JPH0430859B2 - - Google Patents

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JPH0430859B2
JPH0430859B2 JP60247729A JP24772985A JPH0430859B2 JP H0430859 B2 JPH0430859 B2 JP H0430859B2 JP 60247729 A JP60247729 A JP 60247729A JP 24772985 A JP24772985 A JP 24772985A JP H0430859 B2 JPH0430859 B2 JP H0430859B2
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nuclear
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spin
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Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は核磁気共鳴を利用して被検体の断層
像を得る核磁気共鳴断層像形成装置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION "Field of Industrial Application" The present invention relates to a nuclear magnetic resonance tomographic image forming apparatus that obtains a tomographic image of a subject using nuclear magnetic resonance.

「従来の技術」 先ず核磁気共鳴(NMR)を利用して断層像を
得る従来の主な方法(イメージング法)について
述べる。現在用いられているイメージング法には
投影再構成法(Projection Reconstruction法)
と、2D−FT法(スピンワープ法)とがある。投
影再構成法は均質な静磁場H0中に被検体を置き、
この静磁場と同一向きでz方向において磁場強度
が変化している線形勾配磁場Gzを印加しながら、
90゜パルスと呼ばれるRFパルス(高周波電磁界)
を加える。90゜パルスは一定の周波数ω0の高周波
電磁界を振幅変調してパルス状にしたものであ
る。この処理によつて、z軸上の位置Zでz軸と
直角な面内で、 ω0=r(H0+GzZ) を満す核スピンが90゜倒れて、ω0で動く回転座標
系のy′軸方向を向くことになる。rは磁気回転比
である。この平面が断層像のスライス面になり、
この処理をスライス面を励起すると云う。上の例
ではz方向での勾配磁場を加えた為にxy面がス
ライス面になつたが、勾配磁場の方向を選ぶこと
により、任意の平面をスライス面とすることがで
きる。第1図に示す様にスライス面を選択する
90゜パルスから時間τの後に180゜パルスを加える。
180゜パルスは90゜パルスと同じ様なRFパルスであ
るが、90゜パルスの2倍角度だけ核スピンを回転
させる。180゜パルスの働きによつて、時間2τの所
で角周波数ω0の自由誘導減衰信号を発生するス
ピン・エコーという現象が生ずる。このスピン・
エコー信号(自由誘導減衰信号)をデータとして
収集する。但し、この時にx方向勾配磁場Gx
y方向勾配磁場Gyとの合成によるθ方向の勾配
磁場G〓が加えられる。θ方向の位置をSとする
と、収集したデータを周波数分析すると、 ω=r(H0+G〓S) で与えられる角周波数分布が得られる。この分布
は被検体のθ方向への投影像となつている。従つ
て、θを少しづつ変えて、一回転(360゜)する
と、これらの投影データからバツク・プロジエク
シヨン処理によつて、画像再構成を行うことがで
きる。
"Prior Art" First, we will discuss the main conventional method (imaging method) of obtaining tomographic images using nuclear magnetic resonance (NMR). The currently used imaging method is the projection reconstruction method.
and the 2D-FT method (spin warp method). The projection reconstruction method places the object in a homogeneous static magnetic field H0 ,
While applying a linear gradient magnetic field Gz whose magnetic field strength changes in the z direction in the same direction as this static magnetic field,
RF pulse (high frequency electromagnetic field) called 90° pulse
Add. The 90° pulse is made into a pulse by amplitude modulating a high frequency electromagnetic field with a constant frequency ω 0 . Through this process, the nuclear spin that satisfies ω 0 = r (H 0 + GzZ) at position Z on the z-axis in a plane perpendicular to the z-axis is tilted by 90°, resulting in a rotational coordinate system that moves at ω 0. It will point in the y′-axis direction. r is the gyromagnetic ratio. This plane becomes the slice plane of the tomographic image,
This process is called excitation of the slice plane. In the above example, the xy plane becomes the slice plane because a gradient magnetic field is applied in the z direction, but by selecting the direction of the gradient magnetic field, any plane can be used as the slice plane. Select the slice plane as shown in Figure 1.
A 180° pulse is applied after a time τ from the 90° pulse.
The 180° pulse is an RF pulse similar to the 90° pulse, but it rotates the nuclear spins by twice the angle as the 90° pulse. Due to the action of the 180° pulse, a phenomenon called a spin echo occurs that generates a free induction decay signal of angular frequency ω 0 at time 2τ. This spin
Collect echo signals (free induction decay signals) as data. However, at this time, a gradient magnetic field G in the θ direction is added by combining the gradient magnetic field G x in the x direction and the gradient magnetic field G y in the y direction. Assuming that the position in the θ direction is S, frequency analysis of the collected data yields an angular frequency distribution given by ω=r(H 0 +G〓S). This distribution is a projected image of the subject in the θ direction. Therefore, by changing θ little by little and making one rotation (360°), image reconstruction can be performed from these projection data by back projection processing.

