(57)【要約】  本発明は、対象の動きを決定するための動き決定装置に関する。動き決定装置は、対象（６）のＭＲ画像を提供するための及び異なる取得時間において取得される対象の非画像ＭＲデータを提供するための磁気共鳴（ＭＲ）情報提供ユニット（２，５）と、異なる取得時間において取得される提供される非画像ＭＲデータ及び提供されるＭＲ画像に応じて、対象（６）の動きを記述する動き場を決定するための動き決定ユニット（９）とを有する。好ましくはｋ空間データである非画像ＭＲデータが、動き場を決定するために直接、すなわち、非画像ＭＲデータに基づくＭＲ画像の中間再構成なしに、使用されるので、動き場を非常に高い時間分解能で決定することができる。
2020525116.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象の動きを決定するための動き決定装置であって：
‐  前記対象の磁気共鳴（ＭＲ）画像を提供するための及び前記対象の非画像ＭＲデータを提供するためのＭＲ情報提供ユニットであって、前記非画像ＭＲデータは、異なる取得時間において取得され、且つ、ｋ空間データである、ＭＲ情報提供ユニットと、
‐  前記異なる取得時間において取得される前記の提供される非画像ＭＲデータ及び前記の提供されるＭＲ画像に応じて、前記対象の前記動きを記述する動き場を決定するための動き決定ユニットと、
を有する、
動き決定装置。
【請求項２】
前記動き決定装置は、前記提供されるＭＲ画像及び前記の決定される動き場に基づいて前記対象の動的ＭＲ画像を生成するための動的ＭＲ画像生成ユニットをさらに有する、
請求項１に記載の動き決定装置。
【請求項３】
前記ＭＲ情報提供ユニットは、前記ＭＲ画像として定常状態の磁化ＭＲ画像を提供するように、及び／又は、前記非画像ＭＲデータとして定常状態の磁化非画像ＭＲデータを提供するように構成される、
請求項１に記載の動き決定装置。
【請求項４】
前記ＭＲ情報提供ユニットは、提供されるｋ空間データが、前記提供されるＭＲ画像を生成するために使用されるｋ空間データと比較してアンダーサンプリングされるように、前記非画像ＭＲデータとしてｋ空間を完全には満たさない前記ｋ空間データを提供するように構成される、
請求項１に記載の動き決定装置。
【請求項５】
前記ＭＲ情報提供ユニットは、前記ｋ空間データが前記ｋ空間の５％未満を満たすように、前記ｋ空間データを提供するように構成される、
請求項４に記載の動き決定装置。
【請求項６】
前記ＭＲ情報提供ユニットは、前記ｋ空間データが前記ｋ空間内で螺旋状の軌道を形成するように、前記ｋ空間データを提供するように構成される、
請求項５に記載の動き決定装置。
【請求項７】
前記動き決定装置は：
‐  前記動き場をモデル化する動きモデルを提供するための動きモデル提供ユニットと、
‐  前記ＭＲ画像に応じて且つ前記提供される動きモデルに応じて、前記異なる取得時間に対して前記非画像ＭＲデータを記述する非画像ＭＲデータ関数を提供するための非画像ＭＲデータ関数提供ユニットと、
をさらに有し、
前記動き決定ユニットは、前記提供されるＭＲ画像を所与として、前記異なる取得時間において取得される前記提供される非画像ＭＲデータを、前記非画像ＭＲデータ関数がもたらすように、前記動きモデルを適合させることによって、前記動き場を決定するように構成される、
請求項１に記載の動き決定装置。
【請求項８】
前記非画像ＭＲデータ関数提供ユニットは、
【数１】
2020525116.tif 000037
に従って、前記非画像ＭＲデータ関数を提供するように構成され、
ｓｊは、指数ｊによって示される取得時間に対する前記非画像ＭＲデータを示し、ｑ（ｒ）は、異なる空間位置ｒにおける前記提供される基準ＭＲ画像のＭＲ画像値を示し、ｋは、ｋ空間における勾配軌道を示し、ｕｊ（ｒ）は、前記指数ｊによって示される前記取得時間における、それぞれの空間位置ｒによって示される前記対象の一部の空間位置を定義する前記動きモデルを示す、
請求項７に記載の動き決定装置。
【請求項９】
生物である又は生物の一部である対象を治療するためのＭＲ治療システムであって：
‐  請求項１に記載の対象の動きを決定するための動き決定装置と、
‐  前記の決定される動きに応じて前記対象を治療するための治療装置と、
を有する、
ＭＲ治療システム。
【請求項１０】
前記治療装置は、前記決定される動きを考慮して、前記対象の方向に治療エネルギを放出するように構成される、
請求項９に記載のＭＲ治療システム。
【請求項１１】
対象の動きを決定するための動き決定方法であって：
‐  ＭＲ情報提供ユニットによって、前記対象のＭＲ画像を提供し、かつ、前記対象の非画像ＭＲデータを提供するステップであって、前記非画像ＭＲデータは、異なる取得時間に取得され、かつ、ｋ空間データである、ステップと、
‐  動き決定ユニットによって、前記異なる取得時間に取得される前記の提供される非画像ＭＲデータに応じて、及び前記の提供されるＭＲ画像に応じて、前記対象の前記動きを記述する動き場を決定するステップと、
を含む、
方法。
【請求項１２】
生物又は生物の一部である対象を治療するためのＭＲ治療方法であって：
‐  請求項１１に記載の対象の動きを決定することと、
‐  治療装置を用いて、前記の決定される動きに応じて前記対象を治療することと、
を含む、
方法。
【請求項１３】
請求項１に記載の動き決定装置を制御するためのコンピュータプログラムであって、前記コンピュータプログラムは、前記コンピュータプログラムが前記動き決定装置を制御するコントローラ上で実行されるとき、前記動き決定装置に請求項１１に記載の動き決定方法を実行させるためのプログラムコード手段を含む、コンピュータプログラム。
【請求項１４】
請求項９に記載のＭＲ治療システムを制御するためのコンピュータプログラムであって、前記コンピュータプログラムは、前記コンピュータプログラムが前記ＭＲ治療システムを制御するコントローラ上で実行されるとき、前記ＭＲ治療システムに請求項１２に記載のＭＲ治療方法を実行させるためのプログラムコード手段を含む、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、対象の動きを決定するための動き決定装置、方法、及びコンピュータプログラムに関する。本発明はさらに、決定された動きに基づいて対象を処置するための磁気共鳴（ＭＲ）治療システム、方法、及びコンピュータプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１は、２次元シネＭＲ画像、すなわち、数回の取得時間に取得された複数のＭＲ画像、及び患者主成分分析（ＰＣＡ）に基づく呼吸モデルに基づくボリュメトリックＭＲ画像の変形を開示している。
【０００３】
非特許文献２は、エントロピー焦点基準を用いたＭＲ画像における動きアーチファクトの自動補正を開示している。
【０００４】
例えば、非特許文献３から、動いている対象のいくつかのＭＲ画像が異なる時間に対して生成されることができ、これらのＭＲ画像が対象の動きを決定するために互いにレジストレーションされることができることが知られている。対象の動きを決定するこのプロセスは、比較的低い時間分解能のみで動き決定を可能にする。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】“Ultrafastvolumetric cine MRI （VC-MRI） for real-time 3D target localization in radiation therapy” by W.Harris et al., Proceedings of the International Society for Magnetic Resonancein Medicine, ISMRM, 24th Annual Meeting and Exhibition, Singapore,number 3210 （2016）
【非特許文献２】“Automatic Correction ofMotion Artifacts in Magnetic Resonance Images Using an Entropy Focus Criterion”by D. Atkinson et al., IEEE Transactions of Medical Imaging, volume 16, pages903 to 910 （1997）
【非特許文献３】“Hybrid two-dimensionalnavigator correction: a new technique to suppress respiratory-inducedphysiological noise in multi-shot echo-planar functional MRI” by R. L. Barry etal., NeuroImage, volume 39, pages 1142 - 1150 （2008）
