中华医学会MRI技师培训-应用技术

磁共振成像质量及其控制 复旦大学附属华山医院 钱建国 2011年12月13日 一 评价MRI图像质量三因素 二 磁共振成像伪影 三 成像参数对图像质量的影响 空间分辨力 spatialresolution 信号噪声比 signal to noiserationSNR 图像对比度及对比噪声比 Contrastandnoiseration 这三种因素既不相同又互相联系 把握好这三种因素之间的关系才能有效的提高图像质量 一 评价MRI图像质量三因素 空间分辨力 spatialresolution 空间分辨力是指影像设备系统对组织细微解剖结构的显示能力 它用可辨的线对 LP cm或最小圆孔直径 mm 数表示 它是控制MR图像质量的主要参数之一 空间分辨力越高 图像质量越好 空间分辨力大小除了与MR系统的磁场强度 梯度磁场等有关以外 人为的因素主要是由所选择的体素大小决定的 像素 像素的物理意义是MR图像的最小单位平面 在图像平面内像素的大小是由FOV和矩阵的比值确定的像素面积 FOV 矩阵矩阵 是频率编码次数和相位编码采集数的乘积矩阵 频率编码次数X相位编码采集数当FOV一定时 改变矩阵的行数 相位方向 或列数 频率方向 像素大小都会发生变化 体素 是像素与层面厚度的乘积 它的物理意义是MR成像的最小体积单位 立方体 体素 FOV 层面厚度 矩阵体素容积小时 能分辨出组织的细微结构 空间分辨力高 相反体素容积大时 不能分辨组织细微结构 空间分辨力低低 信号噪声比 SNR 是指感兴趣区内组织信号强度与噪声信号强度的比值 信号是指某一感兴趣区内像素的平均值 噪声是指患者 环境和MR系统电子设备所产生的不需要的信号 信噪比是衡量图像质量的最主要参数之一 一定范围内 SNR越高越好 因此 努力提高组织信号强度和最大限度地降低噪声信号强度是提高SNR 改善图像质量的关键 SNR高的图像表现为图像清晰 轮廓鲜明 影响信噪比的主要因素 1 MR系统场强2 被检组织的特性3 体素大小4 扫描参数 TR TE 翻转角 平均采集次数等 5 射频线圈 1 MR系统场强对SNR的影响 在运动伪影被抑制的情况下 MR系统场强越高 SNR越高 2 被检组织特性对SNR的影响感兴趣区内质子密度高的组织 如脑灰质和脑白质能产生较高信号 SNR高 质子密度低的肺组织产生低信号 因此SNR低 具有短T1和长T2值的组织在不同加权像上信号强度均较高 从而可获得高SNR 3 体素大小对SNR的影响体素越大 体素内所含质子数量越多 所产生的信号强度就越大 图像的SNR越高 层厚越厚 体素越大 SNR越高 FOV越大 体素越大 SNR越高 矩阵越大 体素越小 SNR越低 4 扫描参数对SNR的影响重复时间 TR 回波时间 TE 翻转角 信号采集次数 层间距 接收带宽等 TR TR是决定信号强度的一个因素 TR越长 各种组织中的质子可以充分弛豫 纵向磁化矢量增加 信号强度也增加 TR短时 仅有部分纵向磁化得到恢复 信号强度减小 因此 长TR时 SNR高 短TR时 SNR降低 但是 SNR的增加是有限的 4 扫描参数对SNR的影响 TE TE是横向磁化矢量衰减的时间 它决定进动质子矢相位的多少 TR越长 采集信号前横向磁化的衰减量越大 回波幅度越小 产生的信号量也越少 SNR就会下降 4 扫描参数对SNR的影响 翻转角 翻转角度决定了有多少纵向磁化能转变成横向磁化 翻转角越小 产生的信号越弱 SNR就越低 因为SE序列使用90 射频脉冲 使纵向磁化均转变为横向磁化 而梯度回波脉冲序列 纵向磁化只能部分转变为横向磁化 因此 SE脉冲序列获得的信号更强 SNR也更高 4 扫描参数对SNR的影响 信号采集次数 增加采集信号的平均次数 反复采样 可消除图像中的毛刺状阴影 降低噪声 提高SNR 但是 SNR的变化与采集信号平均次数的平方根成正比 会大大增加扫描时间 层间距 扫描时所选择的层间距越大 SNR就越高 接收带宽 减少接收带宽 