(57)【要約】  特に核磁気共鳴(NMR)を励起する磁気共鳴撮像(MRI)システムに用いられるRF場を生成するための複数のRFアンテナ、アンテナ素子、コイル又はコイル素子(11〜16)の形の又はそれらからなるマルチチャネルRF送信装置、及びそのようなRF場を生成するための方法が開示される。さらに、特にMRIシステムにおけるRF励起システムとして用いるための、そのようなマルチチャネルRF送信装置に給電するRF送信信号を生成する複数のRF波形発生器(31, 32, ..3n)及びRF増幅器(21, 22, ..2n)から成るマルチチャネルRF送信システムが開示される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のRF送信機を有するマルチチャネルRF送信装置であって、大域的又は広範なRF場を生成する少なくとも一つの第１RF送信機、及び、前記大域的又は広範なRF場の中に配置され、前記大域的又は広範なRF場の中で各々の局所的なRF場を生成する少なくとも一つの第２RF送信機を有する、マルチチャネルRF送信装置。
【請求項２】
第１RF送信機が、円筒状コイル若しくはボディコイル、又は、円柱状ボリュームの軸端において少なくとも実質的に互いに平行に配置される２つの平面アンテナ構造の形で設けられ、前記大域的又は広範なRF場が、前記円筒状コイル若しくはボディコイルによって囲まれるボリューム又は前記２つの平面アンテナ構造の間のボリューム中にそれぞれ広がる、請求項１に記載のマルチチャネルRF送信装置。
【請求項３】
２つの第１RF送信機が、直角位相ボディコイルの２つの直角位相モードの形で設けられる、請求項１に記載のマルチチャネルRF送信装置。
【請求項４】
少なくとも一つの第２RF送信機が、RFアンテナ素子、コイル、コイル素子、ループ、TEM素子コイル及び/若しくはセグメント化アンテナ素子、又はRF共鳴素子の形で設けられる、請求項１に記載のマルチチャネルRF送信装置。
【請求項５】
複数の第２RF送信機が設けられ、第１RF送信機の平面又は表面内に配置される、請求項１に記載のマルチチャネルRF送信装置。
【請求項６】
少なくとも一つの第２RF送信機が、RF送信表面コイル、又は可動コイル若しくはパッド若しくはヘッドコイルの形で設けられる、請求項１に記載のマルチチャネルRF送信装置。
【請求項７】
請求項１に記載のマルチチャネルRF送信装置に給電するためのRF送信信号を生成するために、複数のRF波形発生器、少なくとも一つのハイパワーRF増幅器及び複数のローパワー又はミッドレンジパワーRF増幅器を有するマルチチャネルRF送信システムであって、前記少なくとも一つのハイパワーRF増幅器は、前記少なくとも一つの第１RF送信機に給電するために設けられ、前記ローパワー又はミッドレンジパワーRF増幅器は、第２RF送信機の各々に給電するために設けられている、マルチチャネルRF送信システム。
【請求項８】
個々のRF送信機を活性化して、予め定められた空間的振幅パターンを満足する合成RF場を重ね合わせで形成するそれぞれの局所的なRF場を生成する、請求項１に記載のマルチチャネルRF送信装置。
【請求項９】
前記局所的なRF場が、予め定められた空間的振幅パターンの空間的位相変動の予め定められた最大勾配の制約の下で、前記合成RF場を重ね合わせるように調整される、請求項８に記載のマルチチャネルRF送信装置。
【請求項１０】
請求項１に記載のマルチチャネルRF送信装置及び請求項７又は請求項８に記載のマルチチャネルRF送信システムを有する磁気共鳴撮像システム。
【請求項１１】
請求項１に記載のマルチチャネルRF送信装置によりRF場を生成する方法であって、前記大域的RF場及び局所的RF場の生成が、並列に又は少なくとも実質的に同時に実行される方法。
【請求項１２】
プログラム可能なマイクロコンピュータ上で実行される際に、請求項１１に記載の方法を実行する又はその方法において用いられるプログラムコードを有するコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、RF場、特に複数のRF場成分を生成するための、RFアンテナ、アンテナ素子、コイル若しくはコイル素子又は他の共鳴素子のような複数のRF送信機の形の又はそれからなるマルチチャネルRF送信装置に関し、そのRF場は、特に核磁気共鳴(NMR)を励起するために磁気共鳴撮像(MRI)システムにおいて用いられる合成RF場である。さらに本発明は、そのようなRF場を生成するための方法に関する。
