JP3992973B2 - 高時間分解能の自由呼吸ｍｒ画像の収集 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の背景】
本発明は、全般的には磁気共鳴画像（ＭＲＩ）を収集するための改良した方法に関し、さらに詳細には、心臓血管系のＭＲ検査で特に有用な時間分解能が高いＭＲ画像を収集するための方法及び装置に関する。
【０００２】
人体組織などの物質を均一な磁場（偏向用磁場Ｂ0）にかけると、組織中のスピンの個々の磁気モーメントはこの偏向用磁場と整列しようとするが、この周りをラーマーの特性周波数で無秩序に歳差運動することになる。この物質（または組織）に、ｘｙ平面内にありラーマー周波数に近い周波数をもつ磁場（励起磁場Ｂ1）がかけられると、正味の整列モーメント（すなわち、「縦方向磁化」）Ｍzは、ｘｙ平面内にくるように回転させられ（すなわち、「傾けられ（ｔｉｐｐｅｄ）」）、正味の横方向磁気モーメントＭtが生成される。励起信号Ｂ1を停止させた後、励起したスピンにより信号が放出され、さらにこの信号を受信し処理して画像を形成することができる。
【０００３】
これらの信号を用いて画像を作成する際には、磁場傾斜（Ｇx、Ｇy及びＧz）が利用される。典型的には、画像化しようとする領域は、使用する具体的な位置特定方法に従ってこれらの傾斜を変更させている一連の計測サイクルによりスキャンを受ける。結果として得られる受信したＮＭＲ信号の組は、ディジタル化され処理され、よく知られている多くの再構成技法のうちの１つを用いて画像が再構成される。
【０００４】
対象が動いていると、特に画像作成面に対象が出たり入ったりして動くように画像面が設定されている場合に、画像化が特に困難である。こうした画像化は、別の周期的運動がこれに付加されると特に困難となる。例えば、呼吸をしている被検体内の対象の画像化では、内部構造が周期的に運動しており、またさらに、その構造が心臓の近傍にある場合では心臓の拍動運動により画像化がさらに複雑となる。
【０００５】
心臓血管系の疾患は、今日ほとんどの工業化国家において罹患率及び死亡率が最も高い原因となっている。最近まで、心臓のＭＲイメージング法は幾つかの理由から臨床的価値が限られていた。先ず、この方法は心拍周期と比較して収集時間が相対的に長く、この結果心臓の動きによるボケが生じていた。第２に、イメージング・スキャンの持続時間がこのように長いことにより、呼吸運動による運動アーチファクトを回避するためには、患者が過度に長い間呼吸を停止する必要がある。ｋ空間分割式高速グラジエントエコー（ｆｇｒｅ）ベースのシーケンスや、さらに最近では、エコー・プラナー・イメージング・ベースのシーケンスが出現し、心臓ＭＲイメージングはさらに普及してきた。
【０００６】
ｋ空間分割法では、呼吸停止した１回の収集で幾つかの心拍周期にわたるデータを収集している。データは、その各々が連続するＲ−Ｒ間隔で収集される幾つかのセグメントに区分している。ある任意のＲ−Ｒ間隔内で、同じセグメントをＲ−Ｒ間隔内の異なる時点で繰り返し収集し、これによりＲ−Ｒ間隔全体をカバーしていながら高い時間分解能を有する動画画像が得られる。インターリーブ式エコー・プラナー・イメージング（エコートレイン、あるいは高速グラジエントエコートレイン（ｆｇｒｅｔ）ともいう）のイメージング法の開発により、各ＲＦ励起から複数のｋ空間線（ＥＴＬ）を収集できるようにすることによってイメージング走査に要する時間が大幅に短縮された。大ざっぱに言えば、収集時間をＥＴＬの比率だけ短縮しながら同じ時間分解能を維持するか、あるいは時間分解能をＥＴＬの比率だけ増加させながら同じ走査時間を維持するかのいずれかが可能となる。典型的な呼吸停止時間は、ｆｇｒｅベースの収集では１２〜１６秒であり、またｆｇｒｅｔベースの収集では６〜８秒である。エコートレイン技法をｋ空間分割式収集と組み合わせて使用すると、呼吸停止技法を使用した心臓血管系検査の実施が可能となる。
【０００７】
こうした検査の一例は、心電計（ＥＣＧ）ベースのストレス・テストをＭＲの形に直したものにあたる、ＭＲベースの運動誘導または薬剤誘導ストレス機能検査である。ストレス機能イメージング検査では、患者を連続してレベルを上昇させた心臓ストレスにかけ、心拍数が必要とするストレス・レベルで安定化した後に、典型的には呼吸停止のｋ空間分割式技法を用いてＭＲ画像を収集している。
【０００８】
しかし、連続するストレス・レベル間での遷移時間中に、心臓壁の動きの変化や虚血に関連する心臓発作などの任意の心臓機能の異常を発見するように患者を連続してモニタリングする必要がある。モニタリングは上述の呼吸停止技法を使用して実施することができるが、この種の患者では呼吸停止の繰り返しにより極めて消耗をきたすことがある。したがって、連続するストレス・レベル間の遷移期間中のモニタリングで使用できる高速ＭＲ収集法が必要である。こうした方法では、虚血性発作に関連する心臓壁の動きの異常をほぼリアルタイムで検出できるような十分な空間的及び時間的分解能をもつ自由呼吸画像を収集できなければならない。より高いストレス・レベルで見られる高い心拍数のためにその心拍周期（Ｒ−Ｒ時間間隔）が大幅に短縮しているようなストレス・テストでは、時間分解能が高いという要件が特に重要である。心収縮期の視覚化では、典型的には、１回のＲ−Ｒ間隔あたり概ね１０枚の画像が適当である。壁運動の異常を検出するには、その空間分解能要件は概ね３ｍｍまたはそれ以上の分解能となる。
【０００９】
しかし、ＥＣＧゲート制御では別の問題を生じる。こうしたゲート制御では、オペレータ依存性、患者間のバラツキ、ＥＣＧ導線の遊離、イメージング用傾斜磁場からのノイズによるＥＣＧ信号の破損といった多くの問題が起こる。ＥＣＧゲート制御が問題となるような状況では、代替案の１つは、ＥＣＧゲート制御と比べてより複雑でなく、かつ多くの場合信頼性がより高い末梢ゲート制御を使用することである。しかし、末梢ゲート制御では、ＥＣＧゲート制御に対する遅延が持ち込まれるという制限が生じ、このため、心臓のＲ波の正確な時点を特定することができない。より一般的には、任意のゲート制御トリガに対するリアルタイムでの検出を必要としない技法があることが望ましい。
【００１０】
この問題に対する可能な解決策の１つとして、データに対するリアルタイムでの収集、再構成及び表示のためにインターリーブ式ＥＰＩ ｆｇｒｅｔなどの非ゲート制御の高速イメージング・シーケンスを利用しているＭＲ透視法（ＭＲ ｆｌｕｏｒｏｓｃｏｐｙ）がある。ＭＲ透視法は魅力ある解決策の１つのようではあるが、高速で画像再構成及び表示をするための計算上の要件、並びに空間分解能要件により、達成可能な最大フレームレートが毎秒１２〜１５フレームに制限され、この結果、時間分解能は６６〜８５ｍｓに制限される。心収縮期を有効に視覚化するには、こうした分解能は、概ね１５０〜１８０拍動毎分（ｂｐｍ）の心拍数では受容しがたい。可能な別の解決策は、小さなＶＰＳ値（セグメントあたりのビュー数）をもつｋ空間分割式シネシーケンスを使用することである。しかし、これでもまだ、収集を完了するのにかなり多くの心拍動を必要とするような状況では、収集の間に呼吸アーチファクトがかなり大きくなるという問題が生じる。したがって、これもまた、この問題に対する望ましい解決策となっていない。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述の問題を解決している、時間分解能が高い自由呼吸の心臓ＭＲ画像を収集するためのシステム及び方法に関する。
【００１２】
本発明は、ユーザにより入力できるか、あるいはＥＣＧ導線または末梢導線から直接得ることができるかのいずれかであるような心拍数の尺度を、以後のＲ−Ｒ間隔に対する予見推定値として使用している。データは、Ｒ波の発現からではなくＲ−Ｒ間隔の任意の時点から収集する。
【００１３】
