磁共振扩散加权成像——质量控制篇

zskyteacher 2020-03-04

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随着扩散加权成像在临床的应用越来越广泛，扩散加权成像的质控问题也变得越来越突出。这中间包括b值的选择、扩散梯度方向的选择、信噪比的提高以及如何减少图像的几何畸变等等。

b值的选择问题：这个问题在前文中我们已经讨论过。这里还需要补充几点：其一，b值的选择要兼顾信噪比、几何畸变以及对病变的检出能力等方面，其中提高扩散加权成像对于病变检出的敏感性尤其重要。由于不同器官本身的组织结构不同，在进行扩散成像时对b值的要求也不同。譬如，在头部扩散成像通常b值会选择在1000，而对于那些考虑转移瘤的病人则可能需要选择更高b值的扩散成像，这样才能提高病变检出的敏感性。对于前列腺扩散成像而言，我们要考虑到前列腺外围叶通常含有一定数量的腺泡，这些腺泡会分泌前列腺液。所以，在扩散加权成像上可以有一定程度的T2透射效应。前列腺癌更多发生于外围叶，如果采用较低b值扫描很可能受到T2透射相应的干扰而无法准确检出小病变。前列腺癌更多的发生于外围叶，为了避免低b值因为T2透射效应而掩盖小的病变，前列腺扩散加权成像通常选择相对更高的b值，如1400以上。

图片说明：肺癌脑转移，在T2 Flair序列于右顶叶可见片状高信号水肿区，常规DWI图像病变显示不清晰，高b值扩散成像提示病变区呈低信号。对b值为1000的DWI图像进行后处理，ADC图上病变呈高信号而eADC图上病变呈低信号，提示病变区呈扩散自由改变。转移瘤通常表现为小转移大水肿，且水肿属于血管源性水肿改变。该病例再次提醒我们扩散加权图像的后处理具有重要意义。

并行采集技术的应用：并行采集是基于相控阵线圈基础之上的一种特殊的K空间采集方式。这种采集方式在不同的厂家商品名称有所不同，工作原理接近。GE磁共振设备有两种不同的并行采集方式，一种是基于图像水平校准的并行采集技术称为ASSET(Array Spatial Sensitivity Encoding Technique);另一种是基于K空间水平校准的ARC(Auto-calibrating Reconstruction for Cartesian Sampling)。这两种并行采集最大的区别是在采用并行采集技术的实际序列扫描之前是否需要单独额外的校准序列。采用ASSET的扫描序列在图像重建过程中需要利用额外的校准序列来计算线圈的灵敏度范围，这样通过重建才能克服并行采集所导致的卷褶伪影。采用ARC的并行采集序列不需要额外的校准序列，而是在该序列采集过程中通过多采集的K空间中心数据实现重建并克服并行采集所导致的伪影。ARC方法的一个问题是导致相应序列采集时间较采用ASSET相比会有少许延长。在DWI成像过程中能够采用的并行采集技术是ASSET。这里采用ASSET的好处是什么呢？通常大家的理解是采用并行采集时通过减少K空间数据采集从而提高了扫描速度，这在腹部的很多屏气序列确实如此。但在单次激发序列，如临床上扫描胆胰管的MRCP所使用的SSFSE、扫描扩散加权成像的单次激发EPI读取，使用并行采集时并不能缩短扫描时间，而是通过使用并行采集技术来等效减少回波链长度，从而提高了图像的清晰度或减少图像的几何畸变。ASSET并行采集通过K空间隔行采集，等同于增加了两条K空间线之间的间距。根据K空间的属性，成像的FOV和两条K空间线之间的差距△K成反比，这个△K变大，重建图像的FOV会变小。所以，当采用并行采集ASSET并把并采因子设为2（就是每两条K空间线采集其中一条）时，每个线圈通道采集到的图像就不再是一幅完整的图像，而是FOV缩小了一半的理论上有卷褶的图像，系统在重建时会根据线圈的灵敏度范围自动开启防卷褶重建模式。了解这些对于我们使用ASSET序列进行扫描的质控非常重要。在扩散加权成像采用ASSET的主要用途是减少图像的几何畸变和磁敏感伪影。不过我们在进行扩散加权成像需要注意不能用过小的FOV，否则会导致图像信噪比降低并产生ASSET卷褶伪影。

