JP4011585B2

JP4011585B2 - Ｍｒｉシステム

Info

Publication number: JP4011585B2
Application number: JP2005000610A
Authority: JP
Inventors: エイ．ミストレッタチャールズ; アール．コロセックフランク; エム．グリストトマス; フレインリチャード; エイ．ポルジンジェイソン
Original assignee: ウイスコンシンアルムニリサーチフアウンデーシヨン
Priority date: 1996-03-26
Filing date: 2005-01-05
Publication date: 2007-11-21
Anticipated expiration: 2017-03-25
Also published as: EP0798566B1; JP2007260454A; DE69709425D1; JP2005095694A; US5713358A; EP0798566A1; DE69709425T2; JPH105191A

Description

本発明の技術分野は、磁気共鳴血管造影法（ｍａｇｎｅｔｉｃｒｅｓｏｎａｎｃｅａｎｇｉｏｇｒａｐｈｙ（ＭＲＡ））であり、特にＮＭＲ（ｎｕｃｌｅａｒｍａｇｎｅｔｉｃｒｅｓｏｎａｎｃｅ（核磁気共鳴））信号を増強するコントラスト剤を用いて人の脈管構造の動的な検査方法及び装置に関する。

人の脈管構造の診断研究は多くの医学的な応用がある。ディジタル減算血管撮影法（ｄｉｇｉｔａｌｓｕｂｓｔｒａｃｔｉｎａｎｔｉｏｇｒａｐｈｙ：ＤＳＡ）のようなＸ線イメージング方法は、心臓及び関連する血管を含む心臓血管系の明視化に広く用いられている。腎臓の動脈及び静脈と、勁部及び心臓の勁動脈及び静脈とにおける血液循環を示す画像は、診断に測り知れない有用性を持っている。しかし残念なことに、これらのＸ線イメージング方法は患者を潜在的に有害な電離放射線に暴露させ、またしばしば侵襲性のカテーテルを使用して画像化されるべき脈管構造にコントラスト剤を注入させることが必要である。

これらＸ線技術の利点の一つは、高速に（即ち、時間的に高分解能で）画像データを収集できるので、コントラスト剤の注入中に一連の画像を収集できることである。このような「動的な検査」は、大きな丸剤のコントラスト剤が患者の脈管構造を流れる画像を選択可能にする。このシーケンスにおいて、初期の画像は疑いのある脈管構造におけるコントラストを十分なものとすることができず、また後期の画像はコントラスト剤が静脈に達して周辺の組織に拡散するので、解釈に困難を来す恐れがある。リアル・タイム・ディジタルＸ線減算イメージング(Real Time Digital X-ray Subtraction Imaging)と題して米国特許第４，２０４，２２５号に開示されたような減算法は、このような画像による診断の有用性を大いに強化するために用いられてもよい。

磁気共鳴血管造影法（ＭＲＡ）は人の脈管構造の画像を発生させるために核磁気共鳴（ＮＭＲ）現象を利用している。人の組織のような物質を均一な磁場（偏向磁場Ｂ_０）に置いたときは、その組織におけるスピンの個々の磁気モーメントは、この偏向磁場に合わせようとするが、それらに固有のラーモア周波数でランダムな順序によりその周辺を歳差運動する。物質又は組織がｘ−ｙ平面にあり、かつラーモア周波数近傍にある磁場（励磁場Ｂ_１）に置かれると、揃えられた正味のモーメントＭ_ｚは、ｘ−ｙ平面に回転されて即ち「チップ」されて正味の横方向磁気モーメントＭ_ｔを発生させることができる。励起されたスピンにより信号が放射され、励起の後、信号Ｂ_１が生成され、この信号が受信され、一つの画像を形成するように処理される。

これらの信号を用いて画像を発生させるときは、傾斜磁場（Ｇx、Ｇy及びＧz）を用いる。通常、画像を形成しようとする領域は、使用している特定の位置決定法に従ってこれらの傾斜を変化させる一連の測定サイクルにより、走査される。その結果の受信ＮＭＲ信号セットは、周知の多くの再構成技術のうちの一つを用いて、ディジタル化され、かつ画像を再構成するように処理される。

医療画像を発生するために現在用いられている大抵のＮＭＲ走査は、必要とするデータを収集するのに数分掛かる。この走査時間が数分よりも数秒に減少しなければならないということは、ＭＲＩ法を用いる臨床上の動的な検査を実行する際の主要な障害である。非トリガの時間分解されたイメージングに現在用いられている最も一般的なＭＲＩ法は、最初にピータ・マンスフィールド（ＰｅｔｅｒＭａｎｓｆｉｅｌｄ）（Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃ．１０：Ｌ５５−Ｌ５８，１９７７）が説明したように、エコー・プレーナ・イメージング（ｅｃｈｏ−ｐｌａｎｅｒｉｍａｇｉｎｇ（ＥＰＩ））パルス・シーケンスを用いることである。要するに、ＥＰＩ走査は数百ミリ秒程度で測定される期間で発生するダイナミック処理によるイメージングを可能にする。しかしそうでなければ、時間分解されたＥＰＩは、ＲＦ励起間の時間間隔が長い（例えば１００ｍｓ）ために、血液及び周辺組織との間のコントラストが低くなるので、コントラスト強調ＭＲＡに適していない。ＥＰＩは更に種々の流れに関連したアーティファクト（偽像）に対する感度が高く、かつｋ空間のＴ_２変調のために、ＥＰＩ画像が不鮮明になる恐れがある。

