JP4927316B2 - 磁気共鳴方法 - Google Patents

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    • G01R33/56545Correction of image distortions, e.g. due to magnetic field inhomogeneities caused by finite or discrete sampling, e.g. Gibbs ringing, truncation artefacts, phase aliasing artefacts

Description

本発明は、磁気共鳴方法であって、定常磁場及び一時的磁場が適用され、磁気共鳴信号が受信コイルのような複数の受信アンテナアレイにより取得され、磁気画像におけるエイリアジングは通常、磁場の不均一性及び/又は高速サンプリングのために得られる、磁気共鳴方法に関する。本発明はまた、請求項5の前提部分に従った画像を得るための磁気共鳴イメージング装置と、請求項6の前提部分に従ったコンピュータプログラムとに関する。
磁気共鳴イメージングにおいて、短い時間期間において許容可能な画像を得る一般的傾向がある。この理由のために、“SENSE”と呼ばれる感度符合化法がBiomedical Engineering
and Medical Informations, University and ETH Zurich,Switzrelandにより、近年、開発された。SENSE法は、磁気共鳴装置のコイルにより検出される画像において直接機能するアルゴリズムに基づいている。次の符合化段階は省略されることができ、それ故、2つ乃至3つのファクタによる画像化のための信号取得の加速を得ることができる。所謂感度マップにおいて配置されるコイルの感度についての知識はSENSE法にとって重要である。この方法を促進するために、単一コイル基準の“二乗和”又はオプションのボディコイル基準(例えば、文献、K.Pruessmann et.al.in Proc.ISMRM,1998,abstracts pp.579,799,803
and 2087を参照されたい)のどちらかによ分割を介して得られる感度マップを用いる提案が存在している
SENSE法は、操作時間の著しい減少をもたらす磁気共鳴イメージングのための信号取得の加速に対して好ましい。しかしながら、この方法は、コイルの感度が正確に理解されている場合にのみ、正確に使用されることができる。そうでなければ、不完全性、不正確な画像に繋がる折り返しアーチファクト(エイリアジング)の原因となる。実際には、コイル感度は正確には推定することができず、時間変動(患者の動き、温度の影響等)に依存する。
他方、折り返しアーチファクトは、スライスにおける好ましい位置及びRFコイルの感応領域における他の位置両方において同じイメージング周波数が得られるとき、生じることとなる。折り返しアーチファクトの原因は、勾配システムにおける非線形性及びにおける不均一性である。文献、Journ.Magn.Res.Imaging
No.12(2000),pp795−797において、折り返しアーチファクトは好ましいデータから折り返しデータを分離することにより画像から取り除くことができることが記載されている。補正画素におけるノイズレベルは、補正のために組み合わされた画像における信号の線形依存性の指標である|ΔS|に強く依存する。これは、信号対ノイズ比の損失を最小化するように、折り返しアーチファクトにより悪影響を及ぼされる領域のみにイメージングコイルからのデータの補正を限定するように用いられることができる。必要とされる感度マトリクス(S)の値は、所定のスキャナの基本フィールドの特性の指標であり、それ故、Sの要素の決定は、シーケンスパラメータの所定の集合のための各々の検査に対して繰り返される必要はない。
感度マトリクス(S)の値は基本フィールドの特性のみに依存するが、上記の方法は画像領域においてこの値を必要とする。結果的に、コール感度マトリクスは各々の異なる走査プロトコルに対して決定される必要がある。また、一様なテスト対象は、走査される対象に匹敵するサイズを有する必要があり、それ故、この方法は全身の走査に対して用いることができない。この方法は、主に、異なるコイルにより測定された2つの空間的位置のみを区別し、SENSE法のような高速イメージングに対して用いられることはできない。
