【核磁共振成像】临床基本通用脉冲序列

目录

  • 一、脉冲序列
  • 二、自旋回波(SE)脉冲序列
    • 2.1 自旋回波脉冲序列
    • 2.2 信噪比、差噪比
    • 2.3 采样
    • 2.4 改进的自旋回波变型序列
  • 三、反向恢复(IR)脉冲序列
    • 3.1 反向恢复脉冲序列
    • 3.2 关于反向恢复脉冲序列的改进
  • 四、梯度回波(GE)脉冲序列
    • 4.1 GE序列基本概念
    • 4.2 三维成像
  • 五、相干稳态GE脉冲序列(GRASS)
    • 5.1 残余横向磁化强度的重聚相
    • 5.2 SSFD双回波和True FISP序列
  • 六、不相干GE序列
    • 6.1 破坏梯度回波(sGE)序列
  • 七、超快FLASH脉冲序列
  • 八、受激回波脉冲序列


一、脉冲序列

  脉冲相对于连续信号在整个信号周期内短时间发生的信号,大部分信号周期内没有信号。
  序列是具有一定带宽一定幅度射频脉冲与梯度脉冲的有机组合
  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。
  为方便后续的理解,这里给出脉冲和脉冲序列的定义:产生一个磁共振图像数据的步骤通常叫作脉冲序列
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像脉搏似的短暂起伏的电冲击

  原始傅里叶成像
    ↓(修改t1为固定量,Gy为步进值)
spin-warp傅里叶成像
    ↓(采集回波信号而非自由感应衰减信号FID)(规避前端误差和延时采样)
  回波技术(通常伴随一定信号损失)

  自旋回波(SE)序列反向恢复(IR)序列
  梯度回波(GE)序列受激回波序列
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RF激发脉冲结束后FID信号跳变,带来采集记录诸多不便

二、自旋回波(SE)脉冲序列

2.1 自旋回波脉冲序列

  选层梯度Gs、读出梯度(频率编码梯度)Gr、相位编码梯度Gp(可编程步进值)、回波时间TE、重复时间TR

  假定磁场是不均匀的,90°脉冲后,经过一定的Ti时间,横向磁化矢量发生散相;此时施加一180°重聚脉冲以反转横向磁化矢量的相位,再经过同样的Ti时间,可实现 相位重聚

  回波时间TE(Time of Echo)射频脉冲与相应的回波之间的时间间隔。TE决定回波的采集时间,也决定组织宏观横向磁化矢量Mxy的衰减程度。
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基本单层面自旋回波脉冲序列

  在90°RF脉冲后就已经出现信号峰,但所需的是回波,即回旋信号峰
  故,使用180°重聚相脉冲以得到回波
  Gs第一块的上半部分容易理解,用于使不同层的横向磁化强度有不同的进动频率,进而实现选层下半部分使90°RF脉冲过后倾倒的FID信号尽快衰减到零以缩短回波时间TE,进而提高成像速度
  Gs第二块用于补偿在90°脉冲后的散相,使得回波峰值取得最大值
  第一块与第二块读出梯度叶协同完成频率编码。
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基本单层面自旋回波脉冲序列

2.2 信噪比、差噪比

  信噪比,顾名思义,为信号噪声比
在这里插入图片描述
  根据所用回波序列的不同,信噪比、差噪比的定义也不一样。
  信噪比SNR:与激发次数、取样点数、编码步数等有关,用于衡量获得信号的好坏
  为获得更为优质的图像,可通过但不限于 减小取样层面厚度减小像素大小(减小视野或增大矩阵) 等手段提高空间分辨率,但它们收到信噪比的限制;也可增加激发次数,但这意味着扫描时间的延长或更大的场强B0
  差噪比CNR:信号与干扰和噪声比,为接收到的有用信号的强度和接收到的干扰信号的强度比值,用于评估MRI检测低对比度病灶的能力。


2.3 采样

  频率编码Kx,相位编码Ky,列数(取样点数)Nx,行数(相位编码步数)Ny
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数据矩阵和K-空间

  傅里叶行(view):采一个回波填充数据矩阵的一行,傅里叶行之间的时间间隔为重复时间TR
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SE回波的MRI过程

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混叠现象及过采样

  数据的采集是一个填充矩阵的过程,而所采集的每个点(这里叫矩阵元)时采样频率需满足奈奎斯特定理,考虑到由于梯度场和RF体线圈的B1场覆盖了整个物体或截面,物体中实际的最高拉莫尔频率大于信号最高频率,须保证采样频率大于两倍信号最高频率。若等于甚至低于两倍的奈奎斯特频率,采样数据就会出现虚假的低频部分,此现象为 混叠
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数据矩阵和K-空间

  为解决混叠问题一般采用过采样。顾名思义,即 按物体最高拉莫尔频率来设定取样频率为其二倍,在图像重建后把多取的那部分图像舍去
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混叠现象及过采样

