JP2021503337A - Ｒｆ動き検出を有する磁気共鳴イメージングシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、動き検出を備えた患者５３の検査用の磁気共鳴イメージングシステムに関する。磁気共鳴イメージングシステムは、磁気共鳴画像の生成用のＲＦ信号を送信及び／又は受信するＲＦコイル４を有するＲＦコイル装置を含む。ＲＦコイル装置は、磁気共鳴画像の生成用のＲＦ信号の送信及び／又は受信と同時に、患者５３の動きによる動き動き信号を感知することを可能にする患者の組織２３と相互作用するために適合するＲＦ送信信号を送信するための、追加のＲＦセンサ５を備える。このようにして、ＭＲＩシステムで検査中の患者の動きを効率的且つ確実に検出することができる。

Description

本発明は、磁気共鳴画像の生成用のＲＦ信号を送信及び／又は受信するＲＦコイルを有するＲＦコイル装置を含む患者の磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）検査用のＭＲＩシステムに関し、特に、検査中の患者の動きを検出する可能性を有するＭＲＩシステムに関する。

当技術分野において一般に知られているように、磁気共鳴イメージングシステムでは、患者（通常は人間又は動物）が均一な主磁場（Ｂ０磁場）に晒されることで、患者内の原子核の磁気モーメントが、すべての原子核の特定の正味の磁化をＢ０磁場に平行に形成し、これを傾けることで、印加Ｂ０磁場の軸の周りの回転（ラーモア歳差運動）を生じさせることができる。歳差運動の速度はラーモア周波数と呼ばれ、これは、関与する原子核の特定の物理特性、具体的には磁気回転比と、印加Ｂ０磁場の強度とに依存する。磁気回転比は、磁気モーメントと原子核のスピンとの比である。

Ｂ０磁場に対して直交偏波を有し、ＲＦ送信アンテナ又はコイルによって生成され且つ関心の原子核のラーモア周波数に一致するＲＦ励起パルス（Ｂ１磁場）を送信することにより、原子核のスピンは励起されて揃えられ、それらの正味の磁化のＢ０磁場の方向からの偏向が得られるため、正味の磁化の縦成分に対する横成分が生成される。

ＲＦ励起パルスの終了後、正味の磁化がその平衡状態に戻るまで、正味の磁化の縦成分及び横成分の緩和過程が開始する。歳差運動する磁化によって生成されるＭＲ（磁気共鳴）信号が、ＲＦ受信アンテナ又はコイルによって検出される。次に、時間ベースの振幅信号である受信ＭＲ信号は、周波数ベースのＭＲスペクトル信号にフーリエ変換され処理されて、患者内の関心の原子核のＭＲ画像が生成される。

患者内のスライス又はボリュームの空間的選択と、関心のスライス又はボリュームから発せられる受信ＭＲ信号の空間エンコーディングとを得るために、Ｂ０磁場と同じ方向を有するが、直交するｘ、ｙ及びｚ方向に勾配を有する傾斜磁場がＢ０磁場に重ね合わされる。ラーモア周波数は原子核に課される磁場の強度に依存することにより、原子核のラーモア周波数は、全体の重ね合わされたＢ０磁場の勾配の低下に沿って且つ当該低下と共に適宜低下する（この逆もまた同様である）。これにより、送信ＲＦ励起パルスの周波数を適切に調整することにより（また、それに応じてＲＦ／ＭＲ受信アンテナの共振周波数を調整することにより）、また、傾斜磁場を適宜制御することにより、ｘ、ｙ及びｚ方向の各勾配に沿った特定の位置のスライス内での原子核の選択と、これにより、全体として、物体の特定のボクセル内での原子核の選択とを得ることができる。

上記ＲＦ（送信及び／又は受信）アンテナは、患者全体を撮像するようにＭＲＩシステムの検査空間内に固定して取り付けられるか、検査される局所的なゾーン又は領域のすぐ上又は付近に配置されるコイルの形で提供することができる。

