磁共振成像序列及应用-杨正汉

MRI序列及其临床应用,杨正汉卫生部北京医院放射科北京大学第五临床医学院,磁共振成像的物理学原理磁共振信号快速采集技术磁共振成像序列及其临床应用,什么是序列（Sequence）?,MR信号与下列因素有关：质子密度T1、T2值化学位移相位运动上述每个因素对MR信号的贡献受RF脉冲的调节、所用的梯度以及信号采集时刻的控制。,MR成像过程中，RF脉冲、梯度、信号采集时刻的设置参数的组合称为脉冲序列（Pulse Sequence）,激发脉冲预脉冲组织饱和,信号产生Signal Production,FIDSpin EchoGradient Echo,自旋准备Spin Preparation,图像,脉冲序列的两个基本组成部分,MRI序列的分类,用射频脉冲（180度）产生回波的序列,用读出（频率编码）梯度切换产生回波的序列,同时有自旋回波和梯度回波的序列,自旋回波序列Spin Echo, SE,梯度回波序列Gradient Recalled Echo, GRE,杂合序列 Hybrid Sequence,脉冲激发后直接采集自由感应衰减信号,自由感应衰减序列Free Induction Decay，FID,自由感应衰减序列自旋回波类序列梯度回波类序列杂合序列,MRI sequence tree,一、自由感应衰减序列,90度脉冲产生最大的横行磁化矢量，此时采集的MR信号最强，由于T2*衰减，FID信号衰减很快，大约只有20ms时间对FID进行空间编码，因而临床上很少采用。,饱和恢复（部分饱和）序列Saturation RecoveryPartial Saturation,饱和恢复（SR）序列结构示意图,SR序列一般用于T1WI，TR决定SR序列的T1对比，选择两种组织T1值之间的TR能产生较好的T1对比。在1.0T 1.5T的MR机上，SR-T1WI一般TR为400ms600ms,400高斯场强部分饱和T1WITR=125 ms；TE=20 ms,二、自旋回波类序列,自旋回波类MRI序列,Spin Echo，SE（自旋回波）RARE（弛豫增强快速采集）SS-RARE（单次激发RARE）HF-SS-RARE（半傅立叶采集单次激发RARE）IR（反转恢复）TIR（快速翻转恢复）,1、自旋回波序列,自旋回波（spin echo，SE）序列,SE序列的特点,目前最常用的T1WI序列组织对比良好，SNR较高，伪影少信号变化容易解释最常用于颅脑、骨关节软组织、脊柱腹部已经逐渐被GRE序列取代T2WI少用SE序列（太慢、伪影重）扫描时间2-5分钟,SE序列的临床应用图片,腕关节高分辨SET1WI,颈椎间盘突出,左枕叶脑脓肿,SET1WI,SE-T1WI增强扫描,自旋回波类MRI序列,Spin Echo，SE（自旋回波）RARE（弛豫增强快速采集）SS-RARE（单次激发RARE）HF-SS-RARE（半傅立叶采集单次激发RARE）IR（反转恢复）TIR（快速翻转恢复）,2、RARE序列,RARE序列,在临床上常称为快速自旋回波TSE（turbo spin echo）(西门子，飞利浦） FSE （fast spin echo）（GE公司）,SE,FSE,回波1,回波2,回波5,回波4,K频率,K相位,回波3,90,回波1,回波2,回波5,回波4,回波3,180,180,180,180,180,90,ES,ETL5,有效TE,TR,FSE序列的结构和K空间填充,90,回波1,回波2,回波5,回波4,回波3,180,180,180,180,180,90,ES,ETL5,有效TE,TR,FSE序列回波链中各回波的强度及TE不同,100%,时间（ms）,Mxy,TE1,TE2,TE3,TE4,TE5,回波1强度,回波2强度,回波3强度,回波4强度,回波5强度,FSE序列的特点,快速成像回波链中每个回波信号的TE不同 ，从而减低了组织对比FSE序列图像的模糊效应 脂肪组织信号强度增高 对磁场不均匀性不敏感 