JPH0360266B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 この発明の核磁気共鳴（NMR）検査を行なう
方法に関する。更に特定すれば、この発明は最終
的に得られる像の信号対雑音比を改善する為に、
サンプル物体の同じ領域の幾つかの収集された
NMR像を有利に組合せる改良された方法に関す
る。

医学的に診断価値のあるNMR像を発生する
種々の方法が知られている。一般的に、作像方法
では、検査される物体又は人間が均質な磁界の中
に配置されて、無線周波（RF）励振及び磁界勾
配パルスをかけることを必要とする。RFパルス
が関心のある物体領域内の核スピンを励振して、
NMR信号を発生する。磁界勾配パルスはNMR
信号を物体内の特定の領域に局限して、空間情報
を符号化する様に作用する。使われるRFパルス
及び勾配パルスの順序と形式の点で、作像方法に
違いがある。パルスの特定の組合せが一般的に
「パルス順序」と呼ばれる。所定のパルス順序で
は、パルスの間の期間がパルス順序のタイミン
グ・パラメータと呼ばれる。

観測されるNMR信号は、核スピン密度
（M₀）、スピン格子緩和時間（T₁）及びスピン−
スピン緩和時間（T₂）の様な核スピンのパラメ
ータの分布に公知の形で関係している。観測され
る信号に対するこの様な各々の核スピン・パラメ
ータの寄与は、特定の作像方法（パルス順序）並
びにタイミング・パラメータの選び方によつて変
わる。

例えば、スピンエコー作像方式では、１つ又は
更に多くの180°時間反転RFパルスを使つて、
各々のRF励振パルスに対して多数のスピンエコ
ー信号を発生する。多重スピンエコー信号の場
合、信号が励振された領域内の同じ核スピンから
出るが、相異なるエコー時間TE_i、（ｉ＝１…４
等）に発生する。ここではｉは第１、第２等のス
ピンエコー信号を表わす。完全な走査の過程で、
各々の時間TE_iのスピンエコー信号に対応する像
を再生するのに十分なデータが収集される。こう
いう像は収集された多重スピンエコーNMR像と
して知られている。種々の組織の間のコントラス
トが、差別的なスピン−スピン（T₂）減衰の為
に、異なるTE_iで変化する為に、これらの像は同
一ではない。更に、全体的な信号レベルが低下
し、TE_iが進むにつれて、像が一層暗くなる。そ
の為、TEが、NMR信号に、そして最終的には
像のコントラストに対するT₂の寄与に影響する
スピンエコー・パルス順序のタイミング・パラメ
ータである。

医療用NMR作像では、多数のスピンエコー像
を収集する１つの理由は、例えば浮腫の様な種々
の病理は一層長いTE時間に左右される像で見た
方がよく判るが、それに関連する腫瘍は一層短い
エコー時間で作像した方がよい為である。更に、
T₁及びT₂の或る組合せでは、或る組織又は病理
はコントラストがゼロになることが判つているか
ら、多重エコー走査は、構造又は病理が見えない
惧れを小さくする。この様な多重スピンエコー像
が日常的に収集される別の理由は、２つ以上のス
ピンエコー信号を収集しても、走査時間が大幅に
長くならないからである。これは、余分のスピン
エコー信号を収集するのに使われる時間は、次の
励振工程より前に、核スピンが平衡状態に戻るの
を待つ為に費されるのが普通である為である。

この様な多重スピンエコー像を利用するのが望
ましい１つの方法は、例えば像を何等かの形で平
均して、平均像に於ける信号対雑音比（SNR）
を改善することである。例えば、同じパルス順序
及びタイミングで像を収集した場合、他の像の平
均である新しい像は、信号第雑音比が改善される
ことが判つている。然し、多重スピンエコー信号
が同じパルス順序を用いて同じ領域から収集され
るものであるが、各々の像が異なるスピンエコー
時間に対応する為に、これらの信号は同じタイミ
ングを持つていない。その結果、タイミングが異
なることにより、得られる像で同じ構造が異なる
コントラストを持ち、この為、単に像を加算する
と、単純には解釈の出来ない様な像になり、あま
り役に立たなくなる。

同じ物体領域の像をTEの同じ値で、但しパル
ス順序の繰返し時間TRに異なる値を用いて収集
する様な単一スピンエコー順序によつて収集され
た像の解釈でも、同様な難点がある。各々の像
は、差別的なスピン格子（T₁）回復の為に、コ
ントラストが異なる。その為、TRが、信号及び
像のコントラストに対するT₁の寄与に影響する
多重TRパルス順序のタイミング・パラメータで
ある。こういう像を収集するのは、多重エコー像
について上に述べたのと同様な理由である。この
場合、異なる病理はTRの異なる値の時に最もよ
いコントラストを持つことがある。然し、TRの
異なる値を用いて（例えば４個の）像を求めるに
は、前に述べた多重エコーの場合と異なり、１つ
の像を収集するよりもかなり長い時間を必要とす
る。TRの異なる値の時に収集された像を組合せ
て、最終的な像が、解釈がはつきりしている特徴
を持つと共に改善されている様にすることが望ま
しい。

従つて、この発明の目的は、多重スピンエコー
像を有意に組合せて、信号対雑音比を改善した像
を発生する方法を提供することである。

この発明の別の目的は、相異なるパルス順序の
繰返し時間TRを用いたスピンエコー像を有意に
組合せて、最終的な像のSNRを改善する方法を
提供することである。

この発明の別の目的は、T₁及び／又はT₂の異
なる加重を用いたパルス順序から得られた像を有
意に組合せる方法を提供することである。

発明の要約 この発明の方法は、像のコントラストが少なく
とも１つのタイミング・パラメータ（例えば上述
のTE又はTR）によつて決定される時、略同様
なコントラストを持つ収集されたNMR像に較べ
て、信号対雑音比を改善したNMR像を発生す
る。具体的には、タンミング・パラメータの複数
個の値で、物体の複数個のNMRパラメータを空
間的に特徴づけるのに十分なNMRデータを収集
し、各タンミング・パラメータ値における収集
NMRデータを用いて収集NMR像をそれぞれ求
め、これらの収集NMR像から、補間または補外
により、タイミング・パラメータの１つの値にお
ける計算によるNMR像を作る。このタイミン
グ・パラメータの値は、計算された像が略同様な
コントラストを持つ収集された像に較べて信号対
雑音比が改善される様に選ばれる。

