JP7399781B2 - 磁気共鳴イメージング装置及び磁気共鳴イメージング方法 - Google Patents

磁気共鳴イメージング装置及び磁気共鳴イメージング方法 Download PDF

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Description

本明細書及び図面に開示の実施形態は、磁気共鳴イメージング装置及び磁気共鳴イメージング方法に関する。
磁気共鳴イメージング法の一つとして、EPI(Echo Planar Imaging)法がある。EPI法では、1回の励起パルスで複数ラインのリードアウト方向の収集を行うことができ、短い時間内でk空間全体をサンプリングすることができる。
しかしながら、EPI法では、リードアウト方向の高い解像度と、撮像時間の短縮を両立するのが難しい場合があった。
米国特許出願公開第2005/0237057号明細書 米国特許出願公開第2002/0002331号明細書
本明細書及び図面の開示の実施形態が解決しようとする課題の一つは、画質を向上することである。ただし、本明細書及び図面に開示の実施形態により解決しようとする課題は上記課題に限られない。後述する実施形態に示す各構成による各効果に対応する課題を他の課題として位置づけることもできる。
実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置は、シーケンス制御部と、生成部とを有する。シーケンス制御部は、複数のk空間領域に分けて複数の第1の収集を行って複数の第1のk空間データを収集し、複数の第1の収集それぞれに対応する複数の第2の収集を行って複数の第2のk空間データを収集する。生成部は、複数の第2のk空間データのうち一つのk空間データと、複数の第2のk空間データとに基づいて、位相マップを生成し、複数の第1のk空間データと位相マップとに基づいて、複数の第3のk空間データを生成し、複数の第3のk空間データに対して平均処理を行って第4のk空間データを生成し、第4のk空間データに基づいて磁気共鳴画像を生成する。
図1Aは、実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置が実行するパルスシーケンスについて説明したシーケンスチャートである。 図1Bは、実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置が実行するk空間データの収集について説明した図である。 図2Aは、実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置が実行するk空間データの収集について説明した図である。 図2Bは、実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置が実行するk空間データの収集について説明した図である。 図2Cは、実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置が実行するk空間データの収集について説明した図である。 図2Dは、実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置が実行するk空間データの収集について説明した図である。 図3は、実施形態に係る、磁気共鳴イメージング装置が行う処理の流れを示したフローチャートである。 図4は、実施形態に係る、磁気共鳴イメージング(MRI)装置の構成を示すブロック図である。
以下、図面を参照しながら、磁気共鳴イメージング装置及び磁気共鳴イメージング方法の実施形態について詳細に説明する。
例示的な実施形態を参照図面に示す。本明細書に開示されている実施形態および図は、制限的ではなく例示的であると見なされることが意図されている。技術の範囲および添付の特許請求の範囲のいかなる限定も、図面に示され、本明細書で論じられる例に帰属するべきではない。
実施形態は、主として、特定の実施形態において提供される特定のプロセスおよびシステムに関して説明される。しかし、プロセスおよびシステムは他の実施形態においても効果的に機能するであろう。「一実施形態」および「別の実施形態」などの語句は、同一または異なる実施形態を指すことがある。実施形態は、特定の構成要素を有する方法および構成物に関して説明される。しかし、方法および構成物は、示されたものよりも多いかまたは少ない構成要素を含むことができ、そして本開示の範囲から逸脱することなく、構成要素の配置および種類における変形を行うことができる。
例示的な実施形態は、特定のステップを有する方法に関して説明されている。しかし、方法および構成物は、例示的な実施形態と矛盾しない追加のステップおよび異なる順序でのステップでも効果的に機能する。したがって、本開示は、示された実施形態に限定されることを意図するものではなく、本明細書に記載された原理および特徴と整合する、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される最も広い範囲と一致する。
さらに、ある範囲の値が提供される場合、その範囲の上限と下限との間に介在する各々の値、およびその規定された範囲内の任意の他の規定値または介在値は、本開示内に包含されると理解すべきである。規定された範囲が上限および下限を含む場合、それらの制限のいずれかを除外した範囲も含まれる。明示的な記載がない限り、本明細書で使用される用語は、当業者によって理解されるような明白かつ通常の意味を有することを意図している。いかなる定義も、読者による本開示の理解の助けとなることを意図しているが、特に明記しない限り、そのような用語の意味を変更したり、またはそうでなければ制限したりすることを意図しない。
まずはじめに、図4を用いて、実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置の構成について説明する。
図4は、磁気共鳴イメージング(MRI)装置100の非限定的な一例を示す。図4に示すMRI装置100は、架台101(模式的断面に示される)、およびそれとインタフェース接続された各種関連システム構成要素103を含む。少なくとも架台101は、通常、シールドルーム内に位置している。図4に表示されているMRIシステムのジオメトリは、実質的に同軸の円筒状配置の静磁場Bの磁石111と、Gx、Gy、およびGzの傾斜磁場コイルセット113と、大型の全身RFコイル(Whole-Body RF Coil:WBC)アッセンブリ115を含む。このコイル要素の円筒状アレイの水平軸に沿って、患者テーブル120に支持された患者119の頭部をほぼ包含するイメージングボリューム117がある。