能量沉积增加,ETL越长 成像越快 图像SNR越低 图像T2对比越差 图像的模糊效应越重 脂肪信号越亮 SAR值越高,回波间隙越小 回波间幅度差别越小， 图像对比增加 图像模糊效应越轻 脂肪信号越高 在保持对比和模糊效应的前提下，允许的ETL越长 SAR值越高,FSE序列重要参数改变产生的效果,根据回波链长度（ETL） FSET1WI（ETL2-4） 短回波链FSET2WI （ETL5-10） 中等长度回波链FSET2WI （ETL10-20） 长回波链FSET2WI （ETL20）FSE的改进序列 FSE-LX Tailored RF 快速恢复FSE（Fast Recovery FSE，FRFSE）,（1）、TSE-T1WI序列,由于SE-T1WI图像质量好，对比佳，时间不太长，因而仍是临床上最常用的T1WI序列。TSE-T1WI在临床上相对较少使用。TSE-T1WI的ETL常为2-4临床应用：脊柱脊髓四肢关节心脏成像腹部成像（少用）,TSE-T1WI的优缺点,优点： 比SE-T1WI快速，甚至可以屏气扫描,缺点；TE时间较长，图像受T2污染，T1对比降低与GRET1WI相比速度还不够快,正常心脏TSE-T1WI,屏气扫描23秒,ETL=3,脊柱TSE-T1WI,（2）、短ETL的FSE-T2WI,ETL=5-10优点：快速(2-7分）、T2对比与SE序列相近缺点：运动伪影（胸腹部）临床应用：颅脑常规T2WI呼吸门控T2WI序列用于胸腹部成像，是目前最普遍采用的肝脏快速T2WI序列，其他序列的评价以此序列为参照。,（3）、中ETL的FSE-T2WI,ETL10-20优点：扫描速度快（1-5分钟）缺点：T2对比不及SE或短回波链的FSE-T2WI运动伪影,临床应用：重点显示解剖结构的部位（如脊柱、骨关节）本身T2对比较好的器官（如前列腺）。,FSE-T2WIETL15Matrix512256TA2分48秒,FSET2WIETL15, 16,ETL=15, TA=3分49秒,膝关节后交叉韧带断裂,ETL=15, TA=3分49秒,ETL20有效TE常大于100ms优点：成像快(20-30S)，可屏气扫描缺点：T2对比较差；屏气不好者仍有伪影,（4）、长ETL的TSE-T2WI,临床应用：胸腹部的屏气T2WI在肝脏用于囊性、实性病变的鉴别诊断呼吸触发MRCP,TSE-T2WI, ETL=29 ，屏气23秒,ETL=23屏气扫描25秒鉴别囊性病变与实性病变,ETL=29屏气扫描21秒鉴别囊性病变与实性病变,呼吸触发FSEMRCP（MIP）ETL=24，TR4-5呼吸周期，TE=250msTA3分44秒,FSE的改进序列在每一次90脉冲的最后一个回波采集后，施加一个负90脉冲将残留的横向磁化矢量打到纵向主要使FSE T2WI上长T2的结构（如脑脊液）信号强度增高，增加对比主要用于短回波链的FSE T2WI在采集层面足够的情况下可缩短TR,（5）、快速恢复FSE T2WI,180度脉冲8个，ETL7,FSE T2WI,FRFSE T2WI,TR=2000ms，TE=100ms，Matrix448256，ETL=9NEX=2，TA=132，FOV=24cm18cm,（6）射频放大器功率增大后对FSE的影响,90,180,180,180,180,180,90,90,180,90,180,180,180,180,ES: 12-20ms,7-15 ms,90,回波1,回波2,回波5,回波4,回波3,180,180,180,180,180,90,ES,ETL5,有效TE,TR,100%,时间（ms）,Mxy,TE1,TE2,TE3,TE4,TE5,回波1强度,回波2强度,回波3强度,回波4强度,回波5强度,（7）、Tailored RF,90,回波1,回波2,回波5,回波4,回波3,180,180,180,180,180,90,Tailored RF:减少模糊效应,90,回波1,回波2,回波5,回波4,回波3,145,160,170,175,180,90,Tailored