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1 企画 1: 今からでも大丈夫!! MRI 入門 part4:parallel Imaging 神奈川 MRI 技術研究会 平成 27 年 7 月 17 日 SENSE 法の基礎と特徴 SENSE:SENSitivity Encoding 東海大学医学部付属病院放射線技術科 MRI 検査室梶原直 TOKAI UNIVERSITY HOSPITAL

2 M.Weiger,M.B.Scheidegger,P.Boesiger,SENSE:Sensitivity encoding for fast MRI MRM42:

3 本日の内容 MRI の入門編となるように フェイズドアレイコイル 簡単なSENSEアルゴリズム Parallel imagingにおけるsnr R-factorとg-factor?? Reference scan SENSE 使用時の注意点 アーチファクト

4 Parallel Imaging フェイズドアレイコイルの各素子の感度情報を利用した高速撮像法の総称 coil6 coil1 coil2 特徴 高いSNRを有する 収集 DataはCh 数分有する 感度補正無 感度補正有 coil5 coil3 coil4 最終的には CLEAR 等の感度補正技術により処理され表示される SENSE アルゴリズムにおいて大切なこと コイルの受信感度が距離と共に減衰 画像上のあるピクセル1 点は各コイルからは異なる信号強度

5 原理的には長方形 FOV(RFOV) と同じ 位相エンコードライン数を間引く事で撮像時間の短縮を図る データを間引くのか? どの程度高速化するか? 何倍速? R-factor R factor:riductionfactor ( 位相エンコードラインの間引き率 ) 位相エンコードラインステップ収集 d 2d 折り返り画像 Parallel imaging 室伊三男 : 現場で役立つ MRI 読本, ピラールプレス,2014 P127 図 1 50% 収集 (R=2) halffov fullfov ナイキスト理論を満たさないため実空間では位相方向に対しての返りを生じる 複数の感度情報の異なる素子を有した Coil を元に本来の fulfov への補正を行う

6 Parallel Imaging 方法 名称と詳細な補正処理方法は各装置メーカにより異なる SENSE ASSET ARC SPEEDER m-sense GRAPPA RAPID PHILIPS 社 GE 社 GE 社 TOSHIBA 社 SIEMENS 社 SIEMENS 社 HITACHI 社

7 SENSE 法 : 実空間上で折り返りデータを展開し補正 SMASH 法 :k 空間上でフルエンコードデータを生成し補完 スキップ収集 halffov SENSE 法 Nch FFT 再構成 Nch 展開処理 SMASH 法 fullfov ch FFT 再構成 K 空間上でフルエンコードデータを生成し補完 ch

8 Parallel Imagin 処理手順 1Reference Scan(pre scan 法 ) 被検者毎に取得 クアドラチャコイル フェイズドアレイコイル Coil 1 Coil 2 参照感度マップ作成 複素数データ i 3D-GRE 法 : 低分解能画像 2CH 以上のコイルを使用するため各々の Ch 間での感度分布の把握が重要 Reference scan QB コイルと PA コイルの各々で同一条件における撮像を行う QB コイルは FOV において均一な感度分布を持ち画像再構成 PA コイルで得られたデータとの各ピクセルにおける信号比を算出し感度 map を作成 FOV:530mm 530mm Acq.matix64 Recon.matrix64 Scan percentage100% TR/TE:4ms/0.65ms FA:7 THK: 3mm/0mm number of slices :50 NSA:8

9 Parallel Imaging 方法 1Reference Scan(pre scan 法 ) 被検者毎に取得 クアドラチャコイル フェイズドアレイコイル Coil 1 Coil 2 参照感度マップ作成 複素数データ i 2 本撮像 必要断面の S を使用 Reference data はボリュームデータとして取得 本撮像にて折りかえる pixel 値は必要な断面の感度係数を用いて展開処理される 3Parallel Imaging のデータ処理 SENSE 展開処理 コイル感度の不均一性の除去

10 折り返り部分の信号強度 y は本来の信号強度 x との和 2ch の例 ) Coil 1 halffov Coil 1 y 1 X 1 Coil 2 室伊三男 : 現場で役立つMRI 読本, ピラールプレ y 2 ス,2014 P128 図 3 halffov X 2 Coil 2 この段階では既知な信号強度はこの時点では y1 と y2 のみ このままでは x1 と X2 の解は求められない

