JP4128663B2

JP4128663B2 - 磁気共鳴による拡散検出装置

Info

Publication number: JP4128663B2
Application number: JP23151198A
Authority: JP
Inventors: ハイトオリファー
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-08-19
Filing date: 1998-08-18
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2018-08-18
Also published as: DE19834698C2; JPH11128205A; DE19834698A1; US6265872B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気共鳴（短縮してＭＲ）による拡散検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Stejskal/Tanner によりThe Journal of Chemical Physics 、第４２巻、第１号、第２８８〜２９２頁、１９６５年１月１日に、スピンエコー法により１８０°高周波パルスの前および後の等極性の勾配パルスと結び付けて拡散測定を実行することが提案された。核共鳴信号を拡散に対して敏感にするこのような勾配パルスは以下では短縮して“拡散勾配”と呼ばれる。最初の提案の際にはＭＲ実験の際にまだ位置分解は実行されなかった。後にStejskal/Tanner による方法は撮像ＭＲと結び付けても応用された。すなわちStejskal/Tanner による拡散勾配に追加して、得られた核共鳴信号の位置コーディングをするための勾配もスイッチオンされた。しかし、これまでに知られているパルスシーケンスの際には拡散勾配の応用はしばしば撮像に関する問題に通じた。たとえば、いわゆるエコープレーナー法（ＲＰＩ）の際に像の高さの１０％のオーダーの歪みが生ずる。脂肪飽和の作用が強く損なわれる。
【０００３】
ＭＲＩの将来方向に関するＳＭＲワークショップ、１９９０年６月７〜８日、Bethesda/MD におけるD.FeinbergおよびP.Jakob の論文“Microcirculation and diffusion studies in humans using FT velocity distribution, line scans and echo planar imaging ”から拡散測定のためのパルスシーケンスとして、１つの９０°励起パルスに２つの１８０°再焦点合わせパルスが続くパルスシーケンスは知られている。実施例では９０°励起パルスと第１の１８０°再焦点合わせパルスとの間に第１の勾配パルスが、両１８０°再焦点合わせパルスの間に双極性の勾配パルスが、また第２の１８０°再焦点合わせパルスと読出し時間窓との間に別の勾配パルスがスイッチされる。勾配パルスは拡散への敏感さを生じさせるようにディメンジョニングをされている。考察されているすべての勾配パルスにわたる勾配‐時間積分は零であり、それゆえ静止しているスピンはデフェージング（Dephasierung) されない。
【０００４】
しかし、このパルスシーケンスにおいては、１８０°再焦点合わせパルスにより刺激されたエコーが発生され、それらが他のエコーと重畳して像アーティファクトを生ずるという問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の課題は、拡散測定を有するＭＲパルスシーケンスを、撮像の擾乱が避けられるように構成することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この課題は、本発明によれば、請求項１の特徴により解決される。勾配‐時間積分のこの相違により、読出し時間窓内でリフェージング（Rephasierung) 条件がもはや満足されておらず、従ってこれらが擾乱となるような仕方でＭＲ信号に影響しないことが達成される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図１〜１４により一層詳細に説明する。
【０００８】
図１〜４による従来の拡散実験の際には最初に図４による層選択勾配ＧＳの作用のもとに９０°高周波パルスＲＦ１が照射される。それによって、公知の仕方で核スピンが検査対象の層内に励起される。その後に拡散勾配ＧＤの第１の正の部分パルスＧＤ１が続き、その際にこれはこの例では読出し勾配ＧＲの方向に位置している。さらに層選択勾配ＧＳの負の部分パルスにより、正の部分パルスにより生ぜしめられたデフェージングが再びリセットされる。すぐ次の時間間隔で１８０°高周波パルスＲＦ２が続き、この高周波パルスＲＦ２は第１の高周波パルスＲＦ１により励起された核スピンを再焦点合わせし、こうして取得窓ＡＱ内にスピンエコーが生ずる。取得窓ＡＱの前に、第１の部分パルスＧＤ１と同一の極性を有する拡散勾配ＧＤの第２の部分パルスＧＤ２もスイッチされる。さらに位相コーディング方向の位置分解のために取得窓ＡＱの前に位相コーディング勾配がスイッチされる。読出し勾配の周波数コーディングのために取得窓ＡＱの前に負のプリフェージング（Vorphasierung)パルスＧＲーが読出し方向にスイッチされ、また取得窓の間は読出し勾配ＧＲがスイッチオンされている。公知の仕方で核共鳴信号は取得窓ＡＱの間に走査され、ディジタル化され、また位相ファクタに従って並べられて生データマトリックスの行に書き入れられる。実験は、Ｋ空間全体が覆われるまで、相い異なる位相コーディング勾配ＧＰによりＮ回繰り返される。こうして得られたマトリックスから二次元のフーリエ変換により像が得られる。これはＭＲ撮像に一般的に用いられている再構成方法であるから、ここではこの方法にこれ以上に詳細には立ち入らない。
【０００９】
得られた核共鳴信号は拡散勾配ＧＤに基づいてスピン密度の空間的な分布に関する情報だけでなく、スピンの拡散に関する情報をも含んでいる。拡散勾配に対しては次の特徴が必要である。
−静止しているスピンに対する勾配積分は、リフェージング条件が満足されるようにするために、核共鳴信号の読出し時点で０でなければならない。
−拡散感度が存在していなければならない。
【００１０】
第１の条件は、Stejskal/Tanner による実験の際には、拡散勾配ＧＤの第２の部分パルスＧＤ２が１８０°高周波パルスＲＦ２により反転されたスピンポピュレーションに基づいて核スピンの位相に関して拡散勾配ＧＤの第１の部分パルスＧＤ１と反対に作用することにより満足される。部分パルスＧＤ１およびＧＤ２の面積は等しい。
【００１１】
それによって静止しているスピンに対する勾配時間積分は核共鳴信号の読出し時点で０である。
【００１２】
一般的に言って、核共鳴信号の読出し時点Ｔでのリフェージング条件は下式で表される：
【数１】

