JP5707066B2

JP5707066B2 - 磁気共鳴イメージング装置

Info

Publication number: JP5707066B2
Application number: JP2010165384A
Authority: JP
Inventors: 和幸副島
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Medical Systems Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Canon Medical Systems Corp
Priority date: 2010-07-22
Filing date: 2010-07-22
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2030-07-22
Also published as: JP2012024306A

Description

本発明の実施形態は、磁気共鳴イメージング(MRI: Magnetic Resonance Imaging)装置に関する。

MRIは、静磁場中に置かれた被検体の原子核スピンをラーモア周波数の高周波(RF: radio frequency)信号で磁気的に励起し、この励起に伴って発生する核磁気共鳴(NMR:nuclear magnetic resonance)から画像を再構成する撮像法である。

従来、複数のRF送信チャンネルを用いてRF磁場(B1)を形成するマルチ送信MRI装置が考案されている。マルチ送信MRI装置では、B1の不均一性を改善することが重要である。

特表２００６−５０８７５９号公報

本発明は、複数のRF送信チャンネルを用いてマルチRF送信を行うことによって、より均一なB1を形成することを目的とする。

本発明の実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置はイメージング手段及び送信位相校正手段を備える。イメージング手段は、複数の高周波信号送信チャンネル及び少なくとも１つの高周波送信コイルを用いて前記複数の高周波信号送信チャンネルに対応するイメージング用の複数の高周波信号を被検体に送信することによってイメージングを行う。送信位相校正手段は、予め測定された前記複数の高周波信号送信チャンネルに対応する複数の高周波信号の位相測定値に基づいて前記イメージング用の複数の高周波信号の少なくとも１つの位相を校正する。また、送信位相校正手段は、複数の方向性結合器、位相取得部及び高周波スイッチを有する。複数の方向性結合器は、前記複数の高周波信号送信チャンネルから前記複数の高周波信号に対応する複数の進行波を検出する。位相取得部は、前記複数の進行波に基づいて前記位相測定値を取得する。高周波スイッチは、前記複数の進行波を切換えて、共通の信号チャンネルを経由して前記位相取得部に前記複数の進行波を順次出力させる。また、前記高周波スイッチは、磁気共鳴信号の受信用に使用されていない受信チャンネルの受信系回路を経由して前記複数の進行波を前記位相取得部に出力させる。

本発明の実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置の構成図。図１に示すコンピュータの詳細機能及びRF送受信系の詳細構成を示すブロック図。図１に示す磁気共鳴イメージング装置によるイメージングの流れを表すフローチャートを示す図。

本発明の実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置について添付図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置の構成図である。

磁気共鳴イメージング装置２０は、静磁場を形成する筒状の静磁場用磁石２１、この静磁場用磁石２１の内部に設けられたシムコイル２２、傾斜磁場コイル２３及びRFコイル２４を備えている。

また、磁気共鳴イメージング装置２０には、制御系２５が備えられる。制御系２５は、静磁場電源２６、傾斜磁場電源２７、シムコイル電源２８、送信器２９、受信器３０、シーケンスコントローラ３１及びコンピュータ３２を具備している。制御系２５の傾斜磁場電源２７は、Ｘ軸傾斜磁場電源２７ｘ、Ｙ軸傾斜磁場電源２７ｙ及びＺ軸傾斜磁場電源２７ｚで構成される。また、コンピュータ３２には、入力装置３３、表示装置３４、演算装置３５及び記憶装置３６が備えられる。

静磁場用磁石２１は静磁場電源２６と接続され、静磁場電源２６から供給された電流により撮像領域に静磁場を形成させる機能を有する。尚、静磁場用磁石２１は超伝導コイルで構成される場合が多く、励磁の際に静磁場電源２６と接続されて電流が供給されるが、一旦励磁された後は非接続状態とされるのが一般的である。また、静磁場用磁石２１を永久磁石で構成し、静磁場電源２６が設けられない場合もある。

また、静磁場用磁石２１の内側には、同軸上に筒状のシムコイル２２が設けられる。シムコイル２２はシムコイル電源２８と接続され、シムコイル電源２８からシムコイル２２に電流が供給されて静磁場が均一化されるように構成される。

