第六章 磁共振成像(第三節(jié)至第四節(jié))

醫(yī)學影像物理學第六章磁共振成像主編：南京醫(yī)科大學吳小玲編者海南醫(yī)學院許建梅華北理工大學侯淑蓮第三節(jié)快速成像序列一、梯度回波序列三、平面回波成像序列二、快速自旋回波序列四、快速成像序列應(yīng)用前面的研究以表明，實現(xiàn)快速成像可從三個方面入手，一是縮短TR，二是利用k空間共軛對稱性減少采集次數(shù)，三是在一個TR內(nèi)采集更多個Ny，四是綜合利用上述方法。這節(jié)將逐項研究，主要內(nèi)容如下：一、梯度回波序列縮短TR方式小角度激發(fā)直接采集頻率編碼梯度的回波實現(xiàn)條件:主磁場均勻度達一定要求梯度回波（gradientecho，GRE或GE）序列又稱為場回波（fieldecho，F(xiàn)E）序列

采用小角度（<90°）RF激勵、短重復(fù)時間，用反轉(zhuǎn)梯度取代180°，重聚脈沖在磁化強度矢量形成穩(wěn)定平衡狀態(tài)下進行信號采集。

常規(guī)GRE序列；橫向殘余磁化矢量利用序列；橫向殘余磁化矢量破壞序列。三類GRE序列：GRE序列與SE序列主要區(qū)別配制高強度的梯度場使用反轉(zhuǎn)梯度取代180o相位重聚脈沖。一、梯度回波序列（1）信號產(chǎn)生的基本原理小角度激勵技術(shù)GRE序列中，用小于90o的

脈沖，在脈沖結(jié)束時，縱向磁化仍保持較大幅度，可短時間內(nèi)再激勵，縮短了激勵周期，橫向磁化仍可產(chǎn)生較大幅度信號。例如，當

=20o時僅過數(shù)十毫秒，縱向磁化即可恢復(fù)到平衡狀態(tài)。Mxy=34%M0Mz=94%M01.基本GRE序列一、梯度回波序列x方向施加梯度場，通過切換，用梯度回波代替180o自旋回波，同時作為頻率編碼梯度，與消除頻率編碼散相原理相同。相位重聚梯度的持續(xù)時間為去相位梯度時間的一倍。。大大節(jié)省了時間一、梯度回波序列梯度回波時序梯度回波重聚的原理一、梯度回波序列梯度回波的形成原理一、梯度回波序列

一、梯度回波序列梯度回波的形成SE序列180o相位重聚可消除磁場不均勻性梯度磁場引起的去相位影響獲得T2信號GRE序列能補償梯度場引起的去相位無法消除磁場不均勻性的影響讀出梯度反轉(zhuǎn)產(chǎn)生相位重聚獲得的是T2*信號梯度回波與自旋回波相位重聚的比較一、梯度回波序列成像時間采集一幅圖像SE和IR序列成像總時間要幾分鐘，而GRE由于大大縮短了

成像時間縮短至幾十秒甚至幾秒。一、梯度回波序列

小翻轉(zhuǎn)角5o～20o、長TE(15~25ms)、短TR（＜50ms)形成T2*加權(quán)圖像；（2）加權(quán)圖像T1加權(quán)圖像T2*加權(quán)圖像質(zhì)子密度加權(quán)圖像大翻轉(zhuǎn)角70o、短TE(5~10ms)、短TR(＜50ms)形成T1加權(quán)圖像小翻轉(zhuǎn)角5o～20o、短TE(5~10ms)、短TR(＜50ms)形成質(zhì)子密度加權(quán)圖像。一、梯度回波序列

原因：GRE序列2.常用的梯度回波序列基本GRE脈沖序列沒有實用價值每一次相位編碼過程中都會有上一次殘留的橫向磁化矢量參與，每條相位編碼讀出線的強度都有所增加，反映在圖像上沿相位編碼方向出現(xiàn)強信號亮線，稱為橫帶干擾偽像。為解決該問題梯度回波出現(xiàn)兩大脈沖系統(tǒng)，一是合理利用殘留的橫向磁化矢量脈沖系列，二是破壞掉橫向磁化矢量的脈沖系列。一、梯度回波序列小角度傾倒后在z方向留下較大的

