JPH0763458B2 - Nmrデータの集約方法及び装置 - Google Patents

Nmrデータの集約方法及び装置

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JPH0763458B2
JPH0763458B2 JP62264028A JP26402887A JPH0763458B2 JP H0763458 B2 JPH0763458 B2 JP H0763458B2 JP 62264028 A JP62264028 A JP 62264028A JP 26402887 A JP26402887 A JP 26402887A JP H0763458 B2 JPH0763458 B2 JP H0763458B2
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    • A61B5/055Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves  involving electronic [EMR] or nuclear [NMR] magnetic resonance, e.g. magnetic resonance imaging
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Description

【発明の詳細な説明】 背景技術 (技術分野) 本発明は一般的に核磁気共振(nuclear magnetic reson
ance;NMRと略称)トモグラフイに関するものであり、と
くに心臓位相・呼吸位相面内のNMR k−スペース測定値
の時間遡及クラスタリング(集約化)及び分析に関する
ものである。本プロセスを行う装置(システム)及び方
法により、心臓血管の運動及び呼気運動の映像内のアー
チファクト(誤差陰影)を減少でき、映像を用いるかま
たは用いずして心臓構造及び機能の量子化特性判断がで
きる。
(背景技術) NMR分光分析(スペクトロスコピイ)、すなわち均一磁
界内の小サンプルの分析プロセス及び正確なパルス化無
線周波数励振による無線周波データを得る技術はブロッ
ク及びパーセル(Block及びPurcell)によって発明され
た。過去16年間にわたる研究中に、分光分析(スペクト
ロスコピイ)によるNMR分析は、物理化学の領域より生
化学(バイオロジカルケミストリー)及びバイオロジカ
ル医学応用分野、すなわち健康組織と病的組織を生化学
的にサンプルする領域に移行してきた。ローテルバール
(Lauterbur)及びダマディアン(Damadian)及び他の
人がそれぞれ別個にNMR原理を用いて映像を形成するこ
とを発明している。
“参考文献” アール・ダマデイアン(R.Damadian)サイエンス171,11
51,1971; ピー・シー・ローテルバール(P.C.Lauterbur)ネーチ
ュア242,190,1973; ピー・シー・ローテルバール ピュア・アンド・アプライド・ケミストリー40,149,197
4 これらによって得られた装置、すなわちNMR映像システ
ムは二次元及び三次元データを生じ、その内に表される
グレースケールは複数のパラメータによる機能を表わ
す。これらのパラメータとは、例えば、とくに解剖学的
映像内の3つのパラメータ、すなわち核密度(ニューク
ライド密度)と、T1で表される縦方向リラクセーション
時間と、T2で表わされる横方向リラクセーション時間を
含むものである。
NMR映像技術は例えば“プロトンNMRトモグラフィ”ピー
・アール・ローヘル(P.R.Locher)著フィリップス・テ
クニカル・レビューVol.41.1983/84 No.3,73−88頁に開
示され発表されており、その内容を本明細書中NMR映像
技術の背景技術とする。
生物組織のNMR生態(vivo)映像では生物組織の移動に
よって、かなりの難しさがある。とくに心臓のNMR映像
は、心臓の鼓動によりとくに一層の困難さを生ずる。心
臓のNMR映像内のぼけ(blurring)と移動によるアーチ
ファクト(artifacts;誤差陰影)をなくすため、測定を