【０００２】
さらに本発明は、特にMRIシステムにおけるRF励起システムとして用いられるそのようなマルチチャネルRF送信装置に給電するためにRF送信信号を生成するための複数のRF波形発生器及びRF増幅器を有するマルチチャネルRF送信システムに関する。
【０００３】
本発明は同様に、そのようなマルチチャネルRF送信又は励起システム及びそのようなマルチチャネルRF送信装置を有するMRIシステムに関する。
【背景技術】
【０００４】
WO2004/061469は、複数の送信チャネルと複数の共鳴素子から成るRFコイル装置とを有し、各々の送信チャネルが各々の共鳴素子に割り当てられるMR装置用の高周波システムを開示する。各々の送信チャネルは個別に制御されることができ、RF場は、予め柔軟に及び可変に選択されることができる界分布で検査ボリューム中に生成されることができる。
【０００５】
複数の共鳴素子から成る上述のRF送信機又はコイル配置の短所は、視野全体すなわち少なくとも実質的に検査ボリューム全体の励起が必要とされる場合に、共鳴素子のそれぞれに給電する全ての異なる送信チャネルの位相及び振幅が、均一なRF励起場を生成するために、正確かつ別々に調整されなければならないことであることが明らかになった。
【０００６】
他の短所は、上述のWO2004/061469中に開示されるように、多くのスキャンにおける基準としてしばしば必要とされる均一な場(負荷が場を歪めるので、無付加のコイルの場合の均一な場)を有する単チャンネルの全身用コイルが、RF送信機又はコイル装置に提供されないことである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の根底にある目的は、複数のRFアンテナ、アンテナ素子、コイル又はコイル素子(共鳴器)の形の又はそれらからなるマルチチャネルRF送信装置、及び、視野全体の、すなわち大域的な又は広範なRF場の励起が、非常に単純に、あまり複雑な較正手順を伴わずに実行されることができる、関連する方法を提供することである。
【０００８】
本発明の根底にある他の目的は、上述のRF送信装置に給電するためのマルチチャネルRF送信システムを提供することであり、このRF送信システムは、上述の既知のマルチチャネルRF送信システムと比較して、かなり低コストで実現されることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的は、請求項1によるマルチチャネルRF送信装置、請求項7によるマルチチャネルRF送信システム及び請求項11によるRF場を生成するための方法によって解決される。
【００１０】
本発明によるこのソリューションは特に、必要とされるRF送信又は励起信号の波長が検査対象の大きさに達し、検査対象内の波の伝播又は誘電共鳴効果及び不均一なRF励起場が発生する可能性がある、高い磁場強度を有するMRIシステムにおいて有益である。これらの望ましくない効果の影響及び特にMRI検査の間の信号強度変動の影響は、本発明によるマルチチャネルRF送信システム及びマルチチャネルRF送信装置により空間的に選択的なRFパルスを送信することによって、効果的に、容易かつ費用効率が高い態様で補正されることができる。
【００１１】
さらに、RFパルスの並列送信及びTransmit SENSEのような方法(Katscher et al, "Transmit SENSE," Magnetic Resonances in Medicine (2003) 49: 144-150を参照)並びにRFシミング(Ibrahim et al, "Effect of RF coil excitation on field inhomogeneity at ultra high fields: a field optimized TEM resonator," Magnetic Resonance Imaging (2001) Dec; 19(10): 1339-47を参照)が、任意の形状又は空間的に複雑なRF場パターンの励起を容易にするために適用されることができ、そして、そのようなRF励起場を生成するために必要とされる時間が低減されることができる。
【００１２】
従属請求項は本発明の有益な実施の形態を開示する。
【００１３】
請求項2及び3による第１のRF送信機及び請求項4〜6による第２のRF送信機は、特に核磁気共鳴を励起するMRIシステムにおいて関連したマルチチャネルRF送信装置を使用する場合に有益である。
