(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の周波数で共振する高周波アンテナと、
前記高周波アンテナに高周波信号を供給する供給部と、
前記供給部から高周波アンテナに供給される高周波信号の進行波と反射波との振幅を測定するモニタと、
前記振幅を用いて、前記高周波アンテナのQ値を算出するQ値算出部と、を備え、
前記供給部は、3以上の異なる周波数の前記高周波信号を前記高周波アンテナに供給し、
前記モニタは、前記供給された各周波数の高周波信号について、前記振幅をそれぞれ測定し、
前記Q値算出部は、各前記振幅から得た反射係数の絶対値を、予め定めた回路モデルにフィッティングすることにより前記Q値を算出すること
を特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
【請求項２】
請求項1記載の磁気共鳴イメージング装置であって、
前記供給部が供給する前記高周波信号の周波数は、当該磁気共鳴イメージング装置が使用可能な上限周波数と、下限周波数と、前記高周波アンテナの反射係数が最小となる最小反射周波数と、の3つを含むこと
を特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
【請求項３】
請求項2記載の磁気共鳴イメージング装置であって、
前記最小反射周波数を決定する最小反射周波数決定部をさらに備え、
前記供給部は、予め定めた4以上の異なる周波数の高周波パルスを供給し、
前記最小反射周波数決定部は、前記モニタが測定した各振幅から得た前記反射係数の絶対値を前記回路モデルにフィッティングすることにより、前記最小反射周波数を決定すること
を特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
【請求項４】
請求項1記載の磁気共鳴イメージング装置であって、
前記高周波アンテナは、複数のチャンネルを備え、
前記モニタは、各チャンネルの前記振幅をモニタし、
前記Q値算出部は、前記チャンネル毎に、前記Q値を算出すること
を特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
【請求項５】
請求項3記載の磁気共鳴イメージング装置であって、
前記高周波アンテナは、複数のチャンネルを備え、
前記モニタは、各チャンネルの前記振幅をモニタし、
前記最小反射周波数決定部は、前記チャンネル毎に、前記最小反射周波数を決定すること
を特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
【請求項６】
請求項1記載の磁気共鳴イメージング装置であって、
前記Q値算出部は、撮影時の負荷で測定した前記振幅を用いて前記Q値を算出すること
を特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
【請求項７】
請求項1記載の磁気共鳴イメージング装置であって、
前記回路モデルは、インダクタ、キャパシタ、および抵抗の3つの回路要素を備える並列共振回路モデルであり、
前記Q値算出部は、各前記回路要素の値を変化させて前記フィッティングを行い、当該回路要素それぞれの値を得、当該回路要素の値を用いて、前記Q値を算出すること
を特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
【請求項８】
請求項1記載の磁気共鳴イメージング装置であって、
前記回路モデルは、インダクタ、キャパシタ、および抵抗の3つの回路要素を備える並列共振回路モデルであり、
前記Q値算出部は、前記回路要素の値で表される前記Q値、前記高周波アンテナのインピーダンスピーク値、および、前記回路モデルの共振周波数を変化させて前記フィッティングを行い、前記Q値を得ること
を特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
【請求項９】
請求項1記載の磁気共鳴イメージング装置であって、
前記Q値算出部は、2つの異なる初期値を設定し、当該2つの初期値からパラメータを変化させてフィッティングを行い、得られた2つの解のうち、残差が少ない方の解を用いて、前記Q値を算出すること
を特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
【請求項１０】
請求項9記載の磁気共鳴イメージング装置であって、
2つの異なる初期値を設定するパラメータは、前記高周波アンテナのインピーダンスであり、
前記2つの異なる初期値は、50オームの上下の値に設定されること
を特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
【請求項１１】
請求項1記載の磁気共鳴イメージング装置であって、
前記Q値算出部が算出したQ値を用いて、撮影時に前記高周波アンテナに供給される高周波信号による照射パワーのうち、被検体に影響を与える照射パワーを算出し、比吸収率を管理する比吸収率管理部をさらに備えること
を特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
【請求項１２】
高周波アンテナに供給される、3以上の異なる周波数の高周波パルスそれぞれの進行波および反射波の振幅を測定して各高周波パルスの反射係数を算出する反射係数算出ステップと、
各前記反射係数を、予め定めた回路モデルにフィッティングすることにより、前記高周波アンテナのQ値を算出するQ値算出ステップと、を含むこと
を特徴とするQ値算出方法。
【請求項１３】
請求項１２記載のQ値算出方法であって、
前記反射係数算出ステップでは、前記高周波アンテナを用いる磁気共鳴イメージング装置が使用可能な上限周波数と、下限周波数と、前記高周波アンテナの反射係数が最小となる最小反射周波数との3つの周波数の反射係数を算出し、
前記反射係数算出ステップに先立ち、予め定めた4以上の異なる周波数の高周波パルスそれぞれの進行波および反射波の前記振幅を測定して前記反射係数の絶対値を算出し、算出した反射係数の絶対値を前記回路モデルにフィッティングすることにより、前記最小反射周波数を決定する最小反射周波数決定ステップを実行すること
を特徴とするQ値算出方法。
【請求項１４】
高周波アンテナに供給される、3以上の異なる周波数の高周波パルスそれぞれの進行波および反射波の振幅を測定して各高周波パルスの反射係数の絶対値を算出し、
各前記反射係数の絶対値を、予め定めた回路モデルにフィッティングすることにより前記高周波アンテナのQ値を算出し、
前記Q値を用いて、撮影時に前記高周波アンテナに供給される高周波信号による照射パワーのうち、被検体に影響を与える照射パワーを算出し、比吸収率を管理すること
を特徴とする比吸収率管理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検体に高周波信号(以下、Radio Frequency信号；RF信号)を照射し、被検体中の水素や燐等からの核磁気共鳴(Nuclear Magnetic Resonance：以下NMRという)信号を計測し、物質の密度分布や緩和時間分布等を画像化する磁気共鳴イメージング(Magnetic Resonance Imaging：以下MRIとする)技術に関し、特に、RF信号の人体吸収比率：SAR(Specific Absorption Rate；比吸収率)の制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
MRI装置では、静磁場マグネットが発生する均一な静磁場中に配置された被検体に電磁波であるRF信号を照射し、被検体内の核スピンを励起すると共に、核スピンが発生する電磁波であるNMR信号を受信し、信号処理することにより、被検体を画像化する。RF信号の照射とNMR信号の受信とは、ラジオ周波数の電磁波を送信あるいは受信するRFアンテナもしくはRFコイルと呼ばれるアンテナ装置(以下、RFアンテナと呼ぶ。)によって行なわれる。【０００３】
