縮短MRI檢查時間的相關技術進展

王麗麗，邊傳振，張朋

南京醫(yī)科大學附屬兒童醫(yī)院 放射科，江蘇 南京 210008

引言

MRI具有良好的軟組織對比、患者不暴露于電離輻射，以及可多平面、多角度成像能力等優(yōu)點，并具有磁共振水成像、血管造影、功能成像、波譜成像等獨特優(yōu)勢，然而，MRI檢查采集時間較長，且要求患者長時間保持靜止以確保足夠的圖像質量[1]。對于某些特殊人群，如不能長時間靜止的成人和兒童等，基于生理、精神或者病理方面的原因，不適合或不耐受較長的檢查時間，造成不能進行MRI檢查或檢查失敗，限制了其臨床運用，因此，開發(fā)新的MRI技術以減少采集時間，從而增加MRI檢查的適用范圍和成功率具有重要意義[2]。目前一些新開發(fā)的MRI技術已經顯示出可縮短成像時間的特點，包括并行采集成像、同步多截面采集技術（Simultaneous Multi-Slice，SMS）、徑向k空間采樣、壓縮感知重建、自動協(xié)議選擇軟件等[3]，基于此，本文對以上技術的基本概念和目前臨床應用現(xiàn)狀作一綜述，以期為進一步開發(fā)更多縮短MRI檢查時間的相關技術提供參考依據。

1 并行采集成像技術

MRI檢查的時間與所獲得的相位編碼線的數量呈正相關，但是減少相位編碼線的數量會引起有效視野減少和信號不足而導致混疊偽影[4]。同時并行采集成像技術允許去除在相位編碼方向k空間采樣不足時引起的混疊偽影，其核心是利用多通道相控陣線圈，這些相控陣線圈由多個獨立的接受元件組成，每個元件都有一個獨立的位置和靈敏度剖面，可以幫助進行信號的空間定位，抵消因相位編碼采樣不足而丟失的空間信息[5]。

并行采集成像技術主要有圖像領域重建和k空間領域重建2種方式，其中圖像領域重建主要是對經過傅里葉變換的圖像內的混疊像素進行校正[6]。圖像域重建的第一步通常涉及從每個線圈接收器獲取低分辨率的全視野捕獲線圈靈敏度圖。然后執(zhí)行采樣不足的主脈沖序列，從而從每個接收單元生成一個混疊圖像。線圈靈敏度圖的信息隨后被插入到重構矩陣的演算過程中，該過程展開并組合這些獨立的圖像，形成一個非疊加的全視野圖像。已應用于臨床的圖像領域重建技術主要包括飛利浦公司的靈敏度編碼技術、西門子公司的改良敏感性編碼和通用電氣的陣列空間靈敏度編碼技術[7]。

k空間重建是在圖像重建之前在k空間域中校正混疊偽影，該技術的基本概念是使用獲取的k空間數據，通過使用線圈靈敏度剖面估計缺失的欠采樣k空間數據。首先進行欠采樣脈沖序列掃描，在脈沖序列中，自動校準信號的附加數據在k空間的中心附近被獲取。自動校準信號數據通常與最終圖像具有相同視野，但分辨率較低。自動校準信號用于為每個線圈生成加權因子，對采集數據使用這些加權因子可以估計每個線圈采集缺失的欠采樣k空間數據[8]。通過傅里葉變換生成單線圈圖像，然后組合成最終的圖像，目前用于臨床的k空間重建的產品包括西門子公司的廣義自動校準部分并行采集和通用電氣公司的笛卡爾成像自動校準重建[9]。

圖像領域重建和k空間領域重建2種方式在很大程度上是可以互換的，具有相似的圖像質量和相同的成像時間[10]。成像時間的減少與加速因子直接相關，加速因子定義為在完全采樣的圖像中獲得的k空間數據量和加速采集中獲得的數據量的比值，例如，加速因子為2可使成像時間減少50%[11]。在臨床上并行采集成像的典型加速因子范圍為從1.5～4.0。并行成像可以與其他減少成像時間的技術相結合，從而進一步減少成像時間。通常情況下，多通道相控陣線圈中獨立接收元器件的數量和加速因子呈正相關，但考慮成本、空間等會限制其運用。

