JP5779701B2 - プロペラmri用磁気共鳴装置及び方法 - Google Patents

プロペラmri用磁気共鳴装置及び方法 Download PDF

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Description

本発明は、検査ボリューム内に配置された身体の磁気共鳴撮像(MRI)用の装置に関する。
さらに、本発明は、MRI用の方法、及び磁気共鳴(MR)装置用のコンピュータプログラムに関する。
MRIにおいては、MR装置の検査容積(ボリューム)内の均一な磁場内に配置された被検体(患者)に、RFパルス及び切替え磁場傾斜を構成するパルスシーケンスが印加される。斯くして、MR信号が生成され、それを無線周波数(RF)受信アンテナによってスキャンすることにより、被検体に関する情報が取得され、その画像が再構成される。その最初の開発以降、臨床関連のMRIの応用分野の数が急激に増加している。MRIは殆ど全ての身体部分に適用されることができ、身体に関する重要な機能情報を取得するために用いられ得る。MRIスキャン中に印加されるパルスシーケンスは、例えば、被検体における位置及び向き、寸法、解像度、信号対雑音比、コントラスト、動きに関する感度など、再構成画像の特性の決定において重大な役割を果たす。MRI装置の操作者は、適切なシーケンスを選択し、そのパラメータをそれぞれの用途に対して調整・最適化しなければならない。
既知の所謂プロペラ(Periodically Rotated Overlapping ParallEL Lines with Enhanced Reconstruction;PROPELLER)概念においては、MR信号はk空間内でN個のストリップにて収集され、各ストリップは、デカルトk空間サンプリング手法におけるL個の最低周波数位相エンコーディングラインに対応するL個の平行ラインからなる。各ストリップは、k空間ブレードとも呼ばれ、MRデータセット全体がk空間の1つの円にほぼ及ぶよう、k空間内で角度δψ=180°/Nずつ回転される。直径Mを有するデータマトリクスが望まれる場合、L及びNは例えば、L・N=M・π/2となるように選択される。PROPELLERの1つの本質的な特徴は、k空間の中央の、直径Lを有する円形部分が、各k空間ブレードで収集されることである。この中央部分は、各k空間ブレードの低解像度画像を再構成するために使用されることができる。これらの低解像度画像、すなわち、それらのk空間表示は、患者の動きに起因する面内(in-plane)変位及び位相誤差を除去するために互いに比較される。加えて、何れのk空間ブレードが有意な面を貫通する面間(through-plane)変位を伴って収集されたかを決定するため、例えば相互相関などの好適技術が用いられる。最終的なMR画像の再構成に先立ってMR信号群がk空間内で組み合わされるとき、k空間ブレード群が重なり合う領域では、面を貫通する動き量が最も小さいk空間ブレードからのMRデータが優先的に使用される。それにより、面間動きに起因するアーチファクトが抑制される。PROPELLER技術は、MR信号収集中の被検患者の動きに対して堅牢なMR画像収集技術を得るために、k空間の中央部分のオーバーサンプリングを使用するものである。
James G. Pipe、「Motion Correction With PROPELLER MRI:Application to Head Motion and Free-Breathing Cardiac Imaging」、Magnetic Resonance in Medicine、1999年、第42巻、p.963-969
既知のPROPELLER概念の1つの問題は、動きにより劣化したk空間ブレードを完全に排除しようとすると、周辺のk空間領域のアンダーサンプリング、ひいては、潜在的に劣化した画質をもたらすことである。
