JP2000511789A - コントラスト剤を使用して磁気共鳴血管造影法を実行する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ３ＤＦＴ ＭＲＡ動的研究は、コントラスト剤を使用して画像コントラストを向上させることによって実行される。監視パルス・シーケンスを高い時間速度で実行し、コントラスト剤を患者に注入した後で監視領域中に生み出されるＮＭＲ信号の大きさを監視する。監視信号がしきい値に到達したときに、患者に信号が送られ、３ＤＦＴ画像データ・セットが獲得される。

Description

【発明の詳細な説明】 コントラスト剤を使用して磁気共鳴血管造影法を実行する方法 本発明は、Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｈｅａｒｔ Ｌｕｎｇ ａｎｄ Ｂｌｏｏｄ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅから付与された認可第ＨＬ４６３８４号により、政府の助成 によって行われたものである。政府は本発明の一定の権利を有する。 発明の背景 本発明の分野は磁気共鳴血管造影法（「ＭＲＡ」）であり、さらに詳細には、 ＮＭＲ信号を強化するコントラスト剤を使用した人間の脈管構造の研究である。 人間の脈管構造の診断研究には、多くの医療的な適用分野がある。デジタル・ サブトラクション血管造影法（「ＤＳＡ」）などのＸ線撮像方式は、心臓および それに関連する血管を含む心臓血管系の視覚化に幅広い用途を見いだした。腎臓 の動脈および静脈、ならびに頸部および頭部の頚動脈および静脈中の血液の循環 を示す画像は、計り知れない診断上の有用性を有する。しかし残念ながら、これ らのＸ線方式では有害となりうる電離放射線を患者に当て、また撮像する脈管構 造にコントラスト剤を注入するために侵襲性カテーテルを使用することがしばし ば必要となる。腎毒性、および従来のＸ線血管造影法で使用されるヨウ素化した コントラスト剤に対するアレルギー反応が増加するという問題もある。 これらのＸ線技術の利点の１つは、高速（すなわち高い時間解像度）で画像デ ータを獲得することができ、コントラスト剤を注入する間に連続した画像を獲得 することができることである。このような「動的研究」により、コントラスト剤 の濃縮塊が関心のある脈管構造中を流れる画像を選択することができる。この連 続の初期の画像は、注目する脈管構造中で十分なコントラストを有さないことが あり、後の方の画像は、コントラスト剤が静脈に達し、周囲の組織に拡散するに つれて解釈が困難になることがある。さらに、時間解像度の高いＸ線血管造影法 では、重なる構造が重なり合っている人体の投影図しか提供しない。 磁気共鳴血管造影法（ＭＲＡ）では、核磁気共鳴（ＮＭＲ）現象を使用して、 人間の脈管構造の画像を生み出す。人間の組織などの物質が一様な磁場（偏向磁 場Ｂ₀）を受けると、組織中のスピンの各磁気モーメントはこの偏向磁場と整列 しようとするが、その固有ラーモア周波数で無秩序にその周りで歳差運動する。 物質すなわち組織が、ｘ−ｙ平面中のラーモアの周波数に近い磁場（励起磁場Ｂ₁ ）を受ける場合には、整列した正味のモーメントＭ_zがｘ−ｙ平面中に回転また は「傾斜」し、正味の横向きの磁気モーメントＭ_tを生み出す。励起されたスピ ンによって信号が発信され、励起信号Ｂ₁が終了した後で、この信号を受信およ び処理して画像を形成することができる。 これらの信号を利用して画像を生み出すときには、磁場の勾配（Ｇ_x、Ｇ_y、お よびＧ_z、を利用する。通常は、使用する特定の局在化方式に従ってこれらの勾 配が変化する撮像する領域を、一連の測定サイクルによって走査する。その結果 生じた受信されたＮＭＲ信号のセットをデジタル化して処理し、数多くの周知の 再構成技術の１つを使用して画像を再構成する。 ＭＲ血管造影法（ＭＲＡ）は研究の活発な領域である。２つの基本技術が提案 され、評価されている。第１の分類である飛行時間（ＴＯＦ）技術は、周囲の組 織に対する血液の運動を使用する方法からなる。最も一般的な手法は、流れる血 液と静止した組織との間に存在する信号の飽和の差を活用することである。励起 された区域を移動する流れる血液は、より少ない励起パルスを経験するスピンに よって連続的にリフレッシュされ、したがって飽和度は低い。その結果、高信号 の血液と低信号の静止した組織の間で所望の画像コントラストが生じる。 米国特許第Ｒｅ３２７０１号に開示の、運動を獲得した信号の位相にコード化 するＭＲＡ方式も開発されている。これらはＭＲＡ技術の第２の分類となり、位 相差（ＰＣ）方式と呼ばれる。現在では、ほとんどのＰＣ ＭＲＡ技術では、同 じ速度成分に対して異なる感度をそれぞれ有する２つの画像が得られる。次いで 、その速度コード化した画像の対の間の位相差または複合差のいずれかを形成す ることにより、血管造影法の画像が得られる。 近年の大きな進歩にも関わらず、多くの診療所では、ＭＲＡは依然として研究 ツールであると見なされ、臨床実務で日常的には使用されていない。ＴＯＦまた はＰＣ技術のいずれかのさらに広範な適用は、病状を遮蔽し、場合によっては類 似する可能性のある様々な有害な画像アーチファクトが存在することによって妨 げられている。これらのアーチファクトは一般に、診断的特性を低下させ、診断 感度を損なうことになる。 ＭＲＡの診断能力を向上させるために、ＭＲＡ走査の前に、ガドリニウムなど のコントラスト剤を患者に注入することができる。コントラスト剤の濃縮塊が関 心のある脈管構造中を流れる臨界時間周期の間に多くの画像が生み出されるＸ線 血管造影法とは異なり、ＭＲＡ画像のためのデータを獲得するためにかなりの秒 数が必要となる。「Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ａｒｔｅｒｉｏｇ ｒａｐｈｙ Ｗｉｔｈ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｉｎｔｒａｖｅｎｏｕｓ Ｃｏｎｔｒ ａｓｔ Ａｇｅｎｔｓ」と題する米国特許第５４１７２１３号に記載の通り、Ｍ ＲＡの一巡では、コントラスト剤の濃縮塊が関心のある脈管構造を流れる瞬間に 中央のｋ空間図が得られる。これを日常的な臨床手続きの一部として獲得するこ とは容易ではない。平均走行時間は患者によって様々であり、これは濃縮塊を送 り出すために使用する方法、患者の心拍数、血圧、および平均血流速度によって 決まる。 発明の概要 本発明は、コントラスト剤を利用して画像のコントラストを向上させる動的研 究を実行する方法である。さらに詳細には、この方法は、コントラスト剤を患者 に注入する段階と、監視領域中のスピンによって生み出された監視信号を獲得す る段階と、監視信号が事前に選択した状態に達したときに、関心のある画像領域 からのＮＭＲ画像データの獲得を自動的に開始する段階とを含む。監視領域およ び関心のある画像領域は必ずしも同一ではなく、患者の脈管の解剖学的構造に依 存して重なっていなくてもよい。監視信号は、監視パルス・シーケンスを繰り返 し実行し、比較的速い時間速度で監視領域からＮＭＲ信号を獲得することによっ て生み出される。 本発明の一般的目的は、コントラスト剤を使用するＮＭＲ画像の画質を信頼性 高く向上させることである。監視パルス・シーケンスは、撮像する関心のある領 域付近またはその内部のスピンにコントラスト剤が与える影響を監視するために 利用される。監視信号が増加して指定したしきい値を超えたとき、コントラスト 濃縮塊は関心のある領域に到達しており、所望の撮像パルス・シーケンスを実行 することによって最適な画像の獲得を開始することができる。 本発明の別の目的は、息止めを開始する最適な瞬間を患者に知らせることであ る。監視信号は、動的研究の、コントラスト濃縮塊の先行する縁部が関心のある 領域に到着した時点を検出するために使用される。この時点で、息止めを開始す るよう患者に信号が送られる。したがって、その後にコントラスト濃縮塊のピー クが検出されて画像走査が開始されたとき、患者は静止している。 図面の簡単な説明 第１図は、本発明を利用するＭＲＩシステムを示すブロック図である。 第２図は、第１図のＭＲＩシステムの一部分を形成するトランシーバの電気ブ ロック図である。 第３図は、本発明の好ましい実施形態で利用する撮像パルス・シーケンスを示 すグラフである。 第４図は、本発明による動的研究中に生み出される監視信号を示すグラフであ る。 第５図は、本発明を実施する第１図のＭＲＩシステムが実行するプログラムの フローチャートである。 第６図は、そこから監視信号を獲得する監視体積を示す図である。 第７図は、監視信号を獲得するために使用される監視パルス・シーケンスの好 ましい実施形態を示すグラフである。 好ましい実施形態の説明 最初に第１図を参照すると、本発明を組み込む好ましいＭＲＩシステムの主な 構成要素が示されている。このシステムの動作は、キーボードおよび制御パネル １０２ならびにディスプレイ１０４を含むオペレータ・コンソール１００によっ て制御される。コンソール１００は、リンク１１６を介して、オペレータが画像 を生成してスクリーン１０４上に表示することができるようにする分離したコン ピュータ・システム１０７と連絡する。コンピュータ・システム１０７は、バッ クプレーンを介して互いに連絡するいくつかのモジュールを含む。これらには、 画像プロセッサ・モジュール１０６、ＣＰＵモジュール１０８、および画像デー タ・アレイを記憶するフレーム・バッファとして当技術分野では周知のメモリ・ モジュール１１３が含まれる。コンピュータ・システム１０７は、画像データお よびプログラムを記憶するためにディスク記憶装置１１１およびテープ・ドライ ブ１１２にリンクされ、高速シリアルリンク１１５を介して分離したシステム制 御１２２と連絡する。 システム制御１２２は、バックプレーンを介して互いに接続された１組のモジ ュールを含む。これらには、ＣＰＵモジュール１１９、およびシリアルリンク１ ２５を介してオペレータ・コンソール１００に接続されたパルス発生器モジュー ル１２１が含まれる。システム制御１２２は、このリンク１２５を介して、実行 すべき走査シーケンスを示すコマンドをオペレータから受信する。パルス発生器 モジュール１２１は、所望の走査シーケンスを実行するようシステム構成要素を 操作する。これにより、発生するＲＦパルスのタイミング、強度、および形状、 ならびにデータ獲得ウィンドウのタイミングおよび長さを示すデータが生み出さ れる。パルス発生器モジュール１２１は１組の勾配増幅器１２７に接続され、走 査中に発生される勾配パルスのタイミングおよび形状を示す。パルス発生器モジ ュール１２１は、電極からのＥＣＧ信号やベローからの呼吸信号など、患者に接 続されたいくつかの異なるセンサから信号を受信する生理学的獲得制御装置１２ ９から、患者データも受信する。最後に、パルス発生器モジュール１２１は、患 者の状態に関連する様々なセンサおよび磁石システムから信号を受信する走査室 インタフェース回路１３３に接続される。患者位置決めシステム１３４も、走査 室インタフェース回路１３３を介して、走査のための所望の位置に患者を移動さ せるコマンドを受信する。 パルス発生モジュール１２１が生み出す勾配の波形は、Ｇｘ、Ｇｙ、およびＧ ｚ増幅器からなる勾配増幅器システム１２７に印加される。