JPH0426849B2 - - Google Patents
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- JPH0426849B2 JPH0426849B2 JP1148203A JP14820389A JPH0426849B2 JP H0426849 B2 JPH0426849 B2 JP H0426849B2 JP 1148203 A JP1148203 A JP 1148203A JP 14820389 A JP14820389 A JP 14820389A JP H0426849 B2 JPH0426849 B2 JP H0426849B2
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- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
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Description
【発明の詳細な説明】
米国保健研究所の承諾HL−39478、HL−
39297、HV−38045及びHL−34962に基づき、米
国政府がこの発明の権利を有する。 （産業上の利用分野） この発明は一般に磁気共鳴の像形成に関し、さ
らに詳しくは双曲正割（ハイパーボリツクセカン
ト）パルスを用いたスピンエコーの像形成に関す
る。 （従来の技術） 磁気共鳴像形成（MRI）とも呼ばれる核磁気
共鳴（NMR）の像形成は、物質を分析するため
の非破壊的方法で、医療での像形成に関する新た
な手法を代表している。この手法は完全に非侵略
的で、イオン化放射線を含まない。極めて概略的
に言えば、核磁気モーメントが、局部的な磁場に
比例した特定のスピン歳差周波数で励起される。
これらのスピンの歳差運動から生じる無線周波数
信号が、ピツクアツプコイルを用いて受け取られ
る。磁場を操作することによつて、体積内の異な
る領域を表す信号のアレイが与えられる。これら
の信号が組み合わされて、物体の核スピン密度の
体積像を生じる。 NMRに関する一連の説明論文が、1980年６月
発行のIEEE Tran sactions on Nuclear
Science， Vol.NS−27，pp.1220−1255に発表
されている。基本概念は、W.V.Houseの巻頭論
文、「NMRの原理概論」、pp.1220−1226に記述
されており、演算による断層撮影再構成概念を用
いて断面像を再構成している。さらに、多数の２
次元及び３次元的像形成法が記述されている。
NMRの医療への応用は、Pykettの論文、「医学
におけるNMR像形成」、Scientific American、
1982年５月、pp.78−88及びMansfieldとMorris
の論文、「生理学におけるNMR像形成」、
Academic Press、1982年で論じられている。 簡単に言えば、原子核が奇数のプロトン及び／
又はニユートロンを有しているすなわちスピンの
角運動量と磁気双極モーメントを有している原子
を整列するために、強い静磁場が使われる。次い
で、それらの原子核にエネルギーをポンプ吸入す
るのに、第１の磁場を横断する信号パルスとして
印加される第２のRF磁場が使われ、例えば90°ま
たは180°に原子核をはじく（フリツプする）。励
起後、原子核は静磁場と整列する状態へ徐々に戻
り、弱いが検出可能な自由誘起減衰（FID）の形
でエネルギーを放出する。これらのFID信号が、
コンピユータによつて処理され像を生じる。 励起周波数とFID周波数は、原子核の歳差運動
の角周波数ω0が磁場B0と各原子核種に関する基
本物理定数であるいわゆる磁気回転比γとの積で
あることを記述しているラーモア（Larmor）の
関係によつて決まる： ωo＝Bo・γ 従つて、例えばＺ軸を定義する静的な一様磁場
B0上に線形の傾斜磁場Bz＝ｚ・Gzを重畳すれば、
ＸまたはＹ軸に沿つて印加される横方向励起磁場
の周波数スペクトルを適切に選択することで所定
のＸ−Ｙ平面内で原子核が励起可能である。同じ
く、FID信号の検出中平面内でのFID信号を空間
的に集中させるため、傾斜磁場をＸ−Ｙ平面内に
印加することもできる。RFパルスの励起に応じ
た核スピンのはじき角は、パルスの時間積分に比
例する。 静磁場の不均一性と傾斜磁場のため、選定され
たスライス内の核スピンが歳差運動の差に伴つて
位相外れとなることがある。このスピンの位相外
れを解消するため、スピンエコー方式が導入され
た。簡単に言えば、初めに90度のパルスを印加し
て静磁場及び傾斜磁場と直角に核スピンをはじい
た後、180度のパルスを印加して位相外れのスピ
ンを鏡像関係の位置へと戻す。180度のパルスは
初めの90度のパルスからγ時間の経過後に印加さ
れ、また初めの90度のパルスから2γ時間の経過
後に、スピンが再焦点合わせ（refocus）され、
像形成のために検知可能な“スピンエコー”を生
じる。 これまで、RFとB0の不均一性の存在下でスピ
ンを反転させるために、断熱（180度）パルスが
使われてきた。HioeとSilver等は、Physical
Review、1984で独立に、複合双曲正割パルスに
よつて駆動すると、ブロツホ（Bloch）の方程式
の分析解が得られることを求めた。さらに彼ら
は、しきい値を越える任意のパルス振幅で、パル
スがスピンを反転することを発見した。RF変化
によつて影響されないというこの点が、MR像形
成と分光学の両方にとつて断熱パルスを魅力ある
ものとしている。 しかしながら、断熱反転パルスはスライスを横
切つて非線形の位相変化を残すので、選択的なス
ピンエコーの発生にとつて適切でなかつた。この
位相は線形傾斜によつて再焦点合わせできず、ス
ライスを通した投影で積分したとき信号のロスを