ＭＲＡに適用可能なパルス・シーケンスを用いてＭＲＩ走査の時間分解能を増加させるために多数の方法が開発された。米国特許出願第４，８３０，０１２号に説明され、「ＭＲ螢光透視法」として当該技術分野において知られている方法では、完全な画像に必要とされるＮ位相エンコーディング・ビューを連続的かつ反復的に収集することにより、患者を走査する。しかし、次の画像を再構成する前に、全面的に新しいＮビュー・セットについて待機するよりも、画像は最新Ｎビューを用いることにより、遥かに高速に再構成される。換言すれば、画像は新しく収集したビューと共に、動的な検査において以前の画像を再構成する際に使用した像から再構成される。ＭＲ透視により非常に高い時間速度を達成すると同時に、総合的な画像コントラストを支配するｋ空間における中央ビューが遥かに遅い固有の走査速度（即ち、ＮｘＴＲ）でそのまま更新されるので、ＭＲＡにとって満足できるものではない。

ＭＲＩ画像の時間分解能を増加させる他の方法は、当該技術分野において「キーホール（ｋｅｙｈｏｌｅ）」イメージングと呼ばれている。例えば「ｋ空間置換を用いたラットにおける局部大脳虚血のダイナミック・コントラスト強調ＮＭＲ潅流像（Ｄｙｎａｍｉｃ，ＣｏｎｔｒａｓｔＥｎｈａｎｃｅｄ，ＮＭＲＰｅｒｆｕｓｉｏｎＩｍａｇｉｎｇｏｆＲｅｇｉｏｎａｌＣｅｒｅｂｒａｌＩｓｃｈａｅｍｉａＩｎＲａｔｓＵｓｉｎｇＫ−ＳｐａｃｅＳｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎ）」、ＳＭＲ第１１回年会合１９９２ａｂｓ．１１３８において、ジョーンズ（Ｒ．ＡＪｏｎｅｓ）ほかにより説明されているように、コントラスト剤を患者に注入する動的な検査中に、一連の画像が収集される。この一連の画像における第１の画像は、全位相エンコーディング・ビュー（例えば１２８ビュー）を収集する基準画像である。しかし、中央ビュー（例えば中央３２ビュー）を収集するだけで、次の画像を発生させる。これらのキーホール走査は、明らかに完全走査よりも遥かに高速に実行でき、かつ時間速度は比例して増加される。キーホール画像は基準走査によるｋ空間の外周辺のビューを用いて再構成される。残念ながら、再構成された画像における低い空間周波数変化では動的な検査の展開が捕捉できない状況にあり、ｋ空間のキーホール・イメージングは適当でない。これは小領域におけるコントラストの変化を検査しようとするときに問題となり、またこのような検査により収集される中央ビューの数は、時間分解能におけるゲインを喪失する点まで増加される必要がある。

ｋ空間のキーホール・イメージング方法に関連しているのは、限定された観察領域（ｆｉｅｌｄｏｆｖｉｅｗ（ＦＯＶ））のダイナミック・イメージングとして当該技術分野において知られている方法である。例えば、フー（Ｈｕ）及びパリッシュ（Ｐａｒｒｉｓｈ）により医療における磁気共鳴（ｖｏｌ．３１、ｐｐ．６９１−６９４、１９９４）において、及びフレデリックソン（Ｆｒｅｄｅｒｉｃｋｓｏｎ）及びペルク（Ｐｅｌｃ）により３ｒｄＳＭＲ（１、１９７．１９９５）において説明されているように、この方法は、画像の変化部分が全ＦＯＶの半分を超えていない動的な検査に適用される。画像の静的な部分を表す基準画像は、動的な検査の開始で発生され、かつ画像のダイナミックな中央部分のみを取り囲む一連の画像は、位相エンコーディング・ビュー数の半分を用いて発生される。ビュー数の半分（奇数か又は偶数のビュー）を収集する必要があるので、これらのダイナミック画像を高い時間速度で収集することができる。画像の動的部分及び静的部分は、対応する連続的な完全ＦＯＶ画像を発生させるように組み合わせられる。勿論、画像の静的部分に変化が発生すれば、これらの領域から得た情報はＦＯＶに現れる小さなアーティファクトを正確に除去するものにはならない。

ＭＲ血管造影撮影法（ＭＲＡ）は研究が活発な分野であり、２つの基本的な技術が提案されて評価された。その第１のクラスのタイム・オブ・フライト（ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ（ＴＯＦ））技術は、周辺組織に対する血液の動きを利用する方法からなる。最も一般的な手法は流れる血液と静止組織との間に存在する信号飽和の差を活用することである。これは流れ関連の増強として知られている。しかし、実際のところ、血液−組織のコントラストの改善は静止組織が多くの励起パルスを受けて飽和することによるものなので、その効果は誤称されている。励起された区間を流れる血流は、数個の励起パルスを受けたスピンによって連続的にリフレッシュされ、従って飽和に至らない。その結果、高レベル信号の血液と低レベル信号の静止した組織との間で所望の画像コントラストが得られる。

更に、米国特許番号Ｒｅ．３２，７０１号に開示されているように、収集した信号の位相に動きを符号化する複数のＭＲ法も開示されている。これらのＭＲ法は第２クラスのＭＲＡ技術を形成しており、位相コントラスト（ＰＣ）法として知られている。現在、大抵のＰＣＭＲＡ技術は２つに画像を収集すると共に、各画像が同一の速度成分に対して異なる感度を有する。次いで、一対の速度符号化画像間の位相差か又は複合差を形成することにより、血管造影撮影の画像が得られる。位相コントラストＭＲＡ技術は、直交する３方向全てにおける速度成分に対して感度を有するように拡張されていた。

