(57)【要約】  物体（１）を撮像する磁気共鳴（ＭＲ）断層撮影の方法は、物体を静磁場に配置することと、空間的に符号化されたＭＲ信号を生成するために、物体が少なくとも１つの無線周波数パルスおよび磁場勾配を受けることと、ＭＲ信号を取得することと、ＭＲ信号の空間符号化を利用して物体画像を再構成することと、を含み、該方法では、取得するステップ中に、ＭＲ信号は、静磁場に平行な成分を有する、少なくとも１つの空間的に制限された経時的に変化する変調磁場によって局所的な特定周波数変調を受け、物体画像を再構成するステップは、空間的に符号化されたＭＲ信号から空間情報を得るために周波数変調をさらに利用する。ＭＲ撮像デバイス（１００）は、空間的に制限された経時的に変化する変調磁場を生成するための磁場変調源デバイス（１１４）を有するＭＲ断層撮影装置（１１０）、制御デバイス（１２０）、および空間画像情報を得るために、収集されたＭＲ信号の周波数変調を利用することによって物体画像を再構成するための再構成デバイス（１３０）を含む。【選択図】図１
2021529610.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体（１）を撮像する磁気共鳴断層撮影（ＭＲＴ）の方法であって、
前記物体（１）を静磁場に配置するステップと、
空間的に符号化された磁気共鳴信号を生成するために、前記物体（１）が少なくとも１つの無線周波数パルスおよび磁場勾配を受けるステップと、
磁気共鳴信号を取得するステップと、
物体画像を再構成するステップであって、前記磁気共鳴信号の空間符号化が利用される、物体画像を再構成するステップと、を含み、
前記取得するステップ中に、前記磁気共鳴信号は、前記静磁場に平行な成分を有する、少なくとも１つの空間的に制限された経時的に変化する変調磁場によって局所的な特定周波数変調を受け、前記物体画像を再構成するステップは、前記空間的に符号化された磁気共鳴信号から空間情報を得るために前記局所的な特定周波数変調をさらに利用することを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記少なくとも１つの空間的に制限された経時的に変化する変調磁場は、磁化の局所的なラーモア周波数の時間周波数変調が得られるように選択される変調周波数を有する、請求項１に記載のＭＲＴ撮像方法。
【請求項３】
前記少なくとも１つの空間的に制限された経時的に変化する変調磁場は、少なくとも１００Ｈｚおよび／または最大で１０ＭＨｚの変調周波数を有する、請求項１または２に記載のＭＲＴ撮像方法。
【請求項４】
前記少なくとも１つの空間的に制限された経時的に変化する変調磁場は、正弦波または三角波の変調形状を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載のＭＲＴ撮像方法。
【請求項５】
前記少なくとも１つの空間的に制限された経時的に変化する変調磁場は、前記物体（１）に隣接して配置される少なくとも１つの局所磁場コイル、および前記物体（１）における磁場分布をシミングするために配置される球面調和シムコイルを含むシミングデバイスのうちの少なくとも１つによって生成される、請求項１から４のいずれか一項に記載のＭＲＴ撮像方法。
【請求項６】
前記静磁場は、前記物体（１）の種々の空間部に局所化される、少なくとも２つの空間的に制限された経時的に変化する変調磁場と重ね合わせられる、請求項１から５のいずれか一項に記載のＭＲＴ撮像方法。
【請求項７】
前記物体（１）の種々の空間部における前記空間的に制限された経時的に変化する変調磁場は、種々の振幅、周波数、位相、および／または変調形状を有する、請求項６に記載のＭＲＴ撮像方法。
【請求項８】
演算子および／または予備物体撮像プロセスによって提供される動作命令に依存して、種々の空間的に制限された経時的に変化する変調磁場を受ける前記物体（１）の空間部の数および／または拡張を選択するステップを含む、請求項１から７のいずれか一項に記載のＭＲＴ撮像方法。
【請求項９】
前記磁気共鳴信号を取得するステップは、複数のＲＦコイルによって前記磁気共鳴信号を並列検知すること、および前記磁気共鳴信号を取得するステップに含まれるそれぞれの位相符号化ステップに対する前記少なくとも１つの空間的に制限された経時的に変化する変調磁場を変更することのうちの少なくとも１つを含む、請求項１から８のいずれか一項に記載のＭＲＴ撮像方法。
【請求項１０】
前記物体画像ｍを再構成するステップは、正規最適化によって連立一次方程式ｓ＝Ｅｍを解くことを含み、ここで、ｓは、前記磁気共鳴信号を含み、Ｅは、前記磁気共鳴信号の前記空間符号化によって、および経時的に変化する変調成分に応じて特定される符号化行列である、請求項１から９のいずれか一項に記載のＭＲＴ撮像方法。
【請求項１１】
前記静磁場は、前記物体（１）が前記少なくとも１つの無線周波数パルスおよび磁場勾配を受けるステップ中に少なくとも１つの空間的に制限された経時的に変化する変調磁場とさらに重ね合わせられる、請求項１から１０のいずれか一項に記載のＭＲＴ撮像方法。
【請求項１２】
撮像される物体（１）に対応し、静磁場、少なくとも１つの無線周波数パルス、および磁場勾配を生成し、磁気共鳴信号を収集するように構成される磁気共鳴断層撮影装置（１１０）と、
前記磁気共鳴断層撮影装置を制御するように構成される制御デバイス（１２０）と、
前記磁気共鳴信号に基づいて物体画像を再構成するように構成される再構成デバイス（１３０）と、を含む、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）デバイス（１００）であって、
