JPH06121782A

JPH06121782A - 流体の流れの定量測定方法

Info

Publication number: JPH06121782A
Application number: JP4047714A
Authority: JP
Inventors: Charles L Dumoulin; チャールズ・ルシアン・ドゥムーリン; Christopher J Hardy; クリストファー・ジュドソン・ハーディ; Steven P Souza; スティーブン・ピーター・スーザ; Stephen A Ash; スティーブン・アラン・アッシュ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1991-02-07
Filing date: 1992-02-05
Publication date: 1994-05-06
Anticipated expiration: 2010-03-22
Also published as: JPH0724656B2; EP0498570B1; DE69209548D1; EP0498570A2; EP0498570A3; US5133357A

Abstract

(57)【要約】選ばれた導管内の流体の速度分布を作像すると共に定量
的に測定する方法が、作像しようとするサンプルの核磁
気共鳴の円柱状励振を用いた後、２番目の軸線に沿って
フーリエ速度符号化励振を行なって、流速に基づいて分
子を選択的に符号化し、その後、円柱の軸線に沿って分
解能を持たせる為、読取勾配の存在の下に収集された再
放射信号データを感知し、速度分布を再生する。空間的
な局在化は、スラブ形状ではなく、円柱状形状を持つ励
振パルスを用いて行なわれる。この方法を周期的な流体
流れに対する同期と組合せて、流れの動態を測定するこ
とが出来るし、又は同期なしに用いて、定常の流れを測
定することが出来る。流れの感度及び幾何学的な分解能
の方向が独立している点で、測定形式は融通性がある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の分野】この発明は血液の流れ等の流体の流れの
定量測定、更に具体的に云えば、磁気共鳴作像を用いた
流体の流れの定量測定に関する。

【０００２】

【従来技術】磁気共鳴（ＭＲ）による脈管系の造影法又
は作像法は、飛行時間（time-of-flight）現象及び速度
によって誘起された移相現象に基づく種々の方式を用い
て実証されている。例えば、Ｍａｇｎ．Ｒｅｓｏｎ．Ｍ
ｅｄ．誌１９８６年、３：４５４所載のＷ．Ｔ．ディク
ソン、Ｌ．Ｎ．ドゥ、Ｄ．Ｄ．フォ―ル他の論文「断熱
高速通過によるラベルをつけられた血液の投影造影
図」、Ｍａｇｎ．Ｒｅｓｏｎ．Ｍｅｄ．誌１９８７年、
４：１９３所載のＤ．Ｇ．ニシムラ、Ａ．マコ―スキ
イ、Ｊ．Ｍ．ポ―リイ他の論文「選択的反転回復による
ＭＲ造影法」、Ｊ．Ｃｏｍｐ．Ａｓｓｔ．Ｔｏｍｏｇ
ｒ．誌１９８８年、１２：３７７所載のＧ．Ａ．ラウ
プ、Ｗ．Ａ．カイザ―の論文「勾配による動きの再集束
を用いたＭＲ造影法」、Ｍａｇｎ．Ｒｅｓｏｎ．Ｍｅ
ｄ．誌１９８９年、１１：３５所載のＣ．Ｌ．ジュム―
ラン、Ｈ．Ｅ．クライン、Ｓ．Ｐ．ス―ザ他の論文「ス
ピン飽和を用いた３次元の飛行時間磁気共鳴造影法」、
ラジオロジ―誌１７３：５２７（１９８９年）所載の
Ｐ．Ｊ．ケラ―、Ｂ．Ｐ．ドレイア―、Ｅ．Ｋ．フラム
他の論文「２Ｄ収集によるが、３Ｄ表示を作るＭＲ造影
法、進行中の研究」、サイアンス誌１９８５年、２３
０：９４６所載のＶ．Ｊ．ヴェデン、Ｒ．Ａ．ム―リ、
Ｒ．Ｒ．エ―デルマン他の論文「磁気共鳴を用いた脈動
的な流れの投影作像」、ラジオロジ―誌１６１：７１７
（１９８６年）所載のＣ．Ｌ．ジュム―ラン、Ｈ．Ｒ．
ハ―トの論文「磁気共鳴造影法」、Ｍａｇｎ．Ｒｅｓｏ
ｎ．Ｍｅｄ．誌５：２３８（１９８７年）所載のＣ．
Ｌ．ジュム―ラン、Ｓ．Ｐ．ス―ザ、Ｈ．Ｒ．ハ―トの
論文「走査の速い磁気共鳴造影法」、Ｍａｇｎ．Ｒｅｓ
ｏｎ．Ｍｅｄ．誌９：１３９（１９８９年）所載のＣ．
Ｌ．ジュム―ラン、Ｓ．Ｐ．ス―ザ、Ｍ．Ｆ．ウォ―カ
他の論文「３次元位相コントラスト造影法」を参照され
たい。

【０００３】最近、頭及び首に幾つかのＭＲ造影法を臨
床で用いたことが報告されている。例えば、ラジオロジ
―誌１７１：７９３（１９８９年）所載のＴ．Ｊ．マサ
リク、Ｍ．Ｔ．モディック、Ｊ．Ｓ．ロス他の論文「頭
蓋内循環：３次元（容積形）ＭＲ造影法を用いた予備的
な臨床結果」、ラジオロジ―誌１７１：８０１（１９８
９年）所載のＴ．Ｊ．マサリク、Ｍ．Ｔ．モディック、
Ｐ．Ｍ．ルギ―リ他の論文「頚動脈分岐の３次元（容積
形）勾配エコ―作像：予備的な臨床経験」、Ａｍ．Ｊ．
ニュ―ロラジオロジ―誌１０：９１１（１９８９年）所
載のＷ．Ａ．ウエイグル、Ｃ．Ｌ．ジュム―ラン、Ｓ．
Ｐ．ス―ザ他の論文「頚動脈及び脳底動脈疾患の３ＤＦ
Ｔ磁気共鳴造影法」を参照されたい。