ＭＲＡは、多くの臨床現場において近年急速に進展したにも拘わらず、まだ研究の道具とみなされており、臨床の実際面で日常的に用いられてはいない。ＴＯＦ技術又はＰＣ技術による広範なアプリケーションは、ある場合では、模倣的な病理学においてもマスク可能な種々の有害な画像アーティファクトの存在によって妨げられる。これらのアーティファクトは、通常、特異性を低下させると共に感度を妥協させる結果となる。

ＭＲＡの診断能力を高めるためには、ＭＲＡ走査の前に患者にガドリニウムのようなコントラスト剤を注入することができる。米国特許第５，４１７，２１３号に説明したように、特徴は大きな塊のコントラスト剤が患者の脈管構造を流れる時点で、中央ｋ空間・ビューを収集することである。日常的な診療手順の一部としてこのタイミングを達成することは容易ではない。

本発明は、動的な検査中にＭＲＩ画像を収集し得る時間速度を増加させる方法である。特に、この方法は、動的な検査中に選択したｋ空間から反復的に収集するステップと、前記動的な検査中にｋ空間の周辺領域をサンプリングする時間速度よりも高い時間速度により選択したｋ空間の中央領域をサンプリングするステップと、ｋ空間の中央領域のサンプルと前記ｋ空間の周辺領域の時間的に最隣接サンプリングから導き出されたサンプルとを含むｋ空間の中央領域のサンプルの各セットについてデータ・セットを形成するステップと、前記各データ・セットからＭＲＩ画像を再構成してより高い時間速度で一連の画像を発生させるステップとを含む。ｋ空間の周辺領域の前記サンプルから導き出される各データ・セットにおけるサンプルは、単純に、前記ｋ空間の中央領域のサンプルを収集するために時間的に最近傍で収集した対応のｋ空間・サンプルを選択することにより、導き出されてもよく、又は前記ｋ空間の中央領域のサンプルを収集する前後で収集された対応するｋ空間・サンプル間を補間することにより、これらのサンプルを導き出してもよい。

本発明の一般的な目的は、それらの診断評価を減少させることなく、動的な検査中にＭＲＩ画像を発生し得る時間速度を増加させることである。高い時間速度で前記ｋ空間の中央領域をサンプリングすることにより、患者における大きな物体のコントラストの各動的な変化を高精度で識別する。前記ｋ空間の周辺領域に対しては低いサンプリング速度を用いることにより、再構成された画像の診断評価を大幅に低下させることなく、画像フレーム当り収集されるべきデータ量を大幅に減少させる。その効果は特に三次元収集において顕著である。

本発明の他の目的は、小さなＦＯＶ画像技術を用いることにより時間速度を更に増加し得る方法を提供することである。本発明を用いることは、動的な検査におけるフレーム速度を増加させるその技術及び他の技術の使用を排除するものではない。これに加えて、本発明により達成される時間的により高い画像フレーム速度は、２つの画像フレームを減算することにより、画像を発生可能にさせる。これは小さなＦＯＶイメージング法に関連した折り返し雑音のアーティファクトを除去する。

本発明の他の目的は、連続するデータ・セット間を補間することにより形成された補間画像を発生させることにより、時間速度を更に増加し得る方法を提供することである。ｋ空間の中央領域がサンプリングされる速度により決定される基本フレーム速度は、複数の画像フレームを形成するように連続するサンプル間を補間することにより、増加されてもよい。

本発明の他の目的は、２つのＭＲＩ画像間における差を計算することにより、アーティファクトを減少させた血管造影撮影法を提供することである。動的な検査中に一連の画像フレームを収集し、その連続における２又は２より多くの画像フレームからのデータを用いることにより、種々の画像強調方法を用いることができる。

本発明の他の目的は、３次元領域からデータを収集することにより改良された磁気共鳴血管造影法を提供することである。再構成された三次元ＭＲＩ画像フレームは、それらの診断評価を大幅に増加させる方法を用いて二次元平面に投影されてもよい。前記三次元ＭＲＩ画像フレームのうちの２つを減算することにより形成された三次元差動画像上で、同じような投影を用いることもできる。

本発明の以上の目的、他の目的及び効果は、以下の説明から明らかである。説明では、その一部分を形成し、本発明の好ましい実施例を例示として示す添付図面を参照する。しかし、このような実施例は本発明の全範囲を必ずしも表すものではない。従って、ここでは、本発明の範囲を解釈するために請求の範囲を参照する。

図１をまず参照すると、本発明に関連する好ましいＭＲＩシステムの主要な要素が示されている。ＭＲＩシステムの動作は、キー・ボード及び制御パネル１０２と、ディスプレイ１０４とを含むオペレータ・コンソール１００から制御されている。オペレータ・コンソール１００はリンク１１６を介して別個のコンピュータ・システム１０７と通信をし、このコンピュータ・システム１０７はオペレータがディスプレイ１０４上に画像を発生させること、及び表示することを制御可能にさせる。コンピュータ・システム１０７はバックプレーンを介して相互に通信する多数のモジュールを含む。これらのモジュールには、画像プロセッサ・モジュール１０６、ＣＰＵモジュール１０８、及び画像データ・アレーを記憶するフレーム・バッファとして当該技術分野において知られているメモリ・モジュール１１３が含まれている。コンピュータ・システム１０７は、ディスク・ストーレジ１１１と、画像データ及び複数のプログラムを記憶するテープ・ドライブ１１２とに接続されており、かつ高速の直列リンク１１５を介して別個のシステム制御１２２と通信をする。

