JPH0351172B2

JPH0351172B2 -

Info

Publication number: JPH0351172B2
Application number: JP61306680A
Authority: JP
Inventors: Harorudo Guroobaa Garii; Seodoa Garubaagu Guranto
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1986-01-03
Filing date: 1986-12-24
Publication date: 1991-08-06
Also published as: DE3650381T2; DE3650381D1; EP0230027A3; EP0230027A2; EP0230027B1; JPS62189056A

Description

【発明の詳細な説明】発明の背景この発明は核磁気共鳴（NMR）方法及び装置
に関する。更に特定すれば、この発明は均質な容
積の化学シフト作像（CSI）から演繹された磁界
の測定値に基づく磁石のシム作用を行なう方法に
関する。

核磁気共鳴現像は、従来、化学組成物の構造を
解析する為に、構造化学者によつて分解能の高い
NMR分光装置で利用されてきた。最近、NMR
は、生体内の非侵入形の分光分析を行なうと共
に、解剖学的な部分を作像する用途を持つ医療用
の診断モードが開発されている。現在ではよく知
られているが、分極磁界B₀の中に配置された患
者の様なサンプル物体の中で、RF磁界パルス及
び勾配磁界パルスで構成されたパルス順序を公知
の形で印加することにより、NMR現像を励振す
ることが出来る。励振によつて誘起され、物体か
ら出て来るNMR信号を検出し、それを使つて検
査する物体に関するNMR作像情報又は分光情報
を取出す。

全身NMR作像及び分光方法が開発されたこと
により、中孔が広い磁石の中の大きな容積にわた
つて分極磁界の均質性に厳しい要求が課せられる
様になつた。分極磁界は、永久磁石、抵抗性電磁
石又は超導電磁石の様ないろいろな種類の磁石に
よつて発生することが出来る。超導電磁石は、大
きなエネルギ入力を必要とせず、強い磁界を発生
して保つことが出来る点で、特に望ましい。然
し、この何れの種類のNMR磁石でも、固有の磁
界は、医療用に望ましい分解能まで、所望の作像
又は分光用の測定を行なう程の均質性がないのが
一般的である。標準的な大抵のNMR作像及び分
光用のパルス技術は、関心のある容積にわたり、
磁界の非均質性が約±4ppm（1.5テスラでは±250
Hz）よりよいことを必要とする。ある化学シフト
作像（CSI）方法は、更によい均質性（1ppm未
満）を必要とする。炭素（¹³C）及び燐（³¹P）の
生体内の分光法には、特に検査される物体自体に
よつて起る磁界の歪みが存在する時、非均質性の
測定と補正に更に厳しい条件が課せられる。

主磁石によつて発生された分極磁界の均質性を
改善する為に、磁石装置は種々の形状を持つ補正
コイルを含んでいるのが典型的である。補正コイ
ルは、シム・コイルとも呼ばれるが、軸対称コイ
ル及び横方向コイルの両方を含んでいる。軸対称
コイルは全般的に円筒形コイル巻型の上に螺旋形
パターンで配置されているが、横方向補正コイル
は全般的に所謂サドル形に配置されている。各々
のコイルはそれ自身の電流制御装置を持つてお
り、他の全てのコイルに対して直交する磁界を発
生する様に設計するのが理想的である。実際に
は、例えばZ²X及びZ²Yで表わされる磁場を補正
するコイルは、直交しない成分を持つ磁界を発生
する。磁界の非均質性の補正は、シム・コイルの
合計磁界が、主磁石によつて発生された分極磁界
の誤差磁界と丁度釣合う様に、個々のシム・コイ
ルの電流を調節することを必要とする。この手順
をシム作用と呼ぶ場合が多い。

主磁石のシム作用を敏速に且つ正確に（そして
理想的には自動化して）行なう方法に対する要望
がある。従来幾つかの方式が使われている。ある
種類の方法では、磁石の中孔の中の戦略的な場所
に於ける磁界強度の測定値を利用して、特定のシ
ム・コイルを付勢する所定のシム電流を最適にす
る。この方式は、所望の程度の磁界の均質性を近
似する磁石の設定時の初期段階で用いる場合が多
い。１例として、所定の軸線に沿つて磁力計プロ
ーブを用いて磁界の測定値を求めた場合、その軸
線に沿つて磁界を補正する様に設計されたシム・
コイルのシム電流を調節することが出来る。従来
のこの方法並びにこれから説明するその他の方法
で起る問題は、磁界の測定が空気中で行なわれ、
この為検査される物体が原因で生ずる磁界の歪み
が補償されないことである。