1つまたは複数のより小型のアレイRFコイル121を、イメージングボリューム117内の患者の頭部(本明細書では、例えば、「被スキャンオブジェクト」または「オブジェクト」と呼ぶ)に、より密着して接続することが可能である。当業者が理解するように、全身用コイル(WBC)と比べて相対的に小さい、例えば表面コイルなどのコイルやアレイは、特定の身体部分(例えば、腕、肩、ひじ、手首、ひざ、脚、胸、脊椎など)に対してカスタマイズされることが多い。そのようなより小さいRFコイルを、本明細書では、アレイコイル(Array Coil:AC)またはフェーズドアレイコイル(Phased Array Coil:PAC)と呼ぶ。これらは、RF信号をイメージングボリュームに送信するように構成された少なくとも1つのコイル、およびイメージングボリューム内の、例えば、患者の頭部のようなオブジェクトからRF信号を受信するように構成された複数の受信コイルを含むことができる。
MRI装置100は、ディスプレイ124、キーボード126、およびプリンタ128と接続された入出力ポートを有するMRIシステムコントローラ130を含む。理解されるように、ディスプレイ124は、制御入力も提供するように、タッチスクリーンの類であってもよい。マウスまたはその他の入出力(Input/Output:I/O)デバイスも設けることができる。
MRIシステムコントローラ130は、MRIシーケンスコントローラ140とインタフェースをとり、MRIシーケンスコントローラ140は、Gx、Gy、およびGzの勾配磁場コイルドライバ132と、さらにRF送信部134および送受信スイッチ(T/R)136(同じRFコイルが送信と受信の両方に用いられる場合)を制御する。MRIシーケンスコントローラ140は、パラレルイメージングを含むMRIイメージング(核磁気共鳴(Nuclear Magnetic Resonance)、すなわちNMRイメージングとしても知られる)技術を実装するための適切なプログラムコード構造138を含む。
MRIシーケンスコントローラ140は、パラレルイメージングの有無にかかわらず、MRイメージング用に構成され得る。さらに、MRIシーケンスコントローラ140は、メインスキャン磁気共鳴(Magnetic Resonance:MR)画像(診断画像と呼ばれる)を取得するために、1つまたは複数の準備スキャン(プリスキャン)シーケンスおよびスキャンシーケンスを促進することができる。プリスキャンから得たMRデータを使用して、例えば、全身RFコイル115およびアレイRFコイル121のうち少なくとも一方の感度マップ(コイル感度マップまたは空間感度マップと呼ばれることもある)を決定し、パラレルイメージングの展開マップを決定することができる。MRIシーケンスコントローラ140は、シーケンス制御部の一例である。
MRIシステム構成要素103は、ディスプレイ124に送信される処理済み画像データを生成するために、MRIデータプロセッサ142に入力を提供するRF受信部141を含む。MRIデータプロセッサ142は、あらかじめ生成されたMRデータや、画像や、例えばコイル感度マップ、パラレル画像展開マップ、歪みマップなどのマップや、システム構成パラメータ(マップ/MRI画像メモリ等)146や、MRI画像再構成プログラムコード構造144およびプログラム記憶部150にアクセスするようにさらに構成される。
一実施形態では、MRIデータプロセッサ142は処理回路を含む。処理回路は、例えば、特定用途向け集積回路(Application-Specific Integrated Circuit:ASIC)、設定可能な論理デバイス(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)、およびフィールドプログラマブルゲートアレイ(Field Programmable Gate Array:FPGA)などのデバイス、および本開示に列挙された機能を実行するように配置されたその他の回路部品を含んでもよい。MRIデータプロセッサ140の処理回路は、後述する生成機能を備える。
MRIデータプロセッサ142は、プログラムコード構造144およびプログラム記憶部150に含まれる1つまたは複数の命令の1つまたは複数のシーケンスを実行する。
すなわち、生成機能にて行われる各処理機能は、コンピュータによって実行可能なプログラムの形態で画像再構成プログラム構造144やプログラム記憶部150へ記憶されている。MRIデータプロセッサ142はプログラムを画像再構成プログラム構造144やプログラム記憶部150から読み出し、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る。換言すると、各プログラムを読み出した状態のMRIデータプロセッサ142は、各プログラムに対応した機能を有することになる。なお、生成機能は、生成部の一例である。
別の例として、命令は、例えば、ハードディスクまたは取り外し可能なメディアドライブなどの別のコンピュータ可読媒体から読み取ることができる。多重処理構成における1つまたは複数のプロセッサを使用して、プログラムコード構造144およびプログラム記憶部150に含まれる命令のシーケンスを実行することもできる。別の実施形態では、ハードワイヤード回路をソフトウェア命令の代わりに、またはそれと組み合わせて使用することができる。このように、開示された実施形態はハードウェア回路とソフトウェアのいかなる特定の組み合わせにも限定されない。
また、本明細書で使用する用語「コンピュータ可読媒体」とは、実行するために命令をMRIデータプロセッサ142に提供することに関係する任意の非一時的な媒体を指す。コンピュータ可読媒体は、不揮発性媒体や揮発性媒体を含むが、これらに限定されない多くの形態を取ることができる。不揮発性媒体の例としては、光ディスク、磁気ディスク、および光磁気ディスク、あるいは取り外し可能なメディアドライブが挙げられる。揮発性媒体としては、ダイナミックメモリが挙げられる。
さらに、図4には、MRIシステムプログラム記憶部(メモリ)150が一般化されて示されており、そこでは、記憶されたプログラムコード構造は、MRI装置100の種々のデータ処理構成要素にアクセス可能な、非一時的なコンピュータ可読記憶媒体に記憶されている。当業者が理解するように、プログラム記憶部150は、セグメント化され、少なくともその一部は、システム103の処理コンピュータのうちの、通常の動作においてそのような記憶されたプログラムコード構造を最も早急に必要とする異なる処理コンピュータに、直接接続され得る(すなわち、共有的に記憶されて、MRIシステムコントローラ130に直接接続されるのではなく)。
