JPH0414978B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は核磁気共鳴測定の分野に関するもの
で、特にサンプルにおけるNMR現象の空間的分
布の調査に関するものである。

発明の背景 核磁気共鳴（NMR）現象の空間的な依存性を
利用して対象物の断層撮影が行われているが、こ
れは医療用撮像にも利用してされている。均一性
からの逸脱を分離して測定することは分析という
目的に対して重要である。核磁気共鳴特性の空間
分布の捕捉方法は復元方法、すなわち断層撮影法
に基づくものであり、またその方法は米国特許第
4070611号に開示された位相エンコーデイングの
原理に基づくものである。いずれのNMR実験に
おいても、ある磁気共鳴パラメータを空間座標の
関数として得るために、空間座標を共鳴周波数へ
マツピングすべく磁気傾斜を急激に切り替えてい
る。

磁場傾斜を急激に切り替えることを必須要件と
はしていないが、磁気共鳴をマツピングするため
の方法が、Hoult（ジヤーナル・オブ・マグネチ
ツク・レゾナンス、第33巻、pp.183−197
（1978））、CoxとStyles（同、第40巻、pp.209−
212（1980））により示されている。このアプロー
チは、回転フレーム・ズーグマトグラフイ
（frame zeugmatography）（以下、RFZという）
といわれている。RFZアプローチにおいて技術
的な利点があり、特に、正確な磁場傾斜を急激に
達成し、更に研究対象や周囲において漏電流の発
生を防止するための要件を不要とする。静的及
び／又は切替えも磁場傾斜がRFZ測定の利用に
供するために使用され得ることも理解すべきであ
る。

RFZタイプの実験のための作動空間局所化原
理が、選択された傾斜を有するRF場を利用する
ことにより与えられる。所望ならば、静的分極場
を均一に維持してもよく、このタイプの測定に依
存する磁場傾斜を含めてもよい。RF傾斜場は非
対称なコイル、表面コイル時により形成される。
したがつて、回転しているスピンの章動角
（nutation angle）はRF場の分布に従いサンプル
の空間座標全体にわたつて変化する。章動角は、
B₁（局所的なRF磁場）及びRF照射するパルス長
の両方の双線（bi−linear）関数である。結局、
サンプルの各体積要素はパルス長及び／又はパル
ス振幅により対称的に変化する。パルス長（又は
パルス振幅）におけるフーリエ変換は各化学シフ
ト値に関し一次元の（示差）空間分布を生じさせ
る。

非共鳴状態（off−resonant condition）に対
し、従来のRFZ測定では３つの一般的な変化の
結果を観測するのが普通である。第一に、同じス
ペクトル対象の正の周波数と負の周波数成分との
間で化学シフトスペクトルに生じた非対称性が観
測される。第二に、非共鳴状態がゼロ周波数のと
ころでスペクトル寄与を生じさせる。第三に、ピ
ーク位置が共鳴に対する変位とともにシフトする
ことが分る。

NMR現象の空間分布を取り扱う基本的な実験
において、制御された励起の数ｎの各々に対して
デジタル化された波形が得られる。共鳴核の脱励
起（de−excitation）を表す過渡的波形がこのよ
うな各励起に対して観測される。このような波形
のセツトが、第２の独立変数を与えるために他の
パラメータを変えることにより得られる。

以下で、説明するように本発明においては、そ
の第２の独立変数はRFパワー又はRFパルス持続
期間のいずれでもよい。

発明の概要 本発明の好適実施例において、RFパワー又は
RFパルス持続期間のいずれかが、個々の励起の
数ｎにわたつて、初期値V₀から増加（又は減少）
するが、ｉ番目の励起に対する度数V₁は次のよ
うに初期変数値V₀に関連付けられる。

（V₁／V₀）＝（ｎ／２）−ｉ ｉｎ／２ ＝ｉ−ｎ／２ ｉｎ／２ ここで、ｎは増分の総数でｉは増加についての
インデツクスである。RF照射の位相は、励起が
実行され対応したデータ全体を得るため、ｉが
ｎ／２のとき又はそれ以降で反転される。すなわ
ち、ｉ≦ｎ／２で、ある位相のRFが照射されて、
磁化ベクトルがその位相だけ倒れるとき、ｉ＞
ｎ／２では、その倒れた磁化ベクトルの向きとは
反対の向きに倒す位相、すなわち磁化ベクトルが
反転する向きとなる位相のRFが照射される。

