JP4526648B2 - 磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気共鳴イメージング(以下、MRIと称す)装置に関し、特にMRI装置による生体内温度分布画像の計測に好適な技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、MRI装置を術中モニタとして使用するインターベンショナルMRI(interventional MRI:以下、IV-MRIと称す)が注目されている。IV-MRIで行われる治療法には、レーザ治療、エタノールなどの薬物注入、RF照射切除、低温治療などがある。これらの治療において、MRIは、患部に穿刺針や細管を到達させるためのリアルタイムイメージングによるガイド及び治療中の組織変化の可視化、加熱・冷却治療中の局所温度のモニタ等の役割を果たす。IV-MRIの典型的な応用例としては、レーザ治療中における体内の温度分布の画像化が挙げられる。
【0003】
温度分布の画像化手法には、信号強度から求める方法、拡散係数から求める方法、プロトンの位相シフトから求める方法(PPS法:Proton Phase Shift法)等があるが、この中でPPS法が最も測定精度に優れている。この機能を活用して、生体内の温度をモニタし、レーザ照射治療のモニタや、RF(Radio Frequency)アブレーションの温度モニタができるようになりつつある。
【0004】
PPS法は、例えば傾斜磁場の反転により得られるエコー信号の位相情報から温度分布を求める。図1は、このような位相情報を計測する方法の一例である。以下、図1に示す計測方法と位相分布・温度分布の計算方法を説明する。
【0005】
まず、スライス選択のための傾斜磁場Gs102の印加と共に、90°高周波パルス101(以下、90°パルスと称す)で試料のスピンを励起し、スピンの位相を変化させるために傾斜磁場Gp103、読み出し傾斜磁場Gr104を順次印加し、グラディエントエコー105を発生させる。ここで、エコー信号をフーリエ変換して得られる複素画像の実部と虚部から位相分布を求める。例えば、式(1)より位相分布を求める。
【0006】
【0007】
そして、得られた位相分布、エコー信号が最大となる時点と90°パルスとの間隔TE(106)、共鳴周波数f、水の温度係数から温度Tを求める。例えば、式(2)より温度Tを求める。
【0008】
【0009】
上記手法を用いて、異なる時刻t1…tn(n:撮影回数)で取得した信号からそれぞれ計算した温度分布の差分をとり、ある時間における被検体の温度変化の分布を取得することができる。
【0010】
【発明が解決しようとしている課題】
連続した撮影を繰り返して画像を取得する場合、GCコイルの加熱によって磁石やポールピースが温度上昇し、静磁場や傾斜磁場オフセットが変動することがある。静磁場や傾斜磁場オフセットが変動することは、共鳴周波数fの空間的分布が変動することと等価である。そのため、各撮影毎に各位置毎の共鳴周波数fを計測しなければ、計測した温度変化分布は静磁場変動の影響を受けることとなり、正確な温度変化を捉えられないことになる。しかしながら、IV-MRIではリアルタイムで温度分布画像を得る必要があるため、温度分布画像の計測毎に共鳴周波数fの分布を計測をすることは計測時間の延長につながり、リアルタイム性を損なうものとなる。
【0011】
このように、MRI装置において温度変化分布を計測する場合、静磁場変動による影響を回避することは、温度分布計測の正確性、リアルタイム性を得るために重要となる。そこで本発明は、これらの問題を解決し、高精度の温度変化分布画像を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は検査対象に静磁場を与える静磁場発生手段と、前記検査対象にスライス方向傾斜磁場、周波数エンコード傾斜磁場及び位相エンコード傾斜磁場を印加する傾斜磁場発生手段と、前記検査対象を構成する原子の原子核に磁気共鳴を起こさせる高周波パルスを発生する高周波パルス発生手段と、前記検査対象からの核磁気共鳴信号を検出する検出手段と、前記核磁気共鳴信号から画像を再構成する再構成手段と、前記再構成された画像を表示する表示手段と、前記各手段の制御を行う制御手段を備えた磁気共鳴イメージング装置において、前記制御手段は、異なる時間の空間位相分布を計測し、前記異なる時間の空間位相分布の差分計算を行ない、基準となる位相を求め、前記基準となる位相と前記差分計算を行った空間位相分布から空間位相分布の変動分を計算し、前記空間位相分布の変動分を用いて温度変化の分布を求めるものである。
