在磁共振扫描或信息处理过程中, 由于某一种或几种原因出现了一些扫描部位并不存在的致使图像质量下降的影像称为伪影。在现在的MRI临床检查中, 患者运动可以说是导致伪影最常见原因。这些运动包括各种生理运动和身体运动, 生理运动如心脏的跳动、血液流动、脑脊液脉动以及呼吸运动; 身体运动如点头、咳嗽、吞咽以及整体位移等, 经常出现在无自制力或身体不适病人和婴幼儿的扫描过程中。运动伪影在很多情况下依然限制着MRI应用的进一步推广, 如何抑制或减少运动伪影一直是MRI领域内的一个热门研究课题。虽然在最近几年中, 有大量运动伪影校正方面的新技术出现, 然而只有很少一部分具有实际意义。这使得充分了解运动伪影产生的原因和表现, 在具体的临床应用中选择恰当的综合控制方法来抑制或消除运动伪影变得十分重要。

1 运动伪影的表现和产生^[1]

无论运动方向如何, 运动诱导产生的伪影都表现为沿相位编码轴方向。磁共振成像中, 在层面选择梯度和频率编码梯度都使用了去相位波和复相位波, 以保证在回波峰值时相位的一致性。当组织运动时, 对于运动的自旋质子, 在这两种梯度作用期间其位置发生了改变, 使它们在去相位波和复相位波过程中经历了不同的梯度场, 将会导致在相位编码方向上不正确的相位编码, 在回波峰值时相位不一致, 从而产生运动伪影。另外一个原因是由于数据空间明显的不对称性。数据空间的频率编码轴方向上表示采样时间, 一般为数毫秒, 绝大多数运动明显慢于沿频率编码轴的快速采样过程, 因此一般不会在频率编码方向上产生运动伪影, 即便产生运动伪影, 通常是无关紧要的。而在数据空间的相位编码方向上, 每一次相位编码需要数秒的时间, 在数秒时间内各种运动都会对相位编码产生影响, 导致运动伪影。

2 抑制运动伪影的方法 2.1 流动补偿技术

在磁共振成像中, 流动的血液、脑脊液会产生运动伪影, 伪影产生的原因主要是由于流动产生体素中质子的相位离散现象, 自旋质子的相位离散会产生相位编码错误, 使一个体素中的信号沿相位方向被放置到其他体素位置上。伪影最常见于腹部轴位成像中, 表现为腹主动脉前出现多个血管重影。脑脊液的快速流动引起的低信号伪影常见于循环狭窄处, 如室间孔及导水管周围, 在影像上表现为一条形伪影, 多发生在颅底处。克服流动伪影的流动补偿技术就是通过施加额外的梯度磁场脉冲来减少这些相位偏移, 使得运动和静态质子在回波延迟时的相位变化为零, 从而去除流动造成的伪影。流动补偿的梯度磁场脉冲通常被叠加于频率编码和层面选择梯度波形中, 也可沿X、Y和Z的任何一个方向或所有方向施加。为了实现流动补偿, 在回波采样前, 一个或多个脉冲叠加到梯度波形中, 从而延长TR和最小TE时间。这种补偿作用对慢速层流效果最好, 对湍流、快速血流及搏动的动脉血流补偿效果差。

2.2 空间预饱和脉冲

不产生信号的组织就不会产生伪影。用预饱和脉冲消除一个选择的区域中的信号而不影响其他区域, 这样从选择的区域的组织产生的伪影就可以消除, 而不影响感兴趣区域的组织。空间预饱和可以通过在各种脉冲序列中施加额外的射频脉冲来实现。预饱和最普遍的应用是抑制流动伪影, 因为伪影强度正比于其相应运动解剖结构的强度, 所以用预饱和脉冲降低了流入成像体积内血液中质子的纵向磁化强度及其图像强度, 并降低了其形成伪影的能力。在短TR/TE序列中, 流动伪影往往很明显, 流动的未饱和血与周围组织相比变得很亮, 这种情形应用空间预饱和尤其有效。典型的例子如:①颈椎及脊髓MRI, 在椎体前方加上与颈椎相平行的预饱和带, 可有效抑制轻微的吞咽运动以及颈内动脉搏动所致的运动伪影; ②血管MRI, 在扫描野外血管一端放置预饱和带, 使进入成像层面的血流质子不产生信号, 从而进行血管MRI(MRA或MRV)。采用空间预饱和, 由于附加了射频脉冲需增加一定的时间, 因此减少了序列允许的最大扫描成数, 或是延长最短TR, 并且增加了射频能量。

2.3 心电门控技术^[2]

