JP4519967B2 - 磁気共鳴イメージング・システム内の残留磁気を補償する方法及び磁気共鳴イメージング・システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明の分野は、核磁気共鳴イメージング方法及びシステムである。より具体的には、本発明は、ＭＲＩ（磁気共鳴イメージング）システムにおいて磁場勾配によって生ずる残留磁気を補償することに関する。
【０００２】
【従来の技術】
人体組織のような物体が一様の磁場（静磁場Ｂ₀ ）にさらされると、組織内のスピンの個々の磁気モーメントは、この分極磁場に沿って整列しようとするが、各スピン固有のラーモア周波数でランダムな秩序で分極磁場の周りを歳差運動する。物体すなわち組織が、ｘ−ｙ平面内に存在すると共にラーモア周波数に近い周波数を持つ磁場（励起磁場Ｂ₁ ）にさらされると、整列した正味の磁気モーメントＭ_z がｘ−ｙ平面に向かって回転すなわち「傾斜」して、正味の横磁気モーメントＭ_t を生成する。このように励起されたスピンによって信号が放出され、励起信号Ｂ₁ を停止させた後に該信号を受信して処理することにより画像を形成することができる。
【０００３】
この磁気共鳴をイメージング及び多くの局在化スペクトル法に応用するとき、特定の領域を選択的に励起すると共にＮＭＲ（核磁気共鳴）信号内に空間情報をエンコードするために線形磁場勾配が利用されている。ＮＭＲ実験の際には、特別に選択された時間変化を有する磁場勾配波形が用いられる。従って、理想的な磁場勾配波形の適用から少しでも逸脱すると、画像歪み、強度損失、ゴースト発生及び他のアーティファクトが導入されるものと予測され得る。例えば、スライス選択磁場勾配が１８０°ＲＦパルスの前後で均衡していなければ、核スピンの再位相合わせ(rephasing) が不完全になり、これに伴って信号の損失が生ずる。この影響が、マルチ・エコー（Carr-Purcell-Meiboom-Gill ）シーケンスにおける後のスピン・エコー内に混入する。加えて、（勾配パルスの終了後の残留磁気に起因して）勾配磁場がゼロであるべきときにゼロでないと、意図しない位相分散によって、化学シフト・イメージング（ＣＳＩ）シーケンスにおいてはスペクトルに歪みが生じ、マルチ・エコー・シーケンスにおいてはスピン−スピン緩和時間（Ｔ₂ ）の決定が不正確になる可能性がある。従って、当業者は、磁場勾配が発生されるときの精度に特に注意を払っている。
【０００４】
磁場勾配の形成の歪みの一因は、クライオスタット（超伝導磁石を有する設計の場合）、シム・コイル系、又はＲＦコイルから勾配コイルを減結合するのに用いられるＲＦシールド等の分極磁石内部の導電性構造に勾配磁場が結合する場合に生じ得る。これら周囲構造での電流の誘導は、渦電流として知られている。渦電流によって、勾配コイルに対する台形電流パルスの印加中及び印加後にそれぞれ、磁場勾配の指数的増大及び減衰が典型的に観測される。
【０００５】
米国特許第４，６９８，５９１号の「磁場勾配の渦電流補償方法（A Method for Magnetic Field Gradient Eddy Current Compensation）」では、勾配電源装置内にアナログ・プリエンファシス・フィルタを用いて、渦電流により誘起される勾配磁場の歪みを減少させるような態様で勾配コイルに印加される電流を成形する方法が開示されている。このフィルタは、複数の指数減衰成分と、システム較正中に設定すべき調節自在のポテンショメータとを含んでいる。システム較正に先立って、未補正の磁場勾配のインパルス応答を測定する測定手法が用いられ、次いで、プリエンファシス・フィルタについてポテンショメータ設定値が算出される。このような手法が米国特許第４，９５０，９９４号、同第４，６９８，５９１号及び同第４，５９１，７８９号に記載されている。
【０００６】
