【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
脉冲是 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、一定幅度的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。
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。
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
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）指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。
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。
2.2 信噪比、差噪比
信噪比，顾名思义，为信号噪声比
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。
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。
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。
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。
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。
2.4 改进的自旋回波变型序列
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。
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。
三、反向恢复(IR)脉冲序列
3.1 反向恢复脉冲序列
反向恢复脉冲序列由 180°x-90°-180°y脉冲 和 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。
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。
3.2 关于反向恢复脉冲序列的改进
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、矩阵及适当的视野(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
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。
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。
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
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。
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<
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。
稳态自由进动SSFP双回波序列为普通稳态自由进动序列FISP和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。
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
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。