磁共振成像運動偽影控制方法及技術進展

曲源，路青，蔣杰

1. 新疆維吾爾自治區人民醫院 放射影像中心，新疆 烏魯木齊 830001；2. 上海交通大學醫學院附屬仁濟醫院 放射科，上海 200127

引言

磁共振成像過程中，由于受檢者的運動產生的圖像偽影稱為運動偽影，運動可來源于受試者的生理性運動和自發性運動，前者包括呼吸運動、心臟和血管搏動、血液或腦脊液流動、胃腸道或膀胱蠕動等，而后者往往是由于受檢者的自主運動，包括身體成像部位的移動或轉動、吞咽、咳嗽、眼球運動、屏氣不佳或躁動等不配合因素而產生圖像運動偽影[1]。運動偽影是磁共振成像臨床工作中最常見的圖像偽影之一，本文對磁共振運動偽影產生的原因、表現形式以及消除運動偽影的成像技術、圖像處理方法進行綜述，以期為控制磁共振成像運動偽影奠定一定的理論基礎。

1 運動偽影產生的原因及其表現形式

在磁共振脈沖序列實施的過程中，成像層面整體發生運動或層面內生理器官發生形態變化，導致射頻激勵、空間編碼、信號采集產生錯誤，進行K空間填充和傅立葉轉換時，信號來源的位置發生偏差，重建后圖像出現偽影。偽影的嚴重程度與運動產生的信號強度、幅度及磁場強度呈正相關，在高場強磁共振系統表現得更為明顯，偽影的表現特點與脈沖序列的類型及其掃描參數等均相關[1]。

人體成像部位的自主運動類型可分為平移、旋轉和形變，器官的生理運動可分為剛性運動、彈性運動、搏動、流動等。其中剛性運動可以是成像層面內的一維平移（相位編碼方向）、兩維平移（相位編碼和頻率編碼方向）以及完全無約束的移位（上下、前后、左右）；彈性運動常見于心臟、腹部和盆腔，如心臟自身的收縮舒張、腹腔臟器、胃腸道不同程度的位移和變形等[2]。

圖像對運動的敏感性及其表現特點，取決于運動器官在信號采集期間頻率和相位的變化。如果運動發生在采集K空間邊緣數據時，則運動產生的相位累積信號幅度較小，如運動發生在K空間中心采集時，運動將造成嚴重的偽影；如回波時間相對較長或運動速度較快時，則會產生明顯的偽影；如連續回波之間的時間間隔很短且運動相對較慢，則K空間中心附近的回波信號可認為來源于同一位置的信號，產生的偽影較小[2]。

2 運動偽影糾正技術方法和對策

2.1 運動監測與圖像采集

成像過程中運動偽影的糾正方法與人體運動來源和類型相關，對于隨機的不自主運動，可以加強受檢者的擺位和固定，對于呼吸、心跳和血管搏動，可采用屏氣或生理門控掃描方式，一些專門針對運動偽影的成像序列和掃描參數能有效減輕運動偽影，而基于K空間和圖像處理的偽影消除技術也逐漸在臨床上得到應用。針對呼吸、血管搏動等生理性運動進行實時監控，使圖像采集始終處于運動相對靜止的時間窗口，或每次采集時成像部位始終處于相同的位置[3]。對于快速成像、腹部動態增強序列，可采用屏氣掃描模式；對于自旋回波、彌散序列等，可采用呼吸觸發掃描模式，能有效減輕無法屏氣情況下的呼吸運動偽影，同時提高圖像質量[4]。導航回波使用射頻脈沖激發一個垂直于肝-肺界面的條帶狀（Navigator）區域，利用空氣和組織的信號差別確定右側膈肌的空間位置，將此位置信息用于成像序列的前瞻性觸發采集或者回顧性圖像空間位置編碼，從而達到控制呼吸運動的目的和提高成像的空間編碼精度。導航回波信號的產生，可以是自旋回波信號、自由感應衰減信號等。盧晶等[5]利用相位導航信號進行胰膽管水成像采集，獲得了優于膈肌導航法的圖像質量；Wallace等[6]在頭部三維成像中，利用序列內置自由感應衰減（Free Induction Decay，FID）導航信號進行回顧性頭部運動修正，并取得了與外置運動監控設備相同的運動糾正效果。Kavaluus等[7]也將這種內置的自導航回波技術應用于肝臟動態掃描，在自由呼吸狀態下即能取得很好的無運動偽影的圖像。