この発明の新規と考えられる特徴は、特許請求
の範囲に具体的に記載してあるが、この発明自体
の構成、作用及びその他の目的並びに利点は、以
下図面について説明する所から最もよく理解され
よう。

発明の詳しい説明 第１回は１例のNMR装置の主な部品がブロツ
ク図で示されている。然し、これが装置の１例で
あつて、実際にはこの発明が装置によらないこと
を承知されたい。装置の全体的な動作が全体を
100で示す計算機システムによつて制御される。
このシステムが主計算機１０１（データ・ゼネラ
ル社のMV4000の様な）を含む。計算機にインタ
ーフエース１０２が付設され、これを介して複数
個の計算機周辺装置及びその他のNMR装置の部
品が結合される。計算機周辺装置の中には磁気テ
ープ駆動装置１０４があり、これを主計算機の指
示の下に利用して、患者データ及び像をテープに
記録することが出来る。処理済みの患者データは
像デイスク貯蔵装置１１０にも貯蔵することが出
来る。データの予備処理及びデータの再生の為に
配列処理装置１０６を用いる。像処理装置１０８
の作用は、拡大、像の比較及びグレースケール調
節の様な対話形像表示の操作を行なうことであ
る。計算機システムが、デイスク・データ貯蔵装
置１１２を利用して、生（再生されていない）の
像データを貯蔵する手段を備えている。オペレー
タ・コンソール１１６もインターフエース１０２
によつて計算機に結合されていて、患者の検査に
関するデータを入力すると共に、走査を開始並び
に修了するという様に、NMR装置の適正な動作
に必要なこの他のデータを入力する手段をオペレ
ータに提供する。オペレータ・コンソールは、デ
イスク又は磁気テープに貯蔵された像を表示する
為にも使うことが出来る。

計算機システムが夫々全体を１１８及び１２８
で示す制御装置及び勾配増幅器装置により、
NMR装置を制御する。計算機は制御装置１１８
と周知の形でデイジタル通信回線１０３（例えば
イーサネツト回線）を介して連絡する。制御装置
が、パルス制御モジユール（PCM）１２０、無
線周波トランシーバ１２２、状態及び制御モジユ
ール（SCM）１２４及びいろいろな部品を付勢
するのに必要な全体を１２６で示す電源の様な幾
つかの装置を含んでいる。PCMが計算機１０１
から供給された制御信号を利用して、勾配コイル
の付勢に使われる電流波形の様なデイジタルのタ
イミング及び制御信号と、RFパルスを変調する
為にトランシーバで使われるRF包絡線波形を発
生する。勾配波形が勾配増幅器装置１２８に印加
される。この装置は全体的にG_x，G_y及びG_z増幅
器１３０，１３２，１３４で構成されていて、
夫々全体を１３６で示す集成体の中にある対応す
る勾配コイルを励振する為に用いられており、こ
れらのコイルは磁石集成体１４６の一部分であ
る。勾配コイルは、付勢された時、デカルト座標
系のＸ、Ｙ及びＺ軸方向の向きを持つ略直線的な
互いに直交する磁界勾配G_x，G_y，G_zを発生する。
各々の勾配を含む平面によつて限定された交点が
「アイソセンタ」と呼ばれ、通常は静磁界の容積
の略中心にある。再生像はアイソセンタを中心と
するのが典型的である。

勾配磁界が、トランシーバ１２２によつて発生
された無線周波パルスと組合されて、検査する患
者の領域から出るNMR信号に空間情報を符号化
する為に用いられる。パルス制御モジユールによ
つて発生される波形及び制御信号をトランシーバ
装置１２２でRF搬送波の変調及び動作モード、
即ち送信又は受信モードの制御に使う。送信モー
ドでは、送信機が制御信号に従つて変調された無
線周波の搬送波波形をRF電力増幅器１２３に供
給し、この増幅器が主磁石集成体１４６の中にあ
るRFコイル１３８を付設する。励振された原子
核によつて放射されたNMR信号を送信に使つた
のと同じRFコイル又は異なるRFコイルで感知す
る。トランシーバの受信機部分で、信号を検波、
波及びデイジタル化する。デイジタル化した信
号を処理する為に、インターフエース１０２及び
トランシーバ１２２を結合する専用の一方向高速
デイジタル回線１０５を介して主計算機に送る。

PCM及びSCMは独立の装置であり、その両方
が主計算機１０１、患者位置ぎめ装置１５２の様
な周辺装置、及び相互にも回線１０３を介して連
絡する。PCM及びSCMは何れも16ビツト・マイ
クロプロセツサ（例えばインテル8086）で構成さ
れていて、主計算機からの指令を処理する。
SCMが患者揺台（図に示してない）の位置及び
可動の患者整合扇形光ビーム（図に示してない）
の位置に関する情報を収集する手段を含む。この
情報を主計算機で使つて、像の表示及び再生パラ
メータを修正する。SCMは患者輸送及び整合装
置の作動という様な作用も開始する。

勾配コイル集成体１３６及びRF送信及び受信
コイル１３８が、分極磁界を発生するのに使われ
る磁石の中孔の中に取付けられている。この磁石
が主磁石集成体の一部分であり、主磁石集成体は
患者整合装置１４８、シム・コイル電源１４０及
び主磁石電源１４２を含む。シム電源を用いて、
主磁石に関連するシム・コイルを付勢する。こう
いうシム・コイルは、分極磁界の非均質性を補正
する為に使われる。抵抗性磁石の場合、主磁石電
源１４２を使つて磁石を連続的に付勢する。超導
電磁石の場合、この電源を使つて磁石を適正な動
作磁界にした後は切離す。患者整合装置１４８が
患者揺台及び輸送装置１５０及び患者位置ぎめ装
置１５２と組合さつて作用する。外部の源からの
干渉を最小限に抑える為に、主磁石集成体、勾配
コイル集成体及びRF送信及び受信コイルと関連
した電源及び患者取扱装置で構成されたNMR装
置の部品は、全体を１４４で示したRF遮蔽室の
中に封入されている。一般的に、この遮蔽は室全
体を囲む銅又はアルミニウムの網目によつて構成
されている。この網目が装置によつて発生された
RF信号が出て行かない様にすると共に、装置を
室の外部で発生されたRF信号から遮蔽する。動
作周波数範囲では約100dbの両方向減衰が典型的
である。