マルチスライス式PROPELLER撮像に伴う別の1つの問題は、マルチスライス式PROPELLER収集からの個々のスライスに位置不整合(ミスアライメント)が生じ得ることである。これの原因は、PROPELLERは、動き補正の基準として中央のk空間の測定MR信号に対して繰り返し相互相関をとるためである。一般的に、その他のブレード群の中央k空間データに対して最も大きい類似性を示す基準が選択される。PROPELLERに従って選択された基準データは、故に、絶対的な基準ではなく相対的な基準であり、個々のスライスに位置不整合を生じさせ得る。マルチスライス式MRスキャンのスライス群の遡及的アライメントは、隣接し合うスライスが実質的な類似性を示すと仮定すると、原理的に可能である。しかしながら、この事前要件は一般的に疑わしいものである。
正確なMR画像再構成のため、既知のPROPELLER撮像法は、収集されたk空間サンプルの重み付けを必要とする。これは通常、サンプリング密度補償と呼ばれている。重み係数を計算するため、一般的に反復法が採用されている。重み付けはまた、上述の動き誘起画像アーチファクトの抑制を達成するために、例えば相互に相関付けられたk空間ブレードの相関量などの様々な基準に従ったMR信号の優先順位付けを可能にする。この優先順位付けは、選択された視野をまかなうために実際に必要な密度より高い密度でサンプリングされたk空間領域に適用され得る。既知の技術の欠点は、重み係数を計算するために通常用いられる反復法は低速であり、且つ、特に強いコントラスト加重が適用される場合に、散発的に不安定になることである。
故に、容易に認識されるように、既知のPROPELLER撮像コンセプトの改善が望まれる。従って、本発明は、画像アーチファクトの抑制及びPROPELLER撮像の効率改善を可能にし得るMR装置を提供することを目的とする。
本発明に従って、検査ボリューム内に配置された身体のMRI用のMR装置であって、検査ボリューム内に実質的に均一な主磁場を構築する手段、主磁場に重ね合わされる切替え磁場傾斜を生成する手段、身体に向けてRFパルスを放射する手段、磁場傾斜及びRFパルスの生成を制御する制御手段、MR信号の受信及びサンプリングを行う手段、及び信号サンプルからMR画像を形成する再構成手段を有するMR装置が開示される。本発明は、当該MR装置を、
a)身体の少なくとも一部を、少なくとも1つのRFパルス及び切替え磁場傾斜のMR撮像シーケンスに曝すことによって、一連のMR信号を生成し、
b)PROPELLER法に従って、k空間の中心の周りで回転された複数のk空間ブレードを収集し、MR信号収集中に、k空間ブレードの回転角は、収集されるk空間ブレードの総数をNとして、180°/Nより大きい角度ずつ増大され、且つ
c)収集されたMR信号からMR画像を再構成する、
ように構成することを提案する。
本発明は、規則的な角度のアンダーサンプリングは最小限の画像アーチファクトを生成するのみであるとの事実認識に基づく。故に、動きにより劣化されたk空間ブレード群が、本発明に従って、回転されたk空間ブレード群によって及ばれる円全体に可能な限り均一に分布される場合、最小のアーチファクトが期待される。上記角度は、本発明によれば、180°/Nより大きい角度ずつ増大されるので、連続的に収集されるk空間ブレード群の挟み込み(インターリーブ)配置が達成される。本発明によって提案される規則的な角度のアンダーサンプリングは、従来の線形順のブレード群の特徴である隣接する幾つかの動き劣化k空間ブレードを排除することと比較して、画像再構成に関して堅牢である。
好ましくは、本発明に係るMR装置は更に、k空間ブレードの回転角を、137.51°の黄金角又は68.75°の半黄金角ずつ増大させるように構成される。本発明のこの実施形態によれば、インターリーブされたk空間ブレードの時空系列の生成のために、PROPELLER式MRIに、いわゆる黄金角の法則が適用される。黄金角は、円の円周cを2つの区画a及びbに、c=a+b且つc/a=a/bとなるように分割することによって作り出される角度である。本発明に従ってPROPELLER式MRIに黄金角の法則を適用することは、劣化されたk空間ブレード群を、回転されたブレード群によって及ばれる円全体にとりわけ等方的に分布させること、ひいては、最終的な再構成MR画像における動き誘起アーチファクトの最小化を可能にする。黄金角ずつ回転角度を増大させていくことにより、等方的でますます緻密な、円の角度的な被覆(カバレッジ)が達成される。直径方向のPROPELLERブレードでは、半円部分のみを考慮すればよく、それにより、半黄金角の回転増分がもたらされる。
