JP3976684B2 - 画像における動きの影響を低減する方法および装置 - Google Patents
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Description
空間情報は、エコー獲得の間に、またはエコー獲得の前にかけられる、磁場勾配として知られる追加的な線形に変化する磁場によって、エコー信号に符号化される。空間符号化の原理は、場勾配がある場合は、一定の核モーメント、そしてその共鳴周波数によって経験される正味の場は、スキャナとの位置の関数である。勾配がエコー獲得中にかけられるとき、受信された信号は、勾配方向に沿った様々な場所での核を表すある範囲の周波数成分を含む。この信号のフーリエ変換は、患者を通した1次元投影を作り出す。この技術は、周波数符号化として公知である。2次元符号化は、位相符号化勾配として知られる、周波数符号化軸に垂直にかけられる、追加的勾配の使用を必要とする。この勾配は、データ獲得前の短い時間、かけられる。獲得プロセスは、異なる強度の位相符号化勾配を用いて、何回も、おそらくは256または512回繰り返される。周波数および位相同時符号化は、2次元フーリエ変換を受けると所望の画像を提供する、2次元データ・セットを産出する。このデータのアレイは、k−空間として知られるものに存在し、および画像空間のフーリエ変換である。位相符号化勾配の効果は、データ獲得の開始を(勾配強度に依存した)k−空間の1つの軸に沿った特定の場所に移動することであり、周波数符号化は、他の軸に平行にk−空間を通過するスイープを表す。これらのスイープの各々は、“ショット”や“ビュー”として知られる。
従来のMRIにおいては、単一の位相符号化ビューは、各RF励起の後に獲得される。しかしながら、各励起の後に、一連の、異なって符号化されたエコーを獲得するために、さらなるRFパルスおよび位相符号化勾配が使用される、より早い画像化シーケンスが現在存在する。これらのエコーは、k−空間のいくつかの線を横切り、および一連のエコーの長さに等しい係数だけ走査時間を低減する。極端な場合には、単一のショット・エコー・平面画像(EPI)技術が、100msより短く続く単一の獲得において、2次元k−空間の全体を網羅するが、空間解像度および画像品質は、大幅に譲歩されるかもしれない。
動きは、その結果の画像に、位相符号化方向に沿ったぼけやゴースティングとして現れる、k−空間の線の間の位相エラーにつながる。これらの位相エラーは、並進動きおよび回転動きから生じうる。読み出し方向での患者の並進は、k−空間の各線における周波数依存位相シフトを生じる。空間領域における回転は、k−空間での回転でもあり、およびk−空間における位置のより複雑な関数であるk−空間変化を生じる。
動きを通して画像に取り込まれる画像アーチファクトを補正しようと試みるため、様々な技術が採用されてきた。しかしながら、患者の動きを補正するとして知られている技術のほとんどは、追加の走査または追加の設備さえも伴う場合もある、修正された信号獲得技術を伴う。
動きが誘発した画像アーチファクトを補正するための別の方法は、コンプレックス・セットに対する投影法(POCS)、Hedley M、Hong Y and Rosenfeld D.“Motion Artifact Correction in MRI using generalized projections”IEEE Trans.Med.Imag.,10:40−46,1991である。これは、それによって、バイナリ・マスクを形成するために、上質の画像が使用される方法である。該マスクは、組織‐空気境界を定義し、すなわち、マスクの外側には信号があってはならない。獲得された画像における動きが誘発したアーチファクトは、空気中で見かけ上の信号を生じる。POCS法は獲得された画像においてマスクの外側すべてを黒に設定する。画像データはそれからk−空間にフーリエ変換される。新しい複合k−空間は、測定されたデータの絶対値から、および前のステップからの推定値の位相から形成される。この新しいk−空間は、画像領域にフーリエ変換され、該処理は繰り返される。この方法は、しかしながら、処理が繰り返されると大量のフーリエ変換を伴うので、大量の計算量および従って時間を伴う。さらに、該方法は、常に達成されるとは限らない処理の前に、獲得された画像と、バイナリ・マスクとの空間整列を求める。
本発明は、画像における、動きによって誘発されたアーチファクトを補正するための代替的な方法を提供しようと試みる。
走査中に、対象の望ましくない動きによって取り込まれるアーチファクトが補正された、走査された対象の画像を作る方法であって;
該対象の走査から導出された走査k−空間データ・セットを取り、
該対象の参照k−空間データ・セットを取り、
該走査k-空間データ・セットにおける走査中の何らかの動きの程度を決定するために、該走査k−空間データ・セットと参照k−空間データ・セットとを比較し、
