JPH0636026B2 - 空間的に選択された核磁気共鳴パルス列 - Google Patents

空間的に選択された核磁気共鳴パルス列

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JPH0636026B2
JPH0636026B2 JP60501655A JP50165585A JPH0636026B2 JP H0636026 B2 JPH0636026 B2 JP H0636026B2 JP 60501655 A JP60501655 A JP 60501655A JP 50165585 A JP50165585 A JP 50165585A JP H0636026 B2 JPH0636026 B2 JP H0636026B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の分野〕 本発明は,空間的に不均一な無線周波場を用いた核磁気
共鳴装置に関する。特に,種々のタイプの応用において
空間的識別性または空間的独立性を増大させる方法に関
する。
〔参考文献〕
1. M.H. Levitt and R. Freeman, J. Magn. Reson. 33,
473 (1797). 2. R. Freeman, S. P. Kempsell and M. H. Levitt, J.
Magn. Reson. 38, 453 (1980). 3. M.H. Levitt and R. Freeman, J. Magn. Reson. 43,
65 (1981). 4. M. H. Levitt and R. Freeman, J. Magn. Reson. 4
3, 502 (1981). 5. A. J. Shaka, J. Keeler, T. Frenkiel and R. Free
man, J. Magn. Reson. 52, 335 (1983). 6. R. Freeman and J. Keeler, J. Magn. Reson. 43, 4
84 (1981). 7. M. H. Levitt, R. Freeman and T. Frenkiel, J. Ma
gn. Reson. 38, 453 (1980). 8. J. S. Waugh, J. Magn. Reson. 49, 517 (1982). 9. M. H. Levitt, R. Freeman and T. Frenkiel, J. Ma
gn. Reson. 50, 157 (1982). 10. A. J. Shaka, J. Keeler and R. Freeman, J. Mag
n. Reson. 53, 313 (1983). 11. T. Frenkiel, M. H. Levitt and R. Freeman, Adv.
Magn. Reson. 11, 47 (1983). 12. M. H. Levitt and R. R. Ernst, J. Magn. Reson.5
5,247 (1983). 13. A. J. Shaka and R. Freeman, J. Magn. Reson. 5
5,487 (1983). 14. M. H. Levitt and R. R. Ernst, Mol. Phvs. 50, 1
109 (1983). 15. G. Bodenhausen, R. Freeman, and D. L. Turner,
J. Magn. Reson. 27, 511 (1977). 16. R. Kaiser, E. Bartholdi, and R. R. Ernst, J. C
hem. Phys. 60, 2966 (1974). 17. M. R. Bendall and R. E. Gordon, J. Magn. Reso
n. 53, 365 (1983). 18. R. Tycko, Phvs. Rev. Lett. 51, 775 (1983). 〔発明の背景〕 核スピンの操作または励起のために用いられる無線周波
パルスの質を高めることにより,ほとんど全てのNMR
スペクトルを改良することができる。理想的なパルス
は,強度が高く,正確に較正され,空間的に均一であり
かつ位相過渡が無いパルスである。パルス強度が高い
と,共鳴オフセット効果が無視できる。空間的に均一で