前記磁気共鳴断層撮影装置（１１０）は、磁場変調源デバイス（１１４）を含み、前記静磁場に平行な成分を有する、少なくとも１つの空間的に制限された経時的に変化する変調磁場を前記静磁場に重ね合わせるようにさらに適合されることで、前記磁気共鳴断層撮影装置は、前記磁気共鳴信号の収集中に前記磁気共鳴信号が局所的な特定周波数変調を受けるように適合され、前記制御デバイス（１２０）は、前記少なくとも１つの空間的に制限された経時的に変化する変調磁場を設定するように構成され、前記再構成デバイス（１３０）は、空間的に符号化された前記磁気共鳴信号から空間画像情報を得るために前記磁気共鳴信号の前記局所的な特定周波数変調を利用することによって前記物体画像を再構成するように構成されることを特徴とする、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）デバイス（１００）。
【請求項１３】
請求項１から１１のいずれか一項に記載のＭＲＴ撮像方法を実行するように適合される、請求項１２に記載のＭＲＩデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、調査対象の物体、例えば、患者または被験体のような生物有機体、またはこの一部を撮像する磁気共鳴断層撮影（ＭＲＴ）の方法および装置に関する。本発明の応用は、例えば、医用画像または物質調査の分野で利用可能である。
【背景技術】
【０００２】
本明細書では、本発明の技術背景および関連技法を示す、以下の先行技術を参照する：
［１］Ｐ．Ｃ．Ｌａｕｔｅｒｂｕｒ、「Ｎａｔｕｒｅ」２４２、１９０−１９１（１９７３）
［２］Ｐ．Ｍａｎｓｆｉｅｌｄら、「Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｃ、Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｐｈｙｓｉｃｓ」１９７３；６、４２２〜４２６行
［３］Ｓ．Ｌｊｕｎｇｇｒｅｎ、「Ｊ．Ｍａｇｎ．Ｒｅｓｏｎ．」１９８３；５４：３３８−３４３
［４］Ｄ．Ｂ．Ｔｗｉｅｇ、「Ｍｅｄ．Ｐｈｙｓ」１９８３；１０：６１０−６２１
［５］Ｗ．Ａ．Ｅｄｅｌｓｔｅｉｎら、「Ｐｈｙｓ．Ｍｅｄ．Ｂｉｏ．」２５、７５１−７５６
［６］Ｋ．Ｐ．Ｐｒｕｅｓｓｍａｎｎら、「Ｍａｇｎ．Ｒｅｓｏｎ．Ｍｅｄ．」１９９９；４２：９５２−９６２
［７］Ｍ．Ａ．Ｇｒｉｓｗｏｒｌｄら、「Ｍａｇｎ．Ｒｅｓｏｎ．Ｍｅｄ．」２００２；４７：１２０２−１２１０
［８］Ｊ．Ｈｅｎｎｉｇら、「Ｍａｇｎ．Ｒｅｓｏｎ．Ｍａｔｅｒ．Ｐｈｙ．」２００８；２１：５−１４
［９］米国特許第７４１１３９５号
［１０］米国特許第６２５５８２１号
［１１］米国特許出願公開第２０１１／００８０１６９号
【０００３】
ＭＲＴ撮像は、空間的に拡張したサンプル（調査対象の物体）から空間分解ＭＲ信号を検出するための一般的に既知の撮像方法である。サンプルが均一場内に置かれる場合、無線周波数受信コイルは、サンプル内から生じる全ての信号の和を検出する。利用可能である空間分解情報はない。空間分解撮像の原理は、一般的に、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸に沿って独立して適用される追加の線形磁場勾配の応用に基づいている（［１］、［２］）。これらの勾配によって、磁化の局所的なラーモア周波数はこの空間的位置に線形従属することになる。種々の位置から生じる信号は、これらの局所周波数を介して識別可能である。一般的に、フーリエ変換を使用して、これらの周波数を空間領域に変換する、すなわち、１次元、２次元、または３次元の画像が生成される。
【０００４】
これらの直線勾配を使用して、物体の空間構成は周波数空間またはｋ空間で取得され、これは物体空間のフーリエ変換である（［３］、［４］）。一般的に、ｋ空間はいくつかの連続的なステップで取得される。最もよく使用される方法は、ｋ空間が、読み出し勾配と共に１次元または２次元の位相符号化勾配を使用して行単位で走査されるスピンワープ技法である（［５］）。しかしながら、この行単位走査は時間がかかるプロセスである。５ミリ秒〜１０秒ほどの連続行走査の間の繰り返し時間（ＴＲ）、ならびに、必要とされる分解能およびさらなるパラメータに応じて、２Ｄまたは３Ｄ画像の取得は約１００ミリ秒〜数分を要する。
【０００５】
ＭＲＴ撮像の撮像速度は、特に臨床応用で、例えば、心拍動を捉えるためにまたは血流動態を測定するために最も重要である。したがって、ＭＲ撮像プロセスを速めるためのいくつかの方法が提案されている。最も成功しかつ重要な方法は、医用ＭＲ撮像法を一新し、かつ現在では任意の商用ＭＲ断層撮影装置で実施されるパラレルイメージングである。パラレルイメージングは、単一のＲＦ受信コイル（このコイル内の全ての磁化の和を収集する）の代わりに、いくつかの小さなＲＦ受信コイルのセットを使用する概念に基づいている。これらの小さなＲＦコイルは、物体の小部分のみを検出する。したがって、これらの小さなコイルの局所感度プロファイルは、磁化の起源の空間情報を本質的に提供する。パラレルイメージングでは、この局所コイル感度情報を使用して、直線勾配によって生じた空間情報を局所受信コイルからの空間情報と組み合わせることによって撮像プロセスを２〜２０倍速める（［６］、［７］）。
【０００６】
強力な直線勾配のスイッチングによって、とりわけ、医用ＭＲＴ撮像法において、サンプルが変化するような磁場によって影響され得るため問題が引き起こされる場合がある。この制約を回避するために、非単一方向、非全単射の空間符号化磁場（ＮＢＳＥＭ磁場）によってＭＲ信号の空間符号化を可能にする局所的な勾配を使用するパラレルイメージング法（いわゆるＰａｔＬｏｃシステム）が［８］〜［１１］に提言されている。局所的な空間符号化では、静または準静の別個の磁場パターンを生成する勾配コイルの配置構成が生成される。磁場パターンは一時的に変更可能であるが、撮像勾配をスイッチングする時間スケールのみで可能である。医用撮像でＰａｔＬｏｃシステムが有利であるにも関わらず、例えば、複雑な磁場成形を必要とするＮＢＳＥＭ磁場を適用する必要性に関していくらかの制約がある。
【発明の概要】
【０００７】
