JP2005205206A - 脂肪水分離磁気共鳴イメージング方法、及び定常自由歳差運動を用いたシステム - Google Patents

脂肪水分離磁気共鳴イメージング方法、及び定常自由歳差運動を用いたシステム Download PDF

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Abstract


【課題】中低磁場MRIでSSFPシーケンスを用いた水脂肪分離画像の撮像に於いて、静磁場不均一による周波数アーチファクトを消去した分離画像を実現する方法を提供する。
【解決手段】定常自由歳差運動(SSFP)の釣り合いがとれた状態の水−脂肪が選別された磁気共鳴(MR)画像が作り出される。取得されたSSFP信号は、多重エコー成分に分離される。この多重エコー成分の中では、水信号及び脂肪信号との間の位相配置が、SSFPイメージングシーケンスのTR及びTEの値を適切に選択すすることで制御される。この分離されたエコー成分から、場の不均一性の影響は修正され、水画像及び脂肪画像は選別される。
【選択図】 図3

Description

発明の詳細な説明
十分にリフォーカスされた定常自由歳差運動(SSFP:Steady State Free−precession)を用いた磁気共鳴イメージング(MRI)によれば、効率のよい信号−雑音比(SNR)パフォーマンス、及び良好なイメージコントラストを提供することができる。しかしながら、SSFPのパフォーマンスは、SSFPシーケンスの周期的空間リスポンスによって妨げられてしまい、このことは静磁場(B)不均一性及び繰り返し時間(TR)に依存した周波数アーチファクトを生じさせる。加えて、脂肪からの強信号は、多くのアプリケーションにおいて、SSFP画像の診断有用性を制限してしまう。
静磁場非均一性が存在するときのSSFPイメージングを用いた水と脂肪との選別の為のロバストな手法は、長い間要求されている。付加的なスキャンを全く必要としない手法は、スキャン時間を最小化し、且つ内部スキャンバリエーションによって発生する問題を回避する点で好ましい。また、低磁場及び中磁場MRIシステムにおいて適用可能なSSFPイメージング手法を実現することは、望ましいことである。
発明の簡潔な説明
ロバストなSSFPイメージング技術は、B場不均一性がある場合において水と脂肪とを選別するために開発された。この技術は、位相が周期化された(phase-cycled)SSFPと組み合わせることで、周波数アーチファクトの消去(又は少なくとも減衰)と同様な水−脂肪選別を実現する。この技術は、低程度、中程度、強程度の場の強度を持つ磁場に対して適用可能である。
第1の実施形態における発明は、エコー分離の後、水と脂肪の信号が一方のデータセットにおいては直交し、他方のデータセットでは非平行になるように選択された繰り返し時間(TR)とエコー時間(TE)とを用いた、位相が周期化されたSSFPイメージング方法である。位相修正マップは、非平行なデータセットから生成される。位相修正マップは、直交するデータセット中のB場不均一性の修正のために適用され、良好な水−脂肪分離性を持つ画像を生じさせる。
第2の実施形態においては、発明はエコー分離の後、水信号と脂肪信号が全てのデータにおいては直交するように、一般に適用されるTR=2TEなる選択を用いた、位相が周期化されたSSFPイメージング方法である。結合する信号は、選別されたエコー信号の二つから構築され、位相修正マップを生成するために使用される。位相修正マップは、B場不均一性の修正のために適用され、最終的に水−脂肪分離を生じさせる。
第3の実施形態における発明は、支配的なシーケンスSSFPスキャンの結合において用いられる“アシストスキャン”を持つ、位相が周期化されたSSFPイメージング方法である。アシストスキャンは、低い空間分解能に対して設定され、そのスキャン時間を減少させるための予備的なスキャンである。当該アシストスキャンのTE、TRは、水信号及び脂肪信号がエコー分離後の少なくとも一つのデータセットにおいて非平行となるように選択される。非平行データは、位相修正マップを生成するために使用される。この位相修正マップは、支配的なSSFPスキャンにおけるB不均一性を修正に用いられ、良好な水−脂肪選別性を持つ画像を生じさせる。