RF:减少模糊效应（特别是FSE T1WI和PD）,PD without TRF,PD with TRF,自旋回波类MRI序列,Spin Echo，SE（自旋回波）RARE（弛豫增强快速采集）SS-RARE（单次激发RARE）HF-SS-RARE（半傅立叶采集单次激发RARE）IR（反转恢复）TIR（快速翻转恢复）,3、单次激发RARE序列,SIEMENSSS-TSEPHILIPS SS-TSEGE SS-FSE,FSE,SS-FSE,一次激发后利用连续的180度脉冲采集全部信号优点：快速（单层图像采集1秒以内）缺点：T2加权太重，T2对比差，除较纯的水外，其他组织的信号几乎完全衰减用途：水成像，尤其是MRCP、MRM,SS-RARE，一次投射成像MRCPTR无穷大，TE1100ms扫描时间1秒,SS-RARE，一次投射成像MRCPTR无穷大，TE1100ms扫描时间4秒,SS-RARE，一次投射成像MRCPTR无穷大，TE1100ms扫描时间4秒,SS-RARE，一次投射成像MRCPTR无穷大，TE1100ms扫描时间4秒,SS-TSE MRCP,SS-RARE，一次投射成像MRCPTR无穷大，TE1100ms扫描时间4秒,急性胰腺炎,神经源性膀胱,SS-RARE，一次投射成像MRMTR无穷大，TE1100ms扫描时间5秒,4、半傅立叶采集单次激发RARE,SIEMENSHASTEPHILIPS HF-SS-TSEGE HF-SS-FSE,HASTE的K空间填充,NX,NY,半傅立叶技术+单次激发技术+快速自旋回波优点：快速（1秒以内）有效TE较短（ 5T1），至少与T2WI的TR一样长。,IR序列的优点：T1对比很好IR序列的缺点：扫描时间很长（长TR）临床应用：增加T1对比，特别是脑灰白质对比，尤其适用于婴儿的脑T1WI,IR-T1WI, 冠状面Philips公司,IR-T1WI，横断面Siemens公司,SE-T1WI，横断Siemens公司,自旋回波类MRI序列,Spin Echo，SE（自旋回波）RARE（弛豫增强快速采集）SS-RARE（单次激发RARE）HF-SS-RARE（半傅立叶采集单次激发RARE）IR（反转恢复）TIR（快速翻转恢复）,6、快速翻转恢复序列,SIEMENSTIRPHILIPS IR-TSEGE IR-FSE,TIR Turbo Inversion Recovery,翻转恢复与TSE-T2WI的结合,TI,Time （ms）,180度脉冲后的纵向弛豫,纵向磁化矢量,脂肪,水,肝脏组织,IR-TSE可采用不同的TI选择性地抑制一定T1值的组织信号,抑制某种组织信号的TI值等于该组织T1的69（70）,抑制脂肪的TI225ms70%157.5ms,抑制纯水的TI3500ms702500ms,临床应用：脂肪抑制(short TI inversion recovery, STIR)，特别适用于低场强MR黑水作用(fluid attenuated inversion recovery, FLAIR)T1WI FLAIR,注意：IR-TSE序列需要采用较长的TR,FLAIR序列,TSE-T2WI,FLAIR (TIR)，TI=2500ms,STIR-TSE-T2WI,STIR,TIRT2WISTIRTI150msTR6000msETL11TE90msMatrix256192Nex2TA3分30秒,T1WI FLAIR,FIR T1WIIR+短回波链FSE利用IR增加T1对比TI 750ms（1.5T）TI 500ms（0.3T）TR1500ms（低场）TR2000ms（高场）TE尽量短（ 20ms）T1对比高于SE但低于IR,IR T1WI,FIR T1WI,SE T1WI,三、梯度回波类序列,GRE序列是最常用的快速成像序列之一，利用梯度场的反向切换产生回波，它的序列结构特点是：短TR和小偏转角（90）,SE序列中的90脉冲产生最大的横向磁化矢量，纵向磁化矢量为0，T1弛豫需要化很长的时间才能产生足够的纵向磁化矢量供下一次90脉冲激发（较长的TR）。