JP6906507B2 - Selective sampling to evaluate structural spatial frequencies using a specific contrast mechanism - Google Patents

Selective sampling to evaluate structural spatial frequencies using a specific contrast mechanism Download PDF

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Description

関連出願の参照
本出願は、SELECTIVE SAMPLING MAGNETIC RESONANCE−BASED METHOD FOR ASSESSING STRUCTURAL SPATIAL FREQUENCIES Aという名称の2015年10月7日出願の米国仮特許出願第62/238,121号明細書、およびSELECTIVE SAMPLING FOR ASSESSING STRUCTURAL SPATIAL FREQUENCIES WITH SPECIFIC CONTRAST MECHANISMSという名称の2016年9月1日出願の米国仮特許出願第62/382,695号明細書の優先権に依拠している。本出願は、2015年8月31日出願の米国特許出願第14/840,327号明細書の一部継続出願であり、現在は米国特許第9366738号明細書である、2016年5月27日出願の米国特許出願第15/167,828号明細書にさらに依拠している。米国特許出願第14/840,327号明細書は、SELECTIVE SAMPLING MAGNETIC RESONANCE−BASED METHOD FOR ASSESSING STRUCTURAL SPATIAL FREQUENCIESという名称の2014年9月1日出願の米国仮特許出願第62/044,321号明細書、同じ名称を有する2014年10月15日出願の米国仮特許出願第62/064,206号明細書、およびMICRO−TEXTURE CHARACTERIZATION BY MRIという名称の2015年1月25日出願の米国仮特許出願第62/107,465号明細書の優先権に依拠しており、それらの開示は参照により援用される。米国特許出願第15/167,828号明細書は、METHOD FOR ASSESSING STRUCTURAL SPATIAL FREQUENCIES USING HYBRID SAMPLING WITH LOW OR INCREASED GRADIENT FOR ENHANCEMENT OF VERY LOW NOISE SELECTIVE SAMPLING WITH NO GRADIENTという名称の2016年3月2日出願の米国仮特許出願第62/302,577号明細書の優先権にさらに依拠している。参照した出願は、全て本出願と共通の譲受人であり、およびそれらの開示が本明細書に援用される。
Reference of related application This application is a US provisional patent application named SELECTIVE SAMPLING MAGNETIC RESONANCE-BASEED METHOD FOR ASSESSING STRUCTURAL SPITAL FREENCIES A, filed on October 7, 2015, and filed on October 7, 2015. It relies on the priority of US Provisional Patent Application No. 62 / 382,695, filed September 1, 2016, named ASSESSING STRUCTURAL SPATIAL FREFQUENCIES WITH SPECIFIC CONTRAST MECHANIMS. This application is a partial continuation of US Pat. No. 14,840,327, filed August 31, 2015, and is now US Pat. No. 936,738, May 27, 2016. It further relies on U.S. Patent Application No. 15 / 167,828 of the application. US Pat. US Provisional Patent Application No. 62 / 064,206, filed October 15, 2014, with the same name, and US Provisional Patent Application No. 62, January 25, 2015, named MICRO-TEXTURE CHARACTERIZATION BY MRI. Relying on the priorities of the specification 62 / 107,465, their disclosure is incorporated by reference. U.S. Patent Application No. 15 / 167,828 Patent specification, METHOD FOR ASSESSING STRUCTURAL SPATIAL FREQUENCIES USING HYBRID SAMPLING WITH LOW OR INCREASED GRADIENT FOR ENHANCEMENT OF VERY LOW NOISE SELECTIVE SAMPLING WITH NO entitled GRADIENT 2016 March 2 application It further relies on the priority of US Provisional Patent Application No. 62/302,577. All referenced applications are assignees in common with this application, and their disclosure is incorporated herein by reference.

本明細書で特許請求される方法は、病状評価および疾患診断のための生物系における、および産業および工学研究での材料および構造評価における微細なテクスチャーの診断評価の分野に関する。より具体的には、本発明は、MRI装置の傾斜をオフにした状態で、かつ低い傾斜を有する狭く関連付けられた近傍におけるk値について、生物組織のテクスチャーの空間的構成に関連付けられるk値を繰り返し測定するための方法を用いる。これにより、約ミリ秒の時間規模で組織のテクスチャーを評価できるようにし、それにより、患者の動きの問題が無視できるようになる。この方法は、疾患および治療によって組織内で誘発されたテクスチャーの変化の診断および監視に関する生体内評価を可能にする。代表的な技術目標は、1)骨疾患に起因する骨梁構造(trabecular architecture)への変化を評価するために、骨の健康および骨折リスクを評価できるようにすること、2)例えば、肝、肺および心疾患などの軟組織疾患における線維化進展の評価、および3)認知症の様々な形態などの神経疾患における、または例えば外傷性脳損傷(TBI)および慢性外傷性脳症(CTE)におけるような脳損傷および下流での神経病状の場合など、または自閉症および統合失調症などの異常な神経学的状態の特徴付けおよび監視のための微細構造への変化である。他の病状の適用は、腫瘍を取り囲む血管網などにおける、またはCVD(脳血管疾患)の進行に関連付けられるような血管の変化の評価、および腫瘍増殖に応答する乳管における変化の評価を含む。本発明はまた、製造または様々なタイプの岩石を特徴付けるための地質学における材料特性の測定など、ある範囲の産業目的のための微細構造の評価における適用と、微細構造/テクスチャーの測定が必要とされる他の使用法とを有する。 The methods claimed herein relate to the field of diagnostic evaluation of fine textures in biological systems for pathological assessment and disease diagnosis, and in material and structural assessment in industrial and engineering research. More specifically, the present invention provides the k-value associated with the spatial composition of the texture of biological tissue with respect to the k-value in a narrowly associated neighborhood with a low tilt, with the tilt of the MRI apparatus turned off. Use a method for repeated measurements. This allows the texture of the tissue to be assessed on a time scale of about milliseconds, which allows the patient's movement problems to be ignored. This method enables in vivo assessment of the diagnosis and monitoring of changes in texture induced in tissues by disease and treatment. Typical technical goals are 1) to be able to assess bone health and fracture risk to assess changes to trabecular architecture due to bone disease, 2) eg liver, Assessment of fibrosis development in soft tissue disorders such as lung and heart disease, and 3) in neurological disorders such as various forms of dementia, or as in, for example, traumatic brain injury (TBI) and chronic traumatic encephalopathy (CTE). Changes to microstructures for characterizing and monitoring abnormal neurological conditions such as brain injury and downstream neurological conditions, or autism and schizophrenia. Applications of other medical conditions include assessment of changes in blood vessels, such as in the vascular network surrounding the tumor, or as associated with the progression of CVD (cerebrovascular disease), and assessment of changes in the ducts in response to tumor growth. The present invention also requires application in the evaluation of microstructures for a range of industrial purposes, such as the measurement of material properties in geology for manufacturing or characterizing various types of rocks, and the measurement of microstructures / textures. Has other uses.

組織における微細なテクスチャー変化は、長い間、広範囲にわたる疾患において最も初期のマーカとして認識されてきたが、微細なテクスチャーのロバストな臨床的評価は分かりづらいままであり、データ取得のために必要な時間を通して対象が動くことに起因する不鮮明さから主な困難が生じる。 Subtle texture changes in tissues have long been recognized as the earliest markers in a wide range of diseases, but robust clinical assessment of subtle textures remains obscure and the time required to obtain data. The main difficulty arises from the blurring caused by the movement of the object through.

早期のかつ正確な診断は、疾病管理の成功にとって重要である。臨床画像法は、病状に関する多くの情報を提供するが、疾患の発症および進行の結果として生じる、または治療の結果として生じる組織変化の多くは、数十ミクロンに至ることも多い極めて微細な規模である。微細な組織のテクスチャーの変化は、長年、放射線科医および病理学者を含む診断医により、広範囲にわたる疾患の最も初期の前兆であると認識されてきたが、微細なテクスチャーの生体内評価および測定は、現在の画像技術の能力外のままであった。例えば、閉塞性肺疾患の鑑別診断は、肺実質におけるテクスチャーの症状に依存するが、早期の疾患のコンピュータ断層撮影(CT)測定のロバストネスは限定されている。老化した骨の骨折リスクの決定因子である海綿骨微細構造も、磁気共鳴(MR)画像法での走査中における患者の動きによる画像の不鮮明さに起因して、分かりづらい状態のままであった。腫瘍および白質などの構造の表面のテクスチャーを識別しようとするために、MR画像の後処理分析が使用されることがある。(DRABYCZ,S.,et al.;“Image texture characterization using the discrete orthogonal S−transform”;Journal of Digital Imaging,Vol.22,No6,2009.KHIDER,M.,et al.;“Classification of trabecular bone texture from MRI and CT scan images by multi−resolution analysis”;29th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society,EMBS 2007。)しかし、後処理分析は、テクスチャー情報を高分解能で取得することを妨げる根本的な問題、すなわち対象の動きを扱っていないため、効果が限られている。(MACLAREN,J.et al.;“Measurement and correction of microscopic head motion during magnetic resonance imaging of the brain”,PLOS/ONE,Nov.7,2012.MACLARAN,J.et al.;“Prospective motion correction in brain imaging:a review;Magnetic Resonance in Medicine,Vol.69,2013。) Early and accurate diagnosis is important for successful disease management. Although clinical imaging provides a lot of information about the condition, many of the tissue changes that occur as a result of the onset and progression of the disease, or as a result of treatment, are on a very fine scale, often up to tens of microns. be. Changes in the texture of fine tissues have long been recognized by diagnosticians, including radiologists and pathologists, as the earliest precursors to a wide range of diseases. , Remained out of the capabilities of current imaging technology. For example, the differential diagnosis of obstructive lung disease depends on the symptoms of texture in the lung parenchyma, but the robustness of computed tomography (CT) measurements of early disease is limited. The cancellous bone microstructure, a determinant of fracture risk of aged bone, also remained confusing due to image blurring due to patient movement during scanning with magnetic resonance (MR) imaging. .. Post-processing analysis of MR images may be used to try to identify the texture of the surface of structures such as tumors and white matter. (DRABYCZ, S., et al .; "Image texture characterization the discrete orthogonal S-transform"; Journal of Digital Imaging, Vol. 22, No. 6, 2009. characterization from MRI and CT scan images by multi-resolution analysis ”; 29th Annual International Conference of the IEEE Engineering The effect is limited because it does not deal with the underlying problem, the movement of the subject. (MACLAREN, J. et al .; "Measurement and direction of magnetic head motion daring magnetic resonance imaging; magnetic resonance imaging of the brain", PLOS / ONE, Nov. imaging: a review; Magnetic Resonance in Medical, Vol. 69, 2013.)

MR画像法に影響を及ぼす動きの主な原因は、心臓の拍動性の動き、呼吸によって誘発される動きおよび単収縮である。最初の2つは準周期性であり、それへの通常のアプローチは、動きの最緩徐相でのゲーティングである。しかしながら、ゲーティングを用いても、取得間に十分な変動があるため、テクスチャー測定に関する関心高k値で空間的な位相コヒーレンスの損失を引き起こす。この問題は、動きが完全な周期性ではないことがあり得、および複合的な原因から生じることが多いことによって深刻になる。単収縮は急速であり、無作為な変位を誘発するため、テクスチャーを測定するときに関心高k値でコヒーレンスを維持することは不可能である。 The main causes of movements affecting MR imaging are pulsatile movements of the heart, respiratory-induced movements and monocontractions. The first two are quasi-periodic, and the usual approach to it is gating in the slowest phase of motion. However, even with gating, there is sufficient variation between acquisitions, which causes a loss of spatial phase coherence at high k values of interest for texture measurements. This problem is exacerbated by the fact that movements may not be perfectly periodic and often result from multiple causes. Since monocontraction is rapid and induces random displacement, it is not possible to maintain coherence at high k values of interest when measuring texture.

陽電子放射断層撮影法(PET)は、価値ある診断情報を提供するが、約5mmを下回る分解能にはできず、かつ撮像のために放射性トレーサおよび位置決めのためにX線ビームの使用に依存し、特に繰り返しの走査が必要な場合に線量の懸念をもたらす。(BERRTNGTON DE GONZALEZ,A.et al.;“Projected cancer risks from Computed Tomographic scans performed in the United States in 2007”;JAMA Internal Medicine,Vol.169,No.22,Dec 2009。)さらに、PET画像法は、極めてコストがかさみ、近くにサイクロトロンを必要とする。0.7mmに至るCTの分解能が理論上可能であるが、この分解能は高い放射線量で得られ、かつ数分間の走査時間中における患者の動きによって低下しがちである。関連の放射線量からの無視できないリスクが、長期にわたる撮像に関してCTを問題のあるものにし、および達成可能な分解能を制限する。深刻な線量の懸念と併せて、X線デジタル分解能は制限される。なぜなら、得られた2次元画像は、ビームが通過した組織の厚さ全体を通した吸収の合成であるためである。本明細書で特許請求される方法の目的である疾患の現在の臨床的な診断法は、十分な生体内分解能または精度を得るのに困難を伴う。場合により、現在のところ決定的な診断法は存在しない。特に胸部および肝臓における他の病状では、診断は生検に依存しており、その合併症発現頻度(morbidity)およびさらには死亡率のリスクは無視できず、かつ読取誤差およびサンプリング誤差が高い傾向がある。(WELLER,C;“Cancer detection with MRI as effective as PET−CT scan but with zero radiation risks”;Medical Daily,Feb.18,2014。) Positron emission tomography (PET) provides valuable diagnostic information, but cannot achieve resolutions below about 5 mm and relies on the use of a radioactive tracer for imaging and an X-ray beam for positioning. It raises dose concerns, especially when repeated scans are required. (BERRTNGTON DE GONZALEZ, A. et al .; "Projected cancer risk from Computed Tomographic scientists performed in the United States in 2007"; It is extremely costly and requires a cyclotron nearby. A resolution of CT up to 0.7 mm is theoretically possible, but this resolution is obtained at high radiation doses and tends to be reduced by patient movement during a few minutes of scanning time. Non-negligible risks from associated radiation doses make CT problematic for long-term imaging and limit achievable resolution. X-ray digital resolution is limited, along with serious dose concerns. This is because the resulting 2D image is a composite of absorption throughout the thickness of the tissue through which the beam has passed. Current clinical diagnostic methods for diseases that are the object of the methods claimed herein are difficult to obtain sufficient in vivo resolution or accuracy. In some cases, there is currently no definitive diagnostic method. For other medical conditions, especially in the chest and liver, the diagnosis is biopsy-dependent, the risk of complications and even mortality is not negligible, and reading and sampling errors tend to be high. be. (WELLER, C; "Cancer detection with MRI as effective as PET-CT scan but with zero radiation risks"; Medical Daily, Feb. 18, 2014.)

骨の健康は、いくつかある原因の中でも特に、老化により、骨癌(癌の治療の副作用として)、糖尿病、関節リウマチにより、および栄養不良の結果として損なわれる。骨疾患は、米国のみでも一年間に一千万人超が罹患しており、生活の質に悪影響を与え、かつ平均余命を短くしている。骨の健康を評価するための現在の診断基準は、二重エネルギーX線吸収法(DEXA)の投影技術によって測定されるような骨塩量密度(BMD)である。このモダリティは、標準的なX線の撮像機構と同様の、皮質骨および海綿骨の両方からの減衰を統合する面骨密度を生じるが、骨の強度に最も関連したマーカである骨内の骨梁構造については限られた情報のみを提供する。(KANIS,J.AND GLUER,C;“An update on the diagnosis and assessment of osteoporosis with densitometry”;Osteoporosis International,Vol.11,issue3,2000.LEGRAND,E.et al.;“Trabecular bone microarchitecture,bone mineral density,and vertebral fractures in male osteoporosis”;JBMR,Vol.15,issue1,2000。)BMDは骨折リスクと緩くのみ相関する。後処理技術、TBS(海綿骨スコア)は、DEXA画像における画素の階調の変化と相関させて、骨の微細構造についての情報を提供しようと試みられている。比較研究により、股関節部におけるBMDが依然としてより良好な骨折の予測因子であると決定した。しかし、TBSは骨梁構造の詳細な評価を提供しない。(BOUSSON,V.,et al.;“Trabecular Bone Score(TBS):available knowledge,clinical relevance,and future prospects”;Osteoporosis International,Vol.23,2012.DEL RIO,et al.;“Is bone microarchitecture status of the spine assessed by TBS related to femoral neck fracture?A Spanish case−control study”:Osteoporosis International,Vol.24,2013。)TBSは比較的新しい技術であり、および依然としてその能力が評価されている。 Bone health is impaired by aging, among other causes, by bone cancer (as a side effect of cancer treatment), diabetes, rheumatoid arthritis, and as a result of malnutrition. Bone disease affects more than 10 million people a year in the United States alone, adversely affecting quality of life and shortening life expectancy. The current diagnostic criterion for assessing bone health is bone mineral density (BMD) as measured by dual-energy X-ray absorption (DEXA) projection techniques. This modality results in surface bone mineral density that integrates attenuation from both cortical and cancellous bones, similar to standard X-ray imaging mechanisms, but intraosseous bone, which is the most relevant marker for bone strength. Only limited information is provided on the beam structure. (KANIS, J. AND GLUER, C; "An update on the diagnosis and assessment of osteoporosis with densitometry"; Osteoporosis International, Vol. Densitometry, and vertebral fractures in male osteoporosis ”; JBMR, Vol.15, issue1,2000.) BMD correlates only loosely with fracture risk. A post-processing technique, TBS (Cancellous Bone Score), has been attempted to correlate with changes in pixel gradation in DEXA images to provide information about bone microstructure. Comparative studies determined that BMD in the hip joint was still a better predictor of fracture. However, TBS does not provide a detailed assessment of trabecular structure. (BOUSSON, V., et al .; "Travelular Bone Score (TBS): available knowledge knowledge, clinical relief, and future projects"; Osteoporosis International. of the spine assed by TBS related to future neck fracture? A Spanish case-control study ": Osteoporosis International, Vol. 24, 2013.) TBS is still evaluated in Osteoporosis International, Vol. 24, 2013.

骨の微細構造、具体的には、骨梁スペーシングおよび骨梁要素の厚さの測定には、約0.1ミリメートルの分解能を必要とする。MRI、超音波画像法、CT、およびマイクロCTは、全てこの問題に当てはまった。MRIでは、骨と骨髄との間にハイコントラストが簡単に得られるが、骨梁ネットワークを特徴付けるのに十分な分解能で画像を取得するのに長い時間を要し、その期間中に患者が動くために分解能が制限を受ける。このネットワークのテクスチャーのサイズが細かいほど、動きによる不鮮明さが大きくなる。心臓および呼吸の動きの原因から除去された四肢骨格(skeletal extremities)のみを見ることにより、患者の動きの影響を軽減する試みは、MRIおよびマイクロCTの両方を使用して試された。しかしながら、四肢の骨の微細構造と中心部位の骨の微細構造との間の相関は分かっていない。さらに、十分な画像情報を得て骨梁のスペーシングおよび要素の厚さを決定するために、大きいデータマトリクス、従って長い取得時間が依然として必要とされる。この長い取得時間は、患者コンプライアンスに依存して、動きによって誘発される不鮮明さのレベルを変化させる − 単収縮は、四肢を測定するときでも依然として深刻な問題である。提案したMRベースの技術、fineSA(JAMES,T.,CHASE,D.;“Magnetic field gradient structure characteristic assessment using one dimensional(ID)spatial−frequency distribution analysis”;米国特許第7,932,720B2号明細書;2011年4月26日)は、連続的に細かくサンプリングされた、一次元の周波数エンコードされた取得データ(これらは、その後、雑音を低減するために組み合わせられる)の、遥かに小さいデータマトリクスを取得することにより、患者の動きの問題を回避しようとしている。この場合、画像は一次元に縮小され、取得されるデータマトリクスのサイズを縮小し、従って取得時間を短縮する。しかしながら、傾斜エンコードされたエコーは、信号対雑音(SNR)が非常に低いため、雑音の平均化が必要とされる。分解能の有利な点は、2次元および3次元画像化に関するこの方法によって得られるが、信号の平均化のためにいくつかの応答時間(TR)にわたって多くの繰り返しの空間的にエンコードされたエコーを取得する必要性があるため、取得時間が約数分間となる − 動きから免がれるようにするには長すぎる。そのため、この技術によって得ることができる分解能の改善は限定されている。 Measurements of bone microstructure, specifically trabecular spacing and trabecular element thickness, require a resolution of approximately 0.1 millimeters. MRI, ultrasound imaging, CT, and micro-CT all fit this problem. MRI makes it easy to obtain high contrast between bone and bone marrow, but it takes a long time to acquire an image with sufficient resolution to characterize the trabecular network, and the patient moves during that period. The resolution is limited. The finer the texture size of this network, the greater the blurring due to movement. Attempts to mitigate the effects of patient movement by looking only at the skeleton skeletons that have been removed from the cause of cardiac and respiratory movement have been tried using both MRI and micro-CT. However, the correlation between the microstructure of the limb bone and the microstructure of the central bone is unknown. In addition, a large data matrix, and thus a long acquisition time, is still required to obtain sufficient image information to determine trabecular space and element thickness. This long acquisition time changes the level of motion-induced blurring, depending on patient compliance-monocontraction remains a serious problem even when measuring limbs. Proposed MR-based technology, fineSA (JAMES, T., CHASE, D .; "Magnetic field grade data characteristic sussential usage one dimensional (ID) spatial-frequent US (April 26, 2011) provides a much smaller data matrix of continuously finely sampled, one-dimensional frequency-encoded acquisition data, which are then combined to reduce noise. By acquiring, we are trying to avoid the problem of patient movement. In this case, the image is reduced to one dimension, reducing the size of the acquired data matrix and thus reducing the acquisition time. However, tilt-encoded echoes have very low signal-to-noise (SNR), which requires noise averaging. The advantage of resolution is obtained by this method for 2D and 3D imaging, but many repeating spatially encoded echoes over several response times (TR) for signal averaging. Acquisition time is about a few minutes due to the need to acquire-too long to be immune from movement. Therefore, the improvement in resolution that can be obtained by this technique is limited.

中心骨格の骨を評価できる骨梁スペーシングおよび骨梁要素の厚さを、正確で、ロバストで、非侵襲的に、生体内測定することが必要とされている。なぜなら、これらは、骨の健康を評価しかつ骨折リスクを予測するための主要マーカであるためである。これまで、この能力をもたらすことができる臨床技術はなかった。 There is a need for accurate, robust, non-invasive, in vivo measurements of trabecular spacing and trabecular element thickness that can assess the bone of the central skeleton. Because they are key markers for assessing bone health and predicting fracture risk. So far, no clinical technique has been able to bring about this ability.

線維性疾患は、内部器官における広範囲の生物学的な傷害および損傷に応答して発生し、膠原線維の発生は体の治癒反応である。より進行した線維性疾患では、罹患器官における線維の密度が高くなる。線維性の病状は、肺および肝線維症から、心臓線維症および嚢胞性線維症、膵線維症、筋ジストロフィー、膀胱疾患および心疾患、および線維性構造が骨髄に置き換わる骨髄線維症の多数の疾患で発生する。線維化進展は、乳癌などのいくつかの癌に付随する。疾病が、健康な組織化された線維組織を破壊する前立腺癌では、異なる病状の進行がみられる。あらゆる場合において、組織において強調されるテクスチャースペーシングは、膠原線維が基本的な組織構造に沿って生じるため、疾患の進行に応答して変化する。肝疾患では、肝臓の健康な組織のテクスチャーが、器官の小葉構造の膠原の「デコレーション」から生じるより長い波長のテクスチャーによって置き換えられるため、テクスチャー波長が変化する。他の器官/疾患では、テクスチャー変化は、線維性の介入を示すテクスチャーが進行して、健康な組織における不調を反映する。 Fibrotic disease occurs in response to widespread biological injuries and injuries in internal organs, and the development of collagen fibers is a healing response of the body. In more advanced fibrous diseases, the density of fibers in the affected organ is high. Fibrotic pathologies range from lung and hepatic fibrosis to heart fibrosis and cystic fibrosis, pancreatic fibrosis, muscular dystrophy, bladder and heart disease, and a number of myelofibrosis disorders in which fibrous structures replace the bone marrow. appear. Fibrotic progression is associated with several cancers, including breast cancer. Different progressions are seen in prostate cancer, where the disease destroys healthy, organized fibrous tissue. In all cases, texture spacing that is emphasized in tissue changes in response to disease progression as collagen fibers occur along the underlying tissue structure. In liver disease, the texture wavelength changes because the texture of healthy tissue in the liver is replaced by a longer wavelength texture that results from the "decoration" of the lobular structure of the organ. In other organs / diseases, texture changes reflect upsets in healthy tissue with the progression of textures that indicate fibrous intervention.

ほとんどの線維性の病状における疾患の進行の範囲にわたるために、線維化進展からのテクスチャー変化の評価は0.1mm規模の分解能を必要とする。そのような病状の最も一般的なものの1つ、肝疾患は、線維性構造の評価が難しい代表例である。現在、病状評価の代表的な基準は組織生検 − 無視できない合併症発現頻度 − および死亡率 − のリスクのある、極めて侵襲的でありかつ痛みを伴うことが多い処置であり(患者は生検後の観察のために数時間から一晩、病院に留まる必要がある)、およびサンプリング誤差が起こりやすく、かつ読取変動が大きい傾向がある。(REGEV,A.;“Sampling error and intraobserver variation in liver biopsy in patients with chronic HCV infection”;American Journal of Gastroenterology;97,2002.BEDOSSA,P.et al.;“Sampling variability of liver fibrosis in chronic hepatitis C”;Hepatology,Vol.38,issue6,2004.VAN THIEL,D.et al.;“Liver biopsy:Its safety and complications as seen at a liver transplant center”;Transplantation,May 1993。)肝疾患の組織損傷を評価するために使用されることが多い超音波による別のモダリティは、疾患のより後期において適切な評価をもたらすことができるにすぎない − それは硬変を診断するために使用される。肝疾患の評価に使用するためにしばらく開発中である磁気共鳴ベースのエラストグラフィ(MRE)は早期評価を行うことができない − 著しい線維性の浸潤(進行疾患)前の読取誤差が大きすぎる。さらに、この技術は、追加的な高価なハードウェア、熟練した技術者が存在することを必要とし、かつ構成および走査時間に合計20分程度かかるため、非常にコストのかかる処置になる。MR画像法によって直接線維性のテクスチャーを撮像する能力は、データを取得するために必要な時間全体にわたる患者の動き、および線維と周囲組織との間にコントラストがないことの両方によって損なわれる。1回の息止め中のデータ取得でも、心臓の拍動性の動きおよび息止めの不履行によって深刻に損なわれ、息止めの不履行は、肝臓および肺などの多くの器官に著しい動きを生じる。また、SNRは十分に低いため、連続的なエコーから得られた再登録されたMR強度プロファイルを組み合わせることによる動きの補正は極めて問題がある。同様に、MRIを使用する初期疾患の心臓線維症の量の評価は、測定の時間中における心拍動によって深刻な妨害を受ける。ガウス雑音と異なり、動きは非線形効果であるために平均化できない − 電子雑音低減のために平均化前に再登録できるようにする十分な信号レベルである必要がある。治療に対する反応を診断および監視できるようにするために、発病から進行した病状までの線維化進展の範囲の全体にわたってテクスチャー変化を評価できる、より感度の高い(より高いSNR)非侵襲的技術が必要とされている。 Assessment of texture changes from fibrotic progression requires 0.1 mm scale resolution to cover the extent of disease progression in most fibrotic pathologies. One of the most common such conditions, liver disease, is a representative example in which the fibrous structure is difficult to assess. Currently, the typical criteria for assessing a condition are tissue biopsy-a non-negligible complication frequency-and mortality-at risk of highly invasive and often painful procedures (patient biopsy). You need to stay in the hospital for hours to overnight for later observations), and sampling errors are prone and reading variability tends to be large. (REGEV, A;. "Sampling error and intraobserver variation in liver biopsy in patients with chronic HCV infection"; American Journal of Gastroenterology; 97,2002.BEDOSSA, P.et al;. "Sampling variability of liver fibrosis in chronic hepatitis C Hepatitis, Vol. 38, issue 6, 2004. VAN THIEL, D. et al .; Another modality with ultrasound, which is often used to assess, can only provide a proper assessment later in the disease-it is used to diagnose cirrhosis. Magnetic resonance-based elastography (MRE), which has been under development for some time to be used in the evaluation of liver disease, cannot be evaluated early-reading error before significant fibrous infiltration (advanced disease) is too large. Further, this technique is a very costly procedure because it requires the presence of additional expensive hardware, skilled technicians, and takes a total of about 20 minutes for configuration and scanning time. The ability to image fibrous textures directly by MR imaging is impaired by both the patient's movement over the time required to obtain the data and the lack of contrast between the fibers and the surrounding tissue. Data acquisition during a single breath-hold is severely impaired by the pulsatile movement of the heart and breath-hold failure, which causes significant movement in many organs such as the liver and lungs. Also, since the SNR is low enough, motion correction by combining re-registered MR intensity profiles obtained from continuous echoes is extremely problematic. Similarly, the assessment of the amount of cardiac fibrosis in early disease using MRI is severely disturbed by heartbeat during the time of measurement. Unlike Gaussian noise, motion cannot be averaged due to its non-linear effect-it must be at a sufficient signal level to allow re-registration before averaging to reduce electronic noise. More sensitive (higher signal-to-noise) non-invasive techniques are needed to be able to assess texture changes throughout the range of fibrotic progression from onset to advanced pathology in order to be able to diagnose and monitor response to treatment. It is said that.

多数の神経疾患の発病および進行は、反復性の微細な神経および血管の構造/テクスチャーの変化と関連付けられる。しかしながら、脳におけるそのような変化を評価する能力は、死後にのみ利用できる。現在のところ、アルツハイマー病(AD)の確定診断は、脳の組織の死後の組織学によるものである。ADおよびレビー小体認知症などの他の形態の認知症、筋萎縮性側索硬化症(ALS)などの運動疾患、パーキンソン病、慢性外傷性脳症(CTE)ならびに他の病状または外傷に起因するものなどの外傷性脳損傷(TBI)によって引き起こされる状態、または多発性硬化症(MS)などの脳構造に対する損傷を伴う状態、脳血管疾患(CVD)、および他の神経疾患は、進行した段階でのみ行動および記憶の変化によって診断可能であることが多く、早期に介入できる能力を妨げている。さらに、癲癇および自閉症などの状態は、微細な神経構造における異常変動と関連付けられており、これは、臨床的に診断可能であれば、治療に対する反応を試験するために標的選択を可能にするであろう。 The onset and progression of numerous neurological disorders is associated with repetitive, microscopic changes in the structure / texture of nerves and blood vessels. However, the ability to assess such changes in the brain is only available after death. At present, the definitive diagnosis of Alzheimer's disease (AD) is by postmortem histology of brain tissue. Due to other forms of dementia such as AD and Levy body dementia, motor disorders such as muscular atrophic lateral sclerosis (ALS), Parkinson's disease, chronic traumatic encephalopathy (CTE) and other medical conditions or trauma. Conditions caused by traumatic brain injury (TBI), such as those with damage to brain structures such as multiple sclerosis (MS), cerebrovascular disease (CVD), and other neurological disorders are in advanced stages. Often diagnosed only by changes in behavior and memory, which impedes the ability to intervene early. In addition, conditions such as epilepsy and autism have been associated with abnormal changes in subtle neural structures, which, if clinically diagnosable, allow target selection to test response to treatment. Will do.

様々な生体内診断技術がADおよび他の認知症に利用可能であるが、それらのいずれも決定的ではない。これらの技術は、大きい評価誤差をもたらしがちである筆記診断試験からPET画像法に及び、この画像法では、アミロイド斑の密度または糖代謝(FDG PET)を評価する。上述した通り、PET画像法は極めて高価であり、高分解能を提供できず、かつ放射性同位体および位置決め用のX線ビームの使用に依存し、線量の懸念に起因して長期にわたる使用に関する認可を複雑にする。さらに、アミロイドの撮像もFDG PETも、ADの決定的な指標となることは示されていない。(MOGHBEL,M.et al.“Amyloid Beta imaging with PET in Alzheimer’s disease:is it feasible with current radiotracers and technologies?”;Eur.J.Nucl.Med.Mol.Imaging。) Various in-vivo diagnostic techniques are available for AD and other dementias, but none of them are definitive. These techniques range from written diagnostic tests, which tend to result in large evaluation errors, to PET imaging, which assesses amyloid plaque density or glucose metabolism (FDG PET). As mentioned above, PET imaging is extremely expensive, cannot provide high resolution, depends on the use of radioisotopes and X-ray beams for positioning, and is licensed for long-term use due to dose concerns. Make it complicated. Moreover, neither amyloid imaging nor FDG PET have been shown to be definitive indicators of AD. (MOGHBEL, M. et al. "Amyloid Beta imaging with PET in Alzheimer's disease: is it faceible with currant radiotracer.

認知症の診断のためのCSFバイオマーカの使用は、痛みを伴い、かつ侵襲性が高く、かつイメージングバイオマーカで可能であるような脳内の解剖学的位置による信号レベルを区別できない。認知症の様々な形態は、脳内での空間的/時間的な進行が異なることが分かっているため、これは、液体生検を使用することの深刻な欠点である。認知症の様々な形態と関連付けられる別の疾患は、CVD(脳血管疾患)であり、これは、脳の組織に至る血管が遮断されることによって血流が低下する結果、認知障害を誘発する。微小血管において病状によって誘発される変化を高分解能評価できるものがここで必要とされている。 The use of CSF biomarkers for the diagnosis of dementia is painful and highly invasive, and indistinguishable signal levels by anatomical location in the brain as possible with imaging biomarkers. This is a serious drawback of using a liquid biopsy, as various forms of dementia have been found to have different spatial / temporal progression in the brain. Another disorder associated with various forms of dementia is CVD (cerebrovascular disease), which induces cognitive impairment as a result of reduced blood flow by blocking blood vessels leading to brain tissues. .. There is a need here for high-resolution assessment of pathologically-induced changes in microvessels.

ADを含む認知症の多くの形態における委縮に起因する組織の縮小は、MRIにおいて、長期的に取得されたデータを慎重に登録することによって測定可能であるが、疾患は、この縮小が測定可能になる頃には進行している。疾患の早期は、死後の組織学において皮質ニューロンのカラム配列の劣化によって示され、これらのカラムの通常のスペーシングは、ほとんどの皮質領域において約100ミクロンである。(CHANCE,S.et al.;“Microanatomical correlates of cognitive ability and decline:normal ageing,MCI,and Alzheimer’s disease”;Cerebral Cortex,August 2011.E.DI ROSA et al.;“Axon bundle spacing in the anterior cingulate cortex of the human brain”;Journal of Clinical Neuroscience,15,2008。)このテクスチャーのサイズおよび皮質が極めて薄いことにより、卓越した取得速度でも、ごくわずかに患者の動きがあるのみでデータ収集を不可能にする。数十ミクロン程度のテクスチャー変化の評価は、生体内では極めて問題があるが、可能である場合、神経疾患の診断および監視においてある範囲の微細なテクスチャー変化を標的にでき、および治療の開発において重要な役割を果たす。 Tissue shrinkage due to atrophy in many forms of dementia, including AD, can be measured in MRI by carefully registering long-term acquired data, but for diseases, this shrinkage is measurable. By the time it becomes, it is progressing. Early stages of the disease are indicated in postmortem histology by degradation of the column sequences of cortical neurons, and the normal spacing of these columns is about 100 microns in most cortical regions. (CHANGE, S. et al .; "Microanatomical cortex of cognitive availability and declination: normal aging, MCI, and Alzheimer's disease"; Cerebral. alien cognitive cortex of the human brain ”; Journal of Clinical Neuroscience, 15, 2008.) Due to the size of this texture and the extremely thin cortex, data can be collected with very little patient movement, even at excellent acquisition speeds. Make it impossible. Evaluation of texture changes on the order of tens of microns is extremely problematic in vivo, but when possible, it can target a range of subtle texture changes in the diagnosis and monitoring of neurological disorders, and is important in the development of treatments. Play a role.

特許請求される方法に考えられる別の神経学的な適用は、生体内において、大脳皮質の様々な制御領域の境界またはこれらが含まれる異なるブロードマン野を決定することである。そのような能力は、例えば、FMRI(機能的磁気共鳴画像法)を使用して実施されるような、脳機能の研究におけるデータ解釈を大きく支援する。 Another possible neurological application of the claimed method is to determine in vivo the boundaries of various control regions of the cerebral cortex or the different Brodmann areas in which they are contained. Such capabilities greatly support data interpretation in the study of brain function, such as performed using FMRI (Functional Magnetic Resonance Imaging).

上述の3つの種類の疾患、骨疾患、線維性疾患、および神経疾患は、包括的なリストではない。微細構造の病状によって誘発される変化のある他の病態、例えば、腫瘍を取り囲む血管系の血管新生増殖、または線維化進展および乳房の腫瘍の進行に応答した血管系および乳腺管の変化も病状であり、微細な組織のテクスチャーを解像する能力は、疾患の早期発見および治療に対する反応の監視を可能にする。 The three types of diseases mentioned above, bone disease, fibrotic disease, and neurological disease are not a comprehensive list. Other pathologies with changes induced by microstructured pathologies, such as angiogenic growth of the vascular system surrounding the tumor, or changes in the vascular system and ducts in response to fibrosis and tumor progression in the breast are also pathological. The ability to resolve fine tissue textures allows for early detection of disease and monitoring of response to treatment.

微細なテクスチャーにおける変化を測定する能力は、疾患の診断に対して高い価値があるであろう。電離放射線または放射性トレーサの使用に依存しない非侵襲的技術は、早期診断および繰り返しの測定に大きい自由裁量の余地を残して、疾患の進行および治療に対する反応を監視できるようにする。同調可能な組織のコントラストをもたらす磁気共鳴画像法(MRI)は、まさにそうした非侵襲的技術であり、放射線量の懸念がない。しかしながら、患者の動きに起因する信号劣化の問題を回避するために、データを、以前には可能でなかった時間規模で取る必要がある。 The ability to measure changes in fine textures will be of great value for the diagnosis of disease. Non-invasive techniques that do not rely on the use of ionizing radiation or radioactive tracers leave a great deal of discretion in early diagnosis and repeated measurements, allowing monitoring of disease progression and response to treatment. Magnetic resonance imaging (MRI), which provides tuned tissue contrast, is just such a non-invasive technique, with no radiation dose concerns. However, in order to avoid the problem of signal degradation due to patient movement, data needs to be taken on a time scale that was not previously possible.

磁気共鳴(MR)を使用して組織テクスチャーを評価するための選択的なサンプリングの方法は、測定されている多相の生物サンプルにおける成分組織タイプ間のコントラストを強調するコントラスト機構を適用するステップによって達成される。そのため、関心体積(VOI)は、複数の時間変化無線周波数信号および適用される傾斜を用いて選択的に励起される。エンコーディング傾斜パルスを適用して位相ラップ(phase wrap)を誘発して、特定のk値および向きのための空間的エンコードを作成し、特定のk値は、VOI内のテクスチャーに基づいて決定される。時間変化する一連の取得傾斜が開始されて、k値エンコードの3次元k空間を通る時間変化軌跡を生じさせ、結果として生じるk値セットは、VOIの画像を生じさせるために必要とされるもののサブセットである。k値セットを用いてエンコードされたNMR RF信号の複数の一連のサンプルが同時に記録される。その後、記録されたNMR信号サンプルは、軌跡によって決定されたk値セット内のk値に関して信号対k値のデータセットを生じさせるように後処理されて、VOI内の組織を特徴付ける。 A selective sampling method for assessing tissue texture using magnetic resonance (MR) is by applying a contrast mechanism that enhances the contrast between component tissue types in the polyphase biological sample being measured. Achieved. Therefore, the volume of interest (VOI) is selectively excited with a plurality of time-varying radio frequency signals and applied slopes. Encoding A gradient pulse is applied to induce a phase wrap to create a spatial encoding for a particular k-value and orientation, which is determined based on the texture in the VOI. .. A time-varying series of acquisition slopes is initiated to produce a time-varying locus through the three-dimensional k-space of the k-value encoding, although the resulting k-value set is required to produce an image of the VOI. It is a subset. Multiple series of samples of NMR RF signals encoded using the k-value set are recorded simultaneously. The recorded NMR signal sample is then post-processed to give rise to a signal-to-k value dataset for the k value within the k value set determined by the locus to characterize the tissue within the VOI.

本明細書で開示する実施形態の特徴および利点は、添付図面と併せて考慮されるとき、以下の詳細な説明を参照することによってよりよく理解される。 The features and advantages of the embodiments disclosed herein are better understood by reference to the following detailed description when considered in conjunction with the accompanying drawings.

入力SNRに応じて、出力SNR≧20dBを達成するために平均化に必要なデータサンプル数を示すシミュレーションである。This is a simulation showing the number of data samples required for averaging to achieve an output SNR ≥ 20 dB, depending on the input SNR. k空間内の位置に応じて、SNR≧20dbを達成するために平均化に必要なデータサンプル数を示すシミュレーションである。This is a simulation showing the number of data samples required for averaging in order to achieve SNR ≧ 20db depending on the position in k-space. 単一のTRのタイミングを示す、特許請求される方法のためのパルスシーケンスの例示的なタイミング図である。FIG. 6 is an exemplary timing diagram of a pulse sequence for a patented method showing the timing of a single TR. 図3の例示的なタイミング図の拡大図である。It is an enlarged view of the exemplary timing diagram of FIG. 増加したk値でのエネルギー密度の低下を妨げるように、異なる数のサンプルが各k値において取得される、選択した組のk値の複数の測定値を取得するように設計された、特許請求される方法のためのタイミング図の例である。Claimed to obtain multiple measurements of a selected set of k-values, where different numbers of samples are taken at each k-value so as to prevent the decrease in energy density at increased k-values. It is an example of a timing diagram for the method to be done. 単一のTR内で多くの繰り返しの標的k値を取得するために、特許請求される方法によって提供された能力により、SNRを増大するためにロバストな信号の平均化を可能にすることを示すシミュレーションである。It is shown that the ability provided by the claimed method to obtain many repetitive target k values within a single TR allows robust signal averaging to increase SNR. It is a simulation. 従来の周波数エンコードされたエコー手法を使用して平均化する90個のサンプルを取得しようとする結果を示すシミュレーションであり、少数の繰り返しのみでの特定のk値の取得は、各エコーに対する長い記録時間に起因して、各TRにおいて可能である。It is a simulation showing the result of trying to obtain 90 samples to be averaged using the conventional frequency encoded echo method, and the acquisition of a specific k value with only a few iterations is a long recording for each echo. Due to time, it is possible in each TR. 単一のTR内の複数のリフォーカスされたエコーにわたってデータ取得をもたらすように設計された、特許請求される方法の例示的なタイミング図である。It is an exemplary timing diagram of a patented method designed to result in data acquisition across multiple refocused echoes within a single TR. 関心取得体積(VOI)の2つの可能な形状を示す。Two possible shapes of interest acquisition volume (VOI) are shown. 単一のTRのタイミングを示す、特許請求されるハイブリッド方法に関するパルスシーケンスの例示的なタイミング図である。FIG. 6 is an exemplary timing diagram of a pulse sequence for a patented hybrid method showing the timing of a single TR. 拡大されたスケールの方法のハイブリッド要素の詳細図である。It is a detailed view of the hybrid element of the enlarged scale method. 図12の非常に低いSNR取得モード部分のさらなる詳細図である。It is a further detailed view of the very low SNR acquisition mode part of FIG. 図12の低SNR取得部分のさらなる詳細図である。It is a further detailed view of the low SNR acquisition part of FIG. 図12の高SNR取得部分のさらなる詳細図である。It is a further detailed view of the high SNR acquisition part of FIG. 単一エコー内でのデータ取得を示す、特許請求されるハイブリッド方法に関するパルスシーケンスの例示的なタイミング図である。FIG. 6 is an exemplary timing diagram of a pulse sequence for a patented hybrid method showing data acquisition within a single echo. 図16の非常に低いSNR、低SNRおよび高SNR取得部分のさらなる詳細図である。It is a further detailed view of the very low SNR, low SNR and high SNR acquisition part of FIG. 低SNR取得に関するパルスシーケンスの例示的なタイミング図である。It is an exemplary timing diagram of a pulse sequence for low SNR acquisition. 図18の低SNR取得モードのさらなる詳細図である。It is a further detailed view of the low SNR acquisition mode of FIG. 高SNR取得に関するパルスシーケンスの例示的なタイミング図である。It is an exemplary timing diagram of a pulse sequence for high SNR acquisition. 図20の高SNR取得モードのさらなる詳細図である。It is a further detailed view of the high SNR acquisition mode of FIG. 健康な骨構造、骨粗しょう症の骨構造の図的記述である。It is a graphical description of healthy bone structure, osteoporosis bone structure. 肝臓内の線維性組織の図的記述である。It is a graphical description of fibrous tissue in the liver. 第1の拡散コントラストを実施するパルスシーケンスの例示的なタイミング図である。It is an exemplary timing diagram of a pulse sequence that performs the first diffusion contrast. 第2の拡散コントラストを実施するパルスシーケンスのタイミング図である。It is a timing diagram of the pulse sequence which carries out the second diffusion contrast. 線維性組織に分散されたVOIの図的記述である。It is a graphic description of VOI dispersed in fibrous tissue. 脳内の皮質ミニカラムの図的記述である。It is a graphic description of the cortical mini-column in the brain. 脳内でのVOIの配置の図的記述である。It is a graphic description of the arrangement of VOI in the brain. ADの進行に伴う進行性の病状を示す3つの組織学構造画像の表示である。It is a display of three histological structural images showing progressive pathology with the progression of AD. 脳皮質内へのVOIの配置およびk値に対する複数の傾斜の適用の例示的な表示である。It is an exemplary representation of the placement of VOI in the cerebral cortex and the application of multiple slopes to the k value.

