ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）の高速化

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1 ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）の高速化
平成２８年４月１６日　（土） 岡田一秀

2 紹介 脳血管障害の種類 - 脳梗塞の医療統計 - 診断工程 - ＣＴ・ＭＲＩ双方のメリット ‐ ＣＴへのアルゴリズムは？
　　紹介 脳血管障害の種類 - 　脳梗塞の医療統計 - 　診断工程 - 　ＣＴ・ＭＲＩ双方のメリット ‐　 ＣＴへのアルゴリズムは？ ‐　 ＭＲＩでのデータ取得へのメカニズムは？ - 　ＭＲＩでの、電波を切ってからの横緩和・縦緩和について - 　ＭＲＩで、高速診断を目指すためのアプローチ [Kolonia, Pohnpei, FSM] 九州の方々には、今回の大地震に関して、南太平洋より、お見舞い申し上げます。 (過去分) 医工学について、毎月、第１週と第３週は日本語で、第２週と４週は英語で、病種や 医療機械種を変え、日本時間の午後６時（金）か午前９時（土）頃、やっております。 お時間があれば、どうかお聴き下さい。（録音もしておきます） 　ー　ポンペイ コロニア第２スタジオより　

3 Disability-adjusted life year for cerebral vascular disease per 100,000 inhabitants in (unit:×10 PPM) < Annual Statistics > ・Estimated 15 million people 　worldwide survive after disease onset ・In US 4.8 millions survive. ・In Japan 1.5 millions survives and 0.13 millions dies

4 Stroke Thrombus 3 membranes which cover the brain - Ischemic (Infarction) - 60% by interruption of the blood supply to the brain * Lacunar infarction (Φ<1.5cm) * Atherothrombotic infarct * Cardiogenic embolism - Hemorrhagic (Bleeding) – 40% by the rupture of a blood vessel or an abnormal vascular structure * Epidural hematoma (bleeding between the dura mater and the skull) * Subdural hematoma (bleeding in the subdural space) * Subarachnoid hemorrhage ＜くも膜下出血＞ (bleeding between the arachnoid mater and pia mater) * Brain hemorrhage　　　　　 ＜脳内出血＞

5 Desired Present Diagnosis
1) Brain check by CT - in order to check whether the affected area is bleeding or blocked on the blood vessel 2) Brain check by MRI - Precise Detection of even the small infarctions or the slight bleeding 3) Electrocardiogram / Heart Echo - In order to judge the said symptom is caused by Cardiogenic embolism (The thrombus flew from the heart to the brain) or not 4) Carotid (Artery around the neck) ultrasonography / Vascular imaging - To observe the status of the hardening/blockade/stenosis of the arteries

6 得意分野 同じ、脳卒中でも。。。

7 Diagnosis both by CT and MRI in case of Infarction
Slight Early sign by CT ⇒ Unclear part on the nucleus lentiformis (the frustule + the pallidum) inside the basal ganglia appears in 1-2 hours after the disease onset. Unclear part on the boundary between the white substance and the cortex appears in 2-3 hours after disease onset. The phenomenon by which the cerebral ditch becomes narrower and smaller over 3 hours after disease onset. Follow bｙ MRI ⇒ On DWI （diffusion weighted image） mode the affected area is reflected white because the blocked vessel doesn’t have the stream of the Hydrogen molecules.

8 Indirect Cause (High Risk)
- Blood pressure - Blood lipids (High cholesterol levels) - Diabetes mellitus - Anticoagulation drugs (The medicine which obstructs coagulation of blood) - Lack of Exercise Amyloid as the body wastes’ type protein is accumulated inside the blood vessel in the cerebral cortex of the brain(especially for aged persons) Ischemic detected by CT (Cerebral right hemisphere) Hemorrhagic detected by CT (Cerebral right hemisphere)

9 脳血管疾患の現状

10 ＭＲＩ （核磁気共鳴画像法（nuclear magnetic resonance imaging, NMR）
人の身体の2/3は水で構成されており、 更に、各種脂肪酸やアミノ酸などの 構造式にも水素（H）が含まれているために、 現行の医療用MRIでは、この水素原子（1H）の 信号で画像が描出されている

11 問題 体内の様子を画像化するために必要な情報を丁寧に取得するため に、比較的長い時間を要するために、例えば子供の場合、その計測 時間の間おとなしく待つことができないという問題がある。 しかし仮にこのMRIによる体内の画像取得のための計測時間を少な くすることができるのであれば、このような問題はなくなる。またどん な被験者に対しても気軽に診察のためにMRIを使うことができるメ リットも大きいため、喉から手が出るほとに嘱望された技術 立体物を透かしてみることができるのであれば、それこそ前から上から横から眺めて、中身はどうなっているのだろうかと推定すれば3次元ピクロスとなる。そうやってモノの中身を探るピクロスのような技術、それが圧縮センシングである。 MRAはMRI画像の中でもスパース性が高いことから圧縮センシングとの相性が良い 世界各国で圧縮センシングの利用によるMRIの計測手法の改善が試行錯誤されて、MRI機器の中に搭載する動き

12 画像の再構成 -ＣＴで ・ 単純逆投影法 ・ フィルタ補正逆投影（ＦＢＰ）法
画像の再構成　　-ＣＴで 単純逆投影の結果（左）を観察すると，単純逆投影分布は，元の2次元分布よりも広がりをもった値になっている。単純逆投影分布b(x,y)とX線減衰係数の2次元分布f(x,y)は，次式のように点拡がり関数h(x,y)によって関連付けられる。ここで*は畳み込み演算である。b（x,y）=f(x,y)*h(x,y)。さらに，h(x,y)は次式で与えられる。h（x,y）=√　(x2+y2)　。したがって，単純逆投影分布b(x,y)に対してh(x,y)をキャンセルするようなフィルタリングを行う(計算処理負担の概念からは、２次元フィルタを通すのではなく、１次元フィルタを用いる)ことで，X線減衰係数の2次元分布f(x,y)を求める ・　単純逆投影法　　　　　　　　　　　　　 ・　フィルタ補正逆投影（ＦＢＰ）法 （信州大学・小関先生より）

