JP6483691B2 - 磁気共鳴イメージングシステム及び方法 - Google Patents

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Description

本発明は、自由呼吸定常状態(free-breathing steady-state)磁気共鳴画像(magnetic resonance images：MRI)を取得する方法及び被検体のMR画像を生成する自由呼吸磁気共鳴(MR)イメージングシステムに関連し、そのシステムは、MRイメージングシステムの機能を制御する制御ユニットと、MRパルスシーケンスを規定するパラメータを受信することが可能なユーザインターフェースとを少なくとも有し、MRイメージングシステムは、被検体の生理学的活動を検出する検出ユニットとデータ処理ユニットとを更に有し、データ処理ユニットは、生理学的活動データの統計分析を実行することが可能であり、かつ、統計分析に基づいてMRパルスシーケンスのパラメータのうち少なくとも1つを適応的に合わせることが可能である。
この数十年の間に磁気共鳴イメージング(MRI)は特に医療診断の分野で非常に有意義なツールであることが立証されている。これは、対象の組織を破壊する又は傷つける必要無しに実際の2又は3次元構造及び機能情報を取得できる能力に起因して、人体のより適切な理解をもたらすこの技術の固有の特徴を考慮すれば特にそうである。例えば、より強い磁場強度又はより複雑なパルスシーケンスの実現により、技術的な部分が極めて進展したことにより、わずか数年前には不可能と思われていた時間的及び空間的な画像解像度が達成されている。にもかかわらず、達成可能な画像品質を制限するおそれがある画像アーチファクトについての現在の幾つかの要因も判明している。一方、画像アーチファクトは、機器の設定に起因するかもしれないし、メイン磁場の不均一性、傾斜の非線形性、タイミングエラー及びRF干渉を含むかもしれない。他方、制限される画像品質に対する幾つかの理由は、被検体の動きに直接的に帰属するかもしれない。特に、呼吸、心臓の脈動、血液及びCSFの流れ、蠕動運動、飲み込む動き、及び、被検体の自発的な動きなどが言及されるべきである。そのような被検体の動きは弊害をもたらし、その理由は、画像を生成するのに必要なMRIデータ取得の時間スケール(秒のオーダーである)は、動きが生じる時間スケールと大まかに同じ大きさ又はそれを越える時間範囲にわたる可能性があるからである。
そのような動きアーチファクトを克服する方法の1つは、画像データ取得において特定の境界条件を導入することである。例えば、呼吸運動は、停止した呼吸の持続中にデータ取得を行うことにより、計測されることが可能である。しかしながら、空間分解能、空間カバレッジ及び時間分解能に対する臨床の必要性は、通常、被検体又は患者の呼吸停止能力を超える総取得時間を課す。これは、MRイメージングを生理学的信号に同期させることにより、或いは、動きを止めることができる程度に十分速やかにMRデータを取得することにより、MRIにおける結果的な動きアーチファクトを削減しなければならない問題を引き起こす。
MRイメージングは、プロスペクティブゲーティング(prospective gating)又はレトロスペクティブゲーティング(retrospective gating)の何れかにより生理学的信号に同期されてもよい。プロスペクティブゲーティングでは、生理学的サイクルにおける特定の位相の検出がRF励起を開始し、所定の期間にわたるデータ取得を開始する。RF励起及びデータ取得は、特定の生理学的位相の次の出現の後に限って再開する。これに対して、レトロスペクティブゲーティングでは、RF励起及びデータ取得は、ユーザ指定の生理学的位相の間に取得されるデータとともに、一定のレートで反復される。生理学的サイクルにおける各々のデータ取得の記録されたタイミングは、総合的なデータ群を算出するために使用され、画像は一定の生理学的位相に対して補間される。
患者の動きを考慮する方法の1つはUS5251629Aに開示されている。核磁気共鳴を利用することにより、例えば呼吸とともに動く腹部領域のような、生理学的動きを有する物理的な部分を検査する方法及び装置が記述されている。画像処理されるべきスライスを表す平面上に存在する腹部領域の平面領域の状況は、残りの物理的な部分の表面の状況から区別される。この場合、検査される者は、腹部領域に異物を感じ、意識的及び無意識的に、呼吸に起因する腹部領域の動きを抑制し、これにより呼吸にともなう胸部の動きを抑制する。従って、検査される腹部領域は静かに保たれ、短期間に正確な検査が行われる。
更に、US2008/0154121A1は磁気共鳴イメージング方法を記述しており、その方法は、一連のトリガイベントを検出すること、及び、k空間の個々のセグメントから磁気共鳴信号の連続的なセグメントを取得することを含む。次のイベントの出現は、例えば、検出された一連のトリガイベントに基づく移動平均により予測される。磁気共鳴信号の少なくとも1つの個別的なセグメントの取得は、予想されるトリガイベントの出現に基づいてトリガされる。取得のトリガは、予想されるトリガイベントに基づいており、例えば、取得の時点及び期間はトリガイベントの予測に基づいて調整される。
US2011/0152669A1によれば、対象者の心筋灌流(myocardial perfusion)イメージングを実行する磁気共鳴イメージング装置が提供されている。この装置は、対象者からの生体信号に同期する対象者の心臓をイメージングすることにより、画像データを取得するイメージングユニットと、画像データに基づいて対象者の心臓に関する画像を生成する画像生成ユニットとを有し、イメージングユニットは、心臓のイメージングの前に対象者の身体運動を検出するためにプローブパルスを印加し、プローブパルスの印加前に空間非選択飽和パルスとローカル選択パルスとを印加し、プローブパルスが印加される領域に関して、空間非選択飽和パルスのフリップ角をフリップする。