MRI装置では、被検体にRF信号を照射するため、RF信号によって被検体の温度上昇が生じたり、やけどをしないよう制御する必要がある。このため、ラジオ波の人体吸収比率(比吸収率)であるSARは厳密かつ正確に管理される。これをSARマネジメントという。通常3テスラ以上のMRI装置では、RF信号の照射パワーはSARモニタによってリアルタイムでモニタされ、SARマネジメントがなされる。【０００４】
RFアンテナに入力されるRF信号の照射パワー(Pinput)は、式(1)のように、RFアンテナで消費されてRFアンテナの発熱を引き起こすもの(アンテナ消費パワー：Pantenna)と、被検体で消費され、被検体の発熱を引き起こすもの(被検体消費パワー：Pobject)との和で表される。【０００５】
Pinput＝Pantenna＋Pobject  ・・・(1)
正確なSARマネジメントをするためは、正確な被検体消費パワーPobjectの把握が必要である。この被検体消費パワーPobjectは、例えば、RFアンテナの共振のQ値を用いて算出できる。すなわち、RFアンテナ内部に被検体(患者)が入っていない状態でのQ値(Qempty)と、入っている状態のQ値(Qloaded)とを測定により得、それらを用いて、以下の式(2)で算出する(例えば、特許文献1参照)。【０００６】
Pobject＝Pinput×(1−Qloaded／Qempty)  ・・・(2)
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第8102177号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
近年のMRI装置は、RFアンテナの送信チャンネル数が2〜16チャンネルに増加する傾向にある。複数の送信チャンネルを備えることで、それぞれのチャンネルで照射パワーや位相を変えて、照射の空間的均一化を図るような工夫もなされている。複数のチャンネルを備えるRFアンテナを用いる場合、正確な被検体消費パワーPobjectを求めるためには、全てのチャンネルについて、Q値を測定し、式(1)および式(2)を計算する必要がある。【０００９】
アンテナのQ値の測定は、通常、ネットワークアナライザなどの高価な専用装置を使用し、実際に患者を配置した状態で、進行波と反射波とを位相を含めて測定する必要がある。しかし、高価な専用装置をMRI装置に組み込むことはコスト的に難しい。また、通常の撮影の実行に加え、Q値の測定を行うことになるため、患者の拘束時間も長くなる。【００１０】
Q値の測定なしに、RFアンテナに送り込まれた全てのパワーが被検体に与えられると仮定し、SARを見積もることがある。この場合、SARが過大に見積もられ、撮影シーケンスの制約が大きくなり、通常より撮影時間が延びる。【００１１】
本発明は上記事情を鑑みてなされたもので、高価な測定器を内蔵することなく、撮影時間を極端に延長することなく、正確なQ値を得、得られたQ値に基づいて算出した被検体消費パワーPobjectを用いて正確なSARマネジメントを可能にする技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、高周波アンテナの各チャンネルのQ値を、3以上の異なる周波数の高周波信号それぞれの進行波および反射波の振幅の測定結果を用いて算出する。振幅の測定は、MRI装置既存のSARモニタを利用する。また、Q値は、測定結果を、予め定めた回路モデルにフィッティングすることにより得られる回路係数に基づいて算出する。そして、算出したQ値を用いて被検体消費パワーPobjectを算出し、SARを管理する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、高価な測定器を内蔵することなく、撮影時間を極端に延長することなく、正確なQ値を得、得られたQ値に基づいて算出した被検体消費パワーPobjectを用いて正確なSARマネジメントができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態のMRI装置の概略構成図
【図２】(a)は、本発明の実施形態のRF送信系のブロック図(b)は、本発明の実施形態のデータ処理部の機能ブロック図
【図３】本発明の実施形態のRF信号の進行波と反射波の振幅と位相関係を説明するための説明図
【図４】(a)〜(c)は、本発明の実施形態の反射係数の絶対値の、周波数に対する変化の様子を説明するための説明図であり、(d)〜(f)は、本発明の実施形態のインピーダンスの絶対値の、周波数に対する変化の様子を説明するための説明図
【図５】図4(a)〜図4(f)に示す反射係数およびインピーダンスの変化の様子を示すスミスチャート
【図６】本発明の実施形態の、共振のインピーダンスが異なる場合の反射係数の変化の様子を説明するための説明図
【図７】本発明の実施形態で用いる共振回路モデルの回路図
【図８】本発明の実施形態のフィッティングの様子を説明するための説明図
【図９】本発明の実施形態の最小反射周波数決定処理のフローチャート
【図１０】本発明の実施形態のQ値算出処理のフローチャート
【図１１】本発明の実施例の算出結果を説明するための説明図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を適用する実施形態の一例を説明する。本発明の実施形態を説明する全図において、特に断らない限り、同一機能を有するものは同一符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００１６】
［MRI装置の構成］
まず、本実施形態のMRI装置の構成について説明する。図1は、本実施形態のMRI装置100の概略構成図である。MRI装置100は、被検体112が配置される計測空間に静磁場を形成するマグネット101と、静磁場に所定の方向の磁場勾配を与える傾斜磁場コイル102と、高周波信号(RF信号)を被検体112に送信するとともに被検体112から発生する核磁気共鳴信号(NMR信号)を受信するRFアンテナ103と、RFアンテナ103から送信されるRF信号(RF波)を作成してRFアンテナ103に送信するとともに、RFアンテナ103が受信したNMR信号に対し信号処理を行う送受信機104と、傾斜磁場コイル102に電流を供給する傾斜磁場電源109と、送受信機104および傾斜磁場電源109の駆動を制御するとともに、種々の情報処理およびオペレータによる操作を受け付けるデータ処理部105と、データ処理部105の処理結果を表示するための表示装置108と、被検体112を載置するベッド111と、を備える。
【００１７】
傾斜磁場電源109と傾斜磁場コイル102とは傾斜磁場制御ケーブル107で接続される。また、RFアンテナ103と送受信機104とは、RFアンテナ103と送受信機104との間で信号を送受信する送受信ケーブル106で接続される。送受信機104は、図示していないが、シンセサイザ、パワーアンプ、受信ミキサ、アナログデジタルコンバータ、送受信切り替えスイッチなどを備える。
【００１８】
本実施形態のRFアンテナ103は、所定の周波数で共振し、1以上のチャンネルを有するマルチチャンネルアンテナである。
【００１９】
MRI装置100は、マグネット101が形成する静磁場の方向によって、水平磁場方式と垂直磁場方式とに区別される。水平磁場方式の場合は、一般的に、マグネット101は円筒状のボア(中心空間)を有し、図1において左右方向の静磁場を発生し、トンネル型MRI装置と呼ばれる。一方、垂直磁場方式の場合は、一対の磁石が被検体112を挟んで上下に配置され、図1において上下方向の静磁場を発生する。
【００２０】
データ処理部105は、送受信機104および傾斜磁場電源109を制御し、静磁場中に配置された被検体112に対し、RFアンテナ103および傾斜磁場コイル102から、数ミリ秒間隔程度の断続したRF信号および傾斜磁場を、それぞれ照射および印加する。また、そのRF信号に共鳴して被検体112から発せられるNMR信号をRFアンテナ103にて受信し、信号処理を行い、画像を再構成する。被検体112は、例えば、人体の所定の部位である。
【００２１】
本実施形態のデータ処理部105は、さらに、RFアンテナ103の各チャンネルのQ値を算出する。そして、算出したQ値を用いて、撮影時のSARマネジメントを行う。