別の種類の方法では、適当な標本から得られた
自由誘導減衰（FID）信号の線幅（又はこれと同
等であるが、減衰時間）を監視すると共に、その
間シム・コイル電流を手作業で、又は計算機によ
つて反復的に調節する。シンプレツクスと呼ばれ
るこの様な１つの方式が、テクロメトリツクス
誌、第４巻第441頁（1962年）所載のW.スペンド
レー他の論文「シンプレツクス・アルゴリズム」
に記載されている。この方式を使う時、「最も急
峻な下降」方法の間、局部的な極小値を避ける様
に注意を払わなければならない。マグネテイツ
ク・レゾナンス・イン・メデイスン誌、第１巻、
第44頁（1984年）所載のF.ロメオ他の論文「磁石
の磁界の輪郭：解析と補正コイルの設計」に記載
されている様に、フアントムの形の選択、並びに
選ばれたシム成分の重要性を減らす様なその展開
を選ぶ時、対称性を利用出来る場合が多い。所望
の磁石の均質性に対する近似が既にかなり良好で
なければ、この様な反復的な方式は精々面倒とい
うものであり、速さの条件を満たさない。

シム作用の３番目の方式は、関心のある容積内
で又はそれを囲む多くの点で、分極磁界を測定
し、正規直交基本集合に展開して、均質な磁界を
達成する為に、各々のコイル成分で要求される寄
与を計算することである。この為、測定が正確で
あつて、展開が十分な基本集合を持つている場
合、シム電流に対して必要な変化の評価は任意に
精密にすることが出来る。この方式に伴なう欠点
は、往復台に取付けた磁力計プローブを使つて、
関心が持たれる容積内の種々の点に於ける磁界を
標本化する場合が多いことである。例えばこのプ
ローブを用いて測定を行なうのが比較的面倒であ
る為に、十分な測定をしないと、この方式では、
満足し得る様なレベルの均質性に達する為には、
繰返し方法を用いることが必要である。この方式
は後で詳しく説明する。

従つて、この発明の主な目的は、前に述べた方
式の欠点なしに、NMR装置の磁石のシム作用を
速やかに且つ正確に行なう方法を提供することで
ある。

この発明の別の目的は、関心のある容積を一層
一様にカバーする、自動化したデータ収集方式を
提供することである。

この発明の別の目的は、検査される物体（患
者）が存在する状態で、磁界を測定して補償する
ことが出来るデータ収集方式を提供することであ
る。

発明の要約主分極磁界を発生する手段と、付勢された時
に、分極磁界の不完全さを補償する補助磁界を発
生する複数個の補正コイルとを持つ磁石装置によ
つて、発生された磁界の均質性を改善する方法を
提供する。この方法は、分極磁界の中に配置され
たフアントム装置の化学シフト・データを求め、
この化学シフト・データから分極磁界の測定値を
導き出す工程を含む。導き出した磁界測定値の少
なくとも部分集合を正規直交基本集合に展開し、
各々の補正コイルに対する較正係数を決定する。
正規直交展開したデータの基本集合及び較正係数
を用いて、分極係界に不完全さがあれば、その不
完全さを補償する為に、複数個の補正コイルの
各々に加えるべき必要な電流変化を決定する。

この発明の新規と考えられる特徴は、特許請求
の範囲に具体的に記載してあるが、この発明自体
の構成、作用及びその他の目的並びに利点は、以
下図面について説明する所から、最もよく理解さ
れよう。

発明の詳しい説明この発明を理解するには、前に述べた第３の磁
石シス方式を最初に詳しく説明しておくのがよい
と思われる。この目的の為、最初に第１図を参照
する。第１図は、普通の座標系に中心を持つ球の
１／８で構成された容積１０を示している。この座
標系で、正のＺ軸は分極磁界B₀の方向に対応す
る。こゝで説明するのは容積１０についてだけで
あるが、実際には測定が、その均質性を改善した
い磁界の部分を表わす球状容積全体に対して実施
されることを承知されたい。この方法では、夫々
平面１６乃至１９内の半径方向に配置された、例
として示す点１２乃至１５の様な多数の点で磁界
を測定する。平面は磁石の軸線、即ち第１図に示
すＺ軸に対して垂直である。測定は、往復台（図
に示してない）に取付けた磁力計プローブを用い
て実行するのが典型的である。関心のある容積を
表わす球の面上でこうして得られたデータを正規
直交基本集合に展開する。正規直交展開を行なう
便利な方法は、データを球面調和関数の展開には
め合せることである。その展開係数を使つてシ
ム・コイル電流を定める。これは、各々のシム・
コイルが、１つの球面調和関数を典型的に表わ
し、従つてその補正をするからである。従来実施
されたこの方式は、満足し得るレベルの均質性に
達する為には、繰返しを必要とすることが判つ
た。その１つの理由は、通常は平面１６乃至１９
と同様な７個の平面しか標本化しないからであ
る。然し、この発明では、シミユレーシヨンによ
り、展開を正確に計算する為には、典型的な磁界
の寄与に対し、少なくとも11個の平面の標本化が
必要であることが判つた。従来の方法に伴なつて
起る問題は、磁力計プローブを用いて測定を行な
うので、余分のデータを収集するには、時間と効
率の低下を伴なうことである。更に、測定が中に
何も入つてない磁石の中孔（即ち、作像する物体
の不在状態）で行なわれるから、物体が磁界に対
して持つ歪み効果が補償されない。