心电门控技术对心脏MRI是必须的。因为通过心电门控可精确地采集心动周期各时相的图像, 其原理是把数据的采集同反映心脏时间的心电信号(通常是ECG的R波)结合起来, 通过恰当选择触发信号和激励脉冲之间的延迟时间从而获得心动周期不同时相的图像。它是通过对运动的监测来抑制运动伪影。该技术还可确保特定成像区域的每一个相位编码期间某一特定部位信号强度的一致性, 它舍弃了一些主动运动期间(如心脏收缩)的信号采集。因此采用心电门控技术可以减小心脏大血管搏动伪影。心电门控技术有多层面单时相和单层面多时相心电门控技术。多层面单时相心电门控技术是在不同心动周期的不同时相对不同层面进行数据采集的心电门控技术, 对于一个确定的成像层面, 所有回波都发生在心脏周期的同一时相, 如果心脏周期是规则的, 心脏搏动伪影较小。单层面多时相心电门控技术, 对每一个相位编码梯度, 采用多次激励获得多个回波, 可产生同一层面在心脏循环周期的多个不同时相的多个图像。心电门控技术的主要缺陷是限制TR必须是心电图波形中R-R间隔的整数倍, 并且数据采集是间断性的, 在QRS波群期间暂停数据采集。

2.4 呼吸运动伪影抑制技术

通常采用以下两种方法抑制呼吸运动伪影:第一种方法是减少图像采集时间, 从而在患者有限的屏气时间内完成图像采集, 即所谓的屏气快速扫描; 第二种方法是使用呼吸运动周期控制MRI图像采集, 即呼吸门控或呼吸触发技术。

2.4.1 屏气快速成像

极快的成像速度由于图像采集时间非常短, 因而可部分减少呼吸运动伪影。短TR时间(40~ 250ms)的FSE序列和GRE序列可在约5~30s的单次屏气时间内采集图像, 快速SE成像序列可有效抑制肺部MRI时的呼吸运动伪影。现今, 已有多种快速成像序列已应用于抑制运动伪影, 如FSE、GRE、HFIESTA、和RARE序列成像。

2.4.2 呼吸门控技术

门控技术是利用额外的设备来监控人体某些器官的运动情况, 以此控制激发以及数据采集时刻。胸部MRI检查时, 呼吸门控技术可通过传感器监视呼吸情况, 以调整相位编码与运动周期同步, 通常是在呼气末采集数据。呼吸门控技术通常延长成像时间2~3倍以上, 因而限制了其在长TR时间MRI序列的应用。

2.4.3 呼吸触发技术

触发是指数据采集在某个重复运动的指定相位被触发而开始, 呼吸触发技术是在当TR时间与平均呼吸时相相等时采集MRI图像, 与呼吸门控技术不同的是, 其可在呼吸时相的每一点采集MRI层面图像数据, 抑制呼吸运动伪影。呼吸触发FSE序列的成像时间明显短于常规T2加权成像, 且前者可明显提高图像质量, 因而呼吸触发FSE序列已被大多数影像中心所采用。

2.4.4 导航回波技术^[3]

呼吸导航回波触发采样使用射频脉冲激发一个垂直于肝-肺界面的条带状区域, 利用空气和组织的信号差别确定右侧膈肌的空间位置, 将此空间位置信息用于前瞻性触发采样或者回顾性图像编码, 从而达到控制呼吸的影响和提高成像精度的目的。呼吸导航回波触发采样可以使患者在自由呼吸状态下完成检查, 不受屏气时间的限制, 有利于提高图像的空间分辨力。

2.4.5 呼吸补偿技术

呼吸补偿机制可使脏器各位点处统一呼吸相位时进行信号采集, 亦在一定程度上减少运动伪影。最常见的呼吸补偿方式是中心排列相位编码(COPE)和呼吸排列相位编码(ROPE)。这些技术的基本原理是在扫描过程中检查呼吸运动, 以呼吸时相决定K-空间线填充顺序的方法, 重排相位编码步阶或采集视野, 在吸气顶峰时采集K-空间的高频部分, 呼气末期采集K-空间的低频部分, 使得受运动严重影响的分量分布在傅立叶数据矩阵的边缘, 从K-空间数据中去除了呼吸周期的影响。这些技术极大地减少了扫描时间。

2.5 脉冲序列参数 2.5.1 减少TE时间

短TE成像技术可在不需添加特殊硬件设备的条件下抑制多种运动相关伪影, 如心脏搏动、血液流动、呼吸运动和肠蠕动所致的伪影。且短TE不需监测患者运动, 也不延长成像采集时间。其可在单次屏气时间内采集图像, 并可联合应用信号平均技术提高图像质量。

