JP2006525065A - アンダーサンプル磁気共鳴画像化 - Google Patents

Abstract

空間的感度プロファイルを有する少なくとも１つのレシーバアンテナにより取得した複数の信号から画像シーケンスを形成する磁気共鳴画像化方法が開示されている。各レシーバアンテナは空間的感度プロファイルを有する。基準スキャンにより取得した画像シリーズにわたる標準偏差としてアクティビティマップを計算する。その結果、オブジェクトは、減衰因子でk-空間においてインターリーブして実際のスキャンでサンプリングされる。結果として得られるデータを空間領域にフーリエ変換し、折り畳まれた予備画像のシーケンスを形成する。そして、折り畳みアーチファクト、すなわちk-空間におけるアンダーサンプリングしたデータから得られる予備画像の曖昧さを、アクティビティマップに基づき実際の画像を形成する際に解消する。

Description

発明の詳細な説明

本発明は、請求項１のプリアンブルに記載した、少なくとも１つのレシーバアンテナにより取得した複数の信号から画像シーケンスを形成する磁気共鳴方法に関する。また、本発明は、請求項５のプリアンブルに記載した、画像を取得する磁気共鳴画像化装置、及び請求項８のプリアンブルに記載したコンピュータプログラムプロダクトにも関する。

磁気共鳴画像化では、受け入れられる画像をより短い時間内に取得するという一般的傾向がある。このため、「SENSE」と呼ばれる高速撮像法が、スイスのUniversity and ETH ZurichのInstitute of Biomedical Engineering and Medical Informationにより最近開発された。SENSE法は、磁気共鳴装置のコイルで検出された画像に直接作用し、その後のエンコード段階をスキップし、画像化のための信号取得を２倍から３倍加速することができるアルゴリズムに基づいている。SENSE法では、いわゆる感度マップに配置されるコイルの感度に関する知識が不可欠である。この方法を加速するために、単一コイル基準の「２乗和」または任意的ボディコイル基準のいずれかによる分割により取得できる生の感度マップを使用することが提案されている（例えば、Pruessmann et al.によるProc.ISMRM1998のアブストラクトのページ579、799、803、2087を参照）。事実上、SENSE法は、故意にk-空間をアンダーサンプリングすること、すなわち取得対象よりも小さい視野（FOV）を故意に選択することによりスキャン時間を短くしている。このアンダーサンプリングにより、折り畳みアーチファクトが発生するが、そのアーチファクトは異なるコイル感度パターンを有する一組のコイルについての知識を用いて解消または開く（unfold）ことができる。アンダーサンプリングは位相エンコードの両方向のうちいずれかである。

SENSE法は、磁気共鳴画像化のための信号取得を速め、動作時間を大幅に減らすことができる点で好ましい。しかし、この方法は、コイル感度が厳密に分かっている場合にのみうまく使用することができる。さもないと、不完全だと折り畳みアーチファクト（エイリアシング）が生じ、正しい画像を取得できない。実際上、コイル感度は完全には推定できず、時間的に変動する（患者の動き、温度の影響等による）。

SENSE法の重要な他の問題は、結果として得られる画像中のノイズレベルが空間的に変化することである。より具体的に言うと、コイルパターンによる情報の局所的な「未決定性（underdetermination）により、結果として得られる画像の領域によってはノイズレベルが極端に高くなることがある。

T.J.ProvostによるSMRI1990、仕掛かり作業、アブストラクト462に記載されたように、他の種類のアンダーサンプリングを動的画像化に適用してもよい。オブジェクトの一部が静的であると分かっている場合、この知識を利用することができる。最も簡単な場合、FOVのちょうど半分が静的であると分かっていると、k-空間の密度を２という因数まで下げることができる。この結果画像データは折り畳まれる。しかし、動的オブジェクトエリアの１ピクセルに対し、静的エリアの１ピクセルが厳密に重なる。静的画像がどのような方法で知られていても、静的エイリアシングが必要な動的画像部分から差し引かれる。その静的画像は、非エイリアス化された（しかし時間的にぼかされた）画像を再構成するために、事前に、事後的に、またはk-空間行を１つのフレームから他のフレームにずらすことにより測定することができる（例えば、Madore、Glover、PelcｎいよるMRM42、ページ813-828(1999)を参照）。

