JPH02232034A

JPH02232034A - 核磁気共鳴装置

Info

Publication number: JPH02232034A
Application number: JP1250838A
Authority: JP
Inventors: Richard S Likes; リチャード・スコット・ライクス
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1979-08-20
Filing date: 1989-09-28
Publication date: 1990-09-14
Also published as: JPH0356730B2; US4307343A; EP0024640A1; JPH024867B2; JPS5630636A; DE3068307D1; EP0024640B1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】この発明は、内部体構造の２次元映像作成用の核磁気共
鳴装置に関するものであり、更に具体的には、スピン密
度の２次元的分布が直視可能な時間信号に選択的に変換
され、映像再構成に必要なデータが直ちに得られる核磁
気共鳴装置に関するものである。

核磁気共鳴現象は最初物理学者によって観測された。正
に帯電しかつ回転している原子核を均一な磁界中に置く
と、この原子核のスピン軸が歳差運動を行う。歳差運動
の角周波数ωは、磁界強度Ｈ及び磁気回転比と称される
定数１に依存する。これらの量の関係は次式で与えられ
る： ω＝ｆＨ　　　　　　・・・（１）このような磁界中に置かれた原子核は、上述した角周波
数の電磁波の吸収が可能になる。この電磁波は吸収後に
再放出され、この再放出エネルギーが検出、分析される
。水分子は上記核磁気共鳴による分析手法を特に適用し
易い分子である。これは主として、水分子中の不対水素
原子によるものと考えられている。細胞及び組織が水を
主成分とするため、この種試料に対して核磁気共鳴法が
特に適用可能である。特に細胞の各箇所における核スピ
ン密度を決定することにより、内部体構造を表す映像を
作成することができる。癌細胞は水に対する親和性が特
に強いので、これらの細胞は核磁気共鳴映像法による検
出に適している。

上述した磁気回転比ｒの典型的な値は、約２７ＫＨｚ／
ガウスである。上記の（１）式から、約１．２Ｋガウス
の磁気強度Ｈに対する核スピン励起に適した電磁波の周
波数は約５．１ＭＨｚの無線周波である。この励起後に
おける試料からの再放出の間、２つの別個の緩和が生ず
る。人体組織については、スピンーラテイス緩和時間Ｔ
，は約０．５秒であり、スビンースピン緩和時間Ｔ！は
約０．０５秒である。

医療診断法としての核磁気共鳴映像法は大きな利点を有
しているが、その最大の利点は細菌の侵入を起さずに処
理できる点にある。現在のコンピューター化された断層
写真術と異り、イオン化放出は採用されていない。この
問題を解決しようという多大の努力にも拘らず、この分
野の研究者達は、適切な解像度に要する露出時間の問題
に長いこと悩まされてきた。この二次元共軛記録法によ
る映像再構成の手法に一般的に要求されることは、特定
の画素（ｐｉｘｅｌ）からの放出を表す信号が、この画
素位置に対応する物理的位置におけるもののほかは他の
すべての核スピンによって作成された信号に実質的に依
存しないことである。提唱されている核磁気共鳴映像方
法のあるものは、一時に一個の画素（又は一時に一本又
は複数本の線）を処理し、他の映像部分からの信号を捨
てることによって画素の確認を行っている。この種手法
の一例は、Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐ
ｈｙｓｉｃｓ．ｖｏｌ．　４７．　ＮＯ．８（１９７５
）　ｐｐ３７０９　〜３７２１に掲載されたＷ．　Ｈｉ
ｎｓｈａｗによる論文“Ｉｍａｇｅ　Ｆｏｒｍａｔｉｏ
ｎ　ｂｙ　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒｅｓ
ｏｎａｎｃｅ　：　Ｔｈｅ　Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ−Ｐｏ
ｉｎｔ　Ｍｅｔｈｏｄ”や、Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍ
ａｇｎｅ目ｃ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　Ｖｏｌ．２９，　
（１９７８）　ｐｐ３５５　〜３７３に掲載されたＰ．
Ｍａｎｓｆｉｅｌｄ及びＩ．　Ｌ．　Ｐｙｋｅｔｔによ
る論文×“Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ　ａｎｄＭｅｄｉｃａ
ｌ　Ｉｍａｇｉｎｇ　ｂｙ　ＮＭＲ″に記載されている
。

画素確認の他の手法は、対象の多数の分離したフーリエ
変換から信号をコヒーレント的に加算するものである。

このような手法は、Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ　Ｍａｇｎｅｔ
ｉｃ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ，　Ｖｏ１．１８（１９７５
），ｐｐ６９　〜８３に掲載されたＫｕｍａｒ，Ｗｅｂ
ｔｉ及びＥｒｎＳＬによる論文″ＮＭＲ　Ｆｏｕｒｉｅ
ｒ　ＺｅｕｇｍａＬｏｇｒａｐｈｙ″や、Ｊｏｕｒｎａ
ｌｏｆ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ，　　
Ｖｏ１．３３（１９７９）．ｐｐ８３　〜１０６に掲載
されたＰ．　Ｂｒｕｎｅｒ及びＲ．　Ｒ．　Ｅｒｎｓｔ
による論文”Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ａｎｄ　Ｐｅｒ
ｆｏｒｍａｎｃｅ　Ｔｉｍｅｉｎ　ＮＭＲ　Ｉｍａｇｉ
ｎｇ”に記載されている。画素確認の他の方法は、多数
の一次元的投影から作成された信号をコヒーレント的に
加算することにより映像を再構成するものである。この
種の方法は、Ｎａｔｕｒｅ，　Ｖｏｌ．２４２．　Ｎｏ
．５３９４（１９７３），　ｐｐ１９０〜１９１に掲載
されたＰ．　Ｃ．　Ｌａｕｔｅｒｂｕｒによる論文″Ｉ
ｍａｇｅ　Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｂｙ　Ｉｎｄｕｃｅｄ
　Ｌｏｃａｌ　Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ　：Ｅｘａｍ
ｐｌｅｓ　Ｉｌｍｐｌｏｙｉｎｇ　　Ｎｕｃｌｅａｒ　
ＭａｇｎｅｔｉｃＲｅａｓｏｎａｎｃｅ″に掲載されて
いる。これらの方法により一般に所望の対象を完成でき
るが、極めて多数の自由誘導減衰（ｆｒｅｅ　ｉｎｄｕ
ｃｔｉｏｎ　ｄｅｃａｙＳ）からデータを取得しないと
、再構成された画像のＳ／Ｎ比が劣化する。しかしなが
ら、このようなアプローチは、患者の拘束可能時間より
もはるかに長いデータ蒐集時間を必要とする。この時間
に対する代りのアプローチは、各画素内のスピンの周波
数履歴か他のすべての画素からのそれと区別できるよう
に、時間変化する傾斜磁界を印加するものである。本発
明が採用する後者のアプローチを以下更に詳細に説明し
よう。