ＭＲＩスキャンには、幾つかの入力パラメータと適切なスキャン準備とが必要である。通常、検査中の患者の体のサイズ及び体重、スキャンする患者の体位及び解剖学的構造に応じてプロトコルが選択され、患者に合うように変更される。通常、このデータは手動で入力する必要がある。例えばスキャンをトリガするために必要である生理学的パラメータは、専用センサを使用して測定する必要がある。しかし、ＭＲＩ処置中、患者は衣服で覆われ、また、ほとんどの利用では、ヘッドコイル及び／又は（前）面コイルといったＲＦコイルで覆われる。したがって、患者の動きを検出するための光学的検出方法は、実現することが難しい。

これに関して、米国特許第４，７１２，５６０号から、ＭＲＩデータの収集をスライスの動きと同期させる際に使用するためにＭＲＩシステムにおけるイメージングスライスの生理学的動きに対応する信号を提供する装置及び方法が知られている。信号は、所定周波数の入射信号を開始することによって生成され、この信号は、イメージングスライスと相互作用し、この周波数の反射信号を返す。入射信号と反射信号とを混合することにより、信号間の位相及び大きさの関係の変化を示すベースバンド信号が生成される。信号間の位相及び大きさの関係の変化は、イメージングスライスの動きにほぼ線形に関連しているため、ベースバンド信号は、ＭＲＩデータの収集をイメージングスライスの動きと同期させるための正確なトリガ信号として機能するイメージングスライスの動きを示す。

このような動きの情報は、動き補正や心臓トリガリングに使用されるが、リアルタイムで計算することができる大まかな患者モデルの推定にも使用される。更なる用途は、治療デバイス（例えばＭＲ−ＬＩＮＡＣ）をトリガするためのものである。

本発明は、ＭＲＩシステムにおいて検査中の患者の動きを効率的且つ確実に検出するための代替の解決策を提供することを目的とする。

本発明によれば、この目的は、独立請求項の主題によって対処される。本発明の好適な実施形態は、従属請求項に記載されている。

したがって、本発明によれば、患者の検査用の磁気共鳴イメージングシステムが提供される。磁気共鳴イメージングシステムは、磁気共鳴画像の生成用のＲＦ信号を送信及び／又は受信するＲＦコイルを有するＲＦコイル装置を含む。ＲＦコイル装置は、磁気共鳴画像の生成用のＲＦ信号の送信及び／又は受信と同時に、患者の動きによる動き信号を感知することを可能にする患者の組織と相互作用するために適合するＲＦ送信信号を送信するための、追加のＲＦセンサを備える。

したがって、本発明は、呼吸信号及び心臓信号といった動き信号をモニタリングする追加のＲＦセンサを有するＭＲＩシステムを実現することに関する。「追加の」との用語は、このような動き信号のセンサとして既に使用されている可能性があるＲＦコイルに加えて、追加のセンサが設けられるということに関連する。したがって、ＲＦコイルに加えて、磁気共鳴画像の生成用のＲＦ信号の送信及び／又は受信と同時に、患者の動きによる動き信号を感知することを可能にする患者の組織と相互作用するために適合するＲＦ送信信号を送信するための、追加のセンサを備えることが、本発明の本質的な特徴である。臨床的応用では、誘電率又は導電率（例えば電気特性トモグラフィの入力）の同時測定及び推定、リアルタイムの電気的患者モデリング及び比吸収率制御、動き修正／モデリング並びに心臓トリガリングのためにこの追加情報を使用することができる。これらの応用は、当業者にはよく知られており、したがって、ここでは、明確にするために詳細な説明を省略する。

このようなＲＦモニタリングには、他の患者モニタリング方法に比べて幾つかの利点がある。光学的モニタリングとは対照的に、ＲＦは衣服や患者を覆う他の物質を通して患者の体内に入り込む。ＭＲナビゲータとは対照的に、ＲＦはＭＲイメージングと同時に操作されることが可能である。したがって、システム上で実行されるシーケンスに関係なく、検査手順全体を通じて継続的にセンサデータを利用することができる。ＲＦは非接触型である。つまり、ＭＲオペレータが患者にデバイスを取り付ける必要がないため、ワークフローに負担がかからない。

通常、ＭＲＩのコンテキストでは、患者の動きに関して最も関心のあるのは、例えば呼吸又は心臓の動きである。したがって、「患者の動き」との用語は、外部から見える患者の動きだけでなく、患者の内臓の動きといった患者内の動きも対象とする。ほとんどの検査では、患者は完全に静止して横になるが、内部の動きの発生源を追跡することは、高品質撮像に関連している。

