JP7301144B2 - 多重拡散強調ｍｒ画像を用いたｂ０画像の計算 - Google Patents

Description

本発明は、磁気共鳴撮像に関し、特に拡散強調撮像に関する。

大きな静磁場は、患者の身体内の画像を生成するためのプロシージャの一部として原子の核スピンを揃えるために、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）スキャナによって使用される。この大きな静電場は、Ｂ₀場又は主磁場と呼ばれる。勾配磁場及び無線周波数（ＲＦ）パルスによって引き起こされる磁場（Ｂ₁場）は、スピンの向きを操作するのに使用されうる。Ｂ₁磁場が、Ｂ０場とのアライメントから外れるようにスピンを回転させる場合、それらは、無線周波数信号を処理及び生成し始める。

拡散強調撮像（ＤＷＩ）では、スピンがＢ₀場に対してある角まで回転された後、第１の拡散強調勾配磁場が、体積内のスピンをディフェーズするのに使用される。次に、第２の同一の拡散強調勾配が、体積内のスピンをリフェーズする。スピンがリフェーズされた後、それらの無線周波数信号が、測定されることができる。スピンが体積の内外に移動する場合、スピンは、正しくリフェーズされない。したがって、拡散強調画像の強度は、スピンの拡散に非常に敏感である。

拡散強調勾配のディフェージングとリフェージングは、勾配の大きさ、勾配の持続時間及び２つの拡散強調勾配の間の時間分離に依存する。これらの要因を考慮に入れる尺度は、ｂ値である。ｂ値がゼロに等しい場合、拡散強調勾配は使用されない。ｂ 値が０ の場合、ｂ ₀ と呼ばれる。ｂ ₀画像は、拡散強調勾配がオフにされた又は使用されていない拡散強調画像である。すなわち、ｂ₀画像は、拡散符号化なしの磁気共鳴画像であり、すなわち、基礎となる磁気共鳴信号は、拡散感受性ではない。ｂ₀値は、拡散強調が適用されない場合のボクセル／画素値に対応する。つまり、ｂ ₀ 値は、拡散強調なしの画像強度である。論文Malyarenko et al., "Analysis and correction of Gradient Nonlinearity Bias in Apparent Diffusion Coefficient Measurements," Magnetic Resonance in Medicine 71:1312-1323 （2014）には、ＡＤＣ測定における勾配非線形バイアスを補正する方法が、開示される。開示された方法は、ｂ₀画像を有することに依存する。

米国特許公開ＵＳ９８５１４２６Ｂ２において、Malyarenkoらの論文と同じ著者らは、ＭＲＩシステムによる平均拡散率測定における勾配非線形性バイアスを補正するための技術を開示し、３つの直交拡散強調撮像（ＤＷＩ）勾配を用いて十分な誤差制御を達成するための最小数の空間補正項を含む。この補正は、ｂ行列の空間バイアスがそのユークリッドノルムで記述されるＤＷＩ勾配フレームへのシステム勾配非線形性テンソルの回転に基づいている。この技法は、任意の異方性の媒質に対する完全拡散テンソルの時間のかかる多方向取得及び雑音に敏感な数学的対角化を省く。

本発明は、独立請求項に記載の医用撮像システム、コンピュータプログラム製品、及び方法を提供する。実施形態は、従属請求項に記載される。

雑誌論文Malyarenko et al.には、勾配非線形性を補正する方法が、開示される。しかし、この方法は、この補正を行うためにｂ₀画像の知識を必要とする。もちろん、ｂ₀画像を直接的に測定することもできるが、しかしながら、ｂ₀画像のノイズは、勾配非線形性補正の精度を低下させる。例は、最適化処理を使用してｂ₀画像を計算することによって、より良好な勾配非線形性補正を更に提供してもよい。

これは、異なるｂ値に対して、場合によっては異なる方向に向けられた拡散強調勾配を用いて取得される多重拡散強調画像又は拡散強調画像の集合を使用して達成されうる。次いで、各ボクセルについての一組の方程式が、見かけの拡散方程式を用いて構成されてもよい。一旦、一組の方程式が構成されると、その式は、そのボクセルに対するｂ₀値に対する最適化処理を用いて解かれることができる。使用される拡散強調画像が多いほど、ｂ ₀値の精度は高くなる。本発明の洞察は、最適化プロセスを用いてｂ₀画像を計算することにより、ｂ₀画像におけるノイズに対する感度は、直接的に測定されたｂ₀画像のものよりも小さいことである。測定されたｂ₀画像は、計算されたｂ₀画像を改善するように最適化において使用されることもできる。

一態様では、本発明は、機械実行可能命令を記憶するためのメモリを有する医用撮像システムを提供する。医用撮像システムは、更に、医用撮像システムを制御するためのプロセッサを有する。機械実行可能命令の実行は、プロセッサに対象の多重拡散強調画像を受信させる。多重拡散強調画像は、それぞれ、割り当てられたｂ値を有する。多重拡散強調画像は、各々、割り当てられた拡散強調方向を有する。関心領域については、多重拡散強調画像の各々において少なくとも１つの対応するボクセルが存在する。

上述のように、拡散強調撮像スピンでは、まず、それらが処理する角度に回転させ、次いで、拡散強調勾配が、拡散強調方向に加えられる。これは、スピンをディフェーズする。時間期間の後に、拡散強調勾配は、再び加えられ、時間が、スピンをリフェーズするのに使用される。この体積を出た又は体積に入ったスピンは、正しくリフェーズされない。本質的に、強度の低下は、体積からの拡散量を示すことができる。拡散強調勾配の有効性は、上記ｂ値である。ディフェージングの量は、勾配の振幅及び時間に依存する。

多重拡散強調画像は、磁気共鳴撮像システムを用いて取得され、ｂ値は、取得中に使用された拡散強調勾配に対するｂ値である。勾配が加えられた方向は、拡散強調方向である。典型的には、拡散強調画像形成を行う場合、様々な異なるｂ値に対して選択される３つの直交する拡散強調方向が存在する。数学的に好都合であるが、拡散強調方向は、直交している必要はなく、又は磁気共鳴撮像システムの座標系とアラインされることさえ必要ではない。勾配が使用されない場合のｂ値は、いわゆるｂ０値である。

