JP3573570B2

JP3573570B2 - 磁気共鳴イメージング装置

Info

Publication number: JP3573570B2
Application number: JP12931596A
Authority: JP
Inventors: 哲彦高橋; 賢治滝口
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 1996-04-26
Filing date: 1996-04-26
Publication date: 2004-10-06
Anticipated expiration: 2016-04-26
Also published as: JPH09289980A

Description

【０００１】
【発明の属する利用分野】
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映像化する磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
典型的なＭＲＩ装置の構成を説明する。ＭＲＩ装置は、被検体の周囲を取り巻く空間に静磁場を発生する磁石と、その空間に傾斜磁場を発生する傾斜磁場コイルと、その領域に高周波磁場を発生するＲＦコイルと、被検体から発生するＮＭＲ信号を検出するＲＦプローブとを備えている。傾斜磁場コイルは、Ｘ、Ｙ、Ｚの３方向の傾斜磁場コイルで構成され、傾斜磁場電源からの信号に応じてそれぞれ傾斜磁場を発生する。ＲＦコイルはＲＦ送信部の信号に応じて高周波磁場を発生する。ＲＦプローブによって受信された信号は、信号検出部で検出され、信号処理部で信号処理されるとともに計算により画像信号に変換される。画像は表示部で表示される。傾斜磁場電源、ＲＦ送信部、信号検出部は制御部で制御される。これらの各部分の動作のタイムチャートは一般にパルスシーケンスと呼ばれている。なお、被検体を横たえ撮影位置へ移動するために寝台が備えられている。
【０００３】
現在ＭＲＩの撮影対象は、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、プロトンである。プロトン密度の空間分布や、励起状態からの核スピンの緩和現象の空間分布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次元若しくは３次元的に撮影する。撮影された画像の空間分解能は、現状では、２５６、５１２等が用いられている。
【０００４】
次に、ＭＲＩ装置による撮影方法を説明する。ＭＲＩ装置の代表的な高速シーケンスとしてエコープレナーシーケンス（ＥＰＩ：ＥｃｈｏＰｌａｎａｒＩｍａｇｉｎｇ、以下ＥＰＩ法と記す。）がある。ＥＰＩ法は、図２に示すように、検知する磁化を含む被検体に高周波パルス２０１を照射すると同時に、スライスを選択する傾斜磁場パルス２０２を印加する。これにより被検体において画像化するスライスが選択される。次に位相エンコードのオフセットを与えるパルス２０３と読み出し傾斜磁場のオフセットを与えるパルス２０５を印加する。その後に、連続して極性が反転する読み出し傾斜磁場パルス２０６を印加する。傾斜磁場パルス２０６は台形のパルスである。傾斜磁場パルス２０６に同期して、位相エンコード傾斜磁場パルス２０４を離散的に印加する。極性が反転する読み出し傾斜磁場２０６の各周期内で各位相エンコード量が付与されたエコー信号２０７が時系列的に発生するので、これを時間範囲２０８の間各々サンプリングし時系列データを得る。こうして得られた各エコー信号から画像を再構成する。時間範囲２０８は典型的には各々が１ｍｓ程度である。時間範囲２０８の隣接する間隔は０．５ｍｓから１ｍｓ程度である。一連の動作２０９により画像再構成に必要な全エコーを収集する。撮影する断面は、スライス方向の傾斜磁場２０２で決定される。同一断面を連続して撮影する場合、磁化の回復を待つため、時間２１０だけ待ったあと、動作２０９を繰り返す。時間２１０は典型的には、１秒から２秒で、動作２０９が要する時間は、１００ｍｓ程度である。
