宇宙的奧妙無窮無盡，最近的很多科幻電影，科幻小說，圍繞著高維度展開一些遐想及討論。如果我們人類能夠體驗（或者觀察到）更高的維度，那麼就能發揮更大的潛能。
其實，想一想，醫學影像學也就是將我們肉眼可能無法直接觀察到的東西反應在不同維度上。比如，可能大家熟悉的二維超聲、三維超聲及四維超聲。二維超聲就是形成一個切面成像，也就是二維圖像；三維超聲類似能提供一個三維的立體圖像；而再高一級的四維超聲也就是加上了時間軸的三維超聲或者叫動態的三維超聲。
CT及MRI也是一種斷面（或者叫斷層）成像。我們今天要講的主要是關於MRA及磁共振血管成像技術的內容。
1.概述
磁共振血管成像（Magnetic Resonance Angiography, MRA)是採用磁共振的方式，讓人體血管顯影的一種技術。大家臨床中比較熟悉的可能是CTA（Computed Tomography Angiography）技術，即採用CT方式進行血管成像。
MRA和CTA相比有兩個最顯著的區別（或者叫特點）：
1.CTA必須依賴於注射對比劑（打藥）來顯示血管，而MRA則具備了兩種方式：一種是注射對比劑的，即打藥血管成像；另一種則是不需要注射對比劑，即非打藥血管成像。這個最大的優勢就是在於不用往身體裡打入對比劑了，病人能夠最大程度接受。
2.MRA不僅可以做血管成像，還能利用一些技術進行血流速度的測定。
公眾號前面也發布了很多磁共振血管成像的文章，大家可以點擊下面查看連結：
CTA圖像
飛利浦血管序列原理及臨床應用（一）
飛利浦血管序列原理及臨床應用（二）
飛利浦血管序列原理及臨床應用（三）
飛利浦血管序列原理及臨床應用（四）
飛利浦血管序列原理及臨床應用（五）
上面的連結也是MRA的基本知識及需要看懂這篇文章的一些參考。各位老師點擊斜體字下劃線就能直接轉到相關文章界面。
2.四維血管成像4D MRA
前面用了超聲成像的例子來簡單說明一下2D、3D及4D成像的概念。同理，磁共振成像也是這樣。2D成像就是平面內成像；3D成像就是立體成像或者叫容積（體積）成像；而4D成像就是在3D成像的基礎上增加了時間軸，也就是動態的3D成像，它能夠反映我們觀察的物體在時間軸方面的一個動態變化過程。
相關文章：
磁共振2D和3D掃描序列的區別
我們為什麼要做4D成像呢？其實就和前面舉例子的道理一樣，維度高的成像方式能夠讓我們觀察（得到）更多的信息。
我們大部分影像成像是採用斷面成像的模式，一層一層反映平面內圖像信息，這樣我們診斷醫生要把一個部位的影像信息閱讀完整，需要一層一層的翻閱、瀏覽圖像來進行判斷，這樣不僅時間長，而且比較離散，缺乏整體感，所以這也是為什麼很多臨床醫生不喜歡看一層一層圖像，喜歡看三維重建後的立體圖或者叫VR圖；而隨著影像技術的發展，多排多層薄層容積CT掃描機3D磁共振成像，能夠採集一個容積的圖像信息，特別是薄層高解析度的CT掃描，能夠保證各項同性（高几何保真度），通過MPR（多平面重建），VR（三維容積重建）等技術，得到高解析度立體的圖像及各個方位相同解析度圖像，這樣給影像科醫生及臨床醫生提供更多的信息，而且具有完整性、連貫性及整體感。
4D成像則把在3D成像的模式上，再上升了一個高度。通過高時間解析度的動態掃描（有些專家把它稱為電影掃描），能夠觀察到在一個時間範圍內物體的動態變化。這種方式非常適合於進行血管成像（流入、流出）、運動監測及一些運動功能的掃描。
視頻1：4D打藥MRA，動態反映血管情況
視頻2：飛利浦不打藥4D ASL血管
3.時間解析度 vs 空間解析度
在磁共振的世界裡，時間解析度和空間解析度，自古兩難全。
圖1：磁共振三角
熟悉我前面文章的朋友，一定對這個圖不陌生。我把它叫做磁共振三角。
在信噪比一定的情況下，磁共振成像中，時間解析度和空間解析度是一對相互牽制、相互制約的參數。
我們在進行磁共振成像的時候，需要保持一定的信噪比，否則圖像噪音太大，顆粒大，圖像顯得模糊，就無法觀察。
在信噪比相對一定的情況下， 要提供磁共振圖像的空間解析度，那麼我們就需要把體素做小，矩陣最高。這樣的話，勢必造成掃描時間的增加，那麼時間解析度就會下降。
如果在信噪比一定的情況下，要保證高時間解析度，則需要提高掃描速度及加快圖像採集，我們會採用各種快速採集模式來實現，但是這樣基本上會導致空間解析度的下降。