次に2D−FT法(Spin Warp法)について述べ
る。2D−FT法にもいくつかの変法があるが、代
表的なもののパルスシーケンスを第2図に示す。
この方法が投影再構成法と異なる点は、スライス
面を選択励起した後に、y方向の勾配磁場パルス
を加えてy方向に位相エンコーデイングを与え、
常に一定のx方向勾配磁場(読み出し勾配)を加
えながら、データを収集し、y方向勾配磁場パル
スの振幅を変えていつて、位相エンコーデイング
の量を調節し、繰返しデータを収集し、収集した
データを2次元フーリエ変換することにより、画
像を得る点である。
Next, we will discuss the 2D-FT method (Spin Warp method). There are several variations of the 2D-FT method, but the pulse sequence of a typical one is shown in Figure 2.
The difference between this method and the projection reconstruction method is that after selectively exciting the slice plane, gradient magnetic field pulses are applied in the y direction to provide phase encoding in the y direction.
Collect data while applying a constant x-gradient magnetic field (readout gradient), adjust the amount of phase encoding by varying the amplitude of the y-gradient magnetic field pulse, collect data repeatedly, and read out the collected data. The point is to obtain an image by performing a two-dimensional Fourier transform on the image.

上述した投影再構成法及び2D−FT法は夫々核
スピンの密度に応じた情報を得るものである。
The projection reconstruction method and 2D-FT method described above each obtain information according to the density of nuclear spins.

これら投影再構成法や2D−FT法におけるスラ
イス選択の90゜パルスの前に例えば第3図Aに示
すように反転パルス(例えば180゜パルス)を加え
たパルスシーケンスをIRシーケンスと呼び、こ
のシーケンスで得られる画像をIR像(反転回復
像)と呼ぶ。このIR像の信号強度(IIRは、 IIR=I0(1−2e-Td/T1) であり、核スピンの縦緩和時間T1値の影響を受
けたものとなる。ここでI0は平衡状態の信号強
度、Tdは反転パルスとスライス選択パルスとの
間の待ち時間を表す。
A pulse sequence in which an inversion pulse (e.g., 180° pulse) is added before the 90° pulse for slice selection in these projection reconstruction methods and 2D-FT methods, as shown in Figure 3A, is called an IR sequence. The image obtained is called an IR image (inverted recovery image). The signal intensity of this IR image (I IR is I IR = I 0 (1-2e - Td/T1 ), which is influenced by the longitudinal relaxation time T 1 value of the nuclear spin. Here, I 0 is the signal strength at equilibrium, and Td is the waiting time between the inversion pulse and the slice selection pulse.

縦緩和時間T1に関係した信号を得るには飽和
回復法も用いられる。この方法はスライス選択パ
ルス(90゜パルス)を繰返しかけ、その直後に発
生する核スピンエコー信号を検出するものでその
信号強度ISRは、 ISR=I0(1−e-Tr/TI) である。Trはスライス選択パルスの繰返し周期
である。くり返し時間Trが、T1よりも十分長け
れば第2項を無視することができ、ISR≒I0と考え
られるので第3図Bに示すパルスシーケンスによ
りIR像信号IIRと、飽和回復像(SR像)信号ISR
を得、これらから T1=−Td/loge(ISR−IIR/2ISR) の計算を各画素ごとに行うことにより、被検体の
T1値の画像を求めることができる。
A saturation recovery method is also used to obtain a signal related to the longitudinal relaxation time T 1 . In this method, a slice selection pulse (90° pulse) is repeatedly applied and the nuclear spin echo signal generated immediately after is detected.The signal intensity I SR is: I SR = I 0 (1-e -Tr/TI ) It is. Tr is the repetition period of the slice selection pulse. If the repetition time Tr is sufficiently longer than T 1 , the second term can be ignored, and it can be considered that I SR ≒ I 0. Therefore, the IR image signal I IR and the saturated recovery image can be calculated by the pulse sequence shown in Figure 3B. (SR image) signal I SR is obtained, and by calculating T 1 = −Td / log e (I SR − I IR /2I SR ) for each pixel, the
An image of T 1 value can be obtained.

「発明が解決しようとする問題点」 従来の核スピン密度像やT1(縦緩和時間)像、
IR(反転回復)像では、人体や動物の正常細胞と
癌などの腫瘍との差が小さく、特に早期にこれら
の区別を知ることが難しく、定量診断も困難であ
つた。
“Problems to be solved by the invention” Conventional nuclear spin density images, T 1 (longitudinal relaxation time) images,
In IR (inversion recovery) images, there is a small difference between normal cells in humans and animals and tumors such as cancer, making it difficult to distinguish between these at an early stage and making quantitative diagnosis difficult.

