JPH0656407B2 - ある体積体のｎｍｒ作用を測定する装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はＮＭＲ（核磁気共鳴）造影に係る。本発明は、
その主たる使用目的においては、同時データ収集により
或る体積体の全ての領域のＮＭＲパラメータを定めるこ
とに係る。

従来の技術 最近、ＮＭＲ造影の問題に著しい注目が集められてい
る。基本的な問題としては、或る体積体内の特定の局部
領域で種々のＮＭＲパラメータを測定する場合の空間的
な位置設定の問題がある。この位置設定の問題に最も大
きく寄与する方法の１つは、Waldo S.Hinshaw 氏の感知
点法である。これは、１９６７年、８月のJournal of A
pplied Physics第４７巻の第３７０９−３７２１頁に掲
載された”核磁気共鳴による像形成：感知点法”と題す
るHinshaw 氏の論文、並びにW.S.Moore 氏及びW.S.Hins
haw 氏の英国特許第１，５０８，４３８号及び米国特許
第４，０１５，１９６号に開示されている。

基本的な方法では、経時変化磁界即ち交流勾配磁界を使
用する。その最も簡単な例では、周波数の異る交流勾配
磁界を３つの軸全部にかける。次いで、復調した信号を
積分し、一時的な変化を全て除去する。従って、これに
より形成される積分信号は、種々の勾配磁界のゼロ領域
のみに感じるものとなる。３つの全交流勾配磁界のゼロ
点に対応する空間内の１点が積分出力信号を与える。像
を形成するため、このゼロ点を動かすように交流勾配磁
界を変える。この方法は、効果的であるが、一度に１点
しかデータ収集できず、然も各点で相当の積分時間を要
するので、時間のかゝる方法である。

注目すべきことに、英国特許第１，５０８，４３８号に
は、体積内の各点が、体積内の他の点で形成される信号
と区別できるような独特の時間従属関係にあることが示
されている。然し乍ら、今日まで出版されたいかなる文
献においても、ゼロ点以外の点を調べる方法は全く示さ
れておらず、従って、上記方法は、効果的ではあるが、
非常に時間のかゝるものとなっている。このように速度
が通常遅いために、上記方法は一般的な像形成の用途に
は利用されず、他の方法が主流となっている。現在上記
方法が利用されているのは、所望の局部領域のＮＭＲス
ペクトルを調査することのできる局部的な分光測定だけ
である。これについての１つの例が、１９８２年、Jour
nal of Magnetic Resonance第５０巻、第３３９−３４
４頁に掲載された”感知点法による³¹Ｐ核磁気共鳴信号
の空間的位置設定”と題するKatherine N.Soctt 氏等の
論文に示されている。

前記したように、３つの交流勾配信号を使用した後に積
分を行なうことにより、特定の点が分離される。同様
に、同じゼロ現象を用いると、２つの交流勾配で線が分
離され、そして１つの交流勾配で面が分離される。線又
は面の使用は、投影による再構成を含むような色々の複
合造影システムの１部分となり得る。更に、所要の直交
性を与えるように、交流勾配磁界のうちの２つを同じ周
波数にして位相を９０゜ずらすことができる。感知点法
についての注目すべき変更が、Waldo S.Hinshaw 氏発明
の英国特許第１，６０１，８１６号に開示されており、
ここでは、点の線配列体からデータが同時に収集され
る。更に、交流勾配、例えば、２つの直交する正弦波が
２つの軸に加えられ、第３の軸には静止勾配が加えられ
る。交流信号のろ波により、ゼロ面の交差で画成された
線についてのデータ収集に限度が生じる。然し、静止勾
配があるため、ゼロ線に沿った各点が異った周波数を呈
する。従って、ろ波された信号をフーリエ変換すること
により、ゼロ線に沿った点に関する同時情報が与えられ
る。然し乍ら、交流勾配を変えて新たな線を解析する
（これは、データ収集時間が長くかかるという問題を伴
なう）のではなく、他の線における点の作用を調べると
いう方法は示されていない。

然し乍ら、或る方法では、平面内の多数の点からデータ
が同時に収集される。エコー平面方式として知られてい
るこの方法は、１９７８年、Journal of Magnetic Reso
nance 第２９巻の第３５５頁に掲載されたP.Mansfield
及びI.L.Pykett氏著による論文に述べられている。又、
１９８２年、Academic Press出版のP.Mansfield 及びP.
G.Morris著の文献”生医学におけるＮＭＲ造影”にも述
べられている。この方法では、ｘｙ平面を励磁し、それ
により生じる信号を受信する間に、静止勾配をｘ方向に
かけ、そして方形波勾配をｙ方向にかける。方形波勾配
は、本質的に、各領域のｙ位置に基づいた周波数で各領
域を振巾変調したものである。周期的な変調により、ｙ
方向に沿った個々の領域から信号が受信され、これらは
各々異った周波数を呈する。これら個々のｙ位置は、静
止勾配によりｘ座標を表わす連続的な周波数スペクトル
において重畳される。従って、各々の周波数は、全ての
情報が同時に収集されるような空間位置を表わす。

この方式には、多数の問題がある。先ず、個々の周波数
を形成する変調技術により、データ収集がｙ方向の個々
の位置に限定され、全ての領域をアクセスできるのでは
ない。又、この変調技術では、Mansfield 氏も指摘して
いる通り、マトリクスの大きさ、即ち、システムの分解
能に制約がある。更に、この方法は、理論的には、更に
別の変調されたｚ勾配を使用することにより３つの次元
全部のデータを収集するように適用できるが、これによ
ってスペクトルが甚しく複雑になり、出版された文献に
関する限り再考の余地がある。

この技術は、信号の周波数スペクトルの特定領域によっ
て各空間位置が表わされるという点で本質的に制約があ
る。

上記エコー平面方式に変更を加えたものが、１９８１
年、Journal of Magnetic Resonance 第４２巻の第１９
３−２０２頁に掲載された”ＮＭＲエコー平面技術のた
めの像の再構成、及び連続的なデータ収集を可能にする
ための応用（Image Reconstruction for the NMR Echo-
Planar Technique, and for a Proposed Adaptation to
Allow Continuous Data Acquisition)”と題するM.M.T
ropper 氏の論文に述べられている。エコー平面方式の
場合と同様に、信号受信時間中に１つの静止勾配と１つ
の経時変化勾配とを用いて単一の平面からデータが収集
される。然し乍ら、信号の処理の仕方で、信号がより効
率的に利用される。然し乍ら、上記論文に示された特定
の処理システムは、独特のサンプリングシーケンスを行
なった後に各々の像点に対してフーリエ交換を行なうと
いう点で、かなり複雑である。然し、最初のエコー平面
方法に勝る性能改善が与えらえる。上記の論文では、全
体積から同時に情報を収集することについては述べられ
ていない。

発明の目的 本発明の目的は、或る領域の複数の点についてのＮＭＲ
作用に関する情報を同時に収集することである。

本発明の更に別の目的は、動きの影響をなくすようにＮ
ＭＲ作用に関する情報を高速度で収集することである。

本発明の更に別の目的は、或る領域の多数の点からＮＭ
Ｒ分光データを同時に収集することである。

本発明の更に別の目的は、或る領域の多数の点から流量
データを同時に収集することである。

本発明の更に別の目的は、主磁界の非均質さに比較的影
響されないようにしてＮＭＲデータを収集することであ
る。

発明の構成 簡単に説明すると、本発明によれば、１つ以上の経時変
化交流勾配磁界を使用しながら、ＮＭＲ信号が受信され
る。これらの受信信号は、勾配信号の関数で変調された
信号を用いてヘテロダイン即ち乗算される。或いは又、
これと同等の作動においては、信号スペクトルが乗算信
号のスペクトルで畳込みされる。これにより生じる積分
信号は、励磁された領域の所望の点のＮＭＲ作用を表わ
すことができる。スペクトル、密度、緩和時間又は流量
を含むＮＭＲパラメータを取り出すことができる。

本発明を更に理解するため、添付図面を参照して多数の
実施例を詳細に説明する。

実施例 本発明の一般的な特徴は、対称物１０のＮＭＲパラメー
タを造影する第１図を説明することによって最も良く理
解されよう。一般に、例えば、コイル１６及び１７で励
磁される磁極片１３及び１４を用いて主たる軸方向磁界
が発生される。コイル１６及び１７は、直流電源Ｖ１に
よって駆動され、体積体（対象物）１０の当該領域全体
に実質的に均一な磁界を形成するように同じ方向に磁界
を発生する。この磁界は、このシステムにおいて最も強
い磁界であり、その強度は１ないし１０キロガウス程度
である。このコイル及び他のコイルに対し、単に接続を
示す便宜的なやり方として文字対Ａ−Ｅを用いる。

勾配コイルを用いて特定の領域が選択される。コイル１
８及び１９は、電源Ｖ２によって駆動されて、ｚ方向に
勾配磁界を形成する。同様に、コイル２３及び２４は、
対称物１０の両側に配置され、電源Ｖ３によって駆動さ
れて、ｘ方向に勾配磁界を形成する。コイル２０及び２
５は、電源Ｖ５によって駆動されて、ｙ勾配磁界を形成
する。均一磁界を形成するコイル１６及び１７とは異
り、これらの勾配コイルは、各々の方向に変化する磁界
を形成するように互いに対抗するようになっている。

