JP7187206B2 - 磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、磁気共鳴イメージング装置に関する。

静磁場分布に基づいて静磁場に対するシミング（以下、静磁場シミングと呼ぶ）を実行する磁気共鳴イメージング（以下、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）とも呼ぶ）装置の技術が知られている。例えば、ＭＲＩ装置は、マルチスライス撮像における静磁場シミングにより、スライスごとにプリパルスの中心周波数とＲＦパルスの中心周波数とを最適化する。
しかし、静磁場シミングにより静磁場を完全に均一にすることは極めて難しく、特に撮像シーケンスとしてＥＰＩ（Echo Planar Imaging）を用いる場合は、静磁場不均一などにより、磁気共鳴画像（ＭＲ画像）に歪みが生じる可能性がある。この歪みの種類として、ＭＲ画像の画素が伸長する場合と画素が収縮する場合がある。画素が収縮する場合は、ＭＲ画像の画質（空間解像度）が低下する。

特許第４８１２４２０号公報

本発明が解決しようとする課題は、磁気共鳴画像の画質を向上させることである。

実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置は、算出部と、収集部と、補正部とを含む。算出部は、第１撮像範囲よりも狭い第２撮像範囲の静磁場分布に基づいて静磁場補正量を算出する。収集部は、前記静磁場補正量に基づき補正された静磁場の下で、前記第１撮像範囲のＭＲ画像を収集する。補正部は、収集された前記ＭＲ画像の歪みを補正する。

図１は、本実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置の構成を示す図である。 図２は、本実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置の動作例を示すフローチャートである。 図３は、本実施形態に係るスライス毎シミング後の推定静磁場分布の一例を示す図である。 図４は、図３の推定静磁場分布から算出した各画素のシフト量ベクトル画像の一例を示す図である。 図５は、拡散強調画像（ＤＷＩ）にシフト量をベクトル表示した一例の図である。 図６Ａは、画像歪みが伸長となる場合のシフト量の関係を示す概念図である。 図６Ｂは、画像歪みが伸長となる場合のシフト量の関係を示す概念図である。 図６Ｃは、画像歪みが伸長となる場合のシフト量の関係を示す概念図である。 図７Ａは、画像歪みが収縮となる場合のシフト量の関係を示す概念図である。 図７Ｂは、画像歪みが収縮となる場合のシフト量の関係を示す概念図である。 図７Ｃは、画像歪みが収縮となる場合のシフト量の関係を示す概念図である。 図８は、ＤＷＩにシフト量をグリッド表示した一例の図である。 図９は、ＤＷＩに対するシフト量に基づく正規化強度分布を示す図である。 図１０は、静磁場補正量の算出方法および静磁場の補正方法の概念図である。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置について説明する。以下の実施形態では、同一の参照符号を付した部分は同様の動作をおこなうものとして、重複する説明を適宜省略する。
図１は、本実施形態における磁気共鳴イメージング装置１の構成を示す図である。図１に示すように、磁気共鳴イメージング装置１は、静磁場磁石１００と、シムコイル１０１と、シムコイル電源１０２と、傾斜磁場コイル１０３と、傾斜磁場電源１０５と、寝台１０７と、寝台制御回路１０９と、送信回路１１３と、送信コイル１１５と、受信コイル１１７と、受信回路１１９と、撮像制御回路１２１と、インタフェース１２５と、ディスプレイ１２７と、記憶装置１２９と、処理回路１３１とを備える。寝台制御回路１０９と、撮像制御回路１２１と、インタフェース１２５と、ディスプレイ１２７と、記憶装置１２９と、処理回路１３１とは、無線、有線を問わず、データの伝送のために接続される。なお、被検体Ｐは、磁気共鳴イメージング装置１に含まれない。

静磁場磁石１００は、中空の略円筒状に形成された磁石である。静磁場磁石１００は、内部の空間に略一様な静磁場を発生する。静磁場磁石１００としては、例えば、超伝導磁石等が使用される。図１に示すように、Ｚ軸方向は、静磁場の方向と同方向であるとする。また、Ｙ軸方向は、鉛直方向とし、Ｘ軸方向は、Ｚ軸及びＹ軸に垂直な方向とする。

シムコイル１０１は、静磁場磁石１００により発生された静磁場の不均一性の２次以上の複数次成分を補正する補正磁場を発生する。シムコイル１０１は、傾斜磁場コイル１０３の外周面上に、不図示の絶縁層を介して接合される。一般的に、静磁場の不均一性は、０次成分、１次成分Ｘ^１、Ｙ^１、Ｚ^１、および２次成分Ｘ^２、Ｙ^２、Ｚ^２、ＸＹ、ＹＺ、ＺＸなどの各成分に分けて表される。また、静磁場の不均一性には、３次成分以上の高次の成分も存在する。複数次成分は、２次成分以上の高次の成分に対応する。

以下、説明を簡単にするために、高次の成分は、２次成分であるものとする。このとき、シムコイル１０１は、２次シムの構造を有する。このとき、シムコイル１０１は、例えば、静磁場の不均一性の２次成分ＺＸ、ＸＹ、ＹＺ、（Ｚ^２－（Ｘ^２＋Ｙ^２）／２）、（Ｘ^２－Ｙ^２）に対応する５つのコイルパターンの構造を有する。シムコイル１０１における５つのコイルパターンは、シムコイル電源１０２から供給された電流に応じて、静磁場の不均一性の２次成分ＺＸ、ＸＹ、ＹＺ、（Ｚ^２－（Ｘ^２＋Ｙ^２）／２）、（Ｘ^２－Ｙ^２）を補正するための５チャンネルの補正磁場をそれぞれ発生する。なお、静磁場の不均一性の複数次成分を加味した静磁場シミングを実行する場合、シムコイル１０１は、複数次成分に応じたコイルパターンを有する。本実施形態に関する静磁場シミングについては、後程説明する。