針對心臟搏動，利用體表電極采集心臟運動的電信號，實時獲取心肌的運動信息，引導脈沖序列在特定的時間點進行圖像采集，此種方法稱為心電門控技術。心電門控分為回顧性和前瞻性2種采集方式。回顧式心電門控是實時采集心電信號，同步進行連續圖像信號采集，在圖像重建時將心動周期不同時間段的圖像分別進行重建，從而獲得連續的心臟運動電影圖像；前瞻式心電門控是利用采集到的心電信號，在特定的時間點觸發脈沖序列采集，一般為心動周期的相對靜止期，從而獲得不受運動影響的靜態圖像。Kavaluus等[8]利用回顧式的心臟運動檢測和修正技術成功實現了全心三維電影成像；Olivieri等[9]利用回顧式的心臟運動修正（Motion Correction，MOCO）實現了心肌延遲增強圖像運動偽影的修正，獲得了較好的圖像質量，且能優化臨床工作流程。

2.2 運動修正的掃描參數和成像技術

目前具有運動修正的成像技術包括掃描參數和成像序列，尤其是一些專用脈沖序列，可以很好地消除運動對圖像的影響。

2.2.1 常用成像技術

臨床上常使用的參數優化方法包括頻率編碼和相位編碼方向互換、空間預飽和脈沖、縮短回波鏈長度和TE時間、流動補償、信號平均技術等，根據運動類型和表現形式靈活調整這些掃描參數，有助于減輕運動偽影。為消除血液流動帶來的周期性運動影響，可以對血液信號進行抑制，特定的黑血成像技術包括雙翻轉恢復預脈沖（Double IR）、運動敏感驅動平衡（Motion-Sensitized Driven Equilibrium，MSDE）和可變延遲進動定制激發（Delayed Alternating With Nutation for Tailored Excitation，DANTE）等[4]。流動補償梯度一般可以減輕緩慢的、線性流動的偽影，針對不同流速或復雜流動需要施加更高階的補償梯度。Mekkaoui等[10]采用彌散運動補償梯度配合圖像的彈性配準來減輕運動偽影的影響，結果表明用于心肌彌散成像取得了較好的圖像質量，并行加速采集、壓縮感知以及多層面同步激發采集能夠明顯縮短掃描時間，從而減少運動偽影出現的概率（圖1）。Suraj等[11]研究表明，成像序列與加速技術的結合，在兒童成像中的有助于減少鎮靜、麻醉藥物的使用。

圖1 線性流動補償梯度與彌散運動補償梯度[10]

2.2.2 專用成像技術

利用K空間采集的冗余數據進行運動分析，實現異常數據的排除、圖像空間配準、位移數據相位修正等算法，是臨床上常用的修正圖像運動偽影方法。相應的K空間采集方式有螺旋槳填充（Periodically Rotated Overlapping Parallel Lines Enhanced Reconstruction，PROPELLER）[12]、放射狀填充[13]、螺旋樣填充[14]等，其中一些技術現在已廣泛應用于臨床各個部位的掃描，并取得了很好的效果。PROPELLER最初用于頭部成像[12]，隨著技術的發展，現在已廣泛應用到腹部、盆腔、關節等各個部位。王韜等[15]通過使用MultiVane技術，明顯改善了肝臟的圖像質量。