本発明の一実施例によれば、核磁気共鳴スピン密度分布
を決定するための装置は、供試対象内のスラブ（片）を
選択的に励起する手段、前記対象に空間識別磁界を印加
する手段、前記対象から放出された電磁波を受信する手
段、及び該放出された電磁波により作成された電気信号
を処理して前記スラブ内のスピン密度分布を表示する他
の信号を作成する手段を具えている。

この装置の説明の便宜上互いに直交するＸ，　Ｙ及びＺ
の直角座標を採用すると、このＸ及びＹ座標は着目スラ
ブ内に存在し、Ｚ軸はこのスラブに直交している。デー
タ蒐集の全期間にわたってＨ０の一定磁界が供試体に印
加される。本発明の一実施例によれば、前記励起手段は
、無線周波パルスが印加される間、Ｚ軸方向の時間変化
する磁界の傾きをも印加する。この後、自由歳差運動を
許容するためにＺ方向の磁界の傾きが除去される。

本発明の他の実施例によれば、核の自由歳差運動を生ず
るための上述した励起の後に、空間微分手段が作動せし
められ、前記の対象にＨｏ＋Ｇ　＋（ｔ）ｘ＋Ｇ　ｔ（
ｔ）ｙの形の磁界が印加される。この空間識別磁界の印
加により、２次元スピン密度分布情報を単一の時間依存
電気信号に変換することができるのである。これらの電
気信号は励起された原子核から、典型的には供試体にさ
らしたコイルを介して受信される。次にこれらの信号は
、いくつかのアルゴリズム特に本発明の空間識別の手法
に適したアルゴリズムに従って計算手段によって処理さ
れ、スラブ内のスピン密度を示す信号を作成する。

本発明の実施に好適な実際の装置の説明に入る前に、映
像処理の各段階を説明することは有益であろう。

本発明の装置においては、励起．空間識別（ｓｐａｔｉ
ａｌ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｉｏｎ　）及び再構成
（ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ）の三段階が存在する
。

励起段階においては、一定磁界Ｈ。が試料に印加される
。試料には、更に、Ｚ方向に直線的に変化する時間変化
磁界が印加される。この時間変化磁界は関数Ｇ　（ｔｌ
で表わされる。このうちの一好適例は第６（ａ）図に示
されるものであるが、その詳細については後に説明する
。関数Ｇ　（ｔ）は、オーデオ周波数成分を含んでいる
。一例にすぎないが、印加磁界の最も代表的な形はＺ方
向に直線的に変化する磁界である。この変化の直線性の
ため（１）式で与えられる歳差周波数もまた試料全体に
わたってＺ方向に直線的に変化する。

同様に電磁波の吸収の共鳴周波数もＺ方向に直線的に変
化する。従って、無線周波帯域の特定周波数の電磁′波
を試料に印加すると、ΔＺなる厚みの特定のスラブ内の
核スピンだけが励起される。薄いスラブ内のスピンの励
起及びその後の再放出を最適にするように、励起電磁波
の時間変化特性を選択するが、これについては後述する
。このように、励起段階における磁場は次式で表される
。

Ｈ　（Ｚ，　ｔ）＝Ｈ　ｏ＋ＺＧ（ｔ）　　　　　−（
　２　）映像作成の第２段階は、空間識別である。（２
）式で表わされるような磁界を印加することにより供試
体中の薄いスラブ内のスピンを励起し、これと同時に無
線周波の電磁波を印加して前記核スピンを励起したのち
、励起を除去し、スピン緩和を生じさせる。このスピン
緩和の間、一旦吸収された電磁波が再放出され、これは
通常供試体を取囲むように設置されているコイルに受信
される。この励起後の自由誘導減衰時間（ｆｒｅｅ　ｉ
ｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｄｅｃａｙ）の間、試料は異なった
磁界にさらされている。この第２の磁界は次式で与えら
れる。

｝１（Ｘ，Ｙ．ｔ）＝ＩＯ＋ＸＧｌ（ｔ）＋ＹＧ！（ｔ
）・（３）上式から明らかなように、この空間識別磁界
はＺ依存性をもたない。混同を避けるため、（３）式の
時間関数Ｇ＋（ｔ）及びＧ２（ｔ）はＧ　（ｔ）に無関
係であり、受信信号からの映像の再現に重要な働きをす
ることに特に留意されたい。これについては後に更に詳
しく述べよう。（３）式で与えられる磁界に関する空間
識別特性の正しい理解に際しては、この磁界がスラブ内
のＸ座標及びＹ座標に依存する点が最も重要である。こ
のようなＸ及びＹ依存性に基づき、スラブ内の点（Ｘ，
Ｙ）を中心とする特定の領域内の核スピン分布を決定す
ることができる。さらに、空間識別磁界の時間パラメー
タ依存性に基づき、Ｘ．　Ｙ座標データを単一の時間信
号に変換することが可能となる。空間識別磁界存在する
ため、自由誘導減衰を生ずる電磁波信号が、スラブ内の
空間位置に依存する周波数成分を含むことになる。

更にこの空間座標依存性は時間にも依存するものである
が、これはこの段階における磁界が（３）式に示される
ように、さらに具体的には略々オーデオ周波成分から成
るＧｔ（Ｄ及びＧｔ（ｔ）の関数として、時間変化する
からである。関数０１（ｔ），　Ｇ　！　（ｔ）は次式
で表されるように磁界の傾きと称される。