本発明の目的は、SENSE法のような高速イメージング技術における及び/又は磁場不均一性と勾配不均一性によるアーチファクトの大幅な減少を実現することである。
本発明のこの目的及び他の目的は、請求項1に記載している方法、請求項5に記載している装置及び請求項6に記載しているコンピュータプログラムにより実現されることができる。
本発明の主な特徴は、空間領域の座標に画像領域における画素からのアーチファクトをトレースバックするためのアイデアに基づいている。
本発明に従った方法の重要なさらなる優位性は、対象又は患者と受信コイルとの間の位置の変化のみに対して、新しい基準走査がなされる必要があることである。
これらの及び他の本発明の優位性は、従属請求項と、添付図面を参照して説明する本発明の例証としての実施形態とに開示されている。
コイルという用語は、磁気共鳴により励起されるスピンからの信号が取得される受信アンテナを表すように用いられる。
折り返しアーチファクトを伴わない画像においては、重心xにより表される空間領域の1つのボクセルのみが画像領域における各々の画素に画像化される。特定のコイルが、感度W(x)を有する座標xから信号を受信する場合、画像の画素pにおける信号強度Sは、次式で表されることができ、
Figure 0004927316
ここで、I(x)は、1つの画素に関して画像化される領域のボリュームサイズδV、スピン密度ρ、/T等の重み付けにより規定される、空間強度である。S(p)は、求められるボリューム又はスライスにおける全ての座標xに対する強度I(x)の推定値である。重心が領域全体を表すとみなされるようにその領域は十分小さい仮定する。一般に、磁石及び勾配完全ではないため、画素位置pは座標xの非線形関数である。特に、定常磁場は、定常磁場の実際の空間分布を形成し且つ位置に依存する実際の値を有する。従って、画像領域におけるスピン密度は、空間領域におけるスピン密度の歪んだ画像である。さらに、この歪みは、勾配強度及び勾配方向に依存するため、異なる走査プロトコルに対して異なる。
折り返しアーチファクトNを伴う画像においては、異なる空間領域は、画像領域における1つの画素に画像化される。これらの空間領域は重心x、x、...、xにより特徴付けられることができる。M個のコイルが使用して、感度W(x)、W(x)、...、W(x)を有するポイントからの信号を測定する場合、コイルjからの画素pにおける信号強度は、次式により表される。
Figure 0004927316
xの関数としてコイル感度Wの得るように、所謂、粗い較正が実行され、画像は二度測定される。一度は、定義により均一なコイル感度を有する基準としてのコイルを用いて、一度は、感度が決定される必要があるコイルのアレイを用いて、測定される。
通常、基準コイルはボディコイルである。画像がいずれかの折り返しアーチファクトを有していない場合、Wは次式により決定される。
Figure 0004927316
(p(x))における波形符号は、pの関数としてのコイル感度が画像領域においてのみ認識されることを意味する。従って、W(p)は、マッピング sens (x)によりW(x)に変換される必要があり、そのマッピングp sens (x)において空間領域と画像領域との間の関係規定され、コイル感度が決定される走査プロトコルについて考慮される。この理由のために、空間領域の一部は図1に示しているように、有限要素1に又はユーザが規定した寸法に副分割される。各々の有限要素の中心は、有限要素の全体的なボリュームについて表わしていると仮定する。これら有限要素1は、空間(m,p)に投影され、ここで、mは測定方向における座標であり、pは位相符合化方向における座標である。コンピュータプログラムにより、座標を伴うマップ有限要素から得られる。コンピュータプログラムは、国際コード番号XJS−154−0892の下でPhilips
N.V.において利用可能であって、文献の卒業論文“Reduction of Inhomogeneity relatd
Foldover Artefacts in MR Imaging using Multiple Coil Encoding”of
