(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気共鳴画像化（ＭＲＩ）システムを使用して医療デバイスを追跡するための追跡デバイスであって、
磁性材料を含むマーカと、
光源と、
前記光源を前記マーカに結合する光ファイバと、を備え、
前記光源によって生成された光は、前記光ファイバを介して前記マーカに伝達されて、前記マーカ内の前記磁性材料の磁化率を変える
追跡デバイス。
【請求項２】
前記磁性材料が磁性粒子を含み、前記マーカが前記磁性粒子が分布する基板を含む、請求項１に記載の追跡デバイス。
【請求項３】
前記基板が光学的に半透明の材料からなる、請求項２に記載の追跡デバイス。
【請求項４】
前記基板が光学的に透明な材料で構成されている、請求項２に記載の追跡デバイス。
【請求項５】
前記磁性粒子が複数のニッケル粒子を含む、請求項２に記載の追跡デバイス。
【請求項６】
前記ニッケル粒子がニッケルナノ粒子である、請求項５に記載の追跡デバイス。
【請求項７】
前記基板は、非不透明エポキシ、非不透明プラスチック、又はガラスのうちの少なくとも１つからなることを特徴とする請求項２に記載の追跡デバイス。
【請求項８】
前記基板が金属層に被膜されて、前記光源によって生成され前記光ファイバを介して前記基板に伝達される光が前記基板に反射する、請求項２に記載の追跡デバイス。
【請求項９】
前記光ファイバと前記マーカとの間に配置されたディフューザをさらに備え、前記ディフューザは前記光ファイバの遠位端と前記マーカの近位端とに結合される、請求項１に記載の追跡デバイス。
【請求項１０】
前記光源はレーザを含む、請求項１に記載の追跡デバイス。
【請求項１１】
前記光ファイバと前記マーカとの間に配置された熱結合部をさらに備え、前記光源によって生成された光は前記熱結合部に伝達されその温度を上昇させ、その結果、前記マーカの温度も上昇して前記マーカ内の前記磁性材料の磁化率が変わる、請求項１に記載の追跡デバイス。
【請求項１２】
前記マーカに熱的に結合されたヒートシンクをさらに備え、前記ヒートシンクは前記マーカを冷却し、それによって前記マーカの冷却時定数が下がる、請求項１１に記載の追跡デバイス。
【請求項１３】
前記光源と通信するコントローラをさらに備え、前記磁化率の磁性材料が基づいて変わる変調の時間的パターンを規定するパルスタイミングシーケンスに基づいて前記コントローラが前記光源に信号を送信する、請求項１に記載の追跡デバイス。
【請求項１４】
磁気共鳴画像化（ＭＲＩ）システム、請求項１３に記載の追跡デバイス、及びオペレータワークステーションで構成されるシステムの作動方法であって、
前記オペレータワークステーションが、変調の時間的パターンに従って前記追跡デバイスの前記マーカ内の磁性材料の磁化率を変えながら前記磁気共鳴画像化システムで取得した視野の画像を処理して前記視野内の前記マーカの位置を決定するステップと、を含む方法。
【請求項１５】
前記変調の時間的パターンに基づいて前記画像内の磁気共鳴信号を復号して、前記磁気共鳴画像化システムで取得した視野の画像を処理する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記変調の時間的パターンに従って前記磁性材料の磁化率が変わった結果生じる画像内のゴーストアーチファクトを特定し、前記ゴーストアーチファクトの位置に基づいて前記視野での前記デバイスの位置を計算して、前記磁気共鳴画像化システムで取得した視野の画像を処理する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
画像に、前記変調の時間的パターンの周波数を中心とする帯域通過フィルタを適用して、前記磁気共鳴画像化システムで取得した視野の画像を処理する、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願への相互参照］
本出願は、２０１４年１１月１２日に出願された、「SYSTEM AND METHOD FOR DEVIC
E TRACKING VIA MAGNETIC RESONANCE IMAGING WITH LIGHT-MODULATED MAGNETIC
SUSCEPTIBILITY MARKERS」と題された米国仮特許出願第６２／０７８,７９４号の権益
を主張する。
本発明は、磁気共鳴画像化（ＭＲＩ）のためのシステム及び方法に関する。より詳細には、本発明は、磁化率効果が変動するのを誘発するように動作できる介入デバイスを追跡するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＲＩガイドを用いるガイドワイヤやステントなどの介入デバイスを配置するのは、臨床的に大きな可能性を秘めた進歩的な分野である。しかしながら、この分野における１つの特定の課題は、それらが血管又は器官内で移動及び操作されるような装置を追跡する安全且つ信頼できる方法をどうのようにして開発するかであった。
【０００３】
