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假影與消除方式

Artifacts & remedies

鍾孝文 教授

台大電機系 三軍總醫院放射線部

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MRI 假影的實例

預期影像 鬼影 (ghosts)

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MRI 的假影 (Artifacts)

• 病人身上沒有，影像卻說有

– 玫瑰之夜 ???

• MRI 假影相當多

– 請專家為我們分析一下 ...

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為什麼會有假影 ?

• 人眼可以感受光線刺激

• 照相底片可以感光

• 任何可使底片感光的現象，都會造

成照片顯像

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為什麼會有 MRI 假影 ?

• MRI 成像過程複雜

• 有的因素可影響成像過程

• 影像出現眼睛原本看不到的東西

– 統稱為假影 (artifacts)

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MRI 的複雜成像過程

• 磁化現象

• 射頻激發

• 空間編碼 反覆多次

• 信號接收取樣

• 影像計算

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MRI 的複雜成像過程

• 磁化現象

• 射頻激發

• 空間編碼 反覆多次

• 信號接收取樣

• 影像計算

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磁化或激發造成的假影

• 磁化程度不一致

• 激發不均 = 信號不均

• 現代的儀器都已很少見了

– 表面線圈信號不均不太當成假影

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不同線圈的影像比較

體線圈 頭部線圈 3 吋表面線圈

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一個跟 RF 相關的例子

• Flow void (spin-echo)

• 900 激發與 1800 聚焦脈衝無法準確

對位，造成信號損失

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2D Spin Echo Sequence

二維自旋迴訊

z 梯度線圈

射頻線圈 t

t

y 梯度線圈 t

x 梯度線圈 t ...

900 1800

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亮血 (bright) 與暗血 (black blood)

梯度迴訊中的白色血與自旋迴訊中的黑色血

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Flow-Void in Spin-echo

• 900 - 1800 - 接收信號

• 激發和重新聚焦有時間差

• 血在流動 – 聚焦不完全

• 血管部份特別黑 (flow void)

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MRI 的複雜成像過程

• 磁化現象

• 射頻激發

• 空間編碼 反覆多次

• 信號接收取樣

• 影像計算

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空間編碼造成的假影

• 磁場 = 頻率 = 位置

• 頻率變化造成位置誤判

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化學位移假影

• 原本水與脂肪頻率就不同

• 當然位置就會誤判

• 後面課程會詳細分析

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化學位移的假影

水平頻率編碼 垂直頻率編碼

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RF Leakage

• 外界電磁波干擾

– MRI 一般在 FM 頻帶

• 射頻屏蔽通常可以隔絕

• Scan room 門未關可能造成

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RF Leakage

沿著相位編碼方向的拉鍊形假影

水平 : 頻率編碼 垂直 : 相位編碼

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Zipper Artifacts

• 拉鍊狀假影不是一定都由 RF

leakage 造成 !

• Stimulated echo ? It gets

complicated

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血流假影

• Flow-related enhancement

– 將有專門討論

• Flow void (spin-echo)

• 移位假影

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影像編碼有兩個方向

• 相位編碼和頻率編碼不同時發生

• 要做頻率編碼時，血已經流走了 ?

• 血管看似被移到別處

• Displacement artifacts

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2D Gradient Echo Sequence

二維梯度迴訊

z 梯度線圈

射頻線圈 t

t

y 梯度線圈 t

x 梯度線圈 t ...

< 900

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Displacement Artifacts

血管看似被移位 斜向血管特別明顯

注意 displacement

現象是在 in-plane

flow 中發生

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大範圍磁場干擾的幾何扭曲

• 共振頻率偏移 : 空間編碼錯誤

– 與取樣頻率有關

– EPI 相位編碼方向慢速取樣，

影響特別嚴重

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大範圍的磁場干擾

共振頻率偏移

Image voxel :

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共振頻率改變對空間編碼的影響

圓形物體將變成箭頭形

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磁化率造成的影像扭曲

扭曲程度與 readout bandwidth 有關

圓形玻璃管(反磁性)

硫酸銅水溶液(順磁性)

1.5 Tesla

Gradient echo

圓形都變成箭頭形狀

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磁化率假影現象的放大 (鐵質髮夾)

Spin echo Gradient echo

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MRI 的複雜成像過程

• 磁化現象

• 射頻激發

• 空間編碼 反覆多次

• 信號接收取樣

• 影像計算

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射頻接收的效應

• 接收器將信號放大

• 一般放大倍率自動調整

• 過高過低皆產生假影

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接收器調整異常

正常影像 放大過多

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外來假影 (aliasing)

• 取樣頻率過低

– 高頻當做低頻

– 前面當做後面

• 提高取樣頻率即解決

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空間編碼情形

頻率 = 位置 振幅 = 氫原子核多寡

Bo

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空間編碼後常見的 MRI 信號

接收信號 = 各個頻率成份總和

+ + + + =

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數據取樣過程

每隔一段時間取一個數據點

. . .