システム制御１２２にはバックプレーンにより相互に接続された一組のモジュールが含まれている。これらには、ＣＰＵモジュール１１９と直列リンク１２５を介してオペレータ・コンソール１００に接続されたパルス発生器モジュール１２１とが含まれている。システム制御１２２が実行すべき走査シーケンスを指示するオペレータからのコマンドを受け取るのは、この直列リンク１２５を介してである。パルス発生器モジュール１２１は所望の走査シーケンスを実行するようにシステム要素を動作させる。この走査シーケンスは、発生させるべきＲＦパルスのタイミング、強度及び形状と、データ収集窓のタイミング及び長さを表すデータを発生させる。パルス発生器モジュール１２１は、走査中に発生する傾斜パルスのタイミング及び形状を指示するために一組の傾斜増幅器１２７に接続されている。更に、パルス発生器モジュール１２１は、生理機能収集コントローラ１２９から患者データも受け取っており、生理機能収集コントローラ１２９は、電極からのＥＣＧ信号、又は下記の呼吸器信号のように、患者に接続された多数の異なるセンサからの信号を入力している。最後に、パルス発生器モジュール１２１は走査ルーム・インターフェイス回路１３３に接続されており、走査インターフェイス回路１３３は患者及び磁気システムの条件に関連した種々のセンサからの信号を入力している。更に、患者位置決定システム１３４が走査のために患者を所望の位置に移動させる複数のコマンドを入力しているのは、この走査インターフェイス回路１３３を介してである。

パルス発生器モジュール１２１が発生する傾斜波形は、Ｇx、Ｇy及びＧz傾斜増幅器を備えた傾斜増幅器システム１２７に供給される。各傾斜増幅器は、１３９により概要的に表すアッセンブリ内の対応する傾斜コイルを励起して位置エンコーディング収集信号に用いる傾斜磁場を発生させる。傾斜コイル・アッセンブリ１３９は偏向磁石１４０及び全身ＲＦコイル１５２を含む磁石アッセンブリ１４１の一部を形成する。システム制御１２２におけるトランシーバ・モジュール１５０はパルスを発生し、これらのパルスはＲＦ増幅器１５１により増幅され、かつ送信／受信スイッチ１５４に供給される。患者において励起された核が照射することによる結果信号は、同一のＲＦコイル１５２により検知されてもよく、送信／受信スイッチ１５４を介して前置増幅器１５３に供給される。増幅されたＮＭＲ信号はトランシーバ・モジュール１５０の受信部において復調され、ろ波され、かつディジタル化される。送信／受信スイッチ１５４は、パルス発生器モジュール１２１からの信号により制御されて、送信モードではＲＦ増幅器１５１を全身ＲＦコイル１５２に電気的に接続し、また送信モードでは前置増幅器１５３に接続する。更に、送信／受信スイッチ１５４は別個のＲＦコイル（例えばヘッド・コイル又は表面コイル）を送信モードにおいても又は受信モードにおいても使用できるようにする。

ＲＦコイル１５２によりピック・アップされたＮＭＲ信号は、トランシーバ・モジュール１５０によりディジタル化されて、システム制御１２２におけるメモリ・モジュール１６０に転送される。走査を終了して、データの全アレーをメモリ・モジュール１６０に収集したときは、アレー・プロセッサ１６１がデータを画像データのアレーにフーリエ変換するように動作する。この画像データは直列リンク１１５を介してコンピュータ・システム１０７に搬送されて、ディスク・メモリ１１１に記憶される。オペレータ・コンソール１００から受け取るコマンドに応答して、この画像データは、テープ・ドライブ１１２に保管されてもよく、又は画像プロセッサ・モジュール１０６により更に処理されてオペレータ・コンソール１００に搬送され、かつディスプレイ１０４に提供されてもよい。

図１及び図２を詳細に参照すると、トランシーバ・モジュール１５０はコイル１５２Ａにおいて電力増幅器１５１によりＲＦ励起磁場Ｂ１を発生し、コイル１５２Ｂに誘導された結果信号を受け取る。以上で述べたように、コイル１５２Ａ及び１５２Ｂは図２に示すように分離されていてもよく、又は図１に示すように単一の全身コイルであってもよい。ＲＦ励起磁場の基本又は搬送周波数は、ＣＰＵモジュール１１９及びパルス発生器モジュール１２１からの一組のディジタル信号を入力している周波数シンセサイザ２００の制御により発生される。これらのディジタル信号は出力２０１において発生するＲＦ搬送波信号の周波数及び位相を表している。指令されたＲＦ搬送波は変調器及びアップ・コンバータ２０２に入力されて、その振幅がパルス発生器モジュール１２１から受け取る信号Ｒ（ｔ）に応答して変調される。この信号Ｒ（ｔ）は、発生するＲＦ励起パルスのエンベロープを規定しており、パルス発生器モジュール１２１において一連の記憶したディジタル値を逐次読み出すことにより発生される。記憶されたこれらのディジタル値は、続いて所望のＲＦパルス・エンベロープを発生できるようにオペレータ・コンソール１００から変更されてもよい。

