磁共振成像临床应用入门(第2版)
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第六节 脉冲序列

一个乐队能演奏出什么调子的乐曲,不同的乐器如何协调、配合,都由乐队的指挥决定。MRI的扫描操作者就像交响乐团的指挥,MR脉冲序列就是操作者对MRI系统发出的一系列指令,将前文所述90°激发脉冲、180°相位回聚脉冲、180°激发脉冲以及三个方向的梯度场全面组合,使其协同工作。最后形成什么样的图像对比度、扫描时间长短、具体图像质量如何等事项完全由选择的脉冲序列及扫描参数决定。

MR脉冲序列可分为两大类,其一是前文所述自旋回波序列,其二是梯度回波序列。这两大类又可进一步细分为:

自旋回波序列

◆ 传统自旋回波;

◆ 快速自旋回波;

◆ 反转恢复序列。

梯度回波序列

◆ 梯度回波序列;

◆ 毁损梯度回波序列;

◆ 稳态自由进动;

◆ 快速梯度回波/快速毁损梯度回波。

一、传统自旋回波序列

学习目的

 掌握SE序列中不同权重图像的参数组合。

 掌握SE序列的临床应用。

对SE序列中各个RF脉冲和梯度场的作用,前文已有介绍。关于图像对比度,如果要强化T1权重对比,应尽可能减小TR、TE值;如果要强化T2权重对比,应增大TR、TE值,而且TE值越大,T2WI对比越明显;如果要观察质子密度对比,应把T1、T2的对比减至最小,即通过增大TR消除T1对比的影响,缩短TE消除T2对比的影响。SE序列的图像对比度与扫描参数组合见表1-6-1-1。

表1-6-1-1 SE图像对比度与参数组合

自旋回波序列的各种图像对比度是标准的MR图像对比度。在早期的MR成像技术中,即20世纪80年代末期,SE序列是主要的MR成像技术。

以脑组织MR图像为例,在SE序列的T1WI,头皮脂肪是高信号,脑脊液是低信号,白质呈中等信号,灰质表现为中等偏低信号(图1-6-1-1A)。在FSE序列的T2WI,头皮脂肪表现为中等偏低信号,脑脊液是高信号,白质是中等偏低信号,灰质是稍高信号(图1-6-1-1B)。在PDWI,头皮脂肪呈高信号,脑灰质信号稍高于白质,脑脊液呈中等信号(图1-6-1-1C)。

但是在快节奏的21世纪,SE序列的扫描时间长成为致命的缺陷。根据扫描时间计算公式TR× Phase×NEX,当 T1WI成像时,假设 TR时间是400ms,256相位矩阵,2次激发,实际扫描时间是400×256×2/60 000=3:41分钟。如果进行T2权重的成像,假设TR时间3000ms,其他参数同上,实际扫描时间是3000×256×2/60 000=25:6分钟。这个扫描速度在临床很难应用。因此,SE序列目前仅适合T1WI,应用范围也有限,如显示头部和关节的T1对比(图1-6-1-2),而在其他部位很少应用。

图1-6-1-1 脑部SE序列MRI表现

A.SE T1WI;B.FSE T2WI;C.FSE PDWI

图1-6-1-2 SE序列头部和膝关节T1WI表现

A.头部轴面SE T1WI;B.膝关节矢状面SE T1WI

二、快速自旋回波序列

快速自旋回波简称FSE。

学习目的

 了解FSE序列的采集方式。

 了解FSE序列图像特点和参数设定原则。

 了解FSE序列的临床应用。

名词解释

 回波链(ETL)。

 回波间隔(ESP)。

顾名思义,快速自旋回波序列的特点就是扫描速度快。回顾SE序列的成像原理,每个TR时间只能采集一个K空间的信号,256个相位需要重复256 次RF脉冲激发。鉴于SE序列T2权重成像的扫描时间很长,下面就以T2成像为例,讨论FSE的组合特点。FSE的脉冲序列组成如图1-6-2-1所示。

