心臟磁共振成像——基本脈沖序列（二）

前面所討論的FIESTA亮血序列在心臟磁共振成像過程中具有特別重要的臨床意義，它能夠很敏感地發現心臟運動功能的異常，也能顯示瓣膜關閉不全所導致的返流。但正如前文所述，FIESTA這個序列的對比度非常特殊，它既不是T1加權對比也不是T2加權對比，它所反映的是T2/T1對比。顯然這種混雜的對比有時在顯示病變上會有一定困難。在心臟磁共振成像中除了要觀察心臟的運動和瓣膜等情況，同時也需要觀察心肌的形態學改變，包括準確地評估心肌厚度改變、其內有無異常信號改變等等，這就需要一些更特殊的序列來回答這些問題。同時，因為心臟是一個周而復始的泵血器官，心腔內充滿隨著心臟周期運動而不斷流動的血液。要想顯示心肌形態或其內信號改變客觀上必須解決兩個問題：其一，如何在心臟的絕對運動中進行相對靜止成像？其二，如何能把其中的血液作為一種對比襯托心肌的形態？這就是下面要討論的心臟黑血成像。

在討論心臟專用的黑血成像脈沖序列之前，可以先回顧一下磁共振成像中血液的流空效應。血液流動在磁共振成像中是一種很重要的對比，利用這種對比可以進行亮血血流成像如TOF MRA、PC MRA等，也可以用來進行黑血成像。從脈沖序列成像過程中射頻激勵到信號讀出整個過程來看，自旋回波序列可以產生流空效應，而梯度回波序列則更傾向于產生流入增強效應。之所以會有這樣的差別，這里還需要從回波產生的機制來分析。在自旋回波序列家族回波信號的產生有兩種機制在起作用：其一是射頻聚焦脈沖；其二是讀出梯度。雖然最后的信號是通過讀出梯度來完成的，但聚焦脈沖這里也發揮著重要作用。

圖片說明：自旋回波序列家族的流空與梯度回波序列的流入增強效應。TOF MRA所依賴的成像序列是梯度回波序列，這里除了利用快速射頻激勵等所導致的背景抑制也利用了梯度回波序列的流入增強效應。因為梯度回波序列在利用梯度場極性切換進行回波讀取過程中不施加選層梯度，所以梯度回波序列和FSE序列一個重要區別是梯度回波具有流入增強效應，而SE序列家族則具有流空效應。

這里簡單說明一下為什么SE序列家族在信號讀取過程中會產生血液流空效應。在SE序列其信號讀出是在讀出梯度作用下完成的，但在讀出梯度前所施加的射頻聚焦脈沖對于回波的形成也起著重要作用。一方面，這個射頻聚焦脈沖可以消除各種偏共振效應所導致的信號衰減，同時因為這個聚焦脈沖配合有選層梯度，這對于流動的血液來說經歷過射頻激勵的那部分血液在施加聚焦脈沖時可能已經離開了成像層面。選擇的TE時間越長，這種流空帶來的效應就越明顯。在梯度回波序列因為沒有聚焦脈沖的作用，而讀出梯度讀取信號時沒有選層梯度相配合，這樣讀出梯度可以重聚信號的范圍就很大，這是產生流入增強的基礎。雖然SE或FSE序列理論上可以實現黑血成像，但這種黑血效應顯然受血流速度制約，當血流速度較慢時就可能出現流空效應不明顯的問題。如何確保在心臟黑血成像過程中獲得更好的黑血效果呢？這就是下面要討論的多反轉恢復黑血成像脈沖序列。

