JP2017530761A - ゼロエコー時間mrイメージング - Google Patents

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Abstract

本発明は、MR装置1の検査ボリューム内に配置された対象のMRイメージングの方法に関する。本発明の目的は、k空間中心の改善されたサンプリングを用いて「サイレント」ZTE撮像を可能にすることである。本発明によれば、対象10はRFパルス20のイメージングシーケンス及び切り替えられた磁場勾配にさらされ、イメージングシーケンスは、ゼロエコー時間シーケンスであり、i)読み出し方向及び読み出し強度G1、G2を有する読み出し磁場勾配を設定するステップと、ii)読み出し磁場勾配の存在下でRFパルス20を放射するステップと、iii)FID信号は放射状のk空間サンプル31、32を表し、FID信号の取得は、RFパルス20の放射後にMR装置1のレシーバゲインがまだ安定していない取得時間に開始される、読み出し磁場勾配の存在下でFID信号を取得するステップと、iv)読み出し方向を徐々に変動させるステップと、v)ステップi)〜iv)を複数回繰り返すことによって、k空間内の球状ボリュームをサンプリングするステップとを含む。最終的に、MR画像は、修正されたFID信号から再構成される。更に、本発明は、MR装置及びMR装置のためのコンピュータプログラムに関する。

Description

本発明は、磁気共鳴(MR)イメージングの分野に関する。本発明はMRイメージングの方法に関する。本発明はまた、MR装置と、MR装置上で実行されるコンピュータプログラムとに関する。
2次元画像又は3次元画像を形成するために磁場と核スピンとの相互作用を利用する画像形成MR法は、軟組織のイメージングにつき、電離放射線を必要とせず、通常は侵襲性ではないことから、多くの点で他のイメージング方法より優れているため、今日、特に医療診断の分野で広く使用されている。
一般に、MR法によれば、検査されるべき患者の身体は、その方向が測定の基礎となる座標系の軸(通常、z軸)を同時に定義する、強く均一な磁場(Bフィールド)に配置される。磁場は、定義された周波数(いわゆるラーモア周波数、又はMR周波数)の電磁交番磁界(RFフィールド、またBフィールドとも呼ばれる)の印加によって励起されることができる磁場強度(スピン共鳴)に依存して、個々の核スピンに対して異なるエネルギーレベルを生成する。巨視的な観点から、個々の核スピンの分布は、適切な周波数(RFパルス)の電磁パルスの印加によって平衡状態の外に偏向させることができる全体的な磁化を生成し、これにより磁化はz軸周りの歳差運動を行う。歳差運動は、開口角がフリップ角と呼ばれる円錐の表面を表す。フリップ角の大きさは、印加された電磁パルスの強度及び持続時間に依存する。いわゆる90°パルスの場合、スピンはz軸から横断面(フリップ角90°)に偏向される。
RFパルスの終了後、磁化は元の平衡状態に戻り、z方向の磁化は第1の時定数T(スピン格子緩和時間又は縦緩和時間)で再び構築され、z方向に垂直な方向の磁化は第2の時定数T(スピン‐スピン緩和時間又は横緩和時間)で緩和する。磁化の変動は、磁化の変動がz軸に垂直な方向で測定されるように、MR装置の検査ボリューム内に配置され配向された1つ以上の受信RFコイルによって検出されることができる。横断磁化の減衰は、例えば90°パルスの印加後に、(局所的な磁場の不均一性によって誘発される)核スピンが、同じ位相を有する秩序状態から全ての位相角が均一に分布する状態(ディフェージング)への遷移によって伴われる。ディフェージングは、リフォーカシングパルス(例えば、180°パルス)によって補償されることができる。これは、受信コイルにエコー信号(スピンエコー)を生成する。
体内の空間分解能を実現するために、3つの主軸に沿って伸びる線形磁場勾配は、均一磁場に重畳され、スピン共鳴周波数の線形空間依存性をもたらす。次いで、受信コイル内に取り出された信号は、体内の異なる位置に関連されることができる異なる周波数の成分を含む。RFコイルを介して得られるMR信号データは、空間周波数領域に対応し、k空間データと呼ばれる。k空間データは、通常、異なる位相エンコーディングで取得された複数のラインを含む。各ラインは、いくつかのサンプルを収集することによってデジタル化される。一連のk空間データは、フーリエ変換又は他の適切な再構成アルゴリズムによってMR画像に変換される。
