用于功能性磁共振成像的单次激发二维径向平面回波成像

《MAGNETIC RESONANCE IN MEDICINE》：Single-Shot 2D Radial Echo Planar Imaging for Functional MRI

　　

目的：开发一种新型的单次激发径向平面回波成像（ss-rEPI，single-shot radial Echo Planar Imaging）技术，用于功能性磁共振成像（fMRI，functional MRI）实验中的快速、无畸变大脑成像。 方法：研究人员在3T临床扫描仪上采用带有小黄金角（small golden-angle）旋转的2D ss-rEPI读出采集径向多梯度回波（radial mGRE，radial multi-gradient echo）数据。图像重建采用迭代共轭梯度（iterative conjugate-gradient）方法，并结合了线圈灵敏度、B0场不均匀性、横向弛豫以及场漂移校正，以解决扩展mGRE读out中的信号不一致问题。在重建前附加的k空间加权图像对比（KWIC，k-space-weighted image contrast）滤波有助于减少低频空间频率下的模型失配。研究人员评估了单次激发rEPI的图像质量、对比度和畸变，并与多激发径向mGRE参考数据进行了对比。通过重建中KWIC滤波和目标回波时间（TE，Echo Time）的回顾性调整，研究人员能够从单次ss-rEPI扫描中生成多幅T2加权和相位对比图像，从而实现定量T2映射和定量磁化率图（QSM，Quantitative Susceptibility Mapping）。研究人员进行了视觉血氧水平依赖（BOLD，Blood Oxygen Level Dependent）fMRI实验，并与笛卡尔平面回波成像（Cartesian EPI）测量结果进行了评估。 结果：研究人员以低于1.7秒的采集时间，获得了面内分辨率为2×2和1.5 mm2（斜坡采样）的24层3 mm厚无畸变、多对比度大脑图像。在两名受试者的多场次fMRI实验中，ss-rEPI展示了与标准EPI相当的视觉皮层BOLD激活，同时也实现了功能性T2*测量。 结论：单次激发rEPI能够实现快速、无畸变的2D多对比度大脑成像，为笛卡尔EPI提供了一种有前景的替代方案。准确的ΔB0建模对于ss-rEPI的性能至关重要。先进的重建技术和自校准方法可以进一步增强其速度、性能以及在各种MRI技术中的适用性。

用于功能性磁共振成像的单次激发二维径向平面回波成像（ss-rEPI）研究解读

本文介绍了一种名为单次激发径向平面回波成像（ss-rEPI, single-shot radial Echo Planar Imaging）的新型磁共振成像技术，该技术旨在解决传统笛卡尔平面回波成像（Cartesian EPI）在功能性磁共振成像（fMRI, functional MRI）中常见的磁敏感伪影和几何畸变问题。目前，EPI虽因其高速采集能力而被广泛用于fMRI和扩散张量成像，但其基本实现常因扩展读out期间的相位积累而导致沿相位编码方向的磁敏感伪影和非线性畸变。尽管已有基于ΔB₀场映射和配准的缓解方法，以及回声平面时间分辨成像（EPTI）等技术，但径向采样策略（如径向EPI，即rEPI）因其对运动的鲁棒性、无畸变成像能力及非相干欠采样特性，提供了另一种思路。然而，过往rEPI的发展受限于长回波链读out期间的信号演变导致的相位不一致，进而引起信号丢失和图像质量差。本研究通过结合特定的轨迹设计、滤波策略和基于模型的重建方法，重新探讨了ss-rEPI的可行性，并成功将其应用于快速、无畸变的多对比度大脑成像及fMRI。该论文发表于《MAGNETIC RESONANCE IN MEDICINE》期刊。

为开展此项研究，研究人员主要采用了以下关键技术方法：在3T MRI扫描仪（Siemens MAGNETOM Prisma）上，使用52通道头线圈对两个健康志愿者及球体模体进行数据采集；采用基于小黄金角（27.198...°）旋转的2D ss-rEPI序列进行径向多梯度回波（mGRE）数据采样，并使用广义斐波那契数列设计轨迹和KWIC（k-space-weighted image contrast）滤波分段；图像重建基于Matlab平台离线进行，采用迭代共轭梯度SENSE（Sensitivity Encoding）重建框架，模型中纳入了线圈灵敏度、B₀场不均匀性（ΔB₀）、横向弛豫（R₂）及场漂移校正，并利用单独的mGRE预扫获取初始场图、R₂图及线圈灵敏度图（ESPIRiT），此外还应用了主成分分析（PCA）进行多线圈数据压缩和总变分（TV）约束。