Ｇ　＋（ｔ）＝ｙＨ＃Ｘ　　　　　　　　（　４　）Ｇ
　２（Ｌ）＝？Ｈ／ＦＸ　　　　　　　　　　　（　５
　）さらに、Ｇ＋（ｔ）及びＧ　ｚ（ｔ）の各々から２
個の関数Ｋ＋（ｔ）及びＫｚ（ｔ）が次のように定義さ
れる。

Ｋ＋（ｆ）＝　　ｒｆ１　ｃ＋＋ｔ′＋ｄｔ′−（６）
Ｋ＊（ｔ）＝　　ｒｆ’　　Ｇｔ（ｔ’ｌｄビ　　　　
・　（７）ｔをパラメータと考えると、数値Ｋ＋（ｔ）
及びＫｇ（ｔ）は以下Ｋ空間と称する２次元空間内の１
点を示す。時間パラメータｔが変化すると、Ｋ空間内の
点は単一の軌道をたどるか、又は複数の軌道を次々にた
どる。このＫ空間内の軌道の意義を理解することは、本
発明の完全な理解、特に再構成の段階を理解するのに不
可欠である。

Ｇ＋（ｔ）及びＧ＊（ｔ）が決定するＫ空間内の軌道は
、時としてＴ′の周期性をもっている。歳差角周波数ω
と位相角φは次のような関係を有する。

ｄｔここでφはＸ，Ｙの関数であり次式であたえられる： φ（Ｘ，　Ｙ，　ｔ）４＋（ｔ）Ｘ＋Ｋｘ（ｔｌＹ＋ω
ｔ　　　−　　（　９　）最後の線形項ωｔは平均磁界
強度Ｈ。における歳差角周波数ωに対応する。このよ・
うに、試料の薄いスラブ内の核スピンは磁界の傾きと無
線周波エネルギー源との組合せにより選択的に励起され
る。励起後の自由誘導減衰の間、吸収されていた無線周
波エネルギーが空間識別周波数で再放出される。この再
放出エネルギーを受けるために試料のまわりに受信コイ
ルを設置すると、これに次のような値の電圧Ｖ　（ｔ）
が誘起される。

Ｖ　（ｔ）＝Ｃ　　，ｉωｅ　　”’　ｆｆ　μ　（Ｘ
．Ｙ）ｅｘｐ［ｉ（Ｋ＋　（ｔ）Ｘ十Ｋ２　（ｔ）Ｙ＋
　ω＋　（Ｘ．Ｙ）ｔ）−ｔ／Ｔ　２　（Ｘ，Ｙ）コｄ
ＸｄＹ・・・（１０）ここで０１は比例定数．μ（Ｘ．　Ｙ）は局所核スピン
密度，　Ｔｔ　（Ｘ．　Ｙ）は局所スピンースピン緩和
時間（０．０５秒程度）、ｉは−１の平方根である。（
１０式は目標近辺の空間情報を時間変化情報に変換する
所望の特性を表している。このような処理を行うことに
より、信号作成の問題を磁界の傾きの履歴（ヒストリー
）、すなわち１’＋（ｔ）及びＫｔ（ｔ）信号、を工夫
することに帰せしめることができるが、これは直ちに実
現でき、対象の空間情報が核磁気共鳴信号の時間変化に
変換される。これは、変換された空間情報が線形の再構
成アルゴリズムによって直ちに逆変換されるような形式
で行われる。（１０１式によれば、電圧Ｖ（ｔ）は同相
成分！（ｔ）と９０’位相がずれた成分Ｑ（１）から成
る次のような複素時間関数である。

Ｖ　（ｔ）　＝　Ｉ　（ｔ）　＋　ｉＱ（ｔ）　　　　
　−　（１１）αω式中のＴ　！　（Ｘ．　Ｙ）は、ス
ラブ内の種々の点におけるスピンがＴ２の実効期間だけ
電磁波を放出することを意味するが、体内組織について
はμ（Ｘ．　Ｙ）よりもプロトンに対するＴ，の方が広
範囲に変化するので、上述した効果は医療への応用の点
で望ましいものである。

次に本発明に係る核磁気共鳴映像作成の第３段階すなわ
ち最後の再構成の段階を説明しよう。

この再構成の目的はＶ　（ｔ）からμ（Ｘ．　Ｙ）を決
定することにある。αω式によれば、これらの量は因子
（係数）ｅｘｐ　−ｔ／Ｔｚ　（Ｘ，　Ｙ）を除いてフ
ーリエ変換と類似の関係にある。（６）式、（７）式、
（９）式及び（１０１式は、座標がＫｌ（Ｌ）及びＫＺ
（ｔ）で与えられる２次元空間、すなわちＫ空間を直接
的に定義する。

Ｋ空間は、映像の空間周波数成分を限定する２次元空間
として示される。磁界勾配は、下記の２つの関数に従っ
てＫ空間を横切る射影（投影）を限定する。

即ち　ｆ”　Ｇ　＋　（ｔ）ｄｔに比例するＫＸ（白ｆ
”　Ｇ　ｚ（ｔＭｔに比例するＫア（白明細書の（６）
式及び（７）式を参照して下さい。

前記磁界勾配は、時変パラメータに従ってＫ空間を通過
する。磁界勾配は、Ｋ空間内のスピン密度分布に対して
放出ＮＭＲ信号を空間的に符号化するように印加される
。第７図〜第９図は、幾つかの可能なＫ空間軌道を図示
している。磁界勾配の横断もしくは軌道は、所定のアル
ゴリズムが空間内に符号化された信号からの映像を再構
成することを可能にする。Ｋ空間の軌道の概念は射影再
構成理論（Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ　ｒｅｃｏｎｓｔｒｕ
ｕｃｔｉｏｎ　ｔｈｅｏｒｙ）の知識を有する数学者に
は普通のことである。射影は、対象物のフーリエ変換に
関する　（射影スライス理論）。本発明は、一般Ｋ空間
が磁気共鳴方法及び装置に如何に適用し、有用な映像再
構成をつくり得るかを示している。

