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第二章射频脉冲与脉冲序列（2）3．梯度回波脉冲序列3.1梯度回波脉冲序列的基础理论梯度回波（Gradient Echo，GRE）序列也成为场回波序列（Field Echo，FE），也是非常基本的成像序列。
GRE序列是目前MR快速扫描序列中最为成熟的方法，不仅可缩短扫描时间，而且图像的空间分辨力和SNR均无明显下降。
GRE序列与SE序列主要有两点区别，一是使用小于90°（常用α角度）的射频脉冲激发，并采用较短的TR 时间；另一个区别是使用反转梯度取代180°复相脉冲。
MRI成像中，XY平面上的横向磁距才能被MRI机测量到具体数值或强度。
90°脉冲对纵向磁距激发后，横向磁距按T2*快速衰减，SE序列采用再给予一个180°脉冲的方法使T2*快速衰减的横向磁距重新出现，以供测量。
但是，在GRE序列时就不用1800脉冲来重聚焦，而是用一个紧接的反方向梯度来重新使快速衰减的横向磁距再现，同样也可获得一个回波信号，进行成像。
这种序列就是梯度回波序列。
由于梯度回波序列使用反向梯度来获得回波，这个回波的强度是按T2*衰减的，与使用180°脉冲的SE序列是不同的。
所以，GRE序列要求磁场有更高的稳定性，梯度的切换要非常快。
GRE时，第一个脉冲不必用90°脉冲，常用小角度翻转角，使用小于90°的射频脉冲激励，在横向部分有相当大的磁化失量，而纵向磁化失量Mz的变动相对较小。
如30°脉冲可使50%的磁化失量倾倒到横向平面，而保留87%的纵向磁失量。
信号幅度分为纵、横向两部分，仅数十秒，Mz即可恢复到平衡状态。
因此，与传统的自旋回波序列相比，TR和TE都可以很短，在很短的TR时间内反复对组织的小角度激发，一般三次激发后，纵向上的磁距复原值就趋向一个定值。
所以，小角度翻转角成像时组织T1值对图像没有影响，获得的图像是T2*（实际横向弛豫时间）加权像。
Chapter 5MR成像方法和脉冲序列§51 MR成像方法点 point 线 line 二维2D 三维 3D I 点成像方法每个信号来源于样品的一个点点成像方法的关键是从一个大样品中隔离一个小区域～共振窗resonance window共振窗提供要采集的信号缺点扫描时间太长空间分辨力不好优点成本低 II 线成像方法由3D样品隔离出一条线然后区分线上的每个点线扫描方法必须使用二次激发技术two selected excitation 第一步选择性饱和脉冲需要的层面不饱和第二步选择性脉冲分离一条线 III 2D 反投影 2D FT 方法 1 反投影梯度场旋转角度逐步变化直到旋转360°或物体旋转优点可选择小FOV 缺点对外磁场非均匀性很敏感对梯度场缺陷很敏感自旋均匀分布且几何形状简单的物体的共振信号在水平梯度场的法线方向上的投影很少投影推算或恢复出原来自旋分布的二维形状 a产生一个半椭圆投影轮廓与投影轴无关至少二个投影才能肯定这形状确实是圆而不是椭圆 b中央孔沿竖直方向有不确定性至少需要二个投影才能确定这圆环 c和d至少需要三个投影才能识别它是一个正方形而不是矩形或三角形对于简单几何形状且自旋均匀分布只要几个投影就可确定这物体的形状对称性越低需要的投影数越多同一个物体从不同角度看得到的投影很不一样似乎存在一个优越的方向获取优越方向的投影即使物体复杂对称性比较低恢复物体的原像所需要的投影也可以少些图a一个物体由25个方格m5的正方矩阵组成其沿梯度Gx的法线方向的投影轮廓如图b所示面对一个任意投影轮廓要确定一个二维阵列的形状是不可能的如果25个格子任意填将会有55种填法劳特伯NMR成像实验 1972年劳特伯Lauterbur设计并成功地进行了NMR成像实验获得了第一幅NMR图像其实验设备是一个连续波NMR波谱仪所用样品是两个内径为1mm的毛细玻璃管装满水H2O固定在一个d42mm粗玻璃管内为避免磁化率效应大玻璃管内装重水D2O在大玻璃管外面绕RF线圈梯度磁场在zx平面上旋转4次梯度在00到1800之间每隔450旋转一次如此得到4个投影由四个投影直接背投影而得到两个装水毛细管的MR像得到MR像需要解决三个问题 1 如何得到自旋密度投影运用线性梯度磁场在梯度法线方向可得到投影 2 要有足够多投影数用旋转梯度或梯度不动而旋转样品可得到足够多的投影数要建一个有4×4个像素组成的图像需要四个投影每个投影要4个投影点 3 反投影重建图像数学方法及计算机数据处理 2 傅立叶成像方法中心截面定理自旋密度ρxy 的二维傅立叶系数等于在傅立叶波矢k方向取得的投影的一维傅立叶变换数学表达式为由此定理形成傅立叶重建的基础傅立叶重建的步骤如下 1先取得投影PrΦ 2关于r取得PrΦ的傅立叶变换得到ρkΦ 3在k空间通过内插把辐射状阵列变成方形阵列给出傅立叶系数4 