JP3848005B2 - 磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気共鳴イメージング装置に関し、特にパルス状に発生される傾斜磁場により発生する渦電流に基づく磁場変動（傾斜磁場波形の歪み）を高精度に、しかも高速に計測する磁気共鳴イメージング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気共鳴イメージング装置（以下、ＭＲＩ装置と略称する）は、被検者を含む検査空間に静磁場磁石によって均一な静磁場を印加して分極磁化を作り出し、高周波電磁場と傾斜磁場をパルス状に印加して、被検者の体内の原子核に磁気共鳴現象を引き起こし、この磁気共鳴現象により発生する磁気共鳴信号（ＮＭＲ信号）を受信した後、計算機処理により断層像を再構成する装置である。傾斜磁場は傾斜磁場コイルおよび傾斜磁場アンプによりパルス状に生成されるため、傾斜磁場コイルの周囲に電気伝導体があると、傾斜磁場の切換え時に伝導体に渦電流が発生する。電気伝導体の例としては、静磁場磁石の熱シールド等が挙げられる。現在、０．５テスラ以上のＭＲＩ装置で使用される超伝導磁石の場合、最内層には液体ヘリウム層があり、その外層には液体窒素層など複数の金属層が配置されている。これらの金属層の温度、材質、サイズは同一でないため、渦電流の強度・時定数は複数の成分を有することになる。典型的な時定数は数ｍｓから数ｓまでの広い範囲に亘っている。渦電流により生成される変動磁場（以下、渦磁場と略称する）は、ＭＲＩ装置のコントローラが指示する傾斜磁場波形を歪め、画像のアーチファクトをもたらす。
【０００３】
発生される渦磁場の強度を小さくしたり、渦磁場に応じて傾斜磁場波形を整形する技術が幾つか報告されている。その代表例が、前者ではアクティブシールド型傾斜磁場コイル（ＡＳＧＣ）を用いることであり、後者では渦磁場補償である。原理的には、ＡＳＧＣによって渦磁場強度を大幅に低減することができるが、ＡＳＧＣの製造誤差やコイル線材の離散配置等の理由で、微小な渦磁場が発生することが避けられない。エコープラナー法等の近年発達の著しい超高速撮影法では、この僅かな渦磁場の存在によっても画像にアーティファクトが発生する場合がある。このため、ＡＳＧＣは単独で用いるのではなく、渦磁場補償と併用されることが多い。
【０００４】
この渦磁場補償を正確に行うためには、渦磁場の強度と時定数をあらかじめ計測する必要がある。渦磁場を感度良く計測する手段として、以下に述べるようにＮＭＲ信号を用いた手法が各種提案されている。しかし、後述するように、何れの手法でも、数ｍｓから数ｓまでの広い範囲に亘っている渦磁場の時定数を短時間に、精度良く計測することはできなかった。
【０００５】
第１の渦磁場計測方法として、特公平３−４９４５３号公報に記載の方法がある。ＮＭＲ撮影のためのサンプル（例えば、水が充満された袋）を磁場中心から離して配置し、傾斜磁場（データ収集で用いられる傾斜磁場パルスより時間的に前に修飾用に印加される傾斜磁場パルスのため、以下プリパルスと呼称する）を印加した後に、同サンプルのＦＩＤ信号を取得し、その位相変化から渦磁場の波形を計測する。図１２にその収集方法に関するパルスシーケンスを示す。Ｇeddyがプリパルスを表わし、eddyＬとeddyＳはプリパルスＧeddyにより誘起される渦磁場を表わし、eddyＬは時定数ＴＬが長い成分、eddyＳは時定数ＴＳが短い成分をそれぞれ表す。ＴＬとしては数ｓ、ＴＳは数ｍｓから数１０ｍｓに対応する。ＡＤＣ１やＡＤＣ２はＦＩＤ信号のサンプリング期間を表し、典型的には１００ｍｓ前後の期間である。
【０００６】
ＦＩＤ信号はＮＭＲサンプル全体からの信号であるので、同サンプルは小さくなければならないし、磁場中心から離して配置する必要がある。短時定数渦磁場eddyＳを計測するには、プリパルスＧeddyの印加直後に開始するサンプリング期間ＡＤＣ１のみで十分である。しかし、長時定数渦磁場eddyＬを計測するためには、プリパルスＧeddyの印加後に所定の遅延時間ＴＤを置いたサンプリング期間ＡＤＣ２にＦＩＤ信号を収集する必要がある。このようにプリパルスとデータ収集期間との間隔（遅延時間ＴＤ）を変えてＦＩＤ信号を何回か収集することにより、長時定数渦磁場eddyＬの計測が可能となる。
【０００７】
図１３にその原理を説明する。図１３のグラフは、ＮＭＲ信号ないしＭＲＩ画像における渦磁場による位相シフトの時間変化を表す。図１３の１３１と１３２に示すように、短時定数と長時定数の２成分の渦磁場があるとする。図１２のサンプリング期間ＡＤＣは、図１３の「読み出し傾斜磁場無し」の行に両端に矢印を付した各期間に対応する。ＦＩＤ信号収集を繰り返す（ＡＤＣ１〜ＡＤＣｎ）ことにより、時定数の長い成分が減衰するまで計測することができる。ただし、この場合、プリパルスの印加間隔ＴＧは、前のプリパルスによる渦磁場が十分減衰するよう、長時間時定数ＴＬの１０倍程度にする必要がある。
【０００８】
そのため、この方法では、計測時間が長くなるというデメリットがあった。計測時間を以下の条件で見積もることにする。ＦＩＤ信号収集のための励起の回数Ｎとしては、遅延時間ＴＤを変えて数回データを収集しなくてはならないので、ここでは、Ｎ＝１０回とする。ＴＬを約１ｓと仮定すると、ＴＧは約１０ｓとなる。また、ＮＭＲサンプルを配置する位置として少なくとも２箇所が必要である。これは、渦磁場の空間成分には、１次成分の他に０次成分や、より高次の成分があるからである。この０次成分は、ＡＳＧＣの中心ずれ（製造誤差、組立誤差）に由来するので、ＡＳＧＣ毎に変化する。高次成分は、ＡＳＧＣと磁石（渦発生源）との半径差などから必ず発生する。渦補償では１次成分のみを計測しなければならないため、ＮＭＲサンプルを配置する位置を複数回（Ｍ回：少なくとも２回、ここでは２回）変える必要がある。したがって、ＮＭＲサンプルを計測する時間は少なくともＴＧ×Ｎ×Ｍ（約２００ｓ）となり、計測時間はかなり長くなる。
【０００９】
第１の渦磁場計測方法の改良例として、特開平４−１８９３４４号公報に記載の方法がある。この方法では、ＮＭＲサンプルを移動させる必要がなく、複数のサンプル点における渦磁場を同時に計測することができる。しかし、この方法でも、長い時定数を計測する際には、遅延時間ＴＤを変えることがやはり必要であり、データ収集にかかる時間は特公平３−４９４５３号公報の場合と同等である。
【００１０】
第２の渦磁場計測方法として、渦磁場の空間分布を計測する方法が特開平２−１７７９４０号公報に提案されている。この方法では、スピンエコー（ＳＥ）法、あるいはフィールドエコー（ＦＥ）法でイメージングして画像を得た後に、傾斜磁場プリパルスを印加してＳＥ法ないしＦＥ法のイメージングシーケンスを実施し、得られたそれぞれの画像の位相差から渦磁場強度の空間分布を求めている。図１４に２次元ＦＥ法の場合のパルスシーケンスを示す。図のＧｒはリードアウト傾斜磁場、Ｇｅは位相エンコード傾斜磁場である。得られる位相差分画像値は、プリパルスＧeddy印加後からエコータイムＴＥまでの渦磁場強度の積分値にほぼ比例する。
【００１１】
この従来技術の文献中には、渦磁場の時定数を計測することは記載があるが、時定数と強度の両方を計測する方法は開示されていない。これは、この第２の手法では、プリパルスとエコー収束時刻との間隔（プリパルス印加終了時刻と励起用のＲＦパルス印加までの時間＋エコータイム）を変えたり、プリパルスの印加時間を変化させたりして、上記の位相画像を何枚も計測する必要があるからである。図１４のサンプリング期間ＡＤＣは図１３の「読み出し傾斜磁場有り」の行の点に対応する。点の一つがＦＥ法の一回のイメージングに相当する。但し、この場合、エコータイムより短い時定数を持つ渦磁場を計測することはできない。したがって、数ｍｓの時定数の渦磁場を計測することはできない。一方、これより長い時定数の渦磁場についても、複数の位相を渦磁場強度と時定数をパラメータに持つ複雑な関数でフィットすることで値を決定することになるので、その精度は高くない。
【００１２】
