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 1 of 160
MRI 假影的實例 預期影像 鬼影 (ghosts) 2 of 160
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... 3 of 160
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 4 of 160
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) 5 of 160
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 6 of 160
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 7 of 160
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 8 of 160
不同線圈的影像比較 體線圈頭部線圈 3 吋表面線圈 9 of 160
一個跟 RF 相關的例子 Flow void (spin-echo) 90 0 激發與 180 0 聚焦脈衝無法準確 對位, 造成信號損失 10 of 160
2D Spin Echo Sequence 90 0 180 0 射頻線圈 z 梯度線圈 t t y 梯度線圈 x 梯度線圈 二維自旋迴訊... t t 11 of 160
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 12 of 160
Flow-Void in Spin-echo 90 0-180 0 - 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) 13 of 160
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 14 of 160
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 15 of 160
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 16 of 160
化學位移的假影 水平頻率編碼 垂直頻率編碼 17 of 160
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 18 of 160
RF Leakage 水平 : 頻率編碼 垂直 : 相位編碼 沿著相位編碼方向的拉鍊形假影 19 of 160
Zipper Artifacts 拉鍊狀假影不是一定都由 RF leakage 造成! Stimulated echo? It gets complicated 20 of 160
血流假影 Flow-related enhancement 將有專門討論 Flow void (spin-echo) 移位假影 21 of 160
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 22 of 160
2D Gradient Echo Sequence < 90 0 射頻線圈 z 梯度線圈 t t y 梯度線圈 x 梯度線圈... t t 二維梯度迴訊 23 of 160
Displacement Artifacts 注意 displacement 現象是在 in-plane flow 中發生 血管看似被移位 斜向血管特別明顯 24 of 160
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 25 of 160
Image voxel : 大範圍的磁場干擾 共振頻率偏移 26 of 160
共振頻率改變對空間編碼的影響 圓形物體將變成箭頭形 27 of 160
磁化率造成的影像扭曲 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 扭曲程度與 readout bandwidth 有關 28 of 160
磁化率假影現象的放大 ( 鐵質髮夾 ) Spin echo Gradient echo 29 of 160
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 30 of 160
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 31 of 160
接收器調整異常 正常影像 放大過多 32 of 160
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 33 of 160
空間編碼情形 Bo 頻率 = 位置 振幅 = 氫原子核多寡 34 of 160
= 空間編碼後常見的 MRI 信號 + + + + 接收信號 = 各個頻率成份總和 35 of 160
數據取樣過程... 每隔一段時間取一個數據點 36 of 160
= 取樣頻率過小 : 誤以為是低頻率 + + + +... 37 of 160
空間編碼 : 信號頻率隨位置改變 Bo 38 of 160
Aliasing 假影 FOV 過小 提高取樣頻率 39 of 160
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 40 of 160
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 41 of 160
RF 脈衝序列與 k-space TR t k y G z t k x G y t G x t TR 42 of 160
呼吸運動與信號的改變 影像切面位置 接收信號強度持續隨呼吸而變化 43 of 160
k- 空間信號大小 k y k x 信號時大... 時小... 44 of 160
規則週期性運動的假影 呼吸鬼影 呼吸同步偵測 45 of 160
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 46 of 160
規則週期性運動的假影 呼吸鬼影 呼吸同步偵測 47 of 160
心跳運動的假影 心跳假影 ECG 同步偵測 48 of 160
不規則運動的假影 應得影像 運動假影 49 of 160
規則週期性運動的假影 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 主動脈血流的 pulsation 50 of 160
CSF 流動造成的 Motion Ghosts No Flow Comp Flow Comp 51 of 160
解決方式 同步偵測 呼吸或 ECG gating 加快掃瞄 + 閉氣 超快速掃瞄 52 of 160
血流假影 Flow-related enhancement 將有專門討論 Flow void (spin-echo) 移位假影 53 of 160
Flow-Related Enhancement Neck Abdomen 54 of 160
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 55 of 160
Single-slice 脈衝序列展開 B1 Gs Gp Gr............ t t t t TR >> TE : 儀器大部分的時間是沒做事的 56 of 160
加入其他的切面 B1 Gs Gp Gr............ t t t t 善用儀器的偷懶時間 57 of 160