和處理后最大的

橫向磁矩，GRE序列中TR很短脈沖多次作用下，縱向磁化會一步步變小，但恢復(fù)的速度又在一步步加快，于是在脈沖的多次激勵后這兩種相反的趨勢達到平衡，縱向磁化和橫向磁化在每一個的開始和結(jié)束時都具有相同的幅值。縱向磁化和橫向磁化處于動平衡中，這就是穩(wěn)態(tài)或穩(wěn)態(tài)自由旋進（SSFP）。(1)穩(wěn)態(tài)自由旋進形成條件：

一、梯度回波序列殘留的匯聚于-y軸形成

時產(chǎn)生的負FID信號稱為SSFP-echo信號，又稱為重聚焦，發(fā)生在本次α角脈沖之前。穩(wěn)態(tài)時MR信號包含兩種成份：FID信號echo信號echo信號FID信號RF脈沖激勵后產(chǎn)生的SSFP-FID信號。產(chǎn)生一、梯度回波序列(2)利用殘留的橫向磁化矢量脈沖系列

序列名稱特點1）FISP序列

采集SSFP-FID不抑制2）雙回波SSFP

FID和echo信號都采集3）平衡式SSFP

FID與echo橫向矢量完全融合(3)破壞殘留的橫向磁化矢量脈沖系列

擾相GRE序列

特點：破壞掉殘余橫向分量

短TR、小角可實現(xiàn)T1加權(quán)極短TR、TE可實現(xiàn)重T1加權(quán)一、梯度回波序列二、快速自旋回波序列

1．多回波SE序列特點：90o—TI—180o—TI—echo…180o—TI—echo…多個回波對應(yīng)的是同一個相位編碼步，具有相同y坐標，不能填進同一個k空間，不能用于同一幅圖像，而填充到不同的k空間，得到不同參數(shù)加權(quán)的多幅圖像。在90°脈沖后施加相位編碼，而后以特定的時間間隔連續(xù)施加多個180°脈沖，由此產(chǎn)生多個自旋回波，通過頻率編碼后采集信號，從而形成多個有一定間隔的自旋回波。二、快速自旋回波序列多回波SE序列二、快速自旋回波序列先發(fā)射90o脈沖，再連續(xù)發(fā)射多個180o脈沖，從而形成多個有一定間隔的自旋回波。與多回波SE不同的是每個回波對應(yīng)不同的相位編碼梯度，對應(yīng)一幅圖像。90o—TI—180o—TI—echo…180o—TI—echo…2.快速自旋回波序列快速自旋回波序列多回波SE序列TR內(nèi)Gy幅度固定各回波對應(yīng)的數(shù)據(jù)填充不同的k空間多幅不同加權(quán)MR圖像形成形成FSE序列Gy幅度不同同一k空間的不同區(qū)域一幅完整MR圖像TR內(nèi)各回波對應(yīng)的數(shù)據(jù)填充二、快速自旋回波序列FSE序列與多回波SE序列比較名詞術(shù)語二、快速自旋回波序列回波鏈：激勵脈沖后的每一組回波叫做一個回波鏈；回波鏈持續(xù)時間（echotrainduration：）獲取這些回波的時間；回波鏈長度（echotrainlength，ETL）：回波鏈中的回波數(shù)；回波間隙（echospace，ESP）：相鄰回波間的距離。快速自旋回波序列（1）FSE序列的掃描時間由于回波鏈長(ETL)等于一個TR周期內(nèi)所獲得的回波數(shù)。增加回波鏈長可減少掃描時間。

FSE掃描時間t二、快速自旋回波序列優(yōu)點縮短掃描時間；對彌散效應(yīng)、磁化率效應(yīng)不敏感，圖像與常規(guī)SE圖像非常接近。

ETLNEXNTRty=××（2）相位編碼與k空間填充次序FSE序列中，k空間被分成ETL個區(qū)域或節(jié)段，假定256×256像素的層面，ETL=4

經(jīng)過64個TR周期，k空間就被填滿，可形成一幅MR圖像。二、快速自旋回波序列64次激發(fā)的相位編碼ky在k空間的填充順序

一12……31320-1……-30-314二3334……6364-32-33……-62-633三6566……9596-64-65……-94-952四9798……127128-96-97……-126-1271節(jié)段6463……34333231……21

