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第 24 回関西 Gyro Meeting SENSE-MR の常識を変えた技術 - Tomohiro Mochizuki Philips Electronics Japan MR Application Specialist

SENSE 概念と目的正式名称 SENSitivity Encoding 主目的撮像時間の短縮手法 Parallel imaging ( 位相エンコードステップを間引いて k-space を充填 ) Scan time = TR Phase encode 数 NSA 空間分解能 (matrix scan,scan%) 撮像範囲 (RFOV)

SENSE の歴史ハード / ソフトの変遷 2000 (Intera/R8) 2003(R9) 2008(R2.6) 2005 (Achieva/R2) 2011 (Ingenia/R4) 臨床機に SENSE 搭載 SENSE Head coil Spine5ch coil +SENSE Pos factor 32ch Torso/cardiac coil ds-sense 搭載

Today s main topics SENSE-MR の常識を変えた技術 - Theory Artifact Advantage 2003(R9) 2008(R2.6) 2005 (Achieva/R2) 2011 (Ingenia/R4) 2000 (Intera/R8) 臨床機に SENSE 搭載 SENSE Head coil Spine5ch coil +SENSE Pos factor 32ch Torso/cardiac coil ds-sense 搭載

SENSE-Sensitivity Encoding- 原理必ず複数のコイルチャンネルが必要 Coil chunnel:2, SENSE-factor:2 Coil 1 Coil 2

SENSE-Sensitivity Encoding- 原理 SENSE 使用には Reference Scan が必要 Q-body coil Surface coil 1 Surface coil 2 Coil sensitivity 1.0 0.5 6 position position position 感度が均一な QB Coil との比から各コイルの感度係数を算出

SENSE-Sensitivity Encoding- 原理 SENSE 使用には Reference Scan が必要 Coil 1 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 感度マップ作成のためのスキャン 7

SENSE-Sensitivity Encoding- 原理 SENSE 使用には Reference Scan が必要 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Coil 2 8

SENSE-Sensitivity Encoding- 原理設定撮像範囲実際のデータ収集 Coil 1 Coil 2 9 位相方向

SENSE-Sensitivity Encoding- 原理 Coil chunnel:2, SENSE-factor:2 折り返しが起こる Coil 1 Coil 2 10

SENSE-Sensitivity Encoding- 原理 Coil chunnel:2, SENSE-factor:2 Coil 1 Coil 2 B A 11

SENSE-Sensitivity Encoding- 原理 Coil 1 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 S = 0.4 A +0.9 B B A 12

SENSE-Sensitivity Encoding- 原理 0.2 0.4 0.6 0.8 S 1.0 = 0.7 A +0.2 B Coil 2 B A 13

SENSE-Sensitivity Encoding- 原理 Coil 1 Coil 2 S S = 0.4 A +0.9 = 0.7 A +0.2 B B A and B B A 14

SENSE-Sensitivity Encoding- 原理 Coil 1 Coil 2 S S = 0.4 = 0.7 A A +0.9 +0.2 B B A and B 15

SENSE によるトレードオフ SNR SNR SENSE SNR full g R R = g = Reduction factor local geometry factor コイルの感度範囲配置 SENSEアルゴリズムの精度が関与 SENSE(-) SENSE R1.5 SENSE R2.0 20 秒 14 秒 10 秒

g-factor と使用コイルの関連 SENSE によるトレードオフ -SNR- g-factorが高くなるケース 1 不適切なコイル配置 : コイル間距離 0 0.3 0.6 Coil 1 Coil 2 Coil 1 S =?? A+0.5B B A Coil 2 S = 0.2A+?? B 0.6 0.3 0 A? and B?

g-factor と使用コイルの関連 SENSE によるトレードオフ -SNR- g-factorが高くなるケース 1 不適切なコイル配置 : コイルが対向していない Coil 1 0.8 0.6 0.4 0.2 1.0 Coil 1 S =?? A+?? B Coil 2 Coil 2 B A S = 0.7A+0.2B 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 A? and B?

g-factor と使用コイルの関連 SENSE によるトレードオフ -SNRg-factor が高くなるケース 2 不適切なコイルサイズ : 大きすぎるコイルの使用 Coil 1 Coil 2 0.9 B A 0.85 A B におけるそれぞれのコイルの感度の変化が小さい計算精度は低くなり g-factor は大きくなる 0.85 0.9

g-factor と使用コイルの関連 SENSE によるトレードオフ -SNRg-factor が高くなるケース 2 不適切なコイルサイズ : 小さすぎるコイルの使用 0 0.5 1.0 Coil 1 B A Coil 2 コイル感度が低く計算精度が低下し g-factor は大きくなる 1.0 0.5 0

g-factor と使用コイルの関連 SENSE によるトレードオフ -SNR- 感度が無い領域では折り返しを展開できない! Coil 1 NeuroVascular coil Coil elements:hn Foldover suppression:yes SENSE P reduction:2.0 Phase direction:fh Coil 2

g-factor と使用コイルの関連 SENSE によるトレードオフ -SNR- g-factorが高くなるケース 3 不適切な位相方向 : コイル配列との兼ね合い 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Coil 1 Coil 2 B Coil 1 S = 0.5 A+0.5 B A Coil 2 S = 0.6 A+0.6 B A? and B? 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 位相方向

g-factor と使用コイルの関連 SENSE によるトレードオフ -SNRg-factor が高くなるケース 3 不適切な位相方向 : コイル配列との兼ね合い SENSE 2.0 Phase dir. AP SENSE 2.0 Phase dir. FH