米国特許第US-B-6,353,752号において、FOVの一部が静的またはあまり動的でないという知識を用いて、動的部分の時間的解像度を高くするか、またはスキャン時間を短くすることが提案されている。FOVの1/nだけが動的な場合、k-空間の1/nだけを複数回取得すればよいことが示されている。k-空間の残りの部分(n-1)/nは1回だけ取得するので、時間的解像度を因子ｎだけ高めるか、またはスキャン時間を因子ｎだけ短くすることができる。画像の静的部分を見つけるやり方にはふれていない。

一方、SENSEを空間的または時間的フィルタリングと組み合わせることが提案されている（P.Kellman et al.時間的フィルタリングを組み込んだ適応的感度エンコード（TSENSE）ISMRM45:p.846-852,2001）。

上記の方法はすべて、取得した領域の一部を「静的」とし、他の部分を静的でないとすることが共通している。一部の方法は最も中心に近い半分だけが動いていることが当然とし（例えば、US-B-6,353,752）、他の方法は（非常に初歩的ではあるが）ユーザが静的な部分について入力することを必要とする。

本発明の目的は、取得画像の質を保ったまま、上で述べたSENSE法による画像化をさらに加速することである。

本発明の上記その他の目的は、請求項１に記載の方法、請求項５に記載の装置、および請求項８に記載のコンピュータプログラムにより達成される。

本発明の主な態様は、SENSE法による高速化は、記録コイルの数を増やすことだけではなく、画像化するオブジェクトのアクティビティプロファイルの固有の知識を用いることによっても可能であるとのアイデアに基づいている。各レシーバアンテナは空間的感度プロファイルを有する。アクティビティマップは基準スキャンにより取得した画像シリーズにわたる標準偏差として計算される。その結果、減衰因子でk-空間においてインターリーブして実際のスキャンでサンプリングされる。減衰因子は、磁気共鳴画像の所定の空間的解像度の観点で必要となる、k-空間の完全なサンプリングに対する、磁気共鳴信号のアンダーサンプリングの量を表す。結果として得られるデータを空間領域にフーリエ変換し、折り畳まれた予備画像のシーケンスを形成する。そして、折り畳みアーチファクト、すなわちk-空間におけるアンダーサンプリングしたデータから得られる予備画像の曖昧さを、アクティビティマップに基づき実際の画像を形成する際に解消する。

本発明の上記その他の有利な点は、従属クレームと以下の説明とに開示されている。以下の説明には、本発明の実施形態が添付した図面を参照して説明されている。

ここで説明した方法は、カーテシアンまたは非カーテシアンフレームであっても、動的MRIシーケンスに適用される。オブジェクトの少なくとも一部は、f/2まで変化する時間的周波数を有すると仮定する。つまり、フレームをTD=1/f秒ごとに取得しなければならない。オブジェクトは全体として視野（FOV）サイズであり、Δkより小さい非カーテシアンスキャンの場合、k-空間段階または密度を決定する。一方、加速法は使用しないことを仮定する。

画像化する領域は、２次元スライスまたは３次元ボリュームであるが、（既知の「静的」とは反対に）「異なるアクティビティ」の領域にセグメント化される。それゆえ、オブジェクトの「アクティビティマップ」は、別のスキャン（例えば、実際のスキャン前に実行する較正測定等）で取得される。平均的な低解像度３次元スキャンでは、ボディコイル信号とシナジーコイル信号の取得はインターリーブしている。そして、ボディコイル信号とシナジーコイル信号はボリュームに変換され、両方のボリュームを分けることにより各場所のコイル感度を推定することができる。各平均スキャンから、ボディコイルボリュームを生成し、ボリューム中の各場所についての時間による偏差である標準偏差マップを計算することは比較的簡単である。これらのデータは、画像化するオブジェクトの局所的アクティビティの表示として容易に使用することができ、アクティビティマップの基礎となる。このように形成したアクティビティマップを実施し、「アクティビティナレッジ」の取得を、SENSE法によるアンフォールド（unfolding）のために使用するコイル感度較正データの取得と統合する。

本方法の取得シーケンスは以下の特徴を有する。
１．一連の信号を少なくとも１つのレシーバアンテナにより取得し、信号を記録する。各レシーバアンテナは空間的感度プロファイルを有する。すなわち、磁気共鳴信号のレシーバアンテナの感度値は、そのレシーバアンテナに対して磁気共鳴信号が発せられる場所に依存する。位置の関数としての感度値は、そのレシーバアンテナの空間的感度プロファイルを形成する。
２．一連の画像がプリスキャンにより取得され、その一連の画像から標準偏差としてアクティビティマップを計算する。
３．オブジェクトを、所定の減衰因子を用いてk-空間においてインターリーブして実際のスキャンでサンプリングする。
４．その後すぐに、一連の折り畳まれた予備画像を形成するため、結果として得られたデータを空間領域でフーリエ変換する。
５．k-空間でアンダーサンプリングされたデータから得た予備画像から、アクティビティマップに基づき一連の実際の画像を形成して、折り畳みアーチファクトまたは一般的な用語ではあいまいさを解消する。