TR周期echotrain二、快速自旋回波(fastspinecho,FSE)序列多回波與快速自旋回波k空間填充次序比較多回波1多回波2二、快速自旋回波序列多回波3（3）有效回波時間與加權(quán)圖像數(shù)據(jù)采集中，Gy=0產(chǎn)生的回波信號被填入k空間中心行(ky=0)，該回波信號所對應(yīng)的回波時間稱為有效回波時間(TEeff)。FSE序列中，填充在k空間同一節(jié)段的回波具有相同回波時間，k空間中央部分對應(yīng)的回波時間就是有效回波時間。選擇短TEeff得到的是質(zhì)子密度加權(quán)圖像；選擇長TEeff得到的是T2加權(quán)圖像。一、快速自旋回波(fastspinecho,FSE)序列二、快速自旋回波序列各加權(quán)圖像對應(yīng)掃描參數(shù)：①

-WI：短TE，20ms；長TR，2500ms；②T1-WI：短TE

，小于20ms；短TR

，300~600ms；③T2-WI：長TE

，100ms；長TR

，2000ms以上。缺點ETL對應(yīng)不同的TE模糊效應(yīng)顯著，對比度低于SE；回波鏈的存在使TE、TR不能太短，影響T1WI質(zhì)量；脂肪信號超強；成像速度低于梯度回波。二、快速自旋回波序列采集正向相位編碼、零編碼以及少量負向相位編碼數(shù)據(jù)，根據(jù)對稱原理，利用正相位編碼數(shù)據(jù)復(fù)制負相位編碼數(shù)據(jù)，形成一幅完整的圖像。單次激勵快速自旋回波序列:一次RF激勵后使用一連串180o相位重聚脈沖，采集一連串回波，一次激勵形成一幅圖像。HASTE序列主要用于生成T2加權(quán)圖像，采用單次激勵快速自旋回波序列，并結(jié)合半傅里葉數(shù)據(jù)采集技術(shù)，使一幅256×256矩陣圖像在1s內(nèi)可采集完畢。3.FSE的拓展（1）半傅里葉采集單次激勵快速自旋回波序列二、快速自旋回波序列（2）快速反轉(zhuǎn)恢復(fù)自旋回波序列RF激勵方式與IR-SE相同采集方式與FSE相同優(yōu)點與缺欠與FSE相同（3）短

TR，

T2WI的實現(xiàn)：最后一個ETL采集結(jié)束后加180o+（-90o）脈沖，相位重聚后磁矩返回z軸二、快速自旋回波序列（4）k空間的旋轉(zhuǎn)和放射狀填充

螺旋槳技術(shù)（propeller）目的：為了進一步加強FSE和FIR序列對各種原因造成的磁場不均勻的不敏感性；提高對比度和信噪比；為后臺數(shù)據(jù)處理提供足夠的基礎(chǔ)信息；消除相位編碼方向上的運動偽影。二、快速自旋回波序列圖中一組平行線表示一個TR采集的一個ETL，這里ETL=4k空間填充的螺旋槳技術(shù)，ETL=4(5)MR水成像在FSE序列或HASTE序列中，選擇長TE、長TR的T2加權(quán)成像，在信號讀出時，大多數(shù)組織T2較短，橫向磁化基本衰減完畢,信號很低；靜態(tài)液體T2較長，橫向磁化衰減較少，信號較高。胰膽管、泌尿系統(tǒng)、椎管、內(nèi)耳、延腺、淚道、腦室和輸卵管等器官成像。特點應(yīng)用安全、無需造影劑、無創(chuàng)傷二、快速自旋回波序列正常膽系MR水成像二、快速自旋回波序列輸尿管結(jié)石MR水成像內(nèi)耳膜迷路MR水成像三、平面回波成像序列幾種序列成像速度比較SE成像(5~15min)FSE成像(1~5min)EPI成像(30~100ms)應(yīng)用運動目標動態(tài)研究、功能性應(yīng)用研究，如心血管運動、血流顯示、腦的彌散成像、灌注成像、腦的功能成像、實時MRI等。技術(shù)要求梯度系統(tǒng)要求高，如提升速度快、切換率高、梯度強度大。主磁場均勻度要好。1.EPI脈沖序列EPI是一種數(shù)據(jù)讀出模式，實質(zhì)就是改進了的FID，IR，SE或GRE等脈沖序列的信號讀取方式。對于單次激勵EPI成像，在一次RF激勵后，施加的讀出梯度進行快速往返振蕩，梯度每反轉(zhuǎn)一次就產(chǎn)生一個具有獨立相位編碼的梯度回波，直至采集完重建一幅MR圖像所需的全部回波。三、平面回波成像序列（1）EPI的射頻激勵初始橫向磁化強度準備方式不同就產(chǎn)生了不同類別的EPI序列。如FID-EPI、SE-EPI、IRSE-EPI、GRE-EPI

