利用磁共振最小运动（"MR-MinMo"）头部稳定装置减少高分辨率7 T MRI中的运动伪影

《MAGNETIC RESONANCE IN MEDICINE》：Reducing Motion Artifact in High Resolution 7?T MRI Using the Magnetic Resonance Minimal Motion (“MR-MinMo”) Head Stabilization Device

　　

研究目的：评估MR-MinMo头部稳定装置在长时间、高分辨率7 T MRI扫描中减轻运动伪影的有效性，分别在有和没有回顾性运动校正的情况下进行验证。研究方法：研究人员对7名儿童志愿者和12名成人健康志愿者进行测试，采用0.6 mm各向同性三维多回波梯度回波（Multi-Echo Gradient Echo, ME-GRE）扫描。分别获取约10分钟的ME-GRE扫描（线性采样，加速因子2×2）和约20分钟的扫描（DISORDER采样，加速因子1.4×1.4）。两种扫描均在有无MR-MinMO装置的条件下以2×2析因设计进行。通过视觉检查和归一化梯度平方（Normalized Gradient Squared, NGS）指标对第一回波图像的图像质量进行定性和定量评估。采用重复测量方差分析（repeated measures ANOVA）评估该装置和DISORDER图像联合回顾性运动校正NGS值的单独效应和联合效应，以年龄作为二分类因素（儿童/成人）。生成T2*图谱并评估各条件下白质R2*值（=1/T2*）的标准差。研究结果：MR-MinMo装置在视觉和NGS评分方面均显著减少了运动伪影，尤其在儿童志愿者中效果更为明显。MR-MinMo与DISORDER运动校正之间存在显著交互作用，表明MR-MinMo改善了回顾性运动校正的效果。T2*图谱显示，使用MR-MinMo后视觉外观改善，白质方差降低。研究结论：MR-MinMo能够通过减少运动来改善高分辨率7 T扫描的图像质量。通过将运动控制在可校正范围内，该装置还能提高回顾性运动校正方法的性能。

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）相较于超声或计算机断层扫描（Computed Tomography, CT）等影像模态，对受试者运动更为敏感，这主要源于MRI序列需要较长的采集时间以获取充分数据实现忠实图像重建。由于采集时间远长于受试者生理性运动、自主性运动及意外运动的时间尺度，运动常常影响MRI图像质量。即使运动幅度与成像分辨率相当，也会引入包括信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）降低、畸变、模糊和鬼影在内的多种伪影。即使配合度高的志愿者，周期性不自主运动（如心跳、呼吸、血流）、非周期性运动（如打哈欠、吞咽、打喷嚏或咳嗽）以及因不适导致的意识性运动均可造成图像劣化。儿童及神经系统疾病患者的运动问题更为突出。超高场MRI（≥7 T）虽因SNR增加而能够实现高分辨率图像采集，但其更长的扫描时间和更小的体素尺寸使其对细微运动更加敏感；此外，超高场下运动引起的静态磁场（B₀）变化及射频场（B₁）变化也因磁敏感效应增强和人-射频场耦合加剧而更为复杂，增加了运动校正策略的难度。定量R₂*（=1/T₂*）图谱在7 T场强下对组织铁含量变化敏感且特异性更高，对帕金森病和癫痫等神经疾病具有重要意义，但运动严重降低R₂*估计的精度和准确度。因此，开发适用于儿童和成人神经成像的实用运动减除方案，对于充分发挥7 T MRI的临床价值至关重要。

该研究设计和测试了一种名为MR-MinMo的新型头部稳定装置，该装置为研究自制的原型机，尚未商业化，旨在通过改善头部稳定性和舒适度从源头减少运动。研究发表于《MAGNETIC RESONANCE IN MEDICINE》。研究人员假设该装置能通过将数据维持在可校正范围内来改善DISORDER（Distributed and Incoherent Sample Orders for Reconstruction Deblurring using Encoding Redundancy）回顾性运动校正的图像质量。

