缩短MRI检查时间的相关技术进展

王丽丽，边传振，张朋

南京医科大学附属儿童医院 放射科，江苏 南京 210008

引言

MRI具有良好的软组织对比、患者不暴露于电离辐射，以及可多平面、多角度成像能力等优点，并具有磁共振水成像、血管造影、功能成像、波谱成像等独特优势，然而，MRI检查采集时间较长，且要求患者长时间保持静止以确保足够的图像质量[1]。对于某些特殊人群，如不能长时间静止的成人和儿童等，基于生理、精神或者病理方面的原因，不适合或不耐受较长的检查时间，造成不能进行MRI检查或检查失败，限制了其临床运用，因此，开发新的MRI技术以减少采集时间，从而增加MRI检查的适用范围和成功率具有重要意义[2]。目前一些新开发的MRI技术已经显示出可缩短成像时间的特点，包括并行采集成像、同步多截面采集技术（Simultaneous Multi-Slice，SMS）、径向k空间采样、压缩感知重建、自动协议选择软件等[3]，基于此，本文对以上技术的基本概念和目前临床应用现状作一综述，以期为进一步开发更多缩短MRI检查时间的相关技术提供参考依据。

1 并行采集成像技术

MRI检查的时间与所获得的相位编码线的数量呈正相关，但是减少相位编码线的数量会引起有效视野减少和信号不足而导致混叠伪影[4]。同时并行采集成像技术允许去除在相位编码方向k空间采样不足时引起的混叠伪影，其核心是利用多通道相控阵线圈，这些相控阵线圈由多个独立的接受元件组成，每个元件都有一个独立的位置和灵敏度剖面，可以帮助进行信号的空间定位，抵消因相位编码采样不足而丢失的空间信息[5]。

并行采集成像技术主要有图像领域重建和k空间领域重建2种方式，其中图像领域重建主要是对经过傅里叶变换的图像内的混叠像素进行校正[6]。图像域重建的第一步通常涉及从每个线圈接收器获取低分辨率的全视野捕获线圈灵敏度图。然后执行采样不足的主脉冲序列，从而从每个接收单元生成一个混叠图像。线圈灵敏度图的信息随后被插入到重构矩阵的演算过程中，该过程展开并组合这些独立的图像，形成一个非叠加的全视野图像。已应用于临床的图像领域重建技术主要包括飞利浦公司的灵敏度编码技术、西门子公司的改良敏感性编码和通用电气的阵列空间灵敏度编码技术[7]。

k空间重建是在图像重建之前在k空间域中校正混叠伪影，该技术的基本概念是使用获取的k空间数据，通过使用线圈灵敏度剖面估计缺失的欠采样k空间数据。首先进行欠采样脉冲序列扫描，在脉冲序列中，自动校准信号的附加数据在k空间的中心附近被获取。自动校准信号数据通常与最终图像具有相同视野，但分辨率较低。自动校准信号用于为每个线圈生成加权因子，对采集数据使用这些加权因子可以估计每个线圈采集缺失的欠采样k空间数据[8]。通过傅里叶变换生成单线圈图像，然后组合成最终的图像，目前用于临床的k空间重建的产品包括西门子公司的广义自动校准部分并行采集和通用电气公司的笛卡尔成像自动校准重建[9]。

图像领域重建和k空间领域重建2种方式在很大程度上是可以互换的，具有相似的图像质量和相同的成像时间[10]。成像时间的减少与加速因子直接相关，加速因子定义为在完全采样的图像中获得的k空间数据量和加速采集中获得的数据量的比值，例如，加速因子为2可使成像时间减少50%[11]。在临床上并行采集成像的典型加速因子范围为从1.5～4.0。并行成像可以与其他减少成像时间的技术相结合，从而进一步减少成像时间。通常情况下，多通道相控阵线圈中独立接收元器件的数量和加速因子呈正相关，但考虑成本、空间等会限制其运用。

并行成像的缺点是随着加速因子的增加，信噪比会降低，原因为在脉冲序列中获取的信号数量减少和对采集中心的敏感度降低。相对于低场强设备，高场强设备的信噪比会相应提高。此外，残留的混叠伪影可能随机出现在兴趣区的内部或外部，最常见的原因是线圈数量所致的加速因子太高，线圈的灵敏度误差也会导致残留混叠伪影的出现[12]。

