Fast fat suppression radiofrequency pulse train with insensitivity to B1 inhomogeneity for body imaging

• 資料種別: 博士論文
• タイトル: Fast fat suppression radiofrequency pulse train with insensitivity to B1 inhomogeneity for body imaging
• 著者・編者: 阿部, 貴之
• 著者標目: 阿部, 貴之
• 出版事項: 埼玉大学大学院理工学研究科
• 出版年月日等: 2016
• 出版年（W3CDTF）: 2016
• 並列タイトル等: 高周波磁場の不均一に頑強な高速脂肪抑制RFパルス系列の開発
• タイトル（掲載誌）: 博士論文（埼玉大学大学院理工学研究科（博士後期課程））
• 授与機関名: 埼玉大学
• 授与年月日: 2016-09-23
• 授与年月日（W3CDTF）: 2016-09-23
• 報告番号: 乙第239号
• 学位: 博士(理学)
• 博論授与番号: 乙第239号
• 本文の言語コード: jpn
• 件名標目: B1 insensitivity; Fat suppression; B1 inhomogeneity; Frequency-selective RF pulse train; Magnetic resonance imaging; 高周波磁場への非依存性; 脂肪抑制; 高周波磁場の不均一; 周波数選択RF パルス系列; 磁気共鳴イメージング
• 対象利用者: 一般
• 一般注記: type:text; Lipid signals often appear bright in T1-weighted and T2-weighted fast spin-echo (FSE) images. Their signal can interfere with the diagnosis of certain diseases by MRI. Clinically, it is desirable to suppress the lipid signals for these applications. A chemical shift selective (CHESS) radiofrequency (RF) pulse is commonly used for fat saturation (FATSAT). To suppress the signal from lipids, the CHESS pulse nutates the lipid magnetization to the transverse plane, while leaving the water magnetization unperturbed along the longitudinal axis. A spoiler gradient pulse is subsequently applied to dephase the excited lipid signal. The performance of the CHESS pulse depends on uniformities of both an excitation RF field (B1) and a static magnetic field (B0).It is difficult to achieve uniform fat suppression with 1.5-T or higher-field MRI scanners, where B1 inhomogeneity increases. An adiabatic inversion pulse, which is insensitive to B1 inhomogeneity, is often used for fat suppression. Because an adiabatic inversion pulse is a 180° pulse, a time-consuming inversion recovery time (TI) (e.g. 170 ms at 1.5 T) is required. For other B1-insensitive pulses, an adiabatic B1-independent rotation pulse has been reported and produced an adiabatic 90° excitation, but an adiabatic B1-independent rotation pulse is not spectrally selective and is also very sensitive to off-resonance effects. Water suppression enhanced through T1 effect (WET) techniques have also been reported for the B1-insensitive water and lipid suppression pulses of 1H spectroscopic imaging. WET techniques have used a series of four CHESS pulses with different flip angles (FAs) to achieve B1 and T1 insensitivity, but the total pulse duration of 120 ms was large. The WET technique was designed to achieve a B1 insensitivity of ± 20% for the whole brain. Although a B1 insensitivity of ± 20% is appropriate for the whole brain, a B1 insensitivity of ± 30% is needed for robust fat suppression during imaging of the body, especially of the breasts. Therefore, we have expanded the above techniques and have developed a new fast, spectrally selective fat suppression RF pulse called the fat saturation (fatsat) train, which achieves FAs near 90°, does not require the 170-ms TI and is insensitive to B1 inhomogeneity for body imaging. The fatsat train consists of three sinc-shaped RF pulses with different FAs and with different time intervals between each RF pulse. The fatsat train has provided B1 insensitivity over a range of ± 35%. The total duration (77ms) of the fatsat train is shorter than that of similar techniques. The fatsat train can also produce arbitrary FAs. We have demonstrated excellent fat suppression with the fatsat train in NiCl2 phantom studies and volunteer studies of liver and breast in which B1 inhomogeneity increases.核磁気共鳴画像法（Magnetic Resonance Imaging：MRI）は，核磁気共鳴現象（Nuclear Magnetic Resonance：NMR）を利用して，生体内の情報を画像化する方法である．MRI は，通常，生体内にある1H プロトンからの信号を収集する．生体内のプロトンは，主に2つあり，一つは水で，もう一つは脂肪である．この脂肪からの信号は，MRI で一般的に用いられるT1 強調撮影やT2 強調撮影で高信号を呈する．これらの信号は，ある病変，例えば，骨髄腫や椎体への転移腫瘍，造影検査で濃染された病変等の診断を妨げる．そのため，これらの撮影では脂質からの信号を抑制する必要がある．脂肪からの信号を抑制するためには，主に，CHESS 法（Chemical shift selective suppression）が用いられる．脂肪抑制において，CHESS 法は混在する脂肪と水の信号のうち脂肪の共鳴周波数のみを選択的に励起して，予め脂肪信号を打ち消す目的で用いられる．そのため，周波数選択性の高い高周波磁場パルス（Radiofrequency pulse： RF パルス）が用いられる．しかしながら，MRI の静磁場強度が1.5 T 以上の高磁場機になると，高周波磁場の波長が被検体の大きさに近くなり，被検体内で位置に依存した高周波磁場の強度の差が無視できなくなる．これは，高周波磁場の不均一（B1 inhomogeneity）と呼ばれる．磁化の励起は，高周波磁場の強度に依存するため，結果として，脂肪抑制が不均一となる．特に，腹部や乳房領域では顕著であり，3 T のMRI 装置では高周波磁場の不均一は±30％あるといわれている．これに対して，先行技術では断熱型のRF パルスを利用した脂肪抑制法が提案されている．断熱型のRF パルスは高周波磁場の不均一が存在しても均一に励起できる特殊なRFパルスである．断熱型のRF パルスを用いた脂肪抑制では，RF パルスで脂肪の磁化を反転させ，縦緩和作用により元の状態に戻る過程で磁化の縦成分が0 となる状態まで待つ必要がある．これは反転回復時間（Inversion Time：TI）と呼ばれ，撮影時間の延長をもたらす．