JPH05176908A - コントラストを改善した短t2 種の磁気共鳴結像 - Google Patents

コントラストを改善した短t2 種の磁気共鳴結像

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JPH05176908A
JPH05176908A JP4008785A JP878592A JPH05176908A JP H05176908 A JPH05176908 A JP H05176908A JP 4008785 A JP4008785 A JP 4008785A JP 878592 A JP878592 A JP 878592A JP H05176908 A JPH05176908 A JP H05176908A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 短いスピン−スピン緩和時間(T2 )を有す
る核種を結像するための磁気共鳴信号が、再焦点合わせ
ローブを必要とすることなく得られること。 【構成】 1連のRF励起パルスが該核種に加えられ、
核RF励起パルスが加えられた後に磁気共鳴信号が検出
される。このとき該結像信号を提供するために該磁気共
鳴信号は結合される。RF励起パルスは従来のスライス
選択的パルスの半分で、各パルスは0へ旋回させられ
る。最初に、長T2 核種を励起するには充分だが短T2
核種を励起するには不十分な振幅を有するRF信号を加
えて長T2 核種を該RF信号で傾けることにより、結像
された短T2 核種と長T2 核種とのコントラストを強化
することが出来る。このとき、磁気勾配を加えて、長T
2 核種の傾けられた核をデフェーズさせることが出来
る。このとき短T2 核種からの磁気共鳴信号から結像信
号が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】アメリカ合衆国政府は、開示された発明に
ついての権利を、スタンフォード大学に対する国立保健
研究所認可#1R01HL34962に従って保有して
いる。
【0002】
【産業上の利用分野】この発明は、磁気共鳴結像(MR
Iと略記する)と分光学とに関し、特に本発明は短いス
ピン−スピン緩和時間(T2 と略記する)を有する種の
結像に関する。
【0003】
【従来技術】核磁気共鳴(NMR)結像は、磁気共鳴結
像(MRI)とも呼ばれていて、物質を解析する非破壊
的方法であり、医療用結像のための新方法である。これ
は完全に非侵略的であって、イオン化する輻射を要しな
い。大雑把に言うと、核磁気モーメントは、局所磁場に
比例する特別のスピン歳差運動で励起される。これらの
スピンの歳差運動から生じる無線周波数信号は、ピック
アップ・コイルにより受信される。磁場を操作すること
により、異なる体積領域を表す信号のアレーが得られ
る。これらは、人体の核スピン密度の体積イメージを作
るために組み合わされる。
【0004】NMRに関する一連の解説的論文が、『核
科学についてのIEEEトランザクション』の1980
年6月号ボリュームNS−27の第1220〜1255
ページ(the June 1980 issue of the IEEE Transactio
ns on Nuclear Science, Vol. NS-27, pp.1220-1255 )
に見られる。基本的概念はW.V.ハウスによる指導的
論文『NMRの原理への入門』(Introduction to the
Principles of NMR)の第1220−1226ページに記
載されており、これは断層イメージを再構成するために
計算型断層撮影法を使用する。2次元及び3次元の結像
方法が解説されている。NMRの医療への応用が、『サ
イエンティフィック・アメリカン』誌の1982年5月
号の第78−88ページのピケット(Pykett) 著の『医
療におけるNMR結像』(NMR Imaging in Medicine)
と、1982年のアカデミック・プレスの、マンスフィ
ールド(Mansfield)及びモリス(Morris) 著の『生物医
学におけるNMR結像』(NMR Imaging in Biomedicin
e) に記載されている。
【0005】要約すると、核の陽子及び/又は中性子の
数が奇数である原子、即ち、奇数のスピン角運動量と磁
気双極子モーメントとを有する原子、を一線に整列させ
るために強い静磁場が使われる。次に、第1のRF磁場
に対して横向きに加えられた第2のRF磁場を使って、
これらの核にエネルギーを注入し、これらを例えば90
°又は180°はじく。励起後、核は徐々に該静磁場と
整列する状態に戻り、エネルギーを弱いけれども検出可
能な自由誘導崩壊(FID)の形で放出する。これらの
FID信号は、イメージを作るためにコンピューターに
より使われる。
【0006】励起周波数、及びFID周波数は、核の歳
差運動の角周波数ω0 は、磁場B0 と、各核種について
の基本的物理定数であるいわゆる磁気回転比γとの積で
あるというラーモアの関係により定義される: ω0 =B0 ・γ 従って、線型勾配磁場B=z・Gz を、例えばZ軸を画
定する均一な正磁場B 0 に重ねることにより、選択され
たX−Y平面内の核を、該X軸又はY軸に沿って加えら
れた横励起磁場の周波数スペクトルを適宜選ぶことによ
り励起することが出来る。同様に、該X−Y平面におい
て、FID信号の検出時に勾配磁場を加えて、該平面内
のFID信号を空間的に局在させることが出来る。RF
パルス励起に応じての核スピン・フリップの角度は、該
パルスの時間積分に比例する。
