JP6730995B2 - 環境内に動きがある物体のmr画像を生成する方法及びシステム - Google Patents

環境内に動きがある物体のmr画像を生成する方法及びシステム Download PDF

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Description

本発明は、一定の期間内に複数の動作フェーズ(運動フェーズ)を含む動きを実行する物体のMR画像(MR:磁気共鳴)を生成する分野に関する。本発明は更に、一定の期間内に複数の動作フェーズからなる動きを実行する物体のMR画像を生成する対応するMRIシステムに関する。
心臓MRI(CMRI)の適用可能性を低下させる2つの制限要因がある。第1の制限要因は、CMRI検査は実行すべきために必要なスキャナ時間が長く、関連情報が取得されるまでに多くのダミーの計画スキャンを必要とすることである。第2の制限要因は、検査助手が正しい心臓の向きで心臓検査を行うことができるためには、周囲に広めるには困難な高度な訓練が必要なことである。胸部全体をカバーする3D等方性ボリューム収集がこれらの2つの制限を回避するのに役立ち、心臓検査のワークフローを改善する。
L.H.Hamiltonらによる科学論文「Time−Resolved parallel Imaging with reduced Dynamic Field of View」;Magn.Reson.Med.2011;65:1062−74.には、心臓MRI(CMRI)用の加速された動的画像収集のための“Parallel Imaging and Noquist in Tandem”(PINOT)という名前の方法が記載されている。この方法は、パラレルイメージングのSPACE−RIP実装とNoquistの低減された視野(rFOV)によるイメージング方法とを組み合わせたもので、どちらも画像再構成に直接反転モデルを使用する。
PINOT再構成では、画像再構成を可能にするために、次のような線形システム方程式を解くことが求められる。
Figure 0006730995
ここでS,..,SC−1は感度マップを表し、Mは静的FoVを埋める領域からのフーリエ変換を表し、Mは位置決めのたびごとに更新される領域からのフーリエ変換を表す。3D心臓MR画像の場合は、このシステム行列のサイズを管理することが難しくなり、画像再構成を行うシステム反転はCPUに極めて負担がかかる。
US2014/0303480には、人の患者の体に発生する動的事象の加速されたMRIスキャンからの信号を処理する方法が記載されている。患者は自分の体の関連部分を含むMRI検査を受ける。スキャン時間の経過と共に実質的な変化がないボクセルが特定され、スキャン信号全体から差し引かれる。
本発明の目的は上述の制限を克服する方法及びシステムを提供することである。
この目的は独立請求項1及び11の特徴により達成される。従属請求項は本発明の詳細な有利な実施形態を述べている。
本発明の様々な実施形態によれば、物体のMR画像を生成する方法は、
− 物体の1つの動作フェーズに関する第1のデータセットを提供するステップと、
− 第1のデータセットから関心領域(ROI)の第1の画像を生成するステップと、
− 動的領域及び静的領域を第1の画像内で特定するステップであって、これらの領域は一定の期間内に主に動的又は静的である、ステップと、
− 動的領域をマスクして外すことにより第1の画像を編集するステップと、
− 残りの静的領域を示す編集された第1の画像の逆フーリエ変換を実行するステップと、
− 物体の1つの動作フェーズに関する第2のデータセットを提供するステップと、
− 残りの静的領域の逆フーリエ変換されたものを第2のデータセットから差し引くステップと、
− 差し引かれた第2のデータセットにフーリエ変換を実行するステップと、
− 第1の画像の関心領域について低減された関心領域の第2の画像を生成するステップであって、低減された関心領域は動的領域を含む、ステップと、を含む。
好ましくは、特定することは第1の画像上で静的及び動的領域を手動で選択することにより実行される。例えば心臓周囲のボックスは動的領域として選択することができ、これによってボックス外側の領域は静的領域として選択される。
前述のように、動きがある物体は総期間内に複数の動作フェーズからなる動きを実行する。提供された第1及び第2のデータセットのデータは、MRIスキャナを使用したデータ収集により予め収集される。ステップ(g)において、残りの静的領域の逆フーリエ変換を第2のデータセットから差し引くために、(ステップ(e)で生成されると共に第1のデータセットに基づく)このフーリエ変換された画像は、第2のデータセットと同じサンプリング方式に従ってアンダーサンプリングされる。