等。初始橫向磁化強度準備方法FID信號；IRSE信號；SE信號；GRE信號三、平面回波成像序列（a）FID-EPI序列時序

（b）k空間軌跡（左）SE-EPI序列時序（右）k空間軌跡三、平面回波成像序列

采用恒定相位編碼梯度，利用相位累積形成相位逐漸升高的相位編碼；（2）EPI相位編碼梯度與k空間填充

采用脈沖式相位編碼梯度，在每個讀出梯度后施加脈沖式相位編碼梯度進行相位編碼。相位編碼梯度種類不同k空間數(shù)據(jù)采集軌跡不同三、平面回波成像序列kx正負切換，ky線性增加，k空間軌跡呈正弦變化。FID-EPI序列三、平面回波成像序列（a）FID-EPI序列時序

（b）k空間軌跡（b）

SE-EPI序列

kx呈正負切換，ky為脈沖梯度，讀梯度穿越零點時施加，空間軌跡為方波形。三、平面回波成像序列FID-EPI序列和SE-EPI序列，在k空間數(shù)據(jù)采集軌跡的共同特點為連續(xù)振動曲線。第三種漸開平面螺旋序列。是早期冠狀動脈成像的主要序列，現(xiàn)在新技術(shù)多，已很少使用。三、平面回波成像序列螺旋線k空間填充（3）EPI的讀梯度與成像時間FID-EPI,T2*衰減完之前；SE-EPI,回波衰減完之前完成k空間信息采集。決定成像時間的主要因素：讀梯度的上升、水平保持和下降時間，設(shè)為t，讀梯度切換n次采集k空間一行數(shù)據(jù)需時間nt,頻率編碼方向n回波成像最短時間為n×t讀出梯度爬升要快，梯度幅度要高三、平面回波成像序列(4)對硬件的要求高強度的梯度場;開關(guān)速度要快;梯度爬升速度要高;渦流必須足夠??；主磁場強度要1.5T以上，均勻度要好，以保證足夠長；ADC要高；計算機速度要快。

