磁共振成像序列的機(jī)理研究

磁共振成像序列的機(jī)理研究 PAGE5/4磁共振成像序列的機(jī)理研究【摘要】1946年，人們最初認(rèn)識了核磁共振（NMR）現(xiàn)象。之后，NMR很快產(chǎn)生了實(shí)際用途。隨著時(shí)間的推移，NMR技術(shù)不斷發(fā)展，其解析分子結(jié)構(gòu)的能力也越來越強(qiáng)。1973年，核磁共振成像技術(shù)（MRI）問世并日趨成熟，被人類廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，成為一項(xiàng)常規(guī)的醫(yī)學(xué)檢測手段。近年來，科學(xué)家在磁共振成像序列的機(jī)理上不斷進(jìn)行探究，并成功擴(kuò)充磁共振序列庫，對推動(dòng)醫(yī)學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)和認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)，為人類揭示大腦和生命的奧秘奠基。本文主要介紹了幾種常用的磁共振成像序列——SE序列、FSE序列、IR序列、GRE序列和三種雜合序列?！娟P(guān)鍵詞】核磁共振成像、序列、磁化矢量、弛豫、RF脈沖【正文】一、磁共振成像的原理及概述處在磁場中的任何含有奇數(shù)質(zhì)子或中子的原子核會(huì)吸收與磁場強(qiáng)度成正比的特定頻率的電磁波能量而處于受激高能態(tài)。當(dāng)處于受激高能態(tài)的原子核回復(fù)到初始低能態(tài)時(shí)，將會(huì)輻射出與激勵(lì)頻率相同的電磁波。這一現(xiàn)象被稱為核磁共振（NMR），磁共振設(shè)備有：MR設(shè)備的場強(qiáng)、MR設(shè)備的磁體和MR設(shè)備的線圈。磁共振成像（MRI）是基于核磁共振（NMR）原理的成像技術(shù)。依據(jù)所釋放的能量在物質(zhì)內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)環(huán)境中不同的衰減，通過外加梯度磁場檢測所發(fā)射出的電磁波，即可得知構(gòu)成這一物體原子核的位置和種類，據(jù)此可以繪制成物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖像。核磁共振成像（MRI）已在物理、化學(xué)、醫(yī)療、石油化工、考古等方面獲得了廣泛的應(yīng)用，極大地推動(dòng)了醫(yī)學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)和認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的迅速發(fā)展。由于氫為磁化最高的原子核，且氫為人體內(nèi)含量最多的元素，故MRI中目前只應(yīng)用氫核成像。在自然狀態(tài)下，質(zhì)子是無序的，因此它們不顯示磁性。利用磁場使質(zhì)子規(guī)范排列后，質(zhì)子就會(huì)形成一個(gè)相應(yīng)的磁化矢量，該磁化矢量方向與外磁場縱軸的方向相同。然而此時(shí)形成的磁力與外磁場相比十分微弱，還不能直接應(yīng)用與成像技術(shù)。質(zhì)子在外磁場中有特定的自旋方式和“進(jìn)動(dòng)”的運(yùn)動(dòng)方式。而其“進(jìn)動(dòng)頻率”與外磁場的場強(qiáng)有關(guān)，用Lamor方程可表示為。根據(jù)Lamor方程計(jì)算出能使氫質(zhì)子產(chǎn)生共振的射頻脈沖（RF脈沖），并向質(zhì)子施加特定頻率的RF脈沖，質(zhì)子便會(huì)吸收RF脈沖的能量發(fā)生躍遷，同時(shí)變?yōu)樘幱凇巴唷钡馁|(zhì)子，形成一個(gè)新的宏觀磁化量，即橫向磁化矢量。此時(shí)的MR信號就可以應(yīng)用成像。新建立的橫向磁化矢量的消失與原來的縱向磁化矢量的恢復(fù)過程稱為“弛豫”。其中，縱向弛豫時(shí)間稱為，橫向弛豫時(shí)間稱為。弛豫時(shí)間為一常數(shù)：=縱向磁化恢復(fù)到原來磁化量63%的時(shí)間；=橫向磁化減少到初始的37%的時(shí)間。