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word第1章 磁共振成像的物理学根底Qcj影像园1磁共振成像的起源与定义 磁共振成像MRI是利用射频RF电磁波对置于磁场中的含有自旋不为零的原子核的物质进展激发，发生核磁共振，用感应线圈采集磁共振信号，按一定数学方法进展处理而建立的一种数字图像。 1946年美国教授同时发现了核磁共振现象，发现在物理、化学、生物化学、医学上具有重大意义。19461972年NMR主要用于有机化合物的分子结构分析，即磁共振波谱分析MRS。1971年美国纽约州立大学的达曼迪恩教授在科学杂志上发表了题为“NMR信号可检测疾病和“癌组织中氢的T1、T2时间延长等论文。1973年美国人Lauterbur用反投影法完成了MRI的实验室的模拟成像工作。1978年英国第一台头部MRI设备投入临床使用，1980年全身的MRI研制成功。磁共振影像的特点多参数成像，可提供丰富的诊断信息；高比照成像，可得出祥尽的解剖图谱；任意层面断层，可以从三维空间上观察人体成为现实；人体能量代谢研究，有可能直接观察细胞活动的生化蓝图；不使用比照剂，可观察心脏和血管结构；无电离辐射，一定条件下可进展介入MRI治疗；无气体和骨伪影的干扰，后颅凹病变等清晰可见。磁共振成像的局限性呈像速度慢；对钙化灶和骨皮质症不够敏感；图像易受多种伪影影响；禁忌证多；定量诊断困难。原子核共振特性核磁共振现象 共振是一种自然界普遍存在的物理现象。物质是永恒运动着的，物体的运动在重力作用下将会有自身的运动频率。当某一外力作用在某一物体上时，一般只是一次的作用而没有共振的可能，当外力是反复作用的，而且有固定的频率。如果这个频率恰好与物体的自身运动频率一样，物体将不断地吸收外力，转变为自身运动的能量，哪怕外力非常小。随时间的积累，能量不断被吸收，最终导致物体的颠覆而失去共振状态。这个过程就是共振。 质子在一定的磁场强度环境中，它的磁矩是以Lamor频率作旋进运动的，进动频率是由磁场强度决定的。所以，进动是磁场中磁矩矢量的旋转运动，而单摆运动是重力场中物体的运动，原理是一样的。进动的磁矩，如果把三维的旋转用透视法改为二维运动图，就更清楚地看到它与单摆运动是极其相似的。当在B0作用下以某一恒定频率进动的磁矩，在受到另一个磁场B1的重复作用时，当B1的频率与Lamor频率一致，方向与B0垂直，进动的磁矩将吸收能量，改变旋进角度增大，旋进方向将偏离B0方向，B1强度越大，进动角度改变越快，但频率不会改变。以上就是原子核MRI中是质子的磁角动量在外加主磁场B0的条件下，受到另一外加磁场B1的作用而发生的共振现象，这就是磁共振物理现象。弛豫过程弛豫 原子核在外加的RFB1作用下产生共振后，吸收了能量，磁矩旋进的角度变大，偏离B0轴的角度加大了，实际上处在了较高的能态中，在B1消失后将迅速恢复原状，就象被拉紧的弹簧“放松了。原子核的磁矩的弛豫过程与之有许多相似之处，原子核发生磁共振而达到稳定的高能态后，从外加的B1消失开始，到回复至发生磁共振前的磁矩状态为止，整个变化过程就叫弛豫过程。弛豫过程是一个能量转变的过程，需要一定的时间，磁矩的能量状态随时间延长而改变，磁矩的整个回复过程是较复杂的。但却是磁共振成像的关键局部。磁共振成像时受检脏器的每一个质子都要经过反复的RF激发和弛豫过程。弛豫有纵向弛豫和横向弛豫之分。纵向弛豫 纵向弛豫是一个从零状态恢复到最大值的过程。磁矩是有空间方向性的，当人体进入B0环境中以后，数秒或数十秒钟后将形成一个与B0方向一致的净磁矩，我们称其为M0，B0方向是一条空间的中心轴线，我们定义它为纵轴。在外加的RFB1作用下，B0将发生偏离纵轴的改变，此时B0方向上的磁矩将减少，当B1终止后，纵轴B0轴上的分磁矩又将逐渐恢复，直至回复到RF作用前的状态，这个过程就叫纵向弛豫，所需要的时间就是纵向弛豫时间。由于要使纵向磁矩恢复到与激发前完，全一样的时间很长，有时是一个无穷数。因此，我们人为地把纵向磁矩恢复到原来的63%时，所需要的时间为一个单位T1时间，也叫T1值。“T就是Time，T1值一般以秒或毫秒为表示单位。T1是反映组织纵向磁矩恢复快或慢的物理指标，人体各种组织因组成成份不同而具有不同的T1值。横向弛豫 横向弛豫是一个从最大值恢复至零状态的过程。在RF作用下，纵向的磁矩发生了偏离，与中心轴有了夹角，横向上如此出现了分磁矩Mxy，当B1终止后，横向XY平面上的分磁矩Mxy又将逐渐减少，直至回复到RF作用前的零状态，这个过程就叫横向弛豫。所需要的时间为横向弛豫时间。与T1值一样的原因，我们将横向磁矩减少至最大时的37%时所需要的时间为一个单位T2时间，也叫T2值。横向弛豫与纵向弛豫是同时发生的。核磁共振信号 MR信号是MRI机中使用的接收线圈探测到的电磁波，它具有一定的相位、频率和强度。根据这个信号的相位、频率和强度的特征，结合它出现的时间先后秩序，可以用来进展计算机空间定位处理和信号强度数字化计算与表达，在MRI图像上反映出不同组织的亮暗特征。各种形态特征组织具有不同的信号特点，将共同组成一幅亮度比照良好、信噪比拟高、空间分辨率适中的MRI图像。MRI成像过程中，每个组织都将经过磁共振物理现象的全过程。组织经过B1激发后，吸收能量，磁矩发生偏离B0轴的改变，横向XY平面上出现了磁矩，处于高能态中。B1终止后，横向上的磁矩将很快消失，恢复至激发前的零状态，其中B1激发而吸收的能量将通过发射与激发RF频率一样的电磁波来实现能量释放，这个电磁波就是MR信号的来源，也叫回波，是MRI的根底。磁共振中的回波信号，实质上是射频信号，具有频率和强度的特点。 磁共振成像设备中，接收信号用的线圈可以是同一线圈，也可以是方向一样的两个线圈。