KR100329467B1

KR100329467B1 - 자기공명단층촬상장치

Info

Publication number: KR100329467B1
Application number: KR1019940018110A
Authority: KR
Inventors: 이이지마나오토; 야마사키가즈나리
Original assignee: 가부시키가이샤 시마쓰세사쿠쇼
Priority date: 1993-07-31
Filing date: 1994-07-26
Publication date: 2002-08-13
Also published as: CN1086573C; CN1098893A; JP2737608B2; DE69413471T2; EP0636342A1; EP0636342B1; JPH0788099A; US5423317A; DE69413471D1; KR950002717A

Abstract

NNR 현상을 이용해서 촬영(imaging)을 행하는 자기공명 단층 촬영장치에 있어서, 상기 장치는 이하의 요소를 포함한다. 촬영영역 공간에 균일한 정자장을 발생하는 주 마그넷트, 상기 정자장 공간에서 직교하는 3차원 방향으로 자장강도가 각각 변화하는 3개의 경사 자장펄스를 발생시키기 위한 제1 내지 제3의 경사 자장 오일, RF 신호의 조사 및 NMR 신호의 검출을 행하기 위한 RF 코일, 상기 RF 코일에서 RF 신호를 조사하는 타이밍에 맞추어 상기 제 1의 경사 자장 코일을 통해서 슬라이스 선택용 경사 자장 펄스를 발생시키고, 상기 제2의 경사 자장 코일을 통해서 위상 엔코드용 경사 자장 펄스를 발생시키며, 상기 RF 신호에 의해 발생하는 NMR 신호와 거의 동시에 상기 제3의 경사 자장 코일을 통해서 판독용 경사 자장 펄스를 발생시켜, 이들 일련의 펄스 시퀀스를 상기 위상 엔코드용 경사 자장 펄스를 변화시키면서 반복하는 경사 자장 제어부, 상기 각 펄스 시퀀스에서 상기 RF 코일을 통해서 RF 신호를 조사함과 동시에 자유수의 양자 공명주파수에서 약간 벗어난 주파수의 RF 신호(MTC펄스)를 상기 RF 코일을 통해서 부가하고, 또 이 부가된 MTC 펄스의 조사강도를 상기 위상 엔코드용 경사 자장 펄스의 강도변화에 기초해서 위상 엔코드량이 작은 경우에는 조사강도를 크게하고, 위상 엔코드량이 큰 경우에는 조사강도를 작게 제어하는 RF 제어부, 상기 RF 코일에 의해 검출된 NMR 신호에서 데이터를 수집하고, 상기 데이터에서 단층상을 재구성하는 데이터 처리부.

Description

자기공명 단층 촬상장치

본 발명은 핵자기공명(NMR)(Nuclear Magnetic Resonance) 현상을 이용해서 촬영(imaging)을 행하는 자기공명 단층 촬상장치에 관한 것이다.

자기공명 단층 촬상장치는 원자핵의 공명현상을 이용하여 생체(生體)내 각 조직에서의 스핀(spin)의 완화시간차를 포착해서 화상화하는 것으로, 완화시간차를 나타내는 우수한 콘트라스트(contrast)의 화상을 얻을 수 있으므로 의료의 형태진단 분야에서 지극히 유용한 것으로 되어 있다. NMR 파라미터(parameter)로서는 통상, 양자(proton)밀도(ρ)와 종완화시간(스핀-격자 완화시간(spin-lattice relaxation time)으로도 불려진다)(T₁) 및 횡완화시간(스핀-스핀 완화시간(spin-spin relaxation time)으로도 불려진다)(T₂)의 2개의 완화시간이 주로 이용되고 있다.

그런데, 이 자기공명 단층 촬상장치에 있어서, 근래 MT(Magnetization Transfer)효과에 의한 콘트라스트 개선법이 알려지게 되었다(S.P.Wolf and R.S.Balaban ; Mag. Reson. Med. vol 10, p135, 1989, B.S,Hu et al. ; Mag. Reson. Med. vol 26, p231, 1992 일본국 특개평 3-173529호 공보등을 참조). 이것은 생체 조직중의 자유수(free water)의 양자와, 막(膜)과 단백질 등 거대분자의 양자 및 그 주위에서 그 운동이 제한되어 있는 물의 양자(이하, 결합수(restricted water)라 칭한다)와의 상호작용을 포착해서 화상의 콘트라스트로 하는 것이다. 이 MT의 크기에 의해 만들어지는 콘트라스트는 MTC(Magnetization Transfer Contrast)라 불려지고 있다. 이 MT의 효과는 단지 화상 콘트라스트의 개선 뿐만 아니라 조직 성상(性狀)을 반영하는 것으로서 의학적인 진단에 유익할 것으로 기대되고 있다.

종래, 이 MTC 화상을 얻기 위해, 경사(gradient) 에코법과 스핀 에코법 등의 촬상 시퀀스에 자유수의 공명주파수에서 약간 벗어난(주파수 오프셋트(offset)를 가지는) 주파수 대역의 프리포화펄스(free saturation pulse)와 이항펄스(binominal pulse) 등으로 불려지는 특수한 형태의 프리포화펄스(여기에서는 이것을 총칭해서 MTC 펄스라 부른다)를 부가하는 방법이 채용되고 있다. 또, 이항펄스로는 자유수의 공명주파수를 포함하지 않고, 결합수의 양자가 공명하는 주파수를 포함한 지그재그(zig-zag) 형상의 주파수 스펙트럼(spectrum)을 가지도록한 특수한 형태의 펄스이다(HORE, P J, 1983. A new method for water suppresion in the proton NMR spectra of aquecus solutions. J. Magn. Resonance, 54, 539-542).