ここでｖ（τ）は下記のように定義されている：
−そのつどの積分間隔内の核共鳴信号がＦＩＤ（Free Induction Decay）信号である場合、または励起の後に偶数の１８０°パルスが生じた場合、ｖ＝１。この条件は結局、核共鳴信号が反転されていないことを示す。
−そのつどの積分間隔内の核共鳴信号が励起後の奇数の１８０°パルスにより反転された場合、ｖ＝−１。
−そのつどの積分間隔内の核共鳴信号がまさに刺激されたエコーである場合、ｖ＝０。すなわち、この場合ｋ空間軌道は勾配により影響されない。
【００１３】
上記のリフェージング条件はすべての空間方向に対して成り立たなければならず、その際に読出し間隔内の核共鳴信号には位置コーディングのための位相応答のみが強い影響を残している。
【００１４】
上記のリフェージング条件は静止しているスピンに対してのみ成り立つ。運動しているスピン（この意味で拡散も運動として理解すべきものとする）は位相応答とそのつどの勾配との間の他の関係の影響下にある。拡散測定または拡散重み付けられたＭＲ像に対しては相応にスイッチされた（たとえばStejskal/Tanner による）勾配により、拡散が静止している材料にくらべてのＭＲ信号を減衰させることが達成される。ＭＲシーケンスのこの信号減衰を決定する拡散感度はその拡散重み付けテンソルｂにより与えられている：
【数２】

【００１５】
その際にテンソル要素は下記のように定義されている：
【数３】

【００１６】
ここでも位相展開は再び上記で定義された量ｖ（τ）に関係する。
【００１７】
知られているように、材料に関係する拡散は拡散テンソルＤの形式で下記のように定義される：
【数４】

ここでＤ_ijはそのつどの方向の平均的な二乗の通過距離／ｓを代表している。
【００１８】
材料に関係する拡散テンソルＤおよびＭＲパルスシーケンスに関係する拡散重み付けテンソルｂに基づいてＭＲ実験の際の拡散に基づく信号減衰が下記のように得られる：
【数５】

拡散重み付け有りおよび無しで得られた信号振幅の比較により十分な数の測定の後に拡散、一層正確に言うと試料内の拡散テンソルＤを決定することができる。定性的には拡散を信号減衰に基づいて得られるコントラスト挙動によっても検出することができる。
【００１９】
説明されたStejskal/Tanner によるパルスシーケンスにより高い拡散敏感度を達成することができるが、撮像の際に冒頭にあげた問題が生ずる。これらの問題は渦電流に起因することが見い出された。渦電流はスイッチされた勾配によって、ＭＲシステムの勾配コイルに隣接している伝導性部分内に誘導作用により生ずる。超伝導磁石の場合にはたとえば渦電流は主としてタンク内および磁石のクライオシールド内に誘導作用により生ずる。特に勾配パルスの継続時間のオーダーおよびそれ以上の半値時間を有する渦電流は拡散測定の際に磁界の基本成分Ｂ₀のシフトにより、また磁界の不均一性により擾乱を生ずると認められる。強い像歪みはたとえば、読出しシーケンスとしてエコープレーナーシーケンスを使用する場合に生ずる。脂肪飽和パルスも特に敏感に基本磁界の擾乱に反応する。なぜならば、これらは非常に狭い帯域幅を有し、それによって基本磁界のシフトに関して特に敏感であるからである。
【００２０】
Ｂ₀磁界の局部的なシフトは線形の非時変性の渦電流挙動を仮定すると勾配Ｇの時間的導関数Ｇドットの畳込みにより表され得る。
【数６】

