JP2005518857A - 弾性撮影法を用いた物体の検査方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、弾性撮影法に関し、その診断特性は、機械的振動による例示に対応する偏位時間の変化が分析され非線形性の変形が測定される点で向上されている。かかる変形は、病巣の非線形的な弾性特性の結果であり、情報の明らかな診断項目を構築する。

Description

本発明は、弾性撮影法を用いた物体の検査方法に関するとともに、かかる方法を実行する配置及びかかる配置を制御するコンピュータープログラムに関する。
特許文献1(PHD99−152)に開示のMR弾性撮影法(MR=磁気共鳴)は、物体のMR画像における位相が物体に作用する機械的振動の影響下で変化するという事実を利用している。かかる変化の程度は、機械的振動の影響下の組織の偏位(excursion)に依存する。組織の一定の機械的パラメーターに関連する情報は、従って、MR位相画像に由来し、つまり、核磁気位相を再生成する画像であって;例えば、かかるパラメーターは弾性に関連する。超音波弾性撮影法において、上記の偏位を直接測定することは可能である。
例えば、乳癌などの悪性病巣は、健常な組織に比較して弾性の面で明らかに異なっている。しかしながら、同様の弾性特性を有する良性の病巣も存在している。変則的な弾性特性は、組織が悪性であることを十分には示さない。
米国特許出願番号第09/743659号明細書
本発明の目的は、異なるタイプの組織間で良好な区別を可能とする追加情報が送達される弾性撮影法を提供することである。
この目的は、本発明に従った物体の検査方法により達成され、それは:
a)機械的振動により物体を励起するステップ、
b)物体における上記の振動により発生する波長に指向された物体のボクセルの残りの状態に由来する偏位時間の変化を測定するステップ、
c)偏位時間における変化に由来する非線形的な変形を同定するステップ、及び
d)非線形的な変形を評価するステップ、
を有している。
本発明は、以下の考慮及び洞察に基づいている。弾性係数は、(組織がより硬くなるにつれ)増加するので、生体組織に加えられた圧力が変化する際、この組織の変形は、圧力と同程度に変化しない。圧力と変形との間のこの非線形的な関係は、悪性病巣において特に顕著となり、その理由は、この組織が機械的振動により励起された際、偏位時間における変化は、もはや機械的振動の時間変化に対応せず、(非線形的な)変形(distortion)を示す。従って、ボクセルの偏位の一時的な変化における非線形的な変形は、非線形性の結果である;なぜなら、測定は、組織の分類に最適であるためである。例えば経時的に正弦的に変化する機械的振動による励起の場合、かかる変形は、純粋に正弦的ではなく物体におけるボクセルの偏位を生じ、加えて、機械的振動のより高い調波(harmonics)、特に周波数の二倍の調波を生じる。
各ボクセルは、各ボクセルに関して測定された非線形的な変形(及び可能性のある弾性)を同定すべく個々に測定されてもよい。しかしながら、請求項2に開示したバージョンは、検討者により大きな領域の診断を形成することを簡便にしている。
請求項3は、本発明がMR弾性撮影法手段により実行されることを可能にしており、従って、非線形性に加えて弾性係数の位置依存的な同定を可能にしている。しかしながら、主として、この方法は、超音波により実行されてもよい。
請求項4は、請求項3の方法のバージョンを開示しており、基本周波数及び基本周波数の2倍の周波数におけるボクセルの偏位の同時測定を可能としている。しかしながら、代わりに、基本周波数及び基本周波数の2倍の周波数を有する成分から磁気勾配を構成することも可能である。
請求項5に開示のさらなるバージョンは、磁場の不均一性を位相における変形効果を加えることから阻止する。この場合、勾配磁場の2つの個々の正弦的振動は、同一の位相位置を有していなければならない。
請求項6に開示のバージョンは、(位置依存的な)非線形性及び組織の弾性が、組織の向上された分類を可能にするという事実を考慮している。しなしながら、請求項3に開示の方法は、この目的のための追加の測定を必要としない。
