(57)【要約】【課題】  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。【解決手段】  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。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項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い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。
【請求項２】
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。
【請求項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。
【請求項４】
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たことを特徴とする請求項３記載の磁気共鳴映像装置。
【請求項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いるときには、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。
【発明の詳細な説明】
【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いて、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が、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いる。
【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いる。例えば、実験室座標系におい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）。
【非特許文献１】D. I. Hoult: J. Magn. Reson. 33, 183 (1979)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【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、磁化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）によっ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/offするが、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い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により、達成される。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軸として含む互いに直交する３軸方向のうち前記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い。
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
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, 1961, pp. 68-70に記載されている。
【００１０】
測定対象の試料に、一様な静磁場B0をかけると、試料中の原子核スピンあるいは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ω0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、ω0 = γB0で与えられる。この静磁場B0に対して垂直な面内（ｘ，ｙ）で回転する回転磁場B1を加えると、核磁気モーメントＭは、静磁場B0と回転磁場B1の合成ベクトルの有効磁場（大きさBeff = (1/γ)[(ω0 ? ω)2 + ω12]1/2 ）を軸として歳差運動を行う。これを章動運動（nutaion）という。この様子はω0で回転する回転座標系で考えると解りやすい。図１は、回転座標系における磁化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B1のみのとき、すなわち共鳴時（ω =ω0）には、磁気モーメントＭは、回転磁場B1の方向（x'）を軸として、ω1 = γB1という角周波数で回転する。
【００１１】
図２（ａ）は回転磁場（高周波磁場）B1を生成する高周波パルスの一例を示す図、（ｂ）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）B1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波数（章動周波数）ω1は、上述のとおり、ω1 = γB1、減衰の時定数Tnは、縦緩和時間（スピン-格子緩和時間）をT1、横緩和時間（スピン-スピン緩和時間）をT2とすると、高周波磁場B1の均一度が十分高い場合には、2/Tn = (1/ T1) + (1/ T2)である。
【００１２】
（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B0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。
【００１３】
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イル２ｙがy勾配コイルである。これらの中心を原点O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イ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。
【００１４】
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 = t1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イル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。
【００１５】
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。
【００１６】
磁気共鳴における巨視的磁化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'軸に位相エンコードパルス（x勾配パルス）を印加すると、巨視的磁化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 = t1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が90°あるい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，磁化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x'軸の周りに回転を続ける。時刻t = t1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。
【００１７】
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。
【００１８】
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、CV1〜CV4は可変コンデンサ、C1〜C3はコンデンサ、L1〜L6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加した高周波パルスを入力し、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が、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もできる。
【００１９】
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、一連の測定を行い、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t1を系統的に変化させてもよい。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に表示させることができる。
【００２０】
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から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。
【００２１】
（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B0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。
【００２２】
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が、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く、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が必要となるが、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から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イルによってz軸方向の勾配をもつ高周波磁場勾配を発生させる。
【００２３】
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、何れか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く、組み合わせは自由である。
【００２４】
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、パルス発生器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。
【００２５】
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化の動きを説明する。時刻t = 0において、x'軸にx勾配パルスを印加すると、巨視的磁化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 = t1においてx勾配パルスを取り除くとともに、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化は、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 = t2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°位相差があるy勾配パルスを印加すると、巨視的磁化はx'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。
【００２６】
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に表示させることができる。
【００２７】
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から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】
【００２８】
本発明では、磁化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い高速磁気共鳴映像法によって、より確か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。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】回転座標系における磁化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）B1を生成する高周波パルスの一例を示す図、（ｂ）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】
【００３０】
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
【図１】
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【図２】
2005137537.tif 000004
【図３】
2005137537.tif 000005
【図４】
2005137537.tif 000006
【図５】
2005137537.tif 000007
【図６】
2005137537.tif 000008
【図７】
2005137537.tif 000009
【図８】
2005137537.tif 000010
【図９】
2005137537.tif 000011