JP2012055508A - 磁気共鳴イメージング装置及び画像補正方法 - Google Patents

磁気共鳴イメージング装置及び画像補正方法 Download PDF

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Abstract

【課題】全身コイル型感度補正において、対象となるRF受信コイルに関する感度画像データを取得し、それに基づいた画像輝度補正を行うための補正係数データを算出する。この補正係数データを本計測のスライス厚や処理方法を考慮してより正確なものを作成し、より高精度な補正を行う。
【解決手段】本計測位置決めを行った際、補正対象となる画像のスライス厚および3次元位置座標情報を取得し、その情報を元に感度計測画像から輝度補正に最適な画像データを画素ごとに取得し、そのデータから正確な感度画像データを算出する。
【選択図】図2C

Description

本発明は、被検体中の水素や燐等からの核磁気共鳴(以下、「NMR」という)信号を測定し、核の密度分布や緩和時間分布等を画像化する核磁気共鳴イメージング(以下、「MRI」という)装置に関し、特に受信に使用するRFコイルの感度画像データに起因する画像の輝度不均一を補正する技術に関する。
MRI装置は、被検体、特に人体の組織を構成する原子核スピンが発生するNMR信号を計測し、その頭部、腹部、四肢等の形態や機能を2次元的に或いは3次元的に画像化する装置である。撮像においては、NMR信号には、傾斜磁場によって異なる位相エンコードが付与されるとともに周波数エンコードされて、時系列データとして計測される。計測されたNMR信号は、2次元又は3次元フーリエ変換されることにより画像に再構成される。
近年では複数のRF受信コイルを有してなるマルチプルコイルを用いて、RF受信コイル毎に得られた複数の断層画像を合成して合成画像を取得することにより、目的の画像を得ることが行われている。この手法は、高いS/N比を有する合成画像を取得できる利点があるものの、各RF受信コイルの感度不均一性が合成画像に反映されてしまい、輝度の不均一な合成画像が取得されてしまうことがある。
合成画像における輝度不均一を補正する技術として、RF受信コイルの感度画像データを算出し、その感度画像データを用いて補正係数データを算出し、この補正係数データを用いて合成画像の輝度不均一を補正する技術がある。
RF受信コイルの感度画像データを算出する方法の一例としては、均一な感度画像データを持つ全身用RFコイルを用いて取得された画像に対するRF受信コイルを用いて得られた画像の比から、RF受信コイルの感度画像データを算出する手法(特許文献1)、RF受信コイルの低周波成分を近似的にRF受信コイルの感度画像データとみなす手法(特許文献2)、均一なファントムをあらかじめ撮像し、その断層画像を感度画像データとみなす方法(特許文献3)、磁場解析手法により数値演算にてRF受信コイルの感度画像データを算出する手法(非特許文献1)がある。
特開平8−56928号公報 特開2002−272705号公報 特開平7−59750号公報
ISMRM 1405, 1999 DF Kacher, et al
しかし、上述した従来技術においては、RF受信コイルの感度画像データの輝度不均一を補正する際に、スライス面内に対する考慮はされているが、MRI画像のスライス厚内部に対しては考慮されておらず、ここに急激な感度分布の変化があったとしてもそれを無視した状態で輝度不均一の補正を行う。また、血管描出などに用いられる3D TOF(Time of Flight)技術においても、正確に血管がある位置の感度分布を捕らえきれない。
そこで、本発明の目的は、MRI画像のスライス厚内部を考慮した、すなわち厚いスライスでも、画像の輝度不均一補正を行うことができる技術を提供することである。なお、厚いスライスの説明は、第1の実施形態で後述する。
上記目的を達成するために、本発明の磁気共鳴イメージング装置の主要な構成は、以下のようになる。
静磁場空間に置かれた被検体に高周波を照射する照射手段と、被検体から放出される核磁気共鳴信号を受信する受信手段と、受信した核磁気共鳴信号に処理を加えて被検体の断層画像を再構成する処理手段と、を備える磁気共鳴イメージング装置において、照射手段と受信手段の撮像視野内における三次元感度画像データを予め計測する補助計測手段と、処理手段は、所定のスライス幅を有する撮像領域についての被検体の撮像画像を取得する本計測手段と、撮像領域を3次元的に複数に分割して得られるブロック毎の照射手段および受信手段の感度画像データに基づいて、受信手段が有する感度不均一に起因する撮像画像の輝度不均一を補正することを特徴とする。
