JPS6020140A - 核磁気共鳴による検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、核磁気共鳴（ｎｕｃｌｅａｒ　ｍａｇｎｅｔ
ｉｃ　ｒｅｓｏ−ｎａｎｃｅ　）　（以下これをｒＮＭ
ＲＪと略称する。）現象を利用して、被検体内における
特定原子核分布等を被検体外部より知るようにした核磁
気共鳴による検査方法および検査装置に関するものであ
る。特に、医療用装置に適するＮＭＲ画像装置の改良に
関する。

本発明の説明に先だって、はじめにＮＭＲの原理につい
て概略を説明する。

原子核は、陽子と中性子とからなっており、これらは全
体として、核スピン角運動量■で回転しているとみなさ
れる。

第１図は、水素の原子核（Ｈ）を示したもので、（イ）
に示すように１個の陽子Ｐからなり、スピン量子数２で
表される回転をしている。ここで、陽子Ｐば、（ロ）に
示すように正の電荷ｅを持っているので、原子核の回転
に従い、磁気モーメントμが生ずる。すなわち、一つ一
つの水素の原子核は、それぞれ一つ一つの小さな磁石と
みなせる。

第２図は、この点を模式的に示した説明図で、鉄のよう
な強磁性体では、この微小磁石の方向が（イ）に示すよ
うに揃っており、全体として磁化が観測される。これに
対して、水素等の場合は、微小磁石の方向（磁気モーメ
ントの向き）は（ロ）に示すようにランダムであって、
全体として磁化は見られない。

ここで、このような物質に、Ｚ方向の静磁場Ｈ。

を印加すると、各原子核がＨａの方向に揃う。すなわち
核のエネルギー準位がＺ方向に量子化される。

第３図（イ）は水素原子核についてこの様子を示したも
のである。水素原子核のスピン量子数は％であるから、
第３図（ロ）に示すように、−２と＋２の２つのエネル
ギー準位に分かれる。２つのエネルギー準位間のエネル
ギー差へＥは、（１１式％式％ ただし、γ：磁気回転比 上−ｈ／２π ｈニブランク定数 Ｈｏ　：磁場強度 ここで各原子核には、静磁場Ｈｏによって、μＸＨ。

なる力が加わるので、原子核はＺ軸のまわりを、（２）
式で示すような角速度ωで歳差運動する。

ω−ｒＨｏ（ラーモア角速度）　・・・・・・（２）こ
の状態の系に角速度ωに対応する周波数の電磁波（通常
ラジオ波）を印加すると、共鳴がおこり、原子核は（１
）式で示されるエネルギー差ΔＥに相当するエネルギー
を吸収して、高い方のエネルギー準位に遷移する。核ス
ピン角運動量を持つ原子核が数種類混在していても、各
原子核によって磁気回転比γが異なるため、共鳴する周
波数が異なり、したがって特定の原子核の共鳴のみを取
り出すことができる。また、その共鳴の強さを測定すれ
ば、原子核の存在量も知ることができる。また、共鳴後
、緩和時間と呼ばれる時定数で定まる時間の後に、高い
準位へ励起された原子核は、低い準位へもどる。

この緩和時間は、スピン−格子緩和時間（＃：：ｔＩｒ
’Ｆｉ和時間）Ｔ１と、スピン−スピン緩和時間（横緩
和時間）Ｔ２とに分類され、この緩和時間を観測するこ
とにより物質分布のデータを得ることができる。一般に
固体では、スピンは結晶格子の」二に決まった位置にほ
ぼ固定されているので、スピン同士の相互作用が起こり
やすい。したがって緩和時間Ｔ２は短く、核磁気共鳴で
得たエネルギーは、まずスピン系にゆきわたってから格
子系に移ってゆく。したがって時間Ｔ１はＴ２に比べて
著しく大きい。これに対して、液体では分子が自由に運
動しているので、スピン同士スピンと分子系（格子）の
エネルギー交換の起こりやすさは同程度である。したが
って時間Ｔ１とＴ２ばほば等しい値になる。特に時間Ｔ
□ば、各化合物の結合の仕方に依存している時定数であ
り、正常組織と悪性腫瘍とでは、値が大きく異なること
が知られている。