機械実行可能命令の実行は、更に、プロセッサに、少なくとも１つの対応するボクセルの各々に対して一組の方程式を構成させる。対応するボクセルにより、これは、他のボクセルと等価なボクセルが画像の各々に存在することを意味する。理想的には、対象は、静止しており、一連の画像が存在し、ボクセルの各々に１対１の対応が存在する。一組の方程式は、多重強調画像の各々の割り当てられた拡散強調方向に対する見かけの拡散方程式から構成される。本明細書で使用される見かけの拡散方程式は、見かけの拡散方程式係数を計算するために使用され得る式である。（自己注意：ここに見かけの拡散方程式の例を挿入する）

単一のボクセルに対する見かけの拡散方程式は、以下の通りである。

ここで、Ｓ（ｂ^k）は、拡散勾配ｂ^kに従う画像強度であり、Ｓ₀は、非拡散画像強度である。ＡＤＣ^kは、拡散勾配ｂ^kの方向における見かけの拡散係数である。値Ｓ₀は、ｂ ₀値である。多重拡散強調画像のすべての拡散強調画像に対して、一組の方程式に加えられることができる１つの式（１）が存在する。Ｓ（ｂ^k）は、測定値である。最適化を使用すると、ｂ ₀ 値及びＡＤＣ 値を解くことができる。式１は、異なる方法で定式化されることができる。例えば、ｂ^k値及びＡＤＣ^k値は、ベクトル量であることができ、２つのベクトルの内積が、式（１）においてとられる。

一組の方程式は、数学的に等価な異なる方法で定式化されることができる。例えば、上記の見かけの拡散方程式は、対数をとることによって、線形方程式として書き直されることができる。これは、例えば、計算をより直接的かつ容易にしうるが、式（１）が上記のような形式であっても、依然として解かれることができる。

機械実行可能命令を実行は、更に、プロセッサに、最適化として、ｂ₀値に対する各ボクセルの一組の方程式を解かせる。特に、固有の測定又は多重拡散強調画像における少量の動き又は他の不完全さによるボクセル内のノイズが、存在し得る。上記の式をｂ₀値の最適化として解くことにより、ｂ₀値が直接的に測定された場合よりも少ない雑音を有するｂ₀値が、取得されることができる。また、割り当てられたｂ値の１つは、ｂ₀値が直接的に測定されるように、ゼロであることができることに留意されたい。最適化の使用は、この測定されたｂ₀画像が、他の取得された多重拡散強調画像を使用して更に補正されることを可能にしてもよい。

別の実施形態では、機械実行可能命令の実行は、プロセッサに、更に、各ボクセルに対するｂ₀値を使用してｂ₀画像を構成させる。ｂ ₀画像は、いくつかの異なるものに対して有用でありうる。例えば、勾配非線形性を補正するのに有用であってもよい。ｂ₀画像は、拡散の定量的推定を行うために、様々なｂ値について他の多重拡散強調画像と比較されることもできる。

別の実施形態では、機械実行可能命令の実行は、更に、プロセッサに、ｂ０画像を使用して多重拡散強調画像のうちの少なくとも１つの画像強度補正を計算させて、勾配非線形性を補正させる。一度ｂ₀画像が計算されると、Malyarenko et, al.に記載された方法が、使用されることができる。

別の実施形態では、画像強度補正が、各割り当てられた拡散強調方向において計算される。これは、拡散強調画像のより良好な補正を提供しうるので、有益であり得る。

別の態様では、医用撮像システムが、磁気共鳴撮像システムを更に有する。メモリは、更に、拡散強調磁気共鳴撮像プロトコルに従って磁気共鳴画像データを取得するように磁気共鳴撮像システムを制御するように構成されたパルスシーケンスコマンドを含む。

機械実行可能命令の実行は、更に、プロセッサに、磁気共鳴画像データ取得するように磁気共鳴撮像システムを制御させる。機械実行可能命令の実行は、更に、プロセッサに、磁気共鳴撮像データを使用して多重拡散強調画像を再構成させる。

多重拡散強調画像が再構成された後、ｂ値及び拡散強調方向は、両方とも特定の拡散強調画像に割り当てられてもよい。

別の実施形態では、機械実行可能命令の実行は、プロセッサに、一組の方程式を構成する前に、多重拡散強調画像間の動き補正を実行させる。対象が異なる多重拡散強調画像の取得の間に移動した場合、ボクセルは、変位されてもよい。標準的な画像補正方法が、これを補正するために使用されることができる。例えば、動きを補正するために、様々な多重拡散強調画像間に画像位置合わせがあってもよい。

別の実施形態では、多重拡散強調画像は、ＥＰＩ多重拡散強調画像である。機械実行可能命令の実行は、更に、プロセッサに、一組の方程式を構成する前に、多重拡散強調画像に対してＥＰＩ歪み補正を実行させる。非常に一般的に拡散強調画像は、ＥＰＩ又はエコープラナー撮像を用いて取得される。Ｂ０不均一性は、ＥＰＩ画像に空間的非線形画像歪みを生じうる。例えば、変形可能な位置合わせが、ＥＰＩ歪みを補正するのに使用されてもよい。

別の実施形態では、一組の方程式の各々は、各拡散方向に対する見かけの拡散係数の項を乗算（又は内積）したｂ値の項を加えたｂ０に等しいボクセルの測定された強度の対数を設定することによって構成される。これは、例えば、式（１）の対数をとることによって導出されることができる。

上付き文字ｋは、拡散強調勾配の方向を表し、ｉは、ｉ番目のｂ値を表す。この式では、１つのｂ値の項及び１つの見かけの拡散係数の項のみが存在する。例えば、座標系が拡散強調勾配の方向とアラインされていない場合、より多くの項が存在することができる。

別の実施形態では、最適化が、一組の方程式の各々において、ｂ値に対する指数関数的フィッティングとして解かれる。

別の実施形態では、多重拡散強調画像のうちの１つに対するｂ値は、ゼロである。前述されたように、ｂ₀画像を測定することが、可能である。しかしながら、ｂ０画像は、ノイズが多いかもしれない。多重拡散強調画像の１つに対するｂ値が０である場合に、最適化は、例えば、信号対雑音を失うような、質を改善する手段を提供し得る。

