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

朱礼涛，吴 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。笔者结合EPI序列本身的特点和作者在磁共振成像质量控制工作中发现的代表性案例，介绍fMRI的常见问题(包括奈奎斯特鬼影、几何畸变、尖峰噪声、射频噪声、稳定性相关的问题)，分析它们的主要成因和诊断方法。

图1 EPI的脉冲序列图(左图)和K空间填充轨迹(右图)Fig.1 Waveforms (left) and k-space trajectory (right) of the EPI pulse sequence.

1 fMRI序列的特点

fMRI主要使用单次激发梯度回波平面成像序列[1-3]，其波形如图1所示，在一次射频激发后，交替使用正负频率编码梯度得到一串回波，并在回波间加入相位编码梯度，用于填充得到重建一片图像需要的所有K空间数据。EPI技术在实现快速成像的同时，也付出了相应的代价。第一，由于T2*弛豫过程的存在，EPI回波间距的大小和回波链的长度受到了限制，因此EPI图像的信噪比和空间分辨率比较低；第二，EPI使用了快速切换的频率编码梯度和独特的相位编码方式，这使它对MRI梯度系统性能和磁场均匀性的要求非常高，很容易受到系统和环境问题的干扰，出现各种伪影和噪声；第三，fMRI需要使用EPI序列进行连续采集，得到各脑区T2*加权信号随时间的变化，因此对成像系统稳定性方面的问题也非常敏感。另外，EPI回波链中频率编码梯度的快速切换会产生较大的震动，可能引起震动相关的伪影，这也是EPI序列区别于常规成像序列的地方。

2 fMRI常见伪影

2.1 奈奎斯特鬼影(Nyquist ghost)

奈奎斯特鬼影也称为N/2鬼影，其特点是在相位编码方向移动1/2视场(FOV)的位置上出现与图像原始内容相同的鬼影，超出FOV的伪影也会卷折进图像。当使用并行采集技术时，鬼影数目和出现位置也会相应增加。奈奎斯特鬼影是EPI序列的固有问题，主要是因为EPI在回波链中使用了正负两种频率编码梯度采集数据。由于涡流和剩磁等原因的存在，实际作用在层片上的梯度磁场与理论波形存在差异，这种差异造成K空间数据的奇数行和偶数行受到了不同模态的干扰，体现在EPI图像中即为奈奎斯特鬼影。

图2 奈奎斯特鬼影。2A：正常的EPI水模图像，背景中仍有较轻的鬼影；2B：显著的水模图像鬼影，由于输入电压不足造成；2C：显著的被试图像鬼影，问题未再重现，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.

图2是EPI奈奎斯特鬼影的三个案例。其中：图2A是正常的EPI水模图像，调整窗宽窗位使背景变亮，可以看到水模轮廓对应的奈奎斯特鬼影，这是由于K空间频率编码方向上的高频数据是在频率编码梯度波形的上升沿和下降沿附近进行采集，该区域的涡流校正很难做到完美，因此呈现了上述鬼影，但是该伪影的亮度较低，仍在可接受的范围内；图2B是非常显著的奈奎斯特鬼影，该鬼影发现于MRI系统的验收测试中，仅在特定参数的EPI图像中出现，是由于MRI系统的实际输入电压(380 V)低于设定值(400 V)，当使用对梯度系统要求较高的扫描参数时，较低的输入电压限制了梯度放大器的工作能力，造成了鬼影；图2C是实际应用中发现的鬼影图像，图像中的鬼影非常明显，可以在正常的窗宽窗位下观察到，但是该鬼影仅出现一次，在后续的测试和用户实验中均未重现，因此具体原因不详。

奈奎斯特鬼影是EPI序列的固有问题，MRI系统通过梯度系统的涡流校正和EPI序列预扫描中的校正算法进行补偿，以减小伪影。如果在正常窗宽窗位的被试图像中发现明显的鬼影，通常预示着MRI梯度系统可能存在问题，应重点检查梯度子系统和供电系统。

2.2 几何畸变(geometric distortion)