【００１４】
いうまでもなく、本発明の特徴は、添付の特許請求の範囲によって定められる本発明の範囲内において任意の組み合わせで組み合わせられることが可能である。
【００１５】
本発明の更なる詳細、特徴及び利点は、好ましい例示的な本発明の実施の形態の以下の説明から明らかになり、図面を参照して示される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の好ましい実施の形態によるマルチチャネルRF送信装置及びマルチチャネルRF送信システムの模式的ブロック図。
【図２】位相要求がある場合と無い場合の励起パターンに対する所望の振幅と得られた振幅との間の相関を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
概して、本発明によるマルチチャネルRF送信装置は、検査対象中に核磁気共鳴を励起するために、少なくとも実質的にMRIシステムの検査ボリューム全体中にRF励起場(すなわち大域的又は広範囲のRF場)を生成するための少なくとも１つの第１RF送信機を有する。そのような第１RF送信機は、大域的又は広範囲のRF場(すなわち検査ボリューム)を円筒状に取り囲む又は閉じ込める円筒コイル及び特に全身用コイル(BC)の形で知られている。(図1に例示的に示される)横置きのMRIシステムの場合、そのような全身用コイルは、通常いわゆるバードケージコイルである。他の全身用コイルは、TEM共鳴器に基づく。垂直MRIシステム又はオープンMRIシステムの場合、全身用コイルは、通常、少なくとも実質的に互いに平行に、そして好ましくは円柱状の検査ボリュームの軸端に配置される２つの平面アンテナ構造の形で提供され、大域的又は広範囲のRF場は、２つの平面アンテナ構造の間に広がる。
【００１８】
さらに、本発明によるマルチチャネルRF送信装置は、検査ボリューム内で(すなわち大域的又は広範囲のRF場の中で)各々の局所的なRF励起場を生成するために、大域的又は広範囲のRF場の中に配置される、少なくとも一つの、好ましくは複数の第２RF送信機を有する。局所的なRF励起場は、関連した第２RF送信機で囲まれる検査ボリュームの空間又は領域内、及び、関連した第２RF送信機のRF励起場が検査対象中に核磁気共鳴を局所的に励起するために本質的に集中して有効である関連した第２RF送信機の外側の空間又は領域内のRF励起場として理解される。
【００１９】
第２RF送信機は、RFアンテナ素子、コイル、コイル素子、ループ、TEM素子コイル及び/若しくはセグメント化アンテナ素子、又は他の共鳴素子の形で提供されることができ、好ましくは第１RF送信機(特に全身用コイル)の平面又は表面内に、又は検査対象の近くに、すなわち検査ボリュームのより内側に、配置される。
【００２０】
さらに、例えば予想される視野すなわち撮像される領域の近くに配置される可動コイル又はパッド又はヘッドコイルの形のRF送信表面コイルが、第２RF送信機と同様に用いられることができる。
【００２１】
本発明によるマルチチャネルRF送信システムは概して複数のRF送信チャネルを有し、その数は第１及び第２RF送信機の総数に対応する。各々のRF送信チャネルは、通常、検査対象中に核磁気共鳴を励起するためのRF信号を接続されているRF送信機に供給するために、少なくとも波形発生器及びパワーアンプを有する。
【００２２】
上述の従来技術とは異なり、少なくとも１つの第１RF送信機だけが、少なくとも実質的に検査ボリューム全体の内で磁気共鳴を励起するRF場(すなわち大域的又は広範囲のRF場)を生成しなければならず、第２RF送信機は局所的なRF励起場だけを生成するために設けられているため、第１RF送信機のうちの一つに接続されるRF送信チャネルのみが（例えば約10kWの）ハイパワーRF送信チャネルである必要があり、第２RF送信機のうちの一つに接続される他のRF送信チャネルは、しかるべく低減された又は低い、すなわちミッドレンジのパワー(例えば約1kW)を生成するように設計されることができる。RF増幅器の価格はパワーの増加と共に非線形に増加するので、RF送信システム全体の、従ってMRIシステム全体の相当なコスト低減が達成されることができる。
【００２３】
上述のマルチチャネルRF送信システムと組み合わせた上述のマルチチャネルRF送信装置によって、空間的に分布した複雑なRF励起場パターン(すなわち合成RF場)が、それぞれのRF送信機によって並列にいくつかのRF場成分を送信することによって生成されることができる。
