MRI并行采集技术

并行采集技术(parallelacquisitiontechniques,PAT)MRI中的空间信息编码是在K空间内进行的，因此K空间的填写速度决定成像速度的快慢。 K空间是理解MR成像技术的基础，它实际上是一个以空间频率为单位的空间坐标系所对应的频率空间，其内的MR信号是不同空间频率的矢量数据。 K空间填写方式较多，如笛卡儿、极性、球形和其他非线性轨迹等，目前MRI系统中多采用笛卡儿K空间。在MRI系统中空间信息编码一般通过快速切换梯度场和射频脉冲来完成，对于给定的MR成像仪其成像速度主要取决于空间编码的快慢。在单线圈采集MRI系统中，由于是通过切换梯度场获得空间分辨率，每个回波单独编码，采样速度取决于单个回波空间编码的速度。目前使用的大多数快速成像序列如 EPI、FLASH、TSE、BURST等都是通过优化梯度场和脉冲的切换率和切换模式实现的，所有这些技术的发展趋势都是以连续模式采集数据进行K空间填写。不管数据采集序列多么特别，磁共振成像的梯度编码一次只能对K空间的一个位置采样，采集一行数据需要切换一次梯度场和 /或射频脉冲。此外，成像速度还受与成像仪技术和病人安全性相适应的最大切换率的限制。为减小测量时间而保持分辨率不变时，必须减少回波编码数目，因而产生了矩形视野。但当所选择的视野小于物体的大小时将产生卷折伪影，矩形视野受病人解剖结构和部位的限制。与单线圈采集成像技术相比，SENSE技术为多线圈并行采集成像技术，是傅立叶成像中不同于梯度编码的成像方法，图像的空间分辨率不再主要是由采集的梯度编码回波决定的，在 SENSE技术中，额外的空间信息是在用阵列线圈测量期间从线圈强度的空间差异中获得的。可消除卷折伪影，缩短扫描时间，提高图像质量。一、SENSES术的基本原理1、基本概念与发展史敏感度编码（SENSitivityEncodingSENSE技术是一种利用较高的局部梯度磁场，通过多线圈并行采集以增加K空间内采样位置的距离，达到减少K空间采样密度的目的，在小视野内通过专门的重建算法，在保持空间分辨力不衰减的情况下、使采集时间减少的快速成像技术。早在1988年Hutchinson等提出在傅立叶成像中可用多个接收线圈来完全代替相位编码步数，以实现快速MRI数据采集的概念。随后Kwiat等于1991年也提出用去耦接收线圈阵列进行快速图像采集的设想。1989年，Kelton等提出在保留相位编码的情况下，通过多个接收线圈并行采集使得相位编码步数以2幂为系数成倍减少的观点，上述这些观点和构想为敏感度编码技术的发展提供了理论依据，但受到当时软硬件等条件的限制，直到1997年Sodikson等才首次报道了运用多个并行的射频线圈阵列进行空间谐波同步数据采集的实验取得成功。 1999年Pruessmann等详细叙述了敏感度编码技术的成像原理，并在人体模型及一些自愿者的脑部及心脏进行了SENSE成像的实验研究，取得成功，结果发现使用两个线圈可以将脑部的成像时间缩短一半；在心脏的检查中，使用5个线圈可以将扫描时间缩短至常规的1/3，显示出SENSE在临床应用上的美好前景。2001年Pruessmann等进一步提出任意K空间敏感度编码方案，使得SENSE技术适用于包括笛卡儿(Cartesian)采样的K空间在内的任意K空间，进一步缩短了扫描时间，扩大了SENSE技术的适用范围。近年来，随着MRI软硬件技术的发展，SENSES术取得了成功并广泛进入临床应用阶段。2、SENSE技术的成像步骤从理论上讲，敏感度编码技术可应用于任意 K空间轨迹和成像序列，但它特别适合于笛卡儿K空间。二维傅立叶成像中，在保持最大 K值的情况下，通过增加K空间采样位置的距离和接收线圈阵列方式进行K空间敏感编码时，普通笛卡儿采样能够减少傅立叶编码步数。在标准的傅立叶成像中减少采样密度可减小视野从而引起卷折伪影。实际上，笛卡儿采样的敏感编码重建是通过对每一个阵列单元使用离散傅立叶变换产生一系列卷折图像完成的，并从一系列中间图像生成全视野的图像。