이 MTC 펄스를 조사(照射)함으로써, 통상의 방법으로는 화상화되지 않는 결합수의 횡방향완화가 빠른(예컨대, 횡완화시간 T₂가 0.5msec 이하) 양자를 부분적으로 공명시켜 포화시킬 수 있다. 그리고, 이 때 얻어지는 횡방향 완화가 느린(예컨대, 횡완화시간 T₂가 30msec 이상) 자유수의 양자로부터의 NMR신호의 강도가 간접적으로 이 결합수의 양자의 포화의 영향을 받아, 화상 콘트라스트가 변화한다.

그러나, 종래와 같이 비교적 파워가 큰 RF 펄스를 MTC 펄스로서 조사하면 고주파 성분을 포함하는 MTC펄스에 의해, [MTC펄스의 조사강도와 조사시간의 곱에 비례한다] RF가열이 일어나 특히, 인체를 피검체로하는 경우에 문제가 된다.

본 발명은, 상기한 것을 감안하여, 종래와 동등한 콘트라스트를 얻으면서 RF가열에 의한 온도 상승은 가능한 한 억제할 수 있도록 개선한 자기공명 단층 촬상장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 이와 같은 목적을 달성하기 위해서 다음과 같은 구성을 채용한다.

본 발명은 NMR 현상을 이용해서 촬상을 행하는 자기공명 단충 촬상장치에 있어서,

상기 장치는,

촬영영역 공간에 균일한 정자장(靜磁場)을 발생하는 주 마그넷트와;

상기 정자장 공간에서 직교하는 3차원 방향으로 자장강도가 각각 변화하는 3개의 경사 자장 펄스(슬라이스 선택용 경사 자장 펄스, 위상 엔코드용 경사 자장 펄스, 판독용 경사 자장펄스)를 발생시키기 위한 제1 내지 제3의 경사 자장 코일과;

RF신호의 조사 및 NMR신호의 검출을 행하기 위한 RF코일과;

상기 RF코일에서 RF신호를 조사하는 타이밍에 맞추어, 상기 제1의 경사 자장코일을 통해서 슬라이스 선택용 경사 자장 펄스를 발생시키고, 상기 제2의 경사 자장 코일을 통해서 위상 엔코드용 경사 자장 펄스를 발생시키며, 상기 RF신호에 의해 발생하는 NMR신호와 거의 동시에 상기 제3의 경사 자장 코일을 통해 판독용 경사 자장 펄스를 발생시켜, 이들 일련의 펄스 시퀀스를 상기 위상 엔코드용 경사 자장 펄스를 변화시키면서 반복하는 경사 자장 제어수단과;

상기 각 펄스 시퀀스에 있어서, 상기 RF코일을 통해 RF신호를 조사함과 동시에 자유수의 양자 공명주파수에서 약간 벗어난 주파수의 RF신호(MTC(Magnetization Transfer Contrast)펄스)를 상기 RF코일을 통해서 부가하고, 또 이 부가된 MTC펄스의 조사강도를 상기 위상 엔코드용 경사 자장 펄스의 강도변화에 기초해서, 위상 엔코드량이 작은 경우에는 조사강도를 크게하고, 위상 엔코드량이 큰 경우에는 조사강도를 작게 제어하는 RF제어수단과;

상기 RF 코일에 의해 검출된 NMR 신호에서 데이터를 수집하고, 상기 데이터에서 단층상을 재구성하는 데이터 처리수단;

을 포함한다.

자유수의 양자 공명주파수에서 약간 벗어난 주파수의 MTC 펄스가 조사되면, 단백질등 거대분자의 양자 및 그 주위에서 운동이 제한되어 있는 양자, 즉 결합수의 양자 스핀의 위상이 산산이 흩어져 포화한다. 그러면 MT 효과에 의해 이 결합수의 주위에 있는 자유수의 양자 스핀의 위상정보가 상호작용에 의해 영향을 받는다.

그런데, 이 결합수의 양자 정보가 부가된 신호가 얻어지는 것은 위상 엔코드량이 작은 펄스 시퀀스뿐이다. 이 위상 엔코드량이 작은 펄스 시퀀스에서 얻어지는데이터는 2차원 푸리에 변환되기 전의 데이터군인 로데이터 공간(raw data space)(k공간이라고도 불려진다)의 중앙부에 배치된다. 이 중앙부에 배치되는 데이터는 주로 저주파 성분으로서 화상을 재구성할 때에는 콘트라스트로의 기여도가 크다. 한편, 위상 엔코드량이 큰 펄스 시퀀스에서 얻어지는 데이터는 로데이터 공간의 주변부에 배치된다. 이 주변부에 배치되는 데이터는 주로 고주파 성분으로서 화상을 재구성할 때에는 분해능으로의 기여도가 크고, 콘트라스트로의 기여도는 작다.

