WO2006059378A1

WO2006059378A1 - 磁気共鳴映像法および磁気共鳴映像装置

Info

Publication number: WO2006059378A1
Application number: PCT/JP2004/017812
Authority: WO
Inventors: Hirotake Kamei
Original assignee: Hamano Life Science Research Foundation
Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2006-06-08
Also published as: EP1832229A1; US20080042647A1

Abstract

　位置情報を得るために高周波磁場（回転磁場）勾配のみを用いることによって、磁化率の分布によるアーティファクトおよび渦電流による神経、筋刺激等の障害なく高速に高画質の画像が得られる磁気共鳴映像法および磁気共鳴映像装置を提供する。　この磁気共鳴映像装置は、静磁場中に置かれた試料に対し、静磁場方向を１軸として含む互いに直交する３軸方向のうち静磁場方向を含まない２軸方向において高周波磁場勾配パルスをそれぞれ印加するための位相エンコードコイル（２ｘ）および周波数エンコードコイル（２ｙ）と、周波数エンコードコイル（２ｙ）を介して得られる高周波磁場勾配パルスに含まれる試料で生ずる過渡的章動運動信号を検出するための検出器（２１）と、検出器を介して得られた信号を記憶し演算することによって試料の磁気共鳴画像を得るための記憶・演算装置（２４）とを備える。

Description

明細書

磁気共鳴映像法および磁気共鳴映像装置

技術分野

[0001] 本発明は磁気共鳴現象を用いて生体や材料内部の不可視情報を可視化する磁気共鳴映像法および磁気共鳴映像装置に関する。

背景技術

[0002] 磁気共鳴映像法にお!ヽて、磁気共鳴信号は周波数、位相および信号強度を情報として持っている。位置に関する情報はこれらの何れにもエンコードすることができる力信号強度の空間分布を画像化するのが磁気共鳴映像法の目的であるから、信号強度に位置情報をエンコードするのは得策でない。そこで、一般には周波数および位相に位置情報をエンコードして、る。

[0003] これまでの磁気共鳴映像法は位置情報を得るために静磁場勾配を用いて、る。例えば、実験室座標系にお、て位相エンコードのみに高周波磁場勾配を用いた磁気共鳴映像法が提案されているが、この方法は信号観測に静磁場勾配を用いている ( 非特許文献 1)。

非特干文献 1 : D. I. Hoult, "Rotating Frame Zeugmatorgraphy , Journal of Magnetic Resonance 33, 183-197 (1979)

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] 従来のように、信号観測に静磁場勾配を用いた場合には、磁ィ匕率が大幅に異なる部位、例えば、生体組織と空気が接している部位などにおいては、磁化率の差異による画像の乱れが生じ、誤った情報を得やすい。このアーティファクト（artifact)によつて通常の磁気共鳴画像では頭蓋下部や肺の MRI診断を正しく行うことができない場合がある。また、高速映像法では静磁場勾配を高速で on/oiffるが、この際渦電流が発生し、生体系では神経系や筋組織を刺激するので、高速化および画像の高分解能化が制限されている。

[0005] 従って本発明の目的は、位置情報を得るために高周波磁場（回転磁場)勾配のみを用いることによって、磁ィ匕率の分布によるアーティファクトおよび渦電流による神経、筋刺激等の障害なく高速に高画質の画像が得られる磁気共鳴映像法および磁気共鳴映像装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0006] 上記目的は、静磁場中に置かれた試料に対し、静磁場方向を 1軸として含む互いに直交する 3軸方向のうち前記静磁場方向を含まな、2軸方向にぉ、て高周波磁場勾配パルスを順次印加し、そのとき最後に印加される高周波磁場勾配パルスの印加中に前記試料で生ずる過渡的章動運動信号を用いて、前記試料の磁気共鳴画像を得ることを特徴とする磁気共鳴映像法により、達成される。さら〖こ、前記静磁場方向を含む互いに直交する 3軸方向にお、て高周波磁場勾配パルスを順次印加し、そのとき最後に印加される高周波磁場勾配パルスの印加中に前記試料で生ずる過渡的章動運動信号を用いて、前記試料の磁気共鳴画像を得ることもできる。

