MRI脉冲序列及其临床应用.ppt

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 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 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 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 目前这类序列已经很少使用 本节中仅简单介绍饱和恢复序列和采集FID信号的反转恢复序列 一 饱和恢复序列饱和恢复 saturationrecovery SR 序列也称部分饱和 partialsaturation 序列 我们在前面一节已经介绍过 90 射频脉冲将产生一个最大的宏观横向磁化矢量 90 脉冲结束后宏观横向磁化矢量将以指数式衰减 即产生FID信号 SR序列是结构最为简单的序列 利用连续的90 脉冲进行激发 在每个90 脉冲后采集FID信号 图30a 由于FID信号衰减很快 一般难以利用该序列来反映组织的T2对比 如果TR很短 则几乎所有组织将被饱和 难以接受下一个90 脉冲 因而组织信号很弱 如果TR很长 则每一次90 激发前所有组织的纵向弛豫已经完成 图像失去了T1对比 可以得到质子密度对比 如果选择一个合适的TR 每一个90 脉冲前 组织的纵向弛豫部分完成 因而存在的T1对比 得到的将是T1WI 这时组织只有部分被饱和 这也是该序列称为部分饱和序列的原因 目前在临床上几乎不再采用SR序列 图30饱和恢复 SR 序列结构示意图SR序列由连续的90 脉冲构成 每个90 脉冲后采集FID信号 选择合适的TR 利用SR序列可得到T1WI 选用长TR则可得到质子密度加权图 二 采集FID信号的反转恢复序列反转恢复 inversionrecovery IR 序列的特点是利用180 射频脉冲把组织的宏观纵向磁化矢量偏转180 即反转到与主磁场相反的方向上 在组织发生纵向弛豫的过程中施加90 脉冲 来记录不同组织间纵向弛豫的差别 90 脉冲后可以采集FID信号 也可以利用180 复相脉冲采集自旋回波信号 早期的IR序列多采集FID信号 目前临床上常规应用的IR序列则一般采集的是自旋回波信号 详见IR序列一节 第四节自旋回波和快速自旋回波序列 凡是成像时采集的是自旋回波信号的序列都属于自旋回波类序列 包括常规自旋回波 快速自旋回波 单次激发快速自旋回波等 反转恢复序列及快速反转恢复序列采集的信号也可以是自旋回波 但其序列结构有一定的特殊性 我们将在本章第五节中介绍 一 自旋回波序列SE序列的结构在第一章第十节已经有详细介绍 不再重复 这里仅介绍其特点及临床应用情况 SE序列是MRI的经典序列 在临床上得到广泛应用 具有以下优点 1 序列结构比较简单 信号变化容易解释 2 图像具有良好的信噪比 3 图像的组织对比良好 4 对磁场的不均匀敏感性低 因而磁化率伪影很轻微 5 利用SE序列进行T1WI 采集时间一般仅需要2 5min SE序列也存在着一些缺点 1 90 脉冲能量较大 纵向弛豫需要的时间较长 需采用较长的TR 特别是T2WI 且一次激发仅采集一个回波 因而序列采集时间较长 T2WI常需要十几分钟以上 2 由于采集时间长 体部MR成像时容易产生伪影 3 采集时间长 因而难以进行动态增强扫描 4 为减少伪影 NEX常需要2以上 进一步增加了采集时间 鉴于上述特点 目前即便是低场机 也很少利用SE序列进行T2WI和PD SE序列目前多用于获取T1WI 是颅脑 骨关节 软组织 脊柱脊髓等部位的常规T1WI序列 对于体部特别是腹部来说 许多医院还把SE序列作为常规T1WI序列 配合呼吸补偿技术 可获得质量较高的T1WI 但对于呼吸不均匀的病人 图像容易产生运动伪影 同时由于采集时间长 不能利用SE序列进行动态增强扫描 因而不少专家提出用梯度回波序列替代SE序列作为腹部常规T1WI序列 二 快速自旋回波序列快速自旋回波序列在不同产家生产的MRI仪上有不同的名称 安科公司和GE公司称之为FSE fastspinecho FSE 西门子公司和飞利浦公司称之为TSE turbospinecho 本讲义中将采用FSE的名称 FSE以前也称为弛豫增强快速采集 