磁共振成像中金屬偽影校正方法的研究進(jìn)展

重慶醫(yī)科大學(xué)附屬永川醫(yī)院放射科 （重慶 402106）

金 梅 李曉蘭

·綜述·

磁共振成像中金屬偽影校正方法的研究進(jìn)展

重慶醫(yī)科大學(xué)附屬永川醫(yī)院放射科 （重慶 402106）

金 梅 李曉蘭

磁共振成像；金屬偽影；金屬植入物

磁共振由于良好的軟組織分辨力、多方位、多參數(shù)成像特點以及無電離輻射優(yōu)勢，在臨床應(yīng)用日益廣泛。近年來，各種金屬材料在齒科、骨科、整形外科手術(shù)的植入越來越多，術(shù)后評估金屬植入物與周圍軟組織的關(guān)系、骨髓情況以及鄰近其它部位病變，均需要行核磁共振(magnetic resonance imaging，MRI)檢查。標(biāo)準(zhǔn)MRI掃描不可避免的出現(xiàn)金屬偽影，引起圖像信號丟失，嚴(yán)重影響圖像質(zhì)量，不利于術(shù)后評價。本文從MRI成像參數(shù)、序列的調(diào)整及一些新方法的研究進(jìn)展作一綜述。

1 成像參數(shù)及序列的調(diào)整

對于MRI中金屬偽影產(chǎn)生的原因，其形成基礎(chǔ)可簡單概括為：金屬植入物引起主磁場局部不均一性，使得植入物表面附近的磁場信號強(qiáng)度的改變。主磁場局部的不均一導(dǎo)致質(zhì)子旋轉(zhuǎn)的零相位化和周圍組織的頻率偏移。在MR序列中發(fā)射射頻脈沖和應(yīng)用電磁梯度后，這些組織接收到的射頻信號可能與振幅、頻率和相位的破壞有關(guān)。零相位化降低接收到的信號，即信號缺失；結(jié)果在MR圖像上呈現(xiàn)暗區(qū)。頻率變化導(dǎo)致空間錯誤配準(zhǔn)在MR圖像上表現(xiàn)為亮區(qū)(即所有信號在幾個像素點堆積的引起)和周圍解剖結(jié)構(gòu)的空間扭曲。其中解剖結(jié)構(gòu)的空間扭曲是由在成像矩陣中相鄰像素點的信號強(qiáng)度改變所引起，而這個信號強(qiáng)度是因為相位和頻率信息破壞而致；空間扭曲可以發(fā)在生平面內(nèi)或平面間。

在常規(guī)掃描中，對于金屬偽影的減少可以通過調(diào)整一些成像參數(shù)和序列獲得。并且這些參數(shù)和序列的調(diào)整在臨床實際掃描中是容易實現(xiàn)的。J.E.Vandevenne等[1]通過肩關(guān)節(jié)外鹽袋和體外實驗設(shè)計了一些合理參數(shù)和序列用于減少磁敏感偽影，他提出：(1)通過X線平片檢查確定患者的體位，即植入物的長軸方向與主磁場平行；確定頻率編碼方向(此方向的金屬偽影最大)。(2)選擇長回波時間(echo time ,TE)和短的有效TE的自旋回波(spin echo,SE)序列或快速自旋回波(fast spin echo,FSE)序列。(3)增加讀出寬帶、減少層厚、擴(kuò)大圖像矩陣。(4)使用短時翻轉(zhuǎn)恢復(fù)序列(short time inversion recovery，STIR)。隨后Toms等[2]通過實驗對一些掃描參數(shù)做了優(yōu)化設(shè)計，其證實在256×256的矩陣和400Hz/像素的可接受寬帶時可以控制大約90%的偽影，隨著這兩個參數(shù)的增大偽影控制的效果反而減弱。寬帶的增加會降低信噪比，但不影響圖像的質(zhì)量。

2 視角傾斜技術(shù)

視角傾斜技術(shù)(view angle tilting，VAT)是常規(guī)SE序列中，在頻率編碼梯度給出并讀出回波信號的同時，額外添加一個層面選擇梯度，此補(bǔ)償梯度(GZ)的幅度與激勵脈沖發(fā)射時的層面選擇梯度(GX)幅度完全一致。這時讀出的MR信號在兩個梯度共同作用下，形成一個所謂的傾斜角，重建出的圖像可明顯減少由磁場不均勻引起的化學(xué)位移以及金屬偽影，這一技術(shù)首次由Cho等[3]提出。