あると、サンプルの全ての部分に対して正確なフリップ
角が得られる。従って、本願発明の目的は核スピンの操
作または励起のために用いられる無線周波パルスであっ
て正確に較正され、空間的に均一で、かつ、位相過渡の
無いものを得ることである。装置の限界によってそのよ
うな理想条件が妨害される場合には,複合パルス(相互
補償のために設計された単一パルスの群(参考文献1〜
5))を使用することにより重要な処理がなされ得る。
このようにして,共鳴オフセット効果の許容差が大きく
改良され,スピンエコー実験(参考文献3),スピン格
子緩和時間測定(参考文献2),2次元スペクトロスコ
ピー(参考文献6)および広帯域デカップリング(参考
文献7〜11)においてより信頼性ある結果が得られ
る。適当な複合パルス列によりパルスフリップ角のエラ
ーに対する感度が非常に減少され,また共鳴オフセット
効果およびパルス長エラーの同時補正が最近もたらされ
た(参考文献12,13)。
ここで生ずる疑問は,推量または一般原理の適用によっ
て上記の補償パルス列をどのように発見できるかという
ことである。いったんパルス列が提案されたら,共鳴オ
フセットおよびパルス長の挙動の計算は,回転参照フレ
ーム内の孤立磁化ベクトルの動きを支配するブロッホ方
程式の直接適用によりなされ,数値計算により容易に結
果が得られる。多くの場合において展開手順により補償
の範囲が体系的に改良され得ることがわかる。その補償
範囲の改良は,第1段階内で用いられる原理の再適用に
よるものである。この展開手順は,増分利益がパルス列
の増分長さをもはや正当化しなくなるまで続けられる。
装置の不完全性を一般パラメターAで表現し,性能が理
想的であるときに特定値A0であると仮定する。この理想
的性能とは,例えばオフセット依存研究の場合の正確な
共鳴条件やパルスフリップ角の正確な設定に対応するも
のである。べき級数の形式に多くの精緻な手順が含まれ
ているので,先ず特定条件A0で正確に作動するパルス列
から始め,徐々に動作範囲を拡張し,べき級数内の高次
の項を次々に除去していく展開案が採用される傾向にあ
る。このような用心深い手順の不利益は,性能改良が遅
く漸近的であることである。
あまり明白でない試みとして,条件A0においてだけでな
くAの2つの異なる値においても正確に働くパルスを見
つけだすものがある。代表的にはこれら2つの値はA0
両側に対称的に配置される。これら3つの点があまり遠
く離れていなければ,A0の中間値における性能劣下はそ
れほど深刻でないことが分かった。90゜(X)180゜
(−X)270゜(X)複合反転パルスへと導かれるこの
種の原理が広帯域デカップリングのためのWALTZ-16案で
用いられ,参照文献5および10に議論されている。も
し選んだ範囲で性能が合理的にフラットであるならば,
さらに広い範囲にわたり補償を拡張するために同じ原理
を再適用しうる。もし必要なら中間領域を補正するため
に,べき級数方法を用いることができる。
この考えは,パルスフリップ角エラー(共鳴オフセット
効果は故意に無視する。)の場合においても拡張され
る。実際上の興味は、送信コイルのB1場の空間的不均一
性の効果にある。しかしその結果は,パルスフリップ角
αを故意にミス設定することによりシミュレートでき
る。スピン反転パルス180゜(X)の場合を考える。
これを2Xと略記する。XはX軸についての90゜パルス
である。誤設定した反転パルス後のZ磁化を第1a図に
示す。それは曲線cos(α)に従い,大きなフリップ角に
おけるB1不均一効果の増大によりわずかに歪んでいる。
目的は,αの範囲をスピン反転が有効である範囲にわた
って著しく拡張させる複合パルス列を開発することであ
る。秘訣は,フリップ角度が正しいα=180゜でなく
90゜または270゜であるところの曲線の零交差点に
パルス列を集中させることである。これら3つの点にお
いて反転パルスとして働くパルス列を見つけるべきであ
る。そのような1つのパルス列として,以下のものがあ
る。
R1=2X 2Y 2X (1) フリップ角αの関数としての振舞いを第1c図に示す。
原始180゜パルスが零交差を示す点において,また正
確な設定α=180゜の点において正確なスピン反転が
表わされていることに注意されたい。中間領域内の低下
