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JP7744253B2 - Information processing device and information processing method - Google Patents
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JP7744253B2 - Information processing device and information processing method - Google Patents

Information processing device and information processing method

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JP7744253B2 JP2022009328A JP2022009328A JP7744253B2 JP 7744253 B2 JP7744253 B2 JP 7744253B2 JP 2022009328 A JP2022009328 A JP 2022009328A JP 2022009328 A JP2022009328 A JP 2022009328A JP 7744253 B2 JP7744253 B2 JP 7744253B2
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Description

本明細書及び図面に開示の実施形態は、情報処理装置及び情報処理方法に関する。 The embodiments disclosed in this specification and drawings relate to an information processing device and an information processing method.

医用画像処理装置において、新しい診断情報を提供することが考えられる。例えば、通常のX線CT装置やMRI装置で得られる形態画像とは異なり、人体内部における導電率や誘電率などの電気特性や、弾性率や粘性率などの機械特性を未知量とし、これら未知量の3次元分布を算出し画像化することが考えられる。 It is conceivable that medical image processing devices could provide new diagnostic information. For example, unlike the morphological images obtained with conventional X-ray CT or MRI devices, it is conceivable that unknown quantities could be electrical properties such as conductivity and dielectric constant inside the human body, and mechanical properties such as elasticity and viscosity, and the three-dimensional distribution of these unknown quantities could be calculated and visualized.

これらの技術の例として、MREPT(Magnetic Resonance Electrical Property Tomography)、QCM(Quantative Conductivity Mapping)、MRE(Magnetic Resonance Elastography)などが挙げられる。これらにより、例えば癌や肝硬変などを、物性定数の変化として計測することも可能となる。 Examples of these technologies include MREPT (Magnetic Resonance Electrical Property Tomography), QCM (Quantitative Conductivity Mapping), and MRE (Magnetic Resonance Elastography). These techniques make it possible to measure conditions such as cancer and cirrhosis as changes in physical constants.

ここで、電気・機械特性が、人体内部で緩やかに変化する(数学的には、局所的に一様である)との仮定のもとで、それらの特性値を算出し画像化が行われる場合があった。しかしながら、その場合、異常部位の境界で、大きな推定誤差を生むこともあった。例えば、MREPTの場合、限局性の固形がんなど、正常組織に対して導電率が不連続に変化する場合、推定精度が低下する場合がある。 In some cases, electrical and mechanical properties are calculated and images are generated under the assumption that they change gradually inside the human body (mathematically, they are locally uniform). However, this can result in large estimation errors at the boundaries of abnormal areas. For example, in the case of MREPT, estimation accuracy can decrease when conductivity changes discontinuously compared to normal tissue, such as in the case of localized solid cancer.

また、有限要素法を用いる方法や、電磁場の積分表現を用いる方法により、電気・機械特性の、空間的な依存性を考慮する場合もある。しかしながら、例えば、解くべき微分方程式の中に計測場の高階微分が含まれるため不良設定問題になる場合や、解くべき積分方程式が未知量に対して非線形な方程式となるため、積分方程式の求解のために反復法を必要とし、適切な初期解を与えないとしばしば局所最適解に陥る場合もあった。 In addition, the spatial dependence of electrical and mechanical properties can sometimes be taken into account by using the finite element method or an integral representation of the electromagnetic field. However, for example, the differential equation to be solved may contain higher-order derivatives of the measurement field, resulting in an ill-posed problem, or the integral equation to be solved may be nonlinear with respect to the unknown quantities, requiring iterative methods to solve the integral equation, and often resulting in a local optimum if an appropriate initial solution is not provided.

国際公開第2013/057655号International Publication No. 2013/057655 米国特許第5、592、085号明細書U.S. Pat. No. 5,592,085

U. Katscher, et al.,”Electric Properties Tomography: Biochemical, Physical and Technical Background, Evaluation and Clinical Applications”, NMR in Biomed., 2017, Vol.30, e3729, pp.1-15U. Katscher, et al., “Electric Properties Tomography: Biochemical, Physical and Technical Background, Evaluation and Clinical Applications”, NMR in Biomed., 2017, Vol.30, e3729, pp.1-15 J. Liu, et al.,”Electrical Properties Tomography Based on B1Maps in MRI: Principles, Applications, and Challenges”, IEEE Trans. Biomed. Eng.,2017, Vol.64, No.11, pp.2515-2530J. Liu, et al., “Electrical Properties Tomography Based on B1Maps in MRI: Principles, Applications, and Challenges”, IEEE Trans. Biomed. Eng.,2017, Vol.64, No.11, pp.2515-2530 J. Chi, et al.,” Magnetic Resonance-Electrical Properties Tomography by Directly Solving Maxwell's Curl Equation”, Appl. Sci. 2020, Vol.10, No.9, 3318,J. Chi, et al., “Magnetic Resonance-Electrical Properties Tomography by Directly Solving Maxwell's Curl Equation”, Appl. Sci. 2020, Vol.10, No.9, 3318,

本明細書及び図面の開示の実施形態が解決しようとする課題の一つは、画質を向上させることである。ただし、本明細書及び図面に開示の実施形態により解決しようとする課題は上記課題に限られない。後述する実施形態に示す各構成による各効果に対応する課題を他の課題として位置づけることもできる。 One of the problems that the embodiments disclosed in this specification and drawings attempt to solve is improving image quality. However, the problems that the embodiments disclosed in this specification and drawings attempt to solve are not limited to the above problem. Problems corresponding to the effects of each configuration shown in the embodiments described below can also be positioned as other problems.

実施形態に係る情報処理装置は、取得部と、算出部とを備える。取得部は、計測対象における所定の物理量の空間分布に対応した計測場を取得する。算出部は、前記計測場と空間依存性のある未知量との間の第1の関係式と、前記取得部が取得した前記計測場に基づいて、前記計測対象における前記未知量を算出する。前記第1の関係式は、双対場の発散が前記計測場を用いて表現できる前記双対場を、前記計測場と、前記未知量とを用いて表現した第2の関係式と、前記双対場のヘルムホルツ分解とに基づいて得られた関係式である。 An information processing device according to an embodiment includes an acquisition unit and a calculation unit. The acquisition unit acquires a measurement field corresponding to the spatial distribution of a predetermined physical quantity in a measurement object. The calculation unit calculates the unknown quantity in the measurement object based on a first relational expression between the measurement field and a spatially dependent unknown quantity and the measurement field acquired by the acquisition unit. The first relational expression is a relational expression obtained based on a second relational expression that expresses the dual field, the divergence of which can be expressed using the measurement field, using the measurement field and the unknown quantity, and Helmholtz decomposition of the dual field.

図1は、実施形態に係る情報処理装置130を含む磁気共鳴イメージング装置100について示した図である。FIG. 1 is a diagram showing a magnetic resonance imaging apparatus 100 including an information processing apparatus 130 according to an embodiment. 図2は、実施形態に係る情報処理装置130が行う処理の流れについて説明したフローチャートである。FIG. 2 is a flowchart illustrating the flow of processing performed by the information processing apparatus 130 according to the embodiment. 図3は、MREPTの場合において、実施形態に係る情報処理装置130が行う処理の流れについて説明したフローチャートである。FIG. 3 is a flowchart illustrating the flow of processing performed by the information processing apparatus 130 according to the embodiment in the case of MREPT. 図4は、QCMの場合において、実施形態に係る情報処理装置130が行う処理の流れについて説明したフローチャートである。FIG. 4 is a flowchart illustrating the flow of processing performed by the information processing apparatus 130 according to the embodiment in the case of QCM. 図5は、MREの場合において、実施形態に係る情報処理装置130が行う処理の流れについて説明したフローチャートである。FIG. 5 is a flowchart illustrating the flow of processing performed by the information processing apparatus 130 according to the embodiment in the case of MRE. 図6は、実施形態に係る情報処理装置130が行う処理について説明した図である。FIG. 6 is a diagram illustrating the processing performed by the information processing apparatus 130 according to the embodiment. 図7は、実施形態に係る情報処理装置130が行う処理について説明した図である。FIG. 7 is a diagram illustrating the processing performed by the information processing apparatus 130 according to the embodiment. 図8は、実施形態に係る情報処理装置130が行う処理について説明したフローチャートである。FIG. 8 is a flowchart illustrating the processing performed by the information processing apparatus 130 according to the embodiment. 図9は、実施形態に係る情報処理装置130が行う処理について説明した図である。FIG. 9 is a diagram illustrating the processing performed by the information processing apparatus 130 according to the embodiment.

以下、図面を参照しながら、実施形態に係る情報処理装置及び情報処理方法について説明する。 The information processing device and information processing method according to the embodiment will be described below with reference to the drawings.

図1は、実施形態に係る情報処理装置130が、磁気共鳴イメージング装置100に組み込まれている場合の構成をしめした図である。ただし、実施形態は、情報処理装置130が、磁気共鳴イメージング装置100に組み込まれている場合に限られず、情報処理装置130が、磁気共鳴イメージング装置100から独立して構成されていてもよい。また、情報処理装置130は、超音波診断装置など、磁気共鳴イメージング装置100以外のモダリティの装置に組み込まれていてもよい。例えば、以下の実施形態では、磁気共鳴イメージング装置100を用い、振動板などにより組織を直接振動させて弾性場計測を行うMREの場合について説明するが、実施形態は、弾性場計測は組織を直接振動させて振動計測を行う装置を用いるなど、弾性分布が計測できる各種のモダリティに対しても適用可能である。 FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an information processing device 130 according to an embodiment incorporated into a magnetic resonance imaging device 100. However, the embodiment is not limited to the case where the information processing device 130 is incorporated into the magnetic resonance imaging device 100, and the information processing device 130 may be configured independently of the magnetic resonance imaging device 100. The information processing device 130 may also be incorporated into a device of a modality other than the magnetic resonance imaging device 100, such as an ultrasound diagnostic device. For example, the following embodiment describes the case of MRE, which uses the magnetic resonance imaging device 100 to directly vibrate tissue using a vibrating plate or the like to measure elastic fields. However, the embodiment can also be applied to various modalities that can measure elasticity distribution, such as using a device that directly vibrates tissue to measure elastic fields.

図1に示すように、磁気共鳴イメージング装置100は、静磁場磁石101と、静磁場電源(図示しない)と、傾斜磁場コイル103と、傾斜磁場電源104と、寝台105と、寝台制御回路106と、送信コイル107と、送信回路108と、受信コイル109と、受信回路110と、シーケンス制御回路120(シーケンス制御部)と、情報処理装置130とを備える。なお、磁気共鳴イメージング装置100に、被検体P(例えば、人体)は含まれない。また、図1に示す構成は一例に過ぎない。例えば、シーケンス制御回路120及び情報処理装置130内の各部は、適宜統合若しくは分離して構成されてもよい。 As shown in FIG. 1, the magnetic resonance imaging apparatus 100 includes a static magnetic field magnet 101, a static magnetic field power supply (not shown), a gradient magnetic field coil 103, a gradient magnetic field power supply 104, a bed 105, a bed control circuit 106, a transmission coil 107, a transmission circuit 108, a reception coil 109, a reception circuit 110, a sequence control circuit 120 (sequence control unit), and an information processing device 130. Note that the magnetic resonance imaging apparatus 100 does not include a subject P (e.g., a human body). The configuration shown in FIG. 1 is merely an example. For example, the various components of the sequence control circuit 120 and the information processing device 130 may be integrated or separated as appropriate.

静磁場磁石101は、中空の略円筒形状に形成された磁石であり、円筒内部の空間において、その中心軸(Z軸)方向に静磁場を発生する。静磁場磁石101は、例えば、超伝導磁石等であり、静磁場電源から電流の供給を受けて励磁される。静磁場電源は、静磁場磁石101に電流を供給する。別の例として、静磁場磁石101は、永久磁石でもよく、この場合、磁気共鳴イメージング装置100は、静磁場電源を備えなくてもよい。また、静磁場電源は、磁気共鳴イメージング装置100とは別に備えられてもよい。 The static magnetic field magnet 101 is a magnet formed in a hollow, approximately cylindrical shape, and generates a static magnetic field in the space inside the cylinder in the direction of its central axis (Z-axis). The static magnetic field magnet 101 is, for example, a superconducting magnet, and is excited by receiving a current from a static magnetic field power supply. The static magnetic field power supply supplies current to the static magnetic field magnet 101. As another example, the static magnetic field magnet 101 may be a permanent magnet, in which case the magnetic resonance imaging apparatus 100 does not need to be equipped with a static magnetic field power supply. The static magnetic field power supply may also be provided separately from the magnetic resonance imaging apparatus 100.