一般に、このような動き信号は、ＲＦコイル自体によって受信される。しかし、本発明の好適な実施形態では、追加のＲＦセンサもまた、患者の動きによる動き信号を受信する。

更に、本発明の好適な実施形態によれば、ＲＦコイル装置は前置増幅器を具備し、追加のＲＦセンサは前置増幅器内に配置される。この点で、追加のＲＦセンサが、前置増幅器のプリント回路基板上に配置されたアンテナを含むことが更に好適である。或いは、本発明の好適な実施形態によれば、追加のＲＦセンサは、ＲＦコイルに統合されているアンテナを含む。

追加のＲＦセンサを使用して、様々なタイプの信号を送信することができる。本発明の好適な実施形態によれば、追加のＲＦセンサは、連続波レーダ信号及び／又は超広帯域レーダ信号を送信する。

本発明の好適な実施形態によれば、磁気共鳴イメージングシステムは更に、感知された動き信号を受信する深層学習機能を有する機械学習モジュールを含む。深層学習方法は、下位レベルの特徴の構成によって形成される階層の上位レベルからの特徴を有する特徴階層を学習することを目的としている。深層学習方法は、隠れ層を有するニューラルネットワークや隠れ変数のレベルを有するグラフィカルモデルを含む様々な深層アーキテクチャの学習方法を含んでよい。教師なし事前トレーニングは、深層アーキテクチャの学習をより効果的にする。教師なし事前トレーニングは、一種のネットワークプレコンディショナとして機能し、パラメータ値を更なる教師付きトレーニングに適した範囲に置き、モデルをパラメータ空間のポイントに初期化して、経験的コスト関数の最小値の達成の意味で最適化プロセスをより効果的にする。

この点で、ＭＲＩシステムに深層学習機能を有する機械学習モジュールを使用することは、磁気共鳴画像の生成用のＲＦ信号を送信及び／又は受信するＲＦコイルも含むＲＦコイル装置の一部である追加のＲＦセンサに限定されないことに留意されたい。これとは対照的に、追加のＲＦセンサは、ＲＦコイルとは独立して設けられてもよい。この点で、本発明の好適な実施形態では、追加のＲＦセンサは、検査中に患者を保持する患者ベッドに配置される。好適には、複数のこのようなＲＦセンサが設けられる。

本発明の好適な実施形態によれば、機械学習モジュールは、磁気共鳴画像の生成用のＲＦ信号を受信するＲＦコイルにも接続される。更に、複数のＲＦコイル装置及び複数の機械学習モジュールが設けられることが好適であり、各ＲＦコイル装置は、磁気共鳴画像の生成用のＲＦ信号を送信及び／又は受信するＲＦコイルと、患者の動き信号を感知することを可能にする患者の組織と相互作用するために適合するＲＦ送信信号を送信するための、追加のＲＦセンサとを含む。各ＲＦコイル装置は、それぞれの感知された動き信号と、磁気共鳴画像の生成用のそれぞれの信号とをそれぞれの機械学習モジュールに送信するために別個の機械学習モジュールに接続される。

本発明はまた、患者の検査用の磁気共鳴イメージングシステムの作動方法に関する。磁気共鳴イメージングシステムは、ＲＦコイルと追加のＲＦセンサとを有するＲＦコイル装置を含む。方法は、
ＲＦコイルによって、磁気共鳴画像の生成用のＲＦ信号の送信及び／又は受信するステップと、
磁気共鳴画像の生成用のＲＦ信号の送信及び／又は受信と同時に、追加のＲＦセンサによって、患者の動きによる動き信号を感知することを可能にする患者の組織と相互作用するＲＦ送信信号を送信するステップとを含む。

この方法の好適な実施形態は、上記ＭＲＩシステムの好適な実施形態に関連する。

更に、本発明はまた、患者の検査用の磁気共鳴イメージングシステムの動作を制御するための非一時的コンピュータ可読媒体に関する。磁気共鳴イメージングシステムは、ＲＦコイルと追加のＲＦセンサとを有するＲＦコイル装置を含む。非一時的コンピュータ可読媒体には、プロセッサ上で実行されると、上記方法のステップを行う命令が格納されている。

