JP2019047978A - 磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】磁気共鳴イメージング装置は、被検体が配置される空間に静磁場を生成する静磁場生成磁石と、前記被検体に高周波磁場を送信する送信部と、前記高周波磁場の送信により前記被検体から発生する核磁気共鳴信号を受信する受信部と、前記核磁気共鳴信号に位置情報を付加する傾斜磁場を印加する傾斜磁場印加部と、前記送信部、前記受信部、及び前記傾斜磁場印加部を制御するとともに、前記核磁気共鳴信号に対して演算処理を行う計算機と、前記計算機により演算処理された画像を表示する表示部と、を備え、前記計算機は、所定の演算処理を行う。
【選択図】図3
Description
二つ目の方法は、SHARP(Sophisticated Harmonic Artifact Reduction for Phase date)法と呼ばれる方法である(例えば、非特許文献1参照)。SHARP法は、背景位相分布が球面調和関数近似できることを利用する。即ち、任意の点における値が、その点を中心とした任意の半径を有する球(カーネル)内の点における値の平均に等しい、という平均値の性質(Spherical mean value property)を用いて、総位相分布から背景位相分布と局所位相分布とを分離する。
図1は、本実施形態に係るMRI装置の外観図である。図1(a)は、ソレノイドコイルで静磁場を生成するトンネル型磁石を用いた水平磁場方式のMRI装置100である。図1(b)は、開放感を高めるために磁石を上下に分離したオープン型の垂直磁場方式のMRI装置120である。また、図1(c)は、図1(a)と同じトンネル型磁石を用い、磁石の奥行を短くし、かつ、斜めに傾けることによって、開放感を高めたMRI装置130である。なお、本実施形態において、MRI装置の構成は、特に限定されるものではなく、図1に示す何れの構成であってもよいし、公知の構成であってもよい。
更に、MRI装置100は、シムコイル104、送信機107、受信機108、外部記憶装置111、傾斜磁場用電源部112、シム用電源部113、シーケンス制御装置114、入力装置115、などを備える。
次に、図3を参照して、本実施形態に係る計算機109の構成について説明する。本実施形態では対象組織として被検体101の脳を適用する場合を一例に挙げて説明する。
まず、MRI装置は、Gradient Echo法を用いて、任意のエコー時間(高周波磁場を送信してから核磁気共鳴信号を受信するまでの時間)で撮像された複素画像から位相分布Pを算出する。そして、MRI装置は、位相分布Pに生じている−π〜+πの範囲に折り返された位相を補正する位相折り返し補正処理を行う。
位相折り返し補正処理後の位相分布(総位相分布)Ptotalは、対象組織の形状などに起因する背景位相分布Pbkgr、生体組織間の磁化率差に起因する局所位相分布Plocalを用いて、式(1)で表される。
そして、MRI装置は、任意画素における画素値と、その画素を中心とした所定の半径を有する球(カーネル)内の画素における画素値の平均とが略等しいという平均値の性質を用いて、総位相分布Ptotalから、背景位相分布Pbkgrと局所位相分布Plocalとを分離する。
背景位相分布Pbkgrは、平均値の性質によって、式(2)を満たす。
δはデルタ関数、ρrは半径rの球状カーネル、Aは畳み込み積分をそれぞれ表す。また、Mshrinkは、被検体101の対象組織を抽出した対象組織抽出画像Mから、球状カーネルρrの半径rに応じて縮小されたマスクを表す。
式(2)で表される畳み込み積分Aは、フーリエ変換行列F、逆フーリエ変換行列F−1を用いることで、式(3)に変換できる。
式(3)に式(1)を代入することで、式(4)の関係式が得られる。
そして、MRI装置は、総位相分布Ptotalから、式(4)の関係式を満たす局所位相分布Plocalを算出し、最小二乗処理によって、式(5)で表される局所位相分布P’localを算出する。
即ち、SHARP法を用いた一般的な背景位相除去処理では、マスクMshrinkの範囲における局所位相分布しか算出することができず、脳内部と脳外部との境界部分(脳表領域)における局所位相分布の算出精度が低下するという問題が生じていた。
次に、図4乃至図8を参照して、本実施形態に係る計算機109が行う演算処理の流れについて説明する。図4は、本実施形態に係る計算機109における演算処理の流れを説明するフローチャートである。図5は、RSSGシーケンスのパルスシーケンスを説明するための図である。図6は、本実施形態に係る局所位相分布算出部330における局所位相分布算出処理の流れを説明するフローチャートである。図7は、本実施形態に係る全領域局所位相分布算出部336で用いる重み画像を説明するための図である。図8は、本実施形態に係る表示部110に表示される画像の一例を示す図である。
ステップS1001において、計算機109は計測処理を行う。
