血氧水平依赖（blood oxygen level dependent，BOLD）功能MR成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）技术采用T2^*WI序列检测神经代谢引起的脱氧血红蛋白浓度的变化，是目前被广泛应用于考察人类大脑认知状态的重要工具之一^[1,2,3,4]。fMRI采集有两点要求^[5]：（1）为了避免扫描过程中头动产生的Bold对比差异混淆真正的激活，在权衡信噪比、扫描范围、时空分辨率的条件下，每个时间点的采集时间要尽可能地短；（2）由磁敏感性差异诱发的场梯度（susceptibility-induced field gradients，SFGs）导致的局部共振频率偏移会造成几何畸变，鬼影以及信号衰减，特别是在与含气腔隙邻近的脑区。由于这些效应会随着读出持续时间的增长而加剧，因此fMRI采集的第二点要求是每幅图像数据的采集时间要尽可能短，即读出持续时间要短。平面回波成像^[3] （echo planar imaging，EPI）和螺旋成像^[6] (spiral imaging)都能够在一次激励中覆盖整个k空间，满足第一点要求。然而，由于Spiral比EPI更高效地利用梯度场，其读出持续时间短，它更能满足fMRI采集的第二点要求。

       笔者首先分别介绍EPI和Spiral成像方法，然后剖析两种方法的不同之处，重点指出Spiral相对于EPI的优势。之后，阐述内、外螺旋（spiral-in/out）方法在减少磁敏感性脑区的信号衰减以及变化密度螺旋（variable density spiral，VDS）在高分辨率fMRI中的应用价值。最后，我们对Spiral应用于人脑认知功能研究的可行性和重要性进行综合论述。

1　EPI

       目前大多数功能MR成像数据采用单次激发平面回波成像来最小化头动诱发的伪迹，其k空间轨迹和脉冲序列如图1（左）所示。沿相位编码方向（Ky），这个轨迹用方向交替的线条填充笛卡尔k空间。EPI有三点不足^[5,7,8]：(1)读出持续时间长。一方面，EPI需要在每条Kx线（频率编码或读出方向）的终点转弯；另一方面，与Gx梯度相比，Gy梯度的贡献可以忽略不计，即在k空间的填充过程中，只有一个梯度轴Gx是活跃的；(2) k空间的填充速度高度不对称（图2）。获取每条Kx线的时间大约为0. 5 ms，即频率方向编码的带宽大约为2000 Hz/pixel，而同等的相位方向编码的带宽仅为大约30 Hz/pixel。因此，在相位编码方向上，30 Hz的共振频率偏离就可以导致一个像素的位移；(3)固有受到奈奎斯特（Nyquist）鬼影的影响。k空间的奇数线和偶数线是在正负两种不同的频率编码梯度上采集的，由于梯度缺陷（如梯度涡流、化学位移以及B0场的多相性），不同梯度下读出的数据并不完全一致，即Kx读出中心会不对称，由于读出方向每隔一条线就变化一次，因此表现为在相位编码方向上偏离实际图像视野一半的地方出现与图像原始内容相同的鬼影。

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图1  EPI（左） Spiral（右）的脉冲序列和k空间轨迹
Fig. 1  Pulse sequence diagrams and k-space trajectory for EPI (left), Spiral (right).

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图2  EPI图像相位编码方向R/L.在转换频率和相位编码方向时，EPI轨迹填充速度的不对称性明显表现出来，SFGs在相位编码方向造成严重几何畸变
Fig. 2  EPI images with phase encoding direction R/L. The asymmetry of the EPI trajectory’s speed of traversal is well-exposed when swapping the phase and frequency encoding directions, with SFGs causing serious geometric distortion along the phase encoding direction.