【0013】
また、表示手段に表示された画像中の任意の位置を選択する選択手段を備え、前記制御手段は前記選択手段により選択された位置から基準となる位相を求めるようにしてもよいし、前記選択手段は表示手段に表示された画像中の任意の領域を指定すると共に該領域の線上に基準となる位相を求める位置を複数点選択するようにしてもよい。
【0014】
また、制御手段は、基準となる位相を温度変化していない領域の少なくとも1点もしくは温度変化していない領域且つ直線上に並ばない複数点から求めてもよい。
【0015】
また、表示手段は、温度情報を含む温度画像と再構成された形態画像とを並列に、あるいは温度情報を含む温度画像のうち温度変化領域の画像を再構成された形態画像上に重畳して表示するようにしてもよい。
【0016】
また、前記選択手段は、前記表示手段に表示された画像中の任意の領域を指定すると共に該領域の線上に基準となる位相を求める位置を複数点選択するようにしてもよいし、温度変化領域を含む領域を指定するようにしてもよい。
【0017】
また、基準となる位相を時間的な変動を考慮するためのフィッティング処理を行うようにしてもよい。
【0018】
上述の如く構成された本発明では、温度変化していない領域の複数点、例えば任意の3点あるいは任意の領域における領域線上の複数点の位相変動を基準として、静磁場変動による空間位相分布の位置毎の変動を補正して、高精度の温度分布の変化を得ることができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図1乃至図6を用いて詳細に説明する。まず、本実施形態におけるMRI装置の構成を図2により説明する。MRI装置は、被検体201内部に一様な静磁場H0を発生させるための電磁石または永久磁石より構成された静磁場発生磁気回路202、被検体201に直交するx、yおよびzの3方向に強度が線形に変化する傾斜磁場Gx,Gy,Gzを発生する傾斜磁場コイル209、被検体201に高周波磁場を発生する送信コイル214a、被検体201から生じる核磁気共鳴信号を検出するための検出コイル214b、傾斜磁場、高周波パルスを所定のタイミングで発生させるためのシーケンサ207、シーケンサの制御や画像処理等の各種処理を行うコンピュータ208、画像の表示や格納をする信号処理系206、各種パラメータの設定等の操作を行う操作部221等を有して構成される。
【0020】
次に動作の概要を説明する。シンセサイザ211により発生させた高周波を変調器212で変調し電力増幅器213で増幅し、送信コイル214aに供給することにより被検体201の内部に高周波磁場を発生させ、核スピンを励起させる。通常は1Hを対象とするが、31P、13C等、核スピンを有する他の原子核を対象とすることもある。
【0021】
被検体201から放出される核磁気共鳴信号は検出コイル214bにより受信され、増幅器215を通った後、検波器216で直交位相検波され、A/D変換器217を介してコンピュータ208へ入力される。本実施例では、送信コイル214aと検出コイル214bは別々に設けているが、送受信両用のものでもよい。コンピュータ208にて信号処理した後、前記核スピンの密度分布、緩和時間分布、スペクトル分布等に対応する画像をCRT等のディスプレイ228に表示する。傾斜磁場発生系203、送信系204はシーケンサ207によって制御され、このシーケンサ207と検出系205はコンピュータ208によって制御される。コンピュータ208は操作部221からの指令により制御される。
【0022】
次に、温度計測及び撮影手順について説明する。まず、図1に示すようなシーケンスを用いたグラディエントエコー(以下、GrEと称す)法などによって、被検体からの複素信号を計測し、取得した複素信号を2次元フーリエ変換して得られる複素画像から位相分布を求める。ここで、パルスシーケンスはGrE系のシーケンスであれば、他のシーケンスであっても良い。GrEでは、エコー信号の位相成分に(共鳴周波数)×(静磁場)の成分が含まれており、PPS法はこの共鳴周波数の温度依存性を利用するためである。シーケンスの具体例としては、SARGE、TRSARGE、RFSARGEなどの高速GrEシーケンス、SSFP(Steady State Free Precession)のシーケンス、GrE型のEPI(Echo Planar Imaging)シーケンスなど公知のパルスシーケンスが利用できる。