第4の実施形態における発明は、エコー分離の後、水信号及び脂肪信号が全てのデータにおいて著しく直交するように、一般に適用されるTR=2TEなる選択を用いた、位相が周期化されたSSFPイメージング方法である。スキャナから既に利用可能なフィールドマップは、B場不均一性の修正に用いられ水−脂肪選別を生じさせる。
図1は、MRIシステムの概略図である。 図2は、例示的なSSFPのシーケンスである。 図3は、SSFPデータを取得するためのステップのフローチャートであり、このSSFPデータからは、位相修正マップが生成され、水−脂肪が選別されたSSFP画像を生じさせるために使用される。 図4は、本説明にて記述された技術を用いて収集され処理された画像の各一系列である。 図5は、本説明にて記述された技術を用いて収集され処理された画像の各一系列である。
[発明の詳細な説明]
磁気共鳴イメージング(MRI)は、よく知られる磁気共鳴現象の様な核磁気共鳴(NMR)に影響されやすい原子核の実質的集合体を有する被検体(例えば、人体)についての内部構造を表すデジタル化された可視的画像を取得するために、広く受け入れられ商業的にも有効な非侵襲性技術である。MRIにおいては、原子核に強い主磁場(B)を印加することで、映像対象となる患者の体内の原子核を偏極させる。
原子核は、固有のNMR(ラーモア Larmor)周波数における高周波(RF)信号によって励起される。身体を取り巻く局在化された磁場を空間的に分配し、原子核より結果として得られたRF応答を解析することにより、空間的配置の関数の様なこれらの原子核の応答についてのマップや画像が生成され表示される。原子核の応答についての画像により、被検体内部の臓器やその他の組織に関する非侵襲な観察図が提供される。
図1に示すように、MRIシステムは、静磁場(B)を印加するためのラージマグネット10、三次元直交座標に沿って空間的に分配される傾斜磁場(G、G、G)を印加するためのグラジエントコイル14、映像対象である身体の選択された原子核に対してRF信号を送信し且つ当該原子核からRF信号を受信するためのRFコイル15及び16を一般的に有している。三次元において、マグネットとコイルと間の“イメージングボリューム”11内、すなわち、MRIシステムにおいて視野(FOV)として定義されるイメージングボリューム11内に向かって当該患者の画像化されるべき部分が移動するように、患者13は移動可能な患者テーブル12に横たわる。
図2は、十分にリフォーカスされた定常自由歳差運動(SSFP)に関する三次元(3D)磁気共鳴イメージングシーケンスを概念的に示している。高周波(RF)励起パルス30は、スキャン対象である身体に対して供給される。RFパルス30は、所定の繰り返し時間(TR)で周期的に供給される。RFエコー信号(S)は、データ収集(ADC)期間32の間受信される。受信されたエコー信号は、RFパルス30の中心によって開始するエコー時間(TE)の経過後に発生する。傾斜磁場はx、y、z方向に供給され、その結果画像化しようとする身体のスライス(Gslice)のセットを選択しエンコードし、選択された身体スライスの励起された原子核(Gphase)を空間的に位相エンコードする。読み出された磁場傾斜(Gread)は、受信されたエコー信号を周波数エンコードするためにADC期間の間供給される。
MRIデータを取得するため、MRIシステムは、磁場傾斜及びMRIパルスシーケンスコントローラ17、18を経由したRF歳差パルスを生成する。MRIパルスシーケンスコントローラ17、18は、プログラム可能なプロセッサ19、例えばワークステーションコンピューターの制御のもとで作動する。加えて、プロセッサ19は、傾斜パルスアンプ20、RF源21、増幅回路22を制御する。MR信号回路(RF検出器)25は、遮断されたMRIシステムガントリ内に局所的に配置されたMR信号RFコイル15、16と相応にインターフェースで接続されている。受信されたMR(RF)高周波エコー信号の応答は、ディジタイザ23によってデジタル化され、プロセッサ19に送り出される。プロセッサ19は、イメージ処理に対するアレイプロセッサ等又は相応なコンピュータプログラム格納メディア(図示せず)を含むようにしてもよい。このプロセッサ19ではプログラムが格納されており、当該プログラムは、MR信号データの収集及び処理を制御するように、且つ制御端末24のCRT上に画像ディスプレイを生成するように、選択的に使用される。MRIシステム制御端末24は、オペレータ制御を実行するための相応なキーボードスイッチ等を有する構成であってもよい。画像は、印刷装置によって、フィルム又は他の相応なメディア上に直接的に記録することも可能である。
