JPS6218863B2

JPS6218863B2 -

Info

Publication number: JPS6218863B2
Application number: JP57168179A
Authority: JP
Inventors: Hideto Iwaoka; Kenji Fujino; Sunao Sugyama; Hiroyuki Matsura
Original assignee: YOKOKAWA DENKI KK
Current assignee: YOKOKAWA DENKI KK
Priority date: 1982-09-27
Filing date: 1982-09-27
Publication date: 1987-04-24
Also published as: JPS5957146A

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」と略称する）
現象を利用して、被検体内における特定原子核分
布等を被検体外部より知るようにした核磁気共鳴
による検査方法及び検査装置に関するものであ
る。

本発明の説明に先だつて、はじめにNMRの原
理について概略を説明する。

原子核は、陽子と中性子とからなつており、こ
れらは全体として、該スピン角運動量で回転し
ているとみなされる。

第１図は、水素の原子核（¹H）を示したもの
で、イに示すように１個の陽子Ｐからなり、スピ
ン量子数1/2で表わされる回転をしている。ここ
で陽子Ｐは、ロに示すように正の電荷e⁺をもつて
いるので、原子核の回転に従い、磁気モーメント
μが生ずる。すなわち、一つ一つの水素の原子核
は、それぞれ一つ一つの小さな磁石とみなせる。

第２図は、この点を模式的に示した説明図で、
鉄のような強磁性体では、この微小磁石の方向が
イに示すように揃つており、全体として磁化が観
測される。これに対して、水素等の場合、微小磁
石の方向（磁気モーメントの向き）はロに示すよ
うにランダムであつて、全体として磁化は見られ
ない。

ここで、このような物質に、Ｚ方向の静磁場
H₀を印加すると、各原子核がH₀の方向に揃う
（核のエネルギー準位がＺ方向に量子化される）。

第３図イは、水素原子核についてこの様子を示
したものである。水素原子核のスピン量子数は1/
２であるから、第３図ロに示すように、−1/2と＋
1/2の２つの準位に分かれる。２つのエネルギー
準位間のエネルギー差ΔＥは、(1)式で表わされ
る。

ΔＥ＝γH₀ ……(1) ただし、γ：磁気回転比＝ｈ／２π ｈ：プランク定数ここで各原子核には、静磁場H₀によつて、 μ×H₀ なる力が加わるので、原子核はＺ軸のまわりを、
(2)式で示すような角速度ωで歳差運動する。

ω＝γH₀（ラーモア角速度） ……(2) 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）を印加すると、共鳴がおこ
り、原子核は(1)式で示されるエネルギー差ΔＥに
相当するエネルギーを吸収して、高い方のエネル
ギー準位に遷移する。核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、したがつて特定の原子核の共鳴のみをとり
だすことができる。また、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
時間の後に、高い準位へ励起された原子核は、低
い準位へ戻る。この緩和時間のうち、特にT₁と
呼ばれるスピン−格子間緩和時間（縦緩和時間）
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。

ここでは、水素原子核（¹H）について説明し
たが、この他にも核スピン角運動量をもつ原子核
で同様の測定を行なうことが可能であり、水素原
子核以外に、リン原子核（³¹P）、炭素原子核
（¹³C）、ナトリウム原子核（²³Na）、フツ素原子核
（¹⁹F）、酸素原子核（¹⁷O）等に適用可能である。

このように、NMRによつて、特定原子核の存
在量およびその緩和時間を測定することができる
ので、物質内の特定原子核についての種々の化学
的情報を得ることにより、被検体内の種々の検査
を行なうことができる。