【０００４】ある位相感知方法を用いて、ある程度の定
量化も可能であることが証明されている。例えば、Ｊ．
Ｃｏｍｐ．Ａｓｓｔ．Ｔｏｍｏｇｒ．誌１２：３０４
（１９８８年）所載のＭ．Ｆ．ウォ―カ、Ｓ．Ｐ．ス―
ザ及びＣ．Ｌ．ジュム―ランの論文「位相コントラスト
磁気共鳴造影法による流れの定量的な測定」、Ｊ．Ｃｏ
ｍｐ．Ａｓｓｔ．Ｔｏｍｏｇｒ．誌１０：７１５（１９
８６年）所載のＧ．Ｌ．ネイラ―、Ｄ．Ｎ．フィルミン
及びＤ．Ｂ．ゴムモアの論文「映画式磁気共鳴による血
液の流れの作像」を参照されたい。

【０００５】上に述べたＭＲ造影法は形態学的な細部を
捉える点では優れているが、流れの定量的な情報を求め
るのは困難である場合が多い。これは、容積画素と呼ば
れる所定の容積要素が、検出又はデ―タ収集過程で互い
に干渉する速度分布を持っていることがあるからであ
る。

【０００６】造影法によらない幾つかの方式が提案され
ているが、それらは未だ普及していない。例えば、励振
されたスピン磁化のバルクの動きを監視する様な塊（bo
lus）追跡法が報告されている。これは反転したスピン
磁化を持つ塊を用いて行なわれている。サイアンス誌１
７０：４４０（１９７０年）所載のＯ．モ―ス及びＪ．
Ｒ．シンガの論文「無傷の被検体に於ける血液速度の測
定」を参照されたい。飽和したスピン磁化の塊が、Ｊ．
Ｃｏｍｐ．Ａｓｓｔ．Ｔｏｍｏｇｒ．誌９：５３７（１
９８５年）所載のＦ．Ｗ．ウェ―ルリ、Ａ．シマカワ、
Ｊ．Ｒ．マックフォ―ル他の論文「選択的飽和−回復ス
ピン・エコ―（ＳＳＲＳＥ）方法による静脈及び動脈の
流れのＭＲ作像」、及び１９８９年にアムステルダムで
開催された医学磁気共鳴協会の第８回年次総会記録２０
８頁所載のＲ．Ｒ．エ―デルマン、Ｊ．Ｐ．フィン、
Ｋ．ウェンツ他の論文「門脈静脈系に於ける磁気共鳴造
影法及び流れの定量化」に記載されている。横方向のス
ピン磁化の塊が、ラジオロジ―誌１５９：１９５（１９
８６年）所載のＫ．シミズ、Ｔ．マツダ、Ｔ．サクライ
他の論文「動く流体の可視化：ＭＲ作像を用いた血液の
流速の定量的な分析」によって報告されている。別の方
式は、動きに関係する移相が起る様にする流れ符号化勾
配を使うものであり、これはＭａｇｎ．Ｒｅｓｏｎ．Ｍ
ｅｄ．誌２：５５５（１９８５年）所載のＤ．Ａ．ファ
インバ―ク、Ｌ．Ｅ．クルックス、Ｐ．シェルドン他の
論文「流体の流れの速度ベクトル成分の磁気共鳴作
像」、ラジオロジ―誌１６６：２３７（１９８８年）所
載のＪ．ヘニング、Ｍ．ムリ、Ｐ．ブラナ―他の論文
「速いフ―リエ流れ方式を用いた流れの定量的な測
定」、１９８９年にアムステルダムで開催された医学磁
気共鳴協会の第８回年次総会記録１０２頁所載のＳ．
Ｐ．ス―ザ、Ｆ．Ｌ．シュタインバ―グ、Ｃ．カロ―他
の論文、及びＭａｇ．Ｒｅｓｏｎ．Ｉｍａｇ．誌１：１
９７（１９８２年）所載のＰ．Ｒ．モラムの論文「人間
のＮＭＲ作像の為の流速ツ―クマトグラフィ・インタ―
レ―ス」に記載されている。ファインバ―ク他及びヘニ
ング他によって提案されたフ―リエ符号化速度測定は、
スピン捩れ形作像パルス順序を用いるが、これは速度を
定量化する為に、流れに敏感な位相符号化勾配パルスを
用いる。

【０００７】ファインバ―ク他及びヘニング他は、流れ
る血液の速度の空間的な表示を求めているが、１つの次
元だけである。選ばれた脈管に於ける流体の流れを決定
する方法として、正確で信頼性のある非侵入形の方法を
提供する必要がある。

【０００８】更に、流体の流れの測定値は、所定の脈管
の血液力学的な性質のよい表示である。こう云う血液力
学的な性質が、種々の異常及び疾患の診断の様に医療用
では重要である。侵入形の方式を使わずに、血液力学的
な性質を収集出来ることが役に立つ。

【０００９】

【発明の要約】この発明は、従来達成し得るよりも、Ｍ
Ｒ作像を利用することによって、流体の流れを測定する
更に選択的な方法を提供する。この方法は、作像しよう
とする被検体にわたって均質な磁界を印加し、複数個の
磁気共鳴走査を実施し、その後デ―タを再生して流体の
流速を計算することにより、流体の流れの定量的な測定
を行なう。走査は、最初に被検体の内、作像しようとす
る部分に円柱状のＮＭＲ励振を印加することによって実
行される。次に、流れを測定しようとする方向に沿っ
て、流れ符号化磁界勾配を印加する。最後に、被検体か
ら再放射されたＮＭＲ信号を感知するアンテナを使って
データを収集し、このデータを将来再生する為に記憶す
る。

【００１０】被検体の円柱状のＮＭＲ励振は、予定の振
幅及び持続時間を持つ無線周波（ｒｆ）パルスを印加す
ると共に、互いに直交する２つの時間的に変化する磁界
勾配を同時に印加することによって行なわれる。

