磁共振成像基本原理解讀之十三 --關于脈沖序列的故事： 自旋回波序列家族（一）

13.磁共振成像脈沖序列-自旋回 來自天師論道 00:00 04:14

       經典自旋回波序列：經典自旋回波序列（Spin Echo, SE）的構成就是一個90°激發脈沖后跟隨一個180°聚焦脈沖。從時序上看，90°射頻脈沖到180°聚焦脈沖的時間間隔為τ，而180°聚焦脈沖到回波中心的時間也是τ，這個時間上的對稱性確保了聚焦脈沖可以克服空間上有規律分布的磁場不均勻對弛豫的干擾，因此采用SE序列可以獲得比較標準的反映組織橫向弛豫特性的對比度圖像。早期SE序列可以用于T1及T2加權成像，但由于SE序列每個TR重復時間內只能采集一條K空間線，所以該序列成像時間比較長，目前臨床上高場磁共振上通常用FSE序列取代了SE序列。在高場磁共振成像由于組織的平均T1時間長，通常T1對比度變差，有時可以用稍小的翻轉角取代經典的SE序列。如可以采用75°翻轉角等。

       SE序列在低場強磁共振上可用于T1加權成像如頭部、膝關節等部位的T1加權成像，在高場強磁共振因為SE序列T1對比度變差，很少用于頭部T1加權像。同時由于T2加權像需要的TR時間很長，而SE序列在每個TR時間內只能采集一條K空間線，所以SE序列也不適合用于T2加權成像。這就在客觀上需要在SE序列基礎之上開發出一個保留自旋回波序列對比度特點而掃描時間又切實可行的序列，這就是下面要介紹的快速自旋回波序列。

        快速自旋回波序列（Fast Spin Echo, FSE）:與SE序列相比FSE序列的根本性變化就是在一個90°射頻脈沖后不是只跟一個射頻聚焦脈沖而是跟了多個聚焦脈沖，也就是說在每個TR重復時間內采集多條K空間線，這個聚焦脈沖的個數也被稱為回波鏈長度（Echo Train Length, ETL）或FSE Factor或Turbo factor，這些不同的名稱對應的是不同的廠商。這里面我們不難發現快速自旋回波序列的“快”是通過提高了K空間線的采集效率，但這也帶來不同程度的圖像質量的變化。在臨床使用過程中這些是使用者必須認真思考的。

        在我們使用FSE序列過程中回波鏈長度（ETL）和回波間隔(Echo space, ESP)是兩個重要的質控因素。回波間隔指的是相鄰兩個回波之間的時間間隔。從FSE序列示意圖我們可以看出越靠后的回波其信號越低，這就意味著如果我們采用的回波鏈過長就會導致靠后的回波信噪比過低。事實上與SE序列的相位編碼相比，在FSE序列因為回波鏈上不同回波之間存在著T2弛豫衰減，這種衰減導致每條K空間線的信號強度不同。我們把這種由于回波鏈每個回波之間的信號不同對圖像的影響稱之為T2加權函數（T2 Weighting Function）。在SE序列或梯度回波序列這個加權因子是1，而在FSE序列這個加權因子取決于回波間隔的長短和回波鏈的數目。簡單的說這種每條K空間線原始信號強度的T2弛豫差別會導致最后圖像的不同程度的模糊效應。回波間隔越短、回波鏈長度越短這種模糊效應就會越輕。了解這些大家就會更能深刻的理解在FSE序列中的“快”的益處與代價，在二者之間尋求一個最佳的平衡點是序列開發人員和磁共振使用者所共同追求的一個目標。盡管我們在討論K空間屬性時強調過K空間中心部更多的決定圖像的信噪比和對比度，但過長的回波鏈依然會導致圖像的對比度變差和信噪比降低。現在的問題是在一個TR時間內我們到底能用多長的回波鏈？我們能不能有一個考量的標準呢？首先，我們需要強調的是在相同的回波時間跨度內，顯然回波間隔越短則可以允許使用的回波鏈可以更長。降低回波間隔可以從序列設計本身，也可以通過參數的調節。為了解釋如何縮短回波間隔問題，我們這里需要引入一個簡單的公式：θ=γB₁τ。盡管過多的公式會讓我們頭疼，但如果我們理解了會幫助我們更好的理解序列上的技術細節。這里面B1就是射頻場的強度，τ是射頻脈沖的持續時間。大家可以發現如果要達到相同的翻轉角時，B1場強度大則需要的持續時間就短。在GE的磁共振平臺的FSE_XL序列就是默認選用相對更高的射頻場強度來縮短聚焦脈沖的持續時間。當然，我們要想縮短ESP還可以通過采用較大的接收帶寬或適當減少頻率編碼矩陣等方法實現。當然每種方法都有一定的局限性。

