關(guān)于磁共振成像的空間定位

1、關(guān)于磁共振成像的空間定位對(duì)于二維成像來(lái)說(shuō)，接收線圈所采集的每一個(gè)信號(hào)，都代表了所掃描的部位中全部層面的組織信息；同樣的，在三維成像中，每一個(gè)信號(hào)都代表了整個(gè)采集容積的組織信息。因此，我們要進(jìn)行空間定位區(qū)分來(lái)自掃描層面或容積中不同位置的信息，那么我們?nèi)绾蝸?lái)進(jìn)行空間定位呢？空間定位的依據(jù)有是什么呢？磁共振依靠梯度磁場(chǎng)進(jìn)行空間定位。實(shí)際上我們地球磁場(chǎng)也是存在梯度的，因此我們可以根據(jù)地磁實(shí)現(xiàn)地球上某點(diǎn)的定位。地磁呈梯度分布，已知地磁中兩極的磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)最高，為0.7G,赤道處的場(chǎng)強(qiáng)最低，為0.3G，從兩極到赤道地磁場(chǎng)強(qiáng)呈遞減分布，如此可以說(shuō)，一定的磁場(chǎng)強(qiáng)度可以代表一定的位置，便可以進(jìn)行地球上各點(diǎn)位置的確定

2、尤其是緯度的確定。當(dāng)然，依靠地磁進(jìn)行位置定位在實(shí)際操作中要復(fù)雜的多，事實(shí)上，地球并非平滑的規(guī)則球體，另外某一地的地形、地貌乃至地球上地質(zhì)活動(dòng)或生物活動(dòng)都會(huì)在一定程度上影響地磁場(chǎng)強(qiáng)，但大體原理就是利用地磁本身的不均勻性，由于存在有規(guī)律的梯度差，所以可以特定的場(chǎng)強(qiáng)可以代表特定的場(chǎng)強(qiáng)，可以說(shuō)，梯度磁場(chǎng)中每一個(gè)不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度代表了該磁場(chǎng)中不同點(diǎn)的位置信息。磁共振的定位也是利用梯度磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。磁共振儀利用三套梯度線圈來(lái)產(chǎn)生梯度磁場(chǎng)，制造我們可控的磁場(chǎng)不均勻性。在梯度磁場(chǎng)的作用下，來(lái)自不同位置的磁共振信號(hào)帶有不同的空間定位信息，再通過(guò)復(fù)雜的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換解碼，將轉(zhuǎn)碼后的信號(hào)分配到各個(gè)像素中，而形成可用于診斷的

3、醫(yī)學(xué)磁共振影像。數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換解碼的過(guò)程，是復(fù)雜的數(shù)學(xué)知識(shí)，作為醫(yī)師不需要進(jìn)行深入了解，是完全由程序化的電腦計(jì)算完成的，而最終轉(zhuǎn)碼完成的MR信號(hào)，就是圖像信號(hào)。至于像素分配的過(guò)程，有書上說(shuō)，當(dāng)磁共振信號(hào)經(jīng)過(guò)最后一步轉(zhuǎn)換，成為色彩明暗不同的圖像信號(hào)，就和數(shù)碼相機(jī)成像的原理相同了，關(guān)于這一點(diǎn)，我專門問(wèn)過(guò)我學(xué)攝影的朋友，對(duì)于相機(jī)本身，它并不能識(shí)別和儲(chǔ)存圖像信號(hào)，它所能識(shí)別的只能是數(shù)字信號(hào)，而在拍照的過(guò)程中都要經(jīng)過(guò)兩次信息轉(zhuǎn)碼，即先把取景的圖像信號(hào)轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)，再將數(shù)字信號(hào)提取轉(zhuǎn)碼，還原成圖像信號(hào)。即使MR的轉(zhuǎn)碼過(guò)程要比數(shù)碼相機(jī)復(fù)雜的多，但不論你使用何種機(jī)型，選擇何種掃描序列，當(dāng)采集信號(hào)經(jīng)過(guò)復(fù)雜的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)碼、

