Försöksrörelse under magnetisk resonanstomografi (MRI) har varit problematiskt sedan dess införande som en klinisk avbildning modalitet. Även om känslighet för partikelrörelse eller blodflöde kan användas för att ge användbar bildkontrast, bulk rörelse utgör ett betydande problem i de flesta kliniska tillämpningar. Det är en av de vanligaste källorna till artefakter. Över 30 år av forskning har producerat många metoder för att mildra eller korrigera för rörelse artefakter, men ingen enda metod kan tillämpas i alla bildsituationer. Istället finns en "verktygslåda" av metoder, där varje verktyg är lämpligt för vissa uppgifter, men inte för andra. Den här artikeln granskar ursprunget till rörelse artefakter och presenterar aktuella begränsnings- och korrigeringsmetoder. I vissa avbildningssituationer är de för närvarande tillgängliga verktygen för rörelsekorrigering mycket effektiva; i andra fall behöver lämpliga verktyg fortfarande utvecklas. Det verkar troligt att detta mångfacetterade tillvägagångssätt kommer att vara det som så småningom löser problemet med rörelsekänslighet i MRT, snarare än en enda lösning som är effektiv i alla situationer. Denna översyn lägger stor vikt vid att förklara fysiken bakom förekomsten av sådana artefakter, i syfte att underlätta upptäckt och begränsning av artefakter i särskilda kliniska situationer. Detta beslut träder i kraft dagen efter det att det har offentliggjorts i Europeiska unionens officiella tidning. SKÄL. FÖRFATTNING 2015;42:887-901. C omparas med andra avbildningsmetoder, såsom ultraljud eller datortomografi, MRT har alltid varit särskilt känslig för försöksperson rörelse. Detta beror främst på den förlängda tid som krävs för de flesta MR bildsekvenser för att samla in tillräckligt med data för att bilda en bild. Detta är mycket längre än tidsskalan för de flesta typer av fysiologiska rörelser, inklusive ofrivilliga rörelser, hjärt- och andningsrörelser, gastrointestinal peristalsis, kärlpulsion och blod- och CSF-flöde. Effekterna av rörelse har varit välkända sedan de första dagarna av MRT och inkluderar suddighet och spökbildning i bilden. Den senaste tidens tekniska förbättringar har i vissa fall förbättrat situationen, men har förvärrat den i andra. Å ena sidan har inkrementella prestandavinster i hårdvara (t.ex. högre prestandagradienter) möjliggjort snabbare avbildning, liksom har genombrott såsom parallell avbildning. Snabbare avbildning innebär att vissa avsökningar kan utföras på en kortare tid, vilket leder till en mindre chans att ofrivilligt ämnesrörelse. Hårdvaruförbättringar har å andra sidan förbättrat det möjliga förhållandet mellan upplösning och signal/brus (SNR), och känsligheten för rörelse har därför ökat. Starkare gradienter innebär också större fasackumulering för rörliga snurr. Högre huvudfält styrkor och starkare gradienter innebär också att en typisk MR scan är generellt högre än det var i början av MRT, vilket minskar risken för spädbarn som sover genom förfarandet. Detta gäller särskilt för diffusion-viktad eller diffusion tensor avbildning, som nyligen granskades av Le Bihan et al. För närvarande finns det inga tecken på att problemet med ämnesrörelse under MRT-undersökningar kommer att lösas genom maskinvaruförbättringar. Potentialen för accelererad avbildning verkar vara alltmer begränsad av biologiska begränsningar: perifera nervstimulering gränser lutning switching hastigheter; specifik adsorptionshastighet (SAR) begränsar användningen av RF excitation pulser; och T1 och T2 relaxationstider begränsar sekvensrepetition och ekotider, beroende på den nödvändiga kontrasten. Dessutom verkar det allt mer troligt att det inte finns, och inte kommer att finnas, en enda metodologisk lösning på problemet med rörelse i MRT; snarare finns det en verktygslåda med lösningar. Valet av vilket verktyg som ska tillämpas beror på uppgiften till hands, nämligen bildsituationen och typen av rörelse i fråga. En del förebyggande eller korrigering I denna översyn undersöker vi först de fysiska ursprungen till rörelseartefakter och sammanfattar sedan de viktigaste verktygen för rörelseförebyggande och korrigering som för närvarande används eller utvecklas. Vårt mål är att ge en kondenserad guide till dessa metoders funktion, tillämpning och begränsningar. Utseendet av rörelseartefakter i en bild är ett resultat av en komplicerad interaktion mellan bildstrukturen, typen av rörelse, detaljerna i MR-pulssekvensen och k-rymd förvärvsstrategin. I det här avsnittet går vi kort igenom de viktigaste fysiska mekanismerna som