JP4068114B2 - 磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Description

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撮影（ＭＲＩ）装置に関し、特に動画像における高い時間分解能を保持しつつ体動アーチファクトをなくしたＭＲＩ方法に関する。

マルチショットエコープラーナーイメージング（マルチショットＥＰＩ）や３次元ＥＰＩ等において、ショット間で被検体が動くことにより画像に生じる体動アーチファクトを低減させるためのナビゲーションエコー法が知られている（非特許文献１）。
Seong-Gi Kim ら「ナビゲータを持つ高速インターリーブＥＰＩ：４テスラにおける高分解能の解剖学的及び機能的イメージ」マグネティックレゾナンスインメディスン 35:895-902、June 1996

ナビゲーションエコーは、例えば図４に示すマルチショットＥＰＩシーケンスにおいてＲＦパルス201と一連のエコー取得ルーチン211との間で、ナビゲーションエコー発生用傾斜磁場パルスを印加することにより発生させる。このようなシーケンスを図５に示す。図示するようにナビゲーションエコーは各ＲＦ照射毎に１個以上入っている。繰り返し時間210内での被検体の位置ゆらぎはないものとし、１の繰り返し時間内で取得されたナビゲーションエコーと他の繰り返し時間内で取得されたナビゲーションエコーとの変化から、被検体の動きを推定する。

例えば図６に示すように、１枚の画像を得るために１個のナビゲーションエコーを含む繰り返し単位304の計測を４回繰り返す場合（305）、ショット番号１番の最初の計測（図中灰色で示す）のナビゲーションエコーを基準として、それ以降の３回の計測（ショット番号２〜４）のナビゲーションエコーの変化から対応する本計測データ（図５の207）について所定の体動補正を行い１枚の画像601を得る。

一方、動画像のＭＲ画像にマルチショットＥＰＩを適用するものとして、ＭＲフロロスコピーが知られている(特許文献１)。これは図７に示すように、計測開始から計測終了まで随時繰り返し単位209の計測を行い続けながらエコー信号を取得し、最後に行った計測から新しい順に、画像一枚を再構成するのに必要な数のエコー信号、例えば図７では４回分の計測で得られたエコー信号を用いて、各時間での画像を再構成するものである。
特開平６−３４３６２１号公報

このようなＭＲフロロスコピーによってもショット間の体動によるアーチファクトの問題は生じるが、ＭＲフロロスコピーにナビゲーションエコー法を適用したものはなかった。

そこで本発明は、動画像における高い時間分解能を保持したうえで、体動補正を行うことができるＭＲＩ装置を提供することを目的とする。

本発明のＭＲＩ装置は、ｋ空間を複数の領域に分割して、所定のパルシーケンスを繰り返し実行して、被検体から１以上の前記領域のエコー信号を計測する計測制御手段と、前記１以上の領域のエコー信号が計測される毎に、該計測された１以上の領域のエコー信号を用いて画像を再構成する画像再構成手段とを備え、前記計測制御手段は、前記領域の計測毎に前記被検体の体動情報を含むエコー信号を計測し、前記画像再構成手段は、画像毎に、前記被検体の体動情報を含むエコー信号の一つを基準エコー信号として選択し、その際、前記基準エコー信号が等時間間隔となるように、前記画像毎の基準エコー信号の選択をシフトし、前記基準エコー信号と他の前記被検体の体動情報を含むエコー信号の少なくとも一つとを用いて該画像における前記被検体の体動の影響を補正することを特徴とする。

上記構成とすることにより、体動補正の基準時刻を画像の更新間隔と一致させることができ、高い時間分解能を有して体動補正を行うことができる。

このようなＭＲＩ装置は、複数回のＲＦパルスの照射を繰り返すことにより取得したエコー信号から画像データを得る場合、即ちマルチショットシーケンスにおいて好適に適用することができ、ショット間に生じた体動によるアーチファクトをなくすことができる。

