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脂肪抑制技术(七)——改良的DIXON水脂分离技术

2019-09-18  zskyteach...
本文6532多个字,48张图片,16篇相关链接文章,建议阅读时间20分钟。

脂肪抑制技术讲到第七部分了,前面我们讲了脂肪抑制的意义、脂肪抑制的原理及方法、各种脂肪抑制序列的特点及临床应用。



本期内容,我们讲介绍一种高级的脂肪抑制技术——即改良后的DIXON水脂分离技术。

图1:常规脂肪抑制序列的特点

上期讲过,临床常用的脂肪抑制序列或多或少都有其应用局限和不足,那么有没有一种比较理想的脂肪抑制技术能够满足我们对脂肪抑制的要求呢?

图2:mDIXON技术满足对于脂肪抑制的所有幻想

一.DIXON技术

DIXON技术是一种比较古老的水脂分离技术。1984年,Tomas Dixon在1984年在Radiology上发表论文Simple proton spectroscopic imaging,提出了采用梯度回波序列,在不同的TE时间采集信号,采集2个回波,根据计算,可以把水信号和脂肪信号分离出来,达到水-脂分离的目的,就是传统的DIXON方法。

图3:狄克松1984年在Radiol发表的著名论文

图4:第一幅水脂分离图片

图5:Thomas Dixon,传统DIXON技术的发明人

传统的DIXON技术基于水-脂化学位移,采用梯度回波序列后,由于没有180°重聚脉冲纠正质子之间的相位差。水-脂肪在磁场中进动频率有差异,大约3.35ppm,随时时间的不同,水-脂相位差异不同。不同TE时间采集信号的时候,水-脂相位差不同,信号强度也不同。

    分别在同相位(水-脂相位差为0°或360°的倍数)采集一次信号,这个时候信号强度为S1=W+F;在反相位(水-脂相位差为180°的倍数)采集一次信号,这个时候信号强度为S2=I W-F I。(注意:在描述磁共振专业名词或术语的时候,一定要准确,专业,统一,同相位对于的是反相位,不是正相位,反相位。)

一次TR采集2个TE时间的回波,得到两个信号,两个方程,两个未知数。要得到水W和脂肪F的信号,这不是很简单,就像小学生解二元一次方程一样。

S1=W+F

S2=W-F

W=(S1+S2)÷2

F=(S1-S2)÷2

这样就达到分离了水信号和脂肪信号的目的,这就叫水脂分离技术。

当然,现在所用的DIXON技术,都是经过了很多代的发展,优化,和当时Thomas Dixon提出的技术有了很大变化。我们现在所使用的DIXON技术基本上和Thomas Dixon本人无关,所以他要是一直专研这个技术,早就已经发大财了,可惜他提出最原始的DIXON技术后,就没有继续在这方面做改进和攻克了。但是,我们仍然把后面的水-脂分离技术叫做DIXON技术,以纪念这个先驱。

二.DIXON技术的演进及改良

传统的DIXON方法,毕竟采用梯度回波,这点大家有序列基础知识的应该很好理解。既然你要得到水和脂肪在不同相位的信号,就肯定不能采用自旋回波SE,否则180°脉冲纠正了质子之间的相位差,就不可能采集到同相位和反相位的信号了。

当然,最新的DIXON方法,都不是传统的方法,都在传统的DIXON方法上做了大量的改进。为什么要改进这种方法呢?
传统的DIXON方法的缺陷:
1.只能做梯度回波序列;
2.TE时间依赖于水-脂的同相位,反相位时间,比较固定,这样TE固定了,TR也相对固定,不灵活;
3.受主磁场均匀性影响大,算错概率高。
传统的DIXON方法,虽然是一种全新的水-脂分离方法,能够扫描一次出4组图,但是其应用也受诸多限制,就上面讲的3点,所以,各大公司也是在传统的DIXON方法基础上,改进,完善这个序列。可以说,传统的DIXON方法是个引路人,指出了一个方向,但是具体怎么算还是在后面的DIXON方法上来改进,提高,完善。

图6:传统DIXON方法的一些不足及缺陷

如果我们把Tomas Dixon爵士1984年提出的传统的同反相位水脂分离方法作为第一代水脂分离技术的话,那么后续在它基础上进行的优化及改良DIXON方法则依次可以称作第二代、第三代....。

前文链接:

飞利浦mDIXON家族序列特点及临床应用

飞利浦mDIXON家族序列特点及临床应用(续)

2004年,Reeder等人提出了三点最小二乘法进行水脂分离,该方法并不基于水和脂肪相位的相对差异,因此可以进行回波的自由选取。该方法又被称作三点自由采集或者自由3点法。

