JP4679158B2

JP4679158B2 - 磁気共鳴イメージング装置

Info

Publication number: JP4679158B2
Application number: JP2005003629A
Authority: JP
Inventors: 則正中井
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 2004-10-08
Filing date: 2005-01-11
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2025-01-11
Also published as: JP2006130285A

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イメージング(以下、「MRI」という)装置に関し、特に、複数のRF受信コイルを用い、各RF受信コイルにて位相エンコードステップを間引いて取得した信号を各RF受信コイルの感度分布を使用して、行列演算により折り返しを展開するパラレルイメージング法に関する。

MRI装置において、複数のRF受信コイルから成るマルチプルRF受信コイルを用いて、位相エンコードを等間隔に間引いて計測することによって、撮影時間を短縮する手法が提案されている(非特許文献1，非特許文献2)。

このような手法は、空間エンコード法、もしくはパラレルイメージング法と呼ばれ、位相エンコードを等間隔に間引くことによって位相エンコード方向に折り返した画像を取得し、マルチプルRFコイルを構成する各RF受信コイルの感度分布がお互いに異となることを利用し、折り返した画像の折り返しを除去する。この折り返し除去は、高精度な感度分布と高精度な行列演算を必要とする。パラレルイメージング法は、各RF受信コイルの感度分布がお互いに異なる方が、折り返しの除去による画像のS/Nの劣化を抑えることができる。この折り返し除去によるS/Nの劣化の要因としてジオメトリファクタと呼ばれるものがある。このジオメトリファクタは、マルチプルRFコイルの感度分布に依存する。

一般に、マルチプルRFコイルの感度分布は、それを構成する各RF受信信号から求めることができ、具体的には、事前に均一濃度のファントムを投影し画像の空間的シェーディングがRFコイルの感度分布であるとする方法、被検体を別途撮影した画像にローパスフィルタを作用させ計算する方法などが知られている。
また、折り返しを除去するために使用する感度分布を求める際に、マスクを用いて被検体領域と背景領域を分離して、行列演算することによって輝点アーチファクトのない画像を得る方法が提案されている(特許文献1)。

上記提案には、マスクによって背景領域と判定された感度分布に0(ゼロ)を用いる方法や、定数をいれる方法が用いられている。
Daniel K.Sodickson, Warren J Manning "Simultaneous acquisition of spatial harmonics (SMASH): fast imaging with radiofrequency coil arrays" Magnetic Resonance in Madicine 38, 591-603, (1997) J. Wang, A.Reykowski "A SMASH/SENSE related method using ratios of array coil profiles" ISMRM 特開2002−315731号公報

マスクによって、被検体と背景の2つの領域を別け、被検体領域の感度分布を外挿して背景領域の感度分布を求める場合には、外挿によって求めた感度分布が、行列演算によって結果画像のS/Nを劣化させ、画像端部の折り返しの跡がS/Nの段差として残る。これは、各コイルの感度分布がお互いに異となる割合が小さい場合に起こり易い。
また、被検体領域と背景領域を分離して処理しているために、被検体領域と背景領域の境界線で感度分布の段差や誤差が発生する。この感度分布の段差や誤差の影響によって境界線だけ折り返しの除去の不良が発生し、行列演算後の画像において被検体領域の境界の折り返しが残ってしまう場合がある。

そこで本発明の目的は、パラレルイメージング法において、マスクによって被検体領域と背景領域を分離し、背景領域の感度分布を被検体領域の外挿で求めて、折り返し除去のための行列演算を行うに際して、演算結果画像に発生するS/Nの劣化と段差を改善することと、被検体領域と背景領域の境界に発生する折り返し除去不良を抑制することである。

上記課題を解決するために、本発明のMRI装置は以下の様に構成される。即ち、
２以上のＲＦ受信コイルから成るマルチプル受信コイルと、前記マルチプル受信コイルを用いて、前記ＲＦ受信コイル毎に被検体の形態画像と感度画像を取得するためのデータを計測する計測制御手段と、前記データから前記形態画像と前記感度画像を再構成する演算処理手段を備え、
前記計測制御手段は、エンコードステップを間引くようにして、前記ＲＦ受信コイル毎の前記形態画像用のデータを計測し、前記演算処理手段は、前記ＲＦ受信コイル毎の感度画像と各ＲＦ受信コイルの感度領域を含む全体感度画像とを用いて前記ＲＦ受信コイル毎の感度分布を求める演算と、前記ＲＦ受信コイル毎に前記感度分布を修正して修正感度分布を求める演算と、前記ＲＦ受信コイル毎に前記エンコードステップを間引いて取得された前記形態画像用のデータから折り返しのある形態画像を求める演算と、前記ＲＦ受信コイル毎の前記修正感度分布と前記折り返しのある形態画像とを用いて、パラレルイメージング法に基づいて折り返しが除去された一つの形態画像を求める演算と、を行い、前記演算処理手段は、前記全体感度分布をその位相エンコード方向に凹型に変形を施した後に前記RF受信コイル毎の感度分布を求め、前記求めた感度分布における背景領域の少なくとも一部を被検体領域の外挿により修正して前記修正感度分布を求め、前記折り返しが除去された形態画像に逆凹型の変形を施す。