さらに、図4に示したようなMRI装置100は、本明細書の以下に述べる例示的実施形態を実現するために利用し得る。システム構成要素は、異なる「ボックス」の論理的集合に分割することができ、通常、多数のデジタルシグナルプロセッサ(Digital Signal Processor:DSP)、マイクロプロセッサ、および特殊用途向け(例えば、高速A/D変換用、高速フーリエ変換用、アレイ処理用などの)処理回路を含む。それらのプロセッサの各々は、通常、各クロックサイクル(または、所定数のクロックサイクル)が発生するたびに、物理的データ処理回路がある物理的状態から他の物理的状態へ進む、クロックで動作する「ステートマシン」である。
さらに、処理回路(例えば、CPU、レジスタ、バッファ、演算装置など)の物理的状態が、動作経過中に、あるクロックサイクルから他のクロックサイクルにかけて漸進的に変化するだけでなく、関連するデータ記憶媒体(例えば、磁気記憶媒体中のビット格納個所)の物理的状態も、そのようなシステムの動作中に、ある状態から他の状態に転換される。
例えば、画像再構成処理や、時には、画像再構成マップ(例えば、コイル感度マップ、展開マップ、ゴースト発生マップ、歪みマップなど)の生成処理の終了時に、物理的記憶媒体内のコンピュータ可読なアクセス可能データ値格納場所の配列は、ある以前の状態(例えば、一様にすべて「0」値、またはすべて「1」値)から新しい状態に転換され、そのような配列の物理的場所における物理的状態は、最小値と最大値との間で変化して、実世界の物理的事象および物理的条件(例えば、イメージングボリューム空間にわたる患者の内部的物理構造)を表すであろう。当業者が理解するように、そのような記憶されたデータ値の配列は、命令レジスタに順次読み込まれ、MRI装置100の1つまたは複数のCPUによって実行されたとき、MRI装置100内で特定のシーケンスの動作状態を発生させ遷移させる特定構造のコンピュータ制御プログラムコードがするように、物理的構造を表し、かつ構成する。
MRI画像は、k空間内のそれぞれの対応する点に対して空間的に符号化された核磁気共鳴(NMR)RF応答信号(例えば、エコーデータ)取得することによって形成される。RF応答値は、通常、構成されたMRIパルスシーケンスに従って、二次元または三次元的にk空間を「横断する」ことによって生成される。エコーデータの周波数エンコード方向(リードアウト方向)の(例えば、x軸に沿った)取得は、通常、迅速であり、数ミリ秒のオーダーである。しかし、各点をサンプリングするためには、位相エンコード軸(例えば、y軸)に沿って適用された位相符号化勾配の異なる値が使用される。したがって、MRI画像の取得時間は、主として、位相符号化ステップ数によって決まる。
続いて、実施形態に係る背景について説明する。
MRIスキャン中の患者/被写体の動きによって、再構成された画像にアーチファクト(ぼけ、ゴースト発生、信号損失など)がもたらされる可能性があり、誤診を引き起こしたり、上記の動きによる誤差を軽減するためにスキャンを何回も行う必要が生じたりする。防ぐことができる動きもあるが、嚥下、呼吸、拍動流などの患者の不随意運動が発生して、結果得られる画像の質が低下する場合がある。これは、特に、機器の中に居続けることを嫌い、長時間息を止めることができない小児患者や高齢患者などではよくあることである。
MRIにおいては、データ取得は、画像空間上で直接サンプリングするのではなく、空間周波数空間上で被写体をサンプリングするパルスシーケンスを使用した後、サンプリングされたエコーにフーリエ変換を施して、画像ドメインに変換することで実行される。スキャンにおいて、画像の全体的な構造、動きの種類、MRパルスシーケンス設定、およびk空間収集の戦略を含む多数の要因によって、モーションアーチファクトが出現し得る。k空間の中心は、空間的に大きく広がり、滑らかに強度変化する物体と関係する低空間周波数情報を含んでおり、一方、k空間の周辺部は、エッジ、細部、および急激な変化に関連する高空間周波数情報を含んでいる。
大部分の生体サンプルは、k=0を中心とするk空間内の非常に局所的なスペクトル密度を示す。k空間のkx軸およびky軸は、2次元(Two-dimensional:2D)画像の水平(x)軸および垂直(y)軸に対応する。ただし、k軸は、xおよびy方向の、位置ではなく、空間周波数を表す。k空間内の被写体は大域的平面波で説明されるため、k空間内の各点は最終的画像上のすべてのピクセルの空間周波数および位相の情報を含んでいる。逆に、画像上の各ピクセルはk空間内の各点に関連付けられる。逆FFT(Inverse FFT:iFFT)を用いた単純な再構成では、k空間データがサンプリングされた期間中、被写体は静止していたと仮定される。
したがって、k空間内の単一サンプルの変化が画像全体に影響を及ぼすため、被写体の動きに起因する誤差は、最終的な再構成画像に著しい影響を及ぼす。画像再構成に要するデータを取得するためには、スキャン時間は数分に及ぶ可能性があるため、画像内の動きの検出および補正と共に、イメージング速度の向上も試みられてきた。
前述のように、EPI(Echo Planar Imaging)を利用して、50~100msの規模の短いタイムフレーム内に、シングルショットでk空間全体をサンプリングすることができる。EPIにおいて、k速度とも呼ばれる位相エンコード(Phase Encoding:PE)k空間速度は、Δky/ETSを通じて決定される。ただし、Δkyは連続する2本のPEライン間のk空間距離であり、ETSはエコー間隔(Echo Train Spacing)で、任意の2つの連続エコー間の時間である。Δkyを増加させるか、またはETSを減少させることによって、k速度を増加させることができる。
しかし、Δkyを大幅に増加させると、並列画像再構成後においても、顕著な残留折り返しアーチファクトが引き起こされる可能性がある。また、ETSを減少させると、傾斜磁場アンプと患者の末梢神経刺激に関する安全規格によって制限されているスルーレートの増加が引き起こされる。したがって、k速度を、特定の実用限界を超えて増加させることはできない。このk速度限界が、EPIの2つの主要な欠点である、画像の歪みと空間解像度の低さの原因である。歪み量はk速度に反比例するため、EPIにおけるk速度の低下は、著しい画像歪みを引き起こす。一方、スルーレートを一定とした場合、ETSを増加させることによってリードアウト(RO)方向の解像度を向上させ得るが、それによって、k速度が低下し、歪みが増す結果となり得る。
