JP6106175B2 - 磁気共鳴システム及び雑音指数軽減方法 - Google Patents

Description

本願は一般に無線周波数(RF)アレイに関連し、磁気共鳴画像処理(magnetic resonance imaging：MRI)や磁気共鳴スペクトロスコピ(magnetic resonance spectroscopy：MRS)等の技術分野に特に関連する。しかしながら、本願はレーダー、移動通信、電波天文学等のような他の技術分野にも適用可能であり、上記の具体例に限定されない。

磁気共鳴(MR)システムは典型的にはデータを取得するために複数の受信チャネルを使用し、複数の受信チャネルの各々は受信コイルに対応している。そのような技法は高速なデータ取得に有利であるが、受信チャネル各々に構成部品を重複させる必要があるので高価になってしまう。従って、そのようなシステムは、複数の受信コイルからのデータをオーバーサンプリング及び時間分割多重することにより、複数の受信コイルに対して1つの受信チャネルを使用している。これらのシステムは、一般に、最近の受信機が必要とするよりも多いデータを収集することを受け入れている(多重システムについての更なる情報については非特許文献1参照)。

Porter et al.,"A Sixteen Channel Multiplexing Upgrade for Single Chanel Receivers", Magnetic Resonance Imaging, Volume 19, Issue 7, pp.1009-1016(2001)

しかしながら、このようなデータ取得方法において複数の受信コイルを利用する場合の問題の1つは信号雑音比(SNR)を最適化することに関連する。複数の受信コイルのSNRは、一般に、或る受信コイル以外の全ての受信コイルを近似的に「開放」状態とした場合(すなわち、絶縁状態にあると仮定した場合)において、その或る受信コイルのポートインピーダンスを用いて受信コイル各々を前置増幅器にノイズ整合(noise matching)させることで最適化される。しかしながら、この方法はモード及びモードの組み合わせによっては最良のSNRより劣ったものを招く。この方法は受信コイルが概してインピーダンスを共有することを受け入れている。従ってノイズ指数(noise figure)を決定するインピーダンスはポートインピーダンスではなく、共有されるインピーダンスの固有値(eigenvalue)である。受信コイル同士の間に共有されるインピーダンスが存在する限り、受信コイル各々と前置増幅器との間の受動的な雑音整合回路は、全てのモードについて最適なSNRをもたらすことはできない。

本願は上記及びその他の問題を克服する改善された新規なシステム及び方法等を提供する。

一実施形態による磁気共鳴システムは、
コイルの配列形態に対する雑音指数を軽減する磁気共鳴システムであって、
共通のインピーダンスを有するコイルの配列と、
前記コイルの配列からの複数の信号を受信する複数の前置増幅器と、
前記コイルの配列と前記複数の前置増幅器とのインピーダンスを整合させる複数のマッチング回路と、
前記複数の前置増幅器を複数の異なる整合値でオーバーサンプリングする複数の受信部と
を有する磁気共鳴システムである。

本願の開示による実施の形態における磁気共鳴システムのブロック図。 本願の開示による実施の形態における雑音指数軽減方法を示す図。

一形態によれば、コイルの配列形態(コイルの配列の仕方、コイルの配列のモード)に対する雑音指数を軽減する磁気共鳴(magnetic resonance：MR)システムが提供される。本システムは共通のインピーダンスを有するコイルの配列(又はアレイ)を有する。複数の前置増幅器はその配列からの複数の信号を受信し、複数のマッチング回路は配列と前置増幅器とのインピーダンスを整合させる。複数の受信部は前置増幅された信号を複数の異なる整合値(match value)でオーバーサンプリングする。

別の形態によれば、磁気共鳴(MR)システムで使用されるコイルの配列形態に対する雑音指数を軽減するための方法画提供される。複数の信号は、共通のインピーダンスを有するコイルの配列から受信される。これらの信号は、複数の前置増幅器を利用して前置増幅され、配列は前置増幅器とインピーダンス整合される。前置増幅された信号は複数の異なる整合値でオーバーサンプリングされる。

利点の1つは比較的奥深い内部構造に対するSNRが向上する可能性があることである。

別の利点はいくつものモードのSNRを向上させることで改善された並列的な画像処理を行えることである。

別の利点は相互インダクタンスによりSNRが劣化してる他の手段と比較して比較的低コストなことである。

本発明の更に別の利点は以下の詳細な説明を参照及び理解した当業者にとって更に明らかになるであろう。

本発明は様々な要素及び要素の集まりの形態や、様々なステップ及びステップの集まりの形態をとってよい。図面は好ましい実施の形態を例示的に示しているに過ぎず、本発明を限定するように解釈されてはならない。

