JP2009268901A

JP2009268901A - 圧縮センシングと共にパラレルイメージングを用いるシステムおよび方法

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Publication number: JP2009268901A
Application number: JP2009104622A
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Inventors: Philip James Beatty; フィリップ・ジェイムズ・ビーティ
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Filing date: 2009-04-23
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Abstract

【課題】走査時間も低減しながら高品質の再構成画像を生成するために、パラレルイメージングを、計算効率を高める圧縮センシングと組み合わせるシステムおよび方法を提供すること。
【解決手段】ＭＲ画像を再構成するために、パラレルイメージング技法と圧縮センシング技法を組み合わせるためのシステムおよび方法は、ｋ空間グリッドの全体に満たない複数のｋ空間位置に対してアンダーサンプリングされたＭＲデータを取得するようにプログラムされたコンピュータを含む。このコンピュータは、ＭＲデータが取得されなかった一部のｋ空間位置に対してパラレルイメージング技法により未取得のＭＲデータを合成するように、かつアンダーサンプリングされて取得されたＭＲデータおよび合成された未取得のデータから、再構成された画像を生成するために、圧縮センシング再構成技法を適用するようにさらにプログラムされる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般には磁気共鳴（ＭＲ）撮像に関し、より詳細には、ＭＲ画像を再構成するためにパラレルイメージング技法と圧縮センシング技法を組み合わせるシステムおよび方法に関する。

ヒトの組織などの物質が、一様な磁場（分極場Ｂ_０）を受けた場合、組織におけるスピンの個々の磁気モーメントは、この分極場と整列しようとするが、その特有のラーモア周波数で、ランダムにその周りで歳差運動をする。その物質または組織がｘ−ｙ平面内で、ラーモア周波数に近い磁場（励起場Ｂ_１）を受けた場合、正味の整列したモーメント、または「長手方向磁化」Ｍ_Ｚが、ｘ−ｙ平面中へと回転または傾斜して、正味の横方向磁気モーメントＭ_ｔを生成することができる。励起信号Ｂ_１が終了した後、励起されたスピンにより信号が放出され、この信号が受信され、処理されて画像を形成することができる。

これらの信号を利用して画像を生成する場合、磁場傾斜（Ｇ_ｘ、Ｇ_ｙ、およびＧ_ｚ）が使用される。通常、撮像される領域は、一連の測定サイクルによって走査され、その場合、これらの傾斜は、使用される特定の定位法によって変わる。得られた１組の受信核磁気共鳴（ＮＭＲ）信号は、デジタル化され、処理されて、多くのよく知られた再構成技法の１つを用いて画像を再構成する。

ＭＲデータを取得する速度を速めるために開発された一技法は、一般に、「パラレルイメージング」または「部分的（ｐａｒｔｉａｌ）パラレルイメージング」と呼ばれる。特に、ＳＭＡＳＨ（ＳｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｏｆＳｐａｔｉａｌＨａｒｍｏｎｉｃｓ）、ＡＵＴＯ−ＳＭＡＳＨ（ＡｕｔｏｍａｔｉｃＳｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｏｆＳｐａｔｉａｌＨａｒｍｏｎｉｃｓ）、ＧＲＡＰＰＡ（ＧｅｎｅｒａｌｉｚｅｄＡｕｔｏｃａｌｉｂｒａｔｉｎｇＰａｒｔｉａｌｌｙＰａｒａｌｌｅｌＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；オートキャリブレーションパラレル法）、ＰＡＲＳ（ＰａｒａｌｌｅｌＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｓｏｎａｎｃｅＩｍａｇｉｎｇｗｉｔｈＡｄａｐｔｉｖｅＲａｄｉｕｓｉｎｋ−ｓｐａｃｅ）、ＡＲＣ（ＡｕｔｏｃａｌｉｂｒａｔｉｎｇＲｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｆｏｒＣａｒｔｅｓｉａｎＳａｍｐｌｉｎｇ）、およびＡＰＰＥＡＲ（Ａｎｔｉ−ａｌｉａｓｉｎｇＰａｒｔｉａｌｌｙＰａｒａｌｌｅｌＥｎｃｏｄｅｄＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎＲｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ）を含む、様々なパラレルイメージング法が存在する。パラレルイメージングでは、複数の受信コイルが、関心領域またはボリュームからデータを取得するが、その場合、データは、例えば、位相エンコード方向にアンダーサンプリングされ、したがって、一回の画像走査では、わずかなｋ空間データが取得されるに過ぎない。したがって、パラレルイメージングは、位相調整アレイコイルの感度の空間依存性を利用することにより、１つまたは複数の次元におけるデータ取得速度を速めるために使用される。パラレルイメージングは、走査時間を低減するのに成功したことが示されただけではなく、画像の不鮮明さおよび幾何歪みを低減する。さらに、パラレルイメージングは、空間または時間解像度を改良すること、ならびに容積の適用範囲を広げることに使用することができる。

