JP2009508654A

JP2009508654A - 高度に限定された磁気共鳴スペクトロスコピー画像再構成方法

Info

Publication number: JP2009508654A
Application number: JP2008532383A
Authority: JP
Inventors: チャールズエイ．ミストレッタ，; スコットリーダー，; ジョンペリー，; オリバーウィーベン，
Original assignee: Wisconsin Alumni Research Foundation
Current assignee: Wisconsin Alumni Research Foundation
Priority date: 2005-09-22
Filing date: 2006-09-21
Publication date: 2009-03-05
Also published as: EP1927008A1; WO2007038203A1

Abstract

エコー時間（ＴＥ）のようなＭＲパラメータが変更される一連の画像フレームが取得され、結果として取得された画像フレームが代謝産物のＭＲＳ画像を生成するために用いられる。複数の画像フレームについて取得したデータから合成画像を再構成すること、及び合成画像による高度に限定された画像再構成方法を使用して各画像フレームを生成することによって、画像品質を犠牲にすることなくスキャン時間が短縮される。
【選択図】図５

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２００５年９月２２日付で出願された、発明の名称が「高度に限定されたイメージの再構成法(HIGHLY CONSTRAINED IMAGE RECONSTRUCTION METHOD)」の米国特許仮出願第６０／７１９，４４５号、および２００６年３月２０日付で出願された、発明の名称が「高度に限定された磁気共鳴スペクトロスコピー画像再構成方法(HIGHLY CONSTRAINED MAGNETIC RESONANCE SPECTROSCOPY IMAGE RECONSTRUCTION METHOD)」の米国特許仮出願第６０／７８３，９６２号に基づく。

（連邦政府の支援による研究に関する記載）
本発明は、米国国立衛生研究所によって認められた認可番号第１Ｒ０１ＨＬ７２２６０−０１に基づいて、政府の支援でなされた。米国政府は、本発明に一定の権利を有する。

（発明の背景）
本発明の分野は、磁気共鳴スペクトロスコピー（分光法(spectroscopy)）である。

磁気共鳴スペクトロスコピー（ＭＲＳ）は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）現象を利用して組織構成成分のスペクトルを作成する。ヒト組織等の物質が均一な磁場（分極磁場Ｂ₀）に晒されると、その組織内におけるスピンの個々の磁気モーメントは、この分極磁場によって整列しようとするが、その周囲ではそれらの固有のラーモア周波数で、でたらめな順序に歳差運動を行う。この物質すなわちこの組織が、ｘ−ｙ平面にあり、かつ、ラーモア周波数に近い磁場（励起磁場Ｂ₁）に晒されると、ネット整列モーメントＭ_zは、そのｘ−ｙ平面に対して回転し、あるいは「傾いて」、ネット横磁気モーメントＭ_tを作り出す。信号がその励起されたスピンによって出力され、励起信号Ｂ₁が終了した後で、この信号が受信及び処理されて特定の物質のスペクトルを形成することができる。

磁気共鳴スペクトロスコピー（ＭＲＳ）は、対象の容積内に配置される個々の化合物を確定するためにｉｎｖｉｖｏで使用することができる。ＭＲＳの基礎を成す原理は、原子核があらゆる外部磁場から核をわずかに遮断する電子雲によって取り囲まれていることである。電子雲の構造は個々の分子又は化合物に固有であるため、このスクリーニング効果の度合いも個々の核の化学環境の特性である。核の共振周波数は核が受ける磁場に比例するため、共振周波数は外部から印加される場のみならず、電子雲によって生成される小さな場のシフトによっても求めることができる。通常は主な周波数の「百万分率」（ＰＰＭ）として表されるこの化学シフトの検出には、主な磁場Ｂ₀が高度に均質である必要がある。

典型的には、関心領域における特定の化学結合の存在を表す一次元（１Ｄ）周波数スペクトルを生成するのにＭＲ陽子スペクトロスコピーが使用される。医療診断及び処置においては、ＭＲＳは関心領域、多くの場合にはヒトの脳から代謝産物を同定及び定量化する非侵襲的な手段を提供する。種々の分子の周波数成分から結果として生じる相対スペクトル振幅を見出すことによって、医療専門家は、アルツハイマー病、癌、脳梗塞等のような疾患、障害及び他の症状を示す化学種及び代謝産物を同定することができる。これに関連して、典型的には２つの核¹Ｈ及び³¹Ｐが特に関心がある。リン３１ＭＲＳは、膜合成及び分解に関連するエネルギー代謝に関与する化合物の検出を対象とする。陽子ＭＲＳ研究における特に関心のある代謝産物は、グルタミン酸塩（Ｇｌｕ）、グルタイニン（Ｇｌｎ）、コリン（Ｃｈｏ）、クレアチン（Ｃｒｅ）、Ｎ−アセチルアスパラギン酸塩（ＮＡＡ）、及びイノシトール（ｍｌ及びｓｌ）を含む。過分極化Ｃ１３のような新規の造影剤によって、人体内の代謝過程を、例えば癌検出に関して、関心領域内のさまざまな代謝産物からの信号寄与を分析することによって観察することができる。また、³¹Ｐスペクトロスコピーを使用して心臓エネルギー論において多大な研究が為されている。