生じる。Kunzは「医学における磁気共鳴
（Magnetic Resonance in Medicine）」（1987）
で、−実質上π／２回転を達成する正確な振幅の断熱 反転パルスである−“小チツプ”のπ／２パルスがπ パルスを補償する等しく且つ反対の位相を発生可
能なことを示した。この方式の欠点は、π／２回転 とその結果生じる位相の補償がRF変化によつて
影響されることにある。 さらに最近Bendall等は、「医学における磁気
共鳴（Magnetic Resonance in Medicine」
（1987）で、分光学と表面コイル像形成の用途の
ための選択的再焦点合わせパルスを提案した。
Bendall等の新規な点は、反転パルスの持続中に
励起軌道の後半を反射する点にある。傾斜を用い
た選択的励起のため、この反射ではパルスの持続
中に傾斜振幅を反転させる必要があり、パルスの
前半に蓄積された位相をパルスの後半で補償して
いる。この補償はRF振幅の変化によつて影響さ
れないが、不均一性の磁場を切り換えることはで
きないので、共鳴外れのスピンは完全に再焦点合
わせされない。 （発明が解決しようとする課題） 本発明の目的は、断熱パルスを用いたスピンエ
コー像形成の改良方法及び手段にある。 （課題を解決するための手段） 本発明の特徴は、スピンエコー検知のため横方
向スピンの位相を再合わせするのに、360度
（2π）と180度（π）の複合パルスを発生及び使
用することにある。 簡単に言えば、選択的なスピンエコー発生用の
断熱パルスが導入される。このパルスは、パルス
の持続中傾斜が静的であるという利点を有する。
従つて、共鳴外れのスピンが傾斜磁場の方向にシ
フトしたスピンから区別可能である。パルスは実
際上、位相が補償されていない2πパルスと、そ
の後に続く半分の掃引速度のπパルスとの複合列
である。2πパルスは、スライスを横切つて等し
く且つ反対の位相を付与することによつてπパル
スを補償するためだけのもので、正味の回転は行
わない。このパルスは、標準的な像形成手順、表
面コイル励起、及び分光学にとつて有用となり得
る。 本発明及びその目的と特徴は、図面を参照した
以下の詳細な説明と特許請求の範囲の記載から充
分に明らかとなろう。 （実施例） 次に図面を参照すると、第１Ａ図はNMR像形
成システムにおけるコイル装置を一部断面で示し
た斜視図であり、第１Ｂ−１Ｄ図は第１Ａ図の装
置で発生可能な磁場の傾斜を示している。この装
置はHinshawとLentの論文、「NMR像形成の概
論：ブロツホの方程式から像形成方程式へ」、
Proceedings of the IEEE，Vol.71，No.３，1983
年３月、pp.338−350で論じられている。簡単に
言えば、一様な静磁場B0がコイル対１０からな
る磁石によつて発生される。傾斜磁場Ｇ（ｘ）が、
円筒体１２の周囲に巻回可能な一組の複合傾斜コ
イルによつて発生される。RF磁場B1が、サイド
コイル１４によつて発生される。像形成をなすべ
き患者が、サイドコイル１４内のＺ軸に沿つて位
置される。 第１Ｂ図には、静磁場B0と平行で、Ｘ軸に沿
つた距離によつて線形変化するが、ＹまたはＺ軸
に沿つた距離によつては変化しないＸ傾斜磁場が
示してある。第１Ｃ及び１Ｄ図は、それぞれＹ及
びＺ傾斜磁場に関する同様の図である。 第２図は、「NMR−像形成に関する展望
（NMR−Ａ Perspective on Imaging）」、
General Electric Company，1982、に開示され
ている像形成装置の機能ブロツク図である。コン
ピユータ２０は、NMR装置の動作を制御し、そ
れによつて検出されたFID信号を処理するように
プログラムされている。傾斜磁場は傾斜増幅器２
２によつて付勢され、ラーモア周波数でのRF磁
気モーメントを与えるためのRFコイルが、送信
器２４とRFコイル２６によつて制御される。ま
た、選定原子核のはじき後、FID信号を検出する
のにもRFコイル２６が使われ、FID信号が受信
器２８に導かれ、次いでデジタイザ３０を介しコ
ンピユータ２０によつて処理される。 第３図は、180°のはじき角及び90°のはじき角
のための印加RFパルスとその後に続く“時間反
転”用の180°のパルス、及びRFパルスの印加中
に加えられるそれぞれ対応したＺ軸方向の磁場傾
斜を示したグラフである。図示のパルスは、前端
及び後端ロープと、これらの間の主RFパルスと
を有する通常のsincパルスである。 第４図は、変調された形の複合パルスを示して
いる。ここでの例は全て双曲正割族から得られる
が、位相の補償原理は一般的に適用されている。
下記の第１表が、断熱スピンエコーパルス、B1
（ｔ）eiψ(t)用の設計式を与える。このパルスは、
合計4n個の点を有する。バンド幅は±μβラジア
ン／秒である。パラメータμが、スライスプロフ
イル（分布）の品質を支配する。前出のSilver
は、遷移幅対スライス幅の比が約２／μであるこ
とを示した。従つて、μ≧３であれば、スライス
プロフイルが妥当な一区画となる。ここで説明す
るパルスの場合、μ＝５及びβ＝８である。 【表】 下記の第２表は、２つのパルスの各々から得ら
れる位相を正確にバランスさせるサンプリングス
ケジユールを与えている。 【表】 上記の表において、t0＝−１／２＋１／（2n）
及びt1＝−１＋１／（2n）である。スライス全体
を回転させるため、一定の位相項をψ（ｔ〔ｉ〕）
に加えることもできる。このパルス構成が成功す
るには、2πパルスとπパルスの正確なバランス
化が必要である。 パルスがいかに機能するかを説明するために
は、断熱反転パルスの特性位相プロフイルがまず
説明されねばならない。 反転パルス位相のプロフイル：選択性の反転パ
ルスと、その直後に続く非選択性のπ／２パルスを 印加するものとする。第１のパルス後、磁化ベク
