MR并行采集技術(shù)對(duì)BOLD序列信噪比的影響

李銘 劉嬌 周小燕

[摘要] 目的 研究并行采集對(duì)BOLD序列信噪比的影響。 方法 2020年5～6月向社會(huì)征集30名適合磁共振檢查的健康志愿者，隨機(jī)分為兩組，每組各15名。利用3.0T MR進(jìn)行BOLD數(shù)據(jù)采集。在其他參數(shù)固定的情況下，分別打開(kāi)及關(guān)閉并行采集技術(shù)，得到兩組BOLD數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行MATLAB分析。 結(jié)果 在加速因子為2的情況下，并行采集對(duì)BOLD信號(hào)產(chǎn)生顯著影響，信噪比下降24.4%，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。并行采集的先后順序，不會(huì)對(duì)掃描信噪比產(chǎn)生影響，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。 結(jié)論 在加速因子固定的情況下，進(jìn)行BOLD掃描時(shí)，應(yīng)充分考慮并行采集對(duì)信噪比產(chǎn)生的影響。

[關(guān)鍵詞] 并行采集;信噪比;腦功能成像BOLD;磁共振成像

[中圖分類號(hào)] R445.2? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] B? ? ? ? ? [文章編號(hào)] 1673-9701（2020）29-0129-04

[Abstract] Objective To study the effect of parallel acquisition on the signal-to-noise ratio of BOLD sequence. Methods From May to June 2020， 30 healthy volunteers suitable for MRI examination were recruited from the society， and were randomly divided into two groups（15 cases in each group）. 3.0T MR was carried out for BOLD data collection. When other parameters were fixed， the parallel acquisition technology was switched on and off to obtain two sets of BOLD data. The data were analyzed by MATLAB. Results When the acceleration factor was 2， parallel acquisition showed a significant impact on the BOLD signal， and the signal-to-noise ratio dropped by 24.4%. The difference was statistically significant. The sequence of parallel acquisition did not affect the scanning signal-to-noise ratio， and the difference was not statistically significant. Conclusion When the acceleration factor is fixed， the impact of parallel acquisition on the signal-to-noise ratio should be fully considered when performing BOLD scanning.

[Key words] Parallel acquisition; Signal-to-noise ratio; Brain function imaging BOLD; Magnetic resonance imaging

隨著磁共振掃描儀的日漸普及，臨床患者對(duì)MRI的接受度增加，影像工作人員對(duì)圖像質(zhì)量和掃描速度的要求也日益增高。中、高檔磁共振的磁體場(chǎng)強(qiáng)和梯度場(chǎng)強(qiáng)的切換率均已達(dá)到相當(dāng)高的水平，而且梯度場(chǎng)強(qiáng)的快速切換會(huì)造成組織的生物電流感應(yīng)和周圍神經(jīng)刺激。因此，再度提高梯度場(chǎng)和切換率則受到限制[1]，從而誕生了眾多序列和技術(shù)的研發(fā)以大幅提高掃描速度。

目前，并行采集技術(shù)對(duì)信號(hào)采集速度的提高起了非常重要的作用，已廣泛用于各個(gè)掃描序列。然而并行采集技術(shù)會(huì)造成信噪比的下降，而這一缺陷在某些序列中是不容忽視的。

腦功能成像BOLD（Blood oxygen-level dependent，BOLD）序列在臨床及科研中有著非常廣泛的使用，對(duì)于信噪比有較高的要求。有研究者對(duì)非人類靈長(zhǎng)類動(dòng)物（Non-human primates，NHP）大腦活動(dòng)進(jìn)行評(píng)估發(fā)現(xiàn)其活動(dòng)非常嘈雜。有研究表明較低的BOLD信噪比、次佳的行為表現(xiàn)和運(yùn)動(dòng)偽影，共同導(dǎo)致RER BOLD-fMRI在NHP大腦活動(dòng)評(píng)估具有較大的挑戰(zhàn)性[2]。因此，并行采集技術(shù)對(duì)BOLD序列信噪比的影響成為了前者在BOLD序列中得到應(yīng)用推廣的關(guān)鍵因素之一。

1 資料與方法

1.1 一般資料

2020年5～6月向社會(huì)征集30名適合磁共振檢查的20～50歲健康志愿者，納入標(biāo)準(zhǔn)[3]：識(shí)字、右利手（愛(ài)丁堡利手問(wèn)卷>40分）。排除標(biāo)準(zhǔn)[4]：有MR檢查禁忌證者，有固定假牙，有顱腦手術(shù)史及梗死或出血史等神經(jīng)科類疾病者。30名志愿者中男13名，女17名，平均年齡32歲，采取隨機(jī)分組，每組各15名。本實(shí)驗(yàn)已取得醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，所有受試志愿者均簽署知情同意書(shū)。