线圈平面与主磁场B。平行，其工作频率需要尽量接近Larmor频率，线圈发射RF脉冲对组织进展激励，在停止发射RF脉冲后进展接收，RF脉冲停止作用后组织出现弛豫过程，磁化矢量只受主磁场B。的作用时，这局部质子的进动即自由进动因与主磁场方向一致，所以无法测量。而磁共振过程中受到射频激励而产生的横向磁化矢量垂直，并围绕主磁场B。方向选进，按照电磁感应定律即法拉第定律，横向磁化矢量Mxy的变化，能使位于被检体周围的接收线圈产生随时间变化的感应电流，其大小与横向磁化矢量成正比，这个感应电流经放大即为MR信号。由于弛豫过程中Mxy的幅度按指数方式不断衰减，决定了感应电流为随时间周期性不断衰减的振荡电流，因为它是自由进动感应产生的，所以称之为自由感应衰减FID。90RF脉冲后，由于受纵向弛豫时间T 1和横向弛豫时间T2的影响，磁共振信号以指数曲线形式衰减，因此它是一种自由衰减信号，其幅度随时间指数式衰减的速度就是横向弛豫速率1/T2。 自由感应衰减FID信号描述的是信号瞬间幅度与时间的对应关系。实际上各质子群的FID过程并不一样，所叠加在一起的总信号也不会是一个简单的指数衰减曲线。因此，有必要将振幅随时间变化的函数变成振幅随频率分布变化的函数。“傅立叶变换就是将时间函数变换成频率函数的方法。FID信号不仅提供幅值和频率，它还提供幅值和频率相关的相位的信息。 一个自由感应衰减FID信号的产生，都是一个特定组织受检组织在磁共振成像过程中产生且特有的。不同组织在受到同一个脉冲激发后产生的回波各不一样，一样的组织在受到不同的脉冲激发后的回波特点也不一样，这是因为组织结构的不同导致的磁共振特性主要指T1、T2值不同所致，而不同的脉冲序列就是要充分开掘和显示组织的内在特性不同而设计的。总的来说，组织在MRI上的亮暗差异随回波信号不同而不同，FID信号的表现特点要受到组织本身的质子密度、T1值、T2值、运动状态、磁敏感性等因素影响，成像时采用的不同脉冲组合序列与其相关的TR、TE值、翻转角等都是为了显示组织特性的。磁共振成像的空间定位1.4.1 MRI的数据采集方法梯度磁场 利用梯度磁场G实现MRI的空间定位，共有三种梯度磁场：横轴位Gz、矢状位Gx和冠状位Gy。梯度磁场是在主磁场根底上外加的一种磁场，使成像时感兴趣人体段块受到的磁场强度出现微小的差异。根据磁共振的拉莫尔Lamor定律，人体组织在不同的磁场强度下，其共振频率就会不同，这就形成了根据梯度磁场的变化达到空间定位的理论和实际应用根底。 MRI的空间定位主要由梯度磁场来完成。在相对均匀的主磁场根底上施加梯度磁场，将使人体不同部位的氢质子处于不同的磁场强度下，因而具有不同的拉莫尔Lamor频率。用不同的RF激发，结果将选择性地激发对应的质子，不断变化的梯度磁场与对应变化的RF发生放大器配合，将达到空间定位的目的。 根据梯度磁场的变化来确定位置时，不需受检病人的移动，这是与CT成像明显不同。梯度磁场性能是磁共振机性能的一个重要指标，它可提高图像分辨能力和信噪比，可做更薄层厚的磁共振成像，提高空间分辨率，减少局部容积效应。同时梯度磁场的梯度爬升速度越快，越有利于不同RF频率的转换。层面选择 磁共振成像是多切面的断层显像。要使某一段大块的人体组织分层面显示，就要进展层面定位，人为地分解组织器官成为许多具有一定层厚的断面。横轴位Gz、失状位Gx和冠状位Gy的梯度磁场可作为层面选择梯度场，根据要求做矢状面、冠状面还是横断面，只要通过电脑控制启动某一轴上的梯度场即可。如果采用第一层对应梯度强度和频率的RF激发，RF停止后出现的具有特定频率的回波信号，将被计算机认为是第一层面质子的信号，然后再采用第二层对应频率的RF激发，如此重复，至最后一层，可以达到层面选择的目的，所以MRI做任何断面都不需移动病人，只是启动不同的梯度场即可 MRI断层平面信号的空间编码 以上仅对不同层面进展分辨，出现的回波信号仅仅为一个层面的总和。一个层面中有128256或256256个像素，如何分辨？对一个层面而言，平面上位置有左右和上下不同，可以再用相位和频率两种编码方法来实现定位。 层面分辨梯度是Z轴方向的话，我们可以在Y轴的上下方向上施加第二个梯度磁场，将上下空间位置的体素用不同相位状态来分辨，我们称这个梯度磁场为相位编码梯度磁场。一个128256矩阵可用128种不同相位来编码，这时成像时间就与相位编码数直接相关。这样，我们用梯度磁场使层面的Z轴上和上下的Y轴上均有不同。但是，此时某一次激发后的回波仍是左右方向上一排像素128或256个的总和，这一排如何分？这一排像素要用频率编码的方法来区分，在一个RF激发停止后，立即在这一排像素所在方向上再施加另一梯度磁场，称为频率编码梯度磁场。使这一排上不同像素的质子在弛豫过程中出现频率不同，计算机可以识别此频率的差异而确定不同质子的位置。频率编码与成像总时间没有直接关系，故频率编码上的矩阵点数一般都为256。层面梯度、相位编码梯度和频率编码梯度的时间先后排列和协同工作，可以达到对某一成像体积中不同空间位置体素的空间定位。由以上可知，一次RF激发是对某一层面中的某一排一般256个像素的同时激发，而且要间隔一个TR时间后再进展该层面下一排像素的第二次激发，时间就与TR、层数、像素数有关。这个定位过程是一个反复的过程，较CT的定位更复杂。1.4.3 MR图像重建理论 K空间填充技术 一次RF激发是一样相位编码位置上的一排像素的同时激发，这一排像素的不同空间位置是由频率编码梯度场的定位作用确定的。因此，相位和频率的相对应就可明确某一信号的空间位置。所以，在计算机中，按相位和频率两种坐标组成了另一种虚拟的空间位置排列矩阵，这个位置不是实际的空间位置，只是计算机根据相位和频率不同而给予的暂时识别定位，这就是“K空间。