组织信号怎么抑制？论反转恢复自旋回波序列：STIR、T1 FLAIR、T2 FLAIR

pppsss 2022-08-05 发布于天津

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在实际临床工作中我们会涉及到很多反转恢复自旋回波序列，如利用特定的回零时间实现某种组织信号抑制的短时反转恢复脂肪抑制序列STIR、自由水抑制的T2 Flair、用于心脏扫描的黑血序列Double IR、Triple IR等；也有利用反转恢复序列可以实现更强T1对比的序列如T1 Flair, CUBE DIR等。本文将就其中几个重要的序列进行讲解。

01.短时反转恢复序列

短时反转恢复序列（Short tau Inversion Recovery, STIR），因为这个序列TI时间是脂肪组织的回零时间，所以这个序列通常也被理解为短时反转脂肪抑制序列。与其他组织相比脂肪有相对较短的T1弛豫时间，我们根据TI_null=T1*ln2，我们可以计算出针对脂肪组织的回零时间。因为在不同场强时脂肪组织的T1时间不同，所以在不同场强时针对脂肪组织的回零时间也不同。在1.5T上，脂肪组织的T1时间约200-250ms，所以脂肪组织的回零时间约为150-160，而在3T上针对脂肪组织的回零时间约为200ms。采用STIR进行脂肪抑制具有几个突出的临床优势：1）场强依赖性低：和化学脂肪抑制相比STIR脂肪抑制的一个突出的优势就是对场强的依赖性低，在不同场强因为脂肪组织的T1时间会有所不同，我们可以据此计算出相对应的脂肪回零时间，从而实现抑制脂肪信号的目的。STIR脂肪抑制是低场强磁共振最重要的脂肪抑制方法。因为水和脂肪的化学位移是3.5ppm，在低场强时水和脂肪的化学位移频率Hz差异很小，如在0.2T磁共振水和脂肪相差仅30Hz，如此小的频率差距使得我们无法使用频率选择法脂肪抑制技术了。2）更适合大范围、偏中心脂肪抑制：相比于频率选择法脂肪抑制技术而言，STIR对磁场均匀度要求低，因此更有利于实现大范围、偏中心的脂肪抑制成像。因为STIR更适合大范围、偏中心脂肪抑制，所以在全身背景抑制DWI（有时称为类PET成像）会选择STIR作为实现背景抑制的手段。尽管STIR具有自己的独特临床优势，但它也同样会面临一些临床问题：1）在所选择的回零时间点不是所有的脂肪都回到零点，也不是只有脂肪才回到零点。记住这一点对我们解读STIR图像非常重要。不是所有的脂肪都回到零点意味着很难实现脂肪组织的彻底被抑制，这个并不是最可怕的。可怕的是不是只有脂肪才回到零点，这就意味着有些原本不是脂肪的组织因为和脂肪组织有接近的T1弛豫时间，因此也有接近的回零点。譬如，有些慢性出血的病变如巧克力囊肿，因为血液的顺磁性效应导致出血病变具有较短的T1弛豫时间，这时在STIR序列这部分出血病变也可以表现为被抑制成低信号，如不仔细甄别，很容易被误认为是脂肪组织成分。2）相对更低的信噪比：在TI时间内组织中会有多少水存留在纵向上是值得我们思考的。按照公式：Mz(TI)=M₀（1-2e^TI/T1 )，我们以肝脏T1时间500ms来计算，在TI为160ms时，M_water=M₀(1-2e^TI/T1)=-0.45M₀，这就意味着组织中水的信号会损失55%左右。所以，STIR序列的信噪比相对更低。这也解释了为什么该序列扫描客观上需要更长的扫描时间了。

图片说明：这是一个女性盆腔扫描，在T1、T2左侧附件区发现一个T1、T2均呈高信号；在STIR序列扫描时该病变呈明显的低信号改变，似乎病变以脂肪组织为主；当对该病变进行化学脂肪抑制时发现病变仍呈高信号改变，二在IDEAL脂相上该病变不亮，提示病变内并不含脂肪。综合分享考虑病变内含有出血成分，因为具有顺磁性效应导致病变的T1弛豫时间和脂肪组织相近，进而在STIR序列上病变高信号被抑制掉。