Rip Artifact SENSE によるアーチファクト A B 原因 FOV 内に含まれていない部分の折り返し

Rip Artifact SENSE によるアーチファクト原因 FOV 内に含まれていない部分の折り返し

Rip Artifact SENSE によるアーチファクト折り返る領域折り返る領域 SENSE f: 1.2 SENSE f: 1.5 円形ファントム SENSE f: 2.0 SENSE f: 2.5

Foldover suppression Rip Artifact の対策 ~R3.2 : Foldover suppression=yes と設定設定 FOV 設定 FOV 設定 FOV NSA:1 の場合 FOV 外に REST NSA:2 の倍数の場合 FOV の 2 倍の over sampling NSA:3 の倍数の場合 FOV の 3 倍の over sampling R4~ : Foldover suppression=over sampling と設定設定 FOV 任意の over sampling 範囲を設定 (mm)

Misregistration SENSE によるアーチファクト原因 Reference scan 時と本 scan 時でコイルの位置や距離が異なることにより発生

腹部 Reference scan の工夫 Misregistration の対策 Reference scanと本 scanを同じ状況下 ( コイル位置距離 ) で撮像する ~R3.2 : 息止め撮像と呼吸同期撮像で共通のReference scan Ref : NSA8 息止め :NSA2 自由呼吸 :NSA2 息止め :NSA2 自由呼吸 :NSA2 R4~ : 息止め撮像と呼吸同期撮像で個別の Reference scan 息止めの本スキャンに適用呼吸同期の本スキャンに適用 Ref : 息止め Ref : 自由呼吸

SENSE の搭載腹部領域腹部領域における SENSE 搭載の有用性 1 息止め時間の短縮 2 T2W single-shot におけるブラーリングの改善 SENSE-body coil(4ch)

1 息止め時間の短縮腹部領域における SENSE の有用性 SENSE : no 24sec breathhold SENSE factor : 2 12sec breathhold Courtesy: VA Durham, USA

2T2W single-shot におけるブラーリングの改善腹部領域における SENSE の有用性 - Single shot 撮像 - 呼吸同期を併用した場合 1 呼吸で 1 スライス撮像 ( 息止め設定も可 )

2T2W single-shot におけるブラーリングの改善腹部領域における SENSE の有用性 90 180 複数 Echo 発生させている間も T2 減衰は進む前半部分と後半部分の Echo で信号強度が異なる

2T2W single-shot におけるブラーリングの改善腹部領域における SENSE の有用性 SENSE : 1.0 SENSE : 3.0 180 90 180 90 長い shot duration により Long TE になりやすい信号差が大きくブラー増加 shot duration の短縮により normal TE(100 前後 ) に設定信号差が小さくくブラーを低減

2T2W single-shot におけるブラーリングの改善腹部領域における SENSE の有用性 Long TE 実効 TE 180 90 Normal TE(+Half scan) 実効 TE 180 90 Normal TE(+Half scan+sense) 実効 TE 180 90 ms ms ms

2T2W single-shot におけるブラーリングの改善腹部領域における SENSE の有用性 Half scan Half scan + SENSE

SENSE Head coil 頭部領域 SENSE-Head コイルの有用性 1 撮像時間の短縮 2 DWI における歪み改善 3 3D シーケンスにおける 2 方向への SENSE 適用 SENSE-head coil 下から見た図

1 撮像時間の短縮頭部領域における SENSE の有用性 SENSE 1.6 SENSE 2.0 SENSE 3.0 2:02 2:17 0:36 T2W FLAIR DWI SENSE 2.0 2:43 3:58 T1W MRA Total Scan time 12:34 min

2DWI における歪み改善頭部領域における SENSE の有用性 SENSE : no k SENSE factor: 2.0 k

33D シーケンスにおける 2 方向への SENSE 適用頭部領域における SENSE の有用性 P reduction Phase 方向の SENSE factor S reduction Slice 方向の SENSE factor A B C スライスエンコード方向位相エンコード方向

33D シーケンスにおける 2 方向への SENSE 適用頭部領域における SENSE の有用性スキャン時間の短縮! 10min 5min 3D PC MRV P reduction Phase 方向の SENSE factor S reduction Slice 方向の SENSE factor 3D T1 FFE 等方ボクセルで MPR が可能に! 0.9mmIso 約 5 分

33D シーケンスにおける 2 方向への SENSE 適用頭部領域における SENSE の有用性折り返る組織がない! Scan time=4:23 充分な SENSE 展開能力

33D シーケンスにおける 2 方向への SENSE 適用頭部領域における SENSE の有用性 MPR 3D T2W TRA Slice 方向の折り返し折り返る組織が存在! 低い SENSE 展開能力