これらの信号を利用してスペクトル画像を作成する際、磁場勾配（Ｇ_x、Ｇ_y、及びＧ_z）が用いられる。典型的には、撮像すべき領域は、使用される特定の位置決定法に従ってこれらの勾配が変動する連続的な測定サイクルにより走査される。当業界では各測定を「ビュー(view)」と呼び、このビューの個数がその画像の解像度および品質を決定する。結果として生じる受信ＮＭＲ信号またはビューまたはｋ空間サンプル数のセットはデジタル化され、処理されて、広く知られた多くの再構成技術の一つを用いて画像が再構成される。合計走査時間は、一部には、一つの画像に対して取得される測定サイクル数すなわちビューの個数により決定されるため、取得するビューの個数を少なくして画像の解像度および品質を犠牲にすることにより短縮することができる。

画像を再構成できるＮＭＲデータセットを取得するための最も一般的な方法は、「フーリエ変換」イメージング技術または「スピン−ワープ」技術と呼ばれるものである。この技術は、W.A.Edelsteinらによる「スピン−ワープＮＭＲイメージング法、及び、ヒト全身イメージングへの適用例(Spin-Warp NMR Imaging and Applications to Human Whole-Body Imaging)」（Physics in Medicine and Biology、Vol.25、p.751-756(1980)）と題する論文で検討されている。その方法は、ＮＭＲ信号を取得する前に、可変式振幅位相コード化磁場勾配パルスを使用し、この勾配方向における空間情報を位相コード化する。二次元的な実施態様（２ＤＦＴ）では、例えば、一つの方向に沿った位相コード化勾配（Ｇ_y）を適用することにより、空間情報がその方向においてコード化され、その後、この位相コード化方向に直交した一つの方向における読取り磁場勾配（Ｇ_x）の存在下において信号が取得される。スピン−エコーの取得中に存在するこの読取り勾配が、その直交方向における空間情報をコード化する。典型的な２ＤＦＴパルスシーケンスでは、位相コード化勾配パルスＧ_yの大きさは、走査中に取得される一連のビューで増分（Ｇ_y）的に増加される。三次元的な実施態様（３ＤＦＴ）では、各信号読取りの前に、第三の勾配（Ｇ_z）が適用され、その第三の軸に沿ってコード化が為される。この第二の位相コード化勾配パルスＧ_zの大きさも、走査中の値を通じて段階的に変えられる。これらの２ＤＦＴ法及び３ＤＦＴ法は、直線(rectilinear)パターンでｋ空間をサンプリングする。

また、最近では、米国特許第６，４８７，４３５号明細書に開示されているように、時間分解ＭＲＡデータを取得するために投影(projection)再構成法を用いる研究も行われている。投影再構成法は、磁気共鳴イメージング法の開始以来知られている。投影再構成法は、フーリエ・イメージング法で為されるような図２に示されている如き直線走査パターンでｋ空間をサンプリングするのではなく、図３に示されている如く、ｋ空間の中央から外向きに伸びる半径方向の線をサンプリングする一連のビューを伴ってｋ空間をサンプリングする。ｋ空間をサンプリングするのに必要なラジアル投影ビューの個数は、その走査の長さを決定し、もし不十分な個数のビューが取得された場合には、その再構成画像にストリーク(streak)・アーチファクトが作成される。米国特許第６，４８７，４３５号明細書に開示されている技術は、連続的にアンダーサンプリングされた画像を、インタリーブ(interleaved)投影ビューで取得し、周囲のｋ空間データを連続画像間で共有することによって、このようなストリーキング(streaking)を低減している。

例えば、米国特許第６，７１０，６８６号明細書で説明されているとおり、取得されたｋ空間ラジアル投影ビューのセットから画像を再構成するのに用いられる２つの方法がある。最も一般的な方法は、半径方向にサンプリングした軌跡上の位置からデカルト格子へ、ラジアルｋ空間サンプルを格子変えするものである。その後、画像は、格子変えされたｋ空間サンプルを通常の２Ｄまたは３Ｄフーリエ変換することによって再構成される。画像を再構成する第２の方法は、各ラジアル投影ビューをフーリエ変換することによって、半径方向のｋ空間投影ビューをラドン空間へ変換することである。画像は、Ｘ線ＣＴ投影で通常行われているように、これらの信号投影をフィールド・オブ・ビュー（ＦＯＶ）へフィルタリングおよび逆投影することによって、それら信号投影から再構成される。当分野でよく知られているとおり、取得された信号投影がナイキストのサンプリング定理を満たすのに数が不足している場合、その再構成画像にはストリーク・アーチファクトが発生する。

標準的な逆投影方法が図４に示されている。各取得信号投影プロファイル１０が、プロファイル１０内で、ＦＯＶ１２を通って、矢印１６で示された投影経路に沿って各信号サンプル１４を投影することによって、ＦＯＶ１２上に逆投影される。ＦＯＶ１２内の各信号サンプル１４を投影する際に、本発明者らは、対象に関する先験的な情報を何ら有しておらず、ＦＯＶ１２内のＮＭＲ信号が均質であり、信号サンプル１４は、投影経路が通る各２Ｄ又は３Ｄ画素に均等に分布していると仮定する。例えば、図４では、投影経路８がＦＯＶ１２内のＮ個の画素を通るときの、単一の投影プロファイル１０における単一の信号サンプル１４についての投影経路８が示されている。この信号サンプル１４の信号値（Ｐ）は、これらのＮ個の画素の間で均等に分割される。