4、傅里葉轉(zhuǎn)換、K空間排序和填充之后，都要進(jìn)行同數(shù)碼相機(jī)一樣由數(shù)字信號(hào)到圖像信號(hào)的轉(zhuǎn)換，而轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)后，這些信號(hào)也僅僅是一個(gè)個(gè)無(wú)序的信號(hào)點(diǎn)，并不能直觀地被人識(shí)別，而像素，相當(dāng)于空間或平面中的網(wǎng)格，將這些有色彩明暗差別的圖像信號(hào)點(diǎn)有規(guī)律和次序地放置到對(duì)應(yīng)得網(wǎng)格中，就獲得一副完整的、能直觀理解的MR影像。MR的空間定位包括以下幾個(gè)方面：層面的選擇、層厚的選擇、頻率編碼還有相位編碼。一、層面的選擇和層厚的決定層面的選擇和層厚的選擇在MR的工作過(guò)程中是同時(shí)進(jìn)行的，因此我們放到一起進(jìn)行。我們知道，要想使組織中的氫質(zhì)子發(fā)生磁共振現(xiàn)象，需要對(duì)組織發(fā)射一個(gè)射頻脈沖進(jìn)行激發(fā)，而該脈沖的頻率要與所激發(fā)質(zhì)子的進(jìn)動(dòng)頻

5、率相同。理論上講，如果磁場(chǎng)處于絕對(duì)均勻的狀態(tài)，那其中質(zhì)子的進(jìn)動(dòng)頻率也都是一致的，而理想化的射頻脈沖的頻率也是單一的，并且與質(zhì)子的進(jìn)動(dòng)頻率完全一致。但事實(shí)上，完全均勻的磁場(chǎng)幾乎是不存在的，而我們所發(fā)射的射頻脈沖也并非是單一頻率脈沖，而總是包含有一定范圍的頻率，不過(guò)，這種脈沖的中心頻率以及頻率范圍是可以人為控制的。我們利用這種可控的磁場(chǎng)不均勻性即梯度磁場(chǎng)，和頻率范圍可控的射頻脈沖，就可以實(shí)現(xiàn)二維MR圖像的層面及層厚的選擇。例如，在1.5T場(chǎng)強(qiáng)的磁場(chǎng)下，質(zhì)子的進(jìn)動(dòng)頻率約為64MHz,如果我們要進(jìn)行橫斷面的層面及層厚選擇，就需要在組織長(zhǎng)軸方向及Z軸方向施加梯度場(chǎng)。我們之前說(shuō)過(guò)，在梯度場(chǎng)下，磁化矢量軸的

6、中點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)總是等于主磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)，假設(shè)我們施加的梯度場(chǎng)是頭側(cè)低足側(cè)高,那么在Z軸的中點(diǎn)，其場(chǎng)強(qiáng)還是1.5T,那么中點(diǎn)處的質(zhì)子進(jìn)洞頻率依然是64MHz，由中點(diǎn)到頭側(cè)的場(chǎng)強(qiáng)逐漸遞減，因此質(zhì)子的進(jìn)洞頻率也逐漸減慢，越來(lái)越小于64MHz；同理，由中點(diǎn)到足側(cè)的場(chǎng)強(qiáng)逐漸遞增，因此質(zhì)子的進(jìn)動(dòng)頻率也逐漸加快，越來(lái)越大于64MHz。例如對(duì)于頭部來(lái)說(shuō)，頭頂部的組織質(zhì)子進(jìn)洞頻率最低，下頜部組織的質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率最高。而這種質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率的差別大小與梯度場(chǎng)強(qiáng)成正比，梯度場(chǎng)越大，Z軸方向上磁場(chǎng)的差別越大，Z軸上各處質(zhì)子的進(jìn)動(dòng)頻率差別也越大。假設(shè)我們施加的梯度場(chǎng)所造成的質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率的差別為1MHz/cm,我們所用的射頻脈沖的頻率范

7、圍為63.564.5MHz,脈沖的中心頻率正好等于Z軸中心點(diǎn)質(zhì)子的進(jìn)洞頻率64MHz,這就是我們所激發(fā)的層面中心，即我們選擇的層面就是Z軸中心所在的平面，而由于我們的射頻脈沖不只包含64MHz這一個(gè)頻率，那所有進(jìn)動(dòng)頻率為63.564.5MHz的質(zhì)子都將被激發(fā)，進(jìn)動(dòng)頻率最快質(zhì)子和最慢質(zhì)子的頻率差為64.5-63.5=1MHz，又因?yàn)槲覀兯┘拥奶荻葓?chǎng)中，質(zhì)子的進(jìn)洞頻率差為1MHz/cm，因此我們所決定層厚為1cm,而我們所選擇層厚中最外層的層面就是Z軸上質(zhì)子進(jìn)洞頻率分別等于64.5MHz和等于63.5MHz的所在平面，即位于Z軸中點(diǎn)兩側(cè)分別0.5cm的層面。在物理學(xué)中，將射頻脈沖的中心頻率稱為脈