ところで、鉄心の永久磁石又は鉄心強化型超伝導磁石には、他の形式の勾配誘起による磁場摂動が存在する。この摂動は、ヒステリシスとして知られており、十分に研究されてきておらず、一般化された補正法は完全には開発されていない。ヒステリシス現象を理解するために、図２に示すバイポーラ勾配波形の効果を考察する。鉄の磁化は図３に示す初期状態８にあるものと仮定する。磁化の初期状態は、未磁化の状態と定義されるが、この場合には、磁場が上昇した後で且つ一切の勾配が印加される前の状態と考えられる。最初の傾斜の立ち上がり（図２の１０）の間に、鉄心が受ける磁場Ｈと共に、勾配コイルの電流が次第に増大する。この結果、図３の曲線１１によって示すように、磁気誘導Ｂが磁場Ｈにつれて増大する。しかしながら、勾配が図２の参照番号１２で示すようにゼロまで下降するとき、磁気誘導Ｂはゼロに回復しない。その代わりに、磁気誘導Ｂの磁場への依存は、他の曲線１４によって特徴付けられる。この現象は、ヒステリシスとして知られており、残留した磁気誘導（ΔＢ）は、レマネンス（remanence ）すなわち残留磁気と呼ばれている。勾配が図２の参照番号１６で示すように負値まで更に下降すると、磁気誘導Ｂは曲線１８を辿る。その後の勾配傾斜２０によって、Ｈ対Ｂ曲線２２が負の残留磁気（−ΔＢ）で終了する。以後の勾配パルスは磁化をループ状に変化させ、このループはヒステリシス・ループとして知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以上の分析から、時間依存性の磁場勾配パルスがイメージングに用いられるときには、強磁性物質内に摂動磁場ΔＢが生じ得ることが分かる。ヒステリシス効果が補償されなければ、多くの画像アーティファクトが生じ得る。例えば、高速スピン・エコー（ＦＳＥ）法における位相エンコーディング勾配パルスによって誘起される残留磁気は、ｋ空間データに一貫していない位相誤差を生じさせて、画像ボケ及びゴーストを招く可能性がある。
【０００８】
この問題は、米国特許第５，７２９，１３９号で取り扱われている。この従来特許で提案されている解決法は、残留磁気によって生ずる位相誤差を補正するものである。これを実現する１０通りの特定の方法が提案されており、これらの方法のすべてが、特別な規定されたパルス・シーケンス中の勾配パルス波形に対して変更を必要としている。しかしながら、規定することの出来るパルス・シーケンスに取り得る変形は無数にあるので、この従来法の教示に従って各々のパルス・シーケンスを変更することは実用的ではない。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、画像アーティファクトを減少させるようにＭＲＩシステムの残留磁気を制御するための方法及び装置である。より具体的には、ＭＲＩシステムは残留磁気補償機能を含んでおり、この機能は、残留磁気を予め選択された状態に駆動し、更に各々のいわゆるイメージング勾配に残留磁気リセット勾配波形を付加して残留磁気を該予め選択された状態に戻すようにする。残留磁気は、各々の勾配波形が発生された後に常に同じ値へ駆動されるので、取得されるＮＭＲデータに生ずる位相誤差は、走査全体にわたって一貫して同一となる。取得されたＮＭＲデータがフーリエ変換を用いて濃淡画像に再構成されるときには、この一定の位相誤差は実効的に不可視化されている。
【００１０】
本発明は、商用ＭＲＩシステムにおいて具現化するのが容易である。各々のイメージング勾配波形に同一の残留磁気リセット勾配波形を付加することができるので、複雑な計算は必要でなく、また、可能な各々のパルス・シーケンスを逐一カスタマイズする必要もない。残留磁気リセット勾配波形は、走査中にＭＲＩシステムによって発生される各々のイメージング勾配波形の終端に単純に付加される。
【００１１】
【発明の一般的な説明】
ＭＲＩシステムにおいて、図４に示すような一連の次第に減少する振幅を有する勾配波形２４、２５、２６及び２７が印加された場合、このＭＲＩシステム内の強磁性構造は、図５に示すようにそれぞれのヒステリシス曲線２８、２９、３０及び３１に沿って駆動される。最大振幅の勾配パルスが最初に印加されているので、残留磁気は、各々の勾配波形が印加された後に点３２の同じ値に戻る。図から分かるように、相対的に小さい勾配パルスのヒステリシス・ループは、第１の勾配パルス２４の相対的に大きいヒステリシス・ループ２８内に入れ子式になっている。第１の勾配パルス２４がＭＲＩシステムに可能な最大の振幅である場合、以降のすべての正の勾配パルスによって同じレベルΔＢ_s,max の残留磁気が残る。一連の負の勾配波形が発生されるときにも同じ結果が生ずるが、この場合には、残留磁気の値は−ΔＢ_s,max となり、この値に留まる。
