(57)【要約】  ｆＭＲＩ研究中のＭＲデータの取得は、ハイブリッドＰＲパルスシーケンスを用いて投影ビューを取得し、当該投影ビューから、印加された刺激又は実施されたタスクに対するＢＯＬＤ応答を示すマルチスライス画像フレームを再構成することができる。各スライスにおいて、すべての取得された画像フレームからの結合されインターリーブされた投影ビューを使用して合成画像が再構成される。合成画像が使用されて高度にアンダーサンプリングされた画像フレームが再構成される。【選択図】図５
2009508660.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システムのフィールド・オブ・ビュー（ＦＯＶ）内に位置決めされる被験者の脳の画像を生成する方法であって、
ａ）前記ＭＲＩシステムによって、前記被験者における脳活動を生成する事象に続く複数の間隔のそれぞれにおいて投影ビューセットを取得するステップと、
ｂ）前記複数の間隔中に取得された前記投影ビューによって合成画像を生成するステップであって、前記投影ビューが互いにインターリーブされるステップと、
ｃ）各間隔において、
ｃ）ｉ）前記間隔において取得された投影ビューセットを前記ＦＯＶに逆投影すると共に、各画像画素に逆投影される値を、前記合成画像内の対応する画素の値によって重み付けすることと、
ｃ）ｉｉ）各画像画素の前記逆投影された値を合計することと
によって画像フレームを再構成するステップと
を含む、ＭＲＩシステムのＦＯＶ内に位置決めされる被験者の脳の画像を生成する方法。
【請求項２】
各画像画素の逆投影された値Ｓnが、ステップｃ）ｉ）において以下のように算出される、請求項１記載の方法。
【数１】
2009508660.tif 000008
（ここで、Ｐは逆投影されている前記投影ビューの値であり、Ｃnは前記合成画像における対応する画素値であり、Ｓnは逆投影経路に沿ったｎ番目の画素の値であり、Ｎは逆投影経路に沿った画素の総数である。）
【請求項３】
ｄ）前記事象が脳活動を生成していない時間期間中に取得される投影ビューから成るベースライン画像を取得するステップと、
ｅ）ステップｂ）及びステップｃ）を実施する前に、ステップａ）において取得された対応する投影ビューから前記ベースライン画像の投影ビューを減算するステップと
を含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
ステップｃ）が、前記投影ビューを逆投影する前に各ビューをフーリエ変換することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項５】
ステップａ）が、ハイブリッド２Ｄ  ＰＲパルスシーケンスの命令に基づいて実施され、各セットの投影ビューが、前記被験者の対応する複数のスライスを示す投影ビューの複数のサブセットから成る、請求項１記載の方法。
【請求項６】
ステップｂ）が、前記複数のスライスのそれぞれの合成画像を生成することを含む、請求項５記載の方法。
【請求項７】
ステップｃ）が、前記スライスに対応する前記合成画像を使用して各スライスにおいて前記被験者の画像を再構成することを含む、請求項６記載の方法。
【請求項８】
ステップａ）、ｂ）及びｃ）が繰り返され、かつ、前記方法が、
ｄ）各間隔において前記再構成された画像フレームを平均化するステップ
をさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項９】
磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システムのフィールド・オブ・ビュー（ＦＯＶ）内に位置決めされる被験者の画像を生成する方法であって、
ａ）前記ＭＲＩシステムによって、脳活動を生成する事象に続く複数の間隔において前記被験者の脳のビューセットを取得するステップと、
ｂ）ステップａ）において複数の間隔中に取得された前記投影ビューによって合成画像を再構成するステップであって、該合成画像を形成するのに使用される前記投影ビューがインターリーブされるステップと、
ｃ）各間隔において、
ｃ）ｉ）前記間隔中にステップａ）において取得された投影ビューから画像データセットを生成することと、
ｃ）ｉｉ）前記画像データセットを使用して前記被験者の脳の画像フレームを生成すると共に、各画像画素位置を、前記合成画像内の対応する画素値によって重み付けすることと
によって画像フレームを再構成するステップと
を含む、ＭＲＩシステムのＦＯＶ内に位置決めされる被験者の画像を生成する方法。
【請求項１０】
ステップａ）が、各間隔中に複数の位相コード化投影ビューを取得することを含み、ステップｂ）が、各位相コード化について合成画像を再構成することを含み、該合成画像がステップｃ）において使用されて前記被験者の前記画像フレームが再構成される、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
ステップｃ）ｉｉ）が、前記画像データセット内の前記投影ビューを前記ＦＯＶに逆投影することと、各画像画素に逆投影された値を、前記合成画像内の前記対応する画素の前記値によって重み付けすることとを含む、請求項９記載の方法。
【請求項１２】
前記画像データセット内の前記投影ビューが、前記合成画像の対応する投影ビューによって正規化される、請求項１１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２００５年９月２２日付で出願された、発明の名称が「高度に限定されたイメージの再構成法(HIGHLY  CONSTRAINED  IMAGE  RECONSTRUCTION  METHOD)」の米国特許仮出願第６０／７１９，４４５号、および２００５年１１月２１日付で出願された、発明の名称が「機能的磁気共鳴イメージング用の、画像の取得及び再構成の方法(IMAGE  ACQUISITION  AND  RECONSTRUCTION  METHOD  FOR  FUNCTIONAL  MAGNETIC  RESONANCE  IMAGING)」の米国特許仮出願第６０／７３８，４４２号に基づく。
【０００２】