2006年,Xiang等发表论文提出采用两点回波采集方法,是目前临床上普遍应用的一种方法。该方法又被称为两点固定法或者固定2点法。两点法扫描速度比三点法快,但由于是固定两点采集,TE和TR相对受到限制,导致图像锐利度相对不足。

2010年,Perkins又提出了两点自由采集,这是第四代的DIXON方法。采用这种方法,能够显著缩短扫描时间及回波间隔,使得图像表现更加细腻。飞利浦的mDIXON即采用这种方法,m代表modified的,即改良的意思。

2016年,第五代DIXON方法也被提出,目前飞利浦采用的水脂分离法即为最新的第五代,又叫做mDIXON XD。这种方法相对于第四代的两点自由法又做了优化,其中体现在采用7峰模型、大范围的B0场校正及水脂化学位移校正等。

图7:水脂分离技术的发展

目前飞利浦采用的水脂分离技术都是最新的第五代技术,序列名称为mDIXON XD。XD代表进一步优化和加强。

图8:第五代mDIXON XD的优势

可能有老师要问,采集回波不依赖于水和脂肪的相位,不是完全的同相位、反相位能够计算吗?

是可以计算的。

图9:改良水脂分离如何计算及分离水和脂肪信号

三.梯度回波水脂分离序列

水脂分离这个技术既可以用到梯度回波序列,也可以用到自旋回波序列。

梯度回波水脂分离序列大家都比较好理解。不同公司的序列相对名称不同,技术可能也有差别。比如:有的公司可能采用三点自由法或者有的公司采用两点固定法。而飞利浦采用的是两点自由法。

图10:两点法和三点法的比较

那么两点法和三点法到底哪一个好呢?光看名字,有老师觉得三点法好,为什么?因为多采了一个回波,感觉就更好了。

其实,三点法多采一个回波是为了怕磁场不均匀,进行计算的时候算错。所以多采一个回波的作用是校正。而这样做的话,扫描时间势必会延长,回波间隔也会拉大,图像锐利度下降。

而如果在能保证水脂分离精准的情况下,两点法就能完成,肯定是两点法更好。

飞利浦的梯度回波水脂分离技术名称叫做mDIXON XD FFE。其中,FFE代表梯度回波序列。

西门子的同类型的技术叫做DIXON-VIBE。

GE公司的这种技术序列名字是LAVA-FLEX。

图11:梯度回波的水脂分离序列

需要注意的是,这种梯度回波的水脂分离技术一般都是3D序列。由于是梯度回波序列,这种技术一般只能做T1权重的图像,不能做T2权重的图像。

一次扫描可以出四种不同对比度的图像,分别是:压脂图(又叫水图Water)、同相位图(IP)、反相位图(OP)、压水图(又叫脂肪图Fat)。

前文链接:

磁共振2D和3D扫描序列的区别

3D自由呼吸序列在体部及放疗中的应用

四.mDIXON XD FFE的临床应用

梯度回波的3D水脂分离技术一般可以用来做3D的增强扫描及腹部的一出四。

图12、13:mDIXON XD的参数设置

需要使用mDIXON XD技术的,可以在contrast里找到该选择,选择yes即启用。

由于mDIXON XD是一个多对比的序列,扫描完后,用户可以选择是出四种图,还是仅出一种图,还是出三种图,可以自由组合,非常方便。

一般来讲,做腹部平扫的时候,我们都选择一出四,直接出四组对比度的图像。而做增强扫描的时候,我们仅选择出Water图也就是压脂图,这样可以避免图像过多,传到PACS上,诊断医生看的图太多。当然,必要的时候,你也可以选择出四组图或者出一个IP(不压脂)和Water(压脂)图方便进行比较。

飞利浦的mDIXON XD FFE可以用于任何部位,任何方位的成像,并且可以做全身的扫描。

图14-18:mDIXON XD FFE的临床应用

图20:mDIXON XD FFE腹部扫描一出四

如上图所示,腹部扫描,采用mDIXON XD FFE,12秒,90层。显示病灶富含脂质成分。在Water图像上显示为低信号,在脂肪图上显示为高兴。同反相位图像显示信号有所下降,证明病灶内含脂质,但并不是全是脂肪组织。

采用mDIXON XD FFE做脂肪抑制,效果优于常规的腹部3D绕相梯度回波序列。

但是,mDIXON XD FFE序列虽然使用了第五代的水脂分离技术,但是该序列还是一个梯度回波序列。既然是梯度回波序列,就还是会受到磁场均匀度的影响。

那么有没有更好的、更稳定的脂肪抑制方法呢?

五.自旋回波水脂分离序列

梯度回波水脂分离技术可能大家比较好理解。那么自旋回波能做水脂分离吗?

有的老师表示,自旋回波序列,水和脂肪质子的相位由于180°重聚脉冲作用,被补偿,相位没有差异,怎么做水脂分离?