（ここで、Ｓ_nは、Ｎ個の画素を有する逆投影経路内のｎ番目の画素に分配されるＮＭＲ信号値である。）

明らかに、ＦＯＶ１２のＮＭＲ信号は均等であるという仮定は正しくない。しかし、当分野でよく知られているとおり、各信号プロファイル１０に対してある一定の補正がなされ、十分な個数のプロファイルが、対応する個数の異なる投影角で取得されるならば、この誤った仮定により生じる誤差が最小限になり、画像アーチファクトが抑制される。画像再構成の典型的なフィルタ補正逆投影法では、２５６×２５６画素の２Ｄ画像に対しては４００個の投影が典型的に必要であり、２５６×２５６×２５６画素の３Ｄ画像に対しては２０３，０００個の投影が必要となる。上で引用した米国特許第６，４８７，４３５号明細書に記載された方法が用いられる場合、これらの同じ画像に必要な投影ビューの個数は、１００個（２Ｄ）と２０００個（３Ｄ）に減らすことができる。

（発明の要約）
本発明は、被験者のＭＲ画像を生成する方法であり、本方法において、投影ビューの複数のセットがパルスシーケンスを使用して取得され、パルスシーケンス内のＭＲパラメータはセットごとに変更される。取得投影ビューはインターリーブされ、２セット以上の取得投影ビューを使用して合成画像が再構成される。次いで、画像フレームの高度に限定された逆投影再構成が、合成画像及び各セットの取得投影ビューを使用して実施される。高度に限定された画像再構成は、各取得投影ビューの逆投影を、合成画像内の対応する画素値によって重み付けすることを含む。

本発明の全般的な目的は、種々のＭＲパラメータによって取得される画像フレームの品質を改善することである。より多数の、インターリーブされた取得投影ビューを使用して合成画像を再構成することによって、その品質は投影ビューの各セットのみから再構成される画像フレームよりも高くなる。より高い品質の合成画像を使用して各画像フレームの再構成を限定することによって、このより高い品質が各画像フレームに伝達される。

別の目的は、ＭＲＳ画像の再構成を改善することである。一連のＭＲ画像フレームを取得することによって組織中の代謝産物のスペクトルを生成することができる。当該一連のＭＲ画像フレームにおいて、エコー時間（ＴＥ）のようなＭＲパラメータは、連続するＭＲ画像フレームが取得される間に或る値の範囲を通じて変更される。高度に限定された画像再構成方法を使用することによって、これらの画像の品質を所与の取得時間にわたって大幅に改善することができ、結果として画像フレームから生成されるＭＲＳ画像は大幅に改善されている。

本発明の発見は、ＦＯＶ１２内のＮＭＲ信号輪郭の先験的な情報が、仮定した均等な信号輪郭のかわりに逆投影プロセスで用いられるならば、大幅に少ない投影信号プロファイルを用いて良質のＭＲスペクトロスコピー画像を生成できることである。例えば、図５を参照すると、ＦＯＶ１２の信号輪郭は、血管１８及び２０などの構造体を含むことが分かる。実際には、逆投影経路８がこれらの構造体を貫通するとき、信号サンプル１４の各画素へのより正確な分配が、その画素位置で既知のＮＭＲ信号輪郭の関数として分配に重み付けすることによって達成される。その結果、大多数の信号サンプル１４が、図５の例において、構造体１８及び２０と交差する画素で分配される。Ｎ個の画素を有する逆投影経路８については、これは、以下のように表すことができる。

（ここで、Ｐは、ＮＭＲ信号サンプル値であり、Ｃ_nは、逆投影経路に沿ったｎ番目の画素（又はボクセル）における先験的な合成画像の信号値である。）
数式（２）の分子は、合成画像において、対応するＮＭＲ信号値を用いた各画素に重み付けし、分母は、全逆投影信号サンプルが、時間フレームに対する投影総和を反映し、合成画像の総和により乗算されないように、その値を正規化している。この正規化は、逆投影が実行された後に各画素で別個に行われることができるが、多くの臨床使用では、逆投影の前に投影Ｐを正規化する方がはるかに容易であることに留意すべきである。この場合、投影Ｐは、同じビュー角での合成画像を通した投影において対応する値Ｐ_Cで割ることによって正規化される。次に、正規化された投影Ｐ／Ｐ_Cは逆投影され、次に、結果として得た画像は合成画像を乗算される。

本発明の３Ｄの実施態様が、ビュー角θとφで特徴付けられる単一の３Ｄ投影ビューに対して、図６に図示されている。この投影ビューは、フーリエ変換されて信号輪郭を形成し、軸１６に沿って逆投影され、逆投影軸１６に沿った距離ｒにおいてラドン平面２１に広がる。投影信号輪郭値がフィルタ処理され、連続したラドン平面に、軸１６に沿って均等に分配されるフィルタリング逆投影の代わりに、投影信号輪郭値が、合成画像内の情報を用いて、ラドン平面２１に分配される。図６における合成画像は、血管１８及び２０を含む。重み付けされた信号輪郭値が、合成画像内の対応する位置ｘ、ｙ、ｚでの強度に基づいて、ラドン平面２１内の画像位置ｘ、ｙ、ｚで置かれる。これは、対応する合成画像のボクセル値と信号プロファイル値との簡単な乗算である。次に、この積は、合成画像から形成された対応画像空間プロファイルからのプロファイル値でこの積を割ることによって正規化される。３Ｄ再構成に対する式は以下になる。

（ここで、総和（Σ）は、イメージフレーム内の全投影であり、特定のラドン平面内のｘ、ｙ、ｚ値は、その平面に対する適正なｒ、θ、φ値におけるプロファイルＰ（ｒ，θ，φ）を用いて算出される。Ｐ_c（ｒ，θ，φ）は、合成画像からの対応プロファイル値であり、Ｃ（ｘ，ｙ，ｚ）_(r,θ,φ)は、（ｒ，θ，φ）での合成画像値である。）