K空间实际上是MR信号的定位空间。在K空间中，相位编码是上下、左右对称的，从正值的最大逐渐变化到负值的最大，中心部位是相位处于中心点的零位置，而不同层面中的屡次激发产生的MR信号被错位记录到不同的K空间位置上。 由于一排排像素的数量在同一序列中总是恒定的，使频率变化X围也恒定，某一排像素的频率编码起始频率低，如此最末一个像素的终末频率也低。在K空间上相位变化的对称性的前提下，导致处于K空间频率坐标的中心位置的中等频率值的像素会最多，总的合计信号强度将最大。所以，K空间中心位置确定了最多数量的像素的信号，在傅利叶转换过程中的作用最大，处于K空间周边位置的像素的作用要小很多。 在K空间采集中，频率和相位编码的位置一一对应，虽然图像信号采集的矩阵为128256或256256，但K空间在计算机中为一个规整的正方形矩阵。如前所述，处于K空间中心区域的各个数值对图像重建所起的作用要比周边区域的更大，所以，在非常强调成像时间的脑弥散成像、灌注成像与心脏MRI成像时，为了节约时间，可以将周边区域的K空间全部作零处理，不化时间去采集，节约一半的时间，可能导致小于10%的图像信噪比损失。这种特殊的成像方法就叫K空间零填充技术。K空间分段采集技术一般应用于心脏快速MRI成像，在FLASH或Turbo-FLASH等快速梯度成像时，一个序列常可在1秒钟左右的时间内完成。但是，对心脏来说仍然太慢，一个心动周期不足一秒，运动伪影在所难免，且NEX只有一次时的图像质量不太理想。这时，可采用K空间分段采集的方法，将K空间分成8或16段，采用心电图门控触发的方法，使一段K空间的信号采集固定于心动周期的某一个时段内，达到心脏相对静止的效果。一个序列被分解在8或16次心跳中完成，总时间也在一次屏气时间允许之内，这样，既解决心脏跳动伪影问题。二维傅立叶图像重建法 二维傅立叶变换法是MRI特有且最常用的图像重建方法。K空间排列的原始数据，整合了相位、频率和强度的信息，傅利叶转换技术就是可以将以上的K空间信息逐行、逐点地解析和填补到真正的空间位置上去，形成很多幅反映信号强弱的MRI图像。二维傅立叶变换可分为频率和相位两个局部，通过沿两个垂直方向的频率和相位编码，可得出该层面每个体素的信息。不同频率和相位结合的每个体素在矩阵中有其独特的位置。计算每个体素的灰阶值就形成一幅MR图像。第2章 射频脉冲与脉冲序列qzW影像园2.1 脉冲序列的根本概念脉冲序列的概念MR图像的信号强度取决于射频脉冲的发射方式、梯度磁场的引入方式和MR信号的读取方式等。为不同成像目的而设计的一系列射频脉冲、梯度脉冲和信号采集按一定时序排列称作脉冲序列。2.1.2脉冲序列的构成一般脉冲序列的一个周期中包括射频脉冲、梯度脉冲和MR信号采集。射频脉冲包含用以激发氢质子的激发脉冲、使质子群相位重聚的复相脉冲以与反转恢复序列等；梯度脉冲包括层面选择梯度、相位编码梯度、频率编码梯度也称读出编码，用以空间定位；形成的MR信号也称为回波。完成一个层面的扫描和信号数据采集需要重复多个周期。脉冲序列的根本参数在一个脉冲序列中有许多的变量，这些变量统称为序列成像参数。在成像中选用不同的成像参数可以得到不同类型的图像，这里我们介绍几个主要的序列成像参数。重复时间repetition time；TR重复时间是指脉冲序列的一个周期所需要的时间，也就是从第一个RF激发脉冲出现到下一周期同一脉冲出现时所经历的时间间隔。在单次激发序列中，由于只有一个激发射频脉冲，TR等于无穷大。TR时间影响被RF激发后质子的弛豫恢复情况，TR长、恢复好。TR延长，信噪比提高，可允许扫描的层数增多，T2权重增加，T1权重减少，但检查时间延长；TR时间缩短，检查时间缩短，T1权重增加，信噪比降低，可允许扫描的层数减少，T2权重减少。回波时间echo time；TE回波时间是指从激发脉冲与产生回波之间的间隔时间。在多回波序列中，激发RF脉冲至第1个回波信号出现的时间称为TE1，至第2个回波信号的时间叫做TE2，依次类推。在MRI成像时，回波时间与信号强度成反相关，TE延长，信噪比降低，但T2权重增加。TE缩短，信噪比增加，T1权重增加，T2比照减少。有效回波时间(effective echo time；ETE) 有效回波时间是指与最终图像比照最相关的回波时间。对于具有多个回波的快速成像序列，不同回波分别填充到k空间的不同位置，每个回波的TE值是不同的，填充到k空间中央的回波决定图像的比照，其TE值为ETE。反转时间inversion time；TI反转时间是指反转恢复类脉冲序列中，180反转脉冲与90激励脉冲之间的时间间隔。翻转角(flip angle) 在射频脉冲的激发下，质子磁化矢量方向将发生偏转，其偏离的角度称为翻转角或激发角度。翻转角的大小是由RF能量所决定的。常用的翻转角有90和180两种，相应的射频脉冲分别被称为90和180 脉冲。在快速成像序列中，经常采用小角度激励技术，其翻转角小于90。信号激励次数(number of excitations；NEX) 信号激励次数又叫信号采集次数(number of acquisitions；NA)。它是指每一个相位编码步级采集信号的重复次数。NEX增大，有利于增加图像信噪比和减少图像伪影，但是所需的扫描时间也相应延长。回波链长度(echo train length；ETL) 回波链长度是指每个TR时间内用不同的相位编码来采样的回波数。ETL是快速成像序列的专用参数。对于传统序列，每个TR中仅有一次相位编码，在快速序列中，每个TR时间内可进展屡次相位编码，使数据采集的速度成倍提高。回波间隔时间(echo spacing；ES) 回波间隔时间是指快速成像序列回波链中相邻两个回波之间的时间间隔。