磁共振k空間采集技術(shù)及其研究進(jìn)展

【作 者】金瑋，王龍辰，李斌

上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)裝備處，上海市，200233

0 引言

眾所周知，磁共振成像過(guò)程中的快速成像一直是磁共振成像技術(shù)的發(fā)展方向之一，尤其是在進(jìn)行諸如頭顱T2加權(quán)像，血管成像MRA等對(duì)時(shí)間分辨率要求較高的掃描的時(shí)候，完成單次磁共振成像需要大量時(shí)間，大大降低了工作效率。如何提高磁共振成像速度成為了急需解決的問(wèn)題，而k空間采集技術(shù)正是加速磁共振成像的手段之一。k空間在1983年用于采集磁共振原始信號(hào)，以后獲得廣泛應(yīng)用。經(jīng)過(guò)三十年的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了多種k空間數(shù)據(jù)加速采集方式，經(jīng)過(guò)算法校正后與其它磁共振掃描技術(shù)相結(jié)合，成功應(yīng)用于臨床。

磁共振成像掃描變換基于傅里葉變換，常規(guī)傅里葉變換中，時(shí)間坐標(biāo)中的基本單位秒與頻率坐標(biāo)中的基本單位赫茲相對(duì)應(yīng)[1]。在磁共振掃描時(shí)，根據(jù)選擇的掃描序列采樣方式不同，k空間中信號(hào)的填充方式也不同。一般而言，當(dāng)一個(gè)梯度脈沖所包含的面積較小時(shí)，得到的信號(hào)數(shù)據(jù)會(huì)放置在k空間的中心，而當(dāng)一個(gè)梯度脈沖所包含的面積較大時(shí)，得到的信號(hào)數(shù)據(jù)會(huì)放置在k空間的邊緣部分。我們可以通過(guò)控制序列梯度脈沖的面積來(lái)調(diào)整所采集到的MR 信號(hào)數(shù)據(jù)在k空間所處的位置[2]；填充于k空間平面中間的信號(hào)決定重建后圖像的對(duì)比度，填充于k空間平面邊緣的信號(hào)決定重建后圖像的空間分辨率。在臨床掃描過(guò)程中，利用特殊k空間采集技術(shù)可以保證在成像信噪比的前提下大大縮短掃描時(shí)間。

1 常規(guī) k 空間采集技術(shù)

1.1 笛卡爾k空間采集填充

笛卡爾k空間數(shù)據(jù)采集和填充的主要特點(diǎn)是往k空間一行一行平行填充數(shù)據(jù)，其又分為單向平行采集和迂回平行采集。單向平行采集方式包括了臨床上最常用到的(快速)自旋回波序列(F/T)SE，(快速)反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列(F)IR等；迂回平行采集技術(shù)主要用于平面回波序列(EPI)。

1.2 螺旋狀采集填充

k 空間螺旋采集填充比常規(guī)笛卡爾采集填充稍復(fù)雜，該技術(shù)采用從k = 0，q = 0為起點(diǎn)的阿基米德螺旋線(xiàn)。在這類(lèi)采樣中，根據(jù)掃描序列的激發(fā)次數(shù)不同，單次射頻脈沖激發(fā)可以采集并填充一圈或者多圈數(shù)據(jù)，該技術(shù)現(xiàn)多用于心臟冠脈快速掃描。

1.3 螺旋槳采集填充

螺旋槳采集填充是對(duì)普通放射狀采集填充技術(shù)的一種改良。普通放射采集填充技術(shù)雖然可以進(jìn)行快速數(shù)據(jù)填充，但是k空間中填充的數(shù)據(jù)相對(duì)稀疏，尤其是在k空間邊緣，會(huì)造成圖像質(zhì)量尤其是空間分辨率的下降。主流設(shè)備廠(chǎng)商為了解決這一問(wèn)題研發(fā)出了螺旋槳技術(shù)，GE公司將該技術(shù)命名為PROPELLER,Siemens公司命名為BLADE。這種技術(shù)在每次射頻脈沖激發(fā)時(shí)都會(huì)采集多行k空間中心數(shù)據(jù)，一次采集的行數(shù)等于加速因子，加速因子越大，一次激發(fā)采集到的行數(shù)越多，且后一次數(shù)據(jù)采集在相鄰的前一次采集的基礎(chǔ)上旋轉(zhuǎn)一定角度q，采集的相位編碼方向會(huì)隨著旋轉(zhuǎn)角度的變化而變化[3]。這樣一來(lái)，填充在k空間中心位置和邊緣位置的數(shù)據(jù)都會(huì)有重疊，這些冗余數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理后重建出來(lái)的圖像無(wú)論是空間分辨率、對(duì)比度還是信噪比都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通放射狀技術(shù)。另外，螺旋槳填充技術(shù)還可以用來(lái)消除掃描過(guò)程中由于病人移動(dòng)而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)偽影。因此，此技術(shù)在臨床上最常用于頭顱平掃和T2W腹部屏氣掃描以及與呼吸門(mén)控聯(lián)用的腹部快速成像。