【００１２】
本発明は、ＭＲ走査の全体にわたって残留磁気を±ΔＢ_s,max に容易に維持することができるという事実を認識し、この事実を利用している。この一貫した残留磁気によって生ずる位相誤差は、再構成後の濃淡画像では一切見えない。なぜならば、再構成がフーリエ変換法を用いて行われるからである。
【００１３】
本発明は、多くの方法で具現化することができる。走査の開始時に、残留磁気を＋ΔＢ_s,max 又は−ΔＢ_s,max のいずれかに変化させるような勾配パルスを印加する。必要があれば、このようなパルスを、３つすべての軸上で相次いで又は同時に印加することができる。次いで、イメージング・パルス・シーケンス中に勾配波形が発生されるとき、必要に応じて残留リセット勾配波形を勾配波形に付加して、残留磁気を±ΔＢ_s,max に戻す。例えば、＋ΔＢ_s,max を選択した場合には、残留磁気リセット勾配波形は、イメージング・パルス・シーケンス中に発生される各々の負の勾配パルスに続く極めて短い持続時間の最大振幅の正の勾配パルスである。イメージング勾配パルスの極性が正であれば、残留磁気リセット・パルスは、図５について上述した理論に従って省略してよい。しかしながら、イメージング勾配パルスの極性が負である場合は、リセット・パルスを印加しなければならない。
【００１４】
後述する好ましい実施例では、残留磁気リセット勾配波形は、図６に示すようなバイポーラ勾配波形である。この波形は、負のローブ３６及びこの後に続く同様な正のローブ３７を含んでおり、第ゼロ勾配モーメントを維持する。勾配ローブ３６及び３７は可能な最大の振幅を有し、これらの勾配の持続時間は可能な限り短くする。パルスの短さは、主として勾配増幅器のスルー・レート（slew rate ）によって決定される。
【００１５】
図６の残留磁気リセット勾配波形の正のローブ３７は、残留磁気を＋ΔＢ_s,max に駆動する。負の勾配ローブ３６は、正の勾配ローブ３７と面積が等しく、波形全体の正味の面積がゼロとなるようにする。これにより、横磁化の正味の位相を乱さずに残留磁気リセット勾配波形をイメージング勾配波形に付加することが可能になる。−ΔＢ_s,max の残留磁気が選択される場合には、勾配ローブ３６及び３７の極性を入れ替えて、最後の勾配ローブが残留磁気を−ΔＢ_s,max に駆動するようにする。
【００１６】
当業者には、残留磁気リセット勾配波形が多くの異なる形状を有し得ることが明らかであろう。例えば、残留磁気リセット勾配波形は、各々のローブが最大勾配振幅にあるような正弦波の形状であってよい。また、イメージング・パルス・シーケンスが再集束ＲＦパルスを含んでいるときには、残留磁気リセット勾配波形を２つの部分に分割して、一方のローブを再集束パルスの前に印加し、他方のローブを再集束パルスの後に印加するようにすることができる。スピン磁化は再集束パルスによって極性を反転させられるので、２つのリセット勾配ローブの極性は同じにする。
【００１７】
【好適実施例の説明】
図１には、本発明を組み込んだ好ましいＭＲＩシステムの主要な構成要素が示されている。システムの動作は、キーボード及び制御パネル１０２及び表示装置１０４を含んでいるオペレータ・コンソール１００によって制御される。コンソール１００はリンク１１６を介して独立したコンピュータ・システム１０７と接続されており、コンピュータ・システム１０７により、操作者はスクリーン１０４上での画像の形成及び表示を制御することが可能になる。コンピュータ・システム１０７は、バックプレーンを介して互いに連絡する幾つかのモジュールを含んでいる。これらのモジュールには、画像プロセッサ・モジュール１０６と、ＣＰＵモジュール１０８と、画像データ配列を記憶するフレーム・バッファとして当業界で公知のメモリ・モジュール１１３とが含まれている。コンピュータ・システム１０７は、画像データ及びプログラムを記憶するためのディスク記憶装置１１１及びテープ・ドライブ１１２に結合されており、また、高速シリアル・リンク１１５を介して別個のシステム制御部１２２と通信する。
