磁共振成像序列的机理研究

磁共振成像序列的机理研究1/4磁共振成像序列的机理研究【摘要】1946年，人们最初认识了核磁共振（NMR）现象。之后，NMR很快产生了实际用途。随着时间的推移，NMR技术不断发展，其解析分子结构的能力也越来越强。1973年，核磁共振成像技术（MRI）问世并日趋成熟，被人类广泛应用于各个领域，成为一项常规的医学检测手段。近年来，科学家在磁共振成像序列的机理上不断进行探究，并成功扩充磁共振序列库，对推动医学、神经生理学和认知神经科学的发展做出重要贡献，为人类揭示大脑和生命的奥秘奠基。本文主要介绍了几种常用的磁共振成像序列——SE序列、FSE序列、IR序列、GRE序列和三种杂合序列。【关键词】核磁共振成像、序列、磁化矢量、弛豫、RF脉冲【正文】一、磁共振成像的原理及概述处在磁场中的任何含有奇数质子或中子的原子核会吸收与磁场强度成正比的特定频率的电磁波能量而处于受激高能态。当处于受激高能态的原子核回复到初始低能态时，将会辐射出与激励频率相同的电磁波。这一现象被称为核磁共振（NMR），磁共振设备有：MR设备的场强、MR设备的磁体和MR设备的线圈。磁共振成像（MRI）是基于核磁共振（NMR）原理的成像技术。依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，即可得知构成这一物体原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的结构图像。核磁共振成像（MRI）已在物理、化学、医疗、石油化工、考古等方面获得了广泛的应用，极大地推动了医学、神经生理学和认知神经科学的迅速发展。由于氢为磁化最高的原子核，且氢为人体内含量最多的元素，故MRI中目前只应用氢核成像。在自然状态下，质子是无序的，因此它们不显示磁性。利用磁场使质子规范排列后，质子就会形成一个相应的磁化矢量，该磁化矢量方向与外磁场纵轴的方向相同。然而此时形成的磁力与外磁场相比十分微弱，还不能直接应用与成像技术。质子在外磁场中有特定的自旋方式和“进动”的运动方式。而其“进动频率”与外磁场的场强有关，用Lamor方程可表示为00B。根据Lamor方程计算出能使氢质子产生共振的射频脉冲（RF脉冲），并向质子施加特定频率的RF脉冲，质子便会吸收RF脉冲的能量发生跃迁，同时变为处于“同相”的质子，形成一个新的宏观磁化量，即横向磁化矢量。此时的MR信号就可以应用成磁共振成像序列的机理研究2/4像。新建立的横向磁化矢量的消失与原来的纵向磁化矢量的恢复过程称为“弛豫”。其中，纵向弛豫时间称为1T，横向弛豫时间称为2T。弛豫时间为一常数：1T=纵向磁化恢复到原来磁化量63%的时间；2T=横向磁化减少到初始的37%的时间。人体中不同成分的组织和结构的弛豫时间不同，正常组织与该组织中的病变组织之间的弛豫时间也不同，这是MRI用于临床诊断的最主要的物理基础。MR信号与质子密度、T1、T2值、化学位移、相位、运动等因素有关，而这些因素对MR信号的影响收RF脉冲的调节、所用的梯度以及信号采集时刻的控制。因此，MRI成像技术中，有多个成像参数提供丰富的诊断信息，使MRI获得的图像十分清晰精细。且MRI对软组织有较好的分辨力，能够通过调节磁场自由选择所需剖面，对全身各系统疾病的诊断都有很大的价值。二、磁共振成像的序列磁共振成像序列可分为多种：1、自旋回波（SE）序列；2、快速自旋回波（FSE）序列；3、反转恢复（IR）序列；4、梯度回波（GRE）序列；5、杂合序列。（1）自旋回波（SE）序列：SE序列是目前MR成像中最基本、最常用的脉冲序列。SE序列包括单回波SE序列和多回波SE序列。单回波序列的过程是先发射一个90°脉冲，间隔一段时间后再发射一个180°脉冲，此后再经过一段时间间隔就出现了回波，即可测量回波信号的强度。其中，90°RF脉冲至测量回波信号之间的时间称为回波时间（TE）。在实际成像过程中，上述过程需要重复，相邻两个90°RF脉冲之间的时间间隔为重复时间（TR）。因此，SE序列组织的MR信号强度可用Bloch方程表示：2/1/)1)(()(TTETTRSEeeVgHfS从中可知，T1越长或T2越短，则信号越弱；T1越短、T2越长或质子密度越高，则信号越强。成像时通过对TR和TE时间的选择，可获得不同强度的T1、T2和质子密度加权像。1、选用长TR（1500~2500ms）和短TE（10~25ms）可得到质子密度加权像；2、选用长TR（1500~2500ms）和长TE（80~120ms）可得到T2加权像；3、选用短TR（5000ms左右）和短TE（10~25ms）可得到T1加权像。若均选用中等长度的TE和TR，则无法突出对比，从而不适用于医学成像。多回波序列是在施加90°RF脉冲后，每隔特定的时间连续施加多个180°RF脉冲，使磁化矢量产生多个回波。多回波SE序列可显著缩短成像时间，但因为弛豫的作用，相继磁共振成像序列的机理研究3/4产生的回波信号幅度呈指数性衰减，使图像的信噪比降低。SE序列具有组织对比良好、信噪比较高、伪影少、信号变化容易解释等特点。常用于颅脑、骨关节软组织、脊柱等的临床检测与治疗。（2）快速自旋回波（FSE）序列：在SE序列中，T2加权像的产生所需要的扫描时间较长，FSE则解决了这个问题。