【００１１】一旦円柱状の場又は「励振円柱」が設定さ
れたら、流れ符号化を行なうことが出来る。走査は何回
も繰返す。流れ符号化磁界勾配は毎回の走査で一定の予
定の振幅を持つが、相次ぐ走査では振幅が異なる。流体
の速度を符号化する為、流れ符号化磁界勾配パルスは２
つのロ―ブ（lobe）を持ち、各々のロ―ブは、振幅対持
続時間曲線の下の面積が同じであるが、反対の極性を持
つ。

【００１２】円柱状の場を励振して速度を符号化した
後、円柱円筒の軸線と平行に両極性の読取磁界勾配を印
加する。アンテナが励振円筒から再放射されたｒｆ信号
の大きさを感知する。こう云うｒｆ信号デ―タを記憶
し、流れ符号化磁界勾配の別の振幅の値に対して、この
走査全体を繰返す。一旦全てのデ―タが収集されたら、
走査デ―タの２次元フ―リエ変換を実施して、流体の速
度分布を再生する。この流体の速度分布は、作像しよう
とする管の断面直径と組合せると、管を通る流体の流れ
を計算する為に使うことが出来る。

【００１３】

【発明の目的】この発明の目的は、生体内等の流体の流
れのＮＭＲ作像を行なう方法として、流れの正確な定量
的な測定値を計算することが出来る様な改良された方法
を提供することである。この発明の別の目的は、流体の
流れのような動きを持つ物質が作像され、動きを持たな
い物質が抑圧される様なＮＭＲ作像方法を提供すること
である。

【００１４】この発明の別の目的は、動きの２次微分又
は動きの更に高次の微分によって記述される原子核のＮ
ＭＲ作像を行ない、動きの１次微分によって記述される
原子核又は動きのない原子核の像を抑圧することであ
る。

【００１５】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。

【００１６】

【好ましい実施例の詳しい説明】１９８４年２月１４日
に付与された米国特許第４，４３１，９６８号、１９８
７年１１月１０日に付与された同第４，７０６，０２４
号及び１９８９年１月１０日に付与された同第４，７９
６，６３５号は、出願人に譲渡されているが、この明細
書を引用する。

【００１７】分子の原子核、普通は図１に示す様な水素
の原子核１０，１１，１２内のペアをなしていない自由
に回転する陽子は、磁界Ｂ₀内で互いに揃って、その軸
線が磁界の周りに歳差運動をする。スピン１０，１１，
１２は所定のサンプル内のスピンのポピュレ―ションの
サンプルを表わす。スピンのポピュレ―ションがある
為、揃ったスピンを巨視的に見た合計は、磁界Ｂ₀に沿
って正味の縦方向の磁化３１を生ずる。ポピュレ―ショ
ン全体１０，１１，１２の正味の和により、小さな横方
向の磁化（Ｍ_xy）３２をも生ずる。正味の横方向の磁化
３２は、同調した無線周波（ｒｆ）パルス又は外部の磁
界によって加えた力により、磁界Ｂ₀と揃わなくなる様
にスピン１０，１１，１２を強制することによって増加
することが出来る。この為、予定の強度の磁界が存在す
る状態で印加されたｒｆパルスにより、スピンの励振又
は共鳴が生じ、図２のスピン１４，１５，１６で表わす
様に、スピンの横方向の磁化を増加する。

【００１８】ｒｆパルス及び磁界勾配の強度を選ぶこと
により、励振の為にスピンを選択的に選ぶことが可能で
ある。作像しようとする被検体の特定の所望の区域のス
ピンを励振する様に、ｒｆパルス及び磁界勾配を選ぶこ
とにより、スピンの空間的な局在化を行なうことが出来
る。

【００１９】この発明の空間的な局在化は、図３に示し
たｒｆパルス６２，７２及び勾配パルス６３，７３，６
４，７４を用いることによって達成される。ｒｆパルス
６２は、Ｇ_x及びＧ_yの直交する磁界勾配６３，６４
が、図４に示す合成勾配磁界ベクトルＧ_rを作る時、時
間にわたって振幅が変化する。ベクトルＧ_rの先端が渦
巻を描く。直交するＧ_x及びＧ_y勾配波形６３，６４と
ｒｆパルス６２が同時に印加される結果、被検体の円柱
状の要素が励振される。従来は、ＭＲ作像の為に、スラ
ブ又はスライス形の励振形状を用いている。図３のｒｆ
パルス６２は、Ｊ．Ｍａｇｎ．Ｒｅｓｏｎ．誌８１：４
３（１９８９年）所載のＪ．ポ―リイ、Ｔ．ニシムラ、
Ａ．マコ―スキイの論文「小さな傾斜角度励振のＫ空間
解析」に記載されている様に、所望の励振分布の加重２
次元フ―リエ―変換になる様に選ぶ。Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐ
ｈｙｓ．誌６６：１５１３（１９８９年）所載のＣ．
Ｊ．ハ―ディ及びＨ．Ｅ．クラインの論文「２次元空間
選択性を用いた広帯域核磁気共鳴パルス」の教えに従っ
て、勾配変化速度を拘束した状態では、図４の渦巻９１
を一様でない速度で通る様にして、パルスの持続時間を
最小限に抑えると共に、一定の角速度の場合で通る時に
較べて帯域幅を２倍にすることが出来る。ｒｆ波形６２
には、原点９２の近くで渦巻がｋ−空間を一様にカバ―
しないことを補正する係数を加重する。更に詳しいこと
は、Ｊ．Ｍａｇｎ．Ｒｅｓｏｎ．誌８７：６３９（１９
９０年）所載のＣ．Ｊ．ハ―ディ、Ｈ．Ｅ．クライン及
びＰ．Ａ．ボトムリイの論文「２次元ＮＭＲ選択性励振
に於ける一様でないｋ−空間の標本化の補正」に記載さ
れている。この加重によって、中心の選ばれた領域の外
側からの汚染信号が励振に加わる惧れのある様なベ―ス
ラインの人為効果（アーチファクト）が取除かれる。渦
巻形軌跡の励振パルスが、Ｊ．Ｍａｇｎ．Ｒｅｓｏｎ．
誌８２：６４７（１９８９年）所載のＣ．Ｊ．ハ―ディ
及びＨ．Ｅ．クラインの論文「ＮＭＲデザイナ―・パル
スを用いた２次元に於ける空間的な局在化」に記載され
る様に、渦巻９１の長さと渦巻の中にあるサイクル数と
によって決定される半径の所に、エイリアシングのリン
グ状人為効果を生ずる。図３のｒｆパルス６２は、ガウ
ス形分布を励振しながら、円柱８１（図５に示す）の周
辺に分布の歪み又はエイリアシング・リングを生ぜず
に、エイリアシング・リング半径（図に示してない）と
図５に示す励振円柱半径８５との間の比を最大にする様
に選ばれている。