本発明の別の発見は、合成画像を再構成することができると共にアンダーサンプリングされた画像の再構成を強化する先験的な情報がＭＲ分光走査において利用可能であることである。一連の画像フレームが走査中に取得されると、取得ビューの非常に限定されたセットを使用して各画像フレームを再構成することができる。しかしながら、このような各セットのビューは他の画像フレームのために取得されたビューによってインターリーブされており、多数の画像フレームが取得された後、本発明に従って使用するための高品質の合成画像を再構成するために十分な数の種々のビューが利用可能となる。合成画像の改善された信号対雑音比（ＳＮＲ）が、高度に限定された逆投影方法によって各画像フレームに伝送される。

（好ましい実施態様の詳細な説明）
特に図１を参照すると、本発明の好ましい実施態様がＭＲＩシステムに用いられる。ＭＲＩシステムは、ディスプレイ１１２及びキーボード１１４を有するワークステーション１１０を備える。ワークステーション１１０は、市販のオペレーティングシステムを走らせている市販のプログラマブルマシンであるプロセッサ１１６を備える。ワークステーション１０は、スキャン指示をＭＲＩシステムに入力できるようにするオペレータインタフェースを提供する。

ワークステーション１１０は４つのサーバ、すなわちパルスシーケンスサーバ１１８、データ取得サーバ１２０、データ処理サーバ１２２、及びデータ記憶サーバ２３に結合される。好ましい実施態様では、データ記憶サーバ２３は、ワークステーションプロセッサ１１６及び関連するディスクドライブインタフェース回路によって実行される。残りの３つのサーバ１１８、１２０及び１２２は、単一のエンクロージャに搭載され、且つ６４ビットバックプレーンバスを使用して相互接続された別個のプロセッサによって実行される。パルスシーケンスサーバ１１８は、市販のマイクロプロセッサ及び市販の４通信コントローラを用いる。データ取得サーバ１２０及びデータ処理サーバ１２２は両方とも、同じ市販のマイクロプロセッサを用い、データ処理サーバ１２２は、市販のパラレルベクトルプロセッサに基づいた１つ又は複数のアレイプロセッサをさらに備える。

ワークステーション１０及びサーバ１１８、１２０及び１２２の各プロセッサは、シリアル通信ネットワークに接続される。このシリアルネットワークは、ワークステーション１１０からサーバ１１８、１２０及び１２２にダウンロードされたデータを伝達するとともに、サーバ間及びワークステーションとサーバの間で通信されるタグデータを伝達する。これに加えて、高速データリンクがデータ処理サーバ１２２とワークステーション１１０の間に設けられて、画像データをデータ記憶サーバ２３に伝達する。

パルスシーケンスサーバ１１８は、ワークステーション１１０からダウンロードされたプログラム要素に応答して、勾配システム２４及びＲＦシステム２６を動作させるように機能する。指定されたスキャンを実行するために必要な勾配波形が生成されて勾配システム２４に与えられ、勾配システム２４はアセンブリ２８内の勾配コイルを励起して、ＮＭＲ信号の位置エンコーディングに使用される磁場勾配Ｇ_x、Ｇ_y、及びＧ_zを生成する。勾配コイルアセンブリ２８は、分極マグネット３２及び全身ＲＦコイル３４を備えるマグネットアセンブリ３０の一部を成す。

ＲＦ励起波形が、ＲＦシステム２６によりＲＦコイル３４に与えられて、指定の磁気共鳴パルスシーケンスを実行する。ＲＦコイル３４により検出される応答性ＮＭＲ信号はＲＦシステム２６により受信され、パルスシーケンスサーバ１１８により生成されるコマンドの命令の下で増幅され、復調され、濾波され、デジタル化される。ＲＦシステム２６は、ＭＲパルスシーケンスに使用される広範なＲＦパルスを生成するＲＦトランスミッタを備える。ＲＦトランスミッタは、スキャン指示及びパルスシーケンスサーバ１１８からの命令に応答して、所望の周波数、位相、及びパルス振幅波形のＲＦパルスを生成する。生成されたＲＦパルスは、全身ＲＦコイル３４に与えることができ、１つ又は複数のローカルコイル又はコイルアレイに与えることができる。

ＲＦシステム２６は、１つ又は複数のＲＦレシーバチャネルも備える。各ＲＦレシーバチャネルは、接続されているコイルが受け取ったＮＭＲ信号を増幅するＲＦ増幅器、及び受信したＮＭＲ信号のＩ及びＱ直角位相成分を検出しデジタル化する直角位相検出器を備える。受信したＮＭＲ信号の大きさはこうして、Ｉ成分及びＱ成分の二乗和の平方根によりいずれのサンプリングポイントでも求めることができ、

また、受信したＮＭＲ信号の位相も求めることができる。

パルスシーケンスサーバ１１８は任意的に、生理的取得コントローラ３６から患者データを受信する。コントローラ３６は、電極からのＥＣＧ信号又はベローズからの呼吸信号等、患者に接続されたいくつかの異なるセンサから信号を受信する。パルスシーケンスサーバ１１８は通常、このような信号を使用して、スキャンのパフォーマンスを患者の呼吸又は心拍に同期又は「ゲート」させる。

パルスシーケンスサーバ１１８は、患者及びマグネットシステムの状態に関連する各種センサから信号を受信するスキャンルームインタフェース回路３８にも接続する。患者位置合わせシステム４０がスキャン中に患者を所望の位置に移動させるコマンドを受信することもスキャンルームインタフェース回路３８を通してである。

