JPH11235324A

JPH11235324A - 磁気共鳴診断装置

Info

Publication number: JPH11235324A
Application number: JP10041695A
Authority: JP
Inventors: Kazumi Nishimura; 和美西村; Yoshitaka Bito; 良孝尾藤; Tetsuhiko Takahashi; 哲彦高橋
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 1998-02-24
Filing date: 1998-02-24
Publication date: 1999-08-31

Abstract

(57)【要約】【課題】短時間且つ高精度に静磁場不均一性を計測し、
静磁場補正が可能なMRI装置を提供する。【解決手段】MRI装置は静磁場の不均一を補正する手段
として、静磁場不均一を計測する手段と、静磁場に対し
付加的な磁場を発生するシムコイルと、計測された静磁
場不均一に基づき、それを打ち消す磁場を発生するよう
なシムコイル電流を計算する手段を備えており、静磁場
不均一を計測する手段は、検査対象の被検体の平均共鳴
周波数からずれた周波数で核磁気共鳴をおこさせる高周
波プリパルス101を印加し、その後パルス列を印加して
エコー信号111を収集することにより静磁場不均一マッ
プに対応した局所信号強度を含む画像データを得る。こ
のような計測を高周波プリパルスの中心周波数を変えて
２回を行い、２つの画像間の局所信号強度の比をとるこ
とにより、静磁場不均一マップを作成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気共鳴診断装置
（以下、MRI装置という）に関し、特にMRIにおける静磁
場不均一の補正に関する。

【０００２】

【従来の技術】MRI装置は、均一な静磁場中に置かれた
被検体の原子を構成する原子核スピン（以下、単にスピ
ンという）を所定共鳴周波数の高周波磁場によって励起
し、それによって得られる核磁気共鳴（NMR）信号を計
測し、これを画像化するものである。ここでスピンの共
鳴周波数ｆは静磁場強度Ｂ₀と次式（１）

【０００３】

【数１】（式中、γは磁気回転比を表わし、原子核によって決ま
る定数である。）の関係にあり、静磁場の不均一がある
とスピンからの正確な情報を得ることができず、画像並
びにスペクトルの歪みを引き起こす原因の一つとなる。

【０００４】静磁場不均一は、静磁場発生磁石自体に起
因するほか、被検体自体が磁性体であるために被検体を
磁場中に挿入することによっても生じる。EPI等の超高
速MRIやスペクトロスコピックイメージ等の高精度の計
測の場合には、生体を磁場中に挿入することによって生
じる静磁場の不均一も問題となる。

【０００５】静磁場の不均一性を補正する方法として、
従来、磁性体を配置したパッシブシム或いは、磁場補正
用のコイル（シムコイル）に流す電流を調整するアクテ
ィブシムが用いられているが、上述したように高度の静
磁場均一性が要求される計測では、被検体毎に磁場の不
均一を補正することが可能なアクティブシムが採用され
る。

【０００６】アクティブシムに用いるシムコイルは、通
常互いに直交する磁場、例えば球面調和関数の各項に対
応する磁場を発生する3チャンネル以上の静磁場発生コ
イルから成り、各シムコイルに電流を流すことによって
発生する付加的な静磁場と、主コイルが発生する静磁場
を重ね合わせることにより、より均一な磁場を得る。

【０００７】生体シミングは、１）被検体の静磁場分布
（不均一性）を計測する、２）予め求めたシムコイルの
特性及び計測された静磁場分布を用いて、この静磁場不
均一を打ち消すような磁場を発生させるシム電流値を算
出する、４）シムコイルに算出した電流を流す、という
手順で行われる。

【０００８】静磁場分布の計測としては、傾斜磁場の反
転等により得られるエコー信号の位相情報から求める方
法が多く用いられている。図５は、このような位相情報
を計測する方法の一例である。この方法では、通常のス
ピンエコー法で計測するエコー信号の計測タイミングよ
りも微小時間εずれたタイミングでエコー信号を計測す
る。これは読み出し方向の傾斜磁場Ｇｒを印加するタイ
ミングを調整することにより行われる。このとき得られ
たエコー信号は、微小時間εの間に静磁場不均一Ｅ(x,
y,z)により生じる位相情報が含まれることになる。静磁
場不均一分布Ｅ(x,y,z)は、エコー信号をフーリエ変換
して得られる複素画像Ｓ(x,y,z)の実部と虚部から式
（２）により求めることができる。

