(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＲＩ装置において静磁場の変動を定量化するためにＮＭＲデータを収集するＮＭＲデータ収集装置において、
位相方向及びリードアウト方向において順次増加する位相エンコード傾斜磁場パルスを用いてＮＭＲデータを収集する手段、収集されたデータはリードアウト傾斜磁場フィールドパルスの間の静磁場変動を表す情報を含み、該情報はリードアウト軸に沿った複数の点のそれぞれについての周波数エンコード空間領域データと位相エンコード時間領域データとを含む、と
フーリエ変換画像再構成を行い、複数の点のそれぞれについての空間／時間領域混合データを求め、及び空間／時間領域混合データを分析し、複数の空間的な位置のそれぞれについての位相発振プロフィールを表すリードアウト時間領域データに沿って順次増加する位相巻き戻しを発生することにより静磁場位相発振プロフィールを求める手段と、
前記空間的な位置のそれぞれについての位相発振プロフィールを分析し、時間不変な磁場から静磁場成分とリードアウト傾斜磁場の位置に基づく一定位相傾斜部分を分離する手段と、
対応する位相発振プロフィールから一定位相傾斜部分を取り除き、傾斜補正された位相発振プロフィールを発生する手段と、
を具備するＮＭＲデータ収集装置。
【請求項２】
実質的に同様なシステム仕様を用いて収集されたオリジナルＮＭＲデータを該システム仕様について以前に収集された傾斜補正された位相発振プロフィールに応じて位相シフトすることにより補正する手段を具備することを特徴とする請求項１記載のＮＭＲデータ収集装置。
【請求項３】
空間的に別個の点の発振プロフィールの和を求めることにより傾斜補正された位相発振プロフィールの信号雑音比を向上し、包括的な傾斜補正された位相発振プロフィールを産出する手段をさらに具備することを特徴とする請求項２記載のＮＭＲデータ収集装置。
【請求項４】
前記装置のイメージングシーケンスは２次元フーリエ変換法のシーケンスを用いることを特徴とする請求項２記載のＮＭＲデータ収集装置。
【請求項５】
前記装置のイメージングシーケンスは３次元フーリエ変換法のシーケンスを用いることを特徴とする請求項２記載のＮＭＲデータ収集装置。
【請求項６】
前記ＮＭＲデータは複数の画素からなる視野内で収集され、前記位相発振プロフィールは前記視野内の全画素について求められることを特徴とする請求項２記載のＮＭＲデータ収集装置。
【請求項７】
前記傾斜補正された位相発振プロフィールを記憶し、前記傾斜補正された位相発振プロフィールを収集するために使用されたシステム仕様と互換性のあるＭＲＩシステム仕様で収集されたＮＭＲデータをその後補正するために該記憶プロフィールを繰り返し使用する手段をさらに具備することを特徴とする請求項２記載のＮＭＲデータ収集装置。
【請求項８】
静磁場を発生する磁石と、
イメージング空間において互いに直交するスライス方向、位相方向、リードアウト方向に傾斜磁場を発生する傾斜磁場コイルと、
請求項１のＮＭＲデータ収集装置に従ってＮＭＲデータを収集し、補正するプロセッサと、
を具備することを特徴とするＭＲＩシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）方法及び装置に関し、特に、シーケンスに基づく静磁場Ｂ０の発振を定量化し、それに基づくアーチファクトを補正する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＭＲＩ装置において、高空間分解能と高画質を実現するためには、安定した静磁場Ｂ０が必要である。ＭＲ信号を周波数／位相エンコードするために、所定のシーケンスにしたがって、安定した静磁場に加えて傾斜磁場を印加する必要である。収集した信号を解析（デコード）することにより、信号の発生源の空間的な位置を特定できる。ＭＲＩにおいて信号をエンコード／デコードする最も典型的な方法はフーリエ変換法である。この例として、(1) Kumar et al, "NMR Fourier Zeugmatography," J. Magn. Reson. 18, 69-83(1975), (2) Edelstein et al, "Spin Warp NMR Imaging and Application to Human Whole-Body Imaging," Phys. Med. Biol. 25, 751-756(1980)がある。現在のＭＲＩにおいて最も使われているフーリエ・イメージング法の一種であるスピン・ワープ・イメージング法においては、一定の傾斜磁場の下で信号を収集することにより周波数エンコードが行われ、一定期間、しかし可変レベルの傾斜磁場パルスを印加することにより、信号収集の前に位相エンコードが行われる。