US2008/0309333A1は、対象者からMRデータを取得する磁気共鳴システムを記述しており、MRシステムは、対象者の動きのうち、所定の又は動的に調整される制限を有する動き特徴を監視する監視モジュールと、動き特徴がその制限内に収まる場合に対象者からデータを取得するために、少なくとも1つのパルス波形を有するパルスシーケンスを印加するパルスシーケンサとを有し、パルスシーケンサは、動き特徴が制限を超える場合に、少なくとも1つのパルス波形の特徴を規制するように更に構成される。
US5051903においては、NMRイメージングにおける画像アーチファクトを削減する装置が記述されている。装置は、或る値が或る要素と所定の関係を示すように、一群の要素を実質的に周期関数の値に適合させる。その適合は、成長する値データベースのサンプルから、実質的に周期関数の値の相対確率を評価すること、及び、評価された相対確率を利用することで値を要素に割り当て、所定の関係に従って以後の値が残りの要素に割り当てられる確率を最小化することにより実行される。
以下の文献では、先行する心臓サイクルでR波の前に二重判定回復法(double inversion recovery)を開始することにより、収縮期末期位相においてブラックブラッド高速スピンエコーを取得することが記述されている：
「Fernandez B. et al:“Adaptive trigger delay using a predictive model applied to black blood fast spin echo cardiac imaging in systole”，Proceedings of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine, ISMRM, 17th Scientific Meeting and Exhibition, Honolulu，Hawaii，USA，18-24 April 2009，page 4719」
それにもかかわらず、MRIにおける動きに対処する上記の方法に加えて、特有の定常状態MRシーケンスでは、特殊な条件が充足される必要があり、その特殊な条件はシネ心臓MR(cine cardiac MR：CMR)の状況では非常に重要である。シネCMRの好ましいシーケンスの一例は、平衡定常状態自由歳差(balanced steady-state free precession： bSSFP)シーケンスであり、その優れた血液−対−筋肉のコントラスト及び本来的に高い信号雑音比(SNR)に起因して、(末期−拡張期の体積、末期−収縮期の体積、駆出率のような)全体的な及び(壁の運動、壁の厚みのような)局所的な心室の機能を評価するために幅広く使用されている。
従来のbSSFP取得は、データ取得がディセーブルされる期間中に、所定の一群のRF励起を適用する(ダミー励起)。これらのダミー励起は、定常状態に向かう磁化を招き、その後にデータ取得が始まる。いったん定常状態に達すると、RFパルスの周期的な印加における何らかの中断は、定常状態から離れる磁化を招き、RF励起の再開は過渡的な信号の振動を招く。これを防ぐため、いったん定常状態に達すると、画像形成に必要な全てのデータは、RFパルスの規則的な印加の如何なる中断も無しに、速やかに取得される。
bSSFPのような定常状態MRシーケンスにおいて呼吸停止条件の義務を軽減することが可能であり、かつ、自由呼吸の方法で生理学的信号に同期して不規則な間隔の割り込みとともにこれらのシーケンスを使用可能にする改善されたシステムに対する要請が存在する。
この場合において、定常状態の制約は、データ取得の要求時点から所定の呼吸フェーズまで、或いは、呼吸をがまんして呼吸を止める患者の能力を越える心臓サイクル数にわたって、周期的な割り込みストリーミングとともにデータ取得に関してかなりの負担を課している。定常状態の中断を避けるためのダミーRFパルスの一定の印加も、比吸収率(specific absorption rate：SAR)の制約を課すことになり、比較的長い取得には有意義な方法ではない。
従って、本発明の課題は、被検体のMR画像を生成する改善された磁気共鳴(MR)イメージングシステムを提供することである。
本発明によれば、この課題は、被検体のMR画像を生成する磁気共鳴(MR)イメージングシステムにより対処され、MRイメージングシステムは、
− 前記MRイメージングシステムの機能を制御する制御ユニットと、
− MRパルスシーケンスを決定するパラメータを受信することが可能なユーザインターフェースと、
− 前記被検体の生理学的活動を検出する検出ユニットと、
− 前記生理学的活動の統計的分析を実行することが可能であり、前記統計的分析に基づいて前記MRパルスシーケンスのパラメータのうちの少なくとも何れかを適応的に合わせることが可能なデータ処理ユニットであって、適応的に合わせることは、前記MRパルスシーケンスの一部であるRFダミー励起の持続期間及び/又は開始点(又は開始ポイント)を少なくとも調整することを含む、データ処理ユニットと、
を少なくとも有する。
検出ユニットのデータ処理ユニットとの本発明による組み合わせに起因して、統計的分析に基づいて、将来的なスキャンのためにMRパルスシーケンスを適合させることが可能である。生理学的サイクルの統計的分析は、例えば、被検体の動きが起こりそうにない期間内にデータ取得をトリガする入力を提供する。従って、検査対象者から呼吸を止めることを要求する必要はない。更に、遡及的なゲート動作(retrospective gating)の標準的な方法とは異なり、そのようなシステムは、リアルタイムでパルスシーケンスを能動的に適合させる条件を提供することが可能である。そのようなシステムは、被検体の生理学的活動を追跡できるだけでなく、その後にその情報を他のスキャンとの組み合わせに使用して画像を形成することも可能である。そのようなシステムは、同じシーケンスの更なるスキャンに対する取得パラメータに能動的に影響を及ぼすことが可能である。従って、被検体の生理学的活動に起因するアーチファクトの可能性は減り、より良いMR画像を取得する結果となる。