påverkar uppkomsten av rörelseartefakter. Rumslig kodning i MRT är en i sig långsam och sekventiell process. För att uppskatta effekten av rörelse på MR-bilder är det viktigt att inse att datainsamlingen inte sker direkt i bildrymden, som är fallet i fotografi, utan snarare i frekvens eller Fourier utrymme, som vanligen kallas "k-rymd". K-rymden motsvarar det avbildade objektets rumsliga frekvensers spektrum och beroende på bildsituationen kan den vara två- eller tredimensionell. Rumsbundna frekvensspektra av objekt med ett litet antal kontrastfunktioner och med jämna variationer i intensitet definieras huvudsakligen av de komponenter som ligger nära k-rymdens ursprung. Objekt eller organ med skarpa högkontrastkanter innehåller en betydande spektraltäthet vid k-rymdens periferi. Majoriteten av biologiska prover visar mycket lokal spektral densitet i k-rymd, centrerad runt k 5 0. Vissa organ och vävnader, såsom hjärnbarken, har en fraktalliknande natur 4 och uppvisar därför en långsammare nedbrytning av spektraltätheten i k-rymden. För att förstå k-rymdens egenskaper och dess förhållande till bild-/objektutrymme är det viktigt att utveckla en intuition om de lokala och globala egenskaperna hos dessa två utrymmen. Detta ämne granskas i detalj av Paschal och Morris. 5 K-rymd beskriver objektet med hjälp av en uppsättning globala planarvågor. Varje prov i k-rymd beskriver vågens bidrag med en motsvarande frekvens till hela bilden. Därför påverkar en förändring i ett enda prov i k-rymd teoretiskt hela bilden. På samma sätt påverkar en förändring i intensiteten hos en enda pixel (t.ex. i en dynamisk process) i allmänhet alla k-rymdsprover. Men när en sådan förändring kan allokeras till en större grupp av pixlar, påverkas främst mitten av k-rymden. Det senare fenomenet är grunden för en rad datadelningstekniker, som uppnår en högre synbar tidsupplösning i dynamisk avbildning genom att uppdatera den centrala regionen k-rymden oftare. [6] [7] [8] [9] Olika strategier för att fylla k-rymd med uppmätta data kallas "k-rymdprovtagningsbanor" eller "k-rymdbanor". Den vanligaste och mest kliniskt relevanta metoden samlar in data om ett rektilinjärt rutnät i k-rymden (så kallad "kartesisk" provtagning), eftersom det möjliggör en beräkningseffektiv bildrekonstruktion med hjälp av den snabba Fouriertransform (FFT). Även om vi i första hand betraktar den kartesiska provtagningsstrategin, är det nödvändigt att skilja mellan mängden k-rymdbanor, som skiljer sig från varandra i fråga om hur och i vilken ordning noderna i de rektilinjära 2D- eller 3D-k-rymdnäten besöks. Andra populära datainsamlingssystem inkluderar radial, 5,10 PROPELLER, 11 och spiraler. Typiska rörelseinducerade försämringseffekter som observerats i MR-bilder består av en kombination av följande grundläggande effekter: suddig av skarp kontrast eller objektkanter (intuitivt lik fotografi), spökning (både sammanhängande och osammanhängande) som härrör från rörliga strukturer, signalförlust på grund av spin defasing eller oönskad magnetisering evolution, och uppkomsten av oönskade starka signaler. De två första punkterna är relaterade till signalavläsningsprocessen, medan de två senare är relaterade till signalgenereringen och kontrastberedningen inom pulssekvensen. Här hänvisar vi till spöken som en partiell eller fullständig replikering av objektet eller strukturen längs faskodningsdimensionen, eller längs flera faskodningsdimensioner för 3D-avbildning. Periodisk rörelse synkroniserad med k-rymd förvärv resulterar i en sammanhängande spökning med antalet repliker som motsvarar frekvensen av kspace modulering: två spöken resulterar om varannan rad ändras, fyra om var fjärde, etc. Avvikelser från perfekt periodicitet i k-rymden resulterar i osammanhängande spökning, som uppträder som flera överlappande repliker, och ibland ses som ränder i faskodningsdimensionen. Den främsta orsaken till avläsningsrelaterade rörelseartefakter är inkonsekvensen mellan de olika delarna av krymddata som används för bildrekonstruktionen eller mellan data och den signalmodell som antas vid rekonstruktionen. En enkel rekonstruktion med hjälp av en omvänd FFT (iFFT) förutsätter att objektet har förblivit stationärt under den tid kspace data provtogs. Ett brott mot detta antagande resulterar i artefakter. För att visa möjliga rörelse artefakt utseende har vi simulerat en rad rörelser och k-rymd omordning scheman. Figur 1a visar den digitala fantom som används baserat på Shepp-Logan fantomen med ändrade intensiteter och ett rutnät av små objekt som