Daniel等[4]使用VAT技術(shù)糾正外科冷凍手術(shù)MRI成像中探針引起的磁敏感偽影，此實驗使用離體小牛肝冷凍手術(shù)模型，分別設(shè)置探針與主磁場的位置，一組用VAT技術(shù)，對照組不使用VAT技術(shù)，結(jié)果顯示使用VAT組探針周圍圖像質(zhì)量大大提高，這對于此手術(shù)精確計算探針的位置和冰球的面積有很大幫助。Lu等[5]分別對髖關(guān)節(jié)假體模型和一鈦金屬螺釘植入膝關(guān)節(jié)進(jìn)行層面激發(fā)剖面成像(slice excitation profile imaging，SEPI)VAT(SEPI-VAT)掃描，并與常規(guī)2DVAT-SE序列比較，結(jié)果SEPI-VAT序列在合理掃描時間內(nèi)能明顯控制圖像失真。Bos等[6]在VAT技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合非共振抑制(off-resonance suppression，ORS)技術(shù)，在不增加掃描時間的情況下適用于如鈦金屬引起的中度磁場干擾偽影的控制。Ahn等[7]應(yīng)用自旋回波-回波平面成像(spin-echo echo planar imaging，SE-EPI)結(jié)合視角傾斜(VAT)技術(shù)矯正相位編碼方向磁場不均一性引起的偽影，其基礎(chǔ)是增加層面選擇方向梯度波動的同時，使用相位編碼梯度波動，以獲取額外相位。此額外相位有效彌補(bǔ)磁場不均一性引起的相位堆積，從而避免相位編碼方向的圖像失真。另外此方法不增加掃描時間，但同樣對層面間偽影的矯正不足。Zho等[8]利用螺旋讀出梯度實時變換VAT技術(shù)減少化學(xué)位移或主磁場不均一性引起的層面內(nèi)偽影，螺旋軌跡有較高的K-空間采集效果，結(jié)果證實只要讀出時間與Cartesian讀出時間類似，圖像質(zhì)量就不會受到影響。

3 層面編碼金屬偽影矯正技術(shù)

此技術(shù)2009年由Lu等[9]首次命名，以解決以上成像技術(shù)不能解決層面間偽影的缺陷。層面編碼金屬偽影矯正(slice encoding for metal artifact correction，SEMAC)技術(shù)是通過增強(qiáng)每一個感興趣層面的編碼區(qū)對抗金屬誘導(dǎo)的磁場不均一性。其要點是在VAT-SE技術(shù)的基礎(chǔ)之上，另外在層面選擇梯度上加一稱之為Z軸相位編碼(z-phase encoding)的梯度脈沖，時間點選擇恰與相位編碼梯度同步，可有效減少層面間的金屬偽影。