以下、本明細書で使用される用語の定義を提供する。
180°逆パルス 組織領域におけるスピンを反転させて、MR信号をリフォーカスすることができるようにするRFパルス。
180°パルス 正味の磁場ベクトルをBに対して逆平行に傾けるRFパルス
90°パルス 正味の磁場ベクトルをBに対する横断面へと傾けるRFパルス
3T 3テスラ
A/D アナログ・ディジタル変換器
AD アルツハイマー病
ADC 拡散強調画像法で測定された平均拡散係数
断熱パルス励起 断熱パルスは、6つの不均質性および周波数オフセット効果に対して比較的感度の低い、振幅および周波数変調されたRFパルスの種類である。
AWGN 加法性白色ガウス雑音加法性白色ガウス雑音(AWGN)は、自然に発生する多くのランダム処理の効果を擬態するために情報理論において使用される基本雑音モデルである。
生検 生検は、より詳しく検査するために体から採取された組織のサンプルである。
C/N コントラスト対ノイズ、信号レベル全体ではなく、構造要素間の信号の違いに基づく画質の測定値
CAWGN 複素数値加法性白色ガウス雑音
CBF 脳血流
化学シフト MR信号に寄与する核の異なる分子環境に起因する、MR共振周波数のわずかな変化。
CJD クロイツフェルト・ヤコブ病
クラッシャー傾斜 パルスの不完全性によって生成されるスプリアス信号を減少させるために、180°RFリフォーカススライス選択パルスの両側に適用された傾斜。
CSF 脳脊髄液
DEXA 二重エネルギーX線吸収法は、2つの異なるエネルギーのX線ビームを使用して骨塩量密度を測定する手段である。
DSC 動的磁化率コントラスト
DTI 拡散テンソル画像法
DWI 拡散強調画像法
エコー 90°励起パルスに180°リフォーカスパルスが続いて、エコー時に場の不均質性および化学シフトの影響をなくす、RFパルスシーケンス。
周波数エンコード MRIにおける空間位置の周波数エンコーディングが、機械傾斜コイルによって誘発される補助的磁場を使用することによって達成される
ガウス雑音 ガウス雑音は、ガウス分布としても公知の正規分布の確率密度関数と等しい確率密度関数(PDF)を有する統計ノイズである。
傾斜パルス k値のエンコードを変更するための機械磁場傾斜のパルシング
傾斜セット 信号を空間的にエンコードするために、または選択した方向に特定の位相ラップを設定するために、主に使用されるMRスキャナのボアの周りのコイルの組
GRE 傾斜リコールドエコー
インターリーブ取得 単一のTR内で連続的に励起される多数のVOIからの信号取得
アイソクロマット(Isochromat) 同じ周波数で共振する微視的スピン群。
k空間 MR画像の2次元または3次元のフーリエ変換。
k値係数 フーリエ級数におけるそれぞれの特定のk値の相対荷重を反映するフーリエ級数または変換の係数。
k空間 MR画像の2次元または3次元のフーリエ変換。
k値 テクスチャー場にある構造要素のスペーシングを反映するk空間内の点の1つ。
k値選択パルス サンプリングされた方向に沿って特定のk値エンコードを選択するために使用される傾斜パルス
k空間値のライブラリー 組織の特徴付けのために組織の特定の領域において取得されたk空間係数の正味の集まり
機械傾斜 MRスキャナにおいて傾斜コイルの組を使用することによって課すことができる磁場傾斜
MRE 磁気共鳴エラストグラフィ − 音響せん断波を使用し、かつMRIを使用してそれらの伝播を画像化して、軟組織のスティフネスを測定する画像化技術。
MRI 磁気共鳴画像法
MS 多発性硬化症
ノイズフロア 信号の理論上、ノイズフロアは、ノイズ源の全てと測定システム内にある不要な信号との和から生じた信号の測定である
NMR 核磁気共鳴
PET 陽電子放射断層撮影法は、陽電子放射性の放射性トレーサを使用して体内の機能プロセスの三次元画像を生じる機能的画像化技術である。
位相コヒーレンス(空間的) 共通のVOI内での複数の測定値または複数のk値に言及するとき、サンプルが測定基準系に対して同じ位置を有することを示す
位相エンコード 横方向磁化ベクトルに特定の位相角を与えるために位相エンコードが使用される。特定の位相角は、位相エンコーディング傾斜内の横方向磁化ベクトルの位置、傾斜の大きさ、および傾斜適用の持続期間に依存する。
位相ラップ 位相エンコードされたサンプルに沿った横方向磁化の位相のヘリカル状摂動
ピッチ スクリューのピッチに関して、k値エンコードの方向に沿った位相ラップのタイトネス
プロファイル 信号強度の一次元プロット
RF 無線周波数電磁信号
半結晶質テクスチャー 1つ以上の方向に沿って規則的なスペーシングを示すテクスチャー
スライス(スラブ) 非ゼロの厚さの平面部を示すために区別せずに使用される
スライス選択的リフォーカシング RFパルスの帯域幅が傾斜の方向に沿って厚さを選択し、およびRFパルスが正味の磁化ベクトルをその平衡位置から傾けるような、スライス選択的傾斜とRFパルスとの組み合わせによる、スピンのリフォーカシング。RFパルスと同じ周波数で処理するスピンのみが影響を受ける。
SE スピンエコー
SNR 信号対雑音比
スポイラー傾斜 クラッシャー傾斜を参照
T2 原子または分子レベルでの自然な相互作用から生じる横方向磁化の減衰に対する時定数と定義される。
T2 いずれかの実際のNMRの実験において、横方向磁化が、自然の原子および分子機構によって予測されるよりも遥かに早く減衰する。この率は、T2(「T2−アスタリスク」)で示される。T2は、「観察された」または「実効」T2とみなされ得るが、第1のT2は、撮像される組織の「自然の」または「真の」T2とみなされ得る。T2は、常に、T2以下である。
TBS 海綿骨スコアは、骨の健康を評価するために、DEXA信号中に骨の微細構造と相関させるためのテクスチャーパターンを探す技術である
TbTh 骨測定のための骨梁の厚さ。
TbSp 骨測定のための骨梁スペーシング。
TbN 骨測定のための骨梁数。
TE スピンエコーシーケンスは、2つのパラメータを有する。エコー時間(TE)は、90°RFパルスと、最大のエコーに対応するMR信号サンプリングとの間の時間である。180°RFパルスは、時間TE/2に適用される。繰り返し時間は、2つの励起パルス間の時間(2つの90°RFパルス間の時間)である。
テクスチャー周波数 テクスチャーにおける単位長さ当たりのテクスチャー波長の繰り返し数
テクスチャー波長 テクスチャーにおける構造要素間の特徴的なスペーシング
TR スピンエコーシーケンスは、2つのパラメータを有する。エコー時間(TE)は、90°RFパルスと、最大のエコーに対応するMR信号サンプリングとの間の時間である。180°RFパルスは、時間TE/2に適用される。繰り返し時間は、2つの励起パルス間の時間(2つの90°RFパルス間の時間)である。
ベクトル結合傾斜 傾斜コイルの組の任意のベクトル結合の結果生じる磁場傾斜
VOI 関心体積
窓関数 信号処理では、窓関数(アポディゼイション関数またはテーパリング関数としても公知)は、いくつかの選択した間隔外でゼロ値である数学的関数である
X線回折 X線回折は、結晶の原子および分子構造を特定するために使用されるツールである。
Hereinafter, definitions of terms used in the present specification are provided.
180 ° reverse pulse An RF pulse that inverts the spin in the tissue region to allow the MR signal to be refocused.
180 ° pulse Tilt the net magnetic field vector antiparallel to B 0 RF pulse 90 ° pulse Tilt the net magnetic field vector to the cross section with respect to B 0 RF pulse 3T 3 Tesla A / D analog-digital converter AD Alzheimer Disease ADC Diffuse-enhanced imaging average diffusion coefficient adiabatic pulse excitation Adiabatic pulses are a type of amplitude- and frequency-modulated RF pulses that are relatively insensitive to the six heterogeneity and frequency offset effects. ..
AWGN Additive White Gaussian Noise Additive White Gaussian Noise (AWGN) is a fundamental noise model used in information theory to mimic the effects of many naturally occurring random processes.
Biopsy A biopsy is a sample of tissue taken from the body for further examination.
C / N contrast vs. noise, image quality measurements based on signal differences between structural elements rather than overall signal level CAWGN Complex Numeric Additive White Gaussian Noise CBF Cerebral Blood Flow Chemical Shift A molecular environment with different nuclei that contributes to MR signals A slight change in MR resonance frequency due to.
CJD Creutzfeldt-Jakob disease crusher tilt A tilt applied to both sides of a 180 ° RF refocus slice selection pulse to reduce the spurious signal produced by pulse imperfections.
The CSF Cerebrospinal Fluid DEXA dual-energy X-ray absorption method is a means of measuring bone mineral density using two different energy X-ray beams.
DSC Dynamic susceptibility Contrast DTI Diffusion-weighted imaging DWI Diffusion-weighted imaging Echo An RF pulse sequence in which a 90 ° excitation pulse is followed by a 180 ° refocus pulse to eliminate the effects of field heterogeneity and chemical shifts during echo.
Frequency encoding Gaussian noise, where the frequency encoding of spatial positions in MRI is achieved by using an auxiliary magnetic field induced by a mechanical tilt coil, is a probability equal to the probability density function of a normal distribution, also known as a Gaussian distribution. Statistical noise with a density function (PDF).
Mechanical magnetic field gradient pulsing gradient set to change the encoding of the gradient pulse k-value MR scanner primarily used to spatially encode a signal or to set a specific phase lap in a selected direction. A set of coils around the bore of the GRE tilted cold echo interleaved acquisition Signal acquisition from multiple VOIs that are continuously excited within a single TR Isochromat A group of microscopic spins that resonate at the same frequency ..
Two-dimensional or three-dimensional Fourier transform of a k-space MR image.
k-value coefficient The coefficient of the Fourier series or transform that reflects the relative load of each particular k-value in the Fourier series.
Two-dimensional or three-dimensional Fourier transform of a k-space MR image.
k-value One of the points in k-space that reflects the spacing of structural elements in the texture field.
k-value selection pulse A library of gradient pulses k-space values used to select a particular k-space encoding along the sampled direction k-space acquired in a particular region of the tissue for tissue characterization Net Aggregation of Factors Mechanical Inclination Magnetic Field Inclination MRE Magnetic Resonance Elastography-Using Acoustic Shear Waves and Imaging Their Propagation Using MRI, which Can Be Imposed by Using a Set of Tilt Coilers in MR Scanners Imaging technology to measure the stiffness of soft tissues.
MRI Magnetic Resonance Imaging MS Multiple Sclerosis Noise Floor In theory, a noise floor is a measurement of a signal resulting from the sum of all of the noise sources and unwanted signals in the measurement system NMR Nuclear Magnetic Resonance PET Positron emission tomography is a functional imaging technique that uses a positron-radioactive radioactive tracer to produce a three-dimensional image of a functional process in the body.
Phase Coherence (Spatial) When referring to multiple measurements or multiple k values within a common VOI, a particular phase-encoded lateral magnetization vector indicates that the sample has the same position with respect to the reference system. Phase encoding is used to give the phase angle. The particular phase angle depends on the position of the transverse magnetization vector within the phase encoding gradient, the magnitude of the gradient, and the duration of the gradient application.
Phase wrap Helical perturbation pitch of phase of lateral magnetization along phase encoded sample Tightness profile of phase wrap along k value encoding direction One-dimensional plot of signal strength RF radio frequency electromagnetic signal half Crystalline texture Texture slices showing regular spacing along one or more directions Slices (slabs) Slice-selective refocusing RF pulses used indiscriminately to show non-zero-thickness planar parts Spin refocusing by a combination of slice-selective tilt and RF pulse, such that the bandwidth selects thickness along the direction of tilt, and the RF pulse tilts the net magnetization vector from its equilibrium position. Only spins that process at the same frequency as the RF pulse are affected.
SE Spin Echo SNR Signal-to-noise ratio Spoiler tilt See crusher tilt T2 Defined as the time constant for attenuation of lateral magnetization resulting from natural interaction at the atomic or molecular level.
T2 * In one of the actual NMR experiments, the transverse magnetization decays much faster than predicted by the natural atomic and molecular mechanisms. This rate is indicated by T2 * (“T2-asterisk”). The T2 * can be considered an "observed" or "effective" T2, while the first T2 can be considered a "natural" or "true" T2 of the tissue to be imaged. T2 * is always T2 or less.
TBS cancellous bone score is a technique for looking for texture patterns in the DEXA signal to correlate with bone microstructure to assess bone health. TbTh bone trabecular thickness for bone measurement.
Trabecular spacing for TbSp bone measurements.
Number of trabecular bones for TbN bone measurement.
The TE spin echo sequence has two parameters. The echo time (TE) is the time between the 90 ° RF pulse and the MR signal sampling corresponding to the maximum echo. The 180 ° RF pulse is applied at time TE / 2. The repetition time is the time between the two excitation pulses (the time between the two 90 ° RF pulses).
Texture Frequency The number of repetitions of the texture wavelength per unit length in the texture Characteristic spacing between structural elements in the texture wavelength texture The TR spin echo sequence has two parameters. The echo time (TE) is the time between the 90 ° RF pulse and the MR signal sampling corresponding to the maximum echo. The 180 ° RF pulse is applied at time TE / 2. The repetition time is the time between the two excitation pulses (the time between the two 90 ° RF pulses).
Vector Coupling Tilt The magnetic field tilt VOI of interest volume window function resulting from any vector coupling of a set of tilted coils In signal processing, the window function (also known as the apodization function or tapering function) has several selected intervals. X-ray diffraction, a mathematical function that has zero values outside X-ray diffraction is a tool used to identify the atomic and molecular structures of crystals.

本明細書で開示する実施形態は、微細な生物学的テクスチャーを、生体内で非侵襲的に高分解能測定および評価することを可能にし、疾患の発症およびある範囲の病状の進行に応答するテクスチャー形成および/または変化の監視を可能にするMRベースの技術を提供する。この同じ方法は、他の生物系および物理系における微細なテクスチャーの特徴付けに適用され得る。微細なテクスチャーのMRベースの分解能を、生体内画像法において以前は達成できなかったサイズスケールにすることができる。方法は、本明細書では、組織の検査に関する生物系について説明されるものの、製造におけるまたは岩石の様々なタイプを特徴付けるための地質学における材料特性の測定など、ある範囲の産業目的における微細構造の評価と、微細構造/テクスチャーの測定が必要とされる他の使用法とに等しく適用可能である。 The embodiments disclosed herein allow fine biological textures to be non-invasively measured and evaluated in vivo at high resolution and in response to the onset of disease and the progression of a range of medical conditions. Provide MR-based technology that enables monitoring of formation and / or change. This same method can be applied to the characterization of fine textures in other biological and physical systems. MR-based resolution of fine textures can be scaled to a size scale previously unattainable in in vivo imaging. Although the methods are described herein for biological systems for tissue inspection, of microstructures for a range of industrial purposes, such as the measurement of material properties in manufacturing or in geology to characterize various types of rock. It is equally applicable to evaluation and other uses that require microstructure / texture measurements.

本明細書で特許請求される方法は、MRI分解能を制限する要因である対象の動きの影響が無視できるようになるほどに十分に高速で必須データを取得することにより、微細なテクスチャーの生体内分解能のこの著しい改善を達成する。この高速な取得は、1つのTR内で、インクリメントに − 単一の箇所、向きでおよび一度に1つの、または選択した組のk値で − データを取得することによって達成される。関心k値を選択するためにエンコーディング傾斜を適用した後、データは、傾斜をオフにして取得され、エンコードされたk値を複数回繰り返し取得して、それに続いて、電子雑音を減少させるために平均化できるようにし、従って、動きによる不鮮明さが発生し得る前に、個々のk値のロバストな測定を可能にする。組織内に存在する、または組織内のテクスチャースペーシングの連続スペクトルの発生に向けて、より大きい組の選択されたk値での測定を作り上げるために、TRの取得は、必要な回数繰り返され得、実空間および必要なk空間の所望の範囲に広げるために必要なようにエンコードを変更する。各TRから出力された1つ以上のk値の組は、動きの影響なく、繰り返しを平均する能力に起因して、ここでは高SNRであり、および関心測定は、画像の生成ではなく、画像のテクスチャースペーシングであるため、TR間の位相コヒーレンスの欠如に関心がない。 The method claimed herein is the in vivo resolution of fine textures by acquiring essential data fast enough to neglect the effects of subject movement, which is a factor limiting MRI resolution. Achieve this significant improvement in. This fast acquisition is achieved by acquiring data in increments-in a single location, in an orientation, and at one time, or at a selected set of k-values, within a TR. After applying the encoding tilt to select the k-value of interest, the data is acquired with the tilt turned off, the encoded k-value is acquired multiple times, and subsequently to reduce electronic noise. Allows averaging and thus allows robust measurements of individual k-values before motion blurring can occur. Acquisition of TR can be repeated as many times as necessary to make up a larger set of measurements at the selected k-space towards the generation of a continuous spectrum of texture spacing present in the tissue or in the tissue. Change the encoding as needed to extend to the desired range of real space and k-space required. The set of one or more k-values output from each TR is here high SNR due to the ability to average repetitions without the influence of motion, and the interest measurement is an image rather than an image generation. Because of the texture spacing of, we are not interested in the lack of phase coherence between TRs.

その最も単純な形態では、本明細書で特許請求される方法は、病変、器官、器官内のある箇所、骨の特定領域、またはサンプリングするための罹患器官のいくつかの領域など、特定の関心組織領域を含む内部体積内からMR信号を取得することからなる。この内部体積は、限定されるものではないが、数例を挙げると、交差するスライス選択的リフォーカシング、適切な傾斜と組み合わせたフェーズドアレイ送信を使用する選択的励起、関心領域外の組織からの信号をスクランブルするための断熱パルス励起、外部体積抑制シーケンス、および関心組織を物理的に隔離することを含む、内部体積内でスピンを選択的に励起する他の方法を含む、いくつかの方法のうちの1つによって励起され得る。 In its simplest form, the methods claimed herein are of particular interest, such as lesions, organs, certain parts of an organ, specific areas of bone, or some areas of affected organs for sampling. It consists of acquiring an MR signal from within the internal volume including the tissue region. This internal volume is limited, but to name a few, intersecting slice-selective refocusing, selective excitation using phased array transmission in combination with appropriate tilt, and from tissue outside the region of interest. Of several methods, including adiabatic pulse excitation to scramble the signal, an external volume suppression sequence, and other methods of selectively exciting spins within the internal volume, including physical isolation of the tissue of interest. Can be excited by one of them.

関心体積(VOI)の画定後、傾斜はオフにされ、および受信機BWおよびサンプリング長によって広がりが画定される、特定のk値に中心がある信号の複数のサンプルが取得される。この測定は、画像を生成するために必要なようにk空間の全てをマッピングしようとするのではなく、VOI内の特定方向においてのみ繰り返される。特定のk値の1つ以上のサンプルは、単一のTR中に取得ブロック内で取得され、およびそれに続いてk値はインクリメントまたはデクリメントされ、同じTR中に望まれるような、他のk値のさらに複数のサンプルを可能にする。この方法は、数ミリ秒の時間期間にわたる各関心k値の複数のサンプリングを可能にし、対象の動きから免れている。その後、プロセスは、さらなるTRにおいて繰り返され得、k値の取得間の動きの条件は、VOIが関心組織領域内に留まることのみである。空間周波数の振幅スペクトルの構成は、空間的にコヒーレントに取得する必要なく達成され得る。関心量は、サンプル体積に存在する様々なk値(テクスチャースペーシング)の相対強度であるため、取得体積が代表的な組織サンプル内に留まる限り、ブロック間のいずれの動きも測定を損なわない。組織に含まれるk値のスペクトルを構成する間に、内部で励起された体積が他の組織体積に動けるほど十分に大きい振幅の動きの場合、かなりロバストでリアルタイムのパイロットアルゴリズムおよび取得アルゴリズムの使用は、内部で選択的に励起された体積の総再位置決め、および適切な組織に留まれなかったデータセットの拒絶に使用され得る。 After defining the volume of interest (VOI), multiple samples of the signal centered on a particular k value are obtained, with the tilt turned off and the spread defined by the receiver BW and sampling length. This measurement is repeated only in a particular direction within the VOI, rather than attempting to map the entire k-space as needed to generate the image. One or more samples of a particular k-value are acquired within the acquisition block during a single TR, and the k-value is subsequently incremented or decremented so that other k-values are desired during the same TR. Allows even more samples of. This method allows multiple samplings of each k-value of interest over a time period of several milliseconds, avoiding movement of the subject. The process can then be repeated in additional TRs, and the only condition of movement between acquisitions of the k value is that the VOI remains within the tissue region of interest. The composition of the spatial frequency amplitude spectrum can be achieved without the need for spatially coherent acquisition. Since the amount of interest is the relative intensity of the various k-values (texture spacing) present in the sample volume, any movement between blocks does not impair the measurement as long as the acquired volume remains within a typical tissue sample. While constructing the spectrum of k-values contained in a tissue, the use of fairly robust and real-time pilot and acquisition algorithms is used for movements with an amplitude large enough that the internally excited volume can move to other tissue volumes. It can be used for total repositioning of internally selectively excited volumes, and rejection of datasets that did not stay in the proper tissue.

器官または解剖学的構造内のまたはそれにわたる複数の位置でのテクスチャーのサンプリングを可能にするVOIの再位置決めは、器官による病状の変化を決定できる。取得されたデータは、位置決め画像を基準にして空間的にマッピングされ得る。VOIが、連続的なTR内で動かされ得るか、またはインターリーブ取得が、信号が次のTRよりも前に回復する時間中に追加的な体積を励起させることにより、単一のTR内で行われるかのいずれかである。条件は、連続的なVOIが新しい組織で励起されること、以前のスライスの選択に重なり合わないことである。病状の空間的変動は、この方法によって決定され得る。これはまた、測定が長期的に繰り返される場合、器官の病状の時間的な進行を監視するために使用され得る。 Repositioning of the VOI, which allows sampling of textures at multiple locations within or across an organ or anatomy, can determine changes in the pathology of an organ. The acquired data can be spatially mapped with respect to the positioning image. The VOI can be driven within a continuous TR, or the interleaving acquisition row within a single TR by exciting an additional volume during the time the signal recovers before the next TR. It is either one of them. The condition is that the continuous VOI is excited with the new tissue and does not overlap with the previous slice selection. Spatial variation of the medical condition can be determined by this method. It can also be used to monitor the temporal progression of organ pathology if the measurements are repeated over time.

サンプル体積におけるプレワインド位相に対するパルスシーケンスのカスタマイズは、関心最高k値をエコーピークに位置決めし、ここで、信号は最強であり、最善のSNRの測定を提供する。 Customization of the pulse sequence for the prewind phase in the sample volume positions the highest k value of interest at the echo peak, where the signal is the strongest and provides the best SNR measurement.

研究中の体積内での、様々な角度で複数の方向に沿った、および直線方向または湾曲のいずれかの様々な経路に沿ったk値のサンプリングは、テクスチャー、特にニューロンのミニカラムなど、特定の方向に半順序構造を備えるテクスチャーに関する重要な情報を生じ得る。カラムのスペーシングに関連付けられたk値の測定は、垂線の両側でのサンプリング方向のわずかな変化がそのk値に関する信号の大きさの急速な減少を示すため、サンプリング経路のアライメントに極めて感度が高い。信号最大の両側での取得経路の揺動は、病状によって誘発されるランダム性の測定値を生じさせ、これはピークの幅によって示され得る。 Sampling of k-values within the volume under study, along multiple directions at various angles, and along various paths, either linear or curved, is specific to textures, especially mini-columns of neurons. It can give rise to important information about textures that have a semi-ordered structure in the direction. Measurements of the k-value associated with column spacing are extremely sensitive to sampling path alignment, as small changes in sampling direction on either side of the perpendicular indicate a rapid decrease in signal magnitude with respect to that k-value. expensive. Fluctuations in the acquisition path on either side of the signal maximate give rise to pathologically evoked randomness measurements, which can be indicated by the width of the peak.

データ取得のために傾斜がオフにされた状態では、帯域幅を特定の化学種に合わせることは、研究中の構造の化学組成が分かっているとき、構造情報を強化し得る。 With the slope turned off for data acquisition, tailoring bandwidth to a particular species can enhance structural information when the chemical composition of the structure under study is known.

本明細書で特許請求される方法は、血流を標的とする時間依存性のコントラストスキームと併用され得る。これらのコントラスト技術のいくつかは、血液内酸素レベル依存(BOLD)画像法、動脈スピン標識(ASL)画像法、および動的磁化率コントラスト(DSC)画像法である。これらの方法は、血管系を強調するために様々な技術を使用するため、CVD(脳血管疾患)および腫瘍増殖を含む多くの病状に関連付けられる血管系のテクスチャーの変化が測定され得る。 The method claimed herein can be used in combination with a time-dependent contrast scheme that targets blood flow. Some of these contrast techniques are blood oxygen level dependent (BOLD) imaging, arterial spin labeling (ASL) imaging, and dynamic susceptibility contrast (DSC) imaging. Because these methods use a variety of techniques to emphasize the vascular system, changes in the texture of the vascular system associated with many pathologies, including CVD (cerebrovascular disease) and tumor growth, can be measured.

本明細書で特許請求される方法はまた、DWIおよびDTIを含む他のMRベースの測定技術と併用されて、拡散技術に関するパラメータ選択向けのフロントエンド情報、およびそれらの組織健康の測定値との相関を提供し得る。 The methods claimed herein are also used in conjunction with other MR-based measurement techniques, including DWI and DTI, with front-end information for parameter selection on diffusion techniques, and their tissue health measurements. Can provide correlation.

1つのブロックを取得するための合計時間が約ミリ秒である、単一のk値の高速の繰り返し測定は、患者および機械の動きによって誘発される不鮮明さを無視できるレベルまで低減させ、以前は生体内にアクセスできなかった微細なテクスチャーのロバストな評価を可能にする。(対照的に、標準的なMR画像取得時間は、持続時間が遥かに長く、その間、患者は完全に静止したままであるように求められる。)測定される各k値のSNRは、ブロック内の各k値における個々のサンプルを組み合わせることによって著しく改善される。ここで、この平均化は、対象の動きを気にせずに行われ得、この動きは、ブロック内の個々のサンプルの高速での順次式取得に起因して除去される。 High-speed repetitive measurements of a single k-value, with a total time of about millisecond to acquire one block, reduced the blur caused by patient and machine movements to a negligible level, previously It enables robust evaluation of fine textures that could not be accessed in vivo. (In contrast, standard MR image acquisition times are required to last much longer, during which time the patient remains completely stationary.) The SNR for each k value measured is within the block. It is significantly improved by combining individual samples at each k value of. Here, this averaging can be performed without worrying about the movement of the object, and this movement is removed due to the high-speed sequential acquisition of the individual samples in the block.

SNRのこの著しい改善は、本明細書で特許請求される方法が、画像形成に必要な多数の空間的にエンコードされたエコー全体を取得するのではなく、微細なテクスチャーの病状の特徴を決定するために関心k値の取得のみに重点を置いているため、可能にされる。データマトリクスの著しい減少は、標的にしたk値での繰り返し回数を増加させることができ、従ってSNRを著しく改善できる。 This significant improvement in SNR is that the method claimed herein determines the pathological features of fine textures rather than obtaining the entire number of spatially encoded echoes required for image formation. Therefore, it is possible because it focuses only on the acquisition of the k value of interest. A significant decrease in the data matrix can increase the number of iterations at the targeted k-value and thus can significantly improve the SNR.

ある範囲のテクスチャースペーシング内のエネルギー密度は、テクスチャー波長に比例するか、またはk値に反比例する − すなわちk値が高いほど、関連の信号強度は低くなる。本明細書で特許請求される方法を使用することによって可能にされた高速取得は、TおよびT の影響が信号振幅を低下させる前に、最初は低い信号であるk値を取得するために、特定のk値での取得の繰り返し回数を合わせることができる。このようにして、雑音消去のために平均される各繰り返しのSNR(またはそれに続くTRからのk値の測定値と組み合わせられる前に空間 − 位相 − 補正された)は、この閾値を上回る。異なるk値での取得サイクル間に動きがあることは、各取得が組織の関心体積(VOI)内にある限り、問題にならない。特許請求される方法が、組織のテクスチャーにおける、病状によって誘発される変化の評価のみを標的とするため、画像法において必要とされるような、データ取得のサイクル全体にわたる位相コヒーレンスは必要ない。 The energy density within a range of texture spacing is proportional to the texture wavelength or inversely proportional to the k value-that is, the higher the k value, the lower the associated signal strength. The fast acquisition made possible by using the method claimed herein acquires the k value, which is initially a low signal, before the effects of T 2 and T 2 * reduce the signal amplitude. Therefore, the number of repetitions of acquisition at a specific k value can be adjusted. In this way, the SNR of each iteration averaged for noise elimination (or space-topological-corrected before being combined with the subsequent k-value measurement from TR) exceeds this threshold. The movement between acquisition cycles at different k values is not a problem as long as each acquisition is within the tissue's volume of interest (VOI). The patented method only targets the assessment of pathologically-induced changes in tissue texture, eliminating the need for phase coherence throughout the data acquisition cycle as required by imaging methods.

いくつかの利点は、減少した体積(VOI)における単一のk値サンプリングに対して傾斜がオフにされた後のデータの取得によって生じる。適切なパルスのシーケンシングにより、エコー記録窓が、信号レベルはエコーピークで最も高いため、関心最高k値によって記録が開始されるように設計され得る。これにより、生体内MR画像法では現在達成できない微細構造の記録が可能になる。 Some advantages arise from the acquisition of data after the slope is turned off for a single k-value sampling in reduced volume (VOI). With proper pulse sequencing, the echo recording window can be designed so that recording is initiated at the highest k value of interest because the signal level is highest at Echo Peak. This makes it possible to record fine structures that cannot be achieved by the in-vivo MR imaging method at present.

さらに、T2は、傾斜がオフにされていると長くなるため、より長い取得時間が可能になることによってSNRが改善される。これは、増加したサンプル数Nの取得を可能にする。 Further, since T2 * becomes longer when the inclination is turned off, the SNR is improved by allowing a longer acquisition time. This makes it possible to obtain an increased number of samples N.

コイル組み合わせも、各k値に対してより高いSNRを有することによって単純にされ、従ってSNR全体を著しく改善する。これは、MRIの傾向が、多くの小さい要素コイルで構成されたコイルアレイに向かっているため、特に有益である。本明細書で特許請求される方法で標的とされている取得体積が小さいため、サンプル体積にわたる位相の補正は必要ではない。複数の要素チャネルを組み合わせるために、各コイルに関する1つの位相およびゲイン値のみが必要とされる。これらは、コイルを最も高いSNRで最も重く重み付ける最大比合成(MRC)方法、または他の複数信号組み合わせ方法を使用して組み合わせられ得る。(所与のコイルアレイの要素の位相およびゲインは、一度ファントムから決定されてから、患者のデータに適用され得る。) The coil combination is also simplified by having a higher SNR for each k value, thus significantly improving the overall SNR. This is particularly beneficial as the MRI trend is towards coil arrays composed of many small element coils. Due to the small acquisition volume targeted by the methods claimed herein, no phase correction over the sample volume is required. Only one phase and gain value for each coil is needed to combine multiple element channels. These can be combined using the maximum signal-to-noise ratio (MRC) method, which weights the coils most heavily with the highest signal-to-noise ratio, or other multi-signal combination methods. (The phases and gains of the elements of a given coil array can be determined from the phantom once and then applied to the patient's data.)

標準的なMRI走査での信号取得およびデータサンプリングは、複数のエコーの複素数値サンプルを取得することによって行われる一方、傾斜シーケンスを同時に、ならびにエコーを順々に適用する。画像法は、複数の次元のうちの1つの次元に関する周波数エンコードに依存する。なぜなら、これは、一点ではなく、各位相エンコードによってk空間内での1つのラインの取得を可能にするからである。3次元画像化に関し、k空間内の2つの次元は、通常、位相エンコードに依存して、目標としたk空間の充填を生成し、3番目の次元が周波数エンコードされる。画像化での位相エンコード取得は、通常、位相エンコードの各方向において約256個のk値の取得を伴い、従って比較的時間のかかるプロセスである。臨床的なMRI走査では、画像を生成するのに約10〜15分かかる。画像構成での目標は、十分なk空間カバレージを取得して、2次元または3次元フーリエ級数の係数全てを埋めることであり、このため、標準的なMR分解能は対象の動きによって制限される。 Signal acquisition and data sampling in a standard MRI scan is done by taking complex value samples of multiple echoes, while applying tilt sequences simultaneously and echoes in sequence. Imaging methods rely on frequency encoding for one of a plurality of dimensions. This is because it is possible to get one line in k-space by each phase encoding, not just one point. With respect to 3D imaging, the two dimensions in k-space usually rely on phase encoding to generate the target k-space fill, and the third dimension is frequency encoded. Acquiring phase encoding in imaging is usually a relatively time consuming process, involving the acquisition of about 256 k-values in each direction of phase encoding. In clinical MRI scanning, it takes about 10 to 15 minutes to generate an image. The goal in image composition is to obtain sufficient k-space coverage and fill in all the coefficients of the 2D or 3D Fourier series, so the standard MR resolution is limited by the motion of the object.

本明細書で特許請求される方法は、画像生成に重点を置いている標準的なMRデータ取得とは正反対である。画像形成は、求められる大きいデータマトリクスを取得するために必要な長い時間にわたる対象の動きから生じる不鮮明さに直面する。本明細書で特許請求される方法の標的は、画像ではなくテクスチャーであるため、対象の動きに対する唯一の条件は、サンプリングされた体積が、データを取得する間、同様の組織特性の領域内に留まることである。これは遥かに厳しくなく、および可能な動きの規模が十分に大きいため、および時間的順序はリアルタイムの動きの評価および補正技術によって簡単に補正されるため、構造的な位相コヒーレンスの条件よりも目標を達成するのが簡単である。本明細書で特許請求される方法の取得速度は、ほとんどの場合、リアルタイムの動きの補正が全く必要ではないとし得るようなものである。テクスチャー測定値を抜き出そうとするために、他の方法は、画像の後処理に重点を置いたが、本明細書で特許請求される方法は、画像生成の必要性を除去し、その代わりに、テクスチャーを直接測定することに重点を置き、従ってより感度が高くかつロバストな測定を可能にする。 The method claimed herein is the exact opposite of standard MR data acquisition, which focuses on image generation. Image formation faces the blurring that results from the long-term movement of the object required to obtain the large data matrix required. Since the target of the method claimed herein is the texture, not the image, the only condition for the movement of the subject is that the sampled volume is within the region of similar tissue properties while the data is acquired. To stay. This is much less stringent, and because the scale of possible movements is large enough, and because the temporal order is easily corrected by real-time movement evaluation and correction techniques, it is a goal over structural phase coherence conditions. Is easy to achieve. The acquisition speed of the methods claimed herein is such that in most cases no real-time motion correction may be required. While other methods focused on image post-processing to attempt to extract texture measurements, the method claimed herein eliminates the need for image generation and instead In addition, the emphasis is on measuring the texture directly, thus enabling more sensitive and robust measurements.

しばしば、k空間サンプリングは、傾斜セットの存在下でのエコーのサンプリングと同義であると考えられる。本明細書で特許請求される方法では、k空間充填のための手法は、標的とした病状でのテクスチャーの評価に必要なk値の組のみを取得することであり、データは、傾斜がオフにされた後に取得される。この方法は、雑音低減のために平均化するために、単一のk値の繰り返しのそのような高速取得を可能にし、それにより、対象の動きはデータを劣化させない。 Often, k-space sampling is considered synonymous with echo sampling in the presence of tilt sets. In the method claimed herein, the technique for k-space filling is to obtain only the set of k-values needed to evaluate the texture in the targeted medical condition, and the data are tilted off. Obtained after being made. This method allows such fast acquisition of a single k-value iteration for averaging for noise reduction so that the motion of the subject does not degrade the data.

個別にk値をサンプリングすることから生じるSNRの大きい改善、単一のTRにおいて取得された選択したk値の組の多くの繰り返しと併せて、傾斜がオフにされた後の取得は、SNRをさらに著しく改善でき、従って測定のロバスト性を増大させる。これを、以下の記載で説明する。 The acquisition after the slope is turned off, along with the large improvement in SNR resulting from sampling the k-values individually, with many iterations of the selected set of k-values acquired in a single TR, results in an SNR. It can be further significantly improved, thus increasing the robustness of the measurement. This will be described below.

MRエコーサンプリングは、特定のサンプル対時間依存性エコーの時間を提供する。エコーは、(周波数エンコード軸に対して)同時におよび(位相エンコード軸に対して)以前に適用される傾斜に含まれるだけでなく、サンプルの異なる化学種に関連付けられるアイソクロマット、ならびにスピン−スピン相互作用に関連付けられるエンベロープ(T2&T2)を含む。 MR echo sampling provides a specific sample-to-time-dependent echo time. Echoes are not only included in the gradients applied simultaneously (relative to the frequency-encoded axis) and previously (relative to the phase-encoded axis), but also the isochromat associated with different species of the sample, as well as spin-spin Includes envelopes (T2 & T2 *) associated with the interaction.

従来の周波数エンコードされたスピンの取得は、サンプルに時間変化傾斜を課し、これは、予め決められた経路に沿ってk空間を効果的に移動する。直線的なサンプリングでは、経路は直線に沿っている。 The acquisition of conventional frequency-encoded spins imposes a time-varying slope on the sample, which effectively travels in k-space along a predetermined path. In linear sampling, the path is along a straight line.

周波数エンコードは、所与のk値において測定値を1つのみ生成する − 所与の時点において、エコーの取得されたサンプルは、特定のk空間の位置におけるフーリエ係数に対応する1つの値を表す。次のエコーサンプルは、異なるk空間の位置における値を表し、次のk値は、同時に適用される傾斜の勾配に依存する。対応するk値に十分な信号がある限り、この手法は良好に機能する。しかしながら、関心信号が、ノイズフロアに近いかまたはさらにはそれを下回る場合、通常、追加的なサンプルおよびそれに続いて後処理が必要とされる。 Frequency encoding produces only one measurement at a given k-space-at a given point in time, the echoed sample represents one value corresponding to the Fourier coefficient at a position in a particular k-space. .. The next echo sample represents a value at a position in a different k-space, and the next k-value depends on the slope of the slope applied at the same time. This technique works well as long as there is sufficient signal for the corresponding k value. However, if the signal of interest is close to or even below the noise floor, additional samples and subsequent post-processing are usually required.

周波数エンコードされた傾斜の読み出しにおいてノイズフロアを低減させる1つの方法は、傾斜の強度を小さくし、かつ受信機の帯域幅を低くすることである。受信機の帯域幅を狭くすることは、実際、雑音レベルを下げ、およびより低い信号レベルの検出を改善する(用語kTBに比例する、kは、ボルツマン定数に対応し、Tは、ケルビン温度に対応し、およびBは、Hzでの受信機の帯域幅に対応する。)しかしながら、これは、より大きい化学シフトアーチファクトを犠牲にして実現される。 One way to reduce the noise floor in frequency-encoded tilt readout is to reduce the slope intensity and reduce the receiver bandwidth. Narrowing the bandwidth of the receiver actually lowers the noise level and improves the detection of lower signal levels ( proportional to the term k B TB, where k B corresponds to the Boltzmann constant and T is. Corresponds to Kelvin temperature, and B corresponds to the bandwidth of the receiver in Hz.) However, this is achieved at the expense of larger chemical shift artifacts.

化学シフトアーチファクトは、生物学的サンプル内の異なる化学種に関連付けられる異なるアイソクロマットの結果として生じる。周波数エンコードされたk空間の読み出しでは、わずかに高い周波数で共振するそれらの化学種は、像空間におけるそれらの実際の位置から、周波数が大きくなる方向へ変位しているように見える。空間周波数エンコーディング傾斜が浅い場合、明白な変位はかなり大きいものであり得る。 Chemical shift artifacts occur as a result of different isochromats associated with different species within a biological sample. In a frequency-encoded k-space readout, those species that resonate at slightly higher frequencies appear to be displaced from their actual position in image space in the direction of increasing frequency. If the spatial frequency encoding slope is shallow, the apparent displacement can be quite large.

そのようなものとして、化学シフトアーチファクトを最小にするために、傾斜の勾配は、一般に、可能な限り険しくされて、明白なシフトを狭い範囲内(すなわち、像領域の1または2ピクセル内)へと最小にする。しかしながら、そのため、これは、より大きい周波数範囲に対応するために、より広い受信機の帯域幅を必要とする。これは、同様に、受信帯域幅に比例するレベルにおいて、ノイズフロア全体を大きくする。 As such, in order to minimize chemical shift artifacts, the slope of the slope is generally made as steep as possible, with obvious shifts within a narrow range (ie, within one or two pixels of the image area). And minimize. However, this therefore requires a wider receiver bandwidth to accommodate the larger frequency range. This also increases the overall noise floor at a level proportional to the receive bandwidth.

周波数の読み出しが、一般的に、傾斜の強度と、雑音レベルと、化学シフトアーチファクトとを強制的に交換する結果となる。 Frequency readout generally results in a forced exchange of tilt intensity, noise level, and chemical shift artifacts.

信号取得における雑音低減のための共通の技術は、信号の繰り返しのサンプリング、およびそれに続く複数の測定値の組み合わせによるものである。線形ノイズ源、例えばガウス雑音では、この技術は、信号でのランダム雑音の消去によってSNRを改善し、その消去効果は、サンプル数Nと共に大きくなる。 A common technique for noise reduction in signal acquisition is by iterative sampling of the signal, followed by a combination of multiple measurements. For linear noise sources, such as Gaussian noise, this technique improves the SNR by eliminating random noise in the signal, the elimination effect increasing with the number of samples N.

この消去技術による雑音低減は、静止している対象に都合がよい。しかしながら、動きによって誘発される不鮮明さは、非線形効果であるため、個々の測定が大きい空間位相角を通してシフトした(研究しているテクスチャー/構造的な波長に対して)信号の組み合わせは、SNRの改善とはならない。動きを補正するかなり標準的な技術は、実空間でのMR強度データを見て、および重なりを最大にするために、互いに対して連続的なトレース/画像を再登録することである。白色雑音の減少のように、これらの再登録された信号の線形結合は、動きによって引き起こされる不鮮明さを減少させると仮定する。しかしながら、これは、個々の取得それぞれでのSNRが十分に高い場合にのみ機能する。低いSNRサンプルの再登録は、推定された位置において大きい分散を生じる。閾値理論は、元の信号がある雑音閾値未満であるとき、再登録された信号を非線形の不鮮明さと結合することは、信号のエラーを増やすのみであると定義している。 The noise reduction by this erasing technique is convenient for stationary objects. However, motion-induced blurring is a non-linear effect, so the combination of signals (for the texture / structural wavelength being studied) where individual measurements are shifted through large spatial phase angles is of SNR. It does not improve. A fairly standard technique for correcting motion is to look at MR intensity data in real space and re-register continuous traces / images with each other to maximize overlap. It is assumed that the linear combination of these re-registered signals, like the reduction of white noise, reduces the blur caused by motion. However, this only works if the SNR at each individual acquisition is high enough. Re-registration of low SNR samples results in large variance at the estimated location. Threshold theory defines that when the original signal is below a certain noise threshold, combining the re-registered signal with non-linear blur only increases the error in the signal.

対象の動きによって取り込まれた非線形性は、より高いk値において増える。なぜなら、動きによって誘発されるテクスチャーの位相シフトはkによって増加するためである − すなわち、関心構造のサイズが小さくなるにつれ、動きの悪影響がより深刻になる。これは、結合される複数のサンプルは、十分に短い期間で取得される同じ取得シーケンスに由来する必要があり、サンプル間に無視できる程度の動きが確実にあることを暗示する。 The non-linearity captured by the movement of the object increases at higher k values. This is because the phase shift of the texture induced by movement is increased by k-that is, as the size of the structure of interest decreases, the adverse effects of movement become more severe. This implies that the multiple samples to be combined must be derived from the same acquisition sequence acquired in a sufficiently short period of time, ensuring that there is negligible movement between the samples.

クラメール・ラオの下限(Cramer−Rao Lower Bound)は、推定値の剰余分散の下限に必要なサンプル数についての洞察、すなわち加法性白色ガウス雑音(AWGN)におけるSNR対サンプル数ついての洞察をもたらす。AWGNにおける低ソースのSNRに関し、有用なSNRを得るために、多数のサンプルを平均する必要がある。当初の仮定は、複数回の取得が行われてから平均して、より高いSNRを達成し得ることである。(CRAMER,H.;“Mathematical Methods of Statistics”;Princeton University Press,1946.RAO,C.R.,“Information and the accuracy attainable in the estimation of statistical parameters”;Bulletin of the Calcutta Mathematical Society37,1945。) The Cramer-Rao Lower Bound provides insight into the number of samples required for the lower bound of the residual variance of estimates, namely SNR vs. sample size in additive white Gaussian noise (AWGN). .. For low source SNRs in AWGN, a large number of samples need to be averaged to obtain useful SNRs. The initial assumption is that higher SNR can be achieved on average after multiple acquisitions. (CRAMER, H;. "Mathematical Methods of Statistics"; Princeton University Press, 1946.RAO, C.R, "Information and the accuracy attainable in the estimation of statistical parameters";. Bulletin of the Calcutta Mathematical Society37,1945.)

図面を参照して説明すると、トレース102で示した出力SNRと、トレース104で示した必要なサンプル数との比較である図1のグラフは、高い入力SNRでは、低雑音測定を生じるために、単一のサンプルで十分であることを示す。より低いSNRでは、雑音の寄与を「平均にする」ために、複数のサンプルが必要とされる。サンプルを組み合わせる能力は、複数のサンプル取得プロセス中、基本的な関心信号は比較的一定であると明白に仮定する(すなわち、変化する唯一の成分は、雑音である)。 Explaining with reference to the drawings, the graph of FIG. 1, which is a comparison of the output SNR shown in trace 102 with the required number of samples shown in trace 104, shows that at high input SNRs, low noise measurements occur. Show that a single sample is sufficient. At lower SNRs, multiple samples are needed to "average" the noise contribution. The ability to combine samples explicitly assumes that the basic signal of interest is relatively constant during the multiple sample acquisition process (ie, the only component that changes is noise).

図2のグラフは、信号モデル(トレース202)によるシミュレーションであり、入力SNR(トレース204)を提供し、入力雑音レベルが3mV rmsであることを前提として、k空間における位置に応じて20dBのSNRを生じるために必要なk値のサンプル数(トレース206)を示す。スペクトルエネルギー密度は、一般的に、k−1に比例するため、適切なSNRを維持するために、より高い空間周波数(より高いk値)でより多数の入力サンプルが必要とされる。シミュレーション用の雑音レベルは、k=2サイクル/mmで約10dBのSNRに調整される(λ=500μm)。 The graph of FIG. 2 is a simulation by a signal model (trace 202), provides an input SNR (trace 204), and assumes that the input noise level is 3 mV rms, an SNR of 20 dB depending on the position in k-space. The number of k-value samples (trace 206) required to generate the above is shown. Since the spectral energy density is generally proportional to k-1 , more input samples are needed at higher spatial frequencies (higher k values) to maintain proper SNR. The noise level for simulation is adjusted to an SNR of about 10 dB at k = 2 cycles / mm (λ = 500 μm).

上記で指摘した通り、このタイプの平均化は、データ取得の一時的な期間にわたって発生する標的組織の変位または変形のない、純粋に静的なサンプルで可能である。しかしながら、生体内の適用では、患者が協力的な場合でも、自然な動きが発生する。関心テクスチャースペーシングが減少するため、動きの悪影響はより深刻となる。さらに重要なことに、このタイプの平均化は、基本的な信号が取得にわたって同じであり、およびゼロ平均の複素数値加法性白色ガウス雑音(CAWGN)のみが変化するという仮定に基づいている。信号自体が変化する場合、結果は、雑音の平均だけでなく、基本的な信号N個の異なるバージョンの平均となり、これは、あまりSNRを改善しない。 As pointed out above, this type of averaging is possible with purely static samples without target tissue displacement or deformation that occur over a temporary period of data acquisition. However, in vivo applications result in natural movement, even when the patient is cooperative. The negative effects of movement are more severe as the texture spacing of interest is reduced. More importantly, this type of averaging is based on the assumption that the basic signal is the same throughout the acquisition, and that only the zero-mean complex-valued additive white Gaussian noise (CAWGN) changes. If the signal itself changes, the result is not only the average of the noise, but also the average of N different versions of the basic signal, which does not improve the SNR much.

低SNRサンプルを使用して動きを推定および補正することは、推定された位置の高い分散を生じる。これは、同様に、「補正された」取得における大きい分散を生じさせ、およびこれらの取得が平均されるとき、SNRに予期した増加を生じない。これは、複数のサンプルが同じ取得シーケンスに由来する必要があり、そこでは、サンプル間の動きは極めて小さいことを暗示する。これは、本明細書で特許請求される方法によって可能にされる。 Estimating and correcting motion using a low SNR sample results in a high variance of the estimated position. This also results in a large variance in the "corrected" acquisitions, and does not produce the expected increase in SNR when these acquisitions are averaged. This implies that multiple samples must come from the same acquisition sequence, where the movement between the samples is very small. This is made possible by the methods claimed herein.

問題は、より短い構造波長ではより深刻になる。当分の間無雑音の2つの取得を考慮すると、そのうちの一方は、量dだけ変位されている。所与のk値に関し、それらを平均しようとする試みは、
Y(2πk):=S(2πK)[1+e−2πkd]/2 (0.1)
(式中、S(2πk)は、複素数値信号であり、およびY(2πk)は、2つの取得の平均を表す)
を生じる。
The problem becomes more serious at shorter structural wavelengths. Considering the two acquisitions of noiselessness for the time being, one of them is displaced by the amount d. Attempts to average them for a given k value
Y (2πk): = S (2πK) [1 + e -2πkd ] / 2 (0.1)
(In the equation, S (2πk) is a complex value signal, and Y (2πk) represents the average of the two acquisitions)
Produces.

これは、
Y(2πk):=S(2πK)e−jπkdcos(πkd) (0.2)
と表わされ得、これは、変位dに起因する振幅の減衰および位相シフトの両方を示す。大きさの減衰をフロア値aに制限することにより(ここで、0<a<1)、dを

Figure 0006906507

に制限する。 this is,
Y (2πk): = S (2πK) e −jπkd cos (πkd) (0.2)
It can be expressed as both the amplitude attenuation and the phase shift due to the displacement d. By limiting the magnitude attenuation to the floor value a (where 0 <a <1), d
Figure 0006906507

Limit to.

これは、所与の大きさの誤差に関し、kの値が増えるにつれて許容可能な変位が小さくなることを示す。これは、関心テクスチャースペーシングが小さいほど、データ取得中に許容され得る動きが小さくなるためである。 This indicates that for an error of a given magnitude, the allowable displacement decreases as the value of k increases. This is because the smaller the texture spacing of interest, the smaller the permissible movement during data acquisition.

この問題に対処するために、本明細書で特許請求される方法において代替的な手法が取られ、この方法は、周波数エンコードされた読み出しを省き、かつ特定のk空間の点をサンプリングすることであり、1度に単一の空間的位置および向きで各関心k値において1つまたは複数の測定値を取得する。 To address this issue, an alternative approach has been taken in the method claimed herein, which omits frequency-encoded reads and samples points in a particular k-space. Yes, one or more measurements are taken at one time for each interest k-value in a single spatial position and orientation.

標準的なMRの実行での所与の取得内には、エコーで取得されたM個のサンプルがある。各k値でのサンプルの取得の代わりに、N≦Mのそれらのサンプルは、特定のk値における(複素数値の)基本的な信号値を推定するために使用され得る。1つの取得データ内の複数のサンプルは、時間的に遥かに近いため、複数の取得データにわたってよりも、遥かに動きの心配が少ない状態で、組み合わせられ得る。 Within a given acquisition in a standard MR run, there are M samples acquired by echo. Instead of taking samples at each k-value, those samples with N≤M can be used to estimate the (complex number) basic signal value at a particular k-value. Since multiple samples in one acquired data are much closer in time, they can be combined with much less concern about movement than across multiple acquired data.

エコー全体を使用して1つのk値を測定する場合、受信帯域幅は、基本的なNMRスペクトル内の最も豊富な共振ピークを通過し、かつそれを上回る周波数を減衰するように調整され得る。 When measuring a single k value using the entire echo, the receive bandwidth can be adjusted to pass through and attenuate frequencies above the richest resonant peaks in the underlying NMR spectrum.

直線的なMRSスペクトル(構造的位相エンコードがない)を取ることは、HO(化学シフトがδ=4.7ppm)、ならびに脂肪中で生じる炭素−水素結合(例えばCH3、CH2、CH=CHなど)に対応するピークから主になるスペクトルを生じさせ、炭素−水素結合は、それぞれ0.9〜5.7ppmに及ぶ異なる化学シフトがあり、最も豊富な共振は、δ=1.3ppmで生じる脂肪鎖中のCH2からくる。 Taking a linear MRS spectrum (no structural phase encoding) is, H 2 O (chemical shift [delta] = 4.7 ppm), and carbon results in fat - hydrogen bonds (e.g. CH3, CH2, CH = CH The main spectrum is generated from the peak corresponding to (etc.), and the carbon-hydrogen bond has different chemical shifts ranging from 0.9 to 5.7 ppm, respectively, and the most abundant resonance occurs at δ = 1.3 ppm. It comes from CH2 in the fat chain.

3T機を使用すると仮定すると、水素の磁気回転比はγ=42.576ΜΗz/Τであるため、化学シフト値は、166Hz(CH2に関して)〜600.3Hz(H2Oに関して)の範囲である。600.3Hzを超える(片面の)受信機の帯域幅が使用される限り、H2Oのピークは通過する。基底帯域サンプリングであると仮定すると、これは、サンプリングレート>1.2kHzを暗示する(複合基底帯域サンプリングを使用する場合、これは、理論的に約1/2だけ減少されることに留意されたい。)ここでの要点は、この方法によって狭帯域幅を使用し得ること、およびサンプルレートが約800μsであることである。それにより、信号の雑音は減少され、および複数回の繰り返しのk値取得データが数ミリ秒で取得され、それにより、取得されたデータが患者の動きを免れるようにする。対照的に、単一の画像取得がTE約30ms、およびTR約500ms〜2000msで行われる。信号の平均化に必要なデータを繰り返して取得するために数分間かかり得る − 呼吸、心臓、および単収縮の動きが動きによって誘発される不鮮明さによって分解能を制限する時間的範囲である。特許請求される方法は、より高いk値(より短いテクスチャー波長)に見られるようなものなど、信号レベルが非常に低いk空間中の複数の領域での値の取得を可能にする − これまで捉えにくいままであった微細なテクスチャー範囲。 Assuming that a 3T machine is used, the gyromagnetic ratio of hydrogen is γ = 42.576 ΜΗz / Τ, so the chemical shift value is in the range of 166 Hz (for CH2) to 600.3 Hz (for H2O). As long as the receiver bandwidth (one side) above 600.3 Hz is used, the H2O peak will pass. Note that assuming baseband sampling, this implies a sampling rate> 1.2 kHz (when using composite baseband sampling, this is theoretically reduced by about 1/2. The point here is that a narrow bandwidth can be used by this method and the sample rate is about 800 μs. Thereby, the noise of the signal is reduced, and the k-value acquisition data of multiple repetitions is acquired in a few milliseconds, whereby the acquired data is made to avoid the movement of the patient. In contrast, a single image acquisition is performed at TE about 30 ms and TR about 500 ms-2000 ms. It can take several minutes to iteratively obtain the data required for signal averaging-a time range in which respiratory, cardiac, and monocontractive movements are limited in resolution by motion-induced blurring. The patented method allows the acquisition of values in multiple regions in k-space with very low signal levels, such as those found at higher k-values (shorter texture wavelengths) -so far. A fine texture range that remained difficult to capture.