定常自由歳差運動(SSFP)は、温度平衡状態に完全に回帰しない歳差運動水素原子からMRI信号を発生させるのに用いられる慣用技術である。SSFPシーケンスは、RF励起パルス及び傾斜磁場パルスの系列を用いる。この系列は、画像化すべき対象内において水素原子のスピンラティス(T1)及びスピン−スピン(T2)緩和時間よりも著しく短い繰り返し時間(TR)において適用される。磁場傾斜パルスは、エコー信号を強調するための所定の手法において、磁場傾斜パルスを反転させるのに用いられる。各TR期間においては、磁場傾斜パルスは、十分に均衡が取られており、言い換えれば、全ての傾斜パルスの合計エリアが、各TR期間に対してゼロとなる。
例えば図2に示したような、十分にリフォーカスされたSSFPシーケンスにおいて取得されたMR信号は、異なるエコー形態経路に関して多重エコーサブ信号を有する。取得されたMR信号Sは、次のように集団的に表現することができる。
Figure 2005205206
ここで、Sは、n番目のエコーサブ信号を示している。S、S−1、Sは、三つの最も重要なエコー成分である。エコーサブ信号は、RF位相周期化及び周波数シフト化によって分離することができる。水と脂肪との二つの成分システムについて、支配的な信号であるS、S−1、Sは、次の様に記述することができる。
Figure 2005205206
ここで、W及びFは、それぞれSにおける水及び脂肪の振幅である。W−1及びF−1は、それぞれS−1における水及び脂肪の振幅である。W及びFは、それぞれS−1における水及び脂肪の振幅である。ΔBはBの不均一性を示している。TR及びTEは、図2に示したように、それぞれSSFPシーケンスの繰り返し時間とエコー時間である。Δfは、水と脂肪との間の共鳴周波数の差である。
式(2−10)に示す様に、S、S−1、及びSは、化学シフト及びTR及びTEの値に依存するB場不均一性によって、異なって変調される。この変調差は、水及び脂肪データの分離を支援するように取り入れるようにすればよい。
位相が周期化された又は周波数シフトされたSSFPシーケンスは、アーチファクトのない画像(artifact-free image)を生じさせるためにサブ信号(S、S−1、S等)に分離可能な信号を取得するために使用される。位相が周期化された又は周波数シフトされたSSFP、及び信号の分離は、従来技術において慣用であり周知である。分離されたサブ信号は、B0場不均一性が存在する場合においてバンディングアーチファクト(banding-artifact)がなく、良好な水−脂肪分離性を与える水−脂肪分離を達成するのに適用される。
図4は、水画像と脂肪画像とを選別するために実現される処理ステップのフローチャートである。簡潔に言えば、少なくとも4つの態様において、水−脂肪選別の目的のためにSSFP信号を取得することができる。
第1−シングルSSFPスキャン:ステップ100において、水信号及び脂肪信号がSにおいて直交し且つS−1において非平行、或いはその逆となるように、SSFPスキャンシーケンスのTR及びTEを選択する。身体からのエコー信号を取得するために選択されたTR及びTEを用いて、SSFPスキャンが実行される。エコー信号は、ステップ104において、直交するSと非平行なS−1のデータセットに選別される。磁場マップはステップ106において非平行データから生成される。フィールドマップは、ステップ108において、直交するデータセットに対する位相修正因子として適用される。水画像及び脂肪画像は、ステップ110においてB0場不均一性を補うための位相修正を適用後、直交データから構築することができる。
第2−シングルSSFPスキャン:ステップ100において、TRが2TEとなるように、SSFPスキャンシーケンスのTR及びTEを選択し、全ての分離された信号において水信号と脂肪信号とが直交するようにする。ステップ102において、イメージングシーケンスを適用してMRデータを取得する。ステップ104において、取得されたSSFP MRデータを分離してS−1、S、Sを有する。ステップ106において、Sの連結された信号からフィールドマップを生成する。フィールドマップをステップ108において位相修正のために適用した後、ステップ110においてS及びS−1から構築された水画像及び脂肪画像を生成する。