被検体の体動情報を含むエコー信号（ナビゲーションエコー）は、好適には、各ＲＦパルスに対して少なくとも１つの位相エンコード量０のナビゲーションエコーを付加的に発生させる。体動補正は、基準となるナビゲーションエコーと、各ＲＦパルスで取得したナビゲーションエコーとの位相差を用い、取得したエコー信号の位相を補正するにより、体動アーチファクトをほぼ完全に取り除くことができる。

以下、本発明のＭＲＩ装置を図面を参照して説明する。

図３は、本発明が適用される典型的なＭＲＩ装置の概略構成を示す図で、このＭＲＩ装置は、被検体401の周囲に静磁場を発生する磁石402と、該空間に傾斜磁場を発生する傾斜磁場コイル403と、この領域に高周波磁場を発生するRFコイル404と、被検体401が発生するMR信号を検出するRFプローブ405とを備えている。ベッド412は被検体が横たわるためのものである。

傾斜磁場コイル403は、直交する３軸方向の傾斜磁場コイルで構成され、傾斜磁場電源409からの信号に応じてそれぞれ傾斜磁場を発生する。これら３軸方向の傾斜磁場コイルにより、スライス方向、位相エンコード方向及び読み出し方向からなる３軸方向の傾斜磁場を被検体の置かれた空間に印加することができる。尚、傾斜磁場の印加軸は必ずしも傾斜磁場コイルのｘｙｚ軸と一致する必要はない。

RFコイル404はRF送信部410の信号に応じて高周波磁場をパルスとして発生する。RFプローブ405の信号は、信号検出部406で検出され、信号処理部407で信号処理され、また計算により画像信号に変換される。画像は表示部408で表示される。傾斜磁場電源409、RF送信部410、信号検出部406は制御部411で制御され、制御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おり、本発明では動画像形成のためのパルスシーケンスが実行される。

次に、本発明のＭＲＩ装置で採用するＭＲフロロスコピーについて図１を用いて説明する。
図８は、ＭＲフロロスコピーにナビゲーションエコー法を組合せて体動補正する実施の形態を示すものである。本実施の形態では、ＭＲフロロスコピーにより１計測304ずつ順次ずらして画像501を構成していく際に、４回の繰り返し単位のショット番号のうち固定的なショット番号のもの、例えば１番（図中灰色で示す）のナビゲーションエコーを各画像で位相補正の基準となるナビゲーションエコーとする。

この場合、画像501は計測304の繰り返し時間ＴＲ毎に更新されるが、基準となるナビゲーションエコーは最初の計測304から４回目毎に更新されて行くので（更新時は図中灰色で示す、Ａ、Ｂ、Ｃ）、ナビゲーションエコーを用いた体動補正の基準時刻は４ＴＲ間隔に延びることとなる。

実用的には体動補正の基準時間を極力細かく設定することが時間分解能向上の上で強く望まれている。体動補正の時間分解能を向上した実施の形態を以下、図１を用いて説明する。

動画像を得るには時間的に連続して撮像を繰り返す必要があり、全撮像時間103内に複数回（Ｐ回）の撮像1021、1022、1023・・・・を行う。１回の撮像はそれぞれ図５に示すようなマルチショットシーケンスからなり、この例ではショット数４のマルチショットＥＰＩが採用されており、各撮像内は４回の計測1011〜1014がなされる。図ではこれに１〜４のショット番号を付している。４回の計測において取得されたエコー信号により１枚の画像が再構成される。

１枚目の画像1041は、撮像1021で取得されたショット番号１〜４の組に含まれるエコーを用いて作成される。２枚目の画像1042は、最初の撮像1021におけるショット番号１のエコー信号を、次の撮像1022におけるショット番号１で取得されたエコー信号で更新したエコー信号の組を用いて作成する。同様に、３枚目の画像1043は、最初の撮像1021におけるショット番号２のエコー信号を、次の撮像1022におけるショット番号２のエコー信号で更新したエコー信号の組を用いて作成する。以降同様に、最先ショットで得られたエコー信号を新しく撮像された同一ショット番号のエコー信号と更新することにより、エコートレイン群の一部を順次更新しながら画像を作成する。これにより、計測の繰り返し時間ＴＲの間隔で動画像を得ることができる。