図１において例として、心臓２（高速運動）と脊椎３（無運動または低速運動）を通る断面において人体１の一部の動的２次元画像化に上で説明した方法を適用した。画像I1からI5までのシーケンスにおいて、心臓２と脊椎３の動きを概略的に図示した。この情報からアクティビティプロファイルを上で説明したやり方で取得することができる。これを図２に示した。図から分かるように、人体５は腹部領域で動きが大きく、心臓６の動きは脊椎７の動きよりも非常に大きい。

本方法はSENSEに適用したときに最も効果的であるが、SENSEのように並行画像化をしなくても使用することができる。実際、減衰因子は通常は１より大きい整数または非整数である。

図３に示した装置は、磁気共鳴装置であって、定常的かつ一様の磁場を発生する４つのコイル５１からなるコイル系を有する。磁場の強さは10分の数テスラから数テスラのオーダーである。コイル５１は、z軸に対して同心円状に配置され、球面５２上に置かれている。検査対象の患者６０は、これらのコイルの中に位置するテーブル５４に載せられる。z方向に伸び線形に変化する磁場を発生するため（この磁場を以下では傾斜磁場と呼ぶ）、４つのコイル５３がレシーバアンテナとして球面５２上に設けられている。４つのコイル５７もあり、x方向（垂直）に伸びる傾斜磁場を発生する。z方向に伸びy方向に傾斜した（図面の面に垂直な）傾斜磁場を、４つのコイル５５で発生することができる。この４つのコイル５５は、コイル５７と同じものであるが、それに対して空間的に９０度オフセットするように構成される。

傾斜磁場を発生するための３つのコイル系５３、５５、５７は、各々が球面に関して対称に配置されており、球の中心における磁場の強さはコイル５１の定常かつ一様な磁場のみによって決まる。RFコイル６１も設けられており、定常的かつ一様な磁場の方向に垂直に伸びる（すなわち、z方向に垂直）基本的に一様なRF磁場を発生する。RFコイルは、各RFパルスの間、RFジェネレータからRF変調電流を受ける。RFコイル６１は、検査ゾーンで発生したスピン共鳴信号を受信するために使用される。

図４に示したように、MR装置で受信したMR信号はユニット７０により増幅され、ベースバンドに置き換えられる。このように得られたアナログ信号は、アナログ・ツー・デジタルコンバータ７１によりデジタル値のシーケンスに変換される。このアナログ・ツー・デジタルコンバータ７１は制御部６９により制御され、読み出しフェーズ中にだけデジタルデータのワードを生成するようになっている。アナログ・ツー・デジタルコンバータ７１の次にフーリエ変換部７２があり、MR信号のデジタル化により得られたサンプリング値のシーケンスに対して１次元のフーリエ変換を実行する。このフーリエ変換は、次のMR信号を受信する前に終了するように素早く行われる。

フーリエ変換により得られた生データはメモリ７３に書き込まれる。このメモリ７３の記憶容量は生データを数セット分格納するのに十分なものである。これらの生データのセットから、合成部７４がすでに説明したやり方で合成画像を生成する。この合成画像はメモリ７５に記憶される。このメモリ７５の記憶容量は、多数の連続する合成画像８０を記憶するのに十分大きい。これらのデータセットは異なる時間に計算されるが、その間隔は、データセットの取得に必要な測定期間と比較して小さいことが好ましい。再構成部７６は、連続画像の合成を行い、このように取得したデータセットからMR画像を生成する。そのMR画像は記憶される。MR画像は所定の時間における検査ゾーンを表している。データからこのように得られた一連のMR画像は、検査ゾーンの動的プロセスを好適に再現する。

ユニット７０ないし７６は制御部６９により制御されている。下向きの矢印で示したように、制御部は中心周波数、帯域幅、およびRFコイル６１により生成されたRFパルスの包らく線だけでなく傾斜コイルシステム５３、５５、５７の電流を時間的に変化させる。再構成部７６のMR画像メモリ（図示せず）だけでなくメモリ７３と７５は、適当な記憶容量を有する単一のメモリであってもよい。フーリエ変換部７２、合成部７４、再構成部７６は、上記の方法によるコンピュータプログラムを実行するのに適したデータプロセッサにより実現することができる。