別の実施形態では、機械実行可能命令の実行は、更に、プロセッサに、ｂ₀値に対する各ボクセルに対する一組の方程式を解く間に、各ボクセルに対する見かけの拡散係数を計算させる。この実施形態は、最適化がｂ₀値を計算するだけでなく、見かけの拡散係数を計算するのにも使用されうるので、有益でありうる。式１を使用して形成される一組の方程式を解くために使用される最適化は、同時にＡＤＣ値を解くためにも使用されることができる。

別の実施形態では、機械実行可能命令の実行は、プロセッサに、更に、ｂ₀画像を使用して、補正された見かけ拡散係数を計算させる。Malyarenko et. alの論文に記載される方法が、使用されてもよい（Malyarenkoの式６を参照されたい）。

別の態様では、本発明が、医用撮像の方法を提供する。この方法は、対象の多重拡散強調画像を受信することを有する。多重拡散強調画像は、各々、割り当てられたｂ値を有する。多重拡散強調画像は、各々、割り当てられた規定された拡散強調方向を有する。関心領域については、多重拡散強調画像の各々に少なくとも１つの対応するボクセルが、存在する。この方法は、少なくとも１つの対応するボクセルの各々について一組の方程式を構成することを更に有する。一組の方程式は、多重拡散強調画像の各々の割り当てられた拡散強調方向に対する見かけの拡散方程式から構成される。本方法は、最適化終了として、ｂ０値についての各ボクセルについての一組の方程式を解くことを更に有する。この方法は、各ボクセルに対するｂ０値を使用してｂ０画像を構成することを更に有する。

別の実施形態では、本方法は、勾配非線形性を補正するために、ｂ０画像を使用して多重拡散強調画像のうちの少なくとも１つの画像強度補正を計算することを更に有する。

別の態様では、本発明は、医用撮像システムを制御するプロセッサによる実行のための機械実行可能命令を有するコンピュータプログラム製品を提供する。機械実行可能命令の実行は、プロセッサに対象の多重拡散強調画像を受信させる。多重拡散強調画像は、各々、割り当てられたｂ値を有する。多重拡散強調画像は、各々、割り当てられた拡散強調方向を有する。

関心領域については、多重拡散強調画像の各々に少なくとも１つの対応するボクセルが、存在する。機械実行可能命令の実行は、更に、プロセッサに、少なくとも１つの対応するボクセルの各々に対して一組の方程式を構成させる。一組の方程式は、多重拡散強調画像の各々の割り当てられた拡散強調方向に対する見かけの拡散方程式から構成される。機械実行可能命令の実行は、更に、プロセッサに、最適化として、ｂ₀値に対する各ボクセルに対する一組の方程式を解かせる。機械実行可能命令の実行は、更に、プロセッサに、各ボクセルに対するｂ₀を使用してb₀画像を構成させる。

別の実施形態では、医用撮像システムが、磁気共鳴撮像システムを更に有する。機械実行可能命令の実行は、更に、プロセッサに、磁気共鳴画像データを取得するためのパルスシーケンスコマンドを用いて磁気共鳴撮像システムを制御させる。パルスシーケンスコマンドは、拡散強調磁気共鳴撮像プロトコルに従って磁気共鳴撮像データを取得するように磁気共鳴撮像システムを制御するように構成される。機械実行可能命令の実行は、更に、プロセッサに、磁気共鳴撮像データを使用して多重拡散強調画像を再構成させる。

本発明の前述の実施形態のうちの１つ又は複数は、組み合わされた実施形態が相互に排他的でない限り、組み合わされてもよいことが理解される。

当業者に理解されるように、本発明の態様は、装置、方法、又はコンピュータプログラム製品として実施されてもよい。したがって、本発明の態様は、完全にハードウェアの実施形態、完全にソフトウェアの実施形態（ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコードなどを含む）、又はソフトウェアとハードウェアの実施形態を組み合わせた実施形態であり、これらは、すべて、本明細書において「回路」、「モジュール」、又は「システム」と呼ばれ得る。更に、本発明の態様は、その上に具体化されたコンピュータ実行可能コードを有する１つ又は複数のコンピュータ可読媒体に具体化されたコンピュータプログラム製品の形をとりうる。

１つ又は複数のコンピュータ可読媒体の任意の組み合わせが、利用されてもよい。コンピュータ可読媒体は、コンピュータ可読信号媒体又はコンピュータ可読記憶媒体であってもよい。本明細書で使用される「コンピュータ可読記憶媒体」は、コンピューティング装置のプロセッサによって実行可能な命令を記憶しうる任意の有形の記憶媒体を包含する。コンピュータ可読記憶媒体は、コンピュータ可読非一時的記憶媒体と呼ばれてもよい。コンピュータ可読記憶媒体は、また、有形コンピュータ可読媒体と呼ばれうる。ある実施形態では、コンピュータ可読記憶媒体が、コンピュータ装置のプロセッサによってアクセスされることができるデータを記憶することができてもよい。コンピュータ可読記憶媒体の例は、フロッピー（登録商標）ディスク、磁気ハードディスクドライブ、ソリッドステートハードディスク、フラッシュメモリ、ＵＳＢサムドライブ、ランダムアクセスメモリ、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、光ディスク、光磁気ディスク、及びプロセッサのレジスタファイルを含むが、これらに限定されない。光ディスクの例は、コンパクトディスク（ＣＤ）及びデジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、例えばＣＤ-ＲＯＭ、ＣＤ-ＲＷ、ＣＤ-Ｒ、ＤＶＤ-ＲＯＭ、ＤＶＤ-ＲＷ、又はＤＶＤ-Ｒディスクを含む。コンピュータ可読記憶媒体という用語は、また、ネットワーク又は通信リンクを介してコンピュータ装置によってアクセスされることができる様々なタイプの記録媒体をさす。例えばデータは、モデムを介して、インターネットを介して、又はローカルエリアネットワークを介して取り出されてもよい。コンピュータ可読媒体上に具体化されたコンピュータ実行可能コードは、無線、有線、光ファイバケーブル、ＲＦなど、又は前述のもの任意の適切な組み合わせを含むがこれらに限定されない、任意の適切な媒体を使用して送信され得る。