傾斜磁場コイル２３は、Ｘ軸傾斜磁場コイル２３ｘ、Ｙ軸傾斜磁場コイル２３ｙ及びＺ軸傾斜磁場コイル２３ｚで構成され、静磁場用磁石２１の内部において筒状に形成される。傾斜磁場コイル２３の内側には寝台３７が設けられて撮像領域とされ、寝台３７には被検体Ｐがセットされる。RFコイル２４にはガントリに内蔵されたRF信号の送受信用の全身用(WB: whole body)コイルや寝台３７や被検体Ｐ近傍に設けられるRF信号の受信用の局所コイルなどがある。

また、傾斜磁場コイル２３は、傾斜磁場電源２７と接続される。傾斜磁場コイル２３のＸ軸傾斜磁場コイル２３ｘ、Ｙ軸傾斜磁場コイル２３ｙ及びＺ軸傾斜磁場コイル２３ｚはそれぞれ、傾斜磁場電源２７のＸ軸傾斜磁場電源２７ｘ、Ｙ軸傾斜磁場電源２７ｙ及びＺ軸傾斜磁場電源２７ｚと接続される。

そして、Ｘ軸傾斜磁場電源２７ｘ、Ｙ軸傾斜磁場電源２７ｙ及びＺ軸傾斜磁場電源２７ｚからそれぞれＸ軸傾斜磁場コイル２３ｘ、Ｙ軸傾斜磁場コイル２３ｙ及びＺ軸傾斜磁場コイル２３ｚに供給された電流により、撮像領域にそれぞれＸ軸方向の傾斜磁場Ｇｘ、Ｙ軸方向の傾斜磁場Ｇｙ、Ｚ軸方向の傾斜磁場Ｇｚを形成することができるように構成される。

RFコイル２４は、送信器２９及び受信器３０の少なくとも一方と接続される。送信用のRFコイル２４は、送信器２９からRF信号を受けて被検体Ｐに送信する機能を有し、受信用のRFコイル２４は、被検体Ｐ内部の原子核スピンのRF信号による励起に伴って発生したNMR信号を受信して受信器３０に与える機能を有する。

一方、制御系２５のシーケンスコントローラ３１は、傾斜磁場電源２７、送信器２９及び受信器３０と接続される。シーケンスコントローラ３１は傾斜磁場電源２７、送信器２９及び受信器３０を駆動させるために必要な制御情報、例えば傾斜磁場電源２７に印加すべきパルス電流の強度や印加時間、印加タイミング等の動作制御情報を記述したシーケンス情報を記憶する機能と、記憶した所定のシーケンスに従って傾斜磁場電源２７、送信器２９及び受信器３０を駆動させることによりＸ軸傾斜磁場Ｇｘ、Ｙ軸傾斜磁場Ｇｙ，Ｚ軸傾斜磁場Ｇｚ及びRF信号を発生させる機能を有する。

また、シーケンスコントローラ３１は、受信器３０におけるNMR信号の検波及びA/D (analog to digital)変換により得られた複素データである生データ(raw data)を受けてコンピュータ３２に与えるように構成される。

このため、送信器２９には、シーケンスコントローラ３１から受けた制御情報に基づいてRF信号をRFコイル２４に与える機能が備えられる一方、受信器３０には、RFコイル２４から受けたNMR信号を検波して所要の信号処理を実行するとともにＡ／Ｄ変換することにより、デジタル化された複素データである生データを生成する機能と生成した生データをシーケンスコントローラ３１に与える機能とが備えられる。

また、コンピュータ３２の記憶装置３６に保存されたプログラムを演算装置３５で実行することにより、コンピュータ３２には各種機能が備えられる。ただし、プログラムの少なくとも一部に代えて、各種機能を有する特定の回路を磁気共鳴イメージング装置２０に設けてもよい。

図２は、図１に示すコンピュータ３２の詳細機能及びRF送受信系の詳細構成を示すブロック図である。

ガントリ側には、RFコイル２４として送信コイル２４Ａ及び受信コイル２４Ｂが設けられる。送信コイル２４Ａには、通常WBコイルが用いられるが、複数のコイル要素で送信コイル２４Ａを構成する場合もある。送信コイル２４Ａには、複数のRF入力ポート２４Ｃが設けられる。一方、受信コイル２４Ｂとしては、通常、複数のコイル要素が用いられる。