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取樣頻率過小 : 誤以為是低頻率

+ + + +

=

. . .

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空間編碼 : 信號頻率隨位置改變

Bo

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Aliasing 假影

FOV 過小 提高取樣頻率

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MRI 的複雜成像過程

• 磁化現象

• 射頻激發

• 空間編碼 反覆多次

• 信號接收取樣

• 影像計算

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運動鬼影

• 反覆多次過程中信號不一

• k-space 信號到處改變

• 改變頻率反應到影像位置

• 出現很多個影像

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脈衝序列與 k-space

RF

Gz

Gy

Gx

t

t

t

t

kx

ky

TR

TR

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呼吸運動與信號的改變

接收信號強度持續隨呼吸而變化

影像切面位置

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k-空間信號大小

kx

ky

信號時大 ...

時小 ...

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規則週期性運動的假影

呼吸鬼影 呼吸同步偵測

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運動造成的信號變化

• 規則的週期性運動 : 清晰鬼影

– k-空間多了單一頻率

• 不規則運動 : 許多鬼影重疊 (模糊)

– k-空間多了太多頻率

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規則週期性運動的假影

呼吸鬼影 呼吸同步偵測

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心跳運動的假影

心跳假影 ECG 同步偵測

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不規則運動的假影

應得影像 運動假影

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規則週期性運動的假影

主動脈血流的 pulsation

注意 :

1. 只有會動的部份才有假影 2. 假影出現在相位編碼方向

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CSF 流動造成的 Motion Ghosts

No Flow Comp Flow Comp

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解決方式

• 同步偵測

– 呼吸或 ECG gating

• 加快掃瞄 + 閉氣

• 超快速掃瞄

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血流假影

• Flow-related enhancement

– 將有專門討論

• Flow void (spin-echo)

• 移位假影

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Flow-Related Enhancement

Neck Abdomen

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Cross talk

• 常見於多角度多切面影像

• 某些組織部份受到多次激發

– TR 變短 信號變低

• 連續性切面也會看到

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Single-slice 脈衝序列展開 …

TR >> TE : 儀器大部分的時間是沒做事的

Gp

B1 t

t

...

...

Gs t ...

Gr t ...

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加入其他的切面

善用儀器的偷懶時間

Gp

B1 t

t

...

...

Gs t ...

Gr t ...

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再加入其他的切面

Multi-slice imaging

Gp

B1 t

t

...

...

Gs t ...

Gr t ...

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Cross Talk

兩個切面都受激發 TR ~ 一半

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Cross Talk

lumbar 影像 sacrum 影像

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MRI 的複雜成像過程

• 磁化現象

• 射頻激發

• 空間編碼 反覆多次

• 信號接收取樣

• 影像計算

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k-space 不連續性的影響

• 影像計算 = 傅立葉轉換

= 利用 sine & cosine 組合影像

• 不連續 = 波紋

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少數數據錯誤的影像

k-space 影像

數據過大

(kx = - 29, ky = - 41)

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少數數據錯誤的補救

• 反正錯誤不多

• 用旁邊的值姑且代替

• 通常可以重建影像

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另一種 k-空間的不連續

填滿的 k-空間 外圍沒有數據的 k-空間

不連續性

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Gibb’s 波紋 (截斷假影)

256x256 256x128

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Gibb’s 波紋 (截斷假影)

• 少取數據造成的 k-空間不連續

• 通常多取些數據即可

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Gibb’s 波紋 (截斷假影)

256x128 256x192 256x256

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Syringomyelia (脊髓空洞症) ?

256x128 256x256

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MRI 的複雜成像過程

• 磁化現象

• 射頻激發

• 空間編碼 反覆多次

• 信號接收取樣

• 影像計算

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Artifacts 不止這些 !

• 影像由“點”組成 (像素; pixel)

• “點”含有無數個氫原子核

• 信號 = 所有氫核表現的綜合體

• 每個氫原子核表現不一怎麼辦 ?