信号を最大にするために、多量の非ゼロの周波数が選択される。概して、これは、取得されたサンプルの全ての単なる平均に対応しない。その代わりに、特定の関心化学種に対応する関心周波数に「合わせられている」整合フィルターに似ている。 A large number of non-zero frequencies are selected to maximize the signal. In general, this does not correspond to a mere average of all the samples taken. Instead, it resembles a matched filter that is "tuned" to the frequency of interest that corresponds to a particular species of interest.

追記として、全NMRスペクトルが抽出されて(全く位相エンコーディング傾斜がない状態で、体積選択のみで)、基本的な信号強度(および関連の周波数)のベースラインを得ることができ、これは、次に、空間的に変調され、研究中のテクスチャー要素に予期される化学種の知識によるテクスチャー波長への洞察をもたらす。 As an addendum, the entire NMR spectrum can be extracted (without any phase encoding gradient, only by volume selection) to obtain a baseline of basic signal strength (and associated frequencies), which is as follows: In addition, it is spatially modulated and provides insight into the texture wavelengths of the texture element under study with knowledge of the expected species.

関心アイソクロマットは、エコーのN個のサンプルを取得し、その後、フーリエ変換を取ることによって抽出され得る。エコーは、傾斜なしで行われるため、関心アイソクロマットにおいて結果として得られる信号の強度は、(複素数値)関心k値係数に対応する。 The isochromat of interest can be extracted by taking N samples of echo and then taking a Fourier transform. Since the echo is performed without tilt, the intensity of the resulting signal in the isochromat of interest corresponds to the (complex number) k-value coefficient of interest.

目標は、テクスチャー波長の相対振幅を抽出することであるという前提で、振幅対テクスチャー波長の測定値がまさに必要な情報である。しかしながら、十分な信号の強度を抽出し、およびそれを基本的なノイズフロアと区別するために、複素フェーザー値が最後まで保存される必要がある。 Given that the goal is to extract the relative amplitudes of the texture wavelengths, the amplitude vs. texture wavelength measurements are just the information we need. However, the complex phasor value needs to be preserved to the end in order to extract sufficient signal strength and distinguish it from the underlying noise floor.

ノイズフロア、信号強度(化学種が豊富である特定のアイソクロマットにおける)、必要なサンプル数、および最大許容誤差の関係は、

Figure 0006906507

(式中、σ2は、ノイズの分散を表し、|A|2は、関心アイソクロマットの振幅二乗を表し、および0<ε<1は、推定値の許容可能な誤差を表す)
と概算され得る。さらに、雑音は、ほとんどが生物学的サンプルから供給されると仮定すると、これはさらに、
Figure 0006906507

(式中、NFeffは、受信機の実効雑音指数であり、kは、ボルツマン定数であり、Tは、生物学的サンプルのケルビン温度であり、およびBは、受信機の帯域幅である)
と概算され得る。この場合、Nは、合理的な推定値を生じるために所与の取得データ内で取得される必要があるサンプル数のガイドとして使用され得る。 The relationship between noise floor, signal strength (in a particular species-rich isochromat), required sample size, and maximum margin of error is:
Figure 0006906507

(In the equation, σ2 represents the variance of the noise, | A | 2 represents the amplitude square of the isochromat of interest, and 0 <ε <1 represents the acceptable error of the estimate).
Can be estimated. Furthermore, assuming that the noise is mostly sourced from the biological sample, this further
Figure 0006906507

(In the equation, NF eff is the effective noise figure of the receiver, k B is the Boltzmann constant, T is the Kelvin temperature of the biological sample, and B is the bandwidth of the receiver. )
Can be estimated. In this case, N can be used as a guide for the number of samples that need to be acquired in a given acquired data to produce a reasonable estimate.

必要なサンプル数が、1回の取得で利用可能な数を超える場合、単一の取得からの測定値の組み合わせが、取得と取得との間の空間的な再登録前に、信号を最大にするために必要とされ得る。2つ以上の取得データセット間での合理的な推定値および変位補正が必要とされる。単一のTRブロックからの単一のk値での測定値の組み合わせが、ここで、SNRを増加させるために使用されて、連続的なTR間の再登録が遥かに成功する可能性があるようにし得る。 If the number of samples required exceeds the number available in a single acquisition, the combination of measurements from a single acquisition maximizes the signal before spatial re-registration between acquisitions. May be needed to do. Reasonable estimates and displacement corrections between two or more acquired datasets are required. A combination of measurements at a single k value from a single TR block can now be used to increase SNR and re-registration between successive TRs can be much more successful. Can be done.

エコーにおいて取得されたサンプルのセット全体またはTR全体が、k空間での1つの係数の推定値に割り当てられ得るが、最大数よりも少数のエコーサンプルを使用して許容可能な値が推定され得る場合、特定のエコーまたはTR内でk空間において2つ以上の係数を取得できる可能性を広げる。 The entire set of samples or the entire TR obtained in the echo can be assigned to an estimate of one factor in k-space, but an acceptable value can be estimated using fewer echo samples than the maximum. If so, it expands the possibility of obtaining more than one coefficient in k-space within a particular echo or TR.

図3は、本明細書で特許請求される方法を使用する、データ取得のためのパルスシーケンスの例示的なタイミング図を示す。トレース302に含まれるRFパルスは、典型的なMR画像法におけるような、調査中の組織の選択した体積を励起するために使用される。第1のRFパルス304は、トレース306に示される第1の磁場傾斜で傾斜パルス308と同時に送信される。これは、第1の傾斜の向きおよび振幅およびRFパルスに含まれる周波数に依存した位置で組織の単一のスライス、またはスラブを励起する。負の傾斜パルスである、パルス310は、規定の厚さのスライスまたはスラブ内で励起をリフェーズする。 FIG. 3 shows an exemplary timing diagram of a pulse sequence for data acquisition using the method claimed herein. The RF pulse contained in trace 302 is used to excite a selected volume of tissue under investigation, as in typical MR imaging methods. The first RF pulse 304 is transmitted simultaneously with the gradient pulse 308 at the first magnetic field gradient shown in the trace 306. It excites a single slice of tissue, or slab, at a position dependent on the orientation and amplitude of the first tilt and the frequency contained in the RF pulse. A negative gradient pulse, the pulse 310 rephases the excitation within a slice or slab of a defined thickness.

第1のRFパルス304の振幅の2倍である第2のRFパルス312は、トレース314に表わされる第2の傾斜での傾斜パルス316と同時に送信され、スピンのスライス選択的リフォーカシングを励起し、この第2の組織スライスは、第1の組織スライスと交差する。(この第2のRFパルス312は、正味の磁気ベクトルを、Bに逆平行に傾けるため、スピンの反転およびそれに続くリフォーカシングを生じさせ、従って90°のRFパルスと180°のRFパルスとの間の時間に等しい180度のRFパルスの後の時点で信号エコーを生じる。)初期のより高い値の傾斜パルス318は、傾斜パルス316の開始時には、組織体積にわたって大きい位相ラップを誘発するように設計されたクラッシャー、または「スポイラー」傾斜である。パルス316の終端における同様の傾斜パルス322は、180度のRF逆パルスの後に来るため、この位相ラップを解除する。このようにして、180パルス自体の不完全性から生じる励起など、180度のRFパルスの前には存在しないいずれの励起もこのプレエンコードを有しないため、第2のクラッシャーによってリフォーカスされず、従って信号に寄与しない。要約すると、適用された第2の傾斜と組み合わせられる第2のRFパルスは、この第2の傾斜によって第1のスライスと第2のスライスセットとの交点によって画成された領域において、信号のスライス選択的リフォーカシングを提供する。 The second RF pulse 312, which is twice the amplitude of the first RF pulse 304, is transmitted at the same time as the tilt pulse 316 at the second tilt represented by the trace 314 to excite the slice-selective refocusing of the spins. , This second tissue slice intersects the first tissue slice. (This second RF pulse 312 tilts the net magnetic vector antiparallel to B 0 , causing spin inversion and subsequent refocusing, thus with a 90 ° RF pulse and a 180 ° RF pulse. A signal echo occurs at a point after the 180 degree RF pulse equal to the time between.) The initial higher value of the tilt pulse 318 is such that at the start of the tilt pulse 316, it induces a large phase lap over the tissue volume. Designed for crushers, or "spoiler" tilts. A similar gradient pulse 322 at the end of pulse 316 comes after a 180 degree RF reverse pulse, thus breaking this phase wrap. In this way, none of the excitations that do not exist before the 180 degree RF pulse, such as the excitation resulting from the imperfections of the 180 pulse itself, do not have this pre-encoding and are not refocused by the second crusher. Therefore, it does not contribute to the signal. In summary, the second RF pulse combined with the applied second slope is a slice of the signal in the region defined by the intersection of the first slice and the second slice set by this second slope. Provides selective refocusing.

トレース314上のエンコーディング傾斜パルス326は、傾斜パルス326の方向に沿って、初期位相ラップ、従ってk値エンコードを設定する。概して、k値のエンコードは、機械傾斜のベクトル結合によっていずれかの方向に向けられるが、可視化を容易にするために第2の傾斜として表わされる。 The encoding gradient pulse 326 on the trace 314 sets the initial phase lap, and thus the k-value encoding, along the direction of the gradient pulse 326. Generally, the k-value encoding is directed in either direction by the vector coupling of the mechanical slopes, but is represented as a second slope for ease of visualization.

トレース330によって表わされる第3の傾斜上の傾斜パルス332と組み合わせて適用される第3のリフォーカシングRFパルス328は、第3の交差するスライス選択的リフォーカスを画定して、VOIを画定する。傾斜パルス332は、同様に、クラッシャー傾斜を用いる。 The third refocusing RF pulse 328, applied in combination with the slope pulse 332 on the third slope represented by the trace 330, defines a third intersecting slice-selective refocus to define the VOI. The tilt pulse 332 also uses the crusher tilt.

負のプレフェージング傾斜パルス326は、位相を終わらせて、第2の180°のRFパルスに続く信号エコーで、信号取得が高k値で開始し、これは、その後、下記で説明するように、さらなるデータ取得のためにそれに続いてデクレリメントされ得る(またはインクリメントされるかまたは向きが変化され得る)。信号のエネルギー密度は、全体的にk−1に比例しているため、この方法は、Tの影響によって多量の全体的な信号減少を引き起こす前に、SNRが低いk値を最初に確実に取得するようにする。 The negative prefading gradient pulse 326 ends the phase and is a signal echo following the second 180 ° RF pulse, where signal acquisition begins at a high k value, which is then described below. , Can subsequently be decremented (or incremented or reoriented) for further data acquisition. Since the energy density of the signal is generally proportional to k-1 , this method ensures that the k value with a low SNR is first before the effect of T 2 causes a large overall signal loss. Try to get it.

全ての傾斜がオフにされた状態では、受信ゲート333が開放されてRF信号を受信し、これは、図3にトレース336上のパルス334として示されている。トレース336のRF信号は、窓の外側のRF信号の実際の詳細を示さずに、受信ゲート窓に存在する信号のみを示す表示である。トレース324上に示すように、サンプリングは、初期k値340aで始まって、トレース338によって表わされるように発生する。図面の規模では、サンプリングレートは十分に高く、アナログ・ディジタル変換器(A/D)の個々のトリガがトレース338に合流したことに留意されたい。(下記で説明する図4の拡大された時間スケールは、個々のA/Dトリガを示す。) With all tilts turned off, the receive gate 333 is opened to receive the RF signal, which is shown in FIG. 3 as pulse 334 on trace 336. The RF signal of trace 336 is a display showing only the signal present in the receive gate window, without showing the actual details of the RF signal outside the window. Trace 324 As shown above, sampling begins with an initial k value of 340a and occurs as represented by trace 338. Note that on the scale of the drawing, the sampling rate was high enough that the individual triggers of the analog-to-digital converter (A / D) merged into trace 338. (The enlarged time scale of FIG. 4 described below shows the individual A / D triggers.)

1つのエコーの小さいサブセットサンプルを使用して十分に推定され得る、対応する係数が十分に大きいk空間の複数の領域では、エコーが記録されている時間中に、新しいk値を選択するために、トレース314に示す傾斜パルス342aを適用することによって得られる別のk値の取得が達成される。好適な設定時間後、エコーの別の組のサンプル(ここでは、新しいk値係数から導かれる)が収集され得る。このプロセスは繰り返され得、1つのTR内で、選択した組のk値のそれぞれにおいて複数のサンプルを取得する。複数のサンプルが初期k値340aで取られる。その後、k値選択傾斜パルス342aが適用され、およびその結果得られるk値340bがサンプリングされる。(図中では、第2の傾斜上の、k値をデクリメントする負パルスとして示されているが、実際には、この負パルスおよびその後に生じる複数のk値傾斜パルスは、任意のk値または向きを選択するためにこれらの傾斜の任意のベクトル結合によって設計され得る。)同様に、k値選択傾斜パルス342bは、A/Dによってサンプリングされる第3のk値340cを選択する。各傾斜パルスは位相ラップを変更し、新しいk値を選択する。k値選択傾斜パルス(342c〜342f)の適用、それに続く、結果として得られるk値係数の複数のサンプリングは、所望の回数だけ繰り返される。データは取得され続けているが、関心サンプルは、全ての傾斜がオフのときに取得される。スライスおよびk値選択に対する傾斜の向きは機械傾斜と一致してもよく、機械傾斜は、B場と一致してあるかまたはそれに対して直角にあるように位置合わせされている。あるいは、取得方向およびk値エンコードは、3つ全ての機械傾斜の軸のベクトル結合である傾斜を使用して選択され得る。 In multiple regions of k-space with sufficiently large corresponding coefficients, which can be fully estimated using a small subset sample of one echo, to select a new k-value during the time the echo is being recorded. , Acquisition of another k-value obtained by applying the gradient pulse 342a shown in trace 314 is achieved. After a suitable set time, another set of samples of echo (here derived from the new k-value factor) can be collected. This process can be repeated, taking multiple samples for each of the selected set of k values within a TR. A plurality of samples are taken with an initial k value of 340a. The k-value selective tilt pulse 342a is then applied, and the resulting k-value 340b is sampled. (In the figure, it is shown as a negative pulse decrementing the k value on the second slope, but in reality, this negative pulse and the subsequent multiple k value slope pulses can be any k value or It can be designed by any vector coupling of these slopes to select the orientation.) Similarly, the k-value selection slope pulse 342b selects a third k-value 340c sampled by the A / D. Each gradient pulse changes the phase lap and selects a new k value. The application of the k-value selective gradient pulses (342c-342f), followed by multiple samplings of the resulting k-value coefficients, is repeated as many times as desired. Data continues to be acquired, but samples of interest are acquired when all slopes are off. Inclined orientation relative to the slice and k values selected may be coincident with the machine inclination, mechanical tilt are aligned so that the right angle or contrast are consistent with B 0 field. Alternatively, the acquisition direction and k-value encoding can be selected using a slope, which is a vector combination of all three mechanical slope axes.

低SNRのk値を測定することが望ましい状況では、プレワインディングエンコーディング傾斜パルスは、測定されるべき第1のk値が、所望の低SNRのk値であるように設定され得る。あるいは、プレワインディング傾斜パルスはゼロに設定され得るため、測定される第1のk値はk0である。k0の測定は、特定のVOIに対するシステムの受信機の感度を決定するため、VOIでのテクスチャーに関わらずアイソクロマットの相対的な優勢さ(例えば、水対液体)を決定するために、またはVOIにおいて測定された他のk値の正規化のために基準値を確立するため、または他のVOIからのk値との比較のために望まれ得る。さらに、VOIに関する特定の組のk値を集めるための戦略は、第1の組の複数のTRにおいて低SNRのk値(一般により高いk値)を測定し、その後、同じVOIに留まっている間に、他のTRにおいて、k0および他のより高いSNRのk値を測定することを含み得る。 In situations where it is desirable to measure a low SNR k value, the prewinding encoding gradient pulse can be set so that the first k value to be measured is the desired low SNR k value. Alternatively, the prewinding gradient pulse can be set to zero, so the first k value measured is k0. The measurement of k0 determines the sensitivity of the system's receiver to a particular VOI, to determine the relative dominance of the isochromat regardless of texture at the VOI (eg, water vs. liquid), or It may be desired to establish a reference value for normalization of other k-values measured in the VOI, or for comparison with k-values from other VOIs. In addition, strategies for collecting a particular set of k-values for VOI measure low SNR k-values (generally higher k-values) in multiple TRs in the first set and then remain in the same VOI. In the meantime, it may include measuring k0 and other higher SNR k values in other TRs.

図3に図表で示すように、信号は、スピンエコーの時点で最大に達する。信号がk値の複数回のRF測定の取得期間中を通して変化しており、k値の准次の測定ブロック間の期間中ではよりその通りであることも図表で示されている。低SNRのk値の測定を最も高いエコー信号と時間的に一致させることは、k値測定のSNRを強化し、あるいはより高いSNRのk値をより低いエコー信号と一致させることは、エコー期間中に追加的な有用なk値の取得を集めることができるようにする。 As shown graphically in FIG. 3, the signal reaches its maximum at the time of spin echo. It is also shown in the chart that the signal changes throughout the acquisition period of multiple RF measurements of the k value, and more so during the period between the quasi-next measurement blocks of the k value. Temporally matching the low SNR k-value measurement with the highest echo signal enhances the SNR of the k-value measurement, or matching the higher SNR k-value with the lower echo signal is the echo period. Allows you to collect additional useful k-value acquisitions inside.

図4は、7.25〜8.00ミリ秒のRFサンプリング窓338の初期部分の期間中の図3のパルスシーケンスの拡大図を示す。全ての傾斜がオフの状態で立て続けに取られた同じk値の複数のサンプルは、信号の平均化用の入力を提供して、SNRが低いときにAWGNを減少させる。サンプリング窓338の第1のブロック344aでは、複数のサンプル346aが第1のk値340aで取られる。k値選択傾斜パルス342aを適用する期間中、移行サンプル348aが取られる。k値選択傾斜がオフにされていると、複数のサンプル346bが第2のk値340bで取られる。その後、関連の移行サンプル348bと共にk値選択傾斜パルス342bの適用が発生し、およびそれに続いて、傾斜がオフにされた後に、第3のk値340cのサンプル346cを取得する。基本的な信号は、所与の各k値においてデータを取得するために使用された非常に短い時間窓に起因して、動きによる影響が最小限である。データは、傾斜をオフにして取得されるため、化学シフトに関する問題はなく、および実効T はより長く、信号値を増加させる。 FIG. 4 shows an enlarged view of the pulse sequence of FIG. 3 during the initial portion of the RF sampling window 338 from 7.25 to 8.00 ms. Multiple samples of the same k value taken in quick succession with all slopes off provide an input for signal averaging and reduce the AWGN when the SNR is low. In the first block 344a of the sampling window 338, a plurality of samples 346a are taken with a first k value of 340a. A transition sample 348a is taken during the period of application of the k-value selective tilt pulse 342a. When the k-value selection tilt is turned off, multiple samples 346b are taken with a second k-value of 340b. The application of the k-value selective tilt pulse 342b then occurs with the associated transition sample 348b, and subsequently, after the tilt is turned off, a sample 346c with a third k-value of 340c is obtained. The basic signal is minimally affected by motion due to the very short time window used to acquire the data at each given k value. Because data is acquired off the slope, no problem on the chemical shift, and the effective T 2 * is longer, increasing the signal value.

k値選択傾斜パルスが上昇し、安定して保たれた後で、ゼロまで下降する間に取得されたエコーのサンプリングされた値は、必然的に、適用された傾斜の影響を受ける。これらの移行サンプルは、他の興味深い情報を提供し得るが、k値係数の直線的な測定を考慮して使用されない。現在アクティブである傾斜がないときに記録されるサンプルのみがこれに使用される。 The sampled value of the echo acquired while the k-value selective tilt pulse rises and remains stable and then falls to zero is necessarily affected by the slope applied. These transition samples may provide other interesting information, but are not used in view of the linear measurement of the k-value factor. Only samples recorded when there is no currently active slope are used for this.

各k値において、一貫性のある数のサンプルが取得され得るか、またはk値が減少し、従って信号の振幅が増大するため、少数のサンプルが取得される代替的なシーケンスが用いられ得る。このタイプの取得に設計されたパルスシーケンスを図5に示す。取得で標的とされた各k値の複数のサンプルは、傾斜がオフの状態で立て続けに取得される。これらの繰り返しは、低SNR信号における信号の平均化のための入力を提供する。図3および図4に示すパルスシーケンスのように、所与のk値に対してデータが取得される非常に短い時間窓に起因して、基本的な信号が動きによって受ける影響は最小限である。 For each k-value, a consistent number of samples can be obtained, or an alternative sequence can be used in which a small number of samples are taken because the k-value decreases and thus the amplitude of the signal increases. A pulse sequence designed for this type of acquisition is shown in FIG. Multiple samples of each k-value targeted in the acquisition are acquired in quick succession with the slope off. These iterations provide an input for signal averaging in low SNR signals. Due to the very short time window in which data is acquired for a given k value, as in the pulse sequences shown in FIGS. 3 and 4, the effect of motion on the underlying signal is minimal. ..

図5に概略図を描かれているサンプル窓344a〜344gの複数の部分内にあるサンプルは、k値選択傾斜のアンワインディングパルス342a〜342fによってそれぞれ誘発された所与のk値340a〜340gに対して取得されたサンプル数に対応する。所与のk値に関連付けられたサンプル数であるNは、予期されるSNR、組織コントラスト、コントラスト対ノイズ、病状、テクスチャーサイズ、および/またはテクスチャー帯域幅に基づいて選択され得る。図5に示す例では、サンプル数の減少が、徐々に小さくなるk値(より大きいテクスチャー特徴)に関して取られていることが示され得る。これは、上述の通り、一次信号振幅はk値の減少と共に増大する − エネルギー密度は概してk−1に比例するためである。これと同じ理由から、T2の効果が最小であるとき、より大きいk値がこのスキームにおいて最初に取得され、より長い波長、より高い信号強度、k値が取得の後期で記録される。 The samples in the plurality of portions of the sample windows 344a-344g, which are outlined in FIG. 5, have a given k-value of 340a-340g evoked by the unwinding pulses 342a-342f of the k-value selection tilt, respectively. Corresponds to the number of samples obtained. The number of samples associated with a given k value, N k , can be selected based on expected SNR, tissue contrast, contrast vs. noise, pathology, texture size, and / or texture bandwidth. In the example shown in FIG. 5, it can be shown that the reduction in sample size is taken for a gradually decreasing k value (larger texture features). This is because, as mentioned above, the primary signal amplitude increases with the decrease of the k value-the energy density is generally proportional to k-1. For the same reason, when the effect of T2 is minimal, larger k-values are acquired first in this scheme, longer wavelengths, higher signal strength, k-values are recorded later in the acquisition.

エコーおよび/または新しいTRのリフォーカシングは、k空間サンプルのライブラリーを構築するために使用され得る。1つのTR内での複数のk値の取得は、複数のリフォーカシング傾斜および/またはRFパルスを適用することによって容易にされ、追加的なk値がTR内でサンプリングされ得る時間を増やし得る。これらの後期のエコーは、おそらく、選択した組におけるより低いk値の係数を取得するために使用され得る。なぜなら、一連の値でのそれらのエネルギー密度が一般的により高く、全体的な信号でのTの減衰の効果が、より高いk値ほどそれらに厳しい影響を与えないためである。このようにして、必要なk空間充填のより大きい部分がより少数のTRにわたって達成され、より高速のデータ取得を可能にし、VOIを再位置決めする必要性を最小限にし得る。 Echo and / or new TR refocusing can be used to build a library of k-space samples. Acquisition of multiple k-values within a TR is facilitated by applying multiple refocusing gradients and / or RF pulses, which can increase the amount of time additional k-values can be sampled within a TR. These late echoes can probably be used to obtain lower k-value coefficients in the selected set. This is because their energy densities at a range of values are generally higher, and the effect of attenuation of T 2 on the overall signal does not affect them as severely as the higher k values. In this way, a larger portion of the required k-space filling can be achieved over fewer TRs, allowing faster data acquisition and minimizing the need to reposition the VOI.

図8は、TRの記録時間を延長するためにスピンエコーリフォーカシングを使用する、本明細書で特許請求される方法の基本的なシーケンスの延長を示す。関連の傾斜パルス804のあるリフォーカシングRFパルス802を適用することにより、スライス選択的リフォーカシングを生じる。適切な設定時間後、第2のサンプリング窓806が受信ゲート808によって開放される。複数のk値選択傾斜パルス810が、選択したk値をインクリメントするために適用され、かつそれぞれの連続的な傾斜パルスをオフにした後、選択したk値の複数のサンプルがサンプリング窓で取得される。関連の傾斜パルス814のある第2のスライス選択的リフォーカシングRFパルス812は、ここでも、スピンを逆にし、かつ多数のk値選択傾斜パルス820においてそれぞれ適用した後、受信ゲート818によって開放された第3のサンプリング窓816においてデータが取得される。図面に示すように、増加した数のk値は、各リフォーカシングによってサンプリングされ得る。リフォーカシングは、信号レベルがT2から低下されかつ他の影響がさらなる信号取得を無効にするまで繰り返され得る。複数の信号エコーを励起することによって記録時間を延長する別の方法は、1つのまたは一連の傾斜リコールドエコー(GRE)を使用することである。GREは、静止している不均質性の影響をリフォーカスできない点でSEと異なるため、T2の影響が繰り返し数を制限する。 FIG. 8 shows an extension of the basic sequence of methods claimed herein that use spin echo refocusing to extend the recording time of TR. Refocusing with the associated tilt pulse 804 Applying RF pulse 802 results in slice-selective refocusing. After an appropriate set time, the second sampling window 806 is opened by the receiving gate 808. Multiple k-value selection tilt pulses 810 are applied to increment the selected k-value, and after turning off each successive tilt pulse, multiple samples of the selected k-value are taken in the sampling window. NS. A second slice-selective refocusing RF pulse 812 with the associated tilt pulse 814 was again opened by the receive gate 818 after reversing the spin and applying each in a number of k-value selective tilt pulses 820. Data is acquired in the third sampling window 816. As shown in the drawings, the increased number of k-values can be sampled by each refocusing. Refocusing can be repeated until the signal level drops from T2 and other effects disable further signal acquisition. Another way to extend the recording time by exciting multiple signal echoes is to use one or a series of tilted recall echoes (GREs). Since GRE differs from SE in that the effect of resting heterogeneity cannot be refocused, the effect of T2 * limits the number of iterations.

利用可能な組織コントラストに加えて、特定の病状に関連付けられたk値は、信号の平均化に必要なサンプル数、Nの決定の一部である。肝線維症では、適切なテクスチャーの波長は、400ミクロンの範囲であり、すなわち2.5サイクル/mmのk値にある。これは、心臓線維症などの多くの他の疾患の線維化進展において見られるテクスチャースペーシングと同様である。海綿骨における要素のスペーシングはかなり変化するが、関心最小スペーシングは、骨梁要素の幅であり、これは約80ミクロンであり、最大k値を12.5サイクル/mmに設定する。神経病状では、関心テクスチャーの多くは、20サイクル/mmのk値に等しい50ミクロンの規模と非常に微細である。 In addition to the available tissue contrast, the k value associated with a particular medical condition is part of the determination of the number of samples, N k, required for signal averaging. In liver fibrosis, suitable texture wavelengths are in the 400 micron range, i.e. in the k value of 2.5 cycles / mm. This is similar to the texture spacing found in the development of fibrosis in many other diseases such as cardiac fibrosis. The spacing of the elements in the cancellous bone varies considerably, but the minimum spacing of interest is the width of the trabecular element, which is about 80 microns, setting the maximum k value to 12.5 cycles / mm. In neurological conditions, many of the textures of interest are very fine, on the scale of 50 microns, which is equal to the k value of 20 cycles / mm.

各病状は、定量的データとして厳密に何が必要かを、すなわち一連のk値のいずれの部分を監視する必要があるかを、およびいずれの分解能および感度においてかを指示する。一部の病状では、短い(長い)波長特徴は、長い(短い)波長特徴を犠牲にして増加する(例えば肝線維症)。他の病状では、振幅の減少および短い波長特徴の拡大は、疾患の進行 − 例えば、認知症を進行させる皮質ニューロンミニカラム(約80ミクロンスペーシング)の規則正しい形成の劣化を示す。骨では、年齢が上昇するにつれて、まず、最も高いk値特徴が構造的スペクトルで消失する。次いで、主要な構造的ピークがより低いk値の方へとゆっくりとシフトして骨粗鬆症を進行させ、このシフトのペースは、骨折する点まで薄い骨梁要素の割合の増加を加速させる。 Each medical condition dictates exactly what is needed as quantitative data, i.e. which part of a series of k-values needs to be monitored, and at what resolution and sensitivity. In some medical conditions, short (long) wavelength features increase at the expense of long (short) wavelength features (eg, cirrhosis). In other pathologies, reduced amplitude and expanded short wavelength features indicate a deterioration in the progression of the disease-eg, the regular formation of cortical neuron minicolumns (approximately 80 micron spacing) that advance dementia. In bone, as we age, the highest k-value features first disappear in the structural spectrum. The major structural peaks then slowly shift towards lower k-values to advance osteoporosis, and the pace of this shift accelerates the increase in the proportion of thin trabecular elements to the point of fracture.

得ることができる信号レベルは、ある程度解剖学的構造に依存する。例えば、必要とされる分解能は、脳で最高であるが、頭部の表面近くの皮質は、表面コイルの使用が皮質構造に対する著しい信号ブーストをもたらすことを保証する。肝臓では、関心構造が数十ミクロンではなく数百ミクロン程度であるため、必要とされる分解能は低くなる。しかし、器官は、より深く(コイルからさらに遠い)、測定される信号を減少させる。脊柱データ取得用のインテーブル(in−table)コイルを使用すると、控えめな信号レベルおよび良好な安定化を生じる。また、骨は、高コントラスト標的であるため、SNR条件がそれほど厳しくない。これら全ての理由で、平均化に必要とされる正確な繰り返し数は、標的としたk値範囲を超えて依存する。 The signal level that can be obtained depends to some extent on the anatomy. For example, the required resolution is highest in the brain, but the cortex near the surface of the head ensures that the use of surface coils provides a significant signal boost to the cortical structure. In the liver, the required resolution is low because the structure of interest is on the order of hundreds of microns instead of tens of microns. However, the organ is deeper (further from the coil) and reduces the signal being measured. The use of in-table coils for spinal data acquisition results in modest signal levels and good stabilization. Also, since bone is a high contrast target, the SNR conditions are not so severe. For all these reasons, the exact number of iterations required for averaging depends beyond the targeted k-value range.

図6は、単一のTR内の標的k値の多くの繰り返しを取得するために、特許請求される方法によってもたらされる能力が、ロバストな信号の平均化を可能にして、SNRをブーストすることを実証するシミュレーションを示す。対象の変位速度が30μm/秒であり(実際に数回の走査にわたって臨床的に測定された)、およびサンプリングレート=33.3kHz(ΔTサンプル=30μs)であると仮定すると、平均化するための90個の繰り返しサンプルを十分に迅速に取ることができ、20サイクル/mmのk値(テクスチャー波長=50μm)まででも、取得が動きの影響を免れたままである。 FIG. 6 shows that the ability provided by the claimed method to obtain many iterations of the target k value within a single TR allows robust signal averaging and boosts the SNR. The simulation demonstrating is shown. Assuming that the displacement rate of the subject is 30 μm / sec (actually measured clinically over several scans) and the sampling rate = 33.3 kHz (ΔT sample = 30 μs), for averaging 90 repetitive samples can be taken quickly enough that the acquisition remains immune to motion, even up to a k value of 20 cycles / mm (texture wavelength = 50 μm).

図7は、対照的に、空間的にエンコードされたエコーの取得の従来の手法を使用して、約67Hzのサンプリングレート(ΔTサンプル=15ミリ秒)をもたらす比較的速い傾斜リフォーカスシーケンスであると仮定しても、90回の繰り返しに必要な時間中にわたる対象の動きが、信号と、信号の平均化によるいずれかのSNR改善能力とを著しく劣化させることを示す。状況は、以下の事実により実際には悪い。従来の空間的にエンコードされたエコーを使用して90回の繰り返しを取得することは、いくつかのTRを必要とすることとなり、取得時間が著しく長くなり、および動きに起因する信号劣化が遥かに激しくなる。最低のk値を除いて、複数のサンプルの組み合わせに起因する潜在的なSNRゲインは、動きの影響によって無効にされた。 FIG. 7, in contrast, is a relatively fast tilt refocus sequence that results in a sampling rate of about 67 Hz (ΔT sample = 15 ms) using traditional techniques for obtaining spatially encoded echoes. Even if it is assumed, it is shown that the movement of the object over the time required for 90 repetitions significantly deteriorates the signal and the ability to improve either SNR by averaging the signals. The situation is actually bad due to the following facts: Acquiring 90 iterations using traditional spatially encoded echoes would require several TRs, the acquisition time would be significantly longer, and the signal degradation due to motion would be much greater. Becomes fierce. Except for the lowest k-value, the potential signal-to-noise ratio due to the combination of multiple samples was negated by the effect of motion.

k値の十分に大きい選択範囲の取得により、1つ以上の次元における構造的プロファイルの構成が1つの可能性となる。上述の通り、単一のTR、または複数のTR内のリフォーカシングエコーを使用して、k空間サンプルのライブラリーを構成できる。位相コヒーレンスは、k値が時間的に分離されたTR内で取得され、変位がそれらの間に生じた場合、異なるk値間では維持されないことがあり得る。本発明者らの基本的な興味が特定のk値での信号の相対強度にある場合、これは問題ではない。この値のライブラリーからのプロファイルまたは画像の形成が望まれる場合、必要な後処理は、入力として、本明細書で特許請求される方法を使用して各TR内で得られた高SNR測定値を有する。その後、これらの測定値は、プロファイルの構成に向けた、エコー間またはTR間の任意の必要な再登録に対してロバストな入力を提供し得る。例として、ある選択されたk値の組の第1のTR内での選択および測定は、低k値を有する少なくとも1つによって達成され得る。それに続くTRでは、同じ組のk値の選択は、2つのTR間のデータの再登録を可能にする。その理由は、著しい動きが低k値における位相変化を生じた場合でも、位相シフトは、より高いk値テクスチャーに対するものよりも小さくかつ2つのTR間で相関し得るためである。基本的には、k値が高いほど、対象の動きに起因して位相シフトは大きくなる。k値が大きく異なる状態での、連続的なエンコードからの信号の取得は、それぞれに対する明白な位相シフトを慎重に比較することにより、位相シフトをより良好に推定できるようにする。 Acquisition of a sufficiently large selection of k-values allows for the construction of structural profiles in one or more dimensions. As mentioned above, a library of k-space samples can be constructed using refocusing echoes within a single TR or multiple TRs. Phase coherence may not be maintained between different k values if the k values are acquired within the temporally separated TRs and displacements occur between them. This is not a problem if our basic interest is in the relative strength of the signal at a particular k value. If profile or image formation from a library of this value is desired, the required post-processing is, as input, high SNR measurements obtained within each TR using the methods claimed herein. Have. These measurements can then provide a robust input for any necessary re-registration between echoes or TRs towards profile construction. As an example, selection and measurement within a first TR of a selected set of k-values can be achieved by at least one having a low k-value. In subsequent TRs, selection of the same set of k values allows re-registration of data between the two TRs. The reason is that the phase shift can be smaller and correlate between the two TRs than for higher k-value textures, even if significant movement causes a phase change at low k-values. Basically, the higher the k value, the larger the phase shift due to the movement of the object. Obtaining signals from continuous encoding with significantly different k-values allows better estimation of phase shifts by careful comparison of the apparent phase shifts for each.

これは、X線回折と非常に類似しており、X線回折では、得られた振幅のみの情報(位相なし)が、この振幅のみの情報に基づいて、対応する構造的プロファイルの最善の推定を決定する課題を提示する。問題の解決に向けたアルゴリズムが存在し、成功の機会は、得られたk値係数の範囲、それぞれ平均化された係数のSNR、およびk値の名目上単一値の取得に含まれる値の幅に依存する。この取り組みにおける成功の機会は、対象の動きを免れることに起因して、特許請求される方法を使用すると著しく高まる。 This is very similar to X-ray diffraction, in which the resulting amplitude-only information (no phase) is the best estimate of the corresponding structural profile based on this amplitude-only information. Present the tasks that determine. There are algorithms for solving the problem, and the chances of success are the range of k-value coefficients obtained, the SNR of the averaged coefficients, respectively, and the values contained in the acquisition of the nominally single value of the k-value. Depends on width. Opportunities for success in this effort are significantly increased by using the claimed method due to the avoidance of subject movement.

k値データからプロファイルを再構成する能力は、それぞれの単一のk値の取得のスペクトルの幅広さに多少依存する。これは、VOI(関心体積)のサイズおよび形状の影響を受けるが、組織の劣化は、組織内でのテクスチャーのランダム性をより多く生じさせるため、k値および病状によっても影響を受ける。 The ability to reconstruct a profile from k-value data depends somewhat on the breadth of the spectrum of each single k-value acquisition. It is affected by the size and shape of the VOI (volume of interest), but is also affected by the k-value and pathology as tissue degradation results in more random texture within the tissue.

VOIの選択 − 器官/解剖学的構造内での形状、寸法、向き、および位置は、測定されるデータおよびその解釈に影響を及ぼす。VOIの形状は、取得されたデータの有用性を最大にするように選択され得る。データは、異なる方向において、およびVOI内の異なるテクスチャー波長(k値)で取得され得、テクスチャーの異方性を評価できるようにする。テクスチャーは、器官にわたる病状の変化の評価に向けて、単一のTR内にインターリーブされたかまたは順次のTRにおいてのいずれかの複数のVOIでサンプリングされ得る。VOIに関する標準的なインターリーブプロセスは、TR内で使用されて、追加的なエンコーディングパルスをベクトル結合傾斜、およびインターリーブされたVOI内のk値に関する関連のk値選択傾斜パルスに適用することにより、追加的なデータを提供し得る。上述の通り、関連のスライス選択傾斜を有する追加的な励起RFパルスは、同じTR内で、それぞれの繰り返し毎にセットされた傾斜で関心体積を励起することによって繰り返し発生され得、各繰り返しにおける傾斜は、TRにおける以前のいずれのVOIとも重なり合わない、新しい組織における励起用の追加的なVOIを画定するために、TRに最初に適用される第1の傾斜パルス308とは別の向きを有する第1の傾斜を少なくとも有する(第1の繰り返しにおける第4、第5および第6の傾斜、および続いて起こる、それに続く繰り返しのインクリメントな傾斜)。この応答は、マッピングされ得るか、または標的とした病状に適切なものが何であれ、いくつかの測定値が取られて平均化される。これは、組織生検のマルチポジショニングと同様である。しかしながら、組織生検の場合、技術の侵襲性が高いという性質に起因して、繰り返し数が制限される。特定のk値においてサンプリングされる構造的振動の最小数は、サンプリングの方向における最小VOI寸法を指示する − 必要な長さは、標的としたk値に反比例して変化する。 Choice of VOI-Shape, dimensions, orientation, and position within an organ / anatomy influences the data being measured and its interpretation. The shape of the VOI can be selected to maximize the usefulness of the acquired data. Data can be obtained in different directions and at different texture wavelengths (k values) within the VOI, allowing evaluation of texture anisotropy. Textures can be sampled with multiple VOIs either interleaved within a single TR or in sequential TRs for assessment of changes in pathology across organs. The standard interleaving process for VOIs is used within the TR and is added by applying additional encoding pulses to the vector coupling gradients and the associated k-value selection gradient pulses for the k-values in the interleaved VOI. Data can be provided. As mentioned above, additional excitation RF pulses with related slice selection tilts can be repeated within the same TR by exciting the volume of interest with a tilt set for each iteration, and the tilt at each iteration. Has a different orientation than the first gradient pulse 308 initially applied to the TR to define an additional VOI for excitation in the new tissue that does not overlap with any of the previous VOIs in the TR. It has at least a first tilt (fourth, fifth and sixth tilts in the first iteration, followed by an incremental tilt of subsequent iterations). This response is averaged by taking several measurements, whatever can be mapped or appropriate for the targeted medical condition. This is similar to multipositioning tissue biopsy. However, in the case of tissue biopsy, the number of repetitions is limited due to the highly invasive nature of the technique. The minimum number of structural vibrations sampled at a particular k value indicates the minimum VOI dimension in the direction of sampling-the required length varies inversely with the targeted k value.

ある範囲のk値を標的とするときに構造の適切なサンプリングを確実にするために、サンプリングされた方向におけるVOIの寸法は、標的範囲にある全てのk値に対して一定に保たれ得、その結果、サンプリングされた構造的振動数はk値によって変化する。これは、単純な解決法であり、サンプリング寸法が最低のk値(最長の波長構造)によって設定される必要がある。この手法を使用して、VOIのサンプリング寸法は、その範囲の最高k値に必要なものよりも大きく、従って、そうでない場合に可能なものよりも組織内における局在化をもたらさない。 To ensure proper sampling of the structure when targeting a range of k values, the dimensions of the VOI in the sampled direction can be kept constant for all k values in the target range. As a result, the sampled structural frequency changes with the k value. This is a simple solution and the sampling dimensions need to be set by the lowest k-value (longest wavelength structure). Using this technique, the sampling dimensions of the VOI are larger than those required for the highest k value in the range and therefore do not result in more localization within the tissue than would otherwise be possible.

あるいは、広範に異なるk値におけるデータは、標的とした特定のk値に合わせられて変化するVOIを使用して、連続的なTRにおいて取得され得る。または、VOIの寸法は、VOI内での異なる方向における取得が特定のテクスチャー周波数(k値)範囲にあるサンプリングに合わせられるように、選択され得る。 Alternatively, data at widely different k-values can be acquired in continuous TRs using VOIs that vary with the particular k-value targeted. Alternatively, the dimensions of the VOI can be selected so that acquisitions in different directions within the VOI are matched to sampling in a particular texture frequency (k value) range.

同様に、VOIは、一定に保たれ得、およびエンコーディング用のベクトル結合傾斜およびk選択パルスは、TRからTRへと変更されて、特徴のサイズを評価し得る。 Similarly, the VOI can be kept constant, and the vector coupling gradient and k-selection pulse for encoding can be changed from TR to TR to assess the size of the feature.

場合により、空間ドメイン内で密に局在化し、k空間内の局在化を幅広くすることが望ましい。非立方取得体積を画定することにより、1つのTR内で、VOI内の異なる(直交するまたは他の)方向に沿った異なるk値からデータを取得することが可能である。図10の楕円形横断面のVOI902は、そのような1つの可能性である。任意の半径方向に沿ったかつ形状の軸に沿った取得は、1つのTR内で可能である。 In some cases, it is desirable to densely localize within the spatial domain and broaden the localization within k-space. By defining a non-cubic acquisition volume, it is possible to acquire data from different k values along different (orthogonal or other) directions within the VOI within one TR. The VOI 902 of the elliptical cross section of FIG. 10 is one such possibility. Acquisition along any radial direction and along the axis of the shape is possible within one TR.

さらに、線形のまたは湾曲した軌跡においてk空間をサンプリングするために、本明細書で特許請求される方法の柔軟性を使用し得る。例えば、テクスチャーは、放射状の線に沿って、または円弧またはらせんに沿ってサンプリングされて、異なる空間的な方向に沿ったテクスチャーのサイズの情報を引き出し得る。これらの方法は、テクスチャーの異方性、または皮質ニューロンカラムなどの半結晶質である構造のアライメントに対する感度を決定するために、または器官における組織の標的とされる範囲内のk値のライブラリーをより迅速に構築するために使用され得る。 In addition, the flexibility of the methods claimed herein can be used to sample k-spaces in linear or curved trajectories. For example, textures can be sampled along radial lines or along arcs or spirals to elicit information on the size of the texture along different spatial directions. These methods are used to determine the anisotropy of textures, or the sensitivity to alignment of semi-crystalline structures such as cortical neuron columns, or a library of k-values within the targeted range of tissues in organs. Can be used to build more quickly.

1つのTR(すなわち、1回の90度の励起)中、k値エンコードは、エンコーディングのために適用されたベクトル結合傾斜、およびk選択パルシングを変更することにより、複数の方向に適用され得る。VOIおよびサンプリング方向の正確な形態は、多くのテクスチャー情報を生じるために使用され得る。例えば、健康な組織では束がカラムを形成するため、皮質ニューロン線維束の組織構成は半結晶質である。このため、束に対して垂直なテクスチャースペーシングの測定は、向きに対して非常に感度がある。向きがカラムに対して正確に直角であるとき、非常に鋭い信号最大値が予期され、その最大値から離れるいずれかの回転方向において向きが変化すると、信号は急速に低下する。スペーシングおよび組織構成上のインテグリティ(organizational integrity)(病状のマーカ)を測定する1つの方法は、この最大値の周りで取得軸を「揺動」させて、信号強度における共振を探すことである。信号最大値を探すことにより、「テクスチャーの共振」を探すこの手法は、任意の組織領域において適用され得る。病状が組織構成上のインテグリティを低下させる場合、このピークの鋭さが低下し、および信号最大値が低下する。 In one TR (ie, one 90 degree excitation), the k-value encoding can be applied in multiple directions by changing the vector coupling gradient applied for the encoding, and the k-selective pulsing. The exact form of VOI and sampling direction can be used to generate a lot of texture information. For example, in healthy tissue, the tissue composition of cortical neuron fiber bundles is semi-crystalline because the bundles form columns. For this reason, measurements of texture spacing perpendicular to the bundle are very sensitive to orientation. When the orientation is exactly perpendicular to the column, a very sharp signal maximum is expected, and if the orientation changes in any direction of rotation away from that maximum, the signal drops rapidly. One way to measure spatial and organizational integrity (marker of pathology) is to "sway" the acquisition axis around this maximum value to look for resonance in signal strength. .. This technique of looking for "texture resonance" by looking for the signal maximum can be applied in any tissue region. If the condition reduces tissue integrity, the sharpness of this peak is reduced and the maximum signal is reduced.

同様に、いくつかのテクスチャーにおけるスペーシングのランダム性は、特定の方向または複数の方向においてサンプリングされる組織の長さを変化させることにより、それに続いて取得の長さの変化を伴って、評価され得る。その長さに選択された値は、このパラメータに対する、測定された係数の感度を試験するために、複数のTRにわたって変化され得る。 Similarly, the randomness of spacing in some textures is assessed by varying the length of tissue sampled in a particular direction or in multiple directions, followed by a change in the length of the acquisition. Can be done. The value chosen for that length can be varied across multiple TRs to test the sensitivity of the measured coefficients to this parameter.

VOIは、いくつかの方法により、例えば、例として、交差するスライス選択的リフォーカシング、適切な傾斜と組み合わせてフェーズドアレイ送信を使用する選択的励起、関心領域外の組織からの信号をスクランブルするための断熱パルス励起により選択的に励起され得る。様々な方法に対するパラメータ選択が、SNR最適化に留意することによって行われ得る。例えば、VOIは、図9のVOI904によるように、スライス選択的励起および2つの追加的な相互に直交するスライス選択的リフォーカスパルスによって生成された。慎重にRFパルスを設計することにより、図10に示すように、VOIの形状は、エッジがスムースであり、かつ窓関数がより近似するように設計され得る。これらの窓関数は、空間周波数に悪影響を与えることなく、体積選択をもたらす。フーリエ理論では、各スペクトル線は、窓関数のフーリエ変換の畳み込みによって不明瞭にされることを想起されたい。エネルギースペクトル密度が低下してSNRに悪影響を及ぼすため、基本的なスペクトルのこの不明瞭を最小限にすることが望ましい。 VOI can be used in several ways, for example, to scramble signals from tissues outside the region of interest, for example, cross-slice selective refocusing, selective excitation using phased array transmission in combination with appropriate tilt. Can be selectively excited by adiabatic pulse excitation. Parameter selection for various methods can be made by paying attention to SNR optimization. For example, the VOI was generated by slice-selective excitation and two additional mutually orthogonal slice-selective refocus pulses, as in VOI 904 of FIG. By carefully designing the RF pulse, the shape of the VOI can be designed so that the edges are smooth and the window function is closer, as shown in FIG. These window functions provide volume selection without adversely affecting spatial frequency. Recall that in Fourier theory, each spectral line is obscured by the convolution of the Fourier transform of the window function. It is desirable to minimize this ambiguity in the basic spectrum, as it reduces the energy spectral density and adversely affects the SNR.

上述した通り、VOIは、テクスチャー/病状の変化を測定するために、研究中の器官または解剖学的構造内のある場所から別の場所へ移動され得ることが重要である。この応答は、マッピングされ得るか、または標的にした病状に適切なように、いくつかの測定値が取られて平均化され得る。これは、組織生検のマルチポジショニングと同様である。しかしながら、組織生検の場合、技術の侵襲性が高い性質に起因して、繰り返し数が制限される。 As mentioned above, it is important that VOIs can be moved from one location to another within the organ or anatomy under study to measure changes in texture / pathology. This response can be mapped or some measurements can be taken and averaged to suit the targeted medical condition. This is similar to multipositioning tissue biopsy. However, in the case of tissue biopsy, the number of repetitions is limited due to the highly invasive nature of the technique.