【発明の概要】
【０００６】
従って、本発明の目的は、増大した時間分解能で対象の動きの決定を可能にする動き決定装置、方法及びコンピュータプログラムを提供することである。本発明のさらなる目的は、決定された動きに応じて対象を処置するためのＭＲ治療システム、方法及びコンピュータプログラムを提供することである。
【０００７】
本発明の第１の態様では、対象の動きを決定するための動き決定（motion  determination）装置が提供され、動き決定装置は：
‐  対象のＭＲ画像を提供するための及び対象の非画像ＭＲデータを提供するためのＭＲ情報提供ユニットであって、非画像ＭＲデータは、異なる取得時間において取得され、かつ、ｋ空間（k-space）データである、ＭＲ情報提供ユニットと、
‐  異なる取得時間において取得される提供される非画像ＭＲデータ及び提供されるＭＲ画像に応じて、対象の動きを記述する動き場（motion  field）を決定するための動き決定ユニットと、
を有する。
【０００８】
動き決定ユニットは、単に提供されるＭＲ画像及び異なる取得時間で取得される提供される非画像ＭＲデータを必要とし、動き場を決定するためにいくつかのＭＲ画像を、従って、対象の動きを必要としないので、例えば、異なる取得時間で比較的大量のｋ空間データを取得し、取得されるｋ空間データに基づいて異なる取得時間に対していくつかのＭＲ画像を再構成（reconstruct）し、再構成されるいくつかのＭＲ画像を、動きを決定するためにレジストレーションする（register）必要はない。これは、対象の動きの決定の向上した時間分解能を可能にする。
【０００９】
対象は、好ましくは、生物、すなわち、人若しくは動物、又は、例えば、心臓、肺、膵臓、腎臓等の臓器のような生物の一部である。対象は、技術的対象であることもできる。動き場は、好ましくは、３つの空間次元の動きを記述する３次元動き場である。しかし、動き場はまた、２つの空間次元における動きを記述する２次元動き場であることもできる。
【００１０】
動き決定ユニットは、異なる取得時間に対していくつかのＭＲ画像を再構成するために非画像ＭＲデータを使用し、次いで、再構成されるいくつかのＭＲ画像に基づいて動き場を決定するようには適合されない。動き決定ユニットは、ｋ空間データである非画像ＭＲデータを、動き場の決定のために直接、すなわち、非画像ＭＲデータに基づくＭＲ画像の中間再構成なしに使用するように適合されている。従って、動き決定ユニットによって決定される対象の動きは、非画像ＭＲデータが取得される異なる取得時間の間の対象の動きである。従って、決定される動き場は、ｋ空間データである非画像ＭＲデータが取得される異なる取得時間に及び期間にわたる対象の動きを記述することができる。
【００１１】
ＭＲ情報提供ユニットは、記憶装置であって、記憶装置の中に非画像ＭＲデータ及びＭＲ画像が記憶され、記憶装置から非画像ＭＲデータ及びＭＲ画像がそれらを提供するために検索されることができる、記憶装置であることができる。また、ＭＲ情報提供ユニットは、非画像ＭＲデータ及びＭＲ画像を受信し、受信した非画像ＭＲデータ及びＭＲ画像を提供する受信ユニットであることもできる。例えば、ＭＲ情報提供ユニットは、ＭＲデータ取得装置によって取得されるＭＲデータに基づいてＭＲ画像を生成するように適合されるＭＲ画像生成ユニットからのＭＲ画像及びＭＲデータ取得装置からの非画像ＭＲデータを受信するように適合されることができる。ＭＲ情報提供ユニットは、ＭＲ画像生成ユニットを持つＭＲデータ取得装置であることもできる。ＭＲデータ取得装置によって取得され、ＭＲ画像を再構成するために使用されるＭＲデータは、好ましくはｋ空間データである。また、非画像ＭＲデータはｋ空間データである。
【００１２】
一実施形態では、動き決定装置は、提供されるＭＲ画像及び決定される動き場に基づいて対象の動的（dynamic）ＭＲ画像を生成するための動的ＭＲ画像生成ユニットをさらに有する。対象の動的ＭＲ画像は、異なる時間に対する異なる静止ＭＲ画像のシーケンスとして見なすことができ、静止ＭＲ画像のシーケンスは、異なる時間によってカバーされる期間の間の対象の動きを示す。従って、提供されるＭＲ画像及び決定される動き場に基づいて生成される対象の動的ＭＲ画像は、ｋ空間データである非画像ＭＲデータが取得される異なる取得時間に及ぶ期間にわたる対象の動きを示す。それぞれの時間（time）にそれぞれの静止ＭＲ画像を生成するためには、例えば、それぞれの時間に対して静止ＭＲ画像を再構成するために一般的に必要とされるそれぞれの時間における比較的大量のｋ空間データを取得する必要はないが、例えば、それぞれの時間において比較的少数の非画像ＭＲデータを取得する必要があるだけなので、動的ＭＲ画像を生成するために必要なＭＲデータを取得するために必要な時間の大幅な削減を達成することができ、それによって動的ＭＲ画像の増大した時間分解能を可能にする。
【００１３】
ＭＲ情報提供ユニットによって提供されるＭＲ画像は、「基準（reference）ＭＲ画像」と名付けられることができる。基準ＭＲ画像は、好ましくは静止ＭＲ画像である。基準ＭＲ画像は、対象が動いている間の特定の取得時間若しくは特定の動き段階（motion  phase）で取得されるＭＲデータに基づいて、又は、対象が動いていない間に取得されるＭＲデータに基づいて再構成されることができる。さらに、ＭＲ情報提供ユニットは、好ましくは、基準ＭＲ画像として定常状態のＭＲ画像、すなわち定常状態の磁化ＭＲ画像を提供するように、及び／又は、非画像ＭＲデータとして、定常状態の非画像ＭＲデータ、すなわち定常状態の磁化非画像ＭＲデータを提供するように構成される。従って、非画像ＭＲデータは、好ましくは、磁化が定常状態であった間の読出インターバル中に取得されるｋ空間データである。さらに、提供されるＭＲ画像は、好ましくは、磁化が定常状態であった読出インターバル中に得られたｋ空間データに基づいて再構成されている。さらに、好ましくは、両方、すなわち、ａ）非画像ＭＲデータであるｋ空間データ、及び、ｂ）提供されるＭＲ画像を再構成するために使用されるｋ空間データが、同じ定常状態レジームの間に、すなわち、同じ種類のシーケンスを使用することによって取得される。提供される基準ＭＲ画像が定常状態のＭＲ画像であり、非画像ＭＲデータが定常状態の非画像ＭＲデータである場合、決定される動きは、動的磁気プロセスの影響を受けにくい。これは、決定される動きの改善された精度を導くことができる。
【００１４】
ＭＲ情報提供ユニットは、非画像ＭＲデータとしてｋ空間データを提供するように構成される。従って、ＭＲ画像提供ユニットは、ｋ空間データの異なるセットを非画像ＭＲデータとして提供するように構成され、ｋ空間データの異なるセット、すなわち、異なるｋ空間データセットは、異なる取得時間に取得されている。動き決定ユニットは、異なる取得時間で取得される提供されるｋ空間データセットと提供されるＭＲ画像に応じて動き場を決定するように構成される。特に、ＭＲ情報提供ユニットは、好ましくは、提供されるｋ空間データが、提供されるＭＲ画像を生成するために使用されるｋ空間データと比較してアンダーサンプリングされる（undersampled）ように、ｋ空間を完全には満たさないｋ空間データを提供するように構成される。特に、提供されるＭＲ画像の空間分解能は、ナイキスト基準に起因するｋ空間の分解能、すなわちデータ点を規定する。従って、好ましくは、ナイキスト基準と共に提供されるＭＲ画像の空間分解能が、完全にサンプリングされるｋ空間を規定する。非画像ＭＲデータは、このサンプリングスキームを尊重する必要はない、すなわち、それらはナイキスト基準に従う必要はなく、はるかにまばらな（sparser）な方法で取得することができる。一実施形態では、ＭＲ情報提供ユニットは、ｋ空間の５％未満、すなわち、全空間の５％未満、さらに好ましくはｋ空間の１％未満、すなわち、全ｋ空間の１％未満を満たすように、ｋ空間データ、すなわち、非画像ｋ空間データを提供するように構成される。従って、各取得時間において、それぞれのｋ空間データが取得されることができ、これらは、完全なｋ空間の５％未満、さらに好ましくは１％未満を満たす。特に、ｋ空間は、データ点、すなわちｋ空間データが取得されることができるデータ点位置によって形成される。基準ＭＲ画像、すなわち、提供されるＭＲ画像は、好ましくは、全てのデータ点位置に対するｋ空間データに基づいて、すなわち、完全に満たされるｋ空間に基づいて、再構成される。完全なｋ空間の５％未満を満たす非画像ｋ空間データは、好ましくは、完全なｋ空間の全てのデータ点位置の５％未満に対応する。換言すれば、非画像ｋ空間データが動き場を決定するために特定の取得時間において取得されるｋ空間内のデータ点位置の数は、好ましくは、基準ＭＲ画像の再構成に使用されるｋ空間データが取得される全ｋ空間内のデータ点位置の数の５％未満である。このような少数のｋ空間データを用いることにより、取得時間をさらに短縮することができる。これは、対象の動きの決定の一時間分解能をさらに高めることにつながり得る。
