MRI脉冲序列及其临床应用

MRI脉冲序列及其临床应用武警辽宁省总队医院脑系科马明第一节脉冲序列的基本概念和分类一、脉冲序列的基本概念在第一章第十节已经介绍过，影响磁共振信号强度的因素是多种多样的，如组织的质子密度、T1值、T2值、化学位移、液体流动、水分子扩散运动等都将影响其信号强度，如果所有的影响因素掺杂在一起，我们通过图像的信号强度分析很难确定到底是何种因素造成的信号强度改变，这显然对于诊断非常不利。我们可以调整成像参数，来确定何种因素对于组织的信号强度及图像的对比起决定性作用。实际上我们可以调整的成像参数主要是射频脉冲、梯度场及信号采集时刻。射频脉冲的调整包括带宽（频率范围）、幅度（强度）、何时施加及持续时间等；梯度场的调整包括梯度场施加方向、梯度场场强、何时施加及持续时间等。我们把射频脉冲、梯度场和信号采集时刻等相关各参数的设置及其在时序上的排列称为MRI的脉冲序列（pulsesequence）。由于MR成像可调整的参数很多，对某一参数进行不同的调整将得到不同成像效果，这就使得MR成像脉冲序列变得非常复杂，同时也设计出种类繁多的各种成像脉冲序列，可供用户根据不同的需要进行选择。而对于用户来说，也需要深刻理解各种成像序列，特别是常用脉冲序列，才能在临床应用中合理选择脉冲序列，并正确调整成像参数。二、脉冲序列的基本构建一般的脉冲序列由五个部分构成，即射频脉冲、层面选择梯度场、相位编码梯度场、频率编码梯度场及MR信号。在MRI射频脉冲结构示意图中，这五部分一般以从上往下的顺序排列，每一部分在时序上的先后和作用时间一般是从左到右排列的。我们以SE序列为例来介绍脉冲序列的基本构建（图27）。图27所示为SE序列的基本构建。其他脉冲序列的基本构建也有上述五个部分组成，只是所给的参数及其在时序上的排列有所变化而已。在本章后面各节讲述MRI脉冲序列时，为了简便起见，在序列结构示意图中并不一定把上述五个基本构建全部标出。上述脉冲序列的基本构建还可以简化成两个部分，即自旋准备和信号产生（图28）。所谓的自旋准备就是利用梯度场匹配进行的射频脉冲激发，在需要成像的区域产生宏观横向磁化矢量的过程，也可在这个阶段对某些组织信号进行选择性抑制。而信号产生是指生成MR信号（可以是FID、自旋回波或梯度回波）并对信号进行空间编码的过程。信号产生后由接受线圈采集，经过傅里叶转换即可重建出MR图像。图27SE脉冲序列的基本构建示意图第一行是射频脉冲，SE序列的射频脉冲由多次重复的90脉冲和后随的180脉冲构成。第二行是层面选择梯度场，在90脉冲和180脉冲时施加。第三行是相位编码梯度场，在90脉冲后180脉冲前施加。第四行是频率编码梯度场，必须在回波产生的过程中施加。第五行是MR信号，SE序列中90脉冲后将产生一个最大的宏观横向磁化矢量，由于主磁场的不均匀和组织的T2弛豫的双重作用，宏观横向磁化矢量呈指数式衰减，表现为MR信号很快减弱，这种信号变化方式即自由感应衰减（FID）。由于180脉冲的聚相位作用，在TE时刻将产生一个自旋回波，回波是从无到有，从小到大，到最大强度后又逐渐变小直到零的MR信号。射频脉冲层面选择梯度相位编码梯度频率编码梯度MR信号TETR90°180°90°FID回波图28MRI脉冲序列结构示意图一般的MRI脉冲序列都由自旋准备和回波产生两个部分组成组织预饱和激发脉冲FID自旋回波梯度回波MR图像傅里叶转换自旋准备回波产生脉冲序列数据处理三、MRI脉冲序列的分类MRI脉冲序列的分类方法有多种，可按脉冲序列的用途分为通用序列和专用序列。按成像的速度可把脉冲序列分为普通序列和快速成像序列。目前最常用的是按采集信号类型进行的分类方法：（1）FID类序列，指采集的MR信号是FID信号，如部分饱和序列等；（2）自旋回波类序列，指采集到的MR信号是利用180复相脉冲产生的自旋回波，包括常规的自旋回波序列，快速自旋回波序列等；（3）梯度回波类序列，指采集到的MRI信号是利用读出梯度场切换产生的梯度回波。