JP6697261B2 - 磁気共鳴イメージング装置、拡散強調画像の生成方法及び画像処理装置 - Google Patents
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Description
図1は、第1の実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置1の全体構成を示すブロック図である。実施形態の磁気共鳴イメージング装置1は、磁石架台100、寝台200、制御キャビネット300、コンソール400等を備えて構成される。
b=γG2τ2(T−(τ/3)) (式1)
ここで、γは磁気回転比(magnetogyric ratio)、GはMPGパルスの傾斜磁場の大きさ、τはMPGパルスのパルス長、Tは最初のMPGパルスの前縁から後のMPGパルスの前縁までの間隔である。
S=S0*(1-exp[−TR/T1])*exp[−TE/T2]*exp[−b*ADC] (式2)
ここで、S0は定数、TRは繰り返し時間、TEは実効エコー時間、bは(式1)のb値である。また、T1、T2及びADCは、それぞれ、被検体の各組織の縦緩和時間T1、横緩和時間T2および見かけの拡散係数ADCを表わしている。
S1(TE2, b1)=S0*(1-exp[−TR/T1])*exp[−TE2/T2]*exp[−b1*ADC] (式3)
S2(TE2, b2)=S0*(1-exp[−TR/T1])*exp[−TE2/T2]*exp[−b2*ADC] (式4)
S3(TE1, b1)=S0*(1-exp[−TR/T1])*exp[−TE1/T2]*exp[−b1*ADC] (式5)
ここで、前述したように、TE1<TE2、b1<b2、であり、またTRは共通である。
S2(TE2, b2)/S1(TE2, b1)=exp[−(b2-b1)*ADC] (式6)
ADC=-ln[S2(TE2, b2)/ S1(TE2, b1)]/(b2-b1) (式7)
S1(TE2, b1)/S3(TE1, b1)=exp[−(TE2-TE1)/T2] (式8)
T2=-(TE2-TE1)/ln[S1(TE2, b1)/S3(TE1, b1)] (式9)
Sc(TEc, bc)=S3(TE1, b1)* exp[−(TEc-TE1)/T2]*exp[−(bc-b1)*ADC] (式10)
任意の実効エコー時間TEcは、第1乃至第3のパルスシーケンスで用いられる実効エコー時間TE(TE1及びTE2:TE1<TE2)のうち、最も短い実効エコー時間TE1と同じとなるように設定しても良いし(TEc=TE1)、或いは最も短い実効エコー時間TE1よりもさらに短くなるように設定しても良い(TEc<TE1)。
Sc(TEc, bc)=S3(TE1, b1)*exp[−(bc-b1)*ADC] (式11)
したがって、この場合、画素毎のT2の算出(即ち、T2マップの算出)が不要となり、計算時間が短縮される。
以下に、いくつかの第1の実施形態の変形例を説明する。
S(b1)/S(b2)=exp[-(b1-b2)*ADC] (式12)
S(b2)/S(b1)=f*exp[-(b2-b1)*ADC1]+(1-f)*exp[-(b2-b1)*ADC2] (式13)
S(b3)/S(b1)=f*exp[-(b3-b1)*ADC1]+(1-f)*exp[-(b3-b1)*ADC2] (式14)
3つのb値として、例えば、b1=0、b2=50〜300[s/mm2]、b3=1000[s/mm2]程度とする。
第2の実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置1は、繰り返し時間TRを変えた拡散強調画像をさらに加えて、4つ以上、例えば、第1乃至第4の4つのパルスシーケンスにより、第1乃至第4の4つの拡散強調画像を収集する。そして、この4つの拡散強調画像から、任意の繰り返し時間TRc、任意の実効エコー時間TEc、及び任意のb値(bc)に対応する拡散強調画像を計算で求める。
S1(TR2, TE2, b1)=S0*(1-exp[−TR2/T1])*exp[−TE2/T2]*exp[−b1*ADC] (式15)
S2(TR2, TE2, b2)=S0*(1-exp[−TR2/T1])*exp[−TE2/T2]*exp[−b2*ADC] (式16)
S3(TR2, TE1, b1)=S0*(1-exp[−TR2/T1])*exp[−TE1/T2]*exp[−b1*ADC] (式17)
S4(TR1, TE1, b1)=S0*(1-exp[−TR1/T1])*exp[−TE1/T2]*exp[−b1*ADC] (式18)
ここで、TR1<TR2、TE1<TE2、b1<b2、である。
