快速磁共振成像序列及其应用快速梯度回波序列

快速磁共振成像序列及其应用
第三讲快速梯度回波序列
赵喜平郑崇勋
本讲座撰写人赵喜平先生西安交通大学生物医学工程研究所博士研究生第四
军医大学西京医院磁共振室工程师郑崇勋先生西安交通大学生物医学工程研究所所长教授博士导师
一概述
GRE序列是1986年随着小角度激励技术的采用而诞生的其发明人为汉斯(A.Haasse)及其同伴由于GRE序列具有快速成像特点故从一开始就受到了世
界范围的重视几年间在普通GRE序列基础之上发展起来的快速成像序列就多达数十种呈现一片繁荣景象这些序列将MRI的成像时间量级由分提高到了秒级在EPI未实现之前GRE成了快速扫描的代名词
GRE序列的优点主要体现在扫描速度快对比度控制灵活单位时间SNR
高等方面GRE在图像的对比度可通过TR TE和翻转角α等参数来调整但为了提高成像速度通常在保持短TR的情况下用α的大小来控制图像对比度此外由于长TE极易导致伪影的出现因而有必要保持短TE
尽管GRE序列种类繁多但它们却存在共同之处其主要表现为所有GRE 执行中都用不同的RF脉冲进行一定间隔的重复激发在若干次激发之后系统中将建立起质子运动的稳定状态(Steady State)稳定状态又叫稳定自由进动
(Steady State Free Precession SSFP)它是NMR实验中经常利用的一种状态稳定状态的建立需要采用一系列等间隔的重复的快速的持续期与T1及T2相
比都要短的RF脉冲实施连续激发GRE序列可建立上述稳定状态稳定状态中可以包括横向磁化也可以不包括横向磁化这是区分各种GRE序列的关键
稳定状态散相(不相干)技术(Steady State Incoherent technique SSI)和稳定状态相干技术(Steady State Coherent technique SSC)是GRE序列处理横向磁化时经常采用的两种技术前者用梯度或射频脉冲消除前一周期内形成的横向磁化(剩余横向磁化)后者则设法利用该横向磁化按序列末尾对剩余横向磁化矢量的不同处理方法通常将GRE分为两大类下面采用更加详细的分类方法将众多的GRE 序列分为六类进行介绍EPI本质上也属于GRE类序列但由于它的独特作用
我们将在下一讲单独讨论
二基本GRE序列
是指GRE序列的基本形式在基本GRE序列中由于通常存在TR<<T2
在下一周期的α脉冲出现时横向磁化矢量就不能完全弛豫这种磁化矢量叫作剩余横向磁化它的存在是图像中出现带状伪影的直接原因当使用大的α角以及
对T2较长的组织成像时剩余磁化更多图像中的带状伪影更加严重
现在使用的GRE序列基本上都要对剩余横向磁化进行这样或那样的处理
三去除剩余磁化的GRE(FLASH类)序列
这类GRE序列就是用SSI技术对剩余磁化进行处理的序列因而又叫SSI 类GRE序列
序列周期末尾形成的剩余横向磁化是由小磁矩的相位相干所形成的因此
只要破坏其相干性该横向磁化就会消失破坏剩余磁化可采用扰相梯度随机RF脉冲照射和可变长TR等三种方式其中以扰相梯度法(施加梯度破坏脉冲法)使用最多用无剩余横向磁化的序列便可进行大α角成像这时图像中不再存在带状伪影的干扰
采用梯度破坏脉冲的序列非常多例如FLASH(Fast Low Angle SHot)及
Spoiled FLASH(西门子)T1-FAST(spoiled Fast Acquired STeady state皮克)
STAGE(Small Tip Angle Gradient Echo岛津)FFE(Fast Field Echo飞利浦) GFE(Gradient Field Echo日立)等采用射频脉冲进行扰相是一种比较新的技术用随机射频脉冲发生器产生的任意RF脉冲(其相位在每个发射接收周期都发生变化)在序列末尾进行激发就可彻底扰乱剩余横向磁化的相位或者说使选层方向上的相位相干越来越少从而达到去除横向磁化的目的这种技术又叫射频破