放射狀K空間采集（Radial Acquisition）在腹部成像中的應用成為近年來的技術熱點，其是在三維梯度回波序列的基礎上，使用放射狀K空間填充，相鄰放射狀采集線之間夾角接近黃金角（Pseudo Golden Angle），層面間仍采用笛卡爾K空間填充模式，這種采集模式也稱為星狀椎棧式采集（Stack of Stars），見圖2。放射狀K空間采集首先填充K空間中心再延伸至K空間的邊緣，放射狀采集線彼此之間通過相位修正使K空間中心對齊，而在邊緣部分，運動的影響隨著K空間邊緣的放射狀填充，逐漸遠離圖像中心，同時，由于每一條采集線指向不同的方向，即使發生呼吸運動，其運動相位在每一條采集線之間并不相同（笛卡爾平行K空間填充會由于運動產生相位偏移的累積），因此運動偽影稀釋、消散在圖像外圍。Hedderich等[16]使用此技術，能在自由呼吸狀態下獲得非常優秀的肝臟增強掃描圖像。放射狀K空間采集T1成像掃描時間相對較長，為進一步改進放射狀采集三維梯度回波序列的掃描速度，以適用于腹部多期動態增強成像，可以在層面方向使用并行加速技術，同時，在增強前掃描時，完整地采集一期K空間數據，而在動態增強階段，每期只采集部分K空間，相鄰期相之間共享K空間數據，則能實現幾秒到十幾秒的連續多期動態增強成像。Choi等[17]利用此技術進行肝臟多期動態增強掃描，獲得與常規動態增強序列等同的圖像質量，極大優化了體部動態增強掃描的工作流程。

圖2 放射狀K空間采集三維梯度回波序列

2.3 圖像重建與后處理算法

2.3.1 圖像數據配準

連續多期采集的圖像數據集，當成像部位發生運動時，可將各圖像數據集彼此之間進行比對，進行運動偽影的修正。Zaitsev等[18]對腦功能的各數據子集之間進行空間位置參照和比對，利用配準算法將圖像空間位置對齊，從而消除不同采集時間點的運動誤差，保證數據信號的一致性，這種處理方法已廣泛用于動態增強、灌注、多b值彌散成像或彌散張量成像等圖像數據，成為一種多期重復掃描數據配準的標準處理方法。

2.3.2 運動模式識別算法

當磁共振完成圖像數據的采集、重建圖像過程中，提取部分K空間數據或圖像數據建立運動模型、估計運動模式，利用數據處理算法消除運動對圖像數據的影響，這種方法被稱為回顧性運動修正（Retrospective Motion Correction）。大量研究者進行了運動偽影的后處理校正技術研究，包括線性平移運動的相位修正[19]、在成像域內用自動聚焦的方法消除圖像平面內剛性平移運動偽影[20]、類似最小化熵中心標準的“自動聚焦”算法[21]、遺傳算法運動識別與圖像重建[22]等數據處理算法，但這些早期的處理算法仍未進入臨床實質的應用。

2.3.3 線圈空間敏感性運動處理算法

多通道相控陣線圈結合并行加速采集技術能夠縮短掃描時間，由于多單元線圈的空間位置分布，與解剖結構發生運動的部位有不同的關聯性，例如，在仰臥位時，身體前部更易產生運動現象，而身體背部相對于鄰近線圈一般保持靜止狀態，因此可利用后部線圈單元線圈的數據與前部線圈進行比對，判斷運動對數據采集的影響，從而修正圖像的偽影。Zhang等[23]利用多通道線圈的部分線圈單元實時進行運動檢測，然后與線圈整體采集的圖像數據進行比對，得到運動差異信息對圖像重建進行運動補償，達到減輕偽影的作用。

2.3.4 人工智能技術

人工智能神經網絡在數據采集、偽影識別和圖像重建等方面發揮了越來越重要的作用，其可從冗雜的數據變量中發現潛在關系并進行識別與建模，減低圖像運動偽影，獲得更高的對比度和信噪比[24]。Oksuz等[25]利用3D卷積神經網絡自動識別心臟運動偽影，構建神經網絡改進心臟圖像質量，取得了很好的圖像效果；國內學者李平安等[26]利用生成對抗網絡基于頭部剛體運動偽真構建訓練集和測試集，結果表明其深度學習網絡能有效消除剛體運動偽影。近年來，利用人工智能神經網絡技術識別運動偽影、改善圖像質量的研究越來越廣泛，其技術優勢具有極大的臨床應用潛力。