（連邦政府の支援による研究に関する記載）
本発明は、米国国立衛生研究所によって認められた認可番号第ＨＬ０７２２６０、ＨＬ０６６４８８及びＥＢ００２に基づいて、政府の支援でなされた。米国政府は、本発明に一定の権利を有する。
【０００３】
（発明の背景）
本発明の分野は、核磁気共鳴イメージング方法及びシステムである。より詳細には、本発明は、機能的磁気共鳴画像（ｆＭＲＩ）の取得及び再構成に関する。
【背景技術】
【０００４】
ヒト組織等の物質が均一な磁場（分極磁場Ｂ0）に晒されると、その組織内におけるスピンの個々の磁気モーメントは、この分極磁場によって整列しようとするが、その周囲ではそれらの固有のラーモア周波数で、でたらめな順序に歳差運動を行う。この物質すなわちこの組織が、ｘ−ｙ平面にあり、かつ、ラーモア周波数に近い磁場（励起磁場Ｂ1）に晒されると、ネット整列モーメントＭｚは、そのｘ−ｙ平面に対して回転し、あるいは「傾いて」、ネット横磁気モーメントＭｔを作り出す。励起信号Ｂ1が終了した後、信号がその励起されたスピンによって出力され、この信号が受信及び処理されて画像を形成することができる。
【０００５】
これらの信号を利用して画像を作成する際、磁場勾配（Ｇx、Ｇy、及びＧz）が用いられる。典型的には、撮像すべき領域は、使用される特定の位置決定法に従ってこれらの勾配が変動する連続的な測定サイクルにより走査される。当業界では各測定を「ビュー(view)」と呼び、このビューの個数がその画像の品質を決定する。結果として生じる受信ＮＭＲ信号またはビューまたはｋ空間サンプル数のセットはデジタル化され、処理されて、広く知られた多くの再構成技術の一つを用いて画像が再構成される。合計走査時間は、一部には、一つの画像に対して取得される測定サイクル数すなわちビューの個数により決定されるため、取得するビューの個数を少なくして画像の品質を犠牲にすることにより短縮することができる。
【０００６】
画像を再構成できるＮＭＲデータセットを取得するための最も一般的な方法は、「フーリエ変換」イメージング技術または「スピン−ワープ」技術と呼ばれるものである。この技術は、W.A.Edelsteinらによる「スピン−ワープＮＭＲイメージング法、及び、ヒト全身イメージングへの適用例(Spin-Warp  NMR  Imaging  and  Applications  to  Human  Whole-Body  Imaging)」（Physics  in  Medicine  and  Biology、Vol.25、p.751-756(1980)）と題する論文で検討されている。その方法は、ＮＭＲ信号を取得する前に、可変式振幅位相コード化磁場勾配パルスを使用し、この勾配方向における空間情報を位相コード化する。二次元的な実施態様（２ＤＦＴ）では、例えば、一つの方向に沿った位相コード化勾配（Ｇy）を適用することにより、空間情報がその方向においてコード化され、その後、この位相コード化方向に直交した一つの方向における読取り磁場勾配（Ｇx）の存在下において信号が取得される。スピン−エコーの取得中に存在するこの読取り勾配が、その直交方向における空間情報をコード化する。典型的な２ＤＦＴパルスシーケンスでは、位相コード化勾配パルスＧyの大きさは、走査中に取得される一連のビューで増分（Ｇy）的に増加される。三次元的な実施態様（３ＤＦＴ）では、各信号読取りの前に、第三の勾配（Ｇz）が適用され、その第三の軸に沿ってコード化が為される。この第二の位相コード化勾配パルスＧzの大きさも、走査中の値を通じて段階的に変えられる。これらの２ＤＦＴ法及び３ＤＦＴ法は、図２に示すように直線(rectilinear)パターンでｋ空間をサンプリングし、ｋ空間サンプルはデカルト格子に置かれる。
【０００７】
さらに最近の投影(projection)再構成法は、米国特許第６，４８７，４３５号明細書に開示されているように、時間分解データを取得するために用いられている。投影再構成法は、ときどき「ラジアル(radial)」取得と呼ばれ、磁気共鳴イメージング法の開始以来知られている。投影再構成法は、フーリエ・イメージング法で為されるような図２に示されている如き直線走査パターンでｋ空間をサンプリングするのではなく、図３に示されている如く、ｋ空間の中央から外向きに伸びる半径方向の線をサンプリングする一連のビューを取得する。ｋ空間をサンプリングするのに必要なビューの個数は、その走査の長さを決定し、もし不十分な個数のビューが取得された場合には、その再構成画像にストリーク(streak)・アーチファクトが作成される。米国特許第６，４８７，４３５号明細書に開示されている技術は、連続的にアンダーサンプリングされた画像を、インタリーブ(interleaved)ビューで取得し、周囲のｋ空間データを連続画像間で共有することによって、このようなストリーキング(streaking)を低減している。
【０００８】
例えば、米国特許第６，７１０，６８６号明細書で説明されているとおり、取得されたｋ空間投影ビューのセットから画像を再構成するのに用いられる２つの方法がある。最も一般的な方法は、半径方向にサンプリングした軌跡上の位置からデカルト格子へ、ｋ空間サンプルを格子変えするものである。その後、画像は、格子変えされたｋ空間サンプルを２Ｄまたは３Ｄフーリエ変換することによって再構成される。画像を再構成する第２の方法は、各投影ビューをフーリエ変換することによって、半径方向のｋ空間投影ビューをラドン空間へ変換することである。画像は、これらの信号投影をフィールド・オブ・ビュー（ＦＯＶ）へフィルタリングおよび逆投影することによって、それら信号投影から再構成される。当分野でよく知られているとおり、取得された信号投影がナイキストのサンプリング定理を満たすのに数が不足している場合、その再構成画像にはストリーク・アーチファクトが発生する。
【０００９】