并行成像的缺點是隨著加速因子的增加，信噪比會降低，原因為在脈沖序列中獲取的信號數量減少和對采集中心的敏感度降低。相對于低場強設備，高場強設備的信噪比會相應提高。此外，殘留的混疊偽影可能隨機出現(xiàn)在興趣區(qū)的內部或外部，最常見的原因是線圈數量所致的加速因子太高，線圈的靈敏度誤差也會導致殘留混疊偽影的出現(xiàn)[12]。

并行成像技術應用廣泛，幾乎可以應用于任何序列合格部位，包括全身成像、血管成像、心臟成像和咽部的動態(tài)成像等。Li等[13]將并行采集技術應用于非鎮(zhèn)靜兒童的屏氣三維腹部成像中，發(fā)現(xiàn)采用T1加權3D梯度回波序列可將成像時間縮短15倍。李瓊閣等[14]對20例患者進行術中T1軸位、T2軸位、T2反轉恢復序列軸位、T2矢狀位4個序列的常規(guī)采集和并行采集，證明在成像時間、圖像的不均勻性指標和主觀評分相同的情況下，相較于常規(guī)采集，采用并行采集技術的總掃描時長縮短了41.9%。

2 SMS

SMS成像需要應用一個多波段的射頻脈沖，在一個重復時間段內激發(fā)一定體積內的質子，在一次讀出過程中，同時從多剖面獲取信號，從而減少成像時間。在SMS技術中，需要另外的編碼步驟來解決編碼方向的混疊問題。通常通過線圈編碼、射頻脈沖編碼或梯度編碼的組合來完成。

同時SMS成像時間的減少和同時獲得的截面圖像數量呈正相關，一般稱為斷面加速因子，斷面加速因子通常為2～8[15]。SMS可以與其他MRI加速技術相結合，以實現(xiàn)更快的成像時間。Benali等[15]在保證圖像質量的情況下，運用加速因子為2的并行成像技術和加速因子為2的SMS技術相結合，證明兒童膝關節(jié)MRI的掃描時間可獲得4倍加速。

由于相位編碼數和非SMS序列相同，所以SMS成像通常信噪比較高，且場強對信噪比的影響也有限，與3.0 T相比，1.5 T信噪比沒有明顯下降。然而，殘留的交叉混疊偽影也可能發(fā)生，特別是在增加截面加速因子的情況下，與平面內混疊效應相比，SMS成像的交叉混疊效應更加隱蔽，并且通常只影響特定截面的一部分，因此從信號中區(qū)分混疊偽影難度較高[16]。

SMS成像技術已應用于臨床，例如，通用電氣公司的Simultaneous Multi-Slice和飛利浦公司的Multi-Band SENSE。隨著臨床研究和實踐的增加，該技術的使用可能會繼續(xù)增加。SMS技術在神經系統(tǒng)成像方面優(yōu)勢巨大，在彌散加權成像（Diffusion Weighted Imaging，DWI）、彌散張量成像（Diffusion Tensor Imaging，DTI）和功能磁共振（Functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI）等序列中得到了證明。徐輝等[16]對比胰腺常規(guī)DWI和SMS-DWI序列，發(fā)現(xiàn)在保證相同圖像質量的情況下，SMS-DWI序列可顯著縮短胰腺DWI成像的時間。Setsompop等[17]證明在彌散信息相似、信噪比無損失的情況下，DWI成像時間減少了3倍。Hoge等[18]在基于血氧水平依賴的fMRI中發(fā)現(xiàn)，SMS技術提高了組織的敏感性、空間細節(jié)和特異性，加速因子可達6。

3 徑向k空間采樣技術

在早期，k空間采樣最常見的方式是逐行獲取k空間數據的笛卡爾方式。然而在過去幾十年中，已經發(fā)展出了替代策略，其中最常見的是徑向k空間采樣[19]。在此技術中，獲取的是被稱為“葉片”的徑向定向k空間數據段，這些“葉片”由幾條通過k空間中心的k空間數據平行線組成。與笛卡爾方式相比，徑向采樣技術通過k空間中心的相對過采樣和周圍的相對欠采樣，節(jié)省了采用時間[20]。盡管一些組織邊緣會出現(xiàn)模糊，但中心過采樣保證了圖像的對比度和信噪比，并且與SMS相同，在徑向采樣技術中，場強大小對信噪比影響不大。