【００１５】
非画像ＭＲデータであるｋ空間データは、勾配場、従って空間エンコーディングで取得される。しかし、上述したように、これらのｋ空間データは、好ましくは、アンダーサンプリングされ、すなわち、ナイキストレートを下回るが、これは重要ではない。なぜなら、上述したように、これらのｋ空間データ、すなわち、非画像ＭＲデータは、画像を再構成するために使用されないが、この画像は動き場を決定するために使用され、これらのｋ空間データは、動き場を決定するために直接使用されるからである。さらに、提供されるＭＲ画像及び非画像ＭＲデータは、同じ取得からのものである必要はない。従って、一実施形態では、提供されるＭＲ画像と非画像ＭＲデータとは異なる取得に由来し、この場合には、好ましくは、両方、すなわち、ａ）非画像ＭＲデータであるｋ空間データと、ｂ）提供されるＭＲ画像を再構成するために使用されるｋ空間データとが、同じ定常状態レジームの間、すなわち、同じ種類のシーケンスを使用することによって、取得される。
【００１６】
さらに、ＭＲ情報提供ユニットは、ｋ空間データがｋ空間内で螺旋状（spiral-like）の軌道を形成するように、ｋ空間データを提供するように構成されることが好ましい。それぞれの時間で取得されるｋ空間データが螺旋状の軌道を形成する場合、動きはさらに精度を上げて決定されることができる。しかし、ｋ空間データは、ｋ空間内で別の形状を有する軌道を形成するように提供されることもできる。
【００１７】
好ましい実施形態では、動き決定装置は、ａ）動き場をモデル化する動きモデルを提供するための動きモデル提供ユニットと、ｂ）ＭＲ画像に応じて且つ提供される動きモデルに応じて、異なる取得時間に対して非画像ＭＲデータを記述する非画像ＭＲデータ関数（non-image  MR  data  function）を提供するための非画像ＭＲデータ関数提供ユニットとをさらに有し、動き決定ユニットは、提供されるＭＲ画像を所与として、異なる取得時間において、提供される非画像ＭＲデータを非画像ＭＲデータ関数がもたらすように、動きモデルを適合させることによって、動き場を決定するように構成される。動きモデル及び非画像ＭＲデータ関数を使用することによって、並びに、動き場を、したがって、提供されるＭＲ画像を所与として、異なる取得時間において取得される提供される非画像ＭＲデータを、非画像ＭＲデータ関数がもたらすように動きモデルを適合させることによって動きを決定することによって、動きは、さらに精度を高め且つ比較的低い計算努力で決定されることができる。
【００１８】
好ましい実施形態では、非画像ＭＲデータ関数提供ユニットは、
【数１】
2020525116.tif 000003
に従って、非画像ＭＲデータ関数を提供するように構成され、
ここで、ｓｊは、指数ｊによって示される取得時間に対する非画像ＭＲデータを示し、ｑ（ｒ）は、異なる空間位置ｒにおける提供される基準ＭＲ画像のＭＲ画像値を示し、ｋは、ｋ空間における勾配軌道を示し、ｕｊ（ｒ）は、指数ｊによって示される取得時間における、それぞれの空間位置ｒによって示される対象の一部の空間位置を定義する動きモデルを示す。基準ＭＲ画像ｑ（ｒ）は、
【数２】
2020525116.tif 000004
に従って定義することができ、
ここでρ（ｒ）は、空間位置ｒにおける対象のスピン密度を示し、ｍ（ｒ）は、空間位置ｒにおける単位磁化（すなわち、静止ＭＲ平衡条件ｍ＝（０，０，１）を示す変数である。
【００１９】
動き決定ユニットは、正確に式（１）を使用するか、又はこの式の近似値を非画像ＭＲデータ関数として使用するように適合され得る。この特定の非画像ＭＲデータ関数を正確に又は近似的に使用することによって、対象の動きを決定する精度をさらに高めることができる。
【００２０】
一実施形態では、動きモデル提供ユニットは、動きモデルとしてアフィン動きモデルを提供するように構成される。さらに、一実施形態では、動き決定ユニットは、提供されるＭＲ画像を所与として、異なる取得時間において取得される提供される非画像ＭＲデータを非画像ＭＲデータ関数がもたらすように、動きモデルを適合させるために、勾配ベースの最小化アルゴリズム、特にニュートン型の最小化アルゴリズムを使用するように構成される。
【００２１】
本発明のさらなる態様では、生物である又は生物の一部である対象を治療するためのＭＲ治療システムが提供され、ＭＲ治療システムは：
‐  請求項１に記載の対象の動きを決定するための動き決定装置と、
‐  決定される動きに応じて対象を治療するための治療装置と、
を有する。
【００２２】
一実施形態では、治療装置は、決定される動きを考慮して、対象の方向に治療エネルギを放出するように構成される。特に、治療装置は、対象の方向に治療エネルギを放出するための線形粒子加速器（ＬＩＮＡＣ）を有することができる。動きは、増加された時間分解能で決定されることができ、治療装置は、決定される動きに応じて対象を治療するので、治療装置は、対象の動きに対してより正確に反応することができ、それによって、治療副作用を減少させて対象を治療する質を向上させることをもたらす。
【００２３】
本発明の別の態様では、対象の動きを決定するための動き決定方法が提供され、動き決定方法は：
‐  ＭＲ情報提供ユニットによって、対象のＭＲ画像を提供し、かつ、対象の非画像ＭＲデータを提供するステップであって、非画像ＭＲデータは、異なる取得時間に取得され、かつ、ｋ空間データである、ステップと、
‐  動き決定ユニットによって、提供される非画像ＭＲデータに応じて、及び提供されるＭＲ画像に応じて、対象の動きを記述する動き場を決定するステップと、
を含む。
【００２４】
本発明の一態様では、生物又は生物の一部である対象を治療するためのＭＲ治療方法が提供され、前記ＭＲ治療方法は：
‐  請求項１１に記載の対象の動きを決定することと、
‐  治療装置を用いて、決定される動きに応じて対象を治療することと、
を含む。
【００２５】
本発明の別の態様では、請求項１に記載の動き決定装置を制御するためのコンピュータプログラムが提供され、コンピュータプログラムは、コンピュータプログラムが動き決定装置を制御するコントローラ上で実行されるとき、動き決定装置に請求項１１に記載の動き決定方法を実行させるためのプログラムコード手段を含む。
【００２６】
本発明の別の態様では、請求項９に記載のＭＲ治療システムを制御するためのコンピュータプログラムが提供され、コンピュータプログラムは、コンピュータプログラムがＭＲ治療システムを制御するコントローラ上で実行されるとき、ＭＲ治療システムに請求項１２に記載のＭＲ治療方法を実行させるためのプログラムコード手段を含む。
【００２７】
請求項１の動き決定装置、請求項９のＭＲ治療システム、請求項１１の動き決定方法、請求項１２のＭＲ治療方法、請求項１３の動き決定装置を制御するコンピュータプログラム及び請求項１４のＭＲ治療システムを制御するコンピュータプログラムは、特に、従属請求項に定義されるように、類似の及び／又は同一の好ましい実施形態を有することを理解されたい。
【００２８】
また、本発明の好ましい実施形態は、従属請求項の任意の組み合わせであってもよく、又は、上記の実施形態と、それぞれの独立請求項との組み合わせであってもよいことを理解されたい。
【００２９】
本発明のこれら及び他の態様は、以下に記載する実施形態から明らかになり、説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】対象の動きを決定するための動き決定装置の実施形態を概略的且つ例示的に示す。
【図２】対象を治療するためのＭＲ治療システムの実施形態を概略的且つ例示的に示す。
【図３】対象の動きを決定する動き決定方法の一実施形態を例示的に示すフローチャートを示す。
【図４】対象を治療するためのＭＲ治療方法の実施形態を例示的に示すフローチャートを示す。
【図５】変数変換の変化としてモデル化された器官変形を概略的且つ例示的に示す。
【図６】動き決定のためのｋ空間データの直接的な使用を概略的且つ例示的に示す。
【図７】画像レジストレーションに基づく従来技術の動き決定手順を概略的且つ例示的に示す。
【図８】三次元螺旋ｋ空間軌道を概略的且つ例示的に示す。
【図９】ｋ空間データを取得するために使用可能な定常状態ＭＲシーケンスを概略的かつ例示的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