コイル２１及び２２は、送信器及び受信器の両方の機能
を果たす高周波コイルである。これらコイルは、体積体
１０内に実質的に均一な磁界を形成するように同一方向
に磁界を発生する。スイッチ２７を送信位置２６に入れ
た時には、電源Ｖ４を用いて、体積体１０内の磁気スピ
ンが励磁される。スイッチ２７を受信位置に入れた時に
は、体積体１０内の磁気スピンから信号３１が受信され
る。これら信号は、プロセッサ２９で処理されて、ＮＭ
Ｒパラメータの種々の像が表示装置３０に表示される。

送信及び受信の両方に対して単一の高周波コイル系統２
１及び２２が示されているが、多くの装置では、便宜
上、送信バースト後の結合を最小限にするために個別の
送信コイル及び受信コイルが使用される。これらの場合
には、送信コイルが端子２６に永久的に接続されてＶ４
によって駆動され、一方、受信コイルが端子３１に永久
的に接続されて、プロセッサ２９に信号を供給すること
が明らかである。別々の組のコイルを用いたシステムに
おいては、結合を最小にするように各々の軸を直角に
し、そして両軸をｚ軸に垂直にするのがしばしば有用で
ある。従って、別組の受信コイルを追加する場合には、
これらが勾配コイル２３及び２４に平行にされる。

励磁信号Ｖ４、勾配信号Ｖ２、Ｖ３、及びＶ５、並びに
プロセッサ２９の色々な組合せを用いて、体積体１０の
特定のパラメータ及び領域を調べることができる。

前記したように、感知点法、感知線法或いは感知面法で
は、１つ以上の交流勾配が使用される。これにより形成
されて復調された信号は、交流磁界のゼロ領域を表わす
ように積分される。説明を簡単にするため、単一勾配の
磁界について述べる。

∂ｍ／∂ｔ＝−ｍ｛ｉω_０＋ｉγＧｙcosω_ｍt-t/t_２｝ 但し、ｍは磁気モーメントであり、γは磁気回転定数で
あり、Ｇはｙ方向の勾配振巾であり、ω_ｍは交流勾配周
波数であり、そしてＴ_２はスピン緩和時間である。この
微分方程式を解くと、次ぎのようになる。

恒等式 を用いると、次ぎのようになる。但し、J_k(A) はｋ次の
ベッセル関数である。

但し、 である。この信号は、周波数ωｏで同期をとって検出さ
れ、時間Ｔで積分されて、次ぎのようになる。

Ｔ≫Ｔ２である場合に、一定位相ファクタを無視すれ
ば、ｓ（ｒ）の実数部は、次ぎのようになる。

ω_ｍT2≫１の場合には、次ぎのように近似できる。

これで、応答がＪ_０関数によって決定される場合に、応
答がｙ＝０の付近に局所化されることになる。これは、
２つの問題を表わしている。即ち、第１に、データはゼ
ロ領域からしか得られずそして第２に、ゼロ領域におけ
る応答が非常に悪く、Ｊ_０関数に振動特性が与えられ
る。前記した文献に述べられたように、非同期であっ
て、開始時間ｔ_１がランダムであるような一連の励磁を
平均化した場合には、一定位相ファクタではなくてｅ
^ｉＢの項もベッセル関数となる。これにより、次ぎのよ
うな空間応答が与えられる。

これにより、改善された応答 J₀ ²が与えられる。然し乍
ら、この J₀ ²でも、理想的な局所化関数としては望まし
いものではない。

２つの振動する勾配をｘ軸及びｙ軸に用いた場合には、
次式に応じて線に局所化される。

J₀ ²（γGy/ ωa） J₀ ²（γGy/ ωｂ） 但し、ωa 及びωb は、各々の勾配変調周波数である。
一方の勾配信号がcos ωmtで、他方の勾配信号がsin ω
mtであるような直角位相変調を用いると、これらの周波
数は同じになる。或る点へ局所化する場合には、第３の
周波数を用いて、第３の勾配軸を変調することができ
る。或いは又、第３の勾配を静止勾配とし、線に沿った
各点が別々の周波数に対応するように感知線法を構成す
ることもできる。各軸に沿った J₀ ²空間応答は、前記の
P.Mansfield 及びP.G.Morris氏の論文に述べられたよう
に非正弦波勾配信号を用いて変更し、次式で表わされる
応答関数を各次元に形成することができる。

但し、Πは積を表わし、gnは勾配信号の第ｎ番目の高調
波を表わしている。もちろん、 J₀ ²は、前記したよう
に、勾配変調に対してランダムな位相をもった一連の励
磁を表わしている。応答を明確なものにすること方法に
は、重大な制約がある。先ず、第１に、この方法は、応
答パラメータを変えるような非常に融通性のある方法で
はない。第２に、非正弦波勾配信号は、これを発生する
ことが非常に困難であり、然も、効率の改善された共振
系の使用を妨げる。

第２図及び第３図は、所望の領域を選択するという基本
的な問題を解決するための基本的なシステムを示してい
る。説明を簡略化するため、１つの次元のみにおける局
所化について考え、全体積体から面を選択する。このた
め、勾配信号Ｖ２及びＶ５を無視する。高周波励磁信号
Ｖ４、セグメント４０、は全体積体１０を励磁する広帯
域信号であり、スイッチ２７を送信位置から受信位置へ
入れた時にＦＩＤ（自由誘導減衰）信号セグメント４１
を出力信号３１として形成するものと仮定する。ｘ方向
に局所化を行なうため、信号セグマント４２として示さ
れた交流勾配信号をＶ３、Ｇｘとして用いる。前記論文
に述べられた分析の場合と同様に処理を行なって、これ
により得られた信号を積分する場合には、交流勾配のゼ
ロ領域に相当する平面区分が選択される。他の平面区分
からの信号が所望される場合には、ゼロ領域を別の平面
へ動かすように勾配コイル２３及び２４の相対的な振巾
が変えられる。前記したように、順次行なわれるもので
あって非常に時間のかゝる動作であり、システムを臨床
学的造影に不向きなものにする。

第３図を説明すれば、信号は、直接積分するのではな
く、先ず、ミクサ、即ちヘテロダイン乗算器５０へ送ら
れる。この乗算器５０は、入力信号を、次式で表わされ
たヘテロダイン信号、即ち混合信号５５で乗算する。

v= exp｛i ω₁t + ik sin ω_m （ t_１ + t )} この分析信号方程式は、電気工学において一般に知られ
ているように使用される。この信号の実数部が物理信号
である。この信号は、異った搬送波周波数ω1 を有して
いるが、その位相もしくは周波数変調は、変調勾配信号
について前記した分析の場合と同じ式であることに注意
されたい。これらの正弦波信号を混合即ち乗算した時に
は、古典的な三角関数関係によって与えられるような和
及び差の信号が形成される。スーパーヘテロダイン受信
器において古典的に行なわれているように、フィルタを
使用して、和又は差の成分を選択することができる。こ
の例では、中心周波数が、ほゞω0 - ω1 であるような
フィルタ５２即ち帯域フィルタを用いて、差の周波数成
分が選択される。フィルタ動作を簡単化するため、和の
スペクトルと差のスペクトルが充分分離されるようにω
1 を選択する。従って、フィルタされた出力、即ち信号
５６は、次式で表わされる。

これは、信号ｍ（ｔ）に対する前記の式と同様である
が、次の２つの点が異なる。先ず、第１に、搬送波周波
数がωo - ω1 である。第２の更に重要なことは、正弦
波位相変調成分の振巾が になったことである。この信号は、前記したように処理
できる。先ず、この信号は、復調器５３を用いて同期を
とって検出され、複素数の基礎帯域信号が与えられる。
復調器５３は、周波数ωo - ω1 のサイン及びコサイン
乗算器を含むことができる。これらの直角位相復調器
は、ＮＭＲ信号を処理するのに通常使用される。前記し
たように、この復調器の次に積分器５４が設けられてお
り、これは、時間Ｔで積分を行なう。これにより生じる
応答も前記したように実数部であるが、これは次式で表
わされる。

ベッセル関数のゼロ領域は、ゼロ平面において、ｘ＝０
の点ではなくて、次ぎの点で生じることに注意された
い。

従って、このシステムでは、同じ交流勾配信号で局所化
領域を選択することができる。ヘテロダイン信号即ち乗
算信号の位相変調振巾Ｋが、これで完全に制御できるこ
とに注目されたい。このシステムを更に完全に利用する
１つの方法は、信号３１を記憶することである。従っ
て、位相変調の値Ｋを変えてヘテロダイン信号を用いる
と、同じ励磁によっていかなる領域も選択できる。

ＦＩＤの励磁と勾配変調信号との間に任意の位相を用い
て第２図のシーケンスを繰り返えすことができる。前記
したように、これにより、各励磁毎に項ｅ^iBがランダム
に変化せしめられ、従って、ベッセル関数が平均値で与
えられる。それ故多励磁シーケンスの結果は、次ぎのよ
うになる。

これは、改善された J₀ ²応答を与え、然も、局所化を選
択できる。

以上、基本的なシステムを１つの次元について説明し
た。然し乍ら、第２図に示された方法では、体積体１０
内のどの点でも選択できる三次元造影を行なうことがで
きる。第１に、本発明の一実施例では、或る領域が標準
的な形態で選択される。ｚ勾配信号、セグメント４３、
を用いると、特定の周波数の励磁信号４０により、第１
図に平面２８として示された特定の値ｚの平面が励磁さ
れる。これにより生じる信号ＦＩＤ４１の間に、別の無
関係の周波数ωx 及びωy を有する交流勾配信号が、勾
配信号Ｖ３及びＶ５の信号セグメント４２及び４４とし
て与えられる。