シムコイル電源１０２は、撮像制御回路１２１による制御のもとで、シムコイル１０１に電流を供給する電源装置である。具体的には、シムコイル電源１０２は、シムコイル１０１における５つのコイルパターン各々に対して独立に電流を供給する。すなわち、シムコイル電源１０２は、本実施形態に関する静磁場シミングにより決定された２次シミング値に対応する電流を、シムコイル１０１における５つのコイルパターン各々に供給する。

傾斜磁場コイル１０３は、中空の略円筒状に形成されたコイルである。傾斜磁場コイル１０３は、シムコイル１０１の内側に配置される。傾斜磁場コイル１０３は、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚの各軸に対応する３つのコイルが組み合わされて形成される。傾斜磁場コイル１０３における３つのコイルは、傾斜磁場電源１０５から個別に電流供給を受けて、Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸に沿って磁場強度が変化する傾斜磁場を発生する。

傾斜磁場コイル１０３により発生するＸ、Ｙ、Ｚ各軸の傾斜磁場は、例えば、周波数エンコード用傾斜磁場（リードアウト傾斜磁場ともいう）、位相エンコード用傾斜磁場およびスライス選択用傾斜磁場を形成する。スライス選択用傾斜磁場は、任意に撮像断面を決めるために利用される。位相エンコード用傾斜磁場は、空間的位置に応じて磁気共鳴信号（以下、ＭＲ（Magnetic Resonance）信号と呼ぶ）の位相を変化させるために利用される。周波数エンコード用傾斜磁場は、空間的位置に応じてＭＲ信号の周波数を変化させるために利用される。加えて、傾斜磁場コイル１０３により発生するＸ、Ｙ、Ｚ各軸の傾斜磁場は、静磁場の１次シミングのオフセットとして用いられる。

傾斜磁場電源１０５は、撮像制御回路１２１による制御のもとで、傾斜磁場コイル１０３に電流を供給する電源装置である。具体的には、Ｘ軸に対応する傾斜磁場コイルは、傾斜磁場電源１０５からの電流の供給により、静磁場の不均一性のＸ^１成分と略同様な磁場方向を有する補正磁場と、周波数エンコード用傾斜磁場とを発生する。また、Ｙ軸に対応する傾斜磁場コイルは、傾斜磁場電源１０５からの電流の供給により、静磁場の不均一性のＹ^１成分と略同様な磁場方向を有する補正磁場と、位相エンコード用傾斜磁場とを発生する。Ｚ軸に対応する傾斜磁場コイルは、傾斜磁場電源１０５からの電流の供給により、静磁場の不均一性のＺ^１成分と略同様な磁場方向を有する補正磁場と、スライス選択用傾斜磁場とを発生する。すなわち、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸にそれぞれ対応する３つの傾斜磁場コイルは、撮像に関する傾斜磁場の発生に加えて、静磁場の不均一性の１次成分を補正するためにも用いられる。

寝台１０７は、被検体Ｐが載置される天板１０７１を備えた装置である。寝台１０７は、寝台制御回路１０９による制御のもと、被検体Ｐが載置された天板１０７１を、ボア１１１内へ挿入する。寝台１０７は、例えば、長手方向が静磁場磁石１００の中心軸と平行になるように、検査室内に設置される。

寝台制御回路１０９は、寝台１０７を制御する回路である。寝台制御回路１０９は、インタフェース１２５を介した操作者の指示により寝台１０７を駆動することで、天板１０７１を長手方向および上下方向、場合によっては左右方向へ移動させる。

送信回路１１３は、撮像制御回路１２１による制御のもとで、ラーモア周波数で変調された高周波パルスを送信コイル１１５に供給する。

送信コイル１１５は、傾斜磁場コイル１０３の内側に配置されたＲＦコイルである。送信コイル１１５は、送信回路１１３からの出力に応じて、高周波磁場に相当するＲＦ（Radio Frequency）パルスを発生する。送信コイル１１５は、例えば、複数のコイルエレメントを有する全身用コイル（以下、ＷＢ（Whole Body）コイルと呼ぶ）である。ＷＢコイルは、送受信コイルとして使用されてもよい。また、送信コイル１１５は、１つのコイルにより形成されるＷＢコイルであってもよい。

受信コイル１１７は、傾斜磁場コイル１０３の内側に配置されたＲＦコイルである。受信コイル１１７は、高周波磁場によって被検体Ｐから放射されるＭＲ信号を受信する。受信コイル１１７は、受信されたＭＲ信号を受信回路１１９へ出力する。受信コイル１１７は、例えば、１以上、典型的には複数のコイルエレメントを有するコイルアレイである。なお、図１において送信コイル１１５と受信コイル１１７とは別個のＲＦコイルとして記載されているが、送信コイル１１５と受信コイル１１７とは、一体化された送受信コイルとして実施されてもよい。送受信コイルは、被検体Ｐの撮像対象部位に対応し、例えば、頭部コイルのような局所的な送受信ＲＦコイルである。

受信回路１１９は、撮像制御回路１２１による制御のもとで、受信コイル１１７から出力されたＭＲ信号に基づいて、デジタルのＭＲ信号（以下、ＭＲデータと呼ぶ）を生成する。具体的には、受信回路１１９は、受信コイル１１７から出力されたＭＲ信号に対して各種信号処理を施した後、各種信号処理が施されたデータに対してアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ（Analog to Digital））変換を実行する。受信回路１１９は、Ａ／Ｄ変換されたデータを標本化（サンプリング）する。これにより、受信回路１１９は、ＭＲデータを生成する。受信回路１１９は、生成されたＭＲデータを、撮像制御回路１２１に出力する。

撮像制御回路１２１は、処理回路１３１から出力された撮像プロトコルに従って、シムコイル電源１０２、傾斜磁場電源１０５、送信回路１１３及び受信回路１１９等を制御し、被検体Ｐに対する撮像を行う。撮像プロトコルは、撮像対象部位および検査内容に応じた各種パルスシーケンスを有する。撮像プロトコルには、傾斜磁場電源１０５により傾斜磁場コイル１０３に供給される電流の大きさ、傾斜磁場電源１０５により電流が傾斜磁場コイル１０３に供給されるタイミング、送信回路１１３により送信コイル１１５に供給される高周波パルスの大きさや時間幅、送信回路１１３により送信コイル１１５に高周波パルスが供給されるタイミング、受信コイル１１７によりＭＲ信号が受信されるタイミング等が定義されている。