パルスシーケンスサーバ１１８が、スキャン中にＭＲＩシステム要素のリアルタイム制御を行うことが明らかであるべきである。その結果、そのハードウェア要素がランタイムプログラムにより適時に実行されるプログラム命令で動作することが必要である。スキャン指示の指令構成要素は、ワークステーション１１０からオブジェクトの形でダウンロードされる。パルスシーケンスサーバ１１８は、これらオブジェクトを受け取るプログラムを含み、これらオブジェクトをランタイムプログラムに用いられるオブジェクトに変換する。

ＲＦシステム２６により生成される、デジタル化されたＮＭＲ信号サンプルをデータ取得サーバ１２０が受け取る。データ取得サーバ１２０は、ワークステーション１１０からダウンロードされる指令構成要素に応答して動作し、リアルタイムＮＭＲデータを受け取り、データがデータオーバーランにより失われないようにバッファストレージを提供する。スキャンによっては、データ取得サーバ１２０は、取得されたＮＭＲデータをデータプロセッササーバ１２２に渡すにすぎない。しかし、取得されたＮＭＲデータから導出された情報をスキャンのさらなるパフォーマンスの制御に必要とするスキャンでは、データ取得サーバ１２０は、このような情報を生成してパルスシーケンスサーバ１１８に伝達するようにプログラムされる。例えば、プレスキャン中、ＮＭＲデータを取得し、これを使用してパルスシーケンスサーバ１１８により行われるパルスシーケンスを較正する。また、ナビゲータ信号をスキャン中に取得し、これを使用して、ＲＦシステム又は勾配システムの動作パラメータを調整し、又はｋ空間がサンプリングされるビュー順序(view order)を制御することができる。また、データ取得サーバ１２０を用いて、ＭＲＡスキャン中に造影剤の到着を検出するために使用されるＮＭＲ信号を処理することができる。これら例のすべてにおいて、データ取得サーバ１２０はＮＭＲデータを取得し、リアルタイムで処理して、スキャンの制御に使用される情報を生成する。

データ処理サーバ１２２は、ＮＭＲデータをデータ取得サーバ１２０から受け取り、ワークステーション１１０からダウンロードされた指令構成要素に従って処理する。このような処理には、例えば、未処理のｋ空間ＮＭＲデータをフーリエ変換して２次元画像又は３次元画像を生成すること、再構成された画像にフィルタを適用すること、取得されたＮＭＲデータの逆投影画像再構成を行うこと、機能ＭＲ画像を算出すること、動き又は流れの画像を算出すること等を含むことができる。

データ処理サーバ１２２により再構成される画像は再びワークステーション１１０に伝達されて記憶される。リアルタイム画像はデータベースメモリキャッシュ（図示せず）に記憶され、ここから画像を、マグネットアセンブリ３０付近に配置され担当医師により使用されるオペレータディスプレイ１１２又はディスプレイ４２に出力することができる。バッチモード画像又は選択されたリアルタイム画像は、ディスクストレージ４４上のホストデータベースに記憶される。このような画像が再構成されストレージに転送されるとき、データ処理サーバ１２２はワークステーション１１０上のデータ記憶サーバ２３に通知する。オペレータがワークステーション１１０を使用して、画像の保存、フィルムの生成、又はネットワークを介しての他の施設への画像の送信を行うことができる。

本発明の好適な実施態様を実施するため、図７に示すようにＭＲＳデータが、ｋ_z軸からの角度θとｋ_y軸からの角度φにより定義される読取り勾配方向を用いて、３Ｄ球形ｋ空間座標系において取得される。このサンプリング方法は、すべての投影がｋ空間の中央を通過する状態で均等に間隔を置いた一連の投影を含む。その最大ｋ空間半径値（ｋ_max）は、結果として生じる画像の３つすべての空間方向における解像度を決定する。また、その半径方向サンプル間隔（Δｋ_r）は、再構成画像の全フィールド・オブ・ビュー（ＦＯＶ）の直径（Ｄ）を決定する。ナイキスト条件が満たされ、Δｋ_θ、Δｋ_φ≦Δｋ_rの場合には、アーチファクトを伴うことなく、全ＦＯＶ画像を再構成することができる。しかし、この条件が満たされない場合には、全ＦＯＶ（Ｄ）よりも小さな低減された直径（ｄ）内に尚もエイリアスの無い再構成が生じる。それらの投影が均等に間隔を置いて取得されると仮定すれば（Δｋ_θ＝Δｋ_φ＝Δｋ_r）、一つの投影に関わるｋ_maxでの表面積Ａは

である（ここで、Ｎ_pは、取得されたビューまたは投影の個数である。）。式（３）はΔｋを決定し、これにより、角度間隔による低減されたＦＯＶの直径（ｄ）を、以下の如く、全ＦＯＶの直径Ｄと関連付けることができる：

（ここで、Ｎ_Rは、そのＦＯＶを横切るマトリックスのサイズ（即ち、信号読取り中のｋ空間サンプルの個数）である。）。画像ドメインでは、ナイキスト条件が満たされていない場合であっても、良好に構成された低減ＦＯＶが各対象物(object)を中心として現れる。しかし、ｋ空間の周辺におけるアンダーサンプリングのために、外側からの半径方向ストリーク・アーチファクトが、そのローカルＦＯＶに入る可能性がある。ｋ空間が完全にサンプリングされる状態、即ちｄ＝Ｄの状態は、サンプリングされる投影の個数が、

