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MRI界最“不讲武德”的K空间

admin 发表于 2020-11-23 17:38:17 | 显示全部楼层 |阅读模式 [复制链接]
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虽然影像设备的成像过程都是通过信号的检测,模数转换,图像重建,图像显示这几个基本的步骤,但磁共振(MRI)的成像原理及图像的重建过程远远复杂于其他的影像设备。梯度、脉冲、加权、K空间等等,这些陌生又抽象的名称词对于我们这些学医的临床应用人员而言,似乎有些“不讲武德”。尽管是这样,但要想学好MRI,你必须得去了解、学习这些东西。本期主要介绍MRI界最“不讲武德”的K空间,这里没复杂的公式,更没有套路。


什么是K空间

K空间(傅里叶空间)是一个虚拟的空间,它是存储MRI所有频率信息的一个三维的空间,是用来MR信号的定位的空间。
K空间原始数据
对于原始的K空间图像,我们根本就看不懂,那么怎么把k空间中存储的频率数据变换成我们能够理解的MRI实体(像素域)图像?
首先你得知道图像有两种表现形式:空域(像素域)和频域。这两种形式之间的相互转换就是傅里叶变化。傅里叶变换是从空域到频域的变换,反变换即从频域到空域的变换。K空间里就是存储图像频域的信息。

磁共振在成像过程中利用三个梯度使用对应频率的脉冲对MRI信号进行空间编码(选层、频率编码、相位编码),然后将采集到含有空间信息的模拟回波信号转换为数字信号填充至K空间中;所以K空间中存储着MR频域所有频率数据,这些数据按照脉冲序列的梯度时序结构决定填充到K空间中的相应位置上,梯度脉冲面积小者(低相位编码)得到的信号数据将填充于K 空间的中心位置,梯度脉冲面积大者(高相位编码)得到的信号数据将填充于K空间的边缘位置。通过控制序列梯度脉冲面积(相位编码)可以调整MR信号数据在K空间中的位置。最后通过傅里叶逆变换解析出不同频率、相位和幅度的MR信号,不同的频率和相位代表不同的空间位置,而幅度则代表MR信号强度,然后把不同频率、相位及信号强度的MR数字信号分配到相应的像素中,就得到了MR实体图像。

下面这幅图是在网上找的,非常直观的描述了时域和频域的关系!
时域(红线)的单一信号通过傅里叶变换成频域多个不同频率、不同幅度和不同相位的频率信号(蓝色)。

就如一束单一太阳光我们无法识别其中不同频率的单色光,但可以通过三棱镜分解后,就可以看到不同色彩的单色光在不同的位置显现一样。

总结一下就是MRI采集的不是图像而是图像的傅里叶变换。


K空间的特性

K空间的点与实体图像中的点不是一一对应的关系,K空间中每一个都具有全层的信息,这个点对图像的贡献能力大小由其在K空间中的位置决定。而这个点放在哪个位置是由相位编码梯度来决定的。
低频分量会集中在K空间的中心区域,高频分量集中在K空间的周边区域,也就是说K空间中的点越靠近边缘,则图像中像素点间变化周期会小,频率就会越高;

在填充K空间的低频部分时,相位编码梯度导致的相散不明显,也就是说这部分K空间点具有更高的对比度和信噪比,所以K空间中心部分的点主要决定图像对比度。K空间的中心部分对于MRI图像重建非常重要,这也是为什么快速成像序列、防止运动伪影序列以及插值算法必须优先甚至反复填充K空间中心的原因。

在填充K空间的高频部分时,高幅值的相位编码梯度导致的明显的相散,则这部分K空间点对图像对比度和信噪比的贡献并不大,但这部分边缘的点主要决定图像的分辨率。

K空间的共轭属性,即相位编码方向Ky、频率编码方向Kx具有K空间共轭现象。基于这个属性原则上来讲只要填充K空间四分之一的数据即可重建出整个K空间的信息,但为了改善图像质量通常需要填充一半以上才能获得较为清晰的图像,例如将激励次数改为0.5即半傅里叶成像。共轭属性是MRI快速成像的基石。
其实K空间填充的不是实数,而是复数,而在实体图像上是无法展现复数形式的,所以在实体的MRI图像中只有用相位图和幅度图两组图来表现。