動きを補正された画像セットを作るために、該走査k−空間データ・セットおよび該走査k−空間データ・セットの動きの程度に関する情報を使用し、および
画像を作るために、該画像を補正された走査k−空間データ・セットを使用するステップ
を含む方法。
該方法は好ましくは、走査k−空間ならびに参照k−空間データ・セットをk−空間におけるセクションに分割するステップを含み、および動きを決定するために、走査k−空間データ・セットと参照データ・セットを比較するステップは、セクションごとにデータ・セットを比較する。2D画像に関して、各セクションは都合よく、スキャナによって取られた位相符号データの線でありうる。3D画像に関しては、各セクションはk−空間データの平面である。
好ましくは、データ・セットを比較するステップは、何らかの回転動きの程度を決定するために、データ・セットにおける選択された点を比較するステップを含む。選択された点のk−空間絶対値が、比較のために使用されると都合よい。k−空間データの絶対値は位相から独立しており、よって並進動きによって影響されない。映し出されている対象の回転はk−空間において回転を生じさせる一方で、並進は、k−空間データへ位相傾斜を与える。点の選択は、k−空間データの、ブロックへの分離を伴ってもよい。ブロック内の一定の点が、例えば各ブロックにおける最大の絶対値値を持つ点を選択することによって、選択されうる。ブロックへの分離は、k−空間の合理的な範囲が達成され、十分な角解像度を与えることを確かにする。
並進動きの程度を決定するためにデータ・セットを比較するステップは、Reddy BS and Chatterji BN、“An FFT−Based Technique for Translation, Rotation and Scale−Invariant Image Registration”、IEEE Trans.Imag.Proc.,5:1266−1271,1996に説明されたような、クロス・スペクトル方法に基づいた方法を用いて決定されるのが都合がよい。クロス・スペクトル解析を実行する際に、k−空間は、解像度を改善するために、ゼロパッドされてもよく、または1に等しい絶対値および任意の位相を有する複素数値でパッドされてもよい。クロス・スペクトル方法は、2のデータ・セットの間の定数および線形に変化する位相差を検出する。2のデータ・セットは、後述されるように、関数Kcを形成するために結合される。Kcのフーリエ変換は、ピークを与える。中心からのピークのシフトは位相スロープと関連しており、FE方向への動きの量を示す。ピークの位相は、2つのデータ・セットの間の位相差を明らかにし、およびPE方向の動きの程度を明らかにする。
何らかの点が、参照k−空間データ・セットまたは走査k−空間データ・セットのいずれかで信頼性がないことが分かっている場合、Kcにおける対応する点は信頼性がない。そのような点は、動きの決定に影響を与える信頼性のない点を避けるため、1に等しい絶対値および任意の位相を有する点と置き換えられうる。
クロス・スペクトルに基づいた方法は、確実性の測定を含んでもよい。理想的な場合では、Kcのフーリエ変換の結果は、単一のピークになるだろう。現実には、ノイズ、異なる獲得基準等による参照および走査k−空間データ・セットの間の差が、影響を及ぼす。これは、KcのFTが、非ゼロである他の値を伴うピークとなることを生じる。他の値の平均値に対するピークの高さの比は、信頼性の測定値として使用されることができ、この比が高いほど、動きの決定はより信頼性がある。
最大絶対値を伴うk−空間点は、0空間周波数に対応する点であると仮定されることが注記されるべきである。0空間周波数はときにDCと呼ばれる。
さらに、該方法は、一定の量のぼけを取り込むために、獲得された画像と参照画像の両方をフィルタにかけるステップを含んでもよい。画像にフィルタをかけることで対応するk−空間をぼかし、および線形補間を用いて回転動きの決定を手助けしうる。k−空間をぼかすことは、それがあまり迅速に変化せず、よって点の間の補間がより簡単であることを意味する。
走査k−空間データ・セットは、磁気共鳴画像(MRI)走査手段から得られたデータ・セットでもよい。
あるいは、対象が、造影剤の導入で連続的に映し出されている場合、1つの画像は参照k−空間データ・セットとして使用されうる。
あるいは、参照データ・セットは以前に獲得された走査から取られうる。例えば進行性の疾患を監視する際、異なる時に同じ被写体への繰り返した走査が必要となりうる。本発明は、参照データ・セットからのk−空間情報を用いるのではなく、走査k−空間データ・セットに関する何らかの動きの程度を決定するだけなので、前の画像が使用されることができ、および該技術は、画像の間での差、例えば様々なコントラスト、ノイズ、または増進する腫瘍などの特徴に対しても合理的に強くあるべきである。使用できる参照データが無い場合、参照画像は、使用可能なデータから作成されうる。