傾斜磁場コイル103は、中空の略円筒形状に形成されたコイルであり、静磁場磁石101の内側に配置される。傾斜磁場コイル103は、互いに直交するX、Y、及びZの各軸に対応する3つのコイルが組み合わされて形成されており、これら3つのコイルは、傾斜磁場電源104から個別に電流の供給を受けて、X、Y、及びZの各軸に沿って各軸の中心からの距離に応じてZ方向の磁場強度が変化する傾斜磁場を発生する。傾斜磁場コイル103によって発生するX、Y、及びZの各軸の傾斜磁場は、例えば、スライス用傾斜磁場Gs、位相エンコード用傾斜磁場Ge、及びリードアウト用傾斜磁場Grである。傾斜磁場電源104は、傾斜磁場コイル103に電流を供給する。 The gradient magnetic field coil 103 is a hollow, approximately cylindrical coil and is placed inside the static magnetic field magnet 101. The gradient magnetic field coil 103 is formed by combining three coils corresponding to the mutually orthogonal X, Y, and Z axes. These three coils are individually supplied with current from the gradient magnetic field power supply 104 and generate gradient magnetic fields along the X, Y, and Z axes whose magnetic field strength in the Z direction varies depending on the distance from the center of each axis. The gradient magnetic fields for the X, Y, and Z axes generated by the gradient magnetic field coil 103 are, for example, a slice gradient magnetic field Gs, a phase encoding gradient magnetic field Ge, and a readout gradient magnetic field Gr. The gradient magnetic field power supply 104 supplies current to the gradient magnetic field coil 103.

寝台105は、被検体Pが載置される天板105aを備え、寝台制御回路106による制御の下、天板105aを、被検体Pが載置された状態で、傾斜磁場コイル103の空洞(撮像口)内へ挿入する。通常、寝台105は、長手方向が静磁場磁石101の中心軸と平行になるように設置される。寝台制御回路106は、情報処理装置130による制御の下、寝台105を駆動して天板105aを長手方向及び上下方向へ移動する。 The bed 105 includes a top plate 105a on which the subject P is placed, and under the control of the bed control circuit 106, the top plate 105a is inserted into the cavity (imaging port) of the gradient magnetic field coil 103 with the subject P placed thereon. The bed 105 is typically installed so that its longitudinal direction is parallel to the central axis of the static magnetic field magnet 101. Under the control of the information processing device 130, the bed control circuit 106 drives the bed 105 to move the top plate 105a in the longitudinal and vertical directions.

送信コイル107は、傾斜磁場コイル103の内側に配置され、送信回路108からRF(Radio Frequency:高周波磁場)パルスの供給を受けて、高周波磁場を発生する。送信回路108は、対象とする原子の種類及び磁場強度で定まるラーモア(Larmor)周波数に対応するRFパルスを送信コイル107に供給する。 The transmitting coil 107 is positioned inside the gradient magnetic field coil 103 and generates a radio frequency magnetic field upon receiving RF (Radio Frequency) pulses from the transmitting circuit 108. The transmitting circuit 108 supplies the transmitting coil 107 with RF pulses corresponding to the Larmor frequency, which is determined by the type of atom of interest and the magnetic field strength.

受信コイル109は、傾斜磁場コイル103の内側に配置され、高周波磁場の影響によって被検体Pから発せられる磁気共鳴信号(以下、必要に応じて、「MR信号」と呼ぶ)を受信する。受信コイル109は、磁気共鳴信号を受信すると、受信した磁気共鳴信号を受信回路110へ出力する。 The receiving coil 109 is positioned inside the gradient magnetic field coil 103 and receives magnetic resonance signals (hereinafter referred to as "MR signals" as necessary) emitted from the subject P due to the influence of the radio frequency magnetic field. When the receiving coil 109 receives the magnetic resonance signals, it outputs the received magnetic resonance signals to the receiving circuit 110.

なお、上述した送信コイル107及び受信コイル109は一例に過ぎない。送信機能のみを備えたコイル、受信機能のみを備えたコイル、若しくは送受信機能を備えたコイルのうち、1つ若しくは複数を組み合わせることによって構成されればよい。 Note that the above-mentioned transmitting coil 107 and receiving coil 109 are merely examples. The coil may be configured by combining one or more of a coil with only a transmitting function, a coil with only a receiving function, or a coil with both a transmitting and receiving function.

受信回路110は、受信コイル109から出力される磁気共鳴信号を検出し、検出した磁気共鳴信号に基づいて磁気共鳴データを生成する。具体的には、受信回路110は、受信コイル109から出力される磁気共鳴信号をデジタル変換することによって磁気共鳴データを生成する。また、受信回路110は、生成した磁気共鳴データをシーケンス制御回路120へ送信する。なお、受信回路110は、静磁場磁石101や傾斜磁場コイル103等を備える架台装置側に備えられてもよい。 The receiving circuit 110 detects the magnetic resonance signal output from the receiving coil 109 and generates magnetic resonance data based on the detected magnetic resonance signal. Specifically, the receiving circuit 110 generates magnetic resonance data by digitally converting the magnetic resonance signal output from the receiving coil 109. The receiving circuit 110 also transmits the generated magnetic resonance data to the sequence control circuit 120. The receiving circuit 110 may also be provided on the gantry side, which includes the static magnetic field magnet 101, gradient magnetic field coil 103, etc.

シーケンス制御回路120は、情報処理装置130から送信されるシーケンス情報に基づいて、傾斜磁場電源104、送信回路108及び受信回路110を駆動することによって、被検体Pの撮像を行う。ここで、シーケンス情報は、撮像を行うための手順を定義した情報である。シーケンス情報には、傾斜磁場電源104が傾斜磁場コイル103に供給する電流の強さや電流を供給するタイミング、送信回路108が送信コイル107に供給するRFパルスの強さやRFパルスを印加するタイミング、受信回路110が磁気共鳴信号を検出するタイミング等が定義される。例えば、シーケンス制御回路120は、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field Programmable Gate Array)等の集積回路、CPU(Central Processing Unit)、MPU(Micro Processing Unit)等の電子回路である。なお、シーケンス制御回路120が実行するパルスシーケンスの詳細については、後述する。 The sequence control circuit 120 drives the gradient magnetic field power supply 104, the transmission circuitry 108, and the reception circuitry 110 based on sequence information transmitted from the information processing device 130 to image the subject P. Here, the sequence information defines the procedure for performing imaging. The sequence information defines the strength of the current supplied by the gradient magnetic field power supply 104 to the gradient magnetic field coil 103 and the timing of supplying the current, the strength of the RF pulse supplied by the transmission circuitry 108 to the transmission coil 107 and the timing of applying the RF pulse, and the timing of detecting the magnetic resonance signal by the reception circuitry 110. For example, the sequence control circuit 120 is an integrated circuit such as an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) or FPGA (Field Programmable Gate Array), or an electronic circuit such as a CPU (Central Processing Unit) or MPU (Micro Processing Unit). Details of the pulse sequence executed by the sequence control circuit 120 will be described later.

さらに、シーケンス制御回路120は、傾斜磁場電源104、送信回路108及び受信回路110を駆動して被検体Pを撮像した結果、受信回路110から磁気共鳴データを受信すると、受信した磁気共鳴データを情報処理装置130へ転送する。情報処理装置130は、磁気共鳴イメージング装置100の全体制御や、画像の生成等を行う。情報処理装置130は、メモリ132、入力装置134、ディスプレイ135、処理回路150を備える。処理回路150は、インタフェース機能131、制御機能133、生成機能136を備える。 Furthermore, when the sequence control circuit 120 receives magnetic resonance data from the receiving circuit 110 as a result of driving the gradient magnetic field power supply 104, the transmitting circuit 108, and the receiving circuit 110 to image the subject P, the sequence control circuit 120 transfers the received magnetic resonance data to the information processing device 130. The information processing device 130 performs overall control of the magnetic resonance imaging apparatus 100 and generates images. The information processing device 130 includes a memory 132, an input device 134, a display 135, and a processing circuit 150. The processing circuit 150 includes an interface function 131, a control function 133, and a generation function 136.

実施形態では、インタフェース機能131、制御機能133、生成機能136、特定機能137、取得機能138、算出機能139にて行われる各処理機能は、コンピュータによって実行可能なプログラムの形態でメモリ132へ記憶されている。処理回路150はプログラムをメモリ132から読み出し、実行することで各プログラムに対応する機能を実現するプロセッサである。換言すると、各プログラムを読み出した状態の処理回路150は、図1の処理回路150内に示された各機能を有することになる。なお、図1においては単一の処理回路150にて、インタフェース機能131、制御機能133、生成機能136、特定機能137、取得機能138、算出機能139にて行われる処理機能が実現されるものとして説明するが、複数の独立したプロセッサを組み合わせて処理回路150を構成し、各プロセッサがプログラムを実行することにより機能を実現するものとしても構わない。換言すると、上述のそれぞれの機能がプログラムとして構成され、1つの処理回路150が各プログラムを実行する場合であってもよい。別の例として、特定の機能が専用の独立したプログラム実行回路に実装される場合であってもよい。なお、図1において、インタフェース機能131、制御機能133、生成機能136、特定機能137、取得機能138、算出機能139は、それぞれ受付部、制御部、生成部、特定部、取得部、算出部の一例である。また、シーケンス制御回路120は、シーケンス制御部の一例である。特定機能137、取得機能138及び算出機能139の具体的な処理については、後述する。 In this embodiment, the processing functions performed by the interface function 131, control function 133, generation function 136, identification function 137, acquisition function 138, and calculation function 139 are stored in memory 132 in the form of computer-executable programs. The processing circuit 150 is a processor that reads and executes the programs from memory 132 to realize the functions corresponding to each program. In other words, the processing circuit 150, after reading each program, has each of the functions shown in the processing circuit 150 in FIG. 1. Note that while FIG. 1 illustrates a single processing circuit 150 realizing the processing functions performed by the interface function 131, control function 133, generation function 136, identification function 137, acquisition function 138, and calculation function 139, the processing circuit 150 may also be configured by combining multiple independent processors, and each processor may execute a program to realize the function. In other words, each of the above functions may be configured as a program, and a single processing circuit 150 may execute each program. As another example, a specific function may be implemented in a dedicated, independent program execution circuit. In FIG. 1, the interface function 131, control function 133, generation function 136, identification function 137, acquisition function 138, and calculation function 139 are examples of a reception unit, control unit, generation unit, identification unit, acquisition unit, and calculation unit, respectively. The sequence control circuit 120 is an example of a sequence control unit. Specific processing by the identification function 137, acquisition function 138, and calculation function 139 will be described later.

上記説明において用いた「プロセッサ」という文言は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、GPU(Graphical Processing Unit)或いは、特定用途向け集積回路(Application Specific Integrated Circuit:ASIC)、プログラマブル論理デバイス(例えば、単純プログラマブル論理デバイス(Simple Programmable Logic Device:SPLD)、複合プログラマブル論理デバイス(Complex Programmable Logic Device:CPLD)、及びフィールドプログラマブルゲートアレイ(Field Programmable Gate Array:FPGA))等の回路を意味する。プロセッサはメモリ132に保存されたプログラムを読み出し実行することで機能を実現する。 The term "processor" used in the above description refers to circuits such as a CPU (Central Processing Unit), GPU (Graphical Processing Unit), or an application-specific integrated circuit (ASIC), programmable logic device (e.g., Simple Programmable Logic Device (SPLD), Complex Programmable Logic Device (CPLD), and Field Programmable Gate Array (FPGA)). The processor performs functions by reading and executing programs stored in memory 132.

また、メモリ132にプログラムを保存する代わりに、プロセッサの回路内にプログラムを直接組み込むよう構成しても構わない。この場合、プロセッサは回路内に組み込まれたプログラムを読み出し実行することで機能を実現する。なお、寝台制御回路106、送信回路108、受信回路110等も同様に、上記のプロセッサ等の電子回路により構成される。 In addition, instead of storing the program in memory 132, the program may be configured to be directly embedded in the processor circuitry. In this case, the processor realizes its functions by reading and executing the program embedded in the circuitry. Note that the bed control circuitry 106, transmission circuitry 108, reception circuitry 110, etc. are also similarly configured using electronic circuits such as the processors described above.

処理回路150は、インタフェース機能131により、シーケンス情報をシーケンス制御回路120へ送信し、シーケンス制御回路120から磁気共鳴データを受信する。また、磁気共鳴データを受信すると、インタフェース機能131を有する処理回路150は、受信した磁気共鳴データをメモリ132に格納する。 The processing circuitry 150 transmits sequence information to the sequence control circuitry 120 and receives magnetic resonance data from the sequence control circuitry 120 via the interface function 131. Furthermore, upon receiving the magnetic resonance data, the processing circuitry 150, which has the interface function 131, stores the received magnetic resonance data in memory 132.

メモリ132に格納された磁気共鳴データは、制御機能133によってk空間に配置される。この結果、メモリ132は、k空間データを記憶する。 The magnetic resonance data stored in memory 132 is arranged in k-space by control function 133. As a result, memory 132 stores k-space data.

メモリ132は、インタフェース機能131を有する処理回路150によって受信された磁気共鳴データや、制御機能133を有する処理回路150によってk空間に配置されたk空間データ、生成機能136を有する処理回路150によって生成された画像データ等を記憶する。例えば、メモリ132は、RAM(Random Access Memory)、フラッシュメモリ等の半導体メモリ素子、ハードディスク、光ディスク等である。 The memory 132 stores magnetic resonance data received by the processing circuitry 150 having the interface function 131, k-space data arranged in k-space by the processing circuitry 150 having the control function 133, image data generated by the processing circuitry 150 having the generation function 136, etc. For example, the memory 132 is a semiconductor memory element such as RAM (Random Access Memory), flash memory, a hard disk, an optical disk, etc.