最近になって、「圧縮センシング」として知られるＭＲデータの取得速度を速めるための他の技法が開発されている。圧縮センシングは、大部分の医療画像がある程度の「圧縮性」を有するという観察に由来する。すなわち、ウェーブレットドメインなどの何らかの適切なドメインへと変換されたとき、かなりの数の値を、画像品質をほとんど損なうことなくゼロに設定できる（すなわち、圧縮される）。圧縮センシングでは、圧縮された画像は、Ｌ１ノルム制約など、非線形の再構成スキームを用いて再構成され、その場合、選択されたドメインにおけるアンダーサンプリングされたアーティファクトは、画像を有効に再構成するためには、十分に疎（または非干渉性）でなくてはならない。パラレルイメージングと同様に、圧縮センシングは、走査時間、画像の不鮮明さ、および幾何歪みを低減することが見出されている。

パラレルイメージングおよび圧縮センシングは共に、ＭＲデータの取得速度を速めることを可能にするので、パラレルイメージングを圧縮センシングと組み合わせるための努力がこれまでにあった。より具体的には、パラレルイメージング技法を、データの一貫性の制約として圧縮センシング再構成に含めることにより２つの技法を組み合わせて、その技法の同時実施を得ようとする努力が行われている。しかし、パラレルイメージングをデータの一貫性制約として組み込むことにより、圧縮センシングの再構成の計算効率を大幅に低下させ、それにより、パラレルイメージングまたは圧縮センシング技法を個々に使用することによって提供される利点のいくつかを無効にする。

ＬＵＳＴＩＧｅｔａｌ．，"ＳｐａｒｓｅＭＲＩ：ＴｈｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＣｏｍｐｒｅｓｓｅｄＳｅｎｓｉｎｇｆｏｒＲａｐｉｄＭＲＩｍａｇｉｎｇ，"ＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｓｏｎａｎｃｅｉｎＭｅｄｉｃｉｎｅ，５８：１１８２−１１９５，２００７ＬＵＳＴＩＧｅｔａｌ．，"ＲａｐｉｄＭＲＩｍａｇｉｎｇｗｉｔｈＣｏｍｐｒｅｓｓｅｄＳｅｎｓｉｎｇａｎｄＲａｎｄｏｍｌｙＵｎｄｅｒｓａｍｐｌｅｄ３ＤＦＴＴｒａｊｅｃｔｏｒｉｅｓ，"Ｐｒｏｃ．１４ｔｈＡｎｎ．Ｍｔｇ．ＩＳＭＲＭ，２００６

したがって、走査時間も低減しながら高品質の再構成画像を生成するために、パラレルイメージングを、計算効率を高める圧縮センシングと組み合わせるシステムおよび方法を有することが望ましいはずである。

本発明の一態様によれば、ＭＲ撮像装置は、磁石の内径周りに配置された複数の傾斜コイル、ＲＦ受信装置システム、およびＭＲ画像を取得するために信号をＲＦコイルアセンブリに送信するパルスジェネレータによって制御されるＲＦスイッチを有する磁気共鳴撮像システムを含む。このシステムはまた、ｋ空間グリッドの全体に満たない複数のｋ空間位置に対してアンダーサンプリングされたＭＲデータを取得するようにプログラムされたコンピュータを含む。このコンピュータは、ＭＲデータが取得されなかった一部のｋ空間位置に対してパラレルイメージング技法により未取得のＭＲデータを合成するように、かつアンダーサンプリングされて取得されたＭＲデータおよび合成された未取得のデータから、再構成された画像を生成するために、圧縮センシング再構成技法を適用するようにさらにプログラムされる。

本発明の他の態様は、コンピュータプログラムがその上に記憶されたコンピュータ可読記憶媒体を含む。コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されたとき、ＲＦ受信装置コイルアレイから、関心オブジェクトからのＭＲデータを取得する命令を含み、そのＭＲデータは、ｋ空間グリッドの全体に満たない複数のｋ空間位置から取得されたアンダーサンプリングされたＭＲデータセットを含んでいるが、その場合、ＭＲデータは、ｋ空間内でクラスタ化された非干渉性パターンで取得される。プログラム命令はさらに、アンダーサンプリングされたＭＲデータセットを用いて画像を再構成するために、再構成技法をコンピュータに実施させる。