トルはｙ方向を指している。反転パルスは、北極
から南極へと掃引する励起ベクトルと等価であ
る。このことは、RF励起ベクトルによるフレー
ム回転で容易に理解されよう。当初断熱掃引ベク
トルに直角なスピンは直角なままで、局部的な磁
場強度によつて決まるラーモア周波数で実効磁場
を中心にして歳差運動する。一例として、双曲正
割パルスを考慮する。振幅Ａで傾斜磁場γGz内に
おけるこのパルスは、次式による励起と等価であ
る： γBeff(A,z,t)＝γAsechβt ０ γG＝−μβtanhβt 〔１〕 RFと周波数掃引、sechβtと−μtanhβt、は第５図
にプロツトしてある。パラメータ図ｘ，ｚが反転
掃引を最も明瞭に表す。ｚ＝０における実効励起
ベクトルは、第６図にパラメータ的に描かれた軌
道を辿る。尚外れた位置において、励起ベクトル
は垂直方向にずれた楕円を辿る。直交スピンは磁
場Beffを中心にラーモアの周波数で歳差運動す
るので、それらの最終位相は次式で与えられる： ｜θ（Ａ，ｚ）｜＝γ∫T -T‖Beff（Ａ，Ｚ，）‖d
T
〔２〕 従つて、スライス内の直交スピンはRFの不均
一性に影響されず直角のままだが、これらのスピ
ンの位相は励起ベクトルの振幅変化の影響を受け
る。どんなにしつかりした位相補償方式でも、こ
の位相への影響を考慮に入れなければならない。 補償されていない2πパルス：選択性の2πパル
スは、スピンのベクトルの帰引方向すなわち回転
方向が反対の２つの双曲正割パルスを縦続するこ
とによつて形成される。これによつて、第７図に
示すような実効帰引軌道が生じる。 帰引軌道円内にあつて当初ｚ方向を指している
スピンは完全に反転され、最終的に最初の向きに
戻る。帰引軌道円内の横方向スピンは、反転パル
スによる位相変化の正確に２倍の位相変化を累積
した後、最終的に横断平面へと戻る。 当初ｚ方向を指していたスライス外のスピン
は、最終的にｚ軸に戻るが、横方向スピンは位相
変化を累積して戻る。 ２つのパルスが同じ帰引方向を持つていれば、
スピンの位相の変化はスライス内で蓄積されな
い。そのため、ここでは帰引方向が反対のπパル
ス対を“補償されていない”と呼び、反対でない
パルス対を“補償されている”と呼ぶ。次のπパ
ルスによる位相変化を補償するために、補償され
ていない2πパルスが必要である。 位相変化の補償：3πパルス：2πパルスによる
位相変化を補償するためには、πパルスによる累
積位相変化が２倍にされねばならない。また、こ
の２倍化はRF振幅の変化に左右されてはならな
い。このような位相変化の２倍化のための簡単
で、確実な方法は、πパルス全体を2πパルスと
同じ持続時間印加することである。本質上、πパ
ルス中の各時点が、2πパルスによる２つの“像”
点−複合πパルス各々毎に１つの点−での和によ
つて正確に補償される。 2πパルス及びこれの半分の速度のπパルスは、
同一のバンド幅と同一の最大RF振幅を有する。
これら２つのパルスは、第８図にRF／周波数帰
引の形で示してある。瞬間的な周波数がΩ（ｔ）＝
dψ／dtで、B1（ｔ）が最初のパルスの振幅であ
る。尚、２つのパルス間における周波数帰引の不
連続性が、反対側からスピンを“ロツクする”の
を許容し、第２パルスによる位相変化を反対方向
に累積せしめる。この効果は、Beffのはじきに
よつて生じるものと同じである。この不連続性が
ないと、2πパルスは正味の位相を相殺する代わ
りに２倍化してしまう。 当初ｚ方向に沿つて向いていたスライス外のス
ピンは、最終的にｚに戻る。当初横断平面内にあ
つたスライス外のスピンはエコーされない；事実
これらのスピンは、傾斜方向の関数として強い位
相変化を蒙る。 SARの考慮：医療の像形成分野では、固有吸
収率（SAR）がいずれのRFパルスについても重
要な仕様である。ここにおいては、標準的な
sincπパルスによるSARが、同一バンド幅の断熱
π及び3πパルスによるSARと比較される。 Sincパルス：sincパルスの定義としてsinc（ｔ）
＝sin π／πtを用い、RF振幅及び持続時間５に
ついてCaprihanの正規化単位を用いれば、次式 γB1（ｔ）＝πFo Sinc（Fo ｔ）， 〔３〕 が領域ｆ＝±F0／２にわたつて、選択性のπ回
転を行うことが分かる。ウインドウ効果を無視す
れば、パルス化の領域はπである。反復時間TR
で印加される場合、このパルスによるSARは： SARsinc＝π2Fo／TR∫T -TFo∫sinc2（FoT）dT 〔４〕 π2Fo／TR 〔５〕 sech πパルス：断熱励起を達成するためには、
sech πパルスの振幅がμβより大きくなければな
らない。また、２つのパルスのバンド幅を等しく
するため、μβ＝F0が設定される。従つて、sech
パルス γB1（ｔ）＝πFo sech（πFo ｔ／μ）1+i〓 〔６〕 は、匹敵するバンド幅の反転を行う。尚、ピーク
の振幅は２つのパルスについて同じである。これ
は、両パルスが同一のピークパワーを持つことを
意味する。sechパルスのSARは： SAR sech＝（πFo）2／TR∫T -Tsech3（πFo T／μ）
dT 〔７〕 2πμFo／TR 〔８〕 式〔８〕と〔５〕を組み合わせれば、sechパル
スのSAR対等しいバンド幅のsincパルスのSAR
との比は SARsech／SARsinc＝2μ／π 〔９〕 であることが分かる。 スライスの比較：第９図は、sechパルスを等し
いバンド幅のsincパルスと同一尺度で示してい
る。第１０図は、シミユレート化した反転スライ
スプロフイルを示している。双曲正割のスライス
プロフイルの方が、はるかに急峻であることに注
目されたい。このシヤープなスライスプロフイル
が、隣接したスライスの取得を可能とする。隣接
のスライスを取得しないときは、πのスライスプ
ロフイルが正味のスライスプロフイルを質低下さ