Zho等[10]選擇了六種材質(zhì)、形狀、體積均不同的金屬牙科材料(分別是汞合金、鈦、金、鎳鉻合金牙冠、鎳鈦合金、不銹鋼牙套)，分別進(jìn)行VAT技術(shù)、SEMAC技術(shù)T1加權(quán)SE序列成像，并與常規(guī)SE序列掃描對比，結(jié)果VAT技術(shù)減少43%的層面內(nèi)偽影，SEMAC技術(shù)減少80%的層面間偽影和65%的層面間偽影。Chen等[11]對25例膝關(guān)節(jié)置換患者中的14例運(yùn)用SEMAC技術(shù)、MAVRIC和2D-FSE掃描比較成像后偽影的范圍和植入物的位置；其余11患者運(yùn)用SEMAC技術(shù)和FSE掃描比較偽影的范圍以及異常影像表現(xiàn)的顯示。結(jié)果SEMAC技術(shù)、MAVRIC技術(shù)比2D-FSE掃描明顯減少金屬偽影，并精確顯示植入物的體積和位置；其余11患者SEMAC成像對異常影像表現(xiàn)的顯示明顯高于FSE序列成像。Sutter等[12]比較“warp”序列(SEMAC、VAT、高帶寬)和現(xiàn)行的MRI優(yōu)化序列在全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)(total hip arthroplasty，THA)病人中減少掃描層面之間及層面內(nèi)偽影的程度。掃描獲得冠狀位STIR-warp 及橫斷位T1-warp 影像，并行標(biāo)準(zhǔn)冠狀STIR和橫斷T1WI掃描，采用高帶寬對兩者進(jìn)行優(yōu)化(STIR-hiBW和T1-hiBW)。結(jié)果STIR-warp及T1-warp 影像上髖臼結(jié)構(gòu)周圍的無信號區(qū)均比STIR-hiBW及T1-hiBW影像上小，前兩者更易區(qū)分解剖結(jié)構(gòu)；warp序列的失真度、模糊度及噪聲較標(biāo)準(zhǔn)序列的低。Grifn等[13]通過對狗尸體脊柱植入螺釘，運(yùn)用warp快速自選回波序列(TSE)和高寬帶優(yōu)化序列掃描，分別獲得橫斷位STIR和失狀位T2圖像，結(jié)果warp-TSE比高寬帶優(yōu)化序列明顯減少大約24.9% 到71.5%脊髓邊緣模糊長度。Tao Ai等[14]等使用SEMAC-VAT結(jié)合技術(shù)，對帶有相同金屬的瓊脂和軟組織模體以及有金屬植入物的志愿者進(jìn)行成像，分別對其進(jìn)行定量和定性評估，并與WAT、SEMAC和常規(guī)2D成像對比，結(jié)果該技術(shù)減少了大約63%±15%的金屬偽影，比單獨成成像明顯改善質(zhì)量，對骨髓的顯示和金屬植入物附近軟組織的顯示顯著提高。Hargreaves等[15]在Lu的基礎(chǔ)上使用快速SEMAC技術(shù)，即與標(biāo)準(zhǔn)回波隊列成像(standard echo-train imaging)、平行成像(parallel imaging)、部分傅里葉成像(partial-Fourier imaging)和翻轉(zhuǎn)恢復(fù)技術(shù)(inversion recovery techniques)相結(jié)合，可以在11分鐘的掃描時間內(nèi)很好的控制金屬偽影 。

盡管SEMAC技術(shù)可以有效減低植入物附件的金屬偽影，但也有一些缺點，如信噪比降低、金屬偽影校正后的波紋偽影。Lu等[16]在隨后的研究中提出通過奇異值分解(singular value decomposition，SVD)去噪重建方法提高金屬偽影矯正后圖像的信噪比，基于SVD去噪重建方法包括兩個連續(xù)步驟，首先首先刪除所有被分解數(shù)據(jù)單位中的正交噪聲，接著SVD去噪數(shù)據(jù)需要選擇包含有層面間偽影校正后的有用信號。

4 多采集與可變諧圖像結(jié)合技術(shù)

多采集與可變諧圖像結(jié)合(multipleacquisition with variable resonances image combination，MAVRIC)技術(shù)[17]是基于多個三維快速自旋回波(3D-FSE)成像，并在射頻脈沖發(fā)射和接受頻率中使用離散補(bǔ)償獲得圖像。這一技術(shù)通過后處理合成圖像，避免層面間圖像信號的失真，并明顯降低讀出方向的圖像信號失真。

