第04节自旋回波和快速自旋回波序列概要.docx
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第04节自旋回波和快速自旋回波序列概要
第四节自旋回波和快速自旋回波序列
凡是成像时采集的是自旋回波信号的序列都属于自旋回波类序列,包括常规自旋回波、快速自旋回波、单次激发快速自旋回波等。
反转恢复序列及快速反转恢复序列采集的信号也可以是自旋回波,但其序列结构有一定的特殊性,我们将在本章第五节中介绍。
一、自旋回波序列
SE序列的结构在第一章第十节已经有详细介绍,不再重复,这里仅介绍其特点及临床应用情况。
SE序列是MRI的经典序列,在临床上得到广泛应用,具有以下优点:
(1序列结构比较简单,信号变化容易解释;(2图像具有良好的信噪比;(3图像的组织对比良好;(4对磁场的不均匀敏感性低,因而磁化率伪影很轻微;(5利用SE序列进行T1WI,采集时间一般仅需要2~5min。
SE序列也存在着一些缺点:
(190︒脉冲能量较大,纵向弛豫需要的时间较长,需采用较长的TR(特别是T2WI,且一次激发仅采集一个回波,因而序列采集时间较长,T2WI常需要十几分钟以上;(2由于采集时间长,体部MR成像时容易产生伪影;(3采集时间长,因而难以进行动态增强扫描;(4为减少伪影,NEX常需要2以上,进一步增加了采集时间。
鉴于上述特点,目前即便是低场机,也很少利用SE序列进行T2WI和PD。
SE序列目前多用于获取T1WI,是颅脑、骨关节、软组织、脊柱脊髓等部位的常规T1WI序列。
对于体部特别是腹部来说,许多医院还把SE序列作为常规T1WI序列,配合呼吸补偿技术,可获得质量较高的T1WI。
但对于呼吸不均匀的病人,图像容易产生运动伪影,同时由于采集时间长,不能利用SE序列进行动态增强扫描,因而不少专家提出用梯度回波序列替代SE序列作为腹部常规T1WI序列。
二、快速自旋回波序列
快速自旋回波序列在不同产家生产的MRI仪上有不同的名称,安科公司和GE公司称之为FSE(fastspinecho,FSE,西门子公司和飞利浦公司称之为TSE(turbospinecho,本讲义中将采用FSE的名称。
FSE以前也称为弛豫增强快速采集(rapidacquisitionwithrelaxationenhancement,RARE。
(一FSE序列的原理
我们都知道SE序列在一次90︒射频脉冲后利用一次180︒复相脉冲,仅产生一个自旋回波信号,那么一幅矩阵为256×256的图像需要256次90︒脉冲激发(NEX=1时,即需要256次TR,每次激发采用不同的相位编码,才能完成K空间的填充。
与之不同的是,FSE序列在一次90︒射频脉冲激发后利用多个(2个以上180︒复相脉冲产生多自旋回波,每个回波的相位编码不同,填充K空间的不同位置上(图31。
回波1
回波2
回波4
回波3
ab
图31FSE序列基本结构和K空间填充示意图图a示在一次90︒射频脉冲后用5个180︒复相脉冲产生5个自旋回波(即ETL=5,相邻两个回波中点的时间间隔为回波间隙(ES,两个相邻的90︒脉冲中点的时间间隔为TR。
上述的5个回波的相位编码不同,填充在K空间相位编码方向的不同位置上,实际上5个回波的回波时间是不同的,由于填充的K空间中央的回波决定图像的对比,因此如果把第三个回波填充在K空间中央(图b,则有效TE为90︒脉冲中点到第三个回波中点的时间间隔(图a。
由于一次90︒脉冲后利用多个180︒脉冲,因而产生的不是单个回波,而是一个回波链,一次90︒脉冲后利用了多少个180︒脉冲就会有多少个自旋回波产生,把一次90︒脉冲后所产生的自旋回波数目定义为FSE序列的回波链长度。
在其他成像参数不变的情况下,ETL越长,90︒脉冲所需要的重复次数越少(即TR次数越少,采集时间将成比例缩短,如果ETL=n,则该FSE序列的采集时间为相应SE序列的1/n,所以ETL也称为时间因子。
举例说明:
设TR=3000ms,扫描矩阵256×256,NEX=2,(即需要512次TR,则利用SE序列成像的采集时间TA=3s×256×2=1536s(25min36s;如果保持上述成像参数不变,利用ETL=8的FSE序列来成像,则TR的次数为512/8,即64次,则采集时间TA=3s×(256/8×2=192s(3min12s,仅为相应SE序列TA的1/8。