せないように、π／２パルスの２倍のバンド幅を持 つπsincパルスを用いた方がよい。従つてこの場
合、上記で求めた比2μ／πは正しい比較に基づ
いていない。sincパルスのバンド幅を２倍にする
のに必要な２つの因子を含めれば、次の実効
SAR比が得られる： SARsech／SARsinc＝μ／π 〔10〕 妥当な区画のスライスプロフイルを保証するため
にはμ≧πなので、この比は１を越える。 sech3πパルス：3πパルスは、各々が実効SAR
比μ／πに寄与する２つのπパルスと、その後に
続き2μ／πに寄与する半分の速度のパルスとか
らなるパルス列である。従つて、合計のSAR比
は4μ／πである。3πパルスは、等しいバンド幅
のsincパルスの少なくとも４倍のSARを有する
といえる。 結果：第１１図は、スピンエコーパルスに対す
るシミユレート化した応答を示している。初期条
件はｘ軸に沿つた条件で、シミユレーシヨンはプ
ロツホの方程式(6)に対する区分的な一定解を用い
て演算した。尚、スライス外のスピンは位相外れ
しており、回転はｙ軸を中心としている。このシ
ミユレーシヨンは、非選択性のπ／２パルスを用い た手順をモデル化している。 第１２図は、スピンエコーパルスをテストする
ために使われるパルス列を示す。読み出しはスラ
イスの選択方向に沿つたものである。π／２パルス は非選択性である。実験における断熱3πパルス
の持続時間は、20msecであつた。しきい値より
大きい振幅において、応答は一定のままであつ
た。大きさのスライスプロフイルが第１３ａ図に
示してあり、位相プロフイルが第１３ｂ図に示し
てある。尚、スライスを横切る小さい残留位相は
線形で、エコー時間がデータ取得ウインドウの中
心からわずかにずれていることを示している点に
留意されたい。 結論：断熱2πパルスが、半速度の選択性πパ
ルスの位相を保証できることが実証された。3π
パルスは比較的高いSARを有するが、次のよう
に推奨されるべき点も多い： ・ パルスがRFの不均一性及び非線形性によつ
て左右されないので、不完全な回転による像の
人為的影響がほぼ取り除かれる。 ・ パルスが、隣接したスライスの取得を可能と
する優れたスライスプロフイルを有する。 ・ (4)で設計されている断熱パルスと異なり、こ
のパルスはパルスの持続中に傾斜磁場のスイツ
チングを必要としない。従つて、共鳴外れのス
ピンが正しくエコーされる。 本発明を特定の実施例を参照して説明したが、
以上の説明は発明を例示するもので、発明を制限
するものと解されるべきでない。特許請求の範囲
に限定された発明の真の精神及び範囲を逸脱せず
に、各種の変形及び用途が当業者に取つては可能
であろう。
39297、HV−38045及びHL−34962に基づき、米
国政府がこの発明の権利を有する。 （産業上の利用分野） この発明は一般に磁気共鳴の像形成に関し、さ
らに詳しくは双曲正割（ハイパーボリツクセカン
ト）パルスを用いたスピンエコーの像形成に関す
る。 （従来の技術） 磁気共鳴像形成（MRI）とも呼ばれる核磁気
共鳴（NMR）の像形成は、物質を分析するため
の非破壊的方法で、医療での像形成に関する新た
な手法を代表している。この手法は完全に非侵略
的で、イオン化放射線を含まない。極めて概略的
に言えば、核磁気モーメントが、局部的な磁場に
比例した特定のスピン歳差周波数で励起される。
これらのスピンの歳差運動から生じる無線周波数
信号が、ピツクアツプコイルを用いて受け取られ
る。磁場を操作することによつて、体積内の異な
る領域を表す信号のアレイが与えられる。これら
の信号が組み合わされて、物体の核スピン密度の
体積像を生じる。 NMRに関する一連の説明論文が、1980年６月
発行のIEEE Tran sactions on Nuclear
Science， Vol.NS−27，pp.1220−1255に発表
されている。基本概念は、W.V.Houseの巻頭論
文、「NMRの原理概論」、pp.1220−1226に記述
されており、演算による断層撮影再構成概念を用
いて断面像を再構成している。さらに、多数の２
次元及び３次元的像形成法が記述されている。
NMRの医療への応用は、Pykettの論文、「医学
におけるNMR像形成」、Scientific American、
1982年５月、pp.78−88及びMansfieldとMorris
の論文、「生理学におけるNMR像形成」、
Academic Press、1982年で論じられている。 簡単に言えば、原子核が奇数のプロトン及び／
又はニユートロンを有しているすなわちスピンの
角運動量と磁気双極モーメントを有している原子
を整列するために、強い静磁場が使われる。次い
で、それらの原子核にエネルギーをポンプ吸入す
るのに、第１の磁場を横断する信号パルスとして
印加される第２のRF磁場が使われ、例えば90°ま
たは180°に原子核をはじく（フリツプする）。励
起後、原子核は静磁場と整列する状態へ徐々に戻
り、弱いが検出可能な自由誘起減衰（FID）の形
でエネルギーを放出する。これらのFID信号が、
コンピユータによつて処理され像を生じる。 励起周波数とFID周波数は、原子核の歳差運動
の角周波数ω0が磁場B0と各原子核種に関する基
本物理定数であるいわゆる磁気回転比γとの積で
あることを記述しているラーモア（Larmor）の
関係によつて決まる： ωo＝Bo・γ 従つて、例えばＺ軸を定義する静的な一様磁場
B0上に線形の傾斜磁場Bz＝ｚ・Gzを重畳すれば、
ＸまたはＹ軸に沿つて印加される横方向励起磁場
の周波数スペクトルを適切に選択することで所定
のＸ−Ｙ平面内で原子核が励起可能である。同じ
く、FID信号の検出中平面内でのFID信号を空間
的に集中させるため、傾斜磁場をＸ−Ｙ平面内に
印加することもできる。RFパルスの励起に応じ
た核スピンのはじき角は、パルスの時間積分に比