本発明は、高い時間分解能及び短い全収集時間という要件のためにこれまでは可能でなかったような心臓血管系検査を可能にするようなｋ空間収集の分割を含んでいる。本発明は、広範に使用されているＥＣＧベースのストレス・テストをＭＲの形に直したものにあたるような、ＭＲベースのストレス機能を使用した検査を提供する。先ず患者を、心拍数の上昇を導くような連続してレベルを上昇させた心臓ストレスにかける。ストレスは、物理的運動により誘導することも、ドブタミンなどの薬剤の投与により誘導することもできる。心拍数が所与のストレス・レベルに関して安定化した後、標準のＥＣＧ装置または末梢パルスゲート制御装置を使用してＲ−Ｒ間隔を計測して記録する。記録した後は、ＭＲスキャナはＥＣＧ読み値を無視し、記録したこのＲ−Ｒ間隔を実際のＲ−Ｒ間隔の始点や終点と無関係な収集時間間隔として使用しながらＭＲデータを収集するようなＭＲスキャンが開始される。現在のセグメントに対するデータ収集は、分割式シネ収集の場合と同様に、予測されるＲ−Ｒ時間間隔の終点に達するまで継続される。ｋ空間ビューは、次のセグメントのために更新され、さらに、この処理はすべてのデータを収集し終えるまで継続される。画像の再構成及び表示は、シネデータ組を再構成するのに必要なすべてのデータを収集し終えた時点で開始される。データを分割すること、並びに様々なセグメントを連続した収集により収集することにより、より分解能が高い画像を達成することができる。本方法は、スキャン開始の直前での心拍周期の間隔計測によって心拍周期の終了の発生を推定することによる仮想的な心臓トリガを使用している。この方式では、時間分解能が高いｋ空間分割式の高速シネスキャンを完了させるために、ＥＣＧゲートまたは末梢ゲートのトリガを実際に待つ必要がない。スキャン中に適当なＥＣＧトリガが存在するか、あるいは末梢パルスゲート制御を使用していれば、ＭＲスキャナは連続する収集の間に心拍周期間隔を定期的に更新することができる。心拍周期（すなわち、時間間隔）のこうした更新は自動化することができ、また手作業のオペレータ制御の下におくこともできる。
【００１４】
本発明の一態様によれば、自由呼吸ＭＲ画像を収集する方法は、Ｒ−Ｒ間隔の時間間隔を収集するために画像収集の直前に被検体の心拍数をモニタリングすること、並びに心拍数モニタリングによるこの時間間隔を記録して以後のＲ−Ｒ間隔を予見推定することを含む。本方法は次に、その第１のＭＲデータ収集が任意の点で開始されると共に記録された時間間隔にわたって延長するようなｎ組のＭＲデータを収集することを含む。
【００１５】
本発明の別の態様によれば、時間分解能が高い画像を収集するためのＭＲＩ装置は、ＲＦ送受信装置システムと、偏向磁場を印加するためのマグネットのボアの周りに配置した複数の傾斜コイルとを有している磁気共鳴イメージング・システムを含む。ＲＦスイッチは、ＲＦ信号をＲＦコイル・アセンブリに送信してＭＲ画像を収集させているパルスモジュールにより制御を受ける。コンピュータは、患者の心拍数をモニタリングすること、心拍数のＲ−Ｒ間隔の時間間隔を収集すること、並びにこのＲ−Ｒ間隔の時間間隔を記憶すること、を行うようにプログラムされている。このコンピュータはさらに、ＭＲＩシステムを有効にしてＲ−Ｒ間隔内の任意の時点で患者のＭＲスキャンを開始すること、並びに記憶した時間間隔に匹敵する時間にわたってＭＲデータの収集を継続すること、を行うようにプログラムされている。次いで、記憶した時間間隔により推定されるような少なくとも１回のＲ−Ｒ間隔にわたって収集されたＭＲデータを用いてＭＲ画像を再構成することができる。
【００１６】
本発明のさらに別の態様は、コンピュータで実行させた際にそのコンピュータに対して、患者の心拍周期を意味するＲ−Ｒ間隔を示す時間間隔信号を受け取ること、並びにＲ−Ｒ間隔に等しい第１の収集期間中に第１組の部分的ＭＲ画像データを収集すること、を行わせる命令の組を有するコンピュータ・プログラムを含む。次いで、Ｒ−Ｒ間隔に等しい第２の収集期間中に第２組の部分的ＭＲ画像データを収集し、次いで、第１組の部分的ＭＲ画像データと第２組の部分的ＭＲ画像データを合成することによりＭＲ画像を再構成させることができる。
【００１７】
この方式では生理学的トリガ制御の必要がないため、このパルスシーケンスは心収縮サイクルの開始位相と同期させる必要がない。このため、ＥＣＧ波形を収集し、その画像収集をＥＣＧ波形のＲ−Ｒ間隔に合わせてゲート制御しようとする必要がない。ＥＣＧ波形（すなわち、ＥＣＧから収集した信号）の場合では磁場傾斜の印加により歪む可能性があることから、ゲート制御が不正確になるおそれや、この結果生じる可能性がある画像のボケを無くすことができる。
【００１８】
本発明のその他の様々な特徴、目的及び利点は、以下の詳細な説明及び図面より明らかとなろう。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図面では、本発明を実施するように目下のところ企図されている好ましい実施の一形態を図示している。
【００２０】
図１を参照すると、本発明を組み込んでいる好ましいＭＲＩシステム１０の主要コンポーネントを表している。本システムの動作は、キーボードその他の入力デバイス１３、制御パネル１４及びディスプレイ１６を含むオペレータ・コンソール１２から制御を受けている。コンソール１２は、オペレータが画像の作成及びスクリーン１６上への画像表示を制御できるようにする独立のコンピュータ・システム２０と、リンク１８を介して連絡している。コンピュータ・システム２０は、バックプレーン２０ａを介して互いに連絡している多くのモジュールを含んでいる。これらのモジュールには、画像プロセッサ・モジュール２２、ＣＰＵモジュール２４、並びに当技術分野でフレーム・バッファとして知られている画像データ・アレイを記憶するためのメモリ・モジュール２６が含まれている。コンピュータ・システム２０は、画像データ及びプログラムを記憶するためにディスク記憶装置２８及びテープ駆動装置３０とリンクしており、さらに高速シリアル・リンク３４を介して独立のシステム制御部３２と連絡している。入力デバイス１３は、マウス、ジョイスティック、キーボード、トラックボール、タッチスクリーン、光学読取り棒、音声制御器、その他同様のデバイスを含むことができ、また入力デバイス１３は、対話式の幾何学的指定をするために使用することができる。
【００２１】
システム制御部３２は、バックプレーン３２ａにより互いに接続させたモジュールの組を含んでいる。これらのモジュールには、ＣＰＵモジュール３６や、シリアル・リンク４０を介してオペレータ・コンソール１２に接続させたパルス発生器モジュール３８が含まれる。システム制御部３２は、実行すべきスキャン・シーケンスを指示するオペレータからのコマンドをリンク４０を介して受け取っている。パルス発生器モジュール３８は、各システム・コンポーネントを動作させて所望のスキャン・シーケンスを実行させ、発生したＲＦパルスのタイミング、強度及び形状、並びにデータ収集ウィンドウのタイミング及び長さを指示しているデータを発生させている。パルス発生器モジュール３８は、スキャン中に発生させる傾斜パルスのタイミング及び形状を指示するために、１組の傾斜増幅器４２と接続させている。パルス発生器モジュール３８はさらに、患者に接続した多数の異なるセンサからの信号（例えば、患者に装着した電極からのＥＣＧ信号）を受け取っている生理学的収集制御器４４から患者データを受け取っている。また最終的には、パルス発生器モジュール３８はスキャン室インタフェース回路４６と接続させており、スキャン室インタフェース回路４６はさらに、患者及びマグネット系の状態に関連する様々なセンサからの信号を受け取っている。このスキャン室インタフェース回路４６を介して、患者位置決めシステム４８はスキャンのために患者を所望の位置に移動させるコマンドを受け取っている。
【００２２】
パルス発生器モジュール３８が発生させる傾斜波形は、Ｇx増幅器、Ｇy増幅器及びＧz増幅器を有する傾斜増幅器システム４２に加えられる。各傾斜増幅器は、収集した信号の空間的エンコーディングに使用する磁場傾斜を生成させるために一般に指定されるようなアセンブリ内の対応する物理的傾斜コイル５０を励起させている。傾斜磁場コイル・アセンブリ５０は、偏向用マグネット５４及び全身用ＲＦコイル５６を含んでいるマグネット・アセンブリ５２の一部を形成している。システム制御部３２内の送受信器モジュール５８は、ＲＦ増幅器６０により増幅を受け送信／受信スイッチ６２によりＲＦコイル５６に結合しているパルスを発生させている。患者内の励起された原子核が放出して得た信号は、同じＲＦコイル５６により検知し、送信／受信スイッチ６２を介して前置増幅器６４に結合させることができる。増幅されたＭＲ信号は、送受信器５８の受信器部分で復調され、フィルタ処理され、さらにディジタル化される。送信／受信スイッチ６２は、パルス発生器モジュール３８からの信号により制御し、送信モードではＲＦ増幅器６０をコイル５６と電気的に接続させ、受信モードでは前置増幅器６４を電気的に接続させる。送信／受信スイッチ６２によりさらに、送信モードと受信モードのいずれに関しても同じ単独のＲＦコイル（例えば、表面コイル）を使用することが可能となる。
【００２３】
