第六章 磁共振成像(第三节至第四节)

医学影像物理学第六章磁共振成像主编：南京医科大学吴小玲编者海南医学院许建梅华北理工大学侯淑莲第三节快速成像序列一、梯度回波序列三、平面回波成像序列二、快速自旋回波序列四、快速成像序列应用前面的研究以表明，实现快速成像可从三个方面入手，一是缩短TR，二是利用k空间共轭对称性减少采集次数，三是在一个TR内采集更多个Ny，四是综合利用上述方法。这节将逐项研究，主要内容如下：一、梯度回波序列缩短TR方式小角度激发直接采集频率编码梯度的回波实现条件:主磁场均匀度达一定要求梯度回波（gradientecho，GRE或GE）序列又称为场回波（fieldecho，FE）序列

采用小角度（<90°）RF激励、短重复时间，用反转梯度取代180°，重聚脉冲在磁化强度矢量形成稳定平衡状态下进行信号采集。

常规GRE序列；横向残余磁化矢量利用序列；横向残余磁化矢量破坏序列。三类GRE序列：GRE序列与SE序列主要区别配制高强度的梯度场使用反转梯度取代180º相位重聚脉冲。一、梯度回波序列（1）信号产生的基本原理小角度激励技术GRE序列中，用小于90º的

脉冲，在脉冲结束时，纵向磁化仍保持较大幅度，可短时间内再激励，缩短了激励周期，横向磁化仍可产生较大幅度信号。例如，当

=20º时仅过数十毫秒，纵向磁化即可恢复到平衡状态。Mxy=34%M0Mz=94%M01.基本GRE序列一、梯度回波序列x方向施加梯度场，通过切换，用梯度回波代替180º自旋回波，同时作为频率编码梯度，与消除频率编码散相原理相同。相位重聚梯度的持续时间为去相位梯度时间的一倍。。大大节省了时间一、梯度回波序列梯度回波时序梯度回波重聚的原理一、梯度回波序列梯度回波的形成原理一、梯度回波序列

一、梯度回波序列梯度回波的形成SE序列180º相位重聚可消除磁场不均匀性梯度磁场引起的去相位影响获得T2信号GRE序列能补偿梯度场引起的去相位无法消除磁场不均匀性的影响读出梯度反转产生相位重聚获得的是T2*信号梯度回波与自旋回波相位重聚的比较一、梯度回波序列成像时间采集一幅图像SE和IR序列成像总时间要几分钟，而GRE由于大大缩短了

成像时间缩短至几十秒甚至几秒。一、梯度回波序列

小翻转角5º～20º、长TE(15~25ms)、短TR（＜50ms)形成T2*加权图像；（2）加权图像T1加权图像T2*加权图像质子密度加权图像大翻转角70º、短TE(5~10ms)、短TR(＜50ms)形成T1加权图像小翻转角5º～20º、短TE(5~10ms)、短TR(＜50ms)形成质子密度加权图像。一、梯度回波序列

原因：GRE序列2.常用的梯度回波序列基本GRE脉冲序列没有实用价值每一次相位编码过程中都会有上一次残留的横向磁化矢量参与，每条相位编码读出线的强度都有所增加，反映在图像上沿相位编码方向出现强信号亮线，称为横带干扰伪像。为解决该问题梯度回波出现两大脉冲系统，一是合理利用残留的横向磁化矢量脉冲系列，二是破坏掉横向磁化矢量的脉冲系列。一、梯度回波序列小角度倾倒后在z方向留下较大的

和处理后最大的

横向磁矩，GRE序列中TR很短脉冲多次作用下，纵向磁化会一步步变小，但恢复的速度又在一步步加快，于是在脉冲的多次激励后这两种相反的趋势达到平衡，纵向磁化和横向磁化在每一个的开始和结束时都具有相同的幅值。纵向磁化和横向磁化处于动平衡中，这就是稳态或稳态自由旋进（SSFP）。(1)稳态自由旋进形成条件：

一、梯度回波序列残留的汇聚于-y轴形成

时产生的负FID信号称为SSFP-echo信号，又称为重聚焦，发生在本次α角脉冲之前。稳态时MR信号包含两种成份：FID信号echo信号echo信号FID信号RF脉冲激励后产生的SSFP-FID信号。产生一、梯度回波序列(2)利用残留的横向磁化矢量脉冲系列