ここでは、水素原子核（ＩＨ）について説明したが、こ
の他にも核スピン角運動量をもつ原子核で同様の測定を
行うことが可能であり、水素原子核以外に、リン原子核
（３１Ｐ）、炭素原子核（”Ｃ）、ナトリウム原子核（
”Ｎａ　、）　’７　ソ素原子核（１９Ｆ）、酸素原子
核（１７０）等に適用可能である。

このように、ＮＭＲによって、特定原子核の存在量およ
びその緩和時間を測定することができるので、物質内の
特定原子核について種々の化学的情報を得ることにより
、被検体内に種々の検査を行うことができる。

従来より、このようなＮＭＲを利用した検査装置として
、Ｘ線Ｃ′Ｆと同様の原理で、被検体の仮想輪切り部分
のプロトンを励起し、各プロジェクションに対応するＮ
ＭＲ共鳴信号を、被検体の数多くの方向についてめ、被
検体の各位置におけるＮＭＲ共鳴信号強度を再構成法に
よってめるものがある。

第４図は、このような従来装置におりる検査手法の一例
を説明するための動作波形図である。

被検体に、はじめに第４図（ロ）に示すように２勾配磁
場Ｇｚ　と、（イ）に示すように細い周波数スペクトル
（ｆｌのＲＦパルス（９０°パルス）を印加する。この
場合、ラーモア角速度は、ω＝ｒ　（Ｈｏ　＋ｚ−Ｇｚ
） となる。したがって、２が上式を満たすｘｙ平面上のプ
ロトンのみが励起され、磁化Ｍを第５図（イ）に示すよ
うな角速度ωで回転する回転座標系上に示せば、ｙ′軸
方向９０°向きを変えたものとなる。続いて、第４図（
ハ）、（ニ）に示すようにＸ勾配磁場Ｇｘとｙ勾配磁場
ｃｙを加え、これによって２次元勾配磁場を作り、（ボ
）に示すようなＮＭＲ共鳴信号を検出する。ここで、磁
化Ｍは第５図（ロ）に示すように、磁場の不均一性によ
って、Ｘ′、ｙ′面内で矢印方向に次第に分散して行く
ので、やがてＮＭＲ共鳴信号は減少し、第４図（ホ）に
示すようにτ時間を経過して無くなる。このようにして
ｉＭられたＮ　Ｍ　Ｒ共鳴信号をフーリエ変換すれば、
Ｘ勾配磁場Ｑｘ、ｙ勾配磁場Ｇｙにより合成された勾配
磁場と直角方向のプロジェクションとなる。

以下、同じようにして、所定の時間τ′だの待って、次
のシーケンスを繰り返す。各シーケンスにおいては、Ｇ
ｘ、Ｇｙを少しずつ変える。これによって、各プロジェ
クションに対Ｊ応するＮＭＲ共鳴信号を被検体の数多く
の方向につい請求めることができる。

このような動作をなす従来装置において、測定対象とす
るラーモア角速度の範囲をω１からω２（ただしω１〈
ω２）とするとき、核磁気共鳴信号を２個の位相検波器
により位相検波を行い、その位相検波器の角速度ω３を ω１　〈ω３　〈ω２ となるように設定する方法が発明された。

この方法は、例えば「ファラベソカー著、パルスおよび
フーリエ変換核磁気共鳴、１．２．４節および図Ａ５．
４　（日本語訳）書間書店」に記述があるが、検波増幅
器の帯域幅を狭くして信号雑音比を向上することができ
る、同一帯域をカバーするＲＦパルスの電力を小さくす
ることができる、等の利点があることが知られている。

しかし、このようにして得られたそれぞれの位相検波器
の出力は、それぞれ別にフーリエ変換を施す等の処理が
必要であり、演算処理装置が複雑になるとともに、演算
処理のための時間が長くなる欠点がある。