請求項7は、本発明に従った方法を実行するためのMR装置を規定しており、請求項8は、この種のMR装置を制御するためのコンピュータープログラムを開示している。
以下に、図面に対する参照文にて本発明を詳細に述べる。
サンプルにおける圧力Pとこの圧力に起因したサンプルの変形とは以下の関係を有している。
Figure 2005518857
ここで、Eは、組織の弾性である。変形に関してεは:
Figure 2005518857
である。ここで、Lは、非圧縮サンプルの範囲であり、Lは、圧縮サンプルの範囲である。既に述べたが、生体組織サンプルの場合、変形εは、圧力Pに比例しない。なぜなら、弾性は、変形が増加するにつれ増加するためである。この増加は、簡易に以下の式で近似されてもよい。
Figure 2005518857
ここで、Eは、初期弾性(つまり、圧縮しない際の弾性)であり、指数αは非線形性の測定値である。αが0の場合、Pとεとの間に線形的な関係が存在する。αが大きくなると、この関係にもある通り、より非線形的になる。
図1は、縦軸に弾性Eを、横軸に非線形性を特徴づける指数αをプロットしたグラフを示す。図1の各サンプルに関して、このサンプルに関する弾性E及び指数αを特徴づけるポイントを関連付けられてもよい。このグラフにおいて、複数の組織サンプルが、個々のシンボルにてマークされている。シンボル「+」は、乳癌由来の組織サンプルを示している。シンボル「○」は線維腺腫の形態の良性病巣を示しており、シンボル「□」は、脂肪組織を示しており、シンボル「△」は良性から悪性状態へと変化する可能性のある乳管の成長組織サンプルを示している。
乳癌の組織サンプルは、より高い弾性を有し(つまり、より硬いということである)、同時に、健康な組織と比較して圧力Pと変形εとの間により顕著な非線形的な関係を有する。従って、組織サンプルは、これらパラメーターに基づいて分類されてもよい。このグラフの直線にちょうど乗っている組織サンプルは、悪性病巣を示しており、一方、このグラフの左側に配置された組織サンプルは、良性病巣であることを示す。
図1のグラフは、組織サンプルが増加する圧力Pに曝露され、且つ変形εが測定される間の組織サンプルのin vitroでの検討に基づいている。この方式における患者の組織検討は、困難ではない。本発明は、弾性撮影法を利用しながら、同一のパラメーターが患者に関して非侵襲的に同定されるという事実の認識に基づいている。対象が正弦的な機械的振動により励起される際、弾性が一定であり変形に独立している場合、機械的組織におけるボクセルの偏位は、機械的振動につれ経時的に同様の変化を示す。しかしながら、ボクセルが圧力Pと変形εとの間で非線形的な関係を示す組織内に存在する場合、ボクセルの偏位は、非線形性の測定で発生する振動及び変形の経時的な変化をもはや正確にフォローし得ない。これら変形及び非線形性の測定を、MR弾性撮影法を含む例に基づいて以下に詳細に述べる。
図2は、この方法を実行するためのMR装置の概略的な断面図であって、この制御に必要なハードウェア及びソフトウェア成分も示している。このMR装置は、図2の平面に対して垂直及び平行に延びる主磁場Bを生成するための主要フィールドマグネット30を有している。この円筒形の主要フィールドマグネットの内部には、3つの共通の垂直方向に勾配を有する磁場を発生する機能を有する磁場コイルのセット31が配置されている。これら勾配コイルの内部には、RF磁場を発生するためのRFコイル32が配置されている。
勾配コイル31用の電流は、ジェネレーター構造33により供給され、RFコイル32用の電流は、RFジェネレーター34により供給される。ジェネレーター33及び34により発生される電流の経時的な変化は、コントロールユニット35により同定され制御される。乳房にて検査中に発生したMR信号は、レシーバー36にてさらに処理されるように、MRコイル(図示せず)により受信される。レシーバー36の出力信号は、受信したMR信号からMR画像を再構築する画像処理ユニット37に適用される;このMR画像は、モニター38上に表示される。