【０００３】
しかしながら、現実には、静磁場Ｂ０は時間とともに変動し、その結果、アーチファクトが発生してしまう。そのようなアーチファクトはHenkelman et al, "Artifacts in Magnetic Resonance Imaging," Rev. Magn. Reson. Med. 2, 1-126(1987) に記載されている。ここで、静磁場Ｂ０の変動がリードアウト時間（数１０ミリ秒であることが多い）に比べて比較的ゆっくりであるならば、アーチファクトは主に位相方向に沿って発生する。しかし、静磁場Ｂ０の変動がシーケンスに同期して発生し、しかも変動がリードアウト時間に比べて速い場合は、アーチファクトはリードアウト方向のみに沿って発生する。そのようなシーケンス同期性の静磁場変動の一例はシーケンス制御された傾斜磁場パルスにより引き起こされる高速発振の静磁場変動（あるいはシフト）である。
【０００４】
ＭＲＩにおける静磁場変動に関連する種々の問題を解決する多くの技術が提案されている。磁力計型センサとフィードバック回路を用いて静磁場変動を補償するためのハードウェアの改良に関する従来例が米国特許第５，２４５，２８６号明細書(Carlson et al.)、米国特許第５，２１４，３８３号明細書(Perlmutter et al.) に記載されている。しかしながら、これらのアプローチは付加的なハードウェアの実装を必要とする。これらのハードウェア手法では、静磁場Ｂ０の安定化は、使われている回路の雑音と遅れにより妨げられる。
【０００５】
他のアプローチとして、静磁場変動を定量化し、データ処理の間の情報を用いてＭＲＩデータにおける静磁場変動の影響を最小化する手法がある。米国特許第５，４８８，９５０号明細書に述べられている電子スピン共振器を用いると、静磁場変動は高精度の時間分解能で定量化され、定量化された静磁場変動は静磁場変動の影響を最小化するためにＭＲＩデータを補正するために使われる。しかしながら、電子スピン共振器を使う手法における付加的なハードウェアは複雑である。
【０００６】
さらに、他の例が米国特許第４，８８５，５４２号明細書(Yao et al., "MRI Compensated For Spurious NMR Frequency/Phase Shifts Caused by Spurious Changes in Magnetic Fields During NMR Data Measurement Process," 1989年) 、米国特許第４，９７０，４５７号明細書(Kaufman et al., "MRI Compensated For Spurious Rapid Variations in Static Field During a Single MRI sequence," 1990 年) 、継続中の米国特許出願(Zhang et al. "Correction for Field Variation in Steady-State MRI by Repeated Acquisition of the Zero k-space Line," 1996 年に記載されている。これらのＮＭＲ法では、静磁場の時間変動を定量化するために、観測している核スピンからの信号が直にサンプリングされ、静磁場変動の影響を小さくするためのデータ処理が行われる。これらのＮＭＲ法では、サンプリング速度はＭＲＩデータのリード速度と同程度、あるいはそれよりも遅いので、高速な静磁場変動により、アーチファクトがリードアウト方向に沿って発生する場合は、あまり効果的ではない。
【０００７】
本発明はイメージングの次元数は特定の次元数に限定されないが、ここでは、説明の便宜上、２次元（２Ｄ）イメージングについて説明する。リードアウト方向をＸ方向、位相方向をＹ方向とする。静磁場変動はシーケンスに同期し、変動の影響はリードアウト方向のみに限定されるとする。
【０００８】
