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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。如果使用较大的翻转角，这时激发后纵向磁距复原值与组织的T1值的关系就大了，所以将形成T1加权图像。MR图像信号强度的大小与Mz翻转到xy平面的Mxy的大小成正相关，而Mxy的大小是由激发脉冲发射时Mz的大小及其激发后翻转的角度两个因素决定的。尽管GRE序列因使用小于90的激发脉冲，对于同样的Mz，其投影到xy平面的矢量比例要小于90激发脉冲序列。但是，小角度脉冲的Mz变化较小，脉冲发射前的Mz接近于完全恢复，能形成较大的稳态Mz，故GRE序列可产生较强的MR信号（甚至可以强于90脉冲序列），能够明显地缩短成像时间，同时具有较高的图像SNR。GRE序列在TR非常短时（TR可减少到10-20ms）仍能保持很好的图像质量，这是该序列的一个重要优点。GRE序列产生的图像对比要比SE序列复杂得多，可产生其它序列难以获得的对临床有用的信息。GRE序列图像的对比不仅取决于组织的T1、T2，还与B0的不均匀性有关。但是，主要依赖于激发脉冲的翻转角、TR和TE三个因素，另外还与磁敏感性和流动有关。小角度激发有以下优点：脉冲的能量较小，SAR值降低；产生宏观横向磁化失量的效率较高，与90脉冲相比，30脉冲的能量仅为90脉冲的1/3左右，但产生的宏观横向磁化失量达到90脉冲的1/2左右；小角度激发后，组织可以残留较大的纵向磁化失量，纵向弛豫所需要的时间明显缩短，因而可选用较短的TR，从而明显的缩短TA，这就是梯度回波序列相对SE序列能够加快成像速度的原因。3.2稳态梯度回波脉冲序列（FISP）GRE中由于施加的是小角度激发脉冲和短TR成像，因此射频脉冲激发后，在扰相位梯度场或扰相位射频脉冲去除前产生一个回波采集后残留的横向磁化矢量，在梯度回波类序列中，在层面选择方向、相位编码方向及频率编码方向都施加了编码梯度场，这些梯度场同样会造成质子失相位。如果在这些空间编码梯度施加后，在这三个方向上各施加工工一个与相应的空间编码梯度场大小相同方向相反的梯度场，那么空间编码梯度场造成的失相位将被剔除，也即发生相位重聚。这样残留的横向磁化矢量将得到最大程度的保留，并对下一个回波信号作出反应。在GRE小翻转角成像时，纵向磁距在数次脉冲后出现稳定值，导致组织T1值对图像的影响很小。如果TE也很短，远短于T2*值，那么此时横向磁距也会在数个脉冲后趋向一个稳定值，此时组织T2*值对图像的影响也很小了，而真正对图像产生影响的是组织的质子密度，这种特殊的稳定状态下的梯度回波成像就被称为稳态梯度回波序列（Gradient Recalled Acquisition in the Steady State， GRASS 或 Fast Imaging with Steady-state Precession， FISP）。GRASS获得的图像为质子密度加权图像，血液呈很高信号，由于TR较短，TE也很短，速度很快，很适合心脏电影动态磁共振成像或MRA等。3.3扰相位梯度回波脉冲序列（FLASH）当GRE序列的TR明显大于组织的T2值时，下一次脉冲激发前，组织的横向弛豫已经完成，即横向磁化失量几乎衰减到零，这样前一次脉冲激发产生的横向磁化失量将不会影响后一次脉冲激发所产生的信号。如果成像序列使用的TR短于组织的T2，当施加下一个RF激发脉冲时，前一次 脉冲激发产生的横向磁化失量没有完全衰减，由于这种残留的横向磁化失量将对下一次脉冲产生横向磁化失量产生影响，这种影响主要以带状伪影的方式出现，且组织的T2值越大、TR越短、激发角度越大，带状伪影越明显。为了消除这种伪影，我们必需在下一次脉冲前去除这种残留的横向磁化矢量。采用的方法是，在前一次脉冲激发的MR信号产集后，在下一次脉冲来临前对质子的相位进行干扰，使其失相位加快，从而消除这种残留的横向磁化矢量。干扰的方法主要是施加扰相位梯度场，可以只施加层面选择方向或三个方向都施加扰相（spoiled）射频脉冲或RF扰相梯度，施加扰相（spoiled）射频脉冲或RF扰相梯度后，将造成人为的磁场不均匀，加快了质子失相位，从而消除这种的横向磁化失量。这一脉冲序列称之为扰相位梯度回波脉冲序列（fast low angled shot，FLASH）。GRE T1WI序列一般选用较大的激发角度，如50到80，这时常需要采用相对较长的TR（如100200ms）。