并行成像技术应用广泛，几乎可以应用于任何序列合格部位，包括全身成像、血管成像、心脏成像和咽部的动态成像等。Li等[13]将并行采集技术应用于非镇静儿童的屏气三维腹部成像中，发现采用T1加权3D梯度回波序列可将成像时间缩短15倍。李琼阁等[14]对20例患者进行术中T1轴位、T2轴位、T2反转恢复序列轴位、T2矢状位4个序列的常规采集和并行采集，证明在成像时间、图像的不均匀性指标和主观评分相同的情况下，相较于常规采集，采用并行采集技术的总扫描时长缩短了41.9%。

2 SMS

SMS成像需要应用一个多波段的射频脉冲，在一个重复时间段内激发一定体积内的质子，在一次读出过程中，同时从多剖面获取信号，从而减少成像时间。在SMS技术中，需要另外的编码步骤来解决编码方向的混叠问题。通常通过线圈编码、射频脉冲编码或梯度编码的组合来完成。

同时SMS成像时间的减少和同时获得的截面图像数量呈正相关，一般称为断面加速因子，断面加速因子通常为2～8[15]。SMS可以与其他MRI加速技术相结合，以实现更快的成像时间。Benali等[15]在保证图像质量的情况下，运用加速因子为2的并行成像技术和加速因子为2的SMS技术相结合，证明儿童膝关节MRI的扫描时间可获得4倍加速。

由于相位编码数和非SMS序列相同，所以SMS成像通常信噪比较高，且场强对信噪比的影响也有限，与3.0 T相比，1.5 T信噪比没有明显下降。然而，残留的交叉混叠伪影也可能发生，特别是在增加截面加速因子的情况下，与平面内混叠效应相比，SMS成像的交叉混叠效应更加隐蔽，并且通常只影响特定截面的一部分，因此从信号中区分混叠伪影难度较高[16]。

SMS成像技术已应用于临床，例如，通用电气公司的Simultaneous Multi-Slice和飞利浦公司的Multi-Band SENSE。随着临床研究和实践的增加，该技术的使用可能会继续增加。SMS技术在神经系统成像方面优势巨大，在弥散加权成像（Diffusion Weighted Imaging，DWI）、弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging，DTI）和功能磁共振（Functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI）等序列中得到了证明。徐辉等[16]对比胰腺常规DWI和SMS-DWI序列，发现在保证相同图像质量的情况下，SMS-DWI序列可显著缩短胰腺DWI成像的时间。Setsompop等[17]证明在弥散信息相似、信噪比无损失的情况下，DWI成像时间减少了3倍。Hoge等[18]在基于血氧水平依赖的fMRI中发现，SMS技术提高了组织的敏感性、空间细节和特异性，加速因子可达6。

3 径向k空间采样技术

在早期，k空间采样最常见的方式是逐行获取k空间数据的笛卡尔方式。然而在过去几十年中，已经发展出了替代策略，其中最常见的是径向k空间采样[19]。在此技术中，获取的是被称为“叶片”的径向定向k空间数据段，这些“叶片”由几条通过k空间中心的k空间数据平行线组成。与笛卡尔方式相比，径向采样技术通过k空间中心的相对过采样和周围的相对欠采样，节省了采用时间[20]。尽管一些组织边缘会出现模糊，但中心过采样保证了图像的对比度和信噪比，并且与SMS相同，在径向采样技术中，场强大小对信噪比影响不大。

径向采集还有另一个优点，其能够沿着叶片分布的多个方向分散平面内运动伪影[21]。相比之下，笛卡尔采样序列的平面内运动是沿着单个相位编码相干分布的，因此，使用径向技术可以减少运动伪影。张弘等[22]对超声怀疑有心脏大血管畸形的胎儿行磁共振检查，发现径向k空间采样相比笛卡尔采样，在抑制条带状伪影中有明显优势，可有效抑制胎儿心脏MRI检查中的条带状伪影，在胎儿心外大血管畸形中有良好的空间分辨率和诊断优势。

径向k空间采样可以从几个方面减少成像时间：① 因为可以消除运动伪影，能减少重复采集的必要性；② 可以消除呼吸触发的必要性，特别是对于呼吸浅和不规律的儿童患者，可以避免因呼吸触发而延长的成像时间；③ 如果“叶片”的数量和宽度得到优化，并且重复时间和呼吸周期相匹配，则可以提高成像时间分辨率和质量；④ 由于径向采集序列对k空间中心进行了采样，获得的图像数据也能行前瞻性运动校正，即k空间中心的数据可以作为每个“叶片”的参考，允许纠正或丢弃因患者运动而受损的数据[22]。