図１は従来の典型的なスピン・ワープ２次元イメージングのＭＲＩシーケンスを示す。スライス選択傾斜磁場を印加した状態で周波数選択的な高周波（ＲＦ）パルスを印加することにより実現されるスライス選択励起により、スピンのスライスが選択される。リードアウト傾斜磁場を印加するリードアウト時間内にＭＲ信号が収集され、周波数エンコードされる。信号の位相は一定の時間幅でしかし１回の印加毎にレベルが増加する位相エンコード傾斜磁場を印加することにより変調される。
【０００９】
ＭＲＩ信号は、Twieg, "The k-Trajectory Formulation of the NMR Imaging Process with Applications in Analysis and Synthesis of Imaging Methods," Med. Phys. 10, 610-621(1983) に示されているように、ｋ空間において、次のように表わされる。
【００１０】
【数１】
0004386482.tif 000002
ここで、Ｍ（Ｘ，Ｙ）は観測される磁化の空間分布、ΔＢ０（Ｘ，Ｙ，ｔ）は場所と時間の関数である静磁場オフセット、ＧＸはリードアウト傾斜磁場、ΔｔＸはリードのピッチ時間、ΔＧＹ、τＹは位相エンコード傾斜磁場の増加分と期間である。
【００１１】
安定した静磁場では、静磁場オフセットΔＢ０は空間的に変動するだけである。静磁場の変動はリード空間周波数ΔｋＸ／ΔｔＸをリードアウト傾斜磁場の強度及び空間的に不均一な静磁場のオフセットレベルに応じた一定量シフトさせる。しかしながら、時間とともに変動する静磁場は空間周波数をも時間とともに変動させる。そのような周波数変動は、無線通信における周波数変調（ＦＭ）と同様な作用をもたらし、主信号のサイドバンドを発生させる。ＭＲＩにおいては、これらのサイドバンドはアーチファクトとなる。上述したように、シーケンス同期の静磁場変動によるアーチファクトはリードアウト方向のみに発生する。
【００１２】
静磁場変動が空間的に均一な場合、すなわち、全ての空間位置において、同じ周波数／位相／振幅の場合は、静磁場の時間変動の影響と、空間的な不均一の影響とを分離することができる。
【００１３】
ΔＢ０（Ｘ，Ｙ，ｔ）＝δＢ０（ｔ）＋ΔＢ０（Ｘ，Ｙ）          （４）
【００１４】
この場合、静磁場変動の定量化δＢ０（ｔ）は静磁場変動の影響低減を低減（あるいは除去）するためにＭＲＩデータを補正するのに十分な情報を提供する。
【００１５】
【数２】
0004386482.tif 000003
ここで、ＳACq は収集されたＭＲＩデータ、ＳCorrは静磁場変動の補正後のＭＲＩデータである。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来のＭＲＩ装置には、静磁場の変動は空間周波数も変動させ、主信号のサイドバンドを発生させ、画像においてアーチファクトを発生させるという欠点がある。
【００１７】
本発明の目的は、シーケンス同期の、比較的高い周波数の静磁場変動を定量化するＮＭＲデータ収集方法及びＮＭＲデータ補正方法を提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決し目的を達成するために、本発明は以下に示す手段を用いている。
【００１９】
本発明の一態様によれば、ＭＲＩ装置において静磁場の変動を定量化するためにＮＭＲデータを収集するＮＭＲデータ収集装置は、
位相方向及びリードアウト方向において順次増加する位相エンコード傾斜磁場パルスを用いてＮＭＲデータを収集する手段、収集されたデータはリードアウト傾斜磁場フィールドパルスの間の静磁場変動を表す情報を含み、該情報はリードアウト軸に沿った複数の点のそれぞれについての周波数エンコード空間領域データと位相エンコード時間領域データとを含む、と
フーリエ変換画像再構成を行い、複数の点のそれぞれについての空間／時間領域混合データを求め、及び空間／時間領域混合データを分析し、複数の空間的な位置のそれぞれについての位相発振プロフィールを表すリードアウト時間領域データに沿って順次増加する位相巻き戻しを発生することにより静磁場位相発振プロフィールを求める手段と、
前記空間的な位置のそれぞれについての位相発振プロフィールを分析し、時間不変な磁場から静磁場成分とリードアウト傾斜磁場の位置に基づく一定位相傾斜部分を分離する手段と、
