磁共振扩散加权成像——常见伪影篇

扩散加权成像的伪影问题：通常扩散加权成像除了需要一对扩散加权梯度外，为了实现快速扫描并尽可能的冻结生理运动，会结合EPI信号采集模式。EPI这种信号采集模式可以理解为利用快速梯度场极性翻转而实现回波链的采集技术。事实上，这种采集方式也带来了一些特殊的潜在伪影来源：

01

脂肪抑制与I类水脂化学位移伪影：在脉冲序列篇章讨论EPI信号读取时，我们提及EPI这种独特的信号采集方式使得它对I类水脂化学位移伪影更加敏感。而与其他序列不同的是，基于EPI信号读取方式序列的I类水脂化学位移伪影不是出现在频率编码方向上，而是出现在相位编码方向上。这是因为基于EPI信号读取的序列通常在频率编码方向采用尽可能大的信号接收带宽，而在相位编码方向上，由于这些具有不同相位编码梯度的回波实际上是被连续采集的，而在采集这些回波之前不像FSE序列那样会有聚焦脉冲来消除水和脂肪之间的化学位移，因此，EPI信号读取方式带来一个新的问题就是相位编码方向上的相位累积错误所带来的各种伪影，包括I类水脂化学位移伪影、相位错误累积带来的几何形变等。同时我们还需要注意的是：EPI这种信号读取方式等同于在相位编码方向也有一个类似读出梯度方向上的信号接收带宽，我们称之为相位编码方向全带宽。在单次激发EPI信号读取方式中，这个相位编码方向上的全带宽相当于ESP的倒数。通常EPI信号读取时的ESP在零点几个毫秒量级，如0.5毫秒,这时相位编码方向全带宽就是1000/0.5=2000Hz,这和频率编码方向的接收带宽相比相差非常悬殊。在GE磁共振平台，通常读出梯度方向的总接收带宽为500KHz,如果扩散加权成像采集矩阵为128*128，那么我们可以计算一下，在3.0T磁共振扩散成像时在频率和相位编码方向的化学位移伪影各是多少，首先需要知道在3.0T磁共振设备上水和脂肪的化学位移是：127.8*3.5=450Hz；频率编码方向每个像素的频率带宽为：500*1000/128=3906Hz；相位编码方向每个像素对应的频率带宽为2000/128=15.62Hz。接下来我们来计算频率和相位编码方向水和脂肪的I类化学位移所导致的像素移位：频率编码方向：450/3906=0.11像素，这么小的像素移位不会导致化学位移伪影；而在相位编码方向：450/15.62=28个像素。通过计算可以发现，如果不采取脂肪抑制，那么在相位编码方向就会产生明显的化学位移伪影。如此严重的I类水脂化学位移伪影在客观上就要求采用EPI信号读取方式必须进行彻底的脂肪抑制。事实上能否实现均匀的脂肪抑制也是基于EPI信号读取成像序列如扩散加权成像所面临的一个巨大挑战。去除脂肪信号有几种不同的方式：1）选频激励技术，这是在GE扩散加权成像比较常用的方法；2）采用化学脂肪抑制；无论是选频激励还是化学脂肪抑制都对磁场均匀度提出了很高的要求，在那些偏中心的部位如乳腺等成像，这两种方法都无法实现均匀的脂肪信号去除；3）翻转恢复法脂肪抑制：这是实现偏中心和大范围扩散加权成像时可以选择的脂肪抑制方式，相比于选频激励和化学脂肪抑制，该种方法的信噪比相对较低，因此在客观上需要更长的扫描时间来保证信噪比。在扩散加权成像过程中，在那些磁化率差距比较大的区域很容易导致脂肪抑制失败而表现出比较严重的I类化学位移伪影，譬如腹部扩散成像中肝脏膈顶与肺交界区就可能出现较明显的I类化学位移伪影。

图片说明：I类化学位移伪影在常规序列和EPI信号读取的不同表现，在常规序列中，该类伪影出现在频率编码方向，而在基于EPI信号读取的DWI序列中，出现在相位编码方向上。