徑向采集還有另一個優(yōu)點，其能夠沿著葉片分布的多個方向分散平面內運動偽影[21]。相比之下，笛卡爾采樣序列的平面內運動是沿著單個相位編碼相干分布的，因此，使用徑向技術可以減少運動偽影。張弘等[22]對超聲懷疑有心臟大血管畸形的胎兒行磁共振檢查，發(fā)現(xiàn)徑向k空間采樣相比笛卡爾采樣，在抑制條帶狀偽影中有明顯優(yōu)勢，可有效抑制胎兒心臟MRI檢查中的條帶狀偽影，在胎兒心外大血管畸形中有良好的空間分辨率和診斷優(yōu)勢。

徑向k空間采樣可以從幾個方面減少成像時間：① 因為可以消除運動偽影，能減少重復采集的必要性；② 可以消除呼吸觸發(fā)的必要性，特別是對于呼吸淺和不規(guī)律的兒童患者，可以避免因呼吸觸發(fā)而延長的成像時間；③ 如果“葉片”的數量和寬度得到優(yōu)化，并且重復時間和呼吸周期相匹配，則可以提高成像時間分辨率和質量；④ 由于徑向采集序列對k空間中心進行了采樣，獲得的圖像數據也能行前瞻性運動校正，即k空間中心的數據可以作為每個“葉片”的參考，允許糾正或丟棄因患者運動而受損的數據[22]。

徑向k空間采樣存在以下不足：① k空間邊緣的采樣不足會導致組織邊界的模糊，并且其采樣表現(xiàn)出方向依賴性，通常在橫斷位采集時產生最佳的圖像；② 矢狀面和冠狀面采集時組織因周邊采樣不足而產生廣泛條紋偽影的機會較高，偽影大小和視野的大小有關[23]；③ 目前的徑向采樣成像是在橫斷面方向的笛卡爾采樣配置下進行的，這通常被稱為星形配置，雖然它減少了平面內運動偽影，但不能糾正整個平面運動帶來的偽影總量；④ 如果將前瞻性運動校正和徑向采集結合使用，患者運動時會導致圖像質量明顯下降[24]。

用于臨床的徑向k空間采集產品包括通用電氣公司的螺旋槳技術、飛利浦公司的MultiVane技術和西門子公司的BLADE技術。臨床應用主要圍繞FSE序列展開。Zhang等[25]運用徑向k空間采集與笛卡爾采集進行對比證明，通過呼吸觸發(fā)的腹部T2加權成像不僅可以減少成像時間，還能減少運動偽影的干擾。Lee等[26]報道了在兒童患者檢查中，與笛卡爾采集相比，不用呼吸觸發(fā)的徑向k空間采集和采用呼吸觸發(fā)的笛卡爾采集，在T2加權像中具有相同的圖像質量，且類似的研究也適用于神經系統(tǒng)。Lavdas等[27]對不能完全靜止的患者采用T2加權液體反轉恢復序列進行腦部檢查，結果發(fā)現(xiàn)，徑向k空間采樣技術能大大縮減檢查時間，并能提高信噪比和對比度，減少運動偽影。

基于快速梯度回波序列的容積式插入法屏氣檢查（Volumetric Interpolated Breath-Hold Examination，VIBE）是一種徑向采樣的T1加權技術，可用于自由呼吸下的增強和常規(guī)掃描[28]，該技術融合了混合空間采樣、徑向平面內采樣和橫斷位方向上的笛卡爾采樣。Chandarana等[29]研究發(fā)現(xiàn)，與屏氣序列相比，自由呼吸下的VIBE序列在肝臟掃描中具有相似性，甚至具有更好的圖像均勻性。

4 壓縮感知MRI重建

常規(guī)的MRI檢查有許多冗余數據，因此可在保證高質量圖像的同時，通過降低k空間數據采樣，達到提高時間分辨率和減少成像時間的目的，此為壓縮感知MRI重建的基礎，該技術基于3個重要概念：稀疏性、非相干性和迭代非線性重構[30]。

