一、K空间关键孔技术-数据采集
对于笛卡尔K空间,一个相位编码行有时称为一个K空间观。一般情况下,每帧图像的K空间数据都是完全独立的,这里说的观共享(view sharing)是一种重建方法,为了重建两帧或多帧不同的图像,一些K空间观数据被反复使用。即一些K空间观在多个数据集中共享。
成像动态过程或时变过程,比如心脏运动、FMRI任务激活、对比剂团块(bolus)注入后增强过程、关节运动或导管跟踪,都是临床研究需要的。在这样的研究中,高空间分辨或大覆盖FOV也时常需要。因此,成像动态过程通常涉及在时间分辨、空间分辨和空间覆盖之间的恰当折中。折中的方法就是部分K空间刷新,keyhole方法就是频繁刷新K空间中心的数据,这样就牺牲了空间分辨,这基于动态信息在K空间是带限的假设(即图像变化有低空间分辨),但保证了时间分辨。
观共享不是内插K空间数据,而是把选定的观从一个存储位置拷贝到另一个位置以供再用。为此,我们称用观共享重建的额外的像为中间像。
重建期间用观共享的采集实例包括keyhole、BRISK、TRICKS技术,部分K空间数据刷新的实时成像,以及 分段K空间心脏采集(FASTCARD) 等。观共享也用于重建心脏触发相位对比度检查的中间像。
在原始关键孔(keyhole)方法中,小数量观被称为keyhole观,关于K空间中心行(K=0)对称,被重复收集,以低空间分辨提供时间系列图像来监视动态过程。参考数据的高空间频率,与各个keyhole数据集结合产生完整的K空间数据集,用于重建系列的图像。
起初引进keyhole采集是为改善对比度增强成像的时间分辨率,基于对比度团注大部分信息包含在低空间频率的假设中。虽然重建的图像有 全空间分辨 的表现,动态变化数据实际上是低空间分辨keyhole采集重建的,高频信息用作解剖位置参考,而不传递任何动态信息。
Keyhole采集例
(a)8个keyhole观
(b)32参考观
对于256矩阵,K空间8个相位编码行数据为一观数据
二、BRISK技术
K空间块区内插方案(block regional interpolation scheme for K-space,BRISK)是基于keyhole思想的一个延申。Keyhole基于动态信息是低K空间频率的假设,因此高频数据不刷新。这个假设有时并不真实,故需要改进。当跟踪大部分动态过程时,BRISK的高频信息也刷新,只是K空间边缘比中心数据刷新频率低。
BRISK起始用于不分段K空间采集的2D多相心脏扫描,以缩短采集时间。在传统不分段扫描中,每层面K空间一观每心跳周期采集Ncp次(心脏的相数,即R-R波之间的时间段数)。因此,对于每层面采集全K空间数据集,所需要的心跳数等于K空间行数。
BRISK可以与分段K空间采集结合,有时也叫超快(turbo)-BRISK。原始BRISK用傅里叶内插填充各心相K空间缺失的观。后来,用线性内插来提高重建速度。
此例中K空间分为16段,心跳周期分为20段,黑方块指示被采样的K空间段
靠近K空间中心段的观在各个心相都被采样(块8,9)。其他观有内向外采样频度逐渐降低,靠近边缘的段1-5和12-16每心跳周期只采样一次。一列代表一个心相的全K空间数据集。这里可称一段或一方块为一观,以矩形256为例,一观或一段有16行数据。
图中显示了 BRISK的K空间采样机制,此例中K空间被分为16段。心跳周期分为20相。阴影块代表被采样的观,白方块代表缺失的观需要用内插来填充。靠近K空间中心的观(块8和块9)在每个心相都被采样,远离K空间中心的观用低频率采样。具体说,接近K空间边缘的观(块1-5和块12-16)每心跳周期只采样一次;块6和块11采5次;块7和块10采10次。这样,每个层面扫描时间是传统扫描时间的1/4(图中阴影块数是总块数的1/4)。
除心脏成像外,超快BRISK还用于大动脉流动的定量相位对比度(速度编码)成像。
三、TRICKS技术
对比剂动力学的时间分辨成像(time resolved imaging of contrast kinetics,TRICKS)是keyhole采集一般思想和BRISK的一个变型。TRICKS通常用于提高3D对比度增强扫描的时间分辨。Kx-Ky平面被分成相等的面积,在时间上循环采样。Ky和Kz是在3D直线采样K空间中的两个相位编码方向。类似于BRISK,为K空间中央区域最频繁的采样。
