第三节　图像编码

为了得到MR信号，必须进行RF脉冲激发。随后接收线圈受到XY平面的横向磁化矢量的切割并感应电流，形成电信号（MR信号）。仅有RF脉冲和接收线圈的作用，虽然能够产生电信号，但这个电信号不含空间定位信息，故不能重建断层图像。MRI系统施加的梯度场可以解决空间定位问题，即将每个体素的MR信号与图像的每个位置点关联（对应）。MR信号的空间信息包括层面信息以及这个层面内两个轴向的具体位置信息。扫描层面内两个轴向分别为相位轴和频率轴。梯度系统能对这三个空间信息进行编码，从而实现空间定位。

一、什么是梯度

学习目的

　了解梯度磁场的概念及产生。

名词解释

　梯度磁场，简称梯度场、梯度。

　梯度线圈，产生梯度磁场的线圈。

MRI系统的磁场强度（简称场强）主要取决于设备。场强1.0T是指在MRI系统的中心区域，即磁体洞（又称扫描孔）内，磁场强度为1.0T。在磁体洞的两端，各有一对和主磁场（B0）方向垂直的线圈，如果给这两对线圈通上大小相同、方向相反的电流，根据右手定律，它们就会形成方向相反的两对小磁场，其中一端与主磁场方向一致，而另一端与主磁场方向相反。远离这两对线圈越向磁体洞中心移动，它们产生的磁力越小，在磁体洞正中心区，两者的磁力相互抵消，磁场强度仍保持1.0T。实际扫描时，在这两对通电线圈的影响下，磁体洞内的场强不是均匀的1.0T。孔洞一端的场强会稍高，另一端则会稍低，但沿磁体洞方向（即主磁场方向，B0方向）增减的幅度一致（图1-3-1-1）。

在这两对通电线圈的作用下，从磁体洞的一端至另一端，场强逐渐变化。可见通电线圈可导致主磁场呈现斜坡或阶梯状变化。这对线圈通电后产生的局部小磁场，称为梯度磁场；这对线圈，称为梯度线圈。在梯度磁场作用下，磁体洞内的场强呈斜坡式改变。氢质子的进动频率和磁场强度成正比（Larmor频率），因此沿梯度场方向分布的质子的进动频率存在差异（图1-3-1-2）。

在MRI系统的磁体中，通常内设三套这种类型的梯度线圈，可以产生三个方向的梯度场。其中，Z轴梯度场的方向与主磁场方向一致，Y轴梯度场的方向垂直于主磁场轴，X轴梯度场的方向平行于左右水平方向。以上三个方向的梯度场互相垂直。

MR成像中梯度场的作用如下。第一，定位扫描层面，即层面选择梯度场（图1-3-1-3）；第二，定位已选定层面内一个轴向的信息，如相位编码梯度场；第三，定位已选定层面内另一个轴向的信息，如频率编码梯度场。

二、层面选择梯度场

梯度线圈通电使梯度场开启后，沿梯度轴方向排列的氢质子的进动频率将呈斜坡式改变，每一层面（横排）都形成自己独有的进动频率（见图1-3-1-3）。以某一频率的RF脉冲进行激发时，不可能激发磁体洞内全部的氢质子，而仅能激发与这个RF脉冲振动频率一致的某个层面（横排）的氢质子（图1-3-2-1）。以如此方式，一个扫描层面的信息被获取。具有这种功能的梯度被称为层面选择梯度。在X、Y、Z轴都可形成层面选择梯度，分别作为矢状面、冠状面、轴面的层面选择。形成倾斜的层面选择梯度需要两个不同方向的梯度磁场共同作用。

三、相位编码梯度场

通过层面选择梯度和某个RF脉冲激发的作用，选定一个特定层面后，只完成了空间上的一维定位。在该层面内每一个位置点，氢质子的进动频率一致（图1-3-3-1）。为得到一个断层解剖图像，还需要对这个层面进行空间定位，使层面内每个位置点的氢质子进动频率不同。具体做法是，应用另外两个方向互为垂直的梯度磁场。

首先打开不同于层面编码方向的一个梯度场。在这个梯度场的作用下，相应方向的磁场强度呈斜坡状改变，这导致沿这个梯度场方向排列的氢质子的进动频率出现阶梯状差异（图1-3-3-2）。在层面编码梯度后应用的第二个方向的梯度场，被称为相位编码梯度场。经过相位编码梯度的作用，就可以分辨该层面内一个方向的信息。