【０００９】

【数２】式中、Sr(x,y,z)は複素画像の実部、Si(x,y,z)は複素画
像の虚部、γは磁気回転比を表わす。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述の静磁場分布を位
相情報から求める方法の場合、式（２）からわかるよう
に、Ｅ(x,y,z)はarctan(Si/Sr)が２πの周期毎に同一の
値に計算されるため、Ｅ(x,y,z)がSi/Srと1対1には対応
しないという問題がある。そしてＥ(x,y,z)は、arctan
(Si/Sr)が2πの倍数のときに非連続的な値をとることに
なる。

【００１１】そこで、上記方法を実用化する場合は、Ｅ
(x,y,z)の不連続点を検出して、「磁場強度は空間的に
なだらかである」という判断のもとで滑らかな値（Ｅ'
(x,y,z)）へと推定する処理が必要となる。この様子を
図６に示す。

【００１２】しかし、被検体の構造が複雑な場合（鼻腔
など）は推定処理に時間がかかったり、推定精度が悪
く、推定処理後の値が真値と一致しない場合もある。こ
の影響で、シミングの結果が最良とならない場合があ
る。

【００１３】本発明はこのような不具合を回避し、迅速
且つ高精度の静磁場分布計測が可能であり、それにより
高精度の静磁場均一性が要求される撮影に好適なMRI装
置を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
め、本発明のMRI装置は、検査対象に静磁場を与える手
段と、静磁場の不均一を補正する手段と、検査対象に傾
斜磁場を与える手段と、検査対象を構成する原子の原子
核に磁気共鳴を起こさせる高周波パルスを照射する手段
と、検査対象からのNMR信号を検出する手段と、検出信
号の演算を行う計算機とを備え、更に静磁場の不均一を
補正する手段は、静磁場の不均一を計測する静磁場計測
手段と、静磁場に対し付加的な磁場を発生するシムコイ
ル手段と、静磁場計測手段により計測された静磁場の不
均一性に基づきシムコイル手段を駆動する駆動手段とを
備え、静磁場計測手段は、検査対象の平均共鳴周波数か
らずれた周波数を中心周波数とする高周波プリパルスを
印加し、その後被検体について画像を構成するためのNM
R信号を収集する計測を、高周波プリパルスの中心周波
数を変えて少なくとも２回行い、これら計測で得られた
画像の局所信号強度の比に基づき静磁場不均一マップを
作成するものである。

【００１５】被検体の平均共鳴周波数ｆ₀は静磁場強度
Ｂ₀に比例するので、平均共鳴周波数ｆ₀からずれた周波
数の高周波プリパルスを用いて励起したとき、個々のス
ピンはその局所的静磁場強度に応じて強度の異なる励起
を受ける。従ってその後の計測で得られるNMR信号は静
磁場不均一を反映した信号強度変化を含むことになる。
高周波プリパルスの周波数を変えて同様の計測を行い、
これら２回の計測で得られたNMR信号を用いることによ
り、静磁場不均一を反映した信号強度変化のみを取り出
すことができる。

【００１６】具体的には、計測で得られた画像間の局所
信号強度の比を取ることにより静磁場不均一マップを作
成する。局所信号強度の比と静磁場不均一の対応は、高
周波プリパルスの励起プロファイルを用いて換算するこ
とができる。局所信号強度の比から静磁場不均一マップ
を作成するので、位相情報を用いる場合の推定処理が不
要になり精度が向上する。

【００１７】本発明の好適な態様では、高周波プリパル
スの中心周波数は、プロトンの共鳴周波数をｆ₀[Hz]と
したとき、１回目の計測ではｆ_0-a[Hz]、２回目の計測
ではｆ_0+a[Hz]とすることが好ましい。また高周波プリ
パルスは、その励起プロファイルがｆ_0-aからｆまで或
いはｆからｆ_0+aまで単調減少或いは単調増加する関数
が好ましく、例えばバイノミアルパルス、シンク関数、
ガウシャン関数が用いられる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、実施例を用いて本発明を詳
細に説明する。

【００１９】図３は本発明が適応されるMRI装置の概略
構成図である。このMRI装置は、主として被検体301内部
に一様な静磁場Ｂ₀を発生させるための静磁場発生磁気
回路302と、直交するx,yおよびzの３方向に強度が線形
に変化する傾斜磁場Gx,Gy,Gzを発生する傾斜磁場発生系
303と、被検体に高周波磁場を照射するための送信系304
と、被検体から生じるNMR信号を検出するための検出系3
05と、検出信号を処理する信号処理系306と、装置全体
を制御するコンピュータ308と、コンピュータ308の指令
に基づき傾斜磁場発生系303、送信系304及び検出系305
を所定のパルスシーケンスに従い制御するシーケンサ30
7と、コンピュータ308に各種データや指令を入力するた
めの操作部321とを備えている。

