核磁共振快速成像及其展望

参

考文献

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核磁共振快速成像及其展望*

* 国家自然科学基金和国家教委博士点基金资助项目

1997年3月12日收到初稿,1997年4月28日修回

谢海滨 邬学文

(华东师范大学分析测试中心,上海 200062)

摘 要 快速成像为当前核磁共振成像(MR I)技术中焦点之一.人体器官的运动、被验者的移动,均造成图像的缺陷;速度慢亦增加了成像成本,限制了核磁共振成像的普及.快速的核磁共振成像可能会给核磁共振成像带来实质性的变化.文章回顾了核磁共振快速成像技术发展的历史,讨论了它的现状和未来.

关键词 核磁共振快速成像,K 空间,F LASH,EPI ,SEP I,DU F IS,三维快速成像

1 引言

核磁共振成像(M RI)出现20多年以来,作为一种无损伤的诊断手段,它包含了空间、时

间、自旋密度、T 1、T 2、化学位移以及流体扩散、灌流、磁化率等多维信息[1],具有X -CT 无法比拟的优点,因而获得了巨大的发展.

然而,常规的核磁共振成像的时间太长.以流行的二维自旋回波平面成像为例,建立一幅256@256个像素的图像,需要扫描256次,每次扫描的时间取决于自旋-晶格弛豫时间T 1,活体的自旋-晶格弛豫时间T 1约在数十毫秒至数秒之间,取其典型值1s.当建立一幅256@256的像时,需要256s.

由于成像时间长,导致其成本过高.被验者

身体中的生理性运动,例如心脏的跳动、呼吸以及身体的移动,都会使影像模糊,对比度失真,并且无法直接应用于运动器官以及神经系统等的研究.近年来,功能成像的研究要求快速地反映大脑中血液流动的变化,更促进了对快速成像技术的研究.随着相关学科尤其是梯度场技术、图像处理技术和计算机技术的发展,使核磁共振快速成像技术的实现成为可能.

2 共轭合成可以使成像速度提高一倍

核磁共振成像需在均匀磁场上叠加线性的梯度磁场进行空间编码.自旋体系在梯度场的作用下演化,t 时刻的自旋信号可表示为[2]

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595#26卷(1997年)10期

S(K x,K y)=M0k x,y Q(X,Y)#

ex p[-i(XK x+YK y)]d X d Y,

K x=C Q t0G x(t c)d t c,

K y=C Q t0G y(t c)d t c.

当图像为实数时,自旋信号具有复数共轭的关系,即

S(-K x,-K y)=S*(K x,K y).

在实验中只需记录半个平面的数据点,利用K 空间上半平面与下半平面自旋信号的复共轭关系,可以得到另外半个平面的数据.因此可以减少一半的时间,这对于快速成像有重要意义.但在实际测量中,由于时序的不完善,磁场的不均匀,射频的不同的穿透率,以及被检测者的移动,在数据中引入了某些相位调制,利用复共轭性质产生的另一半数据不够完善.因此采样点通常略多于K空间的半平面,利用复共轭性质同时进行相位校正,可得到完备的K空间数据点.这种共轭合成的方法,可以与许多其他的成像方法相结合,是一种有效的节省时间的方法,其缺点是使信噪比降低2倍.

3小角倾倒场回波成像进入快速成像范围

传统的核磁共振成像方法之所以慢,另一个原因是每次扫描采取90b的倾倒角,因而使恢复时间增长.在核磁共振中熟知的小角倾倒可使恢复时间缩短.作小角倾倒时,磁化强度矢量的纵向分量和横向分量分别为

M z=M0@cos H U M0,

M y=M0@sin H U M0@H,

式中H为倾倒角,虽然横向磁化矢量减小,但纵向磁化矢量大部分未受影响,可供接下来的射频激发使用,这样恢复时间可以从1s的量级缩短到10ms的量级,大大地缩短了每次扫描所需要的时间.进一步采用场梯度回波的脉冲序列,减小回波形成时间(TE),可以使平面成像时间缩短到100ms的量级.目前,比较成熟的小角倾倒场回波快速成像脉冲序列有FLASH[3]及其相关序列GRASS[4],FISP[5], CE-FAST[6]等.

FLASH序列还有其他变化方案,如snap-shot FLASH[7]序列,它可以在射频激发之前施加180b射频脉冲,获得T1加权像,也可以用一种预饱和方法使不感兴趣区域的磁化矢量饱和,然后用硬脉冲激发所选择的片,减小脉冲激发时间加快成像速度.

简单的FLASH序列成像会常因T*2过长产生剩余的横向磁化矢量,在下一个相位编码梯度场之后形成回波干扰正常信号.处理这一问题的方法主要有两种:一种是采样结束后在选片方向上施加随机变化的梯度场,以消除横向相干,即所谓的spoiled FLASH;另一种是利用剩余横向相干,如refocused FLASH[6], SSFP[2](stead state free precession).其中refo-cused FLASH序列在采样结束后,在相位编码方向上施加梯度场重聚横向磁化矢量.每次扫描期间,相位梯度场对磁化矢量的总作用为零,形成一个稳态的横向磁化矢量作用于最终信号,所得到的像是T2加权像.SSFP序列与re-focused FLASH序列很相似.所不同的是,在SSFP序列中,一次扫描能同时得到FID和自旋回波信号,这样,一次实验能得到两组数据.其中,用FID得到T1加权像,用自旋回波得到T2加权像,而自旋回波的T2加权像在FLASH等实验中很难得到.

4单次扫描快速成像

进一步缩短成像时间,是采用一次扫描快速成像,即一次射频激发后产生重建图像所需要的全部数据,如EPI(echo planar imaging), SEPI(spiral echo planar imag ing)等.

411回波平面成像技术EPI

1977年,M ansfield等提出了回波平面成像法(EPI)[8]其脉冲序列如图1所示.它实际上

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