fMRI偽影去除方法研究的進(jìn)展

李寧

濟(jì)寧市第二人民醫(yī)院 設(shè)備科，山東濟(jì)寧 272000

fMRI偽影去除方法研究的進(jìn)展

李寧

濟(jì)寧市第二人民醫(yī)院 設(shè)備科，山東濟(jì)寧 272000

功能磁共振成像（fMRI）是生物學(xué)和醫(yī)學(xué)研究中的重要工具，其在使用過(guò)程中產(chǎn)生的偽影嚴(yán)重影響了fMRI的成像質(zhì)量，本文總結(jié)了fMRI偽影的形成機(jī)理，并對(duì)幾種常見(jiàn)偽影的去除方法進(jìn)行綜述。

功能磁共振成像；偽影；研究進(jìn)展

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）是一種生物磁自旋成像技術(shù)，其利用原子核自旋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，在外加磁場(chǎng)內(nèi)，經(jīng)射頻脈沖激后產(chǎn)生信號(hào)，用探測(cè)器檢測(cè)并輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)處理轉(zhuǎn)換在屏幕上顯示圖像[1]。MRI作為醫(yī)學(xué)影像學(xué)的核心技術(shù)之一，應(yīng)用范圍日益廣泛，已經(jīng)成為一項(xiàng)常規(guī)的醫(yī)學(xué)檢測(cè)手段[2]。

基于BOLD對(duì)比度機(jī)制的功能磁共振成像（Functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI）是磁共振成像技術(shù)在90年代初的一項(xiàng)新發(fā)展[3]，它的出現(xiàn)進(jìn)一步擴(kuò)大了MRI技術(shù)在臨床上的應(yīng)用，fMRI已經(jīng)成為描述腦功能活動(dòng)的強(qiáng)有力工具。但與神經(jīng)活動(dòng)無(wú)關(guān)的偽影的存在，降低了fMRI的敏感性及可靠性，使功能激活區(qū)域的檢測(cè)、定位及可視化變得更加復(fù)雜。因此，研究更為有效的fMRI偽影去除方法十分重要。

1 偽影形成機(jī)理

偽影是指在磁共振掃描或圖像處理中出現(xiàn)一些人體本身不存在的影像。MRI圖像中每個(gè)點(diǎn)的信息，都是由頻率編碼和相位編碼決定的，當(dāng)接受信息的頻率編碼和相位編碼受到外界干擾時(shí)，影像不能正確反映組織結(jié)構(gòu)的位置、形狀和組織特性，即產(chǎn)生所謂的偽影。偽影會(huì)使得圖像質(zhì)量下降進(jìn)而影響到圖像的定量或定性分析[4]。

fMRI主要使用目前最高速的回波平面成像（Echo Planar Imaging，EPI）技術(shù)，該技術(shù)基于方向相反的頻率讀出梯度交替采集MRI信號(hào)的奇、偶回波[5]。但由于不準(zhǔn)確的采集時(shí)序、靜磁場(chǎng)的不均勻性等因素，這項(xiàng)技術(shù)更容易受到各種噪聲和偽影的干擾，從而影響fMRI的數(shù)據(jù)質(zhì)量，例如在圖像采集過(guò)程中，神經(jīng)活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致BOLD信號(hào)發(fā)生改變。另外，還有許多生理相關(guān)的MRI信號(hào)改變，如受檢者頭部的微小運(yùn)動(dòng)、生理運(yùn)動(dòng)（如呼吸、心跳及腦脊液脈動(dòng)等）、大血管流入及排空效應(yīng)會(huì)分別導(dǎo)致時(shí)間序列圖像存在頭部運(yùn)動(dòng)偽影、生理運(yùn)動(dòng)偽影及血流偽影。

2 常見(jiàn)偽影分類(lèi)及去除方法

2.1 Ghost偽影

Ghost偽影不僅影響fMRI的圖像質(zhì)量，而且影響時(shí)間序列圖像之間的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)及校正精度。如果偽影強(qiáng)度隨時(shí)間改變，將直接影響功能激活區(qū)域的準(zhǔn)確檢測(cè)。

Ghost偽影可以通過(guò)優(yōu)化掃描參數(shù)、提高靜磁場(chǎng)的均勻性、減小梯度渦流、改善濾波器的性能等措施加以控制。但是由于系統(tǒng)硬件性能的提高是有限的，低強(qiáng)度的偽影幾乎總是出現(xiàn)在EPI圖像中。為了提高檢測(cè)功能激活信號(hào)的準(zhǔn)確性，需要采取適當(dāng)?shù)姆椒▉?lái)抑制或校正Ghost偽影。

Lee等[6]提出了基于凸集投影的方法用來(lái)校正相位，該方法是假設(shè)目標(biāo)圖像和含有偽影的圖像的相位差是線(xiàn)性變化的，同時(shí)假設(shè)每一行的相位差是按同一參數(shù)變化的。Zhang等[7]提出用二階矩的方法來(lái)消除偽影，但該方法要求圖像是對(duì)稱(chēng)的，同時(shí)要求奇偶相位差按線(xiàn)性變化，且所有行的相位差要按同一參數(shù)變化。Xu等[8]針對(duì)MRI提出了一種相控射頻線(xiàn)圈的設(shè)計(jì)方法，并將其應(yīng)用于主動(dòng)屏蔽射頻相控線(xiàn)圈的設(shè)計(jì)，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)線(xiàn)圈陣列的簡(jiǎn)單性和磁場(chǎng)的均勻性之間存在一種平衡。

目前為止，如何校正Ghost偽影仍然是一個(gè)非常棘手的問(wèn)題。為了盡可能減少Ghost偽影，應(yīng)綜合應(yīng)用多種校正方法。未來(lái)fMRI數(shù)據(jù)處理的研究方向主要是基于EPI圖像本身，利用統(tǒng)計(jì)方法校正Ghost偽影。