02.快速反转恢复T1加权序列 T1 Flair

快速反转恢复T1加权序列 T1 Flair：随着磁场强度的提高组织的平均T1时间会延长，在自旋回波序列上T1对比度变差。所以在高场强磁共振成像通常采用反转恢复序列来实现T1加权成像，特别是在中枢神经系统，采用反转恢复序列可以提高灰白质之间的对比。前面的讨论中我们提及反转恢复序列较SE或FSE自旋回波序列的T1对比度可以提高一倍。使用反转恢复序列实现T1加权像的一个挑战是扫描时间延长，这会限制其在临床上的可行性。正是在这种情况下提出了快速反转恢复T1加权成像，这个序列在GE磁共振平台对应的专用序列名称是T1 Flair。这个序列的核心是反转脉冲与宿主序列之间的核心细节调整，使得其成像速度明显提高。T1 Flair序列是反转恢复脉冲和FSE信号采集的有机融合。在1.5T磁共振平台上反转恢复时间通常在750ms，而在3.0T磁共振上反转恢复时间通常在860ms。其后所跟随的FSE序列回波链长度通常在6到8左右，而其回波时间TE则选择在24ms左右。我们在上篇分享中讨论到对于T1 Flair这样的反转恢复自旋回波序列而言，其最终的信号强度由两个弛豫机制来决定：反转恢复模块反映的是组织的T1弛豫差别，而宿主序列FSE的回波信号反映的是组织的横向弛豫对比。因为我们这里选择的TI时间是750到860ms左右刚好是灰白质之间T1对比最大的时刻，而其后的FSE序列选择的是短TE信号读取，因此T1 Flair能够获取更优异的T1加权对比图像。在这里笔者需要强调，在TI750或860ms的反转恢复时间点，脑脊液这些具有极长T1弛豫时间（在1.5T约4000ms）在这个反转恢复时间只有非常少的纵向弛豫，因此在最后的图像上表现为黑的。T1 Flair这里作为一个商品名是为了和T2 Flair序列进行对照。不知道大家是否注意到在T1 Flair这样的序列TI时间是决定对比度的更重要的因素，而TR这里的主要意义是决定了下一次反转脉冲激发时刻不同组织的瞬间纵向磁化矢量，对于确保整体图像的信噪比很有意义。

图片说明：通过SE序列和反转恢复序列的对比我们可以发现反转恢复序列较SE序列可以有更明显的T1弛豫对比。临床上T1 Flair不仅可以用于平扫获取优异的T1对比图像，增强扫描时强化病变可以清晰显示。

图片说明：这里通过一个简单的实验说明一下T1 Flair不是一个简单的IR Prep FSE。当我们针对一个FSE序列选择IR Prep后对比直接选择T1 Flair,即便两个序列选择的参数完全一致但前者扫描时间是后者的5倍，最后的图像质量两者接近且T1 Flair对比更佳。

尽管很多原理书上把反转恢复自旋回波序列如T1 Flair、T2 Flair统称为磁化准备脉冲序列，但上面的实验表明T1 Flair作为一个专用的序列时嵌入了很多独特的脉冲时序设计的。事实上在T1 Flair序列在每个TI后都嵌入了一个其他层面的FSE信号采集模块，只是这个FSE信号采集模块的反转恢复模块是在前一段时间所施加的，正是通过这种时间与空间的有机完美的组合才大大提高了T1 Flair采集效率。这也是这个专门序列存在的价值所在。