従来より、このようなNMRを利用した検査装
置がある。

第４図は、従来装置における検査手法の一例を
説明するための動作波形図である。

被検体に、静磁場H₀を印加した状態とし、こ
の下で、はじめに、第４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、第５図イに示すように被検体HBに
おいて、ラーモア角速度ω＝γ（H₀＋ΔGz）と
なるSz面だけのプロトンが励起される。RFパル
ス（90゜パルス）を印加した直後は、第４図ホに
示すようにNMR共鳴信号が検出されるが、これ
は緩和時間T₂ですぐに減衰する。しかし、緩和
時間T₁はその時間が長く、引続き飽和してい
る。続いて、第４図ハ，イに示すように、ｙ勾配
磁場GyとRFパルス（180゜）を印加し、これに
よつて第５図ロに示すようにSy面を励起する。
その結果Sz面上のラインΔｙを除くSy面は、180
゜パルスにより飽和する。しかしラインΔｙは90
゜−180゜パルス列で励起されているため、NMR
共鳴信号（スピンエコー）を発生する。続いて、
第４図ホに示すようにNMR共鳴信号（スピンエ
コー）が最大となる点でｘ勾配磁場Gxを第４図
ニに示すように印加し、この下でスピンエコーを
データとして検出する。このデータをフーリエ変
換することによつて、第５図ロに示すラインΔｙ
上のｘ軸方向のプロトン密度分布を知るようにし
ている。以後、ｙ勾配磁場Gyの大きさを変える
ことによつてΔｙの位置を少しずつ変え（これを
ライン走査という）、前記したシーケンスを複数
回繰り返し、Sz面全面の２次元データを得るこ
とができる。

このような動作をなす従来の装置においては、
第５図イにおいて、Sz面は90゜パルスによつて
選択励起されており、ライン走査のための次のシ
ーケンスは、Sz面の磁化Ｍが緩和時間T₁により
熱平衡状態へ戻るまで、約1S待たなければなら
ず、それだけ時間がかかるという欠点がある。

ここにおいて、本発明は、従来の手法及び装置
におけるこのような欠点を除去することを目的に
なされたものである。

本発明に係る方法は、磁化Ｍが緩和時間T₁に
より熱平衡状態（ＭがZ′軸方向を向く）になるま
で待たず、パルス系列を用いて、磁化ＭをZ′軸方
向へ強制的に向けるようにした点に特徴がある。

第６図は本発明の手法を実現するための装置の
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の制御回路で、例
えば直流安定化電源を含んでいる。静磁場用コイ
ル１によつて発生する磁束の密度H₀は、0.1T程
度であり、また均一度は10^-4以上であることが望
ましい。

３は勾配磁場用コイルを総括的に示したもの、
４はこの勾配磁場用コイル３の制御回路である。

第７図イは勾配磁場用コイル３の一例を示す構
成図で、Ｚ勾配磁場用コイル３１、ｙ勾配磁場用
コイル３２，３３、図示してないがｙ勾配磁場用
コイル３２，３３と同じ形であつて、90゜回転し
て設置されるｘ勾配磁場用コイルを含んでいる。
この勾配磁場用コイル３は、一様静磁場H₀と同
一方向磁場で、ｘ、ｙ、ｚ軸方向にそれぞれ直線
勾配をもつ磁場を発生する。６０は制御回路４の
コントローラである。

５は被検体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で、その構
成を第７図ロに示す。

６は測定しようとする原子核のNMR共鳴条件
に対応する周波数（例えばプロトンでは、
42.6MHz／Ｔ）の信号を発生する発振器で、そ
の出力は、コントローラ６０からの信号によつて
開閉が制御されるゲート回路６１、パワーアンプ
６２を介して励磁コイル５に印加されている。７
は被検体におけるNMR共鳴信号を検出するため
の検出コイルで、その構成は第７図ロに示す励磁
コイルと同じで、励磁コイル５に対して90゜回転
して設置されている。なお、この検出コイルは、
被検体にできるだけ近接して設置されることが望
ましいが、必要に応じて、励磁コイルと兼用させ
てもよい。