本発明のさらに他の態様によれば、磁気共鳴（ＭＲ）画像を生成するための方法は、未取得のＭＲデータのパラレルイメージング合成を可能にするように配置された複数のｋ空間位置に対して、アンダーサンプリングされたＭＲデータを取得すること、および未取得のＭＲデータの一部を合成するためにパラレルイメージング技法を適用することを含む。本方法は、アンダーサンプリングされて取得されたＭＲデータと、未取得のＭＲデータの合成された部分を組み合わせて、所望の非干渉性を有する合成ＭＲデータセットを生成すること、および合成ＭＲデータセットに対して、圧縮センシング再構成技法を別個に適用し、再構成された画像を取得することをさらに含む。

本発明の様々な他の機能および利点が、以下の詳細な説明および添付の図面から明らかとなろう。

図面は、本発明を実施するように現在企図される諸実施形態を示す。

本発明の実施形態で使用するための例示的なＭＲ撮像システムの概略のブロック図である。従来技術によるｋ空間データ取得パターンの概略図である。従来技術によるｋ空間データ取得パターンを示す概略図である。本発明の実施形態によるｋ空間取得パターンを示す概略図である。本発明の実施形態によるｋ空間取得パターンおよび合成パターンを示す概略図である。本発明の実施形態による流れ図である。

パラレルイメージング技法および圧縮センシング技法を組み合わせることによりＭＲ画像を再構成するためのシステムおよび方法が提供される。この点について、生のｋ空間データは、可能なわずかのｋ空間データだけが取得されるように、アンダーサンプリング技法により取得される。未取得のｋ空間データの一部は、パラレルイメージングにより合成され、したがって、ｋ空間のより大きな領域を満たすことができる。圧縮センシング技法を実施することにより、未取得のｋ空間データの残りが満たされ、画像が再構成される。

図１を参照すると、本発明の実施形態を組み込む好ましい磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）システム１０の主要な構成要素が示されている。システムの動作は、キーボードもしくは他の入力装置１３、制御パネル１４、および表示画面１６を含むオペレータコンソール１２から制御される。コンソール１２は、オペレータが、表示画面１６上における画像の生成および表示を制御することを可能にする別個のコンピュータシステム２０と、リンク１８を介して通信する。コンピュータシステム２０は、バックプレーン２０ａを介して互いに通信するいくつかのモジュールを含む。これらのモジュールは、画像プロセッサモジュール２２と、ＣＰＵモジュール２４と、画像データアレイを記憶するためのフレームバッファとして当技術分野で知られたメモリモジュール２６とを含む。コンピュータシステム２０は、別個のシステム制御３２と、高速シリアルリンク３４を介して通信する。入力装置１３は、マウス、ジョイスティック、キーボード、トラックボール、タッチスクリーン、ライトワンド（ｌｉｇｈｔｗａｎｄ）、音声制御、または任意の同様のもしくは等価な入力装置を含むことができ、対話的なジオメトリ指示のために使用することができる。

システム制御３２は、バックプレーン３２ａにより、共に接続される１組のモジュールを含む。これらのモジュールは、ＣＰＵモジュール３６と、シリアルリンク４０を介してオペレータコンソール１２に接続されるパルスジェネレータモジュール３８とを含む。システム制御３２が、実施すべき走査シーケンスを指示するためのコマンドをオペレータから受信するのはリンク４０を介してである。パルスジェネレータモジュール３８は、システム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、また生成されるＲＦパルスのタイミング、強度、および形状と、データ取得ウィンドウのタイミングおよび長さとを指示するデータを生成する。パルスジェネレータモジュール３８は、１組の傾斜増幅器４２に接続され、走査中に生成される傾斜パルスのタイミングおよび形状を指示する。パルスジェネレータモジュール３８はまた、患者に取り付けられた電極からのＥＣＧ信号など、患者に接続されるいくつかの異なるセンサからの信号を受信する生理学的取得制御装置４４からの患者データを受信することができる。最後に、パルスジェネレータモジュール３８は、患者およびマグネットシステムの状態と関連する様々なセンサからの信号を受信する走査室インターフェース回路４６に接続される。患者位置決めシステム４８が、走査のために患者を所望の位置へと移動させるコマンドを受信するのもまた、走査室インターフェース回路４６を介してである。

パルスジェネレータモジュール３８により生成される傾斜波形は、Ｇｘ、Ｇｙ、およびＧｚ増幅器を有する傾斜増幅器システム４２に加えられる。各傾斜増幅器は、全体として５０で指定される傾斜コイルアセンブリ中の対応する身体の傾斜コイルを励起して、取得された信号を空間的にエンコードするために使用される磁場傾斜を生成する。傾斜コイルアセンブリ５０は、分極磁石５４および全身ＲＦコイル５６を含む磁石アセンブリ５２の一部を形成する。システム制御３２のトランシーバモジュール５８は、ＲＦ増幅器６０により増幅され、送信／受信スイッチ６２によりＲＦコイル５６に結合されるパルスを生成する。患者において励起された細胞核により放出されて得られた信号は、同じＲＦコイル５６により感知され、送信／受信スイッチ６２を介して前置増幅器６４に結合され得る。増幅されたＭＲ信号は、トランシーバ５８の受信装置部で復調され、フィルタされ、かつデジタル化される。送信／受信スイッチ６２は、パルスジェネレータモジュール３８からの信号により制御されて、送信モード中は、ＲＦ増幅器６０をコイル５６に電気的に接続し、受信モード中は、前置増幅器６４をコイル５６に接続する。送信／受信スイッチ６２はまた、別のＲＦコイル（例えば、表面コイル）を、送信モードまたは受信モードで使用可能にすることもできる。