逆に、ETSを一定とした場合、スルーレートを増加させて解像度を向上させ得るが、勾配ハードウェアおよび患者安全上の制限によって、ある程度までしか向上させることができない。
そこで、リードアウト方向の解像度を向上させ、歪を小さくするために、スキャン時間は増加するものの、リードアウトセグメント化EPI(Readout Segmented EPI,RSEPI)を利用することができる。所定のショット数以内、例えば、3~7ショット以内でk空間サンプリングを分割させて、所定数のk空間セグメント、例えば、3~7セグメントをサンプリングすることができる。各ショットは、リードアウト(kx)方向の限られたk空間の横断量を有し得るが、位相エンコード(ky)方向に沿って、全解像度を有し得る。kxの範囲は、より多くのリードアウト方向のセグメントを取得することによって増加させ得るため、ETSやスルーレートを変えなくても、リードアウト方向の画像解像度が向上する。セグメントさらに追加しても、k速度は変わらないため、リードアウト方向の画像解像度とは無関係に、歪みは同一に保たれる。狭いセグメント、例えば、32~64RO点を有するセグメントを用いることによって、300~400μsの短いETSを達成することができる。これによってk速度が向上し、その結果、位相エンコード方向の歪みが減少する。
ここで図面を参照すると、いくつかの図を通して同様の参照番号は同一または対応する部分を示しており、図1Aは、1つのイメージングセグメントをナビゲータセグメントと共に取得して、各イメージングセグメント間の動きによる位相差を補正することによって、モーションアーチファクトを低減するために適用されるパルスシーケンスの非限定的な一例を示す。すなわち、MRIシーケンスコントローラ140は、第1の収集であるイメージングセグメントの収集を行って第1のk空間データを収集と、第1の収集に対応する第2の収集であるナビゲータセグメントの収集を行って第2のk空間データを収集する。
セグメント間の動きは、著しいアーチファクトをもたらす可能性がある。例えば、動きに起因するリードアウトセグメント間の位相ずれは、ぼけやゴースト発生などの画像アーチファクトの原因となり得る。
したがって、各イメージングセグメントに、それぞれ、ナビゲータセグメントを付随させて、各ナビゲータセグメントを比較することによって、イメージングセグメント間の位相差を測定し、補正できるようにすることができる。例えば、各イメージングセグメントはk空間内の異なる領域をサンプリングし得るが、ナビゲータセグメントの各々をk空間中心で取得することができ、直接比較および(例えば、動きによる位相差の)時間的変化の監視が可能になる。すなわち、頭部やその他の撮像された身体部位の非剛体運動に起因する、ショットに依存する非線形位相差を明らかにするために、k空間中心において、ナビゲータセグメントを繰り返し取得することができる。
本明細書で説明されたように、すべてのイメージングセグメントの各々に対して、対応するナビゲータセグメントを取得して、連携して位相を補正することができ、最終的な画像再構成に利用し得る1組のk空間データを形成するために、すべての取得を通じたイメージングセグメントの平均化をすることができる。
図1Aは、上段に励起および再収束高周波パルス、下段に読み出された勾配波形(Gx)を図示したRSEPIパルスシーケンス図を示す。単純化のために、位相エンコード勾配ブリップおよびスライス方向勾配波形は図示されていない。RFパルスシーケンスは、励起パルスから始まり、2つ以上の再収束パルスがそれに続く。最初の再収束パルスは主画像に対するスピンエコー信号を生成し、2番目の再収束パルスはナビゲータ部分のスピンエコー信号を生成し、両方の信号は、受信RFコイルによって測定される。
図1Bは、均一なk空間平均化を用いて、様々な取得セット内で取得されたショットの非限定的な一例を示す。k空間グリッドは、所定数のセグメント205(1,a-e)、例えば、(図示のように)5セグメントに分割される。第1取得セット内の5つのショットは、5つのセグメント205(1,a-e)を通して、k空間グリッドの全体をサンプリングすることができる。第2取得セット内においては、5つのショットは、第1取得セット内に取得された位置と同位置(すなわち、セグメント205(1,a-e))における5つのセグメント205(2,a-e)を通して、k空間グリッドを再度サンプリングするように取得され得る。
すなわち、MRIシーケンスコントローラ140は、複数のk空間領域に分けてイメージングセグメントの収集である複数の第1の収集を行って第1のk空間データを収集する。一例として、MRIシーケンスコントローラ140は、k空間領域を5つのセグメント205(1、a-e)に分割して、第1の取得セットを実行し、k空間領域を5つのセグメント205(2,a-e)に分割して、第2の取得セットを実行する。MRIシーケンスコントローラ140は、第1の取得セット及び第2の取得セットの実行により、イメージングセグメントの収集である複数の第1の収集を実行する。
また、同様に、MRIシーケンスコントローラ140は、複数の第1の収集それぞれに対応する、ナビゲートセグメントの収集である複数の第2の収集を行って複数の第2のk空間データを収集する。
非限定的な一例において、各取得セット内のセグメント205(1,a-e)およびセグメント205(2,a-e)は、例えば、逆フーリエ変換によって、画像ドメインに変換されて、画像を形成するように再構成され、画像ドメイン内で平均化され得る。すなわち、第1取得セットのセグメント205(1,a-e)を再構成して第1画像を作成することができ、それとは独立に、第2取得セットのセグメント205(2,a-e)を再構成して第2画像を作成することができる。
その後、第1画像と第2画像を平均化して、平均化画像を作成することができる。特に、任意の取得セットのすべてのセグメント205は、その取得セット内のナビゲータセグメントのうちの1つのエラーが所定の品質しきい値を超えた場合、不採用となり得る。例えば、第1取得セット内の中央セグメント205(1,c)のナビゲータセグメントが所定の品質しきい値を超えたと判定された場合、5つのセグメント205(1,a-e)は不採用となって、第1画像の再構成に使用されない可能性がある。したがって、第2画像は第1画像と平均化されず、信号対雑音比(Signal-to-Noise Ratio:SNR)が低下する可能性がある。