この場合も、得られた信号３１又はその記憶された信号
が、ヘテロダイン乗算器、即ちミクサ５０に送られる。
ヘテロダイン信号５５は、信号発生器５１において、２
つの勾配変調信号Ｖ３及びＶ５を用いて搬送波信号cos
ω1tを位相変調することにより形成され、これにより次
ぎの信号が得られる。

v=exp ｛i ω₁t+iKsinω_x(t₁+t)+i L sin ω_y(t₁ +t)｝ この場合も、勾配信号とＦＩＤ励磁との間の非同期関係
を用いて、繰返し励磁信号を積分すると、次ぎのような
応答関数が得られる。

但し、選択されたｚ平面におけるｘ，ｙ局所化点は、次
ぎの通りである。

これらは、完全に制御できる。便宜上、勾配振巾は、値
Ｇに等しいものとする。これらは、局所化領域が変化す
るにつれて異なったものになることが明らかであろう。

従って、第２図及び第３図に示された完全なシステムの
場合は、１組の記憶されたデータを用いて、選択された
平面内のどの点でも調べることができる。これは、順次
に領域からデータを収集する感知点方式又は感知線方式
の利用に顕著な変更をもたらす。

第２図及び第３図に示されたシステムは、選択された平
面内のあらゆる点からデータを収集する。体積体全体が
造影される場合には、種々の平面を選択するように色々
な周波数のバースト４０を用いてシーケンスが繰返えさ
れる。然し乍ら、同じ考えに基づいて作動を続ける場合
は、互いに無関係の周波数をもつ３つの交流勾配を用い
ることによって体積体内の全ての点を同時に造影するこ
とができる。第２図をみると、この場合もＦＩＤ４１の
間に、勾配パルス４３が除去され、これに代って第３の
周波数ω_ｚの交流勾配信号が使用される。又、勾配信号
Ｖ２がヘテロダイン信号発生器５１に加えられ、次ぎの
ような信号５５が形成される。

v= exp｛i ω₁t+iK sin ω_x ｔ +iLsin ω_y t + iPsin ω_z t｝ これにより得られる応答は、次ぎの通りである。

但し、Ｋ，Ｌ及びＰは、収集され記憶された同じデータ
を用いて空間内のいずれかの点を調べるように選択され
る。

第３図の復調システムは、図示されたように一度に１点
からしかデータが取り出せないという点で、若干時間が
かゝる。然し乍ら、これら点の各々は、同じ受信データ
から導出されることを強調しておく。従って、患者は、
非常に短時間しか関与せず、これに伴なう処理は、全
て、患者が立ち去った後、オフラインで行なうことがで
きる。然し、処理時間や複雑さを減らすように多数の処
置をとることができる。例えば、各々が第３図に示した
ものと同じであって各々が記憶信号３１を同時に復調す
るようにプロセッサ配列体を使用できる。もちろん、各
々のヘテロダイン信号５５は位相変調の度合Ｋ，Ｌ及び
Ｐが異なり、それ故、別々の点を同時に表わす。

多数の点を造影するより融通性が高く且つ計算効率がよ
い方法では、第３図の周波数領域表示が使用される。従
って、時間領域での信号の乗算は、周波数領域での畳込
みと同等である。ここでも、簡略化のため、第２図のＶ
２及びＶ５を無視して１つの軸についてのみ考える。

交流勾配の存在中で受信信号３１のスペクトルを観察
し、Ｔ２減衰による僅かな線の広がりを無視すると、次
ぎのスペクトルが得られる。

便宜上、分析信号に相当する片側スペクトルが使用され
る。上記の近似では、スペクトルが、一連の先鋭な線、
即ち、勾配周波数ｆ_ｍで分離されたデルタ関数に近づ
く。各線の振巾ｍ_ｎは、ｘ方向における密度分布ｍ0
（ｘ）の関数である。

ヘテロダイン信号のスペクトルは、次の通りである。

これも位相変調周波数ｆ_ｍで分離された線スペクトルの
配列体であり、各側波帯ｋ_ｌの振巾は、位相変調ファク
タＫによって決まる。受信信号３１とヘテロダイン信号
５５の乗算は、次に示すスペクトルの畳込みと等価であ
る。

これも、側波帯がｆ_ｍの整数倍だけ分離された新たな搬
送波周波数ｆ_０−ｆ_１を表わしている。これは、次のよ
うに書き直すことができる。

但し、 である。

本質的に、ｐｆ_ｍの各側波帯は、各々ｐｆ_ｍまで加えら
れる周波数ｎｆ_ｍ＋ｌｆ_ｍのあらゆる組合せで構成され
る。数学的処理では、無限の加算が示されることに注意
されたい。もちろん、実際上の問題として、著しい振巾
を有する側波帯は或る有限の数だけである。親指でおお
まかに測ると、著しい側波帯の数は、位相変調のラジア
ン数に等しい。

第３図に示したように、同期検出及び積分の後、搬送波
周波数の成分のみが残る。従って、Ｋによって決まる値
ｘの密度を表わしている所望の出力は、単にｃｏであ
り、これは次ぎのように表わされる。

ｍ_ｎは受信信号３１のスペクトルを表わしており、ｋ_ｎ
はヘテロダイン信号のスペクトルを表わしており、ｋ_ｎ
は各々の値ｘに対して異なった一定振巾を有している。
それ故、第４図に示すように信号を処理することができ
る。先ず、デジタルフーリエ変換装置ＤＦＴ６０におい
てフーリエ変換が行なわれ、線スペクトルｍ_ｎが決ま
る。これは図示されたように信号３１の直接的なフーリ
エ変換の実行を含むが、これは比較的周波数が高い信号
であり、それ故、比較的高価なＡ／Ｄコンバータを必要
とする。或いは又、簡単なヘテロダインミクサを用い
て、中心周波数を下げ、低い周波数において同じスペク
トルが現われるようにしてもよい。又、ＮＭＲ受信器に
おいてしばしば行なわれているように、一対の同期式サ
イン及びコサイン積復調器を用いて、実数部及び虚数部
を別々に取り出すこともできる。これらは、６０におい
てＤＦＴシステムに個々に送ることができる。これらの
例のいずれにおいても、１組の線スペクトルｍ_ｎが与え
られる。

１組の定数ｋ_−ｎは、第３図の信号５５に対応する線ス
ペクトルを表わしており、これらは、種々の空間領域に
対応する種々の位相変調ファクタＫについて予め計算す
ることができる。これらの予め計算された定数の組は、
例えば、第４図にａ_ｎ，ｂ_ｎ，及びｄ_ｎと示されてい
る。或る特定を領域の応答を計算するため、ｍ_ｎ定数
が、乗算器６１、６５及び６３において、予め計算され
たｋ_−ｎ定数、例えば、ａ_ｎ，ｂ_ｎ，及びｄ_ｎと各々乗
算される。これにより得られた積は、各組の定数ごと
に、加算器６２、６６及び６４において加算され、種々
の領域におけるＮＭＲ作用を表わす出力信号６７、６８
及び６９が形成される。これらは、同様の作動により、
出力信号３３を形成する。

予め計算された全組の重みを用いて、全動作を並列に行
なうことができる。又、重みｋ_−ｎを順次変えながら、
単一の積及び和の構成を用いて別々の領域を表わすこと
ができる。更に、ハードウエアの複雑さと処理時間との
間をうまく兼合わせるように、並列処理と逐次処理とを
組合せて用いることができる。

この分析により、一次元例えば平面における局所化が示
される。第２図の平面励磁システムと共に用いた時に
は、線への分離が与えられる。点に分離するためには、
前記したように、更に別の交流勾配が必要とされる。前
記で述べたように、角周波数ω_ｘ及びω_ｙの交流勾配が
使用されて、信号３１の片側スペクトルが与えられる。

前記したように、復調は、位相変調ファクタＫ及びＬを
使用し、復調信号を積分することにより、ヘテロダイン
の周波数領域等価体によって行なわれる。ヘテロダイン
信号は、次ぎのように表わされる。

これにより生じる信号は、次式で表わされる。

但し、 である。空間内の所与の点を表わすｋ_ｌｑが与えられる
と、その点からの積分信号は、次式で表わされる。

これは所望の局所化を果たす。又、所望ならば、空間内
の全ての点に対し、ｋ_{−ｎ，−ｍ}を記憶することができ
る。従って、第４図のシステムを用いて、二次元の局所
化を、一次元の場合と同様に行なうことができる。この
場合、ＤＦＴ６０の出力は、更に広範な線スペクトルで
あり、このスペクトルｍ_ｎｍは更に多くの出力数を必要
とする。又、各組の記憶された乗算重み、例えば、６
１、６３及び６５も更に広いものとなる。一次元の局所
化及び二次元の局所化の両方の場合に含まれる基本的な
動作は、例ベクトルスペクトルと記憶されたマトリク
スとの乗算であり、ｋの各行は空間内の種々の点に対
して記憶された重みを表わしている。これは次ぎのよう
に表わされる。