多重スピンエコー像データを収集するのに役立
つパルス順序が第２図に示されており、この図は
普通スピン捩れ形と呼ばれる２次元フーリエ変換
（2DFT）NMR作像方法の２つのビユーを示して
いる。これらのビユーは、横軸に示す様に期間１
乃至10及び11乃至20で構成されている。完全なパ
ルス順序（走査）は典型的には128個、256個又は
512個のビユーで構成されており、これらのビユ
ーは互いに略同一であるが、縦軸に示す位相符号
化磁界勾配パルスG_yに各々のビユーで異なる振
幅を用いる（平均作用が行なわれないと仮定し
て）点が異なつている。

次に、期間１乃至10で構成された例としての１
つのビユーを詳しく説明する。期間１に、正の
G_z勾配パルスの存在の下に選択性90°RF励振パル
スを印加して、サンプル物体（図に示してない）
の内、ラーモア方程式によつて予測される歳差運
動周波数を持つ予定の領域にある核スピンを選択
的に励振する。期間２に負のG_zパルスを印加し
て、期間１に励振された核スピンの位相戻しをす
る。典型的には、G_z勾配パルスは、期間２にわ
たる勾配パルス波形の時間積分が期間１にわたる
勾配パルス波形の時間積分の半分に負の符号を付
したものに等しくなる様に選ばれる。期間２に、
G_z勾配パルスと同時に、G_x及びG_y磁界勾配パル
スが印加される。G_y勾配の作用は前に触れたが、
励振された核スピンに位相情報を符号化すること
である。G_x勾配パルスの目的は、励振された核
スピンを予定量だけ位相外しして、NMRスピ
ン・エコー信号が期間４に発生されるのが、期間
１に於ける励振パルスの平均印加時から時間T₁
後になる様に遅延させることである。期間３に
180°反転パルスを印加することにより、スピン・
エコー信号が発生される。期間４に、線形G_x読
出勾配の存在の下に、スピン・エコー信号を標本
化する。多重スピンエコー作像方式では、追加の
反転180°RFパルスが期間５，７，９に印加され、
夫々エコー遅延時間TE₂、TE₃、T₄に発生するス
ピンエコー信号を期間６，８，１０に発生する。
期間６，８，１０に発生するスピンエコー信号も
線形G_x読出勾配の存在の下に観測する。位相符
号化及び読出勾配によつてNMR装置に符号化さ
れたNMR情報が、２次元フーリエ変換方式を用
いて周知の形で復元される。１つのビユーで収集
し得るスピンエコー信号の数が、最終的には関心
の持たれる領域内にある原子核のT₂緩和定数に
よつて制限されることに注意されたい。

前に述べた様な励振／標本化過程が、G_y勾配
をその振幅範囲にわたつて順次進めるまで（128
個、256個等）、パルス順序の各々のビユーで繰返
される。こうして、完全な走査の過程で、第２図
に示すパルス順序では４個のスピンエコー信号が
各々のビユーで観測され、こうして夫々エコー時
間TE₁乃至TE₄に発生するスピンエコー信号に対
応する４つの像を再生するのに十分なデータが得
られる。第２図に示す繰返し時間TRは、１つの
ビユーのパルス順序の初めと次のビユーの続くパ
ルス順序（これはG_y位相符号化勾配の振幅を別
とすれば略同一である）の初めとの間の期間であ
る。第２図に示す様に、TRは相次ぐビユーの
90°RFパルスの平均印加時の間で測定する。典型
的には、１回の走査の過程でTRを変更しない。
然し、或る走査と次の走査とでTRを換えること
が出来る。

典型的なパルス順序によつて励振されたスピン
によつてNMR装置に発生される信号は、NMR
の分野で周知のブロツホ方程式を用いて解析する
ことが出来る。（1982年にニユーヨーク州のアカ
デミツク・プレス社から出版されたP.マンスフイ
ールド、P.G.モリスの著書「生物医学に於ける
NMR作像」、第42頁、及びジヤーナル・マグネ
テイツク・レゾナンス誌、第４巻第366頁（1971
年）所載のR.フリーマン及びH.D.W.ヒルの論文
参照。）エコー１個のスピンエコー順序（例えば
第４図）にブロツホ方程式を適用した結果（1984
年にクラバデル・プレス社から出版されたT.H.
ニユートン及びD.G.ポツズ編集「モダン・ニユ
ーロロジー」第２巻、第５章、第97頁以降参照）
が次の式によつて表わされる。

１＝AM_pe^-TEi/T2（１−2e^{-(TR-TE/2)/T1}＋e^-TR/T1）(1) ｎ個のエコーに対して、同様な解析によつて次の
式が得られる。

1_i＝AM_pe^-TEi/T2（１−（−１）ⁿe^-TR/T1
−２_o 〓^l=1 （−１）^n-le^-(TR-(2l-1)〓^TE/2)/T1） (2) ここでI_iはｉ番目のエコーに対応する像の所定
の画素の強度、Ａは変換係数、TRは順序の繰返
し時間、△TEは相次ぐエコー時間の間の時間
（即ち一般的にはΔTE＝TE_i+1＋TE_i）である。

式(1)及び(2)で表わす様な式を用いた、計算によ
る像について考えておくのがよいと思われる。計
算による像は、各々の画素が組織に特有なパラメ
ータ、例えばT₁、T₂又はスピン密度M₀の内の１
つだけに比例する強度を持つ像である。別の有用
な考えは擬似密度（PD）像であり、この場合強
度はスピン密度に、緩和パラメータ（例えばT₁
又はT₂）及びタイミング・パラメータ（例えば
TR又はTE）の内の１つだけの或る関数を重み
として乗じた値に比例する。像データからこの様
な計算による像を作り出す方法、並びにこの発明
に、それを応用することを次に説明する。

簡単の為、作像する物体内の各々の画素位置を
３つのNMRパラメータ、即ちスピン格子緩和時
間T₁、スピン・スピン緩和時間T₂及びスピン密
度M₀で記述することが出来ると仮定する。勿論、
この各々のパラメータが画素毎に変わり得る。こ
の方法が簡単な例として、多重スピンエコー・デ
ータの場合を考える。エコー時間TE_iに対応する
像内の所定の画素の強度は、式(2)を簡単にした形
で、次の様に表わされる。