本発明のこれらの態様及び他の態様は、以下に説明する実施形態から明らかになり、当該実施形態を参照して説明する。このような実施形態は、必ずしも本発明の全範囲を表すものではなく、したがって、本発明の範囲を解釈するために、特許請求の範囲及び本明細書を参照する。

図１は、本発明の好適な実施形態による動き検出のための統合ＲＦトランシーバデバイスを有する前置増幅器プリント回路基板を概略的に示す。 図２は、本発明の別の好適な実施形態による動き検出のための統合ＲＦトランシーバデバイスを有する前置増幅器プリント回路基板を概略的に示す。 図３は、本発明の好適な実施形態による統合ＲＦ動き検出器を有するＲＦコイルアレイを概略的に示す。 図４は、本発明の更に好適な実施形態による統合ＲＦ動き検出器アンテナを有するＲＦコイルを概略的に示す。 図５は、本発明の好適な実施形態による統合分散スタブアンテナを有するＲＦコイルアンテナを概略的に示す。 図６は、本発明の好適な実施形態による患者ベッドに複数のＲＦセンサを備えたＭＲＩシステムを概略的に示す。

図１から、本発明の好適な実施形態による動き検出用の統合ＲＦトランシーバデバイス２とＲＦコイル４とを有する前置増幅器プリント回路基板１を概略的に見ることができる。これは、磁気共鳴画像の生成用のＲＦ信号を送信及び／又は受信するＲＦコイル４を有するＲＦコイル装置である。ＲＦコイル装置は、磁気共鳴画像の生成用のＲＦ信号の送信及び／又は受信と同時に、患者の動きによる動き信号を感知することを可能にする、検査中の患者の組織と相互作用するために適合するＲＦ送信信号を送信及び受信するための、追加のＲＦセンサを備える。ＲＦトランシーバ２のアンテナ３は、ＲＦコイル４に統合されているが、プリント回路基板１上に配置することもできる。ＲＦコイル４自体もまた、マルチ共振デザインでは、ＲＦトランシーバデバイス２によってアンテナデバイスとして使用することができる。プリント回路基板１は、デジタル変調器９及び増幅器１０を含むレーダ及びＲＦセンサ５を含み、そこから信号がアンテナ３に供給される。ＲＦコイル４によって受信された信号は、前置増幅器６に供給され、更にデジタイザ及びコンプレッサ７に供給される。Ｉ／Ｏ機能はデジタルインターフェイス８によって実現される。

図２は、本発明の別の好適な実施形態による動き検出用の統合ＲＦトランシーバデバイス２’を有する前置増幅器プリント回路基板を概略的に示す。全体的なデザインは、図１に示すデザインと類似し、同様のデバイスは同様の参照符号で参照される。ただし、ここでは、ＭＲＩ帯域外又はデジタルスペクトラム拡散信号である搬送波信号が生成される。スペクトラム拡散信号は、デコリレータ１１を介してＭＲＩ信号から除去される。ＲＦコイル４は、ＭＲＩ及び動き検出用の追加のＲＦ信号に同時に使用される。

図３は、本発明の好適な実施形態による統合ＲＦ動き検出器を有するＲＦコイルアレイを概略的に示す。個々のコイル２１はそれぞれ局所的動き検出デバイス２２を備えている。動き検出デバイス２２は、患者の組織２３の動き、即ち、患者の内臓（心臓、肝臓）又は患者の体表面の動きを感知する。動き感知フィールドは、参照符号２４で示されている。個々のコイル素子間の反射波又はクロストークのいずれかが、更なる処理に使用される。

図４は、本発明の更に好適な実施形態、即ち、ａ）アンテナアレイ４１、ｂ）ダイポール４２及びｃ）スパイラルビバルディデザイン４３による統合ＲＦ動き検出器アンテナを有するＲＦコイル４を概略的に示す。図５は、本発明の別の好適な実施形態による統合分散スタブアンテナ４４を有するＲＦコイルアンテナ４を概略的に示す。

