第二节　图像对比度和权重

学习目的

　了解影响图像对比度的因素。

　了解权重的含义

　了解三种基本的图像对比度。

名词解释

　对比度。

　T1加权图像（T1WI）

　T2加权图像（T2WI）。

　质子密度加权图像（PDWI）。

人体内各解剖部位的组织结构不同，正常组织和病理组织的结构也不相同。MRI对氢质子及其周围组织构成的变化非常敏感，因此，它能有效区分不同成分的组织。不同组织在MRI表现为不同的亮度，称为对比度。影响MR图像对比度的因素分为外源性和内源性两类。其中内源性因素客观存在、无法改变，是人体组织固有的特性，如不同组织具有的T1恢复时间、T2衰减时间、质子含量、水分子自由弥散能力等；外源性因素与人体组织的结构无关，可以人工设置、任意改变，如 TR、TE、TI、翻转角、b值等。

如果一种组织在MR图像上显示很亮、很白，我们称这种组织表现为高信号；如果一种组织在MR图像上显示很暗、很黑，我们称这种组织表现为低信号。在两者中间还有各种不同灰阶的信号，统称为中等信号。脂肪、水和肌肉通常代表人体内这三种组织的信号强度。

回想上一节内容，我们知道MR信号的产生是由于XY平面的横向磁化矢量在围绕Z轴旋转运动时切割了接收线圈，并诱导电流产生。横向磁化矢量越大，MR信号越强，相应组织表现为高信号。反之亦然。

为了更好地理解图像对比度，我们以上面提到的水和脂肪为例，进一步解析内源性和外源性因素如何影响图像对比度。

脂肪分子是由碳、氧与氢质子结合而成。分子量较大、分子间结构紧密、分子的振动频率较低是其特点。这种分子与周围组织的能量交换效率很高，因此脂肪组织本身的T1恢复时间非常短（图1-2-0-1）；由于这种分子之间的有效碰撞或相互作用明显，故在XY平面的横向磁化矢量衰减很快，T2衰减时间很短（图1-2-0-2）。

水分子是由氢质子与氧结合而成。其特点是分子量较小、分子间结构疏松、分子的振动频率较高，在氧和氢之间存在较强的化学键。这些因素综合作用，使水分子的能量内聚性很强，能量不容易传递给周围组织；水分子的自由弥散能力很强，振动频率较高，这使水分子之间的有效碰撞较少，不容易发生交换能量，因此纵向弛豫恢复较慢，即T1恢复时间较长（图1-2-0-1）。水分子间有效碰撞几率较少还导致XY平面的横向磁化矢量衰减较慢，故水的T2衰减时间较长（图1-2-0-2）。

采用短TR进行MR成像时，在第一次RF激发脉冲作用后，脂肪组织由于T1时间较短，单位时间内其纵向磁化矢量的恢复比水多（图1-2-0-3A），两者差别明显。如果随之进行第二次RF脉冲激发，即将两者恢复到Z轴的纵向磁化矢量第二次倾斜到XY平面，此时两者的横向磁化矢量会出现明显差别，水的磁化矢量明显小于脂肪（图1-2-0-3B），这种差别在MRI表现为水的信号强度明显低于脂肪的信号强度。由于TR时间较短，MR图像中组织的对比度主要由不同组织的T1时间差异所致，这种短TR图像称为T1权重图像（T1WI）。

可以借助脑部MRI表现说明不同弛豫时间的组织如何形成信号强度差别。在横轴面T1WI，脂肪因T1时间最短，故MR信号最高；脑白质的T1时间比脑灰质的T1时间稍短，所以白质的MR信号较灰质稍高；脑脊液的T1时间最长，故其MR信号最低（图1-2-0-4）。

如果MR成像时TR时间足够长，各种T1时间物质的纵向磁化矢量都有机会完全恢复。随之进行的第二次RF脉冲激发时，不同组织的纵向磁化矢量被翻转到XY平面时差别不显著，此时T1弛豫时间对图像对比度的影响不大。脂肪的T2弛豫时间短于水，在TE时间足够长后采集MR信号时，在XY平面上残留的水的横向磁化矢量比脂肪大很多，因此水的信号强度较高。换言之，回波时间TE足够长时，可显示不同T2衰减特性组织的MR信号强度差别（图1-2-0-5）。由于TE时间较长，MR图像中组织的对比度主要由组织间不同的T2时间决定，这种MR图像称为T2权重图像（T2WI）。

以脑部横轴面T2WI表现为例，脂肪因T2时间较短，其横向磁化矢量可在很短TE时间内衰减，故MR信号较低、较暗；与脑灰质T2时间比较，脑白质的T2时间稍短，所以白质的MR信号强度低于灰质；脑脊液的T2时间最长，当采用较长的TE时间成像时，尽管其他组织的横向磁化矢量明显衰减，而水的横向磁化矢量仍然大量保存，故脑脊液的MR信号强度最高（图1-2-0-6）。

MR成像时，如果采用足够长的TR时间，消除T1弛豫时间对图像对比度的影响；同时，采用足够短的TE时间，消除T2弛豫时间的影响，那么MR图像的对比度将主要取决于单位组织的氢质子数量，即质子含量高的组织MR信号较高，质子含量低的组织信号较低（图1-2-0-7）。这种主要由组织的氢质子含量决定对比度的MR图像，称为质子密度权重图像（PDWI）。

实际上，静磁场具有不均匀性。有些区域的磁场强度稍高，有些区域则稍低。这造成静磁场中氢质子的进动频率各不相同。当RF脉冲激发停止后，受到磁场不均匀性的影响，被激发到XY平面的横向磁化矢量很快地发生失相位，这种失相位被称为衰减（decay）。在各种MR扫描序列中，T2*衰减在自旋回波的图像上表现不明显。为观察T2*衰减的对比度，应使用梯度回波脉冲序列。为了尽可能消除T1弛豫时间的影响，可用小角度的RF激发脉冲，同时使用较长的TR时间，这样可使各种组织的纵向磁化矢量充分恢复，不同T1弛豫时间引起的信号差异不再明显；同时采用足够长的TE时间，使各种组织的横向磁化矢量有时间衰减，直至形成可视的MR信号差异，就可展示它们的不同。

本节讨论MR图像时强调的是某某权重的MR图像。再回顾一下决定MR图像对比度的因素。内因包含T1弛豫时间（决定纵向磁化矢量恢复的快慢）、T2弛豫时间（决定横向磁化矢量衰减的快慢）、质子密度含量等，这提示每个MR图像上都有这些因素。但是，通过调节影响对比度的外因，即TR、TE、翻转角等，可以相对地突出某一内因对图像对比度的影响，同时减弱其他因素的影响，从而形成主要反映某种内因权重对比度的图像，如T1加权图像、T2加权图像和质子密度加权图像。