JP6014266B2 - 磁気共鳴撮影装置および水脂肪分離方法 - Google Patents
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Description
以下、本発明の第一の実施形態を説明する。以下、実施形態を説明するための全図において、特に言及しない限り、同一機能を有するものは同一符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
まず、本実施形態の磁気共鳴撮影装置(MRI装置)について説明する。図1は、本実施形態のMRI装置の外観図である。図1(a)は、ソレノイドコイルで静磁場を生成するトンネル型磁石を用いた水平磁場方式のMRI装置100である。図1(b)は、開放感を高めるために磁石を上下に分離したハンバーガー型(オープン型)の垂直磁場方式のMRI装置120である。また、図1(c)は、図1(a)と同じトンネル型磁石を用い、磁石の奥行を短くし、かつ、斜めに傾けることによって、開放感を高めたMRI装置130である。
図2は、本実施形態のMRI装置100の機能構成図である。本図に示すように、本実施形態のMRI装置100は、被検体101が置かれる空間に静磁場を生成する、例えば、静磁場コイル102などの静磁場生成部と、静磁場分布を調整するシムコイル104およびシム用電源部113と、被検体101の計測領域に対し高周波磁場パルスを送信する送信用高周波コイル105(以下、単に送信コイルという)および送信機107を備える送信部と、被検体101から生じる核磁気共鳴信号を受信する受信用高周波コイル106(以下、単に受信コイルという)および受信機108を備える受信部と、被検体101から生じる核磁気共鳴信号に位置情報を付加するために、x方向、y方向、z方向それぞれに傾斜磁場を印加する傾斜磁場コイル103および傾斜磁場用電源部112を備える傾斜磁場印加部と、計算機109と、シーケンス制御装置114と、を備える。
本実施形態の計算機109が実現する機能について説明する。本実施形態の計算機109は、上述のように、MRI装置100の各部を制御し、予め定めた撮像領域(撮像空間)を画像化する撮像処理を行う。このとき、この撮像領域においては、撮像対象とする第一の物質および不要な第二の物質以外の物質内のプロトンからの信号は無視できるものと仮定する。この仮定の下、第一の物質内のプロトンからの信号と、第二の物質内のプロトンからの信号とを分離し、第二の物質からの信号が抑制された、第一の物質の信号強度を画素値とする画像を得る。
以下、本実施形態の計算機109の各機能による、撮像処理の流れについて簡単に説明する。図4は、本実施形態の撮像処理の流れを説明するためのフローチャートである。
ここで、計測制御部310がステップS1001の計測において実行する計測シーケンスの一例について説明する。図5に、本実施形態において実行される計測シーケンスのタイムチャートの例を示す。この計測シーケンス510は、グラディエントエコー(GrE)型のパルスシーケンスである。なお、計測シーケンス510において、RFはRFパルスの、Gsはスライス選択傾斜磁場の、Gpは位相エンコード傾斜磁場の、Grは読み出し傾斜磁場の、それぞれ印加タイミングをそれぞれ示す。またエコーは、エコー信号の取得タイミングを示す。以下、本明細書の各タイムチャートにおいて、同様である。
次に、上記ステップS1003の、オフセット周波数分布算出部330によるオフセット周波数分布の算出処理について説明する。本実施形態のオフセット周波数分布算出部330は、N個のエコー時間毎の原画像Inから、全画素が全て第一の物質と仮定して得たピーク周波数の分布である第一のピーク周波数分布と、全画素が全て第二の物質と仮定して得たピーク周波数の分布である第二のピーク周波数分布とをそれぞれ算出し、これら第一のピーク周波数分布および第二のピーク周波数分布を用いて、エコー間隔によるエリアジング(折り返し)を除去したオフセット周波数分布を得る。
まず、ステップS1101のシード点抽出部331によるシード点抽出処理を説明する。シード点抽出部331は、後述する領域拡大法で用いるシード点として、水が主成分の画素の中から1の画素を抽出する。シード点抽出部331は、SNRが高く、見かけの横緩和速度R2 *による信号減衰が少ない画素を水が主成分の画素とする。そして、水が主成分の画素の中の、周囲に類似した水が主成分の画素が存在する画素の中から、シード点を抽出する。