频率编码梯度决定K空间线的长度;相位编码梯度决定了K空间线在K空间中的位置;K空间行距决定图像FOV大小;K空间线覆盖的面积决定图像的空间分辨率。


K空间的填充方式

由于梯度模式的不同,K空间的填充轨迹千变万化,可以直线、曲线,还可以是各种形状;填充顺序可以从边缘开始填、从中心开始填,甚至是从任意位置开始填 。不管何种填充方式都是为了提高图像质量或加快扫描速度,只要把握一个总的原则就是:K空间中心部分的点主要决定图像对比度,K空间边缘的点主要决定图像的分辨率。尽可能的将信噪比和对比度好的数据填充于K空间的中心,甚至是反复去填充中心区域,基于这个原则,各个厂家玩起了K空间的花式填充方式,下面介绍几种常见的填充方式,当然很多厂家在此基础上开发了很多新的填充。
最常见的顺序K空间填充方式,K 空间线从第一行开始填,直至填完整个K空间,每次填充的线数由回波链决定。在做动态增强扫描时如采用的是该种填充方式,需预测对比剂到达靶器官峰值的时间,而提前启动扫描。增强扫描多采用的是这种填充方式,这就是为什么和CT的增强相比,MRI需提前启动扫描的原因。

K空间中心优先填充方式,该种方式通常是将扫描时相的前1/3采集的信号优先填充于K空间的中心区域,后2/3时相采集的信号填充于K 空间其他区域。这种填充方式主要应用于应用于对比增强的血管成像,但要求很准确的捕捉到对比剂到达靶血管的时间 。

对于K空间中心优先填充不一定非得是线形的,可以是其他的形状,如K空间椭圆中心填充方式,该种方式通常是一个扫描时相的前1/9采集的信号优先填充于K空间的中心区域,该种填充方式也主要用于对比增强的血管成像,与线行填充相比,该种可有效的减轻静脉血管的污染。

K空间辐射状填充方式,将最开始采集的信号首先以同心圆(或椭圆)形的方式填充于K空间的中心,其次顺序往外填充,该种填充方式也主要用于对比增强的血管成像,且该种填充方式静脉血管的污染较小。
与该方式相似的一些其他的填充方式,如圆形填充,同心圆重叠(顺序、随机)填充等。

K空间迂回填充方式,该种填充方式开始于某一点,而终止于其点的对角。常用于一次激发采集整个数据的序列,如EPI序列及一些超快速成像序列。

K空间螺旋桨(风车)填充方式,该种填充方式的每个桨片的宽度由该序列的回波链长度决定;桨片越多、越宽,K空间中心重叠的面积就越大,图像信噪比会越好。该种方式主要应用于运动伪影的校正。
目前也有厂家推出了一个大桨片中含多个小桨片的方式。


K空间螺旋填充方式,螺旋线为一条或多条。该种方式基于相位编码和频率编码梯度的同步匀速递增,其主要应用于一些超快速功能成像序列,,如心脏的成像。
部分图像整理自网络,侵删!
本文中部分内容可能欠严谨甚至是错误,望指正!

附录:
空域:即所说的像素域,即单位距离内信号的变化情况。在空域的处理就是在像素级的处理,如在像素级的图像叠加。通过傅立叶变换后,得到的是图像的频谱。
时域:横轴是时间,纵轴是信号的变化。是描述信号在时间轴上的变化情况。
频域:横轴是频率,纵轴是该频率信号的幅度,通常说的频谱图。频谱图描述了信号的频率结构及频率与该频率信号幅度的关系。任何一个波形都可以分解用多个正弦波之和。所以任意一个波形信号有自己的频率和振幅的集合。频率域就是空间域经过傅立叶变换的信号。

参考文献:
黄敏,管智慧,周到,陈军波.基于K空间数据的深度核磁共振图像重建[J].生物医学工程研究,2020,39(2):139-144.
郭宏,秦文,郭慧,孙志华,于春水.敏感编码螺旋填充fMRI的图像质量及其初步应用[J].中国医学影像技术,2015,31(6):816-820.
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柴青焕,苏冠群,聂生东.磁共振部分K空间重建算法[J].中国医学物理学杂志,2018,35(5):537-542.
杨正汉, 冯逢, 王霄英. 磁共振成像技术指南——检查规范,临床策略及新技术(修订版)[J]. 中国医学影像学杂志, 2010, 04(v.18;No.89):26-26.
翁卓,谢国喜,刘新,熊承义,郑海荣,邱本胜.基于k空间加速采集的磁共振成像技术[J].中国生物医学工程学报,2010,29(5):785-792.
孟春玲,有慧,冯逢,金征宇.对比分析螺旋桨与线性k空间填充方式在颅脑MRI中的应用[J].中国医学影像技术,2007,23(4):487-490.


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