第２の渦磁場計測方法を改良した方法として、一つのプリパルスにつきＦＥ法のイメージングシーケンスを複数回繰り返す第３の渦磁場計測方法がある（"New Efficient Eddy-Field-Mapping Procedure(FAME)", J. Schiff, H. Rotem, S. Stokar, and N. Kaplan, Journal of Magnetic resonance, Series B 104, 73-76(1994)）。これにより、ＦＥ法のイメージングシーケンスの実行時間より長い時定数の渦磁場の時定数と強度を計測することが可能となる。しかし、この方法もエコータイムより短い時定数を持つ渦磁場を計測することはできないし、エコータイムより長くＦＥ法のイメージングシーケンスの実行時間より短い時定数を持つ渦磁場の計測精度は高くない。
【００１３】
以上述べたように、従来の渦磁場計測法においては、数ｍｓから数ｓの広い時定数範囲に亘る時定数を短時間に計測できなかったし、長時間かかって計測したた値も精度が悪いという問題点があった。
【００１４】
さらに、上述したように、ＡＳＧＣの性能向上や、渦磁場の高精度の計測、及び補償により、渦磁場のカップリング成分（以下、カップリング渦と呼ぶ）の存在が問題となってきた。例えばｘチャンネルの傾斜磁場コイルをパルス駆動したときに、ｘ方向に強度変化する渦磁場の他に、ｙ方向ないしｚ方向に強度変化する渦磁場成分も発生している。しかし、従来は、渦磁場を高精度に、しかも短時間に計測することができなかったので、このようなカップリング渦の影響は無視していた。このため、高精度な渦補償ができなかった。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、従来の渦磁場計測法においては、数ｍｓから数ｓの広い時定数範囲に亘る時定数を短時間に計測できなかったし、長時間かかって計測したた値も精度が悪いという問題点があった。さらに、カップリング渦を補償することができないという問題点があった。
【００１６】
本発明の目的は、数ｍｓから数ｓの広い時定数範囲に亘る時定数の渦磁場の時定数と強度とを正確に短時間で計測できる磁気共鳴イメージング装置を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決し目的を達成するために、本発明は以下に示す手段を用いている。
【００１９】
本発明の一態様によれば、磁気共鳴イメージング装置は、撮影空間に配置されたファントムに静磁場を印加するとともに、パルス状の傾斜磁場を１回印加した後、スライス選択傾斜磁場を印加して少なくとも２つのスライスを選択し、前記パルス状の傾斜磁場の１回の印加に対して該ファントムを複数回励起することにより、前記パルス状の傾斜磁場を複数回印加することなく各励起による信号を収集する手段と、前記パルス状の傾斜磁場の強度を変えて上記の信号収集計測を少なくとも２回行い、該少なくとも２つの収集信号セットの位相の時間変化曲線の差分から渦磁場の時定数と強度とを求める手段とを具備する。
本発明の他の態様によれば、磁気共鳴イメージング装置は、撮影空間に配置されたファントムに静磁場を印加するとともに、パルス状の傾斜磁場を１回印加した後、スライス選択傾斜磁場を印加して少なくとも２つのスライスを選択し、前記パルス状の傾斜磁場の１回の印加に対して該ファントムを複数回励起することにより、前記パルス状の傾斜磁場を複数回印加することなく各励起による信号を収集する手段と、前記パルス状の傾斜磁場の強度と前記スライス選択傾斜磁場の強度は変えずに、前記ファントムの励起に使われる高周波パルスの搬送周波数を変えて上記の信号収集計測を少なくとも２回行い、該少なくとも２つの収集信号セットの位相の時間変化曲線の差分から渦磁場の時定数と強度とを求める手段とを具備する。
本発明のさらに他の態様によれば、撮影空間に配置されたファントムに静磁場を印加するとともに、パルス状の傾斜磁場を１回印加した後、スライス選択傾斜磁場を印加して少なくとも２つのスライスを選択し、前記パルス状の傾斜磁場の１回の印加に対して該ファントムを複数回励起することにより、前記パルス状の傾斜磁場を複数回印加することなく各励起による信号を収集する手段と、前記パルス状の傾斜磁場の強度と前記ファントムの励起に使われる高周波パルスの搬送周波数は変えずに、前記スライス選択傾斜磁場の強度を変えて上記の信号収集計測を少なくとも２回行い、該少なくとも２つの収集信号セットの位相の時間変化曲線の差分から渦磁場の時定数と強度とを求める手段とを具備する。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明によるＭＲＩ装置の実施形態を説明する。
【００３２】
第１実施形態
図１は第１実施形態が適用されるＭＲＩ装置全体の概略構成を示すブロック図である。ガントリ２０内には、静磁場磁石１、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸傾斜磁場コイル２、及び送受信コイル３が設けられる。静磁場発生装置としての静磁場磁石１は、例えば、超電導コイル、常伝導コイル、または永久磁石を用いて構成される。ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸傾斜磁場コイル２は、ｘ軸傾斜磁場Ｇｘ、ｙ軸傾斜磁場Ｇｙ、ｚ軸傾斜磁場Ｇｚを発生するためのコイルである。送受信コイル３は、高周波（ＲＦ）パルスを発生し、かつ磁気共鳴により発生したエコー信号を検出するために使用される。寝台１３上の被検体Ｐはガントリ２０内のイメージング可能領域（イメージング用磁場が形成される球状の領域であり、この領域内でのみ診断が可能となる）に挿入される。なお、ＲＦパルスの送信とエコー信号の受信は別々の送信コイル、受信コイルによって行ってもよい。
【００３３】
静磁場磁石１は、静磁場制御装置４により駆動される。送受信コイル３は、磁気共鳴の励起時には送信器５により駆動され、かつエコー信号の検出時には受信器６に結合される。ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸傾斜磁場コイル２は、ｘ軸傾斜磁場アンプ７、ｙ軸傾斜磁場アンプ８、ｚ軸傾斜磁場アンプ９により駆動される。
【００３４】
ｘ軸傾斜磁場アンプ７、ｙ軸傾斜磁場アンプ８、ｚ軸傾斜磁場アンプ９、送信器５はシーケンスコントローラ１０により所定のシーケンスに従って駆動され、ｘ軸傾斜磁場Ｇｘ、ｙ軸傾斜磁場Ｇｙ、ｚ軸傾斜磁場Ｇｚ、高周波（ＲＦ）パルスを、後述する所定のパルスシーケンスで発生する。この場合、ｘ軸傾斜磁場Ｇｘ、ｙ軸傾斜磁場Ｇｙ、ｚ軸傾斜磁場Ｇｚは、主として、例えば、読出し用傾斜磁場Ｇｒ、位相エンコード用傾斜磁場Ｇｅ、スライス用傾斜磁場Ｇｓとしてそれぞれ使用される。ホストコンピュータ１１はシーケンスコントローラ１０を駆動制御するとともに、受信器６で受信されるエコー信号としてのエコー信号を取り込んで所定の信号処理を施すことにより、被検体の断層像を生成し、表示部１２で表示する。
【００３５】
図２は第１実施形態の渦磁場計測を行うパルスシーケンスを示す。第１実施形態の渦磁場計測は、比較的小さいＮＭＲサンプルを渦磁場を計測したい領域に配置し、該サンプルに傾斜磁場プリパルスを印加した後、ＲＦパルスを印加して該サンプルを複数回励起し、ＦＩＤ信号を連続して収集する第１ステップと、その各励起時のＦＩＤ信号の位相の時間変化曲線を求める第２ステップと、その時間変化曲線から渦磁場の時定数と強度とを求める第３ステップとから構成され、図２に示したパルスシーケンスは第１ステップに関する。Ｇeddyが傾斜磁場プリパルス、ＡＤＣ１やＡＤＣ２が各ＦＩＤ信号のサンプリング期間である。図２では、ＦＩＤ信号の収集が２回であるが、より多くても良い。図２のeddyＬは長い時定数を持つ渦磁場、eddyＳは短い時定数を持つ渦磁場を表す。数ｍｓから数１０ｍｓ程度の時定数のeddyＳの時定数と強度は１回目のＦＩＤ信号収集期間ＡＤＣ１で収集されたＦＩＤ信号のみに基づいて計測可能である。それより長い時定数のeddyＬの時定数と強度は２回目以降のＦＩＤ信号収集ＡＤＣ２…ＡＤＣｎで収集されたＦＩＤ信号を組み合わせることにより計測可能である。