相關閱讀：
加快磁共振成像的參數匯總--磁共振快速成像技術
所以，磁共振成像，要同時滿足高空間解析度及高時間解析度是一件非常難的事，可以說是魚與熊掌，不可兼得。
要解決這個問題，我們可以從K空間入手。
4.K空間、圖像對比度與掃描時間
K空間是MR原始數據的承載空間。為了便於大家理解，可以點擊下面相關閱讀連結了解K空間的基本知識。
相關閱讀：
了不起的K空間
圖2：K空間示意圖
磁共振在完成對圖像信號的採集以後，還需要對圖像進行重建。最早的磁共振成像，採用的是反投影重建法Back Projection。而現在基本上大部分磁共振成像採用的是快速傅立葉變換法對圖像進行重建。接受的模擬信號經過數字轉換後成為數位訊號被儲存在一個臨時的空間裡，這個空間就被稱為K空間。
當帶有空間定位編碼信息的MR信號原始數據填充完K空間以後，再對K空間的數據進行傅立葉變換（傅立葉逆變換），我們就得到磁共振信號在空間上的頻率分布，即可重建出磁共振圖像來。
要完成完整的成像，我們需要採集（填充）完K空間上的信號數據，這樣的話，磁共振掃描的時間就和K空間的填充相關。
掃描時間=NSA（激勵次數）×相位編碼步級（步數）×TR
這個只是一個粗略的掃描時間公式，當然根據不同序列：是否是3D序列、是否是快速自旋迴波序列、是否會拆分成幾個package等，會略微不同。
磁共振的掃描時間就基本上和NSA，相位編碼步級和TR等參數成正比。
我們要提高時間解析度，就必須縮短掃描時間，那麼就要減少TR、或者減少NSA、或者減少相位編碼步級。
在磁共振血管成像中，大部分序列TR都非常短，而且NSA都是1，所以我們要加快速度就只能從相位編碼步級入手。
K空間一個比較重要的特性就是：K空間中心部分決定圖像對比度；外周部分決定圖像細節（空間解析度）。
圖3-4：K空間特性及圖像特點
對於打藥血管成像，我們最重要的是要知道填充K空間中心部分的時間點和藥物到達目標血管時間點是否重合。
我們能否利用K空間的這種特性來達到即縮短了掃描時間，又保證了血管的對比劑及空間解析度呢？
5.Keyhole技術
圖5：Center填充方式及K空間分區
前面講了K空間的一些特性，即中心部分主要覺得圖像的對比度；周邊部分主要覺得圖像的空間解析度。
那麼我們是否可以把K空間分成兩個部分，即中心部分和周邊部分。
比如，如圖所示，我們要做打藥的動脈成像，我們可以在動脈期時間點優先將採集到的信號填充K空間中心，這樣圖像的對比度就以動脈血管顯示為主；然後等動脈期過後，到達靜脈期或者其他期相，我們在把採集的數據填充周邊，這樣對比度還是以動脈血管為主，但是K空間周邊部分的數據也有採集了，所以空間解析度也能夠保證。我們把這種K空間填充方法叫做CENTER填充，及中心部分優先填充，這種方法能保證在短短的藥物到達動脈期的時候完成對圖像的採集，形成良好的動脈血管成像對比。
圖6：CENTER填充方式的應用
但是，這種速度還遠遠不夠，只能保證能夠把動脈期、門脈期、靜脈期拆分出來（如圖所示，動脈期18s，門靜脈期45s，時間解析度大概是45-18=27s），離實現4D血管成像還不夠。
我們如果要做4D MRA，就必須要保證，時間解析度還得提高，也就是說掃描時間還得加快，那麼這麼辦呢？
既然4D血管成像的時候，是在一邊注射對比劑，一邊採集圖像。圖像的最主要變化是對比度的變化，那麼我們能否只採集K空間中心部分的數據，這樣掃描速度可以飛速的提高，然後在利用平掃或者打藥前掃描的一個完整的目標血管圖像（這個圖像K空間數據採集是完整的，既包含中心部分數據，也包含周邊部分數據），把這個圖像的K空間周邊部分決定解剖細節的數據提取出來，進行組合，那麼我們就得到了不同對比度下，同一個目標血管的不同動態圖像。
這個技術的名字叫做Keyhole，中文翻譯為匙孔技術。我覺得這個翻譯是非常準確和信達雅的。
圖7：匙孔技術示意圖
把K空間分成兩部分，中心決定對比度的區域如同一個孔（鑰匙孔），不同鑰匙開不同的鎖。外面決定解剖細節的區域如同門。不同門的區別就是鑰匙不同。也就是說，同一個目標血管，連續動態電影成像，他們的主要區別是對比度不同，而空間解析度等解剖信息變化不大（只要病人不大移動）。