このように得られる動画像はショット間に体動があると、それがアーチファクトとなるため、本発明のイメージング方法では各計測1011〜1014毎にナビゲーションエコーを発生、検出するステップを導入し、これらナビゲーションエコーにより画像再構成に用いるエコー信号を位相補正を行う。

ナビゲーションエコーを発生させるパルスシーケンスは、マルチショットシーケンスにナビゲーションエコーを発生させる手順を加えたもので、図５に示すようにまずスライス傾斜磁場Ｇｓ202と同時にＲＦパルス2011が照射され、次いでナビゲーションエコー発生のための傾斜磁場Ｇｒ301が印加される。この傾斜磁場301の正負の印加量が等しくなったところでエコー3021が発生し、これを時間範囲303の間サンプリングし時系列データを得る。このナビゲーションエコーには位相エンコード傾斜磁場が印加されておらず、位相エンコード量０である。

図５において点線で囲った部分2111、2112は図４に示すマルチショットＥＰＩシーケンスの手順211に対応し、ここではオフセット読み出し傾斜磁場205と位相エンコード量にオフセットを与えるための傾斜磁場Ｇｐ203が与えられ、続いて連続して反転する読み出し傾斜磁場Ｇｒ206とこれに同期して位相エンコード傾斜磁場Ｇｐ204が印加される。反転する読み出し傾斜磁場Ｇｒ206の各周期内で各位相エンコードのエコー信号207が時系列的に発生するので、これを時間範囲208の間おのおのサンプリングし時系列データを得る。

ＲＦパルス照射から手順2111までを位相エンコード傾斜磁場Ｇｐ203のオフセット量を変えながら、全位相エンコード量のエコー信号を計測するまで繰り返し時間ＴＲ304で繰り返す。例えば位相エンコード方向のエンコード量（KY）を256、１回のＲＦパルス照射で計測されるエコー信号の数（エコートレイン数Ｍ）を64とすると、シーケンスのショット数Ｎ（繰り返し数）が４のマルチショットＥＰＩとなる。この場合、読み出し方向のデータ数（KX）は256とする。

このパルスシーケンスを図１のＭＲフロロスコピーに適用した場合、ショット数Ｎ（＝４）×撮像回数Ｐに対応する数のナビゲーションエコーが得られる。各ナビゲーションエコーはＶ（kx,pn）で表すことができる。ここでkxは読み出し方向のデータ番号で１≦kx≦KXを満たす。pnはｐ番目の撮像のｎ番目のショットにおいて取得されたナビゲーションエコーであることを表し、１≦ｐ≦Ｐ、１≦ｎ≦Ｎを満たす。同様にｐ番目の撮像におけるｎ番目のショットにおいてｍ番目（１≦ｍ≦Ｍ）に取得されたエコー信号Ｓは、Ｓ（kx,pn,m）で表すことができ、対応するナビゲーションエコーＶ（kx,pn）（pnが同じであるエコー）の位相情報に基づき体動補正される。

次にこのようにして得られたナビゲーションエコーを用いた体動補正の方法、即ち各エコー信号Ｓ（kx,pn,m）の位相を補正する手順について説明する。

本発明のＭＲＩ装置では、各ナビゲーションエコーの位相情報を得るための基準となるナビゲーションエコーは特定のショット番号のものに固定されず、順送りにしていく点を大きな特徴としている。即ち、各ショットのナビゲーションエコーは、ある時は体動モニターとしてのナビゲーションエコーであるが、ある時は基準ナビゲーションエコーになる。図１においては各ショットの上半部を灰色、下半部を白色で表示することにより、各ナビゲーションエコーが基準ともなり、モニターともなることを示す。

本実施例では、画像取得時の被検体位置を反映させるため、画像再構成に用いる計測の組の中で時間的に一番古い（最先の）ショットにおけるナビゲーションエコーを基準ナビゲーションエコーに用いる場合を説明する。この場合には、１枚目の画像1041の基準ナビゲーションエコーはＶ(kx,11)(p=1,n=1)であり、これに基き計測1012〜1014で得られたエコーの体動補正がなされ、また２枚目の画像1042の基準ナビゲーションエコーはＶ(kx,12)(p=1,n=2)である。このように基準ナビゲーションエコーを順次更新していくことにより、体動補正の基準時刻をＴＲ毎に更新することができ、時間分解能が向上する。