骨や肺のような、非常に短い横緩和時間を有する組織のMRイメージングがますます重要になっている。この目的のための既知の方法は、基本的に3次元(3D)放射状k空間サンプリングを使用する。いわゆるゼロエコー時間(ZTE)技術において、読み出し勾配は、高帯域幅の短いハードRFパルスで磁気共鳴を励起する前に設定される。このようにして、勾配エンコーディングは、磁気共鳴の励起時に瞬間的に開始する。自由誘導減衰(FID)信号の取得は、RFパルスの放射の直後に開始し、効果的にゼロの「エコー時間」(TE)を生じる。FID読み出しの後、次のRFパルスが印加される前に次の読み出し勾配の設定に最低限の時間しか必要とされないので、非常に短い繰り返し時間(TR)が可能になる。読み出し方向は、繰り返しから繰り返しまで、k空間内の球状ボリュームが必要な程度までサンプリングされるまで、徐々に変動する。TR間隔の間の読み出し勾配をオフにする必要なく、ZTEイメージングは事実上静かに行われることができる(Weigerら、磁気共鳴 in Medicine、第70巻、328~332頁、2013参照)。
ZTEイメージングにおける課題は、RFパルスの有限の持続時間、送信‐受信スイッチング、及び信号フィルタリングに起因する初期不感時間のために、k空間データがk空間中心内でわずかに不完全であることである。
このk空間ギャップは、例えば、既知のPETRA技術のように、放射状ZTEサンプリングとk空間中心の追加のデカルトサンプリングとの結合によって対処されることができる。
上述より、ZTEイメージングの改善された方法が必要であることは容易に理解される。本発明の目的は、k空間中心のサンプリングを用いて「サイレント」ZTE撮像を可能にすることである。
本発明によれば、MR装置の検査ボリューム内に配置された対象のMRイメージングの方法が開示される。本発明の方法は、
対象をRFパルスのイメージングシーケンス及び切り替えられた磁場勾配にさらすステップであって、イメージングシーケンスは、ゼロエコー時間シーケンスであり、
i)読み出し方向及び読み出し強度を有する読み出し磁場勾配を設定するステップと、
ii)読み出し磁場勾配の存在下でRFパルスを放射するステップと、
iii)読み出し磁場勾配の存在下で放射状のk空間サンプルを表すFID信号を取得するステップであって、FID信号の取得はレシーバの不感時間中、すなわちRFパルスの放射後にMR装置のレシーバゲインがまだ安定していない取得時間に既に開始される、前記取得するステップと、
iv)読み出し方向を徐々に変動させるステップと、
v)ステップi)〜iv)を複数回繰り返すことによって、k空間内の球状ボリュームをサンプリングするステップと
を含むステップと、
取得されたFID信号からMR画像を再構成するステップと
を含む。
本発明によれば、放射状ZTEの取得は、主に従来の方法で適用される。MR信号は、k空間内の所望のボリュームがサンプリングされ、取得されたMR信号からMR画像が再構成されることができるまで、読み出し方向が徐々に変動する間、RFパルスの放射を繰り返すことによって、放射状のk空間サンプルとして取得される。しかし、本発明は、少なくともいくつかのFID信号が異なる読み出し強度で取得されるように、読み出し強度が変動されることを提案する。
好ましくは、読み出し強度は、少なくとも2つのFID信号が取得されるように、両方の読み出し方向が実質的に同じであるが、各々が別の読み出し強度を有するように、変動される。
上述のように、k空間の中央領域からのFID信号の取得は、主に、RFパルスの持続時間、送信‐受信スイッチング、及び信号フィルタリングに起因する有限の不感時間のために損なわれる。言い換えれば、不感時間の間、MR装置のレシーバゲインは、まだその安定したレベルに達していない。本発明の洞察は、レシーバゲインの開始が安定していない可能性があるが、それに関わらず再現性が高いことである。したがって、不感時間の間のレシーバゲインの時間的変動は、本発明によれば、同一のk空間位置で取得されたがRFパルスの照射後の異なる取得時間で得られたk空間サンプルを比較することによって得られる。