入力装置134は、操作者からの各種指示や情報入力を受け付ける。入力装置134は、例えば、マウスやトラックボール等のポインティングデバイス、モード切替スイッチ等の選択デバイス、あるいはキーボード等の入力デバイスである。ディスプレイ135は、制御機能133を有する処理回路150による制御の下、撮像条件の入力を受け付けるためのGUI(Graphical User Interface)や、生成機能136を有する処理回路150によって生成された画像等を表示する。ディスプレイ135は、例えば、液晶表示器等の表示デバイスである。 The input device 134 accepts various instructions and information input from the operator. The input device 134 is, for example, a pointing device such as a mouse or trackball, a selection device such as a mode switch, or an input device such as a keyboard. The display 135, under the control of the processing circuit 150 having the control function 133, displays a GUI (Graphical User Interface) for accepting input of imaging conditions, images generated by the processing circuit 150 having the generation function 136, and the like. The display 135 is, for example, a display device such as a liquid crystal display.

処理回路150は、制御機能133により、磁気共鳴イメージング装置100の全体制御を行い、撮像や画像の生成、画像の表示等を制御する。例えば、制御機能133を有する処理回路150は、撮像条件(撮像パラメータ等)の入力をGUI上で受け付け、受け付けた撮像条件に従ってシーケンス情報を生成する。また、制御機能133を有する処理回路150は、生成したシーケンス情報をシーケンス制御回路120へ送信する。 The processing circuitry 150 uses the control function 133 to perform overall control of the magnetic resonance imaging apparatus 100, controlling imaging, image generation, image display, etc. For example, the processing circuitry 150 with the control function 133 accepts input of imaging conditions (imaging parameters, etc.) on a GUI and generates sequence information according to the accepted imaging conditions. The processing circuitry 150 with the control function 133 also transmits the generated sequence information to the sequence control circuit 120.

処理回路150は、生成機能136により、k空間データをメモリ132から読み出し、読み出したk空間データにフーリエ変換等の再構成処理を施すことで、画像を生成する。 The processing circuitry 150 uses the generation function 136 to read the k-space data from the memory 132 and generate an image by performing reconstruction processing such as a Fourier transform on the read k-space data.

続いて、実施形態に関する背景について説明する。 Next, we will explain the background to the embodiments.

医用画像処理装置において、通常のX線CT装置やMRI装置とは異なった、新しい診断情報を提供することが考えられる。例えば、通常のX線CT装置やMRI装置で得られる構造画像とは異なり、人体内部における導電率や誘電率などの電気特性や、弾性率や粘性率などの機械特性を未知量とし、これら未知量の3次元分布を算出し画像化することが考えられる。 It is conceivable that medical image processing devices could provide new diagnostic information that differs from that of conventional X-ray CT and MRI devices. For example, unlike the structural images obtained with conventional X-ray CT and MRI devices, it is conceivable that unknown quantities could be electrical properties such as conductivity and dielectric constant inside the human body, and mechanical properties such as elasticity and viscosity, and the three-dimensional distribution of these unknown quantities could be calculated and visualized.

これらの技術の例として、MREPT(Magnetic Resonance Electrical Property Tomography)、QCM(Quantative Conductivity Mapping)、MRE(Magnetic Resonance Elastography)などが挙げられる。これらの技術により、例えば癌や肝硬変などを、物性定数の変化として計測することも可能となる。 Examples of these technologies include MREPT (Magnetic Resonance Electrical Property Tomography), QCM (Quantitative Conductivity Mapping), and MRE (Magnetic Resonance Elastography). These technologies also make it possible to measure conditions such as cancer and cirrhosis as changes in physical constants.

ここで、従来技術においては、電気・機械特性が、人体内部で緩やかに変化する(数学的には局所的に一様である)との仮定のもとで、それらを算出し画像化を行う場合がある。しかしながら、電気・機械特性が、人体内部で局所的に一様と仮定した場合、異常部位の境界で、大きな推定誤差を生む場合もある。 In conventional technology, electrical and mechanical properties are calculated and imaged under the assumption that they change gradually within the human body (mathematically, they are locally uniform). However, assuming that electrical and mechanical properties are locally uniform within the human body can result in large estimation errors at the boundaries of abnormal areas.

また、有限要素法を用いる方法や、電磁場の積分表現を用いる方法により、電気・機械特性の、空間的な依存性を考慮することも考えられる。しかしながら、例えば、前者の方法の場合、解くべき微分方程式の中に計測場の高階微分が含まれるため不良設定問題になる場合があり、また後者の方法の場合、解くべき積分方程式が未知量に対して非線形な方程式となるため、積分方程式の求解のために反復法を必要とし、適切な初期解を与えないとしばしば局所最適解に陥る場合もあった。 It is also possible to consider the spatial dependence of electrical and mechanical properties by using the finite element method or an integral representation of the electromagnetic field. However, for example, with the former method, the differential equation to be solved contains higher-order derivatives of the measurement field, which can result in an ill-posed problem. With the latter method, the integral equation to be solved is nonlinear with respect to the unknown quantities, requiring iterative methods to solve the integral equation, and if an appropriate initial solution is not provided, it can often result in a local optimum.

かかる背景に鑑みて、実施形態に係る情報処理装置130は、観測ノイズに頑健となるような積分表現を用い、解くべき方程式が未知量に関して線形な積分方程式になるように、計測場に対する双対場を導入し、当該双対場のヘルムホルツ分解から導かれる関係式に基づいて、空間依存性のある未知量を算出する。 In light of this background, the information processing device 130 according to the embodiment uses an integral representation that is robust to observation noise, introduces a dual field to the measurement field so that the equation to be solved becomes an integral equation that is linear with respect to the unknown quantities, and calculates the spatially dependent unknown quantities based on a relational expression derived from the Helmholtz decomposition of the dual field.

具体的には、実施形態に係る情報処理装置130は、処理回路150を有する。処理回路150は、取得機能138により、計測対象における所定の物理量の空間分布に対応した計測場を取得する。また、処理回路150は、算出機能139により、計測場と空間依存性のある未知量との間の第1の関係式と、当該計測場に基づいて、計測対象における未知量を算出する。ここで第1の関係式は、双対場の発散が前記計測場を用いて表現できる双対場を、計測場と、未知量とを用いて表現した第2の関係式と、双対場のヘルムホルツ分解とに基づいて得られた関係式である。 Specifically, the information processing device 130 according to the embodiment has a processing circuit 150. The processing circuit 150 acquires, using an acquisition function 138, a measurement field corresponding to the spatial distribution of a predetermined physical quantity in the measurement object. The processing circuit 150 also uses a calculation function 139 to calculate a first relational expression between the measurement field and a spatially dependent unknown quantity, and to calculate the unknown quantity in the measurement object based on the measurement field. Here, the first relational expression is a relational expression obtained based on a second relational expression that expresses a dual field, the divergence of which can be expressed using the measurement field, using the measurement field and the unknown quantity, and Helmholtz decomposition of the dual field.

また、実施形態に係る情報処理方法は、計測対象における所定の物理量の空間分布に対応した計測場を取得し、計測場と空間依存性のある未知量との間の第1の関係式と、取得部が取得した計測場に基づいて、計測対象における未知量を算出することを含み、当該第1の関係式は、双対場の発散が計測場を用いて表現できる双対場を、計測場と未知量とを用いて表現した第2の関係式と、双対場のヘルムホルツ分解とに基づいて得られた関係式である。 In addition, the information processing method according to the embodiment includes acquiring a measurement field corresponding to the spatial distribution of a predetermined physical quantity in the measurement object, and calculating the unknown quantity in the measurement object based on a first relational expression between the measurement field and a spatially dependent unknown quantity and the measurement field acquired by the acquisition unit, where the first relational expression is a relational expression obtained based on a second relational expression that expresses a dual field, in which the divergence of the dual field can be expressed using the measurement field, using the measurement field and the unknown quantity, and Helmholtz decomposition of the dual field.

かかる情報処理装置130及び情報処理方法によれば、画質を向上することができる。 This information processing device 130 and information processing method can improve image quality.

以下、図2~7を用いて、実施形態に係る情報処理装置の行う処理について説明する。図2は、実施形態に係る情報処理装置が行う処理の手順を説明したフローチャートである。図2において、実施形態に係る情報処理装置が行う処理の手順の一般論について説明し、図3~図5においては、個別の適用事例において、当該手順を適用した場合の処理の詳細について説明している。具体的には、図3~図5は、それぞれMREPT(Magnetic Resonance Electrical Property Tomography)、QCM(Quantitative Conductive Mapping)、MRE(Magnetic Resonance Elastography)の例において、実施形態に係る処理を適用した場合の手順を具体的に説明したものである。図6は、計測場、推定する未知量、基礎方程式の関係を、図7は、計測場、双対場、及び計測場と双対場の関係について説明した図である。 The processing performed by the information processing device according to the embodiment will be described below using Figures 2 to 7. Figure 2 is a flowchart illustrating the processing procedure performed by the information processing device according to the embodiment. Figure 2 describes the general principles of the processing procedure performed by the information processing device according to the embodiment, while Figures 3 to 5 describe the details of the processing when the procedure is applied in individual application cases. Specifically, Figures 3 to 5 specifically explain the procedures when the processing according to the embodiment is applied in the examples of MREPT (Magnetic Resonance Electrical Property Tomography), QCM (Quantitative Conductive Mapping), and MRE (Magnetic Resonance Elastography), respectively. Figure 6 shows the relationship between the measurement field, unknown quantities to be estimated, and the fundamental equations, while Figure 7 explains the measurement field, dual field, and the relationship between the measurement field and dual field.

はじめに、双対場の導入の前に、実施形態に係る情報処理装置130における、計測場と、未知量との関係について説明する。 First, before introducing the dual field, we will explain the relationship between the measurement field and unknown quantities in the information processing device 130 according to the embodiment.

図2において、ステップS100~ステップS130の説明については後述することにし、ステップS140の説明を先に行うと、ステップS140において、処理回路150は、取得機能138により、計測対象における所定の物理量の空間分布に対応した計測場を取得し、算出機能139により、取得した計測場と、ステップS130で得られた関係式とをもとに、計測対象における未知量が算出される。具体的には、処理回路150は、取得機能138により、計測対象における所定の物理量の空間分布に対応した計測場を取得する。続いて、処理回路150は、算出機能139により、取得機能138により取得した計測場と、後述するステップS130で得られた、計測場と空間依存性のある未知量との間の第1の関係式とに基づいて、計測対象における空間依存性のある未知量を推定する。当該第1の関係式は、基礎方程式から導かれる方程式である。なお、後述するように、第1の関係式は、双対場の発散が計測場を用いて表現できるような双対場を、計測場と当該未知量とを用いて表現した第2の関係式と、双対場のヘルムホルツ分解とに基づいて得られた関係式である。 In FIG. 2, steps S100 to S130 will be described later. First, step S140 will be described. In step S140, the processing circuit 150 acquires a measurement field corresponding to the spatial distribution of a predetermined physical quantity in the measurement object using the acquisition function 138, and the calculation function 139 calculates an unknown quantity in the measurement object based on the acquired measurement field and the relational equation obtained in step S130. Specifically, the processing circuit 150 acquires a measurement field corresponding to the spatial distribution of the predetermined physical quantity in the measurement object using the acquisition function 138. Next, the processing circuit 150 estimates, using the calculation function 139, the spatially dependent unknown quantity in the measurement object based on the measurement field acquired by the acquisition function 138 and a first relational equation between the measurement field and the spatially dependent unknown quantity obtained in step S130, which will be described later. The first relational equation is an equation derived from the fundamental equation. As will be described later, the first relational equation is a relational equation obtained based on the Helmholtz decomposition of the dual field, and the second relational equation, which expresses the dual field, whose divergence can be expressed using the measurement field, using the measurement field and the unknown quantity.

図6に、実施形態に係るこれら計測場と未知量との関係が示されている。 Figure 6 shows the relationship between these measurement fields and unknown quantities in this embodiment.

実施形態の第1の適用例として、MREPT(Magnetic Resonance Electrical Property Tomography)が挙げられる。MREPTは、MRIを用いて、人体内部のRF磁場の振幅及び位相を計測し、導電率と誘電率の分布を画像化する方法である。 A first application example of this embodiment is MREPT (Magnetic Resonance Electrical Property Tomography). MREPT is a method that uses MRI to measure the amplitude and phase of RF magnetic fields inside the human body and visualize the distribution of electrical conductivity and permittivity.

MREPTの場合、処理回路150は、取得機能138により、以下の式(1)で与えられるRF磁場Hを、計測場として取得する。 In the case of MREPT, the processing circuit 150 acquires, via the acquisition function 138, an RF magnetic field H + given by the following equation (1) as a measurement field.

ここで、H及びHは、それぞれz軸に直交するx軸及びy軸方向のRF磁場である。 Here, H x and H y are the RF magnetic fields in the x-axis and y-axis directions, respectively, which are orthogonal to the z-axis.

また、以下の式(2)で与えられるファラデー則、及び、以下の式(3)で与えられるアンペール則が成り立つ。 Faraday's law, given by the following equation (2), and Ampere's law, given by the following equation (3), also hold true.