ρ＝ 但し、は密度又はこれと同様の像を表わすベクトルで
ある。

更に計算効率のよい処理システムは、２つの次元の各々
を別々に処理するものである。例えば、第３図のシステ
ムを変更する場合は、２つのカスケード接続された乗算
器、即ち、ミクサを使用し、その各々の後に、別々の周
波数に同調されたフィルタを使用することができる。第
１のミクサ５０は、 k sinω_x t で位相変調されたヘテ
ロダイン信号５５を有し、第２のミクサは、L sin ω_y
t で位相変調され、これらは、単一のミクサの場合と異
なる。このようにして、選択されたｘ線に沿った全ての
ｙの値を網羅するようにＬを変えて、位相変調ファクタ
Ｋを、ｘ方向の所望の局所化に対してセットすることが
できる。或いは又、Ｌの値が各々異なる第２ミクサの並
列な配列体を、第１ミクサの後に使用することもでき
る。このようにして、ｘの値がＫと共に選択されると、
それに対応する全てのｙの値が同時に読み出される。従
って、第１ミクサは、ｘの値を通じてシーケンシングさ
れ、第２ミクサの配列体は全てのｙの値を供給する。

計算効率を上げるためにｘ座標及びｙ座標を別々に処理
するこの一般的なシステムは、デジタルフーリエ変換を
部分的又は完全に使用することができる。例えば、第３
図をみれば、信号発生器５１にＶ３又はＶ５のいずれか
を与えることによりｘ又はｙの１つの次元を選択するよ
うにミクサ５０を使用するものと仮定する。又、その座
標に沿って選択された特定の線が位相変調の程度によっ
て左右されるものとする。次いで、第４図に示したよう
に、第２の次元を選択ができる。復調器５３の出力であ
る信号５７は、選択された座標によってその中心周波数
即ちＪ0 成分が決定され、例えば、Ｖ５のみが信号発生
器５１に接続される場合は、これがＬによって決定され
る。このＪ0 成分の周りの側波帯は、色々なｘの値を表
わす。

信号５７は、次いで、第４図のＤＦＴ６０へ送られる。
このＤＦＴは、ω_ｘ側波帯振巾ｍ_ｎを抽出し、前記した
ようにこれらに対して固定乗算及び加算を行なうように
作動し、信号発生器５１で選択されたｙの値に対応する
ｘの値の配列体を取り出す。この場合も、ｙの値を通し
てシーケンシングし、各々のｙの値に対してｘ出力の配
列体を得ることにより、像が形成される。

勾配変調信号の周波数が同じであるがその位相が直交
し、従って、ｘ勾配信号Ｖ３、セグメント４２がsin ω
_mtであり、そしてｙ勾配信号Ｖ５、セグメント４４がco
s ω_mtであるような場合には、二次元の処理動作が簡単
化される。この場合、第３図のヘテロダイン乗算信号５
５は次のようになる。

v= exp｛i ω₁t +iK sinω_mt +iL cosω_mt} これも、２つの次々の混合動作として解くことができ、
先ず、Ｋの値に基づいてｘ線が選択され、次いで、ｙ線
が順位に選択されるか、或いはｙ位置に対して種々の値
のＬを表わす並列ミクサの一定バンクを介してｙ線が選
択される。この後者の場合には、第５図に示したような
簡単な基本的なデジタル構成体が形成される。

ここで、信号は、前記で示唆した別の方法のいずれかを
用いて、再びフーリエ変換され、線スペクトルの係数ｍ
_ｎｍが与えられる。このスペクトルも周波数ｆ_ｍだけ分
離された線である。というのは、これに使用される唯一
の位相変調周波数だからである。これにより得られる線
スペクトルは、制御された重みｋ_−ｎの配列体を含む乗
算器７０で乗算される。これらは、色々な位相変調ファ
クタＬに対応する個々のｙ線を表わすように調整され
る。ｙ選択の後には、第４図と同じ並列ｘ選択システム
がある。乗算器６１、６５及び６３の一定重みにより、
二次元像を完成するためのｘの値が各々選択される。各
々のｘ出力６７、６８及び６９は、７０において選択さ
れた組のｋ_−ｎ値によって選択される特定のｙ線に対応
する。所望の二次元像を形成する１つの方法は、各々の
ｙの値又はｋ_−ｎの値ごとに出力６７−６９を記憶構成
体７１−７３に記憶することである。従って７０がｍｙ
値を通してシーケンシングされる時には、ｎ個の一定乗
算器の各々が記憶された出力を与える。これにより生じ
る３３個のｎｘｍ配列体は、二次元像を表わす。

この構成に対し、座標選択のためのヘテロダインミクサ
を順次に或いは並列に色々組合せることを含む多数の変
更を利用できる。各々のｙ位置で各々ｙ選択を行なった
後にｘセレクタの配列体でｘ選択を行ない、そしてこれ
らの両方を、ヘテロダインミクサ又は第４図のデジタル
構成体を用いて行なうような完全な並列システムを形成
することができる。或いは又、このシステムの一部又は
全部を、記憶信号３１を用いて座標を通してシーケンシ
ングすることができる。

以上に述べたシステムは、体積体１０の平面領域２８を
造影するものであった。体積体全体を造影するために
は、第２図のバースト４０の周波数を変えて動作を繰返
す。或いは又、前記したように、バースト４０を用いて
体積体１０全体を励磁し、交流勾配Ｖ２、Ｖ３及びＶ５
を３つの軸全部に使用し、信号３１を記憶するようにす
ることもできる。このようにして、単一の記録信号３１
を用いて、体積体内のいかなる点も調査或いは造影する
ことができる。第３図、第４図及び第５図に示された処
理構成体を組合せて使用して、体積体全体を造影するこ
ともできる。例えば、第３図の構成体を用いると、３つ
の座標軸のうちの２つの軸、即ち体積体１０内の線を表
わす軸を選択することができる。信号５７は、次いで、
第４図のＤＦＴ６０へ送られ、その線の各点を同時に造
影することができる。或いは又、２つの軸、例えばｘ及
びｙ軸に、同じ周波数のサイン及びコサイン信号で変調
された勾配がかゝるようなシステムを用いることができ
る。第３の軸、即ちｚ軸には、別の周波数が必要であ
る。先ず、第３図のシステムを使用し、交流勾配信号Ｖ
２のみをｚ軸に使用して信号発生器５１を駆動すること
ができる。この場合も、信号５５の位相変調の程度によ
り、ｚ平面の選択が決まる。次いで、信号５７が第５図
のＤＦＴ６０に送られ、前記したようにｘ及びｙの値が
取り出される。

前記で取り上げたWaldo Hinshaw 氏の英国特許第１，６
０１，８１６号には、２つの軸に交流勾配を用いて先の
位置を決め、周波数を分解してその線に沿った点を決め
るような感知線法が開示されている。この一般的な方法
を本発明に用い、前記した独特の処理方法を用いて、単
一のデータ収集で全ての点を造影することができる。再
び第２図を参照すると、パルス勾配４２を除去し、バー
スト４０で全体積体１０を励磁するものと仮定する。パ
ルスは、ＦＩＤ信号４１に時間的に一致するｚ勾配Ｖ２
として用いる。これは実際上各々のｚ値が実際に別々の
周波数に対応することを意味する。処理は、第３図の場
合と同様に行なうことができ、ｘ及びｙの値はＫ及びＬ
によって選択され、これにより線が選択される。積分器
５４は低域フィルタとなって、ω_ｘ及びω_ｙ側波帯を遮
断するが、ｚ方向に沿った周波数変化は通す。この低域
フィルタの出力は、次いで、フーリエ変換され、選択さ
れたｘ，ｙ線に沿ったｚ値の配列体が形成される。この
場合も、Ｋ及びＬを通してシーケンシングすることによ
り、体積体が造影される。ここでも、同じ周波数の直角
位相信号がＶ３及びＶ５として使用される。又、ヘテロ
ダインミクサ又は前記したデジタル構成体を用いて、種
々の並列度を利用できる。

ここに実施する方法では、静止ｚ勾配信号Ｖ２による周
波数レンジがω_ｘ及びω_ｙより低くなければならない。
というのは、これらはフィルタで分離されてしまうから
である。然し乍ら、これは基本的な要件ではない。例え
ば、第３図を説明すれば、ヘテロダインミクサ即ち乗算
器の信号５５は、次式で表わされる。

v= exp｛i ω₁t +iK sinω_xt +iL sinω_yt+iRt｝ これは、ｘ及びｙ軸が正弦波勾配変調を受け、そしてｚ
軸が静止勾配を受けるような勾配変調に相当する。信号
発生器５１においてＫ，Ｌ及びＲを選択することによ
り、空間内のいかなる点も造影することができる。この
処理方法又はこれと同様の処理方法は、ｚ勾配による周
波数レンジを交流勾配信号の周波数より低くするという
制約を受けない。

便宜上、種々のヘトロダインミクサを周波数ω1 で示し
た。然し乍ら、前記したように、サイン及びコサイン復
調器を用いて、信号の実数部及び虚数部が取り出され
る。これと同等の別の方法は、位相変調された信号をサ
イン及びコサイン復調器として用いて、更に別のヘテロ
ダイン動作を回避することである。この場合も、ω1 が
搬送波周波数ω 0に等しくされ、従って、出力は基本帯
域信号となる。