本発明の有用な一実施形態において、k空間ブレードの回転角は、公式ψ(i)=f(i)・180°/N又はψ(i)=f(i)・180°・(1+1/N)に従って選択される。ただし、i=1,2,・・・,Nは、連続して収集されるk空間ブレードのインデックスを表し、f(i)は、回転角の増分ψ(i+1)−ψ(i)が180°/Nより大きくなるようにインデックスiを0とN−1との間の整数にマッピングする関数を表す。黄金角の増分から得られる無限のシーケンス周期の結果として、k空間ブレード群により及ばれる円内のブレード配置は僅かに非対称になる。しかしながら、典型的なPROPELLER収集においては、k空間ブレードの数は固定であり、対称なブレード配置とすることが好ましい。これは、上記公式によって達成することができる。公式f(i)は、角度ψ(i)が黄金角(又は、半黄金角)を可能な限り近似して上述のインターリーブ配置が得られるように選択される。公式ψ(i)=f(i)・180°/Nが適用される場合、読み出し傾斜は一度の収集中に約180°回転する。回転角が公式ψ(i)=f(i)・180°・(1+1/N)によって決定される場合、読み出し傾斜は各収集中に約360°回転する。
本発明の更なる一態様に従って、検査ボリューム内に配置された身体のMRI用の装置であって、検査ボリューム内に実質的に均一な主磁場を構築する手段、主磁場に重ね合わされる切替え磁場傾斜を生成する手段、身体に向けてRFパルスを放射する手段、磁場傾斜及びRFパルスの生成を制御する制御手段、MR信号の受信及びサンプリングを行う手段、及び信号サンプルからMR画像を形成する再構成手段を有する装置が開示される。本発明は、当該装置を、
a)身体の少なくとも一部を、少なくとも1つのRFパルス及び切替え磁場傾斜のMR撮像シーケンスに曝すことによって、一連のMR信号を生成し、
b)k空間の中央部分からMR基準データセットを収集し、
c)PROPELLER法に従って、k空間の中心の周りで回転された複数のk空間ブレードを収集し、k空間の中央部分の少なくとも一部が各k空間ブレードで収集され、
d)段階c)にて収集されたMRデータを、k空間ブレードごとに、k空間の中央部分のMR基準データセットと比較し、動き誘起の変位及び位相誤差の見積もり及び補正を行い、且つ
e)収集され且つ補正されたMR信号からMR画像を再構成する、
ように構成することを提案する。
本発明のこの第2態様の特徴は、本発明の上述の第1態様の特徴と、有利に組み合わされ得る。
本発明の第2態様の要点は、各k空間ブレードで収集される(近似的に)k空間の円形中央部分からの、別個のMR基準データセットの収集である。中央のk空間部分のみからの収集は、MR基準データセットが低解像度画像を形成することを意味する。この基準データセットの収集は、総スキャン時間の有意な増大を伴わずに実行することが可能である。本発明によれば、k空間ブレード群に共通の中央部分からのデータは、動き誘起の変位及び位相誤差を推定して補正するために、基準データセットと比較される。この手法の背後にある考えは、動きの推定及び補正を目的として、全てのk空間ブレードに共通の基準を構築することである。MR基準データセットが3次元容積(ボリューム)データセットである場合、本発明に係る技術は、マルチスライスPROPELLER測定の全てのスライスの適切なアライメントを確実にする。この場合、k空間ブレードは、k空間ブレードの回転面に垂直な方向に隔てられた2つ以上の平行画像スライスで収集される。本発明に従って提供される共通の基準により、マルチスライス収集の隣接し合うスライス間に有意な類似性が存在しない場合であっても、画像スライスのミスアライメントが防止される。
本発明の更なる一態様に従って、検査ボリューム内に配置された身体のMRI用の装置であって、検査ボリューム内に実質的に均一な主磁場を構築する手段、主磁場に重ね合わされる切替え磁場傾斜を生成する手段、身体に向けてRFパルスを放射する手段、磁場傾斜及びRFパルスの生成を制御する制御手段、MR信号の受信及びサンプリングを行う手段、及び信号サンプルからMR画像を形成する再構成手段を有する装置が開示される。本発明は、当該装置を、
a)身体の少なくとも一部を、少なくとも1つのRFパルス及び切替え磁場傾斜のMR撮像シーケンスに曝すことによって、一連のMR信号を生成し、