患者のE.C.G.に同期させることが知られている。これは
例えば次の如き発表がある。
ホッセル(Fossel)他米国特許(U.S.P)4,409,550 ホッセル(Fossel)他米国特許(U.S.P)4,413,233 核磁気共振(NMR)映像の非移動的特性と、骨格構造に
よる妨害の無いことより、この映像再現方法は心臓の映
像化に極めて好ましい技術である。しかし比較的に長い
走査時間を必要とすることから動きによるアーチファク
トが生ずる。心臓の鼓動サイクルに映像のシーケンスを
同期させることにより、このようなアーチファクトを大
幅に減少させ得る。
NMR法では、心臓の鼓動サイクルの任意の位相(フェー
ス)を映像化することが可能であるため、収縮期末より
拡張期末までの量的測定を可能にする。さらにある映像
のループにおける連続する位相の映像を表示することに
よって動作を評価することも可能である。心臓と大動脈
の解剖学的状況を表示するのに、非トリガまたは電気カ
ージオグラム(ECG)トリガの両者によりNMR映像を使用
すること、及びその利点は良く知られている。この技術
において、心臓内の解剖上の細部が示される他、NMR心
臓映像法は、梗塞の検出と寸法(大きさ)測定には重要
な、組織の特性検査を可能にする。速度(ベロシティ)
映像を用いて、心臓壁の運動及び血流速度がNMR映像法
によって量子化される。
二次元フーリエ変換(2DFT)映像法を用いると、複合2D
FTによる時系列信号よりNMR映像を再構成(リコンスト
ラクション)できる。128×128画素(ピクセル)の映像
マトリックスに対し、128の連続映像シーケンスの信号
が得られる。心臓の映像化には、患者のECGのR波によ
り導出したパルスによってこれらの各シーケンスをトリ
ガする。このパルスの遅延時間により心臓鼓動サイクル
内の映像化位相が定まる。各シーケンスは、一連の無線
周波数(RF)及び磁界グレーデイエント(傾斜)パルス
によりそれぞれ形成され、信号の識別と信号内の空間情
報を提供する。RF励振パルス(90゜パルス)の後に供給
されるグレーデイエント磁界は、異なる周波数で励振ス
ライスのプレセス(歳差運動前進)内の異なる位置のス
ピンを与える。このようなスピンは共振周波数位相に対
し位相外れを開始させる。所定の位置に対して生ずる位
相外れは、グラデイエントの振幅とグレーデイエントの
加わっている時間に比例する。さらにこれに加えて、固
定スピンと移動スピンの間に位相シフトの差が存する。
グレーデイエントの方向内に均一に移動するスピンに対
し、グレーデイエント方向の速度に正比例する特別項が
加算される。
(発明の目的) 本発明は、従来より心臓トリガリング(カーデイアック
トリガリング)及び呼吸ゲーティング(レスピラトリー
ゲーティング)に一般に使用されている心臓/呼吸モニ
タ装置よりのNMRデータを相関させる改良した方法とシ
ステムを得ることを目的とする。
(従来技術) 従来もこの問題を解決するため多くの試みがなされてき
ていた。ECG R・波形の後に一定の遅延を設けてNMRデー
タ収集を開始すると異常なR−R間隔を排除できる。典
型的な既知の回路では、R・ピークの後にある一定の固
定した遅延を設けて各データ収集を開始させる。多スラ
イスによる研究では、データ収集は次のR・ピークに接
近して継続される。心臓が正常に規則正しく鼓動してい
る場合には、各測定瞬時は心臓サイクル内の同じ位相に
位置する。
しかしながら、不整脈が存する場合には、いくつかのデ
ータ収集に対し心臓位置のずれが生じ、これによってぼ
けと移動によるアーチファクトが生ずる。またこのよう
な不整脈は反復時間TRに変化を生じる結果をもたらし易
く、このためT1測定の正確度の低下と雑音レベルの増加
を由来し、また一次映像の全体的映像品質を低下させ
る。これについては次の発表がある。
シー・ガロナド デー・ジェー・ドロスト エス・エス・プラトー ジー・ワイゼンバーク SMRM Vol.2,1985. 核医療分野においては、不整脈中、およびその直後にお
いて、収集されたデータを排除(リジエクト)すること
により映像品質と正確さとが改善されることが良く知ら