【００２０】図３に示すｒｆパルス６２及び磁界勾配６
３，６４を印加した後、励振円柱８１は、図６ａ及び６
ｂに示す様な横方向の磁化を持つ。円柱８１の中心は変
位ｘ_cの所にある。図６ａに示す変位ｘ₁の所では、横
方向の磁化Ｍ_xyは図６ｂのｘ₁に示される様になる。磁
化Ｍ_xyは、円柱８１の直径にわたって略一定のまゝであ
り、これは磁化振幅ｍを持つが、それが図６ｂのグラフ
の点ｘ₂に対応する、図６ａの半径ｘ₂の所で急に下が
る。

【００２１】円柱８１を励振した後、速度符号化をす
る。この発明は、図３に用いたパルス順序６１を用いた
フ―リエ速度符号化を利用する。

【００２２】図７は、図２の横方向の磁化ベクトル３２
がサンプル内の所定の場所で回転する時のその１成分の
振幅対時間線図である。このベクトルは期間５４の間、
特定の一定の周波数で回転する。期間５５の間、磁界勾
配パルス５７が印加され、勾配パルス５７の面積に応じ
て、横方向の磁化３２の位相の変化速度又は周波数を増
加する。図７の期間５６の間、横方向の磁化はもとの周
波数に戻るが、位相が今の場合は９０°増加する。これ
が位相進展（phase evolution ）と呼ばれる。勾配パル
ス５７の極性を反対にすると、移相に逆の効果が生じ、
位相が９０°遅れることに注意されたい。

【００２３】図２の各々のスピン１４，１５，１６の直
線的な位相進展が、磁界勾配に沿ったスピンの位置、そ
れに印加された勾配の振幅、及びそれが印加された時間
（又は勾配パルス５７の面積）に直接的に関係する。不
動のスピンの位相は勾配パルス５７の面積に正比例す
る。

【００２４】図８は、速度４１で点２７に向って動く、
点２６にあるスピン１７を示している。スピン１７が点
２６にある時、負の勾配２２が印加される。スピン１７
が点２６ａにある時、勾配２３が印加される。両方の勾
配２２，２３が印加されている期間全体にわたり、スピ
ン１７は勾配２２及び勾配２３によって生ずる位相進展
を受ける。勾配２３によって誘起された移相は、勾配２
２によって誘起された移相に対して略反対である。これ
は、勾配の振幅の極性２４，２５が実質的に反対である
からであるが、スピン１７の物理的な変位の為に、正確
に反対ではない。この結果、勾配２２及び２３で構成さ
れた両極性の勾配を印加したことによって生ずる合成の
移相は、スピン１７の速度に正比例する。点２７及び２
６の間を反対向きに動くスピンは、スピン１７が受ける
位相進展とは正反対の位相進展を受ける。

【００２５】スピン１８の様に、勾配２２又は２３に沿
った方向に動いていないスピンは、最初に負の勾配振幅
１８の作用を受けた後、同じ大きさの正の勾配振幅２９
の作用を受ける。この為、正及び負の振幅が互いに相殺
して消える。従って、図８は、両極性の勾配２２，２３
に沿って動くスピン１７の速度をその位相進展によって
符号化することが出来ることをを示している。図８は、
勾配に沿った速度を持たないスピン１８は、両極性の磁
界勾配による追加の位相進展を受けないことをも示して
いる。

【００２６】両極性の磁界勾配が存在する時の横方向の
スピン磁化の動きによって誘起された移相「φ（動
き）」は次の様に表わすことが出来る。

【００２７】 φ（動き）＝γＶＴＡ_g （１）こゝでγは所定の元素に特有の磁気回転比、Ｖはスピン
の速度４１の内、図８に示す様に勾配パルスの方向と平
行な成分４２である。Ｔは、流れを測定しようとする線
に沿って印加された磁気勾配パルスのロ―ブの中心の間
の時間として図９に示されており、Ａ_gは両極性パルス
の１つのロ―ブの面積５１，５２（勾配の強度×印加の
持続時間）である。式（１）は、加速度及びジャ―クの
様な更に高次の動きによって起り得る移相を無視してい
る。

【００２８】図５に戻って説明すると、ベクトル８３で
示す流体の流れを符号化する為に、この発明はベクトル
８６で示す様に、流れを測定しようとする方向に沿って
印加された流れ符号化磁界勾配を用いる。これによっ
て、スピンの位相進展が起り、速度が高い方のスピンは
速度が低い方のスピンよりも進展が一層速い。式（１）
を使うと、移相を決定することが出来れば、図８に示す
様に、スピン１７及び１８を含むサンプルの速度４２を
定量的に測定することが出来る。

【００２９】都合の悪いことに、空間的なある領域から
のＭＲ信号は、スピンの集合から来るものであり、こう
云うスピンが動いていると、それらの速度は１種類の速
度ではなく、分布によって特徴づけられる。この分布
は、成分スピン信号の移相を相殺させる位に幅の広いこ
とがあり、その結果信号が失われる。

【００３０】デ―タ収集の時にスピン速度が互いに干渉
する問題を解決する１つの方法は、普通の像の空間的な
１次元を速度次元に変換することである。これは、速度
デ―タ（並びにその分布）を測定し得る次元を１つ増や
すものである。