ＭＲＩ画像において装置を顕著にするための１つの有効な方法は、マーカが十分に大きな磁化率を有する物質で作られているマーカ又はマーカのセットを装置に組み込むことである。そのようなマーカの例には、強磁性材料の小さなビーズが含まれる。この種のＭＲ−可視介入器具の例は、米国特許第５,７２８,０７９号及び第６,４３０,１２９号に記載されている。
【０００４】
磁気材料は、ＭＲ画像にコントラストを生成するためのマーカとして、針又はカテーテルのような介入ツールに利用されている。これらの磁性材料が使用されてきて、その近傍で周囲の組織と比較して陰性又は陽性のコントラストを生成した。周囲との容積感受性値の差は、場の不均一性を引き起こし、その結果、その近傍で信号損失が生じる。強磁性材料の容積感受性は実質的に大きく、これらの材料の濃度が小さくても実質的な信号損失が生じる。
【０００５】
しかしながら、操作されながら装置を追跡するのは、装置（及びマーカ）を含む断層撮影スライス内でしかできない。デバイスを含む特定のスライスが分からない場合、これらの手法を使用してデバイスを見つけることは困難で時間がかかる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、磁気共鳴画像化（「ＭＲＩ」）システムを用いて医療デバイスを追跡するための追跡デバイスを提供することによって前述の欠点を克服する。追跡デバイスは、磁性材料を含むマーカと、光源と、光源をマーカに結合する光ファイバとを含む。光源によって生成された光は、光ファイバを介してマーカに伝達され、マーカ内の磁性材料の磁化率を変化させる。
【０００７】
本発明の上記及び他の態様及び利点は、以下の説明から明らかになるであろう。説明では、本発明の一部を形成する添付の図面を参照し、本発明の好ましい実施形態を例示として示す。このような実施形態は、必ずしも本発明の全範囲を示すものではなく、従って、本発明の範囲を解釈するための特許請求の範囲を参照する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明のいくつかの実施形態による追跡システムの一例を示すブロック図である。
【図２】図１に示す追跡システムの一部を形成する追跡マーカの一例を示すブロック図である。
【図３】図１に示す追跡システムのような、追跡システムの一部を形成する追跡マーカの別の例を示すブロック図である。
【図４】光ファイバの先端にニッケル粒子を結合することによって構成された追跡マーカの例の顕微鏡画像である。
【図５】生検又は他の医療用針に組み込まれた追跡マーカの例である。
【図６】光源からの光に応答して加熱され、この熱を追跡マーカ内の磁性材料に伝達する熱結合を含む追跡マーカの一例である。
【図７】レーザパルスに同期したパルスシーケンスの取得例を示す図である。
【図８】追跡マーカの一例を示す磁気共鳴画像の一例である。
【図９Ａ】レーザ出力と画像信号の変化との相関を示す図である。
【図９Ｂ】レーザ出力と画像信号の変化との相関を示す図である。
【図１０Ａ】レーザオン状態とレーザオフ状態の両方における追跡マーカの例の相互共分散マップの例を示す図である。
【図１０Ｂ】レーザオン状態とレーザオフ状態の両方における追跡マーカの例の相互共分散マップの例を示す図である。
【図１０Ｃ】レーザオン状態とレーザオフ状態の両方における追跡マーカの例の相互共分散マップの例を示す図である。
【図１０Ｄ】レーザオン状態とレーザオフ状態の両方における追跡マーカの例の相互共分散マップの例を示す図である。
【図１１Ａ】レーザオン状態とレーザオフ状態の追跡マーカの画像を減算した差分画像の例を示す図である。
【図１１Ｂ】レーザオン状態とレーザオフ状態の追跡マーカの画像を減算した差分画像の例を示す図である。
【図１２】ＭＲＩを用いた例示的な追跡マーカの位置を決定する例示的な方法のステップを示すフローチャートである。
【図１３】ＭＲＩシステムの一例のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本明細書に、脈動（例えば、時間変調）され得る感受性効果を提供することにより介入デバイスマーカ位置を迅速に測定するシステム及び方法が記載され、該測定によってマーカの感受性効果をデジタル信号処理（例えば、フィルタリング）で背景信号から分離され得る。この背景分離によって大量の組織の投影モード（例えば容積）填補範囲が可能になり、このことは迅速で強固な装置位置測定にとって重要である。
【００１０】
より詳細には、本明細書に記載のシステム及び方法は、レーザ誘起減磁界現象を利用してＭＲＩで画像化することができる可変感受性効果を生成する。一例として、レーザ出力は、光ファイバを用いてニッケル（「Ｎｉ」）粒子に供給される。その他の例については後述する。この例では、レーザがオフの場合、Ｎｉ粒子の感受性効果は、ＭＲＩシステムの磁場内部の通常の感受性効果と同様である。しかし、レーザがオンであれば、ニッケル粒子は減磁され、感受性アーチファクトが減少する。この効果は、レーザがオフとオンのときに取得された２つの画像を減算することによって、デバイスの迅速な追跡に使用できる。
【００１１】
ニッケル及びコバルトのような特定の磁性材料は、室温でパルスレーザの照射後の減磁のような磁気光学効果を示す。光学的効果は、光の材料への侵入深さによって支配され、従って、主に磁場及びレーザ光を受ける金属の薄膜を用いて研究されている。十分な光学的影響（例えば、２．５ｍＪ／ｃｍ2）が金属に存在すると、磁化率の急激な変化が金属に誘起される。