スピンは、核のような素粒子又は粒子系の固有の角運動
量であり、それは、また、磁気モーメントに応動する。

核のスピンは、特有の固定値を有する。スピン密度は、
所定領域即ち、空間決定による共鳴スピンの密度である
。スピン密度は、領域からのＮＭＲ信号の強度の原理的
な行列の１つであり、その検出は、領域の構成される映
像（　１ｍａｇｅ）の基本となる。核の歳差運動の角周
波数は、式（１）に示されるラーモア歳差運勤関係式に
より定義される。

次に前述の放出する自由誘導減衰（ＦｒＤ）について説
明する。

放出する自由誘導減衰（ｒａｄｉａｔｉｖｅ　ｆｒｅｅ
−ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｄｅｃａｙ　：　ＦＩＤ）は、
ＲＦバルスが核スピンシステムを共鳴まで励起した後に
生ずる信号である。横断する磁界がスピンに印加される
場合、過渡的ＮＭＲ信号は、その結果、特育の時定数に
より零に向かって減衰することになる。この減衰信号が
前記ＦＩＤである。共鳴周波数はラーモア歳差関係によ
り決定される。（式（１）参照）磁界の傾きがゼロでな
いという条件のもとで、スピン系はＫ空間内の時間変化
軌道をたどり、その幾何学的特徴は再構成映像の特性を
支配する。００式から明らかなように、信号はＫ空間内
の特定の軌道位置で評価された局所スピンースピン密度
のフーリエ変換の形式となっている。

Ｋ空間の原点から離れた軌道を優先することにより、映
像の輪郭を際立たせることができる。

Ｋ空間の原点近くの軌道は、映像の粗い特性ないしは低
周波特性を意味する。

Ｋ空間内の点の速度は試料に印加された磁界の傾きに比
例し、Ｋ空間内の点の加速度は磁界の傾きの変化率に比
例する。Ｋ空間の軌道はパラメー夕を変化させることに
よって何度か繰り返され、その結果、軌道が全空間をま
んべんなく横切ることがあり得ることにも留意されたい
。

一般にはＶ（ｔ）からの再構成は次式の形を採る：ａ　”　（Ｘ，　Ｙ）＝ｆＶ（ｔ）　ｔｙ　（．ｔ）ｅ
ｘｐｌ　−ｉ［Ｋ＋（ｔ）Ｘ　＋　Ｋｔ（ｔｌＹ＋帽（
Ｘ，Ｙ）【月ｄｉ．　　　　　　　　・・・（ｌ２）こ
こでμ”　（Ｘ．Ｙ）は点（Ｘ，　Ｙ）における局所ス
ピンの再構成を表す。ρ（ｔ＋は適宣な重み付け関数（
例えば指数的減衰関数）であり、ωＩ　（Ｘ．　Ｙ）は
空間的不均一性に依存し次式であたえられる；ω１（ｘ
，Ｙ）＝ｆΔＨ（Ｘ，　Ｙ）　　　　　−（１３）ここ
でΔＨ（Ｘ，Ｙ）は磁界Ｈ０の微小変化分を表す。

上記（１２１式は再構成の一般手法を表わすが、Ｋ空間
の軌道すなわちＫ＋（ｔ）及びＫ！（ｔ）を適切に選択
すると種々簡略化される。その詳細及びＫ空間パターン
のあるものが第７，８及び９図に示されることについて
は後述しよう。

以上映像作成の３段階を説明したので、次に上述した３
段階すなわち励起、空間識別及び再構成の機能を実行す
る本発明の装置について説明しよう。

第１図は、本発明の核磁気共鳴映像装置の各部の関係を
示す図である。映像作成の試料である対象２０から説明
しよう。この対象には、静磁界コイル１００によって静
磁界が印加されている。

これらのコイルは、データ蒐集の全期間（励起及び空間
識別段階）にわたって動作し、一定磁界Ｈ０を発生する
。しかしながら、寸法上の制約や物理的制約に基いて、
磁界Ｈ０はわずかのＸ，Ｙ座標依存性を示す。この座標
依存性を打消すため、シムコイル用電源１０８からシム
コイル（Ｓｈｉａ＋　ｃｏｉｌｓ）１０Ｂに電力を供給
する。これらのシムコイルは所望の補償磁界を発生すべ
く静磁界用電源１１２から電力供給を受ける静磁界用電
源磁石１１０と連動する。対象２０には伝達用コイル２
４も結合されており、このコイルは無線周波増幅器１２
Ｂが接続されている。これらの伝達用コイル２４は映像
処理の励起段階において動作し、選択されたスラブ内の
核スピンを選択的に励起する。スラブの選択は、伝達用
コイル２４に供給すべき周波数及びＺ方向への磁界の変
化の組合せにより制御される。伝達用コイル２４に印加
される無線周波のパルスは変調器１２６により整形され
るが、その理由は無線周波のパルスの整形によって映像
を所望するスラブの分離をより完全にするためである。

励起段階の間、グラディアント・コイル！０４により２
方向の磁界の傾きが供給される。このグラディアント・
コイルｌ０４は、オーデオ増幅器１２４により励起され
る。

グラディアント“コイル”と称してはいるが、これらの
コイルは実際には、対象２０の近傍に適当に露出させた
通電用導体に過ぎない。すなわちこれらのコイルは、帰
路ないしループを対象から離れた位置に設け、漏洩磁界
を極小にしたものである。これらの構成については第２
図乃至第４図において更に詳述しよう。対象２０には受
信コイル２２も結合しており、これは映像の空間識別段
階における再放出無線周波エネルギーを受信する。この
コイルからの信号Ｖ　ｌｔ）は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）
スペクト口メータ　１３０に入力される。このスペクト
口メータ１３０は、入力ボード１３２にＩ　（ｔ）信号
及びＱ　（ｔ）信号を供給する。この入力ボードは、ス
ベクト口メータ１３０とデジタル計算機１２０間のアナ
ログ／デジタル・インタフエースである。この計算機１
２０はデジタル化出力信号Ｖ　（ｔ）を受けてデスクメ
モリ　１４０にストアし、後の分析及び再構成に備える
。この計算機１２０は、制御端末１４１を介してオペレ
ータに操作される。計算機１２０は、出力ボード・１２
２を介して当該映像装置を駆動する。出力ボード１２２
は、無線周波の変調器１２６及びオーデオ増幅器１２４
を制御する。タイミング及びトリガ情報を供給し、さら
にＧ（ｔｌ．　　Ｇ＋（Ｌ），　　Ｇｔ（ｔ）等の信号
先供給するのは出力ボード１２２の機能である。励起及
び空間識別段階におけるデータ蒐集に続いて、デスクメ
モリ　１４０内にストアしたデータに基づいて計算機１
２０が局所スピン密度を表わす信号を作成する。これは
一般には、非リアルタイム・モードで行われる。