1.2 設(shè)備與線圈

選用西門子Prisma 3.0T 超導(dǎo)磁共振，64通道head&neck線圈，美德腦功能視聽(tīng)覺(jué)刺激儀。

1.3 掃描方法

對(duì)所有志愿者均掃描顱腦定位、T1MPRAGE結(jié)構(gòu)相序列以及兩個(gè)BOLD序列。為排除兩個(gè)BOLD序列前后掃描順序可能對(duì)掃描結(jié)果產(chǎn)生未知影響，將志愿者隨機(jī)分為兩組。第一組志愿者掃描在完成結(jié)構(gòu)相掃描后，先掃描使用一般性自動(dòng)校準(zhǔn)部分并行采集（Generalized auto calibrating partially parallel acquisition，GRAPPA）技術(shù)[5]，即西門子 iPAT 技術(shù)、加速因子為2的BOLD序列，再掃描不使用 iPAT技術(shù)的BOLD序列，其他參數(shù)保持完全一致;第二組在完成結(jié)構(gòu)相掃描后，先掃描不使用 iPAT技術(shù)的BOLD序列，再使用 iPAT技術(shù)的BOLD序列行fMRI掃描。在分別掃描兩個(gè)BOLD序列的同時(shí)，運(yùn)行腦功能視聽(tīng)覺(jué)刺激儀，采取30 s靜息，30 s輕柔連續(xù)抓握右手的交替循環(huán)，與BOLD序列同步開(kāi)始及結(jié)束。BOLD序列掃描參數(shù)，見(jiàn)表1。

1.4 圖像處理

在安裝MatLab2017a的電腦中運(yùn)行MatLab和SPM12，對(duì)T1MPRAGE結(jié)構(gòu)相及兩組BOLD任務(wù)相進(jìn)行Slice Timing、Realignment、Coregister、Segment、Normalize、Smooth等預(yù)處理后，先對(duì)每一個(gè)BOLD序列用Specify 1st level做單個(gè)被試分析，再用Specify 2nd level將兩次掃描的兩組30個(gè)BOLD序列做配對(duì)t檢驗(yàn)組內(nèi)比較分析全腦信號(hào)差異;兩組間使用并行采集技術(shù)的15個(gè)BOLD序列做獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)組間比較分析信號(hào)差異。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

1.5.1 SPM12對(duì)兩組30個(gè)BOLD序列配對(duì)? 全腦平均體素個(gè)數(shù)31 509，信號(hào)差異顯著（t=21.18，P<0.05），見(jiàn)表2。

1.5.2 SPM12對(duì)兩組間15個(gè)BOLD序列組比較? 全腦沒(méi)有腦區(qū)激活超過(guò)閾值。

2 結(jié)果

2.1 兩組30個(gè)BOLD序列配對(duì)分析

使用并行采集技術(shù)，且加速因子為2時(shí)，全腦信噪比普遍下降。與其他研究者在體模上約24.4%信號(hào)[6]差異相符。由圖1可知，不采用并采的頭部信號(hào)與采用并采的頭部信號(hào)配對(duì)對(duì)比，全腦均顯示顯著信號(hào)差異。

2.2 兩組間15個(gè)BOLD序列配對(duì)分析

兩組間BOLD序列配對(duì)組分析比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。見(jiàn)圖2。對(duì)于開(kāi)關(guān)并采技術(shù)情況下的先后掃描順序，并不會(huì)產(chǎn)生差異，從而對(duì)結(jié)果分析產(chǎn)生影響。

3 討論

并行采集技術(shù)（Parallel acquisition technique，PAT）大大加快了MRI的采集速度，目前已經(jīng)為國(guó)內(nèi)外各大磁共振廠家普遍采用。其工作流程一般如下：①進(jìn)行參考掃描獲得成像組織內(nèi)各點(diǎn)的相控陣線圈敏感度信息;②利用相控陣線圈采集較少的磁共振信號(hào)，進(jìn)行K空間相位編碼線的低密度填充（矩形FOV技術(shù)）;③利用參考掃描得到的相控陣線圈敏感度信息，采用某種數(shù)學(xué)算法除去卷褶獲得全FOV圖像。由于采集相位編碼線的減少，圖像的信噪比降低?？梢杂孟旅婀奖硎?，SNRpat=SNR/g■，式中SNR表示沒(méi)有采用并行采集技術(shù)的信噪比，SNRpat表示采用并行采集技術(shù)后的信噪比，g為幾何因子，總是大于1，R為加速因子[7]。隨著加速因子增大，圖像信噪比降低，且更容易產(chǎn)生卷褶偽影[8]。當(dāng)R=2時(shí)，由公式可知，使用并行采集后，信噪比為原先的70.71%。而臨床提供的加速因子范圍一般在2～16。據(jù)國(guó)內(nèi)學(xué)者研究[9]顯示，在1.5T頭顱FLAIR序列中不建議使用并行采集技術(shù)或適當(dāng)降低加速因子，以避免影響圖像質(zhì)量。也有其他學(xué)者[10]提示，在日常的掃描中無(wú)論是高場(chǎng)還是低場(chǎng)，加速因子小于2.5的情況下，SNR的降低幾乎可以忽略[11-12]。但均未見(jiàn)提及并采技術(shù)在BOLD掃描中對(duì)SNR的影響。