Hayter等[18]收集122例關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者，其中包括74例髖關(guān)節(jié)、27例肩關(guān)節(jié)、21例膝關(guān)節(jié)。分別對這些部位進(jìn)行FSE 技術(shù)和MAVRVIC技術(shù)掃描，以滑膜的顯示、關(guān)節(jié)假體與骨鄰近面的觀察、關(guān)節(jié)周圍肌肉為評價標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果表明在滑膜炎和假體周圍骨質(zhì)溶解的顯示以及對岡上肌腱撕裂的診斷上，MAVRIC成像技術(shù)比FSE成像能更好的顯示這些病變。Meftah等[19]對符合研究的24例膝關(guān)節(jié)置換患者，平均分為3組，包括旋轉(zhuǎn)平面后穩(wěn)定(rotating-platform posteriorstabilized，RP-PS)，固定軸承金屬支持(fixedbearing metal-back，F(xiàn)B-MB)和全聚乙烯脛骨(allpolyethylene tibial，APT)三種設(shè)計，通過MAVRIC技術(shù)MRI掃描評估反應(yīng)滑膜炎和骨質(zhì)溶解的程度與這三種設(shè)計的相關(guān)性，結(jié)果分別有6例RP-PS(75%)，所有8例FB-MB(100%)，6例APT(75%)觀察到反應(yīng)性滑膜炎；骨質(zhì)溶解三者無統(tǒng)計學(xué)意義。Koff等[20]應(yīng)用3DMAVRIC和2D-FSE成像對關(guān)節(jié)假體材料的偽影進(jìn)行量化，比較這兩種技術(shù)的去金屬偽影價值。主要用不銹鋼、鈷-鉻合金、鈦、超高分子聚乙烯這四種不同的材質(zhì)，首先標(biāo)記一個點，成像后計算到模型的距離，并把圖像中測量的位移與理論實際位移作比較，估算MAVRIC技術(shù)測得圖形的體積大小，比較與實際模體體積的差異。結(jié)果顯示3D-MAVRIC成像技術(shù)測得的體積與已知實際體積少了2個像素，說明3D-MAVRIC成像技術(shù)能更好的去金屬偽影，減少圖像失真。Carl等[21]隨后結(jié)合3D超短回波時間(3D-ultrastort echo time，3D-UTE)技術(shù)，結(jié)果明顯減少金屬偽影的同時，可以很好顯示一些短T2信號組織，如肌腱、韌帶、骨皮質(zhì)等。ORS-MAVRIC結(jié)合技術(shù)可限制所選的空間-光譜區(qū)域，能夠在臨床可行的掃描的時間內(nèi)減少金屬偽影，同時可避免信號堆積[22]。Koch等[23]使用SEMACMAVRIC混合技術(shù)應(yīng)用于各種關(guān)節(jié)置換術(shù)后的掃描，得到更少殘留偽影圖像，提高圖像信噪比和組織分辨力。

5 “理想”成像

迭代分解水和脂肪的回聲不對稱與最小二乘法估計(iterative decomposition of water and fat with echo asymmetry and least-squares estimation，IDEAL)技術(shù)為一種改良的三點式 DIXON水脂分離成像技術(shù)[24]。這一技術(shù)可以克服磁場不均勻性帶來的影響，清晰地顯示水脂邊界，水脂徹底分離[25]，多用于脊柱成像。三點法的特點是采集的3個回波中，中間一個信號與傳統(tǒng)的SE/FSE序列采集的時間相同，另2個是對稱性位于這個信號的兩邊的反相位信號。中間的信號采集的時間點在π/2+nπ，其他2個信號采集的偏移時間保證在之前和之后2π/3，后處理計算采用迭代最小二乘估算法，可以保證象素內(nèi)任意的水和脂肪比例都可以進(jìn)行精確的水脂分離。相對于TE時間采集的信號而言，它們屬于非對稱性采集，為了保證最短的掃描時間，臨床常用的采集時間點是 -π/6、π/2、7π/6。

Cha等[26]前瞻性比較使用IDEAL技術(shù)的T2WI和對比劑增強(qiáng)T1WI成像對于減小模體和病人脊柱手術(shù)植入金屬后的金屬偽影的能力。其方法是模體和19例病人均使用頻率選擇脂肪抑制(frequency-selective fat saturation，F(xiàn)SFS)和IDEAL技術(shù)掃描，其中模體獲得冠狀面T1WI和T2WI圖像，病人獲得橫斷面T2WI和對比劑增強(qiáng)的T1加權(quán)圖像。模體的定量研究則根據(jù)信號強(qiáng)度的輪廓，測定金屬偽影的短軸和長軸長度；病人觀察椎旁的肌肉和椎管區(qū)域的顯示能力，以及脂肪飽和的均勻性和噪聲。結(jié)果在臨床研究中，IDEAL技術(shù)T2WI和對比劑增強(qiáng)T1WI成像可顯著改善硬膜囊、脊椎的肌肉、脂肪飽和的均勻程度的顯示效果，以及噪聲，此技術(shù)有效地減少脊柱金屬植入物所引起的偽影，改善圖像質(zhì)量。Murakami等[27]應(yīng)用IDEAL技術(shù)與化學(xué)位移選擇飽和(chemical shift selective saturation，CHESS)對比，分析35例脊柱外科手術(shù)后MRI成像的圖像，其中30例有金屬植入物，成像后均獲得矢狀位T1和T2圖像，結(jié)果IDEAL技術(shù)比CHESS成像獲得更多有效臨床信息，比如更精確評估椎管、椎旁組織的顯示和并發(fā)癥的診斷等。

