JPH0230254B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、核磁気共鳴（Nuclear Magnetic
Resonance；以下これをNMRと呼ぶ）現像を利
用して、被検体内における特定原子核分布等を外
部より知るようにしたNMRイメージング装置に
関し、特にNMR信号（FID；Free Inducation
Decay）をフーリエ変換してこれをプロジエクシ
ヨンデータとして利用するフーリエ変換方式の
NMRイメージング装置の改良に関する。

NMR手法を用いて特定原子核に注目した被検
体の断層像を得るNMRイメージング装置は従来
から知られている。このNMRイメージング装置
の原理の概要をまず簡単に説明する。

水素等の特定の物質に対し、ｚ軸方向の静磁場
Hoを印加すると、その原子核はｚ軸のまわりを
次式で示すような角速度ωで歳差運動する。

ω＝γHo（ラーモア角速度） 但し、γ：磁気回転比 この状態の系に角速度ωに対応する周波数の電
磁波（通常ラジオ波：RF信号）を印加すると共
鳴がおこり、原子核はスピン量子数によつて定ま
つたエネルギー準位の高い方のエネルギー準位に
遷移する。該スピン角運動量を持つ原子核が数種
類混在していても、各原子核によつて磁気回転比
γが異なるため、共鳴する周波数が異なり、従つ
て特定の原子核の共鳴のみを取り出すことが可能
である。又、その共鳴の強さを測定すれば、原子
核の存在量も知ることができる。又、共鳴後、緩
和時間と呼ばれる時定数で定まる時間の間に、高
い準位へ励起された原子核は低い準位へ戻る。こ
の緩和時間の内、特にT₁と呼ばれるスピン―格
子間緩和時間は、各化合物の結合の仕方に依存し
ている時定数であり、正常組織と悪性腫瘍とで
は、値が大きく異なることが知られている。

そこで、このNMRを利用し、Ｘ線CTと同様
な原理で、被検体の仮想輪切り部分のプロトンを
励起し、各プロジエクシヨンの対応するNMR信
号を、被検体の数多くの方向について求め、被検
体の各位置におけるNMR信号強度を再構成法に
よつて求めれば、特定原子核に着目した被検体の
断層像を得ることができる。

第１図はこのような従来装置における検査手法
の一例を説明するための波形図である。被検体
に、はじめに第１図ロに示すようにｚ勾配磁場
Gz⁺と、イに示すように細い周波数スペクトル(f)
のRFパルス（90゜パルス）を印加する。この場
合、ラーモア角速度ω＝γ（Ho＋△Gz）となる
面だけのプロトンが励起され、磁化Ｍを第２図イ
に示すようなωで回転する回転座標系上に示せ
ば、y′軸方向に90゜向きを変えたものとなる。続
いて、第１図ハ，ニに示すようにｘ勾配磁場Gx
とｙ勾配磁場Gyを加え、これによつて２次元勾
配磁場を作り、ホに示すようにNMR信号を検出
する。ここで、磁化Ｍは第２図ロに示すように、
磁場の不均一性によつて、x′，y′面内で矢印方向
に次第に分散していくので、やがてNMR信号は
減少し、第１図ホに示すようにτ時間経過して無
くなる。このようにして得られたNMR信号をフ
ーリエ変換すれば、ｘ勾配磁場Gx，ｙ勾配磁場
Gyにより合成された勾配磁場と直角方向のプロ
ジエクシヨンとなる。

以下、同じようにして、所定の時間τ′だけ待つ
て、次のシーケンスを繰り返す。各シーケンスに
おいては、Gx，Gyを少しずつ変える。これによ
つて、各プロジエクシヨンに対応するNMR信号
を被検体の数多くの方向について求めることがで
きる。

ところで、従来のフーリエ変換方式のNMRイ
メージング装置では、上述のようなFID信号その
ものをフーリエ変換の対象としているが、この
FID信号はその名のとおり減衰していくもので、
エンベロープとしては指数関数的である。従つ
て、必然的にダイナミツクレンジは大きく、又そ
れ故にフリーエ変換に付すにあたつてはデータ語
の分解能を大きくとること、具体的には、NMR
信号をAD変換するAD変換手段の有効ビツト数
を多くすることを必要とし、更にそのような処理
を通して結果に寄与するのはもともと振幅の大な
る部分だけであり、振幅の小さい尻尾の部分の寄
与率は加速度的に低下している。従つて、従来装
置では、とれるべき情報を十分にとつておらず、
時間効率が悪いということになる。

