JP2009532163A - 磁気共鳴装置及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、検査ボリューム内に置かれた身体７を磁気共鳴イメージングするための装置に関し、この装置１は、前記検査ボリュームに略均一な主磁場を設定する手段２、前記主磁場に重畳される切替型の磁場勾配を発生させる手段３、４、５、前記身体７に向けてＲＦパルスを放射する手段６、前記磁場勾配の発生及び前記ＲＦパルスを制御する制御手段１２、磁気共鳴信号を受信及びサンプリングする手段１０、並びに前記信号サンプルからＭＲ画像を形成する再構成手段１４を有する。本発明によれば、前記装置１は、ａ）多重の時間符号化するエコー時間の値を用いて、前記身体７の少なくとも一部をＭＲイメージングパルスシーケンスに曝すことにより２つ以上のスペクトルラインを持つ核スピン種から一連のＭＲエコー信号を発生させる、ｂ）前記時間符号化するエコー時間の値の１つに各々が関連している一連の時間符号化されたＭＲ画像を再構成する前記ＭＲエコー信号を取得する、及びｃ）最終画像を得るために前記ＭＲ画像を重畳するように構成される装置。

Description

本発明は、検査ボリューム内に置かれた身体を磁気共鳴（ＭＲ）イメージングするための装置に関する。

さらに本発明は、ＭＲイメージングするための方法及びＭＲ装置のためのコンピュータプログラムにも関する。

磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）において、ＲＦパルスを含むパルスシーケンス及び切替型の磁場勾配(switched maignetic field fadients)は、ＭＲ装置の検査ボリューム内にある均一磁場に置かれたオブジェクト（患者）に印加される。このようにして、位相符合化した磁気共鳴信号が発生し、これら信号は、前記オブジェクトから情報を得て、そのオブジェクトの画像を再構成するために、ＲＦ受信アンテナを用いて走査される。その初期の開発以降、ＭＲＩの利用の臨床上関連する分野の数が桁外れに増大している。ＭＲＩは身体の略全ての部分に利用されることができ、人間の身体の多数の重要な機能に関する情報を得るのに使用されることができる。ＭＲＩの走査中に印加されるパルスシーケンスは、再構成画像の特徴、例えばオブジェクトにおける位置及び配向、寸法、分解能、信号対ノイズ比、コントラスト、移動に対する感度等を決めるのに重要な役割を果たしている。ＭＲＩ装置のオペレータは、適切なシーケンスを選択しなければならないと共に、そのパラメタを夫々の利用に対し調整及び最適にしなければならない。

いわゆる分子イメージング及び診断（ＭＩＤ）は、去年１年間に急速に発展している。ＭＩＤは時々、画像コントラスト及び診断に対する特定分子の活用と定義されている。この定義は、人間の被験者における細胞及び分子レベル処理のインビボ(in-vivo)測定及び特徴、並びに人間の健康状態をスクリーニングする、診断する及び監視すると共に、潜在的危険性を評価するための生体分子の分析と呼ばれる。分子イメージングに重要な必要条件は、分子標的及び遺伝子発現を撮像する能力である。

同時に、ＭＲイメージングは、分子イメージングにおいて最も有望なモダリティの１つであると考えられる。これにより、ＭＲイメージングは、スクリーニング、標的薬物送達及び治療評価のためにＭＩＤを臨床的に使用するとき不可欠な役割を果たすことを期待される。最近では高感度の造影剤が分子標的及び遺伝子発現のＭＲイメージングを可能にするために使用されている。上述したように、ＭＲＩは、良好な空間分解能で解剖学的部位を視覚化することができ、全ての身体領域に利用可能であり、再現可能及び定量的イメージングを可能にする。それは血管内及びニードル画像誘導型の薬物送達にも使用されることができる。ＭＲは、例えばスペクトロスコピー(spectroscopy)により分子情報を一部分だけ評価することができる。