I_i＝AM_pe^-TEi/T2ｆ（T₁、TR、ΔTE）、ｉ＝１、
２、３、４…、等 (3) 関数ｆはこの順序のT₁依存性を含んでいる。
即ち ｆ（T₁、TR、ΔTE）＝（１−（−１）_oe^-TR/T1−２
_o 〓^l=1 （−１）^n-le^-(TR-(2l-1)〓^TE/2)/T1） 計算によるT₂像内の特定の画素に対するT₂の
値は、公知の（例えば1969年にニユーヨーク州の
マツクグローヒル社から出版されたP.R.レビント
ンの著書「物理科学の為のデータ還元解析」、第
８章及び第11章参照）線形最小自乗方法を用い
て、各々エコー時間TE_iに於ける強度データに対
するはめ合せを実施することにより、次の指数関
数の形で求めることが出来る。

I_i＝PDe^-TEi/T2 (4) 式(3)によつて記述されるデータ点と式(2)によつ
て記述されるはめ合せのパラメータ（PD、TE_i
及びT₂）の間の関係が第３図に図式的に示され
ている。式(4)では、Ａ、M₀及びｆ（T₁、TR、
ΔTE）が、それらがT₂に関係を持たない為に、
定数PDの中に入つている。定数PDは、実際には
真の核スピン密度分布M₀、T₁、TR及びΔTEに
依存性を持つので、擬似スピン密度と呼ぶことが
出来る。式(4)では、T₂減衰が１個の減衰定数T₂
を持つ指数関数形であると仮定している。典型的
には、４個のデータ点（第３図の３００乃至３０
３）に対し、１個の指数関数で良好なはめ合せが
得られる。医療用NMR作像では、臨床的な経験
に基づいて、大抵の組織は、４個のデータ点に対
して１個の指数関数のモデルではうまく行かない
程明白に多数の指数関数ではないことが判つてい
る。

脂肪の多い肝臓又は胸の様に、組織内の一層多
くのデータ点が多数の指数関数に属することが判
つている場合、はめ合せに使われる関数は更に項
が多くなる。はめ合せ方程式を例えば１個の指数
関数（式(4)）から２つの指数関数に拡張する場合
が式(5)に示されている。

I_i＝Ａ（PD₀₁e^-TEi/T21＋PD₀₂e^-TEi/T22）ｆ
（T₁、TR、TE_i）(5) 式(5)は、２つのスピン−スピン減衰定数（T₂₁
及びT₂₂）を持つ系に対する式(3)の更に正確な表
示であり、PD₀₁がスピン−スピン緩和時間T₂₁に
対応する擬似スピン密度であり、PD₀₂がT₂₂に対
応する擬似スピン密度である。この場合、T₂₁、
T₂₂及びPD₀₂／PD₀₁を得る為に、一層複雑な方程
式をデータにはめ合せなければならない。一般的
に、この為には、式(4)によつて記述される一層簡
単な場合と同じ精度を得るには、一層多くのスピ
ンエコー信号を収集することが必要である。より
多くの指数関数に拡張することは、式(5)に更に多
くの項を追加することによつて達成される。

次に簡単の為に、単一指数関数の場合を考える
と、式(4)を利用して、像内の各点（画素）にはめ
合せを行ない、２つの新しい像を求めることが出
来る。１つは、各点の強度がその点に於けるはめ
合せから得られたPDの値である像であり、もう
１つは各点の強度がはめ合せによるT₂である像
である。単一指数関数では、次に示す様な式によ
り、式(4)によつて、データI_iからパラメータT₂及
びPDの妥当な評価を発生することが出来ること
を証明し得る。こういう方程式は、線形化最小自
乗解析によるものである。当業者であれば、T₂
及びPDを計算する為に、この他の同等な式を用
いることが理解されよう。

−１／T₂＝ｂ＝１／Ｄ［_o 〓ⁱ⁼¹ W_io 〓ⁱ⁼¹ X_iY_iW_i −_o 〓ⁱ⁼¹ X_iW_io 〓ⁱ⁼¹ Y_iW_i］ （6a） PD＝e^a （6b） ａ＝１／Ｄ［_o 〓ⁱ⁼¹ X_i ²W_io 〓ⁱ⁼¹ Y_iW_io 〓ⁱ⁼¹ X_iW_io 〓ⁱ⁼¹ X_iY_iW_i］
（6c） Ｄ＝_o 〓ⁱ⁼¹ W_io 〓ⁱ⁼¹ X² _iW_i−（_o 〓ⁱ⁼¹ W_iX_i）² （6d） 式（6a）及び（6d）でσ² _iをI_iの分散として Y_i＝ln（I_i） （7a） X_i＝TE_i （7b） W_i＝I_i／σ_i （7c） である。典型的には、NMRでは、値I_iは何れもσ_i
の同じ値を持つている。PD像はT_i及び真のスピ
ン密度の両方の因子を含んでいるが、T₂像はT₂
因子だけを含んでいる。式（7a）乃至（7c）を
用いて計算されたT₂及びPDの値を式(4)で用い
て、（第３図の横軸に沿つて示す様な）実際のス
ピンエコー・データが観測されなかつた特定のス
ピン・エコー時間TE_cに対応する像を発生するこ
とが出来る。式(4)を使つて前に決定したPD及び
T₂の対応する値を用いて、像の各点に於ける像
の強度I_c（縦軸に示す。I_c＝PD_e ^-TEc-T2）を計算す
る。TE_cの任意の値でこういう発生像を作ること
が可能である。然し、第３図に示す様に、実際に
観測されたスピンエコー信号TE₁乃至TE₄に入る
時間範囲内にあるTE_c時間を選ぶことが最も妥当
である。TE_cが増加するにつれて、T₂のコント
ラストは、雑音が支配するまで、一般的に一層明
らかになる。TE_cで発生像と実際の（収集され
た）像が一致するかどうかは、選ばれたTE_cの値
並びにはめ合せの程度に関係する。TE_cの値が、
多重エコー順序の収集された像の範囲（即ち、
TE₁とTE₄の間）にある場合、一致は良好であ
る。この範囲外のTE_cの値では、計算像が正確な
値から発散することがある。多重指数関数データ
に対して単一指数関数のはめ合せを用いた場合、
特にそうである。然し、一般的に発生像は、TE_c
のその値で収集された像のコントラストのよい表
示になる傾向がある。発生像は、単一スピンエコ
ー像がTE_cで収集した場合に持つ様なコントラス
トを再現する為に、元の収集された像の有意の組
合せである。