ES长短影响TE时间的长短。视野FOV视野由图像水平和垂直两个方向的距离确定的。最小FOV是由梯度场强的峰值和梯度间期决定的。图像采集矩阵代表沿频率编码和相位编码方向采集的像素数目，图像采集矩阵=频率编码次数相位编码次数，例如频率编码次数为256，相位编码次数为192，如此矩阵为256192。接收带宽序列的接收带宽是指接收信号的频率X围，即读出梯度采样频率的X围。采用低频率编码梯度和延长读出间期可获得窄的带宽。自旋回波脉冲序列自旋回波脉冲序列SE自旋回波序列简称SE序列，是目前磁共振成像最根本的脉冲序列。SE序列采用90激发脉冲和180复相脉冲进展成像。SE序列的过程是先发射一个90 RF脉冲，Z轴上的纵向磁化矢量M0被翻转到XY平面上；在第一个90脉冲后，间隔TE/2时间后再发射一个180RF脉冲，可使XY平面上的磁矩翻转180，产生重聚焦的作用，此后再经过TE/2时间间隔就出现回波信号。从90RF脉冲到承受回波信号的时间称回波时间，即TE时间，两个90RF脉冲之间的时间称重复时间，即TR时间。2.2.2 T1加权像T1加权图像主要反映组织T1值差异，简称为T1WI。在SE序列中，T1加权成像时要选择较短的TR和TE值，一般TR为500ms左右，TE为20ms左右，能获得较好的T1加权图像。2.2.3 T2加权像主要反映组织T2值不同的MRI图像称为T2加权图像，简称为T2WI。在SE序列中，T2加权成像时要选择长TR和长TE值，具体地说，TR为2500ms左右，TE为100ms左右。2.2.4 质子密度加权像NH加权像质子密度反映单位组织中质子含量的多少。在SE序列中，一般采用较长TR和较短TE时可获得质子密度加权图像，一般TR为2 500ms左右，TE为20ms左右时，SE序列成像可获得较好的质子密度加权图像。各种软组织的质子密度差异大多不如其T1或T2值相差大，所以目前许多情况下医生更重视T1或T2加权图像。在具体工作中，可采用双回波序列，第一个回波使用短TE，形成质子密度加权图像，第二个回波使用长TE，形成T2加权图像。反转恢复脉冲序列反转恢复脉冲序列的理论根底反转恢复序列IR包括一个180反转脉冲、一个90激发脉冲与一个180复相脉冲组成。第一个180脉冲激发质子，使质子群的纵向磁化矢量M0由Z轴翻转至负Z轴。当RF停止后磁化矢量将逐渐恢复，之后，使用一个90脉冲对纵向磁矩进展90翻转，180脉冲与此90脉冲之间的时间间隔为反转时间TI。90脉冲后就和SE序列一样在TE/2时间再使用一个180脉冲实现横向磁矩再聚焦和信号读出。IR序列的成像参数包括TI、TE、TR。TI是IR序列图像比照的主要决定因素，尤其是T1比照的决定因素。TI的作用类似于SE序列中的TR，而IR序列的TR对T1加权程度的作用相对要小，但TR必须足够长，才能容许在下一个脉冲序列重复之前，使Mz的主要局部得以恢复。由于IR序列对分辨组织的T1值极为敏感，所以传统IR序列一直采用长TR和短TE来产生T1WI。TE是产生T2加权的主要决定因素，近年来在IR SE序列中应用长TE值也能获得T2WI。尽管如此，IR序列主要还是用于产生T1WI和PDWI。IR序列典型的参数为TI200800ms，TR5002500ms，TE2050ms。选TI值接近于两种组织的T1值，并尽量缩短TE，可获得最大的T1WI。通常TR等于TI的3倍左右时SNR好。IR序列可形成重T1WI，可在成像过程中完全除去T2的作用，可精细地显示解剖结构，如脑的灰白质，因而在检测灰白质疾病方面有很大的优势。目前IR序列除用于重T1WI外，主要用于两种特殊的MR成像，即脂肪抑制和水抑制序列。短TI反转恢复脉冲序列STIRIR序列中，每一种组织处于特定的TI时称为转折点，该种组织的信号为零。组织的转折点所处的TI值依赖于该组织的T1值，组织的T1越长，该TI值就越大，即TI的选择要满足在90脉冲发射时，该组织在负Z轴的磁化矢量恰好恢复到值，因此也没有横向磁化矢量，图像中该组织的信号完全被抑制。脂肪组织的T1值非常短，IR序列一般采用短的TI300ms值抑制脂肪的信号，该序列称为STIR序列。STIR脉冲序列是短TI的IR脉冲序列类型，主要用途为抑制脂肪信号，可用于抑制骨髓、眶窝、腹部等部位的脂肪信号，更好地显示被脂肪信号遮蔽的病变，同时可以鉴别脂肪与非脂肪结构。另外，由于脂肪不产生信号，STIR序列也会降低运动伪影。STIR序列的TI值约等于脂肪组织T1值的69%，由于不同场强下，组织T1值不同，因此不同场强的设备要选用不同的TI抑制脂肪，例如，场强设备中TI设置在150170ms。液体衰减反转恢复脉冲序列FLAIR另一种以IR序列为根底开展的脉冲序列称为液体抑制也有称流动衰减反转恢复fluid-attenuated inversion-recovery，FLAIR序列，该序列采用长TI和长TE，产生液体如脑脊液信号为零的T 2WI，是一种水抑制的成像方法。选择较长的TI时间，可使T1较长的游离水达到选择性抑制的作用。这时，脑脊液呈低信号，但脑组织中水肿的组织或肿瘤组织仍像T2加权一样呈高信号，在场强设备中FLAIR序列的TI大约为2000ms。一旦脑脊液信号为零，异常组织、特别是含水组织周围的病变信号在图像中就会变得很突出，因而提高了病变的识别能力。另外，由于普通SE序列T 2WI中，延长TE会造成因脑脊液搏动引起的伪影和局部容积效应增加。所以，设置的TE不能太长。而在FLAIR序列中，由于脑脊液信号为零，TE可以较长，因而可获得更重的T2WI。目前FLAIR序列常用于脑的多发性硬化、脑梗死、脑肿瘤等疾病的鉴别诊断，尤其是当这些病变与富含脑脊液的结构邻近时。