【００１２】
レーザ及び電子ビームによる薄膜及び金属粒子（例えば、ニッケル及びガドリニウム）の減磁は、コンピュータ技術におけるリードライトプロセスへの研究課題であった。金属が外部磁場に置かれレーザパルスに曝されると、金属には主に２種類の効果が生じる。第１の効果は光学効果であり、レーザ光子は金属の電子系の電子と直接相互作用し、ピコ秒時間スケール内で磁化の変化を引き起こす。
【００１３】
第２の効果は熱的効果である。任意の磁性材料の温度が上昇すると、外部磁場中の材料の磁化が減少する。温度がキュリー温度まで上昇すると、強磁性材料は常磁性になり、典型的には磁化が急激に低下する。これらの熱的影響は、吸収されたレーザ光子が金属のバルク温度を上昇させたときに生じ、温度がキュリー温度以上に上昇すると最大になる。
【００１４】
以下にさらに詳細に説明するように、本明細書に記載されたシステム及び方法は、介入デバイス及び外科デバイスの位置を追跡するかそうでなければ従うあるいは測定するためにこの効果を実現する。このようにして追跡することができる介入デバイス及び外科デバイスの例には、針、カテーテル、超音波及び高周波（「ＲＦ」）アプリケータなどのアプリケータ、及びＭＲＩ誘導手順と関連して使用され得る任意の他のデバイスを含む。
【００１５】
図１を参照すると、追跡システム１０は、一般に、磁性材料を含む追跡マーカ１２を含む。追跡マーカ１２は、光ファイバ１６を介して光源１４に結合される。上述したように、追跡システム１０は、カテーテルを含む介入デバイス１８に結合され得る。
【００１６】
いくつかの実施形態では、光源１４はレーザを含む。一例として、レーザは、２４.５４ｍＷの最大出力でモデル番号Ｓ１ＦＣ８０８（Ｔｈｏｒｌａｂｓ Ｉｎｃ.； Ｎｅｗｔｏｎ、Ｎｅｗ Ｊｅｒｓｅｙ、ＵＳＡ）として製造された連続波ファイバ結合フォトダイオードレーザ装置（例えば、レーザなど）を含み得る。このレーザの波長は近赤外（「ＮＩＲ」）スペクトルにある８０８ｎｍである。
【００１７】
１つの好ましい実施形態では、光源１４は、ＭＲＩデータ取得に同期したコントローラによって提供されるアナログトリガ信号を使用してレーザ出力を時間的に変調する機能を有する連続波レーザを含む。一例として、連続波レーザは、１ｗの最大出力パワーと８０８ｎｍの波長を有することができる。１ｗの出力を有することにより、磁化率マーカ内の全ての磁性粒子に影響を及ぼすのに十分な効果が得られ、パワーの時間的変調は、レーザのデューティサイクルを減少させて、デバイスのバルク加熱が緩和される。
【００１８】
一例として、光ファイバ１６は、保護Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）層に１２５μｍのクラッドを有する５μｍの光ファイバを含むことができる。いくつかの実施形態では、ＦＣ／ＰＣコネクタを使用して光ファイバ１６を光源１４に結合させることができる。
【００１９】
次に図２を参照すると、追跡マーカ１２の一例が示されている。この実施例では、磁性粒子２０は、光ファイバ１６の遠位端に結合された基板２２全体に分散されている。いくつかの実施形態では、基板２２は、透明な又はそうでなければ不透明でないエポキシ、不透明でないプラスチック、又はガラスである。磁性粒子２０は、いくつかの実施形態では、磁性ナノ粒子を含むことができる。一例として、磁性粒子２０は、ニッケル粒子、コバルト粒子、それらの組み合わせ、又は任意の他の適切な磁性粒子、又はそれらの組み合わせで構成することができる。磁性粒子２０の相対的な容積が１パーセントのような適切な範囲にあれば、磁性粒子２０と基板２２は共に、追跡のための感受性マーカとして作用するのに十分に大きな磁化率を有するが、半透明であれば光は依然として磁性粒子２０のすべてに到達することができる。いくつかの実施形態では、基板２２の外面は、銅被膜のような組織に近い磁化率を有する反射層で被覆され、光を追跡マーカ１２内に閉じ込めるように構成されている。
【００２０】
１つの特定の非限定的な例が図３に示されている。この例では、磁性粒子２０は、ガラスからなる光ファイバ１６の先端に結合された基板２２に分散されている。光ファイバ１６は、ファイバクラッド３２及びファイババッファ３４で囲まれた中心光学ファイバコア３０で構成される。基板２２は、磁性粒子２０に向かって光を反射する金属層３８に少なくとも部分的に被覆され、追跡マーカ１２内に光を閉じ込める。
【００２１】
１つの好ましい実施形態では、磁性粒子２０の磁化の変化は、全ての磁性粒子２０が十分な影響のレーザ光を浴びることを確実にすることによって最大化される（上述のように）。磁性粒子２０の磁化の変化は、レーザ光の影響を受ける粒子に起因しない磁化率の影響を最小限に抑えることによって、最大限大きくすることもできる。例えば、上述の反射被膜、並びに、デバイスを製造するのに使用される任意の他の構成要素及び被膜は、組織の感受性を可能な限り整合するように選択することができる。
【００２２】