特に¹⁹ＦのＭＲＩがＭＩＤ、さらに薬学研究の分野において高い潜在性を持つという状況において注意することが重要である。¹⁹ＦのＭＲＩは、ＭＩＤにおいて造影剤として使用されるナノ粒子、及びフッ素化（抗がん）薬物の直接定量を可能にする。しかしながら、¹⁹ＦのＭＲＩ及び造影剤の定量化は、約１００ｐｐｍのシフト範囲を持つ¹⁹Ｆの核スピンのマルチラインスペクトル(multi-line spectrum)により引き起こされる強力な化学シフトアーチファクト(chemical shift artefact)によりしばしば複雑となる。この問題は、³¹Ｐ又は²³Ｎａのような他の核のＭＲＩにも同様に発生する。これら問題に対処するために従来知られる方法、例えばライン飽和及び選択法、化学シフト符合化技術又は一定のデコンボリューション及び逐次再構成法が多数存在する。しかし、これら既知の方法は一般的に、ＳＮＲ（信号対ノイズ比）を大幅に減少させ、撮像時間を大幅に増大させ、及び／又は画像再構成中に複雑且つともすれば不安定な計算を必要とすることになる。

米国特許番号US 5,528,145は、高速スペクトロスコピックＭＲＩ法を開示している。この既知の方法において、磁気共鳴信号は、一連の等間隔エコー時間の値を持つ時間符合化手法を使用して、イメージングシーケンスにより発生及び取得される。結果として、再構成画像の各ピクセル又はボクセルに対する化学シフトスペクトルが得られる。既知の方法の測定帯域幅は、撮像される核種のスペクトルにおけるライン間の最大周波数差よりも小さくなるように選ばれる。撮像時間を減少させるために、エイリアシング効果が使用される。さらに、空間分解能及びスペクトル帯域幅を独立して設定することは、既知の技術により可能である。

既知の方法は、各ピクセル又はボクセル位置に完全なスペクトル情報を提供するスペクトロスコピックＭＲＩに関係しているが、強力な化学シフトを持つ核のＭＲＩに関連して上述したＭＩＤに固有の問題に関する解決法は提供しない。ＭＩＤにおいて、単一のスピン密度画像は一般的に、局所的な造影剤の濃度を評価するのに必要とされる。ＭＲＩを使用する一般的なＭＩＤアプリケーションにおいて、使用される造影剤のスペクトルが事前に分かり、全ての生物学的に関連する周辺部において一定である、又は（例えば既定の生理学的事象の場合に発生又は消滅するラインのような）事前に分かっている範囲の化学シフトの変化があるかのどちらかである。既知の方法とは対照的に、検査される身体における造影剤の分布の定量的な評価を可能にするために、ＭＩＤアプリケーションに対し最適なＳＮＲが要求される。

これにより、造影剤の分布の定量化に対し最大のＳＮＲを提供すると共に、時間効率がよいものである磁気共鳴イメージングを行う改善された装置の必要性があることが容易に分かる。それ故に、本発明の目的は、強力な化学シフトアーチファクトによる複雑さを大幅に減少した撮像を可能にするＭＲ装置を提供することである。本発明のもう１つの目的は、Ｂ₀の不均一性のような、起こり得るシステムの欠陥に対しロバスト性があるＭＲ装置を提供することである。

本発明によれば、検査ボリュームに置かれた身体を磁気共鳴イメージングするためのＭＲ装置が開示され、この装置は、前記検査ボリュームに略均一な主磁場を設定する手段、前記主磁場に重畳される切替型の磁場勾配を発生させる手段、前記身体に向けてＲＦパルスを放射する手段、前記磁場勾配の発生及びＲＦパルスを制御する制御手段、磁気共鳴信号を受信及びサンプリングする手段、並びに前記信号サンプルからＭＲ画像を形成する再構成手段を有する。本発明によれば、前記装置は、
ａ）多重の時間符合化するエコー時間の値を用いて、前記身体の少なくとも一部をＭＲイメージングパルスシーケンスに曝すことにより２つ以上のスペクトルラインを持つ核スピン種から一連のＭＲエコー信号を発生させる
ｂ）前記時間符合化するエコー時間の値の１つに各々が関連している一連の時間符合化されたＭＲ画像を再構成するＭＲエコー信号を取得する、及び
ｃ）最終画像を得るために前記ＭＲ画像を重畳する
ように構成される。