稀疏性是指相對于采樣的體素總數，通過數學變換僅用幾個非零系數代表圖像的容量。例如，MRI血管造影在像素表示上就是稀疏的，部分MRI研究可能在圖像域沒有顯示出稀疏性，但在對數據進行其他數學操作時是稀疏的，數學變換用于壓縮感知MRI編碼重建的例子包括離散小波變換、快速傅里葉變換和有限差分操作[31]。除了空間稀疏性外，動態(tài)序列（如心臟和多相增強）在考慮到從一個時間點到下一個時間點的大量冗余或微小變化的數據時，通常在時間域表現(xiàn)出稀疏性[31]。

非相干性是壓縮感知MRI重建的另一個重要要求。數據采樣不足常常導致相干圖像失真，如混疊失真。然而，如果以隨機的方式進行欠采樣，這些相干的偽影就會轉化為非相干的類噪聲偽影[32]。可以通過使用迭代非線性重構算法去除這些非相干的偽影，即在變換域中增強稀疏性（去除非相干噪聲偽影），同時最大化數據一致性（保留非噪聲數據）。對于笛卡爾序列和非笛卡爾序列，已經開發(fā)了幾種欠采樣策略。目前，許多用于壓縮感知MRI的商業(yè)產品已經上市，包括黃金角徑向稀疏并行采樣（GRASP-VIBE：Siemens Healthcare）、HyperSENSE（GE Healthcare） 和 壓縮 SENSE（Philips Healthcare）。壓縮感知MRI重建已經有了一些臨床應用，可以通過二維和三維技術實現(xiàn)。理論上壓縮感知MRI重建可用于1.5 T和3.0 T設備，然而在1.5 T時壓縮感知MRI重建的信噪比通常相對較低。通常，壓縮感知MRI重建與其他快速成像技術（如并行成像）共同使用，以獲得更快的成像時間。Vasanwala等[33]研究發(fā)現(xiàn)在各種MRI檢查中，壓縮感知MRI重建和并行成像聯(lián)合，與單獨并行成像相比，T1加權GRE序列具有相同的圖像質量的情況下，可得到更高的加速度因子[32]。

壓縮感測MRI的使用已經在腹部MRI中得到了很好的證明，與笛卡爾采樣相比，在自由呼吸情況下，徑向采樣獲得的3D-GRE序列可以大大減少運動偽影。然而，這些序列的采集時間往往較長，限制了徑向采樣序列在腹部成像中的應用。徑向采樣的時間域是高度可壓縮的，這使得它們非常適合壓縮感知MRI重建[34]。研究表明，壓縮感知MRI技術能夠顯著提高徑向獲取的3D-GRE增強MRI序列的時間分辨率，允許患者自由呼吸獲取高質量多相增強MRI圖像，特別適合兒科患者[34]。Zhang等[35]進行了一項腹部MRI研究，該研究表明，使用并行成像和壓縮感知MRI聯(lián)合應用，可以在兒童患者中實現(xiàn)達到診斷標準的自由呼吸腹部MRI血管成像，平均總加速因子為6。Chandarana等[36]發(fā)現(xiàn)，自由呼吸3D MR膽管胰臟成像與傳統(tǒng)呼吸觸發(fā)3D MR膽管胰臟成像序列相比具有相似或更高的圖像質量，同時采集時間可縮短17倍。在神經系統(tǒng)成像方面，壓縮感測MRI的應用包括頭部和頸部磁共振血管成像，可大大提高時間飛躍法的成像速度。Toledano-Massiah等[37]在多發(fā)性硬化癥患者中使用T2加權3D液體衰減反轉恢復序列，在保證圖像質量的前提下，時間可縮短27%。壓縮感知MRI重建的其他應用包括心臟電影成像和肌肉骨骼成像。與腹部動態(tài)多相掃描相似，心臟電影MRI非常適合壓縮感知MRI重建，因為在時間和空間域都存在固有的數據冗余。楊新穎等[38]使用基于壓縮感知的心臟電影序列和常規(guī)電影序列應用于對心肌梗死患者術后的心功能評價，對比發(fā)現(xiàn)壓縮感知序列可大大減少檢查時間，加速因子可達10以上。Goebel等[39]證明，改進序列的時間分辨率和空間分辨率與傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)自由進動MRI技術相比，壓縮感知心臟電影MRI的診斷質量相當。對于肌肉骨骼成像，F(xiàn)ritz等[40]使用壓縮感知MRI重建的3D FSE序列，與評估膝關節(jié)的標準FSE序列相比，發(fā)現(xiàn)加速因子可達6。同樣，Kijowski等[41]發(fā)現(xiàn)，與標準采集相比，壓縮感知MRI重建的膝關節(jié)3D FSE序列成像時間減少了30%，且圖像質量相當。壓縮感知MRI技術的臨床實施面臨的一個挑戰(zhàn)是重建所需的長計算時間（通常超過30 min）。重建時間過長，影響了對時間關鍵研究的及時評價。這對兒科放射科醫(yī)生來說尤其重要，因為大部分兒童研究是實時監(jiān)測的，決定是否靜脈注射給藥通常是實時的。雖然壓縮感知MRI已經在一些臨床環(huán)境中使用，但這項技術仍處于早期發(fā)展階段，隨著進一步應用和優(yōu)化，有望擴展到更多的研究領域。