標準的な逆投影方法が図４に図示されている。各取得信号投影プロファイル１０が、プロファイル１０内で、ＦＯＶ１２を通って、矢印１６で示された投影経路に沿って各信号サンプル１４を投影することによって、ＦＯＶ１２上に逆投影される。ＦＯＶ１２内の各信号サンプル１４を投影する際に、本発明者らは、対象に関する先験的な情報を何ら有しておらず、ＦＯＶ１２内のＮＭＲ信号が均質であり、信号サンプル１４は、投影経路が通る各画素に均等に分布していると仮定する。例えば、図４では、投影経路８がＦＯＶ１２内のＮ個の画素を通るときの、単一の信号投影プロファイル１０における単一の信号サンプル１４についての投影経路８が示されている。この信号サンプル１４の信号値（Ｐ）は、これらのＮ個の画素の間で均等に分割される。
【数１】
2009508660.tif 000003
（ここで、Ｓnは、Ｎ個の画素を有する投影経路内のｎ番目の画素に分配されるＮＭＲ信号値である。）
【００１０】
明らかに、ＦＯＶ１２のＮＭＲ信号は均等であるという仮定は正しくない。しかし、当分野でよく知られているとおり、各信号プロファイル１０に対してある一定のフィルタリング補正がなされ、十分な個数のフィルタリングされたプロファイルが、対応する個数の投影角で取得されるならば、この誤った仮定により生じる誤差が最小限になり、画像アーチファクトが抑制される。画像再構成の典型的なフィルタ補正逆投影法では、２５６×２５６画素の２Ｄ画像に対しては４００個の投影が必要であり、２５６×２５６×２５６画素の３Ｄ画像に対しては２０３，０００個の投影が必要となる。上で引用した米国特許第６，４８７，４３５号明細書に記載された方法が採用される場合、これらの同じ画像に必要な投影ビューの個数は、１００個（２Ｄ）と２０００個（３Ｄ）に減らすことができる。
【００１１】
機能的磁気共鳴イメージング（ｆＭＲＩ）技術は、ニューロンの活動を研究する新たな手法を提供する。従来のｆＭＲＩは、関数型パラダイム（functional  paradigm：機能的パラダイム）によって誘発されるニューロンの活動の増大に関連して局所的に発生する脳血液量、脳血流、及び酸化の変化を検出する。米国特許第５，６０３，３２２号に記載されているように、或る時間期間にわたって脳からの信号を取得するためにＭＲＩシステムが使用される。脳が或るタスクを実施するとき、これらの信号はタスクパフォーマンスと同期して変調され、脳のいずれの領域がタスクの実施に関与しているかが明らかになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
一連のｆＭＲＩ経時変化画像が、関数型パラダイムによって誘発される脳活動の変化が分かるほど十分に高いレートで取得されなければならない。加えて、ニューロンの活動は脳内の広範囲に分散した位置で発生し得るため、かなり大きな３Ｄボリューム及びマルチスライスボリュームが時間フレームごとに取得されなければならない。現在、ｆＭＲＩ経時変化データを取得するのにシングルショットＥＰＩパルスシーケンスが一般的に使用されている。このようなパルスシーケンスを使用して、たとえば、８ｍｍ厚、６４×６４画素の１５個のスライスを０．５ｆｐｓのフレームレートで取得することができる。ｆＭＲＩ画像の画像解像度及びフレームレートの両方が増大することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
（発明の要約）
本発明は、ｆＭＲＩ画像を取得及び再構成する方法であり、本方法において、高度にアンダーサンプリングされた画像フレームが、刺激の印加又はタスクの開始後に被験者の脳から取得される。画像フレーム内のビューはインターリーブされ、結合されて、各画像フレームの高度に限定された再構成中に用いられる合成画像が形成され、信号対雑音比（「ＳＮＲ」）が増大し、アーチファクトが低減される。
【００１４】
本発明の発見は、ＦＯＶ１２内のＮＭＲ信号輪郭の先験的な情報が、仮定した均等な信号輪郭のかわりに逆投影画像再構成プロセスで用いられるならば、大幅に少ない取得ビューを用いて良質の画像フレームを生成できることである。例えば、図５を参照すると、ＦＯＶ１２の信号輪郭は、血管１８及び２０などの構造体を含むことが分かる。実際には、逆投影経路８がこれらの構造体を貫通するとき、信号サンプル１４の各画素へのより正確な分配が、その画素位置で既知のＮＭＲ信号輪郭の関数として分配に重み付けすることによって達成される。その結果、大多数の信号サンプル１４が、構造体１８及び２０と交差する画素で分配される。Ｎ個の画素を有する逆投影経路８については、これは、以下のように表すことができる。
【数２】
2009508660.tif 000004
（ここで、Ｐは、ＮＭＲ信号サンプル値であり、Ｃnは、逆投影経路に沿ったｎ番目の画素における合成画像の信号値である。）
数式（２）の分子は、合成画像において、対応するＮＭＲ信号値を用いた各画素に重み付けし、分母は、全逆投影信号サンプルが、画像フレームに対する投影総和を反映し、合成画像の総和により乗算されないように、その値を正規化している。この正規化は、逆投影が実行された後に各画素で別個に行われることができるが、多くの臨床使用では、逆投影の前に投影Ｐを正規化する方がはるかに容易であることに留意すべきである。この場合、投影Ｐは、同じビュー角での合成画像を通した投影において対応する値ＰCで割ることによって正規化される。次に、正規化された投影Ｐ／ＰCは逆投影され、次に、結果として得た画像は合成画像を乗算される。
【００１５】
本発明の３Ｄの実施態様が、ビュー角θとφで特徴付けられる単一の３Ｄ投影ビューに対して、図６に図示されている。この投影ビューは、フーリエ変換されて信号輪郭を形成し、軸１６に沿って逆投影され、逆投影軸１６に沿った距離ｒにおいてラドン平面２１に広がる。投影信号輪郭値がフィルタ処理され、連続したラドン平面に、軸１６に沿って均等に分配されるフィルタリング逆投影の代わりに、投影信号輪郭値が、合成画像内の情報を用いて、ラドン平面２１に分配される。図６における合成画像は、血管１８及び２０を含む。重み付けされた信号輪郭値が、合成画像内の対応する位置ｘ、ｙ、ｚでの強度に基づいて、ラドン平面２１内の画像位置ｘ、ｙ、ｚで置かれる。これは、対応する合成画像のボクセル値と信号プロファイル値との簡単な乗算である。次に、この積は、合成画像から形成された対応画像空間プロファイルからのプロファイル値でこの積を割ることによって正規化される。３Ｄ再構成に対する式は以下になる。
【数３】