ここで、Eは電場であり、ωはLarmor角周波数であり、μは真空の透磁率であり、HはRF磁場である。また、λeは、インピーダンスであり、以下の式(4)で与えられる。 where E is the electric field, ω is the Larmor angular frequency, μ 0 is the magnetic permeability of a vacuum, H is the RF magnetic field, and λ is the impedance given by the following equation (4):

ここで、σeは導電率であり、εは誘電率である。 Here, σe is the conductivity and ε is the permittivity.

また、MREPTの場合、処理回路150は、算出機能139により、導電率σe、誘電率ε、あるいは式(4)で与えられるインピーダンスλeを、空間依存性のある未知量として推定する。 In addition, in the case of MREPT, the processing circuit 150 uses the calculation function 139 to estimate the conductivity σe, the permittivity ε, or the impedance λe given by equation (4) as unknown quantities with spatial dependence.

すなわち、MREPTの場合、図3のステップS140Aに示されているように、処理回路150は、取得機能138により、式(1)で与えられるRF磁場H+を、計測場として取得する。続いて、処理回路150は、算出機能139により、計測場であるRF磁場Hと、ステップS130Aで得られた、計測場Hと空間依存性のある未知量λeとの間の第1の関係式とに基づいて、計測対象において空間的に変化する未知量である導電率σe、誘電率ε、あるいはインピーダンス λeを算出する。 3, in the case of MREPT, processing circuitry 150 acquires the RF magnetic field H + given by equation (1) as a measurement field using acquisition function 138. Next, processing circuitry 150 calculates the electrical conductivity σe, dielectric constant ε, or impedance λe, which are unknown quantities that vary spatially in the measurement object, using calculation function 139, based on the RF magnetic field H + , which is the measurement field, and the first relational expression between the measurement field H + and the spatially dependent unknown quantity λe obtained in step S130A.

換言すると、MREPTの場合、計測場はRF磁場Hの振幅と位相であり、計測対象において空間的に変化する未知量は、導電率σeおよび誘電率εを含む。処理回路150は、算出機能139により算出した当該未知量に基づいて、MREPTを行う。 In other words, in the case of MREPT, the measurement field is the amplitude and phase of the RF magnetic field H + , and the unknown quantities that vary spatially in the measurement object include the electrical conductivity σ and the permittivity ε. The processing circuit 150 performs MREPT based on the unknown quantities calculated by the calculation function 139.

なお、計測場Hと、未知量λeとの間の第1の関係式は、式(2)で与えられるファラデー則及び式(3)で与えられるアンペール則に基づいて導出される。すなわち、第1の関係式は、アンペール則及びファラデー則から導かれる関係式である。 The first relational expression between the measurement field H and the unknown quantity λ is derived based on Faraday's law given by equation (2) and Ampere's law given by equation (3). That is, the first relational expression is derived from Ampere's law and Faraday's law.

なお、以下、計測対象の各ボクセルにおけるRF磁場Hを計測する方法を簡単に説明する。先ず、シーケンス制御回路120が実行するSE(Spin Echo)法シーケンスやGRE(Gradient Echo)法シーケンスに基づいて送信回路108よりRF信号が送信コイル107に送信される。処理回路150は、取得機能138から得られるSE信号あるいはGRE信号を受信コイル109から受信回路110を通して取得する。 A method for measuring the RF magnetic field H + in each voxel of the measurement target will be briefly described below. First, an RF signal is transmitted from the transmission circuit 108 to the transmission coil 107 based on an SE (Spin Echo) method sequence or a GRE (Gradient Echo) method sequence executed by the sequence control circuit 120. The processing circuit 150 acquires the SE signal or GRE signal obtained from the acquisition function 138 from the reception coil 109 via the reception circuit 110.

ここで、RF磁場Hは複素数であることから、実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置100は、基本的にRF磁場の振幅と位相の計測を行うことになる。 Here, since the RF magnetic field H + is a complex number, the magnetic resonance imaging apparatus 100 according to the embodiment basically measures the amplitude and phase of the RF magnetic field.

RF磁場の振幅の計測については、いくつかの方法が知られており、一般にB1マッピングと呼ばれる。基本的な原理を述べると、信号強度(振幅)をS、位置(x,y,z)における磁化をM0、磁化がRFパルスによって傾くフリップ角をαとすると、S=M0(x、y、z)sinαが成り立つ。従って、信号強度(振幅)は、磁化がRFパルスによって傾くフリップ角をαとして、sinαに比例する。従って、処理回路150は、算出機能139によりフリップ角αを算出し、算出したフリップ角αに基づいてsinαを算出することで、RF磁場の振幅を算出することができる。 Several methods are known for measuring the amplitude of an RF magnetic field, commonly referred to as B1 mapping. Explaining the basic principle, if signal strength (amplitude) is S, magnetization at position (x, y, z) is M0, and the flip angle at which the magnetization is tilted by the RF pulse is α, then S = M0(x, y, z) sin α holds. Therefore, signal strength (amplitude) is proportional to sin α, where α is the flip angle at which the magnetization is tilted by the RF pulse. Therefore, the processing circuitry 150 calculates the flip angle α using the calculation function 139, and then calculates sin α based on the calculated flip angle α, thereby calculating the amplitude of the RF magnetic field.

RF磁場の振幅の計測の一例として、GRE法シーケンスにおける繰り返し時間と計測対象の縦緩和時間(T1)の影響を排除するために、シーケンス制御回路120は、2つのフリップ角(以下、αと2αとおく)でGRE法のパルスシーケンスを実行する。処理回路150は、生成機能136により、シーケンス制御回路120より実行されたパルスシーケンスに基づいて、GRE法の画像を、当該2つのフリップ角について生成する。ここで、ボクセル毎の信号強度の比をrとすると、r=sinα/sin 2α=1/2cosαで与えられるから、処理回路150は、算出機能139により、2つのフリップ角について生成された画像より得られたボクセル毎の信号強度の比rに基づいて、フリップ角αを求めることができ、これに基づいてsinαを求めることにより、RF磁場の振幅を計測する。 As an example of measuring the amplitude of the RF magnetic field, the sequence control circuit 120 executes a GRE pulse sequence at two flip angles (hereinafter referred to as α and 2α) to eliminate the effects of the repetition time in the GRE sequence and the longitudinal relaxation time (T1) of the object being measured. The processing circuitry 150, using the generation function 136, generates GRE images for the two flip angles based on the pulse sequence executed by the sequence control circuitry 120. Here, if the ratio of signal intensities per voxel is r, then r = sin α/sin 2α = 1/2 cos α. Therefore, the processing circuitry 150 can calculate the flip angle α based on the ratio r of signal intensities per voxel obtained from the images generated for the two flip angles using the calculation function 139. Then, by calculating sin α based on this, the amplitude of the RF magnetic field is measured.

また、RF磁場の位相の計測については、例えばシーケンス制御回路120が、SE法のパルスシーケンスを実行し、処理回路150が算出機能139により、計測対象からのSE信号のピーク時の位相画像に基づいて送信RF位相を計測する方法が挙げられる。ここでは、RF磁場の送受信にクアドラチャ バードケージコイルを使用した例を説明する。当コイルは自由空間において非常に均一なRF磁場を発生することが知られている。(例えば、Convection-Reaction Equation Based Magnetic Resonance Electrical Properties Tomography (cr-MREPT): IEEE TRANSACTIONS ON MEDICAL IMAGING, VOL. 33, NO. 3, MARCH 2014 777)本コイルでSE画像を取得するとき、エコーピークをk空間の中心においてフーリエ変換することでSE画像を得る。SE画像なので静磁場不均一性による位相は打ち消されるが、RF送受信と傾斜磁場の駆動で発生する渦電流磁場による位相が残り以下の式(5)のように表される。 In addition, the phase of the RF magnetic field can be measured, for example, by having the sequence control circuit 120 execute a pulse sequence for the SE method, and the processing circuit 150 use the calculation function 139 to measure the transmitted RF phase based on the phase image at the peak of the SE signal from the measurement target. Here, we will explain an example in which a quadrature birdcage coil is used to transmit and receive the RF magnetic field. This coil is known to generate a very uniform RF magnetic field in free space. (For example, Convection-Reaction Equation Based Magnetic Resonance Electrical Properties Tomography (cr-MREPT): IEEE TRANSACTIONS ON MEDICAL IMAGING, VOL. 33, NO. 3, MARCH 2014 777) When acquiring an SE image with this coil, the echo peak is Fourier transformed at the center of k-space to obtain the SE image. Since this is an SE image, the phase due to static magnetic field inhomogeneity is canceled out, but the phase due to the eddy current magnetic field generated by RF transmission and reception and gradient magnetic field drive remains, and is expressed as shown in equation (5) below.

ここで、φ(r)はSE画像の位相、rは位置、φ+(r)は送信RF磁場の位相、φ-(r)は受信時の位相、∫γBe(r)dtは渦電流磁場による位相である。後者は、同じSEシーケンスで傾斜磁場を反転させたSE画像の位相と引き算処理することで打ち消すことができ、φ+(r)+φ-(r)が求められる。一方、本コイルにおいてはφ+(r)とφ-(r)はほぼ等しいことが知られている(φ+(r)≒φ-(r))。よって、求めたい送信RF位相φ+(r)は、(φ+(r)+φ-(r))/2 で求められる。なお、RF磁場の振幅および位相の計測法について説明したが、本発明の範囲はこの計測法を用いるものに限定されるものではない。振幅および位相の情報を得る手法であれば、他の計測法や推定法を用いても構わない。 Here, φ(r) is the phase of the SE image, r is the position, φ + (r) is the phase of the transmit RF magnetic field, φ - (r) is the phase at reception, and ∫γBe(r)dt is the phase due to the eddy current magnetic field. The latter can be canceled by subtracting it from the phase of the SE image obtained by reversing the gradient magnetic field using the same SE sequence, yielding φ + (r) + φ - (r). Meanwhile, it is known that in this coil, φ + (r) and φ - (r) are nearly equal (φ + (r) ≒ φ - (r)). Therefore, the desired transmit RF phase φ + (r) can be calculated as (φ + (r) + φ - (r))/2. While the measurement method for the amplitude and phase of the RF magnetic field has been described, the scope of the present invention is not limited to those using this measurement method. Other measurement or estimation methods may be used as long as they can obtain amplitude and phase information.

実施形態の第2の適用例として、QCM(Quantitative Conductivity Mapping)が挙げられる。QCMは、RF磁場の位相分布のみに基づいて、導電率の分布を画像化する方法である。 A second application example of this embodiment is QCM (Quantitative Conductivity Mapping). QCM is a method for imaging the distribution of electrical conductivity based solely on the phase distribution of an RF magnetic field.

QCMの場合、処理回路150は、取得機能138により、以下の式(6)で与えられる計測場φを、取得する。 In the case of QCM, the processing circuit 150 acquires the measurement field φ given by the following equation (6) using the acquisition function 138.

より具体的には、処理回路150は、取得機能138により、RF磁場Hの位相成分を抽出することにより、計測場φを取得する。 More specifically, processing circuitry 150 acquires, via acquisition function 138, the measurement field φ by extracting the phase component of the RF magnetic field H + .

また、QCMの場合、処理回路150は、算出機能139により、導電率σe、あるいは式(7)で与えられる抵抗率ρeを、空間依存性のある未知量として推定する。 In addition, in the case of a QCM, the processing circuit 150 uses the calculation function 139 to estimate the conductivity σe or the resistivity ρe given by equation (7) as an unknown quantity with spatial dependence.

すなわち、QCMの場合、図4のステップS140Bに示されているように、処理回路150は、取得機能138により、式(6)で与えられる計測場φを取得する。続いて、処理回路150は、算出機能139により、計測場φと、ステップS130Bで得られた、計測場φと空間依存性のある未知量ρeとの間の第1の関係式とに基づいて、計測対象において空間的に変化する未知量である導電率σeまたは抵抗率ρeを算出する。 That is, in the case of a QCM, as shown in step S140B of FIG. 4, the processing circuitry 150 acquires the measurement field φ given by equation (6) using the acquisition function 138. Next, the processing circuitry 150 calculates the electrical conductivity σe or resistivity ρe, which is an unknown quantity that varies spatially in the measurement object, using the calculation function 139, based on the measurement field φ and the first relational expression between the measurement field φ and the spatially dependent unknown quantity ρe obtained in step S130B.

換言すると、QCMの場合、計測場は例えばRF磁場Hの位相φであり、計測対象において空間的に変化する未知量は、導電率σeまたは抵抗率ρeを含む。処理回路150は、算出機能139により算出した当該未知量に基づいて、QCMを行う。 In other words, in the case of QCM, the measurement field is, for example, the phase φ of the RF magnetic field H + , and the unknown quantities that vary spatially in the measurement object include the conductivity σ or the resistivity ρ. The processing circuit 150 performs QCM based on the unknown quantities calculated by the calculation function 139.

なお、計測場φと、抵抗率ρeとの間の第1の関係式は、MREPTの場合で用いた、式(2)で与えられるファラデー則及び式(3)で与えられるアンペール則において、H+の振幅の空間的変化が緩やかであり、かつσe>>ωεであるという仮定を設けることで導出される。 The first relation between the measurement field φ and the resistivity ρe is derived by assuming that the spatial variation of the H+ amplitude is gradual and that σe >> ωε in Faraday's law given by equation (2) and Ampere's law given by equation (3), which were used in the case of MREPT.