FSE序列中,经过第一个180°相位回聚脉冲作用后,等待一段时间,所有的横向磁化矢量相位回聚,产生信号,随后这个相位一致的横向磁化矢量又发生失相位。这时可对这些失相位的横向磁化矢量开启另一个不同斜率的相位梯度场,而后再次经过另一个180°相位回聚脉冲的作用,使这些失相位的横向磁化矢量再次相位回聚,再产生一个信号。依此类推,这样在一个TR时间内,可采集多个不同相位的信号,依序填充在K空间。结果是,扫描时间大大缩短,有多少个180°相位回聚脉冲,扫描时间相应缩短多少倍。将这些180°相位回聚脉冲依序排列,形成的脉冲序列图就像是火车的车厢,因此得一形象英文名echo train,中文译为回波链。相邻两个回波之间的时间差与相邻两个180°相位回聚脉冲的时间差一致,这个时间差称为回波间隔(echo space)。

图1-6-2-1 FSE脉冲序列模式图

在FSE序列,二维MR图像扫描时间的计算公式为TR×Phase×NEX/ETL。假设TR时间3000ms,相位256,2次激发,回波链16,扫描时间应为3000× 256×2/16=1:6分钟。由此可见,FSE的扫描时间比SE序列加快数倍,倍数由ETL决定。

在FSE序列,每个信号的采集都是在不同的TE时间完成。TE时间决定T2权重的对比度。结果是,每个信号都具有不同程度的T2权重对比。但一幅图像只能有一个对比度。如何解决这个问题?这里涉及一个有效TE时间的概念。如图1-6-2-1所示,采集每个信号的TE时间不同,而且每个信号的相位信息也不同。将这些不同时间采集的信号根据其相位和频率值填充在K空间不同的区域时,假设扫描参数中设定的TE时间是90ms,这正是采集第三个信号的时间点,这个信号对形成最终的图像对比度至关重要,将被填充在K空间的中心区域(图1-6-2-2)。上述采集第三个信号的时间点就是有效TE时间。具体的做法是,调节相位编码梯度场的斜率,将斜率降至最小,那么这个信号在K空间只能位于中心区域。自然地,凡是TE时间接近90ms采集的信号,都可通过调节梯度场,被填充在K空间中心区域,而那些远离TE时间90ms采集的信号,将被填充在K空间边缘区域。

图1-6-2-2 K空间不同ETL的填充位置

FSE和SE序列最主要的不同是回波链。FSE 和SE序列图像质量的差别也主要由回波链造成。由于K空间内信号的采集时间TE不同,较长TE时间采集的信号位于K空间边缘,这个信号由于采集时间较晚,所以衰减较明显,信号强度较弱,对分辨力贡献较小,因此使图像模糊。可见ETL并非越大越好。ETL越大,较长TE时间采集的信号越弱,填充到一个K空间边缘区后,重建的图像会更加模糊。如果相邻信号之间的时间间隔,即ESP越大,说明相邻信号的TE时间差别越大,图像的模糊程度越重。临床应用时,为保证FSE的图像质量,第一,ETL不宜过大;第二,ESP越小越好。

FSE无论ETL如何小,其图像的K空间都有不同TE时间采集的信号。因此,相对于SE序列图像,FSE图像总会或多或少存在模糊感,使其整体对比度不及SE图像,主要表现为图像偏灰(图1-6-2-3)。头部轴面FSE T1WI的对比度与SE T1WI的对比度类似。但是在FSE T2WI,头皮脂肪呈高信号,脑实质基底神经核的对比度较SE T2WI偏灰。

图1-6-2-3 不同对比度的头颅轴面FSE图像

A.FSE T2WI;B.FSE T1WI;C.FSE PDWI

目前FSE在全身各个部位的应用基本取代SE序列,成为最广泛应用的序列。常见FSE的图像对比度与扫描参数组合见表1-6-2-1。

表1-6-2-1 FSE图像对比度与参数组合

三、快速恢复快速自旋回波序列

快速恢复快速自旋回波简称FRFSE。

学习目的

 了解FRFSE序列的成像原理。

 了解FRFSE序列的图像特点和技术优势。

 了解FRFSE序列参数特点及注意事项。

 掌握FRFSE与FSE序列的区别与应用原则。

FRFSE序列实际上是FSE序列的一个变种,其脉冲序列组成见图1-6-3-1。

在FSE序列的一个TR时间内,即自应用最后一个ETL结束,到下一个RF激发脉冲发射之间,MRI系统有一段等待时间,这一方面可使XY平面的横向磁化矢量向Z轴恢复,另一方面可利用这段时间采集另一个层面的信息。一些长T2衰减的物质(如水),其横向磁化矢量不可能完全恢复到Z轴。如果等其完全恢复,TR时间至少达6000ms以上。所以,FSE序列中长T2物质的信号仅是有所衰减。