【００２１】
畳込みの第２項Ｈは次の多重指数関数モデルにより近似される。
【数７】

ここでλ_iは勾配により惹起される渦電流の種々の対数デクレメントを代表している。すなわち勾配により相い異なる半値符号を有する相い異なる強さの渦電流が惹起される。
【００２２】
渦電流効果は、核共鳴信号の読出し時点ＴでＢ０シフトが消滅するならば、または核共鳴信号のｋ空間軌道の間に増される位相が０であるならば、見ることができない。
【数８】

または
【数９】

その際に、式８が優位に立つか式９が優位に立つかは核共鳴信号の読出し位相内のそれぞれ応用されるパルスシーケンスに関係する。
【００２３】
式８および９による条件はStejskal/Tanner によるパルスシーケンスの場合には、拡散勾配が符号を全く交替しないので、満足されない。
【００２４】
しかし、式８および／または９による条件および同時に式１によるリフェージング条件は、双極性の勾配パルスを使用するときに満足すべきであることが認識された。その際に勾配パルス列の部分パルスにより誘導作用により生ずる渦電流はそれぞれ反転された極性を有する後続の部分パルスにより広範囲に補償される。
【００２５】
図５〜９には本発明の実施例として、この条件が満足されているパルスシーケンスが示されている。この場合、拡散勾配ＧＤは交替する極性の４つの部分パルスＧＤ１ないしＧＤ４から成っている。パルスシーケンスは通常のように層選択する９０°高周波パルスＲＦ１で開始し、その後に拡散勾配ＧＤの第１の部分パルスＧＤ１ならびに第１の１８０°高周波パルスＲＦ２が続き、それによりスピンが反転される。さらにその後に拡散勾配ＧＤの負の部分パルスＧＤ２および正の部分パルスＧＤ３が続く。最後にスピンは別の１８０°高周波パルスＲＦ２によりもう一回反転され、その後に拡散勾配ＧＤの負の部分パルスＧＤ４が続く。その後に、図１〜４による実施例の際のように、読出しシーケンスが続く。その際に強調すべきこととして、ここでは任意の読出しシーケンス、たとえばＥＰ１シーケンスも応用され得る。
【００２６】
示されているパルスシーケンスは拡散に関してStejskal/Tanner によるシーケンスとほぼ同じ感度を示している。しかし、渦電流挙動ははるかに望ましい。なぜならば、拡散勾配ＧＤの部分パルスＧＤ１〜ＧＤ３により励起された渦電流がそれに続く反対の極性の部分パルスＧＤ２〜ＧＤ４により広範囲に補償されるからである。その際に注意を喚起すべきこととして、１８０°高周波パルスＲＦ１およびＲＦ２は確かに核スピンに逆向きに作用するが、渦電流に関しては影響を有していない。
【００２７】
図５〜９によるシーケンスにより式８および／または９による条件だけでなく、式１によるリフェージング条件も満足し得る。高周波パルスＲＦ２およびＲＦ３の逆向きの作用も考慮に入れて、リフェージング条件は、部分勾配ＧＤ１およびＧＤ２の勾配面積が部分勾配ＧＤ３およびＧＤ４の勾配面積に等しい場合に満足される。冒頭にあげたFeinbergおよびJakob の論文にも既に双極性パルスを有する拡散重み付けされたパルスシーケンスが提案された。しかしながら、そこでは渦電流の問題への注意喚起はされていない。さらに、そこに説明されているシーケンスには、再焦点合わせパルスにより先に励起されたスピンがリフェーズするだけでなく、それ自体も再び励起パルスとして作用し、さらに刺激されたエコーを惹起するという問題がある。条件１および８および／または９を満足するための部分パルスＧＤ１〜ＧＤ４の長さおよび振幅のディメンジョニングの際になおそれ以上の自由度が得られる。これらは本発明により、読出し時間窓ＡＱの間に本来望まれるスピンエコーへのＦＩＤ信号および刺激されたエコーの重畳を避けるために利用される。勾配パルスＧＤ１〜ＧＤ４のディメンジョニングは、エコー時点Ｔでリフェージング条件がスピンエコーに対してのみ満足され、ＦＩＤ信号および刺激されたエコーに対しては満足されないように行われる。このことは、具体的な実施例では、勾配パルスＧＤ１ないしＧＤ４の面積または勾配‐時間積分が等しくてはならないことを意味する。実施例ではたとえば最初の両勾配パルスＧＤ１およびＧＤ２は＋２５％または−２５％の面積を有し、第３の勾配パルスＧＤ３は３０％の面積を有し、第４の勾配パルスＧＤ４は−２０％の面積を有する。その際に１００％は拡散重み付けのために有効な面積全体を代表する。図５ないし９の考察からわかるように、それによって読出し時間窓ＡＱ内で、第１の高周波パルスＲＥ１により励起されたスピンに対するリフェージング条件が、そのスピンが静止しているスピンであるかぎり、満足されている。しかしＦＩＤ信号と、後続の再焦点合わせパルスＲＦ２およびＲＦ３に惹起される刺激されたエコーとは読出し時間窓ＡＱ内でデフェーズされている。なぜならば、これらの信号に対する読出し方向Ｇ_Rの勾配‐時間積分が零に等しくないからである。それによってこれらの信号は読出し時間窓ＡＱ内で測定された信号に影響せず、従って像アーティファクトが避けられる。個々の勾配パルスの勾配‐時間積分は相い異なる継続時間または相い異なる振幅に基づいて相違し得る。しかし拡散勾配に対しては典型的にいずれにせよ最大限に可能な勾配振幅が使用されるので、継続時間が変更されると好ましい。図７にはパルスシーケンスに対する相応のタイミングが示されており、その際に個々の位相の継続時間はたとえば２５ｍｓ、５５ｍｓおよび２０ｍｓである。短い高周波パルスおよび勾配ランプの仮定のもとに取得窓の中心（典型的にｋ空間のコントラストを決定する中央の部分に相当する）は望ましい時点に、すなわち１０ｍｓまたは勾配パルス列の継続時間全体の１０％だけ最後の勾配パルスＧＤ４の後に位置している。