この発明の方法の１つの用途は、次の式を用い
て、各々の画素に於ける像の強度値I_cを計算する
ことにより、スピンエコー像を発生することであ
る。

I_c＝PDe^-TEc/T2 (8) ここでT₂及びPDは式（6a）乃至（6d）を用い
て計算する。I_c、TE_cと式(3)に用いたI_i、TE_iの典
型的な値の間の関係が第３図に図式的に示されて
いる。発生像は一般的、同じスピンエコー時間
TE_c及び順序繰返し時間TRで、単一スピンエコ
ー信号を用いて収集された像に較べて、信号対雑
音比が一層よい。発生像が収集された像に較べた
改善されたＳ／Ｎを持つかどうかは、分散比Ｒが
１より小さな値を持つかどうかによる。ここで R²＝e^-2TEc/T2／N^*（X²−（Ｘ）²） （²−（）²＋（−TE_c）²） (9) ここで N^*＝_o 〓ⁱ⁼¹ e^{-2TEi/T2 2} ＝１／N^* _o 〓ⁱ⁼¹ （e^-2TEi/T2）（TE_i）² ＝１／N^* _o 〓ⁱ⁼¹ （e^-2TEi/T2）（TE_i） R₂の式は、像がTE＝TE_cの時に収集された場
合に得られる像の画素の分散に対する、発生像の
画素の分散の比である。従つて、この式が１より
小さい時、収集像の分散が発生像の分散より大き
い。両方の像で画素の強度は同じであるから、信
号を分散の平方根で除したSNRは、発生像の方
がすぐれている。

発生像が改善された信号対雑音比を持つかどう
かを判定する為に式(9)を使うことは例にすぎな
い。この他の方法にも用いることが出来る。例え
ば、TE_cの相異なる値に於ける多数の像を発生
し、その後、これらの像の信号対雑音比を略同じ
コントラストを持つ収集像の信号対雑音比と比較
して、信号対雑音比が改善されたTE_cの値を求め
る実験的な方式を用いることが出来る。

式(9)は、式（6a）乃至（6d）から公知の統計
及び数学的な手法を用いて導き出される。式(5)に
よつて例示される様なこの他の信号の依存性を表
わす公式、又は式（6a）乃至（6b）とは異なる
計算式では、当業者が導き出すことの出来る変更
した式を使う。

次に式(9)を導き出す１例を、参考の為に説明す
る。

計算像（I_c）の分散をσ²I_cと記す。I_cは式(8)で
表わされる。σ²I_cは、TE_cが一定であるから、PD
及びT₂の統計的な変動の関数である。PD及びT₂
の統計的な変動が、PD及びT₂がI_iの関数である
（式（6a）乃至（6d））から、I_iの（独立の）統計
的な変動によつて決定される。この方法の制約と
はならないが、各々のI_iはNMRデータ収集の特
殊性の為に、同じ分散を持つ。ベビントンの様な
標準的な参考文献から σ² _IC＝_o 〓ⁱ⁼¹ （∂I_c／∂I_i｜_i）²σ² (10) ここでσ₂がI_iの（共通の）分散である。偏微分
は式（6a）乃至（6d）を用いて計算する。この
微分は、各々のI_iの平均値で計算すべきである。

_i＝^-TEi/T2 （11） ここで平均は頭の「 」を付したI_i、PD又は
T₂によつて表わされている。典型的には、妥当
に良好なSNR（例えば７より大きい、これは
NMR作像で普通そうである）に対し、T₂及び
_２は互換性をもつて用いることが出来る。

次に ∂I_C／∂I_i＝e^-TEc/T2（∂PD／∂I_i＋TE_c／（T₂）²PD・
∂T₂／∂I_i）（12） 連鎖法則及び式（6b）から、 ∂PD／∂I_i＝∂PD／∂Y_i∂Y_i／∂I_i＝PD∂a／∂Y_i∂Y_i
／∂I_i 式（6c）から ∂a／∂Y_i＝１／Ｄ［W_io 〓^j=1 X² _jW_j−X_jW_io 〓ⁱ⁼¹ X_jW_j］ 式（7a）から ∂Y_i／∂I_i＝１／I_i 連鎖法則を再び用いると ∂T₂／∂T_i＝（T₂）²∂／∂Y_i（−１／T₂）∂Y
_i／∂I_i 式（6a）から ∂／∂Y_i（−１／T₂）＝∂b／∂Y_i＝
１／Ｄ［X_jW_jo 〓^j=1 W_i−W_io 〓^j=1 X_jW_j］ 式（7c）のW_iを用い、I_iの平均値に対する式
（式（11））を用いると、上の式から、 ∂PD／I_i＝N^*（PD）⁴／Dσ⁴［²−X_i−］e^-TEi/T2 ∂T₂／∂I_i＝N^*（T₂）²／Ｄ（PD）³／σ⁴［X_i−］e^-T
Ei/T2 ここで、²等の表式が式(9)に用いられたも
のである。

この為、以上のことと式（12）から ∂I_C／∂I_i＝N^*／Ｄ（PD）⁴／σ⁴e^-TEc/T2［²−X_i
−TE_c（X_i− Ｘ）］e^-TEi/T2 この時、式（10）は次の様になる。

σ² _Ic＝σ²（N^*）²／D²（（PD）⁴／σ⁴）²e^-2TEc/T2 _o 〓ⁱ⁼¹ （²−X_i−TE_c（X_i−）²e^-2TEi/T2 更に上のことと式（6d）から D²＝（（PD）⁴／σ⁴）（N^*）⁴（²−（）²）² この為 σ² _Ic＝σ²e^-2TEc/T2／（N^*）²（X²−（Ｘ）
²）² _o 〓ⁱ⁼¹ （²−X_i−TE_c（X_i−））²e^-2TEi/T2 和を計算すると σ∂／σ²＝e^-2TEc/T2／N_*（X²−（Ｘ）²
）（²−（）²＋（−TE_c）²） これが式(9)である。