【００２４】
並列の送信において、RF励起場は、それぞれのアンテナ(コイル)素子によって放射されるいくつかの(局所的な)RF場成分から構築される。合成励起場は、重ね合わせとして、特にアンテナの空間放射プロファイルに基づくこれらの局所的なRF場成分の線形結合として形成される。
【００２５】
本発明のさらに別の態様では、RF場成分から構築されるRF励起場の振幅が所望の励起パターンを正確に満たすように、局所的なRF場成分が設定される。所望の振幅パターンからのRF場成分の反復解法において、更なる位相が追加され、構築される場の振幅に関して反復が行われる。
【００２６】
逆問題の解決における更なる自由度が達成され、振幅パターンの精度及び/又は逆問題の安定度を改善する。
【００２７】
並列送信に対する標準的な式は、
2010525860.tif 000003
であり、Pdesは所望の複素励起パターン、Snはコイルnの複素感度分布、そしてPnはコイルnの複素励起パターンである。式(1)は、(ボールド体の非イタリック文字によって示される)打ち切られた励起k空間において、例えば、(+によって示される)(正則化された)擬似反転によって、解くことができる。
2010525860.tif 000004
【００２８】
ここで、pfullはN個の異なるコイルのための空間的に選択的なRFパルスを含み、sfullは感度マトリクスであり、pdesはk空間中の所望の励起パターンである。本発明では、式(1)の左側の振幅だけが関係する。
2010525860.tif 000005
【００２９】
しかしながら、式(3)は以前のように線形代数によって解かれることができず、反復的な解法が適用されなければならない。そのような反復的な解法の２つの異なる例が以下に記載される。
【００３０】
いくつかの異なる任意のテスト位相分布がPdesに追加される。テスト位相分布は、一組の異なる多項式を用いてランダムに又は系統的に計算されることができる。各々のテスト位相に対して、以前にように、対応するPnが式(2)によって計算される。各々のテスト位相は、対応する計算されたPnに対して式(1)によって実験をシミュレートすることによってベンチマークされる。例えば、Pdesの計算された振幅と所望の振幅との間の相関が、このベンチマークのために考慮されることができる。現実の実験では、最善のベンチマークを与えるPnが用いられる。
【００３１】
標準的な合成の場合、式(1)は、例えば(非線形)共役勾配法によって、繰り返し解かれることができる。ここで、各々の反復ステップにおいて、Pnの新たなセットが計算される前に、計算されたPdesと所望のPdesが比較される。この比較は、通常、複素数による方法で実行される。本発明では、Pdesの振幅だけが比較される。この方法は、(i)において略述される方法よりも系統的なPdesの位相を最適化するアプローチを提供する。
【００３２】
これらの反復の両方のバージョンにおいて、重大な内部ボクセル同期はずれを回避するために、発生する空間位相変動を十分小さく制限することが好ましい。位相変動の予め定められた制限が反復における制約として課されることで、これは容易に達成される。
【００３３】
予め定められた空間振幅パターンを形成するために局所的なRF場が重ね合わせられる本発明の態様は、２次元及び３次元RFパルスを短縮するために適用されることができる。
【００３４】
本発明のこの態様はさらに、励起結果を改善するためではなく、RFパルスの平均B1振幅、すなわち発生するSARを低減するために適用されることができる。
【００３５】
本発明のこの態様は、全てのアプリケーションに用いられることができ、並列送信が、空間的に選択的なRFパルスのために用いられる。最も顕著なアプリケーションの例は、B1不均一性の補償である。
【００３６】
図1に、マルチチャネルRF送信装置及びマルチチャネルRF送信システムの好ましい実施の形態が示される。
【００３７】
RF送信装置は、既知の全身用コイル11によって形成される２つの第１RF送信機、並びに、全身用コイル11の長手方向に沿って及び/又は全身用コイル11の円周方向に分布する又は分割される小さなRFコイル又はループ12〜16の形の複数の第２RF送信機を有する。
【００３８】
