核磁共振快速成像及其展望

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FLASH 序列还有其他变化方案, 如 snap- shot FLASH [ 7]序列,它可以在射频激发之前施 加 180b射频脉冲, 获得 T 1 加权像,也可以用一 种预饱和方法使不感兴趣区域的磁化矢量饱 和,然后用硬脉冲激发所选择的片,减小脉冲激 发时间加快成像速度. 简单的 FLASH 序列成像会常因 T *2 过长 产生剩余的横向磁化矢量, 在下一个相位编码 梯度场之后形成回波干扰正常信号. 处理这一 问题的方法主要有两种: 一种是采样结束后在 选片方向上施加随机变化的梯度场, 以消除横 向相干,即所谓的 spoiled FLASH ;另一种是利 用剩余横向 相干, 如 refocused FLASH [ 6] , SSFP[ 2] ( stead state f ree precession) . 其中 refo- cused FLASH 序列在采样结束后, 在相位编码 方向上施加梯度场重聚横向磁化矢量. 每次扫 描期间,相位梯度场对磁化矢量的总作用为零, 形成一个稳态的横向磁化矢量作用于最终信 号,所得到的像是 T 2 加权像. SSFP 序列与 re- focused FLASH 序列很相似. 所不同的是, 在 SSFP序列中, 一次扫描能同时得到 FID 和自 旋回波信号, 这样, 一次实验能得到两组数据. 其中,用 FID得到 T 1 加权像,用自旋回波得到 T 2 加权像, 而自旋回波的 T 2 加权像在 FLASH 等实验中很难得到. 4 单次扫描快速成像 进一步缩短成像时间, 是采用一次扫描快 速成像, 即一次射频激发后产生重建图像所需 要的全部数据, 如 EPI ( echo planar imaging ) , SEPI ( spiral echo planar imag ing)等. 411 回波平面成像技术 EPI 1977年, M ansfield等提出了回波平面成像 法( EPI) [ 8]其脉冲序列如图 1 所示. 它实际上 #596# 物理 是多次的场回波的组合, 在射频激发之后,在 x 方向上反复地施加梯度场脉冲,在 y 方向上施 加一个恒定的梯度场, G x 作为频率编码, Gy 作 为相位编码. 在一次扫描中取得多个经过相位 编码的回波信号, 既解决了多次重复扫描的 问题,又解决了因 T 1 而引起的恢复时间的问题. 图 1 回波平面成像的脉冲序列 但是,核磁共振信号随时间按 T 2 以指数 规律衰减,为使采得的信号不致衰减过多,全部 采样必须在 T 2 时间内完成. 取 T 2 的典型值 100ms,假设摄取一幅 64 @ 64 采样点的图像, 在这一段时间内必须完成 64次场回波,平均每 次场回波的时间不足 2ms.原始的 EPI 方法在 相位编码方向上数据有一定缺陷.并且 EPI 方 法对磁场的均匀性、梯度场强度以及梯度场的 转换速度都有很高的要求.近年来,出现了 EPI 的多种变化方案, 如 INSTASCAN [ 9] , RARE ( rapid acquisition w ith refoocused echoes ) , GRASE( gradient-and spin-echo ) , MBEST 以及 ABEST 等. 其中 INSTASCAN 把 EPI 中恒定 不变的相位编码梯度场改为脉冲式的梯度场, 改善了 EPI中数据点在相位编码上的缺陷, 但 它仍然对梯度场的强度以及梯度场转换速度有 很高要求.并且它还有其他一些弱点,如不能作 T 1加权,机器运行时有很大的梯度场线圈产生 的噪声,正弦状的频率编码的梯度场波形要求 有与之相适应的计算方法, 等等. 和 EPI 不同, RARE[ 10]不使用梯度场而改 用选择性的 180b射频脉冲重聚回波, 这样它就 不需要快速的梯度场切换, 采集自旋回波信号, 能够重聚主磁场的不均匀, 不受化学位移、磁化 率效应的影响,并能产生 T 2 加权像. 但它又带 来一些新问题, 如一次扫描往往不能产生足够 数量的回波,有时必须进行若干次扫描,因而速 度比较慢. 180b不准确造成图像缺陷以及需要 较高的射频功率. GRASE [ 11]结合自旋回波和场回波, 在 180b脉冲之间施加频率编码方向的梯度场, 产 生若干时间较短的梯度回波, 一次扫描采集全 部数据.自旋回波能消除磁场的不均匀,而场回 波所需时间比自旋回波小一个数量级. GRASE 吸收了自旋回波和梯度回波的优点, 速度介于 EPI 与 RARE 之间,仅在 180b之间受到主磁场 的不均匀、化学位移及磁化率效应的影响, 与 RARE相比,只要较小的射频功率,并且能一次 扫描成像. 412 螺旋回波平面成像技术 SEPI 为克服 EPI 的一些缺陷, 出现了另一类一 次扫描快速成像, 即螺旋回波平面快速成像技 术( SEPI, spiral echo planar imaging) .