インタフェース１２５は、操作者からの各種指示や情報入力を受け付けるための、スイッチボタン、マウス、キーボード、操作面へ触れることで入力操作を行うタッチパッド、表示画面とタッチパッドとが一体化されたタッチスクリーン、光学センサを用いた非接触入力回路、及び音声入力回路等によって実現される。インタフェース１２５は、処理回路１３１等に接続されており、操作者から受け取った入力操作を電気信号へ変換して処理回路１３１へ出力する。なお、本明細書において、インタフェースは、マウス、キーボードなどの物理的な操作部品を備えるものだけに限られない。例えば、装置とは別体に設けられた外部の入力機器から入力操作に対応する電気信号を受け取り、この電気信号を制御回路へ出力する電気信号の処理回路もインタフェース１２５の例に含まれる。

ディスプレイ１２７は、処理回路１３１におけるシステム制御機能１３１１による制御のもとで、画像生成機能１３１３により生成された各種ＭＲ画像、撮像および画像処理に関する各種情報などを表示する。ディスプレイ１２７は、例えば、ＣＲＴディスプレイや液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、ＬＥＤディスプレイ、プラズマディスプレイ、又は当技術分野で知られている他の任意のディスプレイ、モニタ等の表示デバイスである。

記憶装置１２９は、画像生成機能１３１３を介してｋ空間に充填されたＭＲデータ、画像生成機能１３１３により生成された画像データ、各種撮像プロトコル、撮像プロトコルを規定する複数の撮像パラメータを含む撮像条件等を記憶する。記憶装置１２９は、処理回路１３１で実行される各種機能に対応するプログラムを記憶する。記憶装置１２９は、本実施形態に関する静磁場シミングにより０次シミング値と１次シミング値と２次シミング値とを算出するプログラム（以下、算出プログラムと呼ぶ）を記憶する。

０次シミング値は、マルチスライス収集に関する収集領域における複数のスライス各々において、水の共鳴周波数に相当する。すなわち、０次シミング値は、静磁場の不均一性の０次成分について、収集領域における複数のスライス毎の補正に関連する。１次シミング値は、マルチスライス収集に関する複数のスライス各々において、静磁場の不均一性のＸ^１成分、Ｙ^１成分、Ｚ^１成分を補正するために、傾斜磁場電源１０５から３つの傾斜磁場コイルにそれぞれ供給される電流値に相当する。すなわち、１次シミング値は、静磁場の不均一性の１次成分について、収集領域における複数のスライス毎の補正に関連する。２次シミング値は、マルチスライス収集における収集領域の全体に亘って、静磁場の不均一性のＺＸ成分、ＸＹ成分、ＹＺ成分、（Ｚ^２－（Ｘ^２＋Ｙ^２）／２）成分、および（Ｘ^２－Ｙ^２）成分を補正するために、シムコイル電源１０２からシムコイル１０１における５つのコイルパターンにそれぞれ供給される電流値に相当する。すなわち、２次シミング値は、静磁場の不均一性の２次成分について、収集領域の全体に亘る補正に関連する。

記憶装置１２９は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、フラッシュメモリ等の半導体メモリ素子、ハードディスクドライブ（Hard Disk Drive）、ソリッドステートドライブ（Solid State Drive）、光ディスク等である。また、記憶装置１２９は、ＣＤ－ＲＯＭドライブやＤＶＤドライブ、フラッシュメモリ等の可搬性記憶媒体との間で種々の情報を読み書きする駆動装置等であってもよい。

処理回路１３１は、ハードウェア資源として図示していないプロセッサ、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ－Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）やＲＡＭ等のメモリ等を有し、本磁気共鳴イメージング装置１を制御する。処理回路１３１は、システム制御機能１３１１、画像生成機能１３１３、静磁場シミング機能１３１５、範囲決定機能１３１７、算出機能１３１９、収集機能１３２１および補正機能１３２３を有する。なお、システム制御機能１３１１、画像生成機能１３１３、静磁場シミング機能１３１５、範囲決定機能１３１７、算出機能１３１９、収集機能１３２１および補正機能１３２３は、コンピュータによって実行可能なプログラムの形態で記憶装置１２９に記憶されてもよい。この場合、処理回路１３１は、これら各種機能に対応するプログラムを記憶装置１２９から読み出し、読み出したプログラムを実行することで各プログラムに対応する機能を実現するプロセッサであってもよい。

なお、図１においては単一のプロセッサにてこれら各種機能が実現されるものとして説明したが、複数の独立したプロセッサを組み合わせて処理回路１３１を構成し、各プロセッサがプログラムを実行することにより機能を実現するものとしても構わない。換言すると、上述のそれぞれの機能がプログラムとして構成され、１つの処理回路が各プログラムを実行する場合であってもよいし、特定の機能が専用の独立したプログラム実行回路に実装される場合であってもよい。また、図１においては、単一の記憶装置１２９が各処理機能に対応するプログラムを記憶するものとして説明したが、複数の記憶装置を配置して、処理回路１３１は、個別の記憶装置から、対応するプログラムを読み出す構成としても構わない。

上記説明において用いた「プロセッサ」という文言は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）もしくはＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、または、特定用途向け集積回路（Application Specific Integrated Circuit: ASIC）、プログラマブル論理デバイス（例えば、単純プログラマブル論理デバイス（Simple Programmable Logic Device: SPLD)、複合プログラマブル論理デバイス（Complex Programmable Logic Device: CPLD）、及びフィールドプログラマブルゲートアレイ（Field Programmable Gate Array: FPGA））等の回路を意味する。