また，断熱型のRF パルスは，人体へのRF の比吸収率（Specific Absorption Rate：SAR）が顕著に高いという問題がある．また，高周波磁場の不均一に耐性のある従来技術として，構成パルス法（Composite RF pulses）がある．構成パルス法は，高周波磁場の不均一に耐性をもたせるために，複数のRF パルスで構成する励起手法である．SAR が高くなく，周波数特性も良いという特徴がある．しかしながら，構成パルス法は，MR スペクトロスコピーでの水抑制パルスとして応用が進んだため，構成するRF パルスの数は4つが最適とされ，構成パルス自体の正味の時間が非常に長いという問題があった．また，MR スペクトロスコピーが対象のため，高周波磁場の不均一への耐性が小さく（±10％），体幹部で想定される高周波磁場の不均一を補償できていなかった．そこで，本研究では，構成パルス法を基本として，体幹部へも適用できるように高周波磁場の不均一に頑強でSAR が低い高速な脂肪抑制RF パルスの開発とその実用化を目的とした．そして実用化するうえで対峙すべき技術課題を明らかにし，その課題の解決として新しい脂肪抑制RF パルス系列を提案する．検証実験として，理論シミュレーションおよびファントム実験を行い，±35％の高周波磁場の不均一が存在しても，脂肪からの信号を5％未満に低減できることを示した．これは，腹部や乳房撮影において，均一な脂肪抑制を実現するために必要十分なスペックである．また，先行技術である断熱型のRF パルスに対してSAR を約1/500 に低減した．TI 時間を必要としないため撮影効率も高い．本研究では，異なる励起角度を有する3 つのsinc 形状のRF パルスで構成し，パルス間の時間を調整することで，体幹部で想定される高周波磁場の不均一が存在してもその影響を無視できるような励起角度の組合せがあることを見つけた．その組合せを検討するため，Bloch 方程式を用いて数値解析し，高周波磁場の不均一によって，3 つのRF パルスの励起角度αi（i = 1-3）が変動しても脂肪の縦磁化が初期磁化に対し5％以下になるαi の組合せを探索した．結果として，適切な励起角度の組合せは，静磁場に依存せず，α1 = 117°, α2 = 77°, α3 = 180°であった．このとき，±35％の割合で高周波磁場の強度が変動しても脂肪の縦磁化が初期磁化に対して5％以下に維持された．正味の励起角度は，95°（τ2 = 47 ms）が適切であった．これは，脂肪が複数の化学シフトを有する，つまり，多くの周波数成分で構成されていることを考慮した結果である．具体的には，一般的な脂肪抑制RF パルスで抑制対象としている脂肪（Aliphatic fat: 水の共鳴周波数に対し3.5 ppm 低い周波数を有する成分）以外に，水の共鳴周波数に近接する周波数を有する脂肪（Olefinic fat）からの信号も抑制することを考慮した結果である．本研究では，Olefinic fat の成分が脂肪抑制に及ぼす影響を確認にし，Olefinic fat の存在割合（部位によらず，ほぼ10％）だけAliphatic fat の縦磁化を反転させ，反転されたAliphatic fat の縦磁化と，励起されていないOlefinic fat の縦磁化とを1つの画素内でキャンセルする方法を見出し，脂肪組織からの信号をほぼ全て消失させることを実現した．本研究で開発した脂肪抑制RF パルス系列のトータル時間は77ms であり，先行技術で必要とされるTI時間（1.5 T で約170 ms，3.0 T で約250 ms）と比べ，半分以下に低減された．被験者評価において，本研究の手法を用いることで脂肪組織からの信号がほぼすべて消失され，完全なｓ脂肪抑制画像が得られることを示した．以上の結果から，本研究では効果的な脂肪抑制RF パルスを新しく開発し，MRI における脂肪抑制の画質改善に貢献した．脂肪組織に複数の周波数成分が存在するがゆえに生じる課題を確認して，そのうち2つの成分を考慮して脂肪組織からの信号を消失させる方法を見出したことは脂肪抑制技術の進展に大きく貢献したと言える．本研究で新しく開発したRF パルス系列は脂肪抑制以外の類似な機能（例えば，脂肪以外の核種の抑制，Chemical Exchange Shift Transfer Imaging のためのプリパルスなど）へも応用が可能であり，将来的な発展性もある．; Abstract ............................................................................................................................. i論文要旨 ........................................................................................................................... iii目次 ................................................................................................................................. vii図目次 ................................................................................................................................. x表目次 .............................................................................................................................. xiv第1章 序論 ..................................................................................................................... 11.1 本研究の背景 .............................................................................................................. 11.1.1 磁気共鳴イメージング ....................................................................................... 51.1.2 MRI における各種脂肪抑制法 ........................................................................... 221.1.3 周波数選択RF パルスを用いた脂肪抑制法の原理 ........................................... 311.1.4 周波数選択RF パルスにおける課題1：高周波磁場の不均一 .......................... 421.1.5 周波数選択RF パルスにおける課題2：複数の周波数成分の存在 .................. 491.2 本研究の目的と意義 ................................................................................................. 511.3 本論文の構成 ............................................................................................................ 52第2章 新しい脂肪抑制RF パルス系列の提案 ................................................................ 542.1 はじめに ................................................................................................................... 542.2 新しい脂肪抑制RF パルスの着想 ........................................................................... 542.3 新しい脂肪抑制RF パルス系列の原理 .................................................................... 572.3.1 理論 .................................................................................................................... 572.3.2 設計方法 ............................................................................................................ 622.3.3 設計結果 ............................................................................................................ 712.4 実機での評価方法 .................................................................................................... 842.4.1 ファントムでの評価 .......................................................................................... 