(二FSE序列的特点
FSE序列目前在临床上得到广泛应用,FSE一些参数的选择将会影响图像的质量,因此有必要介绍一下FSE序列的特点。
1.快速成像前面在FSE原理中已经提到,由于回波链的存在,在其他成像参数不变的前提下,与相应SE序列相比,FSE序列的采集时间随ETL的延长而成比例缩短,即FSE序列的TA为相应SE序列TA的1/ETL。
但实际上,采用了FSE序列后,为了提高图像质量并增加扫描层数,FSET2WI序列的TR往往比SE序列要长,因此TA的缩短并不象理论上那么明显。
2.回波链中每个回波信号的TE不同FSE序列中在一次90︒脉冲后利用多个180︒复相脉冲来产生多个自旋回波信号,实际上每个回波信号的TE是不同的,第一个回波信号的TE最短,最后一个回波信号的TE最长,因此FSE的图像实际上是由TE不同的回波构成的。
大家都知道填充K空间中心的回波将主要决定图像的对比,通过相位编码的调整,我们可以把回波链中的任何一个回波填充在K空间中心(图32,我们把90︒脉冲中点到填充K空间中心的回波中点的时间间隔定义为有效TE(effectiveTE。
如果把第一个回波填充在K空间中心(即选择很短有效TE,将基本剔除组织的T2弛豫对图像对比的影响,得到的将是T1WI或PDWI;如果把一个长回波链中的最后一个回波填充在K空间中心(选择很长
的有效TE,得到的将是权重很重的T2WI;如果在回波链中选择一个合适的回波信号填充在K空间中心(选择合适长的有效TE,将得到权重合适的T2WI。
实际上填充K空间各个位置的回波信号对图像对比都有不同程度贡献,而回波链中各回波的TE不同,因此与相应SE序列相比,FSE序列的T2对比将有不同程度降低,ETL越长,对图像对比的影响越大。
3.FSE序列图像的模糊效应大家都知道在90︒脉冲后,由于T2弛豫,宏观横向磁化矢量将随时间推移逐渐衰减,即随着TE的延长,任何组织的信号强度都在衰减。
如果不考虑相位编码梯度场对组织信号的影响,则FSE序列的回波链中第一个回波信号最强,往后信号强度逐渐减弱,最后一个回波信号最弱(图32b。
这种强度具有差别的回波信号填充在K空间中,在傅里叶转换中将发生定位上的错误,从而导致图像模糊。
ETL越长,填充K空间的回波信号强度差别越大,图像越模糊。
因此,ETL延长尽管可以缩短采集时间,但将增加图像模糊,并影响图像对比。
减少图像模糊的办法除了在采集时间能够接受的前提下缩短ETL外,回波间隙缩小也可以减少图像模糊。
ES为回波链中两个相邻回波中点的时间间隔(图32a,ES的缩小将减少回波之间的信号强度差别,从而减少图像模糊。
a
b
图32FSE序列回波链中各回波的TE和信号强度示意图FSE序列利用5个180︒脉冲,产生5个自旋回波(图a,各回波的TE是不同的,回波1的TE最短,回波5的TE最长(图b,我们可以通过对相位编码的调整,把回波链中任何一个回波填充在K空间中心,决定图像的权重和对比。
同时由于T2弛豫,各回波的信号强度也不相同,回波1的信号强度最大,回波5的信号强度最弱(图b。
4.脂肪组织信号强度增高脂肪组织的信号强度增加是FSE序列的又一特点。
在SET2WI上脂肪组织呈现中等偏高信号(灰白,而在FSET2WI上,脂肪组织呈现高信号(白。
这主要由于两个方面的原因:
(1脂肪组织内的质子之间存在着J-耦连,这种耦连结构可增加磁场的波动,加快了质子失相位,因此脂肪组织的T2值并不长。
FSE序列连续的180︒脉冲可打断J-耦连,因而脂肪组织的质子失相位减慢,延长脂肪组织的T2值,因而增加脂肪组织的信号强度;(2180︒脉冲引起的磁化转移效应也是增加脂肪组织信号强度的一个原因。
FSE序列中,ETL越长,ES越小,脂肪组织信号强度的增加将越明显。
5.对磁场不均匀性不敏感与SE序列相同,FSE序列也是利用180︒复相脉冲产生回波,180︒脉冲可以剔除主磁场恒定不均匀,因而对磁场不均匀性不敏感。
这一特点的优点在于磁化率敏感伪影不明显;缺点在于不利于一些能够增加磁场不均匀的病变如出血等的检出。
