(57)【要約】本発明は、定常かつ実質的に均一な主磁場中に置かれた体（７）の磁気共鳴撮像のための装置（１）に関する。高品質の最終的な複合画像を再構成できるMR装置（１）を提供するために、本発明が提案する装置は、k空間のサブサンプリングを用いて、複数の受信アンテナ（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）を介してMR信号を同時に収集し、収集されたMR信号からk空間位置の完全なセットにおける中間MR信号データを計算し、ここで該中間MR信号データの値は、収集されたMR信号サンプルの共分散から導出される重み因子を使って、収集されたMR信号サンプルの線形結合として計算されるものであり、中間MR信号データからMR画像を再構成する、よう構成されている。
2009505711.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
定常かつ実質的に均一な主磁場中に置かれた体の磁気共鳴（MR）撮像のための装置であって、体からの位相エンコードされたMR信号を受信するための異なる感度プロファイルをもつ二つ以上の受信アンテナを有しており、当該装置は：
・前記二つ以上の受信アンテナを介してMR信号を同時に収集し；
・収集されたMR信号からk空間位置の完全なセットにおける中間MR信号データを計算し、ここで該中間MR信号データの値は、収集されたMR信号サンプルの共分散から導出される重み因子を使って、収集されたMR信号サンプルの線形結合として計算されるものであり、
・中間MR信号データからMR画像を再構成する、よう構成されている装置。
【請求項２】
前記MR信号データを、k空間のサブサンプリングを用いて収集するよう構成されている、請求項１記載の装置。
【請求項３】
所与のk空間位置における各中間MR信号データ値を、近隣k空間位置で収集された限られた数のMR信号サンプルの線形結合として計算するようさらに構成された、請求項１または２記載の装置。
【請求項４】
前記共分散の導出を、受信アンテナの空間感度プロファイルに関係する別個のデータを含めることなく、収集されたMR信号から直接行うよう構成される、請求項１ないし３のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項５】
前記共分散を、受信アンテナの空間感度プロファイルから導出するようさらに構成される、請求項１ないし３のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項６】
前記共分散を、前記空間感度プロファイルのフーリエ変換を実行することによって計算するよう構成された、請求項５記載の装置。
【請求項７】
前記重み因子を、前記共分散から、線形連立方程式を解くことによって計算するよう構成された、請求項１ないし６のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項８】
非デカルト座標のサンプリング方式を採用してMR信号を収集するよう構成された、請求項１ないし７のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項９】
中間MR信号データ値を、デカルト座標の集合のk空間位置で計算するようさらに構成された、請求項１ないし８のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項１０】
その後収集されたMR信号からの少なくとも一つのさらなるMR画像の再構成のために、前記の計算された重み因子を保存するよう構成された、請求項１ないし９のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項１１】
定常かつ実質的に均一な主磁場中に置かれた体の少なくとも一部分のMR撮像のための方法であって：
・異なる感度プロファイルをもつ二つ以上の受信アンテナを介してMR信号を同時に収集する段階と；
・収集されたMR信号からk空間位置の完全なセットにおける中間MR信号データを計算し、ここで該中間MR信号データ値は、収集されたMR信号サンプルの共分散から導出される重み因子を使って、収集されたMR信号サンプルの線形結合として計算されるものである、段階と；