6 單點成像和預(yù)極化方法

單點成像(single-point imaging，SPI)[28]也可用于金屬偽影的矯正，并且可在后期圖像的重建中實現(xiàn)圖像的直觀化。在常規(guī)方法中，信號的準(zhǔn)備和采集需要幾毫秒的時間。常規(guī)MRI方法不能使固體實性材料成像，因為在信號還未被完全記錄之前就已消失。在單點成像(SPI)中，通過盡可能快的激發(fā)采集只有一個點的自由感應(yīng)衰減(free induction decay，F(xiàn)ID)解決這一問題，其信號編碼可以在超短時間實現(xiàn)，大概在幾十微妙內(nèi)。此信號采集方式使SPI避免由于在采集多k空間點的過程中信號強(qiáng)度發(fā)生變化而引起的圖像失真。理論上SPI方法試驗的實施比較復(fù)雜，由于大梯度幅度需要在相當(dāng)短的掃描時間內(nèi)以獲得具有高光譜和空間分辨率圖像。但是通常情況下，為了避免梯度的熱物理不穩(wěn)定性，就需要SPI連續(xù)步驟的延遲。K-空間被逐點追蹤，導(dǎo)致掃描時間延長。

7 總 結(jié)

隨著這一系列金屬偽影校正方法的使用，對金屬植入術(shù)后患者手術(shù)效果的評估能力將有所提高。這些新方法雖然能較大幅度減低金屬偽影，但仍未能達(dá)到完全消除金屬感應(yīng)偽影。同時，這些方法也有一些缺點，主要是減低圖像信躁比，這一問題還有待于進(jìn)一步研究。

[1] Vandevenne JE，Vanhoenacker FM，Parizel PM，et al. Reduction of metal artifacts in musculoskeletal MR imaging[J]. JBR-BTR，2007，90（5）: 345-349.

[2] Toms AP，Smith-Bateman C， Malcolm PN, et al. Optimization of metal artefact reduction (MAR) sequences for MRI of total hip prostheses[J]. Clinical Radiology，2010，65（6）:447-452.

[3] Cho ZH，Kim DJ，Kim YK. Total inhomogeneity correction including chemical shifts and susceptibility by view angle tilting[J]. MedIical Physics，1988，15(1): 7-11.

[4] Danie BL，Buttsl K. The use of view angle tilting to reduce distortions in magnetic resonance imaging of cryosurgery[J]. Magnetic Resonance Imaginge，2000，18（3）：281-286.

[5] Lu W, Pauly KB, Gold GE, et al. Towards artifact-free MRI near metallic implants[J].Magnetic Resonance in Medicine，2008，16：838.

[6] Bos C, den Harder CJ，and G. van Yperenl. MR imaging near orthopedic implants with artifact reduction using view-angle tilting and off-resonance suppression[J]. Magnetic Resonance in Medicine, 2010, 18: 129.

[7] Ahn S and Hu XP. View angle tilting echo planar imaging for distortion correction[J].Magnetic Resonance in Medicine，2012，68（4）:1211-1219.

[8] Zho SY and Kim DH. Time-varying view angle tilting with spiral readout gradients[J]. Magnetic Resonance in Medicine，2012，68(4):1220-1227 .

[9] Lu W, Pauly KB, Gold GE, et al. SEMAC: slice encoding for metal artifact correction in MRI[J]. Magnetic Resonance in Medicine，2009，62(1): 66-76.

[10]Zho SY, Kim MO, Lee KW, et al. Artifact reduction from metallic dental materials in T1-weighted spin-echoimaging at 3.0 Tesla[J].Magnetic Resonance Imaging，2013，37(2)：471-478.

[11]Chen CA，Chen W, Goodman SB，et al. New MR imaging methods for metallic implants in the knee:artifact correction and clinical impact[J]. Magnetic Resonance Imaging，2011，33（5）：1121-1127.

