(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本磁界磁石（１〜４）と、３つの互いに直交する空間方向（ｘ、ｙ、ｚ）に磁界勾配を発生するための勾配コイルシステム（７、８）と、高周波パルスを送信し、検査体積から核共鳴信号を受信するためのアンテナシステム（９）とを備え、検査体積が少なくとも１つの空間方向（ｚ）に少なくとも２つの相い続くセグメント（Ｉ〜ＩＩＩ）に分割され、この空間方向に対する勾配コイルシステム（２１ａ〜２１ｄ）が、この空間方向（ｚ）の磁界勾配（Ｇｚ）が交代するように構成され、各々のセグメント（Ｉ〜ＩＩＩ）に送信及び／又は受信のためのアンテナシステムの別個の部分システム（２２〜２４）が対応付けられ、部分システム（２２〜２４）が各々のセグメント（Ｉ〜ＩＩＩ）に関して相い異なる感度を有する核スピントモグラフィ装置であって、
交代する磁界勾配（Ｇｚ）が、セグメント列の方向にずらされ逆向きに電流を流されるリングコイル（２１ａ〜２１ｄ）により発生されることを特徴とする核スピントモグラフィ装置。
【請求項２】
基本磁界磁石が検査体積を包囲するリングコイル（１〜４）から成り、セグメント列の空間方向（ｚ）が基本磁界の方向に位置していることを特徴とする請求項１記載の核スピントモグラフィ装置。
【請求項３】
アンテナシステムの各々の部分システム（２２〜２４）の感度範囲が対応付けられているセグメント（Ｉ〜ＩＩＩ）に合わされていることを特徴とする請求項１記載の核スピントモグラフィ装置。
【請求項４】
セグメント列の空間方向にずらされている２つの勾配コイルシステムが交代する磁界勾配（２１ａ〜２１ｄ）を発生するために設けられていることを特徴とする請求項１ないし３の１つに記載の核スピントモグラフィ装置。
【請求項５】
基本磁界磁石（１〜４）と、３つの互いに直交する空間方向（ｘ、ｙ、ｚ）に磁界勾配を発生するための勾配コイルシステム（７、８）と、高周波パルスを送信し、検査体積から核共鳴信号を受信するためのアンテナシステム（９）とを備え、検査体積が少なくとも１つの空間方向（ｚ）に少なくとも２つの相い続くセグメント（Ｉ〜ＩＩＩ）に分割され、この空間方向に対する勾配コイルシステム（２１ａ〜２１ｄ）が、この空間方向（ｚ）の磁界勾配（Ｇｚ）が交代するように構成され、各々のセグメント（Ｉ〜ＩＩＩ）に送信及び／又は受信のためのアンテナシステムの別個の部分システム（２２〜２４）が対応付けられ、部分システム（２２〜２４）が各々のセグメント（Ｉ〜ＩＩＩ）に関して相い異なる感度を有する核スピントモグラフィ装置であって、交代する磁界勾配（Ｇｚ）が、セグメント列の方向にずらされ逆向きに電流を流されるリングコイル（２１ａ〜２１ｄ）により発生される核スピントモグラフィ装置の作動方法において、アンテナシステムの各々の部分システム（２２〜２４）の受信信号が別々に部分像情報として処理され、それらの全体像として組立てられ、個々の対象物画素からの信号寄与が部分システム（２２〜２４）の知られている感度経過に基づいて計算されることを特徴とする核スピントモグラフィ装置の作動方法。
【請求項６】
基本磁界磁石（１〜４）と、３つの互いに直交する空間方向（ｘ、ｙ、ｚ）に磁界勾配を発生するための勾配コイルシステム（７、８）と、高周波パルスを送信し、検査体積から核共鳴信号を受信するためのアンテナシステム（９）とを備え、検査体積が少なくとも１つの空間方向（ｚ）に少なくとも２つの相い続くセグメント（Ｉ〜ＩＩＩ）に分割され、この空間方向に対する勾配コイルシステム（２１ａ〜２１ｄ）が、この空間方向（ｚ）の磁界勾配（Ｇｚ）が交代するように構成され、各々のセグメント（Ｉ〜ＩＩＩ）に送信及び／又は受信のためのアンテナシステムの別個の部分システム（２２〜２４）が対応付けられ、部分システム（２２〜２４）が各々のセグメント（Ｉ〜ＩＩＩ）に関して相い異なる感度を有する核スピントモグラフィ装置であって、交代する磁界勾配（Ｇｚ）が、セグメント列の方向にずらされ逆向きに電流を流されるリングコイル（２１ａ〜２１ｄ）により発生される核スピントモグラフィ装置の作動方法において、各々の全体像に対してセグメント列の空間方向にずらされている勾配磁界により２つの測定が実行されることを特徴とする核スピントモグラフィ装置の作動方法。