【0007】不均一磁場中で人体から磁気共鳴信号を得
る際にスピン・エコー技術が使われている。核スピンが
傾けられて、時間Tにわたって処理された後、180°
再焦点合わせRF磁場を加えて核スピンを180°はじ
く(フリップさせる)。時間Tの後に、核スピンは再び
焦点が合い、この時に磁気共鳴信号が検出される。しか
し、在来のスライス選択的励起においては、横磁化の大
半が作られるときのRF波形のピークと、データ収集が
始まることの出来る時の再焦点合わせローブの末端との
間には固有の遅延がある。結像されるべき或る種の核種
は、短いスピン−スピン緩和時間(T2 )を有し、その
後に自由誘導信号が顕著に減衰する。結像されることの
出来る最小T2 核種は、この遅延時間の程度である。こ
の遅延は、オフセットRF波形を使用し、再焦点合わせ
時間を短縮することによって幾分は短縮することが出来
る。
【0008】しかし、スライス・プロフィールに傷が付
く。本発明は、T2 の非常に短い核種の結像を可能にす
るスライス選択的励起の方法を提供することを目指して
いる。
【0009】
【発明の概要】本発明の目的は、T2 の非常に短い核種
の結像を可能にするスライス選択的励起の方法及び装置
である。本発明の他の目的は、T2 の非常に短い核種の
結像のコントラストを改善することである。
【0010】本発明の特徴は、少なくとも二つの別々の
励起を行い、データを収集して、そのデータを合計し
て、所望のスライスについての信号を得ることである。
本発明の他の特徴は、二つの別々の励起を使い、その各
励起が在来のスライス選択的励起の半分に相当すること
である。本発明の他の特徴は、短T2 コントラスト調製
RFパルス及び磁気勾配を使用することである。
【0011】要約すると、本発明の一実施例では、二つ
の励起を順次に加え、各励起後にデータ収集が行われ
る。この二つの励起は例えば同期パルスなどの在来のス
ライス選択的励起の半分に相当し、その半分の励起の各
々について同じ収集勾配が使用される。第2半分励起
は、第1半分励起についてのデータ収集が完了した後に
加えられる。次に所望のスライスについての信号を得る
ために各々の励起後のデータ収集が加え合わされる。
【0012】この方法には幾つかの利点がある。第1
に、T2 の長い核種については、スライス・プロフィー
ルは在来のスライス選択についてのものと同じになる。
2 の長い核種についてスライス・プロフィールを犠牲
にする必要はない。第2に、短T2 核種についてのスラ
イス・プロフィールは、T2 と勾配強度によってのみ限
定される。第2に、再焦点合わせローブは不要である。
データ収集は直に始まることが出来、RF送信機を停止
させるのに要する時間だけによって限定される。
【0013】短T2 核種のイメージのコントラストを高
めるために、デフェージング(dephasing )勾配に続く
ことの出来るコントラスト調製パルスを使うことによ
り、長T2 核種の磁化を選択的に抑圧する。本発明と、
その目的及び特徴とは、図面と共に以下の詳細な解説と
特許請求の範囲の欄の記載内容とから一層容易に理解出
来るものである。
【0014】
【実施例】図面を参照すると、図1(A)はNMR結像
システムにおけるコイル装置を示す一部断面斜視図であ
り、図1(B)−1(D)は図1(A)の装置において
生成されることの出来る磁場勾配を示す。この装置は、
1983年3月のIEEE会報、第71巻、第3号、第
338〜350ページの、ヒンショー及びレントによる
『NMR結像への入門:ブロッホ方程式から結像方程式
まで』において論じられている。簡単に言うと、均一な
静磁場B0 が、コイル対10から成る磁石により生成さ
れる。勾配磁場Gx が、シリンダ12に巻かれることの
出来る複雑な勾配コイル・セットにより生成される。R
F磁場B1 がサドル型コイル14により生成される。結
像を受ける患者は、サドル型コイル14内でZ軸に沿っ
て置かれる。
【0015】図1(B)にX勾配磁場が示されており、
これは静磁場B0 に平行で、X軸に沿って距離と共に線
型に変化するが、Y軸やZ軸に沿っては距離と共には変
化しない。図1(C)及び図1(D)は、それぞれ、同
様のY勾配磁場及びZ勾配磁場を示す。図2は、198
2年のゼネラル・エレクトリック・カンパニーの『NM
R−結像の見通し』(NMR-A Perspective on Imaging)
に開示されている結像装置の機能ブロック図である。コ
ンピューター20は、NMR装置の動作を制御し、それ
から検出されたFID信号を処理する様にプログラムさ
れている。該勾配磁場は勾配増幅器22によって付勢さ
れ、RF磁気モーメントをラーモア周波数で加えるため
のRFコイルは、送信機24とRFコイル26とによっ
て制御される。選択された核がフリップされた後、RF
コイル26を使ってFID信号を検出し、この信号は受
信機28に送られ、次に、コンピューター20による処
理のためにデジタイザ30を通される。
【0016】図3は、加えられた180°フリップ角の
RFパルスと、90°フリップ角RFパルス、それに続
く『時間反転』180°RFパルスと、該RFパルスを
加えている際に加えられる随伴Z軸磁場勾配とを示すグ
ラフである。図示のパルスは、前ローブと後ローブ、そ
の間の種RFパルスとを有する在来の同期パルスであ
る。
【0017】上記した様に、在来のスライス選択的スピ
ン−ワープ結像においては、横磁化の大半が生成される
時のRF波形のピークと、受信される信号のエネルギー
の殆どが収集される時のエコーのピークとの間には固有
の遅延がある。この遅延は、エコー時間T2 と呼ばれ、