J.J.M.Zwanenburg at Technische Universiteit Delftに十分詳細に説明されている、プログラムFLAMEの修正バージョンである。実際には、特定の画素pに対して画像化されるいずれかの領域についてのルジャンドル(Legendre)多項式を用いる実際的なフィールド分布が、そのコンピュータプログラムにより演算される。探索される座標は、1つの画素にマッピングされる複数の異なる領域のボリュームδV(x)を有する重心である。しかしながら、上記のコンピュータプログラムは重心を提供するのではなく、1つの画素にマッピングされる全ての有限要素を提供する。従って、また、アーチファクトを伴わない画像においては、複数の有限要素が1つの画素に対してマッピングされる。マッピングされた有限要素の数特に、有限要素のサイズに依存している。いずれにしても、アーチファクトの数を規定するためには、有限要素は、図2に示すボクセルにクラスター化される必要がある。位置xにおけるクラスター1は測定されるスピン密度から伝送されるオリジナルの信号であり、クラスター2及び3はアーチファクトからの信号であると仮定される。関連する有限要素と別個のクラスター(ボクセル)を生成する有限要素との間の分化はコンピュータプログラムにより決定される。異なる有限要素群を区別するための基準は、1つのクラスターの有限要素は関連する領域を形成することである。各々のコイルに対して、W(p)の三次元テーブルが利用可能であり、そのテーブルから、折り返しアーチファクトを有する画像における各々の画素に対してマトリクスW(x)を構成することができる。従って、マトリクスW(x)は、上記の有限要素(FE)法により及びマップ sens(x)により演算される座標x、x、...、xにより得られる。折り返しアーチファクトより多くのコイルが利用可能である場合、式(2)は直接解くことができる又は最小二乗法アルゴリズムにより解くことができる。W(x)に新しく導入される行が悪条件又は0であるかどうかについて、毎回チェックされる必要がある。補正の後、空間領域において即ち理想的な磁石及び完全な勾配が利用可能である場合I(x)が演算される画素pにマッピングされるポイントに対して最近接であるポイントx(p)の座標の全ての画素について、座標 (p)の収集残っている。この分布I(x)は、2つの異なる方式即ち、非線形のオリジナルの画像の画素の位置又はxの線形関数である画素位置提示される。両方の場合に、画像強度は、ボリュームサイズδVの変化から生じる強度の変化について補正される必要がある。そのような線形画像による補正は、少し複雑であり、また幾何学的な補正が必要とされる場合にのみ関心がもたれるものである。
図3は、N=2について、折り返しアーチファクト(左)を伴う画像のための及びコイル感度プロファイルを伴う画像のための画像領域と空間領域との間のマッピングを示している。マップp(x)は走査プロトコルに依存する。従って、折り返しアーチファクトpimage(x)を伴う画像に対して有効な空間領域及び画像領域間のマッピングと、コイル感度画像psens(x)に対して有効な空間領域及び画像領域間のマッピングとの間で差が生成される必要がある。折り返しアーチファクトを伴う画像が生成されるとき、原理的には、複数のポイントx、x、...、xが1つの画素pに対して画像化される。コイル感度画像が生成されるとき、1つの画素pに対して1つのポイントxのみが画像化される、即ち、各々のコイル感度画像について一対一関係のpsens(x)が存在することに留意する必要がある。従って、空間領域同じ領域が画像化され、1つの画素は空間領域からの複数の領域を表さないため、コイル感度画像のFOVは、折り返しアーチファクトを伴う画像のFOVより大きい必要がある。画像を補正するためには、折り返しアーチファクトpimage(x)を伴う画像における各々の画素とコイル感度画像における画素psens(x)、psens(x)、...、psens(x)との間の関係が提供される必要がある。