第3−アシスト及びマスターSSFPスキャン:ステップ100において、マスターSSFPスキャンシーケンスのためのTR及びTE、すなわちTR及びTEを選択し、全ての分離された信号において水信号と脂肪信号とが著しく直交するようにする。ステップ100において、低空間分解能の”アシストスキャン”シーケンスのためのTR及びTE、すなわちTRa及びTEaを選択し、少なくとも一つの選別された信号において水信号と脂肪信号と非平行となるようにする。ステップ102のシングルセッションにおいて“マスター”スキャン及び“アシスト”スキャンの双方を適用する。ステップ106において、“アシスト”スキャンの非平行データから、フィールドマップを生成する。ステップ108において“アシスト”スキャンからのフィールドマップは位相修正のためにマスタースキャンデータに対して適用され、当該マスタースキャンデータから水画像及び脂肪画像が構築される。
第4−フィールドマップとして知られたシングルSSFPスキャン:ステップ100において、SSFPスキャンシーケンスのためのTR及びTEを選択し、全ての選別された信号において水信号と脂肪信号とが著しく直交するようにする。ステップ102において、MRデータを収集するためのイメージングシーケンスをMRデータに適用する。ステップ104において、取得されたSSFP MRデータを分離してS及びS−1を有する。ステップ106において、スキャナから有効な磁場フィールドマップを取得する。ステップ108においてフィールドマップを位相修正されたS及びS−1に適用し、ステップ110において水−脂肪が分離された状態の画像が生成される。
第1の実施形態においては、TR及びTEは、水信号及び脂肪信号がSにおいて直交するように、及びS−1において非平行になるように選択される。これは、例えばTR及びTEを次の式に従うように選択することで実現可能である。
Figure 2005205206
0.35テスラにおいては、この様な一つの選択はTR=15ミリ秒(ms)、及びTE=5 ms(j=0)に対応する。エコー選別の後に取得されたSSFP信号は、次の様に記述することができる。
Figure 2005205206
フィールド修正マップは、S−1から次の関係式に従って推定することができる。
Figure 2005205206
ここで、unwrap{}は、例えばUPパテント5,909,119(この内容は、参考として本願内容に組み込むものとする)に記載されている位相アンラッピングのための数学的なプロセスを表したものであり、またarg()は、複素入力の原始的な位相値を戻すものである。
位相修正マップによるS画像の修正は、次の結果を生じさせる。
Figure 2005205206
また、水−脂肪画像は、最終的に次の式からS corrから直接的に構築され得る。
Figure 2005205206
ここで、real{}及びimag{}は、それぞれ複素入力の実数部分及び虚数部分を戻すための数学的なルーチンを示したものである。
第2の実施形態においては、TR及びTEは一般に用いられるTR=2TE条件に従って選択され、水信号と脂肪信号とが全ての選別されたエコー信号において直交するようにする。これは、TR=10ms、TE=5msに対応するある選択をした場合の0.35Tにおいて、TR=2TE=(2j+1)/(2Δf)、ただしj=0,1,2,・・・と選択することで達成される。選別の後、エコー信号は、次の様に記述することができる。
Figure 2005205206
連結された信号は、次の関係を用いて構築される。
Figure 2005205206
|W+F|>>|F−WF|であることは主に真であるから、Sは次のように近似することができる。
Figure 2005205206
上記式は、連結する信号の位相は不均一性角度(φ)によって支配されていることを意味するものである。フィールド修正マップは、次の式に従って生成することができる。
Figure 2005205206
及びS−1の画像は、フィールド修正マップ(4φ)を用いて位相修正されており、次の様に示された水と脂肪との画像(それぞれI、Iとする)を最終的に生じさせるために使用される。