であることを要求する。

例えば、各取得ＮＭＲ信号の読取り中にＮ_R＝２５６サンプルが取得される場合、ナイキスト条件を完全に満たすために必要な投影数Ｎ_pは約１０３，０００個である。

３Ｄ投影としてＭＲＳデータを取得するために使用されるパルスシーケンスが図８に示されている。このシーケンスは、高性能勾配サブシステム（４０ｍＴ／ｍの最大振幅、及び、１５０Ｔ／ｍ／秒の最大追従速度(slew rate)）を備えた上述のＭＲＩシステムで実行される。データ取得ウィンドウ２００の間に全エコー読取りか部分エコー読取りかのいずれかを果たすことができる。部分エコーを選んだ場合には、ｋ空間の底部側半分（ｋ_z＜０）のみが部分的に取得される。

陽子分光法(proton spectroscopy)における水のような、高い度合いの望ましくない信号寄与を、概して２０１で示す予備のパルスシーケンスによって抑制することができる。この予備のパルスシーケンスは、例えば、水の周波数及び各勾配軸に沿って向けられるスポイラ勾配２０５のセットに対して化学的に選択的であるｒｆ励起パルス２０３を含む。水選択的ｒｆパルス２０３は、水の磁化を横断面内に９０度傾け、勾配２０５は、この横磁化をディフェージングして、その結果、水は続くイメージングパルスシーケンスにおいて大きなＮＭＲ信号を生成しない。水の信号が抑制される結果として、関心の代謝産物の信号を含む疎なデータセットが生成される。このような疎なデータセットは、本方法に特に適合する。取得されたＮＭＲ信号においてピークを生成する他のスピン種又は代謝産物を対象とする他の信号抑制技術も用いることができる。

グラジエント・リコールドＮＭＲエコー信号２０３は、その励起されたＦＯＶ内のスピンにより生成され、３つの読取り勾配２０６、２０８、及び２１０の存在下において取得される。すべての方向における大きなＦＯＶのため、非選択的な無線周波数（ＲＦ）パルス２０２を用いて、画像ＦＯＶ全体にわたる横磁化を生成することができる。スラブ選択勾配を必要としないため、読取り勾配波形Ｇ_x、Ｇ_y、及びＧ_zは同様な態様を持つ。この対称性は、そのシーケンスをスポイルする必要性によってのみ妨げられ、その妨害は、ディフェージング勾配ローブ２０４を作用させる(playing)ことにより達成される。Ｇ_x及びＧ_y読取り勾配２０８及び２１０は、定常状態を達成すべく、それぞれの勾配パルス２１４及び２１６により巻き戻される(rewound)。

読取り勾配波形Ｇ_x、Ｇ_y、及びＧ_zは、異なる角度における半径方向軌道をサンプリングすべく走査中に変調される。角度間隔は、サンプリングされるｋ空間球の周縁境界（ｋ_max）でｋ空間サンプルポイントの一様な分布が生じるように選ばれる。その分布を計算する幾つかの方法が知られているが、経路速度及び表面積カバー率(coverage)が一定という条件で螺旋軌道によって球面をサンプリングすることによりそれらの投影を均等に分配する方法が使用される。また、この解決法は、連続的なサンプル経路を発生させるという利点も有しており、これは、勾配切り替え及び渦電流を低減する。Ｎ個の合計投影の場合、投影番号ｎの関数としての勾配振幅に対する式は、

である。

完全にサンプリングされた画像取得を果たす必要がある場合には、式（４）において上で定義されている通り、ＮがＮ_pに設定され、一連のＮ＝Ｎ_p個のパルスシーケンスが実行される。この一連のパルスシーケンスにおけるｎ番目のパルスシーケンスに対する読取り勾配振幅は、式（５）、（６）及び（７）により与えられる。ｎは、走査中に単調な順番で１からＮまでの番号を付けることができるが、他の種々の順番も可能であることが分かる。

ｋ空間の周辺境界上の一点から、ｋ空間の中心を通ってｋ空間の周辺境界上の反対側の点まで延びる好ましい直線軌跡以外のサンプリング軌跡が用いられてもよいことが、当業者には理解されるべきである。上述のとおり、１つの変形態様は、サンプリングされたｋ空間容積の全範囲にわたっては延びていない軌跡に沿ってサンプリングする、部分的なＮＭＲエコー信号２０３を取得することである。直線投影再構成パルスシーケンスと等価である別の変形態様は、直線ではなく曲線経路に沿ってサンプリングすることである。このようなパルスシーケンスは、例えば、Ｆ．Ｅ．Ｂｏａｄａらによる「高速３次元ナトリウムイメージング法(Fast Three Dimensional Sodium Imaging)」（ＭＲＭ，３７：７０６−７１５，１９９７）および、Ｋ．Ｖ．Ｋｏｌａｄｉａらによる「螺旋投影イメージング法を用いた高速３ＤＰＣ−ＭＲＡ(Rapid 3D PC-MRA Using Spiral Projection Imaging)」（Ｐｒｏｃ．Ｉｎｔｌ．Ｓｏｃ．Ｍａｇｎ．Ｒｅｓｏｎ．Ｍｅｄ．１３（２００５））および、Ｊ．Ｇ．ＰｉｐｅとＫｏｌａｄｉａによる「螺旋投影イメージング法：新しい高速３Ｄ軌跡(Spiral Projection Imaging：a new fast 3D trajectory)」（Ｐｒｏｃ．Ｉｎｔｌ．Ｓｏｃ．Ｍａｇ．Ｒｅｓｏｎ．Ｍｅｄ．１３（２００５））において述べられている。本発明は、これらのサンプリング方法の３Ｄバージョンだけでなく２Ｄバージョンで利用可能であり、本明細書において用いられる用語の「画素」の参照は、２Ｄまたは３Ｄ画像のいずれかにおける位置を指すことを意図されている、ことも理解されるべきである。