【００３６】
ｎ番目のＦＩＤ信号収集期間ＡＤＣｎのｋ番目のデータを収集した時刻をｔn,kとする。第２ステップでは、信号の位相を求め、ｔn,kに対してその位相をプロットすることで、位相の時間変化曲線が求められる。つづいて、第３ステップでは、この時間変化曲線を渦磁場の強度と時定数の関数に当てはめられる。サンプル位置ｒでの信号の位相は次のような式で表わされる。
【００３７】
φ（ｒ，ｔ）
＝γατLＧpre・ｒ（Exp（ｔa／τL）−Exp（ｔb／τL））
＊Exp（−ｔn／τL）（１−Exp（−（ｔn,k−ｔn）／τL））
ここで、τLとαは渦の時定数と強度、Ｇpreはプリパルス強度（ベクトル）、ｔaとｔbはプリパルスの印加開始時刻及び終了時刻、ｔnはｎ番目のＦＩＤを生成するためのＲＦパルス印加時刻、γは磁気回転比であり、プリパルスは矩形パルスであると仮定する。
【００３８】
ｎとｋの異なる複数のデータが収集されているので、上記の位相をデータに当てはめることで、渦磁場の時定数と強度を求めることができる。当てはめには最小二乗法等の既存の手法を用いることができる。プリパルスが矩形パルスではない場合は、上記の式を修正する必要があるが、これは当業者にとって容易である。
【００３９】
このように本実施形態によれば、傾斜磁場プリパルスＧeddyを印加する回数は１回だけで複数の信号を収集できるので、図１２に示した特公平３−４９４５３号公報に記載の方法（短時定数渦磁場eddyＳと長時定数渦磁場eddyＬの測定それぞれにプリパルスＧeddyを印加する）と比べ、計測が高速になる。従来技術の説明で、特公平３−４９４５３号公報に記載の方法の計測時間を２００ｓと見積もったが、本実施形態では２０ｓ（ＴＧ＝１０ｓ、Ｎ＝１、Ｍ＝２）となり、１０分の１に短縮することができる。この場合、特公平３−４９４５３号公報に記載の方法と同様に、本実施形態においてもＮＭＲサンプルの位置を変えて少なくとも２回計測する。通常、ＮＭＲサンプルを置く位置は、プリパルスの印加する方向に位相をシフトさせるように定める。この２回のうち１回は、ＮＭＲサンプルは磁場中心に配置しても構わない。
【００４０】
本実施形態のより良い変形例として、プリパルスの強度を変えて本実施形態の第１ステップと第２ステップを２回行ない、その２回の位相変化曲線の差分を取ってから第３ステップを実施する方法がある。これは、静磁場不均一性等による位相シフトがある場合にその影響を効果的に取り除くことができる。
【００４１】
以下、本発明による装置の他の実施形態を説明する。他の実施形態の説明において第１実施形態と同一部分は同一参照数字を付してその詳細な説明は省略する。
【００４２】
第２実施形態
第２実施形態のブロック図は第１実施形態のブロック図と同一であるので、図示は省略する。本実施形態の第１ステップに関するパルスシーケンスを図３に示す。第１実施形態と異なるのは、ＮＭＲ信号を出すサンプルとして、磁場中心を含むほぼ均一で大きな容積のファントムを使用する点と、ＦＩＤ信号を収集するためにファントムを励起する際に、ＲＦパルスの印加と同時にスライス選択傾斜磁場Ｇｓも印加するという点である。通常、傾斜磁場プリパルスＧeddyとスライス選択傾斜磁場Ｇｓは同一方向の傾斜磁場となるように設定する。そのため、この場合、プリパルスはスライス方向に印加する。なお、第１実施形態では、プリパルスの印加方向に制限はない。ＦＩＤ信号を連続して収集する第１ステップでは、常に同一のスライスの信号を収集する。本実施形態は、第１実施形態と比べて、ＮＭＲサンプルを移動させる手間が必要ないので、その分時間短縮が可能であるという利点がある。第１実施形態と異なり、励起の際にスライス傾斜磁場を印加するのは、大きなファントムを使用するため、励起断面位置を特定するためである。
【００４３】
本実施形態においても、第１実施形態の変形例のように、プリパルスの強度を変えて第１ステップを２回行うことで、静磁場不均一性や他のイメージング傾斜磁場パルスによる渦磁場等による位相シフトをキャンセルすることが可能である。ただし、撮影時間は２倍に延長する。
【００４４】
そこで、撮影時間を延長することなく、静磁場不均一性の影響を取り除くことが可能な本実施形態の他の２つの変形例を説明する。図４に示す変形例は、ＮＭＲ信号を発生させるＲＦパルスの搬送波周波数Ｃｆとプリパルスの強度を同一にしたまま、スライス傾斜磁場強度Ｇｓの異なる２つの収集データセットＡＤＣ１（＋）〜ＡＤＣｎ（＋）とＡＤＣ１（−）〜ＡＤＣｎ（−）との間で位相の差分を行う。図５に示す変形例は、スライス傾斜磁場強度とプリパルス強度を同一にしたまま、ＮＭＲ信号を発生させるＲＦパルスの搬送波周波数Ｃｆの異なる２つの収集データセットＡＤＣ１（＋）〜ＡＤＣｎ（＋）とＡＤＣ１（−）〜ＡＤＣｎ（−）との間で位相の差分を行う。図４と図５の変形例は、ともに２枚のスライスからＮＭＲ信号を取得していることに変わりがないが、スライスの励起の仕方が異なっている。この２つの変形例は励起されるスライス（２枚）の中で静磁場不均一性があまり差がない場合に限って有効であるが、撮影時間が延長しない利点がある。また、図５に示す変形例は、他のイメージング傾斜磁場パルスによる渦磁場による影響も取り除くことができる点で、図４の変形例よりも更に好ましい実施形態である。
【００４５】
第３実施形態
本発明の第３実施形態を説明する。本実施形態は、ファントム、ないし被検者そのものを計測したい渦磁場領域を含むように配置した上で、傾斜磁場プリパルスＧeddyを印加する第１ステップと、ファントム、ないし被検者の一部を励起し、位相エンコードパルスＧｅを印加する第２ステップと、ＮＭＲ信号を収集する第３ステップと、前記位相エンコードパルスＧｅ１、Ｇｅ２の強度を変化させながら第１ステップから第３ステップまでを複数回（ここでは、２回）繰り返す第４ステップと、それらのＮＭＲ信号から複数の画像（２枚の画像）を再構成する第５ステップと、その複数の画像の位相変化曲線を求める第６ステップと、その位相変化曲線から渦磁場の時定数と強度とを求める第７ステップとから構成される。本実施形態をＦＩＤ信号を使って空間２次元分布を計測するように構成した場合の第１〜第４ステップのパルスシーケンスを図６に示す。本実施形態を空間１次元、あるいは空間的３次元の計測用に変形することは容易に類推可能である。
【００４６】
第５〜第７ステップは、それぞれ公知な方法で実現可能である。例えば、第５ステップはケミカルシフトイメージングの再構成方法が適用でき、第６ステップ、第７ステップは第１実施形態の第２ステップ、第３ステップが適用できる。
【００４７】
本実施形態は、特開平４−１８９３４４号公報で開示された渦磁場空間分布計測法と似ているが、一つのプリパルスに対して複数のＮＭＲ信号を励起している点が異なる。これにより、計測時間の大幅な低減が可能である。例えば、第１実施形態と同様の渦磁場とプリパルスの場合、特開平４−１８９３４４号公報に記載の方法では、１６×１６のマトリクスの画像１枚あたり、計測時間はＴＧ（＝１０ｓ）×１６×１６×Ｎ（＝１０回：プリパルスあたりの励起回数）＝７．１時間もかかるのに対し、本実施形態では、Ｎ＝１であるので、その１０分の１の４３分で計測可能である。本実施形態でも、第１実施形態や第２実施形態と同様に、プリパルスの印加強度を変えて２回計測し、それぞれの位相変化曲線の差分を取った上で渦磁場の時定数と強度の空間分布を計測しても良い。
【００４８】
上記第１、第２および第３実施形態においてより良い改良は、傾斜磁場による横磁化のスポイラやＲＦスポイラを併用することである。これは、連続して励起する場合に、一つ以上前の励起によるＮＭＲ信号が混入することを防ぎ、ＦＩＤ信号の計測の精度を高める効果がある。同様な理由で、ＮＭＲサンプルの横緩和時間は励起間隔ＴＲ程度以下であることが望ましい。
【００４９】
以上述べたように、本発明の第１、第２、第３実施形態によれば、時定数が数ｍｓから数ｓの広範囲に渡る渦磁場の時定数と強度を従来に比べてより高速に、しかも精度よく計測することが可能となる。
【００５０】
第４実施形態