図1を参照すると、磁気共鳴(MR)システム10は磁気共鳴を利用して対象又は客体12の二次元又は三次元画像を形成する。対象12は強力な静的な磁場B₀の中に配置され、この磁場は、対象の中の水素双極子又は水素ダイポール(hydrogen dipoles)が静的な磁場B0に優先的に整列することを引き起こす。例えばラーモア周波数やMR周波数等のような励起周波数で、例えばRFパルス等のような電磁場を、水素双極子に印加すると、水素双極子はエネルギを吸収して共鳴する。吸収されるエネルギ及び励起周波数は、磁場の強度及び共鳴する水素双極子に依存する。

共鳴励起パルスの後、水素双極子は、低エネルギ状態に落ち、吸収したエネルギを磁気共鳴信号として放出する。励起した水素双極子は、水素双極子が所属している組織に依存して異なるレートで(低エネルギ状態に)落ちる。更に、空間情報を共鳴信号にエンコードするために磁場の勾配を使用できるように、共鳴信号の周波数及び位相は磁場の強度に依存している。従って、磁場の勾配を制御し、水素双極子の崩壊(又は低エネルギ状態への遷移)だけでなく放出された共鳴信号の周波数及び位相も監視することで、二次元又は三次元の画像を形成することができる。

メインマグネット又は主磁石16は検査領域18の中に延びる強い静的な磁場B₀を形成する。検査領域18は対象12を収容する。ボアタイプ(bore-type)MRスキャナにおける静的な磁場B₀は典型的には対象12の長さ方向に沿って検査対象18を通じて延びる。オープン又はCタイプのMRスキャナの場合、B₀磁場は典型的にはうつぶせ(又は前屈み)の患者の身長方向に対して垂直に横切るように伸びる。更に、静的な磁場B₀の強度は検査領域18において0.23テスラ、0.5テスラ、1.5テスラ、3テスラ、7テスラ等のうちの何れかであるのが一般的であるが、他の強度であってもよい。一実施形態において、メインマグネット16は適切な極低温冷凍機に設けられた超電導磁石(superconducting magnet)である。他の実施形態において、メインマグネット16は水等により選択的に冷却された常伝導磁石(resistive magnet)である。より強い静的な磁場B₀の場合、一般的にはボア型又はソレノイド型の磁石が使用され、弱い静的な磁場B₀の場合にはオープン又はC型の磁石がしばしば使用される。

勾配コントローラ20は、検査領域18での静磁場B0に関する傾斜磁場又は磁場勾配(magnetic field gradient)(例えば、x勾配、y勾配、z勾配等)を選択的に重ね合わせるように複数の傾斜磁場コイルを制御する。送信部24は全身コイル26を介してB₁励起共鳴操作RFパルスを検査領域18に送信する。B₁パルスは典型的には短期間であり、傾斜磁場と共に使用すると、磁気共鳴を選択的に操作できる。例えば、B₁パルスは水素双極子を共鳴状態に励起させ、傾斜磁場は、空間情報を、共鳴信号の周波数及び位相にエンコードする。

複数の受信コイル28₁，28₂，．．．，28_nは、空間的にエンコードされた磁気共鳴信号を受信する配列又はアレイを形成する。空間的にエンコードされた磁気共鳴信号は、好ましくは、受信コイル28₁，28₂，．．．，28_nの各々に1つであるような複数の信号により実現される。受信コイル28₁，28₂，．．．，28_nは固有にインピーダンスを結合及び共有する。本質的には如何なる数の受信コイルが使用されもよく、コイルは本質的に如何なる空間形態を有していてもよい。SENSE等のような並列的な画像処理の場合、8個、16個又はそれ以上の受信コイルが対象12の周囲に設けられる。

複数のプリアンプ又は前置増幅器30₁，30₂，．．．，30_nは、受信コイル28₁，28₂，．．．，28_nと前置増幅器30₁，30₂，．．．，30_nとの間に設けられた複数のマッチング回路又は整合回路32₁，32₂，．．．，32_nを介して、受信コイル28₁，28₂，．．．，28_nから信号を受信する。マッチング回路32₁，32₂，．．．，32_nは、前置増幅器30₁，30₂，．．．，30_nに対して受信コイル28₁，28₂，．．．，28_nのインピーダンスを整合させ、電力の伝送特性やSNR等を改善する。好ましくは、前置増幅器30₁，30₂，．．．，30_nの入力インピーダンスが、受信コイル28₁，28₂，．．．，28_nのインピーダンスの複素共役になっている。インピーダンス整合を促すため、マッチング回路の各々は、対応する受信コイルのインピーダンスに加える整合値(例えば、インピーダンス)を有する。典型的には、マッチング回路の各々は、整合値の遠隔調整が可能であるように、バラクタ、バリキャップ、バリスタ等のうちの1つ以上を含む(可変インピーダンス素子を含む)。