2009508660.tif 000005
（ここで、総和（Σ）は、時間フレーム内の全投影であり、特定のラドン平面内のｘ、ｙ、ｚ値は、その平面に対する適正なｒ、θ、φ値におけるプロファイル値Ｐ（ｒ，θ，φ）を用いて算出される。Ｐc（ｒ，θ，φ）は、合成画像からの対応プロファイル値であり、Ｃ（ｘ，ｙ，ｚ）r,θ,φは、（ｒ，θ，φ）での合成画像値である。）
【００１６】
本発明の別の発見は、この画像再構成方法を、刺激が被験者に印加されるか、又は被験者が特定のタスクを実施するように命令されているときに、一連のアンダーサンプリングされたフレーム画像が取得されるｆＭＲＩ手順において有利に用いることができることである。連続する画像フレーム取得のビューをインターリーブすることによって、連続する画像フレームからのビューを結合してより高品質の合成画像の再構成に使用することができる。次いで、この合成画像を、上述の、各画像フレームの高度に限定された逆投影再構成に使用する。
【００１７】
本発明の別の態様は、３Ｄハイブリッド投影再構成パルスシーケンスによるｆＭＲＩスキャン中に取得される画像フレームの再構成である。投影ビューが取得されて２Ｄスライスにおける放射状の軌跡によってｋ空間がサンプリングされ、位相コード化が用いられて軸方向に沿った複数のスライスが取得される。合成画像が複数のスライス位置のそれぞれに関して再構成され、これらの合成画像は各画像フレームにおける２Ｄスライスの逆投影再構成中に用いられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（好ましい実施態様の詳細な説明）
特に図１を参照すると、本発明の好ましい実施態様がＭＲＩシステムに採用される。ＭＲＩシステムは、ディスプレイ３１２及びキーボード３１４を有するワークステーション３１０を備える。ワークステーション３１０は、市販のオペレーティングシステムを走らせている市販のプログラマブルマシンであるプロセッサ３１６を備える。ワークステーション３１０は、スキャン指示をＭＲＩシステムに入力できるようにするオペレータインタフェースを提供する。
【００１９】
ワークステーション３１０は４つのサーバ、すなわちパルスシーケンスサーバ３１８、データ取得サーバ３２０、データ処理サーバ３２２、及びデータ記憶サーバ２３に結合される。好ましい実施態様では、データ記憶サーバ２３は、ワークステーションプロセッサ３１６及び関連するディスクドライブインタフェース回路によって実行される。残りの３つのサーバ３１８、３２０及び３２２は、単一のエンクロージャに搭載され、且つ６４ビットバックプレーンバスを使用して相互接続された別個のプロセッサによって実行される。パルスシーケンスサーバ３１８は、市販のマイクロプロセッサ及び市販の４通信コントローラを用いる。データ取得サーバ３２０及びデータ処理サーバ３２２は両方とも、同じ市販のマイクロプロセッサを用い、データ処理サーバ３２２は、市販のパラレルベクトルプロセッサに基づいた１つ又は複数のアレイプロセッサをさらに備える。
【００２０】
ワークステーション３１０及びサーバ３１８、３２０及び３２２の各プロセッサは、シリアル通信ネットワークに接続される。このシリアルネットワークは、ワークステーション３１０からサーバ３１８、３２０及び３２２にダウンロードされたデータを伝達するとともに、サーバ間及びワークステーションとサーバの間で通信されるタグデータを伝達する。これに加えて、高速データリンクがデータ処理サーバ３２２とワークステーション３１０の間に設けられて、画像データをデータ記憶サーバ２３に伝達する。
【００２１】
パルスシーケンスサーバ３１８は、ワークステーション３１０からダウンロードされたプログラム要素に応答して、勾配システム２４及びＲＦシステム２６を動作させるように機能する。指定されたスキャンを実行するために必要な勾配波形が生成されて勾配システム２４に与えられ、勾配システム２４はアセンブリ２８内の勾配コイルを励起して、ＮＭＲ信号の位置エンコーディングに使用される磁場勾配Ｇx、Ｇy、及びＧzを生成する。勾配コイルアセンブリ２８は、分極マグネット３２及び全身ＲＦコイル３４を備えるマグネットアセンブリ３０の一部を成す。
【００２２】
ＲＦ励起波形が、ＲＦシステム２６によりＲＦコイル３４に与えられて、指定の磁気共鳴パルスシーケンスを実行する。ＲＦコイル３４により検出される応答性ＮＭＲ信号はＲＦシステム２６により受信され、パルスシーケンスサーバ３１８により生成されるコマンドの命令の下で増幅され、復調され、濾波され、デジタル化される。ＲＦシステム２６は、ＭＲパルスシーケンスに使用される広範なＲＦパルスを生成するＲＦトランスミッタを備える。ＲＦトランスミッタは、スキャン指示及びパルスシーケンスサーバ３１８からの命令に応答して、所望の周波数、位相、及びパルス振幅波形のＲＦパルスを生成する。生成されたＲＦパルスは、全身ＲＦコイル３４に与えることができるが、本発明の好ましい実施態様では、米国特許第５，３７２，１３７号明細書に記載されたようなローカルヘッドコイルが、ＲＦパルスを伝送すること及びその結果のＮＭＲ信号を受信することの両方に用いられる。
【００２３】
ＲＦシステム２６は、対応する複数のローカルコイルに又はコイルアレイ内の対応する複数のコイル要素に接続されうる１つ又は複数のＲＦレシーバチャネルも備える。各ＲＦレシーバチャネルは、接続されているコイルが受け取ったＮＭＲ信号を増幅するＲＦ増幅器、及び受信したＮＭＲ信号のＩ及びＱ直角位相成分を検出しデジタル化する直角位相検出器を備える。受信したＮＭＲ信号の大きさはこうして、Ｉ成分及びＱ成分の二乗和の平方根によりいずれのサンプリングポイントでも求めることができ、
【数４】
2009508660.tif 000006
また、受信したＮＭＲ信号の位相も求めることができる。
【数５】
2009508660.tif 000007
上記で示したように、本発明の好ましい実施態様に従って、ローカルヘッドコイルを用いて、被験者の脳内で生成されたＮＭＲ信号を受信する。
【００２４】
