MR并行采集技术对BOLD序列信噪比的影响

李铭 刘娇 周小燕

[摘要] 目的 研究并行采集对BOLD序列信噪比的影响。 方法 2020年5～6月向社会征集30名适合磁共振检查的健康志愿者，随机分为两组，每组各15名。利用3.0T MR进行BOLD数据采集。在其他参数固定的情况下，分别打开及关闭并行采集技术，得到两组BOLD数据，将数据进行MATLAB分析。 结果 在加速因子为2的情况下，并行采集对BOLD信号产生显著影响，信噪比下降24.4%，差异有统计学意义。并行采集的先后顺序，不会对扫描信噪比产生影响，差异无统计学意义。 结论 在加速因子固定的情况下，进行BOLD扫描时，应充分考虑并行采集对信噪比产生的影响。

[关键词] 并行采集;信噪比;脑功能成像BOLD;磁共振成像

[中图分类号] R445.2          [文献标识码] B          [文章编号] 1673-9701（2020）29-0129-04

[Abstract] Objective To study the effect of parallel acquisition on the signal-to-noise ratio of BOLD sequence. Methods From May to June 2020， 30 healthy volunteers suitable for MRI examination were recruited from the society， and were randomly divided into two groups（15 cases in each group）. 3.0T MR was carried out for BOLD data collection. When other parameters were fixed， the parallel acquisition technology was switched on and off to obtain two sets of BOLD data. The data were analyzed by MATLAB. Results When the acceleration factor was 2， parallel acquisition showed a significant impact on the BOLD signal， and the signal-to-noise ratio dropped by 24.4%. The difference was statistically significant. The sequence of parallel acquisition did not affect the scanning signal-to-noise ratio， and the difference was not statistically significant. Conclusion When the acceleration factor is fixed， the impact of parallel acquisition on the signal-to-noise ratio should be fully considered when performing BOLD scanning.

[Key words] Parallel acquisition; Signal-to-noise ratio; Brain function imaging BOLD; Magnetic resonance imaging

隨着磁共振扫描仪的日渐普及，临床患者对MRI的接受度增加，影像工作人员对图像质量和扫描速度的要求也日益增高。中、高档磁共振的磁体场强和梯度场强的切换率均已达到相当高的水平，而且梯度场强的快速切换会造成组织的生物电流感应和周围神经刺激。因此，再度提高梯度场和切换率则受到限制[1]，从而诞生了众多序列和技术的研发以大幅提高扫描速度。

目前，并行采集技术对信号采集速度的提高起了非常重要的作用，已广泛用于各个扫描序列。然而并行采集技术会造成信噪比的下降，而这一缺陷在某些序列中是不容忽视的。

脑功能成像BOLD（Blood oxygen-level dependent，BOLD）序列在临床及科研中有着非常广泛的使用，对于信噪比有较高的要求。有研究者对非人类灵长类动物（Non-human primates，NHP）大脑活动进行评估发现其活动非常嘈杂。有研究表明较低的BOLD信噪比、次佳的行为表现和运动伪影，共同导致RER BOLD-fMRI在NHP大脑活动评估具有较大的挑战性[2]。因此，并行采集技术对BOLD序列信噪比的影响成为了前者在BOLD序列中得到应用推广的关键因素之一。

1 资料与方法

1.1 一般资料

2020年5～6月向社会征集30名适合磁共振检查的20～50岁健康志愿者，纳入标准[3]：识字、右利手（爱丁堡利手问卷>40分）。排除标准[4]：有MR检查禁忌证者，有固定假牙，有颅脑手术史及梗死或出血史等神经科类疾病者。30名志愿者中男13名，女17名，平均年龄32岁，采取随机分组，每组各15名。本实验已取得医院医学伦理委员会批准，所有受试志愿者均签署知情同意书。

1.2 设备与线圈

选用西门子Prisma 3.0T 超导磁共振，64通道head&neck线圈，美德脑功能视听觉刺激仪。

1.3 扫描方法

对所有志愿者均扫描颅脑定位、T1MPRAGE结构相序列以及两个BOLD序列。为排除两个BOLD序列前后扫描顺序可能对扫描结果产生未知影响，将志愿者随机分为两组。第一组志愿者扫描在完成结构相扫描后，先扫描使用一般性自动校准部分并行采集（Generalized auto calibrating partially parallel acquisition，GRAPPA）技术[5]，即西门子 iPAT 技术、加速因子为2的BOLD序列，再扫描不使用 iPAT技术的BOLD序列，其他参数保持完全一致;第二组在完成结构相扫描后，先扫描不使用 iPAT技术的BOLD序列，再使用 iPAT技术的BOLD序列行fMRI扫描。在分别扫描两个BOLD序列的同时，运行脑功能视听觉刺激仪，采取30 s静息，30 s轻柔连续抓握右手的交替循环，与BOLD序列同步开始及结束。BOLD序列扫描参数，见表1。

1.4 图像处理

在安装MatLab2017a的电脑中运行MatLab和SPM12，对T1MPRAGE结构相及两组BOLD任务相进行Slice Timing、Realignment、Coregister、Segment、Normalize、Smooth等预处理后，先对每一个BOLD序列用Specify 1st level做单个被试分析，再用Specify 2nd level将两次扫描的两组30个BOLD序列做配对t检验组内比较分析全脑信号差异;两组间使用并行采集技术的15个BOLD序列做独立样本t检验组间比较分析信号差异。