各勾配増幅器は、一 般に１３９で示されるアセンブリ中の対応する勾配コイルを励起し、獲得した信 号の位置コード化に使用される磁場勾配を生み出す。勾配コイル・アセンブリ１ ３９は、偏向磁石１４０および全身ＲＦコイル１５２を含む磁石アセンブリ１４ １の一部分を形成する。システム制御１２２中のトランシーバ・モジュール１５ ０は、ＲＦ増幅器１５１によって増幅され、送受信スイッチ１５４によってＲＦ コイル１５２に結合されるパルスを生み出す。患者の中の励起した核から放射さ れるその結果生じた信号は、このＲＦコイル１５２で感知し、送受信スイッチ１ ５４を介して前置増幅器１５３に結合することができる。増幅されたＮＭＲ信号 は、トランシーバ１５０の受信器セクションで復調され、フィルタリングされ、 デジタル化される。送受信スイッチ１５４は、パルス発生器モジュール１２１か らの信号によって、送信モード中にはＲＦ増幅器１５１をコイル１５２に電気的 に接続し、受信モード中にはこれを前置増幅器１５３に接続するように制御され る。また送受信スイッチ１５４により、分離したＲＦコイル（例えばヘッド・コ イルおよびまたは表面コイル）を送信または受信モードのいずれかで使用するこ とができる。 ＲＦコイル１５２によって検出されたＮＭＲ信号は、トランシーバ・モジュー ル１５０でデジタル化され、システム制御１２２中のメモリ・モジュール１６０ に転送される。走査が完了し、データのアレイ全体がメモリ・モジュール１６０ 中に獲得されると、アレイ・プロセッサ１６１が動作し、このデータを画像デー タのアレイにフーリエ変換する。この画像データは、シリアルリンク１１５を介 してコンピュータ・システム１０７に搬送され、そこでディスク・メモリ１１１ 中に記憶される。オペレータ・コンソール１００から受信したコマンドに応答し て、この画像データをテープ・ドライブ１１２上にアーカイブすることも、また は画像プロセッサ１０６でさらに処理し、オペレータ・コンソール１００に搬送 し、ディスプレイ１０４上に示すこともできる。 詳細に第１図および第２図を参照すると、トランシーバ１５０は、電力増幅器 １５１を介してコイル１５２ＡでＲＦ励起磁場Ｂ１を生み出し、コイル１５２Ｂ に誘導されて生じた信号を受信する。上記に示したように、コイル１５２Ａおよ び１５２Ｂは、第２図に示すように分離することも、または第１図に示す単一の 全身コイルにすることもできる。ＲＦ励起磁場のベースまたは搬送周波数は、Ｃ ＰＵモジュール１１９およびパルス発生器モジュール１２１から１組のデジタル 信号を受信する周波数シンセサイザ２００の制御下で生み出される。これらのデ ジタル信号は、出力２０１で生み出されたＲＦ搬送信号の周波数および位相を示 す。コマンドを受けたＲＦ搬送波は、変調器およびアップ・コンバータ２０２に 印加され、そこで、やはりパルス発生器モジュール１２１から受信された信号Ｒ （ｔ）に応答してその振幅が変調される。信号Ｒ（ｔ）は、生み出されるＲＦ励 起パルスの包絡線を決め、一連の記憶されたデジタル値を順次読み出すことによ ってモジュール１２１中で生み出される。これらの記憶されたデジタル値をオペ レータ・コンソール１００から変化させ、任意の所望のＲＦパルス包絡線が生み 出されるようにすることもできる。 出力２０５に生み出されるＲＦ励起パルスの大きさは、バックプレーン１１８ からデジタル・コマンドを受信する励振器減衰器回路２０６によって減衰する。 減衰したＲＦ励起パルスは、ＲＦコイル１５２Ａを駆動する電力増幅器１５１に 印加される。トランシーバ１２２のこの部分のさらに詳細に説明が必要なら、参 照によって本明細書に組み込まれる米国特許第４９５２８７７号を参照されたい 。 さらに第１図および第２図を参照すると、患者から生み出された信号は受信器 コイル１５２Ｂによって検出され、前置増幅器１５３を介して受信器減衰器２０ ７の入力に印加される。受信器減衰器２０７は、バックプレーン１１８から受信 したデジタル減衰信号によって決定された量だけこの信号をさらに増幅する。 受信された信号はラーモア周波数またはそれに近い周波数であり、この高周波 信号は、最初にＮＭＲ信号と回線２０１上の搬送波信号とを混合し、次いでその 結果生じた差分信号と回線２０４上の２．５Ｍｈｚ基準信号とを混合する２段階 プロセスで、ダウン・コンバータ２０８によってダウン変換される。ダウン変換 されたＮＭＲ信号はアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器２０９の入力に印加さ れる。アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器２０９は、アナログ信号をサンプリ ングおよびデジタル化し、これを、受信した信号に対応する１６ビット同相（Ｉ ）値および１６ビット直角位相（Ｑ）値を生み出すデジタル検出器および信号プ ロセッサ２１０に印加する。その結果生じる受信信号のデジタル化されたＩ値お よびＱ値の流れは、バックプレーン１１８を介してメモリ・モジュール１６０に 出力され、そこで画像を再構成するために利用される。 ２．５Ｍｈｚ基準信号および２５０Ｋｈｚサンプリング信号、ならびに５，１ ０，および６０Ｍｈｚ基準信号は、基準周波数発生器２０３によって共通の２ ０Ｍｈｚマスタ・クロック信号から生み出される。受信器のさらに詳細な説明が 必要なら、参照によって本明細書に組み込まれる米国特許第４９９２７３６号を 参照されたい。 本発明はいくつかの異なるパルス・シーケンスで使用することができるが、本 発明の好ましい実施形態では、第３図に図示するエコー・パルス・シーケンスと して想起される、高速３Ｄ ｒｆ位相スポイル勾配を利用して、ＭＲＡ画像デー タを獲得する。