本発明の思想は、概ね静的な環境にある動きがある物体の(予め収集された)データを提供して、データの冗長性及び高いSENSE加速係数を利用して等方性解像度に到達することに基づく。この方法は、3D収集が上述のPINOT再構成について想定する再構成問題に対処する新しいアプローチを用いる。PINOT収集と同様に、2つの異なるデータセットが区別され得る。第1のデータセットでは、静的及び動的な情報を収集するk空間ラインが収集される。第2のデータセットでは、k空間ラインのサブグループが、一部の情報を最終的な再構成を行うことができるように完全なデータセットから回復することができるという考えに基づいて物体の動作フェーズ(運動フェーズ)ごとに収集される。PINOTとの相違点であるこのアプローチでは、式(1)に記載されたような行列式全体を構築する必要がない。
本発明の好適な実施形態によれば、全ての画像又は少なくとも第2の画像は、SENSE再構成を使用することにより生成される。感度エンコーディング(SENSE)アプローチでは、複数の同時に動作される受信器コイルのアレイが信号収集に使用される。アレイ素子は通常、不均一性の強い互いに異なる空間感度を示す表面コイルである。SENSEアプローチの基本原理は、コイル感度の影響を勾配エンコーディングと類似のエンコーディング効果と見なすことである。実際、感度効果は勾配エンコーディングに数学的に概ね類似している。しかし、勾配概念に優る重要な利点は、感度機構によって、受信器アレイの複数の異なる感度での同時エンコーディングが可能になることである。従って、スキャン時間の相当な節約が、順次的な勾配切り替えを並列感度エンコーディングで部分的に置換することにより達成され得る。
感度エンコーディングは、受信器感度が一般に線形場勾配によりフーリエ前処理に対して相補的なエンコーディング効果を有するという事実に基づいている。従って、複数の受信器コイルを並列に使用することにより、フーリエ撮像におけるスキャン時間が相当短縮され得る。感度エンコーディングされたデータからの画像再構成の問題は一般的なやり方で定式化され、任意のコイル設定及びk空間サンプリングパターンについて解決される。
本発明の別の好適な実施形態によれば、動きを実行する物体は心臓であり、MR画像は心臓MR画像であり、物体の動作フェーズは心臓領域からの心フェーズである。概ね静的な環境における動きがある物体は、データの冗長性及び高いSENSE加速係数を利用して一回の息止めで心臓シネ画像の等方性解像度に到達する角のない環状ボリュームを有する胸部全体である。この収集及び再構成手法によって、息止め期間に数分の再構成時間で3D等方性の心臓画像を取得することができる。
本発明の更に別の好適な実施形態によれば、少なくとも1つの別の画像が、9つのステップ(a−i)のうちのステップ(f)〜(i)をそれぞれ頻繁に繰り返すことにより生成される。これらの他の画像は、別の動作フェーズ(運動フェーズ)PH2〜PHNに関連する。
好ましくは、第1の画像はフルサンプル画像を使うことにより生成され、第2の画像(及び次の全ての他の画像)は、好ましくはSENSE再構成を用いることにより生成される。
本発明の別の好適な実施形態によれば、第1のデータセット及び第2のデータセットに提供されたデータは、MRI走査ユニット(MRIスキャナ)を使用したデータ収集により生成される。好ましくは、関心領域(ROI)はMRI走査ユニットの視野(FoV)により決定される。従って、低減された関心領域は低減された視野(rFoV)と呼ばれる。
好ましくは、複数の受信器コイルがデータ収集に使用される。好ましくは、編集された第1の画像は、複数の画像に分割され、各画像はk空間領域で逆フーリエ変換される。各コイルに対するフーリエ変換された画像は、第2のデータセットのサンプリングと同じサンプリング方式に従ってアンダーサンプリングされる。
本発明の別の好適な実施形態によれば、複数の画像の各画像は、逆フーリエ変換を行う前に受信器コイルのうち対応する受信器コイルのコイル感度により重み付けされる。
本発明の様々な実施形態によれば、以下のステップを実行する、物体のMR画像を生成するMRIシステムが確立される:
− 物体の1つの動作フェーズに関する第1のデータセットを提供するステップ;
− 第1のデータセットから関心領域の第1の画像を生成するステップ;
− 動的領域及び静的領域を第1の画像内で特定し、これらの領域は一定の期間内に主に動的又は静的である、ステップ;
− 動的領域をマスクして外すことにより第1の画像を編集するステップ;
− 残りの静的領域を示す編集された第1の画像の逆フーリエ変換を実行するステップ;