本発明は、このような点に鑑みてなされたもの
で、その目的は、FID信号の利用できる品質をも
つた区間はすべて利用し、もつてイメージングの
時間を短縮し得るNMRイメージング装置を提供
することにある。

この目的を達成する本発明は、被検体に一様静
磁場を与えると共に被検体に該磁気共鳴を誘起さ
せる周波数の電磁波を印加し、更に前記被検体に
この被検体からの核磁気共鳴信号の放射部分を持
定するための磁場を与え、前記被検体の特定部分
からの核磁気共鳴信号を用いて所望の像を得る核
磁気共鳴イメージング装置において、核磁気共鳴
信号を増幅する増幅回路のゲインを振幅の減衰に
応じて増加させ、核磁気共鳴信号にレベル均一化
処理を施すレベル均一化処理手段と、該手段によ
りレベル均一化された核磁気共鳴信号をAD変換
する第１のAD変換手段と、前記レベル均一化手
段でのレベル均一化の際の前記増幅回路のゲイン
制御電圧に対応するデイジタル信号を得る第２の
AD変換手段と、前記第１及び第２のAD変換手
段の出力データを受け、前記第２のAD変換手段
の出力データから前記第１のAD変換手段の出力
データのＳ／Ｎ比を推定し、そのＳ／Ｎ比が予定
値より大きい区間のデータを像再構成用データと
して利用する像再構成手段とを備えたことを特徴
とするものである。

以下、図面を参照し本発明の実施例を詳細に説
明する。

第３図は本発明の一実施例の構成を示すブロツ
ク図である。図において、１は一様静磁場H₀（こ
の磁場の方向をｚ方向とする）を発生させるため
の静磁場用コイル、２はこの静磁場用コイル１の
制御回路、３はｚ勾配磁場用Gz⁺，Gz^-を発生さ
せるためのｚ勾配磁場用コイルとｙ勾配磁場用コ
イルとｘ勾配磁場用コイルとからなる勾配磁場用
コイル、４はその制御回路である。５は被検体
（各コイルの円筒内に設置される）に細い周波数
スペクトルｆのRFパルスを電磁波として与える
励磁コイル、６は測定使用とする原子核の核磁気
共鳴条件に対応する周波数の信号を発生する発振
器で、その出力は、コントローラ７からの信号に
よつて開閉が制御されるゲート回路８とパワーア
ンプ９を介して励磁コイル５に印加されている。
１０は被検体におけるNMR信号を検出するため
の検出コイル、２０は検出コイル１０から得られ
るNMR信号を増幅する増幅回路である。この増
幅回路２０自体は自動ゲイン制御（AGC）或い
は自動レベル制御（ALC）の行われる公知の回
路で、例えば第４図の如きものである。第４図の
構成では、NMR信号は初段アンプ２１を経た
後、可変アテネータ２２を経由してハイゲインの
プロセスアンプ２３に導かれる。プロセスアンプ
２３の出力はダイオードでなる検波回路２４で検
波され、積分器２５に与えられ、基準電圧Vref
との差電圧が積分器２５にて積分され、積分器２
５への入力の差電圧が零となるようにその積分出
力によつて可変アテネータ２２を制御している。

検波回路２４及び積分器２５を用いていること
から明かのように、この増幅回路２０は、NMR
信号（FID信号）の減衰に歩調を合わせてゲイン
が変化するので、プロセスアンプ２３は、一定振
幅のNMR信号（後述の第５図ヘ参照）を出力す
ることになり、そのNMR信号はAD変換器２６
を介してデイジタル信号に変換され出力される。
一般にNMR信号のRF信号はMHz以上のオーダ
ーであり、NMR信号の減衰は数百mS〜数Ｓの
オーダーである。従つて、RF信号にとつて増幅
回路２０のゲインの変化は無視できる程遅く、
AGCやALCによつてRF信号の位相が変化したり
波形が歪んだりすることはない。