図１は、対象の動きを決定するための動き決定装置の実施形態を概略的かつ例示的に示す。この実施形態では、動き決定装置１は、ＭＲ撮像システムである。ＭＲ撮像システム１は、患者テーブルのような支持手段３上に横たわる人４の心臓６のｋ空間データであるＭＲデータを取得するためのＭＲデータ取得装置２を有する。特に、ＭＲデータ取得装置２は、心臓６の３次元静的定常ＭＲ画像を再構成するのに十分なｋ空間データを取得するように構成されている。この再構成は、ＭＲ撮像システム１の静止画像生成ユニット５によって行われる。基準ＭＲ画像とみなすこともできる静的定常ＭＲ画像を再構成するために、ｋ空間は、好ましくは、ｋ空間データで完全に満たされ、これらのｋ空間データはその後好ましくは、基準画像を生成するために静止画像生成ユニット５によって使用される。
【００３２】
ＭＲデータ取得装置２はさらに、異なる取得時間でｋ空間データを取得するように構成され、これらのｋ空間データは、それぞれの取得時間に対してそれぞれの静止ＭＲ画像を生成するために静止画像生成ユニット５によって使用されない。実際には、異なる時間において取得されるｋ空間データは、異なる時間で取得されるｋ空間データと、静止基準ＭＲ画像とに応じて、動き決定ユニット９が、心臓６の動きを記述する動き場を決定することを可能にするために、静止画像生成ユニット５によって生成される静止基準ＭＲ画像と一緒に動き決定ユニット９に提供される。また、異なる時間において取得されるｋ空間データは、好ましくは定常状態データである。
【００３３】
定常状態磁化は、好ましくは、高周波励起の各繰り返し後に繰り返し取得される磁化状態をいう。従って、この状態は、各繰り返しに対して同じである。定常状態のｋ空間データは、磁化が定常状態にあるとき、読み出しインターバルの間に好ましくは取得されるデータである。定常状態のＭＲ画像は、好ましくは、定常状態のｋ空間データから形成される画像である。
【００３４】
静止基準ＭＲ画像を生成するために使用されないｋ空間データ、すなわち、異なる取得時間において取得される非画像ＭＲデータは、ｋ空間を完全に満たさない。それぞれの取得時間において、ｋ空間データは、ｋ空間の５％未満を満たす。特に、ｋ空間は、データ点、すなわちｋ空間データが取得されることができるデータ点位置によって形成される。静止基準ＭＲ画像は、好ましくは、全てのデータ点位置に対するｋ空間データに基づいて、すなわち完全に満たされたｋ空間に基づいて、再構成される。ｋ空間の５％未満を満たすｋ空間データは、好ましくは、ｋ空間の全データ点位置の５％未満に対応する。換言すれば、ある取得時間においてｋ空間データが取得されるｋ空間のデータ点位置の数は、好ましくは、静止基準ＭＲ画像を再構成するために使用されるｋ空間データが取得されるｋ空間内のデータ点位置の数の５％未満である。一実施形態では、ｋ空間データは、螺旋状形状を有するそれぞれの取得時間におけるｋ空間内の軌道を形成する。
【００３５】
ＭＲ撮像システム１はさらに、動き場をモデル化する動きモデル提供ユニット７と、静止基準ＭＲ画像のようなＭＲ画像に応じて且つ提供される動きモデルに応じて、異なる取得時間に対して、非画像ＭＲデータ、すなわちｋ空間データを記述する非画像ＭＲデータ関数を提供するための非画像ＭＲデータ関数提供ユニット８とを有する。動き決定ユニット９は、好ましくは、静止画像生成ユニット５によって生成される静止ＭＲ基準画像を所与として、非画像ＭＲデータ関数が、異なる取得時間に対する提供されるｋ空間データを生成するように、提供される動きモデルを適合させることによって、動き場を、したがって心臓６の動きを決定するように構成される。特に、非画像ＭＲデータ関数提供ユニット８は、上述した式（１）にしたがって、非画像ＭＲデータ提供機能を提供するように構成される。
【００３６】
これにより、動き決定ユニット９は、静止画像生成ユニット５によって再構成される静止基準ＭＲ画像を考慮すると、式（１）によって定義された非画像ＭＲデータ関数が、ＭＲデータ取得装置２によっていくつかの取得時間において取得されるｋ空間データを生成するように、変換関数であるとみなすことができる動きモデルｕｊ（ｒ）を適合させるように構成されることができる。この適合プロセスの間、式（１）は好ましくは近似され、動きモデルは、アフィン動きモデル又は別の動きモデルであることができる。適合のために、勾配ベースの最小化アルゴリズム、特にニュートン型最小化アルゴリズム、又は別のアルゴリズムが使用され得る。
【００３７】
ＭＲ撮像システム１はさらに、静止画像生成ユニット５によって生成される静止ＭＲ画像に基づいて、また、決定される動き場に基づいて、すなわち、適合された動きモデルｕｊ（ｒ）に基づいて、心臓６の動的ＭＲ画像を生成する動的ＭＲ画像生成ユニット１０を有する。生成される心臓の動的ＭＲ画像は、心臓壁の動的挙動を示すために使用され、それによって、ストレス（stress）及び歪み（strain）に関する洞察を明らかにする。
【００３８】
ＭＲ撮像システム１はまた、キーボード、コンピュータマウス、タッチパッド等のような入力ユニット１２、及びディスプレイのような出力ユニット１３を有する。さらに、撮像システム１は、ＭＲ撮像システム１の異なる構成要素を制御するためのコントローラ１１を有する。
【００３９】
図２は、対象を治療するためのＭＲ治療システムの実施形態を概略的かつ例示的に示す。この実施形態では、対象１６は、支持手段３上に横たわる人４の腎臓である。ＭＲ治療システム１７は、ｋ空間データのようなＭＲデータを取得するためのＭＲデータ取得装置２と、治療装置１４によって放出される治療エネルギ１５によって腎臓１６を治療するための治療装置１４との組み合わせであるＭＲデータ取得及び治療装置１０２を有する。図１を参照して上述したＭＲ撮像システム１と同様に、ＭＲ治療システム１７は、静止画像生成ユニット５と、動きモデル提供ユニット７と、非画像ＭＲデータ関数提供ユニット８と、動き決定ユニット９と、動的ＭＲ画像生成ユニット１０とを有する。ＭＲ治療システム１７はまた、決定される腎臓１６の動きに応じて、ＭＲ治療システム１７の異なる構成要素、特にＭＲデータ収集及び腎臓１６を治療する治療装置１４を制御するためのコントローラ１１1を備える。特に、治療装置１４は、たとえ腎臓１６が移動したとしても、治療エネルギ１５が常に腎臓１６に向けられるように制御される。従って、決定される動き、特に臓器及び腫瘍の三次元動き場は、治療照射を誘導する（steer）ために使用されることができる。この実施形態では、治療装置１４は、決定される腎臓の動きに応じて腎臓を治療するためにＸ線又は高エネルギ電子を発生するＬＩＮＡＣである。また、ＭＲ治療システム１７は、キーボード、マウス、タッチパッド等のような入力ユニット１２及びディスプレイのような出力ユニット１３を有する。
【００４０】
以下では、対象の動きを決定するための動き決定方法の実施形態が、図３に示すフローチャートを参照して記載される。
【００４１】
ステップ２０１では、対象のＭＲ画像が提供される。したがって、例えば、ＭＲデータ取得装置２又はＭＲデータ取得及び治療装置１０２は、ある時間における対象のｋ空間データを取得し、これらのｋ空間データは、対象の静止画像を生成するために使用される。提供されるＭＲ画像はまた、特定の動き段階における対象を示す静止ＭＲ画像であることもでき、この静止ＭＲ画像を生成するために、ｋ空間データが使用され、これは異なる取得時間であるが同一の特定の動き段階で取得されている。この目的のために、既知のゲート技術を使用することができる。提供されるＭＲ画像は基準ＭＲ画像と見なすことができる。
【００４２】
ステップ２０２では、異なる取得時間において取得される対象の非画像ＭＲデータが提供される。特に、ＭＲデータ取得装置２又はＭＲデータ取得及び治療装置１０２は、異なる取得時間においてｋ空間データを取得する。異なる取得時間において取得されるｋ空間データは、好ましくは、それぞれの取得時間に対してＭＲ画像を再構成するためには不十分である、すなわち、それぞれの取得時間において、ほんのわずかのｋ空間データが好ましくは取得され、これは、スパイラル状であり得る又は別の形状を有し得る、ｋ空間内の軌道を形成する。
【００４３】
ステップ２０３では、対象の動きを記述する動き場が、ステップ２０１で提供されるＭＲ画像に応じて、また、ステップ２０２で提供される非画像ＭＲデータに応じて決定される。特に、対象の動き場をモデル化する動きモデルと、ＭＲ画像に応じて、また、動きモデルに応じて、異なる取得時間に対する非画像ＭＲデータを記述する非画像ＭＲデータ関数とが提供されることができ、提供される非画像ＭＲデータ関数が、ステップ２０１で提供されるＭＲ画像を所与として、異なる取得時間に対してステップ２０２で提供される非画像ＭＲデータをもたらすように、動きモデルを適合させることによって、動き場と、したがって、対象の動きとが決定されることができる。
【００４４】
以下では、対象を治療するためのＭＲ治療方法の実施形態が、図４に示されるフローチャートを参照して例示的に説明される。
【００４５】