感度分布の修正についての好ましい実施形態は、前記演算処理手段は、前記感度分布の中央部側を端部側よりも重み付けて前記外挿を行う。或いは、前記演算処理手段は、前記全体感度画像を前記被検体領域と前記背景領域とに分けると共に、前記被検体領域を前記背景領域に膨張させた領域の感度分布をスムーシング処理して、前記修正感度分布を求める。

また、感度分布求めることについての好ましい実施形態は、前記演算処理手段は、前記ＲＦ受信コイル毎の感度画像を合成して前記全体感度画像を求める。或いは、前記演算処理手段は、前記各ＲＦ受信コイルの感度領域を含む感度領域をもつＲＦ受信コイルの感度画像を前記全体感度画像とする。

本発明のMRI装置は、以上のように構成されたので、パラレルイメージング法で演算結果画像に発生するS/Nの劣化とS/Nの段差を抑制し、かつ被検体領域と背景領域の境界部での折り返しが抑制された、良質な画像を得ることができる。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。なお、発明の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。

最初に本発明が適用されるMRI装置の構成に関して説明する。図1はMRI装置の構成の概略図である。このMRI装置は、被検体101の周囲に静磁場を発生させる磁石102と、傾斜磁場を発生させる傾斜コイル103と被検体にRF波を照射する照射コイル104、被検体からのNMR信号を検出する受信コイル105と被検体101が横たわるベッド106を備えている。

磁石102は、被検体101の周りのある広がりをもった空間に配置された、永久磁石・超伝導磁石・常伝導磁石のいずれかからなり、体軸と平行または垂直な方向に均一な静磁場を発生させる。
傾斜磁場コイル103は、傾斜磁場電源107からの信号に従って、X，Y，Zの3軸の方向の傾斜磁場を、被検体101に印加する。この傾斜磁場の加え方によって、被検体の撮影断面が設定される。

照射コイル104は、RF送信部108の信号に応じて高周波磁場を発生する。この高周波磁場は、傾斜磁場コイル103によって設定された被検体101の撮影断面の生体組織を構成する原子の原子核を励起して核磁気共鳴を起こさせるために発生させる。
照射コイル104から照射された高周波磁場によって被検体101の生体組織を構成する原子の原子核の磁気共鳴によるエコー信号であるNMR信号は被検体101に接近して配置した受信コイル105を通して信号検出部109で検出され、信号処理部110で信号処理し画像に変換する。変換された画像は表示部111で表示される。

制御部112は、スライスエンコード、位相エンコード、周波数エンコードの各傾斜磁場と高周波磁場パルスをある所定のパルスシーケンスで繰り返し発生するために、傾斜磁場電源107、RF送信部108、信号処理部110を制御する。

受信コイル105は、複数のRF受信コイルを用いた「マルチプルRFコイル」もしくは「フェーズドアレイコイル」と呼ばれる技術を用いる。マルチプルRFコイルとは、相対的に高感度な小型RF受信コイルを複数個並べて、各コイルで取得した信号を合成することにより、RF受信コイルの高い感度を保ったまま視野を拡大し、高感度化を図る受信専用RFコイルである。水平磁場頭部用マルチプルRFコイルとしては(非特許文献3)がある。また、水平磁場頭部用QDマルチプルRFコイルとしては(非特許文献4)がある。がある。水平磁場腹部用QDマルチプルRFコイルとしては(非特許文献5)がある。

Array Head Coil for Improved Functional MRI(Christoph Leussler). 1996 ISMRM abstract p.249 Helmet and Cylindrical Shaped CP Array Coils for Brain Imaging: A Conparison of Signal-to-Noise Characteristics(H.A.Stark, E.M.Haacke), 1996 ISMRM abstract p.1412 Four Channel Wrap-Around Coil with Inductive Decoupler for 1.5T Body Imaging(T.Takahashi et.al), 1995 ISMRM abstract p.1418