意外にも、発明システムは、従来の呼吸停止方式システムでは判定できない幾つものアプリケーションに対するソリューションを提供することが可能であることが見出された。発明システムは、例えば、鎮静状態の子供が呼吸停止を実行できない場合のような小児科のアプリケーションに使用されることが可能である。現在の呼吸停止方式のソリューションは、複数回の取得に対して平均化する必要があり、動きによる不鮮明化、スキャン期間の長期化、及び、SARの増加などの弊害を被ってしまう。従って、標準的な呼吸停止方式による画像は、一般に、小児科集団における小さな構造及び速やかな心拍に対する適切な場合と比較して、貧弱な空間的及び時間的な分解能とともに取得される。提案される磁気共鳴システムは、SNR、CNR、境界の決定、SAR、及び、対象者の自由呼吸中のスキャン持続期間などの観点から妥協せずに、アーチファクトの無い画像を供給することが可能である。そのような発見は、被検体が呼吸停止能力と妥協する弊害を被る全ての場合にも当てはまる。
更に、上記の自由呼吸システムは同じ空間分解能で6-12msecに及ぶほど高い時間分解能を許容できることが確認され、これは、ピーク駆出レート、ピーク充填レート、アクティブ充填レート、さらには等容性弛緩時間(iso-volumetric time)のような過渡現象の評価を可能にする。日常の臨床診療業務では、通常、時間分解能は、8-12R-Rインターバルで呼吸停止を維持するために、30-50msecに制限される。
更に、自由呼吸システムは、3Dシネイメージング(cine imaging)の場合に特に有用である。造影剤の投与を行う又は行わない3Dマルチフェーズ等積取得は、複数の方向冗長性における2D取得を、所望の方向におけるマルチプレーナ再構築を実行できるものにする能力を有する。従来の呼吸停止シネ取得は、3D取得に相応しい空間分解能を許容しない。更に、シングルショット3DはLV全体で血液信号を飽和させ、新たな血液信号を著しく減らす。パラレルイメージングに関連する提案される自由呼吸システムは、等積3Dシネ取得を許容することが可能である。全ての呼吸サイクルのうちの中断されるRF励起は、従来の3Dシネ取得と比較して、改善された鮮明な血液信号を保証する。3Dシネは小児科のケースで特に有用であり、その場合、長軸寸法が短く、先天的な要因を評価するためにマルチプレーナ再構築を要することは重要である。
発明システムは、近接する冠状動脈構造を取得するために使用可能である幾つもの利点を有する。このデータは、冠状動脈の動き及び関連する医学的な応力/歪を学ぶために有用である。シネフレームは、より高いSNRを達成するために休止期間中の複数フレームが統合されるレトロスペクティブ再構築を実行するために使用されることも可能である。
上記の利点に加えて、発明システムは2つの画像取得を許容する。例えば、異なるRFフェーズサイクル手法による2つの取得から、脂肪を抑制するためにbSSFPの不均一スペクトル応答を利用することが可能である[この点については、MRM 42：876-883，1999を参照]。これは、不整脈源性右室異形成心筋症のようなケースでの動きによる脂肪浸潤の評価に有用であるかもしれない。
本発明のMRイメージングシステムは、有利なことに、市場で入手可能な既存のMRシステムのイメージングハードウェアに基づくことが可能である。そのようなシステムは、磁石、RFコイル、受信機、スキャナコンソール、コンピュータ等のようなMRの標準的な要素を全て提供し、及び、本発明の要件に応じて追加的に備えられる又は修正されることが可能である。演算が必要とされる場合、有利なことに、ソフトウェアパッケージの修正により、標準的なMRシステムの標準的なコンピュータシステムが使用されることも可能である。
MRパルスシーケンスの中で、必要な全ての実験パラメータが規定される。このパラメータは、通常、対象とする組織の機能であり、最長スキャン時間(MST)、定常状態までの時間(TSS)、反復の時間(TR)、エコーの時間(TE)、フリップ角(FA)等を含んでよい。通常、パラメータは、分光計で実行される測定プログラムファイル(MPF)に保存される。
被検体の生理学的活動を検出するのに適切な検出ユニットは、当業者に既知の標準的な検出デバイスを含んでよい。そのようなユニットは、例えば、ECG、パルスメータ、呼吸トリガ及び/又はRFモニタを含んでよい。本発明における被検体は、例えば、人間又は動物であってもよい。
統計的分析を実行することが可能なデータ処理ユニットは、例えば、統計的なソフトウェアパッケージを含む標準的なコンピュータであってもよい。そのようなコンピュータは、標準的なMRシステムの既存の一部分であってもよいし、特殊な統計用パッケージによりアップグレードされてもよい。統計的分析は、平均、移動平均、ヒストグラム分析、最尤又は最大エントロピ推定などの計算を含んでもよく、或いは、所与のデータ群を、1つ以上の統計パラメータを含む所定の数学モデルに変換する他の任意の種類の統計的分析を含んでよい。パラメータは、1つの検出ユニットのデータポイントのみを含んでもよいし、或いは、画像の動きアーチファクトの潜在的な原因全てを含むように2つ以上の別個の検出ユニットのデータポイントを適切に含んでもよい。
本発明の好ましい実施形態によれば、システムは、磁場ユニット及び画像処理ユニットを更に有する。
本発明の他の側面はシステムを提供し、前記生理学的活動の統計的分析は、被検体の心臓サイクル及び/又は呼吸の周期を決定することを少なくとも含む。呼吸及び/又は心臓サイクルの周期性は、MRシーケンスを適切に適合させる重要なパラメータであることが確認されている。呼吸及び心臓サイクルは、自由呼吸検査中の被検体の主要な動きの原因である。従って、双方のサイクルの周期を判定すること、及び、それらの周期に基づいて将来のスキャンのシーケンスパラメータを適合させることは、被検体の動きがない又は僅かな動きしかないことが期待できる期間内でデータを取得するように適合させる有用なツールを提供する。従って、画像中の動きアーチファクトの可能性が削減される。