【０００５】
ＥＰＩ法には、分割型ＥＰＩ法も提案されており、これは図２の動作２０９で、一部分のみの位相エンコードデータを取得し、次に位相エンコードのオフセットを与えるパルス２０３を変化させながら（図中点線で示す）動作２０９を繰り返し、残りのエコー信号２０７を取得する。分割型ＥＰＩ法は、動作２０９を繰り返すため１枚の画像を取得するためのデータ取得時間は長くなるが、動作２０９内で取得するエコー２０７の数が減り、動作２０９自体は短時間になる。この結果、２０９の後半におけるエコーの信号の低化が少なくなり、高画質の画像が取得できる。
【０００６】
このようにＭＲＩ装置では、傾斜磁場パルスにより異なる位相エンコードを与え、それぞれの位相エンコード（２０４のそれぞれ）で得られるエコー信号を検出している。位相エンコード２０４の数（すなわちエコー２０８の数）は通常１枚の画像あたり１２８、２５６、５１２等の値が選ばれる。各エコー２０８は通常１２８、２５６、５１２、１０２４個のサンプリングデータからなる時系列信号として得られる。これらのデータを２次元フーリエ変換して１枚のＭＲ画像を作成する。
【０００７】
ＭＲＩの信号取得手順は、当業者の間では、一般にｋ空間軌跡（図３）を使って、表わされる。ｋ空間は、横軸が読み出し傾斜磁場印加量、縦軸が位相エンコード量を示している。ｋ空間の座標は（ｋｘ，ｋｙ）で表わされ、空間の中心が、（０，０）である。図２のシーケンスのｋ空間軌跡は図３に示すように、１エコーをサンプリングしたデータが、データの取得順にｋ空間の横軸に沿って複素データ（検出信号そのもの）として軌跡上に配置される。１エコー分のデータ列が、丁度、軌跡の横１列分に相当する。また、位相エンコードパルスを印加する毎に、縦軸方向に軌跡はシフトする。ワンショットＥＰＩ法では、ｋ空間を一筆書き状に空間を走査する。走査線上のデータを公知の反転処理、位相補正処理を行ったあと、２次元ＦＦＴすることで、実空間での画像を得る。一般的に、ＥＰＩ法における位相補正処理は図６に示すように、プリスキャン（ａ）を行って、そのプリスキャンデータを用いてその後の本スキャン（ｂ）のデータを補正する方法が行われている。
【０００８】
近年、脳の局所活性化を時系列のＭＲ画像の局所のわずかな信号変化から抽出するＦＭＲＩ（ＦｕｎｃｔｉｏｎａｌＭＲＩ）が、実用化されつつある。このＦＭＲＩでは、被検体のわずかな動きが、信号解析時に問題となることが指摘されている。そこで、この動きによる画像間の位置ずれを、後処理により補正する方式が提案されている。（ＭｅｄｉｃａｌＩｍａｇｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，メディカル・イメージング・テクノロジー、１３巻４号ｐｐ５８３−５８４「ＭＲ機能画像のための相関画像処理」、大宮淳ほか（１９９５年７月））この方式は、２枚の画像間の位置ずれを、周波数空間（ｋ空間）の原点付近の情報を使って、検出・補正するものである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
発明者等の検討によれば、上記生体の動きの他に、本来動きがないはずの被検体（例えば生体等価ファントム）を撮像した場合にも、装置の特性の変動から、被検体がわずかに動いて見える場合があった。このような動きは、特に、位相エンコード方向に見られ、その大きさは、０．５から１．０絵素程度であった。
【００１０】
このようなものに対しても、上記動き補正を施すことにより補正可能ではあるが、ＭＲＩ装置内で高速で処理するには、より簡便な指標を使った単純な位置補正アルゴリズムが求められた。しかし、従来技術では、このような特殊な位置変動に対してアルゴリズムの最適化はされていなかった。また、ＭＲＩ装置に組み込む観点からの詳細な検討も報告されておらず、ＭＲＩ装置への搭載に、一層適した位置補正方式が求められていた。