図2Aは、本開示の例示的な実施形態に従って、RSEPIを用いてMRIデータを取得するための技術を示す。前述のように、2つのスピンエコーを用いて、イメージングセグメントおよびナビゲータセグメントとも呼ばれる、イメージングおよびナビゲータデータを、k空間グリッドにわたって、取得することができる。
ここで、ナビゲータセグメントは、各イメージングセグメントと共に、ショットに依存する非線形位相差を明らかにするために、k空間グリッドの中央セグメント205で繰り返し取得してもよい。第1エコーを、イメージングセグメントを生成するために使用し、第2エコーを、ナビゲータセグメントを生成するために使用することもできる。一実施形態では、k空間グリッドは、所定数のセグメント205、例えば、(左側のk空間グリッド内に示すように)5セグメントに分割される。
RSEPIによるk空間グリッド全体のスキャンでは、所定数のショット、例えば、5つのショットが用いられ、各ショットでは、5つのセグメント205のうち1つがサンプリングされる。続くセグメント205をサンプリングするために、各ショットは、可変振幅プリフェージングパルスによってkx方向に沿ってオフセットされる。kx方向に関して中央のセグメント205をショットごとにサンプリングするナビゲータセグメントを生成するために、第2エコーが使用される。
各ショットは、k空間グリッドを部分的にkx方向に横断してもよいが、各ショットは、ky方向には完全に横断する。動きおよび大きな拡散エンコード勾配の存在期間中の渦電流によって引き起こされる、イメージングセグメントの位相誤差によって、k空間がkxおよびky方向にずれる可能性があり、それによって、最終的に組み合わされたk空間内の隣接セグメント205間にすき間が生じる可能性がある。安全マージンを含めるために、隣接セグメント205を部分的に重ね合わせることによって、スキャン時間や分解能と引き換えに、動きに対するロバスト性を高めてもよい。
シングルショットEPIを使っても、DWIおよびfMRIには数分間かかる可能性がある。RSEPIは、さらにスキャン時間を増大させる可能性がある。ここで、スキャン時間は、シングルショットEPIのスキャン時間とセグメント205の数との線形積である。例えば、5つのセグメント205を取得する場合、スキャン時間は、SSEPIと比べて5倍に増加する可能性がある。
さらに、取得セット内の全ショットの平均を取ると、スキャンする取得セットを追加した場合と同様に、スキャン時間が増加する可能性がある。例えば、図1Bに示すように、5つのショットを追加して、5つのセグメント205を再度取得してもよく、その5つのショットを平均化してもよいが、そうすると、SSEPIを用いた1つの取得セットと比べて、スキャン時間は10倍に増加することになる。与えられた撮像中の被写体に対して、主要な(そして、臨床的に最も有意な)特徴は、低周波成分中に表されている可能性がある。
したがって、k空間の全領域を均一にサンプリングするのではなく、k空間の高周波領域と比べて、k空間の低周波領域で、より多くのサンプル(すなわち、セグメント)を取得することによって、より良い画質と性能が達成される可能性がある。すなわち、k空間グリッドの周辺セグメント205(1,a)および205(1,e)(高周波)をサンプリングするショットは、中心部のセグメント205(1, c)と比較して、取得している情報が少なくなっている可能性がある。
したがって、不均一なk空間サンプリング法によれば、スキャン時間の増加を制限しながら画質を向上させるために、追加的な取得セット内の追加的に取得されるショットの所定位置を選択することができる。
図2Aに示す一実施形態では、(左側のk空間グリッド内に示すように)第1取得セット内の5つのショットによって、5つのセグメント205(1,a-e)を通して、k空間グリッドの全体をサンプリングすることができる。第2取得セット内では、k空間グリッドを部分的にサンプリングするために、5つ未満のショットを取得することができる。例えば、(中央のk空間グリッド内に示すように)k空間グリッド内の中央に配置された3つのセグメント205(2,a-c)をさらにサンプリングするために、3つのショットを取得することができる。第3取得セット内では、k空間グリッドを部分的にサンプリングするために、5つ未満のショットを取得することができる。例えば、(右側のk空間グリッド内に示すように)実質的に中央にある単一のセグメント205(3,a)をサンプリングするために、1つのショットを取得することができる。
図2Bは、本開示の例示的な実施形態に従って、RSEPIによる不均一なk空間平均化を用いて、様々な取得セット内で取得されたショットの概略図を示す。垂直軸は、k空間グリッド全体のセグメント205に対して取得された平均化加算回数(number of averaging acquisitions:NAQ)を表すことができ、水平軸は、与えられたイメージングセグメント205によってサンプリングされたk空間グリッド内のkxの範囲を表すことができる。
上記の例で説明したように、k空間グリッドの周辺上のセグメント205(1,a)および205(1,e)のNAQは、それぞれ1であることができ、左右の最内側から2番目のセグメント205(1,b)、205(2,a)および205(1,d)、205(2,c)のNAQは、それぞれ2であることができ、最中央のセグメント205(1,c)、205(2,b)、205(3,a)のNAQは3であることができる。したがって、このk空間グリッドサンプリングの不均一なサンプリングパターンにおいて、高空間周波数内容を表すk空間グリッド周辺部は、より低い空間周波数内容に対応するk空間領域と比べて、サンプル数が少ない。すなわち、低空間周波数内容を表すk空間グリッド中央部は、周辺部よりも高い頻度でサンプリングされる。
NAQの総数が一定数に制限される(例えば、MRIスキャンが時間的に制約される)シナリオにおいて、k空間全体にわたって均一に(すなわち、各取得セット内のk空間グリッドにわたって5つのセグメントを均等に)サンプリングすることが、情報量のより少ないk空間周辺部をサンプリングするためにより多くの時間とリソースを当てることになるのに対して、不均一なサンプリングパターンは、中央部の低空間周波数内容をより多く対象とするという点で、有利でありうる。総スキャン時間が制限されるシナリオにおいて、中央のセグメント205(1,c)、205(2,b)、205(3,a)のショットをより多く取得するために、k空間グリッドの周辺上のセグメント205(1,a)および205(1,e)をサンプリングする可能性のあるショットをスキップするという点で、不均一なサンプリングパターンは有利でありうる。