결국, 재구성 화상의 콘트라스트를 지배하는 로데이터 공간의 중앙부에 배치되는 데이터를 취득하는 시퀀스, 즉 위상 엔코드량이 작은 시퀀스에 대해서는 MTC 펄스의 조사강도를 크게 하게 된다. 이와 같이, 촬상 시퀀스중 콘트라스트로의 기여도가 큰 시퀀스에 신호강도가 큰 MTC 펄스를 부가하고, 분해능으로의 기여도가 큰 시퀀스에 신호강도가 작은 MTC 펄스를 부가함으로써, RF 가열에 의한 온도상승을 억제하면서 촬상 시퀀스의 전부에 대해서 같은 신호강도의 MTC 펄스를 부가한 경우와 동등한 콘트라스트 화상을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 장치에 있어서, 상기 RF제어수단은, 각 펄스 시퀀스에 있어서 위상 엔코드용 경사 자장 펄스에 의한 위상 엔코드량이 작은 경우에는 MTC 펄스를 부가하고(온으로 하고), 위상 엔코드량이 큰 경우에는 MTC 펄스를 인가하지 않는(오프한다) 온/오프 제어를 행하는 것이 좋다.

위상 엔코드용 경사 자장 펄스에 의한 위상 엔코드량에 따라서 MTC 펄스를 온/오프 제어함으로써, 전체의 펄스 시퀀스에서 MTC 펄스를 인가하는 경우에 비해서 RF가열을 억제할 수 있다.

또한, 본 발명의 장치에 있어서, 상기 RF제어수단은 상기 경사 자장 제어수단과 협동하여, MTC 펄스가 오프된 펄스 시퀀스의 반복기간을 MTC 펄스가 온된 펄스 시퀀스의 반복기간보다도 짧게하는 것이 좋다.

MTC 펄스가 부가된 펄스 시퀀스에서는, 결합수의 양자스핀의 위상이 산산이 흩어져 포화할 때까지의 시간이 필요하다. 그러나, MTC 펄스가 오프된 펄스 시퀀스에서는 이 시간이 불필요하므로 MTC 펄스가 부가된 펄스 시퀀스의 반복기간에 비해서 펄스 시퀀스의 반복기간을 짧게할 수 있다. 이로써, 소정 횟수의 반복기간으로 이루어지는 1개의 화상을 얻기 위한 일련의 펄스 시퀀스로 이루어지는 전체의 시간을 단축할 수 있다.

또한, 본 발명의 장치에 있어서, 상기 RF제어수단은, 위상 엔코드용 경사 자장 펄스의 위상 엔코드량의 변화에 대응시켜 위상 엔코드량이 작아짐에 따라 MTC 펄스의 조사강도를 서서히 크게하는 것이 좋다.

MTC 펄스의 조사강도를 서서히 변화시킴으로써, 결합수의 완화가 빠른 양자의 포화 정도를 변화시킬 수 있다. 따라서, 그것에 따라 로데이터 공간상의 데이터 변화를 제어할 수 있고, 그 결과, MTC 펄스의 조사강도를 조정함으로써 원하는 콘트라스트 화상을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 장치에 있어서, RF제어수단이 부가하는 MTC 펄스는 이항펄스(binominal pulse)인 것이 좋다.

이항펄스로는, 자유수의 공명주파수를 포함하지 않고, 결합수의 공명주파수를 포함한 지그재그형상의 주파수 스펙트럼을 가지도록 한 특수한 형태의 펄스이다. 이 펄스를 사용하면 주파수 스펙트럼이 지그재그형상이므로 전체 파워를 억제할 수 있다. 따라서, 결합수를 포화시키는 데에 필요한 전체 파워를 작게할 수 있고, 또 RF 가열에 의한 온도상승을 억제할 수 있다.

또한, 본 발명의 장치에 있어서, 상기 경사 자장 제어수단은, 상기 각 펄스 시퀀스에서 슬라이스 선택용 경사 자장 펄스의 발생전과 판독용 경사 자장 펄스의 발생후에 제1 내지 제 3의 코일 각각에 스포일러(spoiler) 펄스를 발생시키는 것이 좋다.