rapidacquisitionwithrelaxationenhancement RARE 一 FSE序列的原理我们都知道SE序列在一次90 射频脉冲后利用一次180 复相脉冲 仅产生一个自旋回波信号 那么一幅矩阵为256 256的图像需要256次90 脉冲激发 NEX 1时 即需要256次TR 每次激发采用不同的相位编码 才能完成K空间的填充 与之不同的是 FSE序列在一次90 射频脉冲激发后利用多个 2个以上 180 复相脉冲产生多自旋回波 每个回波的相位编码不同 填充K空间的不同位置上 图31 图31FSE序列基本结构和K空间填充示意图图a示在一次90 射频脉冲后用5个180 复相脉冲产生5个自旋回波 即ETL 5 相邻两个回波中点的时间间隔为回波间隙 ES 两个相邻的90 脉冲中点的时间间隔为TR 上述的5个回波的相位编码不同 填充在K空间相位编码方向的不同位置上 实际上5个回波的回波时间是不同的 由于填充的K空间中央的回波决定图像的对比 因此如果把第三个回波填充在K空间中央 图b 则有效TE为90 脉冲中点到第三个回波中点的时间间隔 图a 由于一次90 脉冲后利用多个180 脉冲 因而产生的不是单个回波 而是一个回波链 一次90 脉冲后利用了多少个180 脉冲就会有多少个自旋回波产生 把一次90 脉冲后所产生的自旋回波数目定义为FSE序列的回波链长度 在其他成像参数不变的情况下 ETL越长 90 脉冲所需要的重复次数越少 即TR次数越少 采集时间将成比例缩短 如果ETL n 则该FSE序列的采集时间为相应SE序列的1 n 所以ETL也称为时间因子 举例说明 设TR 3000ms 扫描矩阵256 256 NEX 2 即需要512次TR 则利用SE序列成像的采集时间TA 3s 256 2 1536s 25min36s 如果保持上述成像参数不变 利用ETL 8的FSE序列来成像 则TR的次数为512 8 即64次 则采集时间TA 3s 256 8 2 192s 3min12s 仅为相应SE序列TA的1 8 二 FSE序列的特点FSE序列目前在临床上得到广泛应用 FSE一些参数的选择将会影响图像的质量 因此有必要介绍一下FSE序列的特点 1 快速成像前面在FSE原理中已经提到 由于回波链的存在 在其他成像参数不变的前提下 与相应SE序列相比 FSE序列的采集时间随ETL的延长而成比例缩短 即FSE序列的TA为相应SE序列TA的1 ETL 但实际上 采用了FSE序列后 为了提高图像质量并增加扫描层数 FSET2WI序列的TR往往比SE序列要长 因此TA的缩短并不象理论上那么明显 2 回波链中每个回波信号的TE不同FSE序列中在一次90 脉冲后利用多个180 复相脉冲来产生多个自旋回波信号 实际上每个回波信号的TE是不同的 第一个回波信号的TE最短 最后一个回波信号的TE最长 因此FSE的图像实际上是由TE不同的回波构成的 大家都知道填充K空间中心的回波将主要决定图像的对比 通过相位编码的调整 我们可以把回波链中的任何一个回波填充在K空间中心 图32 我们把90 脉冲中点到填充K空间中心的回波中点的时间间隔定义为有效TE effectiveTE 如果把第一个回波填充在K空间中心 即选择很短有效TE 将基本剔除组织的T2弛豫对图像对比的影响 得到的将是T1WI或PDWI 如果把一个长回波链中的最后一个回波填充在K空间中心 选择很长的有效TE 得到的将是权重很重的T2WI 如果在回波链中选择一个合适的回波信号填充在K空间中心 选择合适长的有效TE 将得到权重合适的T2WI 实际上填充K空间各个位置的回波信号对图像对比都有不同程度贡献 而回波链中各回波的TE不同 因此与相应SE序列相比 FSE序列的T2对比将有不同程度降低 ETL越长 对图像对比的影响越大 3 FSE序列图像的模糊效应大家都知道在90 脉冲后 由于T2弛豫 宏观横向磁化矢量将随时间推移逐渐衰减 即随着TE的延长 任何组织的信号强度都在衰减 如果不考虑相位编码梯度场对组织信号的影响 则FSE序列的回波链中第一个回波信号最强 往后信号强度逐渐减弱 最后一个回波信号最弱 图32b 这种强度具有差别的回波信号填充在K空间中 在傅里叶转换中将发生定位上的错误 从而导致图像模糊 ETL越长 填充K空间的回波信号强度差别越大 图像越模糊 因此 ETL延长尽管可以缩短采集时间 但将增加图像模糊 