一方、NMR用ガラス管にラツトの摘出肝組織
の正常なものを封入したものと、腫瘍のものを封
入したものについて、25℃で、TSP(3−tri
methylsilyl propionate)基準として共鳴周波数
の化学シフト量7.13ppmの芳香族アミノ酸残基を
主として励起し、サンプリングパルスを加えて交
差緩和時間TISを測定した実験が報告されている。
この報告によると、交差緩和時間TIS及び縦緩和
時間T1の各逆数と組織の含水量との関係はそれ
ぞれ第4図A,Bに示すようになつた。これら図
において横軸は元の重量に対する水分を蒸発させ
た乾操重量を示し、縦軸の1目盛りは第4図A
は、第4図Bの2倍の重みとなつている。これら
の図から正常組織と腫瘍組織との差は1/T1に比
べ1/TISの方が2倍程度大きいことが理解され
る。
On the other hand, NMR glass tubes containing normal rat liver tissue and tumor tissue were incubated at 25°C with TSP (3-tritriple liver tissue).
An experiment has been reported in which an aromatic amino acid residue with a chemical shift of 7.13 ppm in the resonance frequency was mainly excited as a reference (methylsilyl propionate), and the cross-relaxation time T IS was measured by adding a sampling pulse.
According to this report, the relationships between the reciprocals of the cross relaxation time T IS and the longitudinal relaxation time T 1 and the water content of the tissue are as shown in FIGS. 4A and B, respectively. In these figures, the horizontal axis indicates the dry weight after evaporating water relative to the original weight, and the one scale on the vertical axis is as shown in Figure 4A.
has twice the weight as in FIG. 4B. From these figures, it is understood that the difference between normal tissue and tumor tissue is about twice as large for 1/T IS as compared to 1/T 1 .

交差緩和は二つの核スピン間の双極子相互作用
によつて高エネルギーレベルの核スピン低エネル
ギーレベルの核スピンへエネルギーを渡して緩和
する過程のことであり、生体高分子系では水との
間で生じ易いと考えられている。
Cross-relaxation is a process in which a high-energy level nuclear spin transfers energy to a low-energy level nuclear spin due to dipolar interaction between two nuclear spins, causing relaxation. It is thought that this is likely to occur.

一方、ある核スピンが電磁波を吸収して後に電
磁波を放出する際に、別の核スピンと双極子相互
作用や右学交換を生じることにより放出信号強度
やT1値が変化する現象があり、これは核オーバ
ーハウザー効果と呼ばれている。交差緩和も核オ
ーバーハウザー効果と密接な関係があり、腫瘍組
織で交差緩和時間TISが長くなつているのは、水
と生体高分子の双極子相互作用が弱くなつている
と考えられる。
On the other hand, when a nuclear spin absorbs electromagnetic waves and later emits electromagnetic waves, there is a phenomenon in which the emitted signal strength and T 1 value change due to dipole interaction or polar exchange with another nuclear spin. This is called the nuclear Overhauser effect. Cross-relaxation is also closely related to the nuclear Overhauser effect, and the reason why the cross-relaxation time T IS becomes longer in tumor tissues is thought to be due to the weakening of the dipolar interaction between water and biopolymers.

「問題点を解決するための手段」 この発明によれば、静磁場におかれた被検体に
高周波電磁界を印加して被検体の生体高分子のプ
ロトンと水のプロトンとの間に核オーバーハウザ
ー効果を生じさせ、その後、その被検体に高周波
電磁界を照射してその被検体のプロトンの核スピ
ンを励起し、その励起された核スピンの核磁気共
鳴信号を検出し、被検体における核磁気共鳴信号
に対応して交差緩和に影響された画像を作成す
る。交差緩和の影響された画像または交差緩和時
間画像によれば、従来のT1画像よりも、例えば
正常細胞と腫瘍とをより明確に区別することがで
きる。なお核オーバーハウザー効果を選択的に起
させるには、例えば90゜パルスを2回与え、その
パルス間隔を選定し、二つの核スピンの自由歳差
運動の位相差が2πになるようにするか、あるい
は特定の核スピンを選択的に飽和させる。
``Means for Solving the Problems'' According to the present invention, a high frequency electromagnetic field is applied to a subject placed in a static magnetic field to create a nuclear overlap between protons of biopolymers of the subject and protons of water. The Hauser effect is generated, and then a high-frequency electromagnetic field is irradiated to the specimen to excite the nuclear spins of protons in the specimen, and the nuclear magnetic resonance signal of the excited nuclear spins is detected to detect the nuclei in the specimen. A cross-relaxation influenced image is created corresponding to the magnetic resonance signal. Cross-relaxation influenced images or cross-relaxation time images allow for example to distinguish between normal cells and tumors more clearly than traditional T1 images. To selectively cause the nuclear Overhauser effect, for example, give two 90° pulses and select the pulse interval so that the phase difference between the free precession of the two nuclear spins is 2π. , or selectively saturate specific nuclear spins.