功能磁共振成像（fMRI）是非侵入性研究神經(jīng)生理學(xué)大腦活動(dòng)的有效工具。該技術(shù)基于血氧水平依賴性（BOLD）理論。通過(guò)這種技術(shù)[13]，可以利用脫氧和含氧血液的磁化率差異來(lái)評(píng)估與神經(jīng)元信號(hào)有關(guān)的血液動(dòng)力學(xué)反應(yīng)。已經(jīng)確定的是，T2*圖像上的BOLD信號(hào)幅度變化為1%～3%[14-15]，并在刺激后5～8 s內(nèi)其信號(hào)峰值在幾乎同時(shí)降至基線水平之前[16]。相對(duì)于腦組織本身產(chǎn)生的成像信號(hào)，該信號(hào)幅度變化非常小。因此，為了以良好的分辨率檢測(cè)BOLD信號(hào)，需要足夠的時(shí)間和信號(hào)檢測(cè)效率[17]，才能通過(guò)比較執(zhí)行某個(gè)任務(wù)前后腦組織信號(hào)強(qiáng)度的變化，從而獲得BOLD對(duì)比[18]。

在BOLD掃描中，并行采集技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：①可以減少單激發(fā)EPI序列的磁敏感偽影;②可以通過(guò)減少相位編碼的數(shù)目而縮短單激發(fā)EPI的回波鏈，減少了相位編碼方向上的偽影，提高圖像質(zhì)量;③可以縮小回波鏈的回波間隙，從而提高圖像質(zhì)量;④可大大減少SAR值;⑤可以顯著減少化學(xué)位移偽影[7]。

本研究探討在使用并行采集技術(shù)，加速因子為2時(shí)，是否會(huì)對(duì)BOLD序列的信噪比產(chǎn)生影響，并通過(guò)與不使用并行采集技術(shù)BOLD的對(duì)比加以驗(yàn)證。磁共振圖像質(zhì)量最常見(jiàn)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是圖像信噪比SNR（Signal-noise ratio，SNR），由信號(hào)強(qiáng)度和噪聲強(qiáng)度的比值決定[19]。研究表明，圖像噪聲來(lái)源于統(tǒng)計(jì)噪聲和系統(tǒng)噪聲。在同一序列中，其相對(duì)變化不大[20]。因此信號(hào)的變化對(duì)于信噪比的變化顯得更為主要，能夠用信號(hào)的變化來(lái)代表信噪比的變化。本研究結(jié)果顯示，采用并行采集技術(shù)，且加速因子為2時(shí)，BOLD信號(hào)降低，導(dǎo)致信噪比減少，對(duì)掃描結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。

本研究結(jié)果顯示，使用并行采集技術(shù)和不使用該技術(shù)序列的先后掃描順序，并不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果產(chǎn)生影響。在今后的類似研究中可以忽略其掃描的先后順序。

本次研究局限在于：①實(shí)驗(yàn)樣本量太小;②未將其他廠家常見(jiàn)的并行采集技術(shù)，如GE的ASSET、飛利浦的sense、聯(lián)影的bFAST等列入研究;③未涉及不同加速因子之間的差異。

綜上所述，相對(duì)于并行采集的眾多優(yōu)點(diǎn)，信噪比下降對(duì)掃描結(jié)果的影響，在進(jìn)行BOLD掃描時(shí)以下幾點(diǎn)應(yīng)引起重視：①加速因子R不宜設(shè)置太大;②隨著R值的增大，信噪比下降更為明顯;③即使R為2的情況下，信噪比下降約30%，應(yīng)綜合考慮其是否會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，權(quán)衡是否使用并采技術(shù)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] Whne，F(xiàn)orbes. Electromagnetic fields in the human body due to switched transverse gradient coils in MRI[J]. Phys Med Biol，2004，1117，49（13）：2779 -2798.

[2] Vassilis Pelekanos，Robert M Mok，Olivier Joly，et al.Rapid event-related，BOLD fMRI，non-human primates（NHP）：choose two out of three[J]. Scientific Reports，2020， 10（1）：2470-2473.