れている。しかしながらこれ迄においては、このような
方法のデータ収集を簡単かつ効果的に行うことは困難で
あった。
呼吸サイクルのタイミングを用いたNMR k・スペースサ
ンプリングも既に利用されている。しかしながらこれら
では、異常な生理学的サイクルを排除(デイスカード)
したり、生理学的サイクルに連係したk・スペースサン
プルを行うと、実際上の異常性を見落とすこととなり、
NMR走査による診療の目的に対しては欠陥となってい
た。冠状動脈結滞のようなときはR−R間隔の変化によ
って、心臓サイクルの終わりにおいては、心臓トリガは
有効性が少なくなり、心臓の前(プレ)・R・波形が心
臓収縮異常に対する検出の端緒となることがある。
従来考えられていたNMRデータ収集の解決手段は、スラ
イス、位相、トリガ、遅延、ウインドウ(時間枠)、デ
ータ排除、記録等を組合せた複雑なものであり、心臓位
相の不正確さ、解像時間の限定、スピン飽和の不均一等
の問題を生じていた。
(発明の要旨) 本発明はこれらの各難点を解決するためになされたもの
である。
本発明によるタイムクラスタ心臓・呼吸エンコーダは、
マイクロコンピュータをベースとする装置(システム)
であり、心臓(カーデイアック;C)R・波時間、呼吸
(レスピラトリ;R)ダイヤフラム位置、及びNMRデータ
取得(アクイジション;A)タイミングデータを並列に収
集するもので、標準磁気共振イメジャー(映像器)上に
自走(フリーランニング)像として収集する。多数の映
像に等価の原データが収集された後、C−A−R位相タ
イミング データをマイクロ コンピュータよりそのス
キャナのミニコンピュータにアップロードし、これらの
原データを新規なデータセットとして使用できるように
集約化(クラスタ)を行い、所望の各心臓・呼吸(C−
R)位相の組合せに1つの映像が等価となるようにす
る。量子化したC−R位相平面内のNMRプロフィルの位
置が、クラスター映像を決定し、これは例えば、何れか
の心臓位相と呼吸位相の組合せに属することとなる。次
でかくクラスタされたデータを記入(フィル)し、かつ
ふるい分け(フィルタ)して、非均一k・スペースサン
プリングを補償し、最終的には一般の二次元(2D)また
は三次元(3D)フーリエ変換によって再構成する。
2つの複式(マルチプル)プロフィル映像を得るため、
すなわち心臓のサイクルの2つの異なった位相における
心臓の状態を表示するため、本発明を使用すると、例え
ば心臓サイクルの最初の5分の1の周期期間を示すもの
では、この期間中のそれぞれのR−R間隔にわたって求
めたすべてのプロフィルよりのタイム・クラスタ映像を
得、また心臓サイクルの第4番目の5分の1周期期間を
示すものではこの第4 5分の1周期期間中の対応のR−
R間隔中に求めたプロフィルによる心臓サイクルのタイ
ム・クラスタ映像を得ることができる。
本発明の装置(システム)は任意のNMR装置と組合せて
構成でき、かつ任意のパルスシーケンスで使用できる。
本装置は、従来の心臓トリガ及び呼吸ゲートに共通に使
用されている標準の心臓/呼吸モニタ装置より容易に得
られる出力信号を必要とするのみで、またこれに伴って
スキャナよりのタイミング信号と異なるパルスシーケン
スに適合するようにソフトウエアのパラメータを変化さ
せることを必要とするのみである。
本発明は心臓位相・呼吸位相面におけるNMR k・スペー
ス測定プロフィルの時間遡及ならびに集約(クラスタリ
ング)を行う簡単かつフレキシブルなシステムを提供し
ようとするもので、とくに次の点を考慮しているもので
ある。
1) 心筋及び呼吸フロー/運動映像アーチファクトの
減少、 2) 映像化を行うか、行わないかの双方に対し、心臓
の構造/機能の量子化特性づけ。
(実施例) 本発明は心臓位相、呼吸位相平面内のNMR k・スペース
測定プロフィルの時間遡及(レトロスペクティブ)集約
化(クラスタ)に対するエンコーダ方法及び装置に関す
るものであり、この方法と装置とは次の如くの機能を行
う。
1) 心筋及び呼吸フロー運動の映像アーチファクトを
減少させること、及び 2) 映像を映写するか、或いは映写を行わずして心臓
の構造/機能の量子化特性測定を行うこと。