・中間MR信号データからMR画像を再構成する段階とを有する方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の方法であって、所与のk空間位置において、各中間MR信号データ値が、近隣k空間位置で収集された限られた数のMR信号サンプルの線形結合として計算される、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
MR撮像装置のためのコンピュータ・プログラムであって、
・異なる感度プロファイルをもつ二つ以上の受信アンテナを介して、k空間のサブサンプリングをもって、MR信号を同時に収集する段階と；
・収集されたMR信号からk空間位置の完全なセットにおける中間MR信号データを計算し、ここで該中間MR信号データ値は、収集されたMR信号サンプルの共分散から導出される重み因子を使って、収集されたMR信号サンプルの線形結合として計算される、段階と；
・中間MR信号データからMR画像を再構成する段階とを実行するための命令を有する、コンピュータ・プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、定常かつ実質的に均一な主磁場中に置かれた体の磁気共鳴（MR）撮像のための装置に関する。
【０００２】
さらに、本発明は、並行MR撮像のための方法およびMR撮像装置のためのコンピュータ・プログラムに関する。
【背景技術】
【０００３】
MR撮像では、RFパルスおよび傾斜磁場パルスからなるパルス・シーケンスがオブジェクト（患者）に加えられ、位相エンコードされたMR信号が発生する。その信号は受信アンテナによって収集され、オブジェクトからの情報が取得され、その像が再構成される。最初の開発以来、MR撮像の応用の臨床上有意な分野の数は途方もなく増大している。MR撮像は体のほとんどあらゆる部分に適用でき、人体のいくつかの重要な機能についての情報を得るために使うことができる。MR撮像スキャンの間に加えられるパルス・シーケンスが、再構成される画像の特性を完全に決定する。該特性は、オブジェクトにおける位置および配位、大きさ、解像度、信号対雑音比、コントラスト、動きに対する感度などといったものである。MR装置の操作者が、適切なシーケンスを選ばなければならず、個別の応用についてそのパラメータを調整し、最適化しなければならない。
【０００４】
既知の並行MR撮像技法では、診断画像についてのスキャン時間を短縮するために、異なる空間感度プロファイルをもつ複数の受信アンテナ（RFコイル）が用いられる。これは、k空間をサブサンプリングすることによって達成される。すなわち、収集する位相エンコードされたMR信号の集合を、所定の視野を完全にカバーするためにナイキストの定理に従って実際に必要であろうよりも小さなものにするのである。
【０００５】
既知のいわゆるSENSE技法（たとえば、Pruessmann  et  al.,  MR  in  Medicine,  volume  42,  page  952,  1999を参照）では、MR信号は、MR装置の複数の表面受信コイルを介して、サブサンプリングされた仕方で同時に収集される。k空間における位相エンコード・ステップの数は、幾何学的な空間内の完全な所定の視野について実際に必要とされる位相エンコード・ステップの数に比べて減らされる。このサブサンプリングは、縮小した視野につながる。SENSE技法によれば、各受信コイルについて別個に、サブサンプリングされたデータから画像が再構成される。サブサンプリングのため、これらの画像は折り返し、あるいはいわゆるエイリアス・アーチファクトを含んでいる。再構成された諸画像の折り返された画像値への個々の寄与は、受信コイルの既知の空間感度プロファイルに基づいて、行列計算によって、全視野内での諸空間位置における画像値に分解される（折り返し解除される）ことができる。その結果は、エイリアシングのない、磁化信号の画像である。このようにして、受信コイルの空間感度プロファイルによる収集されたMR信号の空間エンコードは、画像収集手順を著しく加速するために利用される。完全な視野の最終的な画像の計算のために既知のSENSE技法が用いられるとき、縮小された視野に対する全視野の大きさの比は、縮小因子（reduction  factor）または単にSENSE因子（SENSE  factor）とも称される。
【０００６】