FRFSE序列中,在最后一个ETL采集信号后,MRI系统再次施加一个180°相位回聚脉冲,使XY平面的磁化矢量相位重聚。在相位完全重聚时,立即发射一个-90°RF脉冲,使XY平面的这个磁化矢量反向旋转,直至完全恢复到Z轴。FRFSE序列通过最后施加的180°和-90°这两个RF脉冲,促使XY平面的磁化矢量快速恢复到Z轴,故称FRFSE序列。

图1-6-3-1 FRFSE脉冲序列模式图

图1-6-3-2 FRFSE T2WI显示长T2物质更有价值

在FRFSE T2WI,长T2物质的横向磁化矢量可充分恢复,液体信号更高

图1-6-3-3 FRFSE脉冲序列不能用于T1WI检查

T1加权扫描参数下FRFSE图像表现为PD对比度。A.FRFSE序列按照通常T1对比度设定扫描参数效果图;B.FSE序列按照通常T1对比度设定扫描参数效果图

FRFSE的扫描时间计算公式同FSE序列,但其图像对比度与 FSE有所不同。由于最后施加的180°和-90°RF脉冲作用,所有长T2物质的磁化矢量得到完全恢复(图1-6-3-2),故长T2物质的信号在FRFSE T2WI更亮一些,信号强度也稍有增高。当TR时间较短(2300ms)时,也可得到高对比的T2WI。这在FSE序列无法实现。如果用FRFSE序列进行T1权重成像,由于180°和-90°RF脉冲的连续作用,各种物质的磁化矢量均完全恢复,将导致T1弛豫差别不能显示。所以,FRFSE序列不能用于T1权重成像。如果按照T1WI参数组合的要求设定扫描参数,扫描结果所得仍然是PD对比度图像(图1-6-3-3)。

因为FRFSE序列的T2WI对比度较好,故主要用于T2WI检查。扫描参数组合见表1-6-3-1。

表1-6-3-1 FRFSE图像对比度与参数组合

四、单次激发快速自旋回波序列

单次激发快速自旋回波简称SSFSE。

学习目的

 了解SSFSE序列的成像原理。

 了解SSFSE序列的图像特点及参数组合。

 掌握SSFSE序列的临床应用。

SSFSE序列也是FSE序列的一个变种,其脉冲序列组成见图1-6-4-1。顾名思义,单次激发只发射一个RF激发脉冲。SSFSE序列的特点是在仅有的一次RF脉冲激发后,应用很多个回波链,完成一个层面全部信号的采集。同时,为进一步加快扫描速度,在K空间数据填充方面,SSFSE序列在相位轴方向仅填充70%的信息。

图1-6-4-1 SSFSE脉冲序列模式图

图1-6-4-2 SSFSE序列的腹部T2WI和超重T2WI

A.利用SSFSE获得腹部屏气T2WI;B.利用SSFSE获得胰胆管水成像

由于将在一个TR时间内采集一个扫描层面的全部信号,故采集每个相位信号的TE时间都不同。SSFSE的TE时间不同比FSE的TE时间不同更严重,图像的模糊程度也更严重。SSFSE序列中相位编码矩阵的数值也是实际的ETL数量,故SSFSE序列的参数选项没有ETL。

表1-6-4-1 SSFSE图像对比度与参数组合

SSFSE序列在一个TR时间内完成一个扫描层面所有信号的采集,故其TR时间也是该序列的扫描时间。临床主要应用于一些快速MR成像检查,例如,腹部屏气T2WI,躁动患者的T2WI(图1-6-4-2A)。也可应用该序列进行MR水成像(图1-6-4-2B),即采用500ms以上TE时间形成超重T2WI,用于胰胆管水成像(MRCP)、尿路水成像(MRU)、椎管水成像(MRM)等检查。SSFSE序列的图像对比度与扫描参数组合见表1-6-4-1。