2 部分k空間采集技術(shù)

磁共振的k空間是一個(gè)共軛對(duì)稱(chēng)的空間，部分k空間采集技術(shù)利用了這個(gè)特性在一次射頻脈沖過(guò)后的采集信號(hào)過(guò)程中不完全采集整個(gè)k空間數(shù)據(jù)，而是只采集一部分空間填充，其余的空間計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)填補(bǔ)。這樣一來(lái)，采集的信號(hào)少了，采集所需時(shí)間也大大縮短，加快了掃描速度。實(shí)際采樣過(guò)程中，部分k空間采集的數(shù)據(jù)一般大于k空間的一半，這樣可以保證k空間平面中間的數(shù)據(jù)是完全真實(shí)采集的，同時(shí)也在一定程度上排除了磁場(chǎng)不均勻性引起的數(shù)據(jù)相移。

部分k空間采集技術(shù)由于沒(méi)有采集完整的磁共振信號(hào)，因此不可避免地會(huì)影響到圖像的信噪比，還有可能產(chǎn)生Gibbs偽影。為了解決這方面的問(wèn)題，并充分利用其快速成像的特性，有學(xué)者將該方法與其他成像技術(shù)相結(jié)合，如SENSE/GRAPPA與部分k空間采集技術(shù)相結(jié)合，以及鑰孔技術(shù)與導(dǎo)航回波聯(lián)合應(yīng)用等，都獲得了較好的研究結(jié)果；開(kāi)發(fā)的快速采集弛豫增強(qiáng)序列在進(jìn)行膽胰管磁共振成像(MRCP)時(shí)快速準(zhǔn)確地顯示了患者膽管和胰管的病灶[4]。

3 匙孔技術(shù)

匙孔技術(shù)在磁共振掃描中多應(yīng)用于諸如腹部動(dòng)態(tài)增強(qiáng)掃描等檢查，其原理是在之前的預(yù)掃描時(shí)先進(jìn)行一次完整的k空間采集填充，在此之后的掃描只采集并填充k空間平面中心的數(shù)據(jù)，在進(jìn)行圖像重建時(shí)剩下的部分利用第一次預(yù)掃描時(shí)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行填充。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于保證了圖像對(duì)比度和空間分辨率的情況下顯著提高掃描速度。國(guó)內(nèi)一些研究者[5]早在十幾年前就進(jìn)行了對(duì)比利用匙孔技術(shù)的動(dòng)態(tài)與非動(dòng)態(tài)掃描垂體微腺瘤的顯示情況，臨床應(yīng)用表明“結(jié)合匙孔技術(shù)的動(dòng)態(tài)增強(qiáng)掃描不僅有效縮短掃描時(shí)間，而且對(duì)比常規(guī)的掃描可以更加敏感地發(fā)現(xiàn)垂體微腺瘤”。

4 k空間采集技術(shù)的最新進(jìn)展

4.1 部分k空間技術(shù)與并行成像、壓縮傳感的聯(lián)用

這三種技術(shù)本身可以各自單獨(dú)被用到快速磁共振成像過(guò)程中，2012年New York State Psychiatric Institute和Columbia University Medical Center的Liu F及Peterson BS等[6]在GE Signa 3 T磁共振上采用了改進(jìn)的3D FSPGR序列進(jìn)行T1W頭顱掃描，將這三種采集技術(shù)結(jié)合使用然后測(cè)試掃描時(shí)間和圖像質(zhì)量。比起傳統(tǒng)的單獨(dú)使用壓縮傳感和并行成像，結(jié)合了部分k空間技術(shù)的序列在加快掃描速度的同時(shí)也基本保證了圖像的信噪比。更重要的是，根據(jù)實(shí)際掃描的要求不同，對(duì)于一個(gè)固定的總加速因子R=Rc × Rs × Rp，我們可以靈活調(diào)整選擇不同的壓縮傳感的加速因子Rc，并行成像的加速因子Rs和部分k空間技術(shù)的加速因子Rp。