坏(RF-Spoiling)采用射频扰相技术的序列有: Spoiled GRASS(Spoiled Gradient
Recalled Acquisition in the Steady State GE)SPGR(SPoiled GRass GE)
RF-FAST(RF spoiling Fast Acquired STeady state皮克)等
四利用剩余磁化的GRE(FISP类)序列
另一种对剩余磁化的处理方法就是设法对它进行相位重聚使之在下一周期
对回波信号做出贡献相位重聚最常用的办法就是于数据采集结束后在相位编码梯度中增加一大小与相位编码梯度相同但方向相反的梯度脉冲在该脉冲的作用下质子的相位相干一直得以保持系统的这一状态就是前面所说的稳定进动
增加的梯度脉冲叫做重聚焦相位编码梯度(Refocusing Phaseencoding Gradient或Rewinding Phaseencoding Gradient)这里采用的实际上就是所谓的SSC技术因此这类序列又叫SSC类GRE序列
西门子公司的FISP(Fast Imaging with Steady-state Precession)序列就是这种序列图1为标准FISP序列的时序图
在TR相对于T2比较长的情况下由于横向弛豫的影响系统中不能形成稳定进动这时FLASH类序列和FISP的图像对比度大致相同另外在用小翻转角和长TR对短T2*的组织成像时它们的信号也相差无几且图像以质子密度加权为主但是当取大翻转角(如90º)时二者的差别便非常明显稳定状态的影响得以充分显示主要表现为FISP的信号强度与T2/T1相关尿液脑脊液等长T2的组织FISP所获信号要比FLASH类强得多如果用这类序列进行血管造影
也将取得好的效果
FISP序列在GE公司就是GRASS(Gradient Recalled Acquisition in the Steady State)在飞利浦公司为T2-FFE(T2-Fast Field Echo)而在皮克公司叫作FAST(Fast Acquired Steady-state Technique)岛津的类似序列为SSFP(Steady State Free Pre- cession)
FASTER(Field-echo Acquisition with Short TR and Echo Reduction)是另一种专用于3D成像的SSC类GRE新序列它使用非选择性射频脉冲以及部分梯度重
聚焦的回波非选择性脉冲使整个线圈容积都受到激励该复合RF脉冲分别加在x y两个方向其中x方向的20º脉冲在前Y方向的25º脉冲紧随其后这
两个脉冲的工作原理可以简化为两个相继的90º脉冲来说明我们知道如果在X方向加一个精确的90º脉冲可使所有磁化矢量均倒向xoy平面并沿着y方向
但是由于90º脉冲并不可能绝对精确实际上倒向xoy平面的磁化矢量只是其中的一部分这时第二个90º脉冲从y方向加入它将使剩余的那部分磁化矢量也倒向xoy面而转化为横向磁化但它对先倒下的磁化矢量不起作用
五 True FISP类GRE序列
FISP类序列仅在相位编码方向加入了相位重聚梯度使该方向上的质子在一个序列周期结束时保持相位相干因而可有效去除剩余横向磁化所致的带状伪影
但是由于序列对其它方向上的相移作用没有进行处理使流动的影响加大True FISP序列除了保持相位编码方向上的重聚梯度外还在读出和选层两个方向加入
了相位重聚(相位平衡)梯度脉冲图2表示True FISP的时序
由于对所有梯度都进行了相位平衡因而用True FISP序列成像时以恒速
流动的质子就不会在各个周期中积累出相移也就是说该序列不存在流动信号失相所造成的信号损失意味着可从脑脊液或慢流动的血液中获得很强的信号
这是其它GRE序列所无法比拟的