un(r)=|sn(r)/s1(r)| ・・・(1)
なお、このとき、除算に用いる原画像は1番目の原画像に限られない。いずれの原画像であってもよい。
h(r)=Ea(r)/σa(r) ・・・(2)
次に、ステップS1102の、スペクトル算出部332によるスペクトル算出処理について説明する。上述のように、スペクトル算出部332は、撮像領域の画像の各画素について、N個のエコー時間の信号を時間方向に離散フーリエ変換し、画素毎のスペクトルをそれぞれ算出する。N個のエコー時間の信号として、各原画像Inの、当該画素の画素値をそれぞれ用いる。
Bw=(1/Δt)=M・Δf ・・・(4)
次に、ステップS1103のピーク周波数分布算出部333によるピーク周波数分布算出処理について説明する。上述のように、ピーク周波数分布算出部333は、算出した画素毎のスペクトル信号Sf(r)から、エリアジングを除いた各画素rのピーク周波数Ψpeak(r)を得る。
次に、上記ステップS1104の、シフト周波数分布算出部334による、周波数シフト処理について説明する。周波数シフト処理では、ピーク周波数分布の全画素値(ピーク周波数)を、所定のシフト量だけシフトさせたシフト周波数分布を物質毎に算出する。ピーク周波数のシフトは、各画素のピーク周波数から所定の周波数(シフト量)を差し引くことにより実現する。
Ψshift_w(r)=Ψpeak(r) ・・・(6)
Ψshift_f(r)=Ψpeak(r)-Fwf ・・・(7)
このとき、エコー間隔Δtが標本化定理を満たす場合のシフト量は、以下の式(8)で表されるように、共鳴周波数差fwfとする。一方、標本化定理を満たさない場合は、エリアジングによる折り返しを考慮し、この折り返しを除去するよう、以下の式(9)で表されるように、共鳴周波数差fwfにスペクトル帯域Bwを加えたものとする。
Fwf=fwf, if |fwf|≦Bw/2 ・・・(8)
Fwf=Bw+fwf, if |fwf|>Bw/2 ・・・(9)
次に、ピーク周波数選択部335によるピーク周波数選択処理について説明する。ピーク周波数選択処理では、算出したシード点を用いて領域拡大法により、画素毎に、水シフト周波数と、脂肪シフト周波数とのいずれかを、オフセット周波数として選択し、オフセット周波数分布を算出する。
次に、ステップS1004の、分離部340による分離処理を説明する。本実施形態の分離部340は、まず、エコー時間による水と脂肪の信号強度の変化を表す信号モデルと、後述するフィッティング処理のための各種の初期値と、を設定する。そして、N個の異なるエコー時間の原画像Inと初期値と信号モデルとを用いて、非線形最小二乗法により水画像と脂肪画像を算出する。
まず、ステップS1301の信号モデル設定部341による信号モデルの設定について説明する。本実施形態では、水の信号強度、脂肪の信号強度、オフセット周波数、見かけの緩和速度R2 *をフィッティング変数とする信号モデルを設定する。ここで、n番目のエコー時間tnで得たエコー信号から再構成した画像Inの、任意の画素における信号強度sn(n=1、…、N)を表す信号モデルs’nを、式(11)に示す。
次に、ステップS1302の、初期値設定部342による初期値の設定方法について説明する。設定する初期値は、各画素の水の複素信号強度および脂肪の複素信号強度と、オフセット周波数分布と、見かけの横磁化緩和速度R2 *とである。
次に、ステップS1303の、フィッティング処理部343によるフィッティング処理について説明する。本実施形態では、フィッティングにより真値を推定する変数を、各画素の、水の信号強度をρw、脂肪の信号強度をρf、見かけの横磁化緩和速度をR2 *、オフセット周波数をΨとする。そして、各変数の推定値をそれぞれ、ρw’、ρf’、R2 *’、Ψ’とし、真値と推定値との差分をそれぞれ、Δρw、Δρf、ΔR2 *、ΔΨとする。
