JP4679968B2

JP4679968B2 - 磁気共鳴イメージング装置

Info

Publication number: JP4679968B2
Application number: JP2005152298A
Authority: JP
Inventors: 正幸野中
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 2005-05-25
Filing date: 2005-05-25
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2025-05-25
Also published as: JP2006325834A

Description

本発明は、磁気共鳴イメージング（以下、ＭＲＩと称す）装置に関し、特に、水脂肪分離画像の撮影に適したＭＲＩ装置に関する。

ＭＲＩ装置は、静磁場中におかれた被検体に高周波磁場パルスを印加することにより、被検体内のプロトンのＮＭＲ（核磁気共鳴）信号を検出し、これに信号処理を施して画像化する撮像装置である。ＭＲＩ装置で行う高速撮像法の１つとして、連続的に高周波磁場パルスを印加して磁化を定常状態(SSFP: Steady State Free Precession)とし、かつ、傾斜磁場による磁化の位相分散が繰り返し時間（ＴＲ）間で０になるようにするコヒーレントなSSFP状態を利用した高速撮像シーケンスがある。非特許文献１には、その撮像シーケンスの一例が記載されている。

一方、被検体内のプロトンには、水、蛋白質、脂肪等のプロトンが含まれ、これらの中でも脂肪のプロトンに因るＮＭＲ信号は、他のプロトンよりも相対的に高信号となるという特徴を持つ。しかしながら臨床現場においては多くの場合、水と脂肪とを分離した画像を取得することが望まれている。

脂肪成分を抑制した画像を取得する手法としては、CHESS（Chemical Shift Selective)法やDixon法を用いることができる。CHESS法は、ケミカルシフトによる水・脂肪磁化の共鳴周波数の違いを利用し、周波数選択性の高周波磁場パルスを照射し、予め脂肪信号だけを飽和させることにより脂肪信号を抑制する。Dixon法は、水・脂肪磁化のラーモア周波数差を利用して、水・脂肪磁化の位相が同位相になる時点と逆位相になる時点でそれぞれ核磁気共鳴信号を取得し、それぞれを加算・減算処理することで、水・脂肪を分離した画像を取得する方法である。また、非特許文献２には、コヒーレントSSFPシーケンスにおいて、加算・減算処理により水信号と脂肪信号とを分離して取得する方法が記載されている。
FISP-a new fast MRI sequence. Oppelt A.,et al. Electromedica 54,15-18(1986) Linear Combination Steady-State Free Precession MRI S. Vasanawala,et al. Magnetic Resonance in Medicine 43:82-90(2000)

しかしながら、コヒーレントSSFP系シーケンスにおいて水脂肪分離画像を取得しようとする場合、CHESS法を用いると撮像の途中で次第に脂肪磁化が回復してくるため、脂肪信号飽和のための選択性高周波磁場パルスを追加照射しなければならず、SSFP状態の維持が困難となる。その結果、アーチファクトの発生やコントラストの変化等の問題が生じる。また、上記非特許文献２の方法は、撮像途中に被検体に位置ずれが生じた場合には、加算・減算処理に誤差が生じ、水・脂肪分離画像にアーチファクトが発生する。

本発明の目的は、取得した計測データ間を演算することなく、水・脂肪信号を分離でき、しかも高速に水・脂肪分離画像を取得することができるＭＲＩ装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では、以下のようなＭＲＩ装置を提供する。すなわち、高周波磁場パルスを所定の時間間隔(TR）で繰り返し照射して磁化を定常状態にすると共に、TR毎に磁化の位相分散が０となるように前記傾斜磁場を印加することにより、コヒーレントな定常状態で核磁気共鳴信号を計測するパルスシーケンスを実行するＭＲＩ装置とする。このとき、TRは、水磁化と脂肪磁化が逆位相となるような時間間隔に設定され、かつ、TR毎に照射される高周波磁場パルスの位相は、水磁化の歳差運動の位相に対して所定の照射間隔で予め定めた大きさずつ位相差が変化するように設定されている。これにより、ＴＲ毎に交互に水磁化信号と脂肪磁化信号を取得することが可能となる。