ＲＦコイル５６により取得されたＭＲ信号は、トランシーバモジュール５８によりデジタル化され、システム制御３２のメモリモジュール６６へと転送される。生のｋ空間データのアレイがメモリモジュール６６中に取得されたとき、走査が完了する。この生のｋ空間データは、再構成すべき画像ごとに、別のｋ空間データアレイへと再配置され、そのそれぞれは、データを画像データのアレイへとフーリエ変換するように動作するアレイプロセッサ６８に入力される。この画像データは、シリアルリンク３４を介してコンピュータシステム２０に運ばれ、そこで、メモリに記憶される。オペレータコンソール１２から受信されたコマンドに応じて、この画像データは、長期ストレージへとアーカイブすることができるが、あるいは画像プロセッサ２２によってさらに処理され、オペレータコンソール１２に運ばれ、ディスプレイ１６上に提示することができる。

本発明によれば、取得される生のｋ空間データは、可能なわずかなｋ空間データだけを取得するようにアンダーサンプリングされる。ｋ空間データのこのようなアンダーサンプリングは、画像走査を実施するのに必要な時間を低減するが、このアンダーサンプリングされたｋ空間データだけを用いて画像を再構成することは、画像からすべてのアーティファクトを取り除くことはない。したがって、画像走査時間をなお低減しながら、最終的に再構成された画像中でこれらのアーティファクトを効果的に削除するために、さらなる訂正法が使用され、それを本明細書の以下でさらに詳細に述べる。

図２を参照すると、従来技術によるｋ空間サンプリングパターンの例が示されている。ｋ空間サンプリングパターン１３０は、２１×２１の完全にサンプリングされたｋ空間の中心領域１０５を囲むアンダーサンプリングされた周辺１１５を有する２５６×２５６のデータ点グリッドを含む。この完全にサンプリングされたｋ空間の中心領域１０５は、高いコントラストを有する低解像度の完全な視野（ＦＯＶ）のｋ空間データを含む。取得された信号のパワースペクトルへの大幅な寄与がｋ空間の中心領域から得られており、ｋ空間の中心が、画像コントラストの主要な決定要素であることは、ＭＲ撮像でよく知られている。この理由のため、圧縮センシングなどの特定の再構成技法は、中心領域をアンダーサンプリングすると、画像の全体のコントラストに非常に影響を与えることになるので、ｋ空間の中心領域が完全にサンプリングされることを必要とする。

図２で示すように、ｋ空間の周辺領域１１５は、複数のランダムに取得されたデータ点１１０が得られるようなパターンでアンダーサンプリングされる。したがって、ｋ空間のサンプリングパターンは、本明細書の以下で、「ランダムサンプリングパターン」として述べられる。ｋ空間サンプリングパターン１３０で、２１×２１の完全にサンプリングされた中心領域の外側のランダムサンプリングパターンが取得され、その場合、合計５８８３個のデータサンプルが取得される。さらに多くの、またはより少ないデータサンプルを取得してもよく、ここで使用される量は単に例示目的のためであり、本発明を限定するものとみなすべきではない。吹き出し領域１１７が示すように、取得されたデータ点１１０は、ｋ空間全体でランダムに離間されている。このかなりランダムなデータポイントの離間に起因して、サンプリングパターン１３０は、データ点１１０が、任意の知られたパラレルイメージング技法を可能にするほど互いに十分近くにないため、パラレルイメージングを受けることができない。したがって、ｋ空間サンプリングパターン１３０を用いた画像再構成は、かなりのアーティファクトを示す。したがって、ｋ空間サンプリングパターン１３０を使用することは、５８８３個のデータサンプルだけをランダムに取得することによりデータ取得プロセスを高速化するが、その技法は、完全にサンプリングされた画像のものと比較できる高品質の画像再構成を可能にすることはない。