コンピュータ可読信号媒体は、例えば、ベースバンドで、又は搬送波の一部として、その中で具現化されたコンピュータ実行可能コード有する伝播されるデータ信号を含んでもよい。そのような伝播信号は、電磁、光学、又はそれらの任意の適切な組み合わせを含むが、それらに限定されない、任意の様々な形態をとりうる。コンピュータ可読信号媒体は、コンピュータ可読記憶媒体ではなく、命令実行システム、機器、又は装置によって又はそれに関連して使用するプログラムを通信、伝播、又は伝送することができる任意のコンピュータ可読媒体であってもよい。

「コンピュータメモリ」又は「メモリ」は、コンピュータ可読記憶媒体の一例である。コンピュータメモリは、プロセッサに直接アクセス可能な任意のメモリである。「コンピュータ記憶装置」又は「記憶装置」は、コンピュータ可読記憶媒体の他の例である。コンピュータ記憶装置は、任意の不揮発性コンピュータ可読記憶媒体である。ある実施形態では、コンピュータ記憶装置が、コンピュータメモリであってもよく、又はその逆であってもよい。

本明細書で使用される「プロセッサ」は、プログラム又は機械実行可能命令又はコンピュータ実行可能コードを実行することができる電子コンポーネントを包含する。「プロセッサ」を含むコンピューティング装置への言及は、ことによると１より多いプロセッサ又は処理コアを含むものと解釈されるべきである。プロセッサは、例えば、マルチコアプロセッサであってもよい。プロセッサは、単一のコンピュータシステム内の、又は複数のコンピュータシステム間で分散されたプロセッサの集合を指してもよい。コンピューティング装置という用語は、ことによるとプロセッサ又は複数のプロセッサを各々有するコンピューティング装置の集合又はネットワークを指すとも解釈されるべきである。コンピュータ実行可能コードは、同一のコンピューティング装置内にあってもよいし、複数のコンピューティング装置に分散されていてもよい複数のプロセッサによって実行されてもよい。

コンピュータ実行可能コードは、プロセッサに本発明の態様を実行させる機械実行可能命令又はプログラムを有してもよい。本発明の態様のための動作を実行するためのコンピュータ実行可能コードは、Ｊａｖａ、Ｓｍａｌｌｔａｌｋ、Ｃ＋＋などのオブジェクト指向プログラミング言語及び「Ｃ」プログラミング言語又は類似のプログラミング言語などの従来の手続き型プログラミング言語を含み、機械実行可能命令にコンパイルされた、１つ以上のプログラミング言語の任意の組み合わせで書かれてもよい。場合によっては、コンピュータ実行可能コードは、高水準言語の形式又は事前にコンパイルされた形式であってもよく、オンザフライで機械実行可能命令を生成するインタプリタと併せて使用されてもよい。

コンピュータ実行可能コードは、完全にユーザのコンピュータ上で、部分的にユーザのコンピュータ上で、スタンドアロンのソフトウェアパッケージとして、部分的にユーザのコンピュータ上で且つ部分的にリモートのコンピュータ上で、又は全体的にリモートのコンピュータ若しくはサーバ上で、実行されてもよい。後者の状況では、リモートコンピュータは、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）又は広域ネットワーク（ＷＡＮ）を含む任意のタイプのネットワークを介してユーザのコンピュータに接続されてもよく、又は接続が、（例えば、インターネットサービスプロバイダを使用してインターネットを介して）外部コンピュータに対してなされてもよい。

本発明の態様は、本発明の実施形態による方法、装置（システム）、及びコンピュータプログラム製品のフローチャート図及び／又はブロック図を参照して説明される。フローチャート、図、及び／又はブロック図の各ブロック又はブロックの部分は、適用可能な場合にはコンピュータ実行可能コードの形態のコンピュータプログラム命令によって実施されることができることを理解されたい。更に、互いに排他的ではない場合、異なるフローチャート、図、及び／又はブロック図におけるブロックの組み合わせが、組み合わせられてもよいと理解される。これらのコンピュータプログラム命令は、コンピュータ又は他のプログラマブルデータ処理装置のプロセッサを介して実行される命令が、フローチャート及び／又はブロック図の１つ又は複数のブロックで指定された機能／動作を実施するための手段を作成するように、マシンを生成するように、汎用コンピュータ、専用コンピュータ、又は他のプログラマブルデータ処理装置のプロセッサに提供されてもよい。

これらのコンピュータプログラム命令は、コンピュータ可読媒体に記憶された命令が、フローチャート及び／又はブロック図の１又は複数のブロックで指定された機能／動作を実施する命令を含む製品を生成するような、特定の方法で機能するように、コンピュータ、他のプログラマブルデータ処理装置、又は他の装置に指示することができるコンピュータ可読媒体に記憶されてもよい。

コンピュータプログラム命令は、コンピュータ、他のプログラマブル装置、又は他の装置上でロードされて、一連の動作ステップがコンピュータ、他のプログラマブルデータ処理装置、又は他の装置上で実行されるようにして、コンピュータ実施プロセスを生成してもよく、それにより、コンピュータ又は他のプログラマブル装置上で実行される命令が、フローチャート及び／又はブロック図の１又は複数のブロックに指定される機能／動作を実施するプロセスを提供する。

ここで使用される「ユーザインタフェース」は、ユーザ又はオペレータがコンピュータ又はコンピュータシステムとインタラクトすることを可能にするインタフェースである。「ユーザインタフェース」は、「ヒューマンインタフェース装置」とも呼ばれてもよい。ユーザインタフェースは、情報又はデータをオペレータに提供し、及び／又はオペレータから情報又はデータを受信しうる。ユーザインタフェースは、オペレータからの入力が、コンピュータによって受信されることを可能にし、コンピュータからユーザに出力を提供してもよい。換言すれば、ユーザインタフェースは、オペレータがコンピュータを制御又は操作することを可能にしてもよく、インタフェースは、コンピュータがオペレータの制御又は操作の効果を示すことを可能にしてもよい。ディスプレイ又はグラフィカルユーザインタフェース上のデータ又は情報の表示は、オペレータに情報を提供する一例である。キーボード、マウス、トラックボール、タッチパッド、ポインティングスティック、グラフィックスタブレット、ジョイスティック、ゲームパッド、ウェブカメラ、ヘッドセット、ペダル、有線グローブ、リモートコントロール、及び加速度計を介したデータの受信は、すべて、オペレータからの情報又はデータの受信を可能にするユーザインタフェース構成要素の例である。