本発明の目的は、従来の技法の制約および不利点を回避することが可能な、調査対象の物体を撮像するＭＲＴの改善された方法を提供することである。とりわけ、方法は、ＭＲ信号の収集を加速させたＭＲＴ撮像を可能にすることである。本発明のさらなる目的は、従来の技法の制約および不利点を回避することが可能な、改善された磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）デバイスを提供することである。とりわけ、ＭＲＩデバイスは、加速させたＭＲＴ撮像を可能にするためのものである。また、ＭＲＴ撮像方法およびＭＲＩデバイスは、品質が改善された（例えば、信号対雑音比（ＳＮＲ）を高めた）、および／または局所勾配磁場を生成する複雑さを低減させたＭＲ信号を生成することを可能にするためのものである。
【０００８】
これらの目的は、独立請求項の特徴を含む方法および／またはデバイスによって解決される。本発明の有利な実施形態および応用は従属請求項で定められる。
【０００９】
本発明の第１の一般的な態様によると、上記の目的は、調査対象の物体を撮像するＭＲＴの方法であって、物体は、静磁場に位置付けられ、かつ、少なくとも１つの無線周波数パルス、好ましくは、無線周波数パルスシーケンスを受けるのと同時に、磁場勾配を受ける、方法によって解決される。空間的に符号化されたＭＲ信号は、磁場勾配を適用することによる少なくとも１つの無線周波数パルス（磁気共鳴信号の一次空間符号化）による物体の励磁に応答して生成される。ＭＲ信号（ＭＲエコー）は収集され、物体画像はＭＲ信号から再構成され、ここで、磁気共鳴信号の空間符号化によって得られる空間情報が利用される。
【００１０】
本発明によると、ＭＲ信号の局所的な特定周波数変調（共鳴周波数変調）は、ＭＲ信号を収集するステップの間に少なくとも１つの空間的に制限された経時的に変化する変調磁場を適用することによって生成される。少なくとも１つの経時的に変化する変調磁場は、静磁場に平行な成分を有する。主磁場（Ｂ０磁場）の空間変調は、ＭＲエコー収集中に変調磁場によって提供され、すなわち、空間変調はｋ空間の読み出し中に生じる。ＭＲ信号の局所的な特定周波数変調は励起核のラーモア周波数に影響する変調磁場によって取り入れられる。少なくとも１つの経時的に変化する変調磁場は、物体の一部に空間的に制限される。それ故に、それぞれの経時的に変化する変調磁場は物体の限定区分に浸透し、これは、ＭＲＴ撮像プロセスの視野全体より小さいが、残った物体は変調磁場に影響されない。残った物体は、物体の少なくとも１つのさらなる区分に他の特定周波数変調を適用する少なくとも１つのさらなる変調磁場を受ける、または変調磁場がないことで、ＭＲ信号の追加の空間符号化が生じる場合がある。有利には、異なる変調磁場を受ける区分の間に鮮明な画定は必要ない。［８］に開示されるような傾斜スイッチングとは対照的に、変調磁場が適用され、ＭＲエコー収集中にＭＲ信号の追加の空間符号化が提供され、この符号化はＭＲエコー収集の継続時間を下回る時間スケールで変化する。
【００１１】
さらに、本発明によると、物体画像を再構成するステップは、空間的に符号化された磁気共鳴信号から、とりわけ、空間的に符号化されたＭＲ信号の局所的な特定周波数変調から追加の空間画像情報を得ることをさらに含む。局所的な特定周波数変調が周期振動である時、周波数変調の周波数でのＭＲ信号の復調によって、調査対象の物体の関連の制限された区分に部分的ＭＲ画像が割り当てられる。フーリエ空間におけるＭＲ信号の周波数フィルタリングによって部分的画像が得られ、この場合、それぞれのＭＲ信号は、具体的には、変調の周波数による無変調信号に対して周波数シフトされる。その後、得られるＭＲ画像は、部分的画像の重ね合わせによって提供される。代替的には、数値回帰手順によって復調を求めることができる。これらは、周期変調が適用され得る、または好ましくは、局所的な特定周波数変調が非周期波形を有する場合に適用され得る。いずれの場合も、部分的画像は同時に得られるため、撮像プロセスは加速する。
【００１２】
本発明の第２の一般的な態様によると、上記の目的は、撮像される物体に対応し、静磁場、少なくとも１つの無線周波数パルス、および磁場勾配を生成し、磁気共鳴信号を収集するように構成される磁気共鳴断層撮影装置を含む、ＭＲＩデバイスによって解決される。さらに、ＭＲＩデバイスは、例えば、磁気共鳴断層撮影装置を制御するように構成されるコンピュータ回路によって実施される制御デバイスと、磁気共鳴信号に基づいて物体画像を再構成するように構成される同じまたはさらなるコンピュータ回路によって実施される再構成デバイスと、を含む。
【００１３】
本発明によると、磁気共鳴断層撮影装置は、静磁場に平行な成分を有する、少なくとも１つの空間的に制限された経時的に変化する変調磁場を静磁場に重ね合わせるようにさらに構成される。それ故に、磁気共鳴断層撮影装置は、磁気共鳴信号が局所的な特定周波数変調を受けるように適合される。磁気共鳴断層撮影装置は、変調磁場を生成するための磁場変調源デバイスを含む。また、本発明によると、制御デバイスは、少なくとも１つの空間的に制限された経時的に変化する変調磁場を設定するように構成される。それ故に、制御デバイスは、磁気共鳴断層撮影装置、とりわけ、磁場変調源デバイスを駆動するように適合されることで、ＭＲ信号を収集するためのＭＲ断層撮影装置の動作段階時に、空間的に制限された経時的に変化する変調磁場が静磁場に重ね合わせられるようにする。さらに、本発明によると、再構成デバイスは、空間的に符号化された磁気共鳴信号から追加の空間画像情報を得るために局所的な特定周波数変調を利用することによって物体画像を再構成するように構成される。好ましくは、本発明のＭＲＩデバイスは、本発明の上記の第１の一般的な態様によるＭＲＴ撮像方法を実行するように適合される。
【００１４】
本発明の主要な利点は、磁場勾配からの一次空間情報に加えて空間的に符号化されたＭＲ信号の局所的な特定周波数変調によって提供される空間画像情報から生じる。それ故に、ＭＲ撮像の加速、および／またはＭＲ信号および再構成品質の改善を可能にする新しいパラレルイメージング法が取り入れられる。
【００１５】