1.5 统计学分析

1.5.1 SPM12对两组30个BOLD序列配对  全脑平均体素个数31 509，信号差异显著（t=21.18，P<0.05），见表2。

1.5.2 SPM12对两组间15个BOLD序列组比较  全脑没有脑区激活超过阈值。

2 结果

2.1 两组30个BOLD序列配对分析

使用并行采集技术，且加速因子为2时，全脑信噪比普遍下降。与其他研究者在体模上约24.4%信号[6]差异相符。由图1可知，不采用并采的头部信号与采用并采的头部信号配对对比，全脑均显示显著信号差异。

2.2 两组间15个BOLD序列配对分析

两组间BOLD序列配对组分析比较，差异无统计学意义。见图2。对于开关并采技术情况下的先后扫描顺序，并不会产生差异，从而对结果分析产生影响。

3 讨论

并行采集技术（Parallel acquisition technique，PAT）大大加快了MRI的采集速度，目前已经为国内外各大磁共振厂家普遍采用。其工作流程一般如下：①进行参考扫描获得成像组织内各点的相控阵线圈敏感度信息;②利用相控阵线圈采集较少的磁共振信号，进行K空间相位编码线的低密度填充（矩形FOV技术）;③利用参考扫描得到的相控阵线圈敏感度信息，采用某种数学算法除去卷褶获得全FOV图像。由于采集相位编码线的减少，图像的信噪比降低。可以用下面公式表示，SNRpat=SNR/g■，式中SNR表示没有采用并行采集技术的信噪比，SNRpat表示采用并行采集技术后的信噪比，g为几何因子，总是大于1，R为加速因子[7]。随着加速因子增大，图像信噪比降低，且更容易产生卷褶伪影[8]。当R=2时，由公式可知，使用并行采集后，信噪比为原先的70.71%。而临床提供的加速因子范围一般在2～16。据国内学者研究[9]显示，在1.5T头颅FLAIR序列中不建议使用并行采集技术或适当降低加速因子，以避免影响图像质量。也有其他学者[10]提示，在日常的扫描中无论是高场还是低场，加速因子小于2.5的情况下，SNR的降低几乎可以忽略[11-12]。但均未见提及并采技术在BOLD扫描中对SNR的影响。

功能磁共振成像（fMRI）是非侵入性研究神经生理学大脑活动的有效工具。该技术基于血氧水平依赖性（BOLD）理论。通过这种技术[13]，可以利用脱氧和含氧血液的磁化率差异来评估与神经元信号有关的血液动力学反应。已经确定的是，T2*图像上的BOLD信号幅度变化为1%～3%[14-15]，并在刺激后5～8 s内其信号峰值在几乎同时降至基线水平之前[16]。相对于脑组织本身产生的成像信号，该信号幅度变化非常小。因此，为了以良好的分辨率检测BOLD信号，需要足够的时间和信号检测效率[17]，才能通过比较执行某个任务前后脑组织信号强度的变化，从而获得BOLD对比[18]。

在BOLD掃描中，并行采集技术的优点：①可以减少单激发EPI序列的磁敏感伪影;②可以通过减少相位编码的数目而缩短单激发EPI的回波链，减少了相位编码方向上的伪影，提高图像质量;③可以缩小回波链的回波间隙，从而提高图像质量;④可大大减少SAR值;⑤可以显著减少化学位移伪影[7]。

本研究探讨在使用并行采集技术，加速因子为2时，是否会对BOLD序列的信噪比产生影响，并通过与不使用并行采集技术BOLD的对比加以验证。磁共振图像质量最常见的评判标准是图像信噪比SNR（Signal-noise ratio，SNR），由信号强度和噪声强度的比值决定[19]。研究表明，图像噪声来源于统计噪声和系统噪声。在同一序列中，其相对变化不大[20]。因此信号的变化对于信噪比的变化显得更为主要，能够用信号的变化来代表信噪比的变化。本研究结果显示，采用并行采集技术，且加速因子为2时，BOLD信号降低，导致信噪比减少，对扫描结果产生显著影响。

本研究结果显示，使用并行采集技术和不使用该技术序列的先后扫描顺序，并不会对实验的结果产生影响。在今后的类似研究中可以忽略其扫描的先后顺序。

本次研究局限在于：①实验样本量太小;②未将其他厂家常见的并行采集技术，如GE的ASSET、飞利浦的sense、联影的bFAST等列入研究;③未涉及不同加速因子之间的差异。

综上所述，相对于并行采集的众多优点，信噪比下降对扫描结果的影响，在进行BOLD扫描时以下几点应引起重视：①加速因子R不宜设置太大;②随着R值的增大，信噪比下降更为明显;③即使R为2的情况下，信噪比下降约30%，应综合考虑其是否会对实验结果产生影响，权衡是否使用并采技术。

[参考文献]

[1] Whne，Forbes. Electromagnetic fields in the human body due to switched transverse gradient coils in MRI[J]. Phys Med Biol，2004，1117，49（13）：2779 -2798.

[2] Vassilis Pelekanos，Robert M Mok，Olivier Joly，et al.Rapid event-related，BOLD fMRI，non-human primates（NHP）：choose two out of three[J]. Scientific Reports，2020， 10（1）：2470-2473.