几何畸变也是EPI序列的固有问题，主要是因为EPI序列在相位编码方向上的带宽比较低，通常只有1～2 kHz。以脂肪的化学位移为例，在3 T系统的EPI图像中，脂肪在相位编码方向上的位移可以超过视场的1/5。因此EPI序列通常配合脂肪饱和技术使用。磁场不均匀性在单次激发EPI图像相位编码方向上造成的位移可以通过如下公式计算：

其中 Δfcf是磁场不均匀性造成的局部共振频率与成像中心频率的差异；tesp是EPI序列的回波间距(Echo Spacing)；FOVy是视场在相位编码方向上的长度；Np是并行采集技术使用的加速因子，未使用并行采集技术时其值为1。

图3是EPI几何畸变的三个案例。其中：图3A是模拟案例，在磁体腔中放入一枚金属钥匙后得到的水模图像，是由异物造成的主磁场不均匀性引起的图像几何畸变；图3B是正常的被试图像，在眶额皮层区域，空气和人体组织磁化率不同造成的局部磁场不均匀性导致了图像的畸变，这是EPI头部成像的一个固有问题；图3C是弥散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)中的畸变，相邻的两片图像在相位编码方向上一片被拉伸另一片被压缩(对应使用的弥散梯度为一正一负)，DTI也使用EPI技术进行数据采集，图中的畸变是弥散梯度的涡流和剩磁形成的磁场不均匀性造成的，这种梯度引起的畸变在fMRI中同样存在。

EPI序列在相位编码方向上的带宽较窄，二三十赫兹的共振频率偏离就可以导致一至两个像素的位移。因此，EPI序列对磁场不均匀性非常敏感(包括主磁场本身的不均匀性、不同物质磁化率差异造成的磁场不均匀性、涡流和剩磁造成的磁场不均匀性等)，尤其是高分辨率EPI，由于回波间距较大，几何畸变问题更为严重。调整成像参数以减小回波间距，或者使用并行采集技术，可以减小几何畸变。如果出现比较大的畸变，需要检查磁体腔内有无异物，并对主磁场的均匀性和梯度系统的性能进行检测。

2.3 尖峰噪声(spike noise)

尖峰噪声是指成像时K空间中的一点或多点数据受到干扰，在重建后的图像中形成的条纹状或絮状伪影。该伪影在图像的背景区域比较明显。尖峰噪声通常是由电气故障、放电或震动引起。

图3 几何畸变。3A：模拟案例，在磁体腔中放入一枚金属钥匙造成的EPI图像畸变；3B：正常的EPI被试图像，在眶额皮层区域出现磁化率不同造成的畸变；3C：DTI图像，相邻的两层一片图像被拉长一片被压短，是由弥散梯度引起的涡流和剩磁造成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.

图4 尖峰噪声。4A：头线圈故障造成的尖峰噪声；4B：听觉任务刺激呈现系统耳机故障造成的尖峰噪声；4C：磁体上松动的螺丝在DTI图像中造成的尖峰噪声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.

图4是尖峰噪声的三个案例：图4A是MRI系统头线圈故障造成的尖峰噪声，图4B是任务刺激呈现系统耳机故障造成的尖峰噪声，图4C是磁体上松动的螺丝在DTI图像中造成的尖峰噪声(DTI序列引起的震动较fMRI更强，所以该噪声首先在DTI图像中被发现，并及时得到了维修)。

定位尖峰噪声的噪声源时，可以使用MRI系统上厂家提供的Spike测试序列进行测量，还可以改变接收线圈的位置，然后通过噪声强度的变化判断噪声源的方位。有些尖峰噪声的出现具有随机性，当出现频率较低时，查找噪声源头会比较困难。降低磁体间的空气湿度、增加扫描序列的梯度切换强度通常会增加尖峰噪声出现的频率和强度。

2.4 射频噪声(RF noise)

射频噪声(radio frequency noise,RF noise)在图像中呈现为一条或多条沿相位编码方向展开的直线或线段。如果磁体间的射频屏蔽出现问题或者在屏蔽室内出现射频发射源，并且该信号的频率正好处在成像序列的接收频带内，便会在图像中形成射频噪声。

