WO1987002569A1 - Method and apparatus for nmr imaging - Google Patents

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WO1987002569A1
WO1987002569A1 PCT/JP1986/000546 JP8600546W WO8702569A1 WO 1987002569 A1 WO1987002569 A1 WO 1987002569A1 JP 8600546 W JP8600546 W JP 8600546W WO 8702569 A1 WO8702569 A1 WO 8702569A1
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Kazuya Hoshino
Original Assignee
Yokogawa Medical Systems, Ltd.
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/44—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance using nuclear magnetic resonance [NMR]
    • G01R33/48—NMR imaging systems
    • G01R33/4818—MR characterised by data acquisition along a specific k-space trajectory or by the temporal order of k-space coverage, e.g. centric or segmented coverage of k-space
    • G01R33/482—MR characterised by data acquisition along a specific k-space trajectory or by the temporal order of k-space coverage, e.g. centric or segmented coverage of k-space using a Cartesian trajectory
    • G—PHYSICS
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    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/44—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance using nuclear magnetic resonance [NMR]
    • G01R33/48—NMR imaging systems
    • G01R33/54—Signal processing systems, e.g. using pulse sequences ; Generation or control of pulse sequences; Operator console
    • G01R33/56—Image enhancement or correction, e.g. subtraction or averaging techniques, e.g. improvement of signal-to-noise ratio and resolution
    • G01R33/561—Image enhancement or correction, e.g. subtraction or averaging techniques, e.g. improvement of signal-to-noise ratio and resolution by reduction of the scanning time, i.e. fast acquiring systems, e.g. using echo-planar pulse sequences

Definitions

  • the present invention relates to an improvement in an imaging method and an apparatus for obtaining a tomographic image of a subject using nuclear magnetic resonance, and more particularly, to an NMR imaging method for shortening a scan time when collecting an NMR signal by a Fourier method. Method and apparatus.
  • the gradient magnetic field to produce a magnetic field having X, y, respectively linear gradient in each direction of the z in the static magnetic field coils and static magnetic field H Q the same direction of the magnetic field generated by a uniform static magnetic field H Q
  • a magnet unit composed of a coil, a transmitting / receiving unit for applying a high-frequency pulse (high-frequency electromagnetic wave) to an object arranged in a magnetic field formed by the magnet unit, and detecting an NMR signal from the object;
  • an image processing unit for controlling the operation of the magnet unit and processing the detected data to display an image.
  • the transmitting / receiving unit under the control of the control ⁇ image processing unit, performs a saturation recovery method (Saturation Recovery method: SR method) or an inversion recovery method (Iiwers ion Recovery method: IR method). In addition, it outputs high-frequency pulses in a sequence based on the multi-slice method.
  • the control / image processing section performs data collection based on the Fourier method to perform image reconstruction.
  • the above high-frequency pulse sequence relies on natural relaxation processes for the recovery of excited spins. Therefore, the ratio of the data observation time to the scan time is low, and the SZN per time is low. Further, since the spin excitation interval TR is determined in consideration of the spin recovery, the scan time is lengthened, and the occurrence rate of artifacts due to the body movement of the subject is also increased. On the other hand, in the multi-slice method, multiple images can be obtained in the same scan time, but the whole scan time does not change, so it is ineffective for the artifact due to body motion.
  • An object of the present invention is to provide an NMR imaging method and apparatus capable of shortening a scan time without deteriorating image quality such as contrast resolution and spatial resolution.
  • data belonging to a region having a low spatial frequency is collected by a normal scanning method, and data belonging to a region having a high spatial frequency is acquired by a scanning method having a high data collection frequency. It collects and reconstructs images based on the data synthesized from the data collected by each of these two methods.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing one embodiment of the present invention
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing one embodiment of the present invention.
  • the magnet assembly 1 has a space inside for inserting a subject, and a static magnetic field coil for applying a constant static magnetic field to the subject and a gradient magnetic field are generated so as to surround the space.