次に、渦磁場計測・補償における第２の問題であるカップリング渦を高精度に計測し、補償する実施形態について説明する。本発明の第４実施形態は、カップリング渦を計測する第１ステップ、カップリング渦の強度・時定数を反映したカップリング波形を生成する第２ステップ、通常の渦磁場補償波形を生成する第３ステップ、カップリング波形と渦補償波形とを加算し出力する第４ステップとから構成される。図７は第１ステップと第２ステップにおける処理の流れを示した流れ図である。図７において、本発明の第１、第２、第３実施形態や公知の渦磁場計測法を用いて、第１の軸（ここでは、ｘ軸とする）方向のプリパルスを印加し（ステップＳ２）、ｘ軸方向の渦磁場を計測する（ステップＳ４）。渦磁場の時定数と強度を求めてから、傾斜磁場コイルの伝達関数を考慮してｘコイルの渦補償器Ｅｘのパラメータを設定することで、ｘコイルの渦補償が行われる（ステップＳ６）。パラメータは傾斜磁場波形入力に対する磁場のインパルス応答（以下、Ｈ（ｓ）と称する）を次のように修正する。つまり、渦磁場補償前のインパルス応答がｆ（ｓ）であった場合、渦補償器ＥｘのパラメータはＨ（ｓ）＝ｆ（ｓ）・（１／ｆ（ｓ））＝１となるように決定される。具体的な実現方法は前述の特公平３−４９４５３号に記載されている方法を使うことができる。続いて、第１の軸方向（ｘ軸方向）に直交する第２の軸（ここでは、ｙ軸とする）方向のプリパルスを印加し（ステップＳ８）、同様にｘ軸方向の渦磁場を計測する（ステップＳ１０）。この渦磁場がカップリング渦であり、この時定数と強度を反映したパラメータをカップリング渦補償器Ｅｙｘに設定する（ステップＳ１２）。最後に、補償器Ｅｘ、Ｅｙｘの波形出力を加算し、傾斜磁場アンプの入力とすることで、渦補償された所望の磁場波形（ｘ方向）が実現される。
【００５１】
図８に、一例として、ｘコイルとｙコイルとの間にカップリング渦が存在し、ｘコイルのみを駆動する場合に、傾斜磁場の波形信号や磁場がどのように変更されるかを示す。シーケンスコントローラは、矩形状のｘ傾斜磁場パルスを実現するために、８−１に示すようなｘコイル波形出力を生成する。ｘコイルの渦補償器Ｅｘは、ｘコイルの渦磁場を補償するように、８−３に示すような波形を生成する。また、カップリング補償器Ｅｘｙは７−４に示すようなカップリング渦を補償する波形を生成する。一方、ｙコイルの波形出力は８−２に示すようにゼロであるので、８−６に示す渦補償器Ｅｙの出力信号や、８−５に示すカップリング補償器Ｅｙｘの出力信号もゼロのままである。補償器Ｅｘ、Ｅｙｘの出力信号が加算されてｘコイルの傾斜磁場アンプに入力されると、８−７に示すように、ｘ傾斜磁場波形が渦補償前の歪んだ波形（破線）からから矩形状パルス（実線）に整形される。同時に、８−８に示すようにｙ方向の傾斜磁場波形は補償前の渦波形（破線）がキャンセルされてゼロ（実線）となる。
【００５２】
図９は上記のような通常の渦とカップリング渦の両方の補償を実現する構成を示す。渦補償器Ｅｘ、Ｅｙ、Ｅｚ、およびカップリング渦補償器Ｅｘｙ、Ｅｙｘ、Ｅｘｚ、Ｅｚｘ、Ｅｙｚ、Ｅｚｙは微分回路のようなアナログ回路やディジタルフィルタのようなディジタル回路、あるいはソフトウェアにより構成される。このような回路構成は、公知の回路（例えば、特開平６−８６７６６号公報）を利用しても実現可能である。
【００５３】
図１０は本実施形態の別の構成を示す。図９と異なるのは、カップリング渦補償器の出力信号にコントローラからの波形出力を加算した後に渦補償器に入力されるという点である。このように構成する場合、カップリング渦磁場波形の時定数と強度をそのままカップリング渦補償器に設定することができる。一方、図９の場合は、各傾斜磁場コイル系の伝達関数を考慮して、時定数と強度を変換した後、設定することが必要である。
【００５４】
本実施形態の変形例として、カップリング渦を計測する第１ステップを空間２次元の渦磁場計測法に置き換えて実現することも可能である。図１１はこの場合の処理の流れを示したもので、第１の軸（ここでは、ｘ軸とする）方向のプリパルスを印加し（ステップＳ２２）、第１の軸とそれに直交する第２の軸（ここでは、ｙ軸とする）で定義される平面（ｘｙ平面）内の渦磁場を計測する（ステップＳ２４）。渦磁場の時定数と強度に応じて、ｘコイルの渦補償器Ｅｘのパラメータ（ステップＳ２６）と、カップリング渦補償器Ｅｙｘのパラメータを設定する（ステップＳ２８）。
【００５５】
本実施形態では、渦磁場の計測結果（時定数と強度）から、各傾斜磁場コイル系の伝達関数を考慮して渦補償器の回路定数やパラメータを求める段階が含まれている。この伝達関数をあらかじめ求めておいて、計算により回路定数やフィルタ係数を求めてもよい。また、伝達関数を求めることはせず、回路定数やフィルタ係数を何度か変えて実際の渦磁場を計測し、既存の最適化手法等により渦磁場がゼロとなる回路定数やフィルタ係数を求めても良い。
【００５６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明により、時定数の広い範囲の渦磁場に対して強度と時定数の空間分布を高精度・高速に計測することが可能になる。また、カップリング渦の計測、および補償が実現でき、渦電流による画質低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による磁気共鳴イメージング装置の第１実施形態の第１実施形態の構成を示すブロック図。
【図２】本発明の第１実施形態のパルスシーケンスを示す図。
【図３】本発明の第２実施形態のパルスシーケンスを示す図。
【図４】第２実施形態の第１の変形例のパルスシーケンスを示す図。
【図５】第２実施形態の第２の変形例のパルスシーケンスを示す図。
【図６】本発明の第３実施形態のパルスシーケンスを示す図。
【図７】本発明の第４実施形態における渦磁場計測、および渦補償器のパラメータ設定の流れを示す図。
【図８】第４実施形態における波形信号と磁場波形の関係を示す図。
【図９】第４実施形態の構成例を示す図。
【図１０】第４実施形態の他の構成例を示す図。
【図１１】第４実施形態の変形例における処理の流れを示す図。
【図１２】従来技術のパルスシーケンスを示す図。
【図１３】図１２のＦＩＤ収集期間と位相シフトの時定数の関係を示す図。
【図１４】他の従来技術のパルスシーケンスを示す図。
【符号の説明】
１…静磁場磁石
２…ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸傾斜磁場コイル
３…送受信コイル
４…静磁場制御装置
５…受信器
６…送信器
７…ｘ軸傾斜磁場アンプ
８…ｙ軸傾斜磁場アンプ
９…ｚ軸傾斜磁場アンプ
１０…シーケンスコントローラ
１１…ホストコンピュータ
１２…表示部
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気共鳴イメージング装置に関し、特にパルス状に発生される傾斜磁場により発生する渦電流に基づく磁場変動（傾斜磁場波形の歪み）を高精度に、しかも高速に計測する磁気共鳴イメージング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気共鳴イメージング装置（以下、ＭＲＩ装置と略称する）は、被検者を含む検査空間に静磁場磁石によって均一な静磁場を印加して分極磁化を作り出し、高周波電磁場と傾斜磁場をパルス状に印加して、被検者の体内の原子核に磁気共鳴現象を引き起こし、この磁気共鳴現象により発生する磁気共鳴信号（ＮＭＲ信号）を受信した後、計算機処理により断層像を再構成する装置である。傾斜磁場は傾斜磁場コイルおよび傾斜磁場アンプによりパルス状に生成されるため、傾斜磁場コイルの周囲に電気伝導体があると、傾斜磁場の切換え時に伝導体に渦電流が発生する。電気伝導体の例としては、静磁場磁石の熱シールド等が挙げられる。現在、０．５テスラ以上のＭＲＩ装置で使用される超伝導磁石の場合、最内層には液体ヘリウム層があり、その外層には液体窒素層など複数の金属層が配置されている。これらの金属層の温度、材質、サイズは同一でないため、渦電流の強度・時定数は複数の成分を有することになる。典型的な時定数は数ｍｓから数ｓまでの広い範囲に亘っている。渦電流により生成される変動磁場（以下、渦磁場と略称する）は、ＭＲＩ装置のコントローラが指示する傾斜磁場波形を歪め、画像のアーチファクトをもたらす。