実施形態の第3の適用例として、MRE(Magnetic Resonance Elastography)が挙げられる。MREは、人体に外部から振動を与えたときの変位分布をMRIを用いて計測し、人体内部の弾性率・粘性率等の分布を画像化する方法である。 A third application example of this embodiment is MRE (Magnetic Resonance Elastography). MRE is a method of using MRI to measure the displacement distribution when external vibrations are applied to the human body, and to visualize the distribution of elasticity, viscosity, and other properties inside the human body.

MREの場合、処理回路150は、取得機能138により、変位uを、計測場として取得する。なお、変位uは、ベクトル量である。 In the case of MRE, the processing circuitry 150 acquires the displacement u as the measurement field using the acquisition function 138. Note that the displacement u is a vector quantity.

また、以下の式(8)で与えられる運動方程式、及び、以下の式(9)で与えられるフック則が成り立つ。 Furthermore, the equation of motion given by the following equation (8) and Hooke's law given by the following equation (9) hold true.

ここで、σmは応力であり、ωは振動の角周波数、ρmは密度、uは変位である。ここで、応力σmはテンソル量であり、変位uはベクトル量であるので、式(8)は、変位uの各成分に-ω ρmを乗じたものが、応力σmの各行または列を取り出したベクトルの発散に等しいことを意味する。また、λm及びμmは弾性定数であり、具体的にはλmはラメの第1定数、μmはラメの第2定数である。また、Iは単位行列を表す。 Here, σm is stress, ω1 is the angular frequency of vibration, ρm is density, and u is displacement. Here, stress σm is a tensor quantity, and displacement u is a vector quantity, so equation (8) means that multiplying each component of displacement u by -ω1 2 ρm is equal to the divergence of the vector taken from each row or column of stress σm. Also, λm and μm are elastic constants; specifically, λm is Lamé's first constant, and μm is Lamé's second constant. Also, I represents the unit matrix.

また、MREの場合、処理回路150は、算出機能139により、弾性定数λm、μm、従って、弾性率、粘性率等を、空間依存性のある未知量として推定する。 In addition, in the case of MRE, the processing circuitry 150 uses the calculation function 139 to estimate the elastic constants λm and μm, and therefore the elastic modulus, viscosity coefficient, etc., as unknown quantities with spatial dependence.

すなわち、MREの場合、図5のステップS140Cに示されているように、処理回路150は、取得機能138により、変位uを、計測場として取得する。 That is, in the case of MRE, as shown in step S140C of FIG. 5, the processing circuitry 150 acquires the displacement u as the measurement field using the acquisition function 138.

続いて、処理回路150は、算出機能139により、計測場である変位uと、ステップS130Cで得られた、変位uと、弾性定数λm、μmとの間の第1の関係式とに基づいて、計測対象において空間的に変化する未知量である弾性定数λm、μmを算出する、あるいはそれらの弾性定数に基づいて、弾性率、粘性率等を算出する。 Next, the processing circuit 150 uses the calculation function 139 to calculate the elastic constants λm and μm, which are unknown quantities that change spatially in the measurement object, based on the displacement u, which is the measurement field, and the first relational equation between the displacement u and the elastic constants λm and μm obtained in step S130C, or calculates the elastic modulus, viscosity coefficient, etc. based on these elastic constants.

換言すると、MREの場合、計測場は変位uであり、計測対象において空間的に変化する未知量は、弾性率および粘性率を含む。処理回路150は、算出機能139により算出した当該未知量に基づいて、MREを行う。 In other words, in the case of MRE, the measurement field is the displacement u, and the unknown quantities that vary spatially in the measurement object include the elastic modulus and viscosity. The processing circuitry 150 performs MRE based on these unknown quantities calculated by the calculation function 139.

なお、計測場である変位uと、弾性定数λm、μmとの間の第1の関係式は、式(8)で表される運動方程式及び式(9)で与えられるフック則に基づいて導出される。すなわち、第1の関係式は、弾性体の運動方程式及びフック則から導かれる関係式である。 The first relational equation between the displacement u, which is the measurement field, and the elastic constants λm and μm is derived based on the equation of motion expressed in equation (8) and Hooke's law given in equation (9). In other words, the first relational equation is derived from the equation of motion of an elastic body and Hooke's law.

続いて、図2に戻り、図2のステップS100及びステップS110について、図7を適宜参照しながら説明する。 Next, returning to Figure 2, steps S100 and S110 in Figure 2 will be explained with reference to Figure 7 as appropriate.

はじめに、ステップS100において、双対場の発散(ダイバージェンス)が計測場を用いて表現できるような双対場が、計測場に対して導入される。また、ステップS110において、ステップS100で導入された双対場が、計測場と、空間依存性のある未知量とを用いて表現される。すなわち、ステップS110において、双対場の発散が計測場を用いて表現できるような双対場を、計測場と空間依存性のある未知量とを用いて表現した第2の関係式が、導入される。 First, in step S100, a dual field is introduced to the measurement field such that the divergence of the dual field can be expressed using the measurement field. Then, in step S110, the dual field introduced in step S100 is expressed using the measurement field and a spatially dependent unknown quantity. That is, in step S110, a second relational equation is introduced that expresses the dual field such that the divergence of the dual field can be expressed using the measurement field, using the measurement field and a spatially dependent unknown quantity.

MREPTの場合、例えば以下の式(10)を満たす場E(チルダーが付された量である)が導入される。 In the case of MREPT, for example, a field E (the quantity with a tilde) is introduced that satisfies the following equation (10):

ここで、E,E,及びEは、電場のそれぞれx軸、y軸、z軸方向の成分であり、
E+=(Ex+ i Ey)/2である。
where E x , E y , and E z are the components of the electric field in the x-, y-, and z-axis directions, respectively;
E + = (E x + i E y )/2.

また、ファラデー則である式(2)を変形すると、以下の式(11)が得られる。 Furthermore, by transforming Faraday's law, equation (2), we obtain the following equation (11).

すなわち、式(11)の左辺の場E(チルダーが付された量)の発散は、計測場の定数倍となり、その発散が計測場Hで表現されたものとなる。従って、式(11)の左辺の場E(チルダーが付された量である)は、その発散が計測場Hで表現されたものとなり、計測場Hに対する双対場となる。 That is, the divergence of the field E (quantity with a tilde) on the left side of equation (11) is a constant multiple of the measurement field, and this divergence is expressed in terms of the measurement field H + . Therefore, the divergence of the field E (quantity with a tilde) on the left side of equation (11) is expressed in terms of the measurement field H + , and it becomes a dual field to the measurement field H + .

すなわち、MREPTの場合、図3に示されているように、ステップS100Aにおいて、双対場E(チルダーが付された量である)の発散が計測場Hとなるように、計測場Hに対する双対場E(チルダーが付された量である)が導入される。 That is, in the case of MREPT, as shown in FIG. 3, in step S100A, a dual field E (a tilde quantity) is introduced for the measurement field H + such that the divergence of the dual field E (a tilde quantity) becomes the measurement field H + .

また、アンペール則である式(3)を変形すると、以下の式(12)が得られる。 Furthermore, by transforming Ampere's law, equation (3), we obtain the following equation (12).

ここで、演算子∇Cは、以下の式(13)で定義される演算子である。 Here, the operator ∇ C is an operator defined by the following equation (13).

すなわち、式(12)において、双対場E(チルダーが付された量である)が、計測場Hと、空間依存性のある未知量λeとを用いて表現される。 That is, in equation (12), the dual field E (the quantity with a tilde) is expressed using the measurement field H + and the unknown quantity λ e that has spatial dependence.

すなわち、ステップS110Aにおいて、双対場E(チルダーが付された量である)が、計測場Hと、導電率σe/誘電率εから導かれる未知量λeとを用いて表現される。 That is, in step S110A, the dual field E (a quantity with a tilde) is expressed using the measurement field H + and the unknown quantity λ e derived from the conductivity σ e /dielectric constant ε.

QCMの場合、式(5)で表される計測場φに対して、例えば以下の式(14)を満たす場ψが、計測場φに対する双対場として導入される。 In the case of QCM, for example, a field ψ satisfying the following equation (14) is introduced as the dual field to the measurement field φ expressed by equation (5).

すなわち、QCMの場合、図4に示されているように、ステップS100Bにおいて、双対場ψの発散が計測場φ=arg(H+)のゼロ乗、すなわち定数に比例するように、計測場φに対する双対場ψが導入される。 That is, in the case of QCM, as shown in Figure 4, in step S100B, a dual field ψ is introduced relative to the measurement field φ so that the divergence of the dual field ψ is proportional to the zeroth power of the measurement field φ = arg(H+), i.e., a constant.

また、MREPTの場合と同様、基礎方程式を変形すると、以下の式(15)が得られる。 Furthermore, as in the case of MREPT, by transforming the fundamental equation, we obtain the following equation (15).

すなわち、式(15)において、双対場ψが、計測場φと、空間依存性のある未知量ρeとを用いて表現される。 In other words, in equation (15), the dual field ψ is expressed using the measurement field φ and the spatially dependent unknown quantity ρe.

すなわち、QCMの場合、図4に示されているように、ステップS110Bにおいて、双対場ψが、計測場φと、抵抗率ρe(導電率σe)から導かれる未知量とを用いて表現される。 In other words, in the case of a QCM, as shown in Figure 4, in step S110B, the dual field ψ is expressed using the measurement field φ and unknown quantities derived from the resistivity ρe (conductivity σe).

MREの場合、例えば以下の式(16)を満たす場σmが導入される。 In the case of MRE, for example, a field σm is introduced that satisfies the following equation (16):

ここで、式(16)を、運動方程式である式(8)と比較すると、式(16)の左辺の場σmは、応力テンソルである。ここで、式(16)の左辺の場σmの発散は、計測場uで表現されたものとなる。従って、式(16)の左辺の場σmは、その発散が計測場uで表現されたものとなるから、計測場uに対する双対場となる。すなわち、MREにおいて、応力テンソルσmは、双対場となる。 Comparing equation (16) with equation (8), which is the equation of motion, the field σm on the left side of equation (16) is the stress tensor. Here, the divergence of the field σm on the left side of equation (16) is expressed in terms of the measurement field u. Therefore, the field σm on the left side of equation (16) is a dual field to the measurement field u, since its divergence is expressed in terms of the measurement field u. In other words, in MRE, the stress tensor σm becomes a dual field.

なお、式(16)において、ρmは弾性体の密度、ωは、外部から与える振動の角周波数である。また、式(16)において、双対場σmはテンソル量であり、計測場uはベクトル場であるが、式(16)は、式(8)と同様、双対場σmの各行ベクトルまたは各列ベクトルに対する発散が、計測場uの各成分に等しいことを意味する。 In equation (16), ρ is the density of the elastic body, and ω is the angular frequency of the externally applied vibration. In equation (16), the dual field σ is a tensor quantity, and the measurement field u is a vector field. However, as with equation (8), equation (16) means that the divergence of each row vector or column vector of the dual field σ is equal to each component of the measurement field u.

すなわち、MREの場合、図5に示されているように、ステップS100Cにおいて、双対場σm(の各行または列ベクトル)の発散が計測場である変位uの各成分となるように、変位uの各成分に対する双対場σmが導入される。 In other words, in the case of MRE, as shown in Figure 5, in step S100C, a dual field σm is introduced for each component of the displacement u, which is the measurement field, so that the divergence of the dual field σm (each row or column vector) becomes each component of the displacement u.

また、フック則である式(9)は、そのまま、以下の式(17)で示されるように、弾性定数λm及びμmを、推定する未知量として、双対場σmが、計測場uと、空間依存性のある未知量を用いて表現された関係式となる。 Furthermore, Hooke's law, equation (9), can be directly expressed as equation (17) below, in which the elastic constants λm and μm are the unknown quantities to be estimated, and the dual field σm is expressed using the measurement field u and spatially dependent unknown quantities.

すなわち、図5に示されているように、ステップS100Cにおいて、双対場σmが、計測場uと、未知量である弾性定数λm、μmとを用いて表現される。 That is, as shown in Figure 5, in step S100C, the dual field σm is expressed using the measurement field u and the unknown elastic constants λm and μm.

図2に戻り、ステップS120において、双対場のヘルムホルツ分解が行われる。ここで、ヘルムホルツ分解とは、ヘルムホルツの定理を用いて、三次元のベクトル場を、回転なしの場と、発散なしの場との和に表す操作である。ヘルムホルツの定理によると、三次元のベクトル場は、回転なしの場と、発散なしの場との和で表現できることが知られている。以下の式(18)は、有界な関心領域Ω内部における、任意の3次元ベクトル場f(r’)のヘルムホルツ分解を表している。 Returning to Figure 2, in step S120, Helmholtz decomposition of the dual field is performed. Here, Helmholtz decomposition is an operation that uses Helmholtz's theorem to express a three-dimensional vector field as the sum of a rotation-free field and a divergence-free field. According to Helmholtz's theorem, it is known that a three-dimensional vector field can be expressed as the sum of a rotation-free field and a divergence-free field. The following equation (18) represents the Helmholtz decomposition of an arbitrary three-dimensional vector field f(r') within a bounded region of interest Ω.