图片说明：不同脂肪抑制方法在乳腺扩散成像的对比。这里的“none”指的是没有采用额外脂肪抑制方法而是采用选频激发。因为乳腺是处于双侧偏中心区域，加之临近气体磁敏感干扰，此时可以见到一定程度的水脂化学位移伪影，有时甚至严重到影响病变的检出和诊断。采用STIR方法脂肪信号去除均匀，但实际应用中低信噪比是一个比较明显的问题。SPECIAL是频率选择与短时翻转相结合的方法，这种方法也会存在脂肪抑制不彻底的问题。

2

Nyquist鬼影伪影：如前所述，EPI信号读取方式不仅使得它对于水脂化学伪影更敏感而且对于采集过程中的相位累积错误也更敏感。很多原因会导致相位累积错误的发生，如梯度工作过程中所产生的涡流，不同组织之间磁化率差别所导致的磁场不均匀以及主磁场本身不均匀等等都会导致相位错误的发生。在EPI连续的快速梯度切换过程中，这种相位错误不断积累并形成伪影。在实际工作中，系统会存有相应的校正数据作为参考，在实际扫描过程中通过相位校正等把这种相位累积错误所导致的Nyquist鬼影降低到最低程度。我们来复习一下前面讨论过的一个公式：

这个公式表明：理想的信号强度与累积的相位错误角余弦呈正比，而鬼影的信号强度和这个相位错误角正弦成正比。当这个角度很小时，理想或真实的信号强度更高而鬼影的信号强度更低；反之，如果这个相位累积错误角越大则真实信号强度变低而鬼影的信号强度升高，这时我们就可以看到一个鬼影出现，而且公式中表明这个鬼影和实际影像有N/2个像素移位，所以这种鬼影也称之为N/2 Nyquist鬼影。

图片说明：单次激发EPI信号采集的N/2 Ghost鬼影，鬼影的形状和实物相同，信号较实物低，位移在N/2。

3

磁敏感伪影及相应解决策略：在磁共振实际扫描工作中，伪影很多时候是一个固有属性或现象，譬如流动伪影，尽管我们可以采用很多方法消除但总归还是难以彻底消除。于是就带来了另一个问题需要我们思考：我们如何把伪影对于病变检出以及诊断、鉴别诊断的负面影响降低到最低程度？这其实就是为什么我们在进行脊柱及四肢关节的矢状位和冠状位扫描时常常人为把频率和相位方向进行颠倒，因为在这些区域血管和脑脊液的流动方向多数是沿着纵向的。当我们把相位编码方向设成和流动方向一致的时候，流动造成的伪影和这些血管结构相重叠，这就最大化降低了流动伪影对图像的干扰。同样，在扩散加权成像特别是头部扩散加权成像中，磁敏感伪影或眼球运动伪影是无法彻底消除的，那么我们如何降低这些磁敏感伪影对诊断和病变检出的干扰呢？这里我们采用的方法就是让相位编码方向和对称性结构的连线方向相垂直。这么做的好处是由眼球运动或含气结构所导致的运动或磁敏感伪影也是对称出现，否则这些伪影会横向走行刚好重叠在临近的脑实质结构。一句话：我们即便无法改变伪影的存在与否，但我们可以改变伪影存在的方式，通过这样的改变把伪影的影响降低到最低程度。

在临床实际工作中，对于脑干等区域为了克服磁敏感伪影也可以考虑采用对磁敏感伪影相对不敏感的基于FSE的扩散加权成像，如GE磁共振平台的Propeller DWI成像。相比于基于EPI的DWI成像而言，Propeller DWI需要花费的时间更长，但对于发现脑干等区域病变或者针对有金属假牙的患者必要时可以采用Propeller DWI成像来克服相应区域的磁敏感伪影。在前文中我们也讨论过在扩散加权成像中，并行采集技术的应用也是克服磁敏感伪影的一个重要手段。使用并行采集技术时通过减少K空间线的采集数目，从而减少K空间线采集过程中所带来的相位累积错误。结合并行采集技术及合理的相位编码方向设定可以最大程度的减轻扩散加权成像中磁敏感伪影的影响。

图片说明：不同相位编码方向时磁敏感伪影的不同影响。当相位编码方向在左右方向时可见横向走行的磁敏感伪影并伴有明显的几何畸变。当相位编码方向在前后时，双侧脑结构对称无几何畸变。