通過上面的示意圖我們不能發現當我們采用更高的射頻場強度時我們便可以減少射頻場持續的時間，這對于縮短回波間隔有一定的意義。

       回波鏈長度與組織對比度：這部分內容在參數優化分享章節會做專門的重點討論。這里我們必須強調的是快速自旋回波序列的“快”在一定程度是以犧牲圖像的對比度作為代價的。當我們使用FSE這一類序列進行成像時一定注意決定對比度的不僅僅是由我們所設定的TR、TE等參數來決定，回波鏈長度其實對對比度有重要的影響，只不過它作為一種暗線參數存在著。特別是當我們采用FSE序列進行T1加權對比度成像，回波鏈長度必須控制在很短的范圍內，結合恰當的信號讀取帶寬、頻率編碼矩陣等，一般回波鏈長度也需要控制在3或4左右，除了類似垂體動態增強掃描時偶爾會把回波鏈放在5左右，因為這種情況下我們更強調的是時間分辨率，而我們要觀察的也是對比劑引起的T1弛豫改變。具體問題具體分析是實現磁共振個性化掃描的基礎，但總的原則必須堅持是做好質量控制的前提。

        快速恢復快速自旋回波：如前所述快速自旋回波序列通過回波鏈技術大大縮短了SE序列的掃描時間，但我們也指出受回波信號逐漸下降趨勢以及SAR值等因素的影響，回波鏈的長度使用也有明顯限制。在T2加權對比度成像，為了最大化消除T1弛豫的污染客觀上要求使用比較長的TR時間，這就意味著會有一部分重復時間是用來等待的，這無疑降低了掃描效率。我們有沒有一種更高效的方式能在相對較短的時間內促進完成T1弛豫呢？這就是快速恢復快速自旋回波序列的產生基礎。快速恢復快速自旋回波（Fast Recovery Fast Spin Echo, FRFSE）中的快速恢復機制，也被稱為驅動平衡（Driven equilibrium）在不同公司可能有不同的實現機制。在GE磁共振這個快速恢復包括兩個步驟：首先是一個180°聚焦脈沖使殘存的橫向磁化矢量相聚，然后一個負90°的射頻脈沖把這些橫向磁化矢量翻轉到縱向。這個過程有點像拔苗助長，它能夠在更短的時間內完成縱向弛豫，所以如果用這個序列完成T2加權像我們就可以適當的采用短TR，這樣有利于實現更快的掃描。但即便如此，通常TR也不宜過短，至少在2000ms左右。同時必須強調這種快速恢復的機制使得這個序列不適合用于T1加權對比成像，因為快速恢復這個脈沖組合一定程度上消除了組織間的縱向弛豫對比。打個比方：兩個孩子在奔跑中同時摔倒在地，因為每個孩子的體質和應變能力不同，他們自己慢慢站立起來的時間可能就不同，我們通過觀察這些差別一定程度也反映了孩子的某種內在屬性；如果此時兩個孩子的家長看見孩子摔倒馬上用力把他們拉起來，我們就不能通過站立起來的這個動作時間來考察孩子自身的應變能力了。我們學習這些不同的序列一定牢記這些序列的特點，這樣才能在臨床實際應用中揚長避短，更好的滿足臨床和診斷的需要。

圖片說明：在眼球掃描過程中采用相同的TR(2000ms)、TE(102ms)和回波鏈長度(18)時，可以發現FRFSE眼球及腦脊液亮度明顯高于FSE序列；而雙下肢掃描時FSE：TR 740ms, TE10.9ms, ETL3, FRFSE：TR649ms,TE10.9ms, ETL3。我們發現一個在FSE序列上呈等T1信號改變的病變在FRFSE呈“短T1”信號改變，似乎提示這是一個出血或脂肪性或蛋白含量高的囊性病變，但此時的T1高信號并不能反映病變的T1弛豫特性，因為快速恢復脈沖的存在消除了組織間T1弛豫的差別，盡管TR很短，但相應圖像具有一定質子密度對比的存在。