8、沖的頻率，將所包含的頻率范圍稱為帶寬，例如上文中的脈沖帶寬為1cm。如果其他條件都與上文保持不變，我們對(duì)Z軸上施加的梯度場(chǎng)、射頻脈沖的頻率和帶寬進(jìn)行調(diào)整，所選擇的層面和層厚也會(huì)發(fā)生如下規(guī)律的變化：1】梯度場(chǎng)不變，射頻脈沖的頻率提高1MHz,則層面中心將向足側(cè)移動(dòng)1cm，層厚依然是1cm。2】梯度場(chǎng)不變，脈沖頻率不變，帶寬變?yōu)?.5厘米，則層面中心不變，層厚變薄為0.5cm。3】脈沖的頻率和帶寬都不變，梯度場(chǎng)增強(qiáng)，使質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率差達(dá)到2MHz/cm，則層面中心不變，層厚變薄，為0.5cm，這是因?yàn)閹掃€是1MHz，而由于質(zhì)子頻率的差達(dá)到了2MHz/cm，即每0.5cm就會(huì)滿足帶寬所包括1MHz的

9、進(jìn)動(dòng)頻率差，所以層厚變?yōu)榱?.5cm，而無(wú)論多高的梯度場(chǎng)下，中點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)永遠(yuǎn)等于主磁場(chǎng)強(qiáng)度，因此Z軸中點(diǎn)處的質(zhì)子頻率永遠(yuǎn)保持不變，因此層面中心不會(huì)變。因此我得出以下結(jié)論：在檢查部位在梯度場(chǎng)中位置保持不變的情況下層面和層厚收梯度場(chǎng)強(qiáng)、射頻脈沖的影響有如下規(guī)律：1】梯度場(chǎng)不變，射頻脈沖的頻率增加，層面位置會(huì)沿z軸向場(chǎng)高的一側(cè)移動(dòng)。2】梯度場(chǎng)不變，射頻帶寬加寬，層面中心不變，層厚會(huì)增加。3】脈沖的中心頻率及帶寬保持不變，梯度場(chǎng)強(qiáng)增加，中心層面不變，層厚變薄。同理,除了在Z軸上施加梯度場(chǎng)從而進(jìn)行橫斷面掃描的層面層厚選擇，實(shí)際上MR儀可以利用在XYZ三個(gè)軸上施加梯度場(chǎng)及進(jìn)行三個(gè)軸有序的組合實(shí)現(xiàn)矢狀面、冠狀面

10、、斜橫斷面、斜矢狀面、斜冠狀面乃至空間中任意平面的層面、層厚選擇。二、頻率編碼開頭我們介紹過(guò)，MR采集到的每一個(gè)磁共振信號(hào)，都包含有全層或全容積內(nèi)的所有信息，那么即使我們進(jìn)行了層面和層厚選擇，還是無(wú)法識(shí)別該層面內(nèi)的各個(gè)位置的不同信息，因此，我們必須把采集到的信號(hào)分配到層面內(nèi)不同的空間位置上，即分配到像素中，才能區(qū)分同層面內(nèi)的不同位置。這就要求我們進(jìn)行針對(duì)以選定層面內(nèi)的空間定位。空間定位編碼包括頻率編碼和相位編碼。首先，我們介紹頻率編碼。磁共振頻率編碼的原理與三菱鏡分解陽(yáng)光的原理相似，我們先來(lái)復(fù)習(xí)一下。白色的太陽(yáng)光通過(guò)三菱鏡，會(huì)被分解成紅橙黃綠青藍(lán)紫七種顏色的光其實(shí)不止其中，這其中顏色在人類的可