2.4 運動偽影抑制技術的進展

2.4.1 運動檢測線圈

運動檢測線圈在成像部位外置一個額外的小型運動探測線圈，并在成像過程中施加三維空間梯度編碼來檢測成像部位運動產生的頻率信號變化，從而修正圖像偽影，并可使用無線信號傳輸的探測裝置來檢測頭部運動偽影[27]。Afacan等[28]利用頭部電磁追蹤裝置，其檢測頭部運動變化僅需1 ms，即可獲取高分辨率無運動的頭部三維圖像。目前類似的運動檢測裝置已進入臨床試用，可用于腦功能試驗或臨床無法制動的患者檢查中。

2.4.2 光學運動監測

光學運動監測使用1個或多個攝像機實時采集成像物體的運動影像，通過人工智能的方法探測呼吸運動或成像部位的移動，引導脈沖序列掃描或進行圖像運動偽影的修正[29]。Slipsager等[30]在PET/MR設備中安放光學運動探測裝置發現，能夠對PET和MR圖像進行運動的同步修正，保證2種圖像在空間上的良好匹配。

3 人體各部位常見運動偽影及其抑制技術

3.1 頭部

在良好制動的情況下，頭部運動主要是由于受試者的不經意的自主或無法控制的運動，以及一些生理性運動。螺旋槳采集模式能有效修正大部分頭部平面內的輕中度平移運動偽影，除了支持常規T2、FLAIR序列外，也逐漸擴展應用到梯度回波、水脂分離等更多的序列[31]；在三維成像中，臨床上已有專用的前瞻性運動補償三維成像技術，如GE的PROMO序列，利用自導航回波來消除運動偽影，見圖3[6]和圖4[31]；對于多期灌注成像、彌散張量以腦功能成像，可基于多組重復數據圖像配準算法，回顧性修正多期相數據之間的運動偏差[32]。利用人工智能技術識別和糾正頭部運動成為近年來研究的熱點，Pawar等[33]利用深度學習網絡處理頭部運動偽影，取得了較好的臨床實踐效果。

圖3 自導航回波運動修正頭部三維T1梯度回波成像序列[6]

圖4 前瞻性自導航運動修正與運動補償圖像重建[31]

3.2 頸部

頸部解剖結構相對復雜，圖像常受咳嗽、吞咽等自主移動及血管搏動、呼吸運動、腦脊液流動等生理性運動干擾，除了選擇頻率編碼方向、流動補償、飽和脈沖技術之外，專用的QIR或MSDE技術可有效減輕血管搏動偽影，實現高分辨率的血管斑塊[34]、臂叢神經成像[35]。

3.3 胸部

胸部成像除了呼吸帶來的運動偽影，也常受到心臟、大血管搏動及血液流動的影響。在無法屏氣掃描的條件下，可用呼吸門控、膈肌導航等自由呼吸掃描模式，聯合使用DIR、MSDE等黑血成像技術，能有效抑制血流的干擾。螺旋槳采集技術，已在胸部成像中得到了很好的臨床應用[36]。Rank等[37]采用放射狀采集技術，進行自由呼吸狀態下胸部動態圖像采集，能明顯改善胸部三維T1圖像質量。

3.4 心臟

心臟成像受呼吸、心臟自身運動的雙重影響，因此對成像技術的要求相對較高。無論白血成像還是黑血成像，均需使用心電門控技術；冠狀動脈成像需要準確設置觸發延遲時間，確保數據在心臟運動的相對靜止期采集，同時，膈肌導航窗口的大小根據呼吸運動幅度進行調節，在采集效率和減輕運動偽影之間找到最佳的平衡；除了膈肌導航，目前諸多研究者也采用多個導航回波[38]，或自導航回波[39]、心包脂肪運動監測[40]等導航和圖像運動修正技術，也取得比較滿意的圖像；對于采集多個弛豫時間點的心肌定量T1、T2、T2*和心肌延遲增強掃描，要準確地選擇心動周期觸發延遲時間。有研究也強調了心肌彈性配準等后處理技術，有助于心肌定量分析[41-42]。心臟電影三維動態成像，一直是心臟成像研究的熱點，采用圖像導航回波技術監測心臟運動位置，并進行回顧性心臟運動修正動態圖像重建技術，已在相關文獻[43]上有所報道。胎兒心臟的掃描，由于無法檢測心電信號，因此只能采用實時動態采集進行白血成像，或利用血液流空效應進行黑血成像。已有文獻[44]報道，利用超聲檢測胎兒心跳進行心臟門控成像已開始應用于臨床，并取得了較好的圖像質量。