序列名称特点1）FISP序列

采集SSFP-FID不抑制2）双回波SSFP

FID和echo信号都采集3）平衡式SSFP

FID与echo横向矢量完全融合(3)破坏残留的横向磁化矢量脉冲系列

扰相GRE序列

特点：破坏掉残余横向分量

短TR、小角可实现T1加权极短TR、TE可实现重T1加权一、梯度回波序列二、快速自旋回波序列

1．多回波SE序列特点：90º—TI—180º—TI—echo…180º—TI—echo…多个回波对应的是同一个相位编码步，具有相同y坐标，不能填进同一个k空间，不能用于同一幅图像，而填充到不同的k空间，得到不同参数加权的多幅图像。在90°脉冲后施加相位编码，而后以特定的时间间隔连续施加多个180°脉冲，由此产生多个自旋回波，通过频率编码后采集信号，从而形成多个有一定间隔的自旋回波。二、快速自旋回波序列多回波SE序列二、快速自旋回波序列先发射90º脉冲，再连续发射多个180º脉冲，从而形成多个有一定间隔的自旋回波。与多回波SE不同的是每个回波对应不同的相位编码梯度，对应一幅图像。90º—TI—180º—TI—echo…180º—TI—echo…2.快速自旋回波序列快速自旋回波序列多回波SE序列TR内Gy幅度固定各回波对应的数据填充不同的k空间多幅不同加权MR图像形成形成FSE序列Gy幅度不同同一k空间的不同区域一幅完整MR图像TR内各回波对应的数据填充二、快速自旋回波序列FSE序列与多回波SE序列比较名词术语二、快速自旋回波序列回波链：激励脉冲后的每一组回波叫做一个回波链；回波链持续时间（echotrainduration：）获取这些回波的时间；回波链长度（echotrainlength，ETL）：回波链中的回波数；回波间隙（echospace，ESP）：相邻回波间的距离。快速自旋回波序列（1）FSE序列的扫描时间由于回波链长(ETL)等于一个TR周期内所获得的回波数。增加回波链长可减少扫描时间。

FSE扫描时间t二、快速自旋回波序列优点缩短扫描时间；对弥散效应、磁化率效应不敏感，图像与常规SE图像非常接近。

ETLNEXNTRty=××（2）相位编码与k空间填充次序FSE序列中，k空间被分成ETL个区域或节段，假定256×256像素的层面，ETL=4

经过64个TR周期，k空间就被填满，可形成一幅MR图像。二、快速自旋回波序列64次激发的相位编码ky在k空间的填充顺序

一12……31320-1……-30-314二3334……6364-32-33……-62-633三6566……9596-64-65……-94-952四9798……127128-96-97……-126-1271节段6463……34333231……21

TR周期echotrain二、快速自旋回波(fastspinecho,FSE)序列多回波与快速自旋回波k空间填充次序比较多回波1多回波2二、快速自旋回波序列多回波3（3）有效回波时间与加权图像数据采集中，Gy=0产生的回波信号被填入k空间中心行(ky=0)，该回波信号所对应的回波时间称为有效回波时间(TEeff)。FSE序列中，填充在k空间同一节段的回波具有相同回波时间，k空间中央部分对应的回波时间就是有效回波时间。选择短TEeff得到的是质子密度加权图像；选择长TEeff得到的是T2加权图像。一、快速自旋回波(fastspinecho,FSE)序列二、快速自旋回波序列各加权图像对应扫描参数：①

-WI：短TE，20ms；长TR，2500ms；②T1-WI：短TE

，小于20ms；短TR

，300~600ms；③T2-WI：长TE

，100ms；长TR

，2000ms以上。缺点ETL对应不同的TE模糊效应显著，对比度低于SE；回波链的存在使TE、TR不能太短，影响T1WI质量；脂肪信号超强；成像速度低于梯度回波。二、快速自旋回波序列采集正向相位编码、零编码以及少量负向相位编码数据，根据对称原理，利用正相位编码数据复制负相位编码数据，形成一幅完整的图像。单次激励快速自旋回波序列:一次RF激励后使用一连串180º相位重聚脉冲，采集一连串回波，一次激励形成一幅图像。HASTE序列主要用于生成T2加权图像，采用单次激励快速自旋回波序列，并结合半傅里叶数据采集技术，使一幅256×256矩阵图像在1s内可采集完毕。3.FSE的拓展（1）半傅里叶采集单次激励快速自旋回波序列二、快速自旋回波序列（2）快速反转恢复自旋回波序列RF激励方式与IR-SE相同采集方式与FSE相同优点与缺欠与FSE相同（3）短