図３は、これも従来技術を示しているランダムなｋ空間サンプリングパターン１４０を示す。サンプリングパターン１４０は、図２で示すランダムなｋ空間サンプリングパターン１３０における５８８３データサンプルだけとは反対に、合計２６７２６個のデータサンプルがランダムに取得される簡単なｋ空間サンプリングパターンである。吹き出し部１４２で示すように、データ点１２９は、ｋ空間全体にランダムに取得されるが、図２で示すものよりもはるかに高密度で取得される。したがって、サンプリングパターン１４０を使用する画像再構成は、画像アーティファクトをほとんど示さず、したがって、完全にサンプリングされた画像と同様の画像を得ることができる。しかし、ランダムなｋ空間サンプリングパターン１４０は、合計２６７２６個の取得されたデータ点を含むので、取得されたデータ量は、完全にサンプリングされた画像と比較して、著しく低減されてはおらず、したがって、走査時間は大幅に低減されない。以下で述べるように、本発明の諸実施形態は、全体の走査時間をさらに低減しながら、非常にわずかのアーティファクトを有する再構成画像を提供する。

次に図４を参照すると、図は、本発明の実施形態による「クラスタ化された非干渉性」のｋ空間サンプリングパターン１５０を示す。容易に示されるように、２１×２１の完全にサンプリングされた中心領域の外側の、合計５８８３個のデータサンプルを有するクラスタ化された非干渉性サンプリングパターンが取得される。しかし、これも取得された合計５８８３個のデータサンプルを有する、図２で示すランダムサンプリングパターン１３０とは異なり、クラスタ化された非干渉性サンプリングパターン１５０は、高度に非干渉性であり、かつ高度にクラスタ化された方法でデータサンプルを取得する。吹き出し部１７２は、この高度に非干渉性であるが、高度にクラスタ化されたパターンを示している。任意のよく知られた画像再構成技法が次いで使用されて、クラスタ化された非干渉性サンプリングパターン１５０からのデータサンプルを用いて画像を再構成することができる。しかし、上記の図２と同様に、クラスタ化されたランダムサンプリングパターン１５０だけを用いて再構成された画像は、５８８３個のデータサンプル単独では、通常、完全にサンプリングされた画像を適切に表すことができないので、かなりのアーティファクトを示す可能性がある。しかし、クラスタ化された非干渉性サンプリングパターン１５０は、各クラスタ１５４で、データ点１３９間の間隔が、パラレルイメージング時間短縮ファクタ（ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｆａｃｔｏｒ）の１／実視野倍を超えないようにして取得される。このように離間することにより、取得されたデータ点１３９を用いてパラレルイメージング技法を実施することが可能になり、ｋ空間のいくつかの部分を満たすように、各クラスタ１５４中のさらなる未取得データを合成するが、それは、図５に関して以下で述べるものとする。

図５を参照すると、「合成された非干渉性」のｋ空間サンプリングパターン１６０が示されている。合成された非干渉性のｋ空間サンプリングパターン１６０は、取得されたデータ点１３９の近くの複数の未取得のデータ点１４１を合成するために、パラレルイメージング技法を受けた、図４のクラスタ化された非干渉性のｋ空間サンプリングパターン１５０から得られたものである。合成された非干渉性のｋ空間サンプリングパターン１６０は、クラスタ化された非干渉性のｋ空間サンプリングパターン１５０からの５８８３個の取得されたデータサンプルを用いて、パラレルイメージングによりさらなるデータ点を合成し、合計２６７２６個のデータサンプルを提供する。図示のように、これらの２６７２６個のデータサンプルは、複数のクラスタ化され、かつ非干渉性のデータ点を形成する。データ点１４１は、ＧＲＡＰＰＡ、ＡＲＣ、ＳＭＡＳＨ、ＡＵＴＯ−ＳＭＡＳＨ、ＰＡＲＳ、およびＡＰＰＥＡＲなど、知られたパラレルイメージング法を用いて合成される。上記で述べたように、ｋ空間中で、取得されたクラスタ化された非干渉性のデータ点１３９に対して十分に近いデータだけが、パラレルイメージングによって成功裡に合成することができる。したがって、典型的なパラレルイメージング技法は、取得されたｋ空間データのうちの、干渉性の、概して等しく離間されたセットから完全なデータセットを合成することができるが、データ点１３９の非干渉性サンプリングパターンによると、未取得データの一部だけを合成することが可能になる。すなわち、図５で示すように、取得されたクラスタ化された非干渉性のデータ点１３９に対して、パラレルイメージング法を適用することから得られる合成されたデータ点１４１は、完全なデータセットを満たすことはないが、それに代えて、取得されたクラスタ化された非干渉性のデータ点１３９と、そのクラスタ化された非干渉性の点の近くにある合成されたデータ点１４１との非干渉性サンプリングパターンを含む、部分的に満たされたグリッドを作成する。サンプリングパターンは、（満たされた場合に）疎であることが予想されるドメインにおいて、非干渉性のアーティファクトを生ずるように配置されるクラスタからなる。各クラスタは、データ点間の間隔が、時間短縮ファクタの１／実視野倍を超えないデータ点から構成される。