この問題の解決方法について図4に示しており、図4は、折り返しアーチファクトを伴う画像のための画像領域から空間領域のマッピングpimage(p)と、また、N=2についての、異なるコイル感度のための空間領域から画像領域のマッピングpsens(x)を示している。pimage(x)の逆であるマップ image(p)を、上記のコンピュータプログラムにより決定することができる。マップpimage(p)から、同じ画素pにマッピングされるポイントx及びxを追跡する。マップpsens(x)とポイントx及びxから、コイル感度画像における画素位置を追跡する。それ故、ポイントx及びxにおけるコイル感度は、次式に従って導き出される。
Figure 0004927316
この式(4)は、psens(x)が基準走査を行うことによっては折り返しアーチファクトが生成されないためsens(x)がである一対一対応関数である場合にのみ、適切な補正を提供する(式(3)を参照のこと)。
図5において、コンピュータプログラムのフロー図を示している。それにより、1つの画素に寄与する空間位置11は、有限要素(FE)の演算12により決定され、FEマップ13において記憶される。その演算は、基本磁場Bについての磁石及び勾配コイルのデザインパラメータ15から得られる主磁場及び勾配磁場定量的知識に基づいている。これらデザインパラメータは、ルジャンドル多項式16により数学的に決定される。それ故、FEマップ13はボクセルマップ17にクラスター化される。他方、コイル感度20の三次元分布は、データが患者において測定され折り返しアーチファクトを伴わないで1つ又はそれ以上のスライスからの測定21により決定される。式(3)に従って、基準画像23はコイルアレイにより測定され、1つ又はそれ以上の均一な基準画像24が均一なボディコイルにより測定される。これらの画像23及び24から、コイル感度画像25が生成され、マスク26生成される。
折り返しアーチファクト又はフレームを有する画像28からの補正前画素27の空間位置29は、フレームを有する画像のためボクセルマップ17において調べられる。空間位置は、基準画像のためのボクセルマップ17においてそれらを調べることにより、感度画像25における画素位置30に変換される。式(4)に従って、感度画像25から、コイル感度を伴う重み付けマトリクス31演算され、その状態をマスク26により改善することができる。フレームを有する画像28からの補正前画素27から直接、各々の信号コイルからの寄与を有するベクトル32演算される。重み付けマトリクス31及びベクトル32が存在するマトリクスの式(2)を解くことにより、減少されたまたは消去されたフレームまたは折り返しアーチファクトを伴う画像34を有する補正画素33が得られる。
フィールドの不均一性によりまたは不均一なフィールドにおけるSENSE法の取得により原因される両方の折り返しアーチファクトは、より良好な画像を得るように、上記のような方法により処理されることができる。
図6に示す装置は、強度が数テスラ乃至数十テスラのオーダーの大きさである安定した一様な磁場を生成するため4つのコイル51のシステムを有するMR装置である。z軸について同心円状に配置されたコイル51は、球表面52上に備えられることが可能である。検査される患者60は、これらコイルの内側に位置付けられテーブル54に配置される。z方向に延在し、この方向に線形に変化する磁場(以下、その磁場はまた、勾配磁場という)を生成するように、4つのコイルが球表面52に設置される。また、x方向(垂直方向に)延在する勾配磁場を生成する4つのコイルが存在する。z方向に延在し且つy方向(図の面に対して垂直方向)に勾配を有する勾配磁場が、コイル57と同じであることが可能であるが、間隙を介して90°のオフセットになるように備えられた4つのコイル55により生成される。ここでは、れら4つのコイルのうち2つのみを示している。
勾配磁場を生成するため3つのコイルシステム53、55および57の各々は球表面に対して対称的に配置されるため、その球の中心の磁場強度、コイル51の安定して一様な磁場により排他的に決定される。また、安定して一様な磁場の方向に対して垂直(即ち、z方向に対して垂直方向)に延在している実質的に一様なRF磁場を生成するRFコイル61も備えられている。RFコイルは、各々のRFパルスにRF生成器からRF変調電流を受け取る。RFコイル61、検査ゾーンにおいて生成されるスピン共鳴信号を受け取るために用いられることができる。