11 折り返り部分の信号強度 y は本来の信号強度 x との和 Reference によって既知である各コイルの Sij を X に荷重すると連立方程式によって本来の信号強度 (X1 X2) が導く事ができる 2ch の例 ) Coil 1 halffov Coil 2 halffov y 1 X 1 室伊三男 : 現場で役立つMRI 読本, ピラールプレ y 2 ス,2014 P128 図 3 X 2 SENSE 展開アルゴリズム PreScan Coil 1 Coil 2 Distance Distance Intensity Intensity S 11 S 12 室伊三男 : 現場で役立つMRI 読本, ピラールプレス,2014 P128 図 2 S 21 S 22 Nch=R の場合 ) Nch>R の場合 ) S H :S の複素共役転置行列

12 SENSE 法のメリット 適応となる撮像方法に制限が無い 1 時間分解能が向上 2 撮像範囲の拡大 3 モーションアーチファクトの低減 4 EPIによる歪みの低減 5 ssht2wiのブラーリングの低減 6 SAR 低減効果 7 撮像時間の短縮

13 SNR 印加する最大傾斜磁場(Gmax) と中央部の傾斜磁場強度は変化しない 画像の高周波成分はSENSE 使用後も保持される SNR は次式に基づいて変化する k0 SNR SENSE :SENSEを用いた場合のSNR SNRfull :SENSEを用いない場合のSNR g :geometry fator R :reduction Factor SNR は R 分収集データが削減されるため R 分劣化する R-factor :1.5 SNR : 82% R-factor :2.0 SNR : 74% 画像全体が一様に画質が劣化する

14 相対信号強度の変化の確認は条件をカスタマイズする上で大切 当院では 70% までの低下を許容度 感覚以上の画質の劣化を招く

15 SNR 印加する最大傾斜磁場(Gmax) と中央部の傾斜磁場強度は変化しない 画像の高周波成分はSENSE 使用後も保持される SNR は次式に基づいて変化する k0 SNR SENSE :SENSEを用いた場合のSNR SNRfull :SENSEを用いない場合のSNR g :geometry fator R :reduction Factor SNR は R 分収集データが削減されるため R 分劣化する SENSE の SNR は g-factor と呼ばれる固有の因子で変化 コイル配列の幾何学的な要素

16 g-factor 展開処理におけるNoize 成分の増幅度を表す値 最低値 =1 ~ 最大値 = SENSEの計算精度に依存する 感度マトリクスSから計算された正方行列 S H Sと逆行列を用いて として g を計算 行列式は変換による一種の拡大率を表す g 値は折り返りという変換処理を表す感度マトリクス S の拡大率の逆数 ( つぶれ具合 ) を表している 逆変換である展開処理では 順変換の折り返りによってつぶれた分を引伸ばすことになるため g に相当する分だけ Noize 成分が増幅される 町田好男 :MRI 高速撮像のためのイメージ処理 : パラレルイメージング :INNERVISION ~97,2005

17 展開処理行為そのものが g 値を高くする要因の一つ 常に低下傾向にあることに注意 Coil element:4ch FOV を一定として R-factor のみを変化 R-factor:2 AchivaTX R-factor:3 SENSE 画像 SENSE 画像 SENSE 画像 SENSE2 R-factor:4 SENSE3 g-map g-map g-map SENSE5 SNR は空間的に変化する その位置は一様ではなく部分的に変化する

18 縮小されるFOVによって折り返るピクセルの展開が原因 R-factorの増加によるSNR 低下以上に gの影響による画質劣化が著しい g は空間的に変化することに留意する必要がある SENSE 4 SENSE 4 fos yes oversampling 左図より見た目のノイズ低減が向上した画像 oversampling FOV360 RFOV80% NEX1 FOV360 RFOV80% NEX2 Over samplingによりfov 中央のgの上昇を回避 2 倍のSNRの改善どころではない