TE_cに対する式Ｒ＝σI_c／σが、Ｎ＝４、TE_i＝
25、50、75、100ミリ秒及びT₂＝５、15、30、
50、100、200及び300に対し、第６Ａ図及び第６
Ｂ図にグラフで示されている。Ｒが１より小さく
なる２つの領域があることに注意されたい。最初
の領域はTE_c＝50ミリ秒の近くである。もう１つ
の領域はTE_iの大きな値に対するものである。例
えば、T₂＝200ミリ秒では、 25≦TE_c≦125ミリ秒及びTE_c＞460ミリ秒で、値
が１より小さい。典型的には、式(9)の指数関数形
の減衰が支配する為に、Ｒが１より小さい様な
TE_cが常にある。第６Ａ図で、５≦T₂≦100ミリ
秒では、中間領域が１より低く、この結果σ_Icが
σに対して改善される様な大きな領域がある。例
えば、T₂＝50ミリ秒では、TE_c＞30ミリ秒であ
れば、全てのTE_cで改善になる。

上に述べたこの発明の方法では、T₂像を用い
て、実質的にPD像を或る値のTE_cに補外するこ
とにより、発生像が発生される。

この発明の別の実施例では、PD像を或るTE_c
のスピンエコー時間に直接的に補外する代りに、
T₂像だけを用いて、スピンエコー時間TE₁乃至
TE₄の各々の収集像を、各々の画素に次の係数 e^{-(TEc-TEI)/T2} （13） を乗ずることにより、特定のスピンエコー時間
TE_cに補外することが出来る。この表式で、TE_i
は収集像のエコーの時間であり、T₂は補外する
特定の画素に対するT₂の値（式(7)を用いて決定
される）である。例えばTE₁乃至TE₄の時に収集
された各々の像にこういう係数を適用することに
より、実質的に各々の像が選ばれたスピンエコー
時間TE_cに補外又は補間される。即ち、スピンエ
コー時間T₁乃至T₄（第４図）に対応する点３００
乃至３０３によつて夫々表わされる強度を曲線３
０４に沿つて移動して、スピンエコー時間TE_cに
於ける、参照数字305で示した様な典型的な強度
を発生することが出来る。こういう係数を用いる
ことによつて得られた新しい像は、それらが同じ
スピンエコー時間TE_cに収集されたかの様に、同
じコントラストを持つている。次に新しい像を平
均して、補外時間TE_cに収集した場合の１個の像
に較べて、信号対雑音比（SNR）が改善されて
いる可能性のある像を発生することが出来る。こ
の様に補外して平均した像は、エコー時間TE_cに
収集された像に対応するものとして解釈するのが
容易であり、TR及びT₁依存性は変わらないが、
補外せずに加算した場合はそうはならない。

式(8)について説明した補外手順は、補外時間に
於ける収集像に較べて、補外した像の雑音を増加
又は減少することがある。補外して平均した像の
SNRが改善される様なTE_cの値が、統計的に漸
近形の正規性が許せる位に、即ち、中心極限定理
を使うことが出来る位に高い収集像のＳ／Ｎに対
し、式(9)によつて記述されることが理解されよ
う。

一般的に、発生像は、補外して平均した像と同
じ情報を含んでいる。然し、式が非線形であるか
ら、２つの方法の間でデータの加重が異なる。然
し、コントラストの解釈能力並びに雑音の減少
（大抵の場合）を生かすという重要な特徴は、両
方の実施例に共通である。更に、像が実際に選ば
れたエコー時間TE_cに収集された場合、収集像と
補外して平均した像、即ち発生像の間に差がある
ことに注意されたい。こういう差は、T₂の評価
に誤差を生ずる元の像にある誤差の為、並びに式
(2)で行なわれる近似の為である。例えば、前に式
(3)について述べた様に、或る組織は実際に所定の
画素の位置でT₂に幾つかの値を持つている。

この発明の更に別の実施例では、T₁の感度を
変えるタイミング・パラメータを変えたパルス順
序を用いて、組合せ像を求めることが出来る。例
えば、第４図は、第２図について前に説明したパ
ルス順序と略同一であるが、各々のビユーで１個
のスピンエコー信号しか観測しない様な２次元ス
ピン捩れ形パルス順序を示している。即ち、期間
４及び８で、期間３及び７に180°RFパルスを印
加することによつて、１個のスピンエコーだけが
発生される。この場合、一連の単独スピンエコー
像を同一のスピンエコー時間TEを用いて求める
が、各々の像は一意的な順序の繰返し時間TR_i
（ｉ＝１…ｎ；ｎはこの一連の中にある像の総数）
に対して求める。即ち、１つの像が得られる様な
１回の走査の間、TRを一定に保つが、一連の中
の２番目の像が得られる様なこの後の走査では変
更するという様にする。この様な一連のスピンエ
コー像の画素強度は次の式で表わされる。

I_i＝AM₀h（TE、T₂）ｆ（TR_i、TE、T₁） （14） ここでｆ及びｈは所定のパラメータに対するパ
ルス順序の依存性を含む関数である。例えば、第
４図に示す様な単一スピンエコー・パルス順序で
は ｈ（TE、T₂）＝e^-TE/T2 （15） ｆ（TR_i、TE、T₁）＝（１−2e^TRi-TE/2)T1＋e^-TRi/Ti）
（16） これはPD及びＴｉ関数を用いて書き直すこと
が出来る。

I_iPD′f（TR_i、TE、T₁） （17a） PD′＝AM₀h（TE、T₂） 更に具体的に云うと、 I_i＝PD′（１−2e^{-TRi-TE/2)/T1}＋e^-TRi/T1） （17b） PD′＝AM₀e^-TE/T2 従つて、前に多重スピンエコー像について説明
した様に、前にベビントンについて述べたのと同
様なはめ合せ手順により、各々の画素に対する
T₁の値及びPD′を求めることが出来る。