(5)EPI圖像分辨率EPI圖像的清晰度低于其他方式的圖像。但EPI首先追求的是成像的速度三、平面回波成像序列恰當選取有效回波時間，得不同的T2加權(quán)圖像；2.EPI序列的加權(quán)圖像EPI只是一種數(shù)據(jù)讀出模式，它可與常規(guī)成像序列進行組合，產(chǎn)生不同的加權(quán)圖像。α脈沖過后，讀出梯度往返振蕩采集梯度回波鏈，選擇短TEeff得質(zhì)子密度加權(quán)圖像，選擇長TEeff得T2*加權(quán)圖像。GRE信號和EPI結(jié)合IR序列和EPI結(jié)合SE序列和EPI結(jié)合可產(chǎn)生典型的T1加權(quán)圖；三、平面回波成像序列具有隨機性、方向性、溫度依賴性；均勻介質(zhì)中，彌散運動是各向同性的；非均勻介質(zhì)中，彌散運動則呈現(xiàn)各向異性；分子結(jié)構(gòu)越松散，彌散運動越強；液態(tài)分子較固態(tài)分子彌散強；小分子較大分子彌散強；自由水分子比結(jié)合水分子的彌散強。彌散運動會隨溫度的增加而增強，溫度每增加1oC，彌散將增加2.4%；1.彌散成像（1）彌散基本概念四、快速成像序列應(yīng)用2）雙極性梯度磁場作用下的相位偏移以速度沿梯度磁場方向運動的自旋核產(chǎn)生的相位偏移(2)MR信號的彌散效應(yīng)1)單極性梯度磁場作用下的相位偏移（T表示一個TR時間）靜態(tài)的自旋核，雙極性梯度磁場對它們的作用互相抵消，相位偏移為零；運動的自旋核，在雙極性梯度磁場作用下沿梯度磁場方向產(chǎn)生的相位偏移四、快速成像序列應(yīng)用一個體素內(nèi)自旋核具有相同相位，這些自旋核的MR信號就相互疊加同一體素內(nèi)自旋核具有不同相位偏移，這些自旋核的MR信號就會下降甚至完全消失四、快速成像序列應(yīng)用相位偏移（phaseshift）效應(yīng)自旋核在梯度磁場作用下，相位發(fā)生改變的現(xiàn)象。靜止核通過180°重聚脈沖或雙極脈沖可以消除相位偏移。但不能消除由于彌散運動產(chǎn)生的相位偏移。彌散梯度的大小用b值表示(考慮彌散以外的衰減）四、快速成像序列應(yīng)用3）MR信號的彌散效應(yīng)同一體素內(nèi)的自旋核具有不同的相位偏移，形成嚴重的散相，彌散加速了橫向矢量的衰減,使MR信號降低。這種現(xiàn)象稱為相位彌散。彌散成像就是將這種改變轉(zhuǎn)化成信號改變，形成以彌散為基本加權(quán)參數(shù)的圖像。(3)彌散磁共振成像須與成像的脈沖序列（如SE、GRE等）結(jié)合得到由體素彌散系數(shù)差異形成的加權(quán)對比，叫做彌散加權(quán)像，也可以是被純彌散系數(shù)給定的，叫做彌散系數(shù)像。DWI梯度磁場強度很大強梯度磁場作用下，彌散系數(shù)D越大的組織信號越低。SE梯度磁場強度較小體素內(nèi)自旋之間由于彌散導致的去相位不明顯去相位嚴重1）彌散加權(quán)像（DWI），以SE序列彌散成像為例四、快速成像序列應(yīng)用180o脈沖為對稱中心施加兩個幅度很大的梯度磁場Gd靜態(tài)組織的自旋相位會完全重聚彌散運動和流動自旋相位無法完全重聚彌散加權(quán)像（DWI），以SE序列彌散成像為例自旋回波彌散序列，Gd為插入的雙極梯度脈沖四、快速成像序列應(yīng)用2）彌散系數(shù)成像

是彌散系數(shù)按像素的分布圖，彌散系數(shù)大的地方強度大亮度高，與DWI正好相反。3）彌散加權(quán)EPI序列

以GE-EPI彌散序列為例

四、快速成像序列應(yīng)用EPI優(yōu)勢：縮短成像時間，避免由于運動產(chǎn)生的偽像.若采用FSE序列，再配以螺旋槳的k空間填充技術(shù)可明顯減小磁敏感偽像，有利于額葉、顳葉底部，小腦及腦干部位的觀察，明顯減小術(shù)后和體內(nèi)金屬偽影影響。靜態(tài)組織MR信號沒有明顯變化以彌散系數(shù)差異形成MR信號差異進行成像。彌散系數(shù)像：彌散運動和流動組織MR信號變低組織彌散系數(shù)D越低，圖像上的信號越高。彌散加權(quán)成像DWI小結(jié)：以彌散系數(shù)D為圖像參數(shù)成像。四、快速成像序列應(yīng)用彌散加權(quán)成像顯示梗塞灶呈高信號彌散系數(shù)像顯示梗塞灶呈低信號四、快速成像序列應(yīng)用4）彌散成像的應(yīng)用彌散成像在腦梗塞的檢測中具有重要的臨床價值。在缺血性腦卒中診斷中，腦梗塞5分鐘DWI即顯示明顯高信號比其他診斷手段提前7~8小時。全身DWI腫瘤診斷已經(jīng)開展，用于鑒別炎癥、膿腫、腦變性病、腦損傷及腦出血等。

