磁共振成像运动伪影控制方法及技术进展

曲源，路青，蒋杰

1. 新疆维吾尔自治区人民医院 放射影像中心，新疆 乌鲁木齐 830001；2. 上海交通大学医学院附属仁济医院 放射科，上海 200127

引言

磁共振成像过程中，由于受检者的运动产生的图像伪影称为运动伪影，运动可来源于受试者的生理性运动和自发性运动，前者包括呼吸运动、心脏和血管搏动、血液或脑脊液流动、胃肠道或膀胱蠕动等，而后者往往是由于受检者的自主运动，包括身体成像部位的移动或转动、吞咽、咳嗽、眼球运动、屏气不佳或躁动等不配合因素而产生图像运动伪影[1]。运动伪影是磁共振成像临床工作中最常见的图像伪影之一，本文对磁共振运动伪影产生的原因、表现形式以及消除运动伪影的成像技术、图像处理方法进行综述，以期为控制磁共振成像运动伪影奠定一定的理论基础。

1 运动伪影产生的原因及其表现形式

在磁共振脉冲序列实施的过程中，成像层面整体发生运动或层面内生理器官发生形态变化，导致射频激励、空间编码、信号采集产生错误，进行K空间填充和傅立叶转换时，信号来源的位置发生偏差，重建后图像出现伪影。伪影的严重程度与运动产生的信号强度、幅度及磁场强度呈正相关，在高场强磁共振系统表现得更为明显，伪影的表现特点与脉冲序列的类型及其扫描参数等均相关[1]。

人体成像部位的自主运动类型可分为平移、旋转和形变，器官的生理运动可分为刚性运动、弹性运动、搏动、流动等。其中刚性运动可以是成像层面内的一维平移（相位编码方向）、两维平移（相位编码和频率编码方向）以及完全无约束的移位（上下、前后、左右）；弹性运动常见于心脏、腹部和盆腔，如心脏自身的收缩舒张、腹腔脏器、胃肠道不同程度的位移和变形等[2]。

图像对运动的敏感性及其表现特点，取决于运动器官在信号采集期间频率和相位的变化。如果运动发生在采集K空间边缘数据时，则运动产生的相位累积信号幅度较小，如运动发生在K空间中心采集时，运动将造成严重的伪影；如回波时间相对较长或运动速度较快时，则会产生明显的伪影；如连续回波之间的时间间隔很短且运动相对较慢，则K空间中心附近的回波信号可认为来源于同一位置的信号，产生的伪影较小[2]。

2 运动伪影纠正技术方法和对策

2.1 运动监测与图像采集

成像过程中运动伪影的纠正方法与人体运动来源和类型相关，对于随机的不自主运动，可以加强受检者的摆位和固定，对于呼吸、心跳和血管搏动，可采用屏气或生理门控扫描方式，一些专门针对运动伪影的成像序列和扫描参数能有效减轻运动伪影，而基于K空间和图像处理的伪影消除技术也逐渐在临床上得到应用。针对呼吸、血管搏动等生理性运动进行实时监控，使图像采集始终处于运动相对静止的时间窗口，或每次采集时成像部位始终处于相同的位置[3]。对于快速成像、腹部动态增强序列，可采用屏气扫描模式；对于自旋回波、弥散序列等，可采用呼吸触发扫描模式，能有效减轻无法屏气情况下的呼吸运动伪影，同时提高图像质量[4]。导航回波使用射频脉冲激发一个垂直于肝-肺界面的条带状（Navigator）区域，利用空气和组织的信号差别确定右侧膈肌的空间位置，将此位置信息用于成像序列的前瞻性触发采集或者回顾性图像空间位置编码，从而达到控制呼吸运动的目的和提高成像的空间编码精度。导航回波信号的产生，可以是自旋回波信号、自由感应衰减信号等。卢晶等[5]利用相位导航信号进行胰胆管水成像采集，获得了优于膈肌导航法的图像质量；Wallace等[6]在头部三维成像中，利用序列内置自由感应衰减（Free Induction Decay，FID）导航信号进行回顾性头部运动修正，并取得了与外置运动监控设备相同的运动纠正效果。Kavaluus等[7]也将这种内置的自导航回波技术应用于肝脏动态扫描，在自由呼吸状态下即能取得很好的无运动伪影的图像。