「実施例」 前述したように2次元の交差緩和時間像を得る
場合はこの発明ではスライス面の核スピンを励起
する前に高周波電磁界を被検体に与えて核スピン
に選択的に該オーバーハウザー効果を生じさせ
る。このオーバーハウザー効果(NOE:
Nuclear Overhauser effect)を選択的に起こさ
せるパルス・シーケンスを第5図に示す。このシ
ーケンスでは、第1の90゜パルス、第2の90゜パル
スはスライス面を選択するものではない。第3の
90゜パルスのみスライス面を選択するものである。
周波数軸(化学シフト方向)については、第1、
第2、第3とも非選択的である。第1の90゜パル
スによつて、対象核のスピンは全て回転座標系の
y′方向に倒れる。次の第2の90゜パルスまでの時
間t1の間に、自由歳差運動を行う。この運動につ
いてモデル的に描いたのが第6図である。例えば
水のプロトンのスピンをI、生体高分子中のアミ
ノ酸残基のプロトンのスピンをSとすると、これ
らスピンIとSの間にはδの化学シフトの差があ
る。第1の90゜パルスによりスピンI,Sの軸心
は第6図Aに示すようにy′方向とされ、時間t1
間にこれら核スピンI,Sの自由歳差運動中の位
相差Δφは、 Δφ=2π(νI−νS)t1=2πδt1 生ずることになる。νIは核スピンIの共鳴周波
数、νSは核スピンSの共鳴周波数である。この
Δφがπになる様につまり第6図Bに示す状態と
なるようにt1を決めて次の90゜パルスを印加した
場合には、第6図C,Dのように核スピンIは純
粋の縦緩和をする。一方このΔφが2πの場合(第
7図B)は、核スピンI,Sのそれぞれの緩和を
表わす式は次のようになり、 dI(t)/dt =ρI(I0−I(t))+σIS(S0−S(t)) dS(t)/dt =ρS(S0−S(t))+σSI(I0−I(t)) 信号I(t),S(t)に対し、平衡状態の信号I0,S0がS(t)
≠S0であるから、交差緩和の存在する核間の場合
1/TIS=σIS≠0なので、σIS(S0−S(t))は核スピ
ンI の緩和dI(t)/dtに大きく影響する。ρIは核スピンIの 縦緩和時間の逆数、ρSは核スピンSの縦緩和時間
の逆数であり、σは交差緩和速度である。第7図
にそのモデルを示す。
``Example'' As described above, when obtaining a two-dimensional cross-relaxation time image, in the present invention, a high-frequency electromagnetic field is applied to the subject before exciting the nuclear spins on the slice plane to selectively apply the overhauser to the nuclear spins. produce an effect. This Overhauser effect (NOE:
A pulse sequence for selectively causing the Nuclear Overhauser effect is shown in FIG. In this sequence, the first 90° pulse and the second 90° pulse do not select the slice plane. third
Only the 90° pulse selects the slice plane.
Regarding the frequency axis (chemical shift direction), the first
Both the second and third are non-selective. By the first 90° pulse, all the spins of the target nucleus are
It falls in the y′ direction. Free precession is performed during the time t 1 until the next second 90° pulse. Figure 6 depicts this movement as a model. For example, when the spin of a water proton is I and the spin of a proton of an amino acid residue in a biopolymer is S, there is a chemical shift difference of δ between these spins I and S. By the first 90° pulse, the axes of the spins I and S are set in the y' direction as shown in Figure 6A, and the phase difference during the free precession of these nuclear spins I and S during time t1 . Δφ will occur as Δφ=2π(ν I −ν S )t 1 =2πδt 1 . ν I is the resonance frequency of the nuclear spin I, and ν S is the resonance frequency of the nuclear spin S. If t 1 is determined so that this Δφ becomes π, that is, the state shown in Figure 6B is applied, and the next 90° pulse is applied, the nuclear spin I becomes as shown in Figures 6C and D. Perform pure vertical relaxation. On the other hand, when Δφ is 2π (Fig. 7B), the equations expressing the relaxation of nuclear spins I and S are as follows, dI (t) /dt = ρ I (I 0 −I (t ) ) +σ IS (S 0 −S (t) ) dS (t) /dt = ρ S (S 0 −S (t) )+σ SI (I 0 −I (t) ) Signal I (t) , S ( t) , the equilibrium state signals I 0 and S 0 are S (t)
≠S 0 , so in the case of internuclear cross-relaxation, 1/T ISIS ≠0, so σ IS (S 0 −S (t) ) is the relaxation of nuclear spin I dI (t) /dt greatly affects. ρ I is the reciprocal of the longitudinal relaxation time of the nuclear spin I, ρ S is the reciprocal of the longitudinal relaxation time of the nuclear spin S, and σ is the cross-relaxation rate. Figure 7 shows the model.

具体的にアミノ酸残基と水との交差緩和を見る
場合は、例えばTSP基準でアミノ酸残基の−
2.45ppmと水の4.7ppmのピークとの化学シフト
の差が7ppmとすると、静磁場が3000ガウスの場
合、共鳴周波数は12.75MHzなので、 Δφ=2π×(12.75×106)×(7×10-6)×t1 ≡2πより、 t1=1〔msec〕 又静磁場が1テスラ(10000ガウス)の場合、
t1=3.4〔msec〕とすればよい。このように時間t1
を選択することにより選択した二つの核スピン
I,S間に核オーバーハウザー効果が選択的に得
られる。すなわち第5図において第2の90゜パル
スの後に核オーバーハウザー効果が生じている。
When looking specifically at the cross-relaxation between amino acid residues and water, for example, the -
Assuming that the difference in chemical shift between 2.45 ppm and the 4.7 ppm peak of water is 7 ppm, when the static magnetic field is 3000 Gauss, the resonance frequency is 12.75 MHz, so Δφ = 2π × (12.75 × 10 6 ) × (7 × 10 -6 ) × t 1 ≡2π, t 1 = 1 [msec] Also, if the static magnetic field is 1 Tesla (10,000 Gauss),
It is sufficient to set t 1 =3.4 [msec]. like this time t 1
By selecting , a nuclear Overhauser effect can be selectively obtained between the two selected nuclear spins I and S. That is, in FIG. 5, the nuclear Overhauser effect occurs after the second 90° pulse.