包括常规梯度回波序列、扰相梯度回波序列、稳态进动成像序列等；（4）杂合序列，指采集到的MRI信号有两种以上的回波，通常是自旋回波和梯度回波，如快速自旋梯度回波序列和平面回波成像序列等。第二节MRI脉冲序列相关的概念在介绍MRI脉冲序列之前，有必要先了解一些与MRI脉冲序列相关的基本概念。这里介绍的仅为MRI常用脉冲序列中共有的一些相关概念，某些特殊序列的相关概念我们将在各自序列中介绍。一、时间相关的概念前面已经介绍过，MRI脉冲序列实际上是射频脉冲和梯度场的变化在时序的排列，因此每个脉冲序列都将会有时间相关的概念，主要包括重复时间、回波时间、有效回波时间、回波链长度、回波间隙、反转时间、激励次数、采集时间等。1.重复时间重复时间（repetitiontime，TR）是指脉冲序列执行一次所需要的时间。在SE序列中TR即指相邻两个90脉冲中点间的时间间隔；在梯度回波TR是指相邻两个小角度脉冲中点之间的时间间隔；在反转恢复序列和快速反转恢复序列中，TR是指相邻两个180反转预脉冲中点间的时间间隔；在单次激发序列（包括单次激发快速自旋回波和单次激发EPI）中，由于只有一个90脉冲激发，TR等于无穷大。2.回波时间回波时间（echotime，TE）是指产生宏观横向磁化矢量的脉冲中点到回波中点的时间间隔。在SE序列中TE指90脉冲中点到自旋回波中点的时间间隔。在梯度回波中指小角度脉冲中点到梯度回波中点的时间间隔。3.有效回波时间有效回波时间（effectiveTE）在快速自旋回波（fastspinecho,FSE）序列或平面回波（echoplanerimaging，EPI）序列中，一次90脉冲激发后有多个回波产生，分别填充在K空间的不同位置，而每个回波的TE是不同的。在这些序列中，我们把90脉冲中点到填充K空间中央的那个回波中点的时间间隔称为有效TE。4.回波链长度回波链长度（echotrainlength，ETL）的概念出现在FSE序列或EPI序列中。ETL是指一次90脉冲激发后所产生和采集的回波数目。回波链的存在将成比例减少TR的重复次数。在其他成像参数保持不变的情况下，与相应的单个回波序列相比，具有回波链的快速成像序列的采集时间缩短为原来的1/ETL，因此ETL也被称快速成像序列的时间因子。5.回波间隙回波间隙（echospacing，ES）是指回波链中相邻两个回波中点间的时间间隙。ES越小，整个回波链采集所需时间越少，可间接加快采集速度，提高图像的信噪比。6.反转时间反转时间（inversiontime，TI）仅出现在具有180反转预脉冲的脉冲序列中，这类序列有反转恢复序列、快速反转恢复序列、反转恢复EPI序列等。一般把180反转预脉冲中点到90脉冲中点的时间间隔称为TI。7.激励次数激励次数（numberofexcitation，NEX）也称信号平均次数（numberofsignalaveraged，NSA）或信号采集次数（numberofacquistions，NA），是指脉冲序列中每一个相位编码步级的重复次数。NEX增加有利于减少伪影并增加图像信噪比，但同时也增加了信号采集时间。一般的序列需要两次以上的NEX，而快速MRI脉冲序列特别是屏气序列的NEX往往是1，甚至小于1。8.采集时间采集时间（acquisitiontime，TA）也称扫描时间，是指整个脉冲序列完成信号采集所需要时间。在不同序列中TA的差别很大，一幅图像的TA可以在数十毫秒（如单次激发EPI序列），也可以是数十分钟（如SET2WI序列）。二维MRI的采集时间可以按下式计算：TA=TR×n×NEX式中TA表示采集时间；TR为重复时间；n为NEX=1时TR需要重复的次数；NEX为激励次数，NEX越大，TR需要重复的总次数越多。对于没有回波链的序列如SE序列或GRE序列，n就是相位编码的步级数，对于具有回波链的序列如FSE或EPI等序列，n等于相位编码步级数除以ETL。