여기 펄스(Excitation pulse)를 반복 조사하면 자유수의 양자에 정자화가 남는 경우가 있다. 이것에 의해 실제로는 존재하지 않는 그늘과 윤곽 등의 허상(소위, 아티팩트(artifact))이 재구성된 화상에 발생한다. 그래서, 각 펄스 시퀀스에서 슬라이스 선택용 경사 자장 펄스의 발생전과 판독용 경사 자장 펄스의 발생후에 스포일러 펄스를 발생시킴으로써 자유수의 양자에 잔류해 있는 횡자화를 소거한다. 그 결과, 아티팩트가 없는 선명한 재구성 화상을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 장치에 있어서, 상기 경사 자장 제어수단은, 상기 RF코일에서 RF신호를 조사하는 타이밍에 맞추어, 상기 제1의 경사 자장 코일을 통해서 슬라이스 선택용 경사 자장펄스를 발생시키고, 계속해서 같은 제1의 경사 자장 코일에 제1의 위상 엔코드용 경사 자장펄스를 발생시킴과 동시에, 상기 제2의 경사 자장 코일을 통해서 제2의 위상 엔코드용 경사자장 펄스를 발생시키며, 상기 RF신호에 의해 발생하는 NMR신호와 거의 동시에 상기 제3의 경사 자장 코일을 통해서 판독용경사 자장 펄스를 발생시켜, 이들 일련의 펄스 시퀀스를 상기 제2의 위상 엔코드용 경사 자장 펄스의 강도를 변화시키면서 반복하고, 또 제1의 위상 엔코드용 경사 자장 펄스의 강도를 변화시켜 상기 일련의 펄스 시퀀스를 반복하며, 상기 RF제어수단은 상기 각 펄스 시퀀스에서 제1 및 제2의 위상 엔코드용 경사 자장 펄스의 경사 자장펄스의 강도변화에 따라, 위상 엔코드량이 작은 경우에는 MTC 펄스의 조사강도를 크게하고, 위상 엔코드량이 큰 경우에는 조사강도를 작게 제어하며, 상기 데이터 처리수단은 수집한 데이터를 3차원 푸리에 변환법에 의해 3차원 화상을 재구성하는 것이 좋다.

제2의 위상 엔코드용 경사 자장 펄스와 판독용 경사 자장 펄스에 의해 슬라이스 면방향(X-Y방향)의 위치정보를 부가하고, 제1의 위상 엔코드용 경사 자장 펄스에 의해 슬라이스 두께방향(Z 방향)의 위치정보를 부가하므로 공간 분해능이 (슬라이스 두께방향으로도)등방(等方)인 입체상을 얻을수 있다. 2차원 푸리에 변환법에 기초한 방법으로는 Z방향의 두께가 얇은 관심영역에서만 NMR신호를 얻을수 있지만, 3차원 푸리에 변환법에 기초한 방법으로는 입체적인 관심영역에서 NMR신호를 얻을수 있으므로, NMR신호의 절대량이 증가하여 S/N비가 좋은 데이터를 얻을수 있다. 따라서, 이 데이터에 기초하여 콘크라스트가 우수한 3차원 화상을 얻을수 있다.

또, 2차원 푸리에 변환법에 기초한 방법으로는 여기 펄스의 주파수 대역과 슬라이스 선택용 경사 자장 펄스의 강도에 의해 슬라이스 두께가 결정된다. 그러나, 여기 펄스의 주파수대역을 좁히는 데에는 한도가 있으므로, 5mm정도의 슬라이스 두께밖에 얻어지지 않는다. 한편, 3차원 푸리에 변환법에 의하면 슬라이스 두께방향으로 제1의 위상 엔코드 경사 자장 펄스를 부가함으로써 분해능을 높일수 있으므로, 재구성된 입체상에서 얻어지는 슬라이스 두께는 1mm정도의 매우 얇은 것을 얻을수 있다.

본 발명을 설명하기 위해 바람직한 몇개의 형태가 도시되었지만, 본 발명이 도시된 장치 및 수단에 제한되는 것은 아니다.

이하, 본 발명에 적합한 실시예를 도면에 기초해서 상세히 설명한다.

이하, 본 발명에 적합한 일실시예에 대해서 도면을 참조하면서 상세히 설명한다. 제4도에 나타낸 자기공명 단층 촬상장치에 의해, 제2A도내지 제2D도에 나타낸 펄스 시퀀스를 제1도에 나타낸 바와 같이 반복한다. 결국, 위상 엔코드량을 예컨대 256종류로 변화시키면서 펄스 시퀀스를 반복하여 256라인의 데이터를 수집하고, 256×256의 매트릭스 화상을 재구성하는 경우에는 이하와 같이 MTC펄스(3)를 부가한다. 즉, 위상 엔코드량이 최초에는 부(負)의 방향으로 커지고, 이것이 순차로 0에 가까워져 0으로된 후, 정(正)의 방향으로 순차로 커지게 되도록 변화시키면 위상 엔코드량이 큰 최초의 기간(a)과 최후의 기간(c)에서는 MTC펄스(3)를 부가하지 않고, 위상 엔코드량이 0부근으로 작게되는 기간(b)에만 MTC펄스(3)를 부가하는 것으로 한다.

우선, 제4도에 나타낸 자기공명 단층 촬상장치에 대해서 설명하면, 정자장을 발생하기 위한 주 마그넷트(11)와 이 정자장에 중첩하도록 경사 자장을 인가하는 3개의 경사 자장 코일(12)(12x,12y,12z)(Gradient field coils)이 구비되어 있다.경사 자장 코일(12)은 주 마크넷트(11)에 의한 균일한 정자장에 자장강도가 직교하는 3차원 방향(X,Y,Z)으로 각각 변화하는 3개의 경사 자장(Gx,Gy,Gz)의 펄스(슬라이스 선택용 경사 자장 펄스, 위상 엔코드용 경사 자장 펄스, 판독용 경사 자장 펄스)를 중첩하는 3조의 경사 자장 코일(12x,12y,12z)로 구성되어 있다. 이 정자장 및 경사 자장이 가해지는 공간에는 도시하지 않은 피검체(환자)가 배치되고, 그 피검체에는 RF코일(13)(Radio frequency coil)이 취부(取付)되어 있다.