针对心脏搏动，利用体表电极采集心脏运动的电信号，实时获取心肌的运动信息，引导脉冲序列在特定的时间点进行图像采集，此种方法称为心电门控技术。心电门控分为回顾性和前瞻性2种采集方式。回顾式心电门控是实时采集心电信号，同步进行连续图像信号采集，在图像重建时将心动周期不同时间段的图像分别进行重建，从而获得连续的心脏运动电影图像；前瞻式心电门控是利用采集到的心电信号，在特定的时间点触发脉冲序列采集，一般为心动周期的相对静止期，从而获得不受运动影响的静态图像。Kavaluus等[8]利用回顾式的心脏运动检测和修正技术成功实现了全心三维电影成像；Olivieri等[9]利用回顾式的心脏运动修正（Motion Correction，MOCO）实现了心肌延迟增强图像运动伪影的修正，获得了较好的图像质量，且能优化临床工作流程。

2.2 运动修正的扫描参数和成像技术

目前具有运动修正的成像技术包括扫描参数和成像序列，尤其是一些专用脉冲序列，可以很好地消除运动对图像的影响。

2.2.1 常用成像技术

临床上常使用的参数优化方法包括频率编码和相位编码方向互换、空间预饱和脉冲、缩短回波链长度和TE时间、流动补偿、信号平均技术等，根据运动类型和表现形式灵活调整这些扫描参数，有助于减轻运动伪影。为消除血液流动带来的周期性运动影响，可以对血液信号进行抑制，特定的黑血成像技术包括双翻转恢复预脉冲（Double IR）、运动敏感驱动平衡（Motion-Sensitized Driven Equilibrium，MSDE）和可变延迟进动定制激发（Delayed Alternating With Nutation for Tailored Excitation，DANTE）等[4]。流动补偿梯度一般可以减轻缓慢的、线性流动的伪影，针对不同流速或复杂流动需要施加更高阶的补偿梯度。Mekkaoui等[10]采用弥散运动补偿梯度配合图像的弹性配准来减轻运动伪影的影响，结果表明用于心肌弥散成像取得了较好的图像质量，并行加速采集、压缩感知以及多层面同步激发采集能够明显缩短扫描时间，从而减少运动伪影出现的概率（图1）。Suraj等[11]研究表明，成像序列与加速技术的结合，在儿童成像中的有助于减少镇静、麻醉药物的使用。

图1 线性流动补偿梯度与弥散运动补偿梯度[10]

2.2.2 专用成像技术

利用K空间采集的冗余数据进行运动分析，实现异常数据的排除、图像空间配准、位移数据相位修正等算法，是临床上常用的修正图像运动伪影方法。相应的K空间采集方式有螺旋桨填充（Periodically Rotated Overlapping Parallel Lines Enhanced Reconstruction，PROPELLER）[12]、放射状填充[13]、螺旋样填充[14]等，其中一些技术现在已广泛应用于临床各个部位的扫描，并取得了很好的效果。PROPELLER最初用于头部成像[12]，随着技术的发展，现在已广泛应用到腹部、盆腔、关节等各个部位。王韬等[15]通过使用MultiVane技术，明显改善了肝脏的图像质量。