五、反转恢复序列

反转恢复简称IR。

学习目的

 了解IR序列的成像原理。

 了解IR序列的临床应用。

名词解释

 反转时间(TI)。

反转恢复(IR)序列实际上是SE序列理论的延伸应用。IR序列的主要临床意义是能够专一地抑制某种组织的信号,增加图像对比度。IR脉冲序列的组成见图1-6-5-1。

图1-6-5-1 IR脉冲序列模式图

从图1-6-5-1可见,IR序列除了前面多一个180°激发脉冲外,后面应用的RF脉冲与前文所述SE序列一致。IR序列成像原理如下。MRI系统首先发射一个180°激发脉冲,将与静磁场方向一致的纵向磁化矢量全部反转到-Z轴方向(图1-6-5-2A),随后关闭RF脉冲。在静磁场环境下,反转到-Z轴方向的磁化矢量开始T1弛豫,实际使-Z轴方向的纵向磁化矢量逐渐减少,然后恢复到零点,之后Z轴方向的纵向磁化矢量逐渐增大。因不同物质的T1时间T1不同,故T1恢复速度不同。经过一段时间后,它们之间的差别显示(图1-6-5-2B)。在不同组织纵向磁化矢量恢复的过程中,MRI系统施加一个90°激发脉冲,在Z轴或-Z轴方向的部分磁化矢量吸收能量后翻转到XY平面,形成新的横向磁化矢量,随后的失相位及聚相位过程与SE序列一致,并产生MR信号。IR序列中零点组织(如脂肪)因无纵向磁化矢量而不能成像,实际上只有部分组织的磁化矢量参与MR成像,如图1-6-5-2B所示,故图像SNR较差。

IR序列第一个180°RF激发脉冲与90°RF激发脉冲之间的时间间隔,称为TI。

因为IR序列较其他的SE序列多一个TI时间,故IR序列的扫描时间较长或过长,临床应用不多。但IR序列的变种,即IR与FSE结合的快速反转恢复序列,仍被广泛使用。

图1-6-5-2 IR脉冲序列成像原理示意图

A.在180°RF脉冲作用下,纵向磁化矢量发生逆转;B.不同组织的纵向磁化矢量在恢复过程中出现差异,脂肪的恢复比水快。B图中长箭代表净磁化矢量大小,短箭则代表实际可用于MR成像的磁化矢量

六、快速反转恢复序列

快速反转恢复简称FSE-IR。

学习目的

了解FSE-IR序列的成像原理。

了解FSE-IR序列的临床应用。

FSE-IR序列的组成与IR序列相似。它首先发射一个180°RF激发脉冲,但其后面不是SE序列,而是FSE序列,故扫描时间明显缩短。目前临床常用的STIR、FLAIR、T1FLAIR都属于FSE-IR序列。

从图1-6-5-2B可见,当180°激发脉冲停止后,所有-Z轴方向的磁化矢量开始向Z轴方向T1恢复。因不同物质的T1弛豫时间不同,故其恢复的快慢不一。T1弛豫时间短的脂肪恢复较快,T1弛豫时间长的水恢复较慢。当脂肪恢复到Z轴方向零点时,水仅部分恢复,在-Z轴方向仍有少部分磁化矢量,如果此时发射一个90°激发脉冲,所有在Z/-Z轴方向的磁化矢量就被激发到XY平面,形成新的横向磁化矢量并产生MR信号。但此时脂肪在Z/-Z轴方向的磁化矢量分量为0,故它在XY平面不形成横向磁化矢量,不能产生MR信号。

因各种物质的T1弛豫时间不同,故其从-Z轴方向恢复到Z轴零点的时间各异。但有规律可循,零点时间=0.69×T1时间。

如果用FSE-IR序列进行脂肪抑制成像,可在脂肪T1恢复至零点时发射90°激发脉冲。在1.5T静磁场,脂肪恢复至零点的时间是150ms左右,即TI时间是150ms。应用这个TI时间的FSE-IR脉冲序列被称为短TI时间的反转恢复序列(STIR),可进行T2权重的脂肪抑制成像。在高场强MRI系统,抑制脂肪有多种方法,其中以STIR的脂肪抑制效果最好,甚至在有些部位只能通过STIR抑制脂肪并获得满意的图像,例如,颈部、髋部及肩关节的冠状面T2权重脂肪抑制成像(图1-6-6-1)。