[0007] また、本発明に係る磁気共鳴映像装置は、静磁場中に置かれた試料に対し、静磁場方向を 1軸として含む互！ヽに直交する 3軸方向のうち前記静磁場方向を含まな!/ヽ 2 軸方向において高周波磁場勾配パルスをそれぞれ印加するための位相エンコードコイルおよび周波数エンコードコイルと、前記周波数エンコードコイルを介して得られる前記高周波磁場勾配パルスに含まれる前記試料で生ずる過渡的章動運動信号を検出するための検出器と、前記検出器を介して得られた信号を記憶し演算することによって前記試料の磁気共鳴画像を得るための記憶 ·演算装置とを備えるものである。さらに、前記静磁場方向を含む互いに直交する 3軸方向において高周波磁場勾配パルスをそれぞれ印加するための 2つの位相エンコードコイルおよび 1つの周波数エンコードコイルを備えることもできる。この場合、前記位相エンコードコイルおよび周波数エンコードコイルのうちの 1つに前記高周波磁場勾配パルスを印加しているときには、残りのコイルは共振周波数をずらすことが好まし、。

これにより、試料の二次元または三次元の磁気共鳴画像を得ることができる。

発明の効果

[0008] 本発明によれば、位置情報をエンコードする磁場勾配として高周波磁場勾配のみを用い、過渡的章動運動信号を測定することによって、磁ィ匕率の分布によるアーティファクトおよび渦電流による神経、筋刺激等の障害なく高速にかつ高画質の画像を取得することができる磁気共鳴映像法および磁気共鳴映像装置を得ることができる。図面の簡単な説明

[0009] [図 1]回転座標系における磁ィ匕の動きの一例を示す図である。

[図 2] (a)は回転磁場 (高周波磁場) Bを生成する高周波パルスの一例を示す図、 (b

1

)は過渡的章動運動信号の一例を示す図である。

[図 3]本発明に係る磁気共鳴映像装置の一実施例を示す図である。

[図 4]二次元映像法における高周波磁場勾配コイルの構成例を示す図である。

[図 5]二次元映像法におけるパルス系列を示す図であり、（a)は X勾配パルス Gx、 (b) は y勾配パルス Gy、（c)は過渡的章動運動信号 TNを示す図である。

[図 6]過渡的章動運動信号検出器として差動トランスを用いた平衡型ブリッジ回路の一例を示す図である。

[図 7]本発明に係る磁気共鳴映像装置の他の実施例を示す図である。

[図 8]三次元映像法における高周波磁場勾配コイルの構成例を示す図である。

[図 9]三次元映像法におけるパルス系列を示す図であり、（a)は X勾配パルス Gx、 (b) は z勾配パルス Gz、（c)は y勾配パルス Gy、 (d)は過渡的章動運動信号 TNを示す図である。

符号の説明

[0010] 1 磁石

2x, 2y, 2z 高周波磁場勾配コイル

3 試料

10 高周波発振器

11 パルス発生器

12x, 12y, 12z 変調器

13 移相器

14x, 14y, 14z 高周波増幅器

21 検出器

22 位相検波器 23 増幅器

24 記憶 ·演算装置

25 表示装置

発明を実施するための最良の形態

[0011] 以下、本発明の実施例を説明するが、その前にまず本発明の原理について説明する。

本発明は、位置情報をエンコードする磁場勾配として高周波磁場勾配のみを用い

、過渡的章動運動 (Transient nutations)信号を測定する。これにより磁ィ匕率の分布によるアーティファクトおよび渦電流による神経、筋刺激等の障害なく高速にかつ高画質の画像を得ることができるものである。過渡的章動運動については、例えば Abragam, Principles of Nuclear Magnetism , Clarendon Press, Oxford, 19bl, pp. 68-70に記載されている。