2　Spiral

       与EPI一样，Spiral也能在一次激发中覆盖整个k空间。Spiral轨迹的通用表达式^[9]可以被写作：

       式中k (τ)是轨迹在k空间的复数位置，n为螺旋的匝数，λ=N/(2×FOV)，N为矩阵大小。α决定采样密度变化，α=1对应均匀密度螺旋，α越大，k空间中心采样密度越大。τ是时间函数，决定螺旋线轨迹的形状，其设计在磁场爬升过程中受硬件以及外周神经刺激允许的最大磁场梯度爬升率的约束，随后在梯度达到硬件允许的最大幅度后，受硬件允许的最大磁场梯度幅度的约束。常规的螺旋轨迹采用阿基米德螺旋设计^[10]，螺旋线之间的距离恒定(α=1)，如图1（右）所示。VDS(α>1)以不同密度采样k空间中心地带和边缘地带，可以减少读出持续时间，减少欠采样条件下的混叠伪影^[11]，减少头动伪影^[12]。此外，Spiral轨迹既可以从k空间的起始点向外周盘旋（spiral-out），也可以由外周向k空间起始点盘旋（spiral-in）。

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3　EPI与Spiral的两个重要差异

       EPI与Spiral的差异主要体现在两点^{[5, 13]}：(1) Spiral的读出持续时间比EPI短。Spiral采用Gx和Gy两个梯度轴来驱动轨迹（与EPI几乎只利用GX轴不同），并且不采集k空间的拐角信息，这缩短Spiral序列的读出持续时间，减少了共振频率偏离诱发的几何畸变以及磁敏感性差异造成的信号衰减。此外，Spiral轨迹在Gx和Gy上的填充速度是对称的，磁敏感性效应造成的是模糊，而不是体素的错位。而且，由于螺旋轨迹读出时间短，这种模糊伪迹远没有EPI的几何畸变那么严重。(2) Spiral对运动的敏感性低。自旋子在读出期间的移动会造成相位误差，误差的积累随梯度力矩、自旋子速度、加速度的增大而增加。并且，如果梯度力矩为零，累积相位就不受自旋子的位置、速度和加速度的影响。取决于读出相对于头动的时间，这种相位误差可以导致多种图像伪迹，在时间序列中引入额外的噪声。对于EPI来说，k空间的起始点，即回波时间(TE)位于读出的中间。尽管所有的力矩在初始点的时候都为零，但是，只要稍微远离初始点，它们就迅速增长。相反，对于Spiral来说，k空间的起始点位于读出的起始点，在围绕起始点的一个相对较大的半径内，所有的力矩都保持很低，因此它对头动的敏感性低。并且，由于Spiral的梯度波形为正弦波，相同的正负值成周期性变化，在一定程度上抵消相位误差。

       Spiral-out潜在不如EPI的地方在于它的读出开始于TE，所有的高频率成分都在读出的后期采集，这会造成磁敏感性脑区的信号丢失^[14,15]，因为这些区域的有效T2^*短于TE。通常情况下，单次激发EPI在TE的两端各采集一半k空间数据，读出末端丢失的高频信息可以被开始阶段的增强成分部分地补偿，尽管其总读出持续时间较Spiral长。单纯缩短TE可以减少信号丢失，但同时也会降低BOLD信号的敏感性。Glover等^[14]尝试反转Spiral-out，采用Spiral-in方法来解决这个问题。下面，我们将详细论述Spiral in以及结合Spiral-in和Spiral-out的Spiral-in/out方法在同时增加信噪比和减少磁敏感性脑区信号丢失上的应用。

4　Spiral在人脑认知功能研究中的两个重要应用

       Spiral-in/out与磁敏感性脑区映像。认知神经科学研究的多个领域，如语言、情感、学习记忆、嗅觉、物体视觉等都涉及磁敏感性脑区。以我们关注的在物体视觉加工中有重要作用的腹侧枕颞叶皮层（ventral occipital temporal cortex，VOT）为例。一方面，该区前部位于颞叶腹侧部分，靠近听管，听管和脑组织之间的磁敏感性有显著差异；另一方面，该区表面有一条大静脉（横窦）经过。它穿过接近hV4视网膜拓扑映射图的区域，向前延伸到颞叶前部，在常规3 mm体素的时候，这条静脉窦产生的伪迹很明显^[16,17]，这两方面原因限制了我们从VOT前区获得可靠信号（图3）。如何减少磁敏感性脑区的信号丢失，提高感兴趣区的信噪比是迫切需要解决的问题。