第1図は本発明によるタイムクラスタ心臓、呼吸(カー
ディオレスピラトリー)エンコーダ(TCCRE)の全体図
を示し、第2図はこれに使用するハードウエアであり、
第3図はこのエンコーダ及びその機能的使用方法の説明
図である。これら各図面において心臓(カーディアク
(C))時間、呼吸(レスピラトリー(R))時間、ま
たはダイアフラム位置、及びNMRデータ収集(アクイジ
ション(A))サイクルマーカデータをマイクロコンピ
ュータ(1)によって収集し、これと並列に標準磁気共
振映像器(2)用にフリーランニングの特に安定状態と
するを可とする映像収集を行う。複数の映像に対応する
原データを収集した後、C−A−R位相マーカデータを
マイクロコンピュータ(1)よりNMRスキャナーのミニ
コンピュータ(3)にロードし、映像の原データのC−
R平面クラスタに使用する。量子可したC−R位相平面
内のNMRプロフィルの位置を決定し、次いで新しいデー
タのセットとしてクラスタを行う。この1つの映像はそ
れぞれ各々の所望のC−R位相組合せに等価なものであ
る。次いでこれらの原データを記入し、またふるい分け
(フィルタ)を加え、均一でないk・スペースサンプリ
ングに対する補償を行い、最終的に再構成を行う。
第1図及び第3図に示した本発明の方法は次の如くであ
る。
(1) フリーランニングの、また可能な場合は速度符
号化パルスシーケンスよりNMRプロフィルを収集し、同
時にディジタル化ECG信号を収集する。
P(k_x,k_y,k_z,t) ECG(t)→ECG−j(t);心臓サイクルのj分の1、 (2) 直列核医療データに使用すると同じような技術
を用い、利用可能な信号対雑音に適当な量子化された心
臓サイクル時間枠(ビン)を検索する。即ち、プロフィ
ルの時間を使用し、これより前位のR・波の時間をマイ
ナスし、これらを後続するR・波時間で割り、さらに前
位のR・波時間をマイナスし、プロフィルを設けるべき
時間枠を決定する。呼吸サイクル内のプロフィル位置は
同様にして次で定まる。
P_i(k_x,k_y,k_z,t);心臓サイクルのi分の1の位相 t_i−1<t<t_i これらのデータは(速度)映像のセットを形成し、これ
らデータの1つは移動している心臓組織に対し選択した
それぞれの心臓サイクル位相の時間枠に対応するが、こ
のセットの核映像はk・スペースを不完全にカバーし、
また少し異なるようにこれを表わす。
(3) 周波数スペースを保ちながら、データをパラメ
ータ付のダイナミックな心臓モデルにフィットさせる。
(4) ディスクリートな、均一でないフーリエ変換を
用い、非均一なk・スペースカバーを克服するため、こ
のデータを記入(充填)し、ふるい分けし、変換する。
(5) 所望に応じ、心臓のダイナミックシュミレーシ
ョン(D)をそのパラメータと共に集積グラフィックワ
ークステーション(図表表示装置)(W)にディスプレ
イ(表示)を行う。
(6) 所望に応じ、新規の再構成データを用い、ダイ
ナミク心臓モデルをアップデイトする。
TCCRE映像はより少ないフロー/モーションアーティフ
ァクトを示し、より良好な心臓の表示を示す。これは、
比較位相トリガ映像に比べて良好であり、特に冠状動脈
閉塞が生じている箇所の心臓サイクルの限界的(クリテ
ィカル)な後側の部分においてこれが顕著である。
第1図及び第3図に示す如く、TCCREはディジタル化し
た心臓R・波信号と、アナログまたはディジタル呼吸入
力及びNMRデータ収集時間データをそれぞれ並列に受信
する。
第3図に示すように、このTCCRE(タイムクラスタード
カーディオレスピラトリーエンコーダ)は1つの走査中
に収集できるか、または1つの観測期間で集められる全
てのNMR及び生理学的(フィジオロジカル(PD))デー
タ、(例えば心臓ECG及び呼吸信号等)を数学的心臓構
造/機能モデル(M)並びに同じ患者の心臓の以前に調
べたタイムクラスタード心臓、呼吸エンコーダ“スキャ
ン”を用いて集約化(インテグレート)する。この結果
は映像化を行うか、或いは行わない双方に対し、可能な
限り完全な心臓の特性化したものとなる。全てのデータ
は可能な限り急速に、かつ均一となるようにこれらを収