球面上の点を標本化する標本化方式に伴なう別
の欠点は、第１図の平面１６の様に、Ｚ軸の局限
にある平面は、球面の標本化が過剰になるが、Ｘ
−Ｙ平面に近い平面（平面１９）は標本化が不足
することである。別の難点は、球の境界上の点の
測定だけを記録することである。これは、閉じた
輪郭の境界上の条件が、電流源が中に入つていな
ければ、内部のあらゆる場所の磁界を決定すると
述べたマツクスウエルの方程式並びにテセラル調
和関数展開理論（the theory of Tesseral
harmonic expansion）に厳密に従つている様に
見える。然し、実際には、球の内部で得られた測
定値が、磁界分布の評価を改善するのに有利であ
ることがある。前に述べたが、データを点毎の方
法によつて記録する時、この様な余分の標本化は
時間と効率に余分の負担を必要とする。

次にこの発明の方法について説明すると、関心
のある容積を更に一様にカバーする自動化データ
収集方式を提供する。この発明の方法では、４次
元化学シフト作像（CSI）方式を用い、この内の
３つの座標が空間位置に対応し、４番目が共鳴周
波数である。共鳴周波数、従つて見かけの絶対的
な化学シフトが印加磁界の強さに関係するから、
化学シフト・スペクトルが、任意の基準化合物に
対するNMR周波数のppm単位で表わした端数シ
フトで表わされる。一般的に、この発明では、磁
界の対応する変動が原因で生ずる共鳴周波数の変
化（見かけの化学シフト情報）を活用する。作像
磁界の中心に配置した一様な材料（例えば硫酸銅
を入れた水）で構成されるフアントムを配置する
ことにより、測定データを収集する。スペクトル
内の水のピークの位置を監視することによつて観
測されるあらゆる周波数変化が、材料の異質性に
よる実際の化学シフトではなく、分極磁界の非均
質性の結果であると仮定する。

この発明の化学シフト作像シム方式は、４つの
構成要素、即ち、(1)化学シフト・データの収集、
(2)収集された化学シフト情報の正規直交基本集合
への展開、(3)シム・コイルの感度の較正及び(4)所
望の均質性を達成するのに要するシム電流の変化
の計算で構成される。これらの構成要素の各々を
次に説明する。

データ収集段階の間、第２図の平面２２の様
に、Ｚ軸とφの等しい角度で交差する複数の平面
内でデータを収集する。データを円柱座標系で収
集し、それを球面座標に補間するのが便利であ
る。各々のスライスは所定の角度φに対する点
（ｒ、θ）（こゝでｒ、θ及びφは球面座標であ
る）で、並びに第３図に示す様に、φ＋πに対す
るｒ、θで測定し得るデータを含んでいる。こう
して、Ｎ個のスライスにより、2N個の測定値が
得られる。典型的には、φ＝0゜、45゜、90゜及び
135゜にある４つの平面に対して測定を行なう。θ
＝（0゜、22.5゜、45゜、67.5゜、90゜、112.5゜、135
゜、
157.5゜）の８個の値と、＋及び−φの角度の両方
に対するｒの８個の値に対して測定をする。この
為、この方式は球状容積の経済的であるが一様な
標本化が出来る様にする。

第４図は関心のある容積内の磁界の均質性に関
するデータを収集するのに適したパルス順序の期
間１乃至５で構成された１つの実験を示す。次に
第４図について説明すると、勾配G_x′，G_y′，G_z
が認められよう。この明細書では、勾配G_x′及び
G_y′は、角度φ＝0゜で、G_x＝G_x′、G_y＝G_y′である
と定義する。φの他の角度では、G_x′及びG_y′が
次の回転マトリクスによつて組合され、Ｚ−Ｙ平
面に対して角度φにあるスライスを選択する。

G_x G_y G_z＝cosφ sinφ0 ０ −sinφ cosφ0 ０００１ G_x′ G_y′ G_z′ (1) G_z勾配は通常普通のデカルト座標系のＺ軸の方
向を向いている。

次に第４図の期間１を見ると、G_y′勾配の存在
のもとに選択性90゜RFパルスが印加されることが
示されている。RFパルスの周波数内容は、ラー
モア方程式によつて予測された通りに選ばれ、関
心のある予定の平面内にある核スピンだけを励振
する様にする。スピン捩れ形の名前で知られてい
るフーリエ変換作像方式に使われるのと同様に、
期間２に位相符号化勾配G_x′及びG_zが印加され
る。スピン捩れ形の場合と同じく、このパルス順
序のこの後の実験では、位相符号化勾配G_x′及び
G_zの異なる振幅（一般的に時間積分）を逐次的
に用いる。この為、N_x′及びN_z個の振幅がG_x′及
びG_z位相符号化勾配にあれば、１つのスライス
からのデータを発生するのに、N_x×N_z個の別々
の位相符号化実験が必要である。N_x′及びN_zは例
えば夫々16に等しく選ぶことが出来るし、それが
有利である。位相符号化勾配を用いる典型的な順
序は、実験１でG_z勾配の１つの振幅を選択し、
G_x′勾配をその振幅範囲にわたつて進めてから、
G_zを次の振幅へ増加し、以下この過程を繰返す
ことである。この様な位相符号化の構成は単に例
に過ぎず、G_x′及びG_zをN_x′及びN_y個の振幅の範
囲にわたつて順次進めるこの他の方式を用いても
よい。第４図の説明を続けると、期間３に、
180゜RFパルスが印加されて、期間５にスピンエ
コー信号（図面に示してない）を発生する。この
結果得られたスピンエコー信号を何等意図的な作
像勾配が存在しない状態で、アナログ・デイジタ
ル（Ａ／Ｄ）変換器（図面に示してない）によつ
て期間５に標本化する。典型的には、Ａ／Ｄ窓
は、128ミリ秒の間の128個の点である。