【００１８】
システム制御部１２２は、バックプレーン１１８によって互いに接続されている一組のモジュールを含んでいる。これらのモジュールには、ＣＰＵモジュール１１９とパルス発生器モジュール１２１とが含まれており、パルス発生器モジュール１２１はシリアル・リンク１２５を介してオペレータ・コンソール１００に接続されている。リンク１２５を介して、システム制御部１２２は実行されるべき走査シーケンスを指示する命令（コマンド）を操作者から受け取る。パルス発生器モジュール１２１は、システムの構成要素を動作させて、所望の走査シーケンスを実行させる。パルス発生器モジュール１２１は、発生されるべきＲＦパルスのタイミング、大きさ及び形状、並びにデータ取得ウィンドウのタイミング及び長さを指示するデータを発生する。パルス発生器モジュール１２１は、勾配補償システム１２９を介して一組の勾配増幅器１２７に接続されており、走査中に発生される勾配パルスのタイミング及び形状を指示する。パルス発生器モジュール１２１はまた走査室インタフェイス回路１３３に接続されており、走査室インタフェイス回路１３３は、患者及び磁石システムの状態に関連した様々なセンサからの信号を受信する。走査室インタフェイス回路１３３を介して、患者位置決めシステム１３４もまた、走査に望ましい位置に患者を移動させるための命令を受信する。
【００１９】
パルス発生器モジュール１２１によって発生される勾配波形は、後に詳述するように勾配補償システム１２９によって補償されて、Ｇ_x 増幅器とＧ_y 増幅器とＧ_z 増幅器とで構成されている勾配増幅器システム１２７に印加される。各々の勾配増幅器は、対応する勾配コイル（図示されていない）を励起する。当業界で周知のように、勾配コイルは、取得される信号を空間的にエンコードするのに用いられる線形磁場勾配を発生する。また、磁石アセンブリ１４１が、分極用磁石（図示されていない）と全身型ＲＦコイル（図示されていない）を含んでいる。好ましい実施例では、分極磁場は、米国特許第５，６５２，５１７号「ＭＲＩ装置用の磁石アセンブリ（Magnet Assembly For MRI Apparatus ）」に記載されているように、永久磁石、及び磁場を成形すると共に方向付けるのに用いられる付設の鉄心によって形成される。これらの要素は、勾配磁場によって磁化されて、本発明が扱う問題を生ずるものである。但し、本発明は、鉄心強化型超伝導磁石等のその他の磁石構造にも応用可能である。
【００２０】
システム制御部１２２内の送受信器モジュール１５０がパルスを発生し、これらのパルスは、ＲＦ増幅器１５１によって増幅されて、送信／受信（Ｔ／Ｒ）スイッチ１５４によって磁石アセンブリ１４１内のＲＦコイルに結合される。この結果として、患者の体内の励起された核によって発生される信号は、同じＲＦコイルによって検知されて、送信／受信スイッチ１５４を介して前置増幅器１５３に結合される。増幅されたＮＭＲ信号は、送受信器１５０の受信器部において復調され、濾波され、ディジタル化される。送信／受信スイッチ１５４は、パルス発生器モジュール１２１からの信号によって制御されて、送信モード時にはＲＦ増幅器１５１をＲＦコイルに電気的に接続し、受信モード時には前置増幅器１５３をＲＦコイルに電気的に接続する。送信／受信スイッチ１５４はまた、送信モード又は受信モードのいずれの場合にも、分離型ＲＦコイル（例えば、頭部コイル又は表面コイル）を用いることを可能にする。
【００２１】
ＲＦコイルによって検知されたＮＭＲ信号は、送受信器モジュール１５０によってディジタル化されて、システム制御部１２２内のメモリ・モジュール１６０へ転送される。走査が完了してデータ・アレイの全体がメモリ・モジュール１６０内に取得されたときに、アレイ・プロセッサ１６１が動作して、このデータを画像データ・アレイへ変換する。この画像データの集合は、シリアル・リンク１１５を介してコンピュータ・システム１０７へ伝送されて、ここで、ディスク・メモリ１１１に記憶される。オペレータ・コンソール１００から受信された命令に応答して、この画像データを外部ドライブ１１２に保管してもよいし、又は後に詳述するように画像プロセッサ１０６によって更に処理してオペレータ・コンソール１００へ伝送して、表示装置１０４に表示してもよい。