本発明のＭＲ装置は、一定数の時間符合化するエコー時間の値を用いて一連のＭＲ画像を取得するように構成される。画像を取得するために、時間エンコーディングされたＭＲ信号が別々の走査において記録される、すなわちＥＰＩシーケンスの多重エコーが使用されてもよい。本発明の本質的な特徴は、例えば各ピクセル又はボクセルに対し複雑な合計を計算することにより、前記一連の画像からの個々のＭＲ画像が重畳される。このようにして、夫々の各スピン種のスペクトルの全てのラインが同時に撮像され、最終画像の一因となるので、ＳＮＲは最大化される。最終的なＭＲ画像の画像輝度は、検査される身体における造影剤の分布の信頼できる定量化を可能にする。

好ましくは、（例えばステップｃより前に従来のフーリエ変換を用いて）各ピクセル又はボクセルに対し時間符合化方向における前記時間符合化された画像は、スペクトル領域において一連のＭＲ画像に変換される。撮像される核スピン種の別々のスペクトル成分の分離はこのようにして達成される。前記核スピン種の各スペクトルラインは、前記一連のスペクトル領域のＭＲ画像から１つのＭＲ画像に一義的にマッピングされるように、ステップａ）において時間符合化方式を利用することが可能である。結果生じる画像データセットは、撮像される核スピン種の個々のスペクトルライン全てに対し別々のＭＲ画像を含んでいる。各々の中間スペクトル領域のＭＲ画像は、前記夫々の化学シフト値に従って加えられるイメージングパルスシーケンスの周波数符合化方向における位置に関するシフトを示す。ステップｃ）において重畳する前に、対応する方向において各々のスペクトル領域のＭＲ画像の並進を行うことにより、このシフトは補償される。この並進距離は、前記撮像される核スピン種の（既知の）スペクトルの前記夫々のスペクトルラインの周波数に比例している。結果として、前記スペクトル領域の画像を重畳した後、最終画像にシフトアーチファクトは存在しない。前記画像の複雑な重畳の前に、ＭＲシステムの周波数応答の一度だけのキャリブレーション測定からの情報を用いて、位相の補正が適用されることが可能である。

これに関連して、本発明のもう１つの重要な態様は、ＭＲ装置の主磁場の不均一性に対するロバスト性であることにも注意すべきである。このロバスト性は、スペクトル成分をピクセル又はボクセルに関して分離することにより可能となる。強力な局所的な不均一性の場合でさえも、前記スペクトル領域のＭＲ画像における前記撮像される核スピン種の既知のスペクトルのスペクトルラインの分布が局所的な非共鳴(off-resonance)を決定することを可能にする。この非共鳴は、時間符合化方向への対応するシフトにより補償されることが可能である。

本発明の実施例において、前記一連の時間符合化されたＭＲ画像は、多重の等間隔時間符合化するエコー時間の値を用いて生成する。好ましくは、前記スペクトル領域の中間画像列を生成するために高速フーリエ変換が利用される。この時間符合化の増分は、前記取得のスペクトル帯域幅が核スピン種のスペクトルライン間の最大周波数差よりも小さくなるように好ましくは選択される。全化学シフト範囲を含むのに必要な符号化ステップの数は、このようにエイリアシング効果を利用することにより最小化される。スペクトロスコピックイメージングにおいて有害であると一般的に考えられるエイリアシングは、本発明による走査時間を減少させるのを助ける。結果として、本発明は、最小の走査時間で最適なＳＮＲを提供すると共に、効果的な化学シフトアーチファクトの除去も提供する。核スピン種のスペクトルラインが重複することなく前記中間スペクトル領域のＭＲ画像列にマッピングされることを確認するために、時間符合化の増分の数は、既知のスペクトルにおけるスペクトルラインの数よりも多い又は少なくとも等しくすべきである。

本発明の装置はさらに、必要とされるＭＲエコー信号から、前記核スピン種の前記化学シフトスペクトルに関する変化を計算するように構成される。このようにして、前記撮像される核スピン種からのスペクトロスコピック情報は、例えば、特定の生理学的事象の場合には出現又は消滅で知られているスペクトルにおけるラインのような化学シフト変化を追跡するために、分子イメージングを目的に得られることができる。