二成分系で、核スピンIとSの相互作用が比較
的弱い場合に混合時間τm(第5図)と信号強度と
の関係を求めると次のようになる。相互作用が比
較的弱い場合には、その緩和成分をそれぞれλ1
λ2とすると、 σ=σIS=σSI λ1=1/2〔(ρI+ρS)+√(IS2+42〕 λ2=1/2〔(ρI+ρS)−√(IS2+42〕 信号強度は、 I(τm)=I0[1−2(ρ1−λ2)/λ1−λ2e-1 Tm −2(λ1−ρ1)/λ1−λ2e-1 Tm] +S0[−2σ/λ1−λ2e-1 Tm +2σ/λ1−λ2e-2 Tm] の様に表わされる。ここで右辺第2項が交差緩和
の主な項になる。この第2項の混合時間τn依存性
を第8図に示す。
In a two-component system, when the interaction between the nuclear spins I and S is relatively weak, the relationship between the mixing time τm (Fig. 5) and the signal intensity is determined as follows. When the interaction is relatively weak, the relaxation components are expressed as λ 1 and
If λ 2 , σ=σ ISSI λ 1 = 1/2 [(ρ I + ρ S ) + √( IS ) 2 +4 2 ] λ 2 = 1/2 [(ρ I + ρ S ) − √( IS ) 2 +4 2 ] The signal strength is I(τm)=I 0 [1−2(ρ 1 −λ 2 )/λ 1 −λ 2 e 1 Tm −2(λ 1 − ρ 1 )/λ 1 −λ 2 e 1 Tm ] +S 0 [−2σ/λ 1 −λ 2 e 1 Tm +2σ/λ 1 −λ 2 e 2 Tm ]. Here, the second term on the right side is the main term for cross relaxation. The dependence of this second term on the mixing time τ n is shown in FIG.

前記第2項が十分大きいこの混合時間τnの値の
少なくとも3つの異なるものについてt1の値を
Δφ=πとなるようにした場合と、Δφ=2πとなる
ようにした場合について第5図に示すように通常
の手法(この例は2D−FT法)によりスピンエコ
ーを求め、これら画像を用いて各画素ごとに最小
二乗推定法により交差緩和和速度σを求め、σの
画像を得る。
Figure 5 shows the case where the value of t1 is set to Δφ=π and the case where the value of Δφ=2π is set for at least three different values of this mixing time τ n where the second term is sufficiently large. As shown in Figure 2, spin echoes are obtained using a normal method (2D-FT method in this example), and using these images, the cross-relaxation sum velocity σ is obtained for each pixel using the least squares estimation method to obtain an image of σ.

なお、従来のイメージング法に用いられている
手法と同様に、第5図に示すように第2の90゜パ
ルスの後にスポイリング・パルスと呼ばれる勾配
磁界パルスを加えることにより、スピンの横磁化
成分を消して、より明瞭な画像を求めるようにし
てもよい。
Note that, similar to the technique used in conventional imaging methods, a gradient magnetic field pulse called a spoiling pulse is applied after the second 90° pulse, as shown in Figure 5, to remove the transverse magnetization component of the spins. You may also erase it to obtain a clearer image.

次に磁場の不均一性及び横緩和に対して影響を
受け難くする様にするには次のようにすればよ
い。そのパルス・シーケンスを第9図に示す。こ
の時の核スピンの挙動を第10図に示す。第1の
90゜パルスが印加されると、水のプロトンのスピ
ンI及びアミノ酸残基のプロトンのスピンSが倒
されてy′方向を向く(第10図A)、続くτ1の期
間の間にスピンI,Sは自由歳差運動をして第1
0図Bに示す様に別の方向を向き、かつ横緩和と
勾配磁場Gxによる横緩和とが生ずる。ここでy′方
向に180゜パルスを加えると第10図Cに示す様な
スピン分布になる。この180゜パルスによつてスピ
ンS,Iはそれぞれ再び集束し始めて勾配磁場
Gxが180゜パルスに対して対称な位置にあれば180゜
パルスからτ1の位置でそれぞれスピン・エコーが
生ずる。しかし、勾配磁場の位置をずらすことに
よつて、勾配磁場に起因する位相のばらつきの収
束によるエコーを自由にずらすことができる。即
ち、ν0をラーモア周波数、δを化学シフトとする
と、 2πν0・δ(τ1−τ2)=π となる様に勾配磁場をセツトすると、180゜パルス
からτ2の時間に第10図Dに示す様なスピン分布
にすることができる。もちろんτ1=τ2となる様に
してスピンI,Sをy′方向に一致させることもで
き、つまりこれらスピンI,S間に0、又はπの
位相差をつけることもできる。
Next, in order to make it less susceptible to magnetic field inhomogeneity and transverse relaxation, the following can be done. The pulse sequence is shown in FIG. The behavior of the nuclear spin at this time is shown in FIG. first
When a 90° pulse is applied, the spin I of water protons and the spin S of protons of amino acid residues are flipped to point in the y' direction (Fig. 10A), and during the following period of τ 1 , spin I , S undergoes free precession and the first
As shown in Figure 0B, it faces in a different direction, and transverse relaxation and transverse relaxation due to the gradient magnetic field G x occur. If a 180° pulse is applied in the y' direction, the spin distribution will become as shown in FIG. 10C. Due to this 180° pulse, the spins S and I begin to focus again, creating a gradient magnetic field.
If G x is at a symmetrical position with respect to the 180° pulse, spin echoes will occur at positions τ 1 from the 180° pulse. However, by shifting the position of the gradient magnetic field, it is possible to freely shift the echo caused by the convergence of phase variations caused by the gradient magnetic field. That is, if ν 0 is the Larmor frequency and δ is the chemical shift, then if the gradient magnetic field is set so that 2πν 0 · δ (τ 1 − τ 2 ) = π, then at the time τ 2 from the 180° pulse, as shown in Fig. 10. A spin distribution as shown in D can be obtained. Of course, it is also possible to make the spins I and S coincide in the y' direction so that τ 12 , that is, it is also possible to provide a phase difference of 0 or π between these spins I and S.