【００２２】
なお、図1では、RF信号の送信とNMR信号の受信とを行なうRFアンテナ103として、単一のRFアンテナが示されているが、これに限られない。例えば、広範囲撮影用のRFアンテナと局所用のRFアンテナとを組み合わせるなど、複数のアンテナから構成されるRFアンテナをRFアンテナ103として用いてもよい。特に、人体の各部位を詳細に撮影する場合においては、送信のアンテナと受信のアンテナに異なるものを用いる場合が多い。送信には、体全体をおおう傾斜磁場コイル内部に据付られた照射アンテナを用い、受信には人体表面近くに設置した局所アンテナを用いることが多い。この場合、局所アンテナは受信専用である場合が多い。
【００２３】
［RF送受信系の構成］
図2(a)は、図1における、データ処理部105、送受信機104、送受信ケーブル106およびRFアンテナ103(RF送信系)の詳細なブロック図である。ここでは、RFアンテナ103が4チャンネルである場合を例示する。
【００２４】
本図に示すように、本実施形態の送受信機104は、RFパルス生成部(RF Pulse generator；以下、単にパルス生成部と呼ぶ。)201と、増幅器(Power Amplifier：パワーアンプ)203と、モニタ(monitor)202と、を備える。
【００２５】
パルス生成部201は、RFアンテナ103から送信するRF信号のパルス波形(送信RFパルス)を生成する。送信RFパルスは、ピークパワーが数ミリワットの信号として作成され、パワーアンプ203に入力される。なお、送信RFパルスは、RFアンテナ103のチャンネル毎に生成される。
【００２６】
パワーアンプ203は、入力された送信RFパルスをピークパワーが数キロワットのRF波に増幅し、RFアンテナ(RF antenna)103に送信する。
【００２７】
送受信ケーブル106は、パワーアンプ203を介して、パルス生成部201とRFアンテナ103との間を接続する高耐圧のRF同軸ケーブルである。本実施形態では、パルス生成部201とRFアンテナ103とは、チャンネル毎に接続される。このため、送受信ケーブル106は、チャンネル数、設けられる。図2(a)の例では、RFアンテナ103が4チャンネルであるため、RFアンテナ103とパルス生成部201は、4本の送受信ケーブル106で接続される。
【００２８】
モニタ202は、パワーアンプ203出力直後に配置され、送受信ケーブル106を通ってRFアンテナ103に供給される高周波信号(RF信号)の進行波と逆行波の振幅をモニタする。進行波は、パワーアンプ203からRFアンテナ103に向かうRF信号であり、逆行波は、進行波とは逆向きに進むRF信号である。逆行波は、進行波がRFアンテナ103で反射した反射波と、RFアンテナ103の複数ある他のチャンネルから回り込んできた波とを重ね合わせたものであり、RFアンテナ103からパワーアンプ203に向かう。複数あるチャンネルのうち、ある1チャンネルだけ送信した場合、他のチャンネルからの回り込みの波をゼロにすることができる。本明細書では反射係数を測定する場合について考える。そのため、同時に送信するチャンネルを1チャンネルに限定し、回り込みの波はゼロとして、逆行波がすべて反射波である場合について考えることにする。
【００２９】
モニタ202は、進行波と反射波とをそれぞれ、チャンネル毎にモニタし、それぞれの振幅をデータ処理部105に出力する。なお、図2(a)では、モニタ202が、パワーアンプ203外に配置されている場合を例示するが、モニタ202は、パワーアンプ203に内蔵されていてもよい。
【００３０】
［データ処理部の機能構成］
次に、本実施形態の、Q値算出およびSARマネジメントに係るデータ処理部105の機能構成を説明する。本実施形態では、モニタ202で取得した進行波および反射波の振幅からQ値を算出する。これを実現するため、データ処理部105は、図2(b)に示すように、供給部212と、Q値算出部213と、最小反射周波数決定部214と、SAR管理部215と、を備える。
【００３１】
供給部212は、RFアンテナ103に高周波信号(RF信号)を供給する。本実施形態では、RFアンテナ103の、各チャンネルに供給するRFパルス波形を、パルス生成部201に生成させるよう指示を行う。
【００３２】
Q値算出部213は、モニタ202から得た各振幅を用いて、RFアンテナ103のQ値を算出する。本実施形態では、Q値算出部213は、進行波の振幅と反射波の振幅とから得た反射係数の絶対値を、予め定めた回路モデルにフィッティングすることにより、Q値を算出する。反射係数の絶対値は、反射波の振幅を進行波の振幅で除算した値の平方根を計算することにより得る。
【００３３】
フィッティングには、予め定めた3つ以上の異なる周波数のRF信号の反射係数の絶対値を用いる。例えば、MRI装置100が使用可能な上限周波数と、下限周波数と、RFアンテナ103の反射係数の絶対値が最小となる周波数である最小反射周波数との3つの周波数、或いはこれらの3つを含む複数の周波数を用いる。なお、この周波数の数に理論的な上限は無いが、実用上の上限数を2000程度として良い。
【００３４】
Q値算出部213は、撮影毎、被検体112毎、撮影部位毎に、撮影時の態様で被検体112をRFアンテナ103内部に設置した状態、すなわち、撮影時の負荷状態でモニタ202が測定した進行波と反射波の振幅を用いて、Q値算出処理を行う。従って、Q値算出部213により、上記式(2)のQloadedが得られる。
【００３５】
最小反射周波数決定部214は、モニタ202が測定した各振幅から得た反射係数の絶対値を、前記Q値算出部213が用いる回路モデルにフィッティングすることにより、最小反射周波数を決定する。このとき、予め定めた4以上の異なる周波数のRF信号の反射係数を用いる。なお、この周波数の数に理論的な上限は無いが、実用上の上限数は2000程度として良い。
【００３６】
最小反射周波数を予め測定する理由は、RFアンテナ103と送受信ケーブル106のインピーダンスが整合した状態(マッチング状態)、すなわち、負荷のインピーダンスが50オームに近い点での計測精度を高めるためである。そのための測定は50オームに近い負荷で行う。つまり、最小反射周波数決定部214は、適切な負荷を用い、マッチング状態での最小反射周波数を測定する。また、最小反射周波数決定部214は、負荷のない状態(無負荷状態)でのRFアンテナ103のQ値(Qempty)を合わせて算出する。Q値算出時は、負荷を取り去り、無負荷の状態で測定する。
【００３７】
最小反射周波数決定部214は、撮影とは異なるタイミングで、最小反射周波数を決定する。例えば、MRI装置100の製造時、設置時(据え付け時)、調整時、メンテナンス時などとする。すなわち、MRI装置100を、病院などに設置した際、送信系に関する部分、パワーアンプ203やRFアンテナ103、送信受信切り替えスイッチ、送受信ケーブル106などを交換した際に、最小反射周波数の決定処理を行う。また、無負荷状態で処理を実行する。
【００３８】
SAR管理部215は、Q値算出部213が算出したQ値(Qloaded)を用いて、撮影時に前記高周波アンテナ(RFアンテナ103)に供給される高周波信号(RF信号)による照射パワー(Pinput)のうち、被検体112に影響を与える照射パワー(被検体消費パワーPobject)を算出し、比吸収率SARを制御する。
【００３９】
本実施形態では、Q値算出部213が算出したQ値(Qloaded)と、最小反射周波数決定部214が算出したQ値(Qempty)とを用い、上記式(2)により、被検体消費パワー(Pobject)を算出し、それを用いて、SARを計算する。そして、SARマネジメントを行う。
【００４０】
SAR管理部215が実行するSARマネジメントを具体的に説明する。SAR管理部215は、SARの予測と、実測による制御を行う。SARの予測には、Q値(Qloaded)を用いる。このQ値(Qloaded)は、被検体112の位置が決まった時点で、本撮影シークエンスの前のプリスキャンによって測定することにより得る。
【００４１】