并影响图像对比 减少图像模糊的办法除了在采集时间能够接受的前提下缩短ETL外 回波间隙缩小也可以减少图像模糊 ES为回波链中两个相邻回波中点的时间间隔 图32a ES的缩小将减少回波之间的信号强度差别 从而减少图像模糊 图32FSE序列回波链中各回波的TE和信号强度示意图FSE序列利用5个180 脉冲 产生5个自旋回波 图a 各回波的TE是不同的 回波1的TE最短 回波5的TE最长 图b 我们可以通过对相位编码的调整 把回波链中任何一个回波填充在K空间中心 决定图像的权重和对比 同时由于T2弛豫 各回波的信号强度也不相同 回波1的信号强度最大 回波5的信号强度最弱 图b 4 脂肪组织信号强度增高脂肪组织的信号强度增加是FSE序列的又一特点 在SET2WI上脂肪组织呈现中等偏高信号 灰白 而在FSET2WI上 脂肪组织呈现高信号 白 这主要由于两个方面的原因 1 脂肪组织内的质子之间存在着J 耦连 这种耦连结构可增加磁场的波动 加快了质子失相位 因此脂肪组织的T2值并不长 FSE序列连续的180 脉冲可打断J 耦连 因而脂肪组织的质子失相位减慢 延长脂肪组织的T2值 因而增加脂肪组织的信号强度 2 180 脉冲引起的磁化转移效应也是增加脂肪组织信号强度的一个原因 FSE序列中 ETL越长 ES越小 脂肪组织信号强度的增加将越明显 5 对磁场不均匀性不敏感与SE序列相同 FSE序列也是利用180 复相脉冲产生回波 180 脉冲可以剔除主磁场恒定不均匀 因而对磁场不均匀性不敏感 这一特点的优点在于磁化率敏感伪影不明显 缺点在于不利于一些能够增加磁场不均匀的病变如出血等的检出 6 能量沉积增加FSE的序列结构为90 脉冲激发后利用连续的180 复相脉冲激发产生回波 180 脉冲能量很大 如此大的能量连续激发 传递到人体组织的能量将在短时间内很快积聚 特殊吸收率 specificabsorptionratio SAR 将明显升高 可引起体温升高等不良反映 这在高场强的MRI仪中将表现的更为突出 ETL越长 ES越小 SAR值增加的越明显 三 FSE序列的临床应用FSE序列在临床上已经得以广泛应用 在本讲义中我们根据文献及在临床上的应用体会 人为地把FSE序列分为FSET1WI序列 短ETLFSET2WI序列 中等ETLFSET2WI序列 长ETLFSET2WI序列等四种 下面我们逐一介绍其临床应用 1 FSET1WI序列FSET1WI序列通常选择较短的ETL 因为ETL越长 填充K空间的回波中TE长的回波信号越多 因而将增加T2弛豫对图像的污染 降低T1对比 对于FSET1WI序列来说 应该把回波链中第一回波信号填充在K空间中心 选择最短的有效TE 以尽量减少T2弛豫对图像对比的影响 FSET1WI序列的TR通常为300 500ms 有效TE常为8 15ms ETL常为2 4 根据需要可调节上述参数 FSET1WI序列的优点主要是相对SET1WI序列来说 采集时间缩短 甚至可以进行屏气扫描 如ETL 4 TR 300ms 相位编码步级 160 NEX 2 则TA 0 3s 160 4 2 24s 屏气扫描完全是可行的 FSET1WI的缺点有 1 由于受T2弛豫的污染 图像的T1对比不如SET1WI序列 2 FSE的模糊效应 3 扫描速度还是比梯度回波序列慢 需要屏气扫描时 一次屏气能够扫描的层数有限 FSET1WI序列的主要用途有 1 对T1对比要求相对较低的部位 如脊柱 大关节 骨与软组织等 2 病人耐受能力较差 要求加快扫描速度时 3 体部屏气扫描 当对T1对比要求较高时 如进行脑组织及腹部脏器T1WI 一般不采用FSET1WI序列 2 短ETL的FSET2WI序列ETL为2 10 实际应用中ETL通常为5 10 短ETL的FSET2WI序列具有以下优点 1 与SE序列相比 成像速度明显加快 根据选择的扫描参数不同 TA一般为2 7min 2 由于回波链较短 其T2对比较好 接近于SET2WI 3 对磁场不均匀性不敏感 没有明显的磁敏感性伪影 短ETL的FSET2WI序列的主要缺点是扫描速度还不够快 用于体部成像时容易产生运动伪影 短ETL的FSET2WI序列在临床上最常用的T2WI序列之一 主要用于对T2对比要求较高的部位 1 颅脑T2WI常规序列 2 配用呼吸触发和脂肪抑制技术后作为腹部脏器T2WI常规序列 3 