インピーダンス整合に関する問題の1つはリアクタンスが周波数に依存することである。配列の異なる動作モードに応じて周波数は変わるので、整合回路について整合値が1つしかなかった場合、全てのモードについて、対応する受信コイルと対応する前置増幅器との間のリアクタンスを最適に除去することはできない。その結果、SNRや電力伝送特性が劣化してしまう。このような問題に対処するため、整合コントローラ又はマッチングコントローラ34は、共鳴信号をオーバーサンプリングしながら様々な整合値を切り替えるようにマッチング回路32₁，32₂，．．．，32_nを制御する。アレイの全てのモードについて最適な整合値の範囲内の様々な整合値で共鳴信号をオーバーサンプリングすることで、最適なSNRに少なくとも近いSNRのサンプルが、アレイの全てのモードについて取得される。整合値は離散的又は連続的であってよい。前者の場合、整合値は周期的に(例えば、5秒毎に)変更されてもよい。後者の場合、整合値は時間の関数(例えば、正弦波)として規定できる。連続的な整合値は、スイッチングインピーダンスに起因してサンプリング形態にとって十分速やかに離散整合値を切り替えることが実現可能でない場合に有利である。

整合コントローラ34は更に複数の受信部36₁，36₂，．．．，36_n及びスキャナコントローラ38(これら各々については後述)に同期信号を提供する。同期信号は、励起パルスが検査領域18に送信されるべき時点、及び整合値に合致するように同期捕捉が始まるべき時点を示す。従って、整合コントローラ34は、マッチング回路32₁，32₂，．．．，32_n、受信部36₁，36₂，．．．，36_n、及びスキャナコントローラ38の間の正確な同期を保証する。一実施形態において、整合コントローラ34は受信部36₁，36₂，．．．，36_nの一部である。例えば、いくつかのディジタル受信部は、マッチング回路32₁，32₂，．．．，32_nの整合値の制御に使用可能な電圧を生成することが可能である。

受信部36₁，36₂，．．．，36_nは、典型的には受信コイル28₁，28₂，．．．，28_nの各々に1つであるような複数の受信チャネルを規定し、前置増幅器30₁，30₂，．．．，30_nからの前置増幅された信号を受信する。受信部36₁，36₂，．．．，36_nは、前置増幅された複数の信号をディジタルデータサンプルに変換し、ディジタルデータサンプルはデータバッファ40に保存される。データの捕捉又はデータの取得は、整合コントローラ34からの同期信号により適切にトリガを受ける。一般に、受信部36₁，36₂，．．．，36_nはアナログディジタル変換部を含む。有利な実施の形態において、前置増幅器30₁，30₂，．．．，30_n、マッチング回路32₁，32₂，．．．，32_n及び受信部36₁，36₂，．．．，36_nは、コイルアセンブリ上又はコイルアセンブリの近くに搭載され、コイルアセンブリから受信部36₁，36₂，．．．，36_nに至る伝送経路による何らかの雑音の影響を最小化する。

データ捕捉の際に、整合する値(整合値)は整合コントローラ34により変えられ、受信部36₁，36₂，．．．，36_nは前置増幅後の複数の信号を所定の因子(倍率)に従ってオーバーサンプリングする。上述したように、オーバーサンプリングに関し、最近の受信部は必要とされるものよりも早くデータをサンプリングすることが可能であるのが一般的である。整合コントローラ34が離散的な整合値を切り替える場合、所定の因子は典型的には離散的な整合値の個数に対応している。例えば、整合コントローラ34が4つの離散値を切り替える場合、所定の因子は4であり、サンプリングレートは通常使用するものの4倍である。あるいは、例えば連続的な整合値の場合、所定の因子は、試行錯誤方式により及び/又は取得されるデータ量を最大化するように選択されてもよい。