4.2 基于部分k空間技術(shù)的2D相鄰掃描層插值算法

針對(duì)傳統(tǒng)的部分k空間采集技術(shù)會(huì)降低信噪比這一缺點(diǎn)，國(guó)外有研究者[7]提出了一種全新的基于部分k空間技術(shù)的算法，該算法同樣以不犧牲圖像質(zhì)量為前提提高掃描速度。這種算法在采集多層數(shù)據(jù)時(shí)利用相鄰層k空間里的數(shù)據(jù)，其原理是在進(jìn)行部分k空間掃描時(shí)，未采集的數(shù)據(jù)=相鄰層的原始數(shù)據(jù)×權(quán)重因子，權(quán)重因子與預(yù)掃描傳統(tǒng)低分辨率定位像有關(guān)。Pang Y等[7]利用GE 7 T的磁共振采用該技術(shù)掃描腳踝軸狀位，與采用傳統(tǒng)部分k空間技術(shù)掃描出的圖像作對(duì)比，在采用相同的采樣率的情況下，前者的對(duì)比度和信噪比明顯優(yōu)于后者。該技術(shù)現(xiàn)在雖然僅僅用在7 T的實(shí)驗(yàn)設(shè)備上，但是所采用的算法完全可以與SENSE等并行成像技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于現(xiàn)在的3 T設(shè)備臨床掃描上。

4.3 部分k空間技術(shù)結(jié)合呼吸門(mén)控進(jìn)行相位對(duì)比成像

相位對(duì)比磁共振成像廣泛運(yùn)用于心臟掃描，為了縮短掃描成像時(shí)間，上面提到的螺旋采集填充，放射狀填充相比笛卡爾平行填充要快2～3倍。除此之外，EPI成像和并行成像技術(shù)也都可以達(dá)到加快掃描的目的。然而，如何對(duì)3D相位對(duì)比掃描中的呼吸運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償很少被提及。Massachusetts的Akcakaya M等[8]在Philips Achieva 1.5 T磁共振上進(jìn)行了上下行肢大動(dòng)脈掃描，將呼吸門(mén)控技術(shù)與部分k空間技術(shù)結(jié)合只采樣填充k空間中心位置的數(shù)據(jù)，其余數(shù)據(jù)不采用呼吸門(mén)控技術(shù)，所得到的圖像與全程采用呼吸門(mén)控技術(shù)得到的圖像作對(duì)比，在心搏量、平均流量、最高流速和圖像信噪比4個(gè)方面進(jìn)行評(píng)定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的差異，而在掃描時(shí)間上運(yùn)用了部分k空間采集技術(shù)的病人數(shù)據(jù)采集時(shí)間(13'19"±3'02")要比沒(méi)有采用部分k空間技術(shù)的的病人數(shù)據(jù)采集時(shí)間(19'35"±5'02")快的多。可見(jiàn)，在進(jìn)行心臟或者腹部掃描時(shí)，部分k空間采集技術(shù)運(yùn)用于病人呼吸運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償可以在保證圖像質(zhì)量的情況下極大提高成像速度。

4.4 基于部分k空間技術(shù)的血管快速動(dòng)態(tài)增強(qiáng)掃描

該技術(shù)又稱(chēng)為T(mén)WIST技術(shù)，比其它動(dòng)態(tài)增強(qiáng)成像方法速度更快，空間分辨率更高。該技術(shù)目前已經(jīng)在Siemens公司的Verio等機(jī)型上進(jìn)行臨床使用。其特點(diǎn)是k空間中心部分依舊全部順序采集，而邊緣部分則隨機(jī)采集。這樣就提升了掃描速度，并且提供多組血管動(dòng)態(tài)增強(qiáng)，臨床利用該序列掃描得到的圖像進(jìn)行后處理分析，包括血管畸形評(píng)估、血流灌注測(cè)量等；同時(shí)，由于可以快速采集到人體多個(gè)動(dòng)脈期，因此該技術(shù)徹底解決了CE-MRA成像過(guò)程中的靜脈污染，減少了患者檢查時(shí)間，從而使更多的患者能夠配合完成血管檢查[9]。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著磁共振硬件水平的不斷提高，信號(hào)采集和排列的方式也越來(lái)越復(fù)雜。而k空間技術(shù)正是變復(fù)雜為簡(jiǎn)約的重要手段。k空間采集技術(shù)在磁共振成像過(guò)程中起著重要作用，不管采用何種采集技術(shù)，其前提必然是要確保成像質(zhì)量滿(mǎn)足診斷要求，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化采集填充的方式，縮短掃描時(shí)間。綜上介紹，不管是部分k空間采集技術(shù)、匙孔技術(shù)，還是TWIST，這些技術(shù)在處理空間中心位置的數(shù)據(jù)時(shí)都采用了真實(shí)數(shù)據(jù)填充的方式，因?yàn)閳D像的對(duì)比度在很大程度上影響到了整幅圖像的質(zhì)量和醫(yī)師判斷疾病的準(zhǔn)確性。因此，我們應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況，針對(duì)不同的臨床診斷需求和不同的患者采用不同的k空間采集技術(shù)才能得到最準(zhǔn)確優(yōu)質(zhì)的圖像。

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