FSE序列同多回波SE序列一样，是在施加90°RF脉冲后，连续施加多个180°RF脉冲，形成多个自旋回波。不同的则是FSE序列在每个TR时间内获得多个彼此独立的不同相位编码数据，因此可使用较少的脉冲激励及较少的TR周期形成图像，从而缩短扫描时间。根据回波链长度（ETL），FSE序列可分为短回波链、中等长度回波链、长回波链三种。其特点有：快速成像、对磁场不均匀性不敏感、组织对比降低、图像模糊、脂肪组织信号强度增高、组织的T2值延长、能量沉积增加等。（3）反转恢复（IR）序列：IR序列是较早应用的脉冲序列。其RF脉冲激励的顺序与SE序列相反。扫描中，先给一个180°RF脉冲，该脉冲使磁化矢量反转180°，之后磁化矢量依组织的纵向弛豫恢复，经过大约T1的时间后，磁化矢量恢复的量值直接与组织的T1有关，能够有效反应组织的T1差异。但是该信号还不能被测量，需再施加一个人90°RF脉冲，使其出现自由感应衰减信号（FID）。IR序列的信号强度由Bloch方程表示为：2/1/1/)21)(()(TTETTRTTIIReeeVgHfSIR序列有两种信号处理方式：量值重建法和相位敏感重建法。所以，IR序列的信号不仅与所选择的IT、TE和TR有关，还与数据重建方式有关。IR序列可形成重T1加权像，在成像过程中完全排除T2的作用，能精细地显示解剖结构，因而在检测灰白质疾病方面有很大的优势。近年来，以IR序列为基础发展起来的流动衰减反转恢复（FLAIR）序列得到重视。该方法采用长IT和长TE的IRSE序列脉冲，产生液体信号为0的T2加权像，是一种水抑制的成像方法。常用于脑的多发性硬化和脑梗塞等疾病的鉴别诊断，其在癫痫的研究中也越来越受到重视。（4）梯度回波（GRE）序列：GRE序列又称为场回波（FE）序列，具有扫描时间少、磁敏感效应和三维成像的特点。其采用小于90°的射频脉冲激励和小的翻转角，并使用反转梯度取代180°复相脉冲。MR图像信号强度的大小主要由激励脉冲发射时纵向磁化矢量磁共振成像序列的机理研究4/4的大小和纵向磁化矢量翻转到XY平面的横向磁化矢量的大小决定。GRE图像的对比主要依赖于激发脉冲的翻转角，TR和TE三个因素。在三个因素中，翻转角是主要的决定因素。GRE序列虽采用小于90°的射频脉冲激励，但小角度脉冲的纵向磁化矢量变化较小，使发射前的纵向磁化矢量接近于完全恢复，能形成较大的稳态纵向细化矢量，故能产生较强的MR信号，明显缩短成像时间而又具有较高的图像信噪比。由于GRE序列不使用180°RF脉冲，可减少被检者体内的能量堆积，对被检者有利。目前，GRE已被广发应用在上中腹部脏器检查、血管检查、心脏成像、关节软骨成像、胆系成像中，是目前MR快速扫描序列中最为成熟的方法。（5）杂合序列：①梯度自旋回波（GSE）序列：GSE序列是由SE序列和GRE序列组合而成的快速成像序列，又被称为GRASE。该序列恢复了类似自旋回波的磁敏感性特点，又缩短了扫描时间。GRASE的一次激发中包含几个自旋回波，每个自旋回波中又包含了一系列梯度回波。一般情况下，GRASE中所有自旋回波包络叫做快速因子TF，将一个自旋回波包络所笼罩的梯度回波数叫做EPI因子EF。TF和EF都是GRASE的参数。从广义上讲，TSE和EPI都属于GRASE序列。但在通常情况下，只有TF≠1和EF≠1的序列称为GRASE。当EF=1时，GRASE称为TSE序列；而当TF=1时，GRASE被称为EPI序列。因此，三种序列之间就可以相互转换，GRASE在序列的选择上具有很大的灵活性。②TIR、TIRM序列：TIR、TIRM序列是在快速自旋回波序列前加一个180°准备脉冲组合成的新序列。该序列的工作原理与标注IR序列相似，并具有抑制脂肪信号的作用。如果在射频激励开始时液体纵向磁化的弛豫曲线正好经过零线，就可以抑制水信号。TIR、TIRM序列对观察脑室周围的病变有重大意义，通过对液体信号的压制，脑室周围的高密度病变以及周边的充水结构都能清楚显示。③STEAM序列：STEAM序列是利用激发回波来取得信号的快速成像序列。STEAM序列采用3个RF脉冲：两个90°脉冲及一组紧随其后的小角度射频脉冲串。采样时，STEAM对每个回波信号分别进行相位编码。STEAM序列能够克服磁场非均匀性的影响，且其图像不受运动伪影的干扰，还可以运用在扩散成像场合中。然而STEAM对脂肪或蛋白质等短T1组织的成像比较困难，最大信号幅度小，信噪比不高。磁共振成像序列的机理研究5/4三、未来展望科学家对生命的探究从未停息，人脑的思维方式一直是一个谜。借助MRI技术在脑功能成像方面的发展，有助于人类破译大脑之谜。利用脑功能成像技术研究脑的功能及发生机制是脑科学中最重要的课题。MRI血流成像技术、MRI波谱分析又帮助人类了解生命体的构造。因此，我们没有理由不相信：未来的MRI将成为思维阅读器，将在揭示生命的奥秘这一课题上将发挥更大的作用。【参考文献】1、杨正汉——MRI常用序列及其应用2、万遂人——神奇的医学成像技术3、百度百科——核磁共振成像4、《电磁生物效应》北京邮电大学出版社，刘亚宁主编5、《世界医疗器械》1999年4月6、赵喜平、郑崇勋——快速磁共振成像序列及其应用