b)PROPELLER法に従って、k空間の中心の周りで回転された複数のk空間ブレードを収集し、
c)収集されたMRデータを重み付け、このとき、重み係数は、コントラスト操作に関する収集時間、動き補償に関する相関量、及び複数のk空間ブレードの重なり領域の幾何学配置に基づいて直接的に計算され、且つ
d)収集され且つ重み付けられたMR信号からMR画像を再構成する、
ように構成することを提案する。
本発明のこの第3態様の特徴は、本発明の上述の第1及び/又は第2の態様の特徴と、有利に組み合わされ得る。
本発明の第3態様の基本的特徴は、サンプリング密度補償に用いる重み係数が、従来のPROPELLER概念における反復法によって計算されないことである。その代わりに、重み係数は、例えば、特定のエコー時間において収集されたMR信号の優先順位付けを目的とした選択MR撮像パルスシーケンス(例えば、TSEシーケンス)に依存する収集時間、収集されたk空間ブレードの優先順位付けを目的とした相関量、及びサンプリング密度補償を目的としたk空間ブレードの重なり領域の幾何学配置などの、様々な基準に基づいて直接的に計算される。好ましくは、重み係数は更に、最終的な画像再構成段階に先立って正規化される。
本発明は、装置に関するだけでなく、MR装置の検査ボリューム内に配置された身体の少なくとも一部のMRI方法にも関する。
本発明に係る撮像手順を実行するように適応されたコンピュータプログラムは、磁気共鳴スキャナの制御に現在臨床的に使用されている如何なる一般的なコンピュータハードウェア上にも、有利に実装されることが可能である。コンピュータプログラムは、例えばCD−ROM又はディスケットなどの好適なデータキャリアで提供され得る。代替的に、コンピュータプログラムは、ユーザによってインターネットサーバからダウンロードされることも可能である。
添付図面は本発明の好適実施形態を開示するものである。理解されるように、図面は、本発明の限定を規定するものではなく、単なる例示目的で描かれたものである。
本発明に従ったMRスキャナを示す図である。 PROPELLERブレードの黄金角回転を含む、PROPELLER式MRIのk空間サンプリング手法を例示する図である。 PROPELLERブレードの黄金角回転を含む、PROPELLER式MRIのk空間サンプリング手法を例示する図である。 PROPELLERブレードの黄金角回転を含む、PROPELLER式MRIのk空間サンプリング手法を例示する図である。 本発明に従ったPROPELLER式MRI用の、MR基準データセットの収集を例示する図である。
図1に、本発明に従ったMR撮像装置1をブロック図で示す。装置1は、静止した一様な主磁場を生成する一組の主磁気コイル2と、制御可能な強度を有し且つ選択方向に傾斜を有する付加的な磁場を重ね合わせる三組の傾斜コイル3、4及び5とを有している。従来から、主磁場の方向はz方向と呼ばれ、それに垂直な2つの方向はx方向及びy方向と呼ばれている。傾斜コイル3、4及び5は電源11によってエネルギー供給される。撮像装置1は更に、身体7にRFパルスを放射するRF送信アンテナ6を有している。アンテナ6は、RFパルスの生成及び変調を行う変調器9に結合されている。また、MR信号を受信する受信器も設けられる。受信器は、送信アンテナ6と同一であってもよいし、別個のものであってもよい。送信アンテナ6及び受信器が図1に示されるように物理的に同一のアンテナである場合、受信信号を放射されるパルスから分離するために送信−受信スイッチ8が配置される。受信MR信号は復調器10に入力される。送信−受信スイッチ8、変調器9、並びに傾斜コイル3、4及び5の電源11は制御システム12によって制御される。制御システム12は、アンテナ6に供給されるRF信号の位相及び振幅を制御する。制御システム12は通常、メモリ及びプログラム制御手段を備えたマイクロコンピュータである。復調器10は、受信信号を例えば画像表示ユニット15上で視認可能にされ得る画像に変換するため、例えばコンピュータである再構成手段14に結合されている。本発明の実際の実装において、MR装置1は、MRI PROPELLER手法を上述のように実行するためのプログラムを有する。