Figure 2005205206
第3の実施形態においては、位相が周期化されたSSFPマスタースキャンが低空間分解能の“アシスト”スキャンを用いて実現される。アシストスキャンの間は、TR及びTEの値、すなわちTR、TEは、水及び脂肪の信号がSにおいて直交であり且つS−1において非平行であるように選択される。TR及びTEの値、すなわちTR、TEは、マスタースキャンの間、水及び脂肪の信号がS及びS−1の双方において著しく直交であるように選択される。従って、次の式を得る。
Figure 2005205206
低空間分解能場修正マップは、S−1 から次の式に従って生成される。
Figure 2005205206
修正マップは、マスタースキャンから選別されたエコー画像の修正に適用され、次のものを生じさせる。
Figure 2005205206
水及び脂肪の画像は、次の式に従って構築することができる。
Figure 2005205206
第4の実施形態においては、スキャナのフィールドマップが有効である場合において、位相が周期化されたSSFPイメージングシーケンスに対して、エコー選別後全てのサブ信号において水信号と脂肪信号とが著しく直交するように、TR及びTEが選択される。選別されたエコー信号は、フィールドマップ(ΔB)によって位相修正され、これは、場をシミングした以前のセッションから、若しくは磁場分配を計測する他の手法のいずれからであっても有効である。水及び脂肪の画像は、位相が修正されたサブ信号から次のものに従って構築される。
Figure 2005205206
図4は、本発明の第1の実施形態に従って生成された水と脂肪とを分離するSSFP画像を示す、コンピュータによって生成された画像である。位相が周期化されたSSFPイメージングシーケンスは、5msのTE及び15msのTRを有している。RFパルスの位相は、0,60,120,180,240,300度によってそれぞれ増分(インクレメント)されている。左側の画像40は、Sの分離されたSSFP画像である。中央の画像42は、選別された水のデータを示している。右側のイメージ44は、分離された脂肪データを示している。これらのイメージは、束ね(banding)及び水−脂肪分離の高品質の欠乏が達成されていることを示している。
図5は、第2の実施形態に従って生成された水52と脂肪54とが分離された、SとS−1との組み合わされた画像50を示している。位相が周期化されたSSFPイメージングシーケンスは、5msのTEと10msのTRとを有する。RFパルスの位相は、0,60,120,180,240,300度によってそれぞれ増分(インクレメント)されている。当該発明は、最も実用的で好ましくあるべき実施形態を現段階において考慮したものに関連づけて既述したものである一方、当該発明は、既述された実施形態に限定されるべきでないことは、理解されるべきである。言い換えれば、このことは、記載されたクレームの精神及び範疇に含まれる種々の改良及び等価なアレンジを網羅することを意図するものである。

Claims (10)

  1. MRI装置を用いて、定常自由歳差運動(SSFP)に保たれている被検体の水及び脂肪磁気共鳴(MR)画像を選別し認識する方法であって、
    (a)分離の後のエコー成分における所望する水−脂肪位相配置に従って、位相が周期化されたSSFPシーケンスのための、繰り返し時間(TR)及びエコー時間(TE)を選択し、
    (b)選択されたTR及びTEにSSFPシーケンスを適用し、画像化対象である前記被検体からMRデータを取得し、
    (c)取得した前記SSFPデータを、水及び脂肪信号がその中で所望の位相配置を有する多重エコー信号に分離し、
    (d)分離された前記エコーデータから或いはスキャナから有用であるフィールド修正マップを生成し、
    (e)前記フィールド修正マップを適用して、水信号及び脂肪信号が直交し又は著しく直交する様な分離されたエコーデータ画像を修正し、
    (f)位相修正されたエコー画像から水及び脂肪画像を生成すること、
    を具備する。
  2. TR及びTEは、エコー分離の後、水信号及び脂肪信号がSにおいて直交し、S−1において非平行となるように選択される請求項1に係る方法。
