JPH0584165B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、核磁気共鳴（以下、NMRと略記す
る）現象を利用して被検体の断層画像を得る
NMRイメージング装置に関するものである。

〔従来の技術〕

NMRイメージング装置において、静磁場の均
一性は再構成された画像の幾何学的歪や位相歪に
影響を与えるので重要である。しかし、従来静磁
場の均一度調整は据付時や年数回の定期点検時以
外あまりなされない。

静磁場発生装置として超伝導方式（電磁石）を
採用した場合、静磁場均一度調整を一度実施すれ
ば、イメージングに関して静磁場均一度が実用許
容限度から大きくずれることはない。しかし、静
磁場発生装置に永久磁石を使用する場合、周囲環
境の温度変化によつて、中心磁場強度のみならず
静磁場均一性も容易に変化し得る。特に、Nd−
Fe−Ｂ系磁石を主磁石として用いる場合、前記
温度係数が他の磁石類よりも大きいため、その変
化が顕著である。

ところで、静磁場均一性が充分に確保されてい
る場合、断層面撮像の最適感度は、通常断層面撮
像のために実施されるパルス・シーケンスにおい
て、位相エンコード０における信号強度を基準に
して決められる。しかし、静磁場均一性が不充分
であると、磁場の１次変分成分が出るので位相エ
ンコード０の時に信号強度が最大になるとは言え
なくなる。

いま、静磁場の方向をｚ軸にとり、各空間軸
ｘ、ｙ、ｚ方向の１次の変分をそれぞれ、δB_z／
δ_x、δB_z／δ_y、δB_z／δ_zとすると、ある空間を想定
した場合の静磁場Ｂは、１次近似として Ｂ＝B_z0＋δB_z／δ_x・ｘ＋δB_z／δ_y・ｙ ＋δB_z／δ_z・ｚ ……(1) と表わされる。ここで、B_z0は０次のｚ方向静磁
場強度を示す。

(1)式において、静磁場均一度が良いということ
は、 δB_z／δ_x＝０ δB_z／δ_y＝０ δB_z／δ_z＝０ ……(2) を意味する。静磁場均一度が悪くなると、(2)式の
関係が成立しなくなる。

この１次変分成分、δB_z／δ_x、δB_z／δ_y、B_z／δ_z
はちようど傾斜磁場強度と同一次元をもつので傾
斜磁場によつて打ち消しが可能である。

例えば、ｚ軸方向の静磁場の１次の変分δB_z／
δ_zが０でないと仮定したとき、ｚ軸方向に位相エ
ンコード方向をとると、位相エンコード０時に信
号強度が最大になるとは言えない。むしろ、位相
エンコード量が、ちようど−δB_z／δ_zに一致する
ときにNMR信号強度が最大となる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このことから、静磁場均一性が崩れて、静磁場
の１次の変分が無視できなくなつたとき、位相エ
ンコード０時の信号強度を基準にしてNMR信号
受信強度を最適に設定することは正しくない。こ
のように設定すると、位相エンコード量が−
δB_z／δ_zに一致したとき、信号が最大となり、こ
の検出信号を後の演算処理に用いるためにＡ／Ｄ
変換するアナログ／デイジタル変換器（以下、
Ａ／Ｄ変換器という）への入力がオーバーフロー
することになる。

このように、従来技術は静磁場不均一性に基づ
く位相エンコード方向の静磁場の１次変分を考慮
に入れて、最適受信感度を決めているものではな
かつた。

本発明は、静磁場不均一性が崩れて静磁場の１
次変分が無視できなくなつたとき、その１次変分
の大きさを断層面撮影（以下、本計測という）に
先立つて予備計測を行い、その計測された変分量
を逆に補正することによつて位相エンコード０時
に、本計測におけるNMR信号が最大になるよう
な制御を実施することによつて、Ａ／Ｄ変換器へ
の入力が最適になるようにNMR受信感度を設定
することができる技術を提供することを目的とす
る。