本発明は、ＭＲ装置の検査ボリューム内に置かれた身体の少なくとも一部を磁気共鳴イメージングするための装置だけでなく方法にも関する。この方法は、以下のステップ、
ａ）多重の時間符合化するエコー時間の値を用いて、前記身体の少なくとも一部をＭＲイメージングパルスシーケンスに曝すことにより２つ以上のスペクトルラインを持つ核スピン種から一連のＭＲエコー信号を発生させるステップ、
ｂ）前記時間符合化するエコー時間の値の１つに各々が関連している一連の時間符合化されたＭＲ画像を再構成するＭＲエコー信号を取得するステップ、及び
ｃ）最終画像を得るために前記ＭＲ画像を重畳するステップ
を有する。

本発明のイメージング手順を実行するのに適したコンピュータプログラムは、何らかの一般的なコンピュータハードウェア上で有利に実行されることが可能であり、現在、磁気共鳴スキャナを制御するために臨床的に使われている。このコンピュータプログラムは、例えばＣＤ−ＲＯＭ又はディスケットのような適切なデータ担体に設けられることが可能である。代わりに、このプログラムがユーザによりインターネットサーバからダウンロードされることも可能である。

添付される図面は本発明の好ましい実施例を開示している。しかしながら、前記図面は単に説明を目的として構成され、本発明の境界を規定するように構成されてはいないことが理解されるべきである。

本発明によるＭＲイメージング装置が図１にブロック図として示される。前記装置１は、定常及び均一な主磁場を発生させる１組の主磁石コイル２、制御可能な強度を持つ追加の磁場を重畳すると共に、選択した方向に勾配を持つ３組の勾配コイル３、４及び５を有する。従来、前記主磁場の方向はＺ方向に決められ、このＺ方向に垂直な２つの方向はｘ方向及びｙ方向に決められる。前記勾配コイル３、４及び５は、電源１１を介して給電される。前記イメージング装置１はさらに、ＲＦパルスを身体７へ放射するためのＲＦ送信アンテナ６も有する。このアンテナ６は、前記ＲＦパルスを発生及び変調するための変調器９に結合される。さらに、ＭＲ信号を受信するための受信器も設けられ、この受信器は送信アンテナ６と同じ又は別個にすることも可能である。送信アンテナ６及び受信器が図１に示されるのと物理的に同じアンテナ６である場合、送信−受信スイッチ８が設けられ、送信されるパルスから受信信号を分離する。受信したＭＲ信号は復調器１０に入力される。送信−受信スイッチ８、変調器９及び勾配コイル３、４及び５のための電源１１は制御システム１２により制御される。制御システム１２は、アンテナ６に与えられるＲＦ信号の位相及び振幅を制御する。この制御システム１２は通常、メモリ及びプログラム制御を備えるマイクロコンピュータである。復調器１０は、例えば前記受信信号を例えば映像表示ユニット１５において見ることができる画像に変換するための再構成手段１４、例えばコンピュータに結合される。本発明の実施例に対し、前記ＭＲ装置１は、上述した方法を実行するためのプログラミングを有する。