放射状K空间采集（Radial Acquisition）在腹部成像中的应用成为近年来的技术热点，其是在三维梯度回波序列的基础上，使用放射状K空间填充，相邻放射状采集线之间夹角接近黄金角（Pseudo Golden Angle），层面间仍采用笛卡尔K空间填充模式，这种采集模式也称为星状椎栈式采集（Stack of Stars），见图2。放射状K空间采集首先填充K空间中心再延伸至K空间的边缘，放射状采集线彼此之间通过相位修正使K空间中心对齐，而在边缘部分，运动的影响随着K空间边缘的放射状填充，逐渐远离图像中心，同时，由于每一条采集线指向不同的方向，即使发生呼吸运动，其运动相位在每一条采集线之间并不相同（笛卡尔平行K空间填充会由于运动产生相位偏移的累积），因此运动伪影稀释、消散在图像外围。Hedderich等[16]使用此技术，能在自由呼吸状态下获得非常优秀的肝脏增强扫描图像。放射状K空间采集T1成像扫描时间相对较长，为进一步改进放射状采集三维梯度回波序列的扫描速度，以适用于腹部多期动态增强成像，可以在层面方向使用并行加速技术，同时，在增强前扫描时，完整地采集一期K空间数据，而在动态增强阶段，每期只采集部分K空间，相邻期相之间共享K空间数据，则能实现几秒到十几秒的连续多期动态增强成像。Choi等[17]利用此技术进行肝脏多期动态增强扫描，获得与常规动态增强序列等同的图像质量，极大优化了体部动态增强扫描的工作流程。

图2 放射状K空间采集三维梯度回波序列

2.3 图像重建与后处理算法

2.3.1 图像数据配准

连续多期采集的图像数据集，当成像部位发生运动时，可将各图像数据集彼此之间进行比对，进行运动伪影的修正。Zaitsev等[18]对脑功能的各数据子集之间进行空间位置参照和比对，利用配准算法将图像空间位置对齐，从而消除不同采集时间点的运动误差，保证数据信号的一致性，这种处理方法已广泛用于动态增强、灌注、多b值弥散成像或弥散张量成像等图像数据，成为一种多期重复扫描数据配准的标准处理方法。

2.3.2 运动模式识别算法

当磁共振完成图像数据的采集、重建图像过程中，提取部分K空间数据或图像数据建立运动模型、估计运动模式，利用数据处理算法消除运动对图像数据的影响，这种方法被称为回顾性运动修正（Retrospective Motion Correction）。大量研究者进行了运动伪影的后处理校正技术研究，包括线性平移运动的相位修正[19]、在成像域内用自动聚焦的方法消除图像平面内刚性平移运动伪影[20]、类似最小化熵中心标准的“自动聚焦”算法[21]、遗传算法运动识别与图像重建[22]等数据处理算法，但这些早期的处理算法仍未进入临床实质的应用。

2.3.3 线圈空间敏感性运动处理算法

多通道相控阵线圈结合并行加速采集技术能够缩短扫描时间，由于多单元线圈的空间位置分布，与解剖结构发生运动的部位有不同的关联性，例如，在仰卧位时，身体前部更易产生运动现象，而身体背部相对于邻近线圈一般保持静止状态，因此可利用后部线圈单元线圈的数据与前部线圈进行比对，判断运动对数据采集的影响，从而修正图像的伪影。Zhang等[23]利用多通道线圈的部分线圈单元实时进行运动检测，然后与线圈整体采集的图像数据进行比对，得到运动差异信息对图像重建进行运动补偿，达到减轻伪影的作用。

2.3.4 人工智能技术

人工智能神经网络在数据采集、伪影识别和图像重建等方面发挥了越来越重要的作用，其可从冗杂的数据变量中发现潜在关系并进行识别与建模，减低图像运动伪影，获得更高的对比度和信噪比[24]。Oksuz等[25]利用3D卷积神经网络自动识别心脏运动伪影，构建神经网络改进心脏图像质量，取得了很好的图像效果；国内学者李平安等[26]利用生成对抗网络基于头部刚体运动伪真构建训练集和测试集，结果表明其深度学习网络能有效消除刚体运动伪影。近年来，利用人工智能神经网络技术识别运动伪影、改善图像质量的研究越来越广泛，其技术优势具有极大的临床应用潜力。