SAR管理部215は、得られたQ値(Qloaded)と、その後に続く撮影シークエンスのRFパルスの波形、強度、頻度から、SARを予測する。具体的には、式(2)を用い、各チャンネルから被検体112に与えられるパワー(被検体消費パワーPobject)を計算し、すべてのチャンネルによって与えられるパワー(被検体消費パワーPobject)の合計の10秒平均、および6分平均を、SARとして求める。そして、算出結果が、IEC(国際電気標準)などの安全規格、たとえば体重1kgあたり3ワット以下などの基準に適合しているか否かを判別し、不適合な場合は、適合するように制御する。
【００４２】
SAR管理部215は、算出結果が、安全規格を超えている場合は、例えば、撮影中に休止期間を設けることにより、適合するよう制御する。あるいは、照射RFパルスの波形、強度、頻度を変えることにより、適合するよう制御する。
【００４３】
SAR管理部215は、本撮影が始まってからも照射RF波形の実測を継続し、予測と比べて実測が限度を超えて異なり、安全に問題があれば警告を出したり、装置の緊急停止などを行う。
【００４４】
［Q値算出処理の詳細］
以下、本実施形態のQ値算出部213によるQ値算出処理の詳細を説明する。
【００４５】
［進行波および反射波］
まず、モニタ202が測定する進行波および反射波について説明する。図3は、1本の送受信ケーブル(RF同軸ケーブル)106を通過するRF信号(RF波)を説明するための図である。上述のように、送受信ケーブル106を通過するRF波には、パワーアンプ203からRFアンテナ103に向かう進行波(入力波：Foward)301と逆方向に向かう反射波(Reflected)302とがある。
【００４６】
本図に示すように、進行波301および反射波302には、それぞれ振幅(Amplitude)と位相(Phase)とがある。そして、進行波301と反射波302とには、位相差(Phase difference)が発生する。
【００４７】
通常、MRI装置に使用される数MHzから数100MHzのRF波には、50オーム(Ω)系の同軸ケーブル106が使用される。RFアンテナ103の入力インピーダンス(以下、単にインピーダンスと呼ぶ)Zが、適切に50オームにマッチングされていると、進行波301はほとんど反射しない。しかし、RFアンテナ103のインピーダンスZが50オームからずれている場合、反射波302が発生する。
【００４８】
RFアンテナ103のインピーダンスZは、RFアンテナ103の内部に配置される、被検体(患者)112の大きさ、体組成などに大きく依存して変動する。大きな被検体112がRFアンテナ103内部に入ったり、被検体112がRFアンテナ103の導体近くにきた場合、RFアンテナ103の負荷は重くなり、インピーダンスZは変化する(下がる)。このため、RFアンテナ103のインピーダンスZを、撮影時の状態で50オームに調整することは難しく、実際の撮影時は、反射波302が発生する。
【００４９】
［Q値算出手法］
次に、Q値算出手法を説明する。一般に、RFアンテナ103のQ値は、以下の式(3)を用いて計算する。
0006577469.tif 000002
【００５０】
ここで、f(Zmax)は、RFアンテナ103のインピーダンスZの絶対値｜Z11｜(以下、単にインピーダンス｜Z11｜と呼ぶ。)がピーク値(Zmax)をとる周波数である。また、δfは、インピーダンス｜Z11｜のピーク値(Zmax)の1／√2の値、すなわち、｜Z11｜＝Zmax／√2、と｜Z11｜とが交差する2つの周波数の差である。つまり、δfは、インピーダンス｜Z11｜のピークの幅である。
【００５１】
RFアンテナ103のインピーダンスZは、進行波301および反射波302から算出される反射係数Sを用いて、以下の式(4−1)で表される。
0006577469.tif 000003
【００５２】
なお、Z0は、系の特性インピーダンス(通常50オーム)である。また、式(4−2)は、インピーダンスZから反射係数Sへ変換する式である。
【００５３】
インピーダンスZは、複素数値であるため、反射係数Sも複素数として得る必要がある。従って、進行波301および反射波302も複素数値として測定する必要がある。すなわち、上記式(3)によりQ値を算出する場合、進行波301および反射波302の振幅だけでなく位相も測定する必要がある。
【００５４】
［モニタの限界］
しかしながら、モニタ202では、上述のように、進行波301および反射波302それぞれの、振幅しか測定できない。これは、モニタ202が、もともと、SAR、すなわち、RFパワーをモニタするために設けられているためである。
【００５５】
モニタ202は、MRI装置の撮影シーケンスが実行されている間、断続してRFアンテナ103に入射されるミリ秒単位のRF波を、数10分間に渡ってモニタし続ける。3テスラのMRI装置で使用されるRF波の周波数は、およそ128MHzである。データ量を処理可能な量に抑えるため、モニタ202は、検出波形を数マイクロ秒程度の単位で積分するよう構成される。
【００５６】
RF波の位相を直接検出するためには、RF波形を高い時間分解能で測定する必要がある。たとえば128MHzのRF波形の位相を5度程度の分解能で検出するためには、およそ109ピコ秒単位でRF波を検出する必要があり、上述のように設計されているモニタ202では検出できない。
【００５７】
例えば、100ピコ秒程度の分解能のオシロスコープがあれば、検出できる。しかし、このようなオシロスコープをMRI装置に組み込むことは、高価となるので現実的ではない。また、ヘテロダイン検波などの周波数ミキシングを用いる方法を用いると、オシロスコープの時間方向の分解能を大幅に落としても、位相を検出することができる。しかし、ヘテロダイン検波するためには、ミキシングするためのLO(ローカル)と呼ばれる安定した中間周波数を、検出する場所に配分する必要があり、システムが高価で複雑になるため、現実的ではない。
【００５８】
進行波301と反射波302とが連続波で、かつ、高度な測定器を用いれば、両者の間の位相差(Phase  difference)も測定できる。しかし、通常、MRI装置100に使用されるRF波は、長さが数ミリ秒のパルス形状を有する。
【００５９】
このように、SARのモニタリングシステムとしてMRI装置100に設けられているモニタ202に、進行波301、反射波302の位相を検出する機能を持たせるためには、複雑な構成が必須となるヘテロダイン検波方式を用いるか、100ピコ秒レベルでデータを処理する必要があり、大幅なコスト上昇を招く。
【００６０】
［出力周波数の限界］
また、反射係数Sは、パワーの小さいRF信号を、広い範囲で周波数を変化させて出力し、それぞれの周波数について、進行波と反射波の振幅と位相を測定し、反射波の複素数値を進行波の複素数値で除算して算出する。MRI装置100のRFアンテナ103のQ値は、負荷の大きさによりおおよそ20〜300程度の範囲で変動する。3テスラのMRI装置100の場合、このQ値を正確に測定するために周波数を変化させる範囲(バンド幅)は、6.4〜0.4MHz必要であることが分かる。
【００６１】
しかしながら、多くのMRI装置100のパワーアンプ203やパルス発生部201は、このような広い帯域に対応していないため、位相測定のために上記範囲にわたって周波数を変化させることができない。
【００６２】
MRI装置100は、RFアンテナ103を共振させて感度を高める。3テスラのMRI装置100の場合、パルス発生部201が出力する中心周波数は、水素核スピンの共振周波数fHに一致させてあり、RFアンテナ103の共振周波数f0は水素核スピンの共振周波数fHの、±0.2MHzの範囲に入るように調整されている。そのため、パワーアンプ203も、この範囲の数倍程度をカバー可能な狭帯域のもので充分であり、高価な広帯域のものを用いる必要がない。通常、パワーアンプ203に使用される帯域はf0±0.5MHz程度である。そのため、MRI装置100は、広い周波数範囲のRF波をRFアンテナ103に供給することができない。
【００６３】