即ち、本計測位置決めを行った際に補正対象となる画像のスライス厚および3次元位置座標情報を得、その情報を元に感度計測画像から最適な画像データを画素ごとに取得し、そのデータから正確な感度画像データを算出する。
本発明によれば、厚いスライス幅で撮像されたMRI画像データであっても、正確な輝度不均一補正が行える。
本発明に係るMRI装置の全体基本構成を示すブロック図。 a)は被検体と撮像範囲、b)、c)はそれぞれ、送信コイルを用いた場合および受信コイルを用いた場合の三次元感度画像を示す図である。 a)は被検体と撮像視野、b)は本計測断層画像、c)は本計測断層情報を示す図。 a)は被検体と撮像視野、b)は厚いスライス幅を用いた場合の三次元感度画像、c)は本計測画像の位置情報から抽出した感度画像を示す図。 a)は本計測画像の位置情報から抽出した送信コイルを用いた場合の感度画像、b)は受信コイルを用いた場合の感度画像、c)はa)、b)で求めた感度画像を用いて求めた感度分布像を示す図。 第一の実施形態に係る感度補正処理を示すフローチャート。 a)は被検体と撮像視野、b)は厚いスライス幅を用いた場合の三次元感度画像、c)はスライス幅方向に分割された画素ごとの感度の加算平均値を用いて感度補正した断層画像の求め方を示す図。 第二の実施形態に係る感度補正処理を示すフローチャート。 a)は被検体と撮像視野、b)は厚いスライス幅を用いた場合の三次元感度画像、c)はスライス幅方向に分割された画素ごとの感度の最大値投影を用いて感度補正した断層画像の求め方を示す図。 第三の実施形態に係る感度補正処理を示すフローチャート。
以下、添付図面に従って本発明のMRI装置の好ましい実施形態について詳説する。なお、発明の実施形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
最初に、本発明に係るMRI装置の一例の全体概要を図1に基づいて説明する。図1は、本発明に係るMRI装置の一実施例の全体基本構成を示すブロック図である。このMRI装置は、NMR現象を利用して被検体の断層画像を得るもので、図1に示すように、MRI装置は静磁場発生系2と、傾斜磁場発生系3と、送信系5と、受信系6と、信号処理系7と、シーケンサ4と、中央処理装置(CPU)8と、操作部25とを備えて構成される。
以下に、上述した基本構成のそれぞれについて詳細に説明する。
静磁場発生系2は、垂直磁場方式であれば、被検体1の周りの空間にその体軸と直交する方向に、水平磁場方式であれば、体軸方向に均一な静磁場を発生させるもので、被検体1の周りに永久磁石方式、常電導方式あるいは超電導方式の静磁場発生源が配置されている。
傾斜磁場発生系3は、MRI装置の座標系(静止座標系)であるX、Y、Zの3軸方向に巻かれた傾斜磁場コイル9と、それぞれの傾斜磁場コイルを駆動する傾斜磁場電源10とから成り、後述のシ−ケンサ4からの命令に従ってそれぞれのコイルの傾斜磁場電源10を駆動することにより、X、Y、Zの3軸方向に傾斜磁場Gx,Gy,Gzを印加する。撮影時には、スライス面(撮影断面)に直交する方向にスライス方向傾斜磁場パルス(Gs)を印加して被検体1に対するスライス面を設定し、そのスライス面に直交して且つ互いに直交する残りの2つの方向に位相エンコード方向傾斜磁場パルス(Gp)と周波数エンコード方向傾斜磁場パルス(Gf)を印加して、エコー信号にそれぞれの方向の位置情報をエンコードする。
シーケンサ4は、高周波磁場パルス(以下、「RFパルス」という)と傾斜磁場パルスをある所定のパルスシーケンスで繰り返し印加する制御手段で、CPU8の制御で動作し、被検体1の断層画像のデータ収集に必要な種々の命令を送信系5、傾斜磁場発生系3、および受信系6に送る。
送信系5は、被検体1の生体組織を構成する原子の原子核スピンに核磁気共鳴を起こさせるために、被検体1にRFパルスを照射するもので、高周波発振器11と変調器12と高周波増幅器13と送信側の高周波コイル(送信コイル)14aとから成る。高周波発振器11から出力された高周波パルスをシーケンサ4からの指令によるタイミングで変調器12により振幅変調し、この振幅変調された高周波パルスを高周波増幅器13で増幅した後に、被検体1に近接して配置された高周波コイル14aに供給することにより、RFパルスが被検体1に照射される。