  由原始数据信号采样填充后得到的K空间数据矩阵。这里的采集也有必要说明。
  因受T2弛豫影响采集时先采中央再取两边以减弱T2影响。采集傅里叶行的次序,顺序采集层面可能会发生 层面干涉取样层面的厚度也有一定的要求,这些暂且搁置。对K空间进行数据重建,其各值用灰度值显示便是右下图,在经过傅里叶变化等操作可得重建的图像。
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SE回波的MRI过程

2.4 改进的自旋回波变型序列

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标准双回波或多回波序列时序图

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快自旋回波(fSE)序列时序图

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快恢复快SE序列

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多层面SE扫描(MSE)

  增加激励次数,进一步提高信噪比,可用多个相位编码步相同的180°脉冲以得到多个自旋回波回波数量增加,相当于采集同相位的数据增加自然能提高信噪比。但不是无限增加的,回波会因为T2弛豫而产生衰减,这也造成了之后的回波逐渐变小的情况。
  权重的概念相对较为清楚,加权则是突出表示部分数据的意思。以双回波序列为例,进一步对其分析。第一个回波的TE短,可得自旋密度成像;而第二个回波的回波时间较长,可近似为T2,便可得T2加权像
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标准双回波或多回波序列时序图

  同样的,一次RF激发施加多个180°脉冲,以产生多个回波

  每次施加的梯度编码步Gp不同,故多个回波对应多个不同的梯度编码步;而在每个回波采集完后施加一个与Gp等大方向的回绕梯度消除了相位编码梯度的不同而造成的相位渐渐不再聚合的影响提高了信噪比,也很大程度地缩短了扫描时间
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快自旋回波(fSE)序列时序图

三、反向恢复(IR)脉冲序列

3.1 反向恢复脉冲序列

  反向恢复脉冲序列180°x-90°-180°y脉冲三正交梯度脉冲(选层、相编、频编) 组成,180°x脉冲表示在x轴上加180°脉冲,180°y脉冲则表示加在y轴上。

  用180°x得到的回波与FID原信号反向,而用180°y得到的回波与FID原信号同向。
  之前讨论的总是施加90°脉冲让Mz倾倒后施加n个180°脉冲,然后等待Mz恢复,这造成了时间的浪费。可在施加180°脉冲后再施加一个90°脉冲加速等待的时间;也可在等待时间微调RF,依次激发K1平面然后采集第a行数据,再激发K2平面采集的同样是第a行数据…直到采集完各层的同一行数据,这时最先激发的K1平面Mz已恢复。
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反向恢复(IR)脉冲序列时序图

  将快自旋回波fSE和多层面扫描MSE结合,得到的多层面快SE序列可进一步缩短采集时间,这里不再赘述。RF功率沉积问题需要考虑,但无设计脉冲序列的需要,故不做展开。
  (RF功率的大部分是消耗于病人,小部分消耗于RF线圈引起线圈加热温升。一个RF脉冲所消耗的功率与线圈有效体积成正比,与拉莫尔频率平方成正比)
  先施加180°脉冲使所选层的Mz(Mz=M0)反向,在180°脉冲施加后、90°脉冲施加前的这段时间Mz以T1时间常数衰减,向最初的M0恢复。因此T1的选取决定了加90°脉冲Mz章动到横平面上的方向。此后再经过一个y轴上180°脉冲翻转,与之前的自旋回波序列SE原理相同,得到回波。
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反向恢复(IR)脉冲序列时序图

3.2 关于反向恢复脉冲序列的改进

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快反向恢复(fast IR)序列时序图

  图像对比度:在MRI中本征组织对比度有三个来源质子密度N(H)、T1、T2

  通过选择适当的脉冲序列时序参数层面厚度矩阵适当的视野(FOV),使图像的对比度或灰度值(信号差)能够反映组织的本征对比度,以区分病灶和正常组织
  为正常IR和快自旋回波fSE的结合,在反向恢复脉冲序列上添加多个180°脉冲序列,并施加多对等大反向梯度脉冲序列,加速Mz的恢复的同时一次可采集多个回波。

  但受到RF功率沉积的影响。这是一个层面的多次采集,也可做到刚才的多层面采集,为多层面快IR序列。


四、梯度回波(GE)脉冲序列

4.1 GE序列基本概念

  先利用第一个梯度脉冲使原子核磁化强度散相,再利用第二个同样宽度、同样幅度(或面积相等)且反向的梯度脉冲使磁化强度聚相,从而 产生回波

  小角倾倒,横向分量My=M0sinθ,留下的纵向分量Mz=M0cosθ
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梯度回波序列的基本时序