〔問題点を解決するための手段〕

前記目的は、被検体に静磁場を与える手段と、
前記被検体にスライス方向傾斜磁場、周波数エン
コード傾斜磁場及び位相エンコード傾斜磁場を与
える手段と、前記被検体の組織を構成する原子の
原子核に核磁気共鳴を起こさせる高周波パルスを
印加する手段と、核磁気共鳴信号を検出する手段
と、得られた核磁気共鳴信号をフーリエ変換して
画像を再構成する手段とを備えた核磁気共鳴イメ
ージング装置において、本計測パルスシーケンス
の他に、本計測開始直前にスライス方向傾斜磁場
及び周波数エンコード傾斜磁場を印加し、90°及
び180°選択励起高周波パルスを所定時間間隔で繰
り返し印加するとともに、前記繰り返し時間毎に
位相エンコード傾斜磁場を変化させて核磁気共鳴
信号の最大値を与える位相エンコード量を求める
予備計測パルスシーケンスを発生する手段を設
け、本計測時に前記予備計測パルスシーケンスを
実行して求めた位相エンコード量を位相エンコー
ド傾斜磁場へ加算することによつて達成される。

〔作用〕

予備計測スキヤンにおいて、静磁場不均一性に
基づく静磁場の１次変分が生じている際、この方
向に位相エンコードを採ると、位相エンコード方
向傾斜磁場を印加しない仮想的な位相エンコード
０時に、NMR信号が最大値を取ることはない。
例えば、この状態で本計測（断層面撮影）のため
のNMR信号受信感度を最適に設定したとする
と、位相エンコードの０以外でNMR信号は最大
値を取るので、Ａ／Ｄ変換器への入力はオーバー
フローし、正しい画像再構成がなされない。しか
し、予め仮想的な位相エンコード０以外のところ
でNMR信号が最大値を取つたとしても、予備計
測スキヤンによつてその最大値を与える位相エン
コード量を知ることができるので、本計測におい
て、位相エンコード傾斜磁場に前記予備計測にお
いてNMR信号最大値を与える位相エンコード量
を符号を逆にして加算すれば、本計測時にＡ／Ｄ
変換器への入力がオーバーフローすることは防止
できる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて詳
細に説明する。

第１図は本発明に係る核磁気共鳴イメージング
装置の全体構成例を示すブロツク図である。この
核磁気共鳴イメージング装置は、核磁気共鳴
（NMR）現象を利用して被検体１の断層画像を
得るもので、そのために、必要な充分大きなボア
ー径をもつた静磁場発生磁石１０と、中央処理装
置（以下、CPUという）１１と、シーケンサ１
２と、送信系１３と、磁場勾配発生系１４と、受
信系１５と信号処理系１６とからなる。上記静磁
場発生磁石１０は、被検体１の周りにその体軸方
向または体軸と直交する方向に強く均一な静磁場
を発生させるもので、上記被検体１の周りのある
広がりをもつた空間に永久磁石方式又は常電導方
式あるいは超電導方式の磁場発生手段が配置され
ている。上記シーケンサ１２は、CPU１１の制
御で動作し、被検体１の断層画像のデータ収集に
必要な種々の命令を送信系１３及び磁場勾配発生
系１４並びに受信系１５に送るものである。上記
送信系１３は、高周波発振器１７と変調器１８と
高周波増幅器１９と送信側の高周波コイル２０ａ
とからなり、上記高周波発振器１７から出力され
た高周波パルスをシーケンサ１２の命令に従つ
て、変調器１８で振幅変調し、この振幅変調され
た高周波パルスを高周波増幅器１９で増幅した後
に被検体１に近接して配置された高周波コイル２
０ａに供給することにより、電磁波が上記被検体
１に照射されるようになつている。上記磁場勾配
発生系１４は、Ｘ、Ｙ、Ｚの三軸方向に巻かれた
傾斜磁場コイル２１と、それぞれのコイルを駆動
する傾斜磁場電源２２とからなり、上記シーケン
サ１２からの命令に従つてそれぞれのコイルの傾
斜磁場電源２２を駆動することにより、Ｘ、Ｙ、
Ｚの三軸方向の傾斜磁場G_x、G_y、G_zを被検体１
に印加するようになつている。この傾斜磁場の加
え方により、被検体１に対するスライス面を設定
することができる。上記受信系１５は、受信側高
周波コイル２０ｂと増幅器２３と直交位相検波器
２４とＡ／Ｄ変換器２５とからなり、上記送信側
の高周波コイル２０ａから照射された電磁波によ
る被検体１の応答の電磁波（NMR信号）は被検
体１に近接して配置された高周波コイル２０ｂで
検出され、増幅器２３及び直交位相検波器２４を
介してＡ／Ｄ変換器２５に入力してデジタル量に
変換され、さらにシーケンサ１２からの命令によ
るタイミングで直交位相検波器２４によりサンプ
リングされた二系列の収集データとされ、その信
号が信号処理系１６に送られるようになつてい
る。この信号処理系１６は、CPU１１、磁気デ
イスク２６及び磁気テープ２７等の記録装置と、
CRT等のデイスプレイ２８とからなり、上記
CPU１１でフーリエ変換、補正係数計算像再構
成等の処理を行い、任意断面の信号強度分布ある
いは複数の信号に適当な演算を行つて得られた分
布を画像化してデイスプレイ２８に表示するよう
になつている。なお、第１図において、送信側及
び受信側の高周波コイル２０ａ，２０ｂと傾斜磁
場コイル２１は、被検体１の周りの空間に配置さ
れた静磁場発生磁石１０の磁場空間内に配置され
ている。