【００１１】
本発明は上記に鑑みて成されたもので、撮像中に時間経過とともに生ずる装置の特性変動による画像の位置ずれや歪を補正する新規の手法を提供し、それによりＦＭＲＩの精密な画像が得られるＭＲＩ装置を提供することを目的として成されたものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、検知する磁化を含む被検体に高周波パルスを照射し前記被検体内の核スピンに横磁化を付与する手段と、横磁化が付与された前記核スピンに位相エンコード傾斜磁場と読み出し傾斜磁場を印加する手段と、エコー信号を時系列的に検出する手段と、検出されたエコー信号から前記被検体のスライス画像を再構成する手段を有した磁気共鳴イメージング装置において、前記被検体の同一部位をエコープレナーシーケンスで撮影し多数の画像を得る際に、各画像に対応する信号のうち前期位相エンコード傾斜磁場による位相エンコード量がゼロである信号の位相値、および、前記高周波パルス印加時刻と前記位相エンコード量がゼロである信号の取得時刻の時間差から単位時間あたりのエコー信号の位相回転量を画像毎に算出し、この算出した位相回転量から位相エンコード量がゼロおよび非ゼロの各エコー信号の位相補正量を画像毎に決定し、各エコー信号の位相補正を画像毎に行う手段を備えたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。先ず、図４を用いて本発明を実施するためのＭＲＩ装置の構成を説明する。図４において、４０１は被検体であり、頭部を検査のために計測空間に置かれている。４０２は静磁場発生用磁石装置であり、所定空間領域に均一磁場を発生するものである。この静磁場発生用磁石装置４０２は超電導磁石、常電導磁石または永久磁石を磁場発生源とした各種の方式のものが用いられる。４０３は傾斜磁場コイルで、計測空間において静磁場へ重畳するように、かつその計測空間内において直交する３方向へ傾斜磁場を発生するもの、４０４は計測空間に置かれた被検体４０１へ電磁波を照射するためのＲＦコイル、４０５はＲＦコイル４０４からの電磁波により核磁気共鳴を起こした被検体内の核スピンから生ずる信号を検出するＲＦ受信コイル、４０６はＲＦ受信コイル４０５で検出された信号に対し増幅、検波、Ａ／Ｄ変換を行う信号検出部、４０７は信号検出部４０６からの信号を用いて各種の処理及び計算を行い画像データを作成する信号処理部、４０８は信号処理部４０７で作成された画像データを表示するＣＲＴ等を有した画像表示部、４０９は傾斜磁場コイル４０３へ電力を供給する傾斜磁場電源、４１０はＲＦ送信部で、ＲＦコイル４０４から被検体４０１へ照射される電磁波に対応した信号を作成するもの、４１１は制御部で、傾斜磁場電源４０９、ＲＦ送信部４１０、信号検出部４０６、信号処理部４１０等をシステム的に制御するとともに、被検体４０１から信号を検出するパルスシーケンスの実行を制御するもの、４１２は被検体４０１を支持するとともに、被検体４０１の検査部位を計測空間へ移動する寝台である。
【００１４】
次に、ワンショットＥＰＩ法を用いて被検体の同一部位を連続的に撮影する際の装置の動作を説明する。検知する磁化を含む被検体４０１に撮像スライスを選択する傾斜磁場パルス２０２を印加するとともに高周波パルス２０１を照射する。これにより被検体４０１において画像化するスライスが選択される。すなわち、被検体４０１のスライス内の核スピンのみを選択的に励起する。次に位相エンコードのオフセットを与えるパルス２０３と読み出し傾斜磁場のオフセットを与えるパルス２０５を印加する。位相エンコードのオフセットはｋ空間おけるエコー信号の書き込みのスタート位置を設定するもので、また読み出し傾斜磁場のオフセットはエコー信号を発生させるための準備としての核スピンのディフェーズをするためのものである。