[12]Sutter R, Ulbrich EJ, Jellus V, et al.Reduction of metal artifacts in patients with total hip arthroplasty with slice-encoding metal artifact correction and view-angle tilting MR imaging[J]. Radiology，2012，265(1)：204-214.

[13]Grif?n JF, Archambault NS，Mankin JM，et al. Magnetic resonance imaging in cadaver dogs with metallic vertebral implants at 3 Tesla ：evaluation of the warp-turbo spin echo sequence[J].Spine，2013，38（24）1548-1553.

[14]Ai T, Padua A; Goerner F, et al. SEMAC-VAT and MSVATSPACE sequence strategies for metal artifact reduction in 1.5T magnetic resonance imaging[ J] .Investigative Radiology，2012，47(5)：267-276.

[15]Hargreaves BA, Weitian Chen, Lu W, et al. Accelerated slice encoding for metal aartifact correction[J]. Magnetic Resonance in Medicine, 2010, 31(4): 987-996.

[16]Lu W, Pauly KB, Gold GE, et al. slice encoding for metal artifact correction with noise reduction[J].Magnetic Resonance in Medicine, 2011, 65（5）：1352-1357.

[17]Koch KM，Lorbiecki JE，Hinks RS，et al. A multispectral three-dimensional acquisition technique for imaging near metal implants[J].Magnetic Resonance in Medicine，2009，61（9）:381-390.

[18]Hayter CL, Koff MF，Shah P, et al. MRI after arthroplasty: comparison of MAVRIC and conventional fast spin-echo techniques[J].American Journal of Roentgenology，2011，197（3）:405-411.

[19]Meftah M；Potter HG；Gold S，et al. Assessment of reactive synovitis in rotating-platform posterior-stabilized design：a 10-year prospective matched-pair MRI study[J].The Journal of Arthroplasty，2013，28（9）:1551-1555.

[20] Koff MF, Shah P, Koch KM, et al. Quantifying image distortion of orthopedic materials in imaging[J]. Magnetic Resonance Imaging , 2013, 38(3):610-618.

[21]Carl M, Koch K, Du J. MR imaging near metal with undersampled 3D radial UTEMAVRIC sequences[J]. Magnetic Resonance in Medicine, 2013, 69（1）:27-36.

[22]den Harder JC；van Yperen GH；Blume UA，et al. Offresonance suppression for multi-spectral MR imaging near metallic implants[J].Magnetic Resonance in Medicine 2014，00:00-00.

[23]Koch, KM, Brau AC, Chen W, et al.Imaging near metal with a MAVRIC-SEMAC hybrid[J]. Magnetic Resonance in Medicine，2011，65（1）：71-82.

[24]Gerdes CM，Kijowski R，Reeder SB. IDEAL imaging of the musculoskeletal system: robust water fat separation for uniform fat suppression，marrow evaluation，and cartilage imaging [J]. American Journal of Roentgenology，2007，189(5)：284-291.

[25]Ma J, Singh SK, Kumar AJ, et al. Method for efficient fast spin echo dixon imaging[J] .Magnetic Resonance in Medicine， 2002，48（6）：1021-1027.

[26]Cha JG，Jin W，Lee MHet al. Reducing metallic artifacts in postoperatives spinal imaging：usefulness of IDEAL contrastenhanced T1- and T2-weighted MR imaging-phantom and clinical studies[J].Radiology，2011，259(3)：885-893.

[27] Murakami M，Mori H，Kunimatsu A，et al. Postsurgical spinal magnetic resonance imaging with iterative decomposition of water and fat with echo asymmetry and least-squares estimation[J]. Journal of Computer Assisted Tomography，2011，35（1）：16-20.

[28]Ramos-Cabrer P, van Duynhoven JPM, Van der Toorn A, et al. MRI of hip prostheses using single-point methods: invitro studies towards the artifact-free imaging of individuals with metal implants[J]. Magnetic Resonance Imaging, 2004, 22:1097-1103.

R445.2

A

10.3969/j.issn.1009-3257.2015.04.021

2015-06-28

金 梅，女，影像醫(yī)學(xué)與核醫(yī)學(xué)專業(yè),在讀碩士研究生，主要研究方向：神經(jīng)與骨肌系統(tǒng)影像診斷

李曉蘭