S2(TR2, TE2, b2)/S1(TR2, TE2, b1)=exp[−(b2-b1)*ADC] (式19)
ADC=-ln[S2(TR2, TE2, b2)/ S1(TR2, TE2, b1)]/(b2-b1) (式20)
S1(TR2, TE2, b1)/S3(TR2, TE1, b1)=exp[−(TE2-TE1)/T2] (式21)
T2=-(TE2-TE1)/ln[S1(TR2, TE2, b1)/S3(TR2, TE1, b1)] (式22)
S4(TR1, TE1, b1)/S3(TR2, TE1, b1)=(1-exp[−TR1/T1])/(1-exp[−TR2/T1])
(式23)
(式23)から縦緩和時間T1を算出する。ただし、この場合、解析的には上記の方程式を解けないが、公知の非線形方程式の数値解法を用いれば、縦緩和時間T1を算出することができる。画素毎に算出された縦緩和時間T1を対応する画素位置に配列したものがT1マップである。画素毎の縦緩和時間T1の算出は、T1マップ生成部407が行う。
Sc(TRc, TEc, bc)=S4*((1-exp[−TRc/T1])/(1-exp[−TR1/T1]))*exp[−(TEc-TE1)/T2]*exp[−(bc-b1)*ADC] (式24)
(式24)によって画素毎の信号強度Sc(TRc, TEc, bc)を算出することにより、任意の繰り返し時間TRc、任意の実効エコー時間TEc、任意のb値bcに対応する計算拡散強調画像を生成することができる。
Sc(TRc, TEc, bc)=S4*exp[−(TEc-TE1)/T2]*exp[−(bc-b1)*ADC] (式25)
この場合、4点の測定(信号強度S1乃至S4)は必要であるが、縦緩和時間T1の算出は不要となる。
TRc=TR1、TEc=TE1の場合は、(式25)は、さらに(式26)のように簡略化される。
Sc(TRc, TEc, bc)=S4*exp[−(bc-b1)*ADC] (式26)
この場合、3点の測定(信号強度S1乃至S3)で十分であり、縦緩和時間T1に加えて、横緩和時間T2の算出も不要となる。
上述した第2の実施形態では、4点の信号強度から、即ち、S1(TR2, TE2, b1)、S2(TR2, TE2, b2)、S3(TR2,TE1, b1)、S4(TR1, TE1, b1)から、3つの組織パラメータ(縦緩和時間T1、横緩和時間T2、ADC)を求め、これら3つの組織パラメータを用いて、任意の3種類のシーケンスパラメータ(任意の繰り返し時間TRc、任意の実効エコー時間TEc、任意のb値(bc))に対応する拡散強調画像を計算で求めている。
Sc(TRc, TEc, b1)=S4*((1-exp[−TRc/T1])/(1-exp[−TR1/T1]))*exp[−(TEc-TE1)/T2]
(式27)
第1の実施形態は3点の測定から、2つのパラメータ種の任意の値(任意の実効エコー時間TEc、任意のbc)に対応する拡散強調画像を計算で求めている。また、第2の実施形態は4点の測定から、3つのパラメータ種の任意の値(任意の繰り返し時間TRc、任意の実効エコー時間TEc、任意のbc)に対応する拡散強調画像を計算で求めている。また、第2の実施形態の変形例では、3点の測定から、2つのパラメータ種の任意の値(任意の繰り返し時間TRc、任意の実効エコー時間TEc)に対応する拡散強調画像を計算で求めている。これに対して、第3の実施形態は、2点の測定から、1つのパラメータ種の任意の値(任意の実効エコー時間TEc)に対応する拡散強調画像を計算で求めるものである。
S1(TR2, TE2, b1)/S2(TR2, TE1, b1)=exp[−(TE2-TE1)/T2] (式28)
(式28)より、以下のように横緩和時間T2が算出される。
T2=-(TE2-TE1)/ln[S1(TR2, TE2, b1)/S2(TR2, TE1, b1)] (式29)
Sc(TR2, TEc, b1)=S2(TR2, TE1, b1)*exp[−(TEc-TE1)/T2] (式30)
第3の実施形態の変形例は、第1のパルスシーケンスと第2のパルスシーケンスとで、共通のb値(b1>0)と、共通の実効エコー時間(TE=TE2)を使用する一方、繰り返し時間TRは異なる値を使用するものである。具体的には、第1のパルスシーケンスの繰り返し時間をTR2とし、第2のパルスシーケンスの繰り返し時間をTR1(TR1<TR2)とする。そして、第1のパルスシーケンスの信号強度S1(TR2, TE2, b1)と、第2のパルスシーケンスの信号強度S2(TR1, TE2, b1)とから、縦緩和時間T1を求める。さらに、算出された縦緩和時間T1を用いて、以下の(式31)より、任意の繰り返し時間TRcと、所定のb値(b1)及び所定の実効エコー時間(TE2)に対応する信号強度Sc(TRc, TE2, b1)を算出することができる。なお本実施例におけるSE法での信号はすべて振幅信号とする。