スキャナコントローラ38は任意の複数のMRシーケンスを生成するように勾配コントローラ20及び送信部24を制御し、例えば、エコー平面画像処理、エコー立体画像処理、傾斜及びスピンエコー画像処理、高速スピンエコー画像処理等を行う。整合コントローラ34からの同期信号は、捕捉ウィンドウにおいて開始するパルスシーケンスを調整するために使用される。選択されたシーケンスに関し、受信部36₁，36₂，．．．，36_nは、送信される各パルスに続いて受信チャネル各々について少なくとも1つのデータ系列又はデータラインを受信する。受信部36₁，36₂，．．．，36_nは、受信コイル28₁，28₂，．．．，28_nから受信した信号についてアナログディジタル変換を実行し、MRデータ系列各々を、後続の処理に相応しいディジタルフォーマットに変換する。B₁パルスを送信するために全身コイル26を用いる観点から説明されているが、受信コイル28₁，28₂，．．．，28_nは送信コイルとして使用することも可能であることが、認められるべきである。

受信チャネル各々についてのディジタルデータはデータバッファ40に保存(又は格納又は記憶)され、受信チャネル各々についてのディジタルデータは、フーリエ変換又は他の適切な再構築アルゴリズムを適用する再構築プロセッサ42により画像表現に再構築される。画像は、対象12を貫通する平面スライス、並列的な複数の平面スライスの配列、三次元領域等を表現してもよい。コイルの配列又はコイルアレイが並列的な画像処理モードで動作する場合、様々な受信チャネルからの画像は、例えば、センス(SENSE)、スマッシュ(SMASH)又はその他の並列画像処理方式を用いて再構築プロセッサ42により合成される。

一実施形態において、各々の受信チャネルは、複数の画像について、それぞれ異なる整合値でデータを出力する。4倍のオーバーサンプリングの例の場合、4つの整合値各々と共に4つの画像が生成される。そして画像表現は画像メモリ44に保存され、画像メモリ44は、例えば結果の画像を表示するディスプレイ46による表示の場合に、画像表現のスライス、投影又はその他の部分を適切なフォーマットに変換する際にアクセスされてもよい。画像表現は例えば医療記録データベース等のようなストレージに送信されてもよい。

図2に示すように、受信コイル28₁，28₂，．．．，28_nにより決定される配列の全てのモードに関するノイズ指数軽減のための方法50が示されている。本方法50は、インピーダンスを共有している配列又はアレイから複数の信号を受信する処理を含む(52)。受信した信号は、前置増幅器30₁，30₂，．．．，30_nを用いて前置増幅され、アレイは前置増幅器30₁，30₂，．．．，30_nに対してインピーダンス整合している(56)。インピーダンス整合は、データの捕捉中に変わる複数の様々な整合値に応じて実行される。前置増幅後の信号はデータの捕捉中に複数の様々な整合値でオーバーサンプリングされる(58)。サンプルから生成される複数の画像から、複合画像が選択的に生成される(60)。

4倍のオーバーサンプリングの例の場合、4つの整合値の各々と共に4つの画像が結果的に生成される。SNR、最高解像度、コントラスト等のような基準に基づいて最良の画像が、最終的な画像として選択されることが可能である。あるいは、複数の画像が様々な選択可能なウェイト(重み係数)と共に合成されてもよい。例えば、複数の画像が異なる物理領域で「最良」であった場合に、重み付け又はウェイトが局所的に調整されてもよい。別の例として、複数の画像が等しいウェイトで合成されてもよい。

別の例において、受信チャネル各々からのデータは、ノイズアナライザ又は雑音分析部48によりSNRの観点から分析される。各々の受信チャネルのうち最良のSNRの出力が再構築用にデータバッファ40に送信される。対象12に関する予備的なキャリブレーションスキャン(preliminary calibration scan)において、整合値はより大きな数値範囲内で変更されてもよい。最小のSNRの整合値が整合値のうちの1つとして選択され、その整合値の近辺で4倍オーバーサンプリングの例における他の3つの整合値が選択されてもよい。スキャンの際に、4つの出力信号がSNRに関して再び検査される。患者の動きや、検査領域内で患者を移動させること等は、受信コイル28₁，28₂，．．．，28_nのインピーダンス変化を招くおそれがある。画像処理の最中に、最良のSNRをもたらす整合値が変わると、4つの整合値は、新たな「最良の」整合値を含むように動的にシフトされることが可能である。

上記の説明に関し、整合値を変化させながら共鳴信号をオーバーサンプリングすることは、有利なことに、いくつもの異なるノイズ整合値と共に生成されたデータによる画像の再構築を可能にする。これは、画像処理の対象の全ての場所及び全てのモードについて最適な整合を近似する能力を向上させる。シミュレーションは、或るアレイ及び或る場所についてSNRが15％以上向上することを示唆している。更に、非独立アレイ要素(non-isolated elements)と共に、ほぼ最適な雑音指数が達成可能である場合、製造過程において最良のアイソレーションを保証する要求を緩和することができる。

