０；４５；６０）の１スライスのみの磁
   化を９０゜傾いた横方向磁化に変え、次に第二時間間隔
   （τ＿２）のとき体積選択勾配磁場パルス（１５、１６
   ）を投入し、第三時間間隔（τ＿４）のとき体積選択勾
   配磁場パルス（１５、１６）の持続する間高周波パルス
   （１７〜１９）を試料（４０；４５；６０）に照射し、
   該パルスが体積範囲内で測定すべき横方向磁化を多極状
   態に変え、該状態は体積選択勾配磁場パルス（１５、１
   ６）に鈍感でありそして体積選択勾配磁場パルス（１５
   、１６）の遮断される時点を超えるまで持続し、最後に
   第四時間間隔（τ＿３）のとき多極状態を再び横方向磁
   化に戻しこれを信号（２０）として読出すことを特徴と
   する方法。 ２）横方向磁化を第一時間間隔（τ＿１）のとき第一パ
   ルス系列（１０）により生成し、該系列は第一の硬い９
   ０゜高周波パルス（１１）と第一９０゜高周波パルス（
   １１）とは９０゜ずれた位相位置でこれに直接続いたス
   ピンロックパルス（１２）と第一９０゜高周波パルス（
   １１）とは１８０゜ずれた位相位置でこれに直接続いた
   第二９０゜高周波パルス（１３）とからなることを特徴
   とする請求項１に記載の方法。 ３）固体試料の限定した小さな体積範囲内で磁気共鳴を
   三次元測定する方法であって、試料を一定した均一な磁
   場内に配置し所定の仕方で一連の高周波パルス（３３〜
   ３５）を照射し且つ一連の勾配磁場パルス（３０〜３２
   ）に曝し、勾配磁場パルス（３０〜３２）の遮断時間よ
   り長い時間の間スピンの測定すべき磁化を維持する方法
   において、第一時間間隔（τ＿２）のとき体積選択勾配
   磁場パルス（３０〜３２）を投入し、第二時間間隔（τ
   ＿４）のとき体積選択勾配磁場パルス（１５、１６）の
   持続する間高周波パルス（３３〜３５）を試料に照射し
   、該パルスが体積範囲内で測定すべき横方向磁化を多極
   状態に変え、該状態は体積選択勾配磁場パルス（３０〜
   ３２）に鈍感でありそして体積選択勾配磁場パルス（３
   ０〜３２）の遮断される時点を超えるまで持続し、最後
   に第三時間間隔（τ＿３）のとき多極状態を再び戻して
   信号（３６）として読出すことを特徴とする方法。 ４）多極状態に変え又この状態から変えるため照射する
   第二パルス系列が９０゜高周波パルス（１７；３３）と
   時間間隔（τ＿３）を置いて続いた第一４５゜高周波パ
   ルス（１８；３４）と更に時間間隔（τ＿４）を置いて
   続いた第二４５゜高周波パルス（１９；３５）とからな
   り、４５゜高周波パルス（１８、１９；３４、３５）の
   位相位置が好ましくは９０゜高周波パルス（１７；３３
   ）に対し交互に同相又は両方を９０゜ずらして調整する
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかを１項又は複
   数項に記載の方法。 ５）勾配磁場パルス（１４〜１６；３０〜３２）を徐々
   に位相符号化することを特徴とする請求項１〜４のいず
   れか１項又は複数項に記載の方法。