この条件で第2の90゜パルスをかけると、第1
0図Eに示す様にスピンIとSとが反対方向を向
いたり、逆に同じ−z′方向に向けることができ
る。この後τnの待ち時間の間に縦緩和及び交差緩
和を生じさせておいて従来のイメージング法によ
るデータ収束を行なうことにより、水プロトンと
アミノ酸残基プロトンの間の相互作用を画像化す
ることができる。
If a second 90° pulse is applied under these conditions, the first
As shown in Figure 0E, spins I and S can be directed in opposite directions, or conversely, can be directed in the same -z' direction. After this, the interactions between water protons and amino acid residue protons are imaged by causing longitudinal relaxation and cross-relaxation during a waiting time of τ n and performing data convergence using a conventional imaging method. I can do it.

具体例として、5000Gaussの磁場で水と7ppm
の化学シフト差を持つアミノ酸と水との相互作用
を強調する場合は、 τ1−τ2=1/(2ν0δ)=3.4msecで位相差π τ1−τ2=1/(ν0δ)=6.8msecで位相差2π の条件で勾配磁場をかければ良い。
As a specific example, water and 7ppm in a magnetic field of 5000 Gauss
When emphasizing the interaction between an amino acid and water that has a chemical shift difference of , the phase difference π τ 1 −τ 2 = 1 / ( ν 0 It is sufficient to apply a gradient magnetic field under the conditions of δ) = 6.8 msec and a phase difference of 2π.

上述では2成分の横スピンの自由歳差運動の位
相差がπ又は2πになるようにして縦緩和又は交
差緩和を求めたが、特定の化学シフト成分を高周
波磁界で選択的に照射して核オーバーハウザー効
果を起こし交差緩和を生じさせることもできる。
例えば化学シフトの分だけ異なる周波数の高周波
電磁界(飽和選択パルス)でアミノ酸残基を選択
照射して直接磁化を飽和させておき、(高エネル
ギーのスピンと低エネルギーのスピンとの数を等
しくし)その照射を切つた直後に勾配磁場とスラ
イス選択高周波パルスとを印加してスライス面を
選択励起し、以後位相エンコーデイングや投影再
構成法によりイメージングデータを収集する。画
像のコントラストを変えるために、スピンエコー
法、飽和回復法、反転回復法等のシーケンスと併
用してもよい。そのパルス・シーケンスの一例を
第11図に示す。その緩和選択パルスの照射時間
τと得られるスピンエーの信号強度の関係を第1
2図に示す。選択飽和パルスを印加すると、アミ
ノ酸残基のスピンSはすぐに飽和してその磁化は
0になるが、水プロトンのスピンIは、アミノ酸
残基のプロトンのスピンSとの間の核オーバーハ
ウザー効果にもとづく交差緩和によつてゆつくり
平衡値Iに近づく。
In the above, longitudinal relaxation or cross-relaxation was obtained by setting the phase difference between the free precession of the two components of transverse spin to π or 2π. However, by selectively irradiating specific chemical shift components with a high-frequency magnetic field, we It is also possible to cause the Overhauser effect to cause cross-relaxation.
For example, by selectively irradiating amino acid residues with a high-frequency electromagnetic field (saturation selection pulse) with a frequency that differs by the amount of the chemical shift, the magnetization is directly saturated (the number of high-energy spins and low-energy spins is equalized). ) Immediately after the irradiation is turned off, a gradient magnetic field and a slice-selective high-frequency pulse are applied to selectively excite the slice plane, and thereafter imaging data is collected using phase encoding and projection reconstruction methods. In order to change the contrast of the image, it may be used in combination with a sequence such as a spin echo method, a saturation recovery method, an inversion recovery method, or the like. An example of the pulse sequence is shown in FIG. The relationship between the irradiation time τ of the relaxation selection pulse and the obtained spin A signal intensity is expressed as
Shown in Figure 2. When a selective saturation pulse is applied, the spin S of the amino acid residue is quickly saturated and its magnetization becomes 0, but the spin I of the water proton is due to the nuclear Overhauser effect between the spin S of the proton of the amino acid residue. The equilibrium value I is slowly approached by the cross relaxation based on

平衡値は dI/dt=ρ1(I0−I)+σS0=0より、 I=I0+σ/ρ1S0 となる。生体高分子の場合σ<0で負のオーバー
ハウザー効果が起こる場合には I<I0 となる。
The equilibrium value is dI /dt=ρ 1 (I 0 −I )+σS 0 =0, so I =I 0 +σ/ρ 1 S 0 . In the case of biopolymers, if σ<0 and a negative Overhauser effect occurs, I <I 0 .