中等ETLFSET2WI序列ETL为10 20 与短ETLFSET2WI序列相比 中等ETL的FSET2WI序列的特点表现为 1 扫描速度更快 根据成像参数的不同 TA一般为1 4min 2 由于ETL比较长 图像的T2对比不及短ETLFSET2WI序列 中等ETL的FSET2WI序列主要临床用途 1 对T2对比要求相对较低 主要显示解剖结构的部位 如脊柱 骨关节等 2 脏器内在的T2对比好 并要求T2权重较重的部位 如前列腺等 4 长ETL的FSET2WI序列ETL大于20 实际应用中通常为20 32 长ETL的FSET2WI序列的特点有 1 成像速度快 根据所选用的参数不同 TA可为20s到3min 因此可以进行屏气扫描 2 由于ETL较长 图像模糊更明显 且T2对比降低 3 屏气扫描时 屏气不好仍有明显运动伪影 长ETL的FSET2WI序列主要用于 1 体部屏气T2WI 主要用于呼吸节律不能很好控制导致呼吸触发短ETLFSET2WI失败的病例 2 水成像 配用呼吸触发技术可进行腹部水成像如MR胰胆管成像 MRCP MR尿路成像 MRU 等 5 关于FSE序列上述分类方法的几点说明上述关于FSE序列临床应用的分类并非一个标准的分类方法 不同产家生产的MR仪或即便是同一产家生产的不同场强 不同型号和配置的MR仪 由于采用的其他成像参数不同 ETL的选择也可作相应的调整 具体应用时还要根据病人的情况作灵活调整 如以前生产的1 5T扫描机 由于射频放大器功率和梯度线圈性能的限制 回波间隙 ES 常在15 20ms 假设ES 20ms ETL 10 则回波链中最后一个回波的TE为200ms 而近年产生的1 5T扫描机 由于射频放大器功率和梯度线圈性能提高 ES可在10ms以下 如果ES 10ms ETL 10 则回波链中最后一个回波的TE为100ms 如果选择ETL 20 则最后一个回波的TE为200ms 相当于原来ES 10ms ETL 10的最后一个回波的TE 因此当扫描机性能提高后 适当延长ETL仍可以保证较高的图像质量 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 inversionrecovery IR 还是快速反转恢复序列 fastinversionrecovery 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 inversiontime 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 图36180 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 inversionrecovery 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SET2WI或FSET2WI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SET1WI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SET2WI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 图37IR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 IRT1WI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SET2WI或FSET2WI的TR 图38FIR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 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 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t 如果选择TI等于t 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 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 