なお、他の不均一なサンプリングパターンでの適用も可能である。一般に、k空間グリッドは、k空間グリッドをカバーするN個のセグメント205を含むことができ、N個のセグメント205は、M回の取得でサンプリングすることができる。ただし、M≧Nである。すなわち、第1の収集の個数Mは、収集が行われる複数のk空間領域の個数Nを下回らない。
k空間グリッドは、複数の部分Pに分割することができ、各部分は、1つまたは複数のセグメント205を含むことができる。例えば、図2Aおよび図2Bに示すように、k空間グリッドは5つの部分に分割することができ、各部分は、1つセグメント205を含む。もう1つの非限定的な例では、k空間グリッドは3つの部分に分割することができ、そのうち最も左側と最も右側の(周辺)セグメント205はそれぞれの部分を含み、中央の3つのセグメント205はもう1つの単一部分を含む。
この非限定的な例では、中央の3つのセグメント205を含む中央部分は、さらに多くの低空間周波数の内容を含むことができ、中央部分でより多くの取得をすることが望ましいかもしれない。すなわち、MRIシーケンスコントローラ140は、k空間の中央領域で、k空間の中央領域以外の領域と比較して、多い回数の第1の収集を行う。このように、いくつかの部分Pに関して、複数回収集を行ってもよい。ただし、P≦Nである。
各ショット間の変動(例えば、動き)のために、RSEPIを用いて取得された各ショットは、画像ドメインでの平均化を用いる他のEPIに基づく方法と比べて、k空間内で平均化する前に、補正(例えば、動きによる位相の補正)を必要とする可能性がある。
図3は、本開示の例示的な実施形態に係る、連携したナビゲータセグメント補正とk空間内イメージングセグメントの平均化のためのフローチャートを示す。実施形態では、イメージングセグメントは、k空間内で平均化することができる。
ステップS301で、イメージングセグメントを、対応するナビゲータセグメントと共に含む、MRIデータを取得することができる。すなわち、MRIシーケンスコントローラ140は、複数のk空間領域にわけて、イメージングセグメントの収集である複数の第1の収集を行って複数の第1のk空間データを収集し、複数の第1の収集それぞれに対応する、ナビゲータセグメントの収集である複数の第2の収集を行って複数の第2のk空間データを収集する。
ステップS303で、イメージングセグメントの第1補正、例えば、ゴースト補正を施すことができる。このステップの後、各イメージングセグメント取得と共に取得されたナビゲータセグメントを使用して、各取得セット内のイメージングセグメントの各々の位相差を補正することができる。
しかし、それぞれの取得セット内で取得されたナビゲータセグメントが独立に補正され、全取得セットを通した基準に対して補正されていない場合、イメージングセグメントの補正を、複数の取得セットを通してすることはできない可能性がある。
全取得セットが取得された後、ステップS305で、取得されたすべてのナビゲータセグメントから、基準ナビゲータセグメントを選択することができる。すなわち、MRIデータプロセッサ142は、生成機能により、複数の第2のk空間データのうち1つのk空間データを、基準ナビゲータセグメントの収集に係るk空間データとして選択する。次に、ナビゲータセグメントを、基準ナビゲータセグメントに対して補正することができる。
ステップS309で、基準ナビゲータと、各イメージングセグメントに対応するナビゲータの間の相違に基づいて、イメージングセグメントに対するそれぞれの位相マップが生成される。
例えば、ナビゲータセグメントと基準ナビゲータセグメントを逆フーリエ変換して、ナビゲータセグメント画像と基準ナビゲータセグメント画像を生成することができる。ナビゲータセグメント画像の各々を、基準ナビゲータセグメント画像の共役画像と乗算して、位相マップ、例えば、サンプリングされた2次元(2D)のk空間グリッドに対する2D位相マップを生成することができる。このように、MRIデータプロセッサ142は、生成機能により、複数の第2のk空間データのうち一つのk空間データと、複数の第2のk空間データとに基づいて、位相マップを生成する。当該位相マップは、当該複数の第2のk空間データのうち1つのk空間データに対して逆フーリエ変換を行うことにより得られた画像である基準ナビゲータセグメント画像と共役な画像と、第2のk空間データに対して逆フーリエ変換を行うことにより得られた画像との積の位相に対応するデータである。
ステップS311で、例えば、平滑化などの、任意選択的後処理を位相マップに施すことができる。
ステップS313で、イメージングセグメントを逆フーリエ変換して、イメージングセグメント画像を生成することができる。
ステップS315で、位相補正が必要かどうかを判定する。例えば、動きが発生しておらず、位相マップは位相補正がゼロであることを表している場合、位相補正は不要である。この場合、方法300は、ステップS317をスキップして、ステップS325に直接進む。一方、位相補正が必要である場合、ステップS317で、イメージングセグメントを、ステップS309で生成された位相マップと乗算することができる。すなわち、MRIデータプロセッサ142は、生成機能により、複数の第1のk空間データと位相マップとに基づいて、複数の第3のk空間データを生成する。一例として、MRIデータプロセッサ142は、生成機能により、第1のk空間データと位相マップとの積を取ることにより、第3のk空間データを生成する。
位相補正の要否の判定は、イメージングセグメントごとに行っていくことができる。例えば、ユーザが身体部位の大きな動きを示す場合、動きによる誤差を補正する上で、位相補正では不十分である可能性がある。その場合、位相補正後のイメージングセグメントの各々に対して、使用可能性しきい値を定めることができる。イメージングセグメントが使用可能性しきい値を満足しない場合、そのイメージングセグメントは不採用となり得る。すなわち、MRIデータプロセッサ142は、生成機能により、複数の第1のk空間データのうち1以上のk空間データを再構成の対象から除外して、磁気共鳴画像を生成する。
ステップS325で、使用可能性しきい値を満足するイメージングセグメントは、k空間ドメインで平均化される。例えば、位相補正を必要としなかったイメージングセグメント、およびステップS317で位相補正されたイメージングセグメントを、k空間にフーリエ変換して、補正されたイメージングセグメントを生成することができる。