TR，

T2WI的实现：最后一个ETL采集结束后加180º+（-90º）脉冲，相位重聚后磁矩返回z轴二、快速自旋回波序列（4）k空间的旋转和放射状填充

螺旋桨技术（propeller）目的：为了进一步加强FSE和FIR序列对各种原因造成的磁场不均匀的不敏感性；提高对比度和信噪比；为后台数据处理提供足够的基础信息；消除相位编码方向上的运动伪影。二、快速自旋回波序列图中一组平行线表示一个TR采集的一个ETL，这里ETL=4k空间填充的螺旋桨技术，ETL=4(5)MR水成像在FSE序列或HASTE序列中，选择长TE、长TR的T2加权成像，在信号读出时，大多数组织T2较短，横向磁化基本衰减完毕,信号很低；静态液体T2较长，横向磁化衰减较少，信号较高。胰胆管、泌尿系统、椎管、内耳、延腺、泪道、脑室和输卵管等器官成像。特点应用安全、无需造影剂、无创伤二、快速自旋回波序列正常胆系MR水成像二、快速自旋回波序列输尿管结石MR水成像内耳膜迷路MR水成像三、平面回波成像序列几种序列成像速度比较SE成像(5~15min)FSE成像(1~5min)EPI成像(30~100ms)应用运动目标动态研究、功能性应用研究，如心血管运动、血流显示、脑的弥散成像、灌注成像、脑的功能成像、实时MRI等。技术要求梯度系统要求高，如提升速度快、切换率高、梯度强度大。主磁场均匀度要好。1.EPI脉冲序列EPI是一种数据读出模式，实质就是改进了的FID，IR，SE或GRE等脉冲序列的信号读取方式。对于单次激励EPI成像，在一次RF激励后，施加的读出梯度进行快速往返振荡，梯度每反转一次就产生一个具有独立相位编码的梯度回波，直至采集完重建一幅MR图像所需的全部回波。三、平面回波成像序列（1）EPI的射频激励初始横向磁化强度准备方式不同就产生了不同类别的EPI序列。如FID-EPI、SE-EPI、IRSE-EPI、GRE-EPI

等。初始横向磁化强度准备方法FID信号；IRSE信号；SE信号；GRE信号三、平面回波成像序列（a）FID-EPI序列时序

（b）k空间轨迹（左）SE-EPI序列时序（右）k空间轨迹三、平面回波成像序列

采用恒定相位编码梯度，利用相位累积形成相位逐渐升高的相位编码；（2）EPI相位编码梯度与k空间填充

采用脉冲式相位编码梯度，在每个读出梯度后施加脉冲式相位编码梯度进行相位编码。相位编码梯度种类不同k空间数据采集轨迹不同三、平面回波成像序列kx正负切换，ky线性增加，k空间轨迹呈正弦变化。FID-EPI序列三、平面回波成像序列（a）FID-EPI序列时序

（b）k空间轨迹（b）

SE-EPI序列

kx呈正负切换，ky为脉冲梯度，读梯度穿越零点时施加，空间轨迹为方波形。三、平面回波成像序列FID-EPI序列和SE-EPI序列，在k空间数据采集轨迹的共同特点为连续振动曲线。第三种渐开平面螺旋序列。是早期冠状动脉成像的主要序列，现在新技术多，已很少使用。三、平面回波成像序列螺旋线k空间填充（3）EPI的读梯度与成像时间FID-EPI,T2*衰减完之前；SE-EPI,回波衰减完之前完成k空间信息采集。决定成像时间的主要因素：读梯度的上升、水平保持和下降时间，设为t，读梯度切换n次采集k空间一行数据需时间nt,频率编码方向n回波成像最短时间为n×t读出梯度爬升要快，梯度幅度要高三、平面回波成像序列(4)对硬件的要求高强度的梯度场;开关速度要快;梯度爬升速度要高;涡流必须足够小；主磁场强度要1.5T以上，均匀度要好，以保证足够长；ADC要高；计算机速度要快。