説明簡略化のため、ヘテロダイン動作をアナログ乗算と
して示した。これは、ヘテロダイン乗算に等価なサンプ
リング動作として実施できる。従って、受信信号は、位
相変調されたサンプリング信号によってサンプリングさ
れる。このようにして、デジタルハードウエアを用いて
もヘテロダイン動作を実行できる。

例えば、第３図のヘテロダイン信号発生器５１は、信号
cos ω0 t を用いて周波数ω0 において直接動作するこ
とができる。これにより復調器５３が排除され、信号５
７が直接与えられる。又ヘテロダイン乗算器５０は、信
号発生器５１により位相変調されたパルス５５が供給さ
れるパルスサンプリング装置である。

第２図に示して以上に説明したシステムは、信号４１の
ＦＩＤ振巾ｍ_０がスピン密度に比例しそして処理によっ
てＴ２に対する比例定数が与えられるので、主スピン密
度の像を形成する。然し乍ら、緩和時間Ｔ１及びＴ２を
含む所望の全ＮＭＲパラメータは、単一のデータ収集で
体積体全体を調査できる同じ一般的な処理技術を用いて
調査することもできる。従って、励磁して信号を受信す
る方法は、造影される特定のＮＭＲパラメータを決定す
る。Ｔ１に対して高い感度が所望される場合には、第２
図のバースト４０の前に、次の比例定数を与える１８０
゜反転励磁を挿入することができる。

（１−２ｅ^{−τ／Ｔ１}） 但し、τは、反転励磁と、９０゜励磁、信号セグメント
４０との間のインターバルである。同様にＴ２感度は、
スピンエコー励磁によって得られるが、この場合は９０
゜励磁の後に、次ぎの比例定数を与える１８０゜反転励
磁を使用する。

ｅ^{−２τ／Ｔ２} 種々の励磁シーケンスを用いてデータを得、これらを組
合せて処理し、断面造影システムに現在使用されている
ような適当な数学演算を用いてスピン密度Ｔ１及びＴ２
を分離することができる。

本発明による処理システムの１つの重要な効果は、ＳＮ
Ｒ（信号対雑音比）にある。造影されている平面又は体
積体の全ての点から順次にデータが収集される場合に
は、実際上各点に割当てることのできる時間が、或る限
定された時間に過ぎず、従って、積分時間が制約される
ためにＳＮＲが低下する。然し乍ら、本発明の考え方を
用いると、全ての点が同時に出力信号に作用を及ぼすと
いう事実を利用することができる。それ故、或る所与の
データ収集時間間隔は、平面又は体積体内の全ての点に
対応し、これによりＳＮＲを相当に改善することができ
る。

これらの長いデータ収集時間は、或る形態の繰返し励磁
に相当する。交流勾配を用いた感知点造影システムにし
ばしば利用されている１つの繰返し励磁方法は、定常自
由歳差励磁システムであり、これは前記した文献の大部
分に述べられており、そしてP.Mansfiel d及びP.G.Morr
is氏の前記文献に詳細に分析されている。この場合、励
磁はＴ１及びＴ２よりも短い時間間隔で繰返される。こ
れにより生じる信号は、実際上は、ＦＩＤとスピンエコ
ーを組み合せたものであるが、これは、比較的大きな然
もほとんど連続的な振巾をもたせることができる。ＳＮ
Ｒについて考えると、これは最適である。Ｔ１に匹敵す
る時間待機し従ってデータ収集時間を相当に長くすると
いう問題を回避する別の繰返し励磁方法は、これも又、
上記のMansfield 及びMorris氏の文献に述べられた被駆
動平衡法である。この場合は、９０゜パルス後の通常の
１８０゜パルスによってスピンエコーが形成される。然
し乍ら、スピンエコー信号のピークにおいて、９０゜バ
ーストを用いて磁気モーメントをｚ軸に沿って後方に回
転し、新たな励磁を直ちに開始することができる。これ
も又ＳＮＲを改善する更に別の繰返し励磁方法は、９０
゜バースト後に一連の１８０゜反転バーストを用いて一
連のスピンエコーを形成する。これは、比較的短い時間
Ｔ２＊中ではなくて時間Ｔ２中、指数関数的な信号を形
成する。

これらの繰返し励磁中には、交流勾配信号を多数のやり
方で形成することができる。前記したように、交流勾配
信号は、励磁と同期していても非同期であってもよく、
これは、応答が j0 形態であるか、 J₀ ²であるかを決め
る。又、交流勾配は、第２図に示したように励磁バース
ト中遮断することもできるし、或いは連続的に作用して
もよい。体積体全体を非選択的に励磁するように広帯域
励磁バーストを用いた場合には、勾配が作用し続けるよ
うにすることができる。然し乍ら、色々な選択励磁を使
用する場合には、バースト中交流勾配を作用不能にしな
ければならない。交流勾配は、短い励磁時間中遮断し次
いでオンにすることもできるし、或いは、これをオフに
しそしてオフにした時と同じ位相で再開することもでき
る。

Katherine N.Scott 氏の前記文献に示されたように、励
磁システムは空間的応答に若干影響を及ぼすが、応答
は、主として、前記 J0 関数又は J₀ ²関数によって左右
される。或る場合には、このインパルス応答即ち局所化
関数では不充分である。然し乍ら、ヘテロダイン造影シ
ステム又はそのデジタル等価体の独特の特性を用いる
と、応答関数に相当の融通性が得られる。基本的に、前
記の解析を参照すれば、位相変調ファクタｅ^{iA sin ω t}
は、 で表わされたベッセル関数の和を呈した。積分した後
は、前記したように、 J0 (A) 項のみが残る。というの
は、この項は経時変化しないからである。然し乍ら、積
分の前に、この信号に別の式ｅ^{-ik ω t} を乗算し、そし
て積分した場合には、 Jk (A) の出力が形成される。い
かなる次数のベッセル関数も得るようにＫを選択できる
ことに注意されたい。これは、特に重要である。という
のは、ベッセル関数を組み合せると、種々様々な所望の
応答が得られるからである。

これを行なう代表的な実施例が第６図に示されている。
ここでは、第３図からの復調された信号５７が更に処理
されてから、信号８２を乗算することにより積分され
る。信号８２は、その最も一般的な形として次式で表わ
される。

但し、ω_ｍは、勾配変調周波数であり、ａ_ｎ及びｂ
_ｎは、或る所望の応答を与えるように選択された定数で
ある。例えば、ａ_０＝１で且つ他の全ての定数がゼロで
ある場合には、システムに変化がなく、本質的にそのＪ
0 又はＪ₀ ²応答特性を保持する。他の周波数を異った重
みで使用する時には種々様々な応答を形成するように高
次のベッセル関数が組み合わされる。１つの簡単な例
を、ベッセル関数恒等式で示す。

Ｊ1(x)／x は、古典的な屈折限定応答であり、これは、
中心ローブが比較的狭く且つ副ローブが比較的小さいの
で良好な局所化関数であると考えられる。この応答は、
Ｊ0 関数と、Ｊ2 関数とを組み合わせることによって得
られる。従って、信号８２が１．０＋ｅ^{i2 ω m t} で表わ
される場合には積分後の局所化がＪ1 (x) となり、従っ
て著しく改善される。

上記の例は、応答がＪ^２（ ）ではなくて、Ｊ（ ）の
形になるように、非同期平均化が行なわれない場合であ
る。非同期平均化が行なわれる場合には、定数の選択に
よって、 という応答を形成することができ、ａ_ｎは信号発生器８
１において選択される。この場合も、ａ_ｎの値を選択し
て用いることにより種々様々な応答を得ることができ
る。この応答は、”Ｊ^２合成”として知られている特性
であり、これは、１９６４年、IEEE Trans. on Antenna
s and Propagation AP-12の第691-694 頁に掲載された
J.Ruze氏の”円形穴合成(Circular Aperture Synthesi
s)”と題する論文に述べられている。

第６図は、１つの軸において単一の勾配変調を行なう場
合を示したものである。多数の軸で交流勾配変調を行な
う場合には、次式で表わされた１組の高調波周波数が、
各軸に使用される。

ｃ_ｎｅ^{in ω ｙ t} 及びｄ_ｍｅ^{im ω x t} 従って、定数を選択することにより、各軸において所望
の応答が得られる。又、第６図には、復調器５３で復調
された後に、”基本帯域”信号に対して行なわれる作動
も示されている。この同じ作動を、復調の前に信号５６
について行なって、復調器を本質的に排除することがで
きる。この場合の乗算信号は、次の通りである。

ここで、ωc は、当該点の搬送波周波数である。この場
合も、適切な程度の所望の側波帯が、ゼロ周波数に対し
てヘテロダイン作動され、これが積分器５４の出力に現
われる。

第６図は、所望の空間応答を選択するようにこのシステ
ムを時間領域で実施したものである。又、これは、第４
図と同様のシステムにおいて周波数領域で実施すること
もできる。前記で得た結果について繰返し述べると、片
側線スペクトルをヘテロダイン作動した後に得られた式
は次ぎの通りであった。

但し、 である。ここで、ｍは、受信信号３１の線スペクトルで
あり、ｋは、空間内の局部位置を選択するのに使用した
ヘテロダイン信号５５の線スペクトルである。積分を表
わすＪ0 応答を得るために、次式を使用した。

