fMRI伪影去除方法研究的进展

李宁

济宁市第二人民医院 设备科，山东济宁 272000

fMRI伪影去除方法研究的进展

李宁

济宁市第二人民医院 设备科，山东济宁 272000

功能磁共振成像（fMRI）是生物学和医学研究中的重要工具，其在使用过程中产生的伪影严重影响了fMRI的成像质量，本文总结了fMRI伪影的形成机理，并对几种常见伪影的去除方法进行综述。

功能磁共振成像；伪影；研究进展

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）是一种生物磁自旋成像技术，其利用原子核自旋运动的特点，在外加磁场内，经射频脉冲激后产生信号，用探测器检测并输入计算机，经过处理转换在屏幕上显示图像[1]。MRI作为医学影像学的核心技术之一，应用范围日益广泛，已经成为一项常规的医学检测手段[2]。

基于BOLD对比度机制的功能磁共振成像（Functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI）是磁共振成像技术在90年代初的一项新发展[3]，它的出现进一步扩大了MRI技术在临床上的应用，fMRI已经成为描述脑功能活动的强有力工具。但与神经活动无关的伪影的存在，降低了fMRI的敏感性及可靠性，使功能激活区域的检测、定位及可视化变得更加复杂。因此，研究更为有效的fMRI伪影去除方法十分重要。

1 伪影形成机理

伪影是指在磁共振扫描或图像处理中出现一些人体本身不存在的影像。MRI图像中每个点的信息，都是由频率编码和相位编码决定的，当接受信息的频率编码和相位编码受到外界干扰时，影像不能正确反映组织结构的位置、形状和组织特性，即产生所谓的伪影。伪影会使得图像质量下降进而影响到图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）技术，该技术基于方向相反的频率读出梯度交替采集MRI信号的奇、偶回波[5]。但由于不准确的采集时序、静磁场的不均匀性等因素，这项技术更容易受到各种噪声和伪影的干扰，从而影响fMRI的数据质量，例如在图像采集过程中，神经活动会导致BOLD信号发生改变。另外，还有许多生理相关的MRI信号改变，如受检者头部的微小运动、生理运动（如呼吸、心跳及脑脊液脉动等）、大血管流入及排空效应会分别导致时间序列图像存在头部运动伪影、生理运动伪影及血流伪影。

2 常见伪影分类及去除方法

2.1 Ghost伪影

Ghost伪影不仅影响fMRI的图像质量，而且影响时间序列图像之间的运动检测及校正精度。如果伪影强度随时间改变，将直接影响功能激活区域的准确检测。

Ghost伪影可以通过优化扫描参数、提高静磁场的均匀性、减小梯度涡流、改善滤波器的性能等措施加以控制。但是由于系统硬件性能的提高是有限的，低强度的伪影几乎总是出现在EPI图像中。为了提高检测功能激活信号的准确性，需要采取适当的方法来抑制或校正Ghost伪影。

Lee等[6]提出了基于凸集投影的方法用来校正相位，该方法是假设目标图像和含有伪影的图像的相位差是线性变化的，同时假设每一行的相位差是按同一参数变化的。Zhang等[7]提出用二阶矩的方法来消除伪影，但该方法要求图像是对称的，同时要求奇偶相位差按线性变化，且所有行的相位差要按同一参数变化。Xu等[8]针对MRI提出了一种相控射频线圈的设计方法，并将其应用于主动屏蔽射频相控线圈的设计，通过研究发现线圈阵列的简单性和磁场的均匀性之间存在一种平衡。

目前为止，如何校正Ghost伪影仍然是一个非常棘手的问题。为了尽可能减少Ghost伪影，应综合应用多种校正方法。未来fMRI数据处理的研究方向主要是基于EPI图像本身，利用统计方法校正Ghost伪影。

2.2 头部运动伪影

早期的fMRI研究绝大部分是对偏头痛发病机制中所涉及到的神经环路进行研究[9]，在时间序列图像扫描过程中，受检者的头部运动是影响fMRI成像质量的一大问题。为了准确、可靠地检测神经活动关联的功能激活区域，在进行fMRI数据统计分析之前，必须采用适当的方法校正时间序列图像之间的头部运动伪影。最常用的校正受检者头部运动伪影的方法是对时间序列图像进行刚体配准。图像配准可以在2D或3D空间进行。由于受检者的头部运动可以是任意方向的，因此在校正中通常采用3D配准方法。