出力２０５において発生されるＲＦ励起パルスの大きさは、バックプレーン１１８からディジタル・コマンド受け取るエキサイタ減衰回路２０６により減衰される。減衰されたＲＦ励起パルスはＲＦコイル１５２Ａを駆動する電力増幅器１５１に入力される。システム制御１２２のこの部分の更に詳細な説明については、米国特許第４，９５２４，８７７号を参照すべきであり、ここでは引用により関連される。

図１及び図２を参照すると、患者が発生する信号がレシーバ・コイル１５２Ｂによりピックアップされて、前置増幅器１５３を介してレシーバ減衰器２０７の入力に入力されている。レシーバ減衰器２０７は、更にこの信号を、バックプレーン１１８から受信したディジタル減衰信号により決定された量により、増幅する。

受信した信号はラーモア周波数であるか、又はその近傍にある。この高周波信号はダウン・コンバータ２０８による２ステップの処理によりダウン・コンバートされるものであり、まずダウン・コンバータ２０８がＮＭＲ信号を線２０１の搬送波信号と混合し、次いでその結果の差信号を線２０４の２．５ＭＨｚ基準信号と混合する。ダウン・コンバートされたＮＭＲ信号はアナログ・ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器２０９の入力に印加され、Ａ／Ｄ変換器２０９はアナログ信号をディジタル化してディジタル検出器及び信号プロセッサ２１０に印加し、このディジタル検出器及び信号プロセッサ２１０は受信した信号に対応した１６ビットの同相（Ｉ）値及び１６ビットの直交（Ｑ）値を発生する。受信した信号をディジタル化したＩ値及びＱ値の合成ストリームは、バックプレーン１１８を介してメモリ・モジュール１６０に出力され、メモリ・モジュール１６０において画像を再構成するために用いられる。

２．５ＭＨｚの基準信号、並びに２５０ＫＨｚのサンプリング信号、５、１０及び６０ＭＨｚの基準信号は、基準周波数発生器２０３により共通の２０ＭＨｚマスタ・クロック信号から発生される。レシーバの更に詳細な説明については、米国特許第４，９９２，７３６号を参照すべきであり、ここでは参照により関連される。

本発明は異なる多数のパルス・シーケンスを用いることができるが、本発明の好ましい実施例では、図３に説明した三次元傾斜再呼出しエコー・パルス・シーケンスを採用している。改定レベル５．５のシステム・ソフトウェアを備え、商標名「ＳＩＧＭＡ」により販売されているゼネラル・エレクトリック社の１．５テスラ（Ｔｅｓｌａ）ＭＲスキャナとして入手可能なパルス・シーケンス「３ｄｆｇｒｅ」が使用された。これは、本発明が教えているｋ空間・サンプリング・パターンを実施できるように多数量からデータを収集するための変更が行われた。

図３を詳細に参照すると、６０°のフリップ角を有するＲＦ励起パルス２２０は、米国特許第４，４３１，９６８号が教えているように、スラブ選択傾斜パルス２２２が存在するときに、発生されて患者の三次元容積に横磁化を発生させる。これに、ｚ軸方向の位相エンコーディング傾斜パルス２２４及びｙ軸方向の位相エンコーディング傾斜パルス２２６が続く。前述のように、ｘ軸方向を向く読み出し傾斜パルスが続き、かつ部分エコー（６０％）ＮＭＲ信号２３０が収集されてディジタル化される。その収集後、米国特許第４，６６５，３６５号において教えているように、パルス・シーケンスを反復させる前に、リワインダ傾斜パルス２３２及び２３４が磁化の再位相合わせをする。

当該技術分野において知られているように、パルス・シーケンスは反復され、かつ位相エンコーディング・パルス２２４及び２２６は一連の値によりステップされて図４に示す三次元のｋ空間をサンプリングする。好ましいこの実施例では、ｚ軸方向に１６位相エンコーディングが採用され、ｙ軸方向に１２８位相エンコーディングが採用されている。従って、特定の各ｙ位相エンコーディングのときは、異なる１２ｚ位相エンコーディングによる１６収集を実行してｋ_ｚ軸に沿って完全にサンプリングさせる。これはｋy軸に沿って完全にサンプリングするように１２８異なるｙ位相エンコーディングにより１２８回反復される。以下の説明から明らかとなるように、このサンプリングを実行する順序は、本発明の重要な側面である。

ｋx軸に沿ったサンプリングは、各パルス・シーケンス中に読み出し傾斜パルス２２８が存在するときにエコー信号２３０をサンプリングすることにより、実行される。ｋx軸に沿った部分サンプリングのみが実行され、かつ喪失したデータがホモダイン再構成を用いて又は０フィリングにより計算されることは、当該技術分野に習熟する者により理解されるべきである。これは、パルス・シーケンスのエコー時間（ＴＥ）を１．８〜２．０ｍｓ以下に短縮できるようにし、かつパルス繰返し速度（ＴＲ）を１０．０ｍｓ以下に短縮できるようにする。

本発明による動的な検査を行うために図４を詳細に参照すると、サンプリングされるべきｋ空間は、複数の領域に分割される。好ましいこの実施例では、三次元のｋ空間が「Ａ〜Ｄ」により表された４領域に分割されている。これらの領域Ａ〜Ｄの領域は、ｋy軸に沿って配置され、かつｋy＝０を中心として対称をなす。中央領域「Ａ」はｋy＝−１６から＋１５に及ぶｋ空間の中央領域を占める。これらの「中央」サンプルは、当該技術分野において周知のように、再構成画像における総合的なコントラストを決定する大抵の情報を含む。ここで説明するように、動的な検査において各フレーム画像に対する基本を形成すると共に、最終的な時間フレーム速度を決定するのは、このｋ空間の中央領域Ａである。