fastinversionrecovery FIR 序列也称TIR turboinversionrecovery 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 FIRT1WI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FSET1WI序列相比 由于施加了180 反转预脉冲 FIRT1WI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 FIRT1WIFIRT1WI在临床的应用近年来逐渐增多 根据所选的成像参数不同FIRT1WI序列的TA一般与SE序列相近或略短于SET1WI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SET1WI序列或FSET1WI序列 但不及IRT1WI序列 以1 5T的扫描机为例 一般TR 2000 2500ms TI 750ms ETL 4 8 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 shortTIinversionrecovery STIR 序列最初采用的是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 5T的扫描机中 脂肪组织的T1值约为200 250ms 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140 175ms 这时如果施加90 脉冲 即TI 140 175ms 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 5T的扫描机中 STIR序列一般TI选择在150ms左右 TR大于2000ms 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 fliudattenuatedinversionrecovery 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 5T扫描机中约为3000 4000ms 选择TI 3000 4000ms 70 2100 2800ms 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 5T扫描机一般TI选为2100 2500ms TR常需要大于TI的3 4倍以上 ETL及有效TE与FSET2WI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 第六节梯度回波的原理 特点 前面我们重点介绍的是自旋回波类序列 从本节开始将介绍MR成像脉冲序列的另一重要分支 即梯度回波类序列 本节重点介绍梯度回波的原理和特点 一 梯度回波的原理和自旋回波一样 梯度回波也是一种MR成像的回波信号 即其强度是从小变大 到峰值后又逐渐变小的 自旋回波的产生是利用了180 复相脉冲 而梯度回波的产生则与之不同 图39 梯度回波是在射频脉冲激发后 在读出方向即频率编码方向上先施加一个梯度场 这个梯度场与主磁场叠加后将造成频率编码方向上的磁场强度差异 该方向上质子的进动频率也随之出现差异 从而加快了质子的失相位 组织的宏观横向磁化矢量很快衰减到零 我们把这一梯度场称为离相位梯度场 图39a b 这时立刻在频率编码方向施加一个强度相同方向相反的梯度场 原来在离相位梯度场作用下进动频率慢的质子进动频率加快 原进动频率快的质子进动频率减慢 这样由于离相位梯度场造成的质子失相位将逐渐得到纠正 组织的宏观横向磁化矢量逐渐恢复 经过与离相位梯度场作用相同的时间后 因离相位梯度场引起的质子失相位得到纠正 组织的宏观横向磁化矢量逐渐恢复直到信号幅度的峰值 我们把这一梯度场称为聚相位梯度场 图38a c 从此时间点后 在聚相位梯度场的继续作用下 质子又发生反方向的离相位 组织的宏观横向磁化矢量又开始衰减直至到零 这样产生一个信号幅度从零到大又从大到零的完整回波 图38a 由于这种回波的产生是利用了梯度场的方向切换产生的 因此称为梯度回波 gradientrecalledecho GRE 梯度回波也称场回波 