第２図は、典型的なスピン・エコー計測におけ
るタイム・シーケンスを模式的に表わしたもので
ある。第２図において、RFは無線周波の信号の
照射のタイミング及び選択励起のためのエンベー
ロープを示している。G_zはスライス方向の傾斜
磁場印加のタイミングを示す。G_yは位相エンコ
ード方向傾斜磁場印加のタイミングとその振幅を
変えて計測することを示す。G_xを周波数エンコ
ード傾斜磁場印加のタイミングを示し、Signalは
計測されるNMR信号を示す。最下段はタイム・
シーケンスを１〜６に区間分けしたものである。
なお、Ｘ、Ｙ、Ｚ三軸はそれぞれ直交したデカル
ト座標軸である。第２図中区間１においては、90
度選択励起パルスを照射するとともに、スライス
方向傾斜磁場を印加する。区間２においては、位
相エンコード方向傾斜磁場を印加し、Ｙ方向に関
して場所に依存した核スピンの回転を付加する。
さらに区間２において、周波数エンコード傾斜磁
場を印加する。これは、区間６においてNMR信
号を計測する際に、時間原点が区間６の中央に来
るように、核スピンをあらかじめデイフエイズ
（dephase、位相を反転させること）させておく
ためのものである。区間３では何らの信号も出さ
ない。区間４では、180度選択励起パルスを照射
するとともに、スライス方向傾斜磁場を印加す
る。区間５では何らの信号も出さない。区間６で
は、周波数エンコード傾斜磁場を印加するととも
に、NMR信号の計測を行う。

NMRイメージングを行うには、前述のごとく
静磁場に傾斜磁場を印加した状態でRFパルスを
照射し、被検体１の検査領域から出るNMR信号
を空間情報としてエンコード（符号化）するため
に傾斜磁場を印加し、NMR信号を計測した後、
画像再構成する。

空間を符号化するために、傾斜磁場を用いる
が、これは核磁気共鳴周波数ωが磁場強度と線形
関係にあることを利用している。すなわち、傾斜
磁場が空間的に直線性が保たれていると、対象領
域における空間位置と周波数の関係は線形とな
り、時間情報であるNMR信号をフーリエ変換
し、周波数軸に置き換えるだけで被検体１の位置
情報が得られることを利用して画像を再構成して
いる。

具体的には２次元フーリエ変換法によつて画像
を再構成しているが、以下に、選択励起によつて
スライス方向にある厚みをもつた領域の核スピン
が励起された後に空間を符号化する方法について
説明する。

ある厚みをもつた２次元面領域の核スピンを空
間座標に応じた量だけ回転を付加するために、
Ｘ、Ｙの２方向に分けて符号化する。第２図に従
えば、Ｘ方向を周波数エンコード方向、Ｙ方向を
位相エンコード方向と区分けしている。

周波数エンコード方向には、スピン・エコー信
号を読み取る際、視野の両端で位相がNπだけず
れている必要があり、周波数エンコード時間を
T_xとすれば、 γG_x・Ｄ・T_x＝Nπ ……(3) なる関係を満たさなければならない。ここで、 γ：対象核であるプロトンの磁気回転比（2.6751
×10⁴rad／sec／Gauss） G_x：周波数エンコード方向傾斜磁場の強度 Ｄ：視野直径 Ｎ：計測サンプル数 である。

また、位相エンコード方向には、Ｍ回の位相エ
ンコードを行うものとすると、視野の両端での位
相が最大でMπだけずれている必要があるので、
位相エンコードパルス印加時間をT_yとしたとき γG_y・Ｄ・T_y＝Mπ ……(4) なる関係を満たさないければならない。ここで、 G_y：位相エンコード方向傾斜磁場の最大値 Ｍ：位相エンコード数 である。また、視野を正方形領域とした。