例えば第４図のパルス順序を用いて標本化され
たNMRスピンエコー信号で構成されるデータの
信号を収集した後、周知の方式を用いて、N_c
（こゝでN_cはスペクトル内の点の数、例えば128、
256等）個の化学シフト像を構成する。データ信
号の３つの次元が、時間と、G_x′及びG_z勾配の
各々に対する位相符号化の振幅を含む。一般的
に、３次元フーリエ変換解析を行なうことによ
り、磁界に関する情報が復元される。時間に関す
る第１の変換により、G_x′及びG_z勾配の位相符号
化振幅の関数として周波数情報（スペクトル）が
得られる。G_x′及びG_z勾配の各々の振幅に対する
この後の２次元のフーリエ変換により、所定の標
本化平面内のことごとくの画素に於ける一連のス
ペクトルが得られる。各々の画素に於けるスペク
トルを解析して、周波数ピークを決定する。ラー
モア方程式によつて予測されるピークからの周波
数ピークの偏差（±Hz）を決定し、それをその画
素に於ける磁界B_nに関係づける。化学シフト作
像に関して更に詳しいことは、ラジオロジー誌、
149巻、第197頁乃至第201頁（1983年10月号）所
載のピケツト他の論文「核磁気共鳴：生体内陽子
の化学シフト作像」を参照されたい。

上に述べたN_c個の像の各々がN_x′×N_z個の画
素であり、こゝでN_cは、Ａ／Ｄ読取の間に、
各々のスピンエコー信号を標本化する回数であ
る。典型的には、N_cは128個の像に等しいことが
ある。こうして、各々の像が共鳴周波数スペクト
ルの異なる部分を含む。この各々の像の画素情報
を使つて、その点に於けるスペクトルのピークの
位置に、その画素の強度を割当てることにより、
磁界強度の像を作る。この磁界強度の像が所望の
測定値であり、これが他の角度φで得られた他の
像と共に、正規直交基本集合に展開する為のデー
タ集合を形成する。正規直交基本集合に展開する
好ましい１形式は、球面調和関数を用いる。正規
直交基本集合の展開の結果は、（球面調和関数で
展開すれば）離散的な球面座標に於ける磁界B_n
（r_i、θ_j、φ_k）のサンプルとして得られる。

実際には、十分な空間的な分解能で磁界の変動
を定めるのに、N_x′＝N_z＝16画素の再生が適切で
あることが判つた。これは、球面調和関数を使う
時、展開式にcos／sin（2θ）に関する項だけが残
るからである。同様に、cos／sin（2φ）に関する
展開の項目を定めるには、４つのスライス（８個
の角度φに於ける測定を行なう）で十分以上であ
る。好ましい実施例では、米国特許第4612504号
に記載されたパルス順序をデータ収集過程に用い
るのが有利である。この順序を使う場合、Ｓをス
ライスの数としてＳ×（16×16＋ベースラインの
図）個の実験が必要である。パルス順序の繰返し
時間T_r＝250msec（第４図に示す）である場合、
データ収集過程に約4.3分を要する。N_c＝128にす
ることにより、（典型的には）±500Hzの範囲の適
切な周波数分解能が得られることが判つた。

この発明の方法の２番目の工程では、上に述べ
た様にして得られた磁界の測定値B_n（ｒ、x′、
ｚ）を正規直交基本集合に展開する。これは公知
の種々の方法で行なうことが出来るが、好ましい
実施例では、球面調和関数を使う。この為、基本
となるのはルジヤンドル多項式P^m _o（cosθ）であ
る。従つて、（1941年にマツクグローヒル社から
出版されたJ.A.ストラツトンの著書「電磁理論」、
第402頁参照） B_n(r,θ,φ)＝〓^n=1N （ｒ／r_p）ⁿa_opP_o(cosθ)＋〓^n=1N （ｒ／r_p）ⁿ 〓^m=1m P^m _o(cosθ)［a_oncosmφ＋b_onsinmφ］ (2) こゝでr_pは表示する球の半径、a_on、b_onが決定し
ようとする係数である。シム作用では何の効果も
ないので、直流項を無視していることに注意され
たい。一般的に、任意の磁界を表わすには無限の
数の項（Ｎ、N′→∞）が必要である。実際には、
低次成分が磁界を適切に表わすと云う仮定を先験
的にして、Ｎ＝４、N′＝３の最初の12項（a₃₁、
b₃₁まで）だけを使う。