コイル31及び32により規定された検査領域において、患者テーブル2に配置している勾配コイル31上に配置された女性患者47が配置される。勾配コイル31の前面では、クッション41と同一の高さを有するマンモグラフィーアクセサリー1が配置されている。患者の乳房は、若干圧縮されつつ機械的振動が暴露されているマンモグラフィーアクセサリーの開口部にぶら下がっており、この振動は、経時的に正弦的に変化しつつ、(脚から頭部へと)水平方向に伝播する。マンモグラフィーアクセサリー1により発生される機械的振動の経時的な変化は、ジェネレーター33及び34により発生された電流が経時的に変化しつつ、コントロールユニット35により同期される。上記のMR装置は、独国特許出願第10156178.4号(PHDE010302)に詳細に述べられており、重複を避けるために参考文とする。
図3は、図2に示したMR装置によりMR弾性撮影法検査のためのMRデータの取得を経時的な実行を示している。初期化(100)が完了し患者40が図1と同様に配置されると、患者の乳房は、固定され、弾性的に変形可能であるように若干圧縮される。続いて、経時的に正弦的に変化する機械的振動は、マンモグラフィーアクセサリー1において発生され、この振動は、患者の乳房に作用し、MR取得全体に関して持続する(ブロック101)。
この振動が静止した後、ブロック102では、図4に示した経時的に変化する第1に生成した第1MRシーケンスが存在する。このシーケンスは、90°のRFパルスRFと続いて再集束した(refocusing)180°のRFパルスRF(図4の4番目のライン)とを有している。二つのRFパルスRFとRFとの間に、単一で一時的で正弦的に変化する勾配磁場の振動Gが発生する(図4の三番目のライン);この振動の持続時間は、機械的振動の持続時間のちょうど半分(例えば、50Hzの機械的振動の周波数の場合、10ms)に等しい。第2RFパルスの後、勾配磁場Gの第2の振動Gが発生される:この第2振動は、振動Gとちょうど同じ経時的変化を有しており、その開始は、第1振動の終端に相対して、機械的振動の1/4の時間(5ms)だけシフトされている。
2つのRFパルスRF及びRFの間、主勾配磁場は、x方向に適用され、この勾配磁場は、RFパルスが、患者の長手方向に対して垂直に延びるスライスにおいて排他的に活性化することを可能としている;勾配及び読取勾配(read gradient)をコード化する位相と同様に、この勾配磁場は、図4に示していない。
図4の第1のラインは、機械的振動の経時的な変化の一部を示しており、第2のラインは、2倍の周波数におけるこれら振動のより高い調波を示している。かかるより高い調波は、機械的振動により励起された波が乳房に伝播し且つかかる領域に到達する際、変形と弾性との間で非線形的な関係が存在する領域において連続的に発生してもよい。さらに、これら2つの第1のラインの破線は、特定の周波数において屈折されたスピンがパルスRFにより再集束されたことを示している。
勾配振動G及びGは、機械的振動により屈折された核スピンの位相を変化させる。この変化の程度は、特定の勾配の方向における偏位の程度に依存するが、この変化の兆候(sign)は、勾配振動と核スピンの偏位との間の位相位置に依存する。
図4から明らかなのは、勾配振動Gの兆候が変化する一方で、機械的な50Hzの振動の兆候(第1のライン)は同様に保持されているということである。従って、位相の変化は起こらない。しかしながら、第2の勾配振動Gは、位相の変化を引き起こす。なぜなら、50Hzの振動は、勾配振動Gと同様の程度において交差するゼロを有しているためである。この2つの勾配振動G及びGは、基本周波数の調波(100Hz)において屈折されたスピンに関する位相の同一の大きな変化を生じ、この変化は、示した変化に起因して加算される。
図4に示したシーケンスは、基本周波数における偏位と共に基本周波数の2倍の周波数における偏位に対して感受的である。この場合でないとすると、偏位の基本周波数とこの調波は、測定時間が遅延するように分離して測定されなければならない。
