【摘要】在保證一定MR圖像質(zhì)量的前提下,加快MR成像速度一直是推動(dòng)MR 技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力,。本文以加快MR成像速度為線索,，通過(guò)對(duì)影響MR成像速度幾種因素的分析， 試圖揭示快速M(fèi)R成像序列的演變過(guò)程,，希望能對(duì)MR成像技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)的普及有所裨益,。
幾年以前,當(dāng)人們談到MR成像技術(shù)時(shí),很難避開(kāi)的一個(gè)缺陷就是:MR成像速度較慢而限制 了它在臨床應(yīng)用的范圍,。因而引發(fā)了世界范圍內(nèi)各生產(chǎn)醫(yī)用MR設(shè)備的廠家,不遺余力地投入 大量人力和物力對(duì)MR成像設(shè)備的性能進(jìn)行開(kāi)發(fā),。其中很重要的一個(gè)部分就是對(duì)成像速度的改 良,，以便其在醫(yī)用MR成像領(lǐng)域占居主導(dǎo)地位。
MRI與CT成像速度的比較
若單純從完成檢查同一病例的成像時(shí)間作比較,MRI的成像時(shí)間肯定要長(zhǎng)。首先,，CT掃描往往 只在一個(gè)方位(橫斷面)成像,而MRI除有多方位(橫斷,、矢狀、冠狀及斜位)成像外,在其 中某一個(gè)方位上還有多參數(shù)的成像(如T1加權(quán),、T2加權(quán)及質(zhì)子加權(quán)成像等),如此勢(shì)必花 費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間,。
如從單一層面的成像方面考慮，常規(guī)SE序列平均每完成一層圖像的掃描時(shí)間為15～30s,而常 規(guī)CT每掃描一層圖像所需時(shí)間為3s左右,。而MR快速成像技術(shù)的代表——平面回波成像(EPI ),其平均每一層面成像所花費(fèi)的時(shí)間僅為0.1s左右,與代表當(dāng)今快速CT掃描技術(shù)——螺旋掃 描比較,其掃描一層所花的時(shí)間也要0.5s。也許將MRI與CT掃描速度作比較不太適宜,且沒(méi)有 多大實(shí)際意義,但由此便可看出MRI技術(shù)在速度方面的突飛猛進(jìn),。
完成同一病例的檢查速度
MRI<<CT
完成單一層面圖像的成像速度
常規(guī)MRI<<常規(guī)CT
快速M(fèi)RI>>螺旋CT
影響MR成像速度的因素
一般來(lái)看,MR成像速度包括2個(gè)方面：①原始數(shù)據(jù)處理速度,②掃描速度,。對(duì)原始數(shù)據(jù)的處理速度主要是看MR系統(tǒng)所采用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的能力。這在計(jì)算 機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的今天已不成問(wèn)題,。所有MR設(shè)備的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)均具備在MR信號(hào)采集的過(guò)程中 行處理數(shù)據(jù)的能力,當(dāng)完成一組數(shù)據(jù)的采集后,計(jì)算機(jī)已基本將原始數(shù)據(jù)處理完畢。因此,，數(shù) 據(jù)處理速度對(duì)MR成像速度的影響并不太大,。
掃描速度才是決定MR成像速度的主要方面。掃描時(shí)間由下式確定：
掃描時(shí)間＝重復(fù)時(shí)間(TR)×相位編碼數(shù)×平均次數(shù)
所以,影響MR成像速度的主要因素為重復(fù)時(shí)間,相位編碼數(shù)及MR信號(hào)的平均次數(shù)［1］ ,。
1.重復(fù)時(shí)間(TR):指介于兩個(gè)連續(xù)脈沖序列起點(diǎn)之間的時(shí)間,。無(wú)論采用何種脈沖序列,TR均有 一個(gè)特定值。對(duì)TR的取值一般根據(jù)組織的T1特性確定,。為使組織達(dá)到充分的弛豫，TR一般 為5倍左右的T1值,。如純水的 T1值為3s,那么僅對(duì)純水其TR值可選擇15000ms左右,。但 對(duì)活體組織的成像并不是使之達(dá)到充分的弛豫才表現(xiàn)最佳的顯示效果。實(shí)際上為了形成較好 的組織對(duì)比而選擇了遠(yuǎn)小于使所有組織充分弛豫的TR值,。常規(guī)TR的取值范圍為30～15000m s,。由此可見(jiàn)，是臨床實(shí)際的需要而限定了TR的取值,。余下的問(wèn)題是：為什么不選用小的TR 值來(lái)完成掃描呢?這可是一個(gè)加快成像速度的極好機(jī)會(huì),。這個(gè)問(wèn)題將在快速成像序列的演變 過(guò)程中討論。