而当TR缩短到数十毫秒甚至数毫秒时，激发角度则可调整到1045。常规GRE和扰相GRE T1WI在临床上应用非常广泛，但需要指出的是并非T1权重越重组织的对比越好。实际应用中，应该根据需要通过TR和激发角度的调整选择适当的T1权重。GRE T2WI序列一般激发角度为1030，TR常为200500ms，相对短的TE。由于GRE序列反映的是组织的T2弛豫信息，组织的T2弛豫明显快于T2弛豫，因此为了得到适当的T2权重，TE相对较短，一般为1540ms。3.4快速梯度回波脉冲序列（Turbo-FLASH）Turbo-FLASH序列是在FLASH序列的基础上发展和改进而产生的。上述FLASH序列中，TR和TE值都很小，为提高梯度回波信号又要选用小角度的翻转角，这时形成的图像是质子密度加权像。为了实现T1或T2加权，除了以上FLASH序列外，还可在短TR短TE的快速GRE序列前加用一个脉冲，可称为快速梯度序列的磁距预准备成像（Magnetization Prepared Rapid Acquisition）。在这个预准备脉冲之后，通过控制后续的梯度脉冲出现的间隔时间（TI），既可选择性抑制某一种组织信号，从而实现心脏快速成像时的亮血或黑血成像技术，又可选择性形成T1或T2加权成像。Turbo-FLASH结合K空间分段采集技术是心脏快速MRI和冠状动脉成像的主要方法。4快速自旋回波脉冲序列（FSE）4.1快速自旋回波脉冲序列快速自旋回波简称为FSE（Fast Spin Echo）或Turbo SE。在普通SE序列中，两个90脉冲之间的时间为TR，第一个90脉冲后，要等待TE时间才收集信号，如果一个SE序列的TR为2500ms、TE为120ms的话，对某一层面体素收集信号后尚留2380ms时间，仅作为纵向磁距的复原时间而已，虽然有多层面成像技术可利用此时间做下一个层面的激发和信号采集工作。但是，对第一层面来说，留下了许多的时间可以被利用。FSE序列中，在第一个90脉冲激发后，经第一个TE时间收集信号完成后，继续给予具有不同相位的180脉冲，可达8或16个连续脉冲，出现8或16个连续回波，称为回波链（ETL）。回波链可一次获得8或16种相位K空间的回波信号值，使一次TR时间内完成8或16个相位编码上的激发和信号采集。等于将相位编码数减少了8或16倍。虽然一次激发后采集8或16个相位K空间，时间是缩短了。但是，一次激发中后面数次回波的时间距90脉冲较远些，信号必然要低，与前面数次回波的T2加权权重是不一样的。因此，必然在MRI图像上导致与常规SE序列T2加权的不同。在计算机软件和MRI硬件的性能改善，特别是180脉冲性能改进和梯度动量缓冲技（Gradient Moment Nulling Technique）的应用，使FSE的T2加权图像已经能完全满足临床诊断需。FSE序列与多回波序列一样，也是在一个TR周期内首先发射一个90RF脉冲，然后相继发射多个180RF脉冲，形成多个自旋回波。但是，二者有着本质的区别。在多回波SE序列中，每个TR周期获得一个特定的相位编码数据，即每个TR中相位梯度以同一强度扫描，采集的数据只填充K-空间的一行，每个回波参与产生一幅图像，最终可获得多幅不同加权的图像。而FSE序列中，每个TR时间内获得多个彼此独立的不同的相位编码数据，即形成每个回波所要求的相位梯度大小不同，采集的数据可填充K-空间的几行，最终一组回波结合形成一幅图像。由于一个TR周期获得多个相位编码数据，可以使用较少的TR周期形成一幅图像，从而缩短了扫描时间。 FSE序列的扫描时间，由下式决定： （2）式中TR为回波时间；Ny为相位编码数；ETL为回波链（在一次TR周期内的回波次数称为回波链）。式中的分子与SE序列的扫描时间相同，分母ETL为每个90RF脉冲之后具有独立相位编码的回波数，称回波链长（echo train length，ETL）。这样，与普通SE序列相比，FSE序列的扫描时间降低了ETL倍。增加回波链能够显著地减少扫描时间，不过回波链过长，会使模糊伪影（bluring artifact）变得明显，典型的ETL为4 32个。FSE序列不仅采集速度快，而且与SE序列相比，减少了运动伪影和磁敏感性伪影。另外，FSE序列能提供比较典型的PDWI和重T2WI，FSE与普通SE序列在图像对比和病变检测能力方面很大程度上是相当的，在很多部位的MR成像中，FSE序列可取代普通SE序列。这些在同样是快速成像的梯度回波序列中是难以做到的。