例する。 静磁場の不均一性と傾斜磁場のため、選定され
たスライス内の核スピンが歳差運動の差に伴つて
位相外れとなることがある。このスピンの位相外
れを解消するため、スピンエコー方式が導入され
た。簡単に言えば、初めに90度のパルスを印加し
て静磁場及び傾斜磁場と直角に核スピンをはじい
た後、180度のパルスを印加して位相外れのスピ
ンを鏡像関係の位置へと戻す。180度のパルスは
初めの90度のパルスからγ時間の経過後に印加さ
れ、また初めの90度のパルスから2γ時間の経過
後に、スピンが再焦点合わせ（refocus）され、
像形成のために検知可能な“スピンエコー”を生
じる。 これまで、RFとB0の不均一性の存在下でスピ
ンを反転させるために、断熱（180度）パルスが
使われてきた。HioeとSilver等は、Physical
Review、1984で独立に、複合双曲正割パルスに
よつて駆動すると、ブロツホ（Bloch）の方程式
の分析解が得られることを求めた。さらに彼ら
は、しきい値を越える任意のパルス振幅で、パル
スがスピンを反転することを発見した。RF変化
によつて影響されないというこの点が、MR像形
成と分光学の両方にとつて断熱パルスを魅力ある
ものとしている。 しかしながら、断熱反転パルスはスライスを横
切つて非線形の位相変化を残すので、選択的なス
ピンエコーの発生にとつて適切でなかつた。この
位相は線形傾斜によつて再焦点合わせできず、ス
ライスを通した投影で積分したとき信号のロスを
生じる。Kunzは「医学における磁気共鳴
（Magnetic Resonance in Medicine）」（1987）
で、−実質上π／２回転を達成する正確な振幅の断熱 反転パルスである−“小チツプ”のπ／２パルスがπ パルスを補償する等しく且つ反対の位相を発生可
能なことを示した。この方式の欠点は、π／２回転 とその結果生じる位相の補償がRF変化によつて
影響されることにある。 さらに最近Bendall等は、「医学における磁気
共鳴（Magnetic Resonance in Medicine」
（1987）で、分光学と表面コイル像形成の用途の
ための選択的再焦点合わせパルスを提案した。
Bendall等の新規な点は、反転パルスの持続中に
励起軌道の後半を反射する点にある。傾斜を用い
た選択的励起のため、この反射ではパルスの持続
中に傾斜振幅を反転させる必要があり、パルスの
前半に蓄積された位相をパルスの後半で補償して
いる。この補償はRF振幅の変化によつて影響さ
れないが、不均一性の磁場を切り換えることはで
きないので、共鳴外れのスピンは完全に再焦点合
わせされない。 （発明が解決しようとする課題） 本発明の目的は、断熱パルスを用いたスピンエ
コー像形成の改良方法及び手段にある。 （課題を解決するための手段） 本発明の特徴は、スピンエコー検知のため横方
向スピンの位相を再合わせするのに、360度
（2π）と180度（π）の複合パルスを発生及び使
用することにある。 簡単に言えば、選択的なスピンエコー発生用の
断熱パルスが導入される。このパルスは、パルス
の持続中傾斜が静的であるという利点を有する。
従つて、共鳴外れのスピンが傾斜磁場の方向にシ
フトしたスピンから区別可能である。パルスは実
際上、位相が補償されていない2πパルスと、そ
の後に続く半分の掃引速度のπパルスとの複合列
である。2πパルスは、スライスを横切つて等し
く且つ反対の位相を付与することによつてπパル
スを補償するためだけのもので、正味の回転は行
わない。このパルスは、標準的な像形成手順、表
面コイル励起、及び分光学にとつて有用となり得
る。 本発明及びその目的と特徴は、図面を参照した
以下の詳細な説明と特許請求の範囲の記載から充
分に明らかとなろう。 （実施例） 次に図面を参照すると、第１Ａ図はNMR像形
成システムにおけるコイル装置を一部断面で示し
た斜視図であり、第１Ｂ−１Ｄ図は第１Ａ図の装
置で発生可能な磁場の傾斜を示している。この装
置はHinshawとLentの論文、「NMR像形成の概
論：ブロツホの方程式から像形成方程式へ」、
Proceedings of the IEEE，Vol.71，No.３，1983
年３月、pp.338−350で論じられている。簡単に
言えば、一様な静磁場B0がコイル対１０からな
る磁石によつて発生される。傾斜磁場Ｇ（ｘ）が、
円筒体１２の周囲に巻回可能な一組の複合傾斜コ
イルによつて発生される。RF磁場B1が、サイド
コイル１４によつて発生される。像形成をなすべ
き患者が、サイドコイル１４内のＺ軸に沿つて位
置される。 第１Ｂ図には、静磁場B0と平行で、Ｘ軸に沿
つた距離によつて線形変化するが、ＹまたはＺ軸
に沿つた距離によつては変化しないＸ傾斜磁場が
示してある。第１Ｃ及び１Ｄ図は、それぞれＹ及
びＺ傾斜磁場に関する同様の図である。 第２図は、「NMR−像形成に関する展望
（NMR−Ａ Perspective on Imaging）」、
General Electric Company，1982、に開示され
ている像形成装置の機能ブロツク図である。コン
ピユータ２０は、NMR装置の動作を制御し、そ
れによつて検出されたFID信号を処理するように
プログラムされている。傾斜磁場は傾斜増幅器２
２によつて付勢され、ラーモア周波数でのRF磁
気モーメントを与えるためのRFコイルが、送信
器２４とRFコイル２６によつて制御される。ま
た、選定原子核のはじき後、FID信号を検出する
のにもRFコイル２６が使われ、FID信号が受信
器２８に導かれ、次いでデジタイザ３０を介しコ
ンピユータ２０によつて処理される。 第３図は、180°のはじき角及び90°のはじき角
のための印加RFパルスとその後に続く“時間反
転”用の180°のパルス、及びRFパルスの印加中
に加えられるそれぞれ対応したＺ軸方向の磁場傾