6.能量沉积增加FSE的序列结构为90︒脉冲激发后利用连续的180︒复相脉冲激发产生回波。
180︒脉冲能量很大,如此大的能量连续激发,传递到人体组织的能量将在短时间内很快积聚,特殊吸收率(specificabsorptionratio,SAR将明显升高,可引起体温升高等不良反映,这在高场强的MRI仪中将表现的更为突出。
ETL越长,ES越小,SAR值增加的越明显。
(三FSE序列的临床应用
FSE序列在临床上已经得以广泛应用,在本讲义中我们根据文献及在临床上的应用体会,人为地把FSE序列分为FSET1WI序列、短ETLFSET2WI序列、中等ETLFSET2WI序列、长ETLFSET2WI序列等四种,下面我们逐一介绍其临床应用。
1.FSET1WI序列FSET1WI序列通常选择较短的ETL,因为ETL越长,填充K空间的回波中TE长的回波信号越多,因而将增加T2弛豫对图像的污染,降低T1对比。
对于FSET1WI序列来说,应该把回波链中第一回波信号填充在K空间中心(选择最短的有效TE,以尽量减少T2弛豫对图像对比的影响。
FSET1WI序列的TR通常为300~500ms,有效TE常为8~15ms,ETL常为2~4。
根据需要可调节上述参数。
FSET1WI序列的优点主要是相对SET1WI序列来说,采集时间缩短,甚至可以进行屏气扫描。
如ETL=4,TR=300ms,相位编码步级=160,NEX=2,则TA=0.3s×(160/4×2=24s,屏气扫描完全是可行的。
FSET1WI的缺点有:
(1由于受T2弛豫的污染,图像的T1对比不如SET1WI序列;(2FSE的模糊效应;(3扫描速度还是比梯度回波序列慢,需要屏气扫描时,一次屏气能够扫描的层数有限。
FSET1WI序列的主要用途有:
(1对T1对比要求相对较低的部位,如脊柱、大关节、骨与软组织等;(2病人耐受能力较差,要求加快扫描速度时;(3体部屏气扫描。
当对T1对比要求较高时,如进行脑组织及腹部脏器T1WI,一般不采用FSET1WI序列。
2.短ETL的FSET2WI序列ETL为2~10,实际应用中ETL通常为5~10。
短ETL的FSET2WI序列具有以下优点:
(1与SE序列相比,成像速度明显加快,根据选择的扫描参数不同,TA一般为2~7min;(2由于回波链较短,其T2对比较好,接近于SET2WI;(3对磁场不均匀性不敏感,没有明显的磁敏感性伪影。
短ETL的FSET2WI序列的主要缺点是扫描速度还不够快,用于体部成像时容易产生运动伪影。
短ETL的FSET2WI序列在临床上最常用的T2WI序列之一,主要用于对T2对比要求较高的部位:
(1颅脑T2WI常规序列:
(2配用呼吸触发和脂肪抑制技术后作为腹部脏器T2WI常规序列。
3.中等ETLFSET2WI序列ETL为10~20。
与短ETLFSET2WI序列相比,中等ETL的FSET2WI序列的特点表现为:
(1扫描速度更快,根据成像参数的不同,TA一般为1~
4min;(2由于ETL比较长,图像的T2对比不及短ETLFSET2WI序列。
中等ETL的FSET2WI序列主要临床用途:
(1对T2对比要求相对较低,主要显示解剖结构的部位,如脊柱、骨关节等;(2脏器内在的T2对比好,并要求T2权重较重的部位,如前列腺等。
4.长ETL的FSET2WI序列ETL大于20,实际应用中通常为20~32。
长ETL的FSET2WI序列的特点有:
(1成像速度快,根据所选用的参数不同,TA可为20s到3min,因此可以进行屏气扫描;(2由于ETL较长,图像模糊更明显,且T2对比降低;(3屏气扫描时,屏气不好仍有明显运动伪影。
长ETL的FSET2WI序列主要用于:
(1体部屏气T2WI,主要用于呼吸节律不能很好控制导致呼吸触发短ETLFSET2WI失败的病例;(2水成像,配用呼吸触发技术可进行腹部水成像如MR胰胆管成像(MRCP、MR尿路成像(MRU等。
5.关于FSE序列上述分类方法的几点说明上述关于FSE序列临床应用的分类并非一个标准的分类方法。
不同产家生产的MR仪或即便是同一产家生产的不同场强、不同型号和配置的MR仪,由于采用的其他成像参数不同,ETL的选择也可作相应的调整,具体应用时还要根据病人的情况作灵活调整。