一般化されたSENSE撮像方針では、最終的な画像の計算は、受信アンテナの空間感度プロファイルによって決定される、エンコード行列という大きな行列の逆を求めることに関わる。この直接的な逆行列計算においては、実際的な課題が生じる。これはひとえに、逆行列計算が、MR信号データの非デカルト座標でのサンプリングについては特に、非常にメモリおよび計算集約的となりうるためである。さらに、縮小因子が大きいと、エンコード行列の条件は貧弱になり、逆行列計算は不安定になり、よって望ましくないノイズ増幅につながる。
【０００７】
上述の問題点は、既知のPARS技法（Yeh  et  al.,  MR  in  Medicine,  volume  53,  page  1383,  2005）によって対処される。PARSとは、parallel  MR  imaging  with  adaptive  radius  in  k-space（k空間での適応的半径をもつ並行MR撮像）を表す。PARS技法によれば、コイル信号データ値は、k空間において再構成されるべきサンプリング位置からある小さな調整可能な半径内にある収集されたMR信号サンプルを使って計算される。最小二乗あてはめ手順によって実行されるこの計算の結果として、k空間の完全なサンプリングによるMR信号データ・セットが各受信アンテナについて得られる。これらの完成された信号データ・セットから、個々の受信アンテナに関連付けられた画像が再構成される。最終的なMR画像は、個々の画像の画像値の二乗の和として得られる。
【０００８】
PARS技法のある既知の問題として、個々のコイル画像がまず再構成され、それから完全な視野の強度（magnitude）画像に組み合わされるということがある。再構成された画像は位相情報を含んでおらず、不均一なコイル感度プロファイルに起因する不均一な強さ（intensity）を有する。さらに、SNR（信号対雑音比）の面でのそのパフォーマンスは満足いくものではない。これは主として、最終的な画像の生成のための二乗和手法のためである。PARSのさらなる欠点は、信号サンプルを推定するために使われる最小二乗あてはめ手順が、個々の受信アンテナの空間感度プロファイルを事前に知っていることに頼っているというものである。PARS再構成手順に関わってくるいくつかの行列乗算操作のため、計算効率は最適には及ばない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、計算効率がよく、精確な画像再構成を可能にする、並行MR撮像のための改良された技法が必要とされていることは容易に理解される。本発明のさらなる目的の一つは、個々の受信アンテナの空間感度プロファイルを事前に知る必要なしに最終的な画像を再構成するよう構成された、並行撮像用MR装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、定常かつ実質的に均一な主磁場中に置かれた体のMR撮像のための装置が開示される。該装置は、体からの位相エンコードされたMR信号を受信するための異なる感度プロファイルをもつ複数の受信アンテナを具備する。本発明の装置は、
・前記複数の受信アンテナを介してMR信号を同時に収集し；
・収集されたMR信号からk空間位置の完全なセットにおける中間MR信号データを計算し、ここで該中間MR信号データの値は、収集されたMR信号サンプルの共分散から導出される重み因子を使って、収集されたMR信号サンプルの線形結合として計算されるものであり、
・中間MR信号データからMR画像を再構成する、よう構成される。
【００１１】
本発明は有利なことに、二つ以上の受信アンテナを介して並行に収集されるMR信号（好ましくはサブサンプリングされるが、必須ではない）から高品質MR画像の高速かつ堅牢な生成を可能にする。本発明によれば、中間MR信号データは、収集されたMR信号から直接計算される。この中間MR信号データは、磁化情報のみを含む、単一の完全にサンプリングされたMRデータ・セットである。それは、空間的に均一な感度をもつ受信アンテナ（たとえばボディ・コイル）を用いて収集されたであろう、k空間におけるMR信号データ・セットに対応する。次いで、最終的な画像が、この完全にサンプリングされた中間MR信号データ・セットから再構成される。結果として、二乗和計算（PARS技法によって要求されるような）は必要ない。これは画質に対する著しいポジティブな効果をもつ。本発明はさらに、MR信号サンプルの再構成のために、PARS技法に基づいて適用される最小二乗手法の代わりに線形の統計的推定を使うことができるという洞察に基づいている。本発明によれば、中間MR信号データ値は、重み因子を使って、収集されたMR信号サンプルの線形結合として計算される。これらの重み因子は、収集されたMR信号サンプルの共分散から簡単に導出される。共分散が収集されたMR信号サンプルからストレートに計算できることは、本発明の利点である。受信アンテナの空間感度プロファイルを事前に知っておくことは、必ずしも要求されない。他方、もし感度データが利用可能であれば、共分散がその感度データからフーリエ変換を使って非常に効率よく計算できることは、本発明のさらなる利点である（後述）。