研究结果如下：

4.1 利用KWIC滤波和基于模型重建缓解ss-rEPI中的相位不一致

k空间模拟和使用未滤波ss-rEPI轨迹的实验均显示，该方法对B₀不均匀性高度敏感，会导致严重信号丢失；而R₂弛豫主要调节图像对比度。应用KWIC滤波可大幅减少这些伪影，较窄的滤波器（如K4）比较宽的滤波器（如K1）产生更少的ΔB₀相关误差。实验证实，仅使用KWIC滤波可减少信号丢失和离共振伪影，但残留伪影依然存在；而完整的基于模型重建（包含ΔB₀和R₂项）能显著改善图像质量，甚至在无KWIC滤波的情况下也能大幅减少可见伪影。不过，无KWIC滤波及使用最宽滤波器K1时，在较晚回波时间下会出现对比度丢失和模糊增加。滤波器K2-K4在伪影减少和信噪比（SNR）保持之间提供了最佳平衡。

4.2 单次激发rEPI的多对比图像及定量T₂*和磁化率图

研究人员以低于1.7秒的采集时间获取了24层分辨率为2×2×3 mm³的大脑图像，并与径向mGRE参考图像对比，关键解剖特征在各回波时间下均得以保留，且无 apparent畸变。利用多对比ss-rEPI图像，研究人员推导了定量T₂图和QSM图。与mGRE参考相比，ss-rEPI的T₂映射略微高估了大脑的T₂值（RMSE=8.9 ms），而在高T₂值和受离共振效应影响的区域差异较大；QSM图噪声有所增加，但与mGRE参考匹配密切（RMSE=0.0173 ppm）。

4.3 场漂移校正

由于ss-rEPI依赖准确的B₀不均匀性估计，研究人员利用rEPI扫描本身的多回波k₀相位信息实施了回顾性场漂移校正。k₀频率衍生的频率漂移（Δf）与场图间的差异匹配良好（平均值17.5 vs 17.6 Hz）。校正后的图像在长时间ss-rEPI采集中显示出最小的退化，证明了该方法的有效性。

4.4 功能性MRI实验

研究人员在两名志愿者上进行了BOLD fMRI实验（闪烁棋盘范式），并与匹配参数的标准笛卡尔EPI对比。ss-rEPI在视觉皮层观察到了激活模式，T₂加权（T₂w）BOLD分析的激活图空间细节清晰，与EPI紧密对齐，潜在的模糊效应较小。T₂*映射得出的激活图空间细节虽未完全解析，但激活依然强烈。来自六次MRI session的分析显示ss-rEPI与EPI性能相当，笛卡尔EPI的激活略强，但ss-rEPI的时间信噪比（tSNR）显著更高。不同KWIC滤波器设计的比较显示K2-K4的BOLD激活相似，且显著高于无KWIC滤波的情况；tSNR在所有KWIC滤波和无滤波情况下相当。ss-rEPI与TOPUP校正的EPI之间图像畸变差异很小。

4.5 扩展至斜坡采样ss-rEPI

通过纳入梯度斜坡和blip采样数据（斜坡采样，rs ss-rEPI），研究人员将成像分辨率提升至1.5×1.5 mm²。相比标准ss-rEPI，分辨率提高了22%，揭示了此前2×2 mm²下未解析的细节。尽管fMRI时间序列的tSNR有所降低，但rs ss-rEPI在任务fMRI中仍显示出强烈激活，水平仅略低于2×2 mm²的标准ss-rEPI。

讨论部分总结：

研究指出，径向EPI结合了径向采样的优势与快速梯度回波成像，是笛卡尔EPI的有力替代方案。本研究聚焦于单次激发rEPI，并通过结合KWIC滤波、黄金角排序及基于模型的重建（考虑B₀不均匀性和R₂弛豫），缓解了中心k空间重复采样带来的挑战，并将ss-rEPI从快速成像拓展至多对比成像。小黄金角旋转与KWIC滤波的整合使得回顾性目标不同回波时间成为可能。基于模型的重建成功捕捉了长单次激发读out期间的主要信号演变，实现了无畸变的T₂加权图像、相位图像、T₂*映射及QSM，并在BOLD fMRI中产生了与笛卡尔EPI相当的激活。不过，当前实现依赖单独的预扫描来获取固定场图等参数，可能在长时间fMRI中因运动或场漂移引起不一致；未来工作应致力于更高级的重建技术（如子空间重建）及自校准方法，以动态调整参数甚至避免使用预扫描，从而提升该技术在fMRI以外应用中的意义。

结论翻译：

在本研究中，研究人员重新审视并扩展了单次激发rEPI的概念，通过实施一种多层方法实现了高质量的单次激发成像。研究采用了诸如k空间均匀回波时间加权、KWIC滤波等采样考量，并与基于模型的重建相结合，以应对多回波读out期间的相位演变和T₂弛豫。每一环节都有助于图像形成的稳定性和完整性，并对该方法在fMRI应用中的成功至关重要。这种新型单次激发rEPI方法能够实现快速无畸变的2D成像，并具备从单一数据集中调整R₂对比度的灵活性，展示了ss-rEPI作为快速、多对比度成像替代方案的潜力。然而，该技术的进一步发展，特别是朝向自校准方向，对于提升ss-rEPI在其他成像应用中的意义是值得期待的。