MRI基本概念.docx

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MRI基本概念

.1.1脉冲序列的概念

MR图像的信号强度取决于射频脉冲的发射方式、梯度磁场的引入方式和MR信号的读取方式等。

为不同成像目的而设计的一系列射频脉冲、梯度脉冲和信号采集按一定时序排列称作脉冲序列。

2.1.2脉冲序列的构成

一般脉冲序列的一个周期中包括射频脉冲、梯度脉冲和MR信号采集。

射频脉冲包含用以激发氢质子的激发脉冲、使质子群相位重聚的复相脉冲以及反转恢复序列等；梯度脉冲包括层面选择梯度、相位编码梯度、频率编码梯度（也称读出编码），用以空间定位；形成的MR信号也称为回波。

完成一个层面的扫描和信号数据采集需要重复多个周期。

2.1.3脉冲序列的基本参数

在一个脉冲序列中有许多的变量，这些变量统称为序列成像参数。

在成像中选用不同的成像参数可以得到不同类型的图像，这里我们介绍几个主要的序列成像参数。

2.1.3.1重复时间（repetitiontime；TR）

重复时间是指脉冲序列的一个周期所需要的时间，也就是从第一个RF激发脉冲出现到下一周期同一脉冲出现时所经历的时间间隔。

在单次激发序列中，由于只有一个激发射频脉冲，TR等于无穷大。

TR时间影响被RF激发后质子的弛豫恢复情况，TR长、恢复好。

TR延长，信噪比提高，可允许扫描的层数增多，T2权重增加，T1权重减少，但检查时间延长；TR时间缩短，检查时间缩短，T1权重增加，信噪比降低，可允许扫描的层数减少，T2权重减少。