【００２２】
送受信器１５０に関する更なる詳細については、米国特許第４，９５２，８７７号及び同第４，９９２，７３６号に記載されている。これらの特許はここに参照されるべきものである。
【００２３】
図１及び図７について詳細に説明する。本発明は、パルス発生器モジュール１２１及び勾配補償システム１２９において具現される。勾配補償システム１２９は波形メモリ２００を含んでおり、波形メモリ２００は、図６の残留磁気リセット勾配波形をディジタル形態で記憶する。コントローラ２０２が制御バス２０４を介してパルス発生器モジュール１２１から命令を受け取ると、この記憶されている波形がコントローラ２０２によって読み出される。
【００２４】
波形メモリ２００から読み出されたディジタル値は、データ・バス２１０を介して１つ又はそれ以上のＤ／Ａ変換器２０６、２０７及び２０８へ印加される。コントローラ２０２は、適当なＤ／Ａ変換器２０６〜２０８をイネーブルにし、メモリ２００から波形を読み込んで、１つ又はそれ以上のＤ／Ａ変換器２０６〜２０８の出力に図６のアナログ形式の波形を発生する。これらの出力が、それぞれｘ軸、ｙ軸及びｚ軸の勾配増幅器１２７を駆動する。
【００２５】
イメージング・パルス・シーケンスが図１のＭＲＩシステムによって実行されるときには、パルス発生器モジュール１２１は、データ・バス２１０上にイメージング勾配波形を形成し、これらの波形を適当なＤ／Ａ変換器２０６〜２０８へ印加する。次いで、コントローラ２０２が制御バス２０４から図６に示すような残留磁気リセット勾配波形を付加するように信号で指示される。コントローラ２０２は、メモリ２００から適当な波形を読み込んで、この波形を適当なＤ／Ａ変換器２０６〜２０８へ印加する。上で議論したように、残留磁気リセット勾配波形は、パルス発生器モジュール１２１によって形成される各々のイメージング波形の後に付加してもよいし、又は選択されたプラス若しくはマイナスのΔＢ_s,max と反対の極性の勾配ローブを有する波形の後にのみ付加してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を採用するＭＲＩシステムのブロック図である。
【図２】図１のＭＲＩシステムによって発生されるイメージング勾配波形の一例を示す波形図である。
【図３】図２のイメージング勾配波形によって形成されるヒステリシス曲線を示す単純化されたグラフである。
【図４】本発明の基礎を成す理論を説明するのに用いられる一連の勾配波形を示す波形図である。
【図５】図４の勾配によって形成されるヒステリシス曲線を示すグラフである。
【図６】図１のＭＲＩシステムに用いられる残留磁気リセット勾配波形の好ましい実施例を示す波形図である。
【図７】図１のＭＲＩシステムの一部を形成する勾配補償システムの電気ブロック図である。
【符号の説明】
１００ オペレータ・コンソール
１０２ キーボード及び制御パネル
１０４ 表示装置
１０６ 画像プロセッサ・モジュール
１０７ コンピュータ・システム
１０８、１１９ ＣＰＵモジュール
１１１ ディスク記憶装置
１１２ テープ・ドライブ
１１３、１６０ メモリ・モジュール
１１５ 高速シリアル・リンク
１１６ リンク
１１８ バックプレーン
１２１ パルス発生器モジュール
１２２ システム制御部
１２５ シリアル・リンク
１２７ 勾配増幅器システム
１２９ 勾配補償システム
１３３ 走査室インタフェイス回路
１３４ 患者位置決めシステム
１４１ 磁石アセンブリ
１５０ 送受信器
１５１ ＲＦ増幅器
１５３ 前置増幅器
１５４ 送信／受信スイッチ
１６１ アレイ・プロセッサ
２００ 波形メモリ
２０２ コントローラ
２０４ 制御バス
２０６、２０７、２０８ Ｄ／Ａ変換器
２１０ データ・バス

Claims (16)

1. 走査の間に磁気共鳴画像データを取得するのに用いられるイメージング勾配波形により生じる磁気共鳴イメージング・システムの強磁性体内残留磁気に起因する磁気共鳴画像の画像アーティファクトを減少させる方法であって、
