fMRI偽影去除方法研究的進展

李寧

濟寧市第二人民醫院 設備科，山東濟寧 272000

fMRI偽影去除方法研究的進展

李寧

濟寧市第二人民醫院 設備科，山東濟寧 272000

功能磁共振成像（fMRI）是生物學和醫學研究中的重要工具，其在使用過程中產生的偽影嚴重影響了fMRI的成像質量，本文總結了fMRI偽影的形成機理，并對幾種常見偽影的去除方法進行綜述。

功能磁共振成像；偽影；研究進展

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）是一種生物磁自旋成像技術，其利用原子核自旋運動的特點，在外加磁場內，經射頻脈沖激后產生信號，用探測器檢測并輸入計算機，經過處理轉換在屏幕上顯示圖像[1]。MRI作為醫學影像學的核心技術之一，應用范圍日益廣泛，已經成為一項常規的醫學檢測手段[2]。

基于BOLD對比度機制的功能磁共振成像（Functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI）是磁共振成像技術在90年代初的一項新發展[3]，它的出現進一步擴大了MRI技術在臨床上的應用，fMRI已經成為描述腦功能活動的強有力工具。但與神經活動無關的偽影的存在，降低了fMRI的敏感性及可靠性，使功能激活區域的檢測、定位及可視化變得更加復雜。因此，研究更為有效的fMRI偽影去除方法十分重要。

1 偽影形成機理

偽影是指在磁共振掃描或圖像處理中出現一些人體本身不存在的影像。MRI圖像中每個點的信息，都是由頻率編碼和相位編碼決定的，當接受信息的頻率編碼和相位編碼受到外界干擾時，影像不能正確反映組織結構的位置、形狀和組織特性，即產生所謂的偽影。偽影會使得圖像質量下降進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，該技術基于方向相反的頻率讀出梯度交替采集MRI信號的奇、偶回波[5]。但由于不準確的采集時序、靜磁場的不均勻性等因素，這項技術更容易受到各種噪聲和偽影的干擾，從而影響fMRI的數據質量，例如在圖像采集過程中，神經活動會導致BOLD信號發生改變。另外，還有許多生理相關的MRI信號改變，如受檢者頭部的微小運動、生理運動（如呼吸、心跳及腦脊液脈動等）、大血管流入及排空效應會分別導致時間序列圖像存在頭部運動偽影、生理運動偽影及血流偽影。

2 常見偽影分類及去除方法

2.1 Ghost偽影

Ghost偽影不僅影響fMRI的圖像質量，而且影響時間序列圖像之間的運動檢測及校正精度。如果偽影強度隨時間改變，將直接影響功能激活區域的準確檢測。

Ghost偽影可以通過優化掃描參數、提高靜磁場的均勻性、減小梯度渦流、改善濾波器的性能等措施加以控制。但是由于系統硬件性能的提高是有限的，低強度的偽影幾乎總是出現在EPI圖像中。為了提高檢測功能激活信號的準確性，需要采取適當的方法來抑制或校正Ghost偽影。

Lee等[6]提出了基于凸集投影的方法用來校正相位，該方法是假設目標圖像和含有偽影的圖像的相位差是線性變化的，同時假設每一行的相位差是按同一參數變化的。Zhang等[7]提出用二階矩的方法來消除偽影，但該方法要求圖像是對稱的，同時要求奇偶相位差按線性變化，且所有行的相位差要按同一參數變化。Xu等[8]針對MRI提出了一種相控射頻線圈的設計方法，并將其應用于主動屏蔽射頻相控線圈的設計，通過研究發現線圈陣列的簡單性和磁場的均勻性之間存在一種平衡。

目前為止，如何校正Ghost偽影仍然是一個非常棘手的問題。為了盡可能減少Ghost偽影，應綜合應用多種校正方法。未來fMRI數據處理的研究方向主要是基于EPI圖像本身，利用統計方法校正Ghost偽影。