【請求項７】
勾配磁界がセグメント長さの半分だけずらされていることを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項８】
両方の測定の画素ラスターが画素長さの半分だけずらされて、両方の測定から両方の個々の測定に比べてセグメント列の空間方向に倍増された位置分解能を有する全体像が得られることを特徴とする請求項６または７記載の方法。
【請求項９】
勾配磁界が、検査対象物を相応の方向にずらすことにより、検査対象物
に対して相対的にずらされることを特徴とする請求項６ないし８の１つに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基本磁界磁石と、３つの互いに直交する空間方向に磁界勾配を発生するための勾配コイルシステムと、高周波パルスを送信し、検査体積から核共鳴信号を受信するためのアンテナシステムとを有する核スピントモグラフィ装置に関する。本発明は同じく核スピントモグラフィ装置の作動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
核スピントモグラフィでは種々の磁界および電磁界が与えられる。検査対象物は約０．２〜４Ｔの強い磁界のなかに位置している。核スピンを励起するため１０〜１６０ＭＨｚの範囲内の高周波磁界が使用される。位置分解のために基本磁界に磁界勾配、すなわち位置に関係する磁界が重畳される。磁界勾配はパルスシーケンスのなかで核共鳴信号を励起しかつ読出すために多数回スイッチングされる。高い位置分解能を有する像を得るために、また測定時間を短くするために、短い立ち上がり時間および高い強さを有する磁界勾配が必要である。
【０００３】
冒頭に記載されている種類の核スピントモグラフィ装置はたとえばドイツ特許出願公開第 40 04 184号明細書から知られている。
【０００４】
時間に関係する磁界勾配は伝導性の部分のなかに電流を誘起する。このことは核スピントモグラフィ装置の検査空間内の金属性組込物に対して当てはまるだけでなく、原理的に検査対象物に対しても当てはまる。短い立上がり時間および高い振幅の際には検査すべき人に、なかんずく筋肉攣縮として現れる周辺神経刺激が生じ得る。これらの刺激は検査される人により、検査される身体部位に応じて臀部および背部ならびに鼻根の攣縮として述べられた。５００μｓ／ｓまでの立上がり時間での１５ｍＴ／ｍの勾配の強さの際には一般に深刻な刺激問題は生じない。しかし勾配の強さをさらに大きくし、及び/又はスイッチング時間を短くすると、痛みを伴う刺激が生じるので、生理学的な限界に突き当たる。W.IrnichによりＭＡＧＭＡ２（１９９４）、４３〜４９の“時間的に変化する磁界による電気的刺激”に示されているように、刺激しきいはその際に磁界の強さの臨界的な変化ΔＢにより与えられている。すなわち、固定されたスイッチング時間の際には磁界の強さの変化の絶対的な大きさが刺激しきいを決定し、磁界勾配のそれは刺激しきいを決定しない。
【０００５】
周辺筋肉刺激を防ぐためには、一般に測定対象物の長手方向の磁界勾配の広がりｚｍａｘ が制限される。しかしこのことは、撮像フィールドが同じく制限されるという結果をもたらす。それによって、たとえ基本磁界の均一性体積の空間的広がりが許したとしても、撮像すべき対象物の範囲をもはや検査のなかに表し得ない。
【０００６】