有趣的是由FISP获得的稳定信号主要依赖于TR因此对于脑脊液这样的长T2组织可以用很短的TR进行测量且测量中SNR的损失很小这一独特的性质使FISP特别适用于3D成像相比之下用True FISP进行脊髓造影则更加合适在3D脊髓图像中脑脊液显得非常亮别的组织则较暗这种图像特征有利于对液性结构(囊腔)和神经根的区别据报道True FISP在内耳和脑神经的成像上也有潜在价值
当局部磁场均匀性变差时由此产生的相移可导致True FISP图像中出现条
状伪影因而它对梯度的准确性要求非常高目前True FISP主要用在比较新的MRI系统中其应用尚处于研究阶段
从对横向磁化的处理看True FISP序列仍应归属于FISP类或SSC类GRE 序列
True FISP序列曾叫做ROAST(Resonant Offset Acquired STeady state)
六 PSIF类GRE序列
PSIF是一种比较复杂的序列它所利用的信号实际上为自旋回波但由于它和FISP序列的特殊关系以及其梯度运用的复杂性我们仍将它归在GRE序列中加以介绍
图3表示PSIF序列的时序很显然将FISP序列的时间轴反向就得到该序列这就是PSIF序列名称的由来下面分析PSIF的工作原理
由图3可见PSIF序列可分为激发和相位重聚两个阶段其中相位重聚阶段又为下一周期的相位变化做准备序列以一个频率编码梯度开始然后依次施加
相位编码梯度和选择性射频脉冲此为第一个TR周期称为激发周期序列的安排使得这段时间内不产生回波信号α脉冲激发后出现的FID信号也被序列在读出梯度之前加入的散相脉冲彻底驱散因而对信号采集来说这一周期为空周期在相位重聚周期随着第二个α脉冲的加入横向磁化的相位相干开始形成序
列中才有回波信号出现(与相位过零点对应)这一回波信号是由α射频脉冲产生
的因此应为自旋回波信号
为了取得这一回波信号序列在读出和选层方向的梯度上均使用了相位平衡
脉冲因此当回波出现或后续RF 脉冲施加时上述两个方向的相移均为零真正的回波信号在t=2TR-TE 时开始重聚在t=2TR 时才形成显然一个PSIF 序列的执行周期需要两个TR 时间 我们知道当TR<<T 2时一对RF 激发信号或一个RF 激发信号加上反相梯度脉冲将导致两次信号的出现一次为FID 信号另一次为回波信号(自旋回波或梯度回波)PSIF 正是利用这一原理来取得自旋回波信号的
PSIF 能给出非常强的T 2加权信号其加权因子为2
2T TE TR e −−由此可见T 2的权重主要取决于TR 而不是TE 这意味着延长TR 可获得权重更大的T 2加权像TR 延长后就可以使用非常短的TE 来成像
PSIF 的优点是可以在较短的时间内获得权重很大的T 2加权像但它对运动过于敏感则是其缺点例如在腹部成像中PSIF(取TR/α=20ms/30º)可在屏息之间获得较好的T 2加权像并从中发现海绵状血管瘤类的病变但由于它同时在肝左叶仍能发现心搏所造成的明显的运动伪影使人们对PSIF 图像在临床诊断中的可靠性提出了质疑
PSIF 序列的另一常用名称为CE-FAST(Contrast Enhanced Fast Acquisition in STeady state)即对比度增强稳定状态的快速采集序列皮克公司就叫这一名称GE 公司则将PSIF 称为CE-GRASS(Contrast Enhanced GRASS)
由于FISP(梯度回波)和PSIF(自旋回波)两序列的特殊关系已经推出了将二者合二为一的杂交序列这就是DESS(Double Echo Steady State)在DESS 中
信号由梯度回波产生但其中却加入了自旋回波所致横向磁化的贡献使图像有
了T 2加权特征换句话说DESS 是FISP 序列结合了PSIF 对于长T 2组织的信号增强特点后形成的新序列现在3D DESS 序列已经成为双颌成像的标准序列
七 Turbo FLASH 类GRE 序列