11、見光譜中，在紅色光譜之外的不可見光稱為紅外線，紫色光譜外的不可見光稱為紫外線，太陽(yáng)光之所以會(huì)被分解，是因?yàn)樘?yáng)光中本就包含這些光線，我們知道光的本質(zhì)是一種電磁波，具有一定的頻率，可見光中紅色的光頻率最低，紫色的光頻率最高，紅外線比紅光的頻率更低，紫外線比紫色光的頻率更高，都不可被人眼識(shí)別，頻率的差別正是我們可以區(qū)別這些光信號(hào)的原因，同理，磁共振的頻率編碼可以利用不同頻率來(lái)識(shí)別不同的信號(hào)，頻率編碼的對(duì)磁共振的作用相當(dāng)三菱鏡之于太陽(yáng)光。當(dāng)然，我們要通過(guò)頻率編碼來(lái)區(qū)分層面中的不同MR信號(hào)，首先要使層面中不同位置中的MR有不同的頻率。我們還是以橫斷面的掃描為例，一般以前后方向?yàn)轭l率編碼方向，我們?cè)谛盘?hào)

12、采集的時(shí)刻，在前后方向上施加一個(gè)前高后低的梯度場(chǎng)，這樣在前后方向上，質(zhì)子所感受到的磁場(chǎng)強(qiáng)度就不同，質(zhì)子的進(jìn)動(dòng)頻率就會(huì)產(chǎn)生差別，即越近前面的質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率越高，越近后面的進(jìn)動(dòng)頻率越低，這樣按照不同頻率代表不同位置信息的原理，同層面采集到的信號(hào)在前后方向上就會(huì)有所不同，從而在進(jìn)行傅里葉轉(zhuǎn)換解碼后的MR信號(hào)在該層面前后方向上得以區(qū)分出來(lái)，可以被分配到前后方向上特定的位置上。需要指出的是，頻率編碼的梯度場(chǎng)必須在磁共振信號(hào)采集的時(shí)刻同時(shí)施加，這樣所采集的信號(hào)才會(huì)有頻率編碼信息。三、相位編碼在一個(gè)層面上我們進(jìn)行了頻率編碼，那經(jīng)過(guò)傅里葉轉(zhuǎn)換的MR信號(hào)僅僅完成了前后方向上的空間信息編碼，也就是說(shuō)，我們?cè)诖藢用嫔?/p>

13、僅僅能區(qū)別前后方向上信號(hào)的區(qū)別，而左右方向上必須也進(jìn)行空間定位編碼，才能完成層面內(nèi)的信號(hào)定位。那么，沿用之前的例子，在橫斷面掃描成像中，如果我們?cè)谇昂蠓较蛏鲜┘宇l率編碼，完成了此層面中前后方向上的信號(hào)空間定位，在左右方向上信號(hào)的位置信息依然是混亂的，那么我們是否也可以在左右方向上施加頻率編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)左右方向的空間定位呢？回答是否定的，如果在前后和左右方向都進(jìn)行同樣的空間定位編碼，那么MR信號(hào)在經(jīng)過(guò)傅里葉轉(zhuǎn)換后就不能區(qū)分出事左右方向還是前后方向的頻率差別，那么我們就需要在左右方向即與頻率編碼垂直方向上施加一個(gè)不同的空間定位編碼，即相位編碼。相位編碼要比頻率編碼復(fù)雜一些，我們知道質(zhì)子有自己的進(jìn)動(dòng)頻率

14、，頻率就是利用梯度場(chǎng)造成的質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率進(jìn)行空間定位，而在質(zhì)子的進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)中，每一個(gè)質(zhì)子的橫向磁化矢量都會(huì)時(shí)刻處在一定的相位中，相位編碼就是利用相位的梯度場(chǎng)造成的相位不同來(lái)進(jìn)行空間定位的。相位編碼的梯度場(chǎng)與頻率編碼的不同之處是：1】施加方向不同，相位編碼的梯度場(chǎng)施加方向是同層面中頻率編碼的垂直方向。這也決定了在實(shí)際使用中頻率編碼和相位編碼的方向是可以互相切換的。2】施加的時(shí)刻不同，前文提到頻率編碼要在信號(hào)采集的時(shí)刻同時(shí)施加，而相位編碼要在信號(hào)采集之前施加，而且在信號(hào)采集的時(shí)刻，相位編碼的梯度場(chǎng)必須是已經(jīng)關(guān)閉的。3】在一個(gè)層面中，每個(gè)MR信號(hào)的頻率編碼處在同一大小和方向的頻率編碼梯度場(chǎng)下，而每個(gè)MR