就减少了信号采集范围 也就减少了噪声接收量 从而提高了SNR 4 扫描参数对SNR的影响 5 射频线圈对SNR的影响射频线圈的形状 大小 敏感性 检查部位与线圈间的距离均能影响SNR 因为信号受噪声干扰的程度取决于线圈的大小和形状与检查部位的容积有关 体线圈SNR最低 因为它包含的组织体积大 产生的噪声量也大 同时成像组织与线圈之间的距离也大 减弱了信号强度 各种表面线圈比较小 距离检查部位近 能最大限度地接收MR信号 所以 表面线圈的SNR最高 在操作时 应尽量选择合适的表面线圈以提高SNR 噪声对图像质量的影响 噪声 大 小 图像对比度 是指一幅图像两个相邻的不同组织结构信号强度的差别 也即是能够区分最小信号强度的能力 可用以下公式计算 C sl s2 s1 s2 式中 C为图像对比度 S1 S2分别为两个感兴趣区组织信号的平均值 信号强度的差异越大 图像对比度越好 在磁共振成像中组织的对比度是通过选择TR TE等来突出某种组织的加权像产生最大对比度的 图像对比度及对比噪声比 影响的图像对比度主要因素 1 TR对图像对比度的影响2 TE对图像对比度的影响3 TI对图像对比度的影响4 翻转角对图像对比度的影响5 对比剂对图像对比度的影响 1 TR对图像对比度的影响TR是RF脉冲结束后纵向磁化恢复所需要的时间 TR对图像对比度的影响分为两个方面 短TR影响T1图像对比度长TR影响T2图像对比度 2 TE对图像对比度的影响TE值主要影响图像的T2对比度 TE是T2加权像的控制因素 因此 组织间的对比度随TE的延长而增加 T1对比度主要是在短TR的条件下取得的 但是 TE值越短图像的对比度越好 因为TE越短减少了图像中T2弛豫的影响 得到突出组织的T1加权像 因此 在T1加权 质子密度加权及MRA中采用尽可能短的TE 但是 可能导致信噪比降低 3 TI对图像对比度的影响在IR序列中 图像的对比度主要受TI的影响 在180 反转脉冲后质子处于基本饱和状态 然后再以不同的弛豫时间恢复纵向磁化 这时TI时间决定了90 脉冲后纵向磁化矢量恢复的多少 从而决定了信号强度的对比 比如 想要抑制脂肪 TI值就要短 4 翻转角对图像对比度的影响在梯度回波脉冲序列中 翻转角的大小决定了射频脉冲激励后横向磁化矢量的大小 小翻转角在横向磁化矢量相当大 而纵向磁化矢量变动很小 从而产生T2图像对比 而大翻转角可使短T1组织弛豫 产生的图像T1加权明显 5 对比剂对图像对比度的影响为了提高正常组织与病变组织的对比 MR成像常用对比剂 常用的Gd DTPA可使组织的T1缩短 特别是病变组织的T1缩短 提高了显示病变组织的能力 影响图像质量的因素 明锐度MTF 空间分辨率Lp mm 信噪比S N MR图像质量除了用空间分辨力 信噪比 图像对比度来评定外 磁场的均匀度也是一个质量控制的评价因素 这是在安装机器时的主要调试指标 磁场的均匀度越高 图像的质量越好 磁场强度在主磁场的磁体中心直径50cm的球形内最均匀 越远离中心 磁场均匀度越差 而且采集的信号也弱 所以 摆位时要注意将被检查部位的中心放在主磁场中心区 提示 伪影 是指在磁共振扫描或信息处理过程中 由于某种或几种原因出现了一些人体本身不存在的图像信息 致使图像质量下降的影像 MR出现伪影的原因与其扫描序列以及成像参数多 成像过程复杂有关 由于原因不同 所产生的伪影表现和形状也各异 只有正确了解伪影产生的原因以及各种伪影的图像特征 方能有效地限制 抑制以至消除伪影 提高图像质量 二 磁共振成像伪影 影产生的原因 1 装备伪影2 运动伪影3 金属异物伪影 1 装备伪影装备伪影是指机器设备系统本身产生的伪影 它包括机器主磁场强度 磁场均匀度 软件质量 电子元件 电子线路以及机器的附属设备等所产生的伪影 装备伪影主要取决于生产厂家设计生产的产品质量以及某些人为因素 如机器设备的安装 调试以及扫描参数的选择 相互匹配不当等 与机器设备有关但主要由操作者掌握的各种参数 如TR TE 矩阵 