更に、あるシステムは本発明の範囲内にあり、その場合において、前記MRパルスシーケンスは、平衡定常状態自由歳差シーケンス(balanced steady state free precession sequence)である。特に、定常状態MRシーケンスの状況において、発明システムは、動きアーチファクトの可能性を減らすことが可能である。標準的なプロスペクティブゲーティングの手順では、MR信号は、呼吸信号にも関連して取得されるように見込んでゲーティングされてもよい。典型的には、動きを止めるための高速取得速度が使用され、k空間のセグメント化された横断とともに、グラジエントエコーの急速反復励起が使用され、動き及びRFフリップ角に対する影響を最小化し、定常状態に至るアプローチを促進する。プロスペクティブゲーティングの例の場合、MR信号取得プロセスは或るトリガにより中断され、トリガの規則性は、呼吸又は心拍のような生理学的プロセスにより支配される。磁化の定常状態を維持するためにRFパルスの周期的な中断されない印加が必要である急速反復励起グラジエントエコーMRシーケンスでは(定常状態シーケンスとして言及される)、これらの中断は、MR信号の推定される定常状態に戻る大幅な過渡的な振動するアプローチを招く結果となる。生理学的な同期制約におけるそのような中断は、発明システムにより対処され、これは、MRシーケンスに対する定常状態の要件が充足されなければならない場合に特に有用である。
更に、本発明の範囲内において或るシステムが開示され、その場合において、前記データ処理ユニットは、データ取得の開始及び/又はRF励起を適合させることが可能である。そのような適合化は、例えば、データ処理ユニットが、測定プログラムファイル(MPF)を変更することにより、或いは、プログラム定義ファイル(PDF)を修正することにより実行されてもよい。システムは、生理学的活動が無い又はその僅かな影響しかない状態でデータ取得が実行可能なほぼすべての適切な時点を判定することができる。従って、データ取得に最適な時間を予測することが可能であり、定常状態検査では、RF励起が適合させられる必要がある。励起及び取得という双方のステップを適合させるだけで、アーチファクトの無い画像の生成を保証できる。
追加的な発明の側面は或るシステムを提供し、その場合において、前記データ処理ユニットは、k空間サンプリングに合わせることが可能である。データ処理ユニットにより提供される統計的分析及び被検体の生理学的活動に基づいて、スキャンを効率的に最大化するようにk空間セグメントの数を適応的に調節する(合わせる)ことが可能である。既知の周期性に起因して、現在の生理学的サイクルの間のデータ取得に利用可能な残り時間を完全に埋めることが可能である。更に、k空間のうちの情報が豊富な中心部分にある間に、動く可能性を最小化する仕方でk空間サンプリングを調整することが可能である。これは、例えば、予想される休止期間の間にk空間の中心領域からデータを取得し、(例えば、予想される周期的イベントに隣接する)他の場合にk空間の周辺領域のデータを取得する計画予定により達成される。従って、スキャン及び画像アーチファクトはそのようなシステムにより削減されることが可能である。
更に、発明システムは、リアルタイムの適応的な不整脈除外基準に対して、MRデータの正当性を確認することが可能な有効化ユニットを有してもよい。有効化ユニットは、スキャンデータ及び生理学的活動サイクルを相関させる(又は関連付ける)ことが可能である。これは、発明システムにおいて生理学的サイクル持続時間のリアルタイムトラッキングにより可能になる。従って、サイクルの読み込みは、データ取得の間の何らかの(予測されていない)動きを検出するために使用されることが可能である。その結果、スキャンデータは、データ取得の間に何らの生理学的活動も検出されなかった場合に画像再構築のために使用されてもよいし、或いは、不整脈が生じた場合に再取得されてもよい。従って、有効化手順により、画像アーチファクトは更に削減される。
適応的な定常状態自由呼吸MRイメージング方法を開示することも本発明の範囲内にあり、本方法は：
a) 定常状態MRシーケンスの少なくとも1つの取得パラメータを定義するためのユーザ入力のステップと、
b) 被験者の生理学的活動を監視するステップと、
c) ステップb)で監視されたデータの統計的分析のステップと、
d) ステップc)の前記統計的分析に従って、ステップa)の前記のMRシーケンスの少なくとも1つの取得パラメータの調整のステップであって、RFダミー励起の持続期間及び/又は開始点の調整を少なくとも含む、ステップと、
e) ステップd)で決定されるパラメータに従って前記被験者のMRスキャンを取得するステップと、
f) k空間全体が取得されるまで、ステップb)ないしe)を反復するステップと、
を有する方法である。
そのような方法は、例えば、心臓及び呼吸ゲーティングの状況におけるマルチフェーズ及びシングルフェーズの取得双方について、呼吸停止定常状態MR法の従来の限界を克服するプロスペクティブな適応的なリアルタイムの方法を提供する。従って、そのような方法は、鎮静状態の及び非協力的な子供や大人のような、かなり劣った呼吸停止能力を有する及び/又は不整脈を抑制する被検体を含む場合に非常に適している。特に、そのような方法は、上述したような定常状態自由歳差(bSSFP)シーケンスのような定常状態検査に非常に適している。提案される方法は、bSSEPのようなシーケンスの中断されない周期的な励起についての定常状態制約の負担を大幅に軽減し、これらのシーケンスが、生理学的信号と同期する不規則な間隔の中断とともに使用されることを許容する。従って、動き及び定常状態へのアプローチを最小化するために、例えば、リアルタイムで不整脈除外基準及びk空間横断のシームレスな適用の能力を提供することにより、提案される方法は、SSFPのような単独の又は複数の中断される定常状態シーケンスを規定する際に、ユーザのワークフローを追加的に改善する。なお、市販のレトロスペクティブ心臓ゲーティング再構築アルゴリズムは、シネ画像を再構築するために、可変R-Rインターバルに必要な非線形伸縮を実行してもよい。