경사 자장 코일(12)에는 경사 자장 전원(21)이 접속되어, 경사 자장(Gx,Gy,Gz)의 각 경사자장 발생용 전력이 공급된다. 이 경사 자장 전원(21)에는 파형발생기(22)로부터의 파형신호가 입력되어 경사 자장(Gx,Gy,Gz)의 각 경사 자장 파형이 제어된다. RF코일(13)에는 RF파워앰프(33)에서 RF신호가 공급되며, 이것에 의해 피검체로의 RF신호 조사가 행해진다. 이 RF신호는 RF신호발생기(31)에서 발생된 RF신호를 변조기(32)에서 파형발생기(22)로부터 보내진 파형에 따라 AM 변조한 것으로 된다.

피검체에서 발생한 NMR신호는 RF코일(13)에 의해 수신되고, 프리앰프(41)를 거쳐서 위상 검파기(42)로 보내진다. 위상검파기(42)에서, 수신신호는 RF신호발생기(31)로부터의 RF신호를 참조신호로서 위상검파되어, 검파출력이 A/D변환기(43)로 보내진다. 이 A/D변환기(43)에는 샘플링 펄스 발생기(24)로부터 샘플링 펄스가 입력되고, 이 샘플링 펄스에 따라 검파출력이 디지탈 데이터로 변환된다. 그 디지탈 데이터는 호스트컴퓨터(51)로 입력된다.

호스트컴퓨터(51)는 입력된 데이터를 처리하여 화상을 재구성함과 동시에 시퀀서(23)를 통해 시퀀스 전체의 타이밍을 정한다. 즉, 시퀀서(23)는 호스트컴퓨터(51)의 제어하에 파형발생기(22), RF신호발생기(31), 샘플링펄스발생기(24) 등에 타이밍 신호를 보내고, 파형발생기(22)에서 각 파형신호가 출력되는 타이밍을 정함과 동시에, RF신호발생기(31)에서의 RF신호발생 타이밍을 정하며, 또 샘플링 펄스발생기(24)에서 샘플링 펄스 타이밍을 정한다. 또한, 호스트컴퓨터(51)는 파형발생기(22)에 파형정보를 보내고, Gx,Gy,Gz의 각 경사 자장펄스의 파형, 강도 등을 제어함과 동시에, RF코일(13)에서 피검체로 조사하는 RF신호의 포락선(envelope)을 정하며, 또 RF신호발생기(31)에 신호를 보내서 RF신호의 주파수를 제어한다. 따라서, 이 호스트컴퓨터(51)에 의해 경사(gradient)에코법 등의 촬영 시퀀스에 기초한 펄스 시퀀스 전체가 제어됨과 동시에, MTC펄스(3)의 주파수와 파형 및 그것을 부가하는가 아닌가가 제어된다.

여기에서는 제2A도 내지 제2D도에 나타낸 바와 같이, 촬상 시퀀스로서 경사에코법에 의해서 펄스 시퀀스를 행하도록 하고 있고, 이 촬상 시퀀스에 MTC펄스(3)를 부가하도록 하고 있다. 제2A도 내지 제2D도에 나타낸 바와 같이, 이 촬상 시퀀스는 소정의 플립각도(Flip angle)를 가지는 여기펄스(1)를 슬라이스 선택용 경사 자장(여기에서는 Gz를 이용하고 있다)의 펄스(4)와 함께 가한다. 그리고, 슬라이스 선택용 경사 자장(Gz)의 펄스 극성을 반전시킨 펄스(5)를 가함으로써 에코신호(2)를 발생시킨다고 하는 잘 알려진 경사에코법으로 되어 있다. 그리고, 에코신호(2)의 발생전에 위상 엔코드용 경사 자장(여기서는 Gy를 사용하고 있다)의 펄스(6)를 인가하고, 에코신호(2)의 발생시에 판독용 경사 자장(여기에서는 Gx를 사용하고 있다)의 펄스(7)를 가하도록 되어 있다. MTC펄스(3)는 이 촬상 시퀀스의 여기펄스(1) 직전에 가해지고, 자유수의 공명주파수에서 약간 벗어난(주파수 오프셋트를 가진)주파수 대역을 갖도록 캐리어 주파수가 정해진다(RF신호발생기(31)로부터의 RF신호의 주파수가 정해진다). 여기펄스(1)의 주파수는 자유수의 공명주파수로 된다. 또, 이 제2A도 내지 제2D도의 시퀀스는 환상 시퀀스의 전후, 구제적으로는 슬라이스 선택용 경사 자장(Gz)의 펄스(4)의 발생전과 판독용 경사 자장(Gx)의 펄스(7)의 발생후에 경사 자장 코일(12)의 각 코일(12x,12y,12z)에 위상을 산산히 흩어지게 하는 스포일러 펄스(8)(Gz,Gy,Gx의 각 펄스)를 가하도록 하고 있다. 이것은[특히, 단기간에] 여기펄스(1)를 반복 조사해서 자유수의 양자에 횡자화가 남은 경우에 발생하는 실제로는 존재하지 않는 그늘과 윤곽등의 허상(소위 아티팩트(artifact))이 재구성된 화상에 발생하는 것을 방지하기 위한 것이다. 이 스포일러 펄스(8)에 의해 아티팩트가 없는 선명한 재구성 화상을 얻을 수 있다.