マルチプルRFコイルの信号検出部の一部を図2示す。図2では、4個のRF受信コイル204が、それぞれプリアンプ205に接続されてひとつのマルチプルコイル201を構成する。ただし、本発明は4個に限定されることなく、3個以下又は5個以上のRF受信コイルで構成されるマルチプルRFコイルにも適用可能である。

信号検出部202は、4個のA/D変換・直交検波回路206が並列して成り、前記各プリアンプの出力がそれぞれ接続されている。AD変換・直交検波器206で検波された信号は信号処理部203に送られ、コイル毎のフーリエ変換、フィルタリングとそれら演算結果の合成演算などが適用される。信号処理部203に送られる。信号処理部203で行う処理は、予めプログラムとして組み込まれている。

次に、上記構成のMRI装置を使用したパラレルイメージング法に基づく撮影法を説明する。
図3は、一般的なパルスシーケンスの例である。このパルスシーケンスはスピンエコー法であり、RFパルス301の照射と同時にスライス用エンコード傾斜磁場303を印加し目的とする断層面のみを励起する。そして、位置情報をエンコードするための位相エンコード用傾斜磁場304と、その後の周波数エンコード用傾斜磁場305を印加し、周波数エンコード用傾斜磁場305の印加中にエコー信号306を収集する。

RFパルス302は、時間とともにバラついた横磁化の位相を180°反転させることによって、再び位相を揃えて、エコー信号を発生させるために照射する。
RFパルス301を印加してからエコー信号306を得るまでの時間をTEと呼び、撮影した画像のコントラストを決定するパラメータの一つである。
このようなシーケンスを、位相エンコード用傾斜磁場304の印加量(波形と時間軸との囲む面積)を変えながら、位相エンコードの回数分繰り返し、位相エンコード数分のエコー信号を得て、画像再構成に必要なK空間のデータが揃えられる。

パラレルイメージング法は、マルチプルRFコイルを用いて、位相エンコードの繰り返し回数を一定の割合で間引いて計測することによって高速撮影を行う方法である。位相エンコードを間引く割合は、一般に倍速数と呼ばれ、例えば倍速数2の場合には位相エンコードの繰り返し回数が半分になる。このように、2倍速で位相エンコードを間引いて計測すると、K空間上のデータは、図4の401に示すように一つ置きに埋められる。このようなK空間のデータに2次元フーリエ変換を施して画像を得ると、たとえば、間引かないで計測して得た画像が図4の402であるとするならば、折り返しが発生した画像403となる。このような折り返しが発生した画像に対して、例えば(非特許文献6)に記載の信号処理法を施すことによって折り返しの除去を行う。
SENSE: Sensitivity Encoding for Fast MRI(Klaas P.Pruessmann et.al), Magnetic Resonance in Medicine 42: 952-962(1999)

次に、上記パラレルイメージング法における折り返しの除去方法を説明する。
位相エンコード数を等間隔に1/N間引いて計測を行った場合には、上記したように、2次元フーリエ変換後の画像にはN回の折り返しが発生する。ここで、N以上のM個の受信コイルを用いて1/N間引いた計測を行い、N回折り返しの発生したM個の画像を取得する。そして、M個の受信コイルの感度分布を用いてN回の折り返し画像を展開し、折り返しを除去した1枚の画像を取得する。

x，y方向の画像マトリスク数をそれぞれX，Yとした場合、画像内の座標(x,y)(x：1≦x≦X，y：1≦y≦Y)の画素値をs_i(x,y)、感度分布をc_i(x,y)、同じく被検体の密度分布をp(x,y)とする。ここで、添え字iは、RF受信コイルの番号である(ただし、1≦i≦M)。
間引きをしないで計測した場合には、画像s_i(x,y)は、被検体の密度分布p(x,y)と、コイルの感度分布c_i(x,y)の積で表される。

ここで、位相エンコード方向を1/Nに間引きして計測した場合には、画像の位相エンコード方向のマトリクスは、Δy＝Y/Nとなり、折り返し画像は、

となる。簡単のために、

によって、式(2)を置き換えると

となる。この式(4)は、M個のRF受信コイルについて同様に成り立つので、行列で表すと、

となる。したがって、被検体の密度分布(折り返しの無い画像)は、以下のように感度分布の逆行列を求めることで、得ることができる。

次に、上記の様にして、位相エンコード数を等間隔に間引いて計測されたデータを用いて、折り返しが除去された合成画像を取得する本発明の折り返し除去法の一例を図８に示す処理フローに基づいて説明する。