【０００３】
発生される渦磁場の強度を小さくしたり、渦磁場に応じて傾斜磁場波形を整形する技術が幾つか報告されている。その代表例が、前者ではアクティブシールド型傾斜磁場コイル（ＡＳＧＣ）を用いることであり、後者では渦磁場補償である。原理的には、ＡＳＧＣによって渦磁場強度を大幅に低減することができるが、ＡＳＧＣの製造誤差やコイル線材の離散配置等の理由で、微小な渦磁場が発生することが避けられない。エコープラナー法等の近年発達の著しい超高速撮影法では、この僅かな渦磁場の存在によっても画像にアーティファクトが発生する場合がある。このため、ＡＳＧＣは単独で用いるのではなく、渦磁場補償と併用されることが多い。
【０００４】
この渦磁場補償を正確に行うためには、渦磁場の強度と時定数をあらかじめ計測する必要がある。渦磁場を感度良く計測する手段として、以下に述べるようにＮＭＲ信号を用いた手法が各種提案されている。しかし、後述するように、何れの手法でも、数ｍｓから数ｓまでの広い範囲に亘っている渦磁場の時定数を短時間に、精度良く計測することはできなかった。
【０００５】
第１の渦磁場計測方法として、特公平３−４９４５３号公報に記載の方法がある。ＮＭＲ撮影のためのサンプル（例えば、水が充満された袋）を磁場中心から離して配置し、傾斜磁場（データ収集で用いられる傾斜磁場パルスより時間的に前に修飾用に印加される傾斜磁場パルスのため、以下プリパルスと呼称する）を印加した後に、同サンプルのＦＩＤ信号を取得し、その位相変化から渦磁場の波形を計測する。図１２にその収集方法に関するパルスシーケンスを示す。Ｇeddyがプリパルスを表わし、eddyＬとeddyＳはプリパルスＧeddyにより誘起される渦磁場を表わし、eddyＬは時定数ＴＬが長い成分、eddyＳは時定数ＴＳが短い成分をそれぞれ表す。ＴＬとしては数ｓ、ＴＳは数ｍｓから数１０ｍｓに対応する。ＡＤＣ１やＡＤＣ２はＦＩＤ信号のサンプリング期間を表し、典型的には１００ｍｓ前後の期間である。
【０００６】
ＦＩＤ信号はＮＭＲサンプル全体からの信号であるので、同サンプルは小さくなければならないし、磁場中心から離して配置する必要がある。短時定数渦磁場eddyＳを計測するには、プリパルスＧeddyの印加直後に開始するサンプリング期間ＡＤＣ１のみで十分である。しかし、長時定数渦磁場eddyＬを計測するためには、プリパルスＧeddyの印加後に所定の遅延時間ＴＤを置いたサンプリング期間ＡＤＣ２にＦＩＤ信号を収集する必要がある。このようにプリパルスとデータ収集期間との間隔（遅延時間ＴＤ）を変えてＦＩＤ信号を何回か収集することにより、長時定数渦磁場eddyＬの計測が可能となる。
【０００７】
図１３にその原理を説明する。図１３のグラフは、ＮＭＲ信号ないしＭＲＩ画像における渦磁場による位相シフトの時間変化を表す。図１３の１３１と１３２に示すように、短時定数と長時定数の２成分の渦磁場があるとする。図１２のサンプリング期間ＡＤＣは、図１３の「読み出し傾斜磁場無し」の行に両端に矢印を付した各期間に対応する。ＦＩＤ信号収集を繰り返す（ＡＤＣ１〜ＡＤＣｎ）ことにより、時定数の長い成分が減衰するまで計測することができる。ただし、この場合、プリパルスの印加間隔ＴＧは、前のプリパルスによる渦磁場が十分減衰するよう、長時間時定数ＴＬの１０倍程度にする必要がある。
【０００８】
そのため、この方法では、計測時間が長くなるというデメリットがあった。計測時間を以下の条件で見積もることにする。ＦＩＤ信号収集のための励起の回数Ｎとしては、遅延時間ＴＤを変えて数回データを収集しなくてはならないので、ここでは、Ｎ＝１０回とする。ＴＬを約１ｓと仮定すると、ＴＧは約１０ｓとなる。また、ＮＭＲサンプルを配置する位置として少なくとも２箇所が必要である。これは、渦磁場の空間成分には、１次成分の他に０次成分や、より高次の成分があるからである。この０次成分は、ＡＳＧＣの中心ずれ（製造誤差、組立誤差）に由来するので、ＡＳＧＣ毎に変化する。高次成分は、ＡＳＧＣと磁石（渦発生源）との半径差などから必ず発生する。渦補償では１次成分のみを計測しなければならないため、ＮＭＲサンプルを配置する位置を複数回（Ｍ回：少なくとも２回、ここでは２回）変える必要がある。したがって、ＮＭＲサンプルを計測する時間は少なくともＴＧ×Ｎ×Ｍ（約２００ｓ）となり、計測時間はかなり長くなる。
【０００９】
第１の渦磁場計測方法の改良例として、特開平４−１８９３４４号公報に記載の方法がある。この方法では、ＮＭＲサンプルを移動させる必要がなく、複数のサンプル点における渦磁場を同時に計測することができる。しかし、この方法でも、長い時定数を計測する際には、遅延時間ＴＤを変えることがやはり必要であり、データ収集にかかる時間は特公平３−４９４５３号公報の場合と同等である。
【００１０】
第２の渦磁場計測方法として、渦磁場の空間分布を計測する方法が特開平２−１７７９４０号公報に提案されている。この方法では、スピンエコー（ＳＥ）法、あるいはフィールドエコー（ＦＥ）法でイメージングして画像を得た後に、傾斜磁場プリパルスを印加してＳＥ法ないしＦＥ法のイメージングシーケンスを実施し、得られたそれぞれの画像の位相差から渦磁場強度の空間分布を求めている。図１４に２次元ＦＥ法の場合のパルスシーケンスを示す。図のＧｒはリードアウト傾斜磁場、Ｇｅは位相エンコード傾斜磁場である。得られる位相差分画像値は、プリパルスＧeddy印加後からエコータイムＴＥまでの渦磁場強度の積分値にほぼ比例する。
【００１１】
この従来技術の文献中には、渦磁場の時定数を計測することは記載があるが、時定数と強度の両方を計測する方法は開示されていない。これは、この第２の手法では、プリパルスとエコー収束時刻との間隔（プリパルス印加終了時刻と励起用のＲＦパルス印加までの時間＋エコータイム）を変えたり、プリパルスの印加時間を変化させたりして、上記の位相画像を何枚も計測する必要があるからである。図１４のサンプリング期間ＡＤＣは図１３の「読み出し傾斜磁場有り」の行の点に対応する。点の一つがＦＥ法の一回のイメージングに相当する。但し、この場合、エコータイムより短い時定数を持つ渦磁場を計測することはできない。したがって、数ｍｓの時定数の渦磁場を計測することはできない。一方、これより長い時定数の渦磁場についても、複数の位相を渦磁場強度と時定数をパラメータに持つ複雑な関数でフィットすることで値を決定することになるので、その精度は高くない。
【００１２】
第２の渦磁場計測方法を改良した方法として、一つのプリパルスにつきＦＥ法のイメージングシーケンスを複数回繰り返す第３の渦磁場計測方法がある（"New Efficient Eddy-Field-Mapping Procedure(FAME)", J. Schiff, H. Rotem, S. Stokar, and N. Kaplan, Journal of Magnetic resonance, Series B 104, 73-76(1994)）。これにより、ＦＥ法のイメージングシーケンスの実行時間より長い時定数の渦磁場の時定数と強度を計測することが可能となる。しかし、この方法もエコータイムより短い時定数を持つ渦磁場を計測することはできないし、エコータイムより長くＦＥ法のイメージングシーケンスの実行時間より短い時定数を持つ渦磁場の計測精度は高くない。
【００１３】
以上述べたように、従来の渦磁場計測法においては、数ｍｓから数ｓの広い時定数範囲に亘る時定数を短時間に計測できなかったし、長時間かかって計測したた値も精度が悪いという問題点があった。
【００１４】