径向k空间采样存在以下不足：① k空间边缘的采样不足会导致组织边界的模糊，并且其采样表现出方向依赖性，通常在横断位采集时产生最佳的图像；② 矢状面和冠状面采集时组织因周边采样不足而产生广泛条纹伪影的机会较高，伪影大小和视野的大小有关[23]；③ 目前的径向采样成像是在横断面方向的笛卡尔采样配置下进行的，这通常被称为星形配置，虽然它减少了平面内运动伪影，但不能纠正整个平面运动带来的伪影总量；④ 如果将前瞻性运动校正和径向采集结合使用，患者运动时会导致图像质量明显下降[24]。

用于临床的径向k空间采集产品包括通用电气公司的螺旋桨技术、飞利浦公司的MultiVane技术和西门子公司的BLADE技术。临床应用主要围绕FSE序列展开。Zhang等[25]运用径向k空间采集与笛卡尔采集进行对比证明，通过呼吸触发的腹部T2加权成像不仅可以减少成像时间，还能减少运动伪影的干扰。Lee等[26]报道了在儿童患者检查中，与笛卡尔采集相比，不用呼吸触发的径向k空间采集和采用呼吸触发的笛卡尔采集，在T2加权像中具有相同的图像质量，且类似的研究也适用于神经系统。Lavdas等[27]对不能完全静止的患者采用T2加权液体反转恢复序列进行脑部检查，结果发现，径向k空间采样技术能大大缩减检查时间，并能提高信噪比和对比度，减少运动伪影。

基于快速梯度回波序列的容积式插入法屏气检查（Volumetric Interpolated Breath-Hold Examination，VIBE）是一种径向采样的T1加权技术，可用于自由呼吸下的增强和常规扫描[28]，该技术融合了混合空间采样、径向平面内采样和横断位方向上的笛卡尔采样。Chandarana等[29]研究发现，与屏气序列相比，自由呼吸下的VIBE序列在肝脏扫描中具有相似性，甚至具有更好的图像均匀性。

4 压缩感知MRI重建

常规的MRI检查有许多冗余数据，因此可在保证高质量图像的同时，通过降低k空间数据采样，达到提高时间分辨率和减少成像时间的目的，此为压缩感知MRI重建的基础，该技术基于3个重要概念：稀疏性、非相干性和迭代非线性重构[30]。

稀疏性是指相对于采样的体素总数，通过数学变换仅用几个非零系数代表图像的容量。例如，MRI血管造影在像素表示上就是稀疏的，部分MRI研究可能在图像域没有显示出稀疏性，但在对数据进行其他数学操作时是稀疏的，数学变换用于压缩感知MRI编码重建的例子包括离散小波变换、快速傅里叶变换和有限差分操作[31]。除了空间稀疏性外，动态序列（如心脏和多相增强）在考虑到从一个时间点到下一个时间点的大量冗余或微小变化的数据时，通常在时间域表现出稀疏性[31]。

非相干性是压缩感知MRI重建的另一个重要要求。数据采样不足常常导致相干图像失真，如混叠失真。然而，如果以随机的方式进行欠采样，这些相干的伪影就会转化为非相干的类噪声伪影[32]。可以通过使用迭代非线性重构算法去除这些非相干的伪影，即在变换域中增强稀疏性（去除非相干噪声伪影），同时最大化数据一致性（保留非噪声数据）。对于笛卡尔序列和非笛卡尔序列，已经开发了几种欠采样策略。目前，许多用于压缩感知MRI的商业产品已经上市，包括黄金角径向稀疏并行采样（GRASP-VIBE：Siemens Healthcare）、HyperSENSE（GE Healthcare） 和 压缩 SENSE（Philips Healthcare）。压缩感知MRI重建已经有了一些临床应用，可以通过二维和三维技术实现。理论上压缩感知MRI重建可用于1.5 T和3.0 T设备，然而在1.5 T时压缩感知MRI重建的信噪比通常相对较低。通常，压缩感知MRI重建与其他快速成像技术（如并行成像）共同使用，以获得更快的成像时间。Vasanwala等[33]研究发现在各种MRI检查中，压缩感知MRI重建和并行成像联合，与单独并行成像相比，T1加权GRE序列具有相同的图像质量的情况下，可得到更高的加速度因子[32]。