本明細書で使用される「ハードウェアインタフェース」は、コンピュータシステムのプロセッサが外部コンピューティング装置及び／又は機器とインタラクトする及び／又はそれを制御することを可能にするインタフェースを含む。ハードウェアインタフェースは、プロセッサが制御信号又は命令を外部コンピューティング装置及び／又は機器に送信することを可能にし得る。ハードウェアインタフェースは、また、プロセッサが外部コンピューティング装置及び／又は機器とデータを交換することを可能にしうる。ハードウェアインタフェースの例は、ユニバーサルシリアルバス、ＩＥＥＥ １３９４ポート、パラレルポート、ＩＥＥＥ １２８４ポート、シリアルポート、ＲＳ－２３２ポート、ＩＥＥＥ－４８８ポート、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ接続、ワイヤレスローカルエリアネットワーク接続、ＴＣＰ／ＩＰ接続、イーサネット接続、制御電圧インタフェース、ＭＩＤＩインタフェース、アナログ入力インタフェース、及びデジタル入力インタフェースを含むが、これらに限定されない。

本明細書で使用される「ディスプレイ」又は「表示装置」は、画像又はデータを表示するように構成された出力装置又はユーザインタフェースを包含する。ディスプレイは、視覚的データ、聴覚データ、及び／又は触覚データを出力してもよい。

ディスプレイの例は、コンピュータモニタ、テレビ画面、タッチスクリーン、触覚電子ディスプレイ、点字スクリーン、陰極線管（ＣＲＴ）、蓄積管、双安定ディスプレイ、電子ペーパー、ベクトルディスプレイ、フラットパネルディスプレイ、真空蛍光ディスプレイ（ＶＦ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）ディスプレイ、エレクトロルミネッセンスディスプレイ（ＥＬＤ）、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、有機発光ダイオードディスプレイ（ＯＬＥＤ）、プロジェクタ、及びヘッドマウントディスプレイを含むが、これらに限定されない。

磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）データは、本明細書では磁気共鳴撮像スキャン中に磁気共鳴装置のアンテナを用いて原子スピンによって放射される無線周波数信号の記録された測定値であると規定される。磁気共鳴データは、医用画像データの一例である。磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）画像又はＭＲ画像は、本明細書では磁気共鳴撮像データ内に含まれる解剖学的データの再構成された２次元又は３次元視覚化であると規定される。この視覚化は、コンピュータを使用して実行されることができる。

以下では、本発明の好ましい実施形態が、単なる例として、図面を参照して説明される。

医用撮像システムの一例を示す。 図１の医用撮像システムの操作方法を示すフローチャートを示す。 医用撮像システムの他の例を示す。 図３の医用撮像システムを動作させる方法を示すフローチャートを示す。 多重拡散強調画像の集合を表すいくつかのグリッドを示す。

これらの図における同様の番号が付された要素は、同等の要素であるか、又は同じ機能を実行するかのいずれかである。前述された要素は、機能が同等である場合には必ずしも後の図で説明されない。

図１は、医用撮像システム１００の一例を示す。図１の例では、医用撮像システムは、画像処理のためのワークステーションである。医用撮像システム１００は、コンピュータ１０１を含むものとして示される。コンピュータ１０１は、プロセッサ１０２を有する。プロセッサ１０２は、１つ以上のプロセッサを表すことを意図しており、複数のコンピュータシステムに分散されたプロセッサを表してもよい。プロセッサ１０２は、オプションのハードウェアインタフェース１０４に接続されるものとして示される。ハードウェアインタフェース１０４は、例えば、プロセッサ１０２が医用撮像システム１００の他の構成要素を制御することを可能にしてもよく、また、ネットワークインタフェースであってもよい。プロセッサ１０２は、ユーザインタフェース１０６に更に接続されるものとして示される。

ユーザインタフェース１０６は、例えば、情報を表示するため、及び／又はオペレータからのコマンドを受信するために使用されてもよい。プロセッサ１０２は、更に、メモリ１０８に接続されるものとして示される。メモリ１０８は、プロセッサ１０２にアクセス可能なメモリの任意の組み合わせであってもよい。これは、メインメモリ、キャッシュメモリのようなものや、フラッシュＲＡＭ、ハードドライブのようなどの不揮発性メモリ、又はその他の記憶装置を含んでもよい。いくつかの例では、メモリ１０８が、非一時的コンピュータ可読媒体であると見なされてもよい。

メモリ１０８は、機械実行可能命令１１０を含むものとして示される。機械実行可能命令１１０は、プロセッサ１０２が医用撮像システム１００の様々な動作及び機能を制御すること、並びに様々なデータ及び画像操作タスクを実行することを可能にする。

メモリ１０８は、多重拡散強調画像１１２を更に含むものとして示される。これらは、例えば、ネットワーク又は他の記憶媒体を介して受信されてもよい。メモリ１０８は、更に、一組の方程式１１４を含むものとして示される。一組の方程式は、多重拡散強調画像１１２を用いて見かけの拡散方程式から構成された。メモリ１０８は、最適化を用いて一組の方程式１１４を解くことによって構成されたｂ₀画像１１６を含むものとして更に示される。最適化は、例えば、機械実行可能命令１１０にプログラムされてもよい。

メモリ１０８は、オプションの見かけの拡散係数を含むものとして示される。一組の方程式１１４が解かれる場合、それらは、見かけの拡散係数に対して同時に解かれてもよい。メモリ１０８は、更に、強度補正された多重拡散強調画像１２０を含むものとして示される。これらは、勾配非線形性を補正するためにｂ₀画像を使用して補正された多重拡散強調画像１１２である。

図２は、図１の医用撮像システム１００を作動する方法を示すフローチャートを示す。最初に、ステップ２００において、多重拡散強調画像１１２が、受信される。多重拡散強調画像の各々は、割り当てられたｂ値を有する。多重拡散強調画像は、各々、割り当てられた拡散強調方向を有する。関心領域については、多重拡散強調画像の各々に少なくとも１つの対応するボクセルが、存在する。次に、ステップ２０２で、一組の方程式１１４が、少なくとも対応するボクセルの各々について構成される。