[0012] 測定対象の試料に、一様な静磁場 Bをかけると、試料中の原子核スピンあるいは

0

電子スピンは静磁場の方向（z)を軸とした歳差運動を行う。この運動の角周波数 ω

0 は、試料中の原子核スピンあるいは電子スピンの磁気回転比を γとすると、 ω = γ Β

0 で与えられる。この静磁場 Βに対して垂直な面内（X, y)で回転する回転磁場 Βをカロ

0 0 1 えると、核磁気モーメント Mは、静磁場 Bと回転磁場 Bの合成ベクトルの有効磁場（

0 1

大きさ B = (1/ γ )[( ω ω )² + ω ²]^1/2 )を軸として歳差運動を行う。これを章動運動 eff 0 1

(nutaion)という。この様子は ωで回転する回転座標系で考えると解りやすい。図 1は

0

、回転座標系における磁ィ匕の動きの一例を示す図である。回転座標系でスピンに作用している有効磁場が Βのみのとき、すなわち共鳴時（ω = ω )には、磁気モーメント

1 0

Μは、回転磁場 Βの方向（χ')を軸として、 ω = γ Βという角周波数で回転する。

1 1 1

[0013] 図 2 (a)は回転磁場 (高周波磁場) Bを生成する高周波パルスの一例を示す図、（b

1

)は過渡的章動運動信号の一例を示す図である。図 2に示すように、回転磁場 (高周波磁場) Bの印加中は章動運動信号が観測され、共鳴点における章動運動の角周

1

波数 (章動周波数） ωは、上述のとおり、 ω = γ Β、減衰の時定数 Τは、縦緩和時

1 1 1 η

間 (スピン-格子緩和時間）を Τ、横緩和時間 (スピン-スピン緩和時間）を Τとすると、

1 2 高周波磁場 Βの均一度が十分高い場合には、 2/Τ = (1/ Τ ) + (1/ Τ )である。

1 η 1 2 [0014] (実施例 1)

図 3は、本発明に係る磁気共鳴映像装置の一実施例を示す図である。本装置は、二次元測定の場合を示すものであり、図示のように、静磁場 Bを発生させる磁石 1と、

0

静磁場が存在する位置に設置された 2つの高周波（回転)磁場勾配コイル 2x、 2yを備える。これらのほぼ中心に測定対象である試料 3が配置される。 2つの高周波（回転)磁場勾配コイル 2x、 2yはそれらの発生する高周波磁場の方向が互いに垂直にかつ静磁場に垂直に配置されている。このうち、一方の高周波磁場勾配コイルを位相エンコードコイル、他方の高周波磁場勾配コイルを周波数エンコードコイルとして用いる。

[0015] 図 4は、二次元映像法における高周波磁場勾配コイルの構成例を示す図である。

本例では、静磁場を z軸、位相エンコードコイルを X軸、周波数エンコードコイルを y軸に配置する。この場合位相エンコードコイル 2xが X勾配コイル、周波数エンコードコィル 2y力 ^勾配コイルである。これらの中心を原点 0とする。図 4において、 X勾配コイル 2xは、 2ターンの鞍型コイルとこれに対向する 1ターンの鞍型コイル、すなわち巻き数が非対称の一対の鞍型コイルで構成される。図中、下部にある点線は一対の鞍型コィルを接続している導線である。 y勾配コイル 2yも同様な一対の鞍型コイルである。 X 勾配コイル 2xおよび y勾配コイル 2yの発生する磁場勾配の磁力線は互いに直交する。

[0016] 図 5は、二次元映像法におけるパルス系列を示す図であり、（a)は X勾配パルス Gx 、（b)は y勾配パルス Gy、（c)は過渡的章動運動信号 TNを示す。図示のように、時刻 t=0において、位相エンコードコイル 2xに共鳴周波数の高周波パルス Gx (X勾配パルス）を印加する。時刻 t = tに x勾配パルスを取り除くとともに、周波数エンコードコィ