図16に示されている。結像されることの出来る最小T
2 核種は、この遅延時間の程度である。
【0018】この遅延は、データ収集窓内でエコー偏心
(an echo off-center) を用い、減少した再焦点合わせ
ローブを伴うオフセットRF波形を使用することにより
スライス選択的スピン−ワープ枠構造の中で短縮される
ことが出来る。該オフセット・エコーは、分析k−空間
再構成を必要とするが、これは基本的問題ではない。減
少した再焦点合わせローブを有するオフセットRFパル
スは、劣化したスライス・プロフィールを生じさせる結
果となる。これは基本的である。
【0019】本発明は、ここで、上記TB を大いに小さ
くすることを可能にするスライス選択的結像のための方
法を提供する。基本的アイデアは、TB に寄与するパル
ス・シーケンスの部分を単に無くすることである。それ
は、スライス選択勾配の第2半分、再焦点合わせロー
ブ、位相エンコード・ローブ、デフェーザー・ローブ
(dephaser lobe)、及び読み出しローブの第1半分であ
る。図16において、これは、破線間の全てのものを消
去することに相当する。このときTB は、もしかすると
ゼロであるが、実際問題としては私達の1.5T GEシ
グナ・システム(1.5T GE Signa System)ではTB
は数百マイクロ秒に限定される。
【0020】このパルス・シーケンスには二つの問題、
即ち、データ収集方法、及びスライス選択方法、があ
る。データ収集問題は、投射−再構成読み出し勾配を用
いることによって容易に解決される。このとき、低周波
データは常に直ちに収集される。スライス選択問題は、
この論文の主題である。本発明は、少なくとも二つの別
々の励起のシーケンスによってスライスを画定するもの
である。その各々は、在来のスライス選択的励起の半分
に相当する。これら二つの半分励起の各々について同じ
収集勾配が用いられ、信号が加え合わされる。得られる
信号は、所望の良く画定されたスライスのそれである。
【0021】このスライス選択モードは、幾つかの利点
を有する。第1に、T2 の長い核種については、スライ
ス・プロフィールは在来のスライス選択についてのそれ
と同じである。長T2 核種についてはスライス・プロフ
ィールを犠牲にする必要はない。第2に、短T2 核種に
ついてのスライス・プロフィールはT2 と勾配強度だけ
により限定される。第3に、再焦点合わせは不要であ
る。データ収集は直に始まることが出来、RF送信機を
停止させるのに要する時間によってのみ限定される。
【0022】一つの欠点は、共鳴外れ効果に起因するあ
る程度のスライス・プロフィール劣化である。これは、
シミュレーションで知られる様に、普通は実際には顕著
な問題ではない。短T2 核種についてのスライス選択的励起 本提案によるパルスは、『磁気共鳴ジャーナル』(Jour
nal of Magnetic Resonance)1989年の第81巻の第
43〜56ページにおいてパウリ、ニシムラ及びマコブ
スキーにより解説されているk−空間解析により容易に
理解されるものである。小チップ角度近似に基づいて、
選択的励起は、k−空間における重み付き軌道と解釈さ
れる。スライス・プロフィールは、この重み付き軌道の
フーリエ変換である。新しい励起パルスは、ブロッホ方
程式の対称性の結果とも見ることの出来るものである。
このアプローチは、後の節において、大チップ角度パル
スが提示さるときに使われる。
【0023】在来のスライス選択的励起においては、k
−空間軌道は、或るkmin から始まり、RFのピークに
おいてk−空間原点を通過し、kmax に行き、再焦点合
わせローブと共に原点に戻る。図4を見よ。本発明が提
供するパルス・シーケンスは、図5に示されている様
に、2個の半分となっているk−空間を走査する。第1
半分励起はkmin から始まって、ちょうどRFのピーク
でk−空間原点で終わる。この点で、読み出し勾配を適
用しデータを収集することが出来る。次にkmax から始
まって原点で終わる第2半分励起が適用される。これは
第1励起と同じであるが、負の勾配を持っている。同じ
読み出し勾配が適用されデータが収集される。この二つ
の得られた信号が加え合わされる。T2 減衰と化学的シ
フトが無ければ、得られる信号は在来のスライス選択的
励起から得られるのと同じである。
【0024】しかし、数個の利点が得られている。再焦
点合わせは不要である。読み出しは、主RFローブの半
分が適用された直後に行われる。これは、横磁化の大半
が生成されたときである。『エコー時間』即ちTB は、
RF送信機停止時間の程度(私達のGEシグナ・システ
ムでは約200μs)であることが出来る。今、短T 2
核種の可視性を限定する要因は、これはその核種につい
てのスライス・プロフィールの鮮鋭度を限定する励起時
の減衰と、与えられた読み出し勾配についてその核種を
結像出来る解像度を限定する読み出し時の減衰とだけで
ある。
【0025】T2 に対するスライス・プロフィールの依
存性は、T2 項を上記のパウリ他の文献の解析に導入す
ることによって解析的に示すことが出来る。それは、概
念的により容易に見ることが出来る。高い空間周波数の
k−空間重みは早期に該パルスに発生し、データ収集が
行われるまで時定数T2 で減衰する。このとき、実効R
Fは、指数T2 減衰により重み付けされた適用されるR
Fであり、数3で表される。
【0026】
【数3】
【0027】ここで励起は−Tから始まって0で終わ
る。小チップ角度体制では、スライス・プロフィールは
重み付きk−空間軌道のフーリエ変換である。これは、