データ点のクラスタ１５４を取得するのに使用されるサンプリングパターンは、再構成すべき画像が疎であることが予想されるドメインでアンダーサンプリングするパターンであることをさらに理解されたい。すなわち、最も複雑な医療画像において、画像が、変換の散在性（ｔｒａｎｓｆｏｒｍｓｐａｒｓｉｔｙ）を示すことであり、それは、画像が、空間有限差分法、そのウェーブレット係数、または他の変換で表して疎の表現を有することを意味する。クラスタ化された非干渉性のサンプリングパターンは、疎であることが予想されるドメインで非干渉性のアーティファクトを生ずるように配置された、取得されたデータ点のクラスタからなる。各クラスタは、データ点間の間隔が、時間短縮ファクタの１／実視野倍を超えないデータ点から構成され、したがって、パラレルイメージング技法を実施することが可能になる。したがって、取得されたデータ点のクラスタ１５４が、わずかな量の可能なｋ空間データを表しているに過ぎないとしても、未取得データ点の変換係数は概して無視できる、または重要ではなく、したがって、画像は、それらを使用せずに成功裡に再構成することができる。

図５で示す合成された非干渉性のｋ空間サンプリングパターンは、圧縮センシングとして知られた再構成法を増補することを意味する。圧縮センシングは、大部分の医療画像がある程度の圧縮性を有するという観察から由来している画像再構成技法である。圧縮センシング技法では、画像が、（ウェーブレットドメインなどの）知られた変換ドメインで疎の表現を有すること、およびｋ空間のアンダーサンプリングによるエイリアシングアーティファクトが、その変換ドメインで非干渉性であること（すなわち、雑音状である）ことが望ましい。言い換えると、データのサンプリングパターンは、疎であるドメインで干渉性を低減するように選択される。この非干渉性は、図５で示すように、データ点をランダムにサンプリングすることによって達成することができる。データをアンダーサンプリングするとエイリアシングを生ずるが、（図５におけるように）アンダーサンプリングがランダムである場合、エイリアシングは非干渉性のものとなり、疎の変換係数に関する非干渉性の妨害として作用する。したがって、Ｌ１ノルム制約などの非線形の再構成スキームを用いると、疎の変換係数が復元され、その結果、画像それ自体を復元することができる。

上記で述べた圧縮センシング技法を適用する場合、画像再構成の成功（すなわち、得られた画像の明瞭度）は、変換係数の散在性に基づいており、また非干渉性の妨害が小さく、ランダムな統計量を有することである。したがって、圧縮センシング技法では、非干渉性のサンプリングパターンを作成するために、データをランダムにアンダーサンプリングすることが非常に重要である。この理由のために、図５で示す合成された非干渉性のｋ空間サンプリングパターン１６０に対して、圧縮センシング技法を適用することは、アーティファクトをほとんど伴わずに高品質の画像を生成する。さらに、合成された非干渉性のｋ空間サンプリングパターン１６０、および図３で示すランダムなｋ空間サンプリングパターン１４０は共に２６７２６個のデータ点を含むが、サンプリングパターン１６０は、５８８３個の「取得された」データ点を含むだけであり、一方、残りのデータ点は、パラレルイメージング技法を用いて合成された。したがって、本発明は、圧縮センシングを用いて、効果的に画像再構成を可能にするだけではなく、わずかな量の取得されたデータだけを用いて、未取得データを合成するためにパラレルイメージングを用いることにより走査時間を低減することもできる。

図６を次に参照すると、本発明の実施形態に従ってＭＲ画像を再構成するための技法１１８を表す流れ図が示されている。本技法はブロック１２０で開始し、複数の非干渉性のｋ空間位置に対して、アンダーサンプリングされたＭＲデータが取得される。上記で詳細に述べたように、複数の非干渉性のｋ空間位置は、実際は、パラレルイメージング技法をそれに適用可能にするために、点が互いに十分に近いクラスタ化された非干渉性パターンとなるように方向付けられている。ブロック１２２で示すように、ｋ空間中で取得されたデータの近くの未取得データは、任意のよく知られたパラレルイメージング技法を用いて合成される。ブロック１２０におけるＭＲデータの取得の後に続いて実施されるものとして示されているが、未取得データの合成は、ＭＲデータのクラスタ化された非干渉性の取得中に実施できることも考えられる。合成されたデータは、すべての未取得のデータ点を満たすことができないが、それに代えて、元々取得された「クラスタ化された非干渉性」のサンプリングパターンのｋ空間データおよびパラレルイメージングを介して得られた合成データを含む増補されたデータセットを作成する。最後に、ブロック１２４で、「クラスタ化された非干渉性」のｋ空間データ、およびパラレルイメージング技法を介して合成されたデータに基づき、圧縮センシング技法が画像を再構成するために適用される。