ステップ３０１では、治療エネルギを使用することによる対象の治療を規定する治療計画が提供される。例えば、治療計画は、対象のどの部分が、ＭＲデータ収集及び治療装置１０２の治療装置１４によって放射される治療放射のどのような強度で照射されるべきかを定めることができる。ステップ３０２において、対象の動きは、例えば、図３を参照して上述した動き決定方法に従って決定される。ステップ３０３では、ステップ３０２で決定される動きを考慮して、ステップ３０１で提供される治療計画に従って対象が治療される。特に、ＭＲデータ取得及び治療装置１０２の治療装置１４によって放出される放射線又は粒子は、ステップ３０１で提供される治療計画に従って動いている対象に向けられる。ステップ３０４では、中止基準が満たされているかどうかが決定され、その場合、ＭＲ治療法はステップ３０５で終了する。さもなければ、ＭＲ治療法はステップ３０２を進める。従って、ループにおいて、対象の動きが決定され、対象は、中止基準が満たされるまで、決定される動きを考慮して治療される。中止基準は、例えば、ＭＲ治療法が入力ユニット１２を介して中止されるべきであることを医師のようなユーザによって指示されているかどうか、治療計画で定められた治療が完全に実施されているかどうかなどである。
【００４６】
以下では、変換関数であるとみなすこともできる動きモデルｕｊを、図５を参照して説明する。
【００４７】
図５において、臓器のような対象２６は、３つの異なる時間において、それぞれの座標系４００、４０１、４０２上に定められる。図５から分かるように、ある時間ｔ１（座標系４０１に対応する）において、対象２６が動かされ、すなわち、この例では変形され、そしてある時間ｔ２（座標系４０２に対応する）において、対象２６はさらに動かされている、すなわち、さらに変形されている。対象２６の変形、したがって、それぞれの座標グリッドの変形は、それぞれの変換ｕ１，ｕ２によって記述され、これらの変換は、例えば、式（１）を参照して上述したように概してｕｊで示される、時間依存変換関数（time  depended  transformation  function）又は適合動きモデル（adapted  motion  model）を形成する。動きモデルｕｊは低次元情報内容を有するので、最小データはその再構成に十分である。
従って、ある取得時間において、ＭＲデータ、すなわちｋ空間データを取得するための収集期間は、非常に短い（ultra-short）ことができる。いったん動きモデルｕｊが適合されると、すなわち、いったん、適合された動きモデル、従って、動き場が知られると、動的三次元画像が直ちに続く。
【００４８】
動きモデルは、好ましくは、動き場の、従って、対象の動きの低次元モデルであり、好ましくは、動きは、対象の変形も含む。「低次元」という表現は、動きモデルのパラメータの数を指し、これは、非画像ＭＲデータ関数が、提供されるＭＲ画像を所与として、すなわち提供される静止基準ＭＲ画像を所与として、異なる取得時間において、提供される非画像ＭＲデータをもたらすように、動きモデルを適合させるように適合されている。動きモデルのパラメータの数は、基準ＭＲ画像の中で好ましくはボクセルである画像要素の数よりもはるかに小さい。好ましい実施形態では、モデルのパラメータの数は、基準画像の画像要素の数の５％未満である。
【００４９】
「静止」という用語は、ＭＲ画像が対象の動きを示さないことを意味する。これは、例えば、基準ＭＲ画像を再構成するために使用されるＭＲデータを取得する間に対象が実際に動かないため、又は、動きが周期的である場合、対象が単一の動き段階にあるのを示すため、又は、ＭＲデータが単一の時点で取得される基準ＭＲ画像の再構成のために使用されるためである可能性がある。
【００５０】
図１及び図２を参照して上述したＭＲ撮像システム及びＭＲ治療システムは、動きモデルを好ましくは時間領域データである非画像ＭＲデータに直接適合させることによって、変換関数とみなすこともできる動きモデルを再構成する。これは、図６を参照して、以下にさらに説明される。
【００５１】
ｋ空間データ５０５が、超短取得時間の間に螺旋型軌道５００に沿って取得される。図６に示すｓ（ｋ（ｔ））及び式（１）で示されているｓｊ（ｋ）は、同じパラメータ、すなわち、ｊによって示されるそれぞれの取得時間におけるｋ空間データを示すことが留意されるべきである。ｋ空間ディレクトリ５００に沿った取得は、超短であるため、超短ｋ空間取得が実行されるそれぞれの取得時間は、時点とみなすことができる。代替的には、軌道５００に沿ったｋ空間データを取得するために必要な超短時間期間内の特定の時点が、それぞれの取得時間であると見なすことができる。例えば、この超短時間期間の中心は、インデックスｊによって示されるそれぞれの取得時間であると見なすことができる。さらなる取得時間において、さらなるｋ空間データ５０７がｋ空間軌道５０１に沿って取得され、ここで、異なる取得時間において使用されるｋ空間軌道は好ましくは同じである。動き決定ユニットが、動き場を、したがって、基準ＭＲ画像５０４を所与として、動きモデルｕｊを適合させることによって対象の動きを決定した後、曲線５０６、５０８によって図６に示されている非画像ＭＲデータ関数は、曲線５０５、５０７によって図６に示されている測定ｋ空間データを生成する。
【００５２】
これは、図７に示される従来技術とは対照的である。従来技術では、異なる取得時間においてｋ空間データ６０１のいくつかの対応するセットが取得される。静止ＭＲ画像６０２の再構成を可能にするために、それぞれの取得時間において、ｋ空間は、長方形６０１内のいくつかの線によって示されるように、完全に又はほぼ完全に満たされる必要がある。次いで、これらの静止ＭＲ画像は、参照符号６００によって示されるようにレジストレーションされ、このレジストレーションは、動きモデルｕｊを生成する。従って、各取得時間において、多くのｋ空間データ６０１が取得される必要があり、それによって、比較的低い時間分解能がもたらされる。さらに、生成される静止ＭＲ画像は、動きモデルを決定するためにレジストレーションされる必要があり、このレジストレーションは、時間がかかり、最終的に決定された動きモデルにエラーを生じさせる可能性がある。これとは対照的に、図１〜図５を参照して上述した動き決定手順は、各取得時間においてそれぞれの静止ＭＲ画像を生成するための多くのｋ空間データの取得を必要としない。対象の特定の動き段階に対応し得る単一の静止基準画像のみが必要とされる。結果として生じる動き決定の非常に高い時間分解能は、例えば、ＭＲ‐ＬＩＮＡＣ放射線療法セッション中の心臓収縮動態をモニターすること或いは腎臓及び／又は膵臓を追跡することを可能にする。また、図１〜図５を参照して上述した動き決定手順は、高い臨床的品質の空間分解能を有する動きの決定を可能にする。
【００５３】
以下において、式（１）をより詳細に説明する。ＭＲ現象はＢｌｏｃｈ方程式：
【数３】
2020525116.tif 000005
で表すことができ、
ここで、
【数４】
2020525116.tif 000006
は、スピン磁化、Ｍ０（ｒ）は、プロトンスピン密度ρに直接比例する平衡値であり、Ｔ１（ｒ）及びＴ２（ｒ）は組織緩和パラメータであり、ΔＢ０（ｒ）はオフレゾナンスであり、
【数５】
2020525116.tif 000007
は印加される勾配場であり、γはジャイロ磁気定数であり、
【数６】
2020525116.tif 000008
、
【数７】
2020525116.tif 000009
であり、ここでＲＦ（ｔ）∈Ｃは励起ＲＦ波形であり、Ｂ１＋は空間的に変化する送信磁場である。しかし、説明を簡単にするために、Ｂ１＋∈Ｒ、実際にはＢ１＋∈Ｃと考えられる。この場合、式は簡単に拡張することができる。
【００５４】
式（３）の磁化を次のようにスケーリングすることが有用である。
【数８】
2020525116.tif 000010
をセットすれば、式（３）は次のように書くことができることが容易にわかる：
【数９】
2020525116.tif 000011
【００５５】
従って、Ｍ０は、スケーリングされたベクトルｍに関して、Ｂｌｏｃｈ方程式から除去されることが分かる。表記を簡単にするために、式（４）に対するコンパクトな形が用いられる：
【数１０】
2020525116.tif 000012
【００５６】
好ましくは、定常状態ＭＲシーケンスが、動きを検出するために使用されるＭＲデータを取得するために、対象に適用される。定常状態ＭＲシーケンスは、好ましくは、完全にバランスのとれた、短い単一ショット螺旋読み出し勾配（short,  single-shot  spiral  read-out  gradients）を採用する。繰り返し時間はＴＲで与えられ、それぞれの取得時間における螺旋ｋ空間データを取得する時間はＴＡで与えられ、ＴＡ＜＜ＴＲである。ＴＡ＜＜Ｔ１且つＴＡ＜＜Ｔ２であると仮定することもでき、したがって、読み出し中の横方向及び長手方向の減衰効果（transverse  and  longitudinal  decay  effects）は無視できる。ｊ番目の取得時間における信号は、次の式で与えられる：
