第九节　饱和技术

前文已述，TR时间过短可使横向磁化矢量没有充足的时间恢复到Z轴，当下一次RF脉冲激发作用时，因纵向磁化矢量不足而使MR信号减弱，称为饱和现象。实际上这仅是MR成像饱和现象的一种。MR成像时，凡能在RF脉冲激发作用前使纵向磁化矢量减少或消失现象都称为饱和现象。饱和现象使激发脉冲作用后XY平面的横向磁化矢量减少或消失，导致MR信号减弱或消失。

本节将讨论的饱和技术包括抑制血流信号的饱和带技术、抑制脂肪信号的脂肪抑制技术和抑制高蛋白含量组织信号的磁化传递技术。

一、饱和带技术

学习目的

　了解饱和带的作用原理。

　了解饱和带的临床作用。

　了解如何正确使用饱和带。

名词解释

　饱和带，预饱和脉冲。

在MR血管成像一节，我们提到TOF-MRA有时使动脉、静脉同时显影，重叠的静脉常干扰动脉显示。假设MR扫描时，在静脉血流入扫描层面之前，施加一个90°RF脉冲，使静脉血氢质子的纵向磁化矢量翻转到XY平面，并在XY平面失相位。随后立即进行第一层面的RF脉冲激发，由于此时静脉血的氢质子没有纵向磁化矢量，所以不产生信号。这个90°RF脉冲称为预饱和脉冲，其所作用的区域称为饱和带。根据饱和带与扫描区域的空间位置关系，可以设置上、下、左、右、前、后六个饱和带。饱和带可单独使用，也可多个联合应用。

如图1-9-1-1所示，头部3D TOF-MRA检查时，为去除静脉血信号对动脉影像干扰，可在静脉血流入扫描容积之前，于扫描野头侧施加一个预饱和脉冲，结果使饱和带区域氢质子的纵向磁化矢量都翻转到XY平面并失相位，因此，流入扫描容积的静脉血的氢质子无纵向磁化矢量。随后MRI系统开始RF脉冲激发，扫描层面动脉血内氢质子的纵向磁化矢量可被翻转到XY平面，形成MR信号；但静脉血的氢质子因无纵向磁化矢量（已被饱和），所以不产生MR信号。可见，通过使用预饱和脉冲，可以去除静脉血的信号。

同理，如要去除动脉血的信号，在动脉血流入扫描层面之前施加一个预饱和脉冲即可。在头颈部，静脉血自上而下流动，动脉血自下而上流动。如要饱和静脉血的信号，应将饱和带置于扫描层面上方；如要饱和动脉血的信号，应将饱和带置于扫描层面下方。

前文讨论的预饱和脉冲一般作用于扫描范围之外。实际上，饱和带也可被用于扫描范围内部。在设置饱和带的区域将不产生MR信号（图1-9-1-2）。这种设置主要用于去除某些组织的信号，例如，腰椎矢状面成像时，在腹部设置饱和带，可消除肠管运动伪影对脊柱影像的干扰；肝脏轴面扫描时在扫描层面上方和下方设置饱和带，可消除动脉和静脉血流的信号，最终的图像无血流信号，也无血管搏动伪影的干扰。

二、脂肪抑制技术

脂肪抑制技术是指采用特殊MR技术使脂肪不产生MR信号，结果是MR图像中脂肪呈低信号。脂肪抑制T2WI上不同来源水的高信号表现更清晰，脂肪抑制增强T1WI上病变的强化效果和强化程度更容易观察。因此，脂肪抑制技术可提高MR图像对比度，提高检出病变的敏感性和可靠性。MR成像中抑制脂肪信号的方法很多，主要包括下列几种：