梯度回波脉冲序列梯度回波脉冲序列的根底理论梯度回波GRE序列也称为场回波序列FE。GRE序列是目前MR快速扫描序列中最为成熟的方法，不仅可缩短扫描时间，而且图像的空间分辨力和SNR均无明显下降。GRE序列与SE序列主要有两点区别，一是使用小于90角度的射频脉冲激发，并采用较短的TR时间；另一个区别是使用反转梯度取代180复相脉冲。在GRE序列时就不用1800脉冲来重聚焦，而是用一个反方向梯度来重新使快速衰减的横向磁矩再现，获得一个回波信号，进展成像。由于梯度回波序列使用反向梯度来获得回波，这个回波的强度是按T2*衰减的，相对于使用180脉冲的SE序列的T2加权像，GRE序列获得的图像是T2*加权像。GRE序列产生的图像比照要比SE序列复杂得多，可产生其它序列难以获得的对临床有用的信息。GRE序列图像的比照不仅取决于组织的T1、T2，还与B0的不均匀性有关。但是，主要依赖于激发脉冲的翻转角、TR和TE三个因素，另外还与磁敏感性和流动有关。小角度激发有以下优点：1脉冲的能量较小，SAR值降低；2产生宏观横向磁化失量的效率较高，与90脉冲相比，30脉冲的能量仅为90脉冲的1/3左右，但产生的宏观横向磁化失量达到90脉冲的1/2左右；3小角度激发后，组织可以残留较大的纵向磁化失量，纵向弛豫所需要的时间明显缩短，因而可选用较短的TR，从而明显的缩短采集时间；4MR图像信号强度的大小与Mz翻转到xy平面的Mxy的大小成正相关，而Mxy的大小是由激发脉冲发射时Mz的大小与其激发后翻转的角度两个因素决定的。尽管GRE序列因使用小于90的激发脉冲，对于同样的Mz，其投影到xy平面的矢量比例要小于90激发脉冲序列。但是，小角度脉冲的Mz变化较小，脉冲发射前的Mz接近于完全恢复，能形成较大的稳态Mz，故GRE序列可产生较强的MR信号，尽管成像时间缩短，但是图像具有较高的信噪比SNR。稳态梯度回波脉冲序列FISPGRE由于是短TR成像，因此回波采集后，产生一个残留的横向磁化矢量。成像序列中，在层面选择方向、相位编码方向与频率编码方向都施加了编码梯度场，这些梯度场同样会造成质子失相位。如果在这些空间编码梯度施加后，在这三个方向上各施加一个与相应的空间编码梯度场大小一样方向相反的梯度场，那么空间编码梯度场造成的失相位将被剔除，也即发生相位重聚。这样残留的横向磁化矢量将得到最大程度的保存，并对下一个回波信号作出反响。在GRE小翻转角和短TR成像时，纵向磁矩在数次脉冲后出现稳定值，即稳态，导致组织T1值对图像的影响很小。如果TE也很短，远短于T2*值，那么此时横向磁矩也会在数个脉冲后趋向一个稳定值，此时组织T2*值对图像的影响也很小了，而真正对图像产生影响的是组织的质子密度，这种特殊的稳定状态下的梯度回波成像就被称为稳态梯度回波序列Fast Imaging with Steady-state Precession， FISP或Gradient Recalled Acquisition in the Steady State， GRASS。FISP获得的图像为质子密度加权图像，血液呈很高信号，由于TR较短，TE也很短，速度很快，很适合心脏电影动态磁共振成像或MRA等。扰相位梯度回波脉冲序列FLASH当GRE序列的TR明显大于组织的T2值时，下一次脉冲激发前，组织的横向弛豫已经完成，即横向磁化失量几乎衰减到零，这样前一次脉冲激发产生的横向磁化失量将不会影响后一次脉冲激发所产生的信号。如果成像序列使用的TR短于组织的T2，当施加下一个RF激发脉冲时，前一次 脉冲激发产生的横向磁化失量没有完全衰减，由于这种残留的横向磁化失量将对下一次脉冲产生横向磁化失量产生影响，这种影响主要以带状伪影的方式出现，且组织的T2值越大、TR越短、激发角度越大，带状伪影越明显。为了消除这种伪影，必需在下一次脉冲前去除这种残留的横向磁化矢量。采用的方法是，在前一次脉冲激发的MR信号产集后，在下一次脉冲降临前施加扰相位spoiled梯度场或干扰射频脉冲。扰相位梯度场对质子的相位进展干扰，使其失相位加快，从而消除这种残留的横向磁化矢量。干扰的方法主要是施加扰相位梯度场，可以只施加层面选择方向或三个方向都施加扰相梯度，造成人为的磁场不均匀，加快了质子失相位，从而消除这种的横向磁化失量。这一脉冲序列称之为扰相位梯度回波脉冲序列fast low angled shot，FLASH。GRE T1WI序列一般选用较大的激发角度，如50到80，这时常需要采用相对较长的TR如100200ms。而当TR缩短到数十毫秒甚至数毫秒时，激发角度如此可调整到1045。常规GRE和扰相GRE T1WI在临床上应用非常广泛，实际应用中，应该根据需要通过TR和激发角度的调整选择适当的T1权重。GRE T2WI序列一般激发角度为1030，TR常为200500ms。由于GRE序列反映的是组织的T2弛豫信息，组织的T2弛豫明显快于T2弛豫，因此为了得到适当的T2权重，TE相对较短，一般为1540ms。快速梯度回波脉冲序列Turbo-FLASHTurbo-FLASH序列是在FLASH序列的根底上开展和改良而产生的。上述FLASH序列中，TR和TE值都很小，为提高梯度回波信号又要选用小角度的翻转角，这时形成的图像是质子密度加权像。为了实现T1或T2加权，除了以上FLASH序列外，还可在短TR短TE的快速GRE序列前加用一个脉冲，可称为快速梯度序列的磁矩预准备成像Magnetization Prepared Rapid Acquisition。在这个预准备脉冲之后，通过控制后续的梯度脉冲出现的间隔时间TI，既可选择性抑制某一种组织信号，从而实现心脏快速成像时的亮血或黑血成像技术，又可选择性形成T1或T2加权成像。