【００２０】更に静磁場発生磁気回路302によって形成
された静磁場の不均一を補正するための手段として、付
加的な磁場を発生するシムコイル318と、シムコイル318
に電流を供給する電源319を備えている。シムコイル318
は、通常、複数のチャンネルからなる。

【００２１】このMRI装置は、シンセサイザ311により発
生させた高周波を変調器312で変調し電力増幅器313で増
幅し、コイル314aに供給することにより被検体301の内
部に高周波磁場を照射し、核スピンを励起させる。通常
は¹Hを対象とするが、³¹P、¹³ C等の他の原子核の核スピ
ンを対象とすることもある。

【００２２】被検体301から放出されるNMR信号はコイル
314ｂにより受信され、増幅器315を通った後、検波器31
6で直交位相検波され、A/D変換器317を経てコンピュー
タ308へ入力される。コイル314は送受信両用でもよく、
図示のように別々でもよい。コンピュータ308は信号処
理後、核スピンの密度分布、緩和時間分布、スペクトル
分布等に対応する画像をCRTディスプレイ328に表示す
る。324と325は計算途中のデータあるいは最終データを
収納するメモリである。

【００２３】次にこのような装置における静磁場不均一
の補正について説明する。静磁場不均一の補正は、シム
コイル318に所定のシムコイル電流を流すことにより行
われるが、このシムコイル電流を決定するために、１）
被検体を装置内に配置した状態での静磁場不均一マップ
の計測、２）静磁場不均一マップを相殺する付加的磁場
を形成するためのシムコイル電流の演算を行う。

【００２４】またシムコイル電流を計算する前提とし
て、シムコイル特性を信号処理系の記憶装置内に格納し
ておく。シムコイル特性は、各チャンネルのシムコイル
ｋに流す電流を微小量ΔI変化させたときの各位置（画
素ｊと表記する）における磁場の変化量ΔB_jを行列で表
わしたもので、次式（３）で与えられる。

【００２５】

【数３】シムコイル特性は、通常は装置固有の値であるため、水
などの均質な試料において予め測定し、スライス厚、ス
ライス間隔、スライス位置毎に行列のまま、あるいは球
面調和関数で展開した展開係数などにして記憶してお
く。

【００２６】静磁場不均一マップの計測は、図１に示す
ようなパルスシーケンスを実行することにより行う。こ
のパルスシーケンスでは、まず高周波プリパルス101を
印加する。このプリパルス101は、例えばパルス長が２
項分布で表わされる比率であって極性が交互に反転する
複数のパルス群で構成されたいわゆるバイノミアルパル
スであり、図２に示すような励起プロファイルを有す
る。プリパルスの中心周波数はｆ_0-a[Hz]とする。ここ
で、ｆ₀はプロトンの共鳴周波数、aは任意の周波数であ
る。

【００２７】図にはパルス長を1:2:1としたバイノミア
ルパルスを示したが、1:3:3:1等のバイノミアルパルス
であってもよく、またプリパルスの形状がシンク関数や
ガウシャン関数であってもよい。

【００２８】このようなプリパルスを印加することによ
り、被検体中のスピンはその位置に置ける静磁場強度に
応じて異なる励起を受けることになる。即ち、静磁場が
均一の場合には、スピンの共鳴周波数は一様であり、す
べてのスピンが同じ励起を受けることになるが、静磁場
に局所的な不均一があると、その場所におけるスピンは
共鳴周波数が変化し、その変化に応じた励起を受けるこ
とになる。

【００２９】このように各スピンが静磁場強度に応じて
異なる強度の励起を受けた状態で、通常のスピンエコー
法によるエコー信号の計測を行う。即ち、スライス選択
のための傾斜磁場Gsl04と共に、スライス内のスピンを
励起するための90°パルス102を印加する。傾斜磁場Gsl
04は、傾斜磁場Gs105とそれを反転させた傾斜磁場Gs106
からなり、90°パルスの中心以降に印加された傾斜磁場
Gs105と傾斜磁場Gs106の面積が等しくなるようにする。
傾斜磁場Gs105の印加に続いて、スピンの位相を変化さ
せるために傾斜磁場Gpl08を印加する。その後、スライ
ス選択傾斜磁場Gs107と共に、スライス内のスピンを反
転するために180°パルス103を印加する。次に、リード
アウト傾斜磁場Gr110を印加し、その反転により、エコ
ー信号echo111を取得する。

