第05节反转恢复及快速反转恢复序列

第五节反转恢复及快速反转恢复序列在前面第3节自由感应衰减类序列中，我们曾简要介绍了反转恢复序列，但实际上，目 前无论是反转恢复（inversion recovery，IR）还是快速反转恢复序列（fast inversion recovery， FIR）一般采集的是自旋回波。在本节中我们将重点介绍反转恢复的原理、IR和FIR序列的 结构和临床应用。一、反转恢复的原理我们都知道，给主磁场中进动的质子施加一个射频脉冲，只要射频脉冲的频率与质子的 进动频率相同，质子将发生共振，即低能级的质子获得能量越迁到高能级状态，在宏观上则 表现为磁化矢量的偏转。宏观磁化矢量偏转的角度与射频脉冲的能量有关，能量越大偏转角 度越大，我们把能够使宏观磁化矢量偏转某个角度的射频脉冲称为某角度脉冲，如90。脉冲、 小角度脉冲（偏转角度小于90。）、180。脉冲等。反之，宏观磁化矢量偏转角度越大则表示质 子获得的能量越大，射频脉冲关闭后质子所需要释放的能量也越大，被激发的组织的纵向弛 豫所需要的时间就越长。如果用180。射频脉冲对组织进行激发，将使组织的宏观纵向弛豫矢量偏转180。，即偏 转到与主磁场相反的方向上，因此该180。脉冲也称为反转脉冲。180。脉冲的能量相当于90。 脉冲的2倍，因此纵向磁化矢量完全恢复所需时间也明显延长（图36）。我们把具有180。 反转预脉冲的序列统称为反转恢复类序列。具有180。反转预脉冲的序列具有以下共同特点：（1）由于180。脉冲后组织纵向弛豫过 程延长，组织间的纵向弛豫差别加大，即T1对比增加，相当于90。脉冲的2倍左右（图36）； （2）180。脉冲后，组织的纵向弛豫过程中，其纵向磁化矢量从反向（主磁场相反方向）最 大逐渐变小到零，而后从零开始到正向（主磁场相同方向）逐渐增大到最大，如果当某组织 的纵向磁化矢量到零的时刻给予90。脉冲激发，则该组织由于没有宏观纵向磁化矢量因此没 有横向磁化矢量产生，该组织就不产生信号，利用这一特点可以选择性抑制一定T1值的组 织信号（图36b）；（3）反转恢复类序列中，我们把180。反转脉冲中点与90。脉冲中点的时间 间隔定义为反转时间（inversion time， TI），选择不同的TI可以制造出不同的对比，也可选 择性抑制不同T1值的组织信号。ab图36 180。反转预脉冲后与90。脉冲后组织纵向弛豫的比较 图中纵坐标为纵向磁化矢量（Mz）的大 小（以表示），横坐标为时间（以ms表示）；细曲线为甲组织的纵向弛豫曲线，粗曲线为乙组织的纵向 弛豫曲线，甲组织的纵向弛豫速度快于乙组织。图a示90。脉冲后两种组织开始纵向弛豫，经过TR后两种 组织的纵向磁化矢量的差别即T1对比。图b示180。脉冲使纵向磁化矢量偏转到反方向，180。脉冲结束后， 两种组织开始纵向弛豫，纵向磁化矢量从反向最大逐渐缩小到零，又从零逐渐增大到正向最大，同时由于 纵向弛豫过程延长，甲组织和乙组织的T1对比加大，约为90。脉冲激发后的2倍。二、反转恢复（inversion recovery，IR）序列IR序列是个T1WI序列，该序列先施加一个180。反转预脉冲，在适当的时刻施加一个 90。脉冲，90。脉冲后马上施加一个180。复相脉冲，采集一个自旋回波，实际上就是在SE序 列前施加一个180。反转预脉冲（图37）。IR序列中，把180。反转脉冲中点到90。脉冲中点的 时间间隔定义为反转时间（TI），把90。脉冲中点到回波中点的时间间隔定义为TE，把相邻 的两个180。反转预脉冲中点的时间间隔定义为TR。为了保证每次180。反转脉冲前各组织的 纵向磁化矢量都能基本回到平衡状态，要求TR足够长，至少相当于SE T2WI或FSE T2WI 序列的TR长度。因此IR序列中T1对比和权重不是由TR决定的，而是由TI来决定的。IR序列具有以下特点：（1）T1对比最佳，其T1对比相当于SE T1WI的2倍；（2）一 次反转仅采集一个回波，且TR很长，因此扫描时间很长，TA相当于SE T2WI序列。鉴于上述特点，IR序列一般作为T1WI序列，在临床上应用并不广泛，主要用于增加 脑灰白质之间的T1对比，对儿童髓鞘发育研究有较高价值。IR序列也可用作脂肪抑制 （STIR）或水抑制（FLAIR），但由于扫描时间太长，现在STIR或FLAIR 一般采用快速反 转恢复序列来完成。180反转脉冲180复相脉冲180反转脉冲TR图37 IR序列结构示意图IR序列由一个180反转预脉冲后随SE序列构成。把180反转预脉冲中 点到90脉冲中点的时间间隔定义为反转时间（TI），TI是决定图像的T1对比和权重。把90。脉冲中点到回 波中点的时间间隔定义为回波时间（TE），IR T1WI序列应该选择很短的TE，以尽量剔除T2弛豫对图像 的污染。把两个相邻的180反转预脉冲中点的时间间隔定义为TR，IR序列中应该选择很长的TR （至少相当于 SE T2WI 或 FSE T2WI 的 TR）。180180180180180反转100%图38 FIR序列结构及STIR、FLAIR序列原理示意图 图a为FIR序列结构图。FIR序列先施加一 个180反转脉冲，在适当时刻（TI）再施加一个90。