人體中不同成分的組織和結(jié)構(gòu)的弛豫時(shí)間不同，正常組織與該組織中的病變組織之間的弛豫時(shí)間也不同，這是MRI用于臨床診斷的最主要的物理基礎(chǔ)。MR信號與質(zhì)子密度、T1、T2值、化學(xué)位移、相位、運(yùn)動(dòng)等因素有關(guān)，而這些因素對MR信號的影響收RF脈沖的調(diào)節(jié)、所用的梯度以及信號采集時(shí)刻的控制。因此，MRI成像技術(shù)中，有多個(gè)成像參數(shù)提供豐富的診斷信息，使MRI獲得的圖像十分清晰精細(xì)。且MRI對軟組織有較好的分辨力，能夠通過調(diào)節(jié)磁場自由選擇所需剖面，對全身各系統(tǒng)疾病的診斷都有很大的價(jià)值。二、磁共振成像的序列磁共振成像序列可分為多種：1、自旋回波（SE）序列；2、快速自旋回波（FSE）序列；3、反轉(zhuǎn)恢復(fù)（IR）序列；4、梯度回波（GRE）序列；5、雜合序列。（1）自旋回波（SE）序列：SE序列是目前MR成像中最基本、最常用的脈沖序列。SE序列包括單回波SE序列和多回波SE序列。單回波序列的過程是先發(fā)射一個(gè)90°脈沖，間隔一段時(shí)間后再發(fā)射一個(gè)180°脈沖，此后再經(jīng)過一段時(shí)間間隔就出現(xiàn)了回波，即可測量回波信號的強(qiáng)度。其中，90°RF脈沖至測量回波信號之間的時(shí)間稱為回波時(shí)間（TE）。在實(shí)際成像過程中，上述過程需要重復(fù)，相鄰兩個(gè)90°RF脈沖之間的時(shí)間間隔為重復(fù)時(shí)間（TR）。因此，SE序列組織的MR信號強(qiáng)度可用Bloch方程表示：從中可知，T1越長或T2越短，則信號越弱；T1越短、T2越長或質(zhì)子密度越高，則信號越強(qiáng)。成像時(shí)通過對TR和TE時(shí)間的選擇，可獲得不同強(qiáng)度的T1、T2和質(zhì)子密度加權(quán)像。1、選用長TR（1500~2500ms）和短TE（10~25ms）可得到質(zhì)子密度加權(quán)像；2、選用長TR（1500~2500ms）和長TE（80~120ms）可得到T2加權(quán)像；3、選用短TR（5000ms左右）和短TE（10~25ms）可得到T1加權(quán)像。若均選用中等長度的TE和TR，則無法突出對比，從而不適用于醫(yī)學(xué)成像。多回波序列是在施加90°RF脈沖后，每隔特定的時(shí)間連續(xù)施加多個(gè)180°RF脈沖，使磁化矢量產(chǎn)生多個(gè)回波。多回波SE序列可顯著縮短成像時(shí)間，但因?yàn)槌谠サ淖饔?，相繼產(chǎn)生的回波信號幅度呈指數(shù)性衰減，使圖像的信噪比降低。SE序列具有組織對比良好、信噪比較高、偽影少、信號變化容易解釋等特點(diǎn)。常用于顱腦、骨關(guān)節(jié)軟組織、脊柱等的臨床檢測與治療。（2）快速自旋回波（FSE）序列：在SE序列中，T2加權(quán)像的產(chǎn)生所需要的掃描時(shí)間較長，F(xiàn)SE則解決了這個(gè)問題。FSE序列同多回波SE序列一樣，是在施加90°RF脈沖后，連續(xù)施加多個(gè)180°RF脈沖，形成多個(gè)自旋回波。不同的則是FSE序列在每個(gè)TR時(shí)間內(nèi)獲得多個(gè)彼此獨(dú)立的不同相位編碼數(shù)據(jù)，因此可使用較少的脈沖激勵(lì)及較少的TR周期形成圖像，從而縮短掃描時(shí)間。根據(jù)回波鏈長度（ETL），F(xiàn)SE序列可分為短回波鏈、中等長度回波鏈、長回波鏈三種。其特點(diǎn)有：快速成像、對磁場不均勻性不敏感、組織對比降低、圖像模糊、脂肪組織信號強(qiáng)度增高、組織的T2值延長、能量沉積增加等。（3）反轉(zhuǎn)恢復(fù)（IR）序列：IR序列是較早應(yīng)用的脈沖序列。其RF脈沖激勵(lì)的順序與SE序列相反。掃描中，先給一個(gè)180°RF脈沖，該脈沖使磁化矢量反轉(zhuǎn)180°，之后磁化矢量依組織的縱向弛豫恢復(fù)，經(jīng)過大約T1的時(shí)間后，磁化矢量恢復(fù)的量值直接與組織的T1有關(guān)，能夠有效反應(yīng)組織的T1差異。但是該信號還不能被測量，需再施加一個(gè)人90°RF脈沖，使其出現(xiàn)自由感應(yīng)衰減信號（FID）。