研究采用的关键技术方法包括：①实验设计——2×2析因设计（因素为MR-MinMo装置和DISORDER采样），样本队列来源于19名完成扫描的健康志愿者（12名成人，7名儿童）；②MRI扫描技术——7 T西门子Terra扫描仪，0.6 mm³各向同性分辨率的3D ME-GRE序列，包括标准线性采样（加速因子2×2，约10分钟）和DISORDER采样（加速因子1.4×1.4，约20分钟，利用GRAPPA并行成像结合过采样实现）；③图像重建——离线CG-SENSE（Conjugate Gradient SENSE）初始重建，DISORDER数据采用基于对齐SENSE（aligned-SENSE）的迭代回顾性运动校正重建，含两个分辨率金字塔层级（1.2 mm和0.6 mm）及异常值剔除步骤；④线圈灵敏度估计——基于ESPIRiT算法的低分辨率参考扫描结合三次样条插值；⑤定量评估指标——归一化梯度平方（NGS）指标评估图像质量，DISORDER框架估计的刚体运动参数（3个平移和3个旋转）分析运动状态，T₂*图谱拟合及白质R₂*标准差（SD(R₂^*)）作为运动退化指数。

研究结果显示：MR-MinMo有效性方面，几乎所有受试者在长时间线性采样和DISORDER回顾性运动校正图像中均有视觉改善，儿童队列中效果更为明显；两名儿童志愿者（pHV2、pHV7）的DISORDER运动校正扫描显示图像质量劣化，与其较大的运动幅度相关。定量图像质量分析方面，全脑NGS值比较显示，成人与儿童受试者在线性采样和DISORDER运动校正条件下，MR-MinMo均使NGS值增加（表明图像质量改善）；重复测量方差分析显示MR-MinMo对NGS值有显著主效应（F=34.393，p<0.001），且与年龄组存在显著交互作用（F=8.311，p=0.012），MR-MinMo、DISORDER与年龄组三因素交互作用亦显著（F=5.599，p=0.033），表明该装置在不同年龄组和采样类型中具有差异化效应。运动量化分析方面，DISORDER估计的运动状态表明MR-MinMo使整体平均平移减少43.1%（从0.325 mm降至0.185 mm），平均旋转减少36.6%（从0.190^°降至0.121^°）；儿童组平移减少52.2%（从0.498 mm降至0.238 mm），旋转减少54.4%（从0.288^°降至0.131^°），成人组平移减少24.7%，旋转仅减少1.8%。扫描前后半段运动参数比较显示无显著差异。NGS改善与帧内运动呈线性关联，MR-MinMo条件下斜率更高且平均绝对残差更小（平移：0.057 mm vs. 0.139 mm；旋转：0.047^° vs. 0.074^°）。T2*图谱分析方面，MR-MinMo条件下白质SD(R₂^*)显著降低（12.0 s^-1 vs. 13.1 s^-1，p<0.05），成人中位改善2%、最大改善41%，儿童中位改善10%、最大改善40%。

讨论部分，研究人员指出MR-MinMo在长时间7 T扫描中有效减少运动，约10分钟和约20分钟扫描的图像质量均有视觉和定量改善，儿童及MRI新手志愿者效果尤为显著。该装置与DISORDER回顾性校正存在协同效应交互作用，能将运动维持在可校正范围内；即使DISORDER校正失败的大运动病例中，MR-MinMo仍可能通过限制运动幅度使数据保持在可校正区间。线圈灵敏度估计的准确性对并行成像重建至关重要，而运动会影响接收线圈灵敏度分布，MR-MinMo通过源头抑制运动有助于减少此类误差。与其他头部固定方法相比，真空垫虽可能有效但常规使用不足且缺乏7 T高分辨率验证；咬牙杆和热塑性面罩需定制制造且舒适度差、幽闭恐惧感强，不利于儿科长时程扫描；而MR-MinMo可进行原位调节，适用年龄范围广。其他基于导航回波、光学相机、声学/超声传感器、惯性/机械装置或射频传感器的实时追踪策略虽可改善运动伪影，但存在实际应用限制，可与头部稳定策略互补。

研究局限性包括：未正式记录舒适度评分，仅根据轶事反馈；一名成人因头围较大无法闭合光环结构；T2*图谱中存在个别退化病例与空间限制或扫描顺序疲劳相关；DISORDER扫描中出现大运动的个别儿童病例提示缩短扫描时间可能优于校正；少量样本的儿科队列结果需更大规模多中心研究验证；未与真空垫等其他头部固定方法直接比较。

研究结论：MR-MinMot是一种有效的解决方案，能够减少头部运动并提高高分辨率7 T扫描的图像质量，在成人中有效，在儿童中效果尤为显著。该装置与运动校正方法兼容，并能提高DISORDER回顾性运动校正方法的性能。