圖片說明：自旋回波脈沖序列和雙反轉恢復脈沖序列示意圖。圖中展示在心臟活動受限時SE序列的黑血效應明顯下降，而在雙反轉恢復FSE黑血序列取得了較好的黑血效果。

在通常的SE或FSE序列，如果要獲得好的流空效應往往需要較薄的掃描層厚和相對快的血流速度，同時對血流狀態也有比較嚴格的要求。可以設想一下，如果在成像過程中系統施加一個非選擇性的反轉脈沖，這樣流入到成像層面內的血液就可能有兩種機制產生黑血效應：一種是流空效應，而另一種是流入層面內的血液經過一個反轉脈沖作用。當被反轉的血液流入到成像層面時如果剛好縱向弛豫恢復到零點（此時這部分血液就沒有縱向磁化矢量），那么它們哪怕流得非常慢，慢到在層面內既能接受到射頻激勵作用也能接受到聚焦脈沖作用，但因為在射頻激勵時沒有橫向磁化矢量的產生，因此也就不會因為聚焦脈沖的作用而產生一個回波信號，這樣雙重作用顯然更有利于黑血成像。事實上如果只使用一個非選擇性的反轉脈沖，通過合理的設定反轉時間，也能實現成像層面內的黑血成像。但是當操作者在進行心臟黑血成像時操作者的真正成像目的不是為了黑血而黑血，更重要的目的是通過黑血而更好地顯示心肌形態，這就是采用多反轉脈沖的原因。在雙反轉恢復脈沖序列中，首先施加一個非層面選擇的大范圍反轉脈沖，使得成像區域內的所有組織包括血液經歷一次縱向磁化矢量的反轉；隨后，針對成像層面再施加一個層面選擇性的反轉脈沖，這時對于成像層面而言，短時間內施加了兩次反轉脈沖使得它們對于成像層面所產生的縱向磁化矢量的宏觀作用相互抵消，因此該層面內的心肌等結構相當于未受到反轉脈沖的作用（需要指出的一點是為了確保心肌具有更高的信號，第二個反轉脈沖的厚度要大于選擇的層面厚度，比如3倍。但在長軸位掃描為了確保黑血效果更好這個層面因子要適當降低）。而成像層面外的血液卻是經歷了反轉脈沖的作用，這個反轉脈沖作用后這部分血液縱向磁化矢量會逐步經過T1弛豫過程慢慢恢復，在一個特定的時間點血液的縱向磁化矢量剛好恢復至回零點時，此時縱向上就沒有磁化矢量的存在。任何一次射頻激勵所能產生的信號的大小其實都是瞬間縱向磁化矢量幅度的反映。如果在射頻激勵過程中不存在縱向磁化矢量，也就意味著不會有最后信號的產生。在反轉恢復序列這個特定的時間點就是通常所說的回零時間（nulling time）。接下來需要思考的問題是對于流動血液而言，這個回零時間點是多少？同時還需要進一步解讀心臟磁共振成像過程中實現黑血成像的相關脈沖序列及其成像原理。

組織經歷了一個180°反轉脈沖作用后其縱向弛豫的回零時間遵循以下公式：TI_null=T1_blood×{ln2-ln(1+e^-TR/T1)} ，當TR遠遠大于T1時，該公式可簡化為：TI_null=T1_blood×ln2 。因為血液的T1弛豫時間在1.5T和3.0T上分別是1200ms和1600ms，所以對應于1.5T和3.0T的血液回零時間分別為830ms和1100ms。但是請注意這個簡化的公式是在TR遠遠大于T1時才成立，在心臟掃描過程中這個假設是不成立的。用于黑血成像的雙反轉或三反轉（Double IR、Triple IR）使用的是前瞻性門控技術，其R-R間期通常選擇1或2，根據人群的平均心率75次/分鐘，選擇1個或2個R-R間期時TR時間分別是800ms和1600ms，顯然這個TR時間不是遠遠大于血液的T1弛豫時間而是接近或小于。因此在實際掃描序列中應該充分考慮到TR時間的影響。理解這個回零時間的計算公式對于實際掃描很重要，雖然不需要根據實際心率變化計算對應TR下的回零時間，但至少可以幫助大家理解為什么在心臟黑血成像中這個BSP TI會選擇“Auto”，這樣是為了確保在心率變化導致TR隨之變化時系統自動計算對應的最理想的回零時間。