測定値を式(2)にはめ合せることにより、係数を
求める。原則として、上に述べた様に、球面上に
あるデータだけを使えばよい。然し、例えば球の
中にある容積全体にわたつて積分することによ
り、信号対雑音の利点が得られることが判つた。
この他の方法を用いて、例えば最小自乗はめ合せ
方法を用いて、略同じ結果を求めることが出来
る。即ちＢ（θ，φ）＝１／r²／₀∫^ro _pB_n（ｒ，θ，φ）rdr(3) とするとＢ（θ，φ）＝Σ_o［a_op／ｎ＋２P_o（cosθ）＋P^m _o（co
sθ）（a_on／ｎ＋２cosmφ＋b_on／ｎ＋２sinmφ）］ (4) 従つて、実験データを式(3)に示す様に、ｒにわ
たつて最初に積分し、その後展開式
（a′_on′b′_on）にはめ合せた場合、式(2)の係数は
次の式で表わされる。

a_on＝a′_on／（ｎ＋２）（5a） b_on＝b′_on／（ｎ＋２）（5b）展開係数は次の式から判る。

a′_op＝2n＋１／4π∫〓_psinθPn（cosθ） dθ∫²〓_pβ（θ，φ）dφ （6a） a′_on a′_on b′_on＝2n＋１／2π （ｎ−ｍ）！／（ｎ＋ｍ）！∫〓
_pP^m _o(cosθ)sinθ dθ∫²〓_pβ(θ,φ)cos sinmφ dφ 従つて、測定された磁界B_n（ｒ，θ，φ）に対
し、式(3)及び式(6)から展開係数が判る。勿論、
実際には標本化したデータしか利用することが
出来ず、従つて積分は和に置換える。和を評価
するには、直接的なシンプソンの規則による加
算が適切である。

展開にはベクトル表記を使うのが便利であ
る。Ψ_oを基本関数とする。この実施例では、
これが球面調和関数である。

この基本信号を12成分列ベクトル［Ψ_o］と記す。
この時、式(2)はベクトル形式で次の様に書くこと
が出来る。

B_n ^(1×Nb)（ｒ，θ，φ）＝［c_o］^(1×Nb)［Ψ_o］^(Nb×
1)(8) こゝでN_bは基本関数の数、［c_o］は式(7)によつて
定められた適当な次数の展開係数（a_on、b_on）の
（１×N_b）行ベクトル、Ψ_oは直交球面調和関数
か、又は円柱調和関数の様な他の基本関数の
（N_b×１）列ベクトルである。

次に、式（6a）及び（6b）を用いて［c_o］を評
価する。４個の16×16デカルト座標磁界マツプを
64×64にsinc補間して、最近隣接補間を用いて、
各々のφ（スライス）に対し8r個のサンプル及び
16θ個のサンプルを発生する。

磁界の測定値を展開した後、３番目の段階は、
シム・コイルの較正である。典型的には、シム・
コイルは各々が球面関数展開（式(2)）の異なる成
分を表わす様に設計されている。即ち、各々のコ
イルが１つの調和関数だけの補正を行ない、こう
してそれらを合せると、個々に調節自在のコイル
が磁界の均質性の大幅な変動を補正する様にする
のが理想的である。正確にそうなつていれば、上
に述べた様にして得られた展開係数が夫々、対応
するコイルに要求されるシム電流に正比例する。
然し、実際には、各々のコイルは完全な表示の為
には、全ての基本関数の和を必要とすることが判
つた。最大の「不純物」項は同様な対称性を持つ
基本関数（即ち、Ｘに対するZX及びZ²Xの対等）
から生ずる。

従つて、ｉ番目のシム・コイルの単位電流に対
し、列ベクトルの１成分として表わすことが出来
る様な磁界S_i（ｒ、θ、φ）が発生されると仮定
する。

［S_i］^(12×1)＝［S_io］^(12×Nb)［Ψ_o］^(Nb×1)ｉ＝１
，…，12
(9) こゝでS_ioは12×12マトリクスの成分である。
［S_io］マトリクスが決定された時、それを貯蔵
し、シム・コイルを較正するのに使う。この為、
電流ベクトル［I_i］によつて記述された電流が印
加された時にシム・コイルによつて発生される合
計磁界は次の通りである。

B_shin＝［I_i］^(1×12)［S_i］^(12×1) ＝［I_i］^(1×12)［S_io］^(12×Nb)［Ψ_o］^(Nb×1)(1
0) シム・コイルによつて発生された磁界B_shinが
測定された磁界B_nを丁度打消す様な電流［I_i］
を使うのが望ましい。この為、式(8)及び(10)か
ら、次の様になることが望ましい。

B_n＋B_shin＝０又は［c_o］［Ψ_o］＋［I_i］［S_io］［Ψ_o］＝０ (11) 従つて、全てのシム・コイルが一意的であれ
ば、［S_io］は逆数を持ち、所望の解は次の様にな
る。