集し、磁界不均一の修正とデータの修正を容易に行わせ
るためのスピン飽和及び渦流の平衡化を生じさせる。こ
の集約化されたデータは、映像品質を改良するために利
用でき、また所望の構造/機能パラメータを計算するた
めに利用できる。このシステムの出力は、心臓のダイナ
ミック三次元シュミレーション(D)、或いは最大の可
能性をもってフィットされた心臓構造機能(CF)特性化
パラメータ()または映像(IM)であり、これらは呼
吸フロー運動アーチファクトを減少させ、改良したもの
である。
第1図及び第3図において使用したNMR及び生理学的タ
イミング信号(PD)はNMRパルスプログラマタイミング
信号(A)、心臓ECG R・波(C)及びアナログダイア
フラム位置呼吸信号(R)である。これらの全ての信号
は測定中の全ての時間においてマイクロプロセッサ
(1)によって収集される。これらのデータはミニコン
ピュータ(3)に移され、このミニコンピュータ内でソ
フトウエアにより量子化した心臓及び呼吸サイクルの基
準フレーム、即ちC−R平面内にNMR K・スペースプロ
フィルデータをクラスタする。必要に応じ、再構成前ま
たは再構成中に数学的モデル(M)をこのデータに適応
させることができ、このモデル(M)は予め存在してい
るデータにより変形することができる。このようにプロ
セスを加えたデータは映像(IM)に再構成でき、これを
ディスプレイ表示しうるか、或いは構造/機能パラメー
タ()を計算できる。この構造/機能パラメータ
()は脈動している心臓のシュミレーションを駆動す
るに使用することができる。これらを第1図及び第3図
に図表的に示してある。
このシステムは連続的に集められたNMRデータとECG R・
波信号とディジタル化した呼吸信号を映像品質改良の目
的によりノルマル化(量子化)したC−R平面内に時間
遡及的クラスタを行うために使用できる。
第4A図に示した図表は2つの64プロフィル映像の収集を
示すものであり、心臓のサイクルの2つの異なる位相を
示し、呼吸クラスタリングを伴っていないものを示して
いる。この図表を参照するとTCCREによりクラスタされ
た映像Aはサイクルの最初の5分の1の期間に対応し、
これらはプロフィル;a2,a7,…,e58により形成されるも
のである。TCCREクラスタ映像Bはサイクルの4番目の
5分の1に対応し、プロフィルa5,a9,e63及びe64により
形成される。短いR2−R3間隔及び長いR64−R65間隔は種
々の心臓サイクル内で固定トリガによる遅延による問題
を示すものであり、プロフィルB2は、R−Rの間隔終わ
りよりくるものであり、またプロフィルB64はその中央
部よりくるものである。
呼吸のクラスタリンングが望まれる場合には、各信号ク
ラスタを同様にブレークダウンして量子化した呼吸サイ
クル軸に沿って細かいクラスタ表示とする。例えば第4B
図に示すような4×3心臓呼吸クラスタとする。
本発明方法を行うための装置を第2図に示してある。第
2図の装置(システム)は次の如き構成部分を有してい
る。
M68020単一ボードコンピュータ(VMEブス/電力供給ラ
ック搭載ケース内); 4−8チャネルADCカード(ADC); 8チャネル光学的に分離されたディジタルI/Oカード(I
/O); 調整可能なラッチングを設けたディジタル化した入力ラ
ッチボックス(LATCH BOX); ディジタル エクイップメント コーポレーション製
VAX/11/750(3)ソフトウエアベース・アレイプロセッ
サ付; 映像再構成用フィリップス フレキシブル レコンスト
ラクション パッケージ(FLEXIREC); M68020ベースグラフィック ワークステーション(W)
(3−D分析及び表示ソフトウエア付)。
【図面の簡単な説明】
第1図は、心臓診察システム内に設けた本発明によるタ
イムクラスタ心臓−呼吸エンコーダを示す機能的ブロッ
ク図、 第2図は、NMR心臓診断システム内の本発明によるタイ
ムクラスタ心臓−呼吸エンコーダのハードウエアブロッ
ク図、 第3図は、本発明によるタイムクラスタ心臓−呼吸エン
コーダの使用する方法ステップの機能的ブロック図、 第4A図は、タイムクラスタ映像と心臓トリガ映像の関係