図2は、本発明に従ったPROPELLER式MRIのk空間サンプリングを例示している。8個のk空間PROPELLERブレードが収集される。これらブレードは、収集されるMRデータセットの全体がk空間内の1つの円のほぼ全体にわたるように、k空間の中心の周りで回転される。図2に示した矢印は、それぞれのk空間ブレードに対して生成される読み出し磁場傾斜の向きを指し示している。図2aにおいて、連続的に収集されるk空間ブレードの回転角は、約68.75°の半黄金角ずつ増大されている。斯くして、等方的でますます緻密な、円の角度カバレッジが達成される。これは例えば、生まれながらに植物の葉の配置にも用いられるものである。黄金角の増分は、図2aに示すように、連続したPROPELLERブレードのインターリーブ配置を生成する。その結果、動きにより劣化したk空間ブレードが、PROPELLER収集により及ばれる円全体に一様に分布される。線形順の連続したk空間ブレードが用いられる従来のPROPELLER撮像と比較して、画像アーチファクトが抑制される。直径方向のPROPELLERブレードでは、回転の半円部分のみを考慮すればよい。この理由により、回転角の増分は、全黄金角に代えて、半黄金角とすることができる。(半)黄金角の増分は、無限のシーケンス周期、及びそれに対応して、図2aにて見て取れるように、k空間におけるPROPELLERブレードの非対称な配置をもたらす。しかしながら、典型的なPROPELLER収集においては、k空間ブレードの数は固定である。k空間ブレードの対称配置を達成するため、図2aに示した黄金角ブレード系列を、図2bに示す対称系列に単純に割り当てることができる。ここでは、i番目に収集されるk空間ブレードの回転角は公式ψ(i)=f(i)・180°/Nによって決定される。ただし、f(i)は、所望の系列が得られるようにインデックスiを0とN−1との間の整数にマッピングする関数を表す。図示した実施形態では、f(i)は以下の表のようにし得る。
Figure 0005779701
図2bの矢印によって示されるように、この場合、読み出し傾斜は一度の収集中に約180°回転する。若干修正した公式ψ(i)=f(i)・180°・(1+1/N)によって、図2cに示すブレード系列が決定される。この場合、読み出し傾斜は各収集中に約360°回転する。
図3に、本発明に従ったマルチスライス式PROPELLER MRI用のMR基準データセットの収集を例示する。図3の左図は、単一の画像スライスの収集中の複数のk空間ブレードの収集を示している。k空間ブレードは、収集されるMRデータセットの全体がk空間の1つの円のほぼ全体にわたるように、k空間の中心の周りで回転される。図3において、各k空間ブレードで収集されるk空間の中央部分は、左図中の黒塗りの円として指し示されている。k空間ブレードの収集に先立ち、図3の右図中に管状の中央k空間領域によって指し示されたk空間の中央部分から、3次元低解像度MR基準データセットが収集される。その後、やはり図3の右図中に指し示された複数の平行画像スライスがPROPELLER技術によって収集され、動き誘起の変位及び位相誤差の見積もり及び補正を行うために、k空間の中央部分から収集されたMRデータがk空間ブレードごとにMR基準データセットと比較される。最初のMR基準測定は、全ての画像スライスのk空間の中央部分と(少なくとも近似的に)全てのPROPELLERブレードの中央k空間部分とを対象にしているので、マルチスライス収集の全てのk空間ブレードに共通の基準として作用することができる。この手法は、マルチスライスPROPELLER収集中に、画像スライス群の動き誘起ミスアライメントが発生しないことを確実にする。低解像度MR基準データセットの収集は、単一のPROPELLERブレードの収集とほぼ同一の時間を要する。このことは、本発明に係る技術が、MR基準データの収集中の動きの虞を最小化し、総スキャン時間を有意に増大させないことを意味する。
上述のように、本発明は更に、PROPELLER技術によって収集されたMR信号からのMR画像の再構成中のサンプリング密度補償のための重み係数を計算する直接的な手法を提案する。本発明に係るこの手法は、重み係数の計算のために幾何学配置の検討と優先順位付けの検討とを組み合わせる。本発明によれば、低速且つ散発的に不安定であることが知られている従来の反復法が回避される。故に、非常に高速で信頼性の高いデータ重み付け手順が得られる。読み出しラインl内且つk空間ブレードb内の信号サンプルsの重み係数は、本発明に従って、