送信器２９は、複数の送信チャンネルを備えており、各送信チャンネル上には、RF送信位相制御部２９Ａが設けられる。尚、送信チャンネル上におけるRF送信位相制御部２９Ａ以外の構成要素については図示を省略する。

RF送信位相制御部２９Ａは、コンピュータ３２からシーケンスコントローラ３１を通じて取得した送信RF信号の制御情報に基づいて各送信チャンネルにおけるRF送信信号の位相を調整する機能を有する。すなわち、複数のRF送信位相制御部２９ＡによってRF送信チャンネル間における相対的な位相差が制御される。

送信器２９の各送信チャンネルは、それぞれ送信コイル２４ＡのRF入力ポート２４Ｃと接続される。このため、各RF送信位相制御部２９Ａは、それぞれRF入力ポート２４Ｃを通じて送信コイル２４Ａと接続される。そして、送信器２９は、複数の送信チャンネルを使用して複数のRF送信信号を所定の位相でRF入力ポート２４Ｃを通じて送信コイル２４Ａに順次出力できるように構成されている。

これにより、送信コイル２４Ａによって形成されるB1の歪みを補正することができる。換言すれば、各RF送信位相制御部２９Ａにより、B1の歪みが補正されるように複数のRF送信信号の位相が制御される。

さらに、各RF入力ポート２４Ｃと送信コイル２４Ａとの間における信号線近傍には、それぞれ方向性結合器２４Ｄが設置される。各方向性結合器２４Ｄは、それぞれ対応する送信チャンネルのRF入力ポート２４Ｃから送信コイル２４Ａに送信されるRF送信信号を非接触で検波する機能を有する。

一方、受信器３０も、複数の受信チャンネルを備えており、各受信チャンネルには受信系回路３０Ａが設けられる。そして、各受信コイル２４Ｂは、それぞれ対応する受信系回路３０Ａと接続される。通常は、受信コイル２４Ｂの数よりも受信チャンネルの数の方が多く準備される。

また、各方向性結合器２４Ｄは、共通のRFスイッチ２４Ｅの入力側と接続される。RFスイッチ２４Ｅの出力側は、受信コイル２４Ｂと接続されていない受信チャンネルの受信系回路３０Ａと接続される。そして、各方向性結合器２４Ｄにおいて検出されたRF検出信号は、RFスイッチ２４Ｅにおいて切換えられてRF受信信号の受信用に使用されていない受信チャンネルの受信系回路３０Ａに出力されるように構成されている。換言すれば、RFスイッチ２４Ｅを切換えることにより、所望の送信チャンネルから検出されたRF検出信号を共通の受信系回路３０Ａに出力させることができる。受信系回路３０Ａに出力されたRF検出信号は、シーケンスコントローラ３１を通じてコンピュータ３２に出力される。

尚、RFスイッチ２４Ｅを省略し、複数のRF検出信号を個別の経路でコンピュータ３２に導く構成としてもよいが、経路間における信号の位相変化にばらつきが生じる。このため、RF検出信号間の位相シフトの補正が必要となる。従って、RFスイッチ２４Ｅを方向性結合器２４Ｄの近傍に設け、複数のRF検出信号をできるだけ共通の経路でコンピュータ３２に導く構成とすることが望ましい。また、RFスイッチ２４Ｅから受信系回路３０Ａまでのケーブルを一本化し、回路構成が簡易になるという効果もある。

一方、コンピュータ３２の演算装置３５は、記憶装置３６に保存されたプログラムを実行することにより撮像条件設定部４０、データ処理部４１及び送信位相校正値算出部４２として機能する。また記憶装置３６は、位相情報記憶部４３として機能する。

撮像条件設定部４０は、入力装置３３からの指示情報に基づいて撮像条件を設定し、設定した撮像条件をシーケンスコントローラ３１に与えることにより駆動制御させる機能を有する。撮像条件のうち、B1の歪みを補正するために設定される複数のRF送信信号に対する位相の制御情報は送信位相校正値算出部４２から撮像条件設定部４０に与えられる。

