磁共振成像原理學習過程中的基本概念與核心技術要點

雖然對于基本概念和核心技術要點的學習容易產生一種如蝸牛爬行的感覺，但如果能做到對這些基本概念和核心技術要點的深入了解和理解，才能讓我們真正理解一個序列或者成像技術，也更有助于幫助大家在實際工作中能真正用好這些序列或成像技術。作為新一年公眾號的開篇之作，我想以RARE類序列為例和大家談一下我自己在學習這一序列中的一點體會，以此和大家共勉。

RARE相關序列及其基本概念：如果提及FSE或者TSE序列大家一定不會陌生，這是我們平時工作中使用的最頻繁的一個成像脈沖序列。但如果提到RARE序列很多人卻不知道它到底是一個什么序列。其實RARE序列就是FSE或者TSE這些序列的公共名稱。如果大家能夠靜下心來深入學習關于RARE這一序列的早期相關文獻，對于我們理解FSE或者TSE序列而言是特別有幫助的。RARE是Rapid Acquisition with Relaxation Enhancement的縮寫。當我們仔細思考這一序列名稱的背后含義就會更好的理解FSE序列或TSE序列使用過程中的很多注意事項。RARE這一成像序列方式是在80年代中期提出的。和SE序列不同的是，在RARE序列成像每個激勵脈沖后會跟隨一連串的聚焦脈沖，也就是復相位脈沖，因此會采集到一連串的回波信號。當賦予這些回波信號不同的相位編碼梯度幅值就可以生成K空間平面中一組K空間線，從而提高掃描速度。在RARE相關文獻中，通常采用90°射頻激勵脈沖和隨后一組180°聚焦脈沖的描述形式，這是一種簡化的描述方式，在各個廠商所實現的類似序列中通常為了減少SAR值或者維持圖像對比度穩定，對于聚焦脈沖都會進行相應的優化設計。

圖1：RARE（FSE或TSE序列）常用脈沖序列示意圖，這里的示意圖可以發現越靠后的回波信號幅度越低。回波鏈中不同的回波信號被賦予不同的相位編碼梯度幅值，從而構成K空間平面中不同的相位編碼線。

通過圖1解釋一下RARE這個序列背后的寓意。在圖1中借助于在90°射頻激勵脈沖后多個180°聚焦脈沖采集技術可以實現在一個TR重復時間內采集K空間平面中多條K空間線，這樣就大大提高了RARE序列的成像速度，這里用Rapid Acquision來描述這種基于回波鏈采集技術的第一個屬性，這也是基于回波鏈采集技術的重要目的。但圖1也表明：因為回波鏈中不同回波對應的TE時間不同，這時相對應的回波信號也不同，越靠后的回波其信號幅度就越低。因為在RARE序列采用了多個聚焦脈沖進行復相位，這些聚焦脈沖可以消除相對恒定的磁場不均勻所導致的信號衰減，所以在RARE回波鏈采集過程中信號強度遵循T2弛豫衰減規律。顯而易見，如果采用的回波鏈長度越長，最后的回波就會更弱。這種回波鏈采集技術中不同回波所遵循的T2弛豫衰減規律會對圖像的對比度和信噪比帶來一個調制作用。眾所周知，在K空間平面中不同位置的K空間線實際上是通過對所獲得的回波信號施加不同的相位編碼梯度幅值來實現，在不同的相位編碼梯度幅值作用下，信號會發生不同程度的相位發散。信號相位發散的越明顯，相應的信號強度就會越低。在K空間中心區域也就是低頻K空間區域，施加的相位編碼梯度幅值較小，因此所獲得的回波信號被破壞的程度就比較輕，該區域K空間線就具有更高的信號強度；而在K空間邊緣部也就是高頻K空間區域，施加的相位編碼梯度幅值更高，這樣對于所獲得的本底信號破壞的就更明顯，因此這部分K空間數據具有較低的信號強度。在SE或GRE單回波采集技術，每次信號采集的TE時間都是相同的，所以每次采集的本底回波信號幅度是相同的。當施加不同的相位編碼梯度幅值后信號會遭到不同程度的破壞。但這里大家要注意在SE或GRE單回波采集技術，對于不同K空間線信號強度影響的因素只有一個：那就是相位編碼梯度幅值，也可以理解為這些K空間線的本底信號強度是相同的，唯一的調制因素就是所施加的相位編碼梯度幅值。在RARE序列則不同，除了相位編碼梯度幅值作為信號強度的調制因素以外，相應回波所對應的回波時間也是其中一個調制因素，因為回波鏈采集所導致的不同回波時間的信號強度變化是由組織的T2弛豫屬性所決定的，所以這里把回波鏈上不同回波點對應的TE時間不同對于信號強度的影響理解為受T2弛豫屬性調制，稱之為T2 Weighting function(T2加權函數)。假設我們把靠后的回波放在K空間的邊緣，那么其中短T2弛豫屬性的物質信號強度就會變得更低，如肌肉韌帶等組織的信號就會過低并被淹沒于噪音之中，這是導致這些短T2弛豫屬性物質圖像模糊的原因之一。因為在RARE序列中K空間線的信號強度還受回波鏈所導致的T2弛豫調制，這里用Relaxation Enhancement來表達RARE序列的這一序列屬性。可見，深入了解RARE這一序列簡寫的背后含義，對于理解FSE或TSE序列圖像特性以及實際成像過程中參數優化都具有重要意義。