− 物体の1つの動作フェーズに関する第2のデータセットを提供するステップ;
− 残りの静的領域を含む編集された第1の画像の逆フーリエ変換を第2のデータセットから差し引くステップ;
− 差し引かれた第2のデータセットにフーリエ変換を実行するステップ;及び
− 第1の画像のROIについて低減された関心領域の第2の画像を生成し、低減された関心領域は動的領域を含む、ステップ。
動きがある物体は、一定の期間内に複数の動作フェーズからなる動きを実行し、この期間は総収集時間である。
本発明の好適な実施形態によれば、システムは、周囲に動きがある物体、特に胸部の心臓のMR画像を生成する上述の方法を実行するために確立される。
本発明の別の好適な実施形態によれば、MRIシステムは、(i)複数の同時に動作される受信器コイルのアレイを備えた、データ記録用のMRI走査ユニットと、(ii)磁気共鳴撮像の画像収集のためのコンピュータによるデータ処理ユニットとを備える。ステップ(a)〜(i)は、MRIシステムのデータ処理ユニットにより実行される。ステップ(a)及び(f)に続くデータ収集ステップは、MRI走査ユニットを使用することにより実行される。
本発明の様々な他の実施形態は、上述の方法を特に上述のMRIシステムを使用することにより実行するコンピュータプログラム製品に関する。
本発明のこれら及び他の態様は、以下に説明される実施形態から明らかとなり、以下に説明される実施形態を参照して理解されるであろう。
図1は、本発明の好適な実施形態による、心臓MR画像を生成することを表示するための手順の図解を示す。
以下の考察では、撮像される物体として心臓について言及する。しかし本発明は、他の器官等の他の物体にも適用可能である。心臓は単に例として選択されている。
図1は、静的情報及びSENSE収集を同時に使用した全ての再構成ステップの略図を示す。この略図は、ROI内に角のない環状ボリュームを有する胸部の心臓MR(CMR)画像10、20を総期間内に生成する手順を表す。
手順は次のステップを含む:
ステップ1(S1): 心臓部から(第1の)心フェーズの第1のデータセットを提供すること;
ステップ2(S2): 第1のデータセットからROIの第1の画像10を生成すること;
ステップ3(S3): それぞれ主に総期間内において動的又は静的な動的領域12及び静的領域14を第1の画像10内で特定すること;
ステップ4(S4):動的領域12をマスクすることにより第1の画像10を編集すること;
ステップ5(S5): 残りの静的領域14を示す編集された第1の画像16の逆フーリエ変換(FFT−1)を実行すること;
ステップ6(S6): 心臓部から(第2の)心フェーズに関する第2のデータセットを提供すること;
ステップ7(S7): 残りの静的領域14を含む編集された第1の画像16の逆フーリエ変換(FFT−1)を第2のデータセットから差し引くこと;
ステップ8(S8): 差し引かれた第2のデータセット18にフーリエ変換を実行すること;及び
ステップ9(S9): 少なくとも動的領域12を含む低減された関心領域(rROI)の第2の画像20を生成すること。
好ましくは、特定することは第1の画像上で静的及び動的領域を手動で選択することにより実行される。例えば心臓周囲のボックスは動的領域として選択することができ、これによってボックス外側の領域は静的領域として選択される。
提供された第1及び第2のデータセットのデータはデータ収集により予め収集される。上述の総期間は総収集時間である。ステップ1(S1)に備えて、例えばフルFoVでの一回の収集が折り重なりアーチファクトを除去するために行われる。ステップ6(S6)に備えて、心フェーズごとに低減されたFoV(rFoV)を更新するためにky−kz空間のアンダーサンプリング収集が行われる。フルFoVという用語は(完全な)ROIに対応し、rFoVという用語は低減されたROIに対応する。
当業者は、第2のデータセット(rFoV)が第1のデータセットと比較してアンダーサンプリングされる場合は、好ましくはステップ5aがステップ5及びステップ7の間に適用されることを理解するであろう。ステップ5aでは、編集された第1の画像16の逆フーリエ変換(FFT−1)は、第2のデータセットを提供(収集)する際に使用されたアンダーサンプリングと同じやり方でアンダーサンプリングされる。従って手順は次のステップを含む:
ステップ1(S1): 心臓部から(第1の)心フェーズの第1のデータセットを収集すること;
ステップ2(S2): 第1のデータセットからROIの第1の画像10を生成すること;
ステップ3(S3): 動的領域12及び静的領域14を第1の画像10内で特定することであって、これらの領域は総期間内に主に動的又は静的であること;