对进行二维反傅立叶变换得到自旋密度像ρxy 傅立叶投影重建技术 a空间域rΦ上的投影及每个投影的点数rxcosΦysinΦ b在k空间kxky上对原投影点分布进行内插得到矩形阵列0代表内插点 c像域由k空间数据进行2DFT-1得到两试管水自旋密度分布像 1修改的劳特伯投影重建方案劳特伯首创MRI所得到的第一幅图像是用连续波谱仪做的使用一个梯度线圈只产生一个方向梯度把梯度线圈旋转一个角度和把样品旋转一个角度是等价的劳特伯使用直接反投影重建出两个装水毛细玻璃管的像从设备到方法都极简单但是这种原始实验离临床使用太远所以可做进一步修改修改 1用脉冲式RF 2使用多个梯度线圈Gz和Gx 3对采集到的投影数据经内插后用傅立叶重建得到图像改变两个梯度线圈中的电流可以得到任意强度的梯度G 改变两个梯度线圈中电流相对比值可以得到一个旋转的梯度即Ф可取任意大小这就避免了旋转样品或旋转线圈N个投影每个投影采集N个点的数据傅立叶变换在CT中r和k是一对共轭变量在脉冲MRI中ω和t是一对共轭变量傅立叶成像技术与投影重建技术的比较用门控梯度比旋转梯度要方便在投影重建技术中从时域表象或频率k空间上看投影点密度分布不均匀中心密度高外围密度低低频分量精度高误差小而高频成分的精度低误差大投影重建技术的误差分布不均匀得到的图像粗细节不甚清楚投影重建技术的本征缺点傅立叶成像在时域上取样点等距分布密度均匀即图像的高频低频成份具有相同的精度误差分布均匀重建的图像轮廓和细节都好这是傅立叶成像的本征特点另一方面在傅立叶成像中傅立叶变换的等间隔取样是自动得到的在投影重建技术中为了使用傅立叶重建内插步骤是必不可少的前提条件而内插不仅带来误差而且很花时间占用存储空间相对傅立叶成像来说要大得多傅立叶成像的数据存储是相当经济的在傅立叶成像中滤波函数即峰形函数自动包含在多维傅立叶变换中体现经济性的所有这些优点使傅立叶成像技术在MRI中占据了统治地位 2DFT是目前常用的方法优点对B0非均匀性相对不敏感对梯度场缺陷相对不敏感样品的质子密度Pxy和FID 信号是傅立叶变换的关系 Fourier 变换对xGxX tx yGyY ty 3 3D 方法在3D成像中选层梯度场不再选层而是进行另一个方向的相位编码第一个RF脉冲非选择性扫描时间增加为节省时间可降低Z 方向的空间分辨力§52 MR 脉冲序列和序列分析饱和恢复序列Saturation recovery 部分饱和恢复序列Partial saturation 反转恢复序列Inversionrecovery 自旋翘曲Spin warp Standard SE 饱和恢复序列Saturation Recovery 90 - 长间隔 - 90 每个90RF后产生一个FID信号每个FID都可达到最大值也就是M从饱和态完全恢复长TR 最短TE II 部分饱和恢复序列Partial Saturation Recovery 90-短间隔- 90 第2个90°RF脉冲后M没有完全恢复后面的FID信号比第1个FID信号小短TR最小的TE III 反转恢复序列 IR Invertion Recovery 180°- 90 °在IR序列中首先使用180°RF 脉冲然后等待一段时间TI invertion time之后使用一个 90°RF 脉冲对于典型的T1 恢复曲线纵向弛豫恢复曲线 1-exp-tT1 在IR序列中M由–M0 恢复到M0恢复曲线 1-2exp-tT1 0点Null point 信号过0的点叫做null point 过0点的时间TInull TInull ln2T1 0693T1 脂肪抑制 FatsuppressionSTIR Short TI inversion recovery 选择TI使脂肪信号过0点其他组织的M 可进入x-y平面产生随T2衰减的信号而脂肪由于过0点没有M可以进入x-y 平面 Fat 的T1很短 15T TI 140ms 05T TI 100ms IV 自旋翘曲 Spin warp 自旋回波 Spin echo 1 Spin-warp 成像 Gy 的持续作用时间相等优点没有弛豫时间长短不同的影响降低了y相位编码方向的几何畸变 2 SE Spin echo 标准SE序列分析 190选择性RF脉冲与 Gz 层面选择 2-Gz 产生反方向相移部分补偿Gz产生的正向相移提高信号 3Gy 相位编码 4180 RF 脉冲形成回波5-Gx 产生负向相移部分补偿后面 Gx 产生的正向相移提高信号 6Gx 频率编码采样读数如何分析自旋翘曲复习题 1 由信息来源分MR可分为几种方法 2对于相位编码梯度场梯度场持续时间不变幅度改变有什么优点 3掌握简单序列的序列分析 4饱和恢复脉冲与部分饱和脉冲各产生何种对比度 5 IR序列特点是什么利用IR序列抑制某种组织的信号如何选择序列参数达到目的§53 