まず、静磁場内に被検体101が配置されると、静磁場強度に応じて被検体101内の水素原子核が、所定の周波数を持つため、送信部105は、被検体101の計測領域に、当該周波数と一致するような高周波磁場パルス502−1を送信し、被検体101の水素原子核を励起させる。この際、傾斜磁場印加部103は、被検体101の計測領域におけるz方向に、スライス傾斜磁場パルス501−1を印加し、被検体101における所定のスライス(3次元画像の撮像位置)での磁化を選択励起させる。
ステップS1002において、計算機109は画像再構成処理を行う。
ステップS1003において、計算機109は局所位相分布算出処理を行う。
背景位相分布算出部335は、局所領域内の任意画素の位置を(x、y、z)とし、式(6)を満たす多項式係数Ak、l、nを算出する。
Kはx方向の多項式における次数、Lはy方向の多項式における次数、Nはz方向の多項式における次数をそれぞれ表す。
局所領域内の中心画素の位置を(x0、y0、z0)とすると、対象組織の所定領域における背景位相分布Pedgeは、式(7)により算出できる。
背景位相分布算出部335は、対象組織の所定領域における画素の全てに対して、式(7)を実施することにより、背景位相分布Pedgeを算出する。
W1は脳表領域における重みが小さい重み画像、W2は脳表領域における重みが大きい重み画像をそれぞれ表す。
式(8)における第一項は、SHARP法と同様、脳内部の領域における、平均値の性質に基づく制約項を表している。平均値の性質における条件を満たす制約項に対しては、脳内部の領域における重みを大きくし、脳表領域における重みを小さくする。
式(8)における第二項は、脳表領域における背景位相分布に基づく制約項を表している。脳表領域における背景位相分布に基づく制約項に対しては、脳表領域における重みを大きくし、脳内部の領域における重みを小さくする。
また、全領域局所位相分布算出部336は、重み画像W1及び重み画像W2を用いて、脳表領域における重みを大きくし、脳内部の領域における重みを小さくすることで、式(8)に示す脳表領域における背景位相分布に基づく制約項を、局所多項式近似処理により算出された脳表領域における背景位相分布に近づけることができる。
更に、全領域局所位相分布算出部336は、重み画像W1及び重み画像W2を用いて、領域702及び領域706における重みを、0から1の間で線形に変化させることで、脳表領域(領域701と領域702とを合わせた領域、領域704と領域705とを合わせた領域)と、脳内部の領域(領域703、領域706)とを、滑らかに接続することができる。
λ1は、対象組織の所定領域における制約の大きさを調整するための正則化パラメータである。λ2は、局所位相分布Plocalのばらつきを、ある程度許容するための正則化パラメータである。
式(9)における第一項は、SHARP法と同様、脳内部の領域における、平均値の性質に基づく制約項を表している。
式(9)における第二項は、脳表領域における背景位相分布に基づく制約項を表している。
式(9)における第三項は、位相分布から局所位相変化成分を過剰に除去してしまうことを防ぐ役割を持つ正則化項を表している。
S1004において、計算機109は所望分布算出処理を行う。
まず、QSM法による定量的磁化率分布の算出法について説明する。QSM法は、局所位相分布Plocalが、生体組織間の磁化率差を反映することを利用して、局所位相分布Plocalから、局所的な磁場分布を算出し、磁場と磁化率の関係式を用いて定量的磁化率分布を算出する手法である。
gはプロトンの核磁気回転比、B0は静磁場強度をそれぞれ表す。
ここで、局所的な磁場分布は、静磁場に関するマクスウェル方程式より、式(11)で表される。
ここで、d(r)は局所磁場分布、c(r)は生体内の磁化率分布、aはベクトル(r’−r)と静磁場方向との為す角度、d(r)は点ダイポール磁場をそれぞれ表す。
即ち、式(11)に示すように、局所磁場分布d(r)は、磁化率分布c(r)と点ダイポール磁場d(r)との畳み込み積分で表すことができる。従って、式(11)の両辺をフーリエ変換することにより、式(11)は、式(12)に変換できる。
k=(kx、ky、kz)は、k空間上の位置ベクトルを表す。
D(k)は、局所磁場分布d(r)のフーリエ成分を表す。
D(k)は、点ダイポール磁場d(r)のフーリエ成分を表す。
X(k)は、生体内の磁化率分布c(r)のフーリエ成分を表す。
式(12)に示すように、生体内の磁化率分布c(r)のフーリエ成分X(k)は、局所磁場分布d(r)のフーリエ成分D(k)を、点ダイポール磁場d(r)のフーリエ成分D(k)で除算することによって算出できる。
しかしながら、式(12)は、D(k)=0近傍の領域において、その逆数が発散してしまうため、直接的にX(k)を算出することができない。このD(k)=0近傍の領域はマジックアングル領域と呼ばれ、静磁場方向に対しておよそ54.7度の2倍の頂角を持つ逆双円錐領域となる。
次に、SWI法による磁化率強調画像の算出法について説明する。SWI法は、局所位相分布Plocalから、磁化率分布を強調する磁化率強調マスクを作成し、計測した強度画像(絶対値画像)に、磁化率強調マスクを乗算することで、磁化率強調画像を算出する手法である。
S1005において、計算機109は画像表示処理を行う。
