GRASP-自由呼吸腹盆部DCE-MR的挑战
GRASP: Tackling the Challenges of Abdominopelvic DCE-MRI
GRASP: Golden-angle RAdial Sparse Paralled
黄金角径向稀疏并行采样
对各大厂家的高级序列接触太少，很多技术都只是知道个名字。最近对GRASP技术做了一些简单整理，相信看完后对GRASP将不再那么陌生。
1 临床背景
在此之前，如果碰到了屏气能力有限或者根本不能遵循呼吸指令的患者，如痴呆症、听力障碍、儿童以及重症患者等来做磁共振肝脏增强扫描时，你会怎么办？具体会如何可能还是得看临床实际情况。但可以确定的是——这类患者我们无法获得一个好的动态增强扫描图像。原因很简单，这类患者无法屏气。传统的动态增强扫描技术笛卡尔采样对运动伪影高度敏感，因此我们必须要求患者进行屏气才能获得良好的没有呼吸伪影的图像。
当然，呼吸伪影这个问题可以通过使用非笛卡尔采样技术来改善，例如径向k空间采样。
径向k空间采样技术，如Radial VIBE或StarVIBE序列早已用于临床，并证实了可以用于腹部自由呼吸成像。然而，径向k空间采样技术的高度运动不敏感性是以降低扫描效率为代价的。一般来说单个全肝容积扫描时间约为60秒，因此腹部自由呼吸径向k空间采样技术对于腹部动态扫描来说时间太长，我们无法将增强的动脉期和静脉期分开。
↑如图：6A展示的是一个76岁的晚期肝硬化患者GRASP-VIBE扫描的图像，对比之前的检查（6B；70岁时）显示门脉和再通的脐静脉的情况要好得多。尽管患者年龄增加了6岁，但对比之前（6B；70岁时）的图像除了图像质量的提高，GRASP还获得了三个很好的动脉期。资料【2】中并未明确6B图是StarVIBE序列扫描，我仅根据自己对西门子序列的浅薄认识猜测可能是StarVIBE的图像。
因此，在这之前对于一个不能屏气的患者我们是无法获得一个好的肝脏动态增强图像的。
2 应对策略：GRASP-VIBE
那什么是GRASP？
应用在腹部是自由呼吸动态增强扫描，GRASP-VIBE: 英文全称Golden-angle RAdial Sparse Paralled黄金角径向稀疏并行采样，这个名字基本上就涵盖了该技术所有的核心技术。VIBE即volumetric interpolated breath-hold examination容积内插屏气扫描，用西门子的老司机都知道。
该技术从2007年就被提出一直到现在，如今已并非一家独有（此时间是本人仅从了解到的很少的文献资料获得【4】，可能更早）。
联影：uFreeR
GE：HYDER-DISCO
飞利浦：3D Vane XD
简单来说，GRASP-VIBE就是一种能够让受检者在自由呼吸无需屏气的状态下进行上腹部动态增强扫描的技术。GRASP与其他序列的核心区别在于——注射造影剂的同时，在整个检查过程中持续采样数据，而不是传统扫描方式的要求患者屏住气后仅对所需的几个时间点进行单独采样。然后使用迭代重建从连续获取的数据中计算提取所需时间点的图像集。
↑机器界面GRASP工作流。
传统动态增强扫描与GRASP扫描方式对比：
↑如图展示的是传统的腹部动态增强扫描方式。注射造影剂后我们需要大概计算每个人的循环时间，这个时间根据不同患者的心功能、不同注射部位等等很多因素都不一样。然后获取我们所需要的特点时间点的动脉期、静脉期及延迟期图像。此外还需患者屏气。
↑如图展示的是GRASP用于腹部DCE-MR扫描方式。由于采用了k空间的径向采样，因此可以在自由呼吸状态下注射造影剂后获取连续的动态数据。使用迭代重建从连续数据计算图像，可以回顾性地选择所需的时间点和时间分辨率。这避免了循环时间估计错误的可能性，并极大简化了工作流程。
3 GRASP-VIBE简单原理
GRASP结合了不同的MR扫描加速概念，这些概念在以前被描述为单独的技术。前面我们知道了GRASP-VIBE的英文全称：Golden-angle RAdial Sparse Paralled黄金角径向稀疏并行采样。
Golden-angle radial
前面我们提到了径向K空间采样，比如StarVIBE。StarVIBE是3D序列，它在kx-ky平面内使用径向采样，同时在kz方向使用笛卡尔采样。此方式可以形象的称之为星栈（SOS：Stack of Stars）。
图1：Stack of Stars
GRASP-VIBE与StarVIBE同样是径向采样，因此可以最大程度的抑制运动伪影。GRASP-VIBE与StarVIBE的一个不同之处是它在kx-ky平面内使用Golden-angle黄金角径向采样。GRASP的数据采样基于径向黄金角排序方式，该方案最初由Winkelmann等人提出【4】。当以111.25度的恒定角增量获取径向数据时（称为“黄金角”，因为它对应于180度乘以黄金比0.618），黄金角采样方案能够确保连续采样的径向辐条总是能把剩下的“蛋糕”切分成最大的两部分（如图1），也就是任意数目的辐条群近似均匀地覆盖k空间，特别是如果该数量属于斐波那契级数（定义为F（k+2）=F（k）+F（k+1），其中k≥ 0和F（0）=0和F（1）=1，例如1,2,3,5,8,13,21,34，…）（此处纯搬运，感兴趣可以看文末参考文献【1】，老外的文章解释的真是详细）。这意味着，如果在一段时间内连续获取数据，则可以将任意数量的连续获取的辐条组合成单独的图像（例如，较多的144辐条用于低时间分辨率重建，或者较少的21辐条用于高时间分辨率重建）（见图2）。此外，重建窗口可以放置在扫描的任何时间点。换言之，可以回顾性地决定应该重建哪个时间分辨率和哪个时间点。