受信系6は、被検体1の生体組織を構成する原子核スピンの核磁気共鳴により放出されるエコー信号(NMR信号)を検出するもので、受信側の高周波コイル(受信コイル)14bと信号増幅器15と直交位相検波器16と、A/D変換器17とから成る。送信側の高周波コイル14aから照射された電磁波によって誘起された被検体1の応答のNMR信号が被検体1に近接して配置された高周波コイル14bで検出され、信号増幅器15で増幅された後、シーケンサ4からの指令によるタイミングで直交位相検波器16により直交する二系統の信号に分割され、それぞれがA/D変換器17でディジタル量に変換されて、信号処理系7に送られる。
信号処理系7は、各種データ処理と処理結果の表示及び保存等を行うもので、光ディスク19、磁気ディスク18等の外部記憶装置と、CRT等からなるディスプレイ20とを有し、受信系6からのデータがCPU8に入力されると、CPU8が信号処理、画像再構成等の処理を実行し、その結果である被検体1の断層画像をディスプレイ20に表示すると共に、外部記憶装置の磁気ディスク18等に記録する。
操作部25は、MRI装置の各種制御情報や上記信号処理系7で行う処理の制御情報を入力するもので、トラックボール又はマウス23、及び、キーボード24から成る。この操作部25はディスプレイ20に近接して配置され、操作者がディスプレイ20を見ながら操作部25を通してインタラクティブにMRI装置の各種処理を制御する。
なお、図1において、送信側の高周波コイル14aと傾斜磁場コイル9は、被検体1が挿入される静磁場発生系2の静磁場空間内に、垂直磁場方式であれば被検体1に対向して、水平磁場方式であれば被検体1を取り囲むようにして設置されている。また、受信側の高周波コイル14bは、被検体1に対向して、或いは取り囲むように設置されている。
現在MRI装置の撮像対象核種は、臨床で普及しているものとしては、被検体の主たる構成物質である水素原子核(プロトン)である。プロトン密度の空間分布や、励起状態の緩和時間の空間分布に関する情報を画像化することで、人体頭部、腹部、四肢等の形態または、機能を2次元もしくは3次元的に撮像する。
<第1の実施形態>
本発明の第1の実施形態について図2A〜2Dを用いて説明する。
まず、通常の撮影と同様に感度分布計測を行う(図2A)。
図2Aのa)〜c)は、本計測(本スキャン)を開始する前の予備計測(予備スキャン)を説明する図である。a)は被検体1と撮像視野(FOV)35を示す。すなわち、撮像視野35は、予備スキャンのスキャン範囲を示している。b)で示す画像は、送信コイル14aを用いて受信した場合の三次元感度画像である。本図で示すように、c)で示す場合に比べて感度分布が均一なために画像の輝度の濃淡は少ない。ここで、輝度の濃淡が少ない理由は、送信コイル14aは被検体31の広い範囲をカバーする様に径や軸長を大きく構成されているためである。
一方、c)で示す画像は、受信コイル14bを用いて受信した場合の三次元感度画像である。図中のAで示す領域は、b)で示す場合に比べて感度分布が不均一なため画像の輝度に濃淡が生じていることが分かる。すなわち、胴体34の表面付近に比べて内部へ進むに従い、輝度が低く(暗く)なっていることを示している。この理由は、受信コイルは、被検体31の所望部位の近傍に配置される様に径や軸長を小さく構成されているためである。なお、b)およびc)において、符号34は被検体31の胴体部を、符号32,33はその両腕をそれぞれ摸式的に示している。
次に、本計測(本スキャン)を行う。この時に、スライス面内およびスライス面幅方向における本計測断層画像情報、すなわち三次元位置情報およびスライス厚を取得する(図2B)。
本実施の形態では、スライス幅36を通常用いられている幅より広くなるように設定し、厚いスライス幅(又は、スラブ)を用いる。例えば、50乃至70mm程度のスライス幅とする。ここで、「厚いスライス幅」とは、従来用いられているスライス幅より、広いものを指し、例えば、約1桁程度の広い幅を指すものとする。b)は、本スキャンで得られた本計測断層画像37を示す。c)は、被検体1の診断領域に対して上記のスライス幅36でスキャンを行い、取得した画像データのスライス面およびスライス面幅方向の三次元位置座標と、スライス厚の取得を示し、取得したこれらのデータは、外部記憶装置の磁気ディスク18などに保存される。
ここで、符号32,33は腕を、符号34は胴体部を、符号38は内蔵の一部をそれぞれ示す。