刺激問題を解決するためドイツ特許出願公開第 42 25 592号明細書に、検査範囲の外側の刺激に敏感な範囲を閉じられた導体ループにより覆うことが提案された。この特許出願公開明細書には、患者をリング状の磁石コイルにより囲む（すなわち典型的に超伝導磁石構造の）核スピントモグラフィ装置における刺激問題は主として磁石の長手軸線方向に存在することが述べられている。検査対象物の長手方向と合致するこの方向は一般にｚ方向と呼ばれる。しかし検査範囲の外側の刺激に敏感な範囲を覆う方法は核スピントモグラフィ装置の取扱を困難にする。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の課題は、核スピントモグラフィ装置及びその作動方法を、非常に短い測定時間および高い位置分解能を有するパルスシーケンスも、周辺刺激の危険なしに、使用され得るように構成することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この課題は、核スピントモグラフィ装置に関しては、請求項１の特徴により解決される。セグメント状に交代する磁界勾配により、従来の勾配に比較して等しい立上がり時間および等しい強さの際に、最大の磁界強さの変化の絶対値をセグメントの数に相応して低くすることができる。しかしこの値は冒頭に述べたように刺激しきいを決定する。その際に利用可能な撮像フィールドは制限されない。さらに患者への追加的な侵襲が必要でない。
【０００９】
前記の課題は、方法に関しては、本発明により請求項７の特徴により解決される。
【００１０】
本発明の有利な実施態様は従属請求項にあげられている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図１ないし図６により一層詳細に説明する。
【００１２】
以下に説明する本発明の実施例は、検査対象物がリング状のコイルにより囲まれている構造、すなわち典型的に超伝導磁石に使用されるような構造の磁石システムに関する。しかし以下の実施例は容易に極板磁石、たとえばＣ形の磁石にも転用され得る。
【００１３】
既に上に述べたように、刺激の問題は主として、ここに説明される磁石では磁石の軸線方向と合致し一般に“ｚ方向”と呼ばれている検査対象物の長手方向に生ずる。しかし指摘しておくべきこととして、以下に説明される措置は基本的にすべての空間方向に応用され得る。
【００１４】
図１には著しく簡単化して核スピントモグラフィ装置の構成が示されている。これは、電流供給源１１により給電され均等な基本磁界を発生する磁石システム１〜４から成っている。磁石システムに、勾配増幅器１２により駆動される勾配コイルシステム７、８が設けられている。勾配コイルシステムは座標系６の３つの空間方向ｘ、ｙ、ｚに磁界勾配を発生するべく構成されている。その際に以下の説明に関しても方向ｚが基本磁界の方向として定義されている。方向ｚは検査対象物（この場合には患者５）の長手方向をも表す。
【００１５】
検査対象物５は高周波送信ユニット１４ならびに高周波受信ユニット１５と接続されている高周波送信・受信アンテナ９により囲まれている。高周波送信ユニット１４および高周波受信ユニット１５は、なかんずく受信された信号をサンプリングし、位相感知して復調する高周波システム１６の構成部分である。復調された信号から像コンピュータ１７により、モニター１８に表示される像が構成される。全ユニットは制御コンピュータ２０により駆動される。
【００１６】
図２には磁界勾配Ｇｚがスイッチオンされている状態でのｚ方向の基本磁界Ｂ（ｚ）の従来の経過が示されている。冒頭に述べたように、固定されたスイッチング時間の際に磁界勾配に基づく最大の磁界強さΔＢｍａｘ が刺激に対して決定的である。撮像フィールドのなかで努力される直線的な磁界の際には量Ｇｚｍａｘ は位置ｚおよび勾配強さＧｚ＝ｄＢ（ｚ）／ｄｚに比例している。ΔＢｍａｘ を不必要に高くしないために、直線性範囲を装置の対称中心のなかの２０〜２５ｃｍ直径の球の内側の通常の撮像フィールドに制限することは知られている。撮像フィールドの外側では磁界勾配はより小さく、または負にさえなる。
【００１７】
このような従来の磁界勾配では、短い立上がり時間及び/又は高い勾配振幅の際に、もはや許容できない刺激が生ずる限界に突き当たる。値Ｇｚｍａｘ は、勾配強さＧｚ を小さくすること、または撮像窓を小さくすることによってのみ減ぜられた。しかし、磁界勾配Ｇｚを小さくすることは位置分解能が低下するという結果を招く。撮像フィールドの縮小は、撮像すべき対象物の範囲を検査において、すなわちｚ方向の対象物のシフトなしに、表示することが、たとえ勾配磁界の空間的な広がりがこのことを許したとしても、可能でないことを意味する。