四、频率编码梯度场

在完成上述两个轴向的梯度信息编码后，开启第三个（也是最后）一个方向的梯度场，使沿这个方向排列的氢质子的进动频率（相位）出现阶梯状差异（图1-3-4-1）。最后应用的这个梯度场，称为频率编码梯度场。现在，经过三个方向梯度场的作用后，一个层面内任意两个位置点的氢质子的进动频率（相位）已是各不相同，即一幅断层图像的空间信息定位完成了。至此，通过MRI检查获得人体各部位的断层解剖影像已不再神秘。

接下来以MR成像最经典的自旋回波（SE）序列为例，介绍上文提到的RF脉冲激发与三个方向的梯度场编码在MR成像时信息空间定位方面的应用过程。

SE序列是MRI检查最基本的扫描序列，它由一个90°激发RF脉冲和一个180°相位回聚RF脉冲组成。这两个RF脉冲需要与梯度场组合应用（图1-3-4-2），才可对扫描区域的氢质子磁矩进行空间编码、定位，才能形成多个层面的MR图像。下面讨论发射90°RF脉冲、180°RF脉冲与开启三个梯度场的协同步骤。

假设一次轴面MRI扫描。在扫描过程中，首先打开层面选择梯度场，使沿着身体长轴方向各位置的氢质子的进动频率不同。接着发射具有特定频率范围的90°RF脉冲，只有与该RF脉冲频率一致的氢质子被激发，如此选定一个层面。

这些被激发的氢质子一方面因吸收RF脉冲的能量而使其磁化矢量翻转90°，到达XY平面，另一方面氢质子的磁矩发生相位一致，形成横向磁化矢量（图1-3-4-3A）。随着激发RF脉冲和层面选择梯度场中止作用，横向磁化矢量在静磁场B0影响下开始纵向恢复（T1弛豫），同时在XY平面的横向磁化矢量的相位一致性逐渐消失。有些质子进动频率较快，有些较慢，离散的速度不同，磁矩的方向各异（图1-3-4-3B），使总的横向磁化矢量逐渐变小（T2弛豫）。一段时间后，MRI系统启动相位编码梯度场（相位编码梯度斜率的大小取决于设定的扫描参数，设定的相位值越大，最大斜率越大），使这个层面相位轴向的氢质子的进动频率各不相同（具体为哪个轴向由设定的扫描参数决定）。再次打开层面选择梯度场，而后立即在垂直于XY平面的方向发射第二个RF脉冲（如果不打开层面选择梯度场，这个RF脉冲就没有特定的目标，无法作用于这个层面的氢质子），即180°相位回聚RF脉冲（1/2 TE时间），其作用是使在XY平面已经失相位的氢质子磁矩做相反方向的移动，即180°反方向运动，结果是：原来进动最快的氢质子此时成为最后，而原来进动最慢的氢质子排列在最前（图1-3-4-3C）。相位回聚RF脉冲后再经历另外的TE/2时间，这些氢质子磁矩将在XY平面发生相位一致，再次形成一个较大的横向磁化矢量（图1-3-4-3D）。

此时打开一个位于XY平面的接收线圈，这个较大且运动着的横向磁化矢量将切割线圈，诱发电流，此电信号即MR信号。这个电信号含有该层面内某个氢质子相位的全部信息，也具有一定的频率。MRI系统打开频率编码梯度场，读取这个电信号，并将这个电信号数字化，用于重建图像。因此，频率编码梯度也称读出梯度。在被频率编码梯度场读取前，该层面的MR信号并不具备完整的空间信息，而只有层面信息和相位信息。频率编码梯度场在读取MR信号的同时，才赋予它第三个空间信息。这时，该层面的电信号会被划分为不同的很多频率点，这个被数字化的电信号具备了必要的空间信息。

打开这个读出梯度，并采集该层面内电信号的时间称为采样时间。在现有的MR技术下，每个层面每个相位的电信号最多可以被采集1024个频率点。具体的采集点数，由扫描参数中设定的频率矩阵大小决定。

经过上述一个周期，MRI系统只采集到一个层面的一个相位的信息。如果要采集第二个相位的信息，重复一次上述过程，不同的是，相位编码梯度场的斜率需要改变。在扫描参数中设定多少个相位（如128，256），就要重复多少次数，才能完成采集一个层面的全部信息。换言之，在一个90°RF脉冲激发作用下，一个TR时间内，只能采集一个层面内一个相位的信息，这个信息含有不同的很多频率点。

总之，获得一个MR信号（电信号）需要经过一系列RF脉冲、梯度场和接收线圈的协同作用。这个MR信号可被MRI系统采集和后处理加工，重建出一幅MR图像。