データ処理部４１は、シーケンスコントローラ３１から取得したイメージング用の生データ、つまり受信コイル２３Ｂで受信された被検体ＰからのNMR受信信号にフーリエ変換(FT: Fourier transform)を含む画像再構成処理を施すことにより画像データを再構成する機能と、再構成して得られた画像データに必要な画像処理を施して表示装置３４に表示させる機能を有する。

送信位相校正値算出部４２は、シーケンスコントローラ３１から方向性結合器２４Ｄにおいて検出されたRF検出信号を取得し、取得したRF検出信号に基づいてB1歪み補正用の複数の送信位相の校正値を算出する機能と、算出した送信位相の校正値に基づく位相の制御情報を撮像条件設定部４０に与える機能とを有する。

送信位相の校正値は、例えば以下のようにしてRF検出信号から求めることができる。
方向性結合器２４Ｄにおいて検出されるn(n=1, 2, 3, ..., N)チャンネルのRF検出信号S_nは式(1)で表すことができる。
S_n = A_ncos(2πf_nt+φ_n) (1)
但し、式(1)においてA_nは振幅、f_nは搬送周波数、φ_nは位相、tは時間である。

そして、式(2-1)及び式(2-2)に示すようにRF検出信号S_nにcos(2πf_nt)及びsin(2πf_nt)をそれぞれ乗算することにより実部信号及び虚部信号を求める。
Real: S_ncos(2πf_nt) = A_n/2cos{2π(2f_n)t}+A_n/2cos(φ_n) (2-1)
Imag: S_nsin(2πf_nt) = A_n/2sin{2π(2f_n)t}-A_n/2sin(φ_n) (2-2)

次に、求めた実部信号及び虚部信号にそれぞれLPF (low pass filter)を掛けると、式(2-1)及び式(2-2)の第２項のみが残る。そして各第２項をそれぞれ振幅A_n/2で除算すると式(3-1)及び式(3-2)に示す実部信号及び虚部信号が得られる。
Real: cos(φ_n) (3-1)
Imag: sin(φ_n) (3-2)

式(3-1)及び式(3-2)から式(4)に示すようにnチャンネルのRF検出信号S_nの位相φ_nを求めることができる。
φ_n = tan^-1(φ_n) (4)

式(5)に示すようにRF検出信号S_nの位相φ_nは、送信器２９のRF送信位相制御部２９ＡにおけるRF送信位相の制御値φ_{set_n}と、送信器２９から方向性結合器２４Ｄまで伝播する間に生じるRF送信信号の位相変化φ_{shift_n}との和である。
φ_n = φ_{set_n}+φ_{shift_n} (5)

従って、RF送信信号の位相変化φ_{shift_n}は式(6)により算出することができる。
φ_{shift_n} = φ_n-φ_{set_n} (6)

よって、RF送信信号が方向性結合器２４Ｄを通る時点における位相の目標値がφ_{target_n}である場合には、RF送信信号の位相変化φ_{shift_n}を校正値として、式(7)に示すようにRF送信位相制御部２９ＡにおけるRF送信位相の校正後の制御値φ_{cor_n}を決定することができる。
φ_{cor_n} = φ_{target_n}-φ_{shift_n} (7)

方向性結合器２４Ｄを通る時点における位相の目標値φ_{target_n}は、撮像部位等の撮像条件ごとに異なる値となる場合が多く、試験スキャン等の任意の手段で予め撮像条件ごとに決定しておくことができる。

位相情報記憶部４３には、撮像条件ごとの方向性結合器２４Ｄを通る時点における位相の目標値φ_{target_n}に加え、各送信チャンネルにおけるRF検出信号S_nの位相φ_n及びRF送信信号の位相変化φ_{shift_n}の少なくとも一方が保存される。

そして、送信位相校正値算出部４２は、位相情報記憶部４３に保存された位相の目標値φ_{target_n}とともにRF検出信号S_nの位相φ_n又はRF送信信号の位相変化φ_{shift_n}を用いて送信チャンネルごとのRF送信位相の校正後の制御値φ_{cor_n}を算出し、算出したRF送信位相の校正後の制御値φ_{cor_n}を撮像条件設定部４０に与えるように構成されている。
次に磁気共鳴イメージング装置２０の動作及び作用について説明する。