次の形の係数ｇを収集された各々の画素の強度
に乗ずることにより、補外／補間像を第５図に示
す様に、或る予定の順序の繰返し時間TR_cで計算
することが出来る。

g_i＝ｆ（TR_c、TE、T₁）／ｆ（TR_i、TE、T₁）
（18a） 今の例では g_i＝（１−2e^{-(TRc-TE/2)/T1}＋e^-TRc/T1）／（１−2e^{-T
Ri-TE/2)/T1}＋e^-TRi/T1） 或るいはこの代りに、 I_c＝AM₀h（TE、T₂）ｆ（TR_c、TE、T₁） を計算する。今の例では I_c＝PD′（１−2e^{-(TRc-TE/2)/T1}＋e^-TRc/T1） その後、この発明のこの実施例では、種々の補
外像を組合せて（例えば平均して）、（TR_cの或る
値に対し）Ｓ／Ｎを改善することが出来る。この
代りに、所望のTR_cに於ける発生像を式（12）を
用いて計算し、やはりTR_cの或る値に対して改善
することが出来る。

一般的な場合、TR、TE又はその他のタイミ
ング・パラメータを変えて十分な像を求め、T₁、
T₂、M₀（スピン密度）又はその他のパラメータ
（例えばT₂₁、T₂₂、M₀₁、M₀₂等の前に説明した
もの）に対する像の強度の依存性を表わす方程式
が判つていれば、各々の画素の式を強度データに
はめ合せることにより、各々のパラメータのマツ
プ又は像を求めることが出来る。次に、この方程
式をマツプと共に用いて、使われた特定のパルス
順序にとつて適切なTR、TE及びその他のタイ
ミング・パラメータの選ばれた組合せに対し、元
の像を補外／補間することが出来る。例えば反転
回復形のパルス順序では、TI、TE及びTRタイ
ミング・パラメータを使う。TE及びTRは前に
定義した通りであり、TIは反転180°RFパルス
（又は断熱高速通過）と90°RF検出パルスの間の
時間的な期間である。この発明では、これらの像
を有利に組合せて、同じ時間パラメータで実際に
収集された測定値を用いて構成された像に較べ
て、信号対雑音比を一層よくした像を発生するこ
とが出来る。この代りに、所望のTR、TEに於
ける発生像を形成することが出来る。組合せ像の
利点は、所定の組織又は病理に対して最もよいコ
ントラストが得られる様にする為に、TR、TE
又はその他のタイミング・パラメータの選ばれた
組合せで、像を発生することが出来ることであ
る。所定の組織又は病理が或る範囲のT₁、T₂、
M₀等を持つていることが先験的に判つていた場
合、公知の方程式、例えば式(1)を用いて、この組
織又は病理に対してコントラストが最大になる様
なTR、TE等の最もよい組合せを予測すること
が出来る。その後、組合せ像は、この一組の
TR、TEに対応する様に選ぶことが出来る。

この発明の好ましい実施例を例として2DFTパ
ルス順序の場合について説明した。当業者であれ
ば、この発明が３次元形の順序を用いても実施し
得ることが理解されよう。この場合、第２図の期
間２，１２等に可変振幅を持つG_z位相符号化勾
配パルスを印加して、空間的な像情報をＺ軸方向
に符号化する。３次元スピン捩れ形パルス順序が
米国特許4431968号に記載されている。

更に、この発明がフーリエ変換形以外の作像順
序を用いて実施し得ることが理解されよう。こう
いう順序の例としては、２次元及び３次元形の多
重角度投影再生方法がある。こういう順序では、
関心のあるサンプル領域内の複数個の角度（例え
ば、２次元形では、少なくとも180°の円弧の範囲
内の角度）からNMR投影データを求める。各々
の方向で得られた線積分投影データを逆投影する
ことにより、像が再生される。この発明の方法
は、各々の異なる投影を１つのビユーとして取扱
えば、こういう順序でもそのまま用いることが出
来る。