対応する位相発振プロフィールから一定位相傾斜部分を取り除き、傾斜補正された位相発振プロフィールを発生する手段と、
を具備する。
本発明の他の態様によれば、静磁場を発生する磁石と、イメージング空間において互いに直交するスライス方向、位相方向、リードアウト方向に傾斜磁場を発生する傾斜磁場コイルと、上記一態様によるＮＭＲデータ収集装置に従ってＮＭＲデータを収集し、補正するプロセッサと、を具備するＭＲＩシステムが提供される。
【００３３】
本発明によるＮＭＲデータ収集方法は、空間的な分解能を伴う定量化は静磁場の不安定性の空間的な特性に関する情報を提供する。本発明は、ＭＲ信号のシーケンス同期の位相発振を引き起こすどのようなシステム誤動作を解析するためにも用いることができる。静磁場変動が空間的に均一な場合、すなわち、全ての空間位置において同じ周波数／位相／振幅の場合は、本発明で収集されたデータは静磁場変動の影響を減少するためにＭＲＩデータを補正するためにも使うことができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明によるＭＲＩ方法の第１の実施形態を説明する。
【００３５】
図２は本発明の実施形態によるシーケンス同期の静磁場変動を定量化するために使われるＭＲＩシーケンスを示す。このシーケンスは図１に示す通常のＭＲＩシーケンスに似ているが、リードアウト方向の周波数エンコードに加えて、リードアウト方向に位相エンコードが行われる点が異なる。
【００３６】
ΔＧＸはリードアウト方向の視野（ＦＯＶ：Field Of View ）、リードアウト（読出し）のピッチ時間、位相エンコード期間に応じて設定される。
【００３７】
ΔＧＸ＝（ΔｔＸ／τＹ）ＧＸ                                  （６）
【００３８】
図２に示すようなシーケンスにより収集されたＭＲＩデータは次のように表わされる。
【００３９】
【数３】
0004386482.tif 000004
本実施形態では、
ΔｋＸ＝γΔＧＸτＹ                                  （８）
である。
【００４０】
｛ｎｋｘ，ｎｋｙ｝に対してデータを２次元フーリエ変換した後、データマトリックスは混合座標系に変換される。
【００４１】
【数４】
0004386482.tif 000005
【００４２】
混合座標系の各画素（ｎＸ，ｎＹ）の信号位相は、
【数５】
0004386482.tif 000006
【００４３】
ＧＸとΔＢ０（Ｘ，Ｙ）はともにリードアウトウィンドウの中では時間変動しないので、これらの影響は位相傾斜部分を取り除くことにより無視できる。
【００４４】
位相回転（wraparound）に対処するために、リードアウトウィンドウの中の位相増加分は画素毎に次のように求めることができる。
【００４５】
Δφ（ｎＸ，ｎＹ，ｎｔｘ）
＝φ（ｎＸ，ｎＹ，ｎｔｘ＋１）−φ（ｎＸ，ｎＹ，ｎｔｘ）        （１１）
【００４６】
位相回転がなければ、位相増加分はπよりはるかに小さいとみなすことができる。
【００４７】
位相回転の巻き込みが検出されると、位相の巻き戻しが行われる。
【００４８】
0004386482.tif 000007
【００４９】
各画素の位相増加分は次の定数に組込まれる。
【００５０】
Ｃ（ｎＸ，ｎＹ）
＝｛ΣｎｔｘΔφ’（ｎＸ，ｎＹ，ｎｔｘ）｝／Ｎｔｘ      （１３）
ここで、Ｎｔｘはリードアウトウィンドウの中のデータ点の数である。
【００５１】
リードアウトウィンドウの中の位相発振プロフィールはΔφ’（ｎＸ，ｎＹ，ｎｔｘ）からデータフィットにより求められた定数を減算することにより得られる。
【００５２】
δφ（ｎＸ，ｎＹ，ｎｔｘ）
＝Δφ’（ｎＸ，ｎＹ，ｎｔｘ）−Ｃ（ｎＸ，ｎＹ）                （１４）
【００５３】
静磁場が不安定の場合、静磁場変動と位相発振との間には次のような関係がある。
【００５４】
【数６】
0004386482.tif 000008
このようにδφ（ｎＸ，ｎＹ，ｎｔｘ）は、リードアウトウィンドウ内のシステム誤差に関する空間的だけではなく時間的な分解能をも有する情報を含む。
【００５５】
位相発振が空間的に均一な場合は、位相プロフィールは同じシステム仕様の下で収集されたＭＲＩデータを、位相発振の影響を除去するように補正するために使われる。先ず、位相発振プロフィールは雑音を減少するために全視野にわたって空間的に平均される。
