JPH10328163A - 核スピン断層撮影装置のためのパルスシーケンスの制御方法及び装置 - Google Patents
核スピン断層撮影装置のためのパルスシーケンスの制御方法及び装置Info
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- JPH10328163A JPH10328163A JP14417598A JP14417598A JPH10328163A JP H10328163 A JPH10328163 A JP H10328163A JP 14417598 A JP14417598 A JP 14417598A JP 14417598 A JP14417598 A JP 14417598A JP H10328163 A JPH10328163 A JP H10328163A
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- G01R33/54—Signal processing systems, e.g. using pulse sequences ; Generation or control of pulse sequences; Operator console
Abstract
シーケンスパラメータの変更が可能になり、最大でも1
タイムスライスの短いレイテンシによってメモリ所要面
積が僅少になるようなパルスシーケンスの制御方法及び
この方法を実施するための装置を構成することである。 【解決手段】 上記課題は、k空間構造の形式で設けら
れたパルスシーケンスプログラムからパルスシーケンス
の実行時間中にグラジエント増幅器及び高周波送受信チ
ャネルのための制御データセットを計算することによっ
て解決される。
Description
置のためのパルスシーケンスの制御方法及びこの方法を
実施するための装置に関する。
ては、実質的にはグラジエント電流の時間経過、高周波
送信パルス及び得られるMR信号に対するサンプリング
周期が制御される。相応する制御データセットは、今日
通常の制御部において実質的にシーケンス開始の前に予
め計算される。この場合、例えばグラジエント電流の上
昇エッジ及び下降エッジに対する記憶された時間経過を
使用する。そしてシーケンス経過中には測定過程がリス
トの形式で「再現」される。このような制御部は例えば
米国特許第5349296号明細書から公知である。
既に固定されているので、シーケンス開始後に後続のシ
ーケンス経過をコントロールすることは非常に困難であ
り制限されている。実質的にはただプランの中に組み込
まれた停止及び外部トリガ信号の待機のみが可能であ
る。大きなデータ容量が記憶されなくてはならない。こ
のデータ容量をある程度限度内にとどめるために、大抵
シーケンストポロジの部分がループ構造の形式で構成さ
れる。よって、データセットには例えばループ文が含ま
れている。従って、データセットの記述「言語」は複雑
で柔軟性に欠ける。
R装置のための制御装置が公知である。この制御装置で
は、シーケンス処理中に制御コマンドのためのメモリが
連続的に大容量メモリから再ロードされる。この結果、
制御コマンドのためのメモリの負荷が軽減される。類似
の制御装置は米国特許第5606258号明細書から公
知である。米国特許第5512825号明細書にはグラ
ジエントに対する遅延時間を最小化するためにグラジエ
ント経過の開始値及び最終値ならびに瞬時の時点を提示
する方法が記述されている。
「論理的」グラジエントと「物理的」グラジエントとを
区別しなくてはならない。この区別は、核スピン断層撮
影装置によって任意に傾斜スライスを結像するために必
要となる。この傾斜スライスは、直交座標系において相
応に傾斜して配置される論理的グラジエントを予め設定
することによって決定される。各グラジエントコイル
は、勿論、決められた方向の、すなわち物理的直交座標
系のただ1つの軸のグラジエントのみを供給する。これ
らのグラジエントを物理的グラジエントと呼ぶ。従っ
て、傾斜した論理的グラジエントは物理的グラジエント