läggs till. Figur 1b-d vågräta riktningar (Fig. 1b-d, Respektive) och en periodisk sinusoidal svängningar i den horisontella riktningen med samma amplitud (inte visas). För att ge en referens av bildkvalitet har ett fotoliknande bildförvärv simulerats, i genomsnitt rörelse i bildutrymme (Fig. 1e-h). Det är värt att notera att bilden 1h verkar mer suddig än 1g, eftersom objektet tillbringar mer tid i närheten av terminalpositionerna. Det är allmänt känt i avbildning gemenskapen att MRI är särskilt känslig för rörelse. Emellertid, i fallet med långsamma kontinuerliga drifter och sekventiell k-rymd beställning, Fourier förvärv är faktiskt betydligt mindre rörelsekänsliga än en motsvarande "fotografisk" bild som tas med samma "exponeringstid" (Figs. 1i-k)................................................................................................ Periodisk rörelse producerar dock mycket stark spökning (Fig. 1l)........................................................................................................... I fallet med interleaded multishot k-rymd beställning, även långsamma kontinuerliga drifter producerar betydande spökning (Figs. 1 m-o).......................................................................................................... Observera att spökning minskar för den periodiska rörelsen i figur 1p i jämförelse med figur 1l eftersom det interleaded förvärvsschemat passerar k-rymden snabbare, vilket minskar antalet full oscillationer effektivt sett i den kompletta k-rymddatamängden. Om det interleaving systemet är oktober 2015 889 synkroniseras med den underliggande periodiska rörelse, artefakterna minskar ytterligare till den nivå som är jämförbar med den i Figur 1k. Detta fenomen utnyttjas ofta i hjärttomografi och diskuteras mer i detalj nedan. Ritningar av rörelsen som funktion av k-utrymmets läge för de representativa bilderna i figur 1 visas i figur 2. Även om långsamma kontinuerliga rörelser förekommer i kliniska miljöer, till exempel på grund av gradvis avslappning av nackmusklerna i huvudtomografi, de bara starkt påverkar sekvenser som är beroende av interlead k-rymd förvärv, t.ex. T2-weigt TSE/FSE (Turbo/Fast Spin Echo) avbildning. Förutom periodiska processer (t.ex. andning, hjärtrörelse, blodpulsering och darrningar), plötsliga positionsförändringar, till exempel på grund av att svälja i huvudtomografi eller otillräcklig förmåga att hålla andan i buken skanning är de effekter som ofta leder till artefakter. Effekten av plötslig rörelse på Fourier förvärvet visualiseras i Figur 3. Här har enstaka 10 rotationshändelser simulerats, med rörelse som inträffar vid olika tidpunkter, vilket leder till varierande proportioner av k-rymdsdata som är inkonsekventa. Figur 3a-d och figur 3e-h antar linjär och interleaved k-space beställning, respektive. I båda fallen resulterar 12,5% (1/8:e) av de inkonsekventa kspace-data i en försumbar effekt, men bildkvaliteten försämras mycket snabbare för det interleaved-förvärvet. Centric k-rymd omordning visar ännu högre motstånd mot artefakter (Fig. 3i-l).......................................................................................................... Följande slutsatser kan dras av dessa simuleringar: (i) MRT med en sekventiell k-rymdsbeställning är ganska okänslig för långsam kontinuerlig rörelse; (ii) rörelse som funktion av k-rymdposition är den mest relevanta parametern för utseendet av artefakter; (iii) det är viktigt där i k-rymden snabb rörelse inträffar, eftersom datakorruption nära centrum av k-rymden producerar starkare artefakter än datakorruption nära k-rymdens periferi; (iv) upprepad modulering i k-rymden förstärker artefakter och bör undvikas. Figur 1l, c) Figur 1n och 1o, och d) Figur 1p. Som framgår, om den yttre störningen roterar som en funktion av k- rymdposition, t. ex. i fall (b), (c) och (d) resulterar spökning (se motsvarande bilder i bild. 1 )............................................................................................................... Minskad spökning i figur 1p kan förklaras av den effektiva reducerade frekvensen av svängningar i positionen som en funktion av k-rymdskoordinaten (jämför diagram b och d). Rotationsplan utelämnas på grund av deras liknande utseende. Journal över magnetresonansbildande volym 42, nr. 4 De olika typer av rörelse som är relevanta för in vivo MRT kan löst separeras i följande kategorier: stel kroppsrörelse, elastisk rörelse och flöde. Stel kroppsrörelse, eller "bulkrörelse", omfattar 1D-översättningar (som kräver en enda parameter för