パルスシーケンスサーバ３１８は任意的に、生理的取得コントローラ３６から患者データを受信する。コントローラ３６は、電極からのＥＣＧ信号又はベローズからの呼吸信号等、患者に接続されたいくつかの異なるセンサから信号を受信する。パルスシーケンスサーバ３１８は通常、このような信号を使用して、スキャンのパフォーマンスを患者の呼吸又は心拍に同期又は「ゲート」させる。
【００２５】
パルスシーケンスサーバ３１８は、患者及びマグネットシステムの状態に関連する各種センサから信号を受信するスキャンルームインタフェース回路３８にも接続する。患者位置合わせシステム４０がスキャン中に患者を所望の位置に移動させるコマンドを受信することもスキャンルームインタフェース回路３８を通してである。
【００２６】
ＲＦシステム２６により生成される、デジタル化されたＮＭＲ信号サンプルをデータ取得サーバ３２０が受け取る。データ取得サーバ３２０は、ワークステーション３１０からダウンロードされる指令構成要素に応答して動作し、リアルタイムＮＭＲデータを受け取り、データがデータオーバーランにより失われないようにバッファストレージを提供する。スキャンによっては、データ取得サーバ３２０は、取得されたＮＭＲデータをデータプロセッササーバ３２２に渡すにすぎない。しかし、取得されたＮＭＲデータから導出された情報をスキャンのさらなるパフォーマンスの制御に必要とするスキャンでは、データ取得サーバ３２０は、このような情報を生成してパルスシーケンスサーバ３１８に伝達するようにプログラムされる。たとえば、プレスキャン中、ＮＭＲデータを取得し、これを使用してパルスシーケンスサーバ３１８により行われるパルスシーケンスを較正する。また、ナビゲータ信号をスキャン中に取得し、これを使用して、ＲＦシステム又は勾配システムの動作パラメータを調整し、又はｋ空間がサンプリングされるビュー順序(view  order)を制御することができる。また、データ取得サーバ３２０を用いて、ＭＲＡスキャン中に造影剤の到着を検出するために使用されるＮＭＲ信号を処理することができる。これら例のすべてにおいて、データ取得サーバ３２０はＮＭＲデータを取得し、リアルタイムで処理して、スキャンの制御に使用される情報を生成する。
【００２７】
データ処理サーバ３２２は、ＮＭＲデータをデータ取得サーバ３２０から受け取り、ワークステーション３１０からダウンロードされた指令構成要素に従って処理する。このような処理には、たとえば、未処理のｋ空間ＮＭＲデータをフーリエ変換して２次元画像又は３次元画像を生成すること、再構成された画像にフィルタを適用すること、取得されたＮＭＲデータの逆投影画像再構成を行うこと、機能ＭＲ画像を算出すること、動き又は流れの画像を算出すること等を含むことができる。
【００２８】
データ処理サーバ３２２により再構成される画像は再びワークステーション３１０に伝達されて記憶される。リアルタイム画像はデータベースメモリキャッシュ（図示せず）に記憶され、ここから画像を、マグネットアセンブリ３０付近に配置され担当医師により使用されるオペレータディスプレイ３１２又はディスプレイ４２に出力することができる。バッチモード画像又は選択されたリアルタイム画像は、ディスクストレージ４４上のホストデータベースに記憶される。このような画像が再構成されストレージに転送されるとき、データ処理サーバ３２２はワークステーション３１０上のデータ記憶サーバ２３に通知する。オペレータがワークステーション３１０を使用して、画像の保存、フィルムの生成、又はネットワークを介しての他の施設への画像の送信を行うことができる。
【００２９】
本発明の好適な実施態様を実施するため、ＮＭＲデータが、投影再構成、またはラジアル(radial)な、図７に示すパルスシーケンスを用いて取得される。これは、選択的、非対称的に切り取られたｓｉｎｃ  ｒｆ励起パルス２００がスライス選択勾配２０２の存在下で生成される高速グラジエント・リコールド・エコーパルスシーケンスである。ｒｆパルス２００のフリップ角度は、血液についてのエルンスト角の近くにセットされる。
【００３０】
以下により詳細に説明するように、このパルスシーケンスは、図８中の２０４、２０５、２０６、２０７及び２０８で示されているとおり、複数の円形ｋ空間平面を取得するために用いることができる。複数の２Ｄスライスが取得されるとき、軸勾配２０２は、位相コード化勾配ローブ２１０および逆極性の巻き戻し(rewinder)勾配ローブ２１２に続くスラブ選択勾配である。この軸方向の位相コード化勾配２１０は、２Ｄのｋ空間平面のそれぞれからサンプリングするために、走査中に値を通して段差をつけられる。好ましい実施態様では、５つのｋ空間平面がサンプリングされ、以下に述べるように対応する５つの２Ｄスライスが再構成される。
【００３１】
ＮＭＲエコー信号２１８の取得の間に２つの面内読出し勾配２１４及び２１６を実行して、２Ｄ平面２０４、２０５、２０６、２０７または２０８内で半径方向軌跡に沿ってｋ空間をサンプリングする。これらの面内勾配２１４及び２１６は、軸方向勾配に対して垂直であり、それらは相互に直交している。以下により詳細に述べるように、走査の間、これらの面内勾配は、半径方向サンプリング軌跡のビュー角を回転させるために、一連の値を通して段差をつけられる。各面内読取り勾配は、プリフェージング勾配ローブ２２０及び２２２に先行し、巻き戻し勾配ローブ２２４及び２２６が続く。
【００３２】
ＢＯＬＤ信号コントラストのための強いＴ2*重み付けを得るために、ＴＥが長いことが望ましい。走査時間を短縮するためにＴＲが短いことも望ましいため、任意のＴＲ中に取得されるＭＲ信号２１８が前回のＴＲ中のｒｆ励起によって生成されるエコーシフトされたパルスシーケンスが用いられる。当分野で既知のように、このようなエコーシフトは励起パルス２００の後で且つ信号読取り勾配２１４及び２１６の前にスポイラ勾配を加えることによって達成される。スポイラ勾配ローブ（図面には示さない）が好ましい実施態様においてスライス選択勾配２０２上のリフレージングローブに加えられ、その値は１セットのＴＲにわたって或るパターンで変化し、それによって、適切なエコー信号２１８がスピン励起後の２つ又は３つのＴＲに再び焦点を合わせる。この既知のエコーシフト技術のより詳細な説明に関しては、Elsevier  Academic  pressによって２００４年に出版されたBernsteinらによる「ＭＲＩパルスシーケンスハンドブック（Handbook  of  MRI  Pulse  Sequences）」を参照する。