ＲＦコイル５６により取り込まれたＭＲ信号は送受信器モジュール５８によりディジタル化され、システム制御部３２内のメモリ・モジュール６６に転送される。スキャンが完了すると、未処理のｋ空間データのアレイがメモリ・モジュール６６に収集されている。以下でより詳細に説明することにするが、この未処理のｋ空間データは、各画像を再構成させるように別々のｋ空間データ・アレイの形に配列し直している。さらに、これらの各々は、データをフーリエ変換して画像データのアレイにするように動作するアレイ・プロセッサ６８に入力される。この画像データはシリアル・リンク３４を介してコンピュータ・システム２０に送られ、コンピュータ・システム２０において画像データはディスク記憶装置２８内に記憶される。この画像データは、オペレータ・コンソール１２から受け取ったコマンドに応じて、テープ駆動装置３０上にアーカイブしたり、画像プロセッサ２２によりさらに処理してオペレータ・コンソール１２に伝達したりディスプレイ１６上に表示させたりすることができる。
【００２４】
本発明は、患者の呼吸停止に依存しない高時間分解能のＭＲ画像が収集されるようにＭＲ画像を取得するための、上記で参照したＭＲシステム、あるいは同様の任意のシステムや同等のシステムでの使用に適した方法及びシステムを含む。本発明は心臓血管系のＭＲ検査で特に有用である。
【００２５】
本発明の高時間分解能の自由呼吸ＭＲ画像は、ＭＲスキャナの磁場傾斜とＥＣＧ収集の間の干渉がないように、ＭＲスキャナが待機状態にある間にＥＣＧを定期的にモニタリングして心拍数を計測することにより収集される。本発明によれば、ＭＲベースのストレス機能検査の間に、患者に対して先ず、心拍数の増加につながるような連続してレベルを上昇させた心臓ストレスがかけられる。このストレスは、物理的運動やドブタミンなどの薬剤の投与により誘導することができる。次いで、ＥＣＧにより心拍数をモニタリングし、心拍数が所望のストレス・レベルで安定化した後、この検査法はＭＲデータ収集のための以後のＲ−Ｒ間隔を推定するためにＲ−Ｒ間隔の時間間隔を記録することを含む。すなわち、ＥＣＧゲート制御のためのＥＣＧ信号を収集する際にスキャン時の磁場傾斜により生じる可能性があるような干渉を回避するために、所望のストレス・レベルに到達しＲ−Ｒ間隔の時間間隔を記録した後は、心拍数モニタリングはもはや必要とせず、かつＭＲデータを直ちに収集することができる。この非ゲート制御のＭＲデータ収集は、Ｒ−Ｒ間隔を推定し、この各間隔にわたってＲ−Ｒ間隔の実際の始点と終点とは無関係にデータを収集するように記録した時間間隔を用いて実行することができる。換言すると、このＭＲデータ収集は、ＥＣＧトリガに合わせたゲート制御をしておらず、したがって磁場傾斜を印加した際にＥＣＧ波形が大きく歪むことにより生ずる可能性があるような不正確さに影響を受けない。
【００２６】
本発明によれば、ｋ空間データ収集を複数のＲ−Ｒ間隔にわたって分割している。このデータ収集は、心拍数が一定と見なすことができ呼吸によるアーチファクトが最小となるような少ない回数のＲ−Ｒ間隔にわたって実行することが好ましい。収集するＭＲデータの各フレームが区分され（すなわち、分割され）ているようなｎ組のＭＲデータを収集している場合、パルスシーケンスは、生データのマトリックス（ｋ空間）をｎ個のセグメントに区分すると共に、連続するＲ−Ｒ間隔で各部分を収集する。例えば、ｎ＝２であるような実施の一形態では、ｋ空間データの上半分と下半分は、２回の連続する心拍動で収集することができる。別法では、修正型エコートレイン軌道を用いて、ｋ空間マトリックスの偶数番の線と奇数番の線を連続する心拍動で収集することができる。しかし、遷移境界における位相と振幅の差を最小限にするようなｋ空間の適当な任意の分割も可能であることに留意されたい。
【００２７】
図２を参照すると、従来型のリアルタイムのデータ収集方式１００を表している。この例では、１１個のデータフレーム１０２が単一のＲ−Ｒ間隔１０４で収集される。基準点として、各フレームは時間Ｔで収集される。データ収集１０２が開始されるフレーム１０６の位置が示すように、この収集はＲ−Ｒ間隔１０８の開始によりゲート制御している。しかし、直前のデータ収集１１０からの磁場傾斜により、Ｒ−Ｒ間隔１０８の開始を表すＥＣＧ信号の読み値は、真の正確なＲ−Ｒ間隔１０４に合わせたデータ収集の適正なゲート制御が多くの場合に困難となる程の大幅な歪みを受けることがある。多くの場合、実際上の収集は時間的に幾分後の点で得られるが、歪みのためにこの時点は不明である。ＥＣＧ信号の歪みは必ずしも各データ収集で同じでないため、ｋ空間データを分割した後に合成すると、得られる再構成画像にはかなりのボケが生じる。
【００２８】
図３を参照すると、データの組１２４を収集するために推定したＲ−Ｒ間隔１２２を用いているような、本発明によるリアルタイムのデータ収集方式１２０を表している。データは、その各々がｎ回の連続するＲ−Ｒ間隔で収集されるようなｎ個のセグメントに区分している。好ましい実施の一形態では、各データフレーム収集のための収集時間はＴ／２であり、したがってフレームを２倍多く収集することができる。しかし、これを行うためには、データは、その各々が連続するＲ−Ｒ間隔で収集されるようなセグメントに区分している。この方式では、その心拍周期の長さが心拍数が大きいために大幅に短縮されている場合であっても、時間分解能が高い画像を収集することができる。図示した例では、１つのＲ−Ｒ間隔内に２２個のデータフレームをはめ込んでおり、これにより心収縮期の視覚化が向上すると共に空間分解能を向上させることができ、患者の呼吸停止を必要とせずに壁の動きの異常を検出することができる。推定した各Ｒ−Ｒ間隔１２２の間で、各フレーム１２６に対するｋ空間データの一部分を収集する。ＭＲデータの組１２４内のフレーム１２８で示すようにしてｋ空間の第１の部分が収集され、また第２組のＭＲデータ１３０内で、フレーム１３２に示すようにｋ空間の第２の部分が収集される。画像を再構成するためには、推定したＲ−Ｒ間隔１２２内の間隔が同じフレームを続いて収集したフレームと合成させる。例えば、フレーム１２８とフレーム１３２を合成することにより、より高い分解能の画像１３４が得られる。実施の一形態では、ｎ＝２の場合には各セグメントに対するｋ空間画像データの半分を収集でき、ｎ＝３ではその３分の１が収集でき、以下同様となる。別法として、ｋ空間データの偶数番線と奇数番線を連続するＲ−Ｒ間隔で収集することができる。
【００２９】
図４を参照すると、時間分解能が高い画像をほぼリアルタイムで収集するための流れ図を表している。画像収集の直前に患者の心拍数をモニタリングした後、上述したように、Ｒ−Ｒ時間間隔を計測して現在の心拍数から時間間隔を収集し、有効なＲ−Ｒ時間間隔を推定している（１５０）。次いで、この時間間隔をメモリ内に記録（すなわち、記憶）し、以後のＲ−Ｒ間隔を予見推定する。次いで、ＥＣＧモニタリングを停止し、Ｒ−Ｒ間隔内の任意の時点でＭＲスキャンを開始することができる（１５２）。第１のデータ組の収集は、個々の各データフレームを収集すること（１５６）によりブロック１５４で開始することができる。次いで、内部クロックによりデータフレームを収集している時間間隔を監視し、推定したＲ−Ｒ間隔の終点となるまで（１５８、１６０）、データフレームの収集を継続させる。推定したＲ−Ｒ間隔の終点（１５８、１６２）に達すると、システムは、すべてのデータ組を収集し終えているか否かを確認し（１６４）、追加のデータ組の収集を要する場合（１６６）には、ブロック１６８において続きのデータ組の収集を開始し、推定したＲ−Ｒ間隔の次の終点となるまで（１５８、１６２）収集を継続する。すべてのデータを収集し終えた後（１６４、１７０）、スキャンは完了し、ブロック１７２において画像を再構成することができる。追加のスキャンを希望する場合（１７４）は上述のアルゴリズムを反復する。追加のスキャンがなければ、ブロック１７６において画像が表示され検査は終了する。
【００３０】
したがって、本発明は、患者の心拍数をモニタリングしながら患者を連続してレベルが上昇する心臓ストレスにかけているような検査の実施方法を含む。心拍数が所望のストレス・レベルで安定化した後、本検査法は、Ｒ−Ｒ間隔の時間間隔を記録すること、次いで推定したＲ−Ｒ間隔に合わせて記録した時間間隔を用いて非ゲート制御のＭＲデータを収集すること、を含む。ＭＲデータを収集するこのステップは、各データフレームのセグメントを連続するＲ−Ｒ間隔にわたって収集することを含むことができる。この場合では、本システムは、各フレームからのセグメントを合成して患者呼吸停止を必要とせずに時間分解能が高い画像を再構成することを含む。
【００３１】