従来の直角位相のモードで通常用いられることができる全身用コイル11は、好ましくはその２つのモードによって別々に用いられるマルチチャネル送信アプリケーションのためにある。それは従って、２つの独立に供給及び励起される直角位相モードを生成するために、第１直角位相ポートQP1及び第２直角位相ポートQP2を有し、２つの第１RF送信機が設けられている。
【００３９】
この全身用コイル(バードケージコイル)11のバリエーションによれば、全身用コイル11自体は、検査ボリューム全体の中のRF励起場パターンの生成に関して更なる自由度を加えるために、その長手方向すなわちz方向において分割されることができる。
【００４０】
図1によれば、5つの第２RF送信機12〜16が例として示され、３つの第２RF送信機12, 14, 15は、バードケージコイル11の長手方向又は軸方向(z方向)に分布し又は分割され、３つの第２送信機13, 14, 16は、バードケージコイル11の円周方向に分布し又は分割される。
【００４１】
図1によるマルチチャネルRF送信システムは、第１及び第２RF送信機の個数nに従ってn個のRF送信チャネルを有し、各々のRF送信チャネルは、少なくともRFパワーアンプ21, 22,23, ..2n及び波形発生器31, 32, 33, ..3nを有する。
【００４２】
第１RF送信チャネル21, 31はバードケージコイル11の第１直角位相ポートQP1に接続され、第２RF送信チャネル22, 32はバードケージコイル11の第２直角位相ポートQP2に接続され、他のRF送信チャネル23, 33; .. 2n, 3nは、第２RF送信機12〜16のそれぞれに接続される。
【００４３】
結果的に、第１及び第２のRF送信チャネル21, 31; 22, 32はハイパワーチャネルでなければならず、一方、上で説明されたように、他のRF送信チャネル23, 33; ..2n, 3nは、ローパワー(又はミッドレンジパワー)のチャネルである。
【００４４】
その２つの独立したモード(直角位相モード)によるバードケージコイル11(直角位相コイル)の使用は、これらのモードが本質的に分離されるという利点を持つ。第２RF送信機12〜16の互いからの及び第１RF送信機(バードケージコイル)11からのデカップリングは、RF送信機を独立に動作させるための(そしてRF送信機を分離するための)、及び全てのRF送信機の必要とされる独立した感度を達成するための、いくつかの既知の方法によって達成されることができる。第１及び第２RF送信機のデカップリング並びに第２RF送信機の互いからのデカップリングは、以下の参考文献に開示される方法のうちの一つ又はそれらの方法の組合せによって達成されることができる。
-  Vernickel P, Findeklee C, Eichmann E, Grasslin I.: Active digital decoupling for multi-channel transmit MRI Systems. In: Proceedings of the 15th Annual Meeting of ISMRM, Berlin, Germany, 2007, p 170。
-  Leussler Ch, Stimma J, Roschmann P.: The Bandpass Birdcage Resonator Modified as a Coil Array for Simultaneous MR Acquisition. In: Proceedings of the 5th Annual Meeting of ISMRM, Vancouver, Canada, 1997, p 176。
-  Lee RF, Giaquinto RO, and Hardy CJ.: Coupling and Decoupling Theory and Its Application to the MRI Phased Array. In: Magn Reson Med 2002; 48:203-213。
-  Kurpad KN, Boskamp EB, Wright SM.: A Parallel Transmit Volume Coil With Independent Control of Currents on the Array Elements. In: Proceedings of the 13th Annual Meeting of ISMRM, Miami, USA, 2005, p13。