本発明は、例えば、局所磁場コイルを使用する磁場の局所変動に基づく。このアプローチは、概念上、空間的に狭いＢ１（無線周波数磁場）分布を有する局所ＲＦ受信コイルが使用される従来のパラレルイメージング方法と異なっている。対照的に、本発明では、例えば、空間的に狭いまたは空間的に変化するＢ０（主磁場）分布を有する、局所磁場コイルを含む磁場変調源デバイスが使用される。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態によると、少なくとも１つの空間的に制限された経時的に変化する変調磁場は、磁化の局所的なラーモア周波数の時間周波数変調が得られるように選択される変調周波数を有する。それ故に、物体のそれぞれの制限された空間部では、局所変調周波数による無変調ＭＲ信号の無線周波数範囲に対して周波数空間でシフトされるＭＲ信号が局所的に収集される。種々の変調周波数を有する種々の空間部で収集されるＭＲ信号は、等振幅ではあるが位相が異なる画像をもたらす。それ故に、物体からの仮想画像の１つまたはいくつかのセットは、この仮想画像のセット内の局所的に狭い位相差の誘導によって生じされる。これらの仮想画像は、局所周波数変調磁場によって生じさせる。再構成のステップでは、これらの局所的な位相変動は、再構成プロセス内の追加の局所情報として使用される。
【００１７】
とりわけ好ましくは、少なくとも１つの空間的に制限された経時的に変化する変調磁場は、少なくとも１００Ｈｚおよび／または最大で１０ＭＨｚの変調周波数を有する少なくとも１つのスペクトル成分を含む。有利には、この周波数範囲によって、ＭＲ信号からの空間画像情報の復調が促進される。
【００１８】
本発明の別の特定の利点は、とりわけ、上記の好ましい周波数範囲内で、１つの単一の周波数成分および／もしくは複数の周波数成分、ならびに／またはさらには雑音成分を有する波形を含む任意波形を有してよい、経時的に変化する変調磁場の広範囲の利用可能な波形から生じる。少なくとも１つの空間的に制限された経時的に変化する変調磁場が、周期的に振動する、とりわけ、正弦波、三角波、または矩形波の変調形状を有する場合、上記の仮想画像を処理するための利点を得ることができる。
【００１９】
有利には、少なくとも１つの空間的に制限された経時的に変化する変調磁場を生成するように構成されるさまざまなタイプの磁場変調源デバイスが利用可能である。第１の別形によると、磁場変調源デバイスは、物体に隣接して配置される少なくとも１つの局所磁場コイル、好ましくは、局所磁場コイル（コイル要素）の配置構成を含むことができる。局所磁場コイルは、物体を取り囲む基準面上に、例えば、円筒表面上に配置可能である。有利には、このような磁場コイルはそれ自体既知である。これらのコイルは、［８］に記載されるように、例えば、局所磁場勾配を生成するために利用可能である。制御デバイスの適切な構成によって、局所磁場コイルは、本発明の経時的に変化する変調磁場が生成されるように励磁可能である。一般的に、局所磁場コイルは、ＭＲ断層撮影装置において規則的な空間的に符号化する磁場勾配を生成する傾斜磁場コイルによって提供されない。
【００２０】
第２の別形によると、磁場変調源デバイスは、さらにまたは代替的に、得られる変調磁場に従って物体における磁場分布をシミングするために配置される動的球面調和シムコイルを含むシミングデバイスを含むことができる。従来のシムコイルとは対照的に、本発明に従って採用される駆動信号球面調和シムコイルはＭＲ信号取得中に駆動される。
【００２１】
さらなる利点として、局所磁場コイルおよび／またはシムコイルの数、形状、および／もしくは空間的配置は、ＭＲ撮像タスクの要件に依存して選択可能である。局所磁場コイルおよび／またはシムコイルの配置構成は、所与のＭＲ断層撮影装置がＭＲ撮像タスクの要件に適合可能であるように交換可能とすることができる。例えば、パラレルイメージングの度合いを高めようとする場合、コイルの数を増やす。コイルの形状および／または空間的配置は、調査対象の物体の形状に適合させることができる。
【００２２】
本発明のさらなる好ましい実施形態によると、静磁場は、物体の種々の空間部に局所化される、少なくとも２つの、とりわけ好ましくは少なくとも８〜３０のおよび／または最高で１５０の空間的に制限された経時的に変化する変調磁場と重ね合わせられる。有利には、これによって、ＭＲ撮像プロセスの加速および画像品質の改善の両方がもたらされる。経時的に変化する変調磁場の波形および／または周波数（とりわけ、振幅、周波数、位相、および／または変調形状）は、とりわけ、ｋ空間のそれぞれの行において、磁気共鳴信号を取得するステップに含まれるそれぞれの位相符号化ステップに対するＭＲ信号取得中に変更可能である。さらにまたは代替的には、変調磁場の波形および／または周波数は、物体のそれぞれの空間部で異なっている可能性がある。さらに、全ての経時的に変化する変調磁場は、互いに独立して制御可能である。また、変調磁場の振幅変調正弦波振動がもたらされ得、ここで、振幅変調は、空間分解画像再構成のための追加の自由度を取り入れる。なおさらなる別形によると、変調磁場の振幅および位相は、非デカルトサンプリングパターンに対して最適化可能である。本発明のこれらの実施形態は、とりわけ、スピンワープ撮像においてＭＲ画像再構成に対する利点を提供することができる。
【００２３】
種々の空間的に制限された経時的に変化する変調磁場を受ける物体の空間部の数および／または空間の拡張は、ＭＲＩデバイスの所定の動作パラメータとすることができる。これらの動作パラメータは、例えば、物体内の磁場分布の基準もしくはキャリブレーション測定および／または数値シミュレーションに基づいて予め設定可能である。代替的には、有利な代替的な実施形態によると、物体の上記の空間部の数および／または拡張は、演算子および／または予備物体撮像プロセスによって提供される動作命令に依存して選択可能である。例えば、残った物体における空間部の数および／または拡張と比較して、関心のある特殊な特徴を有する物体の一部分、例えば、変化した組織に及ぶ、より多くのより小さい空間部が選択可能である。有利には、これによって、再構成されたＭＲ画像の品質を改善することができる。
【００２４】