図３は、図１に示す磁気共鳴イメージング装置２０によるイメージングの流れを表すフローチャートを示す図である。

まずステップＳ１において、シーケンスコントローラ３１や静磁場用磁石２１等のスキャンを実行するための磁気共鳴イメージング装置２０の構成要素は、イメージングスキャンに先立って、各送信チャンネルのRF送信信号の位相を測定するためのプレスキャンを実行する。

そのために予め寝台３７に被検体Ｐがセットされ、静磁場電源２６により励磁された静磁場用磁石２１(超伝導磁石)の撮像領域に静磁場が形成される。また、シムコイル電源２８からシムコイル２２に電流が供給されて撮像領域に形成された静磁場が均一化される。

そして、入力装置３３の操作によって撮像条件設定部４０からプレスキャン用の撮像条件がシーケンスコントローラ３１に与えられる。プレスキャン用の撮像条件では、RF送信位相が撮像部位等の条件に応じた、B1の歪みが補正されるような値に設定される。

このため、シーケンスコントローラ３１は、撮像条件に従って傾斜磁場電源２７、送信器２９及び受信器３０を駆動させることにより被検体Ｐがセットされた撮像領域に傾斜磁場を形成させるとともに、送信コイル２４ＡからRF送信信号を発生させる。

送信器２９では、各RF送信位相制御部２９ＡがRF送信信号の位相を撮像条件として設定されたRF送信位相の制御値となるように調整し、RF入力ポート２４Ｃを通じてそれぞれRF送信信号を順次送信コイル２４Ａに送信する。このため送信コイル２４Ａからは、各送信チャンネルからのRF送信信号が順次被検体Ｐに向けて送信される。

このため、被検体Ｐの内部における核磁気共鳴により生じたNMR信号が、受信コイル２４Ｂにより受信されて受信器３０の受信系回路３０Ａに与えられる。受信系回路３０Ａでは、A/D変換を含む信号処理により、生データが生成される。生データはシーケンスコントローラ３１を通じてコンピュータ３２のデータ処理部４１に与えられる。この生データは、イメージングスキャン用の撮像条件の設定のために用いることができる。

一方、各方向性結合器２４Ｄでは対応する送信チャンネルのRF送信信号が検波される。検波された送信チャンネルごとのRF検出信号は、RFスイッチ２４Ｅの切換により順次方向性結合器２４Ｄから共通の受信系回路３０Ａに出力される。さらに、RF検出信号は、受信系回路３０ＡにおいてA/D変換され、デジタル信号としてシーケンスコントローラ３１を通じてコンピュータ３２の送信位相校正値算出部４２に与えられる。

次にステップＳ２において、送信位相校正値算出部４２は、RF検出信号の位相φ_nを送信チャンネルごとに算出する。そうすると、算出されたRF検出信号の位相φ_nは、方向性結合器２４Ｄを通る際におけるRF送信信号の位相の測定値と考えることができる。

次にステップＳ３において、送信位相校正値算出部４２は、算出したRF検出信号の位相φ_nとRF送信信号の制御値φ_{set_n}基との差、つまりRF送信信号の位相変化φ_{shift_n}をB1歪みの補正用のRF送信位相の校正値として送信チャンネルごとに求める。

次にステップＳ４において、送信位相校正値算出部４２は、イメージングスキャン用のRF送信位相の送信チャンネルごとの目標値φ_{target_n}をRF送信位相の校正値であるRF送信信号の位相変化φ_{shift_n}を用いて校正する。そして、RF送信位相の校正後の制御値φ_{cor_n}が撮像条件設定部４０に与えられ、イメージングスキャン用の撮像条件とされる。

次にステップＳ５において、シーケンスコントローラ３１や静磁場用磁石２１等のスキャンを実行するための磁気共鳴イメージング装置２０の構成要素は、RF送信位相の校正後の制御値φ_{cor_n}を撮像条件としてイメージングスキャンを実行する。