2.1.3.2回波时间（echotime；TE）

回波时间是指从激发脉冲与产生回波之间的间隔时间。

在多回波序列中，激发RF脉冲至第1个回波信号出现的时间称为TE1，至第2个回波信号的时间叫做TE2，依次类推。

在MRI成像时，回波时间与信号强度成反相关，TE延长，信噪比降低，但T2权重增加。

TE缩短，信噪比增加，T1权重增加，T2对比减少。

2.1.3.3有效回波时间（effectiveechotime；ETE）

有效回波时间是指与最终图像对比最相关的回波时间。

对于具有多个回波的快速成像序列，不同回波分别填充到k空间的不同位置，每个回波的TE值是不同的，填充到k空间中央的回波决定图像的对比，其TE值为ETE。

2.1.3.4反转时间（inversiontime；TI）

反转时间是指反转恢复类脉冲序列中，180°反转脉冲与90°激励脉冲之间的时间间隔。

2.1.3.5翻转角（flipangle）

在射频脉冲的激发下，质子磁化矢量方向将发生偏转，其偏离的角度称为翻转角或激发角度。

翻转角的大小是由RF能量所决定的。

常用的翻转角有90°和180°两种，相应的射频脉冲分别被称为90°和180°脉冲。

在快速成像序列中，经常采用小角度激励技术，其翻转角小于90°。

6.1.3.6信号激励次数（numberofexcitations；NEX）

信号激励次数又叫信号采集次数（numberofacquisitions；NA）。

它是指每一个相位编码步级采集信号的重复次数。

NEX增大，有利于增加图像信噪比和减少图像伪影，但是所需的扫描时间也相应延长。

2.1.3.7回波链长度（echotrainlength；ETL）

回波链长度是指每个TR时间内用不同的相位编码来采样的回波数。

ETL是快速成像序列的专用参数。

对于传统序列，每个TR中仅有一次相位编码，在快速序列中，每个TR时间内可进行多次相位编码，使数据采集的速度成倍提高。

2.1.3.8回波间隔时间（echospacing；ES）

回波间隔时间是指快速成像序列回波链中相邻两个回波之间的时间间隔。

ES长短影响TE时间的长短。

2.1.3.9视野（FOV）

视野由图像水平和垂直两个方向的距离确定的。

最小FOV是由梯度场强的峰值和梯度间期决定的。

2.1.3.10图像采集矩阵

代表沿频率编码和相位编码方向采集的像素数目，图像采集矩阵=频率编码次数×相位编码次数，例如频率编码次数为256，相位编码次数为192，则矩阵为256×192。

2.1.3.11接收带宽

序列的接收带宽是指接收信号的频率范围，即读出梯度采样频率的范围。

采用低频率编码梯度和延长读出间期可获得窄的带宽。

2.2自旋回波脉冲序列

2.2.1自旋回波脉冲序列（spinecho，SE）

自旋回波序列简称SE序列，是目前磁共振成像最基本的脉冲序列。

SE序列采用90°激发脉冲和180°复相脉冲进行成像。

SE序列的过程是先发射一个90°RF脉冲，Z轴上的纵向磁化矢量M0被翻转到XY平面上；在第一个90°脉冲后，间隔TE/2时间后再发射一个180°RF脉冲，可使XY平面上的磁矩翻转180°，产生重聚焦的作用，此后再经过TE/2时间间隔就出现回波信号。

从90°RF脉冲到接受回波信号的时间称回波时间，即TE时间，两个90°RF脉冲之间的时间称重复时间，即TR时间。

2.2.2T1加权像

T1加权图像主要反映组织T1值差异，简称为T1WI。

在SE序列中，T1加权成像时要选择较短的TR和TE值，一般TR为500ms左右，TE为20ms左右，能获得较好的T1加权图像。

2.2.3T2加权像

主要反映组织T2值不同的MRI图像称为T2加权图像，简称为T2WI。

在SE序列中，T2加权成像时要选择长TR和长TE值，具体地说，TR为2500ms左右，TE为100ms左右。

2.2.4质子密度加权像N（H）加权像

质子密度反映单位组织中质子含量的多少。

在SE序列中，一般采用较长TR和较短TE时可获得质子密度加权图像，一般TR为2500ms左右，TE为20ms左右时，SE序列成像可获得较好的质子密度加权图像。

各种软组织的质子密度差别大多不如其T1或T2值相差大，所以目前许多情况下医生更重视T1或T2加权图像。

在具体工作中，可采用双回波序列，第一个回波使用短TE，形成质子密度加权图像，第二个回波使用长TE，形成T2加权图像。

2.3反转恢复脉冲序列

2.3.1反转恢复脉冲序列的理论基础

反转恢复序列（inversionrecovery，IR）包括一个180°反转脉冲、一个90°激发脉冲与一个180°复相脉冲组成。

第一个180°脉冲激发质子，使质子群的纵向磁化矢量M0由Z轴翻转至负Z轴。

当RF停止后磁化矢量将逐渐恢复，之后，使用一个90°脉冲对纵向磁矩进行90°翻转，180°脉冲与此90°脉冲之间的时间间隔为反转时间TI。

90°脉冲后就和SE序列一样在TE/2时间再使用一个180°脉冲实现横向磁矩再聚焦和信号读出。

IR序列的成像参数包括TI、TE、TR。

TI是IR序列图像对比的主要决定因素，尤其是T1对比的决定因素。

TI的作用类似于SE序列中的TR，而IR序列的TR对T1加权程度的作用相对要小，但TR必须足够长，才能容许在下一个脉冲序列重复之前，使Mz的主要部分得以恢复。

由于IR序列对分辨组织的T1值极为敏感，所以传统IR序列一直采用长TR和短TE来产生T1WI。

TE是产生T2加权的主要决定因素，近年来在IRSE序列中应用长TE值也能获得T2WI。

尽管如此，IR序列主要还是用于产生T1WI和PDWI。

IR序列典型的参数为TI＝200~800ms，TR＝500~2500ms，TE＝20~50ms。

选TI值接近于两种组织的T1值，并尽量缩短TE，可获得最大的T1WI。

通常TR等于TI的3倍左右时SNR好。

IR序列可形成重T1WI，可在成像过程中完全除去T2的作用，可精细地显示解剖结构，如脑的灰白质，因而在检测灰白质疾病方面有很大的优势。

目前IR序列除用于重T1WI外，主要用于两种特殊的MR成像，即脂肪抑制和水抑制序列。

2.3.2短TI反转恢复脉冲序列（shortTIinversionrecocery，STIR）

IR序列中，每一种组织处于特定的TI时（称为转折点），该种组织的信号为零。

组织的转折点所处的TI值依赖于该组织的T1值，组织的T1越长，该TI值就越大，即TI的选择要满足在90°脉冲发射时，该组织在负Z轴的磁化矢量恰好恢复到０值，因此也没有横向磁化矢量，图像中该组织的信号完全被抑制。