1

ル 2yに信号検出用高周波パルス Gy(y勾配パルス）を印加し、過渡的章動運動信号を観測する。位相エンコードパルス Gxと周波数エンコードパルス Gyの位相は 90° あるいは 90° の奇数倍ずらせておく。

[0017] 次に図 3に戻って、上述の X勾配パルス Gxおよび y勾配パルス Gyの発生手段について説明する。図 3において、高周波発振器 10は高周波信号を発振し、パルス発生器 11はパルス信号を発生する。変調器 12x, 12yは、高周波信号をパルス信号で変調して出力する。変調器 12xには、高周波発振器 10から移相器 13を介して例えば位相を 90° ずらせた高周波信号が送られる。変調器 12x、 12yの出力は、それぞれ高周波増幅器 14x, 14yにより増幅され、図 5に示すような X勾配パルス Gxおよび y勾配パルス Gyとして、高周波磁場勾配コイル 2x、 2yに供給される。これにより過渡的章動運動信号 TNが観測される。次にこの点について詳述する。

[0018] 磁気共鳴における巨視的磁ィ匕の動きは共鳴周波数の回転座標系を用いると説明し易いので、以下、回転座標系で説明する。時刻 t = 0において、 x'軸に位相ェンコードパルス (X勾配パルス）を印加すると、巨視的磁ィ匕はそれぞれの置かれた位置の高周波磁場強度 (磁束密度）に比例した角周波数で x'軸の周りに回転する。時刻 t = tにおいて位相エンコードパルスを取り除くとともに、位相エンコードパルスとは位相

1

力 ¾0° ある、はその奇数倍ずれた周波数エンコードパルス (y勾配パルス）を実験室座標系の y軸に印加すると、 y軸方向に勾配を持った高周波磁場を x'に印加したことになるので，磁ィ匕はそれぞれの置かれた位置の周波数エンコードパルスの高周波磁場強度に比例した周波数で χ'軸の周りに回転を続ける。時刻 t = t

1から過渡的章動運動信号が観測される。この信号は過渡的章動運動信号検出器 21により観測される。

[0019] 過渡的章動運動信号は大きな振幅をもった周波数エンコードパルスにごく微弱な信号として含まれている。このため周波数エンコードパルスを直接増幅すると増幅系が飽和してしまうため、過渡的章動運動信号を観測することはできない。そこで、不要な高周波パルスを除去し信号のみを検出するために、過渡的章動運動信号検出器 21として、例えばブリッジ回路または差動回路を用いる。

[0020] 図 6は、過渡的章動運動信号検出器として差動トランスを用いた対称型ブリッジ回路の一例を示す図である。図 6において、 CV— CVは可変コンデンサ、 C

1 4 1一 Cはコ

3 ンデンサ、 L

1一 Lはコイルである。このブリッジ回路は、周波数エンコードコイルに印 6

カロした高周波ノルスを入力し、これと振幅が同一の高周波パルスとの差分をとり、出力として周波数エンコードパルスに含まれている過渡的章動運動信号のみを取り出すものである。本例は Pakeのブリッジ回路を示すものである力これに限定されず、例えば Torreyの対称型ブリッジ回路、 Andersonの非対称型ブリッジ回路等を用いることちでさる。 [0021] このように、過渡的章動運動信号検出器 21によって、印加した高周波パルスを取り除き、過渡的章動運動信号のみを検出することができる。 X軸方向の位置情報は観測された過渡的章動運動信号の位相に、 y軸方向の位置情報は周波数にエンコードされている。過渡的章動運動信号は、位相検波器 22および増幅器 23を介して記憶 •演算装置 24に伝達される。位相エンコードパルスの振幅を系統的に変化させて、一連の測定を行ヽ、 X軸方向の位置情報が位相情報としてエンコードされた過渡的章動運動信号を記憶'演算装置 24に蓄える。このとき、位相エンコードパルスの振幅を一定にして、印加時間すなわち tを系統的に変化させてもよい。記憶'演算装置 24