一組の方程式は、多重拡散強調画像の各々に対して割り当てられた拡散強調方向に対する見かけの拡散方程式から構成される。次いで、ステップ２０４で、一組の方程式１１４が、最適化として、ｂ０値に対する各ボクセルについて解かれる。次に、ステップ２０６で、ｂ画像が、各ボクセルに対するｂ₀を用いて構成される。ステップ２０８では、任意選択で、勾配非線形性を補正するために、ｂ₀画像１１６を使用して多重拡散強調画像１１２のうちの少なくとも１つについて計算される画像強度補正が、存在する。これは、強度補正された多重拡散強調画像１２０を生じる。

図３は、医用撮像システム３００の他の例を示す。図３の医用撮像システム３００は、磁気共鳴撮像システム３０２を更に有する。磁気共鳴撮像システム３０２は、磁石３０４を有する。磁石３０４は、それを貫通するボア３０６を有する円筒型の超電導磁石である。異なるタイプの磁石の使用も可能であり、例えば、分割円筒形磁石及びいわゆるオープン磁石の両方を使用することも可能である。分割円筒形磁石は、クライオスタットが磁石の等平面へのアクセスを可能にするために２つのセクションに分割されることを除いて、標準的な円筒形磁石と同様であり、このような磁石は、例えば、荷電粒子ビーム治療と併せて使用されてもよい。

オープン磁石は、対象を受け入れるのに十分な大きさの空間を間に持つ上下２つの磁石セクションを有し、２つの磁石セクションの配置は、ヘルムホルツコイルと同様である。オープン磁石は、対象があまり囲まれないので、人気がある。円筒形磁石のクライオスタットの内部には、超電導コイルの集合が、存在する。円筒形磁石１０４のボア３０６内には、磁場が磁気共鳴撮像を実行するのに十分に強くかつ均一である撮像ゾーン１０８が存在する。関心領域３０９が、撮像ゾーン３０８内に示される。取得される磁気共鳴データは、典型的には、関心領域について取得される。対象３１８は、対象３１８の少なくとも一部が撮像ゾーン３０８及び関心領域３０９内にあるように、対象支持体３２０によって支持されるように示される。

磁石のボア３０６内には、磁石３０４の撮像ゾーン３０８内で磁気スピンを空間符号化するための予備的な磁気共鳴データの取得のために使用される一組の磁場勾配コイル３１０も存在する。磁場勾配コイル３１０は、磁場勾配コイル電源３１２に接続される。磁場勾配コイル３１０は、代表的であることが意図される。典型的には、磁場勾配コイル３１０が、３つの直交する空間方向において空間符号化するための３つの別々の組のコイルを含む。磁場勾配電源は、磁場勾配コイルに電流を供給する。磁場勾配コイル３１０に供給される電流は、時間の関数として制御され、傾斜又はパルス化されてもよい。

撮像ゾーン３０８に隣接するのは、撮像ゾーン３０８内の磁気スピンの向きを操作し、撮像ゾーン３０８内のスピンからの無線送信を受信するための無線周波数コイル３１４である。無線周波数アンテナは、複数のコイル素子を含んでもよい。無線周波数アンテナは、チャネル又はアンテナと称されてもよい。無線周波数コイル３１４は、無線周波数トランシーバ３１６に接続される。無線周波数コイル３１４及び無線周波数トランシーバ３１６は、別個の送信コイル及び受信コイル、並びに別個の送信器及び受信器により置き換えられてもよい。無線周波数コイル３１４及び無線周波数トランシーバ３１６は、代表的であることが理解される。無線周波数コイル３１４は、専用の送信アンテナ及び専用の受信アンテナを表すことも意図される。同様に、トランシーバ３１６も、別個の送信器及び受信器を表してもよい。また、無線周波数コイル３１４は、複数の受信／送信素子を有してもよく、無線周波数トランシーバ３１６は、複数の受信／送信チャネルを有してもよい。例えば、ＳＥＮＳＥのような並列撮像技術が実行される場合、無線周波数コイル３１４は、複数のコイル素子を有する。トランシーバ３１６及び勾配コントローラ３１２は、コンピュータシステム１０１のハードウェアインタフェース１０４に接続されるように示される。

メモリ１０８は、更に、パルスシーケンスコマンド３２０を含むものとして示される。パルスシーケンスコマンド３２０は、拡散強調撮像磁気共鳴撮像プロトコルに従って磁気共鳴画像データを取得するように磁気共鳴撮像システム３０２を制御するようなコマンドに変換されることができるコマンド又はデータである。メモリ１０８は、パルスシーケンスコマンド３２０で磁気共鳴撮像システム３０２を制御することによって取得された磁気共鳴撮像データ３２２を更に含むものとして示される。

図４は、図３の医用撮像システム３００を作動させる方法を示すフローチャートを示す。第一に、ステップ４００では、磁気共鳴撮像システム３０２が、磁気共鳴画像データ３２２を取得するように、パルスシーケンスコマンド３２０で制御される。次に、ステップ４０４では、多重拡散強調画像１１２が、磁気共鳴画像データ３２２から再構成される。ステップ４０２の後、本方法は、図２に示される方法のステップ２００乃至２０８に進む。

図５は、多重拡散強調画像１１２の集合を表すいくつかのグリッドを示す。この例では、３つの拡散強調画像５００、５０２及び５０４が、示される。これらの画像は、グリッドによって表される。グリッド内の各空間は、１つのボクセルを表す。各グリッド内の同じ位置に、５０６とラベル付けされたボクセルが、存在する。ボクセル５０６は、拡散強調画像５００、５０２、５０４に対する対応するボクセルの１つである。一組の方程式は、ボクセル５０６に対する強度値を使用して構成される。これは、ｂ₀ に対して解かれることができる１組の式を与える。次いで、このプロセスは、拡散強調画像５００、５０２、５０４内の他のボクセルの各々に対して繰り返される。