图2：上排是点扩散函数和下排Shepp-Logan体模的相应重建对比，展示了具有402,64和仅24不同辐条数（基本分辨率256像素）的径向填充轨迹获得的图像效果对比。
Sparse Paralled
当我们仅将很少的辐条分组到每个图像中以追求更高的时间分辨率时，如DCE-MRI中分离增强期相，每个时间点的可用数据很不完整，即采样不足。对于径向序列，这意味着图像将受到严重的“条纹”伪影影响，从而导致图像诊断不可用（如图2所示）。因此，GRASP实际上还应用了两种已知的技术来抑制这种影响并从欠采样数据中获得没有伪影的图像：压缩感知【5】和并行成像Paralled【6】。有了这两种MR加速技术的协同结合，才使得GRASP能够补偿径向采样的较低扫描效率，并且比大多数常规DCE-MRI技术实现更高的时间分辨率。当然，关键的优势在于前面所述工作流程上的简化。
Sparse
即稀疏变换迭代重建。那什么是稀疏？简单来说就是当图像的信息可以被尽可能少的数据点反映时，我们认为该图像是稀疏的。在磁共振中，稀疏性最好的例子是我们熟知的TOF，白色的血管和黑色的背景。尽管背景通常并不完全是黑色，但就算我们把这些黑色背景的数据全部去除也不会丢失很重要的信息。
关于这个可以看一下我翻译的这个视频：↓
Paralled
即并行成像技术，如GRAPPA。该技术相信很多人都有了解，不搬运了。公众号【智能影像F空间】的视频：又快又稳，主任看了直呼哇塞！——压缩感知网红序列讲解（文末附有视频）对该技术是如何与CS结合的作了比较详细的解说。那一长串的公式表示看不懂
。
4 GRASP的临床应用展示
对该技术了解尚浅，这里主要展示GRASP在腹部的应用。
GRASP应用非常广泛，基于本人对很少文献了解的局限性，除了心脏暂未看到有应用，其他部位均可应用。
↑左边图4A是时间分辨率为7s获得的GRASP图像，可以看到有三个不错的动脉期（黄色矩形）；右边图4B两列显示的是同一患者以前使用CAIPIRINHA 4 VIBE获得的标准单动脉期Aera上扫描的图像（黄色框）。另外，对比两组图可以明显看到4A图皮下脂肪抑制是不如4B的，因为GRASP用的是fs压脂，而4B是DIXON。
↑5A：自由呼吸GRASP和5B：屏气CAIPIRINHIA 4 VIBE，为同一年轻且配合良好的患者相隔一年时间检查的两组图像。都获得了很好的动脉期，但是GRASP具有更高的时间分辨率，如图黄色小圆圈展示的是动脉期01和动脉期03为了对照还省略了一组动脉期02。这给我们的启示是：GRASP-VIBE并不是简单地保证了动态增强信息，实际上还极大的提高了时间分辨率。
↑肝血管瘤典型充盈（箭头）；自由呼吸状态下，时间分辨率7秒，层厚3毫米。系统自动检测造影剂并标记相应期相。为了方便和减少数据组，设置了一个简化的带有标注期相的数据集（右侧的图像序列向下滚动菜单），可以单独将某期发送到PACS。
↑前列腺应用
↑克罗恩病
↑上排2DGRE下排GRASP，展示了GRASP的超高时间和图像分辨率。
GRASP喉部应用：
GRASP其他部位应用：
5 GRASP-VIBE腹部应用需要注意什么？
尽管GRASP从开发到现在已经超过十年的历程，但目前来说还并不是所有患者都能获得满意图像的。临床显示，自由呼吸腹部GRASP扫描在大多数患者中效果都不错，结果令人信服满意，但在一定比例的患者中图像质量任不理想。
原因是一些患者在注射造影剂的瞬间进行深呼吸，可能是因为他们对注射的突然开始和由此产生的感觉感到惊讶。有些病人甚至开始咳嗽，使肝脏和邻近器官在造影剂初始循环过程中迅速上下移动达10厘米。GRASP对中等运动的处理相对较好，但如果每个时间点的数据由于运动状态的巨大变化而受到影响，则会获得较差的图像质量。例如，如果在50%的辐条期间，肝脏处于呼气末位置，而在另50%的数据处于吸气末位置，GRASP就不能找到与这两种运动状态一致的重建。结果，图像显示运动模糊和条纹伪影。
↑一例患者在注射造影剂后深呼吸的肝脏GRASP检查。由于剧烈运动而导致的采集数据的不一致，正常GRASP重建（7A）图像受条纹伪影和运动伪影（箭头）的影响。当使用运动补偿XD-GRASP（7B）时，这些伪影明显减少。
尽管如此我们还是有办法解决这个问题。比如，通过把呼吸状态作为额外维度加入到图像重建，从而在重建图像时冻结呼吸【8】。这种扩展的方法，我们称之为XD-GRASP，目前仍在积极研发中。但是，可以看到的是随着未来更为复杂的运算和重建技术的发展，我们相信，运动补偿XD-GRASP将取得更大的进步，以实现无论患者的配合和操作员的技术水平如何，我们都能够为每个患者和每个影像中心提供100%可靠的图像。
End…
最后，GRASP极大的简化了我们的工作流程。
