第24回関西gyro meeting sense-mrの常識を変えた...

Tomohiro Mochizuki

Philips Electronics JapanMR Application Specialist

SENSE-MRの常識を変えた技術-

第24回関西Gyro Meeting

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)

2005 (Achieva/R2)

2008(R2.6)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

2000 (Intera/R8)

2003(R9)

2005 (Achieva/R2)

2008(R2.6)2011 (Ingenia/R4)


SENSE Head coil



dS-SENSE搭載

Today’s main topicsSENSE-MRの常識を変えた技術-

Theory

Advantage

Artifact

SENSE-Sensitivity Encoding-原理

Coil 1 Coil 2

Coil chunnel：2 , SENSE-ｆactor：2

必ず複数のコイルチャンネルが必要


6

SENSE使用には、Reference Scanが必要Q-body coil

Coilsensitivity

position

Surface coil 1

position

1.0

0.5

Surface coil 2

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


7

Coil 1

0.20.6 0.40.81.0

感度マップ作成のためのスキャン

SENSE使用には、Reference Scanが必要

Coil 2


8

1.00.6 0.80.40.2

SENSE使用には、Reference Scanが必要

Coil 2


9

Coil 1

実際のデータ収集

設定撮像範囲

位相方向

Coil 2


10

Coil 1

折り返しが起こる


Coil 2


11

Coil 1

B A


Coil 2


12

Coil 1

B A

0.20.6 0.40.81.0

BA= 0.4 ＋0.9S


13

B A

BA= 0.7 ＋0.2S1.00.6 0.80.40.2

Coil 2


14

B A

BA= 0.4 ＋0.9SBA= 0.7 ＋0.2S

Coil 1

Coil 2A and B


15

BA= 0.4SBA= 0.7S

Coil 1

Coil 2A and B＋0.9

＋0.2

SENSEによるトレードオフSNR

SENSE（－） SENSE R1.5 SENSE R2.014秒 10秒20秒

R = Reduction factorg = 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Rg

SNRSNR full

SENSE

Coil 1 Coil 20.60 0.3

B A

00.30.6

BA= ?? ＋0.5S

Coil 1

BA= 0.2 ＋??S

Coil 2

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

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-

Coil 1

Coil 2

Coil 1

Coil 2

B A

= ?? BA＋??S

＋0.2BA= 0.7S


1.00.6 0.80.40.2

0.20.6 0.40.81.0

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

A? and B?

Coil 2

0.9

B A

0.850.9

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。

Coil 1

0.85


g-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 コイル感度が低く、計算精度が低下し、g-factorは大きくなる。

1.00 0.5

B A

00.51.0


g-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

NeuroVascular coilCoil elements:HN

Foldover suppression：yes

SENSE P reduction:2.0 Phase direction:FH


感度が無い領域では折り返しを展開できない！

Coil 2

Coil 1

Coil 1 Coil 2

1.00.6 0.80.40.2

B

A

0.20.6 0.40.81.0

BA= 0.5 ＋0.5S

Coil 1

BA= 0.6 ＋0.6S

Coil 2


位相方向

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

A? and B?

SENSE 2.0 Phase dir. AP SENSE 2.0 Phase dir. FH


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

2000 (Intera/R8)

2003(R9)

2005 (Achieva/R2)

2008(R2.6)2011 (Ingenia/R4)