观察野等出现偏差也可出现伪影 化学位移伪影 化学位移伪影在沿含水组织和脂肪组织界面处 表现为无信号的黑色和高信号的白色条状或月牙状影像 例如肾和肾周围脂肪之间一侧为黑色 而另一侧为白色的化学位移伪影 任何磁共振系统都能产生化学位移伪影 但高场强比低场强的MR机更加明显 化学位移伪影易于识别 并且可通过改变相位和频率编码方向加以抑制 1 装备伪影 卷褶伪影 被检查的解剖部位的大小超出了观察野 FOV 范围 即选择观察野过小 而使观察野范围以外部分的解剖部位的影像移位或卷褶到图像的另一端 卷褶伪影主要发生在相位编码方向上 图像出现卷褶伪影不仅影响图像质量 从而影响对病变的观察 因此应避免卷褶伪影发生 消除卷褶伪影的方法是将被检查部位的最小直径摆到相位编码方向上或加大观察野 便可得到满意地解决 1 装备伪影 截断伪影 截断伪影是因数据采集不足所致 在图像中高 低信号差别大的两个环境的界面 如颅骨与脑表面 脂肪与肌肉界面等会产生信号振荡 出现环形黑白条纹 此即截断伪影 截断伪影可以通过增加矩阵来避免数据采集不足或在傅立叶变换前对信号滤过来抑制或消除截断伪影 但后者会导致空间分辨力下降 1 装备伪影 部分容积效应 当选择的扫描层面较厚或病变较小且又骑跨于扫描切层之间时 周围高信号组织掩盖小的病变或出现假影 这种现象称为部分容积效应 部分容积效应可以通过选用薄层扫描或改变选层位置得以消除 这对微小病变的检出更为重要 在可疑是部分容积效应造成的伪病灶的边缘作垂直方向定位 也可消除部分容积效应造成的假像 1 装备伪影 交叉对称信号伪影 交叉对称信号伪影也是由于设备原因造成的一种伪影 常出现于自旋回波脉冲序列T2加权像或质子密度加权像 主要因磁场的不均匀性引起 低场强的设备比高场强设备更易出现 主要表现为图像在对角线方向呈对称性低信号 在刚开机时容易发生这种伪影 随着开机时间的延长 磁体内匀场线圈逐渐恢复工作 随着磁体均匀度的提高此类伪影即可消除 1 装备伪影 敏感性伪影 不同组织成分的磁敏感性不同 它们的质子进动频率和相位也不同 回波平面成像 EPI 由于使用强梯度场 对磁场的不均匀性更加敏感 在空气和骨组织磁敏感性差异较大的交界处 如颅底与鼻窦处会因失相位出现信号丢失或几何变形的磁敏感性伪影 消除磁敏感伪影的方法是在做EPI之前先进行均场 改变扫描参数 如减小层厚 选择射频带宽较宽的序列或倾斜切面等 1 装备伪影 生理性运动伪影 生理性运动伪影是因MR成像时间较长 在MR成像过程中心脏收缩 大血管搏动 呼吸运动 血流以及脑脊液流动等引起的伪影 这种伪影是引起MR图像质量下降的最常见的原因 生理性运动伪影是生理性周期性运动的频率和相位编码频率一致 叠加的信号在傅立叶变换时使数据发生空间错位 导致在相位编码方向上产生间断的条形或半弧形阴影 运动伪影 心脏收缩 大血管搏动伪影 可采用心电门控或脉搏门控加以控制 心电门控之机理主要是通过心电图的R波控制扫描系统 从而获得心动周期不同阶段的心脏影像 使心脏收缩 大血管搏动所产生的伪影得以控制 脉搏门控通过传感器控制射频脉冲触发可有效地控制伪影产生 运动伪影 运动伪影 呼吸运动伪影 使用呼吸门控或快速成像技术屏气扫描 能够有效地控制伪影产生 无快速成像的低磁场设备应尽可能缩短检查时间 以便减少产生伪影的机率 如改变矩阵 减少激励次数以及通过呼吸补偿技术去除呼吸时腹壁运动产生的伪影 高场强MR设备 呼吸门控与心电门控同时使用 做心脏大血管扫描能获得更加完美的效果 当前MR设备迅速发展 快速梯度回波脉冲序列屏气扫描10 14ms 能获得10 14层图像 可以完全克服呼吸伪影 流动血液伪影 流动血液产生的伪影信号强度取决于血流方向 血流速度以及使用的TR TE等参数 当扫描层面与血管走行方向平行时 在相位编码方向上会产生与血管形状类似的条状阴影 血流伪影 动脉血流伪影多因血管搏动引起 类似运动产生的伪影 预饱和技术可消除来自扫描层上下方的血流搏动产生的伪影 另外梯度变换 相位 频率方向交换 可使伪影方向变换 