IR序列的信號強(qiáng)度由Bloch方程表示為：IR序列有兩種信號處理方式：量值重建法和相位敏感重建法。所以，IR序列的信號不僅與所選擇的、TE和TR有關(guān)，還與數(shù)據(jù)重建方式有關(guān)。IR序列可形成重T1加權(quán)像，在成像過程中完全排除T2的作用，能精細(xì)地顯示解剖結(jié)構(gòu)，因而在檢測灰白質(zhì)疾病方面有很大的優(yōu)勢。近年來，以IR序列為基礎(chǔ)發(fā)展起來的流動(dòng)衰減反轉(zhuǎn)恢復(fù)（FLAIR）序列得到重視。該方法采用長和長TE的IRSE序列脈沖，產(chǎn)生液體信號為0的T2加權(quán)像，是一種水抑制的成像方法。常用于腦的多發(fā)性硬化和腦梗塞等疾病的鑒別診斷，其在癲癇的研究中也越來越受到重視。（4）梯度回波（GRE）序列：GRE序列又稱為場回波（FE）序列，具有掃描時(shí)間少、磁敏感效應(yīng)和三維成像的特點(diǎn)。其采用小于90°的射頻脈沖激勵(lì)和小的翻轉(zhuǎn)角，并使用反轉(zhuǎn)梯度取代180°復(fù)相脈沖。MR圖像信號強(qiáng)度的大小主要由激勵(lì)脈沖發(fā)射時(shí)縱向磁化矢量的大小和縱向磁化矢量翻轉(zhuǎn)到XY平面的橫向磁化矢量的大小決定。GRE圖像的對比主要依賴于激發(fā)脈沖的翻轉(zhuǎn)角，TR和TE三個(gè)因素。在三個(gè)因素中，翻轉(zhuǎn)角是主要的決定因素。GRE序列雖采用小于90°的射頻脈沖激勵(lì)，但小角度脈沖的縱向磁化矢量變化較小，使發(fā)射前的縱向磁化矢量接近于完全恢復(fù)，能形成較大的穩(wěn)態(tài)縱向細(xì)化矢量，故能產(chǎn)生較強(qiáng)的MR信號，明顯縮短成像時(shí)間而又具有較高的圖像信噪比。由于GRE序列不使用180°RF脈沖，可減少被檢者體內(nèi)的能量堆積，對被檢者有利。目前，GRE已被廣發(fā)應(yīng)用在上中腹部臟器檢查、血管檢查、心臟成像、關(guān)節(jié)軟骨成像、膽系成像中，是目前MR快速掃描序列中最為成熟的方法。（5）雜合序列：=1\*GB3①梯度自旋回波（GSE）序列：GSE序列是由SE序列和GRE序列組合而成的快速成像序列，又被稱為GRASE。該序列恢復(fù)了類似自旋回波的磁敏感性特點(diǎn)，又縮短了掃描時(shí)間。GRASE的一次激發(fā)中包含幾個(gè)自旋回波，每個(gè)自旋回波中又包含了一系列梯度回波。一般情況下，GRASE中所有自旋回波包絡(luò)叫做快速因子TF，將一個(gè)自旋回波包絡(luò)所籠罩的梯度回波數(shù)叫做EPI因子EF。TF和EF都是GRASE的參數(shù)。從廣義上講，TSE和EPI都屬于GRASE序列。但在通常情況下，只有TF≠1和EF≠1的序列稱為GRASE。當(dāng)EF=1時(shí)，GRASE稱為TSE序列；而當(dāng)TF=1時(shí)，GRASE被稱為EPI序列。因此，三種序列之間就可以相互轉(zhuǎn)換，GRASE在序列的選擇上具有很大的靈活性。②TIR、TIRM序列：TIR、TIRM序列是在快速自旋回波序列前加一個(gè)180°準(zhǔn)備脈沖組合成的新序列。該序列的工作原理與標(biāo)注IR序列相似，并具有抑制脂肪信號的作用。如果在射頻激勵(lì)開始時(shí)液體縱向磁化的弛豫曲線正好經(jīng)過零線，就可以抑制水信號。TIR、TIRM序列對觀察腦室周圍的病變有重大意義，通過對液體信號的壓制，腦室周圍的高密度病變以及周邊的充水結(jié)構(gòu)都能清楚顯示。③STEAM序列：STEAM序列是利用激發(fā)回波來取得信號的快速成像序列。STEAM序列采用3個(gè)RF脈沖：兩個(gè)90°脈沖及一組緊隨其后的小角度射頻脈沖串。采樣時(shí)，STEAM對每個(gè)回波信號分別進(jìn)行相位編碼。STEAM序列能夠克服磁場非均勻性的影響，且其圖像不受運(yùn)動(dòng)偽影的干擾，還可以運(yùn)用在擴(kuò)散成像場合中。然而STEAM對脂肪或蛋白質(zhì)等短T1組織的成像比較困難，最大信號幅度小，信噪比不高。三、未來展望科學(xué)家對生命的探究從未停息，人腦的思維方式一直是一個(gè)謎。借助MRI技術(shù)在腦功能成像方面的發(fā)展，有助于人類破譯大腦之謎。利用腦功能成像技術(shù)研究腦的功能及發(fā)生機(jī)制是腦科學(xué)中