異なる疾患および状態は、組織に異なる方法で影響を及ぼす。一般的に、病状の進行は、1)k空間の特定の領域におけるエネルギー密度の損失、および/または2)k空間の1つの部分から別の部分へのテクスチャーのエネルギー密度のシフトを伴い、両方の影響とも3)一連のテクスチャーのk値における既存のピークの幅の変化が付随する。例として骨梁構造を使用する − 骨の健康が低下すると、骨梁要素の平均的な分離は広くなり(テクスチャーは、より低いk値にシフトする)、かつより非結晶質になる(k空間のピークが幅広になる)一方、並行して構造要素が薄くなる(スペクトルの異なる部分において、より高いk値へのシフト。)他の組織/器官は、組織のテクスチャーにおいてそれら自体の個々の兆候を有する疾患によって影響を受ける。 Different diseases and conditions affect tissues in different ways. In general, disease progression involves both 1) loss of energy density in a particular region of k-space and / or 2) a shift in texture energy density from one part to another in k-space. 3) Changes in the width of existing peaks in the k-values of a series of textures are accompanied. Using trabecular structure as an example-As bone health deteriorates, the average separation of trabecular elements becomes wider (texture shifts to lower k values) and becomes more non-crystalline (k space). (Peak becomes wider), while structural elements become thinner in parallel (shift to higher k values in different parts of the spectrum.) Other tissues / organs are their own individual signs in the texture of the tissue. Affected by diseases with.

本明細書で特許請求される方法を使用して、k空間は、対象の動きによる不鮮明さから生じる信号分解能の損失をなくすように、テクスチャーを明らかにするためにプローブされる。画像を作成するために必要な大きい一連のk値を測定する代わりに、ここで、TR当たりに選択したいくつかのk値の取得に焦点を当て、それぞれの十分な繰り返しによって高SNRを生じる。個々の取得のそれぞれは、単一のk値に集中している。一次では空間的エンコードは、単一の空間周波数正弦エンコードである一方、k値測定の空間周波数選択性を幅広くする効果を有するいくつかの要因がある。k値測定の幅広さ、または帯域幅に影響を及ぼす1つの重要な要因は、サンプリングされた組織領域の長さである。より長いサンプリング長は、サンプリングされた方向に沿ってより多くのテクスチャー波長を伴い、これは、k値測定の帯域幅を狭める効果を有する。(これは、実際の測定範囲とk空間の測定範囲との間の反比例関係である。)従って、特許請求される方法の態様は、VOI寸法によって決定されるか、または取得寸法によって決定されるサンプリング長を適切に選択することにより、k値測定の帯域幅を設定する能力である。この方法を使用して、測定の帯域幅は、評価される組織に適切な所望のk空間分解能によって設定され得る。(良好なテクスチャー分解能のための高k値、および病状によって誘発される変化の高感度の監視のためのk空間における高分解能の両方が必要である。)より高次の構造に関し、予測範囲のテクスチャー波長に分布する狭帯域幅測定の組を選択し得る一方、肝疾患における線維性のテクスチャーの進行など、より無秩序な構造では、単一のまたはいくつかの広帯域のk値測定を使用することを選択して、線維性のテクスチャーの進行を監視し得る。 Using the methods claimed herein, the k-space is probed to reveal the texture so as to eliminate the loss of signal resolution resulting from the blur due to the movement of the object. Instead of measuring the large set of k-values needed to create the image, we now focus on the acquisition of several k-values selected per TR and yield high SNR by sufficient repetition of each. Each of the individual acquisitions is concentrated on a single k-value. In the first order, the spatial encoding is a single spatial frequency sinusoidal encoding, but there are several factors that have the effect of widening the spatial frequency selectivity of the k-value measurement. One important factor affecting the breadth of k-value measurements, or bandwidth, is the length of the sampled tissue area. A longer sampling length involves more texture wavelengths along the sampling direction, which has the effect of narrowing the bandwidth of the k-value measurement. (This is an inverse proportional relationship between the actual measurement range and the k-space measurement range.) Therefore, the aspect of the claimed method is determined by the VOI dimension or by the acquisition dimension. The ability to set the bandwidth for k-space measurements by choosing the sampling length appropriately. Using this method, the bandwidth of the measurement can be set with the desired k-space resolution appropriate for the tissue being evaluated. (A high k-value for good texture resolution and a high resolution in k-space for sensitive monitoring of pathologically induced changes are required.) For higher-order structures, the predictive range While a set of narrow bandwidth measurements distributed over the texture wavelength can be selected, for more disordered structures, such as the progression of fibrous textures in liver disease, use a single or several broadband k-value measurements. Can be selected to monitor the progression of fibrous textures.

組織に存在する様々なテクスチャーのk値の相対強度、および研究中のテクスチャー内に存在する一連のテクスチャーのk値に沿ったピークの幅広さの両方の測定が必要である。そのようなものとして、データ取得は、実験パラメータから生じるものではなく、基本的な組織から生じるピークの相対幅を測定できるパラメータ選択を用いて、k空間の特定の1つまたは複数の領域をプローブするように設計され得る。病状によって誘発される組織の変化の最良の測定を生じるために、2つの構成要素および設計実験の相互作用を認識することが必要である。 It is necessary to measure both the relative intensity of the k-values of the various textures present in the tissue and the width of the peaks along the k-values of the series of textures present in the texture under study. As such, the data acquisition does not result from experimental parameters, but probes specific one or more regions of k-space using parameter selections that can measure the relative width of peaks originating from the underlying tissue. Can be designed to. It is necessary to recognize the interaction of the two components and design experiments in order to produce the best measurement of tissue changes evoked by the condition.

動きによってデータが不鮮明になる前の、時間的に近い複数の特定のk値における信号振幅の複数の測定値を取得することにより、テクスチャーの良好な測定値を取得することが望ましく、最小時間で繰り返し測定を行って、平均化に最良の測定値間の相関を可能にする。3次元k空間の1点において多数の測定値を繰り返し取得することの代替例は、傾斜のあるデータを取得することであり、k値が取得中に連続的に変化し、k空間における範囲が傾斜の高さおよびそのパルス幅によって決定されるようにする。kベクトルの大きさを変更することに加えて、データ取得中にその方向も変更され得る。取得にわたる方向および大きさの変化の組み合わせは、k空間を貫く曲線の軌跡を生じる。このずれが十分に小さい場合、k値は、ある程度相関したままであり、それら値は、SNRを増加させるために、単に平均された場合よりも効率的に組み合わせられ得る。従って、取得時における傾斜は、信号スペックル − 個々のスピン信号の様々な位相および振幅の干渉から生じるデータ取得中に時間変化信号として現れる − を平滑化するために、kベクトルの方向および大きさを意図的に変更するために使用され得る。取得中にk値の方向および大きさにおいて選択される変動は、k空間の近傍内の代表的なパワーの概算を得るために、十分に組み合わせられた測定値を提供するように選択される。 It is desirable to get a good measurement of the texture by taking multiple measurements of the signal amplitude at multiple specific k values that are close in time, before the data becomes blurry due to motion, in the shortest amount of time. Repeat measurements are made to allow correlation between the best measurements for averaging. An alternative example of repeatedly acquiring a large number of measured values at one point in a three-dimensional k-space is to acquire inclined data, in which the k-value changes continuously during acquisition and the range in the k-space changes. It should be determined by the height of the slope and its pulse width. In addition to changing the magnitude of the k vector, its direction can also be changed during data acquisition. The combination of directional and magnitude changes over acquisition results in a curved trajectory through k-space. If this deviation is small enough, the k values remain somewhat correlated and they can be combined more efficiently to increase the SNR than if they were simply averaged. Therefore, the slope at the time of acquisition smoothes the direction and magnitude of the k-vector to smooth the signal speckle-which appears as a time-varying signal during data acquisition resulting from interference of various phases and amplitudes of the individual spin signals. Can be used to intentionally change. The variations selected in the direction and magnitude of the k-value during acquisition are selected to provide well-combined measurements to obtain a representative power estimate in the vicinity of k-space.

スペックルを低減させるためにk値を変化させることは、単一のまたは複数のエコー内で達成され得る。研究中のk値の大きさによって画定されたk空間内の球では、k値は、k定数の大きさを保ちながら、球の表面にわたってベクトルをスイーピング(sweeping)させることにより、または同じ角度方向が維持され、かつkの大きさが変更され得ることにより、または両方が同時に変更されることにより変更され得る。 Changing the k value to reduce speckle can be achieved within a single or multiple echoes. For a sphere in k-space defined by the magnitude of the k-value under study, the k-value can be sweeped over the surface of the sphere while maintaining the magnitude of the k-constant, or in the same angular direction. Can be changed by maintaining and the size of k can be changed, or by changing both at the same time.

スペックルの効果を低減させるために、これらの変動は、通常、調査中の特定の組織に関する測定値間に有意の相関がある、kの大きさまたは方向のいずれかからの十分に小さいずれである。 To reduce the effect of speckle, these variability are usually small enough from either the magnitude or direction of k, where there is a significant correlation between the measurements for the particular tissue under investigation. be.

空間周波数の主成分は、測定される組織が高結晶質のテクスチャーでない限り、それら全ての測定値(それらは相関している)において同じである。しかし、微晶質または非結晶質構造の通常の回折パターンは、スペックルが多い。従って、k空間の同じ領域においていくつもの点をサンプリングすることにより、それらは、スペックルパターンを低減させるように最適な平滑化をもたらすように選択された様々な方法で組み合わせられる。その結果、変動を平均することから、より良好およびよりロバストな測定となる。 The principal components of spatial frequency are the same for all of those measurements (they are correlated) unless the tissue being measured has a highly crystalline texture. However, the usual diffraction patterns of microcrystalline or amorphous structures are often speckled. Therefore, by sampling multiple points in the same region of k-space, they are combined in various ways selected to provide optimal smoothing to reduce speckle patterns. The result is a better and more robust measurement by averaging the variability.

スペックルを低減させるかまたはk空間において幅を合わせるように、k値を「ディザリング」するためのいくつもの手法が用いられ得る。第1の手法は、一定のkの大きさと、取得する期間中に傾斜をオンに保ちながら、ある角度範囲にわたってスイーピングすること、かつスペックルを排除するために、相関情報を使用して測定値を組み合わせることとを用いる。あるいは、取得の期間中に傾斜はそのままのオン状態にして、かつ予期される相関を使用して測定値を組み合わせることにより、k空間における同じ方向は維持され得るが、大きさは変更され得る。さらに別の代替例として、大きさおよび方向の両方が同時にまたは一連の取得にわたって変更され得、本質的に、特定のk値の周りの「狭い」領域における構造での雑音の低減および代表的なkの大きさのより良好な評価の両方をもたらすために、すなわち、スペックルを低減させるために、他の2つの代替例を同時に実行する。) A number of techniques can be used to "dither" the k-value to reduce speckle or match width in k-space. The first method is to sweep over a range of angles while keeping the slope on for a period of constant k and acquisition, and to eliminate speckles, measurements using correlation information. Is used in combination with. Alternatively, the same direction in k-space can be maintained, but resized, by leaving the slope on as it is during the acquisition period and combining the measurements using the expected correlation. As yet another alternative, both magnitude and orientation can be changed simultaneously or over a series of acquisitions, essentially reducing noise in structures in "narrow" regions around a particular k-value and representative. Two other alternatives are performed simultaneously to provide both a better evaluation of the magnitude of k, i.e. to reduce speckle. )

雑音低減の平均化のために、異なるkの大きさの測定値を組み合わせる場合、1つの半径(大きさ)から、傾斜のワインドアップ(wind−up)からの次の半径までの位相シフトがある。リフェージングは、平均化の前に達成され得る。 When combining measurements of different k magnitudes for noise reduction averaging, there is a phase shift from one radius (magnitude) to the next radius from the wind-up of the slope. .. Fading can be achieved before averaging.

非結晶質構造において異なる大きさの測定値を組み合わせることは、異なる角度測定値を組み合わせることよりもよく知られている。ここで、高速サンプリングによって熱雑音を低減させるスキームに加えて、スペックルに起因する変動(これは、たとえ実信号が空間周波数の良好な評価を混乱させるとしても)が低減され得る。 Combining measurements of different sizes in an amorphous structure is better known than combining different angular measurements. Here, in addition to the scheme of reducing thermal noise by high-speed sampling, fluctuations due to speckles (even if the real signal confuses the good evaluation of spatial frequencies) can be reduced.

従って、動的k空間取得が用いられる。取得モードは、様々なk空間の箇所における信号の信号対雑音比(SNR)に基づいて動的に選択される。信号取得に適用される傾斜、後取得受信帯域幅、および使用される推定アルゴリズムは、k空間において予測されるSNR値に基づいて動的に調整されて、取得時間および後処理されたSNRを最適にする。高SNRの領域では、所与のk値における単一サンプルが十分な推定値となり得る。これは、kが迅速に変更される(大きい傾斜に起因して)ときに受信チェーンにおける比較的速い信号の変化に対応するために、比較的広い受信帯域幅を必要とする。 Therefore, dynamic k-space acquisition is used. The acquisition mode is dynamically selected based on the signal-to-noise ratio (SNR) of the signal at various k-space locations. The slope applied to signal acquisition, the post-acquisition receive bandwidth, and the estimation algorithm used are dynamically adjusted based on the predicted SNR value in k-space to optimize the acquisition time and post-processed SNR. To. In the high SNR region, a single sample at a given k value can be a good estimate. This requires a relatively large receive bandwidth to accommodate relatively fast signal changes in the receive chain when k changes rapidly (due to a large slope).

SNRが中程度から低い領域では、傾斜の大きさは、それに続くサンプルが同一のk値において取られはしないが相関されるように低減され、これは、次に、その範囲のk値内にある基本的な信号の値の推定を改善するために使用され得る。 In the region where the SNR is medium to low, the magnitude of the slope is reduced so that subsequent samples are not taken at the same k value but are correlated, which in turn is within the k value in that range. It can be used to improve the estimation of the value of a basic signal.

相関は、プロファイル空間において選択される窓形成に起因してk空間に導入され得る。SNRを改善するために、ADCからの一連のサンプルを組み合わせることができるようにするために、連続的なサンプル間の相関は、プロファイル空間での窓形成の適切な選択によって高められ、より短い窓は、k空間における一連の値間をより大きい相関距離に追いやり、およびより長い窓は、サンプルとサンプルとの相関をより低くする。プロファイル空間における窓形成によってk空間内の隣接する点の相関を誘発することは、多くの場合、低SNR環境において基本的なテクスチャーを測定するのを促進し得る数学的ツールである。基本的には、窓形成はデータを不鮮明にするため、k値のパワースペクトルはk空間を通して不明瞭にされて、一連の測定値は、SNRを高めるためにより簡単に平均化され得る/組み合わせられ得る。 Correlation can be introduced into k-space due to window formation selected in profile space. In order to be able to combine a series of samples from the ADC to improve SNR, the correlation between successive samples is enhanced by the proper selection of window formation in the profile space, resulting in shorter windows. Drives a set of values in k-space to a larger correlation distance, and a longer window causes a lower correlation between samples. Inducing the correlation of adjacent points in k-space by window formation in profile space is often a mathematical tool that can facilitate the measurement of basic textures in low SNR environments. Basically, window formation obscures the data, so the power spectrum of the k-value is obscured through the k-space, and the series of measurements can be more easily averaged / combined to increase the SNR. obtain.

非常に高いSNR環境では、ある範囲のk空間にわたる実際のテクスチャーのパワー分配の測定が望ましいため、可能な限り大きい窓が使用される。実(プロファイル)空間においてサンプリングされた領域が長いほど、非結晶質テクスチャーを測定するときの測定値がより正確になる。k空間において相関を誘発するために、窓形成により、サンプリングされた領域を減少させることは、実際に、特定の望ましい測定点を不明瞭にする。 In very high SNR environments, it is desirable to measure the power distribution of the actual texture over a range of k-spaces, so the largest possible windows are used. The longer the sampled region in the real (profile) space, the more accurate the measurements when measuring the amorphous texture. Reducing the sampled region by window formation to induce correlation in k-space actually obscures certain desirable measurement points.

しかしながら、測定を容易にするが、窓形成による相関の誘発は、多かれ少なかれ、測定の標的である基本的なテクスチャーから生じる、k空間における基本的な相対パワー密度プロファイルを不鮮明にする。k空間におけるサンプル間のスペーシング(アナログ・ディジタル変換器の速度および傾斜の大きさによって決定される)が狭まるため、相関が増し、これは、より良好に推定するために後取得の処理において使用され得る。さらに、これらの領域における受信帯域幅が減少され得、これにより、さらにノイズフロアを低減させる。 However, while facilitating the measurement, the induction of correlation by window formation more or less obscures the basic relative power density profile in k-space that results from the basic texture that is the target of the measurement. The narrowing of the spacing between samples in k-space (determined by the speed and magnitude of the slope of the analog-to-digital converter) increases the correlation, which is used in the post-acquisition process for better estimation. Can be done. In addition, the receive bandwidth in these areas can be reduced, which further reduces the noise floor.

SNRが著しく低い領域では、取得の期間中ゼロ(および/または非ゼロ)傾斜で、特定のk値における、測定される信号レベルの複数の取得値が取られ得る。従って、複数回の取得が最適に組み合わせられて、特定のk値に関する推定をもたらし得る。 In regions where the SNR is significantly lower, multiple acquisitions of the measured signal level at a particular k value can be taken with a zero (and / or non-zero) slope during the acquisition. Therefore, multiple acquisitions can be optimally combined to provide an estimate for a particular k-value.

例示的なハイブリッドパルスシーケンスを図11に示す。この特定のシーケンスは、リフォーカスされたエコー(RARE)型シーケンスによる高速取得の例であり、その場合、3つの別個のエコーにわたり、図示の通り3つの異なるレベルの傾斜が取得に使用される。所望のVOIを選択するための図示のパルスシーケンスおよびkに対する初期位相ラップは、図3において説明されるようなものであり、および図11において一致した符号が付されている。VOIを確立するためのこの例示的なパルスシーケンスは、本明細書で開示する様々な例において用いられるが、VOIの決定は、例として、相応の時間変化傾斜が適用された時間変化RFパルスを含む、多数の手法のいずれかによって行われる。同様に、VOIの決定に用いられるパルスシーケンス中またはその後、エンコーディング傾斜パルスは、初期k値の選択に適用され得る。データ記録は、|k|>>0である領域の値を取得することによって開始し、信号がそこで最小であり、および最初に取得される必要があることを前提とする。第2のエコーサンプル値は、|k|>0と関連付けたが、その信号レベルは、依然として比較的小さく、およびロバストなSNRを提供するために、複数の測定値の組み合わせを必要とする。最終的なエコーサンプル値は、対応する信号が最大である、|k|〜0付近の近傍において、|k|に関連付けた。これは、1回の取得でゼロおよび非ゼロ傾斜の両方を使用するこのハイブリッド手法を、どのように使用し得るかの一例にすぎないことに留意されたい。異なる量のk値のワインドアップ(傾斜の大きさおよびパルス持続時間によって決定されるような)は、以下説明するように、複数のエコーではなく、1つのエコーにおいて取得され得る。異なるk値のワインドアップの複数の組み合わせも1つのエコー内で取得され得る。さらに、図面において、RFパルスを用いるようなリフォーカシングが開示され、傾斜リフォーカシングも用いられ得る。 An exemplary hybrid pulse sequence is shown in FIG. This particular sequence is an example of fast acquisition with a refocused echo (RARE) type sequence, in which case three different levels of tilt are used for acquisition over three separate echoes, as shown. The illustrated pulse sequence for selecting the desired VOI and the initial phase wrap for k are as described in FIG. 3 and are labeled with the same reference numerals in FIG. This exemplary pulse sequence for establishing VOI is used in the various examples disclosed herein, but the determination of VOI is, for example, a time-varying RF pulse to which a corresponding time-varying gradient is applied. It is done by one of a number of methods, including. Similarly, during or after the pulse sequence used to determine the VOI, the encoding gradient pulse can be applied to the selection of the initial k value. Data recording begins by acquiring a value in the region | k | >> 0, assuming that the signal is minimal there and needs to be acquired first. The second echo sample value was associated with | k |> 0, but its signal level is still relatively low and requires a combination of multiple measurements to provide a robust SNR. The final echo sample value was associated with | k | in the vicinity of | k | to 0, where the corresponding signal was maximum. Note that this is just one example of how this hybrid approach, which uses both zero and non-zero slopes in a single acquisition, can be used. Windups of different amounts of k-values (as determined by the magnitude of the slope and pulse duration) can be obtained in one echo rather than in multiple echoes, as described below. Multiple combinations of windups with different k values can also be obtained in one echo. Further, in the drawings, refocusing such as using RF pulse is disclosed, and tilt refocusing may also be used.

パルスシーケンス/信号取得の拡大されたスケールでの詳細を図12に示す。このシーケンスでは、RFパルス328と、同時の傾斜パルス332とからの第1のエコーは、図3に関して既に説明したものと同様のパルスシーケンス、および傾斜=0での複数のサンプルの取得、およびk値選択傾斜パルス1100a、1100bおよび1100cによるk値のインクリメントを使用する。これにより、k空間における所与の箇所の複数の値をサンプリングし、その後、それらの値は、最適に組み合わせられる。これは、値が著しく小さく、従って著しく低いSNRを有するk空間の領域には適している。これは、一般に、|k|が大きい場合に発生する。 Details of the pulse sequence / signal acquisition on an enlarged scale are shown in FIG. In this sequence, the first echo from the RF pulse 328 and the simultaneous tilt pulse 332 is a pulse sequence similar to that previously described with respect to FIG. 3, and acquisition of multiple samples at slope = 0, and k. The increment of the k value by the value selection tilt pulses 1100a, 1100b and 1100c is used. This samples multiple values at a given location in k-space, after which the values are optimally combined. This is suitable for regions in k-space where the values are significantly smaller and therefore have a significantly lower SNR. This generally occurs when | k | is large.

RFパルス1102と、同時の傾斜パルス1104とからの第2のエコーは、時間依存性の位相エンコードの機能を果たす小さい非ゼロ傾斜1106をもって取得される。小さい傾斜は、k空間にサンプルを誘発する傾斜であると定義され、これらのサンプルは、サンプルが高度に相関するように十分に近接して間隔を空けられ得る。その後、これらのサンプルは、結果として生じるSNRを改善するために、高いサンプル間相関を利用する推定器によって後処理され得る。定量的に、例示的な「小さい」傾斜は、エンコーディング傾斜パルスの大きさの20%までである。図に示すように、k空間における比較的小さい近傍Δkにおいて、複数の値のサンプルが取得される。Δkのスペーシングは、VOIの窓に起因して、近傍のサンプル間に高相関があるように選択され得る。相関は、k空間の近傍にわたって信号レベルの最適な推定を生成するために推定アルゴリズムにおいて活用される。これは、低SNRを有するk空間の領域に適切であるが、その値は、窓関数によって誘発された相関に起因して、小さい近傍においてk空間にわたってゆっくりと変化する。 The second echo from the RF pulse 1102 and the simultaneous tilt pulse 1104 is acquired with a small non-zero slope 1106 that serves the function of time-dependent phase encoding. Small slopes are defined as slopes that provoke samples in k-space, and these samples can be spaced sufficiently close together so that the samples are highly correlated. These samples can then be post-processed by an estimator that utilizes high sample-to-sample correlation to improve the resulting SNR. Quantitatively, the exemplary "small" gradient is up to 20% of the magnitude of the encoding gradient pulse. As shown in the figure, samples of a plurality of values are obtained in a relatively small neighborhood Δk in k-space. The spacing of Δk can be selected so that there is a high correlation between nearby samples due to the window of VOI. Correlation is utilized in estimation algorithms to generate optimal estimates of signal levels over the vicinity of k-space. This is suitable for regions in k-space with low SNR, but its value changes slowly over k-space in small neighborhoods due to the correlation evoked by the window function.

RFパルス1108と、同時の傾斜パルス1110とからの第3のエコーは、比較的大きい時間依存性の位相エンコード傾斜1112をもって取得される。本明細書で用いられるより大きい傾斜は、k空間において、研究中のk空間の近傍にわたってより低い相関度を有する一連の測定値を生じる。この場合、SNRの改善に利用可能なサンプル間相関はより低い。値が、開始するのに高SNRを有する(より低いテクスチャー周波数(低いk値)領域に見られるようなものなど)k空間の複数の箇所のサンプリングには、より大きい傾斜が用いられ得る。図面に示すように、k空間にわたって比較的広く間隔を取られ、窓関数によって課せられるようなサンプル間相関の十分外側にあるサンプルは、パルス全体にわたって生成される。これは、信号レベルが比較的高くかつ高SNRを記録できる、k空間における値の高速取得に適切である。この場合、k空間にある所与の点における単一サンプルは、十分に高い信号を提供する。しかしながら、そのようなより高いSNRの領域では、より大きい傾斜が用いられ得、かつデータサンプルの選択されたバーストが高速で記録され得る。これらのバーストはそれぞれ、バースト内でかなりのサンプル間相関を有し、かつ上述のより低い傾斜の取得に説明したものと同様の結果を計算できるようにする。これは、より大きい傾斜のあるK空間のラインに沿って移行する一方、相関を維持するために、近接して間隔を空けられたk値においてデータのブロックをサンプリングするとみなされ得る。 The third echo from the RF pulse 1108 and the simultaneous tilt pulse 1110 is acquired with a relatively large time-dependent phase-encoded slope 1112. The larger slopes used herein result in a series of measurements with lower correlation over the vicinity of the k-space under study in the k-space. In this case, the sample-to-sample correlation available for improving SNR is lower. Larger slopes can be used to sample multiple points in k-space where the values have a high SNR to start (such as those found in lower texture frequency (lower k-value) regions). As shown in the drawings, samples that are relatively widely spaced over k-space and well outside the sample-to-sample correlation as imposed by the window function are generated over the entire pulse. This is suitable for high-speed acquisition of values in k-space, where the signal level is relatively high and high SNR can be recorded. In this case, a single sample at a given point in k-space provides a sufficiently high signal. However, in such higher SNR regions, larger slopes can be used and selected bursts of data samples can be recorded at high speed. Each of these bursts has a significant inter-sample correlation within the burst and allows the calculation of results similar to those described in Obtaining lower slopes above. This can be seen as sampling blocks of data at closely spaced k-values to maintain correlation while migrating along lines in a larger steep K-space.

非ゼロ傾斜の取得は、k空間において曲線の経路にわたってスイーピングできる。時間増分Δt、傾斜の大きさG、w(X)、および取得されるサンプルの総数Nの賢明な選択により、「高」相関の近傍がM<Nとなるように調整され得る。これは、次に、各出力推定に対してM個のサンプルのサブセットを使用することにより、k空間内の多様な個別の値を推定できるようにする。VOIによって画定された組織領域内からのテクスチャーデータは、非ゼロ傾斜によって取得されて、k空間内の近傍内でのk値のパワー密度の局所分布を決定できるようにし得る。取得時に実行される傾斜パルスでサンプリングされるk空間の範囲は、傾斜の高さおよび傾斜パルス幅(パルス持続時間)によって決定される。k空間における信号サンプル間のスペーシングは、傾斜の大きさおよびサンプリングレート(アナログ・ディジタル変換器の最大速度によって制限される)によって決定される。そのため、k空間における一連のサンプル間の相関は、サンプル間のスペーシング、対象の動き、物理的な空間に取得をひとまとめにするために使用される窓および基本的なテクスチャーによって決定される。 The acquisition of a nonzero slope can be swept over a curved path in k-space. A wise choice of time increment Δt, slope magnitude G, w (X), and total number N of samples obtained can be adjusted so that the neighborhood of the “high” correlation is M <N. This then allows the estimation of various individual values in k-space by using a subset of M samples for each output estimation. Texture data from within the tissue region defined by the VOI can be obtained by non-zero slope to allow the local distribution of the power density of the k-value within the neighborhood within the k-space to be determined. The range of k-space sampled by the tilt pulse executed at the time of acquisition is determined by the tilt height and the tilt pulse width (pulse duration). Spacing between signal samples in k-space is determined by the magnitude of the slope and the sampling rate (limited by the maximum speed of the analog-to-digital converter). Therefore, the correlation between a series of samples in k-space is determined by the spacing between the samples, the movement of the object, the windows and the basic textures used to group the acquisitions into physical space.

取得パラメータを選択する有用な方法は、組み合わせられる値の組内で必要とされる相関度を参照する。繰り返し構造(テクスチャー)の波長は、テクスチャーに関連付けられるk値の逆数と定義される、すなわちλtexture=1/ktexture。SNRの改善をもたらすために値[測定値]の組を組み合わせることができるようにするために、基本的なテクスチャー信号は、互いに対しλtextureの有意の割合によって位相がシフトされるべきではない。例示的な実施形態では、組み合わせられるサンプルの組の全体における位相シフトは、2πの80%以下である必要がある。 A useful way to select the acquisition parameters is to refer to the degree of correlation required within the set of values to be combined. The wavelength of the repeating structure (texture) is defined as the reciprocal of the k value associated with the texture, i.e. λ texture = 1 / k texture . The basic texture signals should not be phase-shifted by a significant percentage of λ texture with respect to each other so that pairs of values [measurements] can be combined to result in improved signal-to-noise ratio. In an exemplary embodiment, the phase shift across the set of samples to be combined must be no more than 80% of 2π.

MR画像法における分解能は、画像取得時の対象の動きによって限定される。この限界は、非協力的な患者ではかなり重大になり得る。患者の動き/協力に加えて、本発明に相当する例示的な分野であるMR画像法において達成可能な分解能は、組織コントラスト、器官、コイルタイプ、コイルへの近さなどのいくつかの要因に依存する。約5mm未満の範囲の構造のロバストな画像は問題があり、および約1mm未満のものはいずれも、型にはまった臨床画像法の範囲外である。これは、病状の進行に応じて、約5mm〜10μmの範囲の多くの組織テクスチャーが進行しかつ変化し、従って、これらのテクスチャーの測定は、多くの診断情報を提供し得るため、明らかな欠点である − これらの組織変化は、ほとんどの場合、疾患の第1の前兆である。ここで開示する方法で標的にするのは、約5mm〜10μmのこのテクスチャー波長範囲である。 The resolution in the MR imaging method is limited by the movement of the object at the time of image acquisition. This limitation can be quite significant in uncooperative patients. In addition to patient movement / cooperation, the resolution achievable in MR imaging, an exemplary area of the invention, depends on several factors such as tissue contrast, organs, coil type, and proximity to the coil. Dependent. Robust images of structures in the range less than about 5 mm are problematic, and any one less than about 1 mm is outside the scope of conventional clinical imaging. This is an obvious drawback because many tissue textures in the range of about 5 mm to 10 μm progress and change as the condition progresses, and therefore measurements of these textures can provide a lot of diagnostic information. -These tissue changes are most often the first precursor to the disease. It is this texture wavelength range of about 5 mm to 10 μm that is targeted by the methods disclosed herein.

組織のテクスチャーを測定するために、解像され得る実空間の波長範囲、すなわち特定の病状に関するテクスチャーの波長は、数mm〜数ミクロンの範囲である。この範囲は、患者の動きに起因して画像が入手できなくされる(不鮮明にされる)範囲である。例示的な実施形態では、kが1/波長であると定義されるため、約0.2mm−1〜100mm−1の範囲のk値が関心テクスチャーを定義するために用いられる。これは、関心k空間の領域をまとめ、および傾斜の大きさおよびエンコーディング傾斜パルスの持続期間を規定して、位相ラップを誘発し、特定のk値および向きのための、ならびに初期に選択されるk値の近傍の測定に適用される非ゼロ傾斜のための空間的エンコードを作成する。サンプル取得および後処理のための本明細書の実施形態の方法は、全てk空間において実施され得る。実空間における唯一の局在化は、VOIの位置決めである。テクスチャーを測定するために − すなわち、実空間において選択される点の周りのk空間の近傍内でパワー分配を決定するために、実空間における1つの点の周りの近傍のみがサンプリングされる。 To measure the texture of tissue, the wavelength range in real space that can be resolved, i.e. the wavelength of the texture for a particular medical condition, ranges from a few millimeters to a few microns. This range is the range in which the image becomes unavailable (blurred) due to the movement of the patient. In the exemplary embodiment, since k is defined to be 1 / wavelength, it is used to k value ranging from about 0.2 mm -1 100 mm -1 to define interest textures. It summarizes the region of the k-space of interest, defines the magnitude of the gradient and the duration of the encoding gradient pulse, induces a phase wrap, is selected for a particular k-value and orientation, and initially. Create a spatial encoding for non-zero tilt applied to measurements in the vicinity of the k-value. The methods of the embodiments herein for sample acquisition and post-processing can all be performed in k-space. The only localization in real space is the positioning of the VOI. To measure texture-that is, to determine power distribution within the k-space neighborhood around a point selected in real space, only the neighborhood around one point in real space is sampled.

必要とされる正確な範囲は、標的とする病状によって変化する。例えば、
骨の微細構造における骨粗しょう症の進行。例として、健康な骨から骨粗しょう症の骨への平均的な骨梁スペーシング(TbSp)の変化は、約0.3mm〜3mmの波長範囲に入る。k値の等価の範囲は、0.34mm−1〜3.4mm−1である。肝線維化疾患での監視によれば、肝組織テクスチャーにおいて、健康な膠原が強調された血管と血管とのスペーシングから、小葉と小葉とのスペーシングが顕著な組織テクスチャーになる病的状態へと変化する。血管対血管の範囲は、0.4mm〜1.5mmであり、0.67mm−1〜2.5mm−1のk値となる一方、小葉と小葉とのスペーシングは、約1mm〜4mmであり、0.25mm−1〜1mm−1のk値となる。腫瘍部位の周りでの血管原性血管系(Angiogenic vasculature)の進行は、一般に、約100μm;k=10mm−1の健康な血管のテクスチャースペーシングから変化する。その混とんとした性質に起因して、血管原性血管系におけるスペーシングは、約10μm〜1mmまたは1mm−1〜100mm−1の広範囲にわたる。皮質ニューロンのスペーシングに関する認知症関連の変化の診断評価は、高k値の測定を伴い、健康な構造は約100μmのスペーシングすなわちk=10mm−1である。構造のランダム性が増した状態でのこの値の約10〜20%の変動は、疾患を示す。
The exact range required will vary depending on the target medical condition. for example,
Progression of osteoporosis in the microstructure of bone. As an example, the change in average trabecular spacing (TbSp) from healthy bone to osteoporotic bone falls within the wavelength range of about 0.3 mm to 3 mm. The equivalent range of k values is 0.34 mm-1 to 3.4 mm-1. Monitoring in hepatic fibrotic disease shows that in hepatic tissue texture, from vascular-to-vessel spacing with emphasized healthy collagen to pathological conditions in which leaflet-to-lobular spacing becomes prominent tissue texture. It changes with. The blood vessel-to-vessel range is 0.4 mm to 1.5 mm, with a k value of 0.67 mm -1 to 2.5 mm -1 , while the spacing between leaflets is approximately 1 mm to 4 mm. , 0.25 mm -1 to 1 mm -1 k value. The progression of the angiogenic vasculature around the tumor site generally varies from the texture spacing of healthy blood vessels of about 100 μm; k = 10 mm -1. Due to its chaotic nature, spacing in the angiogenic vascular system ranges from about 10 μm to 1 mm or 1 mm -1 to 100 mm -1. A diagnostic assessment of dementia-related changes in cortical neuron spacing involves measurements of high k values, with a healthy structure of approximately 100 μm spacing or k = 10 mm -1 . A variation of about 10-20% of this value with increased structural randomness indicates disease.

従って、取得パラメータは、(1)傾斜の大きさ/持続期間が、標的組織テクスチャーに存在するパワー密度を検査することが望ましいk空間の近傍に広がるkエンコードの範囲を生成し、(2)組み合わせられるサンプルが、組み合わせられるサンプルのブロックの取得時間にわたる対象の動きに起因する著しい不鮮明さがないように、時間的に十分に近くに発生する必要があり、および(3)許容量の動きが調査中のk空間の近傍(すなわち、波長)に依存するように選択され得る。 Therefore, the acquisition parameters generate a range of k-encodings in which (1) the magnitude / duration of the slope extends near the k-space where it is desirable to inspect the power density present in the target tissue texture, and (2) the combination. The samples to be combined must occur close enough in time so that there is no significant blurring due to the movement of the subject over the acquisition time of the blocks of the combined samples, and (3) the allowable amount of movement is investigated. It can be selected to depend on the neighborhood (ie, wavelength) of the k-space inside.

非ゼロ傾斜の標的VOI内からのテクスチャーデータの取得は、k空間における初期k値の近傍内でのk値のパワー密度の局所変動の決定を可能にする。各傾斜パルスにおいてサンプリングされるk空間の範囲は、傾斜の高さおよびパルス幅によって決定される。k空間におけるサンプル間のスペーシングは、傾斜の大きさおよびサンプリングレートによって決定される。 Acquisition of texture data from within a non-zero slope target VOI allows the determination of local variation in the power density of the k-value within the vicinity of the initial k-space in k-space. The range of k-space sampled for each tilt pulse is determined by the height of the tilt and the pulse width. Spacing between samples in k-space is determined by the magnitude of the slope and the sampling rate.

これらのパラメータは、(1)対象の動きが、測定されるテクスチャーに対してデータを有意に不鮮明にし得る前に、有意なSNRの改善に向けて組み合わせるための十分なデータの取得を可能にし、(2)SNR≧0.5dBを維持するために、組み合わせられる取得からのk値のブロックにわたって十分な相関を保証し、および(3)テクスチャーにk値のパワー密度が存在することが望ましいk空間の範囲を設定するように選択される。 These parameters (1) allow the acquisition of sufficient data to combine for significant SNR improvement before the motion of the subject can significantly blur the data for the texture being measured. It is desirable that (2) sufficient correlation be ensured across blocks of k-values from the combined acquisitions to maintain SNR ≥ 0.5 dB, and (3) there should be a power density of k-values in the texture. Is selected to set the range of.

SNRの改善のために再び組み合わせられる一連の信号サンプルのブロックは、重なり合わなくても、または以下説明するように、選択された数の点または例えば測定値1〜4、2〜5、3〜6を組み合わせるために使用されるスライディングブロックなどによって重なり合ってもよい。さらに、各ブロックのサンプル数は、k空間における取得の範囲にわたってブロックごとに変動し得、組み合わせられるサンプル数のこの変動は、ロバストな測定を提供するのに十分なSNRを維持するための十分な相関の条件によって決定される。概算の雑音レベルが信号入力の欠如した状態での雑音の測定を含む、産業界に周知のいくつかの方法によって独立して決定され得る。 The blocks of the series of signal samples that are recombined to improve the SNR may not overlap, or as described below, a selected number of points or, for example, measurements 1-4, 2-5, 3– 6 may be overlapped by a sliding block or the like used to combine them. In addition, the number of samples in each block can vary from block to block over the range of acquisition in k-space, and this variation in the number of samples combined is sufficient to maintain sufficient SNR to provide robust measurements. Determined by the conditions of correlation. Approximate noise levels can be determined independently by several methods well known in the industry, including measurement of noise in the absence of signal inputs.

1回のエコー、TR、または走査内での異なる大きさの複数の傾斜のあるデータの取得は、k空間の様々な標的領域において組み合わせられた信号の最良のSNRを可能にするように選択されている連続的な傾斜の大きさによって達成され得る。SNRを改善するために、ADCからの一連のサンプルを組み合わせることができるようにするために、連続的なサンプル間の相関は、プロファイル空間における窓形成の適切な選択によって増大され得、より短い窓は、k空間における一連の値にわたってより大きい相関距離に追いやり、およびより長い窓は、サンプルとサンプルとの相関をより低くする。選択される窓の幅は、より短い窓に影響する、k空間における多くのサンプルにわたる相関に対する望み、および特に高度に非結晶質のテクスチャーを測定するとき、ロバストな測定をもたらすために、実空間において十分な範囲のテクスチャーをサンプリングする必要性の両方によって画定される。 Acquisition of multiple tilted data of different magnitudes within a single echo, TR, or scan is selected to allow the best signal-to-noise ratio of the combined signal in different target regions of k-space. It can be achieved by the magnitude of the continuous slope. To allow a series of samples from the ADC to be combined to improve SNR, the correlation between successive samples can be increased by proper selection of window formation in the profile space, shorter windows. Drives to a larger correlation distance over a series of values in k space, and longer windows make the sample-to-sample correlation lower. The width of the window selected affects the shorter windows, the desire for correlation over many samples in k-space, and in real space to provide robust measurements, especially when measuring highly amorphous textures. Defined by both the need to sample a sufficient range of textures in.

k空間においてブロックで取得される信号の後取得の組み合わせ、組み合わせられるサンプルの数は、組み合わせられる個々の信号間の相関がSNR≧0dBを達成するのに十分であるという条件によって決定される(相関のレベルは、対象の動き、傾斜の大きさ、サンプリングレート、窓の形状、および基本的なテクスチャーによって決定される)。 The combination of post-acquisitions of signals acquired in blocks in k-space, the number of samples to be combined, is determined by the condition that the correlation between the individual signals to be combined is sufficient to achieve SNR ≥ 0 dB (correlation). The level of is determined by the movement of the object, the magnitude of the slope, the sampling rate, the shape of the window, and the basic texture).

非ゼロ傾斜の取得の使用は、個々のスピン信号の変動する位相および振幅の干渉から生じる信号スペックル − これは、データ取得時の時間変化信号として現れる − を平滑化するために、データ取得時、ある範囲にわたってkベクトルの方向および大きさを意図的に変更するために用いられ得る。データ取得時にk値の方向および大きさにおいて選択される変動は、SNRが0dBの状態で、k空間の近傍内での代表的なパワーを推定するために、十分に組み合わせられた測定値を提供するように選択され、ここで、その近傍は、近傍の重心の3次元方位および大きさの20%以内である。 The use of non-zero gradient acquisition results from the interference of fluctuating phases and amplitudes of individual spin signals during data acquisition to smooth out the signal speckle-which appears as a time-varying signal during data acquisition. , Can be used to deliberately change the direction and magnitude of the k-vector over a range. The variations selected in the direction and magnitude of the k-value at the time of data acquisition provide well-combined measurements to estimate typical power in the vicinity of the k-space with an SNR of 0 dB. Here, the neighborhood is within 20% of the three-dimensional orientation and size of the center of gravity of the neighborhood.

非ゼロ傾斜の適用によって生じた設定された近傍にわたるkの変化の補正は、特定の組のk測定値に、禁止されたkエンコードを用いることによって達成され得る。さらに、ある期間内におよび選択されるVOIから取得されるkの測定値の組内での相関は、患者の動きによって誘発されるデータの位相シフトが標的テクスチャーのk値範囲に対応する波長の50%未満となるように、生物学的な動きが十分に小さくなるように期間を選択することによって誘発され得る。あるいは、個々の測定値と、所望のSNRが達成され得る設定される推定との間に十分な相関があるように窓関数が選択され得る。 Compensation for the change in k over a set neighborhood caused by the application of a non-zero slope can be achieved by using a forbidden k-encoding for a particular set of k measurements. In addition, the correlation within a period and within the set of k measurements obtained from the selected VOI is that the phase shift of the data induced by patient movement corresponds to the k value range of the target texture. It can be evoked by choosing a period so that the biological movement is sufficiently small to be less than 50%. Alternatively, the window function may be chosen so that there is a sufficient correlation between the individual measurements and the set estimates that the desired SNR can be achieved.

さらに拡大されたスケールでの非常に低いSNR取得モードの詳細は、図13に示される。シーケンスのこの部分では、サンプルゲートが開放しており、それによりサンプル1118を生じる領域1116内の初期値1114a、k値選択傾斜パルス1100aによって誘発される第2の値1114b、k値選択傾斜パルス1100bによって誘発される第3の値1114c、およびk値選択傾斜パルス1100cによって誘発される第4の値1114dにおいて、k値は一定である。これは、同じk値の複数回の信号の繰り返しが高速でサンプリングされ、それら全てが1つの推定に組み合わせられる、上述したパルスシーケンスである。 Details of the very low SNR acquisition mode on a further magnified scale are shown in FIG. In this part of the sequence, the sample gate is open, resulting in an initial value of 1114a in the region 1116 that gives rise to sample 1118, a second value of 1114b induced by the k-value selective tilt pulse 1100a, and a k-value selective tilt pulse of 1100b. At a third value of 1114c induced by, and a fourth value of 1114d induced by the k-value selective tilt pulse 1100c, the k-value is constant. This is the pulse sequence described above in which multiple signal iterations of the same k value are sampled at high speed and all of them are combined into one estimation.

さらに拡大されたスケールでの低SNR取得の詳細は、図14に示される。シーケンスのこの部分では、k値は、サンプルゲートが開放しているときに領域1122を記録する際に存在する非ゼロ時間依存性の位相エンコード傾斜1106に起因にして、トレースセグメント1120によって示されるように、ゆっくりとではあるが変化することに留意されたい。しかしながら、k空間にわたるサンプル1124の範囲は、窓関数に起因して値が高度に相関される、比較的コンパクトな近傍である。 Details of the low SNR acquisition on a further expanded scale are shown in FIG. In this part of the sequence, the k value is indicated by trace segment 1120 due to the non-zero time dependent phase encode gradient 1106 that exists when recording region 1122 when the sample gate is open. Note that it changes slowly, albeit. However, the range of sample 1124 over k-space is a relatively compact neighborhood where the values are highly correlated due to the window function.

さらなる拡大されたスケールでの高SNR取得の詳細は、図15に示される。シーケンスのこの部分では、k値は再度、領域1128にあるサンプルゲートが開放している期間中に存在する非ゼロ時間依存性の位相エンコード傾斜1112に起因して、トレースセグメント1126に示すように変化する。k空間にわたるサンプル1130の範囲は、依然として比較的コンパクトな近傍であるが、窓関数によって課されるサンプル間相関外にある。 Details of high SNR acquisition on a further expanded scale are shown in FIG. In this part of the sequence, the k-value again changes as shown in trace segment 1126 due to the non-zero time-dependent phase-encoded slope 1112 present during the period when the sample gate in region 1128 is open. do. The range of samples 1130 over k-space is still a relatively compact neighborhood, but outside the intersample correlation imposed by the window function.

非ゼロ傾斜での低SNRおよび高SNR取得モードは、標準的な周波数エンコードされたMRIシーケンスと異なる。なぜなら、適用される傾斜は、位置、すなわち周波数エンコーディングを確立するために使用されるのではなく、k空間の比較的広い近傍にわたっていくつもの個々のサンプルを高速で取得するために時間依存性の位相エンコードとして使用されるためである。 The low SNR and high SNR acquisition modes at non-zero slope differ from standard frequency-encoded MRI sequences. Because the gradient applied is not used to establish the position, i.e. frequency encoding, but a time-dependent phase to quickly obtain a number of individual samples over a relatively wide neighborhood in k-space. This is because it is used as an encoding.

上述の通り、傾斜取得は、図16に示すように、複数回のエコーではなく、1回のエコーで取得され得る。ここでも、kのための初期位相ラップおよび所望のVOIを選択するための図示のパルスシーケンスは、図3で説明したようなものであり、かつ図16において一致した符号が付されている。 As described above, the tilt acquisition can be acquired by one echo instead of multiple echoes, as shown in FIG. Again, the initial phase wrap for k and the illustrated pulse sequence for selecting the desired VOI are as described in FIG. 3 and are labeled with the same reference numerals in FIG.

図16およびより大きいスケールの図17で示すように、k値は、初期値1614a、k値選択傾斜パルス1600aによって誘発される第2の値1614b、およびk値選択傾斜パルス1600bによって誘発される第3の値1614cにおいて一定である。k値は、図12の例でインクリメントされるのとは対照的に、デクリメントされることに留意されたい。これは、同様に、同じK値での信号の複数回の繰り返しが高速でサンプリングされる1622a、1622bおよび1622c(それら全てが1つの推定値に組み合わせられる)という既に説明されたパルスシーケンスである。 As shown in FIG. 16 and FIG. 17 on a larger scale, the k value is an initial value 1614a, a second value 1614b triggered by the k value selective tilt pulse 1600a, and a th. It is constant at the value 1614c of 3. Note that the k value is decremented as opposed to being incremented in the example of FIG. This is also the already described pulse sequence of 1622a, 1622b and 1622c (all of which are combined into one estimate) in which multiple iterations of the signal at the same K value are sampled at high speed.

同じエコー内でのシーケンスの第2の部分では、k値は、サンプリングの期間中に存在する非ゼロ時間依存性の位相エンコード傾斜1606に起因して、トレースセグメント1620によって示すように、ゆっくりとではあるが変化する。しかしながら、k空間にわたるサンプルの範囲1624は、比較的コンパクトな近傍であり、ここで、値が高度に相関されている。 In the second part of the sequence within the same echo, the k-value is slowly, as shown by trace segment 1620, due to the non-zero time-dependent phase-encoded gradient 1606 present during the sampling period. There is, but it changes. However, the sample range 1624 over k-space is a relatively compact neighborhood, where the values are highly correlated.

同様に依然として同じエコー内にあるシーケンスの第3の部分では、高SNR取得が実施される。k値は、ここでも、サンプルゲートが開放している期間中に存在する非ゼロ時間依存性の位相エンコード傾斜1608に起因して、トレースセグメント1626によって示すように変化する。k空間にわたる範囲1628は、依然として、比較的コンパクトな近傍であるが、窓関数によって課されるサンプル間相関外にある。 Similarly, a high SNR acquisition is performed in the third part of the sequence, which is still in the same echo. The k-value also varies as shown by trace segment 1626, again due to the non-zero time-dependent phase-encoded slope 1608 present during the period the sample gate is open. The range 1628 over k-space is still a relatively compact neighborhood, but outside the intersample correlation imposed by the window function.

図18に(および図19により大きいスケールで)示すように、ここで、kのための初期位相ラップおよび所望のVOIを選択するための図示のパルスシーケンスが図3に説明されかつ図18において一致した符号を付されているが、時間依存性の位相エンコードの機能を果たす、低い非ゼロの大きさの傾斜1802が適用され、およびデータサンプル1804は、トレースセグメント1808に見られる、既に説明したように高相関を有しゆっくりと時間変化するk値用の初期k値1806から得られる。初期位相ラップは、低SNR領域に対応する大きさの初期k値を提供するように選択され得る。 As shown in FIG. 18 (and on a larger scale in FIG. 19), here the initial phase wrap for k and the illustrated pulse sequence for selecting the desired VOI are illustrated in FIG. 3 and consistent in FIG. A low non-zero magnitude gradient 1802 is applied, which is coded but serves the function of time-dependent phase encoding, and data sample 1804 is found in trace segment 1808, as described above. Is obtained from the initial k-value 1806 for the k-value, which has a high correlation with and slowly changes over time. The initial phase wrap may be selected to provide an initial k value of magnitude corresponding to the low signal-to-noise ratio.