【００１５】
その後に、連続して極性が反転する読み出し傾斜磁場パルス２０６を印加する。傾斜磁場パルス２０６は台形のパルスである。傾斜磁場パルス２０６の極性変化点に同期して、位相エンコード傾斜磁場パルス２０４を離散的に印加する。このように位相エンコード傾斜磁場２０４と読み出し傾斜磁場２０６とを印加すると、２０７で示すようにエコー信号２０７が発生する。
【００１６】
極性が反転する読み出し傾斜磁場２０６の各周期内で各位相エンコード量が付与されたエコー信号２０７が時系列的に発生するので、これを時間範囲２０８（２０８１，２０８２，・・・の各々のサンプリング期間）の間に各々サンプリングし時系列データを得る。こうして得られた各エコー信号はｋ空間に書き込まれ、そのデータを２次元フーリエ変換して画像を再構成する。サンプリング期間２０８は典型的には各々が１ミリ秒程度であり、サンプリング期間２０８の隣接する間隔（サンプリングをしない期間）は０．５ミリ秒から１ミリ秒程度である。図２に示すＲＦパルス２０１を印加してから２０９として示した時間内に画像再構成に必要な全エコーを収集する。撮影する断面は、ＲＦパルス２０１の周波数とスライス方向の傾斜磁場２０２で決定されるので、同一断面を連続して撮影する場合は、それ等を同じにして図２のパルスシーケンスを繰り返す。ただし、磁化の回復を待つため、所定時間だけ待ったあと、パルスシーケンスを繰り返す。その待ち時間は典型的には、１秒から２秒で、パルスシーケンスを１回実行するに要する時間２０９は、１００ミリ秒程度である。
【００１７】
以下、図１と図５を用いて本発明の信号補正方法を説明するが、初めにその原理を説明する。ｋ空間軌跡上で、位相エンコード量を０として計測した信号、すなわちｋｙ＝０の信号は、ｋｙ軸方向に被検体を投影したデータに対応する。そして、被検体の巨視的な状態が変わらない限り、連続する画像同志でｋｙ＝０の信号は同一の信号として得られるはずである。しかし、実際に連続した複数枚の画像についてｋｙ＝０上の信号の位相を調べて見ると、画像間で位相差があることが判明した。また、この位相差と、再構成後の画像のｋｙ方向の位置ずれ量が対応することも明らかになった。そこで、本発明では、図６の紙面右側に示すように、この位相差を使って、画像の位置ずれを戻す。
【００１８】
図５は、ＥＰＩによる連続画像取得を模式的に示した図である。まず、プリスキャンデータ５０１を取得する。プリスキャンデータは、例えば、図２のシーケンスにおいて、位相エンコードを付与しないで取得した各エコー信号のデータから成る。このプリスキャンデータを用いて、装置固有の特性に起因する位相オフセット等を補正する。本補正は、原理的には、Ｐ０，Ｐ１補正として公知の補正と同様の補正効果があり、Ｔｊ（０，０）の位相値はすべて０になる。ここにｊは画像番号であり、図５において、ｊは１からＭ迄の値となる。次に図２に示すパルスシーケンスをＭ回続けて実行し、連続したＭ枚分の画像データとしての本スキャンデータ５０２を取得する。本スキャンデータ５０２は、それぞれについて横方向（ｋｘ方向）にのみフーリエ変換し、Ｔｊ（ｘ，ｋｙ）（５０３）を得る。図５に示すデータ５０３の横軸はｘ、縦軸は位相エンコード量ｋｙである。各データ５０３のうちの図中×印を付した点（０，０）は、本来位相が一定であり、どの画像も等しくなるはずであるが、現実には変化する。この位相変化は、エコー信号を検波する際の基準周波数ｆ０や傾斜磁場波形の不安定性、被検体自体の不本意な動き等が原因と推定される。
【００１９】