GRE序列采用小角度如20脉冲进行激发，可产生34的横向磁化矢量，而纵向磁化矢量保持原来的94，下一个脉冲进行激发前就有足够的纵向磁化矢量。,GRE序列中，下一个RF脉冲激发前的纵向磁化矢量由下列两部分构成：前一次脉冲继发后残留的纵向磁化矢量TR间期内T1弛豫恢复的纵向磁化矢量,GRE序列的稳态（Steady State）,MZ越小，纵向弛豫越快。每一次激发， MZ进一步缩小，但纵向弛豫也同时进一步加快。数个脉冲后，这两种相反的过程将达到平衡（稳态）。自此，每次脉冲继发后， MZ保持相同。,平衡态,第一次激发后,第二次激发前,第二次激发后,第三次激发前,第三次激发后,第四次前：63.5%第四次后：31.75%第五次前：63%,离相位梯度,聚相位梯度,离相位梯度,聚相位梯度,右,右,左,左,时间（ms）,Mxy,T2*,T2,T2*(GRE),GRE回波,SE回波,梯度回波类序列,扰相梯度回波（Spoiled GRE）真实稳态进动快速成像（True FISP）磁化准备梯度回波序列（MP GRE）,1、扰相梯度回波,SIEMENSFLASHfast low angle shotPHILIPS FFEfast field echoGE SPGRspoiled gradient recalled acquisition in steady state,在每个回波采集后，利用一个高强度的扰相梯度使残留的横向磁化矢量失相位。,(1)、FLASH-T1WI,腹部屏气FLASH-T1WIFLASH-2D, FLASH-3D MRA超快速FLASH-3D 对比增强MRA骨关节FLASH-2D, FLASH-3D-T1WI,A、腹部屏气FLASH-T1WI,临床上最常用的腹部快速T1WI序列扫描参数：TR 80-150msTE 4.2ms左右（1.5T）激发角度：60-90度优点：扫描速度快组织T1对比好缺点：屏气不好有伪影,临床应用：常规上、中腹部T1WI（肝胆胰脾肾）抑脂扫描清楚显示胰腺动态增强扫描,FLASH-T1WI用于肝脏平扫和动态强化,FLASH-T1WI显示胆固醇性结石,脂肪抑制FLASH-T1WI清楚显示胰腺,FLASH-T1WI,FLASH-T1WI + FS,FLASH-T1WI显示肾脏病变,利用2D扰相梯度回波T1WI进行肝脏动态增强,造影剂Gd-DTPA0.2ML/KG3ML/SECOND高压注射器或手推,扫描时刻动脉期15-17秒门脉期50-70秒平衡期3-5分钟延时扫描（具体）,K空间及其填充,填充K空间中央区域的相位编码线决定图像的对比填充K空间周边区域的相位编码线决定图像的解剖细节,试注2毫升平均主动脉峰值时间18秒（11-27秒）注射15毫升造影剂需要5秒造影剂主动脉到肝脏2秒上肢静脉注射15毫升造影剂后肝脏动脉期的平均峰值时间T18+5+225秒FLASH T1WI 覆盖全肝扫描时间约为20秒，其K空间中心编码线采集的时间为扫描开始后10秒。,5,18,2,25,20,K空间中心采集,肝脏动态增强扫描三期图像,FLASH-T1WI肝脏动态增强扫描,FLASH-T1WI平扫,FLASH-T1WI动态增强动脉期,T2WI+FS,SPGR T1WIFS,动脉期,CT动脉期,利用FLASHT1WI进行的化学位移成像,化学位移成像（chemical shift imaging）也称同相位反相位成像（in-phase / out-of-phase imaging）基本原理： 水分子中的氢质子进动频率与脂肪分子（甲基）中的氢质子存在差异，后者比前者慢3.5PPM左右（约为147Hz/T）。 根据所选用的TE不同，这两种氢质子出现周期性的同相（有协同作用）或反相（相互抵消作用）。