同様に、図20に(および図21により大きいスケールで)示すように、k値領域を設定するために所望のVOIおよび初期位相ラップを選択するためのパルスシーケンスが示され、および図3に説明されているようなものであり、かつ図20において一致した符号が付されている。時間依存性の位相エンコードの機能を果たす、より大きい非ゼロの傾斜2002が適用され、およびデータサンプル2004が、トレースセグメント2008に見られる、より迅速に時間変化するk値用の初期k値2006から得られる。初期位相ラップは、より高いSNR領域に対応する大きさの初期k値を提供するように選択され得る。エンコーディング傾斜326は、標的テクスチャーにおいて最低または最高のk値にワインドアップするために用いられ得、および非ゼロの大きさの傾斜パルスが必要な方向(kを増加するまたは減少する)に課されて、k空間におけるテクスチャーを定義するための他方の限界値に達する。 Similarly, as shown in FIG. 20 (and on a larger scale in FIG. 21), a pulse sequence for selecting the desired VOI and initial phase lap to set the k-value region is shown, and is described in FIG. And have the same reference numerals in FIG. A larger non-zero slope 2002, which serves the function of time-dependent phase encoding, is applied, and the data sample 2004 is from the initial k-value 2006 for the faster time-varying k-value found in the trace segment 2008. can get. The initial phase wrap may be selected to provide an initial k value of magnitude corresponding to the higher signal-to-noise ratio. Encoding gradient 326 can be used to wind up to the lowest or highest k-value in the target texture, and non-zero magnitude gradient pulses are imposed in the required direction (increase or decrease k). , Reach the other limit for defining textures in k-space.

取得されるサンプルは、窓関数によって課されるサンプル間相関外にあり得る。しかしながら、k値のための信号レベルは比較的大きく、および高SNRを有する。さらに、既に説明したように、例としてサブセット2010a、2010b、2010cおよび2010dにおけるサンプルの高速取得は、サブセット内のサンプルが十分に相関されたままとしてもよく、および予め決められたまたは予期したテクスチャーを有する構造において所望のデータを提供し得るように達成され得る。多くの一連の値は、組み合わせることができるが、組み合わせによってSNRを改善するように十分に相関される(平均化は、組み合わせの1つの単純な形態である)。そのため、組み合わせられたデータ点の組を使用して、取得全体におけるパワー分配を特徴付け、VOI内の基本的なテクスチャーのより良好な測定値を得る。 The samples obtained can be outside the intersample correlation imposed by the window function. However, the signal level for the k value is relatively high and has a high SNR. Further, as already described, fast acquisition of samples in subsets 2010a, 2010b, 2010c and 2010d, for example, may leave the samples in the subset well correlated, and predetermined or expected textures. It can be achieved to be able to provide the desired data in the structure it has. Many sets of values can be combined, but they are well correlated to improve SNR (averaging is one simple form of combination). Therefore, a set of combined data points is used to characterize the power distribution throughout the acquisition to obtain better measurements of the basic texture within the VOI.

上述の通り、言い換えは、第2の90−180−180励起(TR)における低位相変化に基づいて、低k値および高k値を分離する。SNRは、連続的に取得される信号の再登録による連続的なk値サンプルのスマートな組み合わせによって傾斜ON取得で最大にされる。データは、波長が十分に長く、対象の動きが再登録によって簡単に補正され得る、ある範囲のk空間にわたって取得される − すなわち、このk範囲の測定値に誘発される位相シフトは、テクスチャー波長よりも遥かに小さい。低k値信号は、代替的なリフォーカシングシーケンス、または一連の励起(TR)においてサンプリングされ、信号の取得は、より高い関心k値範囲からである。TE長の波長測定を使用して、測定にわたり、動きによって誘発される位相シフトを決定する。その後、その位相シフトは、再登録前に、より高いkデータに適用される。 As mentioned above, the paraphrase separates the low k and high k values based on the low phase change in the second 90-180-180 excitation (TR). The SNR is maximized in the tilt ON acquisition by a smart combination of continuous k-value samples by re-registering the continuously acquired signal. The data is acquired over a range of k-spaces where the wavelength is long enough and the motion of the object can be easily corrected by re-registration-ie, the phase shift induced by measurements in this k-range is the texture wavelength. Much smaller than. Low k-value signals are sampled in an alternative refocusing sequence, or series of excitations (TRs), and signal acquisition is from the higher k-value range of interest. Wavelength measurements of TE length are used to determine motion-induced phase shifts over the measurements. The phase shift is then applied to the higher k data before re-registration.

いくつもの相関が空間的な窓形成によって暗示される。 A number of correlations are implied by spatial window formation.

g(x)が1次元の(実数値の)信号に対応する場合、k空間における対応する関数は、フーリエ変換により、

Figure 0006906507

として与えられる。これは、フーリエ対(Fourier pair)として、
g(x)⇔G(2πk) (2)
として表わされることが多い。 When g (x) corresponds to a one-dimensional (real value) signal, the corresponding function in k-space is subjected to the Fourier transform.
Figure 0006906507

Given as. This is as a Fourier pair.
g (x) ⇔ G (2πk) (2)
Often expressed as.

窓形成は、g(x)の範囲を、コンパクトサポートの有限領域に限定するプロセスであるが、そのような方法で窓形成を行うことは、切り詰めによって(人為的に)導入された非連続性に起因するスペクトルアーチファクト(spectral artefacts)を最小限にすることである。 Window formation is a process that limits the range of g (x) to a finite region of compact support, but performing window formation in such a way is a discontinuity introduced (artificially) by truncation. Is to minimize spectral artifacts caused by.

窓関数に使用される特定の形状に関わらず、窓の幅とそのスペクトルとの間には反比例関係がある。これはフーリエ関係式

Figure 0006906507

に起因する。 Regardless of the particular shape used for the window function, there is an inverse relationship between the width of the window and its spectrum. This is a Fourier relational expression
Figure 0006906507

caused by.

2つの関数を乗算することは、それらそれぞれのスペクトルを畳み込みする効果を有し、すなわち
f(x):=g(x)h(x)⇔F(2πk)=G(2πk)*H(2πk) (4)
である。
Multiplying two functions has the effect of convolving their respective spectra, i.e. f (x): = g (x) h (x) ⇔ F (2πk) = G (2πk) * H (2πk) ) (4)
Is.

畳み込みは、スペクトルが入力信号であったとしても、スペクトルの線形フィルタリングであると考えられ得る。 Convolution can be thought of as linear filtering of the spectrum, even if the spectrum is an input signal.


Figure 0006906507

は、G(2πk)スペクトルに対する低域フィルターのような機能を果たし、信号を平らにする傾向を有する。αの値が大きいほど、低域フィルターは狭くなる。これは、F(2πk)の隣接する値間に有意な相関を生じる。 Term
Figure 0006906507

Acts like a low frequency filter for the G (2πk) spectrum and tends to flatten the signal. The larger the value of α, the narrower the low frequency filter. This results in a significant correlation between adjacent values of F (2πk).

フィルタリングされる入力の雑音サンプルを観察する推定器は、よく研究されており、および最適な推定を生成するために適用され得る;ウィナー(Weiner)フィルター、カルマン(Kalman)フィルターなど。 Estimators that observe noise samples of filtered inputs are well studied and can be applied to generate optimal estimates; Wiener filters, Kalman filters, etc.

動的取得モードが用いられてもよく、ここで、
Xは、像空間における3次元ベクトルに対応し、
g(X)は、所与の3次元空間位置における像の値に対応し、
Kは、3次元ベクトルに対応し、
G(K)は、像gのk空間における値に対応する。
Dynamic acquisition mode may be used, where
X corresponds to a three-dimensional vector in the image space,
g (X) corresponds to the value of the image at a given 3D spatial position.
K corresponds to a three-dimensional vector,
G (K) corresponds to the value of the image g in k-space.

初めに簡単にするために、この信号の時間依存性は無視され、これは、順次に、T1、T2、T2、ならびに異なるアイソクロマット(Isochromat)(体積内の異なる化学種)などに起因する信号の寄与に依存する。結局、これらの影響が考慮される。 For the sake of simplicity in the beginning, the time dependence of this signal is ignored, which in turn is due to T1, T2, T2 * , as well as different Isochromats (different species in volume), etc. Depends on the contribution of the signal to be made. After all, these effects are taken into account.

依拠する基本原理は、以下の通りである。
一般的に、G(K)のSNRは|k|=0において最高であり、その後、|k|が増加するにつれて、低下する
SNRが低下する速度は、一般に、SNR∝|k|−α(式中、αは、1〜3の範囲内にある)で表わされる。
サンプリングレートは、傾斜の大きさと組み合わせられて、所与のVOIに対するk空間におけるサンプルスペーシング(Δk)密度を設定する。
傾斜の大きさが減少すると、サンプル密度は増大する(すなわちΔkが減少する)。
像空間における窓形成のサイズに依存して、対応する相関があり得る。
The basic principle on which it relies is as follows.
In general, the SNR of G (K) is highest at | k | = 0, and then decreases as | k | increases. The rate at which the SNR decreases is generally SNR | k | −α ( In the formula, α is in the range of 1 to 3).
The sampling rate, combined with the magnitude of the slope, sets the sample spacing (Δk) density in k-space for a given VOI.
As the magnitude of the slope decreases, the sample density increases (ie, Δk decreases).
There can be corresponding correlations depending on the size of the window formation in the image space.

一般化された場合、空間座標とk空間との間の単純化されたMRI関係は、

Figure 0006906507

(式中、
rは、メートル(m)単位での実数値の3次元の空間座標を表し、
I(r)は、空間座標rの非負数実関数である像を表し、
kは、サイクル/メートル(m−1)単位での実数値の3次元のk空間座標を表し、
S(k)は、I(r)のフーリエ変換を表し、かつ一般的に、kの複素数値関数である)
によって与えられる。および積分は、3次元の空間平面全体にわたる。 When generalized, the simplified MRI relationship between spatial coordinates and k-space is
Figure 0006906507

(During the ceremony,
r represents the three-dimensional spatial coordinates of real values in meters (m).
I (r) represents an image that is a non-negative real function of the spatial coordinates r.
k represents three-dimensional k-space coordinates of real values in cycles / meter (m -1) units.
S (k) represents the Fourier transform of I (r) and is generally a complex-valued function of k)
Given by. And the integral spans the entire three-dimensional space plane.

要するに、S(k)は、像の関数I(r)の3次元のk空間における対応する値を表す。 In short, S (k) represents the corresponding value of the image function I (r) in three-dimensional k-space.

同様に、k空間座標は、時間の関数であり、および一般式

Figure 0006906507

(式中、
Figure 0006906507

は、値42.576MHz/Tのプロトンの磁気回転比であり、
g(t)は、T/m単位での傾斜の強度を表す、時間の実数値の3次元関数である)
を有する。この関数は、プロトンスピンを何らかの望ましい方法で操作することを目的とするパルスシーケンスの一部としての設計入力である。 Similarly, k-space coordinates are a function of time, and general expressions.
Figure 0006906507

(During the ceremony,
Figure 0006906507

Is the gyromagnetic ratio of protons with a value of 42.576 MHz / T.
g (t) is a real-valued three-dimensional function of time that represents the intensity of the slope in T / m units)
Have. This function is a design input as part of a pulse sequence aimed at manipulating proton spins in some desired way.

式(7)における積分は、所与の値tに対するk(t)の値が傾斜関数の以前の全ての履歴の積分として計算されることを示す。技術的には正しいが、これを

Figure 0006906507

と表わすことが好都合であることが多い。 The integral in equation (7) shows that the value of k (t) for a given value t is calculated as the integral of all previous histories of the gradient function. Technically correct, but this
Figure 0006906507

It is often convenient to express.

ここで、tが好都合な開始時間を表す場合、k(t)は、tにおける対応するk値であり、および積分の下限はtで開始する。 Here, if t 0 represents a convenient starting time, k (t 0) is the k value corresponding at t 0, and the lower limit of the integration begins at t 0.

時間への依存をより明確にするために、式(6)は、

Figure 0006906507

と表わすことができる。S(t)は、g(t)においてエンコーディングされる傾斜シーケンスと関連して行われるMRIエコー実験中に取得するであろう複素数値の基底帯域信号を表す。 In order to make the dependence on time clearer, equation (6) is
Figure 0006906507

Can be expressed as. S (t) represents a complex numerical baseband signal that would be acquired during an MRI echo experiment performed in connection with the tilt sequence encoded at g (t).

一般性を失うことなく、k、gおよびrは、
k=[k
g=[g
r=[r (10)
としてデカルト成分に分解され得る。また、式(9)は、

Figure 0006906507

と表わされる。 Without loss of generality, k, g and r are
k = [k x k y k z ] T
g = [g x g y g z ] T
r = [r x r y r z ] T (10)
Can be decomposed into Cartesian components. In addition, equation (9) is
Figure 0006906507

It is expressed as.

概して、k(t)は、時間の関数としてK空間内の曲線の経路を表す。 In general, k (t) represents the path of a curve in K-space as a function of time.

初めに、初期概念の説明を容易にするために、評価は、k(t)=[k(t)0 0]と仮定することによって1次元に沿って制限される。そのため、式(11)は、

Figure 0006906507

に単純化される。ここで、
Figure 0006906507

および式(8)は、
Figure 0006906507

へと単純化される。
Figure 0006906507

であると定義する。これは、時に、
R(k)⇔ρ(x) (16)
と表わされる。簡潔に示すために、R(k)およびρ(x)は、フーリエ変換対である。(12)と(15)とを比較することにより、S(t)は、単に、
S(t)=R(k(t)) (17)
で表わされる様々なフーリエ係数にわたる時間依存性のプログレッションであることが分かる。ここで、時間値tと対応するK空間座標とのマッピングは、式(14)によって与えられる。 First, to facilitate the explanation of the initial concept, the evaluation is limited along one dimension by assuming k (t) = [k x (t) 0 0] T. Therefore, the equation (11) is
Figure 0006906507

Simplified to. here,
Figure 0006906507

And equation (8)
Figure 0006906507

It is simplified to.
Figure 0006906507

Is defined as. This is sometimes
R (k) ⇔ ρ (x) (16)
It is expressed as. For brevity, R (k) and ρ (x) are Fourier transform pairs. By comparing (12) and (15), S (t) is simply
S (t) = R (k (t)) (17)
It can be seen that it is a time-dependent progression over various Fourier coefficients represented by. Here, the mapping between the time value t and the corresponding K-space coordinates is given by the equation (14).

一般的に実際のMRI装置において受信信号Inをモデル化するために、所望の信号および雑音の組み合わせがアンテナによって受信される。その後、その信号は、フィルタリング、増幅、ダウンコンバート、サンプリング、および量子化される。 Generally, a desired signal and noise combination is received by the antenna in order to model the received signal In in a real MRI machine. The signal is then filtered, amplified, down-converted, sampled, and quantized.

具体的な詳細は機械依存性であるが、単純なモデルは、機械の出力を次の通りに表すように展開され得る。Y(t)が、関心信号および雑音信号の組み合わせを、
Y(t)=S(t)+W(t) (18)
(式中、
S(t)は、式(17)において与えられ、
W(t)は、分散σ の複素数値のゼロ平均の加法性白色ガウス雑音プロセスである、すなわちE{W(t)}=0およびE{W(t)W(t+τ)}=σ δ(τ))
として表わすようにする。
Although the specific details are machine-dependent, a simple model can be developed to represent the output of a machine as follows: Y (t) is the combination of the interest signal and the noise signal.
Y (t) = S (t) + W (t) (18)
(During the ceremony,
S (t) is given in equation (17).
W (t) is a zero-mean additive white Gaussian noise process of complex values with variance σ w 2 , i.e. E {W (t)} = 0 and E {W (t) W * (t + τ)} = σ w 2 δ (τ))
To be expressed as.

その後、受信信号Y(t)は、均一にサンプリングされる。
=Y(t)│t=n・Δt=R(k(t))│t=n・Δt+W(t)│t=n・Δt (19)
これは、より単純に、
=R(k)+W (20)
(式中、
シーケンスkは、

Figure 0006906507

によって与えられる)
と表わされ得る。 After that, the received signal Y (t) is uniformly sampled.
Y n = Y (t) │ t = n · Δt = R (k (t)) │ t = n · Δt + W (t) │ t = n · Δt (19)
This is simpler,
Y n = R (k n) + W n (20)
(During the ceremony,
The sequence k n,
Figure 0006906507

Given by)
Can be expressed as.

Figure 0006906507

を定義する。その後、(21)は、より単純に、
=k(t)│t=0
n+1=k+Δkn+1 (23)
と表わされ得る。
Figure 0006906507

To define. After that, (21) becomes simpler,
k 0 = k (t) │ t = 0
k n + 1 = k n + Δk n + 1 (23)
Can be expressed as.

この場合、要するに、シーケンスkは、傾斜関数のサンプル間の積分によって決定されるインクリメントのシーケンスによって定義される。 In this case, in short, the sequence k n is defined by a sequence of increment determined by integration between samples tilt function.

等式(20)、(22)および(23)は、本明細書で開示する異なる傾斜条件下にある信号を説明するために用いられ得る。 Equations (20), (22) and (23) can be used to describe signals under different gradient conditions disclosed herein.

事前のある程度の傾斜アクティビティによって「プレフェーズ(pre−phased)」されているが、ここで、傾斜は、もはや図12、図14および図15に対して上記で説明した通りゼロに保持されておらず、エコーのサンプルの収集は、以下の通り分析され得る。 Although "pre-phased" by some prior tilt activity, the tilt is no longer held at zero for FIGS. 12, 14 and 15 as described above. However, the collection of echo samples can be analyzed as follows.

その場合、信号は、式(20)によって
=R(k)+W (24)
として与えられ、およびkは、式(21)により、

Figure 0006906507

として与えられる。 In that case, the signal of the formula (20) by Y n = R (k n) + W n (24)
Given as, and k n are the formula (21),
Figure 0006906507

Given as.

測定値は、非ゼロ傾斜レジームにおいて発生しているため、積分項はもはやゼロではなく、これは、シーケンスkがもはや一定ではないこと、および従ってシーケンスR(k)がもはや一定ではないことを暗示する。 Measurements, because it occurs in a non-zero slope regime, the integral term is no longer zero, which is that the sequence k n is no longer constant, and hence the sequence R (k n) is no longer constant Imply.

I(r)の基本的な構造に対して仮定をしていないため、R(k)の値間にはいずれかの特定の構造または関係があるとの暗示はなされ得ない。これは、非常に低いSNR環境において有用な信号を推定したいとき、本出願人らを明らかに不利な立場にする。 Since the basic structure of I (r) not make assumptions, implied a value specific structure or relationship with any Between the R (k n) can not be made. This clearly puts Applicants at a disadvantage when they want to estimate useful signals in a very low SNR environment.

像領域において乗法的窓関数を適用することにより、R(k)の値に構造が課され得る。これは、2つのフーリエ変換恒等式を活用する(leveraging)ことによって達成される。1つの領域における乗法は、逆数領域(reciprocal domain)における畳み込みに対応する。以下のフーリエ対を定義する。
v(x)⇔N(k)
ρ(x)⇔R(k)
ζ(x)=Z(k) (26)
そのため、1つの領域における積は、逆数領域におけるコンボルーションに対応する。
v(x)=ρ(x)ζ(x)⇔N(k)=R(k)*Z(k) (27)
By applying multiplicative window function in the image area, it can structure imposed on the value of R (k n). This is achieved by leveraging two Fourier transform identities. Multiplication in one region corresponds to convolution in the reciprocal domain. Define the following Fourier pair.
v (x) ⇔ N (k)
ρ (x) ⇔ R (k)
ζ (x) = Z (k) (26)
Therefore, the product in one region corresponds to the convolution in the reciprocal region.
v (x) = ρ (x) ζ (x) ⇔ N (k) = R (k) * Z (k) (27)

1つの領域におけるスケーリングは、逆数領域における逆スケーリングに対応する。ζ(x)⇔Z(k)である場合、

Figure 0006906507

である。 Scaling in one region corresponds to inverse scaling in the reciprocal region. When ζ (x) ⇔ Z (k)
Figure 0006906507

Is.

窓形成関数は、一般に、像空間を有限のコンパクトな関心領域に制限する一方、同時に、窓自体に起因する、対応する像スペクトルに対する悪影響を最小限にするために使用される。当業者は、それぞれがそれら独特の特徴の組を有して開発された多様な窓関数があることを認識するであろう。 The window formation function is commonly used to limit the image space to a finite compact region of interest, while at the same time minimizing the adverse effects of the window itself on the corresponding image spectrum. Those skilled in the art will recognize that there are a variety of window functions, each developed with a unique set of features.

説明のために、最も基本的な窓関数:

Figure 0006906507

を検討する。対応するフーリエ変換は、
Figure 0006906507

によって与えられ、これは、フーリエ対
Π(t)⇔sinc(f) (31)
と表わされることが多い。等式(28)を使用して、わずかに一般化されたバージョンおよびそのフーリエ対は、
Figure 0006906507

である。等式(27)を使用して、窓のプロファイルおよびフーリエ対は、
Figure 0006906507

である。基準として等式(24)を使用して、サンプリングされるMRI信号は、
=N(k)+W (34)
と表わされ得る。これは、(33)を使用して、
Figure 0006906507

と表わされ得る。ここで、コンボルーション積分は、明確に展開された。 For the sake of explanation, the most basic window function:
Figure 0006906507

To consider. The corresponding Fourier transform is
Figure 0006906507

Given by, this is Fourier vs. Π (t) ⇔ sinc (f) (31)
Is often expressed as. Using equation (28), a slightly generalized version and its Fourier pair are
Figure 0006906507

Is. Using equation (27), the window profile and Fourier pair are
Figure 0006906507

Is. Using equation (24) as a reference, the sampled MRI signal is
Y n = N (k n) + W n (34)
Can be expressed as. This uses (33),
Figure 0006906507

Can be expressed as. Here, the convolution integral was clearly expanded.

で取られたコンボルーション積分の値は、もはやR(k)の1点のみの関数ではない。各点kに対し、コンボルーション積分は、kを中心とするR(k)の値の加重和を計算する。k空間の近傍の範囲は、パラメータXに反比例する。Xの値が小さいと、k空間における近傍の幅は増加する。 The value of the convolution integral taken by k n is no longer a function of only one point of R (k n). For each point k n, convolution integral, calculating a weighted sum of the values of R (k) around the k n. The range near the k-space is inversely proportional to the parameter X. When the value of X is small, the width of the neighborhood in k-space increases.

本明細書の実施形態に対し、関心値の領域の範囲は、k空間の値k、k、k、・・・kN−1の集合に対応する。

Figure 0006906507

を定義する。これらは、従って時間間隔Δtおよび関数g(τ)の関数である。 For embodiments herein, the range of regions of interest corresponds to a set of values k 0 , k 1 , k 2 , ... k N-1 in k-space.
Figure 0006906507

To define. These are therefore functions of the time interval Δt and the function g (τ).

例えば、g(τ)=G(式中、Gは、正定数である)と、単純な仮定を行うと、kは、k空間の一部分にわたる均一なサンプリングにすぎず、および
=k+nGΔt (37)
によって与えられる。この場合、kminおよびkmaxは、
min=k
max=k+(N−1)GΔt (38)
によって与えられる。
For example, g (τ) = G (wherein, G is a positive constant that is) and, when a simple assumption, k n is only uniform sampling over a portion of k-space, and k n = k 0 + nGΔt (37)
Given by. In this case, kmin and kmax are
k min = k 0
k max = k 0 + (N-1) GΔt (38)
Given by.

k空間の単純なサンプリングが選択され得るが、特に必要なわけではない。実際、不均一なおよび/またはさらには非単調なサンプリング戦略が有用であり得る適用例があり得る。 Simple sampling of k-space may be selected, but is not particularly necessary. In fact, there may be applications where non-uniform and / or even non-monotonic sampling strategies can be useful.

理想的には、パラメータX(および窓関数)は、kの近傍にわたる加重和の結果が、
N(k)≒C
(式中、
Cは、複素数値定数であるが、有意なスペクトル分解能を失うようなほどに範囲は広くない)
となるように「十分に広い範囲」となるように、選択される。
Ideally, parameters X (and window function), the result of the weighted sum over the vicinity of the k n is,
N (k n) ≒ C
(During the ceremony,
C is a complex numerical constant, but not wide enough to lose significant spectral resolution)
It is selected so that it has a "sufficiently wide range".

本明細書で開示する実施形態の目的のために、「小さい」非ゼロ傾斜は、所望の窓に基づいて決定され得る。式(10)から、

Figure 0006906507

である。 For the purposes of the embodiments disclosed herein, the "small" non-zero tilt can be determined based on the desired window. From equation (10)
Figure 0006906507

Is.

プロファイルの公称中心点が、点xを中心とするようにシフトされたと仮定する。その結果、

Figure 0006906507

となる。これは、k空間における各点が、オフセットxに比例する複素空間において回転されることを示す。 Suppose the nominal center point of the profile, it is shifted to the center point x 0. as a result,
Figure 0006906507

Will be. This indicates that each point in k-space is rotated in complex space proportional to the offset x 0.

傾斜は正定数であるため、式(39)により、
=k+nGΔt (43)
であると仮定され得る。(42)に代入することにより、

Figure 0006906507

を生じる。ここで、初期位相オフセットθおよび位相インクリメントΔθは、
θ:=−2πk
Δθ:=−2πGΔtx (45)
によって与えられる。 Since the slope is a positive constant, according to equation (39),
k n = k 0 + nGΔt (43)
Can be assumed to be. By substituting into (42)
Figure 0006906507

Produces. Here, the initial phase offset θ 0 and the phase increment Δθ are
θ 0 : = -2πk 0 x 0
Δθ: = -2πGΔtx 0 (45)
Given by.

適切に特定された窓形成関数の適用に起因して、R(k)≒Cが近傍内の複素定数である場合、後取得推定器は、最終的な推定値に組み合わせかつそれを生成する前に、最初に、オフセットしている位相インクリメントejnΔθを、

Figure 0006906507

の各取得サンプルに乗算する。 Due to the proper application of the specified window formed function, if R (k n) ≒ C is a complex constant in the neighborhood, the rear acquisition estimator and combined into the final estimated value generating it Before, first, the offset phase increment e jn Δθ ,
Figure 0006906507

Multiply each acquisition sample of.

Δθの推定値は、より低いk値(SNRがより高い)にわたって窓プロファイルで取られたk空間サンプルのシーケンスから得られ得る。 An estimate of Δθ can be obtained from a sequence of k-space samples taken in the window profile over lower k-values (higher SNR).

相関は、窓形成によって既に説明したような1つのパラメータとして誘発され得る。実数値の窓関数ζ(x)によるプロファイルρ(x)の乗法は、フーリエ関係式
v(x)=ρ(x)ζ(x)⇔N(k)=R(k)*Z(k) (46)
によるk空間におけるコンボルーションに対応する。
Correlation can be elicited by window formation as one parameter as already described. The multiplication of the profile ρ (x) by the real-valued window function ζ (x) is based on the Fourier relational expression v (x) = ρ (x) ζ (x) ⇔ N (k) = R (k) * Z (k). (46)
Corresponds to the convolution in k-space.

Z(k)は、複素数値出力信号N(k)を生じるために、k空間において複素数値信号R(k)に適用される線形フィルターのインパルス応答として処理される。 Z (k) is processed as an impulse response of a linear filter applied to the complex value signal R (k) in k-space to generate the complex value output signal N (k).

出力信号RNN(K,K)の自己相関関数は、入力信号RRR(K,K)の自己相関の関数として、およびインパルス応答Z(k)は、

Figure 0006906507

として表わされ得る。 The autocorrelation function of the output signal R NN (K 1 , K 2 ) is as a function of the autocorrelation of the input signal R RR (K 1 , K 2 ), and the impulse response Z (k) is.
Figure 0006906507

Can be expressed as.

式(47)は、基本的な信号RRR(K,K)の自己相関関数が通常分かっていないため、不都合である。R(k)は、白色雑音の広い意味での定常プロセスであり、および自己相関を
RR(K,K)=σ δ(K−K) (48)
として表わすという単純な仮定が行われる。この仮定では、(47)は、
NN(K,K)=σ ZZ(K−K) (49)
へと単純化される。ここで、RZZ(K)は、インパルス応答Z(k)の自己相関関数であり、かつ

Figure 0006906507

によって与えられる。 Equation (47) is inconvenient because the autocorrelation function of the basic signal RRR (K 1 , K 2) is usually unknown. R (k) is a stationary process in the broad sense of white noise, and the autocorrelation is R RR (K 1 , K 2 ) = σ R 2 δ (K 1- K 2 ) (48).
The simple assumption is made that it is expressed as. In this assumption, (47) is
R NN (K 1 , K 2 ) = σ R 2 R ZZ (K 2- K 1 ) (49)
It is simplified to. Here, RZZ (K) is an autocorrelation function of the impulse response Z (k), and
Figure 0006906507

Given by.

k対時間のマッピングは、以下の通りにマッピングされる。
=k+nGΔt (51)
正規化相関

Figure 0006906507

は、基本的なサンプル点が相関される程度を測る。低SNRレジームでは、サンプルの全てにわたって高相関が望まれるため、下界:
Figure 0006906507

を設定する。 The k-to-time mapping is mapped as follows.
k n = k 0 + nGΔt (51)
Normalized correlation
Figure 0006906507

Measures the degree to which the basic sample points are correlated. In the low SNR regime, a high correlation is desired across all samples, so the lower bound:
Figure 0006906507

To set.

等式(50)および(53)は、窓関数インパルス応答Z(k)と、傾斜の強度Gと、サンプル間隔Δtと、サンプル数Nと、相関下界ηminとの間の規定的な関係を提供する。 Equations (50) and (53) provide a defined relationship between the window function impulse response Z (k), the slope intensity G, the sample spacing Δt, the number of samples N, and the correlation lower bound η min. offer.

例えば、窓関数が、

Figure 0006906507

であると定義されると仮定する。ここで、Π(x)は、下記で定義する標準的ないわゆる矩形関数であり、およびXは、定数である。
Figure 0006906507
For example, the window function
Figure 0006906507

Suppose it is defined as. Here, Π (x) is a standard so-called rectangular function defined below, and X is a constant.
Figure 0006906507

インパルス関数Z(k)は、フーリエ変換

Figure 0006906507

によって与えられる。 The impulse function Z (k) is a Fourier transform.
Figure 0006906507

Given by.

対応する正規化相関関数η(K)は、
η(K)=sinc(XK) (57)
によって与えられる。
The corresponding normalization correlation function η (K) is
η (K) = sinc (XK) (57)
Given by.

相関を、この場合、(53)により、ηmin=0.95によって下界となるように制限する場合、
ηmin≦sinc(X・N・G・Δt) (58)
という条件を生じる。これは、テイラー級数の最初の2つの項を使用することにより、

Figure 0006906507

と近似され得る。これは、反転され、かつ(58)に適用されて、
Figure 0006906507

を生じ得る。ここで、これは、傾斜の強度G、サンプル間隔Δt、およびサンプル数Nの積の上界を明白に表す。 In this case, if the correlation is limited to the lower bound by η min = 0.95 according to (53),
η min ≤ sinc (X ・ N ・ G ・ Δt) (58)
The condition arises. This is done by using the first two terms of the Taylor series.
Figure 0006906507

Can be approximated as. This is inverted and applied to (58),
Figure 0006906507

Can occur. Here, this clearly represents the upper bound of the product of the slope intensity G, the sample spacing Δt, and the number of samples N.

一般にサンプル間隔Δt、およびサンプル数Nは、他の検討事項によって決定される。これらを所与のものとして考えると、最大傾斜レベルは、

Figure 0006906507

によって与えられる。 In general, the sample interval Δt and the number of samples N are determined by other considerations. Given these as given, the maximum slope level is
Figure 0006906507

Given by.

この場合、非ゼロ傾斜データ取得に関し、傾斜Gが、計算された上界を下回る限り、取得されるサンプルは、規定された相関レベルを有する。この条件は、本明細書の目的のために、「小さい傾斜」レベルと定義される。 In this case, with respect to non-zero slope data acquisition, as long as the slope G is below the calculated upper bound, the sample obtained will have a defined correlation level. This condition is defined as a "small slope" level for the purposes of this specification.

この限界値を越えるサンプリングは、より低いサンプル相関を生じるため、潜在的な後取得SNRゲインは小さくなる。「より大きい」傾斜は、この条件において動作すると定義され得る。傾斜の決定は、(1)インパルス応答における「メインローブ」の形状(およびある程度は、幅)に影響する窓関数の選択(例えば矩形、Tukey、ハミングなど)、(2)窓の範囲の選択(プロファイル領域の範囲が大きいほど、インパルス応答における「メインローブ」は狭くなる)、(3)自己相関関数を生じ得るインパルス応答、(4)サンプルが含まれる必要がある、k空間における有効幅を決定する所望の相関レベル、および(5)実際のサンプリング近傍サイズを決定する、サンプリングレートサンプル数傾斜サイズ(この数が、要素(4)内に含まれる数によって制限されている限りであることに留意すること)を含む、いくつものパラメータによる影響を受け、傾斜は「より低い傾斜レベル」レジームに留まる。 Sampling above this limit results in lower sample correlation, resulting in lower potential post-acquisition SNR gains. A "greater" tilt can be defined as operating under this condition. Determining the tilt is as follows: (1) selection of window functions that affect the shape (and to some extent, width) of the "main lobe" in the impulse response (eg, rectangle, Takey, humming, etc.), (2) selection of window range ( The larger the range of the profile region, the narrower the "main lobe" in the impulse response), (3) the impulse response that can produce an autocorrelation function, (4) the effective width in k space that must contain the sample. The desired correlation level to be, and (5) the sampling rate * number of samples * slope size (as long as this number is limited by the number contained within element (4)), which determines the actual sampling proximity size. Affected by a number of parameters, including), the slope remains in the "lower slope level" regime.

例示的な実施形態は、テクスチャー波長対VOI取得軸の長さの比を一定に維持する。標的にしたk値が変化するため、VOI取得軸の長さは、対応するテクスチャー波長対取得長の比が一定のままとなるように、変化する。ここでの目的は、サンプリングされるテクスチャー「細胞」の数を一定に保つことである。このようにして、k空間Δkにおける特定の点において観察される差分拡大が、RFパルスの有限幅または傾斜パルスのエッジなど、実空間においてサンプリングされる長さ以外の源から生じることが予想される。 An exemplary embodiment maintains a constant ratio of texture wavelength to length of VOI acquisition axis. As the targeted k-value changes, the length of the VOI acquisition axis changes so that the corresponding texture wavelength to acquisition length ratio remains constant. The purpose here is to keep the number of texture "cells" sampled constant. In this way, it is expected that the differential expansion observed at a particular point in k-space Δk will come from a source other than the length sampled in real space, such as the finite width of the RF pulse or the edge of the gradient pulse. ..

MRベースの診断技術は、組み合わせられ得る。非常に微細な組織構造を見るように設計されているいくつかのMRベースの技術は、基本的な構造の間接的な測定値のみを提供するのみであるため、いくつかの病状における解釈を困難にし得るデータを提供する。拡散強調画像法および磁気共鳴エラストグラフィ(MRE)は、2つのそのような技術である。この仮出願の方法は、直接測定するため、多くの場合、微細なテクスチャーのより良好な測定値を提供し、かつ場合により診断能力を高める相補的なデータを提供する。複合的な取得技術は、テクスチャー、従って病状のよりロバストな測定を提供し得る。 MR-based diagnostic techniques can be combined. Some MR-based techniques designed to look at very fine tissue structures are difficult to interpret in some medical conditions as they only provide indirect measurements of the basic structure. Provide data that can be. Diffusion-weighted imaging and magnetic resonance elastography (MRE) are two such techniques. Since this provisional application method measures directly, it often provides better measurements of fine textures and, in some cases, complementary data that enhances diagnostic ability. Combined acquisition techniques can provide a more robust measurement of texture and thus pathology.

開示の実施形態は、磁気共鳴エラストグラフィ(MRE)と組み合わせて使用され得る。現在のところ、MREの主要な適用例は、治療に対する反応、進行、生検の必要性などを決定する、肝疾患用の診断としてのものである。標的とする病状は線維化進展であるが、この技術は、これを、組織の硬化を測定することによって間接的に測定する。多くの場合、線維化進展を、他の硬化によって誘発される状態、例えば門脈圧亢進症および炎症と区別することは困難である。さらに、機能低下した(compromised)肝臓から生じることが多い肝鉄過剰が、低信号、従って、誘発される機械的な波の不適切な可視化を生じる。 The disclosed embodiments can be used in combination with magnetic resonance elastography (MRE). At present, the main application of MRE is as a diagnosis for liver disease, which determines the response to treatment, progression, need for biopsy, and the like. The targeted medical condition is fibrotic progression, which the technique indirectly measures by measuring tissue sclerosis. In many cases, it is difficult to distinguish fibrosis development from other sclerotic-induced conditions such as portal hypertension and inflammation. In addition, hepatic iron overload, which often results from a compromised liver, results in inadequate visualization of hypointensity and thus induced mechanical waves.

本明細書で開示する方法は、肝臓における線維化進展の直接的な測定を提供し、そのようなものとして、肝線維化疾患の様々なトリガの場合、疾患の進行または治療に対する反応に関する追加的なデータを提供する。他の間接的な測定値、例えばMRE、DTI、DWIなどを較正するために、標的とする解剖学的構造内の局所測定を提供する。 The methods disclosed herein provide a direct measurement of fibrotic progression in the liver, as such, in the case of various triggers of hepatic fibrotic disease, additional with respect to disease progression or response to treatment. Data is provided. Local measurements within the targeted anatomy are provided to calibrate other indirect measurements, such as MRE, DTI, DWI, and the like.

開示の実施形態は、腫瘍において、拡散強調画像法と組み合わせて、またはそれに置き換えて使用され得る。高精度で腫瘍のエッジを検出する能力は、正確な外科的除去を容易にする。VOIにおいて、血管原性血管系の領域のエッジを探すために、腫瘍領域を通る方向に沿って、本明細書で開示する方法を使用してデータ取得をできる。 The disclosed embodiments can be used in tumors in combination with or in place of diffusion-weighted imaging. The ability to detect tumor edges with high accuracy facilitates accurate surgical removal. In VOI, data can be acquired using the methods disclosed herein along the direction through the tumor region to look for edges in regions of the angiogenic vasculature.

治療に対する反応を判断するために腫瘍の内側を測定する能力は、目的とする介入に役立つ。後者の例として、メラノーマ腫瘍の免疫療法は、T細胞浸潤に起因する腫瘍の膨張を誘発し、これは、構造的なMR走査では、悪性腫瘍増殖と同様に見える。従って、治療を継続するかどうかを決定することは困難である。腫瘍内の血管系の状態を調べる能力は、増殖が癌性であったかまたは免疫系反応によるものかの識別を可能にする。本明細書で開示する方法はまた、現在使用されている、解釈が困難であることが多いDTI測定値の局所較正を提供する。 The ability to measure the inside of a tumor to determine its response to treatment helps with the desired intervention. As an example of the latter, immunotherapy for melanoma tumors induces tumor swelling due to T cell infiltration, which looks similar to malignant tumor growth on structural MR scans. Therefore, it is difficult to decide whether to continue treatment. The ability to examine the condition of the vascular system within a tumor makes it possible to distinguish whether the growth was cancerous or due to an immune system response. The methods disclosed herein also provide local calibration of DTI measurements currently in use, which are often difficult to interpret.

開示の実施形態は、腫瘍学において、骨分解(bone degradation)測定として使用され得る。放射線および/または化学療法は骨の健康を損なうことが多いことがよく知られている。癌治療に起因する骨の変化の測定は、治療を調整しかつ骨の健康を保護するための介入が必要であるかどうかを決定するのに役立つ。 The disclosed embodiments can be used in oncology as bone degradation measurements. It is well known that radiation and / or chemotherapy often impair bone health. Measuring bone changes resulting from cancer treatment helps determine if interventions are needed to coordinate treatment and protect bone health.

現在、乳癌の手術および治療に続けて、患者は、乳房組織を撮像するために、定期的にMRスキャナにかけられる。そのような検査の視野内には胸骨があるため、海綿骨への変化を測定し、従って骨の健康の尺度を得るためにこの方法の短い追加シーケンスを容易に適用可能となる。 Currently, following surgery and treatment for breast cancer, patients are regularly subjected to MR scanners to image breast tissue. The presence of the sternum in the field of view of such tests makes it easy to apply a short additional sequence of this method to measure changes to cancellous bone and thus to obtain a measure of bone health.

腫瘍学に本明細書で開示する方法を使用できる可能性のさらなる例として、開示の実施形態を使用して、進行、タイプ、および治療に対する反応を段階付けするために、腫瘍の形成および進行に応答して乳管増殖の過形成的進行を測定しかつ定量化し得るか、または腫瘍を取り囲む血管系の血管新生増殖を測定しかつ定量化し得る。乳房手術後の継続的な治療は、エストロゲンレベルの低下を伴うことが多く、骨の健康をさらに損ない、かつそのようなものとして、骨の監視のためのMR走査の照会が一般的である。本明細書で開示する方法の使用は、海綿骨構造を直接測定することにより、骨の健康のロバストかつ詳細な評価を可能にする。 As a further example of the possibility that the methods disclosed herein can be used in oncology, the embodiments disclosed are used in tumor formation and progression to stage the progression, type, and response to treatment. In response, the hyperplastic progression of ductal growth can be measured and quantified, or the angiogenic growth of the vasculature surrounding the tumor can be measured and quantified. Continued treatment after breast surgery is often accompanied by reduced estrogen levels, further impairing bone health, and as such, MR scan references for bone monitoring are common. The use of the methods disclosed herein allows for a robust and detailed assessment of bone health by directly measuring cancellous bone structure.

開示の実施形態はまた、ビッグデータおよび機械学習スキームを補完する。開示の方法はまた、より疾患について学び、個々の患者および特定の疾患に対する予測力を高め、および様々な集団の傾向に留意するために、大量の医療データ集合体間の比較に使用する傾向を補足する。ビッグデータ/機械学習と併せて、この出願の方法を使用することの利点は、
未知の病状の集団で比較された、本明細書で開示する方法の出力の20例の代わりに、例えば、k値分布対大腿骨折が評価され得るか、または皮質ニューロン束におけるk値の変化が測定されて、アルツハイマーのミニメンタルステート検査またはADの他の評価での成績、または大規模な集団での肝疾患の他の推論と比較された肝臓における局所的なk値と相関され得ること、
大きい集団での機械学習の使用は、病状における特定のバイオマーカの決定を可能にすること、
ビッグデータにおいて有用な相関を作る能力は、開示の実施形態の方法によってもたらされるような高SNR測定入力で遥かに良くなること、
そのような機械学習は、例えば、疾患が、病変組織に現れる特定のk値の出現によって規定される場合を示し得ること
を含む。
Disclosure embodiments also complement big data and machine learning schemes. Disclosure methods also tend to be used for comparisons between large collections of medical data to learn more about the disease, to be more predictive of individual patients and specific diseases, and to be aware of trends in different populations. Complement. The advantages of using this application method in conjunction with big data / machine learning are:
Instead of the 20 examples of output of the methods disclosed herein compared in populations of unknown medical conditions, for example, k-value distribution vs. femoral fracture can be assessed, or changes in k-value in cortical neuron bundles. Can be measured and correlated with performance in the Alzheimer's Mini-Mental State Examination or other assessments of AD, or local k-values in the liver compared to other inferences of liver disease in large populations,
The use of machine learning in large populations allows the determination of specific biomarkers in the medical condition,
The ability to create useful correlations in big data is much better with high SNR measurement inputs as provided by the methods of the disclosed embodiments.
Such machine learning may include, for example, indicating the case where the disease is defined by the appearance of a particular k-value appearing in the lesioned tissue.

疾患の進行に伴う、肉眼で見える病状に先立って、病気に冒された組織において細胞レベル付近での病状の変化が生じる。例えば、骨疾患では、骨折は、骨梁要素の進行中の進行性菲薄化の下流の影響であることが多い。肝疾患などの軟組織疾患では、線維性構造が、病気に冒された器官において長い時間かかって進展し、最終的に硬変を生じる。および神経学では、脳における組織テクスチャーが、白質および灰白質の両方において、疾患の発症および進行に応答して変化する。微細な組織のテクスチャーに影響を及ぼすものなど、疾患における早期の変化を測定する能力は、早期診断を可能にするため、より早期の治療、治験に含めるための標的化対象、および治療に対する反応の高感度の監視を可能にする。 As the disease progresses, changes in the condition occur near the cellular level in the affected tissue prior to the visible condition. For example, in bone disease, fractures are often the downstream effect of ongoing progressive thinning of the trabecular element. In soft tissue diseases such as liver disease, fibrous structures develop over time in the affected organ, eventually resulting in cirrhosis. And in neurology, tissue texture in the brain changes in response to the onset and progression of disease in both white and gray matter. The ability to measure early changes in disease, such as those that affect the texture of fine tissues, allows for earlier treatment, targeted targets for inclusion in clinical trials, and response to treatment to enable early diagnosis. Enables highly sensitive monitoring.

本明細書に導入された方法は、疾患の発症および早期の進行に伴う組織テクスチャーにおける病状の変化の臨床的にロバストな測定を提供するその能力にもかかわらず、組織テクスチャーのこの直接的かつ高感度の測定を可能にし、必要な診断能力を提供する。 The methods introduced herein are this direct and high of tissue texture, despite their ability to provide clinically robust measurements of changes in tissue texture with disease onset and early progression. Allows measurement of sensitivity and provides the required diagnostic capabilities.

開示の方法の最も価値ある特徴の1つは、MRIに適用される最も対照的な方法と併用され得ることである。この方法は、画像とは対照的に、テクスチャーの測定となるため、組織テクスチャー要素間にコントラストを有することのみが必要である。このコントラストは、特定の病状での組織コントラストを最適にするために選択される多くの方法で生成され得る。組織テクスチャーの測定は、対象の動きを比較的免れることに起因して高空間分解能を生じる。本明細書で先に開示した方法の取得時間は短く、データは、様々なシーケンスにおいて画像取得が組み入れられて取得され得る。 One of the most valuable features of the disclosed method is that it can be used in combination with the most contrasting methods applied to MRI. Since this method measures the texture as opposed to the image, it only needs to have contrast between the tissue texture elements. This contrast can be generated by many methods selected to optimize tissue contrast in a particular medical condition. Measurements of tissue texture result in high spatial resolution due to the relative avoidance of movement of the subject. The acquisition time of the methods previously disclosed herein is short and the data can be acquired by incorporating image acquisition in various sequences.

例えば、実際上、海綿骨要素自体からの信号がない骨では、脂肪から高信号を生じる標準的なT1パルスシーケンスが、骨と骨髄との間に必要な高コントラストを提供する。従って、本明細書の方法を用いるテクスチャーの測定は、T1コントラストで適用されるときに骨に高感度を生じ得る。T2コントラストは、石灰化骨の周囲に、信号を提供するような脂肪がほとんど残っていないことがあり得るとき、骨病変が溶解性であるかまたは硬化性であるかを決定する流体を強調するために使用され得る。T2強調画像法は、腹腔病変撮像、脳内の鉄沈着の撮像、および心臓撮像を含む多数の適用例を有するため、本明細書で先に開示した方法との併用により、これらの器官/病状における組織テクスチャーを強調できるようにする。 For example, in bone, where there is virtually no signal from the cancellous bone element itself, a standard T1 pulse sequence that produces high signal from fat provides the required high contrast between bone and bone marrow. Therefore, texture measurements using the methods herein can result in high sensitivity to bone when applied at T1 contrast. The T2 contrast emphasizes the fluid that determines whether a bone lesion is soluble or sclerosing when there may be little fat left around the calcified bone to provide a signal. Can be used for. Because T2-weighted imaging has numerous applications, including imaging of peritoneal lesions, imaging of iron deposits in the brain, and imaging of the heart, these organs / pathologies can be used in combination with the methods disclosed herein above. To be able to emphasize the tissue texture in.

MRIコントラスト生成は、時間の経過と共にますます高機能になってきている。ガドリニウム、および標準的なT1、T2、T2などの外因性造影剤に加えて、例としてプロトン密度コントラスト、脂肪抑制、反転回復シーケンスがある。多くの新しいコントラスト技術は、機能的コントラストに依存することが多く、病状に関わる異なる組織を強調するために開発されてきている。血管系および血液の流れを可視化する方法である、MR血管造影法は、血管の密度および透過性を評価するために、MR信号飽和、または流れている血液中に誘発された位相コントラストを利用する。BOLD(血液内酸素レベル依存)コントラストは、活性している脳領域を撮像するために、血液中の代謝変化を使用する。DWI(拡散強調画像法)およびDTI(拡散テンソル画像法)の両方の拡散強調は、増加する疾患範囲における病状を評価するために使用され、標的組織の微視的状態を反映する信号を提供する。病状を評価するための、ASL(動脈スピン標識)は、脳を通る、磁気標識された血液(内因性コントラスト)の拡散をトレースする。灌流イメージングを使用して、毛細血管における血液の微小循環、機能的反応の別の測定値を評価する。これらのコントラストスキームの両方において、血流の時間的経過に、腫瘍付近の血管系の状態の評価が続く。なぜなら、これは、グリオーマの診断の重要な特徴であるためである。血管は、通常の脳組織よりも腫瘍内に数多く存在し、およびより大きい体積を有する傾向がある。より高悪性度の腫瘍も、血液量が多い傾向があり、および細胞外基質高分子の分解およびリモデリングは、血液脳関門の完全性の損失を生じさせ、これは、造影剤の漏出として見られる。これらの測定値は、特にグリオーマにおける腫瘍の悪性度および予後の重要な生物学的マーカである、腫瘍の血管新生の程度を捕捉し得る。信号コントラストのピーク付近での、本明細書で開示される方法の適用は、血管の密度およびサイズの直接的な測定をもたらし、腫瘍内またはその近傍での血管新生の程度をロバストに測定する相関データとして、微細な規模の血管系テクスチャーの直接的な測定をもたらす。このように組み合わせられて、脳卒中および腫瘍などの神経病状を段階付けするための病的な血管発生のロバストな測定が行われ得る。 MRI contrast generation is becoming more and more sophisticated over time. In addition to gadolinium and standard exogenous contrast media such as T1, T2, T2 * , there are, for example, proton density contrast, fat suppression, and inversion recovery sequences. Many new contrast techniques often rely on functional contrast and have been developed to highlight the different tissues involved in the medical condition. MR angiography, a method of visualizing the vasculature and blood flow, utilizes MR signal saturation or phase contrast induced in flowing blood to assess the density and permeability of blood vessels. .. BOLD (Blood Oxygen Level Dependent) Contrast uses metabolic changes in the blood to image active brain regions. Both DWI (Diffusion weighted Imaging) and DTI (Diffusion tensor Imaging) are used to assess pathology in an increasing range of disease and provide a signal that reflects the microstate of the target tissue. .. To assess the condition, ASL (arterial spin labeling) traces the diffusion of magnetically labeled blood (intrinsic contrast) through the brain. Perfusion imaging is used to evaluate other measurements of blood microcirculation, functional response in capillaries. In both of these contrast schemes, the temporal course of blood flow is followed by an assessment of the condition of the vasculature near the tumor. This is because it is an important feature of the diagnosis of glioma. Blood vessels are more abundant in tumors than normal brain tissue and tend to have a larger volume. Higher grade tumors also tend to have higher blood volumes, and degradation and remodeling of extracellular matrix macromolecules results in a loss of blood-brain barrier integrity, which is seen as a leakage of contrast agent. Be done. These measurements can capture the degree of tumor angiogenesis, which is an important biological marker of tumor malignancy and prognosis, especially in gliomas. The application of the methods disclosed herein near the peak of signal contrast results in a direct measurement of the density and size of blood vessels, a correlation that robustly measures the degree of angiogenesis in or near tumors. The data provides a direct measurement of vascular texture on a fine scale. Combined in this way, robust measurements of pathological angiogenesis can be made to stage neurological conditions such as stroke and tumors.