【数１１】
2020525116.tif 000013
ここで、
【数１２】
2020525116.tif 000014
は勾配軌道、すなわち、ｋ空間軌道を示し、ρｊはスピン密度であり、ｍｊは取得の開始時におけるスケーリングされた横方向磁化（transverse  magnetization）（式（５）参照）である。表記を簡単にするために、ｓｊ（ｋ）と右辺の積分との間の比例のグローバル定数（global  constant  of  proportionality）は無視される。
【００５７】
対象は、２つの定常状態取得の間に発生する時間において変形すること、すなわち、変形の前後それぞれの幾何学的形状を示す、ｒ１＝（ｘ１、ｙ１、ｚ１）及び
【数１３】
2020525116.tif 000015
を用いてｒ２＝ｕ（ｒ１）によって定義される（非線形）変換ｕがあることが好ましくは想定され、ここで、ｕは、動き場をモデル化する、したがって、この例では、変形である動きをモデル化する動きモデルである。動きモデルは、この例では変形関数とみなすこともできる。時間期間ＴＡは、取得中に変位がないこと、及び変位がＴＲ間隔にわたってのみ顕著な影響を及ぼすことが好ましくは仮定されるように、数ミリ秒のオーダーである。したがって、新規取得での変形した対象からの信号は、次のようになる：
【数１４】
2020525116.tif 000016
ここで、多次元積分のための変数の式の変更が使用され、Ｊ（ｕ）は、ｘ１、ｚ１及びｙ１に対するｕのヤコビ行列である：
【数１５】
2020525116.tif 000017
【００５８】
式（７）の第２の形式は、動きによる信号進化についての重要な洞察を明らかにしている。第一に、変位は、ＴＡ間隔にわたって無視できる程度である。さらに、磁化成分ｍＪ＋１（ｕ（ｒ１））によって表されるスピンは、同じＴ１，Ｔ２、及びｍｊ（ｒ１））のオフレゾナンス（ΔＢ０）効果の影響を受ける。この例では、定常状態条件が存在するので、ｒ１におけるスピンの平衡は、ｒ２に現在移動したスピンに対すると同じであり（結局、それらは同じスピンである）、したがって、ｍＪ＋１（ｕ（ｒ１））＝ｍｊ（ｒ１））に設定されることができ、式（７）に書き込むと次式が得られる：
【数１６】
2020525116.tif 000018
【００５９】
送信及び受信高周波（ＲＦ）場は、実際にはそうであるように、空間的に変化する可能性がある。ＲＦ場が位置の間で異なる場合、対応するスピンのダイナミクスは異なる。それにもかかわらず、これらの場の隣接する位置ｒ１とｒ２との間の空間的変動は無視できるものであり、従って対応するスピンダイナミクスはほぼ等しいと好ましくは仮定される。実際には、３テスラ、１．５テスラ又はそれより小さい、一般的なＭＲイメージングの磁場強度では、これは合理的な仮定である。
【００６０】
次のステップとして、
【数１７】
2020525116.tif 000019
に変形される微小体積要素ｄｒ１のスピンの総数は変化しないことが好ましくは仮定される。言い換えれば、磁化の保存が成立することが好ましくは仮定される。これにより、次のような等式が導かれる：
【数１８】
2020525116.tif 000020
それはこのように得られる：
【数１９】
2020525116.tif 000021
【００６１】
より一般的には、次のように書くことができる：
【数２０】
2020525116.tif 000022
ここで、上付き文字なしのｍは、動きがなかった場合の定常状態を示し（基準画像）、ｕｊは、ｊ番目の取得における変形である。式（１２）は式（１）に対応する。
【００６２】
式（１）及び（１２）は、ｊ番目の取得の信号ｓｊ（ｋ）を、静止（動きなし）の場合の好ましい定常状態基準ＭＲ画像を通して、変位関数ｕｊ（ｒ）、すなわち動きモデルに関連付ける。所与の取得における変形画像は、これは、シネＭＲＩ又は他の多くの応用の際に本当に興味があるものである変位を再構成するために必要ではない。このアプローチは、完全な画像取得ステップを必要とせずに、関心のある量を直接ターゲットにする利点を有する。ｕは比較的コンパクトな空間的及び時間的周波数コンテンツを有するので、再構成は、ｕのフーリエ領域において又は他の低次元表現空間において、効果的に実行されることができる。
【００６３】
一実施形態において、厳密な並進（rigid  translation）のみが動きとして仮定される場合、この厳密な並進は、ベクトルｐｊによって記述され、ｕｊ（ｒ）＝ｒ＋ｐｊをもたらすので、式（１２）がフーリエ変換シフト定理によって：
【数２１】
2020525116.tif 000023
に変えられ、これは、初期ｋ空間データの線形位相付加（linear  phase  accrual）、ｓ（ｋ）である。
【００６４】
以下では、式（１２）に従って、変換ｕを再構成する、すなわち、動きモデルをしたがって動きを決定する例示的な実施形態が説明される。
【００６５】
この実施形態では基準ＭＲ画像とも呼ぶことができる静止ＭＲ画像は、
【数２２】
2020525116.tif 000024
として示されることができ、ＭＲ情報提供ユニットによって提供されており、従って既知である。ある時点において、すなわち、それぞれの取得時間において、非常に短い３Ｄスパイラルアウト（spiral-out）ｋ空間軌道取得が実行される。しかし、非螺旋軌道を使用することもできる。この実施形態では、収集されるデータは、ｄで示される。変換ｕは、式（１２）を離散化し且つ逆にすること（inverting）によって、すなわち、非線形最小二乗問題を解くことによって再構成することができる：
【数２３】
2020525116.tif 000025
【００６６】
上の式において、ｎは、格子点位置を参照する空間離散化指数であり、ｈはｋ空間データ点指数である。Ｈ及びＮはそれぞれ、データ及びグリッド点の総数を表す。一般に、Ｎは１０５のオーダーであり、Ｈ＜＜Ｎであり、従って、未知数より方程式が（非常に）少ないので、問題は不適切である。
【００６７】
一実施形態では、未知数の数をＨより小さくすることが試みられる。モデル削減手法を、ｕの低次元表現を見つけるために適用することができる。これを行う１つの方法は、例えば、ｕ（ｒ）を
（外１）
2020525116.tif 000026
によって表される空間基底関数展開（spatial  basis  function  expansion）として表すことである：
【数２４】
2020525116.tif 000027
ここで、ｕλは、λ次空間基底関数を示し、Ｌは縮小表示の次元である。
【数２５】
2020525116.tif 000028
は膨張係数のベクトルである。再構成問題は次のようになる：
【数２６】
2020525116.tif 000029
【００６８】
式（１６）によって定義される問題は、非線形最小二乗法の標準的な最小化アルゴリズムによって解くことができる。微分ベースの方法（Ｎｅｗｔｏｎ型）を効率的に適用するために、Ｌパラメータに対するＨ成分の偏微分を使用することができる。これらは、ｉ＝１、Ｋ、Ｌ及びｈ＝１、Ｋ、Ｈに関して、簡単に計算できる：
【数２７】
2020525116.tif 000030
式（１６）によって定義される問題は、例えば、Ｍａｔｌａｂ組み込み信頼区間反映アルゴリズムを使用することによって解くことができる。
【００６９】
一実施形態では、変換、すなわち、動きモデル、ｕは、アフィン変換
【数２８】
2020525116.tif 000031
としてモデル化され、行列Ａは、回転及び伸展／圧縮、特に異方性伸展／圧縮を表すことができ、一方、ベクトルｂ∈Ｒ３は、元の位置に対する空間シフトを表す。
【００７０】
別の実施形態では、式（６）は、ノンパラメトリックモデルを使用することによって、したがって、式（１５）に示すように、基底関数の和として明示的にｕ（ｒ）を表す必要なしに、解くことができる。式（１４）から開始して、良好な解を得るために正則化を用いることができる。これにより、良好な解を得ることができるが、ここで解決する必要がある問題は、典型的には、過小に決定されている、すなわち、データ点よりも未知数が多く、例えば、三次元設定において、未知数の数は、ボクセルの数の３倍に等しい。なぜなら、この問題は、３つの動き場成分に対して、すなわち、この例ではｕｘ、ｕｙ及びｕｚに対して解決されなければならないからである。ペナルティ項の追加は、次の式で表すことができ、ｕは未知数である：
【数２９】
2020525116.tif 000032
【００７１】