  • the static magnetic field coil, the gradient magnetic field coil, the RF transmitting coil, and the receiving coil are connected to the main magnetic field power supply 2, the gradient magnetic field driving circuit 3, the RF power amplifier 4, and the preamplifier 5, respectively.
  • the sequence storage circuit 10 operates the gate modulation circuit 6 for each view according to a command from the computer 13 to generate a ⁇ frequency pulse signal based on the SR method or the FR method according to each sequence stored in advance. Applied to RF transmitting coil through RF power amplifier 4. Further, the sequence storage circuit 10 operates the gradient magnetic field drive circuit 3, the gate modulation circuit 6, and the A / D converter 11 according to a sequence based on the Fourier method.
  • the phase detector 8 uses the output of the RF oscillation circuit 7 as a reference signal, performs phase detection on the NMR signal detected by the receiving coil and transmitted through the preamplifier 5, and supplies the NMR signal to the AZD converter 11.
  • the AZD converter 11 converts the NMR signal obtained via the phase detector 8 from analog to digital and inputs the converted signal to the computer 3.
  • the computer ⁇ 3 exchanges information with the operation console ⁇ 2, switches the operation of the sequence storage circuit 10 and rewrites the memory in order to realize various scan sequences, and executes the A / D converter 1
  • An operation for reconstructing the distribution of information about resonance energy into an image is performed using the data from 1 and the reconstructed image data is output to the display device 9.
  • the sequence of each of the SR method and the FR method may be stored in the computer 3, and the memory of the sequence storage circuit 10 may be changed as necessary.
  • the sequence storage circuit 10 operates the circuits and the like with the sequence signal based on the SR method for the view with a small warp amount corresponding to the low spatial frequency under the control of the computer 13 to thereby obtain the second Perform the operation shown in the figure.
  • the operation is known as a spin warp method. At this time, by selecting the scan parameter to a predetermined value, the contrast at the target imaging region can be increased.
  • the sequence storage circuit 10 uses a sequence signal based on the FR method to generate The operation shown in Fig. 3 Do.
  • the operation is known as the FR method.
  • the FR method As a result, data collection in a view with a large warp amount is performed in a short time. Switching between the SR method and the FR method based on the amount of warping is performed with some overlap under the control of the computer # 3. Therefore, no discontinuity occurs in the collected data due to switching between the two.
  • the data collected by each of these sequence signals is:-weighted in the spatial frequency domain as shown in Fig. 4, that is, they are combined after being filtered by the spatial frequency. Then, image reconstruction is performed using the combined data in the same manner as in the conventional example.
  • the phase encoding device is the amount of warping, which also corresponds to the spatial frequency of the collected data.
  • the degree of speed-up in the above operation is 2Z10 for all views, including the overlap, and the 910 is FR method.
  • the total scan time when scanning each is the same as the time when scanning using the SR method
  • FIGS. 2 and 3 will be described in detail as follows. Sequence of FIG. 2... Under a uniform static magnetic field Ho generated by the main magnetic field power supply 2, the sequence circuit 10 operates the gradient magnetic field driving circuit 3 and the gate modulation circuit 6 to control each gradient magnetic field and high frequency. While generating a pulse, the AZD converter 11 is operated to convert the NMR signal detected by the phase detector 8 into a digital signal, which is input to the computer 13. In other words, while applying a slice gradient G 7 (FIG. 2 (b)) 9 0 ° pulse is applied (the second diagram (a>) by Re. This, only spins in a particular slice plane of the subject Next, a rephase gradient G 7 (Fig.
  • Selection y gradient applied amount of lines i.e., the magnitude of the y gradient field G y, carried out by product of the application time T w. Thereafter, by changing the gradient G y and repeating the above sequence, data necessary for image reconstruction is collected.
  • the data acquisition time per view can be reduced, and eventually the total scan time can be reduced.
  • the present invention is not limited to the above embodiment, and for example, may be a combination of the IR method and the FR method.