は過剰ではなく,もし必要ならば誤差のべき級数展開に
基づく改良方法によって取除くことができる。R1のフリ
ップ角依存は2つの零交差を有しているので,改良した
パルス列R2を次に計算して,中間フリップ角における性
能を損ねずに上記点における良好な反転をもたらすこと
ができる。
キーポイントは,帰納法によつてR0=2XからR1=2X
2Y 2Xへと展開を一般的にすることが可能である
ことである。このことは,最初にLevitt(参考文献1
4)によって導入された「逆才差列」〔R〕-1の概念を
必要とする。もしRが特定軸の周り(プロトンの場合は
例えば右手系)の普通の意味での回転を表わすとする
と,〔R〕-1は同一軸についての仮説的な逆(左手系)
回転に対応する(参考文献12,13)。〔R〕-1はこ
の場合(オフ共鳴効果を無視する場合)において,パル
ス列Rの時間反転および全無線周波位相の反転(上にバ
ーを付した記号)による方法を通じて達成される。これ
らの用語において,一般化した展開は以下のように書け
る。
Rm+1=Rm〔Rm −π/2-1Rm (2) この方程式(2)において,Rm −π/2は,全パルスが−
π/2ラジアンだけ位相シフトされたパルス列を表わ
す。かくして,もしR1=2X 2Y 2Xであれば, R1 −π/2=▲▼ 2X ▲▼ そして 〔R1 −π/2-1=2 2Y 2Y 展開の次の段階は以下のようになる R=2X2Y2X 2Y▲▼2Y2X2Y2X
(3) この最後のパルス列の性質は,第1d図から判断でき
る。第1d図では,約α=40゜から320゜までの範
囲にわたってかなり良好なスピン反転が達成されてい
る。この数列の半分2X 2Y 2X 2Y は,補
償された90゜励起パルスとして機能する。
フリップ角誤差に非常に寛大である反転パルス列が,現
実の装置内の緩和時間を測定するのに有用である。これ
らはしばしば,本来的に場B1の一様性が貧弱である。何
故ならば,幾何学的に制限(表面コイル)があるからで
あり,あるいはサンプル自体の異種成分が無線周波貫通
に変動をきたすからである。そのようなサンプルの場合
には,パルスフリップ角の適正な較生を得ることが特に
困難である。補償されたパルス列によって,この調節が
それほど重要でなくなる。
原理的には,いくつかのパルスパラメターに対する感度
を減少させるための手続が反転動作としてなされ得る。
このことは,無線周波パルスにより影響を受けるサンプ
ル領域を制限することがしばしば望まれるような現実の
装置におけるNMR研究にとって特に有用である。ここ
で場B1の空間的不均一性が利点に変わる。いくつかの選
択した小さな空間領域内の核スピンを反転させ,それ以
外の残る全部のスピンを基本的に影響無しのままにする
ことが望まれる実験を考える。「逆行補償(retrograde
compensation)」を伴うそのような反転パルス列をシ
ンボルQで表すと、1つの方法として、次のように書け
る。
Q1=2X ▲▼ ▲▼
(4) 上式は、フリップ角が正しく設定されたときにはスピン
反転(2Y)を表すが、フリップ角が零交差点(α=90
゜または270゜)に設定されたときはZ回転(Zまたは
3Z)を表す。
この型のパルス列のための一般的展開手順は,次式で与
えられる。
Qm+1=Qm〔Qm π/2-1 (5) 逆行補償の次の段階は,以下のごとくである。
Q2=2X ▲▼ ▲▼ 2Y ▲▼ ▲▼ ▲▼ 2Y
2X (6) このパルス列の動作に対する洞察は,磁化経路を検査す
ることにより得られる。この目的のために,パルス(例
えば2X 2Y 2X)の各「組(triad)」が等価全
回転により置き換えられ,3つの組の相互作用が単位球
上の3つの連続弧の形態で検査される。条件α=180
゜に近くないフリップ角の全ての設定のために,前記3
つの連続弧が不可避的に+Z軸に向かっている。
そのような3つの軌跡a、b及びcの群を第2図に示
す。これらの弧は正三角形の外形に大体従っているの
で,それらの軌跡は2つの中間頂点においてほぼアンチ
タンジェンシャル(antitangential)である。
スピン反転のためのQ1パルス列の効果を第3a図にαの
関数として示す。効果的なスピン反転のための範囲は,
純粋180゜パルス(第1a図)の後よりもさらにかな
り限定されていることに注意されたい。この領域はいっ
そう狭くなり,そこで9パルスQ2列が用いられる。磁場