fieldecho FE 图39梯度回波原理示意图以头颅横断面且频率编码方向为左右为例 在射频脉冲激发后 角 在频率编码方向上先施加一个右高左低的离相位梯度场 图a b 这样就造成右边的质子进动频率明显高于左边的质子 加快了质子的失相位 因而组织的横向磁化矢量很快消失 这时依然在频率编码方向上施加强度相同 方向相反即右低左高的聚相位梯度场 图a c 原来进动频率高的右边质子进动变慢 而原来进动频率低的左边质子进动变快 由于离相位梯度场造成的失相位逐渐得以纠正 组织宏观横向磁化矢量逐渐恢复 图a上升箭头 当聚相位梯度场作用时间达到与离相位梯度场一样时 离相位梯度场造成的失相位得以完全纠正 信号强度得到峰值 从此时刻后 在聚相位梯度场的继续作用下 质子又发生了失相位 组织宏观横向磁化矢量又开始出现衰减直至到零 图a下降箭头 从而形成一个完整的梯度回波 二 梯度回波序列的特点SE序列得到的图像质量稳定 并有很好的信噪比和对比 但成像速度慢是其明显缺点 梯度回波序列的出现使MR成像速度大大加快 所谓梯度回波序列即采集到MR信号是梯度回波信号的脉冲序列 梯度回波序列具有以下特点 1 采用小角度激发 加快成像速度我们都知道SE序列采用90 射频脉冲对组织进行激发 90 脉冲能够产生最大的横向磁化矢量 因而获得的MR信号最强 但90 脉冲能量较大 因此受激发的组织需要化很长时间来完成纵向弛豫 因此一个90 脉冲后需要等待很长时间才能施加下一个90 脉冲 即必须选用很长的TR 特别是PDWI和T2WI时 因此SE序列的TA很长 在梯度回波中我们一般采用小于90 射频脉冲对成像组织进行激发即采用小角度激发 我们都知道射频脉冲施加后组织的宏观磁化矢量偏转的角度取决于射频脉冲的能量 由射频的强度和持续时间决定 小角度激发就是给组织施加的射频脉冲能量较小 造成组织的宏观磁化矢量偏转角度小于90 在实际应用中 我们通常称小角度脉冲为 脉冲 角常介于10 和90 之间 小角度激发有以下优点 1 脉冲的能量较小 SAR值降低 2 产生宏观横向磁化矢量的效率较高 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矢量达到90 脉冲的1 2左右 图40 3 小角度激发后 组织可以残留较大的纵向磁化矢量 图40 纵向弛豫所需要的时间明显缩短 因而可选用较短的TR 从而明显缩短TA 这就是梯度回波序列相对SE序列能够加快成像速度的原因 图40平衡状态 90 激发后 小角度激发后的宏观磁化矢量变化图a示平衡状态下 组织的宏观纵向磁化矢量为100 没有宏观横向磁化矢量 图b示90 脉冲激发后 宏观磁化矢量偏转90 即产生了一个最大的宏观横向磁化矢量 100 纵向磁化矢量变为零 图c示30 脉冲激发后 宏观磁化矢量偏转30 产生的横向磁化矢量为90 脉冲的50 而纵向磁化矢量保留了平衡状态下的86 6 图41T2弛豫 T2 弛豫及施加离相位梯度场引起横向磁化矢量衰减示意图图示同一种组织的三种横向磁化矢量的衰减 粗曲线为T2弛豫曲线 细曲线为T2 弛豫曲线 虚曲线为施加离相位梯度场后的组织横向磁化矢量的衰减曲线 T2 弛豫受T2弛豫和主磁场不均匀两种因素影响 SE序列的180 复相脉冲可以剔除主磁场不均匀造成的质子失相位 因而将得到的组织真正的T2弛豫信息 SE回波 GRE序列施加的离相位梯度场将加快质子的失相位 图示虚曲线 T2 GRE 下降明显快于细曲线 T2 而聚相位梯度场只能剔除离相位梯度场造成的质子失相位 因而得到的只能是T2 弛豫信息 GRE回波 由于T2 弛豫明显快于T2弛豫 如图所示即便GRE序列选用的TE比SE序列的TE短 其回波幅度也常常不如SE序列 因此总的来说 GRE序列图像的固有信噪比低于SE序列 2 反映的是T2 弛豫信息而非T2弛豫信息在横向弛豫和SE序列中 我们曾介绍过射频脉冲激发将使组织产生宏观横向磁化矢量 射频脉冲结束后 组织的宏观横向磁化矢量逐渐衰减 衰减的原因是同相位进动的质子失相位 造成质子失相位的原因有两部分 1 组织真正的T2弛豫 2 主磁场不均匀 SE序列的180 脉冲可剔除主磁场不均匀造成的质子失相位从而获得真正的T2弛豫信息 GRE序列中施加的离相位梯度场将暂时性的增加磁场的不均匀性 从而加速了质子失相位 因此GRE序列中离相位梯度场施加后 质子的失相位是由三个原因引起的 