  • the scan parameters, the time period, the repetition time TR, and the like of the SR method may be changed with the view by using the sequence.
  • the repetition time TR is shortened to increase the scan speed, and for parts where the amount of phase encoding is small, the repetition time TR is returned to the normal value. You may do so.

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Description

明 細 書
N M Rイメージング方法および装置
(技術分野）
本発明は、 核磁気共鳴を利用して被検体の断層像を求めるイメージング方法および 装置の改良に関するもので、 さらに詳しくは、 フーリエ法により N M R信号を収集す ると のスキャン時間を短縮した N M Rイメージング方法および装置に関する。
(背景技術） '
N M Rイメージング装置は、 一様な静磁場 H Q を作る静磁場コイル及び静磁場 H Q と同一方向の磁場で X , y , zの各方向に夫々直線的な勾配をもつ磁場を作る勾配磁 場コイルから成る磁石部、 該磁石部で形成される磁場内に配置する被検体に高周波パ ルス （高周波電磁波） を加え、 被検体からの N M R信号を検出する送 ·受信部、 該送 •受信部及び前記磁石部の動作を制御したり、 検出データの処理をして画像表示する 制御♦画像処理部等を有している。
このような N M Rイメージング装置において、 制御♦画像処理部の制御下で、 送♦ 受信部は、 飽和回復法 （Saturation Recovery 法： S R法） 又は反転回復法 （Iiwers ion Recovery法： I R法）で、 かつ、 マルチスライス法に基づくシーケンスによる高 周波パルスを出力する。 又、 制御 ·画像処理部は、 フーリエ法に基づくデータ収集を 行って画像再構成を行う。
ところで、 上記高周波パルスシーケンスは、 励起したスピンの回復を自然の緩和過 程に頼っている。 従って、 スキャン時間中に占めるデータ観測時間の割合が低く、 時 間当りの SZNが低い。 又、 スピンの励起の間隔 T Rが、 スピンの回復を見込んで定 められているのでスキャン時間が長くなり、 被検体の体動によるアーティファク卜の 発生率も髙くなつている。 一方、 マルチスライス法においては、 同一のスキャン時間 で複数の画像を得ることができるが、 全体のスキャン時間は変らないので体動による アーティファクトに関しては無力である。
S R法あるいは I R法でスキャン時間を短縮しょうとすれば、 位相エンコード （ス ピン♦ワープ） の回数を減らすことになるが、 これは N M R画像の空間分解能を低下 させる。 これらの問題を解決するために開発された手法として、 例えば、 特開昭 59-231438 号、 特開昭 60-29684号等に開示された F R ( Fast Recovery) 法がある。 この方法の 特徴は、 髙周波パルスシーケンスを、 スピンが熟平衡状態に回復するのを待たずに与 えて、 磁化 M (スピンの総和） を z軸方向に強制的に向けるようにした点にある。 即 ち、 F R法によるシーケンスは、 スキャンスピードを優先させ短い時間でスキャンを 完了するようにしたものである。 これによつて、 スキャン時間そのものを短縮するこ とがでぎる。
しかし、 従来の N M Rイメージング装置にあっては、 スピンの熟平衡状態への回復 を強制的に行っているため、 本来、 緩和時間に強く依存している N M R画像のコン卜 ラス卜分解能を低下させるという問題があった。 即ち、 スキャン時間を短縮（高速化〉 すればするほど N M R画像のコントラス卜がつきにくくなるという問題があった。 (発明の開示）