其实,这就涉及到了一个很重要的概念,叫做:非对称自旋回波序列

图21:非对称自旋回波序列也可以导致水-脂相位不一致

如上图所示,其实要使得水和脂肪在经过了自旋回波序列之后相位还不一致。最简单的办法就是让这个自旋回波序列成为非对称自旋回波序列。也就是90°脉冲-180°脉冲之间的时间并不等于180°脉冲到回波采用的TE时间。

通过两次采集,第一次采集采用对称的自旋回波序列,得到的是纯的自旋回波序列,同相位图。

第二次采集,稍微改变一下TE',使得和第一次采集的TE不同,则要么质子相位还没有完全重聚(TE'<TE);要么质子重聚以后又开始相位分离了(TE'>TE)。这样得到水和脂的相位差异,进行计算。

飞利浦的自旋回波水脂分离技术名称叫做mDIXON XD TSE。其中,TSE代表梯度自旋序列。

西门子的同类型的技术就叫做DIXON,简单粗暴。

GE公司的这种技术序列名字是IDEAL。

联影公司这种序列名称叫做wfi fse,即water-fat image fse。

不同公司采用的方法略微不同,比如有的公司采用的是三点法,有的采用的是两点固定法等。

图22:自旋回波水脂分离序列

使用mDIXON XD TSE,该序列是自旋回波序列,临床版只能采用2D成像。和mDIXON XD FFE不同的是,该序列可以结合任何权重(T1WI\PDW\T2WI)等。该序列也可以做任何部位,任意方位扫描,一次扫描同样可以出多种对比。

六.mDIXON XD TSE的临床应用

自旋回波的2D水脂分离技术一般可以基本上可以用到全身的各个部位。特别是做一些难压脂部位的常规扫描,比如踝关节、肩关节等;还可以用来做一些增强扫描难压脂部位,比如:颈部增强T1WI、全脊柱增强T1WI等。

图23:内固定,踝关节,最难压脂的部位之一,结合内固定。一般遇到这种情况,相信很多医院是不做的。采用mDIXON-TSE,一次扫描,同时出压脂和不压脂的T2WI,扫描时间,大家注意,仅仅为1分36秒。

图24:肩部,大范围,偏中心脂肪抑制,脂肪抑制难度难上加难。采用mDIXON-TSE做,效果非常好,一次扫描出几组对比。

对于难压脂部位比如颈部、偏中心的关机,mDIXON XD TSE是最佳的选择。

图25:脚的T2WI,采用mDIXON XD TSE,一次扫描同时出压脂及不压脂的图像

图26:颈部mDIXON XD TSE,即使有假牙,伪影也很小

图27~29:颈部病变是最难压脂的

如上图是一个病例。颈部病变,采用mDIXON XD TSE T2WI序列,常规平扫,一次扫描出两组图(当然你也可以选择出四组图)。增强扫描,横断位及冠状位均采用mDIXON XD TSE T1WI。颈部增强是最难做的,采用mDIXON XD TSE以后,不仅压脂稳定,并且扫描一出四,图像质量好,一次扫描得到的信息量大。

图30~34:另一个病例

图35、36:再来一个病例

mDIXON XD TSE扫描,一般常规我们一次出两个图,即压脂图和不压脂图,这样方便比较。当然,用户可以自定义出几组图。

图37:扫描完后,即出图,不需要任何后处理

图38~42:mDIXON XD TSE可以用于所有部位

mDIXON XD TSE可以用于所有部位,在临床中,遇到难压脂的部位,我们都可以考虑采用这个序列。

七.拓展应用及新序列

mDIXON XD做脂肪抑制效果不错,特别是mDIXON XD TSE。有老师就要问,这个序列这么好,那么这个序列有不足之处吗?

万事都是辩证的。mDIXON XD TSE这个序列的确不错,但是mDIXON技术有一个小不足,这是几乎所有DIXON技术的弱点,那就是对于运动特别敏感

在使用DIXON技术做序列的时候,我们经常要小心运动伪影及一些血管搏动的伪影。

针对DIXON的这点不足,我很早就采用将飞利浦的抗运动伪影序列和DIXON技术想结合,进行成像,效果非常不错。

前文链接:

mDIXON TSE结合MultiVane XD序列使用优势及临床应用

mDIXON TSE这个序列的主要优点有:

1.一次扫描出四种对比度图像(同相位、反相位、压脂图、脂肪图),这样的话,一次扫描出四组图,等于扫描效率提高;

2.因为是自旋回波序列,所以对磁场不均匀性不敏感,在有内固定或者假牙情况下,不会有明显伪影;

3.脂肪抑制效果最佳,特别是在磁敏感变化大的部位及偏中心部位,压脂质量稳定,有保障;