本発明の好適な実施形態によれば、図６に概略的に示すＭＲＩシステム６０は、深層学習機能を備えた機械学習モジュール５１を含む。図６は更に、ＭＲＩシステム６０のＭＲＩボア５４内でのＭＲＩ検査中に患者５３を保持する患者ベッド５２を示す。患者ベッド５２は、患者５３の組織と相互作用するＲＦ送信信号を送信することで、磁気共鳴画像の生成用のＲＦ信号の送信及び／又は受信と同時に、患者５３の動きによる動き信号を感知することを可能にする幾つかのＲＦセンサ５５を含む。ＲＦセンサ５５は、ユーザによる操作のためのＭＲＩコンソール５７と機械学習モジュール５１との両方に結合された信号制御及び処理ユニット５６によって制御される。機械学習モジュール５１は、感知された動き信号と、磁気共鳴画像の生成用のＲＦ信号とを受信する。

機械学習モジュール５１は、ＲＦセンサ５５の動作条件の関連するセンサ属性、例えば、
−心臓の動き
−臓器の動き（呼吸）
−体及び四肢の動き
−患者の姿勢
−患者の体重
−電気的パラメータ（誘電率及び負荷）
−反射パワー
−コイル負荷条件
を特定する。

信号制御及び処理ユニット５６は、ＲＦセンサ係数設定を継続的に修正し、また、動作条件が変化するにつれて、センサ、周波数及びアンテナの選択といった他のパラメータを修正する。機械学習モジュール５１は、現在の動作条件をモニタリングし、突然の変化に応答して、同様の条件下で前にうまくいった過去の係数を復元する。

うまくいった係数設定は、測定された動作条件から導出された多次元属性ベクトルを使用してインデックスが付けられたリストに保存される。配列構造のルックアップテーブルとは異なり、リストは要素を自動的に生成する。より多くの動作条件を経験すると成長し、隣接する要素が冗長であると認識されると縮小するため、リストのサイズは動的である。

本発明を、図面及び前述の説明で詳細に例示及び説明してきたが、このような例示及び説明は、例示的と見なされるべきであり、限定的ではない。本発明は、開示された実施形態に限定されない。開示された実施形態に対する他の変形は、図面、開示及び添付の特許請求の範囲の検討から、請求項に係る発明を実施する際に当業者によって理解及び達成される。特許請求の範囲において、「含む」との用語は、他の要素又はステップを除外せず、単数形は複数を除外しない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されているということだけで、これらの手段の組み合わせが有利に使用できないことを示していない。特許請求の範囲における参照符号は、範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。更に、明確にするために、図面中のすべての要素に参照符号が付されているわけではない。

１ プリント基板基盤
２ トランシーバデバイス
３ アンテナ
４ ＲＦコイル
５ 追加のＲＦセンサ
６ 前置増幅器
７ デジタイザ及びコンプレッサ
８ デジタルインターフェイス
９ デジタル変調器
１０ 増幅器
１１ デコリレータ
２１ コイル
２２ 動き検出デバイス
２３ 組織
４１ アンテナアレイ
４２ ダイポール
４３ スパイラルビバルディデザイン
４４ 分散スタブアンテナ
５１ 機械学習モジュール
５２ 患者ベッド
５３ 患者
５４ ＭＲＩボア
５５ ＲＦセンサ
５６ 信号制御及び処理ユニット
５７ ＭＲＩコンソール
６０ ＭＲＩシステム

Claims (11)