ステップ102において得たMR信号の受信の後、このMRシーケンスは、(図2において水平方向に延びている)z軸方向にシフトされる、異なるスライスに関して、ステップ103において繰り返される(ブロック103)。まれに、RFパルスRF及びRFの搬送周波数は、勾配磁場の経時的な変化が同一に保持されつつ他のスライスが励起される様式にて変化される。ステップ102及び103を有するループは、検査される三次元領域におけるスライスと同一の回数、例えば、20回、繰り返され、各時間において、異なるスライスが励起される。
続いて、勾配をコード化する位相は、ステップ104において変化され、全てのスライスは、そこで生成されるスピンエコー信号を取得するように再び励起される。個々のスライスは、機械的振動の関係においてRFパルス及び勾配磁場の経時的に同一の位置で励起される。勾配をコード化する位相は、要求される位相コード化ステップと同一の回数、例えば128又は256回、繰り返される。従って、MR画像は、そこから再構築可能なように全てのスライスから取得される;この画像は、スライスにより形成された三次元領域における核磁気分布の位相を示している。
三次元領域の第1のMR位相画像に関するMRデータの取得の後に、ステップ105では、経時的なシフトがMRシーケンスと機械的振動との間で行われ、つまり、MR実験の開始が時間の画分ΔT、例えばΔT=T/8(ステップ105)だけシフトされるようにシフトが起こる。続いて、ステップ102、103及び104を有するループは、検査される三次元領域のさらなるMR位相画像が取得されるように再度完了される。この2つのMR位相画像は、そこで励起される組織又は核スピンがx軸方向に屈折される領域に関してのみ異なっている。その後、機械的振動とシーケンスとの間の経時的なシフトが変更される(例えば、ΔT=2T/8、3T/8・・・7T/8)さらなる位相画像が形成される。ユーザーに入力され或いはユーザーによるエントリーにより入力されたデータは、モニター8上に表示されてもよく、或いは、異なるディスプレイ上に表示されてもよい。
最後に、複数のMR位相画像のMRデータ(この例では8個)が取得され、このMRデータは、勾配磁場G、Gの勾配がx軸方向に延びることを仮定すると、x軸方向におけるスピンの偏位に依存している。
x軸方向以外の方向にも偏位の測定を可能とするために、正弦的勾配G及びGは、ステップ102、103、104及び105を有するループが完了した後、y軸方向におけるスピンの偏位により影響される三次元領域のMR射創画像のセットを取得するように、x軸とは異なる方向、例えば、y軸方向、に形成される(ブロック106)。最終的に、この工程は、最終的に、x軸方向、y軸方向又はz軸方向におけるスピンの偏位にそれぞれ依存する8個のMR位相画像の3つのセットが利用可能となるように、x軸方向に関して繰り返される(つまり、正弦勾配G1及びG2はz軸方向に適用される)。この取得方法は、その後終了される(ブロック107)。
取得したMRデータの処理は、図6に対して参照しながら以下に詳細に述べる。既に示しているように、ブロック200における初期化の後、MR位相画像は、ステップ1において、取得したMRデータから形成される。ステップ202において、偏位u、u及びuの経時的な変化は、3つの空間的方向、つまり、三次元検査ゾーンの個々のボクセルに関するそれぞれで同定される。
示すことを目的として、図5に概略的に表示した。上部ラインは、それぞれ、x軸方向、y軸方向及びz軸方向における偏位に依存するMR位相画像の3つのセットを概略的に示している。セットに関連付けられた各MR画像において、その位相は、同一のボクセルにおいて考慮される。8つの画像は、特定のボクセルにおけるx軸方向、y軸方向又はz軸方向における位相又は偏位の経時的な変化に関する8個のベースポイントを生成する。このボクセルが非線形的な弾性特性を示す領域に配置されている場合、このボクセルにおける偏位は、経時的に純粋に正弦的ではない。なぜなら、このボクセルにおける屈折は、基本的な振動の周波数を有する成分に加えて、より高い調波、特に基本周波数の2倍の成分を有しているからである。