プロセッサは、記憶装置１２９に記憶されたプログラムを読み出し実行することで各種機能を実現する。なお、記憶装置１２９にプログラムを記憶する代わりに、プロセッサの回路内にプログラムを直接組み込むよう構成してもかまわない。この場合、プロセッサは回路内に組み込まれたプログラムを読み出し実行することで機能を実現する。なお、寝台制御回路１０９、送信回路１１３、受信回路１１９、撮像制御回路１２１等も同様に、上記プロセッサなどの電子回路により構成される。

処理回路１３１は、システム制御機能１３１１により、磁気共鳴イメージング装置１を制御する。具体的には、処理回路１３１は、記憶装置１２９に記憶されたシステム制御プログラムを読み出してメモリ上に展開し、展開されたシステム制御プログラムに従って本磁気共鳴イメージング装置１における各種回路および各種電源を制御する。例えば、処理回路１３１は、インタフェース１２５を介して操作者から入力された撮像条件に基づいて、撮像プロトコルを記憶装置１２９から読み出す。なお、処理回路１３１は、撮像条件に基づいて、撮像プロトコルを生成してもよい。処理回路１３１は、撮像プロトコルを撮像制御回路１２１に送信し、被検体Ｐに対する撮像を制御する。

処理回路１３１は、画像生成機能１３１３により、例えば、リードアウト傾斜磁場の強度に従って、ｋ空間のリードアウト方向に沿ってＭＲデータを充填する。処理回路１３１は、ｋ空間に充填されたＭＲデータに対してフーリエ変換を行うことにより、ＭＲ画像を生成する。処理回路１３１は、生成されたＭＲ画像を、ディスプレイ１２７や記憶装置１２９に出力する。
以上が本実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置１の全体構成についての概略的な説明である。

次に、本実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置１の動作例について図２のフローチャートを参照して説明する。
なお、本実施形態では、ＥＰＩ（Echo Planar Imaging）シーケンスにより収集された拡散強調画像（DWI: Diffusion Weighted Imaging）を、収集されたＭＲ画像と想定する。
ステップＳ２０１では、位置決めスキャンが実行される。具体的には、撮像制御回路１２１が、例えば処理回路１３１からの指示に従って、位置決めスキャンを実行する。位置決めスキャンでは、被検体についての診断画像の第１撮像範囲（例えば、ＦＯＶ（Field of view））が決定される。処理回路１３１は、位置決めスキャンにより収集されたＭＲ信号を用いて、第１撮像範囲の位置決め画像を生成する。処理回路１３１は、生成された位置決め画像を、ディスプレイ１２７に出力してもよい。

ステップＳ２０２では、静磁場シミング機能１３１５を実行することで処理回路１３１が、静磁場シミング処理を実行する。なお、静磁場シミング処理の詳細については後述する。

ステップＳ２０３では、範囲決定機能１３１７を実行することで処理回路１３１が、第１撮像範囲よりも狭い範囲である第２撮像範囲を決定する。第２撮像範囲は、診断画像中の注目領域、例えばＲＯＩ（Region of Interest）である。第２撮像範囲は、ディスプレイ１２７上でユーザが指定した範囲など、ユーザ入力により指定されることで決定されてもよい。なお、第２撮像範囲は、被検体の検査部位に応じて自動的に決定されてもよいし、磁場中心または画像中心から一定範囲内を第２撮像範囲とするといったようにデフォルトで決定されてもよい。または、ＡＩ（Artificial Intelligence）により学習結果に基づいて第２撮像範囲が決定されてもよい。

ステップＳ２０４では、算出機能１３１９を実行することで処理回路１３１が、少なくとも第２撮像範囲を含む静磁場分布から、静磁場補正量を算出する。具体的には、算出機能１３１９を実行することで、第２撮像範囲における静磁場強度の１次微分が正となるような静磁場補正量を算出すればよい。言い換えると、ＭＲ画像の歪みが画素を伸長する方向となるような静磁場補正量を算出すればよい。

ステップＳ２０５では、例えばシステム制御機能１３１１を実行することで処理回路１３１が、静磁場補正量に基づいて、第２撮像範囲における静磁場を調整する。静磁場補正量に基づいて静磁場を調整することで、画素を伸長する画像歪みを得ることができる。
静磁場補正量に基づく静磁場の調整は、例えば、システム制御機能１３１１を実行することで処理回路１３１が、静磁場補正量に応じた電流をシムコイル１０１に印加することより行われればよい。

ステップＳ２０６では、収集機能１３２１を実行することで処理回路１３１が、静磁場補正量に基づいて補正された静磁場の下で、第１撮像範囲のＭＲ画像を収集する。
ステップＳ２０７では、補正機能１３２３を実行することで処理回路１３１が、ＭＲ画像を補正する。ＭＲ画像の補正は、例えば画像生成機能１３１３を実行することで処理回路１３１が、ＭＲ画像の画素が伸長する画像歪みに対して歪み補正処理を実行し、画像歪みを補正すればよい。例えば、処理回路１３１は、ＭＲ画像の各画素のシフト量を算出する。処理回路１３１は、算出されたシフト量に応じて、歪み補正に関する補正量を算出し、算出された補正量を各画素に適用することにより画像歪みを補正する。画素の伸長量は、後述の中心周波数からの周波数オフセットに基づくシフト量に対応する。なお、歪み補正処理に関しては、一般的な画像処理の手法を用いればよく、ここでの詳細な説明は省略する。以上で本実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置１の動作例を終了する。

次に、本実施形態のステップＳ２０２で実行される静磁場シミング処理の詳細について説明する。
撮像制御回路１２１は、被検体Ｐに対して、シミング撮像を実行する。撮像制御回路１２１は、例えば、２つの異なるエコー時間間隔を用いたダブルエコー法を用いたマルチスライス撮像により、シミング撮像を実行する。なお、シミング撮像は、例えば、３つの異なるエコー時間間隔を用いたトリプルエコー法を用いたマルチスライス撮像など他の撮像法により実行されてもよい。シミング撮像が実行される領域は、位置決め画像の領域において、複数の断面位置に対応するスライスにより形成される３次元の第１領域に対して実行される。具体的には、撮像制御回路１２１は、ダブルエコー法に従って、傾斜磁場電源１０５、送信回路１１３、受信回路１１９を制御する。撮像制御回路１２１は、シミング撮像により、受信コイル１１７及び受信回路１１９を介して、２つのエコー時間間隔に対応するＭＲ信号を収集する。