の重畳によって、数学的にみればベクトル加算によって
形成される。しかし、この結果、次のような問題が発生
する。従来の装置では大抵の場合論理的グラジエントは
台形パルスの形状で設定される。複数の論理的グラジエ
ントを重畳すると、物理的グラジエントは大抵の場合も
はや台形の形状ではなく、複雑な電流-時間経過を有す
る。この複雑な電流-時間経過はグラジエント増幅器に
よって制御されねばならない。物理的グラジエントのグ
ラジエントエッジの最大上昇は各グラジエントシステム
においていわゆるスルーレート(slew rate)によって
限定される。さらに勿論グラジエント振幅も限定され
る。論理的グラジエントの設定の際には、どのくらいの
上昇時間が及びどのくらいの振幅が物理的グラジエント
において形成されるのか、ということは予め決定されな
い。というのも、これらはシーケンス経過の際に初めて
論理的グラジエントから計算されるからである。しか
し、他方で論理的グラジエントのために用意されるデー
タセットの設定の際に物理的グラジエントの上昇時間及
び振幅の限定を顧慮しなければならない。例えば常に最
も不利なケース、すなわち全てのグラジエント上昇が1
つの物理的グラジエントにぶつかるケースを想定しなけ
ればならない。よって、グラジエントハードウェアのき
ちんとした有効利用はできないものである。
の欠点を回避するようなパルスシーケンスの制御方法及
びこの方法を実施するための装置を構成することであ
る。
ては、シーケンスプログラムはk空間構造の形式で設け
られており、グラジエント、高周波パルス及び核共鳴信
号のサンプリングのための物理的領域における制御デー
タセットはパルスシーケンスの実行時間中に計算される
方法によって解決され、さらに装置に関しては、k空間
構造の形式で設けられたパルスシーケンスプログラムか
らパルスシーケンスの実行時間中にグラジエント増幅器
及び高周波送受信チャネルのための制御データセットを
計算する制御コンピュータを有するMR装置のための制
御装置によって解決される。
けられたパルスシーケンスプログラムからパルスシーケ
ンスの実行時間中にグラジエント増幅器及び高周波送受
信チャネルのための制御データセットが計算される。こ
の結果、実行中のシーケンスへの介入動作、すなわちシ
ーケンスパラメータの変更が可能になる。最大でも1タ
イムスライスの僅かなレイテンシによってメモリ所要面
積が僅少になる。
得られる。
詳しく説明する。
造がかなり概略的に図示されている。この核スピン断層
撮影装置は均一な基本磁場を形成するマグネットシステ
ム1〜4から成る。このマグネットシステム1〜4は電
流供給部11から給電される。このマグネットシステム
にはグラジエントコイルシステム7、8が設けられてい
る。このグラジエントコイルシステム7、8はグラジエ
ント増幅器12によって制御される。グラジエントコイ
ルシステムは磁場グラジエントを座標系6の3つの空間
方向x,y,zにおいて形成するために構成されてい
る。検査対象5は高周波アンテナ9に囲まれている。こ
の高周波アンテナ9は高周波送信ユニット14ならびに
高周波受信ユニット15に接続されている。高周波送信
ユニット14及び高周波受信ユニット15は高周波シス
テム16の構成要素である。この高周波システム16に
おいてとりわけ受信信号がサンプリングされ、位相に敏
感に復調される。復調された信号から画像再構成コンピ
ュータ17によって画像が作成され、ホストコンピュー
タ20に伝送され、モニタ18に結像される。ユニット
全体はホストコンピュータ20によって制御される。ハ
ードウェア制御は制御コンピュータ21が担う。この制
御コンピュータ21はホストコンピュータ20に接続さ
れている。装置制御部全体は図2にくわしく図示されて
いる。制御コンピュータ21は標準CPUを含み、この
標準CPUにおいて本来の測定シーケンスが実行され
る。このCPUには少なくとも1つの高周波送信ユニッ
ト14、少なくとも1つの高周波受信ユニット15及び
3つのデジタル信号プロセッサ(DSP)22、23及
び24が結合されている。これらグラジエントDSP