実施例 第１図に理想化したNMR装置が示されてい
る。穴１１を有する磁石が主磁場を形成する。磁
場を時間及び方向について正確に制御するため
に、略示した磁場傾斜（gradient）コイル１２及
び１４が設けられている。これらは、傾斜電源１
６，１８及び２０によりそれぞれ付勢される（こ
こには全ての傾斜コイルを示していない）。まだ、
傾斜コイル及び電源は基本磁場に存在する余分な
不所望の空間的不均一性を補償するために必要と
なるものである。分析対象（以下、“サンプル”
という）が磁場の中に配置され、そのサンプル
は、RF磁場が穴１１の内部の磁場と所望の直交
関係に整合するように、RFパワーにより照射さ
れる。これは穴１１の内部にある送信コイル（第
１図には示されていない）により達成される。共
鳴信号は、穴１１の内のサンプルに近接した受信
コイルに導かれる。

第２図には、本発明で使用する所望の不均一な
RF分布を達成するためのコイル形状が示されて
いる。

第１図に示されているように、RFパワーは送
信器２４により供給されるが、RFパワーの振幅
変調パルスとし、穴１１内に配置されたRF送信
器コイルに向ける変調器２６により変調される。
送信器及び受信器コイルは典型的にRFZ実験の
ため分離されているが、このことはこのような測
定上の必須要件ではない。不均一なRF場は上述
したように非対称の送信器コイルにより与えられ
るが、受信コイルはしばしば対称的であり、相補
的な非対称性を呈していてもよいものである。両
者の機能のために理想的なコイルを使用してもよ
いが、受信器の非対称的な感度を補償するために
適当な測定が行われることになる。したがつて、
マルチプレクサ２７は受信器を送信器から分離す
るために、設けられている。個々の送信器及び受
信器コイルの場合、要素２７は（正確にマルチプ
レクサではないものであるが）、受信器の動作を
制御するために同様の分離を達成する。

変調器は、所定の時間間隔にRF搬送波に対し
て所望の振幅、幅及び位相をもつRFパルスを供
給するためにパルスプログラマ２９により制御さ
れる。パルスプログラマはまた、そのような傾斜
を必要とするときに傾斜電源１６，１８及び２０
を制御する。これら傾斜電源は、所望ならば各傾
斜コイルで選択された静的傾斜を維持してもよ
い。

過渡的核共鳴波形は、受信器２８により処理さ
れ、更にパルス検出器３０を介して位相直角
（phase quadrature）に分解される。位相分解さ
れた時間領域の信号は、特定の処理条件に従つて
周波数領域に変換するために利用できる。アナロ
グ共鳴信号からデジタル形への変換は、一般的
に、便宜上位相検出器３０の要素として考えても
よいADC構成要素を通過した位相分解された信
号において実行される。フーリエ変換は実際上位
相分解されたデータの格納された表示により実行
され得ることは理解されよう。このことは、信号
−ノイズ比を高めるため時間領域の位相分解され
た多数の波形を平均化することが一般的であるこ
とを反映している。次に、その変換が結果として
生じた平均波形に対し実行される。得られたデー
タを処理し検査サンプルを表示するために、デイ
スプレー装置３６が設けられている。通常、一又
は二以上のコンピユータから成る制御器３８は装
置全体の動作を制御し、関連付ける。

従来の三次元のRFZ実験はHoultにより、並び
にCox及びStylesにより説明され、それは第３図
のタイミング図に従つて行われた。傾斜パルス長
t_x及びt_yの各々は、不均一なRF場により各デカル
ト座標の関数として章動角の分布に帰する。所望
ならば、ｚ軸にそつた分散がDC分極場のｚ傾斜
により得られる。経過時間t_x＋t_yにおいて、章動
角は、 ζ＝γB₁₀（t_x＋t_y） ＋γB₁₁（xt_x＋yt_y） となるここで、γは磁気回転比、B₁₀は均一な照
射場で、B₁₁は照射場の線形傾斜である。90°パル
スが磁化面をX′，Z′からX′，Y′へ倒すために回
転系に適用される。ここでプライムは回転座標系
を示す。結果として生じた自由誘導崩壊信号は次
のように与えられる。