本願で使用されているように、メモリは、一時的でないコンピュータで読み取ることが可能な媒体；磁気ディスク又はその他の磁気ストレージ媒体；光ディスク又はその他の光ストレージ媒体；ランダムアクセスメモリ(RAM)、リードオンリメモリ(ROM)、その他の電子メモリ装置若しくはチップ、又は動作可能に相互に接続されたチップ群；保存された命令がインターネット/イントラネット又はローカルエリアネットワークを介して取得されるインターネット/イントラネットサーバ；等のうちの1つ以上を含む。更に、本願で使用されているように、プロセッサは、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、グラフィック処理ユニット(GPU)、特定用途向け集積回路(ASIC)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)等のうちの1つ以上を含み；ユーザ入力装置は、マウス、キーボード、タッチスクリーンディスプレイ、1つ以上のボタン、1つ以上のスイッチ、1つ以上のトグル等のうちの1つ以上を含み；ディスプレイは、LCDディスプレイ、LEDディスプレイ、プラズマディスプレイ、プロジェクションディスプレイ、タッチスクリーンディスプレイ等のうちの1つ以上を含む。

以上、本発明は好ましい実施の形態を参照しながら説明されてきた。上記の詳細な説明を参照及び理解すれば、好ましい実施の形態に対して、修正や変形がなされてよいことが分かる。本発明はそのような修正例、変形例、代替例等の全てを添付の特許請求の範囲及び均等物の範囲内に包含するように意図されている。

Claims (12)

1. 磁気共鳴システムであって、
   共通のインピーダンスを有するコイルの配列と、
   前記コイルの配列からの複数の信号を受信する複数の前置増幅器と、
   前記コイルの配列と前記複数の前置増幅器とのインピーダンスを整合させる複数のマッチング回路と、
   前記複数の前置増幅器の信号を複数の異なる整合値でオーバーサンプリングする複数の受信部であって、前記複数の受信部の各々が、ＭＲ信号各々についてｎデータ系列を生成するために、関連するコイルからＭＲ信号各々をｎ倍オーバーサンプリングする複数の受信部と、
   前記ｎデータ系列各々がｎ個の整合値のうちの１つに対応するように、ｎ個の整合値を循環的に選択する整合コントローラと
   を有する磁気共鳴システム。
2. 前記コイルの配列が複数のＲＦ受信コイルを含む、請求項１に記載の磁気共鳴システム。
3. 前記整合値がインピーダンスに対応している、請求項１又は２に記載の磁気共鳴システム。
4. 前記ｎ倍オーバーサンプリングにより取得されたｎデータ系列は、受信コイル及び整合値の組み合わせ各々についての画像を形成する、請求項１−３の何れか１項に記載の磁気共鳴システム。
5. 前記受信コイルに対応する前記画像のうち、最良のＳＮＲの画像が受信コイル各々について選択される、請求項４に記載の磁気共鳴システム。
6. 前記ｎ倍オーバーサンプリングにより生成された複数の画像を、選択可能なウェイトとともに合成することにより、複合画像を生成する再構築プロセッサを更に含む請求項１−５の何れか１項に記載の磁気共鳴システム。
7. 磁気共鳴システムの作動方法であって、
   共通のインピーダンスを有するコイルの配列から複数の信号を受信するステップと、
   前記コイルの配列と、前記複数の信号を前置増幅する複数の前置増幅器との間のインピーダンスを設定し、前置増幅された前記複数の信号を複数の異なる整合値でオーバーサンプリングするステップであって、ＭＲ信号各々についてｎデータ系列を生成するために、ＭＲ信号各々について前置増幅された信号各々をｎ倍オーバーサンプリングし、前記ｎデータ系列各々がｎ個の整合値のうちの１つに対応するように、ｎ個の整合値を循環的に選択する、ステップと
   を有する方法。
8. 前記コイルの配列が複数のＲＦ受信コイルを含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記コイルの配列が、前記複数の異なる整合値に応じて、前記複数の前置増幅器のインピーダンスに整合している、請求項７又は８に記載の方法。
10. 前記ｎ倍オーバーサンプリングにより取得されたｎデータ系列は、受信コイル及び整合値の組み合わせ各々についての画像を形成する、請求項７−９の何れか１項に記載の方法。
11. 前記受信コイルに対応する前記画像のうち、最良のＳＮＲの画像をコイル各々について選択する、請求項１０に記載の方法。
12. 前記ｎ倍オーバーサンプリングにより生成された複数の画像を、選択可能なウェイトとともに合成することにより、複合画像を生成するステップを更に含む請求項７−１１の何れか１項に記載の方法。

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