,不同场强的MR机采用不同的TE进行化学位移成像,Out-of-phase图像产生的效应,水脂混合组织的信号明显减低，程度明显大于普通的脂肪抑制技术纯脂肪组织几乎不受影响勾边现象，脏器边界更为清晰,勾边效应的产生,化学位移成像的临床应用,检出病变组织的脂肪（水脂混合组织）脂肪肝诊断与鉴别诊断含脂肝癌肾上腺腺瘤血管平滑肌脂肪瘤清楚显示器管的轮廓,肝细胞癌脂肪化生,CT-C,Out-of-phase,In-phase,右肾上腺腺瘤,In-phase,Out-of-phase,B. FLASH序列MRA,TOF-MRA或PC-MRATR20-40msTE7ms2D或3D,3D-TOF MRA,T2加权像,T1加权像,2D-PC MRA,T2加权像,T1加权像,3D-TOF MRA,3D-TOF HR-MRA,脑血管畸形（A-VM）,C. FLASH-3D 对比增强MRA,极短的TR、TETR: 3-10msTE: 1-3ms极快的扫描速度6-25秒采集15-50层，可进行屏气扫描可采用减影技术减低背景信号,正常手CE-MRA,雷若氏病,D. FLASH-T1WI显示关节软骨,扫描参数TR: 300-800msTE: 10ms左右翻转角度：60度FLASH-T1WI序列用于显示关节软骨可采用二维或三维序列加用脂肪抑制技术更有利于软骨的显示,（2）、扰相梯度回波T2*WI,成像参数：TR 300-800msTE 1540ms激发角度30度临床应用：椎间盘病变半月板病变陈旧出血病变,优点：成像速度快对关节软骨、半月板、椎间盘显示较好有利于陈旧出血的显示缺点：对其他结构显示欠佳对磁场不均匀比较敏感,FLASH-T2*W用于脊柱,颈椎间盘横断面显示较好胸、腰椎间盘显示不如TSE-T2WI序列椎管内结构显示不如TSE-T2WI序列，特别是矢状面,Siemens OPEN 0.2TFLASH-2D-T2*WITR640msTE36msFlip angle20,FLASH-T2*WI显示半月板,半月板病变显示最敏感应与SE、TSE相结合关节软骨也呈高信号，但与关节液重叠，因而显示关节软骨应采用FLASH-T1WI+脂肪抑制,梯度回波类序列,扰相梯度回波（Spoiled GRE）真实稳态进动快速成像（True FISP）磁化准备梯度回波序列（MP-GRE）,SIEMENSTrue FISPPHILIPS Balance FFEGE FIESTA Fast Imaging Employing Steady State Acquisition,在层面选择方向、相位编码方向及频率编码方向3个方向都利用反向梯度进行相位重聚，达到纵向磁化矢量和横向磁化矢量真正的稳态。,很短的TR、TE和很大的翻转角TR:2-8msTE:1-4ms翻转角：40-80度对比决定于T2*/T1,优点：组织结构显示好血管都呈均匀高信号液体显示为很高信号成像速度快（0.510秒）缺点：软组织T2对比差磁化敏感伪影,颅脑超快速成像腹部结构成像心血管电影3D采集用于内耳水成像3D超快速采集用于无创性冠脉成像,临床应用：,True FISPT2*WI应用于颅脑,Siemens 1.5TTR10msTE3msThickness6mmMatrix512512NEX2TA10秒,True FISP T2*WI在腹部的应用,FIESTA-CINE vs. FASTCINE.,FASTCINE,FIESTA-CINE,long axis views,short axis view,Images courtesy of Franz Volhard Klinik, Berlin, Germany,EXIT,HOME,PREVIOUS,INNOVATIONS inCardiovascular MR,Dr. Daisy ChienSiemens Medical SolutionsErlangen, Germany,4th Generation Technique:3D TrueFISP of the Coronary Artery,Dr. Debiao Li, Northwestern Univers