次に、スライス厚が一定以上の場合、面内画素の三次元位置情報に基づき、感度分布計測で得られたデータから画素毎に感度画像データを抽出する(図2C)。ここで、画素は、図2Cのb)で示すように1スライス39をX、YおよびZ方向に分割した各ブロックに対応するものとする。
図2Bで示す本スキャンで取得した診断領域のスライス幅36が、一定以上に広い場合は、
外部記憶装置の磁気ディスク18などに保存された各スライス面内画素の三次元位置座標の情報を基にして、図2Cのb)に示すように1スライス39をスライス幅方向(図中z方向)およびそれと交わる方向(x,y方向)に分割し細分化したブロック毎の画素40a,40b,40cを求める。なお、図示の都合上、画素は、40a-40cを代表として記載しているが、x方向およびy方向へ同様に細分化して画素を求める。
一方、上述した各画素40a-40cを対応する感度分布を、図2Aで求めた三次元感度画像b)を用いて、本計測断層画像37の各画素ごとの感度分布を求め、本計測断層画像の感度計測分布画像を求める(図2Cのc)を参照)。
なお、図2Cのc)で示す本計測断層画像の感度分布は、図2Cのb)において、例えば、画素40a,40b,40cの中で、MIP法(最大値投影法)を用いて画像の輝度が一番高いもの(本図では、“(1)”で示す)を代表値として抽出してそれを本計測断層画像における当該ブロックに対応する位置の感度として採用する。抽出された代表値をc)に示す感度画像の“(1)”で示す画素の位置に対応させる。X方向に隣接する画素に対しても同様な抽出方法を行う(図中、“(2)”乃至“(4)”で示す)。さらに、Y方向の画素に対しても同様な抽出を行う。このような手順により、図2Cのc)に示す送信コイルを用いた感度分布像を求める。
三次元感度画像、図2Aのc)に対しても、上述の手順を適用して、受信コイルを用いた感度分布像を求める。
最後に、抽出された送信コイル(図2Dのa))および受信コイル(図2Dのb))を用いた感度分布像に除算処理を施して、送信コイルを基準とする感度分布像(図2Dのc))を求め (図2D)、求めた感度分布像を用いて感度補正処理を行う。
求めた送信コイルを基準とする感度分布像を、感度補正処理の基礎データとする。
なお、この感度補正処理は、通常、この分野で行われているものである。例えば、コイルの感度分布により生じるシェーディングを補正するために感度分布像に従って、画像の信号値を修正する機能である。
次に、図3を用いて第1の実施形態で示す感度補正処理のフローについて説明する。
1)ステップ301(S301)にて、通常の撮影と同様に感度分布計測を行い、被写体画像(被検体の三次元感度画像)を取得する。(図2A参照)
2)ステップ302(S302)にて、本計測の位置情報から、本計測画像面内のすべての画素の三次元情報を取得する。(図2B参照)
3)ステップ303(S303)にて、通常の撮影と同様に本計測を行い、被写体画像(被検体の本計測断層画像)を取得する。(図2C参照)
一方、ステップ303を行っている間に、ステップ304および305の処理を行う。
2’)ステップ304(S304)にて、ステップ302で得られた位置情報から感度画像データの抽出を行う。(図2Dのa)、b)参照)
3’)ステップ305(S305)にて、抽出されたデータより感度分布像の作成を行う。(図2Dのc)参照)
4)ステップ305以降は通常の感度補正処理と同じである。
なお、上記の各ステップは、図1で示すCPU8で演算や制御が行われ、取得された画像データなどは、外部記憶装置の磁気ディスク18などに保存される。
本実施の形態により、MRI画像のスライス厚内部に対しても考慮され、ここに急激な感度分布の変化があったとしてもそれを無視することなく、輝度不均一補正を行うことができる。従って、本方法により、例えば、血管描出などに用いられる3D TOF(Time of Flight)技術により、正確に血管がある位置の感度分布を捕ら得ることができる。
<第2の実施形態>
次に、第2の実施形態について図4を用いて説明する。第1の実施形態と異なる点は、本計測画像の位置情報から感度画像データの抽出を行うのではなく、本計測のスライス断層分の感度画像データを取り出し、その後にスライス方向(図中のZ方向)へ等分割して平均し、補正に用いる感度画像データ作成を行う点である。以下、異なる箇所のみ説明し、同じ箇所の説明は省略する。
本計測のスライス厚情報および位置情報から三次元感度画像データの内から該当するスライス断層像分のデータを取り出し、スライス方向(図中のZ方向)に等間隔で分割する。その後等間隔で分割した感度画像データを平均し、そのデータから感度分布像を作成する(図4)。