［I_i］＝−［c_o］［S_io］^-1 (12) この為、式(12)は、磁界B_nの誤差をシム作用に
よつてなくす為（補正する為）に印加しなければ
ならない電流ベクトルである。式(12)を用いて、シ
ムの組に対する較正マトリクス［S_io］^-1を最初に
計算することが必要である。（各々のコイルが正
確にある球面調和関数を表わすとすれば、順序を
適当にすれば、［S_io］^-1は対角線になることに注
意されたい。）マトリクス［S_io］は、(1)前に述べ
たCSI方式を用いて、任意のシム電流の設定値に
よつて発生された磁界を測定し（式(8)）、(2)各々
のコイルで別々に電流を既知量だけ変え、その応
答を測定し、(3)(2)から(1)を減算し、(4)その結果得
られたマトリクスを反転し、それを例えば計算機
のメモリに貯蔵し、それが補正に使う較正マトリ
クスになる。

上に述べた較正過程の間に使われるシム電流の
変化は、非線形の勾配項に対しては典型的には11
乃至２アンペアであり、Ｘ、Ｙ及びZ₁コイルでは
200mAである。

最後の工程で、シム電流の補正を行なう。各々
のコイルに対し必要な電流の変化が、前に掲げた
式(12)を用いて得られる。較正マトリクス［S_io］^-1
を利用できると仮定すると、磁界を測定して、
［c_o］を求め、式(12)から電流の変化を計算し、
（各々の補正コイルに対して１つずつ）12個の電
流の各々にこの変化を加えさえすればよい。この
手順が、シム・コイルが変らない限り、較正のや
り直しをせずに、磁石の環境の変化（例えば備品
又は装置の移動又は各々の新しい患者等）を補償
する。磁石のシム作用の為に計算されたシム・コ
イルの電流変化は、適当なシム・コイルの電源を
オペレータが調節することによつて手動で設定し
てもよいし、或いは計算機と種々のシム・コイル
電源の間に適正なインターフエースが設けられて
いる場合は、自動的に設定することが出来る。

この発明の方法は幾つかの研究装置の磁石に用
いて成功を収めた。正確な結果を達成する為に
は、磁界を印加することによつて誘起される渦電
流の影響を正確に補償することが望ましい。これ
は、意図しない磁界勾配があると、測定値に歪み
が生ずるからである。渦電流を補償する１つの方
法が、米国特許第4698591号に記載されている。

直径32cm、長さ40cmの水のフアントムを用い、
直径25cmの球に対するシム作用を行なつて、１つ
の実験を実施した。上に述べた様にして決定した
シム電流の変化を加え、フアントムを再走査し
た。新しい１組の電流を計算し、Z₃コイルに対す
る500mAの変化が適切と判断された。この変化
を加えた後、最終的に得られたスペクトルは、
（勾配を何も加えない状態で）フアントム全体に
わたり、全幅1/2最大値（FWHM）で、約
0.3ppmの幅であつた。

直線的な勾配G_x、G_y、G_zを別として、全ての
シム電流を遮断することにより、磁石を最初から
シム作用することを試みた。CSI順序の帯域幅、
シム作用をしない磁石の不良の線幅を囲む様に、
普通の＋500Hzから＋2kHzに拡がつた。予測され
た補正電流は、Z₃及びZ₄（これらは0.5アンペア以
内）を除く全てのコイルで、前に決定した値から
100mA以内であつた。この為、たつた１回の測
定順序で、非常に厳密な補正が達成された。２回
目の繰返しをすれば、最終的な補正になる。然
し、この方法が成功するかどうかは、直線的な勾
配が妥当な範囲で厳密であるかどうかによつて左
右される。これは、こういう勾配が最も影響を受
け易いからである。これはスペクトルを見なが
ら、手作業で容易に行なわれる。

極低温槽のポンプ動作の為の磁石を下に傾け、
床に約0.2M近付けた位置にした時、この方法の
別の試験を行なつた。新しいシム電流を計算し
（あるコイルでは１アンペアもの差がある）、この
発明の方法をたつた１回用いるだけで、0.3ppm
の線幅が再び確立された。

この方法はシムを確立するのに使われるフアン
トムが、線幅の測定に使われるものと同じである
時、狭い線幅を生ずることが判つた。然し、形の
異なるフアントムを用いる時、見かけの均質性は
不良になることが観測された。その難点は、フア
ントムが存在することによつて磁界が歪むことで
ある。歪みの性質が、物体の形に関係する。例え
ば、透磁率ｘを持つ球状の均質な容積（水で−
12ppm）が、B₀を空気中の磁界の値として、B₀
（１＋ｘ／４）の値を持つ内部の一様な磁界を支
える。更に一般的に云えば、回転楕円体も一様な
磁界を生じ、その減磁率は縦横比に関係する。こ
の他の形により、磁界に定数以外のある歪みが生
ずるので、これらは測定された非均質性の寄与因
子である。シム手順により、外部の誤差と共に、
これらの歪みを相殺し、この為シム・フアントム
に対して狭い線幅を得ることが出来る。形の異な
る物体を使う時、磁界の歪みが異なることがあ
り、均質性が不良に見えることがある。