また、演算子または制御デバイスは、例えば、ｋ空間のみでｎ行目ごと、例えば、２または４行目ごとのＭＲ信号を収集することによって得られる加速度を選択することができる。同時に、物体の空間部の数および拡張は、演算子または制御デバイスによって選択されることで、ｋ空間における行の省略によってもたらされる失われた情報は、局所磁場変調によって取り入れられる追加の空間情報によって補償される。ｎ行目ごとのＭＲ信号を収集することは単なる一例を表す。一般的に、撮像プロセスは非整数因子によって加速でき、ｋ空間行の全てを省略できない、またはｋ空間行のほぼ全てを省略できる。
【００２５】
物体の上記の空間部の空間の拡張は、変調磁場の強度によって設定可能である。とりわけ、個々のコイル電流パターンは、ＭＲ撮像の最適な加速性能に関して最適化可能である。
【００２６】
有利には、ＭＲ信号の本発明の局所的な特定周波数変調は従来のパラレルイメージング法と組み合わせ可能である。よって、本発明のさらなる好ましい実施形態によると、磁気共鳴信号を取得するステップは、空間的に制限された感度を有する複数のＲＦコイルによって磁気共鳴信号を並列検知することを含む。
【００２７】
好ましくは、得られるＭＲ画像を収集されるＭＲ信号に適合させる数値最適化手順によって画像再構成を得ることができる。とりわけ、物体画像ｍを再構成するステップは、正規最適化によって連立一次方程式ｓ＝Ｅｍを解くことを含み、ここで、ｓは、測定されたＭＲ信号を含み、Ｅは、磁気共鳴信号の空間符号化によって、および変調磁場の経時的に変化する変調成分に応じて特定される符号化行列である。符号化行列の詳細は後述される。
【００２８】
本発明のさらなる有利な実施形態によると、静磁場はまた、上記の物体が少なくとも１つの無線周波数パルスおよび磁場勾配を受けるステップ中に少なくとも１つの空間的に制限された経時的に変化する変調磁場と重ね合わせられ得る。変調磁場は、ＭＲ信号取得中に適用される変調磁場に関して説明されるように設計可能である。
【００２９】
本発明のさらなる利点および詳細について、概略的に示す添付の図面を参照して以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態によるＭＲＩデバイスを示す図である。
【図２】本発明の一実施形態によるＭＲＩデバイスに含まれる磁場変調源デバイスを示す図である。
【図３】図２の磁場変調源デバイスによって生成される磁場パターンの全体像を示す図である。
【図４】一定の主磁場で取得される自由誘導減衰を、変化する変調磁場と共に示す図である。
【図５】空間符号化に対する変化する変調磁場の影響を示す図である。
【図６】本発明が、変化する変調磁場によって仮想位相シフト画像を生成する概念に基づくことを示す図である。
【図７】本発明が、変化する変調磁場によって仮想位相シフト画像を生成する概念に基づくことを示す図である。
【図８】空間符号化に対するそれぞれの個々のコイルからの変化する変調磁場の影響を示す図である。
【図９】加速なしの空間符号化に対する８個のコイルからの変化する変調磁場の影響、および再構成の結果を示す図である。
【図１０】２倍の加速による空間符号化に対する８個のコイルからの変化する変調磁場の影響、および再構成の結果を示す図である。
【図１１】本発明による変調に対して適用される局所的な特定周波数変調がない場合の符号化行列の特異値スペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明の実施形態について、とりわけ、少なくとも１つの空間的に制限された経時的に変化する変調磁場によるＭＲ信号の本発明の局所的な特定周波数変調を参照して以下に説明する。本発明は好ましくは、それ自体が既知であるＭＲ断層撮影装置によって実行される。それ故に、ＭＲ断層撮影装置、この利用可能な制御方式、およびＭＲ信号取得の利用可能な方式の詳細については、先行技術から既知であるため説明しない。磁場変調源デバイスが局所磁場コイルの配置構成を含む、本発明の応用を例として参照する。本発明は、この実施形態に制限されないが、対応して、単一の局所磁場コイル、および／または少なくとも１つの局所球面調和シムコイルを含むシミングデバイスによって実施可能である。とりわけ、例えば、調査対象の物体の半分に及ぶ、単一の局所磁場コイルまたは１つの局所球面調和シムコイルは、画像再構成のための追加の空間情報を提供するのに十分である。
【００３２】
ＭＲＩデバイスおよび方法の実施形態
図１は、本発明を実施するように構成される、ＭＲ断層撮影装置１１０、制御デバイス１２０、および再構成デバイス１３０を含むＭＲＩデバイス１００の一実施形態を概略的に示す。ＭＲ断層撮影装置１１０は、主磁場デバイス１１１、磁気勾配デバイス１１２、励磁／取得コイルデバイス１１３、および磁場変調源デバイス１１４を含む。さらに、支持台のような概略的に示される保持デバイス１１６は、調査される物体１を支持するために提供可能である。構成要素１１１〜１１３および１１６は、従来のＭＲ断層撮影装置から既知であるように構成される。例えば、励磁／取得コイルデバイス１１３は、並列ＭＲ撮像のために配置される単一のＲＦコイルまたはＲＦアレイを含むことができる。
【００３３】
磁場変調源デバイス１１４は、好ましくは、それぞれが物体１の空間部に及ぶ、１３０未満、例えば、１０〜３０の空間的に制限された経時的に変化する変調磁場を生成するように適合される。磁場変調源デバイス１１４の磁場コイル１１５、例えば、表面コイルループ要素のセットは、それぞれのこのような磁場が、変調が適用される物体の空間部の拡張部に十分及ぶように設計される。好ましくは、磁場コイル１１５は物体１の少なくとも２つの異なる側部に配置される。磁場変調源デバイス１１４の例については、図２および図３を参照して後述する。
【００３４】