如以前生产的1.5T扫描机,由于射频放大器功率和梯度线圈性能的限制,回波间隙(ES常在15~20ms,假设ES=20ms,ETL=10,则回波链中最后一个回波的TE为200ms;而近年产生的1.5T扫描机,由于射频放大器功率和梯度线圈性能提高,ES可在10ms以下,如果ES=10ms,ETL=10,则回波链中最后一个回波的TE为100ms,如果选择ETL=20,则最后一个回波的TE为200ms,相当于原来ES=10ms,ETL=10的最后一个回波的TE。
因此当扫描机性能提高后,适当延长ETL仍可以保证较高的图像质量。
三、FSE序列的改进
随着软硬件技术的进步,FSE序列有了很大的改进,了解这些技术上的改进,有助于在临床应用中合理调整成像参数,更好地发挥FSE序列的优势。
(一提高射频功率,缩短回波间隙
由于射频放大器功率的提高、射频线圈的改进以及梯度线圈性能的进步,FSE序列的回波链的ES已经有了明显缩短。
如1.5T扫描机中FSE序列的ES已经从原来的15~20ms缩短到目前的7~15ms。
ES缩短带来的好处有:
(1回波链中各回波的信号强度差别缩小,减少了图像模糊;(2回波链中各回波的TE差别变小,在ETL相同的情况下提高了图像的T2对比;(3回波采集速度加快,各回波信噪比提高,从而提高了整体图像的信噪比;
(4回波采集的速度加快,同样的TR间期可采集更多的层面,或可以适当缩短TR,从而缩短TA;(5可适当延长ETL,仍可保持原有的图像质量,同时缩短了TA。
当然ES的缩短也有一些缺点:
(1180︒脉冲更为密集,单位时间内在人体内的能量沉积增大(即SAR提高;(2脂肪组织的信号强度进一步增强,可能会增加伪影或/和降低图像的对比。
9
9
1回波2回波5
回波43
a图33bc图a为未调整前,回波链中5个回波均采用180°脉冲进行FSE序列复相脉冲角度调整示意图采集,这样回波1的信号幅度最高,随后各回波的幅度逐渐降低,回波5的信号幅度最低。
图b示由于T2弛豫初期最快,往后逐渐减慢,回波1和回波2之间的信号幅度差别最大,往后各相邻回波间的信号幅度差别逐渐变小。
图c示调整后的复相脉冲,回波1的复相脉冲仅施加了140°,回波2施加了155°,回波3施加了165°,回波4和回波5施加了180°,这样各回波之间的幅度差别明显变小。
(二)对复相脉冲角度进行调整,减少回波链中个回波间的幅度差别90°脉冲激发后,由于T2弛豫,组织的宏观横向磁化矢量出现衰减,在衰减的过程中,我们在不同的时间点(不同的TE)采集回波信号,因此回波信号的幅度(信号强度)将逐渐降低,即各回波之间的幅度存在差别(图33a、b),这种差别将在傅里叶转换中发生错误,从而引起图像模糊,差别越大图像越模糊。
我们都知道组织的横向弛豫在初期最快,随后逐渐减慢,因此回波链中前面的回波之间的幅度差别最大(图33b),如果回波链中的前面的回波填充在K空间相位编码方向的中央区域(如T1WI或PDWI时),图像的模糊将更为明显。
我们可以对复相脉冲进行调整,在回波链中的第一回波施加的复相脉冲角度最小,这样第一回波的幅度将明显降低,随后各回波施加的复相脉冲逐渐增大,直至增加到180°,这样回波链中的各回波的幅度将较为接近(图33c),可大大减少图像模糊。
这对于FSE的T1WI及PDWI序列尤为重要。
(三)快速恢复FSE序列快速恢复FSE(fastrecoveryFSE,FRFSE)序列与SE序列一样,均采用90°射频脉冲进行激发,并能够产生最大的宏观横向磁化矢量,因而得到的图像有较好的信噪比。
90°脉冲传递给质子的能量较大,因而受激发组织的纵向弛豫将需要较长的时间,当利用FSE序列进行PDWI或T2WI时,需要选择很长TR,以尽量剔除纵向弛豫对图像对比的污染。
然而在其他成像参数不变的情况下,TR的延长意味着TA的延长。
如果能够加快组织的纵向弛豫,则可选用较短的TR,成像速度将加快。
FRFSE序列就是促使组织加快纵向弛豫的方法(图34)。
180°180°180°180°180°90°390°33180°180°180°180°180°90°90°3ESES负90°回波1回波2回波3回波4回波5ETL=5TR回波1回波2回波3回波4ETL=4TR