【００５６】
δφ（ｎｔｘ）
＝｛ΣｎＸ，ｎＹ  ω（ｎＸ，ｎＹ）δφ（ｎＸ，ｎＹ，ｎｔｘ）｝／
ΣｎＸ，ｎＹ  ω（ｎＸ，ｎＹ）                              （１６）
ここで、ω（ｎＸ，ｎＹ）は平均化のための重み付け要素であり、本実施形態では、信号強度である。
【００５７】
ＭＲＩデータは位相発振プロフィールを用いて式（５）に応じて位相誤差が補正される。
【００５８】
【数７】
0004386482.tif 000009
【００５９】
本発明により定量化された位相発振プロフィールは記憶され、同じシステム仕様で収集されたＭＲＩデータの補正のために繰り返し使われる。
【００６０】
本発明は０．３５テスラで動作する東芝アメリカ社製のプロトタイプのＭＲＩ装置に適用された。静磁場発振はパルスシーケンスの傾斜磁場のスイッチングに同期して発生する。本発明で表わされるデータを得るために、ベビーオイルが充填された矩形のファントムが使われた。
【００６１】
静磁場発振のデータセットは２５．６×２５．６ｃｍ２の視野、５．０ｍｍのスライス厚さ、１２８（リードアウト方向）×３２（位相方向）×１２８（リードアウト方向のさらなる位相エンコード）のデータマトリックス、ＮＡ＝２、ＴＲ＝２８０ミリ秒の条件の下で収集された。各データセットのデータ収集時間は約２０分である。
【００６２】
ＭＲＩデータはリードアウト方向に行う位相エンコードが省略され、データマトリックスが２５６×２５６である点以外は上と同じ別のシーケンスを用いても収集された。各画像データセットの収集時間は２．５分に設定される。
【００６３】
これら２つの場合とも、リードアウトウィンドウの最初の５ミリ秒はデータ収集を行わない。
【００６４】
図３、図４は実験で得られた静磁場発振のデータセットの中の１つから求められた位相発振プロフィールの一例である。プロフィールは視野内の充分に分離された５つの画素から選択される（図３（ａ）〜（ｃ）、図４（ａ）、（ｂ））。図４（ｃ）のプロフィールは上の５つの位相発振プロフィールの平均であり、これから位相発振は空間的に均一であることが分かる。
【００６５】
図５（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明による位相補正の無し、有りの場合のＭＲ画像から得られたプロフィールである。補正後はエッジの特性がかなり向上されている。
【００６６】
本発明は、シーケンスに基づく静磁場発振により信号誤差が発生する場合を例に説明したが、再現可能であり、ＭＲＩシーケンスに同期し、且つ再現性のある信号誤差が発生する全ての場合に等しく適用可能である。信号誤差の原因はどのようなシステム誤動作でも構わない。
【００６７】
本発明は、厚いスライスを選択しスライス方向に沿っても位相エンコードを行うことにより、３次元イメージングにも適用できる。
【００６８】
本発明は、現在最も現実的な、しかも好ましいと考えられる実施形態に関して説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限定されず、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々変形実施可能である。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、シーケンス同期の、比較的高い周波数の静磁場変動を定量化するＮＭＲデータ収集方法、及びそれに基づいてＮＭＲデータを補正する方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の２次元ＭＲＩシーケンスのタイミングチャートである。
【図２】本発明の実施形態による２次元ＭＲＩシーケンスのタイミングチャートである。
【図３】本発明の実施形態による位相発振プロフィールである。
【図４】本発明の実施形態による位相発振プロフィールである。
【図５】本発明による補正無し、補正有りの場合のＭＲＩ画像プロフィールである。
【図１】
0004386482.tif 000010
【図２】
0004386482.tif 000011
【図３】
0004386482.tif 000012
【図４】
0004386482.tif 000013
【図５】
0004386482.tif 000014