一例として、光ファイバ１６の遠位端を剥離してクラッド層を露出させることができる。基板２２には、１００ｎｍ未満の平均サイズを有するニッケルナノ粉末粒子（Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ社製、Ｓｔ  Ｌｏｕｉｓ、ＭＯ、ＵＳＡ）を分散させることができる。
【００２３】
いくつかの実施形態では、追跡マーカ１２の近位端には、基板２２に遠位端で、光ファイバ１６に近位端で結合されるディフューザ２４が含み得る。ディフューザ２４は、光ファイバ１６から入射した光を基板２２内に広げるか散乱させる。一例として、ディフューザ２４はポリマで構成することができる。
【００２４】
いくつかの実施形態では、基板２２は、Ｌｏｃｔｉｔｅ（Ｗｅｓｔｌａｋｅ、Ｏｈｉｏ、ＵＳＡ）によって製造されたシアノアクリレート接着剤などの接着剤を単に含むことができる。図４に、このように構成された追跡マーカ１２の顕微鏡画像を示す。
【００２５】
いくつかの他の実施形態では、図１に示すように、粒子２０を含む基板２２が、適切な光学的に半透明又は透明な材料から、内腔を有するカテーテルに組み込むことができる小さな中空円筒に機械加工、成形、又は３Ｄ印刷される。図５に示すように、いくつかの他の実施形態では、粒子２０を含む基板２２は、生検針２４に組み込むことができる形状の矩形であってもよいし他の形状に形成されてもよい小さな追跡マーカ１２に成形される。いくつかの実施形態では、基板２２の材料は、その熱伝導率、磁性粒子２０への熱結合、比熱容量、又はそれらの組み合わせに基づいて選択される。例えば、基板２２の材料は、磁性粒子２０に堆積された熱エネルギーが基板２２内で適切に散逸されように、並びに、追跡マーカ１２のバルク温度上昇が最小限に抑えられるように、これらのパラメータに基づいて選択され得る。
【００２６】
いくつかの他の実施形態では、レーザ光の吸収によるデバイスのバルク加熱を緩和し且つ磁気的に必要とされる時間を短縮するために、ヒートシンク構造５０を、追跡マーカ１２を取り囲む構造に組み込んで、粒子２０を冷却して再磁化でき、その結果、マーカ１２の磁気効果の脈動の持続時間を十分に短くすることができる。従って、ヒートシンク５０は、追跡マーカ１２に熱的に結合されて、追跡マーカ１２の冷却を提供し、これによって追跡マーカ１２の冷却時間定数が減少し、ひいては、追跡マーカ１２内の磁性材料の磁性状態がさらに急速に変調され得る。
【００２７】
別の実施形態では、図６に示すように、追跡システム１０は、光源１４と追跡マーカ１２との間に配置された熱結合器６０を含むことができる。熱結合器６０は、光源１４に結合され追跡マーカ１２に熱的に結合される。熱結合器６０は、光源１４からの光を受光しこれにより熱結合器６０の熱エネルギーが増大する。熱結合器６０の温度が上昇すると、熱は追跡マーカ１２内の磁性材料６２に伝達され、それによって磁性材料６２の温度が上昇する。上述したように、磁性材料６２を加熱することによって、その磁化が低減され、磁気共鳴画像化で画像化することができる磁化率の変化を提供する。上述したように、磁性材料６２は、磁性粒子が分布している基板を含み得るが、金属のような磁性材料片を含み得る。熱結合部６０は例えば熱伝導材料の層を含み得る。
【００２８】
追跡マーカ１２が光ファイバ１６を通って送達されたレーザ光に曝されると、追跡デバイス１２内の磁性粒子２０の減磁が、熱効果、非熱効果、又はその両方によって誘発され、その結果、ＭＲ画像における感受性追跡マーカ１２内の磁性粒子２０の影響は過渡的に低減される。
【００２９】
いくつかの実施形態では、十分な持続時間（例えば、５ミリ秒）レーザ光のパルスが印加されて、ＭＲＩデータ取得ウィンドウ（図７参照）の持続時間の間、追跡マーカ１２の磁化率に影響を及ぼす。
【００３０】
いくつかの他の実施形態では、レーザ光のパルスは周期的に（例えば、５０ミリ秒毎に）印加され、ＭＲＩ画像に特有の効果が生じる。一例として、特有の効果は、ゴーストアーチファクトを含み得る。これらのゴーストアーチファクトは、デバイスの真の位置から特定の空間偏移して現れる。これらの空間偏移は、レーザパルスの周期とＭＲＩデータ収集パルスシーケンスの繰返し時間（「ＴＲ」）との比に基づいて正確に計算することができる。例えば、レーザパルスの周期が、図７に示すように、１回おきのデータ収集毎に点灯するように選択された場合、ゴーストアーチファクトは、デバイスの実際の位置からＦＯＶ／２（ＦＯＶは視野）オフセットして現れる。１つの好ましい実施形態では、レーザ光はデータ収集中（又は上記のような他のデータ収集の間）のみオンにされて、レーザパルスのデューティサイクルができるだけ低く維持され、それによってマーカの加熱が最小限に抑えられる。
【００３１】
１つの好ましい実施形態では、レーザパルスとパルスシーケンスとの同期は、小型マイクロホン５２及びコントローラ５４を光源１４のアクチュエータに組み込むことによって達成される。コントローラ５４は、例えばマイクロコントローラを含むことができる。マイクロホン５２は、ＭＲＩシステム内の勾配コイルによって放射された明確なノイズを記録し、これは、光源をオン又はオフにするトリガ信号を提供することができる。例えば、マイクロホン５２は、勾配コイルが動作しているときを検出することができ、マイクロホンによってコントローラ５４に供給される信号を処理して光源１４の制御信号を生成して、光源１４が勾配コイルに同期して操作される。