圖2：FSE序列回波鏈長度對圖像質量的影響。當其他參數相同時采用更長的回波鏈長度會導致圖像模糊，這里對比可以發現當回波鏈長度從17變為31時椎體邊緣變模糊、椎間盤信號變低。

回波鏈長度、回波間隔及其對圖像質量的影響：理解了RARE類序列這一基本屬性后，在序列實施和參數優化過程中我們就會關注回波間隔、回波鏈長度這些重要影響因素。而當關注回波間隔時我們就會思考什么是回波間隔？回波間隔的影響因素是什么？對于RARE序列而言影響回波間隔的因素很多，如射頻脈沖的持續時間、信號采集接收帶寬、頻率編碼矩陣等都會影響到回波間隔，顯然回波間隔越長，相同的回波鏈長度時相同序數采集點對應的TE時間也越長，這會導致更明顯的圖像模糊和信噪比變差。圖3：RARE類FSE或TSE序列接收帶寬對圖像質量的影響。當其他參數相同時采用更窄的接收帶寬會導致圖像模糊，這里對比可以發現接收帶寬從41.7變為15.6時椎體邊緣變模糊、椎間盤信號變低。

圖3對比需要思考的一個概念是信號采集的接收帶寬是什么？它和回波間隔是什么關系？順著這條思路我們就會發現在不同廠商的磁共振成像設備對于接收帶寬的表現形式是不同的，有些廠商給出的是信號接收的半總帶寬，而有些廠商給出的是像素帶寬。兩種帶寬之間是可以相互轉換的。半總帶寬乘以2再乘以1000后得到信號接收總帶寬，用該總帶寬除以頻率編碼矩陣就是像素帶寬；而像素帶寬乘以頻率編碼矩陣就是總帶寬。信號接收帶寬采用不同的表達形式在具有應用中具有各自不同的方便之處，這里不做過多討論。總帶寬的倒數就是采集頻率編碼矩陣一個信號點所需要花費的時間，該時間也稱為駐點時間（dwell time）。顯然，總帶寬越寬，采集一個點的時間就越短，對于相同的頻率編碼矩陣而言信號采集的總時間就越短，通常所對應的回波間隔就可能更短。但這里面還涉及到另一個重要概念，就是信號采集的總帶寬越寬本質上就是采用的讀出梯度的場強越強。通常信號采集是在讀出梯度達到平臺期后開始，因此讀出梯度場強越大梯度爬升到該水平所需要的爬升時間就越長。爬升時間延長就可能導致回波間隔延長。由此可見信號接收帶寬對于回波間隔時間的影響具有二重性，只是通常在RARE類序列所使用的讀出梯度場強沒有那么高，所以爬升時間對于回波間隔的影響通常不會表達出來。圖4：RARE類FSE或TSE序列頻率編碼矩陣對于圖像質量的影響。這里對比可以看出當回波鏈長度、接收帶寬相同時隨著頻率編碼矩陣的增加，圖像不僅沒有變得更銳利，相反，當頻率編碼矩陣從320增加到512時圖像變得更模糊。

RARE類FSE或TSE序列是臨床最常使用的成像脈沖序列之一，也是很多使用者相對更為熟悉的序列。但大家在對這個序列的學習過程中如果僅僅停留在一些表面概念上，比如大概了解回波鏈長度、有效TE時間、回波間隔等基本定義還是遠遠不夠的。我們需要對于回波鏈長度、回波間隔這些概念進行更深入的循序漸進的學習，充分了解回波鏈長度、回波間隔對于RARE類序列圖像對比度、空間分辨率的影響；與此同時我們還需要學習回波間隔的基本概念及其相關影響因素。以回波間隔作為概念的切入點，我們又要深入學習信號采集接收帶寬、頻率編碼矩陣等對于回波間隔的影響。只有當我們充分理解這些因素之間的相互關系時，才能更好的理解參數中某一個因素變化后對于圖像所產生的全局性變化。譬如，理論上信號的接收帶寬越窄，信號采集的時間就越長，這在一定程度會提升圖像的信噪比。這也就是通常所說的信噪比和接收帶寬的平方根成反比。但是，當采用更窄的接收帶寬時就會導致回波間隔隨之延長，這會導致RARE類序列“所伴隨的弛豫增強”會更加明顯，而這種“弛豫增強”更加明顯就會導致圖像模糊，同時因為信號采集時間跨度延長也會導致圖像信噪比實際上也會降低。理論上頻率編碼矩陣增加會提高圖像的顯示細節，但因為頻率編碼矩陣的增加也同時可能導致回波間隔延長，這同樣會導致增加頻率編碼矩陣使得圖像的空間分辨率朝著相反方向變化。

本文以RARE類FSE序列為例和大家討論了對于這一序列學習過程中需所涉及的幾個基本概念，通過針對這幾個基本概念的討論不難發現：對于一個通常被認為特別簡單、特別熟知的成像序列而言，其實我們還是有很多細節并不清楚。在磁共振成像原理的學習過程中我們就需要經常把那些看起來不是問題的問題來多問問自己，這樣我們才能一點一滴的逐步了解和理解很多原理，包括成像脈沖序列，包括序列中很多成像參數。只有不斷思考不斷總結，我們才有可能對磁共振成像原理有越來越深入的了解和理解。