1の空間的不均一性の効果を感知させるが、僅かなフ
リップ角の設定が皆無であるときには全サンプルは正確
な180゜パルスを受ける。通常これらの曲線は,条件
α=180゜に関して対称的である。しかし,空間的不
均一効果がフリップ角に比例するので,目立った非対称
性が導入される。
この種の逆行反転パルス列は,B1場が不均一ならば,空
間的に選択された励起パルス列へと容易に変換される。
重要な点は,不完全180゜パルスにより正常に反転さ
れない磁化成分を拒否するために設計されたエクソサイ
クル(EXORCYCLE)位相サイクリングルーチン(参考文
献15)である。単純な90゜(X)パルス(第4a図)か
ら始めて,横方向磁化が逆行反転パルス列Q1によってフ
リップされ,無線周波位相が90゜ステップ内で増大さ
れ,一方受信器位相が以下のように変換される。
Q1 受信器位相 2X ▲▼ ▲▼ 加 2Y ▲▼ 2Y 減 ▲▼ 2Y 2X 加 2Y 2X ▲▼ 減 カイザー等(参考文献16)は,不完全反転パルスが横
方向磁化を3つの部分に細分するということを示した。
3つの部分とは,完全180゜パルスを体験するもの
と,Z磁化に復帰するものと,全くパルスを体験しない
ものである。こうしてエクソサイクルは,αが180゜
に非常に近いときに獲得した信号を保持し,αの他の値
で得られた信号を拒否する。さらに,初期90゜パルス
の後の残余Z磁化は,観測信号に貢献しない。これらの
取消効果は,2次元スペクトロスコピー(参考文献1
5)内のゴーストおよびファントム(phantom)の抑制
に完全に類似している。同様な位相サイクリング方法
(単純な180゜パルスを用いる)が,BendallおよびG
ordon(参考文献17)によって,同一の目的のために
提案された。
第4b図は,パルス列X(Q1)βの後の励起パターンが狭
くなっていくところを示す。ここに,βはエクソサイク
ルルーチンに従って循環された位相角である。これが不
均一場B1とともに用いられて,サンプル内部の小領域を
励起する。パルス列X(Q2)βによって,空間的選択性が
さらに改良される(第4c図)。Q2反転性能は,Q1のそ
れよりも狭いからである。パルス列X(Q2)β(Q1)γ内の
工程を段階的に実行することによって,さらに細い識別
が得られる。ここに,2つの位相角βおよびγは独立に
循環される(16段階)。この非常に狭い励起カーブを
第4d図に示す。
上述した全ての処理において,共鳴オフセット効果は故
意に無視してきた。そして反転才差パルス列が,時間反
転および位相反転によって設計されることを可能にし
た。共鳴オフセットのための補償問題は後に譲る。
これらの新規なパルス列の最も興味ある応用は,生体か
らのNMR応答の空間的選択性励起であろう。その際,
不均一な無線周波場B1を用いる。次の段階は、適当なフ
ァントムサンプルを用いて効果を調べることである。上
で概説した原理は,より一般的なものである。例えば,
以下のような他の展開も可能である。
Λm+1=Λm〔▲Λ −π/3▼〕-1Λ (7) この展開がR列と組合わされるならば,60゜無線周波
位相シフトの意義が問題とされる。これらのΛ列は,R
列と同様にフリップ角変化に対して寛大であるが,第1
cおよび1d図の起伏なしに非常に平坦な曲線となる。
そのような展開,180゜0 180゜2π/3 180゜0の第
1段階が,摂動方法(参考文献18)によりすでに発見
された。本発明の展開を通じて逆行補償が達成される。
Δm+1=Δ〔▲Δ π/3▼〕-1Δ 2π/3
(8) Λ展開がQ列(これ自身,位相回転の意義を有する)と
組合わされるならば,再び位相回転の意義が問題とされ
る。フリップ角依存を表現する曲線の非常に広い平坦領
域を得るために,例えばΛまたはΔ案を用いて,R1=2
X 2Y 2X またはQ1=2X ▲▼ ▲▼
(それぞれ)に対しての処理をすることができる。この
ようなハイブリッドパルス列の性能は,第5図で計算さ
れている。比較のために単純な180゜パルスを伴って
いる。補償されたΛ列は,以下のごとくである。
(2X 2Y 2X)(▲▼ ▲▼ ▲▼)−π/3(2X 2
Y 2X) 一方,逆行補償のための新しいΔ列は,以下のごとくで
ある。
(2X ▲▼ ▲▼)(▲▼ ▲▼ ▲▼)π/3(2