【0023】
そして、時刻t1,ti(i=2〜繰り返し撮影回数)で位相分布の計測を行ない(ステップ300、ステップ310)、それぞれの空間位相分布の複素差分計算を行なう(ステップ320)。この差分計算した空間位相分布は、温度変化と静磁場変動による位相変動を反映している。これは、静磁場変動の主因は、ダイナミック撮影中におけるGCコイルの加熱により、主磁場およびポールピースが温度上昇するためである。この影響を除去するために、静磁場変動による空間位相分布の変動を補正し(ステップ321)、時刻t1,ti間の温度変化分布を計算する(ステップ322)。
【0024】
この補正は、静磁場が0次変動するときは、静磁場変動の影響を空間位相分布全体が一様に受けていることになるので、画像上の温度変化していない領域の1点を基準点として選択し、その位相変動を空間位相分布全体から差し引けばよい。例えば、選択した基準点の位相をφbase、補正前後の空間位相分布をそれぞれφbefore(x,y),φafter(x,y)とすれば、式(3)で表される。
【0025】
【0026】
一方、静磁場が1次変動するときには、画像上の温度変化していない領域の3点以上を基準点として選択し、その位相変動から、静磁場変動による空間位相分布の変動を算出し、これを空間位相分布から差し引けばよい。例えば、基準点を3点選択した場合について説明する。3点は図4に示すように直線上に並んでいないことを条件とする。これは3点が直線上にあると、空間位相分布を表す計算式の係数が∞となるためである。例えば、選択した基準点の座標を(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)、その位相をφbase1,φbase2,φbase3、空間位相分布の変動をφchange(x,y)、補正前後の空間位相分布をそれぞれφbefore(x,y),φafter(x,y)とすれば、式(4)で表される。
【0027】
【0028】
次に、基準点を3点以上のn点選択した場合について説明する。この場合、空間位相分布が∞とならないようn点全てが直線上に並ばないことを条件とする。選択した基準点の座標を(xn,yn)、その位相をφbasen( nは基準に用いる点数(4点以上))、空間位相分布の変動をφchange(x,y)、補正前後の空間位相分布をそれぞれφbefore(x,y),φafter(x,y)とすれば、式(4’)で表される。式(4’)では厳密解を求めることは困難であるが、近似的に逆行列をといて求めればよい。
【0029】
【0030】
なお、基準として画像上の温度変化していない領域から選択しているが、被検体の周囲に共鳴周波数に温度依存性のない油等を置き、この油等のリファレンスより選択しても良い。この場合、油を含ませたスポンジをアクリル樹脂に封入し受信コイル内側に固定する等で実現できる。
【0031】
基準点の選択方法を以下に説明する。例えば、図4に示すような温度画像上の被検体中の温度変化しない任意の3点を操作者がクリックすることによって選択する。このときの一連の手順を図5により説明する。図5(a)に示すように、まず、時刻t1,tiの撮影をそれぞれ行い(ステップ500)、時刻t1,ti間の空間位相分布の複素差分をとり(ステップ501)、時刻t1,ti間の温度変化を計算し(ステップ502)、時刻t1,ti間における温度分布画像を表示する(ステップ503)。温度分布画像が表示された状態で、操作者は温度変化のしていない領域から3点の基準点を選択する(ステップ504)。基準点が選択されると、基準点の位相から時刻t1,ti間の静磁場による空間位相分布の変動を算出し(ステップ505)、ステップ501で求めた空間位相分布からステップ505で求めた変動分の空間位相分布を差分することで補正を行う(ステップ506)。そして、補正された空間位相分布から温度変化分布を再計算し(ステップ507)、補正された温度分布画像を表示する(ステップ508)。
【0032】