本発明の別の特徴においては、対象を走査し、ならびに該対象から受信された信号から走査k−空間データ・セットを導出する走査手段と、および該走査中に、前記対象の望ましくない動きによって取り込まれるアーチファクトが補正された、走査された対象の画像を作るために、走査k−空間データ・セットを操作する処理手段を含む画像システムであって、該処理手段は、対象走査から導出された走査k−空間データ・セットを取り、対象の参照k−空間データ・セットを取り、画像データ・セットにおける何らかの動きの程度を決定するために走査k−空間データ・セットと参照k−空間データ・セットとを比較し、動きを補正された走査k−空間データ・セットを作るために走査k−空間データ・セットの動きの程度に関する情報を使用し、および画像を作るために、動き補正された走査データ・セットを使用するように適応しているシステムが提供される。
本発明は、以下の図面を参照して、例示的にのみ説明される;
特定の原子核の共鳴周波数は、核およびかけられる磁場の強度に特有である。空間情報を提供するために、磁場勾配は、コイル26などの勾配コイルによって生成される。勾配コイルは、3直交方向に勾配場を生成するようにしばしば配置される。勾配コイルによって生成される磁場は、勾配コイル電力供給ユニット28によって制御される。患者の原子核から信号を生成するために、無線周波数磁気パルスが、送信コイル30によって生成される。このパルスは、一定の患者のスライスの体積の中で、核スピンの角度を‘フリップ’する。これらの励起されたスピンまたは磁化はそれから、送信コイル30と同じコイルでもよい受信コイルに電流を誘導する。コイル30は、送信ユニット32および受信ユニット34に接続され、その各々は、周波数源36からも信号を受信する。
患者の器官の画像を形成するために、患者がシステム10へと挿入され、および一連の測定値が、静的および/または可変的勾配場の様々な組み合わせを用いて取られる。患者の組織からの信号は組織の属性、磁場勾配強度、勾配の向き、およびかけられる無線周波数パルスに関連するタイミングに依存する。可変的勾配は、受信された信号の位相、周波数、および強度を符号化する。時間の関数として受信された信号は、その後の処理のためにコンピュータ38のメモリに記憶されるきちんとした順序のセットを形成する。
その後の信号処理段階において、受信された信号のきちんとした順序のセットに関してフーリエ変換が実行されてもよく、該変換の絶対値は、画像を形成するため、グレイ・スケールに信号を割り当てるために使用される。受信された信号のセットは、k−空間に存在すると言われている。
ここで図2を参照すると、システム10の操作の機能的ブロック図が示されている。コンピュータ38は、スキャナ12からの情報を制御し、かつ受信し、およびディスプレイ50で画像を生成するためのこの情報を使用する。この画像は、初期再構築画像である。システム10のオペレータが、初期画像が崩れていると判断する場合、追加の信号処理ルーチンが選択される。あるいは、さらなる信号処理が自動的に発生しうる。いずれの場合も、記憶された画像データは、患者の動きの影響を低減するために処理される。
獲得時間はノードに分割される。2D画像に関して、ノードは位相符号化線に対応する。3D画像に関しては、ノードはk−空間データの平面である。
該システムの軸は、次のように定義される;Xは読み出し、または周波数符号化方向である。2D画像に関しては、Yは位相符号化勾配方向であり、およびZはスルー・スライス方向である。3D画像においては、Yは遅い位相勾配符号化方向であり、およびZは速い位相符号化勾配方向である。よって、kxが最も迅速に変化し、それからkz、そしてkyにおいて最も遅く変化するデータ点が獲得される。3D画像において、ノードは定数kyの平面である。
画像処理は、画像データ102に関して実行され、それは例えば、順次k−空間線として得られてもよいが、他の獲得技術が可能である。参照画像データ104も使用される。
最初に、ある程度のデータ・セットの前処理が、比較を助けるために実行されてもよい。この場合、第一の段階は、各セットに関する最大(DC)値k−空間データ点が、両方のデータ・セットの中心ピクセルになるように、両方のk−空間が整列される整列段階106でもよい。
2のデータ・セットは、DCにおける複素数値が各データ・セットにおいて同じであることを確実にするため、正規化段階108においてスケール調整されてもよい。これは好ましくは参照データ・セット104に関して実行される。
そのような方法でフィルタにかけることによって、k−空間はぼかされる(および画像は中央で明るく、端に向かうにつれて暗くなる)。これは後に線形補間ステップを助ける。
所望であれば、マスキング段階112は、関心のないピクセルが0に設定されうる場合に適用されうる。
フィルタにかけられ、かつ適切にマスクされた画像はそれから、k−空間画像データ・セットおよびk−空間参照データ・セットを作るために、フーリエ変換段階114を受ける。フィルタにかけることおよび隠すことは、実際の画像で実行されるので、k−空間へのフーリエ変換が必要となる。