【００３３】
ｋ空間の周辺境界上の一点から、ｋ空間の中心を通ってｋ空間の周辺境界上の反対側の点まで延びる好ましい直線軌跡以外のサンプリング軌跡が用いられてもよいことが、当業者には理解されるべきである。１つの変形形態は、サンプリングされたｋ空間容積の全範囲にわたっては延びていない軌跡に沿ってサンプリングする、部分的なＮＭＲエコー信号２１８を取得することである。直線投影再構成パルスシーケンスと等価である別の変形形態は、直線ではなく曲線経路に沿ってサンプリングすることである。このようなパルスシーケンスは、例えば、Ｆ．Ｅ．Ｂｏａｄａらによる「高速３次元ナトリウムイメージング法(Fast  Three  Dimensional  Sodium  Imaging)」（ＭＲＭ，３７：７０６−７１５，１９９７）および、Ｋ．Ｖ．Ｋｏｌａｄｉａらによる「螺旋投影イメージング法を用いた高速３Ｄ  ＰＣ−ＭＲＡ(Rapid  3D  PC-MRA  Using  Spiral  Projection  Imaging)」（Ｐｒｏｃ．Ｉｎｔｌ．Ｓｏｃ．Ｍａｇｎ．Ｒｅｓｏｎ．Ｍｅｄ．１３（２００５））および、Ｊ．Ｇ．ＰｉｐｅとＫｏｌａｄｉａによる「螺旋投影イメージング法：新しい高速３Ｄ軌跡(Spiral  Projection  Imaging：a  new  fast  3D  trajectory)」（Ｐｒｏｃ．Ｉｎｔｌ．Ｓｏｃ．Ｍａｇ．Ｒｅｓｏｎ．Ｍｅｄ．１３（２００５））において述べられている。本発明は、これらのサンプリング方法の２Ｄバージョンだけでなく３Ｄバージョンで利用可能であり、本明細書において用いられる用語の「画素」の参照は、２Ｄまたは３Ｄ画像のいずれかにおける位置を指すことを意図されている、ことも理解されるべきである。
【００３４】
ＭＲＩデータが被験者の脳から取得されている間に、試験の被験者を断続的に刺激すること、又は被験者に断続的にタスクを実施するよう求めることによって、ｆＭＲＩ研究が実施される。たとえば、被験者は視覚パターンによって刺激され得るか、又は指で叩くように求められ得る。このような関数型パラダイムを図１０に示し、図１０では刺激又はタスクは１００で示す間隔で起こる。特に図９及び図１０を参照すると、プロセスブロック１０２において示すように、各刺激又はタスク１００を開始する前に、ＭＲＩシステムによって上述のパルスシーケンスを使用してベースライン取得が実施される。これは、２５６×２６５画素画像が各位相コード化スライスの１００個の異なる投影ビューによって取得される、完全サンプリング取得である。
【００３５】
次いで、プロセスブロック１００において示すように刺激が印加されるか又はタスクが開始され、一連の画像フレームが１０４において示すように取得される。より具体的には、高度にアンダーサンプリングされた画像フレームがプロセスブロック１０６で迅速に取得され、プロセスブロック１０６では、１０個の投影ビューのみが位相コード化スライスごとに取得される。数は少ないが、取得された投影ビューは均等に分散されて各スライスにおいて可能な限り均一にｋ空間をサンプリングする。連続するこのようなアンダーサンプリングされた画像フレームは、図１０において１１０で示すＢＯＬＤ信号応答が終了するまで可能な限り迅速に取得される。好ましい実施態様では、これは判断ブロック１１２で決定されるような５秒の時間期間であり、この時間期間中、２０個の画像フレームが、ＢＯＬＤ信号１１０がピーク値まで上昇して再びベースライン値まで下降するような連続する２０の時間間隔中に取得される。
【００３６】
これらの取得された画像フレームの重要な特徴は、各画像フレーム内の投影ビューが互いにインターリーブされることである。このインターリーブは図１１に示されており、図１１において、破線２３０は１つの画像フレーム取得中に取得された投影ビューのｋ空間サンプリングを示し、破線２３２は次の画像フレームにおいて取得された投影ビューを示し、線２３４は３番目の画像フレームにおいて取得された投影ビューを示す。取得された画像フレームのいずれか１つがｋ空間の中心から半径ｒまでｋ空間を完全にサンプリングすることができるのに対して、３セットのインターリーブされた投影ビューはより大きな半径Ｒまでｋ空間をサンプリングする。各刺激／タスク期間１００後に取得された２０セットのインターリーブされた投影ビューは、より大きな半径までｋ空間を完全にサンプリングする。
【００３７】
良好にサンプリングされたベースライン画像１０２のこの一連の取得の後には刺激／タスク１００の印加が続き、判断ブロック１１４で判断されるようにスキャンが完了するまで繰り返される。スキャンは所望される限り継続し、後述するように、各繰り返し中に取得されるデータは平均化されて最終的な画像のＳＮＲが向上する。スキャンに続いてｆＭＲＩ画像がプロセスブロック１１６において示すように再構成される。
【００３８】
ｆＭＲＩ画像の再構成は、本発明を用いて、ｋ空間投影ビューの高度にアンダーサンプリングされたセットから再構成される画像フレームを改善する。特に図１２を参照すると、画像再構成プロセス１１６の最初のステップは、プロセスブロック１５０において示すように、取得されたベースライン画像におけるすべての対応する位相コード化投影ビューを平均化することである。上述のように、任意の数のこのようなベースライン画像をスキャン中に取得することができ、それぞれにおける対応するｋ空間サンプルが平均化されて非アクティブなベースライン脳画像のＳＮＲが向上する。
【００３９】
