磁共振k空间采集技术及其研究进展

【作 者】金玮，王龙辰，李斌

上海交通大学附属第六人民医院医学装备处，上海市，200233

0 引言

众所周知，磁共振成像过程中的快速成像一直是磁共振成像技术的发展方向之一，尤其是在进行诸如头颅T2加权像，血管成像MRA等对时间分辨率要求较高的扫描的时候，完成单次磁共振成像需要大量时间，大大降低了工作效率。如何提高磁共振成像速度成为了急需解决的问题，而k空间采集技术正是加速磁共振成像的手段之一。k空间在1983年用于采集磁共振原始信号，以后获得广泛应用。经过三十年的不断发展，出现了多种k空间数据加速采集方式，经过算法校正后与其它磁共振扫描技术相结合，成功应用于临床。

磁共振成像扫描变换基于傅里叶变换，常规傅里叶变换中，时间坐标中的基本单位秒与频率坐标中的基本单位赫兹相对应[1]。在磁共振扫描时，根据选择的扫描序列采样方式不同，k空间中信号的填充方式也不同。一般而言，当一个梯度脉冲所包含的面积较小时，得到的信号数据会放置在k空间的中心，而当一个梯度脉冲所包含的面积较大时，得到的信号数据会放置在k空间的边缘部分。我们可以通过控制序列梯度脉冲的面积来调整所采集到的MR 信号数据在k空间所处的位置[2]；填充于k空间平面中间的信号决定重建后图像的对比度，填充于k空间平面边缘的信号决定重建后图像的空间分辨率。在临床扫描过程中，利用特殊k空间采集技术可以保证在成像信噪比的前提下大大缩短扫描时间。

1 常规 k 空间采集技术

1.1 笛卡尔k空间采集填充

笛卡尔k空间数据采集和填充的主要特点是往k空间一行一行平行填充数据，其又分为单向平行采集和迂回平行采集。单向平行采集方式包括了临床上最常用到的(快速)自旋回波序列(F/T)SE，(快速)反转恢复序列(F)IR等；迂回平行采集技术主要用于平面回波序列(EPI)。

1.2 螺旋状采集填充

k 空间螺旋采集填充比常规笛卡尔采集填充稍复杂，该技术采用从k = 0，q = 0为起点的阿基米德螺旋线。在这类采样中，根据扫描序列的激发次数不同，单次射频脉冲激发可以采集并填充一圈或者多圈数据，该技术现多用于心脏冠脉快速扫描。

1.3 螺旋桨采集填充

螺旋桨采集填充是对普通放射状采集填充技术的一种改良。普通放射采集填充技术虽然可以进行快速数据填充，但是k空间中填充的数据相对稀疏，尤其是在k空间边缘，会造成图像质量尤其是空间分辨率的下降。主流设备厂商为了解决这一问题研发出了螺旋桨技术，GE公司将该技术命名为PROPELLER,Siemens公司命名为BLADE。这种技术在每次射频脉冲激发时都会采集多行k空间中心数据，一次采集的行数等于加速因子，加速因子越大，一次激发采集到的行数越多，且后一次数据采集在相邻的前一次采集的基础上旋转一定角度q，采集的相位编码方向会随着旋转角度的变化而变化[3]。这样一来，填充在k空间中心位置和边缘位置的数据都会有重叠，这些冗余数据经过计算机处理后重建出来的图像无论是空间分辨率、对比度还是信噪比都要远远优于普通放射状技术。另外，螺旋桨填充技术还可以用来消除扫描过程中由于病人移动而产生的运动伪影。因此，此技术在临床上最常用于头颅平扫和T2W腹部屏气扫描以及与呼吸门控联用的腹部快速成像。

2 部分k空间采集技术

磁共振的k空间是一个共轭对称的空间，部分k空间采集技术利用了这个特性在一次射频脉冲过后的采集信号过程中不完全采集整个k空间数据，而是只采集一部分空间填充，其余的空间计算机自动进行数据填补。这样一来，采集的信号少了，采集所需时间也大大缩短，加快了扫描速度。实际采样过程中，部分k空间采集的数据一般大于k空间的一半，这样可以保证k空间平面中间的数据是完全真实采集的，同时也在一定程度上排除了磁场不均匀性引起的数据相移。

部分k空间采集技术由于没有采集完整的磁共振信号，因此不可避免地会影响到图像的信噪比，还有可能产生Gibbs伪影。为了解决这方面的问题，并充分利用其快速成像的特性，有学者将该方法与其他成像技术相结合，如SENSE/GRAPPA与部分k空间采集技术相结合，以及钥孔技术与导航回波联合应用等，都获得了较好的研究结果；开发的快速采集弛豫增强序列在进行胆胰管磁共振成像(MRCP)时快速准确地显示了患者胆管和胰管的病灶[4]。

3 匙孔技术

匙孔技术在磁共振扫描中多应用于诸如腹部动态增强扫描等检查，其原理是在之前的预扫描时先进行一次完整的k空间采集填充，在此之后的扫描只采集并填充k空间平面中心的数据，在进行图像重建时剩下的部分利用第一次预扫描时得到的数据进行填充。该技术的优点在于保证了图像对比度和空间分辨率的情况下显著提高扫描速度。国内一些研究者[5]早在十几年前就进行了对比利用匙孔技术的动态与非动态扫描垂体微腺瘤的显示情况，临床应用表明“结合匙孔技术的动态增强扫描不仅有效缩短扫描时间，而且对比常规的扫描可以更加敏感地发现垂体微腺瘤”。