さらに、上述したように、ＡＳＧＣの性能向上や、渦磁場の高精度の計測、及び補償により、渦磁場のカップリング成分（以下、カップリング渦と呼ぶ）の存在が問題となってきた。例えばｘチャンネルの傾斜磁場コイルをパルス駆動したときに、ｘ方向に強度変化する渦磁場の他に、ｙ方向ないしｚ方向に強度変化する渦磁場成分も発生している。しかし、従来は、渦磁場を高精度に、しかも短時間に計測することができなかったので、このようなカップリング渦の影響は無視していた。このため、高精度な渦補償ができなかった。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、従来の渦磁場計測法においては、数ｍｓから数ｓの広い時定数範囲に亘る時定数を短時間に計測できなかったし、長時間かかって計測したた値も精度が悪いという問題点があった。さらに、カップリング渦を補償することができないという問題点があった。
【００１６】
本発明の目的は、数ｍｓから数ｓの広い時定数範囲に亘る時定数の渦磁場の時定数と強度とを正確に短時間で計測できる磁気共鳴イメージング装置を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決し目的を達成するために、本発明は以下に示す手段を用いている。
【００１９】
本発明の一態様によれば、磁気共鳴イメージング装置は、撮影空間に配置されたファントムに静磁場を印加するとともに、パルス状の傾斜磁場を１回印加した後、スライス選択傾斜磁場を印加して少なくとも２つのスライスを選択し、前記パルス状の傾斜磁場の１回の印加に対して該ファントムを複数回励起することにより、前記パルス状の傾斜磁場を複数回印加することなく各励起による信号を収集する手段と、前記パルス状の傾斜磁場の強度を変えて上記の信号収集計測を少なくとも２回行い、該少なくとも２つの収集信号セットの位相の時間変化曲線の差分から渦磁場の時定数と強度とを求める手段とを具備する。
本発明の他の態様によれば、磁気共鳴イメージング装置は、撮影空間に配置されたファントムに静磁場を印加するとともに、パルス状の傾斜磁場を１回印加した後、スライス選択傾斜磁場を印加して少なくとも２つのスライスを選択し、前記パルス状の傾斜磁場の１回の印加に対して該ファントムを複数回励起することにより、前記パルス状の傾斜磁場を複数回印加することなく各励起による信号を収集する手段と、前記パルス状の傾斜磁場の強度と前記スライス選択傾斜磁場の強度は変えずに、前記ファントムの励起に使われる高周波パルスの搬送周波数を変えて上記の信号収集計測を少なくとも２回行い、該少なくとも２つの収集信号セットの位相の時間変化曲線の差分から渦磁場の時定数と強度とを求める手段とを具備する。
本発明のさらに他の態様によれば、撮影空間に配置されたファントムに静磁場を印加するとともに、パルス状の傾斜磁場を１回印加した後、スライス選択傾斜磁場を印加して少なくとも２つのスライスを選択し、前記パルス状の傾斜磁場の１回の印加に対して該ファントムを複数回励起することにより、前記パルス状の傾斜磁場を複数回印加することなく各励起による信号を収集する手段と、前記パルス状の傾斜磁場の強度と前記ファントムの励起に使われる高周波パルスの搬送周波数は変えずに、前記スライス選択傾斜磁場の強度を変えて上記の信号収集計測を少なくとも２回行い、該少なくとも２つの収集信号セットの位相の時間変化曲線の差分から渦磁場の時定数と強度とを求める手段とを具備する。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明によるＭＲＩ装置の実施形態を説明する。
【００３２】
第１実施形態
図１は第１実施形態が適用されるＭＲＩ装置全体の概略構成を示すブロック図である。ガントリ２０内には、静磁場磁石１、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸傾斜磁場コイル２、及び送受信コイル３が設けられる。静磁場発生装置としての静磁場磁石１は、例えば、超電導コイル、常伝導コイル、または永久磁石を用いて構成される。ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸傾斜磁場コイル２は、ｘ軸傾斜磁場Ｇｘ、ｙ軸傾斜磁場Ｇｙ、ｚ軸傾斜磁場Ｇｚを発生するためのコイルである。送受信コイル３は、高周波（ＲＦ）パルスを発生し、かつ磁気共鳴により発生したエコー信号を検出するために使用される。寝台１３上の被検体Ｐはガントリ２０内のイメージング可能領域（イメージング用磁場が形成される球状の領域であり、この領域内でのみ診断が可能となる）に挿入される。なお、ＲＦパルスの送信とエコー信号の受信は別々の送信コイル、受信コイルによって行ってもよい。
【００３３】
静磁場磁石１は、静磁場制御装置４により駆動される。送受信コイル３は、磁気共鳴の励起時には送信器５により駆動され、かつエコー信号の検出時には受信器６に結合される。ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸傾斜磁場コイル２は、ｘ軸傾斜磁場アンプ７、ｙ軸傾斜磁場アンプ８、ｚ軸傾斜磁場アンプ９により駆動される。
【００３４】
ｘ軸傾斜磁場アンプ７、ｙ軸傾斜磁場アンプ８、ｚ軸傾斜磁場アンプ９、送信器５はシーケンスコントローラ１０により所定のシーケンスに従って駆動され、ｘ軸傾斜磁場Ｇｘ、ｙ軸傾斜磁場Ｇｙ、ｚ軸傾斜磁場Ｇｚ、高周波（ＲＦ）パルスを、後述する所定のパルスシーケンスで発生する。この場合、ｘ軸傾斜磁場Ｇｘ、ｙ軸傾斜磁場Ｇｙ、ｚ軸傾斜磁場Ｇｚは、主として、例えば、読出し用傾斜磁場Ｇｒ、位相エンコード用傾斜磁場Ｇｅ、スライス用傾斜磁場Ｇｓとしてそれぞれ使用される。ホストコンピュータ１１はシーケンスコントローラ１０を駆動制御するとともに、受信器６で受信されるエコー信号としてのエコー信号を取り込んで所定の信号処理を施すことにより、被検体の断層像を生成し、表示部１２で表示する。
【００３５】
図２は第１実施形態の渦磁場計測を行うパルスシーケンスを示す。第１実施形態の渦磁場計測は、比較的小さいＮＭＲサンプルを渦磁場を計測したい領域に配置し、該サンプルに傾斜磁場プリパルスを印加した後、ＲＦパルスを印加して該サンプルを複数回励起し、ＦＩＤ信号を連続して収集する第１ステップと、その各励起時のＦＩＤ信号の位相の時間変化曲線を求める第２ステップと、その時間変化曲線から渦磁場の時定数と強度とを求める第３ステップとから構成され、図２に示したパルスシーケンスは第１ステップに関する。Ｇeddyが傾斜磁場プリパルス、ＡＤＣ１やＡＤＣ２が各ＦＩＤ信号のサンプリング期間である。図２では、ＦＩＤ信号の収集が２回であるが、より多くても良い。図２のeddyＬは長い時定数を持つ渦磁場、eddyＳは短い時定数を持つ渦磁場を表す。数ｍｓから数１０ｍｓ程度の時定数のeddyＳの時定数と強度は１回目のＦＩＤ信号収集期間ＡＤＣ１で収集されたＦＩＤ信号のみに基づいて計測可能である。それより長い時定数のeddyＬの時定数と強度は２回目以降のＦＩＤ信号収集ＡＤＣ２…ＡＤＣｎで収集されたＦＩＤ信号を組み合わせることにより計測可能である。
【００３６】
ｎ番目のＦＩＤ信号収集期間ＡＤＣｎのｋ番目のデータを収集した時刻をｔn,kとする。第２ステップでは、信号の位相を求め、ｔn,kに対してその位相をプロットすることで、位相の時間変化曲線が求められる。つづいて、第３ステップでは、この時間変化曲線を渦磁場の強度と時定数の関数に当てはめられる。サンプル位置ｒでの信号の位相は次のような式で表わされる。
【００３７】
φ（ｒ，ｔ）
＝γατLＧpre・ｒ（Exp（ｔa／τL）−Exp（ｔb／τL））
＊Exp（−ｔn／τL）（１−Exp（−（ｔn,k−ｔn）／τL））
ここで、τLとαは渦の時定数と強度、Ｇpreはプリパルス強度（ベクトル）、ｔaとｔbはプリパルスの印加開始時刻及び終了時刻、ｔnはｎ番目のＦＩＤを生成するためのＲＦパルス印加時刻、γは磁気回転比であり、プリパルスは矩形パルスであると仮定する。
【００３８】
ｎとｋの異なる複数のデータが収集されているので、上記の位相をデータに当てはめることで、渦磁場の時定数と強度を求めることができる。当てはめには最小二乗法等の既存の手法を用いることができる。プリパルスが矩形パルスではない場合は、上記の式を修正する必要があるが、これは当業者にとって容易である。
【００３９】