【００３２】
別の実施形態では、レーザパルスのタイミングとパルスシーケンスの繰り返しとは非同期であるが、両方とも安定した周波数を有するので、プリキャリブレーション手順を使用して、選択された繰返し時間を用いて、磁気共鳴画像に結果として生じるゴーストアーチファクトの位置を決定する。この特定の実施形態の利点は、同期信号が不要であり、レーザ１４のためのアクチュエータの設計がより簡単になることである。
【００３３】
いくつかの他の実施形態では、投影画像に基づいて装置の位置を迅速に特定することが有用である。これは、ゴーストアーチファクトが撮像される身体又は物体の外側にあるように、視野（ＦＯＶ）を十分に大きくすることによって達成することができる。投影画像は、軸方向、矢状方向、又は冠状の方向で取得することができる。いくつかの実施形態では、ゴーストアーチファクトの位置の測定は、ＭＲＩシステムのオペレータワークステーションによって自動的に実行されることが有用である。さらに別の実施形態では、自動的に配置されたデバイス位置が使用されてスライス選択スキャンのスライス位置を更新するが、デバイス位置が計算された後に自動的にこれが開始される。別の実施形態では、１つ又は複数の投影画像にゴーストアーチファクトを作成し、自動的にデバイスの位置を計算し、スライス位置を更新し、ＭＲＩシステムのスキャンルームインタフェース上のボタンを押下することでスライス選択的スキャンを開始するプロセスが開始される。
【００３４】
次に、追跡マーカの位置を測定して追跡するために使用することができる１つの好ましいＭＲＩ取得プロトコルを説明する。画像化は、以下に説明するような従来のＭＲＩシステムを使用して行うことができる。以下のパラメータを有するバランスの取れた定常状態自由歳差運動（「ｂＳＳＦＰ」）が用いられて、ＴＲ＝５秒、ＴＥ＝２.５秒、マトリクス＝２５６×２５６、フリップ角＝６０度、スライス厚＝３００ｍｍ（大容積による投影）、ＦＯＶ＝４０ｃｍ（背景にゴーストアーチファクトのための空間を与えるために撮像される本体より実質的に大きい）の連続したＭＲ画像を連続して連続的に取得する。レーザ光は、図７に示すように、他の繰返し時間ごとにオン／オフすることができ、マーカの真の位置からＦＯＶ／２にゴーストアーチファクトを作成する。走査面の向きは、軸方向と矢状方向との間で切り替えることができ、マーカの３つの座標のすべての計算を可能にする。あるいは、マーカを含む平面は、方位のうちの１つだけから計算することができる。例えば、マーカを含む冠状面は、真のデバイス位置（位相エンコード方向にＦＯＶ／２オフセットを有する）からのＦＯＶ／２におけるマーカのゴーストアーチファクトを示す単一軸方向投影画像から計算することができる。この例では、ゴーストアーチファクト位置は、矢状及び冠状方向の両方の位置を与え、マーカを含む冠状スライス（又は矢状面）を自動的に表示するために使用し得る。好ましい実施形態では、コンソールソフトウェアはデバイスの最後に計算された矢状位置を示す破線又は他の適切なマーカを画像ディスプレイ上に表示することもでき、ユーザがデバイスを迅速に視覚化するのを助ける。
【００３５】
ここで、追跡マーカを追跡するために実施することができるＭＲＩ取得プロトコルの別の例を説明する。画像化は、１．５Ｔスキャナのような従来のＭＲＩシステムを用いて行うことができる。以下のパラメータを有する多相高速勾配リコールエコー（高速ＧＲＥ）シーケンスが用いられて、マトリックスサイズ＝１２８×１２８、フリップアングル＝４０、帯域幅＝３１.３ｋＨｚ、ＦＯＶ＝１３ｃｍ、スライス厚さ＝５ｍｍ、ＴＲ／ＴＥ＝５．６／２．６ｍｓ、画像間で５秒遅延、ＮＥＸ＝１．１０の一連の３６個のＭＲ画像を連続的に取得する。
【００３６】
図８は、Ｎｉ粒子の感受性アーチファクトを有するＦＧＲＥ画像の例を示す。レーザ出力は、図９Ａ〜図９Ｂに示す傾向で変化させた。３６個の画像すべてを取得する間、レーザがオフになったときに、同じ画像化プロトコルを繰り返した。
【００３７】
取得された画像を通る各ボクセルの複素信号は、以下のように、レーザ出力パワー傾向に相関させることができる。
【００３８】
【数１】
0006715834.tif 000002
【００３９】
式（１）を用いて相互共分散を計算することができ、ボクセル（voxel）の信号とレーザ出力パワー傾向との間のゼロラグ（zero lag）における各ボクセルについての絶対値ＣＣijに基づいて画像を生成することができる。式（１）で、
【数２】
0006715834.tif 000003
は、ゼロラグにおけるボクセル（ｉ、ｊ）の実際の信号傾向であり、Ｌi,j（ｎ）はレーザ出力である。
【００４０】
図９Ａ〜図９Ｂはまた、レーザ出力パワーと高い正相関を示すボクセルの信号の大きさの一例を示す。信号振幅の変化は、レーザ光子によって励起されているニッケル粒子の磁化率の変化の直接的な結果である。その結果、磁化率アーチファクトが変化し、ボクセル信号の大きさが増減する。
【００４１】