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像素內失相

• Intra-voxel phase dispersion

• 氫原子核受磁化 = 磁化向量

• 磁化向量方向不一 = 總和為 0

– 信號極小 (黑)

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TE 的影響

TE = 9 msec TE = 18 msec

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磁場不均勻對 MRI 的影響

• T2* 變短 : 梯度迴訊信號損失

– 自旋迴訊可重新聚焦，不受影響

– 顯然 TE 愈長信號損失愈厲害

– 並且與影像解析度有關

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所以類似這種情形

空氣影響「周圍組織」的磁力線分佈

組織 : 反磁性

空氣 :

順磁性

組織 : 反磁性

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磁場干擾的結果

磁場在同一像素內大小不均 T2* 減短

Image voxel :

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切面厚度對磁化率效應的影響

磁場不均勻程度，與解析度有關

順磁性(paramagnetic)

薄切面

厚切面

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切面厚度的影響

3 mm 5 mm 10 mm

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T2* 信號損失在血腫的應用

PDWI T2WI

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T2* 信號損失在出血的應用

T1 PD T2 GrE

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化學位移假影

• 原本水與脂肪頻率就不同

• 1.5 Tesla 220 Hz

– 每隔 2.27 msec 由同向變反向

• 同時含水與脂肪的像素即改變

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化學位移假影

In-phase Out-phase

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脂肪的假影與消除

Fat Artifacts in MRI

鍾孝文 教授

台大電機系 三軍總醫院放射線部

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化學位移效應

• 水與脂肪共振頻率先天不同

– 電子雲的遮蔽效應

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Chemical Shift 化學位移現象

電子雲的磁場遮蔽效應

O H C H

氧原子吸引電子雲 使氫原子的遮蔽效應較低

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質子在腿部的 MR 頻譜

水與脂肪的共振頻率不同

水 H2O 脂肪

-CH2-

ppm

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化學位移假影

• 磁場 = 頻率 = 位置

• 水與脂肪共振頻率先天不同

– 電子雲的遮蔽效應

• 水與脂肪位置先天就會誤判

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位置 = 磁場 = 頻率

水與脂肪信號頻率不同 代表位置不同 ??

水

脂肪

Bo

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化學位移的假影

水平頻率編碼 垂直頻率編碼

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脂肪化學位移惱人之處

• 與水性組織相對位置不一

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化學位移假影的位置差異

• 信號經取樣後輸入電腦計算

• 取樣需要花時間

• 時間愈久，頻率差愈明顯

• 假影位移顯然與取樣速率有關

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假影位移與取樣速率的關係

取樣快 頻率差別不明顯

取樣慢 頻率差別明顯

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像素頻寬

• Bandwidth per pixel

• 信號經傅立葉轉換得到影像

• 影像 = 頻譜

• 影像點 = 頻譜區段

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影像 = 頻譜

影像的每一像素都佔有某一頻寬

傅氏轉換

隨時間改變的信號 (echo)

像素

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化學位移假影的位置差異

• 位移 pixel 數 = 220 Hz / 像素頻寬

• 32 KHz 取樣頻率 ~ 125 Hz/pixel

• 220 / 125 ~ 2 pixel 位移

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化學位移假影與取樣頻率的關係

32 Hz/pixel 64Hz/pixel 128 Hz/pixel

Also note SNR difference !

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假影位移與 SNR

• 取樣頻率高 雜訊大

• 取樣頻率低 假影位移多

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頻率編碼與相位編碼

• 相位編碼方向沒有化學位移假影

• 從射頻激發到取樣，時間間隔一致

• 化學位移假影只出現在頻率方向

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相位編碼方向不會出現化學位移假影

t

t

t ...

RF

Gp

Gr

t

t ...

Gr

Gp

t RF

取樣時間距離激發均相同

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EPI 例外 !

• EPI : 一次激發，連續取樣

• 每次相位編碼時間相差甚多

• 相位方向化學位移假影十分嚴重

• 取樣極快，頻率方向反而沒有假影

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面迴訊影像 : 一次激發便取多次迴訊

RF

Gz

Gy

Gx

t

t

t

t

kx

ky

取樣時間距離激發相差甚多

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EPI Fat Suppression

No Fat Sat With Fat Sat

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What Artifact Is This?

實得影像

答案 :

Chemical shift

(fat) dislocation

artifact in EPI

Phase encoding

direction : A/P

EPI 必須同時配備

fat suppression

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相同的道理 …

• EPI 中的 fat artifact 特別明顯

– 每次相位編碼時間相差甚多

• 磁場不均在空間編碼造成的幾何扭

曲也特別嚴重

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磁化率造成的影像扭曲

扭曲程度與 readout bandwidth 有關

圓形玻璃管(反磁性)

硫酸銅水溶液(順磁性)

1.5 Tesla

Gradient echo

圓形都變成箭頭形狀

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磁化率假影現象的放大 (鐵質髮夾)

Spin echo Gradient echo

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你不是告訴我成像可以加速嗎 ?