このように本実施形態によれば、傾斜磁場プリパルスＧeddyを印加する回数は１回だけで複数の信号を収集できるので、図１２に示した特公平３−４９４５３号公報に記載の方法（短時定数渦磁場eddyＳと長時定数渦磁場eddyＬの測定それぞれにプリパルスＧeddyを印加する）と比べ、計測が高速になる。従来技術の説明で、特公平３−４９４５３号公報に記載の方法の計測時間を２００ｓと見積もったが、本実施形態では２０ｓ（ＴＧ＝１０ｓ、Ｎ＝１、Ｍ＝２）となり、１０分の１に短縮することができる。この場合、特公平３−４９４５３号公報に記載の方法と同様に、本実施形態においてもＮＭＲサンプルの位置を変えて少なくとも２回計測する。通常、ＮＭＲサンプルを置く位置は、プリパルスの印加する方向に位相をシフトさせるように定める。この２回のうち１回は、ＮＭＲサンプルは磁場中心に配置しても構わない。
【００４０】
本実施形態のより良い変形例として、プリパルスの強度を変えて本実施形態の第１ステップと第２ステップを２回行ない、その２回の位相変化曲線の差分を取ってから第３ステップを実施する方法がある。これは、静磁場不均一性等による位相シフトがある場合にその影響を効果的に取り除くことができる。
【００４１】
以下、本発明による装置の他の実施形態を説明する。他の実施形態の説明において第１実施形態と同一部分は同一参照数字を付してその詳細な説明は省略する。
【００４２】
第２実施形態
第２実施形態のブロック図は第１実施形態のブロック図と同一であるので、図示は省略する。本実施形態の第１ステップに関するパルスシーケンスを図３に示す。第１実施形態と異なるのは、ＮＭＲ信号を出すサンプルとして、磁場中心を含むほぼ均一で大きな容積のファントムを使用する点と、ＦＩＤ信号を収集するためにファントムを励起する際に、ＲＦパルスの印加と同時にスライス選択傾斜磁場Ｇｓも印加するという点である。通常、傾斜磁場プリパルスＧeddyとスライス選択傾斜磁場Ｇｓは同一方向の傾斜磁場となるように設定する。そのため、この場合、プリパルスはスライス方向に印加する。なお、第１実施形態では、プリパルスの印加方向に制限はない。ＦＩＤ信号を連続して収集する第１ステップでは、常に同一のスライスの信号を収集する。本実施形態は、第１実施形態と比べて、ＮＭＲサンプルを移動させる手間が必要ないので、その分時間短縮が可能であるという利点がある。第１実施形態と異なり、励起の際にスライス傾斜磁場を印加するのは、大きなファントムを使用するため、励起断面位置を特定するためである。
【００４３】
本実施形態においても、第１実施形態の変形例のように、プリパルスの強度を変えて第１ステップを２回行うことで、静磁場不均一性や他のイメージング傾斜磁場パルスによる渦磁場等による位相シフトをキャンセルすることが可能である。ただし、撮影時間は２倍に延長する。
【００４４】
そこで、撮影時間を延長することなく、静磁場不均一性の影響を取り除くことが可能な本実施形態の他の２つの変形例を説明する。図４に示す変形例は、ＮＭＲ信号を発生させるＲＦパルスの搬送波周波数Ｃｆとプリパルスの強度を同一にしたまま、スライス傾斜磁場強度Ｇｓの異なる２つの収集データセットＡＤＣ１（＋）〜ＡＤＣｎ（＋）とＡＤＣ１（−）〜ＡＤＣｎ（−）との間で位相の差分を行う。図５に示す変形例は、スライス傾斜磁場強度とプリパルス強度を同一にしたまま、ＮＭＲ信号を発生させるＲＦパルスの搬送波周波数Ｃｆの異なる２つの収集データセットＡＤＣ１（＋）〜ＡＤＣｎ（＋）とＡＤＣ１（−）〜ＡＤＣｎ（−）との間で位相の差分を行う。図４と図５の変形例は、ともに２枚のスライスからＮＭＲ信号を取得していることに変わりがないが、スライスの励起の仕方が異なっている。この２つの変形例は励起されるスライス（２枚）の中で静磁場不均一性があまり差がない場合に限って有効であるが、撮影時間が延長しない利点がある。また、図５に示す変形例は、他のイメージング傾斜磁場パルスによる渦磁場による影響も取り除くことができる点で、図４の変形例よりも更に好ましい実施形態である。
【００４５】
第３実施形態
本発明の第３実施形態を説明する。本実施形態は、ファントム、ないし被検者そのものを計測したい渦磁場領域を含むように配置した上で、傾斜磁場プリパルスＧeddyを印加する第１ステップと、ファントム、ないし被検者の一部を励起し、位相エンコードパルスＧｅを印加する第２ステップと、ＮＭＲ信号を収集する第３ステップと、前記位相エンコードパルスＧｅ１、Ｇｅ２の強度を変化させながら第１ステップから第３ステップまでを複数回（ここでは、２回）繰り返す第４ステップと、それらのＮＭＲ信号から複数の画像（２枚の画像）を再構成する第５ステップと、その複数の画像の位相変化曲線を求める第６ステップと、その位相変化曲線から渦磁場の時定数と強度とを求める第７ステップとから構成される。本実施形態をＦＩＤ信号を使って空間２次元分布を計測するように構成した場合の第１〜第４ステップのパルスシーケンスを図６に示す。本実施形態を空間１次元、あるいは空間的３次元の計測用に変形することは容易に類推可能である。
【００４６】
第５〜第７ステップは、それぞれ公知な方法で実現可能である。例えば、第５ステップはケミカルシフトイメージングの再構成方法が適用でき、第６ステップ、第７ステップは第１実施形態の第２ステップ、第３ステップが適用できる。
【００４７】
本実施形態は、特開平４−１８９３４４号公報で開示された渦磁場空間分布計測法と似ているが、一つのプリパルスに対して複数のＮＭＲ信号を励起している点が異なる。これにより、計測時間の大幅な低減が可能である。例えば、第１実施形態と同様の渦磁場とプリパルスの場合、特開平４−１８９３４４号公報に記載の方法では、１６×１６のマトリクスの画像１枚あたり、計測時間はＴＧ（＝１０ｓ）×１６×１６×Ｎ（＝１０回：プリパルスあたりの励起回数）＝７．１時間もかかるのに対し、本実施形態では、Ｎ＝１であるので、その１０分の１の４３分で計測可能である。本実施形態でも、第１実施形態や第２実施形態と同様に、プリパルスの印加強度を変えて２回計測し、それぞれの位相変化曲線の差分を取った上で渦磁場の時定数と強度の空間分布を計測しても良い。
【００４８】
上記第１、第２および第３実施形態においてより良い改良は、傾斜磁場による横磁化のスポイラやＲＦスポイラを併用することである。これは、連続して励起する場合に、一つ以上前の励起によるＮＭＲ信号が混入することを防ぎ、ＦＩＤ信号の計測の精度を高める効果がある。同様な理由で、ＮＭＲサンプルの横緩和時間は励起間隔ＴＲ程度以下であることが望ましい。
【００４９】
以上述べたように、本発明の第１、第２、第３実施形態によれば、時定数が数ｍｓから数ｓの広範囲に渡る渦磁場の時定数と強度を従来に比べてより高速に、しかも精度よく計測することが可能となる。
【００５０】
第４実施形態
次に、渦磁場計測・補償における第２の問題であるカップリング渦を高精度に計測し、補償する実施形態について説明する。本発明の第４実施形態は、カップリング渦を計測する第１ステップ、カップリング渦の強度・時定数を反映したカップリング波形を生成する第２ステップ、通常の渦磁場補償波形を生成する第３ステップ、カップリング波形と渦補償波形とを加算し出力する第４ステップとから構成される。図７は第１ステップと第２ステップにおける処理の流れを示した流れ図である。図７において、本発明の第１、第２、第３実施形態や公知の渦磁場計測法を用いて、第１の軸（ここでは、ｘ軸とする）方向のプリパルスを印加し（ステップＳ２）、ｘ軸方向の渦磁場を計測する（ステップＳ４）。渦磁場の時定数と強度を求めてから、傾斜磁場コイルの伝達関数を考慮してｘコイルの渦補償器Ｅｘのパラメータを設定することで、ｘコイルの渦補償が行われる（ステップＳ６）。パラメータは傾斜磁場波形入力に対する磁場のインパルス応答（以下、Ｈ（ｓ）と称する）を次のように修正する。つまり、渦磁場補償前のインパルス応答がｆ（ｓ）であった場合、渦補償器ＥｘのパラメータはＨ（ｓ）＝ｆ（ｓ）・（１／ｆ（ｓ））＝１となるように決定される。具体的な実現方法は前述の特公平３−４９４５３号に記載されている方法を使うことができる。続いて、第１の軸方向（ｘ軸方向）に直交する第２の軸（ここでは、ｙ軸とする）方向のプリパルスを印加し（ステップＳ８）、同様にｘ軸方向の渦磁場を計測する（ステップＳ１０）。この渦磁場がカップリング渦であり、この時定数と強度を反映したパラメータをカップリング渦補償器Ｅｙｘに設定する（ステップＳ１２）。最後に、補償器Ｅｘ、Ｅｙｘの波形出力を加算し、傾斜磁場アンプの入力とすることで、渦補償された所望の磁場波形（ｘ方向）が実現される。