本発明者は、この２個の位相検波器の位相角を９０°に
設定して、その各位相器の出力に簡単な演算を施すこと
により、各別にフーリエ変換を行う１・要がなくなるこ
とに気イ」いた。

すなわら本発明は、２個の位相検波器によりｉＭられる
信号の処理を簡単化し一乙処理装置の負担を軽減すると
ともに、処理時間を短縮することができる核磁気共鳴に
よる検査装置を提供することを目的とする。

本発明は、２個の位相検波器のそれぞれの出力を複素数
の実数部と虚数部と見なして、ＱＸｐ　＜２πｉωｏ　
ｔ） ただし、ω０は任意に設定できる角速度を乗算する乗算
手段を備え、この手段の出力をフーリエ変換するように
構成されたことを特徴とする。

この乗算手段は、乗算器により構成して、位相検波器の
出力信号に 、ｅｘｐ　（２πｉωｏ　ｔ） に比例する信号をリアルタイムで乗算するように構成す
ることができる。

また、この乗算手段は、ディジタル演算処理により構成
することができる。

第６図は本発明の手法を実現するための装置の一実施例
の構成を示すブロック図である。図において、１は一様
静磁場Ｈｏ（この場合の方向をＺ方向とする。）を発生
させるための静磁場用コイル、２はこの静磁場用コイル
１０制御回路で、例えば直流安定化電源を含んでいる。

静磁場用コイル１によって発生ずる磁束の密度Ｈｏば、
０．１Ｔ〜２、ＯＴ程度であり、また均一度は１０　以
上であることが望ましい。

３は勾配磁場用コイルを総括的に示したもの、４はこの
勾配磁場用コイル３の制御回路である。

第７図（イ）は勾配磁場用コイル３の一例を示す構成図
で、Ｚ勾配磁場用コイル３１、ｙ勾配磁場用コイル３２
．３３、図示してないがｙ勾配磁場用コイル３２．３３
と同じ形であって、９０°回転して設置されるＸ勾配磁
場用コイルを含んでいる。この勾配磁場用コイルは、一
様静磁場Ｈｏと同一方向磁で、Ｘ、ｙ、Ｚ軸方向にそれ
ぞれ直線勾配をもつ磁場を発生ずる。６０は制御回路４
のコン１−ローラである。

５は被検体に細い周波数スペクトルｆのＲＦパルスを電
磁波として与える励磁コイルで、その構成を第７図（ロ
）に示す。

６は測定しようとする原子核のＮＭＲ共鳴条件に対応す
る周波数（例えばプロトンでは、　４２，６Ｍ１ｌｚ／
Ｔ）の信号を発生する発振器で、その出力は、コントロ
ーラ６０からの信号によって開閉が制御されるゲート回
路６にパワーアンプ６２を介して励磁コイル５に印加さ
れている。７は被検体にお４ノるＮＭＲ共鳴信号を検出
するための検出コイルで、その構成は第７図（ロ）に示
す励磁コイルと同じで、励磁コイル５に対して９０°回
転して設置されている。なお、この検出コイルは、被検
体にできるだけ近接して設置されることが望ましいが、
必要に応じて、励磁コイルと兼用させてもよい。

７１は検出コイル７から得られるＮＭＲ共鳴信号（Ｆ　
Ｉ　Ｄ　：　ｆｒｅｅ　１ｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｄｅｃａ
ｙ）を増幅する増幅器、７２は位相検波回路、７３は位
相検波された増幅器７１からの波形信号を記憶するウェ
ーブメモリ回路で、Ａ／Ｄ変換器を含んでいる。８はウ
ェーブメモリ回路７３からの信号を例えば光ファイバで
構成される伝送路７４を介して入力し、所定の信号処理
を施して断層像を得るコンピュータ、９は得られた断層
像を表示子るテレビジョンモニタのような表示器である
。また、コントローラ６０からコンピュータ８へは、信
号線７６により、必要な情報が伝送される。