例えば高周波磁場パルスは、水磁化の位相に対して、0°, 0°, 180°, 180°, 0°,0°,・・・のように２TR毎に180°ずつ位相差が変化するように設定することが可能である。

位相エンコードを付与する傾斜磁場パルスを２TR毎に変化させ、受信手段が受信した信号を奇数番目のTRで取得した信号と偶数番目のTRで取得した信号の２種類に分別することにより、一方から水画像、他方から脂肪画像を再構成することが可能である。

また、位相エンコードを付与する傾斜磁場パルスを２TRのｎ倍毎に変化させ、受信手段が受信した信号を奇数番目のTRで取得した信号と偶数番目のTRで取得した信号の２種類に分別し、それぞれｎ個ずつ積算することにより、積算した信号の一方から水画像、他方から脂肪画像を再構成することも可能である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
まず本実施の形態のＭＲＩ装置の構成を図１を用いて具体的に説明する。本ＭＲＩ装置は、磁気共鳴現象を利用して被検体の断層像を得るものであり、静磁場発生装置１と、傾斜磁場発生系２と、送信系３と、受信系４と、信号処理系５と、シーケンサ６と、中央処理装置（ＣＰＵ）７と、操作部８と、被検体９を搭載するベッド２７とを備えている。

静磁場発生装置１は、ベッド２７に搭載された被検体９の周りに、その体軸方向または体軸と直交する方向に均一な静磁場を発生させる装置である。静磁場発生装置１としては、磁場発生源として永久磁石、常電導磁石または超電導磁石を備えるものを用いることができる。傾斜磁場発生系２は、傾斜磁場コイル１０と傾斜磁場電源１１とを有し、直交する三軸方向の傾斜磁場Gs,Gp,Grを被検体９に印加する。この傾斜磁場の加え方により、被検体９に対するスライス面の設定、ならびに、ＮＭＲ信号への位置情報への付加等を行う。

送信系３は、後述のシーケンサ６から送出される信号を受け取って、被検体９の生体組織を構成する原子の原子核に核磁気共鳴を起こさせるための高周波磁場（ＲＦ）パルスを生成し、被検体９に対して照射するものであり、高周波発振器１２と変調器１３と高周波増幅器１４と高周波照射コイル１５とを備えている。高周波発振器１２が出力した高周波信号は、シーケンサ６からの制御信号に応じて変調器１３で変調され、さらに高周波増幅器１４で増幅された後に被検体９に近接して配置された高周波照射コイル１５に供給される。これにより、高周波照射コイル１５からＲＦパルスが被検体９に照射される。

受信系４は、被検体９の生体組織の原子核の核磁気共鳴により放出される核磁気共鳴信号（エコー信号）を検出するものであり、高周波受信コイル１６と増幅器１７と直交位相検波器１８とＡ／Ｄ変換器１９とを備えている。エコー信号は、被検体９に近接して配置された高周波受信コイル１６によって受信され、増幅器１７および直交位相検波器１８によって所望のＮＭＲ信号が検出され、Ａ／Ｄ変換器１９でディジタル量に変換され、さらにシーケンサ６からの命令によるタイミングで直交位相検波器１８によりサンプリングされた二系列の収集データとされる。この信号が信号処理系５に送られる。

信号処理系５は、受信系４で検出したエコー信号を用いて画像再構成演算を行い、再構成した画像を表示する。信号処理系５は、ＣＰＵ７と、ＲＯＭ２０と、ＲＡＭ２１と、光磁気ディスク２２や磁気ディスク２４等のデータ格納部と、ディスプレイ２３とを有する。ＲＯＭ２０には、ＣＰＵ７が実行する各種のプログラムとその実行において用いる不変のパラメータ等が予め格納されている。ＣＰＵ７は、ＲＯＭ２０に格納されているプログラムを読み込んで実行することにより、受信系４で得たエコー信号についてフーリエ変換、補正係数計算、画像再構成等の処理を行い、得られた断層像等をディスプレイ２３に表示させる。また、プログラムに従って経時的な画像解析処理等も行う。ＲＡＭ２１は、計測で得た計測パラメータや受信系４で検出したエコー信号等のデータを一時保管する。光磁気ディスク２２や磁気ディスク２４には、ＣＰＵ７が再構成した断層像等を記録する。