脂肪组织的T1值非常短，IR序列一般采用短的TI（≤300ms）值抑制脂肪的信号，该序列称为STIR序列。

STIR脉冲序列是短TI的IR脉冲序列类型，主要用途为抑制脂肪信号，可用于抑制骨髓、眶窝、腹部等部位的脂肪信号，更好地显示被脂肪信号遮蔽的病变，同时可以鉴别脂肪与非脂肪结构。

另外，由于脂肪不产生信号，STIR序列也会降低运动伪影。

STIR序列的TI值约等于脂肪组织T1值的69%，由于不同场强下，组织T1值不同，因此不同场强的设备要选用不同的TI抑制脂肪，例如，1.5T场强设备中TI设置在150～170ms。

2.3.3液体衰减反转恢复脉冲序列（FLAIR）

另一种以IR序列为基础发展的脉冲序列称为液体抑制（也有称流动衰减）反转恢复（fluid-attenuatedinversion-recovery，FLAIR）序列，该序列采用长TI和长TE，产生液体（如脑脊液）信号为零的T2WI，是一种水抑制的成像方法。

选择较长的TI时间，可使T1较长的游离水达到选择性抑制的作用。

这时，脑脊液呈低信号，但脑组织中水肿的组织或肿瘤组织仍像T2加权一样呈高信号，在1.5T场强设备中FLAIR序列的TI大约为2000ms。

一旦脑脊液信号为零，异常组织、特别是含水组织周围的病变信号在图像中就会变得很突出，因而提高了病变的识别能力。

另外，由于普通SE序列T2WI中，延长TE会造成因脑脊液搏动引起的伪影和部分容积效应增加。

所以，设置的TE不能太长。

而在FLAIR序列中，由于脑脊液信号为零，TE可以较长，因而可获得更重的T2WI。

目前FLAIR序列常用于脑的多发性硬化、脑梗死、脑肿瘤等疾病的鉴别诊断，尤其是当这些病变与富含脑脊液的结构邻近时。

2.4梯度回波脉冲序列

2.4.1梯度回波脉冲序列的基础理论

梯度回波（GradientEcho，GRE）序列也称为场回波序列（FieldEcho，FE）。

GRE序列是目前MR快速扫描序列中最为成熟的方法，不仅可缩短扫描时间，而且图像的空间分辨力和SNR均无明显下降。

GRE序列与SE序列主要有两点区别，一是使用小于90°（α角度）的射频脉冲激发，并采用较短的TR时间；另一个区别是使用反转梯度取代180°复相脉冲。

在GRE序列时就不用1800脉冲来重聚焦，而是用一个反方向梯度来重新使快速衰减的横向磁矩再现，获得一个回波信号，进行成像。

由于梯度回波序列使用反向梯度来获得回波，这个回波的强度是按T2*衰减的，相对于使用180°脉冲的SE序列的T2加权像，GRE序列获得的图像是T2*加权像。

GRE序列产生的图像对比要比SE序列复杂得多，可产生其它序列难以获得的对临床有用的信息。

GRE序列图像的对比不仅取决于组织的T1、T2，还与B0的不均匀性有关。

但是，主要依赖于激发脉冲的翻转角α、TR和TE三个因素，另外还与磁敏感性和流动有关。

小角度激发有以下优点：

（1）脉冲的能量较小，SAR值降低；

（2）产生宏观横向磁化失量的效率较高，与90°脉冲相比，30°脉冲的能量仅为90°脉冲的1/3左右，但产生的宏观横向磁化失量达到90°脉冲的1/2左右；（3）小角度激发后，组织可以残留较大的纵向磁化失量，纵向弛豫所需要的时间明显缩短，因而可选用较短的TR，从而明显的缩短采集时间；（4）MR图像信号强度的大小与Mz翻转到xy平面的Mxy的大小成正相关，而Mxy的大小是由激发脉冲发射时Mz的大小及其激发后翻转的角度两个因素决定的。

尽管GRE序列因使用小于90°的激发脉冲，对于同样的Mz，其投影到xy平面的矢量比例要小于90°激发脉冲序列。

但是，小角度脉冲的Mz变化较小，脉冲发射前的Mz接近于完全恢复，能形成较大的稳态Mz，故GRE序列可产生较强的MR信号，尽管成像时间缩短，但是图像具有较高的信噪比（SNR）。

