磁共振成像基本原理解读之二十 --关于脉冲序列的故事：梯度回波序列家族（三）稳态梯度回波

稳态与稳态形成的基础：在前面讨论扰相梯度回波序列的过程中我们其实已经讨论过了稳态这个概念，只不过在扰相梯度回波序列中稳态仅仅是在纵向磁化矢量方向的稳态。但当我们讨论到保留横向磁化矢量的稳态梯度回波序列时，这里的稳态要同时包括纵向磁化矢量稳态和横向磁化矢量稳态两个方面。纵向磁化矢量的稳态前文已经讨论过。如何实现横向磁化矢量的稳态呢？在讨论相关序列技术细节之前，我们必须明确两点：

其一，我们所谈及的横向磁化矢量稳态的一个重要前提是所研究的组织本身相对于所使用的TR而言必须具有长T2弛豫属性，这一点至关重要。因为，那些原本T2非常短的组织如肌肉、韧带等结构其横向磁化矢量在很短的时间内便完成衰减。因此，从这个意义而言，横向磁化矢量的稳态只对于长T2的那些组织（如液体）更有意义；

其二，总体的信号相位在不同的TR间期必须保持相同。这里有两方面重要的启示：1）在每个TR间期内针对所使用的不同的相位编码梯度进行信号读取后采用一个大小相等但极性相反的回绕梯度，这样才能把残存的横向磁化矢量重新回聚（这个回聚的横向磁化矢量在下一次射频脉冲作用下可以补充到纵向，从而对整个信号产生贡献）；2）通常的或说普通的稳态梯度回波序列SSFP只适用于静止组织，对于运动引发的相位变化不适用。

以上两个基本条件即：1）组织必须具备相对于TR而言有更长的T2弛豫属性；2）在每个TR间期内保持相同的信号相位是实现横向磁化矢量稳态的前提和基础。

根据具体的序列执行方案的不同，这种保留了横向磁化矢量的梯度回波序列又可以分为普通稳态梯度回波序列与真正稳态自由进动成像，接下来让我们一起来了解一下这两个序列。

1. 普通稳态梯度回波序列

1.普通稳态梯度回波序列：如果确保在每个TR间期内RF脉冲处于相干状态（在旋转坐标系内RF脉冲的相位是相同的或只是重复一个简单的相位循环如极性相反），同时在任意梯度轴上的梯度面积恒定，这时就满足了普通稳态梯度回波的条件。这种普通的稳态梯度回波序列在不同公司有不同的对应名称，如GE称之为GRASS（Gradient Recalled Acquisition in Steady State），其他公司对应的名称如FISP(Fast Imaging Steady state precession)。从技术层面看这一类稳态可以共同理解为稳态自由进动（Steady State Free Precession, SSFP）。这里希望各位读者了解一下，对于SSFP这样一个稳态自由进动的序列而言，从一个连续的时间轴上看，可以产生两类不同的信号：一类是在每一个射频脉冲后所产生的SSFP-FID信号；另一个是在每个射频脉冲之前产生的SSFP-Echo信号。很多原理书上对这两类信号进行了非常繁琐的解释并给出了每个信号的计算公式。笔者认为，从临床应用层面来看，各位磁共振使用者需要对这两类信号有个定性的了解并牢记于心就够了。这两个信号具有不同的属性，SSFP-FID信号就是通常这种保留了横向磁化矢量并达到了纵向、横向磁化矢量两个方向稳态的梯度回波序列所采集的信号。这个SSFP-FID信号和我们前文分享的扰相梯度回波序列的FID信号相比具有更高的信噪比，因为SSFP-FID信号中保留了具有长T2弛豫属性组织所残存的横向磁化矢量对于信号的贡献，在图像上一个最大的特点就是具有长T2弛豫属性的液体表现为亮的信号。换言之，如果在相同的扫描参数即相同的TR、TE及翻转角时，SSFP-FID图像上液体是亮的高信号，而扰相梯度回波序列上的FID信号图像上液体则表现为黑的低信号。从对比度角度而言SSFP-FID图像的对比度不如扰相梯度回波序列，所以我们也提及过扰相梯度回波序列的更优异的组织对比度是通过牺牲长T2弛豫属性的横向磁化矢量的贡献而换取的。SSFP序列的另一类信号是SSFP-Echo信号。因为在SSFP序列理论上TR通常非常短，这样，从长的时间轴上看每一个RF脉冲对前面的RF脉冲残存的横向磁化矢量也具有一定的聚焦脉冲的作用。为方便理解我们可以把它理解定义为“准聚焦射频脉冲”，在这个“准聚焦射频脉冲”作用下所形成的回波信号性质上属于射频回波的性质，因此它反映更多的是组织的T2弛豫属性。通常情况下实际工作中并不采集这个信号进行成像。这里我们再总结一下也希望大家牢记：SSFP-FID信号是RF脉冲作用下产生的FID信号经过梯度场极性反转而得到的回波信号。与扰相梯度回波序列相比，SSFP-FID信号中储存有前一次信号读取过程中残存的横向磁化矢量对这个信号的贡献，所以在SSFP-FID图像中长T2弛豫属性的组织如液体或液体增多的病变表现为高亮信号。对于那些本身T2过短的组织SSFP-FID读取的信号和扰相梯度回波序列读取的信号没有明显差别。另外，如果TR过长时或翻转角过小时（远远小于恩斯特角时），在这种极限状态时SSFP-FID就转化为扰相梯度回波的FID了。