これにより、既に不感時間の間に、すなわちRFパルスの放射後にMR装置のレシーバゲインがまだ安定していない取得時間に、FID信号の取得を開始することが可能になる。本発明によれば、レシーバの不感時間の間の信号破損に起因するアーチファクトのないFID信号からMR画像が再構成されることができるように、レシーバゲインの時間的変動は取得されたFID信号において補償されることができる。本発明の洞察は、レシーバゲインが変動し得ることであるが、開始変動はそれが補償されることができるように全く再現可能であることである。必要とされる補償は、別個のキャリブレーション、時間的RFレシーバゲインのシミュレーションから得ることができる。時間的レシーバゲインは、RFレシーバ機器のハードウェア特性から決定されることもできる。本発明の更なる任意の態様によれば、必要とされる補償は、同一のk空間位置であるが異なる取得時間でk空間サンプルを比較することによって、ZTEシーケンス内で得られる。信号間の信号レベルの任意の差は同じk空間位置を形成するが、異なる取得時間は効果的なレシーバゲイン変動を表す。したがって、その差からレシーバゲイン変動を計算することができる。その計算の正確な詳細は、オプショナルの実施詳細である。
結果として、本発明は、ZTE取得方式においてk空間の中心からFID信号をより正確に取得することを可能にする。したがって、本発明は、ZTE/サイレント走査の画質を改善する。
本発明の好ましい実施形態では、FID信号の少なくとも1つは、ゼロ読み出し強度で取得される。ゼロ読み出し強度での測定は、k=0で欠落した情報を直接提供する。このような測定は、例えば走査の開始時又は終了時等、都合の良い時点でZTEシーケンスに挿入されることができる。
更に、時間的レシーバゲイン変動は、ゼロ読み出し強度で取得されたFID信号から得られることができる。FID信号の全ての信号値は、信号変動が不感時間の間のレシーバゲインの時間的変動を直接反映するように、k=0に対応する。次いで、ゼロ勾配強度で取得されたFID信号から得られる時間的レシーバゲイン曲線は、非ゼロ読み出し強度で取得されたFID信号における不感時間効果を補償するために使用されることができる。
したがって、これまで説明した本発明の方法は、検査ボリューム内に均一な定常磁場を生成するための少なくとも1つの主磁石コイルと、検査ボリューム内の異なる空間方向に切り替えられた磁場勾配を生成するためのいくつかの勾配コイルと、検査ボリューム内にRFパルスを生成するため及び/又は検査ボリューム内に配置された患者の身体からMR信号を受信するための少なくとも1つのRFコイルと、RFパルスの時間的連続及び切り替えられた磁場勾配を制御する制御ユニットと、再構成ユニットと、を含むMR装置によって行われることができる。本発明の方法は、好ましくは、MR装置の再構成ユニット及び/又は制御ユニットの対応するプログラミングによって実施される。
本発明の方法は、現時点での臨床用途のほとんどのMR装置において有利に行われることができる。この目的のために、本発明の上述の方法ステップを行うようにMR装置を制御するコンピュータプログラムを利用することだけが必要である。コンピュータプログラムは、MR装置の制御ユニット内にインストールするためにダウンロードされるように、データキャリア上に存在し得、データネットワーク内に存在し得る。
添付の図面は、本発明の好ましい実施形態を開示する。しかし、図面は、説明の目的のためだけに設計されており、本発明の範囲の定義としてではないことを理解されたい。図面には以下が示される。
本発明の方法を実施するためのMR装置を概略的に示す。 本発明に従って適用されるZTEシーケンスを図示する。 本発明の一実施形態によるk空間の放射状サンプリングを図示する。
図1を参照すると、本発明の方法を実施するために使用されることができるMR装置1が示される。この装置は、検査ボリュームを通ってz軸に沿って実質的に均一で時間的に一定の主磁場Bが生成されるように、超伝導又は抵抗性主磁石コイル2を含む。この装置は更に、一連の(第1、第2、及び該当する場合は第3)シミングコイル2´を含み、セット2´の個々のシミングコイルを通る電流は、検査ボリューム内のB偏差を最小限に抑える目的で制御可能である。