改定レベル５．５のシステム・ソフトウェアを備えた商標「ＳＩ ＧＮＡ」で販売されているＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ １．５ Ｔｅｓ ｌａ ＭＲ スキャナで利用可能なパルス・シーケンス「３ｄｆｇｒｅ」が使用 される。これは、本発明の教示によるｋ空間サンプリング・パターンを実施する ことができるように、複数の体積からデータを収集するように修正した。 詳細に第３図を参照すると、４０°〜６０°のフリップ角を有するＲＦ励起パ ルス２２０が、スラブ選択勾配パルス２２２の存在下で生み出され、米国特許第 ４４３１９６８号の教示のように、関心のある３Ｄ体積中で横方向磁化を生み出 す。この後に、ｚ軸方向のスライス・コード化勾配パルス２２４およびｙ軸方向 の位相コード化勾配パルス２２６が続く。ｘ軸方向の読出し勾配パルス２２８が 続き、部分エコー（６０％）ＮＭＲ信号２３０が上記のように獲得され、デジタ ル化される。この獲得の後で、米国特許第４６６５３６５号に教示のようにパル ス・シーケンスが繰り返される前に、巻戻し勾配パルス２３２および２３４が磁 化を再同期させる。当技術分野では周知の通り、パルス・シーケンスは繰り返さ れ、スライス及び位相コード化勾配パルス２２４、２２６はそれぞれ、一連の値 でステップ化され、３Ｄｋ空間をサンプリングする。 中心図獲得順序を利用して、低い空間周波数データが最初に獲得されることを 保証する。Ｙ方向の低い空間周波数が最初に獲得される、Ｙ方向の中心位相コー ド化獲得順序が好ましい。ｋ_yの各値について、全てのｋ_xデータが獲得される。 Ｎｚ枚の図の内側ループは、中心的に獲得することもできるが、順次獲得順序で 十分であることが分かっている。スライス・コード化の数Ｎｘおよび位相コード 化の数Ｎｙは、もちろん特定の適用分野に依存することになるが、大動脈のＭＲ Ａでは、例えば１〜５ｍｍの厚さの３２枚のスライス（Ｎ_z＝３２）が、１２８ 個の位相コード化（Ｎ_y＝１２８）とともに獲得される。ほとんどの適用分野で は、コントラスト剤の濃縮塊は、３Ｄデータ・セット全体を獲得するのに十分に 長い期間、関心のある脈管構造を横切ることになる。ただし、この期間が短い場 合には、少なくとも画像コントラストに最も寄与する中心ｋ空間図は、信号が最 大であるときに最初に獲得される。 画像獲得時間を短くすることに加えて解像度のさらに高い画像が望ましい場合 には、異なる獲得方式を使用することができる。周波数コード化方向に（ｘ軸に 沿って）７５〜８０％の断片エコーを獲得し、位相コード化方向に（ｙ軸に沿っ て）断片（０．５ＮＥＸ）を獲得することによって、短い走査時間を維持しなが ら空間的解像度を高めることができる。画像の再構成は、ゼロ充填し、周波数コ ード化方向に通常の高速フーリエ変換を実行し、Ｎｏｌｌ ＤＣ，Ｎｉｓｈｉｍ ｕｒａ ＤＧ，Ｍａｃｏｖｉｓｋｉ Ａ，「Ｈｏｍｏｄｙｎｅ Ｄｅｔｅｃｔｉ ｏｎ ｉｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ」，ＩＥ ＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｍｅｄ．Ｉｍａｉｎｇ １９９１；１０（２）：１５４−１ ６３に開示のように位相コード化方向に断片エコーの再構成を実行することによ って容易になる。この断片エコー断片ＮＥＸ技術により、２５６×１２８走査と 等しい時間で２５６×２５６画像を獲得することができる。 ガドリニウムその他のＭＲコントラストは、静脈内に注射されると、心臓に戻 る静脈の血液とともに移動し、肺を通過し、最終的に大動脈その他の動脈に到達 する。ガドリニウムは、動脈（静脈注射の「動脈段階」と呼ばれるもの）に到達 すると、下記の方程式に従って動脈の血液の緩和時間Ｔ１およびＴ２を短縮する 。 ここでｃ＝ＭＲコントラスト剤の濃度、 Ｒ₁＝ＭＲコントラスト剤のＴ₁の緩和性、 Ｒ₂＝ＭＲコントラスト剤のＴ₂の緩和性、 Ｔ₁₀＝いかなるコントラスト剤もない動脈の血液のＴ₁、 Ｔ₂₀＝いかなるコントラスト剤もない動脈の血液のＴ₂ とする。 ＭＲ無線周波数が磁場内のある体積の組織に適用されると、この体積の組織は 、短い時間周期の間ＮＭＲ信号を発信する。この時間は、スピン−スピン緩和時 間と呼ばれる時定数Ｔ２によって特徴づけられる。各パルス後に、組織は、その 元の状態に戻るために時定数Ｔ１で特徴づけられるある量の時間を必要とする。 この時定数Ｔ１は、スピン−格子または縦緩和時間と呼ばれる。連続した一連の パルスが高速の連続で（すなわちＴＲ＜＜Ｔ１となる間隔で）与えられる場合に は、各パルスに応答して組織から発信される信号の大きさは、最初のパルスに応 答して発信された信号より大幅に低い安定状態レベルに達することになる。この 信号の安定状態レベルは、 ・組織の緩和時間Ｔ１と、 ・パルス間の間隔（ＴＲ）と、 ・パルスの大きさ（フリップ角「ａ」）と、 ・エコー時間（ＴＥ）および組織のＴ２と、 ・スピン密度（信号の発信に利用できる陽子の数）と、 を含む多くの要因に関係する。 通常の勾配／エコー・パルス・シーケンスでは、発信された信号（ＳＩ）は下 記の数式で与えられる。コントラスト材料は、関心のある動脈に到着したときに、動脈の血液のＴ１緩和 時間を短縮する。これにより、上記方程式に示すように、連続した一連のパルス によって発信される信号が増加する。この信号の増加は、関心のある動脈中のガ ドリニウムの到着に対応する。したがって、この信号の増加の検出は、関心のあ る動脈中のガドリニウムの到着を検出する方法となる。 