また、図5(b)に他の手順を示す。温度分布画像と同一部位の形態画像を並列に表示して、温度変化しない領域が予め分かっている(予測される)場合には、撮影前に形態画像上から3点の基準点を選択する(ステップ510)。形態画像の座標が温度分布画像の座標と同一になるようにしておけば、ステップ510のように形態画像上で基準点を選択したとしても、温度分布画像に対して基準点の情報を反映できる。そして時刻t1,tiの撮影をそれぞれ行い(ステップ511)、時刻t1,ti間の空間位相分布の複素差分をとる(ステップ512)。既に基準点が選択されているので、基準点の位相から時刻t1,ti間の静磁場による空間位相分布の変動を算出し(ステップ513)、ステップ512で求めた空間位相分布からステップ513で求めた変動分の空間位相分布を差分することで補正を行う(ステップ514)。そして、補正された空間位相分布から温度変化分布を計算し(ステップ515)、補正された温度分布画像を表示する(ステップ516)。
【0033】
次に、ROIを指定して基準点を選択する方法について説明する。例えば、図6に示すように操作者が温度分布画面上の温度変化領域を囲うようにROIを指定する。ROIが指定されると、ROIの線上に複数の基準点が自動的に選択される。図6の例ではROIの線上に8点の基準点が選択される。このときの一連の手順を図7により説明する。図7(a)に示すように、まず、時刻t1,tiの撮影をそれぞれ行い(ステップ700)、時刻t1,ti間の空間位相分布の複素差分をとり(ステップ701)、時刻t1,ti間の温度変化を計算し(ステップ702)、時刻t1,ti間における温度分布画像を表示する(ステップ703)。温度分布画像が表示された状態で、操作者はROIを指定するが、ROIの線が温度変化領域にかからないように指定する。ROIの指定を行うと同時にROIの線上に複数点(8点)の基準点が選択される(ステップ704)。基準点が選択されると、基準点の位相から時刻t1,ti間の静磁場による空間位相分布の変動を算出し(ステップ705)、ステップ701で求めた空間位相分布からステップ705で求めた変動分の空間位相分布を差分することで補正を行う(ステップ706)。そして、補正された空間位相分布から温度変化分布を再計算し(ステップ707)、補正された温度分布画像を表示する(ステップ708)。このようにROIによる基準点の選択を行えば、操作者はROIを指定するだけでよく基準点を入力する手間が省け、より簡便な操作で温度補正が行える。
【0034】
また、図7(b)に他の手順を示す。温度変化領域の位置や大きさが予め分かっている(予測される)場合には、撮影前に形態画像上からROIを指定する。このROIを指定しておくことにより複数点(8点)の基準点が選択される(ステップ710)。上述の3点の選択時と同様に形態画像の座標が温度分布画像の座標と同一になるようにしておけば、ステップ710のように形態画像上で基準点を選択したとしても、温度分布画像に対して基準点の情報を反映できる。そして時刻t1,tiの撮影をそれぞれ行い(ステップ711)、時刻t1,ti間の空間位相分布の複素差分をとる(ステップ712)。既に基準点が選択されているので、基準点の位相から時刻t1,ti間の静磁場による空間位相分布の変動を算出し(ステップ713)、ステップ712で求めた空間位相分布からステップ713で求めた変動分の空間位相分布を差分することで補正を行う(ステップ714)。そして、補正された空間位相分布から温度変化分布を計算し(ステップ715)、補正された温度分布画像を表示する(ステップ716)。
【0035】
ここで、ROIの線上に選択される基準点を8点としたが、8点に限らず、より多くの基準点を選択するようにしてもよい。例えば、ROIの一辺に25点の基準点を選択するようにすれば、25×4=100点の基準点が選択される。基準点が多くなるほどより正確な変動分が得られるので、補正がより安定化される。また、ROIの形状は正方形に限定されるものではなく、円や任意の領域でもよい。
【0036】
ROIを指定する場合、温度変化領域を囲うように指定することが望まれる。これは、ROIの線上に基準点を選択するためであり、ROIの線上に温度変化領域が重なると、温度変化領域を基準点とする可能性があるからである。また、ROIの線が被検体外にかかってしまう場合も、被検体外を基準点とする可能性がある。このように、温度変化領域あるいは被検体外を基準点としてしまうと、正確な補正が行えなくおそれがある。以下、基準点がROIの線上に温度変化領域が重なる場合あるいは被検体外にかかる場合の基準点の選択方法を説明する。
【0037】