为了使只有一个回波信号的GRE 序列有更快的扫描速度唯一的办法就是进一步缩短TR(包括缩短TE)但是这种短TR 短TE 的序列有赖于高速数据采集系统和快速梯度系统的支持令人欣慰的是目前的全身MRI 系统已经能以
4~8ms 的短TR 以及2~4ms 的短TE 成像了照这样的速度一幅128256的图像在不足1s 的时间内就可以获得(设TR=8ms)这种快速获取技术的实现标志着超高速FLASH(Ultra-Fast FLASH)序列的诞生该序列在西门子称为Snapshot
FLASH True FLASH 或Turbo FLASH 类似的序列还有Snapshot GRASS(GE)FSPGR(Fast SPGR GE)TFE(Turbo Field Echo 飞利浦)和TFL(Turbo FLash)等
下面我们将通称其为Turbo FLASH 这类序列又可叫做磁化准备的GRE 序列
1. Turbo FLASH 序列的组成
Turbo FLASH 序列由磁化准备和数据采集两个模块组成如图4所示图中的n 表示相位编码的步数重复时间TR 在4~8ms 之间选取改变图中准备模块中的脉冲性质就可以方便地改变所得图像的加权性质例如当序列用于脂肪抑制时可在前面加一个化学位移选择性预备脉冲; 当序列用于血流信号的压制
时便以一个空间选择性预饱和脉冲开头T 1加权的Turbo FLASH 是临床应用最广泛的序列之一它的准备脉冲为一180º反转脉冲其反转时间(TI)可供用户选择这样组合而成的序列就是IR Turbo FLASH 序列同反转恢复序列一样改变TI 就可以控制图像对比度此外Turbo FLASH 的磁化准备还可以是一个序列例如为了获得T 2加权的信号常在Turbo FLASH 数据采集前施以所谓的DEFT(a Driven Equilibrium Fourier Transform)脉冲序列DEFT 序列可表示为
90º-
2TE -180º-2
TE -90º (1) 这样Turbo FLASH 序列的T2对比度便可通过TE 来控制
2. Turbo FLASH 序列的图像特点
与普通GRE 序列类似在没有采取扰相措施的情况下大翻转角的Turbo
FLASH 也容易受横向剩余磁化的影响即容易在图像中出现带状伪影为此
Turbo FLASH 序列不能使用大翻转角根据计算与最佳信号对应的翻转角为
8~16º而且该角度要根据相位编码的步数进行调整 在快速成像序列中IR Turbo FLASH 是少数几个可以获得T 1加权像的序列
也是使用最多的Turbo FLASH 序列与其它GRE 序列不同的是IR Turbo FLASH 永远达不到稳定状态这是因为信号是从反转脉冲结束后T 1弛豫引起的磁化变化过程中取得的(图5)
在传统的IR 序列图像中由于组织的T 1弛豫时间不同常在不同组织的边界处出现所谓反跳点伪影(Bounce Point Artifact)这种伪影在IR Turbo FLASH 序列中也会出现该伪影出现时在图像中可见一小暗环这是因为边界各体素的T 1值实际为两种组织的平均值如果平均的结果使信号接近于零有关的象素就会
变暗
尽管Turbo FLASH 序列的扫描时间很短但与脂肪和肝这类短T 1组织的T 1
弛豫时间相比并不显短这种情况会给T2加权像的获取带来负面影响例如用T 2加权的Turbo FLASH获取高分辨率图像时如取TR=8ms则对于128256的图像128个相位编码步需时约1s在这一时间段内大多数组织的纵向磁化已相继弛豫从而在信号中渗入了大量T1成份使T2对比度得不到显示
在IR Turbo FLASH序列中仍会出现上述问题我们知道位于中间的相位编码步(零相位编码步)或K空间的零付立叶线对应于最大的信号幅度因而对图像对比度起着决定性作用由图5可知该序列零相位编码步直到TI之后二分之一数据采集时间处才出现在如此长的延迟时间内短T1组织的弛豫已进行了大部分因而它们在Turbo FLASH序列中不能充分展示