図６で示す画像再構成の方法は、パラレルイメージングおよび圧縮センシングを用いる以前の作業に対して多くの利点を有する。１つの主な利点は、パラレルイメージング技法と圧縮センシング技法を、再構成法の２つの別々の「段階（ｐｈａｓｅｓ）」へと分離することにより、任意の所与の走査シーケンスに対して、各技法を別々に調整し、かつ最適化できるようにしたことである。すなわち、パラレルイメージングを別個に実行することにより、圧縮センシング技法の設定パラメータを変えることなく、パラレルイメージング技法それ自体を最適化することができる。同様に、圧縮センシング技法もまた、独立して最適化することができる。

さらに、パラレルイメージング技法が別個の「段階」であるので、ロバスト性と、パラレルイメージング（ＧＲＡＰＰＡおよびＡＲＣなど）に対して非反復法を適用する計算上の利点とが可能になる。さらに、圧縮センシングの前にパラレルイメージング「段階」を適用することにより、圧縮センシング「段階」に対して提示される画像再構成問題のサイズおよび複雑さが大きく低減され、したがって、圧縮センシング「段階」の計算性能が改良される。全体として、実際に取得されるデータ量は最小限のものであるので、本発明の実施形態により、ＭＲ走査時間を大幅に低減することが可能になり、このような走査時間の低減は、画像品質の低下を最小限にする。

図６で述べた諸ステップは、コンピュータまたはコンピュータ可読媒体中にプログラムされるようにさらに動作可能である。したがって、本発明は、コンピュータまたはコンピュータ可読媒体により読み取られたコンピュータプログラムの使用を介して自動的に実施することができる。

開示された方法および装置に対する技術的な寄与は、走査時間をさらに低減しながら、ＭＲ画像を再構成するために、別々に実施されたパラレルイメージングと圧縮センシング技法を組み合わせる、コンピュータで実施される技法を提供することである。

したがって、本発明の一実施形態によれば、ＭＲ撮像装置は、磁石の内径周りに配置された複数の傾斜コイル、ＲＦ受信装置システム、およびＭＲ画像を取得するために信号をＲＦコイルアセンブリに送信するパルスジェネレータによって制御されるＲＦスイッチを有する磁気共鳴撮像システムを含む。このシステムはまた、ｋ空間グリッドの全体に満たない複数のｋ空間位置に対してアンダーサンプリングされたＭＲデータを取得するようにプログラムされたコンピュータを含む。このコンピュータは、ＭＲデータが取得されなかった一部のｋ空間位置に対してパラレルイメージング技法により未取得のＭＲデータを合成するように、かつアンダーサンプリングされて取得されたＭＲデータおよび合成された未取得のデータから、再構成された画像を生成するために、圧縮センシング再構成技法を適用するようにさらにプログラムされる。

本発明の他の実施形態は、コンピュータプログラムがその上に記録されたコンピュータ可読記憶媒体を含む。コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されたとき、ＲＦ受信装置コイルアレイから、関心オブジェクトからのＭＲデータを取得する命令を含み、そのＭＲデータは、ｋ空間グリッドの全体に満たない複数のｋ空間位置から取得された、アンダーサンプリングされたＭＲデータセットを含んでいるが、その場合、ＭＲデータは、ｋ空間内でクラスタ化された非干渉性パターンで取得される。プログラム命令はさらに、アンダーサンプリングされたＭＲデータセットを用いて画像を再構成するために、再構成技法をコンピュータに実施させる。

本発明のさらに他の実施形態によれば、磁気共鳴（ＭＲ）画像を生成するための方法は、未取得のＭＲデータのパラレルイメージング合成を可能にするように配置された複数のｋ空間位置に対して、アンダーサンプリングされたＭＲデータを取得すること、および未取得のＭＲデータの一部を合成するためにパラレルイメージング技法を適用することを含む。本方法は、アンダーサンプリングされて取得されたＭＲデータと、未取得のＭＲデータの合成された部分を組み合わせて、所望の非干渉性を有する合成ＭＲデータセットを生成すること、および合成ＭＲデータセットに対して、圧縮センシング再構成技法を別個に適用し、再構成された画像を取得することをさらに含む。

本発明は、好ましい実施形態の点から述べられてきたが、明示的に述べられたものは別にして、均等な形態、代替形態、および変更形態が可能であり、添付の特許請求の範囲に含まれることを理解されたい。プロセスまたは方法ステップの順序およびシーケンスは、代替の実施形態に従って変えることができ、あるいは再度順序付けを行うことができる。