ここで、本発明の特徴とするところは、第６図に一点鎖
線で囲む測定回路の部分にある。

第８図はこの測定回路の部分について本発明実施例装置
のブロック構成図を示す。プリアンプ７１の出力に現れ
るＦＩＤ信号は２分岐されて、２個の位相検波器８１お
よび８２に入力する。この２個の位相検波器８１および
８２には、それぞれ復調すべき角速度ωの正弦波と余弦
波とが与えられ、互いに９０°位相差のある位相検波が
行われる。その位相検波器８１および８２の各出力は、
それぞれ複素数の実数部と虚数部と見なして、乗算回路
８３に入力され、信号 に−ｅｘｐ　（２πｉωｏ　ｔ） と乗算される。ここでｋは任意の実数である。その出力
ば複素フーリエ変換（ＦＦＴ）を行うマイクロプロセツ
サ８５に入力する。このマイクロプロセノリ・８５はつ
。エーブメモリ７３に結合されている。

このように構成された装置では、プリアンプ７１の出力
に現れるＦＩＤ信号は時間ｔの複素関数であるから　ｆ
（ｔ）と表すと、位相検波器８１の出力と位相検波器８
２の出力に送出される信号は、関数ｆ　（ｔ）の実数部
と虚数部に対応する。ここで関数ｒ＜ｔ＞のフーリエ変
換をＦ（ω）とし、これを ｆ（ｔ）−−Ｆ（ω） と表すことにすると、 ｆ　（ｔ）　・ｅｘｐ（２πｉωｏ　ｔ）−Ｆ　（ω−
ω０） となる。すなわら、フーリエ変換Ｆ（ω）の周波数を角
速度ω０だり平行移動したフーリエ変換Ｆ　（ω−ω０
　） がｆｌられる。このフーリエ変換はマイクロプロセツサ
８５により高速フーリエ変換のアルゴリズムを用いて実
行される。この場合、ω≧０であるから上記（１）式で
ω−０とおけば、フーリエ変換はＦ（−ω０） となり、負の周波数も周波数軸上のスペクトル分布とし
て表現することができる。

一方、２つの位相検波器の出力を別りにフーリエ変換す
る場合を考えるとつぎのようになる。

いま、複素関数ｒ　（Ｈの実数部および虚数部をそれぞ
れ Ｒｅ（ｆ　（ｔ）　）　、　１ｍ（ｆ　（ｔ）　）と表
わすと、この実数部および虚数部はそれぞれ２つの位相
検波器の出力信号に相当する。フーリエ変換の基本的な
性質により、 Ｒｅ（ｆ（ｔ））→□（Ｆ　（ω）十Ｆ（−ω））・・
・・・・（２） １ｍ（ｆ（ｔ））−土（Ｆ　（ω）　−Ｆ　（−ω）　
１・・・・・・（３） となる。ただし、□は複素共役を表し、ａ＋ｂｉ＝ａ　
−ｂｉ である。上記（２）および（３）式の両辺の和および差
から Ｒｅ　Ｃｆ　（ｔ））　＋１ｍ　Ｃｆ　（ｔ））−”Ｆ
　（ω）・・・・・・（４） １？ｅ（ｆ　（ｔ）　〕　−１１ｍｆ　（ｔ）　〕　−
”Ｆ　（−ω）・・・・・・（５） ただし、ω≧０ が得られ、この（５）式の複素共役をとってＦ（−ωが
得られる。

この乗算処理により、原理的に信号雑音比が劣化する要
因はない。この処理は第９図に示すように、処理前に破
線で示すように分布していた周波数スペクトルを実線で
示すスペクトルのように、周波数軸上を単に平行移動さ
せたものである。