但是实际上该技术发展至今经历了无数的难题，比如数据计算量大（连续采集的数据量每次扫描可达10GB）而导致不能进行下个患者扫描的问题；还有因为黄金角每次旋转角度较大，需要很快的变换梯度场而导致涡流伪影的问题，于是后来又提出了“微小黄金角”或称伪黄金角Pseudo Golden Angle的概念，Pseudo Golden Angle可以使辐条分布更加均匀（如下图所示）；当然肯定还有更多的我们未了解到的技术难题。尽管如此，这项技术还是很好的落地临床并得到临床验证。这让我深刻感受到一项技术的开发到应用实属不易。
↑黄金角和伪黄金角的区别。黄金角采样间隔为固定的大约111.25°，这会导致每条径向线之间产生细微差别（*和#）；而伪金角技术在这个角度上进行了优化微调，使每一条径向线在一段时间内分布更加均匀（*）。图片来自【7】
希望未来我们能学好并用好该技术！
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实际上公众号【智能影像F空间】很早就对该技术作了非常详细的介绍，而且是以视频的方式呈现非常直观精练。视频做的太好了。
参考文献：
【1】Li Feng,1,2 Robert Grimm,3 Kai Tobias Block,1 Hersh Chandarana,1 Sungheon Kim,1,2 Jian Xu,4 Leon Axel,1,2 Daniel K. Sodickson,1,2 and Ricardo Otazo1,2.Golden-Angle Radial Sparse Parallel MRI: Combination of Compressed Sensing, Parallel Imaging, and Golden-Angle Radial Sampling for Fast and Flexible Dynamic Volumetric MRI
【2】Johan Dehem, M.D.VZW Jan Yperman, Ypres, Belgium.Fast, Standardized, and Robust Imaging with BioMatrix and Compressed Sensing GRASP-VIBE.[MAGNETOM Flash (71) 2/2018]
【3】Kai Tobias Block1; Li Feng1; Robert Grimm2; Hersh Chandarana1; Ricardo Otazo1; Christian Geppert2; Daniel K. Sodickson1.GRASP: Tackling the Challenges of Abdominopelvic DCE-MRI.1 Department of Radiology, NYU Langone Medical Center, New York, NY, USA 2 Siemens Healthcare, Erlangen, Germany [MAGNETOM Flash (60) 5/2014]
【4】An optimal radial profile order based on the Golden Ratio for time resolved MRI.[IEEE Trans Med Imaging. 2007 Jan;26(1):68-76.]
【5】Lustig M, Donoho D, Pauly JM. Sparse MRI: The application of
compressed sensing for rapid MR imaging. Magn Reson Med. 2007 Dec;58(6):1182-1195.
【6】Pruessmann KP, Weiger M, B?rnert P, Boesiger P. Advances in sensitivity encoding with arbitrary k-space trajectories. Magn Reson Med. 2001 Oct;46(4):638-651.
【7】Kimihiro Kajita1, Satoshi Goshima1*, Thin-slice Free-breathing Pseudo-golden-angle Radial Stack-of-stars with Gating and Tracking T1-weighted Acquisition: An Efficient Gadoxetic Acid-enhanced Hepatobiliary-phase Imaging Alternative for Patients with Unstable Breath Holding
【8】Feng L, Liu J, Block KT, Xu J, Axel L, Sodickson DK, Otazo R. Compressed Sensing Reconstruction with an Additional Respiratory-Phase Dimension for Free-Breathing Imaging. In Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 21 (2013): 606.