ステップ4(S4): 動的領域12をマスクして外すことにより第1の画像10を編集すること;
ステップ5(S5): 残りの静的領域14を示す編集された第1の画像16の逆フーリエ変換(FFT−1)を実行すること;
ステップ5a(S5a): 編集された第1の画像16の逆フーリエ変換(FFT−1)をアンダーサンプリング戦略を用いてアンダーサンプリングし、これによってアンダーサンプリングされた第1のデータセット30を提供すること;
ステップ6(S6): 心臓部から(第2の)心フェーズに関する第2のデータセットを収集すること。ここで第2のデータセットは、第2のデータセットの収集中にアンダーサンプリング戦略を用いることにより第1のデータセットと比較してアンダーサンプリングされる;
ステップ7(S7): アンダーサンプリングされた第1のデータセット30を第2のデータセットから差し引くこと;
ステップ8(S8): 差し引かれた第2のデータセット18にフーリエ変換(FFT)を実行すること;及び
ステップ9(S9): 低減された関心領域(rROI)の第2の画像20を生成し、低減された関心領域は少なくとも動的領域12を含むこと。
PINOT収集と同様に、図示された手順は2つの異なるデータセットを区別することができる。第1のデータセットでは、静的及び動的な情報を収集するk空間ラインが収集される。第2のデータセットでは、k空間ラインのサブグループが、一部の情報を最終的な再構成を行うことができるように完全なデータセットから回復することができるという考えに基づいて心フェーズ(心臓フェーズ)ごとに収集される。PINOTとの相違点であるこのアプローチでは、式(1)に記載されたような行列式全体を構築する必要がない。対照的に、再構成は3つの異なる段階に分かれる。
第1の段階: この再構成段階では、フル画像10が上記第1のデータセットを使用して1つの心フェーズに対して生成される(S2)。この画像10は、従来のSENSE再構成又はフルサンプル画像を使用して生成され、信号精度を改善することができる。
第2の段階: この再構成段階では、フル再構成画像内の規定の動的領域は、全ての心フェーズで等しい静的領域14からのみ情報を得るために0に設定される(S4)。この再構成段階では、画像16は、各コイルのコイル感度により重み付けされ、k空間領域で逆フーリエ変換される(S5)。各コイルに対するフーリエ変換された画像は、上記第2のデータセットと同じサンプリング方式に従ってアンダーサンプリングされる(S5及びS7間の未表示の矢印により示される)。最後に、静的領域から生成されたk空間ラインは、心フェーズごとに更新されたk空間ラインから差し引かれる(S7)。
第3の段階: この再構成段階では、第2の段階で生成された画像は、画像空間へとフーリエ変換され(S8)、低減されたFoVから情報を取り出すのみで従来のSENSE再構成を使用して再構成される(S9)。
このアプローチに従えば、SENSE再構成及びNoQUIST流の再構成はかなり分離される。SENSE情報は第3の段階でのみ使用されるのに対し、NoQUIST流の情報は再構成の第2の段階でのみ使用される。更に、再構成の第3の段階では低減された領域のみが再構成され、3Dケースについての従来のSENSE再構成と比較して再構成速度が向上する。
本発明は、図面及び前述の記載において詳細に図示及び説明されたが、このような図示及び記載は、説明的又は例示的であって限定するものではないと見なされるべきである。すなわち本発明は、開示された実施形態に限定されるものではない。開示された実施形態のその他の変形が、図面、本開示及び添付の請求項の検討から、請求項に係る発明を実施する当業者によって理解されて実現され得る。請求項において、「comprising(含む、備える)」という単語は、他の要素又はステップを除外するものではなく、不定冠詞「a」又は「an」は、複数を除外するものではない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されるという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に用いられないことを示すものではない。請求項における任意の参照符号は、本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。
本発明に繋がる研究は、助成契約第242038の下で欧州連合第7フレームワークプログラム(FP−7−HEALTH−2009)からの資金提供を受けた。

Claims (8)