19 コイルペア間の独立性が高い事が必須条件 - 被写体サイズの大きさによる違い - g=1.058 g=1.075 g=1.125 位相方向 放射線撮影分科会誌 Vol58.p53. Fig1 1)g が低い場合 2)g が高い場合 Coil1 感度係数 Coil1 感度係数 Coil2 感度係数 Coil 配値 Coil2 感度係数 Coil 配値 感度マトリクスの独立性が高い事が望まれる

20 - コイル配置と位相方向の関係 - コイル配列と位相方向の設定により g 値は変化 位相方向 FH g-factor 位相方向 RL 4ch SENSE coil 放射線撮影分科会誌 Vol58.p53. Fig2 Coil 配値 Coil1 感度係数 Coil2 感度係数 位相方向 RL コイル間の独立性が高いため 異なる感度係数により連立方程式が成り立つ 位相方向 FH Coil 間に感度変化を生じないため連立方程式が成り立たない導きだす解が存在しない α=0.5 で無限大 不適切な位相方向の選択は g-factor が高くなる

21 コイル数が多いほど g 値の上昇率は低い コイル素子数による違い 4ch coil 32ch coil U C D 放射線撮影分科会誌 Vol58.p53. Fig3 U C D 4ch coil R=4 32ch coil R=4 g-map g-map Pixel の Noize を加味 素子数が多いほど SNR は向上する 各素子の独立性が高まり最適解を導きだす 方程式数が多くなる

22 上下左右に多く配列されたマルチコイルであれば影響は軽度 位相方向 AP では Motion artifact 位相方向 RL では flow artifact 婦人科 Sag の図 肘関節 COR の図 ex)2ch coil 使用しているコイルの配列及び位相方向の設定によっては SENSE の on, off R-factor に大きな値を使用しない

23 折り返りアーチファクト リップアーチファクト SENSE no RFOV 50% SENSE yes RFOV 50% SENSE yes RFOV 85% 室伊三男 : 現場で役立つ MRI 読本, ピラールプレス,2014 P128 図 5 foldover suppression SENSE yes fos:yes 室伊三男 : 現場で役立つ MRI 読本, ピラールプレス,2014 P128 図 5

24 頭部耳の折り返しが出血と間違えられた 1 例 騒音対策の一つとしてヘッドホンを使用すると耳の折り返し防止にも役に立つの図

25 3D 撮像では slice 方向にも折り返りを生じる Saggital 撮像 or over sampring Oversampling SENSE :yes SENSE :yes oversampling Over sampling 被写体を含む範囲では時間的メリットは少ない

26 ミスストレージレイション Reference で求めた空間感度 map と本撮影との感度領域のミスマッチ 造影前 ) 造影後 ) 体動によるアーチファクト ミスストレージレイションの図 室伊三男 : 現場で役立つ MRI 読本, ピラールプレス,2014 P128 図 6 体動やコイルの動き等に起因する ReferenceScan の再取得を行う

27 Reference に必要な撮像条件 均一なファントムでも見られる現象

28 Intensity Reference 撮像条件 Reference Scan 基本撮像パラメータ 3DT1FFE FOV:530mm 530mm Acq.matix64 Recon.matrix64 Scan percentage100% TR/TE:4ms/0.65ms FA:7 THK: 3mm/0mm number of slices :50 NSA:scan 毎に変更 SENSE 画像 変更パラメータ FOV の大きさ Slice 厚 SENSE 処理 Profile curve 放射線撮影分科会誌 Vol58.p53. Fig4 Distance(mm) 基準画像 T2WI SENSE:no

29 Intensity Intensity Intensity Intensity Reference FOV の違いによる SENSE 展開精度の違い 基本撮像パラメータ FOV:530mm 530mm Acq.matix64 Recon.matrix64 Scan percentage100% TR/TE:4ms/0.65ms FA:7 THK: 3mm/0mm number of slices :50 NSA:scan 毎にか変更 Z Y FOV を変化 Coronal scan X Slice 方向 基準画像 T2WI SENSE:no Profile curve 放射線撮影分科会誌 Vol58.p53. Fig4 Distance(mm) 放射線撮影分科会誌 Vol58.p53. Fig5 Distance(mm) Distance(mm) Distance(mm) FOV FOV FOV ピクセルサイズ S(m,n) が詳細であるほど精度が高い