2.相位編碼數(shù):要弄清這個(gè)問(wèn)題必須復(fù)習(xí)傳統(tǒng)的MR成像數(shù)據(jù)采集過(guò)程,。首先面對(duì)的是一個(gè)具 有一定行數(shù)和列數(shù)的體素矩陣,。體素矩陣的列代表頻率編碼數(shù),，在此方向施加梯度可使每一 體素產(chǎn)生的MR信號(hào)的頻率不同,在每個(gè)成像周期內(nèi)的特定時(shí)間施加相同的頻率編碼梯度有利 于體素的空間定位,它不影響掃描時(shí)間。體素矩陣的行代表相位編碼數(shù),在此方向施加梯度可 使每一體素內(nèi)磁化向量的相位不一致,它與頻率編碼梯度合用則形成每一體素空間的確切位 置,。相位編碼數(shù)與掃描時(shí)間成正比,。傳統(tǒng)的MR成像數(shù)據(jù)采集是沿相位編碼方向進(jìn)行的,且每 采集一行均需一個(gè)完整的成像周期(TR)。若需獲得一幅體素矩陣為256×256的圖像,則采集 至少需256× TR的時(shí)間,而通常采用128×TR的時(shí)間也可以獲得較為滿意的效果,且成像時(shí)間 縮短了1倍,只是圖像的像素由原來(lái)的正方形變成長(zhǎng)方形了,。但減少相位編碼數(shù)也是有限的, 否則圖像的效果就得不到觀察者認(rèn)可,。同樣留下問(wèn)題:既然減少相位編碼數(shù)有限,那 么還能采取其它方法,如一次激勵(lì)在相位編碼方向上有多次信號(hào)采集,或者一次激勵(lì)后將所有 的信息全部采集呢?這些做法也會(huì)使掃描時(shí)間成倍地減少。這也將是后面要討論的問(wèn)題,。
3.平均次數(shù):為了獲得高信噪比的MR圖像,通常采用增加信號(hào)平均次數(shù)的方法,。但這種方法有其局限性,即掃描時(shí)間與平均次數(shù)成線性關(guān)系。平均次數(shù)加倍,掃描時(shí)間也成倍增長(zhǎng),而 信噪比的增加僅與平均次數(shù)的平方根成正比,。這種增加平均次數(shù)的方法對(duì)縮短掃描時(shí)間是無(wú) 益的,但對(duì)圖像質(zhì)量的改善是有益的,故應(yīng)酌情采納,。
磁共振快速成像序列的演變
以上所述的內(nèi)容是建立在傳統(tǒng)自旋回波(SE)序列的基礎(chǔ)上進(jìn)行討論的。為了加快掃描速度, 可以采用縮短TR值和減少相位編碼數(shù)等方法,但前提是必須保證一定的圖像質(zhì)量,。
1. 梯度回波(GRE)序列
既然傳統(tǒng)的SE序列也不必使所有成像區(qū)域的組織結(jié)構(gòu)達(dá)到充分的弛豫而成像,就使得采用梯 度回波的方法對(duì)組織成像成為可能,。GRE序列是目前MR快速掃描中最為成熟的一種方法,它可 使掃描時(shí)間較傳統(tǒng)的SE序列縮短近100倍或更多。
GRE序列的典型代表——FLASH(快速小角度激發(fā)成像)序列,是采用頻率編碼梯度的反轉(zhuǎn)形成 回波,用以取代傳統(tǒng)SE序列中采用的180°復(fù)相脈沖,。通過(guò)這種改良,其每次序列的起始脈沖 就不必采用SE序列的90°脈沖激勵(lì),而是用小于90°的脈沖激勵(lì),而留下一部分縱向磁化矢 量不予擾亂,。然后，經(jīng)頻率編碼梯度的翻轉(zhuǎn)形成回波,，這就減少了整個(gè)序列的重復(fù)時(shí)間,T R值減少,整個(gè)掃描時(shí)間也就縮短了,。但在 SE序列中必須等到縱向磁化向量完全恢復(fù)之后才 能重復(fù)下一個(gè)脈沖,故其TR較長(zhǎng)［1］。
2. 快速自旋回波(TSE)序列
利用MR診斷病變最經(jīng)典的圖像是SE序列所成的圖像,。因此而發(fā)明了既有常規(guī)SE的對(duì)比度,又能明顯縮短時(shí)間的TSE序列,。為了理解的方便,必須引入K-空間的概念。所謂K-空間,是指M R數(shù)據(jù)采集中所使用的一種頻率空間,K-空間的每一條線代表一次TR中所得到的一個(gè)信號(hào),且 這個(gè)信號(hào)又是包含有該掃描層面的數(shù)據(jù),。它有別于MR圖像中的像素矩陣,因?yàn)?K-空間內(nèi)的 每一條線并不與實(shí)際掃描層面及MR圖像的特定部位相對(duì)應(yīng)［2］,。但在傳統(tǒng)的SE序列 中, K-空間內(nèi)的某一條線卻正好可以形象地理解成為相位編碼的某一行。