又、他方のAD変換器２７は、後述するように
像再構成時に投影データの処理上必要となるゲイ
ンの大きさを知るために可変アテネータ２２を制
御しているゲイン制御電圧をデイジタル変換して
出力する。ここで、増幅回路２０のゲイン制御電
圧とゲインとの対応関係は当然わかるから、ゲイ
ン制御電圧を知ることによりゲインもわかり、
NMR信号の減衰量もわかることになる。従つ
て、このAD変換器２７の出力データはNMR信
号の振幅情報といえる。

尚、プロセスアンプ２３の出力は、RF信号の
ままでAD変換器２６に与えているが、平衡検波
回路を挿入接続しRF信号を検波した後AD変換
器２６へ与えるようにしてもよい。その場合は次
段の検波回路は不要である。３１は検波回路で、
増幅回路２０の出力を検波増幅する。３２は検波
回路３１の出力を一旦記憶しておくためのメモ
リ、３３はメモリ３２からの信号を入力し、所定
の信号処理を施して像再構成を行うコンピユー
タ、３４は得られた断層画像を表示するテレビジ
ヨンモニタのような表示器である。

このように構成した装置の動作を、次に第１図
及び第５図を参照しながら説明する。

まず、はじめに、制御回路２は静磁場用コイル
１に電流を流し、被検体（被検体は各コイル円筒
内に設置される）に静磁場H₀を与えた状態とす
る。この状態において、コントローラ７は、はじ
めに制御回路４を介してｚ勾配磁場用コイルに電
流を流し、第５図ロに示すようにｚ勾配磁場Gz⁺
を与える。又、Gz⁺が与えられている下で、ゲー
ト回路８を開とし、発振器６からの信号をパワー
アンプ９を介して励磁コイル５に印加し、第５図
イに示すように細いスペクトルを持つた90゜パル
スで、被検体の１面を励起する。尚、第５図ロに
おいて、Gz⁺に続くGz^-は、Ｓ／Ｎ比を良好にす
るためである。

続いて、ｘ勾配磁場用コイル及びｙ勾配磁場用
コイルに電流を流し、第５図ハ，ニに示すように
所定の大きさの磁場Gx，Gyを印加し、検出コイ
ル１０から得られる第５図ホに示すようなNMR
信号を検出する。検出されるNMR信号は第５図
ホに示すように時間と共に次第に減衰するが、増
幅回路２０にてAGCがかけられると第５図ヘに
示すように一定振幅となる。この信号は検波回路
３１を介してメモリ３２に取り込まれる。メモリ
３２に取り込み利用するデータの範囲は、上述の
ようにレベル均一化処理を施した時のＳ／Ｎ比が
ある予定値以上の区間のものとする。Ｓ／Ｎ比が
予定値以上かどうかはAD変換器２７を介して得
られるゲイン制御電圧の大きさによつてコンピユ
ータ３３で判別している。このようにして得られ
たNMR信号をもとに公知のフーリエ変換手法に
基づく再構成手法によりコンピユータ３３で被検
体の断層像を得て、表示器３４にその画像を表示
する。ここで、Ｓ／Ｎ比が予定値以上かどうかを
AD変換器２７の出力データを用いて行つた理由
を述べる。NMRイメージング装置はシールド装
置内に配置され、外来性ノズルに対する対策はな
されているが、自システム内のノズルについては
取りきれずに残存しているものがある。この残存
ノイズのほとんどは初段アンプ２１の入力側の熱
雑音である。しかし、このような系の固有の基底
雑音は外来ノイズと異なり、はじめからそのレベ
ルがわかつており、増幅回路２０のゲインをどこ
まで上げたらＳ／Ｎ比が悪化してしまうかもわか
る。従つて、増幅回路２０のゲイン制御電圧に対
応したAD変換器２７の出力データに基づき、
Ｓ／Ｎ比を推定できる。換言すれば、AD変換器
２７の出力データはＳ／Ｎ比を示しているといえ
る。

尚、投影データの欲しい形は、その周波数軸
（読し出し時の勾配磁場により決まる）上の振幅
分布乃至パワー分布であり、これのみをもつて、
イメージングすることも広く行われている。