Turbo-FLASH结合K空间分段采集技术是心脏快速MRI和冠状动脉成像的主要方法。磁化准备快速梯度回波脉冲序列在扰相梯度回波序列中，为提高图像比照和信噪比，常在脉冲序列开始之前施加磁化准备脉冲，例如GE公司的IR-PREP、西门子公司的MP-RAGE、飞利浦公司的TFE序列。不同的磁化准备快速梯度回波脉冲序列可以有不同的磁化准备脉冲，由此会生成不同的图像比照。常用的磁化准备脉冲有180反转脉冲，形成T1WI；90脉冲，形成T1WI；90-180-负90的组合脉冲，形成T2WI。磁化准备快速梯度回波脉冲序列主要用于颅脑高分辨三维成像、心肌灌注、心脏冠脉成像、腹部成像等。快速自旋回波脉冲序列FSE2.5.1 RARE技术的概念RARE技术即快速采集弛豫增强(rapid acquisition relaxation enhanced,RARE)是1986年由德国科学家等提出的，即利用SE多回波技术和革新的K空间填充方法实现快速MR扫描，减少扫描时间，是快速自旋回波序列的根底。具体方法是在一个90脉冲激发后，利用多个聚焦180脉冲形成多个自旋回波，在一个TR周期中可以填充K空间的多条相位编码线，因此整个序列所需的TR周期重复次数将减少，故减少扫描时间。快速自旋回波脉冲序列快速自旋回波简称为FSEFast Spin Echo或Turbo SETSE。在普通SE序列中，在一个TR周期内首先发射一个90RF脉冲，然后发射一个180RF脉冲，形成一个自旋回波。FSE序列中，在第一个90脉冲激发后，相继给予多个180脉冲，例如8或16个连续脉冲，出现8或16个连续回波，称为回波链echo train length，ETL。回波链可一次获得8或16种相位K空间的回波信号值，使一次TR时间内完成8或16个相位编码上的激发和信号采集。等于将相位编码数减少了8或16倍。虽然一次激发后采集8或16个相位K空间，时间是缩短了。但是，一次激发中后面数次回波的时间距90脉冲较远些，信号必然要低，与前面回波的T2加权权重是不一样的。因此，必然在MRI图像上导致与常规SE序列T2加权的不同。在计算机软件和MRI硬件的性能改善，特别是180脉冲性能改良和梯度动量缓冲技Gradient Moment Nulling Technique的应用，使FSE的T2加权图像已经能完全满足临床诊断需要。FSE序列与多回波序列一样，也是在一个TR周期内首先发射一个90RF脉冲，然后相继发射多个180RF脉冲，形成多个自旋回波。但是，二者有着本质的区别。在多回波SE序列中，每个TR周期获得一个特定的相位编码数据，即每个TR中相位梯度以同一强度扫描，采集的数据只填充K-空间的一行，每个回波参与产生一幅图像，最终可获得多幅不同加权的图像。而FSE序列中，每个TR时间内获得多个彼此独立的不同的相位编码数据，即形成每个回波所要求的相位梯度大小不同，采集的数据可填充K-空间的几行，最终一组回波结合形成一幅图像。由于一个TR周期获得多个相位编码数据，可以使用较少的TR周期形成一幅图像，从而缩短了扫描时间。FSE序列的扫描时间，由下式决定： 公式2-1公式2-1中TR为回波时间；Ny为相位编码数；ETL为回波链在一次TR周期内的回波次数称为回波链。公式2-1中的分子与SE序列的扫描时间一样，与普通SE序列相比，FSE序列的扫描时间降低了ETL倍。增加回波链能够显著地减少扫描时间，不过回波链过长，会使模糊伪影bluring artifact变得明显，典型的ETL为4 32个。FSE序列不仅采集速度快，而且与SE序列相比，减少了运动伪影和磁敏感性伪影。另外，FSE序列能提供比拟典型的PDWI和重T2WI，FSE与普通SE序列在图像比照和病变检测能力方面很大程度上是相当的，在很多部位的MR成像中，FSE序列可取代普通SE序列。这些在同样是快速成像的梯度回波序列中是难以做到的。FSE序列影像的主要缺点是，T2WI的脂肪信号高于普通SE序列的T2WI，同时，提高了因使用多个180脉冲而引起的对人体射频能量的累积。半傅里叶采集单次激发快速自旋回波序列半傅里叶采集单次激发快速自旋回波HASTE序列是一个单次激发快速成像序列，并结合半傅里叶采集技术，使一幅256256矩阵的图像数据在1秒内便可采集完毕。半傅里叶采集方式不是采集所有的相位编码行，而是仅采集正相位编码行、零编码以与少数几个负相位编码行的数据，然后利用-空间的数学对称原理对正相位编码数据进展复制，最终由采集数据以与复制的数据重建成一幅完整图像。因为仅采集一半多一点的数据，所以扫描时间降低了近一半。单次激发序列是指在一次90激发脉冲后使用一连串如128个180复相脉冲，采集一连串的回波信号，快速形成图像。HASTE序列主要用于生成T2WI，因为仅需一次激发便可完成采集，所以大大减少了运动伪影。重T2加权HASTE序列还可用于胆道、泌尿道、内耳、椎管等部位的水成像。螺旋桨技术或刀锋技术技术螺旋桨技术GE公司和刀锋技术Blade,西门子公司是指K空间放射状填充技术与FSE或快速反转恢复序列相结合的产物。常规的FSE序列的K空间填充为平行线，每个TR周期填充的平行线数目与回波链数目一致。单纯K空间放射状填充技术中，每个TR周期在一定角度填充一条放射线，下一个TR周期旋转一个角度后再填充一条线，直到填满整个K空间。在Propeller技术中，将上述两种技术结合，每个TR周期采集一个回波链，在K空间中以一定角度填充一组放射线，其数目与回波链数目一致；下一个TR周期旋转一个角度后再填充一组放射线，直到填满整个K空间。Propeller技术的K空间填充将平行填充与放射状填充相结合，平行填充使K空间周边区域在较短的采样时间内具有较高密度，保证了图像的空间分辨率；放射状填充使K空间中心区域有较多的信号重叠，提高了图像的信噪比。