◆　化学饱和法脂肪抑制；

◆　频率选择性脂肪抑制；

◆　STIR脂肪抑制；

◆　DIXON法脂肪抑制。

（一）化学饱和法脂肪抑制

学习目的

　了解化学饱和脂肪抑制的原理。

　了解化学饱和脂肪抑制的临床应用。

　了解脂肪抑制效果不佳的原因。

名词解释

　化学位移。

　化学饱和。

在静磁场中，氢质子的进动频率与其所处的磁场强度成正比。氢质子的外部有电子云，电子云是高速运动的电子，电子带有负电荷。快速运动的电子会形成环行电流，并产生一个小磁场。氢质子承受的外加磁场强度实际上是静磁场和电子云形成的小磁场的总和。当氢原子与其他元素结合并形成不同化学物质时，由于结合的元素不同、结合的化学键不同，所以不同物质中氢质子周围的电子云不同，产生的小磁场也不同。因此，不同物质中氢质子的进动频率存在差异。这种现象称为化学位移。

人体的水和脂肪是图像中MR信号最主要的来源。这里的脂肪是指所有含有—CH2—基团的化学物质。脂肪的进动频率比水的进动频率稍低。在1.5T MRI系统，脂肪和水的进动频率差别是220Hz（图1-9-2-1）。常规MRI检查往往以水的进动频率作为中心频率，故可以估算脂肪的进动频率。有时，为了消除脂肪信号的干扰，MRI系统可以发射一个特殊的90°RF脉冲，特殊之处在于其频率值比中心频率小220Hz，在脉冲序列的激发脉冲作用之前使这个90°RF脉冲作用到整个扫描范围。因这个RF脉冲的频率值与脂肪的进动频率一致（图1-9-2-2），故脂肪的纵向磁化矢量被翻转到XY平面，并在XY平面发生失相位。当脉冲序列的激发脉冲开始作用时，由于脂肪没有纵向磁化矢量成分，故最终的MR图像不含脂肪的高信号（图1-9-2-3）。这种利用化学位移现象抑制脂肪信号的技术，称为化学饱和法脂肪抑制技术。

化学饱和法脂肪抑制技术的基础是MRI系统的中心频率。常规MR扫描时中心频率固定，即以水的频率值为中心频率。如果MRI系统的磁场不均匀明显，例如局部有金属异物、线圈边缘、磁敏感效应显著处（颈部矢状面和冠状面、髋部冠状面、乳腺轴面、眶尖脂肪等），脂肪的进动频率将发生改变，这可能导致MRI系统发射的脂肪预饱和脉冲的Larmor频率与扫描范围内脂肪组织的真实进动频率不一致，脂肪信号将不能被完全抑制（图1-9-2-4）。

化学饱和法脂肪抑制成功的重要条件是水和脂肪这两种组织中氢质子的进动频率完全分开。人体内水或脂肪并非单一结构，它们的进动频率实际上是一个范围。因为进动频率与磁场强度成正比，故当磁场强度足够高时，脂肪和水的频率峰才可完全分开，这时化学饱和法脂肪抑制才可能在不将水质子信号抑制的同时，消除脂肪质子的MR信号。但在磁场强度较低时，例如0.4T以下MRI系统，水和脂肪的频率峰重叠（图1-9-2-5），这时化学饱和法脂肪抑制可能将部分水质子信号抑制，故在低场MRI系统不能使用化学饱和法脂肪抑制技术。

（二）频率选择性脂肪抑制

学习目的

　了解频率选择性脂肪抑制的原理。

　了解频率选择性脂肪抑制的临床应用。

名词解释

　频率选择性，非频率选择性RF脉冲。

频率选择性脂肪抑制技术与STIR的作用方式相似。它首先向整个扫描范围发射一个大约110° RF脉冲（这在不同厂家的MRI系统会稍有不同），这个RF脉冲的频率与脂肪质子的进动频率相同，可使脂肪氢质子磁矩形成的纵向磁化矢量翻转到-Z轴方向，而后开始T1弛豫，当脂肪的纵向磁化矢量恢复到Z轴方向的零点时，开始RF脉冲激发，此刻脂肪在Z轴方向没有纵向磁化分量，不产生横向磁化矢量，也就没有MR信号可供采集。最终的MR图像中脂肪信号被抑制，脂肪组织呈低信号。这种脂肪抑制技术，称为频率选择性脂肪抑制技术。