X ▲▼ ▲▼)2π/3 この程度の緻密さの価値は,60゜および120゜の無
線周波位相シフトにとって実際上あまり要求されないほ
どのものである。
最後に,無線周波オフセット効果は,フリップ角エラー
と同様な基礎に基づいて処理できる。オフセットのため
にあるいはオフセットとパルス長ミス設定の両方のため
に補償された反転パルスの新しい群を発生させるのであ
る。
図面の簡単な説明 以下に,各図についての説明をする。
第1図 非スピンサンプル(D2O内の10%H2O)のためのパルス
フリップ角に対する信号振幅の依存。
(a)単純パルス R0=2X (b)周知の複合パルス X 2Y X (c)新規なパルス列 R1=2X 2Y 2X (d)新規なパルス列 R2=2X 2Y 2X 2Y ▲▼ 2Y 2X 2Y 2X 第2図 Q2列のために計算された磁化軌跡。
個々のパルスが3つずつの組(トライアッド)にグルー
プ分けされ,全体的等価回転は各トライアッド毎に別個
に計算される。
(a)2X ▲▼ ▲▼ (b)2Y ▲▼ ▲▼ (c)▲▼ 2Y 2X 1群の3本の軌跡は,値α=135.0゜,137.7゜,140.4
゜をカバーするように示されている。これらの設定にお
いて,全ての磁化ベクトルが+Z軸に向って回帰され
る。
第3図 逆行補償の場合のスピン反転例。
(a)Q1=2X ▲▼ ▲▼ (b)Q2=2X ▲▼ ▲▼ 2Y ▲▼
▲▼ ▲▼ 2Y 2X 条件α=180゜付近での小範囲のフリップ角のみのた
めの効率的な反転がある。それ以外のところでは,磁化
は+Z軸方向に回帰される。α=180゜についての非
対称性は,場B1の空間的不均一性の効果に起因する。
第4図 場B1の空間的不均一性を利用することにより,サンプル
の限定した領域を励起するために設計されたパルス列。
(a)単一パルス(補償無し)。他の曲線は逆行補償を示
す。
(b)X(Q1)β (c)X(Q2)β (d)X(Q2)β (Q2)γ エクソサイクル位相循環が、βおよびγに対して独立に
処理を行なう。B1の不均一性の理由により,フリップ角
の満足な較正をすることは実行不可能である。
第5図 スピン反転列のシミュレートした性能。
(a)単純な180゜パルス (b)ハイブリッド補償されたパルス列 Λ=(2X 2Y 2X)0 (▲▼ ▲▼ ▲▼)−π/3 (2X
2Y 2X)0 (c)ハイブリッド逆行パルス列 Δ=(2X ▲▼ ▲▼)0 (2X 2Y ▲
▼)π/3 (2X ▲▼ ▲▼)2π/3 この最後の数列が,不均一場B1内で優れた空間的選択性
をもたらす。
これまで好適実施例について本発明を説明してきたが,
本発明はより多くの例に適用できることを理解された
い。無線周波場の不均一性に対する空間的感度の増大お
よび空間的独立性の増大は1つの特徴であって,より高
い選択可能程mに対しても精緻にすることができる。請
求の範囲に記載された本発明の真意を外れることなし
に,多くの変形例がなされ得ることは,当業者にとって
明白である。

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】磁気的不均一性を示している空間領域に分
    布される磁気回転共鳴体の排他的に選択した集合体内で
    核磁気共鳴を励起させる方法が、 (a)前記磁気回転共鳴体に分極磁場を付加する工程
    と、 (b)m番目の複合連続組のステップQmの1番目のス
    テップとして、前記選択した共鳴体を占有する領域の一
    部分にある磁化を、選択した平面内で第1の選択した軸
    について180゜フリップさせて前記磁化を180゜再
    方向付させる工程と、 (c)前記複合連続組のステップQmの2番目のステッ
    プとして、前記領域の前記一部分にある磁化ベクトルを
    前記第1の選択した軸に対して+90゜をなす第2の軸
    について180゜回転させるRFパルスを印加する工程
    と、 (d)前記複合連続組のステップQmの3番目のステッ
    プとして、前記領域の前記一部分にある磁化を工程
    (b)のフリップと逆方向に180゜フリップさせる工
    程と、 (e)核磁気共鳴信号を累積させる工程と、 (f)工程(b)から(d)をさらに3回以上反復し、
    前記反復の各々において、 (1)先行する反復に関して選択した平面内で前記回転