次に、これらの補正されたイメージングセグメントを、k空間ドメインで平均化して、平均化されたイメージングセグメントを生成することができる。平均化されたイメージングセグメントを、k空間内の共通グリッド上にマッピング(例えば、補間)することができる。すなわち、MRIデータプロセッサ142は、生成機能により、複数の第3のk空間データに対して平均処理を行って第4のk空間データを生成する。
ステップS329で、平均化されたイメージングセグメントを逆フーリエ変換して、MRI画像を生成することができる。MRI画像を生成するために、1つまたは複数のMRI装置100は、スキャンデータに対して再構成処理を実行することができる。すなわち、MRIデータプロセッサ142は、生成機能により、第4のk空間データを逆フーリエ変換して磁気共鳴画像を生成する。
特に、連携したナビゲータセグメント補正によって、前述の方法では、画像ドメイン内での平均化とは対照的に、k空間ドメイン内での平均化を実行することができる。すると、このk空間ドメイン内での平均化によって、k空間内のイメージングセグメントの不均一な分布が可能となるため、画質に対してより大きな影響を及ぼすと考えられるk空間の領域で、より多くのサンプルが得られる。
一方、画像ドメイン内で平均化するには、一般に、k空間内のイメージングセグメントが均一に分布している必要があるが、それは、画像ドメイン内で平均化される各々のユニークな画像は、通常、k空間ドメイン中に広がっているイメージングセグメントのユニークなセットから生成されるからである。
さらに、すべての取得セットは共通の基準ナビゲータセグメントを通じて補正されるため、上述の連携したナビゲータセグメント補正法によって、k空間内のイメージングセグメントの不均一な分布が可能となる。加えて、ほとんどのMR信号はk空間グリッドの中心付近に集中しているため、総スキャン時間を維持または短縮しながら、不均一なサンプリングパターンの信号対雑音比(SNR)を、均一なサンプリングパターンのSNRに極めて近くすることができる。
一実施形態では、連携したナビゲータ補正を伴う不均一なサンプリングパターンによって、スキャン時間を維持しながら、スキャンされたデータの選択的な不採用が可能になる。バルクモーションまたは大きな拍動性の動きがある場合、イメージングセグメントおよび対応するナビゲータセグメントは、著しい信号損失を被り、使用不能になる可能性がある。一方法においては、取得セットから得られたナビゲータセグメントを、スキャン中にインラインで再構成および解析して、取得セット内の各ナビゲータセグメントの誤差が所定の品質しきい値を超えるかどうかを判定することができる。
例えば、ナビゲータセグメントの位相またはk空間のエントロピーを通じて、所定の品質しきい値を定めることができる。取得されたMRIデータが使用不能と判定されると、ユーザは、再度、取得セット全体を繰り返し取得することができる。それには、所定のフィードバックメカニズムが必要になる可能性がある。それによって、取得スキャンを繰り返し実行する必要があれば、スキャン時間が増大する可能性もある。フィードバックメカニズムのない他の方法においては、ユーザは、k空間グリッドの均一なk空間サンプリングによって取得すべき取得セットの所定数を規定することができる。ナビゲータセグメントを、対応するイメージングセグメントと共に取得して、スキャン終了後に比較することができる。この方法では、取得されたMRIデータが使用不能と判定されると、取得セット全体が不採用となる可能性がある。
例えば、(図1Bに示すように)5つのセグメント205を含むk空間グリッドを均一にサンプリングする2つの取得セットを取得することができ、各々のセグメント205のNAQが2である、総計10個のセグメントが得られる。2つの取得セットのうちの1つの中のイメージングセグメントの1つ、例えば、第1取得セット内の中央のセグメント205(1,c)が、対応するナビゲータセグメントの比較を通じて、破損した使用不能データを含むと判定されると、5つのセグメント205(1,a-e)のすべてのデータが不採用となり、平均化と最終的画像再構成から除外され、SNRが減少する結果となる可能性がある。
本開示の連携したナビゲータセグメント補正を伴う不均一なk空間サンプリングパターンを用いて、図2Aおよび図2Bのサンプリングパターン例を考えることができる。そこでは、k空間グリッドの周辺上のセグメント205(1,a)および205(1,e)のNAQは、それぞれ1であることができ、左右の最内側から2番目のセグメント205(1,b)、205(2,a)および205(1,d)、205(2,c)のNAQは、それぞれ2であることができ、最中央のセグメント205(1,c)、205(2,b)、205(3,a)のNAQは3であることができる。前述のように、各イメージングセグメントに対応するナビゲータセグメントを、選択された基準ナビゲータセグメントに対して補正することができるため、全イメージングセグメントを通した平均化が可能となる。
イメージングセグメントの1つに対するナビゲータセグメントが所定の誤差しきい値を超えたと判定されると、各取得セット内の全データを不採用とすることなく、その特定のセグメント205からのデータを不採用とすることができる、例えば、図2Bにおいて、第2取得セット内の中央のセグメント205(2,b)が破損し、不採用となる可能性がある。それでも、有利なことに、第2取得セット内の他の2つのセグメント205(2,a)および205(2,c)は、他のすべてのセグメント205と共に、平均化と最終的画像再構成に使用可能である。
特に、この特定例で述べたように、連携していないナビゲータセグメント補正を伴う均一なk空間サンプリング(図1B)では、10個の取得されたセグメント205のうち5つのセグメント205(1,a-e)が不採用となり、一方、開示される、連携したナビゲータセグメント補正を伴う不均一なk空間サンプリング法では、有利なことに、9個の取得されたセグメント205のうちただ1つのセグメント205(2,b)だけが不採用となり、総スキャン時間は同等またはより短くなる。これによって、不均一なk空間サンプリングパターンのインテリジェントな設計をすることにより、k空間の平均化によるさらなる高画質と、フィードバックメカニズムを要しないデータ棄却を同時にもたらすことができる。