dess matematiska representation), flerdimensionella översättningar (som kräver flera parametrar) och helt okonstruerade stela rörelser (som kräver sex parametrar). Till exempel, diafragma rörelse ibland approximeras med hjälp av en endimensionell översättning, men ofrivilliga huvudrörelse kräver normalt sex grader av frihet, bestående av tre översättningar och tre rotationer. Elastisk rörelse omfattar vanligtvis stretching, kompression och klippning längs tre axlar, förutom stel kroppsrörelse. Den kräver 12 frihetsgrader för sin fullständiga representation. Elastisk rörelse observeras i buken, där olika platser upplever olika förskjutningar och deformationer. Flödet kan i vissa fall antas vara endimensionellt, till exempel för laminärt blodflöde i små eller medelstora kärl eller CSF-flöde i halskotpelaren. Det kräver då endast en enda parameter (hastighet) för dess fullständiga representation. Mer komplext flöde observeras i hjärtat och aorta. Detta kräver ett två- eller tredimensionellt vektorfält för dess fullständiga beskrivning. Den mest fullständiga beskrivningen ges av förskjutningsfältet, som består av banorna för varje partikel inom objektet som en funktion av tiden. Även om förskjutningsfältet är färdigt är det ofta inte mätbart med tillräcklig precision. Lyckligtvis är denna beskrivning alltför detaljerad för de allra flesta praktiska situationer. Fysiska, mekaniska och fysiologiska begränsningar på människokroppen (t.ex. inkompressivitet av vätskor och en majoritet av vävnaderna, förekomst av ben och leder etc.) möjliggöra en drastisk minskning av det antal parametrar som krävs för beskrivningen av rörelse. FIGUR 3: Simuleringar av en enda plötslig orienteringsförändring under k-rymd förvärvet för olika k-rymd förvärvsstrategier och olika mängder av inkonsekventa k-rymd data. För en linjär k-rymdsbeställning har bilder som rekonstruerats från datauppsättningar som innehåller 12,5 % (a), 25 % (b), 37,5 % (c) och 50 % inkonsekventa data (d) simulerats. Knappast några artefakter är synliga om korruptionen inträffar mindre än hälften av det maximala k-rymdavståndet till centrum. Liknande slutsatser följer för de två-shot interleaved k-space förvärven med 12,5% (e), 25% (f), 37,5% (g) och 50% av inkonsekventa data (h). i-l: Bilder visar en liknande simulering för den centrerade omordning med (i) 50% av data inkonsekvent med avseende på k-rymdens centerdata, (j) 62,5%, (k) 75%, och (l) 87,5%, respektive. Den exakta tröskel vid vilken visuellt detekterbara artefakter börjar visas beror starkt på bilden, främst på närvaron av små högkontrast funktioner, men den totala tendensen är att under ett visst avstånd från kspace center en enda rörelse händelse producerar endast försumbara artefakter. Zaitsev m.fl.: Rörelseartefakter och korrigering Data Korruption Mekanismer Flera fysiska mekanismer bidrar till uppkomsten av rörelseartefakter. De viktigaste och mest relevanta för in vivo MRT är följande: i. Felaktig fasackumulering på grund av vävnadsrörelse under de perioder i pulssekvensen där lutningarna är påslagna. MRT bygger på förmågan att skapa gradient ekon, och normalt antar att vävnader är stationära under avbildning. Som visas i figur 4, snurrar rör sig i riktning mot lutning förvärva ytterligare fas. Om denna fas varierar för olika faskodningssteg, uppstår inkonsekvenser i k-rymden; ii. Den s.k. excitationshistoriska effekten uppstår när skivor-selektiva RF-pulser används för excitering, mättnad eller omfokusering. Som visas i figur 5 påverkar rörelse utanför planet mellan sådana pulser de önskade FIGURE 4: Hastighetseffekter på MR-signalernas fas. Stationära snurr kan omfokuseras med ett par gradientpulser av lika område och motsatt polaritet, vilket är en grund av gradient eko. Spins som rör sig längs lutningen riktning förvärva ytterligare fas på grund av det faktum att defasing och omfokusering sker på olika fysiska platser där samma gradient index olika frekvensförskjutningar, vilket leder till olika mängder av den fas som förvärvats under defasning och omfokusering perioder. Gråa segment på motsvarande fas cirklar markerar den mängd fas som förvärvats av de rörliga snurrar under den sista gradienten puls.
De utför k-rymd datainhämtning utan att överväga den potentiella rörelse och objekt rörelse uppskattas från förvärvade k-rymd data REF.
Motion artifacts in MRI: A complex problem with many partial solutions
{'venue': 'Journal of magnetic resonance imaging : JMRI', 'journal': 'Journal of magnetic resonance imaging : JMRI', 'mag_field_of_study': ['Medicine']}