频率选择性脂肪抑制成功的关键是TI时间，即从发射110°RF脉冲到脂肪恢复到零点的时间间隔。TI时间主要由脂肪的T1弛豫时间决定，而与磁场的均匀性关系不大，这是该技术与前文所述化学饱和法脂肪抑制技术的最大不同点。

STIR序列与频率选择性脂肪抑制技术存在诸多不同。STIR序列施加的180°RF脉冲为非频率选择性脉冲，故所有组织的纵向磁化矢量都将被其翻转到-Z轴。随后，当脂肪恢复到Z轴方向的零点时开始RF脉冲激发，但此刻其他组织的纵向磁化矢量（正处于T1恢复中）很小，故STIR序列产生的信号强度较弱。另一方面，由于STIR序列的TI时间较短（在1.5T MRI系统是150ms左右），如果进行增强T1WI扫描，有可能将钆对比剂引起的T1时间缩短导致的病变强化高信号抑制，结果使钆对比剂的异常强化表现不被显示，影响病变诊断。频率选择性脂肪抑制技术的110°RF脉冲具有频率选择性，它仅翻转脂肪质子的纵向磁化矢量，其余物质的纵向磁化矢量没有改变，故它们的信号强度不降低，在增强T1WI扫描抑制脂肪信号时不会干扰病变组织强化的高信号表现。

频率选择性脂肪抑制技术的图像质量佳，应用范围广（图1-9-2-6）。该技术与3D FSPGR序列结合应用，可以对腹部脏器进行脂肪抑制下的快速扫描或屏气扫描。

（三）STIR脂肪抑制

STIR序列通过施加非频率选择性180°RF脉冲（用于激发所有组织质子的纵向磁化矢量）以及较短的TI时间（使脂肪质子的纵向磁化矢量形成零点），可以有效抑制脂肪的MR信号。更多内容在前文的快速反转恢复序列一节已有介绍，这里不再重复。

（四）DIXON法脂肪抑制

学习目的

　了解Dixon成像的原理。

　了解同、反相位MR信号的形成过程。

　了解反相位图像MR信号减低的原因。

名词解释

　同相位图像，反相位图像。

MR成像过程中，在RF脉冲激发作用后，刚刚被倾斜到XY平面的横向磁化矢量的相位是一致的，但这个起初的相位一致仅持续片刻，随后发生失相位。水分子氢质子的进动频率比脂肪分子氢质子的进动频率快，二者进动频率的差别在1.5T MRI是220Hz。当水和脂肪的氢质子相位一致时，总的横向磁化矢量最大（二者之和），这时采集信号形成的MR图像称为同相位图像；当水和脂肪的氢质子相位完全相反时，总的横向磁化矢量最小（二者之差），这时采集信号形成的MR图像称为反相位图像（图1-9-2-7）。两种组织中氢质子的相位一致和相位相反周期性出现，计算周期的时间公式如下：

式中，νw代表水质子的进动频率，νf代表脂肪质子的进动频率。

在所有组织的磁化矢量相位一致时采集信号，所得MR信号强度最高。但在TE±t的时间点采集信号时，水和脂肪的相位完全相反。假设MRI系统在TE时间和TE-t时间分别采集信号，经计算机重建后可以形成水和脂肪完全分离的两套图像。水像不含脂肪的信号，相当于脂肪抑制的图像；脂肪像不含水成分的信号，相当于水抑制的图像。这种在两个时间点采集信号，然后对水和脂肪分别成像的技术，称为两点式Dixon成像技术。

不均匀的磁场可能使氢质子的进动频率稍有改变，所以两点式Dixon技术有时不能完全分离水和脂肪的信号。三点式Dixon成像技术，即在TE、TE-t、TE+t或TE、TE+t、TE+2t三个时间点分别采集3个信号（三点采集），可将水和脂肪的信号完全分离，并且不受磁场不均匀、磁敏感效应等因素影响。Dixon法脂肪抑制需要至少采集2次信号，故扫描时间较长。患者如有运动，会影响图像质量。

