基于EPI方法的功能磁共振成像質量問題實例分析：主要成因與應對方案

朱禮濤，吳 慧，朱朝喆

功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)主要使用回波平面成像(echo planar image,EPI)序列。筆者結合EPI序列本身的特點和作者在磁共振成像質量控制工作中發現的代表性案例，介紹fMRI的常見問題(包括奈奎斯特鬼影、幾何畸變、尖峰噪聲、射頻噪聲、穩定性相關的問題)，分析它們的主要成因和診斷方法。

圖1 EPI的脈沖序列圖(左圖)和K空間填充軌跡(右圖)Fig.1 Waveforms (left) and k-space trajectory (right) of the EPI pulse sequence.

1 fMRI序列的特點

fMRI主要使用單次激發梯度回波平面成像序列[1-3]，其波形如圖1所示，在一次射頻激發后，交替使用正負頻率編碼梯度得到一串回波，并在回波間加入相位編碼梯度，用于填充得到重建一片圖像需要的所有K空間數據。EPI技術在實現快速成像的同時，也付出了相應的代價。第一，由于T2*弛豫過程的存在，EPI回波間距的大小和回波鏈的長度受到了限制，因此EPI圖像的信噪比和空間分辨率比較低；第二，EPI使用了快速切換的頻率編碼梯度和獨特的相位編碼方式，這使它對MRI梯度系統性能和磁場均勻性的要求非常高，很容易受到系統和環境問題的干擾，出現各種偽影和噪聲；第三，fMRI需要使用EPI序列進行連續采集，得到各腦區T2*加權信號隨時間的變化，因此對成像系統穩定性方面的問題也非常敏感。另外，EPI回波鏈中頻率編碼梯度的快速切換會產生較大的震動，可能引起震動相關的偽影，這也是EPI序列區別于常規成像序列的地方。

2 fMRI常見偽影

2.1 奈奎斯特鬼影(Nyquist ghost)

奈奎斯特鬼影也稱為N/2鬼影，其特點是在相位編碼方向移動1/2視場(FOV)的位置上出現與圖像原始內容相同的鬼影，超出FOV的偽影也會卷折進圖像。當使用并行采集技術時，鬼影數目和出現位置也會相應增加。奈奎斯特鬼影是EPI序列的固有問題，主要是因為EPI在回波鏈中使用了正負兩種頻率編碼梯度采集數據。由于渦流和剩磁等原因的存在，實際作用在層片上的梯度磁場與理論波形存在差異，這種差異造成K空間數據的奇數行和偶數行受到了不同模態的干擾，體現在EPI圖像中即為奈奎斯特鬼影。

圖2 奈奎斯特鬼影。2A：正常的EPI水模圖像，背景中仍有較輕的鬼影；2B：顯著的水模圖像鬼影，由于輸入電壓不足造成；2C：顯著的被試圖像鬼影，問題未再重現，原因不明Fig.2 Nyquist ghost.2A:Regular EPI Image of a phantom,in which the mild ghost is observed;2B:Phantom image with a strong ghost,which was caused by lack of input voltage;2C:Patient image with a strong ghost,which could not be reproduced.So its root cause is still unknown.

圖2是EPI奈奎斯特鬼影的三個案例。其中：圖2A是正常的EPI水模圖像，調整窗寬窗位使背景變亮，可以看到水模輪廓對應的奈奎斯特鬼影，這是由于K空間頻率編碼方向上的高頻數據是在頻率編碼梯度波形的上升沿和下降沿附近進行采集，該區域的渦流校正很難做到完美，因此呈現了上述鬼影，但是該偽影的亮度較低，仍在可接受的范圍內；圖2B是非常顯著的奈奎斯特鬼影，該鬼影發現于MRI系統的驗收測試中，僅在特定參數的EPI圖像中出現，是由于MRI系統的實際輸入電壓(380 V)低于設定值(400 V)，當使用對梯度系統要求較高的掃描參數時，較低的輸入電壓限制了梯度放大器的工作能力，造成了鬼影；圖2C是實際應用中發現的鬼影圖像，圖像中的鬼影非常明顯，可以在正常的窗寬窗位下觀察到，但是該鬼影僅出現一次，在后續的測試和用戶實驗中均未重現，因此具體原因不詳。