７１は検出コイル７から得られるNMR共鳴信
号（FID：free induction decay）を増幅する増
幅器、７２は位相検波回路、７３は位相検波され
た増幅器７１からの波形信号を記憶するウエーブ
メモリ回路で、Ａ／Ｄ変換器を含んでいる。８は
ウエーブメモリ回路７３からの信号を例えば光フ
アイバで構成される伝送路７４を介して入力し、
所定の信号処理を施して断層像を得るコンピユー
タ、９は得られた断層像を表示するテレビジヨン
モニター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８図
第９図及び第１０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
に電流を流し、被検体（被検体は各コイルの円筒
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６０は、は
じめに制御回路４を介してＺ勾配磁場用コイル３
１に電流を流し、第８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６１を開とし、発振器６からの信
号を増幅器６２を介して励磁コイル５に印加し、
第８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。これによ
つて、被検体HBは、第９図イに図示するSz面が
励起され、第８図ホに示すように、このSz面の
NMR共鳴信号が検出される。

又、この時点t₀においては、磁化Ｍは第１０図
イの回転座標系に示すようにy′軸方向に90゜向き
を変える。この磁化Ｍは、やがて第１０図ロに示
すように破線矢印方向に次第に分散して行くの
で、NMR共鳴信号もやがて消滅する。このNMR
共鳴信号が無くなるまでのτ_１時間経過した時点
t₁で、コントローラ６０は、ｘ勾配磁場用コイル
に電流を流し、第８図ハに示すようにｘ勾配磁場
Gxを与えるとともに、ゲート回路６１を開と
し、励磁コイル５に電流を流し、今度は第８図イ
に示すように180゜パルスを印加し、第９図ロに
示すようにＺ軸に平行なSx面を励起する。これ
によつて、同図において、Sz面とSx面とが交差
するラインＬから、第８図ホに示すようにNMR
共鳴信号（エコー信号）が検出され、これが次第
に大きくなる。そして、エコー信号が最大となる
時点t₂で、第８図ニに示すようにｙ勾配磁場Gy
を印加し、この下で、エコー信号を第８図ホに示
すようにデータE₁として検出する。このデータ
E₁は、増幅器７１で増幅され、位相検波回路７
２で位相検波され、ウエーブメモリ回路７３を介
してコンピユータ８に印加される。ここでデータ
E₁はフーリエ変換され、ラインＬ上のプロトン
密度分布を得る。

エコー信号が最大となつた時点t₂からエコー信
号が無くなるまでのτ_２時間経過した時点t₃で、
今度は第８図イ及びロに示すように、コントロー
ラ６０は、Ｚ勾配磁場用コイル３１に電流を流
し、Ｚ勾配磁場Gz⁺を与えるとともに、ゲート回
路６１を開とし、励磁コイル５に電流を流して、
180゜−x′パルス（180゜−x′は発振器６からの信
号の位相を反転したものを印加し、続いてｙ勾配
磁場Gy、ｘ勾配磁場Gxを順次印加する。これに
よつて、被検体HBにおいてラインＬの部分を除
くSz面への履歴を逆行させる。そうすると、第
８図ホに示すように、ラインＬの部分を除くSz
面からのNMR共鳴信号（エコー信号）が表われ
る。このエコー信号は、180゜−x′パルスを印加
してから、τ時間経過後、t₄の時点で最大とな
る。この時点t₄で、ゲート回路６１を開とし、
Gz⁺の下で励磁コイル５に電流を流し、今度は第
８図イに示すように90゜パルスを印加し、磁化Ｍ
をz′軸方向に強制的に向ける。この時点t₃では、
磁化Ｍは、第１０図ハに示すように、緩和時間
T₂のためにz′軸に一致せず、少し分散した状態
にある。

この状態から少しの時間τ′経過後、緩和によ
つて磁化Ｍはz′軸に一致する。ここで、t₄の時点
から、磁化Ｍがz′軸に一致するまでの時間τ′
は、t₄の時点では磁化Ｍがz′軸から僅かに分散し
ているだけであるところから、緩和時間T₁に比
較して十分短かくてよい。

τ′経過した時点で、第１回目のシーケンスが
終了し、以後、同様のシーケンスを繰り返す。各
シーケンスでは、ｘ軸勾配磁場Gxの大きさを変
え、ラインＬの部分を走査し、Sz面全面の２次
元データを得る。