       要想获得最佳的BOLD对比，TE值应该与局部脑组织的T2^*时间相当。但是由于磁敏感性的差异造成各个脑区灰质的T2^*时间是不同的，非磁敏感性脑区灰质的T2^*值大约在60 ms，而磁敏性脑区灰质的T2^*会减小到小于30 ms。尽管Spiral比EPI在读出持续时间和头动敏感性上有优势，但采用常规Spiral-out方法，外侧和内侧前额，杏仁核，内侧颞叶等磁敏感性脑区还是会出现明显的信号丢失^[15]。这是由于大脑皮质区通常只占FOV很小一部分，激活区的k空间表征范围大，高空间频率对它们的刻画非常重要。然而，Spiral-out的读出开始于TE，从k空间中心开始向外周盘旋直到达到指定分辨率所需要的最大半径，其所有的高空间频率成分都在读出后期采集的，在有效的T2^*比TE短时，磁敏感区域的高频成分就会减少，造成信号丢失。Spiral-in方法可以用来解决这个问题。它开始于k空间的最大半径，向里盘旋，在TE的时候到达k空间的中心，由于轨迹的整个采集窗口发生在TE之前，因此它可以增加高空间频率信号，显著地减少磁敏感性脑区的信号衰减。实验结果表明，在前额—框回，Spiral in的激活体积明显大于Spiral-out^[14]。

       然而，单独的Spiral in方法不足以替代Spiral-out。在许多情况下，Spiral-in在磁场均匀性脑区的BOLD敏感性比Spiral-out低，原因在于其有效的回波时间短。对于一个呈指数衰减的横向磁化过程，BOLD敏感性与回波时间是成正比。尽管Spiral-in和Spiral-out获取低空间频率的时间几乎相同，但两者获取k空间其余数据的时间不同，Spiral-in在小于TE的时候获取，Spiral-out在大于TE的时候获取。由于高空间频率对定义激活区有重要作用，因此，Spiral-in在磁场均匀性脑区的BOLD敏感性比Spiral-out低。研究者进一步发现，在不增加扫描时间的前提下，在Spiral-in采集结束后，立即施加一个Spiral-out读出，在后处理中将这两组图像通过加权平均的方式合并起来^[18]，不但可以减少磁敏感性脑区的信号衰减，还可以进一步增加磁场均匀性脑区的信噪比。Glover等^[14]的研究显示Spiral-in/out在磁场均匀性脑区的信噪比是Spiral-out的1.3倍。Preston等^[15]对比Spiral-in/out和Spiral-out在两种场强（1.5 T和3.0 T），三种任务中（情景记忆编码，言语工作记忆，情感加工任务）的表现，发现Spiral-in/out在前额、杏仁核以及内侧颞叶区域的信号丢失都要比Spiral-out小，这种差异在3T比在1.5 T上更明显^[15]。

       VDS与高空间分辨率映像。目前，高空间分辨率功能MR成像越来越受到关注，其原因是一些认知神经科学问题的回答依赖于功能结构的细致空间映像。例如，我们的研究都发现梭状回面孔选择区（fusiform face area，FFA）不只对面孔反应，对其他类别刺激有不同程度的反应^[19]。那么，FFA表现出来的这种属性是部分容积效应引起的吗，即FFA与其他邻近功能区混淆在一起。如果不是，FFA内在的功能组织又是怎样的？有可能是FFA当中包含多种类型的神经元群落（对面孔反应的神经元群落，也包含对其他类别刺激反应的群落），还有可能是FFA中的所有神经元群落都具有对多种刺激进行反应的属性。高空间分辨率fMRI（小于2 mm³）有利于帮助我们回答这个问题。首先，它可以在较高精度上对大脑皮层进行映像，区分常规分辨率中有可能被平均起来的来自于不同功能单元的反应（减少部分容积效应）；其次，尽管分辨率提高会减少磁敏感性均匀脑区的信噪比，但是它却能够增加磁敏感性脑区的信噪比。然而，高分辨fMRI需要更长的读出来覆盖k空间更大的面积，对于单次激发Spiral来说，如果在其他扫描参数保持不变的情况下，将矩阵从64×64变为128×128，相应的读出持续时间将会从20~30 ms延长至60 ms（与之相比，EPI的读出时间更长），这时头动和共振频率偏移效应产生的伪迹会严重地影像图像质量。尽管多次激发，部分k空间，并行成像方法可以用来缩短读出持续时间，但是它们都牺牲了信噪比。例如，两次激发Spiral的读出时间大约为29 ms，但由于总共的数据采集时间减少了大约一半，其时间信噪比会降低。因此，如何在保持高信噪比的同时实现高分辨率是一项关键技术。脑图像的波谱能量集中于k空间的中心，向外缘迅速衰减，那么如果适当地欠采样高空间频率，则可以在对冲击反应函数影响不大的情况下缩短读出持续时间。基于这个原理，Chang等^[20]提出了一种变化密度螺旋采集方案，用来提高单次激发高分辨率fMRI效率。这种方法首先采用阿基米德螺旋采样从k空间中心到某个指定半径间的部分（指定半径为最大k空间半径百分数），然后采用一个恰当的、采样密度随着k空间半径增加而减小的变化密度螺旋欠采样从这个指定半径到最大k空间半径间的部分。将该方案应用于Spiral-in/out序列，研究者对比了单次激发变化密度螺旋和双次激发阿基米德螺旋获取高分辨率（同层面1.72 mm×1.72 mm）数据的成绩，他们发现在同样的覆盖范围和扫描时间下，变密度螺旋中的激活体积更大，时间效率更高，伪迹更少（图4）。