SSFP的另一类信号SSFP-Echo在临床中很少使用，采用这种类型回波信号进行成像通常被真正稳态自由进动成像所取代。偶尔有公司也会采用这种回波，此时称之为PSIF，PSIF这一称呼由FISP的镜像颠倒而来。FISP采集的是SSFP的RF脉冲的FID信号，而PSIF采集的是SSFP的RF脉冲聚焦的Echo信号，SSFP-FID和SSFP-Echo可以理解为镜像对称，所以把采用SSFP-Echo进行成像的序列称之为PSIF。

2.真正稳态自由进动成像

2.真正稳态自由进动成像：前面我们在讨论SSFP时谈到如果在每次激发过程中RF脉冲保持相干（即RF脉冲相位相同或只进行简单循环）而同时在三个梯度逻辑轴上梯度的面积在每个TR间期不变，此时就可以达到纵向与横向两个方向的磁化矢量的稳态，我们称之为稳态自由进动SSFP。现在我们要讨论的是一个更特殊的情形：如果在连续的射频激发过程中既能满足RF脉冲保持相干状态，同时又能保持在梯度三个逻辑轴上梯度的面积保持为零，这时就进入了一个非常特殊的稳态，在这种稳态下SSFP的两个回波信号SSFP-FID和SSFP-Echo的峰值相互融合并叠加。理论上这时两个信号的回波峰值刚好在TR/2这一点相互交汇。我们把这种特殊的稳态自由进动称为真正稳态自由进动。有关真正稳态自由进动通用的名称是True-SSFP，但各个厂家的商品名称各不相同，如GE称之为FIESTA，其他公司则分别称为True FISP或Balanced FFE。虽然笔者尽可能避免引用一些让大家望而生畏的公式，但对于这个真正稳态自由进动的信号公式还是得照搬过来，不需要记估计也记不住，但需要理解。

这两个公式都是用于计算True SSFP信号强度的公式。有几个定性特点需要牢记：1）无论公式1还是公式2，我们可以发现其信号衰减遵循T2指数衰减而不是T2*，这说明当达到这种真正稳态自由进动状态后，我们利用一种快速的梯度回波序列实现了射频回波的信号读取。2）我们直观的对比一下公式1和公式2不难发现，两个公式的分子相同但分母不同，而且公式1得到的信号强度大于公式2得到的信号强度。公式1中相邻两个RF脉冲极性相反，这时后一个RF脉冲同时起到了驱动平衡的作用，它能把横向上的磁化矢量翻转到纵向上去，类似于我们在讨论FRFSE时所讨论的快速恢复脉冲。显然这种RF脉冲极性改变的方式能获得更高的信噪比。但如果由于扫描区域存在因磁化率差别等导致的磁场不均匀时，就有可能因为这种外来的干扰导致在相邻的采集信号之间存在相位差，如果这个相位差刚好是180°时就等同于把一个RF极性反转的稳态自由进动序列转化成一个RF极性不反转的稳态自由进动序列，而极性不反转的稳态自由进动序列的信号要低于极性反转的稳态自由进动序列，这就导致该区域出现信号减低。这种因为磁场不均匀所导致的稳态自由进动序列的区域性信号减低被称为带状伪影（banding artifact）。事实上，实现真正稳态自由进动的条件非常苛刻，任何原因破坏了实现真正稳态自由进动的条件都会导致这个序列的信号衰减就不是单纯的T2指数衰减，而是引入了T2*，这也是为什么该序列对磁场均匀度等要求严苛的一个客观原因。为了更好的理解真正稳态自由进动的图像对比，我们还要照搬另一个公式：