奈奎斯特鬼影是EPI序列的固有問題，MRI系統通過梯度系統的渦流校正和EPI序列預掃描中的校正算法進行補償，以減小偽影。如果在正常窗寬窗位的被試圖像中發現明顯的鬼影，通常預示著MRI梯度系統可能存在問題，應重點檢查梯度子系統和供電系統。

2.2 幾何畸變(geometric distortion)

幾何畸變也是EPI序列的固有問題，主要是因為EPI序列在相位編碼方向上的帶寬比較低，通常只有1～2 kHz。以脂肪的化學位移為例，在3 T系統的EPI圖像中，脂肪在相位編碼方向上的位移可以超過視場的1/5。因此EPI序列通常配合脂肪飽和技術使用。磁場不均勻性在單次激發EPI圖像相位編碼方向上造成的位移可以通過如下公式計算：

其中 Δfcf是磁場不均勻性造成的局部共振頻率與成像中心頻率的差異；tesp是EPI序列的回波間距(Echo Spacing)；FOVy是視場在相位編碼方向上的長度；Np是并行采集技術使用的加速因子，未使用并行采集技術時其值為1。

圖3是EPI幾何畸變的三個案例。其中：圖3A是模擬案例，在磁體腔中放入一枚金屬鑰匙后得到的水模圖像，是由異物造成的主磁場不均勻性引起的圖像幾何畸變；圖3B是正常的被試圖像，在眶額皮層區域，空氣和人體組織磁化率不同造成的局部磁場不均勻性導致了圖像的畸變，這是EPI頭部成像的一個固有問題；圖3C是彌散張量成像(diffusion tensor imaging,DTI)中的畸變，相鄰的兩片圖像在相位編碼方向上一片被拉伸另一片被壓縮(對應使用的彌散梯度為一正一負)，DTI也使用EPI技術進行數據采集，圖中的畸變是彌散梯度的渦流和剩磁形成的磁場不均勻性造成的，這種梯度引起的畸變在fMRI中同樣存在。

EPI序列在相位編碼方向上的帶寬較窄，二三十赫茲的共振頻率偏離就可以導致一至兩個像素的位移。因此，EPI序列對磁場不均勻性非常敏感(包括主磁場本身的不均勻性、不同物質磁化率差異造成的磁場不均勻性、渦流和剩磁造成的磁場不均勻性等)，尤其是高分辨率EPI，由于回波間距較大，幾何畸變問題更為嚴重。調整成像參數以減小回波間距，或者使用并行采集技術，可以減小幾何畸變。如果出現比較大的畸變，需要檢查磁體腔內有無異物，并對主磁場的均勻性和梯度系統的性能進行檢測。

2.3 尖峰噪聲(spike noise)

尖峰噪聲是指成像時K空間中的一點或多點數據受到干擾，在重建后的圖像中形成的條紋狀或絮狀偽影。該偽影在圖像的背景區域比較明顯。尖峰噪聲通常是由電氣故障、放電或震動引起。

圖3 幾何畸變。3A：模擬案例，在磁體腔中放入一枚金屬鑰匙造成的EPI圖像畸變；3B：正常的EPI被試圖像，在眶額皮層區域出現磁化率不同造成的畸變；3C：DTI圖像，相鄰的兩層一片圖像被拉長一片被壓短，是由彌散梯度引起的渦流和剩磁造成Fig.3 Geometric distortion.3A:Stimulated distorted EPI image by putting a metal key into the hole of the magnet;3B:Regular EPI Image of a patient,in which the distortion is observed near the orbitofrontal cortex;3C:Distortion of the DTI images(the left slice was stretched while the right slice was condensed),which was caused by the eddy current and residual magnetism of the diffusion encoding gradient.