プリスキャンで取得した画像シーケンスを示す図である。 図１のシーケンスから抽出したアクティビティプロファイルを示す図である。 本発明による方法を実施する装置を示す図である。 図３に示した装置の回路図である。

Claims (9)

1. 空間的感度プロファイルを有する少なくとも１つのレシーバアンテナにより取得した複数の信号から画像シーケンスを形成する磁気共鳴画像化方法であって、
   基準スキャンにより取得した画像シリーズにわたる標準偏差としてアクティビティマップを計算するステップと、
   アンダーサンプリングによりk-空間の実際のスキャンで前記オブジェクトをサンプリングするステップと、
   その結果得られるデータを空間領域にフーリエ変換して折り畳まれた予備画像のシーケンスを形成するステップと、
   前記空間的感度プロファイルとともに前記アクティビティマップに基づき実際の画像を形成する際に、k-空間のアンダーサンプリングしたデータから得られる前記予備画像の曖昧さを解消するステップと、を有することを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の磁気共鳴画像化方法であって、基準スキャンにおいて、前記アクティビティマップのデータと前記空間的感度マップを取得するデータとはインターリーブして取得されることを特徴とする方法。
3. 請求項１または２に記載の磁気共鳴画像化方法であって、
   前記折り畳まれた予備画像は、前記レシーバアンテナの前記空間的感度プロファイルに基づき前記実際の画像を形成するために開かれる（unfolded）ことを特徴とする方法。
4. 請求項１ないし３いずれか一項に記載の磁気共鳴画像化方法であって、
   アンダーサンプリングの程度を表す減衰因子は１より大きい整数または非整数であり、特に１と３の間の範囲にあることを特徴とする方法。
5. 複数の信号から動的画像を取得する磁気共鳴画像化装置であって、
   静的磁場と一時的傾斜磁場をかける手段と、
   各々が空間的感度プロファイルを有する、信号を記録する少なくとも１つのレシーバアンテナと、
   基準スキャンにより取得した画像シリーズにわたり標準偏差としてアクティビティマップを計算する手段と、
   アンダーサンプリングによりk-空間の実際のスキャンで前記オブジェクトをサンプリングする手段と、
   結果として得られるデータを空間領域にフーリエ変換して、折り畳まれた予備画像のシーケンスを形成する手段と、
   前記空間的感度プロファイルとともに前記アクティビティマップに基づき前記実際の画像を形成する際に、k-空間のアンダーサンプリングしたデータから得られる前記予備画像の曖昧さを解消する手段と、を有することを特徴とする装置。
6. 請求項５に記載の磁気共鳴画像化装置であって、
   ボディコイルと少なくとも１つのシナジーコイルを備えることを特徴とする装置。
7. 請求項５または６に記載の磁気共鳴画像化装置であって、
   前記レシーバアンテナの前記空間的感度プロファイルに基づき前記実際の画像を形成するために前記折り畳まれた予備画像を開く（unfolded）ことを特徴とする装置。
8. コンピュータに、磁気共鳴法により動的画像を形成させるコンピュータプログラムであって、
   静的磁場と一時的傾斜磁場をかけるステップと、
   各々が空間的感度プロファイルを有する少なくとも１つのレシーバアンテナにより磁気共鳴信号を取得するステップと、
   基準スキャンにより取得した画像シリーズにわたり標準偏差としてアクティビティマップを計算するステップと、
   アンダーサンプリングによりk-空間の実際のスキャンで前記オブジェクトをサンプリングするステップと、
   折り畳まれた予備画像のシーケンスを形成するために、結果として得られるデータを空間領域にフーリエ変換するステップと、
   前記空間的感度プロファイルとともに前記アクティビティマップに基づき前記実際の画像を形成する際に、k-空間のアンダーサンプリングしたデータから得られる前記予備画像の曖昧さを解消するステップと、を実行させ、
   前記磁気共鳴画像のエイリアシングは磁場の不均一性及び／またはk-空間におけるアンダーサンプリングにより起こることを特徴とするコンピュータプログラム。
9. 請求項９に記載のコンピュータプログラムであって、コンピュータに、
   前記レシーバアンテナの前記空間的感度プロファイルに基づき前記実際の画像を形成するために前記折り畳まれた予備画像を開く（unfolded）ステップを実行させることを特徴とするコンピュータプログラム。
   
   

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