图片说明：扩散加权成像过程中ASSET对图像的影响。当不加ASSET时在富含气体的区域可见更明显的磁敏感伪影，施加ASSET后并行采集伪影明显减轻。

扩散加权成像的空间分辨率问题：空间分辨率决定图像的空间细节分辨能力。理论上在扩散加权成像过程中，如果能够获得更高的空间分辨率图像显然对显示病变的细节和发现细小病变都更理想。但事实上，受信噪比和几何畸变等的影响使得扩散加权成像的空间分辨率受到一定限制。通常的扩散加权成像采用EPI信号读取方式，这种读取方式中回波间隔对图像质量有重要影响。我们先回顾一下影响回波间隔ESP的几个重要因素：，这里面n_xf代表的是频率编码方向的采集矩阵。2△ν是信号接收总带宽。如果我们保持其他参数不变，单纯的增加频率编码的采集矩阵，回波间隔随之延长。显然，过大的频率编码矩阵不太可取。而EPI信号读取从本质上等同于用梯度回波方式实现了回波链采集技术。如果扩散加权成像采用的是单次激发EPI，那就意味着相位编码矩阵越大，回波链的长度就越长。不难理解，最后在EPI读取时可能产生的相位累积错误和频率、相位编码两个方面直接相关，这也是为什么诸如扩散加权成像等基于EPI信号读取的技术通常会采用相对低的空间分辨率的原因。谈及空间分辨率我们还要同时考虑层厚并建立从体素角度理解空间分辨率，这就意味着适度的降低扫描层厚也是实现高空间分辨率的一个途径，但无论是采样矩阵增大还是层厚变薄，都会导致图像信噪比下降，这也是扩散加权成像实现高空间分辨率的一个挑战。尽管在扩散加权成像中提高空间分辨率有很多瓶颈和限制，但随着梯度性能的提高、扫描技术的改进，近年来也在逐步的提高扩散加权成像的空间分辨率。不过这里作为用户我们必须清晰了解空间分辨率提高带来的利与弊，在这二者之间进行合理取舍。通常，更高的空间分辨率不仅带来几何形变等问题，同时也需要更长的扫描时间。

图片说明：不同分辨率对DWI图像质量的影响，图1、图2的分辨率分别是128*128和192*192,显然，在192矩阵时内囊前支、后支显示更清晰；图3和图4是当b值调整到3000时128矩阵和192矩阵对比，显然此时192矩阵时虽然环形病变稍清晰，但此时信噪比过低不利于病变观察。

扩散梯度方向的选择：在扩散加权成像过程中理论上我们可以选择施加不同方向的扩散梯度，在所获得的扩散加权图像上只能检测出在所施加的扩散梯度方向上的扩散差异。譬如，在轴位扩散加权成像上我们可以选择频率编码方向或相位编码方向或层面编码方向来施加扩散加权梯度，当然我们也可以在三个方向都施加。在选择扩散加权梯度施加方向时我们需要考虑的问题是组织中的水分子自身的扩散是否满足各向同性？也就是说其内的水分子在各个方向的扩散概率是否相同的？各向同性扩散能够满足理想的高斯分布特点，但事实上，由于组织结构不同，很多时候真实的扩散状态不是各向同性而是各向异性的。这种情况在头部比较明显。大脑内存在着灰质和白质，白质其实就是由各种神经突起构成的神经纤维素，由于这种神经纤维素具有不同的排列方向，这就导致水分子在各个方向的扩散也是不同的。通常水分子沿着纤维方向的扩散自由度更大，而垂直于纤维方向的扩散自由度则相对更小。所以当我们施加不同的扩散梯度方向时，我们会发现同一结构在扩散加权图像上的表现是不同的。这也提示我们在扩散各向异性比较明显的部位使用单一扩散梯度方向有可能会对病变导致的扩散改变检出受到影响。而在那些扩散几乎呈各向同性的器官如肝脏，可以采用单一方向扩散加权梯度。当然，因为病变本身所导致的扩散改变可能仍是会存在各向异性，笔者还是建议更适合采用三个方向的扩散加权梯度。单一方向扩散梯度具有扫描时间短，图像变形小等优点，但其缺点就是对其他方向的扩散改变无法敏感检测。在更新平台的磁共振成像系统如GE最新的磁共振平台推出了更多样的扩散梯度施加方式，如3合1或四面体方式，同时兼顾了扫描时间和扩散检出敏感性双重需求。