在图像的对比度控制方面一般总是希望能将病变组织突出(较亮)地显示在
其它组织的暗背景之上用反转恢复预备脉冲并选择适当的TI时间就可以削弱有关组织的信号以获得所需的暗背景但短T1组织的信号一般是不能削减的因为在零相位编码步到来之前这些组织就已大体弛豫了例如肝脏的信号即使
采用非常短的TI也是不能削弱的
为了解决上述的对比度控制问题可以使用较少的相位编码步来成像相位
编码步的减少等同于缩短了数据采集周期于是可使零相位编码步早些出现但是这一方案的采用意味着空间分辨率的降低这说明Turbo FLASH的图像对比度是空间分辨率的函数另外还可以通过缩短TR来改变图像对比度但这将受到硬件环境的限制
3. 相位编码重组技术的应用
从上面的讨论可知零相位编码步决定着总的组织对比度因此相位编码
脉冲的施加顺序成为对比度的重要决定因素
相位编码步重组的数学方法较多但是为了避免伪影的出现应选用那些对横向磁化M xy影响最小的方法经常使用一种称为中心序(Centric Order)的方法来重组梯度脉冲所谓中心序法就是扫描过程中一方面不断增加梯度脉冲的幅度另一方面交替地改变其极性即使K空间的扫描行从中心向两个方向扩展当序列的相位编码步数为256时中心序相位编码的K空间轨迹可表示为
K y=012127+128 (2)
还有一种叫做循环序(Cyclic Order)的方法也时有应用它的梯度脉冲施加顺序是先单调地从0增加到正的最大值又从负最大值单调地变化到零仍以256相位编码步的序列为例其循环序方法可表示为
K y=0+1+2+127+128-127-126
-2-1 (3)
相位编码的顺序不仅对图像的对比度及信号强度产生影响也与图像的空间分辨率有关一个给定点的混淆量由它的点扩散函数来描述据分析该函数与数据采集过程中磁化矢量的变化有关当磁化矢量随着相位编码步的变化而改变时对应点的空间频率分量的权重随之变化从而引起图像的混淆最佳的相位编码序与序列使用的TI TR以及组织的T1值有关如果相位编码的顺序选择得好就可以使对比度和SNR都得到改善而空间分辨率的损失相对较小
4. 分段采集技术的应用
到目前为止我们所考虑的都是一次采集填满整个K空间的序列称为单激发Turbo FLASH(Single Shot Turbo FLASH)当测量时间过长或激发用的翻转角太大时就需要将原始数据分为几部分进行测量每一部分都需要重复进行磁化准备或重复激发这种扫描方式称为多激发扫描与多激发扫描对应的数据采集方
案就是分段采集(图6)
分段采集的Turbo FLASH(Segmented Turbo FLASH)不仅能够克服单激发序列的某些限制还能以较多的对比度灵活性产生高分辨率的图像在这里K空间是分为几个数据段(Segmentation)填充的每次采集获得的数据只能填充一个数据段例如对于一幅128256的图像其128个相位编码步可分为4个数据段每段32个相位编码步如图6所示如TR为6ms则每个数据采集窗口(对应于每个数据段)的宽度缩窄为192ms RF准备脉冲可在每32个相位编码步前施加
为了磁化的恢复下一次的α激发要等待1~3s的时间即两个数据段之间的时间间隔为1~3s
与标准的Turbo FLASH序列相比分段采集后所得图像的组织对比度有所增强例如当它用于腹部成像时能产生非常满意的组织对比度只要取TI=280ms
就可使肝脏的影像变暗而使病变组织高亮度显示此外如果TI选取合适用这种序列还能够有效压制大多数组织(包括短T1组织)的信号例如当取TI=10ms 时就可以很好地抑制脂肪信号而单激发的Turbo FLASH既不能压制脂肪信号也不能压制肝组织信号
5. 可变翻转角射频脉冲技术的应用
以前所介绍的序列均采用固定翻转角的射频脉冲进行激发在SE序列中所用的翻转角α一般为90ºGRE序列中α小于90º如可取α=12º等为了提高GRE
序列尤其是Turbo FLASH的SNR人们提出了很多方案采用可变翻转角射