これら成分の振幅(amplitude)を同定するために、ステップ203において、上記の8つのベースポイントにより規定されたボクセルの位相又は偏位に対してフーリエ変換が実行される。このフーリエ変換は、基本周波数におけるx軸方向、y軸方向及びz軸方向における偏位の振幅を示す3つの量a1x、a1y及びa1zを生成し、且つ、基本周波数の2倍におけるx軸方向、y軸方向及びz軸方向における偏位の振幅を示す3つの量a2x、a2y及びa2zも生成する。基本周波数を有する成分の振幅aは、以下の方程式に一致して算出されてもよい:
Figure 2005518857
基本周波数の2倍を有する成分の振幅に関して、
Figure 2005518857
に従う。
上記の2つの成分は、以下の方程式に一致して、他の一つと関連している:
Figure 2005518857
非線形的な測定である値が取得される。振幅a自体、既に非線形の測定であるが、aは、非線形性のみならず物体における励起により発生する波の減衰にも依存する。パラメーターaは、高い程度で非依存的である。これは、方程式3に一致した非線形の値αに対応している。この対応は、より高い項目(term)を考慮しつつ、変形張筋(distortion tensor)とともに自由エネルギーの正確な適用を介して与えられる。αとaとの関係は、厳格に単調に増加する。従って、図1と同様に、等価な診断的見解は、E0及びaにより与えられてもよい。
個々の値が全てのボクセルに関して同定された後、ステップ204において、検査ゾーンにおける弾性の非線形性を示す画像が形成される。
非線形性自体が、一般に、図1に対する参照文にて既述したように、病巣の良性又は悪性特性として表現されることを可能としないので、ステップ205において、検査ゾーンにおける弾性係数の空間的分布を示す画像がさらに生成される。この目的に必要な測定値は、図3と一致した取得の後に既に利用可能である。これら値から弾性係数を算出することは、上述した米国特許出願番号第09/743659号(PHD99.152)明細書にて詳細に述べられている。
その後、ユーザーは、例えばカーソルによりマークされた領域など、画像における個々の領域を選択してもよく、且つ、E値を示してもよく、且つ、これらの領域に関して、例えば、図1に概略的に一致した領域に関して示してもよい(ステップ206)。この方法はその後終了する。
既述したように、超音波弾性撮影法手段もまた、物体における機械的振動により励起される波の伝播を追跡するのに適しており、かかる追跡は、MR弾性撮影法よりも有意に速い。組織の非線形的な特性をもたらす経時的な非線形的な変形は、上述と同様の様式にてその後同定されてもよい。乳房に加えて、他の領域を検討してもよく、例えば、前立腺などが挙げられる。
異なるタイプの組織の分類に関するグラフを示す。 本発明に従った方法を実行するためのMR装置を示す。 MR位相画像の取得を示すフローチャートを示す。 MR取得を意図したシーケンスの一つを示す。 評価工程の一部の概略的表示である。 評価工程のフローチャートを示す。

Claims (8)

  1. 物体の検査方法であって:
    a)機械的振動により前記物体を励起するステップ;
    b)前記物体において前記振動により生じた波に指向される前記物体のボクセルの静止状態から、偏位の経時的な変化を測定するステップ;
    c)前記の偏位の経時的な変化から、非線形的変形を同定するステップ;及び
    d)前記非線形的変形を評価するステップ;
    を有することを特徴とする方法。
  2. 前記の評価するステップは、前記非線形的変形の程度を示す画像を形成するステップを有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. a)一時的で周期的な、好ましくは正弦的に変化する機械的振動により前記物体を励起するステップ;
    b)前記機械的振動に同期する勾配磁場と組み合わせて前記物体に核磁気を励起し、且つ、MR位相画像を形成するように前記物体に生じるMR信号を受信するステップであって、前記勾配磁場の経時的な変化が、前記MR画像が基本周波数における偏位、及び前記基本周波数の少なくとも一つのより高い調波における偏位、により同定されるように選択される、ステップ;