2.2 頭部運動偽影

早期的fMRI研究絕大部分是對偏頭痛發病機制中所涉及到的神經環路進行研究[9]，在時間序列圖像掃描過程中，受檢者的頭部運動是影響fMRI成像質量的一大問題。為了準確、可靠地檢測神經活動關聯的功能激活區域，在進行fMRI數據統計分析之前，必須采用適當的方法校正時間序列圖像之間的頭部運動偽影。最常用的校正受檢者頭部運動偽影的方法是對時間序列圖像進行剛體配準。圖像配準可以在2D或3D空間進行。由于受檢者的頭部運動可以是任意方向的，因此在校正中通常采用3D配準方法。

Samsonov等[10]提出了利用凸集投影法對運動偽影進行快速迭代，不過此方法需要預知運動模型。陳玉林等[11]分析了刀鋒偽影校正（Blade）技術應用于常規頭部檢查的情況，并探討了Blade技術在顱腦高場MRI中的臨床應用價值，認為Blade技術對消除常規MRI序列掃描出現的運動或磁敏感偽影有顯著作用。但即使采用相對較好方法對時間序列圖像進行運動校正之后，時間序列圖像仍然存在插值效應、自旋歷史效應等許多運動關聯效應。理論上，可以通過分析時間域和空間域的不同表現辨別這些運動關聯效應，但是如何確定這些運動關聯效應是相當困難的。

2.3 生理偽影

生理運動主要包括呼吸、心跳，吞咽和眼球運動等。呼吸和心臟脈動會對MRI信號產生顯著不良影響，會增加fMRI時間序列圖像的噪聲。大腦血流脈動及呼吸導致的磁場改變可以引起MRI信號調制，這種信號調制反過來可以導致圖像偽影，這會減小fMRI信號的敏感性及空間特定性。

目前，已有多項研究針對fMRI生理偽影提出了有效的解決方法，如回溯性校正[12]、數字濾波、心電門控掃描、導航回波及基于K空間的估計和校正等。為了減少由于生理運動導致的fMRI信號改變，王秋霞等[13]利用3.0 T MRI對螺旋槳（Propeller）快速自旋回波序列FSE T2WI及FSE T2WI技術系列進行了對比研究，認為Propeller技術可以明顯降低呼吸運動等偽影，使得上腹部實際臟器的邊緣更加清晰，具有重要參考價值。楊勤宇等[14]指出，雖然心臟跳動產生的偽影會使MRI對心臟的檢查產生較大限制，但隨著其在軟硬件方面的不斷進步，MRI已被廣泛應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別。在實際的fMRI研究中，應當盡量避免大血管效應。因此，區分大血管和小血管效應就顯得非常重要。可以利用fMRI和磁共振血管成像融合技術，通過圖像后處理的方法研究區分大血管和小血管效應的方法，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題。導致fMRI偽影產生的因素非常復雜，有些可通過具體去除技術完全消除，有些僅能減少或改變位置。因此，為了盡可能去除偽影對fMRI的影響，還需要不斷尋求新的思路和方法。

[1] 劉炳然.核磁共振系統典型故障維修及體會[J].中國醫療設備, 2014(4):146-147.

[2] 蔣秉梁,王曉棠.磁共振成像基本原理及臨床應用[J].中國醫學裝備,2013,10(1):49-51.

[3] Gabriel M,Brenman NP,Peck KK,et al.Bold fMRI for Presurgical Planning:Part II[J].Functional Brain Tumor Imaging,2014:79-94.

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[11] 陳玉林,吳力源,胡曉云,等.刀鋒偽影校正技術在顱腦高場MRI中的臨床應用價值[J].中國現代醫學雜志,2011,21(23):2929-2931.

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[14] 楊勤宇,蔣孝先,何丹.心臟磁共振成像在心肌病中的臨床應用[J].中國現代醫生,2011(26):23-25.

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