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  同样是 先失相再聚相 的过程,但由于梯度回波GE序列不适用180°脉冲,而是靠梯度反向形成回波,故这次不再使用90°RF脉冲,α脉冲的倾角θ可取很小。由该式可知,θ足够小时留下的纵向分量相当可观,减小Mz的恢复时间TR进一步缩减总体扫描时间。这里TR的减小会可能会成为伪影的来源,我们下次再做讨论。
  同时注意其横向分量减小,信号减小,信噪比SNR核差噪比CNR也减小了,可定义单位时间信噪比、单位时间差噪比横向扫描时间、信噪比、差噪比三者之间的关系。
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梯度回波序列的基本时序

4.2 三维成像

  RF成像因其速度快RF功率沉积小(小角倾倒)的特点使得三维成像变得可能。
  
Gs用于选块,也用于第一相位编码,Gp用于第二相位编码,Gr为读梯度

  允许很短的序列重复时间TR,总成像时间大大缩短,同时信噪比有较大的提高;但其对伪影的耐受性差,层面较厚时受截断伪影的影响
  三维成像的步骤具体有两步,第一步是对组织进行切块,用到Gs将选中的磁化强度扳倒到xy面上。第二步则是将被激发的块进行切割,称其为层面编码梯度;再用相位编码梯度Gp和频率编码梯度Gr分辨层面的两个维度。
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三维GE脉冲序列

五、相干稳态GE脉冲序列(GRASS)

5.1 残余横向磁化强度的重聚相

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残余横向磁化强度的在聚相GE序列的时序

  因为相位编码梯度会引起磁化强度沿该方向发生相位发散加一个等幅反向梯度就可以把这个个相散完全补偿回来,使具有长T2的组织、成分显示为高信号,增加影像对比。
  具有使血管、脊髓、关节成像的效应,可确定血管是否开放或某一区域是否有液体。
  对流动敏感,可获得良好的血管像。
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残余横向磁化强度的在聚相GE序列的时序

  GE序列的短TR值使得在回波测量结束后,下一次测量开始前的横向磁化强度有残余
  为处理掉这个还未衰减到零的横向磁化强度,在测量结束后施加一个等步幅反向的梯度脉冲将这个横向磁化强度翻到z轴上去,补偿了因为第一个相位编码梯度引起的相位发散。


5.2 SSFD双回波和True FISP序列

  稳态自由进动(SSFD):当射频以极短的重复时间(TR)间隔(TR<。所产生的回波位于激励脉冲的两侧,右侧是自由感应衰减,左侧是激励回波信号。

  双回波SSFP=FISP+PSIF
  在SSFP-FID与SSFP-Refocused都采集一次激励回波,两个回波采用相同的相位编码,填充K空间的同一条相位编码线
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SSFP梯度双回波脉冲

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True FISP序列,双回波重合为一个回波

  稳态自由进动SSFP双回波序列普通稳态自由进动序列FISP其逆序快速梯度回波序列FISP的结合。

  原FID信号产生的梯度回波中心在t1处,SSFP-echo产生的梯度回波中心在t2处,两波相距Δt=t2-t1=TR/2。同时采集两种回波,SNR较高,T2权重较重。


六、不相干GE序列

6.1 破坏梯度回波(sGE)序列

  产生梯度回波且排除横向磁化强度的办法有:一是使 TR足够长,这样下次序列开始时残余横向磁化矢量完全损耗;二是 在TR较短的情况下,在信号测量后破坏残余横向分量及其相位关系
  每次数据采完后在选层方向加梯度脉冲以破坏残余横向分量
  注意为避免不同的采集时间端的残余横向分量之间建立相干关系,每次激发所用破坏梯度的幅度需是变化的。这种方法允许用很短的TR而不会产生饱和。
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破坏残余横向分量的梯度回波序列的时序

  对破坏梯度回波(sGE)成像,有以下规律:
   相对长的TR、小激发角θ和短TE可得自旋密度加权像;相对长的TR、小激发角θ和较长TE可得自由感应衰减加权像。短TR、大激发角θ、短TE可得T1加权像


七、超快FLASH脉冲序列

  1、自旋密度加权的超快FLASH成像

  2、T1加权反向恢复(IR)超快FLASH成像

  3、T2加权的超快FLASH成像

  4、化学位移选择性饱和超快FLASH成像

  5、NMR谱的超快FLASH成像


八、受激回波脉冲序列

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形成“8”球自旋回波和受激回波的脉冲序列

【核磁共振成像】临床基本通用脉冲序列_第30张图片

自旋磁化强度在各个时刻的矢量图

  第二个RF脉冲的作用是把磁化强度存储到纵向,在第二、三RF脉冲之间,各等色自旋族都记住自己的进动相位,故这段时间为磁化 “存储时间”(TM)。
  第三个RF脉冲称为“读出脉冲”,即把存储在纵向的磁化强度重新扳回到横平面,开始经历T2弛豫,由于记住了τ1期间累计的进动相位,故再经过τ1时间形成受激回波。

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