彌散成像還可利用組織彌散的方向性觀察白質(zhì)束的改變。四、快速成像序列應(yīng)用彌散成像顯示正常的白質(zhì)纖維束灌注基本概念灌注是指血流從動脈進入毛細血管再匯入到靜脈的過程。灌注量是指單位時間內(nèi)對單位質(zhì)量的人體組織的血液輸出量。灌注成像研究的是灌注過程中灌注量的變化情況。

2.灌注成像(perfusionweightedimagingPWI)

四、快速成像序列應(yīng)用灌注成像兩種基本方法注射外源性示蹤劑（順磁性造影劑Gd-DTPA）的對比劑團注示蹤法；又稱首過法。利用內(nèi)源性示蹤劑（自身血流）的動脈血流自旋標記法。對比劑團注示蹤法灌注成象通過跟蹤造影劑流動

過程對灌注過程進行測定。（1）對比劑團注示蹤法（首過法）2.灌注成像(perfusionweightedimagingPWI)四、快速成像序列應(yīng)用(2)動脈血流自旋標記法(arterialspinlabeling，ASL)標記像和控制像相減，所得的差值像就只與流入成像區(qū)域的標記血流有關(guān)。標記-動脈血流向成像區(qū)域前，對其進行飽和或激勵處理。標記像-經(jīng)過標記的動脈血對組織進行灌注，此時對興趣區(qū)所成的像?？刂葡?未經(jīng)標記的動脈血對組織進行灌注，此感興趣區(qū)再進行一次成像。四、快速成像序列應(yīng)用最新灌注成像技術(shù):無需造影劑的動脈自旋標記法左顳枕葉缺血性腦血管?。旱谝慌抛箫D枕葉腦灌注CBV(相對腦血容量)改變不明顯及第二排灌注CBF相對腦血流速度輕度減低,第三排灌注MTT(平均通過時間)明顯延長,第四排PASLCBF動脈自旋標記法顯示相對血流速度明顯下降。說明PASL法更敏感。四、快速成像序列應(yīng)用

3.功能性磁共振成像臨床應(yīng)用的fMRI是血氧水平依賴腦功能成像。局部腦組織中，氧合血紅蛋白與去氧血紅蛋白的相對含量發(fā)生改變時，局部的磁化率也會有相應(yīng)的改變，BOLD成像也就是以血紅蛋白的磁特性作為對比來顯示功能信息的。四、快速成像序列應(yīng)用(1)血紅蛋白的作用血紅蛋白（Hb）是血液紅細胞中的一種大分子蛋白質(zhì)，它在血液中的作用就是轉(zhuǎn)運氧。結(jié)合了氧的Hb稱為含氧Hb(HbO2)脫離了氧的Hb稱為脫氧Hb(dHb)人體血液氧的兩種運輸方式。

氧直接溶解于血液中，稱為物理溶解。

氧與血液內(nèi)的Hb結(jié)合成為結(jié)合氧被血液帶到各處。四、快速成像序列應(yīng)用在dHb中，鐵離子Fe+2呈順磁性。dHb使組織毛細血管內(nèi)外出現(xiàn)非均勻性磁場，加快了質(zhì)子的失相位，導致T2*縮短，MR信號強度減低。（2）血紅蛋白的磁化特性在HbO2中，鐵離子Fe+2呈抗磁性；HbO2磁特性不會影響弛豫過程或MR信號；四、快速成像序列應(yīng)用靜脈血氧合水平與組織供氧有關(guān)，又和氧消耗有關(guān)。人在思維時，相應(yīng)的大腦皮層中樞被激活，局部血流量增加，氧消耗量增加不明顯，血液中HbO2增多，dHb減少，局部磁化率減小，在T2*加權(quán)圖像上局部MR信號增加，顯示出被激活的大腦中樞與非中樞區(qū)磁化率對比。（3）BOLD成像原理BOLD成像是依賴血液氧合水平變化進行成像。四、快速成像序列應(yīng)用BOLD成像是以dHb作為天然或內(nèi)源性造影劑，可重復(fù)操作而無造影劑毒性影響，通過普通的快速梯度回波成像就可觀察到MR信號的變化，是目前評