磁気共鳴生成及び操作システムは、核磁気スピンを反転又は励起し、磁気共鳴を誘発し、磁気共鳴を再集束し、磁気共鳴を操作し、空間的に又はそれ以外の態様で磁気共鳴をエンコードし、スピンを飽和させて、MRイメージングを行うために、一連のRFパルス及び切り替えられた磁場勾配を印加する。
より具体的には、勾配パルス増幅器3は、検査ボリュームのx、y及びz軸に沿って、全身勾配コイル4、5及び6の選択されたものに電流パルスを印加する。デジタルRF周波数トランスミッタ7は、RFパルスを検査ボリューム内に送信するために、送信/受信スイッチ8を介してRFパルス又はパルスパケットを身体RFコイル9に送信する。典型的なMRイメージングシーケンスは、互いに一緒に取られる短期間のRFパルスセグメントのパケットで構成され、任意の印加された磁場勾配によって核磁気共鳴の選択された操作が達成される。RFパルスは、飽和するか、共鳴を励起するか、磁化を反転するか、共鳴を再集束するか、又は共鳴を操作し、検査ボリューム内に配置された身体10の一部分を選択するために使用される。MR信号はまた、身体RFコイル9によって取り出される。
パラレルイメージングによって身体10の限定された領域のMR画像を生成するために、一連のローカルアレイRFコイル11、12、13はイメージングのために選択された領域に隣接して配置される。アレイコイル11、12、13は、身体コイルRF送信によって誘発されたMR信号を受信するために使用されることができる。
得られたMR信号は、本体RFコイル9及び/又はアレイRFコイル11、12、13によって取り出され、好ましくはプリアンプ(図示せず)を含むレシーバ14によって復調される。レシーバ14は、送信/受信スイッチ8を介してRFコイル9、11、12、13に接続される。
ホストコンピュータ15は、本発明によるZTEイメージングシーケンスを生成するために、勾配パルス増幅器3及びトランスミッタ7と同様、シミングコイル2´を流れる電流を制御する。レシーバ14は、各RF励起パルスに続いて高速に連続して複数のMRデータラインを受信する。データ収集システム16は、受信信号のアナログ‐デジタル変換を行い、各MRデータラインを更なる処理に適したデジタルフォーマットに変換する。最近のMR装置では、データ収集システム16は生画像データの取得に特化した別個のコンピュータである。
最終的に、デジタル生画像データは、適切な再構成アルゴリズムを適用する再構成プロセッサ17によって画像表示に再構成される。MR画像は、3次元ボリュームを表す。次いで、画像は、例えば得られたMR画像の人間が読める表示を提供するビデオモニタ18を介して、画像表示の投影又は他の部分を可視化のために適切なフォーマットに変換するためにアクセスされ得る画像メモリ内に格納される。
図2は、本発明に従って適用される修正されたZTEシーケンスを図示する。本発明によって採用される「サイレント」ZTE技術の本質は、周波数エンコード読み出し磁場勾配G1、G2がオンにされると同時に励起RFパルス20が送信されることである。読み出し磁場勾配G1、G2は、十分な励起帯域幅を達成するためにRFパルス20が短くなければならないこと(典型的には1μs〜8μs)が必要であることを意味するスライス選択勾配としては意図されていない。すなわち、RFパルスの周波数帯域幅は、視野内のスピンの主磁場及び重畳され印加された勾配磁場のために、共鳴無線周波数範囲よりもはるかに広い。
MR信号の読み出しは、読み出し磁場勾配G1、G2の存在下で間隔21の間に行われる。各間隔21は、100μsと3msとの間の典型的な持続時間を有する。読み出し磁場勾配G1、G2は、読み出し強度及び読み出し方向の両方が、各励起/読み出しサイクルにわたって実質的に一定のままである。各サイクルの後、読み出し方向は非常にゆっくりと変動する(図2に図示されず)。読み出し方向は、わずかに変動するだけであり、例えば数度(例えば、2°)である。k空間のフルサンプリングの場合、読み取り方向は、球状ボリュームが十分な密度で覆われるまで変動する。
上述のように、従来のZTEイメージングの既知の制約は、各RFパルスの中心とそれぞれのサンプリング間隔の開始との間に有限の時間があることである。使用される機器によって、この不感時間は2μsと200μsとの間であれば何でもよい。結果として、k空間の中心は走査されることができない。
