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第08章

08-01
前言

08-02
RARE脉冲序列

08-03
梯度回波序列

横向相干序列
超快梯度回波序列
08-04
平面回波成像

08-05
k-空间快速成像技术


08-03 梯度回波序列

梯度回波序列是最早的快速成像序列,在临床应用中可以缩短成像时间。这类脉冲序列依据不同的首字母缩略词,称为梯度回波序列(GE)或者梯度重聚回波序列(GRE)。第六章详细介绍过GRE序列的基础知识。

1986年,Axel Haase和合作者首次开发了这类序列的第一个序列并命名为FLASH[⇒ Haase]。FLASH(即快速小角度激发)序列是一个重复时间很短(通常小于200毫秒)、反转角度较小(小于90)的饱和恢复序列,梯度的切换使散相的质子重聚形成回波。

使用较小的反转角度取代90°脉冲和180°脉冲,受激发的组织完成纵向弛豫的时间就缩短了,因此就缩短了重复时间TR。图08-05示意了使用较小的反转角的原因。

图08-05
标准脉冲序列(a)与FLASH类型的快速成像序列(b)的比较
这个两个序列,平衡态的净磁化矢量是沿z-轴方向的。标准脉冲序列中,90°脉冲使磁化矢量反转到x’-y’平面。纵向磁化矢量为零。
FLASH类型脉冲序列,反转角小于等于90°。这样的反转角使净磁化矢量产生纵向和横向两个方向上的分量。
(c) 此图中反转角为30°,纵向磁化矢量还保留了87%,然而,横向磁化矢量则为净磁化矢量的50%。能检测到最大信号的反转角亦称Ernst角。


当反转角为90°时,z方向上的纵向磁化矢量偏移到x’-y’平面上产生横向磁化矢量,但是,当反转角为30°时,产生的横向磁化矢量能达到90°脉冲的一半,而且还保留了87%的纵向磁化矢量。脉冲激发间隔期间,z方向上的纵向磁化矢量恢复时间由T1决定。但是,在FLASH序列中重复时间很短,前次脉冲激发后剩下的纵向磁化矢量会显著增强后一次脉冲激发所得到信号的强度。

如果重复时间相同,产生最强信号的反转角可以通过著名的Ernst角公式计算出来[⇒ Ernst]。

Ernst angle = cos-1 [exp (-TR / T1)]

式中TR为重复时间,T1是纵向弛豫时间。


图08-06总结了自旋回波序列和梯度回波序列的主要不同之处。

与自旋回波序列不同的是,使用所有的梯度回波序列时,磁场不均匀性是不能被抵消的,所以,如果想获得高质量的图像,必须使用较短的回波时间TE。这样可以剔除较长的回波时间引起的T2弛豫。还有一种降低磁场不均匀性效应的方法是使用较小的体素,这样可以限制体素之内质子的散相。

为了缩短回波时间,必须快速切换梯度并保持切换之后梯度的稳定。梯度切换创建回波所需能量要小于180°脉冲。因此,减少了体内能量沉积,这是这类序列的一大优点。但是,FLASH序列还是有很多缺陷,因此不能完全取代自旋回波序列。

因为重复时间TR很短,FLASH序列不仅缩短了扫描时间,而且也减少了需要采集的层面的数目。最佳重复时间可以依据所需层面数目进行调整,腹腔成像时可依据屏气时间调整重复时间、心腔成像时可依据心跳速率调整重复时间。当扫描时间缩短了,运动伪影也随之减少,但是,流动伪影会增加,因为当重复时间较短时,血管和静态组织之间信号强度的差别会更加显著。

在一个心脏循环周期内,必须完成一个层面的8到32条k空间线的填充,FLASH和cine-成像,每一次相位编码,脉冲序列必须重复以产生8到32张图,每一张图显示心脏循环周期的一个不同阶段。图像以动画视频形式显示,可以展示心脏的功能和活力。



图08-06

标准脉冲序列(a)与快速成像FLASH类型脉冲序列(b)的比较
(a) 自旋回波脉冲序列,180°脉冲促使回波的形成,需要相当长的时间延迟且导致被测样品中较高的能量沉积。因为TR和T1之间的依赖关系,TR相当长。
(b) (b)FLASH类型序列中,90°激发脉冲可以被任意脉冲角度取代,因此,可以使用较短的TR(和TE),梯度的切换促使回波的形成。采集时间可以短很多,能量沉积也会少一些(可能对患者的损伤更小一些)。
SE代表自旋回波;GRE代表梯度回波。


08-03-01 横向相干序列

在FLASH序列中,当重复时间小于T2时,因为横向相干的存在[⇒ Freeman],弛豫行为将受到影响。对横向相干的利用和抑制,产生了一系列基于FLASH的快速成像序列。