三维MRI由于是容积采集，需要增加层面方向的相位编码，容积内需要分为几层则需要进行同样步级的相位编码，因此其采集时间可以按下式计算：TA＝TR×n×NEX×S式中S为容积范围的分层数，其他同二维采集。S越大，TR需要重复的总次数越多。从上述两个TA的计算公式可以得知，实际上影响TA的因素主要是TR的长短和TR需要重复的总次数。二、空间分辨力相关的概念任何脉冲序列在实际应用中都会涉及到空间分辨力的问题，实际上空间分辨力就是指图像像素所代表体素的实际大小，体素越小空间分辨力越高。空间分辨力受层厚、层间距、扫描矩阵、视野等因素影响。1.层厚MRI的层厚（slicethickness）是由层面选择梯度场强和射频脉冲的带宽来决定的，在二维图像中，层厚即被激发层面的厚度。层厚越薄，图像在层面选择方向的空间分辨力越高，但由于体素体积变小，图像的信噪比降低。因此在选择层厚的时候既要考虑到空间分辨力，也要考虑到图像信噪比。2.层间距层间距（slicegap）是指相邻两个层面之间的距离。MRI的层间距与CT的层间距（sliceinterval）概念不同。CT的层间距是指相邻的两个层面厚度中心的间距，如层厚和层间距均为1cm，实际上是一层接着一层，两层之间没有间隔。而MR成像时，如果层厚为1cm，层间距为0.5cm，则两层之间有厚度为0.5cm的组织没有成像。MR的层面成像是通过选择性的射频脉冲来实现的，由于受梯度场线性、射频脉冲的频率特性等影响，实际上扫描层面附近的质子也会受到激励，这样就会造成层面之间的信号相互影响（图29）,我们把这种效应称为层间干扰（crosstalk）或层间污染（crosscontamination）。为了减少层间污染，二维MR成像时往往需要一定的层间距。图29层间干扰示意图由于梯度线性和射频脉冲选择性的限制，层面临近的质子将同时受到激发。当层间距较小时（图a），临近层面内的质子受到激发因而出现层间干扰。增加了层间距后（图b），层间干扰减少或基本消失。层厚层厚层厚层厚层间距层间距层间干扰3.矩阵矩阵（matrix）是指MR图像层面内行和列的数目，也就是频率编码和相位编码方向上的像素数目。频率编码方向上的像素多少不直接影响图像采集时间；而相位编码方向的像素数目决定于相位编码的步级数，因而数目越大，图像采集时间越长。MR图像的像素与成像体素是一一对应的。在其他成像参数不变的前提下，矩阵越大，成像体素越小，图像层面内的空间分辨力越高。4.视野视野（fieldofview，FOV）是指MR成像的实际范围，即图像区域在频率编码方向和相位编码方向的实际尺寸，如30cm×30cm，因而是个面积概念。在矩阵不变的情况下，FOV越大，成像体素越大，图像层面内的空间分辨力降低。5.矩形FOV一般的FOV是正方形的，但有些解剖部位各方向径线是不同的，如腹部横断面的前后径明显短于左右径，如果采用正方形FOV，前后方向有较大的区域空间编码是浪费的，如果采用前后径短左右径长的矩形FOV，如30cm×40cm，则可充分利用FOV。矩形FOV的短径只能选择在相位编码方向上，采用矩形FOV后，在空间分辨力保持不变的情况下，需要进行的相位编码步级数减少，因而采集时间成比例缩短。三、偏转角度在射频脉冲的作用下，组织的宏观磁化矢量将偏离平衡状态（即B0方向），其偏离的角度称为偏转角度（flipangle）或称激发角度。宏观磁化矢量偏转的角度取决于射频脉冲的能量，能量越大偏转角度越大。而射频脉冲的能量取决于脉冲的强度和持续时间，增加能量可通过增加脉冲的强度或/和持续时间来实现。MRI常用的偏转角为90、180和梯度回波序列常用的小角度（90）。偏转角度越小，所需要的能量越小，激发后组织纵向弛豫（释放能量）所需要的时间越短。第三节自由感应衰减类序列我们把采集到的MRI信号为自由感应衰减（FID）信号的脉冲序列统称为FID类序列。MRI发展的早期，FID序列曾经在低场强的MRI仪上有较多的应用，目前这类