1 组织真正的T2弛豫 2 主磁场不均匀 3 离相位梯度场造成的磁场不均匀 GRE序列中的聚相位梯度场只能剔除离相位梯度场造成的质子失相位 但并不能剔除主磁场不均匀造成的质子失相位 因而获得的只能是组织的T2 弛豫信息而不是T2弛豫信息 图41 3 GRE序列的固有信噪比较低我们都知道射频脉冲关闭后宏观横向磁化矢量的衰减 即T2 弛豫 很快 明显快于T2弛豫 GRE序列利用梯度场切换产生回波 因而不能剔除主磁场不均匀造成的质子失相位 因此在相同的TE下 GRE序列得到的回波的幅度将明显低于SE序列 即便有时SE序列的TE长于GRE序列 其回波的幅度也常常大于后者 另一方面 GRE序列常用小角度激发 射频脉冲激发所产生的横向磁化矢量本来就比SE序列小 不难理解 GRE序列图像的固有信噪比将低于SE序列 图41 4 GRE序列对磁场的不均匀性敏感自旋回波类序列的特点之一是对磁场不均匀性不敏感 因为180 复相脉冲可剔除主磁场不均匀造成的质子失相位 在GRE序列中 回波的产生依靠梯度场的切换 不能剔除主磁场的不均匀造成的质子失相位 因此 GRE序列对磁场的不均匀性比较敏感 这一特性的缺点在于容易产生磁化率伪影 特别是在气体与组织的界面上 优点在于容易检出能够造成局部磁场不均匀的病变 如出血 血色病等 5 GRE序列中血流常呈现高信号血流在梯度回波序列上常表现为高信号 详见第一章第十一节 第七节常规梯度回波序列和扰相梯度回波序列 常规GRE序列和扰相GRE序列是临床上最常用的GRE序列 也是最简单的梯度回波序列 本节我们将重点介绍其序列结构和应用 一 常规GRE序列的结构图42所示为常规GRE序列的结构示意图 实际上常规GRE序列的结构和其他所有序列一样均有五个部分构成 即射频脉冲 层面选择梯度场 相位编码梯度 频率编码和MR信号 与SE序列相比 常规GRE序列有两个特点 1 射频脉冲激发角度小于90 2 回波的产生依靠读出梯度场 即频率编码梯度场 切换 常规GRE序列可以说是最简单的GRE序列 具有前一节所介绍GRE序列的所有特性 图42常规GRE序列结构图和其他所有序列一样 常规GRE序列也由射频脉冲 层面选择梯度 相位编码梯度 层面选择梯度 或称读出梯度 及MR信号等五部分构成 与SE序列相比 常规GRE序列有两个特点 1 射频脉冲激发角度小于90 2 回波的产生依靠读出梯度场 即频率编码梯度场 切换 把小角度脉冲中点与回波中点的时间间隔定义为TE 把两次相邻的小角度脉冲中点的时间间隔定义为TR 二 扰相GRE序列当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 即横向磁化矢量几乎衰减到零 这样前一次 脉冲激发产生的横向磁化矢量将不会影响后一次 脉冲激发所产生的信号 但当TR小于组织的T2值时 下一次 脉冲激发前 前一次 脉冲激发产生的横向磁化矢量尚未完全衰减 这种残留的横向磁化矢量将对下一次 脉冲产生的横向磁化矢量产生影响 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 为了消除这种伪影我们必需在下一次 脉冲施加前去除这种残留的横向磁化矢量 采用的方向就是在前一次 脉冲的MR信号采集后 下一次 脉冲来临前对质子的相位进行干扰 使其失相位加快 从而消除这种残留的横向磁化矢量 干扰的方法有两种 1 施加扰相位梯度场 可只施加于层面选择方向或三个方向都施加 2 施加扰相位射频脉冲 以施加扰相位梯度场应用较多 施加了扰相位梯度场后 将造成人为的磁场不均匀 加快了质子失相位 从而消除这种残留的横向磁化矢量 图43 我们把施加了扰相位梯度场或扰相位射频脉冲的梯度回波序列称为扰相GRE序列 这个序列在不同的公司有着不同的名称 如GE公司称之为SPGR spoiledgradientrecalledecho 西门子公司称之为FLASH fastlowangleshot 飞利浦公司称之为FFE fastfieldecho 图43扰相GRE序列结构示意图与常规GRE序列 图42 相比 扰相GRE序列唯一的不同就是在前一次 脉冲的回波采集后 下一次 脉冲来临前 在层面选择方向 相位编码方向及频率编码方向都施加了一个很强的梯度场 人为造成磁场不均匀 加快了质子失相位 以彻底消除前一次 脉冲的回波采集后残留的横向磁化矢量