1. 磁気共鳴画像の生成用のＲＦ信号を送信及び／又は受信するＲＦコイルを有するＲＦコイル装置を含む、患者の検査用の磁気共鳴イメージングシステムであって、
   前記ＲＦコイル装置は、前記磁気共鳴画像の生成用の前記ＲＦ信号の送信及び／又は受信と同時に、前記患者の動きによる動き信号を感知することを可能にする患者の組織と相互作用するために適合するＲＦ送信信号を送信するための、追加のＲＦセンサを備え、
   前記追加のＲＦセンサは、前記患者の動きによる前記動き信号を受信し、
   前記ＲＦコイル装置は、前置増幅器及びＲＦコイルを具備し、
   前記追加のＲＦセンサは、前記前置増幅器と一緒に配置され、
   前記追加のＲＦセンサは、前記ＲＦコイルに統合されているアンテナを含み、
   前記追加のＲＦセンサは、連続波レーダ信号及び／又は超広帯域レーダ信号を送信及び受信する、磁気共鳴イメージングシステム。
2. 前記前置増幅器及び前記追加のＲＦセンサは、動き検出用の統合ＲＦトランシーバデバイスを形成し、
   前記ＲＦコイルは、マルチ共振デザインでは、前記統合ＲＦトランシーバデバイスによってアンテナデバイスとして構成される、請求項１に記載の磁気共鳴イメージングシステム。
3. 前記前置増幅器及び前記追加のＲＦセンサは、動き検出用の統合ＲＦトランシーバデバイスを形成し、
   前記統合ＲＦトランシーバデバイスは、デジタルスペクトラム拡散信号である搬送波信号を生成し、
   前記統合ＲＦトランシーバデバイスは更に、前記ＲＦコイルがＭＲＩ信号及び動き検出用の追加ＲＦ信号のために同時に使用されるように、前記ＭＲＩ信号からスペクトラム拡散信号を除去するデコリレータを含む、請求項１又は２に記載の磁気共鳴イメージングシステム。
4. 前記追加のＲＦセンサは、前記前置増幅器のプリント回路基板上に配置されるアンテナを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の磁気共鳴イメージングシステム。
5. 感知された前記動き信号を受信して処理する深層学習機能を有する機械学習モジュールを更に含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の磁気共鳴イメージングシステム。
6. 前記機械学習モジュールはまた、前記磁気共鳴画像の生成用の前記ＲＦ信号を受信する前記ＲＦコイルにも接続される、請求項５に記載の磁気共鳴イメージングシステム。
7. 複数のＲＦコイル装置及び複数の機械学習モジュールを含み、
   各ＲＦコイル装置は、磁気共鳴画像の生成用のＲＦ信号を送信及び／又は受信するＲＦコイルと、前記患者の組織と相互作用するＲＦ送信信号を送信及び受信することで、前記患者の動き信号を感知することを可能にする追加のＲＦセンサとを含み、
   各ＲＦコイル装置は、それぞれの感知された動き信号と、前記磁気共鳴画像の生成用のそれぞれの信号とを、それぞれの機械学習モジュールに送信するために別個の機械学習モジュールに接続される。請求項５又は６に記載の磁気共鳴イメージングシステム。
8. 患者の検査用の磁気共鳴イメージングシステムの作動方法であって、
   前記磁気共鳴イメージングシステムは、ＲＦコイル及び追加のＲＦセンサを有するＲＦコイル装置を含み、前記追加のＲＦセンサは、前置増幅器と一緒に配置され、前記追加のＲＦセンサは、前記ＲＦコイルに統合されているアンテナを含み、前記方法は、
   前記ＲＦコイルによって、磁気共鳴画像の生成用のＲＦ信号の送信及び／又は受信するステップと、
   前記追加のＲＦセンサによって、前記患者の組織と相互作用するＲＦ送信信号を送信することで、前記磁気共鳴画像の生成用の前記ＲＦ信号の送信及び／又は受信と同時に、前記患者の動きによる動き信号を感知することを可能にするステップと、
   前記追加のＲＦセンサによって、前記患者の動きによる前記動き信号を受信するステップと、
   前記追加のＲＦセンサによって、連続波レーダ信号及び／又は超広帯域レーダ信号を送信するステップと、
   を含む、方法。
9. 深層学習機能を有する機械学習モジュールにおいて、感知された前記動き信号を処理するステップを含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記機械学習モジュールにおいて、感知された前記動き信号を、前記磁気共鳴画像の生成用の前記ＲＦ信号と一緒に処理するステップを含む、請求項９に記載の方法。
11. ＲＦコイル及び追加のＲＦセンサを有するＲＦコイル装置を含む患者の検査用の磁気共鳴イメージングシステムの動作を制御するための非一時的コンピュータ可読媒体であって、
    プロセッサ上で実行されると、請求項８から１０のいずれか一項に記載の方法のステップを行う命令が格納されている、非一時的コンピュータ可読媒体。
    
    

Images