第２図は、本発明の装置の物理的部分相互間の関係の理
解に役立つ図である。第２図の試料（対象）２０中に薄
いスラブ２ｌを仮想的に示している。平板状のスラブ２
ｌはＸ及びＹ方向を向いている。スラブの法線はＺ軸と
なり、Ｘ，Ｙ及びＺ軸から成る直角座標が形成されてい
る。受信コイル２２が試料２０を囲んでいる。この受信
コイル２２を囲んで、さらに伝達用コイル２４が設置さ
れている。これらのコイル設置の変形例が第５図に例示
されている。電磁石３０は静磁界を供給する。これらの
コイルは極面を有するように例示されているが、必要に
応じて空芯コイル磁石を採用することもできる。磁界発
生構造３０の第一の要件は、試料２０の全体にわたって
均一な静磁界を供給することである。グラディアント・
コイル２６．　２６．　２７．　２７’，　２８及び２
９も例示されている。

コイル２６．　２６：　２７及び２プはＹ方向への磁界
の傾きを制御する。これらのコイルには信号Ｇ２（ｔ）
が印加される。同様に、コイル２８及び２９は（第３図
の２８及び２９と共に）Ｘ方向への磁界の傾きを与える
。すなわち、これらのコイルにはＧ＋（ｔ）信号がのる
。上述の関係は、映像作成の空間識別段階における磁界
の空間的、時間的変化の様子を示す（３）式から理解で
きよう。同様に、コイル２６．　２６’．　２８及び２
ｄは励起段階の間コイル２７．　２７７２９及び２９に
対してジューニソン（ｕｎｔｓｏｎ）として動作し、（
２）式で与えられるようにＺ方向に直線的に変化する時
間変化磁界を発生する。このような構成とする替りに、
個別の円形ループをマックスウエルコイル対として配属
し互いに逆に接続することにより、Ｚ方向への磁界の傾
きを作成することもできる。第２図乃至第４図に図示し
ていないグラディアント・コイルの電流帰路は、漏洩磁
界及びコイル間の相互作用を最小にするように選択され
る。これは、供試対象の近傍に比較的長くかつ真直な導
体を設置することにより直ちに達成できる。

第３図は、第２図に例示した装置をＸ−Ｚ平面と直交す
る方向から示す図である。Ｘ−Ｙ平面内にある所望のス
ラブ２１を有する試料２０を囲んで、受信コイル２２及
び伝達用コイル２４が図示されている。伝達されるエネ
ルギー及び受信されるエネルギーの相対強度を考慮して
、受信コイルのを励起されたスラブに更に近づけること
が望ましい。受信コイルの配列の他の例を第５図に示す
。第３図には、静的な均一磁界Ｈ０を供給する磁界発生
機構３０も例示されている。Ｘ方向への磁界強度の傾き
を制御するコイル２９及び２８′ｂ例示されている。第
２図に示す方向からはコイル２８′及び２スは見えない
が、これらの機能については既に詳述した。導体２６，
　２ａ−２７．　２７’，　２８．２８’，２９及び２
９が（２）式及び（３）式の磁界を発生するように動作
することは、直ちに理解できよう。

第４図は、第２図及び第３図に示した装置の一部を例示
する図である。この図は特に、試料近傍における磁界発
生構造３０に対するグラディアント・コイル２６．　２
ｔｌ，　２８及び２８が例示されているが、勿論これら
は互いに絶縁されている。対の導体２７，　２７．　２
９及び２９は、オーデオ増幅器！２４からの適切な電流
信号で駆動されて試料２０内に所望の磁界を発生する。

第５図は、伝達用コイル２４及び受信コイル２２のその
他の一例を示す。第５図は第２図と同一方向からの図で
あるが、第２図において受信コイル２２と伝達用コイル
２４の軸が一致するのに対して、第５図においては両者
は直交するように配置される。第５図の構成は励起段階
における無線周波のパルスとの干渉が最小であるという
点で優れている。

次に適切な選択励起に関し詳細に説明しよう。

解像度を最大にすると共に制限された帯域及び走査時間
のもとて２次元映像を作成するためには、励起の領域を
比較的薄いスラブに限定することが必要である。これは
、選択された面の外側のスピンを飽和させる空間変化す
る無線周波波磁界、又は選択的励起のための空間依存歳
差周波数を設定する低周波（オーデオ）の磁界の傾きを
供給することによって達成される。後者の手法は、本発
明に適している。この選択的励起のために使用される手
法と無関係に、真に２次元的な映像手法は２次元的に励
起された領域の対向表面上の隣接スピンのデフエージン
グを妨げる。このことは、自由誘導減衰の間に傾斜が極
めて減少しなければならないことを意味する。これを保
証するには、Ｚ方向にΔＺの数倍程度離れた位置の核ス
ピンが無線周波磁界によりほとんど励起されないこと、
すなわち、（Ｇ）（Δ２）七Ｈ，　　　　　・・・（１
４）が必要である。ここでＧはＧ　（ｔｌの絶対値の最
大値、Ｈ，は無線周波パルスの尖頭値（ビーク値）であ
る。

映像期間がＴ２よりも長ければ、繰返し励起が必要にな
る。この繰返し励起は、Ｔ，より短い周期の周期的パル
スを励起スピンが同相になるように供給することにより
、容易に達成される。