2.5.2 信号平均技术

信号平均是指增加数据采集的重复次数来降低图像噪声和伪影, 此方法只降低伪影的强度, 但不改善运动引起的图像模糊。它可用于任何成像脉冲序列, 所需的数据采集时间随重复次数的增加而延长, 因而更适合短TR的序列。平均有并行平均和串行平均两种方法。所谓并行平均就是在一个相位编码梯度重复采集多次, 最后重建图像。而串行平均就是在一个相位编码梯度采集一次, 采集完整一幅图像数据后, 把数据存起来, 把这步骤重复多次, 得到多幅图像数据, 把这些原始图像数据平均后再重建图像。

2.5.3 采用变TR和NEX的方法^[2]

由于血管、心脏的搏动或呼吸等周期性运动而产生运动伪影, 这类伪影的特征是具有连续性, 规则的间隔地出现在相位编码轴方向上, 这些具有规则间隔伪影的形状常与原运动结构相似, 且随着与原结构之间距离的增大, 伪影逐渐减弱。常见搏动伪影如主动脉横断层面成像, 在相位编码方向上的等距离复制。相邻伪影之间的间隔(SEP)以像素数为单位取决于:

式中, TR为重复周期、Ny为相位编码数、NEX为采集次数、T为运动物体的运动周期。如果把上式所得结果乘以像素大小就是伪影之间的距离。从上式可知, 如果增大TR、Ny或NEX, 都可以增大伪影之间的距离。如果搏动组织的周期较短, 也可以使伪影之间的间隔增大。这样可使所研究的组织内没有太多的伪影。如果视野太小, 视野外面的组织搏动产生的伪影会进入视野内。如果重复周期TR较短, 运动周期尚未能重复, 在整个相位编码轴上将不会产生伪影。然而, 在快速成像中这类伪影可以表现为边缘模糊。

如果选择适当的TR和NEX, 使其满足下列条件:

那么两个相邻的伪影都在视野外, 搏动产生的伪影可完全消失。这一方法的缺点是TR不能自由选取。

2.6 螺旋桨(PROPELLER)技术^{[4, 5]}

周期性旋转重叠平行线采集和增强后处理重建(PROPELLER)技术是磁共振成像中一种能减少运动伪影的崭新数据采集和重建方法。该技术采集以K空间原点为中心的多个矩形条带数据, 每一个条带均在K空间中心区域采集, 使人们可以对条带之间的相互位置、角度和相位的空间不一致进行校正:①根据校正测量指示, 对无用的层面方向的运动数据加以抛弃; ②最后通过对低空间频率数据取平均值的方法, 进一步减少运动伪影的产生。PROPELLER技术能纠正层面内平移和旋转引起的运动伪影, 以及部分层面间的运动伪影, 在很大程度上解决了运动伪影校正的问题。

由于PROPELLER技术存在着对K空间中心重复采样, 在数据采集中额外增加了一个∏/2, 这样就增加了扫描时间。另外, 为了解决图像采集过程中可能出现的平移、旋转和相位改变等问题, 运用PROPELLER的二维层面校正序列也会增加重建时间。

2.7 改变相位和频率编码方向

MRI时, 相位编码的时间要大大超过频率编码的时间, 在具体扫描过程中, 通常是将成像层面的最小径线方向作为相位编码的方向, 以降低相位编码步的数量。正确选择相位编码方向, 可以消除或减弱一些运动伪影。例如, 腹部的轴向成像中腹主动脉搏动伪影会在相位编码方向上产生伪影, 这些伪影可能会使胰腺图像模糊。通过交换相位编码和频率编码方向, 来改变伪影的方向, 使伪影不出现在感兴趣区内, 从而达到判断伪影与病变, 提高图像诊断质量。

2.8 其他

① 指导病人不要移动。②腹部使用抗蠕动药物胰高血糖素可减少由于肠管蠕动造成的伪影。③止痛、镇静和麻醉。

3 小结

磁共振成像的运动伪影很普遍, MRI图像运动伪影产生的原因较多, 表现各异, 为了抑制或消除运动伪影, 提高图像质量, 在具体的临床应用中选择恰当的综合控制方法十分重要。预饱和与心电门控结合改善心室中的流空, 从而增加了邻近心肌的对比度。心电门控结合呼吸导航回波触发可以提高冠状动脉磁共振成像的图像空间分辨率, 扩展适应范围^[3]。在脊柱矢状位MR成像, 通常要把头足方向作为相位编码方向, 前后方向作为频率编码方向, 这样可避免主动脉沿相位编码方向的搏动引起相位重影, 干扰椎管内结构观察, 灵活选择梯度方向和改变各种扫描参数对MR成像, 也是很有益处的。