圖4 尖峰噪聲。4A：頭線圈故障造成的尖峰噪聲；4B：聽覺任務刺激呈現系統耳機故障造成的尖峰噪聲；4C：磁體上松動的螺絲在DTI圖像中造成的尖峰噪聲Fig.4 Spike noise.4A:Spike noise caused by the defect of the head coil;4B:Spike noise caused by the defective headset of the audio stimulation system;4C:Spike noise in DTI images caused by a loose screw on the magnet.

圖4是尖峰噪聲的三個案例：圖4A是MRI系統頭線圈故障造成的尖峰噪聲，圖4B是任務刺激呈現系統耳機故障造成的尖峰噪聲，圖4C是磁體上松動的螺絲在DTI圖像中造成的尖峰噪聲(DTI序列引起的震動較fMRI更強，所以該噪聲首先在DTI圖像中被發現，并及時得到了維修)。

定位尖峰噪聲的噪聲源時，可以使用MRI系統上廠家提供的Spike測試序列進行測量，還可以改變接收線圈的位置，然后通過噪聲強度的變化判斷噪聲源的方位。有些尖峰噪聲的出現具有隨機性，當出現頻率較低時，查找噪聲源頭會比較困難。降低磁體間的空氣濕度、增加掃描序列的梯度切換強度通常會增加尖峰噪聲出現的頻率和強度。

2.4 射頻噪聲(RF noise)

射頻噪聲(radio frequency noise,RF noise)在圖像中呈現為一條或多條沿相位編碼方向展開的直線或線段。如果磁體間的射頻屏蔽出現問題或者在屏蔽室內出現射頻發射源，并且該信號的頻率正好處在成像序列的接收頻帶內，便會在圖像中形成射頻噪聲。

圖5是射頻噪聲的兩個案例。其中：圖5A是驗收測試中發現的視頻監控系統攝像頭造成的射頻噪聲(作者所在成像中心的質量控制方案中，當設備安裝或改動完成后，需要進行射頻噪聲相關的驗收測試)；圖5B是在被試3D T1加權成像中發現的一例非常弱的射頻噪聲，該噪聲是由磁體間內視覺刺激系統使用的投影儀發出，改進投影儀的射頻屏蔽后噪聲消失。

射頻噪聲源的定位通常使用排除法，對磁體間內的電氣設備和屏蔽室(重點檢查門、窗、波導板和失超管出口等位置)進行排查。找到噪聲源后將其去除或改進屏蔽。

2.5 穩定性相關的問題(stability problem)

fMRI測量的是神經元活動引起的血氧水平依賴(blood oxygen level dependent,BOLD)信號的波動。但是，fMRI得到的時間信號中存在各種干擾，主要有白噪聲、生理噪聲和測量系統穩定性方面的干擾。白噪聲主要是熱噪聲，來自MRI系統和被試；生理噪聲主要是被試呼吸和心跳等生理活動帶來的干擾；測量系統穩定性干擾主要是供電系統、射頻發射系統和射頻接收系統造成的時間信號波動。另外，掃描中被試的頭動也會在時間信號中造成非常明顯的波動；時間域上不穩定的EPI鬼影和隨機出現的尖峰噪聲也會在時間信號中有所體現。

圖6是穩定性相關的三個案例。圖6A是用戶報告的穩定性問題，分析后確認該問題是由被試頭動造成，fMRI時間信號的波動和被試頭動曲線的波動完全吻合；圖6B是磁共振成像系統驗收測試中發現的穩定性問題，調查后發現該問題是由于不間斷電源(UPS)的不當參數設置造成，當連續進行EPI掃描時UPS不斷從充蓄電池中取電，電池電量耗盡后UPS會在主供電電路和旁路之間切換，造成MRI輸入電壓波動，影響了EPI的穩定性；圖6C是在日常質量控制測試中發現的穩定性問題[4]，調查后發現該問題是由MRI系統接收通道上有瑕疵的接收線圈通道選擇(RCCS)板造成。

圖5 射頻噪聲。5A：設備驗收測試中發現的射頻噪聲，噪聲來自視頻監控系統的攝像頭；5B：被試3D T1加權圖像中發現的射頻噪聲，噪聲來自視覺刺激呈現系統的投影儀Fig.5 RF Noise.5A:RF noise from the digital camera of the video monitoring system， found in its acceptance test;5B:RF noise in the 3D T1 weighted patient images,which came from the projector of the visual stimulation system.