【００１２】
本発明によれば、所与のk空間位置におけるそれぞれの中間MR信号データ値を、近隣k空間位置で収集された限られた数のMR信号サンプルのみの線形結合として計算することが有利である。このようにして、個々の空間感度プロファイルによるMRデータ・エンコードにおけるk空間局所性が活用される。共分散からの重み因子の計算は、線形連立方程式を解くことに関わりうる。本発明によれば、再構成されるべき各サンプリング位置からk空間における局所近傍内にあるMR信号サンプルのみが考慮されうる。これがそれぞれ、解くべき線形連立方程式の大きさを決定する。よって、近傍の大きさおよび形は、画像品質と計算速度との間の最適な兼ね合いが達成されるよう選択する必要がある。中間MR信号を再構成するもとになる、収集されたMR信号データからの任意の部分集合を選択することが、本発明の範囲内である。
【００１３】
上述したように、本発明のMR装置は、共分散の導出を、受信アンテナの空間感度プロファイルに関係する別個のデータ（以前に収集された較正データのような）を計算に含めることなく、収集されたMR信号から直接行うよう構成されうる。しかし、空間感度プロファイルが事前に知られている場合には、共分散を空間感度プロファイルから導出することも可能である。先述したように、共分散の計算は、この場合、既知のフーリエ変換アルゴリズムを使って非常に効率よく実行できる。本発明の一つの利点は、受信アンテナの感度データが利用可能であるか否かに応じて、再構成のための重み因子を計算する異なる機会を提供するということである。
【００１４】
本発明のある主要な利点は、非デカルト座標のサンプリング方式を採用したMR信号の収集が、当該方法の計算量を増すことなくされうることである。たとえば、放射式（radial）またはスパイラル状（spiral）の収集を用いることができる。中間MR信号データ・セットによってカバーされるk空間位置は、MR信号収集のサンプリング方式には関わりなく、任意に選択できる。たとえば、MR信号が放射方向に収集されるときに、中間MR信号データをデカルト座標のサンプリング・パターンを使って計算することが可能である。これは、何ら追加的なグリッド変更ステップなしに、中間データのフーリエ変換によって、最終的なMR画像の直接的な再構成を許容する。中間データのk空間パターンについての一つの代替的な選択は、収集時と同じパターンを使うが、サブサンプリングをなしにするというものでありうる。これは、局所的な近傍の形を定義するための利点を呈する。
【００１５】
あるさらなる側面は、本発明は動的なMR撮像（たとえばCINE収集）に非常に好適だということである。受信アンテナの空間感度プロファイルは複数の相続く画像の収集の間変化しないので、重み因子および共分散を計算するのは一度だけでよく、その後、各画像の再構成のために繰り返し使用できる。こうして、動的な並行撮像における画像再構成の計算量が、従来技術の手法に比べて著しく軽減される。
【００１６】
本発明は、k空間でのサブサンプリング方針に限定されるものではなく、多次元空間（たとえば、k空間と時間次元の両方にまたがる空間であるkt空間）におけるサブサンプリング方針をもって収集される一連の画像を再構成するためにも適用できる。その場合、この多次元空間における任意の位置が、近隣位置において収集されたデータから再構成できる。ここで、多次元空間のすべての次元における近隣データが考慮できる。
【００１７】
本発明は、定常かつ実質的に均一な主磁場中に置かれた体の少なくとも一部分のMR撮像のための装置のみならず方法にも関する。該方法は、以下のステップを有する：
・異なる感度プロファイルをもつ二つ以上の受信アンテナを介してMR信号（k空間のサブサンプリングはあってもなくてもよい）を同時に収集し；