制御デバイス１２０は、主磁場および勾配制御ユニット１２１、ＲＦパルス制御ユニット１２２、および変調源制御ユニット１２３を含み、これらのそれぞれは、励磁および変調電流源、増幅器、および／またはパルス変調器のような駆動回路、および少なくとも１つのコンピュータユニットを含む。構成要素１２１〜１２３は、構成要素１１１〜１１４を駆動するための駆動回路に結合される、共通のコンピュータユニットまたは別個のコンピュータユニットを備えることができる。とりわけ、変調源制御ユニット１２３は、ＭＲ信号の本発明の局所的な特定周波数変調を生成するための磁場変調源デバイス１１４に接続される。再構成デバイス１３０は、励磁／取得コイルデバイス１１３および算出デバイス１３２に結合される単一の取得デバイス１３１を含む。オプションとして、算出デバイス１３２は、例えば、直接接続または任意の他のタイプのデータ送信によって、変調源制御ユニット１２３に結合可能であることで、磁場変調源デバイス１１４に適用される変調パターンに関する情報はＭＲ画像再構成で取り入れ可能になる。構成要素１３１および１３２は、共通のコンピュータユニットまたは別個のコンピュータユニットを備えることができる。制御デバイス１２０および再構成デバイス１３０のコンピュータユニットは、それぞれ、ＭＲ信号を収集しかつ処理するためにおよびＭＲ画像再構成のために構成要素１１１〜１１４の設定を制御するソフトウェアを実行するように適合される。
【００３５】
図２は、（図示されない）中空円筒形状の非導電性キャリア上のｚ方向に垂直な１つの円形列に設置される（概略的に示される）８つの独立した局所磁場コイル１１５を含む磁場変調源デバイス１１４の一例を示す。本発明の好ましい応用では、調査される物体１、例えば、被験者の頭部は、（実験的検査を参照して後述されるように）この配置構成内に設置される。それぞれの局所磁場コイル１１５は、例えば、コイル直径が５ｃｍ〜１０ｃｍの２５巻きの銅線から作られる。それぞれのコイルは、ＭＲ信号収集の間、例えば、ＦＬＡＳＨシーケンスまたは別のシーケンスの間、予め選択されかつ独立した、異なる経時的パターンでそれぞれのコイルにおいて変調電流を駆動することを可能にする変調源制御ユニット１２３（図１を参照）の個々に制御可能な変調電流源に独立して接続される。
【００３６】
図２の配置構成は、例えば、図３Ａに概略的に示されるような中空円筒体を取り囲むｚ軸に垂直な局所磁場コイル１１５の２つの円形列を提供することによって、修正可能である。この実施形態によって、磁場変調源デバイス１１４は、１６個の独立した局所磁場コイル１１５を含む。
【００３７】
本発明の空間符号化は、局所磁場コイル１１５に振動電流を注入することに頼っている。例えば、正弦波形変調はそれぞれのコイルループ要素で使用可能であり、この場合、全てのコイル要素は、同じ変調周波数を共有するが、別個の位相を有する。この技法によって、ＳＮＲを改善するまたは取得を加速させるために、画像再構成中の振動電流により磁場変動の特徴的な時空パターンを使用することが可能になる。連立一次方程式の背後の潜在的な劣決定系（ｐｏｔｅｎｔｉａｌｌｙ  ｕｎｄｅｒ−ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ  ｕｎｄｅｒｌｙｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍ）を解く必要がある付加的な情報を、それぞれの読み出し時に取得されるサンプル数を増加させることによって得ることができる。
【００３８】
さらなる詳細として、変調電流の波形に従って、局所磁場コイル１１５は物体１における局所的な変動する磁場を誘導し、このそれぞれの磁場は、ＭＲ断層撮影装置の主磁場（ｚ方向）に平行な磁場成分を有する。局所磁場コイル１１５のそれぞれは、ビオサバールの法則に従って、振幅および局所的な時間の分布を有する局所磁場を生じさせる。局所磁場は、元々は同質の主磁場から正または負の方向に偏位する。図３Ａに示される円筒体内に設置される円筒状偽物体においてコイル１から１６まで定電流によって生成される（Ｈｚ単位の）磁場パターンの全体像を示す一例を、図３Ｂに示す。図３Ｂは、それぞれの個々のコイルに対する３つのデカルト空間方向に沿って示される、物体１における経時的に変化する特有の空間的に狭い磁場パターンのスナップショットと見なされ得る。
【００３９】
それぞれの個々のコイルによって生成された別個の磁場パターンは、局所空間符号化に使用される。本発明の原理は、ＭＲ信号の取得中に局所磁場コイル１１５のそれぞれに経時的に変化する電流を独立して印加することである。経時的な電流変動は、励磁／取得コイルデバイス１１３によって検知される磁化の局所的なラーモア周波数を修正する局所的に変化する磁場を誘導する。図４は、自由誘導減衰の取得中に（１Ａで１ｋＨｚの）正弦波電流を１つのコイル要素１１５に印加する一例を示す。この例では、この電流は、自由誘導減衰の局所的に狭い振動を生成する１ｋＨｚの変化する局所磁場を生じさせる（減衰信号軸の目盛り：原子単位）。図４Ａの滑らかな曲線ａは、局所磁場コイル１１５にいずれの電流も印加することなく、定磁場で取得される自由誘導減衰を示す。図４Ｂは、およそ０Ｈｚのピークｂを有する対応するスペクトルを示す。局所コイル１１５を介して１ｋＨｚの変化する変調磁場を適用することによって、振動が自由誘導減衰に重ね合わせられる（図４Ａにおける曲線ｃ）。これによって、図４Ｂに示される対応するスペクトルにおける１ｋＨｚの分離した副極ｄが生じるため、ＭＲ信号の再構成のための追加の空間画像情報が提供される。
【００４０】
好ましくは、種々の周波数および／または位相を有する電流は、ＭＲ信号の取得中にそれぞれのコイルに別々に印加される。変調磁場によって取り入れられるこれらの局所的に異なる変調に基づいて、取得されたＭＲ信号の空間的起源は、数学的再構成手順によって局所化可能である。この追加の空間画像情報によって、ＭＲ撮像プロセスは加速する。
【００４１】
数学的再構成手順は、図４Ｂに示される副極に関連している局所画像の再構成、およびその後の局所画像の重ね合わせを含んでよい。代替的には、再構成は、以下に概説されるように数値最適化を含んでよい。
【００４２】
数値最適化による画像再構成