例は、追加のｂ０画像を必要とすることなく、個々のＤＷＩ画像の画像強度を補正することによって、改善された見かけの拡散係数（ＡＤＣ）補正を提供し得る。追加のｂ₀画像が取得された場合でさえも、別個のｂ₀は、すべてのＤＷＩ収集（多重拡散強調画像）が含まれる場所を使用して計算されることができ、典型的には、これは、測定されたｂ₀画像と比較して、より良好なＳＮＲ、より少ないアートファクトを生じる。

上述されたように、Malyarenkoの論文例と比較して、非拡散ｂ０画像を取得するという要件を省略し、依然として勾配非線形性を補正することができる。これは、（いくらか）より短いスキャン時間及び／又はスキャンプロトコルにおけるより高い柔軟性を可能にし得る。

別の利点は、計算されたｂ₀推定値が、典型的には、取得されたｂ₀よりも少ない雑音及び少ないアーチファクトを示し、潜在的には勾配非線形性補正が適用されるＤＷＩスキャンの改善された画質を生じることである。

ｂ０様画像１１６は、測定されたｂ値にわたる指数関数的減衰を仮定して、最小二乗解から推定され、このようなｂ０様画像は、勾配非線形性補正のための更なる計算において使用される。

単一画素に対する勾配方向ｋにおける見かけの拡散係数（ＡＤＣ）は、規定され、上の式（１）に示される。

Malyarenkoは、画像強度を補正するための位置ｒ依存補正マップｃ^k（ｒ）を開示した。

Ｓ（０，ｒ）値は、特定の位置ｒ（ボクセル位置）におけるｂ₀値である。Ｓ_c（ｂ ^k，ｒ） は補正された画像強度である。Ｓ（ｂ^k，ｒ）は、式１のように測定された画像強度である。位置ｒ依存補正マップｃ^k（ｒ）は、勾配非線形性補正である。

式（３）による補正は、ｂ₀画像を必要とするが、しかしながら、（ＡＤＣマップ導出の必要条件である）複数のｂ値が測定される場合に、b₀も、推定されることができる。b ₀画像が取得された場合でさえも、b ₀ 推定値は、複数のｂ値から計算されることができる。通常、b₀推定値は、測定されたｂ ₀と比較して少ないノイズ及び少ないアーチファクトを示す。式（３）が示すように、補正された画像は、b₀及びb_k画像の組み合わせであるため、ｂ ₀を改善することは、補正された画像を改善する。

ｂ₀は、ｂ値（式（１））に対して最小二乗単一指数フィッティングを実行することによって推定される。測定された組織は、異方性であることができ、勾配非線形性は、おそらく拡散方向にわたって変化するので、拡散方向当たりのＡＤＣ値が、推定される。単一の画素に対して、線形方程式を最適化する。

ここで、ベクトルｙは、全ての測定されたｂ値及びｂ方向の自然対数を含み、Ａは、ｂ値を含むモデル行列であり、ｘは、未知のｂ₀及びＡＤＣ値を含むベクトルである。上記の式（２）は、式４をセットアップするのに使用されることができる。

例えば、式４は、次のように書き直されることができる。

ここで、上付き文字ｂ ^{x, y,z}は、直交する拡散方向（必ずしも任意の軸にアラインされておらず、斜めであることができる）を示し、下付き文字ｂ _1,2..は、異なるｂ値（又は（１）における大きさ）を示す。

式（５）の最初の観測は、ｂ０が取得されない場合、観測が単に廃棄されることができるｂ０取得からのものである。

本発明が、図面及び前述の説明において詳細に図示及び説明されてきたが、そのような図示及び説明は、説明的又は例示的であり、限定的ではないと見なされるべきであり、本発明は、開示された実施形態に限定されるものではない。

開示された実施形態に対する他の変形は、図面、開示、及び添付の請求項の検討から、請求項に記載された発明を実施する際に当業者によって理解され、及び実施されることができる。請求項において、単語「有する」は、他の要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は、複数性を排除するものではない。単一のプロセッサ又は他のユニットが、請求項に列挙されるいくつかの項目の機能を果たしてもよい。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されるという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを示すものではない。コンピュータプログラムは、他のハードウェアと一緒に又はその一部として供給される光記憶媒体又はソリッドステート媒体などの適切な媒体上に記憶／配布されてもよいが、インターネット又は他の有線若しくは無線電気通信システムなどを介して、他の形態で配布されてもよい。請求項におけるいかなる参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

100 医用撮像システム
101 コンピュータ
102 プロセッサ
104 ハードウェアインタフェース
106 ユーザインタフェース
108 メモリ
110 機械実行可能命令
112 多重拡散強調画像
114 一組の方程式
116 ｂ０画像
118 見かけの拡散係数
120 強度補正された多重拡散強調画像
200 対象の多重拡散強調画像を受信する
202 少なくとも１つの対応するボクセルの各々について１組の式を構成する
204 最適化としてｂ０値に対する各ボクセルに対する一組の方程式を解く
206 各ボクセルに対するｂ０値を用いてｂ０画像を構成する
208 勾配非線形性を補正するためにｂ０画像を用いて多重拡散強調画像の少なくとも１つの画像強度補正を計算する
300 医用撮像システム
302 磁気共鳴撮像システム
304 磁石
306 磁石のボア
308 撮像ゾーン
309 関心領域
310 磁場勾配コイル
312 磁場勾配コイル電源
314 無線周波数コイル
316 トランシーバ
318 対象
320 対象支持体
320 パルスシーケンスコマンド
322 磁気共鳴撮像データ
400 磁気共鳴撮像データを取得するように磁気共鳴撮像システムを制御
402 磁気共鳴撮像データを用いて多重拡散強調画像を再構成する
500 拡散強調画像
502 拡散強調画像
504 拡散強調画像
506 ボクセル

Claims (15)