次に、本発明の第二の実施形態について説明する。第一の実施形態では、異なるエコー時間の画像を取得する際の、エコー数、エコー時間、エコー間隔は、予め設定されている。一方、本実施形態では、エコー数のみが設定され、エコー間隔は、設定されたエコー数に応じてSNRが最大となるよう自動的に算出される。
本実施形態の計測パラメータ算出部350は、まず、エコー時間によって変化する水と脂肪の信号強度を表す信号モデルを設定する。この信号モデルを用いて、計測時に混入するノイズの標準偏差を仮定する。その標準偏差からフィッティング後の水画像および脂肪画像の誤差を推定し、フィッティング誤差を最小化することでSNRを最大化するエコー間隔を、最適計測パラメータとして算出する。
これを実現するため、本実施形態の計測パラメータ算出部350は、図12に示すように、エコー時間による水と脂肪の信号強度の変化を表す信号モデルを設定する信号モデル設定部351と、計測時に混入するノイズの標準偏差を仮定し、その標準偏差からフィッティング後の水画像および脂肪画像の誤差を推定するフィッティング誤差推定部352と、フィッティング誤差を最小化することでSNRを最大化するエコー間隔を算出する最適パラメータ算出部353と、を備える。
上記各機能による、本実施形態の計測パラメータ算出部350による計測パラメータ算出処理の流れの概略を説明する。図13は、本実施形態の計測パラメータ算出処理の流れを説明するためのフローチャートである。
まず、ステップS1401の信号モデル設定部351による信号モデルの設定について説明する。本実施形態の信号モデル設定部351は、オフセット周波数Ψおよび見かけの横磁化緩和速度R2 *の項を無視し、水の信号強度、脂肪の信号強度のみをフィッティング変数とする信号モデルs’を設定する。ここで、信号モデル設定部351が設定する、任意の画素におけるn番目のエコー時間(n=1、…、N)の信号snの信号モデルs’nを、以下の式(17)に表す。
s’n=ρw+Knρf ・・・(17)
ここで、ρwおよびρfは、水と脂肪の複素信号強度、Knは、時刻tnにおける脂肪信号の位相変化量(複素数)をそれぞれ表す。なお、tnはn番目のエコー時間を表す。また、本実施形態では脂肪信号は、シングルピークのモデルを用いる。このとき、脂肪信号の位相変化量Knは、水と脂肪の周波数差をfwfとすると、下式(18)で表される。
次に、ステップS1402のフィッティング誤差推定部352によるフィッティング誤差の推定方法について説明する。本実施形態では、誤差伝播法を用いて、計測時に混入したノイズがフィッティング結果に与える影響を算出する。以下、その流れを説明する。
次に、ステップS1403の最適パラメータ算出部353による最適パラメータの算出方法について説明する。
Claims (15)
- 被検体が置かれる空間に静磁場を生成する静磁場生成部と、
前記被検体に高周波磁場パルスを送信する送信部と、
前記高周波磁場パルスの照射により前記被検体から生じる核磁気共鳴信号を受信する受信部と、
前記核磁気共鳴信号に位置情報を付加するための傾斜磁場を印加する傾斜磁場印加部と、
前記送信部、前記受信部および前記傾斜磁場印加部の動作を制御して前記核磁気共鳴信号を計測するとともに計測した前記核磁気共鳴信号に対して演算処理を行い、予め定めた撮像領域の画像を得る計算機と、を備え、
前記計算機は、
予め定めた撮像シーケンスに従って、異なる3つ以上のエコー時間の前記撮像領域の前記核磁気共鳴信号を計測する計測制御部と、
前記異なる3つ以上のエコー時間の核磁気共鳴信号それぞれから、当該エコー時間毎の前記撮像領域の原画像を再構成する再構成部と、
前記エコー時間毎の原画像から、前記撮像領域内のオフセット周波数の分布であるオフセット周波数分布を算出するオフセット周波数分布算出部と、
前記エコー時間毎の原画像と前記オフセット周波数分布とを用いて、第一の物質の信号と第二の物質の信号とを分離し、前記撮像領域の前記第一の物質の画像と前記第二の物質の画像とを得る分離部と、を備え、
前記第一の物質と前記第二の物質とは共鳴周波数が異なり、
前記オフセット周波数は、静磁場不均一により変化する共鳴周波数のオフセット成分であり、
前記オフセット周波数分布算出部は、
前記エコー時間毎の原画像を用い、前記第一の物質が主成分である画素の中からシード点を抽出するシード点抽出部と、
前記エコー時間毎の原画像を用い、前記撮像領域の画像の各画素のスペクトルを算出するスペクトル算出部と、