MRシーケンスの定義のためのユーザ入力は、例えば、(ExamCardのような)ユーザインターフェースを利用して必要なパラメータを入力することにより、従来技術で知られているように実行されてもよく、そのユーザインターフェースは、特に、データ取得を完了するまでの最大スキャン時間(MST)を指定することを、ユーザに許容する。方法全体は、スキャナコンソールにおけるプロトコル定義ファイル(PDF)の有効化フェーズで開始されてもよい。記述されたプロトコルが生理学的な同期及び定常状態MRシーケンスを利用する場合、PDFは、スキャナ磁場に対して記述されたシーケンスの反復の時間(TR)、エコーの時間(TE)及びフリップ角(FA)を利用して、定常状態までの所要時間(TSS)を算出する。PDFは、TSSのための所望のスライス厚みをユーザインターフェースから取得する、或いは、データ取得について記述される生理学的フェーズのルックアップテーブルを利用することが可能である。標準的な測定パラメータとともに、PDFは、TSS、TSS_slice_thickness及び MSTを、スペクトロメータで実行する測定プログラムファイル(MPF)に渡す。
発明方法の好ましい形態では、ステップc)における前記統計的分析は、前記生理学的活動の周期の判定を少なくとも含む。被検体の生理学的変化の出現を予測するには、その出現だけでなく、信号の周期も判定することが非常に好ましい。これは、生理学的サイクルのうちの2つのトリガの間の時間差を単に算出することにより、或いは、多数のトリガイベントの移動平均又はヒストグラム分析のような更に複雑な方法により達成されてもよい。そのような更なる改善方法は、通常、更に優れた予測を可能にする点、及び、それらは多数のデータポイントに基づく点などの観点から好ましい。更に、そのような優れた統計的方法は、トリガイベント同士の間の非線形な間隔を含むことも可能である。適切な生理学的トリガは、心拍、呼吸/呼気及び/又は血流などであってもよい。
本発明によれば、ステップd)において少なくとも開始点及び/又はRFダミー励起の期間が調整される。定常状態のMRシーケンスに関し、所定の一群のRF励起が通常使用され、その間、データ取得はディセーブルされる(ダミー励起)。これらのダミー励起は定常状態に向かう磁場を招き、その後、データ取得が始まる。従って、被検体の生理学的活動に関し、データ取得に加えて、ダミー励起の期間及び/又は開始点も調整することが有用である。これは、中断が生じた後の異なるスキャンについて同じ定常状態を維持することを促す。従って、全てのスキャンに対して同じデータ品質が達成可能である。
本発明の好ましい特徴に関し或る方法が開示され、ステップd)において少なくともk空間セグメントの数が調整される。有利なことに、対象の生理学的サイクルの統計的分析に基づいて、統計的分析の機能として、k空間セグメントの個数及び位置を調整することも可能である。k空間の中心セグメントは、有利なことに、生理学的サイクルのうち将来的に予想される静かな期間で占められ、k空間のうち中心部分以外は、被検体の動きが生じている生理学的イベント付近で取得されるデータで占められる。同様な対応策は、ショット毎にkラインの数を調整することにより使用されてもよい。従って、より良い画像品質が達成されることが可能である。データ取得イベントと選択されたk空間セグメントとの間の相関についてのそのような将来的な推定は、k空間サンプリング法と言及されてよい。
本発明の好ましい特徴は或る方法を開示し、その場合において、ステップd)における前記取得パラメータの調整は、RFモニタの入力に更に基づく。周期的な生理学的トリガイベントの判定に加えて、RFモニタを利用することにより被検体を追加的に監視することも有用である。従って、被検体の非周期的な動きを追加的に監視することが可能である。そのような監視データは、統計的分析の基礎をなし、或いは、例えば有効化ルーチンの際に追加的に使用されることが可能である。この有効化ルーチンの中で、スキャンが実行されることが可能であり、被検体の大きな非周期的な動きが生じてもよい。従って、より良いアーチファクトの無い画像が取得されることが可能である。
本発明の別の実施形態では、取得の判定のために呼気フェーズ及び心臓Rトップ(cardiac R-top)の予測を利用することが可能である。例えば、マルチフェーズ方式におけるk空間内での位相エンコードステップのセグメントの追加のために、同期ポイントとして最初の心臓Rトップを利用することが可能である。これは、定常状態の後に達成され、呼気フェーズが始まる。直後のn番目の(リアルタイムで計算される)Rトップの到着により、RF励起が終了する。市販のリアルタイム不整脈除外アルゴリズムは、心拍の各々においてデータを受容又は拒否する。拒否の場合、同じフェーズのエンコードセグメントは、再取得される。
本発明による追加的な実施形態は方法を含み、その場合の追加的なステップにおいて、ステップe)のMRスキャンは不整脈除外基準に対して有効性を確認する。一般に、生理学的信号を追跡し、生理学的な活動を検出するために既存のメカニズム及びアルゴリズムを利用することが可能である。一例として、データ取得が呼吸信号の吸気ポイントでなされるべき場合、リアルタイム不整脈除外アルゴリズムは、データ取得の間に吸気フェーズが生じたか否かを検査する。取得されたスキャンデータは、追跡された信号の実際の成果に応じてラベル付けされることが可能である。例えば、k空間の中での場所、心臓サイクルの中での場所、吸気の範囲などに基づいて、「受け入れられる」、「除外される」又は「限界付近(marginal)」スキャンのラベルを付すことが可能である。これは、標準的な有効性の程度(scale)の改善を含む。更に、取得されたデータをラベル付けして再構築アルゴリズムに通知する既存のメカニズムは、「有効」及び「無効」のラベルに加えて「限界付近」ラベルを許容するように改善されることが可能である。取得の前にk空間の情報に富んだ中心部を横切ることは、MSTに達する前に、限界付近データのみが残されることを保証する。