・収集されたMR信号からk空間位置の完全なセットにおける中間MR信号データを計算し、ここで該中間MR信号データ値は、収集されたMR信号サンプルの共分散から導出される重み因子を使って、収集されたMR信号サンプルの線形結合として計算されるものであり、
・中間MR信号データからMR画像を再構成する。
【００１８】
本発明の撮像手順を実行するよう適応されたコンピュータ・プログラムは、MRスキャナの制御のために現在臨床使用されているいかなる普通のコンピュータ・ハードウェア上でも有利に実装されることができる。該コンピュータ・プログラムは、CD-ROMまたはディスケットといった好適なデータ担体上で提供されることができる。あるいはまた、インターネット・サーバーからユーザーによってダウンロードされることもできる。
【００１９】
図面は、本発明の好ましい実施形態を開示する。しかしながら、図面は解説の目的のためのみを意図されており、本発明の限界の定義としては意図されていないことは理解しておくべきである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１では、本発明に基づくMR撮像装置１がブロック図として示されている。装置１は、定常かつ均一な主磁場を発生させる一組の主磁場コイル２と、制御可能な強さをもち、選択された方向に勾配をもつ追加的な磁場を重畳する三組の傾斜磁場コイル３、４および５とを有している。通常、主磁場の方向がz方向、それに垂直な二つの方向がx方向およびy方向と記される。傾斜磁場コイルは、電源１１を介してエネルギー付与される。装置１はさらに、体７に高周波（RF）パルスを送出する放射送信器６を有しており、該放射送信器６は変調器８に結合されている。これによりRFパルスが発生され、変調される。また、MR信号を受信するための受信アンテナ１０ａ、１０ｂ、１０ｃが設けられている。これらの受信アンテナはたとえば、異なる空間感度プロファイルをもつ別個の表面コイルであることができる。受信されたMR信号は、復調器９に入力される。変調器８、送信器６ならびに傾斜磁場コイル３、４および５のための電源１１が制御システム１２によって制御されて、並行信号収集のための実際の撮像シーケンスが生じる。制御システムは通例、メモリおよびプログラム制御をもつマイクロコンピュータである。本発明の実際的な実装のためには、本発明は、上記のような撮像手順の記述をもつプログラミングを有する。本発明に基づいて収集されたMR信号を画像に変換するために、復調器９はデータ処理ユニット１４、たとえばコンピュータに結合されている。MR画像は、たとえば視角表示ユニット１５上で可視的にされることができる。
【００２１】
図２および図３は、本発明の画像再構成方針を図示している。本方法は、異なる感度プロファイルをもつ別個の受信アンテナを介しての、３つ（またはそれ以上）のMR信号データ・セットS1,m、S2,m、S3,mの並行的な（サブサンプリングされた）収集をもって始まる。添え字1、2および3は、それぞれの受信アンテナを表し、添え字mはk空間内での位置を指定する。図示した例では、放射方向のk空間サンプリング方式が用いられる。本発明によれば、中間的なMR信号データ・セット
（外１）
2009505711.tif 000003
がk空間位置kの完全なセットにおいて計算される。図示した実施形態では、この中間データ・セットは、収集されたMR信号S1,m、S2,m、S3,mと同じ放射方向のサンプリング・パターンを使うが、サブサンプリングはない。データ値
（外２）
2009505711.tif 000004
は、次式に従って、収集された信号サンプルS1,m、S2,m、S3,mの線形結合として計算される。
【００２２】
【数１】
2009505711.tif 000005
ここで、ncはアンテナ数（たとえば3）を表し、λγ,mは重み因子であり、m∈Wkはサンプリング位置kからk空間において調整可能な近傍（Wk）内にある信号サンプルSγ,mのみが考慮されることを意味する。最適統計的推定の理論に従い、重み因子は、収集されたMR信号の共分散（covariance）から導出される。それは：
【数２】
2009505711.tif 000006
として、
Kλ＝L
を与える。
【００２３】
これは、推定分散（estimation  variance）
（外３）
2009505711.tif 000007
