【核磁共振成像】观共享重建

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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

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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。

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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

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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。

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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

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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。