その後は通常の感度補正処理と同じである。
次に、第2の実施形態で示す感度補正処理のフローについて図5を用いて説明する。以下、図3で示す感度補正処理のフローと異なる箇所のみ説明し、同じ箇所の説明は省略する。
ステップ306(S306)にて、ステップ302で得られた位置情報およびスライス厚情報から、スライス方向感度分布データを取り出す。
ステップ307(S307)にて、ステップ306で取り出されたデータをスライス方向に等分し、平均した後に感度分布像の作成を行う。
<第3の実施形態>
次に、第3の実施形態について、図6を用いて説明する。第2の実施形態と異なる点は、スライス方向(図中のZ方向)へ等分割して平均するのではなく、最大値投影(MIP法:Maximum Intensity Projection)をスライス方向(図中のZ方向)に行い、補正に用いる感度画像データ作成を行う点である。ここで、MIP法とは、三次元的に構築されたデータに対し任意の視点方向に投影処理を行い、投影経路中の最大値を投影面に表示する手法である。本実施形態では、視点方向は図中のZ方向としている。
以下、異なる箇所のみ説明し、同じ箇所の説明は省略する。
本計測のスライス厚情報および位置情報に基づいて三次元感度画像データの内から該当するスライス断層像分のデータを取り出し、スライス方向に等間隔で分割する。その後等間隔で分割した感度画像データを最大値投影し、そのデータから感度分布像を作成する(図6)。
次に、第3の実施形態で示す感度補正処理のフローについて図7を用いて説明する。以下、図5で示す感度補正処理のフローと異なる箇所のみ説明し、同じ箇所の説明は省略する。
ステップ308(S308)にて、ステップ306で取り出されたデータをスライス方向に最大値投影し、そのデータから感度分布像の作成を行う。
1…被検体、2…静磁場発生系、3…傾斜磁場発生系、4…シーケンサ、5…送信系、6…受信系、7…信号処理系、8…中央処理装置(CPU)、9…傾斜磁場コイル、10…傾斜磁場電源、11…高周波発信器、12…変調器、13…高周波増幅器、14a…高周波コイル(送信コイル)、14b…高周波コイル(受信コイル)、15…信号増幅器、16…直交位相検波器、17…A/D変換器、18…磁気ディスク、19…光ディスク、20…ディスプレイ、21…ROM、22…RAM、23…トラックボール又はマウス、24…キーボード、25…操作部、31…被検体、32,33…腕、34…胴体部、35…撮像視野、36…スライス幅、37…本計測断層画像、38…内蔵、39…1スライス、40a,40b,40c…ブロック毎の画素。

Claims (12)

  1. 静磁場空間に置かれた被検体に高周波を照射する照射手段と、前記被検体から放出される核磁気共鳴信号を受信する受信手段と、受信した前記核磁気共鳴信号に処理を加えて前記被検体の断層画像を再構成する処理手段と、を備える磁気共鳴イメージング装置において、
    前記照射手段と前記受信手段の撮像視野内における三次元感度画像データを予め計測する補助計測手段と、
    前記処理手段は、所定のスライス幅を有する撮像領域についての前記被検体の撮像画像を取得する本計測手段と、
    前記撮像領域を3次元的に複数に分割して得られるブロック毎の前記照射手段および受信手段の感度画像データに基づいて、前記受信手段が有する感度不均一に起因する前記撮像画像の輝度不均一を補正することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
  2. 請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
    前記補正手段は、前記送信手段の三次元感度画像データの内の前記ブロック毎のデータに基づいて前記撮像領域についての第1の二次元感度画像と、前記受信手段の三次元感度画像データの内の前記ブロック毎のデータに基づいて前記撮像領域についての第2の二次元感度画像とを作成することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
  3. 請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
    前記受信手段が有する感度不均一に起因する画像の輝度不均一補正は、前記第2の二次元感度画像を、前記第1の二次元感度画像で除算処理したデータに基づいて行われることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