は、これらグラジエントDSPのローカルバッファがア
イドル状態になるやいなや、割り込みを通して制御部C
PUからデータを要求する。さらに画像再構成コンピュ
ータ17へのデジタル接続が存在し、この結果、データ
検出を画像再構成に同期させることができる。ホストコ
ンピュータ20へ通じるバスはこのホストと制御部CP
Uとの間にリアルタイム接続を維持する。この結果、ユ
ーザは測定中でも測定経過をコントロールすることがで
きる。
ている。各パルスシーケンスは送信フェーズに分割され
る。この送信フェーズでは、事情によっては所定のグラ
ジエント(図3のGS)の同時的な作用の下に、高周波
パルスが照射される。次いで「ワープ(warp)」状態が
ある。このワープ状態では例えば所定のグラジエント時
間積分によって核スピンの位相エンコード又は特殊なフ
ローエンコード、所定の拡散エンコードなども行われ
る。さらにワープ状態は、隣接するタイムスライスの間
でグラジエント電流の連続性及び安定性を作り出すのに
使用される。このワープ状態の間には高周波作動は許さ
れない。
ている)がある。この受信状態ではアナログ/デジタル
変換器によって発生信号をサンプリングする。この場
合、同時に設定される磁場グラジエント(図3のGR)
を設けることができる。
グラジエント磁場はアクティブではなく、さらに送信も
受信も行われない。これはワープ状態の特殊な場合と見
なすことができる。
グラジエントGPの異なる振幅-時間積分でN回繰り返
される。この結果、N個の位相エンコードされた異なる
信号Sが得られる。各信号はm回サンプリングされ、個
々の測定値は図4に概略的に図示された生データマトリ
クスRDの行に記入される。この生データマトリクスを
測定データ空間と見なし、この測定データ空間を一般に
k空間と呼ぶ。このk空間には次の定義式が成り立つ。
Gy,Gzは直交座標系の方向x,y,zにおける磁場グ
ラジエントである。図3のパルスシーケンスに当てはめ
れば、例えばスライス選択グラジエントGSはz方向に
あり、位相エンコードグラジエントGPはy方向にあ
り、そして読み出しグラジエントGRはx方向にある。
よって、この場合次式が成り立つ。
マトリクスRDから画像が再構成される。というのも、
局所空間(すなわち画像)とk空間との間には数学的に
次のような多次元フーリエ変換を介して関係が成り立っ
ているからである。
布であり、Sは得られる信号である。測定値は離散数値
として得られるので、フーリエ変換はFFT(高速フー
リエ変換)法を用いる離散フーリエ変換として実施され
る。
クスの行を占める。行位置はこの場合上記の構成によれ
ば値kyによって、すなわち先行する位相エンコードグ
ラジエントGPの時間積分によって決定される。
ルスシーケンスが正確に得られるように高周波送信器、
受信チャネル及びグラジエント増幅器を制御することで
ある。この場合、多数の異なるシーケンスタイプがあ
り、この多数の異なるシーケンスタイプをシーケンスト
ポロジと呼ぶ。粗く分類すれば、これは例えばグラジエ
ントエコーシーケンス及びスピンエコーシーケンスであ
る。これらのパルスシーケンス群はまたさらに分割さ
れ、幾つかの例を挙げれば、例えばFLASHシーケン
ス、FISPシーケンス、ターボスピンエコーシーケン
ス及び EPIシーケンスに分割される。できるだけ操
作を簡単にするためには、メニューにおいて様々な解剖
学的領域(例えば腰部の脊柱)にそれぞれ最適なパルス
シーケンスを使用する。しかし他方では、ユーザはユー
ザの特殊な要求にパルスシーケンスを合わせることがで
きる。
トが図5に示されている。ユーザはまず測定プロトコル
(例えば腰部の脊柱)をメニューから選択できる。ホス
トコンピュータが次いでこの解剖学的領域に対して通常
最適な結果を与えるパルスシーケンスの標準を選択し
て、これを表示する。しかし、ユーザはまだユーザ自身
の要求に従ってこのパルスシーケンスを修正することが
できる。各パルスシーケンスには様々なパラメータ、例
えば繰り返し時間、エコー時間、視野経、スライス厚、
マトリクスの大きさ及びフリップ角が所属する。ホスト
コンピュータは解剖学選択に基づいてこれらのパラメー