例として、拡散強調は、その最も簡単な形式、DWIにおいて、水分子のランダムなブラウン運動を使用して、MR画像にコントラストを生成する。病状と拡散との間の相関は複雑であるが、一般的に、濃細胞組織は、より低い拡散係数を示す。高分子、線維、および膜などの障害物も、組織での水の拡散に影響を及ぼす。従って、水分子拡散パターンは、組織状態に関する微視的な詳細を明らかにし得る。組織の領域にわたる水拡散率の差を測定することにより、局所的な病状を反映する拡散率のマップが作成され得る。拡散強調は、いくつかある病状の中で特に、腫瘍の特徴付け、血管系分類、および脳虚血の診断/監視において、特に有用である。脳内での虚血性梗塞、膿瘍、およびいくつかの腫瘍は、非常に制限された拡散を生じる。嚢腫および水腫は、拡散をほとんど制限しない。 As an example, diffusion weighting, in its simplest form, DWI, uses the random Brownian motion of water molecules to produce contrast in MR images. The correlation between pathology and diffusion is complex, but in general, concentrated cell tissues exhibit a lower diffusion coefficient. Obstacles such as macromolecules, fibers, and membranes also affect the diffusion of water in tissues. Thus, the water molecule diffusion pattern can reveal microscopic details about the tissue state. By measuring the difference in water diffusivity over the area of tissue, a diffusivity map can be created that reflects the local medical condition. Diffusion weighting is particularly useful in tumor characterization, vascular system classification, and diagnosis / monitoring of cerebral ischemia, among other medical conditions. Ischemic infarctions, abscesses, and some tumors in the brain result in very limited spread. Cysts and edema have little limitation on diffusion.

拡散画像は、データ解釈にいくつかの問題が生じ、その中でも最も顕著なものは、以下の通りである:1)長い拡散傾斜は、エコー時間TEを長くし、SNRを低下させる、2)必要とされる高拡散傾斜は、スキャナ内の金属表面に渦電流を生じさせ、これにより信号に歪みを引き起こす、3)低信号振幅は、一辺が約2.5mmの比較的大きいボクセルを使用することを必要とするため、低分解能である、4)シーケンスは、設計によって動きに対して高感度であるため、データ記録は非常に高速である必要がある。従って、複数回の取得からの信号の平均化によってSNRを増大させる能力は限定される。さらに、部分異方性(FA)を決定するために、少なくとも6個の異なる方向が必要であるため、動きに対する感度は、取得の過程にわたってデータ解釈を困難にする原因となり得る。5)拡散強調信号の解釈は、容易ではない。組織、特に脳における水拡散プロセスを調節する正確な機構は明確には理解されていないため、測定された拡散係数は、多くの源から生じ得る。自由拡散に対するバリヤおよび制限に関する測定から推測されるものは、基本的な組織病状に関するいくつかの仮定に基づく。これは、細胞膜、細胞小器官、細胞間隔、軸索密度、神経膠密度、ミエリン状態などを含む、多くの形態を取り得る。6)各DWIボクセルは平均を表し、標準的なボクセルサイズは、一辺が約2〜2.5mmである。ボクセル内の平均拡散係数(ADC)の変化を解釈するために、組織均質性、および拡散変動を引き起こす構造のタイプなどのいくつかの仮定を行う。 Diffuse images cause some problems in data interpretation, the most prominent of which are: 1) Long diffusion gradients increase echo time TE and reduce SNR 2) Need The high signal-to-noise ratio, which is said to be, causes eddy currents on the metal surface in the scanner, which causes distortion of the signal. 4) The sequence is sensitive to motion by design, so data recording needs to be very fast. Therefore, the ability to increase SNR by averaging signals from multiple acquisitions is limited. In addition, sensitivity to motion can cause difficulty in interpreting the data throughout the acquisition process, as at least six different directions are required to determine partial anisotropy (FA). 5) Interpretation of diffusion-weighted signals is not easy. The measured diffusion coefficient can come from many sources, as the exact mechanism that regulates the water diffusion process in tissues, especially the brain, is not clearly understood. What is inferred from measurements of barriers and restrictions on free diffusion is based on some assumptions about basic tissue pathology. It can take many forms, including cell membranes, organelles, cell spacing, axonal density, glue density, myelin status, and the like. 6) Each DWI voxel represents an average, and the standard voxel size is about 2 to 2.5 mm on a side. To interpret the change in mean diffusion coefficient (ADC) within a voxel, we make some assumptions such as tissue homogeneity and the type of structure that causes diffusion variation.

本明細書で開示される方法は、1つのTR内で、単一のVOI内または複数のインターリーブされたVOI内での取得を必然的に伴う。データは、画像を形成するために、空間的なエンコーディング傾斜を使用せずに取得される。これは、取得時間を有意に短くし、かつk空間において標的を絞られた取得と組み合わせられて、対象の動きを免れることができるほどに十分に高速で必須データを取得できるようにする。単一体積取得の複数の測定値が研究中の解剖学的構造にわたってマッピングされ得るが、各測定値は、単一体積内で迅速に取得される。高SNRは、動きの影響が入り込む前に、各標的k値を繰り返し測定する時間があるため、この単一体積技術によって保証される。動きを免れる必要があるために、十分な高速での取得に保つための条件により、データが取得される繰り返し数およびk値の数/範囲が制限される。 The methods disclosed herein necessarily involve acquisition within a single VOI or within multiple interleaved VOIs within a TR. The data is acquired without using spatial encoding tilts to form the image. This significantly shortens the acquisition time and, in combination with targeted acquisition in k-space, allows the acquisition of essential data fast enough to avoid movement of the subject. Multiple measurements from a single volume acquisition can be mapped across the anatomy under study, but each measurement is rapidly acquired within a single volume. High SNR is guaranteed by this single volume technique because there is time to repeatedly measure each target k value before the effects of motion enter. Due to the need to avoid movement, conditions to keep the acquisition fast enough limits the number of iterations and the number / range of k-values from which the data is acquired.

標準的なDWIの動きに対する高感度、間接的または推測による測定であること、およびその低SNRが組み合わさって、臨床の場で望ましいほどロバストな測定にしない。拡散コントラストを使用するときのデータ取得への、本明細書で開示される方法の使用は、エコー時間が依然として長いが、データ取得は、信号の動きによる不鮮明さが最小限にされるほど十分に高速であるため、動きの問題を軽減し得る。さらに、追加的なデータは、T1またはT2強調などのコントラストに依存して、走査時に開示の方法によって取得され得る。標準的なDWI画像、本明細書で開示されている方法による拡散強調取得、およびコントラストを使用する方法によって取得されるデータは、全て機械学習アルゴリズムに入力され、測定値間の相関を決定し、および病状のデータおよび転帰に対して3つの測定値全てを相関させ得る。転帰データとの相関は時間がかかるが、本明細書で開示する方法の能力の最良の評価を提供するであろう。 The combination of high sensitivity, indirect or speculative measurements to standard DWI movements and their low signal-to-noise ratio does not make the measurements as robust as desired in the clinical setting. The use of the methods disclosed herein for data acquisition when using diffuse contrast still has a long echo time, but the data acquisition is sufficient to minimize blurring due to signal motion. Due to its high speed, movement problems can be alleviated. In addition, additional data can be obtained by the disclosed method during scanning, depending on contrast such as T1 or T2 enhancement. All data obtained by standard DWI images, diffusion-weighted acquisition by the methods disclosed herein, and methods using contrast are input to machine learning algorithms to determine the correlation between measurements. And all three measurements can be correlated with pathological data and outcomes. Correlation with outcome data is time consuming, but will provide the best assessment of the capabilities of the methods disclosed herein.

長いエコー時間および患者の動きに対する感度に起因して、ほとんどの拡散強調は、高速エコー−プラナー撮像法パルスシーケンスを使用して行われ、比較的高速のデータ取得をもたらす。しかしながら、単発のEPI(約10ピクセルのシフト)によって化学シフトアーチファクトが強調される。 Due to the long echo time and sensitivity to patient movement, most diffusion weighting is performed using fast echo-planar imaging pulse sequences, resulting in relatively fast data acquisition. However, a single EPI (shift of about 10 pixels) emphasizes chemical shift artifacts.

さらに、病変を不明瞭にし得る明るい信号を生じる、脂肪を通る水の動きがあまりないため、脂肪抑制は、DWIデータ取得の一部として使用されることが多い。 In addition, fat suppression is often used as part of DWI data acquisition, as there is less movement of water through fat, producing bright signals that can obscure lesions.

下記でさらに詳細に説明する、本明細書で開示される方法の一実施形態では、180°パルスの期間中に生成される雑音信号の集中を排除するために、180°傾斜の両側にクラッシャー傾斜を使用する。これらのクラッシャー傾斜を拡散強調傾斜と置き換えることにより、拡散強調信号ならびにそれに続く制限されたk値信号の両方の取得を可能にする。そのようなものとして、拡散強調は、VOIにおける測定となる。 In one embodiment of the method disclosed herein, described in more detail below, crusher tilts on either side of the 180 ° tilt to eliminate the concentration of noise signals generated during the 180 ° pulse period. To use. Replacing these crusher slopes with diffusion weighted slopes allows the acquisition of both diffusion weighted signals followed by a restricted k-value signal. As such, diffusion weighting is a measurement in VOI.

DTI(拡散テンソル画像法) − 高度に配向された組織、例えば神経および白質路では、拡散は、好ましくは一方向に沿って発生し、神経/軸索路に沿った拡散は、トラックに直交する向き(across−track orientation)の拡散よりも遥かに好ましい。組織内の方向性、または異方性の程度は、病状の指標である。なぜなら、多くの神経学的状態が皮質ニューロンのミニカラムの配列などの神経構造の正常な状態を劣化させるか、または脳において白質路を形成する軸索の脱髄によって正常な状態の劣化に至るためである。異方性拡散では、拡散コントラストの値は、方向によって変化する。この異方性は、病状の進行の測定値であるため、複数の方向における拡散コントラストの測定値を使用して、組織構造から生じる「部分異方性」を生じ得、従って、病状の進行の測定値を提供する。実際には、少なくとも6個の同一線上にない傾斜を使用して部分異方性を測定し、対称的な9×9のマトリクス、「拡散テンソル」をもたらし、その固有値は、3つの直交する方向に主拡散軸を生じる。 DTI (Diffusion TENSOL Imaging) -In highly oriented tissues such as nerve and white matter tracts, diffusion preferably occurs in one direction and along the nerve / axon tract is orthogonal to the track. Much more preferred than spread-track orientation. The degree of orientation or anisotropy within the tissue is an indicator of the medical condition. Because many neurological conditions degrade the normal state of neural structures, such as the arrangement of minicolumns of cortical neurons, or demyelination of axons that form the white matter tract in the brain leads to deterioration of the normal state. Is. In anisotropic diffusion, the value of diffusion contrast changes depending on the direction. Since this anisotropy is a measure of the progression of the pathology, measurements of diffusion contrast in multiple directions can be used to result in "partial anisotropy" resulting from the tissue structure, and thus the progression of the pathology. Provide measurements. In practice, partial anisotropy is measured using at least 6 non-colinear tilts, resulting in a symmetric 9x9 matrix, the "diffusion tensor" whose eigenvalues are in three orthogonal directions. Produces a main diffusion axis.

脳における病状を診断および監視するために拡散の異方性を使用することと共に、脳を横断してマッピングされた拡散テンソルを使用して、白質路の経路を描写し得る。これは、トラクトグラフィーと呼ばれる。本明細書で開示されている方法の考えられる適用例は、標準的なT1またはT2コントラストを使用して、または拡散強調と併せて本明細書で開示する方法を使用して、多発性硬化症(MS)の影響を受けた白質路内のテクスチャーを測定して、標準的なDTI取得と相関する、機械学習用の入力に対する測定値の異方性を決定することである。 Diffusion tensors mapped across the brain can be used to delineate the pathways of the white matter tract, along with the use of diffusion anisotropy to diagnose and monitor pathology in the brain. This is called tractography. Possible applications of the methods disclosed herein are multiple sclerosis using standard T1 or T2 contrast, or using the methods disclosed herein in conjunction with diffusion weighting. The texture in the white matter tract affected by (MS) is measured to determine the anisotropy of the measured value with respect to the input for machine learning, which correlates with standard DTI acquisition.

本明細書で開示される方法は、検査中の特定の組織に適用可能であり得るコントラストを使用して組織テクスチャーを得る能力を提供する。コントラストは、測定中の多相の生物サンプルにおける成分組織タイプ間のコントラストを強める上述の機構のいずれか1つを使用して、適用される。続いてより詳細に説明するように、コントラスト機構およびその適用例は、NMR誘発パルスシーケンス内の様々な個所で発生し得る。図3および図8に関して説明するものなどのパルスのシーケンシングを使用して、関心体積(VOI)は、複数の時間変化無線周波数信号および適用される傾斜を用いて選択的に励起される。同様に図3および図8に関して説明するようなエンコーディング傾斜パルスは、位相ラップを誘発するために適用されて、特定のk値および向きのための空間的エンコードを作成し、特定のk値は、VOI内の組織の予期したテクスチャーに基づいて決定される。時間変化する一連の取得傾斜が開始され、例えば、図8、図11、図16または図18に関して前述したようなk値エンコードの3次元k空間を通る時間変化軌跡を生じる。この場合、k値セットは、VOIの像を生じるために必要なそのサブセットである。特定のk値でエンコードされたNMR RF信号の複数の一連のサンプルは、同時に記録される。その後、記録されたNMR信号サンプルは後処理されて、軌跡によって決定されるセット中のk値に関する信号対k値のデータセットを生じる。 The methods disclosed herein provide the ability to obtain tissue texture using contrasts that may be applicable to the particular tissue under examination. Contrast is applied using any one of the mechanisms described above that enhances the contrast between component tissue types in a polyphasic biological sample being measured. As will be described in more detail thereafter, the contrast mechanism and its application examples can occur at various points within the NMR-induced pulse sequence. Using pulse sequencing, such as those described with respect to FIGS. 3 and 8, the volume of interest (VOI) is selectively excited with multiple time-varying radio frequency signals and applied gradients. Similarly, an encoding gradient pulse as described with respect to FIGS. 3 and 8 is applied to induce a phase wrap to create a spatial encoding for a particular k-value and orientation. Determined based on the expected texture of the tissue within the VOI. A series of time-varying acquisition slopes is initiated, producing, for example, a time-varying locus through the three-dimensional k-space of k-value encoding as described above for FIGS. 8, 11, 16 or 18. In this case, the k-value set is a subset of it needed to produce an image of the VOI. Multiple series of samples of an NMR RF signal encoded with a particular k value are recorded simultaneously. The recorded NMR signal sample is then post-processed to produce a signal-to-k value dataset for the k value in the set determined by the locus.

本明細書の方法の適用のための第1の組織は、骨である。生活の質に対する影響は巨大であるが、骨折の可能性に関する感度が高い評価のための正確かつ非侵襲的な方法は、存在しない。X線吸収に依存する、現在の代表的な標準的な測定、DEXAは、骨の面密度を測定する。骨折を予測する骨の強度の主要決定要因は、骨梁微細構造(trabecular microarchitecture)であり、その測定は、現在は生体内で利用できない。本明細書で開示する方法は、この測定を可能にする。 The first tissue for the application of the methods herein is bone. Although the impact on quality of life is enormous, there is no accurate and non-invasive method for a sensitive assessment of the likelihood of fracture. DEXA, the current typical standard measurement that relies on X-ray resorption, measures the area density of bone. A major determinant of bone strength in predicting fractures is trabecular microarchitecture, the measurement of which is not currently available in vivo. The methods disclosed herein allow this measurement.

骨分解は、疾患、癌治療、摂食障害、および老化/生活様式を含む、いくつかの要因に起因して発生する。骨梁構造は骨に侵食するため、3つの主要な形態計測の数字 − 骨梁要素の厚さTbTh、骨梁細胞の繰り返しのスペーシングTbSp、およびTbSpおよびTbThから決定され得る冗長な数字である骨梁数TbN − が変化する。TbThは、骨分解とともに連続的に低下する。最終的に、骨梁要素または支柱骨が折れるとき、TbSpの局所値には不連続点がある。骨は、時間と共に異方的に分解し、異方性は、大部分において、耐荷重応力の影響によってドライブされる。骨疾患が進行すると、TbSpは、主耐荷重方向に沿って、この方向に対して直角の方向よりも、速く増加し、2つの測定値間の変動は、骨分解のマーカとなる。骨の形態計測の異方性の発生に加えて、骨梁スペーシングTbSpの測定値の変動は、骨梁支柱骨(trabecular strut)の菲薄化に起因して、骨折する点まで増加し、TbSpの測定値に不連続点を生じる。 Bone breakdown occurs due to several factors, including disease, cancer treatment, eating disorders, and aging / lifestyle. Since trabecular structure erodes bone, it is a redundant number that can be determined from three major morphological measurements-thickness of trabecular element TbTh, repeated spacing of trabecular cells TbSp, and TbSp and TbTh. The number of trabecular bones TbN − changes. TbTh decreases continuously with bone decomposition. Finally, when the trabecular element or strut bone breaks, there is a discontinuity in the local value of TbSp. Bone disintegrates ectopically over time, and anisotropy is largely driven by the effects of load-bearing stress. As bone disease progresses, TbSp increases along the main load-bearing direction faster than in the direction perpendicular to this direction, and the variation between the two measurements becomes a marker of bone degradation. In addition to the occurrence of bone morphometry anisotropy, fluctuations in trabecular spacing TbSp measurements increase to the point of fracture due to thinning of the trabecular strut and TbSp. Causes discontinuities in the measured values of.

骨の健康の最も確実な測定値は骨梁要素の厚さであり、これは、測定に必要な空間分解能のために、生体内で直接測定することは現在不可能である。 The most reliable measure of bone health is the thickness of the trabecular element, which is currently not possible to measure directly in vivo due to the spatial resolution required for the measurement.

本明細書で開示する方法は、この測定を可能にする。その理由は、この方法は、菲薄化する骨梁において、TbThの測定に必要な分解能を、さらなる分解を評価するために測定され得るTbSpにおける突然の不連続点がある範囲付近で数十ミクロンまで下げるからである。骨折する点まで骨梁が細いため、折れている骨梁要素に起因して、TbSpを増加させるための突然のシフトが信号分布対k値において見ることができるはずである。さらに、TbSpの異方性の程度は、骨折の可能性の相関測定値として使用され得る。データは、標的骨領域内にVOIを位置決めし、単一のTR内でのまたは複数のTRにわたるデータを取得して、TbThおよびTbSpが及ぶk値の適切な範囲にわたる取得を可能にすることにより、本明細書で開示する方法を使用して取得され得る。1つのTR内で迅速に取得されたデータは、平均されて、SNRを改善し得、この場合、唯一の条件は、データが同様の骨組織から取得されることである。 The methods disclosed herein allow this measurement. The reason is that this method provides the resolution required to measure TbTh in thinning trabeculae up to tens of microns near a range of sudden discontinuities in TbSp that can be measured to assess further degradation. Because it lowers. Since the trabecular bone is thin to the point of fracture, a sudden shift to increase TbSp should be visible in the signal distribution vs. k value due to the broken trabecular element. In addition, the degree of anisotropy of TbSp can be used as a correlation measure of fracture potential. The data is by positioning the VOI within the target bone region and acquiring data within a single TR or across multiple TRs, allowing acquisition over the appropriate range of k values over TbTh and TbSp. , Can be obtained using the methods disclosed herein. The data rapidly acquired within one TR can be averaged to improve the SNR, in which case the only condition is that the data be acquired from similar bone tissue.

必要なコントラストは骨と骨髄との間である。T1強調は、骨髄で高信号を提供し、骨は、無視できるMR信号を提供する。あるいは、T1コントラストの強調を生じるIRシーケンスが使用され得る。骨を撮像するために、拡散強調を使用していくつかの作業が行われる − これは、本明細書で開示する方法を使用するときに考えられるコントラスト機構である。 The required contrast is between bone and bone marrow. T1-weighted image provides hyperintensity in the bone marrow and bone provides a negligible MR signal. Alternatively, an IR sequence that produces T1 contrast enhancement can be used. Some work is done using diffusion weighting to image bone-this is a possible contrast mechanism when using the methods disclosed herein.

健康な骨では、TbSpおよびTbThは、病変骨における場合よりも大きさが近くなる。これは、図22Aおよび図22Bから、健康な骨の画像(図22A)を高度の骨粗しょう症の骨の画像(図22B)と比較することによって分かる。この関係の正確な形態は幾分変化し、これら2つの形態計測的パラメータの差は、病状にわたり、例えば股関節部におけるよりも脊柱において大きくなる。これら2つの形態計測的パラメータの測定値における差の増加は、疾患の進行のマーカを提供する。 In healthy bone, TbSp and TbTh are closer in size than in lesioned bone. This can be seen from FIGS. 22A and 22B by comparing the image of healthy bone (FIG. 22A) with the image of severe osteoporotic bone (FIG. 22B). The exact morphology of this relationship varies somewhat, and the difference between these two morphometric parameters is greater over the pathology, eg, in the spinal column than in the hip joint. Increasing the difference in measurements of these two morphometric parameters provides a marker of disease progression.

2つの測定値の区別がこのように大きくなるため、骨粗しょう症の骨におけるTbSpおよびTbThの両方を測定するために、k空間の2つの空間的に分離する領域における信号データの取得を含む。健康な骨では、複数の傾斜を使用してk空間内のある領域を選択する場合、いくつかの骨格領域において、信号対k値の分布にTbThおよびTbSpの両方を含む領域を画定することが可能である。骨疾患が進行すると、TbThの百分率変化のように、TbSpの測定値の変動が大きくなる。さらに、疾患の進行につれてTbSpが大きくなり(より幅広なスペーシング)、およびTbThは狭くなる。従って、これらの分布のそれぞれの中心は、病状が亢進するにつれて次第に分離する。傾斜の大きさまたはVOI窓形成によって広げられる、傾斜がオンまたは傾斜がオフの取得、またはそれら2つの組み合わせのいずれかを使用して、これらの分布の全体的な形状が決定され得る。これらの広げられた分布をリアルタイムに使用して、k空間の領域を決定し、連続的なTRにおいてより細かくサンプリングし得る。 Because the distinction between the two measurements is so great, it involves the acquisition of signal data in two spatially separated regions of k-space to measure both TbSp and TbTh in osteoporotic bone. In healthy bone, when using multiple slopes to select a region in k-space, it is possible to define regions in some skeletal regions that contain both TbTh and TbSp in the signal vs. k-value distribution. It is possible. As the bone disease progresses, the fluctuation of the measured value of TbSp becomes large, such as the change in the percentage of TbTh. In addition, TbSp increases (wider spacing) and TbTh decreases as the disease progresses. Therefore, the centers of each of these distributions gradually separate as the condition increases. The overall shape of these distributions can be determined using either the magnitude of the slope or the acquisition of slope on or slope off, or a combination of the two, which is expanded by VOI window formation. These widened distributions can be used in real time to determine regions in k-space and sample more finely in continuous TR.

必要に応じて、データは、各TR内で複数のインターリーブVOIを使用して取得され得る。この方法は、骨の領域内での特定のk値における信号の変動性を決定できるようにする。異なるVOIから取得されるデータは、マッピングされ得、分布内で、値/色/アイコンが信号またはピークk値に、またはTbThのピーク位置およびTbSpのピーク位置にそれぞれ関連するk値の差に割り当てられる。時間変化傾斜によって確立される特定のk値およびk値セットは、例示的な適用例において、0.01mm〜5mmの範囲のTbSpおよびTbThを含み得る。 If desired, data can be acquired using multiple interleaved VOIs within each TR. This method allows the variability of the signal at a particular k value within the region of bone to be determined. Data obtained from different VOIs can be mapped and the value / color / icon is assigned to the signal or peak k value in the distribution, or to the difference in k values associated with the peak position of TbTh and the peak position of TbSp, respectively. Be done. The particular k-value and k-value set established by the time-varying slope may include TbSp and TbTh in the range 0.01 mm to 5 mm in exemplary applications.

本明細書で開示される方法は、例えば、従来のT1、T2またはプロトン密度コントラスト、または流れまたは拡散コントラストMR画像法によって特定される骨病変の箇所内およびその周囲に適用され得、その領域内の海綿骨の状態を評価する。ここで興味を引くことは、病変タイプの決定である。病変は、びらん性腫瘍(erosive tumor)を示すか、または炎症/分解した骨の領域にある病変は、骨折を取り囲んでいるか。いくつかの病変は、危険であり、およびびらん性腫瘍であり、いくつかの病変は良性である。病変の領域での複数のVOIにおける、本明細書で開示する方法によるデータの取得は、骨梁構造が近傍で分解されているかどうか、および空間的および時間的の両方において、分解がどのように進行したかを決定できるようにする。さらなるバイオマーカは、病変のMR画像を機械学習アルゴリズムに入力し、かつそれらをTbTh、TbSp、TbN、異方性、および測定値の変動性の骨梁データと相関させることによって導き出され得る。画像上の病変の出現が骨の病状の特定の程度と関係し得るため、この新規の方法により、MR画像の診断内容は改善され得る。 The methods disclosed herein can be applied, for example, within and around bone lesions identified by conventional T1, T2 or proton density contrast, or flow or diffusion contrast MR imaging, and within that region. Evaluate the condition of cancellous bone. Of interest here is the determination of lesion type. Does the lesion indicate an erosive tumor, or does the lesion in the area of inflamed / decomposed bone surround the fracture? Some lesions are dangerous and erosive tumors, and some lesions are benign. Acquisition of data by the methods disclosed herein in multiple VOIs in the area of the lesion is whether the trabecular structure is degraded in the vicinity and how the degradation is both spatially and temporally. Be able to determine if it has progressed. Additional biomarkers can be derived by inputting MR images of lesions into machine learning algorithms and correlating them with trabecular bone data of TbTh, TbSp, TbN, anisotropy, and measured variability. Since the appearance of lesions on the image can be associated with a particular degree of bone pathology, this novel method can improve the diagnostic content of MR images.

T2コントラストは、本明細書で開示する方法と併用されて、腫瘍での骨病変において流体を強調し、それを溶解性または硬化性のいずれかに分類し得る。そのような病状では、石灰化骨の周りには、信号を提供するための脂肪/骨髄がほとんど残っていないことがあり得る。腫瘍での骨病変では、通常、流体、および様々な炎症状態の骨髄の混合物がある。硬い骨の外側から信号を生じるために、プロトン密度が使用され得る。あるいは、拡散強調は、流体が染み込んだ骨髄位相における水分子の拡散に基づいて信号を戻す。 T2 contrast can be used in combination with the methods disclosed herein to emphasize fluid in bone lesions in tumors and classify it as either soluble or sclerosing. In such conditions, it is possible that little fat / bone marrow remains around the calcified bone to provide a signal. Bone lesions in tumors usually have a fluid and a mixture of bone marrow in various inflammatory conditions. Proton densities can be used to generate signals from the outside of hard bone. Alternatively, diffusion weighting returns a signal based on the diffusion of water molecules in the fluid-impregnated bone marrow phase.

上記で開示した様々な方法を適用する、骨における信号対k値のデータを取得するための本明細書で開示する方法の使用は、骨の健康を評価するためのいくつかのバイオマーカを生じる。骨の異なる個所にある複数のVOIにおける、およびテクスチャーエンコード傾斜の異なる向きによる、TbSp、TbTh、およびTbNの測定は、形態計測的パラメータの大きさおよび変動、骨の耐荷重軸に対する方向でのそれらの変動、および局所的なおよびより大きい骨領域にわたる測定値における変動性の情報を生じる。例えば、進行した疾患における局所的な1つの向きにおけるTbThの測定は、病状を明らかに反映するが、取得されるデータの和を組み合わせることにより、骨の健康に対してより感度の高いマーカが導き出され得る。 The use of the methods disclosed herein to obtain signal vs. k value data in bone, applying the various methods disclosed above, results in several biomarkers for assessing bone health. .. Measurements of TbSp, TbTh, and TbN in multiple VOIs at different locations in the bone and in different orientations of the texture-encoded slopes include the magnitude and variation of morphometric parameters, those in the direction of the bone's load-bearing axis. Produces information on variability in measurements and variability in measurements over local and larger bone regions. For example, the measurement of TbTh in one local orientation in advanced disease clearly reflects the condition, but by combining the sum of the acquired data, markers that are more sensitive to bone health are derived. It can be.

しかしながら、特徴/バイオマーカの開発または抽出のために相関データが必要とされる。骨折の可能性の最高の内容の予測値は、骨折の履歴である。骨生検も非常に感度が高いが、これは高度に侵襲的なバイオマーカであるため、この処置は稀である。DEXAは、骨の健康に関して現在の代表的な基準であるが、これは面骨密度を測定し、および骨梁構造(trabecular architecture)に対して不感能である。従って、これは、最良でも骨折の可能性の可もなく不可もない予測値である。しかしながら、十分に大きいサンプルでは、この測定規準法は、診断的定義に関する相関を高め得る。総合すれば、DEXAデータおよび患者の骨折の履歴は、本明細書で開示している方法によって導き出される出力データ全体と相関させるための高いレベルの学習の枠組みを提供し、本明細書で開示している方法からの感度の高い診断ツールの定義を可能にする。 However, correlation data is needed for the development or extraction of features / biomarkers. The best predictor of the likelihood of a fracture is the history of the fracture. Bone biopsy is also very sensitive, but this procedure is rare because it is a highly invasive biomarker. DEXA is the current representative criterion for bone health, which measures surface bone mineral density and is insensitive to trabecular architecture. Therefore, this is the best predicted value for the possibility of fracture. However, for sufficiently large samples, this metric method can enhance the correlation with respect to the diagnostic definition. Taken together, DEXA data and patient fracture history provide a high level of learning framework for correlating with the overall output data derived by the methods disclosed herein and are disclosed herein. Allows the definition of sensitive diagnostic tools from the methods used.

特徴の抽出を探すために個別に比較することにより、取得データからバイオマーカを導き出そうとするのではなく、機械学習アルゴリズムは、複数の測定値間の最良の相関データを提供する。 Rather than trying to derive biomarkers from the acquired data by comparing them individually to look for feature extracts, machine learning algorithms provide the best correlation data between multiple measurements.

さらに、TbThと、異方性データと、TbSpおよびその変化の測定値との間の相関に加えて、対象からの骨折データがこれらの測定値と相関され、また、機械学習アルゴリズムを使用して、骨折の可能性に関するマーカを開発する。バイオマーカは、信号対k値のデータから、機械学習アルゴリズムにそれを入力し、かつそれを、例えば、同じ患者からの骨折発生データ、DEXA測定値、または骨生検レポートデータと相関させることによって直接導き出され得る。 Furthermore, in addition to the correlation between TbTh and anisotropy data and measurements of TbSp and its changes, fracture data from the subject are correlated with these measurements and also using machine learning algorithms. Develop markers for possible fractures. The biomarker inputs it into a machine learning algorithm from the signal-to-k value data and correlates it with, for example, fracture occurrence data from the same patient, DEXA measurements, or bone biopsy report data. Can be derived directly.

線維症の浸潤(fibrotic invasion)にさらされる肝組織または他の組織には、本明細書で開示される方法の第2の使用例を提供する。肝疾患の根本原因は複雑でありかつ様々であるが、疾患の顕著な特徴は、肝臓内での線維の沈着の発現である。疾患の発症および進行は、肝構造へのタンパク質沈着、主に膠原線維の蓄積が増加していくことが特徴的である。線維化進展は、疾患が治療されないままである場合、短期的には、治癒を促すが、治癒反応自体が問題となり、過剰なタンパク性物質は、器官の正常機能を妨げる。肝疾患の場合、このプロセスは、検査を受けないままであると硬変まで進行する − 結果として癌腫および/または肝不全を伴う。このような理由で、ある範囲の管理オプションが利用可能である時点である早期の肝疾患診断が最適である。肝組織に対する、疾患によって誘発された病状変化を評価するための、本明細書で開示する方法の使用は、肝臓の健康を検査するためにオーダーされるルーチンのMR検査に、低コストで、非侵襲的で迅速な追加物を提供する。ここで、肝線維症に焦点を当てるが、病状、および本明細書で開示する方法の適用は、線維症の浸潤によって特徴付けられる、ある範囲の疾患のものと同様である。これらの疾患の部分的なリストは、心臓線維症、嚢胞性線維症、特発性肺線維症、膵炎、腎疾患である。さらに、前立腺疾患などの病状は、疾患の進行に応答してタンパク質沈着が消える。メカニズムは逆となるが、診断および監視に必要な組織テクスチャー評価は同じである。 For liver tissue or other tissue exposed to fibrotic invasion, a second use example of the method disclosed herein is provided. The underlying causes of liver disease are complex and diverse, but a hallmark of the disease is the development of fibrosis in the liver. The onset and progression of the disease is characterized by increased protein deposition in the liver structure, primarily collagen fiber accumulation. Fibrotic progression promotes healing in the short term if the disease remains untreated, but the healing response itself becomes a problem, and excess proteinaceous material interferes with the normal functioning of organs. In the case of liver disease, this process progresses to cirrhosis if left untested-resulting in carcinoma and / or liver failure. For this reason, early diagnosis of liver disease is best when a range of management options are available. The use of the methods disclosed herein to assess disease-induced pathological changes to liver tissue is inexpensive and non-existent for routine MR examinations ordered to examine liver health. Providing invasive and rapid additions. Here we focus on liver fibrosis, but the pathology and application of the methods disclosed herein are similar to those of a range of diseases characterized by infiltration of fibrosis. A partial list of these diseases is cardiac fibrosis, cystic fibrosis, idiopathic pulmonary fibrosis, pancreatitis, and renal disease. In addition, in medical conditions such as prostate disease, protein deposition disappears in response to disease progression. The mechanism is reversed, but the tissue texture assessment required for diagnosis and monitoring is the same.

生検は、肝疾患診断での現在の代表的な基準であるが、器官内でのサンプリング誤差、著しい読取誤差、および無視できない合併症発現頻度(morbidity)、およびさらには死亡率が生検を最適な診断法ではないものにする。十分な統計では、肝臓内での線維化進展は、空間的ばらつきが大であることを前提とすると、多くのサンプルが必要とされる。しかしながら、生検技術の侵襲性が高いという性質に起因して少数のサンプルのみが取られ得る。 Biopsy is the current representative criterion for diagnosing liver disease, but intra-organ sampling error, significant reading error, and non-negligible complication frequency (morbidity), and even mortality rate biopsy. Make it not the optimal diagnostic method. With sufficient statistics, the development of fibrosis in the liver requires a large number of samples, given the large spatial variability. However, due to the highly invasive nature of biopsy techniques, only a small number of samples can be taken.

線維症の進行の正確な評価が必要とされるが、現在のところ、病状は別として、これを直接測定できるものは存在しない。肝機能検査、超音波、またはMR画像法によって肝疾患が診断可能になる頃までに線維症はかなり進行している。依然として可逆的であるときに、早期に疾患の進行を追跡できる診断法が必要とされている。線維性構造の測定への、本明細書で開示する方法の適用は、直接的および非侵襲的な測定であり、多サンプルの、疾患の発症、進行、および治療に対する反応の長期にわたる監視を可能にする。 An accurate assessment of the progression of fibrosis is needed, but at present, apart from the medical condition, there is no direct measure of this. Fibrosis has progressed considerably by the time liver disease can be diagnosed by liver function tests, ultrasonography, or MR imaging. There is a need for diagnostics that can track disease progression early when it is still reversible. The application of the methods disclosed herein to the measurement of fibrous structure is a direct and non-invasive measurement that allows long-term monitoring of multiple samples of disease onset, progression, and response to treatment. To.

肝臓では、他の線維性疾患のように、器官内に特定のパターンで膠原が蓄積し、基本的な構造要素を「デコレート」する。肝組織は、多数の隣接する単位、すなわち「小葉」で構成され、その構造は、中心静脈およびその周囲で六角形パターンの門脈で図示されている(下記の図を参照)。そのようなものとして、健康な肝臓では(線維化進展がない=F0段階)、組織テクスチャー特徴のサイズの信号分布中に現れる大きい寸法のものは、これらの要素間のスペーシングから生じる − 約0.5mm〜0.7mmの範囲。疾患の発症では、線維化進展は、門脈三管で始まり、その後進行して、最終的に門脈三管を中心静脈に結び付けるブリッジを形成する(段階F1〜F3)。これらのブリッジは拡大しかつ融合して、線維の沈着によって囲まれた再生組織の島を形成する。このプロセスでは、組織テクスチャー内での血管と血管との構造的スペーシングは、小葉と小葉とのスペーシングによって次第に置き換えられるようになる(段階F3〜F4)。従って、疾患の進行を示す明確なマーカは、テクスチャー波長の分布内をより短い波長からより長い波長へ(k値の低下)シフトしていることであり、このシフトは、約0.5mm〜約2mm、およびそれよりも長いことも多い。進行中の疾患に応答して小葉の表面に膠原が蓄積し、およびさらには小葉内の肝細胞がデコレートされるようになるため、小葉自体が主テクスチャー特徴となり、および小葉間の繰り返しのスペーシングは、k空間におけるパワー分配の顕著な繰り返しの幅になる。この変化は、疾患の進行の過程で次第に起こり、テクスチャー波長におけるパワー密度を健康な範囲から約2〜3mmの特徴のサイズまでシフトさせる(k値に対して反比例)。このテクスチャー波長のシフトに伴う顕著なテクスチャー特徴は、組織学研究からよく知られている。 In the liver, like other fibrotic diseases, collagen accumulates in organs in a specific pattern, "decorating" basic structural elements. Liver tissue is composed of a number of adjacent units, or "lobules," whose structure is illustrated by a hexagonal pattern of portal veins in and around the central vein (see figure below). As such, in a healthy liver (no fibrosis progression = F0 stage), large dimensions appearing in the signal distribution of the size of tissue texture features result from spacing between these elements-about 0. Range from .5 mm to 0.7 mm. At the onset of the disease, the development of fibrosis begins in the three portal veins and then progresses to finally form a bridge that connects the three portal veins to the central vein (stages F1-F3). These bridges expand and fuse to form islands of regenerative tissue surrounded by fibrous deposits. In this process, the structural spacing between vessels within the tissue texture is gradually replaced by the spacing between leaflets (steps F3 to F4). Therefore, a clear marker of disease progression is a shift in the distribution of texture wavelengths from shorter wavelengths to longer wavelengths (decrease in k-value), which shifts from about 0.5 mm to about. Often 2 mm and longer. Collagen buildup on the surface of the lobules in response to ongoing disease, and even hepatocytes within the lobules are decorated, so that the lobules themselves become the main texture feature, and repeated spacing between lobules. Is the width of the significant iteration of power distribution in k-space. This change occurs over time as the disease progresses, shifting the power density at the texture wavelength from a healthy range to a feature size of about 2-3 mm (inversely proportional to the k value). The prominent texture features associated with this shift in texture wavelength are well known from histological studies.

肝疾患をその早期に診断するために、健康な肝臓に予期されるものから、疾患の発症および進行を示すより長い波長(より低いk値)へのk値の関数としての信号のシフトは、本明細書で開示する方法を使用して追跡され得る。特定の時点におけるこの測定は、疾患の進行および治療に対する反応の弧に沿った、テクスチャー波長の所望範囲の全体にわたる個々のk値において連続的なサンプルを取得するか、またはその代わりに、傾斜をデータ取得の期間中に適用して、k空間における所望範囲に及ぶようにし得るかのいずれかによって行われ得る。これらの2つの取得方法のハイブリッドも使用され得る。 In order to diagnose liver disease at its early stage, the shift of the signal from what is expected in a healthy liver to a longer wavelength (lower k value) indicating the onset and progression of the disease is a function of the k value. It can be tracked using the methods disclosed herein. This measurement at a particular time point takes continuous samples at individual k-values across the desired range of texture wavelengths, along the arc of response to disease progression and treatment, or instead tilts. It can be done either by applying it during the period of data acquisition and allowing it to reach the desired range in k-space. A hybrid of these two acquisition methods can also be used.

様々な肝構造をデコレートする膠原と基本的な組織との間のコントラストが、内因性コントラストまたは外因性コントラストのいずれかを使用して得られ得る。線維症からの信号は、線維性構造での含水量が高いことに起因して、標準的なT1画像法では暗く、およびT2画像法では明るくなり得る。Gd造影剤の使用は、T1を短くし、T1強調では、線維症は、背景組織に対して明るく見える。より高いコントラストは、よりロバストな測定に役立つ。しかしながら、これらのコントラスト機構は、線維症と基本的な組織との間のコントラストを提供するため、標準的なMR画像法は、早期疾患を特徴付ける様々な肝構造における線維化進展のパターンを識別するように十分な分解能にできない。患者の動きは、息止めしての撮像または呼吸同期法(respiratory triggering)を使用するときでも画像を不鮮明にする。標準的なMR画像法を使用すると、肝疾患は、肝臓が不可逆的に損傷され得る時点である、より進行した段階で評価され得るにすぎない。進行した疾患は診断可能であるが、治療の正当化および反応の監視に必要なものは早期診断である。 The contrast between the collagen that decorates various liver structures and the underlying tissue can be obtained using either intrinsic or extrinsic contrast. The signal from fibrosis can be dark on standard T1 imaging and bright on T2 imaging due to the high water content in the fibrotic structure. The use of Gd contrast shortens T1 and at T1-weighted fibrosis appears brighter to the background tissue. Higher contrast helps with more robust measurements. However, because these contrast mechanisms provide contrast between fibrosis and underlying tissue, standard MR imaging methods identify patterns of fibrosis progression in the various liver structures that characterize early disease. It is not possible to obtain sufficient resolution. The patient's movement blurs the image even when using breath-hold imaging or respiratory synchronization. Using standard MR imaging, liver disease can only be assessed at a more advanced stage, when the liver can be irreversibly damaged. Advanced disease can be diagnosed, but what is needed to justify treatment and monitor response is early diagnosis.

多様なMR画像法をベースにした技術は、造影剤を使用するまたは使用しない従来のT1およびT2コントラストに加えて、肝線維症の評価に使用されてきている。MRE(磁気共鳴エラストグラフィ)、拡散強調画像法(DWI)、およびMR灌流イメージングは、肝疾患に関する何らかの情報を生じ得るが、いずれもより早期の疾患ではロバストに診断できない。それらの主な問題は、線維化進展の代理マーカに依存していることである。MREは硬化の測定に依存し、灌流イメージングは血液灌流パラメータを測定し、DWI(拡散強調画像法)は肝組織内の水のADC(見かけの拡散係数(Apparent Diffusion Coefficient))を測定する。これらのパラメータは全て、線維化進展に加えて、多くの要因、例えば炎症、門脈圧亢進症、脂肪症、水腫、鉄過剰、および肝灌流の変化に応答して変化する。現在のところ、早期疾患の線維化進展を測定する直接的な方法はない。標準的なMRコントラスト方法を使用する、線維化進展の測定に関するk値でのロバストな分解能を達成する能力を提供することにより、本明細書で開示する方法は、早期肝疾患における疾患状態を評価できるようにする。 Techniques based on a variety of MR imaging methods have been used to assess liver fibrosis in addition to conventional T1 and T2 contrasts with or without contrast media. MRE (Magnetic Resonance Elastography), Diffusion-weighted Imaging (DWI), and MR Perfusion Imaging can yield some information about liver disease, but none can be robustly diagnosed in earlier-stage disease. Their main problem is that they rely on surrogate markers for fibrosis progression. MRE relies on the measurement of sclerosis, perfusion imaging measures blood perfusion parameters, and DWI (diffusion weighted imaging) measures the ADC of water in liver tissue (apparent diffusion cofficient). All of these parameters change in response to many factors, such as inflammation, portal hypertension, steatosis, edema, iron overload, and changes in hepatic perfusion, in addition to the development of fibrosis. At present, there is no direct way to measure the progression of fibrosis in early-stage disease. The methods disclosed herein assess disease status in early liver disease by providing the ability to achieve robust resolution at k values for the measurement of fibrosis progression using standard MR contrast methods. It can be so.

本明細書で開示する方法を新規にする、その特徴の1つは、ほとんどのコントラスト機構と併用できることである。この方法の1つの適用例は、拡散強調コントラストを使用する拡散強調との併用であるが(下記の図23参照)、標準的なDWIにおいて取得される画像全体ではなく、早期疾患における線維の沈着のk値範囲のみで信号を取得する。信号取得に、本明細書で開示されている方法を使用することにより、データは、拡散強調MR画像法で可能なものよりも遥かに精細な空間分解能で取得される。測定中のテクスチャーは、部分体積画像法(partial volume imaging)による影響を受けた平均測定値ではなく、実際の線維の凝集塊間の、線維でデコレートされた構造の規模である。線維の沈着は、水に対する拡散係数を低下させ、線維症の領域におけるより低いADC(見かけの拡散係数)は、周囲組織よりも明るい信号をもたらす。本明細書で開示されている方法と併せて拡散強調を使用することによって得られる構造的な信号は、高度に局在化された水拡散を測定する。従って、小葉単位が、境界が描写されていないものから、六角形の境界の膠原デコレーションへ変わり、その後、小葉全体を満たすために、境界における水拡散が妨害され、拡散強調信号強度を増強する。病状が亢進すると、拡散コントラストを使用することにより、テクスチャーの固有の特徴が得られ得る。拡散強調傾斜を位置決めするための2つの手法は、図24および図25に示す通りである。kに関する所望のVOIおよび初期位相ラップを選択するための図示のパルスシーケンスは、図3に説明した通りであり、および図24および図25において一致した符号が付されている。図24は、第2の180°スライス選択パルスの両側の拡散強調傾斜2402、2404の位置を示すが、図25では、拡散強調傾斜2502、2504が、第1の180°スライス選択パルスの前、および第2の180°スライス選択パルスの後に位置決めされて、同じTEに対して、その対を最後の180°スライス選択パルスの両側に配置するときに利用できるよりも長い拡散時間をもたらす。 One of the features that novels the method disclosed herein is that it can be used in combination with most contrast mechanisms. One application of this method is in combination with diffusion-weighted contrast using diffusion-weighted contrast (see Figure 23 below), but fiber deposition in early-stage disease rather than the entire image obtained in standard DWI. The signal is acquired only in the k value range of. By using the methods disclosed herein for signal acquisition, data is acquired with much finer spatial resolution than possible with diffusion-weighted MR imaging. The texture being measured is not the average measurement affected by partial volume imaging, but the scale of the fiber-decorated structure between the actual fiber agglomerates. Fibrosis reduces the diffusion coefficient to water, and a lower ADC (apparent diffusion coefficient) in the area of fibrosis results in a brighter signal than the surrounding tissue. The structural signal obtained by using diffusion weighting in combination with the methods disclosed herein measures highly localized water diffusion. Thus, the leaflet unit changes from an undepicted boundary to a hexagonal boundary glue decoration, after which water diffusion at the boundary is impeded to fill the entire leaflet and the diffusion-weighted signal intensity is enhanced. As the condition increases, the use of diffuse contrast can provide the unique characteristics of the texture. Two methods for positioning the diffusion weighted slope are as shown in FIGS. 24 and 25. The illustrated pulse sequence for selecting the desired VOI and initial phase lap for k is as described in FIG. 3 and is labeled with the same reference numerals in FIGS. 24 and 25. FIG. 24 shows the positions of the diffusion-weighted gradients 2402 and 2404 on both sides of the second 180 ° slice selection pulse, whereas in FIG. 25, the diffusion-weighted gradients 2502 and 2504 are before the first 180 ° slice selection pulse. And positioned after the second 180 ° slice selection pulse, it results in a longer diffusion time for the same TE than is available when the pair is placed on either side of the last 180 ° slice selection pulse.

線維性のテクスチャーの進行はまた、Gdなどの外因性の作用物質を使用してまたは使用せずに、コントラスト、例えばT1またはT2強調と併せて、本明細書で開示されている方法を使用して評価され得る。実空間およびk空間の両方における局所的なサンプリングの使用により、本明細書で開示される方法は、必要なk値において信号の高速取得を可能にし、肝臓内での特定の箇所での病的組織テクスチャーのロバストな評価を可能にする − 対象の動きに誘発され、現在のMR画像法を制限する不鮮明さを生じていない、その箇所に存在するテクスチャー周波数の測定値を提供する。本明細書で開示される方法を使用して、呼吸の動きの問題は、必須データの取得速度によって回避される。肝臓内での病状の変動性をサンプリングするために、図26に示すように、1つのTR内でのインターリーブ取得、または別々の複数のTRでの測定のいずれかを使用して、VOI2602a〜2602dが肝臓内の様々な個所に位置決めされ得る。本明細書で開示される方法を使用することにより、特定のk値またはk値範囲におけるデータ取得を通して、画定された各VOI内でテクスチャーコヒーレンスが維持されるため、信号平均化によるSNRの最大化を可能にする。必要に応じて、それに続くTRにおいて同じ個所でのサンプリングが繰り返し行われて、疾患の進行段階を評価するために、その箇所における線維症の浸潤の程度の平均測定値を取得し得る。 Fibrous texture progression also uses the methods disclosed herein, with or without exogenous agents such as Gd, in combination with contrast, eg, T1 or T2 enhancement. Can be evaluated. By using local sampling in both real and k-space, the methods disclosed herein allow fast acquisition of signals at the required k-value and are pathological at specific points in the liver. Allows Robust Assessment of Tissue Texture-Provides measurements of the texture frequency present at that location, which is induced by the movement of the subject and does not cause the blurring that limits current MR imaging methods. Using the methods disclosed herein, the problem of respiratory movement is avoided by the rate of acquisition of essential data. VOI2602a-2602d using either interleaving acquisition within one TR or measurement at multiple separate TRs to sample the volatility of the condition within the liver, as shown in FIG. Can be positioned at various points in the liver. By using the methods disclosed herein, texture coherence is maintained within each defined VOI through data acquisition in a particular k-value or k-value range, thus maximizing SNR by signal averaging. To enable. If necessary, sampling at the same site may be repeated in subsequent TRs to obtain an average measure of the degree of fibrosis infiltration at that site to assess the stage of disease progression.