运动伪影 脑脊液流动伪影 脑脊液流动伪影与血流形成的伪影原因相同 因为脑脊液同血流均受心脏同步搏动影响 此影像表现在脑脊液处出现模糊条形伪影 最常见于胸段脊髓后方类似占位性病变样改变 甚至在脊髓中央山现空洞样改变 或侧脑室内T2加权像出现低信号影 而T1加权像无任何改变 识别脑脊液搏动伪影显得更加重要 以免误诊 血流补偿技术是减少和抑制脑脊液搏动伪影的最有效方法 必要时与心电门控同时使用会取得抑制伪影的更好效果 运动伪影 自主性运动伪影 在MR扫描过程中 由于患者运动 如颈部检查时吞咽运动 咀嚼运动 头部检查时病人躁动 眼眶检查时眼球运动等均可在图像上造成各种不同形状的伪影 致使图像模糊 质量下降 克服自主性运动伪影的最有效的办法是改变扫描参数 尽量缩短检查时间 如快速成像技术 减少信号激励次数 改变矩阵等 另外 固定患者及检查部位是减少自主性运动伪影的有效方法 运动伪影 金属异物伪影金属异物包括抗磁性物质及铁磁性物质 只要它们仅使磁场均匀性改变百万之几 就足以造成图像变形 金属异物主要是指铁磁性物质 如发夹 金属钮扣 针 胸罩钩 各种含铁物质的睫毛膏 口红 外科用金属夹 固定用钢板及含有金属物质的各种标记物以及避孕环等 在MR检查中强调患者不把体内或体表的金属异物带人磁场 其原因之一是金属异物会使图像产生金属异物伪影而影响诊断 二是对患者有潜在的危险 例如 外科手术夹可能会受磁性吸引脱落造成再出血 刀片等锐利物在磁场飞动时 会刺伤患者或损坏机器 将金属异物带入磁场时 在MR成像过程中易产生涡流 在金属异物的局部形成强磁场 从而干扰主磁场的均匀性 局部强磁场可使周围旋进的质子很快丧失相位 而在金属物体周围出现一圈低信号 盲区 其边缘可见周围组织呈现的高信号环带 以及图像出现空间错位而严重失真变形 目前 骨科手术所用高科技镍 钛合金固定板 假关节等材料不受磁性吸引 在其周围不产生伪影 可以进行MRI检查 但必须达到标准要求 要特别注意检查时间不能过长 以免造成灼伤 金属异物伪影 层数层厚层面系数层间距接收带宽扫描野 FOV 流动补偿技术矩阵信号平均次数预饱和技术 三 成像参数对图像质量的影响 门控技术重复时间 TR 回波时间 TE 反转时间 TI 翻转角回波次数回波链相位编码和频率编码方向呼吸补偿技术扫描时间 层数 SE序列多回波多层面二维采集时 脉冲重复期间最多允许层数 NS 由TR和最大回波时间TE决定 NS TR TEmax K 式中 NS为最多允许层数 TR为重复时间 TEmax为最大回波时间 K为额外时间 根据所用参数不同而变化 一般用FlowComp时K值就大 另外特殊吸收率 SAR 也是层数的主要限制因素 层厚 层厚取决于射频的带宽和梯度场强的坡度 层厚越厚 激发的质子数量越多 信号越强 图像的信噪比越高 但层厚越厚 采样体积增大 容易造成组织结构重叠 而产生部分容积效应 层厚越薄 空间分辨力越高 而信噪比降低 扫描时要根据解剖部位及病变大小来决定扫描层厚 层面系数 层面系数的大小取决于层间距和层面厚度 层面系数 层间距 层面厚度x100 上式表明 层面系数与层间距成正比 而与层面厚度成反比 当层面厚度固定时 层间距越大 层面系数越大 当层间距固定时 层面厚度越厚 层面系数越小 层面系数过小时 相邻层面之间会产生干扰 从而影响T1对比 层间距 层间距 GAP 即不成像层面 选用一定带宽的射频脉冲激励某一层面时 必然影响邻近层面的信号 为了杜绝成像之间层面的干扰 通常采用如下解决办法 1 增加层间距 一般要求层间距不小于层厚的20 层间距过大 容易漏掉微小病变 层间距越大 图像信噪比越高 2 如果扫描部位病变较小 选择无层间距时 应采用间插切层采集法而不选择连续切层法 以克服相邻层间的相互干扰 提高信噪比 接收带宽 接收带宽是指MR系统采集MR信号时所接收的信号频率范围 MR使用的是射频波 其频率范围又称射频带宽 射频脉冲越短 其带越宽 层面的厚度与带宽成正比 即层厚越厚 带宽越宽 减少带宽可以提高图像的信噪比 