操作部８は、信号処理系５で行う処理の制御情報ならびに撮像条件等をユーザが入力するもので、マウス２５およびキーボード２６を含む。

さらに、ＣＰＵ７は、ＲＯＭ２０に格納されている撮像用プログラムを実行することにより、ユーザが指定した撮像方法を実現するための撮像パルスシーケンスを作成し、シーケンサ６に受け渡す。シーケンサ６は、撮像パルスシーケンスに従って、送信系３の変調器１３、傾斜磁場電源１１および受信系のＡ／Ｄ変換器１９にそれぞれ制御信号を出力することにより、ＲＦパルスおよび傾斜磁場パルスを所定のタイミングで被検体９に印加し、生じたエコー信号を所定のタイミングで検出する。

次に、本実施の形態の撮像パルスシーケンスについて図２、図３を用いて説明する。

この撮像パルスシーケンスは、図２に示したようにＲＦパルス１０１を１回照射して１つのエコー信号１０６を取得するグラディエントエコー法による撮像シーケンスを図３のように短い時間間隔（ＴＲ）の間隔で連続して繰り返し行うことにより、磁化を定常状態（SSFP)にして撮像する。各撮像シーケンスでは、位相エンコードのオフセットを与える傾斜磁場パルス１０３と対にして、補償傾斜磁場１０９を印加することにより、次のＲＦパルス印加時に磁化の位相が再び揃う（コヒーレンス）状態にする。本実施の形態では、ＴＲは、磁化がSSFPとなるような時間間隔であって、水磁化と脂肪磁化の歳差運動周波数差（ケミカルシフト差）から、脂肪磁化の位相が水磁化の位相に対して逆位相（位相差１８０）になるような時間間隔に設定する。しかも、順次印加されるＲＦパルス１０１の位相を、歳差運動する水磁化の位相に対して、例えば１８０°、１８０°、０°、０°・・・のように２つ毎に１８０°ずつ位相差が変化するようにする。これにより、脂肪磁化を抑制した水磁化のエコー信号と、水磁化を抑制した脂肪磁化のエコー信号とを交互に取得することができる。

図２および図３を用いて撮像パルスシーケンスをさらに具体的に説明する。１ＴＲの撮像シーケンスは、図２に示したように、まずＲＦパルス１０１を高周波照射コイル１５から照射する。ＲＦパルス１０１は、水および脂肪磁化を所定のフリップ角α°傾斜させるＲＦパルス１０１であって、照射時の水磁化の歳差運動の位相に対して所定の位相差（０°または１８０°）を有する。ＲＦパルス１０１の照射と同時に、スライス方向の傾斜磁場パルス(Gs)１０２を印加し、スライスを選択する。続いて、スライス選択傾斜磁場パルス１０２によって分散した磁化を収集するためのスライス方向のリフェーズ用傾斜磁場パルス(Gs)１１１、位相エンコード方向のオフセット傾斜磁場パルス(Gp)１０３、読み出し方向のオフセット傾斜磁場パルス(Gr)１０４を印加し、その後、読み出し傾斜磁場パルス１０５を印加する。読み出し傾斜磁場パルス１０５の印加中に発生するエコー信号１０６のデータ１０７を受信系４で受信する。なお、図２では、リフェーズ用傾斜磁場パルス１１１、オフセット傾斜磁場パルス１０３、オフセット傾斜磁場パルス１０４をタイミングをずらして印加しているが、同時に印加することも可能である。

続けて、読み出し方向のスポイル傾斜磁場１１０と位相方向のリワインド用傾斜磁場パルス１０９とを印加する。さらに次のＲＦパルス１０１のスライス方向傾斜磁場パルス１０２のためのオフセット傾斜磁場パルス１０８を印加する。このように位相エンコードのオフセットを与える傾斜磁場パルス１０３と対にして、補償傾斜磁場１０９を印加することにより、次のＲＦパルス印加時に磁化の位相が再び揃う（コヒーレンス）状態にする。