この画像の時系列は、マーカの位置を計算するのに様々な方法で分析することができる。各画素の信号時間経過とレーザ出力の時間経過との相互共分散の計算を使用して、デバイスの位置を検出することができる。また、図１０Ａ〜図１０Ｄは相互共分散マップの例を示す。特に、図１０Ａ及び図１０Ｂはそれぞれ、ＮＥＸが１０及び１に等しい相互共分散マップの例を示す。高度に相関するボクセルは、ニッケル粒子からの感受性アーチファクトが存在する場所に配置された。また、図１０Ｃ及び図１０Ｄは、ＮＥＸがそれぞれ１０及び１に等しい相互共分散マップの例を示しており、取得されたすべての画像についてレーザがオフである。図１０Ｃ及び図１０Ｄは、図１０Ａ及び図１０Ｂに示される高度に相関したボクセルが、レーザによって引き起こされたものである。いくつかの実施形態では、レーザ出力の時間経過を選択して、上述の相互共分散又は相互相関分析による検出を増大させることができる。例えば、レーザ出力は、低ＳＮＲ画像におけるマーカ検出を妨げる背景相関を最小限に抑えるＢａｒｋｅｒ−７コード（１１１１１０１０）のようなＢａｒｋｅｒコードに従って時間的に変調することができる。
【００４２】
いくつかの実施形態では、レーザをオンにして取得した画像とレーザをオフにして取得した画像の磁気粒子の磁化率アーチファクトの変化を視覚化するのは、互いから減算され得る。また、図１１Ａ及び１１Ｂは、ＮＥＸがそれぞれ１０及び１に等しい減算画像の大きさの例を示す。減算画像は、レーザがオンのときの信号強度における差を示す。
【００４３】
いくつかの実施形態では、連続的に取得された画像の時間的フィルタリングを使用して、マーカを取り囲む感受性アーチファクトの変化を視覚化することができる。例えば、３回目のデータ収集毎に（３００ｍｓ離れて）、レーザパワーをオンにして、スパイラル−ｂＳＳＦＰ画像（ＴＲ＝１０ｍｓ、ＴＥ＝最小、１２８×１２８マトリックス、フレーム当たり１００ｍｓ、空間解像度２ｍｍ、スライス厚さ１０ｍｍ）を連続的に連続して取得することができた。３.３３Ｈｚの帯域通過による画像の時間的フィルタリングが使用されて、マーカ位置を検出できる。いくつかの実施形態では、レーザパルスの時間的オン／オフパターンは、結果の画像における装置の効果の検出が適切な逆変換を含んでいる、バイナリゴーレイ符号（binary Golay code）のような符号であってもよい。
【００４４】
ここで図１２を参照すると、上述の追跡デバイスの位置を追跡するための例示的な方法のステップを示すフローチャートが示されている。この方法は、ステップ１２０２に示すように、視野に追跡デバイスを提供するステップを含む。一例として、このステップは、カテーテルなどの介入デバイスを介して追跡デバイスを被験者の体内の領域に提供することを含むことができ、それはＭＲＩシステムによって画像化される。次いで、視野の画像は、ステップ１２０４に示されるように、追跡デバイス内の磁性物質の磁化率が変更されている間に、ＭＲＩシステムで取得される。例えば、追跡デバイス内の磁性物質の磁化率が、上述したように、光源をオン・オフすることによって定義される変調の時間的パターンに従って変更される。一例として、光源と通信するコントローラは、変調の時間的パターンに従って光源を動作させる制御信号を提供する。次に、ステップ１２０６に示されるように、視野内の追跡デバイスの位置を決定するために取得された画像が処理される。
【００４５】
一例として、画像に描かれた磁気共鳴信号を復号するのに画像が処理され、磁気共鳴信号の復号は変調の時間的パターンに基づいて実行される。別の例として、画像内のゴーストアーチファクトを識別しゴーストアーチファクトの位置を追跡デバイスの位置に関連付けるのに画像が処理される。いくつかの実施形態では、帯域通過フィルタを画像に適用することによって画像が処理され得る。これらの例では、帯域通過フィルタは、変調の時間的パターンの周波数によって規定される中心周波数を有するように設計されることが好ましい。追跡デバイスの位置がこれらの画像からどのように決定され得るかの他の例は上述した。
【００４６】
このように、医療デバイスの受動的追跡のための磁性粒子のレーザ誘起減磁のためのシステム及び方法が記載された。実験結果は、レーザ光子が減磁過程を通じてニッケル粒子のような磁性粒子と相互作用して、粒子の磁化率の値が変化することを示唆している。磁性粒子の周りのボクセルの信号は、レーザ出力パワー傾向と高度に相関している。
【００４７】
ここで特に図１３を参照すると、磁気共鳴画像化（「ＭＲＩ」）システム１００の一例が示されている。ＭＲＩシステム１００はオペレータワークステーション１０２を含み、典型的にはそれがディスプレイ１０４、キーボード及びマウスのような１つ以上の入力装置１０６、及びプロセッサ１０８を含んでよい。プロセッサ１０８は、市販のオペレーティングシステムを実行する市販のプログラマブルマシンを含んでよい。オペレータワークステーション１０２は、ＭＲＩシステム１００にスキャン処方が入力されることを可能にするオペレータインタフェースを提供する。一般に、オペレータワークステーション１０２は、４つのサーバ、すなわちパルスシーケンスサーバ１１０と、データ取得サーバ１１２と、データ処理サーバ１１４と、データストアサーバ１１６とを含んでよい。オペレータワークステーション１０２と各サーバ１１０,１１２,１１４,１１６とは、互いに通信可能に接続されている。例えば、サーバ１１０,１１２,１１４,１１６は、有線、無線、又はその両方の組み合わせのいずれかの適切なネットワーク接続を含んでよい通信システム１４０を介して接続されてもよい。一例として、通信システム１４０は、独占ネットワーク又は専用ネットワーク、及びインターネットなどのオープンネットワークの両方を含んでよい。