13 データのＩｎからＯｕｔまで

14 パルスエコー法 最初に被検体に90°パルスを印加して磁化を静磁場方向と垂直な平面に 倒す（横磁化）。 スピンエコー法⇒プロトン励起に90°パルスから1/2TE時間後に180° パルスを印加し、1/2TE時間後、つまりTE時間後にMR信号 (スピエコー信号)を得るシーケンス。 90° パルス→励起パルス 180°パルス→再収束パルス プロトン励起時に、撮像断面を決めるためのスライス選択用傾斜磁場を印 加する。傾斜磁場を印加することで選択する断面の磁場強度を共鳴周波数 に合わせて、その他の部位をプロトンの共鳴周波数外に位置させ、特定の スライス断面を選択的に励起する。スライス断面選択の操作は、他のパル ス系列でも同様に行われ、プロトン励起時にスライス選択用傾斜磁場印加 を行う。 この後に行われる位相及び周波数エンコード操作はパルス系列の違いで大 きく異なり、撮像時間に影響を与える。

15 ＭＲＩの撮像法 位相エンコード方向に直交する周波数エンコード方向に傾斜磁場を印加する。（信号を読取る間に印加される傾斜磁場：読取り勾配磁場）。⇒磁場強度に比例したプロトンの共鳴周波数変化を生じ周波数 　 エンコード方向の位置情報が収集可。 ⇒周波数エンコードは繰り返し行う必要はなく k-space　1行のデータをすべて収集できる。 （実際には、スライス選択の後、180°RFパルスを印加する前に、一度　 　frequency encode gradientが原因となり周波数エンコード方向で生じる　 　位相の乱れ(dephase)をあらかじめ補正する目的で使用される。） 　

16 撮像時間 いかなる種類のgradientでも共鳴プロトンの位相の乱れを生じさせ、 画像劣化の原因となためこれを可能な限り補正する必要がある。 180°RFパルスの印加前に付加されるため180°RFパルス後、極性が 反転し、負の磁気勾配と同様の作用を示す(±を入れ替える)共鳴周 波数の収集時する正の磁場勾配である。 SE法の特徴は実在する様々な磁場の不均一性が180°パルスにより 補正されるため、不均一磁場の影響を受けたT2*強調像ではないT2 強調像が得られる点である。 撮像時間 ＝ (TR)×(位相エンコード数)×(加算回数)

17 画像種 (i) Ｔ1強調画像 繰り返し時間（TR）を短くし、エコー時間 (TE)を最小に設定したシーケンスでは、 画像のコントラストはＴ1に依存するので、 Ｔ1強調画像である。T1WIでは水は黒く 低信号で描出 され（脳室は黒色）、CTと よく似た画 像を呈し、大脳皮質と白質等 の解剖 学的な構造が捉えやすい特徴 (ii) Ｔ２強調画像 TRおよびTEを長く設定したシーケンスでは、画像のコントラストはＴ２に依存する ので、Ｔ２強調画像である。T2WIでは水は白く高信号で描出 され（脳室は白色） 多くの病巣が高 信号で描出されるため、病変の抽出 に有用とされている。 (iii) プロトン密度強調画像 TRを長く、TEを短く設定したシーケンスでは、プロトン密度強調画像である。水分 子の拡散運動（自由運動度） を画像化したもの。拡散が低下した領 域が高信号 として描出される。急性期 の脳梗塞では、拡散が低下して来るため、 超急性期の脳梗塞の部位判定 （白色に描出される）に有用

18 By The fast processing of MRI
MRI’s basic mechanism Non-invasive Tomography Procession of the equinoxes ω0 ω0 : Larmor Angular Frequency Magnetic flux

19 Transition of Procession of the equinoxes on MRI
Stage Ⅰ 　Ⅱ Ⅲ Ⅳ External Magnetic OFF ON ON ON Field Radio Wave OFF OFF ON OFF Unify Magnetized Direction Fall it down and unify Phase Proton is rotated, being positively charged  The relationship between its Flat surface for spinning and the inner magnetic flux is orthogonal

20 Evaluation of axial Relaxation on MRI

21 The utilization of CS (Compressed Sensing) - as one of Informatics’ Strategy
In accordance with the time-constant of transient on Longitudinal or traverse relaxation, Getting ≒Lamore Frequency and then doing IFFT for its value, we can get Image by which we can distinguish between fat, water, and the hard organ.  We can reduce number of yi Forecasting x1 to xn change Condition  Initial Data is Sparse xi : brightness ( 1≦i≦n ) yj : Frequency ( 1≦j≦m )

22 なぜ、いま、圧縮センシング？ 胸部CＴ撮影における放射線の被曝量は6.9mSvであり，他のX線診断 装置と比較して被曝量が多い。これらの問題を解決するには，360° の全周囲方向から撮影する必要をなくすであるとか，1000回以上も必 要な撮影回数を100回以下にするなどの画期的な技術開発が必要で ある。2005年頃まで、少ない方向数で撮影した画像から十分に高精 度な断面画像を得ることは困難であると考えられていた2006年に，標 本化定理の仮定のもとでは不十分なサンプル数の測定データから原 信号を完全に復元することができる圧縮センシングという手法が発見 された。圧 縮 セ ン シ ン グ の 手 法 をCT再構成に応用することで，従 来よりもはるかに少ない投影角度数の投影データからでも断面画像 の構成が可能であることが多数報告されている