Sc(TRc, TE2, b1)=S1(TR2, TE2, b1)*(1-exp[−TRc/T1])/(1-exp[−TR2/T1])
(式31)
上述した各実施形態では、主に、SE(Spin Echo)法をベースとした計算拡散強調画像の生成方法について説明してきた。これに対して、以下で説明する第4の実施形態では、反転回復法(Inversion Recovery:IR)用のパルス(以下、IRパルスと呼ぶ)によって縦磁化を反転させ、縦緩和によって縦磁化が戻る途中でSE法を使ってMR信号を収集する撮像法に対して、計算拡散強調画像の生成を適用するものである。以下では、IRパルスを伴わない撮像法を単にSE法と呼び、IRパルスを伴う上記の撮像法をIR法と呼ぶものとする。
S5cor=S5*(conj[S3]/|S3|) (式32)
ここで、S3、S5はいずれも複素信号であり、conj[ ]は、複素共役を取ることを意味している。S5corは、位相補正後のIM5の画素毎の信号(符号を有する実部信号像値)であり、以下の式(33)で表される。
S5cor=S0*(1-2*exp[−TI1/T1])*exp[−TE1/T2]*exp[−b1*ADC] (式33)
S5cor/|S3|=(1-2*exp[−TI1/T1])/(1-exp[−TR2/T1]) (式34)
(式34)もT1については解析的には解けないため、一般的には、Marcart法等の非線形方程式の数値解法を用いてT1を求める必要がある。但し、通常、TR2>5*T1であり、TR2はT1よりも十分に大きいとみなせる。この場合(式34)は、次の(式35)のように簡略化される。
S5cor/|S3|=(1-2*exp[−TI1/T1]) (式35)
(式35)から、T1(T1マップ)を次の(式36)によって近似的に求めることができる(図13のステップST302)。
T1=-TI1/ln[(1-S5cor/|S3|)/2] (式36)
SE法では、第3の拡散強調画像IM3の収集時において、T1の長いCSFがほぼ飽和した状態となるように、TR2を十分に長く設定する。一方、第4の拡散強調画像IM4の収集時において、灰白質や白質等の脳実質部のT1に近くなるようにTR1を設定することによって、脳実質部のCNRを大きくすることができる。
他方、IR法では、第5の拡散強調画像IM5の収集時において、IM3の収集時と同様にT1の長いCSFがほぼ飽和した状態となるように、TR2を十分に長く設定する。また、IR法では、第5の拡散強調画像IM5の収集時において、灰白質や白質等の脳実質部のT1に近くなるようにTI1を設定することによって、脳実質部のCNRを大きくすることができる。
Sc(TIc, TEc, bc)=S1*(1-2*exp[−TIc/T1])*exp[−(TEc-TE1)/T2]*exp[−(bc-b1)*ADC] (式37)
(式37)では、TR2がTIcに比べて十分に大きいと仮定している。
Sc(TI1, TEc, bc)=S5cor*exp[−(TEc-TE1)/T2]*exp[−(bc-b1)*ADC] (式38)
この場合、最低4点の測定は必要であるが、T1の算出は不要となる。
TIc=TI1、TEc=TE1の場合は、(式38)は、さらに(式39)のように簡略化される。
Sc(TI1, TE1, bc)=S5cor*exp[−(bc-b1)*ADC] (式39)
この場合、T1とT2の算出は不要となり、最低3点の測定で、Sc(TI1, TE1, bc)を計算で求めることができる。
また、FLAIR法において、b値以外はすべて同じで少なくとも2段階の異なるb値を用いて収集したFLAIR−DWI画像を用いて、収集時とは異なるb値の新たなcDWI画像を生成することができる。公知のcDWI技術では暗にSE法に限定しており、FLAIR法との組み合わせは想定されていないので、2点法のFLAIR-cDWIとして提案する。2点法のFLAIR−cDWIではTEは短くできないが、CSF信号はゼロ近くになるので、CSFなどによるT2 shine-through 効果の抑制のためにb値を大きくせざるを得ないSE-cDWIに比べてb値を小さくできる可能性が大きい。
図17は、第5の実施形態に係る画像処理装置600の構成例を示す図である。ここまで説明してきた第1乃至第4の実施形態は、磁気共鳴イメージング装置1の形態であり、各実施形態は、拡散強調画像を収集するための磁石架台100、寝台200、制御キャビネット300等の画像収集用の構成を備えている。
入力する夫々の拡散強調画像のデータは、画像自体の他、その画像を収集したときの撮像条件として、b値、TR、TE、TI等のパラメータ値を付帯情報として含んでいる。