【００３１】この発明は、再生の時に、フ―リエ変換が
成分速度を分離して信号の損失を防止する性質を利用す
る。これは例えば、図９の一層大きな流れ符号化勾配５
１，５２、図３の勾配６１，７１又は図９に示す一層大
きな隔たりＴを相次いで用いる一連の励振を行ない、再
放射されたデ―タを標本化することによって行なわれ
る。これによって、流れ符号化勾配の多数の振幅に対す
るデ―タを収集することが出来る。その後フ―リエ変換
を使って、種々の速度成分をその変調周波数によって分
離し、速度の関数として信号強度を表わすデ―タ・ベク
トルを発生する。図３の両極性の流れ符号化勾配の波形
６１，７１が、何れも異なる振幅を持つ一連の波形の内
の２つであることに注意されたい。

【００３２】この発明は、前に引用したファインバ―ク
他及びヘニング他が提案したフ―リエ符号化速度測定と
若干類似しているが、この発明で用いるパルス順序は、
ファインバ―ク他及びヘニング他のパルス順序とは異な
る。円柱状の磁界の励磁及び独立の流れ符号化形式は、
ファインベルク他及びヘミング他で使われていない。

【００３３】図３に示す様な読取磁界勾配６５，７５
を、図５のベクトル８２で示す様に、図５の励振円柱８
１の軸線１２２に平行に印加することにより、デ―タが
収集される。図８に示すスピン１７，１８は、励振状態
にあって、図５のベクトル８２で表わされる様な読取勾
配６５，７５の様な磁界勾配の中に置かれた時、光子を
再放射する。各々の読取勾配パルス６５，７５は図３に
示す様な２つのロ―ブを持つ。第１のロ―ブは、第２の
ロ―ブの前半６７，７７と等しい面積６６，７６を有す
る。読取勾配によって、第１のロ―ブ６６，７６が印加
される間、負の位相進展が生じ、その後第２のロ―ブの
前半６７，７７が印加される間、正の位相進展が続き、
その中点６９，７９で位相戻しが起る。信号エコ―１０
１，１１１のピ―クがこの時点で発生する。このエコ―
は勾配呼戻しエコ―である。信号１０１，１１１等を感
知して記憶する。

【００３４】こうして得られた１組のデ―タは１つの空
間的な次元（即ち読取の次元）と１つの速度次元とを持
っており、この速度次元は、速度の内、図８に示す様に
流れ符号化の為に印加された磁界勾配パルス４２に平行
な成分だけに感応する。

【００３５】図５について云うと、流れ符号化勾配８
５、読取勾配８２及び励振円柱８１の相対的な向きは拘
束されず、直交、平行又は斜交であってよい。円柱８１
は、図３の勾配Ｇ_x波形６３，７３及びＧ_y波形６４，
７４を混合することにより向きを変え、図３のｒｆパル
ス６２の周波数変調によって、勾配の中心からずらすこ
とが出来る。

【００３６】式（１）にナイキストの判断基準を使うこ
とにより、この結果得られた流れの測定値の速度分解能
を計算することが出来る。ナイキストの判断基準は、信
号の隣合った標本化の間の位相差は、信号にエイリアシ
ングが生じない場合より小さくなければならないことを
定めている。その為、エイリアシングの生じない最高速
度に対して得られる最大の移相は φ（最大）＝φＶ_res／２（２）こゝでＶ_resは、図３に示す流れ符号化ロ―ブ６１，７
１の面積をＡ_g（最大）から−Ａ_g（最大）まで変える
手順で速度符号化されたサンプルの数である。この時、
速度分解能Ｖ_res（ｃｍ／ｓ／画素）は式（１）及び
（２）を組合せて次の様に決定することが出来る。

【００３７】Ｖ_res＝１／２γＴＡ_g（最大）（３）図３に示すパルス順序は非常に融通性があって、種々の
形で用いることが出来る。図５に示す様に、読取勾配８
２、流れ符号化勾配８６及び励振円柱８１の向きは互い
に独立しているから、異なる導管の形状及び用途に対す
るパルス順序を最適にすることが可能である。例えば、
図５に示す形状は、流れ符号化勾配が相次ぐ３回の走査
で直交する３方向に印加される様に修正することが出来
る（１９８９年１月１０日に付与された米国特許第４，
７９６，６３５号参照）。これによって、必要な走査時
間は３倍になるが、導管の形状が前もって判らなくて
も、血液の流れを定量化することが出来る。

【００３８】大抵の生体内の血液の大部分の流れは脈動
であるから、デ―タに対する時間の次元を作る為には、
心臓サイクルのＲ波を検出した後の何回かの時間フレ―
ムにわたり、パルス順序を繰返すことが役に立つ場合が
多い。

【００３９】血液の流れの時間的な特性を測定しようと
する場合、収集を心臓サイクルと同期させることは不可
欠である。心臓ゲ―ト作用を用いて行なわれる速度測定
を多数の信号サイクルにわたって同期的に行ない、一定
の流れ及び周期的な流れを区別することが出来る様にす
る。こう云う状態では、周期的な流れも一定の流れもそ
の挙動は測定が容易であり、速度分布がよく特徴づけら
れる（即ち、予想しない速度の所に信号強度が出ること
は殆んどない）。

【００４０】この発明で利用することが出来るこの順序
の別の変更は、両極性の流れ符号化パルスを図１０に示
す様なロ―ブ３つの加速度符号化パルス又はロ―ブ３つ
の加速度補償／速度符号化パルスに変換することであ
る。Ｍａｇｎ．Ｒｅｓｏｎ．Ｍｅｄ．誌６：２７５（１
９８８年）所載のＣ．Ｌ．ジュム―ラン、Ｓ．Ｐ．ス―
ザ、Ｍ．Ｆ．ウォ―カ及びＥ．ヨシトメの論文「時間分
解磁気共鳴造影法」を参照されたい。然し、生体系にフ
―リエ加速度符号化を用いることは、現在利用し得る機
器に於ける勾配装置の強度によって制限される。勾配の
最大振幅は１Ｇ／cm程度である。ロ―ブ３つの加速度
パルスを使うと、流体の加速度の作像に役立つ様な、動
きの２次微分より下の動きの次数の微分が抑圧される。
云い換えれば、動かないスピン及び一定速度で動くスピ
ンが抑圧される。