下記では、好ましくは、画像再構成に使用される画像取得のモデルについて詳述する。この例では、再構成には、ＭＲ信号取得が、複素数値感度プロファイルＢ１（ｒ）を有する、励磁／取得コイルデバイス１１３の単一の受信コイル要素を使用して行われるという仮定を採用する。ＭＲ信号取得が複数の受信コイル要素を使用して行われる場合、再構成は以下に概説されるように拡張される。一般性の喪失なく、本例のモデルにおける緩和効果を無視し、空間符号化の項が考慮される。
【００４３】
時間ｔで取得され、かつスペクトルｓを提供する信号Ｓは、励磁量を超えた積分によって得られ得る。
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であり、式中、
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である。
【００４４】
指数項の位相は２つの部分から成る。項ｋ（ｒ、ｔ）は、周波数および位相符号化を行うために使用される空間直線勾配を表す（Ｇ：直線勾配ベクトル、ｒ：空間ベクトル、τ：時間、およびｔ：信号取得時点）。最後に、第２項
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は、任意波形ｆｃを受ける局所磁場コイル１１５によって誘導される磁場に対応する。ｚ方向におけるコイル要素ｃのＢ０磁場プロファイルはＢｃによって指示され、ｍ（ｒ）は再構成される物体画像である。さらに、ｔ１は変調の始めを指示する。第２項では、空間的に符号化された磁気共鳴信号の追加の空間画像情報が提供される。一般に、他の経時的に変化するパターンを適用することが可能である。
【００４５】
図１０および図１１に示される再構成の結果は、連続的モデルを離散化し、かつ正弦波形を仮定することによって得られた。２Ｄ取得プロトコルでは、Ｋｘ、Ｋｙは、それぞれ、読み出しおよび位相エンコード方向における取得されたｋ空間行の数であり、Ｎｘ、Ｎｙは、読み出し／位相エンコード方向における空間領域での画素数であり、複素数値スペクトル
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が取得される。スペクトルｓから、複素数値画像
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は空間領域で再構成されることになる。画像ｍは数値最適化手順によって再構成される。本発明の撮像方法を採用した画像取得プロセスは、離散線形演算子
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によって表され得る。よって、取得プロセスは連立一次方程式ｓ＝Ｅｍによって示される。局所磁場コイルに注入される電流がゼロである場合、符号化行列は正規直交フーリエ変換行列Ｅ＝Ｆである。索引付けを容易にするために、符号化行列は
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のように整形し直される。電流を局所磁場コイルに注入することおよび本発明の符号化によって、符号化行列Ｅの要素は下記によって示される。
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【００４６】
ここで、ｉ、ｊは、読み出しおよび位相エンコード方向における取得されたｋ空間行の指標である。Ｆｉ、ｊ、ｌ、ｍはフーリエ変換行列の要素であり、
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はコイルｃからの局所磁場のｚ方向におけるＢ０磁場プロファイルであり、ωは本発明の局所変調の周波数であり、αｃは電流振幅であり、θｃは変調の位相オフセットであり、τｉは時間ベクトルである。
【００４７】
オフ共鳴磁場成分がなく、Ｂ０＝０であると仮定する。注入された電流αｃが非ゼロである場合、画像ｍを再構成するために、連立一次方程式ｓ＝Ｅｍを、符号化行列Ｅの一般逆行列を計算することによって、または数値最適化によって解く。ここで、Ｅは、指数符号化項を総計し、かつ空間領域にわたって加算（積分）を行う上記の線形演算子である。
【００４８】
１に近い幾何学的因子（ｇ因子）によるＭＲ信号取得で、符号化行列Ｅの一般逆行列を計算し、かつこの一般逆行列を測定されるｋ空間に適用することによって、簡易な１回限りの再構成が可能になる。その他の場合、ｇ因子が１より大きい場合、この系の反転は、不安定である可能性があり、雑音を生じさせる。この場合、修正された最小絶対値縮小選択演算子（ＬＡＳＳＯ）最適化が採用可能である。バニラＬＡＳＳＯは、正規化項で、全変動（空間領域におけるＸ／Ｙでのボクセル差のＬ１ノルム）が（通常のＬＡＳＳＯのように）単純Ｌ１ノルムの代わりに使用されるように修正される。全変動損失は、本発明の符号化からの残留アーティファクトにとって大きな不利益になり、これによって、ぼやけた、読み出し方向に不明瞭な画像コンテンツのように見える。下記の正規最適化問題が解決される。
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【００４９】
正規化係数λは、再構成における高周波数アーティファクトを不利にする全変動項の重みを設定する。行列Ｄでは、再構成された画像ｍの画素差分が空間領域で計算される。最適化ループでの計算集約的部分は、予め計算されかつメモリに記憶される、またはオンラインで生成されるかどちらかであり得る符号化行列Ｅによる繰り返し乗算である。後者の場合、ＧＰＵに対する演算を効率的に行うことができるが、これは、空間的位置に依存する莫大な独立した複素数値加重係数を計算することに頼っているからである。
【００５０】
加速した取得の事例にモデルを拡張することは、簡単であり、かつｋ空間のアンダーサンプリングパターンに依存する行列Ｅにおける列数を減少させることを伴う。
【００５１】
シミュレーション結果