体動補正の方法としていくつかの方法を採用することができるが、ここでは基準ナビゲーションエコーと、体動モニターとしての各ナビゲーションエコーとの位相差を直接求め、この位相差により対応するエコー信号の位相を補正する方法を説明する。

今、基準ナビゲーションエコーをＶ(kx,1)、基準ナビゲーションエコーによって位相差を求めるべき各ナビゲーションエコーをＶ(kx,n)とすると、その位相差Ｐは、例えば次のような演算によって求められる。尚、Ｖ(kx,1)とＶ(kx,n)の撮像番号ｐは必ずしも一致しているとは限らないが、ここでは撮像番号に対応する符号は説明を簡単にするため省略する。

まず、下記の演算により信号の実部と虚部のＣ(kx,n)を求める。

（式中、re[]は信号の実部を、im[]は信号の虚部を、｜｜は信号の絶対値を表わす。以下、同じ。）
このＣ(kx,n)を位相シフトマップと名付ける。ｎについての位相差Ｐは、Ｃ(kx,n)を用いて、下式、Ｐ(kx,n)≡arctan（im[C(kx,n)]／re[C(kx,n)]）
により求めることができる。位相差Ｐは、読み出し方向のデータ番号（kx；時相）毎に求められる。

この位相差から信号Ｓの位相差を補正するのであるが、上記演算によって求められた位相差は主値を回っている位相変化やノイズを含んでいる。従って、エコー信号Ｓ（kx,n,m）の位相補正に用いるに先立って、位相変化やノイズを補正する処理を行うことが好ましい。

まず主値を回っている位相を除去するため、
｜Ｐ(kx,n)−Ｐ(kx-1,n)｜＞Ａ且つ｜Ｐ(kx,n)−Ｐ(kx+1,n)｜＞Ａ（Ａは定数）のときに、Ｐ(kx,n)＝（Ｐ(kx-1,n)＋Ｐ(kx+1,n)）／２とする処理を行う。

こうして主値回りを除去した後の位相はノイズが減少しているが、なお位相シフト量の算出の妨げとなり得るノイズ成分が含まれている。これらノイズ成分は、例えばメディアンフィルタ、バターワースフィルタ、局所平均化処理のようなフィルタ処理により抑制することができ、これにより全体的な位相シフトの変化が得られる。

さらにフィルタ処理後の位相をより理想的な位相回りに近づけるため、全時相（-kx〜+kx）または一部分の時相について、例えばｙ＝ａｘ＋ｂ（ａ，ｂは定数）であるような１次関数に、関数フィッティングする。

このように補正された位相シフトマップＣ'(kx,n)を用いて、エコー信号Ｓ(kx,n,m)を補正し、位相シフトを補正した信号Ｓ'(kx,n,m)を得る。位相シフトの補正は、位相シフトマップＣ'(kx,n)とkx及びnが同一であるエコー信号Ｓ(kx,n,m)について次式の演算により行う。

このように補正された信号Ｓ'(kx,n,m)を用いて画像を再構成することにより、１画像を得るための計測の組の実行時間中に被検体が動いた場合にも、その動きによる位相変化を補正することができ、体動アーチファクトのない画像を得ることができる。この実施例による方法は、被検体が１絵素以上の大きな動きをする場合に特に有効である。

このような体動補正処理を画像毎に基準となるナビゲーションエコーを更新しながら画像を再構成する。

尚、以上の実施例では、基準となるナビゲーションエコーとして、エコートレイン群の中で最も早いナビゲーションエコーを用いた場合を説明したが、１枚の画像を構成する４つ計測のうちいずれの計測で取得されたナビゲーションエコーを基準としてもよい。