    またはフリップ軸を90゜先行させることによって前記
    回転またはフリップ軸の各々を循環させる工程と、 (2)隣接する累積の各々においてNMR信号の累積の
    累算を逆にするところの工程とから成り、 これによって磁化が180゜フリップされる空間領域が
    比較的狭く抑制される、 ところの方法。
  2. 【請求項2】請求項1に記載の方法が、前記分極磁場に
    関して前記共鳴体の磁化を傾斜するように初期傾斜パル
    スを印加する工程によって複合組Qmを先行させること
    から成り、前記傾斜が第2の選択した軸について起こ
    る、ところの方法。
  3. 【請求項3】請求項2に記載の方法であって、 前記第1および第2の選択された軸が非同一であるとこ
    ろの方法。
  4. 【請求項4】請求項3に記載の方法であって、 前記初期傾斜を印加する工程が、前記複合組Qmからあ
    る間隔だけ分離した離散的ステップであるところの方
    法。
  5. 【請求項5】請求項3に記載の方法であって、 前記初期傾斜を印加する工程が、前記複合組Qmを含む
    複合パルスの初期ステップであるところの方法。
  6. 【請求項6】請求項4に記載の方法であって、 前記初期傾斜が、分極磁場に対して横方向の平面内で選
    択した共鳴体を方向付けるところの方法。
  7. 【請求項7】磁気的不均一性を示している空間領域に分
    布される磁気回転共鳴体の非排他的に選択した集合体内
    で核磁気共鳴を励起させる方法が、 (a)前記磁気回転共鳴体に分極磁場を付加する工程
    と、 (b)m番目の複合連続組のステップRmの1番目のス
    テップとして、前記選択した共鳴体を占有する領域の一
    部分にある磁化を、選択した平面内で第1の選択した軸
    について180゜フリップさせて、前記磁化を180゜
    再方向付させる工程と、 (c)前記複合連続組のステップRmの2番目のステッ
    プとして、前記領域の前記一部分にある磁化ベクトルを
    前記第1の選択した軸に対して−90゜をなす第2の軸
    について180゜回転させるRFパルスを印加する工程
    と、 (d)前記複合連続組のステップRmの3番目のステッ
    プとして、前記領域の前記一部分にある磁化を工程
    (b)のフリップと同一方向に180゜フリップさせる
    工程と、 (e)核磁気共鳴信号を累積させる工程と、 (f)工程(b)から(d)をさらに3回以上反復し、
    前記反復の各々において、 (1)先行する反復に関して選択した平面内で前記回転
    またはフリップ軸を90゜先行させることによって前記
    回転またはフリップ軸の各々を循環させ、 (2)隣接する累積の各々においてNMR信号の累積の
    累算を逆にするところの工程とから成り、 これによって、磁化が180゜フリップされる空間領域
    が比較的広く分布される、 ところの方法。
  8. 【請求項8】請求項7に記載の方法が、前記分極磁場に
    関して前記共鳴体の磁化を傾斜するように初期傾斜パル
    スを印加する工程によって複合組Rmを先行させること
    から成り、前記傾斜が第2の選択した軸について起こ
    る、ところの方法。
  9. 【請求項9】請求項8に記載の方法であって、 前記第1および第2の選択された軸が、非同一であると
    ころの方法。
  10. 【請求項10】請求項9に記載の方法であって、 前記初期傾斜を印加する工程が、前記複合組Rmからあ
    る間隔だけ分離した離散的ステップであるところの工
    程。
  11. 【請求項11】請求項9に記載の方法であって、 前記初期傾斜を印加する工程が、前記複合組Rmを含む
    複合パルスの初期ステップであるところの方法。
  12. 【請求項12】請求項10に記載の方法であって、 前記初期傾斜が、分極磁場に対して横方向の平面内で選
    択した共鳴体を方向付けるところの方法。
JP60501655A 1984-04-05 1985-04-04 空間的に選択された核磁気共鳴パルス列 Expired - Lifetime JPH0636026B2 (ja)

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