処理回路１３１は、静磁場シミング機能１３１５により、シミング撮像により収集されたＭＲ信号に基づいて、第２領域における複数のスライスにそれぞれ対応する複数の静磁場分布を生成する。具体的には、処理回路１３１は、第２領域における複数のスライス各々におけるＭＲ信号に基づいて、２つのエコー時間間隔にそれぞれ対応する２つの複素画像を生成する。処理回路１３１は、２つの複素画像のうち一方の複素画像に対して複素共役演算を実施し、複素共役演算が実施された複素画像と複素共役演算が実施されていない他方の複素画像との積を計算する。処理回路１３１は、計算された積の位相を用いて位相差画像を生成する。

処理回路１３１は、静磁場シミング機能１３１５により、２つの複素画像のうち少なくとも一つを用いて、強度画像を生成する。処理回路１３１は、強度画像に基づいて、位相差画像における背景領域を抽出する。処理回路１３１は、抽出された背景領域を用いて、位相差画像に対して背景を除去する。処理回路１３１は、背景が除去された位相差画像に対して、位相の連続性を考慮した位相アンラップ処理を実行する。処理回路１３１は、位相アンラップ処理が実行された位相差画像における複数のピクセル各々の位相差の値に対して２つのエコー時間間隔の差に相当するエコー間隔と磁気回転比とを用いた線形変換を行うことで、周波数情報としての２次元的な静磁場分布を生成する。処理回路１３１は、複数の２次元的な静磁場分布を結合することで、３次元的な静磁場分布（以下、シミング前分布と呼ぶ）を生成する。また、シミング前分布は、撮像対象部位、性別、年齢等に応じてデフォルトで記憶装置１２９に記憶されていてもよい。このとき、シミング撮像は不要となる。

処理回路１３１は、静磁場シミング機能１３１５により、第１領域における複数の断面位置とシミング前分布とを用いて、第１領域における複数の断面位置にそれぞれ対応する複数のスライス各々に対して、スライス毎静磁場シミングを実行する。具体的には、処理回路１３１は、静磁場シミング機能１３１５により、記憶装置１２９から算出プログラムを読み出し、自身のメモリに展開する。処理回路１３１は、算出プログラムにより、第１領域における複数のスライス各々に対して、０次シミング値、１次シミング値および２次シミング値を計算する。処理回路１３１は、計算された０次シミング値、１次シミング値および２次シミング値を、表示断面の位置に対応するスライスに対応付ける。以下、静磁場シミングの基本式について説明し、次いでスライス毎静磁場シミングについて説明する。
静磁場シミングに関する基本式の一例を以下の式（１）に示す。

式（１）におけるｘ、ｙ、ｚは、空間中の３次元位置である。具体的には、ｘは、水平方向（Ｘ軸）における静磁場の中心（以下、磁場中心と呼ぶ）を原点とした位置を表す。ｙは、鉛直方向（Ｙ軸）における磁場中心を原点とした位置を表す。ｚは、軸長方向（Ｚ軸）における磁場中心を原点とした位置を表す。ｘ、ｙ、ｚの単位は［ｍ］とする。式（１）におけるａ_０は、０次シミング値である。ａ_０は、ＲＦパルスの中心周波数にマイナスを付与した値を表す。ａ_０の単位は［ｐｐｍ］とする。式（１）におけるａ_１、ａ_２、ａ_３は、１次シミング値である。

具体的には、ａ_１、ａ_２、ａ_３は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸のそれぞれについて単位長さあたりの共鳴周波数の変化量を表す。単位長さあたりの共鳴周波数の変化量は、傾斜磁場の傾き、すなわち傾斜磁場コイル１０３へ印加される電流値に相当する。ａ_１、ａ_２、ａ_３の単位は［ｐｐｍ／ｍ］とする。式（１）におけるｂ_０（ｘ、ｙ、ｚ）は位置（ｘ、ｙ、ｚ）における静磁場シミング前の共鳴周波数である。換言すれば、ｂ_０（ｘ、ｙ、ｚ）は、上述のシミング前分布に相当する３次元的な静磁場分布を共鳴周波数に変換したもの、すなわち静磁場の不均一性を共鳴周波数の分布として表したものに相当する。ｂ_０（ｘ、ｙ、ｚ）の単位は［ｐｐｍ］とする。ｂ_０’（ｘ、ｙ、ｚ）は位置（ｘ、ｙ、ｚ）におけるシミング後の共鳴周波数とＲＦパルスの中心周波数ａ_０との差分値である。ｂ_０’（ｘ、ｙ、ｚ）の単位は［ｐｐｍ］とする。

式（１）の左辺、すなわちシミングの後の共鳴周波数とＲＦパルスの中心周波数との差分値は、小さければ小さいほど理想的な静磁場シミングの条件となる。シミング前分布を示す画像について、非背景領域に対応する前景領域における複数の画素（以下、前景画素と呼ぶ）全ての位置の集合（以下、位置集合Ｓと呼ぶ）を考えると、位置集合Ｓは、例えば、以下の式（２）で表される。

式（２）において、ｉは、前景画素の通し番号を表す。Ｎは、前景画素の総数を表す。
この時、式（１）は、シミング前分布の画像における全前景画素に亘ってＮ本分立てることができる。全前景画素に亘るＮ本の式をまとめると、以下の式（３）で表すことができる。

式（３）において、ベクトルｂ’、行列Ｘ、ベクトルａ、ベクトルｂを、

として定義すると、式（３）は、以下の式（４）のように表される。

上述のように、式（１）の左辺、すなわち式（３）または式（４）の左辺のベクトルの各要素は、小さいほど理想的な静磁場シミングとなる。そこで、静磁場の均一性をベクトルｂ’の大きさとして定義し、０次シミング値と１シミング値とをまとめたベクトルａに関するコスト関数Ｅを式（５）として定義する。