【００４１】図１１はこの発明のＮＭＲパルス順序に使
うのに適したＮＭＲ作像装置の主な部品を示す簡略ブロ
ック図である。装置を全体的に４００で示すが、これは
汎用ミニコンピュ―タ４０１をディスク記憶装置４０３
及びインタ―フェ―ス装置４０５に機能的に結合して構
成される。ＲＦ発信機４０２、信号平均装置４０４、及
びｘ，ｙ，ｚ勾配コイル４１６，４１８，４２０を夫々
付勢する為の勾配電源４０６，４０８，４１０が、イン
タ―フェ―ス装置４０５を介してコンピュ―タ４０１に
結合されている。

【００４２】ＲＦ発信機４０２はコンピュ―タ４０１か
らのパルス包絡線によってゲ―トし、被検体に核共鳴を
励振するのに必要な変調を持つＲＦパルスを発生する。
ＲＦパルスが、作像方法によるが、１００ワットから数
キロワットまでのレベルになるまで、ＲＦ電力増幅器４
１２で増幅され、発信コイル４２４に印加される。全身
作像の様なサンプル容積が大きい場合、一層高い電力レ
ベルが必要であり、大きなＮＭＲ周波数帯域幅を励振す
る為に持続時間の短いパルスが必要な時もそうである。

【００４３】ＮＭＲ信号を受信コイル４２６で感知し、
低雑音前置増幅器４２２で増幅し、更に増幅、検波及び
フィルタ作用を行なう為に受信機４１４に印加される。
その後信号がディジタル化され、信号平均装置４０４に
よって平均され、コンピュ―タ４０１によって処理され
る。前置増幅器４２２及び受信機４１４は、送信の際、
能動ゲ―ト作用又は受動フィルタ作用により、ＲＦパル
スから保護される。

【００４４】コンピュ―タ４０１が、ＮＭＲパルスに対
するゲ―ト作用及び包絡線変調と、前置増幅器及びＲＦ
電力増幅器に対する消去作用をすると共に、勾配電源に
対する電圧波形を作る。更にコンピュ―タは、フ―リエ
変換、像の再生、デ―タのフィルタ作用、像の表示及び
記憶作用（これら全てはこの発明の範囲外である）の様
なデ―タ処理をも行なう。

【００４５】希望によっては、発信及び受信ＲＦコイル
は、１つのコイルで構成することが出来る。この代り
に、電気的に直交する２つの別々のコイルを使ってもよ
い。後者の方が、パルス発信の際、受信機に対するＲＦ
パルスの漏れが減少すると云う利点がある。何れの場合
も、コイルは、磁石４２８（図１１）によって発生され
る静磁界Ｂ₀の方向に対して直交している。コイルは、
ＲＦ遮蔽ケ―ジ内に封入することにより、装置の残りの
部分から隔離されている。典型的な３つのＲＦコイルの
設計が図１２，１３及び１４に示されている。これらの
何れのコイルも、ｘ方向にＲＦ磁界を発生する。図１３
及び１４に示すコイルの設計は、サンプル室の軸線が主
磁界Ｂ₀（図１）と平行な磁気形式の場合に適してい
る。図１２に示す設計は、サンプル室の軸線が主磁界Ｂ
₀（図に示してない）に対して垂直な形状に適してい
る。

【００４６】磁界勾配コイル４１６，４１８，４２０
（図１１）が勾配Ｇ_x，Ｇ_y，Ｇ_zを発生する為に必要
である。こゝで説明した作像パルス順序では、勾配はサ
ンプル容積にわたって単調で直線的であるべきである。
勾配磁界が幾つもの値を持つと、ＮＭＲ信号デ―タにエ
イリアシングと呼ばれる劣化が生じ、これが像の著しい
人為効果を招く。直線的でない勾配は、像の幾何学的な
歪みの原因になる。

【００４７】人体の門脈静脈に於ける血液の流れの定量
的な測定にこの発明を使った１例をこゝで説明する。読
取勾配８２、人体の励振円柱８１及び流れ符号化勾配８
６の方向の関係は図５に示されている。

【００４８】遮蔽勾配コイル装置を持つ１．５テスラの
作像装置（ウィスコンシン州のゼネラル・エレクトリッ
ク・カンパニイの製品）を用いてデ―タを収集した。前
に概略的に述べたパルス順序を使って、速度の定量化を
実施した。特に断わらない限り、ＴＲ＝４４．０ms、Ｔ
Ｅ＝２８．８ms、ＲＦはじき角度＝２０°、ＮＥＸ＝
１、収集マトリクスは２５６×２５６である。心臓サイ
クル当たり２０個の速度サンプルが、ゲ―ト式検査で典
型的に得られた。流れ符号化勾配の強度は、２．０cm／
ｓ／画素の速度分解能が得られる様に計算した。円柱状
励振の直径は２cmであった。ｋ−空間の渦巻は完全な８
タ―ンを持ち、半径が２．１ラジアン／cmであり、パル
ス持続時間が１０．０msである。

【００４９】走査を実施する為、各々の被検体の腹を幅
の広いストラップで圧縮した。被検体は、心臓ゲ―ト形
でない走査の間は、息を吐出して止める様に云われた
が、ゲ―ト式の収集の間は、普通の呼吸が許された。最
初に、１２８×２５６の局在化用の走査を実施して、門
脈静脈の大体の場所と向きを決定した。局在化の為に用
いた走査は、２０秒間息を吸ったまゝでいる１回の内
に、少なくとも６個の冠状像が収集出来る位に速い、多
重スライス勾配呼戻しエコ―順序にすることが出来る。
次に、図１５に示した局在化した像を検査して、門脈静
脈の（磁石の中心に対する）変位を決定した。その後、
前掲のポ―リイ、ニシムラ及びマコ―スキイの論文並び
にジャ―ナル・オブ・アプライド・フィジックス誌６
３：４７４１（１９８８年）所載のＣ．Ｊ．ハ―ディ、
Ｐ．Ａ．ボトムリ―及びＰ．Ｂ．レ―マの論文「周波数
変調された核磁気共鳴用の回転ρパルスを用いた軸外の
空間的な局在化」に記載されている様に、円柱状の励振
パルスのｒｆ波形６２（図３）を変調して、励振領域を
門脈静脈の場所に並進させた。その後、ずらした円柱状
の励振を使った勾配呼戻しエコ―像を収集したが、これ
を図１６に示す。