그리고, MTC펄스(3)의 파형이 호스트컴퓨터(51)의 제어하에 파형발생기(22)에 의해 정해진다. 이 파형으로 변조기(32)에서 RF신호발생기(31)로부터의 RF신호를 AM변조하는 것에 의해, MTC펄스(3)의 신호강도를 정한다. 여기에서는 상기와 같이 최초의 기간(a)에서는 MTC펄스(3)의 신호강도를 0으로 하고(오프로 하고), 다음의 기간(b)에서는 신호강도를 최대로하며, 최후의 기간(c)에서는 다시 0으로 하고 있다(제1도 참조). 즉, 제2A도 내지 제2D도에 나타낸 펄스 시퀀스를 위상 엔코드용 경사 자장(Gy)을 변화시키면서 n회(예를들면, 256회) 반복하는데, 통상 위상 엔코드용 경사 자장(Gy)은 부의 최대량에서 서서히 0으로 근접하고, 0으로 된 후 서서히 정의 방향으로 크게 하고 있다. 따라서, 최초의 기간(a)에 속하는 반복기간(#1, #2, #3,---)에서는 MTC펄스(3)를 오프로하고, 위상 엔코드량이 0부근으로 되는 다음 기간(b)에 속하는 반복기간(---, #k, #k-1,---)에서는 MTC펄스(3)를 온으로 하며, 위상 엔코드량이 정의 방향으로 큰 최후의 기간(c)에 속하는 반복기간(---, #n)에서는 MTC펄스(3)를 오프로 한다.

이 n회의 각 반복기간에서 얻은 에코신호(2)에서 1라인씩의 데이터가 수집되고, 이들 1라인씩의 데이터가 수집된 순서대로 제3도와 같이 로데이터 공간에 배치된다. 이렇게 해서 2차원적으로 열거된 데이터를 2차원 푸리에 변환함으로써 2차원의 화상이 재구성된다. 예를들면, n을 256으로 해서 1개의 에코신호(2)에서 256회 샘플링하여 256점의 데이터를 얻는 것으로 하면, 로데이터 공간은 256 × 256의 매트릭스로 되고, 재구성되는 화상도 256 × 256의 매트릭스로 된다.

이 재구성 화상의 콘트라스트를 지배하는 것은 주로 로데이터 공간의 중앙부(B)에 배치되는 데이터(기간 b에서 얻어진 데이터)이고, 주변부(A, C)(각각 기간 a, 기간 c에서 얻어진 데이터)에 배치되는 데이터는 그다지 영향이 없다. 이것은 중앙부(B)에 배치되는 데이터는 주로 저주파 성분이고, 주변부(A, C)에 배치되는 데이터는 주로 고주파 성분이기 때문이다. 여기에서는 상기와 같이 기간(b)에서만 MTC펄스(3)를 온으로 하고 있기 때문에 MT효과에 의해 새로운 정보가 부가된 데이터는 중앙부(B)에 배치되는 데이터만으로 되어 있다. 그 때문에 n회의 반복기간 전체에서 MTC펄스(3)를 부가한 것은 아님에도 불구하고, n회의 반복기간 전체에서 MTC펄스(3)를 부가한 경우와 동등한 콘트라스트를 가지는 화상을 재구성 할 수있다. 그리고, MTC펄스(3)의 조사는 기간(b)에 한정되어 있으므로 RF가열에 의한 전체의 인체발열은 낮게 억제하게 되어 발열문제를 회피하면서 효율적으로 콘트라스트를 증강시킬 수 있다.

또, 상기는 1개의 실시예에 대해서 기술한 것이고, 여러가지로 변경 가능하다. 예를들면, MTC펄스(3)를 부가해서 얻은 데이터는 로데이터 공간의 중앙부에 배치되는 것으로, 결국위상 엔코드량이 작을 때의 데이터이면 좋다. 따라서, MTC펄스(3)를 최초와 최후의 기간(a, c)에서 오프하고, 중간의 기간(b)에서 온한다고 하는 순서에 반드시 한정되지는 않는다(위상 엔코드량 변화의 방식에 따라 변한다).

또한, MTC펄스(3)를 온으로한 기간(제1도에서는 기간 b)에서는 결합수의 양자스핀의 위상이 산산이 흩어져 포화할 때까지의 시간이 필요하지만, MTC펄스(3)를 오프로한 기간(제1도에서는 시간 a, c)에서는 그 만큼 각 반복기간을 단축하는 것도 가능하다. 그렇게 함으로써, n회의 반복기간으로 이루어지는 1개의 화상을 얻기 위한 전체의 시간을 단축할 수 있다.

또한, 상기에서는 MTC펄스(3)를 온, 오프로 제어하고 있지만 변조파형을 제어함으로써 그중간의 값도 취해서 얻도록 하고, MTC펄스(3)의 포락선을 위상 엔코드량(의 절대치)에 대응시켜 서서히 변화시키도록 하여도 좋다. 이로써, 결합수 완화가 빠른 양자의 포화 정도를 변화시킬 수 있고, 그것에 따라서 로데이터 공간상의 데이터 변화를 제어할 수 있기 때문에 원하는 콘트라스트 화상을 얻을 수 있다.