タに対しても標準を選択し、これを表示する。ここでも
ユーザは選択されたパラメータを修正し、さらに標準的
には設定されないパラメータ、例えばスライス角度を選
択することができる。
びにユーザによって調整されたパラメータ及びシーケン
ス修正に基づいて、「ライブラリ」からシーケンスデー
タファイルがロードされ、シーケンスパラメータ(例え
ばスライス厚)に関する計算が実施される。シーケンス
プログラムは測定パラメータを一連の「論理的」グラジ
エントパルスに変換する。これらのパルスの重畳から3
つの論理的グラジエント電流-時間関数が論理的座標系
PRS(位相エンコード方向、読み出し方向及びスライ
ス方向)において成立する。これらは次に時間等間隔に
離散化されてグラジエント経過メモリにまとめられる。
グラジエントコイルシステムによって設定される物理的
座標系乃至は直交座標系(x,y,z)において傾斜して
配置されるスライスを実現するために、論理的座標系に
おいて与えられる電流目標値を逐一この物理的座標系に
写像する。このために例えば米国特許第5349296
号明細書に記述されているようなマトリクス-ベクトル-
乗算器ユニットが使用される。
ータストリームが得られる。この電流目標値は逐一デジ
タルアナログ変換器にグラジエント増幅器の制御のため
に供給される。
全パルスシーケンスが個々のタイムスライスに分割され
る。この個々のタイムスライスにおいてそれぞれアクシ
ョンがトリガされる。このアクションは例えば全グラジ
エントの一定保持、所定のグラジエントの上昇エッジ及
び所定のグラジエントの下降エッジである。グラジエン
トエッジ自体は開始値及びタイムスライス内の変化Δに
よって設定される。グラジエントエッジの経過はテーブ
ルに格納されており、このテーブルにパルス制御部がア
クセスする。このテーブルは、図7に図示されているよ
うに、リニアなグラジエント上昇エッジを定めることが
できる。しかし、例えば正弦波状のエッジのようなグラ
ジエントエッジに対する別のテーブルを設けることもで
きる。
経過、高周波作動の経過及び受信作動の経過が実質的に
測定開始前に計算されるこの方法は、あまり柔軟性がな
い。というのも、シーケンス実行中にパラメータの変更
ができないからである。さらに、この方法は、全ての予
め計算された値を記憶しなくてはならないので、高いメ
モリ所要面積を有する。要するに、冒頭で説明した理由
からグラジエント増幅器の可能な性能は、最悪のケース
を想定して構成しなくてはならない故に、最適には利用
されない。論理的座標系から物理的座標系に逐一写像す
ることは極めて大きな計算量が必要である。
関数を設定する前に、グラジエント-時間積分(GTモ
ーメント)を論理的座標系から物理的座標系に写像する
ことによって論理的なグラジエント-時間関数を物理的
に実現されるグラジエント-時間関数に回転する。この
後でグラジエント電流-時間関数が、タイムスライス毎
にリアルタイムで隣接するタイムスライスの振幅及び実
現すべきグラジエント-時間積分から各物理的グラジエ
ント軸に対して計算され、グラジエント振幅-時点の組
(tulpe)の形式でグラジエントのためのデジタル信号
プロセッサに伝送される。これによって基準点データス
トリームの計算量の多い時間のかかる写像が回避され
る。グラジエント時間積分の論理的座標系から物理的座
標系への回転ならびにグラジエント振幅-時間関数の計
算は図2の制御部CPU21で行われる。
号プロセッサ22〜24の各々は制御部CPU21から
一連のグラジエント振幅-時点の組を得る。これらの一
連のグラジエント振幅-時点の組はグラジエント-時間経
過曲線の点を示す。デジタル信号プロセッサ22〜24
はリアルタイムでグラジエント電流目標値について連続
する組を離散グラジエント走査ラスタで補間する。この
場合、システムクロックが目標の組の目標時間に到達す
れば、この目標の組を放棄し次の組によって置き換え
る。そしてこの目標の組の目標時間に達するまで続け
る。各目標時間が走査ラスタ上に存在する必要はない。
そのため、この走査ラスタによって予め設定される時間