ｋ空間の残りの３「周辺」領域Ｂ〜Ｄは、分割されて、中央領域Ａの反対側に配置される。これらは下記の領域上のｋ空間を占める。

動的な検査中にｋ空間の中央領域を周辺領域より高速にサンプリングすることは本発明の重要な教えである。好ましいこの実施例では、中央領域Ａ及び周辺領域Ｂ〜Ｄのうちの連続するものを交互にサンプリングすることにより、これを達成している。従って、動的な検査中に下記のサンプリング・シーケンスのいずれも実行される。即ち、
ＡＢＡＣＡＤＡＢＡＣＡＤＡＢＡＣＡＤ．．．
ＡＤＡＣＡＢＡＤＡＣＡＢＡＤＡＣＡＢ．．．

このような後者のサンプリング・シーケンスを図５に図表により示す。ただし、水平軸は動的な検査中の実時間を表し、また垂直軸はサンプリングされているｋy軸に沿ったｋ空間の領域である。ｋ空間の各周辺領域Ａ〜Ｄをサンプリングする期間はラベル付けされており、また下付き文字は動的な検査中にサンプリングされた領域の時間番号を表す。中央領域Ａがｋ空間の周辺領域Ｂ〜Ｄより高い時間速度でサンプリングされることは容易に明らかとなる。

この実施例では、最初、全領域Ａ〜Ｄが走査され、また以下に説明する他の再構成戦略のために動的な検査の終了で再び走査される。そのときに、前述した交互シーケンスは、２４０により表す動的な検査の臨界的な期間中に実行されることを理解すべきである。この交互シーケンスは、特定の動的な検査中に発生する患者のコントラスト変化を包含する必要がある限り、延長されてもよい。

本発明を実施するために他の方法により、ｋ空間を分割できることは当該技術分野に習熟する者において理解すべきである。例えば、領域数は変更されてもよく、またこれらの境界をスライス選択ｋz軸に沿って配置するように、方向付けてもよい。更に、ｋ空間は円形の中央領域と、周辺の複数の環状周辺領域とに分割されてもよい。

動的な検査中に収集したデータは、動的な検査中に発生したコントラスト変化を記述する一連のフレーム画像Ｆ_１〜Ｆ_ｎを再構成するように多くの方法に用いられてもよい。図６に示す一実施例において、Ｆ_１〜Ｆ_ｎにより表す画像フレームはｋ空間の各中央領域からの収集データ（Ａ_１−Ａ_７）を用いて再構成される。これは、取り囲むｋ空間の周辺領域Ｂ〜Ｄからの時間的に隣接するデータと組み合わせられた特定のｋ空間の中央領域のデータを用いてフレーム画像を再構成するのに十分なデータ・セットを形成することにより、達成される。各画像フレームのデータ・セットは、動的な検査中の特定時間における患者を記述している。

このような各画像フレーム・データ・セットを形成する一つの方法は、ｋ空間の中央領域Ａの収集に対して時間が最も近い周辺領域から収集したデータを用いることである。従って、フレーム画像Ｆ_２〜Ｆ_６のときは、収集し、かつ図６に記述したデータは、下記のようなデータ・セットに形成されてもよい。

ここで、画像フレームのデータに対して時間的に最も近いデータを選択する方法を「最近傍方法（ｎｅａｒｅｓｔｎｅｉｇｈｂｏｒｍｅｔｈｏｄ）」と呼ぶ。しばしば、ｋ空間の周辺領域に対して最近のデータは、フレーム時間に近く、その他の場合ではフレーム時間が２つのサンプリング期間の中間にあることが理解できる。

各フレームＦ_２〜Ｆ_６においてデータ・セットを形成する他の方法は、各周辺領域に対して収集された隣接する２データ・セット間を補間することである。例えば、収集し、かつ図６に記述したデータからフレーム画像Ｆ_２〜Ｆ_６を形成する線形補間方法は、下記のようになる。

非線形補間も用いることができる。例えば、もし動的な検査中に患者の領域へのコントラスト剤の流れを表す機能が決定されるときは、この機能を用いて動的な検査中に異なる時間に行われたサンプリングを重み付けすることもできる。

画像フレームを再構成できるデータ・セットを形成する前述の方法では、ｋ空間の中央領域についての各サンプリングに対して１データ・セットが形成される。しかし、付加的な画像フレームを再構成して、収集したデータの更なる補間により動的な検査の時間分解能を更に増加させることができる。その一つの方法は前述のように形成された完全なデータ・セットＦ_２〜Ｆ_６間を単に補間することである。これは、下記の付加的なデータ・セットを発生し、これらのデータ・セットが更なる画像フレームを再構成することができる。即ち、

しかし、好ましいこの実施例は収集したサンプル・データから直接、付加的な中間画像フレーム・データ・セットを完全に形成することである。図７を特に参照すると、これはｋ空間の中央領域に関する連続的なサンプル・データ間を補間し、かつ連続するｋ空間の周辺領域のサンプル間を補間することにより達成される。従って、これらの中間データ・セットは下記のように形成されてもよい。ただし、「Ｉ」は対応する時間的に隣接するｋ空間のサンプルから所望のフレーム時間においてｋ空間のサンプル・データを計算するために用いられる補間方法である。