同相にする条件は、無線周波パルス間でグラディアント
・コイルに正味の電流が流れないようにすることによっ
て満足される。周期的パルス供給の間磁界の傾きを最小
にするため、信号強度の損失の間隔と適合する長さのパ
ルス間隔とする必要がある。例えばｔｏｏｘ　ｉｏｏ画
素のアレイ状に配列された映像については、Ｋ空間の原
点にもどるパスに関する最短の許容軌道は約５００画素
を通過する。これは、３０｝１ｚの繰返しのパルスにつ
いては、全軌道に約０．６秒要すること、すなわち最小
限４ガウスの傾斜を要することを意味する。対象を励起
するための一方法は、Ｘ−Ｙ傾斜を約０．２ガウスまで
減じて、Ｚ傾斜を約１ガウス／ｃｍまで増して、無線周
波パルス×ヤを印加する方法である。しかしこの選択励
起の方法は、等傾斜の静磁界による方法に比べて異る表
面を励起し易い。これは静磁界及びＺ傾斜磁界又はそれ
らの一方が不均一であることによる。本発明の一実施例
によれば、傾斜と適宜なウインドウ関数の積に等しい振
幅の変調された無線周波パルスと同時に、直流成分を含
まない２磁界傾斜の時間変化成分を印加することによっ
て、上述した選択的励起の問題を回避できる。

適切な空間選択的励起を満足すべき２つの基準が存在す
る。第１の基準は、励起が物理的な領域内に十分限定さ
れていること、すなわち励起領域のテールが無視できる
ことである。第２の基準は、スピンからの信号がすべて
コーヒーレントに加え合わされること、すなわち横方向
の磁化があらゆる箇所で同一方向を向くことである。こ
のような要求を満すには、所望の励起面に直交するオー
デオ周波数の磁界の傾きを印加すると共に、このオーデ
オ周波数の磁界の傾きＧ　（ｔ）の時間依存性によって
決まる包絡線に十分に成形された長い無線周波パルスを
用いることが必要である。この関数Ｋ　（ｔ）は次のよ
うなものである：Ｋ（ｔ）＝　ｒ　，ｆ　’　Ｇ（ｔ）ｄｔ’　　　・・
・（１５）この場合、所望のスラブの中心上ΔＺに位置
するスピンの相対位相φ′は： φ’＝−Ｋ（ｔ）Δ２　　　　　・・・（１６）十分に
局所的な励起を達成するには、間隔〔−Ｋ０．　Ｋｏ）
の外側で消滅する無線周波パルスの包絡線が、集中した
スベクトラル成分を持つことが必要である。上述のこと
を考慮すれば、次式で表わされるような無線周波パルス
の包絡線ｈ．（１）が選択される：ｈ＋（ｔ）＝ｈ＋ｒＧ（ｔ）ｆ（Ｋ／Ｋｏ）（Ｔｏ／Ｋ
ｏ）　　　・（１７）ここでｈ，は定数．　ＴｏはＧ　
（ｔ）がゼロを横切る時刻，ｆは適切に選択されたウイ
ンドウ関数である。

この励起方法の特に好適な一例は、以下に示すようなＧ
（ｔｌ，　Ｋ（ｔ）及びｆ（ω）のセットで例示される
：Ｇ　（ｔｌ　”　Ｇ＠［　（Ｔ＋”−ｔり／Ｔ＊”〕ｅ
ｘｐ［−（ｔ／ＴＪ”／２｝・・（１８）Ｋ（Ｌ）＝ｒ
Ｇｏｔｅｘｐ［−（ｔ／Ｔｏ）”／２］　　　　＝−（
１９）・・・（２０）ａａ式及びａ９に示す関数を第６ａ図及び第６ｂ図に示
す。関数ｆ（ω）は単なる余弦ロールオフ・ウインドウ
関数であり（図示せず）その結果の無線周波パルス包絡
線ｈ　Ｉ（ｔ）を第６ｃ図に示す。これらの図において
、Ｔ．＝１ｍｓｅｃである。このパルスについての平均
の無線周波磁界は、約３．７ミリガウスとなっている。

無線磁界の尖頭値ピーク値はこれより大きく、約６。５
ミリガウスである。所定の緩和線及び３０Ｈｚの励起率
に対しては、ほぼこの強さの磁界により最大の平均核磁
気共鳴信号が得られた。十分に局所化した領域にわたっ
て同じ向きのスピンを励起するための上述の基準は、こ
れらの関数により充足される。このような励起は新規で
あり、かつ従来方法を大幅に改良したものとなっている
。

次に映像作成の再構成段階及び空間識別段階を詳細に説
明しよう。Ｋ空間軌道の例をいくつか考察しよう。これ
らにはりサージュ軌道，ｂｕｌｌ’ｓ　ｅｙｅ”軌道，
ロゼット（ｒｏｓｅｔｔｅ）軌道などがある。これらの
軌道の例を第７図に示す。

これらのりサージュ軌道については、Ｋ＋（ｔ）及びＫ
２（ｔ）は次式で与えられる：Ｋ＋（ｔ）＝Ｋｓｉｎ　ａｃｔ　　　　−（２１）Ｋ　
２　（　ｔ）　＝　Ｋ　ｃｏｓ　ａｔ　ｔ’　　　　−
　（２２）ここでａ　＋”２　πｎ＋／Ｔ’，　　ａ　
２”２　ｆｆ　ｎｚ／Ｔ’，　ｎ　Ｉ及びｎ２は互いに
素な奇数である。このようなＫ空間軌道からの信号は明
らかに周期的であり、従ってφ′は、スペクトラム線を
拡げる結果となる緩和に伴う振幅の指数関数的減衰を別
とすれば、線スベクトラムに分解されない。Ｋ空間のり
サージュ軌道の第一の利点は発生し易いこと、すなわち
磁界の傾きを正弦波的に変えるだけでよいことにある。

さらに、Ｋ空間のりサージュ軌道は、これらの軌道か備
えるべき前述の基準のいくつかを満足している。

Ｋ空間の軌道の他の適宜な一例は、第８図に例示するロ
ゼットパターンである。このロゼットＫ空間軌道に対す
る最適なＫ＋（ｔ）及びＫｚ（ｔ）は、Ｋ　．（ｔ）＝　Ｋ　ｓｉｎ（ａ，ｔ）ｃｏｓ（ａ２ｔ
）　　　　　・＝　（２３）Ｋ　ｚ（ｔ）＝　Ｋ　ｓｉ
ｎ（ａｃｔ）ｓｉｎ（ａ．ｔ）　　　　　・＝　（２４
）ここでＫ，ａｔ及びａ２は定数である。映像周期を３
３ミリ秒に選択した場合、ａｌの最適値は２　ｙｒ　（
９０）Ｈｚであり、ａ２の最適値は２　ｙｒ　（３０）
Ｈｚである。このような値を選択すれば、ロゼットパタ
ーンが毎秒３０軌道の割でトレースされる。