この為、シムの設定は、（ppmレベルで）測定
する物体によつて左右され、適切な物体に関する
判断を下さなければならない。この為、最も適切
なフアントムはおそらく人間の形に似せる為に、
途中まで水を入れた容器であろう。

CSI方式によつて演繹された磁界測定値の展開
は、データを正規直交基本集合に展開する１つの
方式である。この他の方式としては、例えばフー
リエ又はフーリエ・ベツセル基本関数がある。

実際、データは円柱形の対称性を持つて得られ
るから、円柱調和関数を用いて、データのよりよ
いはめ合せが得られるかどうかを判断する為に、
実験を行なつた。この方法は、複素数係数を持つ
フーリエ・ベツセル展開を用いて、化学シフト像
の展開を用いた。複素数係数を持つ線形直交展開
を有する実数関数によつて記述されるモデルを用
いた最小自乗方式を使つて、必要なシム・コイル
電流を評価した。

円柱調和関数を使つても、球面調和関数によつ
て得られる以上に、シム・コイル電流に対して一
層正確な解は得られなかつた。然し、円柱調和関
数を使つたことから、標本化領域の変化する寸法
に対し、解は一層一貫性を持つものにしなければ
ならないことが判つた。例えば、作像する物体の
磁界の一層よいモデルを作る為に、円柱及び球面
の両方の調和関数に対し、最小自乗はめ合せの改
良された方式が選ばれた。

再生断層写真法に使われているツエルニツク多
項式の様に、円柱形対称性を持つて標本化された
データのはめ合せに、この他の直交展開式を使う
ことが出来ることが理解されよう。特に関心があ
るのは、有限の領域にわたつて直交していて、帯
域が制限された様な長球面多項式である。こうい
う関数は、マトリクス反転作業を、半径方向のサ
ンプルにわたる有限の和に縮小することが出来
る。

第５図はこの発明を実施するのに適したNMR
装置の主な部品を示すブツク図である。装置の全
体的な動作が、主計算機２０１（例えばデータ・
ゼネラル社のMV4000）を含む全体を200で示し
たコンピユータ・システムによつて制御される。
計算機にインターフエース２０２が付設され、こ
れを介して複数個の計算機の周辺装置及びNMR
装置のその他の部品が結合される。計算機の周辺
装置の中には磁気テープ駆動装置２０４があり、
これを主計算機の指示のもとに用いて、患者デー
タ及び像をテープに記録することが出来る。処理
済み患者データは像デイスク貯蔵装置２１０にも
貯蔵することが出来る。配列処理装置２０６をデ
ータの予備処理及びデータの再生の為に利用す
る。像処理装置２０８の作用は、拡大、像の比較
及びグレースケールの調節の様な対話形の像表示
の操作を行なうことである。コンピユータ・シス
テムが、デイスク・データ貯蔵装置２１２を用い
て、生（再生されていない）像データを貯蔵する
手段を備えている。主オペレータ・コンソール２
１６もインターフエース２０２を介して計算機に
結合され、患者の検査に関するデータ並びに走査
の開始及び終了と云う様なNMR装置の適正な動
作に必要なその他のデータを入力する手段をオペ
レータに提供する。オペレータ・コンソールは、
デイスク又は磁気テープに貯蔵された像を表示す
る為にも使うことが出来る。

コンピユータ・システムが全体を夫々２１８，
２２８で示す制御装置及び勾配増幅器装置を介し
て、NMR装置を制御する。計算機が当業者によ
く知られた形で、（イーサーネツト回線の様な）
デイジタル通信回線２０３を介して制御装置２１
８と連絡する。この制御装置が、パルス制御モジ
ユール（PCM）２２０、無線周波トランシーバ
２２２、状態及び制御モジユール（SCM）２２
４、及び部品を付勢するのに必要な全体を２２６
で示す電源の様な幾つかの部分装置を含んでい
る。パルス制御モジユールが計算機の制御信号を
利用して、勾配コイルの励振に使われる電流波形
や、RFパルスを変調する為にトランシーバで用
いるRF包絡線波形の様なデイジタル・タイミン
グ及び制御信号を発生する。勾配波形が全体的に
増幅器２３０，２３２，２３４で構成された勾配
増幅器装置に印加される。各々の増幅器が、磁石
集成体２４６の一部分であつて、全体を２３６で
示す集成体の中にある対応する勾配コイルを励振
する為に使われる。勾配コイルは、付勢された
時、デカルト座標系のＸ、Ｙ及びＺ軸の方向の略
直線的な、互いに直交する磁界勾配G_x，G_y，G_z
を発生する。勾配をトランシーバ２２２によつて
発生された無線周波パルスと組合せて利用して、
検査される患者の領域から出て来るNMR信号に
空間情報を符号化する。パルス制御モジユールに
よつて供給される波形及び制御信号が、RF搬送
波の変調及び動作モード、即ち送信モードが受信
モードかの制御の為に、トランシーバ２２２によ
つて用いられる。送信モードでは、送信機がパル
ス制御モジユールから供給された制御信号に従つ
て変調される無線周波搬送波波形を供給し、これ
が主磁石集成体２４６の中にあるRFコイル２３
８を付勢する。励振された原子核から放射される
NMR信号が、送信に使つたのと同じ又は異なる
RFコイルによつて感知される。信号がトランシ
ーバの受信機部分で検波、波及びデイジタル化
される。デイジタル化された信号が、専用の一方
向高速デイジタル回線２０５を介して、処理の為
にインターフエース２０２から主計算機に伝達さ
れる。