【００２８】
図５〜９に示されているパルスシーケンスに対する典型的な渦電流挙動は図１４に示されている。その際に横軸には渦電流の半値時間とパルス長さとの比が、また縦軸には渦電流成分の誤り経過が％で示されている。ここで１００％は最後の個別パルスの誤りを代表する。認識されるように、全継続時間の１．４１４％の半値時間を有する渦電流は完全に消去されている。より短い半値時間を有する渦電流は最後の勾配パルスと等しい符号を有する誤りを生じ、より長い渦電流‐半値時間は渦電流誤りを反対向きにする。長い渦電流‐半値時間の場合誤りは再び零に向かう。いま、特にコントラストを決定する中央のｋ空間行が渦電流によりほぼ影響されずにとどまるようにタイミングを選ぶことができる。誤りが特に大きくなる極端に短い渦電流‐半値時間は実際にはいずれにしてもほとんど擾乱を生じない。なぜならば、測定は拡散重み付けされた勾配パルスの最後のエッジの直後では開始しないからである。
【００２９】
図１０〜１３によるパルスシーケンスにより渦電流補償がさらに改善される。なぜならば、この場合には２つの渦電流‐半値時間に対する完全な補償が達成され、その際に長い渦電流‐半値時間に対する誤りが同じく再び零に向かうからである。このパルスシーケンスは図１０に相応して同じく９０°高周波パルスＲＦ１により開始するが、それにこの場合には４つの１８０°再焦点合わせパルスＲＦ２ないしＲＦ５が続く。すべての高周波パルスＲＦ１ないしＲＦ５は図１３による層選択勾配ＧＳの作用のもとに層選択性である。拡散敏感度を生じさせる勾配パルスは下記のように分配される。
−正の勾配パルスＧＤ１が高周波パルスＲＦ１とＲＦ２との間に、
−負の勾配パルスＧＤ２が高周波パルスＲＦ２とＲＦ３との間に、
−反対向きの符号の２つの勾配パルスＧＤ３およびＧＤ４が、正の勾配パルスＧＤ３で開始して、高周波パルスＲＦ３とＲＦ４との間に、
−正の勾配パルスＧＤ５が高周波パルスＲＦ４とＲＦ５との間に、最後に
−負の勾配パルスＧＤ６が高周波パルスＲＦ５と読出し時間窓ＡＱとの間に分配される。
【００３０】
通常のように核スピンは読出し時間窓ＡＱの前で位相コード化パルスＧｐにより位相コード化される。読出し時間窓ＡＱの間に読出し勾配ＧＲがスイッチされている。
【００３１】
図５〜９によるパルスシーケンスの際のように、ここでも読出し時点で静止しているスピンに対するリフェージング条件が満足されていなければならない。すなわち、すべての勾配‐時間積分が零でなければならない。さらに、ここでも個々の勾配パルスＧＤ１ないしＧＤ６の相い異なる勾配‐時間面積により刺激されたエコーはデフェーズされる。
【００３２】
強調すべきこととして、本発明は準備位相の形式の拡散重み付けのみに関する、すなわち読出し位相に対しては任意の知られているシーケンス、たとえば前記のＥＰＩシーケンスが使用され得る。本発明の基本思想は、渦電流効果を補償するために、交互の符号の勾配パルスを使用することにある。個々の勾配パルスの間に位置している１８０°パルスにより、生じている核スピン信号をスピンエコーとして読出しまたそれが拡散感度として定義されることが達成される。勾配パルスの相い異なる勾配‐時間面積により、刺激されたエコーはデフェーズされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】問題設定を説明するためにStejskal/Tanner による従来の拡散勾配を有するパルスシーケンス図。
【図２】問題設定を説明するためにStejskal/Tanner による従来の拡散勾配を有するパルスシーケンス図。
【図３】問題設定を説明するためにStejskal/Tanner による従来の拡散勾配を有するパルスシーケンス図。
【図４】問題設定を説明するためにStejskal/Tanner による従来の拡散勾配を有するパルスシーケンス図。
【図５】本発明による双極性の拡散勾配を有するパルスシーケンス図。
【図６】本発明による双極性の拡散勾配を有するパルスシーケンス図。
【図７】本発明による双極性の拡散勾配を有するパルスシーケンス図。
【図８】本発明による双極性の拡散勾配を有するパルスシーケンス図。
【図９】本発明による双極性の拡散勾配を有するパルスシーケンス図。
【図１０】本発明による双極性の拡散勾配を有するパルスシーケンス図。
【図１１】本発明による双極性の拡散勾配を有するパルスシーケンス図。
【図１２】本発明による双極性の拡散勾配を有するパルスシーケンス図。
【図１３】本発明による双極性の拡散勾配を有するパルスシーケンス図。
【図１４】渦電流成分の誤り経過を示す概略図。
【符号の説明】
ＡＱ読出し時間窓
ＧＤ拡散勾配
ＧＤ１〜ＧＤ６拡散勾配の部分パルス
ＧＰ層コーディング勾配
ＧＲ読出し勾配
ＧＳ層選択勾配
ＲＦ１〜ＲＦ５高周波パルス