另外，由于K空间中心区域较多的信号重叠以与放射状填充，Propeller技术减少了运动伪影。同时，与EPI序列相比，Propeller技术不容易产生磁敏感伪影。回波平面成像脉冲序列EPI2.6.1 K空间轨迹K空间的数据沿一定轨迹的顺序进展采集，这种按某种顺序填充数据的方式称为K空间的轨迹。MRI中K空间采集模式多种多样，K空间轨迹一般为直线，除此之外，还可以是圆形、螺线形等曲线形式。2.6.2 EPI的概念平面回波成像Echo Planar Imaging EPI是在一次或屡次射频脉冲激发后，利用读出梯度场的连续正反向切换，每次切换产生一个梯度回波，因而将产生多个梯度回波，即回波链。由于EPI回波是由读出梯度场的连续正反向切换产生的。因此，产生的信号在K空间内的填充是一种迂回轨迹，与一般的梯度回波或自旋回波类序列显然是不同的。这种K空间迂回填充轨迹需要相位编码梯度场与读出梯度场相互配合方能实现，相位编码梯度场在每个回波采集完毕后施加，其持续时间的中点正好与读出梯度场切换过零点时重叠。2.6.3 EPI序列的分类EPI序列的分类方法主要两种，一种按照一幅图像需要进展射频脉冲激发的次数进展分类；另一种如此根据其准备脉冲进展分类。按激发次数分类按一幅图像需要进展射频脉冲激发的次数，EPI序列可分为屡次激发EPI和单次激发EPI。屡次激发EPImultishot EPI， MS-EPIMS-EPI是指一次射频脉冲激发后利用读出梯度场连续切换采集多个梯度回波，填充K空间的多条相位编码线，需要屡次射频脉冲激发和相应次数的EPI采集与数据迂回填充才能完成整个K空间的填充。MS-EPI所需要进展的激发次数，取决于K空间相位编码步级和ETL。MS-EPI与FSE颇为相似，不同之处在于： FSE序列是利用180复相脉冲采集自旋回波链，而MS-EPI是利用读出梯度场的连续切换采集梯度回波链； FSE的K空间是单向填充，而MS-EPI的K空间需要进展迂回填充；由于梯度场连续切换比连续的180脉冲所需的时间短得多。因此，MS-EPI回波链采集要比ETL一样的FSE序列快数倍。屡次激发SE-EPI一般用于腹部屏气T2WI。单次激发EPISS-EPISS-EPI是指在一次RF脉冲激发后连续采集的梯度回波，即在一个RF脉冲激发后采集所有的成像数据，用于重建一个平面的MR图像，这种序列被称为单次激发。单次激发EPI存在信号强度低、空间分辨力差、视野受限与磁敏感性伪影明显等缺点。单次激发是目前采集速度最快的MR成像序列，单层图像的采集时间可短于100MS。目前单次激发GRE-EPI主要用于MR比照剂首次通过灌注加权成像DWI、基于血氧水平依赖BOLD效应的脑功能成像和扩散加权成像DWI。单次激发与屡次激发各有优缺点SS-EPI的成像速度明显快于MS-EPI，因此更适用于对速度要求很高的功能成像；由于ETL相对较短，MS-EPI的图像质量一般优于SS-EPI，SNR更高，EPI常见的伪影更少。按EPI准备脉冲分类EPI本身只能算是MR信号的一种采集方式，并不是真正的序列，EPI技术需要结合一定的准备脉冲方能成为真正的成像序列，而且EPI序列的加权方式，权重和用途都与其准备脉冲密切相关。主要包括以下几种：梯度回波EPI序列梯度回波EPIGRE-EPI序列是最根本的EPI序列，结构也最简单，是在90脉冲后利用EPI采集技术采集梯度回波链。自旋回波EPI序列自旋回波EPI序列是EPI与自旋回波序列结合。如果EPI采集前的准备脉冲为一个90脉冲后随一个180脉冲，即自旋回波序列方式，如此该序列被称为SE-EPI序列。180脉冲将产生一个标准的自旋回波，而EPI方法将采集一个梯度回波链，一般把自旋回波填充在K空间中心，而把EPI回波链填充在K空间其他区域。由于与图像比照关系最密切的K空间中心填充的是自旋回波信号。因此，认为该序列得到的图像能够反映组织的T2弛豫特性，一般被用作T2WI或水分子扩散加权成像序列。单次激发SE-EPI序列用于脑部超快速T2WI时，该序列图像质量不与FSE T2WI，一般用于临床情况较差或不能配合检查的患者如腹部屏气T2WI。该序列用于腹部的优点是成像速度快，数秒钟可完成数十幅图像的采集，即便不能屏气也没有明显的呼吸伪影。缺点在于磁化率伪影较明显。在该序列根底上施加扩散敏感梯度场即可进展水分子扩散加权成像，主要用于超急性期脑梗死的诊断和鉴别诊断。反转恢复EPI序列所谓反转恢复EPIIR-EPI序列是指EPI采集前施加的是180反转恢复预脉冲。EPI与IR序列脉冲结合，形成IR EPI，可产生典型的T1WI。利用180反转恢复预脉冲增加T1 比照，选择适当的TI时，还可以获得脂肪抑制或液体抑制图像。磁共振成像特殊技术脂肪抑制技术在磁共振检查中经常会采用脂肪抑制技术，脂肪抑制可以提供鉴别诊断信息、减少运动伪影和化学位移伪影、改善图像比照、提高病变检出率、增加增强扫描效果等。根据设备场强、扫描部位和扫描序列等的不同，可以选择使用不同的脂肪抑制技术。2.8.1.1 STIR序列原理见IR序列中有关STIR的介绍。STIR序列的优点为场强依赖性低，对场强的要求不高，低场设备脂肪抑制的效果也不错；对磁场均匀度的要求也较低；且对大X围FOV扫描的脂肪抑制效果也较好。STIR序列的缺点为信号抑制的特异性低，与脂肪T1接近的组织例如血肿，其信号也被抑制；不能应用于增强扫描；且TR延长，使扫描时间延长。化学位移饱和成像化学位移饱和成像就是利用不同分子之间共振频率的差异，在信号激发之前，预先发射具有某中特定频率的预饱和脉冲，使这种频率的组织信号被饱和，得到抑制。