１０磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）システム
１２オペレータコンソール
１３入力装置
１４制御パネル
１６表示画面、ディスプレイ
１８リンク
２０コンピュータシステム
２０ａバックプレーン
２２画像プロセッサモジュール
２４ＣＰＵモジュール
２６メモリモジュール
３２システム制御
３２ａバックプレーン
３４シリアルリンク
３６ＣＰＵモジュール
３８パルスジェネレータモジュール、パルスモジュール
４０シリアルリンク
４２傾斜増幅器、傾斜増幅器システム
４４生理学的取得制御装置
４６走査室インターフェース回路
４８患者位置決めシステム
５０傾斜コイル、傾斜コイルアセンブリ
５２磁石、磁石アセンブリ
５４分極磁石
５６全身ＲＦコイル
５８ＲＦトランシーバシステム
６０ＲＦ増幅器
６２送信／受信スイッチ、ＲＦスイッチ
６４前置増幅器
６６メモリモジュール
６８アレイプロセッサ
１０５ｋ空間の中心領域、中心部分
１１０データ点
１１５周辺領域
１１７吹き出し領域
１２９データ点
１３０ｋ空間サンプリングパターン
１３９データ点
１４０ランダムなｋ空間サンプリングパターン
１４１データ点
１４２吹き出し部
１５０クラスタ化された非干渉性のｋ空間サンプリングパターン
１５４クラスタ
１７２吹き出し部
１６０合成された非干渉性のｋ空間サンプリングパターン

Claims

磁石（５２）の内径周りに配置された複数の傾斜コイル（５０）、ＲＦトランシーバシステム（５８）、およびＭＲ画像を取得するためにＲＦ信号をＲＦコイルアセンブリに送信するように、パルスモジュール（３８）によって制御されるＲＦスイッチ（６２）を有する磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）システム（１０）と、
ｋ空間グリッドの全体に満たない複数のｋ空間位置に対してアンダーサンプリングしたＭＲデータを取得し（１２０）、
ＭＲデータが取得されなかった一部のｋ空間位置に対してパラレルイメージング技法により未取得のＭＲデータを合成し（１２２）、かつ
前記アンダーサンプリングされて取得されたＭＲデータおよび前記合成された未取得のＭＲデータから、再構成された画像を生成するために、圧縮センシング再構成技法を適用する（１２４）ようにプログラムされたコンピュータと、
を備えるＭＲＩ装置。
前記アンダーサンプリングされて取得されたＭＲデータが、ｋ空間内で、クラスタ化された非干渉性パターン（１５０）で取得されることを特徴とする請求項１記載の装置。
前記クラスタ化された非干渉性パターン（１５０）が、デカルトのサンプリングパターンを含むことを特徴とする請求項２記載の装置。
前記コンピュータが、完全にサンプリングされたｋ空間の中心部分（１０５）を取得するようにさらにプログラムされることを特徴とする請求項１記載の装置。
前記コンピュータが、前記圧縮センシング技法の前に、かつ前記圧縮センシング技法とは別個に、前記パラレルイメージング技法を適用するようにさらにプログラムされることを特徴とする請求項１記載の装置。
前記パラレルイメージング技法が、ＳＭＡＳＨ（ＳｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｏｆＳｐａｔｉａｌＨａｒｍｏｎｉｃｓ）、ＡＵＴＯ−ＳＭＡＳＨ（ＡｕｔｏｍａｔｉｃＳｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｏｆＳｐａｔｉａｌＨａｒｍｏｎｉｃｓ）、ＧＲＡＰＰＡ（ＧｅｎｅｒａｌｉｚｅｄＡｕｔｏｃａｌｉｂｒａｔｉｎｇＰａｒｔｉａｌｌｙＰａｒａｌｌｅｌＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；オートキャリブレーションパラレル法）、ＰＡＲＳ（ＰａｒａｌｌｅｌＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｓｏｎａｎｃｅＩｍａｇｉｎｇｗｉｔｈＡｄａｐｔｉｖｅＲａｄｉｕｓｉｎｋ−ｓｐａｃｅ）、ＡＲＣ（ＡｕｔｏｃａｌｉｂｒａｔｉｎｇＲｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｆｏｒＣａｒｔｅｓｉａｎＳａｍｐｌｉｎｇ）、およびＡＰＰＥＡＲ（Ａｎｔｉ−ａｌｉａｓｉｎｇＰａｒｔｉａｌｌｙＰａｒａｌｌｅｌＥｎｃｏｄｅｄＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎＲｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ）のうちの１つを含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
前記パラレルイメージング技法および前記圧縮センシング技法が、独立して最適化されることを特徴とする請求項１記載の装置。
前記パラレルイメージング技法が、非逐次パラレルイメージング技法であることを特徴とする請求項１記載の装置。
前記コンピュータが、ＭＲデータの取得と並行して前記パラレルイメージング技法を適用するようにさらにプログラムされることを特徴とする請求項１記載の装置。