定数Ｋは約１０ｃｍ−’であり、次の関係から得られる
最犬の空間解像度を与える。

ＫΔＸ〜π　　　　　　　・・・（２５）この条件では
、ΔＸは約０．　３ｃｍである。第８図に例示するロゼ
ットパターンは、各再励起パルスの後６゜だけ回転され
る。この結果、緩和時間Ｔ後の期間τにわたって繰返さ
れる２０回の励起によってＫ空間が完全におおわれる。

上述の例では、２０回の繰返しは約０４７６秒で完了す
る。この手順によって、約３０ａｌの対象を約０．　３
ａｎの解像度で映像化するのに必要なデータを発生させ
ることができる。一般に、このようにして映像化できる
対象の最大寸法は次式で与えられる：×（ΔＫ）呵　　
　　　・・・（２６）×ここでΔＫはＫ空間軌道の隣接
部分間の距離、は試料の径である。ロゼット軌道は単純
なため特に好適であるが、このＸ，Ｙの磁界の傾きは２
個の各正弦的変化電流の和から作成される。

さらに、このロゼット軌道に対するマッチト・フィルタ
ー（ｍａｔｃｈｅｄ　ｆｉｌｔｅｒ）再構成アルゴリズ
ムは、点応答関数に対する閉じた形式の解析的表現を与
える。

その他のＫ空間軌道はアルキメデスのスパイラルｒ＝α
θであり、これは次のようなパラメータにより表わされ
る：（　ｒ　ｏ”　＋４ｃｔ）　”’−　ｒ　６ｒ　＝・・・（２７）２ａ上記アルキメデスのスパイラル中の定数の典型例は、Ｃ
か６．　７Ｘ　１０３ａｎ　−”Ｓｅｅ−’、ａがｏ，
５／唾、ｒ０が１／ａｎ，ｒ及びθがＫ空間の極座標で
ある。この軌道は、原点のまわりに約３ターンした後曲
線ｊ＝−３θ上を原点までもどる。このスパイラル軌道
を選択する理由の一つは、任意の固定値θにおいて隣接
曲線のｒ値をｒ＝ｏからｒ＝ｒｏまで直線的に増加しな
がら、回転されたスパイラルの集団によって２次元空間
を極めて均一に充すことかできる．からである。これら
のアルキメデスのスパイラルの時間パラメータ化は、多
数の曲線の極限において、スバイラルの集団による任意
の微小面積内で費される時間を十分大きなｒ値に対して
一定にするものである。これらの条件は任意のパラメー
タについてのアルキメデスのスパイラルによって満足さ
れることは明らかである。これらのスバイラルは、Ｋ空
間内の軌道密度の均一性及び各Ｋ空間内領域における経
過時間の均一性を表わす。これらのスバイラルは、本質
的に、対象の異る空間周波数のすべてにわたって一定Ｓ
／Ｎ比分布を与える。高次の空間周波数を強調する必要
があるときには、均一な空間及び線を横切るように、か
つ高次の空間周波数においてより大きなＳ／Ｎ比となる
ように曲線の密度を増す方向に曲線を修正することがで
きる。

Ｋ空間軌道の一例として次に“ｂｕｌｌ’ｓ　ｅｙｅパ
ターンを説明するが、この用語は第９図から明らかであ
ろう。このパターンに対する再構成アルゴリズムの好適
形を示す。すなわち、次式で与えられるＫ空間′内のＮ
＋１個の円であり二Ｋ，”　（ｔｌ＝ｎΔＫｓｉｎ　（
ＩＪ＠　ｔ　　　　　・（２９）Ｋ２ｌｌ（ｔ）＝ｎΔ
Ｋｃｏｓ　（ｄ＠　ｔ　　　　　・Ｃ３０）ｎ　＝　Ｏ
．　ｌ，　−　−・−　Ｎである。ｎ＝１．２，３，４
．５に対するこれらの軌道を第９図に示す。ｎ＝ｏに対
しては、軌道は明らかにＫ空間内の原点における単一の
点である。核スピンが初期状態Ｋ’：（ｏ）・０及びＫ
　；（ｏ）・ｎΔＫにあるものとすれば、上述したＫ空
間軌道は次のような磁界の傾斜により直ちに与えられる
：Ｇ　ｒ　（　ｔ）　＝（ｎ　ωｍ　ΔＫ／ｒ）ｃｏｓω
．　ｔ　　　−（３１）Ｇ　２″（ｔ）・（−ｎω，Δ
Ｋ／ｒ）ｓｉｎω．　ｔ　　−（３２）一例としてはＫ
　ｌ＝Ｋ　１＝Ｏでスピンが開始されるものとすれば、
上述した初期状態は大きさＧ０のＹ軸方向の磁界の傾き
をｎ（ΔＫ／ｒＧｏ）間印することにより達成される。