03.液体衰减反转恢复快速自旋回波序列 T2 Flair序列

液体衰减反转恢复快速自旋回波序列 T2 Flair序列：在前文我们讨论回零时间计算时我们直接引入公式：Mz(TI_null)=M₀(1-2e^-TInull/T1)并推导出TI_null=ln2*T1，我们需要强调的是这是一个简化了的公式，这个公式来源于：TI_null=T1{ln2-ln(1+e^-TR/T1)}(如果宿主序列为SE时)或TI_null=T1{ln2-ln(1+e^{-(TR-TElast)/T1})}。在这两种情况下，如果我们利用简化公式来计算回零时间，需要的前提是TR>>T1，当TR>>T1时，上述的公式简化为TI_null=T1{ln2-ln1}, 因为ln1=0，从而推导出TI_null=T1ln2。这里我们之所以强调这些，是因为当TR不是足够长时我们就不能完全套用这个简化公式来计算回零时间了。在随后的分享中我们会注意到在心脏的黑血的序列时因为TR相对很短，而且随着心率的变化TR也会发生相应的变化，在这种情况下我们选择自动TI, 系统就会根据TR的变化来计算对应的TI回零时间。这里我们花笔墨讨论回零时间的计算是为了更好的理解一些参数设置。言归正题，T2 Flair就是利用液体的回零时间实现脑脊液信号抑制，该序列在反转恢复模块所选择的TI时间通常为2200ms左右。脑脊液的T1弛豫时间约为4000ms, 如果根据简化的回零时间计算公式对应的回零时间约为4000*0.693约为2500ms。实际临床工作中我们的TR不可能无限长，所以在采用回零时间上也做了适当折衷。另外，这里也需要提醒各位使用者，在使用这个序列的过程中不要盲目的缩短TR，否则可能会导致液体信号抑制问题。T2 Flair序列的宿主序列是FSE T2序列，其TE时间通常采用120以上。尽管T2 Flair序列获得的是T2对比度加权，但其反转模块部分反映的是组织的T1弛豫对比，我们在解读信号时必须综合考虑进去。而且利用其反转恢复模块的T1弛豫对比，我们也可以在增强扫描后进行T2 Flair扫描，这对于发现一些脑膜病变如炎性病变、肿瘤的脑膜浸润等会有一定的诊断和鉴别诊断价值。

通过上面的示意图我们可以发现在T2 Flair序列因为TI时间相对较长，所以在一个反转脉冲后会继续施加针对其他层面的反转脉冲，这样就减少了反转脉冲后闲置的等待时间，这对于实现快速的T2 Flair成像有重要价值。这种反转脉冲的施加方式被称为间插性反转恢复（Interleave TI），这和STIR序列的按顺序施加反转脉冲（Sequential TI）形成了对比。在施加一组反转脉冲后，当达到回零时间点后会针对不同的层面进行FSE信号采集。细心的老师在扫描过程中通过声音也可以感受到T2 Flair的这种脉冲的时序方式。T2 Flair序列在临床上具有很重要的临床应用，因为它可以抑制脑脊液在T2加权像上的高信号，从而可以更加突出的显示脑实质内的异常病变（如早期脑梗死，肿瘤病变等），也可以更清晰的显示蛛网膜下腔或脑膜等病变，如亚急性蛛网膜下腔出血、脑膜炎性病变或肿瘤的脑膜浸润等。在缺血性脑卒中病例，T2 Flair可以比较敏感的发现早期梗死，同时与DWI成像相结合也是判断醒后卒中病例发病时间的一个重要手段。通常如果DWI像可以发现病变而T2 Flair像未能显示者，通常被认为是发病六小时时间窗内，这部分病例可以纳入溶栓治疗。

图片说明：这里展示两个醒后发现卒中发作的病例。上下两排两个病例都是在睡眠中卒中发作，对于这样的病例病人无法明确具体的起病时间，这对于判断就诊时是否处于溶栓时间窗内带来困难。目前临床上根据磁共振检查影像学表现可以作为判定时间窗的一个证据。上排病例在DWI像上显示左侧放射冠区域明确高信号病灶，而在T2 Flair像上病灶显示不清，据此判断发病时间可能在6小时内，可以纳入溶栓治疗。下排病例DWI像上右额颞叶高信号病灶，相应病灶在T2 Flair像上也表现为稍高信号改变，提示发病在6小时以上。