例えば、ROIの線上に温度変化領域あるいは被検体外が重なった場合、温度変化領域、被検体外の部分は基準点としては参照しない。このようにすることにより、基準点は温度変化しない点のみを選択できる。温度変化領域あるいは被検体外が重なったか否かの判定は、操作者が画像を確認しながら行い、温度変化領域、被検体外が重なった基準点を選択するなどして、基準点を除外してもよい。また、操作者自身がROIを設定し直すことでも対応できるが、何度もROIを選択し直すことや基準が非常に多く操作者が対象外の基準点を選択することが煩雑な場合は、ROIの線上を監視して基準点を自動で選択することもできる。ROIの線上に温度変化領域が重なったか否かの判断は、基準点における時間的温度変動を監視しておき、各基準点において予め設定しておいた閾値以上に温度変化があったとき、その基準点は温度変化領域と重なっていると判断でき、また被検体外に位置するか否かの判断は、各基準点において計測信号の絶対値画像の信号強度の弱い基準点は被検体外に位置すると判断できる。
【0038】
上述の実施形態において、補正された温度分布画像を表示することについて述べたが、温度分布画像では温度変化のみを表示しているため、形態の変化については考慮されない。このため、図8に示すように温度分布画像と形態画像を並列に表示することで、温度と形態の変化を同時に観察することができる。
【0039】
また、温度変化領域の補正であるため、処理の対象をROI内に限定してもよい。補正されたROI内の温度分布画像を図9(a)に示すように、形態画像に重畳して表示することもできる。また、図9(b)に示すようにROI内の時間的な温度の変動を監視しておき、予め設定した閾値以上に変化した部分のみを温度変化領域と判定し、この領域のみを抽出して形態画像に重畳して表示することもできる。これにより、形態画像中のどの部位が温度変化しているかを容易に確認できる。
【0040】
なお、基準となる位相には、1画素分の位相を用いても、幾つかの画素の位相を平均して用いても良い。さらに、一般的に静磁場は連続的に変動するものであるから、図10(1001〜1007)は、基準点の実際の位相で、1010は1次フィッテングした直線)に示すように、ノイズ等の影響を受けにくくするために、時間的にフィッティングを行なってもよい。フィッティングは高次フィッティングの方法(例えば、2次フィッティング)でも良い。この場合、1次フィッティングに比べ、より正確な磁場時間変動を表すことができる。
【0041】
上記補正後、式(2)により時刻t1,tiの間の温度変化T1,i(x,y)を計算する。この結果、温度変化を精度良く計測できる。
【0042】
また、短時間での静磁場変動が大きい場合や、長時間計測した場合、あるいはTEが短い場合には、時刻t1,tiの間で位相がπ以上回ってしまうことがある。この影響を回避するために、図11に示すように、時刻t1,tiより短い時間間隔(時刻ti-1,tiの間)で撮影を行い(ステップ1100,1110)、時刻ti-1,tiの間の空間位相分布の複素差分計算(ステップ1120)及び空間位相分布の補正(ステップ1121)、そして時刻ti-1,tiの間の温度画像分布の計算(ステップ1122)を行なった後、時刻t1,tiの温度変化T1,iを計算(ステップ1123)しても良い。この場合の温度変化T1,iは、例えば式(5)で表される。
【0043】
【0044】
以上のように、異なる時間の空間位相分布の複素差分計算を行い、差分計算された空間位相分布と基準となる位相との差分を取ることで静磁場変動による空間位相分布の補正を行うことで、高精度の温度変化分布を得ることができる。また、この基準となる位相を複数点取ることでより高次な静磁場変動に対応することができる。
【0045】
【発明の効果】
本発明によれば、異なる時間の空間位相分布の複素差分計算を行い、差分計算された空間位相分布に対し静磁場変動による補正を行うため、撮影毎の共鳴周波数の設定がなくなる。これにより、計測時間を延長することなく、高精度の温度変化分布画像を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に用いる撮影シーケンスを示す図。
【図2】本発明の装置構成を示す一実施例のブロック図。
【図3】本発明の実施形態を示すフローチャート。
【図4】本発明の画面構成の一例を示す図。
【図5】本発明の実施形態における基準点の選択の一例を示すフローチャート。
【図6】本発明の他の画面構成の一例を示す図。