次いで、画像フレームが測定サイクルごとに再構成されるループに入る。プロセスブロック１５２において示すように、最初に、ベースライン画像信号が画像フレーム投影ビューから減算される。これによって、ＢＯＬＤ信号が存在するが静止した構造及び組織が差し引かれている疎なデータセットが生成される。これは、取得された画像フレームのそれぞれにおける１０個の位相コード化投影ビューのそれぞれから、ベースライン画像の対応する位相コード化投影ビューにおける対応するｋ空間信号サンプルを減算することによって達成される。次いで、プロセスブロック１５４において、結果として生成される各画像フレームに対してその位相コード化軸に沿って逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）が実施され、各スライスに１０個のｋ空間投影ビューを有する５つの別個のスライスが生成される。プロセスブロック１５６において示すように、これらの５つのスライスのそれぞれに対して合成画像が再構成される。上述のように、各スライス２０４〜２０８において測定サイクル中に取得された投影ビューは互いにインターリーブされ、それによって、それらが結合されて単一のｋ空間データセットになると、高度にサンプリングされたデータセットが形成される。各スライスの合成画像は、従来の画像再構成技術を使用して生成される。これは、結合され、フーリエ変換された合成画像投影ビューのフィルタリング逆投影とすることができるか、又は、結合された投影ビューをデカルト格子に格子変えして、続いて従来の２ＤＦＴ画像再構成を行うことができる。
【００４０】
引き続き図１２を参照すると、各画像フレームスライスの高品質の合成画像を用意して、各画像フレームのスライスがプロセスブロック１５８において示すように再構成されるループに入る。この高度に限定された逆投影プロセスは図１３を参照して詳細に後述する。判断ブロック１６０において判断されるように現在の測定サイクルにおける最後の画像フレームが再構成されると、システムは判断ブロック１６２においてループバックし、次の測定サイクルにおいて取得されるデータを使用して画像フレーム再構成プロセスを繰り返す。すべての取得されたデータが処理されると、プロセスブロック１６４において連続した測定サイクルの対応する画像フレーム内の対応する画素値が平均化されて、刺激の印加又はタスクの開始に続く時間間隔中に被験者の脳内のロケーションでのＢＯＬＤ信号の増加を示すより高品質の画像フレームの単一のセットが生成される。
【００４１】
特に図１３を参照すると、測定サイクルの各画像フレームにおける２Ｄ画像スライスが、その測定サイクルの対応するスライス合成画像を使用して再構成される。最初のステップは、画像フレームのｋ空間投影（好ましい実施態様では１０個）を、それらをプロセスブロック１７０において示すようにフーリエ変換することによってラドン空間に変換することである。その結果は、図５に示すような信号プロファイル１０のセットである。プロセスブロック１７２において示すように、次いで、これらの信号プロファイルのそれぞれを、図５の経路８によって示すようにＶＯＩに逆投影する。この逆投影は、式（２）に関連して上述したように合成画像によって重み付けされる。すなわち、任意の画素（ｎ）における正規化逆投影値（Ｐ／ＰC）が、合成画像における同じ画素の大きさ（Ｃn）によって重み付けされる。
【００４２】
プロセスブロック１７４において示すように、次いで、逆投影信号値（Ｓn）を再構成されている画像フレームに加算する。次いで、システムは判断ブロック１７６においてループバックして、プロセスブロック１７８及び１７２において示すように次の信号プロファイル１０を逆投影する。したがって、すべての高度に限定された逆投影信号プロファイル１０の信号値（Ｓn）が、より高品質の合成画像における対応する画素値によって決定される重み付けによって画像フレームに加算される。合成画像は、はるかに多数の投影ビューから再構成され、その結果アーチファクトがより少なくなるため、より高品質である。また、合成画像は、その再構成に使用される投影ビューがはるかに長い時間帯にわたって取得されるため高品質である。一般的に、画像フレームのＳＮＲは、その取得期間の平方根に比例する。本発明の発見は、合成画像のより高い品質が、この特有の、高度に限定された再構成プロセスを通じて画像フレームに伝達されることである。
【００４３】
現在の画像フレーム内の各スライス２０４〜２０８は、判断ブロック１８０において判断されるようにすべてのスライスが再構成されるまで、対応する合成スライス画像を使用してこのように再構成される。
【００４４】
好ましい実施態様において各フレーム画像が位相コード化投影ビューの３Ｄｋ空間データセットとして取得される。合成画像を使用してこの３Ｄデータセットからフレーム画像を再構成する他の方法が多数存在する。多数のこのような代替的な方法は、２００５年９月２２日付で出願された、発明の名称が「高度に限定されたイメージの再構成法（Highly  Constrained  Image  Reconstruction  Method）」の同時係属の米国特許出願第６０／７１９，５５４号に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明を使用するＭＲＩシステムのブロック図である。
【図２】フーリエ変換技術を使用するｋ空間サンプリングの図である。
【図３】投影再構成技術を使用するｋ空間サンプリングの図である。
【図４】従来の逆投影再構成方法の図である。
【図５】２Ｄ  ＰＲ画像再構成に関する本発明による高度に限定された逆投影方法の図である。
【図６】３Ｄ  ＰＲ画像再構成に関する高度に限定された逆投影方法の図である。
【図７】本発明の好ましい実施態様を実施するときの、図１のＭＲＩシステムによって実施されるハイブリッドＰＲパルスシーケンスのグラフである。
【図８】図７のハイブリッドパルスシーケンスを使用するｋ空間サンプリングの図である。
【図９】本発明によるｆＭＲＩスキャンの好ましい実施態様において採用されるステップのフローチャートである。
【図１０】図９の方法によるスキャンの図である。
【図１１】図９の方法に使用されるインターリーブされた投影ビューの図である。
【図１２】図９の方法の一部を成すｆＭＲＩ画像再構成プロセスのフローチャートである。
【図１３】図１２のプロセスの一部を成す画像フレーム再構成プロセスのフローチャートである。
【図１】
2009508660.tif 000009
【図２】
2009508660.tif 000010
【図３】
2009508660.tif 000011
【図４】
2009508660.tif 000012
【図５】