選択飽和パルスの照射時間τと信号強度との間
には次のように近似できる。
The irradiation time τ of the selective saturation pulse and the signal intensity can be approximated as follows.

I(τ)=I+(I0−I)e-/T1* 1/T1 *=1/T1+1/TIS 但しこの場合、水プロトンとアミノ酸残基プロ
トンとは強く相互作用していて、同じ緩和式に従
うと仮定した。
I(τ)=I + (I 0 −I )e -/T1* 1/T 1 * = 1/T 1 + 1/T IS However, in this case, water protons and amino acid residue protons are strongly mutual. , and that they follow the same relaxation equation.

従つて、アミノ酸残基のプロトンSを選択照射
した上記のパルス・シーケンスにより得られる画
像データは交差緩和時間TISを反映したものにな
る。この画像データをτの値を変えて少なくとも
3枚以上撮像すれば、各画素ごとに最小二乗推定
法によりI0,I,T1 *を求めることができる。又、
別の方法で縦緩和時間T1の画像データを求めで
おけば、1/T1 *−1/T1=1/TISからTISの交差緩和
画 像を求めることができる。
Therefore, the image data obtained by the above pulse sequence in which protons S of amino acid residues are selectively irradiated reflects the cross relaxation time T IS . By capturing at least three images of this image data while changing the value of τ, I 0 , I , and T 1 * can be determined for each pixel using the least squares estimation method. or,
If the image data of the longitudinal relaxation time T 1 is obtained by another method, the cross-relaxation image of T IS can be obtained from 1/T 1 * −1/T 1 =1/T IS .

核スピンの交差緩和の影響された状況(又は影
響されない状況)の選択面内での画像を得る装置
としては従来の核磁気共鳴断層像形成装置と同様
なハードウエアにより構成される。第13図はそ
の一例を示す。主静磁場層H0を発生する主電磁
石11、x,y,z方向の各勾磁場Gx,Gy,Gz
を発生する勾配磁場作成コイル12、高周波電磁
波を送受する送受信コイル13が、被検体が配さ
れる位置に設けられる。主電磁石11に対し電磁
石電源14から電流が供給され、勾配磁場用電流
増幅器15によりタイミング波形が増幅されて電
流として各勾配磁場作成コイル12に選択的に供
給される。シンセライザ16に対しタイミング周
波数が設定され、シンセイザ16からそのタイミ
ングパルスが送信機17に与えられ、高周波パル
スが整合、送受切替器18を通じて送受信コイル
13に与えられる。送受信コイル13で検出され
たスピンエコー信号は整合、送受切替器18を通
じて受信機19で受信され、増幅検波され、その
受信出力はタイミング制御部21を通じて計算機
22に取込まれる。計算機22は制御部21を通
じて勾配磁場用増幅器15に対するタイミング波
形の供給、シンセサイザ16に対するタイミング
周波数設定などを行う。
The apparatus for obtaining an image within a selected plane of a situation affected (or unaffected) by the cross-relaxation of nuclear spins is constructed with hardware similar to a conventional nuclear magnetic resonance tomography apparatus. FIG. 13 shows an example. Main electromagnet 11 that generates the main static magnetic field layer H 0 , each gradient magnetic field G x , G y , G z in the x, y , and z directions
A gradient magnetic field creating coil 12 that generates a magnetic field, and a transmitting/receiving coil 13 that transmits and receives high frequency electromagnetic waves are provided at the position where the subject is placed. A current is supplied to the main electromagnet 11 from an electromagnet power supply 14, a timing waveform is amplified by a gradient magnetic field current amplifier 15, and the amplified current is selectively supplied to each gradient magnetic field generating coil 12 as a current. A timing frequency is set for the synthesizer 16, and the timing pulse is applied from the synthesizer 16 to the transmitter 17, and the high frequency pulse is applied to the transmitting/receiving coil 13 through matching and transmitting/receiving switch 18. The spin echo signal detected by the transmitter/receiver coil 13 is matched and received by the receiver 19 through the transmitter/receiver switch 18, amplified and detected, and the received output is taken into the computer 22 through the timing controller 21. The computer 22 supplies a timing waveform to the gradient magnetic field amplifier 15, sets a timing frequency to the synthesizer 16, etc. through the control unit 21.