また、MRI装置100では、発振する周波数を数Hz単位で細かく変える必要がある。このため、パルス生成部201が発振できる周波数範囲は、f0±1MHz程度である。また、MRI装置100には、共振周波数f0付近以外のノイズとなりうるRF波を除去するためにバンドパスタイプのフィルタが備えられる。
【００６４】
以上説明したように、通常のMRI装置100に組み込まれた送受信機104の機能では、進行波301および反射波302の複素数値は得られない。
【００６５】
［反射係数とインピーダンスとQ値との関係］
次に、反射係数SとインピーダンスZとQ値との関係を説明する。図4(a)〜図4(f)は、RFアンテナ103の1つのチャンネルにおける、反射係数Sと、インピーダンスZと、Q値との関係を説明するためのグラフである。
【００６６】
図4(a)〜図4(c)は、それぞれ、異なる負荷状態での、周波数に対する反射係数の絶対値｜S11｜(以下、単に反射係数｜S11｜と呼ぶ。)の変化を示すグラフ401、402、403である。ここでは、縦軸は反射係数｜S11｜(｜S11｜amplitude)、横軸は周波数(Frequency［MHz］)である。また、図4(d)〜図4(f)は、それぞれ、図4(a)〜図4(c)と同じ負荷状態での、周波数に対するRFアンテナ103のインピーダンスZの絶対値｜Z11｜(インピーダンス｜Z11｜)の変化を示すグラフ411、412、413である。ここでは、縦軸はインピーダンス｜Z11｜(｜Z11｜amplitude［ohm］)、横軸は周波数(Frequency［MHz］)である。
【００６７】
なお、以下の説明において、共振周波数f0は、MRI装置100の静磁場による水の水素核スピンの共振周波数fHの±0.2MHzに一致するように調整されているとする。この共振周波数f0は、3テスラのMRI装置100では、およそ128MHz付近である。
【００６８】
図4(a)および図4(d)は、RFアンテナ103の中に負荷のない状態(無負荷状態)の、反射係数｜S11｜(401)、および、インピーダンス｜Z11｜(411)である。共振周波数f0での反射係数｜S11｜は、0よりも1に近い。そして、インピーダンス｜Z11｜は、ピークにおいて、50オームを超える。
【００６９】
また、図4(b)および図4(e)は、RFアンテナ103内に、中程度の(適切な)負荷が入った状態(中負荷状態)での、反射係数｜S11｜(402)、および、インピーダンス｜Z11｜(412)である。中負荷状態は、共振周波数f0で、RFアンテナ103のインピーダンスZが、50オームにマッチした状態とする。中負荷状態では、共振周波数f0において。反射係数｜S11｜(402)が0に近くなり、インピーダンス｜Z11｜(412)のピークは50オームとなる。
【００７０】
また、図4(c)および図4(f)は、RFアンテナ103内に、大きな負荷が入った状態(高負荷状態)での、反射係数｜S11｜(403)、および、インピーダンス｜Z11｜(413)である。共振周波数f0における反射係数｜S11｜(403)は、0よりも1の方に近づき、インピーダンス｜Z11｜(413)のピークは、50オームを下回る。
【００７１】
図4(a)〜図4(c)において、周波数f(Smin)は、それぞれ下に凸のカーブとなる各グラフ401、402、403の極小点の周波数を示す。以下、極小点の周波数を最小反射周波数と呼ぶ。MRI装置100の通常のRFアンテナ103においては、最小反射周波数f(Smin)が水素核スピンの共振周波数fHに、±0.2MHz以内の差で一致するように調整される。
【００７２】
図4(d)〜図4(f)において、f(Zmax)は、それぞれ上に凸のカーブとなる各グラフ411、412、413の極大点の周波数を示す。反射係数｜S11｜の測定時に位相のオフセットを調整し、通常、f(Zmax)と最小反射周波数f(Smin)とを一致させる。
【００７３】
上記式(3)より、図4(a)および図4(d)に示す無負荷状態では、RFアンテナ103のポートのインピーダンスZが高く、インピーダンス｜Z11｜のピークの幅δfが狭いため、Q値も高い(High  Q)。また、図4(c)および図4(f)に示す高負荷状態では、逆に、Q値は低い(Low  Q)。そして、図4(b)および図4(e)では、Q値は、両者の間の中程度の値となる(Medium  Q)。
【００７４】
なお、反射係数Sの位相情報が得られず、絶対値｜S11｜しか測定できない場合、式(4−1)および式(4−2)を用いてSからZに容易には変換できない。図4(a)に示すHigh  Qのケース(401)と、図4(c)に示すLOW  Qのケース(403)では、｜S11｜だけをみると似ているため、区別がつきにくい。よって、Q値を簡単に算出することは難しい。
【００７５】
図5は、図4(a)〜図4(f)の各状況を示すスミスチャート500である。インピーダンスZのピークがほぼ50オームにマッチする、図4(b)および図4(e)に示す中負荷(Medium Q)の場合、中心周波数f(Zmax)でのインピーダンスZは、ほぼZ0となり(Z(f0)〜Z0)、Sパラメータ(反射係数S)の曲線502は、スミスチャート500上で中心をとおる円弧状の曲線となる。
【００７６】
図4(a)および図4(d)に示す無負荷(High  Q)状態の場合、Q値が大きく、中心周波数f(Zmax)でのインピーダンスZは、Z0より高い(Z(f0)＞Z0)。この場合、Sパラメータ(反射係数S)の曲線501は、スミスチャート500上で中心よりも右側を通り、曲線502よりも半径が大きな円弧を描く。
【００７７】
図4(c)および図4(f)に示す高負荷(Low  Q)状態の場合、Q値が小さく、中心周波数f(Zmax)でのインピーダンスZは、Z0より低い(Z(f0)＜Z0)。この場合、Sパラメータ(反射係数S)の曲線503は、スミスチャート500上で中心よりも左側を通り、曲線502よりも半径が小さな円弧を描く。
【００７８】
図6は、図4(a)〜図4(c)に示す、3つの反射係数｜S11｜の測定値のグラフ401、402、403を、重ねて描いた図である。本図から、インピーダンスZが高い場合(Z(f0)＞Z0)と低い場合(Z(f0)＜Z0)との曲線形状は似ているが、全体的に縦方向にシフトしていることが分かる。そこで、このわずかな差を利用してQを求めることを考える。
【００７９】
［本実施形態のQ値算出手法］
本実施形態のQ値算出部213によるQ値算出手法について説明する。上述のように、本実施形態のQ値算出部213は、進行波の振幅と反射波の振幅とから得た反射係数を、予め定めた回路モデルにフィッティングすることにより、Q値を算出する。
【００８０】
図4(a)〜図4(f)に示すように、RFアンテナ103の負荷により、反射係数｜S11｜およびインピーダンス｜Z11｜は、周波数に対する変化の態様が異なる。
【００８１】
本実施形態のQ値算出部213は、撮影時の負荷の態様、すなわち、RFアンテナ103に被検体112が、撮影時の体勢で配置された状態で、複数の異なるRF信号をRFアンテナ103に与え、それぞれ、進行波301および反射波302の振幅を測定する。そして、反射波302の振幅を進行波301の振幅で除算し、平方根を取ることにより反射係数の絶対値｜S11｜を算出し、グラフ(401、402、403)で表される、反射係数｜S11｜の、周波数に対する変化の関数(S(f))を決定する。
【００８２】
RFアンテナ103の各チャンネルは、その共振周波数の付近の狭い周波数範囲で、単純なLCR(インダクタ、キャパシタ、抵抗)共振回路モデルで置き換えることができる。本実施形態では、上記グラフの決定にあたり、この共振回路モデルを用いる。
【００８３】
図7に、この共振回路モデル700を示す。共振回路モデル700は、直列に接続され、ループを形成する、インダクタ740と、キャパシタ720と、抵抗730との3つの回路要素で構成される。さらに、RF周波数源710がキャパシタ720に並列に接続される、並列共振回路である。なお、RF送信系では、RF周波数源710は、パルス生成部201に相当する。
【００８４】