脉冲，90脉冲后利用多个180复相脉冲（图中为3个） 采集多个自旋回波，因此存在回波链（图中ETL=3）。可以把回波链中的任何一个回波填充在K空间中央， 我们把90脉冲中点与填充K空间那个回波中点的时间间隔定义为有效TE。两个相邻的180反转脉冲中点 的时间间隔定义为TR。图b为STIR和FLAIR序列原理示意图。图中纵坐标为纵向磁化矢量（Mz）的大 小（以表示），横坐标为时间（以ms表示）；细曲线为脂肪组织的纵向弛豫曲线，粗曲线为脑脊液的纵 向弛豫曲线。180反转脉冲后，两种组织将发生纵向弛豫，即纵向磁化矢量发生从一100%到零到100%的 变化。由于两种组织纵向弛豫速度不同，纵向磁化矢量从一100%到零所需时间不同，脂肪组织需要很短的 时间（即图中t0到），如果选择TI等于，则90脉冲施加时，脂肪组织的纵向磁化矢量等于零，因而也 没有横向磁化矢量的产生，脂肪组织的信号被抑制（即STIR）；脑脊液的纵向磁化矢量从一100%到零所需 的时间很长（即图中t0到t），如果选择TI等于t，同样的道理，脑脊液的信号被抑制（即FLAIR）。三、快速反转恢复序列快速反转恢复（fast inversion recovery， FIR）序列也称 TIR （turbo inversion recovery） 序列或反转恢复快速自旋回波（IR-FSE）序列，在本教材中我们统一称为FIR序列。了解反转脉冲的原理和IR序列后，FIR序列的理解就非常简单了，IR序列是由一个180 反转预脉冲后随一个SE序列构成的，而FIR序列则是一个180反转预脉冲后随一个FSE 序列构成的（图37a）。由于FIR序列中有回波链的存在，与IR相比，成像速度大大加快了， 相当于FSE与SE序列的成像速度差别。FIR序列具有以下特点：（1）与IR序列相比，FIR序列成像速度明显加快，在其他成 像参数不变的情况下，TA缩短的倍数等于ETL； （2）由于回波链的存在，FIR T1WI序列的 T1对比因受T2的污染而降低，不如IR序列；（3）由于回波链的存在，可出现与FSE序列 相同模糊效应；（4）与FSE T1WI序列相比，由于施加了 180反转预脉冲，FIR T1WI序列 的T1对比有了提高；（5）选择不同的TI可选择性抑制不同T1值组织的信号（图37b），抑 制某种组织信号的TI等于该组织T1值的69% （一般用70%计算）。鉴于上述特点，FIR序列在临床上主要用于：1. FIR T1WI FIR T1WI在临床的应用近年来逐渐增多，根据所选的成像参数不同FIR T1WI序列的TA一般与SE序列相近或略短于SE T1WI序列。该序列在临床上主要用于脑 实质的T1WI，灰白质的T1对比优于SE T1WI序列或FSE T1WI序列，但不及IR T1WI序 列。以1.5 T的扫描机为例，一般TR=20002500 ms，TI=750 ms，ETL=48，把回波链 中的第一个回波填充在K空间中央（即选择最短的有效TE）。由于组织的T1值随主磁场场 强不同而变化，因此不同场强的扫描机应该对成像参数作相应调整。2. STIR序列 短反转时间的反转恢复(short TI inversion recovery, STIR)序列最初米 用的是IR序列，目前一般采用FIR序列来完成。主要用于T2WI的脂肪抑制，因为脂肪组 织的纵向弛豫速度很快，即T1值很短，在1.5 T的扫描机中，脂肪组织的T1值约为200250 ms, 180。脉冲后，脂肪组织的宏观纵向磁化矢量从反向最大到零所需要的时间为其T1值的 70%，即140175 ms，这时如果施加90。脉冲(即TI=140175 ms )，由于没有宏观纵向 磁化矢量，就没有宏观横向磁化矢量的产生，脂肪组织的信号被抑制(图37b)。采用很短 的TI是该序列名称的来由。在1.5 T的扫描机中，STIR序列一般TI选择在150 ms左右，TR大于2000 ms，ETL 和有效TE根据不同的需要进行调整。利用STIR技术进行脂肪抑制比较适用于低场强MRI 仪。3. FLAIR序列 在进行脑部或脊髓T2WI时，当病变相对较小且靠近脑脊液时(如大脑 皮层病变、脑室旁病变)，呈现略高信号或高信号的病灶常常被高信号的脑脊液掩盖而不能 清楚显示，如果在T2WI上能把脑脊液的信号抑制下来，病灶就能得到充分暴露。液体抑制反转恢复(fliud attenuated inversion recovery，FLAIR)即黑水序列可以有效地 抑制脑脊液的信号。FLAIR序列实际上就是长TI的FIR序列，因为脑脊液的T1值很长， 在 1.5 T 扫描机中约为 3000 4000 ms，选择 TI= (3000 4000 ms)x70%= 2100 2800 ms， 这时脑脊液的宏观纵向磁化矢量刚好接近于零，即可有效抑制脑脊液的信号(图37b)。在临床实际应用中，1.5 T扫描机一般TI选为21002500 ms，TR常需要大于TI的3-4 倍以上，ETL及有效TE与FSE T2WI相仿。4. 反转恢复单次激发FSE利用180。脉冲反转预脉冲与单次激发FSE相结合可得到反 转恢复单次激发FSE (IR-SS-FSE)序列。IR-SS-FSE序列也可采用STIR技术进行脂肪抑制 或采用FLAIR技术抑制脑脊液信号。