式（１８）において、Ｒは正規化関数であり、λは正規化器（regularizer）、すなわちペナルティ項を目的に対して重み付けする実パラメータである。実パラメータは問題に依存し、異なる方法で決定することができる。例えば、較正又は異なるラムダ値のセット、すなわち、異なるパラメータλのセットに関して現在の問題を解くことによって、及び、データの不一致と解のノルムとの間のトレードオフとして正しいものを決定することによって。後者のアプローチは、Lカーブアプローチとも呼ばれる。正則化関数は、例えば、一次空間微分を用いたＴｉｃｈｏｎｏｖ正則化：
【数３０】
2020525116.tif 000033
二次空間微分を用いたＴｉｃｈｏｎｏｖ正則化：
【数３１】
2020525116.tif 000034
総変動:
【数３２】
2020525116.tif 000035
又は
圧縮センシングによるＬ１正則化：
【数３３】
2020525116.tif 000036
ここで、Ψはウェーブレット変換のようなスパース変換である、
であることができる。
【００７２】
それに沿ってｋ空間データがそれぞれの取得時間において取得される例示的なｋ空間軌道を図８に示す。ｋ空間データは、１ミリ秒よりも好ましくは小さい非常に短時間のそれぞれの取得時間で収集される。
【００７３】
図９は、異なる取得時間において、ｋ空間データ、すなわち、非画像ＭＲデータを取得するために使用され得る定常状態ＭＲシーケンスを概略的かつ例示的に示す。各ＲＦ励起７００の後、スパイラル勾配であってもよい勾配７０１（Ｇｘ、Ｇｙ及びＧｚ）が、時間間隔ＴＡの間に信号取得のために適用される。この手順は、期間ＴＲの後に繰り返され、ＴＡ＜＜ＴＲである。例えば、ＴＡはＴＲより５倍小さい。例示的な実施形態では、ＴＲは約２０ｍｓであり得、ＴＡは約４ｍｓであり得る。異なる取得時間の間の時間的距離は、ＴＲによって定義され、ＴＡ＜＜ＴＲであるので、それぞれの取得時間におけるｋ空間データの生成は、単一の取得時点における取得であると見なすことができる。
【００７４】
上述の実施形態では、定常状態のシーケンスはバランスが均衡している（balanced）が、定常状態のシーケンスは不均衡であってもよい。例えば、定常状態のシーケンスは、スポイルされた（spoiled）ものであり得る。幾つかの取得時間においてｋ空間データを取得するために使用される定常状態シーケンスは、例えば、スポイル勾配エコー（ＧＲＥ）、スピンエコー又はＳＳＦＰシーケンス、特にｂＳＳＦＰシーケンスであることができる。一実施形態では、勾配エコー定常状態シーケンスは、例えば、参照により本明細書に組み込まれるAcademic  Press  （2004）、Matt  Bernstein,  Kevin  King,  Xiaohong  Zhouによる“Handbook  of  MRI  Pulse  Sequences,  1st  Edition”の第１４章に開示されているように使用される。
【００７５】
それぞれの取得時間において使用されるｋ空間軌道は、読み出し軌道とも称することもでき、好ましくは超短（ultra-short）であり、これは、それぞれの取得時間におけるｋ空間データが、好ましくは１０ｍｓ未満であり、さらに好ましくは４ｍｓ未満であり、さらに好ましくは１ｍｓ未満である収集時間において収集されることを意味する。この非常に小さい収集時間の間、緩和効果及び臓器の動きは無視することができ、すなわち、ｋ空間データが収集されるそれぞれの取得時間は、単一のそれぞれの時点であるとみなすことができる。上述したように、好ましくは対象の変形を含む対象の動きは、グリッド点をｒ２＝ｕ（ｒ１）によって与えられる新しい座標に変化させることによって対象を修正する動きモデル又は変換関数ｕによって示されることができる。動きモデル又は変換関数ｕは、例えば、式（１）又は対応する離散化された方程式を使用することによって、上記のように決定することができる。例えば、各取得時間において変形したＭＲ画像を再構成する必要はないので、動きモデル又は変換関数ｕを決定することによる動きの決定は、より少ないＭＲデータしか必要としない。例えば、図１〜図５を参照して上述した動き決定方法は、既知の画像ベースの動き決定方法と比較して、必要なＭＲデータを約１００倍又は１０００倍の低減をもたらすことができる。例えば、対象の変形サイクルのある段階における一つの静止基準画像は、対象の全体のダイナミクスを導出するのに十分である。この静止基準ＭＲ画像は、例えば、対象が腹部又は腹部領域内の臓器である場合は、１回の短い呼吸停止の間に、又は対象が心臓である場合は、ゲーテッド拡張期取得（gated  diastolic  acquisition）により、取得することができる。式（１）及び（１２）に従う非線形最小二乗問題は、例えば、Newton型最小化アルゴリズムによって解くことができ、このアルゴリズムの出力は、適合動きモデル又は変換関数ｕである。
【００７６】
上述の動き決定手順は、好ましくは、各取得時間に対してそれぞれのＭＲ画像が再構成されることを必要とせずに、上述の実施例において非線形であり得る解剖学的構造の変換（anatomic  transformation）である動きモデルを直接目標とするように適合される。動き決定手順は、例えば、毎秒約５０個の三次元フレームで動きを決定するように構成することができ、任意の周期的又は非周期的動きを追跡することができる。この動きトラッキングは、ゲーティング（gating）を必要としない場合がある。しかし、決定されることになる動きが周期的動きである場合、基準画像は周期的動きのある段階を表すかもしれず、ゲーティング技術を使用して決定される可能性がある。動きの決定は画像レジストレーションに基づくものではないので、動きが好ましくは時間領域信号において絡み合うときに、各取得時間における解剖学的コントラストの必要はない。さらに、好適な時間領域再構成に基づいて、ｋ空間における軌道の柔軟な設計が可能である。
【００７７】
上述の実施形態では、それぞれの取得時間においてｋ空間データを取得するためのｋ空間内の軌道は、螺旋状であるが、軌道は、別の形状を有することもできる。例えば、軌道は、デカルト、エコープラナー（ＥＰＩ）、又はラジアル（radial）であることができる。上述の実施形態では、動き決定は、例えば、心臓又は膵臓の動きを決定するように適合されているが、他の実施形態では、動き決定は、他の臓器又は技術的対象のような他の対象の動きを決定するように適合されてもよい。
【００７８】
上述の実施形態では、動きモデルを記述するために特定の関数が使用されるが、他の実施形態では、動きモデルを別の方法で、特にパラメータ化して表現することができる。さらに、上述の実施形態では、特定の非画像ＭＲデータ関数が説明されているが、他の実施形態では、ＭＲ画像に応じて且つ動きモデルに応じて、異なる取得時間に対する非画像ＭＲデータを記述する、別の非画像ＭＲデータ関数を使用することができる。
【００７９】
開示された実施形態に対する他の変形例は、図面、開示、及び添付の特許請求の範囲の研究から、当業者が請求項に記載された発明を実施する際に理解し、実施することができる。
【００８０】
請求項において、語「有する、含む」は、他の要素又はステップを除外せず、不定冠詞「１つの（“ａ”又は“ａｎ”）」は、複数を除外しない。
【００８１】
単一のユニット又は装置は、請求項に記載されたいくつかのアイテムの機能を満たすことができる。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に利用できないことを示すものではない。
【００８２】
１つ又は複数のユニット又は装置によって実行される対象の動きの決定のような動作は、任意の他の数のユニット又は装置によって実行可能である。これらの動作、及び／又は、動き決定方法に従った動き決定装置の制御、及び／又は、ＭＲ治療方法に従ったＭＲ治療システムの制御は、コンピュータプログラムのプログラムコード手段として、及び／又は専用ハードウェアとして実施することができる。
【００８３】
コンピュータプログラムは、他のハードウェアと共に又はその一部として供給される、光記憶媒体又は固体媒体などの適切な媒体上に記憶／分配され得るが、インターネット又は他の有線又は無線通信システムを介してなどの他の形態でも分配され得る。
【００８４】
請求項中の引用符号は、その範囲を限定するものと解釈してはならない。
【００８５】
本発明は、対象の動きを決定するための動き決定装置に関する。動き決定装置は、対象のＭＲ画像を提供するための及び異なる取得時間において取得される対象の非画像ＭＲデータを提供するＭＲ情報提供ユニットと、異なる取得時間において取得される提供される非画像ＭＲデータと提供されるＭＲ画像とに応じて、対象の動きを記述する動き場を決定する動き決定ユニットとを有する。好ましくはｋ空間データである非画像ＭＲデータが、動き場を決定するために直接、すなわち、非画像ＭＲデータに基づくＭＲ画像の中間再構成なしに、使用されるので、動き場を非常に高い時間分解能で決定することができる。