上記の説明では、1つのパラメータのセットに対して1つのパルスシーケンスを設定して、1つの拡散強調画像を収集するものとしていた。例えば、図11の例では、ステップST200にて、1つ目のパラメータのセット(b=b1、TE=TE2、TR=TR2)に対して、第1のパルスシーケンスを実行して、第1の拡散強調画像IM1を収集している。その後、2つ目のパラメータのセット(b=b2、TE=TE2、TR=TR2)に対して、第2のパルスシーケンスを実行して、第2の拡散強調画像IM2を収集している。
しかしながら、このような収集方法に限定されない。例えば、1つのパルスシーケンスによって、複数のパラメータ値を変えながらデータを収集し、次に他のパルスシーケンスによって、同様に複数のパラメータ値を変えながらデータを収集する。そして、収集したデータから、各パラメータ値に対応する拡散強調画像を生成するようにしてもよい。
また、実施形態における繰り返し時間TR、実効エコー時間TE,b値、及び反転時間TIは、特許請求の範囲のパラメータの一例である。
40、640 処理回路
41、641 記憶回路
42、642 入力デバイス
43、643 ディスプレイ
400 コンソール
401 撮像条件設定機能
402 パラメータ記憶機能
403 拡散強調画像生成機能
404 拡散強調画像計算機能
405 ADCマップ生成機能
406 T2マップ生成機能
407 T1マップ生成機能
408 計算画像生成機能
500 収集機能
644 入力回路
Claims (16)
- 拡散強調撮像法のパルスシーケンスを規定するN種類(Nは2以上の自然数)のシーケンスパラメータに関して、前記シーケンスパラメータの値を異ならせた設定により被検体を撮像し、(N+1)以上の拡散強調画像を収集する収集部と、
異ならせて設定された前記シーケンスパラメータの値と、収集した前記(N+1)以上の拡散強調画像の信号値とを、前記シーケンスパラメータ及び被検体の組織パラメータから信号値を解析的に算出可能な演算式に適用することで、前記被検体の組織パラメータを算出すると共に、算出した前記組織パラメータの値と任意の値の前記シーケンスパラメータとを前記演算式に適用することで、前記シーケンスパラメータの任意の値に対応する計算拡散強調画像を生成する生成部と、
を備える磁気共鳴イメージング装置。 - 前記(N+1)以上の拡散強調画像間で値を異ならせて設定されるシーケンスパラメータは、拡散強調ファクターb値、実効エコー時間TE、及び繰り返し時間TRの少なくとも1つである、
請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置。 - IRパルスを伴う撮像法とIRパルスを伴わない撮像法とを用いることにより、又は、IRパルスを伴う撮像法において少なくとも反転時間TIの値を異ならせることにより、(N+1)(Nは1以上の自然数)以上の拡散強調画像を収集する収集部と、
前記(N+1)以上の拡散強調画像間で値を異ならせて設定されたパラメータの値と、収集した前記拡散強調画像の信号値との関係に基づいて、当該パラメータについて、任意の値の計算拡散強調画像を生成する生成部と、
を備える磁気共鳴イメージング装置。 - 前記(N+1)以上の拡散強調画像間で値を異ならせて設定されるパラメータは、拡散強調ファクターb値、実効エコー時間TE、及び反転時間TIの少なくとも1つである、
請求項3に記載の磁気共鳴イメージング装置。 - 前記生成部は、脳脊髄液の縦磁化が負から回復してゼロとなる点で励起パルスが印加されるように反転時間TIを設定して、前記計算拡散強調画像を生成する、
請求項3に記載の磁気共鳴イメージング装置。 - 前記生成部は、収集した前記拡散強調画像における実効エコー時間TEのうち、最も短い実効エコー時間TEと同じ、又は前記最も短い実効エコー時間TEよりも短い実効エコー時間TEに対応する前記計算拡散強調画像を生成する、
請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置。 - ディスプレイをさらに備え、
前記生成部は、前記シーケンスパラメータの値を連続的に変化させた複数の前記計算拡散強調画像を生成し、
前記ディスプレイは、前記複数の計算拡散強調画像を連続的に表示する、
請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置。 - 神経組織に対する前記計算拡散強調画像を生成する場合において、
前記収集部は、MPG(Motion Probing Gradient)パルスを、前記神経組織の走行方向に直交する方向に印加して前記(N+1)以上の拡散強調画像を収集する