前記各画素のスペクトルのピーク周波数をピーク周波数分布として算出するピーク周波数分布算出部と、
前記各画素のピーク周波数を、前記第一の物質および前記第二の物質それぞれについて、予め定めたシフト量だけシフトさせて、画素毎の第一のシフト周波数および第二のシフト周波数をそれぞれ算出するシフト周波数分布算出部と、
前記シード点を基準画素とした領域拡大法により、前記第一のシフト周波数と前記第二のシフト周波数とのいずれかを前記画素毎に選択し、前記オフセット周波数分布を得るピーク周波数選択部と、を備え、
前記シフト量は、前記エコー時間の間隔により発生する折り返しが除去されるよう定められること
を特徴とする磁気共鳴撮影装置。 - 請求項1記載の磁気共鳴撮影装置であって、
前記第一の物質は水であり、
前記第二の物質は脂肪であること
を特徴とする磁気共鳴撮影装置。 - 請求項2記載の磁気共鳴撮影装置であって、
前記異なる3つ以上のエコー時間の、各隣接するエコー時間の間隔であるエコー間隔は一定であり、
前記第一の物質の前記シフト量は0であり、
前記第二の物質の前記シフト量は、前記エコー間隔に応じて、前記第一の物質と前記第二の物質との前記共鳴周波数差を用いて決定されること
を特徴とする磁気共鳴撮影装置。 - 請求項3記載の磁気共鳴撮影装置であって、
前記第二の物質のシフト量は、前記エコー間隔が標本化定理を満たさない場合、前記共鳴周波数差にスペクトル帯域を加えた量とすること
を特徴とする磁気共鳴撮影装置。 - 請求項2記載の磁気共鳴撮影装置であって、
前記ピーク周波数分布算出部は、前記各画素のスペクトルのピーク周波数を得、得られた各画素のピーク周波数に対し、前記シード点を基準画素として領域拡大法によりアンラップ処理を行い、前記ピーク周波数分布を算出すること
を特徴とする磁気共鳴撮影装置。 - 請求項2記載の磁気共鳴撮影装置であって、
前記ピーク周波数選択部は、前記基準画素に隣接する画素の前記第一のシフト周波数および前記第二のシフト周波数のうち、当該基準画素のオフセット周波数との差が小さいシフト周波数を、当該隣接する画素のオフセット周波数と選択すること
を特徴とする磁気共鳴撮影装置。 - 請求項2記載の磁気共鳴撮影装置であって、
前記シード点抽出部は、
前記エコー時間毎の原画像を用いて、各画素の比の絶対値を画素とする絶対値比画像を算出する絶対値比画像算出部と、
絶対値比画像からシード点候補の画素群を抽出する候補抽出部と、
所定数以上前記シード点候補の画素が抽出されたか否かを判定する抽出数判定部と、
前記シード点候補の画素が所定数以上抽出されたと判定された場合、抽出された前記シード点候補の画素の中からシード点を決定するシード点決定部と、を備え、
前記各画素の比は、前記エコー時間毎の原画像の中の基準とする原画像の画素値で他の原画像の画素値を除算したものであること
を特徴とする磁気共鳴撮影装置。 - 請求項2記載の磁気共鳴撮影装置であって、
前記分離部は、
エコー時間による水と脂肪の信号強度の変化を表す信号モデルを設定する信号モデル設定部と、
フィッティング処理に用いる各種の初期値を設定する初期値設定部と、
前記初期値を用いて、前記エコー時間毎の原画像を前記信号モデルにフィッティングし、前記第一の物質の画像と前記第二の物質の画像とを得るフィッティング処理部と、を備えること
を特徴とする磁気共鳴撮影装置。 - 請求項7記載の磁気共鳴撮影装置であって、
前記候補抽出部は、前記絶対値比画像の各画素について、時間方向の平均値と標準偏差とを算出し、前記時間方向の平均値が予め定めた第一の閾値以上であり、かつ、前記標準偏差が予め定めた第二の閾値以下である画素を、前記シード点候補の画素として抽出すること
を特徴とする磁気共鳴撮影装置。 - 請求項7記載の磁気共鳴撮影装置であって、
前記シード点決定部は、前記各シード点候補の画素について、当該シード点候補の画素を中心とした所定の領域内に、前記第一の物質を主成分とする画素が最も多く含まれている前記シード点候補の画素を、前記シード点とすること
を特徴とする磁気共鳴撮影装置。 - 請求項10記載の磁気共鳴撮影装置であって、