更なる好適実施形態では、自由呼吸MRパルスシーケンスは、呼吸トリガ心臓ゲート制御シネbSSFPシーケンスである。この場合、発明方法は、有利なことに、アーチファクトのない画像を取得するために使用されることが可能である。本方法において、ユーザは、不整脈の除外、レトロスペクティブな心臓ゲーティング、及び、呼気フェーズ毎の捕捉に使用されるべき心拍数とともに、吸気又は呼気をトリガするようにスキャンを規定することが可能である。吸気トリガは以下のようにして呼吸から取得されることが可能であり、呼気トリガの場合には以下又はRFナビゲータから取得可能である。RFナビゲータが使用される場合、RFナビゲータは、トラックモードにおいて、呼吸サイクルで動き補償を許容する。
発明方法の他の特徴は以下のステップを含んでもよい：
A．患者の生理学的サイクルのタイプ各々の周期性のヒストグラムを、将来を見越して算出し、MR検査の間に生理学的フェーズ期間のリレーショナルテーブルを適応的に更新すること。
B．パルスシーケンスの信号挙動、対象組織の緩和時間、及び、TR/TE/フリップ角のようなオペレータ指定シーケンスパラメータを考慮に入れることにより、規定された定常状態MRシーケンス(例えば、bSSFP)の定常状態を達成するのに必要なダミーRF励起の持続時間を算出すること。
C．患者固有の生理学的な又はその他の制約に基づいて、取得パラメータを適応的に調整すること。例えば、取得のための最長許容時間に関するユーザ入力に基づいて、ゲーティングのタイプ及びゲーティングに望まれる生理学的フェーズ(例えば、終端-吸気のレトロスペクティブな心臓ゲーティング、及び、(ステップBから)定常状態に達するのに必要な時間)は、定常状態の準備に利用可能な最適な時間ウィンドウ、定常状態の準備のスライスの厚み及び/又はスライスのプロファイル、RFナビゲータの適用、及び、ステップAによるテーブルを利用するデータ取得に利用可能な時間ウィンドウを決定する。
D．ステップAないしCの情報を利用して、本方法は、リアルタイムにデータ取得を将来を見越して適合させ、以下の動作を行う：
1. ステップCにおいて実現可能であるならば、生理学的な動きの範囲を評価するためにRFナビゲータを取得すること。
2. ステップCで決定された定常状態準備のための所定の生理学的フェーズにおいて、所定のスライス厚み又はプロファイルのダミーRF励起を開始すること。RFナビゲータが先行する場合、定常状態の準備フェーズのスライス位置は、動きに対して補償しかつスピン効果をフレッシュするように将来を見越して合わせられる。
3．ステップBで予め決定された最小時間期間にわたるダミーRF励起の適用の後に、ステップCにおけるデータ取得のために所定の生理学的フェーズにおいてデータ取得を開始すること。
4．現在の生理学的サイクルに関するデータ取得に利用可能な残り時間を完全に埋めるためにスキャン効率を最大化するようにk空間セグメントの個数を適応的に調整すること。
5．k空間サンプリング法をデザインするためにステップAで取得した生理学的情報を利用すること。これは、k空間のうち情報に富んだ中央部分の間に動く可能性を最小化し、例えば、予想される休止期間の間にはk空間の中心領域から及びそれ以外ではk空間の周辺領域から、データを取得するように将来を見越して計画される。
6．所定の生理学的フェーズにおいてデータを取得すること。RFナビゲータが取得される場合、取得のための励起は、動きを補償するように調整される。
7．データ取得が終了した場合に、取得中の生理学的なフェーズ及びk空間内の相対的な位置に基づいて、リアルタイムの適応的な不整脈除外基準に対してデータの有効性を確認すること。取得された全てのデータは、アルゴリズムに対してユーザが指定した条件の程度に基づいて、例えば、「優良」、「許容可」、「限界付近」又は「許容不可(及び再取得)」等のようなラベルとともに、データベースに保存される。
8．ステップD(7)の結果(すなわち、部分的又は全部のデータを受け入れる又は再取得すること)に基づいて、次のフェーズエンコーディングステップを決定すること。
E．k空間全体が取得されるまでステップDを反復すること。取得のための所定の最大指定時間が経過した場合にはシーケンスを止める、或いは、時間が未だ利用可能である場合には、限界付近のラベルが付されたデータを取得し直し、画像品質を更に向上させる。
コンピュータプログラムプロダクトを提供することも本発明の範囲内にあり、コンピュータプログラムプロダクトは、本発明による方法ステップを実行するためのコンピュータ実行可能な命令を含む。そのようなコンピュータプログラムプロダクトは、市販のMRマシンの標準的なハードウェアを利用して本方法を実現するために使用されてよい。
本発明の更なる実施形態では、コンピュータプログラムプロダクトは、更新プログラムプロダクトである。本発明において意味する更新プロダクトは或るコンピュータプログラムプロダクトであり、そのコンピュータプログラムプロダクトは、MR手段を動作させ及び制御するための完全な実行可能ソフトウェアコードを提供しないが、既存のコードのフレームワークにおいて、更なる特徴を実現することが可能である。これは、例えば、統計的パッケージ、或いは、既存の不整脈除外ルーチンについての修正であってもよい。
上記のシステムの更なる利点及び特徴とともに、本発明の開示は明示的に説明される。更に、発明方法の形態及び特徴は、発明システムに対しても適用可能でありかつ開示されており、その逆も成り立つ。更に、特許背球の範囲及び/又は明細書に開示される少なくとも2つの特徴の全ての組み合わせは、明示的に言及しない限り、本発明の範囲内に属する。