次に、ノード選択段階118において、各ノードが同様に選択される。各ノードに関して、各ブロックにおける最大絶対値を持つ点の座標r1は、段階120で決定されるが、他の選択基準が利用されうる。
最も正確に回転動きを表す角変換Taは、どの角変換が適切な焦点基準を最小化するかを見つけることによって決定されうる。
適切な焦点基準は;
その代わりに、1つのデータ・セットの中の補間点の代わりに、以前に回転した、および記憶されたデータ・セットからの相対線は、焦点基準の評価において使用されてもよい。
該ノードに関してすべての角変換が調べられ、および最小の焦点基準が決定されると、次のノードが試みられうる。
すべてのノードが処理されると、例えば、よく知られているように、見つかった回転をk−空間データ・セットに適用するために、剪断アルゴリズムが適用される回転補正段階が行われる。しかしながら、補間など、補正のための他の方法も適用されうる。
並進は、クロス・スペクトルに基づいた方法を用いて決定される。Krが、一定のノードにおける参照データの線(または3Dでの平面)におけるすべてのk−空間を表しており、およびKmが画像データにおいて同様である場合、Kcのフーリエ変換におけるピークの位置は、定義されたx方向(および3Dではz)に並進を与える。Kcは次の方程式によって与えられる;
それによってxおよびz置換が見られる解像度の改善のために、Kcはゼロ・パッドされてもよい。あるいは、Kcは、絶対値1および任意の位相を有する複素数値でパッドされてもよい。後者は、Kcのフーリエ変換におけるピークを、より明確に区別させ、および正確に位置を特定させるかもしれない。
並進情報は、次のノードに移動する前に、該ノードに関してデータを補正するための補正段階134において使用されうる。
このように、獲得された画像は参照画像と比較されてもよく、および獲得された画像の何らかの回転および/または並進動きは補正されうる。k−空間絶対値データに関する回転比較を実行することは、何らかの並進動きに対して不変であるという効果を有する。また、画像領域における回転の中心は、k−空間が常にその中心で回転するので、わかる必要はない。
また、参照画像におけるすべての情報は、画像データに求められる動き補正を知らせるために使用されるが、補正された画像において使用される実際のデータ点のすべては、画像データから来る。
参照画像は、前に獲得された走査でもよい。進行性の障害を持つ患者はいくつかの走査をし、および履歴走査が使用されうる。実際の参照画像データは、補正された画像において使用されるものはまったくないので、該方法は、ゆっくり進行する障害の様々な段階において、走査の間に遭遇するかもしれない画像の間のわずかな相違とともに使用されうる。
あるいは、例えば、造影剤を増加して複数の画像が取られる場合、特定の画像が参照画像として取られうる。さらに、いくつかの画像技術は、2の画像をとり、およびより良い信号対ノイズ比を達成するために平均される。これらのいずれの場合にも、動きが誘発する画像アーチファクトからの解放という点で、最善の画像が使用されうる。これは、システム・オペレータによって選択されることができ、あるいは最善の画像が、適切な画像処理技術によって選択されうる。例えば、画像の乱れの量を測定するために、画像に関してエントロピに基づいた計算が実施されうる。より低いエントロピを有する画像はより多くの秩序とより少ないアーチファクトを持つ。当業者は、適切なエントロピ計算技術に精通しているだろう。
図4は、被写体の2Dスライスを示す。静止した被写体の画像は、左に示されている。この画像は、参照画像として使用された。動きで崩れた画像が中央に示されているように取られた(被写体は、走査中にうなずいた)。本発明の方法を用いて、補正された画像が図のように得られた。補正された画像は、動きで崩れた画像に対して大幅に改善されていることがわかる。
図5は、被写体を通した3直交スライスを示す。ここでも、参照画像は左に示されており、動きで崩れた画像は中央に、および本発明に従って補正された画像は右に示されている。ここでも、補正された画像において改善が見られる。
本発明の他の実施態様および効果は、ここに説明された本発明から逸脱することなく、当業者に明らかになるだろう。
Claims (13)
- 走査中に、対象の望ましくない動きによって取り込まれるアーチファクトを補正された、走査された対象の画像を作る画像処理方法であって;
該対象の走査から導出された走査k−空間データ・セットを受取り、
該対象の参照k−空間データ・セットを受取り、
該走査k−空間データ・セットにおいて走査中に起こる何らかの動きの程度を決定するために、該走査k−空間データ・セットと参照k−空間データ・セットとを比較し、
動きを補正されたk−空間データ・セットを作るために、該走査k−空間データ・セットおよび該走査k−空間データ・セットの動きの程度に関する情報を使用し、および
画像を作るために、該補正された走査k−空間データ・セットを使用するステップ
を含み、