    c)さらなる位相画像を形成するように、前記勾配磁場の勾配の方向を変化し、及び/又は前記機械的振動と前記勾配磁場との位相差を変化しつつ、複数回前記ステップb)を繰り返すステップ;
    d)前記MR位相画像に基づいて前記基本周波数におけるスピンの偏位の振幅を同定するステップ;
    e)前記MR位相画像に基づいて前記基本周波数のより高い調波におけるスピンの偏位の振幅を同定するステップ;並びに
    f)前記振幅の比率に依存する画像を形成するステップ;
    を有することを特徴とする請求項2に記載の方法。
  4. 前記勾配磁場は、前記機械的振動の持続時間の半分の、2つの異なる正弦的振動を有しており、
    前記振動間の時間における距離は、前記機械的振動の前記持続時間の1/4であることを特徴とする請求項3に記載の方法。
  5. 再集束RFパルスは、前記の2つの正弦的振動間の前記検査ゾーンに作用することを特徴とする請求項4に記載の方法。
  6. a)前記検査ゾーンにおける弾性を追加的に算出するステップ;並びに
    b)同一のボクセルに関して同定された変形及び弾性の値を評価するステップ;
    を有することを特徴とする請求項3に記載の方法。
  7. MR装置、機械的振動ジェネレーター、評価ユニット、勾配磁場の経時的な変化を同定するジェネレーター並びに前記MR装置、前記ジェネレーター及び前記評価ユニットを制御するコントロールユニットにより請求項1に記載の方法を実行する装置であって:
    a)一時的で周期的な、好ましくは正弦的に変化する機械的振動により前記物体を励起するステップ;
    b)前記機械的振動に同期する勾配磁場と組み合わせて前記物体に核磁気を励起し、且つ、MR位相画像を形成するように前記物体に生じるMR信号を受信するステップであって、前記勾配磁場の経時的な変化が、前記MR画像が基本周波数における偏位、及び前記基本周波数の少なくとも一つのより高い調波における偏位、により同定されるように選択される、ステップ;
    c)さらなる位相画像を形成するように、前記勾配磁場の勾配の方向を変化し、及び/又は前記機械的振動と前記勾配磁場との位相差を変化しつつ、複数回前記ステップb)を繰り返すステップ;
    d)前記MR位相画像に基づいて前記基本周波数におけるスピンの偏位の振幅を同定するステップ;
    e)前記MR位相画像に基づいて前記基本周波数のより高い調波におけるスピンの偏位の振幅を同定するステップ;並びに
    f)前記振幅の比率に依存する画像を形成するステップ;
    を実行するようにプログラムされた装置。
  8. 請求項1に記載された:
    a)一時的で周期的な、好ましくは正弦的に変化する機械的振動により前記物体を励起するステップ;
    b)前記機械的振動に同期する勾配磁場と組み合わせて前記物体に核磁気を励起し、且つ、MR位相画像を形成するように前記物体に生じるMR信号を受信するステップであって、前記勾配磁場の経時的な変化が、前記MR画像が基本周波数における偏位、及び前記基本周波数の少なくとも一つのより高い調波における偏位、により同定されるように選択される、ステップ;
    c)さらなる位相画像を形成するように、前記勾配磁場の勾配の方向を変化し、及び/又は前記機械的振動と前記勾配磁場との位相差を変化しつつ、複数回前記ステップb)を繰り返すステップ;
    d)前記MR位相画像に基づいて前記基本周波数におけるスピンの偏位の振幅を同定するステップ;
    e)前記MR位相画像に基づいて前記基本周波数のより高い調波におけるスピンの屈折の振幅を同定するステップ;並びに
    f)前記振幅の比率に依存する画像を形成するステップ;
    を有する方法を実行するように、MR装置、振動ジェネレーター及び評価ユニットに作用するコントロールユニット用コンピュータープログラム。
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