短T2 核種のローレンツ線形状に巻きついた無限T2
ライス・プロフィールとなる。非常に短いT2 の核種に
ついては、スライス・プロフィールはT2 減衰により支
配される。γGはk−空間での速度であるので、γGT
2 の積は、k−空間重みが1/eに落ちている空間周波
数である。その逆数(γGT2)-1は、与えられたT2
び勾配強度について達成可能な究極の3dBスライス幅
である。
【0028】スライス・プロフィールに対するT2 の効
果を説明するために、図2に示されているパルスが、T
2 減衰無しで、成分パルス持続時間の1倍及び2倍に等
しいT2 でシミュレーションされた。スライス・プロフ
ィールが図6に描かれている。無限T2 スライス・プロ
フィールは(A)に描かれている。成分パルスの長さが
2msであれば、プロット(B)及び(C)は2ms及
び1msのT2 に対応する。短T2 値の効果は、スライ
ス・プロフィールの鮮鋭度の低下と、信号の或る程度の
ロスとである。
【0029】短T2 スライス選択的パルスは、共鳴外れ
周波数に対して或る程度の感度を持っている。これは、
成分パルスを、共鳴外れ周波数の周期に対して相対的に
短く保つことによって最小にされる。例えば、1.5Tで
は、1ppm の異物から生じる周期は約15msである。
殆どの成分パルスは、これより10倍小さくて、問題を
生じない。3.6ppm 脂質シフトから生じる周期は約4.5
msである。殆どの成分パルスの長さは、これの1/2
ないし1/4である。その結果として、脂質周波数での
スライス・プロフィールは幾分劣化する。図6のプロッ
ト(D)は、成分パルスの持続時間中に1/2サイクル
共鳴外れにおける図2に図示のパルスから生じるスライ
ス・プロフィールである。これは、2msの持続時間の
成分パルスについて1.5Tで250Hz の共鳴外れ周波
数又は3.9ppm に対応する。スライス・プロフィールに
或る程度の適度の劣化がある。また、該プロットに示さ
れていない一定の位相シフトがある。大チップ角度パルスへの拡張 スライスを画定するために二つの別々の励起から得られ
たデータを加え合わせるという基本的アイデアは大チッ
プ角度パルスに拡張することが出来る。この場合には、
解析は、実際のパルスにより励起されるときのブロッホ
方程式の空間的対称性に基づく。実際の値のあるパルス
の空間的応答は、スキュー・エルミート型対称性
【0030】
【数4】
【0031】を有する。共鳴外れ効果を無視するなら
ば、元のスライスと、打ち消された勾配で得られたスラ
イスとの和は
【0032】
【数5】
【0033】である。Mz 成分は観察されないので、R
F波形を設計するときには応答のMy 成分だけを最適化
する必要がある。この観点から共鳴外れ効果を、2個の
成分スライスの整合外れと見なすことが出来る。共鳴外
れ周波数δはΔz=δ/γGの空間シフトに対応する。
これは、共鳴外れ効果が特定のパルスについて顕著とな
るか否かの他の尺度である。Δzがスライス幅に比べて
小さければ、スライス・プロフィール劣化は最小となる
べきである。スライス・プロフィール劣化への原理的寄
与は、2個のパルスにより生成されるスライスのMx
分の不完全な抹消である。これは、近似的に Mx(z+Δ)−Mx(z−Δz)≒2Δzd/dzMx(z) で与えられる。
【0034】大チップ角度体制におけるパルス設計の新
しい面は、ブロッホ方程式の非線型性である。ブロッホ
方程式の非線型反転に利用出来る計算方法が幾つかあ
る。最も一般的な方法は、最適制御理論に基づいてい
る。RFパルスが、N個の独立の値を有する各部分一定
の波形であり、ユーザーがパルスの適応度のスカラー尺
度(普通は、所望のスライス・プロフィールと、達成さ
れたスライス・プロフィールとの間の積分平方距離)を
画定しているとする。最適制御アルゴリズムは、所望の
タスクへのパルスの適応度の或るスカラー尺度の勾配の
速度(オーダーN)計算に対処する。該尺度の勾配が計
算されると、該パルスを、任意の数の非線型プログラミ
ング・ツールで繰り返し最適化することが出来る。私達
はソフトウェア・パッケージNPSOLを使っている
が、これはRFの各点に関しての『良好性』尺度のヘシ
アン (Hessian)の近似値を計算する。ヘシアンは、2次
最適化アルゴリズムを近似するのに使われる。約20回
の反復で収斂が達成される。
【0035】ここで説明する介在型励起問題についての
x およびMz の柔軟性を利用するために、所望のスラ
イスからのMy の偏差だけにペナルティーを課する良好
性の尺度を採用する。イン・スライスで私達はMy が1
に近く、Mz とMx とが0に近いことを希望するという
単純な例を考察する。或るパルスが、或る位置でMx
びMz の大きさ0.2の総合エラーで磁化プロフィールを
達成すると仮定する。磁化長さは保存されるので、My
成分は(1−0.22)1/2 ≒0.98でなければならない。
従って、この場合には、2成分の20%エラーは、他の
成分の2%のエラーを意味するに過ぎない。私達はスラ
イス中のMy 成分だけに関心があるので、この幾何学的
対称性は、介在型パルス設計で利用されるべきである。
【0036】考慮するべき最後の設計明細はバンド幅、
パルス持続時間、及びスライス・エッジ鮮鋭度である。
一定持続時間パルスについては、エネルギーとスライス
厚みとはバンド幅と共に増大するけれども、スライス・
プロフィールは改善する。私達は、該パルスの左辺の3
個の0を伴う同期パルスと同等の固有バンド幅を有する
折衷的解決策を決定した。最初のパルスはk−空間解析