公式3中分母中有T1/T2这一项，所以我们经常说真正稳态自由进动的对比度取决于T2/T1。一定要牢牢记住真正稳态自由进动成像T2/T1这一对比特点，也就是说在FIESTA这些图像上信号的高低取决于T2/T1的比值。液体、血液、脂肪这三种组织有相对比较高的T2/T1值，因此在FIESTA图像表现为亮的信号。这是这一序列可以用于一些部位水成像（如内听道成像或用于心脏亮血电影成像）的原因。但这一对比特点对于发现病变就可能出现缺乏对比的问题。譬如，肝内一个以细胞增殖为主的占位病变，可能其内的含水量有所增多，这会导致T2弛豫时间延长，但细胞密度的增加却会导致T2缩短；但无论含水增多还是细胞密度增加都会导致T1弛豫时间延长，这样综合的结果可能会导致病变的T2/T1可能不变或降低，即使是只有含水增多而细胞密度增高不明显，这时T2弛豫时间同样会延长，但T2/T1的变化可能不明显，因为此时的T1也是延长的。总之，切不可把这类稳态自由进动的序列误认为是T2对比图像，否则会导致病变的漏诊。但真正稳态自由进动序列这一对比特点（特别是其水亮、血亮这一信号特点）也有助于我们在富含水或富含血的病变与实性占位病变之间进行鉴别。归根结底还是要再次重复一个观念：序列没有优点也没有缺点而只有特点。牢牢记住每一个序列的特点是我们用好这些序列的前提和基础。

图片说明：肝内实性占位病变在几个不同序列的对比显示结果。我们发现在几个序列中以呼吸触发FSE T2和SPGR T1病变显示最清楚，SSFSE隐约可见病灶呈高信号但非常模糊。相应的病变在FIESTA序列上呈稍低信号改变，这是因为FIESTA反映的是组织的T2/T1对比，这使得病变在这一序列上的显示充满不稳定性。因为病变水分增多会导致T2延长，但同时也导致T1延长，而增生病变的细胞密度增大导致T2变短却引起T1延长，所以T2/T1可能是降低的。这也就是为什么我们一再强调不能把这个序列误认为是T2加权像的原因。

图片说明：这是两个不同病例不同序列对比。病例1是肝血管瘤，因为病变内富含血液，所以在FIESTA序列上表现为明显高信号；而病例2为肝细胞肝癌，在FIESTA序列上近似等信号改变。这两个病例中病变在FIESTA序列的不同表现也证实了一点：在稳态自由进动序列中只有那些具有更长T2弛豫时间的组织或病变才能获取更高的信号。这也是为什么FIESTA序列具有血亮、水亮、脂肪亮的原因。

在使用FIESTA这一类真正稳态自由进动序列时如何保证稳态相干的维持和尽可能的减少扫描过程中相位累积错误是极为重要且值得思考的两个方面。在这里力争更短的TR时间是极为关键的一个影响因素。所以，在使用这类序列时当你在调整扫描层厚、FOV、扫描矩阵时一定要注意TR时间的变化。如果TR时间过长就可能导致这种稳态遭到破坏，导致图像中出现带状伪影。为了解决TR延长所导致的带状伪影，有时会采用多采集的真正稳态自由进动成像，即所谓的CISS（Constructive Interference in Steady State，稳态下的相长干涉）。有关这些内容在具体的临床应用中我们再详细讨论。