在使用Keyhole技術中，我們還是需要掃描一個完整的K空間數據圖像，我們把這個圖像叫做參考圖像（Reference Image or Mask），這個圖像由於具有完整的K空間數據，可以給後面的圖像提供周邊的K空間數據信息。
而在做動態4D掃描的時候，我們只需要採集每個動態的K空間中心數據，得到的是一些（一組）低空間解析度高時間解析度的動態圖像。然後，我們把高時間解析度的動態圖像K空間中心數據信息和前面的參考圖像的K空間周邊數據信息相組合，就得到了既滿足高時間解析度又滿足高空間解析度的圖像。
採用匙孔技術為什麼能夠大幅度提高時間解析度呢？
圖8：Keyhole技術大幅度縮短掃描時間
如圖所示，如果我們只採集K空間中心部分，那麼需要的時間是遠遠少於填充完K空間所有部分的。這裡有一個參數叫做Keyhole percentage，也就是填充百分比。如果我們只填充16%的K空間比例（K空間中心部分），那麼掃描速度就提高了100%÷16%≈6，提高了6倍的速度。這樣原來時間解析度為27s的，現在僅僅27÷6＝4.5s。這樣的速度就能保證每2-5s完成整個目標血管掃描，可以進行4D動態掃描。
圖9：頭顱血管4D掃描（4D MRA）
上圖是對一個頭顱血管進行連續掃描（動態掃描），可以清楚的觀察到從動脈流入到靜脈流出的整個過程，實現4D MRA。上面的掃描速度有多快呢？
上面的時間解析度是0.63s。0.63秒什麼概念啊，同志們？就是不到1秒，就完成對整個3D顱腦容積血管的採集一次。為什麼這麼快呢，因為採用了匙孔技術及SENSE技術，加速達到60倍？有人問我60倍是這麼算出來的。
我給大家看看掃描參數。
圖10：4D MRA，0.63s時間解析度
並行採集SENSE給的是8，由於是4D MRA掃描（即3D容積掃描+多動態掃描），可以在兩個方向使用並行採集，即2*4=8倍。這裡就加速了8倍。
然後使用匙孔技術，只採集16%的K空間數據，加速6倍。
再利用半掃描技術，加速1.25倍。
合計：8×6×1.25=60倍。
目前主流的三家公司GPS都有匙孔技術。
飛利浦叫做：4D TRAK；技術升級的叫4D TRAK XD；
GE叫做：TRICKS；
西門子叫做：Tome Resolve MRA。
6.匙孔技術存在的問題及改良
前面講了匙孔技術可以大幅度提高掃描速度，增加時間解析度，保證了4D MRA的可能。但是這種技術也不是完全沒有問題的。
第一個問題是：由於我們需要掃描一個參考圖像及mask圖，那麼選擇什麼時期的mask圖會影響圖像的對比。一般我們可以選擇打藥前的平掃圖像作為mask，也可以選擇打藥最後一期的圖像作為mask。
雖然K空間中心主要決定對比，周邊主要決定解剖細節，但是並不是說周邊的數據就完全對對比度沒有貢獻。
我們發現，在使用Keyhole技術的時候，如果選擇第一期（即平掃）圖像作為mask，後面重建的所有期圖像，都相對血管沒有那麼亮（可能是受第一期K空間周邊數據影響）；如果選擇打藥最後一期圖像作為mask，我們發現重建後的圖像血管都比較亮（包括平掃的圖，血管都有點亮，可能是受最後一期K空間周邊數據影響）。所以，這是一個問題。
第二個問題：雖然採用了Keyhole技術，利用參考圖像的周邊信息來提高後面動態圖像的空間解析度，但是由於後面的動態圖像僅僅只採集K空間中心部分數據，所以，空間解析度相對還是沒有掃描完整的K空間數據高。
如何克服這個問題？
飛利浦採用改良後的4D TRAK序列，即4D TRAK XD。它和前面的4D TRAK有什麼不同呢？
圖11-12：4D TRAK和4D TRAK XD示意圖比較
和4D TRAK不同的是，4D TRAK XD在進行後面的動態採集的時候，也會隨機採集一部分K空間周邊數據。這樣的話，雖然犧牲了一點時間解析度，但是大幅度提高了空間解析度，而且克服了前面第一個問題。
另外，西門子公司有一個技術叫Sygno TWIST。這個序列也是用來做4D MRA的。
圖13：Sygno TWIST示意圖
它利用的原理有點類似於Keyhole，主要是A和B交替的採集，它們可以共享K空間填充的信息。
7.總結
今天給大家簡單介紹了一下磁共振4D MRA序列及Keyhole技術，希望對大家有所幫助。謝謝大家支持。