により選ばれた。良好性の尺度では移行領域にはペナル
ティーを課さず、移行領域の幅を変化させた。最良のパ
ルスが図7に示されている。そのシミュレーションされ
た応答が図8に描かれている。My 成分だけが、結果と
してのスライスに寄与している。
【0037】実施 図5に示されている励起パルスは、実現し難い。勾配
は、RF波形の終わりに即座に0にならなければならな
い。実際には、最大勾配スルーレートは限られており、
私達のGEシグナ・システムでは2G/cm/msであ
る。実用的勾配はパルスの大部分の間一定であり、次に
スルーレート限界で0に下降する。ここで二つの選択肢
がある。一つは、RFを勾配波形の定常部分に限定出来
ることである。このとき勾配下降傾斜はスライスをデフ
ォーカスし、小さな再焦点合わせローブで補償されなけ
ればならない。これにより、興味ある信号が減衰してい
る間に時間を無駄にする。もっと良い解決策は、下降傾
斜時にRFを働かすが、適切なk−空間重みがなお達成
されることを保証するためにRF振幅を補正することで
ある。これは、単に、可変率原理又はVERSE原理の
適用である。これは、私達がここで用いる解決策であ
る。RF波形とスライス選択勾配との両方が同じ時に終
わり、RF送信機が停止可能になると直ちにデータ収集
が始まることが出来る。
【0038】可変率勾配RFパルスについてのVERS
E計算は、一般には数値的に行われる。この場合には、
勾配は充分に単純であるので、所要のRF波形の計算は
容易に解析的に行われる。理想的には、RF波形B
1 (t)は、振幅G0 の勾配の存在するときに働かされ
る。該勾配は、時刻0(即ち、パルスの終了時)に瞬間
的にオフに転換する。時間と空間周波数とは、数6で関
連付けられる。この理想的勾配については、時間と空間
周波数とは数7で線型に関連付けられ、特定の空間周波
数に対応するRF重みはB(k/γG0 )である。
【0039】
【数6】
【0040】
【数7】
【0041】私達が使いたい勾配は、最初はG0 であ
り、スルーレート限界でに向かって下降し、時刻0で0
に達する。スルーレート限界がSであれば、勾配は時刻
−G0 /Sまでは一定で、その後に線型に下降する。勾
配を数8の様に書くことが出来る。時間の関数としての
空間周波数は数9で表される。今、新しいRFを、変数
の変化、即ち数10として計算することが出来る。する
と、可変率RF波形は、数11となる。
【0042】
【数8】
【0043】
【数9】
【0044】
【数10】
【0045】
【数11】
【0046】変化率勾配と、同期k−空間重みを生じさ
せるRF波形とが、理想的な実現不能の波形についての
対応する波形と共に図9に示されている。他の実用的留
意点は、磁気共鳴結像に使われる復調装置には、しばし
ば、直流バイアスエラーがあることである。一つおきの
励起でRFの符号を交代させると共に各対を減じること
によって、これを抑圧することが出来る。短T2 スライ
ス選択的パルスについて追加のコスト無しに、これを行
うことも出来る。第2の成分励起で勾配をただ反転させ
るのではなくて、RFと勾配との両方を反転させる。こ
のときには2成分励起に対応するデータは、加え合わさ
れるのではなくて減じられる。実験的スライス・プロフィール この節では、私達は、短T2 選択的励起パルスの実験的
確認を提示する。これは幾つかのポイントを示す。第1
に、二つの成分励起は実際にはk−空間の半分だけを各
々カバーし、その二つの半分は相補的である。第2に、
可変率RFと、前の節で得られた勾配とは、所望のk−
空間重みを生じさせる。最後に、得られるスライス・プ
ロフィールは、解析的に予期されるスライス・プロフィ
ールである。
【0047】スライス・プロフィールを測定するために
使われるパルス・シーケンスは、単にz軸に沿って適用
される励起パルスであり、これにデフェーズ・ローブと
読み出し勾配ローブとが同じ軸に沿って続く。これは図
10に示されている。このとき、得られた生のデータ
は、各成分励起パルスにより作られた空間周波数重みで
ある。該スライス・プロフィールは、2成分励起からの
データを加え合せ、その結果のフーリエ変換を計算する
ことによって得られる。
【0048】2成分励起からのサンプル・データが図1
1に示されている。各成分励起は、k−空間の半分をカ
バーするに過ぎず、k−空間原点で終わる。励起されな
い空間周波数では横磁化は殆ど生成されない。この実験
では、スライス選択勾配は2msの間0.15G/cmに過
ぎないので、適度の振幅及び持続時間の読み出し勾配で
スライス・プロフィールを分解することが出来る。読み
出し勾配は2.66msの間0.9G/cmである。データは
48kHz で収集され、収集毎に256サンプルが得ら
れる。RF振幅は、各成分パルスについて共鳴で30°
のチップ角度を生じる様にスケーリングされた。実験
は、シールドされた勾配コイルを備えた1.5Tゼネラル
・エレクトリック・シグナ・システムで行われた。より
高速のデータ・レートを可能にするために、標準の偽信
号防止フィルターは交換されている。
【0049】2成分励起からの、組み合わされたデータ
が図12に示されており、ここで私達はk−空間の励起
された領域を拡大してある。また、収集されたデータの
幅と振幅とに合う様にスケーリングされた理論的同期k
−空間重みも示されている。一致は極めて良い。実験に
よるスライス・プロフィールは、図12の得られたデー
タのフーリエ変換を行うことによって得られた。結果
は、同期重みのフーリエ変換と共に図13に示されてい
る。この場合にも一致は極めて良好である。半振幅での