2.4 运动伪影抑制技术的进展

2.4.1 运动检测线圈

运动检测线圈在成像部位外置一个额外的小型运动探测线圈，并在成像过程中施加三维空间梯度编码来检测成像部位运动产生的频率信号变化，从而修正图像伪影，并可使用无线信号传输的探测装置来检测头部运动伪影[27]。Afacan等[28]利用头部电磁追踪装置，其检测头部运动变化仅需1 ms，即可获取高分辨率无运动的头部三维图像。目前类似的运动检测装置已进入临床试用，可用于脑功能试验或临床无法制动的患者检查中。

2.4.2 光学运动监测

光学运动监测使用1个或多个摄像机实时采集成像物体的运动影像，通过人工智能的方法探测呼吸运动或成像部位的移动，引导脉冲序列扫描或进行图像运动伪影的修正[29]。Slipsager等[30]在PET/MR设备中安放光学运动探测装置发现，能够对PET和MR图像进行运动的同步修正，保证2种图像在空间上的良好匹配。

3 人体各部位常见运动伪影及其抑制技术

3.1 头部

在良好制动的情况下，头部运动主要是由于受试者的不经意的自主或无法控制的运动，以及一些生理性运动。螺旋桨采集模式能有效修正大部分头部平面内的轻中度平移运动伪影，除了支持常规T2、FLAIR序列外，也逐渐扩展应用到梯度回波、水脂分离等更多的序列[31]；在三维成像中，临床上已有专用的前瞻性运动补偿三维成像技术，如GE的PROMO序列，利用自导航回波来消除运动伪影，见图3[6]和图4[31]；对于多期灌注成像、弥散张量以脑功能成像，可基于多组重复数据图像配准算法，回顾性修正多期相数据之间的运动偏差[32]。利用人工智能技术识别和纠正头部运动成为近年来研究的热点，Pawar等[33]利用深度学习网络处理头部运动伪影，取得了较好的临床实践效果。

图3 自导航回波运动修正头部三维T1梯度回波成像序列[6]

图4 前瞻性自导航运动修正与运动补偿图像重建[31]

3.2 颈部

颈部解剖结构相对复杂，图像常受咳嗽、吞咽等自主移动及血管搏动、呼吸运动、脑脊液流动等生理性运动干扰，除了选择频率编码方向、流动补偿、饱和脉冲技术之外，专用的QIR或MSDE技术可有效减轻血管搏动伪影，实现高分辨率的血管斑块[34]、臂丛神经成像[35]。

3.3 胸部

胸部成像除了呼吸带来的运动伪影，也常受到心脏、大血管搏动及血液流动的影响。在无法屏气扫描的条件下，可用呼吸门控、膈肌导航等自由呼吸扫描模式，联合使用DIR、MSDE等黑血成像技术，能有效抑制血流的干扰。螺旋桨采集技术，已在胸部成像中得到了很好的临床应用[36]。Rank等[37]采用放射状采集技术，进行自由呼吸状态下胸部动态图像采集，能明显改善胸部三维T1图像质量。

3.4 心脏

心脏成像受呼吸、心脏自身运动的双重影响，因此对成像技术的要求相对较高。无论白血成像还是黑血成像，均需使用心电门控技术；冠状动脉成像需要准确设置触发延迟时间，确保数据在心脏运动的相对静止期采集，同时，膈肌导航窗口的大小根据呼吸运动幅度进行调节，在采集效率和减轻运动伪影之间找到最佳的平衡；除了膈肌导航，目前诸多研究者也采用多个导航回波[38]，或自导航回波[39]、心包脂肪运动监测[40]等导航和图像运动修正技术，也取得比较满意的图像；对于采集多个弛豫时间点的心肌定量T1、T2、T2*和心肌延迟增强扫描，要准确地选择心动周期触发延迟时间。有研究也强调了心肌弹性配准等后处理技术，有助于心肌定量分析[41-42]。心脏电影三维动态成像，一直是心脏成像研究的热点，采用图像导航回波技术监测心脏运动位置，并进行回顾性心脏运动修正动态图像重建技术，已在相关文献[43]上有所报道。胎儿心脏的扫描，由于无法检测心电信号，因此只能采用实时动态采集进行白血成像，或利用血液流空效应进行黑血成像。已有文献[44]报道，利用超声检测胎儿心跳进行心脏门控成像已开始应用于临床，并取得了较好的图像质量。