图5是射频噪声的两个案例。其中：图5A是验收测试中发现的视频监控系统摄像头造成的射频噪声(作者所在成像中心的质量控制方案中，当设备安装或改动完成后，需要进行射频噪声相关的验收测试)；图5B是在被试3D T1加权成像中发现的一例非常弱的射频噪声，该噪声是由磁体间内视觉刺激系统使用的投影仪发出，改进投影仪的射频屏蔽后噪声消失。

射频噪声源的定位通常使用排除法，对磁体间内的电气设备和屏蔽室(重点检查门、窗、波导板和失超管出口等位置)进行排查。找到噪声源后将其去除或改进屏蔽。

2.5 稳定性相关的问题(stability problem)

fMRI测量的是神经元活动引起的血氧水平依赖(blood oxygen level dependent,BOLD)信号的波动。但是，fMRI得到的时间信号中存在各种干扰，主要有白噪声、生理噪声和测量系统稳定性方面的干扰。白噪声主要是热噪声，来自MRI系统和被试；生理噪声主要是被试呼吸和心跳等生理活动带来的干扰；测量系统稳定性干扰主要是供电系统、射频发射系统和射频接收系统造成的时间信号波动。另外，扫描中被试的头动也会在时间信号中造成非常明显的波动；时间域上不稳定的EPI鬼影和随机出现的尖峰噪声也会在时间信号中有所体现。

图6是稳定性相关的三个案例。图6A是用户报告的稳定性问题，分析后确认该问题是由被试头动造成，fMRI时间信号的波动和被试头动曲线的波动完全吻合；图6B是磁共振成像系统验收测试中发现的稳定性问题，调查后发现该问题是由于不间断电源(UPS)的不当参数设置造成，当连续进行EPI扫描时UPS不断从充蓄电池中取电，电池电量耗尽后UPS会在主供电电路和旁路之间切换，造成MRI输入电压波动，影响了EPI的稳定性；图6C是在日常质量控制测试中发现的稳定性问题[4]，调查后发现该问题是由MRI系统接收通道上有瑕疵的接收线圈通道选择(RCCS)板造成。

图5 射频噪声。5A：设备验收测试中发现的射频噪声，噪声来自视频监控系统的摄像头；5B：被试3D T1加权图像中发现的射频噪声，噪声来自视觉刺激呈现系统的投影仪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.

图6 稳定性相关的问题。6A：被试头动造成的EPI时间信号波动，其中，上方坐标系内是fMRI得到的时间信号，下方两个坐标系内是被试的头动曲线；6B：不间断电源(UPS)的不当参数设置造成EPI时间信号出现严重波动；6C：射频接收通道上有瑕疵的RCCS板造成EPI时间曲线中出现数个尖峰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.

稳定性相关问题通常具有随机性，如果干扰出现的频率较低，查找原因会非常困难。定位问题源头时，首先要寻找能够便捷地重现问题的方法，然后分析问题出现的规律，对供电系统、射频发射通道、射频接收通道、梯度系统和磁体部件等进行有针对性的排查。稳定性问题的成因可能涉及整个MRI系统，因此解决问题的周期可能较长，当问题不能及时解决时，可以测量时间信号中干扰出现的模态、频率和幅度，评估该问题对fMRI应用的实际影响，判断MRI系统是否可以使用。

3 讨论

笔者结合具有代表性的实际案例，讨论了fMRI常见伪影和成像问题的特点、主要成因和应对方法。其中，奈奎斯特鬼影和相位编码方向上的几何畸变是EPI序列固有的两个问题，无法完全消除，只能调整系统性能和成像参数，将其控制在可以接受的范围内。

了解和熟悉fMRI各种伪影的特征，有助于尽早发现系统的潜在问题。问题发现后，通常分五个步骤进行处理：第一步要找到一个简单有效的方法重现该问题，第二步判断问题的大致类型，开展有针对性的测试，第三步分析测试结果，排除无关因素、缩小可疑范围，第四步是不断重复第二、第三步，直到锁定具体的故障位置，第五步制定解决方案，并对解决结果进行验证。其中，第二步使用的测试方法主要有两种：一种是改变条件进行测试，观测它对伪影的影响，另一种是使用专用的测试工具，对可疑的部件或性能指标进行排查。