スライス幅は2.7cmである。該パルスの通過帯域のリッ
プルは、同期RFパルスの選択に起因する。他のRF波
形も代用出来る。実験的な短T2 イメージ 前の節で私達は、提案したスライス選択方法が、期待さ
れるスライス・プロフィールを生じさせることを示し
た。ここでは、私達は、短T2 核種を結像するためにそ
れが役立つことを実証する。
【0050】この節で使われるパルス・シーケンスは、
提案されたスライス選択的励起パルスであり、これに投
射−再構成収集勾配シーケンスが続く。投射−再構成シ
ーケンスを用いる理由は、データを低周波から初めて直
ちに収集出来ることである。収集時の的殿T2 減衰は解
像度を低下させるが、短T2 核種の結像信号レベルを低
下させない。
【0051】励起勾配についてそうであった様に、読み
出し勾配は即座にレベルを変化させることが出来ない。
ルーレートを勾配増幅器の能力の範囲内に維持するため
に勾配の傾斜を導入しなければならない。この場合に、
勾配は0から始まり、所望の読み出しレベルへ上昇す
る。スルーレートは、読み出し勾配が勾配軸の一つに沿
って降下するときにスルーレート限界に達するように選
ばれる。
【0052】低周波データは、読み出し勾配の上向き傾
斜で収集される。これはk−空間の不均一サンプリング
に相当する。再構成アルゴリズムは、この不均一サンプ
リングと、投射−再構成データ収集に固有の極−矩形マ
ッピングとの両方を補償する。再構成されたイメージに
ついて、再構成アルゴリズムは、単に、所望の矩形グリ
ッド内の各点を、得られた投射再構成データにマッピン
グし、補間を行ってデータ値を見出すことから成る。そ
の結果としての矩形データ・グリッドを変換してイメー
ジを作る。
【0053】パルス・シーケンスが図14に示されてい
る。励起パルスの終わりと読み出し勾配の始まりとの間
には遅延がある。特別のT2 重みを導入するために、こ
れを調節することが出来る。図15のイメージは、T2
の異なるMnCl溶液を各々内蔵する6本の試験管の断
面である。T2 は、20ms、10ms、5ms、3m
s、2ms、及び1msであり、下右側に図示の様に配
置されている。スライス厚みは7mm、視野は24cm、デ
ータ収集は48kHz の割合で持続時間が1.58msで
ある。該イメージは、256×256グリッド上で再構
成され、1mmより僅かに良好な解像度を有する。イメー
ジの中央部12cmだけが示されている。上の2個のイメ
ージは、RFパルスの終わりと、読み出し勾配及びデー
タ収集の始まりとの間の二つの異なる遅延時間(上側左
のイメージは250μs、上側左のイメージは750μ
s)を使って収集された。両方のイメージが全ての異な
るT2 解像度を明らかに示す。1ms解像度だけが信号
強度の顕著な低下を示す。
【0054】短T2 核種について選択的であるイメージ
は、これら2個のイメージを減じることによって形成す
ることが出来る。結果が下側左のイメージに示されてい
る。1ms試験管が最も明るく、10ms及び20ms
の試験管は殆ど見えない。この方法は、対象が単一のス
ペクトル成分を持っているときにだけ役立つ。水や脂質
の様に、2以上のスペクトル成分では、種々の成分から
の信号は、二つの異なる遅延時間で別様に干渉する。こ
れは、T2 減衰が無くても差イメージに寄与する。この
場合には、もっと複雑なアプーチが必要である。イメージのコントラスト 上記結像方法に伴う問題、数百マイクロ秒より長いT2
を有する全ての核種が等しい強度を示すことであり、T
2 コントラストが無い。私達は、主として短T 2 核種の
イメージが好ましい。これは、新しい短T2 結像方法に
より見える様にされる構造の識別を可能にし、これらの
核種を直接結像する能力は、医療における診断に相当役
立つ。可能で興味ある組織は、骨、脳を頭蓋骨から分離
する硬膜、神経の被膜を形成して脳白質中に多量に存在
するミエリン、及び、アテローム鞏膜班の繊維成分など
である。
【0055】短T2 コントラストを有するイメージを作
るとき、長T2 核種からの磁化を選択的に抑圧する初期
コントラスト調製パルスが使われる。これに、上記の短
2 結像シーケンスが続く。基本的パルス・シーケンス
が図17に示されている。短T2 コントラスト・イメー
ジを生成するための上記の一方法は、2個のイメージを
使い、一つは励起と収集との間に付加的遅延を伴う。こ
後縁は、短T2 核種が幾分減衰することを可能にする。
この2イメージを減じると、この遅延中に減衰した核種
を示すイメージが生じる。この方法にはいくつかの問題
がある。長T2 核種を抑圧するために、遅延は相当短く
なければならない(1ms以下)。この結果として短T
2 核種も顕著に抑圧されることになるが、それは全く望
ましくない。また、該減算方法は、対象の運動に対して
敏感である。多数の化学成分(水及び脂質の様な物)が
ヴォクセル (voxel)内にあるときにも、これには問題が
ある。それは、T2 減衰として出現するそれらの信号間
の破壊的干渉に起因する。
【0056】本発明によるイメージ・コントラストは、
これらの問題のすべてを回避する。短T2 成分は、短T
2 コントラスト調製パルスによって殆ど完全に抑圧され
ない。抑圧の程度は、後述する様にT2 の関数である。
短T2 核種の完全な磁化を結像のために利用可能であ
る。それは減算に基づいていないので、対象の運動によ
る影響を受けない。コントラスト調製パルスを適宜設計
することにより、この方法は化学種の如何なる組合せで
も働くことが出来る。
【0057】短T2 コントラスト調製パルスの背後にあ
る基本的アイデアは、長T2 核種を励起するのは容易だ