ステップ800で、マルチプル受信コイルを構成するRF受信コイル毎の感度画像(つまり、感度分布の作成に必要な画像データ)と、折り返し画像を作成する。
各RF受信コイルの感度分布を作成するためには、例えば、予め感度画像用データ(以下、感度データ)820を取得する計測を行っておく。取得した各受信コイルからの感度データ820には、ステップ800-1のローパスフィルタ、フーリエ変換を行い、感度画像801を得る。
また、各RF受信コイルの折り返しのある計測画像802を、間引き計測された形態画像用の計測データ821にステップ800-2のフーリエ変換等を行って求める。

ステップ803で、各感度画像を合成し、全体感度画像を作成する。
RF受信コイルiの感度画像の座標(x,y)における画素値をw_i(x,y)とすると全体感度画像r(x,y)804は、例えば

として求めることができる。

ステップ805で、上記全体感度画像を用いて、被検体領域と背景領域を識別するマスクを作成する。
マスクは、全体感度画像に2値化処理を施すことによって求める。全体感度画像804の2値化処理では、全体感度画像804から閾値を定め、閾値以上の画素値を1、閾値未満の画素値を0(ゼロ)とする。閾値は、例えば、全体感度画像の最大画素値の10分の1とすることができる。
図5に全体感度画像とマスクの一例を示す。全体感度画像501に2値化処理を施し、マスク502を得る。マスク502は、画素値が1となる領域504が被検体領域を示し、画素値が0となる領域503が背景領域を示す。

ステップ809で、位相エンコード方向へ凹形状となる関数で全体感度画像を変形する。
つまり、凹形状となる関数をb(y)とすると
b(y)r(x,y) → r(x,y)
とする。b(y)の一例として、

を用いることができる。ここで、y’は位相エンコード方向の座標y(ただし、1≦y≦Y)を、-1≦y’≦1に変換したものである。Yを64とした場合のb(y)の一例を図6の601に示す。

ステップ810で、上記全体感度画像とマスクとRF受信コイル毎の感度画像を用いて、RF受信コイル毎の感度分布を求める。
RF受信コイルiの座標(x,y)における感度分布c_i(x,y)は、

で求めた後、マスクによって背景と判断された領域を、マスクによって被検体と判断された領域のデータを用いて外挿する。

ステップ809で、位相エンコード方向に凹形状に変形された全体感度画像を用いると、各RF受信コイルの感度分布は全体感度画像により除算されるため、位相エンコード方向に凸形状に変形される。これは、全体感度画像の中央部を凹関数によって小さくすると、感度分布の中央部の重みが相対的に大きくなることを意味している。このように変形した感度分布に2次元フィッティング等による近似処理によって外挿をおこなうと、感度分布の中央部の特徴を大きく重み付けした外挿処理となる。

外挿処理は、例えば2次元フィッティングを用いる。2次元フィッティング処理は、例えば2次関数による最小二乗近似を用いることができる。2次関数による最小二乗近似では、感度分布の推定値の実部c'_real(x,y)、虚部c'_imgn(x,,y)は、

と表わされる。ここで、kr_j，ki_j(j=1,2,3,4,5,6)は、求めるべき2次関数の係数である。式(12)から残差方程式を導くと、

となる。ここで、m(x,y)はマスクを示す。式(13)に示す誤差を最小とする各係数は、

からなる連立方程式を解くことによって求める。上記2次元フィッティング関数を用いて、背景領域の値を求めることによって、背景領域の外挿を行う。
上記処理は、各RF受信コイルの感度分布に関してそれぞれ実行される。
以下、外挿処理された感度分布をc_i(x,y)と表す。

ステップ808で、ステップ805で求めたマスクに膨張処理を施して膨張マスクを作成する。
これは、見かけ上の被検体領域を拡張して、被検体領域と背景領域の境界線で感度分布の段差や誤差を低減するためである。膨張処理は、2値画像に用いられる良く知られた処理で、例えば、8近傍のマトリクスを用いた場合には、マスクをm(x,y)とすると、膨張マスクm'(x,y)を、

とする。図7に膨張処理の例を示す。膨張処理前のマスク701は、8近傍のマトリクスの膨張処理によって対象物の領域が膨張されたマスク702となる。

ステップ811で、ステップ810で求められた感度分布に対して、ステップ808で求められた膨張マスクによって被検体と判断された領域のみにスムージング処理を施す。
スムージング処理のマトリクスは膨張処理に用いられたマトリクスと同じサイズとし、膨張前のマスクによって被検体と判定された領域のみの画素値を平均し、平滑化する。例えば、8近傍のマトリクスでスムージング処理された感度分布c'_i(x,y)は、

となる。
以下、スムーシング処理された感度分布をc_i(x,y)と表す。

ステップ813で、次のステップ814で行う折り返し除去演算を行うための行列を作成する。即ち、上記各ステップで求められた感度分布812と折り返しのある計測画像802を用いて式(5)の様な行列を作成する。