SENSE Head coil



dS-SENSE搭載

Theory

Advantage

Artifact


Rip ArtifactSENSEによるアーチファクト

A B

FOV内に含まれていない部分の折り返し原因


FOV内に含まれていない部分の折り返し原因

SENSE f: 1.2

SENSE f: 2.5SENSE f: 2.0

SENSE f: 1.5

円形ファントム

折り返る領域折り返る領域


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

設定FOV 設定FOV 設定FOV

Foldover suppressionRip Artifactの対策

・～R3.2 ： Foldover suppression=yesと設定

・R4～： Foldover suppression=over samplingと設定

任意のover sampling範囲を設定(mm)設定FOV

MisregistrationSENSEによるアーチファクト

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

原因

腹部Reference scanの工夫Misregistrationの対策

・～R3.2 ：息止め撮像と呼吸同期撮像で共通のReference scan

・R4～：息止め撮像と呼吸同期撮像で個別のReference scan

Reference scanと本scanを同じ状況下(コイル位置・距離)で撮像する

Ref : NSA8 息止め:NSA2 自由呼吸:NSA2 息止め:NSA2 自由呼吸:NSA2

Ref : 息止め

息止めの本スキャンに適用

Ref : 自由呼吸

呼吸同期の本スキャンに適用

2000 (Intera/R8)

2003(R9)

2005 (Achieva/R2)

2008(R2.6)2011 (Ingenia/R4)


SENSE Head coil



dS-SENSE搭載

Theory

Advantage

Artifact


SENSEの搭載腹部領域

SENSE-body coil(4ch)

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

①息止め時間の短縮腹部領域におけるSENSEの有用性

Courtesy: VA Durham, USA

SENSE : no24sec breathhold

SENSE factor : 212sec breathhold

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)

- Single shot撮像 -

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°

前半部分と後半部分のEchoで信号強度が異なる

複数Echo発生させている間もT2減衰は進む


SENSE : 1.0 SENSE : 3.0

90°

180°

90°

180°

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


ms

90°180°

実効TE

ms

90°180°

実効TE

Normal TE(+Half scan)

ms

90°180°

実効TE

Normal TE(+Half scan+SENSE)

Long TE


Half scan + SENSEHalf scan


2000 (Intera/R8)

2003(R9)

2005 (Achieva/R2)

2008(R2.6)2011 (Ingenia/R4)


SENSE Head coil



dS-SENSE搭載

Theory

Advantage

Artifact


SENSE Head coil頭部領域

SENSE-head coil

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

下から見た図

SENSE 1.6 SENSE 2.0 SENSE 3.0

SENSE 2.0

2:02 2:17 0:36

2:43 3:58

Total Scan time12:34 min

T2W FLAIR DWI

T1W MRA

①撮像時間の短縮頭部領域におけるSENSEの有用性

⊿k

⊿k

SENSE : no

SENSE factor: 2.0

②DWIにおける歪み改善頭部領域におけるSENSEの有用性

P reductionPhase方向のSENSE factor

S reductionSlice方向のSENSE factor

B

A

C

位相エンコード方向

スライスエンコード方向

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

3D PC MRV

3D T1 FFE

スキャン時間の短縮！10min→5min

等方ボクセルでMPRが可能に！0.9mmIso約5分


P reductionPhase方向のSENSE factor

S reductionSlice方向のSENSE factor

Scan time=4:23

折り返る組織がない！

充分なSENSE展開能力


折り返る組織が存在！

低いSENSE展開能力

3D T2W TRA Slice方向の折り返し

MPR


2000 (Intera/R8)

2003(R9)

2005 (Achieva/R2)

2008(R2.6)2011 (Ingenia/R4)


SENSE Head coil



dS-SENSE搭載

Theory

Advantage

Artifact


SENSE Spine5ch coil脊椎領域

Spine5ch coil

Spine5ch coil+SENSEの有用性


1 2 3 4 5

位相方向とSENSEの使用制限

AP RL FH

× ○ ○

Spine5ch coil



1 2 3 4 5

位相方向とSENSEの使用制限

AP RL FH

× ○ ○


AP RL FH

Spine15ch ○ ○ ○Spine5ch × ○ ○


① DWIにおける歪み改善

Spine15ch coil

位相方向AP

SENSE P reduction : 2.0


Pos factor(R2～R3.2)折り返しartifactへの対策

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 :1.5

NSA : 1

SENSE : 1.0

Pos Factor :1.0

NSA : 1

R1.8~使用可能

NSA=1 FOV外にREST slab が挿入される。

NSA=2,4,6・・・ FOV の2倍のover samplingを位相方向に対して行う。

NSA=3,9・・・ 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。

NSA:1 NSA:2 NSA:3

設定FOV 設定FOV 設定FOV

Foldover suppression折り返しartifactへの対策

～R3.2(Achieva)