本発明は、図１を参照しながら記載した構成などをしたコンピュータを有するＭＲＩスキャナで使用するためのコンピュータ・プログラムを含んでおり、このコンピュータ・プログラムは、実行させた際にコンピュータに対して、患者の心拍周期を意味するＲ−Ｒ間隔を示す時間間隔信号を受け取ること、次いでＲ−Ｒ間隔に等しい第１の収集期間中に第１組の部分的ＭＲ画像データを収集すること、を行わせる命令の組を有している。本コンピュータ・プログラムは次いで、コンピュータに対して、同じくＲ−Ｒ間隔に等しい第２の収集期間中に第２組の部分的ＭＲ画像データの収集を行わせる。本コンピュータ・プログラムは、第１組の部分的ＭＲ画像データと第２組の部分的ＭＲ画像データを合成することによりＭＲ画像を再構成させるような命令を有している。当業者であれば容易に理解するであろうように、本発明のこの態様は２組の部分的ＭＲ画像データの収集に限定されず、第３組、第４組、第５組などの部分的ＭＲ画像データ組まで拡張することができる。一般に、本コンピュータ・プログラムは、部分的ＭＲ画像データであって、その各データフレームがＲ−Ｒ間隔中で各部分的ＭＲデータ組の対応するデータフレームと同様の時点で収集されているようなｎ組の部分的ＭＲ画像データを収集するように設計されている。
【００３２】
こうしたシステムを用いたＭＲデータの収集では、ＥＣＧトリガ信号に合わせたゲート制御がなされておらず、また、部分的ＭＲデータの各組はＲ−Ｒ間隔の始点や終点と無関係な時点で収集できるので有利である。ｋ空間データは任意の多くの方法で分割することができる。これらの方法のうちの２つの例としては、ｎ＝２の場合に所与のセグメントに対するｋ空間データの半分を収集すること、あるいは連続するＲ−Ｒ間隔でｋ空間データの偶数番線と奇数番線を収集することのいずれかがある。本発明は、そのコンピュータ・プログラムがコンピュータに対して、心拍数をモニタリングすること、並びにＭＲスキャナが待機状態にある間で患者の現在のＲ−Ｒ間隔を示すＲ−Ｒ時間間隔を発生させること、を行わせるように拡張することができる。このプログラムは、心拍数を定期的にモニタリングしＭＲデータの収集が完了した後にＲ−Ｒ時間間隔を発生させる。したがって、ＭＲスキャナがＥＣＧ波形と干渉するおそれのある磁場傾斜を生成している間はＥＣＧ信号を収集する必要がない。
【００３３】
図１を参照しながら開示したようなコンピュータを有するＭＲＩシステムを含んでいる、時間分解能が高い画像を収集するためのＭＲＩ装置を開示する。このコンピュータは、患者の心拍数をモニタリングすること、その心拍数からＲ−Ｒ間隔の時間間隔を収集すること、並びにこのＲ−Ｒ間隔の時間間隔を記憶すること、を行うようにプログラムされている。コンピュータはさらに、ＭＲＩシステムを有効にして、Ｒ−Ｒ間隔内の任意の時点で患者のＭＲスキャンを開始するようにプログラムされている。ＭＲデータは、記憶した時間間隔に匹敵する時間にわたって収集される。次いでコンピュータは、その時間間隔で推定されるようなＲ−Ｒ間隔にわたって収集したＭＲデータを用いてＭＲ画像を再構成する。コンピュータをさらに、各収集の間にデータの一部分を収集し、次いでこれらを合成して分解能がより高いＭＲ画像が再構成されるように、データ収集を分割させるようにプログラムしておくことができる。一般に、このコンピュータは、その各々がｍ個のフレームを有するｎ組のＭＲデータであって、その各フレームはｎ個のセグメントに分割されていると共にこのｍ個のフレームが１回のＲ−Ｒ間隔内にはめ込まれるようなｎ組のＭＲデータを収集するようにプログラムされている。
【００３４】
好ましい実施の一形態では、コンピュータは、各ＲＦ励起から複数のｋ空間線を収集することを許容することによりイメージング走査時間を大幅に短縮させることができるパルスシーケンスの２つの例である高速グラジエントエコー・パルスシーケンスまたは定常自由歳差運動パルスシーケンスを利用するようにプログラムされている。当業者であれば、分割しているｋ空間データの収集が可能な別のパルスシーケンスも同様に利用可能であることを容易に理解するであろう。
【００３５】
本発明では生理学的トリガは不要であるため、そのパルスシーケンスを心収縮サイクルの開始位相と同期させる必要がない。上述したように、使用するパルスシーケンスはｋ空間分割式エコートレイン・データ収集方式を利用している。データはｎ個のセグメントに区分されているため、その時間分解能は、空間分解能が同じとしてＭＲ透視法を使用して得られる時間分解能のｎ倍となる。例えば、１回の収集あたりの心拍数をｎ、シーケンス反復時間をＴＲ、エコートレイン長さをＥＴＬ、またデータマトリックス内の線の総数をＹＲＥＳとすれば、このシーケンスの時間分解能は、セグメントあたりのビュー数（ＶＰＳ）をエコートレイン長さ（ＥＴＬ）で割り算し、この結果にさらにシーケンス反復時間（ＴＲ）を掛け算することにより、以下のようにして得ることができる。
【００３６】
（ＶＰＳ／ＥＴＬ）×ＴＲ （式１）
ここで、ＶＰＳはデータマトリックス内の線の総数をｎで除したものであり、したがって、シーケンスの時間分解能は次式で与えられる。
【００３７】
（ＹＲＥＳ×ＴＲ）／（ＥＴＬ×ｎ） （式２）
エコートレイン長さ（ＥＴＬ）が８であり、データマトリックス内の線の総数（ＹＲＥＳ）が４８となるように位相ＦＯＶを０．５に等しくした画像マトリックスが１２８×９６であり、またシーケンス反復時間（ＴＲ）が１１ｍｓであるような典型的なパラメータを使用した場合、ｎ＝２で達成可能な時間分解能は３３ｍｓとなる。ｎ＝４では、その時間分解能は１６．５ｍｓとなる。時間分解能のこうした値は、ｎ＝２では１８０ｂｐｍまでの心拍数に対して適当であり、ｎの値をより大きくすればさらに高い心拍数に対応することができる。ＭＲ透視法は、ｎ＝１として６６ｍｓの時間分解能が得られるような特殊なケースとして扱うことができる。
【００３８】
本発明を好ましい実施形態について記載してきたが、明示的に記述した以外に、本特許請求の範囲の域内で等価、代替及び修正が可能であることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で使用するためのＮＭＲイメージング・システムのブロック概要図である。
【図２】従来技術によるデータ収集シーケンスのタイミング図である。
【図３】本発明によるデータ収集シーケンスのタイミング図である。
【図４】本発明の技法の流れ図である。
【符号の説明】
１０ ＭＲＩシステム
１２ オペレータ・コンソール
１３ 入力デバイス
１４ 制御パネル
１６ スクリーン、ディスプレイ
１８ リンク
２０ コンピュータ・システム
２０ａ バックプレーン
２２ 画像プロセッサ・モジュール
２４ ＣＰＵモジュール
２６ メモリ・モジュール
２８ ディスク記憶装置
３０ テープ駆動装置
３２ システム制御部
３２ａ バックプレーン
３４ 高速シリアル・リンク
３６ ＣＰＵモジュール
３８ パルス発生器モジュール
４０ シリアル・リンク
４２ 傾斜増幅器
４４ 生理学的収集制御器
４６ スキャン室インタフェース回路
４８ 患者位置決めシステム
５０ 傾斜磁場コイル・アセンブリ
５２ マグネット・アセンブリ
５４ 偏向用マグネット
５６ 全身用ＲＦコイル
５８ 送受信器モジュール
６０ ＲＦ増幅器
６２ 送信／受信スイッチ
６４ 前置増幅器
６６ メモリ・モジュール
６８ アレイ・プロセッサ
１００ 従来型のリアルタイムのデータ収集方式
１０２ データフレーム
１０４ Ｒ−Ｒ間隔
１０６ フレーム
１０８ Ｒ−Ｒ間隔の開始
１１０ 直前のデータ収集
１２０ 本発明によるリアルタイムでのデータ収集方式
１２２ 推定したＲ−Ｒ間隔
１２４ ＭＲデータの組
１２６ フレーム
１２８ フレーム
１３０ ＭＲデータの組
１３２ フレーム
【発明の背景】
本発明は、全般的には磁気共鳴画像（ＭＲＩ）を収集するための改良した方法に関し、さらに詳細には、心臓血管系のＭＲ検査で特に有用な時間分解能が高いＭＲ画像を収集するための方法及び装置に関する。
【０００２】
人体組織などの物質を均一な磁場（偏向用磁場Ｂ0）にかけると、組織中のスピンの個々の磁気モーメントはこの偏向用磁場と整列しようとするが、この周りをラーマーの特性周波数で無秩序に歳差運動することになる。この物質（または組織）に、ｘｙ平面内にありラーマー周波数に近い周波数をもつ磁場（励起磁場Ｂ1）がかけられると、正味の整列モーメント（すなわち、「縦方向磁化」）Ｍzは、ｘｙ平面内にくるように回転させられ（すなわち、「傾けられ（ｔｉｐｐｅｄ）」）、正味の横方向磁気モーメントＭtが生成される。励起信号Ｂ1を停止させた後、励起したスピンにより信号が放出され、さらにこの信号を受信し処理して画像を形成することができる。
【０００３】