図2に示される本発明の実施形態では、各RFパルス20の放射と取得間隔21との間の時間的遅延は、図2にDで示されたレシーバの不感時間よりも短い。したがって、k空間の中心領域からのFID信号の取得は、RFパルスの持続時間、送信‐受信スイッチング、及び信号フィルタリングに起因する不感時間Dのために損なわれる。不感時間Dの間は、MR装置1のレシーバゲインはまだ安定したレベルに達していない。
本発明によれば、読み出し勾配の強度は、FID信号の少なくともいくつかが異なる読み出し強度で取得されるように変更される。図2に概略的に示されるように、いくつかの取得の後、読み出し強度がG1からG2に切り替えられる。読み出し方向は、FID信号が実質的に同一の読み出し方向及び異なる読み出し強度G1、G2で取得されるように制御される。MR装置1のハードウェア特性によって決定され、典型的には再現性が高いことが判明している、不感時間Dの間の時間的レシーバゲイン変動は、本発明によれば、同一のk空間位置で取得されたがRFパルスの照射後の異なる取得時間で得られたk空間サンプルを比較することによって得られる。レシーバゲイン変動は、例えば、同じk空間位置から取得されたk空間サンプルを、異なる取得時間で互いに分割することによって計算され得る。次いで、不感時間効果は、決定されたレシーバゲインの時間的変動に従って信号サンプルを補正することによって、取得されたFID信号から除去される。最終的に、MR画像は、修正されたFID信号から再構成される。
上述の本発明の手法は、不感時間Dの間に、すなわちレシーバが安定される前に、既にFID信号の取得を開始することを可能にする。その結果、本発明は、ZTE/サイレント走査の画質が大幅に改善されるように、k空間の中心からFID信号のより正確な取得を提供する。
図3は、本発明のk空間サンプリング方式を示す。この図は、説明のためにkx及びky方向のみを示す。しかし、本発明の方法によって、k空間内の球状ボリュームの3次元放射状サンプリングが行われることに留意しなければならない。各RFパルス20の後に、読み出し強度G1で、いくつかの放射状k空間ライン31がMR信号として取得される。更なるk空間ライン32は、低減された読み出し強度G2でサンプリングされる。リング状の斜線部33において、勾配強度G1及びG2でのk空間サンプリングは、斜線部33から取得されたk空間サンプルを比較することによって、本発明に従って不感時間Dの間の時間的レシーバゲイン変動が得られるように重なり合う。
中央球状ギャップ34のサイズは、上記で詳細に説明したように、k空間サンプル31、32の取得が不感時間Dの間に既に開始するため、従来のZTEイメージングより小さい。
更に、k空間サンプルセット35は、ゼロ読み出し強度で取得される。この測定は、k=0での情報を直接提供する。k空間サンプル35の測定は、例えば走査の開始時又は終了時等、都合の良い時点でZTEシーケンスに挿入されることができる。図2において、k=0のサンプルセットがシーケンスの最後に取得される。時間的レシーバゲイン変動は、k空間サンプル35から直接得ることができる。サンプル35のFID信号の全ての信号値はk=0に対応するため、それらの信号変動は、不感時間Dの間のレシーバゲインの時間変動を直接反映する。次いで、ゼロ勾配強度で取得されたFID信号から得られる時間的レシーバゲイン曲線は、非ゼロ読み出し強度で取得されたk空間サンプル31、32における不感時間効果を補償するために使用されることができる。

Claims (8)

  1. MR装置の検査ボリューム内に配置された対象のMRイメージングの方法であって、
    前記対象をRFパルスのイメージングシーケンス及び切り替えられた磁場勾配にさらすステップを含み、前記イメージングシーケンスは、ゼロエコー時間シーケンスであり、
    i)設定された読み出し方向及び設定された読み出し強度を有する読み出し磁場勾配を印加するステップと、
    ii)前記読み出し磁場勾配の存在下でRFパルスを放射するステップと、
    iii)前記読み出し磁場勾配の存在下で放射状のk空間サンプルを表すFID信号を取得するステップであって、前記FID信号の取得は、前記RFパルスの放射後に前記MR装置のレシーバゲインがまだ安定していない取得時間に開始される、前記取得するステップと、