分解能よりもはるかに細かい時間分解能でグラジエント
ランプをシフトすることができる。従って、実現される
グラジエント時間積分はグラジエント振幅を粗く離散化
した場合でも正確にコントロールできる。
サ22〜24はグラジエント誘導される渦電流の補償の
ためにグラジエント電流の事前歪化を算出し、高周波シ
ステムを制御する高周波シンセサイザの離調によってグ
ラジエント誘導されるグラジエント磁場の変位を補償す
るために周波数オフセット値を算出する。
8に図示されている。MRシーケンスは複数の階層段階
に分けられている。すなわち、外側の層はシーケンスト
ポロジ、例えばFLASH、スピンエコー、ターボスピ
ンエコーなどを表している。
k空間の分割様式を表している。例えばk空間を時間的
にリニアな順序には配置しないようなシーケンス又はこ
のk空間の半分だけが検出されるようなシーケンスがあ
る。
えばスピンエコーシーケンスの場合の180°パルスの
前及び後の複数のタイムスライスにおける位相エンコー
ドグラジエントの分配のような詳細な問題に相応する。
トの合成)は例えば2つの高周波作動の間のグラジエン
ト形式の合成を表す。
い。つまりこの最も内側の層は装置パラメータの細かい
知識を必要とする。他の全ての外側の層は直接コントラ
スト特性に影響を与えるものであり、機械固有の知識、
例えば緩和時間及びシーケンストポロジに関する決定を
表してはいない。
スキャナハードウェアを抽象的に内包しており、従って
自動化にはうってつけである。これに応じて、シーケン
ス制御の際には次のようなやり方をする。
行時間中に行われる。これによってシーケンス経過は最
小限の時間的レイテンシで非決定論的に制御される。さ
らに制御データセットのためのメモリ所要面積がいらな
くなる。というのも、まさに必要な部分のみが「オンデ
マンドに(on demand)」計算されるからである。
けられる。すなわち、前述の最も内側の層とその他の層
とに分けられる。この最も内側の層に対応する部分は制
御部のオペレーティングシステムによって実行される。
これに対して、その他の層は本来のシーケンスプログラ
ムに対応する。
図9に図示されている。まず最初にオペレータによって
シーケンストポロジが選択され、このシーケンストポロ
ジに属するパラメータ、例えば繰り返し時間TR、エコ
ー時間TE、視野経FOV、スライス厚、マトリクスの
大きさ、フリップ角及びスライス角度が選択される。続
いてシーケンスプログラムが作成される。このシーケン
スプログラムは、k空間ベクトル、時間表示及び送信状
態乃至は受信状態の形式の指定(specification)をい
わゆるk空間マシーンに送出する。このいわゆるk空間
マシーンはこれらの値からシーケンス経過中に制御信号
をグラジエント増幅器及び高周波送受信ユニットに供給
する。この「k空間マシーン」という概念を選択するの
は、ここでは通常のようにグラジエント振幅ではなく直
接k空間の値が伝達されるからである。このことによっ
てプログラミングは実質的に簡略化される。状態モデル
には次のような制御の状態が記述される。
を与えるために2つの手段が使用される。すなわち高周
波パルス及びグラジエント磁場である。これらの手段の
制御は原理的に4つの状態を必要とする。すなわち、 待ち状態 高周波送信作動状態 受信作動状態 ワープ状態 である。
ムは測定経過中にタイムスライスの一連の指定を供給す
る。これらのタイムスライスはその都度3つの状態のう
ちの1つに所属する。装置制御部はこれらの表示から次
のタイムスライスで実現すべきグラジエント電流形式と
場合によっては高周波作動とを計算する。これによっ
て、最大でも1タイムスライスのレイテンシが得られ
る。タイムスライスの指定は抽象的に、例えばk空間位
置の直接表示によって実施される。これらの個々の状態
については既に詳細に述べた。ワープ状態についてはま
だ特別な説明が必要である。
形式は、例えばシーケンスプログラムから供給される残
しておくべきk空間距離の表示から完全に自動的に制御
コンピュータによって計算できる。このシーケンスプロ
グラムによって定められるk空間ベクトルは(事情によ