【図7】本発明の実施形態における他の基準点の選択の一例を示すフローチャート。
【図8】本発明の他の画面構成の一例を示す図。
【図9】本発明の他の画面構成の一例を示す図。
【図10】本発明の他の実施形態を示す図。
【図11】本発明の他の実施形態を示すフローチャート。
【符号の説明】
201 被検体
202 静磁場発生磁気回路
203 傾斜磁場発生系
204 送信系
205 検出系
206 信号処理系
207 シーケンサ
208 コンピュータ
Claims (9)
- 検査対象に静磁場を与える静磁場発生手段と、
前記検査対象にスライス方向傾斜磁場、周波数エンコード傾斜磁場及び位相エンコード傾斜磁場を印加する傾斜磁場発生手段と、
前記検査対象を構成する原子の原子核に磁気共鳴を起こさせる高周波パルスを発生する高周波パルス発生手段と、
前記検査対象からの核磁気共鳴信号を検出する検出手段と、
前記核磁気共鳴信号から画像を再構成する再構成手段と、
前記再構成された画像を表示する表示手段と、前記各手段の制御を行う制御手段を備えた磁気共鳴イメージング装置において、
前記制御手段は、
異なる時間の空間位相分布を複数計測し、
前記異なる時間の空間位相分布の差分計算を行ない、
前記表示手段に表示された画像上で指定された任意の領域を表す線上で基準となる位相を求め、
前記基準となる位相と前記差分計算を行った空間位相分布から空間位相分布の変動分を計算し、
前記空間位相分布の変動分を用いて温度変化の分布を求めることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。 - 前記表示手段に表示された画像上で指定された任意の領域を表す線上で任意の位置を選択する選択手段を備え、前記制御手段は前記選択手段により選択された位置から前記基準となる位相を求める請求項1記載の磁気共鳴イメージング装置。
- 前記選択手段は、前記基準となる位相を求める位置として、温度変化していない領域の少なくとも1点を選択することを特徴とする請求項2記載の磁気共鳴イメージング装置。
- 前記表示手段は、温度情報を含む温度画像と再構成された形態画像とを並列に表示することを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載の磁気共鳴イメージング装置。
- 前記表示手段は、温度情報を含む温度画像のうち温度変化領域の画像を再構成された形態画像上に重畳して表示することを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載の磁気共鳴イメージング装置。
- 前記選択手段は、前記表示手段に表示された画像上で指定された任意の領域を表す線上で前記基準となる位相を求める位置を複数点選択することを特徴とする請求項2記載の磁気共鳴イメージング装置。
- 前記任意の領域は、温度変化領域を含む領域として指定されることを特徴とする請求項2又は6記載の磁気共鳴イメージング装置。
- 前記制御手段は、前記基準となる位相の時間的な変動をフィッティング処理して表すことを特徴とする請求項1乃至7の何れか一項に記載の磁気共鳴イメージング装置。
- 検査対象に静磁場を与える静磁場発生手段と、
前記検査対象にスライス方向傾斜磁場、周波数エンコード傾斜磁場及び位相エンコード傾斜磁場を印加する傾斜磁場発生手段と、
前記検査対象を構成する原子の原子核に磁気共鳴を起こさせる高周波パルスを発生する高周波パルス発生手段と、
前記検査対象からの核磁気共鳴信号を検出する検出手段と、
前記核磁気共鳴信号から画像を再構成する再構成手段と、
前記再構成された画像を表示する表示手段と、
前記各手段の制御を行う制御手段を備えた磁気共鳴イメージング装置において、
前記制御手段は、
所定の領域の異なる時間の位相を計測し、
前記表示手段に表示された画像上で指定された任意の領域を表す線上で基準となる位相を求め、
前記基準となる位相と前記異なる時間の位相との差分を計算し、
前記差分後の位相を温度情報として前記表示手段へ出力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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Applications Claiming Priority (3)
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