再加入其他的切面 B1 Gs Gp Gr............ t t t t Multi-slice imaging 58 of 160
Cross Talk 兩個切面都受激發 TR ~ 一半 59 of 160
Cross Talk lumbar 影像 sacrum 影像 60 of 160
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 61 of 160
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 62 of 160
少數數據錯誤的影像 數據過大 (kx = - 29, ky = - 41) k-space 影像 63 of 160
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 64 of 160
另一種 k- 空間的不連續 不連續性 填滿的 k- 空間 外圍沒有數據的 k- 空間 65 of 160
Gibb s 波紋 ( 截斷假影 ) 256x256 256x128 66 of 160
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 67 of 160
Gibb s 波紋 ( 截斷假影 ) 256x128 256x192 256x256 68 of 160
Syringomyelia ( 脊髓空洞症 )? 256x128 256x256 69 of 160
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 70 of 160
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? 71 of 160
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 ) 72 of 160
TE 的影響 TE = 9 msec TE = 18 msec 73 of 160
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 74 of 160
組織 : 反磁性 所以類似這種情形 空氣 : 順磁性 組織 : 反磁性 空氣影響 周圍組織 的磁力線分佈 75 of 160
磁場干擾的結果 Image voxel : 磁場在同一像素內大小不均 T2* 減短 76 of 160
切面厚度對磁化率效應的影響 薄切面 厚切面 順磁性 (paramagnetic) 磁場不均勻程度, 與解析度有關 77 of 160
切面厚度的影響 3 mm 5 mm 10 mm 78 of 160
T2* 信號損失在血腫的應用 PDWI T2WI 79 of 160
T2* 信號損失在出血的應用 T1 PD T2 GrE 80 of 160
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 81 of 160
化學位移假影 In-phase Out-phase 82 of 160
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 83 of 160
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 84 of 160
Chemical Shift 化學位移現象 O H C H 氧原子吸引電子雲使氫原子的遮蔽效應較低 電子雲的磁場遮蔽效應 85 of 160
質子在腿部的 MR 頻譜 水 H 2 O 脂肪 -CH 2 - 水與脂肪的共振頻率不同 ppm 86 of 160
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 87 of 160
位置 = 磁場 = 頻率 Bo 水脂肪 水與脂肪信號頻率不同代表位置不同?? 88 of 160
化學位移的假影 水平頻率編碼 垂直頻率編碼 89 of 160
脂肪化學位移惱人之處 與水性組織相對位置不一 90 of 160
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 91 of 160
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 92 of 160
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 93 of 160
影像 = 頻譜 隨時間改變的信號 (echo) 傅氏轉換 像素 影像的每一像素都佔有某一頻寬 94 of 160
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 95 of 160
化學位移假影與取樣頻率的關係 Also note SNR difference! 32 Hz/pixel 64Hz/pixel 128 Hz/pixel 96 of 160
假影位移與 SNR 取樣頻率高 雜訊大 取樣頻率低 假影位移多 97 of 160
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 98 of 160
相位編碼方向不會出現化學位移假影 RF Gp Gr... t t t 取樣時間距離激發均相同 RF Gp Gr... t t t 99 of 160
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 100 of 160
面迴訊影像 : 一次激發便取多次迴訊 RF t k y G z t G y t k x G x t 取樣時間距離激發相差甚多 101 of 160
EPI Fat Suppression No Fat Sat With Fat Sat 102 of 160
What Artifact Is This? 答案 : Chemical shift (fat) dislocation artifact in EPI Phase encoding direction : A/P 實得影像 EPI 必須同時配備 fat suppression 103 of 160
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 104 of 160
磁化率造成的影像扭曲 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 扭曲程度與 readout bandwidth 有關 105 of 160
磁化率假影現象的放大 ( 鐵質髮夾 ) Spin echo Gradient echo 106 of 160
你不是告訴我成像可以加速嗎? TSE T2WI EPI T2WI 107 of 160
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 ) 108 of 160
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? 109 of 160
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 ) 110 of 160
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 111 of 160
Chemical Shift 引起的像素內失相 RF t z' z' z' x' y' 脂肪 水 每隔 2.27 msec 就由同向變為反向 112 of 160
化學位移假影 In-phase Out-phase 113 of 160