SENSE Spine5ch coil 脊椎領域 Spine5ch coil+sense の有用性 1 撮像時間の短縮 AP RL FH Spine5ch coil 位相方向と SENSE の使用制限 1 2 3 4 5

SENSE Spine15ch coil 脊椎領域 Spine15ch coil+sense の有用性 1 DWI における歪み改善 Spine15ch coil AP RL FH Spine 15ch Spine 5ch 位相方向 AP SENSE P reduction : 2.0

Pos factor(r2~r3.2) 折り返し artifact への対策 R1.8~ 使用可能 Phase 方向の Over Sampling factor 自動的に P reduction が入り時間の延長を伴わない SENSE : 1.0 Pos Factor :1.0 NSA : 1 SENSE : 1.0 Pos Factor :1.5 NSA : 1

Foldover suppression 折り返し artifact への対策設定 FOV 設定 FOV 設定 FOV ~R3.2(Achieva) NSA:1 NSA:2 NSA:3 NSA=1 NSA=2,4,6 NSA=3,9 FOV 外に REST slab が挿入される FOV の 2 倍の over sampling を位相方向に対して行う FOV の 3 倍のオーバーサンプリングを位相方向に対して行う

Pos factor (R2~R3.2) 有用性 Pos factor : 1.5 の場合 NSA に関係なく over sampling される NSAに関係なく1.5 倍オーバーサンプリング自動的にSENSE factor : 1.5となり撮像時間は保たれる撮像時間を変えずに折り返し抑制が可能

Pos factor (R2~R3.2) 有用性 DWIにおける折り返しartifact 対策 Foldover suppression: Pos factor: over sampling をせず phase 方向に REST が入る設定通りに over sampling を行う P reduction 増加により歪みの変化はなし REST Over sampling REST Over sampling

SENSE 32ch Torso/cardiac coil 体幹部領域 32ch Torso/Cardiac coil の有用性 1 High SNR 2 SENSE S reduction の活用 4 x 4 x 32ch Torso/Cardiac coil

SENSE の進化従来の SENSE アルゴリズム

SENSE の進化 ds-sense アルゴリズム Ingenia に搭載

SENSE のアルゴリズム従来の SENSE コイル 2 感度 S 2 コイル 1 感度 S 1 m 2 = S 2a * p a + S 2b * p b m 1 = S 1a * p a + S 1b * p b p a p b a 点 b 点

SENSE のアルゴリズム従来の SENSE 連立方程式による表現 m 1 = S 1a * p a + S 1b * p b m 2 = S 2b * p a + S 2b *p b 行列式による表現 m = S*p ( ) m= m 1 m 2 ( ) S= S 1a S 2a S 1b S 2b 求めたいのは p なので p = S -1 *m p= ( p a ) p b

SENSE のアルゴリズム従来の SENSE p = S -1 *m コイルの感度分布のみから計算するアルゴリズム実際には p = (S h Ψ n -1 S) -1 S h Ψ n -1 m ノイズや g-factor の大きさに関連 h: 複素共役転置 Ψ n : ノイズ共分散マトリックスノイズを考慮した最適化アルゴリズム

SENSE の進化 smart select p = (S h Ψ n -1 S) -1 S h Ψ n -1 m ノイズや g-factor の大きさに関連 h: 複素共役転置 Ψ n : ノイズ共分散マトリックス (S h smart Ψ n smart -1 S smart ) -1 8 Elements 10Elements に最適化撮像パラメータおよびリファレンススキャンから画質の向上に寄与すると判断されたすべてのエレメントが自動的選択 Ingenia に搭載

SENSE の進化 Minimal Artifact Factor(MAF) p = (S h Ψ n -1 S) -1 S h Ψ n -1 m h: 複素共役転置 Ψ n : ノイズ共分散マトリックス p = (S h (Ψ n +Ψ a ) -1 S) -1 m キャリブレーションミスマッチの影響を考慮アーチファクトを抑制したアルゴリズム Ψ a : アーチファクト共分散マトリックス Ingenia に搭載

SENSE の進化 Anatomical Based Regularization(ABR) p = (S h S) -1 S h m h: 複素共役転置 Ψ n : ノイズ共分散マトリックス p = (S h S+R -1 ) -1 S h m リファレンス画像から展開エラー予測 FOV 外の信号をノイズレベルまで低減撮像対象 Ingenia に搭載 Reference scan

SENSE の進化 Anatomical Based Regularization(ABR) p = (S h S) -1 S h m h: 複素共役転置 Ψ n : ノイズ共分散マトリックス p = (S h S+R -1 ) -1 S h m リファレンス画像から展開エラー予測 FOV 外の信号をノイズレベルまで低減 Ingenia に搭載

SENSE の進化 ds-sense アルゴリズム Ingenia に搭載 MAF ABR

ds-sense の利用 Direct coronal DWI SENSE 5 倍速

ds-sense の応用 ds-zoom ds SENSE 無 (SENSE=no) ds SENSE 有 (SENSE P reduction=1) FOV100 FOV150 FOV250 FOV200 FOV300

ds-sense の応用 ds-zoom FOV:180 FOV:120 FOV:250