STIR序列很少用于T1WI检查。因为脂肪的TI较短,T1WI上一些短T1物质的MR信号可能与脂肪信号同时被抑制。

STIR序列的图像对比度与扫描参数组合见表1-6-6-1。

FSE-IR序列也可用于水抑制成像。在1.5T静磁场,水T1恢复至零点的时间为2200ms左右,即TI时间是2200ms。应用这个TI时间的FSE-IR脉冲序列称为水抑制翻转恢复(FLAIR)脉冲序列。这个水是指自由水,FLAIR序列可用于T2权重的水抑制成像,多用于神经系统MRI检查,如脑和脊髓MRI(图1-6-6-2)。由于T2WI显示病理组织的信号较敏感,如果能抑制自由水的高信号,将使FLAIR序列显示病变组织信号更容易。因此,FLAIR序列在脑组织常规MRI检查中必不可少,扫描参数组合见表1-6-6-2。

设置FLAIR序列的扫描参数时应注意两个事项:

1.TR时间应至少大于TI时间的4倍,否则,自由水的MR信号不能被抑制。

2.扫描过程中必须进行两次采集,否则,自由水的MR信号不能被完全抑制。

图1-6-6-1 颈部STIR与化学饱和的抑脂效果比较

A.颈部冠状面STIR序列抑脂图像;B.相同部位化学饱和法抑脂图像,STIR序列因受外界因素干扰小,脂肪抑制更均匀

表1-6-6-1 STIR图像对比度与参数组合

图1-6-6-2 FLAIR序列产生的水抑制T2WI表现

A.头部轴面FLAIR图像;B.腰椎矢状面FLAIR图像

表1-6-6-2 FLAIR序列扫描参数组合

在高场强MRI系统成像时,组织的T1对比度有所下降,尤其在脑组织T1WI。为了强化脑组织的T1对比度,可利用FSE-IR序列,即在脑白质和灰质的T1恢复过程中,选择两者磁化矢量差别最大的时间点作为 TI时间,进行扫描。应用这个TI时间的FSE-IR脉冲序列称为 T1水抑制反转恢复序列(T1FLAIR)。T1FLAIR主要在高场MRI系统进行脑部T1权重成像(图1-6-6-3)。

T1FLAIR序列的扫描参数组合见表1-6-6-3。

图1-6-6-3 T1FLAIR序列产生的T1WI表现

A.头部轴面T1FLAIR图像;B.腰椎矢状面T1FLAIR图像

表1-6-6-3 T1FLAIR序列扫描参数组合

七、梯度回波序列

梯度回波简称GRE。

学习目的

 了解GRE序列的成像原理。

 了解GRE与SE序列的不同。

 掌握GRE序列的临床应用。

名词解释

 衰减。

在临床应用MRI的早期阶段,由于SE序列扫描时间长,人们开发了GRE序列。GRE序列的扫描时间很短,而且可以通过调整扫描参数进行 T1、PD权重成像。GRE序列的组成见图1-6-7-1。

GRE序列使用的RF激发脉冲翻转角(FA)小于90°,与此同时打开层面编码梯度场,这样只有部分的纵向磁化矢量翻转到XY平面。随后利用梯度磁场使XY平面失相位的磁化矢量相位重聚,产生MR信号,故称梯度回波。

在XY平面失相位的那些小磁矩,有些进动较快,有些进动较慢。此时施加一个梯度磁场,使进动较慢的小磁矩位于高梯度场区域,因而进动频率加快;使进动较快的小磁矩位于低梯度场区域,因而进动频率变慢。经过一段时间后,XY平面失相位的那些小磁矩将发生相位重聚,形成一个较大的横向磁化矢量,并由此产生MR信号(图1-6-7-2)。以这种方式产生的MR信号称为梯度回波信号。