すなわち、撮像条件設定部４０からイメージングスキャン用の撮像条件がシーケンスコントローラ３１に与えられる。そして、プレスキャンと同様な流れで生データが収集される。ただし、RF送信位相の測定値に基づいて校正されたRF送信位相の校正後の制御値φ_{cor_n}を用いてRF送信信号が送信されるため、B1の歪みが良好に補正される。この結果、B1の歪みの影響が少ないNMRデータを得ることができる。

そして、データ処理部４１において、NMRデータから画像データが生成される。この画像データはB1の歪みの影響が少ないNMRデータから生成されているため良好な画質となる。

尚、上述した例では、イメージングスキャンごとにRF送信位相の測定用のプレスキャンを実行する場合について説明したが、RF送信位相の測定用のプレスキャンをイメージングスキャンの直前に行わなくてもよい。例えば、月に１回RF送信位相の測定用のプレスキャンを行うなど、所望の期間ごとにRF送信位相の測定用のプレスキャンを実行するようにしてもよい。すなわち、位相情報記憶部４３に保存されたRF位相情報を任意のイメージングスキャンにおいて利用することができる。

以上のような磁気共鳴イメージング装置２０は、複数の送信チャンネルを用いてRF送信信号を送信する場合に、RF送信位相の測定値に基づいてRF送信位相の制御値を校正できるようにしたものである。

このため、磁気共鳴イメージング装置２０によれば、B1の歪みを、より良好に補正することができる。例えば、送信系の経年変化や出力ゲインの変化によって適切なRF送信位相の制御値が変化したとしても、変化に追従してRF送信位相の制御値を校正することができる。

さらに、複数の送信チャンネルを用いたB1シミングによって効率よくRF送信信号を被検体Ｐに照射することが可能となる。この結果、RF信号の人体への吸収エネルギの大きさを表す指標であるSAR (specific absorption rate)を低減することができる。

また、磁気共鳴イメージング装置２０では、RF送信位相を測定できるため、送信系の構成要素の異常検出を行うこともできる。このため、磁気共鳴イメージング装置２０の品質を維持することができる。

また、磁気共鳴イメージング装置２０では、RF送信位相の校正値を求めるために画像を生成する必要がないため、簡易な処理で短時間にRF送信位相を校正することができる。

２０磁気共鳴イメージング装置
２１静磁場用磁石
２２シムコイル
２３傾斜磁場コイル
２４ RFコイル
２５制御系
２６静磁場電源
２７傾斜磁場電源
２８シムコイル電源
３２コンピュータ
３７寝台
Ｐ被検体

Claims

複数の高周波信号送信チャンネル及び少なくとも１つの高周波送信コイルを用いて前記複数の高周波信号送信チャンネルに対応するイメージング用の複数の高周波信号を被検体に送信することによってイメージングを行うイメージング手段と、
予め測定された前記複数の高周波信号送信チャンネルに対応する複数の高周波信号の位相測定値に基づいて前記イメージング用の複数の高周波信号の少なくとも１つの位相を校正する送信位相校正手段と、
を備え、
前記送信位相校正手段は、
前記複数の高周波信号送信チャンネルから前記複数の高周波信号に対応する複数の進行波を検出する複数の方向性結合器と、
前記複数の進行波に基づいて前記位相測定値を取得する位相取得部と、
前記複数の進行波を切換えて、共通の信号チャンネルを経由して前記位相取得部に前記複数の進行波を順次出力させる高周波スイッチと、
を有し、
前記高周波スイッチは、磁気共鳴信号の受信用に使用されていない受信チャンネルの受信系回路を経由して前記複数の進行波を前記位相取得部に出力させるように構成される磁気共鳴イメージング装置。
前記送信位相校正手段は、前記イメージングに先立って前記複数の高周波信号送信チャンネルに対応する複数の高周波信号の位相を測定することによって前記イメージングの撮像条件に応じた位相測定値を取得するように構成される請求項１記載の磁気共鳴イメージング装置。
前記送信位相校正手段は、
前記位相測定値又は前記位相測定値に基づく位相校正値を記憶する記憶手段を備え、
前記記憶手段に保存された前記位相測定値又は前記位相校正値を用いて前記イメージング用の複数の高周波信号の少なくとも１つの位相を校正するように構成される請求項２記載の磁気共鳴イメージング装置。