在TSE序列中,單個(gè)TR周期所產(chǎn)生的回波數(shù)稱回波鏈長(zhǎng)(ETL),每一次TR均可獲取2～16或更 多個(gè)回波信號(hào),并將其全部放入一個(gè)K-空間內(nèi),。由此可見(jiàn),與傳統(tǒng)SE序列相比,在完成同樣一 組圖像數(shù)據(jù)的采集過(guò)程中,TSE所花費(fèi)的時(shí)間只是SE序列的1/ETL倍［3］,。那么:
掃描時(shí)間(TSE)=TR×(相位編碼數(shù)/ETL)×平均次數(shù)
若ETL為16,則在每一TR周期內(nèi)可進(jìn)行16個(gè)相位編碼的數(shù)據(jù)采集,那么一幅256×256矩陣的圖 像只需256/16倍的時(shí)間即可完成。而傳統(tǒng)SE序列在每一TR周期內(nèi)只進(jìn)行一次相位編碼的數(shù)據(jù) 采集,那么一幅256×256矩陣的圖像則需要256倍的時(shí)間才能完成,。
3. 快速梯度自旋回波(TGSE)序列
TSE序列中每一次180°復(fù)相脈沖后均有一次信號(hào)采集,即每一回波鏈中只有一次信號(hào)采集,。 而在快速梯度自旋回波(TGSE)序列,每一回波鏈中有多次信號(hào)采集。這需要在每一回波鏈間 期施加快速再聚焦梯度以產(chǎn)生多個(gè)信號(hào),。這樣就使得掃描速度進(jìn)一步加快,回波鏈間期產(chǎn)生 的信號(hào)越多,完成整套圖像數(shù)據(jù)采集的時(shí)間越少,。若每一回波鏈間期產(chǎn)生的信號(hào)數(shù)為N,則 TG SE掃描所花的時(shí)間為TSE的1/N倍。那么
掃描時(shí)間(TGSE)=TR×［相位編碼數(shù)/(ETL×N)］×平均次數(shù)
若采用2s的TR,256的相位編碼數(shù),1次平均,傳統(tǒng)SE序列所需時(shí)間為2×256×1(s),約8.5min,T SE序列所用ETL為4,則約需8.5/4=2.1min 左右的采集時(shí)間;TGSE序列中的ETL仍為4,其每一回 波鏈間期再聚焦梯度次數(shù)為3,則約需2.1/3=0.7min的采集時(shí)間,。
圖1(A,B,C)分別表示SE,TSE及TGSE序列在同一TR周期內(nèi)產(chǎn)生的信號(hào)個(gè)數(shù),。
代表當(dāng)今MR成像最快速度的掃描技術(shù)莫過(guò)于平面回波成像(EPI)技術(shù),。它是在TGSE序列的基 礎(chǔ)上演變出來(lái)的一種掃描技術(shù)。在TGSE序列中,多次180°復(fù)相脈沖的間期,通過(guò)再聚焦梯度 轉(zhuǎn)換過(guò)程可以產(chǎn)生多個(gè)信號(hào),那么就使得單次激發(fā)后經(jīng)多次再聚焦梯度轉(zhuǎn)換產(chǎn)生一系列的回 波信號(hào)成為可能,這便是單次激發(fā)EPI的來(lái)由,。
無(wú)論TSE序列采用多大的ETL,還是TGSE序列采用的ETL與再聚焦梯度轉(zhuǎn)換次數(shù)的積有多大,其 相位編碼數(shù)/ETL或相位編碼數(shù)/(ETL×N)的結(jié)果都不可能小于1,。而單次激發(fā)EPI是在一次采 集中獲得一系列的回波信號(hào),并將這一系列的回波信號(hào)一次充滿整個(gè)K-空間［4］。 那么
掃描時(shí)間(EPI)=TR×1×平均次數(shù)
圖2(A,B,C,D)分別表示SE,TSE,TGSE及EPI在一個(gè)TR周期內(nèi)回波信號(hào)分別填充K-空間的過(guò)程 ［5］,。
值得說(shuō)明的是,為了縮短MR成像時(shí)間,人們還采取了一些其它的方法,如非對(duì)稱視野,、半付里 葉轉(zhuǎn)換等技術(shù)。還有許多為滿足診斷需要設(shè)計(jì)出的掃描序列,本文均未涉及,。作者僅對(duì)快速 成像序列的演變提出了一點(diǎn)膚淺的認(rèn)識(shí),。
作者單位：彭振軍（430022 同濟(jì)醫(yī)科大 學(xué)附屬協(xié)和醫(yī)院放射科）
孔祥泉（430022 同濟(jì)醫(yī)科大 學(xué)附屬協(xié)和醫(yī)院放射科）
馮敢生（430022 同濟(jì)醫(yī)科大 學(xué)附屬協(xié)和醫(yī)院放射科）
曾祥階（430022 同濟(jì)醫(yī)科大 學(xué)附屬協(xié)和醫(yī)院放射科）
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