このフーリエ変換により得られたデータを用い゛ζ緩和
時間およびまたは原子密度の分布をめる処理については
、従来例と同様である。

第１０図は測定回路部分の別の実施例回路のブロック構
成図である。この例は、乗算の処理をディジタルデータ
処理により実行するもので、位相検波器８１および８２
の出力はそれぞれＡＩ）変換回路８７および８８により
ＡＤ変換されて、マイクｌ」プロセッサ８９に人力され
る。このマイクロプロセツサ８９にはＲＯＭ９０が接続
されていて、ＡＤ変換回路８７および８８の出力に得ら
れるディジタル信号に、ｅｘｐ（２πｉωｏ　ｔ） ＝　ｃｏｓ２πωｏ　ｔ＋１ｓｉｎ２πωｏｔを乗算す
る。その乗算の結果はメモリ７３に蓄積され、マイクロ
プロセツサ８９または別の図外のプロセッサにより読み
出され利用される。

以上説明したように、本発明によれば、２（［１ｉ１の
位相検波器の出力を別個にフーリエ変換処理することな
く、フーリエ変換が高速かつ簡単化される利点がある。

これにより、フーリエ変換のための装置が簡単化され、
フーリエ変換のだめの処理時間が短縮されて、リアルタ
イムの観測と演算が高速化されるので、本発明を医療機
器その他に実施してその効果は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は水素原子のスピンを説明する図。 第２図は水素原子の磁気モーメントを模式化した図。 第３図は水素原子の原子核が磁場の方向に揃う状態を説
明する図。 第４図はＮＭＲによる検査パルス波形の一例を示す図。 第５図は磁化Ｍを回転座標系に表示する図。 第６図は本発明実施例装置の構成図。 第７図は磁場用コイルの一例を示す構造図。 第８図は本発明実施例装置の測定回路部分のブロック構
成図。 第９図は実施例装置について周波数軸上の平行移動を示
す図。 第１０図は本発明実施例装置の測定回路の別のブロック
構成図。 特許出願人　横河北辰電機株式会社、　、代理人　弁理
士　井　出　直　孝、パ２　。 （イ）　（ロ） 第１図 （伺　（ロ） （イ）　（ロ） 第３図 （ハ） にン （ホ）１ １ ｔｏ　ｔ＋ 第４図 第５図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）被検体の組織を構成する原子の原子核に核磁気共
   鳴を与えるための高周波パルスをその被検体に印加する
   手段と、 上記被検体に空間的に一様な磁界および空間的に傾きを
   もつ勾配磁界を印加する手段と、上記原子核が共鳴して
   いる高いエネルギーレベルから熱平衡状態の低いエネル
   ギーレベルに戻るまでの自由誘導減衰振動を測定する手
   段と、を備え、 上記測定する手段は、 」二記核磁気共鳴信号を互いに所定の位相量だけ位相の
   異なる２個の位相検波器により検波するように構成され
   、 さらに、上記測定する手段から得られる上記自由誘導減
   衰振動のデータから上記被検体の断面像について、上記
   自由誘導減衰振動の緩和時間およびまたは原子核密度の
   分布を演算する手段とを備えた核磁気共鳴による検査装
   置において、上記測定する手段の上記所定の位相量を９
   ０′に設定し、 上記２１［１ｉ１の位相検波器のそれぞれの検波出力を
   複素数の実数部と虚数部と見なしてその検波出力に ｅＸＩ）（２π　ｉ　ωｏ　ｔ） （ただし、ω０は任意に設定できる角速度）を乗算する
   乗算手段と、 この乗算手段の出力をフーリエ変換するフーリエ変換手
   段と を備えたことを特徴とする核磁気共鳴による検査装置。
2. （２）乗算手段は、位相検波器の検波出力信号が導かれ
   た乗算回路により ’−Ｘｐ＜２πｉωｏ　ｔ） に比例する信号をリアルタイムで乗算するように構成さ
   れた特許請求の範囲第（１）項に記載の核磁気共鳴によ
   る検査装置。
3. （３）乗算手段は、 位相検波器の出力信号をディジクル信号に変換する手段
   と、 この手段の出力ディジタル信号を一時蓄積する手段と、 この手段に蓄積されたディジタル化５ＪＴに対してディ
   ジクル演算処理により乗算を施す手段とを備えた特許請
   求の範囲第（１）項に記載の核磁気共鳴による検査装置
   。