또한, MTC펄스(3)는 자유수의 양자 공명주파수에서 약간 벗어난 주파수의 RF신호이지만, 자유수의 공명주파수를 포함하지 않고, 결합수의 양자가 공명하는 주파수를 포함한 지그재그 형상의 주파수 스펙트럼을 가지도록한 특수한 형태에 이항펄스이어도 좋다. 이것에 의하면, 지그재그 형상의 주파수 스펙트럼에 의해 결합수를 포화시키는 데에 필요한 파워를 작게 할 수 있다. 따라서, RF가열에 의한 온도상승을 더욱 억제할 수 있다.

또, 상기와 같은 2차원 푸리에 변화에 의한 2차원 화상의 재구성만이 아니고, 3차원 푸리에 변환에 의한 3차원 화상의 재구성도 가능하다. 여기서 제5A도 내지 제5D도를 참조해서 구체적으로 설명한다. 우선, 슬라이스 선택용 경사 자장(Gz)의 펄스(4)를 여기펄스(1)의 타이밍에 맞추어 발생시킨다. 그리고, 제1의 위상 엔코드용 경사 자장 펄스(9)를 상기 슬라이스 선택용 경사 자장(Gz)의 펄스(4)를 발생시킨 경사 자장 코일(12z)에 발생시킴과 동시에, 경사 자장 코일(12y)에 제2의 위상 엔코드용 경사 자장(Gy)의 펄스(6)를 발생시킨다. 그리고, 제2의 위상 엔코드용 경사 자장(Gy)의 위상 엔코드량을 변화시키면서 펄스 시퀀스를 n회 반복한다. 다음으로, 제1의 위상 엔코드용 경사 자장(Gz)의 위상 엔코드량을 상기 일련의 펄스 시퀀스와는 다르게 하여 다시 제2의 위상 엔코드용 경사 자장(Gy)의 위상 엔코드량을 변화시키면서 펄스 시퀀스를 n회 반복한다. 그리고, 이것을 소정 횟수 반복한다. 이렇게 해서 3차원 적으로 열거된 데이터를 3차원 푸리에 변환하는 것에 의해 3차원 화상이 재구성된다. 이때, 각 펄스 시퀀스에서 제1의 위상 엔코드용 경사 자장(Gz)과 제2의 위상 엔코드용 경사 자장(Gy) 각각의 위상 엔코드량이 작은 경우에는 MTC펄스(3)를 부가하고, 큰 경우에는 부가하지 않는다.

이것에 의하면, 제1의 위상 엔코드용 경사 자장(Gz)의 펄스(9)와 제2의 위상 엔코드용 경사 자장(Gy)의 펄스(6)에 의해 슬라이스 두께방향(Z방향)과 슬라이스 면방향(X-Y방향)의 위치정보를 부가하므로 공간분해능이[슬라이스 두께방향으로도] 등방인 입체상을 얻을 수 있다. 이 3차원 푸리에 변환법에 기초한 방법으로는, 3차원 관심영역에서 NMR신호를 얻을 수 있으므로 NMR신호의 절대량이 증가해서 S/N비가 좋은 데이터를 얻을 수 있다. 따라서, 이 데이터에 기초해서 콘트라스트가 좋은 3차원 화상을 얻을 수 있다. 또, 슬라이스 두께방향으로 제1의 위상 엔코드 경사 자장 펄스를 부가하는 것에 의해 분해능을 높일 수 있으므로 재구성된 입체상에서는 1mm정도의 매우 얇은 슬라이스 두께의 단층상을 얻을 수 있다.

발명의 목적과 본질을 이탈하지 않는 한, 본 발명은 다른 형태로 구현할 수 있고, 본 발명의 범위는 전술한 명세서보다 부가된 청구항에 의해 참조되어야 한다.

제 1 도는 본 발명의 일실시예에 관한 전체의 펄스 시퀀스(sequence)를 나타내는 타임차트,

제 2A 도 내지 제 2D 도는 동실시예에 관한 1반복시간 내의 펄스 시퀀스를 나타내는 타임차트,

제 3 도는 동실시예에 관한 로(raw)데이터 공간을 나타내는 도면,

제 4 도는 동실시예에 관한 자기공명 단층 촬상장치의 블럭도,

제 5A 도 내지 제 5D 도는 3차원 푸리에(Fourier)변환법에 기초해서 1반복기간 내의 펄스 시퀀스를 나타내는 타임차트이다.

**도면이 주요부분애 대한 부호의 설명**

1.....여기펄스, 2.....에코(echo)신호,

3.....MTC펄스, 11.....주마그넷트,

12.....경사 자장코일, 13.....RF코일,

21.....경사 자장전원, 22.....파형발생기,

23.....시퀀서(sequencer), 24.....샘플링펄스발생기,

31.....RF신호발생기, 32.....변조기,

33.....RF파워앰프, 41.....프리앰프,

42.....위상검파기, 43.....A/D변환기,

51.....호스트컴퓨터.