    iv)前記読み出し方向の設定を徐々に変動させるステップと、
    v)ステップi)〜iv)を複数回繰り返すことによって、k空間内の球状ボリュームをサンプリングするステップと
    vi)前記レシーバゲインの時間的変動のために取得された前記FID信号を補償するステップと
    vii)取得され補償された前記FID信号からMR画像を再構成するステップと
    を含む、方法。
  2. 前記読み出し強度が、ステップi)〜iv)の繰返しの間で変動する、請求項1に記載の方法。
  3. 前記読み出し強度は、実質的に同じ読み出し方向と異なる読み出し強度とで少なくとも2つのFID信号が取得されるように変動される、請求項2に記載の方法。
  4. 前記レシーバゲインの時間的変動は、同一のk空間位置で取得されたが前記RFパルスの放射後の異なる取得時間で得られたk空間サンプルを比較することによって得られる、請求項3に記載の方法。
  5. 少なくとも1つのFID信号は、ゼロ読み出し強度で取得される、請求項1乃至4の何れか一項に記載のMRイメージングの方法。
  6. 前記レシーバゲインの時間的変動は、ゼロ読み出し強度で取得された前記FID信号から得られる、請求項5に記載のMRイメージングの方法。
  7. 検査ボリューム内に均一な定常磁場を生成するための少なくとも1つの主磁石コイルと、前記検査ボリューム内の異なる空間方向に切り替えられた磁場勾配を生成するためのいくつかの勾配コイルと、前記検査ボリューム内にRFパルスを生成するため及び/又は前記検査ボリューム内に配置された対象からMR信号を受信するための少なくとも1つのRFコイルと、前記RFパルスの時間的連続及び切り替えられた磁場勾配を制御する制御ユニットと、再構成ユニットと、を含むMR装置であって、
    前記対象をRFパルスのイメージングシーケンス及び切り替えられた磁場勾配にさらすステップを含み、前記イメージングシーケンスは、ゼロエコー時間シーケンスであり、
    i)設定された読み出し方向及び読み出し強度を有する読み出し磁場勾配を印加するステップと、
    ii)前記読み出し磁場勾配の存在下でRFパルスを放射するステップと、
    iii)前記読み出し磁場勾配の存在下で放射状のk空間サンプルを表すFID信号を取得するステップであって、前記FID信号の取得は、前記RFパルスの放射後に前記MR装置のレシーバゲインがまだ安定していない取得時間に開始される、前記取得するステップと、
    iv)前記読み出し方向の設定を徐々に変動させるステップと、
    v)ステップi)〜iv)を複数回繰り返すことによって、k空間内の球状ボリュームをサンプリングするステップと
    vi)前記レシーバゲインの時間的変動のために取得された前記FID信号を補償するステップと
    vii)取得され補償された前記FID信号からMR画像を再構成するステップとを含む、
    MR装置。
  8. MR装置上で実行されるコンピュータプログラムであって、前記コンピュータプログラムは、
    RFパルスのイメージングシーケンス及び切り替えられた磁場勾配を生成するための命令を含み、前記イメージシーケンスは、ゼロエコー時間シーケンスであり、
    i)読み出し方向及び読み出し強度を有する読み出し磁場勾配を設定するステップと、
    ii)前記読み出し磁場勾配の存在下でRFパルスを放射するステップと、
    iii)前記読み出し磁場勾配の存在下で放射状のk空間サンプルを表すFID信号を取得するステップであって、前記FID信号の取得は、前記RFパルスの放射後に前記MR装置のレシーバゲインがまだ安定していない取得時間に開始される、前記取得するステップと、
    iv)前記読み出し方向を徐々に変動させるステップと、
    v)ステップi)〜iv)を複数回繰り返すことによって、k空間内の球状ボリュームをサンプリングするステップと
    vi)前記レシーバゲインの時間的変動のために取得された前記FID信号を補償するステップと
    vii)取得され補償された前記FID信号からMR画像を再構成するステップと
    を含む、命令を含む、
    コンピュータプログラム。
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