M₀（ｘ，ｙ，ｚ）＝exp［ｉ｛π／２＋γB₁₀ （t_x−t_y）＋γB₁₁（xt_x＋yt_y） −γB₀₁Zt_z｝−t_z／T₂］ B₀₁は照射場のｚ（線形）傾斜であり、T₂はス
ピン−スピン緩和時間である。

簡単化のため、実験はサンプル緩和遅延を受け
るシングルスピンタイプのものとする。スピンは
間隔t₁の間、一様でないRF場の作用の下で展開
する。自由誘導崩壊は間隔t₂の間にわたつて観測
される。

サンプルの無限少の要素に対するBloch方程式
は、次のように展開するスピン系を記述する。

M〓_x＝ωM_y M〓_y＝−ωM_x＋φΩM_z 式１ M〓_z＝−φΩM_y ここでωはオフセツト周波数、Ωは（ある種類
の核に対する）磁気回転比とRF磁場の積である。
本発明において導入される関数φはその大きさが
｜１｜で回転座標の符号に直接関連して正又は負
となる。従来技術においては、このφはt₁の全て
に対して変わらない（偶関数）。

式１の解は次のように書くことができる。

M_y（t₁）＝φαsinψ｜１｜ 式２(a) M_x（t₁）＝φβ（１−cosψ｜t1｜） 式２(b) ここで、 ψ²＝ω²＋Ω² α＝ΩM₀／ψ β＝ωΩM₀／ψ² 捕捉期間の間、RFの照射が切られ、間隔t₁で
展開した横磁化は回転系のｚ軸のまわりに才差運
動をする。Blochの方程式は、次のような解に書
くことができる。

Ｍ（t₁，t₂）＝［M_y（t₁）＋iM_x（t₁）］ ×exp（iwt₂−t₂／T₂） ここでt₁及びt₂はそれぞれ実験の展開及び捕捉
部分（時間）である。

在来のRFZ実験は、ある最大値に至るt₁（第２
のフーリエ変数）の正の値の間増加するt₁の値に
対してt₂全体にわたつて時間領域の波形を集める
ものである。ここで、t₁はRFパルスの間隔でも
振幅でもよいものである。t₂に関する変換によ
り、t₁の関数で変調された一次元ω₂の共鳴線が生
ずる。最も単純な例として、その変調のフーリエ
変換は次のようになる。

Ｆ（ω₁）＝β［iA（ω₁）＋Ｄ（ω₁）］ −α＋β／２［iA（ω₁−ψ）＋Ｄ（ω₁−ψ）］ ＋α−β／２［iA（ω₁＋ψ）＋Ｄ（ω₁＋ψ）］ これらの結果は従来技術から期待されるもので
ある。したがつて、RFZモデル実験は３つのス
ペクトルピークを生じ、それらの強度はω₁でβ、
（ω₁−ψ）でα＋β／２、（ω₁＋ψ）でα−β／２で
あ る。

正確な共鳴状態ではω₁の中央ピークが消え、
対称的なω₁±ψの２つのピークとなり、正確な
共鳴状態と、非共鳴状態（off−resonant
condition）ではスペクトルが異なる。従来の研
究のおいては、単純なスペクトルである正確な共
鳴状態についての分析がされていた。また、t₁の
値は正の値に制限されている。

そこで、本発明は、共鳴状態での分析に限定す
ることなく分析ができるNMR化学シフトの示差
空間分布を捕捉する方法を提供することを目的と
する。他の目的は、t₁の値を正に限定することの
ないNMR化学シフトの示差空間分布を捕捉する
方法を提供することである。

かかる目的を達成するために本発明において、
Bloch方程式（式１）は、 φ＝＋１ ｘ＞０ φ＝−１ ｘ＜０ というように関数を再度定義すると、次のような
自由誘導崩壊の（第２の変数t₁振幅に対する）フ
ーリエ変換となる。変数ｘは変数t₁の値を分類
し、励起中のRFを表す識別子である。

Ｆ（ω₁）＝2D（ω₁）−［iαA（ω₁−ψ） ＋βD（ω₁−ψ）］＋［iαA（ω₁＋ψ） −βD（ω₁＋ψ）］ このとき、印加される不均一なRFパルスは、
前記本願の発明の概要に示した通りである。すな
わち、RFパルスの持続期間または振幅のいずれ
かが、個々の励起の数ｎにわたつて、初期値V₀
から増加（又は減少）するもので、ｉ番目の励起
に対する度数V₁が次のように初期変数値V₀に関
連付けられるものである。