図２は、本発明の方法を流れ図として説明している。第１のステップ１６において、（例えば¹⁹Ｆ、³¹Ｐ又は²³Ｎａを含む造影剤のスペクトルのような）既知のマルチラインスペクトルを持つ核スピン種から時間符号化されたＭＲ画像を取得するのに最適なスペクトル分解能及び帯域幅が決められる。エコー時間の増分ΔＴＥで分けられたＮ個の等間隔のエコー時間の値を持つ一連のＮ個の時間符合化された画像が得られる。前記スペクトル帯域幅ＢＷは、ＢＷ＝１／ΔＴＥで与えられる一方、前記スペクトル分解能Δｆは、Δｆ＝１／（ＮΔＴＥ）で決められる。撮像される核スピン種の既知のＭＲスペクトルにとって、前記スペクトル分解能Δｆ及び帯域幅ＢＷは、図３に説明されるように、各共鳴ラインが前記取得のＮ個のスペクトルウィンドウの１つと同じになるように決められる。本発明に従って、時間符号化の増分ΔＴＥは、前記取得のスペクトル帯域幅ＢＷが前記スペクトルのライン間における最大周波数差よりも小さくなるように選択される。この場合、エイリアシングが起こり、前記帯域幅ＢＷの外側にある化学シフト成分δi（ｉ＝１、２、３、…、８）は、前記符号化したスペクトル領域に折り返される。前記スペクトル分解能は、前記スペクトルラインの各々が他のスペクトル成分δiと重複することなく空のスペクトルウィンドウＷiに予定されるように、ステップ１６において同調される。走査時間に関して理想的な場合、Ｎ個のエコー時間の増分は、共鳴ラインの数に等しい。従って、ノイズだけを含み、信号を含まないスペクトルウィンドウＷiは取得されず、これにより、最適な符号化方式が提供される。長い時間符号化のエコー時間でのＴ₂又はＴ₂ ^*緩和は、スペクトルウィンドウＷiの幅Δｆが個々のスペクトル成分のライン幅を超えている限り、決められないことに注意しなければならない。（ローレンツライン形状と仮定すると）このライン幅は、１／（２πＴ₂ ^(*)）で与えられる。ステップ１７において、一連のＮ個の時間符号化されたＭＲ画像の実際の取得及び再構成は、ステップ１６において決められた時間符号化方式を用いて行う。画像取得にとって、一連の時間符号化されたＭＲエコー信号は、別々の走査で記録されるか、又はＥＰＩシーケンスの多重の等間隔エコーが使用される。さらに、ステップ１７において、時間符号化方向における画像データセットのピクセルに関するフーリエ変換が行われる。結果生じるデータセットは、前記撮像される核種のスペクトルの各ラインに対し別々のＭＲ画像を有する。これら画像の各々は、利用されるイメージングパルスシーケンスの周波数符号化方向に沿った位置に関するシフトを表す。この化学シフトは、対応する方向における各画像のサブピクセルの並進（例えばフーリエシフト定理の利用）によって、ステップ１８において補償される。並進距離Δは、Δ[ピクセル]＝δi／ＰＢＷで示され、ここでＰＢＷは画像取得のピクセル帯域幅である。アライメントステップ１８の後、前記画像は、ＭＲイメージングシステムの周波数応答により与えられる位相差及び前記イメージングパルスシーケンスのパラメタのために、ステップ１９において再び位相合わせを行わなければならない。所与のＭＲ装置及びイメージングシーケンスにとって、位相を補正するためのパラメタは、較正走査で決められる。最後にステップ２０において、中間の位置合わせされたＭＲ画像は、各ピクセル又はボクセルに対する複雑な合計を計算することにより重畳される。結果生じる最終画像において、全スペクトルラインからの信号の寄与は、ＳＭＲが最大となるようにまとめられる。この最終画像における強度分布は、検査される身体において撮像される核スピン種の分布の定量的評価を可能にして、これは例えばＭＩＤにおいて対応する造影剤の定量化にとって重要な必要条件である。

本発明のよるＭＲスキャナを示す。 本発明の方法の流れ図を示す。 本発明の方法の符号化方式を説明する図を示す。

Claims (16)