共振回路モデル700は、RF周波数源710がキャパシタ720に並列に接続される1ポートの回路である。このため、この共振回路モデル700のポートインピーダンスZ(RFアンテナ103のインピーダンスZ)は、インダクタ740のインダクタンスL、キャパシタ720の容量C、抵抗730の抵抗値Rを用いて、以下の式(5)で表すことができる。
0006577469.tif 000004
【００８５】
この式(5)を、式(4−2)に代入することにより、1ポートの共振回路モデル700のSパラメータ(反射係数)Sは、L、C、Rとωで表される。ここで、ωは2πf(fは周波数)であるため、反射係数Sは、以下の式(6)に示すように、L、C、Rと周波数fとで表される。すなわち、fの関数である。
0006577469.tif 000005
【００８６】
異なる3つの周波数fをRFアンテナ103に与え、それぞれ、実測した反射係数の絶対値｜S11｜を、式(6)の両辺の絶対値をとったものに代入して3つの式を得、それらを解くことにより、L、C、Rを求めることもできる。しかし、そのような厳密解は測定誤差が大きいデータに対して現実とかけ離れた解を与える可能性があるので、本実施形態のQ値算出部213は、解に制限範囲を設けることが容易な最小二乗法を用いる。具体的には、周波数fを3つ以上の異なる値に変化させて、それぞれ実測した反射係数｜S11｜を上記式(6)のSの絶対値とし、L、C、Rをパラメータとして最小二乗法フィッティングすることにより、実効的なL、C、Rの値を得る。
【００８７】
フィッティングには、例えば、汎用の非線形最小二乗法フィッティングのアルゴリズムを使用する。すなわち、L、C、Rの値を、予め定めた初期値から、予め定めた変化量ずつ、予め定めた範囲で変化させる。そして、実測値と、上記式(6)から得た値の絶対値との差の二乗が最も小さくなるL、C、Rの値の組を、解とする。
【００８８】
すなわち、本実施形態のQ値算出部213は、それぞれの回路要素(インダクタ740と、キャパシタ720と、抵抗730)の値を変化させてフィッティングを行い、回路要素それぞれの値(L、C、R)を得る。そして、得られた回路要素(L、C、R)の値を用いて、Q値を算出する。
【００８９】
Q値は、以下の式(7)により算出する。
0006577469.tif 000006
【００９０】
なお、ω0はLCR共振系の共振角速度であり、2πで割って共振周波数f0となる。すなわち、ω0＝2πf0である。従って、RFアンテナ103のインピーダンスのピーク値Zmaxの実部ReZmax、共振回路モデル700の共振周波数f0、共振のQ値も同様に、これらのL、C、Rの値を用いて、式(7)で算出できる。なお、式(5)に式(7)のω0を代入するとZmax＝L／(CR)＋i√(L／C)と求まる。しかし、通常その虚部は実部に比べてかなり小さい。このため、実部のReZmaxを代表的なパラメータとする。
【００９１】
Q値算出部213は、被検体112をRFアンテナ103内に配置してから、撮影の直前にQ値を算出する。従って、ここで得られるQ値は、被検体112が配置されている状態でのRFアンテナ103のQ値であるQloadedである。
【００９２】
なお、上記Q値算出処理では、共振回路モデル700の回路要素の値(L、C、R)を変化させてフィッティングし、これらの値を用いてQ値を算出しているが、Q値の算出手法は、これに限定されない。ReZmax、ω0、Qを変化させてフィッティングを行い、直接Q値を算出してもよい。
【００９３】
式(7)は、以下の式(8)に示すように、ReZmax、ω0、QからL、C、Rを求める式に書き換えられる。
0006577469.tif 000007
従って、Q値算出部213は、回路要素(インダクタ740と、キャパシタ720と、抵抗730)の値(L、C、R)で表されるQ値、高周波アンテナ(RFアンテナ103)のインピーダンス値ReZmax、および、前記共振回路の共振角速度ω0(または、共振周波数f0)を変化させてフィッティングを行い、Q値を得てもよい。
【００９４】
この場合、ReZmax、ω0、Qを、予め定めた初期値から、予め定めた態様で変化させて、共振回路モデル700の、反射係数Sの、周波数fを変数とする関数S(f)をそれぞれ得る。そして、各関数について、得られた各反射係数｜S11｜との差を算出し、差が最小となる関数のReZmax、ω0、Qを解として得る。
【００９５】
なお、フィッティング時に変化させるパラメータは、L，C，Rの組、Q，ReZmax、ω0(あるいは共振周波数f0)の組に限定されない。独立な3変数であればよい。
【００９６】
なお、上記フィッティングにおいて、初期値の設定には注意が必要である。すなわち、図4(b)のグラフ402からわかるように、インピーダンスZが50オーム付近で反射係数｜S11｜は、極小値ゼロを取る。つまり、50オームの点は、特異点である。このため、パラメータの値を変化させる際、ReZmaxの値は、50オームを避けて初期値を設定し、また、ReZmaxの値として50オームより大きい場合と小さい場合の2つ初期値を設ける。
【００９７】
［変化させる周波数］
反射係数｜S11｜の測定時間(Mtime)は、RFアンテナ103のチャンネル数(nch)、モニタ202のデータ更新時間(dtime)、測定周波数数(周波数方向の測定点数)(nsample)などに依存する。従って、これらの変数を用いて、以下の式(9)のように表される。
【００９８】
Mtime＝nch×dtime×nsample  ・・・(9)
たとえば、RFアンテナ103が4チャンネルで、データ更新時間が1秒(更新頻度が1秒)、測定点数が11点の場合、測定時間は、上記式(9)より、44秒である。測定時間はできれば6秒程度までに短縮したいという要請がある。データ更新時間を0.5秒、測定点数を3点までに減らせば、6秒となる。
【００９９】
図8に、測定点数が11点の場合のフィッティング結果601を示す。本図において、ダイアで描かれた11点が測定点である。これらの測定点を共振回路モデル700でフィッティングし、この結果601を得る。これは、式(6)で表される、fを変数とする反射係数Sの関数S(f)である。
【０１００】
ここで、測定時間を減らすために測定点を3点まで減らすことを試みる。例えば、周波数が一番低い左端の点、周波数が一番高い右端の点、および、中心の共振周波数f0の点の3点を選んでフィッティングする。この場合、点線で示す曲線602が得られる。すなわち、S(f)は、11点の場合と異なる結果となる。これにより得たパラメータから算出したQ値の精度は高くない。
【０１０１】
一方、周波数が一番低い左端の点、周波数が一番高い右端の点、および、フィッティング結果601の最小値となる周波数(最小反射周波数)f(Smin)の3点を選んでフィッティングする。この場合、ほぼフィッティング結果601と同じ結果となる。
【０１０２】
よって、本実施形態では、Q値算出部213は、フィッティングを行う際、反射係数｜S11｜を実測する周波数fは、両端近傍の周波数と、フィッティング結果(反射係数｜S11｜の周波数を変数とする関数)が極小値を取る周波数(最小反射周波数)f(Smin)の3つの周波数とする。
【０１０３】
例えば、f0−0.5MHz、f(Smin)、f0＋0.5MHzの3つとする。また、MRI装置100が使用可能な上限周波数と、下限周波数と、RFアンテナ103の反射係数が最小となる最小反射周波数f(Smin)との3つの周波数としてもよい。
【０１０４】
なお、最小反射周波数f(Smin)と共振周波数f0とは一致している方が望ましいが、図8に示すように、配線のケーブルや送信受信切り替えスイッチなどの影響で両者はずれて測定される場合もある。
【０１０５】
［最小反射周波数決定処理の詳細］
次に、本実施形態の最小反射周波数決定部214による最小反射周波数決定処理の詳細を説明する。
【０１０６】
最小反射周波数決定部214は、上述のように、最小反射周波数f(Smin)を決定する。ここでは、マッチング状態での負荷、および無負荷状態で、4以上の異なる周波数で進行波301および反射波302をそれぞれ測定し、反射係数｜S11｜をそれぞれ算出する。そして、Q値算出部213同様、共振回路モデル700でフィッティングし、マッチング状態での反射係数｜S11｜が最小となる周波数f(Smin)を得、それを、最小反射周波数と決定する。また、このとき、無負荷状態のQ値(Qempty)を合わせて算出する。