Samsonov等[10]提出了利用凸集投影法对运动伪影进行快速迭代，不过此方法需要预知运动模型。陈玉林等[11]分析了刀锋伪影校正（Blade）技术应用于常规头部检查的情况，并探讨了Blade技术在颅脑高场MRI中的临床应用价值，认为Blade技术对消除常规MRI序列扫描出现的运动或磁敏感伪影有显著作用。但即使采用相对较好方法对时间序列图像进行运动校正之后，时间序列图像仍然存在插值效应、自旋历史效应等许多运动关联效应。理论上，可以通过分析时间域和空间域的不同表现辨别这些运动关联效应，但是如何确定这些运动关联效应是相当困难的。

2.3 生理伪影

生理运动主要包括呼吸、心跳，吞咽和眼球运动等。呼吸和心脏脉动会对MRI信号产生显著不良影响，会增加fMRI时间序列图像的噪声。大脑血流脉动及呼吸导致的磁场改变可以引起MRI信号调制，这种信号调制反过来可以导致图像伪影，这会减小fMRI信号的敏感性及空间特定性。

目前，已有多项研究针对fMRI生理伪影提出了有效的解决方法，如回溯性校正[12]、数字滤波、心电门控扫描、导航回波及基于K空间的估计和校正等。为了减少由于生理运动导致的fMRI信号改变，王秋霞等[13]利用3.0 T MRI对螺旋桨（Propeller）快速自旋回波序列FSE T2WI及FSE T2WI技术系列进行了对比研究，认为Propeller技术可以明显降低呼吸运动等伪影，使得上腹部实际脏器的边缘更加清晰，具有重要参考价值。杨勤宇等[14]指出，虽然心脏跳动产生的伪影会使MRI对心脏的检查产生较大限制，但随着其在软硬件方面的不断进步，MRI已被广泛应用于各种心脏病的诊断。

2.4 血流伪影

由于fMRI空间分辨率的限制，小血管在fMRI图像中不能很好地识别。在实际的fMRI研究中，应当尽量避免大血管效应。因此，区分大血管和小血管效应就显得非常重要。可以利用fMRI和磁共振血管成像融合技术，通过图像后处理的方法研究区分大血管和小血管效应的方法，从而有效地消除血流伪影。

3 展望

随着研究的不断深入，出现了很多fMRI伪影的去除方法，但是如何迅速有效地去除由各种因素引起的fMRI伪影，仍然是有待研究解决的问题。导致fMRI伪影产生的因素非常复杂，有些可通过具体去除技术完全消除，有些仅能减少或改变位置。因此，为了尽可能去除伪影对fMRI的影响，还需要不断寻求新的思路和方法。

[1] 刘炳然.核磁共振系统典型故障维修及体会[J].中国医疗设备, 2014(4):146-147.

[2] 蒋秉梁,王晓棠.磁共振成像基本原理及临床应用[J].中国医学装备,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.

[4] 窦社尾,连建敏,闫峰山,等.高场强腹部MRI伪影及补偿技术研究[J].中华实用诊断与治疗杂志,2015,29(1):84-86.

[5] 朱礼涛,吴慧,朱朝喆.基于EPI方法的功能磁共振成像质量问题实例分析:主要成因与应对方案[J].磁共振成像,2012,03(2): 144-148.

[6] Lee KJ,Barber DС,Paley MN,et al.Image-based EP I ghost correction using an algorithm based on projection onto convex sets(POСS)[J].Magn Reson Med,2002,47(4):812-817.

[7] Zhang Y,Wehrli FW.Reference-scan-free method for automated correction of Nyquist ghost artifact in echoplanar brain images[J].Mag Reson Med,2004,51(3):621-624.

[8] Xu W,Zhang J,Li X.Designing shield radio-frequency phasedarray coils for magnetic resonance imaging[J].Chin Phys B, 2013,22(1):1-8.

[9] 禹智波,李锦青.偏头痛BOLD-fMRI研究新进展[J].西南国防医药,2015,25(5):568-570.

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[11] 陈玉林,吴力源,胡晓云,等.刀锋伪影校正技术在颅脑高场MRI中的临床应用价值[J].中国现代医学杂志,2011,21(23):2929-2931.

[12] Zotev V,Yuan H,Phillips R,et al.EEG-assisted retrospective motion correction for fMRI:E-REMСOR[J].Neuroimage, 2012,63(2):698-712.

[13] 王秋霞,陈亮,罗馨,等.3.0T MRI上腹部常规FSE序列与PROPE LLER序列的图像质量对比研究[J].重庆医科大学学报, 2014(2):257-261.

[14] 杨勤宇,蒋孝先,何丹.心脏磁共振成像在心肌病中的临床应用[J].中国现代医生,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

作者邮箱：45244141@qq.com