本発明は以下の記述及び図面において詳細に説明及び記述されているが、そのような記述及び図面は例示的であって限定的ではないように解釈されるべきである。開示される実施形態の他の変形例は、明細書、図面及び特許請求の範囲を学ぶことにより、請求項に係る発明を実施する当業者によって理解及び使用されることが可能である。特許請求の範囲において、「有する」という言葉は他の要素又はステップを排除しておらず、「或る」又は「ある」という不定冠詞的な言葉は複数個存在することを排除していない。ある複数の事項が相互に異なる従属請求項で引用されているという事実は、それだけでは、それらの事項の組み合わせが有利に使用できないことを示してはいない。
本発明の上記及び他の側面は、以下に記述される実施形態から明確になり、それらに関して説明される。そのような実施形態は、必ずしも本発明の完全な範囲を表現してはおらず、本発明の範囲を解釈するには特許請求の範囲が参照される。
本発明による磁気共鳴イメージングシステムの一部分の概略図を示す。 本発明の実施形態の一部分の概略図を示す。 k空間サンプリング法に適応的に合わせられる実施形態の一部分の概略図である。
図1は、被検体20の一部分の磁気共鳴画像を取得するための本発明による自由呼吸磁気共鳴(MR)イメージングシステム10の実施形態の一部分の概略図を示す。特に、磁気共鳴イメージングシステム10は、自由呼吸中の検査により磁気共鳴画像を取得するように構成される。磁気共鳴イメージングシステム10は、定常的な磁場を生成するように提供されるメイン磁石14を有する磁気共鳴スキャナ12を有する。メイン磁石14は、被検体20の中心軸の周りに検査空間16を提供する中央ボアを有し、被検体20は、例えば、検査空間内に配置される有志の協力者である。説明の簡明化のため、被検体20を支持する通常のテーブルは図1では図示されていない。実質的に定常的な磁場は、中心軸18に平行な、検査空間16の軸方向を規定する。更に、磁気共鳴イメージングシステム10は、定常的な磁場に重ね合わせられる傾斜磁場を生成するために提供される磁気グラジエントコイルシステム22を含む。磁気グラジエントコイルシステム22は、当該技術分野で知られているように、メイン磁石14のボアの中で同心状に配置される。
更に、磁気共鳴イメージングシステム10は、全身コイルとして設計される無線周波数コイル24を有し、無線周波数アンテナ24は、無線周波数送信フェーズの間に検査空間16に無線周波数磁場を印加して被検体20の核を励起するために設けられる。無線周波数アンテナ24は、無線周波数受信フェーズの間に励起核から磁気共鳴信号を受信するためにも設けられている。磁気共鳴イメージングシステム10の動作状態における無線周波数送信フェーズ及び無線周波数受信フェーズは、連続的な形式で生じる。無線周波数アンテナ24は、中心軸を有し、動作状態では、メイン磁石14のボアの中で同心状に配置され、無線周波数アンテナ24の中心軸と磁気共鳴イメージングシステム10の中心軸18とが一致するようにする。当該技術分野で知られているように、円筒状の金属の無線周波数スクリーン26が、磁気グラジエントコイルシステム22と無線周波数アンテナ24との間に同心状に配置される。信号及び磁場の生成及び/又は検出を行う上記の全てのハードウェア部分は、磁場ユニットの一部分であってもよいことが、理解される。
自由呼吸磁気共鳴イメージングシステム10は、磁気共鳴スキャナ12の機能を制御するために提供される制御ユニット28を更に含む。更に、磁気共鳴イメージングシステム10は、制御ユニット28に接続されかつそれにより制御される無線周波数送信ユニット30を有する。無線周波数送信ユニット30は、無線周波数送信フェーズの間に、無線周波数スイッチングユニット32により、磁気共鳴無線周波数の無線周波数パワーを無線周波数アンテナ24に与えるように提供される。無線周波数受信フェーズの間、無線周波数スイッチングユニット32は、磁気共鳴信号を、無線周波数アンテナ24から、制御ユニット28内にある画像処理ユニット34へ方向付ける。画像処理ユニット34は、取得した磁気共鳴信号を処理し、取得した磁気共鳴信号から、被検体20の一部分の磁気共鳴画像を判定するように構成される。この種の多種多様な技術が当業者に既知であり、従ってここでの更なる説明は必要ない。
例えば対象の被検体の心臓についての磁気共鳴画像を取得するために、磁気共鳴イメージングシステム10は、被検体の生理学的活動を検出することが可能な検出ユニット36(例えば、心電図装置)と、生理学的活動データの統計的分析を実行することが可能なデータ処理ユニット40とを更に備えてもよい。データ処理ユニット40は、MR機器の標準的なコンピュータシステムのハードウェア部分であってもよい。
検出ユニット36は、複数の電極38を介して、被検体20の心臓の心電図データの測定値を取得するように提供される。
検出ユニット36はデータ処理ユニット40に結合され、データ処理ユニット40は、生理学的活動データの統計的分析を実行することが可能であり、かつ、統計的分析に基づいてMRパルスシーケンスのパラメータのうちの少なくとも1つを適応的に合わせることが可能であるように構成される。
次の及び以後の取得期間のパラメータは、検出ユニット36により測定される生理学的活動データの統計的分析に基づいて、データ処理ユニット40により決定される。データ処理ユニット40は、統計的分析に基づいて、MRパルスシーケンスのパラメータのうちの少なくとも1つを適応的に合わせることが可能である。合わせられたパラメータ60は、制御ユニット28に送られる。この目的のため、データ処理ユニット40は、メモリ42、処理ユニット44、及び、ソフトウェアモジュール46を備え、適応的な定常状態自由呼吸MRイメージング方法のステップはプログラムコードに変換され、プログラムコードは、データ処理ユニット40のメモリユニット42に実装され、かつ、データ処理ユニット40のプロセッサユニット44により実行可能である。更に、データ処理ユニットは、標準的なMRコンピュータシステムのハードウェア部分の中に完全に実装されてもよい。