101 被検体
102 静磁場生成磁石
103 傾斜磁場印加部
105 送信部
106 受信部
109 計算機
110 表示部
331 対象組織抽出部
332 位相分布算出部
333 位相折り返し補正部
334 領域分割部
335 背景位相分布算出部
336 全領域局所位相分布算出部(局所位相分布算出部)
まず、MRI装置は、Gradient Echo法を用いて、任意のエコー時間(高周波磁場を送信してから核磁気共鳴信号を受信するまでの時間)で撮像された複素画像から位相分布Pを算出する。そして、MRI装置は、位相分布Pに生じている−π〜+πの範囲に折り返された位相を補正する位相折り返し補正処理を行う。
位相折り返し補正処理後の位相分布(総位相分布)Ptotalは、対象組織の形状などに起因する背景位相分布Pbkgr、生体組織間の磁化率差に起因する局所位相分布Plocalを用いて、式(1)で表される。
そして、MRI装置は、任意画素における画素値と、その画素を中心とした所定の半径を有する球(カーネル)内の画素における画素値の平均とが略等しいという平均値の性質を用いて、総位相分布Ptotalから、背景位相分布Pbkgrと局所位相分布Plocalとを分離する。
背景位相分布Pbkgrは、平均値の性質によって、式(2)を満たす。
δはデルタ関数、ρrは半径rの球状カーネル、Aは畳み込み積分をそれぞれ表す。また、Mshrinkは、被検体101の対象組織を抽出した対象組織抽出画像Mから、球状カーネルρrの半径rに応じて縮小されたマスクを表す。
式(2)で表される畳み込み積分Aは、フーリエ変換行列F、逆フーリエ変換行列F−1を用いることで、式(3)に変換できる。
但し、C=F(δ−ρr)
式(3)に式(1)を代入することで、式(4)の関係式が得られる。
そして、MRI装置は、総位相分布Ptotalから、式(4)の関係式を満たす局所位相分布Plocalを算出し、最小二乗処理によって、式(5)で表される局所位相分布P’localを算出する。
即ち、SHARP法を用いた一般的な背景位相除去処理では、マスクMshrinkの範囲における局所位相分布しか算出することができず、脳内部と脳外部との境界部分(脳表領域)における局所位相分布の算出精度が低下するという問題が生じていた。
Claims (6)
- 被検体が配置される空間に静磁場を生成する静磁場生成磁石と、
前記被検体に高周波磁場を送信する送信部と、
前記高周波磁場の送信により前記被検体から発生する核磁気共鳴信号を受信する受信部と、
前記核磁気共鳴信号に位置情報を付加する傾斜磁場を印加する傾斜磁場印加部と、
前記送信部、前記受信部、及び前記傾斜磁場印加部を制御するとともに、前記核磁気共鳴信号に対して演算処理を行う計算機と、
前記計算機により演算処理された画像を表示する表示部と、を備え、
前記計算機は、
前記核磁気共鳴信号によって構成された複素画像から前記被検体の対象組織を抽出した対象組織抽出画像を算出する対象組織抽出部と、
前記複素画像から位相分布を算出する位相分布算出部と、
前記位相分布の位相折り返しを補正する位相折り返し補正部と、
前記対象組織抽出画像に基づいて、補正後の位相分布を、前記対象組織の所定領域と前記所定領域以外の領域とに分割する領域分割部と、
前記所定領域の背景位相分布を算出する背景位相分布算出部と、
前記補正後の位相分布と前記背景位相分布とを組み合わせて、前記対象組織の所定領域における局所位相分布を算出する局所位相分布算出部と、
を備えることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。 - 前記局所位相分布算出部は、
任意画素の画素値と、前記任意画素を中心とした所定の半径を有する球内における画素の画素値の平均とが略等しいという条件に基づいて、前記局所位相分布を算出する、
ことを特徴とする請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置。 - 前記局所位相分布算出部は、
前記局所位相分布の正則化項を最小化する条件に基づいて、前記局所位相分布を算出する、
ことを特徴とする請求項2に記載の磁気共鳴イメージング装置。 - 前記計算機は、
前記局所位相分布を用いて、局所磁場分布を算出し、
前記局所磁場分布及び磁場と磁化率との関係式を用いて、磁化率分布を算出する、
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の磁気共鳴イメージング装置。 - 前記計算機は、
前記局所位相分布を用いて、前記磁化率分布を強調する磁化率強調マスクを作成し、
前記複素画像の絶対値成分に、前記磁化率強調マスクを乗じて磁化率強調画像を算出する、
ことを特徴とする請求項4に記載の磁気共鳴イメージング装置。 - 前記領域分割部は、
前記補正後の位相分布を、脳表領域と脳内部の領域とに分割する、
ことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の磁気共鳴イメージング装置。
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