壹生资讯-磁共振成像原理学习过程中的基本概念与核心技术要点

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磁共振成像原理学习过程中的基本概念与核心技术要点

2023-02-05作者：论坛报沐雨综述

非原创

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作者：首都医科大学附属天坛医院张英魁

前言

虽然对于基本概念和核心技术要点的学习容易产生一种如蜗牛爬行的感觉，但如果能做到对这些基本概念和核心技术要点的深入了解和理解，才能让我们真正理解一个序列或者成像技术，也更有助于帮助大家在实际工作中能真正用好这些序列或成像技术。

RARE相关序列及其基本概念：如果提及FSE或者TSE序列大家一定不会陌生，这是我们平时工作中使用的最频繁的一个成像脉冲序列。但如果提到RARE序列很多人却不知道它到底是一个什么序列。其实RARE序列就是FSE或者TSE这些序列的公共名称。如果大家能够静下心来深入学习关于RARE这一序列的早期相关文献，对于我们理解FSE或者TSE序列而言是特别有帮助的。RARE是Rapid Acquisition with Relaxation Enhancement的缩写。当我们仔细思考这一序列名称的背后含义就会更好的理解FSE序列或TSE序列使用过程中的很多注意事项。RARE这一成像序列方式是在80年代中期提出的。和SE序列不同的是，在RARE序列成像每个激励脉冲后会跟随一连串的聚焦脉冲，也就是复相位脉冲，因此会采集到一连串的回波信号。当赋予这些回波信号不同的相位编码梯度幅值就可以生成K空间平面中一组K空间线，从而提高扫描速度。在RARE相关文献中，通常采用90°射频激励脉冲和随后一组180°聚焦脉冲的描述形式，这是一种简化的描述方式，在各个厂商所实现的类似序列中通常为了减少SAR值或者维持图像对比度稳定，对于聚焦脉冲都会进行相应的优化设计。

图1：RARE（FSE或TSE序列）常用脉冲序列示意图，这里的示意图可以发现越靠后的回波信号幅度越低。回波链中不同的回波信号被赋予不同的相位编码梯度幅值，从而构成K空间平面中不同的相位编码线。

通过图1解释一下RARE这个序列背后的寓意。在图1中借助于在90°射频激励脉冲后多个180°聚焦脉冲采集技术可以实现在一个TR重复时间内采集K空间平面中多条K空间线，这样就大大提高了RARE序列的成像速度，这里用Rapid Acquision来描述这种基于回波链采集技术的第一个属性，这也是基于回波链采集技术的重要目的。但图1也表明：因为回波链中不同回波对应的TE时间不同，这时相对应的回波信号也不同，越靠后的回波其信号幅度就越低。因为在RARE序列采用了多个聚焦脉冲进行复相位，这些聚焦脉冲可以消除相对恒定的磁场不均匀所导致的信号衰减，所以在RARE回波链采集过程中信号强度遵循T2弛豫衰减规律。显而易见，如果采用的回波链长度越长，最后的回波就会更弱。这种回波链采集技术中不同回波所遵循的T2弛豫衰减规律会对图像的对比度和信噪比带来一个调制作用。众所周知，在K空间平面中不同位置的K空间线实际上是通过对所获得的回波信号施加不同的相位编码梯度幅值来实现，在不同的相位编码梯度幅值作用下，信号会发生不同程度的相位发散。信号相位发散得越明显，相应的信号强度就会越低。在K空间中心区域也就是低频K空间区域，施加的相位编码梯度幅值较小，因此所获得的回波信号被破坏的程度就比较轻，该区域K空间线就具有更高的信号强度；而在K空间边缘部也就是高频K空间区域，施加的相位编码梯度幅值更高，这样对于所获得的本底信号破坏的就更明显，因此这部分K空间数据具有较低的信号强度。在SE或GRE单回波采集技术，每次信号采集的TE时间都是相同的，所以每次采集的本底回波信号幅度是相同的。当施加不同的相位编码梯度幅值后信号会遭到不同程度的破坏。但这里大家要注意在SE或GRE单回波采集技术，对于不同K空间线信号强度影响的因素只有一个：那就是相位编码梯度幅值，也可以理解为这些K空间线的本底信号强度是相同的，唯一的调制因素就是所施加的相位编码梯度幅值。在RARE序列则不同，除了相位编码梯度幅值作为信号强度的调制因素以外，相应回波所对应的回波时间也是其中一个调制因素，因为回波链采集所导致的不同回波时间的信号强度变化是由组织的T2弛豫属性所决定的，所以这里把回波链上不同回波点对应的TE时间不同对于信号强度的影响理解为受T2弛豫属性调制，称之为T2 Weighting function(T2加权函数)。假设我们把靠后的回波放在K空间的边缘，那么其中短T2弛豫属性的物质信号强度就会变得更低，如肌肉韧带等组织的信号就会过低并被淹没于噪声之中，这是导致这些短T2弛豫属性物质图像模糊的原因之一。因为在RARE序列中K空间线的信号强度还受回波链所导致的T2弛豫调制，这里用Relaxation Enhancement来表达RARE序列的这一序列属性。可见，深入了解RARE这一序列简写的背后含义，对于理解FSE或TSE序列图像特性以及实际成像过程中参数优化都具有重要意义。

图2：FSE序列回波链长度对图像质量的影响。当其他参数相同时采用更长的回波链长度会导致图像模糊，这里对比可以发现当回波链长度从17变为31时椎体边缘变模糊、椎间盘信号变低。