Ｊ_ｌ応答を得るためには、次式を使用する。

これが第７図に示されている。ここでは、フーリエ変換
された出力ｍ_ｎが、前記したように乗算器６１へ送ら
れ、Ｊ0 又はＪ₂ ²応答が形成される。然し乍ら、更に、
上記出力は、同じ重み付けで２だけシフトされている乗
算器８５にも送られて、Ｊ0 又はＪ₀ ²応答が形成され
る。これら２組を組み合わせたものを加算器８６で加算
し、前記したように所望の出力を得ることができる。第
７図の構成は、基本的に単一作動であるが、２組の乗算
定数が示されていることに注意されたい。これは、２つ
の入力ｍ_n 及びｍ_n+2 の和を受け取る乗算器６１内の各
々の重み付けされた乗数ａ_n と等価である。従って、第
４図の基本的なシステムは、各々の乗算構成体６１、６
５及び６３の各々のｋ_-nに適切に重み付けされた多数の
ｍ_n 成分を与えることにより適切に変更することができ
る。これが第８図に示されており、ＤＦＴの出力は、先
ず、重み付け体８７を用いて合成され、この重み付け体
８７は、各ｍ_n 成分の一定の一部分であって、これをｍ
_n+2 成分に加えるだけのものである。これらは、次い
で、前記したように、６１及び６２において重み付けさ
れて加算される。これは、第７図の場合と同様の作用を
果たす。

これら付加的な成分は、前記した場合と同様に、種々の
次元に対し第６図、第７図及び第８図のシステムを色々
組み合わせて使用する種々様々な実施例に利用すること
ができる。例えば、単一平面を励磁しそしてこの平面内
の像を形成するように２つの交流勾配を使用するような
平面システムを用いると、第６図のシステムを使用して
より高次の項を形成し、ｘ方向の解像度を改善できる一
方、第７図及び第８図のシステムを使用してｙ方向の解
像度を改善することができる。従って、平面内の各線に
対応するｘの値が順次アドレスされる。ｙの値は、第４
図の場合と同様に同時に処理され、第４図の各ボックス
は第８図のように変更される。

前記したように、この一般的なヘテロダイン即ち乗算処
理システムは、データ同時収集の後、領域の全ての点の
ＮＭＲ作用に関する情報を導出するように使用できる。
ＮＭＲ造影以前には、分光技術が最も重要な技術の１つ
であった。生物学的な考え方においては、燐の同位体で
ある³¹Ｐのような物質のＮＭＲスペクトルが、新陳代謝
及びこれに関与した疾病の研究に重大な意義を有してい
る。これらのスペクトルは、前記したものより相当に微
細であり、ほゞ１部分について１０^６の周波数分解能を
必要とする。Katherine N.Scott 氏の前記論文に述べら
れたように、交流勾配を用いた感知点法は、疾病を診断
する上でＰ³¹及び他の物質のスペクトルを研究するため
に現在利用されている。然し乍ら、この方法では、各点
ごとにデータが個々に収集されるので、非常にめんどう
な方法である。それ故、当該領域の位置を決めるのがや
っかいであり、患者は非常に長時間拘束される。更に、
重大なことに、既存の技術を用いて、これらの重要なス
ペクトルを表わす像を描くことが全く不可能である。

然し乍ら、以上に述べたシステムは、感知点システムで
単一の点について通常使用されるやり方で、１組の励磁
後に領域内の全ての点のＮＭＲスペクトル情報を形成す
るように使用できる。再び第３図を説明すれば、当該物
質のラーモア周波数に対応するω0 を用い、フーリエ変
換システムを積分器５４の出力に追加することができ
る。積分器５４は、実際には、低域フィルタとなり、勾
配変調により生じる全ての側波帯情報を除去し、当該物
質の非常に狭いＮＭＲスペクトルを通す。

本発明をスペクトルの研究に利用する１つの方法は、３
つの適当に直交する交流勾配信号の存在中で得られた出
力信号３１を記録することである。３つの全ての勾配信
号Ｖ２、Ｖ３及びＶ５の程度を制御して信号発生器５１
に与えることにより体積体のいかなる点からもＮＭＲス
ペクトルを得ることができる。それ故、医師は、前記し
たように位相変調Ｋ、Ｌ及びＰの程度を調整することに
よりｘ，ｙ，ｚ位置をダイヤルし、積分器５４の出力で
あるフーリエ変換によるＮＭＲスペクトルを観察する。
これらのパラメータは、スペクトルの値を記憶するよう
にして自動的にシーケンシングされ、例えば新陳代謝機
能を表わす像を形成することができる。スペクトル線の
特定の特徴、例えばそれらの相対的な振巾、を導出し、
これを用いて当該領域の単色表示又はカラー表示を形成
することができる。処理速度を上げるために、第９図に
示すように色々な程度の並列構成を用いることができ
る。

さて、信号３１は、前記したように先ずミクサ５０で処
理され、体積体内の特定の線が分離される。Ｖ２及びＶ
３信号による適当な量の位相変調によって、特定のｘ及
びｚの値が分離され、線が定められる。フィルタ５２の
後に並列ミクサ５０の配列体を用いて、分離された線の
各々のｙの値が同時に与えられる。これらのミクサも位
相変調信号によって駆動されるが、その各々はｙ座標を
定めるように位相変調の値Ｌが異なる。各出力は、５
２、５３、５４と示されたボックスでフィルタ、復調及
び積分され、一連の関数が指示される。分離された線に
おいて各ｙの値のＮＭＲスペクトルを見い出すために、
デジタルフーリエ変換構成体６０が使用される。スペク
トルプロセッサ８８は、個々のスペクトルから当該情報
を導出して表示を形成する。例えば、³¹ＰのＮＭＲスペ
クトルにおいては、局部貧血の後、燐クレアチンのピー
ク振巾が下がる一方、無機及び糖燐酸塩のピークが上が
る。従って、プロセッサ８８は、これら３つのピークの
振巾を取り出し、局部新陳代謝を指示するカラー表示を
形成することができる。或いは又、プロセッサ８８は、
燐クレアチンのピークと、無機及び糖燐酸塩のピークの
和との比をとって、局部の生理学的情報を表わす１つの
数値を得ることができる。

平面像を形成するためには、例えば、Ｖ３を、種々の対
応するｘの値を通じてシーケンシングし、Ｖ２で決定さ
れたｚ値に対応する平面の像を形成することができる。
このようにして、どの平面でも検査することができる。
第４図に示すようにデジタルで並列処理を行なうことが
できる。然し乍ら、フーリエ変換がより複雑になる。と
いうのは、勾配変調から得られるスペクトルの各線に対
し、ＮＭＲスペクトルに対応する接近離間した線の配列
体が得られるからである。従って、第４図の場合のよう
に、各ｍ_n 線が線スペクトルの配列体となり、これら
は、その後、乗算及び加算演算によって重み付けされ
る。然し乍ら、計算を容易にするため、重要な当該スペ
クトル線のみが保存される。例えば、³¹Ｐスペクトルの
場合、多くの研究では、２−４線の振巾のみが当該生理
学情報を定める。従って、第４図のＤＦＴ６０は、各々
のｍ_n について例えば３本の線を処理する。これら３つ
の各々は、その後の構成体６５、６１及び６３において
同じ定数ｋ_-nで乗算され、３本の線についての出力６
７、６８及び６９、即ち、これらスペクトル線の或る所
定の関数が与えられる。又、ＮＭＲスペクトルの空間の
局所化を改善するために、第６図、第７図及び第８図の
方法を用いて高次の項を分離し、これらを前記したよう
に用いて分解能を改善することができる。

前記した種々のＮＭＲ特性に加えて、血液流は、ＮＭＲ
システムで検査できる重要な診断パラメータを呈する。
交流勾配変調を用いた後に、本発明で紹介した融通性の
あるヘテロダイン処理を行なうと、全領域の血液流を検
査することができる。本発明者の米国特許出願第３３
２，９２５号においては、血管のＮＭＲ投射造影の考え
方が紹介されており、動いている対象物の血管像が形成
される。血管の投射造影の改良が本発明者の米国特許出
願４６６，９６９号に開示されており、特定領域にわた
って投影を行なって静脈流と動脈流とを分離する方法が
示されている。米国特許出願第３３２，９２５号に紹介
されたＮＭＲ血液流造影の３つの基本的な方法を、本発
明に利用して、効果を得ることができる。これらは、一
時的な差引き、反転励磁及び隣接領域の励磁を含む。

一時的な差引きにおいては、動いている対象物が色々な
程度の励磁を受けるのでＮＭＲ信号が速度の関数になる
という利点が取り入れられる。それ故、第２図及び第３
図を参照すれば、米国特許出願第３３２，９２５号に開
示されたように心臓鼓動サイクルの２つの別々の部分に
おいて像が形成される。そこで、患者の心電図を用い
て、バースト４０は、先ず、血液の速度が速い心臓収縮
領域と一致するように調時される。この時のデータが収
集された後、バースト４０を血液速度の低い時間インタ
ーバルと一致するようにして更に別のデータ収集インタ
ーバルを使用する。それ故、２組の処理データを差引き
すると、血管内の動いている血液が分離される。

前記した造影システムをベースとして、この一般的な考
え方に種々様々な処理方法を使用することができる。例
えば、全ての軸を網羅する３つの交流勾配を用いると、
バースト４０で全体積体を励磁する場合、体積体内の各
点即ちボクセルを再構成することができる。この差引き
動作により血液流を検査するものとして体積体内の各点
の血液速度が与えられる。体積体１０についての３次元
の全ての流れ情報が与えられると、体積体の所望の部分
におけるいかなる方向の投影像も含んでいる種々の像が
形成されて血管の解剖学的情報が表示され、狭窄部を捜
すことができる。又、断面の各点における血液速度を表
わす断面像を表示することもできる。