频脉冲进行激发就是其中的一种
所谓可变翻转角射频脉冲指的是在序列执行过程中翻转角可在一定范围(如5~90º)内变化的射频脉冲经常采用的方法是在零相位编码步(零付立叶线)附
近采用大角度进行激发从而得到比固定翻转角大2~3倍的信号而在对高频付立叶线进行采样时则逐渐恢复原来的小角度激发以保持序列的高速
实践证明用递增α角进行激发的方法甚至比那些用大角度不变角进行激发的序列还要有效其原因是后者可将系统的纵向磁化很快用尽(即进入部分饱和)使信号主要集中于前几个相位编码步但是对于K空间重组并以零相位编码步开始采样的序列一开始可以采用大翻转角进行激发这样在零付立叶线附近
就可获得强信号但是这种方案将给机器的射频系统提出更高的要求
Turbo FLASH的上述改进序列各有其优点相位编码梯度重组的序列可在较短的时间内获得优于标准序列的图像对比度如果允许较长的扫描时间则使用分段采集的方案可得到更加理想的对比度和空间分辨率用可变翻转角进行射频激发的序列在信号SNR的改善方面可以收到理想的效果
6. MP-RAGE
Turbo FLASH序列可以用于3D成像在3D的情况下该序列被称为
(3D)MP-RAGE(3D Magnetization Prepared Rapid Acquisition Gradient Echo)即磁化准备的快速采集GRE与2D Turbo FLASH一样这里可以用准备脉冲的不同方式来产生T1和T2加权像对于一条给定的相位编码线可以将一个翻转脉冲用在所有的扫描带(Partition)上也可将它用在给定扫描带的任意一条相位编码线上例如对于一个25612864的3D成像可以在64个RF激发脉冲前均使用翻转脉冲MP-RAGE与分段采集的Turbo FLASH很相像任一条线或扫描带(或两条线两条扫描带)都可进行分段采集以改善对比度和空间分辨率
总的来说用3D Turbo FLASH或MP-RAGE序列可以得到比2D Turbo FLASH更薄的层面和更高的SNR用T1加权的MP-RAGE在头部成像中可以取得非常好的效果因而最终有可能在日常头部成像中得以应用以取代2D的SE 序列获得一幅高分辨率的头颅或颈椎3D数据大约需要5min时间这些数据一旦获得就可以在任意方向反复进行重建而不会造成空间分辨率的损失腹部
的3D Turbo FLASH成像允许使用2mm的薄层面而且图像质量令人满意
使用MP-RAGE还可以对心脏实施门控3D成像建立一幅12812832的图像最快时只需32个心动周期的时间这表明心脏3D成像可以在半分钟内完成
实行门控时每个心动周期可用较少的相位编码步(例如8)来成像获得的图像也非常清晰不用门控的3D成像可在几分钟内完成图像中肺动脉清晰可辨这证明它可用于肺栓塞和其它血管病的诊断
一个潜在的问题是对比度增强的3D Turbo FLASH在某些方面的表现不如2D SE明了或者说造影剂对对比度的影响很复杂但这一问题有可能通过进
一步的参数优化来解决MP-RAGE还是属于GRE序列因此它对磁场的不均匀性非常敏感在伪影的表达上MP-RAGE比2D Turbo FLASH有着显著的优点这是因为它的典型伪影总是出现在层面选择方向因而不易被观察者发现
八快速GRE序列小结
近几年来高速的GRE序列取得了突飞猛进的发展成为MRI序列宝库中一个非常重要的分支它的应用也取得了丰硕的成果在EPI技术普及之前各
种GRE序列在快速MRI成像中仍将发挥主要作用
目前已投入临床和处于研究阶段的GRE序列多达数十种显然对于如此繁多的GRE序列用传统的分类方法已经不够了本讲采用了更加详细的分类法将现行的GRE序列分为基本GRE去除剩余磁化的GRE(FLASH类)利用剩余磁化的GRE(FISP类)True FISP类GRE PSIF类GRE和Turbo FLASH类GRE 等六类表1中列出了所有前面介绍过的GRE序列
(全文完)。