这种方法 由 S. L junggren [ 12] 于 1983 年 提 出, C. B. Ahn [ 13]等人从实验上实现. 它不需要回波 平面成像中梯度磁场的高速切换,降低了对硬 件的要求.与 EPI 不同的是, SEPI 的脉冲序列 如图 2( a)所示.它的采样点在 K空间中形成渐 开螺旋状分布,见图 2( b) . 梯度场为一幅度随时间线性递增的简谐曲 线.在标准的自旋回波出现的时刻施加梯度场, 同时开始采样. 将数据点用内插的方法转换为 正交晶格状分布后, 再用二维傅里叶变换方法 重建图像, SEPI 可以在几十毫秒内获得图像所 需的数据. 跟 EPI 及其他快速成像相比, SEPI 有明显 的优点. 主要是采样点呈圆形分布, T 2 对各方 向上的影响相同, 形成空间域中关于中心对称 的点分布函数, 结果图像在各个方向上的分辨 #597#26卷 ( 1997年) 10 期 率相同.梯度场线圈的低通特性仅对 SEPI 数 据点产生一定的相移,而不会造成图像的失真. 另外,可以用复数共轭方法成倍地增加数据点, 从而改善图像分辨率. SEPI 有很多变化方案, 如 square SEPI[ 2] , cine spiral imaging[ 14] , inter- leaved square-spiral imaging[ 19]等, 这类方法的 特点是需要的梯度场强度较低,切换的速度较 慢,硬件上比较容易实现. 图 2 SEPI 成像方法的脉冲序列和数据点分布 ( a)脉冲序列; (b)数据点在 K 空间的分布 ( b)( a) 413 DANTE类回波成像 最近出现了一种新的快速成像系列, 我们 称之为 DANTE类快速成像, 如 J.Hennig 等提 出的 BURST [ 15] , I. J. Lowe 等提出的 DU- FIS [ 16] ( dante ult ra fast imag ing sequence) , L . Aha 等提出的 OUFIS[ 17] ( opt imized ult ra- fast imaging sequence)以及 Z. H. Cho 等提出的 FM DANTE [ 1] .这些方法利用 DANT E序列产生多 个回波,一次扫描快速成像. DANTE序列是一组等距的射频脉冲, 在 核磁共振波谱中主要用于选择激发.以 DUFIS (脉冲序列如图 3所示)为例, 在一系列倾倒角 为 A的脉冲(总和约为 90b)之后施加选择性的 180b脉冲,在相应的时间出现相同数目的回波, Gx 1结合 DANT E 脉冲使各脉冲之间的 FID 不会相互重叠, Gz 结合 180b脉冲选片, Gy 与 Gx 2分别实现相位编码和频率编码. 若要成 64 @ 64个像素的像,必须用 64 个 脉冲,以产生 64个回波, 而每个回波采 64 个 点,就可以获得重建图像所需的数据. 若 Gx 1 等于 Gx 2, 则回波间隔等于脉冲间隔.频率编码 方向上 SW = 1/ DW = 64/ S,单个像素的频宽 1/ S与 DANTE序列激发频谱中被激发区域的 图 3 DUFIS 快速成像脉冲序列 频率间隔相同.由于 DANTE 序列的激发效率 很低,所以信噪比很低. 为进一步提高信噪比, 在 DUFIS 的基础上, 先后出现了 OUFT S, FM #598# 物理 DANTE等技术.其中 OUFT S通过调整各个射 频的相位,使其达到最佳激发强度,可以使信号 强度增强 10 倍左右. FM DANTE 采用频率调 制,大大提高了射频脉冲的激发效率(约占全部 自旋的 37%) , 使影像的信噪比显著增强. DANTE类快速成像是一项新技术, 它最大的 优点是对硬件的要求比较低, 数据处理也比较 简单,容易在现有的常规医用成像仪上实现. 414 旋转磁场快速成像技术 近来提出的 RU FIS [ 18]脉冲序列, 在选片 之后, 用反投影重建图像. 采用小角倾倒, 减少 重复时间, 不利用自旋回波而采集 FID自由感 应衰减信号, 免去回波的等待时间. 在 180b的 范围内步进 32 次, 只要 8ms 就能得到一幅图 像的数据. RUFIS对梯度场的切换速度的要求 没有 EPI 那样高, 尤其是它对流动、扩散很不 敏感,并且适当的编码可以获得流体像.在信噪 比不是主要问题时,可以采用这种方法快速成像. 5 展望 511 使快速核磁共振成像进入实用 前面介绍的几类成像方法各有其优缺点, 实际运用时, 往往要在空间分辨率、时间分辨 率、信噪比以及 T 1, T 2 加权等方面折衷考虑. 视不同的对象和不同的要求, 采用不同的方法 进行成像. 例如, 在不损失速度的前提下, 人们 经常使用 EPI 和 FLASH 的混合脉冲序列[ 19] , 以及吸收 SEPI和 FLASH 特点的所谓 cine sp-i ral imaging . 快速成像的发展首先要解决的问题是物理 方法的革新, 而这一点有依赖于硬件水平和数 字处理手段的提高. 