PCM及びSCMは独立の装置であり、その両方
が主計算機２０１、患者位置ぎめ装置２５２の様
な周辺装置、並びに相互にも、回線２０３を介し
て連絡する。PCM及びSCMは何れも主計算機か
らの指令を処理する為の16ビツト・マイクロプロ
セツサ（インテル8086）で構成される。SCMが、
揺台位置並びに可動の患者整合扇形ビームの位置
に関する情報を収集する手段を含む。主計算機が
この情報を使つて、像の表示及び再生パラメータ
（例えばオフセツト）を修正する。SCMは、患者
輸送及びレーザ装置の作動の様な機能をも開始す
る。

勾配コイル集成体２３６及びRF送受信コイル
２３８が、分極磁界を発生するのに使われる磁石
の中孔の中に取付けられている。磁石が主磁石集
成体の一部分を形成しており、この集成体は患者
整合装置２４８、調節自在のシム・コイル電源２
４０及び主磁石電源２４２を含むシム電源を利用
して、主磁石に付設されたシム・コイルを付勢す
る。こういうシム・コイルを使つて、分極磁界の
非均質性を補正する。抵抗性磁石の場合、主磁石
電源２４２を利用して、磁石を連続的に付勢す
る。超導電磁石の場合、電源も利用して磁石を適
正な動作磁界にし、その後切離す。患者整合装置
２４８が患者揺台及び輸送装置２５０及び患者位
置ぎめ装置２５２と組合さつて作用する。外部の
源からの干渉を最小限に抑える為に、主磁石集成
体、勾配コイル集成体、RF送受信コイル並びに
関連した電源及び患者取扱装置で構成された
NMR装置が、全体を２４４で示すRF遮蔽室の
中に封入されている。一般的に室全体を取囲む銅
又はアルミニウムの網目によつて遮蔽が行なわれ
る。遮蔽室は、装置によつて発生されたRF信号
が出て行かない様にすると共に、遮蔽室の外部で
発生されたRF信号から装置を遮蔽する。動作周
波数範囲では、約100dBの両方向減衰が典型的で
ある。状態及び制御モジユール２２６及びその他
の装置が、NMR装置の全体的な完全さを保証す
る。患者整合装置に用いられる状態及び制御モジ
ユールの作用については、文献を参照されたい。

この発明を特定の実施例及び例について説明し
たが、当業者には、以上の説明から、この他の変
更が容易に考えられよう。従つて、特許請求の範
囲内で、この発明はこゝに具体的に説明した以外
の形で実施することが出来ることを承知された
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は磁石の円筒形軸線と同軸の円上でデー
タ点を測定する普通のデータ標本化形式を示す
図、第２図はこの発明のCSIシム方法によるデー
タ標本化形式を示す図、第３図は第２図と同様な
図であるが、データ標本化形式を更によく例示し
ている。第４図はCSIデータの収集に使われる
NMRパルス順序の１つの実験を示すグラフ、第
５図はこの発明を実施するのに適したNMR装置
の主な素子を示す簡略ブロツク図である。

Claims

【特許請求の範囲】１主分極磁界を発生する手段及び前記分極磁界
の不完全さを補償する補助磁界を発生する複数個
の補正コイルを持つ磁石装置によつて発生される
磁界の均質性を改善する方法に於て、 (a) 前記分極磁界内に配置されたフアントム装置
の化学シフト・データを求め、 (b) 前記化学シフト・データから前記分極磁界の
測定値を導き出し、 (c) 前記導き出した磁界測定値の少なくとも部分
集合を予め選ばれた基本集合に展開し、 (d) 前記展開した磁界測定値に従つて、前記分極
磁界に不完全さがある場合、その不完全さを補
償する為に前記補正コイルの各々に用いるべき
所要の電流変化を決定する各段階を含む方法。２前記予め選ばれた基本集合が正規直交基本集
合である特許請求の範囲第１項記載の方法。３前記展開が球面調和関数を用いて行なわれる
特許請求の範囲第２項記載の方法。４前記球面調和関数がルジヤンドル多項式によ
つて表わされる特許請求の範囲第３項記載の方
法。５前記展開が円柱調和関数を用いて行なわれる
特許請求の範囲第２項記載の方法。６前記電流変化を決定する段階が前記補正コイ
ルについての較正係数を用いることを含む特許請
求の範囲第１項記載の方法。