本発明の第一の好ましい実施態様は、上記の３ＤＰＲパルスシーケンスを使用して、ＭＲＩシステムによって、代謝産物の画像が構成される一連の画像フレームを取得する。特に図９を参照すると、上述のパルスシーケンスにおけるエコー時間（ＴＥ）が初期値に設定され、ＭＲＩシステムにおいて被験者の投影ビューのセットが、プロセスブロック３００において示されるように取得される。高度にアンダーサンプリングされたｋ空間データセットが、ｋ空間を可能な限り均一にサンプリングするために、互いからほぼ等間隔に離間されているこれらの投影によって形成される。例えば、３Ｄ画像フレームは２００個の取得投影ビューしか有しない場合がある。

追加のｋ空間データセットが、プロセスブロック３０２において示されるようにパルスシーケンスにおけるエコー時間（ＴＥ）を変更した後に同様に取得される。５００個〜１０００個の画像フレームが次第により長いエコー時間（ＴＥ）でこのように取得され、２００個の投影ビューが各画像フレームのｋ空間データセットに対して取得される。これらの取得投影ビューのすべてに対する投影角は互いに対してインターリーブされ、それによって、判断ブロック３０４において判断されるスキャンの終了時に、結合された取得によってｋ空間が高度にサンプリングされる。

プロセスブロック３０６において示されるように、次のステップは、すべての取得画像フレームからの結合された投影ビューを使用して合成画像を再構成することである。これは従来の画像再構成であり、好ましい実施態様において、結合３Ｄｋ空間投影データセットを格子変えして３Ｄデカルトｋ空間データセットを形成することによって実施される。合成画像は、格子変えされたｋ空間データセットに対して逆３Ｄフーリエ変換を実施することによって生成される。スキャン中に取得されたすべてのインターリーブされた投影ビューがこの画像再構成において用いられるので、合成画像は、高いＳＮＲ及び最小のストリーク・アーチファクトを有する。

次いで、３０８において全体的に示されるループに入り、当該ループにおいて各画像フレームのｋ空間データセットが合成画像と共に用いられて一連の画像フレームが再構成される。プロセスブロック３１０において示されるように、最初のステップは、フレーム画像ｋ空間投影を、それらをフーリエ変換することによってラドン空間に変換することである。その結果が、図５に示されるような信号プロファイル１０のセットである。プロセスブロック３１２において示されるように、次いで、これらの信号プロファイルのそれぞれが、図５における経路８によって示されるようなＶＯＡ内に逆投影される。この逆投影は合成画像によって重み付けされ、上述のように式（２ａ）を参照して正規化される。これは画像フレーム内の投影ビューごとに繰り返され、高度に限定された逆投影のそれぞれの結果が合計されて、プロセスブロック３１４において示されるように格納される画像フレームが形成される。

このプロセス３０８は、プロセスブロック３１６において示されるように、取得画像フレームのすべてが判断ブロック３１８において判断されるように再構成されるまで繰り返される。図１０に示されるように、一連の三次元画像フレーム３２０はこのように再構成され、エコー時間軸ＴＥに沿って置かれるスペクトロスコピーデータセット３２１として編成されることができる。したがって、画像フレーム３２０内のそれぞれの対応する画素は、連続するエコー時間（ＴＥ）における患者内のｘ、ｙ、ｚ位置におけるＮＭＲ信号の大きさを表し、プロセスブロック３２２において示されるような、このＴＥ軸に沿ったフーリエ変換によって、この位置のスペクトルが生成される。このスペクトルが検査されて、関心の特定の代謝産物に対応する値が位置特定され、そしてこの値が使用されて、プロセスブロック３２４において示されるように、代謝産物の画像内の対応する画素ｘ、ｙ、ｚの輝度が変調される。

上記の手順はまた、特定の代謝産物用に設計されると共に所望のスペクトル解像度を生成するのに必要なパラメータサンプリングがより少ない手順によって代謝産物を撮像するのに使用することができる。例えば、２００５年４月２１日に公開された米国特許出願公開第２００５／００８５７１３号に記載されているような方法を使用して特定の代謝産物を撮像することができる。ここで各代謝産物のピーク周波数は分かっている。被験者の複数の画像が、対応する複数の異なるエコー時間ＴＥによって取得される。異なるエコー時間ＴＥの数は、代謝産物のピーク周波数に対応し、これらの別個の画像フレームは、本発明によるインターリーブされた投影ビューによって取得することができる。結合された取得データによって合成画像が再構成され、次いで、この合成画像は上述のように各画像フレームを再構成するのに使用される。本発明のこの実施態様における表示されたスペクトルピークは、上述のようなＴＥ軸に沿ったフーリエ変換を必要としない。

本発明を多数の他のＭＲ分光測定に適用可能であることが当業者には理解されるべきである。エコー時間（ＴＥ）が、上述の好ましい実施態様において変更されて所与の代謝産物の画像を生成するＭＲパラメータである一方、他のＭＲパラメータも、各セットの画像フレーム投影ビューが取得される間に変更することができる。

本発明はスペクトロスコピー以外のＭＲ手順に適用可能であることも理解されるべきである。例えば、一連の画像フレームを取得して被験者のＴ₂画像を生成することができる。この特定の応用態様では、各画像フレームが上述のように異なるエコー時間（ＴＥ）で取得されるが、データセット３２１における結果として生じる画素値をフーリエ変換する代わりに、位置ｘ、ｙ、ｚにおける連続する画素値がＴ₂緩和減衰曲線に適合（フィット）される。したがって、Ｔ₂緩和時間を各画素位置ｘ、ｙ、ｚにおいて算出することができ、この結果からＴ₂画像を表示することができる。