   前記磁気共鳴イメージング・システムの強磁性体内残留磁気を予め選択した最大値へ駆動する工程と、
   前記走査の間にイメージング勾配波形に残留磁気リセット勾配波形（３６，３７）を付加することにより、前記走査の間において前記磁気共鳴画像データが取得されるときの前記強磁性体内残留磁気を前記予め選択した最大値に維持する工程と、を有する前記方法。
2. 前記予め選択した最大値は、前記イメージング勾配波形により発生され得る最大残留磁気であることを特徴とすることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記残留磁気リセット勾配波形（３６，３７）は、前記走査の間に発生されるすべてのイメージング勾配波形に付加されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記残留磁気リセット勾配波形（３６，３７）は、反対の極性を有する２つの同一の勾配ローブを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記各々の勾配ローブ（３６，３７）は、前記磁気共鳴イメージング・システムに可能な最大の勾配磁場を発生することを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 残留磁気リセット勾配波形（３６，３７）をイメージング勾配波形に付加する前記工程は、該イメージング勾配波形の形状を変更する工程を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記イメージング勾配波形の持続時間が変更されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記イメージング勾配波形の持続時間が増大されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記イメージング勾配波形の持続時間が減少されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
10. パルス発生器（１２１）により発生されるイメージング勾配波形に応答して走査の間にイメージング磁場勾配を発生する勾配システム（１２７）を有している磁気共鳴イメージング・システムにおいて、
    前記勾配システム（１２７）に結合されていて、各々のイメージング磁場勾配の発生の後に残留磁気補償磁場勾配（３６，３７）を発生する勾配補償システム（１２９）を備え、
    当該磁気共鳴イメージング・システムの強磁性体内残留磁気が、前記走査の全体にわたって、予め選択された最大レベルに維持されることを特徴とする磁気共鳴イメージング・システム。
11. 前記勾配補償システムは、前記走査の間に発生される各々のイメージング磁場の後に前記残留磁気補償磁場を発生するように前記勾配システムに指令することを特徴とする請求項１０に記載の磁気共鳴イメージング・システム。
12. 前記勾配補償システムは、反対の極性の２つの同一のローブを有する残留磁気リセット勾配波形（３６，３７）を発生することを特徴とする請求項１０に記載の磁気共鳴イメージング・システム。
13. 各々の前記ローブが、前記磁気共鳴イメージング・システムに可能な最大の振幅を有することを特徴とする請求項１２に記載の磁気共鳴イメージング・システム。
14. 前記勾配補償システムは、少なくとも部分的には前記イメージング磁場勾配を変化させることにより、前記残留磁気リセット磁場勾配を発生することを特徴とする請求項１０に記載の磁気共鳴イメージング・システム。
15. 前記イメージング磁場勾配は、その持続時間を減少させることにより変更されることを特徴とする請求項１４に記載の磁気共鳴イメージング・システム。
16. 前記イメージング磁場勾配は、その持続時間を増大させることにより変更されることを特徴とする請求項１４に記載の磁気共鳴イメージング・システム。

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