30 Intensity Intensity Intensity Intensity Reference slice 厚の違いによる SENSE 展開精度の違い 基準画像 T2WI SENSE:no Profile curve 基本撮像パラメータ FOV:530mm 530mm Acq.matix64 Recon.matrix64 Scan percentage100% TR/TE:4ms/0.65ms FA:7 THK: 3mm/0mm number of slices :50 NSA:scan 毎にか変更 Z Y Slice 厚を変化 Coronal scan X Slice 方向 放射線撮影分科会誌 Vol58.p53. Fig4 Distance(mm) 放射線撮影分科会誌 Vol58.p53. Fig6 Distance(mm) Distance(mm) Distance(mm) 10mm 7.5mm 3mm Slice 厚の薄い Reference 画像である程 計算精度が高い

31 低分解能ではあるが 感度の座標軸を再現するためにある程度の詳細は必要とされる ピクセルサイズの違い Refarence 画像 slice 厚の違い Z Reference scan Y Colonal 収集 Slice 厚を変化 Slice 方向 Reference Image 薄い slice 厚い slice アキシャル再構成 X ピクセルが小さいスライス厚が小さい 精度が高い

32 Reference scan の SNR 実際の臨床では大きな信号に埋もれてしまうためこの影響は軽度

33 実際によく遭遇するのはこんな画像 SENSE 展開エラー T2WIAX 画像 SENSE 展開エラー T2WIAX 画像 動かない部位と動く部位

34 皮下脂肪と空気の境界面の認識エラーが最も影響する Ref Scan 息止め (EXP) 本 scan 息止め方法を変更 ボランティア A) EXP INSP ボランティア B) EXP INSP 特に上腹部ではミスストレージレイションが生じやすい

35 Reference - 静止ファントム - 静止した状態で Ref Scan NEX のみ変更し 本スキャン NEX1 SENSE 画像 NEX8 SENSE 画像 目立ったアーチファクトは見られない

36 Reference - 動態ファントム - RefScan 等速往復運動をしている状態で 本スキャン 基準センター 1Ref:move NEX1 SENSE 画像 2Ref:move NEX8 SENSE 画像 NEX は 1 以上必要

37 Intensity Reference - 静止ファントムと動態ファントム - 1 は基準センターで静止した状態で Ref Scan 2 は基準センターで往復等速運動中に Ref scan 本スキャン 基準センターより 1cm 移動させて撮像 1FIX NEX8 SENSE 画像 2moveNEX8 SENSE 画像 3move NEX4 SENSE 画像 放射線撮影分科会誌 Vol58.p53. Fig7 ミスストレージレイションの影響 Reference では g 値を低く抑えるためにバックグラウンドは 0 と置く Profile curve FIX NSA8 NSA Reference 画像自体を Smoothing 効果により展開精度を上げる Reference image Distance(mm)

38 Reference まとめ ミスストレージレイションを回避する 呼吸性の変動のある部位は空気と被写体の境界面をぼかした方が SENSE 展開エラーが小さい Reference 撮像条件 NEX:8 BH:4 Reference 撮像条件 NEX:8 BH:1 FB:3 Ref Scan は複数回に分割し 息止めと自然呼吸下による収集を行う

39 コイルと被写体の距離 被写体辺縁の局所的な信号上昇による影響 Quadrupole Artifact T2WI T2WIFS SENSE 展開エラー コイル配値は SENSE を使用する上で重要 検査においては患者毎の体型を考慮する 渦電流による脂肪抑制ムラ

40 コイルと被写体の距離 a) マット無し b) マット有り fantom fantom R-factor 2 R-factor 2 Reference image 放射線撮影分科会誌 Vol58.p53. Fig9 Reference image 室伊三男 : 現場で役立つ MRI 読本, ピラールプレス,2014 P130 図 7 局所的な信号上昇が原因 被写体とコイル間の密着度を均一にする

41 展開エラーを FOV 外へ R-factor による展開エラーの位置の違い R-factor 2 R-factor 1.6 R-factor 1.2 放射線撮影分科会誌 Vol58.p53. Fig10 FOV の大きさによる違い FOV FOV FOV 放射線撮影分科会誌 Vol58.p53. Fig11