が短T2 核種を励起するのは難しいということである。
これは図18及び19に示されている。図18は、長T
2 の核種の場合を示す。長い、低振幅の励起パルスが、
長T2 核種を、+z軸に沿う初期位置からxy平面内へ
回転させる。横平面内に入ると、該磁化が大きなデフェ
ージング勾配によって抑圧される。該磁化はなお存在す
るが、干渉的に加わり合って信号を生じさせないだけで
ある。図19は、短T2 核種の場合を示す。短T2 核種
は、長い低振幅励起パルスに加えて迅速なT2 緩和を被
る。横磁化が減衰する速度が、それが該励起パルスによ
り生成される速度より速いならば、磁化ベクトルは+Z
軸から決して離れない。その結果として、短T2 磁化は
該調製パルスにより不変に保たれる。横磁化成分は無い
ので、後のデフェージング勾配は、短T2 磁化に対して
何の効果も示さない。
【0058】T2 の関数としてのコントラストの選択性
は、該調製パルスに使われるパルスの形状に依存する。
一般に、T2 感度プロフィールは、数値的に計算されな
ければならない。しかし、感度プロフィールを解析的に
計算することの出来る興味あるパルスがある。即ち、矩
形パルスについて。大きなデフェージング勾配が後に続
く矩形π/2RFパルスにより生成されるコントラスト
についての解析的解決策を考察する。私達は、全てのM
xy磁化が後にデフェーズされると仮定しているので、私
達は、残留Mz 磁化にだけ興味がある。この場合につい
ての回転フレーム・ブロッホ方程式は、T1 を無視する
と、数12である。
【0059】
【数12】
【0060】Mx 方程式は他の二つと結合されず、無視
することが出来る。ω1 =γB1 、s2 =1/T2 と定
義すれば、数13と書くことが出来る。
【0061】
【数13】
【0062】私達は、Mz についての解にだけ興味があ
る。これを計算すると数14となる。ここで、数15の
関係があり、Tは矩形パルスの長さである。長T2 核種
は、π/2の角度だけ回転させられるので、RF振幅は
数16となる。
【0063】
【数14】
【0064】
【数15】
【0065】
【数16】
【0066】方程式11及び12を方程式10に代入
し、簡単化すると、数17が得られる。
【0067】
【数17】
【0068】この式は、T2 /Tの関数として図20に
プロットされている。このプロットは、パルス長さの1
/10未満のT2 を有する核種は該パルスによる影響を
受けないけれども、パルス長さ程度以上のT2 は著しく
抑圧されることを示している。短T2 コントラスト調製
パルスの有効性を実証するために実験が行われた。結果
が図21(A)及び図21(B)に示されている。図1
7のパルス・シーケンスが、12ms矩形短T2 コント
ラスト調製パルスで、及び同パルス無しで、使用され
た。映像は、イメージ平面に対して垂直に向けられた4
本の試験管から成り、該新刊は断面図で結像される。該
試験管には、1ms、10ms、20ms、及び200
msのT2 までCuSO4 を添加した蒸留水が満たされ
ている。コントラスト調製パルス無しのイメージが図2
1(A)に示されている。1ms試験管からの信号は、
或る信号減衰が250μs遅延時に励起と収集との間で
発生するので、他の信号より小さい。短T2 コントラス
ト調製パルスでのイメージが図21(B)に示されてい
る。200ms試験管は、殆ど完全に抑圧されるが、1
ms試験管は、殆ど全く影響を受けない。コントラスト
調製パルスでの強度とコントラスト調製パルス無しでの
強度との比率が図20のプロット上に円としてプロット
されている。予測されたデータと実験データとの一致は
良好である。
【0069】本発明のコントラスト法での一つの大切な
考慮事項は、長励起パルスが狭いバンド幅を有すること
である。実際には、該パルスのバンド幅は、主磁場の不
均一性に起因する周波数変動より大きくなる様に選択さ
れるべきである。それは、恐らく、水と脂質成分との両
方の励起を保証するのに充分な程度に広くはないであろ
う。一般に、これら成分の両方の長T2 核種が抑圧され
るべきである。これは、2個の連続する調製パルスで、
又は両方のスペクトル成分を同時に励起する様に設計さ
れた1個のパルスにより、行われることが出来る。例え
ば、矩形パルスについては、水及び脂肪の両方を励起す
るたのRF波形は数18で表わされることになるが、こ
こで励起は水周波数であり、ωf は脂質(又は脂肪)化
学シフトである。これは、実効的には、一つは水周波数
で一つは脂肪周波数で同時に働かされる2個の矩形RF
パルスである逐次法又は同時法で、短T2 核種は実際上
両方のパルスを見るので、或る注意を行わなければなら
ず、2種類の独立の抑圧の産物である抑圧を被る。
【0070】
【数18】
【0071】結び スライス・プロフィールにペナルティーを伴わずに且つ
コントラストを向上させて非常にT2 の短い核種を結像
することを可能にする新しいスライス選択的励起パルス
を本発明は提供する。実験イメージは、スライス・プロ
フィールが在来のスライス選択的励起についてのそれと
同じこと、並びに、1ms程度のT2 核種を市販の結像
システムで簡単に結像出来ること、の両方を示してい
る。本発明を特別の実施例を参照して説明したけれど
も、この説明は発明を解説するものであって、発明を限
定するものと解されてはならない。当業者は、特許請求
の範囲の欄の記載内容により定義される発明の範囲から
逸脱せずに種々の変形及び応用に想到するであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】(A)〜(D)は従来のMRI装置の構成と、