図7に示すように、MR装置において受け取られたMR信号はユニット70により増幅され、ベースバンドにおいて置き換えられる。それ故、得られたアナログ信号は、アナログ−デジタル変換器71によりデジタルのシーケンスに変換される。アナログ−デジタル変換器71は、読み出し位相にのみ、それがデジタルデータ語を生成するように、制御ユニット69により制御される。アナログ−デジタル変換器71は、MR信号のデジタル化により得られ値をサンプリングするシーケンスにおいて一次元フーリエ変換を実行するフーリエ変換ユニット72により後続される
それ故、フーリエ変換により生成された生データは、生データの複数の集合の記憶を満足する記憶容量を有するメモリ73に書き込まれる。れらの生データの集合から、合成ユニット74は上記の方法で合成画像を生成し、この合成画像は、非常に多数の連続する合成画像80の記憶を満足する記憶容量を有するメモリ75に記憶される。再構成ユニット76は、このようにして取得されたデータの集合からのMR画像を生成し前記MR画像は記憶される
ユニット70乃至76は、制御ユニット69により制御される。下向きの矢印により示すように、制御ユニットはまた、中心周波数、帯域及びRFコイル61により生成されるRFパルスの包絡線と共に、勾配コイルシステム53、55および57における電流の時間変化を課す。再構成ユニット76におけるMR画像メモリ(図示せず)と共に、メモリ73および75は、適切な容量の1つのメモリとして実現されることができる。フーリエ変換ユニット72、合成ユニット74および再構成ユニット76は、上記の方法に従ってコンピュータプログラムに適切なデータ処理器を用いて実現されることができる。
画像領域における画素への空間領域における有限要素の標準的画像化を示す図である。 画像領域における画素に画像化される空間領域に置けるクラスターを示す図である。 折り返しアーチファクトを伴う画像及びコイル感度画像に対する空間領域及び画像領域からのマッピングを示す図である。 空間画素から異なる空間位置の寄与を分離する基本原理を示す図である。 フレームアーチファクトの補正のためのフロー図である。 本発明に従った方法を実行するための装置を示す図である。 図6に示す装置の回路図である。

Claims (6)

  1. 磁気共鳴画像を生成する磁気共鳴装置の作動方法であって、
    定常磁場が制御され、
    一時的勾配磁場が制御され、
    受信器アンテナシステムが磁気共鳴信号を取得し、前記磁気共鳴信号は前記一時的勾配磁場に基づいて空間的に符号化され、前記受信器アンテナシステムは受信器感度値を有し、
    磁場不均一性及び高速サンプリングのために、エイリアジング画素(ボクセル)を有する折り返し画像は、前記一時的勾配磁場の前記空間的符合化に基づいて、検査ゾーンにおいて生成される前記磁気共鳴信号から再構成され、
    前記磁気共鳴画像は、前記受信器感度値に基づいて、並びに基本磁場B についてのマグネット及び勾配コイルのデザインパラメータから演算される前記定常磁場の前記第1の空間分布及び前記一時的勾配磁場の第2の空間分布に基づいて、前記折り返し画像の前記エイリアジング画素(ボクセル)を展開することにより再構成され、
    画素における信号強度は複数のコイル感度により表され、該コイル感度は、一度は均一なコイル感度を定義により有する基準としてのコイルにより測定され、一度は前記コイル感度が決定されるコイルのアレイにより測定され、前記コイルのアレイの測定値は前記基準としてのコイルの測定値に基づいて修正され、この修正に基づいて、前記折り返し画像は再構成される
    磁気共鳴装置の作動方法。
  2. 請求項1に記載の磁気共鳴装置の作動方法であって、
    前記定常磁場及び前記一時的勾配磁場が制御され、
    感度分布が、画像領域において前記受信器アンテナシステムの前記受信器感度値をマッピングし、
    置き換え値(p(x))は、前記定常磁場及び前記一時的勾配磁場の実際の値に基づいて前記画像領域の画素(ボクセル)に対して空間領域の位置にマッピングされ、
    エイリアジング画素(ボクセル)を有する前記折り返し画像は、前記一時的勾配磁場によりもたらされる空間的符号化に基づいて前記磁気共鳴信号から再構成され、前記エイリアジング画素(ボクセル)は、前記空間領域において実質的に異なる位置からの信号分布を有し、