肝疾患への適用は、ここである程度詳細に説明されたが、他の線維性疾患の評価は、本明細書で開示する方法によって可能にされる。線維化進展は、肺疾患(例えば嚢胞性線維症、特発性肺線維症)、心筋線維症、筋線維症、膵線維症および腎疾患の特質である。さらに、上述の通り、前立腺疾患などのいくつかの疾患は、タンパク質沈着の減少を誘発する。 Although its application to liver disease has been described in some detail here, assessment of other fibrotic diseases is made possible by the methods disclosed herein. Fibrotic progression is a hallmark of lung disease (eg, cystic fibrosis, idiopathic pulmonary fibrosis), myocardial fibrosis, myofibrosis, pancreatic fibrosis and renal disease. In addition, as mentioned above, some diseases, such as prostate disease, induce a reduction in protein deposition.

多くの神経疾患および神経学的状態は、疾患の発症および進行のマーカの機能を果たし得る血管成分を有し、診断および治療を追跡できるようにし、これは、本明細書で開示される方法の第3の例示的な実装例を提供する。微小血管における変化を敏感に評価する能力は、病状がかなり進行するまで診断されないことが多い、いくつもの疾患のおける病状の進行の監視を可能にする。 Many neurological disorders and neurological conditions have vascular components that can act as markers of disease onset and progression, allowing diagnosis and treatment to be followed, which is the method disclosed herein. A third exemplary implementation is provided. The ability to sensitively assess changes in microvessels makes it possible to monitor the progression of a number of diseases, which are often undiagnosed until the condition has progressed significantly.

血管新生、既存の微小血管からの新しい血管の形成は、腫瘍の増殖および転移に必要である。健康な組織に存在する血管の規則正しい形成ではなく、病的な血管新生は、無秩序な、蛇行した血管を形成する傾向があり、遮断されて行き止まりとなった構造が豊富である − 図23参照。血管の直径および壁の厚さは、血管原性微小血管において非常に変わりやすく、血管の透過性が所々で目立つ。 Angiogenesis, the formation of new blood vessels from existing microvessels, is required for tumor growth and metastasis. Pathological angiogenesis, rather than the regular formation of blood vessels present in healthy tissue, tends to form chaotic, meandering blood vessels, and is rich in blocked and dead-end structures-see Figure 23. The diameter of the blood vessels and the thickness of the walls are very variable in angiogenic microvessels, and the permeability of the blood vessels is noticeable in places.

血管新生は、腫瘍に酸素および栄養分を供給する必要があるため、例えば、腫瘍の攻撃性は、新生血管密度と密接に相関している。腫瘍部位における血管新生の発生量を評価しかつ血管の形態を特徴付ける能力は、腫瘍の攻撃性を評価できるようにする。腫瘍内およびその周囲の血管原性血管系の程度を決定することにより、外科的除去に必要な境界を決定することが可能になる。同様に、治療に対する反応は、より標準的な状態に戻るために、血管系の測定によって部分的に追跡可能であり得る。血管原性血管発生の程度は、血清マーカを使用して、または生検によってある程度評価され得る。しかし、生検は侵襲性が高く、およびサンプリング誤差および読取変動を起こしやすい。 For example, tumor aggression is closely correlated with neovascular density, as angiogenesis requires the tumor to be supplied with oxygen and nutrients. The ability to assess the incidence of angiogenesis at the tumor site and characterize vascular morphology allows the aggression of tumors to be assessed. Determining the degree of angiogenic vasculature in and around the tumor makes it possible to determine the boundaries required for surgical removal. Similarly, the response to treatment may be partially traceable by vascular measurements to return to a more standard state. The degree of angiogenic angiogenesis can be assessed to some extent using serum markers or by biopsy. However, biopsies are highly invasive and prone to sampling errors and reading variations.

第2の例として、認知症のいくつかの形態、中でも注目すべきことに、アルツハイマー病(AD)は、現在、病的な血管発生を伴う大きい血管成分を有すると認識されている。追加的な形態の認知症、例えばハンチントン病(HD)、パーキンソン病(PD)、および前頭側頭認知症も、機能低下した血管系を有することが分かっている。場合により、認知症の目立った原因は、CVDなどの脳における病的な血管系であるように見える。 As a second example, some forms of dementia, most notably Alzheimer's disease (AD), are now recognized to have large vascular components with pathological angiogenesis. Additional forms of dementia, such as Huntington's disease (HD), Parkinson's disease (PD), and frontotemporal dementia, have also been found to have a dysfunctional vascular system. In some cases, a prominent cause of dementia appears to be the pathological vascular system in the brain, such as CVD.

慢性炎症は、異常な神経血管構造を生じ得る別の重要な要因であり、透過性および出血を示す。いくつかの微小血管系の病因は、血液脳関門の透過性に結び付けられる。多発性硬化症、炎症に関連付けられる病状のある脳障害、および軸索の脱髄は、微小血管の破壊を生じる。脳卒中およびその結果生じる虚血は、体が損傷を治癒しようとするために毛細血管網を修正する血管新生の発生を生じる。血管新生は、血管分布の増加を特徴とするため、神経血管系の構造的および機能的両方の変化を伴い、血管スペーシングにおけるこの密度の増加、および高変動性は、脳卒中に続く脳の虚血状態を特徴付けるために使用され得る、期待できるバイオマーカである。これらの状態 − 腫瘍の進行、虚血性脳卒中、および認知症における脳の病状 − の全てに関し、− 病状の進行の決定、および治療に対する反応の評価の両方に対して − 脳組織における微小血管系の評価手段が必要とされる。 Chronic inflammation is another important factor that can result in abnormal neurovascular structure, exhibiting permeability and bleeding. The pathogenesis of some microvascular systems is linked to the permeability of the blood-brain barrier. Multiple sclerosis, pathological brain damage associated with inflammation, and axonal demyelination result in the destruction of microvessels. Stroke and the resulting ischemia result in the development of angiogenesis, which modifies the capillary network as the body attempts to heal the injury. Because angiogenesis is characterized by increased vascular distribution, it involves both structural and functional changes in the neurovascular system, and this increased density in vascular spacing, and hypervariability, is the deficiency of the brain following stroke. A promising biomarker that can be used to characterize blood status. For all of these conditions-for tumor progression, ischemic stroke, and brain pathology in dementia-for both determining disease progression and assessing response to treatment-of the microvascular system in brain tissue Evaluation means are needed.

現在、微小血管系の健康のMRI評価は、通常、灌流イメージングによって行われる。灌流は、微小血管を通る血液の送達を介した組織の洗浄である。血管の状態は血流の動力学を変化させるため、そのような測定は、血管の健康を評価するために使用され得る。灌流MR画像法では、内因性または外因性のいずれかのコントラストが使用される。外因性コントラストは、通常、Gdベースの造影剤を使用することによって提供される。内因性コントラストは、脳の領域内へ流れる血液が磁気標識されるASL(動脈スピン標識)として公知の技術によって得られる。いずれの場合も、コントラストが撮像面内へ動きかつそこから出るとき、高速画像技術によって一連の撮像が行われる。灌流イメージングなど、動的撮像の重要な特徴のうちの1つは、コントラストが撮像面において最大であるときに取得された画像から、撮像面において造影剤/血液のタグ付けなく取得された画像を控除することにより、微分コントラストが取得され得ることである。 Currently, MRI assessments of microvascular health are usually performed by perfusion imaging. Perfusion is the cleaning of tissue through the delivery of blood through microvessels. Such measurements can be used to assess vascular health, as vascular conditions alter the dynamics of blood flow. Perfusion MR imaging uses either intrinsic or extrinsic contrast. Exogenous contrast is usually provided by using a Gd-based contrast agent. Intrinsic contrast is obtained by a technique known as ASL (arterial spin labeling) in which blood flowing into a region of the brain is magnetically labeled. In either case, high-speed imaging techniques perform a series of imaging as the contrast moves into and out of the imaging plane. One of the important features of dynamic imaging, such as perfusion imaging, is that images acquired when the contrast is maximal on the imaging surface are captured on the imaging surface without contrast agent / blood tagging. By deducting, the differential contrast can be obtained.

この測定のために造影剤を使用するとき、造影剤の塊が静脈内に注入され、および造影剤が微小循環を通過するときに連続的に画像が取得される。(造影剤が使用されないときに観察されるものと反対に、T2強調の使用は、造影剤を使用するときに暗い血液を生じさせ、およびT1強調は明るい血液を生じる。)造影剤が撮像組織領域を離れる前に流れの多画像追跡を可能にするように高速データ取得を可能にするために、画像は、通常、EPI(エコープラナー撮像法)として公知の高速MRI取得シーケンスの変形例を使用して取得される。血管の状態を特徴付けるために、様々な流れに関連する量が測定される:(MTT)ボクセルを通過する平均通過時間(mean transit time)、ピーク信号までの時間、CBF(脳血流)、およびCBV(脳血液量)。血管の状態によって変化するこれらの量は、灌流イメージングによって全て測定可能である。造影剤の塊が血液中に存在するか、またはASLを使用するときに磁気標識された血液が撮像面に流入する間に取得された画像の順次式取得に加えて、血液と周囲組織との間のコントラストが最小であるとき、微小血管系を塊または標識されたスピンが通過することに続いて少なくとも1つの画像が撮られる。その後、この画像は、それよりも早い時点の画像から控除されて、微小血管系からの絶対的な信号レベルの較正を可能にする。複数の画像の取得による時間的な追跡は、流れの特徴付けおよび機能低下した血管の領域の決定を可能にする。 When a contrast medium is used for this measurement, a mass of contrast medium is injected intravenously and images are continuously acquired as the contrast medium passes through the microcirculation. (The use of T2-weighted produces dark blood when using contrast, and T1-weighted produces bright blood, as opposed to what is observed when no contrast is used.) The contrast is imaged tissue. To enable fast data acquisition to allow multi-image tracking of the flow before leaving the region, the images typically use a variant of the fast MRI acquisition sequence known as EPI (Echo Planar Imaging). And get. Various flow-related quantities are measured to characterize the condition of the blood vessels: (MTT) mean transit time through the boxel, time to peak signal, CBF (cerebral blood flow), and CBV (cerebral blood flow). All of these amounts, which vary with vascular condition, can be measured by perfusion imaging. In addition to sequential acquisition of images acquired while a mass of contrast agent is present in the blood or magnetically labeled blood flows into the imaging surface when using ASL, the blood and surrounding tissue When the contrast between them is minimal, at least one image is taken following the passage of a mass or labeled spin through the microvascular system. This image is then deducted from the earlier image to allow calibration of the absolute signal level from the microvascular system. Time tracking by acquiring multiple images allows for flow characterization and determination of areas of impaired blood vessels.

血管原性血管系は、健康な血管よりも密度が高く、およびその血管の直径およびスペーシングがより変化する。血管の太さおよびスペーシングにおける高い空間的変動は、血管原性血管系の特徴の1つであり、従って、血管密度の増加と共に血管新生関連の病状のマーカの機能を果たす。しかしながら、灌流イメージングにおける画像分解能は、詳細な血管形態学を決定するほど十分に高くはない。流れのコントラストは、病原性の流れパラメータに起因して、局所的に平均化された信号変動を強調し、血管の形態計測の間接的な評価をもたらす。しかしながら、本明細書で開示される方法は、血管密度、および血管スペーシングの変動性を直接測定するために使用され、血管原性血管発生の直接的なロバストな評価を提供し得る。組織テクスチャーを開示する信号対k値のデータを取得するために、本明細書で開示される方法を使用することは、血管の形態計測的特徴のロバストな分解能を可能にする。この取得は、シーケンスが一連の多画像取得灌流に注入され得るように十分に高速に、1つのTRにおいて行われ得る。最良の分解能を提供するために、この形態計測取得は、ピークコントラスト付近で行われ、1つのTRでの、または灌流画像取得によって連続的にまたは様々な時点に分散してのいずれかで取得される複数のTRでのいずれかでデータを取得する。 The angiogenic vasculature is denser than healthy vessels, and the diameter and spacing of the vessels vary more. High spatial variation in vascular thickness and spacing is one of the hallmarks of the angiogenic vasculature and therefore serves as a marker of angiogenesis-related pathology with increased vascular density. However, the image resolution in perfusion imaging is not high enough to determine detailed vascular morphology. Flow contrast emphasizes locally averaged signal variability due to pathogenic flow parameters, resulting in an indirect assessment of vascular morphometry. However, the methods disclosed herein can be used to directly measure vascular density, and variability in vascular spacing, and can provide a direct robust assessment of angiogenic angiogenesis. Using the methods disclosed herein to obtain signal-to-k value data disclosing tissue texture allows for robust resolution of vascular morphometric features. This acquisition can be done in one TR fast enough that the sequence can be injected into a series of multi-imaging perfusions. To provide the best resolution, this morphometry acquisition is performed near peak contrast and is acquired either continuously at one TR or by perfusion image acquisition, either continuously or dispersed at various time points. Data is acquired by any of multiple TRs.

コントラストを使用しておよび使用しないの両方での信号対k値のデータを取得する、本明細書で開示される方法によって血管系の示差測定を取得することは、血管系から生じるようなテクスチャー信号の起源を確証することになる。これらの2つの測定を、時間的に可能な限り近くすることにより、2つのデータ取得間の最良の空間的および位相的な相関値が、血管から生じる信号を正確に強調することを可能にする。 Obtaining a differential measurement of the vasculature by the methods disclosed herein, which obtains signal-to-k value data both with and without contrast, is a textured signal such that it results from the vascular system. Will confirm the origin of. By bringing these two measurements as close together in time as possible, the best spatial and topological correlation between the two data acquisitions allows the signal originating from the blood vessel to be accurately emphasized. ..

ASLコントラストを使用するときに2つの取得間の時間を短く保つための最良の方法は、以下による。1)プロトン密度コントラストを用いて、特定の撮像面において、本明細書で開示される方法によってデータを取得すること、2)第1の取得に直接続いて、撮像面にごく近い、血流において上流の第2の平面においてスピン標識すること、3)本明細書で開示される方法により、撮像面においてスピン標識されたデータを取得することであって、標識および第2の取得は、第1の取得に続いて時間が可能な限り近い、取得すること。信号対k値のデータは、傾斜がオンにされた取得または傾斜がオフにされた取得、またはそれら2つの組み合わせのいずれかを使用して取得されて、k空間における所望の広がりにわたって信号の測定を提供し得る。 The best way to keep the time between two acquisitions short when using ASL contrast is by: 1) Acquiring data by the methods disclosed herein on a particular imaging surface using proton density contrast, 2) directly following the first acquisition, in the bloodstream, very close to the imaging surface. Spin-labeling on the upstream second plane, 3) acquiring spin-labeled data on the imaging surface by the method disclosed herein, the labeling and the second acquisition being the first. To get as close as possible to the time following the acquisition. The signal vs. k-value data is acquired using either the slope-on acquisition, the slope-off acquisition, or a combination of the two, and measures the signal over the desired extent in k-space. Can be provided.

測定中の形態計測的パラメータは、有意に変化されることが予想されるため、ある範囲のk値にわたる信号の取得が血管の基本的な構造的な特徴を決定するために必要とされる。信号対k値の分布の幅広さ、およびk空間においてそのピークがある場所は、重要な関心特徴である。ピークは、平均血管密度を評価し、および幅広さは、血管スペーシングの変動性を評価する。両マーカとも、血管新生を特徴付けるものである。取得は、取得時に傾斜がオンにされているかまたは傾斜がオフにされているかのいずれかによって行われ得る。VOIの取得軸の方向における適切な窓形成は、k値の標的とされる広がりにおけるサンプリングを可能にし、正確な窓関数は、k値の範囲にわたる相関の程度を決定する。さらに、ハイブリッド取得が可能であり、ここで、傾斜は、1つのTR内でのデータ取得のある部分に関しオンであり、および取得の部分においてオフである。ここでの目的は、ある範囲のk値を取得しながら、例えば、高度に相関したk値の組の十分な繰り返しを確実にして、平均化によるSNRの最大化を可能にする一方、十分に高速な取得を確実にして、対象の動きを免れるようにすることである。 Morphological parameters during measurement are expected to change significantly, so acquisition of signals over a range of k values is required to determine the basic structural features of the vessel. The breadth of the distribution of signal vs. k-values, and where their peaks are in k-space, are important features of interest. Peak assesses mean vessel density, and width assesses variability in vessel spacing. Both markers characterize angiogenesis. Acquisition can be done either by tilting on or off at the time of acquisition. Appropriate window formation in the direction of the acquisition axis of the VOI allows sampling at the targeted extent of the k value, and the exact window function determines the degree of correlation over the range of the k value. Further, hybrid acquisition is possible, where the tilt is on for some part of the data acquisition within one TR and off for the acquisition part. The purpose here is to ensure sufficient repetition of, for example, highly correlated k-value pairs while obtaining a range of k-values, allowing maximization of the SNR by averaging, while being sufficient. It is to ensure high-speed acquisition and avoid the movement of the target.

あるいは、標準的な灌流イメージングでの、本明細書で開示される方法による時間的に分散させたデータ取得ではなく、本明細書で開示される方法は、病的な流れパラメータを示す領域において血管形態学を直接測定するために、いずれかの血液コントラスト方法と併用され得る。この測定において、血管のスペーシングおよび変動性の両方は、血管新生の公知のマーカであり、血管系スペーシングは、病状の程度によってよりランダムになる。コントラストでは、構造的なコントラスト、例えばそれぞれ明るいまたは暗い血液を生じるT2強調またはT1強調のいずれかが使用され得る。さらに、動脈スピン標識を含む様々な標準的な方法により、黒い血流および明るい血流の両方のコントラストが達成され得る。血管のこの構造的な測定は、所望されるだけ多くの取得方向を使用して、所望されるだけ多くの組織領域において実施され得る。血管原性血管系は、高度の異方性を示すことが予期されるため、取得間での取得軸の向きの変化は、病状の別のマーカを提供する。灌流イメージングからの流れのデータと、本明細書で開示される方法の適用例からの構造的な血管データとの相関は、機械学習によって行われ得る。 Alternatively, rather than the time-dispersed data acquisition by the methods disclosed herein in standard perfusion imaging, the methods disclosed herein are vascularized in areas exhibiting pathological flow parameters. It can be used in combination with either blood contrast method to measure morphology directly. In this measurement, both vascular spacing and variability are known markers of angiogenesis, and vascular spacing becomes more random depending on the severity of the condition. For contrast, structural contrasts, such as either T2-weighted or T1-weighted, which produce bright or dark blood, respectively, may be used. In addition, contrasts of both black and bright blood flow can be achieved by various standard methods, including arterial spin labeling. This structural measurement of blood vessels can be performed in as many tissue regions as desired, using as many acquisition directions as desired. Since the angiogenic vasculature is expected to exhibit a high degree of anisotropy, changes in the orientation of the acquisition axis between acquisitions provide another marker of pathology. Correlation of flow data from perfusion imaging with structural vascular data from application examples of the methods disclosed herein can be done by machine learning.

虚血性脳卒中に関する、または腫瘍の近傍において血管新生を追跡するために血管構造を評価するための、本明細書で開示されている方法による取得は、病変の近傍において実施され得る。これを達成するために、これらの病変の箇所を画定する画像走査に対する実時間応答を使用して、本明細書で開示される方法によるそれに続く血管構造測定のための箇所を標的にする。複数のVOI/箇所および複数の取得向きを使用する取得は、画像シーケンスに出現する様々な病変と相関させるために行われ得る。 Acquisition by the methods disclosed herein for assessing vascular structure for ischemic stroke or for tracking angiogenesis in the vicinity of a tumor can be performed in the vicinity of the lesion. To achieve this, real-time responses to image scans defining the sites of these lesions are used to target sites for subsequent vascular structure measurements by the methods disclosed herein. Acquisitions using multiple VOIs / locations and multiple acquisition orientations can be performed to correlate with the various lesions that appear in the image sequence.

認知症などの脳疾患に関連付けられる血管の病状を研究するために、VOIは、認知症に関わる皮質領域付近の血管系内に位置決めされ得る。データは、1つのTRで1つ以上のVOIにおいて取得され得る。さらに、パラレルイメージングできるスキャナでは、複数のVOIは、脳血管系の拡張領域をサンプリングするためのデータの同時記録によって画定され得る。例えば、複数の皮質領域に損傷があると思われる認知症では、VOIは、これらの異なる領域に供給する血管系に配置され、およびデータが同時に記録され得る。 To study vascular pathologies associated with brain disorders such as dementia, VOIs can be positioned within the vascular system near the cortical areas involved in dementia. Data can be acquired in one or more VOIs in one TR. In addition, in scanners capable of parallel imaging, multiple VOIs can be defined by simultaneous recording of data for sampling the extended regions of the cerebrovascular system. For example, in dementia where multiple cortical areas appear to be damaged, VOIs can be placed in the vasculature supplying these different areas and data can be recorded simultaneously.

診断法開発の通常の道筋は、出力データからのバイオマーカ特定に向けた特徴抽出である。特徴抽出は、特定のバイオマーカを定義し得るが、診断法開発においてバイオマーカを病状と強く相関させるために臨床業務の拡張(年月、コスト)が必要とされることが多い。個々の検査によって導き出されたバイオマーカと転帰との統計的な相関へのこの依存は、初期の試験集団サイズが小さいことがさらに障害になっている。 The usual path for diagnostic method development is feature extraction for biomarker identification from output data. Although feature extraction can define specific biomarkers, it is often necessary to expand clinical work (years, months, costs) in order to strongly correlate biomarkers with pathological conditions in diagnostic method development. This reliance on the statistical correlation between biomarkers and outcomes derived from individual tests is further hampered by the small initial study population size.

医療データ分析は、急激に変化している。最近開発された分析技術は、新しい診断方法を使用して取得されるデータの総合的な情報内容の効率の良い決定を可能にする。以前の「雨だれ式の」方法とは対照的に、現在のパターン認識および機械学習技術は、他の診断内容との迅速な相関を可能にする。このようにして、特徴抽出およびバイオマーカの開発は、人がデータを観察することによってではなく、機械学習によって行われ得る。事実上、1つの特徴(バイオマーカ)を、信号対k値データセットの全体から隔離するのではなく、他の患者のデータと相関させて強い病状の相関を生じる。そのようなものとして、本明細書で開示する方法の取得の結果に焦点を当てると、この努力において使用される機械学習アルゴリズムへの入力として可能な限り最高のSNRを可能にする。 Medical data analysis is changing rapidly. Recently developed analytical techniques enable efficient determination of the overall information content of the data obtained using new diagnostic methods. In contrast to previous "raindrop" methods, current pattern recognition and machine learning techniques allow rapid correlation with other diagnostics. In this way, feature extraction and biomarker development can be done by machine learning rather than by human observation of the data. In fact, one feature (biomarker) is not isolated from the entire signal-to-k value dataset, but is correlated with data from other patients to create a strong pathological correlation. As such, focusing on the results of the acquisition of the methods disclosed herein allows for the highest possible SNR as an input to the machine learning algorithms used in this effort.

ここで、コンピュータプログラムは、単一の画像内でのパターンの決定ならびに他の病歴/診断情報との高効率のデータ相関の実行を得意とする。本明細書で開示する方法の適用例からのデータ出力は、その全体で取られるときに最高の情報内容を提供する。フロントエンドの特徴抽出によって情報内容を削減することではなく、各VOIから取得される信号対k値の分布全体が、現在の標準的な測定によって取られた関連する診断データと一緒に機械学習アルゴリズムに供給される。例えば、相関データは、肝疾患の現在の代表的な標準的な測定である組織学構造画像から導き出された医師の報告、肝機能検査(肝血清)、および身体検査から導き出される肝疾患の段階付け(F0〜F5)であり得る。 Here, computer programs are good at determining patterns within a single image and performing highly efficient data correlation with other medical history / diagnostic information. The data output from the application examples of the methods disclosed herein provides the best information content when taken in its entirety. Rather than reducing the information content by front-end feature extraction, the entire distribution of signal vs. k values obtained from each VOI is a machine learning algorithm along with relevant diagnostic data taken by current standard measurements. Is supplied to. For example, correlation data are the stages of liver disease derived from doctor's reports, liver function tests (liver serum), and physical examinations derived from histological structural images, which are the current standard measurements of liver disease. It can be attached (F0 to F5).

あるいは、相関データは、そのような検査のいずれかからの個別の出力であり得る。十分な数の場合、これは、疾患の段階付けにおいてより細かいグラデーションを定義することを可能にする、例えば、各段階間 − F0とF1との間、F0とF2との間、およびF0とF3との間の複数の段階を、この方法を使用して定義することが可能になる。さらに、転帰 − より進行した病状への進行、または治療によって引き起こされた治癒 − は、本明細書で開示される方法の適用例からのテクスチャー評価と相関させるために、機械学習アルゴリズムに対して相関データを提供し得る。 Alternatively, the correlation data can be a separate output from any of such tests. In sufficient numbers, this allows finer gradations to be defined in disease grading, eg, between each stage-between F0 and F1, between F0 and F2, and between F0 and F3. Multiple stages between and can be defined using this method. In addition, outcomes-progression to more advanced medical conditions, or treatment-induced cures-correlate to machine learning algorithms to correlate with texture assessments from application examples of the methods disclosed herein. May provide data.

本明細書で開示される方法によって取得された評価段階は、罹患した肝臓の標準的なMRI形態学画像上にマッピングされ得る。(より簡単に見えるようにするために、アイコンが段階付け番号に取って代わり得る。)これは、器官による疾患の変動の可視化を容易にする。さらに、これらの段階付けの値は、機械学習により、同じ患者で、例えばMRE、標準的なDWI、または灌流によって取得される画像出力と相関されて、起こり得る相関を追跡し得る。 The evaluation steps obtained by the methods disclosed herein can be mapped onto standard MRI morphological images of the affected liver. (The icon can replace the grading number for easier viewing.) This facilitates visualization of disease variation by organ. In addition, these graded values can be machine-learned to correlate possible correlations with image output obtained, for example, by MRE, standard DWI, or perfusion in the same patient.

本明細書の方法を用いる病状評価の最終的な例は、脳組織である。脳の病状は、器官が介入に対して敏感であるため、診断および治療することが問題になることが多い。さらに、認知および挙動の変化は長期間に及んで起こるため、基礎病状は、何年も検査されないままとなり得る。ADでは、長い前兆期間があり、分子および組織レベルにおいて病状の継続的な進行が内在しており、最終的に神経損傷を生じる。大規模臨床試験においていくつかは検査されてきたが、ADまたは他の形態の認知症に関する新しい治療法に対する驚くべき承認の欠如があった。集団が年を取るにつれて、疾患に悩むものの数が一層増え、状況は悲惨になる。これらの臨床検査薬のいくつかの否定的な結果は、病状の進行の早期に対象を絞る必要性を強調する。しかしながら、これは、前兆期にいる対象を絞ることができる診断を必要とする。そのような対象を特定する試験は、捉えどころがないままである。 The final example of pathological assessment using the methods herein is brain tissue. Brain pathologies are often problematic to diagnose and treat because the organs are sensitive to intervention. In addition, cognitive and behavioral changes occur over a long period of time, so underlying medical conditions can remain untested for years. In AD, there is a long precursory period, the ongoing progression of the condition at the molecular and tissue levels is inherent, and ultimately results in nerve damage. Although some have been tested in large clinical trials, there has been a surprising lack of approval for new treatments for AD or other forms of dementia. As the population grows older, the number of people suffering from the disease increases and the situation becomes dire. Some negative results of these laboratory drugs underscore the need for targeting early in the progression of the condition. However, this requires a targeted diagnosis that is in the precursory phase. Tests that identify such subjects remain elusive.

研究により、灰白質は白質よりも早期に認知症の発症および進行による影響を受けることが示されている。最も早期に劣化されることが分かっている皮質構造は、海馬および嗅内皮質(entorhinal cortex)であり、病状は、記憶障害および見当識障害を生じる。脳の3つのT1強調MR画像に画像処理を適用する最近の研究では、海馬の画像でのテクスチャー特徴とMMSE(ミニメンタルステート検査)スコアとの間の統計的に有意な一致が示されている。テクスチャーは、分解能が不十分であることに起因してMR画像法で直接測定可能ではないが、画像分析測定法は、MMSEスコアの低下との相関に加えて、特定のテクスチャーグラデーションと、海馬におけるグルコースの取り込みの減少、およびそれに続くADのマーカである海馬の収縮とを相関させる。これらのテクスチャー特徴は、画像処理の結果を除いて識別できず、およびそれらの源は分かっていない。研究では、これらのテクスチャーの変化は認知低下に先立ち、および症状の発生を追跡することを示している。従って、海馬は、病状評価に関するテクスチャーの測定値の、本明細書で開示する方法の適用の良好な標的である。 Studies have shown that gray matter is affected by the onset and progression of dementia earlier than white matter. The cortical structures known to deteriorate the earliest are the hippocampus and the entorhinal cortex, and the condition results in memory and disorientation. Recent studies applying image processing to three T1-weighted MR images of the brain have shown a statistically significant agreement between texture features in hippocampal images and the MMSE (Mini-Mental State Examination) score. .. Textures are not directly measurable by MR imaging due to inadequate resolution, but image analysis metrics, in addition to correlating with lower MMSE scores, have specific texture gradients and in the hippocampus. It correlates with reduced glucose uptake, followed by hippocampal contraction, a marker of AD. These texture features are indistinguishable except as a result of image processing, and their source is unknown. Studies have shown that these texture changes precede cognitive decline and track the development of symptoms. The hippocampus is therefore a good target for the application of the methods disclosed herein for texture measurements for pathological assessment.

海馬および嗅内皮質内での認知症の正確な病因が分からないため、本明細書で開示する方法は、器官 − 海馬または嗅内皮質のいずれか − 内の組織テクスチャーの詳細な評価をもたらすための十分に完全なデータセットを集めるために使用される。テクスチャー波長の内容および変動性の両方、ならびに向きおよび箇所の依存性が測定される。複数のコントラスト方法を使用する(テクスチャーの出所が分からないため)、少なくとも3つの(直交する)方向における、ある範囲のk値にわたる信号取得がテクスチャーを十分に特徴付けるために必要である。VOI寸法を画定することによる器官にわたるデータの取得は、器官に収まるVOIを全体的に異なる個所に収めることができるようにするために、テクスチャーの空間的な変動性を決定できるようにする。数十ミクロンから約1〜2mmまでの波長に対応するk空間内のある範囲にわたって信号データを取得することにより、多様なテクスチャー信号が測定の情報内容に確実に寄与するようにする。本明細書で開示する方法は、いずれかのコントラスト機構、例えば反転回復、T1強調の強調された形態、または拡散強調と併せて使用され得る。 Because the exact etiology of dementia in the hippocampus and entorhinal cortex is unknown, the methods disclosed herein provide a detailed assessment of tissue texture within the organ-either the hippocampus or the entorhinal cortex. Used to collect a fully complete dataset of. Both the content and variability of the texture wavelength, as well as the orientation and location dependencies, are measured. Using multiple contrast methods (because the source of the texture is unknown), signal acquisition over a range of k values in at least three (orthogonal) directions is required to fully characterize the texture. Acquisition of data across organs by defining VOI dimensions allows the spatial variability of texture to be determined so that the VOI that fits in the organ can be contained in different locations overall. By acquiring signal data over a range in k-space corresponding to wavelengths from tens of microns to about 1-2 mm, we ensure that various texture signals contribute to the information content of the measurement. The methods disclosed herein can be used in conjunction with any contrast mechanism, such as inversion recovery, T1-weighted enhanced form, or diffusion-weighted.

AD病状の程度の評価に向けた、本明細書で開示する方法によって取得されるテクスチャーデータによりもたらされた新規のバイオマーカの予測値は、同じ患者からの、ある範囲の診断情報との相関によって規定され得る。主な相関マーカは、患者の転帰 − すなわち、ADまたは他の認知症の確定診断 − から引き出される。なぜなら、確定診断は、本出願人らが評価している病状からかなり下流であるものの、これは、最高の診断情報内容を有するためである。追加的な相関が、AD(ならびに認知症の他の形態)の進行の証明されたかつ継続的なマーカである海馬の収縮の患者のMRI画像データから引き出される。この相関は、可能であれば疾患の進行とともに長期的に行われる。ここでも、海馬における組織テクスチャーの変化は、顕著な認知低下、およびMRIによる体積における測定可能な変化より前から存在すると予期される。第3の相関的なマーカは、疾患の進行の比較的早期にグルコース代謝の低下が発生することが予期されるため、FDG−PETである。第4の相関的なバイオマーカとして、MMSE(ミニメンタルステート検査)は、認知機能および低下の長期的なデータを提供する。ADの遺伝的素因(Genetic predilection)は、本明細書で開示する方法によって取得されるテクスチャー測定値との相関に対する追加的なマーカを提供する。先のマーカは、下流の相関値(転帰側)を提供するが、遺伝的マーカは、いずれの病状の進行よりも先に存在する。この様々な組のバイオマーカと、広範囲の患者にわたって海馬および嗅内皮質において本明細書で開示する方法によって取得されるデータとの相関は、AD病状を早期に予測するために、本明細書で開示する方法を使用する診断内容を明確に定義できるようにする。 Predicted values of novel biomarkers provided by the texture data obtained by the methods disclosed herein for assessing the degree of AD pathology correlate with a range of diagnostic information from the same patient. Can be specified by. The main correlation markers are derived from patient outcomes-ie, a definitive diagnosis of AD or other dementia. This is because the definitive diagnosis is well downstream from the medical condition being evaluated by the Applicants, because it has the best diagnostic information content. Additional correlations are derived from MRI imaging data of patients with hippocampal contractions, a proven and continuous marker of progression of AD (as well as other forms of dementia). This correlation occurs over the long term as the disease progresses, if possible. Again, changes in tissue texture in the hippocampus are expected to predate significant cognitive decline and measurable changes in volume by MRI. The third correlated marker is FDG-PET because it is expected that a decrease in glucose metabolism will occur relatively early in the progression of the disease. As a fourth correlated biomarker, the MMSE (Mini-Mental State Examination) provides long-term data on cognitive function and decline. The genetic predisposition of AD provides an additional marker for the correlation with texture measurements obtained by the methods disclosed herein. Earlier markers provide a downstream correlation value (outcome side), whereas genetic markers are present prior to the progression of any medical condition. The correlation between this various set of biomarkers and the data obtained by the methods disclosed herein in the hippocampus and entorhinal cortex across a wide range of patients is described herein in order to predict AD pathology early. Be able to clearly define the diagnostic content using the disclosed method.

現在の機械学習アルゴリズムは、本明細書で開示する方法によるMRデータ取得から取得されるように非特異的な特徴の病状レベルを分類できる。そのようなものとして、上記で開示した相関データ源は、機械学習アルゴリズムに入力されて、テクスチャー特徴および疾患との相関を強調する。 Current machine learning algorithms can classify pathological levels of non-specific features as obtained from MR data acquisition by the methods disclosed herein. As such, the correlation data sources disclosed above are input to machine learning algorithms to emphasize texture features and correlations with disease.

研究により、海馬は、最も早期にAD進行の影響を受ける皮質構造であり得ることが示されているが、脳内でのその深さにより、MR感知コイルからの距離に起因してSNRが低くなる。新皮質内のテクスチャーは、認知症および他の脳の病状の評価の標的を提供し、これは、頭蓋に近いことに起因してより高いSNRを提供する。健康な脳では、非常に規則正しいニューロン構造が新皮質に見られる。ニューロンは、幅約50ミクロンおよびスペーシング80ミクロンの複数の束を形成しており、約80〜100個のミエリン化されたニューロンが各束にまとめられている。これは、新皮質組織の組織構造中に見えるミニカラム組織構成である。組織学研究によってAD進行の早期に影響を受けると見られている脳の特定の領域では、このカラム配列は、前駆期を経過する頃にコヒーレンスを失う。これらの変化は、脳全体の萎縮に先立って発生し、AD進行に関して頻繁に使用されるマーカであり、それらを早期診断でより良好に標的にする。さらに、特定の脳領域にわたるミニカラムの菲薄化およびコヒーレンスの損失の時間的な進行は、アルツハイマー病(AD)における混乱した病状の領域選択的な進行を反映する。従って、認知症の各形態は、脳にわたって特定の空間的な進行を辿るため、本明細書で開示する方法を使用する、脳における皮質ミニカラムの空間的変化の追跡は、認知症の分類を可能にする。 Studies have shown that the hippocampus can be the earliest cortical structure affected by AD progression, but its depth in the brain results in low SNR due to distance from the MR sensing coil. Become. The texture within the neocortex provides a target for the assessment of dementia and other brain pathologies, which provides higher SNR due to its proximity to the skull. In a healthy brain, very regular neuronal structures are found in the neocortex. The neurons form multiple bundles with a width of about 50 microns and a spacing of 80 microns, with about 80-100 myelinated neurons grouped together in each bundle. This is the mini-column tissue composition visible in the tissue structure of neocortical tissue. In certain areas of the brain that are thought to be affected early in AD progression by histological studies, this column sequence loses coherence in the prodromal phase. These changes occur prior to atrophy of the entire brain and are frequently used markers for AD progression, better targeting them in early diagnosis. In addition, the temporal progression of minicolumn thinning and loss of coherence over specific brain regions reflects the region-selective progression of confusional pathology in Alzheimer's disease (AD). Therefore, because each form of dementia follows a particular spatial progression across the brain, tracking spatial changes in cortical minicolumns in the brain using the methods disclosed herein allows for the classification of dementia. To.

健康な脳におけるこれらのミニカラムの構造を図27に示し、組織学構造画像は、ミエリン2702 − ニューロンを被覆するコーティング − を明らかにするために着色されている。図29A〜29Cは、束内のニューロン錐体細胞を明らかにするために着色された一連の3つの組織学構造画像である。図29Aは、健康な脳におけるニューロン配列であり、および図29Bおよび図29Cは、ADの進行に伴う進行性の病状を示す − カラムのスペーシングが収縮し、および規則正しい構造が次第にランダムになる。 The structure of these minicolumns in a healthy brain is shown in FIG. 27, and histological structural images are colored to reveal myelin 2702-the coating that coats the neurons. Figures 29A-29C are a series of three histological structural images colored to reveal neuronal pyramidal cells within the bundle. FIG. 29A is a neuron sequence in a healthy brain, and FIGS. 29B and 29C show progressive pathology with the progression of AD-column spacing contracts and regular structures become increasingly random.

これらの皮質領域におけるミニカラムのスペーシングおよび配列の変化は、疾患の早期の前兆である。この領域における研究は早期段階であるが、他の病状の場合と同様に、基本的な組織の変化は、症状より先行しているはずである。問題は、現在のところ、カラムのテクスチャーにおけるこれらの早期の変化を評価するために必要な分解能に達することができる技術がないことである。本明細書で開示する方法は、この測定を可能にする。 Mini-column spacing and sequence changes in these cortical areas are early precursors to disease. Research in this area is early stage, but as with other medical conditions, basic tissue changes should precede symptoms. The problem is that there is currently no technique that can reach the resolution required to assess these early changes in column texture. The methods disclosed herein allow this measurement.

新皮質ミニカラムのスペーシングおよび配列の変化を測定するために、本明細書で開示する方法が実装され得る方法がいくつかある。早期の変化を反映するこの測定では、ADの発症、例えば側頭皮質において、挙動に最も早期に影響を及ぼすと思われる新皮質の領域に適用される。これらの領域は脳の外部の新皮質にあるため、脳コイルに強いSNRを生じる。図28は、新皮質2804におけるVOI2802a、2802b、2802cおよび2802dの考えられる位置を示す図である。 There are several methods in which the methods disclosed herein can be implemented to measure neocortical minicolumn spacing and sequence changes. This measurement, which reflects early changes, is applied to areas of the neocortex that appear to have the earliest effects on behavior in the onset of AD, eg, the temporal cortex. Since these regions are located in the neocortex outside the brain, they produce a strong SNR in the brain coil. FIG. 28 is a diagram showing possible locations of VOI2802a, 2802b, 2802c and 2802d in the neocortex 2804.

ミニカラム束を形成するニューロンの軸索成分がミエリン、すなわち脂肪性物質で覆われるため、T1コントラストは、背景組織に対して軸索束を強調するために使用することができ、従って、これらの構造を評価するときのコントラストの良い選択である。 T1 contrast can be used to emphasize axon bundles against background tissue, and thus these structures, because the axon components of the neurons that form the minicolumn bundles are covered with myelin, an aliphatic substance. It is a good contrast choice when evaluating.

カラムのスペーシングを測定することの難しさは、これらの構造の半結晶性から生じる。健康な新皮質では、これらは、垂直(カラムに対して平行な)方向に高秩序である。その結果、VOIの取得軸は、これらのカラムのいくつかを遮って測定を行う必要があるため、ニューロン束を背景組織から対比させる差分信号は、取得軸の向きに対して極めて感度が高くなる。カラムのスペーシングを測定するために、VOIの取得軸は、カラムの長さに対して垂直に位置合わせされる。わずかな位置合わせのずれによってコントラストが低下する − 測定には正確な向きが必要である。適切な位置合わせを達成するために、取得傾斜角度を約1度または2度のインクリメント角度にわたって揺動することにより、適切な位置合わせにおける信号の共鳴が生じ、すなわち一連の時間変化傾斜を連続して繰り返して、3次元k空間を通る軌跡を生じさせ、結果として生じるk値セットを特定のk値の周りに向けて共鳴を捜し出す。(皮質のわずかな湾曲が信号振幅対角度のこの共鳴に有限幅を生じることが予期される。)3次元k空間を通る軌跡、および結果として生じる、最初にエンコードされた特定のk値の10度以内に向けられたk値セットは、例示的な実施形態において用いられる。カラム構造は病状の進行とともにコヒーレンスを失うため、この共鳴の幅は広くなることが予期され、および最終的に、図29Cの組織学構造画像に示すように、構造が高度にランダムになると消える。 The difficulty of measuring column spacing arises from the semi-crystalline nature of these structures. In a healthy neocortex, they are highly ordered in the vertical (parallel to the column) direction. As a result, the VOI acquisition axis needs to block some of these columns for measurement, so the differential signal that contrasts the neuron bundles from the background tissue is extremely sensitive to the orientation of the acquisition axis. .. To measure column spacing, the VOI acquisition axis is aligned perpendicular to the length of the column. Slight misalignment reduces contrast-measurements require accurate orientation. Swinging the acquisition tilt angle over an increment angle of about 1 degree or 2 degrees to achieve proper alignment results in signal resonance at the proper alignment, i.e. a series of time-varying slopes. This is repeated to generate a locus through the three-dimensional k-space, and the resulting k-value set is directed around a specific k-value to search for resonance. (It is expected that a slight curvature of the cortex will result in a finite width in this resonance of signal amplitude vs. angle.) A locus through a three-dimensional k-space, and the resulting 10 of the first encoded specific k-value. A k-value set directed within degrees is used in an exemplary embodiment. This resonance is expected to widen as the column structure loses coherence as the condition progresses, and finally disappears when the structure becomes highly random, as shown in the histological structural image of FIG. 29C.

本明細書で開示する方法を使用して、信号の取得は、(名目上は)単一のk値において、または測定時tに先立って信号を取得するk空間における有限範囲を定義している一群のk値にわたって行われ得る。 Using the methods disclosed herein, signal acquisition defines a finite range in k-space where the signal is acquired (nominally) at a single k-value or prior to t at the time of measurement. It can be done over a group of k-values.

健康なヒトの脳のミニカラムのスペーシングは約80ミクロンであるため、約70ミクロン〜110ミクロンのサンプリングは共鳴をもたらす。例示的な実施形態では、これは、皮質内にVOIを配置しかつ40マイクロメートル〜200マイクロメートルの空間的な波長に対応する範囲のk値に空間的エンコードを提供することによって達成される。 Since the spacing of minicolumns in the healthy human brain is about 80 microns, sampling from about 70 microns to 110 microns results in resonance. In an exemplary embodiment, this is achieved by placing a VOI within the cortex and providing spatial encoding for k-values in the range corresponding to spatial wavelengths of 40 micrometers to 200 micrometers.

本明細書で開示する方法を用いて皮質において測定を行うことは、これらの基本的なステップを伴う:1)コントラスト機構が構造を強調するために選択される。2)信号が取得される個々のk値またはk値の範囲が決定される。3)k値取得のタイミング − 各k値またはk値の範囲における繰り返し回数が決定される。4)VOIのサイズおよび新皮質組織における取得軸の向きが選択される。5)VOIは、皮質の高さの中心に位置決めされ、取得軸をVOIの中間点の上面および底面に対して平行に可能な限り近くに位置合わせする。6)その後、信号対k値のデータを、傾斜をオンにしてまたはオフにして取得し、ミニカラムのスペーシングを測定する。文献に示されているようなミニカラムの平均スペーシング(約80μm)を含む広範囲のk値にわたる測定は、幅分布の範囲を保証する。信号強度最大は、取得傾斜がカラムに対して垂直に向けられているときに発生する必要がある。6)その後、取得傾斜は、小さい角度インクリメントで揺動されて、信号共鳴を探す − 信号共鳴の鋭さ対角度のずれがミニカラムの配列を反映する。鋭い共鳴は、規則正しい構造を示す。角度のずれに応じた幅広な共鳴は、カラムの劣化がミニカラムの配列にランダム性を導入したことを示す。7)傾斜を最大信号リターンに位置合わせしてk値の範囲全体をスイーピングして、テクスチャー波長共鳴 − すなわち、テクスチャー分布からの信号対k値分布のピーク − を探す。この共鳴はまた、ミニカラムの配列を決定するために使用され得る。信号対k値曲線における鋭いピーク(高q値)は、規則正しい構造を示し、曲線の幅広さは、配列の損失の程度を示す。信号対取得角度において、および信号対k値分布において共鳴を捜し出すことは、相互作用のプロセスとして達成され得る。 Making measurements in the cortex using the methods disclosed herein involves these basic steps: 1) A contrast mechanism is chosen to enhance the structure. 2) The individual k-value or range of k-values from which the signal is acquired is determined. 3) Timing of acquisition of k value-The number of repetitions in each k value or range of k value is determined. 4) The size of the VOI and the orientation of the acquisition axis in the neocortical tissue are selected. 5) The VOI is positioned at the center of cortical height and aligns the acquisition axis as close as possible parallel to the top and bottom surfaces of the midpoint of the VOI. 6) The signal vs. k value data is then acquired with the slope turned on or off to measure the spacing of the minicolumn. Measurements over a wide range of k values, including the average spacing of minicolumns (about 80 μm) as shown in the literature, guarantee a range of width distribution. The maximum signal strength should occur when the acquisition slope is oriented perpendicular to the column. 6) The acquisition tilt is then oscillated with a small angle increment to look for signal resonance-the sharpness-to-angle deviation of the signal resonance reflects the arrangement of the minicolumns. Sharp resonances show a regular structure. Wide resonances in response to angular shifts indicate that column degradation introduced randomness into the arrangement of the mini-columns. 7) Align the slope to the maximum signal return and sweep the entire k-value range to find the texture wavelength resonance-that is, the peak of the signal vs. k-value distribution from the texture distribution. This resonance can also be used to determine the sequence of the minicolumn. Sharp peaks (high q-values) in the signal-to-k-value curve indicate a regular structure, and the width of the curve indicates the degree of array loss. Finding resonances in the signal-to-acquisition angle and in the signal-to-k value distribution can be accomplished as a process of interaction.

データは、1つのTR内または複数のTRのいずれかで皮質内または元のVOIの近くの他の位置において取得され得る。皮質ミニカラムの特徴付けのための最適なVOI決定は、1)VOIが全体的に高さ2〜3mmの皮質内に収まる必要があること、2)テクスチャー波長の正確な評価のために、エンコード軸に沿ってテクスチャーを十分繰り返してサンプリングする要求、および3)信号条件によって決定される。さらに、カラムの方向に沿ってVOIの高さが低いことは、位置合わせの感度を決定する。 Data can be acquired in the cortex or at other locations near the original VOI, either within one TR or in multiple TRs. Optimal VOI determination for cortical mini-column characterization is 1) that the VOI must fit within the cortex overall in height 2-3 mm, 2) encode axis for accurate evaluation of texture wavelengths. It is determined by the requirement to repeatedly sample the texture along with 3) signal conditions. In addition, the low VOI height along the column direction determines the alignment sensitivity.

エンコード軸に沿ってサンプリングの繰り返し数が少なくなるほど、本明細書で開示する方法によって取得される信号のk空間がより広くなる。データは、信号に寄与するk値の範囲を決定するための窓の幅の選択に依存して、傾斜をオフにして取得され得る。k空間における広がりを十分に小さく保つことは、信号出力における相関を保証する。 The smaller the number of sampling iterations along the encoding axis, the wider the k-space of the signal acquired by the methods disclosed herein. Data can be obtained with tilt turned off, depending on the choice of window width to determine the range of k values that contribute to the signal. Keeping the spread in k-space small enough guarantees a correlation in the signal output.

ニューロンカラムのスペーシングの変化は、病状の進行/老化を示す。これは、信号のピーク−大きさ対K値分布の長期にわたる監視によって決定され得る。 Changes in neuron column spacing indicate progression / aging of the condition. This can be determined by long-term monitoring of the signal's peak-magnitude vs. K value distribution.

構造が劣化するため、向きの共鳴は、より幅広くなり、かつより拡散し、より大きい取得角度にわたって広がる。また、構造が劣化するため、信号対k値分布のピークは、より幅広くなり、かつより拡散し、より大きいk値のスパン(波長)にわたって広がる。最終的に、認知症の程度が亢進していることのマーカであるミニカラムの配列の劣化を進行させるいずれの場合にもピークは明確ではない。さらに、疾患を進行させるミニカラムの幅の変化は、病状の別のマーカであるカラムのスペーシングに反映される。 Due to the deterioration of the structure, the directional resonance becomes wider and more diffuse, and spreads over a larger acquisition angle. Also, due to structural degradation, the peaks of the signal vs. k-value distribution are wider and more diffuse, and spread over a span (wavelength) of larger k-values. Ultimately, the peak is not clear in any of the cases in which the degradation of the minicolumn sequence, which is a marker of an increased degree of dementia, progresses. In addition, changes in the width of the mini-column that advance the disease are reflected in the spacing of the column, which is another marker of the disease.