【００５１】
図８に、一例として、ｘコイルとｙコイルとの間にカップリング渦が存在し、ｘコイルのみを駆動する場合に、傾斜磁場の波形信号や磁場がどのように変更されるかを示す。シーケンスコントローラは、矩形状のｘ傾斜磁場パルスを実現するために、８−１に示すようなｘコイル波形出力を生成する。ｘコイルの渦補償器Ｅｘは、ｘコイルの渦磁場を補償するように、８−３に示すような波形を生成する。また、カップリング補償器Ｅｘｙは７−４に示すようなカップリング渦を補償する波形を生成する。一方、ｙコイルの波形出力は８−２に示すようにゼロであるので、８−６に示す渦補償器Ｅｙの出力信号や、８−５に示すカップリング補償器Ｅｙｘの出力信号もゼロのままである。補償器Ｅｘ、Ｅｙｘの出力信号が加算されてｘコイルの傾斜磁場アンプに入力されると、８−７に示すように、ｘ傾斜磁場波形が渦補償前の歪んだ波形（破線）からから矩形状パルス（実線）に整形される。同時に、８−８に示すようにｙ方向の傾斜磁場波形は補償前の渦波形（破線）がキャンセルされてゼロ（実線）となる。
【００５２】
図９は上記のような通常の渦とカップリング渦の両方の補償を実現する構成を示す。渦補償器Ｅｘ、Ｅｙ、Ｅｚ、およびカップリング渦補償器Ｅｘｙ、Ｅｙｘ、Ｅｘｚ、Ｅｚｘ、Ｅｙｚ、Ｅｚｙは微分回路のようなアナログ回路やディジタルフィルタのようなディジタル回路、あるいはソフトウェアにより構成される。このような回路構成は、公知の回路（例えば、特開平６−８６７６６号公報）を利用しても実現可能である。
【００５３】
図１０は本実施形態の別の構成を示す。図９と異なるのは、カップリング渦補償器の出力信号にコントローラからの波形出力を加算した後に渦補償器に入力されるという点である。このように構成する場合、カップリング渦磁場波形の時定数と強度をそのままカップリング渦補償器に設定することができる。一方、図９の場合は、各傾斜磁場コイル系の伝達関数を考慮して、時定数と強度を変換した後、設定することが必要である。
【００５４】
本実施形態の変形例として、カップリング渦を計測する第１ステップを空間２次元の渦磁場計測法に置き換えて実現することも可能である。図１１はこの場合の処理の流れを示したもので、第１の軸（ここでは、ｘ軸とする）方向のプリパルスを印加し（ステップＳ２２）、第１の軸とそれに直交する第２の軸（ここでは、ｙ軸とする）で定義される平面（ｘｙ平面）内の渦磁場を計測する（ステップＳ２４）。渦磁場の時定数と強度に応じて、ｘコイルの渦補償器Ｅｘのパラメータ（ステップＳ２６）と、カップリング渦補償器Ｅｙｘのパラメータを設定する（ステップＳ２８）。
【００５５】
本実施形態では、渦磁場の計測結果（時定数と強度）から、各傾斜磁場コイル系の伝達関数を考慮して渦補償器の回路定数やパラメータを求める段階が含まれている。この伝達関数をあらかじめ求めておいて、計算により回路定数やフィルタ係数を求めてもよい。また、伝達関数を求めることはせず、回路定数やフィルタ係数を何度か変えて実際の渦磁場を計測し、既存の最適化手法等により渦磁場がゼロとなる回路定数やフィルタ係数を求めても良い。
【００５６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明により、時定数の広い範囲の渦磁場に対して強度と時定数の空間分布を高精度・高速に計測することが可能になる。また、カップリング渦の計測、および補償が実現でき、渦電流による画質低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による磁気共鳴イメージング装置の第１実施形態の第１実施形態の構成を示すブロック図。
【図２】本発明の第１実施形態のパルスシーケンスを示す図。
【図３】本発明の第２実施形態のパルスシーケンスを示す図。
【図４】第２実施形態の第１の変形例のパルスシーケンスを示す図。
【図５】第２実施形態の第２の変形例のパルスシーケンスを示す図。
【図６】本発明の第３実施形態のパルスシーケンスを示す図。
【図７】本発明の第４実施形態における渦磁場計測、および渦補償器のパラメータ設定の流れを示す図。
【図８】第４実施形態における波形信号と磁場波形の関係を示す図。
【図９】第４実施形態の構成例を示す図。
【図１０】第４実施形態の他の構成例を示す図。
【図１１】第４実施形態の変形例における処理の流れを示す図。
【図１２】従来技術のパルスシーケンスを示す図。
【図１３】図１２のＦＩＤ収集期間と位相シフトの時定数の関係を示す図。
【図１４】他の従来技術のパルスシーケンスを示す図。
【符号の説明】
１…静磁場磁石
２…ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸傾斜磁場コイル
３…送受信コイル
４…静磁場制御装置
５…受信器
６…送信器
７…ｘ軸傾斜磁場アンプ
８…ｙ軸傾斜磁場アンプ
９…ｚ軸傾斜磁場アンプ
１０…シーケンスコントローラ
１１…ホストコンピュータ
１２…表示部
Claims (4)
- 撮影空間に配置されたファントムに静磁場を印加するとともに、パルス状の傾斜磁場を１回印加した後、スライス選択傾斜磁場を印加して少なくとも２つのスライスを選択し、前記パルス状の傾斜磁場の１回の印加に対して該ファントムを複数回励起することにより、前記パルス状の傾斜磁場を複数回印加することなく各励起による信号を収集する手段と、
前記パルス状の傾斜磁場の強度を変えて上記の信号収集計測を少なくとも２回行い、該少なくとも２つの収集信号セットの位相の時間変化曲線の差分から渦磁場の時定数と強度とを求める手段と、
を具備することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。 - 撮影空間に配置されたファントムに静磁場を印加するとともに、パルス状の傾斜磁場を１回印加した後、スライス選択傾斜磁場を印加して少なくとも２つのスライスを選択し、前記パルス状の傾斜磁場の１回の印加に対して該ファントムを複数回励起することにより、前記パルス状の傾斜磁場を複数回印加することなく各励起による信号を収集する手段と、
前記パルス状の傾斜磁場の強度と前記スライス選択傾斜磁場の強度は変えずに、前記ファントムの励起に使われる高周波パルスの搬送周波数を変えて上記の信号収集計測を少なくとも２回行い、該少なくとも２つの収集信号セットの位相の時間変化曲線の差分から渦磁場の時定数と強度とを求める手段と、
を具備することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。 - 撮影空間に配置されたファントムに静磁場を印加するとともに、パルス状の傾斜磁場を１回印加した後、スライス選択傾斜磁場を印加して少なくとも２つのスライスを選択し、前記パルス状の傾斜磁場の１回の印加に対して該ファントムを複数回励起することにより、前記パルス状の傾斜磁場を複数回印加することなく各励起による信号を収集する手段と、
前記パルス状の傾斜磁場の強度と前記ファントムの励起に使われる高周波パルスの搬送周波数は変えずに、前記スライス選択傾斜磁場の強度を変えて上記の信号収集計測を少なくとも２回行い、該少なくとも２つの収集信号セットの位相の時間変化曲線の差分から渦磁場の時定数と強度とを求める手段と、
を具備することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。 - 前記ファントムの励起後、位相エンコード傾斜磁場を印加して各励起による信号収集を、位相エンコード量を変えて繰返し、収集した信号の位相の時間変化曲線の差分から渦磁場の時定数と強度を求める手段をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の磁気共鳴イメージング装置。
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