TSE T2WI EPI T2WI

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EPI 的幾何扭曲

• 靠近 skull base 的部位特別嚴重

– 耳朵、鼻腔 (空氣) …

• Shimming 要求嚴苛

• 頭部以外部位用途較少 (不是沒有)

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假影不止這些 !

• 影像由“點”組成 (像素; pixel)

• “點”含有無數個氫原子核

• 信號 = 所有氫核表現的綜合體

• 每個氫原子核表現不一怎麼辦 ?

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像素內失相

• Intra-voxel phase dispersion

• 氫原子核受磁化 = 磁化向量

• 磁化向量方向不一 = 總和為 0

– 信號極小 (黑)

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化學位移假影

• 原本水與脂肪頻率就不同

• 1.5 Tesla 220 Hz

– 每隔 2.27 msec 由同向變反向

• 同時含水與脂肪的像素亮度即改變

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Chemical Shift 引起的像素內失相

每隔 2.27 msec 就由同向變為反向

z'

y' x'

z' z'

脂肪

水

RF t

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化學位移假影

In-phase Out-phase

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脂肪化學位移惱人之處

• 與水性組織相對位置不一

• 含脂肪組織之影像亮度不明

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腿部梯度迴訊影像與 TE 的關係

TE = 5 TE = 7 TE = 9 TE = 11

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Spine 影像受化學位移的干擾情形

紅骨髓 ~ 水 黃骨髓 ~ 脂肪

TE = 9 msec TE = 10 msec TE = 11 msec TE = 12 msec TE = 13 msec

TE = 14 msec TE = 15 msec TE = 16 msec TE = 17 msec TE = 18 msec

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備註

• 化學位移引起的像素內失相只在梯

度迴訊中發生

• 像素亮度與 TE 值有關

• Spin echo 可重新聚焦，不受影響

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2D Gradient Echo Sequence

二維梯度迴訊

z 梯度線圈

射頻線圈 t

t

y 梯度線圈 t

x 梯度線圈 t ...

< 900

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2D Spin Echo Sequence

二維自旋迴訊

z 梯度線圈

射頻線圈 t

t

y 梯度線圈 t

x 梯度線圈 t ...

900 1800

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脂肪化學位移惱人之處

• 與水性組織相對位置不一

• 含脂肪組織之影像亮度不明

• 脂肪通常很亮，影響判讀

– 短 T1，普通長 T2

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解決之道

• 乾脆把脂肪全部除掉不就結了 ?

– Fat suppression (Fat SAT)

• 抑制前後之對照提供另一種訊息

– Fatty or water-based mass?

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Fat Suppression 前後的影像對照

Bone lesion 經 fat suppression 之後清晰可見

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如何將脂肪信號抑制 ?

• 利用產生 artifact 的特性

– 共振頻率不同

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CHESS 脂肪抑制

• Chemical shift selective

• 只激發脂肪信號，儘量不動到水

• 開強梯度使激發後的脂肪信號飽和

• 之後再做影像

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CHESS 原理

水

脂肪

900 fat only

RF

Gz

Gy

Gx

t

t

t

t

自旋迴訊 脂肪抑制

ppm

ppm

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Spin-Echo Fat Suppression

No fat sat With fat sat

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1-3-3-1 式 CHESS 脈衝

• 簡單快速且有效的方法

• 詳細原理將於心臟影像中描述

– 空間調變影像 (SPAMM)

• 如果有機會的話 …

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Fat-SAT 與 water-SAT

• 同樣原理，利用頻率的不同

• 只激發水信號，儘量不動到脂肪

• 開強梯度使激發後的水信號飽和

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“脂肪抑制” 與 “水抑制” 的影像比較

原本影像 Fat-SAT Water-SAT

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對主磁場與射頻磁場的要求

• 射頻磁場須均勻，否則抑制不全

– 好的體積式激發線圈

• 主磁場須均勻，否則共振頻率不一

– Shimming

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RF 均勻度的影響

z'

y' x'

z'

y' x'

RF = 900

RF < 900

z'

z'

經過強梯度

消除水平分量...