を示すプロット、 第4B図は、正常な心臓及び呼吸サイクル平面内の2次元
的クラスタアレイを示す図である。 1……マイクロコンピュータ 2……核磁気共振イメージャー 3……ミリコンピュータ 4……アレイプロセッサ

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】心臓及び呼吸サイクルのNMRデータの集約
    (遡及タイム・クラスタ)装置において、 エレクロカーデイオグラム(ECG)装置よりの心臓R・
    波データ、呼吸ダイヤフラム位置データ、NMRゲータ取
    得タイミングデータを含み、かつこれらに付随するフリ
    ーランニングの、安定状態を可とするNMRイメージャー
    より収集映像データを受信し、互に関連させるデータ収
    集工程を行うデータ収集・プロセス手段と、 前記の収集データを新しいデータセットに集約(クラス
    タ)し、各心臓・呼吸位相平面領域に等価である1つの
    映像と、量子化したC−R位相平面内のNMRプロフィル
    の位置をこれらが存するクラスタ映像心臓位相・呼吸位
    相によって決定し、かつ既知の心臓位相、無制約時間分
    析及びスピン飽和に対するデータを形成する計算手段
    と、 前記収集データを非均一k・スペースサンプリングを行
    うための記入及びふるい分けを行う手段と、 二次元(2D)または三次元(3D)フーリエ変換技術によ
    り前記データを再構成する手段とを具えてなることを特
    徴とするNMRデータの集約装置。
  2. 【請求項2】数学的構造/機能モデルを蓄積する手段
    と、前記集約(タイム・クラスタ)NMRデータを前記数
    学的構造/機能モデルと共にプロセスし、ただし依然と
    して周波数スペース内で心臓機能のダイナミックシュミ
    レーションまたは再構成映像を改善するためのパラメー
    タを形成する手段をさらに含むことを特徴とする特許請
    求の範囲第1項記載の装置。
  3. 【請求項3】前記再構成データにもとづいて、数学的構
    造/機能モデルをアップデート(更新)する特許請求の
    範囲第2項記載の装置。
  4. 【請求項4】前記装置に接続され、前記再構成データに
    基づく映像をディスプレイ表示する図表ワークステーシ
    ョンを含む第1項、第2項または第3項に記載の装置。
  5. 【請求項5】静止状態を可とするフリーランニング符号
    化パルス シーケンス(列)よりNMRプロフィルを収集
    する工程と、 同時にディジタル化データ信号を収集する工程と、 前記信号プロフィルを量子化した心臓サイクル時間枠内
    に分類(ソート)し、信号対雑音係数を補償する工程
    と、 運動している心臓組織に対し選択した各心臓サイクル時
    間枠に1つづつの映像の新しいセットを形成し、前記セ
    ットの各映像がk・スペースを不完全かつ僅か異なった
    態様でカバーする如くする工程と、 前記データの記入とふるい分けを行う工程と、 ディスクリートな不均一フーリエ変換を用いて、前記不
    均一k・スペースカバーを打消す工程とを含んでなるこ
    とを特徴とする心臓位相・呼吸位相内のNMR k・スペー
    スプロフィルを集約(時間遡及クラスタ)する方法。
  6. 【請求項6】多くのパラメータを有するダイナミック心
    臓モデルを選択する工程と、 前記変換データを該ダイナミック心臓モデルに適合させ
    て、再生映像を改良するか、あるいは心臓のダイナミッ
    クシュミレーションを得る工程を含んでなる特許請求の
    範囲第5項記載の方法。
  7. 【請求項7】前記変換再構成データを用いて、前記ダイ
    ナミック心臓モデルをアップデートする特許請求の範囲
    第6項記載の方法。
  8. 【請求項8】前記変換再構成データを用いて、心臓のダ
    イナミック三次元シュミレーションを表示する特許請求
    の範囲5,6または7項記載の方法。
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