42 長方形 FOV の大きさによる違い RFOV100% RFOV95% RFOV75% RFOV65%

43 FOV, R-FOV, R-factor のいずれかの設定値を変更 R-factor 2 R-factor 1.7 腹部 T2AX の図 R-factor 2 R-factor 1.4 腹部 T1FSAX の図

44 それでも駄目ならリファレンスを取り直す Rest pulse を使用 それでも駄目なら サチュレーションパルスによって高信号元 ( 脂肪 ) を叩く T2WI T2WI FS T2WI with Rest pulse 腹部 AX の図

45 Rest pulse を使用 ただし 脂肪抑制法との併用は逆効果 Rest pulse( - ) Rest pulse( + ) Rest pulse 腹部 AX の図 Rest pulse

46 感度補正技術 :CLEAR 周波数方向には折り返りは生じないはずでは?? SENSE :yes 位相方向 頚部 AX の図 周波数方向

47 CLEAR とは Refarence 画像を元に各コイル素子による感度不均一を補正する技術 CLEAR :no CLEAR :yes 不均一性を除去し感度ムラを抑制 Refarence image

48 CLEAR に求められる条件 参照感度マップを元にした再構成アルゴリズム RefarenceScanは被写体の感度領域を十分に含む Reference image 設定 FOV 設定 FOV 位相方向 周波数方向

49 本 Scan にて FOV を十分に確保しているにもかかわらず 画像の両端が表示されない Reference image 設定 FOV 位相方向 バックグラウンドは0であるため打ち切られる Refarenceに含まれないものは計算できない 周波数方向

50 撮像条件はいつもと同じ筈なんですけど なんとなく SNR が 感度不均一を補正する技術 腹部 AX の図 体厚の違いによる MR 画像

51 その他のアーチファクト フレームアーチファクト over sampling+ 位相方向 子宮 SAG の図 位相方向 オーバーサンプリングが十分であるにもかかわらず 両端の磁化率の影響が SENSE を使用する事で中央に折り返る

52 まとめ MRI では多くのアーチファクトが出現するため全ての現象について理解するのに時間が必要です まずはいつもと見慣れない画像出てきた画像に対して おや? と疑問を持つ事が大切だと思います Scan plan 頚部画像の図 折り返り? いいえ背中の脂肪です

53 まとめ フェイズドアレイコイル 簡単な SENSE アルゴリズム Parallel imaging における SNR R-factor と g-factor?? Reference scan SENSE 使用時の注意点 アーチファクト 本日のお話が 皆様の明日からの検査の一助になれれば幸いです ご静聴ありがとうございました 参考文献 ご協力頂きました皆様ありがとうございました清水俊太郎様 妻神裕真様 小林明日香様 砂村あゆみ様 船登美岬様 1) 監修 : 蜂屋順一編集 : 高原太郎, 扇和之改訂版 MRI 応用自在メジカルビュー社 )M.Weiger,M.B.Scheidegger,P.Boesiger,SENSE:Sensitivity encoding for fast MRI MRM42: ) 石田隆行, 桂川茂彦, 藤田広志医用画像ハンドブック, オーム社 ) 森一生, 山形仁, 町田好男 CT と MRI その原理と装置技術, コロナ社, ) 室伊三男 ; Body-diffusion における Parallel imaging(sense) の注意点放射線撮影分科会誌,2011 (56) ) 編著者 : 金森勇雄他,MR の実践 基礎から読影まで 医療科学社 ) 荒木力 ; MRI の基本パワーテキスト 第 3 版メディカルサイエンスインターナショナル ) 監修 : 土屋一洋編集 : 扇和之 MRI データブック最新用語辞典メジカルビュー社 ) 梶原直 ;SENSE(Parallel Imaging) 法を中心とした撮影時の注意点, 放射線撮影分科会誌 Vol58 10) 室伊三男 ; 現場で役立つ MRI 読本, ピラールプレス, ) 有泉弘 ;Gyro News Booklet vol.1, フィリップスエレクトロニクスジャパン,2008