前述のように、実際面では、特に傾斜面上でサンプリングされるデータ点に関して、k空間における不連続性を回避するために、セグメント205をわずかに重ね合わせることができる。ただし、セグメント205を重ね合わせても、勾配の較正の誤差によって、k空間の不連続性が発生する可能性があるが、重なり率をさらに上げることによって軽減することができる。重なり率を上げると、k空間グリッドをカバーするために必要なセグメント205の数が増加することによって、スキャン時間が増加する。
図2Cは、本開示の例示的な実施形態に従って、k空間取得セットがオフセットされたRSEPIを用いたMRIデータの取得を示し、図2Dは、本開示の例示的な実施形態に従って、k空間取得セットがオフセットされたRSEPIによる不均一なk空間平均化を用いて、様々な取得セット内で取得されたショットを示す。
一実施形態では、開示された方法によって、隣接するセグメント205の部分的重なりが減少または除去されるため、スキャン時間が短縮され得る。一方、連続する取得セットにおいて取得されたセグメント205は、kx方向にずれて、以前に隣接してサンプリングされたいずれか2つのイメージングセグメントに、セグメント205が重なる可能性がある。すべてのナビゲータセグメントを連携して補正することができるため、セグメント205をk空間内で直接平均化して、k空間の不連続性を軽減することができる。
図2Dにおいて、第2取得セット内のセグメント205(2,a-d)の各々が、第1取得セット内の隣接してサンプリングされた2つのセグメント205と実質的に重なり合っていることに留意されたい。すなわち、MRIシーケンスコントローラ140は、生成機能により、複数の第1の収集における一の収集を、複数の第1の収集における他の収集が行われるk空間の領域の境界を含んで行う。例えば図2A、図2B、図2C、および図2Dで説明したような、前述の例は、2Dのk空間グリッドをサンプリングするものとして示されていることを当業者は理解するであろう。
RSEPIは、適用された勾配の精密で高精度な制御を利用することができる。精密なkxサンプリングの達成に必要な勾配制御に関する潜在的な二次的コストがありうる。すなわち、過電流がkx軌道を歪める可能性があり、したがって、kxサンプルが目標位置でサンプリングされない恐れがある。これによって、例えば、リンギングアーチファクトがもたらされる恐れがある。そこで、有利なように、同じkx点を、複数の異なった重なるセグメント205でサンプリングすれば、いずれか1つのセグメント205によってもたらされたkx軌道の誤差をならすことができる。
以上説明した少なくとも1つの実施形態によれば、画質を向上することができる。
いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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、実施形態同士の組み合わせ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。
530 MRIシステムコントローラ
540 MRIシーケンスコントローラ
542 MRIデータプロセッサ

Claims (8)

  1. 複数のk空間領域に分けて複数の第1の収集を行って複数の第1のk空間データを収集し、前記複数の第1の収集それぞれに対応する複数の第2の収集を行って複数の第2のk空間データを収集するシーケンス制御部と、
    前記複数の第2のk空間データのうち一つのk空間データと、前記複数の第2のk空間データとに基づいて、位相マップを生成し、
    前記複数の第1のk空間データと前記位相マップとに基づいて、複数の第3のk空間データを生成し、
    前記複数の第3のk空間データに対して平均処理を行って第4のk空間データを生成し、
    前記第4のk空間データに基づいて磁気共鳴画像を生成する生成部と
    を備え
    前記位相マップは、前記一つのk空間データより得られたデータと共役な画像と、前記第2のk空間データより得られた画像との積の位相に対応するデータである、磁気共鳴イメージング装置。
  2. 前記第1の収集の個数は、前記複数のk空間領域の個数を下回らない、請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置。
  3. 前記シーケンス制御部は、k空間の中央領域で、前記中央領域以外の領域と比較して、多い回数の前記第1の収集を行う、請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置。
  4. 前記生成部は、前記複数の第1のk空間データのうち1以上のk空間データを再構成の対象から除外して、前記磁気共鳴画像を生成する、請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置。
  5. 前記生成部は、前記第4のk空間データを逆フーリエ変換して前記磁気共鳴画像を生成する、請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置。
  6. 前記生成部は、前記第1のk空間データと前記位相マップとの積を取ることにより、前記第3のk空間データを生成する、請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置。
  7. 前記生成部は、前記複数の第1の収集における一の収集を、前記複数の第1の収集における他の収集が行われるk空間の領域の境界を含んで行う、請求項1に記載の磁気共鳴イメージング装置。
  8. 磁気共鳴イメージング装置による磁気共鳴イメージング方法であって、
    シーケンス制御部により、複数のk空間領域に分けて複数の第1の収集を行って複数の第1のk空間データを収集し、前記複数の第1の収集それぞれに対応する複数の第2の収集を行って複数の第2のk空間データを収集し、
    生成部により、前記複数の第2のk空間データのうち一つのk空間データと、前記複数の第2のk空間データとに基づいて、位相マップを生成し、前記複数の第1のk空間データと前記位相マップとに基づいて、複数の第3のk空間データを生成し、前記複数の第3のk空間データに対して平均処理を行って第4のk空間データを生成し、前記第4のk空間データに基づいて磁気共鳴画像を生成し、
    前記位相マップは、前記一つのk空間データより得られたデータと共役な画像と、前記第2のk空間データより得られた画像との積の位相に対応するデータである、磁気共鳴イメージング方法。
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