【０１０７】
具体的には、例えば、最小二乗法によりマッチング状態でのデータを共振回路モデル700にフィッティングし、L、C、Rの値を決定し、上記式(6)で表される関数S(f)を確定することにより、極小点f(Smin)となる周波数を決定する。また、無負荷の状態で得られたL、C、Rの値を用い、無負荷状態のQ値(Qempty)を算出する。
【０１０８】
測定周波数の数(測定点数)は、できるだけ正確にQ値を得るため、共振周波数f0を基準として、±0.5MHz程度の範囲を、11点等の比較的多い点数で計測する。
【０１０９】
例えば、Q値が300程度の共振インピーダンスピークを持つRFアンテナ103であって、共振周波数f0が126MHzの場合、f0／Qは、0.42MHzである。共振周波数f0±(f0／Q)／2の周波数範囲に5点程度、すなわち、f0±f0／Q程度の周波数範囲に、10点程度の測定点を設定し、共振周波数f0の点も含め、計11点とする。
上述の図8は、共振周波数f0の点も含め、計11点の測定点を設定し、プロットした様子を示すものである。
【０１１０】
なお、f0±(f0／Q)／2の周波数範囲に5点設定する場合、設定周波数間隔は、0.084MHzである。これ以上間隔を狭くしても、フィッティングで求まるQ値はほとんど変わらないため、精度は変わらないと考えられる。従って、共振周波数をf0、RFアンテナ103の無負荷状態のQ値をQemptyとすると、最小反射周波数決定処理では、MRI装置100が使用可能な上限周波数および下限周波数との間で、f0／Qempty／5以上の周波数おきに測定し、その結果を用いて最小反射周波数を決定することが望ましい。
【０１１１】
これは、3テスラ程度の静磁場を持つMRI装置100であって、RFアンテナ103の無負荷のQ値が300程度の場合の例である。
【０１１２】
静磁場強度や共振Q値の異なるRFアンテナでは、それぞれ、必要十分な測定点数の数と範囲は異なる。つまり、共振周波数f0／Q／5以上の周波数おきに測定することで充分である。
【０１１３】
なお、Q値算出部213と最小反射周波数決定部214とはフィッティングするデータ点数が異なるだけで、同じアルゴリズムを用いた同じ計算機能である。従って、1つの機能部が、両方の処理を行うよう構成してもよい。すなわち、いずれかの処理部が、両方の処理を行ってもよい。
【０１１４】
［最小反射周波数決定処理の流れ］
ここで、本実施形態の最小反射周波数決定部214による最小反射周波数決定処理の流れについて説明する。図9は、本実施形態の最小反射周波数決定処理の処理フローである。本実施形態の最小反射周波数決定処理は、上述のように、製造時、据え付け時、調整時、あるいは、メンテナンス時等に実行する。最小反射周波数決定処理は、下記のQ値算出処理に先立ち、実行されればよい。また、無負荷状態で実行する。
【０１１５】
まず、最小反射周波数決定部214は、予め定めた4以上の異なる周波数(全計測点)のRFパルスの進行波301および反射波302の振幅を計測(Full point sweep ｜S11｜ measurements at high Q(empty))し、周波数毎の反射係数｜S11｜を算出(ステップS1101)。各周波数のRFパルスは、供給部212からの指示に従ってパルス生成部201から供給する。例えば、周波数範囲f0±0.5MHz程度の範囲を、11点など比較的多い点数計測する。なお、計測は、無負荷状態で行う。
【０１１６】
最小反射周波数決定部214は、得られた反射係数｜S11｜を、共振回路モデル700でフィッティングし、反射係数｜S11｜が極小となる周波数(最小反射周波数)f(Smin)を決定する(ステップS1102)。
【０１１７】
次に、フィッティングにより得られた共振回路モデル700の、L、C、Rの値から、Q値(Qempty)を算出する(ステップS1103)。決定した極小点f(Smin)およびQ値は、チャンネルに対応づけて記録する。
【０１１８】
最小反射周波数決定部214は、ステップS1101およびS1103の処理を、全てのチャンネルについて、繰り返す(ステップS1104)。
【０１１９】
［Q値算出処理］
次に、Q値算出部213による、Q値算出処理の流れを説明する。図10は、本実施形態のQ値算出処理の処理フローである。Q値算出部213は、撮影時、被検体112が変わる毎、撮影部位が変わる毎に、撮影時の状態で被検体112を挿入した状態で、Q値算出処理を行う。また、Q値算出処理を、RFアンテナ103の各チャンネルについて行う。
【０１２０】
Q値算出部213は、高周波アンテナ(RFアンテナ103)に供給される、予め定めた3以上の異なる周波数fの高周波パルス(RFパルス)それぞれの進行波301および反射波302の振幅を測定して各高周波パルス(RFパルス)の反射係数｜S11｜を算出する(ステップS1201)。
【０１２１】
予め定めた3以上の異なる周波数fのRFパルスは、供給部212からの指示に従ってパルス生成部201から供給する。そして、Q値算出部213は、各周波数fのRFパルス供給時の、進行波301および反射波302の振幅をそれぞれ取得し、反射係数｜S11｜を得る。進行波301および反射波302の振幅は、モニタ202が測定する。
【０１２２】
Q値算出部213は、各前記反射係数を、予め定めた共振回路モデル700にフィッティングすることにより回路定数を得る(ステップS1202)。フィッティングは、上述のように、例えば、最小二乗法で行う。
【０１２３】
ここでは、回路要素であるインダクタ740と、キャパシタ720と、抵抗730を変化させる場合を例にあげて説明する。具体的にはこの場合、各回路要素の値L、C、Rを、予め定めた初期値から、予め定めた態様で変化させて、共振回路モデル700の、反射係数Sの、周波数fを変数とする関数S(f)をそれぞれ得る。そして、各関数について、得られた各反射係数｜S11｜との差を算出し、差が最小となる関数のL、C、Rを解として得る。
【０１２４】
そして、Q値算出部213は、得られた回路定数を用いて、高周波アンテナ(RFアンテナ103)のQ値を算出する(ステップS1203)。ここでは、得られたL、C、Rを式(7)に代入し、Q値(Qloaded)を得る。
【０１２５】
Q値算出部213は、ステップS1201およびS1203の処理を、全チャンネルについて行い(ステップS1204)、Q値算出処理を終了する。
【０１２６】
なお、Q値、ピークインピーダンス値ReZmax、および、共振角速度ω0(または、共振周波数f0)を変化させてフィッティングを行う場合、ステップS1201の後、フィッティングを行うことにより、直接Q値を得る。
【０１２７】
なお、SAR管理部215は、上述のように、得られたQ値(Qloaded)と、最小反射周波数決定処理で算出されている無負荷状態のQ値(Qempty)と、既知のPinputの値とを用い、上記式(2)によりPobjectを計算し、SARマネジメントを行う。
【０１２８】
＜変形例＞
上記実施形態では、Q値算出処理および最小反射周波数決定処理時のフィッティングにおいて、回路定数L、C，R、または、ReZmax、ω0、Qといった独立な3変数を、予め定めた初期値から、予め定めた変化量ずつ、予め定めた範囲で変化させ、最適な解を得ている。しかしながら、フィッティング手法はこれに限定されない。
【０１２９】
例えば、2つの異なる初期値を設定し、当該2つの初期値からパラメータを変化させてフィッティングを行い、得られた2つの解のうち、残差が少ない方の解を用いて、前記Q値を算出するよう構成してもよい。
【０１３０】
例えば、フィッティングの初期値としてReZmaxは、50オームを避ける必要がある。従って、ピークインピーダンス値ReZmax(＝L／(CR))の初期値として、50オームの上下に2種(50＋α、50−β(α、βは、1〜20程度の正の値))設定し、それらの値から、50オームから離れるようそれぞれReZmaxの値を変化させて、2回フィッティングを行い、結果の残差の少ない方を解とするよう構成してもよい。