【図１】
2020525116.tif 000038
【図２】
2020525116.tif 000039
【図３】
2020525116.tif 000040
【図４】
2020525116.tif 000041
【図５】
2020525116.tif 000042
【図６】
2020525116.tif 000043
【図７】
2020525116.tif 000044
【図８】
2020525116.tif 000045
【図９】
2020525116.tif 000046
【手続補正書】
【提出日】令和2年1月6日(2020.1.6)
【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】
対象の動きを決定するための動き決定装置であって：
‐  前記対象の磁気共鳴（ＭＲ）画像を提供するための及び前記対象の非画像ＭＲデータを提供するためのＭＲ情報提供ユニットであって、前記非画像ＭＲデータは、異なる取得時間において取得され、且つ、ｋ空間データである、ＭＲ情報提供ユニットを有し、
‐  前記動き決定装置はさらに、前記異なる取得時間において取得される前記の提供される非画像ＭＲデータ及び前記の提供されるＭＲ画像に応じて、前記対象の前記動きを記述する動き場を決定するための動き決定ユニットであって、前記動き場を決定するために前記非画像ＭＲデータを直接使用するように構成される、動き決定ユニット、を有する、
動き決定装置。
【請求項２】
前記動き決定装置は、前記提供されるＭＲ画像及び前記の決定される動き場に基づいて前記対象の動的ＭＲ画像を生成するための動的ＭＲ画像生成ユニットをさらに有し、前記対象の前記動的ＭＲ画像は、異なる時間に対する異なる静止ＭＲ画像のシーケンスとして見なすことができ、前記静止ＭＲ画像のシーケンスは、前記異なる時間によってカバーされる期間の間の前記対象の前記動きを示す、
請求項１に記載の動き決定装置。
【請求項３】
前記ＭＲ情報提供ユニットは、前記ＭＲ画像として定常状態の磁化ＭＲ画像を提供するように、及び／又は、前記非画像ＭＲデータとして定常状態の磁化非画像ＭＲデータを提供するように構成される、
請求項１に記載の動き決定装置。
【請求項４】
前記ＭＲ情報提供ユニットは、提供されるｋ空間データが、前記提供されるＭＲ画像を生成するために使用されるｋ空間データと比較してアンダーサンプリングされるように、前記非画像ＭＲデータとしてｋ空間を完全には満たさない前記ｋ空間データを提供するように構成される、
請求項１に記載の動き決定装置。
【請求項５】
前記ＭＲ情報提供ユニットは、前記ｋ空間データが前記ｋ空間の５％未満を満たすように、前記ｋ空間データを提供するように構成される、
請求項４に記載の動き決定装置。
【請求項６】
前記ＭＲ情報提供ユニットは、前記ｋ空間データが前記ｋ空間内で螺旋状の軌道を形成するように、前記ｋ空間データを提供するように構成される、
請求項５に記載の動き決定装置。
【請求項７】
前記動き決定装置は：
‐  前記動き場をモデル化する動きモデルを提供するための動きモデル提供ユニットと、
‐  前記ＭＲ画像に応じて且つ前記提供される動きモデルに応じて、前記異なる取得時間に対して前記非画像ＭＲデータを記述する非画像ＭＲデータ関数を提供するための非画像ＭＲデータ関数提供ユニットと、
をさらに有し、
前記動き決定ユニットは、前記提供されるＭＲ画像を所与として、前記異なる取得時間において取得される前記提供される非画像ＭＲデータを、前記非画像ＭＲデータ関数がもたらすように、前記動きモデルを適合させることによって、前記動き場を決定するように構成される、
請求項１に記載の動き決定装置。
【請求項８】
前記非画像ＭＲデータ関数提供ユニットは、
【数１】
2020525116.tif 000047
に従って、前記非画像ＭＲデータ関数を提供するように構成され、
ｓｊは、指数ｊによって示される取得時間に対する前記非画像ＭＲデータを示し、ｑ（ｒ）は、異なる空間位置ｒにおける前記提供される基準ＭＲ画像のＭＲ画像値を示し、ｋは、ｋ空間における勾配軌道を示し、ｕｊ（ｒ）は、前記指数ｊによって示される前記取得時間における、それぞれの空間位置ｒによって示される前記対象の一部の空間位置を定義する前記動きモデルを示す、
請求項７に記載の動き決定装置。
【請求項９】
生物である又は生物の一部である対象を治療するためのＭＲ治療システムであって：
‐  請求項１に記載の対象の動きを決定するための動き決定装置と、
‐  前記の決定される動きに応じて前記対象を治療するための治療装置と、
を有する、
ＭＲ治療システム。
【請求項１０】
前記治療装置は、前記決定される動きを考慮して、前記対象の方向に治療エネルギを放出するように構成される、
請求項９に記載のＭＲ治療システム。
【請求項１１】
対象の動きを決定するための動き決定方法であって：
‐  ＭＲ情報提供ユニットによって、前記対象のＭＲ画像を提供し、かつ、前記対象の非画像ＭＲデータを提供するステップであって、前記非画像ＭＲデータは、異なる取得時間に取得され、かつ、ｋ空間データである、ステップを含み、
‐  前記動き決定方法はさらに、動き決定ユニットによって、前記異なる取得時間に取得される前記の提供される非画像ＭＲデータに応じて、及び前記の提供されるＭＲ画像に応じて、前記対象の前記動きを記述する動き場を決定するステップであって、前記非画像ＭＲデータは前記動き場を決定するために直接使用される、ステップ、を含む、
方法。
【請求項１２】
生物又は生物の一部である対象を治療するためのＭＲ治療方法であって：
‐  請求項１１に記載の対象の動きを決定することと、
‐  治療装置を用いて、前記の決定される動きに応じて前記対象を治療することと、
を含む、
方法。
【請求項１３】
請求項１に記載の動き決定装置を制御するためのコンピュータプログラムであって、前記コンピュータプログラムは、前記コンピュータプログラムが前記動き決定装置を制御するコントローラ上で実行されるとき、前記動き決定装置に請求項１１に記載の動き決定方法を実行させるためのプログラムコード手段を含む、コンピュータプログラム。
【請求項１４】
請求項９に記載のＭＲ治療システムを制御するためのコンピュータプログラムであって、前記コンピュータプログラムは、前記コンピュータプログラムが前記ＭＲ治療システムを制御するコントローラ上で実行されるとき、前記ＭＲ治療システムに請求項１２に記載のＭＲ治療方法を実行させるためのプログラムコード手段を含む、コンピュータプログラム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本発明の第１の態様では、対象の動きを決定するための動き決定（motion  determination）装置が提供され、動き決定装置は：
‐  対象のＭＲ画像を提供するための及び対象の非画像ＭＲデータを提供するためのＭＲ情報提供ユニットであって、非画像ＭＲデータは、異なる取得時間において取得され、かつ、ｋ空間（k-space）データであり、ＭＲ情報提供ユニットは、前記動き場を決定するために非画像ＭＲデータを直接使用するように適合される、ＭＲ情報提供ユニットと、
‐  異なる取得時間において取得される提供される非画像ＭＲデータ及び提供されるＭＲ画像に応じて、対象の動きを記述する動き場（motion  field）を決定するための動き決定ユニットと、
を有する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
一実施形態では、動き決定装置は、提供されるＭＲ画像及び決定される動き場に基づいて対象の動的（dynamic）ＭＲ画像を生成するための動的ＭＲ画像生成ユニットをさらに有し、対象の動的ＭＲ画像は、異なる時間に対する異なる静止ＭＲ画像のシーケンスとして見なすことができ、静止ＭＲ画像のシーケンスは、異なる時間によってカバーされる期間の間の対象の動きを示す。従って、提供されるＭＲ画像及び決定される動き場に基づいて生成される対象の動的ＭＲ画像は、ｋ空間データである非画像ＭＲデータが取得される異なる取得時間に及ぶ期間にわたる対象の動きを示す。それぞれの時間（time）にそれぞれの静止ＭＲ画像を生成するためには、例えば、それぞれの時間に対して静止ＭＲ画像を再構成するために一般的に必要とされるそれぞれの時間における比較的大量のｋ空間データを取得する必要はないが、例えば、それぞれの時間において比較的少数の非画像ＭＲデータを取得する必要があるだけなので、動的ＭＲ画像を生成するために必要なＭＲデータを取得するために必要な時間の大幅な削減を達成することができ、それによって動的ＭＲ画像の増大した時間分解能を可能にする。
【国際調査報告】
2020525116.tif 000048
2020525116.tif 000049