ω１をｎに逆比例するように選択すれば、（３ｌ）式及
び（３２）式で与えられる磁界の傾斜の振幅がｎに依存
しなくなることにも留意されたい。これは一定信号帯域
幅を保証する。このような条件のもとで、点（Ｘ．Ｙ）
におけるスピン位相は次のように与えられる： φ（Ｘ，Ｙ）＝Ｋ＋（ｔ）Ｘ＋Ｋ，（ｔ）ｙ＝ｎΔＫ（
Ｘｓｉｎ　ωａｌ！＋ＹＣＯＳ　ωｓｅ）＝ｎ　　（Δ
Ｋ）ｓｉｎ　Ｃω＊ｔ十〇）．　　・（３３）上式にお
いてＸ＝ｒＣＯＳθ及びＹ＝ｒｓｉｎθの関係により直
角座標が極座標に変換されている。第ｎ番目の円で観察
される信号電圧Ｖ’（ｔｌは：（ｉｎｒ　ΔＫ　ｓｉｎ
（ω．ｔ十　θ）ｒｄｒθ　　・　（３４）文字ｎは肩
文字であって指数でないことに留意されたい。以下のベ
ツセル関数を含む等式：ｅｘｐ［ｉｚｓｉｎ　　ｖ］＝
　　Σ　　　　Ｊｍ　　（Ｚ）ｅｘｐｃｉｍｖ　　．−
　　（３５）ｍ：−（１）ただしＪ　．−（Ｚ）はｎ次のベツセル関数、（３４）
式で与えられる第ｎ番目の円についての電圧は次式で与
えられる二Ｖ”（ｔｌ＝Σ　Ｖ″’ｅｘｐ［ｉｍωｓ　　ｔ）　　
　　・（３６）ｍ−一閃ここで、但しから直ちに与えられる。

（４１）式は次のような形式の近似式に書換えられる：Ｎこれらの式をみれば、（３７）式からμ．（ｒ）を求め
、次に（３８）式からμ．（ｒ，θ）を再構成するとい
う２段階の処理によって対象の映像が再構成されること
が示される。これを進めてＫ＝ｎΔＫに対する関数Ｖ”
（Ｋ）は次式で与えられる：Ｖ”　（ｎΔＫ）＝Ｖ″−
　　　　　　　・・−　（３９）これを（３７）式に代
入して：ここでＫは連続変数として扱われている。

（４０）式の解は、ハンケル変換の逆形式（Ｅｒｄｅｌ
ｙｉらによる″Ｔａｂｌｅｓ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｇｒａｌ
　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｓ１２巻，第５頁参照）（３８）式及び（４２）式から、μ（ｊ，　　θ）は次
のようになる：（４３）式中のｎについての総和の限界は（３６）式で
表わされるシステムの帯域幅で決定される。

Ｋ空間内の実効サンプリングレートが径及び角方向に対
するものに等しいという条件はＭ　（ｎ）がπ（ｎｌに
ほぼ等しいという条件であり、これは所要の側波帯（サ
イドバンド）数がＫ空間内の円の半径に比例することを
意味する。所要の帯域幅Ｂは次式で与えられる：Ｂ　−　２Ｍｆｓ＝２　ｘｎｆｓ　＝　ｎ　ωｍ　・”
（４４）（３６）式において　Ｖ　ｓ＋＋＋が慣用の高
速フーリ工変換によって得られることにも留意されたい
。

これらのことから、核スピン密度μ（ｒ，　　θ）は（
４３）式の角座標で表わされる。従って、（３１）式及
び（３２）式で表わされる空間識別磁界の傾きがどのよ
うにして核スピン密度を示す構成容易な映像を導くかが
理解できよう。

さらに一般的なアルゴリズムを用いても映像の再構成が
できよう。特に、各画素に対してマツチト・フィルタの
方法を（アルゴリズム的に）提供できよう。そのような
操作についてのデジタルフィルタ手法が良く知られてい
るが、画素数が多いため、このようなアルゴリズム的な
手法は映像作成に多大の時間を必要とする。

上述したように、本発明の装置が迅速に動作して核磁気
共鳴スピン密度を表示する映像を迅速かつ正確に作成す
ることが理解できよう。この空間スピン密度情報は、時
間依存信号に変換される。本発明に使用される磁界の傾
きは直ちに実現でき、対象の空間情報を直ちに再構成可
能な時間変化情報に変換することを許容する。

直接的な線形の再構成アルゴリズムが使用された。さら
に、本発明の磁界の均一性の必要性は核磁気共鳴映像の
他の方法よりもかなり緩やかである。また、本発明の装
置は、試料の巧みに限定されたスラブを選択的に励起す
るように動作する。本発明の映像方法は、現在可能な他
の核磁気共鳴映像装置に比べて内部組織を極めてコント
ラスト良く描く。

限られた実施例により本発明を説明したが、当業者であ
れば特許請求の範囲に記載した本発明の範囲内で、各種
の変形、修正を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置の一実施例の機構を示すブロック
図、第２図は供試対象と磁界及び無線周波コイルの関係
を例示するＹ−ｚ部分断面図、第３図は第２図の装置の
Ｘ−ｚ部分断面図、第４図はグラディアント・コイルの
配置を例示する第２図及び第３図の部分詳細図、第５図
は伝達用無線周波コイルと受信無線周波コイル間の他の
配置方法を例示する部分断面図、第６図は磁気的励起信
号に関するいくつかの曲線を例示する図、第７図乃至第
９図はＫ空間軌道をいくつか例示する図である。２０・・・供試対象、２１・・・スラブ、２２・・・受
信コイル、２４・・・伝達用コイル、２６，　２ｅ’．
　２７．　２７’．　２８．　２９・・・グラディアン
ト・コイル、３０・・・電磁石である。

Claims

【特許請求の範囲】核スピンを含む供試対象の或る領域内のスピン密度分布
を決定する核磁気共鳴装置であって、前記対象は、静電
界Ｈ＿０内に配列され、そこで規定されている第１及び
第２直角方向に関して方向づけられ、前記装置は、前記対象に時間依存性傾斜及び無線周波パルスを印加し
、前記無線周波パルスは前記時間依存性傾斜が存在する
場合に印加され前記領域内の前記核スピンを選択的に励
起するように変調されるので、前記励起されたスピンは
放出自由誘導減衰をうけそれにより前記励起の終了に続
いて放出電磁エネルギーの形式のＮＭＲ信号を発生する
ようにし、前記対象の他の領域における核スピンは殆ど
励起されないようにする手段、前記領域に空間微分磁界を印加し、前記領域内の前記核
スピンのスピン密度分布の情報を前記ＮＭＲ信号にコー
ド化する手段、前記ＮＭＲ信号と関連した放出電磁エネルギーを受信し
、前記エネルギーを、前記エネルギーを表す時変電気信
号に変換する手段、前記電気信号により動作し、そこから前記領域内のスピ
ン密度分布を表す信号を発生させる手段、を具備する核
磁気共鳴装置。