コンピユータ８は、各シーケンスにおいて、ｙ
勾配磁場を印加している下に得られる各ラインＬ
部分からのエコー信号をデータE₁，E₂……とし
て入力し、これらをフーリエ変換し、Sz面の断
層像を得、これを表示器９に表示する。

なお、上記ではコンピユータ８は、各シーケン
スにおいて、はじめに出力されるラインＬ部分か
らのエコー信号のデータE₁，E₂……だけを利用
するものであるが、各シーケンスにおいて、はじ
めに出力されるエコー信号のデータE₁，E₂……
と、続いて出力されるエコー信号のデータE₁′，
E₂′……との両方を利用してもよい。

この場合、利用の仕方としては例えば次のよう
なものがある。

(i) はじめに出力されるエコー信号（第１データ
と呼ぶ）と続いて出力されるエコー信号の時間
軸を反転した信号（第２のデータと呼ぶ）との
平均値を演算し、これをひとつのラインのデー
タとする。

(ii) 複数のシーケンスの第１のデータと第２のデ
ータとのいくつかを平均し、これをひとつのデ
ータとする。

(iii) 第１のデータを利用してプロトン密度画像を
得るとともに、第１のデータと第２のデータと
の差信号を演算し、この差信号のデータを利用
して、T₂と呼ばれる横緩和時間（T₂は近傍の
電子核同志のスピンの相互作用に起因してい
る）に基づくT₂画像の両方を得る。

(iv) 前記(iii)において、プロトン密度画像とT₂画
像とを合成して、他の別の画像を得る。

これらの手法をとることによつて、Ｓ／Ｎ比を
良好にし、良質の画像を得ることができる。ま
た、診断の目的に応じて、これらの手法を選択す
ることにより、目的に適した断層像を得ることが
できる。

なお、上記の説明においては、被検体に印加す
る電磁波のパルス系列として、第８図イに示すよ
うに、（90゜）→（180゜）→（180゜−x′）→
（90゜）のパルス系列の場合を説明したが、これ
に代えて、（90゜）→（180゜）→（180゜−y′）
→（90゜−x′）の電磁波のパルス系列を使用する
ようにしてもよい。

ここで、180゜y′パルスは、発振器６からの信
号の位相を90゜遅れさせたものであり、90゜−
x′パルスは、発振器６からの信号の位相を180゜
遅れさせたものを表わしている。

第１１図は本発明の手法の他の変形例を示す動
作波形図である。この手法の第８図のものと異な
る点は、第１１図ニに示すように、ｙ勾配磁場
Gyを印加するタイミングを変えたもので、第１
１図ホに示すようにエコー信号の全体をデータと
して取り出すことができる。

なお、第８図及び第１１図に示す手法におい
て、90゜パルスを被検体に印加する前（τ″時間
前）に、ｘ勾配磁場Gxを印加している下で、180
゜パルスを印加するようにしてもよい。ここで
180゜パルスを印加してから90゜パルスを印加す
るまでの時間τ″は、180゜パルスによつて方向が
180゜反転した磁化Ｍが、もとに戻るまでの時間
が必要である。この手法によれば、τ″間のT₁の
緩和によりNMR信号の強度が変り、これからT₁
画像を得ることができる。

以上説明したように、本発明に係る手法は、少
なくとも４種のパルス（90゜パルス、180゜パル
ス、180゜パルス、90゜パルス）の系列を使用す
るものであつて、磁化Ｍの向きを強制的に変え、
短時間で、磁化Ｍを熱平衡状態へ戻すようにした
ことから、短時間で、被検体内の特定原子核分布
等に関連する断層像を得ることができる。