其成像步骤如下：敏感编码成像时首先创建中间图像，亦即在保持K空间最大值保持不变的情况下增加采样位置之间的距离，减少 K空间采样步数，因而K空间采样密度减低，从而导致傅立叶成像中视野缩小和像素混叠，然后采用离散傅立叶变换重建出像素混叠的中间图像。最后从一系列中间图像生成全视野的图像。由于中间图像是像素混叠的，如何分离这些像素是敏感编码技术的关键所在。接收线圈的空间敏感度是接收线圈的属性，包含有空间位置信息而与被检测物体的状态无关。在多线圈并行采集时，由于每个单独的线圈在图像卷折区域的局部空间敏感度不同，因而所产生的信号强度不同。若卷折图像象素数目和接收线圈数目以及线圈空间敏感度函数已知，则可得到接收线圈的敏感度矩阵。然后对这矩阵进行反卷积，即可计算出卷折图像重叠象素的实际位置，然后进行K空间傅立叶变换重建出一幅全视野的图像。由于敏感编码成像技术的物理原理只是通过改变信号的接收和编码方式来加快成像速度，不影响各种扫描序列的信号对比度，也不影响各种扫描方式，理论上可用于各种扫描序列。与其他快速成像技术一样，信噪比也是评价SENSE技术成像质量的主要指标之一，在该技术中，噪声主要来源于采样噪音和敏感度图噪音。由于多线圈数据采集时，各线圈的通道输入特性不一，最终图像上各像素的噪声水平不一致。除与单线圈影响信噪比的因素外，还与并行采集线圈的几何因子和缩减因子有关。其中线圈的几何因子与线圈的空间布局有关；缩减因子为成像视野与实际采样视野的相位编码数目之比，相应的采样时间减小倍数与衰减因子一致。SENSES术的临床应用1、在颅脑磁共振成像中的应用在功能性磁共振成像方面，Golay等采用3DPREST咏冲序列和SENS豉术结合的方法实现超快速全脑fMRI，时间分辨率达到1秒，与传统技术相比，它极大的提高了时间分辨率。在磁共振波谱成像方面，采用SENSE技术可减少采集时间，与传统的快速波谱成像技术相比，加速了K空间的采样，该方法允许减少相位编码方向上的相位编码步数。利用线圈阵列进行数据采集，从单个线圈空间敏感度差异中获取全部编码信息。二维波谱成像中应用敏感度编码技术，在保持波谱和空间分辨率以及合理信噪比的情况下，使扫描时间缩短四倍。敏感度编码波谱成像活体检测人脑乙酰天冬氨酸（NAA）,肌酸（Cr）,胆碱（Cho等物质代谢成像方面具有更好的空间响应和SNR弥散加权单次激发EPI（sshEP）是诊断和评价中风病人最重要的工具之一，但它容易产生伪影。通过减小模糊伪影和偏振伪影，单次激发 SENSE-EP弥散加权成像比传统的sshEPI具有更好的图像质量，没有鬼影和卷折伪影，与 EPI相关的图像几何失真也明显减少，化学位移伪影和边缘电流引起的图像卷折仍然存在，但程度明显减小。单次激发SENSE-EP弥散张量成像测得的方向依赖性弥散系数和各向同性弥散值同 sshEP相似，但波动更小。由于该技术的快速K空间采样，在同步保持容积运动敏感的同时，能有效减少典型EPI伪影和增加空间分辨率，在亚急性中风诊断的临床应用中具有较大的价值。 Bammer等还提出SENSE用于弥散张量成像的可行性，他们采用SENSE衰减因子为2。并采用规则和高分辨率采集矩阵进行张量成像，为进一步提高 SENSE!建的稳定性，他们还采用基于变量微积分和矩阵规律性原理的新的线圈敏感度评估技术。在保持扫描时间的情况下， SENSE技术的弥散张量迹图和微小各向异性图能提高空间分辨率和减少几何失真，在神经放射学应用中具有较大的价值。在化学位移成像方面，由于化学位移成像时采集一层需要两个相位编码方向的数据，应用SENSES术后可以在无几何噪声增加的情况下减少上述两个相位编码方向上的编码步数，从而减少扫描时间。2、在心血管系统磁共振成像中的应用由于心脏跳动和呼吸的影响，心脏成像一直是 MRI的难点之一，应用SENSES术使心脏实时成像成为可能并能动态评价心脏的功能。 Barkhausen等提出利用单次屏气true-FISPMR电影序列能够评价左心室功能，但数据采集时间减小时，时间和空间分辨率比节段 trueFISP序列的低。