2.4.2稳态梯度回波脉冲序列（FISP）

GRE由于是短TR成像，因此回波采集后，产生一个残留的横向磁化矢量。

成像序列中，在层面选择方向、相位编码方向及频率编码方向都施加了编码梯度场，这些梯度场同样会造成质子失相位。

如果在这些空间编码梯度施加后，在这三个方向上各施加一个与相应的空间编码梯度场大小相同方向相反的梯度场，那么空间编码梯度场造成的失相位将被剔除，也即发生相位重聚。

这样残留的横向磁化矢量将得到最大程度的保留，并对下一个回波信号作出反应。

在GRE小翻转角和短TR成像时，纵向磁矩在数次脉冲后出现稳定值，即稳态，导致组织T1值对图像的影响很小。

如果TE也很短，远短于T2*值，那么此时横向磁矩也会在数个脉冲后趋向一个稳定值，此时组织T2*值对图像的影响也很小了，而真正对图像产生影响的是组织的质子密度，这种特殊的稳定状态下的梯度回波成像就被称为稳态梯度回波序列（FastImagingwithSteady-statePrecession，FISP或GradientRecalledAcquisitionintheSteadyState，GRASS）。

FISP获得的图像为质子密度加权图像，血液呈很高信号，由于TR较短，TE也很短，速度很快，很适合心脏电影动态磁共振成像或MRA等。

2.4.3扰相位梯度回波脉冲序列（FLASH）

当GRE序列的TR明显大于组织的T2值时，下一次α脉冲激发前，组织的横向弛豫已经完成，即横向磁化失量几乎衰减到零，这样前一次α脉冲激发产生的横向磁化失量将不会影响后一次α脉冲激发所产生的信号。

如果成像序列使用的TR短于组织的T2，当施加下一个RF激发脉冲时，前一次α脉冲激发产生的横向磁化失量没有完全衰减，由于这种残留的横向磁化失量将对下一次脉冲产生横向磁化失量产生影响，这种影响主要以带状伪影的方式出现，且组织的T2值越大、TR越短、激发角度越大，带状伪影越明显。

为了消除这种伪影，必需在下一次α脉冲前去除这种残留的横向磁化矢量。

采用的方法是，在前一次α脉冲激发的MR信号产集后，在下一次α脉冲来临前施加扰相位（spoiled）梯度场或干扰射频脉冲。

扰相位梯度场对质子的相位进行干扰，使其失相位加快，从而消除这种残留的横向磁化矢量。

干扰的方法主要是施加扰相位梯度场，可以只施加层面选择方向或三个方向都施加扰相梯度，造成人为的磁场不均匀，加快了质子失相位，从而消除这种的横向磁化失量。

这一脉冲序列称之为扰相位梯度回波脉冲序列（fastlowangledshot，FLASH）。

GRET1WI序列一般选用较大的激发角度，如50°到80°，这时常需要采用相对较长的TR（如100~200ms）。

而当TR缩短到数十毫秒甚至数毫秒时，激发角度则可调整到10°~45°。

常规GRE和扰相GRET1WI在临床上应用非常广泛，实际应用中，应该根据需要通过TR和激发角度的调整选择适当的T1权重。

GRET2﹡WI序列一般激发角度为10°~30°，TR常为200~500ms。

由于GRE序列反映的是组织的T2﹡弛豫信息，组织的T2﹡弛豫明显快于T2弛豫，因此为了得到适当的T2﹡权重，TE相对较短，一般为15~40ms。

2.4.4快速梯度回波脉冲序列（Turbo-FLASH）

Turbo-FLASH序列是在FLASH序列的基础上发展和改进而产生的。

上述FLASH序列中，TR和TE值都很小，为提高梯度回波信号又要选用小角度的翻转角，这时形成的图像是质子密度加权像。

为了实现T1或T2加权，除了以上FLASH序列外，还可在短TR短TE的快速GRE序列前加用一个脉冲，可称为快速梯度序列的磁矩预准备成像（MagnetizationPreparedRapidAcquisition）。

在这个预准备脉冲之后，通过控制后续的梯度脉冲出现的间隔时间（TI），既可选择性抑制某一种组织信号，从而实现心脏快速成像时的亮血或黑血成像技术，又可选择性形成T1或T2加权成像。