式（５）における行列Ωは、ベクトルｂ’の各要素の重要度や相関によって正規化するための行列である。例えば、行列Ωを単位行列とすると、コスト関数は単純なベクトル要素の二乗和となる。また、行列Ωをベクトルｂ’に関する共分散行列とすれば、コスト関数は、マハラノビス距離の二乗となる。式（５）のコスト関数を最小化する０次シミング値と１次シミング値との組み合わせであるベクトルａは、最小二乗法により以下の式（６）として求めることができる。

以下、スライス毎静磁場シミングについて説明する。スライス毎静磁場シミングを実行する第１領域について、第１領域のスライスごとの複数の前景画素の位置集合Ｓ_ｊを考えると、位置集合Ｓ_ｊは、例えば、以下の式（７）で表される。

式（７）において、ｊは、第１領域におけるスライスの通し番号を表す。また、式（７）におけるＭは、第１領域におけるスライス数を表す。式（７）におけるｉは、前景画素の通し番号を表す。Ｎ_ｊは、スライスｊにおける前景画素の総数を表す。

スライス毎静磁場シミングにおいて、式（１）は、第１領域における各スライスｊに対して前景画素Ｎ_ｊ本分立てることができる。スライスｊにおいて、ベクトルｂ_ｊ’、行列Ｘ_ｊ、ベクトルａ_ｊ、ベクトルｂ_ｊを、

として定義する。ベクトルｂ_ｊは、上述のシミング前分布に関する複数の静磁場分布のうち、スライスｊに対応する静磁場分布における全前景画素に相当する。スライスｊにおいて、全前景画素に亘るＮ_ｊ本の式をまとめると、以下の式（８）で表すことができる。

処理回路１３１は、静磁場シミング機能１３１５により、式（８）について、式（５）と同様にコスト関数を定義して解く。これにより、０次シミング値と１次シミング値との組み合わせであるベクトルａ_ｊが、Ｍ通り算出される。すなわち、マルチスライスのスライスｊごとに、ベクトルａ_ｊの値を用いてシミングすることで、スライス毎静磁場シミングによる検査画像収集を実現できる。

次に、空間的に２次の補正磁場分布を印加可能なシムコイルを用いた２次シミングに関する基本式を式（９）に示す。

式（９）におけるｘ、ｙ、ｚ、ａ_０、ａ_１、ａ_２、ａ_３、ｂ_０、ｂ_０’については式（１）と同様に定義される。ａ_４、ａ_５、ａ_６、ａ_７、ａ_８は、２次シミング値である。具体的には、ａ_４、ａ_５、ａ_６、ａ_７、ａ_８は、空間的に非線形な共鳴周波数の変化量を表す。空間的に非線形な共鳴周波数の変化量は、シムコイル１０１へ印加される電流値に相当する。ａ_４、ａ_５、ａ_６、ａ_７、ａ_８の単位は［ｐｐｍ／ｍ^２］とする。

このとき、式（９）は、３次元の静磁場分布画像中の全前景画素についてＮ本分立てることができ、まとめると以下の式（１０）となる。

式（１０）において、ベクトルｂ’、ベクトルａ、ベクトルｂ、行列Ｘ、行列Ｘ’、行列Ｘ’’を、

として定義すると、式（１０）は、以下の式（１１）のように表される。

式（１１）は、式（４）に対して行列Ｘ’’と、ベクトルａ’のサイズが異なるだけで同じ形式であるため、式（５）、式（６）と同じ考えで０次シミング値、１次シミング値および２次シミング値の組み合わせであるベクトルａ’を求めることができる。

上述した０次、１次および２次のシミング値を用いた本実施形態に関する静磁場シミングについて定式化する。０次のシミングおよび１次のシミングと異なり、２次のシミングはシムコイル１０１に電流を流してから磁場が安定するまでに時間がかかるため、マルチスライス収集時に、スライス単位で高速に補正磁場を切り替えることが難しい。そこで、本実施形態に関する静磁場シミングは、収集領域における全スライス共通で２次シミングを実施することを前提で、０次のシミングおよび１次のシミングについてスライス毎に最適な補正量を算出することを目的とする。上記内容をまとめると、本実施形態に関する静磁場シミングの基本式は、以下の式（１２）となる。

ここで、式（１２）におけるベクトルｂ’、行列Ｘ’’’、ベクトルａ’’、ベクトルｂは、

と表せる。

式（１２）は、式（４）と同じ形をしている。このため、処理回路１３１は、静磁場シミング機能１３１５により、式（５）、式（６）と同じ考えで収集領域におけるスライス毎の０次シミング値および１次のシミング値と、収集領域全体での２次シミング値との組み合わせであるベクトルａ’’を求めることができる。具体的には、処理回路１３１は、式（１２）について、式（５）と同様にコスト関数を定義する。処理回路１３１は、式（１２）に関するコスト関数を最小化する最小二乗法により、０次シミング値と１次シミング値と２次シミング値との組み合わせであるベクトルａ’’を計算すればよい。

次に、本実施形態に係る静磁場補正量の算出概念について説明する。
図３は、スライス毎シミング後の推定静磁場分布の一例であり、静磁場強度を対応する周波数分布に変換した図である。図３の画像の縦方向が位相エンコード方向であり、横方向が周波数エンコード方向である。領域３０１が中心周波数に対応する周波数分布である。この場合、領域３０２が中心周波数よりも周波数が高い。一方、領域３０３が中心周波数よりも周波数が低い。

次に、図３の推定静磁場分布から算出した各画素のシフト量ベクトル画像の一例について図４に示す。
図４は、図３の推定静磁場分布に対応する中心周波数からの周波数オフセットに基づくシフト量を図示する。シフト量（pixel）は、推定静磁場分布の各画素位置において、以下の式（１３）で算出する。システム制御機能１３１１を実行することで処理回路１３１が、ＭＲ画像の画素位置のシフト量を例えばディスプレイ１２７に表示させてもよい。