上述几类快速成像数据点 在K 空间基本为有序的晶格点阵分布和螺旋 渐开线分布. 数据处理多为二维傅里叶变换或 反投影重建方法,编码方式大同小异.人们正在 使用其他编码方式, 试图寻求快速成像的根本 性的突破. 如 M. E. M eyerand [ 20]等提出的在某 一维用常规编码,另一维用时间编码的一次扫 描快速成像, K. Scheff ler[ 21]等提出的 K空间数 据点随机的晶格点阵分布的一次扫描快速成 像,以及 H. Bruder[ 22]等提出的数据点不等距 分布的 EPI 方法,等等. 然而, 快速成像这一课 题目前仍尚未完全走出实验室,还没有普遍进 入实用.有理由相信,核磁共振快速成像技术在 不久的将来会成为一般成像的辅助手段,甚至 取代现有的核磁共振成像方法. 512 开展三维快速成像的研究 快速成像的另一个发展方向是三维成像方 法.二维成像和多片成像能得到多组数据,对每 组数据做二维 FT 变换或反投影重建, 得到若 干二维图像.而三维成像方法是用硬脉冲激发 样品,在三个方向上编码, 得到一组三维数据, 用三维数据处理方法, 如三维 FT 重建图像.三 维成像方法能得到很薄而且很规则的片,并能 在任意方向上进行选片, 比用二维成像方法得 到多片图像有明显的优点. 但是常规的三维成 像,如自旋回波和梯度回波三维成像方法成像 时间相当长,所以没有得到广泛的应用.二维快 速成像尤其是一次扫描快速成像技术的出现, 使二维快速成像成为快速成像研究中的一个热 点. 我们已经知道, 二维快速成像主要有 FLASH , EPI, SEPI 以及 BURST 等,三维快速 成像是在二维成像的基础上, 施加选片方向上 的编码梯度场, 多次扫描或者一次扫描得到三 维数据, 用 3D FT 或其他方法重建图像. 如 3D FLASH, 3D EPI, EV I( echo-volumar imag ing) , frequency-shifted BURST 等.其中, 3D FLASH[ 23] 采 用小角倾倒, 多次扫描获取三维数据. 3D GRASS[ 29] , 3D RASEE[ 22, 24] ( rapid spin-echo excitat ion) , 3D FLASE [ 25] ( fast large-angle spin- echo imaging)等是它的相关序列. 3D EPI[ 26]吸收二维 FLASH 和二维 EPI 方法的特点, 采用 EPI 方法得到 K 空间二维数 据,第三维数据用常规成像中的相位编码方法, 多次扫描得到三维数据. EVI[ 27]与二维 EPI 相似, 所不同的是 EVI 不进行选片而在第三维施加编码梯度场,一次 扫描得到 K 空间的三维数据. 这种方法可以在 #599#26卷 ( 1997年) 10 期 102ms内得到 64 @ 32 @ 8的三维数据. frequency-shifted BURST [ 28] 是 二 维 BURST 的变化方案, 不进行选片而在选片方 向上施加编码梯度场. 针对 Dante 序列激发效 率低的弱点,改变射频频率,在不同的扫描中激 发不同区域,提高激发效率,同时利用破坏梯度 场弥散剩余横向磁化矢量,减小重复时间.这种 方法不需要梯度场的快速切换, 在几秒内得到 三维数据. 受二维核磁共振快速成像的限制, 三维快 速成像刚刚处于起步阶段,很不成熟.相信随着 二维快速成像的成熟,三维成像必将有所发展. 参 考 文 献 [ 1 ] Z. H. Cho, T opical NM R Imaging Symposium, A Joint Symposium to / BCEIA * 950 . 北京大学出版社, ( 1995) , E89. [ 2 ] Z.H . Cho, Joie P. Jones and Manbir Singh, Foundat ions of Medical Imaging, Wiley- Interscience, ( 1993) . [ 3 ] A. Haase, J. Frahm, D. Matthaei et al. , J . Magn, Re- son. , 67( 1986) , 258. [ 4 ] G. H. Glover, N. J. Pelc, Magnet ic Resonance Annual, New York, Raven, ( 1988) , 299. [ 5 ] A. Oppelt , R. Graumann, H. Barfuss et al. , Electr omed- ica , 54( 1986) , 15. [ 6 ] M. L. Gyngell, Topical Conference on Fast Magn. Re- son. Imaging Tech . ( abstr. ) , ( 1990) . [ 7 ] A. Haase, Magn. Reson. 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