他のＭＲパラメータも変更することができる。拡散強調イメージング（ＤＷＩ）において、モーションエンコーディング勾配がパルスシーケンス内に含まれ、多数の画像が、方向又は大きさが変更されるＭＲパラメータであるこのモーションエンコーディング勾配によって取得される。本発明は、これらの画像が画像品質を損なうことなくより短い走査時間で取得されることを可能にする。同様に、ＲＦ励起パルスのフリップ角が、被験者の一連の画像フレームを生成するように変更されるＭＲパラメータである一連のＭＲ画像を取得することができる。

本発明を使用して、さまざまな特性を有するボクセルを分離するのを助ける散布図を作成することもできる。散布図の１つの軸は１つのＭＲパラメータ値を示し、散布図の他の軸は第二のＭＲパラメータを示す。各ＭＲパラメータ値は、インターリーブされた投影によって取得されると共にすべてのインターリーブされた投影ビューから再構成される合成画像によって再構成される一連の画像フレームによって測定される。例えば、１つの測定パラメータは、異なるエコー時間ＴＥの一連の画像フレームによって測定されるＴ₂定数とすることができ、他のパラメータは、１つ又は複数の軸に沿った速度エンコーディング勾配を有する１つ又は複数の画像フレームによって測定されるスピン速度とすることができる。結果として各画像画素ｘ、ｙ、ｚにおいて算出される速度及びＴ₂値を使用して、流れている血液のような組織を静止している組織から分け、及び、静脈血を動脈血から分けることができる。

本発明を用いるＭＲＩシステムのブロック図である。図１のＭＲＩシステムを使用した典型的なフーリエ又はスピン−ワープ画像取得中にｋ空間がサンプリングされる方法の図である。図１のＭＲＩシステムを使用した典型的な投影再構成画像取得中にｋ空間がサンプリングされる方法の図である。画像再構成プロセスにおける従来の逆投影ステップの図である。本発明の一部を成す高度に限定された逆投影方法に従って実施されるものと同じステップの図である。本発明による逆投影ステップの３Ｄの実施態様の図である。取得内の三次元（３Ｄ）投影に関するスキャンパラメータを規定する角度の図である。図１のＭＲＩシステムに３Ｄ投影再構成画像を取得するように指示する好ましいパルスシーケンスの図である。本発明の好ましい実施態様におけるステップを示すフローチャートである。図９の方法を使用して生成された画像データの図である。

Claims

磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システムのフィールド・オブ・ビュー（ＦＯＶ）内に位置決めされる被験者の画像を生成する方法であって、
ａ）前記ＭＲＩシステムによって、ＭＲパラメータのセットを有するパルスシーケンスを使用して前記被験者の投影ビューのセットを取得するステップと、
ｂ）前記パルスシーケンス内のＭＲパラメータを変更すると共に、ステップａ）を繰り返して、追加の投影ビューのセットを取得するステップであって、該取得された投影ビューはインターリーブされるステップと、
ｃ）複数の前記投影ビューのセットからの投影ビューを使用して、各合成画像画素における値を示す合成画像を再構成するステップと、
ｄ）対応する投影ビューのセットから画像フレームを再構成するステップであって、各画像フレームは、
ｄ）ｉ）前記対応する投影ビューのセットの各投影ビューを逆投影すると共に、各画像フレーム画素に逆投影される前記値を、前記合成画像内の前記対応する画素の前記値によって重み付けすること、及び
ｄ）ｉｉ）各画像フレーム画素の前記逆投影された値を合計すること
によって再構成されるステップと、
ｅ）画像を生成するために、前記再構成された画像フレームを処理するステップと
を含む、ＭＲＩシステムのＦＯＶ内に位置決めされる被験者の画像を生成する方法。
ステップｂ）が複数回繰り返される、請求項１記載の方法。
ステップｅ）が、前記複数の再構成された画像フレーム内の対応する画素位置における信号値をフーリエ変換することを含む、請求項２記載の方法。
前記ＭＲパラメータが、前記パルスシーケンスのエコー時間（ＴＥ）である、請求項１記載の方法。
ステップｅ）において生成される前記画像が、前記被験者内の代謝産物を示す、請求項１記載の方法。
前記パルスシーケンスが、前記代謝産物と関連しないスピンからのＮＭＲ信号を抑制する予備のパルスシーケンスを含む、請求項５記載の方法。
前記抑制されるＮＭＲ信号が、水に関連するスピンからのものである、請求項６記載の方法。
前記パルスシーケンスが、選択されるスピンからのＮＭＲ信号を選択的に抑制するパルスを含む、請求項１記載の方法。
ステップｂ）を複数回繰り返し、第一のＭＲパラメータ及び第二のＭＲパラメータのうちの一方が繰り返しごとに変更される、請求項１記載の方法。
ステップｅ）が、
ｅ）ｉ）前記第一のＭＲパラメータが変更される投影ビューのセットから再構成される画像フレームから第一の画像を生成すること、及び
ｅ）ｉｉ）前記第二のＭＲパラメータが変更される投影ビューのセットから再構成される画像フレームから第二の画像を生成すること
を含む、請求項９記載の方法。
ステップｅ）が、Ｔ₂緩和減衰曲線を、前記複数の再構成された画像フレーム内の対応する画素位置における信号値に適合させることによって、Ｔ₂画像を生成することを含む、請求項４記載の方法。