1. 検査ボリューム内に置かれた身体を磁気共鳴イメージングするための装置において、
   前記検査ボリュームに略均一な主磁場を設定する手段、
   前記主磁場に重畳される切替型の磁場勾配を発生させる手段、
   前記身体に向けてＲＦパルスを放射する手段、
   前記磁場勾配の発生及び前記ＲＦパルスを制御する制御手段
   磁気共鳴信号を受信及びサンプリングする手段、並びに
   前記信号サンプルからＭＲ画像を形成する再構成手段
   を有する装置であり、
   ａ）多重の時間符号化するエコー時間の値を用いて、前記身体の少なくとも一部をＭＲイメージングパルスシーケンスに曝すことにより２つ以上のスペクトルラインを持つ核スピン種から一連のＭＲエコー信号を発生させる
   ｂ）前記時間符号化するエコー時間の値の１つに各々が関連している一連の時間符号化されたＭＲ画像を再構成する前記ＭＲエコー信号を取得する、及び
   ｃ）最終画像を得るために前記ＭＲ画像を重畳する
   ように構成される装置。
2. 前記一連の時間符号化されたＭＲ画像を、ステップｃ）より前に、ピクセル毎又はボクセル毎に一連のスペクトル領域のＭＲ画像に変換するようにさらに構成される請求項１に記載の装置。
3. 前記核スピン種の各スペクトルラインは、前記一連のスペクトル領域のＭＲ画像から１つのＭＲ画像に一義的にマッピングされるように、ステップａ）において時間符号化方式を利用するように構成される請求項２に記載の装置。
4. 前記夫々のスペクトル領域のＭＲ画像に対応する前記スペクトルラインの周波数に比例する並進距離だけ、ステップｃ）において重畳する前に各スペクトル領域のＭＲ画像を並進させるようにさらに構成される請求項２又は３に記載の装置。
5. 多重の等間隔時間符号化のエコー時間の値を用いて前記一連の時間符号化されたＭＲ画像を生じさせるようにさらに構成される請求項１乃至４の何れか一項に記載の装置。
6. 前記取得のスペクトル帯域幅は、前記核スピン種の前記スペクトルライン間の最大周波数差よりも小さくなるように時間符号化の増分を計算するようにさらに構成される請求項５に記載の装置。
7. 前記核スピン種のスペクトルラインの数より多い又は等しい、多数の時間符号化の増分を利用するようにさらに構成される請求項５又は６に記載の装置。
8. 前記取得したＭＲエコー信号から前記核スピン種の化学シフトスペクトルに関する変化を計算するように構成される請求項１乃至７の何れか一項に記載の装置。
9. ＭＲ装置の検査ボリューム内に置かれた身体の少なくとも一部を磁気共鳴イメージングする方法において、
   ａ）多重の時間符号化するエコー時間の値を用いて、前記身体の少なくとも一部をＭＲイメージングパルスシーケンスに曝すことにより２つ以上のスペクトルラインを持つ核スピン種から一連のＭＲエコー信号を発生させるステップ、
   ｂ）前記時間符号化するエコー時間の値の１つに各々が関連している一連の時間符号化されたＭＲ画像を再構成する前記ＭＲエコー信号を取得するステップ、及び
   ｃ）最終画像を得るために前記ＭＲ画像を重畳するステップ
   を有する方法。
10. 前記一連の時間符号化されたＭＲ画像は、ステップｃ）より前に、ピクセル毎又はボクセル毎に一連のスペクトル領域のＭＲ画像に変換される請求項９に記載の方法。
11. 前記各スピン種の各スペクトルラインは、前記一連のスペクトル領域のＭＲ画像から１つのＭＲ画像に一義的にマッピングされるように、ステップａ）において時間符号化方式が利用される請求項１０に記載の方法。
12. 前記夫々のスペクトル領域のＭＲ画像に対応する前記スペクトルラインの周波数に比例する並進距離だけ、ステップｃ）において重畳する前に各スペクトル領域のＭＲ画像を並進させる請求項１０又は１１に記載の方法。
13. 多重の等間隔時間符号化するエコー時間の値を用いて、前記一連の時間符号化されるＭＲ画像が生成し、前記時間符号化の増分は、
    前記取得の帯域幅は、前記核スピン種の前記スペクトルライン間の前記最大周波数差より小さい、及び
    前記時間符号化の増分の数は、前記核スピン種の前記スペクトルラインの数よりも多い又は等しい、
    ように選択される請求項９乃至１２の何れか一項に記載の方法。
14. ＭＲ装置のためのコンピュータプログラムにおいて、
    ａ）多重の時間符号化するエコー時間の値を用いて、ＭＲイメージングパルスシーケンスを発生させる命令
    ｂ）前記時間符号化するエコー時間の値の１つに各々が関連している一連の時間符号化されたＭＲ画像を再構成するＭＲエコー信号を取得する命令、及び
    ｃ）最終画像を得るために前記ＭＲ画像を重畳する命令
    を有するコンピュータプログラム。
15. 前記一連の時間符号化されたＭＲ画像を、ステップｃ）より前に、ピクセル毎又はボクセル毎に一連のスペクトル領域のＭＲ画像に変換する命令をさらに有する請求項１４に記載のコンピュータプログラム。
16. 前記夫々のスペクトル領域のＭＲ画像に対応する前記スペクトルラインの周波数に比例する並進距離だけ、ステップｃ）において重畳する前に各スペクトル領域のＭＲ画像を並進させる命令をさらに有する請求項１５に記載のコンピュータプログラム。

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