但可导致图像对比度下降 同时 减少扫描层数 扫描时间延长 并增加化学位移伪影 扫描野 FOV 扫描野也称观察野 是指扫描时采集数据的范围 采集矩阵不变时 FOV越小 则像素越小 空间分辨力越高 但信号强度减低 信噪比降低 检查部位超出FOV时 会产生卷褶伪影 因此 选择FOV时要根据检查部位决定 相位编码和频率编码方向 在频率编码方向上的FOV缩小时不减少扫描时间 而在相位编码方向上的FOV缩小时 可以减少扫描时间 相位编码方向FOV应放在成像平面最小径线方向 不但能节省扫描时间 又可避免产生卷褶伪影 而图像质量不受影响 如做腹部 胸部横断位扫描时 相位方向应放在前后方向 相位编码方向FOV可减少25 能节省l 4的扫描时间 矩阵 矩阵包括采集矩阵和显示矩阵 MR系统为了提高显示屏上图像的分辨力 一般显示矩阵大于采集矩阵 采集矩阵是指频率编码采样数目与相位编码采样数的乘积 FOV不变时 矩阵越大 体素就越小 图像的分辨力越高 在频率编码方向增加采样点 可以增加空间分辨力 而不增加扫描时间 在相位编码方向增加编码数 则会增加扫描时间 显示矩阵大多最高达到512x512 采集矩阵一般用256 256 信号平均次数 信号平均次数指数据采集的重复次数 增加采集次数 可抑制运动伪影及流动伪影 提高图像信噪比 但会增加扫描时间 扫描时间正比于激励次数 SNR大小与信号平均次数的平方根成正比 当激励次数从1提高到4次时 SNR可提高到2倍 而扫描时间要增加到4倍 预饱和技术 预饱和技术可用于各种脉冲序列 以抑制各种运动伪影 感兴趣区以外的区域设置预饱和带越多 抑制伪影效果越好 但要减少扫描层数或增加扫描时间 饱和带越窄 越靠近感兴趣区 抑制伪影效果越好预饱和技术首先用预饱和90 脉冲将饱和带区域运动组织的质子纵向磁化矢量打到90 等静态组织90 脉冲到达时 该矢量再次翻转90 与采集平面垂直 此时信号为零 而静态组织质子磁化矢量90 处在采集平面而呈高信号 门控技术 门控技术包括心电门控 脉搏门控和呼吸门控 心电门控 以心电图R波作为MRI测量的触发点 选择适当的触发时间 可获得心电周期任何一个时相的图像 心电门控常常用于心脏 大血管检查 脉搏门控 通过压力一电压传感器与手指接触获得脉搏信号来控制射频脉冲触发 常用于大血管检查 呼吸门控 通过压力一电压传感器获得呼吸信号来控制射频脉冲触发 常使用于胸 腹部呼吸运动伪影大的扫描部位 重复时间 TR SE序列的TR是指一个90 射频脉冲至下一个90 射频脉冲之间的时间间隔 SE序列的TR T1WI400 500ms T2WI1800 3000msSE序列长TR值用于T2加权和质子密度加权 长TR使大部分组织的T1弛豫接近完成 免除T1成分 SE序列短TR值用于T1加权 短TR时 长T1组织能量丢失少 所以纵向磁化矢量恢复的也少 到下一个90 脉冲时吸收少 同波幅度低 而短T1组织能量大部分丢失 纵向磁矢量接近完全吸收 在下一个90 脉冲时 回波幅度高 信号强 回波时间 TE SE序列的回波时间TE是指90 射频脉冲到产生回波的时间 SE序列的TE T1WI10 30ms T2WI90 120msTE越短 T2对比越小 强调T1对比时TE应尽量短 T2加权要使用长TE值 TE越长 T2对比越大 TE超过一定范围 所有组织的T2横向磁化都极大的衰减而无对比 人体不同组织有它们不同的T2值 TE值可因MR设备及脉冲序列不同而异 反转时间 TI 反转时间TI为180 反转脉冲与90 激励脉冲之间的时间 大多数组织TI值在400ms左右 TI时间用于各种反转恢复脉冲序列 改变TI 可以获得不同的脉冲序列图像 短反转时间的TI为8 120ms 脂肪的TI时间在100ms左右 使用短TI脂肪信号为零 达到抑制脂肪的目的 中等反转时间的TI为200 800ms T1FLAIR TI值750ms 可以获得脑白质白 脑灰质灰 灰白质对比度高的图像 长反转时间的TI为1500 2500ms