图1-6-7-1 GRE序列模式图

θ代表RF激发脉冲的翻转角度

图1-6-7-2 GRE与SE序列产生MR信号比较

A.GRE序列由梯度场引起横向磁化矢量变化;B.SE/FSE序列由180°RF脉冲引起横向磁化矢量变化

从图1-6-7-2可见,GRE与SE/FSE序列最大的不同在于后者是利用180°相位回聚脉冲使XY平面的小磁矩发生相位回聚,在180°RF脉冲作用后,XY平面小磁矩的位置及旋转方向发生逆转,这可以龟兔赛跑为例说明。经过一段时间,正像乌龟和兔子可能同时回到终点一样,所有失相位的小磁矩将发生相位回聚。GRE序列不使用180°RF脉冲,而是使用梯度场使相位回聚,即XY平面小磁矩的空间位置没有变化,仅是在梯度场作用下,原来进动慢的变快,而快的变慢。这样经过一段时间后,所有失相位的小磁矩也将发生相位回聚。

利用梯度场进行相位重聚的速度非常快,形成MR信号也较快,这使TE时间明显缩短,进而有可能缩短TR时间。此外,小角度的RF激发脉冲仅使部分纵向磁化矢量翻转到XY平面,故恢复到Z轴的速度也较快,这也有利于缩短TR时间。根据脉冲序列的扫描时间计算公式,TR时间缩短将使扫描时间变短。GRE序列的快速扫描优势可弥补SE序列扫描时间长的不足。

通常情况下,MRI系统的静磁场并非绝对均匀。不均匀磁场可引起XY平面小磁矩的失相位。在RF激发脉冲结束后,被翻转到XY平面的磁化矢量开始T1恢复和T2衰减。在SE序列,XY平面的磁化矢量的相位回聚是由180°RF脉冲完成。受到180°RF脉冲作用后,XY平面内每一个小磁矩的位置及旋转方向发生变化,不均匀磁场的作用被抵消,最终的MR信号没有磁场不均匀的影响。GRE序列使用梯度场使相位回聚,小磁矩仍在原来的位置,只不过局部的磁场强度由于梯度场的作用发生了变化,小磁矩的进动频率改变导致相位重聚,在此过程中,磁场不均匀导致的磁化矢量衰减持续存在,最终的MR信号含有磁场不均匀的影响。因此,GRE序列对磁场不均匀非常敏感。当扫描区域存在出血、钙化、铁质沉积等形成的顺磁性或反磁性物质时,将引起组织局部的磁场不均匀,在GRE图像出现低信号。在脑部MRI检查时,如果可疑脑组织出血,一般可通过GRE序列验证。

GRE序列图像也有T1、PD对比度。为得到T1对比度(各种组织的磁化矢量没有足够的时间恢复到Z轴),应使用较大的翻转角,使较多的磁化矢量翻转到XY平面。这样在下一次RF脉冲激发之前,因不同物质在Z轴的恢复程度不同,图像的T1权重就很明显。为了减弱的影响,或使小磁矩在XY平面衰减很少,TE时间应非常短。

通常将GRE序列的T2对比度称为对比度。为了强化对比度,首先应弱化 T1对比度的影响,即XY平面各种物质的磁化矢量完全恢复到Z轴,使T1弛豫的差别不能显示,故应使用很小的翻转角,这样只有很少的磁化矢量被翻转到XY平面,纵向恢复将很快完成。要强化弛豫的影响,TE时间应足够长,这样在XY平面的衰减效应才能明显表现。TE时间越长,磁场不均匀的影响在GRE序列越明显。所以,GRE的WI不仅有物质本身T2对比度的成分,还有磁场不均匀的成分,这种对比度的MR图像,被称为对比度。在GRE序列获得PD对比度图像时,应尽量消除T1的影响。原则上,消除T1对比度应利用小翻转角,消除对比度应利用较短的TE时间。

相对于SE序列,GRE序列的扫描时间较快。与FSE序列相比,GRE序列的扫描时间并无优势。液体在GRE序列图像表现为高信号,所以可用WI观察液体分布。此外,如果扫描区域存在破坏磁场均匀性的一些物质,局部磁场不均匀导致的信号衰减在WI会非常明显,甚至超过T2衰减的影响,导致局部组织无信号或明显变暗(图1-6-7-3)。临床上GREWI多担当一些特殊应用,如检测组织有无出血、钙化及金属异常沉积。GRE序列的图像对比度与扫描参数组合见表1-6-7-1。