  4. 請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
    前記被検体の撮像画像を取得する際に、前記撮像画像の3次元的な位置情報およびスライス幅情報を取得することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
  5. 請求項2に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
    前記処理手段は、前記スライス幅方向に分割されたブロック毎の感度画像データを平均化処理して前記二次元感度画像を算出することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
  6. 請求項2に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
    前記処理手段は、前記スライス幅方向に分割されたブロック毎の感度画像データの最大値を用いて前記二次元感度画像を算出することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
  7. 静磁場空間に置かれた被検体に高周波を照射する照射手段と、前記被検体から放出される核磁気共鳴信号を受信する受信手段と、受信した前記核磁気共鳴信号に処理を加えて前記被検体の断層画像を再構成する処理手段と、を備える磁気共鳴イメージング装置の画像補正方法において、
    前記照射手段と前記受信手段の撮像視野内における三次元感度画像データを予め計測する補助計測ステップを有し、
    前記処理手段は、所定のスライス幅を有する撮像領域についての前記被検体の撮像画像を取得する本計測ステップと、
    前記撮像領域を3次元的に複数に分割して得られるブロック毎の前記照射手段および受信手段の感度画像データに基づいて、前記受信手段が有する感度不均一に起因する前記撮像画像の輝度不均一を補正する補正ステップとを実行することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置の画像補正方法。
  8. 請求項7に記載の磁気共鳴イメージング装置の画像補正方法において、
    前記補正ステップは、前記送信手段の三次元感度画像データの内の前記ブロック毎のデータに基づいて前記撮像領域についての第1の二次元感度画像と、前記受信手段の三次元感度画像データの内の前記ブロック毎のデータに基づいて前記撮像領域についての第2の二次元感度画像とを作成することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置の画像補正方法。
  9. 請求項7に記載の磁気共鳴イメージング装置の画像補正方法において、
    前記受信手段が有する感度不均一に起因する画像の輝度不均一補正は、前記第2の二次元感度画像を、前記第1の二次元感度画像で除算処理したデータに基づいて行われることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置の画像補正方法。
  10. 請求項7に記載の磁気共鳴イメージング装置の画像補正方法において、
    前記被検体の撮像画像を取得する際に、前記撮像画像の3次元的な位置情報およびスライス幅情報を取得することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置の画像補正方法。
  11. 請求項8に記載の磁気共鳴イメージング装置の画像補正方法において、
    前記処理手段は、前記スライス幅方向に分割されたブロック毎の感度画像データを平均化処理して二次元感度画像を算出することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置の画像補正方法。
  12. 請求項8に記載の磁気共鳴イメージング装置の画像補正方法において、
    前記処理手段は、前記スライス幅方向に分割されたブロック毎の感度画像データの最大値を用いて前記二次元感度画像を算出することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置の画像補正方法。
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