Turbo-FLASH结合K空间分段采集技术是心脏快速MRI和冠状动脉成像的主要方法。

2.4.5磁化准备快速梯度回波脉冲序列

在扰相梯度回波序列中，为提高图像对比和信噪比，常在脉冲序列开始之前施加磁化准备脉冲，例如GE公司的IR-PREP、西门子公司的MP-RAGE、飞利浦公司的TFE序列。

不同的磁化准备快速梯度回波脉冲序列可以有不同的磁化准备脉冲，由此会生成不同的图像对比。

常用的磁化准备脉冲有180°反转脉冲，形成T1WI；90°脉冲，形成T1WI；90°-180°-负90°的组合脉冲，形成T2WI。

磁化准备快速梯度回波脉冲序列主要用于颅脑高分辨三维成像、心肌灌注、心脏冠脉成像、腹部成像等。

2.5快速自旋回波脉冲序列（FSE）

2.5.1RARE技术的概念

ERARE技术即快速采集弛豫增强（rapidacquisitionrelaxationenhanced,RARE）是1986年由德国科学家J.Hennig等提出的，即利用SE多回波技术和革新的K空间填充方法实现快速MR扫描，减少扫描时间，是快速自旋回波序列的基础。

具体方法是在一个90°脉冲激发后，利用多个聚焦180°脉冲形成多个自旋回波，在一个TR周期中可以填充K空间的多条相位编码线，因此整个序列所需的TR周期重复次数将减少，故减少扫描时间。

2.5.2快速自旋回波脉冲序列

快速自旋回波简称为FSE（FastSpinEcho）或TurboSE（TSE）。

在普通SE序列中，在一个TR周期内首先发射一个90°RF脉冲，然后发射一个180°RF脉冲，形成一个自旋回波。

FSE序列中，在第一个90°脉冲激发后，相继给予多个180°脉冲，例如8或16个连续脉冲，出现8或16个连续回波，称为回波链（echotrainlength，ETL）。

回波链可一次获得8或16种相位K空间的回波信号值，使一次TR时间内完成8或16个相位编码上的激发和信号采集。

等于将相位编码数减少了8或16倍。

虽然一次激发后采集8或16个相位K空间，时间是缩短了。

但是，一次激发中后面数次回波的时间距90°脉冲较远些，信号必然要低，与前面回波的T2加权权重是不一样的。

因此，必然在MRI图像上导致与常规SE序列T2加权的不同。

在计算机软件和MRI硬件的性能改善，特别是180°脉冲性能改进和梯度动量缓冲技（GradientMomentNullingTechnique）的应用，使FSE的T2加权图像已经能完全满足临床诊断需要。

FSE序列与多回波序列一样，也是在一个TR周期内首先发射一个90°RF脉冲，然后相继发射多个180°RF脉冲，形成多个自旋回波。

但是，二者有着本质的区别。

在多回波SE序列中，每个TR周期获得一个特定的相位编码数据，即每个TR中相位梯度以同一强度扫描，采集的数据只填充K-空间的一行，每个回波参与产生一幅图像，最终可获得多幅不同加权的图像。

而FSE序列中，每个TR时间内获得多个彼此独立的不同的相位编码数据，即形成每个回波所要求的相位梯度大小不同，采集的数据可填充K-空间的几行，最终一组回波结合形成一幅图像。

由于一个TR周期获得多个相位编码数据，可以使用较少的TR周期形成一幅图像，从而缩短了扫描时间。

FSE序列的扫描时间，由下式决定：

（公式2-1）

公式2-1中TR为回波时间；Ny为相位编码数；ETL为回波链（在一次TR周期内的回波次数称为回波链）。

公式2-1中的分子与SE序列的扫描时间相同，与普通SE序列相比，FSE序列的扫描时间降低了ETL倍。

增加回波链能够显著地减少扫描时间，不过回波链过长，会使模糊伪影（bluringartifact）变得明显，典型的ETL为4~32个。

FSE序列不仅采集速度快，而且与SE序列相比，减少了运动伪影和磁敏感性伪影。

另外，FSE序列能提供比较典型的PDWI和重T2WI，FSE与普通SE序列在图像对比和病变检测能力方面很大程度上是相当的，在很多部位的MR成像中，FSE序列可取代普通SE序列。

这些在同样是快速成像的梯度回波序列中是难以做到的。

FSE序列影像的主要缺点是，T2WI的脂肪信号高于普通SE序列的T2WI，同时，提高了因使用多个180°脉冲而引起的对人体射频能量的累积。