斜を示したグラフである。図示のパルスは、前端
及び後端ロープと、これらの間の主RFパルスと
を有する通常のsincパルスである。 第４図は、変調された形の複合パルスを示して
いる。ここでの例は全て双曲正割族から得られる
が、位相の補償原理は一般的に適用されている。
下記の第１表が、断熱スピンエコーパルス、B1
（ｔ）eiψ(t)用の設計式を与える。このパルスは、
合計4n個の点を有する。バンド幅は±μβラジア
ン／秒である。パラメータμが、スライスプロフ
イル（分布）の品質を支配する。前出のSilver
は、遷移幅対スライス幅の比が約２／μであるこ
とを示した。従つて、μ≧３であれば、スライス
プロフイルが妥当な一区画となる。ここで説明す
るパルスの場合、μ＝５及びβ＝８である。 【表】 下記の第２表は、２つのパルスの各々から得ら
れる位相を正確にバランスさせるサンプリングス
ケジユールを与えている。 【表】 上記の表において、t0＝−１／２＋１／（2n）
及びt1＝−１＋１／（2n）である。スライス全体
を回転させるため、一定の位相項をψ（ｔ〔ｉ〕）
に加えることもできる。このパルス構成が成功す
るには、2πパルスとπパルスの正確なバランス
化が必要である。 パルスがいかに機能するかを説明するために
は、断熱反転パルスの特性位相プロフイルがまず
説明されねばならない。 反転パルス位相のプロフイル：選択性の反転パ
ルスと、その直後に続く非選択性のπ／２パルスを 印加するものとする。第１のパルス後、磁化ベク
トルはｙ方向を指している。反転パルスは、北極
から南極へと掃引する励起ベクトルと等価であ
る。このことは、RF励起ベクトルによるフレー
ム回転で容易に理解されよう。当初断熱掃引ベク
トルに直角なスピンは直角なままで、局部的な磁
場強度によつて決まるラーモア周波数で実効磁場
を中心にして歳差運動する。一例として、双曲正
割パルスを考慮する。振幅Ａで傾斜磁場γGz内に
おけるこのパルスは、次式による励起と等価であ
る： γBeff(A,z,t)＝γAsechβt ０ γG＝−μβtanhβt 〔１〕 RFと周波数掃引、sechβtと−μtanhβt、は第５図
にプロツトしてある。パラメータ図ｘ，ｚが反転
掃引を最も明瞭に表す。ｚ＝０における実効励起
ベクトルは、第６図にパラメータ的に描かれた軌
道を辿る。尚外れた位置において、励起ベクトル
は垂直方向にずれた楕円を辿る。直交スピンは磁
場Beffを中心にラーモアの周波数で歳差運動す
るので、それらの最終位相は次式で与えられる： ｜θ（Ａ，ｚ）｜＝γ∫T -T‖Beff（Ａ，Ｚ，）‖d
T
〔２〕 従つて、スライス内の直交スピンはRFの不均
一性に影響されず直角のままだが、これらのスピ
ンの位相は励起ベクトルの振幅変化の影響を受け
る。どんなにしつかりした位相補償方式でも、こ
の位相への影響を考慮に入れなければならない。 補償されていない2πパルス：選択性の2πパル
スは、スピンのベクトルの帰引方向すなわち回転
方向が反対の２つの双曲正割パルスを縦続するこ
とによつて形成される。これによつて、第７図に
示すような実効帰引軌道が生じる。 帰引軌道円内にあつて当初ｚ方向を指している
スピンは完全に反転され、最終的に最初の向きに
戻る。帰引軌道円内の横方向スピンは、反転パル
スによる位相変化の正確に２倍の位相変化を累積
した後、最終的に横断平面へと戻る。 当初ｚ方向を指していたスライス外のスピン
は、最終的にｚ軸に戻るが、横方向スピンは位相
変化を累積して戻る。 ２つのパルスが同じ帰引方向を持つていれば、
スピンの位相の変化はスライス内で蓄積されな
い。そのため、ここでは帰引方向が反対のπパル
ス対を“補償されていない”と呼び、反対でない
パルス対を“補償されている”と呼ぶ。次のπパ
ルスによる位相変化を補償するために、補償され
ていない2πパルスが必要である。 位相変化の補償：3πパルス：2πパルスによる
位相変化を補償するためには、πパルスによる累
積位相変化が２倍にされねばならない。また、こ
の２倍化はRF振幅の変化に左右されてはならな
い。このような位相変化の２倍化のための簡単
で、確実な方法は、πパルス全体を2πパルスと
同じ持続時間印加することである。本質上、πパ
ルス中の各時点が、2πパルスによる２つの“像”
点−複合πパルス各々毎に１つの点−での和によ
つて正確に補償される。 2πパルス及びこれの半分の速度のπパルスは、
同一のバンド幅と同一の最大RF振幅を有する。
これら２つのパルスは、第８図にRF／周波数帰
引の形で示してある。瞬間的な周波数がΩ（ｔ）＝
dψ／dtで、B1（ｔ）が最初のパルスの振幅であ
る。尚、２つのパルス間における周波数帰引の不
連続性が、反対側からスピンを“ロツクする”の
を許容し、第２パルスによる位相変化を反対方向
に累積せしめる。この効果は、Beffのはじきに
よつて生じるものと同じである。この不連続性が
ないと、2πパルスは正味の位相を相殺する代わ
りに２倍化してしまう。 当初ｚ方向に沿つて向いていたスライス外のス
ピンは、最終的にｚに戻る。当初横断平面内にあ
つたスライス外のスピンはエコーされない；事実
これらのスピンは、傾斜方向の関数として強い位
相変化を蒙る。 SARの考慮：医療の像形成分野では、固有吸
収率（SAR）がいずれのRFパルスについても重
要な仕様である。ここにおいては、標準的な
sincπパルスによるSARが、同一バンド幅の断熱
π及び3πパルスによるSARと比較される。 Sincパルス：sincパルスの定義としてsinc（ｔ）
＝sin π／πtを用い、RF振幅及び持続時間５に
ついてCaprihanの正規化単位を用いれば、次式 γB1（ｔ）＝πFo Sinc（Fo ｔ）， 〔３〕 が領域ｆ＝±F0／２にわたつて、選択性のπ回
転を行うことが分かる。ウインドウ効果を無視す
れば、パルス化の領域はπである。反復時間TR