1. 医用撮像システムにおいて、前記医用撮像システムは、
   機械実行可能命令を記憶するためのメモリと、
   前記医用撮像システムを制御するためのプロセッサと、
   を有し、
   前記機械実行可能命令の実行は、前記プロセッサに、
   対象の多重拡散強調画像を受信させ、前記多重拡散強調画像は、各々、拡散強調強度を表す割り当てられたｂ値を有し、前記多重拡散強調画像は、各々、割り当てられた拡散強調方向を有し、関心領域について、前記多重拡散強調画像の各々に少なくとも１つの対応するボクセルが存在し、
   前記少なくとも１つの対応するボクセルの各々に対して一組の方程式を構成させ、前記一組の式は、前記多重拡散強調画像の各々の前記割り当てられた拡散強調方向に対する見かけの拡散方程式から構成され、
   最適化として拡散強調なしの画像強度を表すｂ0値を推定するために各ボクセルについて一組の方程式を前記ｂ0値について解かせ、
   各ボクセルについて推定された前記ｂ0値の各々をｂ0画像の各ボクセルの強度とすることにより該ｂ0画像を生成させ、前記ｂ0値は、拡散強調なしの非拡散強調画像である該ｂ0画像の画像強度に対応する、
   医用撮像システム。
2. 前記機械実行可能命令の実行は、前記プロセッサに、前記ｂ0画像を用いて、前記多重拡散強調画像の少なくとも１つの画像強度補正を計算させて、勾配非線形性を補正させる、請求項１に記載の医用撮像システム。
3. 前記画像強度補正は、各割り当てられた拡散強調方向において計算される、請求項２に記載の医用撮像システム。
4. 前記医用撮像システムは、磁気共鳴撮像システムを更に有し、前記メモリは、拡散強調磁気共鳴撮像プロトコルに従って磁気共鳴撮像データを取得するように前記磁気共鳴撮像システムを制御するように構成されたパルスシーケンスコマンドを更に含み、前記機械実行可能命令の実行は、前記プロセッサに、
   前記磁気共鳴撮像データを取得するように前記パルスシーケンスコマンドで前記磁気共鳴撮像システムを制御させ、
   前記磁気共鳴撮像データを用いて前記多重拡散強調画像を再構成させる、
   請求項１、２、又は３に記載の医用撮像システム。
5. 前記機械実行可能命令の実行は、前記プロセッサに、前記一組の方程式を構成する前に、前記多重拡散強調画像間の動き補正を実行させる、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の医用撮像システム。
6. 前記多重拡散強調画像は、ＥＰＩ多重拡散強調画像であり、前記機械実行可能命令の実行は、前記プロセッサに、前記一組の方程式を構成する前に、前記多重拡散強調画像に対してＥＰＩ歪み補正を実行させる、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の医用撮像システム。
7. 前記一組の式の各々は、ｂ0＋ｂ値の項×各拡散方向に対する見かけの拡散係数の項に等しくボクセルの測定された強度の対数を設定することによって構成される、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の医用撮像システム。
8. 前記最適化は、前記一組の方程式の各々におけるｂ値に対する指数フィッティングとして解かれる、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の医用撮像システム。
9. 前記多重拡散強調画像のうちの１つに対するｂ値が、０である、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の医用撮像システム。
10. 前記機械実行可能命令の実行は、前記プロセッサに、前記ｂ0値に対する各ボクセルに対する前記一組の式を解く間に、各ボクセルに対する見かけの拡散係数を計算させる、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の医用撮像システム。
11. 前記機械実行可能命令の実行は、前記プロセッサに、前記ｂ0画像を用いて、補正された見かけの拡散係数を計算させる、請求項１０に記載の医用撮像システム。
12. 対象の多重拡散強調画像を受信するステップであって、前記多重拡散強調画像が、各々、拡散強調強度を表す割り当てられたｂ値を有し、前記多重拡散強調画像が、各々、割り当てられた拡散強調方向を有し、関心領域について、前記多重拡散強調画像の各々に少なくとも１つの対応するボクセルが存在する、ステップと、
    前記少なくとも１つの対応するボクセルの各々に対して一組の方程式を構成するステップであって、前記一組の方程式は、前記多重拡散強調画像の各々の前記割り当てられた拡散強調方向に対する見かけの拡散方程式から構成される、ステップと、
    最適化として拡散強調なしの画像強度を表すｂ0値を推定するために各ボクセルについて前記一組の方程式を前記ｂ0値について解くステップと、
    各ボクセルについて推定された前記ｂ0値の各々をｂ0画像の各ボクセルの強度とすることにより該ｂ0画像を生成するステップであって、前記ｂ0値は、拡散強調なしの非拡散強調画像である該ｂ0画像の画像強度に対応する、ステップと、
    を有する医用撮像の方法。
13. 前記方法は、勾配非線形性を補正するために、前記ｂ0画像を使用して、前記多重拡散強調画像のうちの少なくとも１つの画像強度補正を計算するステップを更に有する、請求項１２に記載の方法。
14. 医用撮像システムを制御するプロセッサによって実行される機械実行可能命令を有するコンピュータプログラムであって、前記機械実行可能命令の実行は、前記プロセッサに、
    対象の多重拡散強調画像を受信させ、前記多重拡散強調画像は、各々、拡散強調強度を表す割り当てられたｂ値を有し、前記多重拡散強調画像は、各々、割り当てられた拡散強調方向を有し、関心領域について、前記多重拡散強調画像の各々において少なくとも１つの対応するボクセルが存在し、
    前記少なくとも１つの対応するボクセルの各々に対して一組の方程式を構成させ、前記一組の方程式は、前記多重拡散強調画像の各々の前記割り当てられた拡散強調方向に対する見かけの拡散方程式から構成され、
    最適化として拡散強調なしの画像強度を表すｂ0値を推定するために各ボクセルについて前記一組の方程式を前記ｂ0値について解かせ、
    各ボクセルについて推定された前記ｂ0値の各々をｂ0画像の各ボクセルの強度とすることにより該ｂ0画像を生成させ、前記ｂ0値は、拡散強調なしの非拡散強調画像である該ｂ0画像の画像強度に対応する、
    コンピュータプログラム。
15. 前記医用撮像システムは、磁気共鳴撮像システムを更に有し、前記機械実行可能命令の実行は、前記プロセッサに、
    前記磁気共鳴撮像システムを、磁気共鳴撮像データ取得するためのパルスシーケンスコマンドで制御させ、前記パルスシーケンスコマンドは、拡散強調磁気共鳴撮像プロトコルに従って磁気共鳴撮像データ取得するように前記磁気共鳴撮像システムを制御するように構成され、
    前記磁気共鳴撮像データを使用して前記多重拡散強調画像を再構成させる、
    請求項１４に記載のコンピュータプログラム。

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