例如，水中的氢质子与脂肪中的氢质子其化学位移为，在静磁场中水质子比脂肪质子的共振频率大约快3.5ppm42.5MHz=148Hz,如果预脉冲的频率选为脂肪的共振频率，如此在其后立即发射激发脉冲时脂肪已经饱和，脂肪信号被抑制。该序列的优点为脂肪信号抑制的特异性高、可用于多种序列。其缺点是场强依赖性较大，在以上的高场设备中，脂肪抑制的效果才不错；对磁场均匀度的要求也较大；且对大X围FOV扫描的脂肪抑制效果不理想。2.8.3化学位移成像原子核的共振频率与磁场强度成正比，但原子核并非孤立存在，位于不同种类化学键上的原子会产生不同频率的信号，即局部化学环境会影响质子的共振频率。例如甲醇分子CH3OH中的CH3的H和OH的H共振频率并不一样，这是由于原子核被带磁性的电子云所包围，使其所处的分子环境不同。围绕着原子核旋转的电子不同程度地削弱了静磁场强度，假如固定静磁场强度大小，周围电子云较薄的原子经受的局部磁场强度较高，其共振频率较高；而周围电子云较厚的原子局部磁场强度较低，其共振频率也较低。这种因分子环境即核外电子结构不同引起的共振频率的差异称作“化学位移chemical shift。由于化学位移引起局部磁场的改变，对于质子化学位移很小，不同分子环境其共振频率上的差异仅百余或数百赫兹Hz，其数量与所检测原子核共振频率差异数个ppm(1ppm=10-6)，例如，水分子中的质子与脂肪CH2原子团中质子的化学位移只相差。化学位移是磁共振波谱的根底，用于检测组织细胞内的代谢物质；化学位移饱和成像可用来突出或抑制某种组织的信号；化学位移特性还会诱发化学位移伪影。利用不同分子之间的化学位移，可以生成不同类型的图像。化学位移饱和成像化学位移饱和成像就是利用不同分子之间共振频率的差异，在信号激发之前，预先发射具有某中特定频率的预饱和脉冲，使这种频率的组织信号被饱和，得到抑制。例如，上面介绍的脂肪抑制技术。同样，使用水共振频率的预脉冲，如此水的信号被抑制。水脂同相与反相因为水质子与脂肪质子的共振频率不同，如此水质子横向磁化矢量与脂肪质子横向磁化矢量的相位关系处于不断的变化之中，在静磁场中水质子比脂肪质子快一周期所用时间。当激发停止后，水质子横向磁化矢量与脂肪质子横向磁化矢量每隔便出现相位一样的状态，即同相位，同相时两者的信号相加；而激发停止后，水质子横向磁化矢量与脂肪质子横向磁化矢量每隔6.8ms/2=3.4ms,便出现相位相反的状态，即反相位，反相时两者的信号相减，信号下降。在反相位图像上，水、脂交界处与同时含水与脂肪的部位信号下降明显，此技术常用于肾上腺肿瘤和肝脏脂肪浸润的检查。在梯度回波序列，TE值选择为或其倍数，得到同相位图像，TE值选择为或其倍数，得到反相位图像。并行采集技术并行采集技术(Parallel Acquisition Technique或Parallel Imaging)是近年来出现的磁共振快速采集新技术，在很大程度上加快了磁共振成像大采集速度。并行采集技术的原理常规MR扫描序列的采集时间与图像相位编码方向的编码步数即k-空间填充线数目成正相关，相位编码步数越多，采集时间越长。减少相位编码步数，采集时间如此会缩短。但是假如要保持空间分辩率不变，减少相位编码步数的结果会造成相位编码方向的视野长度减少，假如小于被检组织大的尺寸，如此会出现卷折伪影。并行采集技术利用在相位编码方向采用多个外表接收线圈、多通道采集的方法，解决了上述矛盾。对于单个线圈，靠近线圈的组织信号高，远离线圈的组织信号低；另外，视野以外的组织将卷折到图像对侧。在并行采集技术中采用多个外表线圈组合成相控阵接收线圈，采集中需要获得各个子线圈的排列与其空间敏感度信息，进而得到成像组织内每一点的敏感度信息。经过合理的算法将各个子线圈采集的数据和上述敏感度信息，去除单个线圈的卷折伪影，生成完整的图像。为此，并行采集技术可以在减少采集相位编码步数，从而减少采集时间的情况下得到完整图像。并行采集技术序列的种类 并行采集技术主要有两种主要方法，一种方法是数据采集后先进展傅立叶转换，得到相位编码方向的短视野形成的卷折的图像，然后利用线圈空间敏感度信息去除单个线圈的图像卷折，这种技术称为敏感度编码SENSE。另一种方法是数据采集后先利用线圈空间敏感度信息填充整个k-空间，再进展傅立叶转换重建图像，这种技术称为空间协调同时采集SMASH或一般性自动校准局部并行采集GRAPA。目前三大公司的并行采集技术名称分别为GE公司ASSET，飞利浦公司SENSE，西门子公司iPAT。并行采集技术的优点采集时间减少，并可减少单次激发EPI序列的磁敏感伪影。缺点是图像信噪比降低，且可能出现未完全去除的图像卷折伪影，尤其是当采用较大并行采集加速因子时。第3章磁共振成像系统的构成dzp影像园磁共振成像设备简称MRI设备主要由以下四局部构成：磁体系统、梯度磁场系统、射频系统、计算机与图像处理等系统组成，3.2磁体系统磁体系统是MRI设备产生成像所必需的静磁场的关键部件。磁体的主要性能指标是其产生的磁场强度、均匀度、稳定性与孔径大小等，这些性能指标直接关系到整个系统的信噪比和成像质量。几乎所有的厂家都在努力追求能够制造出高质量、尽可能高的磁场强度、优良的磁场均匀度、稳定可靠、尽可能大的开放孔径、以与尽可能短的磁体。磁体系统的组成磁体的根本功能是为MRI设备提供满足特定要求的静磁场。典型的磁体系统如图7-30所示。除了磁体之外，还包括匀场线圈、梯度线圈、以与射频发射和接收体线圈又称为内置体线圈，Build-in Body Coil等组件。上述三个线圈依次套叠在磁体内腔中，使磁体孔径进一步变小。匀场线圈可进一步提高磁场的均匀性；梯度线圈解决被检测体的空间分辨率、空间定位、层面选择等成像问题；射频发射和接收
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