回波链长度、回波间隔及其对图像质量的影响：理解了RARE类序列这一基本属性后，在序列实施和参数优化过程中我们就会关注回波间隔、回波链长度这些重要影响因素。而当关注回波间隔时我们就会思考什么是回波间隔？回波间隔的影响因素是什么？对于RARE序列而言影响回波间隔的因素很多，如射频脉冲的持续时间、信号采集接收带宽、频率编码矩阵等都会影响到回波间隔，显然回波间隔越长，相同的回波链长度时相同序数采集点对应的TE时间也越长，这会导致更明显的图像模糊和信噪比变差。

图3：RARE类FSE或TSE序列接收带宽对图像质量的影响。当其他参数相同时采用更窄的接收带宽会导致图像模糊，这里对比可以发现接收带宽从41.7变为15.6时椎体边缘变模糊、椎间盘信号变低。

图3对比需要思考的一个概念是信号采集的接收带宽是什么？它和回波间隔是什么关系？顺着这条思路我们就会发现在不同厂商的磁共振成像设备对于接收带宽的表现形式是不同的，有些厂商给出的是信号接收的半总带宽，而有些厂商给出的是像素带宽。两种带宽之间是可以相互转换的。半总带宽乘以2再乘以1000后得到信号接收总带宽，用该总带宽除以频率编码矩阵就是像素带宽；而像素带宽乘以频率编码矩阵就是总带宽。信号接收带宽采用不同的表达形式在具有应用中具有各自不同的方便之处，这里不做过多讨论。总带宽的倒数就是采集频率编码矩阵一个信号点所需要花费的时间，该时间也称为驻点时间（dwell time）。显然，总带宽越宽，采集一个点的时间就越短，对于相同的频率编码矩阵而言信号采集的总时间就越短，通常所对应的回波间隔就可能更短。但这里面还涉及另一个重要概念，就是信号采集的总带宽越宽本质上就是采用的读出梯度的场强越强。通常信号采集是在读出梯度达到平台期后开始，因此读出梯度场强越大梯度爬升到该水平所需要的爬升时间就越长。爬升时间延长就可能导致回波间隔延长。由此可见信号接收带宽对于回波间隔时间的影响具有二重性，只是通常在RARE类序列所使用的读出梯度场强没有那么高，所以爬升时间对于回波间隔的影响通常不会表达出来。

图4：RARE类FSE或TSE序列频率编码矩阵对于图像质量的影响。这里对比可以看出当回波链长度、接收带宽相同时随着频率编码矩阵的增加，图像不仅没有变得更锐利，相反，当频率编码矩阵从320增加到512时图像变得更模糊。

频率编码矩阵对于图像质量的影响：在大家的传统认识中，增加频率编码矩阵通常不会增加扫描时间，但必须指出这种认识是比较片面的。在采用极限短TR和极限短TE的快速扫描序列，增加频率编码矩阵会增加信号的采集时间，从而使得相对应的最短TE有所增加。伴随着TE的增加，最短TR随之增加，从而导致相应的扫描时间会按着一定比例延长。对于RARE类FSE或TSE序列而言，增加频率编码矩阵的一个突出影响就是导致回波间隔时间的延长，这样就会导致相同回波链长度时同一序数回波点所对应的TE时间更长，这也会导致最后的回波的TE时间延长。这种改变使得RARE序列中“所伴随的弛豫增强”更加明显，从而导致图像变得更模糊。图4的对比就说明了这个问题。

RARE类FSE或TSE序列是临床最常使用的成像脉冲序列之一，也是很多使用者相对更为熟悉的序列。但大家在对这个序列的学习过程中如果仅仅停留在一些表面概念上，比如大概了解回波链长度、有效TE时间、回波间隔等基本定义还是远远不够的。我们需要对于回波链长度、回波间隔这些概念进行更深入的循序渐进的学习，充分了解回波链长度、回波间隔对于RARE类序列图像对比度、空间分辨率的影响；与此同时我们还需要学习回波间隔的基本概念及其相关影响因素。以回波间隔作为概念的切入点，我们又要深入学习信号采集接收带宽、频率编码矩阵等对于回波间隔的影响。只有当我们充分理解这些因素之间的相互关系时，才能更好地理解参数中某一个因素变化后对于图像所产生的全局性变化。譬如，理论上信号的接收带宽越窄，信号采集的时间就越长，这在一定程度会提升图像的信噪比。这也就是通常所说的信噪比和接收带宽的平方根成反比。但是，当采用更窄的接收带宽时就会导致回波间隔随之延长，这会导致RARE类序列“所伴随的弛豫增强”会更加明显，而这种“弛豫增强”更加明显就会导致图像模糊，同时因为信号采集时间跨度延长也会导致图像信噪比实际上也会降低。理论上频率编码矩阵增加会提高图像的显示细节，但因为频率编码矩阵的增加也同时可能导致回波间隔延长，这同样会导致增加频率编码矩阵使得图像的空间分辨率朝着相反方向变化。

本文以RARE类FSE序列为例和大家讨论了对于这一序列学习过程中需所涉及的几个基本概念，通过针对这几个基本概念的讨论不难发现：对于一个通常被认为特别简单、特别熟知的成像序列而言，其实我们还是有很多细节并不清楚。在磁共振成像原理的学习过程中我们就需要经常把那些看起来不是问题的问题来多问问自己，这样我们才能一点一滴的逐步了解和理解很多原理，包括成像脉冲序列，包括序列中很多成像参数。只有不断思考不断总结，我们才有可能对磁共振成像原理有越来越深入的了解和理解。

来源：天师论道

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