在原始TRICKS中,Ky-Kz平面仅在Ky方向被划分,后来发展到Ky-Kz平面用共心椭圆来划分。通常被划分为4个区,标记为A、B、C、D,A区相应于K空间中央。对比剂注入前,K空间即被全采样,即所有的4个区所有观均被采样,得到的图像用作减法掩模。接下来,4个区按ABACADABACAD…次序采集,直到扫描结束。
对于TRICKS采集K空间等分为4份,标为A、B、C、D
(a)沿第一个相位编码轴Ky进行分割,Kx和Kz分别为频率和层面编码;
(b)用同心椭圆等分二维面积(KyKz),Ky和Kz分别为相位和层面编码
四、实时成像和滑动窗重建
在实时成像中,滑动窗重建应用比较普遍。设采集一观的时间是TR,等N*TR后方可完成第二组观的采集,建一个完全新的像。而通过滑动窗重建,每TR间隔后就可以建一个刷新的图像。除非图像变化,不考虑噪声时所有像是相同的。这类采集的目的就是探测物体内的变化,比如运动。如果有恒定的线性运动,用观共享重建的某些像见会有突然的过渡。
与静止器官不同,心脏总是在周期性跳动。不妨把心跳周期分为Ncp个时间段,每个段代表心脏跳动的一个状态(心相)。要对一个心脏层面完成一个心跳周期的图像采集,就需要采集Ncp个K平面数据,这需要很多个心跳周期才能完成
因此需要对每个心相成像,对每个心相都需要采集一个K平面数据。
五、心电触发电影(CINE)采集
虽然一个心相K平面上各行数据是在不同心跳周期采集的,但由于R波触发的同步作用,各行数据近似是在心脏周期内同一个时间点采集的(即电影成像)。
如果有心率不齐,可在图像重建之前用ECG的时间信息进行内插,可以帮助对准K平面上所有行数据集到同一个时间点,此技术称为电影成像。
为减少CINE的总成像时间,可以分段采集,即在各个心相一次R波触发采多个K空间行
ECG(Electrocardiogram),(又称EKG,an abbreviation from the German “Elektro-kardiographie”)是一个实验(test),用于记录引发心跳的电信号序列的时间节点和强度,ECG记录的是引发心脏跳动的电脉冲序列。
在实时成像中,一个层位用8观重复采集。用滑动窗重建可以建7个中间像(总共9个)任两个全新像之间可建N-1个中间像
用心电触发的顺序采集
(a)电影(CINE)方式,(b)分段K空间方式,每段4观
六、分段心脏采集和观共享
为了 缩短总扫描时间,就得减少完成整个K空间数据采集所需要的ECG触发次数。该方法 把R-R间隔分段为若干相(phase)对应于K空间段,并在各个心相采集多K空间行。
在各段采集的K空间行数称为每段观数(vps)。虽然分段缩短了总扫描时间vps倍,但作为代价时间分辨率降低了同样倍数。因为在一个心相各行数据并不是在同一个时间点采集的,因而有可能引起图像模糊。
观共享普遍用于重建分段心电触发采集,通过用滑动窗重建在任两相之间高到(vps-1)个中间相可被重建。重建的中间相通过提供更平滑变化的电影显示,提高了表现或有效的时间分辨率。然而,真实的时间分辨率是采集一个K空间段的时间:vps*TR。
观共享不提高真实的时间分辨率,因为它不增加任何新的K空间数据,而是重复使用现有数据一次或多次。
在分段K空间采集中,相应于K空间中心的观通常安排在同一观中。例如,设每段有2观,总共8观,这段或许安排为(2,3),(4,5),(6,7)和(8,1)。如果有心率不齐,置K空间中心在同一观内可降低伪影。多相心电触发成像可用好几种方式采集。其一称为分段心脏采集或FASTCARD采集。
虽然上述讨论聚焦在单层面采集,延申到多层面是可能的。为了观察心脏总体形态,心电触发多层面交错采集是可行的。
对于一个单层位vps=4的分段K空间4相心脏采集
观共享用于重建额外中间心相。在第一个R-R间隔K空间行1-4被重复采集;第二个R-R间隔K空间行5-8被采集,依次进行,直到数据矩阵被完全填满。在任意两个心相之间观共享重建允许高到(vps-1)个中间心相被重建。