以上では交差緩和に影響された2次元断層像を
得る装置について述べてきたが、この装置は3次
元へも拡張することができる。即ち、スライス選
択90゜パルスの代わりに、スライス非選択の90゜パ
ルスを使用し、2方向へ位相エンコーデイングを
かけながら撮像することにより、交差緩和に影響
された3次元の画像を得ることができる。
Although the above has described an apparatus for obtaining two-dimensional tomographic images affected by cross-relaxation, this apparatus can also be extended to three dimensions. That is, by using a non-slice-selecting 90° pulse instead of a slice-selecting 90° pulse and imaging while applying phase encoding in two directions, it is possible to obtain a three-dimensional image affected by cross-relaxation. can.

「発明の効果」 以上述べたようにこの発明によれば被検体の選
択したスライス面における生体高分子のプロトン
と水のプロトンとの核スピンの交差緩和の状態を
画像として表示することができ、縦緩和の状態を
画像として表示する場合よりも、例えば正常組織
と腫瘍組織との区別がよくでき、癌の早期発見や
進み具合を正確に知ることができる。
"Effects of the Invention" As described above, according to the present invention, it is possible to display as an image the state of cross-relaxation of nuclear spins between protons of a biopolymer and protons of water in a selected slice plane of a subject. For example, normal tissue and tumor tissue can be better distinguished from each other than when the state of longitudinal relaxation is displayed as an image, and the early detection and progress of cancer can be accurately determined.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は投影再構成法のパルス・シーケンスを
示す図、第2図は2次元フーリエ法(スピン・ワ
ープ法)のパルス・・シーケンスを示す図、第3
図A及びBはそれぞれ反転回復像及び縦緩和時間
(T1)像のパルス・シーケンスを示す図、第4図
A及びBはそれぞれラツトの肝組織の縦緩和時間
(T1)と交差緩和時間(TIS)と含水量との関係
データを示す図、第5図はこの発明による装置に
より核オーバーハウザー効果を生じせしめるため
2回の90゜パルスとスポイリング・パルスを加え
たパルス・シーケンスを示す図、第6図及び第7
図はそれぞれその時のスピンの挙動をモデル的に
示す図、第8図は混合時間τnと主な交差緩和項と
の関係を示す図、第9図は2回の90゜パルスの間
に180゜パルスとエコー位置移動勾配パルスを加え
たパルス・シーケンスを示す図、第10図はその
時のスピンの挙動を描いた図、第11図は特定の
核スピンを選択的に飽和して押オーバーハウザー
効果を生じさせるイメージングする方法のパル
ス・シーケンスを示す図、第12図はその時の照
射時間τと信号強度との関係を示す図、第13図
はこの発明の装置の構成を示すブロツク図であ
る。
Figure 1 shows the pulse sequence of the projection reconstruction method, Figure 2 shows the pulse sequence of the two-dimensional Fourier method (spin warp method), and Figure 3 shows the pulse sequence of the two-dimensional Fourier method (spin warp method).
Figures A and B show the pulse sequences of the inversion recovery image and the longitudinal relaxation time (T 1 ) image, respectively; Figures 4A and B are the longitudinal relaxation time (T 1 ) and cross-relaxation time of rat liver tissue, respectively. Figure 5 shows the pulse sequence of two 90° pulses plus a spoiling pulse to produce the nuclear Overhauser effect using the device according to the invention . Figures 6 and 7
Each figure shows a model of the behavior of the spin at that time, Figure 8 shows the relationship between the mixing time τ n and the main cross-relaxation term, and Figure 9 shows the relationship between the two 90° pulses. A diagram showing a pulse sequence in which a ゜ pulse and an echo position movement gradient pulse are added, Figure 10 is a diagram depicting the behavior of spins at that time, and Figure 11 is an Overhauser pulse sequence that selectively saturates and pushes specific nuclear spins. FIG. 12 is a diagram showing the pulse sequence of the imaging method that produces the effect, FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the irradiation time τ and signal intensity, and FIG. 13 is a block diagram showing the configuration of the apparatus of the present invention. .

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 静磁場を発生する手段と、 上記静磁場に置かれた被検体に高周波電磁界を
印加して被検体の生体高分子のプロトンと水のプ
ロトンとの間に核オーバーハウザー効果を生じさ
せる手段と、 上記被検体の核スピンに核オーバーハウザー効
果を生じさせた後に、前記被検体に高周波電磁界
を照射し、その被検体のプロトンの核スピンを励
起する手段と、 その核磁気共鳴信号を検出する手段と、 前記被検体における核磁気共鳴信号に対応して
交差緩和に影響された画像を作成する手段とを備
えたことを特徴とする核磁気共鳴断層像形成装
置。
[Claims] 1. A means for generating a static magnetic field; and a means for applying a high-frequency electromagnetic field to a subject placed in the static magnetic field to create a nuclear overlap between protons of a biopolymer of the subject and protons of water. means for producing a Hauser effect; and means for irradiating the subject with a high-frequency electromagnetic field to excite nuclear spins of protons in the subject after producing the nuclear Overhauser effect in the nuclear spin of the subject; A nuclear magnetic resonance tomographic image forming apparatus comprising: means for detecting the nuclear magnetic resonance signal; and means for creating an image affected by cross relaxation in response to the nuclear magnetic resonance signal in the subject. .
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JPS61247947A (en) * 1985-03-21 1986-11-05 ゼネラル・エレクトリツク・カンパニイ Method of selectively exciting chemical shift-spectrum and device for generating radio frequency signal

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