【００３０】ここで、180°パルス103の中心から傾斜磁
場Gr110の中心までの時間は、90°パルス102の中心から
180°パルス103の中心までの時間（TE/2）と一致させ
る。このとき取得されるエコー信号は、静磁場不均一に
よる位相変化は相殺されているが、各スピンにプリパル
ス101により与えられた静磁場の不均一を反映する信号
強度情報を含んでいる。

【００３１】このことを更に図４により説明する。即
ち、例えば図４（ａ）に模式的に示すように、励起され
たスライスの一端ｘ₁では静磁場強度が本来の静磁場強
度Ｂ₀よりΔＢ高く、他端ｘ₂ではΔＢ低い場合、一端ｘ
₁にあるスピンは、静磁場強度がＢ₀である場合の共鳴周
波数ｆ₀よりも高い周波数が共鳴周波数（ｆ₀+Δｆ）と
なり、他端ｘ₂にあるスピンは、静磁場強度がＢ₀である
場合の共鳴周波数ｆ₀よりも低い周波数が共鳴周波数
（ｆ₀−Δｆ）となる。これは既に述べたようにスピン
の共鳴周波数ｆが（γ/2π）・Ｂ₀（ｘ,ｙ,ｚ）に比例す
ることによる。

【００３２】このような静磁場におかれたスピンに図２
のようなプロファイルのプリパルス101を印加すると、
一端ｘ₁にあるスピンはプリパルス101による励起を殆ど
受けていないのに対し、他端ｘ₂にあるスピンはそれよ
り強い励起を受ける。このように異なる強度で励起され
たスピンが、90°パルス102により励起されと、既に励
起されているスピンでは信号が低下し、励起を受けてい
ないスピンでは高信号が得られる。従ってエコー信号ec
ho111は、局所的な信号強度の変化を含む信号となる。

【００３３】図１のパルスシーケンスを位相エンコード
108を変えつつ繰り返し、複数(64,128,など)のエコー信
号を取得することにより、画像化に必要なエコー信号の
組が取得される。このエコー信号の組をフーリエ変換す
ることにより、局所（ピクセル）毎の信号強度を表わす
画像データが得られる。この画像データは、ピクセル毎
に本来の信号値に加え、静磁場強度の不均一による信号
変化を含んでいる。

【００３４】但し、この画像データには本来の信号値が
含まれているため、これから直ちに信号変化のみを取り
出すことはできない。このため本発明では第２の計測を
行う。第２の計測は、図１に示すように高周波プリパル
ス121の中心周波数をｆ_0+a[Hz]とした以外には、第１の
計測と全く同様のシーケンスを行なう。

【００３５】この場合、図４（ｂ）からもわかるよう
に、スライスの一端ｘ₁のスピンと他端ｘ₂のスピンとで
は、第１の計測の場合とは逆に、前者がプリパルスによ
る強い励起を受け、後者は励起を殆ど受けないことにな
る。従って、このようなプリパルス印加後にスピンエコ
ー法によるパルスシーケンスを実行して取得されたエコ
ー信号は、強い励起を受けているスピンからの信号強度
が低下した信号と、励起を殆ど受けていないスピンから
の信号強度の低下のない信号とを含んでいるが、この場
合の信号変化は第１の計測とは逆になっている。従って
第１の計測で得られた局所毎の信号強度Ｓ₁（ｘ,ｙ,
ｚ）と第２の計測で得られた局所毎の信号強度Ｓ₂（ｘ,
ｙ,ｚ）の比｛Ｓ₁（ｘ,ｙ,ｚ）／Ｓ₂（ｘ,ｙ,ｚ）｝を
取ることにより、静磁場の不均一を反映する信号変化の
みを情報として取り出すことができる。

【００３６】即ち、信号強度Ｓ₁及びＳ₂はそれぞれ次式
で示すように、静磁場を反映した分布Ｆ₁、Ｆ₂と被検体
を反映した分布ρとを成分として持つので、

【００３７】

【数４】これらの比を取ることにより、静磁場を反映した分布Ｆ
₁、Ｆ₂を比として得ることができる。

【００３８】具体的には、第２の計測で取得したエコー
信号131の組をそれぞれ各位相エンコード毎にまとめて
２次元フーリエ変換し、画像を得る。１回目の計測で得
た画像と２回目の計測で得た画像の信号強度の比を各ピ
クセル毎に計算する。

【００３９】この信号強度の比は、高周波プリパルスに
よってスピンが受けた励起の強さの比に相当する。２つ
の高周波プリパルスによる励起の強さの比は、励起プロ
ファイルから周波数の関数として求めることができるの
で、その比がわかれば中心周波数からの周波数のずれと
して磁場不均一を換算することができる。例えば、１回
目と２回目の計測において信号強度が変わらなければ静
磁場不均一は０[ppm]、0.1になっていれば−３[ppm]と
いうように換算される。