为理解横向相干的出现,必须对自旋回波概念进行变换。90°脉冲之后,自旋开始散相。在90°脉冲经历τ时间之后,发射180°脉冲,自旋回波诱导的转动驱使磁化矢量开始重聚并在180°脉冲之后、经历τ时间后形成一个自旋回波。这个模型非常有用,因为它清晰地展示了自旋回波的形成。但是,这个模型不能展示当脉冲小于或等于180°时的作用效果。

当脉冲小于或等于180°时也能形成自旋回波。当反转角不等于180°时,回波的振幅将小于180°脉冲所产生的回波的振幅。除了纵向磁化矢量的演化,横向磁化矢量也要演化。采集到的信号包括 新的横向磁化矢量和一个回波项,回波项是小于或者等于180°脉冲所产生的自旋回波的总和。

通过调节这些参数,可以产生三种类型的快速FLASH成像序列。

重聚FLASH (亦称FFE,FISP,FAST,GRASS,ROAST)。这些序列都是在射频脉冲激发之后采集信号,包括新的横向磁化矢量和回波项[⇒ Frahm; ⇒ Sekihara]。这些成像序列拥有良好的信噪比,对比度却非常糟糕。流动血液会给出很强的信号,因为流入被激发层面内的自旋有平衡态的磁化矢量(M0),而静态组织则有稳态磁化矢量(通常为M0的10%)。

对比增强(CE-)FLASH (亦称CE-FFE,PSIF,SSFP)。这些序列只测量回波项[⇒ Hawkes]。为了剔除新的横向磁化矢量的干扰,回波项是采集的射频脉冲激发之前形成的梯度回波。CE-FLASH序列有良好的T2对比,信噪比却相对较差。缩短TR可以提高信噪比,但是较短的TR降低了对比度。CE-FLASH序列通常不产生流动伪影,因为在TR间隔期间的血液会流出被激发层面,因此不能重聚而产生回波。

扰相FLASH。 这类快速脉冲序列只采集新的横向磁化矢量。通过扰相梯度或者相位扰相技术可以剔除回波项。使用较大的反转角,扰相FLASH序列可以产生较好的T1对比度。

另外两种FLASH变体序列是FADE序列[⇒ Redpath]和FISP序列[⇒ Oppelt]。

将重聚序列和CE-FLASH进行组合可以产生一个FADE序列,他们产生的信号可以在脉冲激发间隔期间的不同的采样期间进行采集。因此,即使使用最小TR,这个TR仍然较长,但是这类序列效率较高,因为可以得到两种拥有不同对比度的图像。

FISP是把FADE序列产生的两类信号进行加权,然后给出一个单一的信号,这个信号拥有极好的信噪比。不幸的是,实践中,这类序列不实用,除非两幅图像非常整齐,否则会产生伪影[⇒ van Vaals]。

首字母缩略词FISP代表两种不同的序列(如:这种序列和重聚FLASH)。重聚FLASH序列在三个维度都施加梯度后就是True FISP(亦称平衡FFE)。这个序列是心脏成像最有用的序列。 在缩写列表中可以查看序列首字母缩略词。


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inkpot 关于磁共振成像中专业术语、命名、首字母缩写的注释:
按字母顺序(Alphabet Soup)。

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08-03-02 超快梯度回波序列

超快速FLASH序列可以在几秒钟内甚至少于一秒钟的时间内成像。这些序列可以用于腹部成像,通常是选择一个层面。可以通过屏气抑制呼吸,以有效排除伪影和呼吸运动导致的模糊。

一般,超快速FLASH成像序列中,不存在梯度的干扰或者梯度重聚,使用的是与一个非常小反转角相对应的较短的TR。只剩较少或者是完全没有横向相干,图像所呈现的是质子密度加权图像。要提高这种测试的对比度,需要一个准备脉冲,即在检测之前,准备z-方向的磁化矢量[⇒ Haase 1990]。临床成像仪采集一个矩阵为128*128数据所需扫描时间大约在0.5秒到1秒之间。

超快速FLASH成像序列主要用于腹部成像、心脏研究、使用造影剂的心脏功能动态成像。对于腹部成像和心脏成像来说,其他技术会遇到运动伪影或者使用触发机制时扫描时间太长。就动态成像而言,为了达到时间分辨(1到3秒钟)要求,如果想得到合理的分辨率(128*128),就必须使用超快速脉冲序列。

使用标准的自旋回波或者RARE序列能得到较好的标准二维头部图像,因为头部运动伪影并不严重。只有当使用对运动特别敏感的序列(如扩散序列)时,必须使用高速成像技术。


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