ここで、r及びr’は位置を表し、dvは関心領域Ω内の体積要素、dSは関心領域Ωの境界∂Ωにおける面積要素、nは境界∂Ωにおける法線ベクトルである。式(18)の第1項及び第2項は、回転なしベクトル場のそれぞれ体積積分項と表面積分項である。一方、式(18)第3項は発散なしのベクトル場である。式(18)は、任意の3次元ベクトル場について成り立つ恒等式である。 Here, r and r' represent positions, dv is a volume element within the region of interest Ω, dS is an area element at the boundary ∂Ω of the region of interest Ω, and n is the normal vector at the boundary ∂Ω. The first and second terms in equation (18) are the volume integral and surface integral terms, respectively, of a rotation-free vector field. On the other hand, the third term in equation (18) is a divergence-free vector field. Equation (18) is an identity that holds for any three-dimensional vector field.

ステップS120において、双対場のヘルムホルツ分解が行われる。すなわち、ステップS100において導入された双対場を式(18)に代入することにより、双対場を、回転なしベクトル場と、発散なしのベクトル場との和に分解することができる。このように分解された回転なしベクトル場の体積積分項は、双対場の発散を用いて表される。 In step S120, the Helmholtz decomposition of the dual field is performed. That is, by substituting the dual field introduced in step S100 into equation (18), the dual field can be decomposed into the sum of a rotation-free vector field and a divergence-free vector field. The volume integral term of the rotation-free vector field decomposed in this way is expressed using the divergence of the dual field.

例えば、MREPTの場合、双対場はE(チルダーが付された量である)であるから、これを式(18)に代入すると、以下の式(19)が得られる。 For example, in the case of MREPT, the dual field is E (the quantity with a tilde), so substituting this into equation (18) gives us the following equation (19).

すなわち、MREPTの場合では、図3のステップS120Aにおいて、双対場E(チルダーが付された量である)をヘルムホルツ分解する。これにより、双対場E(チルダーが付された量である)を、式(19)のように、回転なしベクトル場と、発散なしのベクトル場との和に分解することができる。ここで、このように分解された回転なしベクトル場の体積積分項は、双対場E(チルダーが付された量である)の発散を用いて表される。 That is, in the case of MREPT, in step S120A of Figure 3, the dual field E (the tilde-prefixed quantity) is subjected to Helmholtz decomposition. This allows the dual field E (the tilde-prefixed quantity) to be decomposed into the sum of a rotation-free vector field and a divergence-free vector field, as shown in equation (19). Here, the volume integral term of the rotation-free vector field decomposed in this way is expressed using the divergence of the dual field E (the tilde-prefixed quantity).

また、QCMの場合、双対場はψであるから、これを式(18)に代入すると、以下の式(20)が得られる。 Also, in the case of a QCM, the dual field is ψ, so substituting this into equation (18) gives the following equation (20).

すなわち、QCMの場合では、図4のステップS120Bにおいて、双対場ψをヘルムホルツ分解する。これにより、双対場ψを、式(20)のように、回転なしベクトル場と、発散なしのベクトル場との和に分解することができる。ここで、このように分解された回転なしベクトル場の体積積分項は、双対場ψの発散を用いて表される。 That is, in the case of QCM, the dual field ψ is subjected to Helmholtz decomposition in step S120B of Figure 4. This allows the dual field ψ to be decomposed into the sum of a rotation-free vector field and a divergence-free vector field, as shown in equation (20). Here, the volume integral term of the rotation-free vector field decomposed in this way is expressed using the divergence of the dual field ψ.

また、MREの場合、双対場はσmであるから、これを式(18)に代入すると、以下の式(21)が得られる。 Also, in the case of MRE, the dual field is σm, so substituting this into equation (18) gives the following equation (21).

ここで、図5のステップS120Cにおいて、双対場σmをヘルムホルツ分解する。これにより、双対場σmを、式(21)のように、回転なしベクトル場と、発散なしのベクトル場との和に分解することができる。ここで、このように分解された回転なしベクトル場の体積積分項は、双対場σmの発散を用いて表される。 Here, in step S120C of Figure 5, the dual field σm is subjected to Helmholtz decomposition. This allows the dual field σm to be decomposed into the sum of a rotation-free vector field and a divergence-free vector field, as shown in equation (21). Here, the volume integral term of the rotation-free vector field decomposed in this way is expressed using the divergence of the dual field σm.

続いて、図2のステップS130の処理について説明する。双対場の発散は、ステップS100で述べたように、計測場を用いて表される。そこで、例えば式(19)~式(21)で示されたように、双対場のヘルムホルツ分解をすることにより得られた、回転なしベクトル場の体積積分項は、双対場の発散を用いて表すことができるのであるから、双対場の発散が計測場である旨の関係式を代入することにより、当該回転なしベクトル場の体積積分項は、計測場を用いて表すことができる。さらに、ステップS110で説明したように、双対場は、計測場と、空間依存性のある未知量とを用いて第2の関係式として表現できるのであるから、この第2の関係式を双対場のヘルムホルツ分解の式に代入することにより、処理回路150は、算出機能139により、計測場と空間依存性のある未知量との間の関係式である第1の関係式を得ることができる。 Next, the processing of step S130 in FIG. 2 will be described. As described in step S100, the divergence of the dual field is expressed using the measurement field. Therefore, for example, as shown in equations (19) to (21), the volume integral term of the rotation-free vector field obtained by Helmholtz decomposition of the dual field can be expressed using the divergence of the dual field. Therefore, by substituting a relational expression indicating that the divergence of the dual field is the measurement field, the volume integral term of the rotation-free vector field can be expressed using the measurement field. Furthermore, as described in step S110, the dual field can be expressed as a second relational expression using the measurement field and a spatially dependent unknown quantity. Therefore, by substituting this second relational expression into the Helmholtz decomposition equation of the dual field, the processing circuitry 150, using the calculation function 139, can obtain a first relational expression, which is the relational expression between the measurement field and the spatially dependent unknown quantity.

このように、ステップS130において、処理回路150は、算出機能139により、双対場を計測場と空間依存性のある未知量とを用いて表した関係式である第2の関係式と、双対場のヘルムホルツ分解とに基づいて、計測場と空間依存性のある未知量との間の第1の関係式を得ることができる。 In this way, in step S130, the processing circuit 150, using the calculation function 139, can obtain a first relational equation between the measurement field and the spatially dependent unknown quantity based on the second relational equation, which is a relational equation that expresses the dual field using the measurement field and the spatially dependent unknown quantity, and the Helmholtz decomposition of the dual field.

なお、双対場の発散を計測場とする構成をとる利点を考えると、例えばMREPTの事例において、式(12)を式(11)に代入して、式(11)の左辺を具体的に計算すると、ベクトル解析の公式により、∇・(λe∇)=∇λe・∇+λe∇・(∇)となり、式(11)の左辺は、∇λeを含む項、すなわち空間依存性のある未知量の空間微分の項と、計測場の空間微分とが結合して複雑な形となっているが、これらの合計は、式(11)の右辺となり、計測場自身の定数倍という簡単な式になる。従って、双対場の発散を計測場とすることで、双対場のヘルムホルツ分解により登場する双対場の発散の項を計測場で置き換えることができ、空間依存性のある未知量の空間微分の項を、第1の関係式を表す積分方程式の中から消去することができる。すなわち、第1の関係式は、未知量の空間微分の項が除去された積分方程式となり、この結果、計算アルゴリズムが数値的に安定し、得られる画質が安定する。 Furthermore, considering the advantage of using the divergence of the dual field as the measurement field, for example, in the case of MREPT, if we substitute equation (12) into equation (11) and specifically calculate the left-hand side of equation (11), the formula for vector analysis becomes ∇・( λe∇c H + )=∇λe・∇C H + +λe∇・( ∇c H + ), and the left-hand side of equation (11) has a complex form due to the combination of a term including ∇λe, that is, the spatial derivative term of an unknown quantity with space dependence, and the spatial derivative of the measurement field, but the sum of these becomes the right-hand side of equation (11), which is a simple formula that is a constant multiple of the measurement field itself. Therefore, by using the divergence of the dual field as the measurement field, the divergence term of the dual field that appears in the Helmholtz decomposition of the dual field can be replaced with the measurement field, and the term of the spatial derivative of the unknown quantity that has space dependency can be eliminated from the integral equation that expresses the first relational expression. That is, the first relational expression becomes an integral equation from which the term of the spatial derivative of the unknown quantity has been removed, and as a result, the calculation algorithm becomes numerically stable, and the image quality that can be obtained becomes stable.

続いて、ステップS130の処理を、各適用例について具体的に記述すると、例えば、MREPTの場合、式(19)の右辺第1項の、回転なしベクトル場における、双対場E(チルダーが付された量である)の発散部分に、式(11)を代入し、残りの部分の双対場E(チルダーが付された量である)に式(12)を代入すると、以下の式(22)が得られる。 Next, the processing of step S130 will be described in detail for each application example. For example, in the case of MREPT, if we substitute equation (11) into the divergent part of the dual field E (a tilde quantity) in the rotation-free vector field in the first term on the right-hand side of equation (19), and then substitute equation (12) into the remaining part of the dual field E (a tilde quantity), we obtain the following equation (22).

すなわち、図3のステップS130Aにおいて、双対場E(チルダーが付された量である)を計測場Hと空間依存性のある未知量λeとを用いて表した関係式である式(12)と、双対場E(チルダーが付された量である)のヘルムホルツ分解である式(19)とに基づいて、計測場Hと、空間依存性のある未知量λeとの間の関係式である式(22)を得ることができる。 That is, in step S130A of FIG. 3, based on equation (12), which is a relational equation expressing the dual field E (a quantity with a tilde) using the measurement field H + and the spatially dependent unknown quantity λe, and equation (19), which is the Helmholtz decomposition of the dual field E (a quantity with a tilde), equation (22), which is a relational equation between the measurement field H + and the spatially dependent unknown quantity λe, can be obtained.

また、例えば、QCMの場合、式(20)の右辺第1項の、回転なしベクトル場における、双対場ψの発散部分に、式(14)を代入し、残りの部分の双対場ψに式(15)を代入すると、以下の式(23)が得られる。 Also, for example, in the case of a QCM, if we substitute equation (14) into the divergent part of the dual field ψ in the non-rotating vector field in the first term on the right-hand side of equation (20), and then substitute equation (15) into the remaining part of the dual field ψ, we obtain the following equation (23).

すなわち、図4のステップS130Bにおいて、双対場ψを計測場φと空間依存性のある未知量ρeとを用いて表した関係式である式(15)と、双対場ψのヘルムホルツ分解である式(20)とに基づいて、計測場φと、空間依存性のある未知量ρeとの間の関係式である式(23)を導出する。 That is, in step S130B of FIG. 4, equation (23), which is the relational equation between the measurement field φ and the spatially dependent unknown quantity ρe, is derived based on equation (15), which is the relational equation expressing the dual field ψ using the measurement field φ and the spatially dependent unknown quantity ρe, and equation (20), which is the Helmholtz decomposition of the dual field ψ.

また、例えば、MREの場合、式(21)の右辺第1項の、回転なしベクトル場における、双対場σmの発散部分に、式(16)を代入し、残りの部分の双対場σmに式(17)を代入すると、以下の式(24)が得られる。 Also, for example, in the case of MRE, if we substitute equation (16) into the divergent part of the dual field σm in the non-rotating vector field in the first term on the right-hand side of equation (21), and then substitute equation (17) into the remaining part of the dual field σm, we obtain the following equation (24).

すなわち、図5のステップS130Cにおいて、双対場σmを計測場である変位uと空間依存性のある未知量である弾性定数λm、μmとを用いて表した関係式である式(17)と、双対場σmのヘルムホルツ分解である式(21)とに基づいて、計測場である変位uと、空間依存性のある未知量である弾性定数λm、μmとの間の関係式である式(24)を導出する。 That is, in step S130C of FIG. 5, equation (24), which is the relational equation between the displacement u, which is the measurement field, and the elastic constants λm and μm, which are spatially dependent unknown quantities, is derived based on equation (17), which is the relational equation expressing the dual field σm using the displacement u, which is the measurement field, and the elastic constants λm and μm, which are spatially dependent unknown quantities, and equation (21), which is the Helmholtz decomposition of the dual field σm.

続いて、図2のステップS140について再び説明する。ステップS140において、計測対象における所定の物理量の空間分布に対応した計測場を取得し、取得した計測場と、ステップS130で得られた関係式とをもとに、計測対象における未知量が算出される。具体的には、ステップS140において、はじめに、処理回路150は、取得機能138により、計測対象における所定の物理量の空間分布に対応した計測場を取得する。 Next, step S140 in FIG. 2 will be described again. In step S140, a measurement field corresponding to the spatial distribution of a predetermined physical quantity in the measurement object is acquired, and the unknown quantity in the measurement object is calculated based on the acquired measurement field and the relational expression obtained in step S130. Specifically, in step S140, the processing circuit 150 first uses the acquisition function 138 to acquire a measurement field corresponding to the spatial distribution of the predetermined physical quantity in the measurement object.

例えば、MREPTの場合、処理回路150は、取得機能138により、例えば受信回路110より、RF磁場Hを、前述した方法により、計測場として取得する。 For example, in the case of MREPT, the processing circuitry 150 acquires an RF magnetic field H + as a measurement field by the acquisition function 138, for example, from the receiving circuitry 110, in the manner described above.