【００５０】その後、同じ円柱状の励振形状を用いて、
フ―リエ流れ符号化手順を用いた。流れ符号化勾配６
１，７１（図３）を門脈静脈と平行に印加して、１回息
を止めている内にデ―タを収集した。この結果得られた
像が図１７に示されている。下大静脈（ＩＶＣ）及び門
脈静脈の両方が負の速度を持ち、流れの方向を示してい
ることが認められよう。

【００５１】図１７のＹ軸と垂直なＸ軸に沿った図をと
ると、速度Ｖ_z対Ｘ変位のグラフを図１８に示す様に構
成することが出来る。

【００５２】この発明を用いて得られた血液の流れの測
定値の精度を判定する為に、水を使ったファントムの検
査を実施した。何種類かの流量のデ―タを収集し、この
発明によるフ―リエ流れ符号化によって得られた流れの
測定値（ＭＲＩ測定値）を刻み目をつけたシリンダ装置
及びストップ・ウォッチを用いて得られたもの（物理的
な測定値）と比較した。２つの測定値の相関が図１９に
示されている。相関係数は０．９９６であることが判っ
た。こゝで説明した流れの測定は、今日Ｘ線法で利用し
得る測定より優れている。

【００５３】こゝで述べた様なフ―リエ速度符号化像を
使って、血液の流れの幾つかの血液力学的な性質を測定
することが出来る。例えば、血管内の最大速度は、血管
の限界内にあって、速度次元での変位が最大である画素
を見つけることによって容易に決定される。速度像内に
ある各々の画素の強度が、所定の場所で所定の速度で動
くスピンの数に比例するから、平均速度及び速度分布の
幅を容易に決定することが出来る。これは、空間的に符
号化された次元内の各点に対し、又は血管全体にわたっ
て行なうことが出来る。読取方向に於ける血管の幅を決
定することが出来るが、その断面が円形でないか、ある
いは読取勾配が斜めに印加された場合、血管の断面を決
定する為に、普通の像が要求されることがある。一旦断
面積が判れば、血管内の合計の流量は容易に決定するこ
とが出来る。従って、この発明は、動きのない分子の像
を抑圧しながら、動きを持つ分子をＮＭＲ法によって作
像する方法を提供した。この発明は、動きの２次微分及
び動きの更に高次の微分によって記述される分子を作像
しながら、１次微分によって記述される動く分子の像又
は動かない分子の像を抑圧することが出来る。

【００５４】この発明のある好ましい特徴だけを図面に
示して説明したが、当業者には種々の変更が考えられよ
う。従って、特許請求の範囲は、この発明の範囲内に属
する全ての変更を包括するものであることを承知された
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】静磁界の中にあるスピンの横方向及び縦方向の
磁化の概略図。