本発明の目的は、 コントラス卜分解能、 空間分解能等の画質の低下を招くことなく スキャン時間を短縮できる N M Rイメージング方法および装置を提供することにある。 上記目的を達成する本発明の N M Rイメージング方法および装置は、 空間周波数の 低い領域に属するデータは通常のスキャン方法で収集し、 空間周波数の高い領域に属 するデータはデータ収集頻度の高いスキャン方法で収集し、 これら両方法でそれぞれ 収集されたデータから合成されたデータに基づいて画像再構成を行うものである。 (図面の簡単な説明）
第 1図は、 本発明の一実施例を示す構成図、
第 2図乃至第 4図は、 本発明の一実施例における動作の説明図ある。
(発明を実施するための最良の形態〉
以下、 図面を参照し本発明について詳細に説明する。
第 1図は、 本発明の一実施例を示す構成図である。 マグネッ卜アセンブリ 1は、 内 部に被検体を挿入するための空間部分を有し、 この空間部分を取巻くようにして、 被 検体に一定の静磁場を印加する静磁場コイルと、 勾配磁場を発生するための X , y , zの勾配磁場コイルと、 被検体内の原子核のスピンを励起するための高周波パルスを 与える R F送信コイルと、 被検体からの N MR信号を検出する受信コイル等が配置さ れている （図略） 。静磁場コイル、 勾配磁場コイル、 R F送信コイル、 及び受信コィ ルは、 夫々主磁場電源 2、 勾配磁場駆動回路 3、 R F電力増幅器 4及び前置増幅器 5 に接続されている。 シーケンス記憶回路 1 0は、 計算機 1 3からの指令に従って、 各 ビューごとにゲート変調回路 6を操作し、 予め記億しているそれぞれのシーケンスに 従って S R法又は F R法に基づく髙周波パルス信号を R F電力増幅器 4を通じて R F 送信コイルに印加する。 又、 シーケンス記憶回路 1 0は、 フーリエ法に基づくシーケ ンスに従って勾配磁場駆動回路 3、 ゲー卜変調回路 6及び A/D変換器 1 1を操作す る。：位相検波器 8は、 R F発振回路 7の出力を参照信号とし、 受信コイルで検出され 前置増幅器 5を介して送られてくる N M R信号を位相検波して AZD変換器 1 1に与 える。 AZD変換器 1 1は、 位相検波器 8を介して得られる N M R信号をアナログ♦ ディジタル変換して計算機 Ί 3に入力する。 計算機 Ί 3は、 操作コンソール Ί 2との 間で情報の授受を行い、 種々のスキャンシーケンスを実現するためにシーケンス記憶 回路 1 0の動作の切替えやメモリの書替えを行い、 A/D変換器 1 1からのデータを 用いて共鳴エネルギーに関する情報の分布を画像に再構成する演算等を行い、 再構成 像データを表示装置 9に出力する。
尚、 前記 S R法及び F R法夫々のシーケンスを計算機 Ί 3に記憶させ、 必要に応じ てシーケンス記憶回路 1 0のメモリを耋替えるようにしてもよい。
次に、 上記構成の動作について説明する。
一般的に、 コン卜ラス卜の分解能が問題となるのは、 比較的空間周波数の低いとこ ろ、 即ち、 比較的広い面積を持った部分である。 従って、 シーケンス記憶回路 1 0は、 計算機 1 3の制御の下に、 低い空間周波数に対応するワープ量の小さいビューに対し、 S R法に基づくシーケンス信号で各回路等を操作することにより、 第 2図に示す動作 を行う。 第 2図に示される動作の詳細は後述するが、 スピン ·ワープ法として公知の ものである。 このとき、 スキャンパラメータを所定の値に選択することにより、 目的 とする撮像部位におけるコン卜ラス卜を高くすることができる。