2.2 頭部運(yùn)動(dòng)偽影

早期的fMRI研究絕大部分是對(duì)偏頭痛發(fā)病機(jī)制中所涉及到的神經(jīng)環(huán)路進(jìn)行研究[9]，在時(shí)間序列圖像掃描過(guò)程中，受檢者的頭部運(yùn)動(dòng)是影響fMRI成像質(zhì)量的一大問(wèn)題。為了準(zhǔn)確、可靠地檢測(cè)神經(jīng)活動(dòng)關(guān)聯(lián)的功能激活區(qū)域，在進(jìn)行fMRI數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析之前，必須采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄐＵ龝r(shí)間序列圖像之間的頭部運(yùn)動(dòng)偽影。最常用的校正受檢者頭部運(yùn)動(dòng)偽影的方法是對(duì)時(shí)間序列圖像進(jìn)行剛體配準(zhǔn)。圖像配準(zhǔn)可以在2D或3D空間進(jìn)行。由于受檢者的頭部運(yùn)動(dòng)可以是任意方向的，因此在校正中通常采用3D配準(zhǔn)方法。

Samsonov等[10]提出了利用凸集投影法對(duì)運(yùn)動(dòng)偽影進(jìn)行快速迭代，不過(guò)此方法需要預(yù)知運(yùn)動(dòng)模型。陳玉林等[11]分析了刀鋒偽影校正（Blade）技術(shù)應(yīng)用于常規(guī)頭部檢查的情況，并探討了Blade技術(shù)在顱腦高場(chǎng)MRI中的臨床應(yīng)用價(jià)值，認(rèn)為Blade技術(shù)對(duì)消除常規(guī)MRI序列掃描出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)或磁敏感偽影有顯著作用。但即使采用相對(duì)較好方法對(duì)時(shí)間序列圖像進(jìn)行運(yùn)動(dòng)校正之后，時(shí)間序列圖像仍然存在插值效應(yīng)、自旋歷史效應(yīng)等許多運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)。理論上，可以通過(guò)分析時(shí)間域和空間域的不同表現(xiàn)辨別這些運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)，但是如何確定這些運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)是相當(dāng)困難的。

2.3 生理偽影

生理運(yùn)動(dòng)主要包括呼吸、心跳，吞咽和眼球運(yùn)動(dòng)等。呼吸和心臟脈動(dòng)會(huì)對(duì)MRI信號(hào)產(chǎn)生顯著不良影響，會(huì)增加fMRI時(shí)間序列圖像的噪聲。大腦血流脈動(dòng)及呼吸導(dǎo)致的磁場(chǎng)改變可以引起MRI信號(hào)調(diào)制，這種信號(hào)調(diào)制反過(guò)來(lái)可以導(dǎo)致圖像偽影，這會(huì)減小fMRI信號(hào)的敏感性及空間特定性。

目前，已有多項(xiàng)研究針對(duì)fMRI生理偽影提出了有效的解決方法，如回溯性校正[12]、數(shù)字濾波、心電門(mén)控掃描、導(dǎo)航回波及基于K空間的估計(jì)和校正等。為了減少由于生理運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的fMRI信號(hào)改變，王秋霞等[13]利用3.0 T MRI對(duì)螺旋槳（Propeller）快速自旋回波序列FSE T2WI及FSE T2WI技術(shù)系列進(jìn)行了對(duì)比研究，認(rèn)為Propeller技術(shù)可以明顯降低呼吸運(yùn)動(dòng)等偽影，使得上腹部實(shí)際臟器的邊緣更加清晰，具有重要參考價(jià)值。楊勤宇等[14]指出，雖然心臟跳動(dòng)產(chǎn)生的偽影會(huì)使MRI對(duì)心臟的檢查產(chǎn)生較大限制，但隨著其在軟硬件方面的不斷進(jìn)步，MRI已被廣泛應(yīng)用于各種心臟病的診斷。

2.4 血流偽影

由于fMRI空間分辨率的限制，小血管在fMRI圖像中不能很好地識(shí)別。在實(shí)際的fMRI研究中，應(yīng)當(dāng)盡量避免大血管效應(yīng)。因此，區(qū)分大血管和小血管效應(yīng)就顯得非常重要。可以利用fMRI和磁共振血管成像融合技術(shù)，通過(guò)圖像后處理的方法研究區(qū)分大血管和小血管效應(yīng)的方法，從而有效地消除血流偽影。

3 展望

隨著研究的不斷深入，出現(xiàn)了很多fMRI偽影的去除方法，但是如何迅速有效地去除由各種因素引起的fMRI偽影，仍然是有待研究解決的問(wèn)題。導(dǎo)致fMRI偽影產(chǎn)生的因素非常復(fù)雜，有些可通過(guò)具體去除技術(shù)完全消除，有些僅能減少或改變位置。因此，為了盡可能去除偽影對(duì)fMRI的影響，還需要不斷尋求新的思路和方法。

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Research Progress of Reduction of Artifacts in Functional MRI

LI Ning
Department of Equipment, The Second People’s Hospital of Jining, Jining Shandong 272000, Сhina

fMRI (Functional Magnetic Resonance Imaging) is an important tool for biological and medical research. However, the artifacts produced during magnetic resonance imaging could exert negative influence on imaging quality of fMRI. The paper summarized mechanism of formation of artifacts in fMRI image and reviewed methods used to reduce common artifacts in fMRI image.

functional magnetic resonance imaging; artifact; research progress

R445.2

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.05.019

1674-1633(2016)05-0074-02

2015-05-19

2015-06-25

作者郵箱：45244141@qq.com