15、信號(hào)的相位編碼梯度場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)大小和（或）方向是不同的。還以橫斷面的掃描為例，我們?cè)谧笥曳较蛏鲜┘右粋€(gè)左高右低的梯度場(chǎng)，這樣在層面內(nèi)左右方向場(chǎng)強(qiáng)將存在差別，和所有的梯度場(chǎng)一樣，在梯度場(chǎng)中點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)等于主磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)，該處的質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率保持不變；越靠左邊的場(chǎng)強(qiáng)越高，質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率越快；越靠右邊的場(chǎng)強(qiáng)越低，質(zhì)子進(jìn)洞頻率越慢，因?yàn)檫M(jìn)動(dòng)頻率不同，一段時(shí)間后左右方向上質(zhì)子進(jìn)動(dòng)的相位也會(huì)不同，這時(shí)如果關(guān)閉梯度場(chǎng)，左右方向上的場(chǎng)強(qiáng)都會(huì)等于主磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)，如此左右方向上所有質(zhì)子的進(jìn)動(dòng)頻率也會(huì)恢復(fù)相等，但是左右方向上的質(zhì)子進(jìn)動(dòng)相位已經(jīng)產(chǎn)生的差別將會(huì)保留下來(lái)，而且由于現(xiàn)在的進(jìn)動(dòng)頻率已經(jīng)相等因此這種相位差將會(huì)保持在一個(gè)水平，這時(shí)采

16、集MR信號(hào)，在該層面左右方向上的信號(hào)就會(huì)包含有不同的相位信息，而不同的相位信息可以代表左右方向的不同位置信息，如此就完成了左右方向上的磁共振信號(hào)空間定位然而，實(shí)際上，雖然原理是這樣，但是MR儀本身的特點(diǎn)，它可以區(qū)分質(zhì)子在頻率上各個(gè)大小的差別，但是區(qū)別相位差別的能力卻相對(duì)較弱，只能區(qū)別相位相差180的信號(hào)。所以相位編碼就不能如頻率編碼一樣一步到位，而要進(jìn)行多次重復(fù)采集。例如矩陣為256*256的圖像就要進(jìn)行256次相位編碼。由于MR只能識(shí)別相位相差180的信號(hào)，那么一次性施加梯度場(chǎng)使得左右方向各質(zhì)子相位相差180的話，第二個(gè)信號(hào)和第一個(gè)信號(hào)相差180，第三個(gè)信號(hào)與第二個(gè)信號(hào)差180，就會(huì)使第三個(gè)

17、信號(hào)與第一個(gè)信號(hào)相位相同，因此一般在采集第一個(gè)信號(hào)的時(shí)候施加一個(gè)梯度場(chǎng)使第二個(gè)信號(hào)與第一個(gè)信號(hào)相位差別180，進(jìn)行采集，采集第二個(gè)信號(hào)時(shí)要施加一個(gè)比之間的場(chǎng)強(qiáng)稍小的梯度場(chǎng)，使得第一個(gè)信號(hào)與第三個(gè)信號(hào)相差180，以此類推，之后每次施加的梯度場(chǎng)對(duì)比之間的場(chǎng)強(qiáng)稍小，一直到使第一個(gè)信號(hào)與第二百五十六個(gè)信號(hào)相位相差180也就是說(shuō)要進(jìn)行大小不同的梯度場(chǎng)造成256個(gè)180的差別，才能完成相位編碼。256個(gè)信號(hào)要進(jìn)行256個(gè)不同的梯度場(chǎng)進(jìn)行相位編碼，每一個(gè)相位編碼梯度場(chǎng)等到的MR信號(hào)也稱為編碼線。還是以橫斷面掃描為例，在實(shí)際成像中，施加右側(cè)高左側(cè)低的相位編碼，一般是先施加強(qiáng)度最大的梯度場(chǎng)，場(chǎng)強(qiáng)逐漸變小直至為零，然后要改變梯度場(chǎng)的方向即改為右側(cè)低左側(cè)高，這時(shí)場(chǎng)強(qiáng)則由小開始，逐漸變大，場(chǎng)強(qiáng)變化的步級(jí)和之前梯度場(chǎng)方向變化前的一樣。四、三維采集的空間編碼三維激發(fā)和采集的信號(hào)不是針對(duì)平面，而是針對(duì)成像容積，為了獲得薄層