4 k空间采集技术的最新进展

4.1 部分k空间技术与并行成像、压缩传感的联用

这三种技术本身可以各自单独被用到快速磁共振成像过程中，2012年New York State Psychiatric Institute和Columbia University Medical Center的Liu F及Peterson BS等[6]在GE Signa 3 T磁共振上采用了改进的3D FSPGR序列进行T1W头颅扫描，将这三种采集技术结合使用然后测试扫描时间和图像质量。比起传统的单独使用压缩传感和并行成像，结合了部分k空间技术的序列在加快扫描速度的同时也基本保证了图像的信噪比。更重要的是，根据实际扫描的要求不同，对于一个固定的总加速因子R=Rc × Rs × Rp，我们可以灵活调整选择不同的压缩传感的加速因子Rc，并行成像的加速因子Rs和部分k空间技术的加速因子Rp。

4.2 基于部分k空间技术的2D相邻扫描层插值算法

针对传统的部分k空间采集技术会降低信噪比这一缺点，国外有研究者[7]提出了一种全新的基于部分k空间技术的算法，该算法同样以不牺牲图像质量为前提提高扫描速度。这种算法在采集多层数据时利用相邻层k空间里的数据，其原理是在进行部分k空间扫描时，未采集的数据=相邻层的原始数据×权重因子，权重因子与预扫描传统低分辨率定位像有关。Pang Y等[7]利用GE 7 T的磁共振采用该技术扫描脚踝轴状位，与采用传统部分k空间技术扫描出的图像作对比，在采用相同的采样率的情况下，前者的对比度和信噪比明显优于后者。该技术现在虽然仅仅用在7 T的实验设备上，但是所采用的算法完全可以与SENSE等并行成像技术相结合应用于现在的3 T设备临床扫描上。

4.3 部分k空间技术结合呼吸门控进行相位对比成像

相位对比磁共振成像广泛运用于心脏扫描，为了缩短扫描成像时间，上面提到的螺旋采集填充，放射状填充相比笛卡尔平行填充要快2～3倍。除此之外，EPI成像和并行成像技术也都可以达到加快扫描的目的。然而，如何对3D相位对比扫描中的呼吸运动进行补偿很少被提及。Massachusetts的Akcakaya M等[8]在Philips Achieva 1.5 T磁共振上进行了上下行肢大动脉扫描，将呼吸门控技术与部分k空间技术结合只采样填充k空间中心位置的数据，其余数据不采用呼吸门控技术，所得到的图像与全程采用呼吸门控技术得到的图像作对比，在心搏量、平均流量、最高流速和图像信噪比4个方面进行评定，结果发现两者没有统计学上的差异，而在扫描时间上运用了部分k空间采集技术的病人数据采集时间(13'19"±3'02")要比没有采用部分k空间技术的的病人数据采集时间(19'35"±5'02")快的多。可见，在进行心脏或者腹部扫描时，部分k空间采集技术运用于病人呼吸运动补偿可以在保证图像质量的情况下极大提高成像速度。

4.4 基于部分k空间技术的血管快速动态增强扫描

该技术又称为TWIST技术，比其它动态增强成像方法速度更快，空间分辨率更高。该技术目前已经在Siemens公司的Verio等机型上进行临床使用。其特点是k空间中心部分依旧全部顺序采集，而边缘部分则随机采集。这样就提升了扫描速度，并且提供多组血管动态增强，临床利用该序列扫描得到的图像进行后处理分析，包括血管畸形评估、血流灌注测量等；同时，由于可以快速采集到人体多个动脉期，因此该技术彻底解决了CE-MRA成像过程中的静脉污染，减少了患者检查时间，从而使更多的患者能够配合完成血管检查[9]。

5 结语

随着磁共振硬件水平的不断提高，信号采集和排列的方式也越来越复杂。而k空间技术正是变复杂为简约的重要手段。k空间采集技术在磁共振成像过程中起着重要作用，不管采用何种采集技术，其前提必然是要确保成像质量满足诊断要求，在此基础上优化采集填充的方式，缩短扫描时间。综上介绍，不管是部分k空间采集技术、匙孔技术，还是TWIST，这些技术在处理空间中心位置的数据时都采用了真实数据填充的方式，因为图像的对比度在很大程度上影响到了整幅图像的质量和医师判断疾病的准确性。因此，我们应该根据实际情况，针对不同的临床诊断需求和不同的患者采用不同的k空间采集技术才能得到最准确优质的图像。

[1]Mezrich R.A perspective on K-space[J].Radiology,1995,195(2):297-315.

[2]赵海涛,方虹,吴新淮,等.磁共振成像中的K 空间概念及其应用[J].中国医学影像学杂志,1999,7(3): 225-227.

[3]翁得河.BLADE刀锋技术详解[J].磁共振成像,2010,5(1):376-379.

[4]翁卓,谢国喜,刘新,等.基于k空间加速采集的磁共振成像技术[J].中国生物医学工程学报,2010,29(5): 785-792.

[5]梁长虹,陈乃楹,黄美萍,等.K空间中心部分采集技术的垂体动态增强扫描[J].中华放射学杂志,1997,31(3): 152-155.

[6]liu F,Duan Y,Peterson BS,et al.Compressed sensing MRI combined with SENSE in partial k-space[J].Phy Med Biol,2012,57(21): N391-N403.

[7]Pang Y,Zhang X.Interpolated compressed sensing for 2D multiple slice fast MR Imaging[J].Plos One,2013,8(2): e56098.

[8]Akcakaya M,Gulaka P,Basha TA,et al.Free-breathing phase contrast MRI with near 100% respiratory navigator efficiency using k-space-dependent respiratory gating[J].Mag Reson Med,doi:10.1002/mrm.24874.

[9]齐顺,赵海涛,宦怡,等.K空间在磁共振成像的临床应用[J].医疗卫生装备,2008,29(10): 259-260.