コントラストの到着と関連する信号の変化が容易に検出されるようにするため に、この信号の変化を、信号のベースラインの変動と比較して大きくすれば有効 である。これは、大部分が動脈の血液となる、ある体積の組織を励起することに よって実施することができる。例えば、励起する体積を大動脈の一部分に限定す れば、動脈の血液の体積の割合は高くなる。この体積を大動脈のその部分の周囲 全体より大きく拡大し、不飽和のスピンの流入量の影響を低下させることも、こ の体積をその大動脈内に制限し、不飽和のスピンの流入量は増加するが、血液信 号の相対的な割合を増加させることもできる。 励起および呼掛け信号を限られた体積のスピンに制限する多くの方法がある。 直交またはらせん勾配を使用すれば、柱状の組織のみを選択的に励起することが できる。（Ｃｈｅｎｅｖｅｒｔ ＴＬ，Ｂｒｕｎｂｅｒｇ ＪＡ，Ｐｉｐｅ Ｊ Ｇ．Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｉｎ ｈｕｍａｎ ｗｈｉ ｔｅ ｍａｔｔｅｒ：ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ＭＲ ｔｅｃｈ ｎｉｑｕｅｓ ｉｎ ｖｉｖｏ．Ｒａｄｉｏｌｏｇｙ １９９０；１７７：４０ １−４０５．Ｐａｕｌｙ Ｊ，Ｎｉｓｈｉｍｕｒａ Ｄ，Ｍａｃｏｖｓｋｉ Ａ ．Ａ ｋ−ｓｐａｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｍａｌｌ−ｔｉｐ−ａｎｇ ｌｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅ ｓｏｎａｎｃｅ １９８９；８１：４３−５６．） 好ましい実施形態では、第７図に示すスピン・エコー・パルス・シーケンスは 、選択した監視領域から監視信号データを獲得するために使用される。勾配パル ス２３２および２３３の強度および持続時間は、励起する体積の範囲を決定する 。直交する面で最初に９０°パルス２３４を適用し、続いて１８０°再集束パル ス２３５を適用することによって、呼掛け信号は、柱の中の９０°パルスおよび １８０°パルスの両方にさらされたスピンに制限される。このスピン・エコー・ シーケンスには、望ましくない磁場および位相の不均一性の影響を補償するとい う利点もある。監視柱の配向を容易に回転させ、関心のある解剖学的構造と一致 させることができることにも留意されたい。勾配パルス２３６の位置情報を周波 数コード化することによって、（受信器の電子回路における）デジタル受信器の 帯 域幅を使用して監視するゾーンの範囲をさらに制限し、関心のある監視領域の外 側の領域に対応する周波数を監視信号２３７から排除することができる。 励起する体積がかなり大きい場合には、化学的に選択可能な「脂肪飽和」事前 パルスその他の技術を使用して９０°〜１８０°パルス・シーケンスの前に脂肪 から信号を除去することにより、望ましくない信号の大部分を選択的に除去する ことができる。脂肪はしばしば多量となり、最も明るい背景組織となるので、こ れにより望ましくない背景信号の大部分を除去することができる。 ベースライン信号の変動は、信号を平均することによって低下させることがで きる。ベースラインの変動の大部分は、呼吸運動に関係している。この変動を最 小限に抑える１つの方法は、データの平均化と呼吸のトリガとを同期させること である。このようにして、平均化した点の各ブロックは、１呼吸サイクルまたは １呼吸サイクルの一部分にほぼ対応する。呼吸運動の影響を最小限に抑えるもう １つの方法は、監視体積を、呼吸に関係する運動が最小限となる領域に制限する ことである。 監視体積にわたる磁場の不均一性および運動に敏感な勾配は、位相分散効果を 生じる可能性がある。これは、組織の要因、ＭＲＩシステムの不均一性、付近の 金属、柱状の高度に濃縮したガドリニウムその他のＭＲコントラストの磁化率の 影響、および流れに関係する偏位によることがある。また、その磁気回転比が異 なることによる脂肪と水の陽子の間のラーモア周波数の内因性の差によって位相 分散が生じることもある。これらの位相分散効果は、ガドリニウムが存在するこ とによる監視信号の大きさの増加を低下させる可能性がある。極端な状況では、 これにより、ガドリニウムの到着に続いて信号が減少するという逆説的な効果が 生じる可能性もある。 こうした望ましくない位相効果を最小限に抑えるいくつかの手法がある。上述 の１つの手法は、１８０°の再集束パルスを有するスピン・エコー・タイプの監 視パルス・シーケンスを使用するものである。この１８０°パルスは、静的効果 に関係する位相分散を再集束させる助けとなる。やはり上述した脂肪飽和は、位 相外れの脂肪および水の問題を克服することができる。脂肪飽和に関する１つの 問題は、磁場の不均一性によって飽和パルスが何らかの画像領域の水陽子信号を 除去し、監視体積が大きい場合に動脈のガドリニウムの検出がより困難になるこ とがあることである。位相外れの脂肪および水の問題は、脂肪および水が同相に なるエコー時間ＴＥを使用することによって最小限に抑えることができる。１． ５テスラでは、脂肪および水が同相の信号を収集するための最適なエコー時間は 約４〜４．５ミリ秒である。 監視ＮＭＲ信号の読出し中に勾配が適用される場合には、この信号の大部分の 絶対値の積分を監視すると便利である。位相効果は、それに比例してその他の部 分のエコーより少なくピークを偏位または増加させるので、ピーク・エコー信号 のみに注目すれば、位相効果からのエラーにさらに敏感にすることができる。