次に、ｋｙ＝０の信号の位相差と、画像上の被検体揺らぎの関係を説明する。撮影シーケンス（図２）において、ｋｙ＝０のエコー２０７１の中心とＲＦパルス２０１の中心との時間２１１は、エコー時間ＴＥと呼ばれる。また、第１エコーまでの時間２１１を待ち時間ＷＴとし、ｋｙ＝０のエコー番号をｎ（０）とする。発明者らの検討の結果、前記位相変化は、これらの値と関連することがことがわかった。また、ｋｙ≠０のエコーについても、本来位相エンコード量のみによって付与される位相以外に、各エコーの取得時刻とＲＦパルス２０１の印加時刻の時間差に比例する量の位相が付加されていた。そこで、本発明は、これらの付加的な位相回転を除去するものである。
【００２０】
以下、その位相補正を順序立てて説明する。
【００２１】
図１は本発明の信号補正方法のフローチャート図であり、図５は図２のパルスシーケンスを用いて被検体の同一部位の画像を経時的に連続してＭ枚撮影する手順を示す図である。先ず図５により撮影手順を説明する。撮影はプリスキャンから始める。このプリスキャンでは、図２のパルスシーケンスにおいて位相エンコードを付与しない（Ｇｅ＝０）で各エコー信号のデータ計測を行う。このプリスキャンデータをその後の撮影の本スキャンで計測したデータと対応付けて補正に用いる。プリスキャンによって得られた各エコー信号のデータは、ｋ空間に書き込まれ、そして読み出し方向にフーリエ変換される。フーリエ変換されたデータＴｐ（ｘ，ｋｙ）はメモリへ記憶される。ここでｐはプリスキャンを意味する。
【００２２】
次いで被検体の１枚目（ｊ＝１）の画像撮像のための本スキャンを実行する。この本スキャンは、前記プリスキャンと同一断面の核スピンをスライス方向傾斜磁場２０２とＲＦパルス２０１とを印加して選択励起し、位相エンコード傾斜磁場（Ｇｅ）２０３，２０４および読み出し傾斜磁場（Ｇｒ）２０５，２０６を印加してエコー信号２０７をサンプリング期間２０８の各々について計測し、ｋ空間に記憶する。このｋ空間への書き込みの際に、前記プリスキャンの信号との対応が取れるようにしておく。そして得られた１枚目の画像の本スキャンデータＳ１(ｋｘ，ｋｙ)を読み出し方向（ｋｘ方向）にフーリエ変換するとともに、プリスキャンデータＴｐ（ｘ，ｋｙ）を用いて位相補正を行いＴ１（ｘ，ｋｙ）を得る。次に、ｋｙ＝０すなわち位相エンコードを０とした（エコー信号が最大となる。）エコー２０７１のエコー取得番号ｎ（０）［図２ではｎ＝２となる。］と、Ｔ１（０，０）の位相ｐｈｓ０（１）から、位相エンコードステップ当たりの位相回りｐｈｓ（１）を計算する。
【００２３】
この計算に用いる計算式を一般化したものを数１として示す。
【数１】

【００２４】
ここに、ＴＥはエコー時間と呼ばれ、図２において符合２１１で示す。またＷＴは待ち時間と呼ばれ、ＲＦパルスの印加から第１エコーが生ずるまでの時間で、図２において符合２１２で示す。この式１は、ｐｈｓ０（ｊ）がエコー信号の何番目のものであって、そのエコー信号が生ずるまでにエコー時間の何倍の時間が掛かったかによりエンコードの１ステップ当たりの位相ずれを推定しているものである。
【００２５】
次に、Ｔ１（ｘ，ｋｙ）に対し、位相エンコードステップ毎に位相補正を行い、Ｔ１´（ｘ，ｋｙ）を得る。
【００２６】
この計算に用いる計算式を一般化したものを数２として示す。
【数２】

【００２７】
個々に、Ｒｅ［Ｔｊ´（ｘ，ｋｙ）］は位相補正後の信号の実部、Ｒｅ［Ｔｊ´（ｘ，ｋｙ）］は虚部、ｉはエンコードステップ、ｎはエコー番号、ｊは画像番号である。この式２は、式１で計算したエンコード１ステップ当たりの位相ずれが各エンコード量に比例するものとして位相補正を行っていることを示している。
【００２８】
そして、補正後の信号Ｔ１´（ｘ，ｋｙ）を位相エンコード方向にフーリエ変換をし、画像Ｕ１（ｘ，ｙ）を得る。画像Ｕ１（ｘ，ｙ）は位相補正されたものとなる。
【００２９】
以上は、１枚目の画像の本スキャンで得られた信号に対しての信号補正について述べたが、２枚目、３枚目、…、ｊ枚目、…、ｍ枚目の本スキャンの計測信号についても同様に信号補正を行うことができる。
【００３０】