図５（Ａ、Ｂ、Ｃ−目盛り軸：画素数）は、空間符号化に対する振動変調電流の影響を示す。シミュレーションデータの再構成について、Ｃ＝１６のコイルループ、１７ｋＨｚの変調周波数、１０Ａの電流振幅が採用される。図５Ａは、撮像される物体のシミュレーションを示す。このシミュレーションに対して、全ての第２のｋ空間行を維持し、かつＤＣ成分の周りの４つの中央ｋ空間行をさらに維持することによる加速した取得を仮定する。コイルループのそれぞれにおける正弦波形は
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に等しい位相を有し、ここでｃはコイルループ指標である。図５Ｂは、本発明の変調の追加の磁場項を考慮に入れずに逆フーリエ変換によって再構成される画像を示す。図５Ｃは、上記の連立一次方程式を解くことによって求められる物体画像の本発明による再構成を示す。図５Ｄは、符号化行列Ｅの特異値のスペクトルを示す。
【００５２】
励磁／取得コイルデバイス１１３の複数の受信要素Ｖが採用される場合、モデルは下記のように拡張される。
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【００５３】
再構成問題は、ｓ＝Ｅｍ系の解に関して依然公式化され、ここで、ｓおよびＥは両方共ここでは、各受信コイル要素から生じる追加の列を有する。
【００５４】
画像形成および再構成について、代替的には、図６および図７（目盛り軸：画素数）に示されるように変化する変調磁場によって仮想位相シフト画像を生成する概念で説明できる。局所磁場コイル１１５のそれぞれは、例えば、局所磁場コイル１１５（図２を参照）の磁場が浸透した物体１の１６の区分では、物体の制限された空間部においてＭＲ信号を変調する。それ故に、物体のそれぞれの空間部では、特有のＭＲ信号は局所的に収集される。図４Ｂに示されるように、局所変調周波数によって無変調ＭＲ信号の無線周波数範囲に対して周波数空間でＭＲ信号をシフトさせる。種々の空間部からのＭＲ信号は、等振幅を有するが位相が異なる仮想ＭＲ画像を提供する。それ故に、物体からの仮想画像の１つまたはいくつかのセットは、局所周波数変調磁場によって生じさせる。図６Ａに示されるような物体のシミュレーションに基づいて、これらの仮想画像は図６Ｂおよび図７に示されるように得られる。画像再構成のステップでは、仮想画像およびこの空間的起源に関する情報は追加の局所情報として使用される。
【００５５】
実験的検査結果
図８〜図１１は、シリコン油を充填した円筒形幻像上の９．４Ｔ  ＭＲ断層撮影装置本体全体に対して行われる実証実験の結果を示す。実験準備では、本発明による変調磁場に対して８個の局所磁場コイルが採用された。８個の局所コイルは、図２に示されるように円形コイル列のうちの１つのように配置された。ＭＲ信号の励磁および受信について、幻像から約１０ｃｍ離して設置されたパッチアンテナ（図１における励磁／取得コイルデバイス１１３を参照）が使用された。油の幻像は、８個の局所磁場コイルを保持する、より大きい中空円筒体内に設置された。
【００５６】
第１の検査ステップでは、８個の局所コイルには電流は印加されていない。勾配エコーシーケンスを使用して、図８Ａ（基準）に示されるような油の幻像の１切片を撮像した。次に、２Ａ（ゼロ−ピーク）および１ｋＨｚの交流が局所磁場コイルのうちの１つのみ（１つの単一チャネル）に印加され、かつそれぞれの局所磁場コイルに対して別々に繰り返された。勾配エコーシーケンスの間のそれぞれのｋ空間行取得の読み出し期間中にのみ交流が印加された。図８Ｂ〜図８Ｉ（チャネル１〜８）は、結果として生じる局所画像のゆがみおよび変調を示す。ｋ空間データの単純フーリエ変換以外の再構成アルゴリズムは適用されなかった。
【００５７】
次に、２Ａおよび５ｋＨｚの交流は、勾配エコーシーケンスのそれぞれの読み出し期間中に全てのチャネルの間の４５度の位相シフトで全てのチャネルに印加された。図９Ａ（基準）は、電流が印加されない基準画像を示す。図９Ｂは、単純フーリエ変換のみがｋ空間データに適用されている場合の結果として生じる画像変調を示す。図９Ｃは、対応するイメージング方程式の反転による説明される方法によって再構成された物体画像を示す。それぞれの単一の磁場コイルによって生じた局所磁場の空間分布は、以前に測定されており、かつイメージング方程式における行列Ｅを準備するために使用されている。この例は、説明されたアプローチを使用して完全な再構成が可能であることを示す。しかしながら、この例では、局所磁場変調は撮像プロセスを加速させるために使用されていない。
【００５８】
図１０は、局所磁場変調が、２倍のアンダーサンプリングによる画像取得を加速させるために使用されている一例を示す。図１０Ａ（基準）は基準画像を表す。図１０Ｂでは、さらにまた、２Ａおよび５ｋＨｚの交流は、勾配エコーシーケンスのそれぞれの読み出し期間中に全てのチャネルの間の４５度の位相シフトで全てのチャネルに印加された。図９Ｂとは対照的に、図１０Ｂでは、全ての他のｋ空間行のみが取得されたため、画像取得時間が２倍短縮された。図１０Ｃは、対応するイメージング方程式の反転による説明される方法によるが、図９と比較してサンプリングされたｋ空間行の半分のみを使用して再構成された物体画像を示す。この例は本発明の基本的な加速の利点を実証する。
【００５９】
図１１は、局所的な特定周波数変調が５ｋＨｚおよび２Ａでの８個のコイルによる変調に対して適用されない場合の、位相エンコード方向における２倍のアンダーサンプリングでの図１０における実験的検査に対する撮像符号化行列Ｅの特異値の一例を示す。図１１Ａでは交流が印加されている。交流を磁場コイルに印加しないと（図１１Ｂ）、特異値の上半分はゼロであり、行列はランク落ちするため、２倍のｋ空間アンダーサンプリングに対する再構成は可能にならない。
【００６０】
上記の明細書、図面、および特許請求の範囲で開示される本発明の特徴は、このさまざまな実施形態において本発明を実現するために、個々に、および組み合わせまたは部分的組み合わせ両方で重要であり得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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