っては傾斜した)スライス位置も表す。まず最初に物理
的座標系へのベクトル回転が適用され、そしてようやく
最適なグラジエント電流形式が計算される。この結果、
冒頭で述べた従来装置の問題、すなわち所定の論理的グ
ラジエントを物理的グラジエントに変換する際にグラジ
エント増幅器では制御しにくい複雑な電流時間経過が生
じるという従来装置の問題が回避される。さらにグラジ
エントシステムを傾斜スライスの場合により良好に利用
できる。というのも、従来装置の場合のようにシーケン
ス決定の際にスルーレート及び振幅に関して最悪のケー
スを想定する必要がないからである。要するに、このや
り方ではシーケンスのプログラミングが極めて簡略化さ
れる。上述のベクトル回転も最適なグラジエント電流形
式の計算もシーケンス経過中に行われる。
示されている。図5の従来の方法の場合のようにユーザ
はまず最初に測定プロトコルを選択し、次いでホストコ
ンピュータが様々な開始値を選択する。これらの様々な
開始値をユーザは修正できる。この時点で測定が開始さ
れる。シーケンス経過中に制御コンピュータが設定に基
づいて高周波送信ユニット及びグラジエント増幅器のた
めの目標値を計算し、さらにADAC変換器を制御す
る。
分による最適な台形状のディフェージング用グラジエン
トパルス列の計算を示す。
ク図である。
る。
ある。
す概略図である。
スの従来の区分を示す線図である。
略図である。
図である。
る。
Claims (8)
- 【請求項1】 MR装置のためのパルスシーケンスの制
御方法において、 シーケンスプログラムはk空間構造の形式で設けられて
おり、 グラジエント、高周波パルス及び核共鳴信号のサンプリ
ングのための物理的領域における制御データセットはパ
ルスシーケンスの実行時間中に計算されることを特徴と
する、MR装置のためのパルスシーケンスの制御方法。 - 【請求項2】 制御部を駆動するシーケンスプログラム
はパルスシーケンスの実行時間中に一連のタイムスライ
スの指定(specification)を供給し、該一連のタイム
スライスの指定はそれぞれ次の3つの状態、すなわち待
ち状態、場合によっては所定のグラジエントと同時の高
周波作動(送信又は受信)状態、ワープ状態のうちの1
つに所属し、 これらの表示からシーケンスの実行時間中にすぐ次のタ
イムスライスで実現すべきグラジエント電流形式及び場
合によっては高周波作動が算出されることを特徴とする
請求項1記載の方法。 - 【請求項3】 グラジエント-時間積分は論理的座標系
から物理的座標系に変換され、次いでグラジエント電流
-時間関数が形成される、請求項1又は2記載の方法。 - 【請求項4】 グラジエント-時間関数は、タイムスラ
イス毎にリアルタイムで、隣接するタイムスライスのグ
ラジエント振幅及び当該タイムスライスで実現すべきグ
ラジエント-時間積分から計算される、請求項3記載の
方法。 - 【請求項5】 グラジエント電流目標値は一連のグラジ
エント振幅-時点の組(tuple)によって設けられ、該一
連のグラジエント振幅-時点の組はグラジエント-時間経
過の点を表しており、 リアルタイムでグラジエント目標電流値について連続す
る組が離散グラジエント走査ラスタで補間される、請求
項4記載の方法。 - 【請求項6】 制御部のシステムクロックが補間の目標
の組の目標時間に到達するやいなや、この目標の組が放
棄されすぐ次の組によって置き換えられる、請求項5記
載の方法。 - 【請求項7】 制御部に対するワープ状態の指定はk空
間ベクトルの設定によって行われることを特徴とする請
求項1〜6までのうちの1項記載の方法。 - 【請求項8】k空間構造の形式で設けられるパルスシー
ケンスプログラムからパルスシーケンスの実行時間中に
グラジエント増幅器及び高周波送受信チャネルのための
制御データセットを計算する制御コンピュータを有する
MR装置のための制御装置。
Applications Claiming Priority (4)
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