或いは又、米国特許出願第３３２，９２５号に開示され
たように、処理を簡単にするために、投影像のみを収集
することができる。例えば、ｘ方向及びｚ方向のような
２つの交流勾配のみを使用して、ｙ方向の線積分即ち投
影情報を形成することができる。更に、バースト４０を
用いて、平面を選択せずに体積体全体が励磁される。２
つの交流勾配信号Ｖ２及びＶ３のみを用いると、収集さ
れた情報はｙ方向の投影を表わす。ＥＣＧサイクルの種
々の時間に得られた投影像を第３図の場合のように処理
して差引きすると、血管の像が形成される。全体積体が
同時に励磁されてデータ収集されるので、このシステム
は、一連の平面としてデータを収集する前記血管投射造
影システムに勝るＳＮＲ（信号対雑音比）となる。

これらの一般的な考え方は、血管造影に対する他の解決
策にも適用できる。例えば、バースト４０が、スペクト
ルの分離領域を網羅する広帯域の１８０゜反転励磁を表
わすものと仮定する。米国特許出願第３３２，９２５号
に開示されたように、周波数スペクトルは、励磁されな
い領域とインターリーブして励磁された繰返しのくし状
の領域で構成され、励磁領域は１８０゜の反転励磁を受
ける。ｚ勾配４３があるため、これらの別々の励磁領域
は、別々のｚ断面に対応する。反転励磁により、静止し
た全ての対象物は信号を発生しない。然し乍ら、励磁し
た断面と励磁しない断面との間に流れる血液は、完全な
反転を受けず、従ってＦＩＤ信号４１を発生する。前記
したように、３つの交流勾配を用いて体積体全体を処理
することもできるし、２つの交流勾配を用いて投影像の
みを処理することもできる。又、３つの交流勾配を使用
する場合には、任意の点から流れ情報を導出することも
できるし、任意の領域の任意の方向に流れ投影像を形成
することもできる。このやり方は、１回のデータ収集で
流れ情報が取り出されるという点で、一時的な差引きを
用いた前記投射造影システムに勝る効果を発揮する。こ
れにより呼吸運動等による動きの影響が回避され、然
も、脈動成分が非常に僅かで比較的速度が一定な静脈流
のような種々の流れを検査することができる。１つの１
８０゜反転励磁について述べたが、米国特許出願第３３
２，９２５号に開示されたように各々ほゞ９０゜の２つ
のバーストのような二重バーストシステムを用いて、静
止対象物に不感であるようにすることができる。

断面配列体においてほゞ正確な反転励磁を得るという問
題を回避するために、第３の解決策を利用することがで
きる。この場合も、体積体が層で励磁される。然し乍
ら、励磁はほゞ９０゜の励磁であり、これはあまり厳密
なものではない。従って、バースト４０の励磁スペクト
ルは、前記したものと同様であるが、交互の層即ち断面
の励磁を１８０゜ではなくて９０゜にするために振巾が
半分にされる。データ収集の後、処理システムは励磁断
面間の非励磁領域のみを処理する。例えばバースト４０
のスペクトルにより、ｚ励磁平面間の値のみを表わすよ
うに、ｚ方向のヘテロダイン信号の位相変調の値Ｐが選
択される。静止した全ての対象物は非励磁面であるから
打ち消される。然し乍ら、励磁断面から非励磁断面へと
流れる血液は、所望の出力像を形成する。前記したよう
に三次元の流れ情報を導出することもできるし、血管の
投影像を得ることもできる。

励磁断面と非励磁断面とが重畳しているために、流れの
像には、或る静止した解剖学的部位が現われる。励磁の
分解能及び受信機能は理想的なものではないので、或る
程度の重畳は不可避である。これは、静止した解剖学的
部位の像情報を得るように励磁断面自体を造影すること
によって解消できる。励磁断面の像の１部分を流れ像か
ら差引いて、残留する静止像を除去できると共に、分離
した血管像を形成することができる。又、流れ造影につ
いて前記特許出願に開示されたように、静止像と流れ像
を、カラー表示装置のような当該表示装置で組合せるこ
とができる。然し乍ら、本発明では、交流勾配によって
静止像情報と流れ像情報とが全体積体から同時に導出さ
れ、その後、ヘテロダイン処理により全ての像データを
取り出すことができる。流れ造影について述べられた方
法は、断面配列体の励磁を指示するものであったが、こ
れは、Mansfield 氏のエコー平面方式に示されたように
励磁信号の存在中で交流勾配のような種々の励磁システ
ムを使用した場合には、線の配列体であってもよいし点
の配列体であってもよい。

血管の投射造影に加えて、本発明者の米国特許出願第３
３２，９２６号に開示されたように、一般的な投射造影
を行なうこともできる。本発明者の上記特許出願及びそ
の後の特許出願に開示されたように、種々のＮＭＲパラ
メータを感知する投影測定が行なわれる。これらのパラ
メータは、次いで、特定の対象物を打ち消すか又は強調
するような選択的な投影像を形成するように合成され
る。これらは、投影像であるから、全体積体に関する情
報を同時に与える。例えば、塊選別(mass screening)の
場合には、腫瘍を分離し他の全ての部分を抑制するよう
に、腹部又は頭部全体の投影像を形成することができ
る。

前記の例では、投影像が順次に得られた。ここに述べた
交流勾配及びヘテロダイン処理技術を用いると、改善さ
れたＳＮＲで全体積体から同時にデータを収集すること
ができる。又、前記したように、ＮＭＲ分光技術に関連
した更に別のＮＭＲパラメータを用いて、対象物の選択
度を高めることができる。更に、分光データを用いる
と、局部貧血のような特定の生理学的特性を示す選択的
な投影像を形成することができる。前記したように、１
つ、２つ又は３つの交流勾配をデータ収集プロセスに使
用することができる。それ故、投影像は、直接得ること
もできるし、三次元処理情報からいかなる方向に形成す
ることもできる。

以上に述べた全ての例では、交流勾配信号を形成するの
に正弦波波形を使用した。これらは、比較的簡単に発生
できるのでハードウエアという点から好ましい。又、共
振回路を使用することにより、比較的低電力で発生する
ことができる。これは、P. Mansfield氏の前記エコー平
面システムに使用された方形波信号より好ましい。

然し乍ら、全ての点を造影できる前記一般的なシステム
は、これら正弦波の使用に限定されるものではない。以
下に示すような一般的な勾配変調波形Ｇ（ｔ）を使用す
ることができる。

説明上、勾配Ｇはｘ方向とする。

但し、 である。

Ｇ（ｔ）が角周波数ωm で周期的であり、そしてｍ
（ｔ）が前記したように復調されて積分されら場合に
は、局所化関数が次ぎのようになる。

ここで、ｇn の値は、周期波形Ｇ（ｔ）の高調波成分で
あり、その基本的な角周波数は、ωm である。然し乍
ら、次ぎのようなヘテロダイン信号５５を用いると、 v= exp { iω₁t + iAD(t)｝ 次式で表わされるフィルタされたヘテロダイン出力信号
５６が形成される。

v= m₀ exp {-i (ω0 - ω₁)t+i(A-γx)D(t)-t/T2} 前記したように復調し積分すると、ｘ＝Ａ／γに中心が
来る以外は、同じＪ₀ ²空間応答が与えられる。従って、
非正弦波信号の位相変調指数であるＡの選択によって、
所望の局所化が決まる。

勾配信号Ｇ（ｔ）及びこれに関連した積分信号Ｄ（ｔ）
は周期的である必要はない。前記した分析は、周期的で
ない勾配変調にも等しく適用できる。例えば、第２図及
び第３図の勾配信号Ｖ３及びＶ５は、互いに直交するラ
ンダムなノイズ信号であってもよい。従って、ヘテロダ
イン信号即ち乗算信号５５は、Ｖ３及びＶ５の積分信号
で位相変調された搬送波周波数となり、前記したように
位相変調の程度によって、どの点が分離されるかが決定
される。又、これらの非周期的な勾配システムを、ＮＭ
Ｒ分光測定及び流れに対する前記の使用目的に用いるこ
とができる。