上記発明の実施形態においては、２次元のワンショットＥＰＩについての適用方法を述べたが、３次元イメージングにも拡張できる。また、マルチショットＥＰＩにも適用できる。また、スパイラルスキャン法やＧＲＳＥ（Ｇｒａｄｉｅｎｔａｎｄｓｐｉｎｅｃｈｏ）法など、ＥＰＩと類似の撮影シーケンスにも適用できる。
【００３１】
【実施例】
ワンショットＥＰＩのダイナミックスキャンにおいて、撮影条件が、ｎ（０）＝８、ＴＥ＝１８ｍｓ、ＷＴ＝１０ｍｓで、連続して１００枚の画像をＴＲ＝２秒で撮影した。被検体は、円柱状の生体等価ファントムである。画像マトリックスは、１２８×６４（読み出し方向×位相エンコード方向）である。位相エンコードの数の足りない分は、公知の方法（ハーフフーリエ法）で外挿した。１００枚の画像間の位相エンコード方向の位置の変動は、１．３絵素（ｐｅａｋｔｏｐｅａｋ）であった。最も位置変動がある画像ｊの位相ｐｈｓ０（ｊ）の実測値は、８．２ｄｅｇであった。したがって、式１にしたがって、ｐｈｓ（ｊ）＝０．８２ｄｅｇを得、式２にしたがって、各信号を補正した。同様に、すべての画像のデータを、本発明のアルゴリズムで処理した結果、１００枚の画像間の位相エンコード方向の位置の変動は、０．１７絵素（ｐｅａｋｔｏｐｅａｋ）に、抑制できた。
【００３２】
被検体として、頭部断層像を用いたり類似の実験でも、本発明のアルゴリズムを適用した結果、１００枚の画像間の位相エンコード方向の位置の変動は、０．１７絵素（ｐｅａｋｔｏｐｅａｋ）に抑制できた。
【００３３】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、ＦＭＲＩの様に連続的に被検体をＭＲＩ装置によって撮像し、得られた複数枚の画像間でデータ処理を行って被検体を検査する場合に、稼働時間の経過とともに現われる装置の特性の変化により、画像データに生ずる位相誤差を補正することができる。したがって、ＦＭＲＩの正確な画像が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における信号の補正手順を示すフローチャート図。
【図２】本発明を実施する際に信号を計測するパルスシーケンスの一例を示す図。
【図３】ｋ空間への計測信号書き込み軌跡を示す図。
【図４】本発明を実施するＭＲＩ装置の概略構成を示すブロック図。
【図５】本発明のプリスキャンと本スキャンとの間の信号処理を示す図。
【図６】ＥＰＩ法における位相補正法を示す図。
【符号の説明】
２０１ＲＦパルス
２０２スライス方向傾斜磁場
２０３，２０４位相エンコード傾斜磁場
２０５，２０６読み出し傾斜磁場
２０７エコー信号
２０８サンプリング期間
Ｓｊ（ｋｘ，ｋｙ）ｊ枚目の画像のｋ空間上のデータ
Ｔｊ（ｘ，ｋｙ）Ｓｊ（ｋｘ，ｋｙ）をｋｘ方向にフーリエ変換するとともにプリスキャンデータで補正したデータ
Ｕｊ（ｘ，ｙ）…画像。

Claims

検知する磁化を含む被検体に高周波パルスを照射し前記被検体内の核スピンに横磁化を付与する手段と、横磁化が付与された前記核スピンに位相エンコード傾斜磁場と読み出し傾斜磁場を印加する手段と、エコー信号を時系列的に検出する手段と、検出されたエコー信号から前記被検体のスライス画像を再構成する手段を有した磁気共鳴イメージング装置において、前記被検体の同一部位をエコープレナーシーケンスで撮影し多数の画像を得る際に、各画像に対応する信号のうち前期位相エンコード傾斜磁場による位相エンコード量がゼロである信号の位相値、および、前記高周波パルス印加時刻と前記位相エンコード量がゼロである信号の取得時刻の時間差から単位時間あたりのエコー信号の位相回転量を画像毎に算出し、この算出した位相回転量から位相エンコード量がゼロおよび非ゼロの各エコー信号の位相補正量を画像毎に決定し、各エコー信号の位相補正を画像毎に行う手段を備えたことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。