QCMの場合、処理回路150は、取得機能138により、例えば受信回路110より、RF磁場Hの位相を、計測場φとして取得する。 In the case of QCM, the processing circuit 150 acquires the phase of the RF magnetic field H + as the measurement field φ from, for example, the receiving circuit 110 via the acquisition function 138 .

MREの場合、MRI装置の静磁場中に被検体Pが置かれ、図示しない振動発生装置が、当該被検体に例えば外部から正弦波横振動を加える。シーケンス制御回路120は、例えば、外部振動と同期して正負の極性を交互に繰り返す傾斜磁場MPG(Motion Probing Gradients)位相シフト法のパルスシーケンスを実行する。処理回路150は、取得機能138により、当該パルスシーケンスに係る信号を取得する。処理回路150は、取得機能138により、当該取得した信号を基に、変位uに関する情報を取得する。 In the case of MRE, the subject P is placed in the static magnetic field of the MRI device, and a vibration generator (not shown) applies, for example, external sinusoidal transverse vibration to the subject. The sequence control circuit 120 executes, for example, a pulse sequence of a motion probing gradient (MPG) phase shift method, which alternates between positive and negative polarities in synchronization with the external vibration. The processing circuitry 150 acquires signals related to the pulse sequence using the acquisition function 138. The processing circuitry 150 acquires information about the displacement u based on the acquired signals using the acquisition function 138.

続いて、処理回路150は、算出機能139により、取得した計測場と、後述するステップS130で得られた、計測場と、空間依存性のある未知量との間の第1の関係式とに基づいて、当該空間依存性のある未知量を推定する。 Next, the processing circuit 150 uses the calculation function 139 to estimate the spatially dependent unknown quantity based on the acquired measurement field and the first relational equation between the measurement field and the spatially dependent unknown quantity obtained in step S130, which will be described later.

例えば、MREPTの場合、図3のステップS140Aに示されているように、処理回路150は、算出機能139により、取得した計測場Hと、ステップS130Aで得られた関係式である式(22)を基に、計測対象において空間的に変化する未知量であるインピーダンスλeまたは導電率σe/誘電率εを算出する。 For example, in the case of MREPT, as shown in step S140A of FIG. 3, the processing circuit 150 uses the calculation function 139 to calculate the impedance λ or the conductivity σ/dielectric constant ε, which are unknown quantities that vary spatially in the measurement target, based on the acquired measurement field H + and equation (22), which is the relational equation obtained in step S130A.

例えば、QCMの場合、図4のステップS140Bに示されているように、処理回路150は、算出機能139により、取得した計測場φと、ステップS130Bで得られた関係式である式(23)を基に、計測対象において空間的に変化する未知量である抵抗率ρe/導電率σeを算出する。 For example, in the case of a QCM, as shown in step S140B of FIG. 4, the processing circuit 150 uses the calculation function 139 to calculate the resistivity ρe/conductivity σe, which are unknown quantities that vary spatially in the measurement object, based on the acquired measurement field φ and equation (23), which is the relational equation obtained in step S130B.

例えば、MREの場合、図5のステップS140Cに示されているように、処理回路150は、算出機能139により、取得した計測場である変位uと、ステップS130Cで得られた関係式である式(24)を基に、計測対象において空間的に変化する未知量である弾性定数λm、μm等を算出する。 For example, in the case of MRE, as shown in step S140C of Figure 5, the processing circuit 150 uses the calculation function 139 to calculate the elastic constants λm, μm, etc., which are unknown quantities that vary spatially in the measurement object, based on the displacement u, which is the acquired measurement field, and equation (24), which is the relational equation obtained in step S130C.

続いて、双対場を計測場と空間依存性のある未知量とを用いて表した関係式である式(22)~式(24)を用いて画像を生成することの利点について説明する。これらの関係式の特徴として、いずれも、未知量に関する線形積分方程式であることが挙げられる。従って、反復法を用いずに直接解を求めることができる。これに対して、積分方程式が未知量に関する線形方程式でない場合、反復法を用いた計算が必要となり、初期解次第で局所最適解に陥る可能性があるが、実施形態に係る方法では、反復法を用いずに直接解を求めることができる。 Next, we will explain the advantages of generating images using equations (22) to (24), which are relational equations that express the dual field using the measurement field and spatially dependent unknown quantities. A characteristic of these relational equations is that they are all linear integral equations related to the unknown quantities. Therefore, a solution can be found directly without using iterative methods. In contrast, if the integral equation is not a linear equation related to the unknown quantities, calculations using iterative methods are required, and depending on the initial solution, there is a possibility of falling into a local optimum. However, the method according to the embodiment can find a solution directly without using iterative methods.

また、これらの式は、計測場の空間に関する二階微分の項を含まない。従って、ノイズに関して頑健な画像化手法となる。例えば、MREPTの場合、限局性の固形がんなどのように正常組織に対して導電率が不連続に変化する場合であっても、導電率や誘電率の測定精度が低下しにくくなり、これらの組織などをコントラストよく画像化し、または定量評価を行うことができる。 Furthermore, these equations do not include terms for second-order derivatives with respect to the space of the measurement field. This makes them an imaging method that is robust against noise. For example, in the case of MREPT, even when the conductivity changes discontinuously relative to normal tissue, such as in the case of localized solid tumors, the measurement accuracy of conductivity and permittivity is less likely to decrease, making it possible to image these tissues with good contrast or perform quantitative evaluations.

また、従来、積分表示を用いる方法では、領域全体における電磁場の積分表現を用いる場合もあった。この場合、例えば、電磁場のソースとしてのMRIコイル等も、積分を行う領域に含める必要があり、従って、MRIコイルの影響を除くために、無負荷時の電磁場を計測もしくは計算をする必要がある場合もあった。これに対して、実施形態に係る手法では、ヘルムホルツ分解を有界な関心領域に限定することができ、無負荷時の電磁場の計測もしくは計算が不要となる。 Furthermore, conventional methods using integral representations sometimes used integral representations of the electromagnetic field over the entire region. In such cases, for example, an MRI coil or the like, which serves as a source of the electromagnetic field, must also be included in the region where the integration is performed. Therefore, in order to eliminate the influence of the MRI coil, it may be necessary to measure or calculate the electromagnetic field at no load. In contrast, the method according to the embodiment can limit the Helmholtz decomposition to a bounded region of interest, eliminating the need to measure or calculate the electromagnetic field at no load.

なお、第1の関係式である式(22)~式(24)等を解くことにより処理回路150が算出機能139により未知量を算出する本ステップにおいて、対象物の形態画像を撮影することにより、第1の関係式である式(22)~式(24)における関心領域Ωを特定し、特定した関心領域Ωに基づいて、ステップS140を行ってもよい。これにより、未知量の推定の精度を更に向上させることができる。 In this step, in which the processing circuitry 150 calculates the unknown quantities using the calculation function 139 by solving the first relational equations (22) to (24), etc., it is also possible to identify the region of interest Ω in the first relational equations (22) to (24) by capturing a morphological image of the object, and then perform step S140 based on the identified region of interest Ω. This can further improve the accuracy of estimating the unknown quantities.

図8に、そのような実施形態におけるステップS140の処理の手順の一例が示されている。すなわち、図8のステップS141~S143は、図2のステップS140の一例である。以下、例えば脳の領域の磁気共鳴イメージングを行う場合を例について説明する。 Figure 8 shows an example of the processing procedure for step S140 in such an embodiment. That is, steps S141 to S143 in Figure 8 are an example of step S140 in Figure 2. Below, we will explain an example of performing magnetic resonance imaging of the brain region.

はじめに、シーケンス制御回路120は、計測対象に関する形態画像を生成するための撮像を実行するパルスシーケンスを実行する。例えば、計測対象が脳の場合、シーケンス制御回路120は、脳の撮像を行うためのパルスシーケンスを実行する。 First, the sequence control circuit 120 executes a pulse sequence to perform imaging to generate a morphological image of the measurement target. For example, if the measurement target is the brain, the sequence control circuit 120 executes a pulse sequence to image the brain.

ステップS141において、処理回路150は、取得機能138により、シーケンス制御回路120から、シーケンス制御回路120が実行したパルスシーケンスに基づいて収集された磁気共鳴信号を取得し、取得した磁気共鳴信号を基に、計測対象に関する形態画像を取得する。例えば、計測対象が脳である場合、処理回路150は、取得機能138により、シーケンス制御回路120が実行したパルスシーケンスによる磁気共鳴信号を基に、磁気共鳴イメージングにより、脳の領域の形態画像を取得する。 In step S141, the processing circuitry 150 uses the acquisition function 138 to acquire magnetic resonance signals collected from the sequence control circuitry 120 based on the pulse sequence executed by the sequence control circuitry 120, and acquires a morphological image of the measurement target based on the acquired magnetic resonance signals. For example, if the measurement target is the brain, the processing circuitry 150 uses the acquisition function 138 to acquire a morphological image of the brain region by magnetic resonance imaging based on the magnetic resonance signals generated by the pulse sequence executed by the sequence control circuitry 120.

続いて、ステップS142において、処理回路150は、特定機能137により、形態画像に含まれる計測対象に対してセグメンテーション処理を行うことにより、取得機能138により計測対象から計測場を取得する計測対象領域Ω(関心領域Ω)を特定する。一例として、計測対象が脳である場合、処理回路150は、特定機能137により、ステップS141で取得した形態画像に基づいて、脳の実質部分の領域を計測対象領域Ω(関心領域Ω)としてセグメンテーション処理により特定する。 Next, in step S142, the processing circuitry 150 uses the identification function 137 to perform segmentation processing on the measurement target included in the morphological image, thereby identifying a measurement target region Ω (region of interest Ω) from which a measurement field is acquired from the measurement target using the acquisition function 138. As an example, if the measurement target is the brain, the processing circuitry 150 uses the identification function 137 to perform segmentation processing to identify the region of the brain's substantial part as the measurement target region Ω (region of interest Ω) based on the morphological image acquired in step S141.

続いて、ステップS143において、処理回路150は、取得機能138により、計測取得した計測対象領域Ω(関心領域Ω)における計測場を取得し、算出機能139により、計測対象領域Ω(関心領域Ω)における計測場に基づいて、未知量を算出する。一例として、処理回路150は、取得機能138により、脳の実質部分の領域における計測場を取得し、算出機能139により、第1の関係式である式(22)~式(24)等を、計測対象領域Ωに対して解くことにより、当該未知量を算出する。これにより、未知量の推定の精度を更に向上することができる。 Next, in step S143, the processing circuitry 150 acquires the measurement field in the measurement target region Ω (region of interest Ω) using the acquisition function 138, and calculates the unknown quantity based on the measurement field in the measurement target region Ω (region of interest Ω) using the calculation function 139. As an example, the processing circuitry 150 acquires the measurement field in a region of the brain's substantial part using the acquisition function 138, and calculates the unknown quantity by solving the first relational equations, such as equations (22) to (24), for the measurement target region Ω using the calculation function 139. This can further improve the accuracy of estimating the unknown quantity.

また,式(22)~式(24)を用いて画像を生成することの別の利点として、これらが線形な積分方程式であるため、正則化を導入することが容易であることが挙げられる。 Another advantage of generating images using equations (22) to (24) is that they are linear integral equations, making it easy to introduce regularization.

MREPTの場合、双対場E(チルダーが付された量である)がゼロとなる点においては、式(22)は左辺も右辺もゼロとなり、λeが定まらない。実際、例えば図9(a)に示されるような数値ファントムを用いた場合で説明すると、図9(b)のように、式(22)の左辺の場E(チルダーが付された量)がゼロとなる点においては、図9(c)に示されるように、対応する領域10において、導電率の推定画像にアーチファクトが生じる。特に、観測データH+にノイズが加わった場合、図9(d)のようにこの影響が顕著になる。 In the case of MREPT, at points where the dual field E (the tilde quantity) is zero, both the left and right sides of equation (22) are zero, and λe is not determined. In fact, if we use a numerical phantom such as the one shown in Figure 9(a), as shown in Figure 9(b), at points where the field E (the tilde quantity) on the left side of equation (22) is zero, as shown in Figure 9(c), artifacts will appear in the estimated conductivity image in the corresponding region 10. This effect will be particularly noticeable when noise is added to the observed data H+, as shown in Figure 9(d).

このような場合、式(22)の積分方程式を直接解く代わりに、例えば以下の式(25)のように、式(22)の積分方程式の左辺と右辺の二乗誤差である第一項に正則化項R(x)(xはベクトル量である)を加えた関数を、評価関数として用い、当該評価関数を最小化することにより、処理回路150は算出機能139により、未知数を算出することができる。 In such cases, instead of directly solving the integral equation of equation (22), the processing circuit 150 can use the evaluation function obtained by adding a regularization term R(x) (x is a vector quantity) to the first term, which is the squared error between the left and right sides of the integral equation of equation (22), as in equation (25) below, and minimize the evaluation function, thereby allowing the calculation function 139 to calculate the unknowns.