これらの信号を用いて画像を作成する際には、磁場傾斜（Ｇx、Ｇy及びＧz）が利用される。典型的には、画像化しようとする領域は、使用する具体的な位置特定方法に従ってこれらの傾斜を変更させている一連の計測サイクルによりスキャンを受ける。結果として得られる受信したＮＭＲ信号の組は、ディジタル化され処理され、よく知られている多くの再構成技法のうちの１つを用いて画像が再構成される。
【０００４】
対象が動いていると、特に画像作成面に対象が出たり入ったりして動くように画像面が設定されている場合に、画像化が特に困難である。こうした画像化は、別の周期的運動がこれに付加されると特に困難となる。例えば、呼吸をしている被検体内の対象の画像化では、内部構造が周期的に運動しており、またさらに、その構造が心臓の近傍にある場合では心臓の拍動運動により画像化がさらに複雑となる。
【０００５】
心臓血管系の疾患は、今日ほとんどの工業化国家において罹患率及び死亡率が最も高い原因となっている。最近まで、心臓のＭＲイメージング法は幾つかの理由から臨床的価値が限られていた。先ず、この方法は心拍周期と比較して収集時間が相対的に長く、この結果心臓の動きによるボケが生じていた。第２に、イメージング・スキャンの持続時間がこのように長いことにより、呼吸運動による運動アーチファクトを回避するためには、患者が過度に長い間呼吸を停止する必要がある。ｋ空間分割式高速グラジエントエコー（ｆｇｒｅ）ベースのシーケンスや、さらに最近では、エコー・プラナー・イメージング・ベースのシーケンスが出現し、心臓ＭＲイメージングはさらに普及してきた。
【０００６】
ｋ空間分割法では、呼吸停止した１回の収集で幾つかの心拍周期にわたるデータを収集している。データは、その各々が連続するＲ−Ｒ間隔で収集される幾つかのセグメントに区分している。ある任意のＲ−Ｒ間隔内で、同じセグメントをＲ−Ｒ間隔内の異なる時点で繰り返し収集し、これによりＲ−Ｒ間隔全体をカバーしていながら高い時間分解能を有する動画画像が得られる。インターリーブ式エコー・プラナー・イメージング（エコートレイン、あるいは高速グラジエントエコートレイン（ｆｇｒｅｔ）ともいう）のイメージング法の開発により、各ＲＦ励起から複数のｋ空間線（ＥＴＬ）を収集できるようにすることによってイメージング走査に要する時間が大幅に短縮された。大ざっぱに言えば、収集時間をＥＴＬの比率だけ短縮しながら同じ時間分解能を維持するか、あるいは時間分解能をＥＴＬの比率だけ増加させながら同じ走査時間を維持するかのいずれかが可能となる。典型的な呼吸停止時間は、ｆｇｒｅベースの収集では１２〜１６秒であり、またｆｇｒｅｔベースの収集では６〜８秒である。エコートレイン技法をｋ空間分割式収集と組み合わせて使用すると、呼吸停止技法を使用した心臓血管系検査の実施が可能となる。
【０００７】
こうした検査の一例は、心電計（ＥＣＧ）ベースのストレス・テストをＭＲの形に直したものにあたる、ＭＲベースの運動誘導または薬剤誘導ストレス機能検査である。ストレス機能イメージング検査では、患者を連続してレベルを上昇させた心臓ストレスにかけ、心拍数が必要とするストレス・レベルで安定化した後に、典型的には呼吸停止のｋ空間分割式技法を用いてＭＲ画像を収集している。
【０００８】
しかし、連続するストレス・レベル間での遷移時間中に、心臓壁の動きの変化や虚血に関連する心臓発作などの任意の心臓機能の異常を発見するように患者を連続してモニタリングする必要がある。モニタリングは上述の呼吸停止技法を使用して実施することができるが、この種の患者では呼吸停止の繰り返しにより極めて消耗をきたすことがある。したがって、連続するストレス・レベル間の遷移期間中のモニタリングで使用できる高速ＭＲ収集法が必要である。こうした方法では、虚血性発作に関連する心臓壁の動きの異常をほぼリアルタイムで検出できるような十分な空間的及び時間的分解能をもつ自由呼吸画像を収集できなければならない。より高いストレス・レベルで見られる高い心拍数のためにその心拍周期（Ｒ−Ｒ時間間隔）が大幅に短縮しているようなストレス・テストでは、時間分解能が高いという要件が特に重要である。心収縮期の視覚化では、典型的には、１回のＲ−Ｒ間隔あたり概ね１０枚の画像が適当である。壁運動の異常を検出するには、その空間分解能要件は概ね３ｍｍまたはそれ以上の分解能となる。
【０００９】
しかし、ＥＣＧゲート制御では別の問題を生じる。こうしたゲート制御では、オペレータ依存性、患者間のバラツキ、ＥＣＧ導線の遊離、イメージング用傾斜磁場からのノイズによるＥＣＧ信号の破損といった多くの問題が起こる。ＥＣＧゲート制御が問題となるような状況では、代替案の１つは、ＥＣＧゲート制御と比べてより複雑でなく、かつ多くの場合信頼性がより高い末梢ゲート制御を使用することである。しかし、末梢ゲート制御では、ＥＣＧゲート制御に対する遅延が持ち込まれるという制限が生じ、このため、心臓のＲ波の正確な時点を特定することができない。より一般的には、任意のゲート制御トリガに対するリアルタイムでの検出を必要としない技法があることが望ましい。
【００１０】
この問題に対する可能な解決策の１つとして、データに対するリアルタイムでの収集、再構成及び表示のためにインターリーブ式ＥＰＩ ｆｇｒｅｔなどの非ゲート制御の高速イメージング・シーケンスを利用しているＭＲ透視法（ＭＲ ｆｌｕｏｒｏｓｃｏｐｙ）がある。ＭＲ透視法は魅力ある解決策の１つのようではあるが、高速で画像再構成及び表示をするための計算上の要件、並びに空間分解能要件により、達成可能な最大フレームレートが毎秒１２〜１５フレームに制限され、この結果、時間分解能は６６〜８５ｍｓに制限される。心収縮期を有効に視覚化するには、こうした分解能は、概ね１５０〜１８０拍動毎分（ｂｐｍ）の心拍数では受容しがたい。可能な別の解決策は、小さなＶＰＳ値（セグメントあたりのビュー数）をもつｋ空間分割式シネシーケンスを使用することである。しかし、これでもまだ、収集を完了するのにかなり多くの心拍動を必要とするような状況では、収集の間に呼吸アーチファクトがかなり大きくなるという問題が生じる。したがって、これもまた、この問題に対する望ましい解決策となっていない。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述の問題を解決している、時間分解能が高い自由呼吸の心臓ＭＲ画像を収集するためのシステム及び方法に関する。
【００１２】
本発明は、ユーザにより入力できるか、あるいはＥＣＧ導線または末梢導線から直接得ることができるかのいずれかであるような心拍数の尺度を、以後のＲ−Ｒ間隔に対する予見推定値として使用している。データは、Ｒ波の発現からではなくＲ−Ｒ間隔の任意の時点から収集する。
【００１３】
本発明は、高い時間分解能及び短い全収集時間という要件のためにこれまでは可能でなかったような心臓血管系検査を可能にするようなｋ空間収集の分割を含んでいる。本発明は、広範に使用されているＥＣＧベースのストレス・テストをＭＲの形に直したものにあたるような、ＭＲベースのストレス機能を使用した検査を提供する。先ず患者を、心拍数の上昇を導くような連続してレベルを上昇させた心臓ストレスにかける。ストレスは、物理的運動により誘導することも、ドブタミンなどの薬剤の投与により誘導することもできる。心拍数が所与のストレス・レベルに関して安定化した後、標準のＥＣＧ装置または末梢パルスゲート制御装置を使用してＲ−Ｒ間隔を計測して記録する。記録した後は、ＭＲスキャナはＥＣＧ読み値を無視し、記録したこのＲ−Ｒ間隔を実際のＲ−Ｒ間隔の始点や終点と無関係な収集時間間隔として使用しながらＭＲデータを収集するようなＭＲスキャンが開始される。現在のセグメントに対するデータ収集は、分割式シネ収集の場合と同様に、予測されるＲ−Ｒ時間間隔の終点に達するまで継続される。ｋ空間ビューは、次のセグメントのために更新され、さらに、この処理はすべてのデータを収集し終えるまで継続される。画像の再構成及び表示は、シネデータ組を再構成するのに必要なすべてのデータを収集し終えた時点で開始される。データを分割すること、並びに様々なセグメントを連続した収集により収集することにより、より分解能が高い画像を達成することができる。本方法は、スキャン開始の直前での心拍周期の間隔計測によって心拍周期の終了の発生を推定することによる仮想的な心臓トリガを使用している。この方式では、時間分解能が高いｋ空間分割式の高速シネスキャンを完了させるために、ＥＣＧゲートまたは末梢ゲートのトリガを実際に待つ必要がない。スキャン中に適当なＥＣＧトリガが存在するか、あるいは末梢パルスゲート制御を使用していれば、ＭＲスキャナは連続する収集の間に心拍周期間隔を定期的に更新することができる。心拍周期（すなわち、時間間隔）のこうした更新は自動化することができ、また手作業のオペレータ制御の下におくこともできる。