NSAに関係なく1.5倍オーバーサンプリング

Pos factor : 1.5の場合

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

NSAに関係なくover samplingされる

Pos factor (R2～R3.2)有用性

DWIにおける折り返しartifact対策

Foldover suppression:

over samplingをせず、

phase方向にRESTが入る

Pos factor:

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

REST Over sampling

Over sampling

Pos factor (R2～R3.2)有用性

2000 (Intera/R8)

2003(R9)

2005 (Achieva/R2)

2008(R2.6)2011 (Ingenia/R4)


SENSE Head coil



dS-SENSE搭載

Theory

Advantage

Artifact


32ch Torso/Cardiac coil

32ch Torso/Cardiac coilの有用性

① High SNR

② SENSE S reductionの活用

SENSE 32ch Torso/cardiac coil体幹部領域

4 x4 x

2000 (Intera/R8)

2003(R9)

2005 (Achieva/R2)

2008(R2.6)2011 (Ingenia/R4)


SENSE Head coil



dS-SENSE搭載

Theory

Advantage

Artifact


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

pa pb

m1 = S1a* pa + S1b* pb

コイル1

感度S1

コイル2

感度S2


a点 b点

( )( )

連立方程式による表現


m2 = S2b* pa + S2b*pb

求めたいのはpなので

行列式による表現

m = S＊p

m=m1

m2

S=S1a

S2a

S1b

S2b

p=pa

pb( )

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

p = S-1＊m

p = (ShΨn-1S)-1ShΨn

-1m h：複素共役転置Ψn：ノイズ共分散マトリックス

実際には

ノイズを考慮した最適化アルゴリズム

ノイズやg-factorの大きさに関連


SENSEの進化smart select


-1m h：複素共役転置Ψn：ノイズ共分散マトリックスノイズやg-factorの大きさに関連

10Elementsに最適化8 Elements

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

(Shsmart Ψn smart

-1 Ssmart)-1

※Ingeniaに搭載

SENSEの進化Minimal Artifact Factor(MAF)


-1m h：複素共役転置Ψn：ノイズ共分散マトリックス

p = (Sh(Ψn+Ψa)-1S)-1m Ψa：アーチファクト共分散マトリックス

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

※Ingeniaに搭載

SENSEの進化Anatomical Based Regularization(ABR)

p = (ShS)-1Shm h：複素共役転置Ψn：ノイズ共分散マトリックス

p = (ShS+R-1)-1Shm

• 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

Reference scan

撮像対象

SENSEの進化Anatomical Based Regularization(ABR)

p = (ShS)-1Shm h：複素共役転置Ψn：ノイズ共分散マトリックス

p = (ShS+R-1)-1Shm

※Ingeniaに搭載

• 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

SENSEの進化dS-SENSEアルゴリズム

MAF ABR※Ingeniaに搭載

dS-SENSEの利用Direct coronal DWI

SENSE 5倍速

dS-SENSEの応用dS-Zoom

FOV100 FOV150 FOV200FOV250 FOV300

ｄS SENSE 無 (SENSE=no)

ｄS SENSE 有 (SENSE P reduction=１)

dS-SENSEの応用dS-Zoom

FOV:120

FOV:180

FOV:250

2000 (Intera/R8)

2003(R9)

2005 (Achieva/R2)

2008(R2.6)2011 (Ingenia/R4)


SENSE Head coil



dS-SENSE搭載

Theory

Advantage

Artifact


第24回関西gyro meeting sense-mrの常識を変えた...

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