2009508660.tif 000013
【図６】
2009508660.tif 000014
【図７】
2009508660.tif 000015
【図８】
2009508660.tif 000016
【図９】
2009508660.tif 000017
【図１０】
2009508660.tif 000018
【図１１】
2009508660.tif 000019
【図１２】
2009508660.tif 000020
【図１３】
2009508660.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成20年5月13日(2008.5.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システムのフィールド・オブ・ビュー（ＦＯＶ）内に位置決めされる被験者の脳内の活動の画像を生成する方法であって、
ａ）前記ＭＲＩシステムによって、前記被験者における脳活動を生成する事象に続く複数の時間間隔のそれぞれの間に種々のビュー角で投影ビューセットを取得するステップと、
ｂ）前記複数の時間間隔中に取得された前記投影ビューによって合成画像を生成するステップであって、前記の投影ビューのビュー角が互いにインターリーブされるステップと、
ｃ）各時間間隔において、
ｃ）ｉ）前記時間間隔中に取得された前記投影ビューセットを前記ＦＯＶに逆投影すると共に、各画像画素に逆投影される信号値を、前記合成画像を用いて正規化及び重み付けすることと、
ｃ）ｉｉ）各画像画素の前記逆投影された値を合計することと
によって画像フレームを再構成するステップと
を含む、ＭＲＩシステムのＦＯＶ内に位置決めされる被験者の脳の画像を生成する方法。
【請求項２】
各画像画素の逆投影された信号値Ｓnが、ステップｃ）ｉ）において以下のように算出される、請求項１記載の方法。
【数１】
2009508660.tif 000022
（ここで、Ｐは逆投影されている前記投影ビューの値であり、Ｃnは前記合成画像における対応する画素の信号値であり、Ｓnは逆投影経路に沿ったｎ番目の画素の信号値であり、Ｎは逆投影経路に沿った画素の総数である。）
【請求項３】
ｄ）前記事象が脳活動を生成していない時間期間中に取得される投影ビューから成るベースライン画像を取得するステップと、
ｅ）ステップｂ）及びステップｃ）を実施する前に、対応するビュー角でステップａ）において取得された投影ビューから前記ベースライン画像の投影ビューを減算するステップと
を含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
ステップｃ）が、前記投影ビューを逆投影する前に各ビューをフーリエ変換することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項５】
ステップａ）が、ハイブリッド２Ｄ  ＰＲパルスシーケンスの命令に基づいて実施され、各セットの投影ビューが、前記被験者の対応する複数のスライスを示す投影ビューの複数のサブセットから成る、請求項１記載の方法。
【請求項６】
ステップｂ）が、前記複数のスライスのそれぞれの合成画像を生成することを含む、請求項５記載の方法。
【請求項７】
ステップｃ）が、前記スライスに対応する前記合成画像を使用して各スライスにおいて前記被験者の画像を再構成することを含む、請求項６記載の方法。
【請求項８】
ステップａ）、ｂ）及びｃ）が繰り返されて、前記事象に続く各時間間隔の複数の画像フレームが生成され、かつ、前記方法が、
ｄ）各時間間隔において前記複数の画像フレームを平均化するステップ
をさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項９】
磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システムのフィールド・オブ・ビュー（ＦＯＶ）内に位置決めされる被験者の画像を生成する方法であって、
ａ）前記ＭＲＩシステムによって、脳活動を生成する事象に続く複数の間隔において前記被験者の脳のビューセットを取得するステップと、
ｂ）ステップａ）において複数の間隔中に取得された前記投影ビューによって合成画像を再構成するステップであって、該合成画像を形成するのに使用される前記投影ビューがインターリーブされるステップと、
ｃ）各間隔において、
ｃ）ｉ）前記間隔中にステップａ）において取得された投影ビューから画像データセットを生成することと、
ｃ）ｉｉ）前記画像データセットを使用して前記被験者の脳の画像フレームを生成すると共に、各画像画素位置における前記画像フレームの値を、前記合成画像内の対応する画素値によって重み付けすることと
によって画像フレームを再構成するステップと
を含む、ＭＲＩシステムのＦＯＶ内に位置決めされる被験者の画像を生成する方法。
【請求項１０】
ステップａ）が、各間隔中に複数の位相コード化投影ビューを取得することを含み、ステップｂ）が、各位相コード化について合成画像を再構成することを含み、該合成画像がステップｃ）において使用されて前記被験者の前記画像フレームが再構成される、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
ステップｃ）ｉｉ）が、前記画像データセット内の前記投影ビューを前記ＦＯＶに逆投影することと、各画像画素に逆投影された値を、前記合成画像内の前記対応する画素の前記値によって重み付けすることとを含む、請求項９記載の方法。
【請求項１２】
前記画像データセット内の前記投影ビューが、前記合成画像の対応する投影ビューによって正規化される、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記事象が、前記被験者によるタスクの実施である、請求項１記載の方法。
【請求項１４】
前記事象が、前記被験者の刺激である、請求項１記載の方法。
【国際調査報告】
2009508660.tif 000023
2009508660.tif 000024
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