1

において、取り込んだ信号を通常のフーリエ変換映像法と同様な手法で二次元フーリエ変換処理することによって、二次元の磁気共鳴画像を得ることができる。これを表示装置 25〖こ表示させることができる。

[0022] z軸に垂直な面の切り出しには通常の磁気共鳴映像法と同様に静磁場勾配と選択的励起を用いることができる。 2個の勾配パルスのうち 1つに高周波パルスを印加しているときには、他のコイルはそれらの共振周波数を高周波パルスの周波数すなわち共鳴周波数力もずらすことによって、各コイル間の相互干渉を避けることができる。

[0023] (実施例 2)

図 7は、本発明に係る磁気共鳴映像装置の他の実施例を示す図である。本装置は、三次元測定の場合を示すものであり、図示のように、静磁場 B

0を発生させる磁石 1と

、静磁場が存在する位置に設置された 3つの高周波（回転)磁場勾配コイル 2x、 2y、 2zを備える。これらのほぼ中心に測定対象である試料 3が配置される。

[0024] 図 8は、三次元映像法における高周波磁場勾配コイルの構成例を示す図である。

図 8において、 z勾配コイル 2zは巻き数が同一の一対の鞍型コイルである。軸は X勾配コイルと同じである力図の下部に比べ上部のコイル間隔が拡がっている。また、下辺に対し上辺が長い、すなわち、コイルが包み込むのが円筒ではなぐ逆円錐型となっている。上下は逆さでもよい。このように三次元映像法においては、 X勾配コイル 2xおよび y勾配コイル 2yの他に、 z方向の高周波磁場用の z勾配コイル 2zが必要となる力この勾配コイルの軸を z軸方向にしたのでは磁気共鳴の原理力スピン系を励起することはできない。本例では、 Xあるいは y軸方向を軸とする広義のヘルムホルツ型コイル、すなわち一対のコイルで、 2つのコイルの間隔を z軸に沿って変化させたコィルによって z軸方向の勾配をもつ高周波磁場勾配を発生させる。

[0025] 図 9は、三次元映像法におけるパルス系列を示す図であり、（a)は X勾配パルス Gx 、 (b)は z勾配パルス Gz、（c)は y勾配パルス Gy、 (d)は過渡的章動運動信号 TNを示す。 z勾配コイルの軸を X軸方向にセットした場合には、高周波磁場の位相は X勾配パルスと同一に、 y軸方向に設置した場合には y勾配パルスと同一位相にする。 X勾配パルスと y勾配パルスの位相は 90。あるいは 90。の奇数倍ずらしておく。 x、y、z勾配パルスのうち、何れ力 1つを周波数エンコードパルスに、残る 2つを位相エンコードパルスにすればよぐ組み合わせは自由である。

[0026] 次に図 7に戻って、上述の X勾配パルス Gx、 y勾配パルス Gyおよび z勾配パルス Gz の発生手段について説明する。図 7において、高周波発振器 10は高周波信号を発振し、ノルス発生器 11はパルス信号を発生する。変調器 12x, 12y, 12zは、高周波信号をパルス信号で変調して出力する。変調器 12x, 12zには、高周波発振器 10から移相器 13を介して例えば位相を 90° ずらせた高周波信号が送られる。変調器 12x 、 12y, 12zの出力は、それぞれ高周波増幅器 14x, 14y, 14zにより増幅され、図 9 に示すような X勾配パルス Gx、 y勾配パルス Gyおよび z勾配パルス Gzとして、高周波磁場勾配コイル 2x, 2y, 2zに供給される。これにより過渡的章動運動信号 TNが観測される。次にこの点について詳述する。

[0027] 本例では、 Xおよび z勾配パルスを位相エンコードパルスにし、 z勾配コイルを X軸方向を軸にするように配置し、 y勾配パルスを周波数エンコードパルスにしたときの回転座標系における巨視的磁ィ匕の動きを説明する。時刻 t = 0において、 x'軸に X勾配パルスを印加すると、巨視的磁ィ匕はそれぞれの置かれた位置の高周波磁場強度に比例した角周波数で x'軸の周りに回転する。時刻 t = tにおいて X勾配パルスを取り除