あ るいは、監視体積および監視する動脈の幾何形状に依存して、ガドリニウムの到 着によるピーク信号の変化は、信号の積分の変化よりはるかに大きくなることが ある。この例では、エコーのピークを監視する方が、エコーの積分を監視するよ り感度を高めることができる。しかし、監視体積信号中の磁化率が大きく偏位す ることにより、特にガドリニウムなどの磁化率の高いコントラスト剤が通過する 間に、ピーク・エコー信号が分散することになる可能性もある。 勾配が生じる間の血液の運動に関する信号の損失を最小限に抑えるためには、 運動を補償する勾配波形を使用すると有効である。Ｐａｔｔａｎｙ ＰＭ，Ｐｈ ｉｌｌｉｐｓ ＪＪ，Ｃｈｉｕ ＬＣ，Ｌｉｐｃａｍｏｎ ＪＤ，Ｄｕｅｒｋ ＪＬ，ＭｃＮａｌｌｙ ＪＭ，Ｍｏｈａｐａｔｒａ ＳＮ，「Ｍｏｔｉｏｎ ａ ｒｔｉｆａｃｔ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ（ＭＡＳＴ）ｆ ｏｒ ＭＲ ｉｍａｇｉｎｇ」，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａ ｓｓｉｓｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ １９８７；１１：３６９−３７７、お よびＰｉｐｅ ＪＧ，Ｃｈｅｎｅｖｅｒｔ ＴＬ，「Ａ Ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖ ｅ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｍｏｍｅｎｔ ｎｕｌｌｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ｔｅｃ ｎｉｑｕｅ」，Ｍａｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｉｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ １９９１；１７５−１７９に記載のように、様々な適当な波形が当業者には周 知である。さらに、勾配を横切る血液の運動に関係する位相のずれは、強度の低 い勾配を使用することによって最小限に抑えることができる。例えば読出し勾配 の強度は、大きな監視視野を使用することによって最小限に抑えることがで きる。 ガドリニウムその他のＭＲコントラスト剤は血液のＴ１およびＴ２^*をともに 短縮するので、望ましくないＴ２^*の効果を考慮しなければならない。動脈の血 液中のガドリニウム・コントラストの濃度が高すぎると、Ｔ２^*短縮効果によっ てＮＭＲ信号の持続期間が短くなりすぎ、検出することができなくなることもあ る。この場合、このことは、ガドリニウムが到着したときに監視信号強度を減少 させるという逆説的な効果を有する。これは、Ｔ１の短縮による信号利得がＴ２^* の短縮による信号損失によってマスクされるときに問題となる。動脈の血液の Ｔ２^*が過度に短くなる可能性を回避するために、静脈内注入の最初の部分をゆ っくりと実行し、コントラスト濃縮塊の先行する縁部における動脈のガドリニウ ムの濃度が過度に高くなることを回避することができる。 本発明を実施するために、コントラスト剤を注入する際に関心のある領域から のＮＭＲ信号レベルを監視するために、監視パルス・シーケンスを利用する。関 心のある領域からのＮＭＲ信号を獲得するいくつかのパルス・シーケンスを利用 することができるが、好ましい実施形態では、第７図の監視シーケンスを２０ミ リ秒のＴＲで使用する。ｒｆパルス２３４および２３５はスライス選択性であり 、スライス選択性勾配２３２および２３３を直交する面に適用して、第６図に示 す患者中のある体積を選択する。監視体積からの信号を最大限にするために、読 出し勾配波形２３６は最初の瞬間に流れを補償される。監視セグメントは、最小 の波形時間に基づいて最小のＴＥ時間を自動的に選択する。獲得したＮＭＲ信号 ２３７を積分し、その値を記憶する。 ２０個の監視信号獲得からのデータを平均化し、ノイズ統計値を改善し、信号 データ点を生み出す。監視セグメントの時間解像度は、 △ｔ＝ｍｏｎ＿ｔｒ×ｎｕｍ＿ａｖｇｓ で与えられ、ここでｍｏｎ＿ｔｒは監視セグメントの反復時間、ｎｕｍ＿ａｖｇ ｓは平均したＴＲセグメントの数である。ｍｏｎ＿ｔｒ＝２０ミリ秒、ｎｕｍ＿ ａｖｇｓ＝２０の公称値では、監視パルス・シーケンスは、４００ミリ秒ごとに サンプルを監視信号に追加する。 監視位相中に、積分したエコー信号およびこの信号の時間に関する変化率（傾 き）を両方ともアレイに記憶する。パルス・シーケンスはこのデータの経過を追 い、信号が後述のしきい値を超えた後で、息止め警告およびその後の画像データ 獲得を開始する。 監視信号２６０の１例を第４図に示す。この図は、時間の関数として監視体積 中で検出した、ｎｕｍ＿ａｖｇ点にわたって平均した監視信号の積分のプロット である。最初の５〜６個のデータ点（２〜３秒）は、監視体積中の磁化を動的平 衡状態に低下させるように無視する。次の４０〜４３個のデータ点（１６〜１８ 秒）は、監視体積からの信号に関するベースライン統計値を獲得するために使用 される。ベースライン獲得に必要な時間の長さは、少なくとも３呼吸サイクルを 含むように選択される。これは、第４図に示すように患者の呼吸によって監視信 号が変調される可能性があるからである。ベースライン獲得は、数呼吸サイクル にわたる呼吸運動による監視信号の変化の標準偏差を測定するために使用される 。これは、呼吸運動による増加を、コントラスト剤の濃縮塊の到着による信号の 増加と解釈することを回避するために実行される。 