その中に生じる磁場とを示す。
【図2】MRI結像装置の機能ブロック図である。
【図3】結像のための従来の基本的パルス・シーケンス
を示す。
【図4】(A)は従来のスライス選択的励起を示し、
(B)は従来のスライス選択的励起のk−空間解釈を示
す。
【図5】本発明による励起パルスである。
【図6】(A)〜(D)は短T2 スライス選択的パルス
のスライス・プロフィールに対するT2 減衰と共鳴外れ
周波数との効果を示す。
【図7】チップ角度が90°となるように設計されてい
る、数値的に最適化された短T 2 パルスについてのRF
波形を示す。
【図8】(A)〜(C)は図7のパルスについてのスラ
イス・プロフィールを示す。
【図9】(A)、(B)は理想勾配及びRF波形と、こ
れに対応する、k−空間の同じ同期重みを生じさせる可
変レート波形とを示す。
【図10】短T2 スライス選択的パルスのスライス・プ
ロフィールを測定するためのパルス・シーケンスを示
す。
【図11】(A)、(B)はチップ角度が30°の2個
の半分k−空間励起から得られたデータを示す。
【図12】図11(A)及び(B)の2個のデータを加
えることから得られるデータのプロット(実線プロット
及び破線プロット)を示す。
【図13】図12のデータ(実線プロット及び破線プロ
ット)を変換することにより得られるスライス・プロフ
ィールを示す。
【図14】短T2 核種を結像するのに使用されるパルス
・シーケンスを示す。この場合には、提案される選択的
励起パルスの直後に投射−再構成収集勾配が続く。
【図15】(A)〜(D)は20ms、20ms、5m
s、3ms、2ms、及び1msのT2 を伴うMnCl
溶液を内蔵する6個の試験管の断層イメージである。
【図16】従来のスライス選択的スピン−ワープ結像の
パルス・シーケンスである。
【図17】短T2 結像の前の短T2 コントラスト調製パ
ルス及びデフェージング勾配の使用と、それによるイメ
ージのコントラストの向上を示す。
【図18】図17のコントラスト調製パルス及びデフェ
ージング勾配を使用する長T2 核種のZ軸磁化の抑圧と
そのデフェージングとを示す。
【図19】図17のコントラスト調製パルス及びデフェ
ージング勾配を使用する短T2 核種のZ軸磁化の抑圧の
欠如を示す。
【図20】パルス長Tにより正規化されたT2 の関数と
して矩形π/2パルスについての短T2 コントラスト選
択性のグラフである。
【図21】(A)はコントラスト調製パルス無しで取ら
れた異なるT2 核種を有する核種のイメージを示し、
(B)はコントラスト調製パルスで取られた異なるT2
核種を有する核種のイメージを示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スティーヴン エム コノリー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94025 メンロ パーク 2 ローブル アベニュー 843 (72)発明者 ドワイト ジョージ ニシムラ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94306 パロ アルト カレッジ アベニ ュー 285 アパートメント エイ

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 短T2 核種を結像するためのスライス選
    択的磁気共鳴信号を得る装置であって、 (a) 静磁場(B0 )を人体に加えて核スピンを整列させ
    る手段と、 (b) 長T2 核種を励起するのには充分であるが短T2
    種を励起するには不十分な振幅を有するRFパルスを前
    記人体に加えること、 (c) 変調された磁気勾配(G(t))を前記人体に加え
    る手段と、 (d) 第1RF励起パルス(B1 (t))を前記人体に加
    えて前記核スピンを傾かせる手段と、 (e) 前記人体から第1磁気共鳴信号を検出する手段と、 (f) 第2RF励起パルス(B1 (t))を前記人体に加
    えて前記核スピンを傾かせる手段であって、前記第1R
    F励起パルスと前記第2RF励起パルスとは、各々、在
    来のスライス選択的パルスの半分である手段と、 (g) 前記人体から第2磁気共鳴信号を検出する手段と、 (h) 前記第1磁気共鳴信号と前記第2磁気共鳴信号とを
    結合させる手段とから成ることを特徴とする装置。
  2. 【請求項2】 前記RF励起パルスの各々はスルーレー
    トSで0へ旋回させられ、前記の変調された磁気勾配
    は、前記RF励起パルスの各々が0へ旋回させられると
    きに0に旋回させられることを特徴とする請求項1に記
    載の装置。
  3. 【請求項3】 前記の変調された磁気勾配は、 【数1】 であり、前記RF励起パルスの各々は、 【数2】 であることを特徴とする請求項2に記載の装置。
  4. 【請求項4】 前記(b) の手段は、長T2 核種を1軸か
    ら離間させて傾け、短T2 核種は前記1軸に沿って整列
    した状態に止まらせることを特徴とする請求項1に記載
    の装置。
  5. 【請求項5】 前記RFパルスが前記人体に加えられた
    後に前記1軸に沿って磁気勾配を加えることにより長T
    2 核種をデフェージングさせる手段を更に含むことを特
    徴とする請求項4に記載の装置。
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