図2は、本発明の適応的な定常状態自由呼吸MRイメージング方法100のステップの概略を示す。ステップ110において、ユーザは、定常状態MRシーケンスの1つ以上の取得パラメータを規定してよい。これらのパラメータは、パラメータテーブル150に保存される。第2ステップ120において、被検体の生理学的活動が時間経過とともに監視される。適切な監視パラメータは、呼吸又は心臓鼓動であってもよい。取得されたパラメータに従って、ステップ120で監視される生理学的活動データに基づいて、ステップ130において統計的分析が実行される。ここで、特に、生理学的サイクルの周期性が判定されてもよい。ステップ130の統計的分析に従って、パラメータテーブル150に保存される取得パラメータは、例えば、RF励起開始時間及び/又はk空間サンプリング法を適合させることにより、調整される。ステップ120、130、150、140は、全体的なk空間が取得されるまで反復されてよい。
図3は、k空間サンプリング法の適応結果を概略的に示す。k空間サンプリングは、被検体の動きが予想されない期間全体の中で、k空間の中心部分がサンプリングされる仕方で将来を見越して適合される。対象者の予想される動きの近辺でサンプリングされたデータは、省略される、或いは、k空間の非中心部分を埋め合わせるために使用されてもよい。
10 磁気共鳴イメージングシステム
12 磁気共鳴スキャナ
14 メイン磁石
16 検査空間
18 中心軸
20 検査対象
22 磁気グラジエントコイルシステム
24 無線周波数アンテナ
26 無線周波数スクリーン
28 制御ユニット
30 無線周波数送信ユニット
32 無線周波数スイッチングユニット
34 画像処理ユニット
36 検出ユニット
38 電極
40 データ処理ユニット
42 メモリユニット
44 プロセッサユニット
46 ソフトウェアモジュール
60 適応的に適合させられたデータ
100 方法
110 ユーザ入力
120 モニタリング
130 統計分析及び適合化
140 取得
150 MRパルスシーケンスを決定するパラメータ

Claims (14)

  1. 被検体のMR画像を生成する磁気共鳴(MR)イメージングシステムであって、
    前記MRイメージングシステムの機能を制御する制御ユニットと、
    MRパルスシーケンスを決定するパラメータを受信することが可能なユーザインターフェースと、
    前記被検体の生理学的活動を検出する検出ユニットと、
    前記生理学的活動のデータの統計的分析を実行することが可能であり、前記統計的分析に基づいて前記MRパルスシーケンスのパラメータのうちの少なくとも何れかを適応的に合わせることが可能なデータ処理ユニットであって、適応的に合わせることは、前記MRパルスシーケンスの一部であるRFダミー励起の持続期間及び/又は開始点を少なくとも調整することを含む、データ処理ユニットと、
    を少なくとも有するMRイメージングシステム。
  2. 磁場ユニット及び画像処理ユニットを更に有する請求項1に記載のMRイメージングシステム。
  3. 前記生理学的活動のデータの統計的分析は、被検体の心臓サイクル及び/又は呼吸の周期を決定することを少なくとも含む、請求項1又は2に記載のMRイメージングシステム。
  4. 前記MRパルスシーケンスは、平衡定常状態自由歳差シーケンスである、請求項1ないし3のうち何れか1項に記載のMRイメージングシステム。
  5. 前記データ処理ユニットは、データ取得の開始及び/又はRF励起を調整することが可能である、請求項1ないし4のうちの何れか1項に記載のMRイメージングシステム。
  6. 前記データ処理ユニットは、k空間サンプリングの仕方を調整することが可能である、請求項1ないし5のうちの何れか1項に記載のMRイメージングシステム。
  7. リアルタイムの適応的な不整脈除外基準に対して、MRデータの正当性を確認することが可能な有効化ユニットを更に有する請求項1ないし6のうちの何れか1項に記載のMRイメージングシステム。
  8. 適応的な定常状態自由呼吸MRイメージング方法であって、
    a) 定常状態MRシーケンスの少なくとも1つの取得パラメータを定義するためのユーザ入力のステップと、
    b) 被検体の生理学的活動を監視するステップと、
    c) ステップb)で監視されたデータの統計的分析のステップと、
    d) ステップc)の前記統計的分析に従って、ステップa)の前記定常状態MRシーケンスの少なくとも1つの取得パラメータの調整のステップであって、RFダミー励起の持続期間及び/又は開始点の調整を少なくとも含む、ステップと、
    e) ステップd)で決定されるパラメータに従って前記被検体のMRスキャンを取得するステップと、
    f) k空間全体が取得されるまで、ステップb)ないしe)を反復するステップと、
    を有する方法。
  9. ステップc)における前記統計的分析は、前記生理学的活動の周期の判定を少なくとも含む、請求項8に記載の方法。
  10. ステップd)において少なくともk空間セグメントの数が調整される、請求項8又は9に記載の方法。
  11. ステップd)における前記取得パラメータの調整は、RFモニタの入力に基づく、請求項8ないし10のうち何れか1項に記載の方法。
  12. 追加的なステップにおいて、ステップe)の前記MRスキャンが、不整脈除外基準に対して正当性を確認する、請求項8ないし11のうち何れか1項に記載の方法。
  13. 請求項8ないし12のうち何れか1項に記載の方法をコンピュータに実行させるコンピュータプログラム。
  14. 請求項13に記載のコンピュータプログラムを記憶する記憶媒体。
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