true-FISPMR电影序列联合SENSE技术后，能够提高时间分辨率和消除实时 trueFISP的其他限制。Weiger等将EPI与SENSE联合应用，进行心脏静态及生理负荷下实时扫描，他们使用6个线圈，在空间分辨率为4.1mm的情况下，达到每幅图像扫描时间为 13ms;在空间分辨率为2.6mm时，每幅图像的扫描时间为27ms。在心血管系统成像方面的应用：冠状动脉血管造影一直被认为是评价冠状动脉的金标准，但具有电离辐射，Wielopolski等认为SENSE技术在缩短成像时间，进行心脏实时成像评价冠状动脉方面具有较大应用价值。对比增强磁共振血管造影（CEMRA是近年来发展的磁共振血管成像技术，在临床上获得了广泛的应用，并日益成为诊断、鉴别诊断及血管成像的重要方法，缩短成像时间是其关键所在。使用SENSES术的CEMRA不但提高空间分辨率和时间分辨率以及图像质量，而且能缩短扫描时间，GolayX等在采用SENSES行颈动脉CEMRA时也发现图像质量明显提高。3、在腹部的应用Yoshioka等采用屏气快速自旋回波T1加权，呼吸门控快速自旋回波T2加权，以及动态MRI中联合应用SENS豉术，在动脉期和门脉期，由于扫描时间缩短，一次屏气可获得双动脉期和门脉期图像，可更好的进行动态增强研究。在肝脏 MRI研究肝细胞癌的影像诊断时发现联合应用SENSES术后敏感性和阳性率以及对微小病灶的检测能力明显优于传统的成像技术。敏感度编码技术临床应用的优缺点由于SENSE是在保持K最大值不变的情况下，通过增加K空间采样位置之间的距离来实现的，因而可保持图像的空间分辨率而成倍减少扫描时间。 K空间采样数目减少的因子称作缩减因子R。R与使用的线圈数目有关，一般R不超过使用的线圈数目。采用SENSES术，图像可在短时间内产生，扫描时间缩短可减小呼吸或小肠蠕动的影响，从而提高图像质量。动态研究中，SENSE技术可显著提高时间分辨率，在无须减小扫描时间的情况下，还可提高空间分辨率和允许扫描更多的层面。在3D傅立叶变换重建中，相位编码方向和层面选择方向采用了相位编码，如果在这两个方向都采用SENSED术，可使数据采集速度加倍，这在对比增强MRA中极具价值。超短TR常用于3DCEMRA中，以提高空间和时间分辨率，但会导致 SNR的降低。在保持相同扫描时间的情况下，选择较长的 TR并联合应用SENSE技术时，由于采集带宽较低和TR较长使得T1弛豫达到一个较高稳态水平，因此可提高SNR（典型的可超过40%）。SENSES术可通过参考扫描对不同线圈的空间敏感度差异进行校正，使得在较大视野内获得较均匀的信号强度。SENSE技术由于减小了相位编码步数，因此能减少回波链长度，提高图像质量。在快速SE序列中，回波链长度减小可抑制因J偶合效应引起的脂肪高信号现象，提高信噪比和软组织对比度，并减小因T2滤过效应减弱引起的T2模糊。在EPI中，连续的相位编码步数中，相位漂移的累积可引起沿相位编码方向的化学位移伪影，这种相位漂移的累积在磁场不均匀性去相位时还可引起磁敏感性伪影，由于 SENSE技术可减少回波链长度，从而可减少上述两种伪影。SENSE技术可减少RF脉冲的数目或降低梯度场的切换率，从而降低特定吸收率（SAR和末梢神经刺激。SENSES像的SNR同所有图像一样，SNR正比于采集时间的平方根，因此当SENSE勺缩短因子为R时，则SNR将减小至采集时间的平方根倍。线圈敏感度的几何关系不理想时可产生附加噪声，这种特殊效应由局部几何因子 g来定量描述，g代表从线圈卷折图像中分离出像素的能力， SNR同g成反比，g总是大于1,并且多个卷折发生时g会更大，如果SENSE勺缩短因子小于2.5,g通常小于1.1，在实际应用中可忽略不计。大多数与SENSE®像相关的伪影都是由于参考扫描和 SENSE数据采集不匹配造成的，这种不匹配可由呼吸模式、局部磁敏感度差异、高脂肪信号或体素