图1-6-7-3 GRE序列头部MRI常见的对比度

A.GRE序列T1WI;B.GRE序列PDWI;C.GRE序列WI;D.出血患者GRE序列WI显示陈旧性出血。陈旧性出血含有顺磁性物质含铁血黄素,后者表现为低信号

表1-6-7-1 GRE图像对比度与参数组合

八、毁损梯度回波序列

毁损梯度回波简称SPGR。

学习目的

 了解SPGR序列的成像原理。

 了解SPGR与GRE序列的不同。

 掌握SPGR序列的临床应用。

SPGR序列本身也是一种 GRE序列,单纯从SPGR序列的结构图看,它与GRE序列一样。在每一次RF脉冲激发后,开启相反方向的梯度场,在XY平面形成一个相位重聚及较大的横向磁化矢量,产生信号。然后进行下一次的RF脉冲激发。

SPGR与GRE的一个明显不同是,每次被RF脉冲激发后翻转到XY平面的横向磁化矢量的相位不同。前文已述,相位是指在进动的轨迹上,某一时间点磁化矢量所处的位置及方向。与氢质子的磁矩一样,磁化矢量也围绕Z轴做旋转运动,因此,在不同时间点它的位置不同。通过调整RF脉冲,就可以使每一次RF脉冲激发后,翻转到XY平面的磁化矢量的相位方向彼此不同(图1-6-8-1)。这样在每次RF脉冲激发后,由相位重聚产生的磁化矢量的相位方向各不相同,经历一段时间后,因它们在XY平面任意分布,所有的矢量相互抵消,故能大大消弱弛豫对图像对比度的影响。所以,SPGR具有较好的T1对比度,主要用来形成 T1WI和 PDWI。SPGR序列的图像对比度与扫描参数组合见表1-6-8-1。

图1-6-8-1 SPGR序列成像原理示意图

在SPGR序列每次RF脉冲激发作用后,产生的横向磁化矢量的相位不同。θ代表RF激发脉冲的翻转角度

表1-6-8-1 SPGR图像对比度与参数组合

续表

九、稳态

稳态简称SS。

学习目的

 了解稳态的含义及形成原理。

 掌握稳态图像对比度的特点。

 掌握真实稳态成像的临床应用。

 掌握真实稳态成像的参数特点。

名词解释

 稳态。

(一)稳态

稳态自由进动序列是最早利用稳态成像的序列,这个序列现在已经很少使用,因此不做过多描述。但这个序列引入一个新概念:稳态。稳态在GRE成像中应用广泛。下面介绍稳态的基本概念以及最常用的基于稳态成像的MR扫描序列。

如果RF激发脉冲的翻转角度适当,TR时间足够短,在第一次RF脉冲激发作用后(图1-6-9-1A),纵向磁化矢量将翻转一定角度并在Z轴和XY平面都形成一定分量。XY平面的分量在形成MR信号后,由于TR时间很短,即明显短于组织的T1和T2弛豫时间,在纵向磁化矢量仅部分恢复且横向磁化矢量部分残存的情况下,施加第二次RF脉冲激发(图1-6-9-1B)。此时纵向磁化矢量的绝对值等于第一次小角度RF脉冲激发后形成的纵向磁化矢量分量和已恢复部分的纵向磁化矢量的总和,稍小于初始纵向磁化矢量(M0)。这样经过几个连续的RF脉冲激发作用后,纵向磁化矢量的分量将形成并维持一个固定值,这种现象称为稳态,此时在Z轴方向始终存在一个稳定的磁化矢量分量。仅GRE序列有稳态。在稳态形成过程中,MRI系统只发射RF脉冲并开启梯度场,而不采集信号。稳态形成后,才开始采集信号。

在设定扫描参数时,如果TR时间非常短,受到RF脉冲激发并翻转到XY平面的横向磁化矢量在下一次RF脉冲激发作用前,将没有足够时间经历T2衰减,也没有充分时间显示T1恢复的差别。这时,稳态的MR图像对比度既不是T1、也不是T2对比,而是由不同组织的T2与T1时间比值决定。比值大,在稳态图像呈高信号;比值小,在稳态图像呈低信号。人体组织在1.5T MRI系统的T2时间、T1时间及T2/T1比值见表1-6-9-1。