Claims

핵자기공명(NMR) 현상을 이용해서 촬영(imaging)을 행하는 자기공명 단층 촬상장치에 있어서,

촬영영역 공간에 균일한 정자장을 발생시키는 주 마그넷트와 ;

상기 정자장 공간에서 직교하는 3차원 방향으로 자장강도가 각각 변화하는 슬라이스 선택용 경사 자장 펄스, 위상 엔코드용 경사 자장 펄스, 판독용 경사 자장 펄스인 3개의 경사 자장 펄스를 발생시키기 위한 제1 내지 제3의 경사 자장 코일과 ;

무선주파수(RF) 신호의 조사 및 NMR신호의 검출을 행하기 위한 RF코일과 ;

상기 RF코일에서 RF신호를 조사하는 타이밍에 맞추어, 상기 제1의 경사 자장 코일을 통해서 슬라이스 선택용 경사 자장 펄스를 발생시키고, 상기 제2의 경사 자장 코일을 통해서 위상 엔코드용 경사 자장 펄스를 발생시키며, 상기 RF신호에 의해 발생하는 NMR신호와 거의 동시에 상기 제3의 경사 자장 코일을 통해서 판독용 경사 자장 펄스를 발생시켜, 이들 일련의 펄스 시퀀스를 상기 위상 엔코드용 경사 자장 펄스를 변화시키면서 반복하는 경사 자장 제어수단과 ;

상기 각 펄스 시퀀스에서, 상기 RF코일을 통해서 RF신호를 조사함과 동시에 자유수의 양자 공명주파수에서 약간 벗어난 주파수의 RF 신호(MTC (Magnetization Transfer Contrast)펄스)를 상기 RF코일을 통해서 부가하고, 또 이 부가되는 MTC펄스의 조사강도를 상기 위상 엔코드용 경사 자장 펄스의 강도변화에 기초해서, 위상엔코드량이 작은 경우에는 조사강도를 크게하고, 위상 엔코드량이 큰 경우에는 조사강도를 작게 제어하는 RF제어수단과 ;

상기 RF코일에 의해 검출된 NMR신호에서 데이터를 수집하고, 상기 데이터에서 단층상을 재구성하는 데이터 처리수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 자기공명 단층 촬상장치.
제 1 항에 있어서,

상기 RF제어수단은, 각 펄스 시퀀스에서 위상 엔코드용 경사 자장 펄스에 의한 위상 엔코드량이 작은 경우에는 MTC 펄스를 부가하고(온으로 하고), 위상 엔코드량이 큰 경우에는 MTC 펄스를 인가하지 않는(오프로 하는), 온/오프 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 자기공명 단층 촬상장치.
제 2 항에 있어서,

상기 RF제어수단은, 상기 경사 자장 제어수단과 협동하여, MTC 펄스가 오프된 펄스 시퀀스의 반복기간을 MTC 펄스가 온된 펄스 시퀀스의 반복기간보다도 짧게 하는 것을 특징으로 하는 자기공명 단층 촬상장치.
제 1 항에 있어서,

상기 RF제어수단은 위상 엔코드용 경사 자장 펄스에 의한 위상 엔코드량의 변화에 대응시켜 위상 엔코드량이 작게됨에 따라서 MTC 펄스의 조사강도를 서서히크게 하는 것을 특징으로 하는 자기공명 단층 촬상장치.
제 1 항에 있어서,

RF제어수단이 부가하는 MTC 펄스는 이항(binominal)펄스인 것을 특징으로 하는 자기공명단층 촬상장치.
제 1 항에 있어서,

상기 경사 자장 제어수단은, 상기 각 펄스 시퀀스에서의 슬라이스 선택용 경사 자장 펄스의 발생전과 판독용 경사 자장 펄스의 발생후에 제1 내지 제3의 경사 자장 코일 각각에 스프일러(spoiler) 펄스를 발생시키는 것을 특징으로 하는 자기공명 단층 촬상장치.
제 1 항에 있어서,

상기 경사 자장 제어수단은, 상기 RF코일에서 RF신호를 조사하는 타이밍에 맞추어, 상기 제1의 경사 자장 코일을 통해서 슬라이스 선택용 경사 자장 펄스를 발생시키고, 계속해서 같은 제1의 경사 자장 코일에 제1의 위상 엔코드용 경사 자장 펄스를 발생시킴과 동시에, 상기 제2의 경사 자장 코일을 통해서 제2의 위상 엔코드용 경사 자장 펄스를 발생시키며, 상기 RF 신호에 의해 발생하는 NNR 신호와 거의 동시에 상기 제3의 경사 자장 코일을 통해서 판독용 경사 자장 펄스를 발생시켜, 이들 일련의 펄스 시퀀스를 상기 제2의 위상 엔코드용 경사자장 펄스의 강도를변화시키면서 반복하고, 또 제1의 위상 엔코드용 경사 자장 펄스의 강도를 변화시켜 상기 일련의 펄스 시퀀스를 반복하며,

상기 RF제어수단은, 상기 각 펄스 시퀀스에서 제1 및 제2의 위상 엔코드용 경사 자장 펄스의 강도변화에 기초해서 위상 엔코드량이 작은 경우에는 MTC 펄스의 조사강도를 크게 하고, 위상 엔코드량이 큰 경우에는 조사강도를 작게 제어하며,

상기 데이터 처리수단은, 수집된 데이터를 3차원 푸리에 변환법에 기초해서 3차원 화상을 재구성하는 것을 특징으로 하는 자기공명 단층 촬상장치.