画像フレーム・データ・セットは、どのように形成されようとも、対応する三次元フレーム画像セットを再構成するために用いられる。好ましいこの実施例では、三次元フーリエ変換方法を用いて各三次元フレーム画像を再構成する。このような６つの三次元フレーム画像は図８にフレーム画像データ・セット２５０〜２５５として示されている。これらのフレーム画像データ・セット２５０〜２５５から有用な診断画像を発生させるために多数の異なる手順を用いることができる。

三次元データ・アレー２５０〜２５５のうちの一つを介して交差部に位置する一組のデータ・ポイントを選択することにより、簡単に画像を発生することができるが、このような画像は診断評価を限定していた。これは、血管が通常単一の平面に存在するものでないためであって、このような断面画像は選択した面をたまたま通る多数の血管のおける短い断片又は断面のみを示す。このような画像は、特定の血管における特定の位置を調べようとするときに有用である。しかし、これらは血管構造の健康度を調べて、病気の恐れがある領域を確認する手段としてそれ程有用ではない。

血管構造の全体及び健康度を評価するために、三次元アレーのＮＭＲデータを単一の二次元投影画像に投影して脈管構造の血管造影状の図形を発生させことは更に有用である。これを行うために最も一般的に用いられている技術は、データ・ポイントのアレーを介して投影画像における各画素からの光線を投影させ、かつ最大値を有するデータ・ポイントを選択することである。各光線について選択した値は、投影画像においてこれに対応する画素の輝度を制御するように用いられる。以下、「最大画素技術」と呼ぶこの方法は、実施するのが非常に容易であり、かつ芸術的に満足すべき画像を与える。これは現在好ましい方法である。

投影画像を形成するために用いられ、かつ利用可能な情報を更に保持する他の技術は、以下において「統合方法」と呼ぶものである。この投影方法は、「適応ＮＭＲ血管造影撮影法」と題する米国特許第５，２０４，６２７号に説明されており、ここで用いられると共に、引用により関連される。各投影画像の輝度は、この方法により、投影線に沿って全てのデータ・ポイントの和により決定される。

更に、投影画像を発生するために用いる他の技術は、三次元領域成長方法を用いる。成長されるべき三次元データ・セットにおいて領域の原点は、オペレータにより決定される。成長領域はぼかされ、管の端の丁度外側の複数ボクセル（ｖｏｘｅｌ：容積要素）を含み、領域成長プロセスにおいて廃棄されたと思われるマスクを発生させるようにしきい値が設定される。この方法は脈管構造を非常に滑らかに表示するものであり、この脈管構造では血管の末端を確保し、かつレンダリング処理において含まれる可視的なキューを使用することにより、血管の重なりを推論することができる。

図８に、各三次元画像フレーム・データ・セット２５０〜２５５からの二次元投影画像が２６０−２６５として示されている。これらは直接見ることができ、かつ動的な検査の時間経過上で患者の脈管構造へコントラスト剤が流れるのを観測するために用いられる。いくつかの場合において、１又は１より多くの二次元投影画像２６０〜２６５は診断を行うのに十分である。

二次元投影画像２６０〜２６５により決定的な診断を行うことができないときは、更なる診断情報を得るために異なる投影画像を発生させることもできる。これは、図８に示すように、三次元画像フレーム・データ・セット２５０〜２５５のうちから２つを選択して、対応するこれら画素値間の差を計算することにより達成される。データ・セット２７０により表されているように三次元差画像を発生し、次いでこれを用い、前述したと同一の投影方法を用いて、二次元差分投影画像２７２を発生させる。２つの三次元画像フレーム・データ・セット２５０〜２５５の選択は、特定の患者の脈管構造における画像コントラストを強調するように診断者により行われる。いつピーク・コントラスト剤の流れが患者の脈管構造に発生するのかを正確に予測することは困難なので、連続する三次元画像フレームは、この事象が発生すべき時間範囲となる。

更なる多数の技術を用いて画像品質を増加させ、かつ時間分解能を増加させることができることは、当該技術分野に習熟する者に明なことである。好ましいこの実施例では、１フレーム画像の時間分解能として各２秒が達成される。これは、その画像のダイナミック部分が全観察領域の半分より小さい場合に、前述のリアル・スペース・キーホール・イメージング方法を用いることにより、更に増加されてもよい。図５を参照すると、時間臨界期間２４０の前後に実行される完全走査（即ち、Ｄ、Ｃ、Ｂ、Ａ）は、基準画像を発生するために用いられる基準画像をこれらの方法を実行するために用いるようにしてもよい。

これに加えて、動的な検査中の患者の動きが最小のときは、ディジタル減算血管造影撮影方法を行うように画像フレーム・データ画像フレーム・データ・セット上で多数の時間的処理方法を用いることもできる。複合画像を得るためにマスク・モードの減算、簡単な一致フィルタリング、及びアイゲン（Ｅｉｇｅｎ）フィルタリングを用いてもよい。これらの複合画像は、通常、増大するＳＮＲ又は無視可能な静脈信号を有する。

画像減算及び他の時間処理技術がなぜ有用なのかという理由には、いくつかの理由がある。多重注入を行ったときは、非脈管構造の背景が非常に明るくなり、背景に対する血管のコントラストを低下させる。脈管構造の混濁化以前の初期フレームを減算することにより、背景が除去される。減算は、更に静脈及び動脈を個別的に表示する画像を得る付加的な機会を作成するのにも有用である。しばしば、静脈信号上に動脈信号を重ねている初期の画像から、静脈のみを含む後期の画像を減算することにより、動脈画像を形成することもできる。