で印加される場合、このパルスによるSARは： SARsinc＝π2Fo／TR∫T -TFo∫sinc2（FoT）dT 〔４〕 π2Fo／TR 〔５〕 sech πパルス：断熱励起を達成するためには、
sech πパルスの振幅がμβより大きくなければな
らない。また、２つのパルスのバンド幅を等しく
するため、μβ＝F0が設定される。従つて、sech
パルス γB1（ｔ）＝πFo sech（πFo ｔ／μ）1+i〓 〔６〕 は、匹敵するバンド幅の反転を行う。尚、ピーク
の振幅は２つのパルスについて同じである。これ
は、両パルスが同一のピークパワーを持つことを
意味する。sechパルスのSARは： SAR sech＝（πFo）2／TR∫T -Tsech3（πFo T／μ）
dT 〔７〕 2πμFo／TR 〔８〕 式〔８〕と〔５〕を組み合わせれば、sechパル
スのSAR対等しいバンド幅のsincパルスのSAR
との比は SARsech／SARsinc＝2μ／π 〔９〕 であることが分かる。 スライスの比較：第９図は、sechパルスを等し
いバンド幅のsincパルスと同一尺度で示してい
る。第１０図は、シミユレート化した反転スライ
スプロフイルを示している。双曲正割のスライス
プロフイルの方が、はるかに急峻であることに注
目されたい。このシヤープなスライスプロフイル
が、隣接したスライスの取得を可能とする。隣接
のスライスを取得しないときは、πのスライスプ
ロフイルが正味のスライスプロフイルを質低下さ
せないように、π／２パルスの２倍のバンド幅を持 つπsincパルスを用いた方がよい。従つてこの場
合、上記で求めた比2μ／πは正しい比較に基づ
いていない。sincパルスのバンド幅を２倍にする
のに必要な２つの因子を含めれば、次の実効
SAR比が得られる： SARsech／SARsinc＝μ／π 〔10〕 妥当な区画のスライスプロフイルを保証するため
にはμ≧πなので、この比は１を越える。 sech3πパルス：3πパルスは、各々が実効SAR
比μ／πに寄与する２つのπパルスと、その後に
続き2μ／πに寄与する半分の速度のパルスとか
らなるパルス列である。従つて、合計のSAR比
は4μ／πである。3πパルスは、等しいバンド幅
のsincパルスの少なくとも４倍のSARを有する
といえる。 結果：第１１図は、スピンエコーパルスに対す
るシミユレート化した応答を示している。初期条
件はｘ軸に沿つた条件で、シミユレーシヨンはプ
ロツホの方程式(6)に対する区分的な一定解を用い
て演算した。尚、スライス外のスピンは位相外れ
しており、回転はｙ軸を中心としている。このシ
ミユレーシヨンは、非選択性のπ／２パルスを用い た手順をモデル化している。 第１２図は、スピンエコーパルスをテストする
ために使われるパルス列を示す。読み出しはスラ
イスの選択方向に沿つたものである。π／２パルス は非選択性である。実験における断熱3πパルス
の持続時間は、20msecであつた。しきい値より
大きい振幅において、応答は一定のままであつ
た。大きさのスライスプロフイルが第１３ａ図に
示してあり、位相プロフイルが第１３ｂ図に示し
てある。尚、スライスを横切る小さい残留位相は
線形で、エコー時間がデータ取得ウインドウの中
心からわずかにずれていることを示している点に
留意されたい。 結論：断熱2πパルスが、半速度の選択性πパ
ルスの位相を保証できることが実証された。3π
パルスは比較的高いSARを有するが、次のよう
に推奨されるべき点も多い： ・ パルスがRFの不均一性及び非線形性によつ
て左右されないので、不完全な回転による像の
人為的影響がほぼ取り除かれる。 ・ パルスが、隣接したスライスの取得を可能と
する優れたスライスプロフイルを有する。 ・ (4)で設計されている断熱パルスと異なり、こ
のパルスはパルスの持続中に傾斜磁場のスイツ
チングを必要としない。従つて、共鳴外れのス
ピンが正しくエコーされる。 本発明を特定の実施例を参照して説明したが、
以上の説明は発明を例示するもので、発明を制限
するものと解されるべきでない。特許請求の範囲
に限定された発明の真の精神及び範囲を逸脱せず
に、各種の変形及び用途が当業者に取つては可能
であろう。
第１Ａ〜１Ｄ図はMRI装置の構成及びそこで
発生される磁場を示す；第２図はMRI装置の機
能ブロツク図；第３図は投影像のためにスラブを
励起する基本のパルス列を示す図；第４図は本発
明の一実施例による3πの断熱パルス列を示す
図；第５図は反転πパルスをその振幅／周波数掃
引において示す図；第６図はπ反転掃引パルスの
先端によつて描かれる点の軌跡のパラメータ図；
第７図は補償されていない2πパルスの先端によ
つて描かれる点の軌跡のパラメータ図；第８図は
3πのパルス列をその振幅／周波数掃引において
示す図；第９図はμ＝４のsechπパルスと同じバ
ンド幅のsincパルスの包絡線の比較を示す図；第
１０図は同一バンド幅のsechパルスとsincパルス
から得られたシミユレート化反転スライスプロフ
イルを示す図；第１１Ａ図は選択的な3πパルス
後におけるシミユレート化スピンエコースライス
プロフイルを示す図；第１１Ｂ図は選択的な3π
パルス後におけるシミユレート化スピンエコース
ライスプロフイルを示す図；第１２図はスピンエ
コーパルスをテストするのに使われるパルス列を
示す図；第１３Ａ図はスピンエコーパルスをテス
トするのに使われる磁気スライスプロフイルを示
す図；及び第１３Ｂ図はスピンエコーパルスをテ
ストする際の位相プロフイルを示す図。 １０……静磁場形成手段（磁石）、１４，２４，
２６……RFパルス印加手段（１４，２６……コ
イル、２４……送信器）、２２……傾斜磁場重畳
手段を構成する傾斜増幅器、２６，２８，３０…
…スピンエコー検出手段（２８……受信器、３０
……デジタイザ）。
発生される磁場を示す；第２図はMRI装置の機