周波数エンコード方向の傾斜磁場は、各位相エ
ンコード毎同じ強度を印加し、ｘ方向の空間座標
を周波数軸に符号化する方法をとる。一方、位相
エンコード方向には、各エンコード毎に傾斜磁場
強度が、 γGy・Ｄ・Ty＝−Ｍ／２π、（Ｍ／２＋１）π、 …、０、…、（Ｍ／２−１）π ……(5) となるように、位相エンコード量γG_y・Ｄ・T_yを
πずつ変化するようにG_yを変えて、スピン・エ
コー信号を計測する。

このようにして、ｘ方向にはＮサンプル、ｙ方
向にはＭサンプルをもつ２次元計測データが収集
される。通常、NMR信号計測にはQPD
（Quadratuve Phase Detection）手法を用いて
実部、虚部を同時に収集するので、Ｎ×Ｍサンプ
ルの複素データが得られ、これを２次元フーリエ
変換すれば画像が得られる。

ところで、静磁場発生磁石１０として永久磁石
を使用する場合がある。その材質としては種々の
ものが考えられているが、最近出回つてきた希土
類系磁石（Nd−Fe−Ｂ）は、最大エネルギー積
に関しては最も高く、強力な磁場を発生できる
が、その反面温度係数が大きい。一般に周囲温度
が上昇すると、発生する静磁場が減弱する、いわ
ゆる負の温度係数をもつ。一例として、その温度
係数が一1000ppm／℃に達するものがある。この
場合、周囲温度が１℃上昇すると、静磁場強度は
1000ppm減弱する。たとえば、1000Gaussの静磁
場強度では1Gaussに相当する。

わずかな温度変化によつて静磁場均一度が崩れ
易い傾向にあるため、普通は、磁気回路として構
成したものを断熱材で蔽つたり、恒温制御装置を
装着することにより、磁気回路全体としての温度
係数を小さくすることができる。

以上のような措置を施しても、垂直磁場型で構
成した永久磁石による磁気回路では、上下の磁石
の温度差が生じたりすることがある。その原因は
磁気回路下部は熱容量の大きな床に接している
が、一方、上部はそのようなものがないためであ
る。上下の磁石に温度差が生じると、目的とする
磁場空間内の静磁場均一度が崩れ、上下方向に静
磁場の変分項が現われる。実際には高次の変分成
分が生じ得るが、支配的な成分は低次の成分であ
る。その内最も支配的な成分は１次成分である。
以後、１次成分のみに限つて議論を進めることと
する。

静磁場発生磁石１０の静磁場の方向をｚ軸とし
たとき、垂直磁場型の永久磁石方式磁気回路で
は、垂直方向が上下方向でもあり、１次の変分項
が現われると、静磁場Ｂは均一度調整された磁場
をB₀とすると、 Ｂ＝B₀＋δB_z／δ_z・ｚ ……(6) と表わされる。(6)式の第２項が１次の変分項であ
る。

ところで、(6)式の第２項は傾斜磁場コイル２１
で発生する勾配磁場と同じ表現式であるので、第
２項の係数δB_z／δ_zの量だけ知れば補正は可能で
あると言える。そこで、この量を知る方法につい
て以下説明する。

いま、静磁場の均一度が調整されており、(6)式
の第２項が現われていない状態であると仮定す
る。この状態では、位相エンコード方向傾斜磁場
G_yを印加しない、すなわち位相エンコード量０
のとき、計測されるNMR信号は最大値を取る。
第３図はこの際の計測シーケンスを示したもので
あり、第２図との違いは、区間２において位相エ
ンコード傾斜磁場G_yを印加しない点である。

ところで、(6)式における第２項が無視できない
場合、位相エンコード量０時にNMR信号が最大
値を取るとは言えなくなる。したがつて、(6)式の
第２項が無視できない状態で、NMR信号をデイ
ジタル化するＡ／Ｄ変換器２５への入力量を最適
化するためのアツテネート量の調整を実施する
と、真の最大値を捕捉したときに入力量がオーバ
ーフローすることになる。真の最大値以外の信号
量を本計測における最大値と見なしてしまうとこ
ろに問題点がある。これを解決するには、予め計
測されるNMR信号の真の最大値を捕捉する必要
がある。

第４図は、縦軸のNMR信号の大きさを取り、
横軸に位相エンコード量を取つた場合の、NMR
信号計測における時間原点での振幅の変化を示し
たものである。第４図では、位相エンコード量０
ではなく、G_y0の点で信号量最大となつている。
このG_y0の量を知れば補正が可能である。