時間的に直列の画像が利用可能なときは、種々の整合フィルタ及びアイゲン・フィルタを適用することができる。整合フィルタではいくつかの画像を直列に組み合わせて信号対雑音比を改善させた画像を得る。複数の画像はＳＮＲを最大にするように整合フィルタの和で重み付けされる。アイゲン・フィルタでは総和した画像から静脈信号を除去するように、特定の重み付け係数セットを用いる。この技術は必要な係数を決定するために静脈ＲＯＩ（関心領域）内の信号を測定することを必要とする。

本発明を採用するＭＲＩシステムのブロック図。図１のＭＲＩシステムの部分を形成するトランシーバの電気ブロック図。本発明の好ましい実施例において採用されたパルス・シーケンスを図形表示する図。本発明の好ましい実施例を実施するときにデータをサンプリングする三次元的にｋ空間を図形表示する図。図４の三次元表示のｋ空間をサンプリングする順序を図形表示する図。本発明の一実施例により動的な検査における各画像フレームを再構成する時点を表した図４の三次元表示のｋ空間のサンプリングを図形表示する図。本発明の第２の実施例により動的な検査における各画像フレームを再構成する時点を表した図４の三次元表示のｋ空間のサンプリングを図形表示する図。各画像フレーム用のデータ・セット、及びどのようにしてこれらのデータ・セットを組み合わせてＭＲＡ画像を発生させるかを図形表示する図。

符号の説明

１０６画像プロセッサ・モジュール
１０８ＣＰＵモジュール
１１８バックプレーン
１１９ＣＰＵモジュール
１２１パルス発生器モジュール
１２７傾斜増幅器システム
１２９生理機能収集コントローラ
１３３走査インターフェイス回路
１３９傾斜コイル・アッセンブリ

Claims

患者からデータを取得し，コントラスト強調画像を生成するＭＲＩシステムであって，
選択された三次元ｋ空間の中央領域をある時間速度でサンプリングし，
選択された三次元ｋ空間の周辺領域をより低い時間速度でサンプリングし，
前記ｋ空間の中央領域の複数のサンプルの各セットに対して，前記ｋ空間の中央領域の複数のサンプルと，前記ｋ空間の周辺領域の時間的に最隣接する２つのデータ・セット間で補間を行うことにより得られた複数のサンプルとを含む１つの三次元のデータ・セットを形成し，
各三次元のデータ・セットから１つの三次元フレーム画像を再構成することにより，コントラスト剤を投与された患者の動的検査の間，選択された三次元ｋ空間から一連の三次元フレーム画像を生成する手段と，
１つの三次元差分画像を生成するために複数の前記三次元フレーム画像の２つの間で減算を実行する手段を含む，複数の前記三次元フレーム画像から１つのコントラスト強調画像を生成する手段と
を含み，前記ｋ空間の中央領域は実質的に三次元ｋ空間の円形の中央領域であり，前記ｋ空間の周辺領域は三次元ｋ空間の，前記中央領域を囲む環状周辺領域である，ＭＲＩシステム。
連続する三次元のデータ・セット間で補間を行うことにより付加的な三次元のデータ・セットが形成され，該付加的な三次元のデータ・セットから付加的な三次元フレーム画像が再構成される，請求項１に記載のＭＲＩシステム。
前記ｋ空間の中央領域の連続するサンプル・データ間で補間を行うことにより付加的な三次元のデータ・セットを得る手段と，
前記付加的な三次元のデータ・セットから付加的な三次元のフレーム画像を得る手段とを含む請求項１に記載のＭＲＩシステム。
前記付加的な三次元のデータ・セットを得る手段は，前記ｋ空間の周辺領域の時間的に最近傍の二つのサンプル間で補間を行う手段を含む請求項３に記載のＭＲＩシステム。
患者からデータを取得し，コントラスト強調画像を生成するＭＲＩシステムであって，
選択された三次元ｋ空間の実質的に円形の中央領域をある時間速度でサンプリングし，
選択された三次元ｋ空間の，前記中央領域を囲む環状周辺領域をより低い時間速度でサンプリングし，
前記ｋ空間の中央領域の複数のサンプルの各セットに対して，前記ｋ空間の中央領域の複数のサンプルと，前記ｋ空間の周辺領域の時間的に最隣接するデータ・セットから得られた複数のサンプルとを含む１つの三次元のデータ・セットを形成し，
各三次元のデータ・セットから１つの三次元フレーム画像を再構成することにより，コントラスト剤を投与された患者の動的検査の間，選択された三次元ｋ空間から一連の三次元フレーム画像を生成する手段と，
１つの三次元差分画像を生成するために複数の前記三次元フレーム画像の２つの間で減算を実行する手段を含む，複数の前記三次元フレーム画像から１つのコントラスト強調画像を生成する手段と
を含むＭＲＩシステム。
前記ｋ空間の実質的に円形の中央領域の連続するサンプル・データ間で補間を行うことにより付加的な三次元のデータ・セットを得る手段と、
前記付加的な三次元のデータ・セットから付加的な三次元のフレーム画像を得る手段とを含む請求項５に記載のＭＲＩシステム。
前記付加的な三次元のデータ・セットを得る手段は、前記ｋ空間の周辺領域の時間的に最近傍の二つのサンプル間で補間を行う手段を含む請求項６に記載のＭＲＩシステム。