能ブロツク図；第３図は投影像のためにスラブを
励起する基本のパルス列を示す図；第４図は本発
明の一実施例による3πの断熱パルス列を示す
図；第５図は反転πパルスをその振幅／周波数掃
引において示す図；第６図はπ反転掃引パルスの
先端によつて描かれる点の軌跡のパラメータ図；
第７図は補償されていない2πパルスの先端によ
つて描かれる点の軌跡のパラメータ図；第８図は
3πのパルス列をその振幅／周波数掃引において
示す図；第９図はμ＝４のsechπパルスと同じバ
ンド幅のsincパルスの包絡線の比較を示す図；第
１０図は同一バンド幅のsechパルスとsincパルス
から得られたシミユレート化反転スライスプロフ
イルを示す図；第１１Ａ図は選択的な3πパルス
後におけるシミユレート化スピンエコースライス
プロフイルを示す図；第１１Ｂ図は選択的な3π
パルス後におけるシミユレート化スピンエコース
ライスプロフイルを示す図；第１２図はスピンエ
コーパルスをテストするのに使われるパルス列を
示す図；第１３Ａ図はスピンエコーパルスをテス
トするのに使われる磁気スライスプロフイルを示
す図；及び第１３Ｂ図はスピンエコーパルスをテ
ストする際の位相プロフイルを示す図。 １０……静磁場形成手段（磁石）、１４，２４，
２６……RFパルス印加手段（１４，２６……コ
イル、２４……送信器）、２２……傾斜磁場重畳
手段を構成する傾斜増幅器、２６，２８，３０…
…スピンエコー検出手段（２８……受信器、３０
……デジタイザ）。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 静磁場及び傾斜磁場の不均一性による位相変
化の位相補償を伴う、スピンエコー法を用いて物
体を通るスライスの磁気共鳴像形成を行う装置に
おいて、 ａ 前記物体を通る静磁場を形成する手段、 ｂ 前記静磁場に傾斜磁場を重畳する手段、 ｃ 像形成すべき設定スライスのラーモア周波数
で、前記物体に90度のRFパルスを印加する手
段、 ｄ 前記設定スライス内の位相外れの核スピンに
再焦点合わせするため3πの断熱パルスを印加
する手段で、該3πの断熱パルスは2πパルスと
πパルスを含み、該2πパルスは正味の原子核
の回転を生ぜず、πパルスによつて導入された
磁場の不均一性による位相変化を補償する、及
び ｅ 前記選定スライス内の再焦点合わせされた核
スピンのスピンエコーを検出する手段 を備えた装置。 ２ 前記πパルスの接続時間が前記2πパルスの
接続時間と等しい請求項１記載の装置。 ３ 前記第１及び第２のパルスが双曲正割 B1（ｔ）exp｛iψ（ｔ）｝で、下記の表によつて定
義される請求項１記載の装置： 【表】 ４ 前記第１及び第２パルスのサンプリングスケ
ージユールが下記の表によつて定義される請求項
１記載の装置： 【表】 但しT0＝１／２＋１／（2n）及び t1＝−１＋１／（2n）。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US205431 | 1988-06-10 | ||
| US07/205,431 US4868501A (en) | 1988-06-10 | 1988-06-10 | Method and means for magnetic resonance spin-echo imaging using an adiabatic three pi pulse sequence |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02119843A JPH02119843A (ja) | 1990-05-07 |
| JPH0426849B2 true JPH0426849B2 (ja) | 1992-05-08 |
Family
ID=22762158
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1148203A Granted JPH02119843A (ja) | 1988-06-10 | 1989-06-09 | 磁気共鳴スピンエコー像形成装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4868501A (ja) |
| JP (1) | JPH02119843A (ja) |
Families Citing this family (17)
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|---|---|---|---|---|
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| US5262724A (en) * | 1990-05-29 | 1993-11-16 | Instrumentarium Corp. | Examination method and apparatus |
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| US6750649B1 (en) * | 1997-06-26 | 2004-06-15 | General Electric Company | Adiabatic pulse design |
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| WO2002082376A2 (en) * | 2001-04-06 | 2002-10-17 | Regents Of The University Of California | Method for analyzing mri diffusion data |
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