ベースライン位相の後で、ＭＲシステムは、コントラスト剤の濃縮塊をその時 点で投与することができることをシステム・オペレータに示す。１実施形態は、 システム・クロックを保持し、そのシーケンスがベースライン獲得モードにある ことを示すものである。別の実施形態は、インジケータ光を使用して同様のタス クを実行するものである。 コントラスト剤の投与後に、この物質は人体の脈管系の循環を開始する。コン トラスト濃縮塊の先行する縁部が監視体積に進入するにつれて、検出される信号 強度は増加する。時間とともに脈管内空間から細胞内空間に漏出するＧｄ−ＤＰ ＴＡなどの細胞内コントラスト剤の場合には、コントラスト物質が筋肉その他の 柔組織にも吸収されるので、信号強度は安定して上昇するものと予想される。し たがって、この場合、しきい値検出技術が好ましい。脈管内コントラスト剤、す なわち脈管構造中に滞在するコントラスト剤を使用する場合には、信号強度曲線 は最大値まで上昇し、次いで濃縮塊の再循環および分散によってコントラスト剤 の濃度が低下するにつれて降下するものと予想される。 第４図に示すように、好ましい実施形態では２つのしきい値が確立され、動的 研究の次の段階をトリガするためには、監視信号２６０が両方のしきい値を超え なければならない。一方のしきい値は、監視信号２６０が線２６２で示すベース ライン値を標準偏差の５倍だけ超えることを必要とし、線２６４で示す第２のし きい値は、監視信号２６０がそのベースラインの平均値を１２０％（１．２倍） 超えることを必要とする。信号が所定のしきい値を超えた後で、息止めを開始す るようにＭＲ装置から患者に信号が送られる。画像データ獲得は、その後直ちに （例えばトリガ点が検出された２〜３秒後に）開始される。 単独または組み合わせて使用してコントラスト物質の到着を示すことができる 多くの特徴が監視信号に含まれることは明らかである。これらには、測定した信 号の可変性およびコントラスト前の振幅に基づくしきい値より上での信号の大き さの増加、監視信号のピークおよびその後のプラトー、ならびに監視信号の傾き が最大になる変曲点の検出が含まれる。 本発明の好ましい実施形態による動的研究は、システム制御１２２によって実 行されるプログラムの指示の下で実行される。詳細に第５図を参照すると、動的 研究は、プロセス・ブロック２４０で、データ構造を初期化し、監視パルス・シ ーケンスをパルス発生器１２１にダウンロードすることによって開始される。監 視シーケンスはダミーｒｆ励起によって開始され、動的平衡を達成し、プロセス ・ブロック２４１で監視信号の平均および標準偏差のベースライン統計値を獲得 する。次いでプロセス・ブロック２４２に示すように、コントラスト剤を注入す るよう、オペレータ・コンソール１００を介してオペレータに信号が送られる。 次いで、上述のように監視パルス・シーケンスを実行して監視信号を生み出す ループに入る。さらに詳細には、プロセス・ブロック２４４に示すようにパルス 発生器１２１によって監視パルス・シーケンスが実行され、監視信号サンプルが 獲得される。監視信号はｒｆ励起２０回（ＴＲ間隔）ごとに平均され、監視信号 の大きさを更新する。時間の関数としての監視信号の傾きを計算する。信号の大 きさおよび傾きは両方とも、後に参照するために記録し、記憶する。信号の大き さを最初に検査し、プロセスブロック２４６に示すようにベースライン信号の標 るかどうか。この最初の条件が満たされた場合には、ブロック２４８に示すよう に信号の大きさが平均ベースラインの大きさの信号の約１２０％の絶対レベルを 条件が満たされると、トリガ点に達する。 次いで・パルス・シーケンスを、パルス発生器１２１にダウンロードされ、直 ちに実行される撮像パルス・シーケンスに戻す。撮像シーケンスの反復時間ＴＲ は、監視シーケンスのそれよりはるかに短いので、勾配コイルの異なるパルス化 によるノイズ・レベルに顕著な差がある。この差が明確な可聴信号を患者に向け て生み出し、プロセス・ブロック２５０に示すように息止めを開始するよう患者 に伝える。変動しない勾配波形の振幅を有するｒｆパルスの列がその後に続く２ つの完全なスライス・コード化ループ（すなわち各ＴＲ間隔で振幅が増分する勾 配波形の振幅）が完了する。患者（およびオペレータ）には、スイッチオンにす ることができるインジケータ光（図示せず）によって伝えることもできる。 変動しない勾配波形の振幅を有するｒｆパルスの列に続いて、画像データ獲得 の前にスライス・コード化ループを再開し、プロセス・ブロック２５２に示すよ うに渦電流（位相）定常状態を確立する。可聴トリガおよびその後のセクション にかかる総時間（トリガ点からデータ獲得を開始するまでの時間）は公称で２秒 であるが、ＭＲ研究の臨床目的に依存して、オペレータが追加の時間遅延を追加 することもできる。 プロセス・ブロック２５０および２５２での２〜３秒の遅延の後で、パルス・ シーケンス発生器１２１を、プロセス・ブロック２５４で画像データ獲得を開始 するようにセットする。上述のように、好ましい実施形態では高速３Ｄ ｒｆ位 相スポイル勾配エコー・シーケンスを利用し、これは１回の息止め（例えば１０ 〜４０秒）の間に完了する。 コントラスト注入の先行する縁部が関心のある体積に到着した時は、撮像体積 中の全ての動脈が満たされているわけではないので、ｋ空間の中心を収集する最 適な瞬間ではない。ピーク動脈コントラストは、先行する縁部ではなく濃縮塊の 中央で発生する。撮像体積中の全ての動脈がコントラストで満たされ、濃縮塊の ピークに近づくのに、通常は５〜１５秒かかる。したがって、中心ｋ空間データ は、関心のある体積へのコントラストの到着を検出した５〜１５秒後に収集され ることが好ましい。