1

くとともに、 Z勾配パルスを印加すると、 X勾配の高周波磁場強度に比例して回転していた巨視的磁ィ匕は、 Z勾配の高周波磁場強度に比例した角周波数で回転を続ける。 t = tにおいて z勾配パルスを停止するとともに、 Xおよび z勾配パルスと 90° 位相差が

2

ある y勾配パルスを印加すると、巨視的磁ィ匕は χ'軸の周りに回転を続ける。このときの過渡的章動運動信号を観測すると、 Xおよび z軸方向の位置情報は信号の位相に、 y 軸方向の位置情報は周波数にエンコードされている。 y勾配パルス印加時の過渡的章動運動信号を、上述したような過渡的章動運動信号検出器 21により観測する。

[0028] 過渡的章動運動信号は、位相検波器 22および増幅器 23を介して記憶，演算装置 24に伝達される。 Xおよび z勾配パルスの振幅あるいは印加時間を系統的に変化させて、 y勾配パルス印加時の一連の過渡的章動運動信号の観測を行い、これを記憶 •演算装置 24に蓄える。記憶 ·演算装置 24において、取り込んだ信号を通常のフーリエ変換映像法と同様な手法で三次元フーリエ変換処理することによって、三次元の磁気共鳴画像を得ることができる。これを表示装置 25〖こ表示させることができる。

[0029] 3個の勾配パルスのうち 1つに高周波パルスを印加しているときには、他の 2つのコィルはそれらの共振周波数を高周波パルスの周波数すなわち共鳴周波数力ずらすことによって、各コイル間の相互干渉を避けることができる。

産業上の利用可能性

[0030] 本発明では、磁ィ匕率の分布によるアーティファクトや渦電流による生体刺激等がな V、高速磁気共鳴映像法によって、より確力な生体および物質内部情報を可視化することが可能となり、例えば、医学、医療、生体工学、物性研究等広範な分野の進展に寄与することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 静磁場中に置かれた試料に対し、静磁場方向を 1軸として含む互いに直交する 3軸方向のうち前記静磁場方向を含まなヽ 2軸方向において高周波磁場勾配パルスを順次印加し、そのとき最後に印加される高周波磁場勾配パルスの印加中に前記試料で生ずる過渡的章動運動信号を用いて、前記試料の磁気共鳴画像を得ることを特徴とする磁気共鳴映像法。

[2] 前記静磁場方向を含む互いに直交する 3軸方向にお、て高周波磁場勾配パルスを順次印加し、そのとき最後に印加される高周波磁場勾配パルスの印加中に前記試料で生ずる過渡的章動運動信号を用いて、前記試料の磁気共鳴画像を得ることを特徴とする請求項 1記載の磁気共鳴映像法。

[3] 静磁場中に置かれた試料に対し、静磁場方向を 1軸として含む互いに直交する 3軸方向のうち前記静磁場方向を含まなヽ 2軸方向において高周波磁場勾配パルスをそれぞれ印加するための位相エンコードコイルおよび周波数エンコードコイルと、前記周波数エンコードコイルを介して得られる前記高周波磁場勾配パルスに含まれる前記試料で生ずる過渡的章動運動信号を検出するための検出器と、前記検出器を介して得られた信号を記憶し演算することによって前記試料の磁気共鳴画像を得るための記憶'演算装置とを備えたことを特徴とする磁気共鳴映像装置。

[4] 前記静磁場方向を含む互いに直交する 3軸方向にお、て高周波磁場勾配パルスをそれぞれ印加するための 2つの位相エンコードコイルおよび 1つの周波数エンコードコイルを備えたことを特徴とする請求項 3記載の磁気共鳴映像装置。

[5] 前記位相エンコードコイルおよび周波数エンコードコイルのうちの 1つに前記高周波磁場勾配パルスを印加して、るときには、残りのコイルは共振周波数をずらすことを特徴とする請求項 3または 4記載の磁気共鳴映像装置。