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图3  一些物体视觉功能区临近信号衰减区（红色、深蓝色、天蓝色分别指代对面孔、文字、情景反应高的区域）
Fig. 3  Certain functional regions involved in object vision lie in the vicinity of the signal dropout region (red, dark blue, light blue corresponds to regions with higher responses to faces, to words and to scenes respectively).

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图4  Spiral-in/out序列
Fig. 4  Pulse sequence diagrams for Spiral-in/out.

5　讨论

       Spiral是在早期1.5 T机器的梯度性能（10 mT/m，20 mT/m/s）不能够满足单次激发EPI的背景下开发的。后来，随着梯度系统性能的提高，EPI得到了广泛应用，而Spiral则只被少数实验室继续使用。其原因主要是由于Spiral的实施比EPI复杂得多^{[5, 13, 21]}。主要体现在三点：(1) Spiral同时在两个轴爬升率的极限驱动读出，相位误差将在两个梯度方向积累，由硬件缺陷或涡流矫正不好诱发的靶k空间轨迹的偏离会导致的严重的模糊图像伪迹。(2)因为没有在笛卡尔坐标上采样，图像的重建不能直接采用快速傅里叶变换（FFT，fast flourier transformation），而需要把k空间上的点插值到笛卡尔空间上。在频率领域进行差值意味着把数据和一个核函数之间卷积，因此图像重建需要更长的时间。(3)笛卡尔采集通常用并行成像来加速，而Spiral的并行成像不容易实现，没有并行成像，Spiral轨迹比EPI快的优势就体现不出来。然而，目前随着高效、鲁棒的测量真实轨迹，矫正相位误差积累，以及非笛卡尔并行成像方法的发展，以往阻碍Spiral应用的因素正在减少，了解Spiral相对于EPI的优势，可以帮助我们为自己的研究问题选择最佳的成像方法。

       相比起EPI，Spiral读出持续时间短，对运动敏感性低，其环形采样造成的模糊伪迹没有EPI造成的几何畸变严重。而且，在常规Spiral-out前引入Spiral-in成分可以显著地减少磁敏感性脑区的信号丢失，因为Spiral-in的采集窗口发生在TE之前，可以填补短T2^*成分的信号。此外，在后处理中将In和Out两幅图像加权平均成为一幅图像可以在不增加总体扫描时间的基础上进一步增加磁均匀性脑区的信噪比。尽管磁敏感性的问题普遍存在，但是大多数研究都没有采用有针对性的扫描方案来解决它，Spiral-in/out为从这些脑区获得可靠信号提供了一种解决方案。变化密度螺旋通过用非阿基米德轨迹欠采样k空间的高空间频率来减少读出持续时间，实现单次激发Spiral的高分辨率成像。把这项技术与基于时空信息的多元模式分析方法结合起来，可以在精细的空间水平上揭示大脑功能区的信息表征本质，进而在单细胞记录得到的微观脑功能和常规fMRI得到的宏观脑功能之间建立桥梁，促成对人类大脑功能的统一认知。