    前記折り返し画像における前記エイリアジング画素(ボクセル)は、前記磁気共鳴画像を再構成するように前記空間領域における異なる位置からもたらされるそれぞれの前記信号分布に対して空間受信器感度マップに基づいて展開され、前記空間受信器感度マップは前記置き換え値を有する画像領域受信器感度マップを有する、
    磁気共鳴装置の作動方法。
  3. 請求項2に記載の磁気共鳴装置の作動方法であって、
    受信器感度マップにおいて、前記受信器感度値が収集され、
    置き換えマップ(psens(x))において、前記置き換え値が収集され、
    前記空間受信器感度値の空間受信器感度マップが、前記置き換えマップと前記受信器感度マップを組み合わせることにより生成される、
    磁気共鳴装置の作動方法。
  4. 請求項3に記載の磁気共鳴装置の作動方法であって、同じ磁気共鳴装置の作動位置からもたらされる少なくとも2つのアンテナ記録信号は画像強度及びそれぞれのアンテナの感度係数により重み付けされ、前記画素(ボクセル)は前記重み付けされた信号から再構成される、磁気共鳴装置の作動方法。
  5. 複数の信号から画像を得る磁気共鳴装置であって:
    定常磁場及び一時的勾配磁場を制御する手段;
    受信器アンテナシステムから磁気共鳴信号を取得する手段であって、前記磁気共鳴信号は、前記一時的勾配磁場に基づいて空間的に符号化され、前記受信器アンテナシステムは受信器感度値を有する、手段;
    磁場不均一性及び前記磁気共鳴信号からの高速サンプリングのために、エイリアジング画素(ボクセル)を有する折り返し画像を、前記一時的勾配磁場の前記空間的符号化に基づいて、検査ゾーンにおいて生成される前記磁気共鳴信号から再構成する手段;
    並びに
    前記受信器感度値に基づいて、並びに基本磁場B についてのマグネット及び勾配コイルのデザインパラメータから演算される前記定常磁場の前記第1の空間分布及び前記一時的勾配磁場の第2の空間分布に基づいて、前記折り返し画像の前記エイリアジング画素(ボクセル)を展開する手段;
    を有する磁気共鳴装置であり、
    画素における信号強度は複数のコイル感度により表され、該コイル感度は、一度は均一なコイル感度を定義により有する基準としてのコイルにより測定され、一度は前記コイル感度が決定されるコイルのアレイにより測定され、前記コイルのアレイの測定値は前記基準としてのコイルの測定値に基づいて修正され、この修正に基づいて、前記折り返し画像は再構成される;
    磁気共鳴装置。
  6. 磁気共鳴方法の手段により画像を生成するコンピュータ使用可能媒体に記憶されているコンピュータプログラムであって、コンピュータが実行を制御するようにするコンピュータ読み取り可能手段を有する、コンピュータプログラムであり、
    定常磁場が制御され、
    一時的勾配磁場が制御され、
    受信器アンテナシステムが磁気共鳴信号を取得し、前記磁気共鳴信号は前記一時的勾配磁場に基づいて空間的に符号化され、前記受信器アンテナシステムは受信器感度値を有し、
    磁場不均一性及び前記磁気共鳴信号からの高速サンプリングのために、エイリアジング画素(ボクセル)を有する折り返し画像を、前記一時的勾配磁場の前記空間的符号化に基づいて、検査ゾーンにおいて生成される前記磁気共鳴信号から再構成する
    コンピュータプログラムであり、
    前記磁気共鳴画像は、前記受信器感度値に基づいて、並びに基本磁場B についてのマグネット及び勾配コイルのデザインパラメータから演算される前記定常磁場の前記第1の空間分布及び前記一時的勾配磁場の第2の空間分布に基づいて、前記折り返し画像の前記エイリアジング画素(ボクセル)を展開することにより再構成され、
    画素における信号強度は複数のコイル感度により表され、該コイル感度は、一度は均一なコイル感度を定義により有する基準としてのコイルにより測定され、一度は前記コイル感度が決定されるコイルのアレイにより測定され、前記コイルのアレイの測定値は前記基準としてのコイルの測定値に基づいて修正され、この修正に基づいて、前記折り返し画像は再構成される
    コンピュータプログラム。
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