また、上記実施例では位相補正方法として、ナビゲーションエコーのｋ空間データを用いて位相差を求め、信号をｋ空間で位相補正する方法を説明したが、本発明に適用できるナビゲーションエコーを用いた補正の方法はこれに限定されるわけではなく、ナビゲーションエコーをフーリエ変換した後の信号から位相差を求める公知の体動補正方法も採用できる。例えば、ナビゲーションエコーをフーリエ変換し、フーリエ変換された信号について、異なるナビゲーションエコー間の位相差を求め、ナビゲーションエコーと同じ軸にフーリエ変換された信号に対し、ナビゲーションエコーに対応する信号の位相を実空間上で補正する方法であってもよい。この方法はフーリエ変換を行う回数が多いため時間は要するが、細かい動きを精度よく補正することができるため、拡散イメージングのようなわずかな動きでもアーチファクトが現れるシーケンスに特に有効である。

また、ナビゲーションエコーをフーリエ変換してプロファイルを求め、フーリエ変換後の異なるナビゲーションエコー間のプロファイルの位置ずれからナビゲーションエコーの位相差を相関関係により求め、対応する信号の位相をｋ空間上で補正する方法を採用することもできる。

また、本発明に適用できるＭＲフロロスコピーの方法は上記実施例で説明したものに限定されず、種々の変更が可能である。例えば、ＭＲフロロスコピーの方法として特開平６−３４３６２１号に記載された方法を採用することもできる。この方法では、１枚の画像を構成する複数計測のエコーのうち、特定の位相情報をもつ計測エコー（例えば低空間周波数領域のデータ）のみが画像毎に完全に入れ替わるように計測順序を制御する。

図２はこのような計測方法を示す図で、例えばｋ空間を３つの領域21、22、23に分けて撮像する場合、領域22の計測を他の領域の計測より多く繰り返し、順次更新される画像51、52、53では領域22については常に新しい計測データに置き換わるようにする。即ち、まず領域21、領域22、領域23のデータを順次収集して画像51を再構成し、次のデータ収集では新たに領域22及び21を順に取得し、直前の画像再構成に用いた領域23のデータと共に画像52を再構成する。さらに次のデータ収集では新たに領域22及び23を順に取得し、直前の画像再構成に用いた領域21のデータと共に画像53を再構成する。この場合、時間経過に伴う画像変化に最も寄与するのは低空間周波数領域であるため、この低空間周波数領域を常に更新される領域22とすることにより、再生画像の時間分解能をほとんど劣化させることなく動画を得ることができる。

このような改良されたＭＲフロロスコピーにおいても、各計測にナビゲーションエコーの発生と検出を追加し、画像毎に例えば最先の計測で得られたナビゲーションエコーを基準として他の領域の計測データの位相を補正する。即ち画像51では領域21の計測で得られたナビゲーションエコーを基準として他の領域の計測データの位相を補正し、画像52では領域23の計測で得られたナビゲーションエコーを基準として他の領域の計測データの位相を補正する。この場合にも、画像の時間分解能２ＴＲに合わせて位相補正の分解能も２ＴＲとすることができる。基準とするナビゲーションエコーは、上述のように１つの画像について最先の計測で得られたナビゲーションエコーとしてもよいが、それに限定されず、例えば常に更新される領域22の計測で得られたナビゲーションエコーとしてもよい。

また、一般にＭＲ撮影の計測では本計測に先立って静磁場均一性を調整するため等のプリスキャンを行う場合があるので、このような場合にはプリスキャン自体にもナビゲーションエコーを加えることができ、このナビゲーションエコーを基準ナビゲーションエコーとしてもよい。

さらに、本実施例では、ＭＲフロロスコピーの基準シーケンスとしてＥＰＩシーケンスを例にとって説明したが、このようなシーケンスに限定されるものではなく、原理的には、エコー信号を得る際にＲＦパルスのショットを繰り返して１枚の画像再構成のためのエコー信号を得るようなシーケンスに対しては、どのようなものであっても好適に適用できる。このようなシーケンスとして、例えば、バーストイメージング、ハイブリッドバーストイメージング、グラディエントエコーシーケンス、分割高速グラディエントエコーシーケンス、３ｄ−ＥＰＩ、エコーボリューマー、スパイラルイメージング、ＥＰＩ型スペクトロスコピックイメージング、拡散イメージング等が挙げられる。