シフト量［ｐｉｘｅｌ］＝（周波数オフセット［Ｈｚ］）×（ＥＴＳ（Echo Train Spacing）［ｓｅｃ］）×（収集位相エンコード数［ｓｔｅｐｓ］）
・・・（１３）
また、周波数オフセットは、周波数オフセット＝（中心周波数）－（画素位置の周波数）の式より算出すればよい。

図４に示すように、領域４０１は、図３における領域３０１に対応しており、中心周波数よりも周波数が高い領域である。これは、ＥＰＩシーケンスによりＭＲ画像を撮像した場合に、位相エンコード方向に関してＭＲ画像の画素が伸長すると想定される。一方、図４０２は、図３における領域３０３に対応し、中心周波数よりも周波数が低い領域である。これは、ＭＲ画像の画素が収縮すると想定される。

画像処理において、画素が収縮した場合、画素値が合計されてしまうため、元の画素値を推定することは難しい。単純な例で説明すれば、画素値が「１０」である２つの画素が収縮され合計された場合、１つの画素として、画素値「２０」となる。この収縮された画素を２つの画素に戻そうとした場合、画素値の関係が「５」と「１５」といった正しくない関係も想定されてしまうため、元の画素値を推定するのが難しい。一方、画素が伸長する場合は、１画素の画素値が２以上の画素値に分けられるため、画素値を合計することで元の画素値を推定できる。

よって、図４に示すようなシフト量に基づいて、第２撮像範囲においてシフト量がマイナスの領域４０１が少なくとも存在しないような、つまり画素が収縮しないような静磁場補正量を算出すればよい。例えば、シフト量がプラスとなるように、シムコイルに印加する電流値を調整すればよい。

次に、シフト量の第１の表示例について図５を参照して説明する。
図５は、図３に示す推定静磁場分布の下でＥＰＩシーケンスにより取得したＤＷＩに、シフト量をベクトル表示した例である。太線で示すベクトル５０１は、各画素位置におけるシフト量の大きさおよび方向を示す。すなわち、領域３０１に重畳するベクトル５０１は、画像に対し下向きである。同様に、領域３０３に重畳するベクトル５０１は画像に対し上向きである。

ここで、シフト量に基づく画像歪みの検出について図６Ａから図６Ｃおよび図７Ａから図７Ｃを参照して説明する。
ＥＰＩシーケンスでは、位相エンコード方向にアーチファクトが顕著に存在する。そのため、算出機能１３１９を実行することにより処理回路１３１が、位相エンコード方向における座標間（画素位置間）のシフト量を比較することで、ＭＲ画像の画素が収縮されるのか伸長されるかを検出することができる。

図６Ａから図６Ｃまでは、画像歪みが伸長となる場合のシフト量の関係を示す概念図である。ベクトル６０１およびベクトル６０２は、図５と同様に、隣接する画素位置におけるシフト量を示す。

図６Ａでは、ベクトル６０１とベクトル６０２とは、位相エンコード方向（ＰＥ方向）に沿って同一方向であるが、ベクトル６０２よりもベクトル６０１のほうが長く、シフト量が大きい。よって、ベクトル６０１とベクトル６０２との画素位置間に対応する画像領域では、画像の伸長が発生する。

図６Ｂでは、ベクトル６０１とベクトル６０２とは、同一の長さであるが、ベクトル６０１はＰＥ方向、ベクトル６０２はＰＥ方向と反対方向を向く。よって、ベクトル６０１とベクトル６０２との画素位置間に対応する画像領域では、画像の伸長が発生する。

図６Ｃでは、ベクトル６０１とベクトル６０２とは、ＰＥ方向に沿って、共に逆方向であるが、ベクトル６０１よりもベクトル６０２のほうが長く、シフト量が大きい。よって、ベクトル６０１とベクトル６０２との画素位置間に対応する画像領域では、画像の伸長が発生する。

次に、図７Ａから図７Ｃまでは、画像歪みが収縮となる場合のシフト量の関係を示す概念図である。
図７Ａでは、ベクトル６０１とベクトル６０２とは、位相エンコード方向（ＰＥ方向）に沿って同一方向であるが、ベクトル６０１よりもベクトル６０２のほうが長く、シフト量が大きい。よって、ベクトル６０１とベクトル６０２との画素位置間に対応する画像領域では、画像の収縮が発生する。

図７Ｂでは、ベクトル６０１とベクトル６０２とは、同一の長さであるが、ベクトル６０１はＰＥ方向と反対方向、ベクトル６０２はＰＥ方向を向く。よって、ベクトル６０１とベクトル６０２との画素位置間に対応する画像領域では、画像の収縮が発生する。

図７Ｃでは、ベクトル６０１とベクトル６０２とは、ＰＥ方向に沿って、共に逆方向であるが、ベクトル６０２よりもベクトル６０１のほうが長く、シフト量が大きい。よって、ベクトル６０１とベクトル６０２との画素位置間に対応する画像領域では、画像の収縮が発生する。

また、シフト量の第２の表示例について図８を参照して説明する。
図８は、ＤＷＩにシフト量をグリッド表示した例である。歪みがない場合の画素位置を示す破線のグリッド８０１と、歪んだ画素位置を示す実線のシフト量グリッド８０２とを表示する。

グリッド８０１の格子点とシフト量グリッド８０２の格子点とを比較すると、領域８０３に含まれるシフト量グリッド８０２の右下および左下に存在する格子点が、画像に対し下方向にシフトしている。つまり、領域８０３において、シフト量グリッド８０２の格子点の間隔がグリッド８０１の間隔よりも狭くなっており、画素が収縮される方向に歪むことが分かる。
一方、領域８０４に含まれるシフト量グリッド８０２の中心部分の格子点は、画像に対し上方向にシフトしている。つまり、領域８０４において、シフト量グリッド８０２の格子点の間隔がグリッド８０１の間隔よりも広くなっており、画素が伸長する方向に歪んでいることが分かる。よって、第２撮像範囲におけるシフト量が領域８０４に示すシフト量であればよい。