この図２のシーケンスを、図３のように時間ＴＲの間隔で、位相エンコード用傾斜磁場パルス１０３とリワインド用傾斜磁場パルス１０９を２ＴＲごとに変化させながら繰り返し行い、磁化が定常状態となった後、画像再構成に必要なデータ数のエコー信号１０６を取得するまでこれを継続する。

時間ＴＲは、具体的には以下の時間τに設定する。すなわち、脂肪磁化の位相を水磁化の位相に対して逆位相（位相差を１８０°）にするために、予め次式（１）から求めた時間に設定されている。なお、δは、水磁化と脂肪磁化のケミカルシフト差である。
ＴＲ＝１／（２×δ）・・・（１）

なお、時間ＴＲによる水磁化と脂肪磁化の位相差θは、静磁場強度Ｂ_０の不均一性の影響を受けるが、静磁場不均一による水・脂肪間の位相差の変化は僅かであるので無視することができる。また、静磁場不均一によりＲＦパルス１０１の位相が、水磁化および脂肪磁化の位相に対してずれを生じるが、この位相ずれは静磁場不均一性が変化しない限り、水磁化および脂肪磁化に対して固定量となる。そのため、極端な静磁場不均一性が生じない限り、この位相ずれは許容でき、本実施の形態の水脂肪分離の作用には影響を与えない。

ここで、図３の撮像パルスシーケンスにおいて、水磁化と脂肪磁化の動きを図３，図４を用いて説明する。なお、図３，図４では水の歳差運動の回転座標系上から見た磁化の動きを示している。よって、図３、図４では、水磁化は、回転（歳差運動）しないように表され、脂肪磁化は水磁化との共鳴周波数差（ケミカルシフト）で回転（歳差運動）しているように表されている。ここで、ＲＦパルス１０１を初期状態から１８０°、１８０°、０°、０°の順に印加していくとすると、初期状態では図４（ａ）のように共に直立していた水磁化と脂肪磁化は、１回目の位相差１８０°、フリップ角α°のＲＦパルス１０１により共に、水磁化の回転座標系の１８０°の方向へ、すなわち回転軸から−α°傾斜（フリップ）する（図４（ｂ））。（以下、水磁化の回転座標系の１８０°の方向への傾斜を−α°度のフリップ、回転座標系の０°の方向への傾斜を＋α°度のフリップという）。ＴＲは、上述したように脂肪磁化の位相が水磁化の位相に対して逆位相になるように設定されているため、２回目のＲＦパルス１０１まで時間ＴＲが経過する間に、脂肪磁化の回転座標系は、水磁化の回転座標系に対して逆位相となる角度まで回転し、脂肪磁化は回転軸を中心に水磁化とは逆方向（＋α°）へ傾斜している状態となる（図４（ｃ））。この状態で２回目の位相差１８０°のＲＦパルス１０１を受けることにより、脂肪磁化および水磁化はさらに−α°フリップするため、脂肪磁化はほぼ直立し、水磁化はさらに傾斜した状態となる（図４（ｄ））。

これにより、水磁化と脂肪磁化を分離し、脂肪磁化によるエコー信号１０６を抑制し、水磁化による信号１０６を取得することができる状態となる。図４（ｄ）では、水磁化と脂肪磁化との傾斜角の差は２αであるが、この後ＲＦパルス１０１のＴＲ間隔での照射を続けていくと、通常のTrueFISP系のシーケンスと同様にＴ１緩和の影響を受けてフリップ角が徐々に収束し、最終的には水と脂肪磁化は傾斜角差αで定常状態（図３の（ａ）に示した状態）となる。なお、図３において定常状態になるまでに取得される信号１０６は、画像再構成には使用しない。

分離された状態で定常状態となった水磁化および脂肪磁化（図３の(a)）に対して、水磁化の回転座標系に対して位相差０°、フリップ角α°のＲＦパルス１０１が照射されると、両磁化は位相差１８０°のＲＦパルス１０１を受けた時とは逆向き、すなわち＋α°フリップする（図３の（b））。これにより、水磁化はほぼ直立し、脂肪磁化は回転軸から＋α°傾斜した状態になる。よって、このＴＲで取得されるエコー信号１０６は、脂肪磁化のエコー信号であり、水磁化の信号は抑制される。