FSE Fast Spin Echo 1984 德国 Feriberg University 的JHenning 和其同事提出了快速自旋回波技术RARE Rapid Acquisition with Relaxation Enhancement FSE Fast Spin Echo TSE Turbo Spin Echo MSE Multi Spin Echo I 概念一个TR周期内使用了多个180°RF脉冲得到了相应个数的自旋回波 90°-180°-180°- II FSE与SE的差异 1k 空间差异 SE one line TR FSE many linesTR 2 速度的差异 FSE 比SE快FSE扫描时间缩短到SE的 1ETL但是SNR与SE的类似 FSE序列可使用大矩阵得到高分辨力图像 FSE运动伪影少 FSE可降低扫描过程中的不适感 3FSE对磁化率效应比SE更加不敏感因为 ESP比较小错误信息没有足够的时间传播 4 FSE 的回波时间是等效时间 TEeff TEeff ESP×Noecho from PE to PE0 5 一般的TEeff 比较大常用来得到更重的T2对比度 6 TEeff 可影响选层的灵活性 7FSE图像在相位编码方向有模糊每个回波有不同程度的弛豫 8 SAR 限制了FSE的随意应用 SAR～specific absorption rate SAR 限制了FSE在短时间内应用RF脉冲的数量 FSE 对比度 Small ETL 2-6 T1W Large ETL 8-20 T2W FSE 应用 T2加权具有较好高分特性的屏气扫描肢端／椎体等腹部屏气T1加权心电出发门控triggered cardiography～T1加权常用于脂肪抑制fat-sat～T2加权流体探测使用脂肪抑制§54 GRE Spoiling residual transverse magnetization - Mxy 破坏横向残余磁化强度矢量序列SSI steady state incoherent technique 稳态不相干技术 Applying residual transverse magnetization - Mxy利用横向残余磁化强度矢量序列 SSC steady state coherent technique稳态相干技术破坏方法梯度破坏脉冲Gradient spoiled pulse RF相移破坏脉冲RF phase shift spoiled pulse 加长TR Echo Planar Imaging EPI 1977 Mansfield GRE - EPI SE - EPI IR - EPI EPI 使用振荡FE 梯度 K空间填充轨迹是zigzag EPI比FSE快其SNR低 EPI 的几何畸变和化。
M R I脉冲序列学习目标1.掌握:自旋回波序列;反转恢复脉冲序列;梯度回波脉冲序列;平面回波成像序列及其各自衍生序列的结构及检测原理2.熟悉:脉冲序列的相关成像参数;常用脉冲序列及各自衍生序列的特点和临床应用3.了解:脉冲序列的组成;脉冲序列的分类4.学会:运用所学知识,根据患者病情选择合适的磁共振成像序列5.具有:合理调整常用成像序列扫描参数,满足图像质量控制要求的能力目录第一节概述第二节自由感应衰减序列第三节自旋回波脉冲序列第四节反转恢复脉冲序列CONTENT第五节梯度回波脉冲序列第一节概述MR信号需要通过一定的脉冲序列(pulse sequence)才能获取。
脉冲序列是MRI技术的重要组成部分，只有选择适当的脉冲序列才能使磁共振成像参数(射频脉冲、梯度磁场、信号采集时间)及影响图像对比的有关因素相结合，得到较高信号强度和良好的组织对比的MR图像MRI的脉冲序列是指射频脉冲、梯度磁场和信号采集时间等相关参数的设置及在时序上的排列，以突出显示组织磁共振信号的特征。
一般的脉冲序列由五部分组成,按照它们出现的先后顺序分别是:①射频脉冲②层面选择梯度场③相位编码梯度场④频率编码梯度场(也称为读出梯度)和MR信号。
射频脉冲是磁共振信号的激励源,在任何序列中,至少具有一个射频脉冲。
梯度磁场则实现成像过程中的层面选择、频率编码和相位编码,有了梯度磁场才能使回波信号最终转换为二维、三维图像。
MRI的脉冲序列按照检测信号类型分为:1.自由感应衰减信号(FID)类序列：指采集到的MR信号是FID信号,如部分饱和序列。
2.自旋回波信号(SE)类序列：指采集到的MR信号是利用180°聚相脉冲产生的SE信号,如常规的自旋回波序列、快速自旋回波序列及反转恢复序列等。
3.梯度回波信号(GRE)类序列：指采集到的MR信号是利用读出梯度场切换产生的梯度回波信号,如常规梯度回波序列、扰相梯度回波序列、稳态进动序列等。