【００１４】
本発明の一態様によれば、自由呼吸ＭＲ画像を収集する方法は、Ｒ−Ｒ間隔の時間間隔を収集するために画像収集の直前に被検体の心拍数をモニタリングすること、並びに心拍数モニタリングによるこの時間間隔を記録して以後のＲ−Ｒ間隔を予見推定することを含む。本方法は次に、その第１のＭＲデータ収集が任意の点で開始されると共に記録された時間間隔にわたって延長するようなｎ組のＭＲデータを収集することを含む。
【００１５】
本発明の別の態様によれば、時間分解能が高い画像を収集するためのＭＲＩ装置は、ＲＦ送受信装置システムと、偏向磁場を印加するためのマグネットのボアの周りに配置した複数の傾斜コイルとを有している磁気共鳴イメージング・システムを含む。ＲＦスイッチは、ＲＦ信号をＲＦコイル・アセンブリに送信してＭＲ画像を収集させているパルスモジュールにより制御を受ける。コンピュータは、患者の心拍数をモニタリングすること、心拍数のＲ−Ｒ間隔の時間間隔を収集すること、並びにこのＲ−Ｒ間隔の時間間隔を記憶すること、を行うようにプログラムされている。このコンピュータはさらに、ＭＲＩシステムを有効にしてＲ−Ｒ間隔内の任意の時点で患者のＭＲスキャンを開始すること、並びに記憶した時間間隔に匹敵する時間にわたってＭＲデータの収集を継続すること、を行うようにプログラムされている。次いで、記憶した時間間隔により推定されるような少なくとも１回のＲ−Ｒ間隔にわたって収集されたＭＲデータを用いてＭＲ画像を再構成することができる。
【００１６】
本発明のさらに別の態様は、コンピュータで実行させた際にそのコンピュータに対して、患者の心拍周期を意味するＲ−Ｒ間隔を示す時間間隔信号を受け取ること、並びにＲ−Ｒ間隔に等しい第１の収集期間中に第１組の部分的ＭＲ画像データを収集すること、を行わせる命令の組を有するコンピュータ・プログラムを含む。次いで、Ｒ−Ｒ間隔に等しい第２の収集期間中に第２組の部分的ＭＲ画像データを収集し、次いで、第１組の部分的ＭＲ画像データと第２組の部分的ＭＲ画像データを合成することによりＭＲ画像を再構成させることができる。
【００１７】
この方式では生理学的トリガ制御の必要がないため、このパルスシーケンスは心収縮サイクルの開始位相と同期させる必要がない。このため、ＥＣＧ波形を収集し、その画像収集をＥＣＧ波形のＲ−Ｒ間隔に合わせてゲート制御しようとする必要がない。ＥＣＧ波形（すなわち、ＥＣＧから収集した信号）の場合では磁場傾斜の印加により歪む可能性があることから、ゲート制御が不正確になるおそれや、この結果生じる可能性がある画像のボケを無くすことができる。
【００１８】
本発明のその他の様々な特徴、目的及び利点は、以下の詳細な説明及び図面より明らかとなろう。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図面では、本発明を実施するように目下のところ企図されている好ましい実施の一形態を図示している。
【００２０】
図１を参照すると、本発明を組み込んでいる好ましいＭＲＩシステム１０の主要コンポーネントを表している。本システムの動作は、キーボードその他の入力デバイス１３、制御パネル１４及びディスプレイ１６を含むオペレータ・コンソール１２から制御を受けている。コンソール１２は、オペレータが画像の作成及びスクリーン１６上への画像表示を制御できるようにする独立のコンピュータ・システム２０と、リンク１８を介して連絡している。コンピュータ・システム２０は、バックプレーン２０ａを介して互いに連絡している多くのモジュールを含んでいる。これらのモジュールには、画像プロセッサ・モジュール２２、ＣＰＵモジュール２４、並びに当技術分野でフレーム・バッファとして知られている画像データ・アレイを記憶するためのメモリ・モジュール２６が含まれている。コンピュータ・システム２０は、画像データ及びプログラムを記憶するためにディスク記憶装置２８及びテープ駆動装置３０とリンクしており、さらに高速シリアル・リンク３４を介して独立のシステム制御部３２と連絡している。入力デバイス１３は、マウス、ジョイスティック、キーボード、トラックボール、タッチスクリーン、光学読取り棒、音声制御器、その他同様のデバイスを含むことができ、また入力デバイス１３は、対話式の幾何学的指定をするために使用することができる。
【００２１】
システム制御部３２は、バックプレーン３２ａにより互いに接続させたモジュールの組を含んでいる。これらのモジュールには、ＣＰＵモジュール３６や、シリアル・リンク４０を介してオペレータ・コンソール１２に接続させたパルス発生器モジュール３８が含まれる。システム制御部３２は、実行すべきスキャン・シーケンスを指示するオペレータからのコマンドをリンク４０を介して受け取っている。パルス発生器モジュール３８は、各システム・コンポーネントを動作させて所望のスキャン・シーケンスを実行させ、発生したＲＦパルスのタイミング、強度及び形状、並びにデータ収集ウィンドウのタイミング及び長さを指示しているデータを発生させている。パルス発生器モジュール３８は、スキャン中に発生させる傾斜パルスのタイミング及び形状を指示するために、１組の傾斜増幅器４２と接続させている。パルス発生器モジュール３８はさらに、患者に接続した多数の異なるセンサからの信号（例えば、患者に装着した電極からのＥＣＧ信号）を受け取っている生理学的収集制御器４４から患者データを受け取っている。また最終的には、パルス発生器モジュール３８はスキャン室インタフェース回路４６と接続させており、スキャン室インタフェース回路４６はさらに、患者及びマグネット系の状態に関連する様々なセンサからの信号を受け取っている。このスキャン室インタフェース回路４６を介して、患者位置決めシステム４８はスキャンのために患者を所望の位置に移動させるコマンドを受け取っている。
【００２２】
パルス発生器モジュール３８が発生させる傾斜波形は、Ｇx増幅器、Ｇy増幅器及びＧz増幅器を有する傾斜増幅器システム４２に加えられる。各傾斜増幅器は、収集した信号の空間的エンコーディングに使用する磁場傾斜を生成させるために一般に指定されるようなアセンブリ内の対応する物理的傾斜コイル５０を励起させている。傾斜磁場コイル・アセンブリ５０は、偏向用マグネット５４及び全身用ＲＦコイル５６を含んでいるマグネット・アセンブリ５２の一部を形成している。システム制御部３２内の送受信器モジュール５８は、ＲＦ増幅器６０により増幅を受け送信／受信スイッチ６２によりＲＦコイル５６に結合しているパルスを発生させている。患者内の励起された原子核が放出して得た信号は、同じＲＦコイル５６により検知し、送信／受信スイッチ６２を介して前置増幅器６４に結合させることができる。増幅されたＭＲ信号は、送受信器５８の受信器部分で復調され、フィルタ処理され、さらにディジタル化される。送信／受信スイッチ６２は、パルス発生器モジュール３８からの信号により制御し、送信モードではＲＦ増幅器６０をコイル５６と電気的に接続させ、受信モードでは前置増幅器６４を電気的に接続させる。送信／受信スイッチ６２によりさらに、送信モードと受信モードのいずれに関しても同じ単独のＲＦコイル（例えば、表面コイル）を使用することが可能となる。
【００２３】
ＲＦコイル５６により取り込まれたＭＲ信号は送受信器モジュール５８によりディジタル化され、システム制御部３２内のメモリ・モジュール６６に転送される。スキャンが完了すると、未処理のｋ空間データのアレイがメモリ・モジュール６６に収集されている。以下でより詳細に説明することにするが、この未処理のｋ空間データは、各画像を再構成させるように別々のｋ空間データ・アレイの形に配列し直している。さらに、これらの各々は、データをフーリエ変換して画像データのアレイにするように動作するアレイ・プロセッサ６８に入力される。この画像データはシリアル・リンク３４を介してコンピュータ・システム２０に送られ、コンピュータ・システム２０において画像データはディスク記憶装置２８内に記憶される。この画像データは、オペレータ・コンソール１２から受け取ったコマンドに応じて、テープ駆動装置３０上にアーカイブしたり、画像プロセッサ２２によりさらに処理してオペレータ・コンソール１２に伝達したりディスプレイ１６上に表示させたりすることができる。
【００２４】
本発明は、患者の呼吸停止に依存しない高時間分解能のＭＲ画像が収集されるようにＭＲ画像を取得するための、上記で参照したＭＲシステム、あるいは同様の任意のシステムや同等のシステムでの使用に適した方法及びシステムを含む。本発明は心臓血管系のＭＲ検査で特に有用である。
【００２５】