この疾患マーカの変動は、カラム配列の異方性の程度である。病状が進行するにつれてカラム配列が劣化すると、カラムのテクスチャーの異方性の程度も減少し、および全体的な皮質組織テクスチャーはより等方性となる。異方性の程度は、T1、または本明細書で開示する方法を使用する他のコントラストを使用することによって測定され得、VOI3002は、上述の通り、図30に示すような2つの皮質表面3004の中間に位置決めされ、および信号対k値分布を皮質表面に対して垂直(ミニカラムに対して平行)な取得軸と比較し、信号対k値分布は、皮質表面3004に対して接線方向に、従って図30に示すように(ミニカラムに対して垂直に)位置合わせされた取得軸によって得られる。 The variation of this disease marker is the degree of anisotropy of the column sequence. As the column sequence deteriorates as the condition progresses, the degree of anisotropy of the column texture also decreases, and the overall cortical tissue texture becomes more isotropic. The degree of anisotropy can be measured by using T1 or other contrast using the methods disclosed herein, and the VOI 3002 has two cortical surfaces 3004 as shown in FIG. 30, as described above. Positioned in the middle of, and comparing the signal-to-k value distribution with the acquisition axis perpendicular to the cortical surface (parallel to the minicolumn), the signal-to-k value distribution is tangential to the cortical surface 3004. Therefore, it is obtained by the acquisition axis aligned (perpendicular to the minicolumn) as shown in FIG.

脳卒中および脳腫瘍を含む脳の病状における拡散強調の使用は増加している。拡散強調画像法(DWI)は、標的箇所において信号を最初に位相ずれさせかつその後リフェーズする傾斜を適用することにより、細胞レベルにおける構造の間接的な測定値を提供する。 The use of diffusion weighting in brain conditions, including stroke and brain tumors, is increasing. Diffusion-weighted imaging (DWI) provides indirect measurements of structure at the cellular level by applying a slope that first dephases and then rephases the signal at the target location.

静止水分子は、第2の傾斜によってリフェーズされるが、2つの傾斜間で動かされたものはリフェーズされないため、信号を生じない。この技術で難しいことは、設計によって動きに対する感度が極めて高いことである。また、長い拡散傾斜を必要とすることから生じる遅延エコー時間に起因する低SNRがあることである。拡散コントラストを使用するときのデータ取得のための本明細書で開示する方法の使用は、エコー時間は依然として長いものの、データ取得は十分に高速で、信号損失および動きに起因する不鮮明さが最小にされるため、動きの問題を軽減し得る。本明細書で開示する方法は、ミニカラムのスペーシングおよび配列/ランダム性を評価するために拡散強調コントラストと一緒に使用され得る。この測定は、拡散傾斜が皮質の表面に対して平行に(ミニカラムに対して垂直に)、その後、皮質表面に対して垂直に(ミニカラム方向に対して平行に)適用されて行われ得る。これら2つの測定は、異方性の評価を可能にし、これは、健康な脳において最高であるため、病状は、カラムが劣化するにつれて等方性が増すようにする。 Static water molecules are rephased by the second slope, but those moved between the two slopes are not rephased and therefore do not generate a signal. The difficulty with this technology is that the design makes it extremely sensitive to movement. There is also a low signal-to-noise ratio due to the delayed echo time resulting from the need for a long diffusion slope. The use of the methods disclosed herein for data acquisition when using diffuse contrast is fast enough to acquire data, while echo times are still long, with minimal blurring due to signal loss and motion. Therefore, the problem of movement can be alleviated. The methods disclosed herein can be used in conjunction with diffusion-weighted contrast to assess mini-column spacing and sequence / randomness. This measurement can be made by applying the diffusion slope parallel to the cortical surface (perpendicular to the minicolumn) and then perpendicular to the cortical surface (parallel to the minicolumn direction). These two measurements allow an assessment of anisotropy, which is best in a healthy brain, so that the condition becomes more isotropic as the column deteriorates.

図30を参照して拡散強調を使用する。ミニカラムが依然として無無傷である場合、傾斜1 3006によって示すような傾斜を適用して低信号を生じる。同様に、ミニカラムが依然として無傷である場合、傾斜2 3008で示すような傾斜を適用して高拡散信号を生じる。 Diffusion weighting is used with reference to FIG. If the mini-column is still intact, the slope as indicated by slope 13006 is applied to produce a low signal. Similarly, if the minicolumn is still intact, a slope as shown in slope 23008 is applied to produce a high diffusion signal.

ミニカラムが劣化しているとき、2つの異なる傾斜が互いに接近する信号は、拡散強調信号を除いて、ミニカラムがより高度に劣化するにつれて全体的に多くなる。 When the mini-column is deteriorating, the signals in which the two different slopes approach each other increase overall as the mini-column deteriorates to a higher degree, except for the diffusion-weighted signal.

この測定の改良は、データ取得、および拡散テンソル画像法(DTI)と同様の拡散テンソルの発生のための、複数の方向における拡散傾斜の適用によるが、データ取得は、本明細書で開示する方法による。拡散テンソルの発生は、テンソルを生成するための十分なデータを生じるために、拡散傾斜向きの少なくとも6個の同一線上にない方向を使用する必要があり、その固有値は、ミニカラムの配列を反映する、皮質における部分異方性(FA)のレベルを決定する。FAは、カラム組織構成が劣化するにつれて、より等方性の組織構成に向かって動いて変化する必要がある − FA値1は、最高の異方性を示し、および値0は、基本的な拡散の最大等方性を示すため、カラムのテクスチャーの配列を明らかにする。 Improvements to this measurement are due to the application of diffusion gradients in multiple directions for data acquisition and the generation of diffusion tensors similar to diffusion tensor imaging (DTI), although data acquisition is the method disclosed herein. by. Diffusion tensor generation must use at least six non-coordinated directions of diffusion slope to generate sufficient data to generate the tensor, the eigenvalues of which reflect the array of minicolumns. , Determine the level of partial anisotropy (FA) in the cortex. FA needs to move and change towards a more isotropic structure as the column structure deteriorates-a FA value of 1 shows the highest anisotropy, and a value of 0 is basic. To show the maximum isotropic property of diffusion, the arrangement of the textures of the columns is clarified.

他のタイプのコントラスト機構を、本明細書で開示する方法と併用するように、標的k値は、文献からの、および依然として明らかなテクスチャー波長特徴を規定するほど十分に規則正しいときの測定、および信号対k値の分布を決定するための事前測定からの、ミニカラムのk空間における近似位置の知識の組み合わせによって選択される。これを達成するための1つの方法は、データ取得時にk空間において十分な広がりを提供するために、傾斜をオンにし、それに続く取得でより細かくサンプリングできるようにすることであるが、この測定は、傾斜をオフにした取得を使用しても行われ得る。 Measurements and signals when the target k-value is sufficiently regular to define texture wavelength characteristics from the literature and still apparent, as other types of contrast mechanisms are used in combination with the methods disclosed herein. It is selected by a combination of knowledge of the approximate position in k-space of the minicolumn from pre-measurements to determine the distribution of the pair k-value. One way to achieve this is to turn on the slope to provide sufficient spread in k-space during data acquisition, allowing subsequent acquisitions to sample finer, but this measurement is It can also be done using acquisition with tilt turned off.

皮質では、水の平均拡散率(MD)は、認知症が亢進するにつれて低下することが分かっている。本明細書で開示する方法を使用して、これが、既に説明した通りミニカラムのスペーシング、配列、および異方性を測定することにより、ミニカラムの障害に起因するのかどうかが決定され得る。本明細書で開示する方法を使用して得られる信号対k値のデータは、下流の神経病理学的な転帰であるMMSE検査などの認知評価テスト、および血清および画像データからの相関データと共に、機械学習アルゴリズムに入力され得る。 In the cortex, the average diffusion rate (MD) of water has been found to decrease as dementia increases. Using the methods disclosed herein, it can be determined whether this is due to mini-column failure by measuring the spacing, sequence, and anisotropy of the mini-column as previously described. Signal vs. k value data obtained using the methods disclosed herein, along with cognitive assessment tests such as the MMSE test, which is a downstream neuropathological outcome, and correlation data from serum and imaging data. Can be input to machine learning algorithms.

アルツハイマーの認知症に加えて、ミニカラム構造の変化、またはミニカラム構造における異常形態は、パーキンソン病、レビー小体認知症、筋萎縮性側索硬化症、自閉症(自閉症スペクトラム障害は、より広く、より密にされたミニカラムに反映されるため)、および統合失調症(老化によるカラムの通常の菲薄化は発生するようには見えないが、より広く間隔を空けたミニカラムを生じる)、失読症およびADHDでも発生する。従って、本明細書で開示する方法は、これらの状態のいずれかにおける病状の程度を評価するために使用され得る。測定されるデータと病状との相関関係を決定するための機械学習のための相関は、皮質の萎縮のセグメント化、MMSE、観察データからの病状の程度の医師の評価などから得られ得る。 In addition to Alzheimer's dementia, changes in the mini-column structure, or abnormal morphology in the mini-column structure, include Parkinson's disease, Lewy body dementias, muscular atrophic lateral sclerosis, and autism (Autism spectrum disorders are more (Because it is reflected in wider and denser mini-columns), and dyslexia (normal thinning of the column due to aging does not appear to occur, but results in wider spaced mini-columns), loss It also occurs in dementia and ADHD. Therefore, the methods disclosed herein can be used to assess the degree of medical condition in any of these conditions. Correlation for machine learning to determine the correlation between the measured data and the medical condition can be obtained from segmentation of cortical atrophy, MMSE, doctor's assessment of the degree of medical condition from observational data, and the like.

さらに、本明細書で開示する方法は、組織テクスチャーの変化を強調するための静止コントラスト機構、および脳卒中または腫瘍関連の病状を示し得るMR画像に現れる病変の近傍における血管系の変化を強調するための流れコントラストと一緒に使用され得る。 In addition, the methods disclosed herein are to emphasize static contrast mechanisms for highlighting changes in tissue texture, and changes in the vasculature in the vicinity of lesions that appear in MR images that may indicate stroke or tumor-related pathology. Can be used with flow contrast.

研究では、灰白質は、白質よりも早期に認知症の発症および進行の影響を受けることが示されている。最も早期に劣化されることが分かっている皮質構造は、海馬および嗅内皮質であり、その病状は、記憶障害および見当識障害に至る。画像処理を脳のT1強調MR画像に適用する最近の研究では、海馬の画像上のテクスチャー特徴とMMSE(ミニメンタルステート検査)スコアとの間の統計的に有意な一致が示された。テクスチャーは、分解能が不十分であるためにMR画像法による直接測定は可能ではないが、MMSEスコアの低下との相関に加えて、画像分析測定規準法が、特定のテクスチャーグラデーションと、海馬におけるグルコースの取り込みの減少およびADのマーカであるそれに続く海馬の収縮とを相関させる。これらのテクスチャー特徴は、画像処理の結果を除いて識別できず、およびそれらの原因は分かっていない。研究では、これらのテクスチャーの変化は認知低下に先行しており、および症状の発症を追跡することが示されている。従って、海馬は、本明細書で開示する方法を適用する場合、病状評価のためのテクスチャーの測定のための良好な標的である。 Studies have shown that gray matter is affected by the onset and progression of dementia earlier than white matter. The cortical structures known to deteriorate the earliest are the hippocampus and entorhinal cortex, the condition of which leads to memory and disorientation. A recent study applying image processing to T1-weighted MR images of the brain showed a statistically significant agreement between the texture features on the hippocampal image and the MMSE (Mini-Mental State Examination) score. Textures cannot be measured directly by MR imaging due to inadequate resolution, but in addition to their correlation with the decline in the MMSE score, image analysis metrics have identified specific texture gradients and glucose in the hippocampus. Correlates with reduced uptake of the hippocampus, which is a marker of AD, followed by hippocampal contraction. These texture features are indistinguishable except as a result of image processing, and their causes are unknown. Studies have shown that these texture changes precede cognitive decline and track the onset of symptoms. Therefore, the hippocampus is a good target for measuring texture for pathological assessment when applying the methods disclosed herein.

海馬および嗅内皮質内の認知症の正確な病因が分かっていないため、本明細書で開示する方法は、器官 − 海馬または嗅内皮質のいずれか − 内の組織テクスチャーの詳細な評価を提供するための十分に完全なデータセットを集めるために使用される。テクスチャー波長の内容および変動性の両方、ならびに向きおよび箇所依存性が測定される。複数のコントラスト方法を使用して(テクスチャーの出所が分かっていないため)、少なくとも3つの(直交する)方向において、ある範囲のk値にわたる信号取得がテクスチャーを十分に特徴付けるために必要である。器官に収まるVOIを全体的に異なる箇所に収めることができるようにするようにVOI寸法を画定することによる器官にわたるデータの取得は、テクスチャーの空間的な変動性を決定できるようにする。10ミクロンから約1〜2mmまでの波長に対応するk空間の範囲にわたって信号データを取得することにより、多様なテクスチャー信号が測定の情報内容に確実に寄与するようにする。本明細書で開示する方法は、いずれかのコントラスト機構、例えば反転回復、T1強調が強調された形態、または拡散強調と併せて使用され得る。 Since the exact etiology of dementia in the hippocampus and entorhinal cortex is unknown, the methods disclosed herein provide a detailed assessment of tissue texture within the organ-either the hippocampus or the entorhinal cortex. Used to collect a sufficiently complete dataset for. Both the content and variability of the texture wavelength, as well as orientation and location dependence, are measured. Using multiple contrast methods (because the source of the texture is unknown), signal acquisition over a range of k-values in at least three (orthogonal) directions is required to fully characterize the texture. Acquiring data across organs by defining VOI dimensions so that VOIs that fit in the organ can fit in different locations overall allows the spatial variability of the texture to be determined. By acquiring signal data over a range of k-space corresponding to wavelengths from 10 microns to about 1-2 mm, ensure that the various texture signals contribute to the information content of the measurement. The methods disclosed herein can be used in conjunction with any contrast mechanism, such as inversion recovery, T1-weighted morphology, or diffusion-weighted.

AD病状の程度の評価に向けて、本明細書で開示する方法によって取得されるテクスチャーデータによってもたらされた新規のバイオマーカの予測値は、同じ患者からのある範囲の診断情報との相関によって定義され得る。主相関マーカは、患者の転帰 − すなわち、ADまたは他の認知症の確定診断 − から引き出される。なぜなら、確定診断は、本出願人らが評価している病状からかなり下流であるものの、これは、最高の診断情報内容を有するためである。追加的な相関は、AD(ならびに他の形態の認知症)の進行の証明されたおよび継続的なマーカである海馬の収縮の患者のMRI画像データから引き出される。この相関は、可能であれば疾患の進行に伴って長期にわたって行われる。ここでも、海馬における組織テクスチャーの変化は、顕著な認知低下、およびMRIによる体積の測定可能な変化よりも前に存在すると予期される。第3の相関的なマーカは、グルコース代謝の減少が疾患の進行の比較的早期に発生することが予期されるため、FDG−PETである。第4の相関的なバイオマーカ、MMSE(ミニメンタルステート検査)は、認知機能および低下の長期にわたるデータを提供する。ADの遺伝的素因は、本明細書で開示する方法によって取得されるテクスチャー測定値との相関の追加的なマーカを提供する。先のマーカは、下流の相関値(転帰側)を提供するが、遺伝的マーカは、いずれの病状の進行にも先立って存在する。この変動する組のバイオマーカと、広範囲の患者にわたって海馬および嗅内皮質において本明細書で開示する方法によって取得されるデータとの相関は、AD病状の早期予測のための、本明細書で開示する方法の使用の診断内容を明確に定義できるようにする。 To assess the degree of AD pathology, the predicted values of novel biomarkers provided by the texture data obtained by the methods disclosed herein are correlated with a range of diagnostic information from the same patient. Can be defined. The primary correlation marker is derived from the patient's outcome-that is, the definitive diagnosis of AD or other dementia. This is because the definitive diagnosis is well downstream from the medical condition being evaluated by the Applicants, because it has the best diagnostic information content. Additional correlations are drawn from MRI imaging data of patients with hippocampal contraction, which is a proven and continuous marker of progression of AD (as well as other forms of dementia). This correlation occurs over a long period of time, if possible, as the disease progresses. Again, changes in tissue texture in the hippocampus are expected to precede significant cognitive decline and measurable changes in volume by MRI. The third correlated marker is FDG-PET because a decrease in glucose metabolism is expected to occur relatively early in the progression of the disease. A fourth correlated biomarker, the MMSE (Mini-Mental State Examination), provides long-term data on cognitive function and decline. The genetic predisposition of AD provides an additional marker of correlation with texture measurements obtained by the methods disclosed herein. The above markers provide a downstream correlation value (outcome side), but genetic markers are present prior to the progression of any condition. The correlation between this fluctuating set of biomarkers and the data obtained by the methods disclosed herein in the hippocampus and entorhinal cortex across a wide range of patients is disclosed herein for early prediction of AD pathology. To be able to clearly define the diagnostic content of the use of the method.

現在の機械学習アルゴリズムは、本明細書で開示する方法によってMRデータ取得から取得されるような非特異的な特徴の病状レベルを分類できる。そのようなものとして、上記に開示する相関データ源は、機械学習アルゴリズムに入力されて、テクスチャー特徴および疾患との相関を強調する。 Current machine learning algorithms can classify pathological levels of non-specific features such as those obtained from MR data acquisition by the methods disclosed herein. As such, the correlation data sources disclosed above are input to machine learning algorithms to emphasize texture features and correlations with disease.

特許法の定めるところにより、ここで本発明の様々な実施形態を詳細に説明したが、当業者は、本明細書で開示した具体的な実施形態に対する修正形態および代替形態を認識する。そのような修正形態は、以下の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲および趣旨内にある。 Although various embodiments of the present invention have been described in detail herein as provided by patent law, those skilled in the art will recognize modifications and alternatives to the specific embodiments disclosed herein. Such modifications are within the scope and gist of the invention as defined in the claims below.

Claims (37)

磁気共鳴(MR)を使用してテクスチャーを評価するための選択的なサンプリングの方法であって、
第1のスライス選択に選択され、かつ非ゼロの大きさを有する第1の傾斜を備える第1のRFパルスを送信するステップと、
前記第1のスライスと第2のスライスとの交点によって画定された領域において、スライス選択的リフォーカシングに選択された第2の傾斜が適用された第2のRFパルスを送信するステップと、
選択された傾斜パルスを用いて特定のk値をエンコードするステップと、
印加された第3の傾斜を備える第3のRFパルスを送信するステップであって、前記第3の傾斜は、スライス選択的リフォーカシングに適合され、前記第1のスライスと前記第2のスライスとの前記交点および第3のスライス選択によって画定される領域を画定して、関心体積(VOI)を画定する、ステップと、
全ての傾斜をオフにするステップと、
前記特定のk値によってエンコードされたRF信号の複数のサンプルを記録するステップと、
前記第1の傾斜を時間依存性の位相エンコードとして適用する一方、前記第1の傾斜の高さおよびパルス幅によって画定されたk値の近傍にわたって一連のk値のサンプルを記録するステップと、
前記非ゼロの大きさの傾斜が適用されている間の期間内に記録される一連のk値の組み合わせを後処理するステップであって、前記k値は、相関されたままであり、全ての記録は、単一のTRにある、ステップと
を含む、方法。
A selective sampling method for evaluating textures using magnetic resonance (MR).
A step of transmitting a first RF pulse selected for the first slice selection and having a first slope having a non-zero magnitude.
A step of transmitting a second RF pulse to which a second slope selected for slice-selective refocusing is applied in a region defined by the intersection of the first slice and the second slice.
The step of encoding a specific k value using the selected gradient pulse,
A step of transmitting a third RF pulse with an applied third slope, the third slope being adapted to slice-selective refocusing, with the first slice and the second slice. The step and the step of defining the volume of interest (VOI) by defining the region defined by the intersection and the third slice selection of.
Steps to turn off all slopes and
A step of recording multiple samples of the RF signal encoded by the particular k value, and
A step of recording a series of k-value samples over the vicinity of the k-value defined by the height and pulse width of the first slope, while applying the first slope as a time-dependent phase encoding.
A step of post-processing a series of k-value combinations recorded within a period of time while the non-zero magnitude slope is applied, the k-values remain correlated and all records. Is in a single TR, including steps and methods.
前記選択された傾斜パルスを用いて前記特定のk値をエンコードする前記ステップは、エンコーディング傾斜パルスを適用して位相ラップを誘発して、前記特定のk値および向きのための空間的エンコードを作成するステップであって、前記特定のk値は、前記VOI内のテクスチャーに基づいて決定される、ステップを含む、請求項1に記載の方法。 The step of encoding the particular k-value using the selected gradient pulse applies an encoding gradient pulse to induce a phase wrap to create a spatial encoding for the particular k-value and orientation. The method of claim 1, wherein the particular k-value is determined based on the texture in the VOI, comprising a step. 前記特定のk値を用いてエンコードされたRF信号の複数のサンプルの前記記録に続いて、選択されたベクトル結合傾斜でk値選択パルスを発して、第2のk値を決定するステップと、
前記ベクトル結合傾斜をオフにするステップと、
前記TRにおいて、前記第2のk値で前記RF信号の複数のサンプルを記録するステップと
をさらに含む、請求項2に記載の方法。
Following the recording of a plurality of samples of the RF signal encoded with the particular k-value, a k-value selection pulse is emitted at the selected vector coupling gradient to determine a second k-value.
The step of turning off the vector connection slope and
The method of claim 2, further comprising recording a plurality of samples of the RF signal at the second k value in the TR.
選択されたベクトル結合傾斜において、予め決められた複数のパルスのために追加的なk値選択パルスを適用するステップであって、各k値選択パルスは、次のk値を決定する、ステップと、
各パルス後に前記ベクトル結合傾斜をオフにするステップと、
前記TRにおいて、各k値選択パルスによって決定された前記次のk値で前記RF信号の複数のサンプルを記録するステップと
をさらに含む、請求項3に記載の方法。
In the selected vector coupling gradient, the step of applying additional k-value selection pulses for a plurality of predetermined pulses, with each k-value selection pulse determining the next k-value. ,
With the step of turning off the vector coupling slope after each pulse,
The method of claim 3, further comprising recording in the TR a plurality of samples of the RF signal at the next k-value determined by each k-value selection pulse.
前記非ゼロの大きさの傾斜を適用する前にリフォーカシングRFパルスを送信するステップをさら含む、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, further comprising the step of transmitting a refocusing RF pulse prior to applying the non-zero magnitude slope. 非ゼロでありかつ前記第1の傾斜の前記大きさよりも大きな大きさを有する第2の傾斜を時間依存性の位相エンコードとして適用する一方、窓関数によって課されるサンプル間相関外のK空間にわたって広く間隔を空けられている、前記特定のk値の前記近傍における一連のk値の第2の組のサンプルを記録するステップであって、全ての記録は、単一のTR内である、ステップをさらに含む、請求項2に記載の方法。 A second slope, which is non-zero and has a magnitude greater than the magnitude of the first slope, is applied as a time-dependent phase encoding, while over the K-space outside the intersample correlation imposed by the window function. A step of recording a second set of samples of a series of k-values in the neighborhood of said particular k-value, widely spaced, all recordings being within a single TR, step. The method according to claim 2, further comprising. 前記第2の傾斜を適用する前に第2のリフォーカシングRFパルスを送信するステップをさらに含む、請求項6に記載の方法。 The method of claim 6, further comprising transmitting a second refocusing RF pulse before applying the second tilt. 前記第1の傾斜は、前記記録されたサンプルがk空間内に、近接して間隔を開けられている前記一連のk値をもって起こる継続時間にわたって印加された傾斜を含み、それによって前記サンプルが相関される、請求項1に記載の方法。 The first slope comprises a slope applied over a duration that occurs with the series of k-values in which the recorded sample is closely spaced in k-space, whereby the sample correlates. The method according to claim 1. 前記特定のk値は、0.2mm−1〜100mm−1の範囲であり、および前記非ゼロの大きさの傾斜によって誘発されるk値の前記近傍は、前記範囲のサブセットである、請求項2に記載の方法。 The specific value of k in the range of 0.2 mm -1 100 mm -1, and wherein the vicinity of the k values induced by the inclination of the size of the non-zero is a subset of the range, claims The method according to 2. 前記第2の傾斜は、前記記録されたサンプルを、k値が相関される近傍外のk空間内に位置させる傾斜を含む、請求項6に記載の方法。 The method of claim 6, wherein the second slope comprises a slope that positions the recorded sample in a k-space outside the vicinity where the k-values are correlated. 前記特定のk値は、0.2mm−1〜100mm−1の範囲であり、および前記非ゼロの大きさの傾斜によって誘発されるk値の前記近傍は、前記範囲のサブセットであり、前記サブセットは、前記範囲内にブロックでサンプル対サンプル相関を有する、請求項10に記載の方法。 The specific value of k in the range of 0.2 mm -1 100 mm -1, and wherein the vicinity of the k values induced by the inclination of the size of the non-zero is a subset of the range, the subset 10. The method of claim 10, wherein has a sample-to-sample correlation in blocks within said range. 前記非ゼロの大きさの傾斜は、窓形成関数に基づいて決定され、かつ
Figure 0006906507
として定義され、ここで、
Gは、傾斜強度であり、
ηminは、相関関数の下限であり、
Xは、定数であり、
Nは、サンプル数であり、
Δtは、時間変化である、
請求項1に記載の方法。
The non-zero magnitude slope is determined based on the window formation function and
Figure 0006906507
Defined as, here,
G is the inclination strength,
ηmin is the lower limit of the correlation function
X is a constant
N is the number of samples
Δt is a time change,
The method according to claim 1.
前記VOIを画定する間、前記非ゼロの大きさの傾斜によって作成されたk空間の範囲にわたる前記記録されたサンプルの相関は、窓形成関数の選択によって誘発される、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein while defining the VOI, the correlation of the recorded samples over a range of k-space created by the non-zero magnitude slope is evoked by the selection of the window forming function. .. 前記第1の傾斜の位相エンコードによって作成されたk値の前記近傍にわたるk値の変化の前記記録されたサンプルの補正は、前記非ゼロの大きさの傾斜の禁止された高さ及びパルス幅を用いてk値ブロックの選択によって誘発される、請求項1に記載の方法。 The correction of the recorded sample of the change in k-value over the neighborhood of the k-value created by the phase encoding of the first slope is the forbidden height and pulse width of the non-zero magnitude slope. The method of claim 1, which is evoked by the selection of a k-value block using. 磁気共鳴(MR)を使用してテクスチャーを評価するための選択的なサンプリングの方法であって、
関心体積(VOI)を画定するためにRFパルスおよび前記RFパルスに関連する傾斜を送信するステップと、
エンコーディング傾斜パルスを適用して位相ラップを誘発して、低SNRのk値範囲の初期値として前記VOI内のテクスチャーに基づいて決定される特定のk値および向きのための空間的エンコードを作成するステップと、
非ゼロの大きさの傾斜を時間依存性の位相エンコードとして適用する一方、前記非ゼロの大きさの傾斜の高さおよびパルス幅によって画定された前記特定のk値の近傍にわたって一連のk値のサンプルを記録するステップと、
前記傾斜が適用されている間の期間内に記録された一連のk値を後処理するステップであって、前記k値は、相関されたままであり、サンプル数は高SNRをもたらすのに十分大きい、ステップと
を含む、方法。
A selective sampling method for evaluating textures using magnetic resonance (MR).
The step of transmitting the RF pulse and the slope associated with the RF pulse to define the volume of interest (VOI), and
An encoding gradient pulse is applied to induce a phase wrap to create a spatial encoding for a particular k-value and orientation determined based on the texture in said VOI as the initial value of the low SNR k-value range. Steps and
A non-zero magnitude slope is applied as a time-dependent phase encoding, while a series of k-values span the vicinity of the particular k-value defined by the non-zero magnitude slope height and pulse width. Steps to record the sample and
A step of post-processing a series of k-values recorded during the period during which the slope is applied, the k-values remain correlated and the sample size is large enough to result in high SNR. , Steps and methods, including.
磁気共鳴(MR)を使用してテクスチャーを評価するための選択的なサンプリングの方法であって、
関心体積(VOI)を画定するためにRFパルスおよび前記RFパルスに関連する傾斜を送信するステップと、
エンコーディング傾斜パルスを適用して位相ラップを誘発して、高SNRのk値範囲の初期値として前記VOI内のテクスチャーに基づいて決定される特定のk値および向きのための空間的エンコードを作成するステップと、
非ゼロの大きさの傾斜を時間依存性の位相エンコードとして適用する一方、窓関数によって課されるサンプル間相関外で広く間隔を空けられている、前記特定のk値の近傍における一連のk値の組のサンプルの範囲を記録するステップと
を含む、方法。
A selective sampling method for evaluating textures using magnetic resonance (MR).
The step of transmitting the RF pulse and the slope associated with the RF pulse to define the volume of interest (VOI), and
An encoding gradient pulse is applied to induce a phase wrap to create a spatial encoding for a particular k-value and orientation determined based on the texture in said VOI as the initial value of the high SNR k-value range. Steps and
While applying a non-zero magnitude slope as a time-dependent phase encoding, a series of k-values in the vicinity of the particular k-value that are widely spaced outside the intersample correlation imposed by the window function. A method that includes a step of recording a range of samples in a set of.
一連のk値の組のサンプルを記録するステップは、k値の重なり合うブロック内でのサンプリングを含む、請求項16に記載の方法。 16. The method of claim 16, wherein the step of recording a series of k-value pairs of samples comprises sampling within overlapping blocks of k-values. 前記ブロック内の一連のk値は、組み合わせによってSNRの改善を生じるように十分に相関されるように組み合わせられ、および前記方法は、
前記ブロック内の一連のk値を後処理するステップであって、前記k値は、複合データ点として相関されたままであり、サンプル数は高SNRをもたらすのに十分大きい、ステップと、
前記VOI内のテクスチャーを測定するために、前記複合データ点を使用して、記録されたサンプルの前記範囲にわたるスペクトルパワー分布を特徴付けるステップと
をさらに含む、請求項17に記載の方法。
The series of k-values within the block are combined such that the combination is sufficiently correlated to result in an improvement in SNR, and the method.
A step of post-processing a series of k-values within the block, wherein the k-values remain correlated as composite data points and the number of samples is large enough to result in a high SNR.
17. The method of claim 17, further comprising the step of using the composite data points to characterize the spectral power distribution over the range of the recorded sample to measure the texture within the VOI.
前記特定のk値は、0.2mm−1〜100mm−1の範囲であり、およびk値の前記近傍は、前記範囲のサブセットである、請求項15に記載の方法。 The particular value of k is in the range of 0.2 mm -1 100 mm -1, and the vicinity of the k values are a subset of said range, The method of claim 15. 前記特定のk値は、0.2mm−1〜100mm−1の範囲であり、およびk値の前記近傍は、範囲のサブセットである、請求項16に記載の方法。 The particular value of k is in the range of 0.2 mm -1 100 mm -1, and the vicinity of the k value is a subset of the range, method according to claim 16. 磁気共鳴(MR)を使用して組織テクスチャーを評価するための選択的なサンプリングの方法であって、
測定されている多相の生物サンプルにおける成分組織タイプ間のコントラストを強調するコントラスト機構を適用するステップと、
複数の時間変化無線周波数信号および適用される傾斜を用いて、関心体積(VOI)を選択的に励起するステップと、
エンコーディング傾斜パルスを適用して位相ラップを誘発して、特定のk値および向きのための空間的エンコードを作成するステップであって、前記特定のk値は、前記VOI内のテクスチャーに基づいて決定される、ステップと、
時間変化する一連の傾斜を開始して、k値エンコードの3次元k空間を通る時間変化軌跡を生じさせるステップであって、結果として生じるk値セットは、前記VOIの画像を生じさせるために必要なもののサブセットである、ステップと、
前記k値セットでエンコードされるNMR RF信号の複数の一連のサンプルを同時に記録するステップと、
前記記録されたNMR信号サンプルを後処理して、前記軌跡によって決定される前記k値セット内のk値に関する信号対k値のデータセットを生じさせて、前記VOI内の組織のテクスチャー特徴を特徴付けるステップと
を含む、方法。
A selective sampling method for assessing tissue texture using magnetic resonance (MR).
Steps to apply a contrast mechanism that enhances the contrast between component tissue types in the polyphasic biological sample being measured, and
A step of selectively exciting a volume of interest (VOI) with multiple time-varying radio frequency signals and applied slopes,
Encoding The step of applying a gradient pulse to induce a phase wrap to create a spatial encoding for a particular k-value and orientation, the particular k-value being determined based on the texture in the VOI. To be done, steps and
A step of initiating a series of time-varying tilts to produce a time-varying locus through a three-dimensional k-space of k-value encoding, the resulting k-value set required to produce the VOI image. Steps and
A step of simultaneously recording a plurality of series of samples of an NMR RF signal encoded by the k-value set,
The recorded NMR signal sample is post-processed to generate a signal-to-k value dataset for the k value within the k value set determined by the trajectory to characterize the texture features of the tissue within the VOI. Methods, including steps.
VOIを選択的に励起する前記ステップは、
第1のスライス選択に選択された第1の傾斜を備える第1のRFパルスを送信するステップと、
前記第1のスライスと第2のスライスとの交点によって画定された領域において、スライス選択的リフォーカシングに選択された第2の傾斜が適用された第2のRFパルスを送信するステップと、
前記エンコーディング傾斜パルスを適用するステップと、
印加された第3の傾斜を備える第3のRFパルスを送信するステップであって、前記第3の傾斜は、スライス選択的リフォーカシングに適合され、前記第1のスライスと前記第2のスライスとの前記交点および第3のスライス選択によって画定された領域を画定して、前記VOIを画定する、ステップと
を含む、請求項21に記載のMRを使用して組織テクスチャーを評価するための選択的なサンプリングの方法。
The step of selectively exciting the VOI is
A step of transmitting a first RF pulse with a first slope selected for the first slice selection,
A step of transmitting a second RF pulse to which a second slope selected for slice-selective refocusing is applied in a region defined by the intersection of the first slice and the second slice.
The step of applying the encoding gradient pulse and
A step of transmitting a third RF pulse with an applied third slope, the third slope being adapted to slice-selective refocusing, with the first slice and the second slice. Selective for assessing tissue texture using the MR of claim 21, including the step of defining the intersection and the region defined by the third slice selection to define the VOI. Sampling method.
成分組織タイプは、線維性組織であり、コントラスト機構を適用する前記ステップは、外因性または内因性コントラスト機構からコントラスト機構を選択して、線維性構造と周囲組織との間に、T1、T2もしくはT2*、IR強調、または機能的コントラスト、例えば拡散もしくは流れコントラスト、BOLD(血液内酸素レベル依存)、ASL(動脈スピン標識)、および拡散強調コントラストを含むコントラストをもたらすステップをさらに含む、請求項21に記載のMRを使用して組織テクスチャーを評価するための選択的なサンプリングの方法。 The component tissue type is fibrous tissue and the step of applying the contrast mechanism is to select the contrast mechanism from the extrinsic or intrinsic contrast mechanism and between the fibrous structure and the surrounding tissue, T1, T2 or 21. The step further comprises a step of providing contrast including T2 *, IR enhancement, or functional contrast, such as diffusion or flow contrast, BOLD (blood oxygen level dependence), ASL (arterial spin labeling), and diffusion enhancement contrast. A method of selective sampling for assessing tissue texture using the MR described in. 前記コントラスト機構を適用する前記ステップは、
第1のスライス選択に選択された第1の傾斜を備える第1のRFパルスを送信するステップおよび前記第1のスライスと第2のスライスとの交点によって画定された領域において、スライス選択的リフォーカシングに選択された第2の傾斜が適用された第2のRFパルスを送信するステップ後、VOIを選択的に励起する前記ステップ中に第1の拡散傾斜を適用するステップであって、前記VOIの励起を完了することは、印加された第3の傾斜を備える第3のRFパルスを送信することであって、前記第3の傾斜は、スライス選択的リフォーカシングに適合され、前記第1のスライスと前記第2のスライスとの前記交点および第3のスライス選択によって画定された領域を画定して、前記関心体積(VOI)を画定する、送信することを含む、ステップと、
第2の拡散傾斜を適用するステップであって、前記第1および第2の拡散傾斜は、コントラストを確立する、ステップと
を含み、
エンコーディング傾斜パルスを適用する前記ステップは、線維性のテクスチャーに基づいて前記特定のk値を設定するステップをさらに含む、請求項21に記載のMRを使用して組織テクスチャーを評価するための選択的なサンプリングの方法。
The step of applying the contrast mechanism is
Slice-selective refocusing in the region defined by the step of transmitting the first RF pulse with the first tilt selected for the first slice selection and the intersection of the first slice and the second slice. After the step of transmitting the second RF pulse to which the second gradient selected for is applied, the step of applying the first diffusion gradient during the step of selectively exciting the VOI is the step of applying the VOI. Completing the excitation is transmitting a third RF pulse with an applied third tilt, the third tilt being adapted for slice-selective refocusing and said first slice. A step comprising transmitting, defining the volume of interest (VOI) by defining the intersection of the second slice and the region defined by the third slice selection.
A step of applying a second diffusion slope, wherein the first and second diffusion slopes include a step of establishing contrast.
Selective for assessing tissue texture using the MR of claim 21, wherein the step of applying an encoding gradient pulse further comprises setting the particular k value based on the fibrous texture. Sampling method.
前記VOIを選択的に励起する前記ステップは、1つのTR内でのインターリーブ取得または別々の複数のTRでの測定のいずれかを使用して肝臓内の様々な箇所にVOIを位置決めして、前記肝臓内の病状の変動性をサンプリングするステップを含み、
テクスチャーの空間的なコヒーレンスは、前記NMR RF信号の複数の一連のサンプルを記録する前記ステップ中、特定のk値またはk値範囲に関するk値エンコードの3次元k空間を通る前記軌跡を画定することにより、それぞれの画定されたVOI内に維持されて、信号の平均化によってSNRの最大化を可能にする、請求項23に記載のMRを使用して組織テクスチャーを評価するための選択的なサンプリングの方法。
The step of selectively exciting the VOI is to position the VOI at various points in the liver using either interleaving acquisition within one TR or measurement at multiple separate TRs. Including the step of sampling the variability of the condition in the liver
The spatial coherence of the texture defines the locus through the three-dimensional k-space of the k-value encoding for a particular k-value or k-value range during the step of recording multiple series of samples of the NMR RF signal. Selective sampling for assessing tissue texture using the MR according to claim 23, which is maintained within each defined VOI and allows signal averaging to maximize SNR. the method of.
前記成分組織タイプは、骨であり、およびコントラスト機構を適用する前記ステップは、骨髄内の拡散を強調するためのプロトン密度強調、T1コントラスト、拡散強調、骨の病変を溶解性または硬化性のいずれかに分類するために流体を強調するための前記骨内の病変におけるT2コントラストの使用、または海綿骨微細構造を強調するための他のコントラスト機構からコントラスト機構を選択するステップをさらに含む、請求項21に記載のMRを使用して組織テクスチャーを評価するための選択的なサンプリングの方法。 The component tissue type is bone, and the step of applying a contrast mechanism is either proton density enhancement, T1 contrast, diffusion enhancement, soluble or sclerosing bone lesions to enhance diffusion within the bone marrow. The claim further comprises the use of T2 contrast in said intraosseous lesions to emphasize fluid to classify, or the step of selecting a contrast mechanism from other contrast mechanisms to emphasize cancellous bone microstructure. A method of selective sampling for assessing tissue texture using the MR described in 21. 前記時間変化する一連の傾斜によって確立された前記特定のk値およびk値セットは、5mmまでのTbSpおよびTbThの範囲を包含する、請求項26に記載のMRを使用して組織テクスチャーを評価するための選択的なサンプリングの方法。 The particular k-value and k-value set established by the time-varying series of slopes assesses tissue texture using the MR of claim 26, which covers a range of TbSp and TbTh up to 5 mm. Selective sampling method for. 成分組織タイプは、血管系であり、コントラスト機構を適用する前記ステップは、外因性または内因性コントラストからコントラスト機構を選択するステップをさらに含み、コントラスト機構は、ASL(動脈スピン標識)、Gdコントラスト、T1、T2、T2*、およびプロトン密度コントラスト、BOLD(血液内酸素レベル依存)コントラストを含む、請求項21に記載のMRを使用して組織テクスチャーを評価するための選択的なサンプリングの方法。 The component tissue type is vasculature, the step of applying the contrast mechanism further comprises selecting the contrast mechanism from extrinsic or intrinsic contrast, the contrast mechanism being ASL (arterial spin labeling), Gd contrast,. The method of selective sampling for assessing tissue texture using MR according to claim 21, comprising T1, T2, T2 *, and proton density contrast, BOLD (blood oxygen level dependent) contrast. 血管の健康/病状の評価を提供するために灌流イメージングを実行するステップと、
選択的に励起するためのVOIを画定するステップであって、前記灌流イメージングシーケンスは、起こり得る血管の病状を強調している、ステップと
をさらに含む、請求項28に記載のMRを使用して組織テクスチャーを評価するための選択的なサンプリングの方法。
With the steps of performing perfusion imaging to provide an assessment of vascular health / pathology,
28. The MR of claim 28, further comprising a step of defining a VOI for selective excitation, wherein the perfusion imaging sequence highlights a possible vascular pathology. A selective sampling method for assessing tissue texture.
成分組織タイプは、脳組織内の規則正しいニューロン構造であり、コントラスト機構を適用するステップは、T1強調、T2 IR、T2*、反転回復または拡散強調からコントラスト機構を選択するステップをさらに含む、請求項1に記載のMRを使用して組織テクスチャーを評価するための選択的なサンプリングのための、請求項21に記載の方法。 The component tissue type is a regular neuronal structure in the brain tissue, and the step of applying the contrast mechanism further includes the step of selecting the contrast mechanism from T1 weighted, T2 IR, T2 *, inversion recovery or diffusion weighted. 21. The method of claim 21, for selective sampling for assessing tissue texture using the MR of 1. 成分組織タイプは、脳組織内の規則正しいニューロン構造であり、前記VOIは、皮質内に配置され、および前記空間的エンコードは、40マイクロメートル〜200マイクロメートルの空間的波長に対応するk値の範囲内にあり、および前記VOIは、前記皮質の表面に対して接線方向にさらに位置合わせされる、請求項1に記載のMRを使用して組織テクスチャーを評価するための選択的なサンプリングのための、請求項21に記載の方法。 The component tissue type is the regular neuronal structure in the brain tissue, the VOI is located in the cortex, and the spatial encoding is in the range of k values corresponding to spatial wavelengths from 40 micrometers to 200 micrometers. For selective sampling for assessing tissue texture using the MR according to claim 1, which is in and further aligned tangentially to the surface of the cortex. , The method of claim 21. 前記時間変化する一連の傾斜を連続して繰り返して、3次元k空間を通る軌跡を生じさせるステップであって、結果として生じるk値セットは、前記特定のk値の周囲に向けられて信号強度の共鳴を信号サンプルの中に位置付ける、ステップをさらに含む、請求項30に記載のMRを使用して組織テクスチャーを評価するための選択的なサンプリングの方法。 A step of continuously repeating the time-varying series of gradients to generate a locus through a three-dimensional k-space, the resulting k-value set being directed around the particular k-value and having a signal strength. A method of selective sampling for assessing tissue texture using the MR of claim 30, further comprising stepping to position the resonance of the signal sample. 前記結果として生じるk値セットは、前記特定のk値の10度以内の向きにされる、請求項32に記載のMRを使用して組織テクスチャーを評価するための選択的なサンプリングの方法。 The method of selective sampling for assessing tissue texture using the MR of claim 32, wherein the resulting k-value set is oriented within 10 degrees of the particular k-value. 前記VOIは、皮質を中心にしており、
前記時間変化する一連の傾斜を前記VOIの上面および底面に対して平行に位置合わせするステップと、
前記皮質のミニカラムのスペーシングを測定するために、前記ミニカラムの予測されるスペーシングを中心とするk値の範囲にわたり、傾斜をオンまたはオフにして信号データを取得するステップと、
をさらに含む、請求項30に記載のMRを使用して組織テクスチャーを評価するための選択的なサンプリングの方法。
The VOI is centered on the cortex and
A step of aligning the time-varying series of slopes parallel to the top and bottom surfaces of the VOI.
In order to measure the spacing of the mini-column of the cortex, the step of acquiring signal data by turning the slope on or off over a range of k-values centered on the predicted spacing of the mini-column.
A method of selective sampling for assessing tissue texture using the MR of claim 30, further comprising.
角度インクリメントで取得傾斜を揺動して信号共鳴を決定するステップをさらに含む、請求項34に記載のMRを使用して組織テクスチャーを評価するための選択的なサンプリングの方法。 A method of selective sampling for assessing tissue texture using the MR of claim 34, further comprising swinging the acquisition slope with an angle increment to determine signal resonance. 前記VOIを選択的に励起するステップは、脳に収まる前記VOIを全体的に前記脳の中の異なる箇所に収めることを可能にするようにVOI寸法を画定して、前記テクスチャー特徴の空間的な変動性の決定を可能にし、および取得傾斜は、数十ミクロンから1〜2mmまでの波長に対応するk空間の範囲にわたる信号データをもたらし、前記k値セットの範囲は、3つまでの直交する方向にあり、および前記方法は、
海馬の収縮のMRI画像データ、FDG−PET、MMSE(ミニメンタルステート検査)およびADの遺伝的素因を含む、選択されたセットからバイオマーカを取得するステップと、
前記VOI内の組織の前記テクスチャー特徴および機械学習アルゴリズム内へ取得される前記バイオマーカを特徴付けるために、前記軌跡によって決定された前記k値セット内のk値に関する前記信号対k値のデータセットを入力するステップと、
テクスチャー特徴および疾患と相関する前記機械学習アルゴリズムからの出力を受信するステップと
をさらに含む、請求項30に記載のMRを使用して組織テクスチャーを評価するための選択的なサンプリングの方法。
The step of selectively exciting the VOI defines the VOI dimensions so as to allow the VOI to fit in the brain to fit in different parts of the brain as a whole, spatially of the texture feature. The variability can be determined, and the acquisition gradient provides signal data over a range of k-spaces corresponding to wavelengths from tens of microns to 1-2 mm, the range of the k-value set being orthogonal to up to three. In the direction, and said method
Steps to obtain biomarkers from a selected set, including MRI imaging data of hippocampal contractions, FDG-PET, MMSE (Mini-Mental State Examination) and genetic predisposition to AD, and
To characterize the texture features of the tissue in the VOI and the biomarkers acquired into the machine learning algorithm, the signal vs. k-value dataset for the k-value in the k-value set determined by the locus. Steps to enter and
A method of selective sampling for assessing tissue texture using the MR of claim 30, further comprising receiving output from said machine learning algorithm that correlates with texture features and disease.
磁気共鳴(MR)を使用して脳の中の組織テクスチャーを評価するための選択的なサンプリングの方法であって、
T1強調、T2 IR、T2*、反転回復または拡散強調からコントラスト機構を選択するステップと、
前記コントラスト機構を適用するステップと、
複数の時間変化無線周波数信号および適用される傾斜を用いて、第1の関心体積(VOI)を選択的に励起するステップであって、それにより、前記第1のVOIは、脳の皮質を中心にして位置決めされ、特定のk値の軸を前記第1のVOIの中間点において前記皮質の表面に対して平行に位置合わせする、ステップと、
エンコーディング傾斜パルスを適用して位相ラップを誘発して、特定のk値および向きのための空間的エンコードを作成するステップであって、前記特定のk値は、組織ミニカラムの予測されるスペーシングを中心にして前記ミニカラムのスペーシングを測定する、ステップと、
時間変化する一連の取得傾斜を開始して、k値エンコードの3次元k空間を通る時間変化軌跡を生じさせるステップであって、結果として生じるk値セットは、前記第1のVOIの画像を生じさせるために必要なもののサブセットである、ステップと、
k値の範囲にわたって信号を取得するために、前記k値セットを用いてエンコードされるNMR RF信号の複数の一連のサンプルを同時に記録するステップと、
信号共鳴を決定する角度インクリメントで前記取得傾斜を揺動するステップであって、前記信号共鳴の鋭さは、前記ミニカラムの配列を反映する、ステップと、
取得角度を選択するステップと、
時間変化する一連の取得傾斜を繰り返して、信号対k値分布のピークを決定するためにスイーピングされるk値の範囲に関してk値エンコードの3次元k空間を通る時間変化軌跡を生じさせるステップと、
複数の時間変化無線周波数信号および適用される傾斜を用いて、第2のVOIを選択的に励起するステップであって、前記第2のVOIは、1つのTR内または複数のTR内のいずれかにおいて前記皮質内または前記第1のVOIの近くの他の位置にある、ステップと
を含む、方法。

A selective sampling method for assessing tissue texture in the brain using magnetic resonance (MR).
Steps to select a contrast mechanism from T1 weighted, T2 IR, T2 *, inverted recovery or diffusion weighted,
The step of applying the contrast mechanism and
A step of selectively exciting a first volume of interest (VOI) using multiple time-varying radio frequency signals and applied tilts, whereby the first VOI is centered on the cortex of the brain. To align a particular k-value axis parallel to the surface of the cortex at the midpoint of the first VOI.
Encoding The step of applying a gradient pulse to induce a phase wrap to create a spatial encoding for a particular k-value and orientation, said particular k-value, which provides the predicted spacing of the tissue minicolumn. A step that measures the spacing of the minicolumn in the center,
A step of initiating a series of time-varying acquisition slopes to produce a time-varying locus through a three-dimensional k-space of k-value encoding, the resulting k-value set yielding the image of the first VOI. Steps and, which are a subset of what you need to do
A step of simultaneously recording a plurality of series of samples of an NMR RF signal encoded using the k-value set to obtain the signal over a range of k-values.
A step of swinging the acquisition slope with an angle increment that determines signal resonance, wherein the sharpness of the signal resonance reflects the arrangement of the minicolumn.
Steps to select the acquisition angle and
A step of repeating a series of time-varying acquisition slopes to generate a time-varying locus through a three-dimensional k-space of k-value encoding with respect to the range of k-values swept to determine the peak of the signal vs. k-value distribution.
A step of selectively exciting a second VOI using a plurality of time-varying radio frequency signals and applied slopes, wherein the second VOI is either within one TR or within a plurality of TRs. A method comprising a step in the cortex or elsewhere near the first VOI.

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