ステップ814で、ステップ811で求められた感度分布812を使用して、式(8)の折り返しを除去するための行列演算を行う。
ステップ815で、全体感度画像を位相エンコード方向に凹となる関数で変形した影響を除去する。

上記のように、全体感度画像を位相エンコード方向に凹となる関数で変形しているために、行列演算後の折り返しを除去した画像も同じように凹となる関数で変形している。したがって、上記折り返し除去画像に凹型の関数の逆数を積算することによって変形を解消する。

以上説明したように、本発明によれば、パラレルイメージング法において、マスクによって被検体領域と背景領域を分離して折り返し除去する場合において、折り返し除去のための行列演算を行うことによって発生するS/Nの劣化と段差を改善することができる。また、被検体領域と背景領域の境界に発生する折り返し除去不良を抑制することができる。

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うる。本実施例では、スピンエコーシーケンスについて記載したが、パラレルイメージング法では、シーケンスの種類に依存しない。例えば、Gradient-echoシーケンス、高速スピンエコーシーケンスなどにも適用できる。
また、全体感度画像として、各RF受信コイルの感度領域を含む感度領域をもつ受信コイルの感度画像を用いても良い。
また、全体感度画像を変形する凹関数式(10)も、別の似た形をした関数を用いることができる。
また、膨張処理とスムージング処理に用いるマトリクスのサイズは、実施例では3×3のマトリクスを使用したが、5×5などのもっと大きいサイズを用いても良い。

磁気共鳴イメージング装置による全体の構成図。本発明が適用されるRFコイルの受信部を示す図。一般的なスピンエコーのシーケンス図。パラレルイメージング法のk空間とその画像の折り返しを説明する図。マスク処理を説明する図。全体感度画像を変形する形状を説明する図。膨張処理を説明する図。本発明の実施形態の信号処理の流れを説明する図。

符号の説明

１０１…被検体、１０２…磁石、１０３…傾斜磁場コイル、１０４…照射コイル、１０５…受信コイル、１０６…ベッド、１０７…傾斜磁場電源、１０８…RF送信部、１０９…信号検出部、１１０…信号処理部、１１１…表示部、１１２…制御部

Claims

２以上のＲＦ受信コイルから成るマルチプル受信コイルと、
前記マルチプル受信コイルを用いて、前記ＲＦ受信コイル毎に被検体の形態画像と感度画像を取得するためのデータを計測する計測制御手段と、
前記データから前記形態画像と前記感度画像を再構成する演算処理手段を備え、
前記計測制御手段は、エンコードステップを間引くようにして、前記ＲＦ受信コイル毎の前記形態画像用のデータを計測し、
前記演算処理手段は、
前記ＲＦ受信コイル毎の感度画像と各ＲＦ受信コイルの感度領域を含む全体感度画像とを用いて前記ＲＦ受信コイル毎の感度分布を求める演算と、
前記ＲＦ受信コイル毎に前記感度分布を修正して修正感度分布を求める演算と、
前記ＲＦ受信コイル毎に前記エンコードステップを間引いて取得された前記形態画像用のデータから折り返しのある形態画像を求める演算と、
前記ＲＦ受信コイル毎の前記修正感度分布と前記折り返しのある形態画像とを用いて、パラレルイメージング法に基づいて折り返しが除去された一つの形態画像を求める演算と、
を行う磁気共鳴イメージング装置において、
前記演算処理手段は、
前記全体感度分布をその位相エンコード方向に凹型の変形を施した後に前記ＲＦ受信コイル毎の感度分布を求め、
前記求めた感度分布における背景領域の少なくとも一部を被検体領域の外挿により修正して前記修正感度分布を求め、
前記折り返しが除去された形態画像に逆凹型の変形を施すことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
請求項１記載の磁気共鳴イメージング装置において、
前記演算処理手段は、前記感度分布の中央部側を端部側よりも重み付けて前記外挿を行うことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
請求項１記載の磁気共鳴イメージング装置において、
前記演算処理手段は、前記全体感度画像を前記被検体領域と前記背景領域とに分けると共に、前記被検体領域を前記背景領域に膨張させた領域の感度分布をスムーシング処理して、前記修正感度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。
請求項１記載の磁気共鳴イメージング装置において、
前記演算処理手段は、前記ＲＦ受信コイル毎の感度画像を合成して前記全体感度画像を求めることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
請求項１記載の磁気共鳴イメージング装置において、
前記演算処理手段は、前記各ＲＦ受信コイルの感度領域を含む感度領域をもつＲＦ受信コイルの感度画像を前記全体感度画像とすることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。