本発明の高時間分解能の自由呼吸ＭＲ画像は、ＭＲスキャナの磁場傾斜とＥＣＧ収集の間の干渉がないように、ＭＲスキャナが待機状態にある間にＥＣＧを定期的にモニタリングして心拍数を計測することにより収集される。本発明によれば、ＭＲベースのストレス機能検査の間に、患者に対して先ず、心拍数の増加につながるような連続してレベルを上昇させた心臓ストレスがかけられる。このストレスは、物理的運動やドブタミンなどの薬剤の投与により誘導することができる。次いで、ＥＣＧにより心拍数をモニタリングし、心拍数が所望のストレス・レベルで安定化した後、この検査法はＭＲデータ収集のための以後のＲ−Ｒ間隔を推定するためにＲ−Ｒ間隔の時間間隔を記録することを含む。すなわち、ＥＣＧゲート制御のためのＥＣＧ信号を収集する際にスキャン時の磁場傾斜により生じる可能性があるような干渉を回避するために、所望のストレス・レベルに到達しＲ−Ｒ間隔の時間間隔を記録した後は、心拍数モニタリングはもはや必要とせず、かつＭＲデータを直ちに収集することができる。この非ゲート制御のＭＲデータ収集は、Ｒ−Ｒ間隔を推定し、この各間隔にわたってＲ−Ｒ間隔の実際の始点と終点とは無関係にデータを収集するように記録した時間間隔を用いて実行することができる。換言すると、このＭＲデータ収集は、ＥＣＧトリガに合わせたゲート制御をしておらず、したがって磁場傾斜を印加した際にＥＣＧ波形が大きく歪むことにより生ずる可能性があるような不正確さに影響を受けない。
【００２６】
本発明によれば、ｋ空間データ収集を複数のＲ−Ｒ間隔にわたって分割している。このデータ収集は、心拍数が一定と見なすことができ呼吸によるアーチファクトが最小となるような少ない回数のＲ−Ｒ間隔にわたって実行することが好ましい。収集するＭＲデータの各フレームが区分され（すなわち、分割され）ているようなｎ組のＭＲデータを収集している場合、パルスシーケンスは、生データのマトリックス（ｋ空間）をｎ個のセグメントに区分すると共に、連続するＲ−Ｒ間隔で各部分を収集する。例えば、ｎ＝２であるような実施の一形態では、ｋ空間データの上半分と下半分は、２回の連続する心拍動で収集することができる。別法では、修正型エコートレイン軌道を用いて、ｋ空間マトリックスの偶数番の線と奇数番の線を連続する心拍動で収集することができる。しかし、遷移境界における位相と振幅の差を最小限にするようなｋ空間の適当な任意の分割も可能であることに留意されたい。
【００２７】
図２を参照すると、従来型のリアルタイムのデータ収集方式１００を表している。この例では、１１個のデータフレーム１０２が単一のＲ−Ｒ間隔１０４で収集される。基準点として、各フレームは時間Ｔで収集される。データ収集１０２が開始されるフレーム１０６の位置が示すように、この収集はＲ−Ｒ間隔１０８の開始によりゲート制御している。しかし、直前のデータ収集１１０からの磁場傾斜により、Ｒ−Ｒ間隔１０８の開始を表すＥＣＧ信号の読み値は、真の正確なＲ−Ｒ間隔１０４に合わせたデータ収集の適正なゲート制御が多くの場合に困難となる程の大幅な歪みを受けることがある。多くの場合、実際上の収集は時間的に幾分後の点で得られるが、歪みのためにこの時点は不明である。ＥＣＧ信号の歪みは必ずしも各データ収集で同じでないため、ｋ空間データを分割した後に合成すると、得られる再構成画像にはかなりのボケが生じる。
【００２８】
図３を参照すると、データの組１２４を収集するために推定したＲ−Ｒ間隔１２２を用いているような、本発明によるリアルタイムのデータ収集方式１２０を表している。データは、その各々がｎ回の連続するＲ−Ｒ間隔で収集されるようなｎ個のセグメントに区分している。好ましい実施の一形態では、各データフレーム収集のための収集時間はＴ／２であり、したがってフレームを２倍多く収集することができる。しかし、これを行うためには、データは、その各々が連続するＲ−Ｒ間隔で収集されるようなセグメントに区分している。この方式では、その心拍周期の長さが心拍数が大きいために大幅に短縮されている場合であっても、時間分解能が高い画像を収集することができる。図示した例では、１つのＲ−Ｒ間隔内に２２個のデータフレームをはめ込んでおり、これにより心収縮期の視覚化が向上すると共に空間分解能を向上させることができ、患者の呼吸停止を必要とせずに壁の動きの異常を検出することができる。推定した各Ｒ−Ｒ間隔１２２の間で、各フレーム１２６に対するｋ空間データの一部分を収集する。ＭＲデータの組１２４内のフレーム１２８で示すようにしてｋ空間の第１の部分が収集され、また第２組のＭＲデータ１３０内で、フレーム１３２に示すようにｋ空間の第２の部分が収集される。画像を再構成するためには、推定したＲ−Ｒ間隔１２２内の間隔が同じフレームを続いて収集したフレームと合成させる。例えば、フレーム１２８とフレーム１３２を合成することにより、より高い分解能の画像１３４が得られる。実施の一形態では、ｎ＝２の場合には各セグメントに対するｋ空間画像データの半分を収集でき、ｎ＝３ではその３分の１が収集でき、以下同様となる。別法として、ｋ空間データの偶数番線と奇数番線を連続するＲ−Ｒ間隔で収集することができる。
【００２９】
図４を参照すると、時間分解能が高い画像をほぼリアルタイムで収集するための流れ図を表している。画像収集の直前に患者の心拍数をモニタリングした後、上述したように、Ｒ−Ｒ時間間隔を計測して現在の心拍数から時間間隔を収集し、有効なＲ−Ｒ時間間隔を推定している（１５０）。次いで、この時間間隔をメモリ内に記録（すなわち、記憶）し、以後のＲ−Ｒ間隔を予見推定する。次いで、ＥＣＧモニタリングを停止し、Ｒ−Ｒ間隔内の任意の時点でＭＲスキャンを開始することができる（１５２）。第１のデータ組の収集は、個々の各データフレームを収集すること（１５６）によりブロック１５４で開始することができる。次いで、内部クロックによりデータフレームを収集している時間間隔を監視し、推定したＲ−Ｒ間隔の終点となるまで（１５８、１６０）、データフレームの収集を継続させる。推定したＲ−Ｒ間隔の終点（１５８、１６２）に達すると、システムは、すべてのデータ組を収集し終えているか否かを確認し（１６４）、追加のデータ組の収集を要する場合（１６６）には、ブロック１６８において続きのデータ組の収集を開始し、推定したＲ−Ｒ間隔の次の終点となるまで（１５８、１６２）収集を継続する。すべてのデータを収集し終えた後（１６４、１７０）、スキャンは完了し、ブロック１７２において画像を再構成することができる。追加のスキャンを希望する場合（１７４）は上述のアルゴリズムを反復する。追加のスキャンがなければ、ブロック１７６において画像が表示され検査は終了する。
【００３０】
したがって、本発明は、患者の心拍数をモニタリングしながら患者を連続してレベルが上昇する心臓ストレスにかけているような検査の実施方法を含む。心拍数が所望のストレス・レベルで安定化した後、本検査法は、Ｒ−Ｒ間隔の時間間隔を記録すること、次いで推定したＲ−Ｒ間隔に合わせて記録した時間間隔を用いて非ゲート制御のＭＲデータを収集すること、を含む。ＭＲデータを収集するこのステップは、各データフレームのセグメントを連続するＲ−Ｒ間隔にわたって収集することを含むことができる。この場合では、本システムは、各フレームからのセグメントを合成して患者呼吸停止を必要とせずに時間分解能が高い画像を再構成することを含む。
【００３１】
本発明は、図１を参照しながら記載した構成などをしたコンピュータを有するＭＲＩスキャナで使用するためのコンピュータ・プログラムを含んでおり、このコンピュータ・プログラムは、実行させた際にコンピュータに対して、患者の心拍周期を意味するＲ−Ｒ間隔を示す時間間隔信号を受け取ること、次いでＲ−Ｒ間隔に等しい第１の収集期間中に第１組の部分的ＭＲ画像データを収集すること、を行わせる命令の組を有している。本コンピュータ・プログラムは次いで、コンピュータに対して、同じくＲ−Ｒ間隔に等しい第２の収集期間中に第２組の部分的ＭＲ画像データの収集を行わせる。本コンピュータ・プログラムは、第１組の部分的ＭＲ画像データと第２組の部分的ＭＲ画像データを合成することによりＭＲ画像を再構成させるような命令を有している。当業者であれば容易に理解するであろうように、本発明のこの態様は２組の部分的ＭＲ画像データの収集に限定されず、第３組、第４組、第５組などの部分的ＭＲ画像データ組まで拡張することができる。一般に、本コンピュータ・プログラムは、部分的ＭＲ画像データであって、その各データフレームがＲ−Ｒ間隔中で各部分的ＭＲデータ組の対応するデータフレームと同様の時点で収集されているようなｎ組の部分的ＭＲ画像データを収集するように設計されている。
【００３２】