FSE序列影像的主要缺点是，T2WI的脂肪信号高于普通SE序列的T2WI，同时，提高了因使用多个180脉冲而引起的对人体射频能量的累积。4.2半傅里叶采集单次激发快速自旋回波序列半傅里叶采集单次激发快速自旋回波（half-fourier acquisition singo-shot turbo-SE，HASTE）序列是一个单次激发快速成像序列，并结合半傅里叶采集技术，使一幅256256矩阵的图像数据在1秒内便可采集完毕。半傅里叶采集方式不是采集所有的相位编码行，而是仅采集正相位编码行、零编码以及少数几个负相位编码行的数据，然后利用-空间的数学对称原理对正相位编码数据进行复制，最终由采集数据以及复制的数据重建成一幅完整图像。因为仅采集一半多一点的数据，所以扫描时间降低了近一半。单次激发序列是指在一次90激发脉冲后使用一连串（如128个）180复相脉冲，采集一连串的回波信号，快速形成图像。HASTE序列主要用于生成T2WI，因为仅需一次激发便可完成采集，所以大大减少了运动伪影。重T2加权HASTE序列还可用于胆道、泌尿道、内耳、椎管等部位的水成像。5回波平面成像脉冲序列（EPI）5.1 K空间轨迹K空间的数据沿一定轨迹的顺序进行采集，这种按某种顺序填充数据的方式称为K空间的轨迹，K空间以直角坐标形式采集填充数据，则其K轨迹为直线，MRI中K空间采集模式多种多样，K轨迹除了直线外，还可以是圆形、螺线形等曲线形式，其对应的K空间坐标为极坐标、球面坐标。5.2 EPI的概念平面回波成像（Echo Planar Imaging EPI）是在梯度回波基础上发展而来的一种超快速成像方法。一般的梯度回波是在一次射频脉冲激发后，利用读出梯度场（即频率编码梯度场）的一次正反向切换产生一个梯度回波。EPI技术则与之不同，它是在一次射频脉冲激发后，利用读出梯度场的连续正反向切换，每次切换产生一个梯度回波，因而将产生多个梯度回波，因而有回波链的存在。因此，实际上EPI可以理解成“一次射频脉冲激发采集多个梯度回波”。由于EPI回波是由读出梯度场的连续正反向切换产生的。因此，产生的信号在K空间内填充是一种迂回轨迹，与一般的梯度回波或自旋回波类序列显然是不同的。这种K空间迂回填充轨迹需要相位编码梯度场与读出梯度场相互配合方能实现，相位编码梯度场在每个回波采集结束后施加，其持续时间的中点正好与读出梯度场切换过零点时重叠。5.3 EPI序列的分类EPI序列的分类方法主要两种，一种按照一幅图像需要进行射频脉冲激发的次数进行分类；另一种则根据其准备脉冲进行分类。5.3.1按激发次数分类按一幅图像需要进行射频脉冲激发的次数，EPI序列可分为多次激发EPI和单次激发EPI。多次激发EPI（multishot EPI， MS-EPI）MS-EPI是指一次射频脉冲激发后利用读出梯度场连续切换采集多个梯度回波，填充K空间的多条相位编码线，需要多次射频脉冲激发和相应次数的EPI采集及数据迂回填充才能完成整个K空间的填充。MS-EPI所需要进行的激发次数，取决于K空间相位编码步级和ETL。MS-EPI与FSE颇为相似，不同之处在于： FSE序列是利用180复相脉冲采集自旋回波链，而MS-EPI是利用读出梯度场的连续切换采集梯度回波链； FSE的K空间是单向填充，而MS-EPI的K空间需要进行迂回填充；由于梯度场连续切换比连续的180脉冲所需的时间短得多。因此，MS-EPI回波链采集要比ETL相同的FSE序列快数倍。多次激发SE-EPI一般用于腹部屏气T2WI。单次激发EPI（SS-EPI）SS-EPI是指在一次RF脉冲激发后连续采集的梯度回波，即在一个RF脉冲激发后采集所有的成像数据，用于重建一个平面的MR图像，这种序列被称为单次激发。单次激发EPI存在信号强度低、空间分辨力差、视野受限及磁敏感性伪影明显等缺点。单次激发是目前采集速度最快的MR成像序列，单层图像的TA时间可短于100MS。目前单次激发GRE-EPI主要用于MR对比剂首次通过灌注加权成像和基于血氧水平依赖（blood oxygenation level dependent， BOLD）效应的脑功能成像；单次激发与多次激发各有优缺点SS-EPI的成像速度明显快于MS-EPI，因此更适用于对速度要求很高的功能成像；由于ETL相对较短，MS-EPI的图像质量一般优于SS-EPI，SNR更高，EPI常见的伪影更少。5.3.2按EPI准备脉冲分类EPI本身只能算是MR信号的一种采集方式，并不是真正的序列，EPI技术需要结合一定的准备脉冲方能成为真正的成像序列，而且EPI序列的加权方式，权重和