【００４０】このようにピクセル毎の静磁場不均一マッ
プが形成されると、次にコンピュータはこの静磁場不均
一マップに基づき、これを打ち消すような付加的磁場を
形成するためにシムコイルの各チャンネルに流すシムコ
イル電流Ｉkを演算する。この演算は、予め記憶装置内
に記憶されたシムコイル特性（式（３））を用いて次式
により行われる。

【００４１】

【数５】シムコイル電源は、演算されたシムコイル電流をシムコ
イルの各チャンネルに供給する。こうして静磁場の不均
一が補正され、この状態で被検体の本計測を開始する。

【００４２】以上説明したように、本発明のMRI装置の
静磁場補正ではエコー信号に含まれる位相情報を利用す
るのではなく、プリパルスによる信号強度の変化から静
磁場不均一を計測しているので、不連続点の推定処理が
不要となり、高精度且つ短時間で静磁場補正を行うこと
ができる。

【００４３】尚、以上の実施例では静磁場不均一計測の
ためのシーケンスとしてスピンエコー法によるシーケン
スを示したが、これに限定されずEPI法や高速スピンエ
コー法を採用してもよい。

【００４４】本実施例でプリパルスの強度は、４５゜、
１８０゜等任意に選ぶことができる。また本実施例では
第１の計測と第２の計測とで異なる周波数のバイノミア
ルパルスをプリパルスとして用い、次いで励起用パルス
を印加する構成としたが、励起用（９０゜）パルスとし
て周波数の異なるバイノミアルパルスを用いてもよい。
この場合には励起用パルスが本願のプリパルスとしても
機能し、同様の効果を得ることができる。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のMRI装置
によれば、静磁場計測手段は、被検体の平均共鳴周波数
からずれた周波数で核磁気共鳴をおこさせる高周波プリ
パルスを用い、エコー信号に局所静磁場強度を反映した
信号強度変化を与え、局所信号強度の比から静磁場不均
一マップを作成するように構成したので、静磁場分布の
不連続点の検出や滑らかな値への推定処理等を不要にで
きる。その結果、静磁場計測のための処理時間が短縮
し、より正確な静磁場不均一マップの取得が可能とな
る。これによりシミングの精度を向上することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のMRI装置における静磁場分布計測のた
めのパルスシーケンスを示す図。

【図２】静磁場分布の計測に用いられる高周波パルスの
励起プロファイルの一例を示す図。

【図３】本発明が適用されるMRI装置の全体の構成を示
す図。

【図４】本発明における静磁場分布の計測の原理を説明
する図。

【図５】従来の静磁場分布計測のためのパルスシーケン
スを示す図。

【図６】従来の静磁場分布計測における推定処理を説明
する図。

【符号の説明】

301・・・・・・被検体 302・・・・・・静磁場発生磁気回路 303・・・・・・傾斜磁場発生系 304・・・・・・送信系 305・・・・・・検出系 306・・・・・・信号処理系 308・・・・・・計算機（コンピュータ） 318・・・・・・シムコイル（静磁場の不均一を補正する手
段） 319・・・・・・シム電源（シムコイル手段を駆動する手段）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】検査対象に静磁場を与える手段と、前記静
磁場の不均一を補正する手段と、前記検査対象に傾斜磁
場を与える手段と、前記検査対象を構成する原子の原子
核に磁気共鳴を起こさせる高周波パルスを照射する手段
と、前記検査対象からの核磁気共鳴信号を検出する手段
と、検出信号の演算を行う計算機とを備え、前記静磁場
の不均一を補正する手段は、前記静磁場の不均一を計測
する静磁場計測手段と、前記静磁場に対し付加的な磁場
を発生するシムコイル手段と、前記静磁場計測手段によ
り計測された静磁場の不均一性に基づき前記シムコイル
手段を駆動する駆動手段とを備えた磁気共鳴画像診断装
置において、前記静磁場計測手段は、前記検査対象の平均共鳴周波数
からずれた周波数を中心周波数とする高周波プリパルス
を印加し、その後前記被検体について画像を構成するた
めの核磁気共鳴信号を収集する計測を、前記高周波プリ
パルスの中心周波数を変えて少なくとも２回行い、これ
ら計測で得られた画像の局所信号強度の比に基づき静磁
場不均一マップを作成することを特徴とする磁気共鳴診
断装置。