842.4.2 被験者撮影での評価 .......................................................................................... 882.5 実機での評価結果 .................................................................................................... 892.5.1 ファントムでの評価結果 ................................................................................... 892.5.2 被験者撮影での評価結果 ................................................................................... 922.6 本章の考察 ............................................................................................................... 932.7 おわりに ................................................................................................................... 95第3章 新しい脂肪抑制RF パルス系列の一般化に関する検討 ....................................... 963.1 はじめに ................................................................................................................... 963.2 方法 .......................................................................................................................... 973.2.1 縦緩和時間とRF パルスの印加時間への依存性 .............................................. 973.2.2 各種RF パルスにおける高周波磁場の強度への非依存性 ................................ 983.3 結果 .......................................................................................................................... 993.3.1 縦緩和時間とRF パルスの印加時間への依存性 .............................................. 993.3.2 各種RF パルスにおける高周波磁場の強度への非依存性 .............................. 1073.4 本章の考察 .............................................................................................................. 1123.5 おわりに .................................................................................................................. 113第4章 2 つの周波数成分を考慮した脂肪抑制RF パルス法の提案 ............................... 1144.1 はじめに .................................................................................................................. 1144.2 2 つの周波数成分を考慮した脂肪抑制法の原理 ..................................................... 1154.3 方法 ........................................................................................................................ 1204.3.1 脂肪組織内に存在する2 つの成分の調査 ....................................................... 1204.3.2 脂肪組織内に存在する主要な2 つの成分の抑制 ............................................ 1224.4 結果 ........................................................................................................................ 1234.4.1 脂肪組織内に存在する2 つの成分の調査 ....................................................... 1234.4.2 脂肪組織内に存在する主要な2 つの成分の抑制 ............................................ 1254.5 本章の考察 ............................................................................................................. 1304.6 おわりに ................................................................................................................. 132第5章 本研究全体の考察 ............................................................................................. 133第6章 結論 .................................................................................................................. 1376.1 本研究のまとめ ...................................................................................................... 1376.2 今後の課題と展望 .................................................................................................. 140謝辞 ................................................................................................................................ 141付録A 励起角度の組合せによる縦磁化 ........................................................................ 142本論文に関連する発表論文と公開特許 ........................................................................... 147本論文に関連する以外の発表論文と公開特許 ................................................................. 151参考文献 ......................................................................................................................... 161; 主指導教員 : 程康
• DOI: 10.24561/00010444; https://doi.org/10.24561/00010444
• 国立国会図書館永続的識別子: info:ndljp/pid/10959033; https://dl.ndl.go.jp/pid/10959033
• コレクション（共通）: 障害者向け資料
• コレクション（障害者向け資料：レベル1）: テキストデータ
• コレクション（個別）: 国立国会図書館デジタルコレクション > デジタル化資料 > 博士論文; https://dl.ndl.go.jp/collections/A00014
• 収集根拠: 博士論文（自動収集）
• 受理日（W3CDTF）: 2017-10-02T17:34:20+09:00
• 作成日（W3CDTF）: 2017-07-19
• 記録形式（IMT）: application/pdf
• オンライン閲覧公開範囲: 国立国会図書館内限定公開
• デジタル化資料送信: 図書館・個人送信対象外
• 遠隔複写可否（NDL）: 可
• 掲載誌（URI）: https://doi.org/10.24561/00010444; http://id.nii.ac.jp/1586/00010444/
• 連携機関・データベース: 国立国会図書館 : 国立国会図書館デジタルコレクション; https://dl.ndl.go.jp

目次

2023-09-04 再収集