  1. 一定の期間内に複数の動作フェーズを有する動きを実行する物体のMR画像を生成する方法であって、当該方法は、
    SENSEアンダーサンプリング方式を用いて、複数の受信器コイルを使用して前記物体の1つの前記動作フェーズに関する第1のデータセットを収集するステップS1と、
    SENSE再構成によって、前記第1のデータセットから関心領域の第1の画像を再構成するステップS2と、
    動的領域及び静的領域を前記第1の画像内で特定するステップS3であって、これらの領域は前記一定の期間内に主に動的又は静的である、ステップS3と、
    前記動的領域をマスクして外すことにより前記第1の画像を編集するステップS4と、
    編集された前記第1の画像を、前記複数の受信器コイルのコイル感度により重み付けするステップS5と、
    残りの前記静的領域を示す編集され重み付けされた前記第1の画像の逆フーリエ変換を実行するステップS6と、
    複数の受信器コイルを使用して前記物体の1つの前記動作フェーズに関する第2のデータセットを収集するステップS7であって、収集中にアンダーサンプリングによって前記第2のデータセットが提供され、前記第1のデータセットの視野と比較して低減された視野が生じ、更に、前記第1のデータセットの収集に対するのと同じSENSEアンダーサンプリング方式を用いる、ステップS7と、
    前記残りの静的領域を含む前記編集された第1の画像の逆フーリエ変換されたものを前記第2のデータセットから差し引くステップS8と、
    差し引かれた前記第2のデータセットにフーリエ変換を実行するステップS9と、
    前記第1の画像の前記関心領域について低減された関心領域の第2の画像を生成するステップS10であって、前記低減された関心領域は動的領域を含む、ステップS10と、
    を含む、方法。
  2. 前記動きを実行する物体は心臓であり、前記MR画像は心臓MR画像であり、前記物体の前記動作フェーズは心臓領域からの心フェーズである、請求項1に記載の方法。
  3. 少なくとも1つの別の第2の画像が、前記ステップS1−S10の10個のステップのうちの前記ステップS7−S10をそれぞれ頻繁に繰り返すことにより生成される、請求項1又は2に記載の方法。
  4. 前記編集された第1の画像は、前記複数の受信器コイルに対応する複数の画像に分割され、前記複数の画像の各画像はk空間領域で逆フーリエ変換される、請求項1に記載の方法。
  5. 一定の期間内に複数の動作フェーズを有する動きを実行する物体のMR画像を生成するMRIシステムであって、当該MRIシステムは、
    SENSEアンダーサンプリング方式を用いて、複数の受信器コイルを使用して前記物体の1つの前記動作フェーズに関する第1のデータセットを収集することと、
    SENSE再構成によって、前記第1のデータセットから関心領域の第1の画像を再構成することと、
    動的領域及び静的領域を前記第1の画像内で特定することであって、これらの領域は前記一定の期間内に主に動的又は静的である、特定することと、
    前記動的領域をマスクして外すことにより前記第1の画像を編集することと、
    編集された前記第1の画像を、前記複数の受信器コイルのコイル感度により重み付けすることと、
    残りの前記静的領域を示す編集され重み付けされた前記第1の画像の逆フーリエ変換を実行することと、
    複数の受信器コイルを使用して前記物体の1つの前記動作フェーズに関する第2のデータセットを収集することであって、収集中にアンダーサンプリングによって前記第2のデータセットが提供され、前記第1のデータセットの視野と比較して低減された視野が生じ、更に、前記第1のデータセットの収集に対するのと同じSENSEアンダーサンプリング方式を用いる、収集することと、
    前記残りの静的領域を含む前記編集された第1の画像の逆フーリエ変換されたものを前記第2のデータセットから差し引くことと、
    差し引かれた前記第2のデータセットにフーリエ変換を実行することと、
    前記第1の画像の前記関心領域について低減された関心領域の第2の画像を生成することであって、前記低減された関心領域は動的領域を含む、生成することと、
    を実行する、MRIシステム。
  6. 請求項1乃至の何れか一項に記載の方法を実行する、請求項に記載のMRIシステム。
  7. 磁気共鳴撮像の画像生成のためのコンピュータによるデータ処理ユニットを含む、請求項又はに記載のMRIシステム。
  8. 請求項1乃至の何れか一項に記載の方法を実行するための、コンピュータプログラム。
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