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 114 of 160
腿部梯度迴訊影像與 TE 的關係 TE = 5 TE = 7 TE = 9 TE = 11 115 of 160
Spine 影像受化學位移的干擾情形 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 紅骨髓 ~ 水 黃骨髓 ~ 脂肪 116 of 160
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 117 of 160
2D Gradient Echo Sequence < 90 0 射頻線圈 z 梯度線圈 t t y 梯度線圈 x 梯度線圈... t t 二維梯度迴訊 118 of 160
2D Spin Echo Sequence 90 0 180 0 射頻線圈 z 梯度線圈 t t y 梯度線圈 x 梯度線圈 二維自旋迴訊... t t 119 of 160
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 120 of 160
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? 121 of 160
Fat Suppression 前後的影像對照 Bone lesion 經 fat suppression 之後清晰可見 122 of 160
如何將脂肪信號抑制? 利用產生 artifact 的特性 共振頻率不同 123 of 160
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 124 of 160
CHESS 原理 水 脂肪 90 0 fat only RF t ppm G z G y t t G x t ppm 脂肪抑制 自旋迴訊 125 of 160
Spin-Echo Fat Suppression No fat sat With fat sat 126 of 160
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 127 of 160
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 128 of 160
脂肪抑制 與 水抑制 的影像比較 原本影像 Fat-SAT Water-SAT 129 of 160
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 130 of 160
RF 均勻度的影響 z' z' x' z' RF = 90 0 y' RF < 90 0 經過強梯度 消除水平分量... z' 殘餘脂肪信號 x' y' 131 of 160
Shimming 前後之頻譜 水 H 2 O 脂肪 -CH 2 - ppm 132 of 160
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 133 of 160
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 134 of 160
Dixon 法 RF 影像一的信號 = 水 - 脂肪 影像二的信號 = 水 + 脂肪 t z' z' z' x' y' 脂肪 水 135 of 160
化學位移假影 In-phase Out-phase 136 of 160
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 137 of 160
經由計算得到的水影像及脂肪影像 In-phase 水影像脂肪影像 138 of 160
另一個例子 ( 腹腔 ) Out-phase 水影像脂肪影像 139 of 160
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 140 of 160
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 141 of 160
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 142 of 160
STIR 原理 TI z' RF t G z t x' y' G y G x 反轉回復 自旋迴訊 t t x' z' y' 脂肪 灰質 CSF 143 of 160
STIR 的 Fat-Sat 影像 (Lipoma) T1-weighted image STIR image 144 of 160
STIR 原理 TI (STIR) 脂肪 灰質 CSF TI (FLAIR) TI 時間的長短可以決定抑制何種組織的信號 145 of 160
FLAIR 的病灶清晰度 (Infarction) T1WI T2WI FLAIR 146 of 160
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 147 of 160
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 148 of 160
Inverse T1 weighting 的成因 TI 脂肪 灰質 CSF 長 T1 組織的磁向量尚未明顯衰減 脂肪信號為零時 CSF 磁向量大於灰質 149 of 160
STIR Fat-sat Spin-Echo 1.5 Tesla IR Spin-echo TI = 150 msec TR = 2000 TE = 20 Periorbital fat is suppressed. Inversion recovery 用在 fat sat 150 of 160
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 151 of 160
傳統 fat-sat 方式 先做抑制的準備 抑制之後再做影像激發 152 of 160
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 153 of 160
同時做頻率及切面選擇 代價 : 整個射頻脈衝長達 20 ~ 40 msec 154 of 160
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 155 of 160
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? 156 of 160
什麼 Artifacts? 實得影像 實得影像 157 of 160
什麼 Artifacts? 粗水波? 細水波? 158 of 160
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 159 of 160
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 160 of 160
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) 161 of 160
CHESS Water Excitation 原理 水 脂肪 90 0 water only RF t ppm G z G y t t G x t ppm 激發水 繼續做影像 162 of 160
比較 CHESS Fat Suppression 水 脂肪 90 0 fat only RF t ppm G z G y t t G x t ppm 脂肪抑制 自旋迴訊 163 of 160