流れの極端に遅い患者（すなわち大動脈瘤やうっ血性心不全 の患者または高齢の患者）の場合には、さらに長く遅らせることが必要になるこ ともある。しかし、精密な動脈位相タイミングがより重要になる領域（すなわち 頚動脈）で流れが速い患者の場合には、遅延をさらに短くすると有効であること もある。 画像データ獲得は、外側ループとしての中心位相コード化順序、および順次順 序づけ内側スライス・コード化ループからなる。ただし、中心順序づけ位相コー ド化ループは、１２枚の図だけずれており、トリガ点からｋ空間獲得の中心まで の時間遅延が、 ｋ空間の中心までの時間＝ａｃｑ＿ｄｅｌａｙ＋Ｎｚ^*ＴＲ^*１２ミリ秒 で与えられるようになっている。ここで、ａｃｑ＿ｄｅｌａｙはトリガ点からデ ータ獲得を開始するまでの遅延、Ｎｚは、３Ｄ体積中のスライスの数、ＴＲはシ ーケンス反復時間である。ＴＲが７ミリ秒、スライス区分が３２枚である場合に は、開始からｋ空間の中心までの遅延は約４．７秒となる。 画像データ獲得方法の第２の実施形態は、ずれが０である、外側ループとして の中心位相コード化順序、および順次順序づけ内側スライス・コード化ループを 使用するものである。所望の遅延時間が達成されるまでスライス・コード化ルー プを繰り返して撮像シーケンスを完了することにより、余分な遅延時間が取り除 かれる。データ獲得の前のスライス・コード化ループが渦電流（位相）定常状態 を確立する働きをし、所望の遅延時間（トリガ点から測定）が達成された後で一 時停止されることに留意されたい。 偏位した順次獲得を使用することも有効であることがある。この実施形態では 、位相コード化段階は、ｋ空間の中心を、トリガ点に続く特定の瞬間に出現させ ることができる段階から開始することができる。完全な１２８個の位相コード化 段階より少ない部分的なｋ空間獲得を有することもできる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 チェンバート，トーマス・レナード アメリカ合衆国・48103・ミシガン州・ア ン アーバー・ホリヨーク レーン・2732 (72)発明者 フー，トーマス・コクーファ アメリカ合衆国・53186・ウィスコンシン 州・ウォークシャ・サウス ハートウェル アヴェニュ・405 (72)発明者 プリンス，マーティン・アール アメリカ合衆国・48105・ミシガン州・ア ン アーバー・デラフィールド ストリー ト・2022

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ＭＲＩシステム中に置かれた患者の関心のある領域から獲得したＮＭＲデ ータを用いて画像を生み出す方法であって、 ａ）患者にコントラスト剤を注入する段階と、 ｂ）ＭＲＩシステム中の監視パルス・シーケンスを使用して、患者の監視領域 からＮＭＲデータを繰り返し獲得することによって監視信号を生み出す段階と、 ｃ）監視信号の値を監視することによって関心のある領域へのコントラスト剤 の流れを検出する段階と、 ｄ）関心のある領域へのコントラスト剤の流れが検出されたときに、ＭＲＩシ ステム中の一連の画像パルス・シーケンスを使用して関心のある領域からＮＭＲ 画像データを獲得する段階と、 ｅ）獲得したＮＭＲ画像データを使用して画像を再構成する段階と を含む方法。 ２．段階ｄ）が、監視信号が指定されたしきい値を超えた後で実行される、請 求項１に記載の方法。 ３．段階ｄ）を実行する前に患者に信号を送り、ＮＭＲ画像データを獲得する 前に患者が息止めを開始することができるようにする段階を含む、請求項１に記 載の方法。 ４．監視信号が指定されたしきい値を超えたときに患者に信号が送られる、請 求項３に記載の方法。 ５．監視パルス・シーケンスが、１つの磁場勾配を利用してＲＦパルスで励起 するための第１のスピンのスラブを選択し、ＮＭＲデータを獲得する間に第２の 読出し磁場勾配を利用する、請求項１に記載の方法。 ６．第１のスピンのスラブと交差する第２のスピンのスラブを選択するために 、第３の磁場勾配が監視パルス・シーケンス中で利用される、請求項５に記載の 方法。 ７．画像パルス・シーケンスが３ＤＦＴパルス・シーケンスであり、ＮＭＲ画 像データが関心のある領域中の３次元体積を表す、請求項１に記載の方法。 ８．監視信号の値が、監視領域から獲得した複数のＮＭＲデータを平均するこ とによって決定される、請求項１に記載の方法。 ９．監視信号の値が、監視パルス・シーケンスによって獲得されたＮＭＲ信号 を積分することによって決定される、請求項１に記載の方法。 １０．段階（ｄ）が、選択した数の標準偏差の分だけ監視信号の値がその平均 値を超えた後で実行される、請求項１に記載の方法。 １１．監視領域が、ＮＭＲ両像データがそこから獲得される関心のある領域内 にある、請求項１に記載の方法。 １２．監視領域の少なくとも一部分が、ＮＭＲ画像データがそこから獲得され る関心のある領域の外側にある、請求項１に記載の方法。 １３．段階ｃ）が、 コントラスト剤を注入する前に、監視パルス・シーケンスを使用して監視領域 からＮＭＲデータを獲得することによって監視信号のベースライン値を測定し、 監視信号の前記ベースライン値に関して監視信号の監視値のしきい値を確立し 、 監視信号値がしきい値を超えたときに、関心のある領域にコントラスト剤が流 入していると判定する ことによって実行される、請求項１に記載の方法。 １４．監視信号のベースライン値が、複数の患者の呼吸サイクルの間に監視領 域からＮＭＲデータを獲得することによって測定される、請求項１３に記載の方 法。 １５．しきい値が、ベースライン値からの事前設定された偏差である、請求項 １３に記載の方法。