探究三维磁共振成像（3D MRI）中运动采样对神经影像的影响

《MAGNETIC RESONANCE IN MEDICINE》：An Exploration of Motion-Sampling Interactions in 3D MRI for Neuroimaging

本文研究刚性头运动与3D MRI采样策略的相互作用，提出运动采样图用于预测伪影。通过模拟和活体实验分析Cartesian、stack-of-stars、kooshball三种采样在瞬时、漂移、真实运动下的九类伪影（如叠加、鬼影、条纹等），证实运动采样图能直观反映伪影位置和类型，并制定实验设计最佳实践。

　　在医学影像学领域，磁共振成像（MRI）技术因其无创性和高分辨率而被广泛应用于神经科学研究。然而，MRI在采集过程中对运动的敏感性使得运动成为影响图像质量的关键因素之一。尤其在三维（3D）MRI中，运动不仅会降低图像的清晰度，还可能导致多种视觉上可识别的伪影，影响临床诊断的准确性。因此，理解运动如何与k空间采样策略相互作用，并准确预测这些运动伪影的出现，对于提高MRI图像的质量和可重复性至关重要。

本文研究了在三维MRI数据采集过程中，运动与k空间采样策略之间的关系，并引入了一种新的分析框架——运动-采样图（motion-sampling plots）。该方法不仅能够直观地展示运动状态在k空间中的分布，还能够帮助研究人员预测和理解运动伪影的类型和严重程度。传统上，MRI研究中常使用运动-时间图（motion-time plots）来记录受试者在扫描期间的运动状态，但这种图表无法提供关于运动如何影响k空间采样的详细信息。而运动-采样图则弥补了这一不足，为研究运动对图像质量的影响提供了更全面的视角。

研究采用了三种常见的3D MRI采样轨迹：笛卡尔采样（Cartesian）、堆叠星形采样（stack-of-stars）和Kooshball采样。每种采样方式在不同的运动模式下会产生不同的伪影表现。通过模拟和活体实验，研究人员系统地评估了运动状态在k空间中的分布如何影响伪影的形成。模拟实验中，仅考虑了刚性运动，而活体实验则引入了更复杂的运动模式，包括运动诱导的B0不均匀性、非刚性运动（如面部和舌头运动）以及部分与运动无关的伪影。此外，还研究了运动幅度、方向以及采样顺序对伪影表现的影响。

研究结果表明，运动伪影的严重程度和类型主要取决于运动状态在k空间中的分布位置。例如，当运动不连续性出现在k空间中心区域时，伪影会更加明显。而在某些情况下，运动方向与采样方向的匹配也可能导致特定类型的伪影，如鬼影（ghosting）或条纹（stripes）。研究人员还识别出了九种主要的运动伪影类型，包括重叠/模糊、鬼影、噪声类伪影、回波（ringing）、线条/条纹、条带（streaking）、边缘波动、畸变和波浪状伪影。这些伪影在不同采样轨迹和运动模式下的表现各不相同，且某些伪影在活体数据中比在模拟数据中更为显著。

在实验设计方面，研究强调了选择合适的运动模式和采样策略的重要性。例如，在笛卡尔采样中，运动对慢相位编码方向的影响尤为显著，而在堆叠星形和Kooshball采样中，运动对图像质量的影响则更加均匀分布。此外，研究还指出，运动-采样图不仅可以帮助研究人员预测伪影的出现，还能作为运动校正技术开发和验证的重要工具。通过系统分析运动与采样之间的关系，研究人员可以更好地优化MRI扫描参数，以减少运动伪影的产生。

为了进一步提升MRI研究的可重复性和可比性，本文提出了一套运动-采样实验设计的建议。其中包括使用运动-采样图来可视化运动状态在k空间中的分布，确保实验设计涵盖运动不连续性在k空间中心的情况，展示运动伪影在不同图像平面中的表现，并采用真实运动幅度进行测试。这些建议不仅适用于当前的研究，也为未来的MRI运动校正技术提供了指导。

研究还强调了运动伪影对临床诊断的影响。由于某些伪影（如鬼影或条纹）在图像中更为明显，它们可能对医生的诊断造成干扰。因此，了解不同运动模式下伪影的出现规律，有助于优化MRI扫描流程，提高图像的诊断价值。例如，在扫描过程中，若能将k空间中对图像质量影响最大的区域安排在受试者相对静止的时段，可以有效减少运动伪影的出现。

此外，研究指出，虽然一些非刚性运动（如面部运动）在活体实验中不可避免，但它们对图像质量的影响通常小于刚性运动。然而，在较大的运动幅度下，这些非刚性因素可能加剧伪影的严重性。因此，在评估运动校正方法时，除了考虑运动的幅度和方向，还需要关注其对k空间采样策略的影响。运动-采样图作为一种新的工具，可以帮助研究人员更直观地理解这些复杂的关系，并为图像重建方法的改进提供依据。

本文的研究结果不仅为MRI运动伪影的分析提供了新的视角，也为未来的MRI研究和临床应用提供了实用的指导。通过引入运动-采样图，研究人员可以更系统地评估不同运动模式下的伪影表现，从而优化扫描参数，提高图像质量。同时，这一方法也为运动校正技术的发展提供了新的思路，使研究人员能够更准确地预测和减少运动伪影的影响。未来，随着MRI技术的不断发展，进一步研究运动伪影的多样性及其与不同采样策略的相互作用，将有助于提高MRI在临床和科研中的应用价值。