又、被検体からはふたつのデータE₁，E₁′……
を得ることができるので、これらの各信号を利用
することによつて、Ｓ／Ｎ比が良好で、分解能の
良い断層像を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は核磁気モーメントを説明するための説
明図、第２図は核磁気モーメントの配列について
説明するための説明図、第３図は静磁場による核
磁気モーメントの整列について説明するための
図、第４図は従来の手法の一例を説明するための
動作波形図、第５図は第４図の手法による磁化Ｍ
の方向を説明するための説明図、第６図は本発明
に係る手法を実現するための装置の一例を示すブ
ロツク図、第７図イは第６図装置に用いられてい
る勾配磁場コイルの一例を示す構成図、ロは同じ
く励磁コイルの構成図、第８図は本発明に係る手
法のひとつを説明するための動作波形図、第９図
は印加する電磁波パルスによる励起面を示す説明
図、第１０図は本発明の手法によるそれぞれの時
点での磁化Ｍの方向を回転座標系上に示した説明
図、第１１図は本発明の手法の他の例を示す動作
波形図である。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、６０……コントローラ、７……検出コイ
ル、８……コンピユータ。

Claims

【特許請求の範囲】１被検体に一様静磁場を与えるとともに被検体
に核磁気共鳴を誘起させる周波数の電磁波を印加
し、核磁気共鳴信号（NMR信号）を検出して被
検体内における特定原子核分布を被検体外部より
知るようにした検査方法において、はじめに被検体に90゜パルスの電磁波とＺ軸勾
配磁場Gzを同時に印加して被検体の第１の特定
面を励起し、NMR信号消滅後、180゜パルスの電
磁波とＸ軸勾配磁場Gxを同時に印加し前記第１
の特定面に交又する第２の特定面を励起し、続い
てＹ軸勾配磁場を印加しこの下で前記第１、第２
の特定面が交又する領域からのNMR信号を検出
し、続いて前記NMR信号消滅後、180゜−Ｘパル
スの電磁波とＺ軸勾配磁場Gzを同時に印加し、
続いてＹ軸勾配磁場Gy、Ｘ軸勾配磁場Gxを順次
重ならないように時間を異にして印加し前記第
１、第２の特定面が交又する領域を除く第１の特
定面の履歴を逆行させ、NMR信号が最大となる
時点で90゜パルスの電磁波とＺ軸勾配磁場を同時
に印加し前記第１の特定面の磁化を強制的に熱平
衡状態に戻すようにし、以後前記の手順を所定時
間間隔で繰返すことを特徴とする核磁気共鳴によ
る検査方法。２被検体に一様静磁場を与える静磁場形成手
段、前記被検体にＺ軸方向勾配磁場Gz、Ｘ軸方
向勾配磁場Gx及びＹ軸方向勾配磁場Gyをそれぞ
れ互いに重ならないように順次印加する勾配磁場
発生手段、前記被検体にパルス状の電磁波を印加
するための励振手段、前記被検体からの核磁気共
鳴信号（NMR信号）を検知する手段、この検知
手段からの信号入力するとともに所定の演算を行
なつて断層像を得る演算手段、前記勾配磁場発生
手段と前記励振手段を制御する制御手段を具備
し、前記制御手段は、前記勾配磁場発生手段と励振
手段を介して、はじめに被検体に90゜パルスの電
磁波とＺ軸勾配磁場Gzを同時に印加して被検体
の第１の特定面を励起し、NMR信号消滅後、180
゜パルスの電磁波とＸ軸勾配磁場Gxを同時に印
加し前記第１の特定面に交又する第第２の特定面
を励起し、続いてＹ軸勾配磁場を印加しこの下で
前記第１、第２の特定面が交又する領域からの
NMR信号を検出し、続いて前記NMR信号消滅
後、180゜−Ｘパルスの電磁波とＺ軸勾配磁場Gz
を同時に印加し、続いてＹ軸勾配磁場Gy、Ｘ軸
勾配磁場Gxを順次重ならないように時間を異に
して印加し前記第１、第２の特定面が交又する領
域を除く第１の特定面の履歴を逆行させ、NMR
信号が最大となる時点で90゜パルスの電磁波とＺ
軸勾配磁場を同時に印加し前記第１の特定面の磁
化を強制的に熱平衡状態に戻すようにし、以後前
記の手順を所定時間間隔で繰返すことを特徴とす
る核磁気共鳴にによる検査装置。