以上のようにNMR信号にレベル均一化処理を
施して利用することにより、従来振幅が小さいば
かりに利用できないとして切り捨てていた部分の
NMR信号のレベルも高くなり、これを有効に利
用することができ、データの利用区間が広がり、
結果としてイメージングの時間を短縮することが
できる。

尚、増幅回路２０としては第４図に示すような
AGC回路に限らず、第６図に示すような時間ゲ
イン制御（TGC）回路としてもよい。即ち、時
間と共に変化する信号を発生するTGC関数発生
器６１を設け、この出力を制御電圧として可変ア
テネータ２２を制御し、NMR信号の減衰を補償
してプロセスアンプ２３からは常に一定レベルの
NMR信号が発生するように構成する。このTGC
関数発生器６１はコンピユータ３３より付勢さ
れ、又、NMRデータのメモリ３２への取り込み
区間はコンピユータ３３での時間管理により決定
される。関数発生器６１としてはバツフアメモリ
とDA変換器で構成したものを使用することがで
きる。投影データを取り込む前にコンピユータ側
からバツフアメモリに関数データを設定して置
き、すべての投影データ採取に対し同じ関数形の
制御電圧が発生するように指定してよい。

以上述べたようなNMR信号のレベル均一化処
理を施すことにより、NMR信号から得られる情
報量が従来装置の場合と比較して、第７図に示さ
れるように増加することが分る。即ち、第７図イ
の従来のものでは、利用できるデータ区間は等価
的にt₀からt₁までであるのに対し、本発明では、
第７図ロに示すようにt₀からt₂までの区間とな
り、１試行当り約２倍程度に増加する。それ故、
同じ品質のイメージを得るためのデータ採取時間
は約半分となる。

以上説明したように、本発明によれば、FID信
号の利用できる品質を持つた区間はすべて利用で
きるようにしたため、イメージングの時間短縮を
図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のNMR装置における検査手法を
説明するための波形図、第２図は第１図の装置で
の磁化Ｍの方向を説明するための図、第３図は本
発明のNMR装置の一実施例の要部を示す構成
図、第４図は増幅回路の一例を示す構成図、第５
図は第３図の動作を説明するための波形図、第６
図は増幅回路の他の実施例を示す構成図、第７図
は従来装置と本発明装置とにおけるNMR信号の
利用区間を示す説明図である。 １…静磁場用コイル、２…静磁場用コイル制御
回路、３…勾配磁場用コイル、５…励磁コイル、
７…コントローラ、１０…検出コイル、３３…コ
ンピユータ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被検体に一様静磁場を与えると共に被検体に
   核磁気共鳴を誘起させる周波数の電磁波を印加
   し、更に前記被検体にこの被検体からの核磁気共
   鳴信号の放射部分を特定するための磁場を与え、
   前記被検体の特定部分からの核磁気共鳴信号を用
   いて所望の像を得る核磁気共鳴イメージング装置
   において、核磁気共鳴信号を増幅する増幅回路の
   ゲインを振幅の減衰に応じて増加させ、核磁気共
   鳴信号にレベル均一化処理を施すレベル均一化処
   理手段と、該手段によりレベル均一化された核磁
   気共鳴信号をAD変換する第１のAD変換手段と、
   前記レベル均一化手段でのレベル均一化の際の前
   記増幅回路のゲイン制御電圧に対応するデイジタ
   ル信号を得る第２のAD変換手段と、前記第１及
   び第２のAD変換手段の出力データを受け、前記
   第２のAD変換手段の出力データから前記第１の
   AD変換手段の出力データのＳ／Ｎ比を推定し、
   そのＳ／Ｎ比が予定値より大きい区間のデータを
   像再構成用データとして利用する像再構成手段と
   を備えたことを特徴とする核磁気共鳴イメージン
   グ装置。 ２ 前記レベル均一化処理は自動ゲイン制御若し
   くは自動レベル制御をかけて行うようにしたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の核磁気
   共鳴イメージング装置。 ３ 前記レベル均一化処理は、時間と共に変化す
   る関数信号によつて核磁気共鳴信号をレベル制御
   することにより行うことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の核磁気共鳴イメージング装置。