（V₁／V₀）＝（ｎ／２）−ｉ ｉｎ／２ ＝ｉ−ｎ／２ ｉ＞ｎ／２ ここで、ｎは増分の総数でｉは増加についての
インデツクスである。

第２のフーリエ変数t₁の１／２に対して位相が
反転すると、このような第２の変数の範囲全体に
わたつて（この変数はこのような範囲を第２の変
数t₁の原点のまわりで対称的にする効果を有す
る）データセツトが与えられる。

たとえば、ｉ≦ｎ／２のとき90°RFパルスを上
記のように振幅（またはパルスの時間間隔）を変
化させながら照射させ、ｉ＞ｎ／２のとき
270°RFパルスを上記のように振幅（またはパル
ス時間間隔）を変化させながら照射することによ
り、データセツトが得られる。

この結果はまた、変数t₁に対応する周波数領域
に三本のラインを生じさせる。しかし、±ψでの
ラインは共鳴状態、非共鳴状態のいずれの場合に
対しても等しい強度となり、その振幅は在来の実
験の振幅の２倍となることが分つた。したがつ
て、スペクトルの分析を共鳴状態に限定する必要
がなくなつたのである。

非共鳴状態は式２(a)及び２(b)に要約される。そ
の実験結果はその状態の項を有する式２(b)の形と
同一となる。

本発明において、因子φは第２のフーリエ変数
に関し奇関数であり、それは磁気成分に作用し、
偶関数を掛ける従来技術とは対称的に奇関数を生
じさせる。この対称性についての違いにより、本
発明の利点が生ずる。すなわち、このようにして
因子φを掛けることにより生じた奇関数となつた
項は、第２のフーリエ変数の領域から（周波数領
域に）変換するとき、互いに相殺し、除去される
のことになる。

第４図は、本発明に従つてデータセツトを形成
するために、ｎ回の実験を実施する際の本発明の
動作を説明するものである。ループカウンタが増
加し、次のNMR励起がそのセツトを越えていな
いことを確かめるためテストされる。次に、その
インデツクスは、次のたとえばｉ番目の励起がデ
ータセツトの中点を越え、従つて第２の変数のメ
ジアン値を越えているかどうかを決定するために
テストされる。もし、そのインデツクスがセツト
の中点、すなわちｎ／２を越えるならば、第２独
立変数（RFパワー又はRFパルス持続時間）の変
化が本発明に従つて反転される複数のサブセツト
が次の励起の実施対象となる。

すなわち、マルチプライヤｐの符号は逆転さ
れ、RFパルスの位相は残りの半分の測定の間、
前半の位相に対して180°だけシフトされたものと
なる。

間隔０≦ｐ≦（ｎ／２）におけるマルチプライ
ヤ、実際のサブセツトは第５ａ図に示した負のマ
ルチプライヤである下方の破線に対応したt₁の値
のセツトと一致することになる。すなわち、t₁は
実質的に負の値をもつことになる。

t₁が正のときは式２(a)，(b)の因子φは＋１で、
t₁が負のときは式(a)，(b)の因子φは−１となる。

この状態の下で、第２のフーリエ変数の値は決
定され、次の励起はその値を使用して実行され
る。実際上、サンプルのどの点における核スピン
に対する章動角も、ｐの今扱つている値とRFパ
ルスの位相との結合の結果により（前の共鳴励起
における値全体にわたつて）変化させられること
になる。このことは第５ａ及び第５ｂ図に示さ
れ、それらの図は従来技術と比べた本発明に対す
るマルチプライヤｐの軌跡を示している。