が最小化されることを含意する。本発明によれば、各中間データ値
（外４）
2009505711.tif 000008
の計算は、サンプリング位置kの考慮される近傍Wkにおけるすべてのk空間サンプルSγ,mの集合に関わる。すると、m∈Wk、m1∈Wkおよびm2∈Wkとして共分散
【数３】
2009505711.tif 000009
がすべてのγ,γ1,γ2＝0…nc−1について計算される。最後に、連立方程式
Kλ＝L
が（たとえばコレスキー分解によって）解かれ、重み因子λγ,mが得られる。そうすれば、中間データ値
（外５）
2009505711.tif 000010
のさらなる計算はストレートである。該中間データ値の完全な計算後、最終的なMR画像値
（外６）
2009505711.tif 000011
（xは幾何学的な空間内の点を表す）がフーリエ変換技法（必要ならグリッド化［gridding］ステップを含む）によって再構成される。
【００２４】
これまでは、すべての収集された信号Sγ,mはノイズなしと考えられてきた。MR信号収集の間に存在するノイズについての統計的情報が利用可能であれば、この情報が上記の計算に簡単に組み入れられる。ノイズを考慮に入れる正則化（regularization）を得るために、ノイズ相関行列Ψの値が共分散行列Kに加えられてもよい。これは、再構成におけるノイズ増幅を避けるという利点を有する。
【００２５】
受信アンテナの感度プロファイルcγ,xが既知である（たとえば較正スキャンから）場合、共分散は次の式に従って計算されうる：
【数４】
2009505711.tif 000012
ここで、FTは幾何学的な座標xに関するフーリエ変換を表す。
【００２６】
（外７）
2009505711.tif 000013
は感度
（外８）
2009505711.tif 000014
（横線は複素共役）の点ごとの積を意味する。共分散KおよびLは、明らかに並進不変である。すなわち、それぞれ差m1−m2およびm−kにのみ依存している。κは収集されたMR信号Sの分散を表す。
【００２７】
本発明の上記の変形に従って共分散を計算するために、まずは、感度cγ,xを推定する必要がある（たとえば参照スキャンによって）。すると、すべてのクロス積
（外９）
2009505711.tif 000015
が計算される。最後に、クロス積のフーリエ変換および感度のフーリエ変換が、要求される位置において評価される。デカルト座標での収集については、差m1−m2およびm−kはデカルト座標のグリッドのノードに対応する。次いでFFT（高速フーリエ変換）アルゴリズムが、フーリエ変換を評価するために使用されうる。すべての中間データ値のために大きさおよび形が等しい近傍Wkが選ばれるとすると、重み因子を計算するための逆行列計算を実行する必要があるのは一度だけである。非デカルト座標での収集については、差m1−m2およびm−kはデカルト座標グリッドのノードを形成せず、フーリエ変換を評価するには好適なグリッド化アルゴリズムが必要になる。一般に、共分散行列Kの逆行列計算は、この場合、中間データの各サンプリング点について繰り返される必要がある。実際に実行される逆行列計算の数を減らすために、補間戦略を用いてもよい。実際に実行される逆行列計算の数を減らすために、データS1,m、S2,m、S3,mの同じ部分集合に基づいて、一群の異なるサンプリング位置kにおける信号Sを推定することも可能である。
【００２８】
さらなる代替として、共分散は、次式によって、サンプリングされたMR信号から直接的に計算されてもよい：
【数５】
2009505711.tif 000016
ここで、＃は、考慮される信号サンプルの集合の位数（cardinal）を表す。この変形は、k空間における共分散の並進不変性を明示的に利用している。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に基づく磁気共鳴スキャナのある実施形態を示す図である。
【図２】本発明の方法をブロック図として示す図である。
【図３】本発明に基づく中間MR信号データの計算の間の、k空間位置の選択の図的な表現を示す図である。
【図１】
2009505711.tif 000017
【図２】
2009505711.tif 000018
【図３】
2009505711.tif 000019
【国際調査報告】
2009505711.tif 000020
2009505711.tif 000021