一方、 上記以外の高い空間周波数に対応するワープ量の大きいビュー、 すなわちコ ン卜ラス卜の分解能があまり問題とならない部分に対し、 シーケンス記億回路 1 0は、 F R法に基づくシーケンス信号で各回路等を操作することにより第 3図に示す動作を 行う。 第 3図に示される動作の詳細については後述するが、 F R法として公知のもの である。 これにより、 ワープ量の大きいビューでのデータ収集が短時間で行われる。 ワープ量に基づく S R法と F R法の間の切替えは、 計算機 Ί 3の制御の下に、 多少 のオーバラップ部分を設けて行われる。 このため、 両者の切替えによって収集データ に不連-続を生じさせることがない。 これらの各シーケンス信号によって収集されたデ ータは:—、,空間周波数領域で第 4図に示すように重み付け、 即ち、 空間周波数によるフ ィルタリングが行われた後合成される。 そして、 この合成されたデータを用いて従来 例と同じ方法によって画像再構成が行われる。 なお、 第 4図において位相エンコード 置とはワープ量のことであり、 これはまた収集されるデータの空間周波数に対応する。 このようにスキャンデータにおける空間周波数特性に合せてスキャンのシーケンス を選択することにより、 画像のコントラス卜分解能、 空間分解能等を低下させること なく画像を再構成することができる。 このとき、 空間周波数の高いデータをスキャン スピードの速い F R法で収集するので、 S R法で多少スキャン時間がかかっても全体 としてスキャン時間の短縮を実現することができる。 例えば、 F R法が S R法の 1 0 倍のスピードであるとすれば、 上記動作における高速化の程度は、 オーバラップを含 め、 全ビューの 2Z 1 0を S R法、 9 1 0を F R法で夫々スキャンしたとき、 全ス キャン時間は、 全て S R法でスキャンしたときの時間の
2/10+ 9/10X 1/10=29/100 =29%
となる。
さて、 第 2図および第 3図の動作の詳細について説明すれば、 次のとおりである。 第 2図のシーケンス…主磁場電源 2による均一な静磁場 Ho の下で、 シーケンス回 路 1 0は、 勾配磁場駆動回路 3及ぴゲー卜変調回路 6を操作して、 各勾配磁場及び高 周波パルスを発生すると共に、 AZD変換器 1 1を操作して位相検波器 8で検波され た N M R信号をディジタル信号に変換して計算機 1 3に入力する。 即ち、 スライス勾 配 G 7 をかけながら （第 2図 （ b ) ) 9 0° パルスを印加する （第 2図 （ a〉 ） 。 こ れにより、 被検体の特定のスライス面内のスピンだけが選択的に励起される。 次に、 スライス時に生じたスピンの位相ずれを回復するためのリフェーズ勾配 G7 (第 2図 ( b ) ) と、 後でエコー信号を発生させるためのディフヱーズ勾配 Gx (第 2図 （d ) ) 及びワープ勾配 Gy (第 2図 （ c ) ) を印加した後、 全ての勾配を切って 1 8 0。 パルスを印加する。 これにより、 スピンが反転し、 その後の読出し勾配 Gx の印加に より （第 2図 （d ) ) スピン ·エコー信号が得られる （第 2図 （e ) ) 。 このスピン ♦エコー信号は、 被検体のスピンから得られる信号強度の分布を 2次元フーリエ変換 した:ものの 1ラインに相当する。 ラインの選択は y勾配印加量、 即ち、 y勾配磁場 G y の大きさと、 その印加時間 Tw との積によって行われる。 以後、 勾配 Gy を変えて、 上記シーケンスを繰返すことにより画像再構成に必要なデータが収集される。
第 3図のシーケンス…時刻 1^ から時刻 t 2 の間における各回路の動作は、 基本的 には第 2図の場合と同じである。 ここではさらに、 スピン♦エコー信号が最大となる 時刻 t 2 に 9 0° パルスが印加される。 これにより、 スピンが熟平衡状態に回復する のを待たずに磁化 M (スピンの総和） が z軸方向に強制的に向けられ、 t 2 から時間 t d (縱緩和時間 T に比べて十分に短い時間） 経過後に磁化 Μが ζ軸に一致する。 これで 1回目のシーケンスが終了し以下順次ワープ量を変えて周様のシーケンスが繰 返される。 上記のように時刻 t ? に 9 0。 パルスを印加することによって、 1ビュー あたりのデータ収集時間を短縮し、 結局全スキャン時間を短縮することができる。 尚、 本発明は、 上記実施例に限定するものではなく、 例えば、 I R法と F R法との 組合せであってもよい。 又、 S R法のシーケンスを用い、 そのスキャンパラメータ、 洌ぇぱ、 繰返し時間 T R等がビューと共に変化するようにしてもよい。 即ち、 コン卜 ラス卜分解能や SZNにあまり寄与しない位相エンコード量の大きい部分は、 繰返し 時間 T Rを短くしてスキャンスピードを上げ、 位相エンコード量の小さい部分では繰 返し時間 T Rを通常の値に戻すようにしてもよい。