GRE序列采用短TR、短TE、小翻转角，成像速度快。利用公式（式1-9-2-1）可以计算周期的TE时间值。TE=nt，（n=1，2，3，…），n为奇数时采集信号，所得图像是反相位图像；n为偶数时采集信号，所得图像是同相位图像。同相位图像提供常规图像对比度，反相位图像揭示水和脂肪的磁化矢量之差。更重要的是，器官组织中水和脂肪的含量比不同时，反相位图像上信号强度改变也不同，表现为组织中脂肪含量过高或水含量过高时，图像上信号强度改变不大；局部组织中脂肪和水的含量接近时，图像对比度最受影响，即局部的MR信号强度明显减低（表1-9-2-1）。反相位图像上MR信号强度降低（尤其是局部信号降低）通常提示组织中存在脂质或含脂较多。临床上同、反相位成像主要用于检测肝脏脂肪浸润、肾上腺腺瘤、早期肝癌等异常。

三、磁化传递技术

学习目的

　了解磁化传递的作用原理。

　了解磁化传递的临床应用。

名词解释

　磁化传递。

MRI系统在采集MR信号时，只有T2弛豫时间足够长的物质（组织）能产生MR信号。如果T2弛豫时间很短，在MRI系统尚未完成各种RF脉冲发射、梯度场施加以及信号采集前，所有物质的横向磁化矢量将衰减殆尽，因此不能产生MR信号。人体内这种T2时间极短的物质主要是一些大分子蛋白质。这些蛋白质多与水形成较稳定的结合体（这个状态的水又称结合水），明显减慢结合水的移动。有些结合水可与其周围的游离水互相交换位置，故两者的氢质子有机会相互影响。结果是，大分子物质和结合水中氢质子的进动可能影响可快速移动的小分子物质（如游离水）中氢质子的进动，反之亦然。

一般而言，大分子物质的氢质子的进动频率范围宽广，而小分子物质（如游离水）的氢质子的进动频率范围相对较窄，并且常位于外磁场的中心（图1-9-3-1）。如果MRI系统发射一个偏离中心进动频率的预饱和RF脉冲（在1.5T时偏离中心1200Hz），大分子物质和结合水的氢质子将吸收RF脉冲能量并发生共振。这些预饱和RF脉冲的翻转角度很大，通常为670°或1100°，大分子物质和结合水的氢质子在充分吸收能量后发生饱和。而可快速移动水的氢质子的进动频率与这个预饱和RF脉冲的频率不同，故不能吸收其能量、不发生共振。

由于一些结合水与游离水互换位置，大分子物质和结合水的氢质子吸收的能量可以传递给游离水的氢质子。后者吸收能量后，将使其部分磁化矢量翻转到XY平面，随后再进行RF脉冲激发、信号采集时，这些游离水的氢质子因饱和效应，将不产生或产生较小的MR信号。MRI系统利用偏离中心的预饱和RF脉冲激发大分子物质的氢质子，进而影响游离小分子物质氢质子的进动频率并产生饱和效应，这种现象称为磁化传递（MT）。

MR成像时利用MT形成的部分饱和效应可以降低背景组织整体的信号强度，这有利于凸显特定组织的信号。例如，在1.5T MRI系统脑部成像时应用MT后，肌肉组织、脑灰质及脑白质的信号强度不同程度降低，分别约为50%、40%及30%，但流动液体的MR信号降低不明显。因此，TOF-MRA检查时，应用MT可减弱脑组织的信号强度，从而达到良好的背景抑制，凸显血液的MR信号；头部增强T1WI检查时，应用MT可降低正常脑组织的信号强度，使病变组织的强化表现更明显（图1-9-3-2），提高检出病变的敏感性。