(5)EPI图像分辨率EPI图像的清晰度低于其他方式的图像。但EPI首先追求的是成像的速度三、平面回波成像序列恰当选取有效回波时间，得不同的T2加权图像；2.EPI序列的加权图像EPI只是一种数据读出模式，它可与常规成像序列进行组合，产生不同的加权图像。α脉冲过后，读出梯度往返振荡采集梯度回波链，选择短TEeff得质子密度加权图像，选择长TEeff得T2*加权图像。GRE信号和EPI结合IR序列和EPI结合SE序列和EPI结合可产生典型的T1加权图；三、平面回波成像序列具有随机性、方向性、温度依赖性；均匀介质中，弥散运动是各向同性的；非均匀介质中，弥散运动则呈现各向异性；分子结构越松散，弥散运动越强；液态分子较固态分子弥散强；小分子较大分子弥散强；自由水分子比结合水分子的弥散强。弥散运动会随温度的增加而增强，温度每增加1oC，弥散将增加2.4%；1.弥散成像（1）弥散基本概念四、快速成像序列应用2）双极性梯度磁场作用下的相位偏移以速度沿梯度磁场方向运动的自旋核产生的相位偏移(2)MR信号的弥散效应1)单极性梯度磁场作用下的相位偏移（T表示一个TR时间）静态的自旋核，双极性梯度磁场对它们的作用互相抵消，相位偏移为零；运动的自旋核，在双极性梯度磁场作用下沿梯度磁场方向产生的相位偏移四、快速成像序列应用一个体素内自旋核具有相同相位，这些自旋核的MR信号就相互叠加同一体素内自旋核具有不同相位偏移，这些自旋核的MR信号就会下降甚至完全消失四、快速成像序列应用相位偏移（phaseshift）效应自旋核在梯度磁场作用下，相位发生改变的现象。静止核通过180°重聚脉冲或双极脉冲可以消除相位偏移。但不能消除由于弥散运动产生的相位偏移。弥散梯度的大小用b值表示(考虑弥散以外的衰减）四、快速成像序列应用3）MR信号的弥散效应同一体素内的自旋核具有不同的相位偏移，形成严重的散相，弥散加速了横向矢量的衰减,使MR信号降低。这种现象称为相位弥散。弥散成像就是将这种改变转化成信号改变，形成以弥散为基本加权参数的图像。(3)弥散磁共振成像须与成像的脉冲序列（如SE、GRE等）结合得到由体素弥散系数差异形成的加权对比，叫做弥散加权像，也可以是被纯弥散系数给定的，叫做弥散系数像。DWI梯度磁场强度很大强梯度磁场作用下，弥散系数D越大的组织信号越低。SE梯度磁场强度较小体素内自旋之间由于弥散导致的去相位不明显去相位严重1）弥散加权像（DWI），以SE序列弥散成像为例四、快速成像序列应用180º脉冲为对称中心施加两个幅度很大的梯度磁场Gd静态组织的自旋相位会完全重聚弥散运动和流动自旋相位无法完全重聚弥散加权像（DWI），以SE序列弥散成像为例自旋回波弥散序列，Gd为插入的双极梯度脉冲四、快速成像序列应用2）弥散系数成像