ここで、xは未知量であるλeを画素数分ならべた未知ベクトル、Aおよびbは式(22)から定まる係数行列および右辺ベクトルである。正則化項R(x)は未知量λeが空間的に滑らかになるように追加された項であり、これによりアーチファクトが低減され、画質が改善される。 Here, x is the unknown vector obtained by arranging the unknown quantity λe for the number of pixels, and A and b are the coefficient matrix and right-hand side vector determined from equation (22). The regularization term R(x) is added to spatially smooth the unknown quantity λe, thereby reducing artifacts and improving image quality.

換言すると、式(22)~式(24)で示される、計測場と未知量との間の関係式である第1の関係式は、例えば双対場のゼロ点付近等、その周りで数値計算が不安定となるような特異点を有する場合がある。これに対して、処理回路150は、算出機能139により、正則化を導入し、すなわち第1の関係式から得られる項と正則化項とからなる評価関数に基づいて、当該未知量を算出することができる。これにより、第1の関係式に存在する特異点回りでの数値的安定性が向上し、画質が向上する。 In other words, the first relational equation, which is the relational equation between the measurement field and the unknown quantity, as shown in equations (22) to (24), may have singular points around which the numerical calculation becomes unstable, such as near the zero point of the dual field. In response to this, the processing circuitry 150 can introduce regularization using the calculation function 139, i.e., calculate the unknown quantity based on an evaluation function consisting of a term obtained from the first relational equation and a regularization term. This improves numerical stability around the singular points in the first relational equation, thereby improving image quality.

図9(e)、(f)に、かかる計算結果の例が示されている。R(x)をxのL2ノルムとした、以下の式(26)を用いた場合の結果が図9(e)、R(x)をxのトータルバリエーションとした、以下の式(27)を用いた場合の結果が図9(f)であり、いずれの場合もアーチファクトの低減が観測される。 Examples of such calculation results are shown in Figures 9(e) and (f). Figure 9(e) shows the results when using the following equation (26) where R(x) is the L2 norm of x, and Figure 9(f) shows the results when using the following equation (27) where R(x) is the total variation of x. In both cases, a reduction in artifacts is observed.

なお、正則化項の与え方は、これら二例に限定されるものではない。 Note that the method for assigning the regularization term is not limited to these two examples.

以上、MREPTの場合についての処理を説明したが、QCM及びMREの場合、式(22)に基づいて導出された式(25)に代えて、それぞれ式(23)及び式(24)に基づいて式(25)を導出することで、同様の正則化処理を行うことができる。 The above describes the processing for MREPT, but in the case of QCM and MRE, similar regularization processing can be performed by deriving equation (25) based on equations (23) and (24), respectively, instead of equation (25) derived based on equation (22).

すなわち、QCMの場合、式(25)において、正則化項R(x)におけるxは、未知量であるρeを画素数分並べた未知ベクトルであり、A及びbは式(23)から定まる行列及び右辺ベクトルである。処理回路150は、算出機能139により、このように導出された式(25)に基づいて、未知量であるρeを算出する。 In other words, in the case of QCM, in equation (25), x in the regularization term R(x) is an unknown vector in which the unknown quantity ρe is arranged for the number of pixels, and A and b are the matrix and right-hand side vector determined from equation (23). The processing circuit 150 uses the calculation function 139 to calculate the unknown quantity ρe based on equation (25) derived in this way.

また、MREの場合、式(25)において、正則化項R(x)におけるxは、未知量であるλm及びμmを画素数分並べた未知ベクトルであり、A及びbは式(24)から定まる行列及び右辺ベクトルである。処理回路150は、算出機能139により、このように導出された式(25)に基づいて、未知量であるλm及びμmを算出する。 In the case of MRE, in equation (25), x in the regularization term R(x) is an unknown vector in which the unknown quantities λm and μm are arranged for the number of pixels, and A and b are the matrix and right-hand side vector determined from equation (24). The processing circuitry 150 uses the calculation function 139 to calculate the unknown quantities λm and μm based on equation (25) derived in this way.

以上説明した少なくとも1つの実施形態によれば、画質を向上させることができる。 At least one of the embodiments described above can improve image quality.

いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。 While several embodiments have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention.

例えば、式(11)において、左辺の場E(チルダーが付された量)の発散は、計測場の定数倍となり、その発散が計測場Hで表現されるものが計測場Hの双対場であると述べた。しかし、双対場の定義はこれに限られない。例えば、ファラデー則に由来する式(11)と、アンペール則に由来する式(12)の両者を満たす量であるEチルダーを、Hの双対場と呼ぶこととしてもよい。 For example, in equation (11), the divergence of the field E (quantity with a tilde) on the left side is a constant multiple of the measurement field, and the divergence expressed by the measurement field H + is the dual field of the measurement field H + . However, the definition of the dual field is not limited to this. For example, E tilde, which is a quantity that satisfies both equation (11) derived from Faraday's law and equation (12) derived from Ampere's law, may be called the dual field of H + .

また同様に、QMCの場合、例えば、式(14)において、左辺の場ψの発散は定数となり、その発散が計測場φの0乗で表現されるものが計測場φの双対場であると述べた。しかし双対場の定義はこれに限らない。例えば、ファラデー則に由来する式(14)と、アンペール則に由来する式(15)の両者を満たす量であるψを,計測場φの双対場であると呼ぶことにしてもよい。 Similarly, in the case of QMC, for example, in equation (14), the divergence of the field ψ on the left-hand side is a constant, and the dual field of the measurement field φ is the field whose divergence is expressed as the zeroth power of the measurement field φ. However, the definition of a dual field is not limited to this. For example, ψ, which is a quantity that satisfies both equation (14) derived from Faraday's law and equation (15) derived from Ampere's law, can also be called the dual field of the measurement field φ.

また同様に、MREの場合、例えば、式(16)において、左辺の場σmの発散は、計測場の定数倍となり、その発散が計測場uで表現されるものが計測場uの双対場であると述べた。しかし双対場の定義はこれに限らない。例えば、運動方程式に由来する式(16)と、フック則に由来する式(17)の両者を満たす量であるσmを,計測場uの双対場であると呼ぶことにしてもよい。 Similarly, in the case of MRE, for example, in equation (16), the divergence of the field σm on the left-hand side is a constant multiple of the measurement field, and the divergence expressed in terms of the measurement field u is the dual field of the measurement field u. However, the definition of a dual field is not limited to this. For example, σm, which is a quantity that satisfies both equation (16) derived from the equation of motion and equation (17) derived from Hooke's law, can also be called the dual field of the measurement field u.

これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、実施形態同士の組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 These embodiments may be embodied in a variety of other forms, and various omissions, substitutions, modifications, and combinations of embodiments may be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their variations are within the scope and spirit of the invention, as well as the inventions and their equivalents as set forth in the claims.

130 情報処理装置
131 インタフェース機能
133 制御機能
136 生成機能
137 特定機能
138 取得機能
139 算出機能
150 処理回路
130 Information processing device 131 Interface function 133 Control function 136 Generation function 137 Identification function 138 Acquisition function 139 Calculation function 150 Processing circuit

Claims (15)

計測対象における所定の物理量の空間分布に対応した計測場を取得する取得部と、
前記計測場と空間依存性のある未知量との間の第1の関係式と、前記取得部が取得した前記計測場に基づいて、前記計測対象における前記未知量を算出する算出部とを備え、
前記第1の関係式は、双対場の発散が前記計測場を用いて表現できる前記双対場を、前記計測場と、前記未知量とを用いて表現した第2の関係式と、前記双対場のヘルムホルツ分解とに基づいて得られた関係式である、情報処理装置。
an acquisition unit that acquires a measurement field corresponding to a spatial distribution of a predetermined physical quantity in a measurement target;
a calculation unit that calculates the unknown quantity in the measurement object based on a first relational expression between the measurement field and a spatially dependent unknown quantity and the measurement field acquired by the acquisition unit,
the first relational equation is a relational equation obtained based on a second relational equation that expresses the dual field, the divergence of which can be expressed using the measurement field, using the measurement field and the unknown quantity, and a Helmholtz decomposition of the dual field.
前記第1の関係式は、前記未知量の空間微分の項が除去された積分方程式である、請求項1に記載の情報処理装置。 The information processing device of claim 1, wherein the first relational expression is an integral equation in which a term representing the spatial derivative of the unknown quantity has been removed. 前記計測場はRF(高周波)磁場であり、前記未知量は、導電率または誘電率のうち少なくとも一方を含む、請求項1に記載の情報処理装置。 The information processing device of claim 1, wherein the measurement field is an RF (radio frequency) magnetic field, and the unknown quantity includes at least one of conductivity or dielectric constant. 前記計測場は、前記RF磁場の振幅と位相である、請求項3に記載の情報処理装置。 The information processing device of claim 3, wherein the measurement field is the amplitude and phase of the RF magnetic field. 前記算出部が算出した前記未知量に基づいて、MREPT(Magnetic Resonance Electrical Property Tomography)を行う、請求項4に記載の情報処理装置。 The information processing device according to claim 4, wherein MREPT (Magnetic Resonance Electrical Property Tomography) is performed based on the unknown quantities calculated by the calculation unit. 前記計測場は、前記RF磁場の位相であり、
前記算出部が算出した前記未知量に基づいて、QCM(Quantitative Conductivity Mapping)を行う、請求項3に記載の情報処理装置。
the measurement field is the phase of the RF magnetic field;
The information processing device according to claim 3 , wherein QCM (Quantitative Conductivity Mapping) is performed based on the unknown quantity calculated by the calculation unit.
前記計測場は、変位であり、前記未知量は、弾性率または粘性率のうち少なくとも一方を含む、請求項1に記載の情報処理装置。 The information processing device of claim 1, wherein the measurement field is a displacement and the unknown quantity includes at least one of an elastic modulus or a viscosity coefficient. 前記計測場は、変位であり、前記双対場は、応力テンソルである、請求項1に記載の情報処理装置。 The information processing device of claim 1, wherein the measurement field is a displacement and the dual field is a stress tensor. 前記算出部が算出した前記未知量に基づいて、MRE(Magnetic Resonance Elastography)を行う、請求項1に記載の情報処理装置。 The information processing device according to claim 1, wherein MRE (Magnetic Resonance Elastography) is performed based on the unknown quantities calculated by the calculation unit. 前記第1の関係式は、アンペール則及びファラデー則から導かれる関係式である、請求項1に記載の情報処理装置。 The information processing device of claim 1, wherein the first relational expression is a relational expression derived from Ampere's law and Faraday's law. 前記第1の関係式は、弾性体の運動方程式及びフック則から導かれる関係式である、請求項1に記載の情報処理装置。 The information processing device of claim 1, wherein the first relational expression is a relational expression derived from the equation of motion of an elastic body and Hooke's law. 前記取得部は、計測対象に関する形態画像を取得し、
前記形態画像に含まれる前記計測対象に対してセグメンテーション処理を行うことにより、前記取得部が前記計測対象から前記計測場を取得する計測対象領域を特定する特定部をさらに備え、
前記算出部は、前記計測対象領域における前記計測場に基づいて、前記未知量を算出する、請求項1に記載の情報処理装置。
the acquisition unit acquires a morphological image relating to a measurement object;
a specifying unit that specifies a measurement target region for acquiring the measurement field from the measurement target by performing a segmentation process on the measurement target included in the anatomical image,
The information processing apparatus according to claim 1 , wherein the calculation unit calculates the unknown quantity based on the measurement field in the measurement target region.
前記計測対象は、脳であり、
前記取得部は、磁気共鳴イメージングにより、脳の領域の前記形態画像を取得し、
前記特定部は、前記形態画像に基づいて、脳の実質部分の領域を前記計測対象領域として前記セグメンテーション処理により特定し、
前記算出部は、前記実質部分の領域における前記計測場に基づいて、前記未知量を算出する、請求項12に記載の情報処理装置。
the measurement target is a brain,
the acquisition unit acquires the morphological image of the brain region by magnetic resonance imaging;
the identifying unit identifies a region of a brain parenchyma as the measurement target region based on the anatomical image by the segmentation processing;
The information processing device according to claim 12 , wherein the calculation unit calculates the unknown quantity based on the measurement field in a region of the substantial portion.
前記算出部は、前記第1の関係式から得られる項と正則化項とからなる評価関数に基づいて前記未知量を算出する、請求項1~13のいずれか一つに記載の情報処理装置。 The information processing device according to any one of claims 1 to 13, wherein the calculation unit calculates the unknown quantity based on an evaluation function consisting of a term obtained from the first relational expression and a regularization term. 計測対象における所定の物理量の空間分布に対応した計測場を取得し、
前記計測場と空間依存性のある未知量との間の第1の関係式と、取得した前記計測場に基づいて、前記計測対象における前記未知量を算出することを含み、
前記第1の関係式は、双対場の発散が前記計測場を用いて表現できる前記双対場を、前記計測場と、前記未知量とを用いて表現した第2の関係式と、前記双対場のヘルムホルツ分解とに基づいて得られた関係式である、情報処理方法。
Acquire a measurement field corresponding to the spatial distribution of a predetermined physical quantity in the measurement target;
calculating the unknown quantity in the measurement object based on a first relational expression between the measurement field and a spatially dependent unknown quantity and the acquired measurement field;
an information processing method, wherein the first relational equation is a relational equation obtained based on a second relational equation that expresses the dual field, the divergence of which can be expressed using the measurement field, using the measurement field and the unknown quantity, and a Helmholtz decomposition of the dual field.
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