請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置。 - 前記収集部は、少なくとも1つの拡散強調画像を、他の拡散強調画像とは異なるb値によって収集する条件の下で、3つ以上の拡散強調画像を収集し、
前記生成部は、前記3つ以上の拡散強調画像におけるb値及び実効エコー時間TEと信号強度との関係に基づき、任意のb値及び任意の実効エコー時間TEに対応する計算拡散強調画像を生成する、
請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置。 - 前記収集部は、少なくとも1つの拡散強調画像を、他の拡散強調画像とは異なる繰り返し時間TRによって収集する条件の下で、4つ以上の拡散強調画像を収集し、
前記生成部は、前記4つ以上の拡散強調画像におけるb値、実効エコー時間TE、及び繰り返し時間TRと信号強度との関係に基づき、任意のb値、任意の実効エコー時間TEに加えて、任意の繰り返し時間TRに対応する計算拡散強調画像を生成する、
請求項2に記載の磁気共鳴イメージング装置。 - 前記(N+1)以上の拡散強調画像は、
(a)励起パルスの印加後にMPG(Motion Probing Gradient)パルスを印加して拡散強調された横磁化を発生させ、その後、拡散強調された横磁化をリードアウトするEPI(echo planner imaging)型のシーケンス、又は
(b)励起パルスの印加後にMPG(Motion Probing Gradient)パルスを印加して拡散強調された横磁化を発生させ、その後、拡散強調された横磁化を一旦縦磁化に戻すことによって拡散強調された縦磁化を生成し、さらにその後、GRE(gradient echo)系シーケンス、またSSFP(steady-state free precision)系シーケンスを印加するシーケンス、
によって収集される、
請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置。 - 前記(N+1)以上の拡散強調画像のうち、少なくとも1つの拡散強調画像は、MPG(Motion Probing Gradient)パルスの印加を伴わない通常のパルスシーケンスで収集され、前記通常のパルスシーケンスは、SE(spin echo)系シーケンス、FSE(fast spin echo)系シーケンス、或いはGRE(gradient echo)系シーケンスを含む、
請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置。 - ディスプレイをさらに備え、
前記ディスプレイに、前記(N+1)以上の拡散強調画像を収集するためのシーケンスパラメータの推奨値を表示する、
請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置。 - 拡散強調撮像法のパルスシーケンスを規定するN種類(Nは2以上の自然数)のシーケンスパラメータに関して、前記シーケンスパラメータの値を異ならせた設定により収集された(N+1)以上の拡散強調画像を入力する入力回路と、
異ならせて設定された前記シーケンスパラメータの値と、収集した前記(N+1)以上の拡散強調画像の信号値とを、前記シーケンスパラメータ及び被検体の組織パラメータから信号値を解析的に算出可能な演算式に適用することで、前記被検体の組織パラメータを算出すると共に、算出した前記組織パラメータの値と任意の値の前記シーケンスパラメータとを前記演算式に適用することで、前記シーケンスパラメータの任意の値に対応する計算拡散強調画像を生成する生成部と、
を備える画像処理装置。 - ディスプレイをさらに備え、
前記ディスプレイに、前記計算拡散強調画像を生成するためのパラメータを、変更可能に表示する、
請求項14に記載の画像処理装置。 - 拡散強調撮像法のパルスシーケンスを規定するN種類(Nは2以上の自然数)のシーケンスパラメータに関して、前記シーケンスパラメータの値を異ならせた設定により、(N+1)以上の拡散強調画像を収集し、
異ならせて設定された前記シーケンスパラメータの値と、収集した前記(N+1)以上の拡散強調画像の信号値とを、前記シーケンスパラメータ及び被検体の組織パラメータから信号値を解析的に算出可能な演算式に適用することで、前記被検体の組織パラメータを算出すると共に、算出した前記組織パラメータの値と任意の値の前記シーケンスパラメータとを前記演算式に適用することで、前記シーケンスパラメータの任意の値に対応する計算拡散強調画像を生成する、
拡散強調画像の生成方法。
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JP2014264752 | 2014-12-26 | ||
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