-  Junge S, Seifert F, Wuebbeler G, Rinneberg H.: Current Sheet Antenna Array - a transmit/receive surface coil array for MRI at high fields. In: Proceedings of the 12th Annual Meeting of ISMRM, Kyoto, Japan, 2004, p 41。
-  Jevtic J.: Ladder Networks for Capacitive Decoupling in Phased-Array Coils. In: Proceedings of the 9th Annual Meeting of ISMRM, Glasgow, Scotland, 2001, p17。
【００４５】
本発明によると、単純かつ安価なマルチチャネルRF送信機能が提供されるだけでなく、マルチチャネルRF送信機能を組み込むために、インストールされた一チャネルMRIシステムの容易なアップグレードがさらに実現されることができる。
【００４６】
上で述べたように、説明されたマルチチャネルRF送信装置はさらに、大きな低減係数のために必要とされる独立した送信感度の問題に対処する。例えば全身用コイル11の円周方向に第２RF送信機13, 14, 16を倍にすることによるRF送信チャネルの数の増加は、隣接するRF送信機間の距離が減少することによって感度の類似性が増加するので、結果的により大きな可能な低減係数につながらない。全身用コイル11の及び第２RF送信機12〜16の感度は原則として、大域的及び局所的なRF励起のために異なる。
【００４７】
最後に、直角位相全身用コイル11及びRF送受信に対するその感度が、例えば上述のSENSE法のような送受信並列撮像方法のための基準として、いくつかの方法及び手法において用いられることができる。既知のマルチチャネルRF送信システムにおいて、この基準は人工的に生成されなければならず、それは更なる労力及び測定時間を必要とし、結果として誤差をもたらす可能性がある。本発明によれば、直角位相全身用コイル基準は、全ての方法及び手法でさらに利用可能である。
【００４８】
図2は、ゼロ位相(黒丸、標準的な方法)及び最適化された任意の位相(三角形、本発明)をもつ励起パターンに対する所望の振幅と得られた振幅との間の相関を示す。8チャネル全身システムに対してシミュレートされた8つの送信感度、環状励起パターン、及びらせんk空間軌道が用いられた。三次までの異なる多項式位相分布がテストされた。R > 2において、任意の(多項式)位相分布が、ゼロ位相より非常に良好な結果を与える。R=8で、２つのケースの間の相関差はほぼ15%である。
【００４９】
本発明が図面及び上述の説明において図示されて詳細に説明されたが、そのような図解及び説明は、実例又は例示であって制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明は開示された実施の形態に制限されない。上述された本発明の実施の形態に対するバリエーションは、添付の特許請求の範囲によって定められる本発明の範囲内において可能である。
【００５０】
開示された実施の形態に対するバリエーションは、請求された発明を実施する際に、図面、開示及び添付の特許請求の範囲の検討により、当業者によって理解されて遂行されることができる。請求の範囲において、「有する・含む」等は他の要素又はステップを除外せず、単数形の名詞は複数を除外しない。単一のプロセッサ又は他のユニットが、請求の範囲に記載されたいくつかのアイテムの機能を実現することができる。単に特定の手段が相互に異なる従属請求項中に記載されていることは、これらの手段の組み合わせが有効に用いられることができないことを表さない。コンピュータプログラムは、他のハードウェアと共に又はその一部として供給される光学記憶媒体又は固体媒体のような適切な媒体上で記憶されて配布されることができるが、インターネットや他の有線若しくは無線遠距離通信システムを介するような他の形態で配布されることができる。請求の範囲中の任意の参照符号は発明の範囲を制限するものとして解釈されてはならない。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
2010525860.tif 000008
2010525860.tif 000009
2010525860.tif 000010
2010525860.tif 000011