【０１３１】
このとき、L、C、Rを変化させる場合、LとCとは同じ初期値にして、Rだけ2種設定し、同様に2回フィッティングを行い、結果の残差の少ない方を解とするよう構成してもよい。
【０１３２】
＜実施例＞
RFアンテナ103の1つのチャンネルについて、f0−0.5MHzからf0＋0.5MHzまでの間の所定の11点(11種の周波数)のデータを用いてフィッティングした場合(11点測定)と、f0−0.5MHz、f0＋0.5MHz、f(Smin)の3点(3つの周波数)でフィッティングした場合(3点測定)と、でそれぞれ求められたパラメータの値(L、R、C、ReZmax、f0、Q)と、フィッティングの残差(Fit  deviation)を、図11のテーブル800に示す。
【０１３３】
フィッティングには汎用の非線形最小二乗法フィッティングのアルゴリズムを使用した。また、フィッティングの初期値には、以下の2種の(Q，ReZmax，f0)の組を用いた。なお、f0は、共振回路モデル700の共振周波数である。
【０１３４】
(Q，ReZmax，f0)＝(130，45，123.47)、
(Q，ReZmax，f0)＝(150，52，123.47)
すなわち、ReZmaxとして、50オームを挟んで上下に45オーム，52オームの2種類の初期値を与えた。そして、45オームからReZmaxの値を小さくする方向に変化させて得たフィッティング結果と、50オームからReZmaxの値を大きくする方向に変化させて得たフィッティング結果との2つのフィッティングの結果の残差が少ない方を正しい解として選んだ。
【０１３５】
なお、負荷は、無負荷(Unloaded(empty))と、中程度の負荷(中負荷：Medium loaded)と、高負荷(Highly loaded)の3種とした。
【０１３６】
得られたQ値は、無負荷の場合、11点測定では267、3点測定では272、中負荷の場合、11点測定では146、3点測定では150、高負荷の場合、11点測定では52、3点測定では54という結果となった。
【０１３７】
11点測定における算定結果が正しいと仮定すると、3点測定での算定結果の誤差は、無負荷、中負荷、高負荷それぞれ、3％、2％、4％となった。このことから、11点から大幅にデータ点数を減らして、3点でフィッティングを行っても誤差は最大で4％程度であり、正確なQ値が測定できることが示された。
【０１３８】
以上説明したように、本実施形態のMRI装置100は、所定の周波数で共振する高周波アンテナ103と、前記高周波アンテナ103に高周波信号を供給する供給部212と、前記供給部212から高周波アンテナ103に供給される高周波信号の進行波301と反射波302との振幅を測定するモニタ202と、前記振幅を用いて、前記高周波アンテナ103のQ値を算出するQ値算出部213と、を備え、前記供給部212は、3以上の異なる周波数の前記高周波信号を前記高周波アンテナ103に供給し、前記モニタ202は、前記供給された各周波数の高周波信号について、前記振幅をそれぞれ測定し、前記Q値算出部213は、各前記振幅から得た反射係数の絶対値を、予め定めた回路モデル(共振回路モデル)700にフィッティングすることにより前記Q値を算出する。
【０１３９】
また、前記供給部が供給する周波数は、当該MRI装置100が使用可能な上限周波数と、下限周波数と、前記高周波アンテナの反射係数が最小となる最小反射周波数と、の3つの周波数である。
【０１４０】
そして、本実施形態のMRI装置100は、前記最小反射周波数を決定する最小反射周波数決定部214をさらに備え、前記供給部212は、予め定めた4以上の異なる周波数の高周波パルスを供給し、前記最小反射周波数決定部214は、前記モニタ202が測定した各振幅から得た前記反射係数を前記回路モデル(共振回路モデル)700にフィッティングすることにより、前記最小反射周波数を決定してもよい。
【０１４１】
また、本実施形態のMRI装置100は、前記Q値算出部213が算出したQ値を用いて、撮影時に前記高周波アンテナ103に供給される高周波信号による照射パワーのうち、被検体112に影響を与える照射パワーを算出し、比吸収率を管理する比吸収率管理部(SAR管理部)215をさらに備えてもよい。
【０１４２】
このように、本実施形態によれば、MRI装置の既存のハードウェアで測定可能な値を用いて、回路モデルにフィッティングすることによりQ値を算出する。また、撮影時に、患者が配置されてから、少なくとも3つの周波数のRFパルスの送信によりQ値を算出できる。従って、新たに高価な測定器を搭載することなく、また、撮影時間を、通常の撮影時間から大幅に延長することなく、既存のハードウェアのみで正確なQ値を得ることができる。
【０１４３】
従って、本実施形態によれば、正確なQ値により、過不足のないSARを得ることができ、高精度で効率的なSARマネージメントを実現できる。
【０１４４】
従来のMRI撮影におけるSARマネジメントでは、SARを簡便に見積もる方法を採択するとSARを過大に見積もりがちで、その結果として撮影時間が伸びてしまう。また、正確に見積もるためには、患者の撮影部位ごとに、RFアンテナ103の全てのチャンネルのQ値の測定、すなわち、進行波と反射波の振幅および位相の測定が必要となる。しかし、Q値の測定には、高価な測定器が必要であり、また、時間もかかる。
【０１４５】
本実施形態によれば、このような従来技術による問題点を解決でき、MRI装置100に新たなハードウェアを追加することなく、患者の負担も増加させることなく、精度よくQ値を得ることができ、この高精度なQ値を用いて、正確なSARマネジメントが可能となる。
【０１４６】
なお、上記各実施形態のRF送信装置はMRI装置に限るものでなく、数kHzから数GHzの周波数を持つ電磁波を使用し、その電磁波の送信パワーや送信パワーが人体に与えるSARをマネジメントする必要があるあらゆる機器に応用可能である。
【０１４７】
また、本実施形態のデータ処理部105は、CPUとメモリと記憶装置とを備える。そして、データ処理部105が実現する各機能は、記憶装置に格納されたプログラムを、データ処理部105のCPUがメモリにロードして実行することにより実現される。また、全部または一部の機能は、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(field-programmable gate array)などのハードウェアによって実現してもよい。また、各機能の処理に用いる各種のデータ、処理中に生成される各種のデータは、記憶装置に格納される。
【０１４８】
なお、本発明の実施形態は、上述した各実施形態に限定されず、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の追加・変更等が可能である。
【符号の説明】
【０１４９】
100  MRI装置、101  マグネット、102  傾斜磁場コイル、103  RFアンテナ、104  送受信機、105  データ処理部、106  送受信ケーブル、107  傾斜磁場制御ケーブル、108  表示装置、109  傾斜磁場電源、111  ベッド、112  被検体、201  パルス生成部、202  モニタ、203  パワーアンプ、212  供給部、213  Q値算出部、214  最小反射周波数決定部、215  SAR管理部、301  進行波、302  反射波、401  反射係数のグラフ、402  反射係数のグラフ、403  反射係数のグラフ、411  インピーダンスのグラフ、412  インピーダンスのグラフ、413  インピーダンスのグラフ、500  スミスチャート、501  曲線、502  曲線、503  曲線、601  フィッティング結果、602  フィッティング結果、700  共振回路モデル、710  RF周波数源、720  キャパシタ、730  抵抗、740  インダクタ、800  テーブル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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