3.5 腹部和盆腔

目前臨床上腹部自旋回波T2掃描，首選螺旋槳成像技術，在呼吸門控配合下，可有效消除心臟、血管和胃腸道運動的影響[31,36]。動態增強T1三維快速梯度回波序列，在屏氣條件好時，一般都能獲得滿意的圖像質量；但即使在屏氣條件較好時，多期動態增強圖像集之間，也可能出現空間位置的不一致，此時可以第一期圖像為標準，采用空間配準的方法，將多期動態圖像的層面位置一一對齊，有利于圖像的瀏覽和診斷[45]；在屏氣條件不好時，選用自導航放射狀K空間采集的三維梯度回波，其圖像質量越來越接近于常規T1序列，并且掃描時間能有效滿足腹部臟器動態增強的要求[16]。

3.6 兒童

由于6歲以下兒童或嬰幼兒在磁共振掃描過程中無法主動配合，因此需要使用鎮靜劑甚至在麻醉狀態下掃描，這對兒童體部掃描來說是一個巨大的挑戰。因此，兒童體部磁共振成像主要使用單次激發快速自旋回波、穩態自由進動梯度回波序列，或使用螺旋槳采集方式，并且已廣泛應用于從頭部到體部的各個部位成像；三維梯度回波序列可采用放射狀K空間采集，配合膈肌導航、自導航回波，也能獲得滿意的動態增強圖像[46]。兒童心臟掃描近來成為臨床應用的熱點。在心電門控的引導下，可以進行自由呼吸冠狀動脈成像，能取得比較滿意的圖像質量。在無法屏氣的條件下，心臟運動電影成像可采取多次平均的掃描模式，以減輕運動的影響，但這種采集模式會使心功能后處理分析結果不準確。因此，前瞻性導航回波技術和回顧性圖像配準技術用于兒童心臟成像，可能是一個較好的解決運動偽影的方法[47-48]。

3.7 胎兒

磁共振胎兒成像在臨床上已經得到了廣泛應用，對于頭部、胸部、腹部甚至心臟先天性畸形的明確診斷具有重要價值。胎兒成像不僅受到間歇性不自主運動、心臟跳動等生理性運動的影響，同時也受到母體呼吸運動的影響。因此，胎兒成像主要是利用單次激發快速自旋回波、穩態自由進動梯度回波等序列，螺旋槳采集和放射狀采集的成像序列也能部分改善圖像質量[49]。彌散加權成像采用單次激發EPI序列，掃描速度快，但多層采集時的間歇性胎動導致層與層之間的錯位，有研究者利用層面配準后處理技術糾正層間運動，能獲得滿意的胎兒頭部彌散張量圖像[50]。胎兒心臟掃描，由于無法檢測心電信號，因此只能采用實時動態采集進行白血成像，或利用血液流空效應進行黑血成像。已有文獻[51]報道，利用超聲檢測胎兒心跳進行心臟門控成像已開始在臨床上得到應用，并取得了較好的圖像質量。

4 總結與展望

本文對磁共振運動偽影產生的原因、表現形式以及消除運動影響的成像技術、圖像處理方法進行了綜述。在臨床上，無論是不自主運動或生理性運動，其產生的運動偽影仍是磁共振成像臨床工作中最常見的圖像偽影之一，運動偽影的產生很大程度上取決于運動的類型和采集方式，而消除運動偽影的技術方法往往適用于特定的運動模式或成像序列，截至目前，尚無一種能完全消除臨床上所見各種運動偽影的技術，因此，未來在掃描前確保良好的制動和擺位，以及在不增加額外掃描時間和圖像處理步驟的基礎上，還需研發更多新的修正運動偽影技術。