次のＲＦパルス１０１が照射されるまでの時間ＴＲが経過する間に脂肪磁化の回転座標系は、１８０度回転することにより、脂肪磁化は回転軸から−α°傾斜している状態となる（図３の(c)）。この状態で、水磁化に対して位相差０°のＲＦパルス１０１が照射されるから、両磁化は＋α°フリップし、水磁化は回転軸から＋α°傾斜した状態となり、脂肪磁化は直立する（図３の(d)）。直後のＴＲで取得される信号１０７は、水磁化のエコー信号であり、脂肪磁化信号は抑制される。

次のＲＦパルス１０１が照射されるまでの時間ＴＲの間に、脂肪磁化の回転座標系は１８０度回転するが、このときの脂肪磁化は直立状態であるため、傾斜の向きは変化しない（図３の(e)）。この状態で位相差１８０°のＲＦパルス１０１が照射されると、両磁化は−α°フリップし、水磁化は直立状態となり、脂肪磁化は回転軸から−α°傾斜した状態となる。（図３(f)）。直後のＴＲで取得される信号１０７は、脂肪磁化のエコー信号であり、水磁化信号は抑制される。

次のＲＦパルス１０１が照射されるまでの時間ＴＲの間に、脂肪磁化の回転座標系は１８０度回転することにより、脂肪磁化は回転軸から＋α°傾斜した状態となる（図３の(g)）。この状態で位相差１８０°のＲＦパルス１０１が照射されると、両磁化は−α°フリップし、水磁化は回転軸から−α°傾斜した状態となり、脂肪磁化は直立となる（図３の(h))。直後のＴＲで取得される信号１０７は、水磁化のエコー信号であり、脂肪磁化信号は抑制される。

次のＲＦパルス１０１が照射されるまでの時間ＴＲの間に脂肪磁化の回転座標系は、水磁化に対して１８０度回転するが、脂肪磁化は直立状態であるため、傾斜の向きは変化しない。よって、図３(a)の状態へ戻り、以降図３(a)〜(d)の磁化状態が繰り返される。

このとき、図５のように、位相エンコード用傾斜磁場パルス１０３とリワインド用傾斜磁場パルス１０９を２ＴＲごとに変化ながら、画像再構成に必要なすべての位相エンコード数のデータ１０７が取得されるまで繰り返し、図３の撮像パルスシーケンスを行う。取得したデータ１０７は、図６のように奇数番目に取得されたデータ１０７と、偶数番目に取得されたデータ１０７と分離し、それぞれ独立に２次元フーリエ変換等の処理を施すことにより画像再構成を行う。これにより、水画像と脂肪画像とを得ることができる。なお、磁化が正方向の傾斜であったか負の方向の傾斜であったかによりエコー信号の位相が変化するため、受信時に受信系４の検出位相を反転させる等の調整を行う。

このように、本実施の形態の撮像パルスシーケンスは、定常状態となったコヒーレントな磁化に対して、水磁化の歳差運動の位相に対して所定の位相差を有するＲＦパルスを印加することにより、取得した計測データ間を演算することなく、水・脂肪信号を分離でき、しかも高速に水・脂肪分離画像を取得することができる。

なお、図４の水磁化と脂肪磁化のフリップ角差が２αの状態から、フリップ角差αの定常状態（図３の（ａ）の状態）に至る過渡期の変化を安定させるために、過渡期に照射するＲＦパルス１０１のフリップ角をα／２に設定することも可能であるが、特にこの様な手法を用いなくても水脂肪磁化の傾斜角差はαに収束する。なお、過渡期にフリップ角をα／２に設定する場合であっても、ＲＦパルス１０１の位相は、上記の通り１８０°、１８０°、０°、０°・・・と２つおきに変化させ、ＴＲは式（１）で定めた値に設定する。

また、ＳＮ比向上のため信号積算を行う場合には、図７のように、位相エンコード用傾斜磁場パルス１０３とリワインド用傾斜磁場パルス１０９を２ＴＲのｎ倍（例えば図７では２倍）で変化させ、奇数番目に取得されたデータ１０７をｎ個積算し、偶数番目に取得されたデータ１０７をｎ個積算するだけでよく、複雑な演算をすることなくＳＮ比を向上させることができる。