4.可以结合不同权重图像,T1W、T2W、PDW。

当然,mDIXON TSE序列有这么多优点,这个序列有没有缺点?目前来看还是有一些小不足的,主要是:

1.这种序列对运动稍微敏感,如:主动运动、血管搏动......;

2.这种序列在不开CSK的情况下,只能做2D。而mDIXON FFE是3D序列,但是扫描的是梯度回波。

针对主要的第一个小不足,如果我们能够有抗运动伪影的技术,那么就可以改善这个。所以,我们自然而然想到了飞利浦的MultiVane XD技术。

图43:mDIXON TSE & MultiVane XD T2扫描前列腺

上图是我推荐的常规前列腺扫描。将这两种技术相结合,采用T2权重。采集体素0.8×0.8mm(注意是采集体素,重建体素可能是0.57mm,某些公司在描述图像参数时,经常喜欢以重建体素来描述体素或者分辨率,这个是不太合规的)。扫描层厚3.5mm,扫描20层,FOV 260mm,扫描时间为3:24min(3分24秒)。一次扫描可以同时出四组图,一般我们只选最有用的T2不压脂和T2 FS(脂肪抑制T2序列)。

图44:同样的序列,前列腺扫描,图像非常稳定。

同样的序列,扫描的图像非常稳定,而且信噪比,分辨率都不错,扫描时间也不慢(3分多钟),同时出几种图,大大的优化了扫描流程。

图45:女性盆腔扫描,同样的序列

女性盆腔同样可以用这种序列来扫描。如上图,扫描采集体素0.85×0.85mm,扫描层厚4mm,扫描时间3:42min,FOV 380mm。
除了盆腔,这种序列最大的应用优势在颈部。
众所周知,颈部的脂肪抑制非常难做,因为结构不规则,组织多变,含气体,有运动(呼吸运动及吞咽运动),而且磁敏感变化大。传统方法,没有mDIXON TSE序列的话,为了保证颈部脂肪抑制稳定,一般采用STIR这种序列。这样的话,扫描时间长,信噪比低,而且一次扫描只出STIR一种图。
有了mDIXON TSE序列后,脂肪抑制不再令人头痛。但是如何消减呼吸及吞咽运动呢?于是我们有了MultiVane XD。
两种序列一组合,做颈部简直是量身定制一样。

图46:颈部mDIXON MVXD T2序列

如上图所以,颈部软组织,显示甲状腺及其他组织,采用mDIXON MVXD T2序列。采集体素0.78×0.78mm,层厚3mm,扫描层数24层,扫描时间4:15min(4分15)。4分钟时间虽然不算短,但是做过磁共振的老师知道,颈部本来不好做,而且要保证一定的空间分辨率,又要考虑脂肪抑制。4分钟做一个完美的颈部图像,而且还同时有脂肪抑制和非脂肪抑制,一定是完美的选择。

mDIXON XD TSE结合MultiVane XD解决的是2D的序列的脂肪抑制及运动问题。那么3D的序列怎么办呢?
3D序列我们自然想到了mDIXON XD FFE。这种序列也可以和飞利浦特有的3D自由呼吸序列结合,那就是3D VANE XD。
所以,mDIXON XD FFE可以和3D VANE XD结合,进行3D自由呼吸多对比成像解决方案。
前文链接:3D自由呼吸序列在体部及放疗中的应用

图47、48:放疗3D自由呼吸体部扫描

上图是另一例采用放疗体位的3D自由呼吸扫描。使用飞利浦Ingenia 1.5T,采用3D VANE XD mDIXON。

大家可以发现,扫描的层厚也比较薄3mm(放疗扫描方式)。采集80层图像。FOV:450mm*450mm。扫描时间也不长。图像质量非常好,一出四。

2D序列:

脂肪抑制——mDIXON XD TSE;

抗运动伪影——MultiVane XD。

3D序列:

脂肪抑制——mDIXON XD FFE;

抗运动伪影——3D VANE XD。

八.总结

本期内容比较多,主要是介绍了高级的脂肪抑制技术飞利浦最新的第五代水脂分离序列mDIXON XD的技术特点、原理及临床应用。另外,也扩展介绍了一些脂肪抑制序列结合抗运动伪影技术的临床应用。希望对大家有所帮助。

大家如果有想看的内容或者有好的建议,甚至有好的文章想投稿,都可以在后台留言或者文末留言。我们共同讨论,共同学习,共同进步。

参考文献

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6.Eggers H, Brendel B, Duijindam A, et al. Dual-echo Dixon imaging with flexible choice of echo times [J]. J Magn Reson Med 2011; 65: 96-107.

2019年9月18日          于         昆山
            Viktor Lee    李懋




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