3.5 腹部和盆腔

目前临床上腹部自旋回波T2扫描，首选螺旋桨成像技术，在呼吸门控配合下，可有效消除心脏、血管和胃肠道运动的影响[31,36]。动态增强T1三维快速梯度回波序列，在屏气条件好时，一般都能获得满意的图像质量；但即使在屏气条件较好时，多期动态增强图像集之间，也可能出现空间位置的不一致，此时可以第一期图像为标准，采用空间配准的方法，将多期动态图像的层面位置一一对齐，有利于图像的浏览和诊断[45]；在屏气条件不好时，选用自导航放射状K空间采集的三维梯度回波，其图像质量越来越接近于常规T1序列，并且扫描时间能有效满足腹部脏器动态增强的要求[16]。

3.6 儿童

由于6岁以下儿童或婴幼儿在磁共振扫描过程中无法主动配合，因此需要使用镇静剂甚至在麻醉状态下扫描，这对儿童体部扫描来说是一个巨大的挑战。因此，儿童体部磁共振成像主要使用单次激发快速自旋回波、稳态自由进动梯度回波序列，或使用螺旋桨采集方式，并且已广泛应用于从头部到体部的各个部位成像；三维梯度回波序列可采用放射状K空间采集，配合膈肌导航、自导航回波，也能获得满意的动态增强图像[46]。儿童心脏扫描近来成为临床应用的热点。在心电门控的引导下，可以进行自由呼吸冠状动脉成像，能取得比较满意的图像质量。在无法屏气的条件下，心脏运动电影成像可采取多次平均的扫描模式，以减轻运动的影响，但这种采集模式会使心功能后处理分析结果不准确。因此，前瞻性导航回波技术和回顾性图像配准技术用于儿童心脏成像，可能是一个较好的解决运动伪影的方法[47-48]。

3.7 胎儿

磁共振胎儿成像在临床上已经得到了广泛应用，对于头部、胸部、腹部甚至心脏先天性畸形的明确诊断具有重要价值。胎儿成像不仅受到间歇性不自主运动、心脏跳动等生理性运动的影响，同时也受到母体呼吸运动的影响。因此，胎儿成像主要是利用单次激发快速自旋回波、稳态自由进动梯度回波等序列，螺旋桨采集和放射状采集的成像序列也能部分改善图像质量[49]。弥散加权成像采用单次激发EPI序列，扫描速度快，但多层采集时的间歇性胎动导致层与层之间的错位，有研究者利用层面配准后处理技术纠正层间运动，能获得满意的胎儿头部弥散张量图像[50]。胎儿心脏扫描，由于无法检测心电信号，因此只能采用实时动态采集进行白血成像，或利用血液流空效应进行黑血成像。已有文献[51]报道，利用超声检测胎儿心跳进行心脏门控成像已开始在临床上得到应用，并取得了较好的图像质量。

4 总结与展望

本文对磁共振运动伪影产生的原因、表现形式以及消除运动影响的成像技术、图像处理方法进行了综述。在临床上，无论是不自主运动或生理性运动，其产生的运动伪影仍是磁共振成像临床工作中最常见的图像伪影之一，运动伪影的产生很大程度上取决于运动的类型和采集方式，而消除运动伪影的技术方法往往适用于特定的运动模式或成像序列，截至目前，尚无一种能完全消除临床上所见各种运动伪影的技术，因此，未来在扫描前确保良好的制动和摆位，以及在不增加额外扫描时间和图像处理步骤的基础上，还需研发更多新的修正运动伪影技术。