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MRI扫描参数的基本概念

 jazzwong 2017-01-06

在使用MRI脉冲序列扫描之前,有必要了解一些与MRI脉冲序列相关的基本扫描参数。我们在这里介绍的参数是MRI常用脉冲序列中共用的相关概念,某些特殊序列的相关概念我们将在各自序列中介绍。


一、时间相关的概念

前面已经介绍过,MRI脉冲序列实际上是射频脉冲和梯度场的变化在时序的排列,因此每个脉冲序列都将会有时间相关的概念,主要包括重复时间、回波时间、有效回波时间、回波链长度、回波间隙、反转时间、激励次数、采集时间等。


1. 重复时间 重复时间(repetitiontime,TR)是指脉冲序列执行一次所需要的时间。在SE序列中TR即指相邻两个90°脉冲中点间的时间间隔;在梯度回波TR是指相邻两个小角度脉冲中点之间的时间间隔;在反转恢复序列和快速反转恢复序列中,TR是指相邻两个180°反转预脉冲中点间的时间间隔;在单次激发序列(包括单次激发快速自旋回波和单次激发EPI)中,由于只有一个90°脉冲激发,TR等于无穷大。


2. 回波时间 回波时间(echotime,TE)是指产生宏观横向磁化矢量的脉冲中点到回波中点的时间间隔。在SE序列中TE指90°脉冲中点到自旋回波中点的时间间隔。在梯度回波中指小角度脉冲中点到梯度回波中点的时间间隔。


3. 有效回波时间 有效回波时间(effective TE)在快速自旋回波(fast spin echo, FSE)序列或平面回波(echo planar imaging,EPI)序列中,一次90°脉冲激发后有多个回波产生,分别填充在K空间的不同位置,而每个回波的TE是不同的。在这些序列中,我们把90°脉冲中点到填充K空间中央的那个回波中点的时间间隔称为有效TE。


4. 回波链长度 回波链长度(echo train length,ETL)的概念出现在FSE序列或EPI序列中。ETL是指一次90°脉冲激发后所产生和采集的回波数目。回波链的存在将成比例减少TR的重复次数。在其他成像参数保持不变的情况下,与相应的单个回波序列相比,具有回波链的快速成像序列的采集时间缩短为原来的1/ETL,因此ETL也被称快速成像序列的时间因子。


5. 回波间隙 回波间隙(echospacing,ES)是指回波链中相邻两个回波中点间的时间间隙。ES越小,整个回波链采集所需时间越少,可间接加快采集速度,提高图像的信噪比。


6. 反转时间 反转时间(inversiontime,TI)仅出现在具有180°反转预脉冲的脉冲序列中,这类序列有反转恢复序列、快速反转恢复序列、反转恢复EPI序列等。一般把180°反转预脉冲中点到90°脉冲中点的时间间隔称为TI。


7. 激励次数 激励次数(numberof excitation,NEX)也称信号平均次数(number of signal averaged,NSA)或信号采集次数(number of acquistions,NA),是指脉冲序列中每一个相位编码步级的重复次数。NEX增加有利于减少伪影并增加图像信噪比,但同时也增加了信号采集时间。一般的序列需要两次以上的NEX,而快速MRI脉冲序列特别是屏气序列的NEX往往是1,甚至小于1。


8. 采集时间 采集时间(acquisitiontime,TA)也称扫描时间,是指整个脉冲序列完成信号采集所需要时间。在不同序列中TA的差别很大,一幅图像的TA可以在数十毫秒(如单次激发EPI序列),也可以是数十分钟(如SE T2WI序列)。


二维MRI的采集时间可以按下式计算:

TA = TR × n × NEX

式中TA表示采集时间;TR为重复时间;n为NEX=1时TR需要重复的次数;NEX为激励次数,NEX越大,TR需要重复的总次数越多。对于没有回波链的序列如SE序列或GRE序列,n就是相位编码的步级数,对于具有回波链的序列如FSE或EPI等序列,n等于相位编码步级数除以ETL。


三维MRI由于是容积采集,需要增加层面方向的相位编码,容积内需要分为几层则需要进行同样步级的相位编码,因此其采集时间可以按下式计算:

TA =TR × n × NEX × S

式中S为容积范围的分层数,其他同二维采集。S越大,TR需要重复的总次数越多。


从上述两个TA的计算公式可以得知,实际上影响TA的因素主要是TR的长短和TR需要重复的总次数。


二、空间分辨力相关的概念

任何脉冲序列在实际应用中都会涉及到空间分辨力的问题,实际上空间分辨力就是指图像像素所代表体素的实际大小,体素越小空间分辨力越高。空间分辨力受层厚、层间距、扫描矩阵、视野等因素影响。


1. 层厚 MRI的层厚(slicethickness)是由层面选择梯度场强和射频脉冲的带宽来决定的,在二维图像中,层厚即被激发层面的厚度。层厚越薄,图像在层面选择方向的空间分辨力越高,但由于体素体积变小,图像的信噪比降低。因此在选择层厚的时候既要考虑到空间分辨力,也要考虑到图像信噪比。


2. 层间距 层间距(slicegap)是指相邻两个层面之间的距离。MRI的层间距与CT的层间距(slice interval)概念不同。CT的层间距是指相邻的两个层面厚度中心的间距,如层厚和层间距均为25px,实际上是一层接着一层,两层之间没有间隔。而MR成像时,如果层厚为25px,层间距为12.5px,则两层之间有厚度为12.5px的组织没有成像。MR的层面成像是通过选择性的射频脉冲来实现的,由于受梯度场线性、射频脉冲的频率特性等影响,实际上扫描层面附近的质子也会受到激励,这样就会造成层面之间的信号相互影响(下图),我们把这种效应称为层间干扰(cross talk)或层间污染(cross contamination)。为了减少层间污染,二维MR成像时往往需要一定的层间距。


3. 矩阵 矩阵(matrix)是指MR图像层面内行和列的数目,也就是频率编码和相位编码方向上的像素数目。频率编码方向上的像素多少不直接影响图像采集时间;而相位编码方向的像素数目决定于相位编码的步级数,因而数目越大,图像采集时间越长。MR图像的像素与成像体素是一一对应的。在其他成像参数不变的前提下,矩阵越大,成像体素越小,图像层面内的空间分辨力越高。


4. 视野 视野(fieldof view,FOV)是指MR成像的实际范围,即图像区域在频率编码方向和相位编码方向的实际尺寸,如30 cm×30 cm,因而是个面积概念。在矩阵不变的情况下,FOV越大,成像体素越大,图像层面内的空间分辨力降低。


5. 矩形FOV 一般的FOV是正方形的,但有些解剖部位各方向径线是不同的,如腹部横断面的前后径明显短于左右径,如果采用正方形FOV,前后方向有较大的区域空间编码是浪费的,如果采用前后径短左右径长的矩形FOV,如750px×40 cm,则可充分利用FOV。矩形FOV的短径只能选择在相位编码方向上,采用矩形FOV后,在空间分辨力保持不变的情况下,需要进行的相位编码步级数减少,因而采集时间成比例缩短。


三、偏转角度

在射频脉冲的作用下,组织的宏观磁化矢量将偏离平衡状态(即B0方向),其偏离的角度称为偏转角度(flip angle)或称激发角度。宏观磁化矢量偏转的角度取决于射频脉冲的能量,能量越大偏转角度越大。而射频脉冲的能量取决于脉冲的强度和持续时间,增加能量可通过增加脉冲的强度或/和持续时间来实现。MRI常用的偏转角为90°、180°和梯度回波序列常用的小角度(<>


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