【００４８】
パルスシーケンスサーバ１１０は、オペレータワークステーション１０２からダウンロードされた命令に応答して機能し、勾配システム１１８及び無線周波数（「ＲＦ」）システム１２０を動作させる。所定のスキャンを実行するために必要な勾配波形が生成され勾配システム１１８に適用され、勾配システム１１８が勾配コイルをアセンブリ１２２内で励起して、位置符号化磁気共鳴信号に使用される磁場勾配Ｇx，Ｇy，Ｇzを生成する。勾配コイルアセンブリ１２２は、偏向磁石１２６及び全身ＲＦコイル１２８を含む磁石アセンブリ１２４の一部を形成する。
【００４９】
ＲＦ波形はＲＦシステム１２０によってＲＦコイル１２８又は別個のローカルコイル（図１３には図示せず）に印加され、所定の磁気共鳴パルスシーケンスを実行する。ＲＦコイル１２８又は別個のローカルコイル（図１３には図示せず）によって検出された応答磁気共鳴信号は、ＲＦシステム１２０によって受信され、そこでパルスシーケンスサーバ１１０によって生成されるコマンドの指令下で、増幅、復調、フィルタリングされる。ＲＦシステム１２０は、ＭＲＩパルスシーケンスで使用される広範囲のＲＦパルスを生成するＲＦ送信機を含む。ＲＦ送信機は、パルスシーケンスサーバ１１０からのスキャン処方及び方向に応答して、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１２８又は１つ以上の局所コイル又はコイルアレイ（図１３には図示せず）に印加されてもよい。
【００５０】
ＲＦシステム１２０はまた、１つ以上のＲＦ受信機チャネルを含む。各ＲＦ受信機チャネルは、それが接続されているコイル１２８によって受信された磁気共鳴信号を増幅するＲＦプリアンプと、受信した磁気共鳴信号の直交成分Ｉ及びＱを検出してデジタル化する検出器とを含む。従って、受信された磁気共鳴信号の大きさは、Ｉ及びＱ成分の２乗の和の平方根によってサンプリングされた任意の点で決定される。
【数３】
0006715834.tif 000004
【００５１】
受信された磁気共鳴信号の位相は、以下の関係に従って決定されてもよい。
【数４】
0006715834.tif 000005
【００５２】
パルスシーケンスサーバー１１０が任意に生理学的取得コントローラ１３０から患者データも受信する。一例として、生理学的取得コントローラ１３０は、患者に接続されたいくつかの異なるセンサからの信号、例えば、心電図（「ＥＣＧ」）信号、又は呼吸ベローズ又は他の呼吸監視装置からの呼吸信号、を受信してよい。このような信号は、典型的には、パルスシーケンスサーバ１１０によって使用され、被検体の心拍又は呼吸とスキャンの性能を同期させる、すなわち「ゲート」する。
【００５３】
パルスシーケンスサーバ１１０はまた、患者及び磁石システムの状態に関連する様々なセンサからの信号を受信するスキャンルームインタフェース回路１３２に接続する。また、スキャンルームインタフェース回路１３２を介して、患者位置決めシステム１３４は、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け取る。
【００５４】
ＲＦシステム１２０によって生成されたデジタル化磁気共鳴信号サンプルは、データ取得サーバ１１２によって受信される。データ取得サーバ１１２は、オペレータワークステーション１０２からダウンロードされた命令に応答してリアルタイム磁気共鳴データを受信し、データのオーバーランによってデータが失われないようにバッファストレージを提供する。いくつかのスキャンでは、データ取得サーバ１１２は、取得した磁気共鳴データをデータ処理サーバ１１４に渡すだけである。しかし、スキャンのさらなる性能を制御するため取得した磁気共鳴データから得られた情報を必要とするスキャンでは、データ取得サーバ１１２がそのような情報を生成しそれをパルスシーケンスサーバ１１０へ伝送するようにプログラムされる。例えば、プリスキャンの間、パルスシーケンスサーバ１１０によって実行されるパルスシーケンスを較正するために、磁気共鳴データが取得され使用される。別の例として、ナビゲータ信号が、ＲＦシステム１２０又は勾配システム１１８の動作パラメータを調整するために又はｋ空間がサンプリングされるビュー順序を制御するために、取得され使用されてよい。さらに別の例では、データ取得サーバ１１２は、磁気共鳴血管造影（「ＭＲＡ」）スキャンにおける造影剤の到達を検出するために使用される磁気共鳴信号を処理するのに使用されてもよい。一例として、データ取得サーバ１１２は、磁気共鳴データを取得しそれをリアルタイムで処理して、スキャンを制御するのに用される情報を生成する。
【００５５】