a图34常规FSE与FRFSE序列的比较b图a为常规FSE序列,图b为FRFSE序列。
这两个序列的其他成像参数(包括TR、ES等)均相同,FSE序列采用5个180°复相脉冲采集5个回波(ETL=5),FRFSE序列也采用5个180°脉冲,但最后一个180°脉冲产生的回波不采集(ETL=4),而在该回波的TE时刻采用一个负90°脉冲,把最后一个180°脉冲产生的横向磁化矢量偏转回到B0方向,从而加快了组织的纵向弛豫速度。
FSET2WI之所以要选择较长的TR,主要是因为T1值很长的组织纵向弛豫太慢。
以1.5T扫描机行头颅FSET2WI为例,如果选择TR=2000ms,TE=100ms,ETL=8,ES=10ms,矩阵=256×256,NEX=2,TA=2s×(256/8)×2=128s=2min8s。
脑白质的T1值约为450ms,脑灰质的T1值约为500ms,实际上当TR=2000ms,对于脑白质和灰质来说,纵向弛豫已经绝大部分完成,基本剔除了纵向弛豫对图像对比的影响,也就是说,TR已经足够长;但脑脊液的T1值约为3500ms,TR=2000ms时,其宏观纵向磁化矢量还没有恢复到平衡状态时的一半,因此脑脊液信号将不表现为高信号(白)而仅为中等偏高信号(灰白),如果把TR延长到4000ms,脑脊液的信号强度将明显升高,但TA则延长到4min16s。
FRFSE的原理并不复杂,就是在回波链的最后一个回波采集后,再施加一个180°复相脉冲,将产生一个回波,这个回波并不采集,而在相当于这个回波的TE时刻施加一个负90°脉冲,把180°脉冲重聚的横向磁化矢量偏转回B0方向,从而加快了组织的纵向弛豫,还是以刚才的头颅T2WI为例,成像参数也不变,那么回波链中最后一个回波(第十个回波)采集完成是在90°脉冲后的80ms,这时脑组织的宏观横向磁化矢量衰减到约为最大值的45%左右(脑组织的T2值约为100ms),而脑脊液的宏观横向磁化矢量还残留最大值的90%以上(脑脊液的T2值约为2500~3000ms),负90°脉冲将把这些横向磁化矢量偏转回B0方向,显然负90°脉冲后脑脊液的宏观纵向磁化矢量已经恢复到平衡状态的90%以上,这样TR=2000ms的FRFSET2WI上脑脊液的信号强度将明显增高。
实际上FRFSE就是利用一般T1值长的组织,其T2值也长的特点,把回波链采集后残留的较大横向磁化矢量快速偏转返回到B0方向,加快了T1值很长的组织(主要是接近于纯水的成分如脑脊液等)的纵向磁化矢量恢复,从而可以选用较短的TR进行T2WI。
(四)单次激发FSE序列单次激发FSE(singleshotFSE,SS-FSE)序列是采集速度更快的FSE序列。
常规的FSE序列是在一次90°射频脉冲激发后,利用多个180°脉冲采集多个自旋回波,需要多次90°脉冲激发后才能完成K空间的填充。
与常规FSE序列相比,SS-FSE有以下特点:
(1)一次90°脉冲激发后,利用连续的180°脉冲采集了填充K空间所需要的所有回波信号,即一次90°脉冲后完成了K空间的填充,如果图像的矩阵=256×128,即相位编码步级为128,则ETL=128;
(2)由于回波链很长,为了保证回波链中后面的回波有一定的信号,SS-FSE回
波链的ES很短,目前在1.5T扫描机上一般为4~5ms;(3)由于是单次激发,所以该序列中不存在TR的概念,因为该序列90°激发前所有组织的宏观纵向磁化矢量都处于平衡状态(即最大),实际上TR为无穷大,所以没有纵向弛豫对图像对比的污染,同时也因为此原因SS-FSE序列一般不能进行T1WI,而仅用于T2WI;(4)由于回波链太长,图像的模糊效应将比较明显,T2对比也将受到影响;(5)由于ETL很长,ES很短,脂肪组织的信号强度很高;(6)由于180°脉冲连续又集中,人体内的能量沉积比较集中,SAR明显升高,为了降低SAR值,SS-FSE常采用小于180°的复相脉冲产生回波;(7)成像速度很快,如果矩阵为256
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