殘餘脂肪信號

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Shimming 前後之頻譜

水 H2O 脂肪

-CH2-

ppm

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均勻主磁場的重要性

• 根據共振頻率作 fat-SAT

– 主磁場均勻度直接影響頻率

• 空氣與組織接面附近磁場受擾動

– Sinus 附近經常 fat-SAT 不完全

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In- 與 out-phase 影像

• 同樣利用共振頻率不同

• 調整 TE : 同相(水+脂)，反相(水-脂)

– 水影像 = 同相 + 反相

– 脂肪影像 = 同相 – 反相

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Dixon 法

z'

y' x'

z' z'

脂肪

水

RF t

影像一的信號 = 水 - 脂肪

影像二的信號 = 水 + 脂肪

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化學位移假影

In-phase Out-phase

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其實就是小學生的和差問題

• 稱為 Dixon 法

• 同樣需要均勻主磁場

• 同相與反相影像 兩倍掃瞄時間

• 臨床儀器上多稱 in- (out-) phase

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經由計算得到的水影像及脂肪影像

In-phase 水影像 脂肪影像

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另一個例子 (腹腔)

Out-phase 水影像 脂肪影像

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Multi-point Dixon Method

• 若有其他因素干擾共振頻率

– 等於多增加一些未知數

• 多取不同 TE 之影像即可算出

– 例 : 水 + 脂肪 + 磁場分佈

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如何將脂肪信號抑制 ?

• 利用產生 artifact 的特性

– 共振頻率不同

– T1 不同

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Short TI Inversion Recovery

• 180 脈衝，所有磁向量均反向

• 等待 T1 弛緩 (TI : inversion time)

• 到脂肪回復至零點後開始取像

• 1.5T 下 TI 通常約 160 msec

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STIR 原理

TI

RF

Gz

Gy

Gx

t

t

t

t

自旋迴訊 反轉回復

脂肪

灰質

CSF

z'

y' x'

z'

y' x'

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STIR 的 Fat-Sat 影像 (Lipoma)

T1-weighted image STIR image

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STIR 原理

TI 時間的長短可以決定抑制何種組織的信號

脂肪

灰質

CSF

TI (STIR)

TI (FLAIR)

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FLAIR 的病灶清晰度 (Infarction)

T1WI T2WI FLAIR

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STIR 特性

• 不須特別均勻主磁場

• 影像必然含有 T1 成份

• Inverse T1 weighting

– 與普通短 TR 之 T1 影像相反

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STIR 的 T1-weighting

• 長 T1 組織 : 亮

短 T1 組織 : 暗

• CSF > 灰質 > 白質

• 與一般 spin-echo T1 影像相反

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Inverse T1 weighting 的成因

脂肪信號為零時 CSF 磁向量大於灰質

脂肪

灰質

CSF

TI

長 T1 組織的磁向量尚未明顯衰減

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STIR Fat-sat Spin-Echo

Inversion recovery 用在 fat sat

1.5 Tesla

IR Spin-echo

TI = 150 msec

TR = 2000

TE = 20

Periorbital fat is

suppressed.

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Fat-SAT 方式的比較

• CHESS : 主磁場與射頻須均勻

• Dixon : 兩倍掃瞄時間 (?)

• STIR : 影像對比必然改變

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傳統 fat-SAT 方式

• 先做抑制的準備

• 抑制之後再做影像激發

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特殊射頻脈衝

• Shinnar-LaRoux 射頻脈衝設計法

• k-space RF 脈衝設計

• 同一脈衝達到兩種以上目的

• 例 : 同時做頻率及切面選擇

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同時做頻率及切面選擇

代價 : 整個射頻脈衝長達 20 ~ 40 msec

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MRI 的複雜成像過程

• 磁化現象

• 射頻激發

• 空間編碼 反覆多次

• 信號接收取樣

• 影像計算

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其他 MRI 假影

• 噢 ! 多的是 !

• 還有許多的假影是找不出原因的

– 就跟人類的疾病一樣

• 那碰到奇怪的假影怎麼辦 ?

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什麼 Artifacts ?

實得影像 實得影像

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什麼 Artifacts ?

粗水波 ? 細水波 ?

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Artifacts 教戰守則

• 先確定 reproducibility

• 推測影響因素，變化掃瞄參數

• 代價 : 時間 + 精神

• 丟回給廠商 ?? 只怕完全無解 …

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假影與消除方式

Artifacts & remedies

鍾孝文 教授

台大電機系 三軍總醫院放射線部

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CHESS Water Excitation

• 同樣是 Chemical shift selective

• 只激發水信號，儘量不動到脂肪

• 之後再直接做影像

• 技術上難度較高 (窄頻 RF pulse)

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CHESS Water Excitation 原理

水

脂肪

900 water only

RF

Gz

Gy

Gx

t

t

t

t

繼續做影像 激發水

ppm

ppm

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比較 CHESS Fat Suppression

水

脂肪

900 fat only

RF

Gz

Gy

Gx

t

t

t

t

自旋迴訊 脂肪抑制

ppm

ppm