データ処理サーバ１１４は、データ取得サーバ１１２から磁気共鳴データを受信し、それをオペレータワークステーション１０２からダウンロードされた命令に従って処理する。このような処理は、例えば、以下の１つ以上を含むことができ、それには、未加工のｋ空間データをフーリエ変換して３次元又は３次元画像を生成するステップと、反復又は逆投影再構成アルゴリズムなどの他の画像再構成アルゴリズムを実行するステップと、生ｋ空間データ又は再構成画像にフィルタを適用するステップと、機能的な磁気共鳴画像を生成するステップと、動き画像又はフロー画像を計算するステップと、等々がある。
【００５６】
データ処理サーバ１１４によって再構築された画像は、オペレータワークステーション１０２に戻されそこで格納される。リアルタイム画像は、データベースメモリキャッシュ（図１３には図示せず）に記憶され、オペレータディスプレイ１１２、又は磁気アセンブリ１２４の近くに配置されたディスプレイ１３６にそこから出力されて、治療する医師が使用してもよい。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１３８上のホストデータベースに格納される。このような画像が再構成されてストレージに転送されると、データ処理サーバ１１４は、オペレータワークステーション１０２上のデータストアサーバ１１６に通知する。オペレータワークステーション１０２は、オペレータに使用されて、画像をアーカイブしたり、フィルムを作成したり、ネットワークを介して他の施設に画像を送ってもよい。
【００５７】
ＭＲＩシステム１００はまた、１つ又は複数のネットワーク式ワークステーション１４２を含んでもよい。例として、ネットワーク式ワークステーション１４２は、ディスプレイ１４４と、キーボード及びマウスのような１つ以上の入力装置１４６と、プロセッサ１４８とを含んでよい。ネットワーク式ワークステーション１４２は、オペレータワークステーション１０２と同じ施設内に、又は医療機関又は診療所などの異なる施設内に配置されてもよい。
【００５８】
ネットワーク式ワークステーション１４２は、オペレータワークステーション１０２と同じ施設内又は異なる施設内であっても、通信システム１４０を介してデータ処理サーバ１１４又はデータストアサーバ１１６にリモートアクセスしてよい。従って、複数のネットワーク式ワークステーション１４２は、データ処理サーバ１１４又はデータストアサーバ１１６へアクセスしてよい。このようにして、磁気共鳴データ、再構成画像又は他のデータが、データ処理サーバ１１４又はデータストアサーバ１１６とネットワーク式ワークステーション１４２との間で交換されてもよく、その結果、データ又は画像がネットワーク式ワークステーション１４２によって遠隔から処理されてよい。このデータは、伝送制御プロトコル（「ＴＣＰ」）、インターネットプロトコル（「ＩＰ」）、又は他の既知の若しくは適切なプロトコルなどに従って、任意の適切なフォーマットで交換されてもよい。
【００５９】
本発明によれば、オペレータワークステーション１０２は、図７に示すように、パルスシーケンスに同期したレーザパルスをトリガすることに関連するソフトウェア及びハードウェアコンポーネントを含んでよい。例えば、ＲＦ及び勾配パルスを生成する実行可能コードは、各読み出し間隔の開始と一致するＴＴＬパルスを生成するように構成することができ、これは専用のＢＮＣケーブルを介してレーザドライバエレクトロニクスに接続することができて、レーザ出力は、ＭＲＩデータ読出しウィンドウの開始及び終了と同期してオン／オフを切り替えることができる。
【００６０】
さらに、オペレータワークステーション１０２は、本追跡システムの動作中に取得された画像データの処理及びスライス位置などのスキャン処方情報の自動更新に関連するソフトウェアコンポーネント又はプラグインを実行してよい。これらのソフトウェアコンポーネントは、本発明の１つ以上の好ましい実施形態に不可欠であり得る。例えば、オペレータワークステーションは一連の操作を実行して、レーザパルスに同期したパルスシーケンスを実行し、画像データを処理してゴーストアーチファクトの位置を自動的に測定し装置の位置を導出し、このデバイス位置は、リアルタイムのスライス選択スキャンのスライス位置を更新するために使用され、スライス選択スキャンは、デバイス位置が計算された後に自動的に開始される。１つの好ましい実施形態では、この一連の操作は、スキャンルームインタフェース１３２上のボタンを押すことによって開始することができ、そのデバイスを含む結果のスライス選択スキャンが、スキャンルーム内のＭＲＩコンパチブルモニター上に表示され得る。
【００６１】
本発明を１つ以上の好ましい実施形態に関して説明したが、明記されている以外の多くの等価物、代替物、変形物及び改変が可能であり、それらは本発明の範囲内にあることを理解されたい。
【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９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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