Claims

第１の高周波パルス（ＲＦ１）による核共鳴信号の励起および少なくとも２つの別の高周波パルス（ＲＦ２、ＲＦ３）による再焦点合わせにより読出し時間窓（ＡＱ）内でスピンエコー信号を得る手段、
高周波パルス（ＲＦ１〜ＲＦ３）の間および読出し窓（ＡＱ）の前で勾配パルス（ＧＤ１〜ＧＤ４）をスイッチする手段
を備え、これらの勾配パルス（ＧＤ１〜ＧＤ４）の極性が勾配パルスから勾配パルスへ交替し、励起から読出し窓（ＡＱ）までの逆向きの少なくとも２つの別の高周波パルス（ＲＦ２、ＲＦ３）を考慮した勾配‐時間積分が零である磁気共鳴による拡散検出装置において、
少なくとも２つの勾配パルス（ＧＤ１〜ＧＤ４）の勾配‐時間積分が相い異なっていることを特徴とする磁気共鳴による拡散検出装置。
第１の高周波パルス（ＲＦ１）と第２の高周波パルス（ＲＦ２）との間に第１の極性の勾配パルス（ＧＤ１）がスイッチされ、第２の高周波パルス（ＲＦ２）と第３の高周波パルス（ＲＦ３）との間に第１の極性と反対の極性で開始して相い異なる極性の２つの勾配パルス（ＧＤ２、ＧＤ３）がスイッチされ、第３の高周波パルス（ＲＦ３）と読出し窓（ＡＱ）との間に第１の極性の別の勾配パルス（ＧＤ４）がスイッチされることを特徴とする請求項１記載の拡散検出装置。
スピンエコー信号が読出し時間窓（ＡＱ）の前の位相コーダー勾配（ＧＰ）および読出し時間窓（ＡＱ）の間の読出し勾配（ＧＲ）により位置コード化されることを特徴とする請求項１または２記載の拡散検出装置。