実際問題として、ｎ、すなわち間隔か振幅かの
いずれかである（一般的にt₁と書く）“第２”の
フーリエ変数の値の数は通常２のべき数として取
られ、したがつて偶数である。そのｎの値は２の
べき数に選択する必要はなく、ｎを本発明の必須
要件として偶数として選ぶ必要もない。ｎを奇数
に選んでも、第２のフーリエ変数の範囲の中点に
あるデータが含まれることは理解されよう。ｎが
偶数であるときには、第２のフーリエ変数の範囲
は、ヌル（null）波形がデータセツトの中に含ま
れる。すなわち、ヌル波形は、書入れにより、所
望ならばヌル信号（ノイズ）を処理することによ
りデータセツトに入る。ｎが偶数の場合、実際の
波形f_k及びf_k+1は第２の変数のメジアン値のまわ
りに対称的に配列された第２のフーリエ変数の値
に対して得られる。したがつて、原点で、第２の
フーリエ変数（t₁又はRF振幅）は零になる絶対
値をもつ。RFパルスの位相の変化は、データセ
ツト（t₁又は振幅の値）の次の数が第２のフーリ
エ変数の原点から一方の側のサブセツトの数か又
は他方の側の数かどうかにより決定される。偶数
のｎに対して、第２のフーリエパラメータの原点
は、RFパルスの持続期間又はその振幅が原点で
０値を有することからヌル値に対応する。結局、
RFパルスは、その点で限定されず、第５ａ及び
第５ｂ図はｎが偶数である場合と奇数である場合
とで区別はない。ｎが偶数である場合と奇数であ
る場合との区別は、関数ｐ(n)における離散した点
の分布においてのみ見い出されるだろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を実施したシステムを示す。
第２図は、所望のRF傾斜場を得るため適切なコ
イルの形状を示す。第３図は、RFZに対する従
来技術のパルスシーケンスを示す。第４図は、本
発明の実施を示すフローチヤートを示す。第５ａ
及び第５ｂ図は本発明と典型的な従来技術との比
較を示す。 主要符号の説明、１０……磁石、１１……穴、
１２，１４……傾斜コイル、１６，１８，２０…
…傾斜電力、２４……送信器、２６……変調器、
２７……マルチプライヤ、２８……受信器、２９
……パルスプログラマ、３０……位相検出器、３
６……デイスプレー装置、３８……制御器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ NMR化学シフトの示差空間分布を捕捉する
   方法であつて、 (1) データセツトを形成するためにNMR励起の
   数ｎを選択する工程と、 (2) サンプル内に前記NMR励起のｉ番目を選択
   された振幅及び長さτ_1-1のRFパルスにより励
   起する工程であつて、 ｉが整数で、１ｉｎの値を取り、τ_1-1が
   時間間隔τ₀の倍数である、 ところの工程と、 (3) 連続励起に対し、ｉｎ／２に対してτ_1-1の値 をτ₁＝（ｎ／２−ｉ）τ₀の値まで変化させ、ｉ＞ ｎ／２に対してτ_1-1の値をτ₁＝（ｉ−ｎ／２）τ₀の
   値 まで変化させる間、ｉ＋１個の励起を達成する
   工程と、 (4) ｉ＞ｎ／２となつたときから前記RFパルスの位 相を180°だけ変化させる工程と、 (5) 前記各ｎ個の励起により生じた共鳴データを
   捕捉し、蓄積する工程と、 から成る方法。 ２ 請求項１記載の方法であつて、 前記振幅がｎ個の励起に対して一定値に維持さ
   れる、ところの方法。 ３ NMR化学シフトの示差空間分布を捕捉する
   方法であつて、 (1) データセツトを形成するためにNMR励起の
   数ｎを選択する工程と、 (2) サンプル内に前記NMR励起のｉ番目を選択
   された長さ及び振幅A_1-1のRFパルスにより励
   起する工程であつて、 ｉが整数で、１ｉｎの値を取り、A_1-1
   が単位振幅A₀の倍数である、 ところの工程と、 (3) 連続励起に対し、ｉｎ／２に対してA_1-1の値 をA₁＝（ｎ／２−ｉ）A₀の値まで変化させ、ｉ＞ ｎ／２に対してA_1-1の値をA₁＝（ｉ−ｎ／２）A₀の値 まで変化させる間、ｉ＋１個の励起を達成する
   工程と、 (4) ｉ＞ｎ／２となつたときから前記RFパルスの位 相を180°だけ変化させる工程と、 (5) 前記各ｎ個の励起により生じた共鳴データを
   捕捉し、蓄積する工程と、 から成る方法。 ４ 請求項３記載の方法であつて、 前記振幅がｎ個の励起に対して一定値に維持さ
   れる、ところの方法。