この発明を特定の実施例及び例について説明し
たが、当業者には、以上の説明から、この他の変
更が考えられよう。従つて、特許請求の範囲内
で、この発明はここに具体的に説明した以外の形
で実施することが出来ることを承知されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図はNMR装置の簡略ブロツク図、第２図
はこの発明の方法を実施するのに役立つ、スピン
捩れ形として知られているスピンエコー、フーリ
エ変換形NMRパルス順序の一例の２つのビユー
を示すグラフ、第３図はスピン・スピンの減衰に
よる可変の振幅を持つNMRスピンエコー信号列
を示すグラフ、第４図は第２図と同様なグラフ
で、異なる繰返し時間TRで像データを収集する
為にこの発明に用いることの出来るスピン捩れ形
パルス順序の２つの図を示す。第５図は順序の繰
返し時間TRに対して画素の強度を示すグラフ、
第６Ａ図及び第６Ｂ図はスピン・エコー遅延時間
TE_cに対して比Ｒを示すグラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ タイミング・パラメータが実質的に同じであ
   る対応する収集NMR像に較べて信号対雑音比を
   改善した計算によるNMR像を発生する方法に於
   て、 (a) サンプル物体を励起し、空間的に符号化して
   NMR信号を検出することにより、収集NMR
   像ごとに変わるタイミング・パラメータに従つ
   て複数個の収集NMR像を求め、 (b) 前記収集NMR像の各画素に対応するNMR
   データを、前記物体のNMRパラメータを前記
   NMR信号に関係づける方程式にあてはめて、
   複数個のあてはめられた方程式を求め、 (c) 前記複数個の収集NMR像を求める際に変え
   られた前記タイミング・パラメータの範囲内に
   選んだ単一値のタイミング・パラメータに対応
   する計算によるNMR像を、前記方程式を用い
   て発生する工程を含む方法。 ２ 特許請求の範囲１に記載した方法に於て、前
   記物体のNMRパラメータがスピン−スピン緩和
   時間T₂及びその擬似密度で構成され、前記タイ
   ミング・パラメータがスピンエコー時間TE_cであ
   る方法。 ３ 特許請求の範囲２に記載した方法に於て、前
   記タイミング・パラメータに関連して複数個の
   T₂の値が発生される方法。 ４ 特許請求の範囲３に記載した方法に於て、前
   記タイミング・パラメータTE_cの値を分散比Ｒが
   １より小さくなる様に選ぶ工程を含む方法。 ５ 特許請求の範囲４に記載した方法に於て、前
   記分散比Ｒが次の式 R²＝e^-2TEc/T2／N_*（X²−（Ｘ）²）（²−（）² ＋（−TE_c）²） ここで、 N_*＝_o 〓ⁱ⁼¹ _-2TEi/T2 ²＝１／N_*o 〓ⁱ⁼¹ （e^-2TEi/T2）（TE_i）² ＝１／N_*o 〓ⁱ⁼¹ （e^-2TEi/T2）（TE_i） によつて計算される方法。 ６ 特許請求の範囲４に記載した方法に於て、複
   数個のスピンエコー時計TE_i（ｉ＝１、２…、ｎ）
   にNMRデータを収集し、 それぞれ対応するスピンエコー時計TE_iに収集
   されたNMRデータを使つて複数個の収集NMR
   像I_i（ｉ＝１、２…、ｎ）を構成し、 各々の収集NMR像I_iに対し、各々の前記収集
   NMR像I_iにある画素と同じ数のT₂の値を発生し、
   該T₂の値は少なくとも２つの収集NMR像からの
   対応する画素の強度情報を用いて発生され、 各々の前記T₂の値に対し、 e^-(TEc-TEi)/T ₂の形の補外係数を発生し、 前記収集NMR像の少なくとも１つの像の画素
   強度に、対応して発生された補外係数を乗じて、
   該少なくとも１つの収集NMR像を時間TE_cに補
   外することにより、該時間TE_cにおける収集
   NMR像と略同様な像コントラスト特性を持つ第
   １の新しい像を作る工程を含む方法。 ７ 特許請求の範囲６に記載した方法に於て、別
   の１つの収集NMR像を前記時間TE_cに補外して、
   第２の新しい像を作り、 前記第１及び第２の新しい像を平均して、時間
   TE_cにおける収集NMR像に較べて信号対雑音比
   が改善された平均像を作る工程を含む方法。 ８ 特許請求の範囲１に記載した方法に於て、前
   記物体のNMRパラメータがスピン−格子緩和時
   間T₁及びそれに関連した擬似密度であり、前記
   タイミング・パラメータがパルス順序の繰返し時
   間TRである方法。 ９ 特許請求の範囲８に記載した方法に於て、前
   記タイミング・パラメータに関連して複数個の
   T₁の値が発生される方法。 １０ 特許請求の範囲９に記載した方法に於て、
   前記タイミング・パラメータTR_cの値を分散比Ｒ
   が１より小さくなる様に選ぶ工程を含む方法。 １１ 特許請求の範囲１に記載した方法に於て、
   前記物体NMRパラメータがスピン−スピン及び
   スピン−格子緩和時間並びに関連したスピン密度
   M₀であり、前記パルス順序の繰返し時間TR及び
   スピンエコー時間TEが前記タイミング・パラメ
   ータとして選ばれる方法。 １２ タイミング・パラメータが実質的に同じで
   ある対応する収集NMR像に較べて信号対雑音比
   を改善した計算によるNMR像を発生する方法に
   於て、 (a) 複数個のスピンエコー時間TE_i（ｉ＝１、２
   …、ｎ）にNMRデータを収集し、 (b) それぞれ対応するスピンエコー時間TE_iに収
   集されたNMRデータを用いて複数個の収集
   NMR像I_i（ｎ＝１、２…、ｎ）を構成し、 (c) 各々の収集NMR像I_iに対して、各々の前記
   収集NMR像にある画素の数と同じ数のスピン
   −スピン緩和時間T₂の値を、少なくとも２つ
   の収集NMR像からの対応する画素の強度情報
   を用いて発生し、 (d) e^-(TEc-TEi)/T ₂の形の補外係数を前記T₂の各々
   の値に対して発生し、 (e) 少なくとも１つの収集NMR像の画素強度に
   前記の対応して発生された補外係数を乗じて、
   前記複数個の収集NMR像を構成する際に用い
   られた複数個のスピンエコー時間を含む範囲内
   に選んだ時間TE_cに該少なくとも１つの収集
   NMR像を補外することにより、該時間TE_cに
   おける収集NMR像と略同様な像コントラスト
   特性を持つ第１の新しい像を作る工程を含む方
   法。 １３ タイミング・パラメータが実質的に同じで
   ある対応する収集NMR像に較べて信号対雑音比
   を改善した計算によるNMR像を発生する装置に
   於て、 (a) サンプル物体を励起し、空間的に符号化して
   NMR信号を検出することにより、収集NMR
   像ごとに変わるタイミング・パラメータに従つ
   て複数個の収集NMR像を求める手段と、 (b) 前記収集NMR像の各画素に対応するNMR
   データを、前記物体のNMRパラメータを前記
   NMR信号に関係づける方程式にあてはめて、
   複数個のあてはめられた方程式を求める手段
   と、 (c) 前記複数個の収集NMR像を求める際に変え
   られた前記タイミング・パラメータの範囲内に
   選んだ単一値のタイミング・パラメータに対応
   する計算によるNMR像を、前記方程式を用い
   て発生する手段を含む装置。 １４ タイミング・パラメータが実質的に同じで
   ある対応する収集NMR像に較べて信号対雑音比
   を改善した計算によるNMR像を発生する装置に
   於て、 (a) 複数個のスピンエコー時間TE_i（ｉ＝１、２
   …、ｎ）にNMRデータを収集する手段と、 (b) それぞれ対応するスピンエコー時間TE_iに収
   集されたNMRデータを用いて複数個の収集
   NMR像I_i（ｎ＝１、２…、ｎ）を構成する手段
   と、 (c) 各々の収集NMR像I_iに対して、各々の前記
   収集NMR像にある画素の数と同じ数のスピン
   −スピン緩和時間T₂の値を、少なくとも２つ
   の収集NMR像からの対応する画素の強度情報
   を用いて発生する手段と、 (d) e^-(TEc-TEi)/T ₂の形の補外係数を前記T₂の各々
   の値に対して発生する手段と、 (e) 少なくとも１つの収集NMR像の画素強度に
   前記の対応して発生された補外係数を乗じて、
   前記複数個の収集NMR像を構成する際に用い
   られた複数個のスピンエコー時間を含む範囲内
   に選んだ時間TE_cに該少なくとも１つの収集
   NMR像を補外することにより、該時間TE_cに
   おける収集NMR像と略同様な像コントラスト
   特性を持つ第１の新しい像を作る手段を含む装
   置。