圖6 穩定性相關的問題。6A：被試頭動造成的EPI時間信號波動，其中，上方坐標系內是fMRI得到的時間信號，下方兩個坐標系內是被試的頭動曲線；6B：不間斷電源(UPS)的不當參數設置造成EPI時間信號出現嚴重波動；6C：射頻接收通道上有瑕疵的RCCS板造成EPI時間曲線中出現數個尖峰Fig.6 Stability problems.6A:Motion-induced variation in the time course of patient data (The top curve is the fMRI time course and the others are the curves of head motion parameters obtained by motion correction);6B:Sharp variation of the EPI time course， caused by unsuitable settings of the UPS system;6C:Spikes of the EPI time course,caused by the defect of receive coil channel selector(RCCS) board in MRI RF receiving chain.

穩定性相關問題通常具有隨機性，如果干擾出現的頻率較低，查找原因會非常困難。定位問題源頭時，首先要尋找能夠便捷地重現問題的方法，然后分析問題出現的規律，對供電系統、射頻發射通道、射頻接收通道、梯度系統和磁體部件等進行有針對性的排查。穩定性問題的成因可能涉及整個MRI系統，因此解決問題的周期可能較長，當問題不能及時解決時，可以測量時間信號中干擾出現的模態、頻率和幅度，評估該問題對fMRI應用的實際影響，判斷MRI系統是否可以使用。

3 討論

筆者結合具有代表性的實際案例，討論了fMRI常見偽影和成像問題的特點、主要成因和應對方法。其中，奈奎斯特鬼影和相位編碼方向上的幾何畸變是EPI序列固有的兩個問題，無法完全消除，只能調整系統性能和成像參數，將其控制在可以接受的范圍內。

了解和熟悉fMRI各種偽影的特征，有助于盡早發現系統的潛在問題。問題發現后，通常分五個步驟進行處理：第一步要找到一個簡單有效的方法重現該問題，第二步判斷問題的大致類型，開展有針對性的測試，第三步分析測試結果，排除無關因素、縮小可疑范圍，第四步是不斷重復第二、第三步，直到鎖定具體的故障位置，第五步制定解決方案，并對解決結果進行驗證。其中，第二步使用的測試方法主要有兩種：一種是改變條件進行測試，觀測它對偽影的影響，另一種是使用專用的測試工具，對可疑的部件或性能指標進行排查。

由于受到所收集案例的限制，筆者無法涵蓋fMRI的所有問題，但是，文中這些案例是對一臺fMRI專用的磁共振設備五年質量控制工作中發現的問題進行的歸納和總結，基本上包含了fMRI的常見偽影和成像質量問題。另外，有些常見的MRI偽影[3,5-7]，例如相位編碼方向上的卷折偽影、射頻場不均勻性造成的圖像灰度不均勻、運動偽影等，雖然也會在EPI圖像中出現，但是由于不具備明顯的fMRI特點，這類實例并未選入本文。

值得一提的是，文中選用的這些代表性案例，僅是作者五年質量控制工作中在一臺MRI設備上發現的部分成像質量問題，由此可見，這些偽影和成像問題在fMRI應用中具有較高的出現頻率。這不僅是因為fMRI序列本身比較敏感、對系統性能要求比較高，還因為fMRI應用中需要在磁體間內使用諸如任務刺激呈現系統、眼動儀、腦電儀、生理多導儀等專用甚至是自行開發的輔助設備，這也增加了fMRI特有的干擾源。另外，文中的大部分案例，在fMRI偽影出現時，常規臨床序列的成像質量并未受到任何干擾，使用美國放射學會(American Collage of Radiology,ACR)的質量控制測試也未發現任何異常[8-9]，成像問題僅出現在EPI序列、甚至是特定參數的EPI序列上。因此，fMRI偽影具有一定的獨特性，及時辨識和解決這些成像問題，并為fMRI制定專用的質量控制方案，對fMRI的應用至關重要。

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