そこで、本計測の前に予備計測を実施する。そ
の際、位相エンコード量は、(5)式に従つてG_yの
変化量よりも細かく、たとえば数分の１のステツ
プ幅で計測すれば、G_y0の量の捕捉の精度が向上
する。この際の計測のシーケンスは第２図に従つ
たたもので実施する。また、通常静磁場均一度が
極端にずれるということはないので、予備計測に
おける位相エンコード量の切り換えは、たとえ
ば、位相エンコード数Ｍの1/16程度で充分であ
る。

このようにして得た一次変分成分G_y0から、逆
に位相エンコード方向傾斜磁場として本計測中−
G_y0に応じたオフセツト電流を流しておけば、こ
の一次変分成分を打ち消したことになるので、位
相エンコード量０のときに、受信系１５で受信し
たNMR信号は最大値をとる。したがつて、この
状態でＡ／Ｄ変換器２５の入力のアツテネート量
を調整すれば、計測した信号がオーバーフローす
ることはない。

第５図は、上記オフセツト電流を流して−G_y0
の成分を印加しながら計測するシーケンスを示し
ている。これにより、静磁場不均一により生じた
一次変分成分を補正して、最大値のオーバーフロ
ーの生じない計測が可能である。なお、予備計測
のパルスシーケンスは、CPU１１とシーケンサ
１２によつて発生されることは言うまでもない。

上記詳細な説明において、ｘ、ｙ、ｚ軸は互い
に交換が可能であるとともに、断層面がこれらの
軸に対して任意の傾斜を持つ斜断面の撮像に際し
ても、本発明での内容は適用可能であることを申
し添えておく。

〔発明の効果〕

本発明によれば、静磁場均一性が崩れ、磁場の
１次変分成分が現われた場合に、計測準備スキヤ
ンを実施し、その変分量を知れば、逆にそれを補
正する成分を傾斜磁場として印加しておけば、
NMR信号をデイジタル化するアナログ／デイジ
タル変換器への入力量をオーバーフローさせるこ
となく最適化させることが可能である。これによ
り与えられたアナログ／デイジタル変換器の有効
ビツト長を最大に取ることができ、再構成画像の
精度も高くできる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るNMRイメージング装置
の全体構成例を示すブロツク図、第２図は２次元
フーリエ変換イメージングにおけるNMR信号計
測のシーケンスを示す図、第３図は位相エンコー
ド傾斜磁場を印加しないシーケンスを示す図、第
４図は位相エンコード方向にみた計測データのプ
ロフアイル、第５図は位相エンコード方向補正成
分を印加した計測のシーケンスを示す図である。 １……被検体、１０……静磁場発生磁石、１１
……中央処理装置、１２……シーケンサ、１３…
…送信系、１４……磁場勾配発生系、１５……受
信系、１６……信号処理系、１７……高周波発振
器、１８……変調器、１９……高周波増幅器、２
０ａ……送信側高周波コイル、２０ｂ……受信側
高周波コイル、２１……傾斜磁場コイル、２２…
…傾斜磁場電源、２３……増幅器、２４……直交
位相検波器、２５……Ａ／Ｄ変換器、２６……磁
気デイスク、２７……磁気テープ、２８……デイ
スプレイ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 被検体に静磁場を与える手段と、前記被検体
   にスライス方向傾斜磁場、周波数エンコード傾斜
   磁場及び位相エンコード傾斜磁場を与える手段
   と、前記被検体の組織を構成する原子の原子核に
   核磁気共鳴を起こさせる高周波パルスを印加する
   手段と、核磁気共鳴信号を検出する手段と、得ら
   れた核磁気共鳴信号をフーリエ変換して画像を再
   構成する手段とを備えた核磁気共鳴イメージング
   装置において、本計測パルスシーケンスの他に、
   本計測開始直前にスライス方向傾斜磁場及び周波
   数コンコード傾斜磁場を印加し、90°及び180°選
   択励起高周波パルスを所定時間間隔で繰り返し印
   加するとともに、前記繰り返し時間毎に位相エン
   コード傾斜磁場を変化させて核磁気共鳴信号の最
   大値を与える位相エンコード量を求める予備計測
   パルスシーケンスを発生する手段を設け、本計測
   時に前記予備計測パルスシーケンスを実行して求
   めた位相エンコード量を位相エンコード傾斜磁場
   へ加算することを特徴とする核磁気共鳴イメージ
   ング装置。