  3. (g)前記選択されたTR及びTEを用いて前記SSFPシーケンスを適用して画像化対象である前記被検体からMRデータを取得し、
    (h)水及び脂肪信号がSにおいて直交しS−1において非平行であるS及びS−1を有するために前記SSFPデータを分離し、
    (i)次の式に従ってS−1からフィールド修正マップを生成し、
    Figure 2005205206
    (j)前記フィールドマップを適用して次のものを有するために修正し、
    Figure 2005205206
    (k)次の式に従って前記S corrから水及び脂肪画像を生成すること、
    Figure 2005205206
    をさらに具備する請求項2に係る方法。
  4. 分離の後、水信号及び脂肪信号が全てのエコー成分において直交するように、TR及びTEはTR=2TEとして選択される請求項1に係る方法。
  5. (g)前記選択されたTR及びTEを用いて前記SSFPシーケンスを適用し画像化対象である前記被検体からMRデータを取得し、
    (h)その中で水信号及び脂肪信号が直交するようなS−1、S、Sを有するために前記SSFPデータを分離し、
    (i)S・Sの連結するデータを構築し、
    (j)次の式に従って前記連結するデータからフィールド修正マップを生成し、
    Figure 2005205206
    (k)前記フィールド修正マップを適用してS−1及びSを修正した結果次のものを有し
    Figure 2005205206
    (l)次の少なくとも一つに従って、前記S corr及び/又は前記S−1 corrから水及び脂肪画像を生成すること、
    Figure 2005205206
    をさらに具備する請求項4に係る方法。
  6. 位相が周期化されたマスターSSFPシーケンスは、低空間分解能のアシストSSFPイメージングシーケンスと共に実行される請求項1に係る方法
  7. マスターSSFPシーケンスのTR及びTEは、以下それぞれTR及びTEと示すが、TRは2TEと等しくなるように、且つその結果水信号及び脂肪信号が全てのエコー成分において著しく直交するように選択され、
    アシストSSFPシーケンスの前記TR及びTEは、以下それぞれTR及びTEと示すが、水及び脂肪信号がエコー分離後S−1において非平行となるように選択される請求項6に係る方法。
  8. (g)前記マスターSSFPシーケンス及びアシストSSFPシーケンスを前記選択されたTR及びTEを用いて適用し画像化対象である前記被検体からMRデータを取得し、
    (h)マスタースキャンデータからS 及びS−1 を、及びアシストスキャンデータからS−1 を有するために前記SSFPデータを分離し、
    (i)次の式に従ってS−1 からフィールド修正マップを生成し、
    Figure 2005205206
    (j)フィールド修正マップを適用して次のものを有するために前記マスタースキャンデータのS 及びS−1 を修正し、
    Figure 2005205206
    (k)次の式の少なくとも一つに従って、S m,corr及びS−1 m,corrの少なくとも一方から水及び脂肪画像を生成すること、
    Figure 2005205206
    をさらに具備する請求項7に係る方法。
  9. TR及びTEはTR=2TEとなるように選択され、その結果水及び脂肪信号は、エコー分離の後全てのエコー成分において著しく直交するように選択される請求項1に係る方法。
  10. (g)前記SSFPシーケンスを前記選択されたTR及びTEを用いて適用し画像化対象である前記被検体からMRデータを取得し、
    (h)S及びS−1エコー成分を有するために前記SSFPデータを分離し、
    (i)前記スキャナから有用なBフィールドマップ、ΔBを取得し、
    (j)前記B場マップをS及びS−1に適用して次のものを有し、
    Figure 2005205206
    (k)次の式の少なくとも一つに従って、S m,corr及びS−1 m,corrの少なくとも一方から水及び脂肪画像を生成すること、
    Figure 2005205206
    をさらに具備する請求項9に係る方法。
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