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磁共振成像伪影解读——哲学思考和应对策略

在磁共振成像过程中,伪影是一个最容易被大家讨论的话题,也是一个特别容易被主观放大的问题。磁共振成像是基于K空间数据的傅里叶变换,而傅里叶K空间数据采样过程中涉及到信号激发、空间编码、信号接收等诸多环节,任何一个环节出现问题都可能演变成最后图像中的伪影。另一方面必须再一次强调:最后形成的MR图像是由K空间数据经过反傅里叶变换而得到的,但是K空间数据和最后形成的图像之间不存在空间位置上的对应关系。K空间中每一个点的数据会对整个图像产生影响。这其实也构成了磁共振成像过程中伪影的一个特点。








关于伪影的哲学思考

任何原因导致K空间数据出现不应有的起伏或者K空间数据强度的波动,都可能表现为图像中的某种伪影。譬如头部扫描中病人可能在某一个瞬间动了,但这个瞬间的运动可能会造成整个图像的运动伪影。因为K空间数据的起伏会转变为最后图像中的伪影,所以任何原因导致K空间数据的错误都可能转变为图像中的伪影。梯度涡流等会导致K空间数据中某些区域出现高信号点,但这个高信号点可以导致最后的图像出问题,也会影响最后的诊断。磁共振成像过程中很多“效应”具有双重属性,它们既可以是形成图像的重要对比来源,也可能是形成图像伪影的重要来源。如,血液的流动效应既可以作为磁共振血管成像的对比来源,有时又可能是导致流动伪影的来源;磁敏感效应既可以是磁敏感加权成像的对比来源,也可以是形成磁敏感伪影的原因。作为磁共振使用者要充分了解这些,学会用辩证统一的观点来理解这些属性。

关于磁共振成像中的伪影我们还需要学会透过现象看本质。不要一味的纠结这些伪影导致图像如何不漂亮,而是要深入分析一下这些伪影是不是从另一个方面也反映了成像区域某些病理改变?举几个简单例子,如下面图所示:在FIESTA稳态自由进动心脏电影成像中,成像区域内的相位相干是保证血液信号亮的一个重要原因,但当瓣膜出现关闭不全时就会出现血液返流,这种返流的血液一定程度上破环了这种宏观上的稳态而形成低信号。但这种低信号刚好又是反映瓣膜关闭不全的重要依据。再比如同样在心脏成像过程中的双反转黑血成像,理想的状态是在反转脉冲和流动效应的双重作用下确保成像层面在成像过程中血流信号是低的,这样更有利于观察心肌形态学改变。但如果在心肌梗死后发生了心肌重构导致室壁瘤或者心肌因为透壁梗死活动受限,加之心梗后可能伴发的局部附壁血栓等,都可能导致局部血流异常或表现为湍流或完全无法流空,这时这部分血液就可能表现为高信号。如果此时只是一味的抱怨图像不好看,就恰恰丢掉了这种不正常的血流信号刚好是反映局部心肌异常的较为重要的信息。这里还有一点和大家分享:通常发生在水和脂肪交界区的I类化学位移伪影是我们所竭力避免的,因为它们可能带来某些假象:如在骨关节成像时这种I类化学位移伪影可能会造成关节软骨变薄或骨皮质增厚等假象,这些对于磁共振初学者而言很容易造成诊断上的困扰。但换一个角度而言,这种I类化学位移伪影的出现却也说明这个水与脂肪交界面的存在,这在一些特殊临床背景下可能又有着重要的临床意义:比如,在直肠癌磁共振评估过程中,有无周围淋巴结转移在分期上截然不同,治疗原则也不同。正常的淋巴结和邻近脂肪组织之间存在着水与脂肪交界面,而在淋巴结转移时这个交界面就可能消失。国内有学者利用这个现象来帮助判断直肠癌周围淋巴结有无转移取得比较有意义的结果。

图片说明:FIESTA电影成像在理想状态下血流信号亮且较均匀。对于瓣膜关闭不全的患者,当左心室收缩时在左心房内可见箭头所显示的低信号影。

图片说明:心肌梗死导致心肌运动障碍从而导致黑血高信号。该病例在黑血扫描时显示部分血流变亮,经过延迟增强扫描证实为心肌梗死伴附壁血栓及室壁瘤形成。这个病例的图像表现表明有些时候某些序列上图像的不正常表现不要盲目抱怨伪影形成,序列或设备有问题,应该深入思考是否存在着某种异常的病理改变导致这些不正常的影像所见。

应对伪影的基本策略

在磁共振扫描过程中应对伪影是工作中的一个重要组成部分。在面临伪影的时候该何去何从?这里谈三点建议:

1)首先从主观方面找原因:从主观方面找原因这在解决伪影的问题中极为重要。虽然前文我们把伪影区分为几个不同的类别,如设备相关、环境相关、病人相关以及扫描相关等。事实上这些不同种类的伪影之间是既有区别又有联系的。我们之所以把这些伪影加以分类区分,其实是为了下一步有更清晰的解决思路。但实际上无论哪一类伪影,作为操作者都可能起着重要作用。所以当出现伪影后首先从操作者自身寻找原因,如是否因为磁体间门没有完全关紧而导致射频干扰?是否在和病人交流过程中没有仔细巡查病人是否有潜在的金属存在?检查前是否和病人进行过充分的沟通并进行过呼吸训练?摆位过程中是否将线圈中心对准扫描视野的中心?线圈安放过程中是否充分扣紧等?在磁共振扫描过程中很多看起来不是问题的问题可能刚好是导致图像问题的根源。作为磁共振具体扫描人员一定要严格执行规范化操作的每个步骤。扫描过程中的参数设置也是一个导致图像质量问题和伪影的原因,这个随后会详尽讨论。总而言之,当出现伪影后首先从自身巡查原因,这可能是解决伪影最有效的方法。如果彻底排除了人为因素所导致的伪影,这时再和相关专业人员沟通,及早找到理想的克服方案。

2)充分学习磁共振成像原理和导致伪影的机制:通过充分的学习原理并理解伪影的产生机制,这是识别伪影和解决伪影的重要步骤。无论哪种伪影,其背后都有相应的形成机制,我们了解了这些机制就会更容易识别伪影。譬如,金属等是通过干扰主磁场均匀度从而使得金属区及其附近区域的共振频率不再满足根据拉莫尔方程计算出来的标称频率,因此采用标称拉莫尔频率的射频脉冲激发就无法实现有效激发的作用,这是铁磁类金属导致图像信号丢失的根本原因;另一方面,铁磁类金属也会同时破坏梯度的线性度,因此会同时导致图像变形。铁磁性金属破坏梯度场线性不仅会导致层面内异常伪影信号,还有可能影响到层面间。磁化率差别大的区域也可以因为磁化率差距而破坏主磁场均匀度,因此也可以导致信号丢失或弛豫衰减更快,这些也会导致信号低或丢失。理解了每一种伪影的产生原理和伪影特点才能更好的识别这些伪影并予以解决或及时寻找相关专业人员。

3)即便无法消除伪影也要将伪影降低到不影响诊断为基本原则:在实际工作中会发现有些伪影原因很复杂,可能不太容易归类到哪个具体分类中。对于这些伪影而言,有时也很难彻底消除,在这种情况下要寻求改变伪影的存在方式,以降低到不影响诊断为基本原则。有些伪影,如截断伪影或某些流动方向复杂的流动伪影,对于这些伪影我们即使无法改变,但也要力争改善。如改变伪影出现的方向或降低伪影的明显程度等等。还有一些伪影我们可能不好解释它是怎么来的,但可能知道它是怎么没的。这种情况下我们就无需过于纠结探讨其原因。

图片说明:磁场均匀度变差或梯度线性变差导致的伪影。在头部图像中因为金属假牙导致主磁场均匀度变差从而导致局部信号丢失,同时要注意这种铁磁性金属会明显破坏主磁场均匀度和梯度场线性度,它对图像的影响可以是跨层面的信号异常移位重聚而导致异常高信号。在腹部扫描过程中,如果成像视野外有解剖结构,如双侧上肢,而双上肢所在区域梯度线性很差,导致波纹状卷褶伪影。

图片说明:这是一个FSE序列,回波链长度为3,接收带宽50KHz,TE选择最短完整TE。理论上对于一个回波链长度为3的FSE序列不应该产生明显的模糊伪影,所以原则上可以不加模糊伪影去除(Blurring Cancellation)。模糊伪影去除的作用机制是改变回波的采集顺序,这样在每条K空间线位置都会长短不同的TE时间相互平均,从而减少FSE序列中因为回波链长度所导致的模糊伪影问题。该案例中,在没有施加BC选项时,在右侧大腿根部可见明显的信号减低区,左侧大腿外侧可见环形Ghost伪影。在尝试了很多方法后最后尝试施加了BC,图像伪影明显改善。虽然这个伪影的发生机制有些不好理解的地方,但想用这个例子表达笔者的一个宗旨:我们可以不知道伪影是怎么来的,但要尽力知道伪影是怎么没的。

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