また、本実施例では、ナビゲーションエコーをＲＦパルス１ショットにつき読み出し方向のみに１エコーずつ入れたが、読み出し方向、位相エンコード方向の２方向に入れてもよい。またナビゲーションエコーとしては、１軸方向のナビゲーションエコーに限らず、２つの直交する方向に位相が９０度ずれた傾斜磁場を印加することにより発生させたオービタルナビゲーションエコーを採用することもできる。これにより、２つの軸により形成される平面の位相情報を補正することができる。

また、本実施例では、ナビゲーションエコーは位相エンコード量０としているが、一般的にはナビゲーションエコーにおける位相エンコード量が同条件ならば０に限られるものではない。

さらに、本発明は、以上の実施例で開示された内容にとどまらず、本発明の趣旨を踏まえた上で各種形態を取り得る。

以上説明したように本発明によれば、ＭＲフロロスコピーにナビゲーションエコー法を適用する際、ｋ空間の各領域の計測毎にナビゲーションエコーを計測するとともに、画像毎に、ナビゲーションエコーを用いて該画像における被検体の体動の影響を補正ことにより、動画像のＭＲＩ方法において、高い時間分解能を保持しつつ、また、画像取得時の被検体の位置情報を反映しつつ被検体の体動を補正することができる。

本発明のＭＲＩ装置の一実施例を説明する図。 本発明のＭＲＩ装置が適用される他の実施例を説明する図。 本発明を実施するためのＭＲＩ装置のブロック図。 本発明及び従来のＭＲＩ装置に適用されるマルチショットＥＰＩのパルスシーケンス図。 本発明及び従来のＭＲＩ装置に適用されるナビゲーションエコー法を説明する図。 従来のナビゲーションエコー法を説明する図。 従来のＭＲフロロスコピーを説明する図。 ＭＲフロロスコピーとナビゲーションエコー法とを単純に組み合わせた場合を説明する図。

符号の説明

21、22、23・・・・・領域
304、1011〜1014・・・・・・繰り返し単位（計測）
51〜54、1041〜1045・・・・・・画像
2011、2012・・・・・・ＲＦパルス
3021、3022・・・・・・ナビゲーションエコー

Claims (6)

1. ｋ空間を複数の領域に分割して、所定のパルシーケンスを繰り返し実行して、被検体から１以上の前記領域のエコー信号を計測する計測制御手段と、
   前記１以上の領域のエコー信号が計測される毎に、該計測された１以上の領域のエコー信号を用いて画像を再構成する画像再構成手段とを備えた磁気共鳴イメージング装置において、
   前記計測制御手段は、前記領域の計測毎に前記被検体の体動情報を含むエコー信号を計測し、
   前記画像再構成手段は、画像毎に、前記被検体の体動情報を含むエコー信号の一つを基準エコー信号として選択し、その際、前記基準エコー信号が等時間間隔となるように、前記画像毎の基準エコー信号の選択をシフトし、前記基準エコー信号と他の前記被検体の体動情報を含むエコー信号の少なくとも一つとを用いて該画像における前記被検体の体動の影響を補正することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
2. 請求項１に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
   前記画像再構成手段は、新たに計測された前記１以上の領域のエコー信号と、計測済の他の領域のエコー信号とを用いて、一つの画像を再構成することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
3. 請求項１又は２に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
   前記画像再構成手段は、画像毎に、前記ｋ空間の同一領域の計測時に取得された前記被検体の体動情報を含むエコー信号を前記基準エコー信号として選択することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
4. 請求項３記載の磁気共鳴イメージング装置において、
   前記画像再構成手段は、画像毎に、前記ｋ空間の低域領域の計測時に取得された前記被検体の体動情報を含むエコー信号を前記基準エコー信号として選択することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
   前記計測制御手段は、前記シーケンスとしてマルチショットEPIを用いて、ショット毎に一つの前記領域の計測を行うことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
   前記画像再構成手段は、前記基準エコー信号と他の前記被検体の体動情報を含むエコー信号との位相差に基づいて前記画像における被検体の体動の影響を補正することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。

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