图1-6-9-1 GRE序列稳态形成过程示意图

A.第一个RF脉冲作用后,纵向磁化矢量发生改变,在第二个RF脉冲作用前,恢复的纵向磁化矢量较初始状态稍有减少;B.第二个RF脉冲作用后,恢复的纵向磁化矢量将进一步稍有降低。但在N次RF脉冲激发作用后,恢复的纵向磁化矢量的大小趋向稳定,形成稳态

表1-6-9-1 不同组织的T2、T1时间和比值

(二)真实稳态快速成像

真实稳态快速成像简称FIESTA。

学习目的

 了解FIESTA序列的临床应用范围。

 了解FIESTA序列的参数设定原则。

FIESTA是一个真正利用稳态进行MR成像的序列,其脉冲序列组成见图1-6-9-2。由图可见,FIESTA序列与其他序列最大的不同在于其梯度场排列模式,FIESTA皆采用“-1 2-1”模式的平衡梯度场。稳态形成后,这种方式的梯度场可以完全而迅速地消除三个方向的梯度场对磁化矢量的影响,MRI系统无需时间通过弛豫等待磁化矢量恢复,可立即进行下一次RF脉冲激发。

为维持平衡梯度场形成的稳态,TR时间应足够短,一般小于4~6ms。TR时间过长,稳态将被破坏,进而影响最终的图像对比度。与前文所述稳态一样,FIESTA的图像对比度既非T1,也非T2,而是T2/ T1。从表1-6-9-1可见,脑脊液、血液等液体和脂肪的T2/T1比值较大,故在FIESTA图像呈高信号;其他组织的T2/T1比值较小且接近,在FIESTA表现为不同程度的中等信号。因此,FIESTA序列最佳的临床应用是显示心脏、血管、胆管、椎管解剖以及内听道水成像(图1-6-9-3),而不适合显示实质器官的病变。

FIESTA序列平衡梯度场的作用是,不仅可使稳态快速形成并有效维持,还可使快速流动的血液和脑脊液低信号(因流动的氢质子失相位而发生,见第八节)得到补偿,表现出这些组织自身的对比度特征。

FIESTA序列的扫描参数组合见表1-6-9-2。

图1-6-9-2 FIESTA脉冲序列模式图

θ代表RF脉冲激发作用的翻转角度

表1-6-9-2 FIESTA序列扫描参数组合

十、快速梯度回波和快速毁损梯度回波

快速梯度回波和快速毁损梯度回波分别简称FGRE和FSPGR。

学习目的

 了解FGRE/FSPGR与GRE/SPGR的不同。

 掌握FGRE/FSPGR临床应用。

图1-6-9-3 基于FIESTA序列的各部位MR图像展示

A.FIESTA心脏成像;B.FIESTA血管和胆管成像;C.FIESTA内听道成像;D.颈椎轴面FIESTA图像显示脑脊液和神经根走行;E.腰椎冠状面FIESTA图像显示马尾神经根束

与GRE/SPGR比较,FGRE/FSPGR序列的主要特点是K空间的采集方式。FGRE/FSPGR序列应用分段式K空间采集,而不是连续式采集,这就可以同时通过呼吸门控或心电门控采集信号,即在呼吸和(或)心跳最适合的时机开始RF脉冲激发,采集信号,随后暂停,等待下一个呼吸和(或)心跳周期。由于整个K空间的数据都是分段式采集,完成一个K空间采集需要数个呼吸和(或)心动周期。

通过适当调整扫描参数,在保证图像质量的前提下,FGRE/FSPGR序列的扫描时间可缩短至20秒左右。目前这两个序列在临床上应用广泛,特别是FSPGR,已成为腹部T1WI动态增强扫描的主要技术,辅以屏气,可以完全消除呼吸运动伪影(图1-6-10-1)。与心电门控组合时,辅以屏气,可以完全消除由心脏搏动造成的伪影。

为保证快速扫描,RF脉冲激发作用后在Z轴应保留部分磁化矢量,TE时间应很短,这样就可缩短TR时间,使总的扫描时间明显缩短。设置FGRE/ FSPGR序列中扫描参数的原则与GRE和SPGR序列相同(见表1-6-7-1)。

图1-6-10-1 屏气扫描FSPGR腹部图像展示

A.上腹部轴面FSPGR T1WI平扫;B.腹部FSPGR T1WI增强扫描