由于受到所收集案例的限制，笔者无法涵盖fMRI的所有问题，但是，文中这些案例是对一台fMRI专用的磁共振设备五年质量控制工作中发现的问题进行的归纳和总结，基本上包含了fMRI的常见伪影和成像质量问题。另外，有些常见的MRI伪影[3,5-7]，例如相位编码方向上的卷折伪影、射频场不均匀性造成的图像灰度不均匀、运动伪影等，虽然也会在EPI图像中出现，但是由于不具备明显的fMRI特点，这类实例并未选入本文。

值得一提的是，文中选用的这些代表性案例，仅是作者五年质量控制工作中在一台MRI设备上发现的部分成像质量问题，由此可见，这些伪影和成像问题在fMRI应用中具有较高的出现频率。这不仅是因为fMRI序列本身比较敏感、对系统性能要求比较高，还因为fMRI应用中需要在磁体间内使用诸如任务刺激呈现系统、眼动仪、脑电仪、生理多导仪等专用甚至是自行开发的辅助设备，这也增加了fMRI特有的干扰源。另外，文中的大部分案例，在fMRI伪影出现时，常规临床序列的成像质量并未受到任何干扰，使用美国放射学会(American Collage of Radiology,ACR)的质量控制测试也未发现任何异常[8-9]，成像问题仅出现在EPI序列、甚至是特定参数的EPI序列上。因此，fMRI伪影具有一定的独特性，及时辨识和解决这些成像问题，并为fMRI制定专用的质量控制方案，对fMRI的应用至关重要。

[References]

[1]Bernstein MA,King KE,Zhou XJ.Handbook of MRI Pulse Sequences.USA:Elsevier Academic Press,2004:702-739.

[2]Haacke EM,Brown RW,Thompson MR,et al.Magnetic Resonance Imaging:Physical Principles and Sequence Design.Beijing:China Medical Science Press,2007:333-339,347-351.Haacke EM,Brown RW,Thompson MR,等.核磁共振成像:物理原理和脉冲序列设计.北京:中国医药科技出版社,2007:333-339,347-351.

[3]Zu DL.Magnetic Resonance Imaging.Beijing:Higher Education Press,2004:464-512,571-576.俎栋林.核磁共振成像学.北京:高等教育出版社,2004:464-512,571-576.

[4]Zhu LT,Wu H,Liu J.Quality Control of functional Magnetic Imaging System.Modern Instruments,2008,14(1):59-60,78.朱礼涛,吴慧,刘嘉.功能磁共振成像系统的成像质量控制.现代仪器,2008,14(1):59-60,78.

[5]Yin JZ.Common Artifacts in 3 T High-field MRI Systems:Principle,Appearance and Remedy.Chinese Journal of Magnetic Resonance Imaging,2010,1(4):291-294.尹建忠.3 T高场磁共振设备的常见伪影：原理、表现与对策.磁共振成像,2010,1(4):291-294.

[6]Bo FJ,Zhang YS,Chen YH,et al.Causes and Solutions about Common Artifacts in MRI Image.China Medical Equipment,2009,6(1):59-60.薄夫军,张永寿,陈勇华,等.MRI常见伪影产生机理及对策.中国医学装备,2009,6(1):59-60.

[7]Chang RM,Zhou XH,Wen G,et al.Mechanism,Performance and Measures of Common Artifacts in 3.0T MRI.China Medical Equipment,2008,23(6):95-99.昌仁民,周新韩,文戈,等.3.0T磁共振常见伪影的产生机理、表现及解决措施.中国医疗设备,2008,23(6):95-99.

[8]Weinreb JC,Bell RA,Clarke GD,et al.Magnetic Resonance Imaging Quality Control Manual.American College of Radiology (ACR),2004.

[9]American College of Radiology.Phantom test guidance for the ACR MRI Accreditation Program.American College of Radiology (ACR),2000.