何らかの動きの程度を決定するために、該走査k−空間データ・セットと参照k−空間データ・セットとを比較する前記ステップが、回転動きの程度を決定するために、該走査k−空間データ・セットおよび参照k−空間データ・セットにおける選択された点の絶対値を比較するステップを含み、前記選択された点が、k−空間を分割する複数のブロックの内の選択されたブロック内の複数の点の内の最大絶対値を伴う点であることを特徴とする方法。 - 該方法は、該走査k−空間データ・セットおよび参照k−空間データ・セットをセクションに分割するステップを含み、および該走査k−空間データ・セットと参照k−空間データ・セットを比較するステップは、該走査k−空間データ・セットの動きの程度を決定するために、該走査k−空間データ・セットと参照k−空間データ・セットをセクションごとに比較するステップを含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 該走査k−空間データ・セットの各セクションは、位相符号化データの線であることを特徴とする請求項2に記載の方法。
- 該走査k−空間データ・セットの各セクションは、k−空間データの平面であることを特徴とする請求項2に記載の方法。
- 該方法は、何らかの回転の程度を決定するために、該走査k−空間データ・セットと参照k−空間データ・セットとを比較し、および何らかの並進の程度を決定するために、該走査k−空間データ・セットと参照k−空間データ・セットを別個に比較するステップを含むことを特徴とする、請求項1から4のいずれかに記載の方法。
- 選択された点の該絶対値を比較するステップは、様々な可能性のある回転変換を用いて該参照k−空間データ・セットまたは走査k−空間データ・セットのいずれかにおける該選択された点を繰り返し変換し、および他のk−空間データ・セットと比較するステップを含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- クロス・スペクトルに基づく方法は、並進動きの程度を決定するため、該走査k−空間データ・セットと参照k−空間データ・セットとを比較するために使用されることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の方法。
- 該クロス・スペクトルに基づいた方法は、組み合わされたk−空間データ・セットを形成するために、該参照k−空間データ・セットと走査k−空間データ・セットとを組み合わせ、該組み合わせたk−空間データ・セットのフーリエ変換を実行し、および並進動きの程度を決定するために、フーリエ変換された組み合わせたk−空間データ・セットのピークの位置および位相を決定するステップを伴うことを特徴とする、請求項7に記載の方法。
- 該方法は、決定された該並進動きに関して該走査k−空間データ・セットを補正し、およびサブピクセルの動きを決定するために、動きを補正された走査k−空間データ・セットの位相と、該参照k−空間データ・セットの位相とを比較するステップを含むことを特徴とする、請求項7または8に記載の方法。
- 該参照k−空間データ・セットおよび走査k−空間データ・セットによって表される該画像は、該k−空間データ・セットの比較の前に、k−空間にぼけを取り込むためにフィルタにかけられることを特徴とする、請求項1から9のいずれかに記載の方法。
- 該走査k−空間データ・セットは、磁気共鳴画像走査手段から得られることを特徴とする、請求項1から10のいずれかに記載の方法。
- 該走査k−空間データ・セットによって表される画像の一部は、比較の前にマスクされることを特徴とする、請求項1から11のいずれかに記載の方法。
- 対象を走査し、および該対象から受信された信号から走査k−空間データ・セットを導出する走査手段と、および該走査中に前記対象の望ましくない動きによって取り込まれるアーチファクトに関して補正された、該走査された対象の画像を作るために、該走査k−空間データ・セットを操作する処理手段を含む画像システムであって、該処理手段は、該対象走査から導出された走査k−空間データ・セットを取り、該対象のk−空間参照データ・セットを取り、該走査k−空間データ・セットにおける何らかの動きの程度を決定するために、該走査k−空間データ・セットと参照k−空間データ・セットとを比較し、動きを補正された走査k−空間データ・セットを作るために、該走査k−空間データ・セットの動きの程度に関する情報を使用し、および画像を作るために、該動き補正された走査k−空間データ・セットを使用するように適応しており、前記比較が、回転動きの程度を決定するために、該走査k−空間データ・セットおよび参照k−空間データ・セットにおける選択された点の絶対値を比較することを含み、前記選択された点が、k−空間を分割する複数のブロックの内の選択されたブロック内の複数の点の内の最大絶対値を伴う点であることを特徴とする画像システム。
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