压缩感测MRI的使用已经在腹部MRI中得到了很好的证明，与笛卡尔采样相比，在自由呼吸情况下，径向采样获得的3D-GRE序列可以大大减少运动伪影。然而，这些序列的采集时间往往较长，限制了径向采样序列在腹部成像中的应用。径向采样的时间域是高度可压缩的，这使得它们非常适合压缩感知MRI重建[34]。研究表明，压缩感知MRI技术能够显著提高径向获取的3D-GRE增强MRI序列的时间分辨率，允许患者自由呼吸获取高质量多相增强MRI图像，特别适合儿科患者[34]。Zhang等[35]进行了一项腹部MRI研究，该研究表明，使用并行成像和压缩感知MRI联合应用，可以在儿童患者中实现达到诊断标准的自由呼吸腹部MRI血管成像，平均总加速因子为6。Chandarana等[36]发现，自由呼吸3D MR胆管胰脏成像与传统呼吸触发3D MR胆管胰脏成像序列相比具有相似或更高的图像质量，同时采集时间可缩短17倍。在神经系统成像方面，压缩感测MRI的应用包括头部和颈部磁共振血管成像，可大大提高时间飞跃法的成像速度。Toledano-Massiah等[37]在多发性硬化症患者中使用T2加权3D液体衰减反转恢复序列，在保证图像质量的前提下，时间可缩短27%。压缩感知MRI重建的其他应用包括心脏电影成像和肌肉骨骼成像。与腹部动态多相扫描相似，心脏电影MRI非常适合压缩感知MRI重建，因为在时间和空间域都存在固有的数据冗余。杨新颖等[38]使用基于压缩感知的心脏电影序列和常规电影序列应用于对心肌梗死患者术后的心功能评价，对比发现压缩感知序列可大大减少检查时间，加速因子可达10以上。Goebel等[39]证明，改进序列的时间分辨率和空间分辨率与传统的稳态自由进动MRI技术相比，压缩感知心脏电影MRI的诊断质量相当。对于肌肉骨骼成像，Fritz等[40]使用压缩感知MRI重建的3D FSE序列，与评估膝关节的标准FSE序列相比，发现加速因子可达6。同样，Kijowski等[41]发现，与标准采集相比，压缩感知MRI重建的膝关节3D FSE序列成像时间减少了30%，且图像质量相当。压缩感知MRI技术的临床实施面临的一个挑战是重建所需的长计算时间（通常超过30 min）。重建时间过长，影响了对时间关键研究的及时评价。这对儿科放射科医生来说尤其重要，因为大部分儿童研究是实时监测的，决定是否静脉注射给药通常是实时的。虽然压缩感知MRI已经在一些临床环境中使用，但这项技术仍处于早期发展阶段，随着进一步应用和优化，有望扩展到更多的研究领域。

5 自动协议管理技术

MRI自动协议管理软件旨在通过自动化MRI采集过程中的某些步骤来提高检查的可重复性、质量和效率。这些步骤可以包括解剖面定位、视野和成像平面的选择。此外，造影剂定时、呼吸指令和后期处理步骤等，如解剖分割也可以自动化。这些软件平台还可以在图像采集过程中提供指导和提醒，帮助复杂的检查导航，减少检查时间。有研究[42]表明，这些自动化操作可以减少20%的检查时间，提高检查质量。现应用于临床的一些商业软件平台主要包括SmartExam（Philips Healthcare）、READY Brain(GE Healthcare） 和 Dot（Siemens Healthineers）。READY Brain允许自动采集、确定采集平面以及旋转校正和将数据转移到工作站进行后处理[43]。SmartExam和Dot平台为大脑、心脏、腹部、大关节、脊柱、乳房和脉管系统成像提供了特定的应用程序。例如，SmartExam脊柱应用程序为轴向采集规划提供了自动定位、椎体编号和椎间盘平面检测。LiverLab是腹部Dot引擎的一个组件，它可以自动分割肝脏，并对肝脏脂肪和铁含量感兴趣的区域进行确定[44]。但是目前一些自动化处理功能的实现，比如解剖自动分割，应用在发育异常或正处在发育过程中的患者中准确率较低。

综上所述，并行采集成像、SMS、径向k空间采集成像、压缩感知MRI重建和自动协议选择技术的具体应用和缺点总结如表1所示。

表1 各技术应用和缺点

6 结论与展望

目前，并行采集成像、SMS、径向k空间采集成像、压缩感知MRI重建和自动协议选择技术是已经商业化和用于临床的成熟技术，其1种或几种组合可显著减少检查时间。同时正在研发的新兴技术可能会进一步缩短成像时间，其中有望用于临床的包括基于人工智能的重建技术、梯度控制的混叠采样和重建技术、三维MR光谱技术和前瞻性运动校正技术等[45]。但与任何新的临床软件一样，每一种研究技术都需要长时间的科学验证和监管验证才能商业化。现在市面上有多种技术可以显著减少MRI采集时间，其中许多技术可以用于组合，以实现更快成像，同时进一步优化图像质量[46]。随着这些MRI技术的临床应用和研究经验的增长，未来成像时间和质量有望进一步优化，并且这些技术将会扩展到更多的临床应用中，进一步拓宽磁共振检查的应用范围，提高检查的成功率和图像质量，更好地服务于患者。