こうしたシステムを用いたＭＲデータの収集では、ＥＣＧトリガ信号に合わせたゲート制御がなされておらず、また、部分的ＭＲデータの各組はＲ−Ｒ間隔の始点や終点と無関係な時点で収集できるので有利である。ｋ空間データは任意の多くの方法で分割することができる。これらの方法のうちの２つの例としては、ｎ＝２の場合に所与のセグメントに対するｋ空間データの半分を収集すること、あるいは連続するＲ−Ｒ間隔でｋ空間データの偶数番線と奇数番線を収集することのいずれかがある。本発明は、そのコンピュータ・プログラムがコンピュータに対して、心拍数をモニタリングすること、並びにＭＲスキャナが待機状態にある間で患者の現在のＲ−Ｒ間隔を示すＲ−Ｒ時間間隔を発生させること、を行わせるように拡張することができる。このプログラムは、心拍数を定期的にモニタリングしＭＲデータの収集が完了した後にＲ−Ｒ時間間隔を発生させる。したがって、ＭＲスキャナがＥＣＧ波形と干渉するおそれのある磁場傾斜を生成している間はＥＣＧ信号を収集する必要がない。
【００３３】
図１を参照しながら開示したようなコンピュータを有するＭＲＩシステムを含んでいる、時間分解能が高い画像を収集するためのＭＲＩ装置を開示する。このコンピュータは、患者の心拍数をモニタリングすること、その心拍数からＲ−Ｒ間隔の時間間隔を収集すること、並びにこのＲ−Ｒ間隔の時間間隔を記憶すること、を行うようにプログラムされている。コンピュータはさらに、ＭＲＩシステムを有効にして、Ｒ−Ｒ間隔内の任意の時点で患者のＭＲスキャンを開始するようにプログラムされている。ＭＲデータは、記憶した時間間隔に匹敵する時間にわたって収集される。次いでコンピュータは、その時間間隔で推定されるようなＲ−Ｒ間隔にわたって収集したＭＲデータを用いてＭＲ画像を再構成する。コンピュータをさらに、各収集の間にデータの一部分を収集し、次いでこれらを合成して分解能がより高いＭＲ画像が再構成されるように、データ収集を分割させるようにプログラムしておくことができる。一般に、このコンピュータは、その各々がｍ個のフレームを有するｎ組のＭＲデータであって、その各フレームはｎ個のセグメントに分割されていると共にこのｍ個のフレームが１回のＲ−Ｒ間隔内にはめ込まれるようなｎ組のＭＲデータを収集するようにプログラムされている。
【００３４】
好ましい実施の一形態では、コンピュータは、各ＲＦ励起から複数のｋ空間線を収集することを許容することによりイメージング走査時間を大幅に短縮させることができるパルスシーケンスの２つの例である高速グラジエントエコー・パルスシーケンスまたは定常自由歳差運動パルスシーケンスを利用するようにプログラムされている。当業者であれば、分割しているｋ空間データの収集が可能な別のパルスシーケンスも同様に利用可能であることを容易に理解するであろう。
【００３５】
本発明では生理学的トリガは不要であるため、そのパルスシーケンスを心収縮サイクルの開始位相と同期させる必要がない。上述したように、使用するパルスシーケンスはｋ空間分割式エコートレイン・データ収集方式を利用している。データはｎ個のセグメントに区分されているため、その時間分解能は、空間分解能が同じとしてＭＲ透視法を使用して得られる時間分解能のｎ倍となる。例えば、１回の収集あたりの心拍数をｎ、シーケンス反復時間をＴＲ、エコートレイン長さをＥＴＬ、またデータマトリックス内の線の総数をＹＲＥＳとすれば、このシーケンスの時間分解能は、セグメントあたりのビュー数（ＶＰＳ）をエコートレイン長さ（ＥＴＬ）で割り算し、この結果にさらにシーケンス反復時間（ＴＲ）を掛け算することにより、以下のようにして得ることができる。
【００３６】
（ＶＰＳ／ＥＴＬ）×ＴＲ （式１）
ここで、ＶＰＳはデータマトリックス内の線の総数をｎで除したものであり、したがって、シーケンスの時間分解能は次式で与えられる。
【００３７】
（ＹＲＥＳ×ＴＲ）／（ＥＴＬ×ｎ） （式２）
エコートレイン長さ（ＥＴＬ）が８であり、データマトリックス内の線の総数（ＹＲＥＳ）が４８となるように位相ＦＯＶを０．５に等しくした画像マトリックスが１２８×９６であり、またシーケンス反復時間（ＴＲ）が１１ｍｓであるような典型的なパラメータを使用した場合、ｎ＝２で達成可能な時間分解能は３３ｍｓとなる。ｎ＝４では、その時間分解能は１６．５ｍｓとなる。時間分解能のこうした値は、ｎ＝２では１８０ｂｐｍまでの心拍数に対して適当であり、ｎの値をより大きくすればさらに高い心拍数に対応することができる。ＭＲ透視法は、ｎ＝１として６６ｍｓの時間分解能が得られるような特殊なケースとして扱うことができる。
【００３８】
本発明を好ましい実施形態について記載してきたが、明示的に記述した以外に、本特許請求の範囲の域内で等価、代替及び修正が可能であることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で使用するためのＮＭＲイメージング・システムのブロック概要図である。
【図２】従来技術によるデータ収集シーケンスのタイミング図である。
【図３】本発明によるデータ収集シーケンスのタイミング図である。
【図４】本発明の技法の流れ図である。
【符号の説明】
１０ ＭＲＩシステム
１２ オペレータ・コンソール
１３ 入力デバイス
１４ 制御パネル
１６ スクリーン、ディスプレイ
１８ リンク
２０ コンピュータ・システム
２０ａ バックプレーン
２２ 画像プロセッサ・モジュール
２４ ＣＰＵモジュール
２６ メモリ・モジュール
２８ ディスク記憶装置
３０ テープ駆動装置
３２ システム制御部
３２ａ バックプレーン
３４ 高速シリアル・リンク
３６ ＣＰＵモジュール
３８ パルス発生器モジュール
４０ シリアル・リンク
４２ 傾斜増幅器
４４ 生理学的収集制御器
４６ スキャン室インタフェース回路
４８ 患者位置決めシステム
５０ 傾斜磁場コイル・アセンブリ
５２ マグネット・アセンブリ
５４ 偏向用マグネット
５６ 全身用ＲＦコイル
５８ 送受信器モジュール
６０ ＲＦ増幅器
６２ 送信／受信スイッチ
６４ 前置増幅器
６６ メモリ・モジュール
６８ アレイ・プロセッサ
１００ 従来型のリアルタイムのデータ収集方式
１０２ データフレーム
１０４ Ｒ−Ｒ間隔
１０６ フレーム
１０８ Ｒ−Ｒ間隔の開始
１１０ 直前のデータ収集
１２０ 本発明によるリアルタイムでのデータ収集方式
１２２ 推定したＲ−Ｒ間隔
１２４ ＭＲデータの組
１２６ フレーム
１２８ フレーム
１３０ ＭＲデータの組
１３２ フレーム
Claims (3)
- コンピュータ（２０）を有するＭＲＩスキャナ（５２）で使用するためのコンピュータ・プログラムであって、実行させた際にコンピュータ（２０）に対して、
Ｒ−Ｒ間隔（１２２）の時間間隔を決定するために、ＭＲ画像収集の直前に被検体の心拍数をモニタリングする（１５０）命令と、
Ｒ−Ｒ間隔（１２２）の時間間隔を記録し、該記録した時間間隔を以後のＲ−Ｒ間隔（１２２）の予見推定に使用する命令と、
連続するｎ回（ｎは２以上）の時間間隔にわたってｎ組のＭＲ画像データを収集する命令（１５４）であって、
各時間間隔は、前記記録された時間間隔の長さを有し、
前記ｎ組のＭＲ画像データの各々は、ｍ個のフレームを有し、該フレーム各々は、更にｎ個のｋ空間セグメントに分割され、
前記ｎ組のＭＲ画像データの収集の開始は、前記被験体の心拍と同期していない、前記ｎ組のＭＲ画像データを収集する命令（１５４）と、
前記ｎ組のＭＲ画像データを合成し、前記記録された時間間隔をカバーするｍ個の動画画像を再構成する命令とを有しており、
前記ｎ組のＭＲ画像データの収集の間、心拍のモニタリングが行われない、
コンピュータ・プログラム。 - 時間分解能が高い画像を収集するＭＲＩ装置であって、
マグネット（５４）と、ＲＦコイル・アセンブリ（５０）と、偏向磁場を印加するための前記マグネット（５４）のボアの周りに配置した複数の傾斜コイル（４２）、並びにＲＦ信号を前記ＲＦコイル・アセンブリ（５０）に送信してＭＲ画像を収集する（１５４）ようにパルスモジュールにより制御を受けているＲＦ送受信装置システム（５８）及びＲＦスイッチ（６２）を有している磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システム（１０）と、
請求項１に記載のコンピュータ・プログラムがプログラムされたコンピュータと、を備えるＭＲＩ装置。 - 前記コンピュータがさらに、高速グラジエントエコー・パルスシーケンス及び定常自由歳差運動パルスシーケンスのうちの一方を適用するようにプログラムされている、請求項２に記載のＭＲＩ装置。
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