以上、 本発明を実施するための最良に形態について説明したが、 この発明が属する 技術の分野の通常の知識を有する者にとって、 下記の請求の範囲を逸脱することなく 種々の変形をすることが容易である。

Claims

請求の範囲 . 被検体に、 静磁場と X, yおよび z方向の勾配磁場と高周波電磁波とを印加して フーリエ法によりスピンのワープ量をビュー毎に変化させながら被検体の NMR信号 を測定し、 この NMR信号に基づいて被検体の断面像を再構成する NMRィメ一ジン グ方法において、
スヒンのヮープ量が小さいビューについては、 通常のピュ一時間で N M R信号を測 定すること、
スピンのワープ量が大きいピューについては、 通常よりも短縮されたビュー時間で
NMR信号を測定すること、 および
これらの測定によって得られたデータから合成されたデータに基づいて被検体の断 面像を再構成すること
を特徴とする N MRイメージング方法。
2. スピンのワープ量が小さいピューについての、 通常のピュー時間での NMR信号 の測定と、 スピンのワープ量が大きいビューについての、 通常よりも短縮されたビュ 一時間での N MR信号の測定とが、 ある範囲のスピンワープ量について重複している、 請求の範囲 1項に記載の N M Rィメ一ジング方法。
3. 通常のビュー時間での NMR信号の測定によって得られたデータと、 通常よりも 短縮されたビュー時間での NMR信号の測定によって得られたデータとについて、 同 一のスピードワープ量について重複する部分が重み付け加算される、 請求の範囲 2項 に記載の N MRイメージング方法。
4. 通常のビュー時間での NMR信号の測定が SR法であり、 通常よりも短縮された ビュー時間での NMR信号の測定が FR法である請求の範囲 1項に記載の N MRィメ 一ジング方法。
5. 通常のビュー時間での NMR信号の測定が I R法であり、 通常よりも短縮された ビュー時間での NMR信号の測定が FR法である請求の範囲 Ί項に記載の NMRィメ 一ジング方法。
6. 被検体に静磁場を印加する手段 （ Ί ) (2) と、 被検体にフーリエ法に基づく X, yおよび z方向の勾配磁場を印加する手段 （1〉 （3) と、 被検体に高周波電磁波を 印加する手段 （Ί ) (4) (6) ( 7) と、 被検体の NMR信号を測定する手段 （ Ί )
(5) (8) ( Ί 1 ) と、 測定された NMR信号に基づいて被検体の断'面像を再構成 する手段 （13〉 とを有する NMRイメージング装置において、
スピンのワープ量が小さいビューについては通常のビュー時間で N MR信号を測定 する手段 （10) 、
スピンのワープ量が大きいピューについては通常よりも短縮されたビュー時間で N MR信号を測定する手段 （ Ί◦)、 および
これら測定手段によってそれぞれ得られたデータから合成データを作成し、 この合 成データに基づいて被検体の断面像を再構成する手段 （ 13)
を具備することを特徴とする N MRイメージング装置。
7. 通常のビュー時間で N MR信号を測定する手段は SR法による測定手段であり、 通常よりも短縮されたビュー時間で N MR信 ¾を測定する手段は FR法による測定手 段である請求の範囲 6項に記載の NMRイメージング装置。
8. 通常のピュー時間で NMR信号を測定する手段は I R法による測定手段であり、 通常よりも短縮されたビュー時間で N MR信号を測定する手段は FR法による測定手 段である請求の範囲 6項に記載の N MRイメージング裝置。
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