5 自動協(xié)議管理技術

MRI自動協(xié)議管理軟件旨在通過自動化MRI采集過程中的某些步驟來提高檢查的可重復性、質量和效率。這些步驟可以包括解剖面定位、視野和成像平面的選擇。此外，造影劑定時、呼吸指令和后期處理步驟等，如解剖分割也可以自動化。這些軟件平臺還可以在圖像采集過程中提供指導和提醒，幫助復雜的檢查導航，減少檢查時間。有研究[42]表明，這些自動化操作可以減少20%的檢查時間，提高檢查質量。現(xiàn)應用于臨床的一些商業(yè)軟件平臺主要包括SmartExam（Philips Healthcare）、READY Brain(GE Healthcare） 和 Dot（Siemens Healthineers）。READY Brain允許自動采集、確定采集平面以及旋轉校正和將數據轉移到工作站進行后處理[43]。SmartExam和Dot平臺為大腦、心臟、腹部、大關節(jié)、脊柱、乳房和脈管系統(tǒng)成像提供了特定的應用程序。例如，SmartExam脊柱應用程序為軸向采集規(guī)劃提供了自動定位、椎體編號和椎間盤平面檢測。LiverLab是腹部Dot引擎的一個組件，它可以自動分割肝臟，并對肝臟脂肪和鐵含量感興趣的區(qū)域進行確定[44]。但是目前一些自動化處理功能的實現(xiàn)，比如解剖自動分割，應用在發(fā)育異常或正處在發(fā)育過程中的患者中準確率較低。

綜上所述，并行采集成像、SMS、徑向k空間采集成像、壓縮感知MRI重建和自動協(xié)議選擇技術的具體應用和缺點總結如表1所示。

表1 各技術應用和缺點

6 結論與展望

目前，并行采集成像、SMS、徑向k空間采集成像、壓縮感知MRI重建和自動協(xié)議選擇技術是已經商業(yè)化和用于臨床的成熟技術，其1種或幾種組合可顯著減少檢查時間。同時正在研發(fā)的新興技術可能會進一步縮短成像時間，其中有望用于臨床的包括基于人工智能的重建技術、梯度控制的混疊采樣和重建技術、三維MR光譜技術和前瞻性運動校正技術等[45]。但與任何新的臨床軟件一樣，每一種研究技術都需要長時間的科學驗證和監(jiān)管驗證才能商業(yè)化。現(xiàn)在市面上有多種技術可以顯著減少MRI采集時間，其中許多技術可以用于組合，以實現(xiàn)更快成像，同時進一步優(yōu)化圖像質量[46]。隨著這些MRI技術的臨床應用和研究經驗的增長，未來成像時間和質量有望進一步優(yōu)化，并且這些技術將會擴展到更多的臨床應用中，進一步拓寬磁共振檢查的應用范圍，提高檢查的成功率和圖像質量，更好地服務于患者。