なお、本実施の形態では、２Ｄのグラディエントエコー法によりエコー信号を取得する撮像パルスシーケンスの場合について説明したが、３Ｄ撮像法、ダイナミック撮像法、フルオロスコピー、心電同期等の各種生理信号同期撮像法にも同様に適用することができる。

本実施の形態のＭＲＩ装置の構成を示すブロック図。本実施の形態の撮像パルスシーケンスの詳しい内容を示す説明図。本実施の形態の撮像パルスシーケンスを示す説明図と、水磁化の脂肪磁化の状態を示す説明図。本実施の形態の撮像パルスシーケンスにおいて、初期状態から水磁化と脂肪磁化が逆位相になる状態を示す説明図。本実施の形態の撮像パルスシーケンスにおいて２ＴＲごとに位相エンコード量を変化させることを示す説明図。本実施の形態の撮像パルスシーケンスにおいて奇数番目のデータと偶数番目のデータを分離して水画像と脂肪画像をそれぞれ再構成することを示す説明図。本実施の形態の撮像パルスシーケンスにおいて、ＳＮ比向上のため複数のデータを積算する場合を示す説明図。

符号の説明

１・・・静磁場発生装置、２・・・傾斜磁場発生系、３・・・送信系、４・・・受信系、５・・・信号処理系、６・・・シーケンサ、７・・・ＣＰＵ、８・・・操作部、９・・・被検体、１０・・・傾斜磁場コイル、１１・・・傾斜磁場電源、１２・・・高周波発振器、１３・・・変調器、１４・・・高周波増幅器、１５・・・高周波照射コイル、１６・・・高周波受信コイル、１７・・・高周波増幅器、１８・・・直交位相検波器、１９・・・Ａ／Ｄ変換器、２０・・・ＲＯＭ、２１・・・ＲＡＭ、２２・・・光磁気ディスク、２３・・・ディスプレイ、２４・・・磁気ディスク、２５・・・トラックボール又はマウス、２６・・・キーボード。

Claims

静磁場中に置かれた被検体に高周波磁場パルスを照射する照射手段と、高周波磁場パルスの照射により前記被検体から生じる核磁気共鳴信号を受信する受信手段と、前記信号に位置情報を付加するための傾斜磁場を発生する傾斜磁場発生手段と、前記照射手段、前記傾斜磁場発生手段及び前記受信手段を所定のパルスシーケンスに従って動作させる制御手段と、前記信号をもとに前記被検体の画像を再構成する信号処理手段とを有し、
前記パルスシーケンスは、前記高周波磁場パルスを所定の時間間隔(TR）で繰り返し照射して磁化を定常状態にすると共に、前記TR毎に磁化の位相分散が０となるように前記傾斜磁場を印加することにより、コヒーレントな定常状態で核磁気共鳴信号を計測するシーケンスであり、前記TRは、水磁化と脂肪磁化が逆位相となる時間間隔に設定され、かつ、前記TR毎に照射される高周波磁場パルスの位相は、水磁化の歳差運動の位相に対して、所定の照射間隔で予め定めた大きさずつ位相差が変化するように設定されていることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
請求項１に記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記高周波磁場パルスの前記位相は、前記水磁化の位相に対して、２TR毎に180°ずつ位相差が変化するように設定されていることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
請求項１または２に記載の磁気共鳴イメージング装置において、パルスシーケンスは、位相エンコードを付与する傾斜磁場パルスを２TR毎に変化させ、前記受信手段が受信した信号を奇数番目のTRで取得した信号と偶数番目のTRで取得した信号の２種類に分別し、一方から水画像、他方から脂肪画像を再構成することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
請求項１または２に記載の磁気共鳴イメージング装置において、パルスシーケンスは、位相エンコードを付与する傾斜磁場パルスを２TRのｎ倍毎に変化させ、前記受信手段が受信した信号を奇数番目のTRで取得した信号と偶数番目のTRで取得した信号の２種類に分別し、それぞれｎ個ずつ積算し、積算した信号の一方から水画像、他方から脂肪画像を再構成することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。