【図２】ＮＭＲ励振パルスを印加した後の図１のスピン
の概略図。

【図３】円柱状ＮＭＲ励振パルスを用いて、流体の流れ
を定量的に測定する為にこの発明で使われるパルス順序
の振幅対時間線図。

【図４】円柱状の励振の間の合成磁界勾配ベクトルの時
間に対する変化を示すグラフ。

【図５】円柱状の励振の区域、流れ符号化勾配、流れの
感度及び読取勾配の相対的な形状を示す概略図。

【図６】励振パルスを印加した後の励振円柱の横方向の
磁化を示す概略図。

【図７】磁界勾配パルスを印加した時の時間に対する横
方向磁化ベクトルの振幅を示すグラフ。

【図８】反対の極性を持つ２つの磁界勾配のスピンに対
する影響を示すグラフ。

【図９】速度符号化の為にこの発明で利用することが出
来る様な、流れ符号化磁界勾配パルスの持続時間に対す
る振幅を示すグラフ。

【図１０】加速度符号化の為にこの発明で使うことの出
来る様な、流れ符号化磁界勾配パルスの持続時間に対す
る振幅を示すグラフ。

【図１１】図３に示したパルス順序を発生するのに適し
たＮＭＲ作像装置の主な部品を示す簡略ブロック図。

【図１２】静磁界Ｂ₀に対してサンプル室が垂直である
場合の形式に使うｒｆコイルの設計を示す概略図。

【図１３】サンプル室が静磁界Ｂ₀に対して平行である
形式の時に使うｒｆコイルの設計を示す概略図。

【図１４】サンプル室が静磁界Ｂ₀に対して平行である
形式の時に使うｒｆコイルの設計を示す概略図。

【図１５】この発明によってその中での流体の流れを測
定しようとする血管を局在化する為に使われる人間の腹
のＭＲ像の写真。

【図１６】励振の配置状態を検証する為にＡ／Ｐ円柱状
励振パルスを用いて収集された冠状ＭＲ像の写真。

【図１７】横軸が速度単位であり、縦軸が前後方向に測
定した流れの空間的な変位を表わす、この発明を用いる
ことによって得られた定量的な速度像の写真。

【図１８】この発明を使うことによって作り出された、
心臓サイクルの選ばれた段階における人体の腹の動脈、
門脈静脈及び大静脈の速度分布像の写真。

【図１９】この発明を使って収集された流れの測定値と
物理的に測定された流体の流れの間の相関性を示すグラ
フ。

【符号の説明】

１０，１１，１２，１４，１５，１６スピン８１励振円柱８２読取勾配のベクトル８３流体の流れのベクトル８６流れ符号化勾配のベクトル

フロントページの続き (72)発明者スティーブン・ピーター・スーザアメリカ合衆国、マサチューセッツ州、ウィリアムズタウン、リンドレイ・テラス、 136番 (72)発明者スティーブン・アラン・アッシュアメリカ合衆国、アイオワ州、アイオワ・シティー、キャリッジ・ヒル、710、ナンバー２（番地なし)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被検体の導管を通る流体の流れの定量測
定方法に於て、（ａ）該被検体に均質な磁界を印加し、
（ｂ）該被検体の複数個の走査を実施して１組の走査デ
―タを収集し、毎回の走査は、イ）被検体に円柱状の励
振を印加し、ロ）測定しようとする流れの軸線に沿って
流れ符号化磁界勾配パルスを印加することによって、被
検体の励振された円柱状部分を流れ符号化し、該流れ符
号化磁界勾配パルスは、最初の走査に対する正の最大値
から最後の走査に対する負の最大値まで、又は最初の走
査に対する負の最大値から最後の走査に対する正の最大
値まで変化する予定の振幅を持つと共に、少なくとも１
つの負のロ―ブ及び少なくとも１つの正のロ―ブを持
ち、ハ）１組の走査デ―タを収集する為、前記被検体に
第１の読取磁界勾配パルスを印加し、該第１の読取磁界
勾配パルスに等しいか又はそれより大きい様な、振幅対
時間曲線の下の面積を持つが、それとは反対の極性を有
する第２の読取磁界勾配パルスを前記被検体に印加し、
前記読取磁界勾配パルスの存在のもとに、所定の期間に
わたり、前記被検体の励振された円柱状部分から再放射
されたＭＲ信号の大きさを感知し、流れ符号化磁界勾配
パルスの対応する予定の振幅に関する、被検体によって
再放射されたＭＲ信号に関係する１組の走査デ―タを記
憶する各工程を含み、更に、（ｃ）流体の動きの輪郭を
再生する為に前記走査デ―タの２次元フ―リエ変換を行
ない、前記走査デ―タから前記導管の断面直径を決定
し、該断面直径及び流体の流れの輪郭から流体の流れを
計算することによって、前記走査デ―タを再生して流体
の流れを決定する工程を含む流体の流れの定量測定方
法。
【請求項２】円柱状の励振を印加する前記工程が、前
記被検体に互いに直交する同時の２つの時間的に変化す
る磁界勾配を印加して、該勾配が、ｋ空間に渦巻形を描
き出す様な合成勾配ベクトルを作り出す様にし、前記被
検体の全体的に円柱状の部分にある予定の原子核の磁気
共鳴又は励振を起させる様に、前記互いに直交する時間
的に変化する磁界に対応する振幅及び持続時間を持つｒ
ｆ励振パルスを前記被検体に印加する工程を含む請求項
１記載の流体の流れの定量測定方法。
【請求項３】前記流れ符号化磁界勾配が２つのロ―ブ
だけを持ち、１番目の流れ符号化磁界勾配パルスのロ―
ブは、最初の走査に対する正の最大値から最後の走査に
対する負の最大値まで、又は最初の走査に対する負の最
大値から最後の走査に対する正の最大値まで変化する予
定の振幅を持ち、２番目の流れ符号化磁界勾配パルスの
ロ―ブは１番目のロ―ブに対し、反対の大きさであっ
て、振幅対持続時間曲線の下の面積が同じであり、流れ
符号化磁界勾配が、前記被検体の励振された円柱状部分
に於ける１次微分又は更に高次の微分によって記述され
る動きを持つ流体の符号化を行なう様にした請求項１記
載の流体の流れの定量測定方法。
【請求項４】前記複数個の走査が、瞬時速度分布を作
り出す様に、生体の心臓サイクルの特定の点に対応する
様に調時されている請求項３記載の流体の流れの定量測
定方法。
【請求項５】前記走査から収集された１組の走査デ―
タから、心臓サイクルの特定の部分に対応する瞬時的な
流れ像を再生する工程を含む請求項４記載の流体の流れ
の定量測定方法。
【請求項６】瞬時的な流れ像を順次表示して、流れ像
の動画を作る工程を含む請求項５記載の流体の流れの定
量測定方法。
【請求項７】普通の磁気共鳴作像方式を使って、測定
しようとする被検体の場所を決定し、その後前記円柱状
の励振を前記場所に局限して測定値を改善する工程を含
む請求項２記載の流体の流れの定量測定方法。
【請求項８】前記流れ符号化磁界勾配パルスが３つの
ロ―ブを持っていて、１番目のロ―ブ及び３番目のロ―
ブの時間対振幅曲線の下の面積が２番目のロ―ブと等し
く、２番目のロ―ブの振幅対持続時間曲線の下の面積
が、１番目及び３番目のロ―ブの振幅対持続時間曲線の
下にある合計面積に負の符号をつけたものに等しくて、
流れ符号化磁界勾配の方向に沿った動きを持つ被検体の
励振された円柱状の部分に於ける流体の流れを符号化
し、前記流体の動きが時間に対する速度の１次又は高次
微分によって記述される請求項２記載の流体の流れの定
量測定方法。
【請求項９】円柱状の励振の後且つ走査デ―タを収集
する前に、励振された円柱状の部分に予定の振幅を持つ
ｒｆパルスを印加して、ｒｆパルスを印加する前の位置
に対するスピンの１８０°の回転を起させ、磁界の均質
性によって起る誤差を相殺する工程を含む請求項２記載
の流体の流れの定量測定方法。
【請求項１０】予定の振幅を持つｒｆパルス及び予定
の振幅を持つ勾配パルスを印加して、選ばれた領域にあ
るスピンを飽和させ、こうして観測される信号に寄与し
ない様にする工程を含む請求項２記載の流体の流れの定
量測定方法。
【請求項１１】励振用ｒｆパルス及び互いに直交する
２つの磁界勾配パルスは、２つの次元では任意の形を持
ち３番目の次元では無限の範囲を持つ容積を励振する様
に選ばれている請求項２記載の流体の流れの定量測定方
法。
【請求項１２】ｒｆパルス及び互いに直交する３つの
勾配磁界パルスが、３次元で任意の形を持つ容積を励振
する様に選ばれる請求項１１記載の流体の流れの定量測
定方法。