非周期的なものとして特に取り上げる１つの実施例が第
１０図に示されている。先ず、高周波励磁信号Ｖ４が、
前記したように信号セグメント４０で表わされた広帯域
バーストで構成されるものと仮定する。これは、全体積
対を励磁するように働く。又、これは、ｚ勾配信号セグ
メント４３が存在しないところで狭帯域バーストによっ
て行なわれてもよい。ＦＩＤの信号セグメント４１が受
信される間に、ｘ及びｙ勾配Ｖ３及びＶ５がパラボラ関
数９１及び傾斜関数９２を受ける。これらは、時間と共
に変化する周波数変化を与える。傾斜関数は、直角位相
関数であり、これは、その特性が望ましいものであるこ
とから多数の使用目的に用いられている古典的な”チャ
ープ(chrp)”パターンである。これらの望ましい特性の
１つはデコード動作の助けとなる先鋭な自動相関ピーク
である。ｚ勾配Ｖ２は、一定の信号９０であり、各々の
ｚ平面は、前記感知線システムの場合と同様に別々の周
波数としてエンコードされる。これにより次式で表わさ
れる信号３１が形成される。

m= m₀ exp { -iω0 t -iγZxt³ -i γWyt²-iγVzt -t/T
2 } 空間内のいかなる点も、次ぎのようなヘテロダイン信号
５５を用いて分離できる。

v = exp{i ω1 t + iAxt³ -iByt² -iCt } ここで、Ａ，Ｂ及びＣは積分後の空間内の分離された点
のｘ，ｙ及びｚ座標を決定する。

前記したように、信号３１の三次元造影情報への分解を
簡単にすると共にその速度を上げるように、種々の並列
処理を用いることができる。その１つの実施例が第１１
図に示されている。ここでは、先ず、ヘテロダインミク
サが、特定のｘの値を選択する。信号５５は、次式で表
わされる。

v = exp {i ω1 t + iAxt³ } Ａは、ｘ平面を決定する。選択された平面をｙ及びｚの
値に分解するため、チャープ畳込み装置即ち相関装置９
３−９６の配列体が使用される。これらは、信号処理で
広く使用されており、ＳＡＷ（表面音波）装置であって
もよいし、ＣＣＤ（電荷結合装置）であってもよいし、
或いはデジタルで実施されてもよい。各々の場合には信
号９７は、exp { -iByt² }で表わされる種々の振巾の直
角位相係数で畳込みされる。各ブロック９３−９６は、
別々の値のＢを有している。

それ故、各ブロックの出力は、別々の値のｙを表わして
いる。然し乍ら、各ｚの値は、別々の周波数を表わして
いるので、各出力の時間によってｚの値が決まる。従っ
て、各出力３３は、一連のｚ値配列をもつ特定のｙの値
を表わし、選択された平面を満たす。信号５５のＡを返
えることにより、どの平面でも選択できる。

第１０図及び第１１図に示された方法では、全体積体１
０からデータが同時に収集される。単一平面からデータ
収集すべき場合には、バースト４０を狭帯域とし、所望
のｚ平面のみを励磁することができる。この場合には、
ｚ勾配信号９０を除去し、関数９１及び９２でこの方面
のｘ及びｙ位置をエンコードする。ｚ関数を用いないこ
と以外は、同じデコード動作である。

前記したように、非周期的な直交関数を経時変化勾配信
号として使用できる。第１０図に示された信号は、直交
多項式の簡単な例である。適切に直交するものであれ
ば、多の色々な多項式を変調関数として使用できる。

この同じ基本的な考え方に基づいて、他の色々な組合わ
せ実施例を構成することができる。一般に、Hinshaw 氏
が提案した感知点法は、ゼロ領域の造影のみに使用され
ている。本発明では、全ての当該領域を単一のデータ収
集シーケンスで造影できるという新規な処理法が示され
た。このヘテロダイン処理法では、本質的に、処理され
る像点がスペクトルデータの配列体から導出される。こ
れは、各像点が周波数スペクトルの特定部分から導出さ
れるために比較的制約のあるシステムとなっていたP. M
ansfield氏のエコー平面システムとは明らかに異なる。
従って、本発明では、各像点からのデータが周波数スペ
クトルの複数の成分から導出される。周期的な場合に
は、これらが勾配変調周波数によって分離されるが、ゼ
ロ領域の１点が搬送波のみから導出されるような縮退の
場合は除外する。

以上の説明においても、色々の効果について述べたが、
これに加えて、本発明の方法は、磁界の非均一性による
影響をあまり受けないという顕著な効果がある。特に分
光技術で使用されるような高磁界システムは、磁界に僅
かな非均一さがあっても甚しい影響を受ける。これは、
線、面又は立体のような大きな領域から各々データ収集
することによるものである。然し乍ら、経時変化勾配を
用いると、データ収集の場所が高度に局所化される。こ
の場合には、局所化された領域付近の静磁界の変化、こ
れは全スペクトルを単にシフトするだけである、に気付
くだけである。局所化された領域の磁界変化は無視でき
るものであるから、非均一さによる線の広がりは最小に
される。

所望ならば、このシステムを用いてスペクトルのずれを
修正することができる。その１つのやり方は、局所化さ
れた領域の主周波数を測定し、これを用いて復調するこ
とである。分光技術での別のやり方は、スペクトルを既
知の近似スペクトルとクロス相関させ、クロス相関ピー
クを捜すことである。

最初に述べたやり方では、カウンタのような周波数推定
システムを用いて、主周波数が測定される。次いで、こ
の周波数を用いて、信号が復調される。それ故、局所化
された磁界が非均一さによって変化する場合には、シス
テムが自己補償を行なう。簡単な例として、第３図の信
号５６の周波数を測定し、これを用いて復調器５３のた
めの復調基準信号を発生することができる。前記したよ
うに、フィルタされた出力は、その中心が周波数（ω0
−ω1 ）にある。非均一さによって当該領域の局部磁界
がΔＢだけシフトした場合には、周波数が（ω0 ＋γΔ
Ｂ−ω1 ）へシフトする。この中心周波数を測定すれ
ば、これを、復調器５３の同期検出作動に使用して、シ
ステムが非均一さに影響されないようにすることができ
る。

分光技術での第２のやり方では、第３図の信号３３を変
換することにより得た出力スペクトルがγΔＢだけシフ
トされる。空間の局所化による線の広がりは無視できる
から、スペクトルはそのまゝである。このスペクトル
を、検査されている対象物の既知のスペクトルとクロス
相関させることができる。未知のスペクトルが僅かな変
化を受けたとしても、その一般的な形は、同じに保たれ
る。それ故、クロス相関ピークは、周波数のずれγΔＢ
において生じる。次いで、これを用いてスペクトルを修
正し、個々の線を適切に識別することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例を示す概略図、 第２図は、本発明実施例の１組の代表的な波形を示す
図、 第３図は、本発明実施例のブロック図、 第４図は、二次元で処理を行なうデジタル的実施例のブ
ロック図、 第５図は、二次元で処理を行なうデジタル的実施例のブ
ロック図、 第６図は、分解能を改善した実施例のブロック図、 第７図及び第８図は、分解能を改善したデジタルシステ
ムのブロック図、 第９図は、複数の点に対するスペクトルデータを同時に
形成する実施例のブロック図、 第１０図は、非周期的格子変調を用いた本発明の実施例
を示す１組の波形図、そして 第１１図は、非周期的変調を用いた実施例のブロック図
である。 １０……対象物（体積体） １３、１４……磁極片 １６、１７、１８、１９、２０……コイル ２１、２２、２３、２４、２５……コイル ２７……スイッチ、２９……プロセッサ ３０……表示装置 ５０……ヘテロダイン乗算器 ５１……ヘテロダイン信号発生器 ５２……フィルタ、５３……復調器 ５４……積分器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０１Ｒ 33/48 (56)参考文献 特開 昭53−81288（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−63841（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−30636（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−11879（ＪＰ，Ａ)

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ある体積体のＮＭＲ作用を測定する装置に
   おいて、 高周波励磁磁界で前記体積体を励磁する手段と、 前記体積体から放出される信号を受信する手段と、 前記高周波励磁磁界に続いて信号が受信されている時間
   中に３つの空間軸の各々に非静止経時変化勾配磁界を印
   加する手段と、 前記受信信号の周波数スペクトルの複数の成分を用いて
   前記体積体内のＮＭＲ作用に関する情報を取り出すよう
   に前記受信信号を処理する手段とを備えたことを特徴と
   する装置。
2. 【請求項２】ある体積体のＮＭＲ作用を測定する装置に
   おいて、 高周波励磁磁界で前記体積体を励磁する手段と、 経時変化勾配磁界の存在中で前記体積体から放出される
   信号を受信する手段と、 前記経時変化磁界勾配信号の関数で位相変調されたヘテ
   ロダイン勾配変調信号を前記受信信号に乗算して、混合
   された信号を形成するような手段と、 前記混合された信号を復調する手段と、 前記混合された信号を積分する手段とを備えたことを特
   徴とする装置。
3. 【請求項３】前記処理手段は、 前記経時変化磁界勾配信号の関数で位相変調された正弦
   波信号の周波数スペクトルで、前記受信信号の周波数ス
   ペクトルを畳込みする手段と、 前記畳込みされた信号の搬送波周波数成分の振巾を測定
   する手段とを備えた特許請求の範囲第(2)項記載の装
   置。
4. 【請求項４】前記処理手段は、 前記体積体内の点の位置を決定する勾配変調信号の関数
   で位相変調された正弦波の側波帯振巾を表している所定
   の１組の畳みを用いて前記受信信号の周波数スペクトル
   の各顕著な成分を重み付けする手段と、 前記重み付けされたスペクトル成分を加算する手段とを
   備えた特許請求の範囲第(2)項記載の装置。
5. 【請求項５】ある体積体内の複数の点からのことなる物
   質を表す複数のＮＭＲスペクトル成分に関する情報を同
   時に取り出す装置において、 高周波励磁信号で前記体積体を励磁する手段と、 前記高周波励磁信号に続いて前記励磁された体積体から
   信号を受信する手段と、 前記信号が受信されている間、周期的経時変化磁界勾配
   を印加する手段と、 前記体積体内の複数の点での複数の物質についての情報
   を取り出すように前記受信信号を処理する手段とを備え
   たことを特徴とする装置。