前記シード点決定部は、前記シード点候補の各画素について、画素値の時間方向の平均値の、前記所定の領域内の平均値を当該領域内の標準偏差で除し、得られた値が最大となる画素を、前記シード点とすること
を特徴とする磁気共鳴撮影装置。 - 請求項1記載の磁気共鳴撮影装置であって、
前記計算機は、前記核磁気共鳴信号を計測するエコー時間数に応じて、最適なエコー間隔を算出する計測パラメータ算出部をさらに備え、
前記計測制御部は、予め定めた撮像シーケンスに従って、前記最適なエコー間隔で前記核磁気共鳴信号を計測すること
を特徴とする磁気共鳴撮影装置。 - 請求項12記載の磁気共鳴撮影装置であって、
前記計測パラメータ算出部は、
エコー時間による水と脂肪の信号強度の変化を表す信号モデルを設定する信号モデル設定部と、
計測時に混入するノイズの標準偏差を仮定し、その標準偏差からフィッティング後の水画像および脂肪画像の誤差を推定するフィッティング誤差推定部と、
フィッティング誤差を最小化する前記最適なエコー間隔を算出する最適パラメータ算出部と、を備えること
を特徴とする磁気共鳴撮影装置。 - 被検体が置かれる空間に静磁場を生成する静磁場生成部と、
前記被検体に高周波磁場パルスを送信する送信部と、
前記高周波磁場パルスの照射により前記被検体から生じる核磁気共鳴信号を受信する受信部と、
前記核磁気共鳴信号に位置情報を付加するための傾斜磁場を印加する傾斜磁場印加部と、
前記送信部、前記受信部および前記傾斜磁場印加部の動作を制御するとともに前記受信した核磁気共鳴信号に対して演算処理を行う計算機と、を備え、
前記計算機は、
予め定めたパルスシーケンスに従って、異なる3つ以上のエコー時間の前記核磁気共鳴信号を得る計測制御部と、
前記異なる3つ以上のエコー時間の核磁気共鳴信号それぞれから、当該エコー時間毎の原画像を再構成する再構成部と、
前記エコー時間毎の原画像から、静磁場不均一により変化する共鳴周波数のオフセット成分の分布であるオフセット周波数分布を算出するオフセット周波数分布算出部と、
前記エコー時間毎の原画像と前記オフセット周波数分布とを用いて第一の物質からの信号と第二の物質からの信号とを分離する分離部と、を備え、
前記オフセット周波数分布算出部は、前記エコー時間毎の原画像から、前記エコー時間の間隔による折返しを除去した、第一のピーク周波数分布および第二のピーク周波数分布を算出し、当該第一のピーク周波数分布および第二のピーク周波数分布を用いて前記オフセット周波数分布を得、
前記第一のピーク周波数分布および前記第二のピーク周波数分布は、それぞれ、全画素が全て前記第一の物質と仮定して得たピーク周波数の分布および全画素が全て前記第二の物質と仮定して得たピーク周波数の分布であること
を特徴とする磁気共鳴撮影装置。 - 予め定めた撮像シーケンスに従って、異なる3つ以上のエコー時間の撮像領域の核磁気共鳴信号を計測する計測制御処理を行い、
前記異なる3つ以上のエコー時間の核磁気共鳴信号それぞれから、当該エコー時間毎の前記撮像領域の原画像を再構成する再構成処理を行い
前記エコー時間毎の原画像から、前記撮像領域内のオフセット周波数の分布であるオフセット周波数分布を算出するオフセット周波数分布算出処理を行い、
前記エコー時間毎の原画像と前記オフセット周波数分布とを用いて、水の信号と脂肪の信号とを分離し、前記撮像領域の水画像と脂肪画像とを得、
前記オフセット周波数は、静磁場不均一により変化する共鳴周波数のオフセット成分であり、
前記オフセット周波数分布処理では、
前記エコー時間毎の原画像を用い、水が主成分である画素の中からシード点を抽出し、
前記エコー時間毎の原画像を用い、前記撮像領域の画像の各画素のスペクトルを算出し、
前記各画素のスペクトルのピーク周波数の分布を算出し、
前記各画素のピーク周波数を、水と脂肪との周波数差に基づき予め定めたシフト量だけシフトさせたシフト周波数の分布を算出し、
前記シード点を基準画素とした領域拡大法により、前記ピーク周波数と前記シフト周波数とのいずれかを前記画素毎に選択し、前記オフセット周波数分布を得、
前記シフト量は、前記エコー時間の間隔により発生する折り返しが除去されるよう定められること
を特徴とする磁気共鳴撮影装置で取得する画像における水脂肪分離方法。
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