このように、シフト量をグリッド表示することでＭＲ画像の画素が伸長するまたは収縮される領域を可視化できる。これにより、ユーザが容易に画像の歪み方向を理解できる。

次に、シフト量に基づく強度分布の一例について図９を参照して説明する。
図９は、ＤＷＩに対するシフト量に基づく正規化強度分布を示す。図３と比較すると、シフト量が大きい領域の画素が収縮され、画像において輝度値が高くなっていることが分かる。

次に、静磁場補正量の算出および静磁場の補正の概念について図１０を参照して説明する。
図１０は、ある周波数エンコード位置における、位相エンコード方向に沿った画素位置における磁場強度の変化曲線（グラフ）１００１を示す。横軸が位相エンコード方向であり、縦軸が静磁場の磁場強度を示す。

ここで、ＰＥ方向における第２撮像範囲１００２が決定されたと想定する。当該第２撮像範囲１００２では、グラフ１００１の１次微分１００３は傾きがマイナスの右肩下がりの状態、シフト量の関係で言えば、図９Ａに示すような状態である。つまり、画像が収縮する状態を示す。
よって、１次微分１００３の傾きが正となり、右肩上がりとなるような磁場強度を設定すれば、画像が歪み無しまたは伸長する関係とすることができる。図１０の例では、算出機能１３１９を実行することで処理回路１３１が、１次微分１００３が右肩上がりの破線１００４となるような第２撮像範囲の静磁場強度を静磁場補正量として算出すればよい。例えば、静磁場シミング機能１３１５を実行することにより、処理回路１３１が、静磁場補正量に応じてシムコイル１０１に印加する電流値を設定すればよい。これにより収集されるＭＲ画像のうちの少なくとも第２撮像範囲の画素を積極的に伸長させることができる。

以上に示した本実施形態によれば、少なくとも第２撮像範囲における静磁場分布を画素が伸長するように補正することで、補正された静磁場分布の下で撮像されたＭＲ画像が歪む場合、画像歪みの種類としては画素が伸長した歪みとなる。よって、第２撮像範囲のＭＲ画像の伸長歪みから歪みのないＭＲ画像となるよう容易に画像処理を行えるため、適切にＭＲ画像を補正することができる。結果として、ＭＲ画像の画質を向上させることができる。換言すれば、臨床上重要な第２撮像範囲については、確実に良好な画質とするために、当該第２撮像範囲については積極的に伸長歪みを発生させている。伸長歪みであれば、収縮歪みに比して歪み補正を確実に行うことができるためである。

なお、本実施形態では、静磁場の不均一性に関し、２次以上の高次成分も考慮しているが、静磁場の強度が小さい場合（例えば、１．５Ｔ）などは、０（ゼロ）次成分および１次成分を補正する一方、高次成分は補正しなくともよい。この場合、磁気共鳴イメージング装置１は、シムコイル１０１及びシムコイル電源１０２を含まなくともよい。

加えて、実施形態に係る各機能は、当該処理を実行するプログラムをワークステーション等のコンピュータにインストールし、これらをメモリ上で展開することによっても実現することができる。このとき、コンピュータに当該手法を実行させることのできるプログラムは、磁気ディスク（ハードディスクなど）、光ディスク（ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ、Ｂｌｕ－ｒａｙ（登録商標）ディスクなど）、半導体メモリなどの記憶媒体に格納して頒布することも可能である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これら実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ ＭＲＩ装置
１００ 静磁場磁石
１０１ シムコイル
１０２ シムコイル電源
１０３ 傾斜磁場コイル
１０５ 傾斜磁場電源
１０７ 寝台
１０９ 寝台制御回路
１１１ ボア
１１３ 送信回路
１１５ 送信コイル
１１７ 受信コイル
１１９ 受信回路
１２１ 撮像制御回路
１２５ インタフェース
１２７ ディスプレイ
１２９ 記憶装置
１３１ 処理回路
３０１，３０２，３０３，４０１，８０３，８０４ 領域
５０１，６０１，６０２ ベクトル
８０１ グリッド
８０２ シフト量グリッド
１００１ グラフ
１００２ 第２撮像範囲
１００３ １次微分
１００４ 破線
１０７１ 天板
１３１１ システム制御機能
１３１３ 画像生成機能
１３１５ 静磁場シミング機能
１３１７ 範囲決定機能
１３１９ 算出機能
１３２１ 収集機能
１３２３ 補正機能

Claims (6)

1. 第１撮像範囲よりも狭い第２撮像範囲の静磁場分布に基づいて、前記第２撮像範囲における静磁場強度の位相エンコード方向に対する１次微分が負の場合に、前記１次微分が正となるように、静磁場補正量を算出する算出部と、
   前記静磁場補正量に基づき補正された静磁場の下で、前記第１撮像範囲のＭＲ画像を収集する収集部と、
   収集された前記ＭＲ画像の歪みを補正する補正部と、
   を具備する磁気共鳴イメージング装置。
2. 前記算出部は、前記収集部で収集されるＭＲ画像の前記第２撮像範囲において画像に歪みが生じると想定される場合、画素の歪み方向が画素を伸長する方向となるように、前記静磁場補正量を算出する請求項１に記載の磁気共鳴イメージング装置。
3. 前記静磁場補正量に基づき補正される前のＭＲ画像について、画素位置のシフト量を表示させる制御部をさらに具備する、請求項１または請求項２に記載の磁気共鳴イメージング装置。
4. 前記制御部は、前記シフト量をベクトル表示する請求項３に記載の磁気共鳴イメージング装置。
5. 前記制御部は、前記シフト量をグリッド表示する請求項３に記載の磁気共鳴イメージング装置。
6. 前記ＭＲ画像は、ＥＰＩ（Ｅｃｈｏ Ｐｌａｎａｒ Ｉｍａｇｉｎｇ）シーケンスにより撮像した拡散強調画像である請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の磁気共鳴イメージング装置。

Images