是弥散系数按像素的分布图，弥散系数大的地方强度大亮度高，与DWI正好相反。3）弥散加权EPI序列

以GE-EPI弥散序列为例

四、快速成像序列应用EPI优势：缩短成像时间，避免由于运动产生的伪像.若采用FSE序列，再配以螺旋桨的k空间填充技术可明显减小磁敏感伪像，有利于额叶、颞叶底部，小脑及脑干部位的观察，明显减小术后和体内金属伪影影响。静态组织MR信号没有明显变化以弥散系数差异形成MR信号差异进行成像。弥散系数像：弥散运动和流动组织MR信号变低组织弥散系数D越低，图像上的信号越高。弥散加权成像DWI小结：以弥散系数D为图像参数成像。四、快速成像序列应用弥散加权成像显示梗塞灶呈高信号弥散系数像显示梗塞灶呈低信号四、快速成像序列应用4）弥散成像的应用弥散成像在脑梗塞的检测中具有重要的临床价值。在缺血性脑卒中诊断中，脑梗塞5分钟DWI即显示明显高信号比其他诊断手段提前7~8小时。全身DWI肿瘤诊断已经开展，用于鉴别炎症、脓肿、脑变性病、脑损伤及脑出血等。

弥散成像还可利用组织弥散的方向性观察白质束的改变。四、快速成像序列应用弥散成像显示正常的白质纤维束灌注基本概念灌注是指血流从动脉进入毛细血管再汇入到静脉的过程。灌注量是指单位时间内对单位质量的人体组织的血液输出量。灌注成像研究的是灌注过程中灌注量的变化情况。

2.灌注成像(perfusionweightedimagingPWI)

四、快速成像序列应用灌注成像两种基本方法注射外源性示踪剂（顺磁性造影剂Gd-DTPA）的对比剂团注示踪法；又称首过法。利用内源性示踪剂（自身血流）的动脉血流自旋标记法。对比剂团注示踪法灌注成象通过跟踪造影剂流动

过程对灌注过程进行测定。（1）对比剂团注示踪法（首过法）2.灌注成像(perfusionweightedimagingPWI)四、快速成像序列应用(2)动脉血流自旋标记法(arterialspinlabeling，ASL)标记像和控制像相减，所得的差值像就只与流入成像区域的标记血流有关。标记-动脉血流向成像区域前，对其进行饱和或激励处理。标记像-经过标记的动脉血对组织进行灌注，此时对兴趣区所成的像。控制像-未经标记的动脉血对组织进行灌注，此感兴趣区再进行一次成像。四、快速成像序列应用最新灌注成像技术:无需造影剂的动脉自旋标记法左颞枕叶缺血性脑血管病：第一排左颞枕叶脑灌注CBV(相对脑血容量)改变不明显及第二排灌注CBF相对脑血流速度轻度减低,第三排灌注MTT(平均通过时间)明显延长,第四排PASLCBF动脉自旋标记法显示相对血流速度明显下降。说明PASL法更敏感。四、快速成像序列应用

3.功能性磁共振成像临床应用的fMRI是血氧水平依赖脑功能成像。局部脑组织中，氧合血红蛋白与去氧血红蛋白的相对含量发生改变时，局部的磁化率也会有相应的改变，BOLD成像也就是以血红蛋白的磁特性作为对比来显示功能信息的。四、快速成像序列应用(1)血红蛋白的作用血红蛋白（Hb）是血液红细胞中的一种大分子蛋白质，它在血液中的作用就是转运氧。结合了氧的Hb称为含氧Hb(HbO2)脱离了氧的Hb称为脱氧Hb(dHb)人体血液氧的两种运输方式。

氧直接溶解于血液中，称为物理溶解。

氧与血液内的Hb结合成为结合氧被血液带到各处。四、快速成像序列应用在dHb中，铁离子Fe+2呈顺磁性。dHb使组织毛细血管内外出现非均匀性磁场，加快了质子的失相位，导致T2*缩短，MR信号强度减低。（2）血红蛋白的磁化特性在HbO2中，铁离子Fe+2呈抗磁性；HbO2磁特性不会影响弛豫过程或MR信号；四、快速成像序列应用静脉血氧合水平与组织供氧有关，又和氧消耗有关。人在思维时，相应的大脑皮层中枢被激活，局部血流量增加，氧消耗量增加不明显，血液中HbO2增多，dHb减少，局部磁化率减小，在T2*加权图像上局部MR信号增加，显示出被激活的大脑中枢与非中枢区磁化率对比。（3）BOLD成像原理BOLD成像是依赖血液氧合水平变化进行成像。四、快速成像序列应用BOLD成像是以dHb作为天然或内源性造影剂，可重复操作而无造影剂毒性影响，通过普通的快速梯度回波成像就可观察到MR信号的变化，是目前评