(b,l,s)=w(l,s)w(b)
を用いて初期化される。ただし、wは、通常はbに依存しないコントラスト加重に関する収集時間から得られた重みを表す。wは、通常はbのみに依存する(面間)動き補正に関する相関量から得られた重みを表す。次の段階として、これらの重みが
Figure 0005779701
に従って付加される。ただし、d(p,q,r,b,l,s)は、PROPELLERブレードの重なり領域の幾何学配置によって決定される近傍指標係数(neighborhood indicator factor)を表す。当然ながら、この加算は適切な形態の補間で置き換えることが可能である(また、必要となり得る)。最後の段階として、必要に応じて、重み係数の正規化が公式:
Figure 0005779701
に従って計算される。ただし、Eは、PROPELLER収集の符号化行列、すなわち、k空間サンプリング位置をkとし画素位置をxとして、
Figure 0005779701
を表し、Eは対応するエルミート行列を表す。この正規化は好ましくは、グリッディング再構成又は不均一高速フーリエ変換の原理を適用することによって計算される。

Claims (4)

  1. 検査ボリューム内に配置された身体のMR撮像用の装置であって、
    前記検査ボリューム内に実質的に均一な主磁場を構築する手段、
    前記主磁場に重ね合わされる切替え磁場傾斜を生成する手段、
    前記身体に向けてRFパルスを放射する手段、
    前記磁場傾斜及び前記RFパルスの生成を制御する制御手段、
    MR信号の受信及びサンプリングを行う手段、及び
    前記信号のサンプルからMR画像を形成する再構成手段、
    を有し、
    a)前記身体の少なくとも一部を、少なくとも1つのRFパルス及び切替え磁場傾斜のMR撮像シーケンスに曝すことによって、一連のMR信号を生成し、
    b)PROPELLER法に従って、k空間の中心の周りで回転された複数のk空間ブレードを収集し、
    c)収集されたMRデータを重み付け、このとき、重み係数は、コントラスト操作に関する収集時間、動き補償に関する相関量、及び前記複数のk空間ブレードの重なり領域の幾何学配置に基づいて直接的に計算され、且つ
    d)収集され且つ重み付けられたMR信号からMR画像を再構成する、
    ように構成された装置。
  2. 段階d)における画像再構成に先立って段階c)にて、前記重み係数が正規化される、請求項1に記載の装置。
  3. MR装置の検査ボリューム内に配置された身体の少なくとも一部のMR撮像方法であって:
    a)前記身体の少なくとも一部を、少なくとも1つのRFパルス及び切替え磁場傾斜のMR撮像シーケンスに曝すことによって、一連のMR信号を生成する段階、
    b)PROPELLER法に従って、k空間の中心の周りで回転された複数のk空間ブレードを収集する段階、
    c)収集されたMRデータを重み付ける段階であり、重み係数が、コントラスト操作に関する収集時間、動き補償に関する相関量、及び前記複数のk空間ブレードの重なり領域の幾何学配置に基づいて直接的に計算される段階、及び
    d)収集され且つ重み付けられたMR信号からMR画像を再構成する段階、
    を有するMR撮像方法。
  4. MR装置用のコンピュータプログラムであって、
    a)少なくとも1つのRFパルス及び切替え磁場傾斜のMR撮像シーケンスを生成し、
    b)PROPELLER法に従って、k空間の中心の周りで回転された複数のk空間ブレードを収集し、
    c)収集されたMRデータを重み付け、重み係数が、コントラスト操作に関する収集時間、動き補償に関する相関量、及び前記複数のk空間ブレードの重なり領域の幾何学配置に基づいて直接的に計算され、且つ
    d)収集され且つ重み付けられたMR信号からMR画像を再構成する、
    ための命令群を有するコンピュータプログラム。
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