【００１８】
刺激の問題を空間的な分解能の制限または撮像フィールドの縮小なしに解決するため、本発明によれば、測定対象物は空間的に一定な磁界勾配にさらされるのではなく、空間的に交代する磁界勾配にさらされる。図３による例ではそのために撮像フィールドはｚ方向に３つのセグメントＩ〜ＩＩＩに分けられ、磁界勾配Ｇｚの方向がセグメントからセグメントへと交代する。図４には付属のｚ方向の磁界ΔＢ（ｚ）の経過が示されている。認識されるように、等しい勾配強さＧｚ＝ｄＢ（ｚ）／ｄｚの際に時間的に交代する磁界ΔＢ（ｚ）の最大値はｚ方向に一定の勾配Ｇｚの際のそれよりも小さい。一般的に言って、最大値ΔＢ（ｚ）ｍａｘ は選ばれたセグメントの数に比例して小さくなる。すなわち、図４による例では図２による例に比べて３分の１倍である。この最大値ΔＢ（ｚ）ｍａｘ において患者の刺激が生じないように、セグメントの数を選ぶことは目的にかなっている。
【００１９】
知られているように、核スピントモグラフィ装置では位置分解能が、核スピンの共鳴振動数が磁気回転定数を係数としてその都度の核スピンの位置における磁界に比例していることにより達成される。このことは核共鳴信号の選択的励起の際にもそれらの振動数コード化された読出しの際にも利用される。しかし、交代する勾配を応用する際には共鳴振動数と位置との間の一義的な関係はもはや存在しない。図４においてたとえば、位置ｚ１、ｚ２にそれぞれ同一の磁界が存在し、それによってこれらの両方の位置からの核スピンが同一の共鳴振動数を有することが認識される。従って、従来のＭＲ装置では位置ｚ１、ｚ２におけるスピンは励起の際にも読出しの際にも区別がつかない。
【００２０】
各々の核共鳴信号をその位置に一義的に対応付けるためには、その都度のｚ方向の感度プロフィルが可能なかぎり正確に個々のセグメントＩ〜ＩＩＩの広がりと合致している核共鳴信号を受信するために多くの高周波受信アンテナが使用される。図６による実施例では、このことはｚ軸線の方向にずらされた３つの高周波コイル２２〜２４により示されている。しかし物理的な理由から、対応付けられているセグメントからの核共鳴信号が排他的に受信されるように受信コイルを構成することは可能でない。従って高周波コイル２２〜２４の受信領域は対応付けられているセグメントからの核共鳴信号だけでなく、たとえ若干弱められるとしても、隣接セグメントからの核共鳴信号も受信する。しかし逆に隣接セグメントに対応付けられている高周波コイル２２〜２４も最初に考察されたセグメントからの信号を受信するので、位置に関する受信コイル２２〜２４の感度経過が知られているならば、隣接セグメントからの像信号のクロストークが以下に示されるように補正される。そのために、図４に相応して、第１の高周波受信コイルは周波数Δωにおいて位置座標ｚ１からの核共鳴信号と位置座標ｚ１からのεだけ減ぜられた感度を有する位置座標ｚ２からの同一の周波数の核共鳴信号との和Ｓ１を受信すると仮定されている。セグメントＩＩに対応付けられている第２の高周波受信コイルは位置座標ｚ２からの核共鳴信号とεだけ減ぜられた感度を有する位置座標ｚ１からの核共鳴信号との和Ｓ２を受信する。それによって下式が成り立つ。
【数１】
Ｓ１（Δω）＝ｆ（ｚ１）＋εｆ（ｚ２）                        （１）
Ｓ２（Δω）＝ｆ（ｚ２）＋εｆ（ｚ１）                        （２）
【００２１】
上記のように、両方の高周波受信コイルに対して等しい感度プロフィルεが知られていなければならない。その場合、受信信号からｚ座標ｚ１およびｚ２からの信号寄与ｆ（ｚ１）およびｆ（ｚ２）が下式により計算される。
【数２】
ｆ（ｚ１）＝（Ｓ１−εＳ２）／（１−ε2）                    （３）
ｆ（ｚ２）＝（Ｓ２−εＳ１）／（１−ε2）                    （４）
【００２２】
３個以上の高周波受信コイルを使用する際には相い異なるｚ座標からの信号寄与が相応にコーディネートされる。
【００２３】
なお下記の別の問題を指摘しておく。図３および４による図示の際には、セグメントの間で移行段階なしの極性切換が行われる、すなわち磁界変化ΔＢ（ｚ）がのこぎり波状の経過を有する、と仮定されていた。しかし物理的な理由からこのような磁界経過は実現され得ない。なぜならば、勾配の移行は連続的でなければならないからである。それによって実際には、図５に実線により示されているような磁界経過ΔＢ（ｚ）が得られる。この磁界経過は断片的にしか直線状でなく、近似的に正弦波状の形態を有する。セグメント間の移行の際にｚ方向の磁界経過は平らであり、従ってここでは位置分解能が達成され得ない。それによって、その都度のセグメントＩないしＩＩＩに対応付けられている高周波受信コイルの受信信号からの部分像から生ずる全体像のなかに像間隙が生ずる。これらの像間隙はセグメントの数が多いほど狭い。これらの像間隙が許容されないときには、図５に破線により示されているように第２の勾配磁界を設けることが提案される。この第２の勾配磁界は第１の勾配磁界と同一の経過を有するが、第１の勾配磁界に比べてセグメント幅だけｚ方向にずらされている。ＭＲ測定はその場合に２回、すなわち１回は第１の勾配磁界により、また１回は第２の勾配磁界により実行される。図５からわかるように、それによって勾配磁界の極性切換の位置に生ずる像間隙を覆うことができる。
【００２４】
セグメント幅の半分だけずらされた勾配磁界を実現するために２つの可能性が提案される。最も簡単な場合には、測定対象物がセグメント幅の半分だけずらされ、第１の像を図示されている仕方で補う第２の像が作成される。ｚ方向の磁界勾配に対して相応にずらされた勾配磁界を有する第２の勾配コイルシステムを設けるならば、機械的なシフトなしですませることができるが、これはもちろんより費用のかかる解決策である。
【００２５】
第２の測定はそれぞれ前記の像間隙を覆うための役割をする。しかし広い範囲に亘って各々の画素に対して２つの測定信号が得られる。この事実は再び２つの形式で利用され得る。１つの画素に対して利用可能な両方の信号の平均化により改善されたＳＮ比が達成され得る。しかし両方の勾配磁界は、画素長さの半分だけずらされたサンプリングラスターを有する２つの重ね合わされた像が生ずるようにも応用される。各々の信号に関して存在する像間隙を別として、その際にｚ方向の像の分解能を倍増し得る。
【００２６】
図６には空間的に交代するｚ勾配を発生するための勾配コイルシステムに対する実現可能性の概要が示されている。３つのセグメントに対して、交代する電流方向を有する４つの個別コイル２１ａ〜２１ｄから成る勾配コイルシステムが存在する。それによってｚ方向の基本磁界に、図５に示されている経過を有するｚ方向の磁界勾配が与えられる。このような勾配コイルシステムを構成するための一層詳細な説明はたとえば米国特許第 4,468,622号明細書に記載されている。
【００２７】
セグメント幅だけずらされた２つの勾配磁界の上述した事例に対して、図示されている勾配コイルシステムは再びｚ方向にセグメント幅の半分だけのずれを設けられ得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】核スピントモグラフィ装置の構成の概要を示す図。
【図２】ｚ方向の磁界の従来の経過を示す図。
【図３】理想的な場合に対するｚ方向に交代する勾配を示す図。
【図４】その結果としてのｚ方向の磁界経過を示す図。
【図５】ｚ方向の磁界の実際の経過を示す図。
【図６】勾配コイルおよび高周波アンテナの配置の一例の概要を示す図。
【符号の説明】
１〜４  磁石システム
５  患者
６  座標系
７、８  勾配コイルシステム
９  高周波送信・受信アンテナ
１１  電流供給源
１２  勾配増幅器
１４  高周波送信ユニット
１５  高周波受信ユニット
１６  高周波システム
１７  像コンピュータ
１８  モニター
２０  制御コンピュータ
２１ａ〜２１ｄ  勾配コイルシステムの個別コイル
２２〜２４  高周波コイル
【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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